JP2013044354A - ボールバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】ボールに対する回転トルクを低減する。
【解決手段】ボールバルブは流体が流出入する流路１１、２１が形成されたケーシング１と、各流路に個別に連通する複数の開口６、９が形成されたボール収容室５内に収容され内部には流路の切換えのための弁孔１５が形成されたボール３と、その外周面に接触するようにして各開口６、９の開口縁部に組込まれ、各開口同士の間を非連通とするシートリング２６とを備える。シートリング２６、ボール３及びケーシング１の内壁面との間に形成された空間Ｓは、圧力導入路２９を介して弁孔１５と連通している。これにより、流体の流入側の圧力が圧力導入路２９を介して空間Ｓ内へ導入されるため、ボール３を回転させるときにシートリング２６との間に生じる摩擦力を低減させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明はボールバルブに関するものである。

従来より知られるボールバルブには、バルブケーシングとボールとの間にシートリングと呼ばれる部材を介在させてシールする形式のものが知られている（特許文献１参照）。

特許文献１とは別に、シートリングを組み込んだボールバルブの従来技術として、図９に示すような構造も知られている。同図に示すボールバルブは流入口５０と流出口５１とが直交位置で開口するケーシング５２を有している。ケーシング５２内の中央部にはボール５３を収容するための収容空間５４が設けられている。一方、ケーシング５２において流入口５０と軸方向に関して反対側は挿入口５５が開口し、ここからはシートリング５６が挿入され、同シートリング５６は収容空間５４における流入口５０側の開口縁に保持されている。挿入口５５は他のシートリング５６を介在しつつ蓋体５７によって閉止されている。ボール５３はこれらシートリング５６によって取り囲まれた状態で摺接可能に保持されている。すなわち、ボール５３はシートリング５６に摺接しつつ回転することによって、ボール５３内部に略直角をなして形成された弁孔５８を流入口５０及び流出口５１にそれぞれ全開状態で連通する位置と全閉状態となる位置との間で変位し、これによって流出口５１からの流体流量の調整を行うことができるようになっている。

特開平７−５５０２６号公報

ところで、図９に示すボールバルブにおいては、蓋体５７、ボール５３及びシートリング５６によって取り囲まれた空間５９は流体の流路とは非連通で区画されている。したがって、流入口５０側からケーシング５２内に流体が流入した場合、流入側とこの空間５９との間には大きな差圧が生じる。この状態で、ボール５３を回転させようとした場合には、ボール５３とシートリング５６との間に大きな摩擦力が生じる。このため、ボール５３を回転させるための必要トルクが大きくなり、大出力の駆動源が必要となってコスト高を招くおそれがあった。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、ボールを回転させるためのトルクを低減させることができるボールバルブを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明は、ボールの回転位置によって流体の流路を切換え可能なボールバルブであって、流体が流出入する流路が複数形成されたケーシングと、このケーシングの内部に設けられるとともに、前記各流路に個別に連通する複数の開口が形成されたボール収容室内に回転可能に収容され内部には流路の切換えのための弁孔が形成された前記ボールと、前記ボールの外周面に接触するようにして前記各開口の開口縁部に組込まれ、前記各開口同士の間を非連通とするシートリングとを備えてなり、前記シートリング、前記ボール及び前記ケーシングの内壁面との間に形成された空間は、前記流路のうち流体が流入するものと圧力導入路によって連通する構成となっているところに特徴を有する。

請求項２の発明は、請求項１に記載のものにおいて、前記圧力導入路は、一端が前記弁孔に連通し、他端が前記空間に連通するようにして前記ボールを貫通して形成されているところに特徴を有する。

請求項１の発明によれば、圧力導入路によって流入側の流体圧をシートリング、ボール及びケーシングの内壁面との間で構成される空間内に導入することができる。したがって、空間内部と流入側との圧力差が減じられ、ボールを回転させようとする場合に、ボールとシートリングとの間に生じる摩擦力を低減することができるため、ボールに付与する回転トルクを小さくすることができる。

圧力導入路は、ケーシングの外部をバイパスするようにして形成することも可能であるが、部品点数の増加や構成の複雑化という問題を生じる。その点、請求項２の発明のように、圧力導入路がボールを貫通して形成するようにすれば、部品点数も少なく、構成も簡単で済む。

実施形態１のボールバルブを示す正面図 同じく側面図 図１のＸ−Ｘ線断面図 図２のＹ−Ｙ線断面図 図４に示す状態からボールが９０°回転して流路が切換った状態を示す断面図 同じく図４に示す状態からボールが１８０°回転して流路がさらに切換わった状態を示す断面図 実施形態２のボールバルブを示す側面図 図７のＺ−Ｚ線断面図 従来のボールバルブを示す断面図

＜実施形態１＞
図１乃至図６は本発明の実施形態１に係るボールバルブを示している。なお、実施形態１に係るボールバルブはいわゆる四方弁であり、樹脂製のケーシング１にはＡ乃至Ｄの計４つのポートＡ〜Ｄが設けられている。ケーシング１にはモータ２（ステッピングモータ）が装着され、ケーシング１の内部に組み込まれたボール３の回転位置をこのモータ２が制御することによって、流路の切換えが行われるようになっている。

ケーシング１は本体部４を有しており、本体部４は中空の略立方体形状をなしている。本体部４の中心部にはボール収容室５が形成され、その内部には流体の流路の切り換えを行うボール３が収容される。本体部４の４つの側面（図１における正面側、奥側及び左右両側面：以下の説明中、左右および上下等の方向に関する称呼は図１に示す方向を基準とする。）にはそれぞれ円形の開口（第１乃至第４開口６〜９）が形成されている。本体部４の正面に位置する第１開口６は流体の流入用開口であり、本体部４には同開口６を取り囲むようにして第１配管接続部１０が設けられている。この第１配管接続部１０は図１における紙面手前側へ向けて一体に突出し、内部には第１流路１１が形成されている。第１配管接続部の先端開口によってポートＡが構成される。

本体部４において第１開口６の左側（図４では右側）に隣接した側面には第２開口７が、また右側（図４では左側）に隣接した面には第３開口８がそれぞれ配されている。本体部４において第１開口６とは軸方向に関して反対側に位置する側面には第４開口９が配されている。この第４開口９は第１乃至第３開口６，７，８より大きな孔径をもって形成されている。

ボール収容室５の内部は第４開口９からの型抜きによって形成されている。図３に示すように、ボール収容室５の天井面および底面は共に水平方向の平坦面をなすようにして形成されている。第４開口９側からボール収容室５内を見たときに、ボール収容室５の天井面および底面は第４開口９の開口縁から共に内部へ突出する高さ位置に形成されている。また、詳しくは図示されないが、ボール収容室５における天井面および底面に連続する、第２開口７及び第３開口８周りの壁面は第１開口６と第４開口９の共通軸線を中心軸とする円弧面をなすようにして形成されている。

本体部４の上面の中央部には円筒形状の支持筒１２が上方に向けて突出し、モータ２の出力軸に接続された回転軸１３をシール状態で貫通させている。支持筒１２の軸線及び第１乃至第４開口６〜９のいずれの軸線もボール収容室５の中心点を通過するように設定されている。

ボール収容室５内には第４開口９を通してボール３が遊挿され、ボール３はボール収容室５と同心で収容されている。ボール３はケーシング１と同材質（金属製でも可）にて形成され、上下面は平坦面に形成されてボール収容室５の底面及び天井面と適切なクリアランスをもって平行に対向している。ボール３の側面はボール収容室５内の側壁面（第２、第３開口７，８周りの側壁）の形状に適合した曲率をもった略球面状に形成されている。ボール３は、モータ２の回転軸１３の先端と上面において接続されている。これによって、ボール３はモータ２の回転トルクを受けて回転軸１３周りに正逆回転可能となっている。

ボール３の内部には流路の切換えを行うための弁孔１５が形成されている。弁孔１５はボール３の側面において回転軸１３に関して相互に直交する二か所に開口し、両開口から径方向に沿った二方向から穿孔され、両穿孔路がボール３の中心点を含む位置で交叉するように形成されている。

本体部４の第２開口７は左側蓋体１６によって閉止されている。この左側蓋体１６の内部にはボール収容室５へ通じる第２流路１７が形成されている。左側蓋体１６は平板方形状の取付板１６Ａを有し、その四隅部において本体部４の第２開口７の開口縁部へねじ止めされている。取付板１６Ａの外面側には第２配管接続部１６Ｂが一体に突設されている。この第２配管接続部１６Ｂは取付板１６Ａから外方へ水平に突出した後、ほぼ直角にかつ紙面奥方へ向けて屈曲して延出している。なお、第２流路１７の先端開口はポートＢを構成している。

第３開口８は右側蓋体１８によって閉止されており、この右側蓋体１８は基本的構造は左側蓋体１６と同じであり、配管接続部（第３配管接続部１８Ｂ）の延出方向のみ異なる。第２配管接続部１６Ｂの延出方向は図１における紙面奥方であったのに対し、第３配管接続部の延出方向は下方である。右側蓋体１８の内部に形成された第３流路１９の先端開口はポートＣを構成している。

第４開口９は奥側蓋体２０によって閉止されており、奥側蓋体２０の内部にはボール収容室５へ通じる第４流路２１が形成されている。奥側蓋体２０も平板方形状の取付板２０Ａを有し、その四隅部において本体部４の第４開口９の開口縁部へねじ止めされている。取付板２０Ａには第４配管接続部２０Ｂが第４開口９の軸線方向に沿って一体に突出形成されている。第４流路２１の先端開口はポートＤを構成している。

次に、ボール３周りにおける各流路１１，１７，１９，２１間をシールするための構造について説明する。図４に示すように、第１開口６の開口縁部周りは一段高くなって段差状に外側筒部２２が形成されている。外側筒部２２の内側において第１開口６の開口縁周りには、内側筒部２３が、ボール収容室５へ向けて同軸でかつ環状に突出形成されている。但し、内側筒部２３の先端位置は外側筒部２２よりもボール収容室５から後退するように形成されている。

内側筒部２３と外側筒部２２との間にはリング溝２４が凹み形成され、ここには内側Ｏリング２５が密着状態で嵌め入れられている。外側筒部２２の内側にはシートリング２６が嵌め入れられ、内側Ｏリング２５と同軸でかつ厚み方向に密着して重ねられている。シートリング２６は外側筒部２２の内側に嵌め入れられた状態では外側筒部２２からボール収容室５側へ部分的に突出できる厚み寸法をもって形成されている。

シートリング２６は樹脂製（例えばフッ素樹脂製）であり、その内周縁部はボール３の外周面形状に適合した面取り２８が全周に亘って施されていて、ボール３の側面に対しリング状にかつ面当たり状態で密着できるようにしてある。

図４に示すように、左側蓋体１６及び右側蓋体１８における取付板１６Ａ，１８Ａの内面側には共に外側筒部１６Ｃ，１８Ｃが突出形成されている。この外側筒部１６Ｃ，１８Ｃは第２流路１７あるいは第３流路１９とそれぞれ同軸で、つまりは第２、第３開口７，８とそれぞれ同軸をなして形成されている。その付け根部における外周側には全周に亘って大径部１６Ｄ，１８Ｄが張出し形成されている。そして、外側筒部１６Ｃ，１８Ｃの外周面には大径部１６Ｄ，１８Ｄに当接するようにして外側Ｏリング２７が嵌め付けられている。左側蓋体１６及び右側蓋体１８が本体部４に取り付けられると、外側Ｏリング２７によって本体部４と外側筒部１６Ｃ，１８Ｃとの間のシールがとられるようになっている。

左側蓋体１６及び右側蓋体１８における各外側筒部１６Ｃ，１８Ｃの内部には、内側筒部１６Ｅ，１８Ｅが同心で形成されている。内側筒部１６Ｅ，１８Ｅは外側筒部１６Ｃ，１８Ｃよりも低く形成され、つまり内側筒部１６Ｅ，１８Ｅの先端は外側筒部１６Ｃ，１８Ｃの先端よりも奥方へ引っ込んで位置している。外側筒部１６Ｃ，１８Ｃの内周面と内側筒部１６Ｅ，１８Ｅの外周面との間には内側Ｏリング２５が密着状態で嵌め入れられている。また、外側筒部１６Ｃ，１８Ｃ内にはシートリング２６が密着状態で嵌め入れられ、内側Ｏリング２５と同軸で厚み方向に密着して重ねられている。このときには、シートリング２６は外側筒部１６Ｃ，１８Ｃから一部が突出するようにしてある。

図４に示すように、奥側蓋体２０における取付板２０Ａの内面側には第４流路２１と同軸で外側筒体２０Ｇが突出し、その付け根部の外周部には大径台部２０Ｈが形成されている。外側筒体２０Ｇの外周面には大経台部２０Ｈに密着した状態で外側Ｏリング２７が嵌め付けられている。取付板２０Ａの内面側で外側筒体２０Ｇの内側には、左側蓋体１６及び右側蓋体１８と同様、外側筒部２０Ｃが同軸で突出形成され、その内側には同様に内側筒部２０Ｅが形成されている。内側Ｏリング２５やシートリング２６に関連する構成についても、左側蓋体１６及び右側蓋体１８と同様であり、共通した構成については図面中に共通の符号を付すことで説明は省略する。

なお、いずれのシートリング２６も内側筒部２３，１６Ｅ，１８Ｅ，２０Ｅの内径よりも小さい内周径に形成され、これら内側筒部２３，１６Ｅ，１８Ｅ，２０Ｅから内周側に張り出した部分に流体圧が作用するようになっている。

上記のように、ボール３の側面には９０度間隔でシートリング２６が配されることで、各ポートＡ〜Ｄに通じる第１乃至第４の各流路１１，１７，１９，２１間はそれぞれシール状態で仕切られる。そして、ボール３周りに４つのシートリング２６が密着して配されることにより、ケーシング１の内部にはボール３、各シートリング２６及び本体部４の内壁とによって空間Ｓが保有される。図３及び図４に示すように、これら空間Ｓは、ボール収容室５の各開口６〜９周りでシートリング２６の外周側およびボール収容室５における底面及び天井面とボール３の上下両面との間においてそれぞれ配される。これら空間Ｓは第１乃至第４のいずれの流路１１，１７，１９，２１に対してもシール状態で仕切られた関係にあるが、空間Ｓ同士は全て連通し合った関係となっている。

図３に示すように、前記したボール３には第１流路１１を通して流入した流体の圧力を上記空間へ導入するための圧力導入路２９が設けられている。この圧力導入路２９の一端はボール３の下面において回転軸１３の軸線から偏心した位置に開口している。そして、ここからボール３の回転軸１３と平行に穿孔されて弁孔１５内部へと連通するように貫通している。

次に、上記のように構成された実施形態１の作用効果を具体的に説明する。まず、ボールの回転による流路の切換え動作について説明すると、本実施形態においては、ボール３は図４に示す位置が初期位置（モータ２の回転軸１３の動作開始位置）として設定されている。流路の選択は、初期位置、および初期位置から図示反時計周りに９０°回転した位置（図５に示す位置）、さらには初期位置から図示時計周りに１８０°回転した位置（図６に示す位置）においてなされる。各回転位置で選択される流路は、次のようである。

ボール３が初期位置にあるときには弁孔１５は第１流路１１と第２流路１７にそれぞれ同軸で連通するようになっている。また、図５に示すように、ボール３が初期位置から反時計周りに９０°回転した位置にあるときには、弁孔１５は第２流路１７と第４流路２１とにそれぞれ同軸で連通し、図６に示すように、１８０°回転した位置にあるときには、弁孔１５は第３流路１９と第４流路２１とにそれぞれ同軸で連通するようになっている。

さて、本実施形態に係るボールバルブが、例えば給湯システム中に組み込まれるとして、当該給湯機をある日、最初に稼働させる場合を想定する。そのような場合、空間Ｓはほぼ大気圧となっていると考えられる。そして、ボール３が図４に示す初期位置にあるときに、ポートＡからケーシング１内へ流体（水あるいは湯）が流入すると、流体は第１流路１１、第１開口６を経て弁孔１５内に進入する。弁孔１５を通過した流体は、第２開口７を経て第２流路１７を通ってポートＢから流出する。

一方、弁孔１５内に流入した流体は圧力導入路２９を通って空間Ｓ内に流入するため、空間Ｓ内の圧力は大気圧から第１流路１１内の圧力とほぼ同圧にまで高められ、これによって差圧が解消される。しかし、仮に、圧力導入路２９が設けられず、空間Ｓと第１流路１１との間で高い圧力差が保たれたままである場合には、ボール３は第１流路１１側の圧力を受けて第４開口９側へ微小変位し当該側にあるシートリング２７へ押し付け力を作用させる。また、第１開口６周りに設けられたシートリング２７の内周部は、前記したように、内側筒部１６Ｅから一部食み出して第１流路１１内の流体圧を受けるため、第１開口６周りに設けられたシートリング２６がボール３の外周面に押し付け力を作用させる。このことによって、図４に示す状態から流路の切換えを行うべく、モータ２を駆動させる際に、各シートリング２６とボール３との間の摩擦力が大きいことから、モータ２への負荷が大きくならざるを得ない。

しかし、本実施形態によれば、第１流路１１内の圧力、つまり弁孔１５内の圧力を圧力導入路２９を介して空間Ｓ内に導入することで、空間Ｓと第１流路１１内の差圧が解消されているため、流体の流入圧と空間Ｓとの圧力バランスによってボール３は第４流路２１側へ変位することもなく、当該側のシートリング２６への押し付け力も解消される。また、第１開口６周りの空間Ｓと第１流路１１内の圧力バランスによって、当該側にあるシートリング２６がボール３を押す力も緩和される。かくして、ボール３と各シートリング２６との間の摩擦力は確実に低減されるため、モータ２への負荷を低減させることができる。したがって、モータ２はトルクの小さなものを使用することができるため、モータ２の小型化によってボールバルブ全体を小型化することに寄与する。

また、実施形態１では圧力導入路２９をボール３に形成したため、圧力導入路２９を構成するための専用部材を要しないことから、構成の簡素化を図ることができる、と言う効果も得られる。

＜実施形態２＞
図７及び図８は本発明の実施形態２を示している。実施形態１では本発明を四方弁に適用した場合を示したが、実施形態２では本発明を三方弁に適用したものを示している。

実施形態２のボールバルブは実施形態１のポートＣ、つまり第３流路１９に相当する部位を持たないものである。つまり、ボール収容室５は第３開口８を有しているが、第３開口８は第３配管接続部を有さない蓋部材３０によって封止されている。そして、蓋部材３０の取付板３０Ａには他の蓋体１６，２０と同様、内外に配されたＯリング３１，３２とシートリング３３とが備えられている。

他の構成は実施形態１と同様であり、もって実施形態１と同様の作用効果を奏することができる。なお、共通する構成については図面中に同一符号を付して説明は省略する。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態では、空間Ｓと流体の流入側とを弁孔１５に形成された圧力導入路２９によって連通させたが、ケーシング１の外部にバイパス管を配してこれによって両間を連通させるようにしてもよい。
（２）上記実施形態では、ボールバルブを給湯システムに適用した場合について示したが、適用対象は決して限定されるべきものではなく、例えば油圧回路への適用も可能である。

１…ケーシング
３…ボール
５…ボール収容室
６〜９…第１乃至第４開口
１１，１７，１９，２１…第１乃至第４流路
１５…弁孔
２６，３３…シートリング
Ｓ…空間

Claims (2)

1. ボールの回転位置によって流体の流路を切換え可能なボールバルブであって、
   流体が流出入する流路が複数形成されたケーシングと、
   このケーシングの内部に設けられるとともに、前記各流路に個別に連通する複数の開口が形成されたボール収容室内に回転可能に収容され内部には流路の切換えのための弁孔が形成された前記ボールと、
   前記ボールの外周面に接触するようにして前記各開口の開口縁部に組込まれ、前記各開口同士の間を非連通とするシートリングとを備えてなり、
   前記シートリング、前記ボール及び前記ケーシングの内壁面との間に形成された空間は、前記流路のうち流体が流入するものと圧力導入路によって連通する構成となっていることを特徴とするボールバルブ。
2. 前記圧力導入路は、一端が前記弁孔に連通し、他端が前記空間に連通するようにして前記ボールを貫通して形成されていることを特徴とする請求項１記載のボールバルブ。

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