(57)【要約】【課題】  排ガス熱交換器および排気フラップのために、閉弁装置の耐久性、特にバルブ、バルブシャフトおよび伝達機構の耐久性を高める、改良された作動装置を提供する。【解決手段】  自動車用の排ガス熱交換器が、主流路と排ガス用副流路（バイパス）と排ガス流を制御するバルブ機構（３）とを有する。前記バルブ機構をサーボモータ（４）によって伝動装置（８，６）を介して動作させることが可能である。前記バルブ機構（３）がバルブシャフト（９）に固定された閉弁装置（１０）を有する。バルブシャフト（９）にねじりコイルばね（５）によって負荷を加えることが可能である。前記ねじりコイルばねの一方の側がバルブシャフト（９）に支持されており、もう一方の側がバルブ機構（３，３ａ）に支持されている。ハウジング（３ａ）に回転可能に軸支されており、かつハウジング（３ａ）から延出された、サーボモータ（４）により駆動可能なフラップシャフト（９）に固定されている特に自動車用の排ガス熱交換器用排気フラップ（１０）において、フラップシャフト（９）に対して同軸にねじりコイルばね（５）が設けられており、前記ねじりコイルばねがフラップシャフト（９）に対して回転方向に負荷を加える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主流路と排ガス用副流路（バイパス）と排ガス流を制御するバルブ機構（３）とを有し、前記バルブ機構をサーボモータ（４）によって伝動装置（８，６）を介して動作させることが可能であり、前記バルブ機構（３）がバルブシャフト（９）に固定された閉弁装置（１０）を有する、特に自動車用の排ガス熱交換器において、
バルブシャフト（９）にねじりコイルばね（５）によって負荷を加えることが可能であり、前記ねじりコイルばねの一方の側がバルブシャフト（９）に支持されており、もう一方の側がバルブ機構（３，３ａ）に支持されていることを特徴とする排ガス熱交換器（２）。
【請求項２】
前記ねじりコイルばねが、２つの脚部（５ａ，５ｂ）を有する螺旋状に巻かれた渦巻きばね（脚ばね５）として、または螺旋ばねとして構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の排ガス熱交換器。
【請求項３】
前記バルブシャフト（９）がバルブ機構（３，３ａ）から外方向へ延出されたシャフト部分（９ｂ）を有すること、および、前記ねじりコイルばね（５）が前記シャフト部分（９ｂ）に同軸上に設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の排ガス熱交換器。
【請求項４】
前記ねじりコイルばね（５）の内部において前記シャフト部分（９ｂ）にスリーブ（１１）が設けられていることを特徴とする、請求項１または２または３に記載の排ガス熱交換器。
【請求項５】
前記シャフト部分（９ｂ）の終端（９ｃ）に旋回アーム（６）が固定されており、前記旋回アームが制御棒（８）と可動に連結されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の排ガス熱交換器。
【請求項６】
前記サーボモータが負圧サーボモータ（４）として構成されていることを特徴とする、請求項１から５の少なくともいずれか１項に記載の排ガス熱交換器。
【請求項７】
前記ねじりコイルばね（５）がサーボモータ、特に負圧サーボモータ（４）用の戻しばねとして構成されていることを特徴とする、請求項１から６の少なくともいずれか１項に記載の排ガス熱交換器。
【請求項８】
前記サーボモータ（４）が排ガス熱交換器（２）のハウジング（２ａ）に固定されていることを特徴とする、請求項１から７の少なくともいずれか１項に記載の排ガス熱交換器。
【請求項９】
前記閉弁装置がフラップ（１０）として構成されており、前記バルブシャフトがフラップシャフト（９）として構成されていることを特徴とする、請求項１から８の少なくともいずれか１項に記載の排ガス熱交換器。
【請求項１０】
前記フラップシャフト（９）がフラップ（１０）に対して中心にまたは偏心的に設けられていることを特徴とする、請求項９に記載の排ガス熱交換器。
【請求項１１】
ハウジング（３ａ）に回転可能に軸支されており、かつハウジング（３ａ）から延出された、サーボモータ（４）により駆動可能なフラップシャフト（９）に固定されている特に自動車用の排ガス熱交換器用排気フラップ（１０）において、
フラップシャフト（９）に対して同軸にねじりコイルばね（５）が設けられており、前記ねじりコイルばねがフラップシャフト（９）に対して回転方向に負荷を加えることを特徴とする排ガス熱交換器用排気フラップ。
【請求項１２】
前記ねじりコイルばね（５）がハウジング（３ａ）の外部において前記フラップシャフト（９，９ｂ）に設けられていることを特徴とする、請求項１１に記載の排気フラップ。
【請求項１３】
前記ねじりコイルばねが２つの脚部（５ａ，５ｂ）を有する脚ばね（５）として構成され、前記脚部が周囲方向にフラップシャフト（９）に対して作用し、かつハウジング（３ａ）に支持されていることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の排気フラップ。
【請求項１４】
前記ねじりコイルばね（５）がサーボモータ、特に空気式サーボモータ（４）用の戻しばねとして用いることができることを特徴とする、請求項１１または１２または１３に記載の排気フラップ。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのねじりコイルばね（５）が駆動時に巻き込まれることを特徴とする、請求項１１から１４のいずれか１項に記載の排気フラップ。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのねじりコイルばね（５）が駆動時に弛緩することを特徴とする、請求項１１から１４のいずれか１項に記載の排気フラップ。
【請求項１７】
請求項１１から１６のいずれか１項に記載のフラップを具備する熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主流路と排ガス用副流路（バイパス）と排ガス流を制御するバルブ機構とを有し、前記バルブ機構をサーボモータによって伝動装置を介して動作させることが可能であり、前記バルブ機構がバルブシャフトに固定された閉弁装置を有する排ガス熱交換器と、ハウジングに回転可能に軸支されており、かつハウジングから延出された、サーボモータにより駆動可能なフラップシャフトに固定されている特に自動車用の排ガス熱交換器用排気フラップとに関する。
【背景技術】
【０００２】
排ガス熱交換器、特に排ガス冷却器および排気フラップは、排ガス再循環システム、すなわち自動車用のいわゆるＥＧＲシステムにおいて知られている。排ガス再循環システムは、自動車の内燃機関における有害物質と燃料消費量とを削減するために用いられる。また、排ガス熱交換器は、特にディーゼルエンジンのように燃料消費量が最適化されたエンジンにおいて、加熱のためにも利用できる。この種の熱交換器は、本出願人の特許文献１に記載されている。この公知の排ガス熱交換器にはバイパスが組み込まれており、排ガス流が作動装置を介して熱交換器部分またはバイパス路に案内される。これにより、熱出力を需用に適合させることが可能である。作動装置はサーボモータによって駆動される。排ガス冷却器として構成された排ガス熱交換器は、特許文献２によって知られている。Ｕ字形に曲折され、周囲に冷媒が流れる排ガス管の束によって排ガス熱交換器は形成されており、この排ガス熱交換器に排ガス流を制御するためのバルブ機構が付設されている。フラップシャフトに設けられた回転フラップが、排ガス流を制御し、その際、排ガス流が排ガス熱交換器を貫流するか、あるいはバイパス路によって排ガス熱交換器を迂回するように制御される。これにより、排ガス流は、必要な場合にだけ、その熱を冷媒に与える。既に知られている回転可能な排気フラップは、バルブ機構の外に設けられたサーボモータを介して、好ましくはいわゆる負圧アクチュエータを介して駆動される。その際、内燃機関の吸気装置から得られた負圧が、制御棒が固定されたダイアフラムに対して作用し、これにより、戻しばねの作用に抗して駆動力が働いて、その力がフラップシャフトに伝えられる。
【０００３】
特許文献３によって、液体冷媒によって冷却される排ガス冷却器を具備した排ガス再循環システムが知られており、この排ガス冷却器には排ガス冷却器を迂回するバイパス管が付設されている。ガス冷却器の上流側にはバルブ機構が設けられており、排ガス流の分岐装置として働き、排ガス流を排ガス冷却器またはバイパス路のどちらか一方へ案内する。バルブ機構は閉弁装置を有し、前記閉弁装置がポペットバルブまたは回転フラップとして構成されている。閉弁装置は空気式の作動装置によって駆動され、この作動装置は自らのリフトシリンダ内に戻しばねを有している。作動装置を通気した際（負圧を中断した際）、作動装置内の戻しばねが、バルブまたはフラップを好ましい基本位置に戻す働きをする。
【０００４】
本発明の基礎となっている特許文献４によって、冒頭に挙げた特許文献１と同様に、バイパス路が排ガス冷却器のハウジングに組み入れられた排ガス熱交換器、特に排ガス冷却器が知られている。排ガス流内に（排ガス冷却器の上流または下流に）、閉弁装置を伴うバルブ機構が備えられており、閉弁装置は、排ガス流の分岐装置として働き、ハウジングの外部に設けられたサーボモータ、特にいわゆる負圧アクチュエータによって駆動される。この公知のバルブ機構についてはさまざまな態様が説明されている。すなわち、フラップシャフトがフラップに対して偏心的に設けられたいわゆる片フラップや、中心にフラップシャフトが設けられた回転フラップなどが記載されている。さらに、旋回軸あるいはフラップシャフトが中心に設けられたいわゆるアングルフラップも提案されている。フラップシャフトは、ハウジングから延出されており、適当な伝達機構を介して負圧アクチュエータに連結されている。これにより、負圧アクチュエータの並進運動がフラップシャフトの回転運動あるいは旋回運動に変えられる。排気フラップの戻りは、戻しばねを有する負圧アクチュエータを介して実施される。
【０００５】
これまでに知られているフラップ駆動装置の場合、短所として、サーボモータと、伝達機構の諸部分、例えば制御棒および排気フラップとを互いに正確に位置合わせしなければならず、この位置合わせが正確でないなら、フラップの位置を正確に調整することができないという点がある。そのため、好ましくない騒音が発生したり、消耗が早くなるといった恐れがある。さらに、サーボモータが取り付けられていない場合には、戻しばねがないために排気フラップが固定されず、所定の位置に収まらないという短所がある。これは、運搬時に障害となる。
【特許文献１】独国特許出願公開第１９９６２８６３号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１９８４１９２７号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第１０３００５０号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第１０２０３００３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、冒頭に述べた種類の排ガス熱交換器および排気フラップのために、閉弁装置の耐久性、特にバルブ、バルブシャフトおよび伝達機構の耐久性を高める、改良された作動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、まず、請求項１に記載の特徴によって解決される。本発明の課題は、請求項１１の特徴を備えた排気フラップの場合にも解決される。
【発明の実施の形態】
【０００８】
本発明では、閉弁装置のシャフト、特に排気フラップのフラップシャフトにねじりコイルばねによって負荷が加えられように構成されている。ねじりコイルばねとは、回転モーメントをバルブシャフトまたはフラップシャフトに加え、フラップを終端位置に移動し、その位置に保持するのに適したばね部材を意味するものとする。従って、この種のねじりコイルばね部材は、構造上さまざまな実施形態が可能であり、例えば、特に螺旋状のトーションばねとして構成できる。その効果は、閉弁装置あるいは排気フラップが所定の好ましい位置へと運ばれることであり、しかも、それが、サーボモータが取り付けられていない場合や、動作中にサーボモータが機能しなくなった場合にも可能であることである。従って、このどちらの場合にも、チャタリングやフラッタリングおよび早い消耗が回避される。また、本発明に係るねじりコイルばねによって、排気フラップに対する最大可能保持力が得られる。このことは、脈動する排ガス流によってフラップが高周波で振動するので、特に重要である。さらに、この安定したフェイルセーフ位置によって、シャフトガイドにおけるフラップシャフトのフレッティング腐食がかなり低減されるという効果が得られる。また、フェイルセーフ位置の効果としては、バルブシャフトとサーボモータまたは負圧アクチュエータとの間にある伝達機構に負荷が加わらないという点がある。これにより、これらの部材の疲労が低減される。最後に、サーボモータ、特に負圧アクチュエータに戻しばねを必要としないという効果を挙げることができる。これは、本発明に係るねじりコイルばねによってフラップに予荷重が加えられるからである。これによって、取り付け公差も大きく改善される。ねじりコイルばねはまずバルブシャフトに回転モーメント、すなわち周囲方向への力を加えるが、ねじりコイルばねの構造に応じて軸方向力、すなわちフラップ軸の方向への力を加えることも可能である。従って、シャフトを軸方向に確実に固定し、軸方向の公差を小さくすることができるという効果が得られる。
【０００９】
本発明の有利な構成では、ばね用線材から取ったねじりコイルばねが螺旋状に巻かれている。すなわち、いわゆる２つのばね脚部を持つ脚ばねとして構成されている。ピン上を案内されるこの種の脚ばね自体は、機械部品として知られている。効果としては、ばね剛性が優れていること、特にばね行程が大きいことが挙げられる。ばね行程はとりわけ巻き数によって変えることができる。さらに、ねじりコイルばねはバルブシャフトあるいはフラップシャフトと同軸上に設けることができ、その際、バルブシャフト上にガイドスリーブを設けることが有利である。また、脚ばねの効果は、ばねの脚部を比較的簡単な方法で一方はハウジングで、もう一方はバルブシャフトで支持することができるという点である。そのために、バルブシャフトには旋回アームが固定されていることが有利であり、その場合、その旋回アームに脚ばねの脚部が作用し、これにより、回転モーメントがフラップシャフトへ伝わる。
【００１０】
本発明のもう１つの有利な構成では、サーボモータが、空気駆動式サーボモータ、すなわちいわゆる負圧アクチュエータとして構成されており、作動媒体として内燃機関の吸気装置の負圧を利用する。本発明に係るねじりコイルばねとバルブシャフトにおける前記ばねの配置ゆえに、負圧アクチュエータに戻しばねを必要としないという効果が得られる。これにより、負圧アクチュエータは、本発明に係るねじりコイルばねの作用に対抗し、閉弁装置あるいはフラップをもう１つの終端位置へ移動させる。この位置は、フェイルセーフ上の理由から一般的に、排ガス流がバイパス路を貫流する際の位置、従ってエンジンの暖機運転中の位置となるであろう。暖機運転段階を完了した後、負圧の供給が遮断される。これにより、フラップはねじりコイルばねのモーメントによって動作位置に移動される。すなわち、排ガス流が排ガス冷却器の中へ導かれて冷媒によって冷却される位置へと移動される。従って、当前記のサーボモータ、特に負圧アクチュエータは、より簡単に、従ってまた、より低コストで製造することができる。
【００１１】
本発明の課題は、請求項１１の特徴を備えた排気フラップの場合にも解決される。従って、本発明は、バイパス路（内蔵されているのであれ、別個に構成されているのであれ）を有する排ガス熱交換器に限られるわけではなく、一般的に排気フラップによって制御される排気路にも適用される。この構成についても、上述したのと同じ効果、特に排気フラップが確実なフェイルセーフ位置に収まることやサーボモータの戻しばねが不要であるといった効果が得られる。
【００１２】
本発明に係る排気フラップの有利な構成については、他の従属請求項に記載されている。
【００１３】
本発明のもう１つの有利な構成では、排気フラップが、作動時に巻き込まれる少なくとも１つのねじりコイルばねを有する。
【００１４】
本発明のもう１つの有利な構成では、排気フラップが、作動時に弛緩する少なくとも１つのねじりコイルばねを有する。
【００１５】
本発明の実施例が図に示されており、以下で詳細に説明する。
【実施例】
【００１６】
図１は、自動車の排ガス再循環システム（図示されていない）に利用可能な排ガス冷却装置１を示す。この排ガス冷却装置１は、排ガス冷却器２とバルブ機構３とを有し、前記バルブ機構は、負圧アクチュエータ４として構成されたサーボモータによって駆動可能である。排ガス冷却器２は、冷媒流入口２ｂと冷媒流出口２ｃとを備えたハウジング２ａを有し、その流入口と流出口とを介して排ガス冷却器２は自動車の内燃機関の冷媒回路（図示されていない）に接続されている。ハウジング２ａ内には、排気管の束（図示されていない）が設けられており、その管束内を排ガスが貫流し、その外側周囲を冷媒が流れる。冷媒流入口２ｂと冷媒流出口２ｃは相互に交換可能である。すなわち、冷媒の流れは、必要に応じて逆方向にすることが可能である。つまり、冷媒を排ガスと同じ方向または逆の方向に流すことができる。排ガス冷却器２には、排気管の束（図示されていない）に加えて、冒頭に挙げた独国特許出願公開１０２０３００３号明細書に従って、バイバス路（図示されていない）が組み込まれている。前記明細書の内容は、本出願の開示内容に全て含まれるものとする。ＥＧＲ管（図示されていない）を通じて再循環される排ガスは、矢印Ｅの方向にバルブ機構３の開口部へ流入し、矢印Ａに示された通り、排ガス冷却器２から流出する。バルブ機構３はハウジング３ａを有し、前記ハウジングは排ガス冷却器２のハウジング２ａと結合、好ましくは溶接されており、排ガス流を制御するための排気フラップ（この図には示されていない）を収容している。排気フラップあるいはバルブフラップは旋回軸ａを有し、この旋回軸は破線で示されている。また、この旋回軸は螺旋状に巻かれたねじりコイルばね５の軸でもある。ねじりコイルばね５はバルブハウジング３ａの外部に設けられている。ねじりコイルばね５は、脚ばねとも呼ばれ、２つの脚部５ａ，５ｂを有する。この脚部の一方は、軸ａを中心に旋回可能な旋回アーム６に接続されており、もう一方はハウジング３ａの突起部３ｂで支持されている。ハウジング２ａには、負圧アクチュエータ４が保持具７によって固定され、制御棒８を介して旋回アーム６に可動に連結されている。
【００１７】
図２は、図１の排ガス冷却装置１を上から見た平面図であり、各部分は、図１に対応する同じ符号で示されている。軸ａを中心に旋回可能な旋回アーム６は、バルブハウジング３ａから延出されたフラップシャフト９に固定的に連結されている。これにより、負圧アクチュエータ４の制御棒８の並進運動がフラップシャフト９の回転運動あるいは旋回運動に変えられる。この平面図から明らかなように、ねじりコイルばね５の下方脚部５ｂはハウジング３ａの突起部３ｂに支持されている。この平面図では見えないもう一方のばね脚部５ａは、前記脚部のレバーアームが旋回アーム６の旋回軸ａに対して作用し、制御棒８の動作に対抗する。
【００１８】
図３は、図２に示された平面ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。フラップシャフト９は、バルブハウジング３ａのほぼ内部に設けられたシャフト部分９ａと、バルブハウジング３ａの外部に設けられたシャフト部分９ｂとを有し、前記シャフト部分の終端９ｃに旋回アーム６が好ましくは溶接によって耐トルク性を有するように固定されている。内側のシャフト部分９ａには、排気フラップ１０（簡略化して示されている）が、耐トルク性を有するように設置されている。排気フラップ１０は、分岐装置として機能し、ハウジング３ａ内へ流入する排ガス流を排ガス冷却器の管束またはバイパスへと案内する。前記管束とバイパスは図示されていないが、それらの構成は、本開示内容に含まれる、前述した明細書に記載された通りである。ねじりコイルばね５は、既に述べたように、ばね用線材から取り、螺旋状に巻いた渦巻きばねとして構成されている。このばねは、この図では示されていないが、旋回アーム６とハウジング３ａに支持されている。これにより、予荷重が加えられたねじりコイルばね５によって回転モーメントがバルブシャフト９に作用し、排気フラップ１０は終端位置に押し込まれる。この終端位置にあるとき、バイパス路が閉じられることが好ましい。フラップシャフト９の部分９ｂにはガイドスリーブ１１が設けられており、ねじりコイルばね５を案内する。旋回アーム６には、旋回軸ａから間隔を置いた位置に、球形ヘッド１２ａを有するピボットピン１２が固定されており、さらに球形ヘッドは制御棒８の球形キャップ８ａに覆われている。これにより、ピボットピン１２と制御棒８は、球形ヘッド１２ａと球形キャップ８ａとを介してボールジョイントを形成する。
【００１９】
フラップ駆動装置の作動形態は次の通りである。負圧駆動装置４（負圧アクチュエータ）の動作が停止されたとき、すなわち、負圧がかからなくなったときに、ねじりコイルばね５が、その予荷重によってフラップシャフト９を、従ってまた排気フラップ１０を基本位置またはフェイルセーフ位置へ運ぶ。この位置は、バイパス路が塞がれるような位置であること、すなわち、排ガス流が排ガス冷却器の中を貫流し、それにより冷却されるような位置であることが好ましい。排気フラップ１０は、上述の従来技術の実施形態に従って構成することができる。負圧アクチュエータ４が駆動されると、すなわち、負圧がかかると、制御棒８がねじりコイルばね５の作用方向に逆らって動かされる。これにより、回転運動がフラップシャフト９に与えられ、排気フラップ１０が移動する。しかも、その際、排気フラップは、バイパス路が開放される位置へと移動される。これは、例えば、排ガスの冷却が必要とされない、エンジンの暖機運転中に行われる。ねじりコイルばね５は、ばね行程とばね力に関して、以下のように設計される。すなわち、駆動装置４が動作していないときに、排気フラップ１０がハウジング３ａ面に固定的に配置されるように設計される。つまり、排ガスの流れが脈動することによって排気フラップの「フラッタリング」が発生することが防がれるように設計される。駆動装置、特に負圧アクチュエータの従来技術に一般的に見られる戻しばねが、この負圧アクチュエータ４の場合、不要となる。
【００２０】
排気フラップのフラップシャフトに予荷重を加えるための、本発明に係るねじりコイルばねは、バイパス路（内蔵されているのであれ、別個の流路として構成されているのであれ）を有する排ガス熱交換器での利用に限られるわけではない。むしろ、本発明は、排気路内に設けられた、フラップシャフトとサーボモータを介して駆動される排気フラップにも有効に利用できる。例えば、これは、冒頭に挙げた、独国特許出願公開１９８４１９２７に記載の従来技術に従ったバルブ機構の場合に当てはまるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係るバルブ駆動装置を具備する排ガス冷却器の正面図である。
【図２】図１の排ガス冷却器の平面図である。
【図３】図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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