JP4279367B2 - 感熱スイッチ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば自動車等の冷媒を熱交換システム系統に循環させるコンプレッサーとかエンジン・トランスミッション等の機器の異常時に過熱する部分の温度を検出し、該機器を過熱による損傷から保護するための感熱スイッチの改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来この種のスイッチとしてバイメタル等の変形を利用して電気回路の開閉を行なう感熱スイッチが用いられている。図6において示す感熱スイッチ101は特開平5−101761号公報に示された感熱スイッチであり、円板状の金属製の蓋板102と有底円筒状の容器103とを有し、蓋板102の外周近傍に容器103の開口端を気密に固着した密閉容器を構成している。ここで密閉容器を採用している理由は容器内部への水分などの進入を防ぎ、且つ後述する理由により容器内部に封入されるガスの組成を長期にわたり安定させることにある。容器103としては比較的熱伝導率が高く溶接性が良いという理由から冷間圧延鋼板等が使用され、そのため容器を介して感熱スイッチの周囲温度を容器内部に納められた後述する熱応動板に素早く伝えることができる。
【0003】
蓋板102には貫通孔102A及び102Bが設けられており、この貫通孔には各々金属製の導電ピン104A及び104Bが電気絶縁性の充填材105によりそれぞれ気密に固定されている。一方の導電ピン104Aの図示下端近傍にはコ字形をした厚みのある導電性の固定接触部材106がその図示上端部を溶接等の方法で固着されている。導電ピン104Bの下端近傍には弾性のある可動接触部材107がその固定端107Aを溶接の如き方法で固定されている。可動接触部材107の先端107Bには可動接点108が固定され、固定接触部材106の接触部106Aと接触するように配設されている。
【0004】
容器103の底部にはバイメタルの様な材料を円形に打抜いて浅い皿状に成形した熱応動板109が置かれその上にバネ材で作られた保持板110が置かれている。さらに保持板110の上には耐熱性のある絶縁材料で作られた受圧片111が配設され、この受圧片の先端は前記可動接触部材107に設けられた孔107Cに圧入等の方法で固定されている。
【0005】
この感熱素子101の動作について説明すると常温の状態では、熱応動板109は図6に示すように下方に膨らんだ湾曲状態をとり、温度の上昇に伴い所定の温度になると急跳反転しその湾曲方向を中央が上方に膨らんだ形状となるように予め設定されているため、その中央部分が受圧片111を押上げる。受圧片111は可動接触部材107を押上げその先端の可動接点108を固定接触部材106の接触部106Aから開離しその電路を断つものである。
【0006】
次にこの感熱スイッチの制御対象機器への取り付けについて制御対象機器としてカーエアコン用圧縮機に取り付ける場合を図7に示す一部断面図、及びその部分拡大図である図8を例に説明する。ここで示すカーエアコン用圧縮機のハウジングAには予め取付部A1が設けられている。この取付部は圧縮機の吐出冷媒通路A2に設けられた貫通穴であり、取り付けられた感熱スイッチが被検出物である冷媒の温度を速やかに検出できるような位置とされている。
【0007】
取り付けられる感熱スイッチ101の導電ピン104A,104Bには、リード線112A,112Bが導電的に接続固定されており、使用環境中でこの接続部への水などの浸入を防ぎ且つ作業時に加わる外力や振動から保護するために、感熱スイッチ101に保護キャップ113が被せられキャップ内部に絶縁性の充填材114が充填されている。
【0008】
この取付部A1にシリコンゴムなどでできたOリング115と共に感熱スイッチ101を挿入し、保護キャップ113の上端面を周知のスナップリングの如き円弧状の弾性部材116により保持しスイッチにより取付部を密閉するように固定されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
この感熱スイッチ101は容器103の底面に熱応動板109を位置させることにより高い熱応答性能を実現している。しかしながら上述の取付例のように常に外気に曝されるカーエアコン用圧縮機のハウジングに取り付けられた場合などには、圧縮機ハウジング表面は外気によって熱を奪われており、さらにそこに直接取り付けられた感熱スイッチの熱もまた外気及び圧縮機ハウジングを介して熱伝導により熱を奪われるために、特に外気温が低い時などに於いては急激な冷媒の温度上昇に対する熱応答性が充分に得られない場合があった。
【0010】
感熱スイッチ101の熱応答性はスイッチ容器内部に封入される封入ガスの熱伝導性を良くすることによって向上することができる。つまり感熱スイッチは密閉容器とし所定のガスを封入することにより長期に亘り恒常性を保つようにされているが、この封入ガスとしては乾燥空気や窒素等と共に気密性検査のためにヘリウムガスが封入される。ヘリウムは乾燥空気や窒素等と比較して熱伝導性が高いのでこの封入ガス中のヘリウムの割合を多くすることで、封入ガスの熱伝導性を高めることで熱応動板にさらに早く容器からの熱を伝えることができる。
【0011】
ヘリウムは窒素や空気と比べて6倍程度熱伝導率が高く、例えば155℃で動作する感熱スイッチで封入ガスのヘリウムを25%としたものと75%としたものとを用意し、それぞれの容器部分のみを180℃のオイルに浸し動作までの時間を測定する実験で比較すると、ヘリウムを75%にしたものでは25%のものに対して応答時間にして10〜15%程度の向上がみられる。しかしこのように封入ガスを変更してもまだ応答速度を充分にあげることはできなかった。さらにヘリウムの比率を高くすることで応答速度を上げることができるが、例えばその比率を100%としても反応時間にして20%程度の向上にしかならず、さらにこの場合には接点間開放時の耐電圧能力が低下するという問題がでてくる。
【0012】
この他に応答速度を速めるには例えば特開平8−212893公報等に示されているように、圧縮機の内部と外部を電気的に接続する密閉端子の導電ピン先端に感熱スイッチを固定する方法が有効である。このように導電ピンのみで感熱スイッチを圧縮機ハウジングの内壁面よりも内側に固定することによりスイッチから圧縮機外部への熱伝導を最小限に抑えることができると共に、熱媒体である冷媒中にスイッチ全体を曝すことで熱応答性を高めることができる。前述のオイルを使用した代用試験によれば動作までに要する時間が約半分以下になり、実際の使用でも同様の結果となることが確認されている。しかしながらこの方法は、冷媒通路の広さを感熱スイッチが収容できる程度に広くする必要があるため圧縮機のハウジングが大型になり、また部品数が多くなり、高価になると言う問題があった。そのため、従来と比較して圧縮機ハウジングを大型化したり部品数の増加などもすることなく熱応答性を高めることのできる感熱スイッチが求められている。
【0013】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明の感熱スイッチにおいては、冷媒を熱交換システム系統に循環させるカーエアコン用冷媒圧縮機内の高圧環境に対して感熱部分が直接曝される感熱スイッチであり、
円板状の金属製の蓋板と、
前記蓋板の外周近傍にほぼ均一に密着する開口端を有する円筒部と底面部から成り前記蓋板に該開口端をリング状に溶接して密閉容器を構成する金属製の容器を有し、
密閉容器中には所定のガスが封入され、
この容器の内部底面に沿って所定の第一の温度で急跳反転動作し第二の温度で急跳反転復帰するように浅い皿状に成形された円板上の熱応動板を収納し、
その熱応動板に対向して弾性を有する保持板を配設し、
前記蓋板に2箇所の貫通孔を穿ちそれぞれの孔にガラスの如き電気絶縁性の充填材により端子を気密に保持し、
この一方の端子には固定接触部材を、また他方の端子には可動接触部材を接続固定し、
該可動接触部材には前記熱応動板に対峙する受圧片が設けられた感熱スイッチにおいて、
前記金属製の容器を熱伝導率が鉄の2分の1以下である金属によって構成し、
前記容器を前記圧縮機のハウジングに設けられた貫通孔に前記蓋板が外部に露出するように挿入し、前記容器の該蓋板近傍外周部分を前記圧縮機の内壁面より外側の位置で前記貫通孔に気密に保持固定し、これにより前記容器の底面部分が被検出物である冷媒に直接曝されるように取り付けられることにより容器底面部分を加熱したときの蓋板側への熱伝導速度を前記容器の熱伝導率により抑え容器底面の温度上昇速度を上げたことを特徴とする。このような構成とすることにより、感熱スイッチの金属製容器底面の熱が容器の蓋板近傍の外周から圧縮機のハウジングへは伝わり難くなり、冷媒温度が急上昇した場合などにおいて熱の逃げを抑えることにより熱応動板を効果的に加熱することができ、感熱スイッチとしての応答速度を高めることができる。
【0014】
また他の特徴は、金属製容器を鉄−クロム合金、鉄−ニッケル合金、鉄−ニッケル−クロム合金またはニッケル−クロム合金のいずれか、より好ましくはステンレス鋼板によって構成されていることにある。このような構成とすることにより、感熱スイッチの金属製容器の形状が従来品と同じままでも容器底面の熱は容器の円筒部から圧縮機のハウジングへは伝わり難くなり、さらに容器円筒部の厚みと長さを所定の関係となるように設定することにより容器底面の熱を熱応動板に速やかに伝達する効果を増すことができ、感熱スイッチとしての応答速度を高めることができる。また容器をこのように選定することでスイッチ自体の大きさを同じか若干大きくするのみで熱応答性を大幅に向上することができるので、従来の取付位置を変更する必要はほとんどなく圧縮機のハウジングを大型化しないでも良い。
【0015】
また他の特徴は密閉容器内に封入ガスとしてヘリウムを50%以上の割合で封入することにより、特に急激な温度上昇時において容器の熱を熱応動板に速やかに伝えるようにしたことにある。
【0016】
さらに他の特徴は蓋板の周縁部近傍に段差を設け、容器はその内周面を蓋板の段差の外縁にほぼ当接するようにして組み付けられることにある。本発明においてはこのような構成にすることにより蓋板と容器との溶接時にいわゆるチリが発生してもこの段差により容器内部への進入を防ぐことができると共に、組付時の蓋板と容器との位置合わせが確実且つ容易になる。
【0017】
【発明の実施の形態】
次にこの感熱スイッチについて図1乃至図4を参照しながら説明する。図1は本発明の感熱スイッチの一実施例を示す断面図であり、図2はその動作状態を示す断面図、図3はこの感熱スイッチを制御対象機器の一例としてのカーエアコン用圧縮機に取り付けた状態を示す一部断面図、図4はその部分拡大図である。
【0018】
この感熱スイッチ1は円板状の金属製の蓋板2と有底円筒状の金属製容器3とを有し、蓋板2の周縁部に容器3の開口端に設けられたフランジ部3Aをリングプロジェクション溶接などにより気密に固着して密閉容器を構成している。容器3は金属板をプレス加工などにより有底円筒形状に絞り成形したものであり、本実施例においては容器3の厚みtを従来と同様にした上で容器3の円筒部の長さLを従来のものよりも長く設定することにより、円筒部両端間の熱勾配が緩やかになるようにされている。またその底面3Bは球面状にされており、比較的平坦な底面形状を有していた従来のものと比較してより高い耐圧力性能を持たせることができる。
【0019】
本発明においては感熱スイッチの容器からの熱の移動に着目することで、感熱スイッチの動作時間に対する容器の熱伝導率、容器円筒部の長さ及び厚みとの関係を得るに至った。つまり感熱スイッチ容器の熱伝導率が低ければ容器底面に与えられた熱は外部に移動しにくく、また容器円筒部の厚みが薄ければ断面積が小さくなるのでやはり熱が伝わりにくくなり、さらに円筒部の長さが長いほど熱勾配が緩やかになるのでやはり熱は移動しにくくなる。本実施例では容器の厚みtを変えずに長さLを従来品より長くすることにより容器円筒部両端の熱勾配を緩やかにして、円筒部底面からの熱の移動を抑えるようにされている。
【0020】
蓋板2には第1及び第2の貫通孔2B及び2Cが設けられており、この貫通孔には各々感熱スイッチの第1及び第2の端子たる金属製の導電ピン4A及び4Bがガラスの如き電気絶縁性の充填材5によりそれぞれ気密に固定されている。一方の導電ピン4Aの図示下端近傍にはコ字形をした厚みのある導電性の固定接触部材6がその図示上端部を溶接等の方法で固着されている。この固定接点部材6の先端部には銀合金などで構成された固定接点部6Aが設けられている。また導電ピン4Bの下端近傍には充分な弾性のある銅合金などで構成された可動接触部材7がその固定端7Aを溶接の如き方法で固定されている。可動接触部材7の先端7Bには銀合金などの可動接点8が固定され、固定接触部材6の固定接点部6Aと接触するように配設されている。
【0021】
容器3の底部3Bにはバイメタルの様な材料を円形に打抜いて所定の温度で湾曲方向を反転及び復帰するように浅い皿状に成形された熱応動板9が置かれ、その上にはバネ材で作られた保持板10が置かれている。さらに保持板10の上にはセラミックスの如き耐熱性のある絶縁材料で作られた受圧片11が配設され、この受圧片の先端11Aは前記可動接触部材7の中央に穿たれた貫通孔7Cに圧入等の方法で固定されている。
【0022】
この保持板10は図5に示す如く中心から放射状に延びる細い脚部10Aを複数、実施例では4本有しこの脚部10Aをそれぞれ所定の角度で折り曲げることにより概ね傘型に形成された薄いリン青銅やベリリウム銅などの弾性板で作られたものである。保持板10は熱応動板9をその動作に実質的に影響しない程度の力で常に容器底部3B方向に押し当て位置決めしている。また保持板10の中央には貫通穴10Bが穿たれており受圧片11の下端11Bがこの貫通穴10Bに挿通されている。そのため受圧片11の位置決めを容易にすると同時に、受圧片11と熱応動板9とが直接接触することにより保持板10が熱応動板9のスナップ時に受圧片と熱応動板とで直接叩かれないようにしており、熱応動板9の反転復帰動作の繰り返しによる保持板10の変形を防止できる。さらに保持板10は薄い板でありかつ脚部10Aは細く熱応動板9との接触は脚部先端のみでなされているので、熱応動板9の熱は保持板を介しては受圧片11に伝わりにくくなり、導電ピンを通して熱が逃げることを抑えるのに寄与している。
【0023】
この感熱素子の動作は基本的に前述の従来例と同様である。つまり常温の状態では、熱応動板9は図1に示すように下方に膨らんだ湾曲状態をとり、温度の上昇に伴い所定の第1の温度になると急跳反転しその湾曲方向を図2に示す如く中央が上方に膨らんだ形状となるため、その中央部分が保持板10の中央に挿通された受圧片の下端11Bに当接し、受圧片11を押上げる。受圧片11は可動接触部材7を押上げその先端の可動接点8を固定接触部材6の固定接点部6Aから開離しその電路を断つ。また高温状態から熱応動板9の温度が所定の第2の温度まで下がると、熱応動板9はその湾曲方向を復帰し再び可動接点8を固定接点部6Aに接触させ導電ピン4A,4B間の電路を復帰導通させる。
【0024】
次にこの感熱スイッチ1を制御対象機器の一つであるカーエアコン用圧縮機に取り付ける場合を図3の一部断面図及びその部分拡大図である図4を例に説明する。このカーエアコン用圧縮機のハウジングAは前述の従来例と同様のもので、予め感熱スイッチの取付部A1が設けられている。この取付部は圧縮機のハウジングAの吐出冷媒通路A2に設けられた貫通穴であり、容器を挿入して取り付けられた感熱スイッチ1が被検出物である吐出冷媒に直接曝されることにより冷媒温度の変化を速やかに検出できるような位置とされている。
【0025】
感熱スイッチ1は、前述の従来例と同様にその導電ピン4A(4B)にリード線12A(12B)を溶接などの方法で導電的に接続固定したものであり、さらに使用環境中でこの接続部への水などの浸入を防ぎ且つ作業時に加わる外力や振動から保護するために、感熱スイッチ1に保護キャップ13が被せられキャップ内部に絶縁性の充填材14が充填されている。
【0026】
このように構成された感熱スイッチを、圧縮機外側から取付部A1にシリコンゴムなどでできたOリング15と共に挿入し、このOリング15を取付部A1の内壁と感熱スイッチ容器外壁及びフランジ部との間に密着させることにより貫通穴であるこの取付部A1は気密にふさがれる。さらに保護キャップ13の上端面を周知の円弧状の弾性部材16であるスナップリングなどにより保持しスイッチが脱落しないように固定する。このように感熱スイッチ1は圧縮機ハウジングAの内壁面よりも外側の位置で保持固定されているので、Oリングと弾性部材のみで取付部の気密性と確実な固定を確保することができる。ここで感熱スイッチ1の容器外壁は熱が逃げにくいように、取付部A1の内壁とは直接接触しないようにされると共に、蓋板を含めて金属部が直接圧縮機のハウジングに接触しないようにされている。この感熱スイッチ1は従来のものと比較して容器が長くスイッチ容器の下半分が吐出冷媒の流路中に曝されるので、被検出物である冷媒からの熱をより効率的に受けることができる。
【0027】
本実施例においては感熱スイッチの容器3の円筒部を長くすることで容器底面からの熱の移動を抑えているが、その熱移動速度をより大きく抑えようとする場合には円筒部をさらに長くしたり、容器3の厚みtを薄くする必要がある。しかしながら円筒部の長さLを大きくすると当然スイッチの取り付け位置も大きなスペースを必要とするために制御対象機器、実施例では圧縮機のハウジングが大型化してしまうおそれがある。また、容器の厚みtを薄くすると耐圧力性能が低下してしまうという問題もある。
【0028】
そこで本発明においては、金属製容器を熱伝導率が鉄の2分の1以下である金属、好ましくは熱伝導率が鉄の3分の1以下である金属で構成することにより容器の長さや厚みはそのままに熱移動速度を抑えることができる。さらに容器円筒部の厚みと長さを所定の関係となるように設定することにより、例えば熱伝導率が鉄の2分の1よりも高いものでも容器の熱伝導を所定の速度以下に抑えることができ、また熱伝導率が鉄より充分に小さいものにおいてはさらにその効果を増し、感熱スイッチとしての応答速度を高めることができる。この容器3としては例えば鉄合金やニッケル合金などのうち適宜選定されたものが使用される。本実施例では容器3にはステンレス鋼板(SUS303)をプレス加工などにより有底円筒形状に絞り成形したものを使用しており、その熱伝導率は常温で鉄の約5分の1、従来使用されていた冷間圧延鋼板の約4分の1である。
【0029】
このように容器としてステンレス鋼などの抵抗値の高いものを使用した場合、蓋板と容器の抵抗値の差が大きく溶接時に溶融した金属の一部が飛散するいわゆるチリが発生する可能性があり、このチリが容器内部に入ると各部の動作や絶縁性などに不都合な影響を及ぼすことがある。そこで本発明においては蓋板2の周縁部近傍に段差2Aを設け、容器3はその内周面を蓋板の段差2Aの外縁にほぼ当接するようにされている。そのため、蓋板2と容器3との溶接時にチリが発生しても、段差2Aにより容器内部への進入を防ぐことができる。またこのような構成にすることにより、組付時の蓋板と容器との位置合わせ作業が容易になる。
【0030】
本発明の感熱スイッチに於いては、容器3として熱伝導率が従来使用されている冷間圧延鋼板よりも低い値となる鉄の2分の1以下である金属、例えばステンレス鋼などを使用することにより従来の感熱スイッチよりも熱応答速度を上げることができるようになった。これは前述したように従来の比較的熱伝導性の良い容器を使用した感熱スイッチを圧縮機のハウジングに取り付けた場合に於いては、感熱スイッチの容器底部3Bの熱は容器を介して熱応動板に伝わると同時にスイッチ容器の円筒部を介してさらに低温である蓋板や圧縮機ハウジングへと移動していたために、熱応動板の温度上昇速度が実質的に抑えられていたことによる。
【0031】
従来においても圧縮機への取付時には蓋板など金属部が直接圧縮機の金属製ハウジングに触れないようにされてはいたが、スイッチに密着している樹脂などにも熱が伝わるため、特に冷媒温度が急上昇した時などのような素早い応答速度が求められる場合においてはそれだけでは充分な効果が得られなかった。また密閉容器を構成する金属製の蓋板は容器に比較して厚みのある金属板を使用しているために比較的大きな熱容量があり、容器に伝えられた熱がこの蓋板の加熱のために移動してしまうことも熱応動板の加熱が遅れてしまうことの一つの要因となっている。さらに耐圧力性能を高めるためにスイッチの容器底面を球面状にしたために、従来のものと比較して熱応動板と容器底面との距離が少し離れ容器底面からの放射熱が熱応動板に届きにくくなることも一因だと考えられる。
【0032】
またここで前述の従来例や本発明のように感熱スイッチに密閉型容器を使用している場合には、従来は内部に封入する封入ガス中のヘリウムの比率を上げることにより容器からの熱を熱応動板に対してより伝わりやすくし、その結果として応答時間を短縮させていたがこれだけではまだ不充分であった。またこれに対して金属板の代わりに熱伝導率の低い樹脂製の蓋板を使用したり開口部を樹脂などの充填材によって封入するものもあるが、このような構造では実質的に気密性を持たないために所定の封入ガスを入れたとしても長期間にわたってその組成を安定的に維持することは不可能であり、長期的な熱伝導性の向上は期待することができない。
【0033】
これらの点に鑑み感熱スイッチの容器底面からの熱の移動に着目し、各種の実験を行ったところ、感熱スイッチの動作時間は容器の熱伝導率と容器円筒部の長さ及び厚みからほぼ定常的に導かれることがわかった。つまり感熱スイッチ容器の熱伝導率が低ければ容器底面に与えられた熱は外部に移動しにくく、また容器円筒部の厚みが薄ければ断面積が小さくなるのでやはり熱が伝わりにくくなり、さらに円筒部の長さが長いほど熱勾配が緩やかになるので熱が移動しにくくなる。これらの点を考慮し実験結果と併せて検討した結果、感熱スイッチの容器の熱伝導率及び形状と動作時間とは以下の式で導き出される動作時間指数Tによってほぼ関連付けられることが判った。
【0034】
【数式1】
【0035】
この動作時間指数Tは、一定の条件範囲内であれば前述した感熱スイッチの代用特性試験における動作時間とほぼ比例する。そのためこの値を従来のものと比較することにより容器の熱伝導率及び形状から動作時間を容易に予測することができる。例えば本実施例及び前述の従来例の感熱スイッチにおいては以下の関係が実験式として導き出された。
【0036】
【数式2】
【0037】
この予測動作時間T1を導き出すための代用特性試験について説明すると、試験を行った感熱スイッチは容器円筒部の直径Dを12.8mmとし、収納される熱応動板の直径は12.0mmである。また蓋板は直径17mmで厚み1.6mmの冷間圧延鋼板(SPCE)に導電ピンを固定したものを使用し、容器内部への封入ガスは窒素75%−ヘリウム25%として封入ガス圧力は130kPaで統一されている。また、試験時には図4等に示す保護キャップ13及びリード線を感熱スイッチに取り付けた状態で行った。試験方法は前述したように155℃で動作する感熱スイッチを180℃のシリコンオイルに蓋板など他の部分が触れないように容器部分だけを浸し、スイッチが動作するまでの時間を測定した。この予測動作時間T1は、各値の代入条件の範囲内、つまり容器の厚みtを0.1〜0.6mm、容器円筒部の長さLを4〜20mmとし、且つ熱伝導率を鉄からステンレス程度の範囲に限定した場合においては感熱スイッチの代用特性試験における動作時間とかなりよく一致する。
【0038】
例えば実施例のステンレス(SUS303)製容器(熱伝導率0.015W/(mm・K))で容器の厚みtが0.3mm、円筒部長さLが12.1mmの場合には、T1は15.30となり、実測値平均の15.4秒とほぼ一致する。各種サンプルの試験結果と予測動作時間との関係を表1に示す。
【0039】
【表1】
【0040】
このように予測動作時間T1は各種サンプルの代用特性試験における動作時間とほぼ一致する。このことから感熱スイッチの予測動作時間T1が図6に示した従来のものの予測動作時間に対して半分以下になれば、前述の特開平8−212893号公報に示された感熱スイッチ全体を冷媒中に曝した場合と同じかそれ以上の性能が実験上得られた。
【0041】
具体的には従来の冷間圧延鋼板製容器(熱伝導率0.062W/(mm・K))で容器の厚みtを0.3mm、円筒部長さLを6.8mmとしたものの値の半分以下である場合に使用可能範囲となる。表1に示した実施例1〜3はそれぞれこの条件を満たしており、実際に制御対象機器に取り付けて行った試験においてもこの結果は確認された。また比較例の冷間圧延鋼板製容器で円筒部長さLを12.1mmとしたものにおいては、従来例よりも動作時間は短くなるもののそれだけでは計算値も実測値も従来例の半分までにはならず、また実際の試験においても機器の保護には不充分な結果となった。
【0042】
上述の計算値及び実験の結果から、容器の形状を従来と同じにした場合には熱伝導率を鉄の約2分の1以下、従来使用していた鋼板の約3分の2以下にすることにより充分な動作速度を得ることができる。また、容器の円筒部長さLを従来のものよりも長くすることにより蓋板への熱の移動を遅延させ感熱スイッチとしての熱応動時間をより短くすることもできる。例えばこの場合には、上記実験式からは容器の厚み及び熱伝導率が同じ場合には少なくとも従来の2倍を超える長さが必要とされることが判る。
【0043】
この数式により得られる互いの相関関係は、特に感熱スイッチ容器の円筒部の直径を8〜15mmの範囲とした場合において高い精度で適合する。なお数式2は実施例で具体的に使用した形状の感熱スイッチでの試験結果に合わせて数式1の定数A及びBを決定したものであり、例えば感熱スイッチ容器の直径などを変更した場合にはこの定数A及びBを新たな条件に合わせて設定することにより実際の動作時間に近い数値を得ることができる。
【0044】
ところでスイッチ容器中に封入されたガスはスイッチ容器の熱を熱応動板に伝えると同時に容器内での対流を起こすことによりその熱を蓋板に逃がすことにもなるが、封入ガスを介して熱応動板に伝えられる熱の方が蓋板に熱を移動させるよりもその配置上の寸法差から有効に働き、特に急激な温度上昇を検出する場合においては封入ガスを熱伝導の良好な状態の方向に変えること、つまり封入ガス中のヘリウム比率を上げたりあるいは封入ガス圧を高くするなどの変更をすることは有効である事が実験上判った。
【0045】
具体的にはヘリウムを50%以上にすることにより熱媒体である圧縮機の冷媒ガスの短時間内での温度上昇に対する熱応動板の温度上昇速度を早くすることができる。さらに好ましくはヘリウムを75%以上とするのがよい。またヘリウムを100%に近くすると接点開放時の接点間耐電圧が低下するが、自動車などのバッテリー電圧程度での使用においては実質上の問題はない。しかし製造時の検査工程において接点間距離の検査を接点間耐電圧の測定によって行う場合には電圧範囲が狭くなるために判定作業が難しくなる。そこで上限は95%とする事が好ましい。図1の感熱スイッチで容器をステンレスにしたもので比較すると、封入ガスとしてヘリウム25%−窒素75%を使用したものとヘリウム75%−窒素25%としたものとを比較してみると、オイルによる特性代用試験においては動作時間が20%以上短くなった。ここで容器に鋼板を使用した従来のものよりも変化率が大きいのは、前述の理由から容器底面温度が早く上昇するので、この熱を効率的に熱応動板に伝えるためにガスを変えたことがより有効に働くと考えられる。
【0046】
上述の実施例に於いては感熱スイッチの容器にステンレス鋼を使用したものを例に説明したが、この他にも鉄−ニッケル合金や鉄−クロム合金、ニッケル−クロム合金、ニッケル−銅合金などの熱伝導率が鉄に対して2分の1以下の金属、好ましくは少なくとも熱伝導率が鉄の3分の1以下となる金属を選定することにより同様の効果を得ることができる。
【0047】
また実施例の感熱スイッチは蓋板に2個の貫通孔を穿ちそれぞれに第一及び第二の端子を保持したものについて説明したが、たとえばこれに代えて特開平6−307374号公報の図3(C)に示されたような貫通孔に一個の端子を固定し固定接触部材と可動接触部材のどちらか一方をこの端子に接続固定し他方を蓋板に接続固定する構造のものであってもよい。この場合、自動車などのいわゆるボディアース構造とされているものであれば、蓋板を圧縮機などの制御対象機器のハウジングに電気的に接続させておくことにより一方のリード線を省略することができる。またこのように端子を一個にした場合でも、蓋板にリード線を接続固定するなどして蓋板を制御対象機器のハウジングと熱的に接触しない構造としておく方がよいことはいうまでもない。
【0048】
【発明の効果】
以上述べた如く、本発明によれば感熱スイッチの金属製容器円筒部の厚みと長さを所定の関係となるように設定することにより、容器底面から熱応動板への熱伝導と蓋板方向への円筒部を通じた熱伝導がそれぞれ規定されて、その結果として熱応動板の温度上昇速度を向上させ、感熱スイッチとしての応答速度を高めることができる。
【0049】
また金属製容器の熱伝導率を従来使用されていた鋼板と比べて低くし、好ましくは熱伝導率が鉄の3分の1以下である例えばステンレス鋼を使用することにより容器を通して熱が外部に逃げるのを抑えることができ、容器内部に収納された熱応動板に冷媒の熱を効果的且つ速やかに伝えることができる。
【0050】
さらに密閉容器内に封入ガスとしてヘリウムを50%以上の割合で封入することにより、特に圧縮機の冷媒ガスなどの熱媒体の急激な温度上昇時において容器の熱を熱応動板に速やかに伝えることができる。
【0051】
また、本発明によれば蓋板の周縁部近傍に段差を設け、この段差の外縁に容器の内周面がほぼ当接するようにしたことにより、蓋板と容器との溶接時にチリが発生しても、この段差により容器内部への進入を防ぐことができると共に、このような構成にすることにより組付時の蓋板と容器との位置合わせ作業が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による感熱スイッチの一実施例の断面図
【図2】図1の感熱スイッチの動作状態を示す断面図
【図3】図1の感熱スイッチを制御対象機器に取り付けた状態を示す一部断面図
【図4】図3の部分拡大図
【図5】図1の感熱スイッチに使用される保持板の平面図
【図6】従来における感熱スイッチの一例の断面図
【図7】従来の感熱スイッチを制御対象機器に取り付けた状態を示す一部断面図
【図8】図7の部分拡大図
【符号の説明】
1:感熱スイッチ
2:蓋板
2A:段差
2B,2C:貫通孔
3:容器
4A,4B:導電ピン
5:充填材
6:固定接触部材
6A:固定接点部
7:可動接触部材
8:可動接点
9:熱応動板
10:保持板
11:受圧片
12A,12B:リード線
13:保護キャップ
14:充填材
15:Oリング
16:弾性部材
【数1】
【数2】
Claims (5)
- 冷媒を熱交換システム系統に循環させるカーエアコン用冷媒圧縮機内の高圧環境に対して感熱部分が直接曝される感熱スイッチであり、
円板状の金属製の蓋板と、
前記蓋板の外周近傍にほぼ均一に密着する開口端を有する円筒部と底面部から成り前記蓋板に該開口端をリング状に溶接して密閉容器を構成する金属製の容器を有し、
密閉容器中には所定のガスが封入され、
この容器の内部底面に沿って所定の第一の温度で急跳反転動作し第二の温度で急跳反転復帰するように浅い皿状に成形された円板上の熱応動板を収納し、
その熱応動板に対向して弾性を有する保持板を配設し、
前記蓋板に2箇所の貫通孔を穿ちそれぞれの孔にガラスの如き電気絶縁性の充填材により端子を気密に保持し、
この一方の端子には固定接触部材を、また他方の端子には可動接触部材を接続固定し、
該可動接触部材には前記熱応動板に対峙する受圧片が設けられた感熱スイッチにおいて、
前記金属製の容器を熱伝導率が鉄の2分の1以下である金属によって構成し、
前記容器を前記圧縮機のハウジングに設けられた貫通孔に前記蓋板が外部に露出するように挿入し、前記容器の該蓋板近傍外周部分を前記圧縮機の内壁面より外側の位置で前記貫通孔に気密に保持固定し、これにより前記容器の底面部分が被検出物である冷媒に直接曝されるように取り付けられることにより容器底面部分を加熱したときの蓋板側への熱伝導速度を前記容器の熱伝導率により抑え容器底面の温度上昇速度を上げたことを特徴とする感熱スイッチ。 - 金属製の容器は鉄−クロム合金、鉄−ニッケル合金、鉄−ニッケル−クロム合金またはニッケル−クロム合金のいずれかにより構成されていることを特徴とする請求項1に記載の感熱スイッチ。
- 金属製の容器はステンレス鋼板であることを特徴とする請求項2に記載の感熱スイッチ。
- 密閉容器内に封入ガスとしてヘリウムを50%以上の割合で封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1項に記載の感熱スイッチ。
- 蓋板の周辺部近傍に段差を設け、容器はその内周面を蓋板の段差の外縁にほぼ当接するようにしたことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の感熱スイッチ。
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