(57)【要約】  現在自動車用に使われているラジエータのサーモスタットとヒータのバルブに代わる冷却液の分配と流れを制御するための冷却液フローバルブ。バルブはバルブ筐体に回転して収容されるバルブロータを備え、その回転方向によって４つの異なる流出口を通る流路のどの組合せを選択するかが決まる。
2005510668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの流入口と複数の流出口を有するバルブ筐体と、
前記バルブ筐体内に回転可能に配置されるバルブロータを備え、
前記バルブロータは、その内部に複数の開口部と液体を通すように接続する複数の内部液体路を有し、前記少なくとも１つの流入口と前記複数の流出口のうち少なくとも１つとを選択的に接続させる
ことを特徴とする液体の流れを制御するバルブ。
【請求項２】
請求項１に記載の液体の流れを制御するバルブにおいて、
前記バルブロータと接続して動作する駆動機構をさらに備える
ことを特徴とする液体の流れを制御するバルブ。
【請求項３】
請求項２に記載の液体の流れを制御するバルブにおいて、
前記駆動機構は、ステッピングモータを有する
ことを特徴とする液体の流れを制御するバルブ。
【請求項４】
請求項１に記載の液体の流れを制御するバルブにおいて、
前記バルブ筐体に対して予め選択された回転方向に前記バルブロータを位置付けるためのばねをさらに備える
ことを特徴とする液体の流れを制御するバルブ。
【請求項５】
請求項１に記載の液体の流れを制御するバルブにおいて、
前記バルブロータと前記バルブ筐体の間に間隙をさらに有し、
前記間隙に液体が流入するのを防ぐために、前記バルブロータと前記少なくとも１つの流入口の間に配される少なくとも１つの可撓性シールと、前記バルブロータと前記複数の流出口のうち少なくとも１つの流出口との間に配される少なくとも１つの可撓性シールとを有する
ことを特徴とする液体の流れを制御するバルブ。
【請求項６】
請求項１に記載の液体の流れを制御するバルブにおいて、
駆動機構と接続して動作し、前記バルブロータを選択的に回転させるプロセッサと、
前記プロセッサと接続して動作する少なくとも１つのセンサと、
前記少なくとも１つの流入口と液体を通すように接続する液体ポンプと
をさらに備えることを特徴とする液体の流れを制御するバルブ。
【請求項７】
請求項１に記載の液体の流れを制御するバルブにおいて、
前記複数の内部液体路は、前記バルブロータの軸に沿って下に延びる少なくとも１つの第１液体路と、前記第１液体路から前記バルブロータの複数の開口部のうち少なくとも１つの開口部まで延びる第２液体路とを有する
ことを特徴とする液体の流れを制御するバルブ。
【請求項８】
請求項１に記載の液体の流れを制御するバルブにおいて、
前記複数の内部液体路は、前記バルブロータの中心軸に沿って下に延びる第１液体路と、前記第１液体路から前記バルブロータの複数の開口部のうち第１開口部まで延びる第２液体路と、前記第１液体路から前記バルブロータの複数の開口部のうちの第２開口部まで延びる第３液体路と、前記第１液体路から前記バルブロータの複数の開口部のうちの第３開口部まで延びる第４液体路とを有する
ことを特徴とする液体の流れを制御するバルブ。
【請求項９】
請求項１に記載の液体の流れを制御するバルブにおいて、
前記少なくとも１つの流入口と前記複数の流出口のうち少なくとも１つの流出口は、実質的に第１面に配置され、前記複数の流出口のうち少なくとも別の１つの流出口は、実質的に第２面に配置される
ことを特徴とする液体の流れを制御するバルブ。
【請求項１０】
請求項８に記載の液体の流れを制御するバルブにおいて、
前記複数の内部液体路は、前記第１液体路から前記バルブロータの複数の開口部のうち第４面開口部まで延びる第５液体路を有し、
前記少なくとも１つの内部液体路は、前記バルブロータの底部に前記第５液体路から前記複数の開口部のうち少なくとも１つの第５液体開口部まで延びる少なくとも１つの第６液体路を有する
ことを特徴とする液体の流れを制御するバルブ。
【請求項１１】
請求項１に記載の液体の流れを制御するバルブにおいて、
前記少なくとも１つの流入口は、水ポンプから冷却液を受けるように構成され、
前記複数の流出口は、前記冷却液をラジエータに送るように構成された第１流出口と、前記冷却液をバイパスラインに送るように構成された第２流出口と、前記冷却液をヒータに送るように構成された第３流出口とを有する
ことを特徴とする液体の流れを制御するバルブ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の液体の流れを制御するバルブにおいて、
前記複数の流出口は、前記バルブ筐体内で前記冷却液のガス抜きをするように構成された第４流出口をさらに有する
ことを特徴とする液体の流れを制御するバルブ。
【請求項１３】
少なくとも１つの流入口と複数の流出口を有するバルブ筐体内に回転可能に配置されるバルブロータの方向を選択する工程を含むバルブで液体の流れを制御する方法であって、
前記バルブロータは、該バルブロータの複数の開口部を液体を通すように接続する複数の内部液体路を有し、前記少なくとも１つの流入口と前記複数の流出口のうち少なくとも１つを選択的に接続する
ことを特徴とする液体の流れを制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に液体の流れを制御するバルブに関し、特に複数の流路を通る自動車用冷却液の分配と流れを同時に制御するバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車に用いられる水冷式内燃エンジンは、エンジンから一般的にラジエータと呼ばれる外部熱交換器に余分な熱を運ぶのにもっぱら液体を用いている。このような冷却液は、流れの一部が熱交換器を経て流出する温度が予め選択されたレベルを超えるまで、継続的にエンジンを経由して循環する。冷却液の温度が所望の範囲内に維持されるように、ラジエータへの流れを継続的に調整する。また、液体が運ぶ熱は、自動車の内部を暖めるのにも利用される。循環する冷却液の一部は、自動車内近くに配置される第２熱交換器を経由して、車内に向かいまたは車内で再循環して空気を暖める。
【０００３】
エンジン駆動水ポンプで生成される冷却液の流れの分配は、一般的に別個の２つの構成要素、つまりラジエータのサーモスタットとヒータのバルブで制御される。従来使われてきたサーモスタットは、一般的に、ワックス状の物質の質量を膨張させて生じる力で、ばねの偏倚力を押さえてバルブを開ける機構によるものである。ワックス状の物質の膨張は、温度の関数で表される。装置全体が冷却液の流れに浸漬され、バルブが閉じたときにラジエータへの冷却液の流れを遮断するように配置および構成されている。バルブが閉位置にある間は、冷却液は循環しつづけるが、ラジエータを迂回させられてエンジンの水路に再び戻る。この種の構成には多数の欠点が伴う。例えば、バイパスの流路が常時開いたままであることや、そのため、最大限に冷却しなければならない場合でも、冷却液の流れの一部は常にラジエータを迂回するということなどがあげられるが、これに限定するものではない。さらに、サーモスタットが冷却液の流路に直に置かれるため、冷却液の流れが妨げられ、それによって冷却システムの効率が損なわれる。一方、開閉機構の障害は、通常サーモスタットを閉鎖された状態に置く結果となり、ひいてはすぐにエンジンの損傷につながる。従来のサーモスタットの構成の本来的な別の欠点は、装置が予想されるエンジンの冷却の必要性にはおろか、エンジンの温度に直接反応できず、必然的に冷却液の温度にしか反応できないことにある。そのため、エンジンの温度を様々な条件に対して必ずしも最適化することはできず、結果として燃費効率を下げ、排ガスの排出量を増やすことになる。
【０００４】
ヒータバルブは、一般に冷却液の流れの一部が自動車のＨＶＡＣ（暖房通気空調）システム内に配置されるヒータコアに向かうように配置される。初期の暖房システムのバルブは、自動車の内部にあるレバーから延長したケーブルで作動させるだけのものであった。現在のシステムの多くは、コンピュータ制御のサーボバルブを使用しており、バルブの位置はヒータの温度を制御するように調整されているか、あるいはヒータで加熱された空気が冷却された空気と混ざって車内の温度を調整する全開もしくは全閉の位置になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
冷却液の流れと分配を制御する従来のアプローチの本来的な問題点は、２つの独立したオペレーティングシステムが共通の冷却液の温度に影響を与えていることにある。車内の熱への需要が変わると、冷却液の温度およびサーモスタットの位置に影響を及ぼす。一方が変わると必然的に他方も変わることになり、共通の制御システムがなければ温度は変動し不安定になりやすい。例えば、特に交通渋滞時のエンジン負荷の変化は、システムに供給される熱が追加的に変化を受けるごとに、さらに大きな変動を引き起こす。排ガス規制がますます厳しくなり、高い燃費効率が求められる中、冷却液の温度をより正確に制御することが求められる狭い温度範囲でエンジンを動作させることが必要である。冷却液の温度、つまりエンジンとヒータの温度をより正確に制御できる改良型の冷却システムが求められている。
【０００６】
本発明のバルブによって、既知の冷却液の流れおよび分配制御システムの欠点を克服できる。現在使用されているサーモスタットとヒータと別々の二つのバルブに代えて一つのバルブを用いて、冷却液の循環経路とその流れを総合的に制御するものである。このバルブはラジエータへの冷却液の流れ、ラジエータを迂回してエンジンの冷却路に戻る流量、ヒータへの冷却液の流れを制御し、さらに、バルブを流れる冷却液のガス抜きを行なう。ここで説明するように、この全ての機能が一つのバルブで行なわれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のバルブは、バルブ筐体内に回転して収容されるバルブロータを有する。筐体には一つの流入口と、ある数の流出口が形成され、バルブロータはバルブロータから伸びるある数の導管を有する。
この導管は、流入口を、バルブ筐体内におけるバルブロータの回転方向の関数で表される選択された組合せの流出口に流体を通すように接続するためのものである。
【０００８】
特に、本発明のバルブは、円筒形のバルブ筐体に形成されるポートを筐体の軸に沿って間隔を開けて配置される少なくとも２つの面に沿って配列されるように構成される。第１面に流入口とラジエータ流出用の流出口を備えてもよい。第２面に沿って配列されるポートには、ヒータの流出口とバイパスポートを備えてもよい。気泡を搬送するポートを円筒形筐体の端に形成してもよい。バルブロータに形成される導管は、選択した導管がバルブ筐体内のバルブロータの回転方向の関数で表される選択したポートと並ぶように配列する。内部の導管は、第２面に沿って配列した導管を相互接続するようにバルブロータの軸に沿って延びる。
【０００９】
ある一定の冷却液の分配と流れを達成するのに必要なバルブ筐体内のバルブロータの正確な回転方向は、ステッピングモータを操作して決めてもよい。一つ以上の温度センサからの入力データまたは選択されたヒータの温度を、操作者が入力したものをマイクロプロセッサで読み取り、モータを所望の位置にまで移動するのに必要な信号を生成してもよい。さらに、機械式ばねを使用して、電子機器の故障の際、バルブロータをラジエータとヒータへの流入量を最大にする回転方向に置き、故障時セーフモードとして機能させてもよい。
【００１０】
本発明の上記および他の特徴並びに利点は、添付図面と併せて発明の原理の例を述べる以下の好適な実施例の詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明のバルブは、現在の自動車に一般的に使用されている従来のラジエータ・サーモスタット・ヒータバルブに代わるものである。バルブはラジエータ、ラジエータバイパスおよびヒータへの冷却液の流れと分配を制御し、オプションとして冷却液のガス抜きを制御してもよい。
図１は、本発明のバルブ１４を有するバルブアセンブリ１２の斜視図である。バルブは冷却液の流れを制御し、冷却液は流入口１６から入って予め選択可能な流出口１８、２０、２２、２４の組合せを介して分配される。流入口を流出口の所望の組合せと流体が流れるように設定するには、付属の駆動機構２６を操作して行なう。駆動機構２６はステッピングモータと減速ギアの組合せの形をとってもよい。
【００１２】
図２は、駆動機構を除いたバルブ１４の斜視図である。バルブは、バルブ筐体３０内に回転して収容されるバルブロータ２８を有する。バルブ筐体には、流入口１６、ラジエータポート１８、バイパスポート２０、ヒータポート２２およびガス抜きポート２４など、複数のポートが形成される。ポートのそれぞれは筐体の壁を貫通して延び、その内部に導管を形成する。流入口の軸３２とラジエータポートの軸３４は円筒形バルブの中心軸３６に垂直な第１面上にあって互いに一直線に並ぶ。バイパスポートの軸３８とヒータポートの軸４０は中心軸に垂直な第２面上にあり、第２面は第１面に対して軸方向にずれている。ガス抜きポートの軸４２はバルブ筐体の底部から延び、一般的にはバルブの中心軸３６に平行で、それから半径方向にずれている。図示する実施例では、各ポートは適当な長さと直径の逆目管４３、４４、４５を有し、逆目管は伸びて冷却液搬送ホースまたはラインを受け止めるように構成される。ホースまたはラインは、逆目管に締め付け固定してもよい。バルブ筐体内のバルブロータの回転の向きによって、どの流出口と流入口との間で流体を連通するかが決まる。シャフト４６は、バルブロータの一端からその軸３６に沿って延び、駆動機構によってロータの回転を促す。シャフトの周りに配置される戻しばね４７は、バルブロータをバルブ筐体に対して予め選択した回転方向に偏らせる。
【００１３】
図３は、本発明のバルブ１４のバルブロータ２８の斜視図である。バルブロータには、バルブロータの内部で互いに相互接続されるか、またはバルブロータの表面上に形成される様々な開口部４８、５０、５２と相互接続されるある数の内部流体路が形成されている。開口部は円周上と軸上に互いに間隔を開けて正確な位置に配置され、バルブ筐体３０に形成される選択したポートと、バルブロータのバルブ筐体に対する予め選択した回転方向で一列に並ぶ。
【００１４】
図４は、図３の線４−４に沿って切断したバルブロータ２８の断面図である。バルブロータに形成されるＴ字形の流体路５４が、バルブロータの内部から開口部４８、５０、５６を介してその表面まで延びているのがはっきり見える。中央の流体路５８はバルブロータの中心軸に沿って下に延びている。バルブ筐体３０内のバルブロータの回転の方向によって、開口部４８、５０、５６のどれとラジエータポート１８との間で流体を連通させるかが決まり、ポート１８と位置をあわせる開口部の断面積の割合が決まる。
【００１５】
図５は、図３の線５−５に沿って切断したバルブロータ２８の断面図である。パイ形の流体路６０は、中央の流体路とロータの表面上に形成される細長い開口部５２および軸方向に延びた小さな流体路６２、６４との間を繋ぎ流体を連通させる。バルブ筐体３０内のバルブロータの回転の向きによって、バイパスポート２０、ヒータポート２２、あるいは両方のポートが全部または一部の開口部５２と一列に並ぶかどうかが決まる。
【００１６】
図６は、コンポーネントの底部に形成される２つの溝６６、６８を示すバルブロータ２８の底部平面図である。この溝は流体路６０まで延びる流体路６２、６４と繋がり流体を連通する。バルブ筐体３０内のバルブロータの回転の方向によって、どちらの溝をバルブ筐体底部に形成されるガス抜きポート２４と繋ぎ流体を連通させるかが決まる。
各流出口の周辺にはシールが固定され、流出口を通る流体の流れを、全体的または部分的に開口部と並ぶバルブロータ２８に形成される開口部から流れ出る流体だけに制限する。図７は図２の線７−７に沿って切断した拡大断面図で、ヒータポート２２に使用するシールの構成を図示しているが、これはラジエータポート１８およびバイパスポート２０に使用するものと同一である。各ポートはチューブ部４４（または４３、４５）を有し、チューブ部は外側に延びて、締め付けて固定するホースまたは他の導管を受止し保持するように構成される。各チューブ部は近接端の付近に直径を圧縮した首部７２を有し、首部はバルブ筐体３０の内径とほぼ合致する高さで終端する。可撓性シール７０は首部およびバルブロータ２８の表面と係合するフランジ７６ときつく嵌合するカラー７４を有する。シールは、バルブロータとバルブ筐体間の間隙７８の冷却液がシールに後ろから負荷をかけることによってフランジがバルブロータを圧迫し、効果的に密封するように構成されている。単純なＯ−リング（図示せず）はガス抜きポート２４の近接端の周りを密封する。単純なガスケット（図示せず）は、バルブ筐体の上部フランジ８０と、駆動機構のカバーから広がる連動面との間を密封する。追加のＯ−リング（図示せず）をシャフト４６の周りに取り付けて、駆動機構のカバーの連動面とを密封してバルブ筐体のシールを完全なものにする。
【００１７】
使用時、本発明のバルブを、流入口１６がエンジンの冷却液を循環するのに用いる水ポンプの出力を受けるように垂直に置く。ポンプはエンジン駆動あるいは電気駆動の装置を備えてもよい。各ラジエータポート１８、バイパスポート２０およびヒータポート２２はそれぞれの構成要素に対して垂直であって、ガス抜きポート２４は垂直に置かれ、オーバーフロータンクに接続するなどしてある特定の冷却システム用の循環冷却液から気泡を最も効果的に取り除く。従来のホースおよびホースの締め金を種々の接続に用いてもよい。所望の効果を達成するために、バルブ筐体３０内のバルブロータ２８を回転させるのに、多種多様な制御方法のいずれを使用してもよい。マイクロプロセッサが例えば温度センサなどの様々なセンサからの入力や、例えば所望の車内温度などの操作者からの入力を受けて、バルブ筐体内のバルブロータをどの方向に回転させたら様々な流路を流れる冷却液の量が適正になるかを決める。また、駆動機構に適当な信号を備えてバルブロータを適正な向きに回転させることもできる。
【００１８】
図８および図９は、本発明のバルブの好適な実施例の断面図であり、バルブ筐体２８をバルブ筐体３０内の左回りの限界位置まで回転させたものである。図８は流入口１６の軸３２とラジエータポート１８の軸３４を含む面に沿った断面図である。図９は、バイパスポート２０の軸３８とヒータポート２２の軸４０を含む面に沿った断面図である。流入口１６に入れた流体は、遮られていない開口部のいずれかを通って自由にバルブロータ２８に流入する。最も直線の流路は、開口部４８を経由するものだが、バルブロータとバルブ筐体間の間隙７８も開口部５０、５２、５６への流体路になる。この回転方向では、流出口のうちの一つというわずかな割合しか、つまりラジエータポート１８だけがバルブロータに形成される開口部（５０、５６）と並んでいる。ラジエータポートのシール８２が間隙７８に沿ってラジエータポートに入る流れを妨げ、一方バイパスポートのシール８４とヒータポートのシール８６がそれぞれのポートへの流れを全て妨げる。
【００１９】
図１０および図１１は、本発明のバルブの好適な実施例の断面図であり、バルブ筐体２８がバルブ筐体３０内で右回りの限界位置まで回転し、つまり図８および図９に図示する回転方向から約２２５度回転している。図１０は流入口１６の軸３２とラジエータポート１８の軸３４を含む面に沿った断面図である。図１１はバイパスポート２０の軸３８とヒータポート２２の軸４０を含む面に沿った断面図である。流入口１６に入れた流体は、遮られていない開口部のいずれかを通って自由にバルブロータ２８に入る。最も直線の流路は開口部５６を経由するものだが、バルブロータとバルブ筐体間の間隙７８も開口部５０、５２への流路になる。この回転方向では、一本の流路が開口部４８を介してラジエータとラジエータポート１８の双方へ、および中央の流体路５８、開口部５２およびヒータポート２２を介してヒータへと遮るものなく通っている。バイパスポート２０への流れは、バイパスポートのシール８４によって完全に遮断され封止されている。このように、この回転方向でエンジンを最大限に冷却し、ディフォルトまたは故障時セーフモードとして利用する。コントローラまたは他の電気機器に誤作動が生じた場合には、機械ばね４７がバルブロータをこの向きに回転させる。
【００２０】
図１２は、種々の流路をバルブ筐体３０内のバルブロータ２８の回転方向の関数として表したグラフである。横軸にバルブロータの回転方向を度数で示し、縦軸に４種類の流出口に利用できる開放面積の近似値を示す。ラジエータ流出口をひし形、ヒータの流出口を四角形、バイパスの流出口を三角形、ガス抜き流出口を「Ｘ」で表す。図８および図９の断面図は０度の位置を、図１０および図１１の断面図は２２５度の位置を表している。
【００２１】
本発明のバルブの構成では、種々様々な流路の組合せを選択できる。例えば、
ａ．  ガス抜き閉で、バイパスだけ
ｂ．  ガス抜き閉で、ヒータだけ
ｃ．  ガス抜き開で、ヒータとバイパスが開
ｄ．  ラジエータは開く度合いが変わり、ガス抜き開、バイパス開
ｅ．  ラジエータは開く度合いが変わり、ガス抜き開、ヒータ開
ｆ．  ガス抜き開で、ラジエータが１０％から１００％まで開く度合いが変わる
ｇ．  ラジエータ開、ヒータ開、ガス抜き開、バイパス閉
コントローラは、様々な状況や条件に応じていろいろな回転方向を選択するように構成できる。このような状況と条件、そして対応する方向選択の例を以下にあげる（項目番号は図１２に示す四角で囲んだ番号に対応する）。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
本発明のバルブは、多種多様な異なる材料のいずれを使って形成してもよい。例えば、バルブロータは好ましくはセルコンとして知られるアセタールコポリマーから形成し、バルブ筐体はナイロンサーモプラスチックを用いて形成してもよい。また、他のプラスチックを使用してもよい。別の代替物として、主な構成要素の一方または両方の製造に金属を使ってもよい。
【００２４】
以上、発明のある特定の形態を図示し説明してきたが、本発明の趣旨と範囲を逸脱することのない限り、当業者が様々な変形を加えられることは明らかであろう。バルブはどんなタイプの水冷式エンジンにも使用できる。空間上のいかなる方向（逆向きを含むがそれに限定するものではない）にも配置することができる。また、入力の度合いに基づいて回転方向を選択するどんなタイプの装置とともに使用してもよい。また、バルブロータはいかなるタイプの駆動機構を用いて回転させてもよい。したがって、添付の請求項以外に本発明は制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明のバルブの好適な実施例を含むバルブを組み立てた斜視図である。
【図２】バルブの斜視図である。
【図３】バルブロータの斜視図である。
【図４】図３の線４−４に沿ったバルブロータの断面図である。
【図５】図３の線５−５に沿ったバルブロータの断面図である。
【図６】図３に図示するバルブロータの底面図である。
【図７】図２の線７−７に沿った拡大断面図である。
【図８】図４に図示するのと同じ面沿いのバルブ筐体内のバルブロータの断面図であり、バルブロータは左回りの回転方向の限度いっぱいまで回転している。
【図９】図５に図示するのと同じ面沿いのバルブ筐体内のバルブロータの断面図であり、バルブ筐体に対するバルブロータの回転方向は図８に図示するものと同じである。
【図１０】図４に図示するのと同じ面に沿って切断したバルブ筐体内のバルブロータの断面図であり、右回りの限度いっぱいに回転した状態である。
【図１１】図５に図示するのと同じ面沿いのバルブ筐体内のバルブロータの断面図であり、バルブ筐体に対するバルブロータの回転方向は図１０に図示するのと同じである。
【図１２】種々の流路を回転方向の関数で表したグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2005510668.tif 000013
【図１１】
2005510668.tif 000014
【図１２】
2005510668.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成15年10月2日(2003.10.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2005510668.tif 000016
【図２】
2005510668.tif 000017
【図３】
2005510668.tif 000018
【図４】
2005510668.tif 000019
【図５】
2005510668.tif 000020
【図６】
2005510668.tif 000021
【図７】
2005510668.tif 000022
【図８】
2005510668.tif 000023
【図９】
2005510668.tif 000024
【図１０】
2005510668.tif 000025
【図１１】
2005510668.tif 000026
【図１２】
2005510668.tif 000027
【国際調査報告】
2005510668.tif 000028
2005510668.tif 000029
2005510668.tif 000030