JP2006258191A - バルブ及びバルブの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 閉弁状態におけるシール性能が従来より高いバルブを提供すると共に、バルブを従来より効率よく製造することが可能なバルブの製造方法の提供する。
【解決手段】 本発明によれば、ボール１７をセラミックスで構成したことにより、従来のスチール製のボールより真球度を高くすることができる。これにより、ボール１７と弁座１５とが安定して密着し、閉弁状態におけるシール性能が向上する。また、本発明のバルブの製造方法によれば、弁座１５にボール接触面１５Ｂの形成するために用いたボール１７を、弁口１３を開閉するための弁体としてのボール１７に兼用するので、それらボールを用途毎に区別していた従来の製造方法に比べて、効率よくバルブ１０を製造することが可能になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ボールを弁座に接離して弁口を開閉するバルブ及びそのバルブの製造方法に関する。

従来、この種のバルブに備えたボールはスチール製のものが一般的である（例えば、特許文献１参照）。そして、例えばＣＯ_２エアコンの冷媒（ＣＯ_２）をチャージ又は開放するために使用されるバルブ（リリーフバルブ又はチャージバルブ）では、高圧の冷媒を封止する必要性からボール及び弁座を共に金属製にした所謂メタルシール構造が採用されていた。
特開２００２−８１５６２号公報（段落［００２７］、第１図）

ところで、上記したバルブでは、ボールが弁座から接離する度にボールのうち弁座に当接する部分が変わり得るのでボールの真球度が要求された。しかしながら、スチール製のボールでは十分な真球度を得ることができず、ＣＯ_２エアコンの冷媒漏れが問題になり得た。また、ボールと弁座との密着度を高めるためには、ボールを弁座に押し付けて円環帯状の打痕を形成する必要がある。ところが、その円環帯状の打痕を形成する際にボールが変形して真球度が低下し得る。このため、従来は比較的硬度が高い鋼鉄製のバルブ製造用ボールで打痕を形成してから、そのバルブ製造用ボールを弁体用のボールに取り替えていた。このため、バルブの製造を効率よく行うことができなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、閉弁状態におけるシール性能が従来より高いバルブの提供と、バルブを従来より効率よく製造することが可能なバルブの製造方法の提供とを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１の発明に係るバルブ（１０，６０）は、弁口（１３）の周囲の弁座（１５）にボール（１７）を接離して弁口（１３）を開閉するバルブ（１０，６０）において、ボール（１７）をセラミックスで構成したところに特徴を有する。

請求項２の発明は、請求項１に記載のバルブ（１０，６０）において、セラミックスを窒化ケイ素で組成したところに特徴を有する。

請求項３の発明は、請求項２に記載のバルブ（１０，６０）において、ボール（１７）の真球度を、０．２μｍより小さな値にしたところに特徴を有する。

請求項４の発明は、請求項２乃至３に記載のバルブ（１０，６０）において、ボール（１７）の面粗度を、Ｒａ０．０３μｍより小さな値にしたところに特徴を有する。

請求項５の発明は、請求項１乃至４の何れかに記載のバルブ（１０，６０）において、弁座（１５）には、ボール（１７）と面接触可能な円環帯状のボール接触面（１５Ｂ）が備えられたところに特徴を有する。

請求項６の発明に係るバルブ（１０，６０）の製造方法は、弁口（１３）の周囲の弁座（１５）に弁体を接離して弁口（１３）を開閉するバルブ（１０，６０）の製造方法において、セラミックス製のボール（１７）を弁座（１５）に押圧して円環帯状の打痕であるボール接触面（１５Ｂ）を形成し、そのボール接触面（１５Ｂ）の形成に用いたボール（１７）を弁口（１３）を開閉する弁体としてのボール（１７）に兼用するところに特徴を有する。

［請求項１，２及び３の発明］
本発明によれば、ボール（１７）をセラミックスで構成したことにより、従来のスチール製のボールより真球度を高くすることができる。これにより、ボール（１７）と弁座（１５）とが安定して密着し、閉弁状態におけるシール性能が向上する。具体的には、ボール（１７）の真球度を、０．２μｍより小さな値にすることが好ましい（請求項３の発明）。また、セラミックスの組成としては、例えば、炭化ケイ素、アルミナ、炭化チタン、窒化アルミニウム、及び、窒化ケイ素等が挙げられる。その中でも、請求項２の構成のように窒化ケイ素で組成されたセラミックスでボール（１７）を構成することが好ましい。

［請求項４の発明］
ボール（１７）をセラミックスで構成すると、従来のスチール製のボールより面粗度も向上する。その面粗度としては、請求項４の構成のように、Ｒａ０．０３μｍより小さな値にすることが好ましい。

［請求項５の発明］
請求項５の構成によれば、ボール（１７）が弁座（１５）に備えたボール接触面（１５Ｂ）に面接触するので、ボール接触面（１５Ｂ）を備えず、ボール（１７）が弁座（１５）に線接触する構成のものに比べてシール性能が向上する。

［請求項６の発明］
セラミックス製のボール（１７）はスチール製のボールに比べて変形し難い。従って、請求項６のバルブ（１０，６０）の製造方法のように、セラミックス製のボール（１７）で円環帯状の打痕であるボール接触面（１５Ｂ）を形成し、そのボール（１７）を弁体としてのボール（１７）に兼用することができ、効率よくバルブ（１０，６０）を製造することが可能になる。

［第１実施形態］
以下、本発明の一実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。本実施形態のバルブ１０におけるバルブ本体１１は、図１の上下方向に延びた軸体構造をなしている。そして、バルブ本体１１の外面における下端寄り位置には、工具係止部１１Ａが張り出し形成され、工具係止部１１Ａより下側にシール装着部１１Ｂ、雄ねじ部１１Ｃが順番に形成されている。そして、雄ねじ部１１Ｃが例えばＣＯ_２エアコン５０（以下、単に「エアコン５０」という）の冷媒流路５１にねじ込まれ、シール装着部１１Ｂと冷媒流路５１の開口縁との間でＯリング５２が押し潰されている。なお、工具係止部１１Ａは、バルブ本体１１の軸方向から見ると例えば六角形になっている。

バルブ本体１１の軸心部分には、流路１２が貫通形成されている。流路１２の途中部分には、流路１２の内径を絞って弁口１３が形成されている。弁口１３を囲む周壁１４のうち図１における下側部分が弁座１５になっている。また、流路１２のうち弁口１３より上側部分は外側開放部屋１２Ａになっており、周壁１４は外側開放部屋１２Ａの内面から直角に立ち上がっている。

流路１２のうち弁口１３より下側部分は内側開放部屋１２Ｂをなし、弁座１５には、内側開放部屋１２Ｂから弁口１３に向かって徐々に縮径したテーパー面１５Ａが備えられている。内側開放部屋１２Ｂには、弁口１３を開閉する弁体としてのボール１７と、ボール１７を下方から押し上げて弁座１５に押し付けるためのボール押上機構２０が備えられている。ボール押上機構２０は、流路１２の内面に固定されたベース部２２と、そのベース部２２に直動可能に支持された可動部２１と、可動部２１とベース部２２との間で突っ張り状態になった圧縮コイルバネ２３とを備えてなる。ベース部２２は、円筒体２２Ａの下端部から側方に複数のスポーク２２Ｂを張り出し、それらスポーク２２Ｂの先端を円筒体２２Ａと同心のベースリング２２Ｃに接続した構造になっている。また、流路１２のうち下端開口部は段付き状に拡径されており、その段差部分より下にＣリング溝１２Ｃが形成されている。そして、そのＣリング溝１２Ｃに係止したＣリング１８と段差部分との間にベースリング２２Ｃが挟まれて固定されている。

可動部２１は、シャフト２１Ａの上端にボール受台２１Ｂを備えてなり、ボール受台２１Ｂの上面には、すり鉢状に陥没したテーパー面２１Ｃが形成されている。そして、シャフト２１Ａがベース２２の円筒体２２Ａにおける内側に直動可能に嵌合され、圧縮コイルバネ２３が、ボール受台２１Ｂとスポーク２２Ｂとの間で突っ張り状態になっている。これにより、ボール押上機構２０は、ボール受台２１Ｂのテーパー面２１Ｃでボール１７を受け、そのボール１７を下方から押し上げて弁座１５に押し付けている。

流路１２のうち外側開放部屋１２Ａには、強制開弁機構２５が備えられている。強制開弁機構２５は、外側開放部屋１２Ａ内を直動するプッシュピン２６と、そのプッシュピン２６をボール１７に向けて付勢するための圧縮コイルバネ２７と、圧縮コイルバネ２７の一端部を位置決めするためのＣリング１９とを備えてなる。プッシュピン２６は、円柱体２６Ａの両端面における中心からシャフト部２６Ｂ，２６Ｃを突出した構造になっており、円柱体２６Ａにおける中心の周りには、複数の流体通気孔２６Ｄが軸方向に貫通形成されている。また、外側開放部屋１２Ａ内のうち上端開口寄り位置にはＣリング溝１２Ｄが形成され、そこにＣリング１９が係止している。そして、プッシュピン２６の上面とＣリング１９の下面との間で圧縮コイルバネ２７が突っ張り状態になってプッシュピン２６が下方に付勢され、下側のシャフト部２６Ｂの先端がボール１７に押し付けられている。この圧縮コイルバネ２７の弾発力は、前述したボール押上機構２０の圧縮コイルバネ２３の弾発力に比べて小さく設定されている。これにより、自然状態では、ボール１７が弁座１５に押し付けられ、かつ、そのボール１７にプッシュピン２６が押し付けられている。なお、上側のシャフト部２６Ｃには、その上端部の径を大きくしてヘッド部２６Ｅが形成されている。

さて、ボール１７は、セラミックスで構成されている。そのセラミックスは、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）で組成されている。具体的には、ボール１７を構成するセラミックスは、所定の粒径の窒化ケイ素を焼結することで非孔質構造とされ、その真球度は０．１３［μｍ］、面粗度はＲａ０．０２［μｍ］、硬度はＨｖ．１６００になっている。一方、バルブ本体１１は、金属（例えば、黄銅、アルミニウム）で構成されている。また、弁座１５のテーパー面１５Ａには、図３に示すようにボール１７と面接触可能な円環帯状の打痕であるボール接触面１５Ｂが形成されている。

次に、上記構成からなるバルブ１０の製造方法について説明する。まず、バルブ本体１１（図１参照）を図示しない治具に固定して、そのバルブ本体１１の流路１２における内側開放部屋１２Ｂにボール１７を収容する。この状態で、図示しない加圧装置にてボール１７を弁座１５のテーパー面１５Ａに押し付ける。これにより、テーパー面１５Ａの一部にボール１７の外面の一部が食い込んで、その打痕として円環帯状のボール接触面１５Ｂ（図３参照）が形成される。従って、そのボール接触面１５Ｂは、ボール１７と同じ曲率で幅方向に丸みを帯びた形状となる。ここで、ボール１７はセラミックス製であるから、ボール接触面１５Ｂとしての打痕の形成に用いられても変形し難い。そこで、打痕の形成に用いたボール１７を、内側開放部屋１２Ｂに収容したまま、弁体としてのボール１７に兼用する。

次いで、図１に示すようにベース部２２における円筒体２２Ａの外側に圧縮コイルバネ２３を挿入しかつ、可動部２１のシャフト２１Ａを円筒体２２Ａの内側に挿入してボール押上機構２０をアッシ化する。そして、ボール押上機構２０全体を内側開放部屋１２Ｂ内に嵌合して、ベースリング２２Ｃを内側開放部屋１２Ｂの内面における段差部分に突き当てる。この状態でＣリング１８をＣリング溝１２Ｃに係止させる。これにより、ボール押上機構２０と共にボール１７が内側開放部屋１２Ｂ内に保持される。

次いで、流路１２の外側開放部屋１２Ａ側に、プッシュピン２６及び圧縮コイルバネ２７を挿入してから、Ｃリング１９をＣリング溝１２Ｄに係止させる。以上により、バルブ１０が完成する。このように、本実施形態のバルブ１０の製造方法によれば、弁座１５にボール接触面１５Ｂの形成するために用いたボール１７を、弁口１３を開閉する弁体としてのボール１７に兼用するので、それらボールを用途毎に区別していた従来の製造方法に比べて、効率よくバルブ１０を製造することが可能になる。

上記構成からなる本実施形態の動作を説明する。
図１に示すように、バルブ１０を、例えばエアコン５０の冷媒流路５１にねじ込んで固定すると、その冷媒流路５１の開口がバルブ１０によって閉塞された状態になる。そして、エアコン５０に冷媒（例えば、ＣＯ_２）をチャージするには、バルブ１０の上端開口に図示しない冷媒供給ノズルを接合して、そのノズルからバルブ１０の流路１２内に圧縮流体としての冷媒を供給する。詳細には、冷媒供給ノズルに付属したプッシュロッドＰ（図２参照）により、プッシュピン２６を押し下げて弁口１３を強制開放し、冷媒流路５１をバキュームしてから、その後、冷媒を冷媒流路５１にチャージする。

エアコン５０内の冷媒の圧力が所定圧に達したら、ノズルをバルブ１０から離脱する。すると、主としてエアコン５０内の冷媒による内圧によってボール１７が弁座１５に押し付けられる。そして、ボール１７の一部と弁座１５におけるボール接触面１５Ｂとが面当接してボール１７と弁座１５との間がシールされ、弁口１３が塞がれる。ところで、バルブ１０が開閉される度に、ボール１７が弁座１５から離れ、ボール１７のうち弁座１５に当接する部分は変わり得る。しかしながら、本実施形態のバルブ１０では、ボール１７をセラミックス製にしたことで、従来のスチール製のボールに比べて真球度を高くすることができ、ボール１７と弁座１５とが安定して密着する。これにより、閉弁状態におけるシール性能が向上し、従来より冷媒の漏れを低減させることができる。しかも、ボール１７の硬度も高くなったので耐摩耗性も向上してバルブ１０の信頼性も向上する。

［第２実施形態］
本実施形態のバルブ６０は、図４及び図５に示されている。本実施形態のバルブ６０に備えたバルブ本体１１は、工具係止部１１Ａの下面にパッキン５３を備え、工具係止部１１Ａの下面中心から突出した雄ねじ部１１Ｃを、例えばエアコンの冷媒流路（図１参照）にねじ込みかつパッキン５３を押し潰した状態にして固定される。

また、本実施形態のバルブ６０では、流路１２の下端部に弁口１３を備え、その弁口１３の周りを囲む周壁１４の上側部分が弁座１５になっている。そして、弁座１５の上方にボール１７が配置され、さらに上方にボール押下機構６１が備えられている。そのボール押下機構６１は、外側開放部屋１２Ａ内を直動する直動部材６４と、その直動部材６４をボール１７に向けて付勢する圧縮コイルバネ６３と、直動部材６４との間で圧縮コイルバネ６３を挟持するための筒部材６２とを備えてなる。

直動部材６４は、略円柱状をなし、両端部に小径部６４Ｃ，６４Ｄを備えている。その下端側の小径部６４Ｃの径方向に第１通気孔６４Ｂが貫通形成されている。また、直動部材６４の中心部には第２通気孔６４Ａが形成され、その第２通気孔６４Ａの上端部は直動部材６４の上端面に開放する一方、第２通気孔６４Ａの下端部は第１通気孔６４Ｂに連通している。筒部材６２は、略円柱状をなし、下端部に小径部６２Ｂを備えている。また、筒部材６２の中心には貫通孔６２Ａが形成されている。さらに、筒部材６２の外周面には、雄ねじ部６２Ｃが形成されている。そして、流路１２の開口縁に形成された雌ねじ部１２Ｅに、筒部材６２の雄ねじ部６２Ｃが螺合して筒部材６２がバルブ本体１１に固定されている。

圧縮コイルバネ６３は、筒部材６２と直動部材６４との間に挟まれて圧縮変形されている。これにより、直動部材６４が下方に付勢され、ボール１７が弁座１５に押し付けられている。なお、圧縮コイルバネ６３の両端部は、筒部材６２の小径部６２Ｂ及び直動部材６４の小径部６４Ｄの外側に嵌合されている。

上記した構成以外は、第１実施形態と同一であるので、それら同一部位には第１実施形態と同一符号を付して重複説明は省略する。

本実施形態のバルブ６０では、ボール１７より弁口１３の空間の流体圧力が、所定の値より大きくなった場合に、図５に示すように圧縮コイルバネ６３の弾発力に抗してボール１７が流体圧力により弁座１５から離される。これにより、弁口１３が開放して、流体が排出される。また、本実施形態のバルブ６０に備えたボール１７は、前記第１実施形態と同様にセラミックス製であるので、第１実施形態と同様の作用効果を奏する。

［実施例］
上記した第２実施形態のバルブ６０を本発明の実施品として製作すると共に、ボール１７をステンレス製（例えば、ＳＵＳ４４０Ｃ）に変更した点以外は実施品と略同一構成の従来品も併せて製作し、それらの性能評価試験を行った。その評価方法としては、環境保護の基準を満たすか否かで判別した。具体的には、環境保護の基準として、エアコン等の冷媒（例えば、ＣＯ_２）に関しては、バルブが１１［ＭＰａ］の流体圧力を受けた状態で、１年間における流体の総洩れ量を０．５［ｇ］以下にしなければならないという基準が設けられている。そこで、実施品及び従来品におけるボール１７より弁口１３側に１１［ＭＰａ］の流体圧力をかけて所定時間当たりの洩れ量を求め、これを１年当たりの流体の総洩れ量に換算して、上記基準値と比較した。

表１に示したように、従来品では、ボール１７より弁口１３側の流体圧力が２〜４［ＭＰａ］になったところで冷媒の洩れが大きくなり、１１［ＭＰａ］にすることができなかった。これに対し、本発明の実施品では、流体圧力を１１［ＭＰａ］にすることができ、この状態で１時間当たりの流体の洩れ量は、０．０３２［ｃｃ］になった。これを、１年間における流体の総洩れ量に換算すると０．５［ｇ］以下になり、上述した環境保護上の基準を満たす結果となった。また、本発明の実施品に備えたセラミックス製のボール１７は、表１に示すように従来品に備えたステンレス製のボールに対して、真球度、面粗度、硬度が共に改善された。このことより、本発明の実施品では、ボール１７をセラミックス製にして真球度等を高くしたことにより、シール性能が向上したと推測される。

［他の実施形態］
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

（１）前記第１実施形態では、ボール押上機構２０によってボール１７を弁座１５に押し付けていたが、ボール押上機構２０を備えずに、冷媒の内圧のみによってボール１７が弁座１５に押し付けられる構成のバルブに本発明を適用してもよい。

（２）前記各実施形態のボール１７は、窒化ケイ素で組成されたセラミックスであったが、例えば、炭化ケイ素、アルミナ、炭化チタン又は、窒化アルミニウムで組成されたセラミックスでボール１７を構成してもよい。但し、前記各実施形態のように窒化ケイ素で組成されたセラミックスでボール１７を構成することが好ましい。なぜなら、窒化ケイ素は、共有結合性が比較的高く、熱膨張係数が比較的小さいからである。

（３）前記第１実施形態のバルブ１０では、ベース部２２における円筒体２２Ａの内側に可動部２１のシャフト２１Ａが嵌合されていたが、図６に示すようにベース部２２の中心に支柱２２Ｄを設け、その支柱２２Ｄの中心にガス抜き孔２２Ｅを形成する一方、可動部２１に円筒部２１Ｄを設け、その円筒部２１Ｄを支柱２２Ｄの外側に嵌合した構成にしてもよい。

本発明の第１実施形態に係るバルブの断面図 そのバルブが開弁した状態の断面図 弁座の部分拡大断面図 第２実施形態に係るバルブの断面図 そのバルブが開弁した状態の断面図 変形例のバルブの断面図

符号の説明

１０，６０ バルブ
１１ バルブ本体
１２ 流路
１３ 弁口
１５ 弁座
１５Ａ テーパー面
１５Ｂ ボール接触面
１７ ボール

Claims (6)

1. 弁口（１３）の周囲の弁座（１５）にボール（１７）を接離して前記弁口（１３）を開閉するバルブ（１０，６０）において、前記ボール（１７）をセラミックスで構成したことを特徴とするバルブ（１０，６０）。
2. 前記セラミックスを窒化ケイ素で組成したことを特徴とする請求項１に記載のバルブ（１０，６０）。
3. 前記ボール（１７）の真球度を、０．２μｍより小さな値にしたことを特徴とする請求項２に記載のバルブ（１０，６０）。
4. 前記ボール（１７）の面粗度を、Ｒａ０．０３μｍより小さな値にしたことを特徴とする請求項２乃至３に記載のバルブ（１０，６０）。
5. 前記弁座（１５）には、前記ボール（１７）と面接触可能な円環帯状のボール接触面（１５Ｂ）が備えられたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のバルブ（１０，６０）。
6. 弁口（１３）の周囲の弁座（１５）に弁体を接離して前記弁口（１３）を開閉するバルブ（１０，６０）の製造方法において、
   セラミックス製のボール（１７）を前記弁座（１５）に押圧して円環帯状の打痕であるボール接触面（１５Ｂ）を形成し、そのボール接触面（１５Ｂ）の形成に用いた前記ボール（１７）を前記弁口（１３）を開閉する前記弁体としてのボール（１７）に兼用することを特徴とするバルブ（１０，６０）の製造方法。
   
   
   

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