(57)【要約】【課題】  開弁に必要な駆動力を低減させることができるバルブを実現する。さらに、摺動抵抗が小さく、シール部の摩耗や異物の噛み込みが起こりにくいバルブを実現する。【解決手段】  流体流路７内に弁座８が形成され、この弁座８の弁孔９が弁軸１６で支持された弁体１１で開閉されるバルブ１において、前記弁体１１に対して受圧体２２を所定間隔を保って直列に組み込み、閉弁状態のとき、前記弁体１１の一次側圧力を前記弁体１１に形成した圧力伝達路３２を介して前記受圧体２２へ伝達させ、開弁方向および閉弁方向の力をバランスさせる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流路内に弁座が形成され、この弁座の弁孔が弁軸で支持された弁体で開閉されるバルブであって、
閉弁状態のとき、流体圧力によって前記弁体に開弁方向および閉弁方向の力がそれぞれ作用するように構成したことを特徴とするバルブ。
【請求項２】
前記弁体に対して受圧体を所定間隔を保って直列に組み込み、
閉弁状態のとき、前記弁体の一次側圧力を前記受圧体へ伝達させ、開弁方向および閉弁方向の力をバランスさせることを特徴とする請求項１に記載のバルブ。
【請求項３】
前記弁体の一次側圧力を前記弁体に形成した圧力伝達路を介して前記受圧体へ伝達させることを特徴とする請求項２に記載のバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水処理機器の流路切換などに適用されるバルブに関し、とくに開弁に必要な駆動力の低減を図ることのできる圧力バランス式のバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
軟水装置や濾過装置に代表される水処理機器は、通水工程や洗浄工程などの処理工程に応じて流体流路を切り換えるために、複数のバルブを組み込んだコントロールバルブユニットを備えている。このコントロールバルブユニットに使用されるバルブは、たとえば特許文献１に開示されているように、ダイレクトカム駆動方式のバルブであり、構成部材の大半を合成樹脂で形成することによって大量生産を可能とし、水処理機器の低コスト化に寄与している。
【０００３】
ここで、図面を参照し、従来のダイレクトカム駆動方式のバルブの構成例とその特性を説明する。図５は、従来のバルブの概略構成を示す縦断面図である。バルブ３４は、流体入口である第一ポート３５を有する第一流体流路３６が形成された下部ハウジング３７と、流体出口である第二ポート３８を有する第二流体流路３９が形成された上部ハウジング４０と、前記両ハウジング３７，４０の間に介在させたプレートパッキン４１とを備えている。前記プレートパッキン４１には、前記各流体流路３６，３９を連通させる弁孔４２が開口しており、この弁孔４２は、前記第一流体流路３６内に配置された弁体４３で開閉されるようになっている。すなわち、前記プレートパッキン４１は、前記各流体流路３６，３９を仕切る区画壁として作用するとともに、前記弁体４３の弁座として作用する。前記弁孔４２の周縁部には、前記第一流体流路３６側において、円環状の突条部４４が設けられており、閉弁状態のとき、この突条部４４に前記弁体４３の上面が当接してシールすることにより、前記弁孔４２が閉鎖される。
【０００４】
前記弁体４３は、キノコ形状に形成された部材であり、その支持軸４５が前記下部ハウジング３７の底面に設けられた軸スリーブ４６内に摺動自在に挿入されている。前記弁体４３の下部には、前記支持軸４５を取り囲んでコイル状のスプリング４７が挿入されており、このスプリング４７の弾発力によって、前記弁体４３が前記プレートパッキン４１側へ付勢されている。また、前記弁体４３の上部は、前記上部ハウジング４０に形成された貫通穴４８を介して上下動する弁軸４９の下端と接続されており、この弁軸４９の上端は、バケット５０に形成された弁軸穴５１に遊動自在に挿入されている。前記貫通穴４８には、前記上部ハウジング４０の内側からＸリング５２が嵌着されており、このＸリング５２は、プラグ５３でその位置が固定されている。すなわち、前記上部ハウジング４０における前記弁軸４９の摺動部分は、前記Ｘリング５２によってシールされている。
【０００５】
前記バルブ３４は、前記第一流体流路３６が高圧の一次側に、また前記第二流体流路３９が低圧の二次側になるように使用される。したがって、閉弁状態において、前記弁体４３は、下面側に作用する一次側圧力と、前記スプリング４７の弾発力とにより、前記突条部４４へ押し付けられる。このとき、前記弁体４３に作用している閉弁力は、前記突条部４４で囲まれた部分の面積と一次側圧力の積で求められる力および前記スプリング４７の弾発力の合計となる。前記バルブ３４を開弁状態へ移行させるときは、カム機構（図示省略）により、前記バケット５０を介して前記弁軸４９をダイレクトに下方へ押下するが、開弁に必要な駆動力は、前記弁体４３に作用している閉弁力よりも大きくなくてはならない。すなわち、ダイレクトカム駆動方式のバルブにおいては、大流量の流体制御に対応するために、前記弁孔４２の開口面積を大きくすればするほど、また複数の流体流路を切り換えるために、バルブを連設すればするほど、開弁に必要な駆動力も大きくなると云う特
性を有する。したがって、複数の大口径バルブを組み込んだコントロールバルブユニットを製作しようとすると、前記カム機構の駆動源に安価な低出力モータを使用することができず、水処理機器のコスト低減に限界があった。
【０００６】
さて、小さな駆動力で開弁することのできるバルブとして、従来から弁体と一体化させたピストンを用いた圧力バランス式のバルブが知られている。たとえば、特許文献２〜４に記載されたバルブは、閉弁状態のとき、前記弁体の弁孔側に作用する流体圧力を前記ピストンが摺動する背圧室へ導くことによって前記弁体の圧力バランスをとり、開弁に必要な駆動力を低減させている。しかしながら、この種のバルブは、前記ピストンと前記背圧室をパッキンやＯリングなどを介在させてシールしているため、前記ピストンの摺動抵抗が大きく、過剰な駆動力が必要となっていた。さらには、パッキンやＯリングなどの摩耗や摺動部分への異物の噛み込みなどによって、動作不良や流体のリークを起こしやすいと云うものであった。
【０００７】
【特許文献１】特許第２９９３４２６号公報
【特許文献２】特許第３６７２３８０号公報
【特許文献３】特開２０００−３２０７１１号公報
【特許文献４】特開２００４−１６２９１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明が解決しようとする課題は、開弁に必要な駆動力を低減させることができるバルブを実現することである。さらに、摺動抵抗が小さく、シール部の摩耗や異物の噛み込みが起こりにくいバルブを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、流体流路内に弁座が形成され、この弁座の弁孔が弁軸で支持された弁体で開閉されるバルブであって、閉弁状態のとき、流体圧力によって前記弁体に開弁方向および閉弁方向の力がそれぞれ作用するように構成したことを特徴としている。
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、閉弁状態のとき、流体圧力によって前記弁体には、開弁方向の力，すなわち前記弁体を前記弁座から離反させる方向への力と、閉弁方向の力，すなわち前記弁体を前記弁座へ当接させる方向への力がそれぞれ作用する。したがって、前記弁体には、実質的に閉弁方向の力と開弁方向の力の差分に対応する閉弁力が作用することになり、この閉弁力に対抗する駆動力を前記弁軸に対して作用させると、容易に開弁状態へ移行する。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記弁体に対して受圧体を所定間隔を保って直列に組み込み、閉弁状態のとき、前記弁体の一次側圧力を前記受圧体へ伝達させ、開弁方向および閉弁方向の力をバランスさせることを特徴としている。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、前記受圧体は、摺動することなく、前記弁体の開閉動作に追従して変位する。したがって、前記弁体の開閉動作時に摩擦がなく、シール部の摩耗や異物の噛み込みも防止される。また、閉弁状態のとき、前記弁体の一次側圧力が前記受圧体へ伝達されることによって、前記弁体には、一次側から開弁方向の力が作用するとともに、前記受圧体を介して閉弁方向の力が作用する。これらの力は、前記弁体および前記受圧体の各受圧面積に基づいてバランスする。したがって、前記弁体には、実質的に閉弁方向の力と開弁方向の力の差分に対応する閉弁力が作用することになり、この閉弁力に対抗する駆動力を前記弁軸に対して作用させると、容易に開弁状態へ移行する。
【００１３】
さらに、請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記弁体の一次側圧力を前記弁体に形成した圧力伝達路を介して前記受圧体へ伝達させることを特徴としている。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、前記受圧体は、摺動することなく、前記弁体の開閉動作に追従して変位する。したがって、前記弁体の開閉動作時に摩擦がなく、シール部の摩耗や異物の噛み込みも防止される。また、閉弁状態のとき、前記弁体の一次側圧力が前記圧力伝達経路を介して前記受圧体へ伝達されることによって、前記弁体には、一次側から開弁方向の力が作用するとともに、前記受圧体を介して閉弁方向の力が作用する。これらの力は、前記弁体および前記受圧体の各受圧面積に基づいてバランスする。したがって、前記弁体には、実質的に閉弁方向の力と開弁方向の力の差分に対応する閉弁力が作用することになり、この閉弁力に対抗する駆動力を前記弁軸に対して作用させると、容易に開弁状態へ移行する。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、開弁に必要な駆動力を低減させることができるバルブを実現することができる。さらに、摺動抵抗が小さく、シール部の摩耗や異物の噛み込みが起こりにくいバルブを実現することができる。この結果、大口径であっても低出力のモータで駆動でき、また故障が少なく安定した動作のバルブを種々の機器や設備に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、この発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。この発明のバルブは、たとえば軟水装置や濾過装置などの種々の水処理機器において、処理工程に応じて流体流路を切り換えるためのコントロールバルブユニットに適用される。図１および図２は、この発明を実施したダイレクトカム駆動方式のバルブの概略構成を示す縦断面図であり、それぞれ閉弁状態と開弁状態を図示している。また、図３は、図１のIII−III線断面図であり、さらに図４は、図１のIV−IV線断面図である。
【００１７】
この実施形態に係るバルブ１は、それぞれが硬質の合成樹脂で形成された上部ハウジング２および下部ハウジング３から構成されるバルブハウジング４を備えている。前記上部ハウジング２には、流体入口である第一ポート５と、流体出口である第二ポート６と、これらの各ポート５，６を連通させる流体流路７とが形成されている。前記流体流路７内には、弁座８が形成されており、この弁座８には、弁孔９が開口している。そして、この弁孔９の周縁部には、前記第二ポート６側において、閉弁時のシール部として作用する円環状の突条部１０が設けられている。
【００１８】
前記第二ポート６側の前記流体流路７内には、前記突条部１０に当接，あるいは離反して前記弁孔９を開閉する弁体１１が配置されている。この弁体１１は、硬質の合成樹脂で形成されたキノコ形状の弁本体１２と、この弁本体１２の上面に一体的に装着された弁パッキン１３との組立体により構成されている。前記弁パッキン１３は、たとえばエチレンプロピレンゴム，シリコンゴム，フッ素ゴムなどの弾性材料で形成されており、前記弁体１１が前記弁座８に着座したとき、前記突条部１０へ圧接されるようになっている。
【００１９】
また、前記弁体１１の上面側には、前記弁本体１２の中心軸に沿って上方へ延びる弁軸スリーブ１４が設けられており、この弁軸スリーブ１４には、前記上部ハウジング２に形成された貫通穴１５を介して上下動可能な弁軸１６の下端が挿入されている。一方、この弁軸１６の上端は、バケット１７に形成された弁軸穴１８に遊動自在に挿入されている。前記バケット１７は、前記バルブ１を駆動するカム機構のカム（図示省略）を接触させて、前記弁軸１６を押し下げる力を作用させる部材である。ここにおいて、前記貫通穴１５
には、前記上部ハウジング２の内側からＸリング１９が嵌着されており、このＸリング１９は、プラグ２０でその位置が固定されている。すなわち、前記上部ハウジング２における前記弁軸１６の摺動部分は、前記Ｘリング１９によってシールされている。
【００２０】
さて、前記弁体１１の下部には、リテーナ２１で支持された受圧体２２が一体的に装着されている。具体的に説明すると、前記リテーナ２１は、逆カップ形状の支持部材であり、その上面には、円柱状の凸部２３が設けられている。また、前記弁本体１２の下部には、前記凸部２３を嵌合させる凹部２４が設けられている。前記受圧体２２は、ガラス繊維などの基布をエチレンプロピレンゴム，水素化ニトリルゴム，フッ素ゴムなどの弾性材料で被覆した円形のダイアフラムであって、その中央部には、前記凸部２３に対応する貫通孔２５が穿設されている。前記凸部２３は、前記貫通孔２５を介して前記凹部２４に嵌合されており、さらに前記リテーナ２１は、座金２６を介してネジ２７で前記弁体１１と結合されている。すなわち、前記受圧体２２は、前記弁体１１に対して所定間隔を保って直列に組み込まれており、前記弁体１１と前記リテーナ２１の間に狭持された状態にて、前記弁体１１の開閉動作に追従して変位可能に構成されている。また、前記受圧体２２の周縁部分は、前記両ハウジング２，３の嵌合部分の間に挟持され、シールされている。
【００２１】
前記下部ハウジング３には、前記受圧体２２で前記流体流路７から仕切られ，かつ前記リテーナ２１が上下動する背圧室２８が形成されている。前記リテーナ２１は、前記背圧室２８の内壁から中心部へ向かって突出するリブ状のガイド２９，２９，…により部分的に支持されている。ここにおいて、前記リテーナ２１の外周面と前記各ガイド２９の先端面との間は、所定のクリアランスを有しており、前記リテーナ２１が上下動するときに、摺動抵抗を生じないようになっている。また、前記リテーナ２１の下部には、前記弁体１１を閉弁方向へ付勢するコイル状のスプリング３０が挿入されており、このスプリング３０は、前記背圧室２８の底面に設けられた台座部３１によって位置決めされている。
【００２２】
前記弁体１１には、前記弁軸スリーブ１４の外側部分に前記弁本体１２の中心軸に沿って貫通する圧力伝達路３２が形成されている。また、前記リテーナ２１には、その中心軸に沿って貫通路３３が形成されている。この貫通路３３は、前記ネジ２７を貫通させるとともに、前記圧力伝達路３２を前記背圧室２８と連通させる役割を果たしている。したがって、前記背圧室２８内は、前記圧力伝達路３２および前記貫通路３３によって、前記第一ポート５側と常時連通するようになっており、前記弁体１１の一次側圧力が前記受圧体２２へも伝達される。ここにおいて、前記弁体１１の受圧面積（すなわち、前記突条部１０で囲まれた部分の面積）は、前記受圧体２２の受圧面積（すなわち、前記リテーナ２１に追従してダイアフラムが上下方向へ変位する部分の面積）以下になるように設定されている。
【００２３】
つぎに、前記バルブ１の作用について詳細に説明する。前記バルブ１は、前記バルブハウジング４の外部に配置したカム機構により駆動される。このカム機構は、たとえば駆動源であるモータと、このモータの回転速度を減速させる歯車と、この歯車の回転に連動して回転するカムシャフトと、このカムシャフトに一体的に設けられたカムとから構成される（図示省略）。
【００２４】
まず、前記バルブ１が閉弁状態のときには、前記カムの外周表面（以下、「カムフェース」と云う。）は、前記バケット１７から離脱している。この状態において、前記弁体１１には、前記第一ポート５を介して一次側圧力がかかることにより、開弁方向の力，すなわち前記弁体１１を前記弁座８から離反させる方向への力が作用する。また、前記弁体１１には、前記圧力伝達路３２および前記貫通路３３を介して前記受圧体２２に一次側圧力が伝達されるともに、スプリング３０で付勢されることにより、閉弁方向の力，すなわち前記弁体１１を前記弁座８へ当接させる方向への力が作用する。これらの力は、前記弁体
１１の受圧面積，前記受圧体２２の受圧面積および前記スプリング３０の弾発力に基づいてバランスする。前記したように、弁体１１の受圧面積は、前記受圧体２２の受圧面積以下になるように設定されているので、前記弁体１１には、実質的に閉弁方向の力から開弁方向の力を差し引いた閉弁力が作用することになり、前記弁体１１が前記弁座８へ当接した状態が維持される。ここにおいて、弁体１１の受圧面積と前記受圧体２２の受圧面積とが等しくなるように設定すると、前記弁体１１に作用する閉弁力は、前記スプリング３０の弾発力と等しくなる。また、前記弁体１１，前記リテーナ２１および前記受圧体２２からなる組立体には、常に圧縮方向の力が作用するので、合成樹脂や合成ゴムのように引張方向の力に比較的弱い材料を使用しても、複雑な補強を施すことなく、充分な強度と耐久性を確保することができる。
【００２５】
つぎに、前記バルブ１を開弁状態へ移行させるときには、前記カムフェースが前記バケット１７へ接触するように前記カム機構を作動させ、前記弁軸１６を押し下げる。ここにおいて、前記弁体１１の開弁にともなう摺動抵抗は、実質的に前記Ｘリング１９で生じる抵抗のみであり、前記リテーナ２１と前記各ガイド２９の間では、そのクリアランスのために生じることがない。したがって、閉弁状態において作用していた閉弁力と、前記Ｘリング１９で生じる摺動抵抗とに対抗する駆動力を前記弁軸１６へ与えると、前記弁体１１が前記弁座８から離反し、前記弁孔９が開放される。そして、再び前記カム機構を作動させ、前記カムフェースが前記バケット１７から脱離すると、前記弁体１１に閉弁方向の力と開弁方向の力のバランスによる閉弁力が作用する結果、前記弁体１１が前記弁座８へ当接し、前記弁孔９が閉鎖される。ここにおいて、前記受圧体２２は、前記弁体１１に追従して前記流体流路７内を上下動するので、ピストンを受圧部に用いたバルブ構造で必然的に生じる摺動部分がなく、前記流体流路７と前記背圧室２８の間のシール部において、摩耗や異物の噛み込みが防止される。
【００２６】
前記の実施形態において、前記圧力伝達路３２は、前記弁体１１に設けられているが、他の部位に設けることもできる。たとえば、前記圧力伝達路３２は、前記第一ポート５側の前記流体流路７内と前記背圧室２８内とを連通させるように、前記バルブハウジング４に設けてもよい。また、前記バルブ１は、水処理機器だけでなく、流体制御を必要とする機器や設備であれば、産業用，民生用問わず適用することができる。この場合、前記バルブ１を構成する部材，たとえば前記バルブハウジング４や前記弁体１１などは、要求される仕様に応じて、金属材料で形成してもよい。
【００２７】
以上説明したように、この実施形態によれば、開弁に必要な駆動力を低減させることができるバルブを実現することができる。さらに、摺動抵抗が小さく、シール部の摩耗や異物の噛み込みが起こりにくいバルブを実現することができる。この結果、大口径であっても低出力のモータで駆動でき、また故障が少なく安定した動作のバルブを種々の機器や設備に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明のバルブの概略構成を示す閉弁状態の縦断面図。
【図２】この発明のバルブの概略構成を示す開弁状態の縦断面図。
【図３】図１のIII−III線断面図。
【図４】図１のIV−IV線断面図。
【図５】従来のバルブの概略構成を示す縦断面図。
【符号の説明】
【００２９】
１  バルブ
７  流体流路
８  弁座
９  弁孔
１１  弁体
１６  弁軸
２２  受圧体
３２  圧力伝達路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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