JP2013241918A - サーモスタット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 サーモスタット装置におけるバイパスバルブを付勢するコイルばねのばね力を、サーモエレメントの動きとは無関係に一定にし、適切かつ確実な開閉制御を可能とする。
【解決手段】 第１、第２の通路間での流れを制御するメインバルブ１２，２２を有するサーモスタット装置１０のボディ２０において、第２の通路２１Ｂ、第３の通路２５間の圧力差によって開閉するバイパスバルブ２８を設けるにあたって、該バイパスバルブを構成する第２弁体１３をサーモエレメント１１に一体的に設けたロッド部１８先端側に摺動自在に保持させるとともに、この第２弁体を付勢するコイルばね１９の基端側を係止保持するばね受け（４０）を、前記サーモエレメントを摺動自在に保持するフレーム側に設けるように構成する。
【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）を冷却する冷却水を、熱交換器（以下、ラジエータという）との間で循環させるエンジンの冷却水回路において、冷却水の温度変化により作動することでエンジン冷却水の流れを切換えて冷却水温度を制御するために用いられる温度感知式自動弁としてのサーモスタット装置に関し、特にサーモスタット装置を冷却水回路に組み込んだ際において、弁座に着座して弁閉状態を維持するとともに、温度変化とは無関係に流体圧力差で弁開する着座タイプのリリーフバルブを備えてなるサーモスタット装置に関する。

従来この種の流体制御バルブとしては、例えば特許文献１に記載されているように、自動車用エンジンの冷却装置に用いられるサーモスタット装置が知られている。

これを簡単に説明すると、自動車用エンジンにおいて、これを冷却するためには、一般にはラジエータを用いた水冷式の冷却システムが使用されている。この種の冷却システムにおいては、エンジンに導入する冷却水の温度を制御できるように、ラジエータ側に循環させる冷却水量を調節する熱膨張体を用いたサーモスタット装置などが従来から使用されている。

即ち、上記の熱膨張体を用いたサーモスタット装置などの流体制御バルブを、冷却水通路の一部、例えばエンジンの入口側または出口側に介装し、冷却水温度が低い場合に、該制御バルブを閉じて冷却水をラジエータを経由せず車内空調用のヒータ回路を介して循環させ、また冷却水温度が高くなった場合は、制御バルブを開いて冷却水がラジエータを通して循環させることで、エンジン冷却水の温度を所要の状態に制御することができるものである。

上記のサーモスタット装置は、一般には、図５から明らかなように、流体の温度変化により作動する熱膨張体を封入したサーモエレメント１と、これを保持するハウジングとしての本体フレーム２とを備え、前記サーモエレメント１の両端側には、例えば傘状、板状等といった形状をもつ第１、第２の弁体３，４が設けられ、これによりサーモスタット装置を構成している。

上記の第１の弁体３は、例えばラジエータからエンジンへの冷却水の流れを制御するメインバルブとして機能し、また第２の弁体４は、バイバス流路からのエンジンへの冷却水の流体圧力を制御するバイパスバルブとなるものであって、流体圧力を開放する圧力バルブとして機能するような構成となっている。それにより、所定の圧力以下では、積極的に前記ヒータ回路へ冷却水を循環させている。

すなわち、ヒータ回路の流通抵抗が多少大きくても、冷却水はバイパス通路を通ることなく、ヒータ回路を通ることになり、ヒータが効果的に機能してその効きが早くなる。しかも、ヒータ回路の流通抵抗が高く、かつ冷却水を流通させるウォータポンプの回転数が高くなって、ウォータポンプに接続されているエンジン出口側の圧力が低くなり、バイパス回路との差圧が所定以上になると、バイパスバルブとなる第２の弁体４はコイルばね５の付勢力に抗して開いてバイパス通路の冷却水がエンジン出口からウォータポンプに向けて流れるため、ウォータポンプのキャビテーションの発生を防止し、メインバルブである第１の弁体３が強制的に開弁されるのを防止することができるものである。

ここで、前記サーモエレメント１は、流体の温度を感知して膨張、収縮する熱膨張体により進退動作する第１の弁軸としてのピストン１ａを備え、このピストン１ａの動きが本体フレーム２側で拘束されることにより、これに連動して相対的に移動するサーモエレメント１の軸線方向の動きにより該サーモエレメント１の外周部に設けられている第１の弁体３がメインバルブとして流体通路を適宜開閉制御するように構成されている。

一方、バイパスバルブとして機能する第２の弁体４は、前記サーモエレメント１の基端側に設けた第２の弁軸としてのロッド部１ｂの先端側に移動可能に嵌装して係止支持され、かつコイルばね５により付勢された状態で弾性保持されている。そして、ロッド部１ｂの軸線方向の動きとは無関係に、第２の弁体４をボディ６に設けた連通路６ａの開口に着座させ、サーモスタット装置をボディ６に組み込んだ際において弁閉状態を維持するとともに、前記連通路６ａの前後の圧力差により第２の弁体４をコイルばね５の付勢力に抗して弁開方向に移動させ、圧力バルブであるバイパスバルブとしての機能を得られるような構成とされている。すなわち、この第２の弁体４は、サーモスタット装置をボディ６に組み込んだ際において着座して弁閉状態を維持する着座タイプとして構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−８８５９８号公報

しかし、上述した特許文献１によるサーモスタットバルブでは、サーモエレメント１の底部にバイパスバルブ用のコイルばね５が係合して設けられているため、冷却水温度に感応してサーモエレメント１が下方に移動したときに、バイパス通路６ａの開口に着座しているバイパスバルブは移動しないことから、バイパスバルブに加わるバイパスバルブ用のコイルばね５のばね荷重（ばね力）が変動して上昇することになる。

すなわち、上述した構造によれば、冷却水温に応じてバイパス通路を開ける圧力が変動してしまい、冷却水が高温になるにつれて開きにくくなってしまうという問題を生じる。例えば、キャビテーションの発生領域、つまり冷却水が高温で、かつエンジンが高回転になるにつれて、バイパスバルブ（第２の弁体４）の開弁圧力をリリーフする必要がある。しかし、この従来構造によれば、開弁圧力に変動があるため、高温時の開弁圧力（図４中Ｐ２）をリリーフ圧力に設定すると、低温時の開弁圧（図４中Ｐ１）が低下してしまう。

さらに、最良のバイパスバルブの開弁圧力を設定しようとした場合、冷却水が高温・低温時でバイパスバルブ開弁圧力が変動することを極力小さくして設計しなければならないため、バイパスバルブ用コイルばね５の設計が困難になる等の問題もであった。

また、バイパスバルブが可能な限り安定して作動させるために、バイパス通路６ａの大きさに合わせたバルブ径とサーモエレメント１の底部径に依存して、バイパスバルブ用のコイルばね５をテーパ形状（側面視円錐台形状）で形成しているため、その加工および組付ける際に、コイルばねの方向性を管理し誤組を防止する等に工数がかかりコストアップの要因となっていた。

さらに、バイパスバルブ開弁圧の前記変動を抑えるためにばね定数（荷重上昇率）を小さくしているため、それを考慮し、サーモエレメント１が下降した際にも充分に圧縮できるようにするとコイルばね５の全長およびセット長が長くなり、ひいてはサーモスタット全長も長くなってしまい大型化する等の問題もあった。
また、その他にも、サーモエレメント１の底部（ケース）にバイパスバルブ用のコイルばね５を嵌合させるための加工工数も必要となるものであった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、主にエンジン入口部に設けられるサーモスタット装置であって、サブバルブであるバイパスバルブでバイパス通路を閉弁し、バイパス通路を流れる圧力が所定の値を超えた場合に開弁する着座式のバイパスバルブにおいて、これを付勢するコイルばねのばね力を、サーモエレメントの動きとは無関係に一定にし、適切かつ確実な開閉制御を可能とするサーモスタット装置を得ることを目的とする。

このような目的に応えるために本発明（請求項１記載の発明）に係るサーモスタット装置は、自動車用エンジンの冷却水回路中に設けられ第１、第２の通路間での冷却水の流れを制御するメインバルブと前記第１の通路内に配置され冷却水温度に従って前記メインバルブを駆動制御するサーモエレメントと前記サーモエレメントを摺動自在に保持する保持部を有するフレームとを備えたサーモスタット装置であって、前記サーモスタット装置が組み込まれたボディは第３の通路を備えるとともに、前記冷却水回路内での冷却水圧力が所定圧以上になったときに該第２の通路と第３の通路とを連通させる連通路を開弁する第２弁体と、サーモスタット装置をボディ６に組み込んだ際においてこの第２弁体を前記連通路を閉弁する方向に付勢するコイルばねを備え、このコイルばねの一端を前記第２弁体に係止保持させるとともに、他端を前記フレームの一部に一体的（一体または別体）に設けたばね受けに係止保持させるように構成したことを特徴とする。

本発明（請求項２記載の発明）に係るサーモスタット装置は、請求項１において、前記フレームのばね受けは、コイルばねの外径部を保持する保持用突片によって構成されていることを特徴とする。

本発明（請求項３記載の発明）に係るサーモスタット装置は、請求項１または請求項２において、前記第２弁体は前記サーモエレメントに一体的に設けたロッド部の先端側に摺動自在に保持され、前記コイルばねによりロッド部先端側に付勢されることにより、前記ボディに形成されている連通路を閉塞するように構成されていることを特徴とする。

以上説明したように本発明に係るサーモスタット装置によれば、バイパスバルブを構成する第２弁体をサーモエレメントに一体的に設けたロッド部先端側に摺動自在に保持させるとともに、この第２弁体を付勢するコイルばねの基端側を係止保持するばね受けを、サーモエレメントを摺動自在に保持するフレーム側に設けるように構成したので、簡単な構成であるにもかかわらず、以下に述べる種々優れた効果を奏する。

すなわち、本発明によれば、この種のサーモスタット装置においてサブバルブとして設けられる着座タイプのバイパスバルブを付勢するコイルばねのばね荷重（ばね力）を、サーモエレメントの温度条件に伴う動きとは無関係に一定にし、常に所要のばね荷重での第２弁体を付勢することができ、これにより該第２弁体を第１、第３の通路間での圧力差により所要の状態で安定して開閉動作させることができる。

したがって、本発明によれば、バイパスバルブの開弁圧力変動をなくし、その設定圧を所要の状態で設定できることから、動作性能を向上させるとともに、各部の加工性、さらにばねの設計自由度を向上させ、前記したような加工コストを低減、組付け性向上ならびに小型化できる等の種々優れた効果がある。

本発明に係るサーモスタット装置の一実施例を示し、着座タイプであって着座している状態を示す概略断面図である。 図１によるサーモスタット装置においてメインバルブ（第１弁体）が開弁状態にあり、かつサブバルブ（第２弁体）がわずかに開弁状態にあるときの動作説明図である。 本発明を特徴づけるサブバルブのコイルばねの基端側を支持するばね受けとしての保持用突片を説明するためサーモスタット装置全体の概略斜視図である。 本発明におけるサブバルブ（バイパスバルブ）の開弁圧力を説明するためのグラフである。 従来のサーモスタット装置の概略構成の一例を説明するための概略断面図である。

主にエンジン入口部に設けられるサーモスタット装置であって、サブバルブであるバイパスバルブでバイパス通路を閉弁し、バイパス通路を流れる圧力が所定の値を超えた場合に開弁する着座タイプのバイパスバルブにおいて、これを付勢するコイルばねのばね荷重（ばね力）を、サーモエレメントの動き（つまり、冷却水の温度）とは無関係に一定にし、適切かつ確実な開閉制御を可能とする。

図１ないし図３は本発明に係るサーモスタット装置の一実施例を示す。
これらの図において、全体を符号１０で示すものは、温度感知式自動弁であるサーモスタット装置であり、例えば自動車用エンジンの冷却システム（図示せず）において、ラジエータ側の冷却水路と、エンジン出口部側からのバイパス流路との交差部に付設され、これらの通路によって構成される流体流路での冷却水の流れを選択的に切り換えることにより、エンジン入口部に至る冷却水温度を制御するために用いられている。

前記サーモスタット装置１０は、図１、図２に示すように、流体の温度変化により作動する作動体であるサーモエレメント１１を備え、このサーモエレメント１１の一端側（図中上側）にはほぼ傘状を呈する第１の弁体１２を設けるとともに、他端側（図中下側）に延びた弁軸（後述する）の先端部（図中下端側）にはほぼ板状を呈する第２の弁体１３を設けている。また、サーモエレメント１１の軸線方向の中央部分には、第１の弁体１２を弁閉位置に付勢する付勢手段であるコイルばね１４と、そのばね押さえを兼ねるフレーム１５が嵌挿して設けられている。このフレーム１５は、後述する固定部であるバルブハウジング側の支持脚に係止されることにより、第１の弁体１２をコイルばね１４を介して弁閉方向に付勢するとともに、該サーモエレメント１１を摺動自在に保持する部材である。

前記サーモエレメント１１は、流体の温度を感知して膨張収縮するワックス等の熱膨張体を内封した温度感知部を備え、この温度感知部の先端（上端）からピストンロッド１１ａが進退自在に突出している。

図中２０は流体出入り口であるラジエータからの冷却水が流入しエンジン入口部に連通する通路を構成するとともに内部に前記サーモスタット装置１０を収納配置するハウジングであり、このハウジング２０の内部には、サーモスタット装置１０を配置する弁室２１が形成されるとともに、図中上方にはラジエータからの冷却水通路（第１の通路）２１Ａが、図中右側にはエンジンに向かう冷却水通路（第２の通路）２１Ｂが、図中下方にはバイパス流路（第３の通路）からの流体通路２５が形成されている。なお、ハウジング２０は、ここでは上下に分割した構造とされている。

また、サーモスタット装置１０の長手方向の中程に設けたフランジ状部の内側には、前記第１の弁体１２が着座可能に対向する弁座２２が形成されている。そして、この弁座２２に弁体１２が着座可能な状態で、サーモエレメント１１やこれを摺動自在に保持するフレーム１５等が組み込まれている。

さらに、図中２３は前記ピストンロッド１１ａの先端部を係止保持する係止部であり、図１の状態において、ピストンロッド１１ａが熱膨張体の熱膨張によって図中上方に突出すると、サーモエレメント１１と第１の弁体１２が、相対的に図中下方に向かって移動し、第１の弁体１２は適宜の弁開状態となり、ラジエータからの冷却水をエンジン側に流通させるように構成されている。

一方、前記サーモエレメント１１から下方に延設された弁軸としてのロッド部１８の下端には、ほぼ板状を呈する第２の弁体１３が嵌装して組付けられてＥリング等で係止され、かつコイルばね１９により付勢されることにより弾性支持されている。また、ハウジング２０の下方には、第２の弁体１３によって開閉される流体通路（連通路）２５が開口し、その開口周縁に弁座シート部２６が形成されている。

ここで、この実施例では、第２の弁体１３は、上記の弁座シート部２６に着座する構造となっており、バイパス流路側での冷却水圧力に応じて開閉されるリリーフバルブとして機能するように構成されている。

さて、本発明によれば、以上の構成によるサーモスタット装置１０において、第２の弁体１３と弁座シート部２６とによるリリーフバルブとしてのバイパスバルブ２８において、該第２の弁体１３を付勢するコイルばね１９のばね荷重（ばね力）を、サーモエレメント１１の温度変化に伴う移動の如何にかかわらず、一定とし、この第２の弁体１３の流体圧力差に伴う適切かつ確実な開閉制御を行えるようにしたところを特徴としている。

これを詳述すると、本発明によれば、前記サーモスタット装置１０のサーモエレメント１１の下方に延設されているロッド部１８の下端側に摺動自在に支持されている第２弁体１３と、これをサーモスタット装置をボディ６に組み込んだ際においては閉弁する方向に付勢するコイルばね１９とから構成されているバイパスバルブ２８において、前記コイルばね１９のばね荷重を常に一定とすることができるように、このコイルばね１９の基端側を係止保持するばね受けを、サーモスタット装置１０における固定側であるフレーム１５側に設けたものである。

このように構成すれば、従来構造のように可動側であるサーモエレメント１１の底部をばね受けとして利用する場合のようにばね荷重が、温度変化に伴って移動するサーモエレメント１１によって変動するといった事象はなくなり、常に一定のばね荷重を得ることが可能で、これによりバイパスバルブ２８としての機能が安定し、設計の自由度が上がるという優れた効果を奏する。

本実施例では、コイルばね１９は、常に一定のばね荷重を得られるように円筒形状の一定の巻き径を有しているが、勿論、本発明はその巻き径形状に限定されず、常に一定のばね荷重が得られるような構造であれば良い。

特に、本発明によるサーモスタット装置１０によるバイパスバルブ２８での開弁圧力が、図４から明らかなように、高温時でも低温時でも変動しない（Ｐ１＝Ｐ２）圧力バルブとなることから、低温時の開弁圧を従来装置に比べて上昇させることができる。そして、これにより、低温時のバイパス回路での「閉止効果」を高回転まで維持できることになり、バイパス通路が連通しないためエンジン速暖効果、また、ヒータが効果的に機能してその効きが良くなる等、燃費向上を発揮させることが可能となる。

また、このような構成によれば、サーモエレメント１１も一体的であるため、装置全体の小型化が可能であるといった利点もある。

ここで、この実施例では、フレーム１５のばね受けとして、図１ないし図３から明らかなように、コイルばねの基端側の外径部を保持する保持用突片４０によって構成している。

なお、本発明は上述した実施の形態で説明した構造には限定されず、サーモスタット装置１０、さらにこれに付設されているサブバルブとしてのバイパスバルブ２８を構成する各部の形状、構造等を適宜変形、変更し得ることはいうまでもない。

要は、サーモエレメント１１の下端側にサブバルブを構成する弁体が摺動自在に保持され、かつコイルばねで弁閉状態に維持されるとともに、該弁体が温度変化とは無関係の流体圧力差等によって開閉動作する等の構造をもつサーモスタット装置１０であれば、適用して効果を発揮し得るものである。

また、上述した実施例では、コイルばね１９の基端部外径部を外周方向から押さえ込むことでばね受けとなる保持用突片によってばね受けを構成しているが、本発明はこれに限らず、種々の形状、構造をもつばね受けであれば、一体あるいは別体構成であってもよい。要は、コイルばね１９の基端部を所要の状態で押さえることができるばね受け部であればよい。

特に、このような構成によれば、従来の着座タイプでないサーモスタット装置に対し、大きく設計変更することなく、複雑な形状にならず、従来の着座タイプのサーモスタット装置のエレメントケースの加工も不要で、共通部品を使用することも可能となる。例えば、バイパスロッドなど専用品が不要となるという利点を奏することができる。

さらに、上述した構成によれば、テーパ状、あるいはコイルばねの両端よりも中央部の巻き径が大きい樽状等の巻き径形状が異形であって荷重が一定でなく変動するようなコイルばねも採用することが可能である。このような形状のコイルばねを用いた場合は、冷却水温の変動（サーモエレメント１１の作動）とは無関係に、バイパスバルブ２８の開閉圧を変化させた開弁特性を持たせたサーモスタット装置１０をも提供することができる。例えば、テーパ状のコイルばねを用いそのコイルばねの基端側に外径の小さい方を設けた場合、バイパスバルブ２８の開弁初期においては、小さい冷却水圧力で開き、その後は開弁量が増加するにしたがいばね荷重が増加するため、圧力が増加しても開度を一定に保つことができる等のサーモエレメント１１の作動に関係なく、最適な冷却水圧力に制御できる。
また、例えば、上記バイパスバルブ２８の開弁特性を維持し、バイパスバルブ２８の外径を小さくしたい場合は、テーパ状のコイルばねの基端側に外径の大きい方を設けるとよい。

さらに、上述した実施例では、サーモスタット装置１０を、エンジン冷却水回路においてエンジンの入口部側に組み込んだ例を説明したが、本発明はこれに限定されず、エンジンの出口部側に組み込んだ場合においても、同等の作用効果が得られることは言うまでもない。

１０ サーモスタット装置
１２ 第１の弁体
１４ コイルばね
１５ フレーム
１３ 第２の弁体
１９ コイルばね
２５ バイバス流路側の流体通路（連通路）
２６ 弁座シート部
２８ バイパスバルブ（リリーフバルブ）
４０ ばね受けとなる保持用突片

Claims (3)

1. 自動車用エンジンの冷却水回路中に設けられ第１、第２の通路間での冷却水の流れを制御するメインバルブと前記第１の通路内に配置され冷却水温度に従って前記メインバルブを駆動制御するサーモエレメントと前記サーモエレメントを摺動自在に保持する保持部を有するフレームとを備えたサーモスタット装置であって、
   前記サーモスタット装置が組み込まれたボディは第３の通路を備えるとともに、
   前記冷却水回路内での冷却水圧力が所定圧以上になったときに該第２の通路と第３の通路とを連通させる連通路を開弁する第２弁体と、
   この第２弁体を前記連通路を閉弁する方向に付勢するコイルばねを備え、
   このコイルばねの一端を前記第２弁体に係止保持させるとともに、他端を前記フレームの一部に一体的に設けたばね受けに係止保持させるように構成したことを特徴とするサーモスタット装置。
2. 請求項１記載のサーモスタット装置において、
   前記フレームのばね受けは、コイルばねの外径部を保持する保持用突片によって構成されていることを特徴とするサーモスタット装置。
3. 請求項１または請求項２記載のサーモスタット装置において、
   前記第２弁体は前記サーモエレメントに一体的に設けたロッド部の先端側に摺動自在に保持され、前記コイルばねによりロッド部先端側に付勢されることにより、前記ボディに形成されている連通路を閉塞するように構成されていることを特徴とするサーモスタット装置。

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