JP6319019B2

JP6319019B2 - 流体制御装置

Info

Publication number: JP6319019B2
Application number: JP2014195569A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　篤; 篤佐藤; 保夫小澤
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2034-09-25
Also published as: EP3199777A4; JP2016065518A; US20170130640A1; US10180196B2; WO2016047304A1; EP3199777B1; EP3199777A1

Description

本発明は、エンジン等の冷却系に使用される流体制御装置に関する。

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、冷却水温度が低い場合に、サーモスタットバルブを閉じることでラジエータを経由せずにバイパス通路を介して冷却水を循環させ、冷却水温度が高くなった場合に、当該バルブを開くことでラジエータを経由して冷却水を循環させて、冷却水温度を一定に制御するシステムが存在する。

特許文献１には、こうしたエンジンの冷却系統において、エンジン出口側に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。このソレノイドバルブでは、コイル励磁時には閉じ状態となり、コイル非励磁時には開き状態となるよう構成されている。当該ソレノイドバルブはコイルを励磁すると弁座に対して弁体が吸着されて閉じ状態が維持されて、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冷却水を介して外部に放出されないので暖機が促進される。その後、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のコイルを非励磁にすると、ソレノイドバルブは冷却水の流体圧を受けて開き状態になる。これにより、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み、エンジンの冷却が促進される。

特開２０１３−５２５６５３号公報

エンジンの冷却系統において、特許文献１に記載のソレノイドバルブでは、閉じ状態に維持するために常時通電して磁力を発生させる必要がある。このように、ソレノイドバルブは必ず電力を消費するため、その消費電力によって燃費が低下する。

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、流体制御弁の開閉動作に要される電力を低減できる流体制御装置を提供することにある。

本発明に係る流体制御装置の第１特徴構成は、流体の流路に設けられ、当接・離間して流体の流通を制御するよう、一方を磁性体で形成し他方に磁石を備えた弁体および弁座と、前記弁体を前記弁座の側に付勢する付勢部材と、前記流路に流体を流通させる電動ポンプと、前記弁座に当接して閉じ状態にある前記弁体を開き操作する際に、前記電動ポンプの出力を予め設定した状態に所定時間継続して高める制御を行って前記弁体を開き状態にし、当該所定時間経過後に前記電動ポンプの出力を予め設定した前記状態よりも低い状態に制御して前記弁体を開き状態にする制御部と、を備えた点にある。

本構成では、弁体及び弁座の一方を磁性体で形成し他方に磁石を備えるとともに、弁体を弁座の側に付勢する付勢部材を備える。これにより、流体制御装置は磁石の吸引力と付勢部材の付勢力とを利用して閉じ状態に維持することができる。また、流路に流体を流通させる電動ポンプと、弁座に当接して閉じ状態にある弁体を開き操作する際に、前記電動ポンプの出力を予め設定した状態に所定時間継続して高める制御を行って弁体を開き状態にし、当該所定時間経過後に電動ポンプの出力を予め設定した状態よりも低い状態に制御して弁体を開き状態にする制御部と、を備えるので、流体制御装置は電動ポンプからの出力を高めるだけで開き状態に変更することができる。

このように、流体制御装置は、磁石の吸引力を利用して閉じ状態を維持しつつ、電動ポンプから流体圧を受けて開き状態となる。これにより、流体制御装置の消費電力を低減することができる。また、ソレノイドバルブに比べて、ソレノイドを含む磁気回路が不要となることから、弁体を開閉動作するための構成が簡素となり、製造コストも低減する。

本発明に係る流体制御装置の他の特徴構成は、前記電動ポンプからラジエータを経由して流体が流通する第１流路と、前記電動ポンプから前記ラジエータを介さずにヒータコアを経由して流体が流通する第２流路と、を備え、前記第２流路に流体要求が発生した際に、前記制御部が前記電動ポンプの出力を上げる点にある。

本構成の如く、電動ポンプからラジエータを介さずにヒータコアを経由して流体が流通する第２流路に流体要求が発生した際に、制御部が電動ポンプの出力を上げることで、電動ポンプからの流体力が弁体を閉じ状態に保持する力（磁石の吸引力や付勢機構）を上回り、弁体が開状態に移行する。これにより、第２流路に流体が流通され、ヒータコアに流体を供給することができる。

本発明に係る流体制御装置の他の特徴構成は、前記第２流路に流体要求があり、且つ前記弁体が閉じ状態のとき、前記制御部が前記電動ポンプの出力をさらに上げる点にある。

第２流路に対する流体要求に対し、制御部が電動ポンプの出力を予め設定した状態に上げた場合であっても、例えば弁体の動作上の問題等により流体制御装置が開き状態に移行しないことが起こり得る。そこで、本構成では、第２流路に流体要求があり、且つ弁体が閉じ状態であるとき、制御部が電動ポンプの出力をさらに上げるよう制御する。これにより、流体制御装置は、弁体に対して電動ポンプからの流体圧が増すため、確実に開き状態に移行することができる。
本発明に係る流体制御装置の他の特徴構成は、前記制御部は、前記弁体が開き状態のときに、前記弁体に作用する流体力が、前記弁体に作用する前記磁石の吸引力と前記付勢部材の付勢力との和よりも大きくなるように前記電動ポンプの出力を制御する点にある。

エンジン冷却系の全体構成を示す概略図である。冷却液制御弁の閉じ状態の断面図である。冷却液制御弁の開弁開始時の状態の断面図である。冷却液制御弁の開き状態の断面図である。電動ポンプの制御Ｄｕｔｙ、制御弁流量、エンジン内温度と制御弁の開閉状態との関係を示す図である。電動ポンプの制御Ｄｕｔｙ、制御弁流量と制御弁の開閉状態との関係を示す図である。冷却液制御弁の開閉制御のフローチャートである。第２実施形態の冷却液制御弁の断面図である。電動ポンプの制御Ｄｕｔｙ、制御弁流量と制御弁の開閉状態との関係を示す図である。別形態の冷却液制御弁の断面図である。

以下、本発明に係る流体制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、流体制御装置２０の全体構成を示す説明である。エンジン２１の冷却水（冷却液）流出ポート２２にラジエータ２３の流入ポート２４が接続され、ラジエータ２３の流出ポート２５は、サーモスタットバルブ２６の流入ポート２７に接続される。サーモスタットバルブ２６の流出ポート２８は、電動ポンプ３１の吸込ポート３２に接続され、電動ポンプ３１の図示しない吐出ポートは、エンジン２１の図示しない冷却水（冷却液）流入ポートに接続される。

エンジン２１の図示しない暖房用流出ポートは、冷却液制御弁１の流入ポート６（図２参照）に接続される。冷却液制御弁１の流出ポート７は、ヒータコア３３の流入ポート３４に接続され、ヒータコア３３の流出ポート３５は、サーモスタットバルブ２６のバイパス流入ポート２９に接続される。バイパス流入ポート２９は流出ポート２８まで連通する。

流体制御装置２０は電動ポンプ３１からの流体がラジエータ２３を経由して流通する第１流路４１と、電動ポンプ３１からの流体がヒータコア３３を経由して流通する第２流路４２と、を備え、冷却液制御弁１が第２流路４２に配置される。第２流路４２には、ヒータコア３３と並列に他の冷却系部品（ＥＧＲクーラー等）３６が接続されている。流体制御装置２０には、電動ポンプ３１の出力を制御する制御部３７が備えられている。電動ポンプ３１は、本実施形態では、エンジン回転数に依存することなく吐出力（吐出量）の変更が可能な電動ポンプ３１で構成してあるが、機械式可変ポンプで構成してもよい。

冷却液制御弁１は、図２に示すように、ハウジング８と、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とを備えている。弁体１１および弁座１４は、流体の流路に設けられ、当接・離間して流体の流通を制御するよう、一方を磁性体で形成し他方に磁石を備えている。本実施形態では、弁体１１を磁性体で形成し、弁座１４に磁石を備えている。弁体１１に磁石を備え、弁座１４を磁性体で形成してもよい。

弁体１１は、磁性体１２と、磁性体１２を覆う樹脂体１３によって構成されている。磁性体１２は弁座１４に対して露出するよう配置されている。弁体１１には流体の流通孔１１ａが形成されている。流通孔１１ａが後述する小流量の流体の流路となる。弁座１４は弁体１１との対向面に磁石が配置されて構成されている。

ハウジング８は、流入ポート６と、流出ポート７と、流入ポート６に対し同心状に対向するように形成された開口部１５と、開口部１５を密閉するカバー体１６とを備え、流出ポート７は流入ポート６から直進する方向に設けられている。弁体１１とカバー体１６との間には、付勢機構としてコイルスプリング１７が設置されており、コイルスプリング１７は弁体１１を弁座１４の方向に付勢する。弁体１１は、コイルスプリング１７の付勢力によって弁座１４に当接されるとともに、弁座１４からの磁力によって弁座１４に吸着される。

電動ポンプ３１の停止時には冷却液制御弁１の流入ポート６には流体圧は発生していない。したがって、弁体１１は、弁座１４（磁石）の吸引力とコイルスプリング１７の付勢力とを受けて閉じ状態となる。

電動ポンプ３１の作動時において、弁座１４（磁石）の吸引力Ｆｍ１とコイルスプリング１７の付勢力Ｆｓ１との和が電動ポンプ３１からの流体力（流体によって作用する力）Ｆｗ１よりも大きい場合には、弁体１１は弁座１４に当接した状態（閉じ状態）に保持される（図２）。

例えば、エンジン２１内の温度が所定温度まで上昇すると、制御部３７は、弁体１１が開き状態になるよう、電動ポンプ３１のＤｕｔｙ（出力）を予め設定した状態まで高める制御を行う（図５、図６参照）。これにより、弁体１１が開方向に移動し始める（図３）。弁体１１を弁座１４（磁石）の吸引力とコイルスプリング１７の付勢力に抗して移動させるためには、弁体１１に作用する流体力Ｆｗ２が、磁石の吸引力Ｆｍ２とコイルスプリング１７の付勢力Ｆｓ２との和を大きく上回る必要がある。

図４に示すように、弁体１１が開き状態になると、磁石の吸引力Ｆｍ３が減少し、コイルスプリング１７の付勢力Ｆｓ３が増加する。冷却液制御弁１の開き状態を維持するためには、流体力Ｆｗ３が、磁石の吸引力Ｆｍ３とコイルスプリング１７の付勢力Ｆｓ３との和よりも大きいことが要求される。

停止状態の電動ポンプ３１に対し、第２流路４２に緊急性の高い流体要求がある場合には、制御部３７は、電動ポンプ３１を始動してＤｕｔｙ（出力）を予め設定された状態に所定時間継続して高める制御を行う（図５）。そうすると、弁体１１が開き状態に移行し、冷却液制御弁１を介して第２流路４２のヒータコア３３に流体が供給されて、エンジン内温度が低下する。冷却液制御弁１が開き状態に移行されると、電動ポンプ３１は開弁開始時の最大Ｄｕｔｙよりも低いＤｕｔｙに制御される。これは、開弁開始時とは異なり、前述の流体力Ｆｗ３が、磁石の吸引力Ｆｍ３とコイルスプリング１７の付勢力Ｆｓ３との和よりも大きい状態であれば、冷却液制御弁１の開き状態が維持されるためである。

可動状態の電動ポンプ３１に対し、第２流路４２に緊急性の高い流体要求がある場合は、既に冷却液制御弁１（流通孔１１ａ）から第２流路４２の冷却系部品３６に小量の流体が供給されている。この場合は、制御部３７は、可動中の電動ポンプ３１のＤｕｔｙ（出力）を予め設定された状態に高める制御を行う（図６）。これにより、弁体１１が開き状態に移行し、冷却液制御弁１を介して第２流路４２のヒータコア３３に流体が供給される。

冷却水はエンジン２１の内部で加熱後、ラジエータ２３により冷却され、サーモスタットバルブ２６を経由して電動ポンプ３１によって循環する。エンジン２１が低温時には、サーモスタットバルブ２６が閉じ状態となる。暖房作動時には、エンジン２１の内部で加熱された冷却水は、流体圧によって開き状態に維持された冷却液制御弁１を経由してヒータコア３３に供給され、室内が暖められる。ヒータコア３３で冷却された冷却水は、サーモスタットバルブ２６を経由して電動ポンプ３１により循環する。

このように、弁体１１及び弁座１４の一方を磁性体で形成し他方に磁石を備えるので、磁石の吸引力とコイルスプリング１７の付勢力とを利用して弁体１１は閉じ状態に維持することができる。また、流体制御装置２０は、電動ポンプ３１と、電動ポンプ３１の出力を制御する制御部３７とを備えるので、冷却液制御弁１は電動ポンプ３１からの流体圧を利用して開き状態に移行することができる。

弁体１１が、磁石の吸引力と電動ポンプ３１からの流体圧とを利用して開閉されるため、ソレノイドバルブとは異なり、開閉動作において電力が不要となる。これにより、流体制御装置２０の消費電力の低減が図られて、燃費の向上が可能となる。また、冷却液制御弁１は、ソレノイドを含む磁気回路が不要となるため、冷却液制御弁１の小型化が可能となり、製造コストも低減する。

車両走行時等において、例えば運転者によるデフロスタ要求が操作される場合は、窓ガラスが曇った場合等であって視界確保のため、緊急性の高い状況にある。この場合には、制御部３７によって図７に示すフローチャートに基づく制御が行われる。まず、デフロスタ要求の有無が確認され（♯０１）、デフロスタ要求が確認されれば（Ｙｅｓ）、電動ポンプ３１のＤｕｔｙ制御（♯０２）を行う（Ｄｕｔｙを予め設定した状態まで高める）。
これを受けて、弁体１１が流体圧を受けて開き状態となったか否かがエンジン２１の冷却水温度等に基づいて確認される（♯０３）。

デフロスタ要求の有無が確認され（♯０１）、デフロスタ要求が確認されなければ（Ｎｏ）、電動ポンプ３１のＤｕｔｙは維持される（♯０４）。その後、エンジン２１内の冷却水温度が所定温度Ｔ１以上か否かが確認され（♯０５）、所定温度Ｔ１以上になると電動ポンプ３１のＤｕｔｙ制御（＃０２）を行う（Ｄｕｔｙを予め設定した状態まで高める）。

このように、電動ポンプ３１のＤｕｔｙ制御により、弁体１１が、閉じ状態から開き状態に移行可能に構成されていると、必要に応じてエンジン２１への早急な流体供給が可能となり、冷却液制御弁１の操作性が向上する。なお、運転者による上述の緊急要求はデフロスタ要求に限定されず、暖房等のヒータ要求であってもよい。

〔第２実施形態〕
本実施形態の流体制御装置２０では、図８に示すように、弁体１１は小流量用の流通孔を有しない。この場合、停止状態の電動ポンプ３１に対し、第２流路４２から緊急性の高い流体の供給要求があった場合には、第１実施形態において説明した図５と同様の制御が行われる。すなわち、停止状態の電動ポンプ３１に対し、制御部３７は、閉じ状態にある弁体１１を開き操作する際に、電動ポンプ３１を始動して制御Ｄｕｔｙを予め設定された状態まで出力を高める。

一方、図９に示すように、可動状態の電動ポンプ３１に対し、第２流路４２から緊急性の高い流体の供給要求があった場合は、電動ポンプ３１からの流体は既に例えば冷却液制御弁１近くのエンジン部分に形成されたバイパス流路を介して他の冷却系部品３６に供給されている。この場合は、制御部３７は、低めに設定された電動ポンプ３１の制御Ｄｕｔｙを予め設定された状態まで高める。そうすると、弁体１１が開き状態に移行し、冷却液制御弁１を介して第２流路４２のヒータコア３３に流体が供給される。

〔他の実施形態〕（１）上記の実施形態では、冷却液制御弁１において流入ポート６と流出ポート７とが直線状に設けられた例を示したが、図１０に示すように、流入ポート６と流出ポート７とが直交する冷却液制御弁１であってもよい。

（２）上記の実施形態では、冷却液制御弁１がヒータコア３３への第２流路４２に配置された例を示したが、冷却液制御弁１が第２流路４２とラジエータ２３への第１流路４１との両方に流体を供給する構成であってもよい。

（３）上記の実施形態では、流体制御装置２０をエンジン２１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弁として適用してもよい。

本発明に係る流体制御装置は、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冷却液制御弁
１１弁体
１１ａ流通孔
１４弁座
１７コイルスプリング
２０流量制御装置
２３ラジエータ
３３ヒータコア
３６冷却系部品
３１電動ポンプ
３７制御部
４１第１流路
４２第２流路
Ｆｍ１、Ｆｍ２、Ｆｍ３磁石の吸引力
Ｆｓ１、Ｆｓ２、Ｆｓ３付勢機構の付勢力
Ｆｗ１、Ｆｗ２、Ｆｗ３流体力（流体圧による力）

Claims

流体の流路に設けられ、当接・離間して流体の流通を制御するよう、一方を磁性体で形成し他方に磁石を備えた弁体および弁座と、
前記弁体を前記弁座の側に付勢する付勢部材と、
前記流路に流体を流通させる電動ポンプと、
前記弁座に当接して閉じ状態にある前記弁体を開き操作する際に、前記電動ポンプの出力を予め設定した状態に所定時間継続して高める制御を行って前記弁体を開き状態にし、当該所定時間経過後に前記電動ポンプの出力を予め設定した前記状態よりも低い状態に制御する制御部と、を備えた流体制御装置。
前記電動ポンプからラジエータを経由して流体が流通する第１流路と、
前記電動ポンプから前記ラジエータを介さずにヒータコアを経由して流体が流通する第２流路と、を備え、
前記第２流路に流体要求が発生した際に、前記制御部が前記電動ポンプの出力を高める請求項１に記載の流体制御装置。
前記第２流路に流体要求があり、且つ前記弁体が閉じ状態のとき、前記制御部が前記電動ポンプの出力をさらに高める請求項２に記載の流体制御装置。
前記制御部は、前記弁体が開き状態のときに、前記弁体に作用する流体力が、前記弁体に作用する前記磁石の吸引力と前記付勢部材の付勢力との和よりも大きくなるように前記電動ポンプの出力を制御する請求項１から３のいずれか一項に記載の流体制御装置。