JP2000136886A5 - 高温適用の連続可変電気作動型制御バルブ - Google Patents

Description

【書類名】 明細書
【発明の名称】 高温適用の連続可変電気作動型制御バルブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】 高温流体の流れを調節する装置において、
流体導管に沿って配置される流体通路を画成するバルブ本体と、入力シャフトと、前記入力シャフトに結合され連続可変回転のために前記流体通路内で装着される環状バルブプレートと、を有するバタフライバルブと、
出力シャフトに連続可変回転出力を有する電気アクチュエータと、
前記電気アクチュエータからの前記連続可変回転出力を前記バタフライバルブに伝達するため、前記出力シャフトに接合された第一端部と、前記入力シャフトに接合された第二端部と、を有すると共に、前記入力シャフトと前記出力シャフト間の熱伝達を減少させる少なくとも一つの熱バリアを有する、結合管と、
前記バルブ本体を前記電気アクチュエータに固定し、これらの間の回転を防止するハウジングと、を備え、
前記流体通路を通る高温流体の供給中、前記バタフライバルブにおける熱膨張を許容するため、前記入力シャフトと前記出力シャフトとの間での軸方向及び角度方向の移動が限定された範囲で許容されるように、前記出力シャフトは前記結合管の前記第一端部に摺動自在に取り付けられると共に、前記入力シャフトは前記結合管の前記第二端部に摺動自在に取り付けられる、装置。
【請求項２】 前記バタフライバルブは、内燃エンジンの排気マニフォールドに連結され、エンジン用ターボチャージャーを通る排気ガスの流れを調節する、請求項１記載の装置。
【請求項３】 ターボチャージャーがコンプレッサに動力を与えるタービンを含み、前記タービンが内燃エンジンの排気マニフォールドに接続されて排気流を受ける、前記内燃エンジンのターボチャージャーに対するブースト圧を調整する装置において、
バルブ本体と、環状バルブプレートと、前記環状バルブプレートに結合された入力シャフトとを有するバタフライバルブであって、前記バルブ本体は流体通路である排気通路を画成し、前記排気通路は前記タービンを通る排気流を調節するための排気マニフォールドに連結され、前記環状バルブプレートは、前記排気通路内で連続可変回転のために装着され、そこを通る流れを調節する、前記バタフライバルブと、
連続可変回転出力が伝達される出力シャフトを有する電気アクチュエータと、
前記電気アクチュエータを前記バタフライバルブから断熱すると同時に、前記バルブ本体に関して前記バルブプレートの回転位置を制御するために、前記連続可変回転出力を前記環状バルブプレートに接続するための結合手段であって、前記結合手段は、前記出力シャフトに回転自在に結合された第１の端部と、前記入力シャフトに回転自在に結合された第２の端部とを備え、
前記流体通路を通る高温流体の供給中、前記バタフライバルブにおける熱膨張を許容するため、前記入力シャフトと前記出力シャフトとの間での軸方向及び角度方向の移動が限定された範囲で許容されるように、前記出力シャフトは前記結合手段の前記第１の端部に摺動自在に取り付けられると共に、前記入力シャフトは前記結合手段の前記第２の端部に摺動自在に取り付けられる、装置。
【請求項４】 前記バルブ本体を前記電気アクチュエータに固定し、これらの間の回転を防止するハウジングを更に備える、請求項３記載の装置。
【請求項５】 前記入力シャフト及び前記出力シャフトは同軸上に整列されている、請求項３又は４記載の装置。
【請求項６】 前記結合手段が結合管である、請求項３又は４記載の装置。
【請求項７】 一対のねじりスプリング機構を更に含み、前記結合管の各端部で前記ねじりスプリング機構は前記入力シャフト及び前記出力シャフトを前記結合管につなぎ、前記ねじりスプリング機構は前記バタフライバルブ及び前記電気アクチュエータが動作中に及ぼすよりも大きなトルクまで予め負荷がかけられ、もって、前記入力シャフト及び前記出力シャフト間の回転ヒステリシスを最小限にする、請求項１又は６記載の装置。
【請求項８】 前記入力シャフトの軸方向の移動を減少する為に前記入力シャフトにシーリング／スラスト機構を更に備え、比較的一定の、前記バルブ本体に対する前記環状バルブプレートの軸方向位置を維持する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】 前記第一端部は、第一主要熱バリアを提供するために前記出力シャフトと最小限に接触すると共に、前記第二端部は、第二主要熱バリアを提供するために前記入力シャフトと最小限に接触する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】 前記第一端部は軸方向に延びた第一スロットを画成すると共に、前記第二端部は軸方向に延びた第二スロットを画成し、
前記出力シャフトは前記第一スロット内に半径方向に延びた第一剛体部材によって固定されると共に、前記入力シャフトは前記第二スロット内に半径方向に延びた第二剛体部材によって固定され、
第三熱バリアが前記第一剛体部材と前記第一スロットの間に配置されると共に、第四熱バリアが第二剛体部材と第二スロットとの間に配置されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】 前記ハウジングは、前記結合管、前記入力シャフト及び前記出力シャフトを囲む外管であり、前記外管は、高い熱抵抗を提供するために選択的に配列された複数の孔を画成する、請求項１又は２記載の装置。
【請求項１２】 前記結合手段が結合管であり、前記ハウジングは、前記結合管、前記入力シャフト及び前記出力シャフトを囲む外管であり、前記外管は、高い熱抵抗を提供するために選択的に配列された複数の孔を画成する、請求項４記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
この発明は、全般的に流量制御バルブに関し、特に、エンジンに適用される連続可変バタフライ型バルブに関する。
【０００２】
【発明の背景】
流量に対し速く正確な制御が必要な多くの高温適用例がある。その一例であり、かつ非常に重要な適用例は、ターボチャージャーにより与えられたブースト圧の制御である。ターボチャージャーは、最近の内燃エンジンのシリンダ内で燃焼される空気燃料（Ａ／Ｆ）比に影響し、内燃エンジンはディーゼル及び天然ガスエンジンを含む。ターボチャージャーは、空気を圧縮する為のコンプレッサと、コンプレッサを駆動する為のタービンとを含む。タービンは、エンジンを退出する排気流で動作する。最も効率の良いエンジン性能を達成するためには、シリンダ中に分配される空気のブースト圧が正確に制御されなければならない。
【０００３】
コンプレッサブースト圧に対する良好な制御を得る一つの方法は、タービンを通って流れる排気量を制御することである。これは、タービンを通って流れる排気量を密接に調整あるいは調節する制御された排気逃がし弁を備えることにより、達成することができる。制御された排気逃がし弁の設計は、バルブが作動する厳しい環境を考慮しなければならない。排気逃がし弁は、華氏１４００度（摂氏７６０度）の排気ガス温度に晒される可能性がある。燃焼室に極めて接近することから、排気逃がし弁も同様に、エンジンブロックから来る振動及び熱伝達を取り扱わなければならない。
【０００４】
空気圧により制御された流量制御バルブを用いたターボチャージャーのタービンを通って排気流量を調整する従来の試みが知られている。典型的な従来の試みには、スイングバルブやポペットバルブの位置を制御する空気アクチュエータがある。空気アクチュエータは高温環境に耐えるようになっているが、それらは、バルブと空気アクチュエータ間の圧力差から生じる著しい回転ヒステリシス量を有する遅いレスポンスを与える。さらに、スイング及びポペットバルブは、非常に高い利得特性を有し、正確な制御を非実用的なものにする。これらのファクタが、ターボブースト圧の不完全な制御の原因になっている。これが、エンジンのターボチャージャーの不完全な制御および内燃機関に対する低効率の原因になっている。
【０００５】
エンジン内への大気温度空気の絞り込みのような低温適用例において、公知の電気作動型バタフライバルブがある。このような電気作動型バタフライバルブは、通常、電気アクチュエータの回転出力をバタフライバルブに伝達する単一の中実シャフトを有する。これらの電気アクチュエータは、高応答可能であり、バタフライバルブ及びその中を通って流れる低温ガスの迅速かつ高精度の制御を与えている。しかし、シャフトは良好な熱及び振動伝導体であり、熱及び振動は、例えばターボチャージャーに排気流量を調整する逃がし流量制御バルブのような高温適用例に適用されたとき、過熱及び／又は電気アクチュエータの破損の原因になる。
【０００６】
排気ブレーキ用電気作動型バタフライバルブを備える公知の試みもある。例えば、Ｗｅｌｇｅに対する米国特許第２７５３１４７は、車両が急な坂を降りるとき車両を遅くするためエンジンのピストンに対し背圧を形成する、電気作動型オン／オフバタフライバルブを例示する。しかし、Ｗｅｌｇｅにおけるエンジンブレーキバルブは、エンジンのターボブースト圧を制御するには適切でない。Ｗｅｌｇｅは、連続的に変化しないオン／オフ型バルブを開示する。このようなオン／オフ型バルブは、ターボブースト圧の所望の制御に必要な制御、応答または精度を与えない。さらに、電気アクチュエータの出力シャフトは、バタフライバルブの入力シャフトと平行に間隔を開けて置かれた別個の軸に沿って配置されている。回転は、出力シャフトから入力シャフトに、スプリング、ローラー、トラック機構により伝達され、これらが入力シャフト及び出力シャフトを反対方向に回転させる。入力シャフト及び出力シャフト間の連結は、バルブの複雑性を増し、さらにバタフライバルブの応答性および制御を減らすシャフト間の回転遊びを許容する。
【０００７】
さらに、Ｗｅｌｇｅについての他の問題は、エンジンターボチャージャーを通じて排気流を制御するのに必要な厳しい環境条件に対し、それが適用しそうにないことである。Ｗｅｌｇｅにおいて、バタフライバルブは、排気マニフォールドの出口と排気ラインの入口との間に装着されるように適合され、エンジンターボチャージャーにおけるバイパスの典型的配置と比較されるように、エンジンの燃焼室より更に下流に存在し得る。この下流側配置は、典型的ターボチャージャーバイパスと比較すると、温度及び振動という点で厳しさが少ない環境である。そのため、本発明が向けられている問題に悩むことはない。
【０００８】
【発明の概要】
そのため、本発明の全般的なねらいは、高温適用における流体流にわたる良好な制御を達成することである。
【０００９】
本発明の他のねらいは、高温適用に対し電気制御連続可変式バタフライバルブを提供することである。
【００１０】
より特別な本発明のねらいは、内燃及び／又はタービンエンジン適用における高温動作に適用した、電気制御連続可変バタフライバルブを提供することである。
【００１１】
この点については、内燃エンジンにおけるターボチャージャーの制御を改善することは、本発明の他のねらいである。
【００１２】
他の態様によると、本発明の目的は、エンジンターボチャージャーを制御する際に電子制御又は電気駆動作動を利用することである。
【００１３】
そのため、本発明の目的は、バタフライバルブと連続可変電気アクチュエータとの間の熱伝達を最小限にすることである。
【００１４】
関連した目的は、熱膨張とアクチュエータに関するバタフライバルブの収縮を調節することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、振動の実質的な量に耐容性がある電気作動バタフライバルブを提供することである。
【００１６】
特別な実施例における、本発明の特定目的は、およそ華氏１４００度（摂氏７６０度）の最大温度を有するガス流を調整することができる電気制御バタフライバルブを提供することである。
【００１７】
本発明の他の特定目的は、エンジンターボチャージャーを通じて制御排気ガス流の速度、精度を改善することである。
【００１８】
本発明の他の特定目的は、通常動作中、エンジンターボチャージャーを通じて排気ガス流を調整する流量制御バルブ内の回転ヒステリシスを最小限にすることである。
【００１９】
本発明の他の目的は、唯一受動冷却に必要な高温適用に対するコンパクトな電気作動バタフライバルブを提供することである。
【００２０】
そのため、本発明の特徴は、高温適用において流体流の正確な制御用電気作動流体制御バルブを提供することである。この特徴によると、電気アクチュエータは、電気アクチュエータに印加された電気信号に比例的に関連した回転位置を有する出力シャフトを含む。流量制御バルブは、可動バルブ部材に結合された入力シャフトを含み、流体通路を通じて流体流を調整する。入力シャフト及び出力シャフトは、同軸上で整列されており、電気アクチュエータから流量制御バルブに回転運動を直接伝達する為の結合管によって回転自在に結合されている。結合管は、入力シャフト及び出力シャフト間の熱的障害物として役立つ。結合手段は、結合管をそれぞれの入力シャフト及び出力シャフトに接合し、そこを通る熱伝達を規制する。
【００２１】
流量制御バルブは、環状流体通路内に装着された環状プレートを含み、そこを通る流量を調整するバタフライバルブであるというのが、本発明の一態様である。バタフライバルブは、スイング又はポペット型流量制御バルブと全体的に比較されるように、流体通路を通じて流体流にわたる、更なる良好な制御を提供する。
【００２２】
本発明の他の特徴は、エンジンにおける高温流体流を調節する為の電気作動バタフライバルブを提供することである。この特徴によると、好ましい実施例は、出力シャフトで連続可変回転出力と、その出力シャフトに接続されて連続可変回転出力を受ける入力シャフトを備えたバタフライバルブとを有する。中間シャフト又は結合管は、入力シャフト及び出力シャフト間の熱的障害物を提供する一方、これらのシャフトと結合している。
【００２３】
電気アクチュエータ及びバタフライバルブが中間ハウジングによって固定され、一体的な電気作動バタフライバルブコンポーネントを提供する、というのは、関連した特徴である。更なる態様は、ハウジングが、軸方向及び角度方向の追従を与えると同時に、バタフライバルブ及び電気アクチュエータ間の熱伝達を減らすために熱抵抗にも貢献するコンプライアンススロットの列を含むことである。
【００２４】
本発明の更なる態様は、入力および出力シャフト間の連結は、これらの間の角度方向及び軸方向の移動を許容することである。これにより、小さな角度方向及び軸方向の変位と電気アクチュエータ及びバタフライバルブ間のミスアライメントが許容され、これらは、熱的膨張又は収縮および、バタフライバルブ及び電気アクチュエータ間の振動が原因となって生じる。
【００２５】
本発明の更なる態様は、シーリング／スラスト機構をバタフライバルブの入力シャフトに与え、流体通路に関して環状バルブプレートの位置を安定化することである。シーリング／スラスト機構は、入力シャフトの軸方向の移動を減らし、環状バルブプレートが流体通路の壁に擦れたり、結合したりすることを妨げる。
【００２６】
本発明の他の態様は、入力シャフト及び出力シャフトに対して中間結合管を回転自在に結合するためのねじりスプリング機構を提供することである。ねじりスプリング機構は、軸方向及び角度方向の柔軟性を有し、角度方向及び軸方向の移動を許容する。特定の目的によると、入力シャフトと出力シャフトとの間の回転ヒステリシス及びバックラッシュを実質的に全て除去するため、ねじれスプリングには予め負荷がかけられて、電気アクチュエータ又はバタフライバルブが通常動作中に及ぼすものよりも大きな回転スプリング力又はトルクを与える。
【００２７】
本発明の他の目的は、エンジンターボチャージャーによって与えられたブースト圧の制御を改善する電気制御バタフライバルブを提供することである。したがって、バタフライバルブは、エンジンの排気マニフォールドに装着され、エンジンターボチャージャーのタービンを介して排気流を調節する。バタフライバルブの回転位置は、連続可変電気アクチュエータによって制御される。適切な連結手段は、バタフライバルブを通じて流れる高温流体から電気アクチュエータを熱的に隔離する間、正確かつ迅速なバタフライバルブの制御の為にアクチュエータの回転出力をバタフライバルブに接続する。
【００２８】
本発明の他の特徴は、バタフライバルブを用いるエンジンターボチャージャーを介して流体流を調節する方法を提供することである。当該方法は、電気アクチュエータを熱的にバタフライバルブから隔離し、バタフライバルブ／入力シャフト及び電気アクチュエータ／出力シャフト間の軸方向及び角度方向の移動をある範囲で許容すると同時に、密接かつ直接的にアクチュエータ出力をバタフライバルブに結合して、電気アクチュエータを用いて連続可変回転出力を生成するステップを含む。
【００２９】
本発明の、これらと他の目的及び利点は、添付図面と共に講じられるとき、以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。
【００３０】
【好適実施例の詳細な説明】
例示という目的で図１を参照すると、本発明の好適実施例は、高温適用の為の電気制御バタフライバルブ装置２０として描かれている。好適実施例は、最高温度が約華氏１４００度（摂氏７６０度）になるかもしれない排気ガス流を制御する為に特に適合されたように記述されているが、好適な実施例は、他の高温エンジン適用及び／又はバルブ及び電気アクチュエータ間の断熱を必要とする他の適用に関連して流体流を制御する為に適合されてもよい点が最初に理解されるべきである。これらの広い態様は、本発明の一部として考慮され、ここで付加された一定の広いクレームにより包含されている。
【００３１】
高温適用における流体流の良好な制御を達成するというねらいによると、本発明の好適な実施例は、全般的に電気アクチュエータ２２を有し、それは、バタフライバルブ２４又は他の適切な流体制御バルブの回転位置を変える為に連続可変出力を有する。バタフライバルブ２４は、全般的に円筒バルブ体２６を含み、それは、ステンレス鋼又は他の適切な材料にすることができ、円筒流体通路２８又は他の適切な環状形通路を高温排気ガスを通す為に画成している。ここで使用されるように、“環状”という用語は、長円、楕円、円形および他の許容される湾曲した形状を含む。図２を参照すると、バルブ体２６は、流体通路２８とほぼ直交して延びるドライブ受容／装着部３０を含む。バルブ体２６を横切り、ドライブ受容部を介して延びているのは円筒ボア３２であり、それは、流体通路２８を直角に横切って延び、正反対で向かい合った部分３２ａ、３２ｂを含む。
【００３２】
中実入力シャフト３４は、ボア３２内に装着されバルブ体２６に対して回転する。入力シャフト３４は、正反対に向かい合うボア部３２ａ、３２ｂと、ドライブ装着／受容部３０からの突出部の両方を通って伸び、電気アクチュエータ２２から連続可変回転出力を受容する。入力シャフト３４は、一対の熱抵抗性炭素ベアリング３６の間で支持され、バルブ体２６に対して自由に回転する。長円バルブプレート３８又は他の適切な環状形プレートは、一対の留め具４０によって入力シャフト３４に堅く固定され、流体通路２８内に密接に適合し、流体通路２８を通って排気ガス流を調整する。図１〜２，４において完全に閉じた位置で示されているように、環状バルブプレート３８は、流体通路２８とほぼ同心に整列される。
【００３３】
電気アクチュエータ２２は、バタフライバルブ２４の、従って、流体通路２８を通る排気ガス流の、速く、正確かつ高精度な制御の為に、入力シャフト３４に直接結合する、連続可変出力を生成する。電気アクチュエータ２２は、一般的に、電気信号及び、電気入力信号に比例的に関連する回転位置に対し駆動される出力シャフト４４を受容するため、電気入力ライン４２を含む。好適な実施例において、電気アクチュエータ２２は、４―２０ｍＡ入力電流を比例的に関連した出力シャフト４４の回転出力位置に変換する、限定アングルトルカ（ＬＡＴ）として図示されている。図面で示されるように、電気アクチュエータ２２は、内部ステータアセンブリ４８を含む外部ケーシング４６を含み、電気入力ライン４２に接続されたコイルアセンブリ５０を有する。出力シャフト４４は、コイル５０内に印加された電流に応答する永久磁石電機子５２を含む。電気アクチュエータ２２は、同様に、ステータ４８に留められたベアリングハウジング５４を含む。出力シャフト４４は、一対の鋼球ベアリングセット５６によりベアリングハウジング５４内で支持され、ベアリングハウジング５４の外に突出している。本発明の特定態様によると、入力及び出力シャフト３４，４４は、同軸上に整列されているのが分かる。
【００３４】
バタフライバルブ位置の正確な制御に関連するねらいや目的を維持するにあたり、入力及び出力シャフト３４，４４は、回転自在に結合され、電気アクチュエータ２２の連続可変回転出力をバタフライバルブ２４に直接的に伝達する。好適実施例において、出力シャフト４４の回転位置の変化は、同時かつ対応的に入力シャフト３４、従ってバルブプレート３８の回転位置を修正するものである。従って、中間結合管５８又は他の中間シャフトは、入力及び出力シャフト３４，４４を接合する。中間結合管５８は、それぞれ、出力シャフト４４及び入力シャフト３４の同軸上に向かい合うシャフト端部６３，６４をたやすく受容する開口端部６０，６１を提供する。
【００３５】
回転自在に入力及び出力シャフト３４，４４を結合する為、図２及び図４を参照すると、中間結合管５８は、一般的に６６及び６８で表示された一対のねじりスプリング機構、又は他の適切な結合手段によって入力及び出力シャフト３４，４４に接続されている。好適な実施例において、各々のねじりスプリング機構は、ロールピン７０、又は他の半径方向に延びた剛体部材、及びねじりスプリング７２を含む。ロールピン７０は、各々のシャフト３３，４４内に形成され、シャフトに固定された対応穴７４内に圧入されている。ロールピン７０の端部は、管の開口端部６０，６１で形成された、軸上に延びたスロット７８に沿って軸上に載せられている。各々のねじりスプリング７２は、結合管５８にわたり適合し、軸方向に延びた外側端部８０を有し、外側端部８０は、接線上の接触点又は接触ラインを介して、ロールピン７０を置き（ｃｒａｄｌｅｓ）係合する。各々のねじれスプリング７２も同様に、中間結合管５８に係合する内側端部８２を含み、この場合、内側端部８２は、曲げられ、結合管５８の軸上のスロット７８に適合する。ねじりスプリング機構６６，６８は、入力シャフト３４及び出力シャフト４４間の回転上のバックラッシュを防止する。これを提供するため、各々のロールピン７０は、ねじれスプリングの外端部８０及び軸上スロット７８の一端の間に装填されている。
【００３６】
電気アクチュエータ２２及びバタフライバルブ２４間に回転上のヒステリシス有することなく、バックラッシュのない、直接の応答を提供するため、ねじれスプリング７２が予め装填されており、電気アクチュエータ２２及びバタフライバルブ２４が通常動作中に結合管５８上に及ぼすトルクより大きい回転上のバイアスを与える。これにより、バタフライバルブ２４における回転上のヒステリシスを防止し、バタフライバルブプレート３８における正確な応答を与え、次には、流体通路２８を通じて排気流にわたり良好な制御を提供する。
【００３７】
本発明の特徴によると、図１及び図２を参照して、電気アクチュエータ２２及びバタフライバルブ２４は、単一の一体的アセンブリに内蔵されている。したがって、外部ハウジング管８６は、バルブ体２６を電気アクチュエータ２２のベアリングハウジング５４に固定し、これらの間の回転を防止する。好適な実施例において、外部ハウジング管８６は、入力シャフト３４及び出力シャフト４４の中間結合管５８及び突出端部６３，６４を含む。外部ハウジング管８６は、ソケットヘッドキャップスクリュー８８、又は他の適当な留め具により、電気アクチュエータ２２及びバルブ体２６間に留められている。ハウジング管８６も同様に、バルブ体２６のドライブ受容／装着部３０に極めて接近して、複数のアクセス開口部８９が含まれ、ねじりスプリング機構６８の取り外し及び接続の為のアクセスを許容する。ハウジング８６は好適な実施例において備えられているが、外部ハウジング管８６は、（図３に示されているように）バタフライバルブ２４と電気アクチュエータが堅く外部コンポーネントに固定される範囲で取り除くことができる。
【００３８】
操作において、高温適用排気ガス又は他の流体は、連続して流体通路２８に適用可能である。ライン４２を通じて電気アクチュエータ２２に伝達された電流は、所望のバルブプレート３８を選択的に位置決めする為に制御される。好適な実施例において、電気アクチュエータ２２は、連続可変になっており、バルブプレート３８は、選択的に位置決めされ、完全開放および完全閉鎖位置間のどんな位置でも選択的に保持することができる。バルブプレート３８の位置は、必要に応じて更新され、バルブプレート３８は流れを変調する。流れが変調される速度は、バタフライバルブ２４の特定適用および、電気アクチュエータ２２が電気入力信号に応答する速度（ｒａｔｅ）に依存する。
【００３９】
好適な実施例において、電気アクチュエータ２２は故障又は誤動作の前の上限温度がほぼ華氏２１２度（ほぼ摂氏１００度）であるが、バタフライバルブ２４は、およそ華氏１４００度（およそ摂氏７６０度）までの温度の排気ガス又は他の高温流体を通過させるのに適合する。当該発明によると、電気アクチュエータは、制御及び装着機構に沿って熱伝達を限定することにより、この不利な環境から保護される。ここで示されるように、電気アクチュエータ２２からの連続可変回転出力をバタフライバルブ２４に伝達する制御又は駆動機構は、結合管５８及び中間シャフト又は他の熱的障害物と共に、別個に断熱された駆動シャフト（入力シャフト３４，出力シャフト４４）に食い込まれている。結合管５８及びドライブシャフト３４，４４間の接触領域は、電気アクチュエータ２２に対する特定の熱的ダメージを特定の熱的流体適用に対し防ぐのに十分な、少なくとも一つの好ましい別個の熱バリアを提供するために制限されている。好適な実施例において、結合管５８の端部開口の内径は、絶縁間隙を与えて結合管５８と入力シャフト３４及び出力シャフト４４との間の接触を最小限にする為に、入力シャフト３４及び出力シャフト４４の各々の外径より十分に広い大きさになっている。管５８とシャフト３４，４４との間の各々の絶縁間隙は、第１の熱バリアとして役立ち、電気アクチュエータの過熱を防止する。さらに、入力及び出力シャフト３４，４４は、摺動自在に結合管５８内に適合し、これらの間の熱伝達を制限する、単に小さな端部を有するにすぎない。
【００４０】
熱制限および熱バリアも同様に、ねじれスプリング機構６６，６８又は、結合管５８を入力シャフト３４及び出力シャフト４４に接合する他の適切な結合手段によって提供される。ねじれスプリング機構６６，６８又は他の結合手段は、金属の接触点及び／又は入力シャフト及び出力シャフト間の金属断面金属領域を最小限にする。好適な実施例の図２で最も良く示されるように、ねじれスプリング７２はロールピン７０の接線上の、或いは他の最小限接触を通じて最小限の金属接触点を提供する。ロールピン７０も同様に、単に、各々のスロット７８の壁端に対する金属の接線上の接触ラインを有するだけである。
【００４１】
好適な実施例も同様に、更に熱伝達を減らす為に低い熱伝導率を有する金属材料又は他の丈夫な材料を使用している。したがって、中間結合管５８に使用される材料、入力シャフト３４及び外部ハウジング管８６は、好ましくは、ステンレス鋼材、又は他の低熱伝導硬材で形成されている。バルブプレート３８は、熱抵抗性を同様に有するインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）型鋼で形成されてもよい。
【００４２】
好適な実施例の他の態様は、図２に最も良く示されるように、外部ハウジング管８６上、半径方向に規定されたコンプライアンススロット９０の使用を含む。コンプライアンススロット９０は、交互に位相整列外れ（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｈａｓｅ）で形成された隣接した列９２Ａ、９２Ｂ、９２Ｃで整列されている。コンプライアンススロット９０の複数列９２Ａ、９２Ｂ、９２Ｃがあることが分かるように、各列９２Ａ、９２Ｂ、９２Ｃは幾何学的に１２０度又は隣接した列９２Ａ、９２Ｂ、９２Ｃに対し適切な角度で回転している。これらのコンプライアンススロット９０は、外部ハウジング管８６の有効熱伝導長は増加しているが外部ハウジング管８６の断面積はかなり減少しているので、熱抵抗として貢献する。アクセスオリフィス８９も同様に、外部ハウジング管８６の熱抵抗を増加させる。
【００４３】
好適な実施例を実施する際、バタフライバルブ２４がパイプ導管（図５に概略的に図示）に装着されているが、電気アクチュエータは、ブラケッティング（図示せず）に装着するように適合している。バタフライバルブ２４及び電気アクチュエータの据え付けは、好ましくは室温で行われる。しかし、電気制御バタフライ装置２０の操作中、著しい温度差が電気アクチュエータ２２とバタフライバルブ２４間に存在する。このような温度差は、バタフライバルブ２４と電気アクチュエータ２２との間の軸上及び角度上の熱変位と心ずれの原因になる。さらに、電気制御バタフライバルブ装置２０は、（図５に示されるような）エンジン環境に適用され、エンジンの振動が軸上及び角度上の熱変位に付随的応力を与える可能性がある。
【００４４】
バタフライバルブにおける熱膨張を適応させる目的によると、好適な実施例は、出力シャフト４４に対し、軸上及び角度上の入力シャフトの移動の限定された範囲を与える。そのため、ここで使用するように、（好適な実施例が除去する回転上のバックラッシュと混同すべきでない）角度上の移動が入力シャフト４４の軸と出力シャフト３４の軸との間の心ずれに関連することが明らかであろう。好適な実施例において、結合管５８の端部開口は、入力シャフト３４の軸と出力シャフト４４の軸の間で、およそ２度の角度の心ずれを許容するのに十分な大きさになっている。ロールピン７０は、軸状スロット７８に沿って軸状に載せられており、入力シャフト３４は、軸方向の応力を生成することなく、開口端部６１内の位置の範囲中、軸状に移動することができる。ねじりスプリング７２の弾性的性質の為、中間結合管５８とシャフト３４，４４間の連結接合は、柔軟性の範囲を有し、軸状及び角度の移動の両方を調節する。位相コンプライアンス外れのスロット９０も同様に、外部ハウジング管８６における柔軟なコンプライアンスの限定量を提供し、電気アクチュエータ及びバタフライバルブ２４間に小さな角度上及び軸上の変位が生じるとき、応力を減少する。
【００４５】
本発明の他の態様に応じて、図２及び図３を参照すると、好適な実施例は、一般的に、入力シャフト３４の軸方向の移動をなくし、流体通路２８に対し環状バルブプレート３８の軸方向の位置を安定化する、全体的に９６で表示された、シーリング／スラスト機構を提供する。シーリング／スラスト機構９６は、バルブプレート３８を流体通路２８の壁に拘束させり擦りつける原因になる、入力シャフト３４の広い軸方向の移動と振動を減小する。好ましい実施例のシーリング／スラスト機構９６は、円筒ボア３２の拡張部９８内で形成される。シーリング／スラスト機構９６は、摺動自在に入力シャフト３４上に置かれる内部スリーブ１００と、バルブ体２６に軸上に固定され、内部スリーブ１００にわたり同軸状に配置される外部スリーブ１０２とを含む。外部スリーブ１０２と内部スリーブ１００は、スプリングチャンバ１０４を形成する。スプリング１０６は、同軸状にスプリングチャンバ内に配置され、内部スリーブ１００をシールワッシャー１１０に着座させる。入力シャフト３４も同様に、軸状スプリング１０６の力を受けて入力シャフト３４、従って環状バルブプレート３８の位置を安定させる、ショルダー１０８を画成する。ショルダー１０８と内部スリーブ１００との間で圧縮されているのは、ボア３２からの流体漏れを防ぐ為にシールとして作動する温度抵抗カーボンシールワッシャー１１０である。
【００４６】
図５には、例示的かつ非常に重要な本発明の適用が概略的に示されている。エンジンターボチャージャーにわたる制御を改善するねらいによると、電気作動バタフライバルブ装置２０は、内燃エンジン２０２のターボチャージャー２００と流体連通した排気逃がしとして構成されている。内燃エンジンは、エンジン２０２の燃焼室に通じる圧縮空気入口導管２０４と、放出の為の排気ガス出口導管２０６とを有する。ターボチャージャー２００は、空気を入口導管２０４に圧縮するコンプレッサ２０８と、コンプレッサ２０８に動力を与えるタービン２１０とを含む。タービン２１０は、出口導管２０６を通る排気ガス流により駆動される。タービン２１０の動力、従ってエンジン２０２の燃焼室内の空気／燃料比を制御するため、図１から図３で示される電気制御バタフライ装置２０によって制御される排気ガスバイパスライン２１２が備えられている。バイパス２１２は、タービン２１０に流れる排気ガスをそらす為に出口導管２０６と平行な流体中に配置されている。これにより、コンプレッサ２０８の動作速度、従ってターボチャージャー２００により与えられる、エンジン２０２に対するブースト圧が制御される。バイパス２１２を通る排気ガス流は、特別なエンジンの型に依存し、およそ華氏１４００度（およそ摂氏７６０度）までの温度であってもよい。
【００４７】
一つの高温適用は図５で示されてきたが、電気アクチュエータ２２の断熱が必要な場合、或いは著しい角度上及び軸上変位の著しい広がり（ｒａｎｇｅ）が電気アクチュエータ２２及びバタフライバルブ２４間で生じる可能性がある場合、本発明が多くの適用で使用できることが理解されるであろう。電気制御バタフライバルブ装置２０は、制御される流体が電気アクチュエータ２２の温度限界より高い場合、特に、たった一つのシャフトを備えた電気アクチュエータ２２の過熱の可能性が非常に重要になるとき、バタフライを通じて流体温度が（前述したように、華氏約２１２度（約摂氏１００度）までに限定される）電気アクチュエータの温度限界以上華氏１００度（摂氏３７．８度）に近づく場合、どんな適用においても熱的利点を有する。例えば、このバルブも同様に、内燃エンジン２０２におけるコンプレッサ２０８のバイパス及び／又はタービン２１０の流出（ｂｌｅｅｄ）操作を制御する際にも使用されてもよい。圧縮空気は大気温度より高い温度を有するが、コンプレッサ２０８のバイパス制御のような適用において、温度は華氏１４００度（摂氏７６０度）よりかなり低い。このような低い高温適用において、入力シャフト３４及び出力シャフト４４が直接、一つのねじれスプリング機構又は他の回転カプラを介して結合され、それによって、中間結合管を除去してもよいことが、当業者に認められるであろう。電気制御バタフライバルブ装置２０も同様に、（内燃エンジンのターボチャージャーと混同すべきでない）内部の流体流を変調する為のタービンエンジン適用や、高温流体で動作する為の正確且つ応答性の良いバルブを望む他の状況に使用することが可能である。
【００４８】
当該発明は様々な変形及び代替え構成が可能であるが、本発明の一定の例示的実施例は図面内に示されており、本願に詳細に説明されている。開示された特定形状に本発明を限定する意図はない点が理解されるべきであるが、逆に、当該発明は、添付クレームにより規定されたように当該発明の真意及び範囲に該当する全ての変形例、代替え構成及び均等物を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明の好適な実施例による電気制御バタフライバルブの斜視図である。
【図２】
図２は、図１の電気制御バタフライバルブの２−２線に沿って切断された断面図である。
【図３】
図３は、点線の円３により識別された図２の電気制御バタフライバルブの拡大された分図である。
【図４】
図４は、外部ハウジング管を取り除いた図１の電気制御バタフライバルブの斜視図である。
【図５】
図５は、本発明の好適実施例によるエンジン環境に導入された電気制御バタフライバルブの概略図である。