JP2005121126A - 流体の制御バルブ - Google Patents
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Abstract
【課題】 筐体の内部に設けられた回転部材を回転させることによって、流体を制御可能な流体制御バルブにおいて、上記流体が上記筐体の外部に漏れ出すおそれを極力回避する。
【解決手段】 筐体3の内部に設けられた回転部材5を回転させることによって、流体を制御可能な流体制御バルブ1において、上記回転部材5を回転させるためのモータ7の回転子9が、上記筐体3の内部に設けられている。
【選択図】図4
【解決手段】 筐体3の内部に設けられた回転部材5を回転させることによって、流体を制御可能な流体制御バルブ1において、上記回転部材5を回転させるためのモータ7の回転子9が、上記筐体3の内部に設けられている。
【選択図】図4
Description
本発明は、流体の制御バルブに係り、特に、筐体の内部に設けられた回転部材を回転させることによって、流体を制御可能なものに関する。
従来、ハウジング(筐体)内に、ロータリバルブ(回転部材)と、このロータリバルブとを回転させるための減速手段とを備えていると共に、上記減速手段を駆動するためのステップモータが上記ハウジングの外部に設けられている構成の流体制御バルブ(内燃機関の冷却水の流れを制御するバルブ)が知られている(たとえば、特許文献1)。
特開2002−97958号公報
ところで、上記従来の流体制御バルブでは、上記ステップモータの回転出力軸を、上記減速手段の入力ギヤに連結するために、上記筐体に設けられているシャフト孔を通過させて上記筐体内に挿入する必要がある。
また、上記ステップモータの回転出力軸とシャフト孔との間には隙間が存在し、この隙間を通って上記筐体内から冷却水が筐体の外部に漏れ出すことを防止するために、上記隙間をシールする必要があり、さらに、上記ステップモータの回転出力軸は、上記筐体に対して相対的に回転するので、上記シールをするためには、オイルシール等のシールを使用する必要がある。
ところで、オイルシール等により上記隙間をシールした場合、上記ステップモータの回転出力軸が上記オイルシールに対して相対的に運動するので、たとえば、長年の使用により上記回転出力軸やオイルシールが磨耗し、この磨耗によって冷却水が上記筐体の外部に漏れ出すおそれがあるという問題がある。又シール挿入によりフリクションが発生し、軸磨耗があり応答性が悪いという問題がある。
なお、上記問題は内燃機関(エンジン)の冷却水以外の流体を制御する場合においても発生する問題である。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、筐体の内部に設けられた回転部材を回転させることによって、流体を制御可能な流体制御バルブにおいて、上記流体が上記筐体の外部に漏れ出すおそれを極力回避することができると共に、バルブの作動フリクションを減らし、アクチュエータの小型化を行った流体制御バルブを提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明は、筐体の内部に設けられた回転部材を回転させることによって、流体を制御可能な流体制御バルブにおいて、上記回転部材を回転させるためのモータの回転子が、上記筐体の内部に設けられている流体制御バルブである。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の流体制御バルブにおいて、上記モータはトルクモータであり、上記回転子には、この回転子を回転させるための永久磁石が設けられており、上記筐体の内部または外部に、上記回転子を回転させるためのコイルおよびヨークが設けられている流体制御バルブである。
請求項3に記載の発明は、請求項1または請求項2に記載の流体制御バルブにおいて、上記回転子の回転中心と上記回転部材の回転中心とが互いに一致するように、上記回転部材に上記回転子が一体的に設けられており、上記一体的に構成された回転部材と回転子との両端部に、回転部材と回転子とを回転可能に支持するための軸受けが設けられている流体制御バルブである。
請求項4に記載の発明は、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の流体制御バルブにおいて、上記流体制御バルブは、内燃機関の冷却水を制御するためのバルブである。
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の流体制御バルブにおいて、上記筐体は、上記内燃機関のエンジンブロックに直接的に取り付けることができるように構成されているバルブである。
本発明によれば、筐体の内部に設けられた回転部材を回転させることによって流体を制御可能な流体制御バルブにおいて、上記流体が上記筐体の外部に漏れ出すおそれを極力回避することができるという効果を奏する。
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る流体制御バルブ1の概略構成を示す図であり、図2は、図1におけるII矢視を示す図である。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る流体制御バルブ1の概略構成を示す図であり、図2は、図1におけるII矢視を示す図である。
図3は、図2におけるIIIA−IIIB断面を示す図であり、流体制御バルブ1のトルクモータ7の概略構成を示す図である。
図4は、図1におけるIVA−IVB断面または図3におけるIVA−IVB断面を示す図であり、流体制御バルブ1の筐体3、回転部材5、トルクモータ7の概略構成を示す図である。
図5は、図2におけるVA−VB断面または図4におけるVA−VB断面を示す図であり、流体制御バルブ1における流体の流路を示す図である。なお、図5では、後述するように回転部材5の貫通孔5Aの角度が図4の場合に対して90°ずれている。
流体制御バルブ(流体制御弁)1は、筐体3の内部に設けられた回転部材5を回転させることによって、流体(たとえば、内燃機関等のエンジンのクーラント(冷却水))を制御することが可能なバルブであり、上記回転部材5を回転させるためのモータ(たとえばトルクモータ7)を構成する回転子9が、上記筐体3の内部に設けられているものである。
換言すれば、上記回転子9は、上記筐体3に設けられた孔(流体の例であるクーラントの流路を形成している孔)3A、3Bを介して、上記筐体3の外部と通じていることを除いて、上記筐体3の外部とは遮断されている。
上記回転子9には、この回転子9を回転させるための永久磁石11が設けられており、また、上記筐体3の内部に、上記回転子9を回転させるためのコイル13が設けられている。
筐体3は、たとえば合成樹脂等の非磁性体によって構成されており、図1に示す左右方向の両端部には、この流体制御バルブ1へのクーラントの入口やクーラントの出口である上記孔3A、3Bを備え、ホース(ホースの内径)等と係合自在な筒状の係合部3C、3Dが設けられている。なお、上記係合部3C、3Dを削除し、ホース等を連結金具を用いて、筐体3にネジ込むようにしてもよい。
筐体3の内部であって、図3の左右方向のほぼ中央部には、図3の紙面に垂直な方向に延伸している円柱形状の空間15が設けられており、この空間15は、上記孔3A、3Bに連通している。
上記空間15内には、回転子9と回転部材5とで構成された円柱状の部材17が回転自在に設けられている。すなわち、上記回転子9の回転中心と上記回転部材5の回転中心とが互いに一致するように、上記回転部材5に上記回転子9が一体的に設けられて円柱状の部材17が構成され、筐体3に対して回転自在に設けられている。
そして、上記一体的に構成された回転部材5と回転子9との両端部であって、上記筐体3の内部には、回転部材5と回転子9とを(円柱状の部材17を)回転可能に支持するための軸受け19A、19Bが設けられている。
ここで、上記円柱状の部材17についてより具体的に説明すると、上記回転子9と上記回転部材5とは、非磁性体の例である合成樹脂で一体的にモールド形成された1つの本体部17Aから構成されており、この本体部17Aの一端部側(図4における下端部側)には、上記回転子9を構成する永久磁石11が上記モールドをする際に一体的に設けられ、他端部側(図4における上端部側)には、クーラントの流路を形成する貫通孔5Aが上記モールドをする際に形成されている。なお、上記円柱状の部材17の外径は、上記円柱状の空間15の内径よりも極僅かに小さくなっている。
上述のように、回転部材5と回転子9とを一体的に形成することによって、回転部材5と回転子9との接続を簡素な構成で行うことができる。
また、上記軸受け19Aは、筐体3の空間15の一端側(図4の上側)の面に設けられた円柱状の部材21Aを備えている。この部材21Aは、上記筐体3の内面で、たとえば上記筐体3に基端部側が一体的に設けられており、先端部側が上記筐体3の空間15に突出している。そしてこの突出した部分に、上記部材17の一端部側が回転自在に係合している。
なお、すでに理解されるように、上記回転部材5と回転子9と(部材17)の回転中心軸CL1と、上記部材21Aの中心軸とは互いに一致している。また、上記軸受け19Bも、上記軸受け19Aとほぼ同様に構成されている。
回転部材5には、上述したように、円柱状の貫通孔5Aが設けられており、図5に示す状態では、孔3Aと孔3Bとの間は、回転部材5によって遮断されており、孔3Aと孔3Bとの間でクーラントが流れないようになっているが、回転部材5が回転中心軸CL1を中心にして、図5に示す状態から左右いずれかの方向に、回転子9により駆動されて90°回転すると、孔3A、3B、5Aが連通する。換言すれば、孔3A、3B、5Aによって円柱状の空間が形成され、孔3Aと孔3Bとの間をクーラントが流れる。
なお、回転部材5が、図5に示す状態から90°よりも少ない角度だけ回転した状態では、孔3A、3B、5Aで形成された流路の断面積が、90°回転したときよりも小さくなる。したがって、回転部材5の回転角度を制御することで、流体制御バルブ1に流れるクーラントの量を制御することができる。
次に、回転部材5を回転させるためのトルクモータ7について説明する。
上述したように、トルクモータ7の回転子9は、この回転子9を回転させるための永久磁石11を備えており、この永久磁石11は、部材17の回転中心軸CL1の延伸方向に垂直な平面(図3の紙面に平行な平面)による断面が円弧状に形成されている。
また、上記円弧状の一端部側(図3の左側)11Aは、たとえば、N極に着磁されており、他端部側(図3の右側)11Bは、上記一端部側とは反対の極(たとえばS極)に着磁されている。また、上記永久磁石11の外周と筐体3の空間15との間には、僅かな隙間が存在している。
上記永久磁石11の内側には鉄等の磁性体で構成された円筒状のヨーク23(回転子側のヨーク)が設けられている。なおこのヨーク23は、上記永久磁石11の内側に磁路を形成するものであり、上記部材17をモールド成形する際に、上記永久磁石11と共に一体的に上記部材17に組み込まれるものである。
上記筐体3の内部には、上記回転子9を回転させるためのコイル13が設けられている。より、詳しく説明すると、上記コイル13は環状に形成されており、筐体3の空間から離反した位置に設けられている。また、筐体3に設けられた上記各係合部3C、3Dも、上記コイル13(ヨーク25)が設けられている箇所を避けたところに位置している。
上記コイル13は、上記部材17(回転子9、回転部材5)のうちで上記回転子9が設けられている側(図4では下側)に設けられ、さらに、環状の上記コイル13の中心軸CL3(図3参照)が、部材17の回転中心軸CL1と直交している。
また、コイル13のまわりには、トルクモータ7の磁路を形成するためにヨーク25(固定子側のヨーク)が設けられている。なお、このヨーク25も、コイル13と同様に、上記回転子9が設けられている側(図4では下側)に設けられており、さらに、ヨーク25は、上記回転子9を囲むような円柱状の孔25Dを備えている。
なお、回転子9の永久磁石11やヨーク23と同様に、筐体3をモールドで一体成形するときに、コイル13やヨーク25が、上記筐体3に組み込まれる。
また、回転子9の円筒状のヨーク23の内側には、空間SP1が設けられており、この空間SP1を利用してねじりコイルバネ26が設けられている(図4参照)。このねじりコイルバネ26により、回転子9や回転部材5が付勢され、コイル13に通電されていない場合には、回転子9がたとえば図3に示すような状態になっている。すなわち、回転子9が、中立位置に存在している。
そして、コイル13に通電することにより、上記回転子9が図3に示す状態から時計回りにたとえば最大45°回転し(旋回し)、図5に示したように、孔3Aと孔3Bとが遮断された状態になる。また、上述とは逆な通電をコイル13にすることにより、上記回転子9が図3に示す状態から反時計回りにたとえば最大45°回転し(旋回し)、たとえば、図4に示したように、孔3Aと孔3Bとが連通した状態になる。
筐体3には、筐体3をモールドしやすくし、また、筐体3の内部に部材17(回転子9、回転部材5)等を組み付け易くするための、孔3Eが設けられているが、この孔3Eは蓋27で完全にふさがれており(図4参照)、この孔3Eから筐体3の外部にクーラントが漏れ出すおそれは無い。
次に、流体制御バルブ1の動作について説明する。
なお、孔3Aがクーラント供給口であり、孔3Bがクーラント排出口であるものとし、また、流体制御バルブ1のコイル13に、通電されていない状態(図3に示す状態)を初期状態とする。
図3に示す初期状態から、図示しない制御装置によって、コイル13に通電すると、図3に矢印AR1で示すような磁束が形成され、ヨーク25の部位25Aとこの近傍はN極に着磁され、一方、ヨーク25の部位25Bとこの近傍、部位25Cとこの近傍は、S極に着磁される。このような着磁によって、回転子9の永久磁石11が磁力を受け、回転子9(回転部材5)が、図3に示す状態から反時計回りに回動する。
そして、回転部材5が回転し、貫通孔5Aがたとえば、図4に示す状態になり、孔3Aと孔3Bとが貫通孔5Aを介して連通し、孔3Aから孔3Bにクーラントが流れる。
さらに、コイル13に上記通電とは逆向きの通電をすると、図3に示す矢印AR1とは逆方向の磁束が形成され、ヨーク25の部位25Aとこの近傍はS極に着磁され、一方、ヨーク25の部位25Bとこの近傍、部位25Cとこの近傍は、N極に着磁される。このような着磁によって、回転子9の永久磁石11が磁力を受け、回転子9(回転部材5)が、図3に示す状態から時計回りに回動する。
そして、回転部材5が回転し、貫通孔5Aがたとえば、図5に示す状態になり、孔3Aと孔3Bとが回転部材5によって遮断され、孔3Aから孔3Bへのクーラントの流れが停止する。
流体制御バルブ1によれば、回転部材5を回転させるためのモータを構成する回転子9が、上記筐体3の内部に設けられているので、従来の流体制御バルブのように、互いが相対的に運動する部材(筐体とモータの回転出力軸)間でのシールが不要になり、筐体3内の気密性を確保することが容易であり、クーラントが筐体3の外部に漏れ出すおそれを極力回避することができる。
また、トルクモータ(低回転速度で大きなトルクを発生可能なモータ)7を使用して回転部材5を回転しているので、モータの回転出力軸によって上記回転部材5を回転させるときに、減速機を用いる必要がなく、さらに、回転子9側に永久磁石11が設けられているので、上記回転子9への電気配線が不要になり、流体制御バルブ1の構成を簡素化することができる。
また、上記回転子9へ電力を供給するブラシ等が不要であるので、たとえば、クーラントの代わりの流体として可燃性のある物質(たとえば、LPG、CNG、H2、油圧作動油)を用いた場合でも、これらの流体が発火等するおそれを回避することができる。また、ブラシの擦れによって発生する異物が上記流体中に混入するおそれを回避することができる。
さらに、上記筐体3を合成樹脂でモールド成形しているので、上記トルクモータ7のコイル13やヨーク25を上記モールドをする際に設けることができ、上記コイル13の設置が容易になると共に、トルクモータ7ひいては流体制御バルブ1の構成を簡素化でき、軽量化することができる。
また、コイル13を筐体3の内部に設けてあるので、外力によってコイル13が破損するおそれを回避することができる。
また、流体制御バルブ1によれば、回転部材5に回転子9が一体的に設けられているので、これらの構成を簡素化でき、筐体3内における設置スペースを小さくすることができ、また、上記回転部材5と回転子9との両端部に、回転部材5と回転子9とを回転可能に支持するための軸受け19A、19Bが設けられているので、回転子9と回転部材5の軸受けを共通化することができ、軸受けの個数を従来よりも減少させることができる。
さらに、流体制御バルブ1によれば、上述したように減速機構等を用いることなく、トルクモータ7の回転子9で流体制御バルブ1の回転部材5を直接回転してクーラントの流れを制御するので振動に強く、したがって、内燃機関の冷却水を制御するためのバルブとして好適に使用することができる。
なお、上記流体制御バルブ1において、回転部材5の構成を変形することができる。
図6は、上記流体制御バルブ1において、回転部材の構成を変形した流体制御バルブ1aの概略構成を示す図であり、図4に対応する図である。
図7は、図6におけるVIIA−VIIB断面を示す図である。
流体制御バルブ1aは、回転部材31に、貫通孔5Aの代わりに板状の部材33を設けた点が、流体制御バルブ1とは異なり、その他の点は、流体制御バルブ1とほぼ同様に構成されほぼ同様に作用する。
なお、流体制御バルブ1は一般的にロータリ弁と呼ばれ、流体制御バルブ1aは一般的にバタフライ弁と呼ばれている。
また、上記流体制御バルブ1aに、回転部材31の回転角度を検出可能な回転角度検出センサ35を設けてもよい。
図8は、図6に示す流体制御バルブ1aに回転角度検出センサ35を設けた場合を示す図である。
流体制御バルブ1aの回転子9の一端部側(図8の下側)には、回転角度検出センサ35が設けられており、この回転角度検出センサ35で検出された板状部材33(回転部材31)の回転角度が上記制御装置に入力されるようになっている。
そして、たとえば、上記制御装置でフィードバック制御を行うことにより、上記板状部材33の回転角度が適宜の角度になるように、コイル13に流れる電流を制御すれば、上記流体制御バルブ1aを、クーラントの流れをオン、オフするだけでなく、クーラントの流量を制御するバルブとして使用することができる。
なお、上記回転角度検出センサ35は、たとえば磁力を用いて角度を検出するような非接触式のセンサであることが望ましい。このようにすることにより、上述した回転子9の場合と同様に、部材の擦れによる異物の発生等を極力押さえることができる。
なお、流体制御バルブ1aのみならず、上記流体制御バルブ1や後述する各実施形態の各制御弁に、回転角度検出センサ35を同様に設けて、フィードバック制御してもよい。
[第2の実施形態]
図9は、本発明の第2の実施形態に係る流体制御バルブ1cの概略構成を示す図であり、第1の実施形態の図3に対応する図である。
図9は、本発明の第2の実施形態に係る流体制御バルブ1cの概略構成を示す図であり、第1の実施形態の図3に対応する図である。
図10は、図9におけるXA−XB断面を示す図であり、図11は、図10におけるXIA―XIB断面である。
第2の実施形態に係る流体制御バルブ1cは、三方弁を構成している点が、第1の実施形態に係る流体制御バルブ1とは異なり、その他の点は、流体制御バルブ1とほぼ同様に構成されほぼ同様に作用する。
なお、上記変更により、筐体3にクーラント用の孔3Fが別途設けられ、また、回転部材41は、筒の壁の一部に切り欠き41Aを備えた円筒状に形成され、上記回転部材41が回転することによって、上記切り欠き41Aが回転移動し、クーラントの流れを制御できるようになっている。なお、流体制御バルブ1cのような回転部材41を備えた弁は、一般的にシャッター弁と呼ばれている。
[第3の実施形態]
図12は、本発明の第3の実施形態に係る流体制御バルブ1dの概略構成を示す図であり、第1の実施形態の図3に対応する図である。
図12は、本発明の第3の実施形態に係る流体制御バルブ1dの概略構成を示す図であり、第1の実施形態の図3に対応する図である。
図13は、図12におけるXIIIA−XIIIB断面を示す図であり、図14は、図13におけるXIVA−XIVB断面を示す図である。
第3の実施形態に係る流体制御バルブ1dは、筐体51に設けられた孔(クーラントが出入りする孔)51A、51Bが設けられている位置が、第1の実施形態に係る流体制御バルブ1とは異なり、その他の点は、第1の実施形態に係る流体制御バルブ1とほぼ同様に構成されほぼ同様に作用する。
なお、上記各孔51A、51Bは、互いが直交した位置に設けられており、流体制御バルブ1dは、いわゆる「L」字状の弁を構成している。なお、回転部材53は、流体制御バルブ1cの回転部材41と同様に円筒形状に形成され切り欠き53Aが設けられている。
さらに、上記孔51Bの周辺には、上記内燃機関のエンジンブロックに直接的に取り付けることができるようなフランジ部51Cが構成されており、たとえば、上記エンジンブロック57との間にサーモスタット55を挟み込んで、上記エンジンブロック57に直接的に取り付けることができるようになっている。内燃機関のエンジンブロック57に直接的に取り付けることができるように構成されているので、流体制御バルブ1dの取り付け部構成が簡素になっていると共に、上記エンジンブロック57への取り付けが容易になっている。
また、上記サーモスタット55は、温度に応じて、クーラントの流れをオン、オフすることができるようになっている。なお、上記第1の実施形態、第2の実施形態、後述する第4の実施形態においても、クーラント用の孔のまわりにフランジ等を形成し、エンジンのブロック57に直接取り付けることができるようにしてもよい。
[第4の実施形態]
図15は、本発明の第4の実施形態に係る流体制御バルブ1eの概略構成を示す図であり、第1の実施形態の図4に対応する図である。
図15は、本発明の第4の実施形態に係る流体制御バルブ1eの概略構成を示す図であり、第1の実施形態の図4に対応する図である。
第4の実施形態に係る流体制御バルブ1eは、コイルとヨーク61が筐体63の外部に設けられている点が、第1の実施形態に係る流体制御バルブ1とは異なり、その他の点は、第1の実施形態に係る流体制御バルブ1とほぼ同様に構成されほぼ同様に作用する。
流体制御バルブ1eによれば、コイルやヨーク61を筐体63の外部に設けてあるので、筐体63を形成した後に、コイルやヨーク61を設置することが容易であり、たとえば、筐体63をアルミミウム合金によりダイキャスト成形する場合のように、筐体63が高温であるために筐体63とコイルとをいっしょに形成することができない場合であっても、上記筐体63にコイルを設けることができる。また、何らかの要因でコイルが故障した場合でも、コイルの交換が容易になっている。
なお、上記第2の実施形態、上記第3の実施形態においても、コイルやヨークを筐体の外部に設けるようにしてもよい。さらに、上記各実施形態では、クーラント用の各孔(円筒状の係合部)が、コイルや固定子側のヨークと干渉しない位置に設けられている。
以上、本案はそのすべての実施形態において、回転部材および回転子の軸受け部にはシールを一切使用していないので、作動フリクションが無く、応答性のよい流体制御バルブを提供できる。
1、1a、1b、1c、1d、1e 流体制御バルブ
3、51、63 筐体
5 回転部材
7 トルクモータ
9、41、53 回転子
11 永久磁石
13 コイル
19A、19B 軸受け
23、25 ヨーク
CL1 回転中心軸
3、51、63 筐体
5 回転部材
7 トルクモータ
9、41、53 回転子
11 永久磁石
13 コイル
19A、19B 軸受け
23、25 ヨーク
CL1 回転中心軸
Claims (5)
- 筐体の内部に設けられた回転部材を回転させることによって、流体を制御可能な流体制御バルブにおいて、
上記回転部材を回転させるためのモータの回転子が、上記筐体の内部に設けられていることを特徴とする流体制御バルブ。 - 請求項1に記載の流体制御バルブにおいて、
上記モータはトルクモータであり、
上記回転子には、この回転子を回転させるための永久磁石が設けられており、
上記筐体の内部または外部に、上記回転子を回転させるためのコイルおよびヨークが設けられていることを特徴とする流体制御バルブ。 - 請求項1または請求項2に記載の流体制御バルブにおいて、
上記回転子の回転中心と上記回転部材の回転中心とが互いに一致するように、上記回転部材に上記回転子が一体的に設けられており、
上記一体的に構成された回転部材と回転子との両端部に、回転部材と回転子とを回転可能に支持するための軸受けが設けられていることを特徴とする流体制御バルブ。 - 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の流体制御バルブにおいて、
上記流体制御バルブは、内燃機関の冷却水を制御するためのバルブであることを特徴とする流体制御バルブ。 - 請求項4に記載の流体制御バルブにおいて、
上記筐体は、上記内燃機関のエンジンブロックに直接的に取り付けることができるように構成されていることを特徴とする流体制御バルブ。
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Cited By (2)
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2003
- 2003-10-16 JP JP2003356478A patent/JP2005121126A/ja active Pending
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