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ワックスサーモスタットエレメントは、1934年にセルギウス・ヴェルネ（1899-1968）によって発明されました。[1]その主な用途は、エンジン冷却システムで使用される自動車用サーモスタットです。配管および暖房産業への最初の応用は、スウェーデン（1970年）とスイス（1971年）で行われました。
ワックスサーモスタットエレメントは、ワックスが溶ける際の熱膨張を利用して、熱エネルギーを機械エネルギーに変換します。このワックスモーターの原理は、エンジン冷却システム以外にも、暖房システムサーモスタットラジエーターバルブ、配管、工業、農業などにも応用されています。
自動車用サーモスタット
内燃機関の冷却サーモスタットは、空冷式ラジエーターへの冷却剤の流れを調節することで、エンジンの温度を最適な動作温度付近に維持します。この調節は現在、内部サーモスタットによって行われています。便利なことに、サーモスタットの感知要素とその制御バルブの両方を同じ場所に配置できるため、エンジン温度を正確に制御するための主要なデバイスとして、単純な自己完結型の非電源サーモスタットを使用できます。[2]現在、ほとんどの車両には温度制御された電動冷却ファンが搭載されていますが、「補助のない空気の流れは、最大95％の時間で十分な冷却を提供できます」[3]ため、このようなファンは内部温度の主要な制御メカニズムではありません。
1920年代の研究では、シリンダーの摩耗は、燃料が冷たいシリンダー壁に接触して油膜が剥がれることで凝縮し、悪化することが判明した。1930年代の自動サーモスタットの開発により、エンジンの暖機が速くなり、この問題は解決された。[4]
最初のサーモスタットは、所望の開放温度よりわずかに低い沸点を持つ有機液体の密封カプセルを使用していました。これらのカプセルは円筒形のベローズの形で作られました。カプセル内で液体が沸騰すると、カプセルのベローズが膨張し、サーモスタット内の真鍮板のプラグバルブが開きました。[5] [6]これらのサーモスタットは使用中に故障する可能性があったため、通常はシリンダーブロック上部の水出口フィッティングの下に取り付けることにより、保守中に簡単に交換できるように設計されていました。都合の良いことに、これは冷却回路で最もアクセスしやすい部分でもあり、温まるとすぐに反応します。
冷却回路には、サーモスタットが閉じているときでも、通常はサーモスタットの小さな穴によって小さなバイパス経路があります。これにより、温まるときにサーモスタットを加熱するのに十分な冷却水の流れが可能になります。また、システムに最初に充填するときに閉じ込められた空気の逃げ道も提供されます。上昇する温度分布を均一に保つために、シリンダーブロックとウォーターポンプを通るより大きなバイパスが提供されることがよくあります。[5]
1930年代に高性能航空機エンジンを冷却する研究が進められた結果、加圧冷却システムが採用され、戦後の自動車では一般的となった。水の沸点は圧力の上昇とともに上昇するため、これらの加圧システムは沸騰することなく高温で稼働できる。これによりエンジンの動作温度、ひいては効率が高まり、また冷却剤の体積熱容量も増加したため、冷却システムを小型化してポンプ電力の必要が少なくて済むようになった。 [6]ベローズサーモスタットの欠点は、圧力変化にも敏感で、圧力によって再び強制的に閉じてしまい、過熱につながることがあった。[6]後期のワックスペレットタイプは外部容積の変化がごくわずかであるため、圧力変化の影響を受けない。[6]その他の点では、動作は以前のタイプと同一である。1950年代以前の多くの自動車は、もともとベローズサーモスタットを使用して製造されていたが、後にワックスカプセルサーモスタットに交換されたが、変更や改造は不要であった。
最も一般的な現代のサーモスタットは、密閉されたチャンバー内でワックスペレットを使用しています。[6]これらは、液体から気体への転移ではなく、固体から液体への転移を利用しており、ワックスの場合、体積の大幅な増加を伴います。ワックスは低温では固体で、エンジンが加熱されるとワックスが溶けて膨張します。密閉されたチャンバーはロッドを操作し、動作温度を超えるとバルブを開きます。動作温度は固定されていますが、ワックスの特定の組成によって決まるため、このタイプのサーモスタットは、通常 70～90° C (160～200° F ) の範囲でさまざまな温度を維持できます。[7]現代のエンジンは、より効率的に動作し、汚染物質の排出を減らすために、80 °C (180 °F) を超える高温で動作します。
サーモスタットが閉じている間は、ラジエーター ループに冷却液は流れず、冷却水はエンジンにリダイレクトされるため、ホット スポットを回避しながらエンジンを急速に暖めることができます。 冷却液の温度がサーモスタットの公称開温度に達するまで、サーモスタットは閉じたままです。 その後、冷却液の温度が最適動作温度まで上昇すると、サーモスタットは徐々に開き、ラジエーターへの冷却液の流れを増やします。 最適動作温度に達すると、サーモスタットは温度変化に応じて開度を徐々に増加または減少させ、冷却液の再循環流量とラジエーターへの冷却液流量を動的にバランスさせ、エンジンの熱出力、車速、および外部の周囲温度が変化してもエンジン温度を最適範囲に維持します。 通常の動作状態では、サーモスタットはストローク移動量の約半分まで開いているため、動作状態の変化に応じてさらに開いたり、開度を小さくしたりできます。 正しく設計されたサーモスタットは、エンジンが正常に動作しているときに完全に開いたり完全に閉じたりすることはありません。そうしないと、過熱または過冷却が発生します。
冷却剤の急激な増加によって生じる「熱衝撃」に敏感なため、より厳密な温度制御を必要とするエンジンでは、「一定入口温度」システムを使用できます。この配置では、エンジンへの入口冷却は、循環する感知流とラジエーター冷却流を混合するダブルバルブ サーモスタットによって制御されます。これらは単一のカプセルを使用しますが、バルブ ディスクは 2 つあります。したがって、非常にコンパクトでシンプルですが効果的な制御機能が実現されます。
ダブルバルブサーモスタットは、キャブレターへの冷却剤の流れも調節します。冷却剤の温度が比較的低い限り、キャブレターは暖められ、エンジンの暖まりがさらに速まります。
サーモスタット内で使用されるワックスは、この目的のために特別に製造されています。標準的なパラフィンワックスは炭素鎖の長さが比較的広範囲ですが、サーモスタット用途で使用されるワックスは炭素分子鎖の範囲が非常に狭いです。鎖の長さは通常、特定の最終用途で要求される溶融特性によって決まります。この方法で製品を製造するには、非常に正確な蒸留レベルが必要です。
要素の種類
フラットダイヤフラムエレメント
カップ内に含まれる温度感知材料は、ガイドによってしっかりと固定されたダイヤフラムとプラグを介してピストンに圧力を伝えます。冷却時には、リターンスプリングによってピストンの初期位置が確保されます。フラットダイヤフラムエレメントは、特に高い精度で知られており、主に衛生設備や暖房に使用されます。
押して押す要素
スクイーズプッシュエレメントには、ピストンを囲む「手袋の指」のような形をした合成ゴムのスリーブのような部品が含まれています。温度が上昇すると、サーモスタット材料の膨張による圧力によって、ピストンが横方向にスクイーズされ、垂直方向に押し出されます。フラットダイヤフラムエレメントと同様に、ピストンはリターンスプリングによって初期位置に戻ります。これらのエレメントは精度が若干劣りますが、ストロークが長くなります。
プロパティ
ストロークとは、ピストンの始点に対する動きのことです。理想的なストロークは、エレメントの温度範囲に対応します。エレメントの種類に応じて、1.5 mm から 16 mm まで変化します。
温度範囲は、エレメントの最低動作温度と最高動作温度の間です。エレメントは -15 °C から +120 °C までの温度範囲をカバーできます。エレメントは、範囲の一部で温度変化に比例して動く場合もあれば、ワックスの組成に応じて特定の温度付近で突然開く場合もあります。[引用が必要]
ヒステリシスとは、要素の加熱と冷却の際の上昇曲線と下降曲線の間に見られる差のことである。ヒステリシスは要素の熱慣性と運動中の部品間の摩擦によって引き起こされる。[8]
参照
参考文献
- ^ Vernet, Sergius「サーモスタット」、米国特許第2,115,501号（出願日：1934年10月1日、発行日：1938年4月26日）。
- ^ 「エンジン冷却」。自動車ハンドブック（第3版）。ボッシュ。1993年。413ページ。ISBN 0-8376-0330-7
温度調節のために膨張要素を組み込んだ温度感知サーモスタットを設置することをお勧めします
。 - ^ ボッシュ＆オートモーティブハンドブック、414ページ
- ^ サー・ハリー・リカード -記憶と機械：私の人生のパターンコンスタブル、ロンドン、1968年。P218
- ^ ab Know Your Car（第5版）。Autocar。1957年。pp.57-58。
- ^ abcde Setright, LJK (1976)。「冷却」。Ian Ward (編)。自動車の解剖学。Orbis。pp. 61–62。ISBN 0-85613-230-6。
- ^ ドン・ノウルズ、ジャック・エルジャベック『自動車の基本的なサービスとメンテナンス』 Cengage Learning、2004年ISBN 1-4018-5208-4 140ページ
- ^ 「ヒステリシス曲線図」。Rostra Vernatherm。2011年。2010年11月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年8月2日閲覧。
外部リンク
- Vernatherm 2016-03-03 にWayback Machineでアーカイブ- サーマルアクチュエータ - およびその他のサーモスタティック流体制御 - Rostra Vernatherm
- ThermalActuators.com - サーマルアクチュエータ - 機械機能情報と製品 - サーマルアクチュエータ
- Vernet.fr - サーモスタットエレメントカートリッジサーモスタット電熱アクチュエータ
- [http://www.raymot.com
- Ysnews.com - ヴェルネットがイエロースプリングスの大手企業を設立
- ヴェルネ - 1946年 ヴェルネがヴェルネ研究所を設立
- thermal-actuators.com - 自動車 | TU-POLY
