JP2018185019A - 流量制御バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】長期に亘って使用しても、ロータとポートとの間のシール体が偏摩耗することなく良好なシール性を維持できる流量制御バルブを構成する。【解決手段】ポートＰＴが形成されたハウジングと、ハウジングの内部空間に収容され球状の外壁部２１に貫通孔状に制御孔部Ｈが形成されたロータＢとを備えると共に、ポートＰＴが、外壁部２１に接触する環状のシール体１５を備えており、制御孔部Ｈの開口縁のうちシール体１５に接触する部位が、ロータＢの回転操作に伴い、回転軸芯に沿う方向に変位するように制御孔部Ｈの開口縁の形状を設定した。【選択図】図４

Description

本発明は、ハウジングに収容されたロータの回転姿勢の設定により流体の流量を制御する流量制御バルブに関する。

上記構成の流量制御バルブとして特許文献１には、吐出ポートが形成されたハウジングに対して回転自在にロータを収容し、ロータに貫通孔状に形成された制御孔部を吐出ポートに連通させることで流体の吐出を可能にする技術が記載されている。

この特許文献１では、ロータの外壁面が球面状に形成され、吐出ポートの内端側にはロータの外壁面に密着するリング状のシールを備えている。

特開２０１６−１８８６９３号公報

特許文献１に記載される流量制御バルブでは、ハウジングに第１吐出ポート（文献ではＰ１）と第２吐出ポート（文献ではＰ２）とが形成され、これらに連通する共通の制御孔部（文献では２４）がロータに形成されている。また、第１吐出ポート（Ｐ１）の内端に第１シール部（文献では１５）を備え、第２吐出ポート（Ｐ２）の内端に第２シール部（文献では１９）を備えている。

特許文献１では、第２吐出ポート（Ｐ２）が第１吐出ポート（Ｐ１）より小径であり、ロータの操作領域のうち第２吐出ポート（Ｐ２）を全開状態に維持する第２孔部（文献では２４ｂ）が、第１吐出ポート（Ｐ１）を全開に維持する第１孔部（文献では２４ａ）よりロータの回転方向（周方向）に沿って長く設定されている。

このような理由から、制御孔部（２４）は第１吐出ポート（Ｐ１）に対して第２吐出ポート（Ｐ２）が周方向に延出する形状で形成されている。しかしながら、このように制御孔部（２４）の形状が形成されるものにおいてロータを、長期に亘って操作した場合には、第１シール部（１５）に第１孔部（２４ａ）、第２孔部（２４ｂ）以外の箇所が接触することにより、第１シール部（１５）に偏った摩耗を招くことになりシール性を低下させることもあった。

ここで、図１０に示す比較例のように、ロータ１００の外周面に、ロータ１００の回転軸芯を中心とする周面に沿う姿勢のスリット状の流量調整孔部１０１と、円形の制御孔部１０２とを形成し、ポートＰに対して環状のシールリング１０３を備えた流量制御バルブを想定する。

同図には、図面の左端においてポートＰが制御孔部１０２に全開状態で連通する制御姿勢を示しており、ロータ１００の回転により、ポートＰが完全に閉塞する位置を二点鎖線で右端に示し、ポートＰが流量調整孔部１０１に重複する位置を二点鎖線で中央に示している。尚、ポートＰが制御孔部１０２に全開状態で連通する状態では制御孔部１０２を取り囲む位置にシールリング１０３が配置される。

図１０に示す流量制御バルブでは、ロータ１００の回転に伴いポートＰが完全に閉塞する位置から流量調整孔部１０１に沿って移動することで流体の流量の僅かな増大を可能にする。しかしながら、この構成では、ロータ１００の回転時には、シールリング１０３のうち流量調整孔部１０１に対応する部位が殆ど摩耗することがないため、これ以外の部位が摩耗することになる。

従って、長期に亘る使用により偏った摩耗が顕著になった場合には、シールリング１０３のうち摩耗量の少ない領域がロータ１００の表面に突出する形態となりポートＰが完全に閉塞する位置にセットされても、シールリング１０３とロータ１００の外面との間の隙間で流体が流れ、結果としてポートＰから流体が送り出される不都合に繋がるものであった。

このような理由から、長期に亘って使用しても、ロータとポートとの間のシール体が偏摩耗することなく良好なシール性を維持できる流量制御バルブが求められる。

本発明の特徴は、内部空間と外部空間との間で流体を流すポートが形成されたハウジングと、
前記ハウジングの内部空間において回転軸芯を中心に回転自在に収容され球状の外壁部に貫通孔状に制御孔部が形成されたロータとを備え、
前記ロータの回転姿勢の設定により前記制御孔部を前記ポートに対向させ、前記ロータの内部と前記ポートとの間での流体の流れを可能にするように構成されると共に、
前記ポートが、前記外壁部に接触する環状のシール体を備えており、
前記制御孔部の開口縁のうち前記シール体に接触する部位が、前記ロータの回転操作に伴い、前記回転軸芯に沿う方向に変位するように前記制御孔部の開口縁の形状が設定されている点にある。

この特徴構成によると、ロータを回転操作した場合には、制御孔部のうちシール体に接触する部位が回転軸芯に沿う方向に変位するため、シール体の特定部位に制御孔部の開口縁が継続的に摺接する不都合がなく、シール体の局部的な摩耗を抑制して平均的な摩耗を作り出すことが可能となる。
従って、長期に亘って使用しても、ロータとポートとの間のシール体が偏摩耗することなく良好なシール性を維持できる流量制御バルブが構成された。

他の構成として、前記制御孔部が、前記回転軸芯に対して傾斜する姿勢のスリット状に形成されても良い。

これによると、制御孔部の開口縁が互いに平行姿勢となるため、開口縁同士の幅をシール体の外径より小さくすることでシール体の脱落を抑制できる。また、ロータを回転操作した際には、制御孔部の一対の開口縁をシール体に対して回転軸芯に沿う方向に等しい変位速度で移動させることが可能となりシール体の偏った摩耗を抑制できる。更に、制御孔部をスリット状に形成する構成において、スリット幅の一方と他方とを異ならせることにより、ロータの回転量に対する流体の流量の調節も可能となる。

他の構成として、スリット状に形成される前記制御孔部が、互いに交差しない位置関係で複数形成されても良い。

これによると、例えば、複数の制御孔部を隣接する位置関係で形成することにより、各々の制御孔部の幅（スリット幅）が小さくとも、必要とする流量の制御が可能となる。

他の構成として、スリット状に形成される前記制御孔部が、互い非平行となる位置関係で複数形成されても良い。

この構成によると、例えば、隣り合う２つのスリットに同時に流れる流体をポートに送るように構成した場合には、隣合うスリットの形成方向（長手方向）に角度を設定することにより、ロータの回転に伴い隣合うスリット同士の間隔の拡大や縮小が可能となり、ロータの回転量に対する流体の流量を変化させることができる。

他の構成として、前記制御孔部が、前記回転軸芯に直交する方向視で前記回転軸芯に対して平行する姿勢の複数のスリット状に形成されても良い。

これによると、複数のスリット状の制御孔部に対するシール体の接触位置を径方向に変化させ、シール体の偏った摩耗を抑制する。

流量制御バルブの縦断面図である。 流量制御バルブの横断面図である。 ロータの斜視図である。 ロータの展開図である。 別実施形態（ａ）のロータの展開図である。 別実施形態（ｂ）のロータの展開図である。 別実施形態（ｃ）のロータの展開図である。 別実施形態（ｄ）のロータの展開図である。 別実施形態（ｅ）のロータの展開図である。 比較例の流量制御バルブのロータの展開図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔基本構成〕
図１に示すように、車両においてエンジンＥからの冷却水（流体の一例）を受け入れる導入ポートＰＳと、冷却水をラジエータに送り出す吐出ポートＰＴ（ポートの具体例）とを備えて流量制御バルブＶが構成されている。

流量制御バルブＶは、樹脂製のハウジングＡと、このハウジングＡの内部に対し回転軸芯Ｘを中心に回転自在に収容され、球状の外壁部２１を有する樹脂製のロータＢと、ロータＢを回転駆動する回転制御部Ｃとを備えている。

車両にはラジエータから戻される冷却水をエンジンＥのウォータジャケットに供給するウォータポンプ（図示せず）を備えており、この流量制御バルブＶは、ロータＢの回転姿勢の設定により吐出ポートＰＴ（ポートの具体例）からラジエータ（図示せず）に供給する冷却水の水量を制御する。

尚、この実施形態では、流量制御バルブＶによって冷却水（流体）の流量を制御するものであるが、冷却水以外にオイル等の水以外の流体の流量を制御しても良い。

〔ハウジング〕
図１、図２に示すように、ハウジングＡは、回転軸芯Ｘを中心とする筒状のハウジングボデー１０の一方の端部をハウジングプレート１１で閉じた形状を有しており、ハウジングボデー１０の開放側の空間で導入ポートＰＳが形成されている。

吐出ポートＰＴは、ラジエータホース１が繋がれる円筒状のスリーブ部１３と、このスリーブ部１３の外周に鍔状に形成されるフランジ部１４と、スリーブ部１３の内端に備えたシールユニットＳとを備えている。この吐出ポートＰＴは、ハウジングＡの内部空間と外部空間との間で冷却水（流体）の流れを許すように構成されている。

特に、吐出ポートＰＴのスリーブ部１３の中心のポート軸芯Ｑを延長した仮想直線がロータＢの球状の外壁部２１の球中心Ｔにおいて回転軸芯Ｘと交わるように、スリーブ部１３の姿勢が設定されている。

フランジ部１４は、その外周が全周に亘りハウジングボデー１０に対して溶着により接続されている。尚、溶着に代えて、フランジ部１４を接着剤によりハウジングボデー１０に接着しても良い。

シールユニットＳは、環状のシール体１５と、環状のパッキン１６と、筒状のホルダー１７と、圧縮コイル型のスプリング１８とで構成されている。これらはスリーブ部１３の内端位置の内周に配置されている。

このシールユニットＳでは、シール体１５がロータＢの外壁部２１の外面に接触する位置に配置され、パッキン１６がシール体１５のうちロータＢと反対側に接触する位置に配置されている。また、シール体１５の内周からパッキン１６に亘る領域にホルダー１７が配置され、このホルダー１７の外端位置（ロータＢより離間する位置）の屈曲部に当接するようにスプリング１８が配置されている。このスプリング１８の外端側はスリーブ部１３の内周に突出形成されたバネ受部に当接する。

この構成からシールユニットＳのシール体１５とパッキン１６とホルダー１７とが一体的にポート軸芯Ｑに沿って変位可能となり、スプリング１８の付勢力によりシール体１５がロータＢの外壁部２１の外面に圧接する。

シール体１５は、ロータＢが第１吐出ポートＰ１を閉塞する姿勢に設定された場合に球状の外壁部２１に全周が密着し吐出ポートＰＴとロータＢの外壁部２１との間での冷却水の流れを遮断する。シール体１５は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）のように、耐熱性が高く、可撓性があり摩擦係数が小さい樹脂が使用されている。

パッキン１６は、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）等の可撓性の樹脂で環状に成形される。このパッキン１６は、シール体１５に接触すると同時に、外周のリップ部がスリーブ部１３の内面に接触することによりシール体１５とスリーブ部１３の内面との間にシール状態を作り出す。

ホルダー１７は、ステンレス材のように剛性の高い金属で形成され、シール体１５とパッキン１６との位置関係を保持する。

〔ロータ〕
図１〜３に示すように、ロータＢは、回転軸芯Ｘと同軸芯上に配置されるシャフト２７と一体的に回転するロータ本体２０を有している。

ロータ本体２０は、球中心Ｔから等しい距離となる外面を有する外壁部２１が形成されると共に、ロータ内空間２０Ｓを有しており、ロータ本体２０には回転軸芯Ｘに沿う方向に開放することにより導入ポートＰＳから冷却水をロータ内空間２０Ｓに受け入れるための開口部２２が形成されている。

また、ロータ本体２０のロータ内空間２０Ｓから吐出ポートＰＴに送り出す冷却水の水量を制御する制御孔部Ｈが貫通孔状に形成されている。この制御孔部Ｈは、調整制御孔部２４と、これに近接する位置に配置される主制御孔部２５とで構成されている。

図３、図４に示すように、調整制御孔部２４は回転軸芯Ｘに直交する示す方向視において回転軸芯Ｘに沿う方向でシール体１５の内径に等しい、直径の貫通孔として形成されている。尚、主制御孔部２５は、ポート軸芯Ｑと同軸芯に設定可能な位置に配置される。

図４には、図面の左端において吐出ポートＰＴが主制御孔部２５に全開状態で連通する主制御姿勢を示しており、吐出ポートＰＴを完全に閉塞する閉塞姿勢（図４において右端に示す姿勢）と、吐出ポートＰＴを調整制御孔部２４に連通させる流量調整姿勢（図４において中央に示す姿勢）とを二点鎖線で示している。

この流量制御バルブＶでは、冷却水の供給を停止する状態では、吐出ポートＰＴのシール体１５の全体がロータ本体２０の外壁部２１の外面に接触する位置にあり、吐出ポートＰＴに冷却水は流れない。吐出ポートＰＴに冷却水を送り出す場合にはロータＢの回転操作により、先ず吐出ポートＰＴに調整制御孔部２４を対向させることで冷却水の流量の微調整を可能にする。この後に、吐出ポートＰＴに主制御孔部２５を対向させることにより冷却水を増大させ全開状態での冷却水の供給を可能にする。

また、ロータ本体２０において、開口部２２と反対側にはシャフト２７が貫通状態で配置される開放部２６が形成されている。シャフト２７の突出端に形成された複数の連結体２８が、ロータ本体２０の内周面に連結することにより、シャフト２７とロータＢとが一体回転する。

〔回転制御部〕
シャフト２７は、ハウジングＡのハウジングプレート１１を貫通する状態で、このハウジングプレート１１に回転自在に支持され、シャフト２７とハウジングプレート１１のボス部との間に冷却水の漏出を阻止するシール部２９を備えている。

回転制御部Ｃは、シャフト２７の端部に備えられたホイールギヤ３１と、これに咬合するウォームギヤ３２と、このウォームギヤ３２を回転駆動する電動モータ３３と、ウォームギヤ３２の回転姿勢からロータＢの回転姿勢を検知する非接触型の回転角センサ３４とを備えている。

これらは水密型のケースに収容され、電動モータ３３は外部の制御装置で制御される。制御装置は、エンジンＥの冷却水の温度を計測する水温センサの検知結果等の情報に基づいてロータＢの目標姿勢を設定し、回転角センサ３４の検知信号によりロータＢの回転姿勢が目標姿勢に達するように制御を行う。

〔冷却水の制御〕
図４に示すように、ロータＢが閉塞姿勢に設定された場合には、吐出ポートＰＴのシール体１５がロータ本体２０のうち、制御孔部Ｈが形成されない領域と対向する。これにより吐出ポートＰＴに対する冷却水の流れは遮断される。

また、ロータＢが閉塞姿勢から流量調整姿勢に設定された場合には、この姿勢変更に伴い調整制御孔部２４と吐出ポートＰＴとが対向し、対向する領域が増大する。これにより吐出ポートＰＴに供給される冷却水の流量を増大させ、吐出ポートＰＴが図４において中央に示す流量調整姿勢に達することにより流量が決まった値に維持される。

この流量調整姿勢から更に主制御姿勢に向けてロータＢの姿勢を変更した場合には、この制御の初期には、調整制御孔部２４と主制御孔部２５との両方が吐出ポートＰＴに対向し、調整制御孔部２４から吐出ポートＰＴに冷却水が供給されると共に、この供給と並行して主制御孔部２５から供給される冷却水の流量が増大する。これにより、調整制御孔部２４のみが吐出ポートＰＴに対向していたときに吐出ポートＰＴに供給される冷却水より多い冷却水の供給が可能となり、最終的には主制御姿勢に達することで吐出ポートＰＴを全開状態にして冷却水の吐出が可能となる。

特に、この流量制御バルブＶでは、ロータＢが吐出ポートＰＴを完全に閉塞する回転姿勢にある状態から流量調整姿勢に向けて回転した場合には、調整制御孔部２４の開口縁にシール体１５が接触することになるが、開口縁とシール体１５との接触位置は回転軸芯Ｘに沿う方向に相対変位するため、開口縁の特定の位置がシール体１５の決まった位置に接触することはない。

つまり、シール体１５の径方向での殆どを含む領域に調整制御孔部２４の開口縁が接触するため長期に亘って使用した場合でも、シール体１５の全周を平均的に摩耗させ偏摩耗を抑制する。そして、シール体１５が摩耗したとしてもスプリング１８の付勢力により外壁部２１への圧接が維持されるので、シール体１５のシール性能を維持することができる。このように偏摩耗を抑制することによりロータＢが吐出ポートＰＴを完全に閉塞する回転姿勢にある状態ではシール体１５の全周をロータ本体２０の外壁部２１の外面に隙間なく密着させ冷却水の遮断を長期間に亘り確実に行える。

〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に調整制御孔部２４を以下の（ａ）〜（ｅ）の別実施形態に示すように構成しても良い。（ａ）〜（ｅ）では、吐出ポートＰＴが主制御孔部２５に対向する全開状態を示しており、各々の図において閉塞姿勢の吐出ポートＰＴを右端に二点鎖線で示し、流量調整姿勢の吐出ポートＰＴを中央に二点鎖線で示している（実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している）。

（ａ）図５に示すように、回転軸芯Ｘと平行姿勢となる複数のスリットで調整制御孔部２４を構成する。同図においても、このように調整制御孔部２４を構成することにより、ロータＢを閉塞姿勢から流量調整姿勢に移行した場合には、複数の調整制御孔部２４において冷却水の流量の微調整が可能となる。この別実施形態（ａ）の構成でもシール体１５の径方向での殆ど全てを含む領域に調整制御孔部２４の開口縁が接触するためシール体１５の全周を平均的に摩耗させ偏摩耗を抑制する。

（ｂ）図６に示すように、回転軸芯Ｘに対して傾斜する姿勢の複数の（一対の）スリットで調整制御孔部２４を構成する。同図においても、このように調整制御孔部２４を構成することにより、ロータＢを閉塞姿勢から流量調整姿勢に移行した場合には、複数の調整制御孔部２４において冷却水の流量の微調整が可能となる。この別実施形態（ｂ）の構成でもシール体１５の径方向での殆ど全てを含む領域に複数の調整制御孔部２４の開口縁が接触するためシール体１５の全周を平均的に摩耗させ偏摩耗を抑制する。

（ｃ）図７に示すように、回転軸芯Ｘに対して傾斜する姿勢の複数のスリットで調整制御孔部２４を構成する。同図においても、このように調整制御孔部２４を構成することにより、ロータＢを閉塞姿勢から流量調整姿勢に移行した場合には、複数の調整制御孔部２４において冷却水の流量の微調整が可能となる。この別実施形態（ｃ）の構成でもシール体１５の径方向での殆ど全てを含む領域に複数の調整制御孔部２４の開口縁が接触するためシール体１５の全周を平均的に摩耗させ偏摩耗を抑制する。

（ｄ）図８に示すように、回転軸芯Ｘに対してジグザグ状のスリットで調整制御孔部２４を構成する。同図においても、このように調整制御孔部２４を構成することにより、ロータＢを閉塞姿勢から流量調整姿勢に移行した場合には、複数の調整制御孔部２４において冷却水の流量の微調整が可能となる。この別実施形態（ｄ）の構成でもシール体１５の径方向での殆ど全てを含む領域に複数の調整制御孔部２４の開口縁が接触するためシール体１５の全周を平均的に摩耗させ偏摩耗を抑制する。

（ｅ）図９に示すように、複数の小径の貫通孔で調整制御孔部２４を構成する。同図においても、このように調整制御孔部２４を構成することにより、ロータＢを閉塞姿勢から流量調整姿勢に移行した場合には、複数の調整制御孔部２４において冷却水の流量の微調整が可能となる。この別実施形態（ｅ）の構成でもシール体１５の径方向での殆ど全てを含む領域に複数の調整制御孔部２４の開口縁が接触するためシール体１５の全周を平均的に摩耗させ偏摩耗を抑制する。また、このように複数の小径の貫通孔で調整制御孔部２４を構成するものでは、貫通孔を図９に示すものより大径化することにより、ロータＢの回転時には、シール体１５が必ず貫通孔の部位を通過するように構成しても良い。

（ｆ）例えば、実施形態で説明した調整制御孔部２４、あるいは、別実施形態（ｂ）、（ｃ）に示される調整制御孔部２４のスリット幅を閉塞姿勢から流量調整姿勢に移行するほど、拡大するように構成する。このように構成することにより流量の調整範囲を拡大することが可能となる。

（ｇ）ハウジングＡに対して複数の吐出ポートＰＴを形成し、これに対応した制御孔部ＨをロータＢの外壁部２１に形成する。このように構成することにより複数の供給対象に供給する流体の流量の設定が可能となる。

本発明は、ハウジングに収容されたロータの回転姿勢の設定により流体の流量を制御する流量制御バルブに利用することができる。

１５ シール体
２１ 外壁部
２４ 調整制御孔部（制御孔部）
２５ 主制御孔部（制御孔部）
Ａ ハウジング
Ｂ ロータ
Ｈ 制御孔部
ＰＴ 吐出ポート（ポート）
Ｘ 回転軸芯

Claims (5)

1. 内部空間と外部空間との間で流体を流すポートが形成されたハウジングと、
   前記ハウジングの内部空間において回転軸芯を中心に回転自在に収容され球状の外壁部に貫通孔状に制御孔部が形成されたロータとを備え、
   前記ロータの回転姿勢の設定により前記制御孔部を前記ポートに対向させ、前記ロータの内部と前記ポートとの間での流体の流れを可能にするように構成されると共に、
   前記ポートが、前記外壁部に接触する環状のシール体を備えており、
   前記制御孔部の開口縁のうち前記シール体に接触する部位が、前記ロータの回転操作に伴い、前記回転軸芯に沿う方向に変位するように前記制御孔部の開口縁の形状が設定されている流量制御バルブ。
2. 前記制御孔部が、前記回転軸芯に対して傾斜する姿勢のスリット状に形成されている請求項１に記載の流量制御バルブ。
3. スリット状に形成される前記制御孔部が、互いに交差しない位置関係で複数形成されている請求項２に記載の流量制御バルブ。
4. スリット状に形成される前記制御孔部が、互い非平行となる位置関係で複数形成されている請求項３に記載の流量制御バルブ。
5. 前記制御孔部が、前記回転軸芯に直交する方向視で前記回転軸芯に対して平行する姿勢の複数のスリット状に形成されている請求項１に記載の流量制御バルブ。
   

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