KR20170122236A - 밸브 조립체 및 냉각 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내연기관 배기 파이프 내 밸브와 같은 유체 유동 제어 장치에 관한 것이다. 유체 유동 제어 장치는 밸브 조립체 및 액추에이터 조립체를 포함한다. 유체 유동 제어 장치는, 센서들, 컨트롤러들 그리고 액추에이터 조립체의 다른 요소들을 밸브 조립체 내에 존재할 수 있는 열로부터 단열시키기 위해 밸브 조립체와 액추에이터 조립체 사이에 위치하는 냉각 링을 추가로 포함한다.
Description
본 출원은 2015년 3월 2일에 발명의 명칭 "밸브 조립체 및 냉각 방법"으로 출원된 미국 가출원 제62/127,164호의 우선권을 주장한다. 상기 문헌은 그 내용 전체가 참고로 본 명세서에 통합된다.
본 발명은 밸브 조립체에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 실시형태들은 액추에이터 조립체에 열 격리를 제공하기 위한 냉각제 링을 구비하는 밸브 조립체에 관한 것이다. 본 발명의 다른 실시형태들은 밸브 플레이트를 부착하기 위한 개선된 메커니즘을 구비하는 밸브 조립체에 관한 것이다.
산업, 거주지 및 발전소를 포함하는 모바일, 운송, 자동차 및 항공, 제어 시스템은 종종 기구 부품들의 작동을 필요로 한다. 이러한 시스템의 기구 부품들은 작동되는 밸브들을 포함할 수 있다. 그러한 밸브들의 작동은 일반적으로 공압식, 유압식 또는 전기 부품들 및/또는 시스템에 의해 이루어진다. 일반적으로 밸브 작동에 대한 3개의 다른 원격 제어 유형이 있다.
밸브 작동은 영구자석 직류(PMDC) 모터, 브러시리스 질류(BLDC) 모터, 직류 스테퍼 모터, 선형 또는 로터리 솔레노이드를 포함하는 전기 부품들에 의해 이루어질 수 있다. 전기식 작동은 주변 온도에 민감하고, 신뢰성 문제가 발생할 수 있는데, 작동 환경의 변동과 가혹한 엔진 격실/언더 후드 환경으로 인해 특히 모바일 분야에서는 더 그러하다.
공압식으로 제어되는 선형 또는 로터리 액추에이터를 사용하여 공압식 또는 전자-공압식(electro-pneumatic) 수단에 의해 밸브가 작동될 수도 있다. 그러한 액추에이터는 온/오프 또는 비례제어 작동을 포함할 수 있다. 공압식 및 전자-공압식 시스템은 작동에 사용되는 일반적으로 대기 공기인 유체의 압축성 본성과 공기 압축기 시스템 내에 생성되는 습기로 인해 위치 정밀도가 낮다는 문제가 있다.
또한, 기계 시스템 내의 밸브들은 유압식으로 제어되는 선형 또는 로터리 액추에이터를 사용하여 전자-유압식 수단에 의해 작동될 수 있다. 그러한 액추에이터는 온/오프 또는 비례제어 작동을 포함할 수 있다. 통상적인 전자-유압식 액추에이터는 엔진 윤활 시스템 또는 다른 고압 유압식 파워 어시스트 시스템에서 나오는 오일을 사용한다. 엔진 윤활 시스템의 압력은 100psi 근방이며, 이는 엔진 속도에 따라 가변된다.
전자-유압식 액추에이터는 종래 기술에 공지되어 있다. 예를 들면, "밸브 작동 조립체"로 Gruel에게 허여된 US 등록특허 제7,419,134호가 있다. Vick 등이 출원한 유럽 특허 공개 공보 EP 0 248 986호의 발명의 명칭은 "로터리 베인 유압식 액추에이터"이다. "로터리 액추에이터 및 그 안에 사용되는 밀봉 조립체"로 Scobie 등에게 허여된 US 등록특허 제5,007,330호가 있다. "배기가스 재순환 밸브"로 Lyko 등에게 허여된 US 등록특허 제6,422,216호가 있다.
전자-기계식 액추에이터도 종래 기술로 공지되어 있다. 예를 들면, "공기 밸브 및 그 사용 방법"으로 Baasch 등에게 허여된 US 등록특허 제7,591,245호 및 제7,658,177호가 있다. "배기가스 재순환 밸브 및 냉각 방법"으로 Baasch가 출원한 국제특허공개공보 WO2010/123899호가 있다.
본 발명의 실시형태들은 예를 들어 내연 기관을 사용하는 자동차, 항공기, 철도 또는 다른 운송 분야에 사용될 수 있다. 내연 기관에 의해 발생되는 오염물질을 최소로 하기 위해, 엔진 배기가스의 일부가 엔진의 흡기로 재순환될 수 있다. 배기가스의 일부분을 흡기로 지향시키는 것을 보조하기 위해 혼합 밸브 같은 배기가스 재순환(RGR) 밸브가 사용될 수 있다. 엔진이 작동하는 중에 그러한 밸브들이 작동하기 위해서는 일반적으로 큰 토크를 필요로 한다. 또한, 그러한 밸브들은 종종 엔진룸 내에 배치되어 있기 때문에, 공간의 제약을 고려하여 컴팩트한 작동 조립체를 필요로 한다.
발명의 명칭이 모두 "원격 전자-유압식 액추에이터"인 2013년 8월 29일에 출원된 미국 가출원 제61/871,564호와, 2014년 8월 28일에 출원된 미국 특허 출원 제14/471,410호 및 2014년 8월 28일에 출원된 국제특허출원 PCT/US2014/053108호는 참고로 본 출원에 통합된다.
도 1은 종래 기술로 공지되어 있는, 단일 베인 로터리 액추에이터의 사시도이다.
도 2는 종래 기술로 공지되어 있는, 피스톤 로터리 액추에이터의 사시도이다.
도 3은 도 2의 피스톤 로터리 액추에이터의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태들에 따른 밸브와 액추에이터의 사시도이다.
도 5는 도 4의 실시형태의 밸브와 액추에이터의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 밸브 조립체의 분해도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 액추에이터 조립체의 분해도이다.
도 8은 도 7의 액추에이터 조립체의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 액추에이터 메인 하우징의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 베인 회전식 조립체의 평면도이다.
도 11은 도 10의 베인 회전식 조립체의 사시도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시형태에 따른 액추에이터 조립체의 부분 단면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시형태에 따른 상부 액추에이터 조립체 커버의 회전축에 직교하는 단면도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시형태에 따른 상부 액추에이터 조립체 커버의 회전축과 평행한 단면도이다.
도 15는 도 14의 상부 액추에이터 조립체 커버의 제2의 단면도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시형태에 따른 하부 액추에이터 조립체 커버의 사시도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시형태에 따른 상부 액추에이터 조립체 커버의 사시도이다.
도 18은 본 발명의 실시형태들에 사용되는 스풀 밸브의 사시도이다.
도 19는 도 17의 상부 액추에이터 조립체 커버의 사시도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시형태에 따른 밸브 및 액추에이터의 사시도이다.
도 21은 도 20의 밸브 및 액추에이터의 단면도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시형태에 따른 밸브 조립체의 사시도이다.
도 23은 도 22의 밸브 조립체의 분해도이다.
도 24는 도22의 밸브 조립체의 단면도이다.
도 25는 도 22의 밸브 조립체와 함께 사용되는 샤프트 및 핀의 일 실시형태의 단면도이다.
도 26은 도 22의 밸브 조립체와 함께 사용되는 밸브 바디 및 냉각제 부싱의 일 실시형태의 단면 사시도이다.
도 27은 도 26의 냉각제 부싱의 사시도이다.
도 28은 도 26의 냉각제 부싱의 단면 사시도이다.
도 2는 종래 기술로 공지되어 있는, 피스톤 로터리 액추에이터의 사시도이다.
도 3은 도 2의 피스톤 로터리 액추에이터의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태들에 따른 밸브와 액추에이터의 사시도이다.
도 5는 도 4의 실시형태의 밸브와 액추에이터의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 밸브 조립체의 분해도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 액추에이터 조립체의 분해도이다.
도 8은 도 7의 액추에이터 조립체의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 액추에이터 메인 하우징의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 베인 회전식 조립체의 평면도이다.
도 11은 도 10의 베인 회전식 조립체의 사시도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시형태에 따른 액추에이터 조립체의 부분 단면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시형태에 따른 상부 액추에이터 조립체 커버의 회전축에 직교하는 단면도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시형태에 따른 상부 액추에이터 조립체 커버의 회전축과 평행한 단면도이다.
도 15는 도 14의 상부 액추에이터 조립체 커버의 제2의 단면도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시형태에 따른 하부 액추에이터 조립체 커버의 사시도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시형태에 따른 상부 액추에이터 조립체 커버의 사시도이다.
도 18은 본 발명의 실시형태들에 사용되는 스풀 밸브의 사시도이다.
도 19는 도 17의 상부 액추에이터 조립체 커버의 사시도이다.
도 20은 본 발명의 일 실시형태에 따른 밸브 및 액추에이터의 사시도이다.
도 21은 도 20의 밸브 및 액추에이터의 단면도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시형태에 따른 밸브 조립체의 사시도이다.
도 23은 도 22의 밸브 조립체의 분해도이다.
도 24는 도22의 밸브 조립체의 단면도이다.
도 25는 도 22의 밸브 조립체와 함께 사용되는 샤프트 및 핀의 일 실시형태의 단면도이다.
도 26은 도 22의 밸브 조립체와 함께 사용되는 밸브 바디 및 냉각제 부싱의 일 실시형태의 단면 사시도이다.
도 27은 도 26의 냉각제 부싱의 사시도이다.
도 28은 도 26의 냉각제 부싱의 단면 사시도이다.
로터리 전자-유압식 액추에이터에 대한 여러 디자인 형태가 종래 기술로 공지되어 있으며, 예를 들어 도 1 내지 도 3은 단일 베인 로터리 액추에이터를 도시하고 있다. 그러한 액추에이터(100)는 베이스 또는 하부 커버(102)를 포함한다. 원통형 내부를 구비하는 하우징(104)이 하부 커버로부터 연장한다. (도시되어 있지 않은) 상부 커버는 하우징(104)의 타 단부를 덮는다. 액추에이터(100)는, 허브(108)와 베인(110)을 포함하는 회전 조립체(106)를 추가로 포함한다. 또한, 액추에이터는 격벽(120)을 포함한다. 격벽과 함께 베인은 하우징 내부를 두 챔버(112, 114)로 분할한다. 액추에이터는 유입 포트(116)와 리턴 포트(118)도 포함한다. 이에 따라, 유압 유체가 유입 포트(116)를 통해 액추에이터 내로 펌핑되고, 유체가 리턴 포트를 통해 배출될 때, 액추에이터는 제1 방향으로 회전하게 된다. 유압 유체가 리턴 포트(118)를 통해 액추에이터 내로 펌핑되고, 유체가 유입 포트를 통해 배출될 때, 액추에이터는 반대 방향으로 회전하게 된다. 샤프트(122)가 허브(108)에서부터 연장하여 작동시키고자 하는 장치로 토크를 전달하게 된다. 유동 방향과 유속은 원격 또는 온보드 제어 밸브를 통해 제어된다. 이들은 통상적으로 스풀 밸브 또는 포핏 밸브이다.
도 2 내지 도 3은 실린더(202, 204)와 로드(210)에 의해 연결되어 있는 피스톤(206, 208)을 사용하는 종래 기술로 공지되어 있는 다른 전자-유압식 액추에이터를 도시하고 있다. 로드(210)는 회전 부재(218) 상의 이(tooth)(216)와 맞물리는 이(214)를 포함한다. 이러한 시스템에서, 포트(220) 또는 포트(222)를 통해 하나의 피스톤 또는 다른 피스톤에 유압이 가해진다. 이렇게 함으로써 로드(210)가 이동하여, 회전 부재(218)에 회전 운동을 부여하게 된다. 이러한 회전 운동이 허브(224)를 통해 액추에이터로부터 출력될 수 있다.
거의 모든 로터리 장치에서, 밸브는 도 1에 도시되어 있는 것과 같은 단일 베인 디자인이다. 그러나, 그러한 액추에이터에서, 액추에이터가 생산할 수 있는 토크는 베인의 유효 표면적에 비례한다. 가용 토크를 증가시키기 위해서는, 베인 표면적 이에 따라 액추에이터 크기가 증가되어야만 한다. 이에 따라, 하나 이상의 베인을 사용하는 액추에이터를 활용하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들면, 2개의 베인을 사용하면 액추에이터의 전체 크기를 증가시키지 않으면서도 가용 토크를 효과적으로 2배로 할 수 있다. 그러나, 베인의 수를 증가시키면 베인 면적이 증가하여 토크가 증가될 수 있지만, 액추에이터의 회전 운동 범위가 감소된다. 단일 베인 액추에이터는, 챔버 격별과 베인 두께에 따라 약 300도의 잠재적 회전 능력을 구비하지만, 2-베인 액추에이터 회전은 약 150도의 회전 능력을, 3 베인 액추에이터 회전은 약 80도의 회전 능력을 구비한다.
멀티-베인 로터리 액추에이터에 주요 도전 중 하나는 가압된 유압 유체를 액추에이터의 유입 포트와 배출 포트로 전송하는 것이다. 예를 들면, 밸브가 시계 방향으로 움직이라는 지령을 받았을 때, 하나의 (또는 복수의) 챔버(들)가 가압되고, 다른 하나의 (또는 복수의) 챔버(들)는 저장고로 배출된다. 유체의 전송은 멀티포트 스풀 밸브에 의해 제어될 수 있지만, 스풀 밸브로부터 챔버까지 유체를 전송하기에 필요한 유입 및 배출 통로는 복잡해질 수 있고, 요구되는 멀티-웨이 스풀 밸브 옵션은 고가이고 액추에이터의 전체 크기를 상당히 증가시킨다. 본 발명의 실시형태들은 종래 장치가 안고 있는 이러한 문제 및 그 외 다른 문제를 해결한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 밸브 조립체(301) 및 액추에이터(308)를 도시하고 있다. 버터플라이 밸브 플레이트(302)가 밸브 하우징(304) 내에 위치하고 있다. 밸브 하우징은 내연 기관의 배기 시스템 내에 설치될 수 있다. 버터플라이 밸브 플레이트(302)가 개폐되어 하우징(304)을 통과하는 유체의 유동을 제어할 수 있다. 서포트 포스트(306)가 하우징의 외면에서부터 연장한다. 액추에이터(308)를 장착하는 데에 서포트 포스트가 사용될 수 있다. 서포트 포스트는 액추에이터 조립체에 대해 단열 효과를 제공하여 하우징(304)을 통과하는 배기가스의 열로부터 액추에이터 조립체를 보호할 수 있다.
또한, 절연 와셔(310)가 서포트 포스트(306)에 장착되어 전도에 의한 열전달을 최소로 할 수 있다. 액추에이터 내로의 대류 열전달 및 복사 열전달을 최소로 하는 다른 수단은 열 차폐물을 사용하는 것이다. 이들 열 차폐물은 단일-벽 디자인이거나 단열재 또는 단지 에어 갭 위에 중계되는 멀티-벽 디자인일 수 있다. 또는 액추에이터(308)를 밸브 하우징(304)에 고정시키는 데에 다른 장착 수단이 사용될 수 있다. 또한, 하부 커버(314), 하우징(318) 및 상부 커버(312)가, 액추에이터(308)를 포스트(306)와 밸브 조립체(304)에 고정시키기 위한 수단을 제공하는 홀들(322)(도 7 참조)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 볼트들(323)(도 4 참조)이 홀들(322)을 관통하여 포스트(306) 내로 삽입될 수 있다. 도시되어 있는 실시형태에서, 액추에이터 조립체가 4개의 M10 볼트(323)에 의해 유량 조절 장치인 밸브(301)에 부착된다. 액추에이터의 기하학적 형상과 크기에 따라 사용되는 볼트의 수가 감소되거나 크기가 변할 수 있다.
도 6은 밸브 조립체(301)의 일 실시형태를 도시하고 있다. 이 실시형태의 밸브는 버터플라이 밸브이다. 이 실시형태에 기재되어 있는 버터플라이 밸브의 주된 기능은 내연 기관에서의 유체를 조절하는 것이다. 버터플라이 밸브가 내연 기관에 사용되는 것으로 설명되어 있지만, 버터플라이 밸브는 엔진, 산업용 및 주거용 유체 제어 시스템 등 많은 분야에서 유량을 제어하는 데에 사용될 수도 있다. 이들 유체들은 차거나 상당히 뜨거울 수 있다. 특정 분야에서, 기상의 배기 온도는 800℃를 상회하는 온도에 이를 수 있으므로, 합금 선택에 매우 신중을 기해야 한다. 조절 밀봉 면, 샤프트 저널, 베어링 및 샤프트 밀봉부는 밸브에서 주요 마모 부품으로, 고 니켈 및 고 코발트 합금이 요구된다. 이 실시형태에서, 버터플라이 밸브의 압력 밸런싱 특성 때문에 버터플라이 밸브가 기재되어 있지만, 이러한 액추에이터 분야에서 플랩 밸브의 사용도 고려될 수 있다.
도시되어 있는 밸브 조립체(301)는 메인 밸브 하우징(304)을 포함한다. 샤프트(332)는 측벽을 관통하여 하우징(304)의 내부 안으로 연장한다. 밸브 조립체는 밸브 하우징(304) 내부에 위치하는 버터플라이 플레이트(406)를 추가로 포함한다. 버터플라이 플레이트(406)는 서로 반대방향으로 연장하는 제1 및 제2 베인(330)을 포함한다. 버터플라이 플레이트는 하우징의 양쪽 측면 상에서 측벽을 관통하여 연장하는 샤프트(332)에 연결되어 있다. 샤프트(332)는, 액추에이터의 허브와 체결되기 위해, 액추에이터(308)에 인접하는 측면 상에서 하우징 벽을 지나치며 연장할 수 있다. 버터플라이 밸브 베인(330)은 고정 나사와 같은 고정구(334)에 의해 샤프트(332)에 연결될 수 있다. 밸브 조립체는 부싱 또는 베어링(408) 및 샤프트 단부 캡(412)도 포함할 수 있다. 샤프트(332)를 올바른 위치에 고정시키기 위해, 단부 캡은 나사(413) 또는 다른 고정구에 의해 하우징(304)에 고정될 수 있다. 밸브는, 베인 조립체를 조정하거나 또는 유압 유입/배출 포트를 절환함으로써 버터플라이 밸브 상태가 통상적 개방 또는 통상적 폐쇄 상태가 되도록, 구성될 수 있다.
본 발명의 액추에이터는 본 명세서에 기재되어 있는 버터플라이를 사용하는 것만으로 한정되지 않는다. 버터플라이 또는 플랩 밸브 외에도, 액추에이터 실시형태들은 예컨대 단일 또는 멀티포트 게이트 밸브, 글로브 밸브, 디스크 밸브, 스템 밸브 또는 다른 적당한 밸브를 포함하여 어떠한 유동-조절 장치와도 사용될 수 있다. 또한, 액추에이터는 회전 및 선형 기계식 운동 장치에 사용될 수 있다. 액추에이터는 나사, 링크, 기어 트레인, 랙-앤-피니언 등에 의해 회전 운동이 선형 또는 다른 운동으로 변환되는 장치를 포함하여, 회전 운동을 입력으로 받아들일 수 있는 어떠한 장치에도 사용될 수 있다.
도 7 및 도 8에 액추에이터(308) 실시형태가 도시되어 있다. 이 액추에이터의 주요 기능은 필요한 엔진 제어 파라미터에 따라 유체 조절 밸브(301)의 위치를 설정하는 것이다. 이 실시형태에 도시되어 있는 액추에이터는 듀얼 베인 디자인으로, 총 회전 경로가 85도이다. 다른 베인 장치 또는 회전 경로가 사용될 수 있음은 통상의 기술자에게는 자명하다.
액추에이터(308)는 하우징(318)을 포함할 수 있다. 하우징은 상부 커버(312) 및 하부 커버(314)에 의해 밀봉되어 있다. 그러나, 본 명세서에 기재되어 있는 이 실시형태 및 다른 실시형태는 별개의 상부 및 하부 커버가 있는 하우징을 구비하는 액추에이터 조립체를 도시하고 있지만, 이들 둘 또는 그 이상의 부품들이 하나의 단일 피스로 형성될 수 있다는 점은 이해가 될 것이다. 예를 들면, 하우징 및 상부 커버가 단품으로 형성되거나 또는 하우징과 하부 커버가 단품으로 형성될 수 있다.
액추에이터 실시형태들은 하우징(318) 내에서 회전하는 베인(504)도 포함할 수 있다. 베인(504)은 베어링(508) 상에서 회전할 수 있고, 베인 팁 밀봉부(522)를 포함할 수 있다. 부품들 사이를 더 잘 밀봉하기 위해, 하우징(318)과 커버(312, 314)는 하우징 밀봉부(510)를 통합할 수 있다. 또한, 메인 샤프트 밀봉부 조립체(514)가 밸브 조립체(301)로부터 연장하는 샤프트(332)에 대한 밀봉부로 사용될 수 있다. 샤프트(332)가 샤프트 위치 센서(518) 및/또는 커버(517) 아래에 위치하는 전자 제어 회로보드(519)와 연결하여 사용될 때, 샤프트(332)는 독립형 샤프트 센서에 연결되거나 또는 샤프트 위치설정 센서 조립체 부분을 포함할 수 있다.
단일 또는 다중 액추에이터 제어 밸브가 사용분야에 사용될 수 있다. 이 밸브는 비례제어 디자인 또는 임의의 다른 적당한 밸브를 구비하는 2-방향/2-위치 카트리지 스풀 밸브일 수 있다. 이 밸브는 상부 커버(312) 또는 하부 커버(314)에 통합될 수 있으며, 필요한 경우에 유체가 액추에이터의 챔버로 운송될 수 있다. 이와는 다르게, 밸브가 액추에이터의 측면에 통합될 수도 있다. 유압 시스템의 유압 펌프 또는 공압 시스템이 사용되는 경우에는 유압 펌프에 연결하기 위해, 제어 밸브(516)가 피팅(317, 328)에 체결될 수 있다.
도 7 및 도 8에 도시되어 있듯이, 상부 커버(312), 하우징(318) 및 하부 커버(314)는 관통 홀들(320)을 포함할 수 있다. 볼트, 나사 또는 다른 고정구(321)가 이들 홀들(320)에 삽입되어 커버들(312, 314)을 하우징(318)에 고정시킬 수 있다. 도시되어 있는 실시형태에서, 이들 고정구들은 11개의 M6 볼크를 포함하고 있다. 액추에이터의 기하학적 형상과 크기에 따라, 볼트의 수량이 감소될 수 있고, 또는 크기가 달라질 수 있다. 관통 홀들(320)은 암나사 형태이거나 부품들을 고정시킬 수 있는 다른 구성을 제공할 수 있다. 액추에이터(308)는 일반적인 중심축(324)을 구비할 수 있으며, 이 중심축 주위로 액추에이터의 회전 조립체가 회전한다. 상부 커버(312)는 보강 지주(326)를 구비할 수 있다.
일 예시로 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 액추에이터(308)의 하부 커버(314)는 개구(336)를 포함할 수 있다. 액추에이터 회전 조립체의 허브(338)가 홀을 통해 노출될 수 있다. 도 9에 도시되어 있듯이, 허브(338)는 그 허브 내로 오목하게 형성된 암 소켓(340)을 포함할 수 있다. 소켓(340)은 사프트(332) 상에 형성되어 있는 스플라인(333)과 맞물리는 스플라인(342)을 포함할 수 있다. 스플라인은 원주부 전체 주위에 대칭으로 배치되거나 또는 비대칭으로 또는 이 포맷이 없이 배치될 수 있다. 허브는 임의의 합금으로 설계될 수 있지만, 요구되는 토크가 크고 온도가 고온으로 되는 경향을 감안하면, 허브용 합금은 열 전도가 낮고, 인성이 크며 마모 특성이 낮은 것이 선택될 것이다.
도 9는 액추에이터 메인 하우징(318)과 베인 회전 조립체(648) 실시형태를 도시하고 있다. 도시되어 있는 메인 하우징은 최종 형상 근접 상태(near net shape condition)를 얻기 위한 압출된 알루미늄 프로파일로 구성되어 있다. 다이 캐스팅, 단조 등과 같은 다른 제조 공정으로 메인 하우징을 제작할 수도 있지만, 압출된 알루미늄 프로파일이 후 제조 공정을 필요로 하지 않고, 치수 안정성과 우수한 물리적 특성을 제공하는 최종 형상 근접 부품을 제공한다. 압출된 알루미늄 합금은 마모를 줄이고 내마찰 코팅과 플레이팅으로 쉽게 코팅 또는 도금될 수 있다.
내부 프로파일은 회전 베인(504)의 이동 단부 정지부(612)와 밀봉면(614)을 포함하게 설계되어 있다. 내부 프로파일의 코너 반경부(604)는 강인한 머시닝 툴을 사용하여 2차 프로파일 클린업을 할 수 있는 형상으로 되어 있다. 볼트(606), 부착 나사(607) 및 냉각제 루트(608)를 조립하기 위한 경로는 후 기계 가공을 최소화 하도록 압출되어 있다.
압출 디자인 옵션은 액추에이터를 사이징(sizing)할 수 있게 한다. 액추에이터의 토크 능력은 가압된 작동 유체에 노출되는 영역에 정비례한다. 이 영역은 베인(504)의 직경과 길이의 함수이므로, 압출은 압출 전장 내에서 액추에이터 전장을 절단기 위한 쉬운 옵션을 생성시킨다. 액추에이터(610)의 길이는 포장 제약에 의해 부분적으로 제한되지만, 일반적으로 그 길이는 25mm 내지 75mm 사이이다. 이 실시형태에 도시되어 있는 액추에이터 베인은 40Nm의 토크로 특정된 토크 특성을 달성하기 위해 길이가 35mm로 되어 있다.
도 9에 도시되어 있는 메인 하우징은 작동 유체 유입 및 배출 포트(327, 328)와 전기 유압 제어 밸브를 수용하도록 구성될 수 있다. 도시되어 있는 유입 및 배출 포트는 외부 플레어 스타일이고, 조립 실수를 줄이기 위해 다른 크기로 되어 있지만, 요구되는 연결 포인트와 실수를 방지하기 위한 임의의 크기, 유형 및 젠더(gender)로 될 수 있다.
액추에이터 메인 하우징은 듀얼 베인 액추에이터 설계용이지만 압출 프로파일은 회전 범위의 손실 없이 토크 출력을 얻을 수 있다면 단일 베인에서부터 멀티 베인 액추에이터 디자인까지 임의의 형상으로 설계될 수 있다. 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 하우징은 일반적으로 원통형 내부 캐비티를 구비한다. 격벽(644)들이 캐비티의 내면(646)에서부터 연장한다. 회전 조립체(648)는 액추에이터 하우징의 중심축 주위를 회전하도록 위치하고 있다. 회전 조립체는 허브(338)를 포함하며, 허브로부터 제1 베인(654)과 제2 베인(656)이 연장하고 있다.
내부 누출을 최소로 하기 위해, 팁 밀봉부(614) 또는 공차가 타이트한 부품과 열전도성 매치를 사용하여 하우징(318)의 내면(646)에 대해 베인들(654, 656)의 팁이 밀봉될 수 있다. 챔버 밀봉부(662)는 허브(338)에 대해 격벽(644)들의 단부들을 밀봉한다. 또한, 하우징(318)에 대해 상부 및 하부 커버를 밀봉하기 위해, 하우징 밀봉부가 그루브(664) 내에 조립된다. 또한, 회전 조립체(318)의 회전을 용이하게 하기 위해 (도시되어 있지 않은)베어링들이 사용될 수 있다. 베어링들은 딥 그루브 베어링일 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시형태에 사용되는 베인 회전 조립체 구성을 도시하고 있다. 이 실시형태에서 베인의 주된 기능은 베어링을 수용하고, 작동 유체 매니폴드로 기능하고, 피구동되는 장치에 회전 운동을 전달하며, 작동 챔버들을 밀봉하는 것이다. 이 밀봉은, 힘 작동식 와이퍼 밀봉부 및 래버린스 스타일 밀봉부 같이 다양한 형태일 수 있다.
가압된 작동 유체에 노출되는 액추에이터 베인의 영역이 액추에이터 조립체의 성능을 결정한다. 멀티-베인 액추에이터 분야에서, 주요 도전 중 하나는 작동 유체를 요구되는 챔버로 그리고 요구되는 챔버로부터 운송하는 것과 그 생산가능성(manufacturability)이다. 베인 액추에이터 실시형태들은 압출 및 인베스트먼트 캐스팅을 포함하여, 다양한 공법으로 제작될 수 있다. 베인 연통 통로 또는 매니폴드(702, 703)가 도 10에 도시되어 있다. 이들 통로들은 인베스트먼트 캐스팅, 4-축 방전 가공(EDM) 또는 크로스 드릴링에 의해 달성될 수 있다. 4-축 EDM 공정에서 연통 채널들을 스파크 침식하는 것은 공정이 느리고 고가이며, 피구동 장치로부터 나오는 샤프트의 출력 샤프트에 연결되는 베인 내부 직경 피쳐에 의해 시선과 통로 크기가 제한을 받는다는 문제가 있다. 인베스트먼트 캐스팅은 원주 형상의 통로를 주조할 수 있는 옵션이 되고, 유동이 최대로 되게 하는 비-원형 단면을 제작할 수도 있다. 이러한 구성을 달성하기 위해서는, 특수 코어 및 코어 서포트가 설계되어야 한다.
이 통로의 크기와 형상이 밸브 성능을 제어한다. 홀 또는 삽입되는 오리피스가 작을수록 2차 챔버에 충전되는 것을 제한할 수 있다. 반면, 삽입된 체크 밸브는 제2 챔버에 충전되는 시간을 맞출 수 있다. 연통 통로의 유동 면적은 10 내지 50㎟일 수 있지만, 일반적으로는 상업적으로 이용 가능한 체크 밸브에 맞추기 위해 이 실시형태에 도시되어 있는 바와 같이 30㎟이다.
최종 형상 근접 제조 공정인 인베스트먼트 캐스팅 및 압출의 경우, 최종 기계 가공을 최소화 하고, 고 강도 절삭 툴을 사용하여 제조 공정 사이클을 최소로 하기 위해 구성요소(704)가 베인 형상 내에 형성된다. 베인 내에서 허브 영역으로의 언더컷 영역(706)은 아주 작은 직경의 윤곽가공 툴을 사용할 필요가 없게 하거나, 크로스 드릴링, 4-축 EDM 또는 체크 밸브 또는 오리피스를 위한 프레스 구성요소를 위한 시작 에지로 기능하는 데에 사용될 수 있다.
작동 챔버의 밀봉은 베인(712, 713)의 팁에 형성되어 있는 채널(710) 안쪽으로 삽입된 베인 팁 밀봉부와 허브 반경 밀봉부(708)로 달성될 수 있다. 이들 밀봉부들은 래버린스 밀봉부 또는 힘 작동 정적 밀봉부(force activated static seal)와 같이 다이나믹 밀봉부일 수 있다. 힘 작동은 주로 엘라스토머 또는 금속 스프링에 의해 달성되며, 와이핑 요소는 테프론 같은 저 마찰의 화학적으로 불활성인 화합물이다.
도 10은 커버 내에서 허브 연장부를 향하는 베어링에 의해 내부가 지지되어 있는 베인이 도시되어 있으며, 외부가 지지되는 베인도 가능하기는 하지만 그러한 디자인은 패키지를 최소로 할 수 없다.
도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 따르는 액추에이터는 베인 조립체의 구조 내에서 크기가 전략적으로 정해진 유동 채널을 통해 작동 유체를 흐르게 한다. 포트와 통로는 댐핑(dampening)을 제공하고, 밸브의 안정성을 개선시키는 크기이고, 포트와 통로에는 밸브의 회전을 감쇠시키고 출력 샤프트를 통해 뒤로 구동되는 맥동으로 인한 불안정성을 줄이기 위해 압력 체크 밸브 또는 리드 밸브가 제공될 수도 있다.
예를 들면, 베인(713)은 베인의 제1 면(733) 내에 형성되어 있는 포트(723)를 포함할 수 있다. 포트(723)는 내부 통로 또는 매니폴드(703)를 통해 제2 베인(712)의 대향 면(752)에 인접하는 포트에 연결되어 있다. 이와 마찬가지로, 베인(712)의 제1 면(732) 상의 포트(722)는 내부 통로 또는 매니폴드(702)를 통해 베인(713)의 대향 면(753) 상의 포트(743)에 연결되어 있다.
이러한 방식으로, 유압 유체의 가압된 유동이 베인(713)의 면(733)에 가해져서 조립체를 시계 방향으로 회전하게 한다. 그런 다음, 유체는 통로(703)를 통해 액추에이터 조립체의 바디를 통과하여 지나간다. 그런 다음, 유압 유체가 베인(712)의 대향 면(752)에 압력을 가해서 조립체 상의 시계 방향 토크를 증가시킨다. 이와 유사한 방식으로, 복귀하는 유동이 베인(713)의 면(753)에 힘을 가해서 조립체가 시계 반대 방향으로 회전하게 한다. 유체의 복귀 유동은 통로(702)를 통과하여 지나간다. 그런 다음, 유압 유체는 베인(712)의 면(732)에 압력을 가해서 조립체 상에 반시계 방향 토크를 증가시키게 된다. 1차 챔버로부터 2차 챔버로의 유동은 오리피스 및/또는 체크 밸브를 사용하여 지연 또는 감쇠될 수 있다. 그러한 장치의 사용은, 출력 샤프트에 분배되는 토크 변동에 의해 액추에이터의 정밀도와 댐핑 특성을 증가시킬 수 있다.
도 9 및 도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명 실시형태들은 2-베인 회전 조립체를 사용할 수 있다. 이 조립체는 허브(762)를 포함한다. 베인들(712, 713)이 허브로부터 연장하고 있다. 이 실시형태에서, 액추에이터 하우징 내에 유동 채널들과 밸브들을 수용하기 위해, 베인들이 180도 미만의 각도로 오프셋되어 있다. 베인들 사이의 각도는 액추에이터의 최대 회전에 영향을 미치게 되고, 어떠한 적당한 각도는 최대 180도일 수 있다. 이와는 다르게, 베인 회전 조립체는 더 많거나 혹은 더 적은 베인들을 구비할 수 있다. 회전 조립체는 공지의 수단에 의해 결합되어 있는 컴포넌트들로 형성될 수 있다. 또는, 모든 컴포턴트 혹은 일부 컴포넌트가 단편(single piece)으로 형성될 수 있다.
이 밸브의 회전 부재들은 샤프트/베인 조립체의 외부 혹은 내부에서 지지될 수 있다. 볼 베어링, 니들 베어링, 부싱만 또는 이들을 조합한 형태의 샤프트 서포트를 사용함으로써 패키징 및 비용의 이점을 얻을 수 있다.
도 10 및 도 11에 도시되어 있는 바와 같이, 베인 조립체의 실시형태들은 허브(762)를 포함한다. 베인들(712, 713)은 허브로부터 연장한다. 작동 대상의 장치로부터 연장하는 샤프트와 체결하기 위해, 허브(762) 안쪽으로 소켓(740)이 오목하게 형성되어 있다. 이 소켓(740)은 장치 샤프트 상의 대응하는 스플라인과 맞물리기 위한 스플라인(742)을 포함할 수 있다. 회전 동작을 위해 베어링(750)과 맞물릭 위해, 베어링면(749)이 허브(748) 면 위에 형성될 수 있다.
도 12는 액추에이터 조립체의 일 실시형태의 단면도이다. 액추에이터 조립체는 상부 액추에이터 커버(802)와 하부 액추에이터 커버(804)를 포함한다. 이 커버들의 기능은 메인 하우징의 작동 챔버(806)를 밀봉하고, 커버 연장 샤프트(808, 809)를 통해 베인 회전을 안내하며, 도 13 내지 도 15에 도시되어 있는 바와 같이 냉각제를 운송하는 것이다. 도 13 내지 도 15에 도시되어 있는 바와 같이, 상부 커버(802)는 드링 가공된, 주조된(로스트 폼 인베스트 주조 등), 커버 내에 형성 또는 절삭 가공된 폐쇄형 채널들(812)을 포함할 수 있다. 이 냉각 채널들은 상부 커버만에, 하부 커버만에 또는 상부 및 하부 커버 모두에 기계가공 또는 주조될 수 있다. 사양은 열 소스: 전도, 대류 또는 복사에 의해 지배된다. 유압 펌프에 의해 제공된 유압 유체가 이들 채널들을 통과할 수 있다. 예를 들면, 액추에이터를 작동하는 데에 사용되지 않는 우회 유체가 저장고로 복귀하기 전에 채널들을 통해 펌프로부터 통과하게 된다. 이 유체는 하부 커버를 냉각하는 데에 사용될 수 있으며, 이에 따라 액추에이터(308)에 대해 단열 효과를 제공한다. 본 발명에 기재되어 있는 냉각 회로가 기존의 작동 유체를 사용하고 있지만, 병렬 회로 혹은 직렬 회로에서, 냉각 회로는 엔진 냉각제 또는 다른 냉각 유체가 사용될 수 있는 독립된 냉각 시스템일 수도 있다.
오일의 기원은 공급 라인 또는 경로를 우회시킨 것일 수 있고, 유동은 냉각 작용을 달성하기 위한 오일 유동 양에 의해 결정될 수 있다. 주조 기법 사용에 의해 오리피스에 삽입된 유동 채널의 크기는 가용 압력에 따른 유동을 결정한다. 오일 압력이 낮은 조건에서 우회된 냉각 오일 유동을 차단하는 체크 밸브를 통해 유동의 "타이밍"이 맞춰질 수 있다. 오일 압력은 엔진 부하에 직접적으로 관련되어 있으므로, 이에 따라 배기가스 내의 온도에 직접 관련되어 있다. 즉 오일 압력이 낮은(예를 들어 20psi) 아이들 상태에서는 배기가스 온도가 상당히 낮기 때문에 냉각 유동은 필요하지 않고, 액추에이터의 성능과 내구성에 영향을 주지 않는다.
커버(802)는 액추에이터의 하우징과 밸브를 통해 흐르는 유압 유체를 수용하는 커버의 내면(818)에 형성되어 있는 유입 포트(814)를 구비할 수 있다. 그런 다음 유체는 커버 내에 형성되어 있는 태널(812)을 통해 흐른다. 그런 다음, 유체는 포트(816)를 통해 배출된다. 유입 포트(814)와 배출 포트(816)는 액추에이터 하우징 내의 크로스 오버 포트에 위치할 수 있다. 냉각 채널은 최대 면적을 달성하기 위한 크기로 되어 있는 냉각 커튼을 생성할 수 있다. 상부 커버(802)는 개구(838)를 구비할 수 있으며, 개구(838)를 통해 회전 조립체의 허브 또는 샤프트가 노출될 수 있다.
냉각 유동은 상부 커버를 관통하여 이루어질 수 있다. 또는, 냉각 유동이 메인 바디 혹은 하부 커버를 관통할 수도 있다. 또는, 액추에이터 부분이 냉각 혹은 보호는 것에 따라 유동이 이들 모든 포트들 혹은 일부 포트를 관통할 수 있다. 이들 유동 경로들은 드릴 가공, 주조 혹은 호스 및 튜브 같은 외부 도관으로 형성된 통로 또는 경로 형태일 수 있다.
도 12에 도시되어 있는 바와 같이, 상부 커버는, 전술한 기능부들 외에도, 전자 제어 회로, 전기/전자 입/출력 회로(901) 및/또는 샤프트 위치 센서(905)도 포함할 수 있다. 하부 커버의 추가의 기능은 메인 샤프트 밀봉(907)을 격납하고, 극심한 엔진 트랜션트(transient) 중에 극미한 배기 누출을 포함하는 추가의 밀봉 부품(909)을 격납하며, 밸브 또는 예를 들면 서포트 포스트(911)를 통해 피구동 되는 다른 장치에 대한 구조적 계면으로 기능한다. 도면이 어떠한 제어 밸브를 구비하는 않는 것으로 커버들을 도시하였지만, 유체 제어 밸브를 포함하도록 캐스팅이 쉽게 설계될 수 있다.
도 16에 도시되어 있는 하부 커버, 도 17에 도시되어 있는 상부 커버와 같이, 본 발명의 실시형태는 냉각제 회로의 경로와 제어가 단편 알루미늄 부품 내에 위치하고 있는 구성을 포함한다. 이 독특한 디자인에 의해 하나의 주조로 여러 적용분야에 적용할 수 있고, 하부 및 상부 커버 모두를 제공할 수 있다. 하부 및 상부 원(raw) 주물 또는 단조품은 공통으로 설계된 후 적용분야에 따라 가공된다. 가공 변화(variation)는 와이어 액추에이터에 의한 스마트 드라이브, 패시브 액추에이터를 포함하는 적용분야에 따라 액추에이터에 대해 다른 많은 변화를 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 도 16에 도시되어 있는 하부 커버(804)는 도 17에 도시되어 있는 상부 커버(804)와 동일한 주조를 사용한다. 그런 다음, 커버(802)는 샤프트 밀봉을 수용하기 위한 개구(836)를 발생시키도록 처리 또는 기계 가공되어 하부 커버가 된다. 이 커버는 센서들 또는 다른 제어 회로를 수용할 수 있는 개구(838)를 구비하게 처리되어 상부 커버가 될 수 있다. 이러한 방식으로, 액추에이터가 내부적으로 냉각, 상부 냉각 또는 하부 냉각될 수 있다. 또한 유체 또는 가스 냉각, 직렬 또는 병렬 냉각을 사용할 수 있으며, 냉각하지 않을 수도 있다. 이러한 대칭 구성은, 단지 하나의 주물 툴 또는 단조 툴만을 필요로 하기 때문에, 툴링 제조 비용에 있어 이점을 갖게 한다. 적용분야에 따라, 냉각 회로가 하부 커버 또는 상부 커버 또는 양 커버 모두 내에 존재할 수 있다. 디자인과 생산 양에 따라, 알루미늄 로스트 폼, 인베스트먼트 주조, 단조 및 브레이징, 빌렛 가공 및 브레이징 공정이 선택될 수 있다.
도 18 및 도 19에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 실시형태들에서, 액추에이터의 하나의 챔버로부터 다른 챔버로의 작동 유체의 방향 및 비례 제어는 전자식 비례 솔레노이드(916)에 의해 제어될 수 있다. 본 출원에서 작동 유체로서 유압 유체 및 공압 유체들이 논의되었지만, 다른 압축성 또는 비압축성 가스 및 액체들이 작동 유체로 사용될 수 있다. 비례제어 솔레노이드는 밀어서 작동하는 방식, 잡아당겨 작동하는 방식 또는 밀고 잡아당겨 작동하는 방식일 수 있다. 변조(modulation)는 단일 멀티포트 스풀 밸브, 멀티플 듀얼 포트 스풀 밸브 또는 비례제어 포핏 밸브들 쌍에 의해 달성될 수 있다. 본 발명의 실시형태들은 액추에이터의 위치를 유지하기 위해 비례제어, 포핏 또는 다른 형태의 밸브를 사용하는 제어 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제어 시스템은, 2개 챔버를 가로지르는 다른 압력을 검출하기 위해 하나의 차압 센서 또는 2개의 절대 압력 센서을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 주기적으로 압력을 비교한다. 제어 시스템은 압력 차를 감지하면, 시스템은 챔버 내 유체 압력을 적절하게 증가 또는 감소시켜 보상시킨다. 챔버들 사이의 이런 유체 압력의 밸런싱은 기재되어 있는 바와 같이 하나 또는 복수의 밸브들을 사용하여 수행될 수 있다. 이러한 방식으로, 액추에이터가 액추에이터의 위치를 유지할 수 있게 되며, 이에 따라 밸브 또는 다른 장치가 이 액추에이터에 의해 구동되게 된다.
밸브들 수량과 포트 크기는 액추에이터의 응답 시간과 직접적으로 토크 손실을 야기하는 압력 손실을 결정한다. 밸브 크기는 통상의 기술자라면 이해할 수 있는 바와 같이 적용분야에 적당하게 변화될 수 있다. 이 액추에이터는 상부 커버, 메인 액추에이터 하우징 또는 하부 커버 내에 비례제어 솔레노이드가 구비되게 구성될 수 있다. 도 18에 도시되어 있는 솔레노이드가 패키징 제약과 액추에이터 기구의 전체 크기를 감소시키기 위해 액추에이터 메인 하우징 내에 설치되도록 설계된 것이다.
비례제어 밸브(들)는 기계식 위치 피드백 또는 전자식 위치 피드백을 포함할 수 있다. 기계식 피드백의 경우, 인정된 위치(commended position)를 이루고 유지하기 위해 밸브 스풀은 스프링 캠 기구에 의해 편향되어 있다. 전자식 위치 피드백이 사용되는 경우, 스풀 위치 피드백을 얻기 위해 홀 효과 센서 또는 이와 유사한 센서가 사용된다. 다른 실시형태에서, 액추에이터 작동 챔버로부터 압력 피드백이 지령 받은 위치를 설정하고, 액추에이터/밸브의 임계적 댐핑을 돕기 위해 사용될 수 있다. 이들 유형의 피드백은 액추에이터 샤프트 위치를 제어하는 스풀 위치를 얻고 유지하는 데에 사용될 수 있다.
본 발명의 실시형태에서, 액추에이터 위치는 엔진 제어 유닛(ECU)에 의해 발생된 아날로그, 펄스 폭 변조(PWM) 또는 디지털 신호를 통해 비례제어 카트리지 밸브 작동에 의해 구동된다. 이 시스템은 위치, 응답 시간 등과 같은 밸브의 자족(self-sufficiency)을 증가시키기 위해 전자/유압 로직을 추가로 추가할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 도 6에 도시되어 있는 출력 샤프트(332) 또는 도 9에 도시되어 있는 암 소켓(340)의 회전 위치 같은 회전 조립체의 회전 위치에 관한 정보를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 위치 피드백은 개방형 루프 혹은 폐쇄형 루프일 수 있다. 개방형 루프 피드백은 카트리지 밸브의 지령 제어에만 의존한다. 폐쇄형 루프는 액추에이터의 내부 혹은 외부에 있는 하나 혹은 복수의 센서들에 의존한다. 이들 센서들은 접촉식 혹은 비-접촉식 센서일 수 있으며, 선형 가변 차동 트랜스포머(LVDT), 회전형 가변 차동 트랜스포터(RVDT), 홀 효과, 리졸버, 아날로그 와이퍼 등을 포함한다.
액추에이터 실시형태들은 샤프트 위치 센서를 구비하거나 구비하지 않고 구성될 수 있다. 개방형 루프 제어인 경우, 샤프트 위치 센서가 필요하지 않으며, 엔진은 액추에이터를 제어하고 이에 따라 밸브를 조절하기 위해 기계식 유압 제어 밸브력 피드백뿐만 아니라 다른 센서들을 사용한다. 폐쇄형 루프 제어인 경우, 초기 시동 교정 또는 연속적 제어를 위해 샤프트 위치 센서가 사용될 수 있다. 도 17 및 도 19에 도시되어 있는 바와 같이, 상부 커버(802)는 안에 센서가 위치하고 있는 캐비티 또는 리세스(838)를 포함할 수 있다. 캐비티(838)는 커버(840)로 덮여 있거나 밀봉되어 있다. 커버(840)는 나사(844) 또는 다른 고정구에 의해 상부 커버(802)에 고정될 수 있다. 또는, 커버 자체가 나선 또는 상부 커버(802)의 대응 부분과 맞물리는 체결면을 구비할 수 있다.
샤프트 위치 센서 실시형태는 위치 피드백이 원격 집중형 제어 시스템에 의해 모니터링되는 독립형 디자인이거나 또는 분산형 액추에이터/밸브 제어 시스템 또는 이들의 하이브리드를 위한 액추에이터 온보드 회로 디자인 옵션용 회로 보드 위에 설치되어 있는 디자인일 수 있다. 독립형 샤프트 위치 시스템의 경우, 샤프트 위치 센서는 가변 트랜스포머, 홀 효과, 자기-저항, 유도성(inductive), 용량성, 저항성, 광학형 또는 이들의 변형예일 수 있다. 통합형 샤프트 위치 센서인 경우, 센서는 분산형 제어 시스템의 회로 보드에 통합되어 있는 센서이거나, 위에 기재되어 있는 많은 변형예들일 수 있다.
도 4는 멀티-베인 액추에이터를 구비하는 버터플라이 유체 조절 밸브(302), 단일-멀티포트 비례제어 스풀 밸브 및 샤프트 위치 피드백을 포함하는 본 발명의 실시형태를 도시하고 있다. 이 조립체는 독립형 액추에이터 컨트롤러일 수 있는 원격 컨트롤러에 의해 모니터링 및 제어될 수 있지만, 엔진 제어 유닛의 일부일 수도 있다. 이 디자인은 전자 제어, 파워 및 통신이 다수의 와이어와 복박한 전기 커넥터들을 필요로 한다는 단점이 있다. 피드백 및 통신에 따라 12개의 와이어 또는 그 이상이 필요하다. 이러한 구성은, 엔진룸 내의 가혹한 환경 조건으로 인해 통신 시간 지연, 전자기 간섭을 받기 쉽고 및 전기 와이어/커넥터 단락(failure)의 문제가 발생할 소지가 많다.
다른 실시형태에서, 밸브는 밸브 자체의 컨트롤러를 포함하게 설계된다. 통신은 아날로그 또는 디지털일 수 있다. 아날로그 통신은 전압 또는 전류 타입일 수 있고, 디지털인 경우에는 PWM(Pulse Width Modulated)이거나, CAN(Central Area Network)을 통하거나, 그 변형일 수 있다. 산업 적용분야에서, 이들 통신은 Ethernet, RS232, RS485 및 다른 변형예를 사용하게 구성될 수 있다. 이 디자인 옵션은 풀 액추에이터 온보드 제어 및 온보드 진단루틴을 포함한다. 회로 보드 컴포넌트들은 가혹한 환경 조건에서 사용될 수 있는 것으로 선택되며, 냉각 유체가 객체에 노출되지 않도록 완전히 봉입되어서 회로를 회부 환경으로부터 보호하고 회로 내부에서 발생된 열을 냉각시킨다. 완전하게 봉입된 회로 보드 레이아웃은 액추에이터의 제어, 보호 및 진단에 필요한 모든 주요 빌딩 블록과 외부 또는 내부 통신 또는 비례제어 솔레노이드 밸브 같은 제어를 위한 호환 핀을 통한 연결 지점을 통합하도록 구성되어 있다. 봉입된 회로 보드는 열을 열 전도성 봉입재 또는 냉각 회로와 직접 접촉하는 봉입되어 있는 히트 싱크에 전달하게 된다.
액추에이터의 그러한 실시형태의 단층 또는 복수 층 회로 보드는 아래의 메인 빌딩 블록들 모두 혹은 일부를 포함하게 된다: 마이크로컨트롤러, 스풀 또는 포핏 밸브 드라이버, 회로 보호, 샤프트 피스톤 센서 및 커넥터에 강력 장착되거나 플라링 리드 형태의 I/O 연결점. 이들 빌딩 블록들은 개별 컴포넌트들을 사용하여 생성되거나, 독점적인 AISIC/FPGA 기술을 사용하여 고집적될 수 있다. 회로 보드의 패키지 크기는 직경이 20mm 내지 60mm의 기계 가공 가능 영역에 맞는다. 도 17 및 도 18에 도시되어 있는 바와 같이, 이는 산업에서 일반적으로 사용되고 있는 나사(844), 클립 또는 다른 고정 기구를 통해 상부 커버(802)에 설치될 수 있다. 이와는 다르게, 회로는 메인 하우징(308)에 설치될 수 있다(도 4 참조).
본 명세서에 기재되어 있는 액추에이터는 원격 액추에이터로 호칭될 수 있다. 그러나, 액추에이터가 원격일 수 있지만, 이와는 다르게 패키징과 비용을 감소시키기 위해 그 기능과 성능은 액추에이터 또는 액추에이터와 관련된 밸브 내에 내장될 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시형태가 도 20 내지 도 28에 도시되어 있다. 도시되어 있는 실시형태에서, 밸브 조립체(902)그 액추에이터 조립체(904)에 부착되어 있고 기능적으로 연결되어 있다. 볼트(906)가 밸브 조립체(902) 내의 홀(938)을 관통하여 액추에이터 조립체(904) 내의 홀과 나사 체결된다. 다른 부착 기구가 사용될 수도 있다. 액추에이터 조립체는 도 1 내지 도 19와 관련하여 본 명세서에 기재되어 있는 바와 같이 전기-유압식 액추에이터일 수 있다. 또는, 액추에이터 조립체는 도 20 내지 도 28에 설명되어 있는 바와 같은 전기-기계식 액추에이터일 수 있다. 액추에이터 조립체는 본 명세서에 기재되어 있는 바와 같이 냉각 효과 또는 단열 효과가 있는 어떠한 액추에이터일 수 있다.
밸브 조립체(902)는 밸브 바디(908)를 포함한다. 밸브 바디는 중앙 보어 일반적으로 원통형의 관통 보어(910)를 구비한다. 버터플라이 밸브 플레이트(912)가 보어(910) 내에 위치하고 있다. 샤프트(914)가 버터플라이 레이트(912) 내에 형성되어 있는 중앙 통로(916)를 관통한다. 밸브 조립체는 액추에이터 조립체(904)에 인접하는 중앙 보어(910)의 측벽을 관통하여 형성되어 있는 직교 개구(920) 및 액추에이터 조립체(904)의 반대편에서 중앙 보어(910) 측벽에 관통하게 형성되어 있는 제2 직교 개구(918)도 포함한다. 샤프트(914)가 이들 개구들(918, 920)을 적어도 부분적으로 관통하여 버터플라이 플레이트(912)가 밸브 하우징 보어(910) 내에서 회전할 수 있게 한다. 부싱(922)이 개구들(918, 920) 내에서 샤프트(914) 주위에 위치되어서 샤프트가 부드럽게 회전할 수 있게 할 수 있다.
위치 또는 다른 센서(924)가 개구(918) 위에 위치하여 샤프트(912)와 체결할 수 있다. 액추에이터 조립체(904)에 이웃하여, 샤프트(912)가 홀(920)을 통과하여 액추에이터 조립체 내로 연장하여 액추에이터와 기계적으로 체결할 수 있다. 샤프트(912) 측벽으로부터 플랜지(926)가 연장할 수 있으며, 다양한 부싱(928) 및 밀봉부(930, 932)가 샤프트 주위에 위치할 수 있다.
밸브 조립체(902)는 밸브 하우징(908)과 액추에이터 조립체(904) 사이에 위치하는 냉각제 링(934)을 포함할 수 있다. 도 23 내지 도 25에 특히 설명되어 있는 바와 같이, 냉각제 링 실시형태는 밸브 하우징(908)의 액추에이터 측에 형성되어 있는 캐비티(936) 내에 위치할 수 있다. 밸브 하우징(908)이 냉각제 링 주위에서 액추에이터 조립체(904)와 접촉하도록, 밸브 하우징(908)의 플랜지(940)가 냉각제 링(934)의 전부 혹은 일부 주위로 연장할 수 있다. 냉각제 링은 샤프트(914)가 관통할 수 있는 중앙 보어(946)를 포함할 수 있다.
냉각제 채널의 기하학적 형상과 경로는 냉각 목적에 따라 임의의 구성을 취할 수 있다. 열전달 배리어인 경우, 냉각제가 외경부(OD)에서 내경부(ID)를 향하는 나선형 구성이 채택된다. 샤프트 냉각의 경우, 도 28에 도시되어 있듯이, 냉각 기능이 샤프트 주위로 집중된다. 열 배리어 및 샤프트 냉각인 경우, 열 배리어 및 샤프트 냉각 채널이 채택되어 있는 냉각 링이 필요하다.
도 26 내지 도 28에 도시되어 있는 바와 같이, 냉각제 채널(934)은 유입 포트(948)로부터 샤프트에 인접하는 원주방향 유동 채널(964)로의 배출 포트로 되돌려 보내는 내부 반경방향 크로스오버 냉각제 채널(942)을 포함할 수 있다. 냉각제 링 내의 냉각제 채널(942)을 액추에이터 조립체의 유체 통로(960)와 연결하는 데에 연결 튜브(958)(도 21)가 사용될 수 있다. 또는 가스켓, 페이스 또는 래디얼 O-링 같은 다른 임의의 밀봉 피처가 사용될 수 있다. 여기 도시되어 있는 I/O 포트는 동일한 측면에서 180도 이격되어 있지만, 이들 포트들은 임의의 방향을 향할 수 있고 냉각제가 운송되는 바에 따라 다른 측면 위에 위치할 수도 있다. 냉각 유체는 적당한 임의의 유체일 수 있으며, 액추에이터 조립체를 작동시키는 데에 사용되는 유압 유체, 액추에이터 조립체를 작동시키는 데에 사용되지 않는 우회 유압 유체, 엔진 냉각 유체 또는 통상의 기술자들에게 자명한 다른 유체일 수 있다.
냉각제 채널(942)은 링의 중심선에서부터 밸브 하우징(908)을 향해 오프셋될 수 있다. 액추에이터 조립체에 인접한 냉각제 링의 측면은 그 면 내에 형성되어 있는 하나 또는 다수의 리세스(944)도 포함할 수 있다. 리세스(944)와 조합되는 냉각제 채널(942)의 오프셋은, 냉각제 링에 의해 제공되는 액추에이터 조립체에 대한 단열 효과의 증가 및 냉각제 링 제조에 필요한 재료 양의 감소를 포함하여, 많은 이점을 제공할 수 있다.
냉각제 링을 통한 밸브 바디로부터 냉각제로의 열전달을 개선시키기 위해, 합금 선택이 최적화되고, 웨이브 스프링 및/또는 열전도성 페이스트 또는 에폭시를 사용하여 접촉 저항이 최소로 된다. 예를 들면, 냉각 링을 밸브 조립체(902)에 대해 압박하기 위해, 액추에이터 바디(904)와 냉각 링(934) 사이에 웨이브 스프링이 놓일 수 있다. 또한, 냉각 링(934) 면과 밸브 조립체(902) 사이, 또는 냉각 링(934)과 액추에이터 바디(904) 사이에 열전도성 페이스트 또는 에폭시가 위치할 수 있다.
냉각 링(934)이 모듈식 링이나 링 시스템으로 제공될 수 있다. 이러한 방식으로, 시스템 디자이너는 밸브 조립체가 겪게 되는 온도, 액추에이터 조립체의 온도 한계, 시스템의 듀티 사이클, 주위 온도, 냉각 유체의 냉각 용량 및 통상의 기술자에게 자명한 다른 인자들을 포함하여, 많은 인자들을 고려하여, 적용분야에 기초하여 냉각 링의 크기와 냉각 용량을 결정할 수 있다.
도 23 내지 도 25에 도시되어 있는 실시형태에서, 샤프트(914)가 버터플라이 플레이트(912)의 중앙 통로(916)를 관통한다. 도시되어 있는 샤프트는 일반적으로 원통형 프로파일을 구비한다. 그러나, 플레이트 통로 내의 샤프트 부분은 밀링 가공 또는 다른 방식으로 가공되어 평탄 섹션(950)을 생성시킨다. 버터플라이 플레이트는 관통 홀(952)을 포함한다. 이 관통 홀은 버터플라이 플레이트의 중심선으로부터 오프셋 되어서, 일반적으로 중앙 통로(916)의 측면 에지(954)에 인접하게 그러면서 측면 에지 내로 약간 연장하게 놓인다. 핀(956)이 홀(952) 내로 삽입된다. 이 핀은 샤프트(914)의 평탄 섹션(950)과 체결되어, 샤프트가 버터플라이 플레이트의 중앙 통로(916) 내에서 회전하는 것을 방지한다. 핀(956)에 대한 지지 구조를 더 강하게 하기 위해, 보강 구조물(962)이 버터플라이 플레이트 위에서 관통 홀(952)에 인접하게 형성될 수 있다.
이러한 방식으로, 버터플라이 플레이트와 샤프트의 다양한 재료를 드릴 가공할 필요 없이 또는 버터플라이 플레이트와 샤프트 내에 형성되어 있는 상보적인 홀들 또는 다른 피처들을 정확하게 정렬하지 않고서도 조화 이동할 수 있도록 버터플라이 플레이트와 샤프트가 서로 효과적으로 고정된다.
Claims (20)
- 밸브 하우징과 가동형 밸브 요소를 포함하는 밸브 조립체;
액추에이터 하우징과 가동형 액추에이터 요소를 포함하는 액추에이터 조립체:
상기 가동형 액추에이터 요소를 상기 가동형 밸브 요소에 결합시키는 기계식 연결부; 및
냉각 유체를 포함하는 냉각 채널을 포함하며, 밸브 하우징 면과 액추에이터 하우징 면 사이에 위치하는 냉각 링;을 포함하는 유체 유동 제어 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1 냉각 링과 연속되어 위치하는 제2 냉각 링을 추가로 포함하되, 제1 냉각 링이 밸브 하우징 면과 제2 냉각 링 사이에 위치하고, 제2 냉각 링은 제1 냉각 링과 액추에이터 하우징 면 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 유체 유동 제어 장치. - 제1항에 있어서,
냉각 링이 모듈식 시리즈의 냉각 링을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 유동 제어 장치. - 제1항에 있어서,
냉각 채널이 나선형 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 유동 제어 장치. - 제1항에 있어서,
기계식 연결부가 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 유동 제어 장치. - 제5항에 있어서,
냉각 채널이 샤프트에 인접하는 냉각 링 부분을 관통하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 유체 유동 제어 장치. - 제1항에 있어서,
냉각 채널이 유입 포트, 배출 포트 및 포트 밀봉 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 유동 제어 장치. - 제7항에 있어서,
상기 밀봉 요소가 연결 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 유동 제어 장치. - 제8항에 있어서,
상기 연결 튜브가 냉각제 링의 냉각 채널을 액추에이터 하우징 내에서 유체 통로에 연결하는 것을 특징으로 하는 유체 유동 제어 장치. - 제7항에 있어서,
상기 밀봉 요소가 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 유동 제어 장치. - 제10항에 있어서,
상기 가스켓이 열전달 차단 특성을 구비하는 것을 특징으로 하는 유체 유동 제어 장치. - 제7항에 있어서,
상기 밀봉 요소가 O-링을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 유동 제어 장치. - 제1항에 있어서,
상기 액추에이터 하우징과 냉각 링 사이에 위치하며, 밸브 하우징 면에 대해 냉각 링을 편향시키는 편향 요소를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 유동 제어 장치. - 제13항에 있어서,
상기 편향 요소가 스프링인 것을 특징으로 하는 유체 유동 제어 장치. - 제14항에 있어서,
상기 편향 요소가 웨이브 스프링인 것을 특징으로 하는 유체 유동 제어 장치. - 제1항에 있어서,
밸브 하우징과 냉각 링 사이에 위치하는 열전도성 재료를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 유동 제어 장치. - 제16항에 있어서,
열전도성 재료가 페이스트인 것을 특징으로 하는 유체 유동 제어 장치. - 제16항에 있어서,
열전도성 재료가 에폭시인 것을 특징으로 하는 유체 유동 제어 장치. - 제1항에 있어서,
액추에이터 조립체가 전자-유압식 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 유동 제어 장치. - 제1항에 있어서,
액추에이터 조립체가 전자-기계식 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 유동 제어 장치.
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