JPH0942479A

JPH0942479A - ディスクバルブ

Info

Publication number: JPH0942479A
Application number: JP19477395A
Authority: JP
Inventors: Satoru Fukuzawa; 覚福澤; Kenji Ito; 健二伊藤; Hiroyuki Inoue; 博之井上; Masanori Adachi; 正範安達
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd; KVK Corp
Current assignee: NTN Corp; KVK Corp
Priority date: 1995-07-31
Filing date: 1995-07-31
Publication date: 1997-02-14

Abstract

(57)【要約】【課題】セラミックス製の弁体と弁座が摺接する摺動
面に密着性が充分で水や液体漏れがなく、摩擦係数が適
当で弁体の動作が軽快で、しかもその状態を長期間維持
できる耐久性に優れたディスクバルブを得ることであ
る。【解決手段】弁孔６、７を有する弁座５に弁体８を摺
接させて弁孔６、７を開閉するディスクバルブにおい
て、弁座５または弁体８の一方が炭化ケイ素−炭素系の
自己潤滑性セラミックスからなり、他方の弁座または弁
体は、一方の弁座５または弁体８より小面積の酸化アル
ミニウム系のセラミックスで形成し、弁座と弁体の摺接
面を、それぞれ中央部が外周縁より０．１〜１μｍ盛り
上がった滑らかな中高形状に形成し、弁座５および弁体
８の中高形状の高さの和が１．６μｍ以下であるディス
クバルブとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、弁座に弁体を摺
接させて流量を調整し開・閉栓する混合水栓などのディ
スクバルブに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、湯と水とを混合する混合水栓用の
ディスクバルブとして、図１および図２に示すものが知
られている。

【０００３】すなわち、図１および図２に示したディス
クバルブの構造は、弁箱１の下部に２つの流入口３、４
（図では一方を省略してある）を形成した底板２を固定
し、流入口には環状パッキン３ａ、４ａ（図では一方を
省略してある）を取付け、底板２に重ねて設けた弁座５
に前記流入口３、４とそれぞれ連通する２つの弁孔６、
７（一方を省略）を設け、弁座５の上面に弁体８を摺動
自在に重ね、その上面には摺接用シールリング９および
Ｏリング１０を介してレバーホルダ１１を回転自在に取
付けている。そして、レバーホルダ１１にピン１２で支
持されたレバー軸１３の下端部を弁体８に連結し、レバ
ー軸１３をレバー１４でもって上下左右に操作して、弁
体８を弁座５の上面に摺接させて２つの弁孔６、７を適
当な大きさに開閉調節する。

【０００４】上記したディスクバルブの弁体８は、その
下縁を２箇所切り欠いて流路５ａ、５ｂを形成してお
り、２つの弁孔にそれぞれ湯と水を供給して２つの弁孔
６、７を開放した場合には、湯と水が流路５ａ、５ｂか
らそれぞれ混合室１５に流入して、温度調節された温水
が、弁箱１の側面に形成された流出口１６から図外の蛇
口に供給されるのである。

【０００５】前記したようなディスクバルブの弁体８と
弁座５の一方をセラミックスで形成し、他方をフッ素樹
脂、超高分子ポリエチレンなどの自己潤滑性を有する樹
脂又は二硫化モリブデン、カーボンなどの潤滑性を高め
るフィラーを充填した樹脂で形成して弁体８の摺動性を
向上させることが特開昭６３−３６７６５号公報に開示
されている。

【０００６】このような従来の自己潤滑性のある合成樹
脂製の弁体は、耐クリープ性に劣り、また繊維状補強材
で補強した場合でも充分に補強効果が得られず、低い水
圧での漏水防止効果しか得られなかった。

【０００７】一方、比較的高い水圧に耐える硬質の弁体
・弁座用の素材として、セラミックスがあり、酸化アル
ミニウム系のセラミックスで形成した弁体または弁座の
摺動面中央部を凸状の中高形状としたものが、特開平４
−３５１３７９号に開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記した酸化アルミニ
ウム系のセラミックスで形成された弁体または弁座は、
摺接面の摩擦係数が高く、弁体を動作させるレバー操作
が軽快でないので、弁体または弁座摺動面の中央部を凸
状の中高形状として、摺動抵抗を低減したのである。

【０００９】しかし、このような方法で操作性を改善す
るには、摺接面の中央部を外周縁より５μｍ以上盛り上
げる必要があり、これでは摺動面の密着性が低下して漏
水が起こり易くなる。

【００１０】摺接面の摺動性を改善する技術としては、
ビッカース硬度２００ｋｇ／ｍｍ²以上の多孔質体に潤
滑剤を充填した弁体が特開昭６３−３８７７２号に開示
されている。

【００１１】この弁体では、使用時に徐々に潤滑剤が摩
耗または流出し易く、長期間の使用状態で安定した軽快
な操作性と漏水防止性を同時に満足させることができな
いという問題点がある。

【００１２】潤滑剤として固体潤滑剤を採用したセラミ
ックス製の弁体としては、特開平６−４８８３６号に、
炭化ケイ素−炭素系の自己潤滑性セラミックスで摺動用
弁体を形成することが記載されている。

【００１３】しかし、この弁体は、耐摩耗性に優れ、潤
滑成分が使用時に流出することもないが、ディスクバル
ブに求められるような摺動特性を得るために多量の炭素
成分を多く配合すると、強度が低下し脆くなって耐久性
が低下する問題点がある。

【００１４】特に、弁体に比べて摺接面積の大きい弁座
をこのような脆い材質から形成すると、弁座は不均一に
摩耗して凹凸が形成され、そのために摩擦係数が増加し
たり、水漏れが発生することになる。

【００１５】このように自己潤滑性セラミックス製の弁
体または弁座といえども、ディスクバルブに所要の機械
的強度と、充分な摺動性とを長期間の使用状態で安定し
て発揮させるものとすることは困難であった。

【００１６】そこで、この発明の課題は、上記した問題
点を解決して、セラミックス製の弁体と弁座が摺接する
摺動面に密着性が充分であって水や液体が漏れることな
く、また、弁体と弁座の摩擦係数が適当であって弁体の
動作が軽快であり、しかも、そのような使用状態を長期
間維持できるような耐久性に優れたディスクバルブを得
ることである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明においては、弁孔を有する弁座に弁体を摺
接させて前記弁孔を開閉するディスクバルブにおいて、
前記弁座または弁体の少なくとも一方が、炭化ケイ素−
炭素系の自己潤滑性セラミックスからなり、弁座と弁体
の摺接面をそれぞれ中央部が外周縁より０．１〜１μｍ
盛り上がった滑らかな中高形状に形成し、前記弁座およ
び弁体の中高形状の高さの和が１．６μｍ以下としたの
である。

【００１８】また、上記ディスクバルブにおいて、弁座
または弁体の一方が炭化ケイ素−炭素系の自己潤滑性セ
ラミックスからなり、他方の弁座または弁体は酸化アル
ミニウム系のセラミックスで形成されている構成を採用
したのである。

【００１９】また、炭化ケイ素−炭素系の自己潤滑性セ
ラミックスからなる弁座または弁体の摺接面の面積が、
酸化アルミニウム系のセラミックスからなる弁座または
弁体の摺接面の面積より小さいディスクバルブとしたの
である。

【００２０】

【発明の実施の形態】この発明のディスクバルブは、弁
座または弁体の少なくとも一方が炭化ケイ素−炭素系の
自己潤滑性セラミックスからなり、これらの弁体または
弁座は、硬質で耐摩耗性があり、固体潤滑剤として配合
された炭素によって摺接面の摩擦係数が低く安定したも
のである。

【００２１】そして、前記所定のセラミックスからなる
弁体または弁座は、中央部が外周縁より所定の高さだけ
盛り上がった滑らかな中高形状に形成されているので、
弁体と弁座の接触面積が小さく制限されており、この形
状によって材質から得られる潤滑性が補われて、摺動抵
抗が適度に低く軽快な弁体操作性が得られると共に、漏
水せず、しかも両方の特性が長期間の使用状態で低下し
ないものとなる。

【００２２】また、炭化ケイ素−炭素系の自己潤滑性セ
ラミックスからなる弁座または弁体と、酸化アルミニウ
ム系のセラミックス製の弁体または弁座を組み合わせた
ディスクバルブは、材質の組み合わせに関わる相性が特
によく、摺動面がよく密着すると共にレバーの操作性も
軽快である。

【００２３】また、炭化ケイ素−炭素系の自己潤滑性セ
ラミックス製の弁座または弁体の摺接面積を、摺接相手
である酸化アルミニウム系のセラミックス製弁座または
弁体より小さくしたものでは、摺接面積の小さな方が適
当に軟質な材料で形成される。このため、摺接面が均一
に摩耗して凹凸が形成されず、摩擦係数が増加し難くな
って、より水漏れし難いものとなる。

【００２４】弁座の摺接面の中高形状の中央部が、切欠
または開口のない連続面で形成されているディスクバル
ブは、弁体と弁座が線接触せず、点または小面積の面で
接触するので、弁体は弁座の上で全方向に均一かつ良好
に摺動でき、より操作性の改善されたディスクバルブと
なる。

【００２５】この発明に用いる炭化ケイ素−炭素系の自
己潤滑性セラミックスは、炭化ケイ素のマトリックス
に、炭素質の固体潤滑剤が分散保持された周知の潤滑性
セラミックスである。

【００２６】すなわち、潤滑性セラミックス中の炭化ケ
イ素（ＳｉＣ）は、α、βのいずれの結晶型であっても
よく、純度は機械的強度の点で９０重量％以上が好まし
く、より好ましくは９５重量％以上である。また、セラ
ミックスの原料となる炭化ケイ素の形態は、平均粒径５
μｍ以下、好ましくは３μｍ以下の粉体である。平均粒
径が５μｍを越えると焼結時に緻密化せず、成形体の強
度が低下するからである。

【００２７】この発明に用いる炭化ケイ素−炭素系セラ
ミックスの炭素源は、加熱によって炭素に変換されるも
のであり、好ましいものとしては、Ｈ／Ｃが０．２〜
２．０で、窒素および炭素の含有量がそれぞれ２％以下
で平均分子量（Ｍｗ）１００〜２０００の縮合多環芳香
族化合物もしくは重縮合芳香族化合物、またはこれらの
混合物が挙げられる。そのような化合物または混合物の
具体例としては、コールタール、ピッチ、フェノールレ
ジン、フランレジンなどがあり、特に易黒鉛化性のもの
がより好ましい。

【００２８】ここでいう黒鉛（グラファイト）化の度合
いは、特に限定するものではないが、大きい方がより好
ましく、特にＸ線回折による（００２）面間隔が３．３
〜３．５Åの範囲のものが好ましい。

【００２９】炭化ケイ素−炭素系セラミックスを製造す
る際には、通常使用される焼結助剤を添加するが、その
ようなものとしては、Ｂ、Ｂ₄Ｃ、ＢＮ、ＴｉＢ₂、Ｗ
Ｂ、ＮｉＢ、ＣｏＢなどのホウ素化合物の他、アルミ
ナ、イットリアなどが挙げられる。このような焼結助剤
は、配合する際に平均粒径１μｍ以下の粉体状のものを
用いることが、均一分散による有効な機能性のために好
ましい。

【００３０】炭化ケイ素−炭素系セラミックスの原料の
好ましい配合割合は、炭素粉末（純度９０重量％）５〜
３０重量部と炭化ケイ素粉末９５〜７０重量部の合計１
００重量部に対して、焼結助剤粉体０．５〜５重量部で
ある。

【００３１】この発明に用いる自己潤滑性セラミックス
は、これらの材料を混合し、仮焼し、次いで造粒し成形
したものを焼成することにより得られる。

【００３２】焼成工程は、通常、常圧で非酸化雰囲気
下、例えば窒素ガスもしくはアルゴンガスのような不活
性雰囲気下、または真空下で１２００〜２３００℃で
０．５〜８時間かけて行われる。

【００３３】自己潤滑性セラミックスからなる弁座と弁
体の摺接面は、それぞれ中央部が外周縁より０．１〜１
μｍ盛り上がった滑らかな中高形状に形成し、前記弁座
および弁体の中高形状の高さの和が１．６μｍ以下とす
る。なぜなら、中高形状の高さが０．１μｍより低いと
摺接面の摺動性改善に効果がなく、１μｍを越えて高く
すると摺接面の密着面積が過少になって漏水が発生する
からである。

【００３４】また、弁体または弁座のそれぞれの中高形
状が上記所定範囲内であっても、弁座および弁体の中高
形状の高さの和が１．６μｍを越えると、漏水が発生し
易くなり、また弁体操作力（主としてレバー操作によ
る）が軽くなりすぎて、わずかな外力やレバーなどの自
重よって、操作する者の意図に反して流量が増減または
開・閉栓の状態になって好ましくない。

【００３５】

【実施例】

〔実施例１〜６、比較例１〜５〕炭素粉末（純度９０重
量％）１５重量部と炭化ケイ素粉末８５重量部の合計１
００重量部に対して、焼結助剤粉体としてＢ₄Ｃを２重
量部添加混合した材料を、乾燥造粒して、弁体用のディ
スク状の成形体（図１および図２（ａ）に示す形状の弁
体）、および弁座用のディスク状の成形体（図１および
図２（ｂ）に示す形状の弁座）を成形した。そして、こ
のような成形体を窒素ガス中で２１００℃、１時間焼成
して、直径２９．１ｍｍ、厚さ９．６ｍｍのディスク状
の弁体と、直径３５．４ｍｍ、厚さ４．０ｍｍのディス
ク状の弁座を製造した。

【００３６】一方、酸化アルミニウム１００重量部に対
して、焼結助剤粉体として、ＳｉＯ₂およびＭｇＯを
１：０．２（重量比）で混合したものを５重量部添加混
合した材料を、乾燥造粒して、前記した同寸法の弁体お
よび弁座を成形し、大気中で１６００℃で２時間焼成し
てアルミナ製の弁体および弁座を前記した同形同寸法で
製造した。

【００３７】得られた弁体および弁座の摺接面を、定盤
ラップ機を使用して中央部分が外周縁より滑らかに中高
形状になるように研磨し、中高の高さｄ１、ｄ２（図３
に示す）を表面粗さ測定器（ランク・テーラーホブソン
社製：タリーサーフ６）で測定し、測定値を表１とし
た。なお、摺接面の表面粗さ（Ｒａ）は、０．０１〜
０．０５μｍの範囲内であった。

【００３８】

【表１】

【００３９】このようにして得られた弁体および弁座を
表１に示した組み合わせとして、図１および図２に示す
ディスクバルブ（シングルレバー式混合水栓：ＫＶＫ社
製ＫＭ３００Ｎ）に装着した。

【００４０】すなわち、図１および図２に示したディス
クバルブの構造は、前述したとおり、弁箱１の下部に２
つの流入口３、４（図では一方を省略してある）を形成
した底板２を固定し、流入口には環状パッキン３ａ、４
ａ（図では一方を省略してある）を取付け、底板２に重
ねて設けた弁座５に前記流入口３、４とそれぞれ連通す
る２つの弁孔６、７（一方を省略）を設け、弁座５の上
面に弁体８を摺動自在に重ね、その上面には摺接用シー
ルリング９およびＯリング１０を介してレバーホルダ１
１を回転自在に取付けてたものである。

【００４１】そして、このディスクバルブは、レバーホ
ルダ１１にピン１２で支持されたレバー軸１３の下端部
を弁体８に連結しており、レバー軸１３をレバー１４で
もって上下左右に操作して、弁体８を弁座５の上面に摺
接させて２つの弁孔６、７を適当な大きさに開閉調節で
きる。

【００４２】上記したディスクバルブの弁体８は、その
下縁を２箇所切り欠いて流路５ａ、５ｂを形成し、２つ
の弁孔にそれぞれ湯と水の供給用配管を接続しており、
２つの弁孔６、７を開放した場合には、湯と水が流路５
ａ、５ｂからそれぞれ混合室１５に流入して、温度調節
された温水が、弁箱１の側面に形成された流出口１６か
ら図外の蛇口に供給される。

【００４３】このようなディスクバルブを用い、その止
水性および操作性について、機能耐久性試験を以下のよ
うな手順で行ない、これらの結果をまとめて表２または
表３に示した。

【００４４】〔機能耐久性試験〕まず、耐久試験前に初
期の止水性と操作性（ハンドルトルク）を測定した。

【００４５】この試験における止水性は、レバーを中央
下部（止水状態）にし、ポンプによって水圧を１７．５
ｋｇｆ／ｃｍ²かけて３０秒間保持し、３０秒後の漏水
による圧力降下量（ｋｇｆ／ｃｍ²）を測定した。な
お、総合判定では、このときの圧力降下量が０．３ｋｇ
ｆ／ｃｍ²以下であれば良好と判定した。

【００４６】操作性は、レバーの上下（止水、吐水、流
量調節）、左右（湯温の調節）のトルクを、トルク測定
器（シンボ工業社製：ＤＦＧ−２Ｋ）を用いて測定し
た。このときのトルク測定値（操作力）が４００〜８０
０ｇｆであれば良好と判定した。トルクが４００ｇｆよ
り小さい場合は使用中にハンドルが自重で下がる不具合
があり、トルクが８００ｇｆを越えると円滑な操作性が
得られなかった。

【００４７】初期試験で使用した弁体および弁座を使用
して、耐久試験機（ＮＴＮ精密樹脂社製）にレバーを連
結し、第４図に示すように、レバーを右端上部Ｒｕ（止
水）から右端下部Ｒｄ（冷水）→左端下部Ｌｄ（熱湯９
０℃）→左端上部Ｌｕ（止水）→左端下部Ｌｄ（熱湯９
０℃）→中央下部Ｃｄ（温水４５℃）→中央上部Ｃｕ
（止水）→中央下部Ｃｄ（温水４５℃）→右端下部Ｒｄ
（冷水）→右端上部Ｒｕ（止水）を１サイクル（所要時
間約２５秒）として行ない、２０万サイクル後の止水性
と操作性を確認した。

【００４８】

【表２】

【００４９】

【表３】

【００５０】〔比較例６〕弁体の材料として、炭化ケイ
素１００重量部に対して、焼結助剤粉体として、Ｂ₄Ｃ
を２重量部添加混合した材料を、乾燥造粒して、前記し
た弁体と同形状で同寸法の弁体を成形し、窒素ガス中で
２１００℃で１時間焼成して炭化ケイ素の弁体を得た。

【００５１】得られた弁体は、実施例１〜６と全く同様
にして、ラップ機にて摺接面を表１に示す中高形状と
し、ディスクバルブに装着し、その際に潤滑剤としてシ
リコーングリースを摺接面に含浸させた。

【００５２】このディスクバルブを用いて止水性および
操作性についての機能耐久性試験を前記した手順と全く
同様に行ない、その結果を表３中に併記した。

【００５３】表２または表３の結果から明らかなよう
に、全ての条件を満足する実施例１〜６は、いずれも初
期試験で止水性、操作性ともに良好な値を示しており、
２０万サイクル後の機能耐久試験でも、止水性が圧力降
下量０．３ｋｇｆ／ｃｍ²以下であり、操作性がトルク
測定値４００〜８００ｇｆの範囲にある良好なものであ
った。

【００５４】これに対して、弁体および弁座の摺接面の
中高形状の高さがいずれも０．１μｍ未満の比較例１
は、操作性が悪かった。弁座または弁座の中高形状の高
さが所定範囲を越える比較例２または比較例３は、操作
性はよいが止水性が劣っていた。弁座および弁体の中高
形状の高さの和が１．６μｍを越える比較例４について
も、操作性はよいが止水性が劣る結果であった。

【００５５】また、弁座または弁体のいずれもが炭化ケ
イ素−炭素系の自己潤滑性セラミックスでなくアルミナ
製のものを採用した比較例５は、摺接面の形状および高
さを所定範囲に調整しても耐久性がなく、機能耐久性試
験において５０００サイクルでリンキングが発生したの
で試験を中止した。

【００５６】また、炭化ケイ素製のセラミックスに液体
潤滑剤を含浸した比較例６は、止水性、操作性共に耐久
性がなかった。

【００５７】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように、弁座
または弁体の少なくとも一方を炭化ケイ素−炭素系の自
己潤滑性セラミックスから形成し、弁座および弁体の各
摺接面を中央部を所定の寸法だけ盛り上げて滑らかな中
高形状に形成したので、摺動面に密着性が充分で水や液
体が漏れることがなく、しかも弁体を動作するハンドル
レバーの操作性も軽快であって、そのような良好な使用
状態が長期間持続する使用耐久性に優れたディスクバル
ブとなる利点がある。

【００５８】また、弁座または弁体の材質として、炭化
ケイ素−炭素系セラミックスと、酸化アルミニウム系の
セラミックスを組み合わせたディスクバルブは、弁体と
弁座が非常に相性がよく、摺動面がよく密着性すると共
にレバーの操作性も、より軽快である。

【００５９】また、炭化ケイ素−炭素系のセラミックス
製弁座または弁体の摺接面積を、組み合わせる酸化アル
ミニウム系のセラミックス製の弁座または弁体より小さ
くしたディスクバルブでは、摺接面が均一に摩耗して摩
擦係数が安定し、水漏れがより発生し難くなる利点があ
る。

【００６０】また、弁座の摺接面の中高形状の中央部
が、切欠または開口のない連続面で形成されたディスク
バルブは、弁座上で弁体が全方向に良好な摺動特性を発
揮する利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のディスクバルブの縦断面図

【図２】（ａ）図１の弁体の底面図（ｂ）図１の弁座の平面図

【図３】実施例の弁体と弁座の摺接面における中高形状
の説明図

【図４】機能試験に用いた混合水栓の外観を示す斜視図

【符号の説明】

１弁箱２底板３、４環状パッキン５弁座５ａ、５ｂ流路６、７弁孔８弁体９摺接用シールリングｄ1 中高形状の高さｄ2 中高形状の高さｄ中高形状の高さの和

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者井上博之岐阜県岐阜市黒野308番地株式会社ケーブイケー内 (72)発明者安達正範岐阜県岐阜市黒野308番地株式会社ケーブイケー内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弁孔を有する弁座に弁体を摺接させて前
記弁孔を開閉するディスクバルブにおいて、前記弁座または弁体の少なくとも一方が、炭化ケイ素−
炭素系の自己潤滑性セラミックスからなり、弁座と弁体
の摺接面をそれぞれ中央部が外周縁より０．１〜１μｍ
盛り上がった滑らかな中高形状に形成し、前記弁座およ
び弁体の中高形状の高さの和が１．６μｍ以下であるこ
とを特徴とするディスクバルブ。
【請求項２】弁座または弁体の一方が炭化ケイ素−炭
素系の自己潤滑性セラミックスからなり、他方の弁座ま
たは弁体は酸化アルミニウム系のセラミックスで形成さ
れている請求項１記載のディスクバルブ。
【請求項３】炭化ケイ素−炭素系の自己潤滑性セラミ
ックスからなる弁座または弁体の摺接面の面積が、酸化
アルミニウム系のセラミックスからなる弁座または弁体
の摺接面の面積より小さいことを特徴とする請求項２に
記載のディスクバルブ。
【請求項４】弁座の摺接面の中高形状の中央部が、切
欠または開口のない連続面で形成されている請求項１〜
３のいずれか１項に記載のディスクバルブ。