JP6459787B2 - バルブ装置および流体制御装置 - Google Patents
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Description
ロータリ式バルブを用いたバルブ装置は、従来より種々の構成のものが実用に供されているが、その代表例として知られているものに、例えば特許文献1に記載のごときバルブ装置がある。
そこで、小型軽量化の有力な方策として、ロータリ式バルブ自体の弁構造を複数の弁部が弁体の回動軸線方向に沿って連なる多段構造とし、弁体を回動操作するためのアクチュエータを各弁部に対して共通化することで、ロータリ式バルブおよびアクチュエータを1個ずつにしたバルブ装置が提案されている。
しかしながら、このような方策では、バルブ装置全体としての小型軽量化が未だ不十分であり、更なる改善が希求されている。
(1)ロータリ式バルブは、前述のごとく、円筒状の弁体が回動することで、開口穴の開口面積を増減させる基本構造であるため、円筒状の弁体を軸方向に長くし、複数の弁部が回動軸線方向に連なる多段構造としただけでは、ロータリ式バルブの外形が大きくならざるを得ない。したがって、アクチュエータも、外形の大きいロータリ式バルブを回動操作する関係上、必然的に大きくならざるを得ない点である。
(2)つまり、上記構造のロータリ式バルブでは、円筒状の弁体が最大で1回転(360°)する間に所望の多段開閉制御を確立せねばならない関係上、各段における弁部の有効回動角度が段数に応じて自ずと制約される。これにより、所定の回動角度範囲内で各弁部に所望の流量が得られるよう、各開口穴の口径を大きくし流通面積を充分確保するためには、それだけ外径の大きい弁体、ハウジングを必要とし、結局、バルブ装置全体としての大型化を招くという問題点である。
(4)そこで、本発明者は、各段の開口穴の形状と多段構造の流路配置を工夫することで、ロータリ式バルブの基本的なメカニズムを変更することなく、径方向および軸方向の寸法を小さくし、バルブ装置全体の小型軽量化を図ることが可能な方策について探究した。
請求項1に記載の発明(バルブ装置)は、車両用エンジンの冷却制御装置を構成する流体制御装置に用いられるものであり、円柱状の弁体収容孔、およびこの弁体収容孔に対して径方向に配置され、異なる機器に流体を流通させる複数の通路部を有するハウジングと、弁体収容孔に回動自在に収納され、通路部を開閉制御する円筒状の弁体とを含むロータリ式バルブ、および、このロータリ式バルブに装着され、弁体を回動操作するアクチュエータとを備えており、
さらに、ロータリ式バルブは、流体を導入する導入口と前記通路部との間を開閉する弁部として、弁体の回動軸線方向に沿って連なる第1弁部と第2弁部とを有していることを基本構成としている。
本実施例では、本発明のバルブ装置および流体制御装置の代表的な適用例として、特に、車両用エンジンの冷却制御装置を例示している。
まずは、当該冷却制御装置の全体構成を図1に基づいて概説する。
オイルクーラOは、冷却水を媒体としてエンジンEの潤滑油と熱交換させるための熱交換器であり、ラジエータRは、冷却水を冷却するための熱交換器であり、ヒータHは、冷却水を熱源として車室内暖房をするための熱交換器である。
冷却水流路P1は、エンジンEからの冷却水をバルブ装置Vに導く流路であり、冷却水流路P2は、冷却水をオイルクーラOに供給するための流路であり、冷却水流路P3は、冷却水をラジエータRに供給するための流路であり、冷却水流路P4は、冷却水をヒータHに供給するための流路である。以下、これらの冷却水流路を、それぞれ第1流路P1、第2流路P2、第3流路P3、第4流路P4と呼称する。
次に、バルブ装置Vの具体的な構造について、図2および図4(a)を参照しながら順次説明する。
なお、以下の説明では、図の上側および下側を、便宜上「上方、上段」および「下方、下段」と呼称するが、かかる呼称は車両搭載時における天方向および地方向を意味しているものではない。
この通路部14は、第2〜第4流路P2〜P4に対応する3つの通路部14A、14B、14Cで構成され、このうち、2つの通路部14A、14Bが一段目をなす下段側に、残余の1つの通路部14Cが2段目をなす上段側にそれぞれ配設されている。
また、ハウジング11には、第1流路P1に接続され、冷却水を当該バルブ10内に導入するための共通流路部15が設けられている。
円筒部16は、上端側に閉塞部16Aを有し下端側に開口部16Bを有する縦断面逆U字形をなしており、閉塞部16Aで回動軸17に固定されている。そして、下端側の開口部16Bが、ハウジング11の共通流路部15と連通し、円筒部16内に冷却水を導入する導入口をなしている。なお、以下の説明では便宜上、この開口部16Bを、円筒部16の内部空間の総称としても使用することがある(図3〜図5参照)。
また、円筒部16には、後述する弁部30の要の構成要素をなす弁穴(下段側開口穴18および上段側開口穴19)が設けられている。
第1ポート33Aおよび第2ポート33Bは、ハウジング11の弁体収容孔13の内壁面に設けられ、下段側の2つの通路部14A、14Bの開口端を形成しており、弁体12(円筒部16)を挟んで対向するように配置されている。
また、第1弁穴34は、前述した下段側開口穴18のことで、2つの開口穴(第1開口穴34Aおよび第2開口穴34B)で構成され、弁体12の円筒部16に対してこれを貫通するとともに周方向に延展して形成されている。
なお、第1開口穴34Aおよび第2開口穴34Bは、円筒部16の円周方向に相互に離隔して形成されており、第1ポート33Aおよび第2ポート33Bと開閉する
第3ポート33Cは、ハウジング11の弁体収容孔13の内壁面に設けられ、上段側の残余の通路部14Cの開口端を形成している。
また、第2弁穴35は、前述した上段側開口穴19のことで、1つの長穴状開口穴35Aで構成されており、弁体12の円筒部16に対してこれを貫通するとともに周方向に幅広く(広角度に)延展して形成されている。
なお、このようなアクチュエータ20には、限定するものではないが、例えば、駆動源をなす正逆転可能なモータと、このモータの回転を減速して回動軸17に伝達する減速歯車装置とで構成される一般的な駆動機構を用いることができる。
次に、上記構成において、バルブ装置Vの基本作動を説明する。
この運転状態での冷却制御装置100の使命は、第1流路P1と第2流路P2および第3流路P3とを連通させ、エンジンEの冷却水をウォータポンプWによりオイルクーラOおよびラジエータRへ流通させるとともに、第1流路P1と第4流路P4とを遮断し、冷却水がヒータHへ流通しないようにすることにある。
そのため、バルブ10は、第1弁部31が開弁して2つの流路部14A、14Bを開閉制御するとともに、第2弁部32が閉弁し、残余の流路部14Cを遮断している。
つまり、第1弁部31では、弁体12の第1弁穴34とハウジング11の第1ポート33Aおよび第2ポート33Bとが重合しその開口面積を変化させることで、弁体12の開口部16Bから円筒部16内に導入される冷却水をオイルクーラOおよびラジエータRへ流通させる。第2弁部32では、弁体12の第2弁穴35(長穴状開口穴35A)がハウジング11の第3ポート33Cと一切重合せず、円筒部16内に導入された冷却水を第3ポート33Cへは一切供給しないため、ヒータHへ冷却水が送られることはない。
この運転状態での冷却制御装置100の使命は、第1流路P1とすべての循環流路である第2流路P2〜第4流路P4とを連通させ、エンジンEの冷却水をオイルクーラOおよびラジエータRに加え、ヒータHへも循環させるようにすることにある。
そのため、バルブ10は、第1弁部31が開弁して2つの流路部14A、14Bへの冷却水量を制御するとともに、第2弁部32も開弁して残余の流路部14Cへの冷却水量を制御する。
つまり、第1弁部31では、弁体12の第1弁穴34とハウジング11の第1ポート33Aおよび第2ポート33Bとの開口面積を変化させることで、弁体12の開口部16Bから円筒部16内に導入される冷却水をラジエータRおよびオイルクーラOへ流通させる。同時に、第2弁部32では、弁体12の第2弁穴35がハウジング11の第3ポート33Cと重合するため、その開口面積を変化させることで、円筒部16内に導入された冷却水をヒータHへも供給する。
ここで、上記の2つの運転状態に適合する冷却水制御を実行させるためには、バルブ10に構築する弁部30の構造を工夫する必要がある。かかる弁部構造の一例を図4および図5も参照しながら概説する。
そのためには、第1弁部31では、時計回りT1、反時計回りT2の両回動方向でオイルクーラOおよびラジエータRへの流路を開閉制御することができるようにするとともに、第2弁部32は、例えば反時計回りT2のみの1回動方向でヒータHへの流路を開閉制御できるようにすることが肝要となる。
また、第2弁部32では、弁体12の第2弁穴35として1つの長穴状開口穴35Aが円筒部16に設けられている。特に、この長穴状開口穴35Aは、反時計回りT2のみの1回動方向で、ハウジング11側の第3ポート33Cと長く連通し、ヒータH用の流路P4を全開状態に保持できるように、周方向に広い回動角度範囲(例えば180°)にわたって形成されている。
かくして、バルブ10を時計回りT1に回動操作することで、冷却制御装置100において〔第1運転状態〕に適合した冷却水制御機能を得ることができる。
そして、第2弁部32は、開口穴35Aが長穴状に形成されており、全開状態に達した後も全開状態を持続する。よって、第4開弁状態(c)→第5開弁状態(d)へと開弁状態が移行しても、全開状態のままである。これにより、ヒータH用の第4流路P4が形成され続ける。
かくして、バルブ10を反時計周りT2に回動操作することで、冷却制御装置100において〔第2運転状態〕に適合した冷却水制御機能を得ることができる。
また、上記の2つの運転状態に対して実用的に適合させるためには、制御上次の3つの条件がバルブ10に課せられる。
○第1には、開閉タイミングが近い弁部間においては開弁開始位置の間隔(回動角に相当する)にできるだけ余裕を持たせ得ること(以下、「余裕度条件」と呼ぶ)。
つまり、各構成部品には製作誤差、交差等による寸法のバラツキが必然的に伴なうことから、このバラツキを吸収するためには、上記間隔に余裕度を必要とする。
○第2には、複数の機器に対して冷却水を熱媒体として有効活用するための開弁順序に制約が伴なうこと(以下、「開弁順序条件」と呼ぶ)。
例えば、ラジエータRへの流路は冷却水を冷却させるためであることから、最後に開弁させることが望ましい。
○第3には、配管の関係でオイルクーラOとラジエータRとに流れる冷却水量の総和を一定にすること(以下、「流量一定条件」と呼ぶ)。
そして、実線の特性がヒータH用の開弁特性V1、破線の特性がオイルクーラO用の開弁特性V2、1点鎖線の特性がラジエータR用の開弁特性V3を、それぞれ示している。
そして、第1には、時計回りT1の開弁特性V2の開弁開始位置S2と反時計回りT2の開弁特性V1の開弁開始位置S1とが重なることがないように、両位置S1、S2間には所要の間隔(回動角)αが設定されている。また、反時計回りT2において、開弁特性V2の開弁開始位置S3と開弁特性V1の開弁終了位置F1とが重なることがないように、両位置S3、F1間には所要の間隔(回動角)βが設定されている。かくして、第1の「余裕度条件」を満足している。
さらに、第3には、時計回りT1、反時計回りT2の両回動方向において、開弁特性V2と開弁特性V3とが、開弁率Yが反比例するように交差している。したがって、オイルクーラOとラジエータRとを流れる冷却水の流量の総和は一定となる。かくして、第3の「流量一定条件」を満足している。
この特徴点3は、上記の特徴点1、2を効果的に実現するための基礎をなすもので、弁部30に設ける開口穴の形状を工夫し、各開口穴の回動方向に対する展開形状を四角形にした点にある。
弁体12において、第1、第2の弁穴34、35に設ける開口穴は、いずれも、図3(b)、(c)に示す楕円形状の丸穴34C、長穴35Bや真円形状の穴34D、35Cではなく、図3(a)に示すごとき四角形状、とりわけ、その代表形である四隅がピン角(直角)を有する四角形にしている。そして、第2の弁穴35は、回動角度範囲(開口角)を大きく必要とする長穴であるため、長方形状の長穴35Aに形成せざるを得ないが、第1の弁穴34は、2つの開口穴の回動角度範囲(開口角)がいずれも小さいため、第1開口穴34Aおよび第2開口穴34Bを共に正方形に形成することができる。もっとも、第2の弁穴35側においても、長方形状長穴35Aとはいえ、全閉から全開に至る回動範囲XAの領域を正方形にすることができる。
なお、ハウジング11側のポート33A〜33Cは、図示を省略しているが、いずれも同一形状でかつ小さな開口角で良いため、四角形として、いずれも、第1開口穴34Aおよび第2開口穴34Bと同様に正方形に形成することができる。
これに対し、矩形状の場合には、回動角度Xに応じてハウジング11側のポート33A〜33Cと重合する形状の変化が一定で、単位回動角あたりの開口面積が一定量で増大していくため、小さい回動角度Xaで全開状態(Y=100%)に到達する直線的な特性Aが得られる。
〔利点1〕
開口穴1つ当たりの円周方向スペース、つまり、全閉状態(Y=0°)〜全開状態(Y=100°)に要する回動角度Xaを小さくすることができ、弁体12(円筒部16)の1回転(360°)を有効活用して、複数の開口穴を開閉させることができる。
また、小さな回動角度Xaは、時間軸に換算すると開閉に要する時間を短縮できるため、制御スピードを高めることができる。
〔利点2〕
円筒部16の円周方向に複数の開口穴を容易に設けることができることにより、弁部30を時計回りT1と反時計回りT2との両方向に回動させて流路を制御することが可能となる。
また、弁部30を多段構造に構築しても、「余裕度条件」を満足し、各段部31、32の開弁開始位置がオーバーラップする事態を回避することができる。
上述した実施例1によるバルブ装置Vにおいては、次のような作用効果を奏する。
四角形状の開口穴は、単位回動角あたりの開口面積変化量が一定で、小さい回動角度で大きな流通面積を確保することが可能となるため、1回転(360°)を有効活用して異なる流路の開閉制御を実行させることができる。したがって、バルブ10の径方向寸法を小さくすることが可能である。
(2)特に、四隅がピン角(直角)の四角形にすることにより、開弁開始直後からの単位回動角あたりの開口面積を最大にすることができ、開口穴1つ当たりの円周方向スペースを最小にすることができる。四角形のなかでも、とりわけ正方形は、最小の周囲長で最大の面積を確保できる形状であるため、すべての開口穴について全閉から全開に至る回動範囲XAの領域を正方形状に形成することで、開口穴1つ当たりの円周方向スペースの最小化をより一層促進することができる。
(3)第1弁部31の開弁開始位置と第2弁部32の開弁開始位置とを周方向において重畳させることなく容易にずらせることができ、これを活用して、各段の流路配置構成を工夫している。具体的には、第1弁部31において少なくとも2つの流路P2、P3を制御し、第2弁部32で他の流路P4を独立に制御しており、軸方向に圧縮した流路配置構成を実現している。したがって、バルブ10の軸方向寸法を小さくしながら、多数の流路の開閉制御を達成することができる。
(4)また、バルブ10を時計方向T1と反時計方向T2との両回動方向に操作することで流路制御することができるため、バルブ10の径方向および軸方向の両寸法を一層小さくすることができる。
(5)上述のごとくバルブ10を小型にすることができるため、当該バルブ10を回動操作するアクチュエータ20も必然的に小容量で外形の小さい小型軽量のものにすることができる。
(6)かくして、軸方向および径方向の外形を小さくしながら、多数の流路の開閉制御を達成することができる小型軽量のバルブ装置Vを提供することができる。
以上、本発明を一実施例について詳述してきたが、本発明の精神を逸脱しない範囲で種々変形することが可能であり、他の実施形態としてその変形例を例示する。
(2)実施例1では、代表的な四角形として、四隅がピン角(直角)を有する四角形にしたが、四隅には必要な面取りを施しても良い。
(3)また、弁部30の段数、各段の通路数や通路部の配置についても、実施例1に何ら限定されるものではなく、用途や制御態様に応じて種々変更することができることは勿論である。
Claims (5)
- 円柱状の弁体収容孔(13)およびこの弁体収容孔に対して径方向に配置され、異なる機器(O、R,H)に流体を流通させる複数の通路部(14、14A、14B、14C)を有するハウジング(11)と、前記弁体収容孔に回動自在に収納され、前記通路部を開閉制御する円筒部(16)を有する弁体(12)とを含むロータリ式バルブ(10)、および、前記ロータリ式バルブに装着され、前記弁体を回動操作するアクチュエータ(20)、を備え、車両用エンジン(E)の冷却制御装置を構成する流体制御装置(100)に用いられるバルブ装置(V)において、
前記機器として、少なくとも前記エンジン(E)の冷却水を冷却するラジエータ(R)と、前記冷却水を車室内暖房の熱源とするヒータ(H)とを備えており、
少なくとも前記冷却水を前記ラジエータに流通させるとともに前記ヒータへ流通させない第1運転状態と、前記冷却水を前記ラジエータに流通させるとともに前記ヒータへも流通させる第2運転状態とを有し、
前記ロータリ式バルブは、前記弁体の円筒部内に流体を導入する導入口(16B)と、この導入口と前記通路部との間を開閉する弁部(30)として、前記弁体の回動軸線方向に沿って連なる第1弁部(31)および第2弁部(32)とを有しており、
前記第1弁部は、前記弁体収容孔の内壁面に設けられ、少なくとも2つの前記通路部(14A、14B)の開口端を形成する第1ポート(33A)および第2ポート(33B)と、前記弁体に前記円筒部を貫通するとともに周方向に延展して形成され、前記導入口と前記第1ポートおよび第2ポートとを開閉する第1弁穴(34、34A、34B)とを備えており、
前記第2弁部は、前記弁体収容孔の内壁面に設けられ、他の前記通路部(14C)に接続される第3ポート(33C)と、前記弁体の円筒部を貫通するとともに周方向に延展して形成され、前記導入口と前記第3ポートとを開閉する第2弁穴(35、35A)とを備えており、
前記第1弁部のすべての開口穴は、回動方向に対する展開形状が四角形を呈していることを特徴とするバルブ装置(V)。 - 請求項1に記載のバルブ装置(V)において、
前記第2弁部のすべての開口穴も、回動方向に対する展開形状が四角形を呈していることを特徴とするバルブ装置(V)。 - 請求項1または請求項2に記載のバルブ装置(V)において、
前記第1弁部は、前記第1弁穴として、前記円筒部の円周方向に相互に離隔して形成され、それぞれ前記第1ポートおよび第2ポートと開閉する第1開口穴(34A)および第2開口穴(34B)を有していることを特徴とするバルブ装置(V)。 - 請求項3に記載のバルブ装置(V)において、
前記弁体は、前記アクチュエータにより時計回り(T1)と反時計回り(T2)との2方向に回動操作されるものであり、
前記弁体の時計回りにおける前記第1弁部の開弁開始位置(S2)と、前記弁体の反時計回りにおける前記第2弁部の開弁開始位置(S1)とが、周方向において相互に離隔して設けられていることを特徴とするバルブ装置(V)。 - 請求項1〜請求項4のいずれかに記載のバルブ装置(V)を用いる前記流体制御装置(100)であって、
この流体制御装置は前記エンジン(E)の冷却制御装置を構成するもので、
前記機器として、前記エンジン(E)の潤滑油を前記冷却水と熱交換させるオイルクーラ(O)を備えており、
前記ロータリ式バルブには、
前記導入口に前記エンジンからの冷却水を導入するとともに、前記第1弁部の前記第1ポートおよび第2ポートに対して、前記オイルクーラおよび前記ラジエータをそれぞれ接続し、前記第2弁部の前記第3ポートに対して、前記ヒータを接続することを特徴とする流体制御装置(100)。
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