JP6442880B2

JP6442880B2 - 制御弁

Info

Publication number: JP6442880B2
Application number: JP2014123381A
Authority: JP
Inventors: 正宣松坂; 忠祐佐藤
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2018-12-26
Anticipated expiration: 2034-06-16
Also published as: JP2016003689A

Description

本発明は、車両用エンジンの冷却系等に使用される制御弁に関する。

車両のエンジンは、燃費の向上やエンジンを円滑に運転する等のために、エンジン温度をできるだけ速やかに上昇させ、所定の温度に維持する制御がなされる。そのため、冷却水温度が低い場合には、冷却液制御弁を閉じ、冷却水がラジエータを経由せずにバイパス通路を循環するものとする。冷却水温度が高くなった場合には、当該制御弁を開いて冷却水をラジエータに循環させ、冷却水温を一定に制御する。

特許文献１には、エンジンの冷却水出口側に配置された制御弁が開示されている。この制御弁は、磁性体を有する弁体と、弁体が当接可能な弁座と、弁体を弁座側に付勢する付勢機構（スプリング）と、弁体を弁座側に移動させるソレノイドとを備える。ポンプ作動時には、ポンプから吐出される流体の流体圧により、弁体は付勢機構の付勢力に抗して開方向に移動するよう構成されている。

特表２０１３−５２５６５３号公報

特許文献１に示される制御弁では、ポンプから吐出される流体の流体圧により付勢機構の付勢力に抗して開弁する。開弁させるための流体圧はポンプの吐出性能と冷却回路の圧力損失に依存する。通常、ポンプはエンジン回転数に比例した回転で駆動されるため、アイドリング等の低回転域ではポンプの出力性能が低くなる。冷却回路の圧力損失が高く、エンジン回転数が低い状態において、流体圧で制御弁を開弁させるためには、ポンプを大型化して性能を向上させる必要がある。
一方、付勢機構の付勢力を弱めると、ポンプの性能が低い場合でも開弁動作を行うことができる。しかし、エンジン振動や車両走行時に振動によって弁体が開き易くなり、止水効果が損なわれる。その結果、エンジン暖機が迅速に行われず、燃費が低下する等の不都合が生じる。

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、弁体の開閉動作が迅速・確実に行える制御弁を提供することにある。

本発明に係る制御弁の特徴構成は、流体を流通させるバルブ本体と、前記バルブ本体に収容され、磁性体を有し前記流体の流通を制御すべく前記流体の流体圧が作用する弁体と、前記バルブ本体に設けられた前記流体の流路において前記弁体と対向する位置に配置され、前記弁体と当接して前記流路を閉塞し、前記弁体と離間して前記流路を開放する弁座と、を有し、コイルへの通電により磁力を発生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、前記弁体において前記弁座に対向する位置に永久磁石を配置し、前記ソレノイドは、前記コイルへの通電により前記永久磁石を吸着させる吸着磁力を発生させることで前記弁体と前記弁座とを当接させ、前記弁座の側から前記弁体に前記流体による流体圧を作用させた状態で前記コイルへの前記通電とは逆方向の通電により前記永久磁石を反発させる反発磁力を発生させることで前記弁座から前記弁体を離間させる点にある。

本構成の如く、弁体において弁座に対向する位置に永久磁石を配置すると、閉弁状態にするべく、ソレノイドのコイルに通電する際に弁体を弁座に吸着する力が増し、閉弁保持力を高めることができる。また、永久磁石の磁力を利用することで、閉弁を保持するためのソレノイドの消費電力が小さくなり、ソレノイド自体を小型化することができる。

本発明の制御弁を開弁させる要素の一つは、弁体に作用する流体圧である。ただし、この流体圧のみでは、例えばエンジン回転数が低い場合には、開弁動作が不安定になるおそれがある。そこで、本構成の如く、コイルへの逆方向の通電により永久磁石が反発する磁力をソレノイドに発生させる。これにより、反発磁力が流体圧に加わり、流体圧が小さいとき（小流量時）にも、弁体を確実に開動作させることができる。

本発明に係る制御弁の他の特徴構成は、前記反発磁力を発生させる前記ソレノイドの前記コイルへの前記逆方向の通電が開始されてから所定時間経過後に前記コイルへの前記逆方向の通電を停止する点にある。

流体圧と磁力による反発力とを受けて弁体が開弁し、弁体と弁座とが所定距離だけ離間すると弁体の永久磁石による磁力は弁座に対して影響し難くなる。このため、永久磁石への反発力を消滅させても、弁体は流体圧によって開弁状態を維持することができる。そこで、本構成の如く、コイルへの逆方向の通電を所定時間経過後に停止することで、開弁時のコイルの通電時間を短縮し、ソレノイドの消費電力を下げることができる。

本発明に係る制御弁の他の特徴構成は、前記ソレノイドは金属材料からなるコアを有し、前記弁座が前記コアの上面に形成され、前記永久磁石が前記弁座に対向する位置で配置した点にある。

本構成によれば、弁体が閉弁状態にあるとき、弁座と永久磁石とが当接することとなる。よって、弁体の吸着力が最大に発揮され、弁体の開閉がさらに迅速・確実なものとなるばかりでなく、ソレノイドのさらなる小型化も実現できる。

本発明に係る制御弁の他の特徴構成は、前記ソレノイドは金属材料からなるコアと前記コアの外周側に位置するヨークとを有し、前記弁座が前記コアの上面に形成され、前記永久磁石が、前記ヨークに対向する位置に配置した点にある。

本構成のように、永久磁石を弁座の外周側であってもヨークに対向する位置に設けることで、ソレノイドの磁力を永久磁石に十分に作用させることができる。本構成であれば、永久磁石が直に弁座に当接する必要はなく、永久磁石の形状や数を適宜設定することができる。

エンジン冷却系の全体構成を示す概略図である。制御弁の閉状態を示す図である。制御弁の開状態を示す図である。ソレノイドの通電制御のフローチャートである。第２実施形態の制御弁の要部拡大図である。弁体の底面図である。別形態の弁体の底面図である。

以下、本発明に係る制御弁の実施形態を図面に基づいて説明する。

〔第１実施形態〕
図１に、車両におけるエンジン冷却系の全体構成を示す。エンジン冷却系は、エンジン１と、エンジン１により駆動されるウォータポンプ２と、エンジン冷却用の熱交換器としてのラジエータ３及び車室暖房用の熱交換器としてのヒータコア４と、を備える。冷却液（冷却水）の循環路は、ウォータポンプ２の駆動によりエンジン１とラジエータ３とに亘って冷却液を循環させる第１循環路Ｒ１と、ウォータポンプ２の駆動によりエンジン１とヒータコア４とに亘って冷却液を循環させる第２循環路Ｒ２とで構成されている。第１循環路Ｒ１にサーモスタットバルブ５が接続され、第２循環路Ｒ２を開閉可能な制御弁６と、制御弁６の動作を制御する制御装置７と、を備えている。

サーモスタットバルブ５は、第１循環路Ｒ１のラジエータ３の冷却液流出ポート３ｂとウォータポンプ２の冷却液流入ポート２ａとの間の循環路部分に接続されている。制御弁６は、第２循環路Ｒ２のうちの、エンジン１の暖房用冷却液流出ポート（図示せず）とヒータコア４の冷却液流入ポート４ａとの間の循環路部分に接続されている。ヒータコア４の冷却液流出ポート４ｂは、サーモスタットバルブ５のハウジングに形成された流路（図示せず）を介して、ウォータポンプ２の冷却液流入ポート２ａに接続されている。
尚、ウォータポンプ２は、エンジン１の起動により駆動が開始され、エンジン１の停止により駆動が停止される。したがって、ウォータポンプ２は、エンジン１の駆動中は常に駆動されている。

図２及び図３に示すように、制御弁６は、流体を流通させるハウジング２１（バルブ本体の一例）と、磁性を有するとともに流体の流通を制御する弁体１０と、弁体１０と当接可能な弁座１１と、弁体１０を弁座１１の側に付勢するコイルスプリング１２と、通電により弁体１０を弁座１１の側に吸引するソレノイド１３とを備える。ソレノイド１３のコア１６は流体の流路２０を構成し、コア１６の端部に弁体１０が当接する弁座１１が設けられている。

ソレノイド１３は、通電によって磁力を発生させる筒状のコイル１４と、当該コイル１４を取り付ける樹脂製のボビン１５と、コイル１４の中心側に配置されたコア１６と、コア１６の外周側にコイル１４の収容空間を形成するべくコイル１４及びコア１６に対して組み付け可能なヨーク１７と、を備えて構成されている。コア１６及びヨーク１７は、磁束が通過し易いよう金属材料で構成してある。

コア１６の中心側には流路２０が形成されている。弁体１０がコア１６の上面１６ａに形成した弁座１１に当接離間して流路２０における流体の流通を制御する。すなわち、コア１６の上面１６ａが弁座１１に相当する。ソレノイド１３のコイル１４が励磁されると、弁体１０は弁座１１の側に吸着される。

ハウジング２１は、ソレノイド１３が内装された第１ハウジング２１Ａと、流出ポート２２を備えた第２ハウジング２１Ｂとを備える。第１ハウジング２１Ａの一端に形成された環状溝に対して、第２ハウジング２１Ｂの一端に形成された環状突起が係入されることで両部材は連結されている。

弁体１０と第２ハウジング２１Ｂの内壁面との間にコイルスプリング１２が設置されており、コイルスプリング１２は弁体１０を弁座１１の側に付勢している。弁体１０の裏面側（弁座１１に対向する側）に永久磁石１８が配置されている。永久磁石１８は、弁座１１全体に当接可能な円環状に形成されており、弁体１０に固着されている。

エンジン１の停止時には、ウォータポンプ２も停止しており流体圧は発生していない。また、ソレノイド１３（コイル１４）は通電されていない。このため、弁体１０は、コイルスプリング１２の付勢力により弁座１１に当接し、永久磁石１８による吸着力を受けて閉位置に保持される（図２）。

ソレノイド１３（コイル１４）への通電は、制御装置７において例えば図４に示すフローチャートに基づいて制御される。
イグニッションキーがキーシリンダに差し込まれてイグニッションがＯＮ操作されることによりエンジン始動動作が検知され、エンジン１が始動される前に、ソレノイド１３（コイル１４）への通電を開始する（ステップ＃１，＃２）。

ステップ＃２でのソレノイド１３（コイル１４）の通電Ａにより、弁体１０が弁座１１に吸着され、制御弁６は閉じ状態となる。ここで、弁座１１（コア１６）に永久磁石１８（例えば弁座１１に向く側の極性がＮ極）が吸着する極性（Ｓ極）を発生させるソレノイド１３（コイル１４）への通電（通電Ａ）が行われる。これにより、弁体１０には、コイルスプリング１２による付勢力に加えて、永久磁石１８と弁座１１との間に吸着力（磁力）が作用して、閉弁状態が保持される（図２）。このように、弁体１０の閉弁保持力が高められるので、ウォータポンプ２の作動直後の流体圧による制御弁６の開弁動作を防止することができる。

その後、ステップ♯４において、エンジン１の内部の冷却液（冷却水）の水温が所定温度（Ｔ１）以上であると判定されると、コア１６に永久磁石１８（例えばＮ極）が反発する極性（Ｎ極）を発生させるソレノイド１３（コイル１４）への通電（通電Ｂ）が行われる（ステップ♯５）。その結果、弁体１０は流路２０からの流体圧に加えて、永久磁石１８がコア１６からの反発力（磁力）を受けて、弁体１０が開弁方向に移動する。（図３）。

ステップ♯５のソレノイド１３（コイル１４）への通電後、所定時間（例えば１秒）が経過すると（ステップ♯６）、ソレノイド１３（コイル１４）への通電を停止する（ステップ♯７）。弁体１０が開弁方向に移動すると、例えば１〜数秒程度で弁体１０は全開位置に移動する。弁体１０が弁座１１から離間した開弁状態では、弁体１０の永久磁石１８の磁力は弁座１１に対してほとんど影響しなくなる。このため、流体圧によって弁体１０開弁状態が維持されるので、ソレノイド１３（コイル１４）への通電は不要となる。弁体１０が開弁状態になることで、エンジン１の内部の冷却液（冷却水）の温度が緩やかに低下する。

冷却液はエンジン１の内部で加熱された後、ラジエータ３により冷却され、サーモスタットバルブ５を経由してウォータポンプ２に戻る。エンジン１の冷却液（冷却水）が低温の場合には、サーモスタットバルブ５は閉状態となる。暖房作動時には、エンジン１の内部で加熱された冷却液は、流体圧によって開状態に保持された制御弁６を経由してヒータコア４に供給され、室内が暖められる。ヒータコア４で冷却された冷却液は、サーモスタットバルブ５を経由して再びウォータポンプ２に戻る。

このように弁体１０を開閉制御することで、エンジン１の冷却水温度を早期に高めるとともに一定範囲に維持し、エンジン１の燃焼状態を安定化させることができる。

〔第２実施形態〕
図５に示すように、弁体１０の裏面側の永久磁石１８は、ヨーク１７に対向する位置に配置してもよい。制御弁６の閉弁状態においては、コア１６の弁座１１と弁体１０とが接触する。本実施形態では、永久磁石１８は直に止水機能を発揮するものではないため、永久磁石１８をヨーク１７に接触しない位置に配置することもできる。例えば、永久磁石１８は、図６に示すように弁体１０の裏面側の全周に連続して配置するものであってもよいし、図７に示すように全周に対して均等に分散配置してもよい。ただし、永久磁石１８に対してヨーク１７が吸引力や反発力を発揮する上では、永久磁石１８とヨーク１７とは近接した位置である方が好ましい。

〔他の実施形態〕
（１）上記の実施形態では、エンジン１の冷却液（冷却水）の水温に応じてソレノイド１３（コイル１４）への通電制御を行う例を示したが、エンジン負荷に応じてソレノイド１３（コイル１４）への通電制御を行ってもよい。

（２）上記の実施形態では、永久磁石１８を露出した状態で配置する例を示したが、永久磁石１８はカバー体等によって被覆されていてもよい。

（３）上記の実施形態では、磁性を有する弁体１０に永久磁石１８を配置する例を示したが、永久磁石１８が磁性を有することから、弁体１０自体を樹脂など非磁性の材料で構成してもよい。

（４）上記の実施形態では、制御弁６をヒータコア４への流路を開閉する冷却液制御弁に適用する例を示したが、ラジエータ３への流路を開閉するサーモスタットバルブ５に適用してもよい。

（５）上記の実施形態では、制御弁６をエンジン１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。

本発明に係る制御弁は、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エンジン
２ウォータポンプ
６制御弁
１０弁体
１１弁座
１２コイルスプリング（付勢機構）
１３ソレノイド
１４コイル
１６コア
１６ａ上面
１７ヨーク
１８永久磁石
２０流路
２１ハウジング（バルブ本体）

Claims

流体を流通させるバルブ本体と、
前記バルブ本体に収容され、磁性体を有し前記流体の流通を制御すべく前記流体の流体圧が作用する弁体と、
前記バルブ本体に設けられた前記流体の流路において前記弁体と対向する位置に配置され、前記弁体と当接して前記流路を閉塞し、前記弁体と離間して前記流路を開放する弁座と、を有し、
コイルへの通電により磁力を発生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、
前記弁体において前記弁座に対向する位置に永久磁石を配置し、
前記ソレノイドは、前記コイルへの通電により前記永久磁石を吸着させる吸着磁力を発生させることで前記弁体と前記弁座とを当接させ、前記弁座の側から前記弁体に前記流体による流体圧を作用させた状態で前記コイルへの前記通電とは逆方向の通電により前記永久磁石を反発させる反発磁力を発生させることで前記弁座から前記弁体を離間させる制御弁。
前記反発磁力を発生させる前記ソレノイドの前記コイルへの前記逆方向の通電が開始されてから所定時間経過後に前記コイルへの前記逆方向の通電を停止する請求項１に記載の制御弁。
前記ソレノイドは金属材料からなるコアを有し、前記弁座が前記コアの上面に形成され、前記永久磁石が前記弁座に対向する位置で配置してある請求項１又は２に記載の制御弁。
前記ソレノイドは金属材料からなるコアと前記コアの外周側に位置するヨークとを有し、前記弁座が前記コアの上面に形成され、
前記永久磁石が、前記ヨークに対向する位置に配置してある請求項１又は２に記載の制御弁。