JP6402313B2 - バタフライバルブ - Google Patents

Description

本発明はバタフライバルブに関し、特に給湯器の循環回路等に介挿配置されて通路の開閉制御、切り換え制御、または水の流量制御の動作を行うことができるバタフライバルブに関する。

給湯器の循環回路内には、一般に開閉弁として機能する電動弁が介挿配置されている。このような水回路の開閉を行う電動弁としては、コスト低減を可能にしたバタフライバルブが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

バタフライバルブは、円筒形状のボディによって形成された通路を有し、その通路には、ゴム製のスリーブが内張りされている。そのスリーブ内には、プレートによって形成された弁体が配置されている。この弁体は、通路の中心を通って垂下されている回転軸にスポット溶接により固着されている。回転軸は、一端が通路内に形成された軸受部に回動可能に軸支され、他端がＯリングによる軸シール部を介して通路の外部に延出されていて、モータアクチュエータに回動可能に連結されている。

弁体は、楕円形状を有しており、その長径は、通路の中心軸線に対して所定の角度にあるときにその中心軸線の方向からの投影形状が真円になるような寸法を有し、短径は、スリーブの内径よりも大きく形成されている。これにより、バタフライバルブが閉じているときには、弁体の短径方向両端がスリーブに食い込むことでシールし、それ以外の周縁部についてはスリーブに押し付けられることでシールしている。

特開２００５−００９６７０号公報（段落〔００１５〕、図４）

従来のバタフライバルブでは、弁体と回転軸とが溶接によって固着されており、回転軸には、常に、水圧により回転軸をモータアクチュエータの側に押し出す力が作用している。この回転軸をモータアクチュエータの側に押し出す力は、水圧が高くなれば高くなるほど大きくなり、これに伴って回転軸に固着された弁体も、モータアクチュエータの側に押し出されることになる。弁体がモータアクチュエータの側に押し出されると、弁体のモータアクチュエータの側とは反対側の周縁部がスリーブから離れるようになってシール作用が弱くなり、その結果、微少の水漏れが生じてしまうという問題点があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、水圧による弁体の軸方向の変位および弁体の軸方向の変位に伴う微少の水漏れをなくしたバタフライバルブを提供することを目的とする。

本発明では上記の課題を解決するために、円筒形状のボディに楕円形状の弁体がその短径方向の軸を中心に回動自在に内設されてなるバタフライバルブが提供される。このバタフライバルブでは、弁体は、これを回動するように駆動する回転軸に対して、軸方向に摺動自在に保持され、回転軸が挿通される軸保持部を跨いで長径方向に延びる複数のリブが表面に形成されている。また、弁体は、リブが軸保持部を跨いでいる部分において軸保持部の表面からリブの先端までの高さをリブの高さとしたとき、軸保持部の中央近傍に配置されるリブの高さを低く、軸保持部の軸方向両端側に配置されるリブの高さを高く形成したことを特徴とする。

上記構成のバタフライバルブは、弁体が回転軸に軸方向に摺動自在に保持されているので、水圧が高くなって回転軸が抜ける方向に変位したとしても、回転軸の変位とともに弁体が変位することがないという利点がある。

弁体および回転軸は、互いに固着されることがないので、溶接工程が不要になり、しかも、溶接設備も不要になるため、バタフライバルブの製造コストを大幅に低減することができる。

また、弁体および回転軸を樹脂化すれば、バタフライバルブの製造コストをさらに低減することができる。

第１の実施の形態に係るバタフライバルブを示す中央縦断面図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 第１の実施の形態に係るバタフライバルブの回転軸を示す斜視図および部分拡大断面を示す説明図である。 第１の実施の形態に係るバタフライバルブの弁体を示す図であって、（Ａ）は弁体を斜め上から見た斜視図、（Ｂ）弁体を斜め下から見た斜視図である。 弁体と回転軸との嵌合状態を示す断面図である。 第１の実施の形態に係るバタフライバルブを適用した電動式四方制御バルブの分解状態および組み立て状態を示す斜視図である。 第２の実施の形態に係るバタフライバルブの弁体および回転軸の例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について、給湯器の循環回路における水回路切替用の電動式四方制御バルブに適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。なお、各実施の形態は、矛盾のない範囲で複数の実施の形態を組み合わせて実施することができる。

図１は第１の実施の形態に係るバタフライバルブを示す中央縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ矢視断面図である。図３は第１の実施の形態に係るバタフライバルブの回転軸を示す斜視図および部分拡大断面を示す説明図である。図４は第１の実施の形態に係るバタフライバルブの弁体を示す図であって、（Ａ）は弁体を斜め上から見た斜視図、（Ｂ）弁体を斜め下から見た斜視図である。図５は弁体と回転軸との嵌合状態を示す断面図である。

第１の実施の形態に係るバタフライバルブは、図１および図２に示したように、２つの円筒形状のパイプを直交させて内部で連通するように構成したボディ１０を有している。ボディ１０は、四方に開口した第１連結口１１、第２連結口１２、第３連結口１３および第４連結口１４を有している。第１連結口１１と第３連結口１３とを結ぶ中央部には、弾力性を有する、たとえばゴム製のスリーブ１５が内張りされている。このスリーブ１５は、側面に第２連結口１２および第４連結口１４と連通する開口部１５ａ，１５ｂが形成されている。

ボディ１０の交差中心位置には、弁体１６が配置され、この弁体１６は、ボディ１０の中央部の通路を通過するように垂設された回転軸１７によって回動自在に支持されている。回転軸１７は、図３に示したように、下から円柱部１７ａ、角柱部１７ｂ、シール装着部１７ｃおよび連結部１７ｄを有し、樹脂によって一体に成型されている。

回転軸１７の円柱部１７ａは、スリーブ１５を貫通して下方に延びていて、ボディ１０の交差中心位置の底部に凹設された軸受部１８に軸支されている。角柱部１７ｂは、四角柱の角を丸み面取りした形状を有し、弁体１６に回転力を伝達できるようにしている。シール装着部１７ｃは、図示の例では２条の溝が周設されており、そこにリング状のシール部材であるＯリング１９を装着できるようにしている。なお、図１の例では、１個のＯリング１９だけが装着されている。このシール装着部１７ｃは、ボディ１０の交差中心位置の上部に形成された筒状部２０に回動自在に支持され、同時に、Ｏリング１９によって外部への水漏れを防止している。連結部１７ｄは、その外周面に鋸歯状のセレーションが形成されていて、このセレーションと嵌合する形状に形成されたモータアクチュエータ２１の出力軸２２に結合されている。

回転軸１７は、また、断面四角形の角柱部１７ｂと断面円形のシール装着部１７ｃとの境界部に徐変部分を設けて滑らかに変化するように形成されている。具体的には、回転軸１７のシール装着部１７ｃの円形端面と角柱部１７ｂの端面とは、截頭円錐形状の結合部１７ｅによって結合されている。この結合部１７ｅは、そのシール装着部１７ｃの側が角柱部１７ｂの外接円より大きな円を有し、角柱部１７ｂの側が角柱部１７ｂの外接円に近い円を有している。さらに、この截頭円錐形状の結合部１７ｅは、シール装着部１７ｃの円形端面との境界部を滑らかにするために、断面円弧形状（いわゆる、Ｒ形状）の徐変結合部１７ｆによって形成されている。同様に、円錐形状の結合部１７ｅと角柱部１７ｂとの境界部においても、断面円弧形状の徐変結合部１７ｇによって滑らかに結合するように形成されている。

同様に、回転軸１７は、断面四角形の角柱部１７ｂと断面円形の円柱部１７ａとの境界部においても、直角とならないように、断面円弧形状の徐変結合部１７ｈによって滑らかに形成されている。

このように、断面四角形の角柱部１７ｂと断面円形のシール装着部１７ｃおよび円柱部１７ａとの境界部を滑らかに結合したことにより、境界部での応力を分散することができる。これにより、回転軸１７がモータアクチュエータ２１によって強い力で捻られたとき、境界部が折れてしまうことを防止できる。

弁体１６は、図４に示したように、楕円形状の円板部２３と、その円板部２３の短径方向（上下方向）に回転軸１７の角柱部１７ｂを挿通させる軸保持部２４とを有している。軸保持部２４は、内部の穴の断面形状が回転軸１７の角柱部１７ｂの断面形状と相似であって穴の最小許容寸法が角柱部１７ｂの最大許容寸法よりも大きく形成されている。これにより、弁体１６は、回転軸１７の角柱部１７ｂによってその軸方向に摺動自在に保持されている。

また、回転軸１７の角柱部１７ｂは、図５に示したように、角を丸み面取り加工してあることにより、回転軸１７の回転力が周囲の４箇所の曲面接触部１７ｉにより伝達され、弁体１６の軸保持部２４にかかる応力を４箇所に分散させるようにしている。回転軸１７から弁体１６への応力集中をなくしたことにより、回転軸１７および弁体１６の破損を防止することができる。特に、このバタフライバルブにおいては、弁体１６の回動範囲をメカロックにて規定、すなわち、弁体１６がスリーブ１５に当たって物理的に回動しなくなるまで回転軸１７を回転駆動しているので、応力分散は、非常に有用である。これに対し、回転軸の回り止めを、たとえば、Ｄカットにした場合、回転軸と弁体とがすきま嵌めの状態では、回転軸から弁体にかかる応力は、Ｄカットの角の部分の１箇所に集中してしまうため、破損し易くなってしまう。

弁体１６は、また、軸保持部２４を補強するために、円板部２３の両面のそれぞれに軸保持部２４を跨いで水平方向に延びる複数のリブ２５が形成されている。図示の例では、軸保持部２４の長手方向に４つのリブ２５が形成され、そのうち内側の２つは、外側の２つよりも低く形成されて、通路の中心部における水の流れをできるだけ妨げないようにしている。弁体１６は、円板部２３、軸保持部２４およびリブ２５を含めて樹脂により一体に成型されている。また、弁体１６は、バタフライバルブを組み立てるときに、上下方向の向きを気にしなくても良いように、上部および下部が線対称の形状になるように形成されている。

以上の構成のバタフライバルブにおいては、弁体１６は、回転軸１７によってその軸方向に摺動自在に保持されているので、ボディ１０の中に収容されているときには、その短径方向の両端部は、スリーブ１５の弾力性によって常時保持され、シールされている。このため、ボディ１０内の水圧が上がって回転軸１７がモータアクチュエータ２１の側に変位したとしても、弁体１６が軸方向に変位することはなく、軸方向の変位に伴う水漏れをなくすことができる。また、弁体１６および回転軸１７は、固着されないので、溶接工程や溶接設備が不要になるため、製造コストを大幅に低減することができる。さらに、第１の実施の形態に係るバタフライバルブは、弁体１６および回転軸１７を樹脂化したことで、さらに製造コストを低減することができる。

ここで、回転軸１７がモータアクチュエータ２１によってたとえば反時計回りの方向に回転駆動された場合、弁体１６は、図２に示したように、外周縁部をスリーブ１５に押し付けることによってスリーブ１５との間の隙間をシールしている。弁体１６が図２に示すような位置にあるとき、バタフライバルブは、第１連結口１１と第２連結口１２とが連通状態になり、同時に、第３連結口１３と第４連結口１４とが連通状態になる。逆に、弁体１６が時計回りの方向に回転駆動されると、バタフライバルブは、第１連結口１１と第４連結口１４とが連通状態になり、同時に、第２連結口１２と第３連結口１３とが連通状態になる。

つまり、このバタフライバルブは、第１連結口１１を第２連結口１２または第４連結口１４に切り替え、同時に、第３連結口１３を第４連結口１４または第２連結口１２に切り替える四方制御バルブとして機能する。

このとき、第１連結口１１および第３連結口１３を入口とした場合、入口に供給された水は、第２連結口１２または第４連結口１４から、および、第４連結口１４または第２連結口１２からそれぞれ出ていくことになる。また、第１連結口１１および第３連結口１３を出口とした場合、第２連結口１２または第４連結口１４に供給された水は、第１連結口１１から、および、第４連結口１４または第２連結口１２に供給された水は、第３連結口１３からそれぞれ出ていくことになる。

次に、以上のようなバタフライバルブの組み立て手順について説明する。
図６は第１の実施の形態に係るバタフライバルブを適用した電動式四方制御バルブの分解状態および組み立て状態を示す斜視図である。

この電動式四方制御バルブは、図６に示した部材を有しており、次のようにして組み立てられる。まず、スリーブ１５がボディ１０の所定位置に嵌め込まれる。すなわち、スリーブ１５は、回転軸１７が貫通する貫通孔および第２連結口１２および第４連結口１４と連通する開口部１５ａ，１５ｂの向きを合わせながら第３連結口１３から挿入され、先端が第１連結口１１の側に形成された受部に嵌合するまで押し込まれる。次に、弁体１６が第３連結口１３から挿入され、スリーブ１５の中に軸保持部２４が回転軸１７の貫通孔に一致するまで圧入される。

次に、シール装着部１７ｃにＯリング１９をあらかじめ装着した回転軸１７がボディ１０の上部の筒状部２０から挿入され、先端の円柱部１７ａが弁体１６の軸保持部２４を介してボディ１０の下部の軸受部１８に嵌合するまで押し込まれる。これにより、バタフライバルブの組み立てが完了する。

最後に、モータアクチュエータ２１の出力軸２２に回転軸１７を挿入して出力軸２２と回転軸１７とを結合し、モータアクチュエータ２１がボディ１０にねじ止めされることによって電動式の四方制御バルブの組み立てが完了する。

なお、第１の実施の形態に係るバタフライバルブにおいては、弁体１６および回転軸１７を樹脂による射出成形品によって形成しているが、金属粉末射出成形品または金属切削加工品によって形成しても良い。

図７は第２の実施の形態に係るバタフライバルブの弁体および回転軸の例を示す斜視図である。
第２の実施の形態に係るバタフライバルブは、第１の実施の形態に係るバタフライバルブが弁体および回転軸を射出成型品または切削加工品で形成しているのに対し、プレス加工品で形成している点で相違する。

この第２の実施の形態に係るバタフライバルブでは、弁体３０は、楕円形状の、たとえばステンレス製の２枚のプレート３０ａ，３０ｂを貼り合わせて構成され、各プレート３０ａ，３０ｂの短径方向には、プレス加工によるＶ溝３１ａ，３１ｂが形成されている。この弁体３０は、それぞれのプレート３０ａ，３０ｂをＶ溝３１ａ，３１ｂのある面を外側にして適当な接合手段により接合することにより、弁体３０をその短径方向から見たときに、正方形の軸保持部の空間が形成されていることになる。なお、プレート３０ａ，３０ｂの接合は、組み立てのときにスリーブ１５の中で行うのではないので、あらかじめ接着剤、スポット溶接等で済ませておくことができる。

回転軸３２は、丸棒の一部をプレス加工により断面が正方形になるように塑性変形されて嵌合部３２ａを構成している。この嵌合部３２ａは、弁体３０のＶ溝３１ａ，３１ｂからなる軸保持部に嵌合されて、弁体３０を回転軸３２の軸方向に摺動自在であり、回動方向には、回転軸３２の回動に従って回動するように弁体３０を保持する部分である。この回転軸３２は、上部先端部が折り曲げられており、ここをモータアクチュエータの出力ギヤに係合させることにより回転される。

この第２の実施の形態に係るバタフライバルブにおいても、回転軸３２が貫通配置される筒状部２０において、Ｏリング１９によるシールが行われるが、ここでは、筒状部２０からＯリング１９が抜け出てしまわないように規制する手段が必要になる。

このバタフライバルブにおいても、ボディ１０内の水圧が上がって回転軸３２がモータアクチュエータ２１の側に変位したとしても、弁体３０が軸方向に変位することはないので、軸方向の変位に伴う水漏れをなくすことができる。

なお、第２の実施の形態に係るバタフライバルブは、弁体３０の軸保持部をＶ溝３１ａ，３１ｂで構成したが、プレス加工により形成した断面長方形のチャネルで軸保持部を構成しても良い。

以上、本発明を四方制御バルブに適用した場合について例示したが、本発明は、これに限定されるものではない。たとえば、本発明は、三方制御バルブまたは二方制御バルブにも同様に適用することができる。

１０ ボディ
１１ 第１連結口
１２ 第２連結口
１３ 第３連結口
１４ 第４連結口
１５ スリーブ
１５ａ，１５ｂ 開口部
１６ 弁体
１７ 回転軸
１７ａ 円柱部
１７ｂ 角柱部
１７ｃ シール装着部
１７ｄ 連結部
１７ｅ 結合部
１７ｆ 徐変結合部
１７ｇ 徐変結合部
１７ｈ 徐変結合部
１７ｉ 曲面接触部
１８ 軸受部
１９ Ｏリング
２０ 筒状部
２１ モータアクチュエータ
２２ 出力軸
２３ 円板部
２４ 軸保持部
２５ リブ
３０ 弁体
３０ａ，３０ｂ プレート
３１ａ，３１ｂ Ｖ溝
３２ 回転軸
３２ａ 嵌合部

Claims (4)

1. 円筒形状のボディに楕円形状の弁体がその短径方向の軸を中心に回動自在に内設されてなるバタフライバルブにおいて、
   前記弁体は、これを回動するように駆動する回転軸に対して、軸方向に摺動自在に保持され、前記回転軸が挿通される軸保持部を跨いで長径方向に延びる複数のリブが表面に形成され、前記リブが前記軸保持部を跨いでいる部分において前記軸保持部の表面から前記リブの先端までの高さを前記リブの高さとしたとき、前記軸保持部の中央近傍に配置される前記リブの高さを低く、前記軸保持部の軸方向両端側に配置される前記リブの高さを高く形成したことを特徴とするバタフライバルブ。
2. 前記回転軸は、前記弁体を保持する部分が角を丸み面取りした四角柱であることを特徴とする請求項１記載のバタフライバルブ。
3. 前記回転軸は、前記弁体を保持する四角柱の部分よりも駆動源側に接続される円柱形状の部分にリング状のシール部材を装着する溝が周設されていることを特徴とする請求項２記載のバタフライバルブ。
4. 前記回転軸は、前記弁体を保持する四角柱の部分と当該四角柱の部分の軸方向に接続される前記円柱形状の部分との境界部が徐々に外形の変化する結合部によって形成されていることを特徴とする請求項３記載のバタフライバルブ。

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