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]主な用途は、エンジン冷却システムに使用される自動車用サーモスタットです。配管・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素子は、ワックスが溶融す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、サーモスタット式ラジエーターバルブ、配管、産業、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
内燃機関冷却サーモスタットは、空冷式ラジエーターへの冷却水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素子と制御弁は同じ場所に配置できるため、シンプルな自己完結型の非電動サーモスタットをエンジン温度の精密制御のための主装置として使用することができます。[2]現在、ほとんどの車両には温度制御可能な電動冷却ファンが搭載されていますが、「補助のない空気流は、最大95%の時間まで十分な冷却効果を発揮できる」ため、 [3]このようなファンは内部温度の主要な制御機構ではありません。
1920年代の研究では、燃料が冷たいシリンダー壁に接触して油膜が剥がれ、凝縮することでシリンダーの摩耗が悪化することが明らかになりました。1930年代に自動サーモスタットが開発され、エンジンの暖機運転が迅速化され、この問題は解決されました。[4]
最初のサーモスタットは、所望の開弁温度よりわずかに低い沸点を持つ有機液体を密封した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形状で作られていました。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製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るため、保守時に容易に交換できるよう設計されており、通常はシリンダーブロック上部のウォーターアウトレットフィッティングの下に取り付けられていました。都合の良いことに、この部分は冷却回路の中で最もアクセスしやすい部分でもあり、温まった際に素早い反応を示しました。
冷却回路には、サーモスタットが閉じている場合でも、通常はサーモスタットに小さな穴を開けることで、小さなバイパス経路が確保されています。これにより、暖機運転時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確保されます。また、システムに初めて燃料を充填する際に閉じ込められたエアの排出経路としても機能します。温度上昇の分布を均一に保つため、シリンダーブロックとウォーターポンプを経由するより大きなバイパス経路が設けら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、戦後の自動車で一般的になりました。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動作できます。これによりエンジンの動作温度、ひいては効率が向上し、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でき、ポンプ電力の必要も少なくて済みました。 [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りました。[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ません。 [6 ]その他の点では、動作は初期タイプと同じです。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ましたが、後にワックスカプセルサーモスタットに交換され、変更や改造は必要ありませんでした。
現在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のワックスペレットを使用しています。[6]液体から気体への変化ではなく、ワックスの場合は体積の大幅な増加を伴い固液変化を利用しています。ワックスは低温では固体で、エンジンが加熱すると溶けて膨張します。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への冷却水の流れはなく、冷却水はエンジンに送られるため、高温箇所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。冷却水の温度がサーモスタットの公称開度に達するまで、サーモスタットは閉じた状態を維持します。その後、冷却水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水流量を増加させます。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、冷却水循環流量とラジエーターへの冷却水流量を動的にバランスさせ、エンジンの熱出力、車速、および外気温の変化に応じてエンジン温度を最適な範囲に維持します。通常の動作条件下では、サーモスタットはストロークの約半分まで開いており、動作条件の変化に応じて開度をさらに開いたり、開度を小さくしたりすることができます。正しく設計されたサーモスタットは、エンジンが通常動作中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。
冷却水の急激な増加による「熱衝撃」に敏感なため、より厳密な温度制御が必要なエンジンでは、「入口温度一定」システムを採用する場合があります。このシステムでは、エンジンへの入口冷却は、循環する検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。このシステムではカプセルは1つですが、バルブディスクは2つあります。これにより、非常にコンパクトでシンプルでありながら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整します。冷却剤の温度が比較的低い限り、キャブレターは暖まっており、エンジンの暖機がさらに加速されます。
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比較的幅広い炭素鎖長を有していますが、サーモスタット用途で使用されるワックスは、非常に狭い範囲の炭素分子鎖を有しています。鎖長は通常、特定の最終用途で求められる溶融特性によって決定されます。このように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
カップ内に封入された温度検知材は、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達します。冷却時には、リターンスプリングによってピストンは初期位置に戻ります。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設備に使用されています。
押して押す要素
スクイーズプッシュエレメントは、ピストンを囲む「手袋の指」のような形状の合成ゴム製スリーブ状の部品で構成されています。温度が上昇すると、サーモスタット材の膨張による圧力によってピストンが横方向に圧縮され、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元の位置に戻ります。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、ピストンの起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、1.5mmから16mm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℃から+120℃までの温度範囲をカバーできます。範囲の一部では温度変化に比例してエレメントが動く場合があり、ワックスの組成によっては特定の温度付近で突然開く場合もあります。[要出典]
ヒステリシスとは、加熱・冷却時に素子の上昇・下降曲線に現れる差のことである。ヒステリシスは、素子の熱慣性と、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 "Thermostat," Archived 2018-07-02 at the Wayback Machine US Patent no. 2,115,501 (failed: 1934 年 10 月 1 日; issued: 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応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 『あなたの車を知ろう』（第5版）Autocar 、1957年、 57～ 58頁 。
- ^ abcde Setright, LJK (1976). 「冷却」. イアン・ワード編.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 Archived 2016-03-03 at the Wayback Machine - Thermal Actuators - and other Thermostatic Fluid Controls - 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
- 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年ヴェルネはヴェルネ研究所を設立した
- thermal-actuators.com - 自動車 | TU-POLY
