JP6685804B2 - 感温式弁機構及びその使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、油路を有するエンジンに取り付けられ、油路を流れる潤滑油の温度に応じて潤滑油を油路の外へ逃がす感温式弁機構及びその使用方法に関する。

エンジンに取り付けられ、油路を流れる潤滑油の温度に応じて潤滑油を油路の外へ逃がす感温弁が知られている（例えば、特許文献１（図２）参照）。

特許文献１の図２に示されるように、供給通路（６）（括弧付き数字は、特許文献１に記載された符号を示す。以下同様）を区画する壁部（１４）に、バイパス通路（１１）が設けられている。このパイパス通路（１１）は、感温弁（１２）で開閉制御される。

感温弁（１２）は、サーモワックス（２１）を駆動源とし、弁体（１７）がバイパス通路（１１）の入口を開閉する弁機構である。
特許文献１には、サーモワックス（２１）の熱的性質の説明が省かれているため、サーモワックスの熱的性質が説明されている文献として、例えば、特許文献２（図２）を参照する。ただし、特許文献２は、湯水混合栓に係り、潤滑油の感温弁ではない。

特許文献２の図２に、曲線イと曲線ロとが示されている。
すなわち、曲線イは、変位点Ｐ１を境として、Ｐ１未満では固液混合相、Ｐ１以上で液相となる性質のワックスに係る。Ｐ１は５２℃である。
同様に、曲線ロは、変位点Ｐ２を境として、Ｐ２未満では固液混合相、Ｐ２以上で液相となる性質のワックスに係る。Ｐ２は４６℃である。

特許文献２のワックスは、主として３０℃〜５０℃の範囲で使用される（特許文献２段落００２１）。
曲線イのワックスは、変位点Ｐ１（５２℃）が使用範囲（３０℃〜５０℃）より高温側の外にある。すなわち、曲線イのワックスは、固液混合相で使用される。固液混合相では液相に比較して温度変化に対する体積変化率が格段に大きい。固液混合相で使用すると、温度変化に対して大きな機械的に変位が得られるという利点がある。

また、曲線ロのワックスは、変位点Ｐ２（４６℃）が使用範囲（３０℃〜５０℃）内にある。すなわち、曲線ロのワックスは、３０℃〜４６℃の範囲で固液混合相、４６℃〜５０℃の範囲で液相となり、固液混合相と液相の両方を使用できるという利点がある。

曲線イ、曲線ロの何れにおいても、固液混合相を主として使用している。上述したように固液混合相は、温度変化に対して大きな機械的に変位が得られるという利点があるものの、細かな機械的変位が求められる制御には不向きである。
近年、省エネルギー対策が要求されるエンジンにおいて、温度変化に対して細かな機械的変位が得られる感温式弁機構が求められる。

特開平８−９３４３０号公報 特開平８−２７７９６４号公報

本発明は、温度変化に対して細かな且つ誤差が少ない機械的変位が得られる感温式弁機構及びその使用方法を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、循環する潤滑油の常用温度が約８０℃であるエンジンに取り付けられ、油路を流れる前記潤滑油の温度に応じて前記潤滑油を前記油路の外へ逃がす感温式弁機構において、
この感温式弁機構は、駆動源がサーモワックスであり、
このサーモワックスは、バルブが固定されているサーモエレメントに封入され、
このサーモエレメントは、円筒形の弁箱が一体に形成されている筒状の連結部で囲われ、
この連結部は、前記潤滑油を通過させる流路貫通孔を有し、
前記サーモエレメントが、前記流路貫通孔を介して前記油路から見え、
前記サーモワックスは、低温で固相、前記低温より高い中温で固液混合相、前記中温より高い高温で液相となり、前記固液混合相と前記液相との境界温度が４８℃〜５６℃の範囲に設定され、
前記バルブは、前記サーモワックスが固相である場合に、前記弁箱に形成され前記潤滑油を排出する排出ポートを全開としていることを特徴とする。本発明において、常用温度とは、エンジンにおいて始動時と停止時を除いた運転時（走行時など）における潤滑油の平均温度又は頻度が高い温度を指す。

請求項２に係る発明は、油路を備えるエンジンに取り付けられ、前記油路を流れる潤滑油の温度に応じて前記潤滑油を前記油路の外へ逃がす感温式弁機構の使用方法であって、
前記感温式弁機構の駆動源は、低温で固相、前記低温より高い中温で固液混合相、前記中温より高い高温で液相となるサーモワックスであり、
このサーモワックスは、バルブが固定されているサーモエレメントに封入され、
このサーモエレメントは、円筒形の弁箱が一体に形成されている筒状の連結部で囲われ、
この連結部は、前記潤滑油を通過させる流路貫通孔を有し、
前記サーモエレメントが、前記流路貫通孔を介して前記油路から見え、
前記感温式弁機構は、主として前記液相の領域で使用され、且つ前記バルブは、前記サーモワックスが固相である場合に、前記弁箱に形成され前記潤滑油を排出する排出ポートを全開としていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、固液混合相と液相との境界温度が４８℃〜５６℃のサーモワックスを感温式弁機構の駆動源とした。潤滑油の常用温度が約８０℃であるため、感温式弁機構は液相領域で作動する。液相領域では、固液混合相に比較して温度変化に対する体積変化率が格段に小さい。すなわち、感温式弁機構では、温度変化に対して穏やかに機械的変位が生じる。結果、温度変化に対して細かな且つ誤差が少ない機械的変位が得られる感温式弁機構が提供される。
加えて、サーモエレメントが流路貫通孔を介して油路から見える。潤滑油が流路貫通孔を貫通して流れるため、油路を流れる潤滑油は常にサーモエレメントに接触する。

請求項２に係る発明は、感温式弁機構を主としてサーモワックスの液相の領域で使用するという感温式弁機構の使用方法である。上述したように、液相領域では、固液混合相に比較して温度変化に対する体積変化率が格段に小さい。すなわち、感温式弁機構では、温度変化に対して穏やかに機械的変位が生じる。結果、温度変化に対して細かな且つ誤差が少ない機械的変位が得られる感温式弁機構の使用方法が提供される。
加えて、サーモエレメントが流路貫通孔を介して油路から見える。潤滑油が流路貫通孔を貫通して流れるため、油路を流れる潤滑油は常にサーモエレメントに接触する。

本発明に係る感温式弁機構と、オイルポンプの相関を示す図である。 本発明に係る感温式弁機構の分解図である。 本発明に係る感温式弁機構を備えたオイルポンプの図である。 サーモエレメントの作用を説明する図である。 変更例に係る感温式弁機構の分解図である。 感温式弁機構の組み立て手順を説明する図である。 エンジンの潤滑油温度の変化を調べたグラフである。 本発明で採用したサーモワックスの熱的性質を示すグラフである。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

図１で、エンジン１０に直接又は間接的に付属するオイルポンプ１１に、本発明の感温式弁機構２０を着脱自在に取り付ける例を説明する。
図１に示すように、エンジン１０に付属するオイルポンプ１１は、インナーギヤ１２と、アウターギヤ１３と、これらのギヤ１２、１３を収納するポンプハウジング１４とからなる。エンジンの動力の一部でインナーギヤ１２が回されると、アウターギヤ１３が連れ回る。この回転中に、ギヤ１２、１３間のギャップＧの体積が変化し、この変化により矢印（１）のように潤滑油が吸入され、加圧され、矢印（２）のように吐出される。

ポンプハウジング１４に、油路としての主油路１５が設けられ、この主油路１５に略平行にリターン油路１６が設けられている。主油路１５が高油圧時は図示しない一般的なリリーフバルブにより潤滑油はリターン油路１６に戻される。加えて、主油路１５を横断し、先端がリターン油路１６近傍に達する弁挿入孔１７がポンプハウジング１４に設けられている。弁挿入孔１７は、孔口に雌ねじ１８が設けられ、先端近傍にポンプハウジング１４の外に通じる通孔１９が設けられている。
よって、弁挿入孔１７へ何時でも感温式弁機構２０を挿入することができる。

感温式弁機構２０の構成を図２に基づいて説明する。
図２に示すように、感温式弁機構２０は、固定部２１としての鍔付きプラグ２２と、この鍔付きプラグ２２に一方（この例ではピストン２３）が支持されるサーモエレメント２４と、このサーモエレメント２４の他方に固定されるバルブ２５と、このバルブ２５を囲う弁箱２６と、鍔付きプラグ２２から延ばされ弁箱２６を支える連結部２７とからなる。

鍔付きプラグ２２は、上部に鍔３１を備えると共に六角穴３２を備え、中間部に雄ねじ３３を備える。加えて、鍔付きプラグ２２の下部には、中心にピストン２３の一端を収納する中央凹部３４が設けられ、連結部２７の上部を差し込む環状溝３５が設けられ、この環状溝３５を囲う第１かしめ用筒部３６が設けられている。六角レンチを六角穴３２に挿入し、回すことで、鍔付きプラグ２２は回される。なお、六角穴３２を省いて、鍔３１を多角形にしてもよい。

サーモエレメント２４は、内部構造は後述の図４で説明するが、戻しばね３７を備えている。加えて、サーモエレメント２４の下部にはバルブ２５から延びる小径延長部３８を囲う第２筒部３９が設けられている。

バルブ２５は、バルブ筒部４１と、このバルブ筒部４１の上端を閉じる蓋部４２と、この蓋部４２から上に延びバルブ筒部４１より小径の小径延長部３８とからなる。蓋部４２には上下に貫通する複数の通孔４３、４３が設けられている。小径延長部３８は空気が逃げて第２筒部３９に嵌め込み易くするため中空である。

この例では、弁箱２６と連結部２７とは一体にした。部品点数が少ないため、組み立て工数が減少する。しかし、後述するように弁箱２６と連結部２７は別部品であってもよい。

連結部２７は、潤滑油を通過させるための一対の流路貫通孔４４、４４を有する円筒体である。下部に戻しばね３７を受けるばね受け部４５が設けられている。
弁箱２６は、バルブ２５を軸方向移動可能に収納する円筒体であり、高さ方向中間位置に環状溝部４６及び排出ポート４７を有し、下部にシール材４８を収納する溝４９を有する。

なお、流路貫通孔４４の孔幅は、サーモエレメント２４の外径より大きくすることが望ましい。流路抵抗が小さくなるからである。更に流路貫通孔４４は主油路１５に対向した位相に配置すれば流路抵抗を小さくできる。流路貫通孔４４は一対の他、３個以上であってもよい。
弁箱２６と連結部２７は、鋳造、鍛造、総切削（削り出し）、又はこれらの複合工程によって製造されるが、排出ポート４７は開口面積の精密さが要求されるので、切削加工が望ましい。

図３に示すように、雌ねじ１８に雄ねじ３３をねじ込むことで、ポンプハウジング１４に感温式弁機構２０を取り付ける。すると、サーモエレメント２４が流路貫通孔４４を介して主油路１５から見える。潤滑油が流路貫通孔４４、４４を貫通して流れるため、主油路１５を流れる潤滑油は常にサーモエレメント２４に接触する。

図４（ａ）に示すように、サーモエレメント２４は、ピストン２３と、このピストン２３を囲う弾性膜５１と、この弾性膜５１を囲うケース５２と、このケース５２と弾性膜５１との間に封入されるサーモワックス５３とからなる。潤滑油の温度が低い場合、サーモワックス５３は収縮しており、バルブ２５は、弁箱２６側の排出ポート４７に掛かっていない（重なっていない）。結果、潤滑油は矢印（３）の如く流れる。すなわち、潤滑油は通孔４３、４３、排出ポート４７、ポンプハウジング１４の通孔１９の順に流れ、後述する油溜まり６７へ排出される。

潤滑油の温度が上昇すると、サーモワックス５３が膨張し、体積が増加する。
すると、図４（ｂ）に示すように、ピストン２３の突出長さが増加する。ピストン２３が鍔付きプラグ２２で止められているため、ケース５２及びバルブ２５が排出ポート４７側へ移動する。結果、例えば、排出ポート４７の開口面積の約半分がバルブ２５で閉じられる。
潤滑油の温度が更に上昇すると、サーモワックス５３が更に膨張し、体積が更に増加する。結果、排出ポート４７がバルブ２５で完全に閉じられる。
潤滑油の温度が下がると、サーモワックス５３が収縮し、戻しばね３７の戻し作用により、図４（ｂ）から図４（ａ）の位置へ戻る。

次に、変更例を説明する。
図５に示すように、連結部２７と弁箱２６とは別部品にすることができる。その他は、図２と同じであるため、符号を流用して詳細な説明は省略する。
例えば、弁箱２６の上部に雌ねじ５４を設け、連結部２７に雄ねじ５５を設ける。雌ねじ５４に雄ねじ５５をねじ込むことにより、ねじ部５６により締結が完成する。なお、弁箱２６に雄ねじ５５を設け、連結部２７に雌ねじ５４を設けることは差し支えない。
互いに回転させることで、弁箱２６の排出ポート４７の軸方向位置を正確に調節することができる。

次に、本発明に係る感温式弁機構２０の組み立て手順を説明する。
図６（ａ）に示すように、鍔付きプラグ２２に、サーモエレメント２４を所定の手順で取り付ける。そして、サーモエレメント２４側の第２筒部３９に、バルブ２５側の小径延長部３８を嵌める。鍔３１の下面と、バルブ２５の下端（先端）との距離Ｈ１が所定の距離になるように嵌め込み長さを調節して固定する。好ましくは、固定方法としては圧入とすれば嵌め込み長さの調節が容易となる。

次に、図６（ｂ）に示すように、鍔付きプラグ２２側の第１かしめ用筒部３６に、連結部２７を嵌める。好ましくは、排出ポート４７に位置決め治具５７を嵌める。

そして、第１かしめ用筒部３６が、かしめられていない状態で、感温式弁機構２０を例えば８０℃の油中に入れる。水中に入れても良いが、油中に入れるのは錆防止のためである。
すると、図６（ｃ）に示すように、バルブ２５が位置決め治具５７に接近する。所定時間が経過した後（サーモワックス５３等が８０℃に到達した後）に、バルブ２５と位置決め治具５７が当たるように、連結部２７の軸方向位置を調節する。潤滑油の常用温度（頻度が高い温度）で位置調節するため油圧特性バラツキを低減できる。

調整後は、鍔３１の下面と排出ポート４７の孔中心との距離Ｈ２が所定の長さになった。この状態で、かしめ力Ｆ、Ｆを付与し、第１かしめ用筒部３６を縮径する。この時、かしめ力Ｆによる変形が全周に亘るかしめとするならば、かしめによる倒れ、心ズレを抑制できるため、バルブ２５の滑らかな摺動及び精度の高い油圧制御を行うことができる。この縮径により、第１かしめ用筒部３６が連結部２７の上部にかしめ連結された。これで、第１かしめ用筒部３６と連結部２７の上部とからなる第１かしめ部５９が形成された。

固定部２１、バルブ２５及び弁箱２６を含む感温式弁機構２０だけで、弁開度などの弁特性を確認することができる。小型で軽量な感温式弁機構２０のみを液槽や恒温槽へ搬入するだけでよい。結果、低コストで熱的性質を確認することができる感温式弁機構２０が提供される。

図４（ａ）、（ｂ）において、主油路１５に、エンジンの軸受などを潤滑する潤滑油が流れる。
乗用車における油温（主油路１５における潤滑油の温度）を計測した結果を図７に示す。
実線は大気温度が２５℃での油温、破線は大気温度が０℃での油温を示す。

一般的な乗用車では、エンジン始動時に２５℃であった潤滑油は約１５分後には８０℃に達し、以降は約８０℃で一定になる。点Ｐ１でエンジンが停止した場合、潤滑油は０．２℃／分の割合で徐々に冷却された。
また、エンジン始動時に０℃であった潤滑油は２０分後には８０℃に達し、以降は約８０℃で一定になる。点Ｐ１でエンジンが停止した場合、潤滑油は０．５℃／分の割合で徐々に冷却された。
よって、起動時と停止時を除くと、潤滑油の常用温度は約８０℃であった。

次に、サーモワックス５３について説明する。
図４で説明したサーモワックス５３の熱的性質を、図８に基づいて説明する。
図８に示すように、サーモワックス５３は、低温で固相、低温より高い中温で固液混合相、中温より高い高温で液相になる。

そして、本発明では、点Ｐ３未満では固相、点Ｐ３と点Ｐ４の間で固液混合相、点Ｐ４以上で液相になるように設定した。点Ｐ３は４５℃、点Ｐ４は４８℃〜５６℃の範囲、好ましくは点Ｐ４は５０℃〜５４℃の範囲、より好ましくは５２℃である。この設定は特性の異なる複数のサーモワックスをブレンドすることで得られる。点Ｐ４は、固液混合相と液相の境界温度に相当する。

潤滑油の常用温度が約８０℃であった。仮に、潤滑油の温度が６０℃〜１００℃の範囲で変動したとしても、この範囲は点Ｐ４と点Ｐ５の間、すなわち液相の領域にある。温度変化に対してピストン移動量が小さい。そのため、温度変化に対して細かな且つ高い精度のピストン移動が得られる。

潤滑油の変更範囲が６０℃〜１００℃である場合、いわゆるアイドリング・ストップでエンジンを停止すると、頻度は少ないが潤滑油の温度が６０℃以下になることがある。点Ｐ４が５６℃であれば、余裕（マージ）が４℃あり、点Ｐ４が５２℃であれば、余裕（マージ）が８℃あるため、固液混合相で使われる心配はない。
また、点Ｐ４を４８℃未満に設定すると点Ｐ３が下がる。すると、室温で固液混合相となるおそれがあり、取り扱いが不便となる。
よって、点Ｐ４は４８℃〜５６℃の範囲に収めることが推奨される。

図７で再度説明すると、始動時は固相であったものが、約５分後には固液混合相になり、そこから数分で液相に移行する。走行中などの運転中はほぼ液相となる。エンジン運転の大部分を占める領域において液相であるため、エンジン運転中に感温式弁機構２０は、高精度の制御がなされ、結果、目標とする省エネルギー対策が容易に得られる。

本発明は、エンジンに付設する感温式弁機構に好適である。

１０…エンジン、１１…オイルポンプ、１５…油路（主油路）、２０…感温式弁機構、２４…サーモエレメント、Ｐ４…境界温度。

Claims (2)

1. 循環する潤滑油の常用温度が約８０℃であるエンジンに取り付けられ、油路を流れる前記潤滑油の温度に応じて前記潤滑油を前記油路の外へ逃がす感温式弁機構において、
   この感温式弁機構は、駆動源がサーモワックスであり、
   このサーモワックスは、バルブが固定されているサーモエレメントに封入され、
   このサーモエレメントは、円筒形の弁箱が一体に形成されている筒状の連結部で囲われ、
   この連結部は、前記潤滑油を通過させる流路貫通孔を有し、
   前記サーモエレメントが、前記流路貫通孔を介して前記油路から見え、
   前記サーモワックスは、低温で固相、前記低温より高い中温で固液混合相、前記中温より高い高温で液相となり、前記固液混合相と前記液相との境界温度が４８℃〜５６℃の範囲に設定され、
   前記バルブは、前記サーモワックスが固相である場合に、前記弁箱に形成され前記潤滑油を排出する排出ポートを全開としていることを特徴とする感温式弁機構。
2. 油路を備えるエンジンに取り付けられ、前記油路を流れる潤滑油の温度に応じて前記潤滑油を前記油路の外へ逃がす感温式弁機構の使用方法であって、
   前記感温式弁機構の駆動源は、低温で固相、前記低温より高い中温で固液混合相、前記中温より高い高温で液相となるサーモワックスであり、
   このサーモワックスは、バルブが固定されているサーモエレメントに封入され、
   このサーモエレメントは、円筒形の弁箱が一体に形成されている筒状の連結部で囲われ、
   この連結部は、前記潤滑油を通過させる流路貫通孔を有し、
   前記サーモエレメントが、前記流路貫通孔を介して前記油路から見え、
   前記感温式弁機構は、主として前記液相の領域で使用され、且つ前記バルブは、前記サーモワックスが固相である場合に、前記弁箱に形成され前記潤滑油を排出する排出ポートを全開としていることを特徴とする感温式弁機構の使用方法。

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