(57)【要約】      （修正有）【課題】アクチュエータの出力がバルブ操作に必要なトルクにより密接に合致した、バルブ操作システムのためのアクチュエータを提供する。【解決手段】電動バルブ組立体は、アクチュエータ１０で作動されるバルブ要素を有する。アクチュエータ１０は、歯車列で出力１８に連結されたステッピングモータ２０を有する。出力１８はバルブ要素に連結される。歯車列は、出力軸の作動角に応じて可変の歯車比を有する。随意的に、ステッピングモータ２０が不作動の場合に、出力軸を初期作動角に弾性的に戻すように構成された戻りバネを備える。【選択図】図３
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
流体が通過する通路を有するバルブ本体と、
前記バルブ本体に対して移動して前記通路を通る流体流を変化させるバルブ要素と、
前記バルブ要素を移動するように構成されたアクチュエータと、
を備える電動バルブ組立体であって、前記アクチュエータは、
モータ軸を有するモータと、
出力軸と前記バルブ要素に連結する連結部とを含む出力部と、
前記モータ軸を前記出力軸に連結する歯車列と、
を含み、
前記歯車列は、前記出力軸の作動角に応じて可変の歯車比を有することを特徴とする電動バルブ組立体。
【請求項２】
前記歯車列は、少なくとも１つの順送り変速歯車を備える、請求項１に記載のバルブ組立体。
【請求項３】
前記順送り変速歯車は、第１のねじれ歯車と、該第１のねじれ歯車にかみ合う第２のねじれ歯車とを備える、請求項２に記載のバルブ組立体。
【請求項４】
前記第２のねじれ歯車は、前記出力軸に取り付けられる、請求項３に記載のバルブ組立体。
【請求項５】
前記第１のねじれ歯車は、少なくとも１つの平歯車によって前記モータ軸に連結される、請求項３又は４に記載のバルブ組立体。
【請求項６】
前記第１のねじれ歯車及び前記第２のねじれ歯車は対数ピッチ軌道を有する、請求項３から５のいずれかに記載のバルブ組立体。
【請求項７】
前記モータが不作動の場合に、前記出力軸を初期作動角に弾性的に戻すように構成された戻りバネをさらに備える、請求項１から６のいずれかに記載のバルブ組立体。
【請求項８】
前記戻りバネは前記出力軸の周りに配置されたコイルバネであり、第１の端部が前記第２のねじれ歯車に固定され、第２の端部が前記出力軸の支持部に固定されている、請求項７に記載のバルブ組立体。
【請求項９】
前記モータはステッピングモータであり、制御信号に応答して該モータを制御するための制御回路を有するＰＣＢに接続される、請求項１から８のいずれかに記載のバルブ組立体。
【請求項１０】
前記バルブ要素は、前記バルブが実質的に閉じた第１の位置と前記バルブが実質的に全開である第２の位置との間で移動可能である、請求項１から９のいずれかに記載のバルブ組立体。
【請求項１１】
前記バルブ要素は、前記第１の位置と前記第２の位置との間の位置に位置決めできる、請求項１０に記載のバルブ組立体。
【請求項１２】
前記バルブ要素はバタフライバルブ要素である、請求項１から１１のいずれかに記載のバルブ組立体。
【請求項１３】
前記バルブは、内燃機関の燃料供給システムのスロットルバルブである、請求項１２に記載のバルブ組立体。
【請求項１４】
前記バルブ要素は、固定軸の周りで回転可能なボールバルブ要素である、請求項１から１１のいずれかに記載のバルブ組立体。
【請求項１５】
前記バルブは給水バルブである、請求項１４に記載のバルブ組立体。
【請求項１６】
前記バルブ要素はスピンドルバルブ要素である、請求項１から１１のいずれかに記載のバルブ組立体。
【請求項１７】
前記バルブは、熱交換器の液体制御バルブである、請求項１６に記載のバルブ組立体。
【請求項１８】
前記バルブは、内燃機関の熱交換システムの制御バルブである、請求項１６に記載のバルブ組立体。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、順送り変速歯車を有するアクチュエータによって操作されるバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
バルブは、パイプ、流路、又は開口を通る流体流を調整するために使用される。流体は、空気等のガス又は水等の液体とすることができる。多くの用途装置では、設定パラメータに応じて遠隔操作又は自動操作されるバルブを必要とする。いくつかの用途装置は開放又は閉鎖のいずれかとされるバルブを必要とするが、他の用途装置は、バルブを介して流体流を調整することを必要とする。従来、制御及び調整は、電気機械アクチュエータよって実現されていた。アクチュエータは、バルブ要素を回転させて流体が通過する開口サイズを変えるようになっている。
【０００３】
ステッピングモータ式アクチュエータのオープンループ作動は、信頼性の高い従来技術である。いくつかの用途装置において、バルブ位置は注意深く制御する必要があり、電源異常の場合又は停止時の不正確なバルブ位置決めの何らかの状况に備えて、フェールセーフ機構をアクチュエータに統合してバルブを開放又は閉鎖する必要がある。例えば、戻りバネは、バルブ要素を初期位置（必要に応じて開放位置又は閉鎖位置）に戻すことができる。この場合、作動持、常にアクチュエータは、バルブを通過してバルブ要素に作用する流体に起因する何らかの追加の力をバネ力に加えたものに対して動作する必要がある。通常、このことは、異常運転状態の下でバルブの非定常のトルク要求によって適切なバルブ位置で所望の最大トルクを伝達するために、過寸法又は過出力の電磁モータを必要とする。また、このことは、電力消費量が大きくなることを意味し、効果的な環境に優しい又は「グリーン」システムに合致しない。
【０００４】
従って、アクチュエータの出力がバルブ操作に必要なトルクにより密接に合致した、バルブ操作システムのためのアクチュエータに対する要望がある。本考案は、この問題点を可変のトルク要求を補償する順送り変速歯車（ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ  ｇｅａｒ）によって解決する。
【０００５】
順送り変速歯車又は可変歯車（ｖａｒｉａｂｌｅ  ｇｅａｒ）は長い間知られている。順送り変速歯車の包括的な説明は米国特許第２，０６１，３２２号又は米国特許第８，１９６，４８７に開示されている。自動車用途の順送り変速歯車は、操舵システムに頻繁に見ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第２，０６１，３２２明細書
【特許文献２】米国特許第８，１９６，４８７号明細書
【考案の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従って、１つの態様において、本考案は電動バルブ組立体を提供し、該電動バルブ組立体は、流体が通過する通路を有するバルブ本体と、バルブ本体に対して移動して通路を通る流体流を変化させるバルブ要素と、バルブ要素を移動するように構成されたアクチュエータとを備え、アクチュエータは、モータ軸を有するモータと、出力軸とバルブ要素に連結する連結部とを含む出力部と、モータ軸を出力軸に連結する歯車列と、を含み、歯車列は、出力軸の作動角に応じて可変の歯車比を有する。
【０００８】
好ましくは、歯車列は少なくとも１つの順送り変速歯車を備える。
【０００９】
好ましくは、順送り変速歯車は、第１のねじれ歯車及び該第１のねじれ歯車にかみ合う第２のねじれ歯車を備える。
【００１０】
好ましくは、第２のねじれ歯車は、出力軸に取り付けられる。
【００１１】
好ましくは、第１のねじれ歯車は、少なくとも１つの平歯車によってモータ軸に連結される。
【００１２】
好ましくは、第１のねじれ歯車及び第２のねじれ歯車は、対数ピッチ軌道を有する。
【００１３】
好ましくは、戻りバネは、モータの非作動時に出力軸を初期に作動角に弾性的に戻すように配置される。
【００１４】
好ましくは、戻りバネは、出力軸の周りに配置され、第１の端部が第２のねじれ歯車に固定され、第２の端部が出力軸の支持部に固定されたコイルバネである。
【００１５】
好ましくは、モータはステッピングモータであり、制御信号に応答して該モータを制御するための制御回路を有するＰＣＢに接続される。
【００１６】
好ましくは、バルブ要素は、バルブが実質的に閉じた第１の位置とバルブが実質的に全開である第２の位置との間で移動可能である。
【００１７】
好ましくは、バルブ要素は、第１の位置と第２の位置との間の位置で位置決め可能である。
【００１８】
好ましくは、バルブ要素はバタフライバルブ要素である。
【００１９】
好ましくは、バルブは、内燃機関の燃料供給システムのスロットルバルブである。
【００２０】
代替的に、バルブ要素は、固定軸の周りを回転するボールバルブ要素である。
【００２１】
随意的に、バルブは給水バルブである。
【００２２】
随意的に、バルブ要素は、スピンドルバルブ要素である。
【００２３】
代替的に、バルブは、熱交換器の液体制御バルブである。
【００２４】
随意的に、バルブは、内燃機関の熱交換システムの制御バルブである。
【００２５】
本考案により、バルブの作動要件に密接に追従する出力をもつアクチュエータを有するガス又は液体用の電動バルブ構造体が可能になるので、この用途のための小型で効率のよいアクチュエータが可能になる。本考案の特定の実施形態では、オープンループ作動で利用することができる、フェールセーフアクチュエータの構造体が可能になる。これにより、従来のアクチュエータに必要であったバルブ要素の実位置を検出するセンサシステムが不要となり、複雑性及びコストを低減できる。
【００２６】
本考案の実施形態は、内燃機関のキャブレター又は燃料供給システムに用いられるバタフライバルブに適用できるが、他の実施形態は、給水バルブ、特に車両のエンジン冷却システム等の熱交換システムの冷却水の流れを制御するバルブに適用できる。
【００２７】
本考案の好適な実施形態は、添付図面を参照して例示的に以下に説明される。図において、２つ以上の図に現れる同一の構造、要素、又は部分には、現れる図面すべてにおいて同じ参照番号が付される。図に示された部品及び形状の寸法は全て、説明を簡単にして明確に行うために選ばれており、必ずしも縮尺通りであるとは限らない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】アクチュエータの出力位置に対して一定のトルク出力を有する典型的な従来のアクチュエータに関するトルク曲線を示す。
【図２】バタフライバルブを開放するための典型的な非線形トルク曲線を示す。
【図３】好適な実施形態による組み立てられたアクチュエータの図であり、カバーは取り外されている。
【図４】好適な実施形態のアクチュエータの歯車列構成を示す。
【図５】バタフライバルブを示す。
【図６】バタフライバルブの作動を示す概略図である。
【図７】アクチュエータを有する２方向バルブの実施例を示す。
【図８】リニアグローブバルブの作動を示す概略図である。
【図９】ピストンバルブの作動を示す概略図である。
【図１０】ゲートバルブの作動を示す概略図である。
【図１１】くさび状ゲートバルブの作動を示す概略図である。
【図１２】ダイアフラムバルブの作動を示す概略図である。
【図１３】ピンチバルブの作動を示す概略図である。
【図１４】回転ボール又はプラグバルブの作動を示す概略図である。
【図１５】回転グローブバルブの作動を示す概略図である。
【図１６】回転ディスクバルブの作動を示す概略図である。
【図１７】回転バルブ組立体の部分断面概略図である。
【考案を実施するための形態】
【００２９】
図１は、アクチュエータの出力位置（作動角）と所要トルクとの間で直線関係を有するシステムに関するトルク−位置曲線を示す。これは従来のバルブ用アクチュエータの設計に使用されていると想定される関係にある。図２は、非線形関係を有するシステムに関する同様のグラフである。この曲線は、液体の流れを制御するバタフライバルブを開放するのに必要なトルクを示す典型的なトルク曲線である。これはバルブを開放する力が最初は高いがその後バルブが開くにつれて減少する流体バルブに特有である。ほぼ一定の機械的摩擦オフセットに加えて、アクチュエータは、流体がバルブ要素に加えるトルクに打ち勝つ必要があり、このトルクは完全に閉じた位置付近で最大である。この曲線は、大部分の回転及び線形流体バルブのトルク曲線に類似しており、これは流体バルブの非定常のトルク要求を示すために提示される。勿論、種々のバルブのバルブ要素に加わる実際に力は、バルブ設計並びに流体、流体圧、及び流速に応じて変わる。いくつかのバルブに関して、バルブを閉じるために大きなトルクが必要であり、他のバルブに関して、バルブを開くために大きなトルクが必要である。しかしながらルク曲線は一定ではない。
【００３０】
図３は、好ましいアクチュエータを組み立てた形態で示し、内部が見えるようにカバーは取り外されている。アクチュエータ１０は、ステッピングモータ２０、出力１８、及びモータを出力に連結する歯車列３０を収容する、蓋（図示せず）を備えたケーシング１２を有する。電気ソケット１４により、モータを作動させるための電力ライン及び信号ラインを接続することができる。また、信号ライン経由の命令に基づいてモータを制御するための電子機器に関するＰＣＢ１６（プリント回路基板）が設けられている。ＰＣＢは、システム管理コンピュータと通信するためのＬＩＮバス電子機器を含むことができる。
【００３１】
歯車列３０は図４に明瞭に示されている。歯車列は、モータの軸２２をアクチュエータの出力１８に連結する。好適な実施形態のモータはステッピングモータ２０であり、図４に示されており、ＰＣＢ１６に接続されている。好適な実施形態において、アクチュエータの出力１８は軸５０であり、バルブ機構の差込軸又は駆動軸の端部を収容してバルブ要素の角度又は位置を変更するための星形ソケット５２を有している。
【００３２】
歯車列３０は、モータ軸２２に取り付けられた歯２４にかみ合う第１の平歯車３２、第１の平歯車にかみ合う第２の平歯車３４、第１の順送り変速歯車３６、及び第２の順送り変速歯車３８を備える第１の順送り変速歯車は普通の平歯車４０を第１のねじれ歯車４２と組み合わせたものである。平歯車４０は第２の平歯車３４とかみ合い、第１のねじれ歯車４２は第２の順送り変速歯車３８とかみ合う。第２の順送り変速歯車は、アクチュエータの出力軸に取り付けられた第２のねじれ歯車４４を備える。第２のねじれ歯車４４は第１のねじれ歯車４２にかみ合う。
【００３３】
戻りバネ５４は、好ましくは第２のねじれ歯車４４を介して出力軸５０に取り付けられ、モータがオフとなった場合に出力軸を定位置又は初期作動角に戻すようになっており、歯車列を介してモータをバックドライブする。戻りバネ５４は、出力軸５０の周りに配置された、らせんバネ又はコイルバネとして示されており、一端は第２のねじれ歯車４４を通る軸に固定され、他端はケーシング１２に固定される。従って、使用時、出力軸が定位置から移動するとバネは巻き上げられて（又は、巻き上げ解除されて）、出力軸が定位置に戻るように付勢する弾性復元力を生成する。モータ２０は、この復元力に抗して出力軸を駆動する必要がある。また、モータは、出力軸を外力に抗して所望の作動角に駆動又は保持する必要があり、例えばこの外力は特に流体が高流量の場合の流体圧によってバルブ要素に加わる力である。
【００３４】
順送り変速歯車比は、２つのねじれ歯車の相互作用でもたらされる。好ましくは、ねじれ歯車４２、４４は、ピッチ線が対数うずまき軌道を辿る対数歯車である。順送り変速歯車比では、様々な作動角でアクチュエータの最大出力トルクが変わる。これにより、モータは物理的に小型となり、高いトルク要求領域では高い歯車比によって所望の最大トルク出力を可能とするが、低いトルク要求領域では低い歯車比に起因して速い応答時間を可能とする。従って、アクチュエータの出力トルクは負荷要求により厳密に一致し、モータは大部分の作動角で過出力となることはなく、特定の作動角でのトルク要求を満たすようになっている。
【００３５】
順送り変速歯車は、角度の関数として半径が変わり、可変トルク及び可変接線速度を伝達する少なくとも１つの歯車を備えることができる。歯車が固定軸を有する歯車列を構成するために、１つの好都合な構成では、以下の条件を満たす２つの対数うずまき歯車を備える。
【００３６】
・２つの歯車軸の間の距離が一定である。
・１つの全周期の間に歯車が連続的に接触する。
・半径がホイール角、ｒ（φ）＝ａ・ｅｘｐ（ｋ・φ）に対して対数的に大きくなる。
・入力ホイール角と出力ホイール角との比率が対数的である（トルクに関しても当てはまる）。
【００３７】
ねじれ歯車パラメータの適切な大きさにより可変トルクの補償が可能になる。順送り変速歯車を用いることで、モータサイズを著しく小さくすることができ（低価格及び軽量化）、平均電力消費量を低減することができる。
【００３８】
図５は、本考案によるアクチュエータを取り付けることができるバタフライバルブ６０を示す。バルブ６０は、貫通通路６８及び該通路を開閉するように移動可能なバルブ要素６４を有するバルブ本体６２を含む。バルブ要素は、アクチュエータで回転されるスピンドル６６に取り付けられる。本実施形態において、バルブ要素は、スピンドルに取り付けられて通路内に配置されるバタフライ要素である。図６の概略図に示すように、バルブ要素６４は、バルブ要素が通路６８を横切って通路を閉鎖又は完全にブロックする第１の位置と、開放位置として知られ、バルブが通路の方向に延びて通路を通る流体流に対して最小の妨害物となる第２の位置との間で９０°回転する。図６から分かるように、バルブが開き始める際にバルブ要素上の流体圧は相対的に高いが、バルブがほぼ完全に開いた場合にはバルブ要素上の流体圧は相対的に低い。
【００３９】
図７は２方向バルブ６０を示し、バルブ要素は、バルブ本体内で直線移動してバルブを開閉するようになっている。本実施形態において、バルブは１つの入口及び２つの出口を有する。バルブ要素は、バルブ本体を通る通路内を摺動する。第１の位置において、バルブ要素は、入口を遮断又は閉鎖する。第２の位置において、バルブ要素は第１の出口を開放すると共に第２の出口を遮断する。第３の位置において、バルブ要素は、入口と第１の出口との間に配置され、第２の出口は開放されると共に第１の出口は遮断される。理解できるように、バルブを通過する流体圧がバルブの閉鎖を妨害するので、バルブの閉鎖には大きなトルクが必要である。しかしながら、一旦閉じると、バルブを開放するのは比較的容易である。
【００４０】
図８から１３は他のバルブ形式を示し、バルブ要素は直線移動してバルブの開閉を行う。図面は概略的であり、このバルブ形式の作動原理を示すものである。図８は、リニアグローブバルブを示し、バルブ要素は上下に直線移動してバルブ本体を通る通路を開閉する。通常、直線運動は、スピンドルとバルブ要素との間のねじ連結で実現される。バルブ要素は摺動可能に支持されるが回転はしないようになっている。従って、アクチュエータによってスピンドルが回転すると、バルブ要素はスピンドルに沿って上下に移動することになる。このバルブ形式において、バルブ要素は通路内に形成された座部に対してシールされてバルブを閉鎖するようになっている。
【００４１】
図９はピストンバルブ６０を示し、バルブ要素６４は、上下に移動して通路６８を開閉するピストンである。図１０は平行なゲートバルブ要素６４を有するゲートバルブを示し、上下に移動して通路６８を開閉する。図１１はくさび形ゲートを有するゲートバルブである。これは図１０のバルブと同様に作動する。図１２はダイアフラムバルブを示す。バルブ要素は、上下に移動して通路を開閉するゴム製ダイアフラム７２を含む。ゴム製ダイアフラムは、ガスライン等の特定の用途に必要な信頼性の高いシールを提供する。図１３はピンチバルブを示し、バルブ要素は、通路の弾性部を圧迫してバルブを通過する流体流を絞るようになっている。
【００４２】
図１４から１７は他のバルブ形式を示し、バルブ要素は回転方式で移動して、つまり回転してバルブを開閉するようになっている。図面は概略的であり、このバルブ形式の作動原理を示すものである。図１４はボールバルブ又はプラグバルブ６０の作動原理を示し、バルブ要素６４は、開放位置でバルブ本体６２の貫通通路６８に整列する貫通穴７０を有する。バルブを通る流れを制限してバルブを閉鎖するために、バルブ要素は貫通穴７０が通路６８に整列しないように回転して、バルブ要素は、閉鎖位置において貫通通路をシールして流体流を阻止するようになっている。ボールバルブではバルブ要素は球形である。プラグバルブではバルブ要素は円筒形又は裁頭円錐形である。
【００４３】
図１５は回転グローブバルブ６０の作動原理を示し、バルブ要素６４は開放位置と閉鎖位置との間を回転し、閉鎖位置ではバルブ要素は、バルブ本体６２の貫通通路６８をシール又は閉鎖する。バルブ要素６４は、アクチュエータによってスピンドル６６が回転する際にスピンドルと一緒に回転するように、スピンドル６６に取り付けられている。図１６はディスクバルブ６０を示し、貫通穴７０を有するディスクは、貫通穴が貫通通路６８と整列する開放位置から、貫通穴７０が貫通通路６８と重ならず通路がディスクでシールされる閉鎖位置に回転する。図１７は回転バルブ６０を示す。このバルブは部分断面の形態で示されている。バルブ本体６２は円筒形態であり、バルブ要素６４は、バルブ本体の内部に配置され貫通通路６８の一部を形成する環状又は中空円筒形態である。本実施例において、バルブは、単一の入口（底部に設けられる）及びバルブ本体の円筒壁に形成された複数の出口（３個）を有する。バルブ要素６４の壁の穴７０は回転して特定の出口に整列するが、同時にバルブ要素６４の本体は他の出口をシールする。
【００４４】
使用時、アクチュエータはバルブに連結してバルブ要素を閉鎖位置と完全開放位置との間で電気的に作動させるか又は移動させる。アクチュエータのギアボックスに使用される順送り変速歯車は、バルブのトルク要求に合致するように構成及び設定されるので、アクチュエータのモータは用途に適した大きさとなる。従って、バルブの消費電力を低減することができ、アクチュエータの物理的な大きさ及び重さを低減して小型、軽量のバルブ組立体をもたらすことができる。
【００４５】
本考案の説明及び請求項において、動詞「備える」、「含む」、「包含する」、及び「有する」、及びそれらの派生語は、記述された物品が存在することを特定するために総括的な意味で使用されており、追加的な物品の存在を排除するものではない。
【００４６】
本考案は、１つ又はそれ以上の好ましい実施形態を参照して説明されているが、当業者は、様々な改良が可能であることを認識できるであろう。したがって、本考案の範囲は、請求項によって決定されるべきものである。
【符号の説明】
【００４７】
１０  アクチュエータ
１２  ケーシング
１４  電気ソケット
１６  ＰＣＢ
２０  ステッピングモータ
３２  第１の平歯車
３４  第２の平歯車
３６  順送り変速歯車
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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