JP2008286311A - ３方向流量制御バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】自動車のエンジンの冷却における冷却水の水温調整を極めて高い精度にて行うことができ、且つエンジン側から出て行く冷却水の水圧に対して十分に耐え得る押圧力をモータ制御によって行うと共に、極めてコンパクト且つ簡易な構造にする３方向流量制御バルブを提供すること。
【解決手段】上下動する開閉弁６と、第１流入口７３１と第２流入口７３２を有し、上下動のみする流量制御弁７と、第１ポート８０１，第２ポート８０２及び第３ポート８０３を有するケーシング８とからなること。前記開閉弁６は上下動して前記第３ポート８０３が開閉され、前記流量制御弁７は上下方向移動されると共に前記第１流入口７３１と第１ポート８０１との交わることによって形成される第１有効開口部Ｊａの面積Ｓａと、前記第２流入口７３２と前記第２ポート８０２との交わることによって形成される第２有効開口部Ｊｂの面積Ｓｂが相違してなること。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車のエンジンの冷却における冷却水の水温調整を極めて高い精度にて行うことができ、且つエンジン側から出て行く冷却水の水圧に対して十分に耐え得る押圧力をモータ制御によって行うと共に、極めてコンパクト且つ簡易な構造にすることができる３方向流量制御バルブに関する。

自動車のエンジンに冷却水を循環させるウォータポンプが多く使用されている。この種のものとして、特許文献１に開示されたものが存在する。特許文献１では、１つの流量制御弁で３つの流入ポートの開閉を行う機構である。本構造によりエンジン始動時は冷却水流量を低減することができ、エンジンの暖機後は冷却水流量をエンジン負荷に合わせて増減することが可能となる。
特開２００２−１０６３４７

しかし、特許文献１においては、制御弁の制御手段の数が１つのため、ヒーターへの冷却水量とラジエータへの流量の配分は、常に一定の比率で増減するのみである。具体的には、ヒータへの冷却水流量を増加するとラジエータへの冷却水流量が減るようなバルブを製作したとすると、一方側の流量を増やしたときに、他方側の流量は、特に減らす必要が無いという場合や、或いは異なる比率で他方側を増やしたいというようなきめの細かい要求には応えることができない。

上記の要求に応えようとすれば、バルブを２箇所に設置する必要がある。また吸入路のそれぞれの流量比を独立に変化させるために、バルブを２箇所に設置すると、部品点数の増加、占有体積の増大、組付け時間の延長等によるコスト増加という問題を避けて通れないことになる。さらに、バルブを２箇所に設置すると、使用するホースの本数とホースバンドの数も増加するため、水漏れに関する信頼性・耐久性も低下する。そこで、本発明の目的は、モータ１個分の占有体積でありながら、２個分の制御手段を備えた機能を有するバルブを提供し、しかも低価格にて提供することにある。

請求項１の発明を、上下動する開閉弁と、第１流入口と第２流入口を有し、上下動のみする流量制御弁と、第１ポート，第２ポート及び第３ポートを有するケーシングとからなり、前記開閉弁は上下動して前記第３ポートが開閉され、前記流量制御弁は上下方向移動されると共に前記第１流入口と第１ポートとの交わることによって形成される第１有効開口部の面積と、前記第２流入口と前記第２ポートとの交わることによって形成される第２有効開口部の面積が相違してなる３方向流量制御バルブとしたことにより、上記課題を解決した。

請求項２の発明を、第１ポート，第２ポート及び第３ポートを有するケーシングと、第１モータと、該第１モータに直列に配置される第２モータと、前記第１モータには常時連結で且つ前記第２モータとは空転するシャフトと、前記第２モータと共に回動する回転ガイドと、不動状態とした固定ガイドと、上下動して前記第３ポートを開閉する開閉弁と、第１流入口と第２流入口を有する流量制御弁とからなり、前記開閉弁は前記シャフトと回転ガイドによって周方向回転が規制されつつ上下動移動され、前記流量制御弁は前記回転ガイドと前記固定ガイドによって周方向不動で且つ上下方向移動されると共に前記第１流入口と第１ポートとの交わることによって形成される第１有効開口部の面積と、前記第２流入口と前記第２ポートとの交わることによって形成される第２有効開口部の面積が相違してなる３方向流量制御バルブとしたことにより、上記課題を解決した。

請求項３の発明を、前述の構成において、前記第１流入口及び第２流入口は、方向が互いに異なる三角形としてなる３方向流量制御バルブとしたことにより、上記課題を解決した。請求項４の発明を、前述の構成において、前記シャフトには外螺子部が形成され、前記回転ガイドには前記開閉弁を周方向に固定しつつ上下方向に案内する第１案内部が形成され、前記開閉弁には前記外螺子部に螺合する内螺子部が径方向中心部に形成されると共に外周に前記案内部に嵌合する第１被案内部が形成されてなる３方向流量制御バルブとしたことにより、上記課題を解決した。請求項５の発明を、前述の構成において、前記回転ガイドの外周には外螺子部が形成され、前記固定ガイドには前記流量制御弁を周方向に固定しつつ上下方向に案内する第２案内部が形成され、前記制御弁には前記外螺子部に螺合する内螺子部が径方向中心部に形成されると共に外周に前記第２案内部に嵌合する第２被案内部が形成されてなる３方向流量制御バルブとしたことにより、上記課題を解決した。

請求項１の発明によって、上下動する開閉弁と、第１流入口と第２流入口を有し、上下動のみする流量制御弁と、第１ポート，第２ポート及び第３ポートを有するケーシングとからなり、前記開閉弁は上下動して前記第３ポートを開閉され、前記流量制御弁は上下方向移動されると共に前記第１流入口と第１ポートとの交わることによって形成される第１有効開口部の面積と、前記第２流入口と前記第２ポートとの交わることによって形成される第２有効開口部の面積が相違するようにしたことで、前記第１流入口と第２流入口とから前記ケーシング内に流入する冷却水の流入比率を変化させることができ、水温の異なる冷却水の混合比率を適宜に変化させて、水温調整が簡単にでき、その水温が調整された冷却水を前記第３ポートからエンジン側へ送り適正温度に冷却を行うことができる。さらに、バルブを２箇所に設置する必要がないために、使用するホースの本数とホースバンドの数が増加せず、水漏れに関する信頼性，耐久性も高い水準に保たれる。

次に、請求項２の発明では、第１モータと、該第１モータに直列に配置される第２モータと、前記第１モータには常時連結で且つ前記第２モータとは空転且つ適宜連結されるシャフトとから構成された駆動機構にモータ駆動機構によって、前記第１モータ及び第２モータは、前記シャフトに直列状態で配置されたものであり、前記ケーシング内で、モータ１個のスペースで２つのバルブの制御を独立に（単独に）行うことができるものであり、製作費削減、重量低減、組み付け工数の削減、占有体積の削減を果たすことが出来、水漏れに関する信頼性，耐久性も高い水準に保たれる。

また、開閉弁の上下動では第１モータのみで行うことができ、省消費電力にすることができ、省エネ対策に寄与することができる。またさらに開閉弁による第３ポートへの冷却水の遮断力（推力）が必要なときは、前記第１モータ及び前記第２モータを両方共に駆動させることにより行うことができる。このようにバルブの推力をより大きく出来、しかもモータ機構を小型化することが出来る。

請求項３の発明によって、前記第１流入口及び第２流入口は、方向が互いに異なる三角形としたことにより、前記流量制御弁は上下方向移動することで、第１流入口と第２流入口とから流入する冷却水の流入比率を変化させる構造として、最も成形しやすいものにできる。請求項４の発明によって、開閉弁の制御作動を極めて高い精度にて行うことができる。請求項５の発明によって、制御弁による制御動作を極めて高い精度にて行うことができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明は主に、図１に示すように第１モータ１，第２モータ２，シャフト３，回転ガイド４，固定ガイド５，開閉弁６，流量制御弁７及びケーシング８とから構成されている。該ケーシング８は、バルブ筐体部８１とモータ筐体部８２とから構成されたものである。そして、前記バルブ筐体部８１には、前記回転ガイド４，固定ガイド５，開閉弁６，流量制御弁７が収納されるバルブ室８１４が形成され、該バルブ室８１４に第１ポート８０１，第２ポート８０２及び第３ポート８０３が連通している。

前記第１ポート８０１及び第２ポート８０２は、ケーシング８外部のユニットより送られた冷却水の流路となっており、第１ポート８０１及び第２ポート８０２からバルブ室８１４に異なるユニットからの冷却水が流れ込むようになっている。具体的には、前記第１ポート８０１はエンジンによって温められた冷却水が流れ込み、第２ポート８０２はヒータコアから熱せられた冷却水が流れ込む。また、前記第３ポート８０３は、エンジンのラジエータ等の冷却装置に連通された流路となっている。前記第１ポート８０１及び第２ポート８０２は、バルブ筐体部８１を略水平方向に沿って形成されている。また、前記第３ポート８０３は、バルブ室８１４の底面箇所に形成されている。

第１モータ１は、図１に示すように、第１ロータ１１と第１ステータコア１２とから構成されている。第２モータ２は、第２ロータ２１と第２ステータコア２２とから構成されている。前記第１モータ１と前記第２モータ２とは、直列状態となって、前記ケーシング８のモータ筐体部８２に収納されている。前記第１モータ１の第１ステータコア１２及び前記第２モータ２の第２ステータコア２２がそれぞれ前記モータ筐体部８２内に固定状態で装着されている。具体的には、前記モータ筐体部８２内において、第１モータ１が上方に位置し、第２モータ２が下方に位置して、後述するシャフト３に沿って直列状態に装着されている。

シャフト３は、前記ケーシング８のバルブ筐体部８１とモータ筐体部８２にそれぞれ形成された軸受部８５，８５によって軸支されている。バルブ筐体部８１の軸受部８５は、前記バルブ室８１４の底部に形成されている。前記シャフト３は、前記モータ筐体部８２の内部において、前記第１モータ１の第１ロータ１１に常時連結する固着状態になっており、前記第２ロータ２１の回動と共に、前記シャフト３が軸周方向に回転する。さらに、該シャフト３は、前記第２モータ２の第２ステータコア２２には空転するように装着されている。すなわち、第２ステータコア２２が回動しても、前記シャフト３は共に回動しない構造である。また、第２ステータコア２２の安定回動動作と、該第２ステータコア２２と前記シャフト３とが相互に空転し易いように軸支部が装着されることもある。前記シャフト３には、軸方向略中央箇所より一端側に向かって外螺子部３１が形成されている。そして、シャフト３は、前記外螺子部３１がバルブ室８１４内に位置するようにして、前記ケーシング８の内部に、前記上下の軸受部８５，８５を介して垂直状に装着される。

次に、回転ガイド４は、図１に示すように、前記シャフト３と共に、前記開閉弁６の周方向回転を規制しながら上下動移動させる役目をなすものである。前記回転ガイド４は、前記第２モータ２の第２ロータ２１に固着され、該第２ロータ２１の回動によって、回転ガイド４も共に回動することができるものである。前記回転ガイド４には、図３に示すように、回転本体部４１とフランジ部４２とから構成されており、前記回転本体部４１は円筒状に形成され、第１案内部４１１と、案内螺子部４１２とが形成されている。

具体的には、前記第１案内部４１１は、前記回転本体部４１の内周面側に形成されたもので、直径方向中心に向かって突起条が軸方向に沿って直線状に形成されたものである。該突起条は、２本形成されているが、１本でもかまわないし、３本以上でもよい。前記案内螺子部４１２は前記回転本体部４１の外周側面に形成されたものである。前記フランジ部４２は、前記第２ロータ２１に連結する役目をなす部位であり、前記フランジ部４２と前記第２ロータ２１とが、固着具にて固着されている。

次に、固定ガイド５は、図１に示すように、前記ケーシング８に固着され、後述する流量制御弁７を周方向に固定しつつ上下方向に案内する役目をなすものである。固定ガイド５は、図４に示すように、固定円筒部５１と固定フランジ部５２とから構成され、前記固定円筒部５１の内周側面には第２案内部５１２が形成されている。具体的には、前記第２案内部５１２は、前記固定円筒部５１の内周面側に形成されたもので、直径方向中心に向かって突起条が軸方向に沿って直線状に形成されたものである。該突起条は、２本形成されているが、１本でもかまわないし、３本以上でもよい。前記固定フランジ部５２は、前記ケーシング８のバルブ筐体部８１に連結する役目をなす部位であり、ビス等の固着具にて固着されている。

次に、開閉弁６は、前記シャフト３を介してその軸方向に沿って上下動し、前記第３ポート８０３を開閉する役目をなすものである。前記開閉弁６は、図５に示すように、略円筒状に形成されたものであり、前記シャフト３の外螺子部３１に螺合する内螺子部６２が径方向中心部に形成された貫通孔の内周側面に形成されている。また、外周側面には第１被案内部６１が形成されている。さらに、下部には水密用弾性材６３が装着され、該水密用弾性材６３にて前記第３ポート８０３を水密的に遮断することができるようになっている（図９参照）。

流量制御弁７は、図６に示すように、本体部７１は円筒形状をなし、その内周側面には、前記回転ガイド４の案内螺子部４１２に螺合する第２内螺子部７１２が形成され、前記本体部の外周にはポートベース部７３が形成され、該ポートベース部７３には第１流入口７３１及び第２流入口７３２が形成されている。また、前記本体部７１外周側には案内螺子部４１２に形成されると共に外周に前記第２案内部５１２に嵌合する第２被案内部７２２が形成されている。前記第１流入口７３１及び第２流入口７３２は、前記流量制御弁７が前記回転ガイド４と前記固定ガイド５によって周方向不動で且つ上下方向移動されることによって、第１ポート８０１と第１流入口７３１とが交差して両者が交わる領域が実際に冷却水の流れる有効な開口部となり、この開口部を第１有効開口部Ｊａと称する。

また，同様に、第２ポート８０２と第２流入口７３２とが交差して両者が交わる領域が実際に冷却水の流れる有効な開口部となり、この開口部を第２有効開口部Ｊｂと称する。これら第１有効開口部Ｊａ及び第２有効開口部Ｊｂは、図１１乃至図１３において斜線部の領域で示された部分となる。さらに前記第１有効開口部Ｊａの面積Ｓａ及び第２有効開口部Ｊｂの面積Ｓｂは、前述したように、流量制御弁７の第１流入口７３１と第２流入口７３２が、ケーシング８の第１ポート８０１と第２ポート８０２との間で上下移動することによって、変化するものである。

そして前記前述の構成において、第１有効開口部Ｊａの面積Ｓａと、前記第２有効開口部Ｊｂの面積Ｓｂとが相違するように設定されたものである。図１１及び図１２は、流量制御弁７の第１流入口７３１と第２流入口７３２が、ケーシング８の第１ポート８０１と第２ポート８０２との間で上下移動することによって交わって形成される開口部が変化する状態を示すものである。さらに、図１３は第１流入口７３１及び第２流入口７３２を台形としたものである。また第１流入口７３１及び第２流入口７３２を正方形又は正方形等の方形状とすることもある。

次に、開閉弁６の作動を説明する。第１モータ１のコイル線に通電され、第１ステータコア１２に回転磁界（左回転）を発生させる（通電方法によって、左右の回転磁界が発生する）。すると、第１ロータ１１が左回転する〔図８（Ａ）参照〕。これによって、第１ロータ１１に連結固着されたシャフト３が前記第１ロータ１１と共に左回転する。シャフト３に形成された外螺子部３１により開閉弁６がシャフト３に沿って下方に移動する。この時、開閉弁６の第１被案内部６１は、回転ガイド４の第１案内部４１１に嵌合しており、シャフト３と共回りすることなく、周方向に移動し、前記ケーシング８の第３ポート８０３を遮断する（図９参照）。

次に、流量制御弁７の作動について説明する。前記第２モータ２の第２ステータコア２２のコイル線に通電され、第２ステータコア２２に回転磁界（左回転）が発生する（通電方法によって、左右の回転磁界が発生する）。次に、第２ロータ２１が左回転し、該第２ロータ２１に固着された回転ガイド４が左回転する〔図８（Ｂ）参照〕。該回転ガイド４の外螺子部（案内螺子部４１２）と前記流量制御弁７に形成された内螺子部（第２案内螺子部７１２）とが螺合しており、且つ流量制御弁７の外周では固定ガイド５の案内部によって周方向に不動でシャフト３に沿って軸方向にのみ移動するものである。ここで、前記回転ガイド４が第２ロータ２１と共に回動することになるが、第１モータ１の第１ロータ１１も左回転（回転速度は、ネジピッチが開閉弁６と流量制御弁７とが同じであれば同期）させる。これによって、開閉弁６は上下方向に不動状態で、流量制御弁７のみが上下方向に移動することができるものである。

さらに、前記開閉弁６は、第１モータ１と第２モータ２を回転させることによって開閉弁６の推力を倍増させることが可能となる。すなわち、第１モータ１の第１ロータ１１を左回転させると、シャフト３の外螺子部３１と開閉弁６により、開閉弁６がシャフト３に沿って降下する。このときは、前記開閉弁６には、第１モータ１による回転トルクで推力が発生するものである。さらに、第２モータ２の第２ロータ２１を右回転（すなわち、第１モータ１の第１ロータ１１の回転方向と逆方向回転）させることにより、前記開閉弁６には、第１モータ１と第２モータ２のトルクがかかり、前記開閉弁６にはより大きな推力が発生する〔図８（Ｃ）参照〕。これによって、例えば、バルブが全閉している時にバルブに加わっている水圧に打ち勝ってバルブを開弁するときに有効である。

図１４は、本発明の３方向流量制御バルブの特性を示すグラフである。横軸はバルブの開き状態を示すものであり、横軸の中間におけるバルブの開きは、吐出側と吸入側とで流量が等しくなるように設定されている。縦軸は分配流量を示すものである。そのグラフには特性線１乃至４が記載されている。特性線１及び２は、圧力（ΔＰ）が大きなときで、バルブ操作によって、第１ポート８０１と第１流入口７３１とが構成する第１有効開口部Ｊａの面積Ｓａが次第に減少するにつれて、第２ポート８０２と第２流入口７３２とが構成する第２有効開口部Ｊｂの面積Ｓｂが次第に増加することを示す。また、特性線３及び４は、圧力（ΔＰ）が小さいときで、バルブ操作によって、第１ポート８０１と第１流入口７３１とが構成する第１有効開口部Ｊａの面積Ｓａが次第に減少するにつれて、第２ポート８０２と第２流入口７３２とが構成する第２有効開口部Ｊｂの面積Ｓｂが次第に増加することを示す。

本発明の縦断側面図である。 図１のＸ−Ｘ矢視断面図である。 （Ａ）は回転ガイドの縦断側面図、（Ｂ）は回転ガイドのＸａ−Ｘａ矢視断面図、（Ｃ）は回転ガイドの側面図である。 （Ａ）は固定ガイドの縦断側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸｂ−Ｘｂ矢視断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＸｃ−Ｘｃ矢視断面図、（Ｄ）は固定ガイドの下方側より見た斜視図である。 （Ａ）は開閉弁の縦断側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸｄ−Ｘｄ矢視断面図である。 （Ａ）は流量制御弁の縦断側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸｅ−Ｘｅ矢視断面図、（Ｃ）は（Ｂ）のＸｆ−Ｘｆ矢視断面図、（Ｄ）は第１流入口の正面図、（Ｅ）は第２流入口の正面図、（Ｆ）は流量制御弁の斜視図、（Ｆ）は流量制御弁の両面を示す展開斜視図である。 図２のＸｇ−Ｘｇの方向より見た縦断側面図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）は本発明の作用を示す略示図である。 開閉弁が第３ポートを閉じた状態の縦断側面図である。 流量制御弁が作動している状態の縦断側面図である。 （Ａ）は流量制御弁が非作動状態の要部拡大略示図、（Ｂ）は（Ａ）におけるポートと流入口との関係を示す略示図である。 （Ａ）は流量制御弁が作動状態の要部拡大略示図、（Ｂ）は（Ａ）におけるポートと流入口との関係を示す略示図である。 （Ａ）は第１流入口を台形とした実施形態におけるポートと流入口との関係を示す略示図、（Ｂ）は第２流入口を台形とした実施形態におけるポートと流入口との関係を示す略示図である。 本発明の特性を示すグラフである。

符号の説明

１…第１モータ、２…第２モータ、３…シャフト、３１…外螺子部、４…回転ガイド、
５…固定ガイド、５１２…第２案内部、６…開閉弁、６２…内螺子部、７…流量制御弁、
７３１…第１流入口、７３２…第２流入口、８…ケーシング、８０１…第１ポート、
８０２…第２ポート、８０３…第３ポート。

Claims (5)

1. 上下動する開閉弁と、第１流入口と第２流入口を有し、上下動のみする流量制御弁と、第１ポート，第２ポート及び第３ポートを有するケーシングとからなり、前記開閉弁は上下動して前記第３ポートが開閉され、前記流量制御弁は上下方向移動されると共に前記第１流入口と第１ポートとの交わることによって形成される第１有効開口部の面積と、前記第２流入口と前記第２ポートとの交わることによって形成される第２有効開口部の面積が相違してなることを特徴とする３方向流量制御バルブ。
2. 第１ポート，第２ポート及び第３ポートを有するケーシングと、第１モータと、該第１モータに直列に配置される第２モータと、前記第１モータには常時連結で且つ前記第２モータには空転するシャフトと、前記第２モータと共に回動する回転ガイドと、不動状態とした固定ガイドと、上下動して前記第３ポートを開閉する開閉弁と、第１流入口と第２流入口を有する流量制御弁とからなり、前記開閉弁は前記シャフトと回転ガイドによって周方向回転が規制されつつ上下動移動され、前記流量制御弁は前記回転ガイドと前記固定ガイドによって周方向不動で且つ上下方向移動されると共に前記第１流入口と第１ポートとの交わることによって形成される第１有効開口部の面積と、前記第２流入口と前記第２ポートとの交わることによって形成される第２有効開口部の面積が相違してなることを特徴とする３方向流量制御バルブ。
3. 請求項１又は２において、前記第１流入口及び第２流入口は、方向が互いに異なる三角形としてなることを特徴とした３方向流量制御バルブ。
4. 請求項１，２又は３のいずれか１項の記載において、前記シャフトには外螺子部が形成され、前記回転ガイドには前記開閉弁を周方向に固定しつつ上下方向に案内する第１案内部が形成され、前記開閉弁には前記外螺子部に螺合する内螺子部が径方向中心部に形成されると共に外周に前記案内部に嵌合する第１被案内部が形成されてなることを特徴とする３方向流量制御バルブ。
5. 請求項１，２，３又は４のいずれか１項の記載において、前記回転ガイドの外周には外螺子部が形成され、前記固定ガイドには前記流量制御弁を周方向に固定しつつ上下方向に案内する第２案内部が形成され、前記流量制御弁には前記外螺子部に螺合する内螺子部が径方向中心部に形成されると共に外周に前記第２案内部に嵌合する第２被案内部が形成されてなることを特徴とする３方向流量制御バルブ。

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