JP5014485B2 - 弁 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、流体の流れを制御するための弁に関する。

自動車用機関または燃料電池スタックでは、通常、機関から過剰な熱をラジエータに搬送するために、流体または冷却剤が使用される。通常、こうした冷却剤は、冷却剤の温度が所定のレベルを超えるまでは、機関／スタックを通るようにポンプによって連続的に循環され、所定レベルを超えると、流れの一部がラジエータを通る経路に送られる。機関／スタックの温度が所望の範囲内に維持されるように、流れが常に調整される。内燃機関では、この調整が、流れに沈められたワックス・モータ（ｗａｘ ｍｏｔｏｒ）によって作動される弁で行われることが多い。

周知の従来技術では、流体回路、ラジエータ、および閉鎖弁（ｃｌｏｓｕｒｅ ｖａｌｖｅ）が、冷却剤回路内で直列に連結され、バイパス回路がラジエータおよび閉鎖弁を横切るように平行に連結される。弁は、弁が閉鎖されたときに、ラジエータを通る冷却剤の流れを遮断するように構成される。弁が閉鎖されると、冷却剤はバイパス回路を介して機関を通り、循環し続ける。この構成に関連する欠点は、バイパス流路が常に開放されたままであり、最大の冷却が必要とされる場合でも、冷却剤の流れのかなりの部分が常にラジエータを迂回することである。

様々な弁が従来技術の一部を形成している。

永久的なバイパス流に関連する問題を回避するため、こうした弁に、ラジエータを通過する熱交換流体回路と、ラジエータを短絡または迂回する非熱交換流体回路の選択が提供される。（従来の内燃機関の車両では、バイパス・ループは、技術的には熱交換流体回路でもあるヒータ・コア回路であることが多く、ヒータ・コアを通る冷却剤の流れが常に存在する。乗客室に熱を提供する、または提供しないという選択は、手動、あるいはヒータ・コアを通る、もしくはその周囲を流れる空気流を管路に送る真空作動弁の制御によって行われる。）

しかし、周知の弁は比較的高コストであり、比較的頑丈でなく、比較的良好でない流れ特性を有する。

流体と共に使用される弁は本発明の一態様を形成する。この弁は弁本体およびプラグを備える。弁本体は、１対の間隔をおいて配置された流れポート、内部チャンバ、内部チャンバを流れポートの１つが通じる第１のサブチャンバと流れポートの他方が通じる第２のサブチャンバに少なくとも部分的に分割する内壁であって、第１のサブチャンバおよび第２のサブチャンバに通じる壁開口部を有する内壁、第１のサブチャンバと第２のサブチャンバの間の連通を提供する内部開口部、および軸に沿って内部開口部から間隔をおいて配置されたさらなる流れポートを有する。プラグは、その中にプラグ開口部を有し、内部チャンバ内で第１の位置と第２の位置の間で軸方向に可動である。第２の位置で、プラグはさらなる流れポートを封止し、弁は、壁開口部を通る間隔をおいて配置された流れポートの間の第１の流路、ならびに、内部開口部およびプラグ開口部を通る間隔をおいて配置された流れポートの間の第２の流路を画定する。第１の位置で、内壁がプラグ開口部を封止し、プラグが内部開口部および壁開口部を封止し、第１のサブチャンバを第２のサブチャンバから少なくとも概ね隔離し、流れがさらなる流路を通るように向けて、前記流体が流れポートの他方とさらなる流れポートの間で弁本体を通るようにする。

本発明の他の態様によれば、第１の流路および第２の流路は集合的に主な流路を画定することができ、主な流路およびさらなる流路はそれぞれ流路の長さにわたりそれぞれ概ね圧縮されない。

流体と共に使用される弁は本発明の他の態様を形成する。この弁は弁本体およびプラグを備える。弁本体は、１対の間隔をおいて配置された流れポートを有し、管状構造を含む。管状構造は、側壁および開放端を有し、流れポートの１つと流体連通状態の第１のサブチャンバを内部に画定する。壁は壁を通る壁開口部を有する。本体はさらに、流れポートの他方と流体連通状態の第２のサブチャンバを画定し、第２のサブチャンバは側壁の周囲に延び、開放端を越えて延びて、開放端および壁開口部とさらに流体連通状態である。プラグはプラグ開口部を有し、管状構造に取り付けられて、第１の位置と第２の位置の間で入れ子式に移動される。第２の位置で、プラグは第２のサブチャンバ内に少なくとも部分的に配置され、弁は、壁開口部を通る流れポートの間の第１の流路、ならびに、管状構造の開放端およびプラグ開口部を通る流れポートの間の第２の流路を画定する。第１の位置で、プラグおよび環状構造が相互作用して、前記第１の流路および前記第２の流路を通る流れを制限する。

本発明は、比較的良好な流れ特性を示し、比較的低コストであり、比較的頑丈な弁の構築を可能にする。本発明の他の利点、特徴、および特性、ならびに、構造の関連する要素の操作方法および機能、部品の組合せ、製造の経済が、以下に簡潔に記載された添付の図面を参照して、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲を考慮すればより明らかになるであろう。

本発明の一実施形態による弁を示す斜視図である。 図１の構造を示す分解斜視図である。 図２の丸で囲んだ領域３を示す図である。 図３の構造を示す上面図である。 図４の５−５に沿って切り取られた断面図である。 図２の丸で囲んだ領域６を示す拡大図である。 別の有利な点から見た図６の構造を示す斜視図である。 図６の構造を示す側面図である。 図２の丸で囲んだ領域９を示す拡大図である。 別の有利な点から見た図９の構造を示す斜視図である。 別の有利な点から見た図９の構造を示す斜視図である。 別の有利な点から見た図９の構造を示す斜視図である。 完全に引き込まれた配置のワックス・モータおよびバイパス構成の弁を示す、図１の弁の図５と同様の図である。 部分的に延長された配置のワックス・モータおよび流動構成の弁を示す、図１３Ａと同様の図である。 完全に延長された配置のワックス・モータおよび流動構成の弁を示す、図１３Ｂと同様の図である。 エンジン・ブロック・キャスティング（ｅｎｇｉｎｅ ｂｌｏｃｋ ｃａｓｔｉｎｇ）で使用の際の図１の弁と同様の弁を示す概略図である。 ラジエータで使用の際の図１の弁と同様の弁を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態による弁を示す図１３Ａと同様の図である。 本発明の第３の実施形態による弁を示す図１３Ａと同様の図である。 本発明の第４の実施形態による弁を示す図１３Ａと同様の図である。 本発明の第５の実施形態による弁を示す図１３Ａと同様の図である。 流れポートが直接的に位置合わせされる程度を表す黒線を引いた体積を示す図１の弁の破線図である。 本発明の第６の実施形態による弁を示す図１９と同様の図である。 本発明の第７の実施形態による弁を示す図１９と同様の図である。 本発明の第７の実施形態によるカートリッジ構造を示す斜視図である。 図２３の構造を示す断面図である。 第１の使用例の本発明の一実施形態による弁を示す概略図である。 第２の使用例の図２５と同様の図である。 図２３、２４で示した図１１の構造の一代替実施形態を示す斜視図である。 図２７の構造で使用される図２３、２４で示した図６の構造の一代替実施形態を示す側面図である。 図６の構造の他の代替実施形態を示す斜視図である。 図６の構造の他の代替実施形態を示す斜視図である。

図１〜１３Ｃを全般的に参照すると、本発明の第１の実施形態である、エンジン冷却剤など流体と共に使用される弁が示されており、全般的な参照番号２０で示されている。図２を参照すると、弁２０はハウジング２２および弁カートリッジ２４を備える。このハウジング２２はアルミニウムからなり、開放レセプタクルを画定する中央レセプタクル２６、およびレセプタクル２６からＴ継手構成で延び、それぞれ開放レセプタクル内に通じる３つの差し口２８、３０、３２を含む。差し口の２つ、２８、３０は概ね平行であり、互いに対向する。第３の差し口３２は他方に対して横方向に延びる。レセプタクルの内面３４は、その周囲に延びる周囲溝３６を有する。弁カートリッジ２４は、アルミニウム製インサート３８、アルミニウム製プラグ４０、アクチュエータ４２、およびゴム製Ｏリング４４を含む。インサート３８は、Ｏリング４４を受ける周囲溝４８を有し、レセプタクル２６内に嵌めることができ、図１３Ａで示したように、溝３６と相互嵌合するばねクリップ５０によって定位置に固定される。このように固定されると、Ｏリング４４はそれぞれインサート３８およびレセプタクル２６の内面３４を封止するように係合して、インサート３８およびハウジング２２を互いに対して封止し、インサート３８、Ｏリング４４、およびハウジング２２が共に弁本体を画定するようになされる。

図１３Ａを参照すると、弁本体は、１対の流れポート５２、５４、内面５６、軸Ｘ−Ｘ、内壁５８、さらなるポート６０、第１の弁座部６２、および第２の弁座部６４を有する。流れポート５２、５４は、互いに間隔をおいて配置され、概ね対向し、概ね整列し、それぞれ平行の差し口２８、３０と連通する。流れポート５２、５４は、それぞれ軸Ｘ−Ｘに対して概ね横方向に方向付けられる。本開示および添付の特許請求の範囲では、流れポート５２、５４が「概ね整列」しているとは、流れポートをそれぞれの流れ方向に対して平行に弁本体を横切るように延ばした場合、図２０で示したように、流れポート５２を延ばした部分と流れポート５４を延ばした部分とが大幅に交わることを指す。図２０では、弁が破線で示され、流れポート５２を延ばした部分と流れポート５４を延ばした部分とが交わる部分の体積が黒線によって示されている。

内面５６は弁本体の内部チャンバ６６を画定し、内部チャンバ６６は、流れポート５２と５４の間に配置され、流れポート５２、５４と連通する。軸Ｘ−Ｘは第３の差し口３２と整列し、流れポート５２、５４が概ね整列する流動方向Ｙ−Ｙに対して横方向に方向付けられる。内壁５８は、軸Ｘ−Ｘに心合わせされ、全般的に半円筒形構造であり、内部チャンバ６６を部分的に横切り、内面５６と組み合わせて内部開口部６８を画定し、内壁５８を通る壁開口部７０を有する。壁開口部７０は流れポート５２に対向し、流れポート５２と整列する。すなわち、壁開口部７０と流れポート５２は互いに向かい合う。流れポート５４および壁開口部７０は整列される。すなわち、流れポート５４をその流れの方向（図示せず）に対して平行に延ばすと、延ばした部分が壁開口部７０と大幅に交わる。内壁５８は弁本体の一部と組み合わせて、概念上の管状構成を画定し、その管状構造内で内部開口部６８が開放端を画定し、内壁５８が開放端の側壁を画定する。

内部開口部６８は、流れポートの１つ５２が通じる内部チャンバ６６の第１のサブチャンバ７２と流れポートの他方５４が通じる内部チャンバ６６の第２のサブチャンバ７４との間の連通を提供する。第２のサブチャンバ７４は側壁の周囲に部分的に、上記の管状構造の開放端を越えて延びる。内壁５８の壁開口部７０も第１のサブチャンバ７２と第２のサブチャンバ７４の間に通じる。内壁５８と内壁５８の壁開口部７０はそれぞれ角度約１８０°で外接する。さらなるポート６０は第２のサブチャンバ７４と第３の差し口３２の間の連通を提供する。第１の弁座部６２はさらなる流れポート６０を取り囲み、弁の内面５６によって画定される。第２の弁座部６４は内部開口部６８を取り囲み、第１の弁座部６２から軸方向に間隔をおいて配置され、内面５６および内壁５８の端部によって画定される。

図６〜８で最も良く分かるように、プラグ４０は、円形ベース部分７６、およびベース部分７６から延びる半円筒形側壁部分７８を有する。側壁部分７８は二分されたプラグ開口部８０を壁内に有し、それぞれ側壁部分７８およびプラグ開口部８０は角度約１８０°で外接する。図１３Ａでは、プラグ４０が内部チャンバ６６内の第１の位置にあるところが示されている。この位置では、ベース部分７６および側壁部分７８は共に軸Ｘ−Ｘに心合わせされて、側壁部分７８が内壁５８と同心であり、内壁５８がプラグ４０内に入れ子にされ、ベース部分７６が第２の弁座部６４上に着座し、内壁５８がプラグ開口部８０上に配置され、側壁部分７８が壁開口部７０上に配置されて、内部チャンバ６６の第１のサブチャンバ７２が第２のサブチャンバ７４から少なくとも概ね隔離される。それによって、弓状（または、弁がバイパス弁として使用される場合はバイパス）の弁２０の流れ構成が画定され、弁２０は、流れポート５４およびさらなるポート６０によって差し口３０と３２の間の弁本体を通るさらなる流路Ｂ−Ｂを画定する。

アクチュエータ４２は、プラグ４０を内部チャンバ内で図１３Ａで示した第１の位置と図１３Ｂで示した第２の位置の間で軸方向に移動させるためのものである。プラグ４０の第２の位置では、ベース部分７６が第１の弁座部６２上に着座されて、さらなるポート６０が少なくとも概ね閉塞される。それによって、弁２０の流動構成が画定され、弁２０は、流れポート５２、５４によって差し口２８と３０の間の弁本体を通る主な流路Ｆ−Ｆを画定する。この構成では、観察されるように、プラグ４０の側壁部分７８および内壁５８が互いに背後に配置されて、流体が流れることができる面積が最大になされる。主な流路は分割流れ構成であり、ポート５２と５４の間の第１の流路は壁開口部７０によるものであり、ポート５２と５４の間の第２の流路は管状構造の開放端、すなわち内部開口部６８およびプラグ開口部８０を通るものである。プラグ４０のこの位置では、プラグ開口部８０と流れポート５４が整列される。

図２、６〜８および１３Ｂを参照すると、図で示したアクチュエータ４２は、ワックス・モータ８２、切頭円錐形ステンレス鋼製戻しばね８４、円筒形ステンレス鋼製オーバーライドばね８６、およびアルミニウム製管状スリーブ８８を含む。スリーブ８８は、両端部の周りに延びる環状フランジ９０、９２を有し、円形ベース部分７６内の開口部９８を通って延びる。フランジ９０、９２は、スリーブ８８が円形ベース部分７６によって捕獲されるために設けられる。ワックス・モータ８２は、シャフト９３が突き出る拡大頭部８９を有するシェル９１を含む従来のタイプのものであり、シャフト９３はシェル９１内に含まれたワックス状の材料（図示せず）の熱誘起による膨張に応答して移動する。モータ８２はスリーブ８８内に嵌合され、Ｃクリップ１９４がそれに固定されて、拡大頭部８９とＣクリップ１９４がその間にスリーブ８８を捕獲するようになされる。シャフト９３はワックス・モータ８２からインサート３８内に形成されたソケットまたは凹部９４内に突き出る。戻しばね８４は、Ｃクリップ１９４に捕獲されたスリーブ・フランジ９２とバイパス・ポート６０の間に延びる。オーバーライドばね８６はスリーブ８８の周囲に嵌められ、拡大頭部８９によって捕獲されたスリーブ・フランジ９０とプラグ４０のベース部分７６の間に延びる。

作動の際は、ワックス・モータ８２内のワックスの温度がワックス・アクチュエータの設定点未満の場合は、ワックス状材料の体積が比較的小さく、シャフト９３はシェル９１内に概ね嵌まることができる。戻しばね８４によって加えられる偏倚によって、図１３Ａで示したように、シャフト９３がシェル９１内に位置付けられて、フランジ９２がプラグ４０のベース部分７６を第２の弁座部６４に対して十分に保持することができるようになる。これはワックス・モータ８２の完全に引きこめられた配置に相当する。

モータ８２内のワックス状材料の温度がアクチュエータの設定温度に到達し、または超えると、ワックス状材料が膨張する。それによって、シャフト９３がシェル９１から部分的に出される。シャフト９３はソケット９４を通って延びることができないため、シャフト９３のシェル９１からの延長は、シェル９１、およびシェル９１によって機械的に捕獲されているスリーブ８８のソケット９４から離れる移動によって対応される。最初に、シェル９１がソケット９４から離れるように移動するときに、オーバーライドばね８６によって与えられる偏倚により、こうした移動中にベース部分７６がフランジ９２に係合されたままになされ、シェル９１の移動がプラグ４０の移動に相当するようになされる。この移動中に、図１３Ｂで示したように、プラグ４０は最終的に第２の位置に到達する。これは、ワックス・モータ８２の部分的に延長した配置に相当する。この地点で、プラグ４０のベース部分７６は第１の弁座部６２に着座され、さらに移動することができない。ワックス状材料の体積をさらに膨張させる必要がある場合は、図１３Ｃで示したように、スリーブ８８のベース部分７６の開口部９８を通る移動によって対応される。これは、ワックス・モータ８２の完全に延長された配置に相当する。当業者には理解されるように、任意の所与のワックス・モータまたはその製造バッチでシャフトの延長を変えることができるため、この配置は有利である。オーバーライドばね構成の提供によって、弁の設計者は、弁が温度変化に応答して第１と第２の位置の間で確実に予測可能に移動できるようにし、過剰な延長に対応できない場合に弁が受ける可能性がある不当な負荷を回避することもできる。

ワックス・モータ８２内のワックス状材料の温度が設定点未満に低下すると、円錐形戻しばね８４がシェル９１をシャフト９３上で戻す。スリーブ８８のフランジ９２がベース部分７６と係合するまで、オーバーライドばね８６によって与えられる偏倚がベース部分７６を第１の弁座部６２に着座させたままで維持する。円錐形ばね８４のその点を越える拡張の結果、スリーブ８８およびプラグ４０が共に移動され、その移動中に、内壁５８がプラグ４０内に入れ子にされる。最終的に、プラグ４０は第１の位置に戻り、ベース部分７６と第２の弁座部６４の係合によって、さらなる移動が阻止される。

一使用法では、図１の弁はバイパス弁として使用され、自動車の冷却回路内に配置される。この使用法（図示せず）では、差し口３０はホース（図示せず）を受け、それを通して機関からの冷却剤が受けられ、差し口２８がホースによってラジエータの入口（やはり図示せず）に結合され、さらなる差し口３２がホースによって結合され、それを通して冷却剤が機関に搬送される。冷却剤の温度がワックス・アクチュエータの設定点未満の場合（かつ冷却剤が熱を放出する必要があるほど十分に加熱されていない場合）、ワックス・モータは完全に引き込まれた位置に維持され、プラグは第１の位置に配置され、弁はバイパス構成に配置されて、冷却剤の大部分が機関に戻る経路Ｂ−Ｂに従うようになされる。したがって、この使用法では、ポート５４は入口ポートであり、ポート５２、６０は出口ポートである。バイパス構成では、プラグ４０のベース部分７６と第２の弁座部６４の間の封止部、内部部分５８と側部部分７８の間の接合部、スリーブ８８とベース部分７６の開口部９８の間の接合部、およびシェル９１とスリーブ８８の間の接合部に漏れ経路が存在する。したがって、ワックス・モータ８２は流れから完全に隔離されず、流れの温度がワックスの設定点を超えた場合に作動されるようになされる。これが起きると、プラグ４０は第２の位置に移動し、弁は流動構成をとり、冷却剤の大部分が機関に戻される前にラジエータを通る流路Ｆ−Ｆに従うようになる。やはりこの構成では、プラグ４０のベース部分７６と第１の弁座部６４の間の封止部、内壁５８と側部部分７８の間の接合部、スリーブ８８とベース部分７６の開口部９８の間の接合部、およびシェル９１とスリーブ８８の間の接合部に漏れ経路が存在する。

図１４に同様の使用法が概略的に示されている。この図では、図１の弁と同様であるが差し口のない弁２０’がエンジン・ブロック・キャスティング９９に嵌合され、流れポートが機関からラジエータへの冷却剤回路（図示せず）の一部を形成し、バイパス・ポートがラジエータを迂回して機関に戻る回路（図示せず）に結合される。この弁２０’の動作は弁２０と機能的に同一であり、弁２０’の使用法は前述されているため、本明細書にさらに記載しない。

図１４の弁２０’のさらなる使用法が図１５に概略的に示されている。この図では、弁２０’がラジエータ１０１に嵌合され、流れポートが熱交換回路１０３の一部を形成し、熱交換回路１０３を通って冷却剤が熱交換器１０１を横行し、機関に戻る前に熱を放出するようになされ、バイパス・ポートが、冷却剤が機関に戻る際にラジエータの熱交換部分を迂回する回路１０５の一部を形成する。やはり、この弁２０’の動作は弁２０と機能的に同一であり、その使用法は前述されているため、本明細書にさらに記載しない。

上記の各弁および使用において、弁の全ての運動部品を備えるカートリッジ２４が存在して、迅速なシステムの組立て、または必要に応じた取り外しおよび交換を有利に可能にすることが重要である。本発明の弁は、使用の際の圧力損失が比較的小さいことも判明しており、それによって、使用すべきポンプを比較的小さく軽量にすることができるため、自動車のコストを節約し、重量を低減し、エネルギ効率を高めることができ、自動車分野で有利であることが知られている。

理論に束縛される意図はないが、本発明の弁の有利な流れ特性は、弁の形状および弁の構成要素に由来すると考えられる。この点で注目すべきは、主な流路が弁に出入りする流れに対して概ね平行であることである。さらに、それぞれ主な流路および他の流路は、とりわけ、弁の弓状またはバイパス構成で流れが横行する第２のサブチャンバ７４の体積が比較的大きく、弁の流動構成で流れが横行する（それぞれ流れおよび他のポート５２、５４、６０の面積と同様の大きさの）開口部７０、８０の面積が比較的大きいために、それぞれの長さにわたり概ね圧縮されない。さらに留意すべきは、内部チャンバの第２のサブチャンバ７４、特にＣ形状または弓状断面を有する第２のサブチャンバ７４の上部の形状であり、それによって、流れが流れポート５４から入り、ベース部分７６の下を通過する前に側壁７８／内壁５８の周囲に広がり、ポート６０を通って弁から出ることができるようになる。

弁の様々な他の実施形態が図１６〜１８に示されている。これらの弁は、図１〜１３Ｃの弁と同様に機能するが、図１〜１３Ｃの弁はワックス・モータを使用して、プラグを第１と第２の位置の間で移動させるが、これらの弁は他の形態のアクチュエータを使用して、同じ機能を果たす。図１６は弁２０"を示しており、プラグ４０はプラグ４０から軸方向に延びるねじ付きポスト１００を有し、ポスト１００はモータ１０４に結合された内部ねじ付き駆動シャフト１０２によって受けられる。モータ１０４は駆動シャフト１０２を回転させることができ、駆動シャフト１０２はねじ付きポスト１００の周りで回転して、ポスト１００を軸方向に移動させ、その結果、プラグ４０を第１と第２の位置の間で移動させる。図１７は弁２０"'を示しており、ラック１０６がプラグ４０から延び、ピニオン１０８がラック１０６とかみ合い状態であり、モータ１１０がピニオン１０８に駆動的に結合される。この図では、モータ１１０がピニオン１０８を回転させ、ピニオン１０８がラック１０６を軸方向に移動させて、プラグ４０を第１と第２の位置の間で移動させる。図１８は他の弁２０""を示しており、カム・フォロア１１２がプラグ４０に結合され、カム１１４がカム・フォロアと係合し、ステッパ・モータ１１６がカム１１４に結合される。この図では、ステッパ・モータ１１６がカム１１４を回転させて、カム・フォロア１１２と係合させ、プラグを第１と第２の位置の間で軸方向に移動させる。いずれの場合も、或る形態の外部センサまたは制御部を使用して、プラグの移動を開始させる。アクチュエータ、センサの構成、およびこのタイプの制御は当業者には日常的なものであり、弁２０"、２０"'、２０""は弁２０および弁２０'と概ね同様に動作するため、それぞれの構造および動作に関するさらなる記載は不要であり、提供しない。

さらなる可能な変更形態が図２１の弁２０""'で示されている。弁２０""'は図１８の弁と同様であるが、プラグから延びてさらなるポート内に入れ子にされた管状スカート１２０も含む。この図では、さらなるポートを通るバイパス流が、スカート１２０内に画定された孔１２２を通過する必要があるために制限される。孔１２２の形状／サイズを変えることによって、この弁の流れ特性を第１と第２の位置の間の移動中に様々な地点で変更して、流れを調量し、または線形化することができる。スカートは、調量機能の他に、プラグを事前整列させることができ、それによって、シャフトの結合および変形を回避して、流動位置での封止を助け、バイパス流の均一性を向上させ、とりわけ弁の内圧の平衡を保ち、バイパス位置の封止を向上させることができる。当業者には容易に理解されるように、完全なバイパスと非バイパスの間の様々な地点で使用される際に弁内部で受ける圧力は、バイパスおよび流動回路内の流れ抵抗の関数である。回路内の流れ抵抗が大幅に不平衡の場合、弁が流れに対して部分的にしか開放されていなくても、概ね全ての流れが低圧力の回路に移動される傾向があるが、スカートを使用して、弁および回路を含めた総圧力降下の平衡を保ち、流れがプラグの位置の比較的線形の関数としてより高い圧力の回路に向けられるようにすることができる。図２１では円形の「孔」が完全にスカート内に配置され、等しく半径方向に間隔をおいて配置されたところが具体的に示されているが、理解されるように、「孔」は、（ｉ）円形である必要はなく、三角形、長方形、楕円形などでもよく、（ｉｉ）スカートの縁部を「架橋」することができ、すなわちスカートが流れを調整するための（図２９で示した実施形態５００のように）歯状、（図３０で示した実施形態６００のように）貝状、または他の方法で不規則な縁部を有して流れを調整することができ、（ｉｉｉ）流れを形付けるために、スカート内の孔、歯、貝、または不規則部を半径方向に等しい間隔をおいて配置する以外に、たとえば、孔、歯、貝、または不規則部を一領域内に集中させることができる。

他の変更形態が図２２の変更された弁２０"""で示されている。この弁は図１８の弁と概ね同様であるが、さらなる「バイパス」ポートが存在しない。

図２３および２４は、本発明の弁の他の実施形態のカートリッジ部分２００を示す図である。このカートリッジ部分２００は、特に、それぞれ回転要素を使用して、プラグ４０の直線運動を固定する点で、図１６の弁カートリッジに幾らか似たものである。しかし、図１６の構造では、プラグ４０が外部ねじ付きポスト１００を有し、シャフト１０２が回転し、シャフト１０２が内部ねじ付きであるが、図２３、２４では、外部ねじ付きシャフト１０２’が設けられ、シャフト１０２’が外部ねじ付きシャフト延長部２０６内に係合し、延長部２０６が内部ねじ付きポスト１００’内に係合される。ねじ付きシャフト１０２’は回転せず、実際に、キー／キー溝構成の形態の抑制装置２２０が設けられて、シャフト１０２’の回転が阻止されるが、シャフト１０２’は内部ねじ付きロータ２３０によってねじ式に係合され、ロータ２３０はステッパ・モータ２１６の一部を形成するステータ・コイル２１８の磁気制御下で回転する。上部および下部の軸受２４０はロータ２３０を定位置に自由な回転を可能にしながら保持する。他の変更形態として、カートリッジ２００はプラグ４０を流動位置に向けて付勢させるための偏倚ばね２０４を含む。また、側壁部分７８は、軸方向に間隔をおいて配置された縁部７８Ａ、７８Ｂによって壁開口部７０をより良好に封止するように適合され、縁部７８Ａ、７８Ｂはプラグ４０のバイパス位置でそれぞれ内壁５８上に形成されたリップ５８Ａおよび弁本体内に形成された溝２０２と係合する。軸方向の溝４００も弁本体内に形成され、溝４００の中で側壁部分７８がバイパス位置と流動位置の間の移動中に摺動し、立ち上がりリップ２０５がベース部分７６上に形成され、プラグ４０のバイパス位置で、弁本体内に形成された溝２０７と係合する。この実施形態では、弁への信号が喪失したとき、すなわちステッパ・モータ２１６への電力が喪失した（かつロータ２３０が自由に可動になった）ときに、ばね２０４がロータ２３０の回転によってプラグ４０を流動位置に確実に付勢させる。しかし理解されるように、（とりわけ弁内の流量、背圧、およびプラグの位置と共に変わると理解すべきである）プラグに加えられる力に対処するように、ステッパ・モータのサイズ、ステップ比、ロータおよびシャフトのねじピッチ、ならびに、ばねサイズの適切な変更と結び付けて、この実施形態のばねの図１７、１８で示したばねの位置への移動によって、ばね２０４がプラグ４０を信号喪失の場合にバイパス位置に確実に付勢させる実施形態を作成することができる。こうした変更形態を実施することができる方法は、当業者には日常的なものであるため、本明細書に詳細に記載しない。明らかなように、上記の変形形態として、本発明による弁を、低流量状態でのみ１つのポート（すなわち望み通りにバイパスまたは流動構成）に確実に移動させるように作成することができる。したがって、ステッパ・モータへの信号または電力が喪失したが、ポンプが全力で作動したままの場合、弁は「水撃」による損傷を招く可能性があるフェイルセーフ位置を即時にとらない。この機能を行うには、（ｉ）ばね偏倚およびステッパの静摩擦と、（ｉｉ）第１と第２のサブチャンバの間の差圧に関連する水圧力の間の適切な平衡を見つけなければならない。こうした変更形態を実施することができる方法は、本明細書に記載したスカートの使用を含む必要はないが、含んでもよく、当業者には日常的なものであるため、本明細書に詳細に記載しない。

図２３、２４のカートリッジを使用する弁を、たとえば図１５で企図された方法、すなわち内燃機関用のラジエータ・バイパス弁として使用することができる。しかし、この弁は、（ｉ）比例性、すなわち流動とバイパスの間の増分選択性、および（ｉｉ）フェイルセーフの両方を実施するように作成することができるため、この弁を変速ポンプおよびファンと組み合わせて使用して（図示せず）、燃料電池用途に顕著な利点をもたらすこともできる。その場合、デューティ・サイクルの範囲内のスタック温度の正確な制御が適切な機能に重要である。

図２５は、冷却剤回路用の入口分流構成の弁３００を概略的に示す図である。この構成では、弁３００は１つの入口ポートおよび２つの出口ポートを有する。ポンプ３２０によって移動される冷却剤の流れは、燃料電池スタック３０２または他の熱源から弁３００に入り、出口ポートでバイパス管路３０４とラジエータ管路３０６に向かうように分割される。この弁は、プラグがバイパス位置と流動位置の中間位置をとるように強制された場合に、入口の流れをラジエータ３１６、バイパス管路３０４、またはその組合せに入るようにそらす。

図２６は、弁３００が２つの入口ポートおよび１つの出口ポートを有する、入口混合構成の弁３００を概略的に示す図である。バイパス管路３０４およびラジエータ管路３０６から弁に入る入口の流れが合流し、弁の出口の流れに混合され、弁はそれぞれラジエータ３１６およびバイパス３０４を通る流れの相対量を制御する。

いずれの構成でも、弁は、ポンプの速度およびラジエータ・ファンの速度と組み合わせて、ラジエータとバイパス・ループの間に流れを分流することによって熱源の温度が制御されるようにすることができる。

弁の動作において比例性を使用できることは、流れの配分を精密に調整して、温度を正確に調整することを可能にするだけでなく、弁の振動を回避することを可能にする。説明として、冷状態中、全ての流れが熱交換器を迂回するように方向付けられた場合、熱交換器内の冷却剤は非常に冷たいままである。その時点で、弁がバイパス流を完全に阻止するように再構成されると、冷たい冷却剤の大きいスラッグが熱交換器に入ることになる。それによって、回路内の任意の燃料電池または他の温度感知機器が衝撃を受け、弁のバイパス構成への即時の逆転が開始され、すなわち弁の振動が引き起こされる（すなわち、センサが低温冷却剤のスラッグを検知し、それを加熱の必要とみなす）恐れがある。この現象を回避するため、弁が流動構成とバイパス構成の間で増分的に移動して、予想される冷却スラッグを回避するように、図２４の弁を作動させることができる。限定的ではないが、バイパス回路および熱交換器にわたる圧力降下、ならびに冷却剤の粘性を含む特別な用途の詳細により、この機能を、較正された漏れ、たとえばベース部分７６または他の弁の構成要素を通る所定サイズの孔（図示せず）の使用によって、かつ／または図２１を参照して記載した全般的なタイプのスカート１２０の使用によって、さらに向上させることができる。

とりわけ図２４による弁で達成可能なフェイルセーフ機能は、回路を調整して、ステッパ・モータへの信号の喪失、またはステッパ・モータへの電源異常の場合に、弁がラジエータに最大流を与える構成に自動的に戻って、起こる恐れがある燃料電池スタックの過熱および関連する損傷を回避することができる。

本明細書に弁の幾つかの実施形態および使用法を記載し、図で示したが、理解されるように、様々な変更形態を作成することができる。

たとえば、本明細書では時に弁がバイパス弁として図で示し説明され、流入または入口流が２つの流出または出口のうちの１つに向けられているが、弁を混合弁として使用することができ、流れを２つ入口のうちの１つから選択的に受け、単一の出口に向けることができることが強調される。ポート５２が入口ポートとして配置され、流体圧力が壁７８、５８を分離させる傾向がある適用例では、これを回避するために、図２１で示したスカートを有利に使用してプラグを安定させることができる。

また、記載ではプラグの第１と第２の位置の間の移動が教示されているが、明らかであるように、流れが分割される場合、または分割流が受けられる場合、プラグは中間位置をとることができる。その場合、当然、図１６〜１８および２４で示したアクチュエータの１つなど、プラグを第１と第２の位置の間で部分的に移動させることができるアクチュエータが、ワックス・モータの代わりに使用される。ワックス・モータは、図１６〜１８および２４のアクチュエータと比較して、比較的低コストであり、頑丈で信頼性があるが、一般に比例的応答性に欠ける。すなわち、完全に引き込まれた配置と完全に延長された配置の間でのみ確実に移動する。

さらに、図で示し記載した弁は比較的良好な流れ特性を有するが、図１９で示唆したように、内面５６の部分５６Ａが流れ調整用に形付けられる、内部の形付けまたは流線形化によって改良が企図される。

またさらに、図１〜１３Ｃの弁は鋼、アルミニウム、およびゴムで構築されることが示されているが、明らかなように、プラスチックなど他の材料を容易に使用することができる。

さらに、本明細書に示し、記載した弁は、たとえば［ｆｏｒ ｅｇ］故障または過剰な摩耗の場合に弁の運動部品を迅速に取り外し、交換することができるように、カートリッジ・タイプのものであることが示されているが、明らかなように、カートリッジ・タイプの構成を使用する必要はない。

また、図で示し、記載したプラグの開口部は二分されていることが示されているが、明らかなように、これは必要ではない。プラグ開口部は、単一孔、または３つ以上の孔によって等しく画定することができ、スカート１２０を参照して記載したものに類似の方法で、流れを平衡に保ち、または線形化するように孔を形付けることができる。壁開口部７０も同じ目的で同様に形付けることができる。さらに、プラグの側部部分および内部部分が本明細書では半円筒形であり、少なくとも約１８０°で外接することが示されているが、これは必要ではなく、実際に、必ずしも完全な半円筒形が望ましいわけではない。たとえば、比較的「平坦」かつ「幅広の」弁が必要な場合は、半楕円形断面を使用することができる。また、勾配を付けたプラグ、すなわち切頭円錐形の断面に相当する側部部分を有するプラグを同様に形付けた壁部分と合わせて使用することができる。それによって、弁の成形プラスチック部品からの製造が簡単になる。図２４で示した溝２０２と組み合わせて、図２７および図２４で示した溝４００を設けることによって、封止を向上させることもできる。この溝４００はプラグの側部部分の全周囲をぴったりした嵌合関係で受けて、この領域内の漏れ経路を最小限に抑える。さらに、流れポートと壁開口部は互いに概ね対向するように図で示してあるが、理解されるように、流れポートは互いに対向する必要はなく、互いに角度を付けた関係で配置してもよい。

さらに、本明細書では、内壁が内部チャンバを部分的に分割するように示されているが、内壁が内部チャンバを完全に横切る用に延びることができることも企図される。この構成では、プラグが第１のサブチャンバ内部に入れ子にされ、内壁内に或る形態の送り穴または孔を設けて、プラグが第２の位置に存在する場合にプラグ開口部と対合させることができる。

さらに、理解されるように、本開示および添付の特許請求の範囲で使用されるように、「封止」は、流れを完全に遮断する必要はなく、単に、問題とされる部分が少なくとも協働または相互作用して、流れを制限あるいは阻止することを指す。

また、図２４の弁が完全なバイパス・フェイルセーフ構成を有することが上記に記載されているが、本発明による弁は信号喪失の場合に完全なバイパスまたは非バイパスをとるように構成することができることが強調される。また、特に図２４の実施形態の背景でフェイルセーフ機能が記載されているが、やはり理解されるように、ねじ山ピッチなどの適切な変更と共に、同じ機能を図１６の実施形態に提供することもできる。さらに、本発明による弁は電子リニア・アクチュエータを使用することができ、フェイルセーフ機能をそれに提供することもできる。

同様に、上記に自動車の適用例、および車両の適用例を記載したが、本発明を内燃機関または固定発電機など他の燃料電池スタック機関用途に適用することもできる。

上記を鑑みて、理解されるように、本発明は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されると意図的に解釈される。

Claims (28)

1. 流体と共に使用される弁であって、
   弁本体であって、１対の間隔をおいて配置された流れポート、内部チャンバ、前記内部チャンバを前記流れポートの１つが通じる第１のサブチャンバと前記流れポートの他方が通じる第２のサブチャンバに少なくとも部分的に分割する内壁であって、前記第１のサブチャンバと前記第２のサブチャンバの間に通じる前記内壁を通る壁開口部を有する内壁、前記第１のサブチャンバと前記第２のサブチャンバの間の連通を提供する内部開口部、および前記内部開口部から軸に沿って間隔をおいて配置されたさらなる流れポートを有する弁本体と、
   プラグ開口部をプラグ内に有し、前記内部チャンバ内で第１の位置と第２の位置の間で軸方向に可動であるプラグであって、
   前記第２の位置で、前記プラグが前記さらなる流れポートを封止し、前記弁が、
   前記壁開口部を通る前記間隔をおいて配置された流れポートの間の第１の流路、ならびに
   前記内部開口部および前記プラグ開口部を通る前記間隔をおいて配置された流れポートの間の第２の流路を画定し、
   前記第１の位置で、前記内壁が前記プラグ開口部を封止し、前記プラグが前記内部開口部および前記壁開口部を封止して、前記第１のサブチャンバを前記第２のサブチャンバから少なくとも概ね隔離し、流れがさらなる流路を通るように向けて、前記流体が前記流れポートの他方と前記さらなる流れポートの間で前記弁本体を通るようにするプラグとを備える弁。
2. 前記間隔をおいて配置された流れポートがそれぞれ前記軸に対して横方向に方向付けられる、請求項１に記載の弁。
3. 前記第１の流路および前記第２の流路が集合的に主な流路を画定し、前記主な流路および前記さらなる流路がそれぞれ流路の長さにわたり概ね圧縮されない、請求項１に記載の弁。
4. 前記弁本体が、
   前記さらなるポートを取り囲む第１の弁座部であって、前記弁座部に前記プラグが前記プラグの前記第２の位置で着座する第１の弁座部、および
   前記内部開口部を取り囲む第２の弁座部であって、前記第１の弁座部から軸方向に間隔をおいて配置され、前記第２の弁座部に前記プラグが前記プラグの前記第１の位置で着座する第２の弁座部を有する、請求項１に記載の弁。
5. 前記プラグを前記第１の位置と前記第２の位置の間で移動させるアクチュエータをさらに備える、請求項１に記載の弁。
6. 前記プラグを前記第１の位置と前記第２の位置の間で前記流体の温度に応答して移動させるアクチュエータをさらに備える、請求項１に記載の弁。
7. 前記プラグの前記第２の位置から前記第１の位置への移動中に前記内壁が前記プラグ内に入れ子にされる、請求項１に記載の弁。
8. 前記内壁が軸方向に延びる、請求項１に記載の弁。
9. 前記内壁が半円筒形であり、前記プラグが前記プラグと同心の半円筒形側壁を有する、請求項１に記載の弁。
10. 前記プラグ開口部および前記壁開口部がそれぞれ少なくとも角度約１８０°で外接する、請求項９に記載の弁。
11. 前記間隔をおいて配置された流れポートが概ね整列し、互いに対向する、請求項１に記載の弁。
12. 前記１つの流れポートと前記壁開口部が概ね互いに対向する、請求項１に記載の弁。
13. 前記他方の流れポートと前記壁開口部が概ね整列する、請求項１に記載の弁。
14. 前記流れポートの１つが出口ポートであり、前記流れポートの他方が入口ポートである、請求項１に記載の弁。
15. 流体と共に使用される弁であって、
    １対の間隔をおいて配置された流れポートを有する弁本体であって、前記弁本体が、
    側壁および開放端を有する管状構造を含み、前記管状構造が前記流れポートの１つと流体連通状態の第１のサブチャンバを内部に画定し、前記側壁が前記側壁を通る壁開口部を有し、かつ前記弁本体が、
    前記流れポートの他方と流体連通状態の第２のサブチャンバを画定し、前記第２のサブチャンバが前記側壁の周囲に延び、前記開放端を越えて延びて、前記開放端および前記壁開口部とさらに流体連通状態である弁本体と、
    プラグ開口部を有し、前記管状構造に取り付けられて、第１の位置と第２の位置の間で入れ子式に移動されるプラグであって、
    前記第２の位置で、前記プラグが前記第２のサブチャンバ内に少なくとも部分的に配置され、前記弁が、
    前記壁開口部を通る前記流れポートの間の第１の流路、ならびに
    前記管状構造の前記開放端および前記プラグ開口部を通る前記流れポートの間の第２の流路を画定し、
    前記第１の位置で、前記プラグおよび管状構造が相互作用して、前記第１の流路および前記第２の流路を通る流れを制限するプラグとを備える弁。
16. 前記管状構造が概ね円筒形であり、前記第２のサブチャンバが前記管状構造の周囲に部分的に延び、前記プラグが前記管状構造と概ね同心の半円筒形側壁を有する、請求項１５に記載の弁。
17. 前記プラグ開口部および前記壁開口部がそれぞれ少なくとも角度約１８０°で外接する、請求項１６に記載の弁。
18. 前記管状構造が前記プラグの前記第２の位置から前記第１の位置への移動中に前記プラグ内に入れ子にされる、請求項１５に記載の弁。
19. 前記１つの流れポートと前記壁開口部が概ね互いに対向する、請求項１５に記載の弁。
20. 前記他方の流れポートと前記壁開口部が概ね互いに整列する、請求項１５に記載の弁。
21. 前記弁本体が軸に沿って前記管状構造の前記開放端から間隔をおいて配置されたさらなる流れポートを有し、前記プラグが前記第１の位置と前記第２の位置の間で軸方向に移動し、前記第２の位置で、前記プラグが前記さらなる流れポートを封止し、前記プラグの前記第１の位置で、前記弁が前記流れポートの他方と前記さらなる流れポートの間の前記弁本体を通る前記流れのためのさらなる流路を画定する、請求項１５に記載の弁。
22. 前記アクチュエータが電気ステッパ・モータを備え、前記プラグを前記第１の位置と前記第２の位置の間で増分移動させるように適合される、請求項１５に記載の弁。
23. 前記ステッパ・モータが電力を喪失したときに前記プラグを前記第１の位置および前記第２の位置のうちの１つに付勢させる偏倚ばねをさらに備える、請求項２２に記載の弁。
24. 前記プラグを前記第１の位置および前記第２の位置のうちの１つに付勢させるばねをさらに備え、前記弁が、前記ステッパ・モータが電力を喪失し前記弁を通る流量が十分に小さい場合に、前記ばねが前記プラグを前記第１の位置および前記第２の位置のうちの前記１つに移動させて、水撃による損傷を回避するように適合される、請求項２２に記載の弁。
25. 前記プラグから前記さらなるポート内に延びるスカートをさらに備える、請求項１５に記載の弁。
26. 前記スカート管状であり、前記プラグの前記第１の位置と前記第２の位置の間の移動中に前記ポートに入れ子式に出入りする、請求項２５に記載の弁。
27. 前記スカートが前記プラグが前記第１の位置および前記第２の位置に存在する場合に前記ポート内に突き出て、前記プラグが結合しないように安定させる、請求項２５に記載の弁。
28. 使用の際に、前記スカートが、前記第１の流路を含む第１の回路と前記第２の流路を含む第２の回路の間の圧力降下の平衡を保ち、流れが、前記プラグの概ね線形関数として前記第１の回路と前記第２の回路の間で移動するようにする、請求項２５に記載の弁。

Images