JP7075060B2 - 流路切換弁 - Google Patents

Description

本発明は、流路切換弁に関する。特に、本発明は、弁体を収容する弁本体と、弁体を駆動する駆動部を収容するケースと、が溶着により接合される流路切換弁に関する。

従来の流路切換弁の一例が特許文献１に開示されている。この流路切換弁は、弁室を有する弁本体と、弁室内に配置されたボール状の弁体と、弁体に連結された弁軸と、弁軸を介して弁体を回転駆動するモーター、駆動ギヤ等からなる回転駆動部と、回転駆動部を収容するケースと、を有している。

特開２０１８－１１５６９１号公報

このような流路切換弁は、例えば、一面が開口した箱状に弁本体が形成され、弁本体の開口を塞ぐようにケースが配置されており、そして、弁本体とケースとが溶着によって接合された構成のものがある。しかしながら、ケースは、弁軸を回転可能に支持したり回転駆動部を収容したりすることから複雑な形状を有しているので、溶着時のケースの傾きの管理が困難であった。

そこで、本発明は、溶着時のケースの傾きを容易に管理できる流路切換弁を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る流路切換弁は、一面が開口した合成樹脂製の箱状の弁本体と、前記弁本体に回転可能に収容される弁体と、前記弁体に取り付けられる弁軸と、前記弁軸を介して前記弁体を回転駆動する駆動部と、前記弁本体に接合され、前記駆動部を収容する合成樹脂製のケースと、を有する流路切換弁であって、前記弁軸は、前記弁本体と前記ケースとにまたがって配置され、前記駆動部は、前記弁軸における前記ケース側の端部に当該弁軸と同軸に取り付けられる駆動ギヤを有し、前記ケースは、前記弁本体の開口を塞ぐように配置される底壁部と、前記底壁部に設けられ、前記弁軸を回転可能に支持する軸受部と、前記底壁部の外面に設けられ、前記弁本体の周壁部に接合される接合部と、前記接合部に対応して前記底壁部の内面に設けられた平面部と、を有していることを特徴とする。

本発明において、前記底壁部の内面には、前記平面部を有する環状の凸部が設けられている。

本発明において、前記底壁部の外面には、前記接合部として、前記弁本体の周壁部の内側に配置され、当該弁本体の周壁部と接合される環状壁部が設けられていることが好ましい。

本発明において、前記弁本体は、前記周壁部から正面側に延びる管状の流路を有し、前記底壁部の外面には、前記軸受部より背面側に前記駆動部が有するモーターを収容するモーターケースが設けられていることが好ましい。

本発明によれば、弁体に取り付けられる弁軸が、弁本体とケースとにまたがって配置されている。弁軸を介して弁体を回転駆動する駆動部が、弁軸におけるケース側の端部に当該弁軸と同軸に取り付けられる駆動ギヤを有している。そして、駆動部を収容するケースが、弁本体の開口を塞ぐように配置される底壁部と、底壁部に設けられ、弁軸を回転可能に支持する軸受部と、底壁部の外面に設けられ、弁本体の周壁部に接合される接合部と、接合部に対応して底壁部の内面に設けられた平面部と、を有している。このようにしたことから、赤外線溶着時または超音波溶着時のケースの傾きを平面部のみで管理することができるため、傾きの管理（すなわち、溶着面の面圧の管理）が容易にできる。赤外線溶着の場合は、平面部を有する環状の凸部を設けることでケースにおける接合部に対応する部分の熱容量を大きくできる。そのため、赤外線溶着時の温度ムラを抑えることができる。または、超音波溶着の場合は、平面部に超音波振動を与えることにより、弁本体の周壁部と接合される接合部に振動エネルギーを効率よく作用させることができる。そのため、弁本体とケースとの超音波溶着の効率を効果的に高めることができる。また、平面部の外縁に至る大きさ（径）の駆動ギヤを採用することができ、比較的大きな減速比を実現できる。

本発明の一実施例に係る流路切換弁の斜視図である。 図１の流路切換弁の左側面図である。 図１の流路切換弁の縦断面図である。 図１の流路切換弁が有する弁本体の平面図である。 図１の流路切換弁においてギヤケースの上壁部を外した状態を示す平面図である。 図１の流路切換弁においてギヤケースの上壁部および回転位置検出部を外した状態を示す平面図である。 図１の流路切換弁においてギヤケースの上壁部、回転位置検出部、中間ギヤ体および大径ギヤを外した状態を示す平面図である。 図１の流路切換弁の変形例（超音波溶着に代えて赤外線溶着を採用）の構成を示す縦断面図である。

以下、本発明の一実施例に係る流路切換弁について、図１～図８を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る流路切換弁の斜視図である。図２は、図１の流路切換弁の左側面図である。図３は、図１の流路切換弁におけるボール弁体の回転軸線に沿う断面図（縦断面図）である。図４は、図１の流路切換弁が有する弁本体の平面図である。図４において、弁本体の弁室にはボール弁体とシート部材とが配置されている。図５は、図１の流路切換弁においてギヤケースの上壁部を外した状態を示す平面図であり、図６は、回転位置検出部をさらに外した状態を示す平面図であり、図７は、中間ギヤ体および大径ギヤをさらに外した状態を示す平面図である。図８は、図１の流路切換弁の変形例の構成を示す縦断面図である。図８は、図１の流路切換弁において、超音波溶着に代えて赤外線溶着を採用した構成を示す。以下の説明において、「上下左右」は各図において各部材の相対的な位置関係を示すために用いており、絶対的な位置関係を示すものではない。各図において、Ｘ軸方向を左右方向、Ｙ軸方向を手前－奥方向（正面－背面方向）、Ｚ軸方向を上下方向としている。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は互いに直交している。

各図に示すように、本実施例の流路切換弁１は、弁本体１０と、弁体としてのボール弁体２０と、シート部材３０、３０と、弁軸４０と、を有している。また、流路切換弁１は、ケース５０と、駆動部６０と、通気部７０と、回転位置検出部８０と、を有している。

弁本体１０は、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などの合成樹脂を材料として、上面が開口した略立方体箱状に形成されている。弁本体１０は、底壁部１５と、底壁部１５の周縁に連設された四角筒状の周壁部１６とを有している。周壁部１６は、左側壁部１０ａ、正面壁部１０ｂ、右側壁部１０ｃおよび背面壁部１０ｄを有している。

弁本体１０の左側壁部１０ａには、略Ｌ字状の第１流路１１が設けられている。弁本体１０の正面壁部１０ｂには、正面側に延びる直線状の第２流路１２が設けられている。弁本体１０の右側壁部１０ｃには、第１流路１１と面対称となる略Ｌ字状の第３流路１３が設けられている。第１流路１１と第２流路１２と第３流路１３とは、弁本体１０内に設けられた弁室１４に通じている。弁室１４には、合成樹脂製の円環状のシート部材３０、３０が左右方向に互いに間隔をあけて対向するように配置されている。

ボール弁体２０は、例えば、金属や合成樹脂などを材料として、中空ボール状（球体状）に形成されている。ボール弁体２０は、シート部材３０、３０に回転可能に支持されて弁室１４に収容されている。本実施例では弁体としてボール弁体２０を用いているが、柱状の弁体を用いてもよい。

ボール弁体２０の上部には、後述する弁軸４０が挿入される弁軸挿入孔２４が設けられている。弁軸挿入孔２４は、弁軸４０が挿入されることにより当該弁軸４０の回転に伴ってボール弁体２０が回転軸線である軸線Ｌ周りに回転するように形成されている。ボール弁体２０は、軸線Ｌ周りに回転されることにより、第１流路１１、第２流路１２および第３流路１３の接続を切り換える。本実施例では、弁軸挿入孔２４は正六角形状に形成されている。

弁軸４０は、合成樹脂製であり、全体的に直線状に延びる柱形状に形成されている。弁軸４０は、円柱部４１と、円柱部４１の下端に同軸に連なる角柱部４２と、を有している。弁軸４０は軸線Ｌに沿うように配置される。

円柱部４１の下端部には、全周にわたって溝が設けられており、この溝にゴム材などの弾性部材を材料として環状に形成されたＯリング４４がはめ込まれている。円柱部４１の上端部には、駆動部６０の大径ギヤ６７が同軸に取り付けられている。また、円柱部４１における上方を向く端面４１ａの中央には軸線Ｌに沿う略円柱状の取付穴４５が設けられている。取付穴４５には、回転位置検出部８０のポテンショ軸８１が圧入により取り付けられる。

角柱部４２は、軸線Ｌと直交する断面の形状（横断面形状）が弁軸挿入孔２４と同一の正六角形状となる柱状に形成されている。角柱部４２は、ボール弁体２０の弁軸挿入孔２４に挿入されることにより、軸線Ｌに沿うように当該ボール弁体２０に取り付けられる。角柱部４２の横断面形状は弁軸挿入孔２４と同一の正六角形状に形成されているので、弁軸挿入孔２４と角柱部４２とが嵌まり合い、弁軸４０の回転に伴ってボール弁体２０が軸線Ｌ周りに回転される。

ケース５０は、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などの合成樹脂を材料として構成されている。ケース５０は、弁本体１０に取り付けられている。ケース５０は、駆動部６０を収容する。ケース５０は、モーターケース５１と、ギヤケース５２と、を有している。

モーターケース５１は、有底円筒状に形成されており、駆動部６０のモーター６１を収容する。

ギヤケース５２は、モーターケース５１が一体に設けられた平板状の底壁部５３と、通気部７０が設けられた上壁部５４と、底壁部５３と上壁部５４とを連結する周壁部５５と、を有している。本実施例において、底壁部５３と周壁部５５とは一体に設けられており、上壁部５４は図示しないねじ止め構造やスナップフィット構造などにより周壁部５５の上端に取り付けられている。ギヤケース５２は、駆動部６０の第１ウォーム６２、中間ギヤ体６３および大径ギヤ６７と、回転位置検出部８０と、を収容する。

ギヤケース５２は、底壁部５３に一体に設けられた円筒状の軸受部５６を有している。軸受部５６は、弁軸４０の円柱部４１が挿入され、円柱部４１を回転可能に支持する。弁軸４０は、軸受部５６に回転可能に支持されることにより、弁本体１０とギヤケース５２とにまたがって配置される。また、ギヤケース５２は、底壁部５３の外面５３ａから下方に突出して設けられた環状壁部としての四角筒状の内側周壁部５７を有している。本実施例において、内側周壁部５７は、弁本体１０の内側に挿入され、超音波溶着により弁本体１０の周壁部１６に接合されている。すなわち、内側周壁部５７は、周壁部１６と接合される接合部である。また、底壁部５３の外面５３ａには、内側周壁部５７の背面側にモーターケース５１が配置されている。モーターケース５１は、弁本体１０の背面壁部１０ｄと正面－背面方向に対向するように配置されている。

なお、図８に示す流路切換弁２のように、赤外線溶着により弁本体１０とギヤケース５２とを接合した構成としてもよい。流路切換弁２は、ギヤケース５２の底壁部５３に下方に突出して設けられた四角筒状の接合部１００ｂが、弁本体１０の周壁部１６に上方に突出して設けられた四角筒状の接合部１００ａに赤外線溶着により接合される。図８において、本実施例の流路切換弁１と同一の構成には、同一の符号を付している。

底壁部５３の内面５３ｂには、上方に突出する四角環状の凸部５８が設けられている。凸部５８は、軸受部５６を囲むように配置されている。また、凸部５８は、上下方向（すなわち弁本体１０とギヤケース５２との接合方向）から見たときに、内側周壁部５７および弁本体１０の周壁部１６と重なるように配置されている。凸部５８には、上方を向く環状の平面部５８ａが設けられている。

超音波溶着の場合は、弁本体１０およびギヤケース５２は、弁本体１０の周壁部１６の内側に内側周壁部５７が配置された状態で平面部５８ａに超音波振動が与えられることにより互いに接合される。なお、凸部５８を省略して、内面５３ｂ上に平面部５８ａが設けられていてもよい。平面部５８ａは、上下方向から見たときに、少なくとも内側周壁部５７と重なるように配置されていればよい。

赤外線溶着の場合は、弁本体１０およびギヤケース５２は、それぞれの接合部１００ａ、１００ｂ（図８）を加熱したあとに互いを上下方向に押圧しながら当接させることで接合される。平面部５８ａは、上下方向から見たときに、少なくとも内側周壁部５７と重なるように配置されていることが好ましい。または、凸部５８および平面部５８ａは、接合部１００ｂに均等に荷重が加わるように、上下方向から見たときに、接合部１００ｂと同軸に配置されていることが好ましい。

駆動部６０は、弁軸４０を介してボール弁体２０を回転駆動する。駆動部６０は、モーター６１と、減速機を構成する第１ウォーム６２、中間ギヤ体６３および駆動ギヤとしての大径ギヤ６７と、を有している。

モーター６１は、ギヤケース５２の底壁部５３に設けられた貫通孔からギヤケース５２内に駆動軸６１ａが突き出るようにモーターケース５１内に配置されている。駆動軸６１ａの先端には、第１ウォーム６２が取り付けられる。

中間ギヤ体６３は、ギヤケース５２内に配置されている。中間ギヤ体６３は、軸部６４と、軸部６４の一端部６４ａに設けられ、第１ウォーム６２と噛み合う小径ギヤ６５（第１ウォームホイール）と、軸部６４の他端部６４ｂに設けられ、大径ギヤ６７（第２ウォームホイール）と噛み合う第２ウォーム６６と、を有している。

大径ギヤ６７は、ギヤケース５２内に配置されている。大径ギヤ６７は、円板状に形成され、中央に設けられた貫通孔に弁軸４０の円柱部４１が圧入により取り付けられている。大径ギヤ６７は、弁軸４０におけるギヤケース５２側の端部に取り付けられている。

駆動部６０は、モーター６１の駆動軸６１ａの回転力を、第１ウォーム６２、中間ギヤ体６３および大径ギヤ６７を通じて弁軸４０に伝達して弁軸４０を軸線Ｌ周りに回転させる。これにより、ボール弁体２０を所望の回転位置に位置づける。

回転位置検出部８０は、回転角出力軸であるポテンショ軸８１と、ベース体であるポテンショベース８２と、回転角センサーであるポテンショメーター８５と、を有している。

ポテンショ軸８１は、例えば、ステンレスや真ちゅうなどの金属製またはポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などの合成樹脂製であり、弁軸４０と別体に設けられている。ポテンショ軸８１は、弁軸４０の取付穴４５に圧入されることにより弁軸４０に同軸に固定して取り付けられる。ポテンショ軸８１は、上端部に設けられたＤカット形状の嵌合軸部８１ａがポテンショメーター８５のローター８６と嵌め合わされる。なお、嵌合軸部８１ａが弁軸４０の端面４１ａに一体に設けられていてもよい。

ポテンショベース８２は、合成樹脂製であり、ベース本体部８３と、センサー支持部８４と、を一体に有している。ベース本体部８３は、略平板状に形成され、ギヤケース５２の底壁部５３の内面５３ｂから上方に突出する円柱状のボス５３ｃ、５３ｃにねじ９５、９５によって固定される。センサー支持部８４は、大径ギヤ６７より小さい径の略円板状に形成され、中央にポテンショメーター８５が取り付けられている。センサー支持部８４は、ギヤケース５２内において、大径ギヤ６７の上方に重なるように配置されている。

ポテンショメーター８５は、回転角（回転角度）を検出するための回転角センサーである。ポテンショメーター８５は、円板状のローター８６と、ローター８６を回転可能に支持するとともに、ローター８６の回転角に応じた信号（電圧）を出力する信号出力部であるメーター本体部８７と、を有している。ローター８６の中央には、平面視Ｄ字状の嵌合孔が設けられており、嵌合孔にはポテンショ軸８１の嵌合軸部８１ａが貫通しかつ嵌合軸部８１ａとともにローター８６が回転されるように嵌め合わされる。ローター８６は、嵌合軸部８１ａの回転に伴って回転される。これにより、ポテンショメーター８５は、ポテンショ軸８１（すなわち、弁軸４０およびボール弁体２０）の軸線Ｌ周りの回転角を検出する。

流路切換弁１は、駆動部６０が有するモーター６１の駆動軸６１ａの回転力が大径ギヤ６７等を通じて弁軸４０に出力され、弁軸４０が軸線Ｌ周りに回転される。この弁軸４０の回転に伴ってボール弁体２０が軸線Ｌ周りに回転されて、各回転位置に位置づけられる。これにより、回転位置に応じた流路の接続が実現される。また、弁軸４０とともにポテンショ軸８１が軸線Ｌ周りに回転され、ポテンショ軸８１の回転角に応じた信号がポテンショメーター８５から出力される。ポテンショメーター８５から出力された信号に基づいて、ボール弁体２０の回転位置を監視することができる。

次に、上述した流路切換弁１が有する弁本体１０とケース５０との接合方法について、図７を参照して説明する。

弁本体１０の弁室１４に、ボール弁体２０およびシート部材３０、３０を配置する。ボール弁体２０の弁軸挿入孔２４に弁軸４０の角柱部４２を挿入する。そして、弁本体１０にギヤケース５２の底壁部５３を近づけて、ギヤケース５２の軸受部５６に弁軸４０の円柱部４１を挿入し、弁本体１０の周壁部１６の内側に内側周壁部５７を挿入する。これにより、底壁部５３が弁本体１０の開口を塞ぐように配置される。

そして、超音波溶着の場合は、超音波溶着装置のホーンを平面部５８ａに当てて超音波振動を与える。平面部５８ａは周壁部１６および内側周壁部５７に対応して配置されている、すなわち、上下方向から見たときに平面部５８ａと周壁部１６および内側周壁部５７とが重なるように配置されている。そのため、内側周壁部５７と周壁部１６とに振動エネルギーが効率よく作用して、短時間で周壁部１６と内側周壁部５７とを溶着することができる。また、平面部５８ａの傾きを検出することで、超音波溶着時のギヤケース５２の傾きを容易に管理することができる。

または、赤外線溶着の場合は、弁本体１０の接合部１００ａとギヤケース５２の接合部１００ｂを赤外線ヒータにより加熱したあとに互いを押圧しながら当接させることで接合する。このとき、弁本体１０を治具で固定し、ギヤケース５２の平面部５８ａを所定荷重で下方に押圧することで、傾きの管理（すなわち、溶着面の面圧の管理）が容易にできる。また、凸部５８を設けることにより、底壁部５３における接合部１００ｂに対応する部分がその周囲の部分より肉厚となるので、ギヤケース５２の接合部１００ｂの熱容量を大きくできる。これにより、接合部１００ｂの周囲の形状の違いにより生じる温度ムラを抑制し、接合部１００ｂの温度を均一にできる。そのため、溶着強度の向上を図り、高い気密性及び耐久性を得ることができる。

以上より、本実施例の流路切換弁１によれば、ボール弁体２０に取り付けられる弁軸４０が、弁本体１０とギヤケース５２とにまたがって配置されている。弁軸４０を介してボール弁体２０を回転駆動する駆動部６０が、弁軸４０の円柱部４１に同軸に取り付けられる大径ギヤ６７を有している。そして、ギヤケース５２が、弁本体１０の開口を塞ぐように配置される底壁部５３と、底壁部５３に設けられ、弁軸４０を回転可能に支持する軸受部５６と、底壁部５３の外面５３ａに設けられ、弁本体１０の周壁部１６に接合される内側周壁部５７と、周壁部１６および内側周壁部５７に対応して底壁部５３の内面５３ｂに設けられた平面部５８ａと、を有している。このようにしたことから、超音波溶着時または赤外線溶着時のギヤケース５２の傾きを平面部５８ａのみで管理することができるため、傾きの管理（すなわち、溶着面の面圧の管理）が容易にできる。超音波溶着の場合は、平面部５８ａに超音波振動を与えることにより、弁本体１０の周壁部１６と接合される内側周壁部５７に振動エネルギーを効率よく作用させることができる。そのため、弁本体１０とギヤケース５２との超音波溶着の効率を効果的に高めることができる。また、平面部５８ａの外縁に至る大きさ（径）の大径ギヤ６７を採用することができ、比較的大きな減速比を実現できる。

また、底壁部５３の内面５３ｂには、平面部５８ａを有する四角環状の凸部５８が設けられている。このようにすることで、ケース５０を射出成形によって得る場合に、凸部５８に対応する金型コマを設け、金型コマのみ寸法精度を高めて、平面部５８ａの平面精度を比較的容易に高めることができる。そのため、溶着時のギヤケース５２の傾きをより精度よく管理できる。特に、赤外線溶着の場合は、平面部５８ａを有する環状の凸部５８を設けることでギヤケース５２の底壁部５３における接合部１００ｂに対応する部分の熱容量を大きくできる。そのため、赤外線溶着時の温度ムラを抑えることができる。

また、弁本体１０は、周壁部１６から正面側に延びる管状の第２流路１２を有している。そして、ギヤケース５２の底壁部５３の外面５３ａには、軸受部５６より背面側に駆動部６０が有するモーター６１を収容するモーターケース５１が設けられている。このようにしたことから、弁本体１０に、正面側と背面側とを反対に向けてケース５０を組み付けようとするとモーターケース５１が第２流路１２に当たり、弁本体１０とケース５０とを組み付けることができない。そのため、弁本体１０に誤った向きでケース５０が組み付けられてしまうことを防止することができる。

上記に本発明の実施例を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。前述の実施例に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、実施例の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の趣旨に反しない限り、本発明の範囲に含まれる。

１、２…流路切換弁、１０…弁本体、１０ａ…左側壁部、１０ｂ…正面壁部、１０ｃ…右側壁部、１０ｄ…背面壁部、１１…第１流路、１２…第２流路、１３…第３流路、１４…弁室、１５…底壁部、１６…周壁部、２０…ボール弁体、２４…弁軸挿入孔、３０…シート部材、４０…弁軸、４１…円柱部、４１ａ…端面、４２…角柱部、４４…Ｏリング、４５…取付穴、５０…ケース、５１…モーターケース、５２…ギヤケース、５３…底壁部、５３ａ…外面、５３ｂ…内面、５３ｃ…ボス、５４…上壁部、５５…周壁部、５６…軸受部、５７…内側周壁部、５８…凸部、５８ａ…平面部、６０…駆動部、６１…モーター、６１ａ…駆動軸、６２…第１ウォーム、６３…中間ギヤ体、６４…軸部、６４ａ…一端部、６４ｂ…他端部、６５…小径ギヤ、６６…第２ウォーム、６７…大径ギヤ、７０…通気部、８０…回転位置検出部、８１…ポテンショ軸、８１ａ…嵌合軸部、８２…ポテンショベース、８３…ベース本体部、８４…センサー支持部、８５…ポテンショメーター、８６…ローター、８７…メーター本体部、９５…ねじ、１００ａ、１００ｂ…接合部

Claims (3)

1. 一面が開口した合成樹脂製の箱状の弁本体と、前記弁本体に回転可能に収容される弁体と、前記弁体に取り付けられる弁軸と、前記弁軸を介して前記弁体を回転駆動する駆動部と、前記弁本体に接合され、前記駆動部を収容する合成樹脂製のケースと、を有する流路切換弁であって、
   前記弁軸は、前記弁本体と前記ケースとにまたがって配置され、
   前記駆動部は、前記弁軸における前記ケース側の端部に当該弁軸と同軸に取り付けられる駆動ギヤを有し、
   前記ケースは、
   前記弁本体の開口を塞ぐように配置される底壁部と、
   前記底壁部に設けられ、前記弁軸を回転可能に支持する軸受部と、
   前記底壁部の外面に設けられ、前記弁本体の周壁部に接合される接合部と、
   前記接合部に対応して前記底壁部の内面に設けられた平面部と、を有し、
   前記底壁部の内面には、前記平面部を有する環状の凸部が設けられていることを特徴とする流路切換弁。
2. 前記底壁部の外面には、前記接合部として、前記弁本体の周壁部の内側に配置され、当該弁本体の周壁部と接合される環状壁部が設けられている、請求項１に記載の流路切換弁。
3. 前記弁本体は、前記周壁部から正面側に延びる管状の流路を有し、
   前記底壁部の外面には、前記軸受部より背面側に前記駆動部が有するモーターを収容するモーターケースが設けられている、請求項１または請求項２に記載の流路切換弁。

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