JP7549368B2 - 流路切換弁 - Google Patents

Description

本発明は、流路切換弁に係り、弁体を弁室内で回転摺動させることにより流路を切り換える流路切換弁に関する。

円筒状やボール状の弁体の回転動作によって、流路を切り換えるタイプの流路切換弁が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この種の流路切換弁では、モータ、駆動ギヤ等からなる回転駆動部を用いて弁体を回転駆動している。

特開２０１８－１１５６９１号公報

上記のような流路切換弁では、モータによる弁体回転範囲の上限と下限を設定するキャリブレーションが適宜行われる。このキャリブレーションのために、ロータリーポテンショメータのような絶対角センサを用いることが考えられる。しかしながら、絶対角センサを用いると、コスト増により製品価格の上昇を招くと考えられる。

本発明は、コスト増を抑制しつつ、弁体回転範囲のキャリブレーションを可能にすることを目的とする。

第１の態様に係る流路切換弁は、内部に弁室が形成されると共に、前記弁室を形成する壁面に流体の入出口が形成された弁本体と、弁軸を有し、前記弁室内に回転可能に配置され、かつ流路が形成された弁体と、前記弁体における前記流路の開口部の周囲を囲むように設けられ、前記開口部と前記入出口が対向した状態で該入出口と前記弁体との間を封止する封止部と、複数の前記入出口の連通状態が前記弁体の前記流路を通じて選択的に切り換わるように、前記弁軸を介して前記弁体を回転させると共に、前記弁体の角度位置を検出可能な回転駆動部と、を備え、弁体回転範囲の上限及び下限の少なくとも一方において前記弁体のそれ以上の回転を制限するストッパが、前記弁本体の内側に設けられている。

この流路切換弁では、回転駆動部により、弁軸を介して弁体を回転させることで、弁本体の流路を切り換えることができる。また、この流路切換弁では、弁本体の内側に設けられたストッパにより、弁体回転範囲の上限及び下限の少なくとも一方において、弁体のそれ以上の回転を制限することができる。回転駆動部は、弁体の角度位置を検出可能であるため、ストッパにより弁体の回転が止められた位置を、弁体回転範囲の上限又は下限として検出し、弁体回転範囲のキャリブレーションを行うことができる。上限と下限の角度差がわかっている場合には、検出した上限から下限を求めることができ、同様に下限から上限を求めることができる。このため、キャリブレーションに絶対角センサを用いる場合と比較して、コスト増を抑制しつつ、回転駆動部における弁体回転範囲のキャリブレーションを行うことができる。

第２の態様は、第１の態様に係る流路切換弁において、前記弁体には、該弁体の径方向外側に突出し、前記弁体回転範囲の上限及び下限の少なくとも一方において前記ストッパに当接する突出部が設けられている。

この流路切換弁では、弁体回転範囲の上限及び下限の少なくとも一方において、弁体に設けられた突出部がストッパに当接するという簡易な構成により、より低コストで弁体回転範囲のキャリブレーションを行うことができる。

第３の態様は、第１の態様又は第２の態様に係る流路切換弁において、前記ストッパが、前記弁体回転範囲の上限及び下限の双方に設けられている。

この流路切換弁では、ストッパが弁体回転範囲の上限及び下限の双方に設けられているので、上限と下限の角度差がわかっていなくても、上限及び下限を検出することで弁体回転範囲のキャリブレーションを行うことができる。

本発明に係る流路切換弁によれば、コスト増を抑制しつつ、回転駆動部における弁体回転範囲のキャリブレーションが可能となる。

本実施形態に係る流路切換弁を示す斜視図である。 本実施形態に係る流路切換弁を示す底面図である。 図２における３－３矢視断面図である。 本実施形態に係る流路切換弁を示す分解斜視図である。 弁体を示す斜視図である。 上下反転させた弁本体と、ホルダ部材とを示す分解斜視図である。 弁体の突出部が弁体回転範囲の下限を定めるストッパに当接している状態を示す断面図である。 弁体の突出部が弁体回転範囲の上限を定めるストッパに当接している状態を示す断面図である。 図７に対応する弁体の状態を示す横断面図である。 図７に対応する弁体の状態を示す縦断面図である。

図１～図３を用いて、本発明の一の実施形態に係る流路切換弁１０について説明する。なお、各図において、部材間に形成される隙間や部材間の離隔距離等は、発明の理解を容易にするため、また、作図上の便宜を図るため、誇張して描かれている場合がある。また、本明細書において、上下、左右、前後等の位置、方向を表わす記述は、図１の方向矢印表示を基準としており、実際の使用状態での位置、方向を指すものではない。図１において、「ＵＰ」は上方向（上側）、「ＤＯＷＮ」は下方向（下側）、「ＬＨ」は左方向（左側）、「ＲＨ」は右方向（右側）、「ＦＲ」は前方向（前側）、「ＲＲ」は後方向（後側）を示している。なおこれらの方向は便宜的なものであり、自動車等に取り付けられた状態での方向と異なる場合がある。

（流路切換弁の構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る流路切換弁１０の全体構成を示す斜視図である。図２は、流路切換弁１０を示す平面図である。図３は、図２における３－３矢視断面図である。

流路切換弁１０は、例えば自動車のエンジンルーム内等を流れる流体の流路を切り換えるロータリー形の四方弁として使用されるものである。流路切換弁１０は、弁本体１４と、弁体１６と、封止部３８と、回転駆動部１８とを有している。

（弁本体）
図２において、弁本体１４は、例えば合成樹脂製とされた基体部材２０とホルダ部材２１とで構成されている。基体部材２０は、下側が開口しており、その開口部分にホルダ部材２１が内嵌固定されている。基体部材２０とホルダ部材２１の間は、例えばＯリング５４によりシールされている。図６、図９に示されるように、弁本体１４の内部には、例えば筒状の弁室１２が形成されている。弁室１２の壁面には、流体の入出口２４，２６，２８が形成されている。入出口２４，２６は、弁室１２に対して互いに対向するように開口している。入出口２８は、入出口２４，２６を結ぶ方向に対して水平面内で直交する方向に開口している。

図１、図２において、弁本体１４における基体部材２０の外面には、入出口２４，２６，２８に連通する管継手としてのポート２４Ａ，２６Ａ，２８Ａが一体的に設けられている。また、基体部材２０の外面には、流路切換弁１０を自動車のエンジンルーム内等に取り付けるための取付け部３２が複数設けられている。図６において、ホルダ部材２１には、弁室１２への入出口２９と、該入出口２９に連通する管継手としてのポート２９Ａが一体的に設けられている。

図３、図６において、ホルダ部材２１と基体部材２０との嵌合部は、例えばＯリング５４により例えば気密的、水密的にシールされている。Ｏリング５４は、例えばホルダ部材２１に設けられた溝５６に取り付けられている。

なお、本実施形態では、Ｏリング５４を挟んでホルダ部材２１と基体部材２０とをねじ２５で結合しているが、ホルダ部材２１と基体部材２０とを溶着で結合してもよい。溶着でシール性も確保する構造を採用する場合には、Ｏリング５４は不要である。

ホルダ部材２１はフランジ２１Ａを有しており、フランジ２１Ａには４つの貫通孔２１Ｂが形成されている。貫通孔２１Ｂには、例えばねじ２５が通される。基体部材２０のうちフランジ２１Ａが当接する端面２０Ａには、ねじ２５と螺合するねじ穴２０Ｂが形成されている。ねじ２５により、ホルダ部材２１が基体部材２０に締結固定されている。

また、フランジ２１Ａには、例えば２つの貫通孔２１Ｃが形成されている。この貫通孔２１Ｃには、位置決めを行うためのピン５２（図６）が通されるようになっている。基体部材２０の端面２０Ａには、ピン５２と嵌合する穴２０Ｃが形成されている。ピン５２は、基体部材２０に対するホルダ部材２１の組付けの際に用いられる治具である。フランジ２１Ａの貫通孔２１Ｃに挿通したピン５２を基体部材２０の穴２０Ｃに差し込むことで、基体部材２０の弁室１２の中心とホルダ部材２１の中心の位置決めを行うことができる。後述するように、弁室１２内で回転する弁体１６の下端部が、ホルダ部材２１の内周面２１Ｅにより回転支持される構成となっているためである。

更に、フランジ２１Ａには、弁本体１４側に突出する例えば２つの突起２１Ｄが設けられている。基体部材２０の端面２０Ａには、突起２１Ｄと嵌合する穴２０Ｄが形成されている。突起２１Ｄと穴２０Ｄが嵌合することで、基体部材２０の弁室１２の中心とホルダ部材２１の中心の経時的なアライメント変化を抑制できるようになっている。

図３に示されるように、弁室１２の上側の壁面には、弁体１６の弁軸４８が回転可能に挿通される嵌挿穴３０が設けられている。また、基体部材２０には、ポート２８Ａと反対側に延びる支持部１５が例えば一体的に設けられている。基体部材２０及び支持部１５の上には、回転駆動部１８が例えばねじ２２を用いて固定されている。

（弁体）
図３から図５において、弁体１６は、例えば合成樹脂から作製された部材であり、弁室１２内に上下方向に延びる軸線Ｏ１を中心として回転可能に配置されている。弁体１６の上部は、弁室１２の上側の壁面に設けられた嵌挿穴３０にＯリング３４を介して枢支されている。Ｏリング３４は、例えば弁体１６の上部外周面に形成された溝１６Ａ１に取り付けられている。一方、弁体１６の下部は、ホルダ部材２１の内周面２１ＥにＯリング３５を介して枢支されている（図１０も参照）。Ｏリング３５は、例えば弁体１６の下部外周面１６Ｂに形成された溝１６Ｂ１に取り付けられている。

弁体１６は、軸線Ｏ１を中心とした略円筒状の外周面１６Ｃを有している。外周面１６Ｃは、概ね１８０°の範囲に設けられている。換言すれば、外周面１６Ｃは、軸線Ｏ１の方向から見て略半円形に形成されている。外周面１６Ｃの曲率半径は、弁室１２の半径よりも若干小さく設定されている。弁室１２の壁面のうち円筒状の内壁１２Ａと、弁体１６の外周面１６Ｃとの間には隙間Ｓ１が形成されている（図７、図８）。この隙間Ｓ１は、後述する突出部１６Ｇの先端と弁室１２の内壁１２Ａとの間にも形成されている。なお、隙間Ｓ１の大きさが場所によって異なっていてもよい。

弁本体１４に設けられた入出口２４，２６，２８，２９を選択的に連通させるべく、言い換えれば、入出口２４，２６，２８，２９の連通状態を選択的に切り換えるべく、弁体１６の内部には流路（内部流路）３６が設けられている。詳細には、弁体１６には、弁体１６の回転軸線Ｏ１方向に直交する方向に形成された開口部３６Ａ，３６Ｂが形成されている。図９に示されるように、開口部３６Ａ，３６Ｂは、互いに直交している。また、弁体１６には、回転軸線Ｏ１の下方に形成された開口部３６Ｃが形成されている。開口部３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃは、流路３６と連通している。

弁体１６の外周面１６Ｃにおける開口部３６Ａ，３６Ｂの周囲には、後述するシート部材４０，４２が取り付けられる環状凹部１６Ｄがそれぞれ形成されている。開口部３６Ａ，３６Ｂの周囲における環状凹部１６Ｄの内側の例えば２箇所若しくは１箇所には、シート部材４０，４２の位置決めを行うための突起１６Ｅが設けられている。

弁体１６の上部には、弁軸４８が一体的に設けられている。弁軸４８の中心軸は、弁体１６の軸線Ｏ１と同軸とされている。弁軸４８には、周方向に凹凸を有するギヤ部４８Ａが設けられており、このギヤ部４８Ａが回転駆動部１８の出力部と係合している。弁体１６の上部外周面１６Ａと外周面１６Ｃとの間には、上部外周面１６Ａよりも大径で外周面１６Ｃより小径な中径部１６Ｆが設けられている。中径部１６Ｆと、後述するストッパ４４，４６を構成する突起部との間には、隙間Ｓ２が形成されている。この隙間Ｓ２と、上記した隙間Ｓ１が形成されていることにより、弁室１２内での異物の滞留が抑制されるようになっている。

（封止部）
図４、図９において、封止部３８は、弁体１６における流路３６の開口部３６Ａ，３６Ｂの周囲を囲むように設けられ、開口部３６Ａ，３６Ｂと入出口２４，２６，２８が対向した状態で該入出口２４，２６，２８と弁体１６との間を封止する部材であり、例えばシート部材４０とＯリング４２とを有している。シート部材４０及びＯリング４２は、弁体１６の２つの環状凹部１６Ｄにそれぞれ配置されている。シート部材４０は、例えば合成樹脂から作製され、弁体１６における流路３６の開口部３６Ａ，３６Ｂに対応する開口を持つ円環状に形成されている。シート部材４０の内径は、例えば入出口２４，２６，２８の内径と等しく設定されている。

シート部材４０のうち、弁室１２の内壁１２Ａと摺動する面は、該内壁１２Ａに沿う円筒面で構成されている。これにより、弁体１６は、シート部材４０が弁室１２の内壁１２Ａに接触した状態で、弁室１２内で円滑に回転摺動可能とされ、また開口部３６Ａ，３６Ｂと入出口２４，２６，２８が対向した状態で該入出口２４，２６，２８と弁体１６との間を封止できるようになっている。一方、シート部材４０の背面は、例えば略平面状とされている。この背面には、弁体１６の突起１６Ｅと嵌合する凹部４０Ａが形成されている。Ｏリング４２は、環状凹部１６Ｄの底部に配置され、Ｏリング４２の上からシート部材４０が嵌め込まれている。つまり、シート部材４０と弁体１６との間は、Ｏリング４２により例えば気密的、水密的にシールされている。

一例として、弁本体１４、及び弁体１６にＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の吸水性の低い樹脂を使用し、シート部材４０にＰＴＦＥ（フッ素樹脂）等の自己潤滑性樹脂を使用し、Ｏリング４２に合成ゴムを使用することができる。

（回転駆動部）
図１から図３において、回転駆動部１８は、複数の入出口２４，２６，２８，２９の連通状態が弁体１６の流路３６を通じて選択的に切り換わるように、弁軸４８を介して弁体１６を回転させると共に、弁体１６の角度位置を検出可能とされている。この回転駆動部１８は、弁軸４８を回転させるためのモータ、駆動ギヤ等を有し、弁軸４８を介して弁体１６を回転軸線（中心線）Ｏ１周りで回転させるべく、弁本体１４の上方に配置されている。弁体１６の弁軸４８は、回転駆動部１８と軸線Ｏ１周りに係合している。回転駆動部１８には、例えば制御部との通信及び電力供給のための配線が接続されるコネクタ５０が設けられている。モータは、弁体１６の角度位置を検出できるように、ステッピングモータであってもよく、またＤＣモータ等のモータと磁気センサ（例えば、ホール素子）を組み合わせたものであってもよい。

図６、図７、図８において、弁体１６は、所定の弁体回転範囲の範囲内で回転駆動されるようになっている。この弁体回転範囲の上限及び下限の少なくとも一方、例えば双方には、弁体１６のそれ以上の回転を制限するストッパ４４，４６が、弁本体１４の内側に設けられている。具体的には、ストッパ４４，４６は、弁室１２の上側の壁面における嵌挿穴３０（図２）の周囲に一体的に設けられている。ストッパ４４は上限を定め、ストッパ４６は下限を定めている。上限の下限を、一端と他端と言い換えることもできる。また、ストッパ４４，４６を弁本体１４の内側、すなわち弁室１２の上側壁面に設けたことで、弁室１２の下方側から弁体１６を配置できる。

弁体１６には、該弁体１６における例えば中径部１６Ｆから径方向外側に突出し、弁体回転範囲の上限及び下限の少なくとも一方、本実施形態では双方においてストッパ４４，４６に当接する突出部１６Ｇが設けられている。突出部１６Ｇは、例えば平面視で扇形の凸部であり、１箇所設けられている。この突出部１６Ｇは、弁体回転範囲の上限でストッパ４４に当接し、下限でストッパ４６に当接する。ストッパ４４，４６の配置と、弁体１６の周方向における突出部１６Ｇの大きさは、弁体回転範囲に応じて適宜変更される。換言すれば、ストッパ４４，４６の位置は、この角度差と、弁体１６の突出部１６Ｇの形状を考慮して定められる。

なお、本実施形態における弁体回転範囲の上限と下限の角度差θは２７０°である（図７）。このように弁体回転範囲の上限と下限の角度差が既知である場合、キャリブレーションのプログラムにより、上限から下限を算出することができ、また下限から上限を算出することができる。したがって、上限のストッパ４４又は下限のストッパ４６の一方のみが設けられる構成であってもよい。また、上限のストッパ４４に当接する突出部と、下限のストッパ４６に当接する突出部とが別々に設けられていてもよい。

（作用、効果）
次に、本実施形態の流路切換弁１０の作用、効果について説明する。図１、図３において、本実施形態では、モータ、駆動ギヤ等からなる回転駆動部１８により弁軸４８を介して弁体１６を回転させることで、弁本体１４の流路３６を切り換えることができる。具体的には、弁体１６の流路３６を通じて、弁本体１４に設けられた入出口２４，２６，２８，２９の連通状態を選択的に切り換えることができる。

例えば、図９、図１０においては、弁体１６が弁体回転範囲の下限にあり、入出口２６，２９が連通し、入出口２４，２８が連通している。他にも、図９の状態から弁体１６を時計回りに９０°回転させると、入出口２６，２８，２９が連通し、入出口２４が閉じた状態となる。更に、弁体１６を時計回りに９０°回転させると、入出口２４，２８，２９が連通し、入出口２６が閉じた状態となる。更に弁体１６を時計回りに弁体回転範囲の上限まで回転させると、入出口２４，２９が連通し、入出口２６，２８が連通した状態となる。

また、本実施形態では、弁本体１４の外側に設けられたストッパ４４，４６により、弁体回転範囲の上限及び下限の双方において、弁体１６のそれ以上の回転を制限することができる。具体的には、弁体１６の突出部１６Ｇがストッパ４４，４６にそれぞれ当接することで、弁体１６のそれ以上の回転が制限される。

回転駆動部１８は、弁体１６の角度位置を検出可能であるため、突出部１６Ｇがストッパ４４，４６により弁体１６の回転が止められた位置を、弁体回転範囲の上限又は下限として検出し、弁体回転範囲のキャリブレーションを行うことができる。キャリブレーションは、流路切換弁１０の使用の都度、又は月に１度等、不定期又は定期的に行われることが望ましい。ここで、弁体１６の突出部１６Ｇとストッパ４４，４６を用いたキャリブレーションの手順の一例を、図７、図８を用いて説明する。

弁体１６が弁体回転範囲の上限と下限の間にあるところから、回転駆動部１８（図１）により弁体１６を左回りに回転させると、図７において、突出部１６Ｇが下限のストッパ４６に当接し、それ以上の弁体１６の回転が制限される。このとき回転駆動部１８のモータの停止を検出することで、弁体１６が弁体回転範囲の下限に達したことを検知できる。次に、回転駆動部１８（図１）により弁体１６を右回転させると、図８において、突出部１６Ｇが上限のストッパ４４に当接し、それ以上の弁体１６の回転が制限される。このとき回転駆動部１８のモータの停止を検出することで、弁体１６が弁体回転範囲の上限に達したことを検知できる。

なお、回転駆動部１８のモータの回転位置は、例えば、ホール素子などのセンサーを用いて検出してもよいし、ステッピングモータやブラシレスモータの逆起電力から検出してもよい。突出部１６Ｇが下限のストッパ４６又は上限のストッパ４４に当接した状態からのモータの回転数（つまり弁体の角度位置）は、センサーを用いて検出できるが、ステッピングモータの場合は入力したパルス数からモータの回転数（つまり弁体の角度位置）を検出してもよい。突出部１６Ｇが下限のストッパ４６又は上限のストッパ４４に当接した状態（基準位置、モータの停止状態）もセンサーや逆起電力から検出できる。

これにより、弁体回転範囲の上限における回転駆動部１８での弁体１６の角度位置と、弁体回転範囲の下限における回転駆動部１８での弁体１６の角度位置がそれぞれ対応付けられるので、弁体回転範囲のキャリブレーションが完了する。これにより、弁体１６の角度位置を弁体回転範囲内で任意に変更することができる。

本実施形態では、ストッパ４４，４６が弁体回転範囲の上限及び下限の双方に設けられているので、上限と下限の角度差がわかっていなくても、上限及び下限を検出することで弁体回転範囲のキャリブレーションを行うことができる。弁体回転範囲の上限と下限の角度差が既知である場合には、キャリブレーションのプログラムにより、上限から下限を算出することができ、また下限から上限を算出することができる。したがって、上限のストッパ４４又は下限のストッパ４６の一方が設けられる構成であっても、キャリブレーションを行うことができる。

このように、本実施形態では、弁体回転範囲の上限及び下限の少なくとも一方において、弁体１６に設けられた突出部１６Ｇがストッパ４４，４６に当接するという簡易な構成により、キャリブレーションに絶対角センサを用いる場合と比較して、コスト増を抑制しつつ、回転駆動部１８における弁体回転範囲のキャリブレーションを行うことができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

弁本体１４に形成される入出口の数や配置構成は、当該流路切換弁１０の適用箇所等に応じて、適宜に変更できることは言うまでも無い。上記実施形態では、流路切換弁１０として四方弁を例にとって説明したが、例えば、二方弁、三方弁としても良いことは言うまでも無い。

また、上記実施形態の流路切換弁１０は、車両におけるエンジンルーム内等（エンジン冷却用回路や電子機器冷却用回路等）の流路切換用に使用されるものとしているが、用途はこれに限らず、例えば給湯設備における流路切換用に使用しても良いことは勿論である。

弁体１６に、ストッパ４４，４６に当接する突出部１６Ｇが設けられるものとしたが、これに限られず、ストッパ４４，４６により弁体回転範囲の上限及び下限の少なくとも一方において弁体１６のそれ以上の回転を制限することができる構成であればよい。

１０ 流路切換弁
１２ 弁室
１２Ａ 内壁（壁面）
１４ 弁本体
１６ 弁体
１６Ｇ 突出部
１８ 回転駆動部
２４ 入出口
２６ 入出口
２８ 入出口
２９ 入出口
３６ 流路
３６Ａ 開口部
３６Ｂ 開口部
３６Ｃ 開口部
３８ 封止部
４４ ストッパ
４６ ストッパ
４８ 弁軸

Claims (3)

1. 内部に弁室が形成されると共に、前記弁室を形成する壁面に流体の入出口が形成された弁本体と、
   弁軸を有し、前記弁室内に回転可能に配置され、かつ流路が形成された弁体と、
   前記弁体における前記流路の開口部の周囲を囲むように設けられ、前記開口部と前記入出口が対向した状態で該入出口と前記弁体との間を封止する封止部と、
   複数の前記入出口の連通状態が前記弁体の前記流路を通じて選択的に切り換わるように、前記弁軸を介して前記弁体を回転させると共に、前記弁体の角度位置を検出可能な回転駆動部と、
   を備え、
   弁体回転範囲の上限及び下限の少なくとも一方において前記弁体のそれ以上の回転を制限するストッパが、前記弁室の円筒状の内壁を含む壁面に一体的に設けられている、流路切換弁。
2. 前記弁体には、該弁体の径方向外側に突出し、前記弁体回転範囲の上限及び下限の少なくとも一方において前記ストッパに当接する突出部が設けられている、請求項１に記載の流路切換弁。
3. 前記ストッパは、前記弁体回転範囲の上限及び下限の双方に設けられている、請求項１又は請求項２に記載の流路切換弁。