DE10104690A1 - Verfahren zum Betreiben eines temperaturabhängigen Stellelements und temperaturabhängiges Stellelement - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines temperaturabhängigen Stellelements (3) angegeben, das einen in einem topfförmigen, durch einen Deckel (2) verschlossenen Gehäuse (1) aus Metall angeordneten Dehnstoff (3) aufweist. Der Dehnstoff (3) besteht aus einem seine Abmessungen temperaturabhängig ändernden Material. Er ist im Gehäuse (1) durch eine unterhalb des Deckels (2) in demselben angebrachte Membran (4) aus elastisch verformbarem Material hermetisch dicht eingeschlossen. Das Stellelement (5) hat einen mit einem Ende bis zur Anlage an der Membran (4) in das Gehäuse (1) hineinragenden und mit dem anderen Ende durch den Deckel (2) des Gehäuses (1) aus demselben herausragenden Stößel (5). Das Stellelement (S) wird zur Betätigung des Stößels (5) durch einen in Ruhestellung außen am metallischen Gehäuse (1) anliegenden elektrischen Widerstand (6) beheizt und der Stößel (5) wird durch den sich infolge der Beheizung ausdehnenden Dehnstoff (3) in seiner axialen Richtung aus dem Gehäuse (1) herausgedrückt. Zur Entlastung der Membran (4) und zur Energieeinsparung wird die dem Dehnstoff (3) zugeführte Wärmemenge beim Erreichen einer vorgegebenen, vom Dehnstoff (3) auf die Membran (4) und damit auf den Stößel (5) ausgeübten Kraft zumindest herabgesetzt und beim dadurch bedingten Unterschreiten dieser vorgegebenen Kraft wieder erhöht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines temperaturabhängigen Stellelements, das einen in einem topfförmigen, durch einen Deckel verschlossenen Gehäuse aus Metall angeordneten Dehnstoff aufweist, der aus einem seine Abmessungen temperaturabhängig ändernden Material besteht und der im Gehäuse durch eine unterhalb des Deckels in demselben angebrachte Membran aus elastisch verformbarem Material hermetisch dicht eingeschlossen ist, und das einen mit einem Ende bis zur Anlage an der Membran in das Gehäuse hineinragenden und mit dem anderen Ende durch den Deckel des Gehäuses aus demselben herausragenden Stößel hat, bei welchem das Stellelement zur Betätigung des Stößels durch einen in Ruhestellung außen am metallischen Gehäuse anliegenden elektrischen Widerstand beheizt wird und bei welchem der Stößel durch den sich infolge der Beheizung ausdehnenden Dehnstoff in seiner axialen Richtung aus dem Gehäuse herausgedrückt wird sowie auf ein temperaturabhängiges Stellelement (DE-AS 26 25 561).

Derartige Stellelemente werden beispielsweise bei Ventilen aller Art oder bei Lüftungsklappen eingesetzt. Der im Gehäuse vorhandene Dehnstoff vergrößert sein Volumen bei jeder Temperaturerhöhung. Dabei wird der Stößel in axialer Richtung aus dem Gehäuse herausgedrückt, so daß ein Ventil oder eine Lüftungsklappe betätigt werden können. Bei einer Temperatursenkung wird der Stößel bei sich wieder verkleinerndem Volumen des Dehnstoffs unter der Wirkung einer externen Kraft, beispielsweise einer Feder, in das Gehäuse zurückbewegt.

Die DE-AS 26 25 561 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Stellelements, wie es eingangs beschrieben ist. Bei sich ausdehnendem Dehnstoff wird die beispielsweise aus Gummi bestehende Membran in radialer Richtung zusammengedrückt, so daß der von der Membran umschlossene Stößel axial aus dem Gehäuse heraus bewegt wird. Der Dehnstoff wird bei diesem Stellelement im Bedarfsfall durch einen am Gehäuse angebrachten elektrischen PTC-Widerstand erwärmt. Die Membran wird bei jeder Ausdehnung des Dehnstoffs verformt. Dabei wird auf die Membran vom sich ausdehnenden Dehnstoff eine erhebliche Kraft ausgeübt, die beim Erreichen der Endstellung des Stößels nicht nur gehalten, sondern weiter gesteigert wird, da der PTC- Widerstand den Dehnstoff weiter erwärmt. Das bedeutet nicht nur einen hohen Energieverbrauch, sondern auch eine erhebliche Belastung der Membran, die dadurch leicht beschädigt werden kann. Die Membran ist dann nicht mehr dicht, so daß der Dehnstoff aus seinem an sich dicht begrenzten Raum austreten kann. Das Stellelement ist dadurch nicht mehr funktionsfähig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs geschilderte Verfahren so weiterzubilden, daß der Energieaufwand vermindert und die Lebensdauer des Stellelements erhöht werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die dem Dehnstoff zugeführte Wärmemenge beim Erreichen einer vorgegebenen, vom Dehnstoff auf die Membran und damit auf den Stößel ausgeübten Kraft zumindest herabgesetzt und beim dadurch bedingten Unterschreiten dieser vorgegebenen Kraft wieder erhöht wird.

Mit diesem Verfahren und dem Einsatz eines entsprechenden Stellelements wird die vom Dehnstoff auf die Membran und damit auf den Stößel einwirkende Kraft auf einen Wert begrenzt, der für den spezifischen Einsatzfall des Stellelements ausreicht. Beim Überschreiten dieser durch den Dehnstoff erzeugten Kraft wird die Wärmezufuhr vermindert bzw. unterbrochen. Die Ausdehnung des Dehnstoffs geht dadurch zurück und die über die Membran auf den Stößel einwirkende Kraft wird vermindert. Bei Erreichen eines unteren Grenzwerts für die auf die Membran einwirkende, vom Dehnstoff ausgeübte Kraft wird die Wärmezufuhr an den Dehnstoff wieder voll aktiviert. Die maximale, auf die Membran einwirkende Kraft ist auf diese Weise auf den für den sicheren Betrieb des Stellelements benötigten Wert begrenzt. Die Belastung der Membran ist dementsprechend wesentlich reduziert. Die Lebensdauer der Membran und damit die des Stellelements wird daher erheblich verlängert. Gleichzeitig ist der Energiebedarf zum Betreiben des Stellelements herabgesetzt, da die Erwärmung des Dehnstoffs beim Erreichen der vorgegebenen, auf die Membran einwirkenden Kraft zumindest vermindert, oder sogar unterbrochen wird.

Das Verfahren nach der Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels des Erfindungsgegenstandes erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein temperaturabhängiges Stellelement in prinzipieller Darstellung.

Fig. 2 und 3 eine Ausführungsform des Stellelements nach der Erfindung in zwei unterschiedlichen Positionen.

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung des Stellelements nach Fig. 3.

Fig. 5 ein Einzelteil des Stellelements gemäß Fig. 4.

Das in Fig. 1 dargestellte Stellelement S hat ein stabiles, topfförmiges Gehäuse 1, das durch einen Deckel 2 verschlossen ist. Das Gehäuse 1 besteht aus Metall. Für den Deckel 2 wird vorzugsweise ein mechanisch stabiler Kunststoff verwendet, wie beispielsweise Polyphenylensulfid. Im Innern des Gehäuses 1 befinden sich ein Dehnstoff 3 und eine Membran 4. Der Dehnstoff 3 besteht aus einem Material, das seine Abmessungen temperaturabhängig ändert. Die Membran 4 ist aus einem elastisch verformbaren Material hergestellt. Sie besteht beispielsweise aus Gummi. Der Dehnstoff 3 füllt den ganzen zwischen Gehäuse 1 und Membran 4 bestehenden Hohlraum aus. Die Membran 4 ist durch den Deckel 2 so am Gehäuse 1 festgelegt, daß der Dehnstoff 3 hermetisch dicht eingeschlossen ist.

Zu dem Stellelement S gehört auch ein Stößel 5, der durch eine zentrale Öffnung des Deckels 2 hindurch bis zur Anlage an der Membran 4 in das Gehäuse 1 hineinragt und mit seinem anderen Ende aus dem Gehäuse 1 herausragt. Die Membran 4 umschließt den Stößel 4 unter dichter Anlage an demselben auf seiner ganzen in das Gehäuse 1 hineinragenden Länge. Der Stößel 5 ist an seinem im Gehäuse 1 liegenden Ende mit Vorteil gut abgerundet. Er hat an seiner Stirnseite beispielsweise die Form einer Kugelkalotte. Außen am Gehäuse 1 ist mit dichter Anlage an demselben ein elektrischer Widerstand 6 angebracht, der an eine Spannungsquelle anschließbar ist.

Beim Ausführungsbeispiel des Stellelements S nach den Fig. 2 bis 4 ist das Gehäuse 1 dünnwandig ausgeführt, damit es gegebenenfalls schnell abkühlt. Es besteht aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium. Es können beispielsweise aber auch Kupfer oder Stahl für das Gehäuse 1 verwendet werden. Zu seiner mechanischen Stabilisierung ist es in einen Kunststoffkörper 7 eingebettet, der fest an seiner Umfangsfläche anliegt und sich auch in seinen Bodenbereich erstreckt. Der Kunststoffkörper 7 läßt den Deckel 2 und den Bereich des Bodens des Gehäuses 1 frei, in dem der elektrische Widerstand 6 an demselben anliegt. Als Kunststoff wird ein mechanisch stabiles Material verwendet, wie beispielsweise Polyphenylensulfid.

Das Gehäuse 1 hat in seinem Boden eine topfartige, nach innen weisende Vertiefung 8. In die Vertiefung 8 ragt ein Metallbecher 9 hinein, welcher den Widerstand 6 dicht anliegend umgibt. Der Metallbecher 9 besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das Gehäuse 1. Die Bodenfläche der Vertiefung 8 und die korrespondierende Stirnfläche des Metallbechers 9 haben die gleiche geometrische Form. Es sind vorzugsweise plane Flächen. In der Ruhestellung des Stellelements S liegt der Metallbecher 9 satt an der Bodenfläche der Vertiefung 8 an. Der Metallbecher 9 mit dem Widerstand 6 wird durch eine Feder 10 gegen die Bodenfläche der Vertiefung 8 des Gehäuses 1 gedrückt, so daß die feste Anlage der beiden korrespondierenden Flächen im Ruhezustand des Stellelements 1 sichergestellt ist.

Die Feder 10 kann als gesondertes Teil in einer ortsfesten Aufnahme 11 gelagert sein, in welcher auch das Gehäuse 1 angebracht ist, und zwar in seiner Achsrichtung bewegbar. Sie kann aber auch durch federnde Zungen gebildet sein, welche Teile der beispielsweise aus Kunststoff bestehenden Aufnahme 11 sind. Die Aufnahme 11 dient außerdem als Führung für das Gehäuse 1 bei einer Bewegung desselben. Der Metallbecher 9 ist in bevorzugter Ausführungsform zylindrisch ausgeführt. Er ist gegen die Kraft der auf ihn einwirkenden Feder 10 in Achsrichtung des Stellelements S verstellbar. Bei seiner Bewegung wird der Metallbecher 9 durch die Vertiefung 8 seitlich geführt. Um ein Verklemmen des Metallbechers 9 in der Vertiefung 8 zu vermeiden, ist dieselbe in bevorzugter Ausführungsform nach außen konisch erweitert.

Das Gehäuse 1 hat an seinem Kunststoffkörper 7 stirnseitig einen vorzugsweise umlaufenden, stegartigen Vorsprung 12, der in Montagestellung an einer Hebelfeder 13 anliegt, die entsprechend der Darstellung in Fig. 5 beispielsweise als eine Art Tellerfeder mit zentralem Loch ausgebildet ist. Die Hebelfeder 13 ist in der Aufnahme 11 gelagert. Der Vorsprung 12 des Gehäuses 1 liegt im Umfangsbereich der Hebelfeder 13 an derselben an. Statt eines umlaufenden Vorsprungs 12 könnten auch mehrere, in Umfangsrichtung gegeneinander versetzte Vorsprünge am Kunststoffkörper 7 angebracht sein. Der Metallbecher 9 mit dem Widerstand 6 ragt zentral durch die Hebelfeder 13 hindurch und liegt mit einem umlaufenden Flansch 14 an derselben an. Der Flansch 14 des Metallbechers 9 wird von der Feder 10 gegen die Hebelfeder 13 gedrückt.

Das Verfahren zum Betreiben des Stellelements S arbeitet beispielsweise wie folgt:
Ausgehend von der in Fig. 2 dargestellten Ruhestellung wird der Widerstand 6 an eine nicht mit dargestellte Spannungsquelle angeschlossen. Durch den jetzt fließenden Strom wird der Widerstand 6 erwärmt. Die Wärme wird über den Metallbecher 9 direkt auf das metallische Gehäuse 1 übertragen. Das Gehäuse 1 überträgt wegen seiner guten Wärmeleitfähigkeit die Wärme seinerseits auf den Dehnstoff 3. Durch die Erwärmung dehnt sich der Dehnstoff 3 aus. Er drückt mit zunehmender Kraft auf die Membran 4, so daß der Stößel 5 in Richtung des Pfeiles 15 aus dem Gehäuse 1 herausgedrückt wird. Die entsprechende Arbeitsstellung geht aus den Fig. 3 und 4 hervor.

Ohne zusätzliche Maßnahmen würde der Stößel 5 ganz aus dem Gehäuse 1 herausgedrückt werden. Das Stellelement S dient jedoch zur Verstellung beispielsweise des Arbeitskolbens eines Ventils. Sobald der Stößel 5 daher fest an einem in Fig. 4 dargestellten Anschlag 16 anliegt, wird seine Bewegung begrenzt. Die weiter zunehmende Kraft, mit welcher der Dehnkörper 3 auf die Membran 4 einwirkt, kann daher nicht mehr in eine Bewegung des Stößels 5 umgesetzt werden. Die Kraft bewirkt jetzt eine Bewegung des Gehäuses 1 in Richtung des Pfeiles 17, so daß der Vorsprung 12 desselben mit steigender Kraft gegen die Hebelfeder 13 drückt.

Die Hebelfeder 13 wird dadurch in Richtung des Pfeiles 17 verbogen. Sie nimmt den Metallbecher 9 über dessen Flansch 14 mit, so daß derselbe vom Gehäuse 1 abgehoben wird. Da der Vorsprung 12 mit kleinem Abstand I von der Auflagestelle der Hebelfeder 13 auf der Aufnahme 11 auf dieselbe drückt und der Metallbecher 9 einen wesentlich größeren Abstand L von dieser Auflagestelle hat, ergibt eine kleine Auslenkung der Hebelfeder 13 durch den Vorsprung 12 einen relativ großen Weg für den Metallbecher 9. Durch die Bewegung des Metallbechers 9 in Richtung des Pfeiles 17 entsteht ein Luftspalt 18 zwischen demselben und der Bodenfläche der Vertiefung 8, so daß die Erwärmung des Gehäuses 1 und damit des Dehnstoffs 3 unterbrochen, zumindest aber stark vermindert wird. Der Dehnstoff 3 kühlt dadurch ab. Seine auf die Membran 4 einwirkende Kraft vermindert sich, so daß der Stößel 5 und damit auch die Hebelfeder 13 entlastet werden. Der Metallbecher 9 wird durch die Feder 10 wieder in seine Arbeitsposition gemäß Fig. 2 gedrückt und er gelangt wieder zur Anlage am Gehäuse 1. Der Dehnstoff 3 wird so wie weiter oben beschrieben wieder durch den Widerstand 6 erwärmt. Während des aktiven Betriebs des Stellelements S findet auf diese Weise eine in engen Grenzen ablaufende ständige Anpassung der vom Dehnstoff 3 auf die Membran 4 einwirkenden Kraft statt.

Das Gehäuse 1 kann zur besseren und schnelleren Verteilung der vom Widerstand 6 erzeugten Wärme nach innen weisende, axial verlaufende Rippen 19 haben, die in den Fig. 2 bis 4 schematisch angedeutet sind.

Die Anordnung des elektrischen Widerstands 6 in dem Metallbecher 9 und die korrespondierende Vertiefung 8 im Gehäuse 1 sind eine bevorzugte Ausführungsform des Stellelements S. Es könnte beispielsweise auch ein an einem ebenen Boden eines Gehäuses 1 anliegender elektrischer Widerstand verwendet werden, auf den eine Feder einwirkt und der bei seiner Bewegung relativ zum Gehäuse 1 geführt wird.

Wenn als elektrischer Widerstand 6 ein PTC-Widerstand verwendet wird, ergibt sich zusätzlich der Vorteil einer automatischen Strombegrenzung mit einer entsprechenden weiteren Verminderung des Energiebedarfs für den Betrieb des Stellelements S.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens und des Stellelements S nach der Erfindung kann zur Reduzierung bzw. Unterbrechung der Wärmezufuhr an den Dehnstoff 3 die Stromversorgung des Widerstands 6 auch unterbrochen werden. Ein entsprechender Schalter wird dann beim Erreichen der maximal zulässigen Kraft geöffnet und beim Unterschreiten derselben wieder geschlossen. Als Schalter kann ein Reed- Kontakt verwendet werden.

Claims (12)

1. Verfahren zum Betreiben eines temperaturabhängigen Stellelements, das einen in einem topfförmigen, durch einen Deckel verschlossenen Gehäuse aus Metall angeordneten Dehnstoff aufweist, der aus einem seine Abmessungen temperaturabhängig ändernden Material besteht und der im Gehäuse durch eine unterhalb des Deckels in demselben angebrachte Membran aus elastisch verformbarem Material hermetisch dicht eingeschlossen ist, und das einen mit einem Ende bis zur Anlage an der Membran in das Gehäuse hineinragenden und mit dem anderen Ende durch den Deckel des Gehäuses aus demselben herausragenden Stößel hat, bei welchem das Stellelement zur Betätigung des Stößels durch einen in Ruhestellung außen am metallischen Gehäuse anliegenden elektrischen Widerstand beheizt wird und bei welchem der Stößel durch den sich infolge der Beheizung ausdehnenden Dehnstoff in seiner axialen Richtung aus dem Gehäuse herausgedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Dehnstoff (3) zugeführte Wärmemenge beim Erreichen einer vorgegebenen, vom Dehnstoff (3) auf die Membran (4) und damit auf den Stößel (5) ausgeübten Kraft zumindest herabgesetzt und beim dadurch bedingten Unterschreiten dieser vorgegebenen Kraft wieder erhöht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand (6) beim Erreichen der vorgegebenen Kraft unter Bildung eines Luftspalts (18) vom Gehäuse (1) abgehoben und beim Unterschreiten der Kraft wieder an dasselbe angenähert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand (6) mittels einer Feder (10) gegen das metallische Gehäuse (1) gedrückt wird, deren Federkraft der vorgegebenen, auf den Stößel (5) des Stellelements (3) ausgeübten Kraft entspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzufuhr an den elektrischen Widerstand (6) beim Erreichen der vorgegebenen Kraft unterbrochen und beim Unterschreiten derselben wieder eingeschaltet wird.

5. Stellelement mit einem temperaturabhängig in seiner axialen Richtung verstellbaren Stößel, das aus einem topfförmigen, durch einen Deckel verschlossenen Gehäuse aus Metall besteht, in dem ein aus einem seine Abmessungen temperaturabhängig ändernden Material bestehender Dehnstoff angeordnet ist, der im Gehäuse durch eine unterhalb des Deckels in demselben angebrachte Membran aus elastisch verformbarem Material hermetisch dicht eingeschlossen ist, bei welchem der Stößel mit einem Ende bis zur Anlage an der Membran in das Gehäuse hineinragt und mit seinem anderen Ende durch den Deckel des Gehäuses aus demselben herausragt und bei welchem außen am Gehäuse ein an demselben anliegender elektrischer Widerstand angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand (6) bewegbar unter Einwirkung einer Feder (10) am Gehäuse (1) anliegt und in einer in Richtung der Federwirkung wirksamen Führung angeordnet ist.

6. Stellelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand (6) in einem Metallbecher (9) mit planer Stirnfläche untergebracht ist, die in Ruhestellung an der planen Bodenfläche der Vertiefung (8) des Gehäuses (1) anliegt.

7. Stellelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) und der Metallbecher (9) aus Aluminium bestehen.

8. Stellelement nach einem der Ansprüch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) unter Freilassung der Berührungsstelle für den elektrischen Widerstand (6) und den Deckel (2) in einen dicht anliegenden, aus mechanisch stabilem Material bestehenden Kunststoffkörper (7) eingebettet ist.

9. Stellelement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) in seinem dem Deckel (2) abgewandten Boden eine nach innen weisende, topfartige Vertiefung (8) hat, in welcher der elektrische Widerstand (6) angeordnet ist.

10. Stellelement nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) über den Umfang verteilt mehrere nach innen weisende, in axialer Richtung verlaufende Rippen hat.

11. Stellelement nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ortsfesten Aufnahme (11), in welcher das Gehäuse (1) in seiner Achsrichtung bewegbar angebracht ist, eine Hebelfeder (13) gelagert ist, an welcher das Gehäuse (1) anliegt, durch welche der Metallbecher (9) mit dem elektrischen Widerstand (6) zentral hindurchragt und an welcher ein nach außen abstehender Flansch (14) des Metallbechers (9) anliegt.

12. Stellelement nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand (6) ein PTC-Widerstand ist.