JP4286000B2 - 加熱可能膨張材要素 - Google Patents

Description

この発明は、特にサーモスタット弁を作動させるための膨張材作業要素であって、ハウジングと、ハウジングから出るように導かれた可動の作業ピンとを備えており、膨張材と、電気抵抗要素が担体上に取付けられた加熱器具とが、上記ハウジング内に配置されたものに関する。

原動機は特に低温動作段階において消費値および排出値が高くなる。したがってこの段階は可能な限り短縮する必要がある。これは、低温動作段階および暖気動作段階中に循環する冷媒の量を減少させることで達成される。さらに内燃機関の冷媒循環は、冷媒が冷えているときに貫流を遮る主弁と、そのときに開く迂回弁とを含む。このような弁を、排ガス温度、回転数、トルク、および油温などの原動機データおよび動作データに基づいて調整することは、電力を加熱器具に供給することによってこのようなサーモスタット弁を制御するための、この分野に従った装置によって行なわれる。

ＥＰ ７１８ ７３８ Ａ２では、厚い層の抵抗が取付けられた平坦な担体を備える加熱器具が示されている。これの不都合は、厚い層の抵抗が膨張材ワックスなどの膨張材と接触するのが担体とは逆の側だけであり、さらに担体の形成のため加熱表面が小さいことである。さらに、中心で対角線上の担体配置のため、作動ピンの往復行程が限られている。

ＤＥ １９７ ０５ ７２１ Ａ１では、ハウジングの外側にＰＴＣ要素が配置された、この分野に従う装置が示されている。一見して、ハウジング内にある膨張材への熱伝達は劣悪である。このことは基本的にＤＥ ４２ ３３ ９１３ Ａ１およびＤＥ ４４ ０９ ５４７ Ｃ２の対象物にも当てはまり、ここではＰＴＣ要素はハウジング内部で正面に配置され、膨張材に対しても小さな接触表面を有するにすぎない。

これに対し、この発明の根本をなす課題は、安価かつ安全な製造により、短い応答速度（急激応答）およびより内在的な動作安全性をもたらすように、この分野に従う装置を発展させることである。

この発明に従うと、この分野に従う装置において、担体が中空空間を含み、かつ抵抗加熱要素が担体のまわりに巻付けられた加熱熱導体であることによって上記課題が解決される。

この発明に従う形態では、熱導体そのものとしての抵抗加熱要素が質量において小さいため極めて急速に加熱可能となることが達成され、ここで熱導体としての形成によって膨張材に対する熱伝達表面を大きくすることができ、このことは、熱導体の内部に設けられる中空空間の形成によって支援される。さらにこの中空空間によって、作動ピンの往復行程を大きくすることが可能となる。

この発明に従うと、特に公知の厚い層の要素と比較して、同じ寸法、特に同じハウジング外寸法で、熱放出表面が６倍になり、こうして同じ電力供給で対応する態様で特定の熱出力が減少される。これによって局部的な過熱の危険性がはるかに減少する。さらに中空
空間によって、加熱器具は同じハウジング寸法でより大きな軸方向の長さを含むことができ、かつここで作動ピンの往復行程が減少することはない。こうして、膨張材の良好でない熱伝導値により、これを一様に暖めることがハウジング高さの大部分にわたって達成される。全体的に、この発明に従う装置の反応時間は大幅に短縮される。

この発明の好ましい一形態に従うと、熱導体は電気抵抗の正の係数を有し、すなわち抵抗・温度特性曲線は動作領域において単調に上昇する。

こうして、加熱要素の自己調整的な特徴のため、膨張材の過熱の危険性、およびこれに従いこの発明の装置の破壊がなくなる。

さらなる好ましい形態では、熱導体は＞２×１０^-3／Ｋの電気抵抗の正の温度係数を有する。これによって、内燃機関の冷媒の通常の温度領域で、抵抗加熱要素の熱出力が約３分の１減少され、このため高温下での加熱要素による入熱は、膨張材の周囲を流れる冷媒による排熱よりも小さく、こうして過熱がなくなる。

この発明に従う装置の好ましい変形例に従うと、担体は本質的に円筒形の外輪郭を有し、かつ担持体は多角形の外輪郭を有し、ここで特に担体はカゴ状の構造を有する。カゴ状の構造は、担体に縦リブおよび横リブを設けることで形成され得る。ここで熱導体は担体の縦リブのまわりに巻付けられることが好ましい。これによって熱導体と膨張材との間のあらゆる側における接触が保証され、これにより応答速度が上昇する。

個々の熱導体の巻きをあらゆる側で絶縁するために、熱導体は高温に耐える絶縁層で取囲まれる。ここで絶縁層は、ポリイミドラッカー、セラミックまたはガラスからなることができる。

さらなる好ましい形態では、担体は高温に耐える材料からなる。ここで担体は特に耐熱プラスチック、たとえばポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）または液晶ポリマー（ＬＣＰ）、繊維形成自体によって強化するポリマー、さらにはアラルダイト（Ｒ）などのエポキシド樹脂からなることができ、最後にセラミック、特に射出成形可能ポリマーセラミック、すなわち開始状態のポリマー結合セラミックからなってもよい。

正の温度係数を有する熱導体は、好ましくは鉄ニッケル合金に基づく合金からなり、これはさらにクロムなどさらなる元素を含み得る。ここでニッケルの割合は特に６５〜７５％、好ましくは約７０％であり、鉄の割合は２５〜３５％、好ましくは約３０％、クロムの割合は、必要な場合０．５〜２％の範囲、好ましくは約１％である。

ここでこのようなＰＴＣワイヤの特定の電気抵抗は、２００の室温下での約０．３Ωｍｍ²ｍ^-1から、異なる温度下での抵抗を求めるための因数

で一般的に線状に上昇し、ここで温度係数αは一般的に線状の使用領域で約α＝３０００×１０^-6／℃である。

この発明の好ましい変形例では、担体はその接触部を担持する端部のハウジング内でＯ封止リングにより封止され、ここで特にハウジングと担体との間のＯ封止リングは担持体
の環状の出っ張りに配置されるか、またはＯ封止リングは、担体の基部の側部を巡って延びる環状の溝に配置される。これによって担体はハウジングと封止して結合され得る。この形態は特に、変形例におけるように担体の基部に接触部が注入される場合に有利である。担持体とここに設けられる接触部との製造、およびこれに伴いこの発明に従う装置の製造の能率化が、このような装置用の担体の或る製造方法によって達成され、ここで接触部は穿孔格子の形で熱導体の担体用の注入器具へと導かれる。

この発明のさらなる利点および特徴は、前掲の特許請求の範囲および以下の詳細な説明から明らかとなり、ここで図面を参照してこの発明の実施例を個々に説明する。

この発明に従う装置１は本質的に円筒形のハウジング１４を備え、このハウジングは鍋形の下部１４ａおよび上部１４ｂを含み、上部１４ｂはハウジング下部１４ａの自由な前面のフランジで下部１４ａとしっかり結合され、こうしてハウジング１４をなす。

ハウジング上部１４ｂから離れたハウジング下部１４ａの領域には加熱器具１ａが配置される。ハウジング上部１４ｂを通じて作動ピン１ｂが外へ導かれ、この作動ピンはハウジング内において膜１ｃで取囲まれる。ハウジング１４のさらなる内部空間は膨張材ワックスなどの膨張材要素１ｄで充填される。

加熱器具１ａは担体２を含む。担体２はその本体をなす巻枠体７を有し、これは縦リブ８および横リブ９よりカゴ状に形成される。横リブ９（実施例では１つのみを示す）は、巻枠体７を安定させて、加熱線を巻く際に縦リブ８が締付けられるのを防ぐ。担持体の上端には中実のリング１０が形成される。リング１０は出っ張り１１を有し、その外寸法は円筒形のハウジング下部１４ａの内径に対応する。担体２におけるリング１０の反対側には基部４が形成され、その直径はやはりハウジング下部１４ａの内径に対応する。このように基部４と出っ張り１１を有するリング１０とは、ハウジング１４内で担体２を中心にして配置される。基部４内には環状の出っ張り１６が形成され、この環状の出っ張りは封止のためにＯリング１５を受ける。これに代わる担体２の封止を図３で示す。ここでは担体２の基部４の側部に、径方向に凹んで取囲むように延びる環状の溝１７が形成され、この溝もまた封止のためにＯリングを受ける。これにより担体２とハウジング１４との間に大きな接触面２０が生じ、これに伴って、ハウジング１４内で支配的な大きな内圧に対しても高い安全性が得られる。さらに図３の形態では、基部４とハウジング１４の内壁との間の楔形の溝１８の領域に封止物１９が導入され、これは高い内圧によってやはり封止するように働く。この封止物１９は基本的に図１の形態においても設けられ得る。

担体２の基部４には、内部接続端５ａ，６ａおよび外部接続端５ｂ，６ｂを有する接触部５，６が注入され、その各々が担体２から突き出る。巻枠体７のまわりには加熱線が一層で巻付けられ、その両端にはそれぞれ接触部５，６が内部接続端５ａ，６ａで結合される。

図６は図５のＩ−Ｉで切って見た担体２の断面図を示し、ここから、この実施例の縦リブ８および横リブ９の内側の境界となる線が円をなし、担持体２の内部が円筒形に形成されることを見て取ることができる。この実施例では６本の縦リブ８の外側または外部の角は、この場合では１本の横リブ９の外寸法よりも大きいため、２本の隣り合う縦リブ８の外部結合線は、横リブ９の外寸法の外側にある。これにより、縦リブ８の外側に巻付けられた加熱線３もまた横リブ９と接触せず、したがって縦リブ８および横リブ９間の空いた領域で、また横リブ９の領域でも、膨張材ワックスが加熱線３をあらゆる側で取囲んで流れることができる。縦リブ８の配置により、ここに示す実施例で加熱線は一様の六角形となるように導かれる。縦リブ８については他の本数、たとえば３〜１０本、好ましくは４
〜８本もまた可能である。

担体２内への接触部５，６の注入を図７で表わす。図７で示すように、接触部５，６は穿孔格子の形で設けられ、ここで注入プロセスの際には、図７で一点鎖線で示す穿孔格子部分がまだ存在する。図７に示すように、同時にいくつかの担体２が型に注入される。担体２および穿孔格子を注入用の型から取出した後、一点鎖線で示す部分が取除かれ、個々の担体２とは、実線で示す接触部５，６のみが接続されたままとなる。こうして能率的に、かつ良好に封止しつつ接触部５，６を外部と結合することが保証される。

接触部５，６の一代替形態では、接触部は平坦な材料から形成されるのではなく、丸く形成される。ここで内側の端部５ａおよび６ａは押圧されて平坦にされ、フォーク２１として形成される。加熱線は、まずフォークの陰で巻付けられてから、端部がフォーク２１の隙間２１を通じて導かれるようにフォークに固定される。フォークの先端を押圧して合わせ、この部分ではんだ付けの際に絶縁材料の層が溶解することで、端部がしっかりと固定される。電気的結合がもたらされる（図８を参照）。

図９は、単調に上昇する熱導体の抵抗・温度特性曲線を示す。

サーモスタット弁を制御するための、この発明に従う装置を示す縦断面図である。 接触部が注入された、熱導体用の担体を示す斜視図である。 この発明に従う装置であって、底部領域において図１とは異なるやり方で封止したものを示す部分断面図である。 この発明に従う加熱器具を示す斜視図である。 図２に従う担体を示す側面図である。 図５の対象物を線Ｉ−Ｉに沿って切って見た断面図である。 図５のＩＩ−ＩＩに対応して切って見た、製造中の熱導体用担体を示す図である。 担体を有する接触部の代替形態であって、担体の下部を示す平面図である。 担体を有する接触部の代替形態であって、線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿って切って見た断面図である。 好ましい使用における熱導体材料の抵抗・温度特性曲線を示す図である。

Claims (26)

1. 特にサーモスタット弁を作動させるための膨張材作業要素であって、ハウジングと、前記ハウジングから出るように導かれた可動の作業ピンとを備え、ハウジング内には膨張材と、担体上に取付けられた電気抵抗要素を有する加熱器具とが配置され、前記作業要素は、前記担体（２）が、内部に中空空間を備えるカゴ状の構造を有し、前記抵抗加熱要素が、前記担体（２）に巻付けられた熱導体（３）であり、電気抵抗の正の温度係数を有し、前記担体（２）が縦リブ（８）および横リブ（９）を含み、前記熱導体（３）の両端部がそれぞれ接触部（５，６）に結合されたことを特徴とする、作業要素。
2. 前記熱導体（３）が、α＞２×１０^-3／Ｋという条件を満たす電気抵抗の正の温度係数αを有することを特徴とする、請求項１に記載の作業要素。
3. 前記担体が本質的に円筒形の外輪郭を有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の作業要素。
4. 前記担持体（２）が多角形の外輪郭を有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の作業要素。
5. 前記熱導体（３）が前記縦リブ（８）の外部の角に巻付けられることを特徴とする、請求項１に記載の作業要素。
6. 前記熱導体（３）が前記担持体（２）に対して一層で巻付けられることを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれかに記載の作業要素。
7. 前記熱導体（３）の材料がニッケル鉄合金であることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれかに記載の作業要素。
8. 前記熱導体が、高温に耐える絶縁層で被覆されることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれかに記載の作業要素。
9. 前記熱導体が、ポリイミドラッカー（Polyimidlack）からなる絶縁層で被覆されることを特徴とする、請求項８に記載の作業要素。
10. 前記熱導体が、セラミックからなる絶縁層で被覆されることを特徴とする、請求項８に記載の作業要素。
11. 前記熱導体がガラス絶縁層で被覆されることを特徴とする、請求項８に記載の作業要素。
12. 前記担持体（２）が、高温に耐える材料からなることを特徴とする、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の作業要素。
13. 前記担持体（２）が熱可塑性プラスチック、好ましくはポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）または液晶ポリマー（ＬＣＰ）からなることを特徴とする、請求項１２に記載の作業要素。
14. 前記担体（２）が熱硬化性プラスチック、特にエポキシド樹脂たとえばアラルダイト（Ｒ）からなることを特徴とする、請求項１２に記載の作業要素。
15. 前記担持体（２）が射出成形可能ポリマーセラミックからなることを特徴とする、請求項１２に記載の作業要素。
16. 前記担体（２）の基部（４）内に前記接触部（５，６）が注入されることを特徴とする、請求項１から請求項１５のいずれかに記載の作業要素。
17. 前記担体（２）が、前記接触部（５，６）を担持する端部のハウジング（１４）内でＯ封止リング（１５）により封止されることを特徴とする、請求項１から請求項１６のいずれかに記載の作業要素。
18. ハウジング（１４）と担体（２）との間のＯ封止リング（１５）が、前記担持体（２）の環状の出っ張り（１６）に配置されることを特徴とする、請求項１７に記載の作業要素。
19. 前記Ｏ封止リング（１５）が、前記担体（２）の基部（４）の側部を巡って延びる環状の溝（１７）に配置されることを特徴とする、請求項１７に記載の作業要素。
20. 前記担持体（２）の基部（４）が、前記熱導体の方を向いた側に楔形の溝を有し、前記楔形の溝内には封止物が配置されることを特徴とする、請求項１から請求項１９のいずれかに記載の作業要素。
21. 接触部（５，６）が平坦な材料からなることを特徴とする、請求項１４から請求項２０のいずれかに記載の作業要素。
22. 接触部（５，６）が丸い材料からなることを特徴とする、請求項１から請求項２０のい
    ずれかに記載の作業要素。
23. 前記接触部（５，６）の内側の端部（５ａ，６ａ）が押圧されて平坦にされ、フォークとして形成されることを特徴とする、請求項２２に記載の装置。
24. 前記加熱線（３）が、前記フォークの下側で接触部（５，６）の端部（５ａ，６ａ）に巻付けられ、フォーク（２１）を通じて導かれ、加熱線の端の固定のために前記フォークの先端が押圧して合わされることを特徴とする、請求項２３に記載の装置。
25. 特に内燃機関の冷媒循環のためのサーモスタット弁であって、請求項１から請求項２４のいずれかに記載の膨張材作業要素を特徴とする、弁。
26. 請求項１から請求項２１のいずれかに記載の装置のための担体の製造方法であって、前記接触部が、穿孔格子の形で、熱導体の担体用の注入器具へと導かれることを特徴とする、方法。

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