JP7116486B2 - 制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、弁体の回転により流体の流れを制御する制御弁に関する。

例えば給湯装置には、給湯管と給水管との合流部に混合弁が設けられる。給湯管からの高温水と給水管からの低温水との混合比がその混合弁により調整され、適温の湯水が給水設備へ向けて導出される。このような混合弁は一般に、Ｔ字管状のボディを有する。ボディは、有底円筒状の本体と、本体と同軸状に設けられた第１配管部と、本体の側部に設けられた第２，第３配管部とを含む。第２配管部が給湯管に接続され、第３配管部が給水管に接続される。第１配管部は、給水設備につながる配管に接続される。本体の内方には弁室が形成される。第１～第３配管には、それぞれ第１～第３ポートが設けられる。

ボディには、第１ポートと第２ポートとを弁室を介して連通させる第１流路と、第１ポートと第３ポートとを弁室を介して連通させる第２流路とが形成される。弁室には有底円筒状の弁体が配設される。弁体の底部中央から回転軸が延出し、本体の底部を貫通してモータの回転軸に接続される。弁体の側部には周方向に延びる開口部が設けられている。モータの駆動により弁体の回転角度を制御することにより第１流路と第２流路との開口比率が調整され、高温水と低温水との混合比が調整される。

このような混合弁として、弁体を第１ポートから挿入し、本体に組み付けたものがある（例えば特許文献１参照）。本体の底部には、弁体の回転軸を挿通できる程度の小径の挿通孔が設けられている。混合弁を組み立てる際には、弁体をその回転軸の側から第１配管に挿入して本体に組み付け、その回転軸をボディの外部に突出させる。この回転軸にモータの回転軸を連結しつつモータをボディに組み付ける。このモータの組み付けに際してボディから回転軸が突出した状態を保持する必要があり、その組み付け後においては弁体の脱落を防止する必要がある。そこで、特許文献１に記載の構成では、ボディから突出した回転軸の外周面に溝を設け、弾性線材からなるクリップを装着している。このクリップをボディの上面で支持することで、弁体の脱落等を防止できる。

特開２００９－２２８７６４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、クリップをその弾性力に抗して回転軸側に押し込まなければならず、必ずしも作業性が良いとは言えない。また特に、クリップが回転軸の側面を挟むように弾性的に当接するため、弁体の回転抵抗となり、モータの回転トルクを無用に増大させる可能性がある。なお、このような問題は、給湯装置の混合弁に限らず、弁体の回転により流体の流れを制御する制御弁であれば生じ得る。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、弁体の回転により流体の流れを制御する制御弁において、簡易かつ組付容易な構造にて弁体の脱落を防止することにある。

本発明のある態様の制御弁は、弁本体とモータとを軸線方向に組み付けて構成される。弁本体は、弁室が形成された有底円筒状の本体と、本体と同軸状に設けられた第１配管部と、本体の側部に設けられた第２配管部とを有し、第１配管部の第１ポートと第２配管部の第２ポートとが弁室を介して連通可能なボディと、弁室に回転摺動可能に配置され、内部が第１ポートに対して開放されるとともに、側壁にはその回転角度に応じて第１ポートと第２ポートとを連通させる開口部を有する有底円筒状の弁体と、弁体の底部中央から同軸状に延出して本体の底部を摺動可能に貫通し、モータに接続される回転軸とを備える。

この制御弁は、弁体がボディに対して第１ポートから挿入されたものである。ボディとモータとの間に、弁体を吊持するためのプレートが介装される。回転軸は、ボディとモータとの間に位置する部分に、プレートと係合可能な段差部を有する。プレートは、回転軸の外周面との間に隙間を確保するようにボディに固定される一方、段差部と軸線方向に当接して回転軸を支持可能な支持面を有する。

この態様によると、ボディとモータとの間にプレートを介装するという簡易かつ組付容易な構成により弁体の脱落を防止できる。プレートは、回転軸の段差部と軸線方向には当接可能であるものの、回転軸の外周面との間には隙間を確保する。このため、プレートそのものが弁体の回転抵抗となることを抑制できる。

本発明によれば、弁体の回転により流体の流れを制御する制御弁において、簡易かつ組付容易な構造にて弁体の脱落を防止できる。

実施形態に係る制御弁を表す斜視図である。 制御弁の縦断面図である。 制御弁の分解斜視図である。 プレートの構成を表す図である。 プレートの組付構造の詳細を表す図である。 プレートの組付構造の詳細を表す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては便宜上、図示の状態を基準に各構造の位置関係を表現することがある。

図１は、実施形態に係る制御弁を表す斜視図である。
制御弁１は、給湯装置に適用される混合弁であり、弁本体２とモータ４とを軸線方向に組み付けて構成される。弁本体２は、Ｔ字管状のボディ６を有する。ボディ６は、有底円筒状の本体８と、本体８と同軸状に設けられた第１配管部１０と、本体８の側部に設けられた第２配管部１２，第３配管部１４を有する。本体８と第１配管部１０は内径および外径が等しく、直管１６を構成している。第２配管部１２と第３配管部１４は、本体８に対して互いに反対側かつ同軸状に設けられ、直管１８を構成している。

本体８の上端にプレート２０を介してモータ４が組み付けられ、一対のねじ２２により固定されている（同図には一つのみ表示）。第２配管部１２が給湯管に接続され、高温水を導入する。第３配管部１４が給水管に接続され、低温水を導入する。第１配管部１０が給水設備につながる配管に接続され、混合された湯水を導出する。

図２は、制御弁１の縦断面図である。
ボディ６は、樹脂材の一体成形により得られる。本体８の内方に弁室２４が形成されている。また、第１配管部１０の内方に導出路２６が形成され、その開口端にポート３２（「第１ポート」として機能する）が設けられている。第２配管部１２の内方に第１導入路２８が形成され、その開口端にポート３４（「第２ポート」として機能する）が設けられている。第３配管部１４の内方に第２導入路３０が形成され、その開口端にポート３６（「第３ポート」として機能する）が設けられている。ボディ６には、ポート３４とポート３２とを弁室２４を介して連通させる第１流路３５と、ポート３６とポート３２とを弁室２４を介して連通させる第２流路３７とが形成される。

本体８の底部中央を貫通するように挿通孔３８が設けられている。弁室２４には、弁体４０が配置されている。弁体４０は有底円筒状をなし、弁室２４の内周面に沿って回転摺動可能に支持されている。弁体４０の底部中央から回転軸４２が同軸状に延出している。回転軸４２は、挿通孔３８を貫通し、モータ４の回転軸と接続される。回転軸４２の下部外周面には２段の嵌合溝４４が設けられ、それぞれＯリング４６が嵌着されている。これらのＯリング４６により、挿通孔３８を介した湯水の外部漏れが防止される。本体８の底部と弁体４０との間には、ワッシャ４８が介装されている。ワッシャ４８は、ポリテトラフルオロエチレン（以下「ＰＴＦＥ」と表記する）等からなる摩擦係数が低い樹脂製のワッシャであり、弁体４０を軸線方向に支持する滑り軸受として機能する。

弁体４０の内部は、高温水と低温水とを混合する混合室５０を形成し、ポート３２に対して開放されている。混合室５０は、ボディ６のほぼ中央に位置する。弁体４０の側部には内外を連通させる開口部５２が設けられている。開口部５２は、弁体４０の周方向に約２１０度にわたって形成されており、その周方向の中央部が第１導入路２８および第２導入路３０の一方に対向したときに他方の導入路が遮断されるように構成されている。弁体４０の回転角度、つまり開口部５２の回転位置を制御することにより、第１流路３５と第２流路３７との開口比率を調整でき、高温水と低温水との混合比を調整できる。

モータ４は、図示しないロータとステータとを含むステッピングモータやＤＣモータ等を含む。ロータの回転が回転軸４２を介して弁体４０に伝達される。図示しないモータ制御部は、温度センサによって検出された温度に基づき、給湯設備に供給される湯水が設定温度となるよう弁体４０の回転角度を制御する。

次に、制御弁１における弁体４０の支持構造について詳細に説明する。
上述のように、弁体４０が円筒状をなしており比較的大きい。一方、ボディ６が樹脂材の一体成形（射出成形）により得られたものであり、挿通孔３８は回転軸４２の外径と同程度に小さい。このため、弁体４０は、ポート３２から挿入され、ボディ６に組み付けられる。

図３は、制御弁１の分解斜視図である。図４は、プレート２０の構成を表す図である。（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は平面図であり、（Ｃ）は正面図である。（Ｄ）は（Ｃ）のＡ－Ａ矢視断面図であり、（Ｅ）は（Ｃ）のＢ－Ｂ矢視断面図である。

図３に示すように、制御弁１を組み立てる際には、予め２つのＯリング４６を回転軸４２に装着し、ワッシャ４８を弁体４０に組み付けておく。この状態から回転軸４２を先頭にして第１配管部１０のポート３２に挿入し、弁体４０をボディ６に組み付ける。そして、回転軸４２をボディ６の挿通孔３８から突出させた状態で、側方からプレート２０を組み付ける。このとき、弁体４０は、プレート２０によって吊持された状態となる。

ボディ６の上端部には、径方向に一対のリブ５４が突出し、それぞれ軸線に平行なねじ孔５６が設けられている。一方、プレート２０における一対のねじ孔５６に対応する位置に、それぞれねじ挿通孔５８が設けられている（詳細については後述）。プレート２０は、その一対のねじ挿通孔５８を一対のねじ孔５６に合わせるようにして、ボディ６および回転軸４２に組み付けられる。

このようにして組み付けられる弁本体２に対し、モータ４を組み付ける。モータ４における一対のねじ孔５６に対応する位置にもねじ挿通孔６０が設けられている。回転軸４２をモータ４の回転軸に接続しつつ、一対のねじ挿通孔６０を一対のねじ挿通孔５８に合わせるようにしてモータ４を弁本体２に組み付ける。そして、弁本体２つのねじ２２を各ねじ挿通孔を介してねじ孔５６に螺合させて締結することにより、弁本体２とモータ４とを固定できる。プレート２０は、ねじ２２によりボディ６に対してモータ４と共締めされる。なお、回転軸４２の上端部にいわゆるＤカットが施されており、モータ４の回転軸には相補形状の接続穴が設けられている。それにより、両回転軸を組み付ける際の位置合わせが行われる。

図４（Ａ）および（Ｂ）に示すように、プレート２０は、平面視概略長方形状の板状部材からなり、その長手方向の両端部にねじ挿通孔５８を有する。プレート２０の長手方向中央部には、幅方向片側に開放されるＵ字状の凹部６２が設けられている。プレート２０は、凹部６２の内周面に沿って突出する平面視Ｕ字状のフランジ部６４を有する。図４（Ｃ）にも示すように、プレート２０は上下対称の形状を有する。フランジ部６４は、凹部６２の内周面における高さ方向中間部に設けられ、その高さ方向に段差を形成している。フランジ部６４の上面が支持面６５を構成している。

図４（Ｄ）および（Ｅ）にも示すように、プレート２０は、フランジ部６４の内周面に半円弧状の小径部６６を有し、凹部６２の内周面（フランジ部６４の基端面）に半円弧状の大径部６８を有する。小径部６６と大径部６８は、プレート２０の中心に対して同心状に形成されている。凹部６２の開口端には、テーパ状の拡開部７０が設けられている。

図５および図６は、プレート２０の組付構造の詳細を表す図である。図５は、図２のＡ部拡大図である。図６（Ａ）は図５のＡ－Ａ矢視断面図である。図６（Ｂ）は図５のＢ－Ｂ矢視断面図である。図６（Ｃ）は図６（Ａ）のＣ部拡大図である。

図５に示すように、プレート２０がボディ６とモータ４との間に介装され、その凹部６２が回転軸４２を挿通する。回転軸４２における嵌合溝４４のやや上方には、環状溝７２が周設されている。環状溝７２は、「段差部」として機能する。環状溝７２は、ボディ６とモータ４との間に位置し、プレート２０のフランジ部６４と嵌合する。ボディ６の上面には、挿通孔３８の開口端を環囲するように円ボス状の係止部７４が突設されている。

プレート２０がボディ６に組み付けられるとき、係止部７４が大径部６８を係止する。それにより、本体８の軸線上にプレート２０の中心を位置させることができる。一方、本体８と回転軸４２とが同軸状であることは上述のとおりである。このため、プレート２０を係止部７４の側面に突き当てるだけで、回転軸４２に対するプレート２０の芯出しを行うことができる。また、プレート２０と回転軸４２との径方向距離が規制される。すなわち、図６（Ａ）～（Ｃ）にも示すように、大径部６８が係止部７４の外周面に当接しても、小径部６６は回転軸４２の外周面とは当接せず、両者間に隙間ＣＬが形成される。

一方、図５に示したように、支持面６５が環状溝７２の側面７６（上面）と当接することで、プレート２０が回転軸４２を軸線方向に支持できる。すなわち、プレート２０は、回転軸４２の外周面との間に隙間を確保するようにボディ６に固定される一方、環状溝７２と軸線方向に当接して回転軸４２を軸線方向に支持可能である。

以上に説明したように、本実施形態の制御弁１によれば、ボディ６とモータ４との間にプレート２０を介装し、ねじ２２で共締めするという簡易な構成により弁体４０の脱落を防止できる。プレート２０は、回転軸４２の環状溝７２と軸線方向には当接可能であるものの、回転軸４２の外周面との間には隙間ＣＬを確保する。このため、プレート２０そのものが弁体４０の回転抵抗となることを抑制できる。また、プレート２０をねじ止めする構成としたため、クリップ等を用いる場合よりも取付作業が容易である。また、その固定がより強固となり、信頼性が高いものとなる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はその特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能であることはいうまでもない。

上記実施形態では、回転軸４２の段差部として、その外周面に環状溝７２（環状凹部）を設ける構成を例示した。変形例においては、逆に、回転軸の外周面に半径方向外向きに突出するフランジ部（環状凸部）を設けてもよい。そして、プレートの支持面をそのフランジ部の下面に当接させ、回転軸を軸線方向に支持する構成としてもよい。すなわち、「段差部」を環状凸部により構成してもよい。

上記実施形態では、弁体４０を軸線方向に支持するすべり軸受として、ＰＴＦＥからなるワッシャ４８を例示した。変形例においては、潤滑コーティングが施されたワッシャ等の軸受部材を採用してもよい。あるいは、軸受部材として、研磨その他の表面処理を施して摩擦係数を低減したものを採用してもよい。あるいは、本体８の底面（弁体４０との当接面）に表面処理を施し、ワッシャ等の軸受部材を省略してもよい。

上記実施形態では述べなかったが、プレート２０として、支持面６５の摩擦係数がボディ６のそれよりも低いものを採用してもよい。例えば、プレートの材質としてＰＴＦＥなど摩擦係数が低いものを採用してもよい。あるいは、プレートに潤滑コーティングを施すなど、摩擦係数を低減する（摺動抵抗を低減する）ための表面処理を施してもよい。その場合、表面処理をプレート全体に施してもよいし、支持面のみに施してもよい。

上記実施形態では、プレートの構造の一例を示したが、弁体の回転軸の外周面との間に隙間を確保でき、かつ回転軸を軸線方向に支持可能な構造であれば他の構造を採用してもよい。ねじを用いることなく、プレートをモータとボディとの間に挟持させてもよい。例えば、ボディの上面に突起を設け、プレートに設けた挿通孔にその突起を挿通することで回転軸に対してプレートを位置決めできる。その状態でモータをボディに締結することにより、両者間にプレートを固定することができる。

上記実施形態では述べなかったが、弁体の回転軸と接続されるモータの回転軸は、モータの駆動軸であってもよいし、モータの駆動軸と減速機（ギヤ）を介して接続される軸であってもよい。後者の場合、広義のモータは、狭義のモータと減速機等を備えるモータユニットを含む。

上記実施形態では、制御弁１を混合弁とし、給湯装置に適用する例を示した。変形例においては、例えば互いに性質が異なる第１の流体と第２の流体とを所定の混合比で混合して第３の流体を生成する混合弁として、その他の対象装置に適用してもよい。また、制御弁１を分配弁その他の三方弁として構成してもよい。具体的には、図２に示した構成において、導出路２６を「導入路」に変更し、第１導入路２８を「第１導出路」、第２導入路３０を「第２導出路」に変更してもよい。つまり、ポート３２を導入ポートとし、ポート３４を第１導出ポート、ポート３６を第２導出ポートとしてもよい。この分配弁は、導入路に導入された流体を第１導出路と第２導出路に分配する。弁体４０の回転角度を制御することにより、その分配比率を調整できる。なお、この分配弁に流体が流れているとき、その水圧によっては弁体４０が上方に押し上げられる。このとき、ワッシャ４８が弁体４０を軸線方向に支持する一方で、環状溝７２の側面７６と支持面６５との間に微小な隙間が形成されることはある。

上記実施形態では、制御弁１として三方弁を例示した。変形例においては、制御弁を二方弁としてもよい。例えば、図２の構成において、第３配管部１４をなくしてもよい。それにより、ポート３４を導入ポート（第１ポート）、ポート３２を導出ポート（第２ポート）とする二方弁を構成してもよい。あるいは、ポート３２を導入ポート、ポート３４を導出ポートとする二方弁を構成してもよい。弁体４０の回転角度を制御することにより、上流側から下流側へ流れる流体の流量を調整できる。

なお、本発明は上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。上記実施形態や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成してもよい。また、上記実施形態や変形例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。

１ 制御弁、２ 弁本体、４ モータ、６ ボディ、８ 本体、２０ プレート、２２ ねじ、２４ 弁室、２６ 導出路、２８ 第１導入路、３０ 第２導入路、３２ ポート、３４ ポート、３５ 第１流路、３６ ポート、３７ 第２流路、３８ 挿通孔、４０ 弁体、４２ 回転軸、４４ 嵌合溝、５２ 開口部、５６ ねじ孔、５８ ねじ挿通孔、６０ ねじ挿通孔、６２ 凹部、６４ フランジ部、６５ 支持面、６６ 小径部、６８ 大径部、７２ 環状溝、７４ 係止部、ＣＬ 隙間。

Claims (5)

1. 弁本体とモータとを軸線方向に組み付けて構成される制御弁であって、
   前記弁本体は、
   弁室が形成された有底円筒状の本体と、前記本体と同軸状に設けられた第１配管部と、前記本体の側部に設けられた第２配管部とを有し、前記第１配管部の第１ポートと前記第２配管部の第２ポートとが前記弁室を介して連通可能なボディと、
   前記弁室に回転摺動可能に配置され、内部が前記第１ポートに対して開放されるとともに、側壁にはその回転角度に応じて前記第１ポートと前記第２ポートとを連通させる開口部を有する有底円筒状の弁体と、
   前記弁体の底部中央から同軸状に延出して前記本体の底部を摺動可能に貫通し、前記モータに接続される回転軸と、
   を備え、
   前記弁体が前記ボディに対して前記第１ポートから挿入されたものであり、
   前記ボディと前記モータとの間に、前記弁体を吊持するためのプレートが介装され、
   前記回転軸は、前記ボディと前記モータとの間に位置する部分に、前記プレートと係合可能な段差部を有し、
   前記プレートは、前記回転軸の外周面との間に隙間を確保するように前記ボディに固定される一方、前記段差部と軸線方向に当接して前記回転軸を支持可能な支持面を有し、
   前記段差部が、前記回転軸の外周面に周設された環状溝からなり、
   前記プレートは、幅方向片側に前記回転軸を挿通させる凹部を有し、
   前記凹部の内周面と前記回転軸の外周面との間に前記隙間が形成され、
   前記凹部における前記環状溝の側面との対向面が、前記支持面を構成し、
   前記プレートは、前記凹部の内周面に沿って突出するフランジ部を有し、
   前記フランジ部における前記軸線方向の一端面が前記支持面を構成することを特徴とする制御弁。
2. 前記ボディの端面に突出し、前記凹部に係合することで前記プレートと前記回転軸との径方向距離を規制する係止部を備えることを特徴とする請求項１に記載の制御弁。
3. 前記プレートは、
   前記モータを前記ボディに固定するためのねじを挿通可能なねじ挿通孔を有し、
   前記ねじにより前記ボディに対して前記モータと共締めされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の制御弁。
4. 前記支持面は、前記ボディの表面よりも摩擦係数が低いことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の制御弁。
5. 前記ボディは、前記第２配管部とは別に前記本体の側部に設けられた第３配管部を有し、前記第１配管部の第１ポートと前記第３配管部の第３ポートとが前記弁室を介して連通可能であり、
   前記開口部は、前記第１ポートと前記第２ポートとの連通により形成される第１流路の開口面積と、前記第１ポートと前記第３ポートとの連通により形成される第２流路の開口面積とを、前記弁体の回転角度に応じてそれぞれ変化させることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の制御弁。

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