JPH11117743A

JPH11117743A - 自動車エンジンの高冷却効率のワックス型サーモスタット

Info

Publication number: JPH11117743A
Application number: JP31883497A
Authority: JP
Inventors: Giichi Kuze; 義一久世
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-10-16
Filing date: 1997-10-16
Publication date: 1999-04-27

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】自動車エンジンの冷却液の温度の上限を従来
の１３０℃を９９℃に低下させる高い冷却効率のワック
ス型サーモスタットを得る。【解決手段】ロッド３に係合する弾性シール・スプー
ル５の中心孔の側壁の肉厚を超薄くし、更にフランジ面
１５に小孔を開口し、その分、サーモスタットのリター
ン・スプリング９のバネ定数を低下させ、サーモスタッ
トの作動温度範囲をワックスが固体から液化する状態変
化領域に集中させ、適切時に円滑に冷却液が急増するよ
うに構成してエンジンの熱効率を大巾に上げる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車エンジンの冷却液
の温度を制御するワックス型サーモスタットに関する。

【０００２】

【従来の技術】サーモスタットの作動範囲は弁のリフト
・アップの大きなワックスが固体から液化する状態変化
領域の８５℃から１００℃間の１５℃と、弁のリフト・
アップの微少なワックス液の体膨張領域の１００℃から
１３０℃間の３０℃に亘る合計４５℃なので、これが従
来自動車エンジンの熱効率の著しく低い原因となってい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】サーモスタットの作動
温度範囲をワックスが固体から液化する弁のリフト・ア
ップの大きな状態変化領域の１５℃間に集中し、更に、
その領域の弁のリフト・アッブの拡大、増長手段を講じ
て自動車エシジンの冷却液温の上限を１００℃以内に抑
制し、自動車エンジンの熱効率を向上させるのである。

【０００４】

【発明が解決するための手段】弁のリフト・アップの拡
大、増長手段は、第１にロッドに係合する弾性シール・
スプールの中心孔の側壁の肉厚をロッドの直径の２５％
から５％の範囲内に超薄くするにあり、又、第２にサー
モスタットのフランジ面に少なくとも１個の小孔をあ
け、サーモスタット・ハウジング内とラジエーターに連
通するサーモスタット・キャップ間を同圧にして、その
分、サーモスタットのリターン・スプリングのバネ定数
を低下させるにある。

【０００５】

【実施例】図２は後述する従来のワックス型サーモスタ
ットの自動車エンジンの冷却システム、図３は同じく後
述する本発明の高冷却効率のワックス型サーモスタット
で構成する自動車エンジン冷却システムの一実施例であ
る。図３に於いて、ワックス型サーモスタット１に装着
するサーモ・アクチュエータ２（図６）はロッド３とロ
ッド３に摺動自在に係合するガイド・メンバ４とガイド
・メンバ４の下端面に気密に係合し、同じくロッド３に
摺動自在に係合する弾性シール・スプール５の底内面と
ロッドの下端面との間に形成される空間に所要量の潤滑
油６を封じ込み、これ等４者を一体にしてワックス７を
充填する感熱シリンダ筒８内に挿入し、気密に圧着して
構成する。

【０００６】冷却液がサーモスタットの規定する温度を
超えて上昇するに連れ、図７に示す様に感熱シリンダ筒
８内に密封充満するワックス７は溶融膨張し、その体積
を増す。従って、ロッド３に係合する弾性シール・スプ
ール５はリターン・スプリング９に抗してロッド３を絞
り上げ、主弁１０のリフトを増す。逆に温度が下がる
と、ワックス７は逐次、凝固収縮し、弾性シール・スプ
ール５はリターン・スプリング９により、ロッド３に押
されて主弁１０のリフトを低下し閉弁に至る（図６）。

【０００７】ロッド３に係合する弾性シール・スプール
５の肉厚を超薄くすると、シリンダの内容積に余裕が出
来ると共に、これを絞り上げるに要するワックス圧は従
来のものより極めて低くなるから、シリンダの肉厚も薄
く出来、シリンダの内容積は更に余裕を増す。そこで、
ロッド３の径を太くしてシリンダ内の溶融ワックス圧の
上限をロッド３の径の２乗に逆比例して激減させ、更に
サーモスタットのフランジ１５面に少なくとも１個の小
孔１６を開口し（図８）、主弁が閉じている時、主弁の
内外を同圧にし、その分、リターン・スプリング９のバ
ネ定数を従来のものより低減させて溶融ワックス７の液
化を促進し、適切時に弁のリフトを激増させて自動車エ
ンジンの熱効率を大巾に上げるのである。

【０００８】ワックス圧の代りに油圧を利用した簡易な
弾性シール・スプールの油圧力−主弁リフトの卓上試験
装置を図１に示す。３１．油圧供給口３２．サーモ・アクチュエータ内部の弾性シール・スプールを観察出来る様に感熱シリ
ンダを切断して装着する３３．外部から内部を観察する窓３４．透明なアクリルパイプ３５．弾性シール・スプール３６．ロッド３７．潤滑油３８．リターン・スプリング３９．ダイヤル・インジケータ（図示せず）

【０００９】図１の試験装置で測定した油圧−主弁リフ
トの実測値を表１に示す。表１に於いて（Ａ）は従来のロッド３の径３．８ｍｍで、その径の４
５％の肉厚１．７ｍｍのもの（Ｂ）はロッド３の径４．５ｍｍで、その径の２５％の
肉厚１．２５ｍｍのもの（Ｃ）はロッド３の径４．５ｍｍで、その径の５％の肉
厚０．２２５ｍｍのものであって係合するリターシ・スプリング９のバネ定数は
０．５５ｋｇ／ｍｍである。

【００１０】弾性シール・スプール５の肉厚が（Ｃ）の
ように超薄いとスプール内部の潤滑油６の圧力はワック
ス圧と等価になる。弾性シール・スプール５はその内外
から等価の圧力で支えられ浮遊状態になるので、ロッド
３間の摩擦抵抗が０となり、ロッド３のリフト・アップ
はロッド３の下端面に加えられる潤滑油６の圧力によっ
てもたらされる。

【００１１】（Ａ）は肉厚１．７ｍｍのため起動圧力は
８０ｋｇ／ｃｍ^２で、リフトが０．６ｍｍであり、バネ
荷重１５．１ｋｇに抗し、ロッド３を１０ｍｍ絞り上げ
るのに１４０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力を要し論外である。

【００１２】ロッド３を起動する圧力は（Ｂ）、（Ｃ）
共に５０ｋｇ／ｃｍ^２で、その時の主弁のリフトは同じ
く０．４ｍｍであるが、それ以後はバネ荷重１５．１ｋ
ｇに抗してロッドを１０ｍｍ絞り上げるのに、（Ｃ）は
超薄肉０．２２５ｍｍのため、９０ｋｇ／ｃｍ^２で達
し、（Ｂ）は遅れて１００ｋｇ／ｃｍ^２で達す。

【００１３】従って、これ等を考えると、弾性シール・
スプール５の肉厚を（Ｂ）以上に厚くすると、起動圧力
は５０ｋｇ／ｃｍ^２を超すので、肉厚の上限はロッド３
の径の２５％とする。又、弾性シール・スプール５の肉
厚は（Ｃ）に示す５％で充分で、これ以上薄くすると、
その製造が困難になり、コスト高になるので、肉厚の下
限はロッド３の径の５％とする。

【００１４】更に、表１の（Ｃ）のリターン・スプリン
グ９のバネ定数０．５５ｋｇ／ｍｍを０．２７ｋｇ／ｍ
ｍに変えて、図１の試験装置で測定した油圧−主弁リフ
トの実測値（Ｄ）を表２に示す。

【００１５】（Ｄ）の起動圧力３０ｋｇ／ｃｍ^２で弁リ
フトは０．３ｍｍ、圧力６０ｋｇ／ｃｍ^２で弁リフトは
１３．５ｍｍとなる。超薄肉の弾性シール・スプール５
に、更にバネ定数を従来、０．５５ｋｇ／ｍｍを０．２
７ｋｇ／ｍｍと約半減にしたリターシ・スプリング９を
係合して、ワックス７の液化を促進し、その液化の量を
急増させて弁リフトを上げる相乗効果は群を抜くのであ
る。

【００１６】本発明のサーモ・アクチュエータ（Ｄ）を
組み付けた実施例に就き説明する。図６及び図７は自動
車エンジン冷却液の温度制御用ワックス型サーモスタッ
トの断面図で前者は主弁１０の閉弁時を、後者はその全
開リフト時を示す。一般にワックス型サーモスタットは
図７に示す様に、弁座１１を形成するハウジング１２に
固定するフレーム１３と、弁座１１に係合する主弁１
０、及びこれを圧入固定するサーモ・アクチュエータ２
及び、主弁１０とフレーム１３との間に介装するリター
ン・スプリング９とよりなる。

【００１７】液温が規定温度を超えて上昇すると、サー
モ・アクチュエータ２の感熱シリンダ筒８内に密封充満
するワックス７の溶融膨張によるワックス圧と等価の弾
性シール・スプール５内の潤滑油６は、リターン・スプ
リング９に抗してロッド３を上方へ押し上げる。然し、
ロッド３はハウジング１２の頂点１４に係合支持されて
いるので、相対的に主弁１０は下方へ開く（図７）。液
温が下降に転ずると感熱シリンダ筒８内の溶融ワックス
７は逐次凝固収縮するからリターン・スプリング９によ
り主弁１０は全閉に至る（図６）。この様にしてハウジ
ング１２の頂点１４に係合支持されているロッド３に対
しサーモ・アクチュエータ２のガイド・メンバ４は上下
に摺動し、これに固定される主弁１０及び主弁と一体構
成のバイパス弁１７はこれに対応して開閉する。

【００１８】従来の自動車エンジンの冷却システムのサ
ーモスタット１のフランジ面１５にはエンジンの冷態時
の冷却水の温度上昇を早める目的で必ず公知のジグル弁
機構（図示せず）を装着する。エンジンの作動中は水圧
で閉弁し、エンジンが停止すると自重でジグル弁が開
き、冷却水の補給に備える。図２に示すように、エンジ
ンのウォータ・ジャケット２０の流出口２１とラジエー
タ２３の流入口２４間の第１水路２２と、ラジエータの
流出口２５とサーモスタット・キャップ１９、サーモス
タット・ハウジング１８、ウォータ・ポンプ２７を経て
ウォータ・ジャケット２０の流入口２８に至る第２水路
２６と、第１水路２２及び第２水路２６間を連通するバ
イパス水路２９と、バイパス水路２９の開口３０を開閉
するバイパス弁１７及び第２水路を開閉する主弁１０を
有するバイパス型サーモスタット１は、サーモスタット
・キャップ１９によってサーモスタット・ハウジング１
８内に気密に固定される。

【００１９】尚、図に於いてＡ’はサーモスタット・ハ
ウジング１８内、Ｂ’はサーモスタット・キャップ１９
内に近接する部位の水温の測定点、Ｃは流量の測定点で
ある。

【００２０】エンジンの冷態時、バイパス型サーモスタ
ット１の主弁１０は密閉し、ジグル弁も水圧で閉弁して
いるので、ウォータ・ジャケット２０の流出口２１から
の高温の冷却水は、ラジエータ２３内を還流出来ず、第
１水路２２の分岐点Ｊからバイパス水路２９→サーモス
タット・ハウジング１８→ウォータ・ボンプ２７→ウォ
ータ・ジャケット２０の流入口２８へと矢印の様に短絡
還流する。従ってサーモスタット・ハウジング１８内の
水温の上昇は早くなる。

【００２１】然し、ラジエータ２３とサーモスタット・
キャップ１９間の冷却水は流れないで滞留しているから
水温の上昇率は低く、図４に示す自記記録で明らかなよ
うに、サーモスタット・ハウジング１８内の測定点Ａ’
における水温Ａがバイパス型サーモスタット１の主弁１
０の開弁温度８７℃になっても、第２水路２６の図示測
定点Ｂ’の水温Ｂは４５℃になるに過ぎず、その差は４
２℃である。サーモスタット１の主弁１０が開弁する瞬
間、ラジエータ２３の下部からの低温冷却水が流入する
ため、Ｂの水温は更に１３℃下がり、結局、サーモスタ
ット・ハウジング１８内の水温との差は５５℃に拡大す
る。Ａ、Ｂ間の斜線で示す面積はその間の熱エネルギー
損失となる。

【００２２】サーモスタット１の熱応答は冷却水の熱応
答よりかなり遅れる。従って、主弁１０は水温が規定の
開弁温度よりかなり高くなってから弁を開く。同様に、
水温が規定の閉弁温度よりかなり下がってから弁を閉じ
る。この主弁１０の開閉初期に大きな熱オーバー・シュ
ートが発生し、又、主弁が閉じたとき主弁の上流側にサ
ージ圧のピークが発生する。この間の経緯は図４の自記
記録で明らかである。

【００２３】この熱オーバー・シュートとサージ圧によ
って、シリンダ・ブロック、シリンダ・ヘッドに亀裂が
発生することがあり、サーモスタット１、ラジエータ２
３、ウォータ・ポンプ２７の寿命を縮める。又、主弁１
０の開弁直後の水温のこの低下はシリンダ内の不完全燃
焼を誘発し、有害排気物の発生を多くし、更に燃料消費
量も増す。

【００２４】図２の従来の自動車エンジンの冷却システ
ムのサーモスタット１のフランジ面１５に装着するジグ
ル弁を取り去り、あとに残るフランジ面１５の直径２．
８ｍｍの小孔１６をそのまま残し、主弁３が閉じている
時でも、この小孔により少量の冷却水がラジエータ内を
還流出来るようにする。

【００２５】すると、図５の自記記録で明らかな様にサ
ーモスタットの開弁直前のＡ、Ｂ間の温度差は６℃とな
り、図４の５５℃の９分の１になる。従って図４に見ら
れる様な熱オーバー・シュートやサージ圧現象が全く無
く、斜線で示す熱エネルギー損失は激減する。

【００２６】自記記録図４、と図５に於いて、Ａの水温
が６０℃になった時を０とし、それを基準としてバイパ
ス弁が全閉し、冷却水の全量がラジエータに還流するま
での経過時間を比較する。ジグル弁付のもの（図４）は
３９．５分、ジグル弁を外した孔丈のもの（図５）は３
８．８分で、図５の方が予想に反し逆に０．７分早くバ
イパス弁を全閉して、冷却水の全量がラジエータを還流
する。これは冷却水の温度上昇を早める目的で設けたジ
グル弁機構自体が、図４に示す巨大な熱エネルギー損失
を自ら招いて、逆効果をもたらしたものである。要する
に、従来のジグル弁機構は不要であり、ジグル弁を外し
たあとのフランジ面の小孔は熱エネルギー損失を激減さ
せるためにも絶対に必要であることが明らかになった。

【００２７】本発明のサーモスタットのフランジ面に開
口する小孔１６（図８）は主弁１０表裏の水圧を同圧に
し、リターン・スプリングのバネ定数を低下させる本発
明の効果は、主弁の開弁初期に於けるこの大きな熱エネ
ルギー損失を激減させる効果も秘めているのである。

【００２８】本発明のフランジ面の小孔１６（図８）は
従来のジグル弁機構の弁を外したあとの孔を取り敢えず
代用する。

【００２９】図９は従来型の（Ａ）のサーモ・アクチュ
エータで構成したワックス型サーモスタットＡと、
（Ｄ）のサーモ・アクチュエータ（但しスプールの肉厚
を０．４ｍｍとするもの）で構成した本発明のワックス
型サーモスタットＤの夫々冷却液温−主弁リフトのダイ
ヤグラムである。

【００３０】Ａは８７℃で開弁し、１００℃で主弁のリ
フトは８．６ｍｍで液化膨張領域を終了し、以後液体膨
張領域に入り、その後は主弁リフトの上昇率一定とな
る。従って、以後開弁リフトの不足、不足の連続で主弁
リフトが１１ｍｍになるのに冷却液の温度は１３０℃に
も達する。

【００３１】これに対し、本発明のＤは８６℃で開弁
し、９９℃で主弁リフトは１１ｍｍに達す。而も未だ固
体が液化する状態変化領域内にある。当然バイパス弁１
７はそれ以前に全閉する。従って本発明のエンジシの冷
却液の上限は９９℃止まりになる。

【００３２】図９に於いて、同じ温度範囲χでリフト
８．６ｍｍを基準としてＤ曲線の占める斜線の面積ｄと
従来のΛ曲線の占める斜線の面積ａを比較するとｄはａ
の約１３倍で、本発明のサーモスタットが従来のサーモ
スタットより適切時に冷却液が急増して如何に高冷却効
率を発揮し、エンジンの熱効率を上げるか明らかであ
る。

【００３３】本発明のＤのサーモスタット４ヶの耐久試
験の結果を表３に、従来のもの４ヶを表４に示す。サー
モスタットの耐久性に最も重要な要素であるリフトの変
化値は本発明の方が従来のものより一桁以上も小さく更
に初期との変化は少なく優れている。

【００３４】図１０は本発明のワックス型サーモスタッ
トで構成する自動車エンジンの冷却システム図３の冷却
水の温度、流量、時間の自記記録を示す。

【００３５】主弁１０が開き始めるＸ点から、Ａ、Ｂ線
がクロスするＹ点（バイパス弁１７が全閉して冷却水の
全量がラジエータ２３を還流する点）迄の経過時間は従
来の図４では１７分、本発明の図１０では７．６分であ
り、図１０のものは早期に而も極めて滑らかにＡ、Ｂが
交差して切り変わり、図４に比較すれば熱エネルギー損
失は皆無に等しい。

【００３６】又、図４では冷却水の温度は１３０℃迄上
昇するが、図１０では冷却水の温度は９９℃止まりでそ
れ以上上昇しない。

【００３７】試しにＺ部でクーリング・ファンを２〜３
秒ＯＮすると冷却水温は実に敏感に３．５℃下がり、ク
ーリング・ファンをＯＦＦすると２．５分で元の９９℃
に戻る。このようにクーリング・ファンによって極めて
敏感に冷却水温が下がるので車の渋滞時、或いはエンジ
ンの過負荷時の対応はクーリング・ファンのＯＮ、ＯＦ
Ｆ制御で十分可能である。

【００３８】

【発明の効果】弾性シール・スプールの肉厚を超薄く
し、更にサーモスタットのフランジ面に小孔を開口し、
その分、リターン・スプリングのバネ定数を低下させ、
ワックスの液化の増加を促進し、最適切時に冷却液の流
量を激増させ、従来の自動車エンジン冷却液の温度上限
１３０℃を９９℃に下げる本発明はエンジンの熱効率を
大巾に上げ、エンジンの寿命を増し、燃費の節約、有排
気物の減少等、省エネルギー、環境保善をもたらす効果
は大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】ワックス圧の代りに油圧を利用した弾性シ
ール・スプールの油圧力−弁リフトの試験装置。

【図２】従来のジグル弁機構を装着したワックス型
サーモスタットの主弁の全閉時を示す自動車エンジンの
冷却システム。

【図３】本発明の自動車エンジン用ワックス型サー
モスタットの主弁の全閉時を示す自動車エンジンの冷却
システム。

【図４】従来のジグル弁付サーモスタットを含む自
動車エンジン冷却システム図２の流量、温度、時間の自
記記録を示す。

【図５】ジグル弁を外し、バルブ孔を残したサーモ
スタットを含む図２の流量、温度、時間の自記記録を示
す。

【図６】本発明の自動車エンジン用ワックス型サー
モスタットの断面図で主弁の全閉時を示す。

【図７】本発明の自動車エンジン用ワックス型サー
モスタットの断面図示で主弁の全開時を示す。

【図８】本発明の自動車エンジン用ワックス型サー
モスタットのフランジ面の小孔を示す断面図。

【図９】従来のワックス型サーモスタットＡと本発
明のワックス型サーモスタットＤの冷却液温−弁リフト
のダイヤグラムである。

【図１０】本発明のサーモスタットで構成する自動車
エンジン冷却システム図３の流量、温度、時間の自記記
録を示す。

【符号の説明】

１サーモスタット１８サーモスタッ
ト。ハウジング２サーモ・アクチュエータ１９サーモスタット
・キャップ３ロッド２０ウォータ・ジャ
ケット４ガイド・メンバ２１ウォータ・ジャ
ケットの流出口５弾性シール・スプール２２第１水路６潤滑油２３ラジエータ７ワックス２４ラジエータの流
入口８感熱シリンダ筒２５ラジエータの流
出口９リターン・スプリング２６第２水路１０主弁２７ウォータ・ポ
ンプ１１弁座２８ウォータ・ジ
ャケットの流入口１２ハウジング２９バイパス水路１３フレーム３０バイパス水路
の開口１４頂点１５フランジ面１６小孔１７バイパス弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ロッドとロッドに摺動自在なガイド・メ
ンバとガイド・メンバの端面に気密に係合する弾性シー
ル・スプールとロッドの下端と弾性シール・スプールの
底面との空間に封じ込まれた潤滑油の４者を一体にして
ワックスを充填する感熱シリンダ筒内に挿入し、気密に
圧着して構成するワックス型サーモスタットのサーモ・
アクチュエータに於いて、ロッドに係合する弾性シール・スプールの中心孔の側壁
の肉厚をロッドの直径の２５％から５％の範囲に超薄く
し、更にサーモスタットのフランジ面に少なくとも１個
の小孔を開口し、その分、サーモスタットのリターン・
スプリングのバネ定数を低下させ、サーモスタットの作
動温度範囲をワックスが固体から液化する弁のリフト・
アップの大きな状態変化領域に集中してワックスの液化
を促進し、最適切時に冷却液の流量を激増させるように
構成することを特徴とする自動車エンジンの高冷却効率
のワックス型サーモスタット。