JP2005155831A - サーモスタット装置及びそのピストン - Google Patents

Abstract

【課題】高耐久性、且つ組立、メンテナンスが容易なサーモスタット装置及びそのピストンを提供する。
【解決手段】 ハウジング４０内に固定されたピストン４に対して進退動作するシリンダ容器３と、シリンダ容器３内に設けられ、温度変化に伴う体積変化によりシリンダ容器３を進退動作させるワックスＷと、ピストン４のケーシング１５内に設けられ、通電によりワックスＷに熱を与える発熱素子１２とを備えたサーモスタット装置１であって、発熱素子１２は、ピストン４のケーシング１５外からケーシング１５内に貫通して形成された熱伝導性を有する延設部材１６と、ケーシング１５内の延設部材１６内に形成された発熱部１８と、ケーシング１５外の延設部材１６に形成され、発熱部１８と電気的に接続された電極部１７とにより構成され、発熱部１８に電圧供給するターミナル端子２１が電極部１７に当接することにより、電圧供給源と発熱部１８が電気的に接続される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、自動車等に使用される内燃機関（以下、エンジンという）の冷却水温度を可変制御する冷却水温度制御系において、水温可変制御を行うサーモスタット装置及びそのピストンに関する。

例えば、エンジン等の冷却水系に配置されるサーモスタット装置は、循環流路内を流れる冷却水の温度変化を感知して膨張・収縮するワックス（熱膨張体）を内蔵している。そして、前記サーモスタット装置は、ワックスの膨張・収縮に伴う体積変化により弁体の開閉を行って、冷却水を所定の温度に保持するように機能する。

この種のサーモスタット装置において、前記熱膨張体の温度制御を行うヒータ手段を、前記ワックスを封入したケース内（あるいはケース外）に設け、このヒータ手段からの発熱により前記ワックスの体積変化を制御可能に構成したものがある。
例えば、このようなサーモスタット装置について、特許文献１（特開昭５５−１５５９７９号公報）に開示されている。特許文献１におけるサーモスタット装置の構成例を図９に示す。なお図９は、このサーモスタット装置の断面図である。

図９に示すサーモスタット装置５０は、冷却水の流路である複数の導管に接続されたハウジング５１内において、支持フレーム５２によって支持され、設置されている。前記支持フレーム５２には、ピストン５３が固定して設置され、このピストン５３に対してシリンダ容器５４が上下に摺動するように構成されている。

また、前記支持フレーム５２には弁座５５が固定されて設けられる一方、前記ピストン５３には前記弁座５５に対する弁体５６が設けられ、前記シリンダ容器５４の動作に応じて弁の開閉動作を行うようになされている。前記弁体５６の下部はスプリング５７が当接しており、スプリング５７の弾発力が閉弁する方向に加えられている。

また、前記シリンダ容器５４内には、熱膨張体であるワックス５８が封入されており、このワックス５８の体積変化によってシリンダ容器５４が上下摺動するようになされている。さらに、ワックス５８内には、このワックス５８を加熱するため、ヒータ手段として抵抗発熱体である、例えば渦巻状の加熱コイル５９が設けられている。この加熱コイル５９は、通電することによる抵抗熱を発生し、コイル両端の電極には、ピストン外部に引き出された電線６０から電圧印加され通電するように構成されている。

このような構成のサーモスタット装置５０にあっては、ワックス５８の体積変化は、基本的にシリンダ容器５４に接触する冷却水の温度に応じる。そして、前記ヒータ手段によりワックス５８を加熱し、さらにその体積変化を調整制御するようになされている。
実開昭５５−１５５９７９号公報（第１１頁第１８行乃至第１５頁第１１行、第２図）

ところで、特許文献１に示されたサーモスタット装置５０においては、前記したように抵抗発熱体である加熱コイル５９が用いられている。また、電線６０を介して加熱コイル５９に通電するように構成されている。このようにヒータ手段が基本的に電線により形成されたものであると、電線６０あるいは加熱コイル５９が断線し易く、特に電線６０が冷却水の流路中に設けられるため、その抵抗を受け易く、断線し易いという課題があった。また、加熱コイル５９が酸化し、断線あるいは抵抗不良を引き起こすという課題があった。
また、サーモスタット装置５０の組立作業においては、電線６０および加熱コイル５９の組み付けを粗雑に行うと、その強度の低さから電線６０あるいは加熱コイル５９が断線する虞があり、組立てが困難であるという課題があった。さらに、加熱コイル５９と、加熱コイル５９に電圧印加する手段（図示せず）との間を電線６０で接続しているため、サーモスタット装置５０の冷却水系への取り付け作業が煩雑となり、取り付け時に電線６０が断線する虞があった。また、電線６０や加熱コイル５９が断線した際に、容易に交換して修理することが出来ないという課題があった。

本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、発熱特性に優れ、容易に破断することがない耐久性の高い発熱素子を有し、電気的接続を着脱自在な構成とすることにより、高耐久性であり、且つ組立、メンテナンスが容易なサーモスタット装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明にかかるサーモスタット装置は、冷却水が流れる複数の流路に連結されたハウジング内に設置されると共に、前記ハウジング内に固定されたピストンと、前記ピストンに対して進退動作するシリンダ容器と、前記シリンダ容器内に設けられ、温度変化に伴う体積変化によりシリンダ容器を進退動作させる熱膨張体と、前記ピストンのケーシング内に設けられ、通電することにより前記熱膨張体に熱を与える発熱素子とを備えたサーモスタット装置であって、前記発熱素子は、前記ピストンのケーシング外から前記ケーシング内に貫通して形成された熱伝導性を有する延設部材と、前記ケーシング内における延設部材内に形成された発熱部と、前記ケーシング外における延設部材に形成され、前記発熱部と電気的に接続された電極部とにより構成され、前記発熱部に電圧供給するターミナル端子が前記電極部に当接することにより、電圧供給源と前記発熱部が電気的に接続されることに特徴を有する。
このように、電圧供給されるターミナル端子が延設部材の電極部と当接し、発熱素子に対して着脱自在に構成されているため、組立、メンテナンスが容易となる。
また、発熱素子における発熱部は延設部材内に形成され、電圧印加される電極部のみが延設部材に形成されるため、容易に破断することのない耐久性の高い発熱素子を得ることができる。
さらに、前記発熱素子はピストンのケーシング内に設けられるため、ピストン周面から略均一に発熱することができ、効果的に熱膨張体を加熱することができる。

また、前記ターミナル端子と、前記ターミナル端子を前記ハウジングに固定するコネクタ部材とを有するターミナルコネクタを備え、前記コネクタ部材は前記ハウジングと嵌合し、前記ターミナル端子は前記延設部材と係止した状態で、前記ターミナル端子は前記電極部に当接することが望ましい。
このように構成することによって、ターミナル端子と発熱素子とを安定した電気的接続状態になすことができる。

また、前記ピストンは直接、またはストッパ部材を介して前記ハウジング内に固定され、前記ピストンと前記ハウジングとの間には、シール部材が設けられることが望ましい。
このように構成することにより、ピストンを確実にハウジングに固定すると共に、前記ピストンの上部と下部を遮断することができる。すなわちピストンに形成された前記延設部材が冷却水の通路と遮断され、延設部材に形成された電極部等が冷却水に接触しないため、酸化による断線、短絡等を防止することができる。

また、前記ピストンにおいて、前記ケーシングと前記延設部材との間隙には耐熱性のシール部材が充填され、前記発熱部の周囲における前記シール部材内には金属粉が混入されていることが望ましい。
このように、シール部材に金属粉を混入することによって、シール部材の熱伝導性を向上することができ、発熱部からの熱を効果的に熱膨張体に与えることができる。

また、本発明にかかるサーモスタット装置のピストンは、温度変化に伴う熱膨張体の体積変化に応じて、シリンダ容器に対して進退動作するサーモスタット装置のピストンにおいて、前記ピストンは、ケーシングと発熱素子とを備え、、前記発熱素子は、前記ケーシング外から前記ケーシング内に貫通して形成された熱伝導性を有する延設部材と、前記ケーシング内における延設部材内に形成された発熱部と、前記ケーシング外における延設部材に形成され、前記発熱部と電気的に接続された電極部とにより構成され、前記ケーシングと前記延設部材との間隙には耐熱性のシール部材が充填され、前記発熱部の周囲における前記シール部材内には金属粉が混入されていることに特徴を有する。
このように、発熱部が延設部材内に形成され、電圧印加される電極部のみが延設部材に形成されるため、容易に破断することのない耐久性の高い発熱素子を得ることができる。さらに、前記発熱素子はケーシング内に設けられるため、ピストン周面から略均一に発熱することができると共に、シール部材内に混入された金属粉により熱伝導性が向上し、効果的に熱膨張体を加熱することができる。

本発明によれば、発熱特性に優れ、容易に破断することがない耐久性の高い発熱素子を用い、前記発熱素子とターミナル端子とを着脱自在な構成とすることにより、高耐久性であり、且つ組立、メンテナンスが容易なサーモスタット装置及びそのピストンを提供することができる。

以下、本発明にかかる実施の形態につき、図に基づいて説明する。図１は、本発明に係るサーモスタット装置の構成を示す一部断面図である。図２は、図１のサーモスタット装置が備えるピストンおよびシリンダの断面図である。図３、図４は、図１のサーモスタット装置が備える発熱素子の製作工程を示す図である。また、図５は、発熱素子と電気的に接続するターミナルコネクタの平面図である。

図１に示すサーモスタット装置１は、冷却水が流れる複数の流路に連結されるハウジング４０内に設置され、前記流路を弁動作により連通または遮断する働きをする。
このサーモスタット装置１は、ハウジング４０内に固定されたピストン４と、前記ピストン４に対して進退動作するシリンダ容器３とを備えている。また、前記シリンダ容器３の外周に形成されたフランジ弁５と、シリンダ容器３を取り巻いて設置されると共にフランジ弁５の裏側に一端が当接したスプリング７と、シリンダ容器３の下部外周に形成されると共にスプリング７の他端が当接する下部フランジ８とを備えている。

前記ピストン４は、その上部がハウジング４０に対して、金属製のストッパ部材９を介して装着される。すなわち、前記ストッパ部材９は、円形形状に形成され、その外周部９ａがハウジング４０（流路）の内壁に嵌合すると共に、その中心部にはピストン４を覆うように立ち上がり部９ｂが形成され、該立ち上がり部９ｂはハウジング４０に形成された筒状部４０ｃに嵌合している。そして前記立ち上がり部９ｂにピストン４が嵌合し、固定されている。また、ピストン４と立ち上がり部９ｂ（ストッパ部材９）との間にはシール部材１０が、前記立ち上がり部９ｂと筒状部４０ｃ（ハウジング４０）との間にはシール部材１１が夫々設けられている。
なお、本実施形態においては、前記したようにストッパ部材９を介してピストン４をハウジング４０に固定する構成としたが、これに限らずピストン４とハウジング４０とを直接嵌合し、ピストン４をハウジング４０に固定する構成（図示せず）としてもよい。その場合には、ピストン４と筒状部４０ｃ（ハウジング４０）との間にシール部材（図示せず）を設けることが望ましい。

このようにして、ピストン４はハウジング４０に対して固定されており、これにより、ピストン上部が冷却水の通路と遮断され、冷却水に接触しないようになされている。
この状態で、ピストン４の下部は下方に向けて突出した状態で配置され、この突出したピストン下部に対してシリンダ容器３が上下摺動（進退動作）するようになされている。
前記したように、シリンダ容器３には、フランジ弁５が形成されており、この弁がハウジング４０内に形成された弁座４０ａに対して弁を開閉するように構成されている。なお、フランジ弁５の周縁部には、弁の密閉性を向上するためにゴムリング６が取り付けられている。

図２に示すように、シリンダ容器３内にはピストン４を上下摺動可能に保持するガイド部材２６が設けられ、ガイド部材２６の下方には、シール部材２８およびバックアッププレート２９を介して熱膨張体であるワックスＷが封入されている。このワックスＷの温度が上昇するとワックスＷの体積が膨張し、シリンダ容器３に対してピストン４を伸長するよう動作する。すなわち、ピストン４は、ハウジング４０に対して固定されているため、シリンダ容器３が下方に摺動し、フランジ弁５が弁座４０ａから離れて開弁するように動作する。
一方、ワックスＷの温度が低く、ピストン４が収縮状態にある場合にはスプリング７の弾発力により前記フランジ弁５が前記弁座４０ａに対して圧着され、閉弁した状態となる。
なお、図１に示すように前記フランジ弁５には、上下に連通した孔が形成され、この孔に気泡抜きとして機能するジグルバルブ１３が設けられている。

さらに、図２に基づき、前記ピストン４について説明する。
図２に示すように、ピストン４は、そのケーシングである金属管１５と、通電することによりワックスＷに熱を与える発熱素子１２とにより構成される。
この発熱素子１２は、金属管１５外から金属管１５内に貫通して設置された延設部材１６と、金属管１５内の延設部材１６内に形成され、通電することにより発熱する発熱部１８と、金属管１５外の延設部材１６表面に露出形成され、前記発熱部１８と電気的に接続された電極部１７とにより構成されている。

また、前記延設部材１６は、電気絶縁性および熱伝導性を有するセラミックス素材により形成されている。このため、高硬度、耐摩擦性等に優れ、電極部１７と発熱部１８とが外部からの応力等により断線しないように保護されている。
なお、前記発熱部１８の周囲における延設部材１６と金属管１５との間隙には、熱伝導性を向上させるため、銅、アルミ等の金属粉を混入した耐熱性のシール部材３０が封入されている。一方、金属管１５の上部における延設部材１６と金属管１５との間隙には、間隙を密封するため、エポキシ系等のシール部材３１が封入されている。
このように、前記発熱素子１２はピストン４のケーシングである金属管１５内に設けられるため、ピストン周面から略均一に発熱することができ、効果的にワックスＷを加熱することができる。

さらに前記発熱素子１２について図３および図４に基づき説明する。図３（ａ）に示すように、セラミックス素材の延設部材１６は、２つの板部材１６ａと１６ｂとで構成されている。このうち、板部材１６ｂには、電極部１７（陽極、陰極）および発熱部１８とが電気的に接続された状態で、炭素材等をスクリーン印刷することにより形成されている。なお、電極部１７には、腐食防止のためにメッキ処理が施されている。
また、板部材１６ａには、板部材１６ｂにおける電極部１７の一部が露出するように開口部１６ｃが形成されている。そして、この板部材１６ａと板部材１６ｂとを接着剤で張り合わせ、焼成することにより、図３（ｂ）に示すような発熱素子１２が形成される。
すなわち、発熱部１８および導電性の金属配線部は密閉されることにより、外気との接触を少なくし、これにより耐久性を向上している。

また、図３においては、板状の発熱素子１２を一例としたが、図４（ｂ）に示すように円柱形状の発熱素子１２として形成してもよい。
すなわち、図４（ａ）に示すように、電極部１７および発熱部１８とがスクリーン印刷された板部材１６ｂをセラミック素材の円柱部材１６ｄに巻きつけ、焼成することにより、図４（ｂ）に示すような円柱形状の発熱素子１２が形成される。なお、この状態で、板状部材１６ｂにおいて、電極部１７を印刷した面と反対側の面が表面となるため、この表面の一部に開口部１６ｅが形成され、この開口部１６ｅから電極部１７に接触可能になされている。

また、このサーモスタット装置１は、前記発熱素子１２に電気的に接続するためのターミナルコネクタ２０を備えている。このターミナルコネクタ２０について、図１および図５に基づき説明する。
図１、図５に示される、このターミナルコネクタ２０は、樹脂形成されハウジング４０に挿入し嵌合するコネクタ部材２５と、導電性金属により形成されコネクタ部材２５に一体形成されたターミナル端子２１と、コネクタ部材２５の周面に取り付けられたＯリング２２とにより構成されている。
このような構成のターミナルコネクタ２０は、図５に示すように電圧供給源（図示せず）の有するコネクタ（図示せず）がコネクタ部材２５と嵌合し、前記ターミナル端子２１ａ、２１ｂに電圧供給するようになされている。
また、ハウジング４０との嵌合部におけるコネクタ部材２５の周面には、嵌合性および密閉性を向上するように２つの外周突起部２５ａが形成されている。さらに、前記Ｏリング２２により防水性を向上するように構成されている。

さらに、図５に示すように、前記ターミナル端子２１は、例えば、陽極端子２１ａと陰極端子２１ｂとにより構成され、それら端子間には、短絡を防止するよう絶縁リブ２７が設けられている。
また、このターミナルコネクタ２０は、ハウジング４０と嵌合した際、ターミナル端子２１の陽極端子２１ａと陰極端子２１ｂとにより発熱素子１２を挟み込み、ターミナル端子２１が延設部材１６に係止するように構成されている。そして、その状態で陽極端子２１ａと陰極端子２１ｂが、発熱素子１２における電極部１７に夫々当接するようになされている。

なお、前記したターミナルコネクタ２０とハウジング４０との嵌合においては、ハウジング４０に形成された凹部にコネクタ部材２５を挿入するようにしたが、これに限らず例えば、図６（ａ）に示すようにコネクタ部材２５に鉤部２５ｂを形成し、これによりハウジング４０に形成した段部４０ｂに固定してもよい。あるいは、図６（ｂ）の側断面図に示すように、コネクタ部材２５の嵌合部に接続部材２５ｃを形成し、これをハウジング４０と溶着して固定してもよい。

また、図１および図５に示した実施形態においては、発熱素子１２に対して水平方向から、ターミナルコネクタ２０のターミナル端子２１を接続する構成としたが、これに限るものではない。すなわち、発熱素子１２における電極部１７は、ターミナル端子２１の陽極端子２１ａと陰極端子２１ｂとにより挟み込む構成とされるため、例えば図７に示すように、垂直方向から発熱素子１２をターミナル端子２１により挟み込んで係止する構成としてもよい。
あるいは、図示しないが、斜め方向から発熱素子１２をターミナル端子２１により挟み込んで係止し、ターミナル端子２１と電極部１７とを当接させるようにしてもよい。
このように、前記発熱素子１２をターミナル端子２１により挟み込んで係止する構成とすれば、ターミナルコネクタ２０をハウジング４０に取り付ける方向が略限定されることがない。

以上説明した一実施の形態によれば、電圧供給されるターミナル端子２１は電極部１７に係止される構成であるため、ターミナル端子２１は発熱素子１２に対して着脱自在に取り付けることができる。その結果、半田付け等の工程を省略でき、組立てが容易になると共に、メンテナンスも容易に行うことができる。
また、電極部１７と発熱部１８とを電線ではなく、セラミックス素材の延設部材１６に炭素材等をスクリーン印刷し、これを密閉処理したため、発熱特性に優れ、破断、酸化による劣化のない耐久性の高い発熱素子を得ることができる。

また、前記電極部１７をターミナル端子２１により挟み込んで電気的に接続する構成としているため、ターミナルコネクタ２０をハウジング４０に取り付ける方向が略限定されず、様々なサーモスタット装置１の設置構成にフレキシブルに対応することができる。
さらに、ストッパ部材９およびシール部材１０、１１を介してピストン４をハウジング４０に嵌合することにより、ピストン４を確実にハウジング４０に固定し、また、ピストン４の上部と下部を遮断することができる。すなわちピストン４が有する発熱素子１２が冷却水の通路と遮断され、発熱素子１２が冷却水に接触しないようにすることができる。したがって、従来のサーモスタット装置のように、電線が冷却水中に形成されていないため、断線等を防止することができる。

なお、前記した実施の形態においては、図１に示したようにピストン４は、その上部がハウジング４０に対して金属製のストッパ部材９を介して装着される構成例を示したが、これに限定されるものではない。
例えば、図８に示すように、ピストン４を、樹脂製のストッパ部材３２を介してハウジング４０に装着するように構成してもよい。尚、その場合ピストン４とストッパ部材３２との間および、ストッパ部材３２とハウジング４０との間には、シール部材として例えばＯリング３３、３４を夫々設けることが望ましい。このように樹脂製のストッパ３２を用いることにより、金属製のストッパ９よりも軽量化でき、またコストダウンを図ることができる。
また、前記したように、ピストン４とハウジング４０とを直接嵌合し、ピストン４をハウジング４０に固定する構成（図示せず）としてもよい。尚、その場合ピストン４と筒状部４０ｃ（ハウジング４０）との間にシール部材（図示せず）を設けることが望ましい。

本発明は、例えば、自動車等に使用される内燃機関の冷却水温度を可変制御する冷却水温度制御系において、水温可変制御を行うサーモスタット装置及びそのピストンに好適に用いることができる。

図１は、本発明に係るサーモスタット装置の構成を示す一部断面図である。 図２は、図１のサーモスタット装置が備えるピストンおよびシリンダの断面図である。 図３は、図１のサーモスタット装置が備える発熱素子の製造工程を示す図である。 図４は、図１のサーモスタット装置が備える発熱素子の他の製造工程を示す図である。 図５は、発熱素子と電気的に接続するターミナルコネクタの平面図である。 図６は、発熱素子と電気的に接続するターミナルコネクタとハウジングとの嵌合方法を示す側面図である。 図７は、本発明に係るサーモスタット装置の他の構成を示す一部断面図である。 図８は、本発明に係るサーモスタット装置の他の構成を示す一部断面図である。 図９は、従来のサーモスタット装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ サーモスタット装置
３ シリンダ容器
４ ピストン
５ フランジ弁
６ ゴムリング
７ スプリング
８ 下部フランジ
９ ストッパ部材
１０ シール部材
１１ シール部材
１２ 発熱素子
１５ 金属管（ケーシング）
１６ 延設部材
１７ 電極部
１８ 発熱部
２０ ターミナルアダプタ
２１ ターミナル端子
２２ Ｏリング
２５ コネクタ部材
４０ ハウジング
４０ａ 弁座
Ｗ ワックス

Claims (5)

1. 冷却水が流れる複数の流路に連結されたハウジング内に設置されると共に、前記ハウジング内に固定されたピストンと、前記ピストンに対して進退動作するシリンダ容器と、前記シリンダ容器内に設けられ、温度変化に伴う体積変化によりシリンダ容器を進退動作させる熱膨張体と、前記ピストンのケーシング内に設けられ、通電することにより前記熱膨張体に熱を与える発熱素子とを備えたサーモスタット装置であって、
   前記発熱素子は、前記ピストンのケーシング外から前記ケーシング内に貫通して形成された熱伝導性を有する延設部材と、前記ケーシング内における延設部材内に形成された発熱部と、前記ケーシング外における延設部材に形成され、前記発熱部と電気的に接続された電極部とにより構成され、
   前記発熱部に電圧供給するターミナル端子が前記電極部に当接することにより、電圧供給源と前記発熱部が電気的に接続されることを特徴とするサーモスタット装置。
2. 前記ターミナル端子と、前記ターミナル端子を前記ハウジングに固定するコネクタ部材とを有するターミナルコネクタを備え、
   前記コネクタ部材が前記ハウジングと嵌合し、前記ターミナル端子が前記延設部材に係止された状態で、前記ターミナル端子は前記電極部に当接することを特徴とする請求項１に記載されたサーモスタット装置。
3. 前記ピストンは直接、またはストッパ部材を介して前記ハウジング内に固定され、
   前記ピストンと前記ハウジングとの間には、シール部材が設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたサーモスタット装置。
4. 前記ピストンにおいて、前記ケーシングと前記延設部材との間隙に耐熱性のシール部材が充填され、前記発熱部の周囲における前記シール部材内には金属粉が混入されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかの請求項に記載されたサーモスタット装置。
5. 温度変化に伴う熱膨張体の体積変化に応じて、シリンダ容器に対して進退動作するサーモスタット装置のピストンにおいて、
   前記ピストンは、ケーシングと発熱素子とを備え、
   前記発熱素子は、前記ケーシング外から前記ケーシング内に貫通して形成された熱伝導性を有する延設部材と、前記ケーシング内における延設部材内に形成された発熱部と、前記ケーシング外における延設部材に形成され、前記発熱部と電気的に接続された電極部とにより構成され、
   前記ケーシングと前記延設部材との間隙には耐熱性のシール部材が充填され、前記発熱部の周囲における前記シール部材内には金属粉が混入されていることを特徴とするサーモスタット装置のピストン。

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