WO2023106005A1

WO2023106005A1 - 流路切換弁

Info

Publication number: WO2023106005A1
Application number: PCT/JP2022/041031
Authority: WO
Inventors: 大介近藤; 健一望月; 聖一原; 勇人北林; 健斗森田
Original assignee: 株式会社不二工機
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2022-11-02
Publication date: 2023-06-15

Abstract

流路切換弁は、内部に弁室が形成されると共に、弁室を形成する壁面に流体の入出口が形成された弁本体と、弁室内に回転自在に配置され、かつ流路が形成された弁体と、弁体と入出口との間に配置され、弁体と入出口との間を封止する封止部と、複数の入出口の連通状態が弁体の流路を通じて選択的に切り換わるように、弁軸を介して弁体を回転させると共に、弁軸の角度位置を検出可能な回転駆動部と、弁体回転範囲の上限及び下限の少なくとも一方において弁軸のそれ以上の回転を制限するストッパと、を備えている。

Description

流路切換弁

　本開示は、流路切換弁に係り、ボール状の弁体を弁室内で回転摺動させることにより流路を切り換える流路切換弁に関する。

　特開２０１８－１１５６９１号公報には、ボール状の弁体の回転動作によって、流路を切り換えるタイプの流路切換弁が知られている。

　この種の流路切換弁では、モータ、駆動ギヤ等からなる回転駆動部を用いて弁体を回転駆動している。

　上記のような流路切換弁では、モータによる弁体回転範囲の上限と下限を設定するキャリブレーションが適宜行われる。このキャリブレーションのために、ロータリーポテンショメータのような絶対角センサを用いることが考えられる。しかしながら、絶対角センサを用いると、コスト増により製品価格の上昇を招くと考えられる。

　本開示は、コスト増を抑制しつつ、弁体回転範囲のキャリブレーションを可能にすることを目的とする。

　第１の態様に係る流路切換弁は、内部に弁室が形成されると共に、前記弁室を形成する壁面に流体の入出口が形成された弁本体と、前記弁室内に回転自在に配置され、かつ流路が形成された弁体と、前記弁体と前記入出口との間に配置され、前記弁体と前記入出口との間を封止する封止部と、複数の前記入出口の連通状態が前記弁体の前記流路を通じて選択的に切り換わるように、弁軸を介して前記弁体を回転させると共に、前記弁軸の角度位置を検出可能な回転駆動部と、弁体回転範囲の上限及び下限の少なくとも一方において前記弁軸のそれ以上の回転を制限するストッパと、を備えている。

　この流路切換弁では、回転駆動部により、弁軸を介して弁体を回転させることで、弁本体の流路を切り換えることができる。また、この流路切換弁では、弁本体に設けられたストッパにより、弁体回転範囲の上限及び下限の少なくとも一方において、弁軸のそれ以上の回転を制限することができる。回転駆動部は、弁軸の角度位置を検出可能であるため、ストッパにより弁軸の回転が止められた位置を、弁体回転範囲の上限又は下限として検出し、弁体回転範囲のキャリブレーションを行うことができる。上限と下限の角度差がわかっている場合には、検出した上限から下限を求めることができ、同様に下限から上限を求めることができる。このため、キャリブレーションに絶対角センサを用いる場合と比較して、コスト増を抑制しつつ、回転駆動部における弁体回転範囲のキャリブレーションを行うことができる。

　第２の態様は、第１の態様に係る流路切換弁において、前記ストッパが、前記弁本体の外側に設けられている。

　この流路切換弁では、ストッパが弁本体の外側に設けられているので、弁室内に流れる流体中に混入する異物等がストッパに付着して誤差が生じるおそれをなくすことができる。

　第３の態様は、第２の態様に係る流路切換弁において、前記弁軸には、該弁軸の径方向外側に突出し、前記弁体回転範囲の上限及び下限の少なくとも一方において前記ストッパに当接する突出部が設けられている、請求項１に記載の流路切換弁。

　この流路切換弁では、弁体回転範囲の上限及び下限の少なくとも一方において、弁軸に設けられた突出部がストッパに当接するという簡易な構成により、より低コストで弁体回転範囲のキャリブレーションを行うことができる。

　第４の態様は、第１～第３の態様の何れか１態様に係る流路切換弁において、前記ストッパは、前記弁体回転範囲の上限及び下限の双方に設けられている。

　この流路切換弁では、ストッパが弁体回転範囲の上限及び下限の双方に設けられているので、上限と下限の角度差がわかっていなくても、上限及び下限を検出することで弁体回転範囲のキャリブレーションを行うことができる。

　本開示に係る流路切換弁によれば、コスト増を抑制しつつ、回転駆動部における弁体回転範囲のキャリブレーションが可能となる。

本実施形態に係る流路切換弁を示す斜視図である。流路切換弁の内部を示す、図１における２－２矢視断面図である。弁軸を示す斜視図である。弁軸の突出部が、弁体回転範囲の中央に位置している状態を示す平面図である。流路切換弁の内部を示す、図１における５－５矢視断面図である。弁軸の突出部が、弁体回転範囲の下限を定めるストッパに当接している状態を示す平面図である。図６に対応する弁体の状態を示す断面図である。図８（Ａ）～図８（Ｄ）は、弁軸の突出部とストッパを用いたキャリブレーションの手順を示す図である。

　図１～図５を用いて、本開示の一の実施形態に係る流路切換弁１０について説明する。なお、各図において、部材間に形成される隙間や部材間の離隔距離等は、発明の理解を容易にするため、また、作図上の便宜を図るため、誇張して描かれている場合がある。また、本明細書において、上下、左右、前後等の位置、方向を表わす記述は、図１の方向矢印表示を基準としており、実際の使用状態での位置、方向を指すものではない。図１において、「ＵＰ」は上方向（上側）、「ＤＯＷＮ」は下方向（下側）、「ＬＨ」は左方向（左側）、「ＲＨ」は右方向（右側）を示している。

（流路切換弁の構成）
　図１は、本開示の一実施形態に係る流路切換弁１０の全体構成を示す斜視図である。図２は、流路切換弁１０の内部を示す、図１における２-２矢視断面図である。

　図１に示される実施形態の流路切換弁１０は、例えば自動車のエンジンルーム内等を流れる流体の流路を切り換えるロータリー形の三方弁として使用されるものである。図２に示されるように、流路切換弁１０は、弁本体１４と、弁体１６と、封止部３８と、回転駆動部１８とを有している。

（弁本体）
　図２において、弁本体１４は、例えば合成樹脂製とされた基体部材２０とホルダ部材２１とで構成されている。基体部材２０は、左側が開口しており、その開口部分にホルダ部材２１が内嵌固定されている。基体部材２０とホルダ部材２１の間は、例えばＯリング２３によりシールされている。弁本体１４の内部には、例えば横倒しの筒状とされた弁室１２が形成されている。弁室１２の左右の壁面１２Ｌ，１２Ｒには、流体の入出口２４，２６が形成されている。壁面１２Ｌは、ホルダ部材２１の端面で構成されている。図１において、弁室１２の前方向側の壁面には、弁室１２に開口する横向きの入出口２８が設けられている。

　図１、図２において、弁本体１４における基体部材２０の外面には、入出口２６，２８に連通する管継手としてのポート２６Ａ、２８Ａが一体的に設けられている。また、ホルダ部材２１の外面には、入出口２４に連通する管継手としてのポート２４Ａが一体的に設けられている。

　弁室１２の上側の壁面１２Ｕには、後述する回転駆動部１８の弁軸４８が回転自在に挿通される嵌挿穴３０が設けられている。弁本体１４の上には例えばブラケット３２が固定され、該ブラケット３２の上に回転駆動部１８が例えばねじ２２を用いて固定されている。

（弁体）
　図２、図５から図７において、弁体１６は、例えば合成樹脂から作製されたボール状の部材であり、弁室１２内に回転自在に配置されている。弁体１６には、上方から見て矩形状の凹部１６Ａが形成されている。

　弁本体１４に設けられた入出口２４，２６，２８を選択的に連通させるべく、言い換えれば、入出口２４，２６，２８の連通状態を選択的に切り換えるべく、弁体１６の内部には流路（内部流路）３６が設けられている。詳細には、弁体１６には、弁体１６の回転軸線Ｏ１方向に直交する方向に貫通する貫通穴３６Ａが形成されている。また、弁体１６には、その外周（側部）から貫通穴３６Ａの中央に合流する横穴３６Ｂが、弁体１６の回転軸線Ｏ１に直交し、かつ貫通穴３６Ａと直交する方向に形成されている（図５）。

（封止部）
　封止部３８は、弁体１６と入出口２４，２６との間にそれぞれ配置され、弁体１６と入出口２４，２６との間を封止する部材であり、例えばシート部材４０とＯリング４２とを有している。シート部材４０は、例えば合成樹脂から作製され、各入出口２４，２６に対応する開口を持つ円環状に形成されている。このシート部材４０は、弁本体１４の内壁面（弁室１２の左右の壁面１２Ｌ，１２Ｒ）における各入出口２４，２６周りにそれぞれ配置されている。シート部材４０には、傾斜シール面４０Ａが形成されている。傾斜シール面４０Ａは、例えば円錐内面である。弁体１６は、２つのシート部材４０に挟まれており、各々の傾斜シール面４０Ａに接触しながら回転摺動自在に配置されている。

　入出口２４に対応するシート部材４０とホルダ部材２１との間、及び入出口２６に対応するシート部材４０と弁本体１４との間は、それぞれＯリング４２により例えば気密的、水密的にシールされている。Ｏリング４２は、基体部材２０及びホルダ部材２１にそれぞれ設けられたＯリング溝４３に取り付けられているが、これに限られず、シート部材４０に形成されたＯリング溝（図示せず）に取り付けられていてもよい。

　一例として、弁本体１４、及び弁体１６にＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）を使用し、シート部材４０にＰＴＦＥ（フッ素樹脂）を使用し、Ｏリング４２に合成ゴムを使用することができる。

（回転駆動部）
　図２、図５、図７において、回転駆動部１８は、複数の入出口２４，２６，２８の連通状態が弁体１６の流路３６を通じて選択的に切り換わるように、弁軸４８を介して弁体１６を回転させると共に、弁軸４８の角度位置を検出可能とされている。この回転駆動部１８は、弁軸４８を回転させるためのモータ、駆動ギヤ等を有し、弁軸４８を介して弁体１６を回転軸線（中心線）Ｏ１周りで回転させるべく、弁本体１４の上方に配置されている。回転駆動部１８には、例えば制御部との通信及び電力供給のための配線が接続されるコネクタ５０が設けられている。モータは、弁軸４８の角度位置を検出できるように、ステッピングモータであってもよく、またＤＣモータ等のモータと磁気センサ（例えば、ホール素子）を組み合わせたものであってもよい。

　弁軸４８は、回転駆動部１８と弁体１６の間に配置されている。弁体１６の回転軸線（上下方向に延びる軸線）Ｏ１は、弁軸４８の中心線と同軸とされている。弁軸４８は、回転駆動部１８及び弁体１６と回転軸線（中心線）Ｏ１周りにそれぞれ係合している。具体的には、図３において、弁軸４８の上部には、周方向に凹凸を有するギヤ部４８Ｂが設けられており、このギヤ部４８Ｂが回転駆動部１８の出力部と係合している。また、弁軸４８のうち、弁室１２に配置される下部には、例えば四角柱状の嵌合部４８Ｃが形成されている。嵌合部４８Ｃは、弁体１６の凹部１６Ａに係合する部位である。そして、回転駆動部１８の作動により、弁軸４８と弁体１６とが一体となって回転するようになっている。

　弁軸４８の軸方向中間部の外周には、溝４８Ａが形成されている。溝４８Ａには、シール部材としてのＯリング３４が嵌め込まれている（図２）。このＯリング３４により、弁軸４８と嵌挿穴３０との間がシールされている。

　図３、図４において、弁軸４８及び弁体１６は、所定の弁体回転範囲の範囲内で回転駆動されるようになっている。この弁体回転範囲の上限及び下限の少なくとも一方、例えば双方には、弁軸４８のそれ以上の回転を制限するストッパ４４，４６が、弁本体１４の外側に設けられている。ストッパ４４は上限を定め、ストッパ４６は下限を定めている。上限の下限を、一端と他端と言い換えることもできる。また、ストッパ４４，４６を弁本体１４の外側、すなわち弁室１２の外側に設けたことで、弁室１２内に流れる流体中に混入する異物等がストッパに付着して誤差が生じるおそれをなくすことができる。

　ストッパ４４，４６は、弁室１２の上側の壁面１２Ｕの外側における嵌挿穴３０（図２）の周囲に一体的に形成されている。図４に示されるように、ストッパ４４，４６は、例えば左右方向と平行の壁部であるが、ストッパ４４，４６の形状はこれに限られない。

　弁軸４８には、該弁軸４８の径方向外側に突出し、弁体回転範囲の上限及び下限の少なくとも一方、本実施形態では双方においてストッパ４４，４６に当接する突出部４８Ｄが設けられている。突出部４８Ｄは、例えば平面視で矩形の板状小片部であり、１箇所設けられている。この突出部４８Ｄは、弁体回転範囲の上限でストッパ４４に当接し、下限でストッパ４６に当接する。ストッパ４４，４６の配置と、弁軸４８の周方向における突出部４８Ｄの大きさは、弁体回転範囲に応じて適宜変更される。換言すれば、ストッパ４４，４６の位置は、この角度差と、弁軸４８の突出部４８Ｄの形状を考慮して定められる。すなわち、ギヤ部４８Ｂ、突出部４８Ｄ、溝４８Ａ及び嵌合部４８は、上側からこの順番で弁軸４８に設けられている。

　なお、本実施形態における弁体回転範囲の上限と下限の角度差は１８０°である。このように弁体回転範囲の上限と下限の角度差が既知である場合、キャリブレーションのプログラムにより、上限から下限を算出することができ、また下限から上限を算出することができる。したがって、上限のストッパ４４又は下限のストッパ４６の一方のみが設けられる構成であってもよい。また、上限のストッパ４４に当接する突出部と、下限のストッパ４６に当接する突出部とが別々に設けられていてもよい。

（作用、効果）
　次に、本実施形態の流路切換弁１０の作用、効果について説明する。図２において、本実施形態では、モータ、駆動ギヤ等からなる回転駆動部１８により弁軸４８を介して弁体１６を回転させることで、弁本体１４の流路３６を切り換えることができる。具体的には、弁体１６の流路３６を通じて、弁本体１４に設けられた流入口２４，２６，２８の連通状態を選択的に切り換えることができる。図５においては、弁軸４８（図４）及び弁体１６が弁体回転範囲の中央にあり、流入口２４，２６，２８が互いに連通している。図７においては、弁軸４８（図６）及び弁体１６が弁体回転範囲の上限にあり、流入口２４，２８が互いに連通している。図示は省略するが、弁軸４８及び弁体１６が弁体回転範囲の下限にある場合には、流入口２６，２８が互いに連通する。

　また、本実施形態では、弁本体１４の外側に設けられたストッパ４４，４６により、弁体回転範囲の上限及び下限の双方において、弁軸４８のそれ以上の回転を制限することができる。具体的には、弁軸４８の突出部４８Ｄがストッパ４４，４６にそれぞれ当接することで、弁軸４８のそれ以上の回転が制限される。

　回転駆動部１８は、弁軸４８の角度位置を検出可能であるため、突出部４８Ｄがストッパ４４，４６により弁軸４８の回転が止められた位置を、弁体回転範囲の上限又は下限として検出し、弁体回転範囲のキャリブレーションを行うことができる。キャリブレーションは、流路切換弁１０の使用の都度、又は月に１度等、不定期又は定期的に行われることが望ましい。ここで、弁軸４８の突出部４８Ｄとストッパ４４，４６を用いたキャリブレーションの手順の一例を、図８を用いて説明する。

　図８（Ａ）では、弁軸４８が弁体回転範囲の中央にある。回転駆動部１８（図１）により弁軸４８を右回転させると、図８（Ｂ）において、突出部４８Ｄが上限のストッパ４４に当接し、それ以上の弁軸４８の回転が制限される。このとき回転駆動部１８のモータに逆起電力が生じるため、これを検出することで、弁軸４８が弁体回転範囲の上限に達したことを検知できる。次に、弁軸４８を左回転させると、図８（Ｃ）において、突出部４８Ｄが下限のストッパ４６に当接し、それ以上の弁軸４８の回転が制限される。このとき回転駆動部１８のモータに逆起電力が生じるため、これを検出することで、弁軸４８が弁体回転範囲の下限に達したことを検知できる。これにより、弁体回転範囲の上限における回転駆動部１８での弁軸４８の角度位置と、弁体回転範囲の下限における回転駆動部１８での弁軸４８の角度位置がそれぞれ対応付けられるので、弁体回転範囲のキャリブレーションが完了する。図８（Ｄ）に示されるように、弁軸４８の角度位置を弁体回転範囲内で任意に変更することができる。

　本実施形態では、ストッパ４４，４６が弁体回転範囲の上限及び下限の双方に設けられているので、上限と下限の角度差がわかっていなくても、上限及び下限を検出することで弁体回転範囲のキャリブレーションを行うことができる。弁体回転範囲の上限と下限の角度差が既知である場合には、キャリブレーションのプログラムにより、上限から下限を算出することができ、また下限から上限を算出することができる。したがって、上限のストッパ４４又は下限のストッパ４６の一方が設けられる構成であっても、キャリブレーションを行うことができる。

　また、ストッパ４４，４６を弁本体１４の外側、すなわち弁室１２の外側に設けたことで、弁室１２内に流れる流体中に混入した異物等がストッパに付着して誤差が生じるおそれをなくすことができる。また、ストッパ４４，４６を、回転駆動部１８側ではなく弁本体１４側に設けることで、回転駆動部１８と弁本体１４との取付公差の影響をなくすことができる。さらに、このような構成により、同一の回転駆動部１８を、制御範囲（弁体１６の回転角度範囲）が互いに異なる様々な弁本体１４に組み合わせることができる。

　このように、本実施形態では、弁体回転範囲の上限及び下限の少なくとも一方において、弁軸４８に設けられた突出部４８Ｄがストッパ４４，４６に当接するという簡易な構成により、キャリブレーションに絶対角センサを用いる場合と比較して、コスト増を抑制しつつ、回転駆動部１８における弁体回転範囲のキャリブレーションを行うことができる。

［その他の実施形態］
　以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

　弁本体１４に形成される入出口の数や配置構成は、当該流路切換弁１０の適用箇所等に応じて、適宜に変更できることは言うまでも無い。上記実施形態では、流路切換弁１０として三方弁を例にとって説明したが、例えば、二方弁や、四方以上の切換弁としても良いことは言うまでも無い。

　また、上記実施形態の流路切換弁１０は、車両におけるエンジンルーム内等（エンジン冷却用回路や電子機器冷却用回路等）の流路切換用に使用されるものとしているが、用途はこれに限らず、例えば給湯設備における流路切換用に使用しても良いことは勿論である。

　弁軸４８に、ストッパ４４，４６に当接する突出部４８Ｄが設けられるものとしたが、これに限られず、ストッパ４４，４６により弁体回転範囲の上限及び下限の少なくとも一方において弁軸のそれ以上の回転を制限することができる構成であればよい。

　２０２１年１２月１０日に出願された日本国特許出願２０２１－２０１１８３号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
　本明細書に記載されたすべての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims

　内部に弁室が形成されると共に、前記弁室を形成する壁面に流体の入出口が形成された弁本体と、
　前記弁室内に回転自在に配置され、かつ流路が形成された弁体と、
　前記弁体と前記入出口との間に配置され、前記弁体と前記入出口との間を封止する封止部と、
　複数の前記入出口の連通状態が前記弁体の前記流路を通じて選択的に切り換わるように、弁軸を介して前記弁体を回転させると共に、前記弁軸の角度位置を検出可能な回転駆動部と、
　弁体回転範囲の上限及び下限の少なくとも一方において前記弁軸のそれ以上の回転を制限するストッパと、
　を備えた流路切換弁。
　前記ストッパは、前記弁本体の外側に設けられている、請求項１に記載の流路切換弁。
前記弁軸には、該弁軸の径方向外側に突出し、前記弁体回転範囲の上限及び下限の少なくとも一方において前記ストッパに当接する突出部が設けられている、請求項２に記載の流路切換弁。
　前記ストッパは、前記弁体回転範囲の上限及び下限の双方に設けられている、請求項１～請求項３の何れか１項に記載の流路切換弁。