JP2012524212A - 排気ガス再循環弁及び冷却方法 - Google Patents
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Abstract
排気ガス再循環弁が鋳造金属本体を有し、少なくとも1つの冷却回路が鋳造金属本体中に鋳造形成されている。冷却回路は、冷却剤入口、冷却剤出口及び冷却剤入口と冷却剤出口との間の通路を有する。別の装置が鋳造金属本体、鋳造金属本体中に鋳造形成されたエレクトロニクス冷却回路及び鋳造金属本体中に鋳造形成された弁冷却回路を有する。エレクトロニクス冷却回路は、回路板及びモータの少なくとも一方を冷却する。弁冷却回路は、弁シャフト及び歯車列の少なくとも一方を冷却する。排気ガス再循環弁を製造する方法が鋳造パターンを備えたモールドを用意するステップを有し、鋳造パターンは、モールド中に少なくとも1つの冷却回路を有する。冷却回路は、冷却剤入口、冷却剤出口及び冷却剤入口と冷却剤出口との間の冷却剤通路を有する。この方法は、溶融金属又は合金をモールドに導入するステップと、溶融金属又は合金を冷却して冷却回路を含むモールドのパターンを備えた鋳造金属装置を形成するステップとを更に有する。
Description
自動車業界では、排気ガス再循環(EGR)システムを用い、不活性排気ガスを再循環させることによりエンジン排気ガス中のNOxを減少させている。EGRシステムには、排気行程中に排気ガスを完全には排出しないで排気ガスをシリンダ内に取り込む内部型と、排気ガスを排気マニホルドから入口マニホルドに運ぶ外部型がある。EGRシステムは、例えば強制誘導用では高圧であり、或いは、自然吸気型エンジン用では低圧である。再循環ガス流を調節したりそのタイミングを取ったりするためにEGRシステムの一部として制御弁が用いられる場合がある。
調節弁の配設場所及び駆動機構体の結合に応じて、EGRシステムの一部として用いられる弁やアクチュエータは、熱伝導、熱対流又は熱放射により伝達される高い温度にさらされる場合がある。
例えばEGR(排気ガス再循環)弁のような装置が開示される。例示の実施形態では、排気ガス再循環弁は、鋳造金属本体を有し、少なくとも1つの冷却回路が鋳造金属本体中に鋳造形成されている。冷却回路は、冷却剤入口、冷却剤出口及び冷却剤入口と冷却剤出口の間の通路を有する。
別の実施形態では、装置が鋳造金属本体、鋳造金属本体中に鋳造形成されたエレクトロニクス冷却回路及び鋳造金属本体中に鋳造形成された弁冷却回路を有する。エレクトロニクス冷却回路は、回路板及びモータの少なくとも一方を冷却する。弁冷却回路は、弁シャフト及び歯車列の少なくとも一方を冷却する。他の例示の実施形態では、排気ガス再循環弁を製造する方法が鋳造パターンを備えたモールドを用意するステップを有し、鋳造パターンは、モールド中に少なくとも1つの冷却回路を有する。冷却回路は、冷却剤入口、冷却剤出口及び冷却剤入口と冷却剤出口との間の冷却剤通路を有する。この方法は、溶融金属又は合金をモールドに導入するステップと、溶融金属又は合金を冷却して冷却回路を含むモールドのパターンを備えた鋳造金属装置を形成するステップとを更に有する。
例示の実施形態の十分な理解を容易にするために、次に添付の図面を参照する。これら図は、本発明を限定するものと解釈されてはならず、例示であるに過ぎない。
以下の説明は、排気ガス再循環(EGR)弁を含む多くの特定の実施形態及び細部を提供することによって実施形態の完全な理解を提供しようとするものである。しかしながら、本発明は、例示に過ぎないこれらの実施形態及び細部には限定されないことはいうまでもない。さらに、当業者であれば、公知の装置、システム及び方法に照らして、任意の数の変形実施形態において本発明の使用をその意図した目的及び利点に関し理解できる。
従来型EGRシステムは、再循環されたガス流を調節したりそのタイミングを取ったりするEGR弁を採用している。EGR弁の配設場所及び駆動機構体の結合に応じて、EGRシステムに用いられる弁やアクチュエータは、熱伝導、熱対流又は熱放射により伝達される高い温度にさらされる場合がある。一般的に言って、例示の実施形態のEGR弁は、新規な製造方法及び設計上の特徴により冷却方法及びその達成手段を提供する。
例示の実施形態の弁及び方法は、他の公知の装置及び冷却技術と比較して改良手段となっていることが考えられる。例えば、金属若しくは合金アクチュエータフランジ又は弁ハウジング若しくは機構体が例示の方法を用いて鋳造されない場合、これには仕様、例えば漏れ及びロバストネスに適合するには数個の部品及びシールが必要である。例示の方法は、幾つかの機械加工、処理及び組み立てステップを減少させ又はなくすことにより、更にこれら装置を処理する費用を軽減することによってこれら装置の製造を単純化する。
実施形態の種々の特徴が本明細書において弁体用途に関して説明されるが、当業者であれば、実施形態は、種々の他の装置で利用でき、弁体への使用には限定されないことは認識されよう。
図1及び図2を参照すると、例示のEGR弁100は、ハウジング又は本体110、弁部分150及びエレクトロニクス部分140を有する場合がある。弁部分150及びエレクトロニクス部分140は、一体部品として形成されても良く、或いは、互いに提供される複数個の部品として形成されても良い。種々の実施形態では、弁部分150は、本明細書において説明する実施形態に適した任意形式の弁を含むことができる。例えば、弁は、低圧型でも高圧型でも良く、内部式(シリンダ内)でも外部式でも良い。例えば、低圧EGRシステムは、一般に、自然吸気型エンジン用であり、高圧EGRシステムは、強制誘導エンジン用である。弁は、任意適当な調節手段を利用することができる。例えば、例示の実施形態では、再循環ガスの調節をポペット弁、フラップ弁、蝶形弁、ゲート弁等で達成でき、これら弁は、これらの動作に応じて圧力バランス式又は圧力付勢式のものであって良い。
例示の実施形態では、弁の作動は、任意適当な手段によって達成できる。例えば、例示の弁は、手動、空気圧、油圧又は電気的に作動できると共にレバー及びプッシュロッド等を介して直接結合され、磁気結合され又は駆動されても良い。例示の弁及びアクチュエータは、米国特許第7,591,245号明細書及び同第7,658,177号明細書(両方の発明の名称:Air Valve and Method of Use)に記載されており、これら米国特許を参照により引用し、これらの開示内容全体を本明細書の一部とする。
図1及び図2を参照すると、例示の実施形態では、弁部分150は、高圧用に構成された電子閉鎖結合アクチュエータ型2バレル式蝶形EGR弁であるのが良い。弁部分150は、ガス通路152及びシャフト156に結合された回転可能なプレート154を有する。回転可能なプレート154は、開放位置と閉鎖位置との間で回転し、閉鎖位置では、プレート154は、通路152の内面の一部分に対してシールを提供し又はこれに密着し、したがって、プレート154を通過するガス流は実質的に存在しないようになる。弁部分150は、必要に応じて又は所望ならば他の種々の特徴を有することができる。
EGR弁100のエレクトロニクス部分140は、弁のための電子制御装置を含む。エレクトロニクス部分140は、例えば、回路板142及びモータ144、例えばブラシレスDC(BLDC)モータを有するのが良い。エレクトロニクス部分140は、必要に応じて又は所望ならば他の種々の特徴を有することができる。
EGR弁100は、任意公知の冷却方法又は将来開発される冷却方法によって冷却可能である。例示の冷却法としては、高温環境への暴露に起因して冷却を必要とする単バレル若しくは多バレル式弁又はスタンドアロン型アクチュエータに用いられる冷却方法が挙げられる。例示の実施形態では、熱伝達を容易にするためにEGR弁100を通って冷却媒体を循環させるのが良い。種々の実施形態では、EGR弁100は、冷却媒体を弁ハウジング/弁体110中に導く手段となるよう弁ハウジング/弁体110内に形成された少なくとも1つの冷却通路200を有するのが良い。冷却通路200は、冷却媒体のための入口210及び出口220を有するのが良い。通路200、入口210及び出口220を必要に応じて又は所望ならば弁体110の任意の部分に設けることができる。例えば、図1、図5及び図6を参照すると、入口210及び/又は出口220は、弁100の弁部分150に設けられるのが良く、或いは、図8を参照すると、入口210及び/又は出口220は、弁100のエレクトロニクス部分140に設けられるのが良く、或いは、上記内容の任意の組み合わせが可能である。弁100は、複数の通路200、入口210及び/又は出口220を有するのが良い。例示の実施形態では、冷却通路200は、冷却中の冷却されるべき機構体に密接して設けられ、それにより、装置の冷却効率が向上する。本明細書で用いられる「冷却媒体」という用語は、気体(ガス)、液体、ナノ流体及びこれらの混合物を含む任意適当な冷却剤又は冷媒を意味している。例示の実施形態では、冷却媒体は、気体(ガス)、例えば空気、水素、ヘリウム、窒素、二酸化多酸素等であるのが良い。別の例示の実施形態では、冷却媒体は、液体、例えば水、ポリアルキレングリコール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ベタイン、油、燃料、溶融金属(例えば、ナトリウム又はナトリウムカリウム合金)等であるのが良い。当業者であれば、本明細書において説明する実施形態に用いられるのに適した冷却剤物質を認識されよう。冷却媒体をポンプ等を含む任意適当な機構体によって冷却通路200に導入するのが良い。
例示の実施形態では、冷却通路200は、エレクトロニクス又は電子/電気冷却回路240(図1〜図4及び図8〜図10を参照されたい)及び/又は弁冷却回路250(図5〜図7及び図11を参照されたい)を含む1つ又は2つ以上の主要な冷却回路を提供することができる。例示の実施形態では、弁冷却回路250は、弁部分150及びこの中に設けられている部品内で且つこの周りで弁体110を貫通する冷却通路200を提供している。例えば、図5及び図6を参照すると、弁冷却回路250は、シャフト及びモータフランジ周りに冷却通路200を提供するのが良い。弁冷却回路250は、シャフトを通って歯車列158中に伝導された熱を放出し、BLDCモータフランジを排気ガスから伝達された熱の伝導から遮蔽することができる。例示の実施形態では、エレクトロニクス/電気冷却回路240は、エレクトロニクス/電気部分140及びこの中に設けられている部品内で且つこの周りで弁体110を貫通した冷却通路200を提供している。例えば、エレクトロニクス/電気冷却回路240は、図2及び図3を参照するとモータ144の周りに且つ/或いは図4を参照すると電子回路板144の周りに冷却通路200を提供することができる。例示の実施形態の電子/電気冷却回路240は、回路板及びBLDCモータ144のところに生じた熱を放出すると共に回路板142及びモータ144をエンジンアンダーフードの高温から遮蔽することができる。例示の実施形態では、1つ又は2つ以上の冷却回路240,250は、冷却通路200を弁体/ハウジング210中に又は弁部分150の機構体中に設けることによって或いはこれらの組み合わせによって形成されるのが良い。
或る特定の例示の実施形態では、弁100は、電子冷却回路240と弁冷却回路250の両方を有する。幾つかの実施形態では、電子冷却回路240は、弁冷却回路250と流体連通状態にある。例えば、例示の実施形態では、冷却通路200は、冷却媒体が冷媒入口210を経て流入し、そして電子冷却回路240を通って流れ、次に弁冷却回路250(図4参照)を通って流れ、次に冷却媒体出口220を経て流出するよう構成されているのが良い。別の例示の実施形態では、冷却通路200は、冷却媒体が冷却媒体入口210を経て流入し、弁冷却回路250を通って流れ、次に電子冷却回路240を通って流れ、次に冷却媒体出口220を経て流出するよう構成されるのが良い。他の実施形態では、電子冷却回路240及び弁冷却回路250のために別々の冷却通路200を設けるのが良く、各回路は、それ自体の冷却媒体入口210及び出口220を有する。
例示の実施形態では、シャフト156から歯車列158への熱伝達を一段と減少させると共にシャフトシール160の高温暴露を減少させるため、追加の熱経路減少特徴部を設計上、高温暴露部とシャフトシール160との間でシャフト156中に組み込むのが良い。例えば、図7を参照すると、熱伝達経路を減少させるよう中空シャフト部分170を設けるのが良く、或いは、図11を参照すると、熱伝達経路を減少させるようシャフト156にシャフト穴172を横方向穴あけするのが良い。例示の一実施形態では、非接触式熱伝達構成により、シャフトハウジングとその一体冷却通路との間の隙間が最小限に抑えられ、それによりシャフトの放熱が達成される。他の例示の実施形態では、シャフト放熱は、接触式熱伝達設計によって達成できる。例えば、一実施形態では、冷却剤通路200は、冷却媒体をシャフト156に差し向けてシャフト156が冷却剤に暴露されると共に2つのシャフトシール160a,160bが冷却剤を収容するようにするのが良く、それにより冷却媒体が弁通路152から隔離される。別の例示の実施形態では、シャフト冷却通路164をシャフト156中に設けるのが良い。シャフト冷却通路164は、弁冷却回路250及び/又は電子冷却回路240と流体連通状態にあるのが良い。別の実施形態では、中空シャフト(図7)は、ナトリウム充填シャフトであっても良く、或いは貫流チャンバであっても良い。さらに別の実施形態では、図12を参照すると、ブラシ接点162がハウジング110とシャフト156との間でばね押しされるのが良く、それにより、ブラシ162は、熱をシャフトからハウジング110の隣りの冷却面に運ぶ。この実施形態では、ブラシ162は、シャフト156(図示のように)に接続されるのが良く又は隣接のハウジング110に連結されても良い。ブラシのばね押しは、任意適当な手段、例えば圧縮ばね、引っ張りばね又は捩じりばね174によって達成できると共にばね特性を備えたスポンジ形ブラシをシャフト156(図示のように)に連結するのが良く又は隣接のハウジング110に連結しても良い。
種々の実施形態では、冷却方法を提供することができる。一実施形態では、EGR弁100は、1つ又は2つ以上の鋳造部品を有し、冷却法は、例えばロストフォーム鋳造法、ロストコアインベストメント鋳造法、ソルトコア鋳造法等によって鋳造部品中に「鋳造形成」された冷却通路200を設けるステップを有する。以下においてロストフォーム鋳造法に関して実施形態を詳細に説明するが、当業者であれば、この説明から、同様な装置を製作するために他の適当な方法をどのように適合させれば良いかを認識しよう。
ロストフォーム鋳造法は、一般に、砂型又はモールド(sand mold )内に埋め込まれたロストフォームを用意するステップを有し、フォームは、最終の鋳造部品の所望の形状に形成され、ロストフォーム鋳造法は、溶融金属又は合金材料を蒸発可能なフォーム材料上に注いで溶融金属がフォームを蒸発させると共に変位させるステップと、鋳造部品をロストフォームの形状に形成するステップとを更に有する。この鋳造法により、組み立ての複雑さ、部品数及び一般にマルチシール組立体に見られる潜在的な漏れ箇所を減少させることができる。シールは又、熱伝達を減少させるうえで冷却剤による貧弱な放熱及び/又は熱及び/流体の適合性に関する問題を生じさせる特性をもつ。種々の実施形態では任意適当な金属及び/又は合金材料を用いることができ、かかる材料としては、例えば、アルミニウム又は鋳鉄が挙げられる。
例示の実施形態では、ロストフォーム及び砂型は、鋳造部品中に1つ又は2つ以上の冷却通路200を提供して冷却媒体入口210及び冷却媒体出口220を備えた1つ又は2つ以上の冷却回路を提供するよう構成されているのが良い。例示の実施形態の方法は、公知の方法と比べて利点をもたらす。というのは、例示の実施形態の方法は、冷却されるべき機構体に密接して冷却通路を提供することができ、それにより装置の冷却効率が向上するからである。
種々の実施形態では、ロストフォーム材料は、内部にボイドが形成されるよう溶融金属又は合金により蒸発可能な任意のフォーム材料であって良い。例示の実施形態では、ロストフォームは、ポリスチレンフォームであるのが良い。ロストフォームに適した他の材料を必要に応じて且つ/或いは所望に応じて用いることができる。
例示の実施形態では、シングルピース型ロストフォーム鋳造法を利用すると、冷却剤の流れ及び放熱量を最大にすると共に部品の組み立て上の複雑さ漏れの潜在的可能性を最小限に抑えることができる。本明細書において説明した実施形態に適したこの方法の他の変形例を必要に応じて且つ/或いは所望に応じて利用することができる。
例示の実施形態では、シングルピース型ロストフォーム鋳造法を利用すると、冷却剤の流れ及び放熱量を最大にすると共に部品の組み立て上の複雑さ漏れの潜在的可能性を最小限に抑えることができる。本明細書において説明した実施形態に適したこの方法の他の変形例を必要に応じて且つ/或いは所望に応じて利用することができる。
上述の説明において、添付の図面を参照して種々の実施形態を説明した。しかしながら、以下の特許請求の範囲に記載された例示の実施形態に示された本発明の広い範囲から逸脱することなく、これら実施形態の種々の改造例及び変更例を想到できると共に追加の実施形態を具体化できることは明らかであろう。したがって、明細書及び図面の記載は、本発明を限定するものではなく、例示であると見なされるべきである。
Claims (49)
- 排気ガス再循環弁であって、
鋳造金属本体と、
前記鋳造金属本体中に鋳造形成された少なくとも1つの冷却回路とを有し、
前記冷却回路は、冷却剤入口、冷却剤出口及び前記入口と前記出口との間の冷却剤通路を有する、
ことを特徴とする排気ガス再循環弁。 - 前記冷却回路はエレクトロニクス冷却回路である、
請求項1記載の排気ガス再循環弁。 - 前記エレクトロニクス冷却回路は、回路板及びモータの少なくとも一方を冷却する、請求項2記載の排気ガス再循環弁。
- 前記エレクトロニクス冷却回路は、前記回路板及び前記モータの少なくとも一方を外部熱から更に絶縁する、請求項3記載の排気ガス再循環弁。
- 前記冷却回路は、弁体冷却回路である、請求項1記載の排気ガス再循環弁。
- 前記弁体冷却回路は、弁シャフト及び歯車列の少なくとも一方を冷却する、請求項5記載の排気ガス再循環弁。
- 前記弁シャフトは、熱を前記歯車列から伝導する、請求項6記載の排気ガス再循環弁。
- 前記弁シャフトは、中空である、請求項7記載の排気ガス再循環弁。
- 前記弁シャフトは、横方向穴あけされている、請求項7記載の排気ガス再循環弁。
- 前記弁体冷却回路は、弁ハウジングと弁シャフトとの間に設けられた少なくとも1つのブラシ接点を更に有し、前記ブラシ接点は、熱を前記弁シャフトから前記弁ハウジングに伝導する、請求項5記載の排気ガス再循環弁。
- 少なくとも1つのブラシ接点は、前記弁シャフト及び前記弁ハウジングの一方に向かって押圧されている、請求項10記載の排気ガス再循環弁。
- 前記少なくとも1つのブラシ接点は、ばねによって押圧されている、請求項10記載の排気ガス再循環弁。
- 前記弁シャフトは、シャフト冷却通路を有する、請求項6記載の排気ガス再循環弁。
- 装置であって、
鋳造金属本体を有し、
前記鋳造金属本体中に鋳造形成されたエレクトロニクス冷却回路を有し、前記エレクトロニクス冷却回路は、回路板及びモータの少なくとも一方を冷却し、
前記鋳造金属本体中に鋳造形成された弁体冷却回路を有し、前記弁体冷却回路は、弁シャフト及び歯車列の少なくとも一方を冷却する、
ことを特徴とする装置。 - 前記エレクトロニクス冷却回路は、前記回路板及び前記モータの少なくとも一方を外部熱から更に絶縁する、請求項14記載の装置。
- 前記弁シャフトは、中空である、請求項14記載の装置。
- 前記弁シャフトは、横方向穴あけされている、請求項14記載の装置。
- 前記弁体冷却回路は、弁ハウジングと弁シャフトとの間に設けられた少なくとも1つのブラシ接点を更に有し、前記ブラシ接点は、熱を前記弁シャフトから前記弁ハウジングに伝導する、請求項14記載の装置。
- 少なくとも1つのブラシ接点は、前記弁シャフト及び前記弁ハウジングの一方に向かって押圧されている、請求項14記載の装置。
- 前記少なくとも1つのブラシ接点は、ばねによって押圧されている、請求項19記載の装置。
- 前記弁シャフトは、シャフト冷却通路を有する、請求項20記載の装置。
- 排気ガス再循環弁を製造する方法であって、
鋳造パターンを備えたモールドを用意するステップを有し、前記鋳造パターンは、モールド中に少なくとも1つの冷却回路を有し、前記鋳造パターンは、冷却剤入口、冷却剤出口及び前記冷却剤入口と前記冷却剤出口との間の冷却剤通路を有し、
溶融金属又は合金をモールドに導入するステップを有し、
前記溶融金属又は合金を冷却して前記冷却回路を含む前記モールドの前記パターンを備えた鋳造金属装置を形成するステップを有する、
ことを特徴とする方法。 - 前記冷却回路は、エレクトロニクス冷却回路である、請求項22記載の方法。
- 前記エレクトロニクス冷却回路は、回路板及びモータの少なくとも一方を冷却する、請求項22記載の方法。
- 前記冷却回路は、弁体冷却回路である、請求項22記載の方法。
- 前記弁体冷却回路は、弁シャフト及び歯車列の少なくとも一方を冷却する、請求項25記載の方法。
- 前記弁シャフトは、熱を前記歯車列から伝導する、請求項26記載の方法。
- 前記弁シャフトは、中空である、請求項27記載の方法。
- 前記弁シャフトは、横方向穴あけされている、請求項27記載の方法。
- 弁ハウジングと弁シャフトとの間に少なくとも1つのブラシ接点を設けるステップを更に有し、前記ブラシ接点は、熱を前記弁シャフトから弁ハウジングに伝導する、請求項25記載の製造方法。
- 少なくとも1つのブラシ接点は、前記弁シャフト及び前記弁ハウジングの一方に向かって押圧されている、請求項30記載の方法。
- 前記少なくとも1つのブラシ接点は、ばねによって押圧されている、請求項30記載の方法。
- 前記弁シャフトを貫通してシャフト冷却通路を設けるステップを更に有する、請求項26記載の製造方法。
- 前記鋳造法は、ロストフォーム鋳造法である、請求項22記載の製造方法。
- 前記鋳造法は、ロストコアインベストメント鋳造法である、請求項22記載の製造方法。
- 前記鋳造法は、ソルトコア鋳造法である、請求項22記載の製造方法。
- 排気ガス再循環弁の冷却方法であって、
少なくとも1つの冷却回路を有する鋳造金属排気ガス再循環弁を用意するステップを有し、前記冷却回路は、冷却剤入口、冷却剤出口及び前記冷却剤入口と前記冷却剤出口との間の冷却剤通路を有し、
冷却剤を前記冷却剤出口中に導入するステップを有し、
前記冷却回路に隣接して位置する少なくとも1つの要素を冷却するステップを有する、
ことを特徴とする方法。 - 前記冷却回路は、エレクトロニクス冷却回路である、請求項37記載の方法。
- 前記エレクトロニクス冷却回路に隣接して位置する前記要素は、回路板及びモータの少なくとも一方から成る、請求項38記載の方法。
- 前記エレクトロニクス冷却回路は、前記回路板及び前記モータの少なくとも一方を外部熱から更に絶縁する、請求項39記載の方法。
- 前記冷却回路は、弁体冷却回路である、請求項37記載の方法。
- 前記弁体冷却回路に隣接して位置する前記要素は、弁シャフト及び歯車列の少なくとも一方を冷却する、請求項41記載の方法。
- 前記弁シャフトは、熱を前記歯車列から伝導する、請求項42記載の方法。
- 前記弁シャフトは、中空である、請求項43記載の方法。
- 前記弁シャフトは、横方向穴あけされている、請求項43記載の方法。
- 前記弁体冷却回路は、弁ハウジングと弁シャフトとの間に設けられた少なくとも1つのブラシ接点を更に有し、前記ブラシ接点は、熱を前記弁シャフトから弁ハウジングに伝導する、請求項41記載の製造方法。
- 少なくとも1つのブラシ接点は、前記弁シャフト及び前記弁ハウジングの一方に向かって押圧されている、請求項46記載の方法。
- 前記少なくとも1つのブラシ接点は、ばねによって押圧されている、請求項47記載の方法。
- 前記弁シャフトは、シャフト冷却通路を有する、請求項41記載の方法。
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