(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
臨界温度を超えると反転動作する感熱体と、
前記感熱体の反転動作を接点部に伝えるガイド部材と、
絶縁材料からなり、前記ガイド部材を支える支持部材と、
前記支持部材を上部から被せられて保持するベース部材と、
金属材料からなり、前記支持部材の上に載置される伝熱部材と、
金属材料からなり、前記伝熱部材との間で前記感熱体を保持するキャップ部材と
を備えることを特徴とするサーモスタット。
【請求項２】
前記支持部材と前記ベース部材との間、及び／又は、前記支持部材と前記伝熱部材との間に、熱伝導を阻止する断熱部材を介在させた請求項１に記載のサーモスタット。
【請求項３】
前記断熱部材は、ポリイミド樹脂又はフッ素樹脂である請求項２に記載のサーモスタット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱応答性に特に優れ、急激な温度上昇が予想される機器に対しても安心して使用できるサーモスタットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
サーモスタットは、制御対象となる機器の温度を感知してスイッチを開閉する素子であり、制御対象機器の温度を一定に調整したり、或いは、制御対象機器への通電を遮断して機器の温度上昇を防止する用途に使用される。そのため、サーモスタットは、制御対象機器に接するように取り付けられ、対象機器の熱が迅速に伝わるようにされている。このようなサーモスタットは、制御対象の機器と常に同一温度であるのが理想的であり、そのためサーモスタットは、熱応答性の良いことが強く望まれるところである。
【０００３】
ところで、コピー機やプリンタにおいて、トナーを定着させる定着ローラにもサーモスタットが使用されるが、最近の機器は、電源投入から印刷可能状態までの待ち時間を短縮するため、定着ローラのヒータを大容量化して、定着ローラの温度上昇の迅速化を図っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、制御対象機器の温度上昇勾配が急な場合には、特に、熱応答性の良さが要求されることになる。例えば、図３（ａ）と図３（ｂ）に対比して示すように、同一のサーモスタットを同じように取り付けても、図３（ｂ）のように制御対象機器の温度上昇勾配が急であると、対象物とサーモスタットの温度差が大きくなってしまい、サーモスタットが動作したときには、既に制御対象機器の温度は、相当に高くなり過ぎているという事態が生じることになる。
【０００５】
この発明は、この問題点に鑑みてなされたものであって、熱応答性を改善し、温度上昇勾配が急な機器に対しても安心して使用できるサーモスタットを提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明者が種々検討したところによると、サーモスタットのキャップからバイメタル上部の空隙を経由した熱伝導や、キャップから中ブタを経由した熱伝導だけでなく、中ブタなどによって熱せられるバイメタル下部の空隙温度の影響も大きいことが明かとなった。すなわち、バイメタル下部の空隙からの熱伝導は、中ブタを経由した直接的な熱伝導よりその影響が大きく、この点を考慮した構成にすることによって、バイメタルの熱伝導性を改善できることが明らかとなった。
【０００７】
そこで、本発明では、サーモスタットの中ブタと、感熱素子たるバイメタルの間に、伝熱部材、好ましくは金属部品を配置するようにしている。
バイメタルの周囲の空隙温度を速く上昇させるには、中ブタの熱伝導性を改善することが先ず考えられるが、中ブタには、接点やバネなどの導電部と、キャップやバイメタルなどの非導電金属部とを絶縁する機能が求められるので、中ブタの素材は樹脂やセラミックなどの絶縁物とせざるを得ない。この絶縁物の熱伝導性は、金属などの導電物よりかなり劣るので、中ブタの材料を如何に改善しても大幅な熱応答性の改善は望めない。そこで、本発明の好ましい実施形態では、中ブタの上部に熱伝導性に優れる金属部品を配置するようにしたのである。
【０００８】
また、本発明において、支持部材とベース部材との間、及び／又は、支持部材と伝熱部材との間に熱伝導を阻止する断熱部材を介在させると、支持部材やベース部材への伝熱が阻止される分だけ、感熱体への伝熱がより効果的となる。断熱部材は特に限定されないが、ポリイミド樹脂やフッ素樹脂が特に好適である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態について、その一例を図示したものである。このサーモスタットＴＨは、有底円筒形のベース部１と、ベース部１の上部から被せられる中ブタ２と、中ブタ２の上に載置される略円環状の伝熱部３と、伝熱部３の外周部に支持されるバイメタル４と、固定接点５ａ及び可動接点５ｂからなる接点部５と、可動接点５ｂを上向きに付勢する板バネ６と、中ブタ２の中央穴を通ってバイメタル４と板バネ６とを接続するガイドピン７と、これら全体を覆うキャップ部材８などを中心に構成されている。
【００１０】
図示のサーモスタットＴＨにおいて、ベース部１及び中ブタ２は、耐熱性樹脂またはセラミックスによって形成される。なお、典型的には、耐熱性樹脂としてフェノール樹脂が用いられ、セラミックスとしてアルミナやステアタイトが用いられる。伝熱部３は、熱伝導性に優れるものなら特に限定されないが、金属が好適であり、安価かつ軽量であって工作容易な点からアルミニウム材が特に好適である。そして、この伝熱部３の中央部に開口が形成され、また、外周部には段差が形成されており、この段差によってバイメタル４を位置決めして保持するようにしている。
【００１１】
バイメタルは、鉄・ニッケル合金などの低膨張率の金属と、ニッケル・マンガン・鉄合金やニッケル・クロム・鉄などの高膨張率の金属とを張り合わせて構成される。そして、動作温度に応じて、低膨張金属と高膨張金属の組み合わせが異なるが、いずれにしても皿状に形成されている。なお、ガイドピン７はセラミック製であり、キャップ部材８は、金属が使用されるが、伝熱性を考慮してアルミニウム、銅、真鍮などが好適に用いられる。
【００１２】
図示のサーモスタットＴＨは、上記の通りに構成されており、キャップ部材８に伝わる制御対象機器の発熱は、バイメタル４の上部空隙に伝えられると共に、伝熱部３を通ってバイメタル４の下部空隙にも伝えられ、バイメタル４の熱応答性を格段に向上させている。ここで、中ブタ２とベース部材１との接触部、及び／又は、伝熱部３と中ブタ２との接触部に断熱シートを配置すると、熱応答性が更に向上する。
【００１３】
すなわち、ベース部材１や中ブタ２への伝熱は、バイメタル４の温度上昇には特に寄与せず、逆に、中ブタ２やベース部材１への伝熱分だけバイメタル４の温度上昇が阻害されるので、断熱シートを介在させることによってバイメタル４の熱応答性を高めることができる。なお、断熱シートとしては、熱伝導性の悪いものであれば特に限定されないが、ポリイミド樹脂フィルムやフッ素樹脂フィルムなどが好適である。
【００１４】
同様の理由から、中ブタ２における伝熱部材３との接触面、及び／又は、中ブタ２におけるベース部材１との接触面を凹凸形状にして接触面積を減らしても、感熱体への伝熱がより効果的となる。図４は、中ブタ２における伝熱部材３との接触面２１、及びベース部材１との接触面２２に、凸部２１ａ，２２ａと凹部２１ｂ，２２ｂを設けた状態を示している。
更にまた、伝熱部材３における中ブタ２との接触面、及び／又は、ベース部材１における中ブタ２との接触面を凹凸形状にして接触面積を減少させても効果的である。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の有効性を確認した実施例について説明する。
表１に示すような４種類のサーモスタットＳ１〜Ｓ４を用意してその熱応答性について調べた。サーモスタットＳ１〜Ｓ４は、全てその動作温度が２００℃に設定されたものであり、それぞれ２２０℃に設定された熱源を使用して実験した。サーモスタットＳ１〜Ｓ４の共通部品として、アルミニウム製（Ａｌ）のキャップ８と、セラミック製のベース部材１と、鉄ニッケル合金からなるバイメタル４と、セラミックス製のガイドピン７とを用いた。なお、その他の固定接点や可動接点やバネなどについても共通である。
【００１６】
【表１】
0004279414.tif 000002
【００１７】
図２（ａ）は、直径１３ｍｍの円板状のバイメタル４と、セラミックス製の中ブタ２とを用いた従来タイプのサーモスタットS１の要部を図示したものである。図２（ｂ）は、サーモスタットＳ２の要部を図示したものであり、基本構成は、図２（ａ）のものと同じであるが、バイメタル４の形状を９ｍｍ×１１ｍｍの矩形状に変更したものである。図２（ｃ）は、サーモスタットＳ３を図示したものであり、基本構成は、図２（ａ）のものと同じであるが、ベース部材１と中ブタ２の間に、円環状に形成したポリイミドフィルム９（商品名：カプトン）を配置している。図２（ｄ）は、サーモスタットＳ４を図示したものであり、セラミックス製の中ブタ２の外周部を肉薄に形成すると共に、キャップ８と中ブタ２の間に円環状のアルミ板３を配置している。なお、バイメタル４の材質は他の場合と同じであるが、直径１０ｍｍの円板状である。
【００１８】
上記した各サーモスタットＳ１〜Ｓ４について、各バイメタルが反転し、各サーモスタットが動作するまでの時間を計測した。具体的には、各サーモスタットの動作温度を測定した後、室温に３０分以上放置し、２２０℃（具体的には、２１９．５±０．５℃）に安定させた熱板にキャップが接するように載せて、上から１００ｇの荷重を加えた。
【００１９】
実験結果は表２に示す通りであり、サーモスタットＳ１（動作温度１９８．６℃と２０２．８℃の二つのサンプル）について各３回の実験を行ったところ、平均時定数は、３８．７８であった。ここで、時定数τ(Sec)とは、下記（式１）（式２）によって算出された値であり、熱応答性の良否を示すパラメータとなるものである。
τ＝  −ｔ／Ｔ      ……（式１）
Ｔ＝ｌｎ｛（ＴH−ＴSW）／（ＴH−ＴR）｝    ……（式２）
ＴH……熱板の温度（℃）        ＴSW……サーモスタットの動作温度（℃）
ＴR……室温（℃）      ｔ……サーモスタットが動作するまでの時間(Sec)
ｌｎ……ｌｏｇe
【００２０】
【表２】
0004279414.tif 000003
【００２１】
サーモスタットＳ２（動作温度２０５．8℃と２０１．０℃の二つのサンプル）について各３回の実験を行ったところ、平均時定数は、４９．４８であり、熱応答性が劣化することが明かとなった。すなわち、バイメタルの外形を小さくして熱容量を小さくすると、バイメタルの温度上昇が速くなると考えたが、確認実験によれば、結果は逆であった。
【００２２】
サーモスタットＳ３（動作温度１９７．６℃と１９９．８℃の二つのサンプル）について各３回の実験を行ったところ、平均時定数は、３０．７０であり、中ブタ２からベース１への熱伝導を阻止することによって効果があることが明かとなった。
【００２３】
サーモスタットＳ４（動作温度１９８．２℃と１９７．０℃の二つのサンプル）について各３回の実験を行ったところ平均時定数は、１８．２４であり、熱伝導性において格段の効果があることが明かとなった。この効果の要因としては、バイメタル４の直径がサンプル１などに比べて小さいので、バイメタル４の熱容量が小さいことも考えられるが、サーモスタットＳ２の結果が示す通り、バイメタルの熱容量を小さくしても効果はないので、このサーモスタット４での効果は、バイメタルと中ブタの間に配置したアルミ板３によるものと考えられる。また、このサーモスタット４の構造に、サーモスタットＳ３におけるポリイミド樹脂フィルムを組み合わせると、さらに効果が高いと考えられる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱応答性を改善し、温度上昇勾配が急な機器に対しても安心して使用できるサーモスタットを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を例示したものである。
【図２】本発明の実施例を説明する図面である。
【図３】本発明の必要性を説明する図面である。
【図４】熱応答性をより改善した中ブタの構成を示すもので、中ブタの平面図（ａ）、縦断面図（ｂ）、底面図（ｃ）である。
【符号の説明】
４    感熱体（バイメタル）
７    ガイド部材（ガイドピン）
２    支持部材（中ブタ）
１    ベース部材
３    伝熱部材
TH   サーモスタット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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