KR20150068287A

KR20150068287A - 밸브 복귀를 구비한 구동기

Info

Publication number: KR20150068287A
Application number: KR1020140160030A
Authority: KR
Inventors: 키포버 로버트; 페이네르 아론
Original assignee: 보르그워너 인코퍼레이티드
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2014-11-17
Publication date: 2015-06-19
Also published as: EP2884086A2; CN104712838B; IN2014DE03231A; US9140218B2; EP2884086A3; US9587592B2; EP2884086B1; CN104712838A; US20150159594A1; US20150159595A1

Abstract

다수의 변형예들은 제1 위치로부터 제2 위치로 밸브를 이동시키는 회전부 및 밸브를 제1 위치로 복귀시키는 편향 스프링을 포함하는 구동기를 포함할 수 있는 제품을 포함할 수 있다.

Description

밸브 복귀를 구비한 구동기{ACTUATOR WIth Valve Return}

본 발명에 일반적으로 관련된 분야는 구동기를 포함한다.

구동기 조립체는 차량에 이용될 수 있다.

<관련 출원의 상호 참조>

본 출원은 2013년 12월 11일 출원된 미국 가출원번호 61/914,639호의 이익을 주장한다.

다수의 변형은 물건을 포함할 수 있는데, 이는 제1 위치로부터 제2 위치로 밸브를 이동시키는 회전부 및 밸브를 제1 위치로 복귀시키는 편향 스프링을 포함하는 구동기를 포함할 수 있다.

본 발명의 범위 내의 다른 예시적인 변형은 이하에 제공된 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 본 발명의 범위 내에서 변형을 개시하는 동안 상세한 설명 및 구체적인 실시예는 예시의 목적만을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하고자 한 것이 아님을 이해하여야 한다.

도 1은 다수의 변형에 이용될 수 있는 엔진 호흡 시스템을 도시한다.
도 2는 다수의 변형에 따른 구동기 및 포핏 밸브 조립체를 도시한다.
도 3a는 도 2에 나타난 구동기 및 포핏 밸브 조립체의 측면도이다.
도 3b는 도 3a의 3B-3B선에 따른 단면도이다.
도 4는 다수의 변형에 따른 구동기 및 밸브 조립체의 부분 단면도이다.
도 5는 다수의 변형에 따른 구동기 및 밸브 조립체의 일부분이 제거된 상태의 사시도이다.
도 6은 다수의 변형에 따른 구동기 및 밸브 조립체의 일부분이 제거된 상태의 사시도이다.
도 7은 다수의 변형에 따른 구동기 및 밸브 조립체의 사시도이다.
도 8a는 다수의 변형에 따른 구동기 및 밸브 조립체의 일부분이 제거된 상태의 측면도이다.
도 8b는 도 8a의 8B-8B선에 따른 단면도이다.
도 9a는 다수의 변형에 따른 구동기 및 밸브 조립체의 부분 단면도이다.
도 9b는 다수의 변형에 따른 구동기 및 밸브 조립체의 부분 단면도이다.
도 10은 다수의 변형에 따른 스페이서의 확대 사시도이다.
도 11은 다수의 변형에 따른 구동기 및 밸브 조립체의 일부분이 제거된 상태의 사시도이다.
도 12는 다수의 변형에 따른 구동기 및 밸브 조립체의 부분 단면도이다.
도 13은 다수의 변형에 따른 구동기 및 밸브 조립체의 일부분이 제거된 상태의 사시도이다.
도 14는 다수의 변형에 따른 구동기 및 밸브 조립체의 일부분이 제거된 상태의 사시도이다.
도 15는 다수의 변형에 따른 구동기 및 밸브 조립체의 부분 단면도이다.
도 16은 다수의 변형에 따른 구동기 및 밸브 조립체의 일부분이 제거된 상태의 부분 사시도이다.
도 17은 다수의 변형에 따른 캠 기어를 도시한다.
도 18은 다수의 변형에 따른 구동기 및 밸브 조립체의 일부분이 제거된 상태의 부분 사시도이다.
도 19는 다수의 변형에 따른 캠 기어를 도시한다.
도 20은 전원이 공급되지 않은 상태에서 D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체(200A)를 나타낸다.
도 21은 다수의 변형에 따른, 포핏 밸브가 완전히 개방된 위치에 있는 D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체를 나타낸다.
도 22는 밸브를 잠그는 여러 가지 점진적인 단계 중 하나에서 D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체를 나타낸다.
도 23은 밸브를 잠그는 여러 가지 점진적인 단계 중 하나에서 D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체를 나타낸다.
도 24는 밸브를 잠그는 여러 가지 점진적인 단계 중 하나에서 D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체를 나타낸다.
도 25는 또 다른 변형에 따른 구동기 및 밸브 조립체의 일부분이 제거된 상태의 사시도이다.
도 26은 또 다른 변형에 따른 구동기 및 밸브 조립체의 부분 단면도이다.
본 발명의 범위 내의 변형 중 선택 예는 상세한 설명 및 첨부된 도면으로부터 더욱 완전히 이해될 것이다.

다음의 변형에 대한 기술은 본질적으로 예시적일 뿐이며, 절대로 본 발명, 그 적용, 또는 용도의 범위를 제한하고자 한 것이 아니다.

차량 배기가스 배출물 제어 및 연료 경제 표준의 만족은 대부분의 국가에서 필수적인 요건이다. 질소산화물(NOx) 및 입자성 물질은 반드시 제어되어야 하는 엔진 배기가스 배출물의 두 가지 성분이다.

NOx의 형성은 더 높은 엔진 연소 온도에서 일어날 것이고, 입자성 물질은 더 낮은 연소 온도에서 형성될 것이다. 배기가스 재순환(EGR) 시스템이라 지칭되는 시스템은 연소 온도를 조절하고, NOx 및 입자성 물질 배출을 제어하고자 개발되었다. 전형적인 시스템의 개략도를 도 1에 나타내었다. 배기가스의 일부분은 흡기 다기관으로 다시 재순환되고, 배기가스는 들어오는 공기 및 연료와 섞일 것이다. 혼합물의 배기가스 부분은 연소를 지속시키지 않으며, 이러한 혼합물이 실린더에서 압축되고 점화될 때 불활성 배기가스는 연소 온도를 조절하고 배기가스의 NOx 및 입자성 물질의 형성을 제한할 것이다.

도 1과 관련하여, 엔진(1)은 흡기 다기관(2) 및 배기 다기관(3)을 구비하고 있다. EGR 시스템은 흡기 다기관(2)으로의 배기가스의 흐름을 제어하는 배기가스 재순환(EGR) 밸브(4)로 이루어진다. EGR 냉각기(5)는 배기가스의 온도를 낮추는 데 이용된다. 도관(6, 7, 8, 9 및 10)은 배기 다기관(3), EGR 냉각기(5), EGR 밸브(4), 및 흡기 다기관(2) 사이를 상호 연결한다. 도시된 시스템은 전기적으로 제어되는 EGR 밸브를 이용한다. 전자 제어 장치(ECU)(11)는 밸브의 개폐를 제어할 신호를 제공할 것이다. EGR 밸브는, 개폐됨에 따라, 배기가스의 흡기 다기관으로의 흐름 속도를 증가시키거나 감소시킬 것이다. 또한, 흡기 다기관으로의 공기 흐름을 제어하기 위하여 스로틀 밸브(12)를 구비하는 것이 전형적이다.

요구되는 EGR 흐름 속도는 엔진의 배기량 및 배기 및 흡기 시스템 사이의 압력 차이를 포함하는 여러 가지 요인에 달려 있다.

도 1과 관련하여, 시스템은 다음과 같은 방식으로 작동할 것이다. ECU(11)는 엔진 작동 조건 지도와 각 조건에 대한 원하는 EGR 흐름으로 프로그램 될 것이다. EGR 밸브(4)는 ECU(11)에 연결되는 위치 센서를 보유하며, 밸브 위치 및 밸브를 통과하는 흐름에 대한 출력 신호를 제공할 것이다. 원하는 흐름은 위치 센서 출력 신호 및 구동기 제어 신호로 해석된다. 제어 신호는 EGR 밸브(4)의 구동기에 적용되어, 밸브가 밸브 시트로부터 멀리 이동하게 하고, 배기가스가 배기 다기관(3)으로부터 흡기 다기관(2)으로 흐를 수 있게 한다. 위치 센서 및 그의 출력 신호는 EGR 밸브에 대한 폐쇄 루프 제어 시스템의 일부분이다. 위치 센서는 ECU에 원하는 위치와 관련된 흐름을 달성하였는지를 표시할 피드백을 제공할 것이다. ECU는 원하는 밸브 위치를 달성 또는 유지하기 위하여 구동기 제어 신호를 조정할 것이다. 재순환된 배기가스는 들어오는 공기와 섞일 것이고, 흡기 다기관에 의해 엔진 실린더로 분포될 것이다. 배기가스, 공기 및 연료의 혼합물은 연소 온도를 결정하고, NOx와 입자성 물질의 수준을 조절할 것이다.

연료 경제는 EGR 시스템 사용에 의해서도 향상될 수 있다. EGR이 열릴 때, 흡기 다기관 및 배기가스의 진공 또는 압력은 감소될 수 있다. 진공 또는 압력의 감소는 엔진의 펌프 손실, 엔진에 의해 사용되는 연료의 양을 줄일 것이다.

선형 솔레노이드, D.C. 모터, 토크 모터 및 스테퍼 모터와 같은 다수의 전기적 구동기는 EGR 밸브를 작동시키는 데 이용될 수 있다. 또한, 밸브 위치 감지는 스테퍼 모터의 카운팅 단계와 같은 대안적인 방법에 의해, 또는 공기 제어 EGR 밸브에 대해 진공을 조절하는 것에 의해 달성될 수 있다.

스로틀, 포핏, 또는 플랩과 같은 다수의 밸브 유형이 배기가스의 흐름을 제어하는 데 이용될 수 있다.

구동기 및 밸브의 유형은 부분적으로는, 배출물 제어 또는 연료 경제에 이용되는 엔진 및 EGR 시스템의 유형에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 디젤 엔진의 배기가스는 밸브 개방에 저항성을 제공할 수 있는 끈적끈적한 래커 유사 물질을 형성할 수 있는 잔류물을 다량 함유할 수 있다. 밸브를 열기 위해서는 300N을 초과하는 큰 힘의 구동기가 요구될 수 있다. 다단계 구동기를 구비한 D.C. 모터 구동기가 이러한 EGR 밸브 응용 분야에 이용되고 있다.

또 다른 예에서, 가솔린 엔진으로부터의 배기가스는 부분적으로는 더 높은 배기 온도 및 연소 중의 화학 반응 때문에, 더 적은 정도의 잔류물을 함유할 수 있다. 구동기의 작동력은 이들 엔진에 대해서는 실질적으로 더 작을 수 있다. 선형 솔레노이드 구동기는 이러한 EGR 밸브 응용 분야에 이용되고 있으며, 그것들의 전형적인 작동력은 개방 및 폐쇄 밸브 조건 사이에서 20N 내지 2N의 범위에 이른다.

GDI 엔진(가솔린 직접 주입)과 같은 최근의 엔진 신개발품은 "냉각 EGR"을 활용했다. 배기가스의 더욱 빠른 냉각은 EGR 밸브 이동을 저지할 수 있는 배기가스 잔류물의 수준을 증가시킬 수 있고, 작동력의 필요 조건을 증가시킬 수 있다. 이러한 가솔린 엔진의 경우 잔류물 수준은 더 높지만, 디젤 엔진으로부터의 잔류물만큼 극심하지 않을 수 있고, 구동기 힘의 필요 조건은 더 작을 수 있다.

여러 가지 유형의 밸브가 EGR 응용 분야에 이용될 수 있다. 예를 들어, 포핏 유형, 플랩 유형, 또는 스로틀 유형 밸브가 아마도 이러한 기능들을 제공할 수 있다. 이러한 밸브는 여러 가지 유형의 구동기, 예를 들어, 진공/압력 모터, D.C. 모터, 토크 모터, 스테퍼 모터에 의해 작동될 수 있거나, 선형 솔레노이드 유형의 구동기가 아마도 밸브를 작동시킬 수 있다.

도 2는 전형적인 D.C. 모터에 의해 작동되는 포핏 밸브 조립체(100)를 보여준다. 밸브 조립체는 단일화된 구동기 및 밸브 하우징(101)을 보유한다. 하우징(101)은 알루미늄, 주철, 또는 기타 적절한 물질로 제조될 수 있다. 하우징(101)은 유체를 받아들이는 유입구(102) 및 유체를 전달하는 배출구(103)를 보유한다. 도 3a 및 단면도인 도 3b를 보자면, 밸브 시트(104)는 밸브 하우징(101) 내에 배치되어, 말뚝 박기, 제자리에 주조하기, 또는 기타 적절한 수단에 의해 고정시킨다. 가동 포핏 밸브(105)는 밸브 조립체를 통한 유체 흐름을 제어하는 밸브 시트(104)와 같은 축을 공유한다.

포핏 밸브(105)은 완전히 폐쇄될 수 있고, 밸브 시트(104) 위에 앉게 될 수 있으며, 유입구(102)와 배출구(103) 사이에서 본질적으로 흐름을 차단할 수 있다. 포핏 밸브(105)는 밸브 시트(104)로부터 완전히 개방된 위치까지 축 방향으로 이동할 수 있으며, 완전히 개방된 위치에서 유입구(102)와 배출구(103) 사이에 최대 흐름이 발생할 것이다. 또한, 포핏 밸브(105)는 최대 유체 흐름 속도보다 작은 수치로 유체 흐름 속도를 제어하기 위하여 밸브 시트(104)로부터 완전히 폐쇄된 위치와 완전히 개방된 위치 사이의 다수의 중간 위치까지 축 방향으로 이동할 수 있다.

밸브 스템(106)은 하우징 내부에 위치하고, 포핏 밸브(105) 및 밸브 시트(104)와 같은 축을 공유한다. 밸브 스템(106)은 포핏 밸브(105)의 중심 위치에 연결되는 제1 단부(107)를 보유한다. 포핏 밸브(105)는 용접, 리벳 체결, 말뚝 박기 또는 기타 적절한 수단에 의해 밸브 스템(106)에 부착될 수 있다. 밸브 스템(106)은 밸브 스템(106)과 같은 축을 공유하는 부싱 조립체(108)에 의해 인도되고 지지되며, 하우징(101) 내에 배치된다. 부분 단면도 도 4를 참조하면, 부싱 조립체(108)는 서로 다른 지름을 나타내는 다중 계단 구간(110A, 110B, 및 110C)으로 이루어지는 카운터 보아 구간(110)과 함께, 제1 단부(109)를 보유한다. 제1 스템 실(111), 스템 스크레이퍼(112) 및 리테이너 세척기(113)는 밸브 스템(106)과 같은 축을 공유하고, 카운터 보어 구간(110)의 다중 계단 구간(110A, 110B, 및 110C) 내에 배치된다. 스템 스크레이퍼(112)는 카운터 보어 구간(110)의 계단 구간(110B)에 배치될 수 있다. 스템 스크레이퍼(112)는 계단 구간(110B)의 안지름보다 더 작은 바깥 지름을 가지고 있으며, 계단 구간(110B) 내에서 이동할 수 있다. 스템 스크레이퍼(112)는 밸브 스템(106)보다 더 큰 안지름을 가지고 있을 것이나, 밸브 스템(106)으로부터 원치 않는 잔해를 제거할 수 있을 것이다.

리테이너 세척기(113)는 카운터 보어 구간(110)의 계단 구간(110C)에 설치될 수 있고, 말뚝 박기 또는 기타 적절한 수단에 의해 부싱 조립체에 고정된다. 리테이너 세척기(113)는 스템 실(111) 및 스템 스크레이퍼(112)를 부싱 조립체(108)에 고정시킬 것이다.

부싱 조립체(108)는 다중 계단 구간(115A 및 115B)으로 이루어지는 카운터 보어 구간(115)과 함께, 제2 단부(114)를 보유한다. 제2 스템 실(116)과 리테이너 세척기(117)는 밸브 스템(106)과 같은 축을 공유하며, 카운터 보어 구간(115)의 다중 계단 구간(115A 및 115B) 내에 배치된다. 리테이너 세척기(117)는 카운터 보어 구간(115)의 계단 구간(115A)에 설치될 수 있고, 말뚝 박기 또는 기타 적절한 수단에 의해 부싱 조립체에 고정될 수 있다. 리테이너 세척기(117)는 스템 실(116)을 부싱 조립체(108)에 고정시킬 것이다.

제1 스템 실(111)과 제2 스템 실(116)은 밸브 스템(106)의 바깥 지름과 부싱 조립체(108)의 안지름 사이의 방사상 공간(118)을 한정한다. 방사상 공간(118)은 스템 실(111 및 116)의 위치에 의해 정해지는 부싱 조립체(108)와 밸브 스템(106)의 길이를 따라 축 방향으로 연장된다. 스템 실(111)은 부싱 조립체(108)의 제1 단부(109)로부터 파편이 공간(118)으로 들어가는 것을 방지할 것이고, 스템 실(116)은 부싱 조립체(108)의 제2 단부(114)로부터 파편이 공간(118)으로 들어가는 것을 방지할 것이다.

두 개의 오링 실(119 및 120)은 부싱(108)의 바깥 지름을 따라 축 방향으로 이격된다. 부싱(108)은 오링들(119 및 120) 사이의 공간에 위치한 원주 형상의 홈(121)을 보유한다. 부싱(108)이 하우징(101)에 설치될 때, 오링 실(119 및 120)은 부싱 조립체(108)와 하우징(101) 사이에 실(seal)을 만들 것이다. 원주형 홈(121)은 오링 실(119, 120) 및 하우징(101) 사의의 공간(122)을 한정할 것이다. 원주형 홈(121)은 은폐선으로 나타낸, 적어도 하나의 통로(123)를 보유할 것이고, 이는 공간(122) 및 공간(118) 사이에서 유체 연통을 허용할 것이다. 밸브 하우징(101)은 공간(122)과 대기 사이에서 유체 연통을 허용할 환기 통로(124)를 보유한다. 통로(123), 공간(122), 및 환기 통로(124)는 공간(118)이 본질적으로 대기 상태로 있게 할 것이다. 이는 밸브 조립체(100)의 구동기 부분(129) 내로 밀려들어오는 것으로 인한 잠재적인 오염을 제한할 것이다.

도 3b 및 도 4를 보자면, 밸브 스템(106)은 부싱 조립체(108)의 제2 단부(114)를 통해 축 방향으로 연장되는 제2 단부(125)를 보유한다. 링크(126)는 리벳 체결, 말뚝 박기 또는 기타 적절한 수단에 의해 밸브 스템(106)의 제2 단부(125)에 부착된다. 볼 베어링(127)은 핀(128)에 의해 링크(126)에 부착되고, 리벳 체결, 말뚝 박기 또는 기타 적절한 수단에 의해 고정된다.

도 3b, 도 4, 및 도 5를 보자면, 하우징(101)은 구동기 부품: D.C. 모터(130), 중간 기어(134), 핀(137), 출력 기어(139), 샤프트(140), 베어링(141) 및 스프링(142)을 받아들이는 구동기 부분(129)을 보유한다. D.C. 모터(130)는 구동기 부분(129) 안에 설치되고, 나사식 체결구(131)에 의해 보유된다. D.C. 모터(130)는 전기적 제어 신호가 D.C. 모터에 가해질 때 회전 가능한 샤프트(132)를 보유한다. 피니언 기어(133)는 샤프트(132)에 부착되고, 샤프트(132)와 함께 회전할 것이다. 중간 기어(134)는 피니언 기어(133)와 맞물리고 회전하는 제1 기어 구간(135)을 보유한다. 중간 기어(134)는 또한 핀(137) 위로 미끄러져 움직일 수 있는 크기의 중심 관통 구멍(136)을 보유한다. 핀(137)은 하우징(101) 안으로 압력에 의해 끼워 맞춰지며, 그 축 주위로 중간 기어(134)의 회전을 허용할 것이다. 중간 기어(134)는 중간 기어(134)의 일부분으로서 일체형으로 형성되는 제2 기어 구간(138)을 보유한다.

출력 기어(139)는 압입 끼워맞춤 또는 기타 적절한 수단에 의해 샤프트(140)에 부착된다. 샤프트(140)는 하우징(101) 안에 설치된 적어도 하나의 베어링(141)에 의해 지지되고, 압입 끼워맞춤 또는 기타 적절한 수단에 의해 보유된다. 베어링(141)은 샤프트(140)의 축 주위로 출력 기어(139)의 회전을 허용할 것이다. 출력 기어(139)는 중간 기어(134)의 제2 기어 구간(138)과 맞물린다. 전기적 제어 신호가 D.C. 모터(130)에 가해질 때, 모터 샤프트(132)가 회전할 것이다. 피니언 기어(133), 중간 기어(134)의 제1 및 제2 기어 구간(135, 138) 및 출력 기어(139)는 전기적 제어 신호의 적용 및 모터 샤프트(132)의 회전에 대응하여 회전할 것이다.

출력 기어(139)는 기어 내에 일체형으로 형성된 캠(143)을 보유한다. 링크(126)에 부착된 볼 베어링(127)은 캠(143)과 맞물린다. 캠(143)과 베어링(127)의 바깥 지름 사이에는 상대적인 움직임을 허용하기에 충분한 간격이 있다. 캠(143)의 접촉 표면(144 및 145)은 출력 기어(139)의 축과 중심을 달리하며, 따라서 출력 기어의 회전은 베어링(127)이 출력 샤프트(140)의 중심에 대해 방사상으로 움직이게 할 것이다. 베어링(127), 링크(126), 밸브 스템(106) 및 포핏 밸브(105)는 서로 연결되어 있으므로, 제1 방향으로의 출력 기어(139)의 회전은 포핏 밸브가 밸브 시트로부터 멀리 이동하게 할 것이고, 제2 방향으로의 출력 기어(139)의 회전은 포핏 밸브가 밸브 시트를 향해 이동하게 할 것이다. 밸브 시트(104)에 대한 포핏 밸브(105)의 이러한 이동은 유입구(102)와 배출구(103) 사이에서 밸브를 통한 유체의 흐름 제어를 가능하게 할 것이다.

피니언 기어(133), 중간 기어(134)의 제1 및 제2 기어 구간(135, 138), 및 출력 기어(139)의 크기는 D.C. 모터(130)에 의해 제공되는 토크를 증가시킬 기계적인 장점을 제공할 것이다. 기어들의 크기 및 캠(143)의 형상은 전체적인 기계적 장점 및 밸브 개폐에 이용할 수 있는 힘을 결정할 것이다.

비틀림 스프링(142)은 출력 기어(139) 및 샤프트(140)와 같은 축을 공유한다. 비틀림 스프링(142)의 제1 단부는 출력 기어(139)와 맞물리고, 제2 단부는 하우징(101)과 맞물린다. 비틀림 스프링(142)의 편향은, 유입구(102)와 배출구(103) 사이에서 유체 흐름을 본질적으로 차단하는 밸브 시트(104)에 포핏 밸브(105)가 앉게 하는 방향으로 출력 기어(139)가 회전하게 하는 방식으로 적용된다.

도 2, 도 5, 및 도 6과 관련하여, 밸브 조립체(100)는 커버(147)에 매립된 리드 프레임(146)을 보유한다. 커버(147)는 나사식 체결구, 크림프 링, 또는 기타 적절한 수단에 의해 하우징(101)에 부착될 수 있다. 파편이 하우징으로 들어오는 것을 방지하기 위하여 실(154)이 커버와 하우징 사이에 위치할 수 있다. 도 5는 커버 물질이 제거된 상태의 리드 프레임(146)을 보여주고, 도 6은 리드 프레임(146) 상에 오버 몰드된 커버 물질을 보여준다. 리드 프레임(146)은 여러 개의 개별적인 단자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 단자(148 및 149)는 D.C. 모터(130)와 위치 센서(153)에 전기적 연결을 제공할 수 있다. 성형된 전기 커넥터(151)는 커버(147)에 형성된다. 단자가 있는 연결 접속재는 전기 커넥터(151) 및 리드 프레임(146)의 단자와 맞물려, ECU(152)에 전기적으로 연결할 수 있다.

밸브 위치 및 유체 흐름은 도 2에 도시된 전기 제어 장치(ECU)(152)의 일부분인 폐쇄 루프 제어 시스템에 의해 전형적으로 제어된다. ECU는 D.C. 모터(130)에 제어 신호를 제공할 것이고, 위치 센서(153)로부터 포핏 밸브 위치 피드백을 수신할 것이다. 각각의 밸브 위치는 특정 위치 센서 출력 전압에 상응할 것이다. ECU는 특정 밸브 위치 전압에 상응하는 특정 밸브 위치를 달성하고 유지하기 위하여 D.C. 모터에 대해 제어 신호를 조정할 것이다.

위치 센서(153)는 비 접촉형일 수 있고, 자기 저항성, 유도성, 홀 효과 또는 기타 적절한 기술을 이용할 수 있다. 센서(153)는 감지 요소(152)로부터 피드백을 수신할 감지 회로(150)를 보유할 수 있다. 감지 회로(150)는 커버(147)에 배치되고, 납땜, 접촉 압력, 또는 기타 적절한 수단에 의해 리드 프레임(146)에 연결된다. 감지 요소(152)는 출력 기어(139), 출력 샤프트(140), 또는 기타 적절한 위치에 부착될 수 있다. 감지 요소(152)는 D.C. 모터(130)에 적용된 전기적 제어 신호에 대응하여 출력 기어(139)가 회전할 때 감지 회로(150)에 피드백을 제공할 것이다. 감지 회로는 특정 기어 및 밸브 위치에 상응하는 밸브 위치 전압을 제공할 것이다.

감지 요소는 기어 상에 위치하여 기어 위치를 측정하고 있으므로, 실제 밸브 위치에는 작은 오류가 있을 수 있음을 주의해야 한다. 베어링(127)과 캠(143)의 접촉 표면(144 및 145) 사이의 간격은 베어링(127), 밸브 스템(106), 및 포핏 밸브(105)의 약간의 자유로운 이동을 허용할 수 있는데, 이는 작은 밸브 위치 오류를 초래할 수 있다.

밸브 조립체(100)는 일부 응용에 적절할 수 있는 높은 유체 흐름 및 높은 밸브 작동력이 가능하다. 더 높은 능력은 더 높은 비용 및 설계의 복잡성을 초래할 수 있다. 일부 응용은 더 높은 능력 또는 복잡성을 필요로 하지 않을 수 있다. 따라서, 이러한 응용에 더 적합한 구동기 및 밸브 조립체를 "적정 규모로 바꾸는 것"은 중요하다. 다음은 최적화된 구동기 및 밸브 조립체를 포함하는 본 발명을 기술한 것이다. 본 발명의 특징은 밸브를 열고 닫는 위치 사이에서 양 방향으로 밸브를 움직이게 하는 방식으로 밸브를 작동시키는 특별한 방법일 것이다.

도 7은 D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체(200)를 보여준다. 밸브 조립체는 단일화된 구동기 및 밸브 하우징(201)을 보유한다. 하우징은 알루미늄, 주철 또는 기타 적절한 물질로 제조될 수 있다. 하우징은 유체를 받아들이는 유입구(202), 및 유체를 전달하는 배출구(203)를 보유한다. 도 8a 및 단면도인 도 8b와 관련하여, 밸브 시트(204)는 밸브 하우징(201) 내에 배치되어, 말뚝 박기, 제자리에 주조하기, 또는 기타 적절한 수단에 의해 고정시킨다. 가동 포핏 밸브(205)는 밸브 조립체(200)를 통한 유체 흐름을 제어하는 밸브 시트와 같은 축을 공유한다.

포핏 밸브(205)는 완전히 폐쇄될 수 있고, 밸브 시트(204)위에 앉게 될 수 있으며, 본질적으로 유입구(202)와 배출구(203) 사이에서 흐름을 차단할 수 있다. 포핏 밸브(205)는 밸브 시트(204)로부터 완전히 개방된 위치까지 축 방향으로 이동할 수 있으며, 완전히 개방된 위치에서 유입구(202)와 배출구(203) 사이에 최대 흐름이 발생할 것이다. 포핏 밸브(205)는 또한 최대 유체 흐름 속도보다 적은 수치로 유체 흐름 속도를 제어하기 위하여 밸브 시트(204)로부터 완전히 폐쇄된 위치와 완전히 개방된 위치 사이의 다수의 중간 위치까지 축 방향으로 이동할 수 있다.

밸브 스템(206)은 하우징 내부에 위치하고, 포핏 밸브(205) 및 밸브 시트(204)와 같은 축을 공유한다. 밸브 스템(206)은 포핏 밸브(205)의 중심 위치에 연결되는 제1 단부(207)를 보유한다. 연결은 용접, 리벳 체결, 말뚝 박기, 또는 기타 적절한 수단에 의해 이루어질 수 있다. 밸브 스템(206)은 밸브 스템(206)과 같은 축을 공유하는 부싱(208)에 의해 인도되고 지지되며, 하우징(201) 내에 배치된다.

부분 단면도 도 9와 관련하여, 하우징(201)은 서로 다른 지름을 나타내는 다중 계단 구간으로 이루어지는 카운터 보어 구간(210)을 보유한다. 스템 실드 리테이너(213), 스템 스크레이퍼(212), 부싱(208), 제1 스템 실(211), 스페이서(214), 및 제2 스템 실(216)은 밸브 스템(206)과 같은 축을 공유하고, 카운터 보어 구간(210)에 배치된다. 카운터 보어 구간(210)은 스템 실드 리테이너(213), 스템 스크레이퍼(212), 부싱(208), 제1 스템 실(211), 스페이서(214), 및 제2 스템 실(216)을 한 방향으로부터, 예를 들어, 도 8b에 도시된 A 방향으로부터 받아들이도록 설계된다.

부분 단면도 도 9와 관련하여, 제1 스템 실(211), 스페이서(214), 및 제2 스템 실(216)을 포함하는 실링 시스템(265)은 카운터 보어 구간(210)의 제1 계단 구간(217)에 배치될 수 있다. 스템 실(211 및 216)은 스페이서(214)에 의해 이격된다. 각각의 스템 실은 하우징(201)에 바깥 방사상 실을 제공하고, 밸브 시스템(206)에 안 방사상 실을 제공할 것이다. 도 10과 관련하여, 스페이서(214)는 일반적으로, 원주형 홈(223)에 의해 분리되는 축성 특징부(221 및 222)가 있는 원통형 부분이다. 스페이서(214)는 또한 밸브 스템(206)보다 더 큰 지름을 나타내는 내부 표면(224)을 보유하여 무제한 이동 및 접촉을 가능하게 한다. 축성 특징부(221, 222), 내부 표면(224), 및 원주형 홈(223)은 하우징(201) 내에 공간(258)을 생성한다. 하우징(201)은 공간(258)과 대기 사이에서 유체 연통을 허용할, 제1 스템 실(211)과 제2 스템 실(216) 사이에 위치한, 환기 통로(227)를 보유한다. 환기 통로(227)는 각각의 스템 실을 지나서 작은 규모의 누출이 있는 경우에 본질적으로 공간(258)을 대기 상태로 유지시킬 것이다. 이는 밸브 조립체(200)의 밸브 부분(225) 또는 구동기 부분(226)으로 밀려들어오는 것으로 인한 잠재적인 오염을 제한할 것이다.

도 8b 및 도 9와 관련하여, 부싱(208)은 카운터 보어 구간(210)의 제2 계단 구간(218)에 배치될 수 있다. 부싱(208)은 제1 단부(263) 및 제2 단부(264)를 보유하며, 말뚝 박기, 압입 끼워맞춤, 또는 기타 적절한 수단에 의해 하우징에 보유될 수 있다. 부싱(208)은 밸브 스템(206)을 지지하고 인도하며, 하우징(201) 안에 제1 스템 실(211), 스페이서(214), 및 제2 스템 실(216)을 포함하는 실링 시스템(265)을 보유할 것이다. 제1 스템 실(211), 스페이서(214), 및 제2 스템 실(216)은 부싱(208)의 제1 단부(263)에 위치한다. 이 위치는 밸브 조립체(200)를 통해 유체 흐름으로부터 더 멀리 떨어지며, 이는 유체 흐름이 실의 작동 온도를 초과할 수 있는 높은 온도를 나타낼 때 바람직할 수 있다.

유체 흐름의 온도가 더 낮고, 실의 작동 온도 내에 있다면, 유체 흐름에 더 가까운 위치에 실링 시스템(265)을 위치시키는 것도 가능하다. 도 9b는 제1 스템 실(211), 스페이서(214) 및 부싱(208)의 제2 단부(264)에 위치한 제2 스템 실(216)을 포함하는 실링 시스템(265)을 보여준다. 도 9b와 관련하여, 부품 및 특징부에 대해 나타낸 숫자는 도 9에 사용된 부품 및 특징부에 사용된 숫자와 비슷하다. 다시, 도 9b를 보자면, 환기구(227) 및 공간(258)의 위치는 부싱(208)의 제2 단부(264) 주위 영역의 적절한 위치로 이동될 것이다. 카운터 보어 구간(210)의 다중 계단 특징부는 부싱(208)의 제2 단부(264)의 새로운 실 및 스페이서 위치에 대해 조정될 것이다. 또한, 카운터 보어 구간(210)은 한 방향으로부터, 예를 들어, 도 9a에 도시된 A 방향으로부터 스템 실드 리테이너(213), 스템 스크레이퍼(212), 부싱(208), 제1 스템 실(211), 스페이서(214), 및 제2 스템 실(216)을 받아들이도록 설계된다.

도 8b 및 도 9는 부싱(208)의 제2 단부(264)에 위치한 스템 스크레이퍼(212) 및 스템 실드 리테이너(213)를 포함하는 오염방지 시스템(266)을 보여준다. 스템 스크레이퍼(212)는 카운터 보어 구간(210)의 제3 계단 구간(219)에 배치될 수 있다. 스템 스크레이퍼(212)는 제3 계단 구간(219)의 안지름보다 작은 바깥 지름을 가지고 있으며, 제3 계단 구간(219) 내에서 이동할 수 있다. 스템 스크레이퍼는 밸브 스템(206)보다 더 큰 안지름을 나타낼 것이지만, 밸브 스템(206)으로부터 원치 않는 파편을 제거할 수 있을 것이다. 스템 실드 리테이너(213)는 카운터 보어 구간(210)의 제4 계단 구간(220)에 배치될 수 있다. 스템 실드 리테이너(213)는 압입 끼워맞춤, 말뚝 박기 또는 기타 적절한 수단에 의해 하우징 내에 보유될 수 있다. 스템 실드 리테이너(213)는 하우징(201) 내에 스템 스크레이퍼(212)를 보유할 것이며, 밸브 스템(206) 상에 파편이 퇴적되는 것을 제한할 것이다. 이 구현예에서는, 스템 스크레이퍼(212) 및 스템 실드 리테이너(213)가 두 개의 별도 부품으로 표현되었지만, 밸브 스템(206)의 바깥 지름과 스템 실드 리테이너(213)의 상응하는 안지름 사이에 적절한 간격을 선택함으로써 단일한 부품에 그것들의 기능을 통합하는 것이 가능하다는 점을 주의해야 한다.

밸브 스템(206)은 제2 스템 실(216)을 통해 축 방향으로 구동기 부분(226) 안으로 연장되는 제2 단부(259)를 보유한다. 링크(228)는 하우징(201) 안에 배치되며, 나사식 인서트, 리벳 체결, 말뚝 박기, 또는 기타 적절한 수단에 의해 밸브 스템(206)의 제2 단부(259)에 부착된다. 링크(228)는 사출 성형 플라스틱, 다이캐스트 금속, 또는 기타 적절한 물질과 같은 물질로 이루어질 수 있다. 베어링(229)은 핀(230)에 의해 링크(228)에 부착되며, 압입 끼워맞춤, 리벳 체결, 말뚝 박기 또는 기타 적절한 수단에 의해 고정된다.

편향 스프링(231, 232)은 하우징(201) 안에 배치된다. 편향 스프링(231, 232)의 제1 단부(233, 234)는 스템 링크(228)에 기댄다. 편향 스프링(231, 232)의 제2 단부(235, 236)는 하우징(201)에 기댄다. 편향 스프링(231, 232)의 압축력(267)은 스템 링크(228), 밸브 샤프트(206), 및 포핏 밸브(205)가 A 방향으로 이동하게 하고, 포핏 밸브(205)를 밸브 시트(204) 상에 앉게 하여, 유입구(202)와 배출구(203) 사이에서 유체 흐름을 본질적으로 차단하게 할 것이다. 이 구현예에서는 두 개의 편향 스프링이 이용되었지만, 하나의 스프링을 이용하는 것이 가능하다는 점을 지적할 수 있다. 이러한 스프링 또는 스프링들은 또 다른 위치에도 위치할 수 있다. 예를 들어, 스프링은 밸브 샤프트(206) 상에 공통 축을 가지고 설치되어, 하우징(201)과 링크(228)에 기댈 수 있다. 스프링의 위치는 원하는 편향력, 스프링의 크기, 하우징에서 이용할 수 있는 공간, 또는 기타 요인들에 의해 결정될 수 있다.

도 8b, 도 11, 및 도 12와 관련하여, 하우징(201)은 구동기 부품: D.C. 모터(237), 캠 기어(238), 및 핀(239)을 받아들이는 구동기 부분(226)을 보유한다. D.C. 모터(237)는 구동기 부분(226) 안에 설치되고, 나사식 체결구(240) 또는 기타 적절한 수단에 의해 보유된다. D.C. 모터(237)는 전기적 제어 신호가 D.C. 모터(237)에 가해질 때 회전 가능한 샤프트(241)를 보유한다. 피니언 기어(242)는 샤프트(241)에 부착되고, 샤프트와 함께 회전할 것이다. 캠 기어(238)는 피니언 기어(242)와 맞물리고 회전하는 기어 구간(243)을 보유한다. 캠 기어(238)는 또한 핀(239) 위로 미끄러져 움직일 수 있는 크기의 중심 관통 구멍(244)을 보유한다. 핀(239)은 하우징(201) 안으로 압력에 의해 끼워 맞춰지며, 그 축 주위로 캠 기어(238)의 회전을 허용할 것이다. 도 12와 관련하여, 캠 기어(238)는 중심 관통 구멍(244) 주위에 일체형으로 형성된 캠 부분(245)을 보유한다. 캠 부분(245)은 캠 기어(238)와 함께 회전할 것이다.

도 8b 및 도 12와 관련하여, 스템 링크(228)에 부착된 베어링(229)은 캠 부분(245)와 관련하여 위치한다. 편향 스프링(231, 232)의 힘은 스템 링크(228)와 베어링(229)을 캠 부분(245)을 향해 A 방향으로 이동하게 할 것이고, 일부 조건 하에서는, 베어링(229)을 캠 부분(245)에 기대게 할 것이다. 전기적 제어 신호가 D.C. 모터(237)에 가해질 때, 그것은 제1 방향으로 D.C. 모터를 회전시킬 수 있어, 샤프트(241), 피니언 기어(242), 캠 기어(238), 및 캠 부분(245)이 회전하여, 베어링(229)에 기대게 할 수 있다. D.C. 모터(237), 피니언 기어(242), 캠 기어(238), 및 캠 부분(245)에 의해 발생된 토크 및 힘은 편향 스프링(231, 232)의 압축력(267)을 극복하여, 베어링(229), 스템 링크(228), 밸브 스템(206), 및 포핏 밸브(205)를 B 방향으로 이동하게 하고, 포핏 밸브(205)가 밸브 시트(204)로부터 이탈되게 하여, 유입구(202)와 배출구(203) 사이에서 유체 흐름을 가능하게 하는데 충분할 수 있다. 편향 스프링(231, 232)은 포핏 밸브(205)가 밸브 시트(204)로부터 멀리 이동되는 높이로 압축될 것이다. 편향 스프링(231, 232)의 압축된 높이가 줄어듦에 따라 압축력(267)은 증가할 것이다.

밸브 시트(204)로부터 포핏 밸브(205)의 축 방향의 변위는 부분적으로는 D.C. 모터(237)에 가해진 제어 신호의 강도 수준에 의해 결정될 것이다. 더 높은 강도 수준은 일반적으로 편향 스프링(231, 232)의 압축력(267)을 극복할 힘을 증가시키고, 포핏 밸브(205)와 밸브 시트(204) 사이에서 축 방향의 변위를 증가시킬 것이다. 더 낮은 강도 수준은 일반적으로 편향 스프링(231, 232)의 압축력(267)에 대항하는 힘을 감소시킬 것이다. 편향 스프링(231, 232)에 저장된 에너지는 베어링(229)을 캠 부분(245)에 기대게 만들 것이고, 캠 부분(245), 캠 기어(238), 피니언 기어(242) 및 샤프트(241)를 포핏 밸브(205)와 밸브 시트(204) 사이에서 축 방향 변위를 감소시킬 위치로 밀어 넣을 것이다. 밸브가 열리고, D.C. 모터(237)에 대한 전기적 제어 신호가 중단된다면, 편향 스프링(231, 232)의 압축력(267)은 일반적으로 베어링(229)을 캠 부분(245)에 기대게 만들고, 캠 부분(245), 캠 기어(238), 피니언 기어(242) 및 샤프트(241)를 밸브 시트(204) 상에 포핏 밸브(205)를 앉게 할 위치로 밀어 넣어, 유입구(202)와 배출구(203) 사이에서 유체 흐름을 본질적으로 차단할 것이다.

도 7, 도 11, 도 12, 도 13 및 도 14와 관련하여, 밸브 조립체(200)는 커버(247)에 매립된 리드 프레임(246)을 보유한다. 커버(247)는 크림프 링(268), 나사식 체결구, 또는 기타 적절한 수단에 의해 하우징(201)에 부착될 수 있다. 파편이 하우징으로 들어오는 것을 방지하기 위하여 실(251)이 커버와 하우징 사이에 위치할 수 있다. 도 14는 커버 물질이 제거된 상태의 리드 프레임(246)을 보여주고, 도 13은 리드 프레임(246) 상에 오버 몰드된 커버 물질을 보여준다. 리드 프레임(246)은 여러 개의 개별적인 단자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 단자(259 및 248)는 D.C. 모터(237)와 위치 센서(249)에 전기적 연결을 제공할 수 있다. 성형된 전기 커넥터(250)는 커버(247)에 형성된다. 단자가 있는 연결 접속재는 전기 커넥터(250) 및 리드 프레임(246)의 단자와 맞물려, 전기적 제어 장치(ECU)(252)에 전기적으로 연결할 수 있다.

밸브 위치 및 유체 흐름은 도 7에 도시된 ECU(252)의 일부분인 폐쇄 루프 제어 시스템에 의해 전형적으로 제어된다. ECU(252)는 D.C. 모터(237)에 제어 신호를 제공할 것이고, 위치 센서(249)로부터 포핏 밸브 위치 피드백을 수신할 것이다. 위치 피드백 신호는 전형적으로 위치 센서 출력 전압이다. 각각의 밸브 위치는 특정 위치 센서 출력 전압에 상응할 것이다. ECU(252)는 특정 밸브 위치 센서 출력 전압에 상응하는 특정 밸브 위치를 달성하고 유지하기 위하여 D.C. 모터에 대해 제어 신호를 조정할 것이다. 일부 상태의 경우, 베어링(229)을 캠 부분(245)에 기대게 하지 않는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 포핏 밸브(205)가 밸브 시트(204) 상에 완전히 앉게 되었음을 확실히 하기 위하여, D.C. 모터(237), 캠 기어(238), 및 캠 부분(245)을, 캠 부분(245)이 베어링(229)과 접촉하는 것을 방지하는 위치로 회전하게 만들 전기적인 제어 신호를 D.C. 모터에 가하는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 포핏 밸브(205)가 밸브 시트(204) 상에 완전히 앉아있음을 확실하게 할 것이다. 이러한 상태에서는 캠 기어(238) 또는 캠 부분(245)에 가해진 힘은 없을 것이고, 높은 진동과 같은 상태 하에서는 캠 기어 또는 캠 부분은 원치 않는 소음을 이동시키거나 유발할 수 있다. 캠 기어(238)에 형성된 물리적 스톱(260)이 커버(247), 하우징(201), 또는 기타 적절한 밸브 조립체 부품의 물리적 스톱(260)과 맞물리는 위치로 캠 기어(238)를 회전하게 할 전기적 제어 신호를 D.C. 모터(237)에 가하는 것이 바람직할 수 있다. 전기적 제어 신호의 강도 수준은 진동의 수준 또는 기타 요인들과 같은 요인들을 기초로 하여 조정할 수 있다. 이러한 전기적 제어 신호를 "홀딩" 신호라 지칭할 수 있다.

위치 센서(249)는 비 접촉형일 수 있고, 자기 저항성, 유도성 또는 홀 효과 기술을 이용할 수 있다. 센서(249)는 감지 요소(254)로부터 피드백을 수신할 감지 회로(253)를 보유할 수 있다.

도 15는 위치 센서(249)가 있는 커버(247)의 확대 구간을 보여준다. 감지 회로(253)는 스냅 보유 특징부(261), 히트 스테이킹(heat staking), 금속 클립, 오버몰딩, 또는 기타 적절한 수단에 의해 커버(247)에 부착될 수 있다. 센서 회로 리드(262)는 용접, 납땜, 접촉 압력, 또는 기타 적절한 수단에 의해 리드 프레임(246)의 단자(248)에 연결될 수 있다. 위치 회로(253)는 인쇄 회로 기판, 저항기, 커패시터 또는 기타 부품을 필요로 하지 않는 집적 회로임을 주의해야 한다.

감지 요소(254)는 스템 링크(228), 밸브 스템(206), 또는 기타 적절한 위치에 부착될 수 있다. 예를 들어, 밸브 조립체(200)의 감지 요소(254)는 링크(228)에 오버 몰드되는 영구 자석이다. 감지 요소(254)는 감지 회로(253)의 특정 위치 내에서 이격되어야 한다. 커버(247)는 감지 요소(254)를 제1 방향으로 위치시키고 제한할 제1 표면(269) 및 감지 요소(254)를 제2 방향으로 위치시키고 제한할 제2 표면(270)을 보유한다. 감지 요소(254)는 감지 회로(253)에 의해 측정될 감지 매개 변수를 제공할 것이다. 감지 회로는 D.C. 모터(237)에 가해진 전기적 제어 신호에 대응하여, 밸브 스템(206)이 A 방향과 B 방향으로 이동될 때 가변 자기장 또는 자기장 방향과 같은 가변 매개 변수를 측정할 것이다. 감지 회로는 특정 밸브 위치에 상응하는 밸브 위치 전압을 제공할 것이다.

감지 요소(254)가 링크(228)에 부착되고, 그것이 밸브 스템(206) 및 포핏 밸브(205)와 함께 이동하고 있으므로, 이러한 감지 장치는 실제 밸브 위치를 제공할 것임을 지적할 수 있다. 이것은 위치 센서가 출력 샤프트의 위치를 측정하여 암시적인 밸브 위치가 결정되는 밸브 조립체(100)에 사용된 위치 감지 장치보다는 장점으로 간주될 것이다.

또 다른 특징은 캠 부분(245), 베어링(229), 및 밸브 스템(206)의 물리적인 관계이다. 도 12와 관련하여, 베어링(229)의 중심은 밸브 스템(206)의 세로 방향의 중심 축(255)과 일직선이 된다. 캠 부분(245)의 중심 축(256)은 캠 부분(245)에 의해 베어링(229)에 전송되는 힘이 본질적으로 밸브 스템(206)의 세로 방향의 중심 축(255)을 따라 가해지게 만들 정도의 양으로 오프셋(258)되었다. 캠 부분(245)과 베어링(229) 사이의 접촉점은 도 12에 점(257)으로 나타내었다. 이 점은 본질적으로 밸브 스템(206)의 세로 방향의 중심 축(255) 상에 있다. 밸브 스템(206)의 세로 방향의 중심 축(255)을 따라 직접적으로 힘을 가하면, 마찰을 유발하고 밸브 스템(206)에 가해지는 축 방향의 힘을 줄일 수 있는 밸브 스템 상의 방사상 힘을 최소화할 것이다. 오프셋은 0.5mm 내지 2.0mm 또는 부분적으로는 캠 부분(245)의 크기 및 형상에 의존하는 또 다른 값일 수 있다.

D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체(100)과 D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체(200) 사이의 또 다른 차이점은 구동기가 개방 및 폐쇄된 밸브 위치 사이에서 포핏 밸브를 이동시키는 방식이다. D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체(100)의 구동기는 밸브의 이동을 양 방향으로, 밸브 시트를 향해, 그리고 밸브 시트로부터 멀리 이동시키는 능력을 가지고 있다. D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체(200)의 구동기는 밸브를 한 방향으로, 밸브 시트로부터 멀리 이동시키는 능력을 가지고 있으며, 포핏 밸브를 밸브 시트로 복귀시키기 위하여 편향 스프링(231 및 232)에 의존한다.

한 방향으로의 이동은 부품 최소화, 저렴한 비용, 더 작은 패키지 공간, 더 가벼운 중량 또는 기타 장점들을 포함할 수 있는 이유들로 유리할 수 있다. 또한, 밸브 위치가 부정확하게 되는 시스템 제한을 극복할 수 없음, 느린 반응, 또는 기타 형태의 저하된 성능을 포함할 수 있는 단점들이 있을 수 있다. 시스템 제한으로는 배기가스 잔류물, 마찰, 더 낮은 온도에서 더 높은 점도를 나타내는 그리스(grease), 저하된 스프링 힘, 밸브 폐쇄, 또는 기타 형태의 제한을 포함할 수 있다. 참고로 시스템 제한이 있는 상태를 "제한 밸브 이동"이라 지칭할 것이다. 시스템 제한이 없는 상태를 "무제한 밸브 이동"이라 지칭할 것이다.

이전에 기술한 바와 같이 도 2 내지 도 6과 관련하여, D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체(100)는 기어(139)에 일체형으로 형성된 캠(143)을 보유한다. 링크(126)에 부착된 볼 베어링(127)은 캠(143)과 맞물려진다. 캠(143)은 베어링(127)과 접촉할 수 있는 접촉 표면(144 및 145)을 보유한다. 접촉 표면(144 및 145)과 베어링의 바깥 지름 사이에는 상대적인 움직임을 허용하기에 충분한 간격이 있다. 캠(143)의 접촉 표면(144 및 145)은 출력 기어(139)의 축과 중심을 달리하며, 따라서 출력 기어(139)의 회전은 베어링(127)이 출력 샤프트(140)의 중심 축에 대해 방사상으로 움직이게 할 것이다. 베어링(127), 링크(126), 밸브 스템(106), 및 포핏 밸브(105)는 서로 연결되어 있으므로, 제1 방향으로의 출력 기어(139)의 회전은 볼 베어링(127)을 캠 표면(144)에 기대게 하여, 포핏 밸브가 밸브 시트로부터 멀리 제1 방향으로 이동하게 할 수 있고; 제2 방향으로의 출력 기어(139)의 회전은 베어링(127)을 표면(145)에 기대게 하여, 포핏 밸브가 밸브 시트를 향해 제2 방향으로 이동하게 할 수 있다. D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체(100)의 구동기는 포핏 밸브의 이동을 양 방향으로 밸브 시트를 향해 및 밸브 시트로부터 멀리 이동시키는 능력을 보유한다. 양 방향 강제 능력은 캠(143)의 캠 표면(144 및 145) 상의 단일 부품인 베어링(127)을 이동시킴으로써 달성된다. 베어링(127)의 바깥 지름은 부분적으로는 기어(139)의 크기 및 하우징(101)의 크기를 결정할 것이다. 일부 사례에서, 이러한 공간 및 크기는 지나친 것으로 여겨질 수 있고, 크기를 최소화하기 위하여 대안적인 해결책이 필요할 수 있다.

이전에 기술된 바와 같이 도 7 내지 도 15를 보자면, D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체(200)는 캠 기어(238)와 캠 부분(245)을 보유한다. 베어링(229), 밸브 스템(206) 및 포핏 밸브(205)는 스템 링크(228)에 부착된다. 베어링(229)은 편향 스프링(231 및 232)에 의해 캠 부분(245)과 접촉하여 유지된다. 제1 방향으로 캠 기어(238)를 회전시키면 캠 부분(245)을 베어링(229)에 기대게 만들 수 있고, 포핏 밸브(205)를 밸브 시트로부터 멀리 제1 방향으로 이동시킬 수 있다. 캠 부분(245)은 베어링(229)과의 접촉을 유지하기 위하여 편향 스프링(231 및 232)에 의존해야 한다. 캠 기어(238)를 제2 방향으로 회전시킬 때, 편향 스프링(231 및 232)은 베어링(239)을 캠 부분(245)에 기대게 할 것이고, 포핏 밸브(205)를 밸브 시트(204)를 향해 제2 방향으로 이동시킬 것이다. 베어링(229)은 캠 부분(245)과 접촉만 하고 있으므로, 캠 기어(238)의 크기는 D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체(100)의 기어(139)보다 작을 수 있고, D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체(200)의 하우징(206)은 더 작은 기어로 인해 더 작을 수 있다.

D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체(200)의 구동기는 밸브의 이동을 밸브 시트에 대해 오로지 한 방향으로 하는 능력만을 보유하며, 밸브 시트에 대해 제2 방향으로 밸브를 이동시키기 위해서는 편향 스프링(231 및 232)에 의존해야 한다. 구동기 및 밸브 조립체 내에 제한 밸브 이동 조건이 있다면, 이것은 문제가 될 수 있다. 다음 단락에 기술된 본 발명은 D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체(200)와 밸브 시트에 대해 양 방향으로 포핏 밸브를 이동시키는 구동기의 능력을 제공할 보조 밸브 폐쇄 특징부의 장점들을 결합할 것이다.

도 16 및 도 17은 D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체(200) 및 캠 기어(238)의 기존 장치를 보여준다. 편향 스프링(231 및 232)은 베어링(229)을 캠 기어(238)의 캠 부분(245)에 기대게 만든다. 이러한 장치는 구동기가 베어링(229), 스템 링크(228), 및 밸브 스템(206)을 단일한 B 방향으로 움직이게만 만들 수 있을 것이다. 편향 스프링(231 및 232)은 이전에 기술한 바와 같이 베어링(229), 스템 링크(228), 및 밸브 스템(206)을 반대되는 A 방향으로 이동시킬 편향력을 제공할 것이다.

도 18 및 도 19를 보자면, 포핏 밸브를 밸브 시트에 대해 양 방향으로 움직이게 할 D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체(200A)와 캠 기어(238A)의 새로운 장치를 나타내었다. D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체(200A)의 부품은 조립체(200)과 비슷하며, 부품을 식별하기 위하여 비슷한 수치들을 이용할 것이다.

도 19는 D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체(200)의 캠 기어(238)와 비슷한 캠 기어(238A)를 보여준다. 밸브 복귀 특징부(273)는 캠 기어(238A)에 형성되었으며, 캠 기어의 표면(275)으로부터 축 방향으로 연장된다. 밸브 복귀 특징부(273)는 또한 표면(275)으로부터 축 방향으로 연장되는 표면(274)을 보유하며, 캠 기어(238A)의 중심 관통 구멍(244) 주위에 형성된다. 표면(274)은 오프셋(276)에 의해 캠 부분(245)으로부터 이격된다. 표면(274)은 일반적으로 캠 기어(238A)의 중심 관통 구멍(244)에 대해 캠 특징부(245)의 편심 프로파일을 따를 일정한 값으로 방사상으로 오프셋 될 것이지만, 밸브의 원하는 움직임을 얻기 위하여 오프셋(276)은 또한 달라질 수 있다. 밸브 복귀 특징부(273) 및 캠 부분(245)은 캠 기어(238A)와 함께 회전할 것이다.

도 18은 D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체(200A)를 보여준다. 베어링(229)은 핀(230A)에 의해 스템 링크(228)에 부착된다. 핀(230A)은 캠 기어(238A)의 표면(275)을 향해 연장되는, 연장된 부분(271)을 보유한다. 연장된 부분(271)은 캠 부분(245) 및 밸브 복귀 특징부(273)의 표면(274) 사이에 위치한다. 핀(230A)의 연장된 부분(271)은 캠 부분(245) 및 표면(274)과 축 방향으로 겹쳐질 것이지만, 캠 부분(245)과 접촉하지 않을 수 있다. 연장된 부분(271)은 또한 베어링(229)이 캠 부분(245)과 접촉할 때 공간(272)에 의해 표면(274)으로부터 방사상으로 이격될 수 있다.

언급한 바와 같이, 표면(274)은 중심 관통 구멍(244)에 대해 중심을 달리 할 수 있어, 연장된 부분(271)이 고정된 위치로 유지될 때, 캠 기어(238A)의 제1 방향으로의 회전은 표면(274)을 연장된 부분(271)으로부터 멀리 이동하게 하고 공간(272)을 증가시킬 것이다. 제2 방향으로의 캠 기어(238A)의 회전은 공간(272)을 줄일 것이고, 표면(274)을 연장된 부분(271)에 접근 및 접촉하게 만들 수 있다. 연장된 부분(271)과 표면(274) 사이의 접촉은 베어링(229), 스템 링크(228), 밸브 스템(206) 및 포핏 밸브(205)를, 포핏 밸브(205)가 밸브 시트(204)를 향해 이동하게 하는 방향으로 이동시킬 수 있다. 공간(272)은 0.25mm, 0.75mm 또는 특정 응용을 위해 원하는 밸브 복귀 조건을 제공할 기타 규모일 수 있다. 공간(272)은 표면(274) 및 핀(230A)의 연장된 부분(271) 사이의 접촉을 안정시키는 데 필요한 캠 기어(238A)의 회전을 결정할 것이다.

도 20, 도 21, 도 22, 도 23 및 도 24를 보자면, 밸브 복귀 특징부는 다음과 같은 방식으로 작동할 것이다. 도 20은 전원이 공급되지 않은 상태에서 D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체(200A)를 보여준다. 편향 스프링(231 및 232)은 베어링(229)을 캠 부분(245)에 기대게 만들어, 베어링(229), 스템 링크(228), 밸브 스템(206) 및 포핏 밸브(205)를, 포핏 밸브(205)가 밸브 시트(204) 위에 앉게 하는 방향으로 이동시킬 것이다. 연장된 부분(271)은 공간(272)에 의해 표면(274)으로부터 간격을 두고 나타내었다. 포핏 밸브(205)와 밸브 시트(204) 사이의 축 방향 변위(278)는 포핏 밸브(205)가 밸브 시트(204) 상에 앉을 때 최소가 될 것이다.

도 21은 포핏 밸브(205)가 완전히 개방된 위치에 있는 D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체(200A)를 보여준다. 캠 기어(238A)는 캠 부분(245)을 베어링(229)에 기대게 만드는 방향으로 회전시켜, 베어링(229), 스템 링크(228), 밸브 스템(206) 및 포핏 밸브(205)를, 포핏 밸브(205)가 밸브 시트(204)로부터 이탈되게 하는 방향으로 이동시켰다. 연장된 부분(271)은 공간(272)에 의해 표면(274)으로부터 방사상으로 간격을 두고 나타내었다. 포핏 밸브(205)와 밸브 시트(204) 사이의 축 방향 변위(278A)는 포핏 밸브(205)가 완전히 개방된 위치에 있을 때 최대가 될 것이다.

도 22, 도 23, 및 도 24는 밸브를 폐쇄하는 점진적인 단계의 D.C. 모터로 작동되는 포핏 밸브 조립체(200A)를 보여준다. 이들 도면의 부품 및 특징들은 공통적이며, 관련된 특징 및 부품들만 확인할 것이다. 보조 폐쇄 특징부를 기술하기 위하여, 편향 스프링(231 및 232)의 힘이 포핏 밸브(205)가 밸브 시트(204) 상에 앉는 것을 방지하는 "제한 밸브 이동"이 있음을 가정할 것이다.

도 22를 보자면, 편향 스프링(231 및 232)이 캠 부분(245), 베어링(229), 스템 링크(228), 밸브 스템(206) 및 밸브(205)를, 포핏 밸브(205)가 밸브 시트(204)를 향하도록 재촉하는 방향으로 몰게 하는 방향으로 캠 기어(238A)가 회전된다. 제한 밸브 이동이 있으므로, 편향 스프링(231 및 232)은 이동을 유발할 충분한 힘을 보유하고 있지 않고, 변위(278A)는 변하지 않을 수 있다. 캠 기어(238A)의 계속되는 회전은 캠 부분(245)이 베어링(229)과의 접촉을 잃게 만들 것이고, 베어링(229)으로부터 멀리 이동하게 만들어, 공간(277)을 생성할 것이다. 공간(277)은 캠 기어가 이러한 방향으로 회전을 계속함에 따라 증가할 수 있다. 연장된 부분(271)과 표면(274) 사이의 공간(272)은 표면(274)의 편심 형상 때문에 감소할 것이다. 이러한 방향으로의 캠 기어(238A)의 계속된 회전은 공간(272)의 추가적인 감소를 초래할 것이며, 연장된 부분(271)은 도 23에 도시된 바와 같이 표면(274)과 접촉할 수 있다. 이러한 방향으로의 추가적인 회전은 표면(274)을 연장된 부분(271)에 기대게 하고, 핀(230A), 베어링(229), 스템 링크(228), 밸브 스템(206), 및 포핏 밸브(205)를 "A" 방향으로 움직이게 하며, 포핏 밸브(205)를 밸브 시트(204)를 향해 이동시킬 것이다. 표면(274)을 연장된 부분(271) 상으로 밀어내는 행동은 캠 기어(238A)가 이러한 방향으로 최종 위치까지 회전함에 따라 계속될 것이다. 포핏 밸브(205)와 밸브 시트(204) 사이의 최종 변위(278B)는 도 24에 도시된 바와 같이 더 작아질 것이다.

최종 변위(278B)는 부분적으로는 무제한 밸브 이동 하의 밸브에서 초기 공간(272)에 의해 결정될 것이다. 예를 들어, 초기 공간(272)이 0.25mm라면, 포핏 밸브(205)와 밸브 시트(204) 사이의 최종 변위(278B)는 대략 0.25mm일 것이다. 0.25mm보다 더 크거나 작은 또 다른 값이 최종 변위(278B)값을 달성하는 데 이용될 수 있다. 예를 들어, 포핏 밸브(205)를 밸브 시트(204) 상에 완전히 앉게 할 최종 공간(272)을 선택하는 것도 가능할 수 있다. 공간(272)의 값은 완전히 앉은 상태에서 0.0mm일 것이다. 이러한 공간은 복귀 특징부(273)의 표면(274) 윤곽을 그림으로써 달성될 수 있다. 공간(272)이 0.0mm이고, 포핏 밸브(205)가 밸브 시트(204) 상에 앉게 될 때, 캠 기어(238A)를 회전시키고자 하는 추가적인 시도는 연장된 부분(271) 및 복귀 특징부(273)의 표면(274) 사이의 간섭에 의해 저지될 것이다. 이러한 상태는 캠 기어(238A)의 이동에 대해 물리적인 "스톱" 또는 제한을 제공할 수 있다.

양 방향 포핏 밸브 이동을 강제하기 위하여 상이한 부품 및 상이한 특징을 이용하는 것의 장점은 D.C. 모터 구동기 포핏 밸브 조립체(200A)와 D.C. 모터 구동기 포핏 밸브 조립체(100)를 비교함으로써 볼 수 있다.

D.C. 모터 구동기 포핏 밸브 조립체(100)는 포핏 밸브를 밸브 시트에 대해 양 방향으로 이동시키기 위하여 베어링(127) 및 2개의 표면(144 및 145)이 있는 캠 특징부(143)를 이용한다. 베어링의 바깥 지름은 캠(143)에 꼭 맞아야 하며, 이 바깥 지름은 캠 슬롯의 폭 및 기어의 바깥 길이를 결정할 것이다. 기어의 바깥 길이는 부분적으로, 하우징의 치수를 결정할 것이다.

도 18 및 도 19와 관련하여, D.C. 모터 구동기 포핏 밸브 조립체(200A)는 포핏 밸브(205)를 밸브 시트(204)로부터 떨어지게 하는 방향으로 이동시키기 위해 캠 부분(245) 및 볼 베어링(229)을 이용하지만, 포핏 밸브(205)를 밸브 시트(204)를 향하는 방향으로 이동시키기 위해 제2 부품인 연장된 부분(271) 및 제2 특징부인 복귀 특징부(273)를 이용한다. 연장된 부분(271)은 대략 베어링(229)의 중심에 위치하므로, 캠 부분(245)과 복귀 특징부(273) 사이의 거리(276)는 D.C. 모터 구동기 포핏 밸브 조립체(100)의 캠 특징부(143)에 필요한 것보다 적을 것이다. 거리(276)를 줄이는 것은 기어(238A)를 위한 공간 요건을 감소시킬 것이다. 기어(238A)를 위한 더 작은 공간 요건은 D.C. 모터 구동기 포핏 밸브 조립체(200A)의 하우징(201)을 위한 공간 요건을 감소시킬 것이다.

밸브 시트(204)를 향하는 방향으로 포핏 밸브(205)를 이동시키기 위하여 기타 부품 및 특징부가 이용될 수 있다. 제2의 구현예를 도 25 및 도 26에 나타내었다. 부품인 링크(228A)는 캠 기어(238A)의 표면(275)을 향해 연장되는 연장된 부분(279)을 보유한다. 연장된 부분(279)은 캠 부분(245) 및 밸브 복귀 특징부(273)의 표면(274) 사이에 위치한다. 연장된 부분(279)은 이전에 기술된 바와 같이 연장된 부분(271)과 비슷한 방식으로 기능할 것이며, "제한 밸브 이동" 상태가 존재할 때, 포핏 밸브(205)의 밸브 시트(204)를 향한 이동을 강제할 것이다.

변이형에 대한 다음의 기술은 본 발명의 범위 내로 간주되는 부품, 요소, 행동, 물건 및 방법을 단지 예시한 것으로, 어떤 식으로든 구체적으로 개시된 것 또는 분명히 기재되지 않은 것에 의해 그러한 범위를 제한하고자 한 것이 아니다. 본 출원에 기술된 부품, 요소, 행동, 물건 및 방법은 본 출원에서 명백히 기술된 바 이외에 결합되거나 재배열될 수 있으며, 여전히 본 발명의 범위 내로 간주된다.

본 발명의 범위 내의 변형 선택에 대한 위의 기술은 본질적으로 단지 예시적인 것이며, 따라서, 이의 변형 또는 변이형은 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나는 것으로 여겨지지 않는다.

Claims

구동기 및 밸브부;
유체를 받아들이는 제1 포트 및 유체를 전달하는 제2 포트를 보유하는 밸브부, 제1 포트와 제2 포트 사이에 배치된 밸브 시트, 제1 및 제2 포트 사이의 유체 흐름을 제어하는 밸브 시트로 작동 가능한 밸브 부재를 포함하는 적어도 하나의 하우징;
밸브 부재에 작동 가능하게 연결되어 있으며, 세로축, 제1 단부, 제2 단부 및 제2 부분을 보유하는 밸브 스템으로, 이때, 밸브 부재는 제1 단부에 부착되고, 제2의 위치는 밸브 부재와 제2 단부 사이에 위치하는 밸브 스템;
밸브 스템의 제2 부분에 작동 가능하게 연결되고, 밸브 스템을 제1 방향으로 움직이게 하기 위하여 밸브 스템에 작동력을 전송하는 제1 부품;
밸브 스템의 제2 부분에 작동 가능하게 연결되고, 밸브 스템을 제2 방향으로 움직이게 하기 위하여 밸브 스템에 작동력을 전송하는 제2 부품;
회전 구동기 및 구동기로 회전시킬 수 있는 적어도 하나의 기어를 포함하는 하우징 내의 구동기 부분; 이때, 적어도 하나의 기어는 구동기로부터 힘을 전송하는 제1 및 제2 특징부를 보유하는 구동기 부분;
제1 또는 제2 부품 중 적어도 하나에 적용된 힘을 제공하는 적어도 하나의 스프링, 및 밸브 시트와 관련하여 밸브 스템 및 밸브 부재를 움직이게 할 제1 또는 제2의 기어 특징부 중 적어도 하나를 포함하는 편향 스프링 시스템;
을 포함하는 구동기 및 밸브 장치로서,
이때, 밸브 이동이 제한되지 않는 무제한 밸브 이동 조건 하에서는, 기어가 구동기에 의해 제1 방향으로 회전될 때, 밸브 시트를 향해 또는 밸브 시트로부터 멀리 있도록, 밸브 부재를 제1 방향으로 이동시키는, 밸브 스템의 제2 부분에 작동 가능하게 연결된 제1 부품과 기어의 제1 특징부가 접촉되고;
밸브 이동이 제한되는 제한 밸브 이동 조건 하에서는, 기어가 구동기에 의해 제2 방향으로 회전될 때, 밸브 시트를 향해 또는 밸브 시트로부터 멀리 있도록, 밸브 부재를 제2 방향으로 이동시키는, 밸브 스템 위의 제2 부분에 작동 가능하게 연결된 제2 부품과 기어의 제2 특징부가 접촉되는 구동기 및 밸브 장치.
제1항에 있어서, 밸브 이동이 제한되지 않는 무제한 밸브 이동 조건 하에서는, 기어가 구동기에 의해 제1 방향으로 회전될 때, 밸브 시트를 향해 또는 밸브 시트로부터 멀리 있도록, 밸브 부재를 제1 방향으로 이동시키는, 밸브 스템의 제2 부분에 작동 가능하게 연결된 제1 부품과 기어의 제1 특징부가 접촉되고;
편향 스프링 시스템은 제1 부품 및, 기어가 구동기에 의해 제2 방향으로 회전되거나 전원이 공급되지 않을 때, 밸브 시트를 향해 또는 밸브 시트로부터 멀리, 제2 방향으로 밸브 부재를 움직이게 할 기어의 제1 특징부에 힘을 제공하고; 이때, 기어의 제2 특징부는 밸브 스템 위의 제2 부분에 작동 가능하게 연결된 제2 부품과 접촉되지 않는 구동기 및 밸브 장치.
제1항에 있어서, 제1 부품은 베어링이고, 기어의 제1 특징부는 캠 부분인 구동기 및 밸브 장치.
제1항에 있어서, 제2 부품은 핀의 연장된 부분이고, 기어의 제2 특징부는 기어에 형성된 복귀 보조 특징부인 구동기 및 밸브 장치.
제1항에 있어서, 제2 부품은 밸브 스템 위의 제2 부분에 작동 가능하게 연결된 링크의 연장된 부분인 구동기 및 밸브 장치.
제1항에 있어서, 밸브 부재가 밸브 시트 상에 완전히 앉혀지고, 제2 부품이 기어의 제2 특징부와 접촉할 때, 기어의 추가적인 움직임이 저지되는 구동기 및 밸브 장치.
구동기 및 밸브 조립체를 포함하는 제품으로, 구동기는 밸브를 제1 위치로부터 제2 위치로 이동시키는 회전부 및 밸브를 제1 위치로 복귀시키는 편향 스프링을 포함하는, 제품.
구동기 및 밸브 조립체를 포함하는 제품으로, 구동기는 캠 기어 표면으로부터 축 방향으로 연장되며 캠 기어의 중심 관통 구멍 둘레에 형성되는 복귀 특징부 표면을 보유하는 캠 기어를 포함하고, 복귀 특징부 표면은 캠 기어의 캠 부분으로부터 오프셋에 의해 이격되는, 제품.
제8항에 있어서, 복귀 특징부 표면은 캠 기어의 중심 관통 구멍(244)에 대해 캠 부분의 편심 프로파일을 따르는 일정한 값으로 방사상으로 오프셋 되는, 제품.
제8항에 있어서, 복귀 특징부 표면은 밸브의 원하는 움직임을 얻기 위하여 다양한 양으로 방사상으로 오프셋 되는, 제품.