JP3978395B2

JP3978395B2 - 流量制御弁

Info

Publication number: JP3978395B2
Application number: JP2002357914A
Authority: JP
Inventors: 昌弘小林; 広久伊藤; 大介山本; 善一新保; 重孝吉川; 功高木
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-01-23
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2022-12-10
Also published as: US6837193B2; DE10302629B4; US20030136357A1; DE10302629A1; JP2003286843A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、冷却水を循環させてエンジンを冷却する水冷式の冷却装置に使用され、冷却水の流量を制御する流量制御弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のエンジンに設けられる水冷式の冷却装置は、一般には、エンジンの運転状態に拘わらず、冷却水をサーモスタットにより８０℃程度の一定温度に調整するものが主流となっていた。ところが、エンジンのフリクション低減、燃費の向上、ノッキング性能の向上及び冷却水温度の過上昇防止等を図るためには、エンジンの運転状態（負荷状態や回転速度等）に応じて冷却度合いを変えることが有効であることが確かめられてきた。そこで、エンジンの運転状態に応じて冷却度合いを制御するようにした水冷式の冷却装置が幾つか提案されている。
【０００３】
この種の冷却装置として、例えば、下記の特許文献１及び２に記載されたエンジンの冷却装置が挙げられる。特許文献１に記載されたエンジンの冷却装置は、エンジンから流れ出てラジエータを介してウォータポンプへ戻る冷却水の流量（ラジエータ流量）を制御するための第１の弁体及び第１の弁座と、エンジンから流れ出てラジエータを介さずにウォータポンプへ戻る冷却水の流量（バイパス流量）を制御する第２の弁体及び第２の弁座と、それら第１及び第２の弁体を一つのバルブとして一体的に駆動する電磁アクチュエータとを含む流量制御弁を備えている。この流量制御弁の電磁アクチュエータは、電磁コイルに通電することにより、磁性材製のシャフトを吸引してスプリングのばね力に抗して下方へ変位させ、電磁コイルに対する通電を遮断することにより、シャフトをスプリングのばね力により上方へ変位させるものである。このシャフトの変位に伴いバルブ、即ち、第１及び第２の弁体を一体的に駆動させるようになっている。
【０００４】
特許文献２に記載されたエンジンの冷却装置は、特許文献１の冷却装置と同様に、エンジンから流出する冷却水をラジエータに循環させるラジエータ回路と、エンジンから流出する冷却水をラジエータを迂回させてエンジンへ環流させるバイパス回路とを備える。そして、バイパス回路とラジエータ回路との合流部位には、ラジエータ回路を流通する冷却水の流量（ラジエータ流量）と、バイパス回路を流通する冷却水の流量（バイパス流量）とを調節するロータリ式流量制御弁が配設される。この流量制御弁は、ハウジングに回転可能に設けられたコップ状のロータリバルブを含む。この流量制御弁は、ロータリバルブの外周でラジエータ流量とバイパス流量とを計量して合流させ、その合流した冷却水をポンプを介してエンジンへ環流させるようになっている。
【特許文献１】
特開平９−１９５７６８号公報
【特許文献２】
特開２０００−１８０３９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の特許文献１に記載された流量制御弁において、電磁アクチュエータによりバルブを駆動するに当たり、アクチュエータにはスプリングによる力、冷却水の圧力による力、或いは、冷却水が各弁体に衝突して発生する力等に打ち勝つ駆動トルクが要求される。ここで、流量制御弁の入口圧力（ラジエータ流入口圧力）は第１の弁体に作用し、バイパス流入口圧力は第２の弁体に作用し、一つのバルブとしてはそれらの圧力差が作用することになる。このため、この圧力差が大きいと、その分だけバルブに推力が作用し、アクチュエータには大きな駆動トルクが要求されることとなる。そして、通常は、バイパス流路径がラジエータ流路径より小さいことから、バイパス流量がラジエータ流量に比べて大きいときは、バイパス流路が負圧となり圧力特性に対する影響が大きくなる。このため、バイパス流量特性によっては、バイパス流入口圧力の低下が大きくなり、上述した圧力差が大きくなる。その結果、電磁アクチュエータには大きな駆動トルクが要求されることになり、その推力に打ち勝って開弁する必要性からアクチュエータが大型化して流量制御弁のエンジン搭載性が悪化したり、流量制御弁がコスト高になったりするという問題があった。
【０００６】
一方、上記の特許文献２に記載された流量制御弁では、ロータリバルブの外周においてラジエータ流量とバイパス流量とを計量する必要がある。又、現在多くの冷却装置では、エンジンブロック内部にバイパス回路を設けて冷却水を流通させる「内部バイパスタイプ」が採用されている。このため、特許文献２に記載された流量制御弁を内部バイパスタイプにそのまま採用することはできない。採用する場合には、エンジンブロックの形状を変更するか、エンジンブロックの外部にバイパス配管を別途設ける必要がある。このため、冷却装置の製造コストが高騰する。
【０００７】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その第１の目的は、ラジエータ流圧力とバイパス流圧力との圧力差により上記バルブに作用する推力を抑え、アクチュエータに要求される駆動トルクを相対的に小さくしてアクチュエータの小型化を図ることを可能とした流量制御弁を提供することにある。
この発明の第２の目的は、第１の目的に加え、エンジンに対して簡易かつ安価に装着することを可能とした流量制御弁を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、冷却水を循環させてエンジンを冷却する水冷式の冷却装置に使用されるものであり、エンジンから流れ出てラジエータを介してウォータポンプへ戻るラジエータ流量を制御するための第１の弁体及び第１の弁座と、エンジンから流れ出てラジエータを介さずにウォータポンプへ戻るバイパス流量を制御する第２の弁体及び第２の弁座と、第１及び第２の弁体を一つのバルブとして一体的に変位させるアクチュエータとを備え、アクチュエータを制御してバルブを変位させることにより、ラジエータ流量とバイパス流量を調節して冷却水温度を目標温度に制御するようにした流量制御弁において、ラジエータ流量及びバイパス流量がバルブの変位量との関係で領域的に定義され、ラジエータ流量がほぼ零となる領域では、バイパス流量がラジエータ流量に比べて僅かに多く流れ、それ以外の領域では、バイパス流量がラジエータ流量に比べて同じか少なく流れる流量特性となるよう第１の弁体及び第１の弁座の構成要素、並びに、第２の弁体及び第２の弁座の構成要素がそれぞれ設定され、ラジエータ流量がほぼ零となる領域では、第１の弁体と第１の弁座とが互いに接すると共に、第２の弁体と第２の弁座との間に微細隙間が設けられ、その微細隙間の分だけ微量なバイパス流量が確保されることでバイパス流量がラジエータ流量に比べて僅かに多く流れることを趣旨とする。
ここで、「第１の弁体及び第１の弁座の構成要素」とは、第１の弁体及び第１の弁座の形状、大きさ又はそれらの組み合わせ等に係るものを意味する。又、「第２の弁体及び第２の弁座の構成要素」とは、第２の弁体及び第２の弁座の形状、大きさ又はそれらの組み合わせ等に係るものを意味する。
【０００９】
上記発明の構成によれば、ラジエータ流量がほぼ零となる領域では、バイパス流量がラジエータ流量に比べて僅かに多く流れる流量特性が設定されることから、エンジンから流れ出る冷却水をラジエータで放熱させる循環が起きない場合でも、エンジンから流れ出る冷却水がラジエータを介さずにウォータポンプへ戻り再びエンジンへ送られる経路で僅かに循環する。従って、エンジンの温度状態が冷却水に反映される。
一方、ラジエータ流量がほぼ零となる領域以外の領域では、冷却水の圧力特性への影響が相対的に大きいバイパス流量がラジエータ流量に比べて同じか少なく流れる流量特性に設定される。従って、第１の弁体に作用するラジエータ流量の圧力と、第２の弁体に作用するバイパス流量の圧力との圧力差が小さくなり、第１及び第２の弁体からなる一つのバルブに作用する冷却水の圧力が小さくなる。
【００１０】
上記第１の目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、冷却水を循環させてエンジンを冷却する水冷式の冷却装置に使用されるものであり、エンジンから流れ出てラジエータを介してウォータポンプへ戻るラジエータ流量を制御するための第１の弁体及び第１の弁座と、エンジンから流れ出てラジエータを介さずにウォータポンプへ戻るバイパス流量を制御する第２の弁体及び第２の弁座と、第１及び第２の弁体を一つのバルブとして一体的に変位させるアクチュエータとを備え、アクチュエータを制御してバルブを変位させることにより、ラジエータ流量とバイパス流量を調節して冷却水温度を目標温度に制御するようにした流量制御弁において、ラジエータ流量及びバイパス流量がバルブの変位量との関係で領域的に定義され、ラジエータ流量が、バルブの変位量増加に対して増加傾向を示し、バイパス流量が、バルブの変位量増加に対して増加と減少を示し、ラジエータ流量がほぼ零となる領域では、バイパス流量がラジエータ流量に比べて僅かに多く流れ、それ以外の領域では、バイパス流量がラジエータ流量に比べて同じか少なく流れる流量特性となるよう第１の弁体及び第１の弁座の構成要素、並びに、第２の弁体及び第２の弁座の構成要素がそれぞれ設定されることを趣旨とする。
【００１１】
上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の構成に加え、ラジエータ流量が、バルブの変位量増加に対して増加傾向を示し、バイパス流量が、バルブの変位量増加に対して増加と減少を示すように設定される。従って、請求項１に記載の発明の作用に加え、ラジエータ流量が最大流量となるときバイパス流量が減少することから、その減少分だけラジエータ流量として循環する冷却水が増えることになる。
【００１２】
上記第２の目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、エンジンは、エンジンブロックを含み、エンジンブロックには、サーモスタットを組み付けるためのサーモスタットハウジングと、サーモスタットハウジングからウォータポンプへ冷却水を流すためのポンプ通路と、ラジエータを介さずにウォータポンプへ戻る冷却水をサーモスタットハウジングへ流すためのバイパス通路とを含み、流量制御弁は、サーモスタットハウジングに組み付けられる継手ボディを含み、継手ボディは、ポンプ通路に連通可能なポンプポートと、バイパス通路に連通可能なバイパスポートとを含むことを趣旨とする。
【００１３】
上記発明の構成において、エンジンブロックは、サーモスタットハウジング、ポンプ通路及びバイパス通路を含む。このような構成を含むエンジンブロックは、その内部に設けられるバイパス通路に冷却水を流通させる「内部バイパスタイプ」であり、現在多くのエンジンで採用されている。
従って、上記発明の構成によれば、請求項１又は２に記載の発明の作用に加え、現状の「内部バイパスタイプ」のエンジンブロックには、そのサーモスタットハウジングを利用して継手ボディを組み付けることにより、流量制御弁をエンジンブロックに装着することが可能となる。この装着状態で、エンジンブロックのバイパス通路に対して継手ボディのバイパスポートを連通させることにより、流量制御弁を通るバイパス流量が確保される。又、エンジンブロックのポンプ通路に対して継手ボディのポンプポートを連通させることにより、流量制御弁で調節されるラジエータ流量及びバイパス流量がポンプ通路を通じてウォータポンプへ戻される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の流量制御弁を具体化した第１の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本実施の形態の流量制御弁１の側面図を示す。図２は、同じく流量制御弁１の平面図を示す。図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図を示す。図４は、図３のＢ−Ｂ線に沿った断面図を示す。図５は、図３のＣ−Ｃ線に沿った断面図を示す（矢印は水の流れを示す。）。
【００１６】
この流量制御弁１は、車両用エンジンの冷却装置に組み込まれて、冷却水の流量を制御するために使用されるものである。図６は、その冷却装置の概略構成図を示す。図６において、エンジン２には、ウォータジャケット等を含む冷却水通路３が設けられる。流量制御弁１の出口側は、ポンプ通路４を介してウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）５に接続される。ウォータポンプ５は冷却水通路３の入口側に接続される。冷却水通路３の出口側は、ラジエータ通路６及びバイパス通路７に接続される。ラジエータ通路６は、ラジエータ８を介して流量制御弁１に接続される。バイパス通路７は、ラジエータ８を介さずに流量制御弁１に直接接続される。
【００１７】
従って、流量制御弁１が開いた状態で、エンジン２の運転に連動してウォータポンプ５が作動することにより、同ポンプ５から冷却水が吐出され、その冷却水が冷却水通路３へ流れる。冷却水通路３の出口側から流れ出る冷却水の一部は、ラジエータ通路６及びラジエータ８を経由して流量制御弁１に流れる。冷却水通路３の出口側から流れ出る冷却水の一部は、バイパス通路７を経由して流量制御弁１に流れる。そして、ラジエータ通路６から流量制御弁１に流れるラジエータ流量と、バイパス通路７から流量制御弁１に流れるバイパス流量とが流量制御弁１で制御され、ポンプ通路４を通じてウォータポンプ５へ送られて再び冷却水通路３へと吐出される。この冷却水の循環によりエンジン２が適温に冷却される。
【００１８】
ここで、流量制御弁１によりラジエータ流量が制御されることにより、エンジン２の冷却水通路３を流れる冷却水の温度が制御される。即ち、流量制御弁１の制御によりラジエータ流量が多くなれば、冷却水通路３を流れる冷却水のうち、ラジエータ８で放熱される冷却水の割合が多くなり、エンジン２のための冷却水の温度が低くなる。流量制御弁１の制御によりラジエータ流量が少なくなれば、冷却水通路３を流れる冷却水のうち、ラジエータ８で放熱される冷却水の割合が少なくなり、エンジン２のための冷却水の温度が高くなる。
【００１９】
図６に示すように、流量制御弁１は、エンジン２を制御するための電子制御装置（ＥＣＵ）１１に接続される。流量制御弁１は、エンジン２の運転状態に応じてエンジン２の冷却度合いを制御するために、このＥＣＵ１１により制御される。流量制御弁１の開閉制御を実行するため、ＥＣＵ１１には、各種センサからエンジン回転速度、吸気圧、エンジン出口水温度及びラジエータ出口水温度等の信号が取り込まれる。エンジン出口水温度は、冷却水通路３の出口に設けられた第１の水温センサ１２により検出される冷却水温度である。ラジエータ出口水温度は、ラジエータ８の出口に設けられた第２の水温センサ１３により検出される冷却水温度である。ＥＣＵ１１は、これらの信号に基づき、エンジン２の運転状態に応じて流量制御弁１の開度を制御することになる。
【００２０】
図１に示すように、流量制御弁１は、エンジン２のブロック（エンジンブロック）２ａに形成されたサーモスタットハウジング（以下、単位「ハウジング」と言う。）２１に組み付けられる。このハウジング２１には、ウォータポンプ５に通じるポンプ通路４と、バイパス通路７とが連通する。このハウジング２１は、通常は、周知のサーモスタットが設けられるものであるが、ここでは、流量制御弁１を装着するために使用される。
【００２１】
即ち、エンジン２を構成するエンジンブロック２ａは、サーモスタットを組み付けるためのハウジング２１と、そのハウジング２１からウォータポンプ５へ冷却水を流すためのポンプ通路４と、ラジエータ８を介さずにウォータポンプ５へ戻る冷却水をハウジング２１へ流すためのバイパス通路７とを含む。このハウジング２１を利用して流量制御弁１が装着される。
【００２２】
図１，２に示すように、流量制御弁１は、第１のボディ２２と、本発明の継手ボディとしての第２のボディ２３と、本発明のアクチュエータとしてのステップモータ２４との三つの部分で構成される。第２のボディ２３の外径はハウジング２１の内径よりも相対的に小さく設定される。第２のボディ２３の高さはハウジング２１の深さと同じに設定される。このような寸法設定により、第２のボディ２３がハウジング２１に受け入れられ、組み付けられる。この組み付け状態で、第１のボディ２２と第２のボディ２３は、ともにネジ２５によりエンジンブロック２ａに固定される。第１のボディ２２とエンジンブロック２ａとの間には、シールリング２６が設けられる。ステップモータ２４は、ネジ２７により第１のボディ２２に固定される。第１のボディ２２には、ラジエータ通路６に接続される継手管２８が突設される。ステップモータ２４と第１のボディ２２との間には、開弁ステップ調整用のシム２９が挟み込まれる。ステップモータ２４には、配線用のコネクタ３０が設けられる。
【００２３】
流量制御弁１は、上記のようにエンジン２の冷却水通路３から流れ出てラジエータ通路６及びラジエータ８等を介してウォータポンプ５へ戻るラジエータ流量と、同じく冷却水通路３から流れ出てラジエータ８を介さずにウォータポンプ５へ戻るバイパス流量とを制御するためのものである。そのために、流量制御弁１は、ラジエータ流量を制御するための第１の弁体３１及び第１の弁座３５と、バイパス流量を制御するための第２の弁体３２及び第２の弁座３６とを備え、第１及び第２の弁体３１，３２を一つのバルブ２０としてステップモータ２４により一体的に駆動するように構成される。
【００２４】
図３において、第２のボディ２３は筒状をなし、その下部には、バイパス通路７に通じるバイパスポート３３が設けられ、上部には、ポンプ通路４に通じるポンプポート３４が設けられる。第２のボディ２３には、ポンプポート３４の上側及び下側に対応して第１の弁体３１に対応する第１の弁座３５と、第２の弁体に３２に対応する第２の弁座３６がそれぞれ設けられる。バイパスポート３３は、第２の弁座３６の弁孔３６ａを介してポンプポート３４に連通可能である。第２のボディ２３の下端には、バイパス通路７と、ハウジング２１との間をシールするシールリング３７が設けられる。第１のボディ２２は、隔壁３８により上下の部屋３９，４０に区画される。下側の部屋４０は、継手管２８の内部のラジエータポート４１に通じる。ラジエータポート４１は、第１の弁座３５の弁孔３５ａを介してポンプポート３４に連通可能である。
【００２５】
図３に示すように、第２の弁体３２には、ボス部４３との間にバックスプリング４６が設けられる。このバックスプリング４６は、第２の弁体３２を第１の弁体３１と共に所定の付勢力で押圧することにより、第１の弁体３１を開弁方向へ付勢するためのものである。この実施の形態で、バックスプリング４６の付勢力は、ステップモータ２４の発生出力（推力）を小さくすることにより最小限の大きさに設定される。
【００２６】
この他、第１のボディ２２と第２のボディ２３との間は、Ｏリング４７によりシールされる。第１のボディ２２には、隔壁３８と弁軸４２との間をシールするシール部材４８が設けられる。
【００２７】
このシール部材４８により、第１のボディ２２の下側の部屋４０を流れる冷却水が、ステップモータ２４に通じる上側の部屋３９に浸入しないようになっている。この実施の形態の流量制御弁１では、図３に示すように、一般にラジエータ通路６及びラジエータポート４１よりもバイパス通路７及びバイパスポート３３の方が内径が小さいことから、バイパス流量がラジエータ流量に比べて大きいとバイパス通路７及びバイパスポート３３の方が内径が小さいことから、圧力低下はバイパス通路７及びバイパスポート３３の方が大きくなる。そのため、弁体３１，３２にかかる圧力に差が生じ、閉じ方向の力が作用することから圧力特性への影響が大きくなる。即ち、この流量制御弁１のバルブ２０に作用する冷却水による圧力は、ラジエータ流量が変化したときよりもバイパス流量が変化したときの方が影響が大きい。この実施の形態では、バイパスポート３３の内径φＤ１の方がボス部４３の外径φＤ２より大きく設定されている。
【００２８】
ここで、第１の弁体３１及び第１の弁座３５の構成要素、並びに、第２の弁体３２及び第２の弁座３６の構成要素について詳しく説明する。図７〜９は、第１及び第２の弁体３１，３２等とその動作を拡大して示す。
【００２９】
図３，７〜９に示すように、第１及び第２の弁体３１，３２は、一本の弁軸４２上に固定されて一体的なバルブ２０を構成する。この弁軸４２は、隔壁３８と第２のボディ２３のボス部４３に対し、軸受４４，４５を介してスラスト方向（図３における上下方向）へ移動可能に支持される。
【００３０】
第１の弁体３１は、略筒状をなして弁軸４２上に組み付けられる。この第１の弁体３１は、その上部に位置するフランジ状の計量部３１ａと、その下部に位置する略筒状の最大流量規制部３１ｂとにより構成される。この第１の弁体３１の計量部３１ａが、第１の弁座３５の弁孔３５ａに整合する。より詳細には、計量部３１ａは、円筒部３１ｃと、それより大径な拡径部３１ｄとを含む。第１の弁座３５の弁孔３５ａは、第１の弁体３１の円筒部３１ｃに整合する円周部３５ｂと、第１の弁体３１の拡径部３１ｄに整合するテーパ部３５ｃとを含む。そして、第１の弁体３１が弁軸４２と一体的に上下に移動することにより、同弁体３１と第１の弁座３５との隙間により定義されるラジエータ側開度が変わる。図３，９には、ラジエータ側開度が全開となる状態を示す。この状態から、第１の弁体３１が下方へ移動することにより、ラジエータ側開度が全開から全閉へ向かって小さくなる。
【００３１】
第１の弁体３１の下側に位置する第２の弁体３２は、第１の弁体３１の計量部３１ａとほぼ同径な略筒状をなし、その上下に位置する上計量部３２ａ及び下計量部３２ｂと、中間に位置する最大流量規制部３２ｃと、上計量部３２ａと最大流量規制部３２ｃとの間のテーパ部３２ｄとにより構成される。これら第２の弁体３２の上下の計量部３２ａ，３２ｂが、第２の弁座３６の弁孔３６ａに整合する。第２の弁座３６の弁孔３６ａは、第２の弁体３２の上下の計量部３２ａ，３２ｂに整合する円周部３６ｂと、その下側のテーパ部３６ｃとを含む。そして、第２の弁体３２が第１の弁体３１及び弁軸４２と一体的に上下に移動することにより、同弁体３２の上下の計量部３２ａ，３２ｂと第２の弁座３６との隙間により定義されるバイパス側開度が変わる。図３，９には、第２の弁体３２の下計量部３２ｂが円周部３６ｂに整合して第２の弁座３６が閉じられた状態を示す。この状態から、第２の弁体３２が下方へ移動することにより、下計量部３２ｂが円周部３６ｂから徐々に離れ、最大流量規制部３２ｃが円周部３６ｂを通過して上計量部３２ａが同円周部３６ｂに徐々に近付く。従って、バイパス側開度は、全閉状態から全開状態へ向かって大きくなり、再び全閉状態へ戻ることになる。
【００３２】
次に、ステップモータ２４に係る構造を説明する。ステップモータ２４は、２つのステータ５１ａ，５１ｂと、その内周に配置されたロータ５２とを備える。ステータ５１ａ，５１ｂは、それぞれ上下から互い違いに形成された三角歯状のコア５３と、そのコア５３の内周に配置されたボビン５４に巻かれた巻き方向の異なる２つのコイル５５，５５とを含む。２つのコイル５５，５５のうち、いずれに通電するかによってコア５３の励磁磁極の方向が変えられる。２つのステータ５１ａ，５１ｂは、そのコア５３の位置をずらして重ねて固定される。
【００３３】
ここで、ロータ５２は、マグネットにより構成され、マグネットの外周は予めＮ極とＳ極に交互に着磁される。図３に示すように、ロータ５２の中心には、中心軸５６がロータ５２と一体回転可能に設けられる。この中心軸５６の下部外周には、雄ネジ５６ａが形成される。この中心軸５６の下部には、ガイド５７が装着される。ガイド５７には、中心軸５６の雄ネジ５６ａに噛み合う雌ネジ５７ａが形成される。このような構成により、ロータ５２の回転が中心軸５６を介してガイド５７のスラスト方向の移動に変換されるようになっている。ガイド５７は、ジョイント５８を介して弁軸４２に連結される。ガイド５７とジョイント５８との間には、リリーフスプリング５９が設けられる。
【００３４】
次に、この流量制御弁１において上記のような第１の弁体３１及び第１の弁座３５の構成要素、並びに、第２の弁体３２及び第２の弁座３６の構成要素から得られる流量特性等について説明する。
図１０（ａ），（ｂ）には、流量制御弁１の流量特性と圧力特性をグラフに示す。図１０（ｂ）には、横軸にステップモータ２４のモータステップ数を、縦軸に冷却水の流量、即ち、ラジエータ流量及びバイパス流量をそれぞれ示す。図１０（ａ）には、横軸にステップモータ２４のモータステップ数を、縦軸にラジエータポート４１にかかるラジエータ流量の圧力（ラジエータ流圧力）と、バイパスポート３３にかかるバイパス流量の圧力（バイパス流圧力）をそれぞれ示す。ここで、横軸のモータステップ数は、バルブ２０の開度（バルブ開度）に相当するものであり、モータステップ数で「０」がバルブ開度で「全閉」に相当し、モータステップ数で「約２３０」がバルブ開度で「全開」に相当する。即ち、この実施の形態で、図１０（ｂ）に示すように、ラジエータ流量及びバイパス流量が、バルブ２０の変位量であるバルブ開度との関係で領域的表現として定義される。
【００３５】
ここで、ラジエータ流量は、バルブ２０の変位量増加（バルブ開度増加）に対して増加傾向を示す。この特性は、第１の弁体３１が、図７に示す全閉状態から、図８に示す半開状態を経由して図９に示す全開状態に達するまでの間のラジエータ側開度により決定されるものである。
【００３６】
又、バイパス流量は、バルブ２０の変位量増加（バルブ開度増加）に対して増加と減少を示す。この特性は、第２の弁体３２が、図７に示す全閉状態から、図８に示す半開状態を経由して図９に示す全閉状態に達するまでの間のバイパス側開度により決定されるものである。
【００３７】
更に、ラジエータ流量がほぼ零となる領域、即ち、図１０（ｂ）における「暖機領域」では、バイパス流量がラジエータ流量に比べて僅かに多く流れ、それ以外の領域では、バイパス流量がラジエータ流量に比べて同じか少なく流れる流量特性となるように設定される。特に、図１０（ｂ）におけるモータステップ数で３０から８０までの「低流量領域」では、バイパス流量がラジエータ流量に比べて少なく流れる流量特性を示し、ラジエータ流量がほぼ直線的に急増すると共にバイパス流量が殆ど増えないという流量特性に設定される。
【００３８】
上記「暖機領域」の流量特性は、第１の弁体３１が、図７に示す全閉状態から、僅かに開方向へ移動する間の特性であり、第１の弁体３１の円筒部３１ｃと、第１の弁座３５の円周部３５ｂとが互いに接する間で得られる。この領域では、円筒部３１ｃが円周部３５ｂに接して摺動する間はラジエータ流量が零に保たれる。一方、この間は、第２の弁体３２の上計量部３２ａが第２の弁座３６の円周部３６ｂに接するが、この接触状態において上計量部３２ａと円周部３６ｂとの間には、予め微細間隙が設けられることから、その微細間隙の分だけ微量なバイパス流量が確保される。この微量なバイパス流量の分だけバイパス流量がラジエータ流量に比べて僅かに多く流れるようになっている。
【００３９】
上記「低流量領域」におけるラジエータ流量の流量特性は、第１の弁体３１の円筒部３１ｃが第１の弁座３５の円周部３５ｂから離れ始めるときから図８に示す半開状態に達するまでの間で、円筒部３１ｃが第１の弁座３５のテーパ部３５ｃを通過する間に得られる。この領域では、円筒部３１ｃがテーパ部３５ｃを通過して離れるに連れ、ラジエータ流量がほぼ直線的に増えるようになっている。一方、この間のほぼ全域で、第２の弁体３２の上計量部３２ａが第２の弁座３６の円周部３６ｂに近接していることから、上計量部３２ａと円周部３６ｂとの間で微細間隙が保たれてバイパス流量は殆ど増加しない。
【００４０】
図１０（ｂ）において、上記「低流量領域」よりも大きい領域では、全開状態までの間で、ラジエータ流量は、バルブ開度の増加に対して二次曲線的に増えて「最大流量領域」に達する。このラジエータ流量の流量特性は、第１の弁体３１の計量部３１ａが、図８に示す半開状態から図９に示す全開状態に達するまでの間で、計量部３１ａが第１の弁座３５を離れ、第２の弁体３２が第１の弁座３５に近付くことにより得られる。一方、バイパス流量は、バルブ開度増加に対して緩やかに増加して緩やかに減少する。このバイパス流量の流量特性は、第２の弁体３２が、図８に示す状態から図９に示す状態に達するまでの間で、上計量部３２ａが第２の弁座３６を離れ、その反対に下計量部３２ｂが第２の弁体３２に近付くことにより得られる。尚、第２の弁体３２が図９に示す状態になるときにバイパス流量が零とならないのは、第２の弁体３２の下計量部３２ｂと第２の弁座３６の円周部３６ｂとの間に若干の隙間が設けられ、この隙間の分だけバイパス流量が生じることによる。
【００４１】
以上説明した本実施の形態の流量制御弁１によれば、図６に示すエンジンの冷却装置において、ＥＣＵ１１がエンジン２の運転状態に応じたバルブ開度を決定してステップモータ２４を制御することにより、そのバルブ開度に応じた流量特性が流量制御弁１により得られる。
【００４２】
例えば、冷間時からエンジン２を始動させる場合、ＥＣＵ１１が、流量特性における「暖機領域」を選択的に使用するために流量制御弁１のステップモータ２４を所要のモータステップ数で制御する。この場合、ラジエータ流量はほぼ零になることから、エンジン２の冷却水通路３を流れる冷却水がラジエータ８を通過して放熱されることはないが、バイパス流量は微小量確保されることになる。つまり、ラジエータ流量がほぼ零となる「暖機領域」では、バイパス流量がラジエータ流量に比べて僅かに多く流れることから、エンジン２から流れ出る冷却水をラジエータ８で放熱させる循環が起きなくても、エンジン２から流れ出る冷却水をバイパス流量の微小流量分だけウォータポンプ５へ戻して再びエンジン２へ循環させることができる。従って、微小流量分だけ冷却水が冷却水通路３を流れてエンジン２の温度状態が冷却水に反映され、エンジン２の温度状態を反映したエンジン出口水温度が第１の水温センサ１２で検出されることになる。
【００４３】
ここで、仮に、バイパス流量を零にしたとすると、冷却水通路３を冷却水が流れなくなり、第１の水温センサ１２では、エンジン２の温度状態を反映したエンジン出口水温度が検出されず、冷却水通路３の出口付近に滞留した冷却水の温度がエンジン出口水温度としては不適切に検出されるだけである。本実施の形態では、この不具合を回避して、暖機が必要な冷間時に、エンジン２を効率良く暖機することができ、併せて、エンジン２の温度状態を流量制御弁１の制御に適正に反映させることができる。
【００４４】
又、エンジン２の冷却度合いを制御するために、ＥＣＵ１１が、流量特性における「暖機領域」と「最大流量領域」との間の領域を選択的に使用するために流量制御弁１のステップモータ２４を所要のモータステップ数で制御したとする。この場合、エンジン２の冷却水通路３を流れる冷却水がラジエータ通路６とバイパス通路７の両方に流れ、第１の水温センサ１２では、エンジン２の温度状態を反映したエンジン出口水温度が適正に検出され、第２の水温センサ１３では、ラジエータ８での放熱状態を反映したラジエータ出口水温度が適正に検出される。そして、エンジン２の冷却に必要なラジエータ流量を確保するために、エンジン出口水温度及びラジエータ出口水温度の検出結果に基づいて流量制御弁１を適正に制御することができるようになる。尚、この「暖機領域」と「最大流量領域」との間の領域では、モータステップ数、即ちバルブ開度に対してほぼ二次曲線的に変化するラジエータ流量が得られることから、冷却水温度を目標温度へ良好にフィードバック制御することができる。
【００４５】
更に、エンジン２の高負荷運転時に、ＥＣＵ１１が、流量特性における「最大流量領域」を選択的に使用するために流量制御弁１のステップモータ２４を所要のモータステップ数で制御したとする。この場合、ラジエータ流量は最大流量となり、エンジン２の冷却水通路３を流れてラジエータ８を通過する冷却水の循環量が最大となり、冷却水がラジエータ８で最大効率をもって冷却されることになる。このため、冷却水の温度上昇を最大限に抑えてエンジン２を最大限に冷却することができる。
【００４６】
ところで、この実施の形態の流量制御弁１では、ラジエータ流量に比べてバイパス流量の方が圧力特性への影響が相対的に大きい。ここで、図１０（ｂ）に示すように、ラジエータ流量がほぼ零となる「暖機領域」以外の領域では、冷却水の圧力特性への影響が大きいバイパス流量がラジエータ流量に比べて同じか少なく流れる流量特性となっている。このことから、第１の弁体３１に作用するラジエータ流量の圧力（ラジエータ流圧力）と、第２の弁体３２に作用するバイパス流量の圧力（バイパス流圧力）との圧力差は、図１０（ａ）に示すように、バルブ開度の全範囲にわたって小さくなり、両弁体３１，３２からなる一体的なバルブ２０に作用する冷却水の圧力による推力が相対的に小さくなる。このため、バルブ２０から弁軸４２、ジョイント５８及びガイド５７を介してステップモータ２４に作用する圧力による推力が小さくなり、この小さくなった推力の分だけステップモータ２４に要求される駆動トルクを減らすことができる。この結果、減少出力分だけステップモータ２４を小型化することができ、流量制御弁１の小型化を図ることができ、そのエンジン搭載性を向上させることができる。
【００４７】
この実施の形態の流量制御弁１の流量特性によれば、図１０（ｂ）に示すように、ラジエータ流量が、バルブ２０の変位量（バルブ開度）の増加に対して最大流量へ向かっての増加傾向を示し、バイパス流量が、バルブ２０の変位量（バルブ開度）の増加に対して一旦増加して減少する傾向を示すようになっている。従って、ラジエータ流量が最大流量となる「最大流量領域」では、バイパス流量が減少して、その減少分だけラジエータ流量として循環する冷却水が増えることになる。このため、エンジン２を最大限に冷却すべき高負荷運転時には、最大流量の冷却水をラジエータ８で放熱させて冷却することができ、エンジン２の冷却効果を高めることができる。
【００４８】
この実施の形態で、エンジン２を構成するエンジンブロック２ａは、ハウジング２１、ポンプ通路４及びバイパス通路７を含む。このような構成を含むエンジンブロック２ａは、その内部に設けられるバイパス通路７に冷却水を流通させる「内部バイパスタイプ」の一つであり、現在多くのエンジンで採用されている。
【００４９】
従って、この実施の形態の流量制御弁１によれば、図１，３〜５に示すように、現状の「内部バイパスタイプ」のエンジンブロック２ａにおいて、既に設けられているハウジング２１を利用して第２のボディ２３を組み付けることにより、流量制御弁１をエンジンブロック２ａに装着することができる。この装着状態で、エンジンブロック２ａのバイパス通路７に対して第２のボディ２３のバイパスポート３３を連通させる。これにより、流量制御弁１を通るバイパス流量が確保される。又、エンジンブロック２ａのポンプ通路４に対して第２のボディ２３のポンプポート３４を連通させる。これにより、流量制御弁１で調節されるラジエータ流量及びバイパス流量がポンプ通路４を通じてウォータポンプ５へ戻されるようになる。このようにエンジンブロック２ａのハウジング２１をそのまま利用して流量制御弁１を装着できるので、流量制御弁１を装着するために、エンジンブロック２ａの形状を変更したり、エンジンブロック２ａの外部にバイパス配管等を別途設けたりする必要がない。この結果、流量制御弁１をエンジン２に対して簡易かつ安価に装着することができる。これにより、冷却装置の製造コストの高騰を抑えることができる。
【００５０】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の流量制御弁を具体化した第２の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。尚、この実施の形態において、第１の実施の形態と同じ構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。以下には、第１の実施の形態と異なる点を説明する。
【００５１】
図１１は、本実施の形態の流量制御弁６１の断面図を示し、図３に準ずる。この実施の形態の流量制御弁６１は、第１の弁体７１及び第１の弁座７２の構成の点で第１の実施の形態の流量制御弁１と構成が異なる。
【００５２】
第１の弁体７１は、略短筒状をなし、上部にフランジ状の計量部７１ａを含む。第１の弁体７１は、第１の実施の形態で第１の弁体３１に設けられた最大流量規制部３１ｂを持たない。この実施の形態では、第１の弁体７１の直下の弁軸４２の部分が、最大流量規制部３１ｂと同等に機能する。第１の弁体７１の計量部７１ａは、第１の弁座７２の弁孔７２ａに整合する。より詳細には、計量部７１ａは、円筒部７１ｂと、それより大径な拡径部７１ｃとを含む。第１の弁座７２の弁孔７２ａは、第１の弁体７１の円筒部７１ｂに整合する円周部７２ｂと、第１の弁体７１の拡径部７１ｃに整合するシール部７２ｃとを含む。シール部７２ｃは、第１の弁座７２の基材にゴムを焼き付けることで設けられる。第１の弁体７１が弁軸４２と一体的に上下に移動することにより、同弁体７１と第１の弁座７２との隙間により定義されるラジエータ側開度が変わる。図１１は、ラジエータ側開度が全開となる状態を示す。ラジエータ側開度が全閉のときには、第１の弁体７１の円筒部７１ｂが第１の弁座７２の円周部７２ｂに整合し、第１の弁体７１の拡径部７１ｃが第１の弁座７２のシール部７２ｃに密着する。
【００５３】
従って、この実施の形態の流量制御弁６１によれば、第１の実施の形態の流量制御弁１と同様の作用・効果を得ることができる。但し、第１の弁体７１が最大流量規制部を持たない分だけ、ラジエータ流量の最大流量を、第１の実施の形態のそれより増大させることができる。又、第１の弁体７１に拡径部７１ｃが設けられ、それに密着するシール部７２ｃが第１の弁座７２に設けられる点で、ラジエータ側開度が全閉になるとき冷却水のシール性を向上させることができる。
【００５４】
尚、この発明は前記各実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で以下のように実施することもできる。
【００５５】
（１）前記各実施の形態では、流量制御弁１，６１の流量特性につき、ラジエータ流量が、バルブ２０の変位量増加に対して増加傾向を示し、バイパス流量が、バルブ２０の変位量増加に対して増加と減少を示すように設定したが、ラジエータ流量とバイパス流量の増減関係はこれに限られるものではなく、必要に応じて適宜変更してもよい。
【００５６】
（２）前記各実施の形態では、アクチュエータとしてステップモータ２４を用いたが、ステップモータ以外のアクチュエータ、例えば、ＤＣモータやリニアソレノイドをアクチュエータとして用いることもできる。
【００５７】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明の構成によれば、ラジエータ流量がほぼ零となる領域では、バイパス流量がラジエータ流量に比べて僅かに多く流れ、それ以外の領域では、バイパス流量がラジエータ流量に比べて同じか少なく流れる流量特性となるよう第１の弁体及び第１の弁座の構成要素、並びに、第２の弁体及び第２の弁座の構成要素がそれぞれ設定される。このため、ラジエータ流圧力とバイパス流圧力との圧力差によりバルブに作用する圧力による力を抑えることができ、アクチュエータに要求される駆動トルクを相対的に小さくしてアクチュエータの小型化を図ることができ、エンジン搭載性を向上させることができる。併せて、エンジンに暖機が必要なときには、エンジンを効率良く暖機することができると共に、エンジンの温度状態を流量制御弁の制御に適正に反映させることができる。
【００５８】
請求項２に記載の発明の構成によれば、ラジエータ流量が、バルブの変位量増加に対して増加傾向を示し、バイパス流量が、バルブの変位量増加に対して増加と減少を示し、ラジエータ流量がほぼ零となる領域では、バイパス流量がラジエータ流量に比べて僅かに多く流れ、それ以外の領域では、バイパス流量がラジエータ流量に比べて同じか少なく流れる流量特性となるよう第１の弁体及び第１の弁座の構成要素、並びに、第２の弁体及び第２の弁座の構成要素がそれぞれ設定される。このため、請求項１に記載の発明の効果に加え、エンジンを最大限に冷却すべきときには、多めの冷却水をラジエータで放熱させて冷却することができ、エンジンの冷却効果を高めることができる。
【００５９】
請求項３に記載の発明の構成によれば、現状の「内部バイパスタイプ」のエンジンブロックにおいて、サーモスタットハウジングを利用して継手ボディを組み付けることにより、流量制御弁をエンジンブロックに装着することが可能となる。この装着状態で、流量制御弁を通るバイパス流量が確保され、流量制御弁で調節されるラジエータ流量及びバイパス流量がポンプ通路を通じてウォータポンプへ戻される。このため、請求項１又は２に記載の発明の効果に加え、エンジンに対して流量制御弁を簡易かつ安価に装着することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係り、流量制御弁を示す側面図である。
【図２】流量制御弁を示す平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】図３のＣ−Ｃ線断面図である。
【図６】エンジン冷却装置を示す概略構成図である。
【図７】第１及び第２の弁体等の構成と動作を示す部分拡大断面図である。
【図８】第１及び第２の弁体等の構成と動作を示す部分拡大断面図である。
【図９】第１及び第２の弁体等の構成と動作を示す部分拡大断面図である。
【図１０】（ａ），（ｂ）は、流量制御弁の流量特性と圧力特性を示すグラフである。
【図１１】第２の実施の形態に係り、図３に準ずる流量制御弁の断面図である。
【符号の説明】
１流量制御弁
２エンジン
２ａエンジンブロック
４ポンプ通路
５ウォータポンプ
７バイパス通路
８ラジエータ
２０バルブ
２１サーモスタットハウジング
２３第２のボディ
２４ステップモータ（アクチュエータ）
３１第１の弁体
３２第２の弁体
３３バイパスポート
３４ポンプポート
３５第１の弁座
３６第２の弁座
６１流量制御弁
７１第１の弁体
７２第１の弁座

Claims

冷却水を循環させてエンジンを冷却する水冷式の冷却装置に使用されるものであり、
前記エンジンから流れ出てラジエータを介してウォータポンプへ戻るラジエータ流量を制御するための第１の弁体及び第１の弁座と、
前記エンジンから流れ出て前記ラジエータを介さずに前記ウォータポンプへ戻るバイパス流量を制御する第２の弁体及び第２の弁座と、
前記第１及び第２の弁体を一つのバルブとして一体的に変位させるアクチュエータと
を備え、前記アクチュエータを制御して前記バルブを変位させることにより、前記ラジエータ流量と前記バイパス流量を調節して冷却水温度を目標温度に制御するようにした流量制御弁において、
前記ラジエータ流量及び前記バイパス流量が前記バルブの変位量との関係で領域的に定義され、前記ラジエータ流量がほぼ零となる領域では、前記バイパス流量が前記ラジエータ流量に比べて僅かに多く流れ、それ以外の領域では、前記バイパス流量が前記ラジエータ流量に比べて同じか少なく流れる流量特性となるよう前記第１の弁体及び前記第１の弁座の構成要素、並びに、前記第２の弁体及び前記第２の弁座の構成要素がそれぞれ設定され、前記ラジエータ流量がほぼ零となる領域では、前記第１の弁体と前記第１の弁座とが互いに接すると共に、前記第２の弁体と前記第２の弁座との間に微細隙間が設けられ、その微細隙間の分だけ微量なバイパス流量が確保されることで前記バイパス流量が前記ラジエータ流量に比べて僅かに多く流れることを特徴とする流量制御弁。
冷却水を循環させてエンジンを冷却する水冷式の冷却装置に使用されるものであり、
前記エンジンから流れ出てラジエータを介してウォータポンプへ戻るラジエータ流量を制御するための第１の弁体及び第１の弁座と、
前記エンジンから流れ出て前記ラジエータを介さずに前記ウォータポンプへ戻るバイパス流量を制御する第２の弁体及び第２の弁座と、
前記第１及び第２の弁体を一つのバルブとして一体的に変位させるアクチュエータと
を備え、前記アクチュエータを制御して前記バルブを変位させることにより、前記ラジエータ流量と前記バイパス流量を調節して冷却水温度を目標温度に制御するようにした流量制御弁において、
前記ラジエータ流量及び前記バイパス流量が前記バルブの変位量との関係で領域的に定義され、前記ラジエータ流量が、前記バルブの変位量増加に対して増加傾向を示し、前記バイパス流量が、前記バルブの変位量増加に対して増加と減少を示し、前記ラジエータ流量がほぼ零となる領域では、前記バイパス流量が前記ラジエータ流量に比べて僅かに多く流れ、それ以外の領域では、前記バイパス流量が前記ラジエータ流量に比べて同じか少なく流れる流量特性となるよう前記第１の弁体及び前記第１の弁座の構成要素、並びに、前記第２の弁体及び前記第２の弁座の構成要素がそれぞれ設定されることを特徴とする流量制御弁。
前記エンジンは、エンジンブロックを含み、前記エンジンブロックは、サーモスタットを組み付けるためのサーモスタットハウジングと、前記サーモスタットハウジングから前記ウォータポンプへ冷却水を流すためのポンプ通路と、前記ラジエータを介さずに前記ウォータポンプへ戻る冷却水を前記サーモスタットハウジングへ流すためのバイパス通路とを含み、
前記流量制御弁は、前記サーモスタットハウジングに組み付けられる継手ボディを含み、前記継手ボディは、前記ポンプ通路に連通可能なポンプポートと、前記バイパス通路に連通可能なバイパスポートとを含む
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の流量制御弁。