JPH01203774A - 自動切替弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）　産業上の利用分野 本発明は、自動切替弁に関するものである。

（ロ）　従来の技術 従来、管路の分岐点に介在して電気的に駆動される弁体
によって分岐後の流路を切替えるようにした自動切替弁
があった。

（ハ）　発明が解決しようとする問題点ところが、上記
の自動切替弁は、分岐後の流路切替だけが可能であって
、両方の分岐管路を同時に閉鎖することができず、また
、停電時には、開弁と関連した付帯設備は作動しないに
もかかわらず、少くとも一方の分岐管路が連通している
ため、流体の溢流等の不具合が生じていた。

（ニ）　問題点を解決するための手段 この発明では、管路の分岐点に介在して、弁体の作動に
より、分岐管路の連通を切替えるようにした自動切替弁
において、分岐後の管路中にそれぞれパイロット作動型
の弁体を設け、各弁体を作動させるためのパイロット弁
体をスプリングを介し連結して、同スプリングの付勢に
より各弁体を閉弁させると共に、各弁体を上記付勢に抗
して開弁させるためのプランジャを各パイロット弁体に
連結し、同プランジャは、電気的に駆動され、かつ駆動
電圧が消失すると同プランジャの拘束を解除する微小距
離無段階駆動式アクチュエータにより駆動してなる自動
切替弁を提供するものである。

なお、ここで、微小距離無段階駆動式アクチュエータと
は、積層式圧電アクチュエータ、圧電バイモルフアクチ
ュエータ、ステッピングリニヤモータ、圧電リニヤモー
タ、超音波リニアモータ超音波モータ（回転式）と回転
ねじの組み合わせ、ステッピングモータ（回転式）と回
転ねじとの組み合わせ等をいう。

（ホ）　作用・効果 この発明によれば、停電時には、微小距離無段溜部動式
アクチュエータが非通電状態となって、プランジャへの
拘束力が失われプランジャがフリー状態となる。

プランジャがフリー状態になると、それまでスプリング
の付勢に抗して開弁していたパイロット弁体が閉弁し、
パイロット圧によってそれまで開弁していた弁体が開弁
する。

′このようにして停電が発生すると直ちに分岐後の両方
の管路が閉鎖されて前記した流体の損失などの不具合を
防止することができる。

また、プランジャをフリー状態にして両方の分岐管路を
閉弁するには、アクチュエータを非通電状態にすればよ
く、これは同アクチュエータの制御装置で簡単に行うこ
とができることから同自動切替弁を止弁として兼用させ
ることもできる。

（へ）　実施例 以下添付図に示す実施例に基づいて、本発明を詳説する
。

第１図は、湯水混合弁（Ａ）の下流側に自動切替弁（Ｂ
）を設けて、湯水混合弁（＾）で温度調整された湯水の
流出方向を自動切替弁（Ｂ）で切替えるようにした湯水
混合装置の構成を示している。

湯水混合弁（Ａ）は、水側管路（１）と湯側管路（２）
との合流点に設けられており、湯側管路（２）側と湯水
管路（３）側に湯水弁座（４）（４’）を設け、水側管
路（１）と湯側管路（２）間に設けた仕切壁（５）に略
円筒形状の弁体（６）を摺動自在に貫入して、同弁体（
６）の上下摺動により、湯側及び水側弁座（４０４’）
の開度を調整して、湯水管路（３）から吐出される混合
湯水の温度を調整するように構成しており、湯水管路（
３）に鰻けた温度センサ（７）で混合湯水の温度を検出
し、第６図で示す制御装置（Ｃ）を介して弁体（６）と
連結した微小距離無段階駆動式アクチュエータ（Ｄ）の
作動を制御して湯水管路（３）から吐出される混合湯水
の温度を予め設定した温度に保持するように構成されて
いる。

なお、図中（８）は、弁体（６）の復座用スプリングで
あり、停電等により上記アクチュエータ（０）のプラン
ジャ（９）の拘束力が失われたとき、湯側の弁座（４）
を閉じて高温の混合湯水が吐出される危険を防止するも
のである。

湯水混合弁（八）の下流には、自動切替弁（Ｂ）が設け
られており、開弁（Ｂ）は、湯水混合弁（＾）の湯水管
路（３）と連通した管路（１０）を二叉状に分岐させ、
分岐管路（１１）と分岐管路（１２）中にそれぞれ介設
した弁体（１３）（１３）と、多弁体（１３）（１３）
を作動させるための一個の微小距離無段階駆動式アクチ
ュエータ（Ｄｏ）によって構成されている。

各弁体（１３）（１３）は、上記アクチュエータ（Ｄｏ
）を中心として対称に配設されており、分岐管路（１１
）（１２）中に略円筒形状の仕切壁（１５）を突設して
、同仕切壁（１５）の先端縁に主弁座（１６）を形成す
ると共に、流入側の管路内面（１７）に柔軟素材よりな
るダイヤフラム（１８）の外周を水密状態で取付け、同
ダイヤフラム（１８）の中央部を上記主弁座（１６）に
当接させることにより、流入側の管路（１９）と流出側
の管路（２０）との連通を遮断するようにしている。

また、ダイヤフラム（１８）の流入側の管路（１９）に
臨む周縁部には、小径のオリフィス（２１）を穿設して
、流入側の管路（１９）と、ダイヤプラム（１８）の主
弁座（１６）側とは反対側に形成した圧力室（２２）と
を連通させており、更にダイヤフラム（１８）の中央に
パイロット弁座（２３）とパイロット通路（２４）を設
けて、圧力室（２２）と流出側の管路（２０）とを連通
させ、同弁座（２３）に微小距離無段階駆動式アクチュ
エータ（Ｄｏ）と連動連結したパイロット弁体（２５）
の先端面を当接させることで圧力室（２２）と流出側の
管路（２０）との連通を開閉するようにしている。

なお、パイロット弁体（２５）の先端には同弁慶（２３
）と当接させるための弾性体を連設している。

特に、上記オリフィス（２１）をパイロット弁座（２３
）及び同通路（２４）よりも小径としており、パイロッ
ト通路（２４）が閉じているときには、圧力室（２２）
の圧力が高まり、ダイヤフラム（１８）を主弁座（１６
）方向に押圧して、弁体（１３）　（１３）を閉じ、パ
イロット通路（２４）が開いているときは、圧力室（２
２）の圧力が低下して流入側の管路（１９）の圧力でダ
イヤプラム（１８）が主弁！　（１６）から離れて弁体
（１３）（１３）を開くように構成している。

上記のように、パイロット弁体（２５）（２５）の開閉
動作のみを行えば、流入側の管路（１９）の圧力によっ
て弁体（１３）（１３）の開閉動作が行われることにな
り、従って自動切替弁（８）の開閉作動を制御する微小
距離無段階駆動式アクチュエータ（Ｄｏ）は、パイロッ
ト弁体（２５０２５）だけを作動させればよく、弁体を
直接駆動するようにしたものに比べ、小出力の同アクチ
ュエータ（Ｄ′）で事足りることになる。

なお、図中（［）（Ｅ’）は、微小距離無段階駆動式ア
クチュエータ（Ｄ）（Ｄ’）のケーシング、（２６）は
混合湯水が同アクチュエータ（Ｄ）（Ｄ’）側に浸入す
るのを防止する摺動抵抗の小さいＵ字状もしくはＹ字状
パツキン、（２７）は湯水混合弁（Ａ）の水側管路（１
）と湯側管路（２）間の漏れを防止するための０リング
で、弁体（６）の自動振動を減衰させるためのフリクシ
ョンダンパーを兼ねている。

湯水混合弁（＾）に設けた微小距離無段階駆動式アクチ
ュエータ（Ｄ）は、同アクチュエータの一形態をなす圧
電アクチュエータであり、第１図及び第２図で示すよう
に、アクチュエータ（０）は、前後壁（ａ）　（ｂ）を
具備する筒状のゲージング（Ｅ）内に、同心円的にかつ
軸線に沿って進退自在にプランジャ（９）を取付け、さ
らに、プランジャ（９）の外周面上に、同心円的に、４
個の圧電素子（ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）からなる圧電素
子組立体を配設することによって構成している。

また、図示の実施例において、圧電素子（ａ）（ｈ）は
、ケーシング（Ｅ）の中央部に配設されており、前壁（
ａ）に基端を固定した保持具（Ｈ）の先端に固着されて
いる。

また、（ｉＨｊ）はその基端を圧電素子（ａ）（ｈ）に
固着するとともにその先端を前後壁（ａ）（ｂ）に向け
て伸延する片持ち梁状の弾性ブリッジである。

そして、同弾性ブリッジ（ｉ）（ｊ）の先端は、その外
周面に圧電素子（ｅＨｆ）を取付けるとともに、その内
周面に、ブレーキシュー（ｋ）（１）を固着している。

そして、この圧電素子（ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）のうち
圧電素子（ｅ）（ｆ）は、電源をオンした際に、圧電素
子（９）（ｈ）はオフした際に縮むように構成されてい
る。

即ち、圧電素子（ｅ）（ｆ）は、通電状態では縮んで、
その内径を縮径してプランジャ（９）をクランプすると
ともに、通電していない状態では伸びて内径を拡径して
プランジャ（９）を解除する。一方、圧電素子（ｇ）（
ｈ）は、通電していない状態ではグランジャ（９）上を
軸線方向に縮んだ状態にあり、通電状態では、プランジ
ャ（９）上を伸び、その軸線方向の全長を長くすること
になる。

そして、プランジャ（９）は：かかる４つの圧電素子（
ｅ）（ｆ）　（ｇ）（ｈ）を後述する制御装置（Ｃ）に
よって制御することにより、軸線方向に移動することが
できる。

圧電素子（ｅ）は）（ａ）（ｈ）は、第１図及び第２図
に示すように多数の圧電素子片をプランジャ（９）の軸
線方向に積層して形成した円筒状の素子で、円筒の両端
に電極が設けられており、この両端に電圧を印加するこ
とにより、作動するように構成されている。

なお、圧電素子片は、例えば、圧電セラミックスを用い
ることができ、かかる圧電セラミックスとしては、ＡＢ
Ｏａペロブスカイト形の結晶構造をらつ強誘電材料であ
ってＰＺＴ　［Ｐｂ　（Ｚｒ。

Ｔｉ）Ｏａｌ系、やＰＬＺＴ　［Ｐｂ　（Ｚｒ、Ｔｉ　
）Ｏａ］、ＰＴ（ＰｂＴｉＯａ）系、アルイハＰＺＴを
基にした３成分系のものを用いることができる。

また、圧電素子（ｅ）（ｆ）（Ｑ）（ｈ）は、第３図に
示すように、多数の薄肉リング状の圧電素子片をプラン
ジャ（９）の軸芯廻りにラジアル方向に積層して形成す
ることもできる。この場合、電圧の印加方向を９０度変
えることになる。

なお、上記構成において、圧電素子（ｅ）（ｆ）（ａ）
（ｈ）は円形断面のみでなく、例えば、矩形断面等とす
ることもでき、また、第４図及び第５図に示す如く、分
割片から形成することもできる。

また、プランジャ（９）は、ブレーキシュー（ｋ）（１
）によって多数回クランプされるものであるなめ、線膨
張係数が小さく、硬度、強度、耐クリープ性及び耐牽耗
性が大きく、さらに、加工精度が高いものが望ましく、
例えば、セラミック素材としたものが考えられる。

また、第６図に、上記圧電アクチュエータ（Ｄ）を制御
するための制御装置（Ｃ）の構成を示している。

図示するように、制御波！　（Ｃ）は、マイクロプロセ
ッサ（「）と、入出力インターフェース（ｓ）（ｔ）と
、湯水混合弁（Ａ）と自動切替弁（８）の制御プログラ
ムを記憶したメモリ（（ｊ）とから構成され、入力イン
ターフェース（Ｓ）には、混合湯水の温度設定器（５０
）、温度センサ（７）、分岐管路開銀（５１）（５２）
、両分岐管路閉鉗（５３）が接続し、出力インターフェ
ース（１）には、湯水混合弁（Ａ）と自動切替弁（Ｂ）
の微小距離無段階駆動式アクチュエータ（０）（Ｄ’）
とが接続しており、上記１０グラムに従って、混合湯水
の温度調整には湯水混合弁（八）のアクチュエータ（０
）を、混合湯水の流出方向の切替及び流動調整には自動
切替弁（Ｂ）のアクチュエータ（Ｄｏ）を作動させるよ
うにしている。

ついで、アクチュエータ（Ｄ）（０°）のプランジャ（
９）（３０）の移動について、第７図〜第９図を参照し
て説明する。

第６図に示す温度センサ（７）の検出値と温度設定器に
よる設定温度との間に差異を生じたとき、又は、分岐管
路開銀（５１）（５２）のいずれかが押されたとき、制
御装置（Ｃ）がメモリ（Ｕ）から読み出した駆動順序プ
ログラムに従って、駆動パルスを発生し、第７図に示す
ように、圧電素子（ｅ）に電圧を印加して同圧電素子（
ｅ）の内径を縮径することにより、プランジャ（９）を
クランプさせるとともに、圧電素子（ｆ）の電圧の印加
を解除して同圧電素子（ｆ）の内径を拡径することによ
り、プランジャ（９）のクランプを解除する。

次に、第８図に示すように、圧電素子（ｇ）（ｈ）に電
圧を印加して伸ばすと、圧電素子（ｇ）（ｈ）が矢印方
向に移動し、これにともなって圧電素子（ｅ）がクラン
プするプランジャ（９）も矢印方向に移動する。

その後、第９図に示すように、圧電素子（ｉｌりの印加
電圧を解除して同圧電素子（ｅ）の内径を拡径すること
により、プランジャ（９）のクランプを解除し、圧電素
子（ｆ）に電圧を印加して同圧電素子（ｆ）の内径を縮
径することによりプランジャ（９）をクランプすると共
に、圧電素子（ｇ）（ｈ）の印加電圧を解除すると、圧
電素子（ｇ）（ｈ）は矢印方向に縮み、プランジャ（９
）はさらに矢印方向に移動する。

その後、上記動作を繰り返すことにより、プランジャ（
９）を、μｍオーダ或いはサブμｍオーダのストローク
で尺とり生状に移動することができ、各種装置や機械等
を精密に動作させることができる。

自動切替弁（Ｂ）に設けた微小距離無段階駆動式アクチ
ュエータ（０°）は、前記の湯水混合弁（Ａ）の同アク
チュエータ（０）とプランジャ部分が異なるだけで他は
全く同一の構成であり、自動切替弁（８）のグランジャ
（３０）は、略円同形状に形成され、内部の両端にそれ
ぞれパイロット弁体（２５）（２５）の基端拡径部（２
５ａ）（２５ａ）を収納し、各基端拡径部（２５ａ　）
　（２５ａ　）の間に拡張方向の付勢力を有するコイル
スプリング（３１）を介装して各パイロット弁体（２５
）（２５）を前記のパイロット弁座（２３）（２３）方
向に付勢して、上記アクチュエータ（Ｄｏ）に通電して
いないとき、各弁座（２３）（２３）を両方とも閉鎖さ
せている。

またプランジャ（３０）の両端部内周面に係止用内側フ
ランジ（３２）（３２）を設けて、各パイロット弁体（
２５Ｎ２５）の基端拡径部（２５ａ　）　（２５ａ　）
から外側方向に延出したプランジャ（３０）よりも小径
としたバルブステムを挿通させており、プランジャ（３
０）を左右いずれか一方向に作動させたとき、この作動
方向のパイロット弁座（２３）は閉じたままで、作動方
向と反対側のパイロット弁座（２３）は、上記係止用内
側フランジ（３２）と基端拡径部（２５ａ）との当接に
より、パイロット弁体（２５）が同弁座（２３）から離
隔して、弁体（１３）を開かせることができる。

この弁体（１３）の作動は、前述したように圧力室（２
２）の圧力によってダイヤフラム（１８）を作動させて
行われるのであるが、パイロット弁体（２５）（２５）
を、全開と全閉の中間に位置させた場合、ダイヤプラム
（１８）に設けたパイロット弁座（２３）が同弁体（２
５）に近接（離隔）すると、向弁！　（２３）の開度が
小（大）となって抵抗が増加（減少）するために、オリ
フィス（２１）から流入する混合湯水により圧力室（２
２）の圧力が高（低）くなり、ダイヤフラム（１８）へ
の押圧力が大（小）となり、パイロット弁体（２５）と
同弁座（２３）とを離隔（近接）させるように作動する
。

つまり、弁体（１３）の開閉作動、すなわちダイヤフラ
ム（１８）に設けたパイロット弁座（２３）の開閉作動
の因果関係中に、微小圧ｉ１１無段階駆動式アクチュエ
ータ（Ｄｏ）と連動したパイロット弁体〔２５）の位置
と関係した圧力室（２２）中の圧力変動を介して流体的
なネガチブフィードバックループが形成されることにな
り、ダイヤフラム（１８）は、オリフィス（２１）から
圧力室（２２）に流入する流体の量と、パイロット弁座
（２３）から圧力室（２２）外に流出する流体の量が等
しくなる位置で釣合い、その位置を保持することになる
。

上記のパイロット弁体（２５）の位置は、微小距離無段
階駆動式アクチュエータ（Ｄ′）で、弁体（１３）の全
開と全閉位置の中間の任意の位置に設定することができ
、同設定位置を目標として、ダイヤフラム（１８）の位
置すなわち弁体（１３）の開度を決定することができる
ことから、上記アクチュエータ（Ｄｏ）を制御して弁体
（１３）に流量調整を行わせることが可能である。

従って、管路（１０）に流量センサ（１００）を設けて
、同センサ（１００）の出力を制御装置（Ｃ）に入力し
て、混合湯水の吐出量を自動制御することができる。

また、上記作動に際し、パイロット弁体（２５）はダイ
ヤプラム（１８）の目標位置を設定するだけであるので
同弁体（２５）の作動に要する上記アクチュエータ（０
゛）の出力が極めて小さくてすむ。

また、本実施例において、プランジャ（９）　（３０）
は、その先端に縮径先端部が形成又は連設されており、
同先端部（ｑ）、パイロット弁体（２５０２５）の端面
面積（受圧面積）を、プランジャ（９）（３０）の断面
積より著しく小さいものとしている。

従って、後述するように弁等に用いた場合、受圧面積を
著しく小さくできるので、プランジャ（９）（３０）が
受けるスラスト力を最小にして、プランジャ（９）（３
０）の駆動へのスラスト力の影響を最小にすることがで
き、プランジャ（９）　（３０）の正確な駆動が可能と
なる。

また、プランジャ（９）（３０）の段部を、プランジャ
（９Ｎ３０）が一定距離前方向に移動した状態（例えば
、全閉位置或いはそれより僅かに進んだ位置）で後壁等
の後面と当接するようにしておけば、プランジャ（９）
　（３０）のそれ以上の前進を規制でき、過度の前進に
起因する開閉弁のダイヤフラム等の損傷を確実に防止す
ることができる。

また、プランジャ（９）（３０）の作動量が同アクチュ
エータ（Ｄ）（０°）に印加された駆動パルス数に比例
することから、オープンエンドの制御回路で事足り、同
装置（Ｃ）の構造を簡単にすることができる。

上記のように自動切替弁（Ｂ）の弁体（１３）（１３）
の一部をなすパイロット弁体（２５）（２５）を微小距
離無段ｌ＠駆動式アクチュエータ（Ｄｏ）により連接駆
動させたことにより、混合湯水の吐出方向の切替えばか
りでなく、吐出混合湯水の流量調整をも行うことができ
るようになり、また、弁体（１３）の開閉動作を緩速に
してウォーターハンマー及び異音発生を防止すると共に
、同舟（Ｂ）の切替えに要する制御出力を小さくして、
制御装置（Ｃ）を小容量・小形化することができ、また
、停電等により制御装置（Ｃ）が制御機能を失った際は
、プランジャ（３０）がフリーとなり、両方の分岐管路
（１１）（１２）を閉鎖して混合湯水の吐出を自動的に
停止させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による自動切替弁を具備した湯水混合
装置の全体構成図。 第２図〜第５図は、圧電素子の側面図。 第６図は、制御装置の構成を示すブロック図。 第７図〜第９図は、微小距離無段階駆動式アクチュエー
タの作動説明図。 （Ｂ）：自動切替弁 （Ｄ’）：微小距離無段１ｆａ駆動式アクチュエータ（
１１）（１２）　：分岐後の管路 （１３）　：弁体 （２５）（２５）　：パイロット弁体 （３０）　ニブランジャ （３１）ニスプリング

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）管路の分岐点に介在して、弁体の作動により、分岐
   管路の連通を切替えるようにした自動切替弁において、
   分岐後の管路（１１）（１２）中にそれぞれパイロット
   作動型の弁体（１３）（１３）を設け、各弁体（１３）
   （１３）を作動させるためのパイロット弁体（２５）（
   ２５）をスプリング（３１）を介し連結して、同スプリ
   ング（３１）の付勢により各弁体（２５）（２５）を閉
   弁させると共に、各弁体（２５）（２５）を上記付勢に
   抗して開弁させるためのプランジャ（３０）を各パイロ
   ット弁体（２５）（２５）に連結し、同プランジャ（３
   ０）は、電気的に駆動され、かつ駆動電圧が消失すると
   同プランジャ（３０）の拘束を解除する微小距離無段階
   駆動式アクチュエータ（Ｄ′）により駆動してなる自動
   切替弁。