TWI422788B - Constant temperature components - Google Patents

Description

恆溫元件

本發明涉及一種恆溫元件，特別指一種可隨著流體，特別是淋浴用冷、熱混合水溫度高低變化伸長縮短，將流體溫度穩定地控制在一個設定值的恆溫元件。

恆溫元件可隨著外界環境，例如水等流體之溫度高低變化產生伸長縮短之位移，因此，已被廣泛地應用於淋浴設備的恆溫控制裝置或恆溫控制閥，藉以將出水溫度穩定地控制在使用者設定的溫度值，而達到確保淋浴品質，同時防止使用者燙傷的功效。

如中國大陸公開號CN101084477A發明專利，其技術背景已揭示了一種恆溫元件，如圖1、2所示，包括一金屬罩1、一外套2、一可熱脹冷縮的填充材料3、一隔板4、一活塞5、一風箱6、一墊7及一墊片8。所述金屬罩1更包括一管狀部分11、一用以封閉此管狀部分11的底端12、一自管狀部分11另端向外延伸的軸環13。所述外套2具有一中心通道21，且包括有一可被包覆定位於軸環13內的底座22。所述填充材料3一般採用石蠟，可被填充於金屬罩1的管狀部分11內，並隨著溫度變化產生熱脹冷縮作用。所述隔板4被安裝於外套2的底座22與管狀部分11間，可將底座22與填充材料3相互隔離。所述活塞5安裝於外套2的中心通道21內，且一端與隔板4相對，可適當地受隔板4中心區域連動作用，另端則根據填充材料3的溫度與體積變化，或多或少地從外套2突出。所述風箱6可隨著活塞5運動而移動，但不會產生彈性形變。所述隔板4中心區域可透過墊7與墊片8連動活塞5，使活塞5沿著恆溫元件的軸線X-X作軸向移動。所述墊7由可變形的彈性體製成，並與隔板4接觸。所述墊片8位於活塞5與墊7之間，可由聚合物如鐵弗龍(PTFE)製成，可防止墊7在活塞5周圍彎曲。

上述恆溫元件多以石蠟作為填充材料3，可使活塞5充分運動，但石蠟的導熱係數非常低(約0.25W/mk)，所以當金屬罩1浸泡於流體，例如水中，仍無法快速地反應溫度變化，而有反應遲滯現象，為改善上述問題，在石蠟中填加具有良好導熱性的材料粉末，如銅粉末(約400W/mk)，以形成石蠟與銅粉末的混合物，也是一種被採用的做法，但石蠟與金屬粉末所形成之異質混合物，因物性差異大，其均勻性將大幅影響恆溫元件的行為表現，故通常須要經過充分混鍊方可使用，一旦混鍊不夠均勻，將使個別或每個批次的恆溫元件在性能上產生差異。另外，石蠟的密度僅約0.8g/cm³ ，相對於金屬粉末(如銅8.94g/cm³ )存在極大之密度差異，在使用過程的升降循環裡，易逐漸發生如銅粉沉降之相分離情形，此將使金屬罩內填充材料在軸向上下處的導熱及熱脹冷縮行為產生差異，造成恆溫元件的性能表現逐步衰減，縮短使用壽命。據此，縱使在上述恆溫元件的石蠟中填加金屬粉末，仍不足以獲得一般淋浴設備之恆溫控制裝置所需穩定且可快速反應的元件。

為了解決上述問題，上述發明專利揭示了一種恆溫元件，如圖3、4所示，用以改良上述金屬罩1結構，具體而言，即將金屬罩1內供容納填充材料3的單一內腔，改為至少兩個內腔14，如圖揭示的四個內腔14，同時使各內腔14周圍壁牆彼此相連，並連接至金屬罩1外表面，如此，外部流體或水的溫度變化，便可透過金屬罩1外表面及相連的壁牆，而與儲存在各內腔14中的填充材料3進行熱傳導。以相同體積的填充材料3與等長的金屬罩1為例，上述發明專利的恆溫元件，可以增加填充材料3與內腔14內表面的接觸面積總和，且沿橫截面的金屬罩1各內腔14內表面與填充材料3，如石蠟，的任何顆粒之間最大距離可相對縮減，因此，可藉以提高熱傳導效率，進而縮短元件的反應時間。

然而，本案發明人發現，上述發明專利雖可縮短元件的反應時間，但仍未臻完美，尚存在明顯改善空間，特別是金屬罩1各內腔14雖設計有彼此相連的周圍壁牆，可作為熱量傳遞的介質，但這些相連的周圍壁牆並無法直接與外界流體或水相接觸，這些周圍壁牆與外部流體相隔一段距離，導致外界流體透過這些相連周圍壁牆與各內腔14中的填充材料3進行熱傳導時，其熱傳導效率仍有明顯改善空間，特別是安裝應用於一般淋浴設備的恆溫控制裝置。

本發明主要目的在於提供一種恆溫元件，藉由提高熱傳導效能，使元件可以更快速地進行反應。

本發明另一目的在於提供一種恆溫元件，可藉由提高熱傳導效能，使填充材料得以完全採用如石蠟之熱膨脹材料，以降低材料成本，並確保個別或每批次的恆溫元件性能一致，同時延長使用壽命。

為達上述目的，本發明提供一種恆溫元件，包括：一金屬罩，可適當地浸泡在一流體內，其包括一位於頂端的包覆部位；一外套，包括一中心通道，以及一位於底端的底座；所述底座被包覆定位於所述金屬罩的包覆部位內；一填充材料，被填充於所述金屬罩內部，可依據溫度變化熱脹冷縮；一隔板，被安裝於所述外套與金屬罩間，使所述外套與填充材料相互隔離；一活塞，被安裝於所述外套的通道內，並透過所述隔板的中心區域與所述填充材料相互耦合，使其得以隨著所述填充材料膨脹或收縮，在所述外套的通道內沿著軸向作相對移動；其特徵在於：所述金屬罩，更包括至少二個沿著軸向延伸的管狀支腳，以及位於所述管狀支腳與包覆部位間的相連部位；所述每一個管狀支腳內各界定出一個獨立腔室，所述相連部位內界定出一個可供所述獨立腔室在此相互連通的共同腔室，而所述填充材料係被容納於所述獨立腔室與共同腔室內；所述管狀支腳間存在有間隙，可藉以界定出至少一個可供所述流體由此流動通過的流道。

所述恆溫元件的獨立腔室總容量，至少佔所述金屬罩總容量的70%。

所述恆溫元件的流道，其最小寬度至少大於0.5 mm。

所述恆溫元件的填充材料，係完全由熱膨脹材料所製成。

所述恆溫元件的填充材料，係由熱膨脹材料與導熱粉末均勻混合之混合物所製成。

採用了本發明恆溫元件，由於金屬罩外表面可提供更大的接觸面積，供外界流體流動通過時直接接觸，因此，可有效地提高熱傳導效能，以減少活塞伸長縮短的反應時間，使元件的反應時間更為快速。

本發明恆溫元件，由於可大幅地提高熱傳導效能，因此，其填充材料可以完全採用如石蠟之熱膨脹材料，而毋須填加如銅粉末之高導熱材料，因此，除可降低材料成本外，也可確保個別或每批次的恆溫元件性能一致，加上可避免發生銅粉末之相分離情形，故也可達到延長使用壽命的功效。

如圖5至8所示，本發明提供一種恆溫元件的第一實施例，特別被設計用以安裝應用於淋浴設備的恆溫控制裝置或恆溫控制閥，其包括了一些與習知大致相同的構件與組成，例如，包括：一金屬罩30，用以適當地浸泡在一流體內，如水中，其包括一位於頂端的包覆部位31。

一外套40，包括一中心通道41，以及一位於底端的底座42；所述底座42可被包覆定位於所述金屬罩30的包覆部位31內。

一填充材料50，可被填充於所述金屬罩30內部，並依據溫度變化產生熱脹冷縮，本實施例的填充材料50可完全由熱膨脹材料如石蠟所構成，也可由熱膨脹材料與導熱粉末如銅粉末均勻混合之混合物所構成。

一隔板60，可被安裝於所述外套40與金屬罩30間，目的在於使外套40與填充材料50相互隔離。

一活塞70，可被安裝於所述外套40的通道41內，並透過隔板60的中心區域與所述填充材料50相互耦合，因此當填充材料50產生膨脹或收縮時，該活塞70即可受隔板60的中心區域連動，進而在外套40的通道41內沿著恆溫元件的軸線X-X作相對移動。

一墊80，可被安裝於所述外套40的通道41內，且位於所述活塞70與隔板60相對部位間，使所述隔板60中心區域可透過所述墊80連動所述活塞70，且墊80由可變形的彈性體所製成。

本發明的主要改良在於：所述金屬罩30，更包括二個沿著軸向延伸的管狀支腳32，以及位於所述管狀支腳32與包覆部位31間的相連部位33；所述每一個管狀支腳32內各界定出一個獨立腔室321，所述相連部位33內界定出一個可供所述獨立腔室321在此相互連通的共同腔室331，而所述填充材料50係被容納於所述獨立腔室321與共同腔室331內。所述管狀支腳32間存在有間隙，可藉以界定出一個可供所述流體由此流動通過的流道322。

本實施例金屬罩30的二個管狀支腳32彼此相互對稱，且橫截面大致呈半月形，其管狀支腳32間所界定的流道322大致維持等寬。

本發明恆溫元件可用以感測外界流體介質，特別是冷、熱水混合後的混合水溫度，並透過金屬罩30與其內部填充材料50進行熱傳導。舉例而言，將本恆溫元件與其它元件組合成一習知之恆溫控制裝置或恆慍控制閥後，當混合水溫度升高時，填充材料50會因熱傳導產生膨脹現象，並透過隔板60及墊80連動作用於活塞70，使活塞70往外突伸同時帶動閥塊，藉此縮小熱水入口並加大冷水入口，以降低熱/冷水比例，使混合水溫降低。相反地，當混合水溫度下降時，填充材料50也會因熱傳導產生收縮現象，並透過隔板60及搭配的一復歸彈簧，使墊80與活塞70往內回縮同時帶動閥塊，藉此加大熱水入口並縮小冷水入口，以提高熱/冷水比例，使混合水溫升高。藉由上述運作原理，可使混合水達到恆溫效果，由於上述運作原理屬習知技藝，故僅作簡單描述。

需注意的是，本發明的恆溫元件不僅允許外部流體從金屬罩30最外圍的外表面流動通過，如圖8所示，更允許從金屬罩30各管狀支腳32間的流道322流動通過，這樣的特色可獲得以下優點與好處：

第一，相較於習知恆溫元件，在相等體積的填充材料50與等長的金屬罩30下，本發明的金屬罩30將提供更大面積的接觸表面，供流動通過的流體直接接觸，顯而易知地，藉由這種增加流體接觸面積的手段，可有效地提高熱傳導效率，進而縮短活塞70的反應時間，亦即縮短恆溫元件的反應時間。經模擬實驗，本發明恆溫元件的上述熱傳導效率，約為圖1、2傳統恆溫元件熱傳導效率的2~2.7倍，約為圖3、4恆溫元件熱傳導效率的1.3~1.5倍。

第二，相較於習知恆溫元件，本發明恆溫元件各獨立腔室321的內表面與填充材料50如石蠟的任何顆粒之間的最大距離，同樣可以有效地縮減，或保持較小的距離，藉此可進一步提高熱傳導效率，縮短恆溫元件的反應時間。

第三，如上所述，由於本發明可以大幅地提高熱傳導效率，所以填充材料50可選擇完全由熱膨脹材料如石蠟所構成，而毋須如習知恆溫元件填加任何高導熱材料如銅粉末，如此除可降低材料成本外，也可避免在石蠟-銅粉異質材料混鍊過程中因混合不均勻造成個別元件或每批次的恆溫元件之性能差異，同時也不會發生如銅粉末沉降之相分離情形，進而延長使用壽命。

如圖9至10所示，本發明第二實施例的恆溫元件大致與第一實施例相同，其差別僅在於設置有三個管狀支腳32，這些管狀支腳32係沿著直線排列，所以可在這些管狀支腳32間界定出二個彼此隔開且大致維持等寬的所述流道322。其中，外界流體可沿著這些相互隔離的流道322流動進出，而與這些管狀支腳32外表面直接接觸，並和其獨立腔室321內的填充材料50進行良好的熱傳導作用。

如圖11至12所示，本發明第三實施例的恆溫元件大致與第一實施例相同，其差別僅在於設置有四個管狀支腳32，這些管狀支腳32係沿著圓周方向等角分佈，所以可在這些管狀支腳32間界定出四個彼此交匯的流道322，同時這些流道322交匯處的橫截面大致呈圓形。其中，外界流體可沿著這些彼此相互交匯的流道322流動進出，期間，可與這些管狀支腳32外表面直接接觸，並與其獨立腔室321內的填充材料50進行良好的熱傳導作用。

如圖13至14所示，本發明第四實施例的恆溫元件大致與第一實施例相同，其差別僅在於設置有五個管狀支腳32，這些管狀支腳32係沿著圓周方向等角分佈，所以可在這些管狀支腳32間界定出五個彼此交匯的所述流道322，同時這些管狀支腳32的獨立腔室321橫截面皆呈圓形。其中，外界流體可沿著這些彼此相互交匯的流道322流動進出，而與這些管狀支腳32外表面直接接觸，並和其獨立腔室321內的填充材料50進行良好的熱傳導作用。

由上可知，本發明的恆溫元件至少設置有二個管狀支腳32，方可在這些管狀支腳32間形成至少一個所述流道322，使外界流道得以由此流動通道，而達到提供熱傳導效能之目的。

本發明金屬罩30的管狀支腳32橫截面形狀與各管狀支腳32間的排列方式，並沒有受到特別限制，原則上，只要能夠讓外界流體通過流道322時，儘可能平均地與每一個獨立腔室321內的填充材料50形成良好的熱傳導作用，即符合本發明的訴求。

較佳的是，本發明所述獨立腔室321供容納所述填充材料50的總容量，至少佔所述金屬罩30供容納所述填充材料50總容量的70%，其目的在於使大部分的填充材料50，皆可在流體由這些管狀支腳32間的流道322流動通過時，能夠與流體進行良好的熱傳導作用。

除此之外，有足夠空間允許流體通過所述流道322，可以確保上述功能有效地發揮，因此，本發明可以對上述流道322的最小寬度作一些限制，例如，在一般常見恆溫元件的規格尺寸下，上述流道322可被限制至少大於0.5 mm，以確保良好的熱傳導效果及加工成型性。

綜上所述，本發明在同類產品中實有其極佳之進步實用性，同時遍查國內外關於此類結構之技術資料，文獻中亦未發現有相同的構造或製造方法存在於先，是以，本發明實已具備發明專利要件，爰依法提出申請。

惟，以上所述者，僅係本發明之多數個較佳可行實施例而已，故舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效結構變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

[習知]

1．．．金屬罩

11．．．管狀部分

12．．．底端

13．．．軸環

2．．．外套

21．．．通道

22．．．底座

3．．．填充材料

4．．．隔板

5．．．活塞

6．．．風箱

7．．．墊

8．．．墊片

[本發明]

30．．．金屬罩

31．．．包覆部位

32．．．管狀支腳

321．．．獨立腔室

322．．．流道

33．．．相連部位

331．．．共同腔室

40．．．外套

41．．．通道

42．．．底座

50．．．填充材料

60．．．隔板

70．．．活塞

80．．．墊

圖1為習知恆溫元件的縱向剖面圖。

圖2為沿著圖1剖面線1-1之橫向剖面圖。

圖3為習知恆溫元件的縱向剖面圖。

圖4為沿著圖3剖面線2-2之橫向剖面圖。

圖5為本發明第一實施例的恆溫元件外觀組合圖。

圖6為本發明第一實施例的恆溫元件分解圖。

圖7為本發明第一實施例的恆溫元件縱向剖面圖。

圖8為本發明沿著圖7剖面線3-3之橫向剖面圖。

圖9為本發明第二實施例的恆溫元件縱向剖面圖。

圖10為本發明沿著圖9剖面線4-4之橫向剖面圖。

圖11為本發明第三實施例的恆溫元件縱向剖面圖。

圖12為本發明沿著圖11剖面線5-5之橫向剖面圖。

圖13為本發明第四實施例的恆溫元件縱向剖面圖。

圖14為本發明沿著圖13剖面線6-6之橫向剖面圖。

30．．．金屬罩

31．．．包覆部位

32．．．管狀支腳

321．．．獨立腔室

322．．．流道

33．．．相連部位

331．．．共同腔室

40．．．外套

41．．．通道

42．．．底座

50．．．填充材料

60．．．隔板

70．．．活塞

80．．．墊

Claims (13)

1. 一種恆溫元件，包括：一金屬罩，可適當地浸泡在一流體內，其包括一位於頂端的包覆部位；一外套，包括一中心通道，以及一位於底端的底座；所述底座被包覆定位於所述金屬罩的包覆部位內；一填充材料，被填充於所述金屬罩內部，可依據溫度變化熱脹冷縮；一隔板，被安裝於所述外套與金屬罩間，使所述外套與填充材料相互隔離；一活塞，被安裝於所述外套的通道內，並透過所述隔板的中心區域與所述填充材料相互耦合，使其得以隨著所述填充材料膨脹或收縮，在所述外套的通道內沿著軸向相對移動；其特徵在於：所述金屬罩，更包括至少二個沿著軸向延伸的管狀支腳，以及位於所述管狀支腳與包覆部位間的相連部位；所述每一個管狀支腳內各界定出一個獨立腔室，所述相連部位內界定出一個可供所述獨立腔室在此相互連通的共同腔室，而所述填充材料係被容納於所述獨立腔室與共同腔室內；所述管狀支腳間存在有間隙，可藉以界定出至少一個可供所述流體由此流動通過的流道。
2. 如申請專利範圍第1項所述之恆溫元件，其中所述獨立腔室的總容量，至少佔所述金屬罩總容量的70%。
3. 如申請專利範圍第1項所述之恆溫元件，其中所述流道的最小寬度至少大於0.5 mm。
4. 如申請專利範圍第1項所述之恆溫元件，其中所述金屬罩包括二個彼此相互對稱且橫截面大致呈半月形的所述管狀支腳，所述管狀支腳間界定出一個大致維持等寬的所述流道。
5. 如申請專利範圍第1項所述之恆溫元件，其中所述金屬罩包括三個沿著直線排列的所述管狀支腳，所述管狀支腳間界定出二個彼此隔開且大致維持等寬的所述流道。
6. 如申請專利範圍第1項所述之恆溫元件，其中所述金屬罩包括四個沿著圓周方向等角分佈的所述管狀支腳，所述管狀支腳間界定出四個彼此交匯的所述流道；所述流道交匯處的橫截面大致呈圓形。
7. 如申請專利範圍第1項所述之恆溫元件，其中所述金屬罩包括五個沿著圓周方向等角分佈的所述管狀支腳，所述管狀支腳間界定出五個彼此交匯的所述流道，所述管狀支腳的獨立腔室橫截面皆呈圓形。
8. 如申請專利範圍第1項所述之恆溫元件，其中所述填充材料係完全由熱膨脹材料所製成。
9. 如申請專利範圍第8項所述之恆溫元件，其中所述熱膨脹材料為石蠟。
10. 如申請專利範圍第1項所述之恆溫元件，其中所述填充材料係由熱膨脹材料與導熱粉末均勻混合之混合物所製成。
11. 如申請專利範圍第10項所述之恆溫元件，其中所述熱膨脹材料為石蠟，所述導熱粉末則為銅粉末。
12. 如申請專利範圍第1項所述之恆溫元件，更包括一墊，被安裝於所述外套的通道內，且位於所述活塞與隔板相對部位間，使所述隔板中心區域可透過所述墊連動所述活塞。
13. 如申請專利範圍第12項所述之恆溫元件，其中所述墊由可變形的彈性體所製成。