JP7126475B2 - サーモアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、ケースに封入された熱膨張体を加熱可能な加熱体を有するサーモアクチュエータに関する。

サーモアクチュエータは、周囲温度が所定の温度を超えた場合に、ピストンが進出する部品であって、例えば、車両のエンジンの冷却装置の一部を構成するサーモスタットに設けられる。サーモスタットに関する従来技術として、特許文献１に開示される技術がある。

図７は、特許文献１の図４を左右に反転させて一部を修正し、符号を振り直した図である。サーモスタット１００は、バルブを開閉するサーモアクチュエータ１０１と、サーモアクチュエータ１０１の感温部１０１ａ側の部位を保持している第１の保持部１０２と、サーモアクチュエータ１０１のピストン１０４を支持している支持部１０１ｂ側の部位を保持している第２の保持部１０５と、を有している。第２の保持部１０５には、冷却水の流路１０３が設けられている。

エンジンが暖まると、流路１０３を流れる冷却水の温度が上昇し、感温部１０１ａに封入されたワックス１０１ｃ（熱膨張体）が膨張する。ワックス１０１ｃが膨張すると、ピストン１０４が支持部１０１ｂから進出して、バルブが開く。冷却水は、ラジエータに流れ、冷却ファンによって冷却される。冷却された冷却水によりエンジンが冷却される。

さらに、サーモスタット１００には、感温部１０１ａを強制的に加熱可能なヒータ１０６（加熱体）が設けられている。そのため、冷却水の温度が低温であっても、ヒータ１０６により感温部１０１ａを加熱させることにより、サーモアクチュエータ１０１を作動させることができる。

特開２００６－２７４８９８号公報

サーモアクチュエータ１０１の支持部１０１ｂには、付勢部材１０７が取り付けられている。サーモアクチュエータ１０１は、ヒータ１０６に向けて付勢される。そのため、感温部１０１ａは、ヒータ１０６に密着し、ヒータ１０６からワックス１０１ｃへの伝熱効率が高まる。サーモアクチュエータ１０１の応答性が向上する。

ヒータ１０６が発する熱の一部は、第１の保持部１０２を介して、流路１０３を流れる冷却水に逃げてしまう。そのため、ワックス１０１ｃを加熱するための必要な熱量は、冷却水に逃げる熱量も考慮する必要がある。この場合、ヒータ１０６の消費電力も大きくなる。そこで、ヒータ１０６を感温部１０１ａに内蔵して、ヒータ１０６によりワックス１０１ｃを直接加熱させることも考えられる。しかし、単にヒータ１０６を内蔵しただけでは、応答性の向上に限界があり、改良することが望ましい。

本発明は、ヒータを内蔵するサーモアクチュエータについて、ヒータの熱に対する応答性を向上させる技術の提供を課題とする。

請求項１によれば、筒状のケースと、このケースに封入されて周囲温度に応じて膨張及び収縮する熱膨張体と、一部が前記ケースに収納されているピストンと、前記ケースに内蔵され前記熱膨張体を強制的に加熱可能な加熱体と、を有し、
前記ピストンは、前記ケースに対して、前記熱膨張体の膨張及び収縮に応じて進退するサーモアクチュエータにおいて、
前記加熱体は、前記ピストンの進出方向に延びている筒状の延出部を有しており、この延出部は、前記熱膨張体の一部を囲っており、
前記ピストンが最も後退している状態において、前記延出部の延出長さは、前記ピストンの少なくとも後端部を囲うことが可能な長さに設定されており、
前記ピストンの前記後端部の外周面は、前記ピストンの後方に向かうに連れて縮径しており、
前記延出部の内面は、前記ピストンの前方に向かうに連れて拡径する拡径面と、前記拡径面よりも前記ピストンの前方側に位置していると共に一定の径の内周面と、を有している、ことを特徴とするサーモアクチュエータが提供される。

請求項２に記載のごとく、好ましくは、前記延出部は、前記ピストンの径方向に貫通している貫通部を有している。

請求項３に記載のごとく、好ましくは、前記ケースの内周面と、前記加熱体の外周面との間には、断熱部が設けられている。

請求項１では、熱膨張体を加熱可能な加熱体は、ピストンの進出方向に延びている筒状の延出部を有している。この延出部は、熱膨張体の一部を囲っている。そのため、加熱体は、ケースに封入された熱膨張体のうち、延出部に囲われた部分を局所的に融解させることができる。さらに、延出部は、延出部に囲われた熱膨張体と、ケースの周囲を流れる流体との間を断熱する役割も果たす。そのため、延出部に囲われた熱膨張体に加えられた熱は、外部へ逃げにくくなる。結果、加熱体が発する熱に対するサーモアクチュエータの応答性が向上する。

上記の通り、延出部は筒状を呈している。そのため、延出長さ（筒の長手方向の寸法）の調整により、延出部により加熱される熱膨張体の分量を変更することができ、サーモアクチュエータのピストンのリフト量の調整が可能となる。

加えて、ピストンが最も後退している状態において、延出部の延出長さは、ピストンの少なくとも後端部を囲うことが可能な延出長さに設定されている。即ち、ピストンが最も後退している状態において、ピストンの後端部は、筒状の延出部の内部に位置している。そのため、延出部は、ピストンの後端部の後方の領域のみならず、後端部の外周の環状の領域も加熱することができる。サーモアクチュエータの応答性がさらに向上する。

請求項２では、延出部は、延出部の径方向に貫通している貫通部を有している。延出部に囲われた熱膨張体は、流体の温度を感知しやすくなる。さらに、延出部の内部と外部は、この貫通部を介して連通可能となる。そのため、熱膨張体は、貫通部を通過して流動可能となる。流体の熱により熱膨張体が膨張した場合、膨張した熱膨張体が貫通部を通過して延出部の内部に入り込みピストンを押し出すことが可能となる。サーモアクチュエータについて、加熱体の熱に対する応答性と、流体の熱に対する応答性を両立させることができる。

請求項３では、ケースの内周面と、加熱体の外周面との間には、断熱部が設けられている。そのため、加熱体から生じる熱がケースを介して外部に放熱されることを抑制できる。加熱体の消費電力を低減することができる。

実施例１による加熱体を有する排熱回収装置の斜視図である。 図１に示されたサーモアクチュエータの断面図である。 図３（ａ）は、図２に示されたサーモアクチュエータの加熱体を説明する図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示された加熱体の斜視図である。 図４（ａ）は、実施例２による加熱体を有するサーモアクチュエータを説明する図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示された加熱体の斜視図である。図４（ｃ）は、実施例２の変形例１による加熱体の斜視図である。 実施例２の作用図である。 図６（ａ）は、実施例２の変形例２による加熱体の斜視図である。図６（ｂ）及び図６（ｃ）は、図６（ａ）に示された加熱体を有するサーモアクチュエータの断面図である。 従来の技術基本構成を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図中Ｆｒはサーモアクチュエータのピストンの進出方向、Ｒｒはピストンの後退方向を示している。

＜実施例１＞
図１には、実施例によるサーモアクチュエータ１０を備えた排熱回収装置１１が示されている。この排熱回収装置１１は、導入部１２と、この導入部１２と連通して排気ガス及び冷却水の熱交換を行う熱交換器１３と、導入部１２に接続されて熱交換器１３を迂回して排気ガスを流すことのできるバイパス管１４と、バイパス管１４が接続するバルブ室１５と、熱交換器１３とバルブ室１５とを接続している接続管１６と、このバルブ室１５に接続され、バイパス管１４又は熱交換器１３を通過した排気ガスが排出される排出部１７と、を有している。

熱交換器１３には、冷却水を導入する導入管２１と、熱交換器１３の内部を通過した冷却水を排出する第１の配管２２とが、接続している。サーモアクチュエータ１０には、第１の配管２２と、サーモアクチュエータ１０の内部を通過した冷却水を排出する第２の配管２３とが、接続している。

バルブ室１５内には、バイパス管１４の末端を開閉するバルブ（図示せず）が設けられている。バルブが閉じられた状態では、導入部１２から導入された排気ガスは、熱交換器１３の内部を通過して、排気ガスと冷却水との熱交換が行われる。その後、排気ガスは、バルブ室１５を通過して、排出部１７から排出される。熱交換により冷却水が所定の温度を超えると、サーモアクチュエータ１０が作動し、バルブが開く。バルブが開いている状態では、排気ガスは、バイパス管１４の内部を通過して、排出部１７から排出される。

上記の通り、サーモアクチュエータ１０は、熱交換器１３の内部を流れる冷却水の温度に応じて作動するが、後述する加熱体により強制的に加熱することにより、作動可能である。

図２を参照する。サーモアクチュエータ１０は、周囲温度を感知する円柱状の感温部３０と、この感温部３０を収納している筒状の第１のケース半体４０と、感温部３０により駆動されるロッド５１と、ロッド５１を後退する方向に付勢している付勢部材５２と、ロッド５１及び付勢部材５２を収納している第２のケース半体５０と、からなる。

感温部３０は、筒状の感温ケース６０（ケース）と、感温ケース６０の筒部６１に封入されているワックス３１（熱膨張体）と、感温ケース６０に内蔵されているヒータ７０（加熱体）と、感温ケース６０に対して進退可能なピストン３２と、ピストン３２の後端部３２ａを含む部位を包んでいるスリーブ３３と、進退するピストン３２の支持穴３４ａを備えていると共に感温ケース６０の開口６２を塞いでいる蓋３４と、からなる。

第１のケース半体４０は、ヒータ７０を給電する２本の給電コード４１、４１が挿通可能な挿通穴４２ａが設けられた底部４２と、感温ケース６０の筒部６１を収納している第１の筒部４３と、感温ケース６０の鍔部６３が当接している第１のフランジ部４４と、からなる。

感温ケース６０の外周面６４の端部６４ａには、シール部材３５が設けられている。感温ケース６０の鍔部６３の当接面６３ａには、シール部材３６が設けられている。

第１の筒部４３は、第１の配管２２及び第２の配管２３と接続している。第１の筒部４３には、第１の配管２２が差し込まれている第１の差込口２５と、第２の配管２３が差し込まれている第２の差込口２６が設けられている。

第２のケース半体５０は、第１のフランジ部４４と共に感温ケース６０の鍔部６３を挟み込んでいる第２のフランジ部５３と、付勢部材５２及びロッド５１を収納している第２の筒部５４と、ロッド５１が貫通している穴５５ａが設けられている第２の底部５５と、からなる。第２の底部５５の内側には、ロッド５１を支持する軸受部８１が設けられている。

軸受部８１は、ブッシュ８２と、ブッシュ８２を第２のケース半体５０の第２の底部５４に固定する固定部８３と、からなる。ロッド５１の前端５１ａには、バルブを開閉するフック部材８４が設けられている。ロッド５１の後端５１ｂには、ロッド５１の進退量を規定するストッパ８５が設けられている。

付勢部材５２の一端５２ａは、ストッパ８５に当接している。付勢部材５２の他端５２ｂは、固定部８３に当接している。第２の底部５５の外側には、可撓性を有しロッド５１のうち第２のケース半体５０から突出した部位を覆うブーツ５６が取付けられている。

第１のケース半体４０と、第２のケース半体５０とは、締結構造で一体化されている。詳細には、第１のケース半体４０と、第２のケース半体５０とは、２組のボルト４５及びナット４６で締結される。なお、第１のケース半体４０と第２のケース半体５０との締結には、溶接や、かしめ等の任意の方法を採用してもよい。

図３（ａ）及び図３（ｂ）を参照する。ヒータ７０は、円柱状の本体部７１と、この本体部７１の前端面７２の周縁部７２ａから前方（ピストン３２の進出方向）に延びている延出部９０と、を有している。

延出部９０は、筒状を呈しており、ワックス３１の一部を囲っている。延出部９０の中心は、ピストン３２の進退方向の中心線ＣＬ１と一致する。本体部７１の直径と、延出部９０の外径は、等しい。２本の給電コード４１、４１は、本体部７１の後端面７３から延びている。

感温ケース６０と、ヒータ７０との間には、環状の第１のシール部材６５及び第２のシール部材６６が設けられている。

本体部７１と延出部９０との境界７０ａには、第１のシール部材６５を保持する第１の環状溝７４が設けられている。

第１の環状溝７４は、ヒータ７０の外周面７０ｂに対して凸状に設けられている２つの第１の凸部７５、７５から構成されている。２つの第１の凸部７５、７５は、前後方向（ピストンの進退方向）に互いに間隔を空けて設けられている。前側の第１の凸部７５は、本体部７１の前端面７２よりも前方に位置している。

本体部７１の後端７１ａには、第２のシール部材６６を保持する第２の環状溝７６が設けられている。

第２の環状溝７６は、ヒータ７０の外周面７０ｂに対して凸状に設けられている２つの第２の凸部７７、７７から構成されている。２つの第２の凸部７７、７７は、前後方向に互いに間隔を空けて設けられている。後側の第２の凸部７７は、本体部７１の後端面７３と同一平面上の面を有している。

ヒータ７０が、感温ケース６０に嵌合した状態において、各々のシール部材６５、６６は、感温ケース６０の内周面６０ａに密着している。感温ケース６０の内周面６０ａと、ヒータ７０の外周面７０ｂとの間には、隙間Ｃ（断熱部）が設けられている。

延出部９０の内面９１は、ピストン３２の前方に向かうに連れて拡径する拡径面９２と、一定の径の内周面９３と、を有している。

感温ケース６０のなかの、ヒータ７０の前端面７２よりも前方の領域には、ワックス３１が充填されている。筒状の延出部９０に囲われた領域と、感温ケース６０の内周面６０ａ及び延出部９０の外周面９４との間の領域には、ワックス３１が充填されている。

ピストン３２が最も後退している状態において、ピストン３２の後端部３２ａは、筒状の延出部９０の内部に位置している。即ち、延出部９０の延出長さは、ピストン３２の後端部３２ａを囲うことが可能な長さに設定されており、ピストン３２の後端部３２ａは、延出部９０の内周面９３に囲われている。

＜実施例２＞
図４（ａ）には、図４（ｂ）に示された実施例２によるヒータ７０Ａを有するサーモアクチュエータ１０Ａの一部が示されている。実施例１のサーモアクチュエータ１０と共通する構成については、実施例１と同一の符号を付すると共に説明は省略する。

実施例１によるヒータ７０の延出部９０（図３（ｂ）参照）と比較すると、実施例２によるヒータ７０Ａの延出部９０Ａの延出長さが長い。延出部９０Ａの前端９０Ａａは、感温ケース６０の鍔部６３の当接面６３ａと同じ位置に位置している。

さらに、延出部９０Ａは、前端９０Ａａから後方へ延びている複数のスリット９５（貫通部）を有している。複数のスリット９５は、周方向に互いに等間隔に形成されている。

図４（ｃ）には、実施例２の変形例１によるヒータ７０Ｂが示されている。ヒータ７０Ｂの延出部９０Ｂは、周方向に断続的に形成された複数の貫通穴９６（貫通部）を有している。各々の貫通穴９６は、周方向に等間隔に位置しており、かつ、前後方向（進退方向）に互いに隣り合っている。

次に、実施例の効果について説明する。

図５には、実施例２のサーモアクチュエータ１０Ａの一部が示されている。ワックス３１を加熱可能なヒータ７０Ａは、本体部７１と、本体部７１の前端面７２（図３参照）からピストン３２の前方に延びている延出部９０Ａと、を有している。この延出部９０Ａは、筒状を呈しており、ワックス３１の一部を囲っている。そのため、ヒータ７０Ａは、感温ケース６０に封入されたワックス３１のうち、延出部９０Ａに囲われた部分を局所的に融解させることができる。さらに、延出部９０Ａは、延出部９０Ａに囲われたワックス３１と、感温ケース６０の周囲を流れる流体との間を断熱する役割も果たす。そのため、延出部９０Ａに囲われたワックス３１に加えられた熱は、外部へ逃げにくくなる。結果、ヒータ７０Ａが発する熱に対するサーモアクチュエータ１０Ａの応答性が向上する。

上記の通り、延出部９０Ａは筒状を呈している。そのため、延出長さ（筒の長手方向の寸法）の調整により、延出部９０Ａにより加熱されるワックス３１の分量を変更することができ、サーモアクチュエータ１０Ａのピストン３２のリフト量の調整が可能となる。

加えて、延出部９０Ａは、ピストン３２が最も後退している状態において、ピストン３２の少なくとも後端部３２ａを囲うことが可能な延出長さに設定されている。そのため、延出部９０は、ピストン３２の後端部３２ａの後方側の領域Ａ１のみならず、後端部３２ａの外周の環状の領域Ａ２も加熱することができる。サーモアクチュエータ１０Ａの応答性がさらに向上する。なお、上記の実施例２の効果は、実施例１でも発揮される。

図４（ｂ）及び図５を参照する。加えて、実施例２の延出部９０Ａは、前端９０Ａａから後方へ延びている複数のスリット９５を有している。スリット９５の深さＤは、ピストン３２が最も後退した状態における、延出部９０Ａに対するピストン３２の侵入深さＩ（ピストン３２を包むスリーブ３３の厚みも含む）と、等しくなるように設定されている。そのため、矢印（１）に示されるように、感温ケース６０の外部を流れる冷却水の熱は、延出部９０Ａに囲われた領域内のワックス３１へ伝わりやすくなる。ワックス３１は、冷却水の温度を感知しやすくなる。

さらに、延出部９０Ａに囲われた領域と外部とは、このスリット９５を介して連通可能となる。そのため、ワックス３１は、スリット９５を通過して流動可能となる。冷却水の熱によりワックス３１が膨張した場合、膨張したワックス３１がスリット９５を通過して延出部９０Ａの内部に入り込みピストン３１を押し出すことが可能となる。ワックス３１が延出部９０に囲われている場合であっても、サーモアクチュエータ１０Ａについて、ヒータ７０Ａの熱に対する応答性と、冷却水の熱に対する応答性を両立させることができる。

図４（ｃ）を参照する。貫通穴９６を有するヒータ７０Ｂも同様の効果を有する。なお、貫通穴９６は、延出部９０Ｂ内に侵入するピストン３２（図５参照）を囲むように設けることが望ましい。

図５を参照する。加えて、感温ケース６０の内周面６０ａと、ヒータ７０Ａの外周面７０ｂとの間には、隙間Ｃが設けられている。この隙間Ｃは断熱層となり、本体部７１が発する熱が感温ケース６０を介して外部に放熱されることを抑制でき、ヒータ７０Ａからワックス３１へ熱を無駄なく伝えることができる。さらに、ヒータ７０Ａの消費電力も低減することができる。なお、隙間Ｃに断熱材を設けても良い。

なお、ヒータ７０Ａの表面は、給電回路と電気的に遮断される構造である。そのため、ワックス３１に金属粉を混合することで、ワックス３１の熱伝導性が高まり、ヒータ７０Ａ及び冷却水の双方に対するサーモアクチュエータ１０Ａの応答性を高めることができる。ヒータ７０Ａは、温度上昇に伴い内部抵抗が上昇することで自己温度制御が可能となる。そのため、ワックス３１の熱分解を防止できる。

実施例２の変形例２について説明する。図６（ａ）を参照する。ヒータ７０Ｃの延出部９０Ｃは、スリット９５（図４（ｂ）参照）よりも周方向に幅の広い第１の切欠き部９７及び第２の切欠き部９８を有している。

図６（ｂ）及び図６（ｃ）を参照する。第１の切欠き部９７と、第２の切欠き部９８とは、周方向に互いに１８０度ずれている。中心線Ｃ１と直交する直交線Ｃ２は、第１の切欠き部９７、及び、第２の切欠き部９８を通過すると共に、第１の差込口２５Ｃ及び第２の差込穴２６Ｃを通過している。

なお、本発明の作用及び効果を奏する限りにおいて、本発明は、実施例に限定されるものではない。例えば、サーモアクチュエータをスリーブタイプのサーモスタットに採用した場合、スリーブ形状は、ゴムブロック部のボリュームが少なく、ピストンの形状に倣った（テーパー）形状の方がワックス量と作動性の点で望ましい。

本発明のサーモアクチュエータは、排熱回収装置に好適である。

１０…サーモアクチュエータ
２５Ｃ…第１の差込口
２６Ｃ…第２の差込口
３０…感温部
３１…ワックス（熱膨張体）
３２…ピストン、３２ａ…後端部
６０…感温ケース
６５…内周面
６６…第１のシール部材
６７…第２のシール部材
７０…ヒータ（加熱体）、７０ｂ…外周面
７１…本体部
７４…第１の環状溝
７５…第１の凸部
７６…第２の環状溝
７７…第２の凸部
９０、９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ…延出部
９５…スリット
９６…貫通穴
９７…第１の切欠き部
９８…第２の切欠き部

Claims (3)

1. 筒状のケースと、このケースに封入されて周囲温度に応じて膨張及び収縮する熱膨張体と、一部が前記ケースに収納されているピストンと、前記ケースに内蔵され前記熱膨張体を強制的に加熱可能な加熱体と、を有し、
   前記ピストンは、前記ケースに対して、前記熱膨張体の膨張及び収縮に応じて進退するサーモアクチュエータにおいて、
   前記加熱体は、前記ピストンの進出方向に延びている筒状の延出部を有しており、この延出部は、前記熱膨張体の一部を囲っており、
   前記ピストンが最も後退している状態において、前記延出部の延出長さは、前記ピストンの少なくとも後端部を囲うことが可能な長さに設定されており、
   前記ピストンの前記後端部の外周面は、前記ピストンの後方に向かうに連れて縮径しており、
   前記延出部の内面は、前記ピストンの前方に向かうに連れて拡径する拡径面と、前記拡径面よりも前記ピストンの前方側に位置していると共に一定の径の内周面と、を有している、ことを特徴とするサーモアクチュエータ。
2. 前記延出部は、前記延出部の径方向に貫通している貫通部を有している、ことを特徴とする請求項１に記載のサーモアクチュエータ。
3. 前記ケースの内周面と、前記加熱体の外周面との間には、断熱部が設けられている、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のサーモアクチュエータ。

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