DE10110185A1

DE10110185A1 - Beheizbares Dehnstoffelement

Info

Publication number: DE10110185A1
Application number: DE10110185A
Authority: DE
Inventors: Roland Starck; Barbu Scarlat Frunzetti; Wolfgang Richter
Original assignee: Fritz Eichenauer & Co KG Fabrik Elektr Spezialartikel GmbH; Fritz Eichenauer GmbH and Co KG
Current assignee: Eichenauer Heizelemente GmbH and Co KG
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2002-09-12
Anticipated expiration: 2021-03-03
Also published as: JP4286000B2; WO2002086646A1; US20040094633A1; KR100880605B1; DE10110185B9; DE10110185B4; EP1364264A1; JP2005507059A; US7172133B2; KR20040052487A

Description

Die Erfindung betrifft ein Dehnstoff-Arbeitselement, insbe sondere zur Betätigung eines Thermostatventils, mit einem Gehäuse und mit einem aus dem Gehäuse herausgeführten be weglichen Arbeitsstift, wobei in dem Gehäuse Dehnstoff und eine Heizeinrichtung mit einem auf einem Träger angebrach tenen elektrischen Widerstandselement angeordnet sind.

Motoren weisen besonders in der Kaltlaufphase erhöhte Ver brauchs- und Emissionswerte auf. Diese Phase muss daher möglichst verkürzt werden. Dies wird durch Reduzierung der umgewälzten Kühlmittelmenge während der Kaltlauf- und Auf wärmphase erreicht. Hierzu weist der Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors ein bei kaltem Kühlmittel den Durchfluss sperrendes Hauptventil und ein dann offenes Um gehungsventil auf. Die Regelung eines solchen Ventils auf grund von Motor-, Betriebsdaten wie Abgastemperatur, Dreh zahl, Drehmoment und Öltemperatur erfolgt über eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Steuern eines solchen Thermo statventils durch Zufuhr elektrischer Leistung zur Heizein richtung.

Die EP 718 738 A2 zeigt eine Heizeinrichtung mit einem ebe nen Träger, auf dem ein Dickschichtwiderstand angebracht ist. Nachteilig ist, dass der Dickschichtwiderstand nur auf seiner dem Träger abgewandten Seite mit dem Dehnstoff, wie Dehnstoffwachs, in Kontakt steht und im übrigen die Heiz fläche durch die Ausbildung des Trägers gering ist. Darüber hinaus wird durch die mittig diagonale Anordnung des Trä gers der Hubweg des Betätigungsstiftes begrenzt.

Die DE 197 05 721 A1 zeigt eine gattungsgemäße Vorrichtung, bei der das PTC-Element an der Außenseite des Gehäuses an geordnet ist. Ersichtlich ist der Wärmeübergang auf den im Gehäuse befindlichen Dehnstoff schlecht. Dies gilt grund sätzlich auch für den Gegenstand der DE 42 33 913 A1 und der DE 44 09 547 C2, bei der ein PTC-Element stirnseitig im Inneren des Gehäuses angeordnet ist und lediglich eine ge ringe Kontaktfläche zum Dehnstoff aufweist.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend weiterzubilden, dass bei preiswerter und sicherer Herstellung eine kurze An sprechgeschwindigkeit (Sprungantwort) und intrinsichere Be triebssicherheit gegeben ist.

Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe bei einer gat tungsgemäßen Vorrichtung dadurch gelöst, dass der Träger einen Hohlraum aufweist und dass das Widerstandsheizelement ein um den Träger gewickelter Heizleiter ist.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird erreicht, dass das Widerstandsheizelement als Heizleiter selbst massearm ist und damit sehr schnell aufheizbar ist, wobei die Ausbildung als Heizleiter eine hohe Wärmeübergangsfläche zum Dehnstoff ermöglicht, was durch die Ausbildung eines Hohlraumes, der in der Heizleitung gegeben ist, unterstützt wird. Dieser Hohlraum ermöglicht darüber hinaus den großen Hubweg des Betätigungsstiftes.

Erfindungsgemäß ergibt sich insbesondere gegenüber dem be kannten Dickschichtelement bei gleichen Abmessungen, insbe sondere gleichen Außenabmessungen des Gehäuses, eine sechs fach größere Wärmeabgabefläche, so dass spezifische Heiz leistungen in entsprechender Weise bei gleicher Leistungs zuführung reduziert wird. Hierdurch wird die Gefahr einer lokalen Überhitzung deutlich reduziert. Darüber hinaus kann aufgrund des Hohlraumes die Heizeinrichtung bei gleichen Gehäuseabmessungen eine größere axiale Länge aufweisen, oh ne dass der Hub des Betätigungsstiftes reduziert wird. Hierdurch wird eine gleichmäßige Erwärmung des Dehnstoffes aufgrund seines schlechten Wärmeleitwertes über einen Groß teil der Gehäusehöhe hin erreicht. Ingesamt werden die Re aktionszeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung wesentlich verkürzt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Heizleiter einen positiven Koeffizien ten des elektrischen Widerstandes hat, d. h. die Wider stands-Temperatur-Kennlinie ist im Arbeitsbereich monoton steigend.

Hierdurch wird die Gefahr einer Dehnstoffüberhitzung und damit eine Zerstörung der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die selbstregelnden Eigenschaften des Heizelements ausgeschaltet.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Heizleiter einen positiven Temperaturkoeffezienten des elektrischen Widerstandes von < 2 × 10^-3/K hat. Hierdurch wird im üblichen Temperaturbereich des Kühlmittels eines Verbrennungsmotors die Heizleistung des Widerstandsheizele ments um ca. ein Drittel reduziert, so dass die Wärmezufuhr durch das Heizelement bei hohen Temperaturen geringer ist als die Wärmeabfuhr durch das den Dehnstoff umspülende Kühlmittel, so dass eine Überhitzung ausgeschlossen ist.

Gemäß bevorzugter Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vor richtung ist vorgesehen, dass der Träger eine im wesentli chen zylinderförmige Außenkontur hat und dass der Träger körper eine mehrkantige Außenkontur hat, wobei insbesondere der Träger eine käfigförmige Struktur hat. Eine käfigförmi ge Struktur kann dadurch gebildet werden, dass der Träger Längs- und Querrippen aufweist. Der Heizleiter ist dabei vorzugsweise um die Längsrippen des Trägers gewickelt. Hierdurch wird allseitiger Kontakt zwischen Heizleiter und Dehnstoff gewährleistet, wodurch die Ansprechgeschwindig keit erhöht wird.

Zur allseitigen Isolierung der einzelnen Heizleiterwindun gen ist vorgesehen, dass der Heizleiter von einer hochtem peraturbeständigen Isolierschicht umgeben ist. Es kann sich hierbei um eine Isolierschicht aus Polyimidlack, Keramik oder Glas handeln.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Trägerkörper aus hochtemperaturbeständigem Material be steht. Der Träger kann dabei insbesondere aus temperaturbe ständigem Kunststoff, wie Polyphenylensulfid (PPS) oder Flüssigkristallpolymer (Liquid Christall Polymer - LCP), einem durch Faserbildung selbst verstärkenden Polymer, aber auch aus Epoxidharz, wie Araldit®, und schließlich auch aus Keramik, insbesondere spritzgießfähigem Polymerkeramik be stehen, d. h. im Ausgangszustand Polymer-gebundene Keramik.

Ein Heizleiter mit positivem Temperaturkoeffizienten be steht vorzugsweise aus einer Legierung auf der Basis einer Eisen-Nickel-Legierung, die darüber hinaus weitere Elemente wie Chrom aufweisen kann. Der Nickelanteil liegt dabei ins besondere zwischen 65 und 75%, vorzugsweise bei ca. 70% der Einsenanteil bei 25-35%, vorzugsweise bei ca. 30%; der Chromanteil liegt gegebenenfalls im Bereich von 0,5-2%, vorzugsweise ca. 1%.

Der spezifische elektrische Widerstand eines solchen PTC- Drahtes steigt dabei von ca. 0,3 Ωmm² m^-1 bei Raumtemperatur von 200 weitgehend linear mit dem Faktor C_δ = 1 + αΔT zur Be stimmung des Widerstandes bei verschiedenen Temperaturen, wobei der Temperaturkoeffizient α im weitgehend linearen Anwendungsbereich ca. α = 3000 × 10^-6/C° beträgt.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Träger im Gehäuse seiner Kontaktteile tragenden Enden durch einen O-Dichtring abgedichtet ist, weil insbe sondere der O-Dichtring zwischen Gehäuse und Träger in ei nem Ringabsatz des Trägerkörpers angeordnet ist oder aber der O-Dichtring in einem seitlich an einem Sockel der Trä gers umlaufenden Ringnut angeordnet ist. Hierdurch kann der Träger abdichtend mit dem Gehäuse verbunden werden. Diese Ausgestaltung ist insbesondere vorteilhaft, wenn, wie in Weiterbildung vorgesehen ist, in einen Sockel des Trägers Kontaktteile eingespritzt sind. Eine rationelle Herstellung des Trägerkörpers mit in diesem vorgesehenen Kontaktteile und damit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird mit einem Verfahren zur Herstellung eines Trägers für eine solche Vorrichtung erreicht, bei dem Kontakteile dem Spritzwerkzeugs für einen Träger eines Heizleiters in Form eines Stanzgitters zugeführt werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt bzw. zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsge mäße Vorrichtung zum Steuern eines Thermo statventils;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Trä gers für den Heizleiter mit eingespritzten Kontaktteilen;

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit gegenüber der Fig. 1 anderer Art der Abdichtung im Bodenbereich;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer er findungsgemäßen Heizeinrichtung;

Fig. 5 eine Seitenansicht eines Trägers gemäß Fig. 2;

Fig. 6 einen Schnitt durch den Gegenstand der Fig. 5 gemäß der Linie I-I

Fig. 7 eine Darstellung eines Heizleiterträgers bei der Fertigung mit einem Schnitt ent sprechend II-II der Fig. 4;

Fig. 8a und b Alternative Ausgestaltung der Kontaktteile mit Träger, hier Draufsicht auf die Unter seite des Trägers und Schnitt entlang der Linie III-III.

Fig. 9 Widerstands-Temperatur-Kennlinien eines be vorzugt eingesetzten Heizleitermaterials.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weist ein im wesentli chen zylindrisches Gehäuse 14 mit einem topfförmigen Unter teil 14a und einem Oberteil 14b auf, welches durch Umbörde lung der freien Stirnseite des Gehäuseunterteils 14a fest mit diesem zum Gehäuse 14 verbunden ist.

In dem dem Gehäuseoberteil 14b abgewandten Bereich des Ge häuseunterteils 14a ist eine Heizeinrichtung 1a angeordnet. Durch das Gehäuseoberteil 14b ist ein Betätigungsstift 1b herausgeführt, der innerhalb des Gehäuses von einem Mem bran 1c umgeben ist. Der weitere Innenraum des Gehäuses 14 ist durch ein Dehnstoffelement 1d, wie Dehnstoffwachs, aus gefüllt.

Die Heizeinrichtung 1a weist einen Träger 2 auf. Dieser weist einen eigentlichen Spulenkörper 7 auf, der käfigartig aus Längs- und Querrippen 8, 9 gebildet ist. Die Querrip pen 9 - im Ausführungsbeispiel ist nur eine dargestellt stabilisieren den Spulenkörper 7 und verhindern während des Wickelns des Heizdrahtes ein Einschnüren der Längsrippen 8. Am oberen Ende des Trägerkörpers ist ein massiver Ring 10 ausgeformt. Der Ring 10 weist Ansätze 11 auf, deren äußere Abmessungen dem Innendurchmesser des zylinderförmigen Ge häuseunterteils 14a entsprechen. Auf der dem Ring 10 abge wandten Seite des Trägers 2 ist ein Sockel 4 ausgebildet, dessen Durchmesser ebenfalls dem Innendurchmesser des Gehäuseunterteils 14a entspricht. Sockel 4 und Ring 10 mit Ansätzen 11 zentrieren so den Träger 2 im Gehäuse 14. In nerhalb des Sockels 4 ist ein Ringabsatz 16 ausgebildet, der zur Abdichtung einen O-Ring 15 aufnimmt. Eine alterna tive Abdichtung des Trägers 2 ist in der Fig. 3 darge stellt. Hier ist seitlich am Sockel 4 des Trägers 2 eine radial umlaufende Ringnut 17 ausgebildet, die ebenfalls ei nen O-Ring zur Abdichtung aufnimmt. Hierdurch ergibt sich eine große Auflagefläche 20 zwischen Träger 2 und Gehäu se 14 und damit eine hohe Sicherheit auch im Hinblick auf den im Gehäuse 14 herrschenden großen Innendruck. Darüber hinaus ist bei der Ausgestaltung der Fig. 3 im Bereich ei ner Keilnut 18 zwischen Sockel 4 und innerer Wandung des Gehäuses 14 eine Abdichtmasse 19 eingebracht, die durch den hohen Innendruck ebenfalls abdichtend wirkt. Diese Abdicht masse 19 kann auch grundsätzlich bei der Ausgestaltung der Fig. 1 vorgesehen sein.

In den Sockel 4 des Trägers 2 sind Kontaktteile 5, 6 mit inneren Anschlussenden 5a, 6a und äußeren Anschlussen den 5b, 6b eingespritzt, die jeweils aus dem Träger 2 her ausragen. Um den Spulenkörper 7 ist einlagig ein Heiz draht 3 gewickelt, an dessen beiden Enden jeweils mit inne ren Anschlussenden 5a, 6a Kontaktteile 5, 6 verbunden sind.

Aus Fig. 6, die den Schnitt I-I der Fig. 5 durch den Träger 2 zeigt, ist entnehmbar, dass eine innere Begrenzungslinie von Längs- und Querrippen 8, 9 dieser beispielhaften Aus führung einen Kreis bilden, so dass das Innere des Träger körpers 2 zylindrisch ausgebildet ist. Die Außenseiten oder -kanten der - in dieser beispielhaften Ausführung 6 - Längs rippen 8 überragen die äußeren Abmessungen der - in diesem Fall einen - Querrippe 9 derart, dass die äußere Verbin dungslinie zweier benachbarter Längsrippen 8 außerhalb der äußeren Abmessungen der Querrippe 9 liegt. Somit berührt auch ein um die Außenseiten der Längsrippen 8 gewickelter Heizdraht 3 die Querrippen 9 nicht und kann daher ebenso wie im Bereich der Durchbrüche zwischen Längs- und Querrip pen 8, 9 auch im Bereich der Querrippen 9 allseitig vom Dehnstoffwachs umspült werden. Durch die Anordnung der Längsrippen 8 wird der Heizdraht in der dargestellten bei spielhaften Ausführung in Form eines gleichmäßigen Sechs ecks geführt. Eine andere Anzahl von Längsrippen 8, bei spielsweise zwischen 3 und 10, vorzugsweise zwischen 4 und 8, ist ebenfalls möglich.

Das Einspritzen der Kontaktteile 5, 6 in den Träger 2 ist in der Fig. 7 angedeutet. Aus der Fig. 7 ist ersichtlich, dass die Kontaktteile 5, 6 in Form eines Stanzgitters vor liegen, bei dem während des Spritzvorganges die in der Fig. 7 strichpunktiert dargestellten Teile des Stanzgitters noch vorhanden sind. Es werden, wie aus der Fig. 7 ersichtlich ist, gleichzeitig mehrere Träger 2 in die Form gespritzt. Nach Entnehmen der Träger 2 und des Stanzgitters aus der Spritzform werden die strichpunktiert dargestellten Teile entfernt, so dass mit dem einzelnen Träger 2 lediglich die durchgezeichnet dargestellten Kontaktteile 5, 6 verbunden bleibt. Damit ist eine rationelle und gut dichtende Verbin dung der Kontaktteile 5, 6 nach außen sichergestellt.

Bei einer alternativen Ausgestaltung der Kontaktteile 5, 6 sind diese nicht aus Flachmaterial, sondern rund ausge führt. Die inneren Enden 5a und 6a sind dabei flachgedrückt und als Gabel 21 ausgeformt. Der Heizdraht ist derart daran befestigt, dass er zuerst hinter der Gabel aufgewickelt und das Ende dann durch den Spalt 21 der Gabel 21 geführt ist. Durch Zusammendrücken der Gabelspitzen ist das Ende sicher festgelegt durch Abschmelzen der Isolierstoffschicht beim Verlöten an dieser Stelle. Die elektrische Verbindung ist hergestellt (siehe Fig. 8).

Fig. 9 zeigt die monoton steigende Widerstand-Temperatur- Kennlinie des Heizleiters.

Claims

1. Dehnstoff-Arbeitselement, insbesondere zur Betätigung eines Thermostatventils, mit einem Gehäuse und mit ei nem aus dem Gehäuse herausgeführten beweglichen Ar beitsstift, wobei in dem Gehäuse Dehnstoff und eine Heizeinrichtung mit einem auf einem Träger angebrachte nen elektrischen Widerstandselement angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) einen Hohl raum aufweist und dass das Widerstandsheizelement ein um den Träger gewickelter Heizleiter (3) ist.

2. Arbeitselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter (3) einen positiven Temperaturkoef fizienten des elektrischen Widerstandes hat.

3. Arbeitselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter (3) einen positiven Temperaturkoef fezienten des elektrischen Widerstandes von < 2 × 10^- ³/K hat.

4. Arbeitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, dass der Träger eine im wesentli chen zylinderförmige Außenkontur hat.

5. Arbeitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (2) eine mehrkantige Außenkontur hat.

6. Arbeitselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) eine käfig förmige Struktur hat.

7. Arbeitselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) Längs- und Querrippen (8, 9) auf weist.

8. Arbeitselement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, dass der Heizleiter (3) um Außenkanten der Längsrippen (8) gewickelt ist.

9. Arbeitselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter (3) einla gig auf den Trägerkörper (2) aufgewickelt ist.

10. Arbeitselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Heizlei ters (3) eine Nickel-Eisen-Legierung ist.

11. Arbeitselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter mit einer hochtemperaturbeständigen Isolierschicht überzogen ist.

12. Arbeitselement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, dass der Heizleiter mit einer Isolierschicht aus Polyimidlack überzogen ist.

13. Arbeitselement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, dass der Heizleiter mit einer Isolierschicht aus Keramik überzogen ist.

14. Arbeitselement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, dass der Heizleiter mit einer Glasisolierschicht überzogen ist.

15. Arbeitselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (2) aus hochtemperaturbetändigem Material besteht.

16. Arbeitselement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich net, dass der Trägerkörper (2) aus thermoplastischem Kunststoff, vorzugsweise Polyphenylensulfid (PPS) oder Flüssigkristallpolymer (Liquid Christall Polymer LCP) besteht.

17. Arbeitselement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich net, dass der Träger (2) aus duroplastischem Kunst stoff, insbesondere Epoxidharz, wie Araldit® besteht.

18. Arbeitselement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich net, dass der Trägerkörper (2) aus spritzgießfähiger Polymerkeramik besteht.

19. Arbeitselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einen Sockel(4) des Trägers (2) Kontaktteile (5, 6) eingespritzt sind.

20. Arbeitselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) im Gehäuse (14) seiner Kontaktteile (5, 6) tragenden Enden durch einen O-Dichtring (15) abgedichtet ist.

21. Arbeitselement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich net, dass der O-Dichtring (15) zwischen Gehäuse (14) und Träger (2) in einem Ringabsatz (16) des Trägerkör pers (2) angeordnet ist.

22. Arbeitselement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich net, dass der O-Dichtring (15) in einer seitlich an ei nem Sockel (4) der Trägers (2) umlaufenden Ringnut (17) angeordnet ist.

23. Arbeitselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sockel (4) des Träger körpers (2) an seiner der Heizleiter zugewandten Seite eine Keilnut aufweist, in der Dichtmasse angeordnet ist.

24. Arbeitselement nach einem der Ansprüche 17 bis 23, da durch gekennzeichnet, daß Kontaktteile (5, 6) aus Flach material bestehen.

25. Arbeitselement nach einem der Ansprüche 1 bis 23, da durch gekennzeichnet, daß Kontaktteile (5, 6) aus Rund material bestehen.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Endteile (5a, 6a) der Kontaktteile (5, 6) flach gedrückt und als Gabel ausgebildet sind.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdraht 3 unterhalb der Gabel auf das Ende (5a, 6a) des Kontaktteils (5, 6) aufgewickelt, durch die Gabel (21) geführt und deren Spitze zur Festlegung des Heizdrahtrandes zusammengedrückt ist.

28. Thermostatventil, insbesondere für den Kühlmittelkreis lauf eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch ein Dehnstoff-Arbeitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche.

29. Verfahren zur Herstellung eines Trägers für eine Vor richtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch ge kennzeichnet, dass die Kontakteile dem einem Spritz werkzeug für einen Träger eines Heizleiters in Form ei nes Stanzgitters zugeführt werden.