JP4279414B2

JP4279414B2 - thermostat

Info

Publication number: JP4279414B2
Application number: JP22107999A
Authority: JP
Inventors: 久林; 茂和塚本; 英明中野
Original assignee: Wako Electronics Co Ltd
Current assignee: Wako Electronics Co Ltd
Priority date: 1999-08-04
Filing date: 1999-08-04
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2019-08-04
Also published as: JP2001052581A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱応答性に特に優れ、急激な温度上昇が予想される機器に対しても安心して使用できるサーモスタットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
サーモスタットは、制御対象となる機器の温度を感知してスイッチを開閉する素子であり、制御対象機器の温度を一定に調整したり、或いは、制御対象機器への通電を遮断して機器の温度上昇を防止する用途に使用される。そのため、サーモスタットは、制御対象機器に接するように取り付けられ、対象機器の熱が迅速に伝わるようにされている。このようなサーモスタットは、制御対象の機器と常に同一温度であるのが理想的であり、そのためサーモスタットは、熱応答性の良いことが強く望まれるところである。
【０００３】
ところで、コピー機やプリンタにおいて、トナーを定着させる定着ローラにもサーモスタットが使用されるが、最近の機器は、電源投入から印刷可能状態までの待ち時間を短縮するため、定着ローラのヒータを大容量化して、定着ローラの温度上昇の迅速化を図っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、制御対象機器の温度上昇勾配が急な場合には、特に、熱応答性の良さが要求されることになる。例えば、図３（ａ）と図３（ｂ）に対比して示すように、同一のサーモスタットを同じように取り付けても、図３（ｂ）のように制御対象機器の温度上昇勾配が急であると、対象物とサーモスタットの温度差が大きくなってしまい、サーモスタットが動作したときには、既に制御対象機器の温度は、相当に高くなり過ぎているという事態が生じることになる。
【０００５】
この発明は、この問題点に鑑みてなされたものであって、熱応答性を改善し、温度上昇勾配が急な機器に対しても安心して使用できるサーモスタットを提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明者が種々検討したところによると、サーモスタットのキャップからバイメタル上部の空隙を経由した熱伝導や、キャップから中ブタを経由した熱伝導だけでなく、中ブタなどによって熱せられるバイメタル下部の空隙温度の影響も大きいことが明かとなった。すなわち、バイメタル下部の空隙からの熱伝導は、中ブタを経由した直接的な熱伝導よりその影響が大きく、この点を考慮した構成にすることによって、バイメタルの熱伝導性を改善できることが明らかとなった。
【０００７】
そこで、本発明では、サーモスタットの中ブタと、感熱素子たるバイメタルの間に、伝熱部材、好ましくは金属部品を配置するようにしている。
バイメタルの周囲の空隙温度を速く上昇させるには、中ブタの熱伝導性を改善することが先ず考えられるが、中ブタには、接点やバネなどの導電部と、キャップやバイメタルなどの非導電金属部とを絶縁する機能が求められるので、中ブタの素材は樹脂やセラミックなどの絶縁物とせざるを得ない。この絶縁物の熱伝導性は、金属などの導電物よりかなり劣るので、中ブタの材料を如何に改善しても大幅な熱応答性の改善は望めない。そこで、本発明の好ましい実施形態では、中ブタの上部に熱伝導性に優れる金属部品を配置するようにしたのである。
【０００８】
また、本発明において、支持部材とベース部材との間、及び／又は、支持部材と伝熱部材との間に熱伝導を阻止する断熱部材を介在させると、支持部材やベース部材への伝熱が阻止される分だけ、感熱体への伝熱がより効果的となる。断熱部材は特に限定されないが、ポリイミド樹脂やフッ素樹脂が特に好適である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態について、その一例を図示したものである。このサーモスタットＴＨは、有底円筒形のベース部１と、ベース部１の上部から被せられる中ブタ２と、中ブタ２の上に載置される略円環状の伝熱部３と、伝熱部３の外周部に支持されるバイメタル４と、固定接点５ａ及び可動接点５ｂからなる接点部５と、可動接点５ｂを上向きに付勢する板バネ６と、中ブタ２の中央穴を通ってバイメタル４と板バネ６とを接続するガイドピン７と、これら全体を覆うキャップ部材８などを中心に構成されている。
【００１０】
図示のサーモスタットＴＨにおいて、ベース部１及び中ブタ２は、耐熱性樹脂またはセラミックスによって形成される。なお、典型的には、耐熱性樹脂としてフェノール樹脂が用いられ、セラミックスとしてアルミナやステアタイトが用いられる。伝熱部３は、熱伝導性に優れるものなら特に限定されないが、金属が好適であり、安価かつ軽量であって工作容易な点からアルミニウム材が特に好適である。そして、この伝熱部３の中央部に開口が形成され、また、外周部には段差が形成されており、この段差によってバイメタル４を位置決めして保持するようにしている。
【００１１】
バイメタルは、鉄・ニッケル合金などの低膨張率の金属と、ニッケル・マンガン・鉄合金やニッケル・クロム・鉄などの高膨張率の金属とを張り合わせて構成される。そして、動作温度に応じて、低膨張金属と高膨張金属の組み合わせが異なるが、いずれにしても皿状に形成されている。なお、ガイドピン７はセラミック製であり、キャップ部材８は、金属が使用されるが、伝熱性を考慮してアルミニウム、銅、真鍮などが好適に用いられる。
【００１２】
図示のサーモスタットＴＨは、上記の通りに構成されており、キャップ部材８に伝わる制御対象機器の発熱は、バイメタル４の上部空隙に伝えられると共に、伝熱部３を通ってバイメタル４の下部空隙にも伝えられ、バイメタル４の熱応答性を格段に向上させている。ここで、中ブタ２とベース部材１との接触部、及び／又は、伝熱部３と中ブタ２との接触部に断熱シートを配置すると、熱応答性が更に向上する。
【００１３】
すなわち、ベース部材１や中ブタ２への伝熱は、バイメタル４の温度上昇には特に寄与せず、逆に、中ブタ２やベース部材１への伝熱分だけバイメタル４の温度上昇が阻害されるので、断熱シートを介在させることによってバイメタル４の熱応答性を高めることができる。なお、断熱シートとしては、熱伝導性の悪いものであれば特に限定されないが、ポリイミド樹脂フィルムやフッ素樹脂フィルムなどが好適である。
【００１４】
同様の理由から、中ブタ２における伝熱部材３との接触面、及び／又は、中ブタ２におけるベース部材１との接触面を凹凸形状にして接触面積を減らしても、感熱体への伝熱がより効果的となる。図４は、中ブタ２における伝熱部材３との接触面２１、及びベース部材１との接触面２２に、凸部２１ａ，２２ａと凹部２１ｂ，２２ｂを設けた状態を示している。
更にまた、伝熱部材３における中ブタ２との接触面、及び／又は、ベース部材１における中ブタ２との接触面を凹凸形状にして接触面積を減少させても効果的である。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の有効性を確認した実施例について説明する。
表１に示すような４種類のサーモスタットＳ１〜Ｓ４を用意してその熱応答性について調べた。サーモスタットＳ１〜Ｓ４は、全てその動作温度が２００℃に設定されたものであり、それぞれ２２０℃に設定された熱源を使用して実験した。サーモスタットＳ１〜Ｓ４の共通部品として、アルミニウム製（Ａｌ）のキャップ８と、セラミック製のベース部材１と、鉄ニッケル合金からなるバイメタル４と、セラミックス製のガイドピン７とを用いた。なお、その他の固定接点や可動接点やバネなどについても共通である。
【００１６】
【表１】

【００１７】
図２（ａ）は、直径１３ｍｍの円板状のバイメタル４と、セラミックス製の中ブタ２とを用いた従来タイプのサーモスタットS１の要部を図示したものである。図２（ｂ）は、サーモスタットＳ２の要部を図示したものであり、基本構成は、図２（ａ）のものと同じであるが、バイメタル４の形状を９ｍｍ×１１ｍｍの矩形状に変更したものである。図２（ｃ）は、サーモスタットＳ３を図示したものであり、基本構成は、図２（ａ）のものと同じであるが、ベース部材１と中ブタ２の間に、円環状に形成したポリイミドフィルム９（商品名：カプトン）を配置している。図２（ｄ）は、サーモスタットＳ４を図示したものであり、セラミックス製の中ブタ２の外周部を肉薄に形成すると共に、キャップ８と中ブタ２の間に円環状のアルミ板３を配置している。なお、バイメタル４の材質は他の場合と同じであるが、直径１０ｍｍの円板状である。
【００１８】
上記した各サーモスタットＳ１〜Ｓ４について、各バイメタルが反転し、各サーモスタットが動作するまでの時間を計測した。具体的には、各サーモスタットの動作温度を測定した後、室温に３０分以上放置し、２２０℃（具体的には、２１９．５±０．５℃）に安定させた熱板にキャップが接するように載せて、上から１００ｇの荷重を加えた。
【００１９】
実験結果は表２に示す通りであり、サーモスタットＳ１（動作温度１９８．６℃と２０２．８℃の二つのサンプル）について各３回の実験を行ったところ、平均時定数は、３８．７８であった。ここで、時定数τ(Sec)とは、下記（式１）（式２）によって算出された値であり、熱応答性の良否を示すパラメータとなるものである。
τ＝ −ｔ／Ｔ ……（式１）
Ｔ＝ｌｎ｛（Ｔ_H−Ｔ_SW）／（Ｔ_H−Ｔ_R）｝ ……（式２）
Ｔ_H……熱板の温度（℃）Ｔ_SW……サーモスタットの動作温度（℃）
Ｔ_R……室温（℃）ｔ……サーモスタットが動作するまでの時間(Sec)
ｌｎ……ｌｏｇ_e
【００２０】
【表２】

【００２１】
サーモスタットＳ２（動作温度２０５．8℃と２０１．０℃の二つのサンプル）について各３回の実験を行ったところ、平均時定数は、４９．４８であり、熱応答性が劣化することが明かとなった。すなわち、バイメタルの外形を小さくして熱容量を小さくすると、バイメタルの温度上昇が速くなると考えたが、確認実験によれば、結果は逆であった。
【００２２】
サーモスタットＳ３（動作温度１９７．６℃と１９９．８℃の二つのサンプル）について各３回の実験を行ったところ、平均時定数は、３０．７０であり、中ブタ２からベース１への熱伝導を阻止することによって効果があることが明かとなった。
【００２３】
サーモスタットＳ４（動作温度１９８．２℃と１９７．０℃の二つのサンプル）について各３回の実験を行ったところ平均時定数は、１８．２４であり、熱伝導性において格段の効果があることが明かとなった。この効果の要因としては、バイメタル４の直径がサンプル１などに比べて小さいので、バイメタル４の熱容量が小さいことも考えられるが、サーモスタットＳ２の結果が示す通り、バイメタルの熱容量を小さくしても効果はないので、このサーモスタット４での効果は、バイメタルと中ブタの間に配置したアルミ板３によるものと考えられる。また、このサーモスタット４の構造に、サーモスタットＳ３におけるポリイミド樹脂フィルムを組み合わせると、さらに効果が高いと考えられる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱応答性を改善し、温度上昇勾配が急な機器に対しても安心して使用できるサーモスタットを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を例示したものである。
【図２】本発明の実施例を説明する図面である。
【図３】本発明の必要性を説明する図面である。
【図４】熱応答性をより改善した中ブタの構成を示すもので、中ブタの平面図（ａ）、縦断面図（ｂ）、底面図（ｃ）である。
【符号の説明】
４感熱体（バイメタル）
７ガイド部材（ガイドピン）
２支持部材（中ブタ）
１ベース部材
３伝熱部材
TH サーモスタット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermostat that is particularly excellent in thermal responsiveness and can be used with peace of mind even for devices that are expected to experience a rapid temperature rise.
[0002]
[Prior art]
The thermostat is an element that senses the temperature of the device to be controlled and opens and closes the switch. The thermostat adjusts the temperature of the device to be controlled to a constant level, or shuts off the power to the device to be controlled and increases the temperature of the device. Used to prevent Therefore, the thermostat is attached so as to be in contact with the control target device so that heat of the target device can be quickly transmitted. It is ideal that such a thermostat is always at the same temperature as the device to be controlled. Therefore, it is strongly desired that the thermostat has good thermal responsiveness.
[0003]
By the way, in a copier or printer, a thermostat is also used as a fixing roller for fixing toner. However, in recent devices, a large capacity heater for the fixing roller is used to shorten the waiting time from power-on to printing. To increase the temperature of the fixing roller quickly.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Thus, when the temperature rise gradient of the device to be controlled is steep, good thermal responsiveness is particularly required. For example, as shown in FIG. 3 (a) and FIG. 3 (b), even if the same thermostat is attached in the same manner, the temperature rise gradient of the control target device is steep as shown in FIG. 3 (b). If so, the temperature difference between the object and the thermostat becomes large, and when the thermostat is operated, the temperature of the device to be controlled has already become considerably high.
[0005]
The present invention has been made in view of this problem, and it is an object of the present invention to provide a thermostat that improves thermal responsiveness and can be used safely with respect to a device having a steep temperature rise gradient.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have made various investigations. According to the heat conduction from the thermostat cap through the gap above the bimetal, the heat conduction from the cap through the middle pig, the middle pig, etc. It was revealed that the influence of the void temperature under the bimetal heated by the metal was also great. In other words, the heat conduction from the gap under the bimetal has a greater effect than the direct heat conduction through the middle pig, and it is clear that the heat conductivity of the bimetal can be improved by taking this point into consideration. became.
[0007]
Therefore, in the present invention, the pigs in the thermostat during the thermal element serving as the bimetal, the heat transfer member, preferably so as to place the metal parts.
In order to quickly increase the temperature of the air gap around the bimetal, it is conceivable first to improve the thermal conductivity of the middle pig, but in the middle pig, there are conductive parts such as contacts and springs and non-conductive such as caps and bimetal. Since the function to insulate the metal part is required, the material of the middle pig must be an insulator such as resin or ceramic. Since the thermal conductivity of this insulator is considerably inferior to that of a conductive material such as metal, no significant improvement in thermal response can be expected even if the material of the middle pig is improved. Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, a metal part having excellent thermal conductivity is arranged on the upper part of the middle pig.
[0008]
In the present invention, when a heat insulating member that prevents heat conduction is interposed between the support member and the base member and / or between the support member and the heat transfer member, heat transfer to the support member or the base member is performed. Therefore, heat transfer to the heat sensitive body becomes more effective. Although a heat insulation member is not specifically limited, A polyimide resin and a fluororesin are especially suitable.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows an example of an embodiment of the present invention. The thermostat TH includes a bottomed cylindrical base 1, a middle pig 2 that covers the top of the base 1, a substantially annular heat transfer section 3 that is placed on the middle pig 2, and a heat transfer The bimetal 4 supported on the outer periphery of the part 3, the contact part 5 composed of the fixed contact 5 a and the movable contact 5 b, the leaf spring 6 that urges the movable contact 5 b upward, and the central hole of the middle pig 2 The guide pin 7 that connects the bimetal 4 and the leaf spring 6, and the cap member 8 that covers the whole are configured.
[0010]
In the illustrated thermostat TH, the base portion 1 and the middle pig 2 are formed of a heat resistant resin or ceramics. Typically, a phenol resin is used as the heat resistant resin, and alumina or steatite is used as the ceramic. The heat transfer section 3 is not particularly limited as long as it has excellent thermal conductivity, but a metal is preferable, and an aluminum material is particularly preferable because it is inexpensive, lightweight, and easy to work. An opening is formed in the central portion of the heat transfer section 3 and a step is formed in the outer peripheral portion. The bimetal 4 is positioned and held by the step.
[0011]
Bimetal is composed of a low expansion coefficient metal such as iron / nickel alloy and a high expansion metal such as nickel / manganese / iron alloy or nickel / chromium / iron. And although the combination of a low expansion metal and a high expansion metal changes according to operating temperature, in any case, it forms in the shape of a plate. The guide pin 7 is made of ceramic, and the cap member 8 is made of metal. Aluminum, copper, brass, etc. are preferably used in consideration of heat transfer.
[0012]
The illustrated thermostat TH is configured as described above, and the heat generated by the control target device transmitted to the cap member 8 is transmitted to the upper gap of the bimetal 4 and also passes through the heat transfer section 3 to the lower gap of the bimetal 4. The thermal response of the bimetal 4 is greatly improved. Here, if a heat insulating sheet is disposed at the contact portion between the middle pig 2 and the base member 1 and / or the contact portion between the heat transfer portion 3 and the middle pig 2, the thermal responsiveness is further improved.
[0013]
That is, the heat transfer to the base member 1 and the middle pig 2 does not particularly contribute to the temperature rise of the bimetal 4, and conversely, the temperature rise of the bimetal 4 is inhibited by the amount of heat transfer to the middle pig 2 and the base member 1. Therefore, the thermal responsiveness of the bimetal 4 can be enhanced by interposing a heat insulating sheet. The heat insulating sheet is not particularly limited as long as it has poor thermal conductivity, but a polyimide resin film, a fluororesin film, or the like is preferable.
[0014]
For the same reason, even if the contact surface of the middle pig 2 with the heat transfer member 3 and / or the contact surface of the middle pig 2 with the base member 1 is made uneven to reduce the contact area, the heat transfer to the heat sensitive body is achieved. Heat becomes more effective. FIG. 4 shows a state in which convex

portions

21 a and 22 a and

concave portions

21 b and 22 b are provided on the contact surface 21 with the heat transfer member 3 and the contact surface 22 with the base member 1 in the inner pig 2.
It is also effective to reduce the contact area by making the contact surface of the heat transfer member 3 with the inner pig 2 and / or the contact surface of the base member 1 with the intermediate pig 2 uneven.
[0015]
【Example】
Examples in which the effectiveness of the present invention has been confirmed will be described below.
Four types of thermostats S 1 to

S

4 as shown in Table 1 were prepared and their thermal responsiveness was examined. Thermostats S 1 to

S

4 were all set to an operating temperature of 200 ° C., and experiments were conducted using a heat source set to 220 ° C., respectively. As the common parts of the thermostats S 1 to

S

4, an aluminum (Al) cap 8, a ceramic base member 1, a bimetal 4 made of an iron-nickel alloy, and a ceramic guide pin 7 were used. The same applies to other fixed contacts, movable contacts, and springs.
[0016]
[Table 1]

[0017]
FIG. 2A illustrates a main part of a conventional thermostat S1 using a disc-shaped bimetal 4 having a diameter of 13 mm and a ceramic middle pig 2. FIG. 2B illustrates the main part of the thermostat S2, and the basic configuration is the same as that of FIG. 2A, but the shape of the bimetal 4 is changed to a rectangular shape of 9 mm × 11 mm. Is. FIG. 2C illustrates the thermostat S3, and the basic configuration is the same as that of FIG. 2A, but a polyimide formed in an annular shape between the base member 1 and the inner pig 2. Film 9 (trade name: Kapton) is placed. FIG. 2D illustrates the thermostat S4, in which the outer peripheral portion of the ceramic inner pig 2 is formed thin, and an annular aluminum plate 3 is disposed between the cap 8 and the inner pig 2. ing. In addition, although the material of the bimetal 4 is the same as other cases, it is a disk shape with a diameter of 10 mm.
[0018]
About each thermostat S1-S4 mentioned above, each bimetal reversed and time until each thermostat operate | moved was measured. Specifically, after measuring the operating temperature of each thermostat, the cap is in contact with a hot plate that is allowed to stand at room temperature for 30 minutes or more and stabilized at 220 ° C. (specifically, 219.5 ± 0.5 ° C.). The load of 100g was applied from the top.
[0019]
The experimental results are as shown in Table 2, and three experiments were conducted for each thermostat S1 (two samples with operating temperatures of 198.6 ° C. and 202.8 ° C.). The average time constant was 38.78. there were. Here, the time constant τ (Sec) is a value calculated by the following (formula 1) and (formula 2), and is a parameter indicating the quality of thermal response.
τ = −t / T (Formula 1)
T = ln {(T _H −T _SW ) / (T _H −T _R )} (Formula 2)
T _H …… Hot plate temperature (℃) T _SW …… Thermostat operating temperature (℃)
T _R …… Room temperature (℃) t …… Time until the thermostat operates (Sec)
ln …… log _e
[0020]
[Table 2]

[0021]
When three experiments were conducted for each of the thermostat S2 (two samples having an operating temperature of 205.8 ° C. and 201.0 ° C.), the average time constant was 49.48, and it was clear that the thermal responsiveness deteriorated. It became. That is, if the heat capacity is reduced by reducing the outer shape of the bimetal, the temperature rise of the bimetal is considered to be faster. However, according to the confirmation experiment, the result was reversed.
[0022]
When three experiments were performed on thermostat S3 (two samples with operating temperatures of 197.6 ° C. and 199.8 ° C.), the average time constant was 30.70, and the heat from medium pig 2 to base 1 It became clear that there was an effect by blocking conduction.
[0023]
When three experiments were conducted on thermostat S4 (two samples with operating temperatures of 198.2 ° C and 197.0 ° C), the average time constant was 18.24, and there was a remarkable effect on thermal conductivity. Became clear. As a factor of this effect, since the bimetal 4 has a smaller diameter than the sample 1 and the like, the heat capacity of the bimetal 4 may be small. Therefore, the effect of the thermostat 4 is considered to be due to the aluminum plate 3 disposed between the bimetal and the middle pig. Moreover, it is thought that the effect is higher when the structure of the thermostat 4 is combined with the polyimide resin film in the thermostat S3.
[0024]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to realize a thermostat that can improve thermal response and can be used with peace of mind even for devices having a steep temperature rise gradient.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 illustrates an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating the necessity of the present invention.
FIG. 4 is a plan view (a), a longitudinal sectional view (b), and a bottom view (c) of the middle pig, showing the configuration of the middle pig with further improved thermal response.
[Explanation of symbols]
4 Thermal element (bimetal)
7 Guide member (guide pin)
2 Support member (medium pig)
1 Base member 3 Heat transfer member
TH thermostat

Claims

A thermosensitive material that reverses when the critical temperature is exceeded,
A guide member for transmitting the reversal operation of the heat sensitive body to the contact portion;
A support member made of an insulating material and supporting the guide member;
A base member that covers and holds the support member from above ;
A heat transfer member made of a metal material and placed on the support member;
A cap member made of a metal material and holding the heat sensitive body with the heat transfer member;
Thermostat, characterized in that it comprises a.

The thermostat according to claim 1, wherein a heat insulating member that prevents heat conduction is interposed between the support member and the base member and / or between the support member and the heat transfer member.

The thermostat according to claim 2 , wherein the heat insulating member is a polyimide resin or a fluororesin.