WO2012060188A1 - 流体制御弁 - Google Patents

Abstract

　流体を流入させる流入路と、流体を流出させる流出路と、弁座と、弁座と当接・離間することにより流入路と流出路の間を遮断・連通させる弁体と、通電により発生する磁力を弁体に作用させるソレノイドと、を備えている。流入路がソレノイドのコアに貫通形成され、流入路においてコアと流体とが接触するように構成した。

Description

流体制御弁

　本発明は、流体制御弁、特に、車両の冷却水の流れを制御する流体制御弁に関する。

　従来、車両にはエンジン等の内燃機関を冷却するための冷却水をエンジン等とラジエータの間を循環させる冷却装置が搭載されている。また、このような冷却装置には、冷却水の温度を制御するために、冷却水の流れを制御する流体制御弁が備えられているものもある。

　例えば、特許文献１にはこのような流体制御弁としての電子制御サーモスタットが開示されている。この特許文献１の電子制御サーモスタットは、弁体を開閉作動させるピストンを有するサーモエレメントが備えられており、ラジエータ出口側の冷却水の温度をサーモエレメントのエレメント感温部に伝達し、弁体の開閉を実現している。これにより、冷却水の温度を検知するセンサ等を備えることなく、弁体の開閉を行うことができる。

　しかし、特許文献１の電子制御サーモスタットでは、エンジンによって加熱された冷却水の熱が感温室から放熱され、エレメント感温部に十分な熱が伝達されないおそれがある。その場合には、弁体の開弁が遅れ、好ましくない。

　このような問題を解決するために、特許文献２の電磁弁を流体制御弁に使用することも考えられる。特許文献２の電磁弁では、コイル内部に可動コアが配設され、コイルに通電することにより可動コアを移動させ、弁の開閉を制御している。したがって、流体の温度によりコイルへの通電を制御するように構成しておけば、流体の温度変化への追随性がよい流体制御弁を構成することができる。

特開２００３－３２８７５３号公報 特開２００２－３４０２１９号公報

　上述したように、特許文献２の電磁バルブを用いれば追随性のよい流体制御弁を構成することができる。しかし、磁力を発生させるためにコイルに電流を印加するとコイルから熱が発生し、その排熱の問題が生じる。コイルからの熱を排熱するために、別途冷却装置を備えると、流体制御弁の大型化、重量の増大を招くこととなり、好ましくない。

　また、特許文献２の電磁バルブを、エンジン等を冷却する冷却水のような流量が多い流体に対する流体制御弁に用いる場合には、流体の大きな圧力に抗して弁の開閉を行う必要があり、また、高いシール性も要求される。そのためには、磁力を強くすることが考えられるが、その場合にはコイルをはじめとする他の構成部品も大きくする必要が生じ、流体制御弁の大型化、重量の増大を招くこととなり、好ましくない。

　本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、大型化することなく、流量の多い流体に適用できる流体制御弁を提供することである。

　上記課題を解決するため、本発明の流体制御弁は、エンジンと熱交換器との間に流体を循環させる循環流路に備えられ、前記流体を流入させる流入路と、前記流体を流出させる流出路と、弁座と、前記弁座と当接・離間することにより前記流入路と前記流出路の間を遮断・連通させる弁体と、通電により発生する磁力を前記弁体に作用させるソレノイドと、を備え、前記流入路が前記ソレノイドのコアに貫通形成され、当該流入路において当該コアと前記流体とが接触するように構成している。

　一般的に、ソレノイドのコイルの温度が高くなると抵抗が高くなる。したがって、高温状態のソレノイドにより低温状態のソレノイドと同じ強さの磁力を発生させるためには印加する電流を強くするか、コイルの巻数を増やす必要がある。しかし、これらは消費電力の増大や流体制御弁の大型化を招くため、好ましくない。そのため、上記構成では、流体を流体制御弁の内部に流入させる流入路をソレノイドのコアに貫通形成し、その流入路においてコアを流体に接触させている。これにより、コイルから発生した熱が流体に逃げ易くなり、コイルの温度上昇を抑制することができる。したがって、消費電力の増大や流体制御弁の大型化を招くことなく、弁体の制御に必要な磁力を発生することができる。

　本発明の流体制御弁の好適な実施形態の一つでは、前記弁座が前記コアによって構成されている。

　この構成では、流入路がソレノイドのコアに貫通形成され、弁座がコアによって構成されている。したがって、弁体が流入路と流出路との間を遮断する際には弁体はコアのみに当接する。そのため、シール性を向上することができる。また、流体の受圧面積が小さくなるため、弁体に作用させる磁力を小さくすることができる。磁力の大きさはソレノイドのコイルの巻数や印加する電流量に依存するため、磁力を小さくすることができれば、省電力や流体制御弁の小型化に寄与することができる。

　本発明の流体制御弁の好適な実施形態の一つでは、前記ソレノイドは前記コアの軸芯方向視における径外方向にヨークを備え、前記コアの前記弁体側の端面を前記ヨークの前記弁体側の端面よりも前記弁体側に突出させている。また、他の好適な実施形態の一つでは、前記弁体の前記コア側の端面に当該コアに当接する凸部が設けられている。

　これらの構成では、弁体がコアのみに当接し、コアを弁座とすることができる。

　本発明の流体制御弁の好適な実施形態の一つでは、前記弁体は、前記弁座よりも前記コアの軸芯方向視における径外方向に流路を備えている。

　本発明の流体制御弁の好適な実施形態の一つでは、前記ソレノイドは、通電により前記コアと前記弁体とに作用する磁束を発生し、前記コアと前記弁体とは、前記流体に直接接触することにより冷却されるよう構成されている。

　本発明の流体制御弁では、流量の多い流体に適用する場合であっても装置を大型化する必要がない。

本発明の流体制御弁を適用したエンジンの冷却システムの模式図である。 本発明の流体制御弁の閉鎖状態の断面図である。 本発明の流体制御弁の開放状態の断面図である。 本発明の流体制御弁のプランジャの平面図である。 本発明の流体制御弁の拡大断面図である。 本発明の流体制御弁の別構成の拡大断面図である。

　以下に、図面を用いて本発明の流体制御弁を説明する。図１は、本発明の流体制御弁を適用したエンジンの冷却システムの模式図である。エンジン２には冷却水（流体）の流出路が２系統あり、一方はラジエータ３、他方はヒータコア６（本発明の熱交換器の例）に接続されている。

　ラジエータ３の流出路はサーモスタットバルブ５に接続し、サーモスタットバルブ５の流出路はウォータポンプ４に接続している。また、ウォータポンプ４の流出路はエンジン２の流入路に接続している。これらの流路により、エンジン２で暖められた冷却水はラジエータ３に入力し、ラジエータ３で冷却され、サーモスタットバルブ５およびウォータポンプ４を介して、エンジン２に還流する。

　一方、エンジン２からヒータコア６への流路の間には流体制御弁１が備えられている。また、ヒータコア６の流出路はサーモスタットバルブ５のもう一つの流入路に接続している。これらの流路により、エンジン２により温められた冷却水は流体制御弁１を介してヒータコア６に入力し、ヒータコア６で車室内の空気を暖めることにより冷却された後、サーモスタットバルブ５およびウォータポンプ４を介してエンジン２に還流する。

　本発明の流体制御弁１は、上述のように、エンジン２からヒータコア６への流路中に備えられており、冷却水のヒータコア６側への流出を制御するために用いられている。本発明の流体制御弁１は、冷却水の液圧が生じていない状態では閉弁しており、冷却水の液圧により開弁し、流体制御弁１に通電することにより閉弁状態を維持するものである。具体的には以下のように動作する。

　運転者がイグニッションキー等を操作し、エンジンが始動する前、すなわち、ウォータポンプ４が作動する前に流体制御弁１に通電を行う。上述したように、流体制御弁１は、冷却水の液圧が生じていない状態では閉弁状態であるが、閉弁状態で流体制御弁１に通電することにより、その後液圧が生じても閉弁状態を維持することができる。これにより、冷却水がヒータコア６に流れなくなり、より早く冷却水を温めることができる。また、冷却水の温度が低い場合にはサーモスタットバルブ５も閉弁しているため、冷却水はラジエータ３にも流れず、より早く冷却水の温度を上昇させることができる。このように冷却水の温度を早く上昇させることにより、エンジンオイル等の温度上昇も早くなり、燃費向上に寄与する。

　その後、冷却水が所定の温度に達する（暖機運転の終了）と流体制御弁１への電力が遮断される。これにより、冷却水の液圧により流体制御弁１は開弁状態となり、冷却水はヒータコア６側に流出する。

　図２は、本発明の流体制御弁１の断面図である。この流体制御弁１１のハウジングは、第２ハウジング１２に対して第１ハウジング１１を固定することにより構成されている。第２ハウジング１２の内部には、ソレノイド２０が備えられている。

　ソレノイド２０は、コア２１、ボビン２２、コイル２３、ヨーク２４を備えている。コア２１は鉄や電磁鋼等の強磁性体からなり、図２に示すように中空な円筒形状、すなわち、筒状に形成されている。このコア２１の中空部分は、流体制御弁１の内部に冷却水を導入する流入路３１を構成し、エンジン２からの流路が接続されている。また、このコア２１は後述するように弁座として機能する。

　さらに、コア２１がその内側に挿通するようにコイル２３を巻いたボビン２２が備えられており、ボビン２２よりも径方向外側にはヨーク２４が備えられている。ヨーク２４の材料としては鉄や電磁鋼等が用いられる。

　このコイル２３に対して電源（図示せず）からの電力を供給することにより、ソレノイド２０は磁気（磁束）を発生する。発生した磁気は、コア２１からプランジャ１３を介してヨーク２４へと流れる。したがって、弁体としてのプランジャ１３（後述）が弁座を構成するコア２１に引き付けられ、冷却水の液圧が生じても流体制御弁１は閉弁状態（流入路３１と流出路３２との間が遮断状態）を維持することができる。なお、本発明の流体制御弁１は、冷却水の液圧が生じていない状態（初期状態）では閉弁状態であり、ソレノイド２０は液圧が生じた後でも閉弁状態を維持するためのものであるため、ソレノイド２０の磁力により開弁状態から閉弁状態に移行させるような流体制御弁に比べて、コイル２３等のソレノイド２０を構成する部材を小さくすることができる。

　一般的に、コイル２３の温度が上昇すると抵抗が高くなる。そのため、高抵抗のコイル２３と低抵抗のコイル２３との磁力を同じにするためには、高抵抗のコイル２３に流す電流を強くするか、高抵抗のコイル２３の巻数を増やす必要があり、消費電力の増大やソレノイド２０の大型化を招き、好ましくない。これらの問題を解決する一つの手段として、コイル２３を冷却することが考えられる。そのため、本実施形態では、上述したようにコア２１の内部に流入路２１を形成している。さらに、樹脂等により被覆されているコア２１の少なくとも内壁面（流入路３１の壁面）を被覆せず、コア２１の材質そのものを冷却水に接触させている。これにより、コイル２３に通電した際に発生する熱が、コア２１を介して流入路３１を流れる冷却水に伝達され易くなる。したがって、コイル２３の温度が上昇することを防ぐことができる。

　第１ハウジング１１は、中空の第１筒状部１１ａと中空で第１筒状部１１ａよりも大きな半径を持つ第２筒状部１１ｂとが、それぞれの軸芯が一致するように一体形成されることにより構成されている。第１ハウジング１１と第２ハウジング１２とを固定する場合には、第２筒状部１１ｂを第２ハウジング１２に固定する。なお、第１筒状部１１ａの中空部は冷却水を流体制御弁１の外部に流出させる流出路３２を構成しており、流出路３２はサーモスタットバルブ５の流入路に接続されている。

　また、第２筒状部１１ｂの内部（中空部）には、鉄等の磁性体からなる弁体としてのプランジャ１３、プランジャ１３をコア２１側に付勢する付勢バネ１４が備えられている。プランジャ１３は弁体として機能するため、プランジャ１３のコア２１側の面（以下、底面と称する）はコア２１との密着性を高めるために研磨されている。冷却水の液圧が小さいときには弁体としてのプランジャ１３は弁座２１ａとしてのコア２１のプランジャ１３側の端面に当接し、流体制御弁１は閉弁状態となる（図２参照）。なお、流体制御弁１をプランジャ１３がコア２１の上側となる姿勢で用いる場合には、プランジャ１３の自重によりプランジャ１３とコア２１とが当接するため、付勢バネ１４を備えなくとも構わない。

　一方、冷却水の液圧が付勢バネ１４の付勢力を上回ると、プランジャ１３は液圧によりコア２１から離間する方向に移動し、プランジャ１３とコア２１との当接状態が解除される。このとき、プランジャ１３の第１ハウジング１１側の面は、第２筒状部１１ｂのプランジャ１３に対向する内壁面に設けられたプランジャ１３側に突出する移動規制部１１ｃに当接する。これにより、プランジャ１３の上面は第２筒状部１１ｂの内壁面と当接せず、一定の間隔を有する位置となる。

　本実施形態におけるプランジャ１３は図４に示すように、コア２１の半径よりも径方向外側に４つの流路１３ｂを有している。そのため、冷却水の液圧によりプランジャ１３がコア２１から離間する方向に移動すると、上述したようにプランジャ１３は第２筒状部１１ｂの内壁面から一定距離の位置となり、流入路３１と流出路３２とは流路１３ｂを介して連通状態（開弁状態）となる。すなわち、プランジャ１３がコア２１から離間する方向に移動すると、流体制御弁１は開弁状態となる。

　このように、弁体としてのプランジャ１３に流路１３ｂを形成することにより、プランジャ１３の径方向外側に流路を設ける必要がなくなるため、流体制御弁１の小型化を図ることができる。

　また、図４に示すように、４つの流路１３ｂは平面視においてコア２１よりも外径方向の同一円周上に同間隔（均等）で形成されている。そのため、冷却水の液圧がプランジャ１３の底面（コア２１側の面）に対して均一に負荷される。これにより、冷却水の液圧に脈動がある場合でもプランジャ１３の姿勢が安定し、プランジャ１３のガイド部１３ａの磨耗の低減やプランジャ１３とコア２１との接触による異音の発生を抑制することができる。

　なお、本実施形態では、流路１３ｂは孔により形成したが、切り欠きによって形成しても構わない。また、流路１３ｂの断面積の大きさは、冷却水の流量やプランジャ１３に作用する磁力の強さ等に基づいて適宜変更可能である。さらに、流路１３ｂの数や断面積形状も適宜変更可能である。なお、上述したようにソレノイド２０により発生された磁気はコア２１からプランジャ１３を介してヨーク２４に流れる。この点を考慮すると、磁気（磁束）がこれらの部材を通る断面積が同一またはコア２１，プランジャ１３，ヨーク２４の順に大きくなることが好ましい。

　したがって、磁気は、コア２１をコア２１の軸芯方向に流れ、プランジャ１３をプランジャ１３の外径方向に流れることを考慮すると、コア２１の軸芯方向視における断面積（コア２１とプランジャ１３とが当接する面積）よりも、プランジャ１３の軸芯を中心とし流路１３ｂ上を通る円のうち最小半径となる円の円周位置におけるプランジャ１３の流路１３ｂ以外の部分の断面積が大きくなるように流路１３ｂの大きさを決定することが好ましい。ここで、プランジャ１３の円周位置におけるプランジャ１３の流路１３ｂ以外の部分の断面積とは、その円の円周長から流路１３ｂ内を通っている部分を除外した長さにプランジャ１３の厚みを乗じた値である。

　また、本実施形態では、ヨーク２４はプランジャ１３の軸芯方向においてプランジャ１３と対向するように位置しているが、プランジャ１３とヨーク２４とは接触することがない。そのため、磁気の流れの点からは、プランジャ１３のヨーク２４と対向する部分の面積を大きくする方が好ましい。そのため、本実施形態では、プランジャ１３のヨーク２４と対向する部分の面積がプランジャ１３のコア２１と対向する部分の面積以上となるように、流路１３ｂの開口形状を決定している。

　このようにして磁気の流れを効率化することにより、ソレノイド２０が発生する磁力を小さくすることができ、ソレノイド２０に印加する電流の小電力化、コイルの巻数の低減による小型化に寄与することができる。

　図５は、本実施形態における流体制御弁１の拡大断面図である。図に示すように、プランジャ１３の外周部にはソレノイド２０と逆方向（図中上方向）に立設するガイド部１３ａが形成されている。このガイド部１３ａは第１ハウジング１１または第２ハウジング１２の内壁と接している。したがって、プランジャ１３が移動する際には、ガイド部１３が第１ハウジング１１または第２ハウジング１２の内壁に対して接した状態となる。これにより、プランジャ１３の移動の姿勢が安定し、バルブスティック等の動作不良を回避することができる。なお、ガイド部１３ａはプランジャ１３の外周部に立設させることは必須ではなく、プランジャ１３ａの外周面をガイド部１３ａとして機能させても構わない。

　また、図５に示すように、本実施形態では、コア２１のプランジャ１３側の端面はヨーク２４のプランジャ１３側の端面よりもプランジャ１３側に突出させている。このように構成すると、付勢バネ１４の付勢力またはソレノイド２０の磁力によりプランジャ１３がコア２１側に付勢または吸着される際に、プランジャ１３はコア２１のみに当接する。すなわち、この構成ではコア２１のプランジャ１３側の端面のみが弁座２１ａとなる。これにより、シール性を向上させるとともに、冷却水からの受圧面積を小さくすることができる。受圧面積が小さくなるということは、冷却水から受ける力が小さくなり、その力に対抗する磁力を小さくすることができる。すなわち、冷却水からの受圧面積を小さくすることは、コイル２３の巻数を少なくすることができるため、流体制御弁１の小型化に寄与することができる。

　また、図６に示すように、コア２１のプランジャ１３側の端面とヨーク２４のプランジャ１３側の端面とを略同位置とし、プランジャ１３の底面にコア２１側に突出する凸部１３ｃを形成しても構わない。このような構成によっても、図５の構成と同様に、コア２１のプランジャ１３側の端面のみが弁座２１ａとなり、シール性の向上と流体制御弁の小型化に寄与することができる。

　この凸部１３ｃは、少なくとも流入路３１の断面積よりも大きな断面積を有している。特に、コア２１の軸芯を中心とし、凸部１３ｃをコア２１と同程度の半径を持つ円盤状に形成すると、冷却水からの受圧面積を小さくでき、小さな磁力で密着性を高めることができるため、ソレノイド２０を小さく構成でき、好適である。

　さらに、コア２１とヨーク２４との位置関係を図５のように構成した上で、プランジャ１３の底面に凸部１３ｃを形成しても構わない。

〔別実施形態〕
　上記の実施形態では、コア２１のプランジャ１３側の端面が弁座２１ａとなるよう構成したが、コア２１のプランジャ１３側の端面に別途弁座を設けても構わない。その場合には、弁座にもコア２１に形成された流入路に連通する流路を形成する。

　本発明は、車両の冷却水やオイル等の流体の流れを制御する流体制御弁に適用することができる。

１：流体制御弁
２：エンジン
６：ヒータコア（熱交換器）
１３：プランジャ（弁体）
１３ｃ：凸部
２０：ソレノイド
２１：コア
２１ａ：弁座
２４：ヨーク
３１：流入路
３２：流出路

Claims (6)

1. 　エンジンと熱交換器との間に流体を循環させる循環流路に備えられ、
   　前記流体を流入させる流入路と、
   　前記流体を流出させる流出路と、
   　弁座と、
   　前記弁座と当接・離間することにより前記流入路と前記流出路の間を遮断・連通させる弁体と、
   　通電により発生する磁力を前記弁体に作用させるソレノイドと、を備え、
   前記流入路が前記ソレノイドのコアに貫通形成され、当該流入路において当該コアと前記流体とが接触するように構成した流体制御弁。
2. 　前記弁座が前記コアによって構成されている請求項１記載の流体制御弁。
3. 　前記ソレノイドは前記コアの軸芯方向視における径外方向にヨークを備え、
   　前記コアの前記弁体側の端面を前記ヨークの前記弁体側の端面よりも前記弁体側に突出させている請求項１または２記載の流体制御弁。
4. 　前記弁体の前記コア側の端面に当該コアに当接する凸部が設けられている請求項１または２記載の流体制御弁。
5. 　前記弁体は、前記弁座よりも前記コアの軸芯方向視における径外方向に流路を備えている請求項１から４のいずれか一項に記載の流体制御弁。
6. 　前記ソレノイドは、通電により前記コアと前記弁体とに作用する磁束を発生し、
   　前記コアと前記弁体とは、前記流体に直接接触することにより冷却されるよう構成されている請求項１から５のいずれか一項に記載の流体制御弁。

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