KR19990081755A

KR19990081755A - 자동차 엔진용 냉각 시스템

Info

Publication number: KR19990081755A
Application number: KR1019980036895A
Authority: KR
Inventors: 요시카즈 쿠제
Original assignee: 요시카즈 쿠제
Priority date: 1998-04-03
Filing date: 1998-09-08
Publication date: 1999-11-15
Also published as: KR100350718B1; DE69830896T2; CA2246462A1; AU748592B2; EP0947676A2; EP0947676A3; CA2246462C; EP0947676B1; AU8311698A; TW394817B; CN1231381A; DE69830896D1; CN1103862C

Abstract

본 발명의 냉각 시스템은, 자동차 엔진의 냉각액을 냉각시키기 위한 라디에이터와, 그 라디에이터내의 냉각액을 냉각시키기 위한 냉각 팬과, 냉각액 온도를 제어하기 위한 서모스탯을 포함하고, 그 서모스탯은, 플랜지를 가진 하우징과, 제1 단부에서 상기 하우징에 고정된 작동 로드와, 그 작동 로드상에 미끄러질 수 있게 설치된 가이드부재와, 작동 로드의 제2 단부부분 둘레에 설치되고 가이드부재에 고정된 탄력성의 시일 스풀과, 그 시일 스풀을 수용하고 가이드부재에 고정된 감온 실린더와, 시일 스풀을 에워싸도록 감온 실린더내에 배치된 왁스 팰릿과, 시일 스풀과 작동 로드 사이의 공간에 주입된 윤활유와, 가이드부재상에 설치된 메인 밸브, 및 상기 플랜지에 형성된 밸브 시트에 대하여 메인 밸브를 밀어붙이기 위한 복귀 스프링을 가지고 있다. 상기 플랜지는 냉각액을 통과시키도록 구멍을 가지고 있고, 상기 시일 스풀의 두께가 작동 로드의 직경의 25%∼5%로 설정되어, 서모스탯의 복귀 스프링의 스프링 상수를 감소시킨다. 또한, 낮은 냉각액 온도에서 냉각 팬을 시동시키기 위한 냉각 팬 스위치가 제공되어 있다.

Description

자동차 엔진용 냉각 시스템

본 발명은 자동차 엔진의 냉각액의 온도를 제어하는 냉각 시스템에 관한 것이다.

도 6은 종래기술에 따른 자동차 엔진용 냉각 시스템을 나타내는 것으로, 이 냉각 시스템은 물 재킷(20)의 도입구측 통로에 배치된 서모스탯(thermostat)(1)을 가지고 있다.

이 냉각 시스템은, 물 재킷(20)의 상부 배출구(21)와 라디에이터(22)의 상부 도입구(23)와의 사이에 배치된 제1 냉각액 통로(24)와, 라디에이터(22)의 하부 배출구(25)와 물 재킷(20)의 하부 도입구(29)와의 사이에 배치된 제2 냉각액 통로(30)를 포함하고, 상기 제2 냉각액 통로에는, 서모스탯 캡(26)과, 서모스탯 하우징(27) 및 물 펌프(28)가 배치되어 있다. 라디에이터(22)를 통하지 않고 제1 냉각액 통로(24)를 제2 냉각액 통로(30)와 연통시키기 위해, 제1 냉각액 통로(24)의 접합부(J)와 서모스탯 하우징(27)과의 사이에 바이패스 통로(31)가 제공되어 있다. 서모스탯(1)은 서모스탯 캡(26)에 의해 밀폐되어 서모스탯 하우징(27)내에 설치되어 있다. 그 서모스탯(1)은, 제2 냉각액 통로(30)를 막는 메인 밸브(12)와, 바이패스 통로(31)의 바이패스 포트(port)(32)를 막는 바이패스 밸브(15)를 가지고 있다.

도 6에서, 부호 A'는 서모스탯 하우징(27)내 냉각액의 온도를 측정하기 위한 측정점을 나타내고, 부호 B'는 제2 냉각액 통로(30)내 냉각액의 온도를 측정하기 위해 서모스탯(1)의 상류측에서 서모스탯 캡(26)에 인접하여 제2 냉각액 통로(30)에 제공된 측정점을 나타내며, 부호 C는 제2 냉각액 통로(30)내 냉각액의 유량을 측정하기 위한 측정점을 나타낸다. 부호 33은 냉각 팬을 나타낸다.

서모스탯(1)은 서모액튜에이터(thermo-actuator)에 의해 작동된다. 그 서모액튜에이터는 강(鋼)으로 된 작동 로드와, 그 작동 로드에 미끄러질 수 있게 결합되어 있는 탄력성의 시일 스풀(seal spool)을 포함한다. 그 시일 스풀은 왁스 팰릿(wax pallet)이 채워진 감온(感溫) 실린더내에 삽입되어 있다.

도 7에 나타내어진 바와 같이, 서모스탯(1)의 플랜지(16)에는 구멍(19a)이 형성되어 있고, 그 구멍(19a)에는, 지글(jiggle) 밸브(18)를 가진 지글 밸브기구(17)가 움직일 수 있게 결합되어 있다.

엔진의 작동중에는, 지글 밸브(18)가, 도 7에 나타내어진 바와 같이, 제2 냉각액 통로(30)내 냉각액의 압력에 의해 폐쇄되고, 엔진이 정지한 때에는, 지글 밸브가 개방되어, 냉각액이 화살표의 방향으로 보충될 수 있다.

차거운 엔진 상태중에는, 서모스탯(1)의 메인 밸브(12)가 도 6에 나타내어진 바와 같이 폐쇄되고, 지글 밸브(18)도 냉각액 압력에 의해 폐쇄되는 한편, 메인 밸브(12)에 합체되어 있는 바이패스 밸브(15)는 완전히 개방된다. 그래서, 물 재킷(20)의 배출구(21)로부터 배출된 냉각액이 라디에이터(22)를 통과하지 않고, 그 냉각액은 물 펌프(28)에 의해 화살표로 나타낸 바와 같이 제1 냉각액 통로(24)의 접합부(J)와, 바이패스 통로(31)와, 서모스탯 하우징(27) 및 물 재킷(20)의 도입구(29)를 통해 순환된다. 그리하여, 서모스탯 하우징(27)내 냉각액의 온도가 신속하게 상승한다.

그러나, 라디에이터(22)와 서모스탯 캡(26)내 냉각액은 순환하지 않기 때문에, 그 안의 냉각액 온도 B의 온도 상승속도는 느리다. 따라서, 도 8의 그래프에 나타내어진 바와 같이, 측정점 A'에서의 온도 A가 메인 밸브(12)의 개방온도인 87℃로 될지라도, 측정점 B'에서의 온도 B는 단지 45℃이다. 그래서, 온도 A와 온도 B 사이에는 42℃의 차이가 있다.

서모스탯(1)의 메인 밸브(12)가 개방된 때, 저온의 냉각액이 라디에이터(22)의 하부 배출구(25)로부터 흡인되어 제2 냉각액 통로(30)를 통해 서모스탯 하우징(27)에 공급된다. 따라서, 측정점 B'에서의 냉각액의 온도 B가 13℃ 만큼 더욱 낮아진다. 그 결과, 제2 냉각액 통로(30)내 냉각액의 온도 B와 서모스탯 하우징(27)내 냉각액의 온도 A와의 차이가 55℃로 증가한다. 빗금으로 나타낸 부분의 면적은 그 기간에서의 에너지 손실을 나타낸다. 가로 좌표의 시간은 온도 A가 60℃인 때로부터의 경과시간을 나타낸다는 것이 이해될 것이다.

서모스탯(1)의 열감도가 낮기 때문에, 서모스탯의 응답이 냉각액 온도의 변화에 비하여 지체된다. 따라서, 온도가 소정의 개방온도 87℃보다 상당히 높게 된 후에, 메인 밸브(12)가 개방된다. 메인 밸브(12)가 개방된 때, 냉각액의 온도가 낮아진다. 그리고, 냉각액 온도가 소정의 폐쇄온도보다 낮게 상당히 저하한 후에, 메인 밸브(12)가 폐쇄되고, 그후, 냉각액 온도가 상승한다. 즉, 냉각액 온도의 제어에 있어서 큰 열 오버슈트(heat overshoot)가 있게 되어, 메인 밸브가 반복적으로 개폐된다. 메인 밸브(12)가 폐쇄된 때, 메인 밸브의 상류측에 서지(surge) 압력이 발생한다.

열 오버슈트는 엔진의 실린더 블록과 실린더 헤드의 크랙(crack)을 야기하고, 서지 압력은 서모스탯(1)과 라디에이터(22)의 고장을 야기한다.

상기한 바와 같이, 지글 밸브기구가 에너지 손실과 엔진 트러블의 근원이기 때문에, 본 발명의 서모스탯에서는 지글 밸브기구가 제거된다. 그리고, 서모스탯의 플랜지에 작은 구멍을 형성함으로써, 메인 밸브의 외측과 내측에 가해는 압력이 서로 같게 되어, 복귀 스프링의 스프링 상수가 감소된다. 그 결과, 저온 범위에서는 양정률이 증가된다. 더욱이, 시일 스풀의 두께가 매우 얇아서(작동 로드의 직경의 25% 내지 5%의 두께), 밸브를 들어올리기 위한 왁스의 압력이 감소된다.

도 1은 냉각액 온도에 대한 밸브의 양정(揚程)(리프트)을 나타내는 그래프이다. 이 그래프에서, 선 X는 본 발명의 밸브의 양정을 나타내고, 선 Y는 종래의 밸브의 양정을 나타낸다. 가파른 곡선의 범위는 고체 왁스 상태이다.

종래의 밸브(Y)의 메인 밸브는 72℃에서 개방되고, 고체 왁스 상태의 끝 온도인 87℃에서의 양정은 단지 9.6 mm이다. 그후, 왁스 상태가 액체 왁스 상태이기 때문에, 양정률이 감소하고, 양정이 12 mm가 된 때, 냉각액 온도는 123℃의 높은 온도에 달한다.

본 발명의 메인 밸브도 72℃에서 개방되고, 그 온도로부터의 9℃의 적은 온도 증가로 6 mm의 양정이 달성된다. 양정이 12 mm에 도달한 때, 선 X로 나타낸 곡선에서 알 수 있는 바와 같이, 냉각액 온도는 85℃이다. 이 온도는 6 mm 양정시의 온도로부터 오직 4℃ 증가한 것이다. 85℃의 냉각액 온도는 고체 왁스 상태의 범위내이다.

본 발명의 서모스탯을 장착한 자동차가 80 Km/h의 속도로 주행할 때, 냉각액 온도가 77.5℃까지 상승한다. 그러나, 속도가 150 Km/h에 달하면, 라디에이터가 강한 바람에 의해 냉각되기 때문에, 냉각액 온도가 70.5℃로 저하한다. 따라서, 81℃의 상한온도에서 냉각 팬 스위치를 닫아 냉각 팬을 시동시키기 위해, 본 발명의 서모스탯을 사용하는 냉각 시스템이 제공된다.

도 1의 선 Z'-Z는 81℃의 상한온도를 나타낸다. 빗금친 영역은, 본 발명의 메인 밸브를 통과하는 냉각액의 유량과 종래의 밸브에서의 유량 사이의 차이를 나타낸다. 81℃에서의 선 X의 양정은 6 mm이고, 선 Y의 양정은 3 mm이다. 따라서, X의 유량이 Y의 유량의 2배이다.

고체 왁스 상태의 범위내인 X의 6 mm 양정에서의 유량은, 액체 왁스 상태의 범위내에 포함되는 Y의 12 mm 양정에서의 유량에 상응한다. 그래서, 본 발명의 서모스탯은 12 mm 양정에서 자신의 동력(power)의 50% 만을 사용한다. 따라서, 본 발명의 서모스탯을 장착한 자동차가 150 Km/h로 주행하여도, 50%의 동력이 남는다.

그러나, 선 Y의 종래의 서모스탯은 86℃(양정 9.3 mm) 후에 액체 왁스 상태의 범위에 들어가고, 그후, 양정 증가율이 크게 감소한다. 양정 9.3 mm로부터 12 mm까지의 기간에 37℃(123℃ - 86℃)의 냉각액 온도가 쓸데 없이 소비된다. 본 발명의 서모스탯은 공급원의 절반으로 2배의 출력을 나타내어, 50%의 동력을 남긴다.

공회전(아이들링)을 위한 시간 손실을 보상하기 위해 컴퓨터에 의해 제어되는 스로틀 보디(throttle body)에 콜드 스타트(cold start) 연료분사기가 제공되어 있기 때문에, 플랜지의 작은 구멍을 통하여 흐르는 냉각액은 공회전을 위한 긴 웜업(warm up) 기간을 필요 없게 한다.

이 냉각 시스템에서는, 본 발명의 냉각 팬 스위치가 서모스탯에 연결되어 있어, 냉각액 온도가 81℃에 도달한 때, 냉각 팬이 작동하게 한다. 81℃에서의 냉각액의 유량이 종래의 서모스탯의 것의 2배이기 때문에, 냉각액 온도가 신속하게 하강한다. 따라서, 냉각액 온도가 81℃로 유지된다.

냉각 팬의 사동을 위한 상한이 81℃로 제한되지 않는다. 그 온도를 시험에 의한 가능한 한 낮은 유효값으로 설정하는 것이 바람직하다.

종래의 서모스탯의 높은 냉각액 온도는 연료소비의 증가, 배기가스의 악화 등의 각종 문제를 야기한다.

본 발명의 목적은, 메인 밸브가 종래의 서모스탯의 것의 2배의 유량을 가지고 있어, 자동차 엔진의 열효율을 증가시키는 왁스형 서모스탯을 가진 냉각 시스템을 제공하는데 있다.

또한, 냉각액의 상한온도를 매우 낮은 온도로 크게 낮추도록 81℃ 이하의 냉각액 온도에서 냉각 팬을 시동시키기 위해 닫히는 냉각 팬 스위치가 제공된다.

본 밞병에 따라, 엔진의 냉각액을 냉각시키기 위한 라디에이터와; 그 라디에이터내의 냉각액을 냉각시키기 위한 냉각 팬과; 도관부재에의 부착을 위한 플랜지를 가진 하우징, 제1 단부에서 상기 하우징에 고정된 작동 로드, 그 작동 로드상에 미끄러질 수 있게 설치된 가이드부재, 작동 로드의 제2 단부부분 둘레에 배치되고 가이드부재에 밀봉적으로 고정된 탄력성의 시일 스풀, 그 시일 스풀을 수용하고 가이드부재에 고정된 감온 실린더, 시일 스풀을 에워싸도록 감온 실린더내에 제공된 왁스 팰릿, 시일 스풀과 작동 로드와의 사이의 공간에 제공된 윤활유, 가이드부재상에 배치된 메인 밸브, 및 상기 플랜지에 형성된 밸브 시트에 대하여 상기 메인 밸브를 밀어붙이는 복귀 스프링을 가진 서모스탯을 포함하는 자동차 엔진용 냉각 시스템에 있어서, 상기 플랜지가 냉각액을 통과시키도록 적어도 하나의 구멍을 가지고 있어, 상기 복귀 스프링의 스프링 상수가 감소되고, 상기 탄력성의 시일 스풀의 두께가 상기 작동 로드의 직경의 25%∼5%로 설정되고, 81℃ 이하의 냉각액 온도에서 상기 냉각 팬을 시동시키기 위한 냉각 팬 스위치가 상기 서모스탯에 연결된 것을 특징으로 하는 자동차 엔진용 냉각 시스템이 제공된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 서모스탯에 있어서의 온도에 대한 밸브 양정(리프트) 변화와 종래의 서모스탯에 있어서의 온도에 대한 밸브 양정 변화를 나타내는 그래프.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 서모스탯의 수직단면도.

도 4는 본 발명에 따른 서모스탯의 측면도.

도 5는 밸브 양정을 시험하기 위한 시험기의 수직단면도.

도 6은 종래기술에 따른 자동차 엔진용 냉각 시스템의 개략도.

도 7은 종래의 서모스탯의 측면도.

도 8은 종래의 냉각 시스템에 있어서의 시간에 대한 냉각액 온도 및 유량의 변화를 나타내는 그래프.

도 9a는 본 발명에 따른 냉각 팬 스위치의 수직단면도.

도 9b는 도 9a의 냉각 팬 스위치의 측면도.

도 10은 경과시간에 대한 냉각액 온도의 변화를 나타내는 그래프.

도 11a는 본 발명에 따른 IC 냉각 팬 스위치의 수직단면도.

도 11b는 도 11a의 냉각 팬 스위치의 측면도.

도 12는 본 발명에 따른 냉각 시스템을 나타내는 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1a: 서모스탯 2: 서모액튜에이터 3: 작동 로드

4: 가이드부재 5: 시일 스풀 6: 윤활유

7: 왁스 팰릿 8: 감온 실린더 10: 하우징

11: 프레임 12: 메인 밸브 13: 복귀 스프링

14A: 샤프트 15: 바이패스 밸브 20: 물 재킷

22: 라디에이터 26a: 서모스탯 캡 28: 물 펌프

33: 냉각 팬 44: 냉각 팬 스위치 45: 서모액튜에이터

55: 푸시 로드 58: 가동 접촉자 59: 고정 접촉자

60: 도전판 62: 플러스 단자 63: 절연체

64: 스냅 디스크 67: IC 냉각 팬 스위치 70: 플러스 단자

72: 서모 센서 73: 플러스 단자 74: 마이너스 단자

75: 릴레이 76: 냉각 팬 모터 77: 릴레이 스위치

도 2는 메인 밸브 폐쇄상태를 나타내고, 도 3은 메인 밸브 개방상태를 나타낸다. 본 발명의 서모스탯(thermostat)(1a)은 밸브 시트(seat)(9)(도 3)를 형성하는 하우징(10)과, 그 하우징(10)의 플랜지(16)에 고정되는 프레임(11)을 가지고 있다.

서모액튜에이터(thermo-actuator)(2)는, 강(鋼)으로 된 작동 로드(3)와, 그 작동 로드(3)상에 미끄러질 수 있게 설치된 가이드부재(4)와, 그 가이드부재(4)에 밀봉적으로 부착되고 작동 로드(3)에 미끄러질 수 있게 결합된 탄력성의 시일 스풀(seal spool)(5)을 포함한다. 시일 스풀(5)의 백(bag) 부분의 두께는 작동 로드(3)의 직경의 25%∼5%이다. 시일 스풀(5)과 작동 로드(3) 사이의 공간에는 윤활유(6)가 채워져 있다.

시일 스풀(5)은 왁스 팰릿(wax pallet)(7)이 채워진 감온(感溫) 실린더(8)내에 삽입되어 있고, 그 감온 실린더(8)의 단부가 가이드부재(4)에 고정적으로 결합되어, 서모액튜에이터(2)를 형성한다.

서모액튜에이터의 작동 로드(3)는 정상부분(14)에서 하우징(10)에 고정되어 있고, 메인 밸브(12)가 가이드부재(4)에 고정되어 있다. 감온 실린더(8) 둘레에 배치된 복귀 코일 스프링(13)이 메인 밸브(12)와 프레임(11)의 바닥과의 사이에 제공되어 있다. 바이패스 밸브(15)가 감온 실린더(8)에 고정된 샤프트(14A)상에 미끄러질 수 있게 장착되고, 나선 스프링(14a)에 의해 샤프트(14A)상에 탄력적으로 유지되어 있다. 플랜지(16)는 서모스탯 하우징내의 공간(도 12의 A')을 서모스탯 캡내의 통로(도 12의 B')와 연통시키기 위한 구멍(19a)(도 4)을 가지고 있다. 그 구멍(19a)의 직경은, 메인 밸브(12)의 외측 통로(도 12의 제2 냉각액 통로(30))내의 냉각액의 압력이 내측 통로내, 즉, 하우징(10)내의 냉각액의 압력과 같게 되도록 하는 값으로 결정된다.

그 결과, 복귀 스프링(13)의 스프링 상수가 종래의 스프링의 것의 절반으로 감소될 수 있다.

도 2는 메인 밸브가 폐쇄상태에 있는 것을 나타낸다. 냉각액의 온도가 서모스탯의 미리 정해진 값을 초과하여 상승한 때, 감온 실린더(8)내의 왁스(7)가 팽창하여, 시일 스풀(5)을 작동 로드(3)에 대하여 밀어붙이게 된다. 이때, 작동 로드(3)는 하우징(10)에 고정되어 있기 때문에, 감온 실린더(8)가 복귀 스프링(13)의 힘에 거슬러 하방으로 이동되어, 메인 밸브(12)를 개방하고, 바이패스 밸브(15)로 바이패스 포트(32)를 폐쇄하게 된다(도 3).

냉각액 온도가 하강한 때, 왁스가 수축하여, 복귀 코일 스프링(13)에 의해 메인 밸브(12)가 폐쇄위치로 이동하게 된다.

왁스(7)의 온도에 대한 서모스탯의 작동범위는 메인 밸브의 큰 들어올림 범위와 작은 들어올림 범위로 나누어진다. 큰 들어올림 범위에서는, 왁스가, 왁스의 부피가 크게 변하는 고체 상태에 있고, 작은 들어올림 범위에서는, 왁스가, 액체 왁스의 부피가 작은 비율로 변하는 액체 상태에 있다.

자동차 엔진의 열효율을 증가시키기 위해서는, 냉각액 온도에 대한 밸브 양정률을 증가시켜, 냉각액 온도의 상한을 감소시키는 것이 필요하다.

본 발명의 서모스탯에서는, 시일 스풀(5)의 두께가 매우 얇아서(작동 로드(3)의 직경의 25%∼5%의 두께이어서), 밸브를 들어올리기 위한 왁스의 압력이 감소된다. 또한, 서모스탯의 플랜지(16)에 작은 구멍(19a)이 형성되어 있어, 메인 밸브(12)의 외측과 내측에 가해지는 압력이 서로 같게 된다. 따라서, 복귀 스프링(13)의 스프링 상수가 감소되고, 그 결과, 저온 범위에서 양정률이 증가된다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 메인 밸브는 72℃에서 개방된다. 양정(리프트)이 12 mm에 도달한 때, 냉각액 온도는 도 1의 선 X로 나타낸 바와 같이 85℃이다.

고체 왁스 상태의 범위내인 X의 6 mm 양정에서의 유량은, 액체 왁스 상태의 범위내에 포함되는 Y의 12 mm 양정에서의 유량에 상응한다. 그래서, 본 발명의 서모스탯은 12 mm의 양정에서 자신의 동력의 50%만을 사용한다. 따라서, 본 발명의 서모스탯을 장착한 자동차가 150 Km/h의 속도로 주행할지라도, 50%의 동력이 남는다.

81℃에서의 냉각액의 유량이 종래의 서모스탯의 것의 2배이기 때문에, 냉각액 온도가 신속하게 저하한다. 따라서, 냉각액 온도가 81℃로 유지된다.

도 5는 시일 스풀에 가해지는 압력에 대한 메인 밸브의 양정을 측정하기 위한 시험기를 나타낸다. 이 시험기에서는, 왁스 압력 대신에 오일 압력이 사용된다.

이 시험기에 서모액튜에이터(36)를 부착하고, 탄력성의 시일 스풀(39)을 노출시키도록 감온 실린더를 절단한다. 시일 스풀(39)과 작동 로드(40) 사이의 공간에는 윤활유(41)가 채워진다. 시일 스풀(39)은 개방부(37)와 투명 플라스틱 파이프(38)를 통해 관찰될 수 있다. 시험기는 스프링(42)에 의해 하방으로 밀어붙여져 있는 슬라이드 로드(34)를 가지고 있다. 그 슬라이드 로드(34)의 상단은 다이얼 인디케이터(도시되지 않음)의 로드(43)와 접촉한다. 오일은 도입구(35)로부터 공급된다.

아래의 표 1은, 도 5의 시험기에 의해 오일 압력과 메인 밸브의 양정 사이의 관계를 실제로 측정한 값을 나타낸다.

표 1

압력-양정
압력	서모액튜에이터 (A) 양정	서모액튜에이터 (B) 양정	서모액튜에이터 (C) 양정
Kg/cm²	mm	mm	mm
0	0	0	0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140	0 0 0 0 0 0 0 0.6 1.6 2.5 5.5 8.0 9.5 10.0	0 0 0 0 0.4 1.5 2.8 6.2 9.5 10.0	0 0 0 0 0.4 2.6 5.0 7.8 10.0
복귀 스프링의 스프링 상수: 0.55 Kg/mm

표 1에서, 서모액튜에이터 (A)는 3.8 mm 직경의 작동 로드(3)와 1.7 mm 두께(작동 로드의 직경의 45%)의 시일 스풀(5)을 가지고 있고, 서모액튜에이터 (B)는 4.5 mm 직경의 작동 로드와 1.25 mm 두께(작동 로드의 직경의 25%)의 시일 스풀을 가지고 있고, 서모액튜에이터 (C)는 4.5 mm 직경의 작동 로드와 0.225 mm 두께(작동 로드의 직경의 5%)의 시일 스풀을 가지고 있다. 복귀 스프링(13)의 스프링 상수는 0.55 Kg/mm이다.

시일 스풀(5)의 두께가 서모액튜에이터 (C)와 같이 매우 얇으면, 그 시일 스풀내의 윤활유(6)의 압력은 윤활유(41)의 압력과 같게 된다. 탄력성의 시일 스풀이 동일한 내측 압력과 외측 압력에 의해 유지된 부유상태에 있기 때문에, 시일 스풀과 작동 로드 사이의 마찰저항이 0(제로)으로 된다. 작동 로드(3)가 그 로드의 하부 단부면에 가해지는 윤활유(41)의 압력에 의해 상대적으로 들어올려진다.

서모액튜에이터 (A)는 시일 스풀이 1.7 mm의 큰 두께를 가지고 있기 때문에, 80 Kg/cm²의 출발압력에서 양정은 0.6 mm이다. 15.1 Kg의 스프링 하중에 거슬러 작동 로드를 10 mm 들어올리기 위해서는, 140 Kg/cm²의 압력이 필요하다. 이것은 논외(論外)에 해당한다.

작동 로드(3)에 대한 출발압력이 서모액튜에이터 (B)와 (C) 모두에 대해서 50 Kg/cm²이고, 양정이 동일하게 0.4 mm일지라도, 서모액튜에이터 (C)의 직동 로드는 시일 스풀의 두께가 0.225 mm로 매우 작기 때문에 90 Kg/cm²의 압력에 의해 30 mm 들어올려진다. 그러나, 서모액튜에이터 (B)의 경우에는, 100 Kg/cm²의 큰 압력이 필요하다.

시일 스풀(5)의 두께가 서모액튜에이터 (B)의 것의 두께를 초과하면, 출발압력이 50 Kg/cm²보다 크게 된다. 따라서, 시일 스풀의 두께의 상한은 작동 로드(3)의 직경의 25%이다.

서모액튜에이터 (C)의 시일 스풀의 두께는 충분하다. 그 두께가 그보다 작게 되면, 그러한 얇은 시일 스풀을 제작하는 것이 어렵고, 제작비용이 증가한다. 따라서, 시일 스풀의 두께의 하한은 작동 로드(3)의 직경의 5%이다.

아래의 표 2는 실제 측정값을 나타낸다.

표 2

압력-양정
압력	서모액튜에이터 (D) 양정
Kg/cm²	mm
0 10 20 30 40 50 60	0.3 4.0 9.5 13.5
복귀 스프링의 스프링 상수: 0.27 Kg/mm

서모액튜에이터 (D)는 서모액튜에이터 (C)의 것과 동일한 작동 로드 직경 및 시일 스풀 두께를 가지지만, 복귀 스프링의 스프링 상수는 0.55 Kg/mm의 종래의 값으로부터 종래의 값의 절반인 0.27 Kg/mm로 감소된다.

작동 로드는 30 Kg/cm²의 출발압력에서 0.3 mm 들어올려지고, 60 Kg/cm²의 출발압력에서 13.5 mm 들어올려진다. 탄력성의 시일 스풀의 두께를 매우 작은 값으로 감소시키고, 복귀 스프링의 스프링 상수를 종래의 값의 절반으로 감소시킴으로써, 왁스의 액화가 증진되어, 액화된 왁스의 양이 신속하게 증가하여, 시일 스풀의 작은 두께와 작은 스프링 상수의 탁월한 상승작용 효과에 의해 메인 밸브를 신속하게 들어올리게 된다.

본 발명의 서모스탯이 자신의 전체 동력의 50%로 작동하기 때문에, 그 서모스탯은 조용하고 신속하게 작동하여, 엔진이 적은 진동으로 작동하고, 엔진의 수명이 연장된다.

아래의 표 3은 본 발명의 서모스탯 4개의 내구력 시험결과를 나타내고, 표 4는 종래의 서모스탯 4개의 내구력 시험결과를 나타낸다.

표 3

	사이클	밸브개방온도	양정 mm	초기 단계로부터의 차이
번호	340초	℃	98℃에서	벨브개방온도 양정
1	0 10,000 20,000 30,000 40,000	87.2 86.8 86.3 85.8 86.9	10.74 10.78 10.77 10.76 10.77	-0.4 -0.9 -1.4 -0.3	+0.04 +0.03 +0.02 +0.03
2	0 10,000 20,000 30,000 40,000	86.5 86.0 85.8 86.0 86.6	11.01 11.02 11.00 11.02 11.00	-0.5 -0.7 -0.5 +0.1	+0.01 -0.01 +0.01 -0.01
3	0 10,000 20,000 30,000 40,000	87.4 87.2 87.2 86.6 86.5	10.57 10.63 10.70 10.66 10.64	-0.2 -0.2 -0.8 -0.9	+0.06 +0.13 +0.09 +0.07
4	0 10,000 20,000 30,000 40,000	86.6 85.6 85.6 85.8 86.4	11.09 11.12 11.16 11.14 11.16	-1.0 -1.0 -0.8 -0.2	+0.03 +0.07 +0.05 +0.07

표 4

	사이클	밸브개방온도	양정 mm	초기 단계로부터의 차이
번호	340초	℃	98℃에서	벨브개방온도 양정
1	0 10,000 20,000 30,000 40,000	80.6 81.0 80.9 80.3 79.8	8.05 8.27 8.26 8.29 8.46	+0.4 +0.3 -0.3 -0.8	+0.22 +0.21 +0.24 +0.41
2	0 10,000 20,000 30,000 40,000	81,0 82.0 80.6 80.4 80.6	8.13 8.13 8.45 8.16 8.45	+1.0 -0.4 -0.6 -0.4	0 +0.32 +0.03 +0.32
3	0 10,000 20,000 30,000 40,000	82.7 82.5 82.1 82.7 81.5	7.75 7.85 7.78 7.45 7.80	-0.2 -0.6 0 -1.2	+0.10 +0.03 -0.30 +0.05
4	0 10,000 20,000 30,000 40,000	76.8 78.3 78.5 81.5 82.6	9.00 8.93 8.60 7.95 8.07	+1.5 +1.7 +4.7 +5.8	-0.07 -0.40 -1.05 -0.93

각각의 시험은, 첫 번째 시험과 두 번째 시험을 번갈아 행하여 40,000번 행해졌다. 첫 번째 시험에서는, 40℃ 이하의 냉각액을 120초간 흘려보내고, 두 번째 시험에서는, 98℃ 이상의 냉각액을 220초간 흘려보내었다.

서모스탯의 내구성에 대한 가장 중요한 인자는 양정의 변동값이다. 본 발명의 변동값은 종래의 변동값보다 한 자리수 이상 더 작다. 본 발명에서는, 초기 단계에서의 양정과 최종 단계에서의 양정과의 차이는 거의 제로(0)이다.

본 발명의 서모스탯에 하기의 개량을 가함으로써, 서모스탯의 효과를 더욱 증가시키는 것이 가능하다.

탄력성의 시일 스풀의 두께가 매우 작은 값으로 감소되면, 감온 실린더의 내부 용량이 증가하여, 왁스 압력이 감소하게 된다. 그 결과, 그 실린더의 두께를 감소시켜, 내부 용량을 더욱 증가시키는 것이 가능하다. 따라서, 작동 로드의 직경을 증가시킴으로써 그 직경의 평방에 역비례하여 왁스 압력이 감소될 수 있다. 그리하여, 냉각액 온도의 상한온도 81℃를 더욱 감소시키는 것이 가능하다.

또한, 69℃에서 용융되는 왁스 X선(도 1)을 가지는 서모스탯이 사용되면, 상한온도가 78℃로 감소한다.

본 발명에 따르면, 냉각 팬(33)이 81℃ 이하의 냉각액 온도에서 시동되도록 구성된다. 이 목적을 위해, 엔진의 냉각 시스템에 냉각 팬 스위치가 제공된다.

도 9a는 냉각 팬 스위치의 수직단면도이고, 도 9b는 도 9a의 냉각 팬 스위치 전체의 측면도를 나타낸다.

냉각 팬 스위치(44)는 소형의 서모액튜에이터(45)에 부착된다. 그 서모액튜에이터(45)는 작동 로드(46)와, 그 작동 로드(46)상에 미끄러질 수 있게 장착된 가이드부재(47)를 포함한다. 시일 스풀(48)이 작동 로드(46)에 미끄러질 수 있게 결합되고, 가이드부재(47)에 고정되어 있으며, 시일 스풀(48)과 작동 로드(46) 사이의 공간에는 윤활유(49)가 채워져 있다. 이들 3가지 부품들이 조립되어, 왁스 팰릿(50)이 채워진 감온 실린더(51)내에 삽입된다. 감온 실린더(51)의 단부는 가이드부재(47)에 고정적이고 밀봉적으로 결합되어, 몸체(52)내에 삽입되고, 그 몸체에 고정되어, 서모액튜에이터(45)를 형성한다.

작동 로드(46)의 상부부분에 형성된 환형 홈에 스톱퍼 링(53)이 결합되어 있다. 푸시 로드(push rod)(55)가 그의 하단부에서 작동 로드(46)와 결합되어 있고, 푸시 로드(55)의 플랜지와 몸체(52)의 내측 벽과의 사이에 복귀 스프링(54)이 설치되어, 플랜지의 하측면이 스톱퍼 링(53)에 접하여 있게 한다.

푸시 로드(55)는 몸체(52)의 중앙 구멍내에 미끄러질 수 있게 결합되어 있고, 그 푸시 로드의 상부 부분은 몸체(52)로부터 돌출하여 있다.

이 냉각 팬 스위치(44)는, 케이스(57)내에 고정적으로 설치되고 플러스 단자(62)를 구비한 절연체(63)를 포함한다. 인청동으로 만들어진 U자형 도전판(60)이 플러스 단자(62)에 전기적으로 접속되고, 스톱퍼(61)의 턱에 의해 탄력적으로 보유되어 있다. 그 도전판(60)에는 고정 접촉자(59)가 부착되어 있고, 그 고정 접촉자(59)에 대면하여 가동 접촉자(58)가 인청동으로 만들어진 스냅 디스크(64)에 설치되어 있다. 스냅 디스크(64)는 스냅 작용을 하도록 만곡되어 있고, 그 스냅 디스크의 둘레부분이 스톱 링(65)과 스프링(66)에 의해 케이스(57)에 고정되어 있다. 케이스(57)의 상부부분은 절연체(63)에 대하여 압착되어, 스냅 작용 스위치를 형성한다.

냉각액의 온도가 상승한 때, 감온 실린더(51)내의 왁스(50)가 팽창하게 되고, 이에 따라, 시일 스풀(48)이 작동 로드(46)에 대하여 밀어붙여져, 작동 로드가 상방으로 이동하게 된다. 그리하여, 푸시 로드(55)가 코일 스프링(54)의 힘에 거슬러 들어올려짐으로써, 푸시 로드(55)의 상단(56)이 가동 접촉자(58)를 밀어, 고정 접촉자(59)에 접촉하게 하고, 그리하여, 스냅 스위치가 닫히게 된다.

냉각액 온도가 저하한 때는, 감온 실린더(51)내의 왁스(50)가 수축한다. 그리하여, 코일 스프링(54)에 의해 푸시 로드(55)가 하방으로 이동하게 되어, 가동 접촉자(58)가 고정 접촉자(59)로부터 떨어져, 스위치를 개방하게 된다.

이 냉각 팬 스위치(44)는, 감온 실린더(51)가 냉각액에 잠기도록 몸체(52)의 나사부분(52a)에 의해 적절한 위치에서 냉각액 통로의 벽에 부착된다. 그래서, 가동 접촉자(58)는 접지된다. 플러스 단자(62)는 냉각 팬 모터(76)(도 12)의 플러스 단자에 접속된다. 따라서, 냉각액 온도가 75.5℃에 도달한 때, 냉각 팬이 시동된다.

도 10은 경과시간에 대한 냉각액 온도의 변화를 나타내는 그래프이다. 냉각액 온도 A(도 12의 A'에서의 온도)가 75.5℃에 도달한 때, 냉각 팬 스위치가 닫혀, 냉각 팬이 시동되게 힌다. 따라서, 냉각액 온도가 저하하고 상승하여, 그 온도가 75.5℃와 그래프에 나타내어진 바와 같은 하한온도와의 사이에서 일정한 폭으로 주기적으로 변하게 된다. 그 온도는 75.5℃를 초과하지 않는다. 온도 B는 대략 75.5℃로 유지된다.

냉각 팬 스위치(44)가 닫힌 때, 냉각 팬은 그의 관성에 의해 계속 회전하게 되고, 따라서, 모터를 시동시키기 위한 토오크가 매우 작아, 진동과 소음이 감소된다.

도 11a는 서모 센서(thermo sensor)(72)를 가진 IC 냉각 팬 스위치(67)의 수직단면도이고, 도 11b는 그 스위치 전체의 측면도를 나타낸다. 이 IC 냉각 팬 스위치(67)는 몸체(71)와, 케이스(69)와, 절연체(71a)에 고정된 플러스 단자(70)를 포함한다. 몸체(71)내에, IC 서모 센서(72)가 배치되고, 그 서모 센서(72)의 플러스 단자(73)가 상기한 플러스 단자(70)에 접속되며, 마이너스 단자(74)는 케이스(69)에 접속되어 있다. 내부부품들을 굳히기 위해, 에폭시 수지와 같은 절연수지가 구멍(75)을 통해 냉각 팬 스위치(67)내에 주입되어 있다. 이 냉각 팬 스위치도 예를 들어 75.5℃에서 닫힌다.

도 12는 본 발명에 따른 냉각 시스템을 나타낸다. 이 냉각 시스템에서, 도 6의 것과 동일한 부품들에 대해서는 도 6과 동일한 부호로 나타내었다.

서모스탯 캡(26a)이 IC 냉각 팬 스위치(67)를 장착하도록 하는 구조로 되어 있다. 그 냉각 팬 스위치(67)는, 그 스위치의 감지부분이 서모스탯 캡(26a)내에 위치되도록 몸체(71)의 나사부분(68)에 의해 서모스탯 캡(26a)에 고정적으로 장착된다. 플러스 단자(70)가 릴레이(75)에 접속되고, 릴레이 스위치(77)의 접점이 냉각 팬(33)의 구동 모터(76)에 접속되어 있다. 그래서, 냉각액 온도가 75.5℃에 도달한 때, 릴레이 스위치(77)가 닫혀, 냉각 팬(33)이 시동되고, 냉각액 온도가 75.5℃로 유지된다.

도 12에서 이점쇄선으로 둘러싸인, 물 펌프(28), 냉각 팬 모터(76), 냉각 팬(33), 서모스탯(1) 및 라디에이터(22)와 같은 부품들은 한 세트로 조립된다.

냉각 팬 스위치의 시동온도는, 그 시동온도가 냉각 시스템과 엔진의 작동을 확인하여 1℃씩 낮아지고, 바람직한 작동조건의 온도로 결정되도록 하는 방식으로 설정된다.

본 발명에 따라, 시일 스풀의 두께가 매우 얇고, 복귀 스프링의 스프링 상수가 작으며, 서모스탯이 냉각 팬 스위치에 접속되는 것에 의한 상승작용 효과에 의해, 본 발명에서의 냉각액의 상한온도가 종래의 서모스탯의 123℃에 비하여 81℃ 이하로 낮추어져, 엔진의 연료소비가 감소되고, 엔진의 수명이 연장되며, NO_x와 CO₂의 배기가스가 감소되어, 지구 온난화의 방지에 기여한다.

Claims

엔진의 냉각액을 냉각시키기 위한 라디에이터와;

그 라디에이터내의 냉각액을 냉각시키기 위한 냉각 팬과;

도관부재에의 부착을 위한 플랜지를 가진 하우징, 제1 단부에서 상기 하우징에 고정된 작동 로드, 그 작동 로드상에 미끄러질 수 있게 설치된 가이드부재, 상기 작동 로드의 제2 단부부분 둘레에 설치된 탄력성의 시일 스풀, 그 시일 스풀을 수용하는 감온 실린더, 상기 시일 스풀을 에워싸도록 상기 감온 실린더내에 배치된 왁스 팰릿, 상기 시일 스풀과 상기 작동 로드와의 사이의 공간에 주입된 윤활유, 상기 가이드부재상에 설치된 메인 밸브, 및 상기 플랜지에 형성된 밸브 시트에 대하여 상기 메인 밸브를 밀어붙이기 위한 복귀 스프링을 가진 서모스탯을 포함하는 자동차 엔진용 냉각 시스템에 있어서;

상기 플랜지가 냉각액을 통과시키도록 적어도 하나의 구멍을 가지고 있어, 상기 복귀 스프링의 스프링 상수가 감소되고, 상기 탄력성의 시일 스풀의 두께가 상기 작동 로드의 직경의 25%∼5%로 설정되고;

냉각액의 상한온도를 매우 낮은 온도로 크게 낮추도록 81℃ 이하의 냉각액 온도에서 상기 냉각 팬을 시동시키기 위한 냉각 팬 스위치가 상기 서모스탯에 연결된 것을 특징으로 하는 자동차 엔진용 냉각 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 냉각 팬 스위치가 고정 접촉자와, 가동 접촉자와, 상기 스위치를 닫도록 냉각액 온도에 의해 작동되는 서모액튜에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진용 냉각 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 냉각 팬 스위치가 상기 서모스탯과 일체로 조립된 것을 특징으로 하는 자동차 엔진용 냉각 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 냉각 팬 스위치가 IC 서모 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진용 냉각 시스템.