JP5992021B2 - 流量制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂製のハウジングを有する流量制御弁に関する。

ハウジング内で弁体を移動させることによって、流路の切り換えや、流量の制御などを行う流量制御弁が知られている。弁体は弁軸に一端側に取り付けられており、弁軸の他端側をハウジングの外側に取り付けた電動モーター等で駆動することによって、弁体を移動させることができる。

このような流量制御弁は、内部に水が残ったままで放置されると水が凍結して、その時の水の体積膨張によってハウジングに過大な圧力が掛かることがある。このため、従来の流量制御弁では、凍結時の過大な圧力にも耐え得る金属製のハウジングが用いられていたが、今日では軽量化などの観点からハウジングが樹脂化されるようになっている。樹脂製のハウジングは金属製のハウジングに比べて強度が低いので、凍結時の圧力でハウジングが破損する虞が生じる。

そこで、樹脂製のハウジングが破損する前に，電動モーター等の取付板を塑性変形させて凍結時の圧力を逃がすことにより、ハウジングの破損を回避する技術が提案されている（特許文献１）。また、ハウジング内で取付板に面する側の水が他の部分よりも早い段階で凍結すると、その後に凍結が進んでハウジング内に過大な圧力が発生しても取付板が塑性変形できずに圧力を逃がすことができなくなって、ハウジングが破損する虞がある。そこで、このような事態を回避するために、ハウジング内で取付板に面する側の水を取り巻くように、空気による断熱層を設けることで、取付板に面する側の水が他の部分よりも遅れて凍結するようにした技術も提案されている（特許文献２）。

特開２００６−２９２１３１号公報 特開２０１２−２１９８７７号公報

しかし、これらの提案されている技術では、凍結によるハウジングの破損は回避することができるものの、樹脂化によってハウジングの強度が下がっているため、外部からの強い衝撃を受けるとハウジングが破損する虞があるという問題があった。

この発明は、従来の技術が有する上述した課題に対応してなされたものであり、凍結や外部からの衝撃によって樹脂製のハウジングが破損する虞のない流量制御弁を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の流量制御弁は次の構成を採用した。すなわち、
略円筒形状に形成された樹脂製のハウジング本体と、該ハウジング本体の内部で軸方向に進退動することによって液体の流量を制御する弁体と、前記ハウジング本体の一端側に挿入されて該弁体の弁軸を進退動可能に保持する軸受部材と、該軸受部材を前記ハウジング本体の内周面に対して液密に保持するＯリングと、前記軸受部材の軸方向外側から前記ハウジング本体に締結されることによって該軸受部材を該ハウジング本体内に挿入された状態で保持する保持板と、前記軸受部材の外側から前記弁軸を駆動することによって前記弁体を進退動させる駆動部とを備える流量制御弁において、
前記ハウジング本体の前記軸受部材が挿入された部分の半径方向外側には、該ハウジング本体の外周面を取り囲むことによって、該外周面との間に空気層を形成する防護壁が設けられており、
前記空気層は、前記ハウジング本体に前記保持板が取り付けられる側に対して軸方向反対側の端部では、前記ハウジング本体から立設された立壁によって閉鎖されており、前記保持板が取り付けられる側の端部では、前記ハウジング本体に取り付けられた該保持板によって閉鎖されている
ことを特徴とする。

かかる本発明の流量制御弁においては、弁体や軸受部材が挿入されたハウジング本体の外周面を取り巻くように防護壁が設けられることによって、ハウジング本体の外周面と防護壁との間に空気層が形成されている。そして、空気層の一端側は、ハウジング本体から立設された立壁によって閉鎖されており、空気層の他端側は保持板によって閉鎖された状態となっている。

こうすれば、外気の温度が低下した場合でも、空気層が断熱層となるために、軸受部材の周囲に存在する液体の凍結を遅らせることができる。このため、凍結によってハウジング本体内の液体の圧力が増加すると、保持板を変形させながら軸受部材が外側に押し出される結果、液体の圧力が低下するので、ハウジング本体が破損することを回避することができる。加えて、ハウジング本体を取り巻くように防護壁が設けられているので、ハウジング本体が外部からの強い衝撃を受けて破損することもない。

また、上述した本発明の流量制御弁においては、ハウジング本体の軸方向と並行で、且つ、ハウジング本体の外周面と一体に形成された柱部を、空気層内に設けることとしても良い。

こうすれば、柱部が一体に形成された部分ではハウジング本体の強度が高くなり、柱部が設けられていない部分では、ハウジング本体の強度が相対的に低くなる。このため、ハウジング本体内の液体の圧力が増加した場合には、ハウジング本体の強度が低い部分が外側に変形して、その部分でのＯリングのシール性能が低下する。すると、ハウジング本体内で高圧になった液体が、シール性能が低下した部分から漏れ出して、液体の圧力が低下する。このため、保持板を変形させなくても、凍結によってハウジング本体が破損することを回避することができる。

また、上述した本発明の流量制御弁においては、ハウジング本体の中心軸に対して対称な２箇所に柱部を設けておき、それぞれの柱部の端部に保持板を締結することとしてもよい。

こうすれば、ハウジング本体の柱部が設けられた部分では、保持板もハウジング本体の変形を妨げる強度部材となるため、柱部が設けられていない部分では、ハウジング本体の強度が相対的に、より一層低くなる。このため、凍結によってハウジング本体内の液体の圧力が増加した場合には、強度が低い部分でハウジング本体を確実に変形させて、液体の圧力を低下させることができるので、ハウジング本体の破損を回避することができる。

また、上述した本発明の流量制御弁においては、ハウジング本体の端部でＯリングが装着された軸受部材が挿入される部分（被挿入部）については、ハウジング本体の他の部分よりも薄肉に形成することとしてもよい。

こうすれば、凍結によってハウジング本体内の液体の圧力が増加した時に被挿入部が変形し易くなるので、ハウジング本体内の液体を逃がして液体の圧力を容易に低下させることができる。その結果、凍結によるハウジング本体の破損をより一層確実に回避することが可能となる。

本実施例の流量制御弁１０の構造を示す分解組立図である。 本実施例の流量制御弁１０の内部構造を示した断面図である。 内部に水が残った状態で本実施例の流量制御弁１０を冷却したときの温度変化を示した説明図である。 本実施例の流量制御弁１０の内部で凍結が進む様子を示した説明図である。 ハウジング本体１０１の変形を利用して凍結時の破損を回避するメカニズムを示した説明図である。 変形例のハウジング本体１０１が凍結時の破損を回避するメカニズムを示した説明図である。

図１は、本実施例の流量制御弁１０の構造を示す分解組立図である。本実施例の流量制御弁１０は、大まかには、ハウジング１００と、弁部１２０と、軸受部材１３０と、保持板１４０と、駆動部１５０などから構成されている。このうち、ハウジング１００は樹脂材料で形成されており、一端側が開口した略円筒形状のハウジング本体１０１と、ハウジング本体１０１の他端側から立設された出力ポート１０２と、ハウジング本体１０１の側面に立設された入力ポート１０３とを備えている。更に、ハウジング本体１０１の外側には、ハウジング本体１０１を取り囲むようにして略円筒形状の防護壁１０４が設けられることによって、ハウジング本体１０１の外周面と防護壁１０４との間に空気層１０５が形成されている。この空気層１０５は、ハウジング本体１０１の一端側（ハウジング本体１０１が開口した側）では空気層１０５も開口しているが、ハウジング本体１０１の他端側（出力ポート１０２が設けられた側）では、ハウジング本体１０１から立壁１０４ａが立設されることによって閉鎖された状態となっている。

また、ハウジング本体１０１の外周面と防護壁１０４との間には、略円柱形状の柱部１０６が、ハウジング本体１０１の中心軸と並行に、且つ、ハウジング本体１０１の中心軸に対してほぼ対称な位置に１つずつ設けられている。これら円柱形状の柱部１０６の側面部分は、ハウジング本体１０１の外周面と一体に形成され、反対側の側面部分は防護壁１０４の内周面と一体に形成されている。このため、ハウジング本体１０１の外周面と防護壁１０４とは、柱部１０６によって連結された形状となっている。また、柱部１０６の端面には、保持板１４０をハウジング本体１０１に締結するためのネジ穴１０６ａが形成されている。更に、防護壁１０４の一部には、半円筒形状の凹部１０７が設けられている。この凹部１０７は、保持板１４０に駆動部１５０をネジ止めするためのものである。また、入力ポート１０３の内部には、流量制御弁１０を通過する液体の流量を計測する流量センサー１１０も装着されている。

弁部１２０は、樹脂材料およびゴム材料で形成された弁体１２１と、一端側に弁体１２１が取り付けられた金属製の弁軸１２２とを備えている。弁部１２０は、円筒形状に形成されたハウジング本体１０１の一端側（開口した側）からハウジング本体１０１の内部に挿入されて、ハウジング本体１０１の内部に形成された図示しない弁座との間で弁口を形成する。

軸受部材１３０は、樹脂材料によって形成されており、中径の挿入部１３１と、大径の保持部１３２と、小径の突出部１３３とが、この順序で且つ同軸状に配列された回転体形状となっている。回転体の回転軸に相当する位置には、弁軸１２２を軸支するための軸受孔１３５が貫通しており、また、大径の保持部１３２の外周面には、Ｏリング１３４が嵌め込まれている。この軸受部材１３０は、軸受孔１３５に弁軸１２２が挿通された状態でハウジング本体１０１の内部に挿入される。すると、保持部１３２の外周に嵌め込まれたＯリング１３４がハウジング本体１０１の内周面に当接することによって、軸受部材１３０がハウジング本体１０１に対して液密に保持された状態となる。

保持板１４０は、板厚が約０．６〜１ミリメートルの鋼板によって形成されており、略中央には、軸受部材１３０の突出部１３３よりも大径の開口部１４１が形成されている。保持板１４０は、ハウジング本体１０１の一端側（開口した側）から弁部１２０および軸受部材１３０を挿入した後、開口部１４１に軸受部材１３０の突出部１３３を挿通させた状態で、ネジ１４２を用いてハウジング本体１０１のネジ穴１０６ａに締結される。こうすることで、液体の圧力が高くなった場合でも、ある程度の圧力までは、軸受部材１３０がハウジング本体１０１内から抜け出さないように保持しておくことができる。尚、ハウジング本体１０１のネジ穴１０６ａは、ハウジング本体１０１の中心軸に対してほぼ対象な位置の２箇所に設けられていることに対応して、保持板１４０も、この２箇所で締結される。

駆動部１５０は、図示しない電動モーターや、図示しないギヤ機構などを内蔵しており、弁軸１２２を駆動することによって、弁軸１２２および弁体１２１を軸方向に進退動させることができる。駆動部１５０は、ネジ１５１およびナット１５２を用いて保持板１４０に取り付けられる。

図２は、本実施例の流量制御弁１０の内部構造を示した断面図である。図示した例では、流量制御弁１０が開弁した状態を表している。流量制御弁１０が開弁した状態では、水などの液体が入力ポート１０３からハウジング本体１０１の内部に流入して、ハウジング本体１０１の内部を満たした後、出力ポート１０２から流出する。図中の斜線は、ハウジング本体１０１の内部を満たした液体を表している。また、図１を用いて前述したように、軸受部材１３０に嵌め込まれたＯリング１３４は、ハウジング本体１０１の内周面に対して軸受部材１３０の保持部１３２を液密に保持しているので、ハウジング本体１０１と保持部１３２との間から液体が外部に漏れることはない。

ここで、図２に示されるように、本実施例のハウジング本体１０１では、軸受部材１３０の保持部１３２が挿入される部分（被挿入部１０８）の肉厚は、ハウジング本体１０１の他の部分の肉厚よりも薄く（図２に示した例では、被挿入部１０８の半径方向外側にある防護壁１０４の肉厚よりも薄く）形成されている。この理由については後述する。また、本実施例の流量制御弁１０では、ハウジング本体１０１の外周面と防護壁１０４との間には空気層１０５が形成されており、空気層１０５の開口部が保持板１４０で塞がれている。このため空気層１０５は、ハウジング本体１０１の内部の液体と、外気との間の断熱層として機能する。その結果、ハウジング本体１０１の内部の液体（特に軸受部材１３０の周囲の図中で「Ｃ」と表示した領域の液体）は、入力ポート１０３内（図中で「Ａ」と表示した領域）の液体や、出力ポート１０２内（図中で「Ｂ」と表示した領域）の液体よりも、外気の温度変化に対してゆっくりと追従するようになる。

図３は、外気温度を２７℃から−２０℃まで約３０分かけて低下させた時に、入力ポート１０３内（領域Ａ）、出力ポート１０２内（領域Ｂ）、およびハウジング本体１０１内（領域Ｃ）での液体の温度変化を計測した結果を示した説明図である。尚、温度の計測は、流量制御弁１０を閉弁した状態で行ったが、流量制御弁１０内を液体が流れない状態であれば、流量制御弁１０が開弁した状態でも全く同様な結果を得ることができる。

図示されるように、領域Ａ（入力ポート１０３内）および領域Ｂ（出力ポート１０２内）の液体は、外気温度の低下と共に温度が低下していき、０℃を下回る温度になると凍結し始める。そして、凍結し始めてから１０〜１５分程度で凍結が完了して、その後は、外気と同じ温度（−２０℃）になるまで単調に低下する。これに対して、領域Ｃ（ハウジング本体１０１内）の液体は、０℃付近までは他の領域と同じように低下するものの、その後はなかなか凍結が進まない。図示した例では、領域Ｃでは、凍結が完了するまでに３０分程度（従って、領域Ａまたは領域Ｂの２〜３倍程度）の時間が掛かっている。これは、領域Ｃでは、周囲に存在する空気層１０５によって、領域Ａや領域Ｂよりも外気の温度が伝わり難くなっているためであると考えられる。そして、このようにすることで、凍結によってハウジング１００が破損することを回避することが可能となる。

図４は、本実施例の流量制御弁１０が凍結によるハウジング１００の破損を回避可能な理由を示した説明図である。図４には、領域Ａ（入力ポート１０３内）および領域Ｂ（出力ポート１０２内）では液体の凍結が完了しているが、領域Ｃ（ハウジング本体１０１内）の液体は凍結していない状態（図３では計測開始後５０分が経過した時点に相当）が示されている。本実施例の流量制御弁１０では、ハウジング本体１０１の外側に空気層１０５が設けられているので、ハウジング本体１０１内の液体が凍結する前に、必ずこのような状態を経由する。尚、図中で細かい斜線を付した部分は、液体が凍結した部分を表しており、図中で粗い斜線を付した部分は、液体が凍結していない部分を表している。

周知のように、液体は凍結すると体積が増加する。このため、図４に示したように、凍結した液体によって出力ポート１０２および入力ポート１０３が閉塞された状態で凍結が進むと、ハウジング本体１０１の液体には大きな圧力が掛かるようになる。この圧力は、軸受部材１３０をハウジング本体１０１から押し出す方向に作用し、更に、ハウジング本体１０１内の軸受部材１３０の周囲では、空気層１０５の働きによって液体の凍結が進まない。加えて保持板１４０は、板厚が約０．６〜１ミリメートルの鋼板が、２箇所でハウジング本体１０１に締結されているだけなので、ある程度の大きな力が掛かると変形してしまう。

このため、ハウジング本体１０１が破損するより先に、軸受部材１３０が保持板１４０を変形させてハウジング本体１０１から押し出され、その結果、ハウジング本体１０１内の液体の圧力が減少するので、ハウジング本体１０１が破損することを回避することができる。また、本実施例の流量制御弁１０では、ハウジング本体１０１の周囲を防護壁１０４が取り巻いているために、ハウジング本体１０１が外部からの強い衝撃を受けて破損する虞も生じない。

加えて、本実施例の流量制御弁１０では、ハウジング本体１０１の外側の２箇所に、ハウジング本体１０１の外周面を支えるような状態で柱部１０６が設けられている（図１参照）。更に、防護壁１０４の凹部１０７もハウジング本体１０１の外周面と一体に形成されており、ハウジング本体１０１を外側から支えるような状態となっている（図１参照）。このため、本実施例の流量制御弁１０では、ハウジング本体１０１内の液体が凍結した場合でも、ハウジング本体１０１を変形させて液体の圧力を逃がすことによって、ハウジング本体１０１の破損を回避することができる。

図５は、本実施例の流量制御弁１０がハウジング本体１０１を変形させて液体の圧力を逃がすことによって、ハウジング本体１０１の破損を回避するメカニズムを示した説明図である。図５（ａ）には、凍結前の状態で、図４中の矢視Ｐの方向から見た時のハウジング本体１０１と軸受部材１３０との位置関係が示されており、図５（ｂ）には、領域Ａおよび領域Ｂが凍結した状態でのハウジング本体１０１と軸受部材１３０との位置関係が示されている。

図５（ａ）に示されるように凍結前の状態では、軸受部材１３０はＯリング１３４によってハウジング本体１０１の内周面に対して液密に保持されている。ここで、ハウジング本体１０１の外周面は、図面上で右上方向と左下方向とが柱部１０６によって支えられた状態となっており、図面上で左上方向は凹部１０７によって支えられた状態となっている。また、柱部１０６には保持板１４０も締結されるので、保持板１４０も、図面上で右上方向および左下方向にハウジング本体１０１を支える強度部材として機能する。これに対して、図面上で右下方向にはハウジング本体１０１を支える構造物が存在していない。すなわち、本実施例のハウジング本体１０１は、一部の方向（図示した例では図面上で右下方向）に対して強度が低い構造となっている。

このため、図４に示したように、入力ポート１０３および出力ポート１０２内の液体が凍結して、ハウジング本体１０１内での液体の圧力が高くなると、その圧力で、ハウジング本体１０１の強度の低い部分が外側に変形する。この変形はそれほど大きなものではないので、ハウジング本体１０１を破損させることはないが、Ｏリング１３４が押し付けられているハウジング本体１０１の内周面が外側に逃げることになるので、この部分でのシール性能は大きく低下する。また、温度の低下によってＯリング１３４が変形しにくくなっているので、場合によっては、図５（ｂ）に示したように、Ｏリング１３４とハウジング本体１０１との間に隙間が生じることもある。そして、このようにシール性能が低下した箇所が生じると、ハウジング本体１０１内で圧力が高くなっていた液体がそこから漏れ出してハウジング本体１０１内の圧力を低下させるので、ハウジング本体１０１の破損を回避することが可能となる。

また、図２を用いて前述したように、本実施例のハウジング本体１０１では、被挿入部１０８の肉厚が、ハウジング本体１０１の他の部分の肉厚よりも薄く（更には、液体の圧力が掛からない防護壁１０４よりも薄く）形成されている。このため、凍結による液体の圧力増加で軸受部材１３０が押し出されて保持板１４０が変形するよりも前に、被挿入部１０８を外側に変形させて、液体の圧力を逃がすことができる。このため、ハウジング本体１０１の破損だけでなく、保持板１４０が塑性変形することも回避することができる。

加えて、ハウジング本体１０１が液体の圧力で変形しても防護壁１０４は変形しないので、ハウジング本体１０１と防護壁１０４との間に設けられた空気層１０５は保持板１４０によって塞がれた状態となっている（図２参照）。このため、Ｏリング１３４によるシールを破って漏れ出した液体は空気層１０５の内部に溜められて、流量制御弁１０の外部に流出することを回避できる場合もある。もちろん、空気層１０５の内部に溜めることができる液体量はそれほど大きなものではないが、ハウジング本体１０１内の圧力は僅かな量の液体が流出するだけで急激に低下して、それ以上に液体が漏れ出すことはない。このため、空気層１０５から液体が溢れ出してしまうとは限らない。そして、空気層１０５は保持板１４０によって塞がれているものの、気密な状態で塞がれているわけではないので、空気層１０５内に溜められた液体は、時間の経過によって蒸発してしまう。このような理由から、本実施例の流量制御弁１０では、たとえ凍結によってハウジング本体１０１内の液体が完全に凍結することがあっても、外気の温度が上昇して凍結が解消されれば、その後も、流量制御弁１０を使用し続けることができる可能性がある。

尚、上述した実施例では、柱部１０６の側面部分が（ハウジング本体１０１だけでなく）防護壁１０４とも一体に形成されているものとして説明した。しかし、柱部１０６はハウジング本体１０１を外側から支える状態で設けられていれば十分であり、防護壁１０４との間には隙間が形成されていても構わない。また、上述した実施例では、防護壁１０４の凹部１０７もハウジング本体１０１を外側から支える状態で設けられており、その結果、ハウジング本体１０１は三方向から支えられた状態となっているものとして説明した。しかし、ハウジング本体１０１は少なくとも一方向に強度の低い部分が存在すれば十分であり，必ずしも三方向から支えられた状態となっている必要はない。

従って、図６に例示した変形例のように、柱部１０６が防護壁１０４から離れて設けられており、且つ、防護壁１０４の凹部１０７が形成されていないために、ハウジング本体１０１が二方向（図面上で右上方向および左下方向）から支えられるようにしてもよい。このような場合でも、凍結によってハウジング本体１０１内の液体の圧力が増加すると、図６（ｂ）に矢印で示したように、ハウジング本体１０１が外側に膨らむように変形して、その部分でのＯリング１３４のシール性能が低下する。その結果、その部分から液体を逃がしてハウジング本体１０１内の圧力を低下させることができるので、ハウジング本体１０１が破損することを回避することが可能となる。

以上、本実施例および変形例について説明したが、本発明は上記の実施例あるいは変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

１０…流量制御弁、 １００…ハウジング、 １０１…ハウジング本体、
１０２…出力ポート、 １０３…入力ポート、 １０４…防護壁、
１０４ａ…立壁、 １０５…空気層、 １０６…柱部、
１０６ａ…ネジ穴、 １０７…凹部、 １０８…被挿入部、
１１０…流量センサー、 １２０…弁部、 １２１…弁体、
１２２…弁軸、 １３０…軸受部材、 １３１…挿入部、
１３２…保持部、 １３３…突出部、 １３４…Ｏリング、
１３５…軸受孔、 １４０…保持板、 １４１…開口部、
１４２…ネジ、 １５０…駆動部、 １５１…ネジ、
１５２…ナット。

Claims (4)

1. 略円筒形状に形成された樹脂製のハウジング本体と、該ハウジング本体の内部で軸方向に進退動することによって液体の流量を制御する弁体と、前記ハウジング本体の一端側に挿入されて該弁体の弁軸を進退動可能に保持する軸受部材と、該軸受部材を前記ハウジング本体の内周面に対して液密に保持するＯリングと、前記軸受部材の軸方向外側から前記ハウジング本体に締結されることによって該軸受部材を該ハウジング本体内に挿入された状態で保持する保持板と、前記軸受部材の外側から前記弁軸を駆動することによって前記弁体を進退動させる駆動部とを備える流量制御弁において、
   前記ハウジング本体の前記軸受部材が挿入された部分の半径方向外側には、該ハウジング本体の外周面を取り囲むことによって、該外周面との間に空気層を形成する防護壁が設けられており、
   前記空気層は、前記ハウジング本体に前記保持板が取り付けられる側に対して軸方向反対側の端部では、前記ハウジング本体から立設された立壁によって閉鎖されており、前記保持板が取り付けられる側の端部では、前記ハウジング本体に取り付けられた該保持板によって閉鎖されている
   ことを特徴とする流量制御弁。
2. 請求項１に記載の流量制御弁において、
   前記空気層には、前記ハウジング本体の軸方向と並行に、且つ、該ハウジング本体の外周面と一体に形成された柱部が設けられている
   ことを特徴とする流量制御弁。
3. 請求項１または請求項２に記載の流量制御弁において、
   前記柱部は、前記ハウジング本体の中心軸に対して対称な２箇所に設けられており、
   前記保持板は、前記２箇所に設けられた柱部の端部に締結されている
   ことを特徴とする流量制御弁。
4. 請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の流量制御弁において、
   前記ハウジング本体の端部で前記Ｏリングが装着された前記軸受部材が挿入される被挿入部は、該ハウジング本体の他の部分よりも薄肉に形成されている
   ことを特徴とする流量制御弁。

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