SE534871C2 - Termostat för reglering av temperaturen hos en kylvätska som kyler en förbränningsmotor - Google Patents

Description

20 25 30 35 534 871 Ett känt sätt att öka regleringshastigheten hos terrnostater med vaxkroppar är att blanda in metallpartiklar i -vaxkroppen. Då kylvätskan har en högre temperatur än vaxkroppens smältpunkt leder metallpattiklama värmen från kylvätskan till vaxkroppens olika delar så att smältprocessen av vaxet påskyndas. Då kylvätskan har en lägre temperatur än vaxkroppens smältpunlct leder metallpartiklarna värmen från vaxkroppen till kylvätskan så att stelningsprocessen av vaxet påskyndas.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNTNGEN Syfiet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en termostat med en känselkropp som innefattar ett fasomvandlande ämne där en snabb tennostatreglering möjliggörs på ett relativt enkelt och elfektivt sätt.

Detta syfte uppnås med arrangemanget av det inledningsvis nämnda slaget, vilket kännetecknas av de särdrag som anges i patentkravets 1 kânnetecknande del. För att få ett ämne att genomgå en fasändring erfordras transport av en relativt stor mängd värmeenergi i form av latent värme till eller från det fasomvandlande ämnet.

Konventionella termostater med känselkroppar som innehåller fasomvandlande ämnen är relativt långsamma eftersom värmeöverföringen mellan mediet och det fasomvandlande ämnet inte sker tillräckligt elïektivt. Enligt föreliggande uppfinning förses en hylsa som innehåller det fasomvandlande ämnet med utåt skjutande värmeöverförande element. Sådana utåt skjutande värmeöverförande element tillhandahåller extra kontaktytor mellan hylsan och mediet. Därmed underlättas värmeöverföringen mellan mediet och det fasomvandlande ämnet som är beläget inuti hylsan. Överföringen av den relativt stora mängd värmeenergi som erfordras for att fasomvandla ämnet kan därmed ske snabbare vilket resulterar i en snabbare termostatreglering.

Enligt en utfóringsform av uppfinningen är nämnda utåt skjutande värmeövertörande element anordnat så att det tillhandahåller extra kontaktytor som har en väsentligen parallell sträckning med det cirkulerande mediets flödesriktning i den temperaturavkännande positionen. Därmed kan det cirkulerande mediet strömma längs det utåt skjutande elementets kontaktytor och tillhandahålla ett effektivt värmeutbyte väsentligen utan kontaktytorna bromsar upp mediet. Förekomsten av ett eller flera sådana utåt skjutande värmeöverförande elementet tillhandahåller därmed endast små 10 15 20 25 30 35 534 B71 tryckförluster hos det cirkulerande mediet. Nämnda utåt skjutande värmeöverförande element kan vara långsträckta och ha en väsentligen rätlinjig sträckning. Mediet kan i detta fall strömma längs en relativt långsträckt kontaktyta hos det utskjutande elementet vilket resulterar i en effektiv värmeöverföring. Hylsan innefattar med fördel flera sådana långsträckta värmeöverförande element som är anordnade på lämpliga avstånd runt hylsan periferi. Alternativt kan nämnda utåt skjutande värmeöverförande element vara ringformat och sträcka sig runt hylsan. Företrädesvis innefattar hylsan flera sådana ringformade utskjutande element som kan pressas fast runt hylsan under en tillverkningsprocess.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är hylsan och nämnda utåt skjutande värmeöverförande element tillverkat av samma material. För att tillhandahålla en god värmeöverföring mellan mediet och det fasomvandlande ämnet är det viktigt att hylsan och nämnda utåt skjutande värmeöverförande element är tillverkade av ett material med goda värmeledande egenskaper. De är lämpligen tillverkade av metallmaterial som har goda värmeledande egenskaper såsom mässing, aluminium, koppar etc. Hylsan och nämnda utåt skjutande värmeöverförande element kan således tillverkas av samma material men det är även möjligt att de tillverkas av olika material.

Enligt en annan föredragen utforingsform av uppfinningen innefattar hylsan åtminstone ett inåt skjutande värmeöverförande element som har en yta som bildar en extra kontaktyta mellan hylsan och det fasomvandlande ämnet. Ett eller flera sådana inåt skjutande värmeöverförande element tillhandahåller extra kontaktytor mellan hylsan och det fasomvandlande ämnet. Därmed underlättas värmeöverföringen mellan hylsan och det fasomvandlande ämnet ytterligare. Överföringen av den mängd värmeenergi som erfordras för att fasomvandla ämnet kan därmed ske snabbare vilket resulterar i en snabbare termostatreglering.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar terrnostaten ett uppvärmningselement som är anordnat i anslutning till känselkroppen med vilket termostatens regleringstemperatur är justerbar. Uppvärmningselementet är med fördel ett elektriskt uppvärmningselement. Med ett sådant uppvärmningselement kan värmeenergi tillföras till det fasomvandlande ämnet under vissa driñstillfällen. Under sådana driflstillfällen kan det fasomvandlande ämnet fås att smälta då mediet har en lägre temperatur än ämnets fasomvandlingstemperatur. Med hjälp av ett sådant 10 15 20 25 30 35 534 B71 uppvärmningselement kan termostatens regleringstemperatur justeras nedåt i ett lämpligt steg.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är nämnda ämne ett vaxämne. Många vaxämnen har en smälttemperatur inom temperaturomrâdet 60- l00°C. System med varma cirkulerande medium som innehåller vatten har många gånger en önskad temperatur inom detta intervall. Genom att välja ett lämpligt vaxämne med eventuellt tillsatsämnen kan väsentligen alltid ett fasomvandlande ämne med en lämplig smälttemperatur tillhandahållas för sådana system. Termostaten kan med fördel vara anordnad i ett kylsystem med en cirkulerande kylvätska för kylning av en förbränningsmotor. Här önskas vanligtvis upprätthållen en kylvätsketemperatur inom området 70-90°.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARN A I det följande beskrivs, såsom exempel, föredragna utforingsforrner av uppfinningen med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: Fig. l visar ett kylsystem för enförbränningsmotor med en termostat enligt föreliggande uppfinning, Fig. 2 visar termostaten i Fig. 1 mer i detalj, F ig. 3 visar en tvärsnittsvy i planet A-A genom en känselkropp hos termostaten i Fig. 2, F ig. 4 visar en termostat enligt en andra utföringsform och Fig. 5 visar en tvärsnittsvy i planet B-B genom en känselkropp hos termostaten i Fig. 4.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN Fig. 1 visar ett kylsystem for att kyla en förbränningsmotor 1. Kylvätskan cirkuleras i kylsystemet medelst en kylvätskepump 2 som är anordnad i en inloppsledning 3 till förbränningsmotom 1. Efter att kylvâtskan cirlculerat genom förbränningsmotom l och kylt denna leds kylvätskan genom en ledning 4 till en termostat 5. Under tillfällen då kylvätskan har en lägre temperatur än en önskad drifistemperatur leder termostaten 5 kylvätskan till en returledning 6 som är förbunden med inloppsledningen 3. Under 10 15 20 25 30 35 534 87"! tillfällen då kylvätskan har en högre temperatur en den önskade driftstemperaturen leder termostaten kylvätskan, till en ledning 7 och en kylare 8 som kan vara monterad »vid ett främre parti av ett fordon. En kylarfläkt 9 suger en kylande lufiström genom kylaren 8 så att kylvätskan tillhandahåller en effektiv kylning i kylaren 8. Efter att kylvätskan kylts i kylaren 8 leds den, via en returledning 10, tillbaka till inloppsledningen 3.

Kylsystemet innefattar en pilotledning 11 som leder kylvätska fiån inloppsledningen 3 till termostaten S. Kylvätskan i pilotledningen leds därefier tillbaka till inloppsledningen 3 via returledningen 6. Kylvätska som leds till termostaten 5 via pilotledningen ll har samma temperatur som kylvätskan som leds in i forbränningsmotom 1. Termostaten 5 avkänner i detta fall temperaturen på kylvätskan som leds in i förbränningsmotom 1 som är en mer relevant styrtemperatur än temperaturen på kylvätskan som leds ut ur törbränningsmotorn 1. En styrenhet 12 är förbunden med termostaten 5. Styrenheten 12 kan med hjälp av information från, exempelvis, lämpliga motorparametrar variera den temperatur vid vilken termostaten 5 oppnar.

Fig. 2 visar terrnostaten 5 mer i detalj. Termostaten 5 är anordnad i ett hus 13 som har anslutningar som är anslutbara till ledningarna 4, 6, 7 och 1 1. Termostaten 5 innefattar en ventilkropp 14 som är fäst på en stång 15. Stången 15 har ett övre ändparti som är infast inuti en känselkropp 16. Känselkroppen 16 är fast anordnad på ett lämpligt ställe i pilotledningen 11. Kylvätskan strömmar i denna utforingsform i en väsentligen vertikal riktning i anslutning till känselkroppen 16. Fig. 3 visar en snittvy genom känselkroppen 16. Känselkroppen 16 innefattar en hylsa 17 som är tillverkad av ett styvt tunnväggigt material som med fördel är ett metallmaterial med goda värmeledande egenskaper. Hylsan 17 har ett invändigt utrymme som innesluter ett vaxämne 18 som har egenskapen att det ändrar fas från ett fast tillstånd till ett flytande tillstånd vid en temperatur som motsvarar en regleringstemperatur hos termostaten 5.

Då vaxämnet 18 är i det flytande tillståndet har det en markant större volym än i det fasta tillståndet. Hylsan 17 har en väsentligen cylindrisk form med ett flertal utåt skjutande värmeöverförande element 19. De utåt skjutande värmeöverförande elementen 19 är i detta fall långsträckta och raka. De utåt skjutande värmeöverforande elementen 19 är anordnade med jämna mellanrum runt hylsans 17 utvändiga yta. Var och en av de utåt skjutande värmeöverförande elementens 19 kontaktytor har en huvudsaklig sträckning i ett vertikalt plan. De utåt skjutande värmeöverförande 10 .15 20 25 30 35 534 B71 elementens 19 kontaktytor har därmed en väsentligen parallell sträckning med kylvätskans vertikala flödesriktning i anslutning till känselkroppen 16. Hylsan 17 erhåller med hjälp av de värmeöverförande elementen 19 en relativt stor utvändig kontaktyta med kylvätskan. I och med det underlättas värmeutbytet mellan kylvätskan och vaxämnet 18 inuti hylsan 17. Då de utåt skjutande värmeöverförande elementens 19 kontaktytor sträcker sig i kylvätskans flödesriktning bromsar de väsentligen inte kylvätskeflödet i pilotledningen 11. Kylvätskans tryckförluster i pilotledningen 11 anslutning till känselkroppen 16 blir därmed små.

För att ytterligare underlätta värmeutbytet mellan kylvätskan och vaxämnet 18 är hylsan 17 även försedd med ett flertal inåt skjutande värmeöverförande element 20. De vârmeöverförande element 20 skjuter in i vaxämnet 18 från hylsans 17 invändiga yta.

De inåt skjutande värmeöverförande elementen 20 är även långsträckta och raka. De inåt skjutande värmeöverförande elementen 20 är anordnade med jämna mellanrum runt hylsans 17 invändiga yta. Hylsan 17 erhåller därmed även en- stor invändig kontaktyta med vaxämnet 18. Med sådana utåt skjutande värmeöverförande element 19 och inåt skjutande värmeöverförande element 20 erhålls en mycket god värmeöverföring mellan kylvätskan och vaxämnet 18 inuti hylsan 17. Hylsan 17 och nämnda värmeöverförande element 19, 20 är med fördel tillverkad av metallmaterial med mycket goda värmeledande egenskaper såsom aluminium, koppar eller mässing.

Hylsan 17 och nämnda värmeöverförande element 19, 20 kan vara tillverkade av olika sådana material eller av ett samma material.

Hylsan 17 har styva väggar som innesluter vaxämnet 18 i alla riktningar utom i en riktning som i detta fall är nedåt. Då vaxämnet 18 smälter och ökar i volym kan det således endast expandera nedåt inuti hylsan 17. Då vaxämnet ökar i volym får stången inte längre plats utan den förskjuts även nedåt i hylsan 17 . Mellan vaxet och stången 15 kan ett flexibelt membran eller liknande vara anordnat som definierar en nedre yta hos vaxämnet 18 inuti hylsan 17. Att överföra vaxämnets 18 volymändring inuti hylsan 17 till förskjutningsrörelser av stången 15 är konventionell känd teknik och kan göras på ett flertal olika sätt. Ventilkroppen 14 innefattar en returtjäder 20 som är anpassad att förskjuta stången 15 och ventilkroppen 14 uppåt då vaxämnet 18 stelnar och upptar en reducerad volym inuti hylsan 17. Returfjädern 20 utövar en fjädrande kraft på stången 15 av en storlek som inte förhindrar stångens 15 och ventilkroppens 14 förskjutning nedåt då vaxämnet 18 smälter och expanderar inuti hylsan 17.

Ventilkroppen 14 innefattar en första ventiltallrik 21 som är anpassad att försluta en 10 15 20 25 30 35 535! 8?'l öppning 22 mellan ledningen 4 och ledningen 7 då ventilkroppen 14 äri ett första övre läge, vilket visas i Fig. 3. Ventilkroppen 14 innefattar en andra ventiltallrik 23 som är anpassad att försluta en öppning 24 mellan ledningen 4 och returledningen 6 då ventilkroppen 14 är i ett andra nedre läge. Den andra ventiltallriken 23 är inspänd i förhållande till stången 6 med hjälp av en fjäder 25.

Ett elektriskt uppvärmningselement 26 är anordnat i vaxämnet 18 inuti hylsan 17.

Uppvärmningselementet 26 är aktiverbar med hjälp av en elektrisk krets som innefattar en schematiskt visad spänningskälla 27 och en strömbrytare 28. Styrenheten 12 är anpassad att vid lämpliga tillfällen sluta strömbrytaren 28 så att elektrisk energi leds från spänningskällan 27 till uppvärmningselementet 26 som därmed värmer upp vaxämnet 18 inuti hylsan 17. Med ett sådant uppvärmningselement 26 kan Styrenheten 12 justera termostatens regleringstemperatur.

Under drifi av förbränningsmotorn 1 cirkulerar kylvätskepumpen 2 kylvätska genom kylsystemet. För att förbränningsmotorn 1 ska kylas på ett optimalt sätt behöver kylvätska som leds till törbränningsmotom ha en bestämd temperatur. En mindre del av kylvätskeflödet i inloppsledningen 3 leds således inte till förbränningsmotorn l utan genom pilotledningen 11. Kylvätskan som leds genom pilotledningen 11 har således samma temperatur som kylvätskan som leds in i förbränningsmotom 1. Kylvätskan i pilotledningen 11 strömmar förbi känselkroppen 16. Under tillfällen då kylvätskan i pilotledningen 11 har en lägre temperatur än termostatens regleringstemperatur, dvs. vaxämnets smältpunkt, är vaxämnet 18 inuti hylsan 17 i ett fast tillstånd. Vaxämnet 18 tar därmed upp en minimal volym inuti hylsan 17 . Returfjäder 20 håller därmed stången 15 och ventilkroppen 14 i det övre läget. Den första ventiltallriken 21 försluter i detta läge öppningen 22 medan den andra ventiltallriken 23 fi-ilägger öppningen 24.

Kylvätskan som kommer från förbränningsmotom och ledningen 4 leds i detta fall till returledningen 6. Kylvätskan leds därefter till inloppsledningen 3 och förbränningsmotom l. I detta fall tillhandahåller kylvätskan således ingen kylning i kylaren 8.

Då kylvätskan inte kyls i kylaren stigeri regel kylvätskans temperatur i kylsystemet. - Så snart som kylvâtskans temperatur i pilotledningen 11 stiger över regleringstemperaturen börjar vaxämnet 18 att smälta. För att smälta vaxämnet 18 erfordras emellertid tillförsel av en hel del värmeenergi. Med hjälp av nämnda värmeöverförande element 19, 20 kan den erforderliga värmeenergin överföras relativt 10 15 20 25 30 35 534 871 snabbt från kylvätskan till vaxämnet 18 inuti hylsan 17. Då vaxämnet smälter ökar det i volym. Vaxämnet 18 expanderar nedåt i hylsan 17 med följd att stången 15 och ventilkroppen 14 förskjuts nedåt. Då väsentligen hela vaxämnet 18 har smält når ventilkroppen 14 det nedre läget där den andra tallriksventilen 23 törsluter öppningen 24. Då ventilkroppen 14 når detta läge har den första tallriksventilen 21 frilagt öppningen 22. Fjädem 25 möjliggör en viss fortsatt expansion nedåt stången 15 i förhållande till ventilkroppen 14. Kylvätskan som kommer från förbränningsmotorn och ledningen 4 leds i detta fall till ledningen 7 som leder kylvätskan till kylaren 8.

Kylvätskan kyls i kylaren 8 av omgivande luft innan den, via ledningen 10, leds till i inloppsledningen 3 och förbränningsmotorn 1.

Under tillfällen då kylvätskans temperatur i pilotledningen 11 sjunker under regleringstemperaturen börjar vaxämnet att stelna inuti hylsan 17. Vaxämnets 18 volym inuti hylsan 7 minskar och returfiädern 20 förskjuter stången 15 och ventilkroppen 14 uppåt. Då väsentligen hela vaxämnet 18 har stelnat når den första tallriksventilen 21 det övre läget där den försluter öppningen 22 samtidigt som den andra tallriksventilen 23 frilägger öppningen 24. Kylvätskan förhindras därmed att kylas i kylaren 8 så att kylvätskans temperatur kan höjas. Ventilkroppen 14 kan vara dimensionerat så att den i positioner mellan ovan nämnda ändlägen möjliggör en cirkulation av kylvätskan från ledningen 4 till både ledningen 6 och ledningen 7 i lämpliga proportioner. Om styrenheten 12 bedömer att det är lämpligt att sänka regleringstemperaturen och därmed kylvätskans temperatur i kylsystemet aktiverar den det elektriska uppvärmningselementet 26. Med fördel kan uppvärmningselementet 26 tillföra en varierbar värmeeffekt i beroende av hur mycket styrenheten 12 avser att sänka regleringstemperaturen.

Med hjälp av nämnda värmeöverförande element 19, 20 tillhandahålls således en mycket god värmeöverföring mellan kylvätskan i pilotledningen ll och vaxämnet 18 i hylsan 17. Därmed erhåller vaxämnet relativt snabbt samma temperatur som kylvätskan i pilotledningen 11. För att tillhandahålla en fasändring av ett ämne erfordras således transport av en relativt stor mängd värmeenergi i form av latent energi till eller fiån vaxämnet 18. Den goda värmeöverföringen mellan vaxämnet 18 och kylvätskan som erhålls med nämnda värmeöverförande element 19, 20 resulterar i att nämnda relativt stora värmemängd kan tillföras eller bortföras relativt snabbt.

Vaxämnet 18 kan därmed ändra fas relativt snabbt vilket resulterari en motsvarande snabb termostatreglering. Kylsystemet kan därmed leda kylvätska med en väsentligen 10 15 20 534 B71 konstant önskad temperatur till fórbränningsmotorn 1 även under driflstillstånd då förbränníngsmotorn 1 har ett varierande kylbehov.

F ig. 4 och 5 visar en alternativt utformad känselkropp 16. Känselkroppen 16 innefattar även här en hylsa 17 som innehåller ett vaxämne 18. Kylvåtskan strömmar i detta fall i väsentligen horisontell riktning i pilotledningen 11 i anslutning till känselkroppen 16.

Hylsan 17 har en väsentligen cylindrisk form med ett flertal utåt skjutande ringformade värmeöverförande element 29 som sträcker sig runt hylsans 17 periferi. De ringforrnade värrneöveriörande elementen 29 har en utsträckning i ett väsentligen horisontellt plan. De ringformade vârmeöverforande elementens 29 kontaktytor har därmed en väsentligen parallell sträckning med den cirkulerande kylvätskans huvudsakliga horisontella strömningsriktning i pilotledningen 11. Med sådana utåt skjutande värmeöverfórande elementen 29 erhålls en god vârmeöverföring mellan kylvätskan och vaxämnet 18 inuti känselkroppen 16. Även i detta fall erhålls en relativt snabbt fasändring av vaxämnet 18 och en snabb reglering av termostaten.

Uppfinningen är på intet sätt begränsad till den utföringsform som beskrivs på ritningen utan kan varieras fritt inom patentkravens ramar.

Claims (8)

10 15 20 25 30 35 534 B?'| lO Patentkrav

1. Termostat for att reglera temperaturen hos en kylvätska som cirkuleras i ett kylsystem for kylning av en forbränningsmotor (1), varvid terrnostaten innefattar en ventilkropp (14) som är forskjutbart anordnad mellan ett forsta läge då den leder kylvâtska som cirkulerats genom íörbränningsmotorn från en ledning (4) till en forsta utloppsledning (6) och ett andra läge då den leder kylvätska som cirkulerats genom forbränningsmotorn från ledningen (4) till en andra utloppsledning (7), en känselkropp (16) som är anpassad att monteras i en temperaturavkännande position (11) i systemet i kontakt med den cirkulerande kylvätskan, varvid känselkroppen (16) innefattar en hylsa (17) av ett styvt material som innehåller ett ämne (18) som är anpassat att ändra fas och därmed volym vid en regleringstemperatur hos termostaten, och en rorelseöverforande mekanism (15) som är anpassad att överföra rörelser från nämnda ämne (18) till ventilkroppen (14) så att ventilkroppen (14) förskjuts mellan det forsta läget och det andra läget då ämnet ( 18) ändrar fas och därmed volym inuti hylsan (17), och varvid känselkroppen (16) är monterad i en pilotledning (1 1) i kylsystemet där den avkänner temperaturen på kylvätskan som leds in i iörbränningsmotorn (1), kännetecknat av att hylsan (17) innefattar åtminstone ett utåt skjutande värmeöverforande element (19, 29) som har en utvändig yta som bildar en extra kontaktyta mellan hylsan (17) och kylvätskan och att nämnda utåt skjutande värmeöverforande element (19, 29) är anordnat så att det tillhandahåller extra kontaktytor som har en väsentligen parallell sträckning med den cirkulerande kylvätskans flödesriktning i den temperaturavkännande positionen i pilotledningen (11).

2. Termostat enligt krav 1, kännetecknat av att nämnda utåt skjutande värmeövertorande element (19) är långstråckt och att det har en väsentligen rätlinjig sträckning.

3. Termostat enligt krav 1, kännetecknat av att nämnda utåt skjutande värmeövertörande element (29) är ringformat och att det sträcker sig nmt hylsan (17).

4. Termostat enligt något av foregående krav, kännetecknat av att hylsan (17) och nämnda utåt skjutande värmeövertörande element (19, 29) är tillverkade av samma material. 10 15 20 534 B71 \°\

5. Termostat enligt något av de föregående kraven 1 till 3, kännetecknat av att hylsan (17) och nämnda utåt skjutande värmeöverförande element (19, 29) är tillverkade av olika material. I

6. Termostat enligt något av föregående krav, kännetecknat av att hylsan (17) innefattar åtminstone ett inåt skjutande värmeöverförande element (20) som har en yta som bildar en extra kontaktyta mellan hylsan (17) och nämnda ämne (18).

7. Termostat enligt något av föregående krav, kännetecknat av att nämnda ämne (18) är ett vaxämne.

8. Termostat enligt något av föregående krav, kännetecknat av att termostaten innefattar ett uppvärmningselement (26) som är anordnati anslutning till känselkroppen (16) med vilket terrnostatens regleringstemperatur âr justerbar.