JP5970779B2 - 車両用冷却液制御バルブ - Google Patents

Description

本発明は、エンジン等の冷却系に使用される車両用冷却液制御バルブに関する。

車両のエンジンは、燃費の向上等のために、エンジン温度が低い場合には暖機運転を行い、エンジン温度が上昇した後にその温度を略一定にする制御がなされる。そのためのエンジンの冷却系として、サーモスタットバルブの開閉により、冷却水温度が低い場合には、当該バルブを閉じて冷却水がラジエータを経由せずにバイパス通路を介して循環させ、冷却水温度が高くなった場合に、当該バルブを開いて冷却水がラジエータを通るよう循環させて、冷却水温を一定に制御するシステムが一般的に存在する。また、冷却水が低温状態のときは暖機運転により、エンジン温度を最適温度に早期に上昇させることができ、その後のエンジン温度を略一定にして燃焼を安定させて燃費を向上させることができる。

特許文献１には、エンジンの冷却水出口側の独立したサーモエレメント感温室にラジエータ出口流路との通路を設け、ラジエータ出口側液温を加味した作動を行えるサーモスタッドバルブが開示されている。このサーモスタットバルブのサーモエレメントには熱膨張するサーモワックスが封入されており、冷却水温により弁体を開閉動作させる。さらに、サーモエレメントにニクロムヒータ等の発熱素子を組み合わせて弁体を開閉させ冷却水温を電子制御している。

特許文献２には、スプリングによって閉方向に付勢された可動部を持つソレノイドバルブが開示されている。ソレノイドバルブでは、コイル非励磁時には閉状態となり、コイル励磁時に開状態となるよう構成されているため、開閉状態の切換えを素早く行うことができる。これにより、上述のエンジンの冷却系におけるエンジン出口側にソレノイドバルブを設けた場合には、冷却水がラジエータを経由せずにバイパス通路を介して循環させるバルブ閉状態と、冷却水温度が高くなった場合に冷却水がラジエータを通って循環させるバルブ開状態との切換えを即座に行うことができ、バルブの応答性は良い。

特開２００３−３２８７５３号公報 特開２００２−３４０２１９号公報

エンジンの冷却系統において、エンジンからの冷却水出口に特許文献２に記載のソレノイドバルブを設置した場合には、当該ソレノイドバルブを閉状態にすると、冷却系統全体の冷却水の流れが停止する。この状態では、エンジン内部の熱が外部に放出されないので暖機促進される。しかしながら、エンジン内の温度が所定温度になったことを検知してソレノイドバルブを開放する際には、ソレノイドバルブは即座に開状態になるため、エンジン外部において暖められていない冷却水が一気にエンジン内部に流れ込むこととなりエンジンの冷却が促進される。そうなると、図１０に示すように、エンジン内の温度は急激に低下しエンジンにおける燃焼が不安定となる。

本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、弁体の開状態を通常量の流体を流通させる状態とそれよりも小量の流体を流通させる状態とに切換え可能に構成された車両用冷却液制御バルブを提供することにある。

本発明に係る車両用冷却液制御バルブの第１特徴構成は、流体を流通させるバルブ本体を備えると共に、磁性体を有し流体の流通を制御する弁体と、前記流体の流路を構成し、前記弁体と当接して前記流路を遮断する閉弁状態と、前記弁体が流体圧を受けて離間して流路を開放する開弁状態とに切替わる弁座と、磁力によって前記弁体と前記弁座との当接状態を維持させるソレノイドと、前記弁体を前記弁座の側に付勢する付勢機構とを備えるバルブ機構を、前記開弁状態において前記弁体が前記弁座から離間する方向が同じになるように前記バルブ本体の内部に一対設け、一対の前記バルブ機構の少なくとも何れか一方は、前記ソレノイドが内装され磁性体により成型されるボビンに前記弁座が形成され、前記弁体が前記弁座と対向する位置に磁性体を有し、一対の前記弁体の何れか一方に、当該弁体が前記当接状態を維持している状態で前記流体を流通可能な流通孔を備え、前記一対のソレノイドが各別に通電制御可能に構成してある点にある。

本構成の如く、磁性体を有し流体の流通を制御する弁体と、流体の流路を構成し、弁体と当接して流路を閉塞可能な弁座と、磁力によって弁体と弁座との当接状態を維持させるソレノイドと、弁体を前記流体の流通方向とは反対側に付勢する付勢機構とを備えることで、ソレノイドが通電状態になると磁力によって弁体と弁座との当接状態が維持されて弁体が閉状態となり、ソレノイドが非通電状態になると弁体と弁座との当接状態は維持されなくなり弁体を流体が流通可能な開状態にすることができる。

また、流通孔が設けられた弁体を有するバルブ機構についてはソレノイドに通電し弁体と弁座との当接状態を維持し、流通孔が設けられていない弁体を有するバルブ機構についてはソレノイドへの通電を停止又は弱めて弁体を流体が流通可能な開状態にすると、流体は弁体に形成された流通孔と開状態の他方の弁体とを流通し、流体の少量流通状態を実現することができる。その後、一対の弁体に対するソレノイドへの通電を両方停止又は弱めることで、一対の弁体は共に流体圧を受けて開放され通常の流量の流体が流通する状態にすることができる。これにより、エンジン内の温度が所定温度になったことを検知して、冷却液制御バルブを開状態する際に、当初においては流通孔が設けられていない弁体のみを開いて小量の冷却液をエンジンに流入させることができる。その結果、エンジン内の温度は急激に低下することを防止することができ、エンジンにおける燃焼を安定的に行うことができる。

本発明に係る車両用冷却液制御バルブの第２特徴構成は、前記付勢機構が、前記バルブ本体と前記弁体とに亘って設けられたコイルスプリングである点にある。

本構成の如く、付勢機構をバルブ本体と弁体とに亘って設けられたコイルスプリングで構成することで、付勢機構の簡易に構成でき、また、ポンプが停止して流体圧がほとんどない状態において弁体を閉方向に確実に移動することができる。

本発明に係る車両用冷却液制御バルブの第３特徴構成は、前記流通孔が、一対の弁体のうち下流側の弁体に設けてある点にある。

バルブ本体内に直列に設けた一対の弁体のうち、仮に上流側の弁体に流通孔が設けてあると、エンジン始動時においてエンジンの温度が所定温度になるまで冷却液制御バルブ全体を閉状態にするには、一対のバルブ機構の両方のソレノイドに通電する必要がある。一方、本構成のように、下流側の弁体に流通孔が設けてあると、上流側の弁体が閉じられているエンジン始動時においては、下流側のバルブ機構のソレノイドに通電する必要がない。したがって、ソレノイドへの通電効率を向上させることができる。

また、上流側の弁体に流通孔が設けられている場合、バルブ本体全体が閉状態のときから下流側の弁体は流体圧を受けることとなる。一方、下流側の弁体に流通孔が設けられている場合には、下流側の弁体は上流側の弁体が開放されるまで流体圧を受けず、上流側の弁体が開放されても下流側の弁体に設けられた流通孔を流体が通過するため、下流側の弁体が受ける流体圧はそれほど大きくならない。これにより、弁体に流通孔が設けられた下流側がバルブ機構に磁力の弱いソレノイドを用いることが可能となる。その結果、冷却液制御バルブの低コスト化を図ることができる。

エンジン冷却系の全体構成を示す概略図である。 車両用冷却液制御バルブの断面図であって，（ａ）はバルブの閉状態、（ｂ）はバルブの小開状態、（ｃ）はバルブの全開状態をそれぞれ示す。 エンジン内温度、制御弁流量、電流比と制御弁の開閉状態との関係を示す図である。 第２実施形態の車両用冷却液制御バルブの断面図であって，（ａ）はバルブの閉状態、（ｂ）はバルブの小開状態、（ｃ）はバルブの全開状態をそれぞれ示す。 別実施形態の車両用冷却液制御バルブの断面図であって，（ａ）はバルブの閉状態、（ｂ）はバルブの小開状態、（ｃ）はバルブの全開状態をそれぞれ示す。 別実施形態の車両用冷却液制御バルブの断面図であって，（ａ）はバルブの閉状態、（ｂ）はバルブの小開状態、（ｃ）はバルブの全開状態をそれぞれ示す。 別実施形態の車両用冷却液制御バルブの断面図である。 別実施形態の車両用冷却液制御バルブの断面図である。 別実施形態の車両用冷却液制御バルブの断面図である。 エンジン内温度、制御弁流量、電流比と従来の制御弁の開閉状態との関係を示す図である。

以下、本発明に係る車両用冷却液制御バルブの実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、車両におけるエンジン冷却系３０の全体構成を示す説明である。エンジン３１の冷却水（冷却液）流出ポート３２にラジエータ３３の流入ポート３４が接続され、ラジエータ３３の流出ポート３５は、サーモスタットバルブ３６の流入ポート３７に接続される。サーモスタットバルブ３６の流出ポート３８は、ウォータポンプ４１の吸込ポート４２に接続され、ウォータポンプ４１の図示しない吐出ポートは、エンジン３１の図示しない冷却水（冷却液）流入ポートに接続される。一方、エンジン３１の図示しない暖房用流出ポートは、車両用冷却液制御バルブ１の流入ポート６（図２参照）に接続される。車両用冷却液制御バルブ１の流出ポート７は、ヒータコア４３の流入ポート４４に接続され、ヒータコア４３の流出ポート４５は、サーモスタットバルブ３６のバイパス流入ポート３９に接続される。バイパス流入ポート３９は流出ポート３８まで連通する。

車両用冷却液制御バルブ（以下、冷却液制御バルブ）１は、図２（ａ）に示すように、ハウジング（バルブ本体）８と、ハウジング８内に直列に設けられた上流側の第１バルブ機構１０及び下流側の第２バルブ機構２０とを備える。

上流側の第１バルブ機構１０は、弁座１４と、弁座１４から離間する位置と当該弁座１４に当接する位置とに移動可能な弁体１１と、弁座１４と弁体１１との当接を通電により維持可能なソレノイド２とを備えている。また、下流側の第２バルブ機構２０は、弁座２４と、弁座２４から離間する位置と当該弁座２４に当接する位置とに移動可能な弁体２１と、弁座２４と弁体２１との当接を通電により維持可能なソレノイド３とを備えている。
下流側の弁体２１には流体の流通孔２１ｃが形成されている。この流通孔２１ｃが後述する小流量の流体の流路となる。

ソレノイド２，３は、図示しないコネクタにより駆動回路に電気的に接続され、鉄等の磁性体により成型されたボビン４，５の内径部４ａ，５ａの外側に巻かれ、内径部４ａ，５ａと外径部４ｂ，５ｂに内包される銅線により構成される。ボビン４、５は、流入ポート６及び流出ポート７を備えたハウジング８内に設置される。ボビン４、５の内径部４ａ，５ａの内側には弁内流路９が形成されており、弁内流路９は流入ポート６に連通する。

弁体１１及び弁体２１は、鉄等の円盤状磁性体１１ａ，２１ａと樹脂部１１ｂ、２１ｂにより成型されている。また、弁体１１及び弁体１２は、図示しないガイド部によりスライド可能にハウジング８等に支持されている。弁体１１、２１と当接する弁座１４，２４は、ボビン４、５における下流側のフランジ面に形成される。弁体１１と第２バルブ機構２０におけるボビン５との間には、付勢機構としてコイルスプリング１８が設置されており、コイルスプリング１８は弁体１１を弁座１４の方向に付勢する。また、弁体２１とハウジング８との間には、付勢機構としてコイルスプリング２８が設置されており、コイルスプリング２８は弁体２１を弁座２４の方向に付勢する。

弁体１１は、ソレノイド２が通電により励磁されると弁座１４に吸着され、弁体１１と弁座１４との当接状態が維持される。また、弁体２１は、ソレノイド３が通電により励磁されると弁座２４に吸着され、弁体２１と弁座２４との当接状態が維持される。この状態は、バルブ本体（ハウジング８）の閉状態である。

エンジン３１の停止時には、ウォータポンプ４１も停止しており流体圧は発生していない。したがって、弁体１１、２１はコイルスプリング１８、２８の付勢力により付勢されて弁座１４、２４に当接した閉状態が保持される（図２（ａ）参照）。

エンジン３１の始動時には、上流側のソレノイド２は通電により励磁され、磁性体により成形された弁体１１に吸引力が作用する。上流側の弁体１１は、ソレノイド２による吸引力とコイルスプリング１８による付勢力とを受け、弁座１４に当接しウォータポンプ４１の吐出による流体圧が弁体１１に作用しても弁座１４に当接した状態（閉状態）に保持される。このとき、バルブ本体（ハウジング８）の弁体１１は閉状態である（図２（ａ）参照）。なお、下流側のソレノイド３は上流側のソレノイド２と電気的に直列に接続されているため、上流側のソレノイド２と同様に通電されている。

エンジン３１内の温度が所定温度まで上昇し冷却液制御バルブ１に対し流体の供給要求が与えられると、上流側のソレノイド２への通電が弱まり、弁体１１は流入ポート６からの流体圧を受けることにより開方向に移動する。一方、下流側のソレノイド３は通電が弱まっても弁体２１は弁座２４と当接する閉状態が維持される。（図２（ｂ）参照）。なお、下流側のソレノイド３による弁体２１との当接を維持するために、上流側のソレノイド２よりも下流側のソレノイド３のコイル巻き数を増加させることが考えられる。もしくは、上流側の弁体１１と弁座１４との接触面積よりも下流側の弁体２１と弁座２４とのお接触面積を増加させることが考えられる。

上流側の弁体１１が開状態になると、下流側の弁体２１に形成された流通孔２１ｃに流体が流通するようになり、流体を小量流通させることができる。これにより、図３に示すように、エンジン３１内の温度は、冷却水がエンジン３１に供給された直後において緩やかに低下することとなる。その結果、エンジン３１内の温度の急激な温度低下が防止でき、エンジン３１における燃焼を安定的に行うことができる。

上流側の弁体１１が開状態となる小流量モードになった後、エンジン３１内の温度が再び所定温度になると、ソレノイド３への通電電流を解除して下流側の弁体２１を開放する。弁体２１に作用する流体圧は、コイルスプリング２８による付勢力に抗して弁体２１を開状態に保持する（図２（ｃ）参照）。

冷却水はエンジン３１の内部で加熱後、ラジエータ３３により冷却され、サーモスタットバルブ３６を経由してウォータポンプ４１によって循環する。エンジン３１が低温時には、サーモスタットバルブ３６が閉状態となる。暖房作動時には、エンジン３１の内部で加熱された冷却水は、流体圧によって開状態に保持された冷却液制御バルブ１を経由してヒータコア４３に供給され、室内が暖められる。ヒータコア４３で冷却された冷却水は、サーモスタットバルブ３６を経由してウォータポンプ４１により循環する。

冷却液制御バルブ１は、サーモワックス等の熱膨張による開動作ではなく、応答性に優れ電流により自在に制御できるソレノイド２、３により開動作する為、暖房の効きを早めることができ寒冷時の快適性が向上する。また、閉状態では、弁体１１（弁体２１）と弁座１４（弁座２４）とが当接して磁性体間の距離が接近するため電流当たりの吸引力が増大し、コイルスプリング１８（コイルスプリング２８）の付勢力により弁体１１（弁体２１）が閉状態に付勢されることにより、ソレノイド２、３の小型化及び電力消費を低減できる。さらに、コイルスプリング１８、２８により常時付勢されることにより液圧脈動による弁体１１，２１の振動を抑制できる。

バルブ本体（ハウジング８）内に直列に設けた一対の弁体１１，２１のうち、本構成のように、下流側の弁体２１に流通孔２１ｃが設けてあると、上流側の弁体１１が閉じられているエンジン始動時においては、下流側の第２バルブ機構２０のソレノイド３に通電する必要がない。したがって、ソレノイドへの通電効率を向上させることもできる。

また、下流側の弁体２１は上流側の弁体１１が開放されるまで流体圧を受けず、上流側の弁体１１が開放されても下流側の弁体２１に設けられた流通孔２１ｃを流体が通過するため、下流側の弁体２１が受ける流体圧はそれほど大きくならない。これにより、弁体２１に流通孔２１ｃが設けられた下流側が第２バルブ機構２０に磁力の弱いソレノイド３を用いることが可能となる。その結果、冷却液制御バルブ１の低コスト化を図ることができる。

〔第２実施形態〕
上記の第１実施形態では、下流側の弁体２１に流通孔２１ｃを設ける例を示したが、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すように、上流側の弁体１１に流通孔１１ｃを設けてもよい。

エンジン３１の停止時には、ウォータポンプ４１も停止しており流体圧は発生していない。したがって、弁体１１、２１はコイルスプリング１８、２８の付勢力により付勢されて弁座１４、２４に当接した閉状態が保持される（図４（ａ）参照）。

エンジン３１の始動時には、上流側のソレノイド２は通電により励磁され、磁性体により成形された弁体１１に吸引力が作用する。上流側の弁体１１は、ソレノイド２による吸引力とコイルスプリング１８による付勢力とを受け、弁座１４に当接しウォータポンプ４１の吐出による流体圧が弁体１１に作用しても弁座１４に当接した状態（閉状態）に保持される。このとき、バルブ本体（ハウジング８）の弁体１１は閉状態である（図４（ａ）参照）。なお、下流側のソレノイド３は上流側のソレノイド２と電気的に直列に接続されているため、上流側のソレノイド２と同様に通電されている。

エンジン３１内の温度が所定温度まで上昇し冷却液制御バルブ１に対し流体の供給要求が与えられると、下流側のソレノイド３への通電が弱まり、弁体２１は流入ポート６からの流体圧を受けることにより開方向に移動する。一方、上流側のソレノイド２は通電が弱まっても弁体１１は弁座１４と当接する閉状態が維持される。（図４（ｂ）参照）。

下流側の弁体２１が開状態になると、上流側の弁体１１に形成された流通孔１１ｃに流体が流出ポート７まで流通するようになり、流体を小量流通させることができる。これにより、図３に示すように、エンジン３１内の温度は、冷却水がエンジン３１に供給された直後において緩やかに低下することとなる。その結果、エンジン３１内の温度の急激な温度低下が防止でき、エンジン３１における燃焼を安定的に行うことができる。

下流側の弁体２１が開状態となる小流量モードになった後、エンジン３１内の温度が再び所定温度になると、ソレノイド２への通電電流を解除して上流側の弁体１１を開放する。弁体１１に作用する流体圧は、コイルスプリング１８による付勢力に抗して弁体１１を開状態に保持する（図４（ｃ）参照）。

〔その他の実施形態〕（１）冷却液制御バルブ１は、図５に示すように、上流側の第１バルブ機構１０をサーモバルブで構成してもよい。サーモバルブはサーモケース５１と、サーモケース５１内に充填されたワックス５２と合成ゴム５３と弁体５４付きのピストン５５とを備えている。弁体５４には、流通孔２１ｃよりも小径の流通孔５４ａが設けられている。流体が所定温度以上になると、固体のワックス５２が膨張し合成ゴム５３が圧縮されてピストン５５を押し下げる。これにより、弁体５４が開放位置に移動し、下流側の弁体２１の流通孔２１ｃに流体が流通する小流量モードとなる。サーモバルブは、流体の液温が低下するとワックス５２が収縮し、合成ゴム５３が元の状態に戻ることでピストン５５が押し上げられて弁体５４が閉鎖位置に移動する。また、図示しないが、上流側の第１バルブ機構１０をソレノイド弁で構成し、下流側の第２バルブ機構２０をサーモバルブで構成してもよい。

（２）冷却液制御バルブ１は、図６に示すように、上流側の第１バルブ機構１０を弁体１１と弁体１１を閉方向に付勢する付勢機構（コイルスプリング）１８とで構成してもよい。流入ポート６の流体圧が弁体１１への付勢機構１８による付勢力より大きくなると、弁体１１が開放され、下流側の弁体２１の流通孔２１ｃに流体が流通する小流量モードとなる。また、図示しないが、上流側の第１バルブ機構１０をソレノイド弁で構成し、下流側の第２バルブ機構２０を弁体１１と弁体１１を閉方向に付勢する付勢機構（コイルスプリング）１８とで構成してもよい。

（３）冷却液制御バルブ１は、図７に示すように、ソレノイドバルブである第１バルブ機構１０と第２バルブ機構２０とを並列に配置して構成してもよい。流入ポート６から分岐する細管２５が第２バルブ機構２０に接続されており、第２バルブ機構２０と流出ポート７とは細管２６で接続されている。すなわち、本実施形態は、第１バルブ機構１０を通過する弁内流路１９と、第２バルブ機構２０を通過する弁内流路２９とを別々に備える構成である。弁体１１はコイルスプリング１８により閉方向に付勢され、弁体２１はコイルスプリング２８により閉方向に付勢されている。

冷却液制御バルブ１を小流量モードにするには、ソレノイド２を通電状態にしたまま、ソレノイド３への通電を停止する。これにより、第１バルブ機構１０の弁体１１が閉状態に維持され、第２バルブ機構２０の弁体２１が流体圧を受けて開状態となる。

（４）冷却液制御バルブ１は、図８に示すように、第１バルブ機構１０をソレノイドバルブで構成し、第２バルブ機構２０をサーモバルブで構成して、両バルブ機構１０，２０を並列に配置してもよい。弁体５４には、小径の流通孔５４ａが設けられている。また、図９に示すように、第１バルブ機構１０をソレノイドバルブで構成し、第２バルブ機構２０を弁体２１と付勢機構２８とで構成して、両バルブ機構１０，２０を並列に配置してもよい。図８及び図９に示すいずれの場合においても、第２バルブ機構２０が開状態となることで小流量モードが実現される。

（５）上記の実施形態では、冷却液制御バルブ１をヒータコア４３への流路を開閉する冷却液制御バルブに適用した例を示したが、ラジエータ３３への流路を開閉するサーモスタットバルブ３６に適用してもよい。

（６）上記の実施形態では、冷却液制御バルブ１のソレノイド２は弁内流路９、１９、２９の周囲に設置されているが、搭載上等の理由により冷却水流路から離れた位置に設置されていてもよい。また、弁体１１、２１の付勢機構としてコイルスプリング１８、２８が用いられているが、空気ばね、磁力、弁体１１，２１の質量に作用する重力等の他の移動手段で弁体１１，２１を閉方向に付勢してもよい。冷却水を循環させる手段はウォータポンプ４１だけでなく、蓄圧器等を補助的に用いてもよい。

（７）上記の実施形態では、冷却液制御バルブ１をエンジン３１本体の冷却系に用いているが、排気管に設置される触媒の冷却系又は液冷式オイルクーラ等に適用してもよい。他に、電動車両に使用されるモータ、インバータ、二次電池、燃料電池等の熱源の冷却系又は排熱回収系の冷却液制御バルブとして適用してもよい。

本発明に係る車両用冷却液制御バルブは、各種車両における幅広い冷却対象に対して利用可能である。

１ 冷却液制御バルブ（車両用冷却液制御バルブ）
２，３ ソレノイド
９，１９，２９ 流路（弁内流路）
１０ 第１バルブ機構
１１，２１ 弁体
１１ｃ，２１ｃ 流通孔
１４，２４ 弁座
１８，２８ コイルスプリング（付勢機構）
２０ 第２バルブ機構
４１ ウォータポンプ

Claims (3)

1. 流体を流通させるバルブ本体を備えると共に、
   磁性体を有し流体の流通を制御する弁体と、前記流体の流路を構成し、前記弁体と当接して前記流路を遮断する閉弁状態と、前記弁体が流体圧を受けて離間して流路を開放する開弁状態とに切替わる弁座と、磁力によって前記弁体と前記弁座との当接状態を維持させるソレノイドと、前記弁体を前記弁座の側に付勢する付勢機構とを備えるバルブ機構を、前記開弁状態において前記弁体が前記弁座から離間する方向が同じになるように前記バルブ本体の内部に一対設け、
   一対の前記バルブ機構の少なくとも何れか一方は、前記ソレノイドが内装され磁性体により成型されるボビンに前記弁座が形成され、前記弁体が前記弁座と対向する位置に磁性体を有し、
   一対の前記弁体の何れか一方に、当該弁体が前記当接状態を維持している状態で前記流体を流通可能な流通孔を備え、
   前記一対のソレノイドが各別に通電制御可能に構成してある車両用冷却液制御バルブ。
2. 前記付勢機構が、前記バルブ本体と前記弁体とに亘って設けられたコイルスプリングである請求項１に記載の車両用冷却液制御バルブ。
3. 前記流通孔が、一対の弁体のうち下流側の弁体に設けてある請求項１又は２に記載の車両用冷却液制御バルブ。

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