JP5712180B2

JP5712180B2 - 三方弁

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Publication number: JP5712180B2
Application number: JP2012206591A
Authority: JP
Inventors: 雄岡野
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2032-09-20
Also published as: JP2014062559A

Description

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

従来の三方弁として、例えば、特許文献１に記載されたものがある。図５に示すように、この従来の三方弁５０１は、第１ポート５１１と第２ポート５１２とを両側に連通するとともに第３ポート５１３を中間に連通する直線流路５１４が形成されたケーシング５２１を備える。直線流路５１４には第１ポート５１１側に第１弁座５５０Ａが形成された第１弁口５０５Ａを有し、第２ポート５１２側に第２弁座５５０Ｂが形成された第２弁口５０５Ｂを有している。また、ケーシング５２１内にはモータ駆動により直線流路５１４の平行方向に移動可能なシャフト５０４に取り付けられて第１弁座５５０Ａ及び第２弁座５５０Ｂに当接又は離間する第１弁体５０３Ａ及び第２弁体５０３Ｂが配設されている。第１弁体５０３Ａ及び第２弁体５０３Ｂは、後端部に外側へ延びる弁体鍔部５３０Ａ，５３０Ｂが周設され、この弁体鍔部５３０Ａ，５３０Ｂが第１弁座５５０Ａ及び第２弁座５５０Ｂに当接される。第１弁体５０３Ａの弁体鍔部５３０Ａと第１弁座５５０Ａとの互いの当接面５００Ｙ，５００Ｘ、及び第２弁体５０３Ｂの弁体鍔部５３０Ｂと第２弁座５５０Ｂとの互いの当接面５００Ｙ，５００Ｘは、シャフト５０４の軸方向と直交する平面で形成されている。

そして、この三方弁５０１を分流弁として利用する場合、第３ポート５１３から入力する流体を第１ポート５１１と第２ポート５１２へ分流させる際、シャフト５０４を軸方向に移動させて第１弁体５０３Ａ及び第２弁体５０３Ｂの弁位置を設定し第１ポート５１１及び第２ポート５１２の流量制御を行う。この場合、例えば、開口面積が小さくなる第２弁口５０５Ｂにおいて、第３ポート５１３から第２ポート５１２へ流れる流体は、第２弁座５５０Ｂに衝突した後に流れの向きを軸方向と直交する方向に変更して弁体鍔部５３０Ｂの当接面５００Ｙと第２弁座５５０Ｂの当接面５００Ｘとの間に流れ込むので、弁体鍔部５３０Ｂと弁座５５０Ｂとの当接面５００Ｙ，５００Ｘ間を流れる流体の流速を低下させる。また、弁体鍔部５３０Ｂと弁座５５０Ｂとの当接面５００Ｙ，５００Ｘ間を流れる流体によって弁体鍔部５３０Ｂの当接面５００Ｙに対して弁座５５０Ｂの当接面５００Ｘから離れる方向に圧力が作用する。従って、弁体鍔部５３０Ｂと弁座５５０Ｂとの当接面５００Ｙ，５００Ｘ間の距離を小さく設定したときでも弁口５０５Ｂの上下流間での圧力差により弁体５０３Ｂが弁座５５０Ｂ側に強く引き込まれることが防止され、シャフト５０４のストロークによって弁体鍔部５３０Ｂと弁座５５０Ｂとの当接面５００Ｙ，５００Ｘ間の距離を設定値に維持して比例的な流量制御が行なえる（特許文献１の段落０００９等）。

特開２０１１−３３０８８号公報特開２０１０−３１９８６号公報

しかしながら、従来の三方弁５０１では、さらに高い分配比を得るために弁体５０３Ａ，５０３Ｂの弁位置を移動させると分配比が一挙に高くなってしまい、目標とする高分配比の状態に弁位置を設定するのが困難であった。これは、開口面積が大きくなる一方の弁口側（例えば第１弁口５０５Ａ）では、開口面積が一定以上に大きくなるとそこを流れる流体の流量がほとんど増えないのに対し、開口面積が小さくなる他方の弁口側（例えば第２弁口５０５Ｂ）では、そこを流れる流体の流量が急激に低下するためである。ここで他方の弁口側で流体の流量が急激に低下する原因として、弁体鍔部５０５Ｂが流体の流れの障害となり、流体の流れの向きを変更して弁体鍔部と弁座５５０Ｂとの当接面５００Ｙ，５００Ｘ間を流れる流体の流速を低下させることから、弁口５０５Ｂの開口面積がさらに小さくなると流体が弁口５０５Ｂ内に流れ難くなるためであると考えられる。特に、全体流量が少なくなると開口面積が小さくなる方の弁口側での流量の急激な低下が顕著となり、目標とする高分配比に弁位置を設定するのが一層困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、弁口の開口面積を小さくしても流量が急激に低下することがなく、目標とする高分配比の状態に設定することが可能な三方弁を提供することを目的とする。

本発明に係る三方弁は、
第１ポートと第２ポートとを両側に連通するとともに第３ポートを中間に連通する直線流路が形成され、直線流路の第１ポート側及び第２ポート側には第１弁口及び第２弁口が形成され、モータ駆動により直線流路の平行方向に移動可能なシャフトに取り付けられて第１弁口及び第２弁口に接近又は離間して開口面積を調整する第１弁体及び第２弁体が配設されている三方弁であって、
第１弁口と第２弁口は、その構成壁内周面が円筒状の環状面とし、
第１弁体と第２弁体は、先側部分を第１弁口又は第２弁口に向かって外径が縮小するテーパ部と、テーパ部から連続した後側部分を第１弁口又は第２弁口における環状面内に入り込ませる円柱状のストレート部とを備え、
第１弁体又は第２弁体は、テーパ部の後側部分がストレート部の径以下に形成されてストレート部が環状面との間に隙間を有して弁口の開口面積を一定の最小面積に設定して弁口を塞がない構成としたものである。

上記構成より、弁体の後側部分が弁口内に入り込む円柱状のストレート部となっており、従来の三方弁における弁体鍔部のような流体の流れの障害となるものが存在しないし、弁口へ向かう流体は、流れの向きを変えることなく弁体と弁口との隙間に流れ込む。従って、弁体のストレート部が弁口の環状面に配置されて弁口の開口面積が小さく設定された状態でも流体が弁口内に円滑に導入される。それゆえ、従来の三方弁のように流体の流量が急激に低下するということもない。しかも、弁体のストレート部によって弁口の開口面積が一定の最小面積に設定されるので、弁口を通過する流体の流量を一定の小流量に保持することができる。よって、弁口の開口面積を小さくすることにより、目標とする高分配比の状態を安定して得ることができる。

また、弁体のストレート部と弁口の環状面とは接触しないので、弁口を介した上下流間での流体の圧力差により弁体が弁口に食い付くこともない。従って、弁口内に入り込んだ状態の弁体を弁口内から離間する側へ容易に移動させることができ、シャフトを駆動するモータの負荷を低減するこができる。よって、モータの長寿命化を図ることができる。

上記ストレート部には、軸線方向に全長にわたって凹溝状のスリットが形成されていることが望ましい。
これにより、弁体のストレート部と弁口の環状面との間に流れ込む流体をスリットを通して円滑に流すことができる。従って、弁口の開口面積を小さく設定しても弁口を流れる流体の流量の急激な低下をより確実に防止することができ、しかも、弁体のストレート部によって開口面積が一定の最小面積に設定された弁口を流れる流体の流量をより確実に一定の小流量に保持することができる。また、弁口の開口面積を小さくしてもスリットを通して異物を下流側へ流すことができ、弁口での異物詰まりを防止することができる。

以上のように、本発明に係る三方弁によれば、弁口の開口面積を小さくしても流量が急激に低下することがなく、従って、シャフトのストロークによって弁体の弁位置を設定することにより目標とする高分配比に設定することができる。

実施形態の分流弁（三方弁）を組み込んだ給湯器の構成を示す模式図である。実施形態の分流弁（三方弁）の構成を示す断面図である。弁体の外観構成を示す説明図であり、同図（Ａ）は第１弁体の外観構成を示す説明図である、同図（Ｂ）は第２弁体の外観構成を示す説明図である。実施形態の分流弁（三方弁）の分配比について従来例の分流弁と対比したグラフである。従来の分流弁（三方弁）の構成を示す断面図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
なお、本実施形態は、三方弁を給湯機器における分流弁として利用する場合を説明する。図１に示すように、実施形態の分流弁１は、温水機器としての給湯器Ａの給水元管Ｌ１において、熱交換器Ｈへ通じる給水管Ｌ２と、出湯管Ｌ４へ合流するバイパス管Ｌ３との分岐部分に組み込まれて、給水元管Ｌ１から供給される水を熱交換器Ｈ側とバイパス管Ｌ３側とに流す分配比を設定して出湯管Ｌ４の末端での出湯温度の温調に利用される。

図２に示すように、分流弁１は、第１ポート１１、第２ポート１２及び第３ポート１３を開設するケーシング２１と、ケーシング２１に組み込まれたインナー部材２２に支持される第１弁体３Ａ及び第２弁体３Ｂとを有する。なお、本実施形態の分流弁１では、第３ポート１３は入力ポートとなり給水元管Ｌ１が接続され、第１ポート１１及び第２ポート１２は出力ポートとなり、第１ポート１１には熱交換器Ｈに給水する給水管Ｌ２が接続され、第２ポート１２には出湯管Ｌ４と合流されるバイパス管Ｌ３が接続される。

ケーシング２１内には、直線流路１４と、直線流路１４の両側に直交して連通する第１流路１５及び第２流路１６と、直線流路１４の中間に直交して連通する第３流路１７とが形成されている。第１流路１５と第２流路１６は、ケーシング２１の一方の側面に開設する第１ポート１１と第２ポート１２とにそれぞれ連通され、第３流路１７は、ケーシング２１の他方の側面に開設する第３ポート１３に連通される。直線流路１４において、第１流路１５側には第１弁体３Ａが接近又は離間する第１弁口５Ａが設けられ、第２流路１６側には第１弁口５Ａと対向して第２弁体３Ｂが接近又は離間する第２弁口５Ｂが設けられている。第１弁口５Ａは、インナー部材２２の端部壁を円筒状に貫通して形成され、その内周面が全長にわたって同径となった円筒状の環状面５１として構成される。第２弁口５Ｂは、ケーシング２１の内壁を円筒状に成形して形成され、その内周面が全長にわたって同径となった円筒状の環状面５１として構成される。なお、第１弁口５Ａ及び第２弁口５Ｂは、同じ口径に形成されている。

また、直線流路１４内には、図示しないモータの駆動によって軸方向（直線流路１４の平行方向）に移動可能なシャフト４が挿入され、シャフト４の先端側に第１弁体３Ａと第２弁体３Ｂが取り付けられて直線流路１４内に配設されている。シャフト４は、基端側がインナー部材２２の軸受部２３に軸支され、この軸支された部分より後側にモータの駆動力が伝えられる駆動部材２４が嵌め込まれている。駆動部材２４は、一端側がインナー部材２２の突設した筒部２５内に配設され、この駆動部材２４の一端側の外周面には雄ネジ部２４ａが設けられて筒部２５の内面に設けた雌ネジ部２５ａと螺合されている。従って、モータの駆動力が駆動部材２４の他端側から伝えられて駆動部材２４が回動されると、雄ネジ部２４ａと雌ネジ部２５ａの噛み合いによりシャフト４が軸方向に移動される。そして、このシャフト４をモータ駆動により軸方向に移動させると、第１弁体３Ａが第１弁口５Ａに接近又は離間して第１弁口５Ａの開口面積が調整され、同時に第２弁体３Ｂが第２弁口５Ｂに接近又は離間して第２弁口５Ｂの開口面積が調整される。従って、この分流弁１では、シャフト４のストローク量を設定することにより、第３ポート１３から流入された水を、第１ポート１１と第２ポート１２とから各々流出させる水の流量が調整されて第１ポート１１と第２ポート１２とにおける分配比が設定される。

図３を参照して、第１弁体３Ａ（図３（Ａ））と第２弁体３Ｂ（図３（Ｂ））は、シャフト４に挿通する内筒部３４が設けられ、各々の内筒部３４の端部には互いを突き合せて嵌り合う嵌合部３４ａが形成されている。シャフト４の先端側は、小径部４１となっており、この小径部４１に第１弁体３Ａと第２弁体３Ｂが取り付けられる。そして、第１弁体３Ａと第２弁体３Ｂは、シャフト４の先端側の小径部４１に挿通させてプッシュナット４３を圧接させることにより、シャフト４における小径部４１の境の段差部４２とプッシュナット４３とにより軸方向への移動が阻止されてシャフト４に固定される。なお、第１弁体３Ａには、先端部から軸方向に延びるボス部３５が形成されている。ボス部３５は、軸方向の切欠きが４箇所に設けられて４分割されている。このボス部３５は、シャフト４を一定以上に引き移動させるとインナー部材２２の端面に当接して第１弁体３Ａ及び第２弁体３Ｂの移動を阻止するストッパーとなる。

そして、第１弁体３Ａと第２弁体３Ｂは、先側部分を第１弁口５Ａ又は第２弁口５Ｂに向かって外径が縮小するテーパ部３１とし、テーパ部３１から連続した後側部分を第１弁口５Ａ又は第２弁口５Ｂの環状面５１に入り込んで開口面積を一定に設定する円柱状のストレート部３２としている。なお、以下の説明において、適宜に、第１弁体３Ａと第２弁体３Ｂを弁体３と称し、また、第１弁口５Ａと第２弁口５Ｂを弁口５と称する。

弁体３のテーパ部３１は、全長にわたって外径が弁口５の口径よりも小径である。従って、弁体３のテーパ部３１は、弁口５内への進入位置に応じて弁口５の開口面積を変化させる。弁体３のストレート部３２は、テーパ部３１の後端の最大径部と同径に形成されており、弁口５の口径よりも小径となっている。従って、弁体３のストレート部３２は、弁口５内に入り込んで環状面５１との間に隙間を有して弁口５の開口面積を一定の最小面積に設定することができる。また、弁体３のストレート部３２には、軸線方向に全長にわたって凹溝状のスリット３３が形成されている。スリット３３は、ストレート部３２の周方向の４箇所に等間隔に形成されており、これらスリット３３は、同形同大であり、各々の空間容積が同一となっている。

以上の構成より、例えば、図２（Ｂ）に示すように、第１弁体３Ａが第１弁口５Ａへ接近する方向にシャフト４を移動させると、第１弁体３Ａのテーパ部３１が第１弁口５Ａに進入するにつれて第１弁口５Ａの開口面積が小さくなり、同時に第２弁体３Ｂのテーパ部３１が第２弁口５Ｂから脱出するにつれて第２弁口５Ｂの開口面積が大きくなる。すると、第１弁口５Ａを通過して第１ポート１１から流出する流体の流量が第１弁口５Ａの開口面積に比例して減少し、第２弁口５Ｂを通過して第２ポート１２から流出する流体の流量が第２弁口５Ｂの開口面積に比例して増加する。これにより、シャフト４のストローク量によって第１ポート１１と第２ポート１２とにおける分配比が任意に設定される。

そして更に、シャフト４を移動させ、第１弁体３Ａのストレート部３２が第１弁口５Ａに入り込むと第１弁口５Ａの開口面積は、第１弁体３Ａのストレート部３２と第１弁口５Ａの環状面５１とで規定された最小の開口面積として一定に設定される。また、第２弁口５Ｂ側では、第２弁体３Ｂのテーパ部３１の最小径部４１が第２弁口５Ｂに位置し、第２弁口５Ｂの開口面積は、第２弁体３Ｂのテーパ部３１の最小径部４１と第２弁口５Ｂの環状面５１とで規定された最大の開口面積となる。すると、第１弁口５Ａを通過して第１ポート１１から流出する流体の流量は最小流量となり、第２弁口５Ｂを通過して第２ポート１２から流出する流体の流量は最大流量となる。従って、このときのシャフト４のストローク量によって第１ポート１１と第２ポート１２とにおける分配比は、最も高い高分配比に設定される。なお、上記とは逆に、第２弁体３Ｂが第２弁口５Ｂへ接近する方向にシャフト４を移動させると、上記とは逆の現象となる（図２（Ａ）参照）。

このように、本実施形態の三方弁１は、弁体の後端部の外周面は弁口内に入り込むストレート形状（ストレート部３２）となっているので、従来の三方弁５０１（図５）における弁体鍔部５３０のような流体の流れの障害となるものが存在せず、しかも、弁口５へ向かう流体は、流れの向きを変えることなく弁体３と弁口５との隙間に流れ込む。従って、弁体３のストレート部３２が弁口５の環状面５１に配置されて弁口５の開口面積が小さく設定された状態でも流体が弁口５内に円滑に導入される。それゆえ、従来の三方弁５０１のように流体の流量が急激に低下するということもない。しかも、弁体３のストレート部３２によって弁口５の開口面積が一定に設定されるので、弁口５を通過する流体の流量を一定の小流量に保持することができる。さらに、ストレート部３２には、軸線方向に全長にわたって凹溝状のスリット３３が形成されているので、弁体３のストレート部３２と弁口５の環状面５１との間に流れ込む流体をスリット３３を通して円滑に流すことができる。従って、弁口５の開口面積を小さく設定しても弁口５を流れる流体の流量の急激な低下をより確実に防止することができ、しかも、弁体３のストレート部３２によって開口面積が一定の最小面積に設定された弁口５を流れる流体の流量をより確実に一定の小流量に保持することができる。また、スリット３３を通して異物を下流側へ流すことができ、弁口５の開口面積を小さくしても弁口５での異物詰まりを防止することができる。よって、一方の弁口５の開口面積を小さくすることにより、目標とする高分配比の状態を安定して得ることができる。

また、弁体３のストレート部３２と弁口５の環状面５１とは接触しないので、弁口５を介した上下流間での流体の圧力差により弁体が弁口５に食い付くこともない。従って、弁口５内に入り込んだ状態の弁体を弁口５内から脱出する側へ容易に移動させることができ、シャフト４を駆動するモータの負荷を低減することができる。よって、モータの長寿命化を図ることができる。

このように、本実施形態の分流弁１によれば、弁口５の開口面積を小さくしても流量が急激に低下することがなく、従って、シャフト４のストロークによって弁体３の弁位置を設定することにより目標とする高分配比に設定することができる。例え、第３ポート１３から入水される全体水量が少なくなっても開口面積が小さくなる方の弁口５側での流量の急激な低下は発生しないので、目標とする高分配比に設定することができる。その結果、給湯器Ａの分流弁１として利用する場合、熱交換器Ｈ側への給水量を小流量とし熱交換器Ｈを高温に維持してドレン発生を防止しながら出湯管Ｌ４の端末から出湯する湯を低温に設定することができ、また、バイパス管Ｌ３側への給水量を小流量とすれば出湯管Ｌ４の端末から出湯する湯を高温に設定することができる。よって、本分流弁１により給湯器Ａとしては出湯管Ｌ４の端末から出湯する湯の温調幅を広くして使用することができる。

因みに、実施形態の三方弁１の特性について、従来例の三方弁１（図５）と対比すると、以下のとおりである。
図４に示すように、分配比について、従来例の三方弁１では、シャフト４のストローク量を大きくしていくと比例的に分配比が高くなるが、ストローク量が一定以上に大きくなると分配比が一挙に高くなった。すなわち、概ね分配比３．３までしか設定できず、これを超えて第１、第２の各ポート５１１，５１２に流体を分流できなかった。これは、第１ポート５１１と第２ポート５１２での流量において、シャフト５０４のストローク量が一定以上に大きくなると、弁口５０５の開口面積が大きくなる方ではほとんど流量が増えず横ばい状態となり、弁口５０５の開口面積が小さくなる方では流量が急激に低下していたからである。そのため、従来例の三方弁５０１では、シャフト５０４のストローク量によって高い分配比（例えば、分配比３．３を超える高分配比）に設定することができなかった。

これに対して、実施形態の三方弁１では、シャフト４のストローク量を大きくしていくと比例的に分配比が高くなり、ストローク量が一定以上に大きくなっても分配比の高い状態が維持されていた。すなわち、概ね分配比４．４まで設定することができた。これは、第１ポート１１と第２ポート１２での流量において、シャフト４のストローク量が一定以上に大きくなると、弁口５の開口面積が大きくなる方では従来例の三方弁５０１と同様に流量がほとんど増えず横ばい状態となるものの、弁口５の開口面積が小さくなる方では従来例の三方弁５０１とは異なりほぼ一定の小流量に維持されていたからである。このことは、上述のとおり、弁体３は弁口５の環状面５１に入り込む形状としてストレート部３２を備えることによる。従って、実施形態の三方弁１によれば、シャフト４のストローク量によって高い分配比（例えば、分配比４．４）に設定することができた。

なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されず、本発明の要旨の範囲内で適宜に変更することができる。
例えば、実施形態では、第１弁体３Ａと第２弁体３Ｂとの互いのテーパ部３１及びストレート部３２は同形同大に設定されているが、第１弁体３Ａと第２弁体３Ｂとの各々において、テーパ部３１のテーパ角度、テーパ部３１の軸方向長さ、ストレート部３２の外径や軸方向の長さなどを任意に設定して所望の分配比となるようにしてもよい。
また、本発明の三方弁１は、分流弁１のみならず、第１ポート１１と第２ポート１２を入力ポートとし、第３ポート１３を出力ポートとする混合弁として利用することができる。

１分流弁（三方弁）
３Ａ第１弁体
３Ｂ第２弁体
４シャフト
５Ａ第１弁口
５Ｂ第２弁口
１１第１ポート
１２第２ポート
１３第３ポート
１４直線流路
２１ケーシング
３１テーパ部
３２ストレート部
３３スリット
５１環状面

Claims

第１ポートと第２ポートとを両側に連通するとともに第３ポートを中間に連通する直線流路が形成され、直線流路の第１ポート側及び第２ポート側には第１弁口及び第２弁口が形成され、モータ駆動により直線流路の平行方向に移動可能なシャフトに取り付けられて第１弁口及び第２弁口に接近又は離間して開口面積を調整する第１弁体及び第２弁体が配設されている三方弁であって、
第１弁口と第２弁口は、その構成壁内周面が円筒状の環状面とし、
第１弁体と第２弁体は、先側部分を第１弁口又は第２弁口に向かって外径が縮小するテーパ部と、テーパ部から連続した後側部分を第１弁口又は第２弁口における環状面内に入り込ませる円柱状のストレート部とを備え、
第１弁体又は第２弁体は、テーパ部の後側部分がストレート部の径以下に形成されてストレート部が環状面との間に隙間を有して弁口の開口面積を一定の最小面積に設定して弁口を塞がない構成とした三方弁。
請求項１に係る三方弁において、
上記ストレート部には、軸線方向に全長にわたって凹溝状のスリットが形成されている三方弁。