JP5369065B2 - 三方弁 - Google Patents

Description

本発明は、水、湯等の流体に対する混合弁又は分流弁として利用される三方弁に関する。

従来、この種の三方弁として、第１、第２、第３のポートを開設するケーシング内の流路に第１の弁座と第２の弁座とが対向して設けられ、第１の弁座と第２の弁座とに対してモータに連結する１本のシャフトに取り付けられた第１の弁体と第２の弁体とがそれぞれ配置されたものがある（特許文献１、特許文献２、特許文献３）。そして、この三方弁を例えば給湯器に組み込む湯水混合弁として利用する場合は、シャフトを移動させて第１、第２の各弁体の開度を制御して、第１のポートから流入される高温湯と第２のポートから流入される冷水の流量を調節し湯水の混合比を制御して第３のポートから流出される湯の出湯温度を調節するようにして用いられる。

特開２００５−３１９０号公報 特開２００６−２６６４０３号公報 特開２０１０−３８３３６号公報

しかしながら、従来の三方弁は、弁体と弁座との当接位置間際では流量特性において直線性が得られず、全流量も落ち込むというものであった（図３中の点線で示す流量を参照）。これは、弁体と弁座との当接位置間際では弁体と弁座との間の開口面積が狭く流体の流速が速くなる傾向にあるため、弁体の開き始めや閉じる直前に流体が下流側へ急激に引き込まれて流量（例えば、図３中の点線で示す第１ポートの流量）が増大するからである。しかも、第１の弁座と第２の弁座とが対向した流路構造を持つため、一方側の弁体側から流体が勢いよく流れ込むと、その水流による動圧を受けて他方側の弁体側からの流体の流入が抑制されるため、開口面積がほぼ最大となった他方側の弁体側では流量（例えば、図３中の点線で示す第２ポートの流量）が減少し、その結果、全流量（図３中の点線で示す第３ポートの流量）が減少するというものである。このことから、弁体と弁座の当接位置間際では比例的な流量制御を正確に行うことができず、しかも、全流量の最大流量を確保する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あり、弁体と弁座の当接位置間際においても、比例的な流量制御を正確に行うことができ、全流量も最大流量を確保することができる三方弁を提供することを課題とする。

本発明に係る三方弁は、
第１、第２、第３のポートを開設するケーシング内の流路に第１の弁座と第２の弁座とが対向して設けられ、第１の弁座と第２の弁座とに対してモータに連結する１本のシャフトに取り付けられた第１の弁体と第２の弁体とがそれぞれ配置された三方弁において、
第１、第２の各弁体は、それが当接又は離間する第１、第２の各弁座を形成する開口に向かって外径が縮径した形状に形成されるとともに、第１、第２の各弁座との当接位置及びその付近の基部と、基部より先端側に突設された頭部とを有し、且つ基部の傾斜角が頭部の傾斜角よりもゆるやかに形成された外周面を備え、
上記第１、第２の弁体間には、クリアランスが設けられ、且つ相互に離間させる方向に付勢するバネが介装され、
上記シャフトのストロークは、第１、第２の各弁体が第１、第２の各弁座に当接した後も移動を可能とするように構成され、且つシャフトにはそれが挿通されるケーシングの側壁を跨いで第１、第２のストッパが設けられ、第１のストッパがケーシングの側壁外面に当接する前進限位置と第２のストッパがケーシングの側壁内面に当接する後退限位置との間で弁体が弁座に当接した後の移動距離が上記クリアランスの範囲内となるように最大移動可能に構成されているものである。

上記構成より、例えば、第１の弁体側において、第１の弁体の外周面における基部の傾斜角が頭部の傾斜角よりもゆるやかに形成されているので、第１の弁体と第１の弁座の当接位置間際では、第１の弁体と第１の弁座との間の開口面積が少しずつ変化するようになる。これにより、第１の弁体と第１の弁座の当接位置間際において第１の弁体側での流体が下流側へ急激に引き込まれることが抑制されて第１のポート側での流量の増加が防止され、第１の弁体と第１の弁座との間の開口面積に比例した流量制御を行うことができる。しかも、第１の弁体と第１の弁座の当接位置間際での第１のポート側の流量の急激な増加が防止されることから、第２の弁体側では第１の弁体側での流量の急激な増加に伴う動圧による第２のポート側での流量の減少が防止され、第２のポート側でも第２の弁体と第２の弁座との間の開口面積に比例した流量制御を行うことができる。さらには、開口面積がほぼ最大となった第２のポート側での流量の減少が防止されることから、第１の弁体と第１の弁座の当接位置間際における全流量（第３のポート側での流量）の落ち込みを防止することができる。なお、第１の弁体側の開口面積を絞ると第２の弁体側の開口面積が大きくなり、第２の弁体側の開口面積を絞ると第１の弁体側の開口面積が大きくなる関係となるので、第２の弁体と第２の弁座の当接位置間際でも上記同様の作用となる。
また、第１、第２の各弁体と第１、第２の各弁座の当接位置間際における流体の動圧が極端に大きくなることが防止されるので、それに伴った振動、騒音の発生を防止することもできる。

また、上記第１、第２の弁体間には、クリアランスが設けられ、且つ相互に離間させる方向に付勢するバネが介装されており、上記シャフトのストロークは、第１、第２の各弁体が第１、第２の各弁座に当接した後も移動を可能とするように構成され、且つシャフトにはそれが挿通されるケーシングの側壁を跨いで第１、第２のストッパが設けられ、第１のストッパがケーシングの側壁外面に当接する前進限位置と第２のストッパがケーシングの側壁内面に当接する後退限位置との間で弁体が弁座に当接した後の移動距離が上記クリアランスの範囲内となるように最大移動可能に構成されている。これにより、第１、第２の各弁体が第１、第２の各弁座に当接した後もクリアランスの範囲内でシャフトが移動することにより、弁座に当接されている弁体は、バネの付勢力に規制されて押し付けられる。従って、弁体が弁座に対して必要以上に押圧されて損傷することがなく、長期にわたってシール性能を高度に確保することができる。

上記第１、第２の各弁体の外周面は、基部と頭部との傾斜角が異なる多段テーパ形状に形成され、基部には外周面がテーパ形状の弁パッキンが設けられていることが望ましい。
これにより、弁体の基部に弁パッキンを設けることで弁体が弁座に当接した閉状態でのシール性能が高度に確保され、流体の切替えを確実に行える。また、弁体の外周面をテーパ形状とすることで弁体の加工が容易となり、弁パッキンが別体の場合は弁パッキンの組付けも容易に行え、且つコスト増を抑制することができる。

以上のように、本発明に係る三方弁によれば、第１、第２の各弁体と第１、第２の各弁座の当接位置間際においても、シャフトの正確なストローク制御によって比例的な流量制御を正確に行うことができ、しかも、全流量の落ち込みを防止して最大流量を確保することができる。その結果、全領域で全流量を一定に保つことができ、全領域で第１、第２の各弁体の開口面積に比例して正確な流量制御を行うことができる。

実施形態による混合弁（三方弁）の概略構成を示す断面図である。 弁体の外周面部分を示す拡大断面図である。 第１、第２の弁体を取り付けたシャフトのストローク量に対して第１、第２、第３の各ポートでの流体流量の変化量の関係を示す流量特性図である。

以下に、実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
なお、以下では、三方弁の一実施形態として混合弁とする場合を説明する。
図１に示す混合弁１は、第１、第２、第３のポート１１，１２，１３を開設するとともに内部に流路１４を形成するケーシング２と、流路１４内に配設する第１、第２の弁体５１，５２とを備える。ケーシング２は、第１、第２、第３のポート１１，１２，１３を側面に設けた筒状の外ケース２１と、外ケース２１内にパッキン７を介して挿入されたインナー部材２２とにより構成される。インナー部材２２は、外ケース２１の挿入口２３から外ケース２１内に配設され、この挿入口２３には取付部材２４が取り付けられる。

ケーシング２内には、直線的な流路１４の両端に第１流路１５と第２流路１６とが形成され、流路１４の中間に第３流路１７が形成されている。第１流路１５と第２流路１６は、ケーシング２の一方の側面に開設する第１のポート１１と第２のポート１２にそれぞれ連通され、第３流路１７は、ケーシング２の他方の側面に開設する第３のポート１３に連通されている。流路１４には、第１流路１５側に第１の弁座３１が設けられるとともに、インナー部材２２の端面により第１の弁座３１に対向して第２流路１６側に第２の弁座３２が設けられている。また、流路１４内には、図示しないモータを連結したシャフト４が軸方向に挿入され、このシャフト４の先端側に第１、第２の弁体５１，５２が取り付けられて流路１４内に配設されている。従って、シャフト４を軸方向に移動させることにより、第１、第２の弁体５１，５２が同時に流路１４内の軸方向に移動し、第１の弁体５１は、第１の弁座３１に当接又は離間され、第２の弁体５２は、第２の弁座３２に当接又は離間される。なお、本混合弁１では、シャフト４を移動させて第１、第２の各弁体５１，５２の開度を制御することにより、第１のポート１１から流入される高温湯と第２のポート１２から流入される冷水の流量を調節し湯水の混合比を制御して第３のポート１３から流出される湯の出湯温度を調節するようにして用いられる。

シャフト４は、インナー部材２２の軸受部２５にＯリング８でシールして軸支されている。なお、軸受部２５の流路１４を臨む口部には、蓋部材２６が取り付けられる。シャフト４の基端部には、図示しないモータの駆動力が伝えられる駆動部材４３が取り付けられている。駆動部材４３は、インナー部材２２の突設した筒部２７内に配設され、この駆動部材４３の外周面には、雄ネジ部４４が設けられて筒部２７の内面に設けた雌ネジ部２８に螺合されている。従って、モータの駆動により駆動部材４３が回動されると、雄ネジ部４４と雌ネジ部２８の噛み合いによりシャフト４が軸方向に移動される。

第１、第２の弁体５１，５２は、シャフト４に外装したＯリング９がシャフト挿通孔５６の収容部５７に密着されてシャフト４の外周面との間がシールされている。シャフト挿通孔５６には、Ｏリング９の収容部５７と、それより大径に形成されて押え部材５９を嵌め込んだバネ受け部５８とが設けられている。そして、第１の弁体５１のバネ受け部５８にバネ６の一端を収容するとともに、第２の弁体５２のバネ受け部５８にバネ６の他端を収容して、第１、第２の弁体５１，５２間にバネ６が介装されている。また、第１、第２の弁体５１，５２は、シャフト４に取り付けたＥリング及び座金からなる第１、第２の固定具４１，４２により位置決め状態に支持されている。第２の弁体５２は、頭部５４に延長部５４ａが延設されている。なお、第２の固定具４２は、Ｅリングを廃止してシャフト４に設けた段差と座金によって形成してもよい。

従って、第１、第２の弁体５１，５２は、バネ６の付勢力により相互に離間する方向に付勢された状態で各固定具４１，４２間に配置される。また、第１、第２の弁体５１，５２間には、クリアランスＳが設けられているので、第１、第２の各弁体５１，５２が第１、第２の各弁座３１，３２に当接した位置からさらにクリアランスＳの範囲内でシャフト４を移動させることで、バネ６の付勢力により第１、第２の各弁体５１，５２が第１、第２の各弁座３１，３２に押圧されてシール荷重が一定の力に規制される。従って、第１、第２の弁体５１，５２が第１、第２の弁座３１，３２に対して必要以上に押圧され、弁体５１，５２が損傷する不具合が防止でき、長期にわたってシール性能を高度に確保することができる。

このようにして、シャフト４のストロークは、第１、第２の各弁体５１，５２が第１、第２の各弁座３１，３２に当接した後も移動を可能とするように構成され、また、シャフト４には、それが挿通されるインナー部材２２の側壁を跨いで駆動部材４３（第１のストッパ）と第２の固定具４２（第２のストッパ）が設けられている。そして、シャフト４は、駆動部材４３の端面４３ａがインナー部材２２の側壁外面２５ａに当接される前進限位置と、第２の固定具４２がインナー部材２２の側壁内面の蓋部材２６に当接される後退限位置との間で弁体５１，５２が弁座３１，３２に当接した後の移動距離がクリアランスＳの範囲内となるように最大移動可能に構成される。これにより、弁体５１，５２の弁座３１，３２へのシール荷重がバネ６の付勢力に設定される。

第１、第２の弁体５１，５２は、それが当接又は離間する第１、第２の各弁座３１，３２によって形成される開口に向かって外径が縮径したテーパ形状に形成され、第１、第２の各弁座３１，３２との当接位置及びその付近の基部５３と、基部５３より先端側に突設された頭部５４とが設けられている。第１、第２の各弁体５１，５２の基部５３には、外周面がテーパ形状の弁パッキン５５が設けられており、第１、第２の各弁座３１，３２との当接時のシール性能が確保されている。

そして、図２に示すように、第１、第２の弁体５１，５２は、ともに基部５３の傾斜角θ１が頭部５４の傾斜角θ２よりもゆるやかに形成された多段テーパ形状となった外周面を備える。例えば、基部５３の傾斜角θ１は、２０度に設定され、頭部５４の傾斜角θ２は、４０度に設定される。なお、基部５３と頭部５４との境界部分は、Ｒ状に面取りされており、弁パッキン５５の組付け性をよくしている。

以上の第１、第２の弁体５１，５２の構成より、例えば、第１の弁体５１側において、第１の弁体５１の外周面における基部５３の傾斜角θ１が頭部５４の傾斜角θ２よりもゆるやかに形成されているので、第１の弁体５１と第１の弁座３１の当接位置間際では、第１の弁体５１と第１の弁座３１との間の開口面積が少しずつ変化するようになる。これにより、第１の弁体５１と第１の弁座３１の当接位置間際において、第１の弁体５１側での流体が下流側へ急激に引き込まれることが抑制される。

図３の流量特性図を参照して、単一のテーパ形状の外周面を備えた弁体では、点線で示されるように、弁体と弁座との当接位置間際では第１のポートからの流量が増加しているが、本実施形態の多段テーパ形状の外周面を備えた弁体５１，５２では、実線で示されるように、第１の弁体５１と第１の弁座３１の当接位置間際においても第１のポート１１からの流量の増加が防止され、第１の弁体５１と第１の弁座３１との間の開口面積に比例した流量制御を行うことができる。

また、単一テーパ形状の弁体では、図３の流量特性図の点線で示されるように、開口面積がほぼ最大となった第２の弁体側においては第１の弁体側での流量の急激な増加に伴う動圧を受けて第２のポートからの流量が減少している。これに対して、本実施形態の多段テーパ形状の弁体５１，５２では、図３の流量特性図の実線で示されるように、開口面積がほぼ最大となった第２の弁体５２側においては、第１の弁体５１と第１の弁座３１の当接位置間際での第１のポート１１の流量の急激な増加が防止されることから、第１の弁体５１側から大きな動圧を受けることがなく第２のポート１２からの流量の減少が防止され、第２のポート１２側でも第２の弁体５２と第２の弁座３２との間の開口面積に比例した流量制御を行うことができる。

さらには、単一テーパ形状の弁体では、図３の流量特性図の点線で示されるように、開口面積がほぼ最大となった第２のポート側での流量の減少に伴って全流量（第３のポートの流量）の落ち込みが見られるが、本実施形態の多段テーパ形状の弁体５１，５２では、図３の流量特性図の実線で示されるように、開口面積がほぼ最大となった第２のポート１２側での流量の減少が防止されることから、第１の弁体５１と第１の弁座３１の当接位置間際で全流量（第３のポート１３の流量）が落ち込むこともなく最大流量が確保される。

なお、第１の弁体５１側の開口面積を絞ると第２の弁体５２側の開口面積が大きくなり、第２の弁体５２側の開口面積を絞ると第１の弁体５１側の開口面積が大きくなる関係にあるので、第２の弁体５２と第２の弁座３２の当接位置間際でも、上記第１の弁体５１側と同様に、比例的な流量制御を行うことができ、全流量の落ち込みも防止することができる。

このように、実施形態の混合弁１によれば、第１、第２の各弁体５１，５２と第１、第２の各弁座３１，３２の当接位置間際において、シャフト４の正確なストローク制御によって比例的な流量制御を正確に行うことができ、全流量の落ち込みも防止されて最大流量を確保することができる。その結果、第１、第２の各弁体５１，５２の開度制御領域の全域において、全流量を一定に保つことができ、第１、第２の各弁体５１，５２の開口面積に比例して正確な流量制御を行うことができる。よって、この混合弁１によれば、第１、第２の各弁体５１，５２の開度制御領域の全域において湯水の混合比を比例的に制御して第３のポート１３から流出される湯の出湯温度を高精度に調節することができる。また、第１、第２の各弁体５１，５２と第１、第２の各弁座３１，３２の当接位置間際における流体の動圧が極端に大きくなることが防止されるので、それに伴った振動、騒音の発生を防止することもできる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されず、適宜に変更を施すことが可能である。
例えば、第１、第２の各弁体５１，５２は、外周面を多段テーパ形状とするが、断面円弧状、球面状等の外周面形状としてもよい。
また、第１、第２の各弁体５１，５２の基部５３には、弁パッキン５５を一体成形により形成したものとしてもよい。
さらに、上記実施形態では、三方弁を混合弁１として利用する場合の構成を説明したが、第３のポート１３から流体を流入し、第１のポート１１と第２のポート１２から所定の分流比で流体を流出させる分流弁としても利用可能である。

１ 混合弁（三方弁）
２ ケーシング
４ シャフト
６ バネ
１１ 第１のポート
１２ 第２のポート
１３ 第３のポート
１４ 流路
１５ 第１流路
１６ 第２流路
１７ 第３流路
２１ 外ケース
２２ インナー部材
３１ 第１の弁座
３２ 第２の弁座
４１ 第１の固定具
４２ 第２の固定具（第２のストッパ）
４３ 駆動部材（第１のストッパ）
５１ 第１の弁体
５２ 第２の弁体
５３ 基部
５４ 頭部
５５ 弁パッキン
Ｓ クリアランス
θ１ 基部５３の傾斜角
θ２ 頭部５４の傾斜角

Claims (2)

1. 第１、第２、第３のポートを開設するケーシング内の流路に第１の弁座と第２の弁座とが対向して設けられ、第１の弁座と第２の弁座とに対してモータに連結する１本のシャフトに取り付けられた第１の弁体と第２の弁体とがそれぞれ配置された三方弁において、
   第１、第２の各弁体は、それが当接又は離間する第１、第２の各弁座を形成する開口に向かって外径が縮径した形状に形成されるとともに、第１、第２の各弁座との当接位置及びその付近の基部と、基部より先端側に突設された頭部とを有し、且つ基部の傾斜角が頭部の傾斜角よりもゆるやかに形成された外周面を備え、
   上記第１、第２の弁体間には、クリアランスが設けられ、且つ相互に離間させる方向に付勢するバネが介装され、
   上記シャフトのストロークは、第１、第２の各弁体が第１、第２の各弁座に当接した後も移動を可能とするように構成され、且つシャフトにはそれが挿通されるケーシングの側壁を跨いで第１、第２のストッパが設けられ、第１のストッパがケーシングの側壁外面に当接する前進限位置と第２のストッパがケーシングの側壁内面に当接する後退限位置との間で弁体が弁座に当接した後の移動距離が上記クリアランスの範囲内となるように最大移動可能に構成されている三方弁。
2. 請求項１に記載の三方弁において、
   上記第１、第２の各弁体の外周面は、基部と頭部との傾斜角が異なる多段テーパ形状に形成され、基部には外周面がテーパ形状の弁パッキンが設けられている三方弁。

Images