JPH06101627A - サーモエレメント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 長期にわたり高い精度で機器操作を行うこと
ができ、ピストンの縮退を、迅速に、また、円滑，確実
に行うことができるサーモエレメントの提供を目的とす
る。 【構成】 熱膨張体を加熱するための加熱部と、ピスト
ンの移動量を検出するピストン移動量検出部と、ピスト
ンの移動量を受けて前記加熱部の加熱制御を行うことに
より前記ピストンの移動量を任意に制御可能とするピス
トン移動量設定部とを備える構成とする。また熱膨張体
を加熱および冷却するための加熱・冷却部と、前記ピス
トンの移動量を検出するピストン移動量検出部と、前記
加熱・冷却部の加熱・冷却制御を行うことにより前記ピ
ストンの移動量を任意に制御可能とするピストン移動量
設定部とを備える構成とする。さらに前記ピストンの縮
退方向に弾性力が付勢された弾性体を当該ピストン部分
に配設する構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱膨張体に対する加熱の
有無によってピストンが伸出または縮退作動をするサー
モエレメントに関し、特にピストンの移動量を検出し、
この検出された移動量に基づいて熱膨張体の加熱制御を
行うようにしたフィードバック制御型サーモエレメント
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にサーモエレメントは、温度変化に
より膨張，収縮する例えばワックス等の熱膨張体をケー
スに内蔵し、この熱膨張体の体積変化によりピストン等
の作動部を作動させるものであり、内燃機関の冷却水温
調節用の温度感知式自動弁や温度感知式スイッチ等の各
種機器を操作するためのアクチュエータとして使用され
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来のサ
ーモエレメントは、熱膨張率の異なる複数のワックスを
適宜混合して所望のピストンストロークを得るようにし
ているが、この熱膨張体としてのワックスはケースに内
蔵されて封入状態となることから、封入後におけるピス
トンストロークの変更はできず、また、サーモエレメン
トの経年変化、すなわち、熱膨張体の劣化や可動部分の
摩擦等による誤差としてのピストンストロークの変化に
対しては特に対応する手だてがなく、したがって、長期
の使用においては機器操作上における精度の低下を避け
ることができなかった。また、加熱された熱膨張体の自
然冷却による収縮によってピストンの縮退を待つ場合に
おいては、ややもすればピストンの縮退がすみやかに行
われない点について不都合が生じることがあった。さら
には、熱膨張体に対する加熱を停止してピストンを縮退
させる場合、摩擦などのためにピストンが途中で引っ掛
かり、熱膨張体の収縮にピストンの縮退が円滑に追従し
ない場合が生じるという問題があった。

【０００４】本発明は前記のような問題点を解決するた
めに創案されたものであり、ピストン移動量のフィード
バックを受けて、ピストン移動量を任意に制御可能であ
り、したがって、サーモエレメントの経年変化によって
発生すべき誤差の影響を受けることがなく長期にわたり
高い精度で機器操作を行うことができるサーモエレメン
トの提供を目的とし、また、加熱が停止された後のピス
トンの縮退を迅速に行うことができるサーモエレメント
の提供を目的としている。さらには、ピストンの縮退
を、円滑かつ確実に行うことができるサーモエレメント
の提供を目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は前記のような問
題点を解決するために、加熱することにより膨張し、加
熱を停止することにより収縮する熱膨張体をケースに内
蔵し、この熱膨張体の体積変化を機器操作のためのピス
トンの移動として取り出すサーモエレメントにおいて、
前記熱膨張体を加熱するための加熱部と、前記ピストン
の移動量を検出するピストン移動量検出部と、このピス
トン移動量検出部にて検出されたピストンの移動量を受
けて、前記加熱部の加熱制御を行うことにより前記ピス
トンの移動量を任意に制御可能とするピストン移動量設
定部とを備える構成とするものである。

【０００６】また、加熱することにより膨張し、加熱を
停止することにより収縮する熱膨張体をケースに内蔵
し、この熱膨張体の体積変化を機器操作のためのピスト
ンの移動として取り出すサーモエレメントにおいて、前
記熱膨張体を加熱および冷却するための加熱・冷却部
と、前記ピストンの移動量を検出するピストン移動量検
出部と、このピストン移動量検出部にて検出されたピス
トンの移動量を受けて、前記加熱・冷却部の加熱・冷却
制御を行うことにより前記ピストンの移動量を任意に制
御可能とするピストン移動量設定部とを備える構成とす
るものである。

【０００７】さらに、前記ピストンに対して、このピス
トンの縮退方向に弾性力が付勢された弾性体を当該ピス
トン部分に配設する構成とするものである。

【０００８】

【作 用】ピストン移動量設定部の加熱制御により加熱
部が熱膨張体の加熱を行う。この加熱により熱膨張体が
膨張し、これにつれてピストンが伸出する。このピスト
ンの伸出はピストン移動量検出部によって検出され、こ
の検出データは前記ピストン移動量設定部に逐一、送出
される。ピストン移動量設定部はこの送出データを受け
て当該ピストンが予め設定された所定の伸出量に達する
と熱膨張体の加熱を停止するように制御する。これによ
り熱膨張体の膨張が止まり、ピストンの伸出が停止す
る。すなわち、ピストンは、ピストン移動量設定部で予
め設定された伸出量まで伸出して停止することになる。

【０００９】また、熱膨張体への加熱を停止してピスト
ンを縮退させる場合において、加熱されて熱を持った熱
膨張体を冷却することにより熱膨張体の収縮が速まり、
したがって、これにつれてピストンの縮退作動が迅速と
なる。さらにはピストン部に配設された弾性体の弾性力
の作用により、ピストンが途中で引っ掛かって停止した
りせずにピストンの縮退作動が円滑かつ確実に行われ
る。

【００１０】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
以下、第１実施例から第３実施例までの説明を順次行
う。先ず、図１は第１実施例の構成を示し、各部分が全
体的に円柱状に形成されているサーモエレメントの縦断
面図および、図示省略した基板等に実装される電気回路
図を示している。この第１実施例においては熱膨張体と
してのワックスの加熱にワックスケース内に配設された
ヒータを用い、このヒータによる加熱が停止された後は
ワックスケース底部に配設された電子冷却素子にてワッ
クスの冷却を行うことにより、ピストンの縮退を迅速に
行うことができる構成となっている。

【００１１】図において、１はサーモエレメントであ
り、このサーモエレメント１は熱膨張体としてのワック
ス５を内蔵するワックスケース２と、作動部ガイド３、
および作動部４から概略構成されている。このうち、ワ
ックスケース２においては、その内周面にワックス５を
加熱するためのヒーター６が配設されており、このヒー
タ６に電流を流すと、発熱してワックス５を加熱するよ
うになっている。また、ワックスケース２の底面部には
半導体素子で形成されて冷却能力を有する電子冷却ユニ
ット７が配設されており、この電子冷却ユニット７に、
後述する電気回路から電流を流すことにより、ワックス
ケース２の底面部を冷却し、加熱されて熱を帯びている
ワックス５を冷却するようになっている。７ａ，７ｂは
この電子冷却ユニット７の吸・放熱フィンである。

【００１２】この電子冷却ユニット７による冷却原理
は、周知のペルチェ効果を利用したものであり、概略そ
の原理を説明すれば、２種類の異なる金属または半導体
を直列に接合して電流を流すと、この接合部分で熱の発
生と熱の吸収すなわち冷却現象が生じるようになる。こ
の場合、流す電流の向きを逆にすると熱の発生と吸収も
逆位置に発生し、また、流す電流値を変化させることに
より発生する熱量や冷却能力を変化させることができ
る。

【００１３】再び図１において、８は、加熱されたワッ
クス５の膨張力を、半流動体９を介して作動部４に伝達
するためのダイヤフラムである。すなわち、ヒータ６の
加熱によってワックス５が膨張すると、この膨張力によ
ってダイヤフラム８が上方に押され、この押圧力は、半
流動体９，ラバーピストン１０，樹脂製のプレート１
１，ピストン１２と伝達され、このピストン１２の伸出
力によって所要の機器操作が行われる。作動部ガイド３
は前記のような構成の作動部４を囲繞し、作動の案内を
行うものである。すなわち、この作動部ガイド３は、そ
の下方Ａ部分において前記ワックスケース２と嵌着また
はかしめにより密着状体に接合されており、また、その
上方に前記弾性体としてのバネ１３を配設するための空
間Ｂが形成されている。このバネ１３は、ピストン１２
上部の細径に形成された部分に巻装されて、係止部Ｃに
て、このピストン１２の縮退方向（図面下方向）にその
弾性力が付勢されており、この付勢された弾性力によ
り、ピストンの縮退時においてはピストンが摩擦等のた
めに途中で引っ掛かったりせずに円滑かつ確実に縮退す
るようになっている。また、作動部ガイド３の最上部Ｄ
部分は、作動部ガイド３で最も細径に形成されており、
この部分の外周面には、前記ピストン１２の移動量を検
出し、この検出された移動量に応じた電圧あるいは電流
を送出するピストン移動量検出センサー１４が嵌装され
ている。

【００１４】次に、図示省略した基板等に実装される電
気回路部分について説明する。１５はピストン移動量設
定回路であり、所望のピストン移動量が設定されるとこ
の設定量に見合った電圧ＥR が出力されるようになって
いる。１６はこのピストン移動量設定部からの出力電圧
ＥR と前記ピストン移動量検出センサー１４から出力さ
れるピストンの移動量に応じた出力電圧ＥS との差分電
圧を受けてこれを増幅する直流電圧増幅器である。１７
は前記直流電圧増幅器１６の出力を受けてこれを増幅す
る電力増幅器であり、前記ヒータ６を加熱するための電
力の増幅を行う。さらに、１８はトランジスタTRS1，TR
S2およびTRS3を有し、熱膨張体の冷却時に前記電子冷却
ユニット７に電流を流し、また、加熱時に前記ヒータ６
に電流を流すように電気回路を切り換える切換え回路で
ある。

【００１５】以上のように構成されるサーモエレメント
において、先ず、ピストン移動量設定回路１５によって
所望のピストン移動量が設定される。この設定が行われ
ると当該設定量に応じた電圧ＥR が出力されるが、この
時点におけるピストン１２の伸出量を零とすれば、ピス
トン移動量検出センサー１４からの出力電圧ＥS は零で
あり、前記差分電圧はＥR −ＥS ＞０となって直流電圧
増幅器１６の出力はプラスとなる。したがって、切換え
回路１８のトランジスタTRS3がＯＮとなり、これにより
電力増幅器１７からの電力がヒータ６に印加され、ワッ
クス５が加熱されてピストン１２が伸出する。このピス
トン１２の伸出につれてピストン移動量検出センサー１
４からの出力電圧ＥS が上昇する。そして、この出力電
圧ＥS の値が、前記差分電圧ＥR −ＥS ＝０となった時
点において直流電圧増幅器１６の出力が０となる。これ
により、トランジスタTRS3がＯＦＦとなって電力増幅器
１７からヒータ６に対する出力も遮断されてワックス５
の加熱が停止され、この加熱が停止されることによりピ
ストン１２の伸出も停止することになる。

【００１６】一方、ピストン移動量設定回路１５による
設定電圧ＥR を減少させて、ＥR −ＥS ＜０となった場
合には直流電圧増幅器１６の出力はマイナスとなるので
切換え回路１８のトランジスタTRS1はＯＦＦ，TRS2はＯ
Ｎとなり、これにより電子冷却ユニット７に電流が流れ
て冷却状態となりワックスケース２を冷却する。この冷
却によりワックスケース２に内蔵されているワックス５
が冷却されて収縮する。この収縮に追従してピストン１
２が縮退するが、このピストン１２の縮退にあっては、
ピストン１２部分に配設されている前記バネ１３の弾性
力の作用により途中で引っ掛かることなく円滑かつ確実
に縮退が行われる。このピストンの縮退によりピストン
移動量検出センサー１４の出力電圧ＥS も減少するが、
この場合、ピストン１２は前記差分電圧ＥR −ＥS ＝０
になるまで縮退する。このように、ピストン１２は、常
に、ピストン移動量設定回路１５によって設定されたピ
ストン移動量に対応して出力される電圧ＥR と、ピスト
ン移動量検出センサーによって検出されるピストン１２
の移動量に対応して出力される電圧ＥS とが等しくなる
条件下において静止する。

【００１７】次に、本発明の第２実施例を図面に基づい
て説明する。図２は本発明の第２実施例の構成を示す図
である。この第２実施例が前記第１実施例と異なる点
は、ワックス５を加熱するのにヒータを用いずに第１実
施例の電子冷却ユニット７によって冷却のみならず加熱
をも行う点と、電気回路部分の切換え回路１８が除かれ
ている点である。すなわち、この電子冷却ユニット７
は、前記のようにペルチェ効果の原理を用いており、一
面において冷却能力を有するとともに、他面においては
加熱能力をも有する。第２実施例においてはこの加熱能
力を利用してワックスを加熱するようにしたものであ
る。このように、加熱と冷却を電子素子的に行う構成と
することにより製造が容易となるとともに故障が少な
く、より長寿命のサーモエレメントを実現できる効果も
期待できる。

【００１８】図２において、前記のように、この第２実
施例におけるサーモエレメント１は前記第１実施例にお
けるヒータ６と、電気回路部分の切換え回路１８が除か
れているだけであり、他は前記第１実施例と基本的には
同一の構成となっている。すなわち、１５はピストン移
動量設定回路であり、所望のピストン移動量を設定する
と、この設定量に見合った電圧ＥR が出力される。２０
はこのピストン移動量設定回路１５からの出力電圧ＥR
と、前記ピストン移動量検出センサー１４から出力され
るピストンの移動量に応じた電圧ＥS との差分電圧を受
けてこれを増幅する直流電圧増幅器である。２１は電力
増幅器であり、前記電子冷却ユニット７へ出力するため
のプラスまたはマイナス電圧を増幅する。電子冷却ユニ
ット７は、この実施例においてはプラス電圧の印加によ
りワックスケース２との接合面が加熱状態となり、マイ
ナス電圧の印加により、逆にワックスケース２との接合
面が冷却状態となる。

【００１９】以上のような構成において、先ず、ピスト
ン移動量設定回路１５にて所望のピストン移動量が設定
されると、この設定量に応じた電圧ＥR が出力される。
この時点におけるピストン移動量検出センサー１４から
の出力電圧ＥS との差分電圧がＥR −ＥS ＞０であれ
ば、電力増幅器２１からはプラス電圧が出力されて電子
冷却ユニット７に印加される。このプラス電圧の印加に
より、前記のように電子冷却ユニット７はワックスケー
ス２との接合面が加熱状態となってワックスケース２を
加熱し、この加熱よりワックス５が加熱されて膨張す
る。この膨張によりピストン１２が伸出する。このピス
トン１２の伸出によってピストン移動量検出センサー１
４からの出力電圧ＥS が上昇し、ＥR −ＥS ＝０となっ
た時点において電力増幅器２１の出力が停止され、これ
により電子冷却ユニット７によるワックスケース２の加
熱も停止される。この加熱の停止によりピストン１２の
伸出も止まる。すなわち、ＥR ＝ＥS の条件下において
ピストン１２が静止する。

【００２０】一方、ピストン移動量設定回路１５による
設定電圧ＥR を減少させ、前記差分電圧がＥR −ＥS ＜
０となった場合には電力増幅器２１の出力電圧はマイナ
スとなる。このマイナスの出力電圧が電子冷却ユニット
７に印加されると、前記のようにこのワックスケース２
との接合面が冷却状態となってワックスケース２を冷却
する。この冷却によってワックス５は冷却されて収縮
し、このワックスの収縮に追従してピストン１２も縮退
する。この場合、ピストン１２は前記差分電圧ＥR −Ｅ
S ＝０になる位置まで縮退して停止し、この位置で静止
する。このピストン１２の縮退においては前記第１実施
例と同様に当該ピストン１２部分に配設された前記バネ
１３の弾性力によって途中で引っ掛かることなく円滑か
つ確実に所定位置までピストン１２の縮退が行われる。
このようにして、ピストン１２は常にＥR ＝ＥS となる
条件下において静止する。

【００２１】次に、本発明の第３実施例を図面に基づい
て説明する。図３は本発明の第３実施例の構成を示す図
である。この第３実施例は、第１実施例から電子冷却ユ
ニット７を取り外し、加熱されたワックスの冷却は自然
冷却とする簡易な構成としたものである。これにつれて
第１実施例における電子冷却ユニット７に電圧を印加す
るために回路を切り換える切換え回路１８は除かれてい
る。また、第１実施例における直流電圧増幅器１６と電
力増幅器１７は、直流電圧・電力増幅器２２としてまと
めて表示されている。

【００２２】この直流電圧・電力増幅器２２の出力Ｖ0
は、ピストン移動量設定回路１５の出力電圧ＥR とピス
トン移動量検出センサー１４からの出力電圧ＥS との差
分電圧がＥR −ＥS ＞０すなわちプラスとなる条件下で
のみヒータ６加熱のための電圧Ｖ0 を出力する。図３に
おいて、先ず、ピストン移動量設定回路１５にて所望の
ピストン移動量が設定されると、この設定量に応じた電
圧ＥR が出力される。この時点におけるピストン移動量
検出センサー１４からの出力電圧ＥS との差分電圧がＥ
R −ＥS＞０であれば、直流電圧・電力増幅器２２の出
力によりヒータ６が加熱され、この加熱によりワックス
５が膨張し、この膨張力によりピストン１２が伸出す
る。このピストン１２の伸出によってピストン移動量検
出センサー１４からの出力電圧ＥS が上昇し、ＥR −Ｅ
S ＝０となった時点において直流電圧・電力増幅器２２
からの出力が停止し、ヒータ６の加熱も停止され、ピス
トン１２の伸出が止まる。すなわち、前記実施例同様に
ＥR ＝ＥS の条件下においてピストン１２が静止する。

【００２３】一方、ピストン移動量設定回路１５による
設定電圧ＥR を減少させ、前記差分電圧がＥR −ＥS ＜
０となった場合にはワックス５の加熱は行われれず、ワ
ックス５は自然冷却により収縮し、ピストン１２もこの
収縮に追従して縮退する。この場合、ピストン１２部分
に配設されている前記バネ１３の弾性力によってピスト
ン１２は途中で引っ掛かることなく円滑かつ確実に縮退
が行われる。このピストン１２の縮退によりピストン移
動量検出センサー１４の出力電圧ＥS も減少し、前記差
分電圧ＥR −ＥS ＝０になる位置までピストン１２が縮
退して静止するのは前記説明の実施例と同様である。

【００２４】

【発明の効果】以上説明のように本発明によれば、ケー
スに内蔵された熱膨張体を加熱する加熱部と、ピストン
の移動量を検出するピストン移動量検出部と、このピス
トン移動量検出部からのデータを受けて、前記加熱部の
加熱制御を行うことによりピストンの移動量を任意に制
御可能とするピストン移動量設定部とを設ける構成によ
り、ピストンの伸出量が任意に制御可能となり、したが
ってサーモエレメントの経年変化によって生ずべき誤差
の影響を受けることがなく長期にわたり高い精度にて機
器操作を行うことができるサーモエレメントとすること
ができる。また、加熱停止後の熱膨張体を冷却して当該
熱膨張体の収縮を速める構成によりピストンの縮退作動
を迅速に行うことができるようになるとともに、ピスト
ンの縮退方向に弾性力が付勢された弾性体を当該ピスト
ンに設ける構成により、ピストンの縮退時に当該ピスト
ンが摩擦等により縮退途中で引っ掛かることなく円滑か
つ確実に縮退を行うことができるサーモエレメントとす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成を示す図である。

【図２】本発明の第２実施例の構成を示す図である。

【図３】本発明の第３実施例の構成を示す図である。

【符号の説明】

１・・サーモエレメント ２・・ワックスケース ３・・作動部ガイド ４・・作動部 ５・・ワックス ６・・ヒータ ７・・電子冷却ユニット ７ａ，７ｂ・吸・放熱フィン ８・・ダイヤフラム ９・・半流動体 １０・ラバーピストン １１・樹脂製プレート １２・ピストン １３・バネ １４・ピストン移動量検出センサー １５・ピストン移動量設定回路 １６・直流電圧増幅器 １７・電力増幅器 １８・切換え回路 ２０・直流電圧増幅器 ２１・電力増幅器 ２２・直流電圧・電力増幅器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱することにより膨張し、加熱を停止
   することにより収縮する熱膨張体をケースに内蔵し、こ
   の熱膨張体の体積変化を機器操作のためのピストンの移
   動として取り出すサーモエレメントにおいて、 前記熱膨張体を加熱するための加熱部と、 前記ピストンの移動量を検出するピストン移動量検出部
   と、 このピストン移動量検出部にて検出されたピストンの移
   動量を受けて、前記加熱部の加熱制御を行うことにより
   前記ピストンの移動量を任意に制御可能とするピストン
   移動量設定部とを備えたことを特徴とするサーモエレメ
   ント。
2. 【請求項２】 加熱することにより膨張し、加熱を停止
   することにより収縮する熱膨張体をケースに内蔵し、こ
   の熱膨張体の体積変化を機器操作のためのピストンの移
   動として取り出すサーモエレメントにおいて、 前記熱膨張体を加熱および冷却するための加熱・冷却部
   と、 前記ピストンの移動量を検出するピストン移動量検出部
   と、 このピストン移動量検出部にて検出されたピストンの移
   動量を受けて、前記加熱・冷却部の加熱・冷却制御を行
   うことにより前記ピストンの移動量を任意に制御可能と
   するピストン移動量設定部とを備えたことを特徴とする
   サーモエレメント。
3. 【請求項３】 前記ピストンの縮退方向に弾性力が付勢
   された弾性体を当該ピストン部分に配設し、前記熱膨張
   体の収縮時におけるピストンの縮退を確実に行うことが
   できるようにしたことを特徴とする請求項１および請求
   項２記載のサーモエレメント。