JP6237323B2 - 多方弁及び貯湯式給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、多方弁及び貯湯式給湯機に関する。

給湯機等の複数の循環経路を有する機器において、流体が流れる循環回路を切り替えるために、ボールバルブ等の多方弁が用いられている。下記特許文献１には、ボール弁体と、シート面部においてボール弁体を両側から挟持するソケットと、弁体を囲み２つのソケットで挟まれる弁箱とをセラミック製としたセラミックボールバルブが開示されている。

実開昭５６−０７９７６３号公報

特許文献１の構成では、ボール弁体が回転し、ボール弁体の表面がセラミック製のソケットのシート面に摺動することで、ボール弁体の表面が傷ついたり、ソケットのシート面が磨耗し、シール性が悪化する。その結果、内部漏れが発生することで、循環回路の切替、回路閉塞といった本来の多方弁の機能を損なうという課題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、弁体の回転摺動によるシール性の悪化を抑制し、かつ、コストを低減できる多方弁及びこれを備えた貯湯式給湯機を提供することを目的とする。

本発明に係る多方弁は、弁室を有するボディと、弁室の内部で回転可能に設けられた弁体と、弁体とポートとの間に設けられたシール材と、弁体の回転軸を挟んでシール材とは反対側の位置で弁体の周面に接触し、弁体を支持する突起部と、を備え、突起部は、弁体が回転したときにシール材が弁体に接触する範囲に接触せず、弁体の回転軸の方向の位置に関して、上記接触する範囲の外でのみ弁体に接触するものである。

本発明によれば、弁体の回転摺動によるシール性の悪化を抑制し、かつ、コストを低減できる多方弁及びこれを備えた貯湯式給湯機を提供することが可能となる。

本発明の実施の形態１の多方弁である四方弁を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１の多方弁である四方弁を示す側面図である。 本発明の実施の形態１の多方弁である四方弁を示す正面図である。 図２中のＡ−Ａ線断面図である。 図３中のＢ−Ｂ線断面図である。 図５の一部分を拡大した図である。 本発明の多方弁を備えた貯湯式給湯機の実施の形態を示す構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
実施の形態１．
図１、図２及び図３は、それぞれ、本発明の実施の形態１の多方弁である四方弁を示す斜視図、側面図及び正面図である。図４は、図２中のＡ−Ａ線断面図であり、図５は、図３中のＢ−Ｂ線断面図である。これらの図に示す本実施の形態１の四方弁２００は、第１ポート２０２、第２ポート２０３、第３ポート２０４及び第４ポート２０５を有し、これらのポートのうちの隣り合う任意の二つのポートを導通させるとともに他の二つのポートを閉じるように流路を切り替える流路切替弁である。

図１に示すように、四方弁２００は、流路切替の動力となるステッピングモータ２０１と、ボディ２１０と、配管継手２１１，２１３，２１４とを有する。ステッピングモータ２０１とボディ２１０とは、モータ取付板２５０を介して連結固定されている。ボディ２１０に第２ポート２０３が形成されている。配管継手２１１，２１３，２１４は、それぞれ、ボディ２１０に連結固定されている。配管継手２１１に第１ポート２０２が形成され、配管継手２１３に第３ポート２０４が形成され、配管継手２１４に第４ポート２０５が形成されている。第１〜第４ポート２０２〜２０５は、それらの中心線が９０°間隔となり、全体として十字状になるように配置されている。

図４に示すように、ボディ２１０の内部に形成される弁室２３２には、弁体２３０が配置されている。弁体２３０の形状は、おおむね回転体形状である。本実施の形態１の弁体２３０はおおむね球形である。弁体２３０は、図４の紙面に垂直な回転軸を中心に回転可能になっている。弁体２３０の内部には、略Ｌ字状の主流路２３０ａが形成されている。四方弁２００では、弁体２３０の向き（回転位置）に応じて、第１〜第４ポート２０２〜２０５のうちの隣り合う任意の二つのポートを主流路２３０ａを介して導通させるとともに他の二つのポートを閉じることができる。

第１ポート２０２（配管継手２１１）と弁体２３０との間には、シール材であるシートパッキン２２５及びＯリング２１５が設けられている。第２ポート２０３と弁体２３０との間には、シール材であるシートパッキン２２６及びＯリング２１６が設けられている。第３ポート２０４（配管継手２１３）と弁体２３０との間には、シール材であるシートパッキン２２７及びＯリング２１７が設けられている。第４ポート２０５（配管継手２１４）と弁体２３０との間のシール材は、省略されている。第４ポート２０５（配管継手２１４）には、弁体２３０を支持する突起部２３１が形成されている。突起部２３１の先端は、円弧状をなし、弁体２３０の周面に接触している。シートパッキン２２５，２２６，２２７は、弁体２３０と接触する円環状のシート面を有する。第１ポート２０２、第２ポート２０３及び第３ポート２０４と、弁体２３０との隙間は、上述したシートパッキン２２５，２２６，２２７及びＯリング２１５，２１６，２１７により、液密にシールされる。このため、第１ポート２０２、第２ポート２０３及び第３ポート２０４の流体が、ボディ２１０と弁体２３０との間の弁室２３２内へ漏れることが防止される。また、ボディ２１０と弁体２３０との間の弁室２３２内の流体が第１ポート２０２、第２ポート２０３及び第３ポート２０４へ漏れることも防止される。

配管継手２１１とボディ２１０との間には、シール材であるＯリング２１９が設けられている。配管継手２１３とボディ２１０との間には、シール材であるＯリング２２１が設けられている。配管継手２１４とボディ２１０との間には、シール材であるＯリング２２２が設けられている。配管継手２１１，２１３，２１４とボディ２１０との隙間は、これらＯリング２１９，２２１，２２２により、液密にシールされる。このため、ボディ２１０と弁体２３０との間の弁室２３２内の流体が外部に漏れることが防止される。

図５に示すように、ボディ２１０には、弁体２３０を回転させるシャフト２４０が貫通する孔が形成されている。シャフト２４０の外周部とボディ２１０との隙間には、Ｏリング２２３が設けられ、液密性が確保されている。シャフト２４０は、モータ取付板２５０により押さえられ、抜け止めされている。シャフト２４０の先端部は、弁体２３０に形成されたシャフト係合穴２３０ｂに係合している。これにより、弁体２３０は、シャフト２４０に伴って回転する。シャフト２４０の基端部は、ステッピングモータ２０１に嵌合する。ステッピングモータ２０１が駆動されることで、シャフト２４０及び弁体２３０が回転する。弁体２３０が回転することで、第１ポート２０２と第２ポート２０３とが主流路２３０ａを介して導通し他のポートが閉じる第一流路形態と、第２ポート２０３と第３ポート２０４とが主流路２３０ａを介して導通し他のポートが閉じる第二流路形態と、第３ポート２０４と第４ポート２０５とが主流路２３０ａを介して導通し他のポートが閉じる第三流路形態と、第１ポート２０２と第４ポート２０５とが主流路２３０ａを介して導通し他のポートが閉じる第四流路形態との４つの流路形態の間で切り替えを行うことができる。

配管継手２１４に一体に形成された突起部２３１は、弁体２３０が円滑に摺動して回転可能になるように、弁体２３０を適正な位置に支持する。突起部２３１と弁体２３０との接触部は、弁体２３０の回転抵抗の増加が抑制できる接触面積になっている。弁体２３０は、突起部２３１とシートパッキン２２６との間で挟持される。突起部２３１は、シャフト２４０に近い位置と、シャフト２４０から遠い位置とにそれぞれ設けられている。シール材が省略され、突起部２３１が設けられた第４ポート２０５内の流体は、ボディ２１０と弁体２３０との間の弁室２３２内に流入する。前述したように、第１ポート２０２、第２ポート２０３及び第３ポート２０４と、弁室２３２との間は、シートパッキン２２５，２２６，２２７及びＯリング２１５，２１６，２１７により、相互の漏れが防止されている。このため、第４ポート２０５内の流体が弁室２３２内に流入しても、四方弁２００の機能に問題は無い。

図６は、図５の一部分を拡大した図である。図６に示すように、突起部２３１は、シートパッキン２２６が弁体２３０に接触する範囲（図６に示す破線の範囲）の外で弁体２３０を支持する。他のシートパッキン２２５，２２７が弁体２３０に接触する範囲も、シートパッキン２２６が弁体２３０に接触する範囲と同じである。すなわち、突起部２３１は、シートパッキン２２５，２２６，２２７が弁体２３０に接触する範囲の外で弁体２３０に接触する。

本実施の形態１の四方弁２００によれば、以下のような効果を得ることができる。四方弁２００の流路形態を切り替える際に弁体２３０が回転するとき、突起部２３１と弁体２３０との摺動面は、シートパッキン２２５，２２６，２２７が弁体２３０に接触する範囲の外である。このため、突起部２３１に対する回転摺動により弁体２３０に発生する磨耗傷の位置は、シートパッキン２２５，２２６，２２７のシート面と弁体２３０との接触領域の外になる。したがって、突起部２３１に対する回転摺動による磨耗傷が弁体２３０に発生した場合であっても、シートパッキン２２５，２２６，２２７と弁体２３０との間のシール性が損なわれることを確実に防止できる。さらに、本来必要であった第４ポート２０５のシール材（シートパッキン及びＯリング）が不要となることで、１ポート分のシール材（シートパッキン及びＯリング）のコストを削減できる。

また、本発明の実施の形態１では、ボディ２１０に対し着脱可能な部材である配管継手２１４に突起部２３１を一体に形成する構成としたことで、突起部２３１を容易に形成することができる。ただし、本発明では、突起部２３１をボディ２１０に一体に形成しても良く、その場合でも上記と同様な効果が得られる。

以上説明した本実施の形態１では、本発明を四方弁に適用した形態について説明したが、本発明は、三方弁など、三つ以上の任意の個数のポートを有する多方弁に同様に適用できる。また、本発明の実施の形態１では、弁体２３０をステッピングモータ２０１の動力で回転させる構成としたが、手動で操作可能なようにハンドルを取り付けることで、ユーザーが必要とするタイミングで流路形態の切替が可能な構成としても良い。

実施の形態２．
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、前述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。図７は、本発明の多方弁である四方弁２００及び三方弁３１を備えた貯湯式給湯機の実施の形態を示す構成図である。

図７に示す本実施の形態２の貯湯式給湯機１００は、貯湯タンクユニット１と、ヒートポンプサイクルを利用するように構成されたヒートポンプユニット６０とを備えている。貯湯タンクユニット１と、ヒートポンプユニット６０とは、ヒートポンプ入口配管４１とヒートポンプ出口配管４２とによって接続されている。また、貯湯タンクユニット１には、制御部７０が内蔵されている。貯湯タンクユニット１及びヒートポンプユニット６０が備える各種の弁類及びポンプ類等の作動は、これらと電気的に接続された制御部７０により制御される。以下、貯湯式給湯機１００の各構成要素について説明する。

ヒートポンプユニット６０は、貯湯タンクユニット１から導かれた低温水を加熱する（沸き上げる）ための加熱手段として機能するものである。ヒートポンプユニット６０は、圧縮機６１、沸き上げ用熱交換器６２、膨張弁６３、空気熱交換器６４を冷媒循環配管６５にて環状に接続し、冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）を構成している。沸き上げ用熱交換器６２は、冷媒循環配管６５を流れる冷媒と貯湯タンクユニット１から導かれた低温水との間で熱交換を行うためのものである。また、ＨＰ出口側サーミスタ６６は、沸き上げ用熱交換器６２で加熱した高温水の温度を検出するための温度センサーであり、ヒートポンプ出口配管４２に設けられている。ヒートポンプユニット６０で高温水を得るためには、ヒートポンプサイクルは、冷媒として二酸化炭素を用い、臨界圧を超える圧力で運転することが好ましい。

一方、貯湯タンクユニット１には、以下の各種部品や配管などが内蔵されている。貯湯タンク１０は、湯水を貯留するためのものである。貯湯タンク１０の下部には、市水を供給するための給水配管２が接続されており、貯湯タンク１０の上部には、貯留した湯を給湯機外部へ供給するための給湯湯側配管３がタンク上部配管４３から分岐されて接続されている。なお、貯湯タンク１０には、ヒートポンプユニット６０を用いて加熱された高温水がタンク上部から流入されるとともに、給水配管２を介して低温水をタンク下部から流入させることにより、タンク内の上部と下部で温度差が生じるように湯水が貯留される。

タンク上部配管４３から分岐されて接続されている給湯湯側配管３は、給水配管２から分岐した給湯水側配管４とともに給湯混合弁３３に接続され、給湯湯側配管３からの湯と給湯水側配管４からの水とを混合し、所定の温度に調整された湯水を給湯配管５から外部水栓へ供給する。

また、貯湯タンクユニット１内には、循環ポンプ２１及び利用側熱交換器２２が内蔵されている。循環ポンプ２１は、貯湯タンクユニット１内の後述する各種配管に湯水を循環させるためのポンプである。利用側熱交換器２２は、貯湯タンク１０やヒートポンプユニット６０から供給される高温水を利用して、２次側の加熱対象水（浴槽循環水や暖房用循環水など）を加熱するための熱交換器である。なお、本実施形態では、利用側熱交換器２２の２次側の構成として、浴槽５０内の湯水を循環させる浴槽水循環回路５１を例に挙げて説明する。上記利用側熱交換器２２は、浴槽水循環回路５１の途中に設置されている。また、浴槽水循環回路５１の途中には、浴槽水を循環させるための２次側循環ポンプ５２と、浴槽５０から出た浴槽水の温度を検出するための浴槽出口側サーミスタ５３とが設置されている。

次に、貯湯タンクユニット１が備える弁類について説明する。貯湯タンクユニット１は、三方弁３１と、四方弁２００とを有している。三方弁３１は、湯水が流入する二つの入口（ａポート、ｂポート）と、湯水が流出する一つの出口（ｃポート）とを有する流路切替手段であり、ａポートもしくはｂポートのどちらかから湯水が流入するように湯水の経路を切り替え可能に構成されている。四方弁２００は、湯水が流入する二つの入口（第２ポート２０３、第４ポート２０５）と、湯水が流出する二つの出口（第１ポート２０２、第３ポート２０４）とを有する流路切替手段であり、３つの経路、すなわち、第１ポート２０２と第２ポート２０３とを連通させる経路と、第１ポート２０２と第４ポート２０５とを連通させる経路と、第３ポート２０４と第４ポート２０５とを連通させる経路との間で流路形態を切り替え可能に構成されている。四方弁２００は、実施の形態１で説明した構成を備えている。三方弁３１は、ポートの数が一つ少ないこと以外は四方弁２００とほぼ同様の構成であり、ａポート、ｂポート、ｃポートのうちのいずれか一つのポートにおいて、弁体との間のシール材を省略し、弁体を支持する突起部を設けたものである。

また、貯湯タンクユニット１は、タンク下部配管４０、タンク戻し配管４４、利用側熱交換器１次側（熱源側）入口配管４５、利用側熱交換器１次側出口配管４６及びバイパス配管４７を更に備えている。タンク下部配管４０は、貯湯タンク１０の下部と、三方弁３１のａポートとを接続する流路である。ヒートポンプ入口配管４１は、三方弁３１のｃポートと、ヒートポンプユニット６０の入口側とを接続する流路である。ヒートポンプ出口配管４２は、ヒートポンプユニット６０の出口側と、四方弁２００の第４ポート２０５とを接続する流路である。タンク上部配管４３は、四方弁２００の第３ポート２０４と貯湯タンク１０上部とを接続する流路である。タンク戻し配管４４は、四方弁２００の第１ポート２０２と、貯湯タンク１０の中央部と下部との間に設けられた戻し口とを接続する流路である。利用側熱交換器１次側入口配管４５は、タンク上部配管４３における貯湯タンク上部１０と四方弁２００との間から分岐し、利用側熱交換器２２の１次側入口に接続される流路である。利用側熱交換器１次側出口配管４６は、利用側熱交換器２２の１次側出口と三方弁３１のｂポートとを接続する流路である。バイパス配管４７は、ヒートポンプ出口配管４２における循環ポンプ２１とヒートポンプユニット６０の入口側との間から分岐し、四方弁２００の第２ポート２０３に接続される流路である。

貯湯タンク１０内の低温水を加熱する沸き上げ運転時には、三方弁３１はａポートとｃポートとを連通させるように切り替えられ、四方弁２００は第３ポート２０４と第４ポート２０５とを連通させるように切り替えられて、循環ポンプ２１及びヒートポンプユニット６０が運転される。これにより、貯湯タンク１０の下部の低温水がタンク下部配管４０、三方弁３１、ヒートポンプ入口配管４１を通って沸き上げ用熱交換器６２に流入し、沸き上げ用熱交換器６２で沸き上げられた高温水がヒートポンプ出口配管４２、四方弁２００、タンク上部配管４３を通って貯湯タンク１０の上部に戻る。

沸き上げ運転の開始前等に実施されるバイパス運転時には、三方弁３１はａポートとｃポートとを連通させるように切り替えられ、四方弁２００は第１ポート２０２と第４ポート２０５とを連通させるように切り替えられて、循環ポンプ２１が運転される。これにより、貯湯タンク１０の下部から導出された水が、タンク下部配管４０、三方弁３１、ヒートポンプ入口配管４１、沸き上げ用熱交換器６２、四方弁２００、タンク戻し配管４４を通って、戻し口から貯湯タンク１０内に戻る。

貯湯タンク１０に蓄えられた熱を利用して浴槽５０を追い焚きする第１の追焚運転時には、三方弁３１はｂポートとｃポートとを連通させるように切り替えられ、四方弁２００は第１ポート２０２と第２ポート２０３とを連通させるように切り替えられて、循環ポンプ２１及び２次側循環ポンプ５２が運転される。これにより、貯湯タンク１０上部の高温水がタンク上部配管４３、利用側熱交換器１次側入口配管４５を通って利用側熱交換器２２に流入し、浴槽循環水と熱交換する。この熱交換後の温度低下した水は、利用側熱交換器１次側出口配管４６、三方弁３１、ヒートポンプ入口配管４１、バイパス配管４７、四方弁２００、タンク戻し配管４４を通って、戻し口から貯湯タンク１０内に戻る。

ヒートポンプユニット６０で沸き上げられた高温水を直接利用して浴槽５０を追い焚きする第２の追焚運転時には、三方弁３１はｂポートとｃポートとを連通させるように切り替えられ、四方弁２００は第３ポート２０４と第４ポート２０５とを連通させるように切り替えられて、循環ポンプ２１、２次側循環ポンプ５２及びヒートポンプユニット６０が運転される。これにより、沸き上げ用熱交換器６２で沸き上げられた高温水がヒートポンプ出口配管４２、四方弁２００、タンク上部配管４３、利用側熱交換器１次側入口配管４５を通って利用側熱交換器２２に流入し、浴槽循環水と熱交換する。この熱交換後の温度低下した水は、利用側熱交換器１次側出口配管４６、三方弁３１、ヒートポンプ入口配管４１を通って沸き上げ用熱交換器６２に戻り、沸き上げられて再循環する。

以上説明した貯湯式給湯機１００によれば、実施の形態１で説明したような四方弁２００及び三方弁３１を用いて循環回路の切替や回路閉塞を行うことで、循環回路の切替や回路閉塞時において高い信頼性を有し、かつ、コスト低減が可能となる。

１ 貯湯タンクユニット、２ 給水配管、３ 給湯湯側配管、４ 給湯水側配管、５ 給湯配管、１０ 貯湯タンク、２１ 循環ポンプ、２２ 利用側熱交換器、３１ 三方弁、３３ 給湯混合弁、４０ タンク下部配管、４１ ヒートポンプ入口配管、４２ ヒートポンプ出口配管、４３ タンク上部配管、４４ タンク戻し配管、４５ 利用側熱交換器１次側入口配管、４６ 利用側熱交換器１次側出口配管、４７ バイパス配管、５０ 浴槽、５１ 浴槽水循環回路、５２ ２次側循環ポンプ、５３ 浴槽出口側サーミスタ、６０ ヒートポンプユニット、６１ 圧縮機、６２ 沸き上げ用熱交換器、６３ 膨張弁、６４ 空気熱交換器、６５ 冷媒循環配管、６６ ＨＰ出口側サーミスタ、７０ 制御部、１００ 貯湯式給湯機、２００ 四方弁、２０１ ステッピングモータ、２０２ 第１ポート、２０３ 第２ポート、２０４ 第３ポート、２０５ 第４ポート、２１０ ボディ、２１０ａ シャフト挿入穴、２１１，２１３，２１４ 配管継手、２１５，２１６，２１７，２１９，２２１，２２２，２２３ Ｏリング、２２５，２２６，２２７ シートパッキン、２３０ 弁体、２３０ａ 主流路、２３０ｂ シャフト係合穴、２３１ 突起部、２３２ 弁室、２４０ シャフト、２５０ モータ取付板

Claims (4)

1. 弁室を有するボディと、
   前記弁室の内部で回転可能に設けられた弁体と、
   前記弁体とポートとの間に設けられたシール材と、
   前記弁体の回転軸を挟んで前記シール材とは反対側の位置で前記弁体の周面に接触し、前記弁体を支持する突起部と、
   を備え、
   前記突起部は、前記弁体が回転したときに前記シール材が前記弁体に接触する範囲に接触せず、前記弁体の回転軸の方向の位置に関して、前記接触する範囲の外でのみ前記弁体に接触する多方弁。
2. 前記突起部は、前記ボディに対し着脱可能な部材に形成されている請求項１に記載の多方弁。
3. 前記突起部は、前記ボディに一体に形成されている請求項１に記載の多方弁。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の多方弁を備え、前記多方弁により湯水の流路を切り替える貯湯式給湯機。

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