特許 5940505 三方弁

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5940505

(24)【登録日】2016年5月27日

(45)【発行日】2016年6月29日

(54)【発明の名称】三方弁

(51)【国際特許分類】

   F16K 11/044 20060101AFI20160616BHJP

【ＦＩ】

   F16K11/044 B

【請求項の数】2

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2013-215229(P2013-215229)

(22)【出願日】2013年10月16日

(65)【公開番号】特開2015-78730(P2015-78730A)

(43)【公開日】2015年4月23日

【審査請求日】2014年11月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】000115854

【氏名又は名称】リンナイ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100111257

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 栄二

(74)【代理人】

【識別番号】100110504

【弁理士】

【氏名又は名称】原田 智裕

(72)【発明者】

【氏名】島津 智行

(72)【発明者】

【氏名】杉浦 久之

【審査官】 冨永 達朗

(56)【参考文献】

【文献】 実公昭３３−００４９７８（ＪＰ，Ｙ１）

【文献】 特開２０１１−２５２５１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−０１３２７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５４−０６１３２１（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｋ １１／００−１１／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１、第２、第３のポートを開設するケーシング内の流体通路に第１、第２の弁座が対向して設けられ、第１、第２の弁座に当接又は離間される弁体がモータに連結するシャフトに取り付けられて、弁体が第１、第２の弁座に当接又は離間することにより、第１、第２のポートからケーシング内に流入する流体を混合して第３のポートから流出させる混合弁あるいは第３のポートからケーシング内を流入する流体を第１、第２のポートに分流して流出させる分流弁に用いられる三方弁において、
弁体は、シャフトが挿通されて径方向外方に張り出す偏平な鍔部を有し、シャフトの移動により鍔部の一方の面側を第１の弁座に当接可能とし鍔部の他方の面側を第２の弁座に当接可能に構成され、
シャフトには、弁体を跨いで軸方向に離れた２箇所に係止部材が固定されるとともに、シャフトの２箇所の係止部材間に挿通されて各係止部材に一端を受け止めさせた２つのバネが設けられ、
前記弁体には、鍔部の両面においてシャフトを挿通する軸孔の周囲にシャフトを取り囲むように筒部が突設されており、
各筒部の一方又は両方は、第１又は第２のポートを弁体が閉弁状態にあるときには、第１又は第２のポートの開放側にあるバネの全部及びバネの一端を受け止める係止部材を筒部内に収納する軸方向長さ及び内径を有し、
前記弁体が２つのバネにより鍔部の両面側から挟み込まれて付勢支持されている三方弁。

【請求項2】

請求項１に記載の三方弁において、
前記第１、第２の弁座には、前記ケーシング内の単一の弁体が当接又は離間する三方弁。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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体通路に第１、第２の弁座を対向して設け、第１、第２の各弁座に対して当接又は離間する第１、第２の２つの弁体をモータに連結するシャフトに取り付けるとともに、第１、第２の弁体間にバネを介装したものがある（特許文献１、特許文献２、特許文献３）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１−２５２５１７号公報

【特許文献2】特開平１−１２１８１号公報

【特許文献3】特開２０１２−３１９６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記のとおり、従来の三方弁では、第１、第２の弁座に対応して第１、第２の２つの弁体を備える構成であるために、第１、第２の弁座の開口部と第３のポートとの間の流体通路が狭くなり、流体の流通抵抗が大きく、圧力損失の高いものであった。また、流体の流量も多く確保するのが困難であった。
また、弁体と弁座とのシールは、第１、第２の弁体間に設けるバネのバネ荷重によって弁体を押し付けることで実現されるが、必要な押し付け力を得るには、この１本のバネは、線材が太くバネ定数の大きいものやバネ長の長いものを使用する必要があった。
また、バネが弁体の外径に露出されている場合は、流体がバネに衝突して乱流を起こし圧力損失を生じさせ、また、流体に運ばれてきた異物がバネの線材間に詰まってバネ性能を低下させ、閉弁時のシール性能を低下させるという懸念もあった。

【0005】

本発明は、上記事情に鑑みてなされ、その目的は、流体の流通抵抗が小さくなり圧力損失を低減することが可能な三方弁を提供することにある。また、簡易なバネを使用してもシール性能が確保され、さらに、バネへの異物の噛み込みを防ぎ、且つ流体のバネへの衝突を低減して流通抵抗がさらに低減される三方弁を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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体通路に第１、第２の弁座が対向して設けられ、第１、第２の弁座に当接又は離間される弁体がモータに連結するシャフトに取り付けられて、弁体が第１、第２の弁座に当接又は離間することにより、第１、第２のポートからケーシング内に流入する流体を混合して第３のポートから流出させる混合弁あるいは第３のポートからケーシング内を流入する流体を第１、第２のポートに分流して流出させる分流弁に用いられる三方弁において、
弁体は、シャフトが挿通されて径方向外方に張り出す偏平な鍔部を有し、シャフトの移動により鍔部の一方の面側を第１の弁座に当接可能とし鍔部の他方の面側を第２の弁座に当接可能に構成され、
シャフトには、弁体を跨いで軸方向に離れた２箇所に係止部材が固定されるとともに、シャフトの２箇所の係止部材間に挿通されて各係止部材に一端を受け止めさせた２つのバネが設けられ、
前記弁体には、鍔部の両面においてシャフトを挿通する軸孔の周囲にシャフトを取り囲むように筒部が突設されており、
各筒部の一方又は両方は、第１又は第２のポートを弁体が閉弁状態にあるときには、第１又は第２のポートの開放側にあるバネの全部及びバネの一端を受け止める係止部材を筒部内に収納する軸方向長さ及び内径を有し、
前記弁体が２つのバネにより鍔部の両面側から挟み込まれて付勢支持されている。

【0007】

本発明によれば、弁体を偏平な鍔部を有する単一体により構成するので、従来のように弁体を２つ備えるものと比べ、コンパクトな弁体構造とすることができる。これにより、弁体の配置部分における流体通路が広く確保されて流体の流通抵抗が小さくなり、流体への圧力損失を低減することができる。よって、流体流量を多くすることができる。

【0008】

また、弁体は、２つのバネをシャフトに取り付け、これら２つのバネにより鍔部の両面側から挟み込んで付勢支持されている。これにより、閉弁時の弁体に必要な押し付け力を他方のバネの付勢力でもって補えるから、２つのバネは、従来のように１本使用のバネよりもバネ定数の小さいもの、例えばバネの線径が細いものを使用することができる。

【0009】

また、閉弁状態の弁体は、弁座に対してシャフトに連結するモータの推力でもって直接押し付けることなく、バネの付勢力によるバネ荷重により弁座に押し付けてシールされる。従って、弁体が弁座に対して必要以上に押し付けられて損傷することがなく、弁体の耐久性が向上する。

【0010】

また、筒部によって流体がバネと衝突することを抑制するから、流体に運ばれてきた異物がバネに噛み込むことが抑制される。また、バネによる流体の流通抵抗や乱流が低減される。従って、バネ荷重によるシール性能を長期に維持することができ、また、流体への圧力損失をさらに低減することができる。

【0011】

また、第１又は第２のポートの開放側を流れる流体は、筒部によってバネとの衝突をほとんど無くして筒部の滑らかな表面に沿って流れるので、バネへの異物の噛み込みが防止され、また、バネによる流体の流通抵抗や乱流をさらに低減することができる。

【0012】

さらに、第１又は第２のポートの開放側を流れる流体は、筒部によってバネだけでなく係止部材との衝突も抑えられるから、流体の流通抵抗や乱流をさらに低減することができる。また、係止部材が蓋をするように筒部の開口部を塞いだ状態になるので、筒部内部への流体の浸入が防止され、流体の流通抵抗や乱流をさらに低減することができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明に係る三方弁によれば、弁体を偏平な鍔部を有する単一体により構成して径方向にコンパクトな弁体構造とするので、弁体の配置部分における流体通路が広く確保されて流体の流通抵抗を低減することができる。その結果、流体への圧力損失が低減され、多くの流体流量を確保することができる。また、弁体を２つのバネにより鍔部の両面側から挟み込んで付勢支持するので、２つのバネをバネ定数の小さいものを使用してもシール性能を確保することができる。よって、流体への圧力損失が少ない三方弁が実現される。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態に係る分流弁（三方弁）の断面図であって、弁体が第１ポートと第２ポートとの間の中間位置に配置されて、第１ポートと第２ポートとが第３ポートと連通している状態を示す断面図である。

【図2】本発明の実施形態に係る分流弁（三方弁）の弁体の断面図であって、シャフトに挿通された状態を示す説明図である。

【図3】本発明の実施形態に係る分流弁（三方弁）の断面図であって、弁体により第２ポートが閉鎖された状態を示す断面図である。

【図4】本発明の実施形態に係る分流弁（三方弁）の断面図であって、弁体により第１ポートが閉鎖された状態を示す断面図である。

【図5】シャフトの先端部側を軸支する軸受部の変形例を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下に、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
本発明に係る三方弁の一実施形態としての分流弁を図１から図４に示す。本実施形態に係る分流弁は、出力ポートとなる第１ポート１１及び第２ポート１２と、入力ポートとなる第３ポート１３とを開設するケーシング１を備える。ケーシング１内には、弁体２と、弁体２が取付けられるシャフト３とを配置し、ケーシング１の外部には、シャフト３をケーシング１内で往復移動させるように駆動するモータ４を設けている。

【0016】

ケーシング１は、筒状に形成する本体１４と、本体１４の側面に開口する第１ポート１１、第２ポート１２及び第３ポート１３を備える。本体１４の第１ポート１１側の端部には開口部１５が形成されている。この開口部１５から本体１４の内部に挿入され、シャフト３を支持するインナー部材５が外側パッキン５１を介在してシール状態に取り付けられる。

【0017】

ケーシング１内の流体通路は、シャフト３及び弁体２を配設する直線的な直線流路６１と、直線流路６１の軸方向両端部に連続して形成される第１流路６２及び第２流路６３と、直線流路６１の中間位置に連続して形成される第３流路６４を備える。第１流路６２及び第２流路６３は、ケーシングの一方の側面に開設する第１ポート１１と第２ポート１２にそれぞれ連通され、第３流路６４は、ケーシングの他方の側面に開設する第３ポート１３に連通されている。

【0018】

インナー部材５には内部に貫通する軸挿通孔５２が設けられ、軸挿通孔５２には内側パッキン５３を介在してシール状態で且つ軸方向に移動可能にシャフト３が取り付けられる。本体１４のインナー部材５とは反対側の端部には、本体１４の内方に向けて突出し、シャフト３の先端部を軸方向に移動可能に支持する筒状の軸受部１６が一体に形成されている。

【0019】

インナー部材５は、直線流路６１内における第３流路６４付近に配置される先端部が円筒状に形成され、この先端部の環状突起を弁体２が着座する第１弁座７１としている。本体１４内には、直線流路６１内における第３流路６４付近の内周面に突設する環状突起を弁体２が着座する第２弁座７２としている。第１弁座７１と第２弁座７２は、直線流路６１内で対向して設けられている。

【0020】

シャフト３は、軸方向所定位置に段部３１を形成し、段部３１により基端側を大径の大径部３２とし、段部３１より先端側を小径の小径部３３とする。小径部３３には、Ｃリングからなるストッパー３４が固定される環状溝３５が形成されている。

【0021】

シャフト３には、小径部３３側から、第１座金９１、第１バネ８１、弁体２、第２バネ８２、第２座金９２が順次挿通され、最後にストッパー３４を環状溝３５に嵌め込み第２座金９２の移動を規制するようにして、弁体２をシャフト３に支持する。第１座金９１と第２座金９２は、それぞれ第１バネ８１と第２バネ８２の一端を受け止める係止部材となる。なお、第１バネ８１と第２バネ８２は、小径部３３の外径程度の内径を有するコイルバネにより構成されており、双方とも同じものを用いている。

【0022】

第１座金９１は、シャフト３の段部３１に端面を当接させることによりシャフト３の基端側への移動が阻止され、第２座金９２は、環状溝３５に嵌合させたストッパー３４に当接させることによりシャフト３の先端側への移動が阻止される。弁体２は、軸孔２４に形成する環状凹部２２にＯリング２１を嵌め込み、シャフト３との間のシールが確保される。弁体２には、環状凹部２２を塞ぐように押え部材９３が取り付けられる。そして、第１バネ８１が第１座金９１と弁体２の押え部材９３との間に介装され、第２バネ８２が第２座金９２と弁体２の端面との間に介装されている。従って、弁体２は、これら２つのバネ８１，８２により両面側から挟み込まれてシャフト３に付勢支持され、第１座金９１と第２座金９２との間の範囲内でシャフト３の軸方向に移動可能に構成されている。弁体２は、直線流路６１において第３流路６４と対向する位置に配置される。

【0023】

図２を参照して、弁体２は、シャフト３の軸方向と直交する方向に張り出す円板状の偏平な鍔部２３と、シャフト３が挿通される軸孔２４と、鍔部２３の両面で軸孔２４の周囲に突設される第１筒部２５及び第２筒部２６とを備え、コマ型に形成されている。

【0024】

弁体２の鍔部２３の外周部には、外周端面と軸方向両面の外周縁を覆うリング状のパッキン２７が嵌められている。パッキン２７は軟質樹脂製等であり、樹脂製の弁体２と一体成形により形成することができる。

【0025】

弁体２は、シャフト３の移動により、パッキン２７が第１弁座７１又は第２弁座７２に当接してシールするように構成されている。そして、弁体２において、鍔部２３の一方の面側がパッキン２７を介して第１弁座７１に当接又は離間することにより第１ポート１１が開閉され、鍔部２３の他方の面側がパッキン２７を介して第２弁座７２に当接又は離間することにより第２ポート１２が開閉される。弁体２のパッキン２７の部分が第１弁座７１又は第２弁座７２に着座することにより、弁体２が第１弁座７１又は第２弁座７２に着座したときの衝撃を吸収し弁体２の耐久性を向上する。

【0026】

第１筒部２５の内部には、シャフト３に挿通された第１バネ８１が収納され、第２筒部２６の内部には、シャフト３に挿通された第２バネ８２が収納される。

【0027】

第１筒部２５の内径は、Ｏリング２１及び押え部材９３を挿入可能な大きさに形成される。図１に示すものでは、第１筒部２５の内径は、第１座金９１の外径とほぼ同じ大きさに形成されている。第１筒部２５の長さは、弁体２が何れの弁座７１，７２にも当接していない状態のときに（図１参照）、図２に示すように、第１バネ８１が第１筒部２５内に完全に収納され、第１座金９１が第１筒部２５の先端の開口部内に位置する長さを有している。従って、弁体２が第１弁座７１及び第２弁座７２から離れた位置にあっても、第１バネ８１及び第１座金９１が第１筒部２５内に収納された状態になる。

【0028】

そして、第２ポート１２を弁体２によって遮断するために、モータ４を駆動してシャフト３を先端側へ移動させると、図３に示すように、弁体２の鍔部２３における一方の面側が第２弁座７２に当接する。さらにシャフト３を先端側へ移動させ、弁体２を第２弁座７２に圧接してシールする。弁体２が第２弁座７２に当接した後は、シャフト３のみが移動するので、第１座金９１により第１バネ８１が押し込まれて圧縮し、第１バネ８１及び第１座金９１が第１筒部２５内に収納される。このとき、第１座金９１が第１筒部２５の内径を摺動するガイドとしても機能するから、弁体２が第２弁座７２に当接した後にシャフト３を移動させて弁体２に第１バネ８１のバネ荷重をかける際も弁体２の着座姿勢を安定して保持することができる。

【0029】

第２筒部２６の内径は、第１筒部２５の内径よりも小さく、第２バネ８２が伸縮可能に収納される大きさであり、第２座金９２の外径よりも小さく形成されている。第２筒部２６の筒の長さは、弁体２が何れの弁座７１，７２にも当接していない状態のときに（図１参照）、図２に示すように、第２バネ８２の先端の一部が外部に露出し、第２座金９２が第２筒部２６の先端から所定間隔を有する長さとなっており、第１筒部２５の長さよりも短く形成されている。第２筒部２６の先端と第２座金９２との間の所定間隔は、弁体２が第１弁座７１に当接した状態から第２座金９２により第２バネ８２を圧縮させるために必要なシャフト３のストロークを確保させる。

【0030】

そして、第１ポート１１を弁体２によって遮断するために、モータ４を駆動してシャフト３を基端側へ移動させると、図４に示すように、弁体２の鍔部２３における他方の面側が第１弁座７１に当接する。そして、さらにシャフト３を基端側へ移動させ、弁体２を第１弁座７１に圧接してシールする。弁体２が第１弁座７１に当接した後は、シャフト３のみが移動するので、第２座金９２により第２バネ８２が押し込まれて圧縮し、第２バネ８２の殆どが第２筒部２６内に収納される。第２座金９２は、第２筒部２６へシャフト３の荷重が直接伝わらないように第２筒部２６の先端部に接触しないようになっている。

【0031】

本実施形態に係る分流弁では、モータ４を駆動してシャフト３を軸方向に移動させ、弁体２の位置を調整することにより、第３ポート１３から直線流路６１内に流れ込む流体を第１ポート１１と第２ポート１２とに任意の分流比で分流させることができる。そして、本実施形態の分流弁によれば、弁体２を偏平な鍔部２３を有する単一体により構成するので、従来の三方弁のように弁体を２つ備えるものと比べ、径方向にコンパクトな弁体構造とすることができる。これにより、弁体２の配置部分における流体通路が広く確保されて流体の流通抵抗が小さくなり、流体への圧力損失を低減することができる。また、流体が弁体２を通過するとき、第１、第２の筒部２５，２６によって流体が第１、第２のバネ８１，８２と衝突することを抑制するとともに筒部２５，２６の滑らかな表面に沿って流れる。従って、バネ８１，８２による流体の流通抵抗や乱流が低減され、流体への圧力損失をさらに低減することができる。第２筒部２６は、シャフト３の外径に沿った第２バネ８２を収納可能とする程度に小径であるから、第２弁座７２の開口面積が広く確保され、第２流路６３と第３流路６４の間を流れる流体の流通抵抗を低減することができる。さらには、流体に運ばれてきた異物がバネ８１，８２に噛み込むことが抑制されるから、第１ポート１１又は第２ポート１２を閉じるとき、バネ荷重によるシール性能を長期に維持することができる。

【0032】

また、第１、第２の各筒部２５，２６は、第１ポート１１又は第２ポート１２を弁体２が閉弁状態にあるときには、第１ポート１１又は第２ポート１２の開放側にあるバネ８１，８２のほぼ全部を筒部２５，２６内に収納する軸方向長さを有する（図３、図４参照）。従って、第１、第２ポート１１，１２の閉弁時に第１、第２ポート１１，１２の開放側を流れる流体は、筒部２５，２６によってバネ８１，８２との衝突をほとんど無くして筒部２５，２６の滑らかな表面に沿って流れるので、バネ８１，８２への異物の噛み込みが防止され、また、バネ８１，８２による流体の流通抵抗や乱流をさらに低減することができる。とりわけ、第１筒部２５は、開放側の第１ポート１１にある第１バネ８１の一端を受け止める第１座金９１をも第１筒部２５内に収納する軸方向長さ及び内径を有するので、流体は、第１バネ８１だけでなく第１座金９１との衝突も抑えられるから、流体の流通抵抗や乱流をさらに低減することができる。しかも、第１座金９１が蓋をするように第１筒部２５の開口部を塞いだ状態とするので、筒部２５内部への流体の浸入が防止され、流体の流通抵抗や乱流をさらに低減することができる。

【0033】

また、弁体２は、第１、第２の２つのバネ８１，８２をシャフト３に取り付け、これら２つのバネ８１，８２により鍔部２３の両面側から挟み込んで付勢支持されている。これにより、第１、第２ポート１１，１２の閉弁時に弁座７１，７２に当接した弁体２を押し付ける際は、閉弁時の弁体２に必要な押し付け力を他方のバネ（図３の状態では第２バネ８２、図４の状態では第１バネ８１）の付勢力でもって補えるから、２つのバネ８１，８２は、従来の三方弁のように１本使用のバネよりもバネ定数の小さいもの、例えばバネの線径が細いものを使用することができる。

【0034】

また、閉弁状態の弁体２は、弁座７１，７２に対してシャフト３に連結するモータ４の推力でもって直接押し付けることなく、バネ８１，８２の付勢力によるバネ荷重により弁座７１，７２に押し付けてシールされる。従って、弁体２が弁座７１，７２に対して必要以上に押し付けられて損傷することがなく、弁体２の耐久性が向上する。

【0035】

このように、本実施形態に係る三方弁によれば、弁体２を偏平な鍔部２３を有する単一体により構成して径方向にコンパクトな弁体構造とするので、弁体２の配置部分における流体通路が広く確保されて流体の流通抵抗を低減することができる。その結果、流体への圧力損失が低減され、多くの流体流量を確保することができる。また、弁体２を２つのバネ８１，８２により鍔部２３の両面側から挟み込んで付勢支持するので、２つのバネ８１，８２をバネ定数の小さいものを使用してもシール性能を確保することができる。よって、流体への圧力損失が少ない三方弁が実現される。

【0036】

因みに、弁体を中間位置に配置したときの流量特性について、流量解析の結果、本実施形態の三方弁では、第１、第２ポート１１，１２からの流出する合計流量が、従来の三方弁に比べて約１．５倍の流量を確保できることを確認した。

【0037】

なお、本発明は、以上の実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変更を加えることができる。
例えば、図５に示すように、シャフト３の先端部を軸支する軸受部１６は、ケーシング１の外側に突設してケーシング１の内部には突出させないようにすることができ、これにより、第３流路６４から第２流路６３に流れる流体の流路抵抗を小さくすることができる。
また、第２筒部２６は、第１筒部２５と同様に、内径を第２座金９２の外径とほぼ同じ大きさに形成し、長さを第２バネ８２が第２筒部２６内に完全に収納され、第２座金９２が第２筒部２５の先端の開口部内に位置する長さとしてもよい。これにより、第１ポート１１を閉じて第２ポート１２を開放する場合でも、流体は、第２バネ８２だけでなく第２座金９２との衝突も抑えられるから、流体の流通抵抗や乱流をさらに低減することができる。しかも、第２座金９２が第２筒部２６の内径を摺動するガイドとしても機能するから、弁体２が第１弁座７１に当接した後にシャフト３を移動させて弁体２に第２バネ８２のバネ荷重をかける際も弁体２の着座姿勢を安定して保持することができる。
また、本発明に係る三方弁は、第１ポート１１及び第２ポート１２が２系統の流体（例えば、水とお湯）の入口とされ、２系統の流体が混合された流体の出口を第３ポート１３とする混合弁としても利用可能である。

【符号の説明】

【0038】

１ ケーシング
２ 弁体
３ シャフト
４ モータ
１１ 第１ポート
１２ 第２ポート
１３ 第３ポート
２３ 鍔部
２４ 軸孔
２５ 第１筒部
２６ 第２筒部
６１ 直線流路
６２ 第１流路
６３ 第２流路
６４ 第３流路
７１ 第１弁座
７２ 第２弁座
８１ 第１バネ
８２ 第２バネ
９１ 第１座金
９２ 第２座金

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】