WO2005113958A1 - サーモスタット装置 - Google Patents

Abstract

〔課題〕ハウジング一体型サーモスタット装置において、冷却水の通水抵抗を低減できるようにバルブハウジングのバルブシート形状を最適化する。 〔解決手段〕バルブハウジング２０内で冷却水通路２１を形成する内壁面であって傘状の弁体１２が着座する弁座２２よりも冷却水の流れ方向の下流側におけるバルブシート形状を、弁開状態において、冷却水入口部３１側が上流側での最大通路断面積を基準として弁座のインレットシール部３２と弁体の頂面部４１との間に形成される通路断面積が徐々に減少する形状で形成されるとともに、冷却水出口部３３側が弁体の頂面部に沿って冷却水が流れるように該頂面部に垂直な面の通路面積が徐々に拡大する形状で形成されるように構成する。

Description

明 細 書

サーモスタット装置

技術分野

[0001] 本発明は、たとえば自動車等に使用される内燃機関（以下、エンジンという）を冷却 する冷却水を、熱交 (以下、ラジェータという）との間で循環させるエンジンの冷 却水回路において、冷却水の温度変化により作動することでエンジン冷却水の流れ を切換えて冷却水温度を制御するために用いられる温度感知式自動弁であるサー モスタツト装置に関し、特に冷却水入口部付きのバルブノ、ウジング内にサーモエレメ ントゃ弁体等の本体部を組み込んでなるハウジング一体型サーモスタット装置に関 する。

背景技術

[0002] 自動車用エンジンにおいて、これを冷却するためには、一般にはラジェータを用い た水冷式の冷却システムが使用されている。従来力 この種の冷却システムにおい ては、エンジンに導入する冷却水の温度を制御できるように、ラジェータ側に循環さ せる冷却水量を調節する熱膨張体を用いたサーモスタットなどが使用されている。

[0003] すなわち、上記の熱膨張体を用いたサーモスタットなどの制御バルブを、冷却水通 路の一部、たとえばエンジンの入口側または出口側に介装し、冷却水温度が低い場 合に、該制御バルブを閉じて冷却水をラジェータを経由せずバイパス通路を介して 循環させ、また冷却水温度が高くなつた場合は、制御バルブを開いて冷却水がラジ エータを通して循環させることで、エンジン冷却水の温度を所要の状態に制御するこ とがでさるちのである。

[0004] 従来この種のサーモスタット装置は、流体の温度変化により作動する熱膨張体を封 入したサーモエレメントと、これを保持する本体フレームとを備え、前記サーモエレメ ントの両端側には、それぞれほぼ傘状を呈する第 1、第 2の弁体が設けられている。 そして、前記サーモエレメントは、流体の温度を感知して膨張、収縮する熱膨張体に より進退動作するロッドを備え、このロッドの動きに連動して前記弁体が流体通路を 開閉するように構成されている (例えば、特許文献 1参照)。 [0005] 特許文献 1：特許第 3225386号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] ところで、従来この種のサーモスタット装置によれば、本体フレームの一部に第 1の 弁体が着座する弁座を設けた構造をもち、装置全体を流体通路中に組み込んで配 設する構造であるため、構成部品点数が多ぐ構造が複雑であるば力りでなぐ流体 の流れに抵抗となる部分が多くなり、通水抵抗が増えて圧力損失も多くなり、所要の 流量制御を行ううえで問題であった。

[0007] このため、流体通路を形成するハウジングを利用し、その内部にサーモエレメントや 弁体等力 なる本体部を組み込むことにより、部品点数の削減等を図ったハウジング 一体型のサーモスタット装置が提案されて 、る。このようなハウジング一体型のサー モスタツト装置では、流体通路中に臨む構成部品が少なくなり、また流体の流れの障 害となる部位も少なくなることから、圧力損失をある程度低減できることが確認されて いる。

[0008] し力し、この種のハウジング一体型のサーモスタット装置においても、流体の流れを 検討すると、各所に水流剥離現象が生じて流入エネルギをロスするため、結果として サーモスタット部での圧力損失が増加することになる。そして、この観点から見れば、 適切な流量制御が行えない、という不具合につながるもので、このような圧力損失問 題を一掃できる対策を講じることが望まれて 、る。

[0009] 本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ハウジング一体型のサーモス タツト装置において、流体の圧力損失を低減できるように流体の流れを含めた全体の 解析を行い、バルブノヽウジング内部での圧力損失を削減し、サーモスタットとしての 所要の流量特性を得ることができるサーモスタット装置を得ることを目的とする。 課題を解決するための手段

[0010] このような目的に応えるために本発明（請求項 1記載の発明）〖こ係るサーモスタット 装置は、内燃機関の冷却水路を構成する冷却水通路を設けたバルブハウジング内 に組み込まれ、冷却水の温度変化により熱膨張または収縮する熱膨張体を内蔵し、 この熱膨張体の熱膨張、収縮により摺動するピストンロッドを有し、前記熱膨張体の 体積変化に伴う前記ピストンロッドの摺動により、前記バルブハウジング内に形成した 弁座に対して弁体を開閉動作させるサーモスタット装置において、前記バルブハウジ ング内で冷却水通路を形成する内壁面であって前記弁体が着座する弁座よりも冷却 水の流れ方向の下流側におけるバルブシート形状を、弁開状態において、冷却水入 口部側が、冷却水の流れ方向の上流側での最大通路断面積を基準として前記弁体 が着座する弁座のインレットシール部と弁体の頂面部との間に形成される通路断面 積が徐々に減少する形状で形成されるとともに、冷却水出口部側が、前記弁体の頂 面部に沿って冷却水が流れるように該頂面部に垂直な面の通路面積が徐々に拡大 する形状で形成されるように構成したことを特徴とする。

[0011] 本発明（請求項 2記載の発明）に係るサーモスタット装置は、請求項 1において、前 記バルブハウジングは、前記熱膨張体を封入したサーモエレメントを支持する複数の 支持脚を備え、該支持脚の一部には、冷却水の流れ方向に沿った冷却水通路部（ たとえば溝部）が形成されていることを特徴とする。

[0012] 本発明（請求項 3記載の発明）に係るサーモスタット装置は、請求項 1または請求項 2記載のサーモスタット装置にぉ 、て、前記熱膨張体を封入したサーモエレメントを 保持するフレーム部材を備え、このフレーム部材の底面部には、冷却水を流通させる ための孔部が形成されて 、ることを特徴とする。

[0013] 本発明（請求項 4記載の発明）に係るサーモスタット装置は、請求項 1、請求項 2ま たは請求項 3記載のサーモスタット装置において、前記弁体の頂面部には、サーモ エレメント周りにおいて中央部が盛り上がるようなテーパ面を形成するテーパ状部が 形成されて 、ることを特徴とする。

発明の効果

[0014] 以上説明したように本発明に係るサーモスタット装置によれば、バルブハウジング 内で冷却水通路を形成する内壁面であって弁座よりも冷却水の流れ方向の下流側 におけるバルブシート形状を、弁体形状と合わせて最適化することにより、圧力損失 を低減して冷却水の流れの適正化を図り、サーモスタット装置としての所要の流量特 性を確保することができる。

[0015] 特に、本発明によれば、弁体やこれが着座する弁座によるバルブ部での圧力損失 を低減し、またサーモエレメント周りでの圧力損失を低減しているから、バルブ部での 流量制御を適切に行うことができるとともに、サーモスタットとしての機能を発揮させる ことができる。

このような本発明によるサーモスタット装置によれば、従来構造のサーモスタット装 置に比べて圧力損失を約 40〜60%程度低減できることが解析や実験により確認さ れている。また、このように圧力損失を低減できることから、同等の流量特性を得るう えでのサーモスタット装置の小型化、軽量ィ匕を図ることが可能となる、という利点もあ る。

[0016] さらに、本発明によれば、弁体の頂面部に中央部が盛り上がるテーパ状部を設ける ことにより、冷却水の流れを所要の方向に整流することができるのである。特に、この ようなテーパ状部を設けて冷却水の流れを整流すると、バルブの開口部への冷却水 の円滑な流れが得られ、また水流の剥離現象を少なくすることができるから、圧力損 失を低減でき、流量特性を向上させることができる。

発明を実施するための最良の形態

[0017] 図 1ないし図 4は本発明に係るサーモスタット装置の一つの実施の形態を示す。

これらの図において、符号 10で示す温度感知式自動弁であるサーモスタット装置 は、たとえば自動車用エンジンの冷却システムにおいて、ラジェータ側の冷却水路と 、エンジン出口部側からのバイパス通路との交差部に付設され、これらの通路によつ て構成される第 1、第 2の流体流路での冷却水の流れを選択的に切り換えることによ り、エンジン入口部に至る冷却水温度を制御するために用 、られて 、る。

[0018] 前記サーモスタット装置 10は、図 1、図 2に示すように、流体の温度変化により作動 する作動体であるサーモエレメント 11を備え、このサーモエレメント 11の一端側（図 中上側）にはほぼ傘状を呈する第 1の弁体 12を設けるとともに、他端側（図中下側） には第 2の弁体 13を設けている。また、サーモエレメント 11の軸線方向の中央部分 には、第 1の弁体 12を弁閉位置に付勢する付勢手段であるコイルばね 14と、そのば ね押さえを兼ねる本体フレーム 15が嵌挿して設けられている。この本体フレーム 15 は、後述する固定部であるノ レブハウジング側の支持脚に係止されることにより、第 1 の弁体 12をコイルばね 14を介して常時弁閉方向に付勢するとともに、該サーモエレ メント 11を摺動自在に保持する部材である。

[0019] 前記サーモエレメント 11は、流体の温度を感知して膨張収縮するワックス等の熱膨 張体を内封した温度感知部 11aを備え、この温度感知部 11aの先端 (上端)からビス トンロッド 1 lbが進退自在に突出して 、る。

[0020] 図中 20は流体入口である冷却水の通路入口部 20aを備えるバルブハウジングであ り、このバルブノヽウジング 20の内部には、流体通路としての冷却水通路 21が形成さ れるとともに、その一部に設けたフランジ状部の内側には、前記第 1の弁体 12が着座 可能に対向する弁座 22が形成されている。そして、この弁座 22に弁体 12が着座可 能な状態で、サーモエレメント 11や本体フレーム 15等が組み込まれて 、る。

図中 23は前記ピストンロッド l ibの先端部を係止保持する係止部であり、図 2の状 態において、ピストンロッド l ibが熱膨張体の熱膨張によって図 2中上方に突出する と、サーモエレメント _nと第 第 2の弁体 12, 13が図 2中下方に移動し、弁開となつ て、図 1の状態となる。

[0021] 前記本体フレーム 15は、図 2、図 3、図 4に示すように、放射方向に延びた 2片が、 前記バルブハウジング 20にお!/、て軸線方向に延設して形成された支持脚 24, 25の 先端部に係止保持されている。これらの支持脚の内周部の一部には、図 2〜図 4、さ らに図 5に示すように、冷却水の流れ方向に沿った冷却水通路部となる溝部 26が肉 抜きにより形成されている。この溝部 26は、弁開時、特に微少弁開時において、弁座 22と弁体 12との間の隙間が小さいときに、該支持脚 24, 25の存在によって冷却水 の流れが害されることを最小限にするためのものである。このように溝部 26を軸線方 向に沿って形成すると、該溝部 26を通って冷却水がスムーズに流れ、サーモエレメ ント 11の周囲を流速の早!、流れが流れるため、感温性が向上すると!/、う利点も得ら れる。

なお、この肉抜きによる溝部 26の代わりに、支持脚 24, 25の内部を中空状に形成 し、冷却水通路部を冷却水の流れの方向に沿って形成してもよいことは勿論である。

[0022] また、前記本体フレーム 15の一部には、前記図 2、図 4に示すように、冷却水を流 通させるための孔部 27が形成されている。この孔部 27は、上記の冷却水通路部とな る溝部 26を通って流れてきた流速の速い流れを本体フレーム 15で遮ることなくスム ーズに逃がすことができるのである。そして、このようにすれば、本体フレーム 15部分 でも、冷却水の適切な流れを得て、サーモエレメント 11の感温性が向上することにな る。

[0023] 本発明によれば、バルブノ、ウジング 20内で冷却水通路 21を形成する内壁面であ つて前記第 1の弁体 12が着座する弁座 22よりも冷却水の流れ方向の下流側におけ るバルブシート形状を、弁開状態において、冷却水入口部 31側が、冷却水の流れ方 向の上流側での最大通路断面積を基準として前記弁座 22のインレットシール部 32と 弁体 12の頂面部 41との間に形成される通路断面積が徐々に減少する形状をもち、 冷却水出口部 33が、前記弁体 12の頂面部 41に沿って冷却水が流れるように該頂 面部 41に垂直な面の通路面積が徐々に拡大する形状をもち、前記冷却水入口部 3 1と冷却水出口部 33との間が、前記弁体 12の頂面部 41からシートフェース面 42に かけての形状に合わせて通路断面積が徐々に変化するように形成されるように構成 したことを特徴としている。

[0024] ここで、上述した弁体 12と弁座 22とは、弁閉時には確実なシール状態を得て冷却 水の流れを遮断することが必要となる。このため、この実施形態では、バルブハウジ ング 20内にお 、て入口側のテーパ面の角部に弁座 22を設けており、これに弁体 12 を着座させることで、高い面圧が確保でき、結果として極力通水抵抗を増カロさせるこ となくシール性を確保できるようになつている、また、バルブ形状が簡単であるため、 冷却水のスムーズな流れを得ることができる。

[0025] また、サーモスタット装置 10として望まれる機能に、冷却水温を適切に制御すること がある。そして、このためには、弁開時には、冷却水温度に応じた弁開状態となって、 冷却水の流量を適切に制御することが必要であり、以下に詳述するようなバルブシー ト形状を採用している。

[0026] すなわち、バルブノヽウジング 20の通路入口部 20aから流れ込んだ冷却水は、弁座 22を構成するインレットシール部 32と弁体 12の先端側とを結んだ部分で絞られるた め、従来のバルブ形状では急激に通路断面積が小さくなり、サーモエレメントとバル ブの隅部で流速が低下する現象が起きる。そこで、バルブシート形状の冷却水入口 部 31側を、図 7に示すように、通路断面積を最大径である Θ dl部より徐々に縮小す るように形成し、流速低下を抑制する。換言すれば、バルブの上流側の最大通路断 面積を基準として面積比と一定距離をおいて所定角度、たとえば 30° ずつ小さくす るように設計する。通常、水配管では、配管径が縮小する場合、 30° 以下で変化し て！、くと摩擦損失以外は損失がな!、と考えられて 、る。

[0027] 一方、バルブ部において、冷却水出口部 33側は、弁座 22のインレットシール部 32 と弁体 12の先端側とで絞られた水流を、ハウジングの出口側（図中下方）に向けて徐 々に通路断面積を拡げることで、水流の剥離現象を抑制し、圧力損失を低減するよう にする。通常、水配管において、配管径が拡大する場合、 10° 以下で変化してゆく と、損失係数が小さいと言われている。そこで、上記バルブ部の冷却水出口部 33側 では、バルブ部での通路断面積変化を水通路の出口を基準として所定角度、たとえ ば 10° で拡大していく配管の断面積変化となるような形状とする。

ここで、冷却水流は、弁体 12の表面に沿って流れるため、弁体 12に垂直な面の通 路断面積を変化させる。

[0028] ここで、この実施形態では、弁体 12のシートフェース面 42が、第 1、第 2、第 3のの テーパ面 43, 44, 45によって形成されている。このような弁体 12に対応してバルブ ハウジング 20のバルブシート部を上述したように形成してゆくのである力 第 1、第 2 のテーパ面 43, 44のつなぎ目部分に対応する部位は、微少なコーナ部では面積を 変化させないことで形状を複雑にしないように、断面積を変化させないようにする（図 9にお 、てクロスハッチングを付した部分)。

また、第 2のテーパ面 44と第 3のテーパ面 45とは窪んで連結されている力 このよう なくぼみ部は流れへの影響が小さ 、ので考慮せず、接線で結んだ直線を前提として 通路断面積を選定している。

[0029] また、この実施形態では、前記弁体 12の頂面部 41には、サーモエレメント 11周り において中央部が盛り上がるようなテーパ面を形成するテーパ状部 46を形成してい る。このテーパ状部 46は、冷却水の流れを所要の方向に整流することができるところ である。特に、このようなテーパ状部 46を設けて冷却水の流れを整流すると、バルブ の開口部への冷却水の円滑な流れが得られ、また水流の剥離現象による通水抵抗 も低減できるから、圧力損失を低減でき、流量特性を向上させることができる。 [0030] なお、本発明は上述した実施の形態で説明した構造には限定されず、サーモスタ ット装置 10を構成する各部の形状、構造等を適宜変形、変更し得ることはいうまでも ない。

たとえば、上述した実施の形態では、弁体 12の頂面部 41にテーパ状部 46を一体 または一体的に設けた場合を説明したが、本発明はこれに限定されず、このようなテ 一パ状部 46がないものであっても、適用して効果を発揮し得るものである。

[0031] また、上述した実施の形態では、サーモスタット装置 10を、エンジン冷却水回路に おいてエンジンの入口部側に組み込んだ例を説明した力 本発明はこれに限定され ず、エンジンの出口部側に組み込んだ場合においても、同等の作用効果が得られる ことは言うまでもない。

図面の簡単な説明

[0032] [図 1]本発明に係るサーモスタット装置の一実施の形態を示し、サーモスタット装置全 体の概略構成を説明するための弁開時の要部断面図である。

[図 2]図 1のサーモスタット装置を示す弁閉時の概略断面図である。

[図 3]図 1、図 2のサーモスタット装置の正面図である。

[図 4]図 3のサーモスタット装置の底面図である。

[図 5]ノ レブハウジングの支持脚への肉抜きによる溝部の形成状態を説明するため の図である。

[図 6]弁体と弁座との関係を拡大して示す図である。

[図 7]バルブシートの冷却水入口部側の形状を説明するための図である。

[図 8]バルブシートの冷却水出口部側の形状を説明するための図である。

[図 9]ノ レブシートの中間形状を説明するための図である。

符号の説明

[0033] 10…サーモスタット装置

11· "サーモエレメント

l ib…ピストンロッド

12· ··第 1の弁体

13· ··第 2の弁体 …コイルばね

···本体フレーム

…バルブハウジング

···冷却水通路

…弁座

···係止部

, 25…支持脚

…溝部 (冷却水通路部） …孔部

…冷却水入口部

···インレツ卜シーノレ咅 …冷却水出口部

…頂面部

···シートフェース面

, 44, 45···第 1、第 2、第 3のテ …テーパ状部

Claims

請求の範囲

[1] 内燃機関の冷却水路を構成する冷却水通路を設けたバルブハウジング内に組み 込まれ、冷却水の温度変化により熱膨張または収縮する熱膨張体を内蔵し、この熱 膨張体の熱膨張、収縮により摺動するピストンロッドを有し、前記熱膨張体の体積変 化に伴う前記ピストンロッドの摺動により、前記バルブハウジング内に形成した弁座に 対して弁体を開閉動作させるサーモスタット装置において、

前記バルブハウジング内で冷却水通路を形成する内壁面であって前記弁体が着 座する弁座よりも冷却水の流れ方向の下流側におけるバルブシート形状を、弁開状 態において、冷却水入口部側が、冷却水の流れ方向の上流側での最大通路断面積 を基準として前記弁体が着座する弁座のインレットシール部と弁体の頂面部との間に 形成される通路断面積が徐々に減少する形状で形成されるとともに、冷却水出口部 側力 前記弁体の頂面部に沿って冷却水が流れるように該頂面部に垂直な面の通 路面積が徐々に拡大する形状で形成されるように構成したことを特徴とするサーモス タツト装置。

[2] 請求項 1記載のサーモスタット装置において、

前記ノ レブハウジングは、前記熱膨張体を封入したサーモエレメントを支持する複 数の支持脚を備え、

該支持脚の一部には、冷却水の流れ方向に沿った冷却水通路部が形成されてい ることを特徴とするサーモスタット装置。

[3] 請求項 1または請求項 2記載のサーモスタット装置において、

前記熱膨張体を封入したサーモエレメントを保持するフレーム部材を備え、 このフレーム部材の底面部には、冷却水を流通させるための孔部が形成されてい ることを特徴とするサーモスタット装置。

[4] 請求項 1、請求項 2または請求項 3記載のサーモスタット装置において、

前記弁体の頂面部には、サーモエレメント周りにおいて中央部が盛り上がるような テーパ面を形成するテーパ状部が形成されていることを特徴とするサーモスタット装 置。