JP2019027556A

JP2019027556A - 流量制御弁

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Publication number: JP2019027556A
Application number: JP2017150015A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　秀幸; Hideyuki Suzuki; 秀幸鈴木
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2017-08-02
Filing date: 2017-08-02
Publication date: 2019-02-21
Anticipated expiration: 2037-08-02
Also published as: JP6972746B2; US20190040788A1; DE102018118696B4; US10598076B2; DE102018118696A1

Abstract

【課題】簡単な構成によって弁体を移動させる上で負荷となる流体圧を低減することができる流量制御弁を提供する。【解決手段】流入ポート２５と、流入ポート２５に連通する流出ポート２６とを有するハウジング１０と、ハウジング１０内に収容され、軸芯方向に移動することで流入ポート２５と流出ポート２６との間で流体を流通させ又は遮断する円筒状の弁体３０と、弁体３０を軸芯方向に移動させるアクチュエータと、弁体３０と流入ポート２５との間に設けられ、流入ポート２５から弁体３０に向かう流路を弁体３０の外周側に向けて分岐させる隔壁５０と、を備えた。【選択図】図５

Description

本発明は、流量制御弁に関する。

自動車等の車両に搭載されるエンジンを冷却する装置として、ラジエータを用い、ラジエータで冷却した冷却水をエンジンに循環させるようにした水冷式のエンジン冷却装置が知られている。冷却水は例えばウォータポンプを用いて循環され、冷却水の流量は、流路に配置される流量制御弁によって制御される。

特許文献１には、エンジンを冷却する冷却水の流量を制御する流量制御弁が開示されている。この流量制御弁は、円筒状の弁体を有し、当該弁体が上下方向に移動することで、ハウジングに設けられた複数のポートを流れる冷却水の流量を制御する。円筒状の弁体は、例えばモータ等によって駆動される。

一般的に、円筒状の弁体を有する流量制御弁では、閉状態から開状態になるまでの間に、弁体の外周面に向けてウォータポンプから高圧の冷却水が供給されることがあり、弁体を移動させる上で冷却水の水圧が大きな負荷になることがある。そのため、アクチュエータは水圧による負荷に対抗して弁体を移動させるための推進力や駆動トルクを有することが必要となり、例えばアクチュエータを大型化する等、弁体の駆動機構を構成する上でコスト高になる問題が生じる。

このような問題に対して、特許文献２に記載の流量制御弁では、円筒状の弁体の軸芯方向の両側を同一の圧力とする圧力調整通路を備えている。これにより、円筒状の弁体が軸芯方向に移動する際においてアクチュエータの駆動負荷を最小限にして、アクチュエータの小型化を図っている。

特開２００８−２８６３１１号公報特開２００６−２９１１３号公報

特許文献２に記載される流量制御弁では、ハウジング内に円筒状の弁体を２つ（ラジエータ流量制御用弁体、バイパス流量制御用弁体）備えており、２つの弁体は移動方向が互いに直交するよう構成されている。このため、弁体の移動方向の両側に圧力調整通路を備える上で構成が複雑になる。また、ハウジング内に移動方向が直交する２つの弁体を備えることから、流量制御弁はアクチュエータ以外の部分が大型化する。さらに、特許文献２の流量制御弁は、円筒状の弁体の外周面がハウジングの内面に摺動する構成であるため、長期の使用によって両者の間に配置されたシール体が摩耗して漏れが発生するおそれがある。

上記実情に鑑み、簡単な構成によって弁体を移動させる上で負荷となる流体圧を低減することができる流量制御弁が望まれている。

本発明の流量制御弁の特徴構成は、流入ポートと、前記流入ポートに連通する流出ポートとを有するハウジングと、前記ハウジング内に収容され、軸芯方向に移動することで前記流入ポートと前記流出ポートとの間で流体を流通させ又は遮断する円筒状の弁体と、前記弁体を前記軸芯方向に移動させるアクチュエータと、前記弁体と前記流入ポートとの間に設けられ、前記流入ポートから前記弁体に向かう流路を前記弁体の外周側に向けて分岐させる隔壁と、を備えた点にある。

本構成によれば、弁体と流入ポートとの間に隔壁が設けられ、当該隔壁が流入ポートから弁体に向かう流路を弁体の外周側に向けて分岐させる。こうすると、流入ポートから弁体に向かう流体は、弁体に向けて直接当たらず、隔壁によって分岐されて弁体の外周側に行き渡るようになる。これにより、流入ポートからの流体によって弁体が受ける流体圧を低減することができ、弁体を移動させる上での負荷を低減することができる。その結果、アクチュエータにおいて必要となる駆動トルクを小さくすることができ、アクチュエータを小型化することができる。また、弁体と流入ポートとの間に隔壁を設けるという簡単な構成によって、弁体を移動させる上での負荷を低減することができる。

本発明の他の特徴構成は、前記隔壁によって分岐される流路は、前記弁体の外周面と前記ハウジングの内面との間に第１流路及び第２流路として形成され、前記第１流路及び前記第２流路は、流路面積及び流路長さが等しくなるように構成されている点にある。

本構成によれば、弁体の外周側において、第１流路を流通する流体により弁体に作用する圧力と、第２流路を流通する流体により弁体に作用する圧力を均等にすることができる。これにより、弁体の外周面とハウジングの内面との間には流路が形成されるため、弁体が軸芯方向に移動する際にハウジングとの間に摺動抵抗が発生しなくなる。その結果、弁体を移動させるためのアクチュエータの駆動力を小さくすることができる。

本発明の他の特徴構成は、前記隔壁と前記弁体の外周面との間に形成される第１隙間と、前記第１隙間に対して前記弁体の軸芯を挟んで対称となる位置であって、前記弁体の外周面と前記ハウジングの内面との間に形成される第２隙間を有し、前記第１隙間及び前記第２隙間は、径方向長さ及び周方向長さが等しくなるように構成されている点にある。

本構成によれば、弁体の外周側のうち、隔壁との間に形成される第１隙間の径方向長さ及び周方向長さと、第１隙間に対して軸芯を挟んで対称となる位置に形成される第２隙間の径方向長さ及び周方向長さとが等しい。これにより、弁体の外周側において対向する領域の流体圧を均等にすることができる。その結果、弁体を移動させるためのアクチュエータの駆動力を小さくすることができる。

本発明の他の特徴構成は、前記弁体は、前記軸芯方向の両端面のうち、前記流出ポートと対向する側にある第１端面に前記弁体の外径よりも小径の環状の第１面シールを備え、前記流出ポートとは反対の側にある第２端面に環状の第２面シールを備え、前記弁体が前記第１面シールにより前記流出ポートを遮断した状態で、前記弁体の前記第１端面と前記第２端面に流体が流れ込む流路が形成されている点にある。

本構成によれば、弁体において、軸芯方向の両端面の一方に第１面シールが設けられ、他方に第２面シールが設けられている。このため、第１面シール及び第２面シールは、弁体の移動に伴ってハウジングの内面に当接または離間することになり、ハウジングの内面を摺動しない。これにより、第１面シール及び第２面シールは、摩耗し難くなるため、面シールの耐久性が向上する。

本発明の他の特徴構成は、前記弁体は、前記第１端面において前記第１面シールよりも径方向外側に位置する環状部分の面積が、前記第２端面の面積と等しくなるように構成されている点にある。

本構成によれば、第１端面において第１面シールよりも径方向外側に位置する環状部分の面積が、第２端面の面積と等しいので、弁体において第１端面の環状部分に付与される流体圧と第２端面に付与される流体圧を相殺することができる。これにより、弁体を移動させるためのアクチュエータの駆動力を小さくすることができる。

流量制御弁の閉状態を示す断面図である。流量制御弁の開状態を示す断面図である。流量制御弁の分解斜視図である。図１のＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。図１のＶ−Ｖ矢視断面図である。流量制御弁の要部断面図である。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１〜図４に示される流量制御弁１は、例えば、自動車等の車両に搭載されるエンジンを冷却する水冷式のエンジン冷却装置に用いられ、ウォータポンプによって冷却水（流体の一例）が循環する流路に配置されて冷却水の流量を制御する。

流量制御弁１は、モータ部２（アクチュエータの一例）と、バルブ部３とを備える。モータ部２は、例えばステッピングモータによって構成されている。バルブ部３は、ハウジング１０と、ハウジング１０に収容される弁体３０とを備える。ハウジング１０は、第１ハウジング１１と第２ハウジング１２とによって構成されている。

第１ハウジング１１はモータ部２に隣接して設けられ、第２ハウジング１２は第１ハウジング１１に対してモータ部２の反対の側に取付けられる。弁体３０は、円筒状に形成され、第１ハウジング１１と第２ハウジング１２との間で移動可能に構成されている。第１ハウジング１１は、シャフト収容部１４と鍔部１５とを有する。シャフト収容部１４には、流量制御弁１が開状態にあるときに円筒状の弁体３０が退避する環状の溝部１６が形成されている。シャフト収容部１４において、溝部１６の内周側には、モータ部２から延設されるシャフト２１を回転可能に保持するシャフト保持部１４ａが設けられ、シャフト保持部１４ａの軸芯部分にシャフト２１が挿通される貫通孔１７が形成されている。貫通孔１７とシャフト２１との間には、Ｏリング２２、オイルシール２３、すべり軸受２４が配置される。シャフト保持部１４ａには、蒸気や水抜き用の孔部１８が貫通孔１７からモータ部２の側に向けて延設されている。

第２ハウジング１２には、流量制御弁１が閉状態にあるときに弁体３０が収容される収容部４１と、収容部４１に対して側方から連通して接続される管状部４２とを備えている。第２ハウジング１２には、流入ポート２５と収容部４１を介して流入ポート２５に連通する流出ポート２６が設けられている。流入ポート２５は管状部４２の内部に設けられ、流出ポート２６は収容部４１の底部４１ａに形成された開口４３によって構成されている。

弁体３０は、軸芯方向に移動することで流入ポート２５と流出ポート２６との間で冷却水を流通させ又は遮断する。弁体３０は、軸芯Ｘの方向の両端面のうち、流出ポート２６と対向する側にある第１端面３１を有し、流出ポート２６とは反対の側に第２端面３２を有する。図１及び図２に示すように、第１端面３１の側には、中央部分に小径の環状部３３を有する。図５に示すように、環状部３３と弁体３０の円筒状部分３４の下部とは直線状の接続部３５によって接続されている。接続部３５は、環状部３３から円筒状部分３４に向けて４つ設けられており、隣接する接続部３５の間は開放されている。モータ部２から延設されたシャフト２１は、弁体３０に接続されている。環状部３３は、内周面に雌ネジが形成され、シャフト２１の端部２１ａには雄ネジが形成されている。シャフト２１の端部２１ａの一部は、弁体３０の環状部３３の内面の雌ネジに螺合されている。

図３及び図４に示すように、円筒状の弁体３０は、外周面３０ａにおいて第２端面３２近くに軸芯Ｘを挟んで対向する位置に凸部３６を２つ有しており、第１ハウジング１１の溝部１６には凸部３６に対応する凹部１６ａが形成されている。弁体３０は、凸部３６が凹部１６ａに当接することで周方向の回転が規制されて回り止めされる。これにより、モータ部２のシャフト２１を回転駆動させると端部２１ａの雄ネジが回転しても螺合している環状部３３の雌ネジは回転せずに軸芯Ｘに沿う直線運動に変換されるので、弁体３０が軸芯Ｘの方向に沿って直線運動する。

流量制御弁１を閉状態（図１）から開状態（図２）にするには、モータ部２を駆動してシャフト２１を例えば正回転させる。そうすると、環状部３３がシャフト２１の端部２１ａの基端側に向けて螺合するようになり、弁体３０が開方向に移動する。これにより、流量制御弁１は開状態（図２参照）になり、流入ポート２５と流出ポート２６とが連通し、流入ポート２５から流出ポート２６に向けて冷却水が流れる。また、流量制御弁１は、開状態の弁体３０の位置を変更して流入ポート２５と流出ポート２６との間の流路面積を調整することで、容易に冷却水の流量を制御することができる。

流量制御弁１を開状態（図２）から閉状態（図１）に切換えるには、モータ部２を駆動してシャフト２１を正回転とは逆向きに回転させる。これにより、環状部３３がシャフト２１の端部２１ａの先端側に向けて螺合するようになり、弁体３０が閉方向に移動する。その後、弁体３０が第２ハウジング１２の収容部４１の底部４１ａに当接することで流入ポート２５と流出ポート２６との間の流路が閉じられて、流量制御弁１は閉状態となる。

円筒状の弁体を有する流量制御弁では、閉状態から開状態になるまでの間に、弁体の外周面に向けてウォータポンプから高圧の冷却水が供給されることがあり、弁体を移動させる上で冷却水の水圧が大きな負荷になることがある。そこで、本実施形態の流量制御弁１では、弁体３０と流入ポート２５との間に隔壁５０が設けられている。隔壁５０は、第２ハウジング１２の収容部４１の底部４１ａから立設されている。隔壁５０は、平面視において弁体３０の外周面３０ａに沿う形状であり、流入ポート２５から弁体３０に向かう流路を弁体３０の外周側に向けて分岐させている。

このように、流量制御弁１において隔壁５０を設けることで、流入ポート２５から弁体３０に向かう冷却水は、弁体３０に直接当たらず、隔壁５０によって分岐されて弁体３０の外周側に行き渡るようになる。これにより、流入ポート２５からの冷却水の供給によって弁体３０が受ける水圧を低減することができ、弁体３０を移動させる上での冷却水の水圧による負荷を低減することができる。その結果、モータ部２において必要となる駆動トルクを小さくすることができ、モータ部２を小型化することができる。また、弁体３０と流入ポート２５との間に隔壁５０を設けるという簡単な構成によって、弁体３０を移動させる上での負荷を低減することができる。

図５に示すように、本実施形態では、平面視において、隔壁５０は、流入ポート２５から流入する冷却水の流れ方向に直交する方向の幅が流入ポート２５の流路幅よりも長く形成されている。これにより、流入ポート２５からの冷却水の水圧は、弁体３０の外周面３０ａに対して直接的に影響しなくなる。なお、隔壁５０の前記幅は、流入ポート２５の流路幅と同じでもよく、流入ポート２５の流路幅よりも短くてもよい。

隔壁５０によって分岐される流路は、弁体３０の外周面３０ａとハウジング１０の内面１０ａとの間に第１流路６１及び第２流路６２として形成される。第１流路６１と第２流路６２は軸芯Ｘを挟んで対象となる位置に形成されている。流量制御弁１（弁体３０）が閉状態にあるときの第１流路６１及び第２流路６２は、流路面積及び流路長さが等しくなるように構成されている。これにより、第１流路６１を流れる冷却水により弁体３０の外周面３０ａに作用する水圧と第２流路６２を流れる冷却水により弁体３０の外周面３０ａに作用する水圧は相殺される。

ここで、弁体３０が開状態であるとき、第１流路６１の流路面積Ｓ１と第２流路６２の流路面積Ｓ２との和が、流入ポート２５の流路面積Ｓ以上であると好適である。ここで定義される流路面積Ｓ１，Ｓ２は、隔壁５０における左右両側の壁部５１，５２とハウジング１０の内面１０ａとの間に形成される領域の流路の断面積である。上記のように流路面積Ｓ１，Ｓ２が設定されると、第１流路６１及び第２流路６２に対して流入ポート２５から冷却水が淀みなく流れるようになり、弁体３０の外周側において冷却水の圧力損失が生じ難くなる。

第２ハウジング１２は、隔壁５０と弁体３０の外周面３０ａとの間に第１隙間６３を有し、第１隙間６３に対して弁体３０の軸芯Ｘを挟んで対称となる位置であって、弁体３０の外周面３０ａとハウジング１０の内面１０ａとの間に第２隙間６４を有する。第２ハウジング１２は、収容部４１の周方向の一部に、弁体３０の外周面３０ａに近接する方向に切り欠かれた切欠部４４を有しており、第２隙間６４は切欠部４４によって形成されている。ここで、第１隙間６３及び第２隙間６４は、径方向長さ及び周方向長さが等しくなるように構成されている。これにより、第１隙間６３に流入する冷却水により弁体３０の外周面３０ａに作用する水圧と第２隙間６４に流入する冷却水により弁体３０の外周面３０ａに作用する水圧は相殺される。従って、弁体３０の外周面３０ａの任意の箇所で冷却水による水圧は相殺されるので、流量制御弁１を閉状態から開状態にするために弁体３０を移動させる際に、冷却水の水圧により弁体３０が軸芯Ｘに対して傾くことがなく、弁体３０を適正に移動させることができる。

図６に示すように、弁体３０は、軸芯Ｘの方向の両端面のうち、流出ポート２６と対向する側にある第１端面３１に弁体３０の外径よりも小径かつ、軸芯Ｘと同軸芯の環状の第１面シール７１を備え、流出ポート２６とは反対の側にある第２端面３２に環状の第２面シール７２を備えている。第１面シール７１は、弁体３０が閉じた状態で弁体３０の第１端面３１と第２ハウジング１２の収容部４１の底部４１ａとの間を密閉し、流出ポート２６を閉じる。第２面シール７２は、弁体３０の第２端面３２と第１ハウジング１１のシャフト保持部１４ａに設けられたフランジ部１４ｂとの間を密閉する。流量制御弁１には、弁体３０が第１面シール７１により流出ポート２６を遮断した状態で、弁体３０の外周面３０ａ、及び、弁体３０と対向する第１ハウジング１１の内面との間に、弁体３０の第２端面３２に冷却水が流れ込む流路６５が形成されている。また、シャフト保持部１４ａのフランジ部１４ｂの外周面と第１面シール７１の外周面とは、軸芯Ｘからの径方向長さが等しい。これにより、弁体３０が閉じた状態で、冷却水は流路６５を流通し、溝部１６の内部に充填され、第２面シール７２に水圧を作用させる。

本構成のように、弁体３０において、第１端面３１に第１面シール７１が設けられ、第２端面３２に第２面シール７２が設けられていると、第１面シール７１及び第２面シール７２は、ハウジング１０の内面１０ａに当接または離間するだけで、ハウジング１０の内面１０ａを摺動しない。これにより、第１面シール７１及び第２面シール７２は、摩耗し難くなるため、耐久性が向上する。

弁体３０は、第１端面３１において第１面シール７１よりも径方向外側に位置する環状部分３７の径方向長さＬ１が、第２端面３２の径方向長さＬ２と等しくなるように構成されている。これにより、環状部分３７の面積と第２端面３２の面積とが等しくなるので、弁体３０において第１端面３１に作用する水圧と第２端面３２に作用する水圧とを相殺することができる。その結果、弁体３０を閉状態から開状態にするときに弁体３０の移動を妨げる水圧が低減され、又は、作用しないので、モータ部２の駆動力を小さくすることができる。

〔別実施形態〕
上記の実施形態では、ハウジング１０に対して円筒状の弁体３０を回り止めする構成として、弁体３０の外周面３０ａに凸部３６を設け、ハウジング１０の側に凸部３６に対応する凹部１６ａを設ける構成を示したが、弁体３０を回り止めする構成は本構成に限定されない。例えば、弁体３０の外周面３０ａに凹部を設けて、ハウジング１０の側に当該凹部に対応する凸部を設けてもよく、他の構成を採用してもよい。

本発明は、冷却水等の流量制御弁として広く利用することができる。

１：流量制御弁
２：モータ部（アクチュエータ）
３：バルブ部
１０：ハウジング
１０ａ：内面
２１：シャフト
２１ａ：端部
２５：流入ポート
２６：流出ポート
３０：弁体
３０ａ：外周面
３１：第１端面
３２：第２端面
３７：環状部分
４１：収容部
４１ａ：底部
４２：管状部
４３：開口
５０：隔壁
６１：第１流路
６２：第２流路
６３：第１隙間
６４：第２隙間
６５：流路
７１：第１面シール
７２：第２面シール
Ｓ：流路面積
Ｓ１：流路面積
Ｓ２：流路面積
Ｘ：軸芯

Claims

流入ポートと、前記流入ポートに連通する流出ポートとを有するハウジングと、
前記ハウジング内に収容され、軸芯方向に移動することで前記流入ポートと前記流出ポートとの間で流体を流通させ又は遮断する円筒状の弁体と、
前記弁体を前記軸芯方向に移動させるアクチュエータと、
前記弁体と前記流入ポートとの間に設けられ、前記流入ポートから前記弁体に向かう流路を前記弁体の外周側に向けて分岐させる隔壁と、を備えた流量制御弁。
前記隔壁によって分岐される流路は、前記弁体の外周面と前記ハウジングの内面との間に第１流路及び第２流路として形成され、
前記第１流路及び前記第２流路は、流路面積及び流路長さが等しくなるように構成されている請求項１に記載の流量制御弁。
前記隔壁と前記弁体の外周面との間に形成される第１隙間と、
前記第１隙間に対して前記弁体の軸芯を挟んで対称となる位置であって、前記弁体の外周面と前記ハウジングの内面との間に形成される第２隙間を有し、
前記第１隙間及び前記第２隙間は、径方向長さ及び周方向長さが等しくなるように構成されている請求項１または２に記載の流量制御弁。
前記弁体は、前記軸芯方向の両端面のうち、前記流出ポートと対向する側にある第１端面に前記弁体の外径よりも小径の環状の第１面シールを備え、前記流出ポートとは反対の側にある第２端面に環状の第２面シールを備え、
前記弁体が前記第１面シールにより前記流出ポートを遮断した状態で、前記弁体の前記第１端面と前記第２端面とに流体が流れ込む流路が形成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の流量制御弁。
前記弁体は、前記第１端面において前記第１面シールよりも径方向外側に位置する環状部分の面積が、前記第２端面の面積と等しくなるように構成されている請求項４に記載の流量制御弁。