JP6422236B2

JP6422236B2 - 電動ウォータバルブ

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Publication number: JP6422236B2
Application number: JP2014101237A
Authority: JP
Inventors: 真典梅野; 秀彦小屋敷; 善生堀越; 成敏宮田
Original assignee: Yamada Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Yamada Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2018-11-14
Anticipated expiration: 2034-05-15
Also published as: JP2015218775A

Description

本発明は、自動車のエンジンを冷却するためのウォータポンプと共に使用するバルブであって、モータによって球状弁を回動させて冷却水の流れを切り替える電動ウォータバルブに関する。

従来、自動車のエンジンを冷却するための冷却循環回路に冷却水を循環させるためのウォータポンプとウォータバルブが使用されている。エンジンを冷却する冷却循環回路には、ラジエータとバイパス流路が備わっている。そして、エンジンの始動直後は、冷却水はラジエータを流れず、バイパスを流れてエンジンを冷却し、その後、エンジンが温まるとバイパスを流れずラジエータを流れてエンジンを冷却する。

前述した、バイパスとラジエータにおける冷却水の流れの切換えは、ウォータバルブが行う。このウォータバルブは、種々のタイプが存在し、特に弁部材として外周を円形状とし、バルブハウジング内で、モータにより回動制御される弁部材を有する電動バルブが存在している。

バルブハウジングに内装された弁部材は、バルブハウジングの流入部との間にシール部材が装着されている。シール部材は、バルブハウジングの内部と弁部材との間の冷却水の流れ及び遮断を確実なものとする役目をなす。この種のバルブとして、特許文献１が存在する。特許文献１では、弁部材は円筒形状であるが、弁部材の形状としては球体としたものも存在している。

実公平２−２０５４１号公報

しかし、何れの弁部材にも前述したように、ハウジングの流入部との間にシール部材が必要であり、必ず装着されている。このシール部材は前述したように、弁部材の水密性を維持するものであるため、弁部材に対して押し付けるように強い押圧力で当接させている。その結果、弁部材が冷却水の流入動作を遮断又は流入状態に切り換えるために回動を行う際には、シール部材の押付け力によって、大きな力が必要となる。

そのために、弁部材を回動させるためのモータは、より強力なものを必要とし、外形も大きくなってしまい、バルブ装置の大型化、高消費電力となってしまう。このような問題点に対処すべく、種々のシール部材が開発されているが、シール部材の構造が複雑であったり、或いは複数の部材から構成されたものとなる等、極めて高価なものとなっている

また、シール部材の押付け力に抗して弁部材を回動させることにより、シール部材の弁部材との当接面に大きな摩擦力がかかり、シール部材の弁部材に対する当接面は早期に摩耗してしまうという欠点も存在する。このように、従来技術には、様々な問題点が存在している。

そこで、本発明の目的（解決しようとする技術的課題）は、球状弁によって複数の流入流路を適宜切り換える構成とした電動ウォータバルブにおいて、球状弁を流入する冷却水の水密性を維持するためのシール部材を備えつつ、該シール部材による球状弁の回動動作を妨げることなく、モータの省力化及び小型化を実現することができる電動ウォータバルブを提供することにある。

そこで、発明者は、上記課題を解決すべく、鋭意，研究を重ねた結果、請求項１の発明を、冷却水の水流方向上流側の流入部と下流側の流出部とを有するバルブハウジングと、該バルブハウジング内に回動可能に配置され、弁流入部と弁流出部とを有し且つモータにて回動する球状弁と、円筒本体の内周面より該円筒本体の直径中心に向かって膨出する円周状の主リップと該主リップと同心円で且つ円筒本体の内周面より該円筒本体の直径中心に向かって膨出し、前記主リップの内径よりも大きい円周状の副リップとを有するシール部材とを具備した電動ウォータバルブにおいて、前記バルブハウジング内にて前記流入部と前記球状弁との間に前記シール部材が配置され、前記シール部材の主リップ及び副リップが前記球状弁に当接すると共に該球状弁と前記シール部材の主リップと副リップとの間に円周状の空隙溜り部が形成され、前記球状弁に対する前記主リップの押圧力は、前記球状弁に対する前記副リップの押圧力より大きい電動ウォータ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、請求項１において、前記主リップの背面側で且つ冷却水の水流方向上流に水流方向に対向する受圧面が形成され、前記球状弁による冷却水の遮断時では、前記受圧面に高水圧が作用しつつ前記主リップの前記球状弁に対する押圧力は大とされ、前記球状弁における弁流入部への冷却水の流入時では、前記空隙溜り部に冷却水が流入することにより該空隙溜り部内に水圧が発生することで、前記主リップの前記球状弁に対する押圧力は小とされてなる電動ウォータ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、請求項１又は２において、前記シール部材が２箇所に配置されると共に両該シール部材は前記球状弁の直径方向両側に対向配置される構成としてなる電動ウォータバルブとしたことにより、上記課題を解決した。

請求項１の発明では、前記バルブハウジング内にて流入部と前記球状弁との間に前記シール部材が配置され、該シール部材の前記主リップが前記球状弁に当接すると共に前記球状弁と前記シール部材の主リップと副リップとの間に円周状の空隙溜り部が形成される構成としたことにより、球状弁が回動して、シール部材が、弁流入部と交わることにより、空隙溜り部に冷却水が流入し、空隙溜り部内に冷却水が溜まる。

これによって、空隙溜り部内に溜まった冷却水が流入部から球状弁内に流入する水圧に抗して主リップが球状弁を押圧する力を僅かに減少させ、これによって、球状弁は、僅かの力で回動可能となり、モータも力の小さい小型としたものを使用することができる。

請求項２の発明では、球状弁が安定した状態で回動し、バルブの制御を円滑に行うことができる。請求項３の発明では、前記シール部材が２箇所に配置されると共に両該シール部材は前記球状弁の直径方向両側に対向配置される構成としたことにより、球状弁が静止しているときには安定した水密性を得ることができる。

（Ａ）は本発明の縦断側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＹ1−Ｙ1矢視断面図、（Ｃ）は（Ｂ）の（α）部拡大図、（Ｄ）は（Ｃ）の（β）部拡大図である。（Ａ）はバルブハウジングの分解縦断側面図、（Ｂ）は球状弁と第１シール部材と第２シール部材の分離した斜視図である。（Ａ）は第１シール部材の拡大縦断側面図、（Ｂ）は（Ａ）の（γ）部拡大図である。（Ａ）は第２流入部と球状弁の第２弁流入部とが連通した状態のバルブハウジングの要部縦断正面図、（Ｂ）は第１流入部と球状弁の第１弁流入部とが連通した状態のバルブハウジングの要部縦断正面図、（Ｃ）は本発明の電動ウォータバルブが使用されたエンジン冷却循環回路図である。（Ａ）乃至（Ｃ）は本発明の球状弁の回動動作におけるシール部材の動作を示す要部拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明の構成は、主に、図１乃至図３に示すように、バルブハウジング１、球状弁２、駆動軸３、第１シール部材４、第２シール部材５とから構成される。バルブハウジング１は、ハウジング本体１Ａに前記球状弁２が収納される弁収納室１ａを有し、該弁収納室１ａと、バルブハウジング１の外部とを連通する第１流入部１１，第２流入部１２，流出部１３を有している。

第１流入部１１と第２流入部１２は、前記ハウジング本体１Ａに対して別部材としたものであり、第１流入部１１は、管路部１１ａとフランジ部１１ｂとシール取付部１１ｃとから構成される。管路部１１ａは、冷却水循環流路の管と接続するものであり、フランジ部１１ｂは、ハウジング本体１Ａの第１流入開口１ｂ周囲とビス等の固着具を介して接続させる役目をなす。シール取付部１１ｃは、後述する第１シール部材４が装着される管状の部位である。

また、第２流入部１２は、前記第１流入部１１と同様の構成であり、管路部１２ａとフランジ部１２ｂとシール取付部１２ｃとから構成される。管路部１２ａは、冷却水循環流路の管と接続するものであり、フランジ部１２ｂは、ハウジング本体１Ａの第２流入開口１ｃ周囲とビス等の固着具を介して接続させる役目をなす。シール取付部１２ｃは、後述する第２シール部材５が装着される管状の部位である。

また、流出部１３もハウジング本体１Ａと別部材となっており、管路部１３ａとフランジ部１３ｂとから構成される。管路部１３ａは、冷却水循環流路の管と接続するものであり、フランジ部１３ｂは、ハウジング本体１Ａの流出開口１ｄ周囲とビス等の固着具を介して接続させる役目をなす。

前記第１流入部１１と前記第２流入部１２とはハウジング本体１Ａの流出部１３に対して直径方向両側に位置するように配置される構成となっている。また、流出部１３は、前第１流入部１１と第２流入部１２とのいずれに対しても直角方向となるように構成されるものである。

球状弁２は，球体の直径方向両側が平坦状に切断されたような形状で、その外形は、略ビール樽状とした球状面２Ａを有するものとなっている。球状弁２の内部は中空状である。そして、球状弁２の両端の切断面形状である両非球面部同士を結ぶ方向を軸方向とし、この軸方向に沿って、駆動軸３が球状弁２に固着され、該球状弁２の球状面が前記駆動軸３の周方向に沿って回動する。

球状弁２の軸方向の一端側には、平坦状の閉鎖面とした軸支板２４が形成され、該軸支板２４に駆動軸３の軸方向中間箇所が軸支されている。球状面２Ａには、第１弁流入部２１と、第２弁流入部２２と、弁流出部２３が形成されている。第１弁流入部２１と第２弁流入部２２は球状面２Ａの回動する周方向に沿って所定間隔をおいて形成される。

また、球状弁２の軸方向に沿う一方の軸支板２４に対して、他方側に弁流出部２３が形成されている。第１流入部１１と第２弁流入部２２と弁流出部２３とは、連通しており、球状弁２の内部では三方向に分岐する流路が形成される

第１シール部材４及び第２シール部材５について説明する。第１シール部材４と第２シール部材５とは、同一形状なので、主に第１シール部材４について説明する。第１シール部材４は、ゴム材，弾性を有する合成樹脂材によって形成されたものである。例えば、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）或いはＨＮＢＲ（水素化ニトリルゴム）等である。

第１シール部材４は、扁平円筒状で且つ環状に形成されたものであり、円筒本体４Ａの直径中心を通る軸芯線の一方側を弁当接側４ａとし、他方側を流入側４ｂと称する。弁当接側４ａは、球状弁２の球状面２Ａに当接する部位であり、流入側４ｂはハウジング本体１Ａとは別部材とした第１流入部１１の管路部１１ａに装着する部位である。

弁当接側４ａには、円周状の主リップ４１と、円周状の副リップ４２とが形成されている。主リップ４１と副リップ４２とは、円筒本体４Ａの直径中心に向かって円周状に膨出する部分であり、主リップ４１と副リップ４２は、円筒本体４Ａと共に同心円となる。つまり、主リップ４１と副リップ４２は、円筒本体４Ａの直径中心は全て同一位置にある。

主リップ４１は、最も内周側に位置しており内径が小さい。副リップ４２は、主リップ４１の外周側に位置し、主リップ４１の内径よりも大きい。主リップ４１と副リップ４２との間には、円筒本体４Ａの周方向に沿う円周状の凹状部４３が形成される。また、前記主リップ４１の軸芯方向の反対面は、受圧面４４が形成されている。

該受圧面４４は、軸芯方向に対して略直交する面である。主リップ４１，副リップ４２及び凹状部４３には、低摩擦面となる加工が施された被覆層４ｃが形成されることもある。該被覆層４ｃは、低摩擦を生み出す素材が使用され、例えば、ＰＴＦＥのようなフッ素樹脂シートである。

主リップ４１及び副リップ４２は、具体的には、円筒本体４Ａの弁当接側４ａにおいて共に直径中心に向かって膨出する部位で且つ周方向に直交する断面形状が略階段状に形成されている。そして、主リップ４１は、円筒本体４Ａの内周の、最も内方側の角部及びその近傍の範囲であり、副リップ４２は外方側の角部及びその近傍の範囲である。主リップ４１及び副リップ４２は、略円弧状の角部であるが、直角状の角部としてもかまわない。

第２シール部材５についても、前記第１シール部材４の構成と同様であり、円筒本体５Ａの直径中心を通る軸芯線の一方側を弁当接側５ａとし、他方側を流入側５ｂと称し、弁当接側５ａは、球状弁２の球状面２Ａに当接する部位であり、流入側５ｂはハウジング本体１Ａとは別部材とした第２流入部１２の管路部１２ａに装着する部位である。

弁当接側５ａには、円周状の主リップ５１と副リップ５２とが形成され、主リップ５１と副リップ５２との間には、円周状の凹状部５３が形成される。また、前記主リップ５１の軸芯方向の反対面は、受圧面５４が形成されている。主リップ５１，副リップ５２及び凹状部５３にも低摩擦面となる加工が施された被覆層５ｃが形成されることもある。

本発明では、バルブハウジング１の弁収納室１ａに、駆動軸３にて球状弁２が回動可能に配置され、第１流入部１１の管路部１１ａが第１シール部材４の流入側４ｂに挿入され、第１流入部１１がハウジング本体１Ａの第１流入開口１ｂに装着され、第１流入部１１のフランジ部１１ｂと、ハウジング本体１Ａとがビス等の固着具にて固着される。

同様に、第２流入部１２の管路部１２ａが第２シール部材５の流入側５ｂに挿入され、第２流入部１２がハウジング本体１Ａの第２流入開口１ｃに装着され、第２流入部１２のフランジ部１２ｂと、ハウジング本体１Ａとがビス等の固着具にて固着される。また、駆動軸部３の一部は、バルブハウジング１から突出する。そして、バルブハウジング１から突出した駆動軸３は、ギヤハウジング内の歯車機構部及びモータを介して、所定角度に回動し球状弁２を回動制御する。

上記のように構成された電動ウォータバルブにおいて、第１シール部材４の弁当接側４ａと、第２シール部材５の弁当接側５ａは、球状弁２の球状面２Ａに面して当接する。そして、第１シール部材４の主リップ４１と、第２シール部材５の主リップ５１は、それぞれ球状面２Ａに略密着状に当接する。この密着状の当接は円周状となる。

また、第１シール部材４と第２シール部材５のそれぞれの副リップ４２，５２は、当接又は近接する状態となっていて、主リップ４１，５１は、球状弁２の球状面２Ａに対する押圧力が、副リップ４２，５２の球状弁２の球状面２Ａに対する押圧力より大きくなるように設定されている。前記副リップ４２，５２が球状弁２の球状面２Ａに近接する場合は、略当接状態であるが、単なる接触で、相互に圧力がかからない状態である。また、近接には、副リップ４２、５２と球状弁２の球状面２Ａとの間に微小隙間を有する構成とすることも含まれる。

第１副リップ４２及び第２副リップ５２は、前記球状弁２に当接可能とすることで、空隙溜り部Ｓに冷却水を溜めやすく、該空隙溜り部Ｓ内の冷却水の圧力を高くして、球状弁２と、第１主リップ４１及び第２主リップ４２との当接圧力を弱くすることができる。また、第１副リップ４２及び第２副リップ５２は、前記球状弁２に近接可能とすることにより、空隙溜り部Ｓに冷却水を溜めやすく、且つ冷却水の流れが遮断されたときには、空隙溜り部Ｓから容易に冷却水を排出できる。

また、第１シール部材４と球状面２Ａとの当接箇所では、主リップ４１と、副リップ４２と、両者の間の凹状部４３とによって、空隙溜り部Ｓが形成される。該空隙溜り部Ｓは、円周管状の空隙室である。同様に第２シール部材５と球状面２Ａとの当接箇所では、主リップ５１と、副リップ５２と、両者の間の凹状部５３とによって、空隙溜り部Ｓが形成される。第１シール部材４側の空隙溜り部Ｓは、主リップ４１と副リップ４２との間に位置する。同様に、第２シール部材５の空隙溜り部Ｓは、主リップ５１と副リップ５２との間に位置する。

球状弁２が収納されたバルブハウジング１には、ギヤハウジング６及びモータ部７が接続されている。バルブハウジング１に収納された球状弁２を回動させる駆動軸３の軸端部はバルブハウジング１から突出している。前記ギヤハウジング６には歯車機構部６１が備わっている。該歯車機構部６１は、具体的にはウォーム・ホィールギアであり、バルブハウジング１から外部に突出する駆動軸３の突出部分がホィールギアに接続される。そして、モータ部７の回動により、歯車機構部６１を介して球状弁２を回動させる。

次に、本発明における電動ウォータバルブの冷却水の流れの切換え動作時に第１シール部材４及び第２シール部材５の作用を説明する。図１（Ａ），（Ｂ），図４（Ａ），（Ｂ）図５（Ｂ），（Ｃ）における太線で描かれた矢印は、冷却水の流れを示すものである。本発明の電動ウォータバルブは、例えば図４（Ｃ）に示すようなエンジン冷却循環回路８に使用される。

エンジン８４の始動時には、電動ウォータポンプ８３によって循環する冷却水は、電動ウォータバルブによって、バイパス水路８１に冷却水が流れて循環する。そして、エンジン８４が温まると、前記バイパス水路８１が遮断されて、ラジエータ水路８２に冷却水が流れる。本発明の電動ウォータバルブは、バイパス水路５１とラジエータ水路８２との流れを切換え制御するものである。

ラジエータ水路８２は、バルブハウジング１の第１流入部１１に接続しており、バイパス水路はバルブハウジング１の第２流入部１２に接続している。そして、初期状態では第１流入部１１と、球状弁２の第１弁流入部２１とは連通しておらず、ラジエータ水路の冷却水は遮断され、球状弁２の内部に流入することができない〔図５（Ａ）参照〕。このとき、第２流入部１２と第２弁流入部２２とは連通しており、冷却水はバイパス水路とエンジンとの間を流れる。

次に、球状弁２がモータ部７によって、所定の角度を回動する。球状弁２が回動するに伴い、第１シール部材４に対しては第１弁流入部２１が近接し、第１シール部材４の副リップ４２と第１弁流入部２１とが交わり始める〔図５（Ｂ）参照〕。このとき、第１流入部１１から流入する冷却水の一部が空隙溜り部Ｓに流れ込む。空隙溜り部Ｓは、球状弁２の球状面２Ａと、第１シール部材４の主リップ４１と副リップ４２とによって囲まれた部分であり、空隙溜り部Ｓに流入する冷却水は次第に溜まる。

そして、窒隙溜り部Ｓに冷却水が流入することにより、空隙溜り部Ｓ内に水圧が発生する。第１流入部１１を流れる水の圧力Ｐａは、主リップ４１を球状弁２の球状面２Ａに押圧する方向に作用する。

そして、前記空隙溜り部Ｓの水の圧力Ｐｂとの差により、案際に主リップ４１が球状面２Ａを押圧する押圧力Ｐａ’は、

となる。

これによって、主リップ４１の球状面２Ａに対する押圧力Ｐａ’は減少し、球状弁２の回動は、小さい力にて回動することができる。

１…バルブハウジング、１１…第１流入部、１２…第２流入部、１３…流出部、
２…球状弁、２１…第１弁流入部、２２…第２弁流入部、２３…弁流出部、
７…モータ部、４…第１シール部材、５…第２シール部材、４１，５１…主リップ、
４２，５２…副リップ、Ｓ…空隙溜り部。

Claims

冷却水の水流方向上流側の流入部と下流側の流出部とを有するバルブハウジングと、該バルブハウジング内に回動可能に配置され、弁流入部と弁流出部とを有し且つモータにて回動する球状弁と、円筒本体の内周面より該円筒本体の直径中心に向かって膨出する円周状の主リップと該主リップと同心円で且つ円筒本体の内周面より該円筒本体の直径中心に向かって膨出し、前記主リップの内径よりも大きい円周状の副リップとを有するシール部材とを具備した電動ウォータバルブにおいて、前記バルブハウジング内にて前記流入部と前記球状弁との間に前記シール部材が配置され、前記シール部材の主リップ及び副リップが前記球状弁に当接すると共に該球状弁と前記シール部材の主リップと副リップとの間に円周状の空隙溜り部が形成され、前記球状弁に対する前記主リップの押圧力は、前記球状弁に対する前記副リップの押圧力より大きいことを特徴とする電動ウォータバルブ。
請求項１において、前記主リップの背面側で且つ冷却水の水流方向上流に水流方向に対向する受圧面が形成され、前記球状弁による冷却水の遮断時では、前記受圧面に高水圧が作用しつつ前記主リップの前記球状弁に対する押圧力は大とされ、前記球状弁における弁流入部への冷却水の流入時では、前記空隙溜り部に冷却水が流入することにより該空隙溜り部内に水圧が発生することで、前記主リップの前記球状弁に対する押圧力は小とされてなることを特徴とする電動ウォータバルブ。
請求項１又は２において、前記シール部材が２箇所に配置されると共に両該シール部材は前記球状弁の直径方向両側に対向配置される構成としてなることを特徴とする電動ウォータバルブ。