DE10110185B4 - Beheizbares Dehnstoffelement - Google Patents
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Abstract
Dehnstoff-Arbeitselement, insbesondere zur Betätigung eines Thermostatventils, mit einem Gehäuse (14) und mit einem aus dem Gehäuse herausgeführten beweglichen Arbeitsstift, wobei in dem Gehäuse Dehnstoff und eine Heizeinrichtung mit einem auf einem Träger (7) angebrachten elektrischen Widerstandselement angeordnet sind, wobei das Widerstandsheizelement ein um den Träger (7) gewickelter Heizleiter (3) ist, wobei Kontaktteile (5, 6) zumindest durch einen Teil des Trägers (7) geführt sind, und wobei der Träger (7) Längsrippen (8, 9) und einen Hohlraum aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (7) eine käfigförmige Struktur mit Längs- und Querrippen (8, 9) aufweist, dass der Heizleiter (3) ein solcher mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes ist, dass der Heizleiter (3) mit einer hochtemperaturbeständigen Isolierschicht überzogen ist, dass am Ende des Trägers (7) ein massiver Ring (10) ausgeformt ist, der Ansätze (11) aufweist, deren äußere Abmessungen dem Innendurchmesser eines zylinderförmigen Gehäuseunterteils (14a) entsprechen; und dass die innere...
Description
- Die Erfindung betrifft ein Dehnstoff-Arbeitselement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Motoren weisen besonders in der Kaltlaufphase erhöhte Verbrauchs- und Emissionswerte auf. Diese Phase muss daher möglichst verkürzt werden. Dies wird durch Reduzierung der umgewälzten Kühlmittelmenge während der Kaltlauf- und Aufwärmphase erreicht. Hierzu weist der Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors ein bei kaltem Kühlmittel den Durchfluss sperrendes Hauptventil und ein dann offenes Umgehungsventil auf. Die Regelung eines solchen Ventils aufgrund von Motor-, Betriebsdaten wie Abgastemperatur, Drehzahl, Drehmoment und Öltemperatur erfolgt über eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Steuern eines solchen Thermostatventils durch Zufuhr elektrischer Leistung zur Heizeinrichtung.
- Die
EP 718 738 A2 - Die
DE 197 05 721 A1 zeigt eine gattungsgemäße Vorrichtung, bei der das PTC-Element an der Außenseite des Gehäuses angeordnet ist. Ersichtlich ist der Wärmeübergang auf den im Gehäuse befindlichen Dehnstoff schlecht. Dies gilt grundsätzlich auch für den Gegenstand derDE 42 33 913 A1 und derDE 44 09 547 C2 , bei der ein PTC-Element stirnseitig im Inneren des Gehäuses angeordnet ist und lediglich eine geringe Kontaktfläche zum Dehnstoff aufweist. - Die
DE 34 86 345 T2 offenbart eine Vorrichtung zur thermischen Regelung eines Thermostatventils. Ein Gehäuse weist einen Dehnstoff und einen mit dem Dehnstoff verbundenen Arbeitsstift, sowie eine Heizeinrichtung mit einem elektrischen Widerstandselement auf. Ein Einsatzstück, welches aus elektrisch isolierendem Material besteht, hat einen zylindrischen vorspringenden Abschnitt in Form eine Trägers, der von dem Dehnstoff umschlossen ist. Um diesen Trägerabschnitt ist das elektrische Widerstandselement in Form eines Heizleiterdrahtes gewickelt. Der Dehnstoff umspült den Träger außen- und innenseitig und ist außerhalb des Trägers in direktem Kontakt mit dem Heizleiter. Der Heizleiter ist ein einfaches ohmsches Widerstandselement in Form eines um den Träger gewickelten Drahtes. Durch einen Stopfen am Ende des Einsatzstückes und mit den Enden des Heizleiters verbunden sind elektrische Kontakte angeordnet. Nachteilig ist, dass der Heizleiter, welcher um den Träger gewickelt ist, nur an seinen Enden durch die Verbindung mit den elektrischen Kontakten gesichert ist. Zwar ist der Heizleiter zusätzlich durch den umgebenden Dehnstoff gehalten, da dieser sich jedoch ausdehnt, um den damit verbundenen Arbeitsstift zu bewegen, ist es möglich, dass das Heizelement nicht korrekt an seinem Träger gehalten wird und verrutscht. Dies beeinträchtigt die Arbeitsweise der Vorrichtung dauerhaft. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend weiterzubilden, dass bei preiswerter und sicherer Herstellung eine kurze Ansprechgeschwindigkeit (Sprungantwort) und intrinsische Betriebssicherheit gegeben ist.
- Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe mit einem gattungsgemäßen Dehnstoff-Arbeitselement gelöst, das die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
- 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 bekannten Dickschichtelement bei gleichen Abmessungen, insbesondere gleichen Außenabmessungen des Gehäuses, eine sechsfach größere Wärmeabgabefläche, so dass spezifische Heizleistungen in entsprechender Weise bei gleicher Leistungszuführung reduziert wird. Hierdurch wird die Gefahr einer lokalen Überhitzung deutlich reduziert. Es wird eine gleichmäßige Erwärmung des Dehnstoffes aufgrund seines schlechten Wärmeleitwertes über einen Großteil der Gehäusehöhe hin erreicht. Ingesamt werden kurze Reaktionszeiten bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht.
- Der Heizleiter weist einen positiven Koeffizienten des elektrischen Widerstandes auf, d. h. die Widerstands-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 Widerstandsheizelements 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 Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Träger eine im wesentlichen zylinderförmige Außenkontur hat. Der Heizleiter ist die Längsrippen des Trägers gewickelt. Hierdurch wird allseitiger Kontakt zwischen Heizleiter und Dehnstoff gewährleistet, wodurch die Ansprechgeschwindigkeit erhöht wird.
- Zur allseitigen Isolierung der einzelnen Heizleiterwindungen ist vorgesehen, dass der Heizleiter von einer hochtemperaturbeständigen 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 besteht. Der Träger kann dabei insbesondere aus temperaturbeständigem 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 bestehen, d. h. im Ausgangszustand Polymer-gebundene Keramik.
- Ein Heizleiter mit positivem Temperaturkoeffizienten besteht vorzugsweise aus einer Legierung auf der Basis einer Eisen-Nickel-Legierung, die darüber hinaus weitere Elemente wie Chrom aufweisen kann. Der Nickelanteil liegt dabei insbesondere 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 Ωmm2m-1 bei Raumtemperatur von 20°C weitgehend linear mit dem Faktor Cδ = 1 + αΔT zur Bestimmung 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 an seinem Kontaktteile tragenden Ende durch einen O-Dichtring im Gehäuse abgedichtet ist, wobei insbesondere der O-Dichtring zwischen Gehäuse und Träger in einem Ringabsatz des Trägerkörpers angeordnet ist oder aber der O-Dichtring in einem seitlich an einem Sockel der Trägers 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:
-
1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern eines Thermostatventils; -
2 eine perspektivische Darstellung eines Trägers für den Heizleiter mit eingespritzten Kontaktteilen; -
3 eine teilweise geschnittene Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit gegenüber der1 anderer Art der Abdichtung im Bodenbereich; -
4 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung; -
5 eine Seitenansicht eines Trägers gemäß2 ; -
6 einen Schnitt durch den Gegenstand der5 gemäß der Linie I-I -
7 eine Darstellung eines Heizleiterträgers bei der Fertigung mit einem Schnitt entsprechend II-II der4 ; -
8a und b Alternative Ausgestaltung der Kontaktteile mit Träger, hier Draufsicht auf die Unterseite des Trägers und Schnitt entlang der Linie III-III. -
9 Widerstands-Temperatur-Kennlinien eines bevorzugt eingesetzten Heizleitermaterials. - Eine erfindungsgemäße Vorrichtung
1 weist ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse14 mit einem topfförmigen Unterteil14a und einem Oberteil14b auf, welches durch Umbördelung der freien Stirnseite des Gehäuseunterteils14a fest mit diesem zum Gehäuse14 verbunden ist. - In dem dem Gehäuseoberteil
14b abgewandten Bereich des Gehäuseunterteils14a ist eine Heizeinrichtung1a angeordnet. Durch das Gehäuseoberteil14b ist ein Betätigungsstift1b herausgeführt, der innerhalb des Gehäuses von einem Membran1c umgeben ist. Der weitere Innenraum des Gehäuses14 ist durch ein Dehnstoffelement1d , wie Dehnstoffwachs, ausgefüllt. - Die Heizeinrichtung
1a weist einen Träger2 auf. Dieser weist einen eigentlichen Spulenkörper7 auf, der käfigartig aus Längs- und Querrippen8 ,9 gebildet ist. Die Querrippen9 – im Ausführungsbeispiel ist nur eine dargestelltstabilisieren den Spulenkörper7 und verhindern während des Wickelns des Heizdrahtes ein Einschnüren der Längsrippen8 . Am oberen Ende des Trägerkörpers ist ein massiver Ring10 ausgeformt. Der Ring10 weist Ansätze11 auf, deren äußere Abmessungen dem Innendurchmesser des zylinderförmigen Gehäuseunterteils14a entsprechen. Auf der dem Ring10 abgewandten Seite des Trägers2 ist ein Sockel4 ausgebildet, dessen Durchmesser ebenfalls dem Innendurchmesser des Gehäuseunterteils14a entspricht. Sockel4 und Ring10 mit Ansätzen11 zentrieren so den Träger2 im Gehäuse14 . Innerhalb des Sockels4 ist ein Ringabsatz16 ausgebildet, der zur Abdichtung einen O-Ring15 aufnimmt. Eine alternative Abdichtung des Trägers2 ist in der3 dargestellt. Hier ist seitlich am Sockel4 des Trägers2 eine radial umlaufende Ringnut17 ausgebildet, die ebenfalls einen O-Ring zur Abdichtung aufnimmt. Hierdurch ergibt sich eine große Auflagefläche20 zwischen Träger2 und Gehäuse14 und damit eine hohe Sicherheit auch im Hinblick auf den im Gehäuse14 herrschenden großen Innendruck. Darüber hinaus ist bei der Ausgestaltung der3 im Bereich einer Keilnut18 zwischen Sockel4 und innerer Wandung des Gehäuses14 eine Abdichtmasse19 eingebracht, die durch den hohen Innendruck ebenfalls abdichtend wirkt. Diese Abdichtmasse19 kann auch grundsätzlich bei der Ausgestaltung der1 vorgesehen sein. - In den Sockel
4 des Trägers2 sind Kontaktteile5 ,6 mit inneren Anschlussenden5a ,6a und äußeren Anschlussenden5b ,6b eingespritzt, die jeweils aus dem Träger2 herausragen. Um den Spulenkörper7 ist einlagig ein Heizdraht3 gewickelt, an dessen beiden Enden jeweils mit inneren Anschlussenden5a ,6a Kontaktteile5 ,6 verbunden sind. - Aus
6 , die den Schnitt I-I der5 durch den Träger2 zeigt, ist entnehmbar, dass eine innere Begrenzungslinie von Längs- und Querrippen8 ,9 dieser beispielhaften Ausführung einen Kreis bilden, so dass das Innere des Trägerkörpers2 zylindrisch ausgebildet ist. Die Außenseiten oder -kanten der – in dieser beispielhaften Ausführung6 – Längsrippen8 überragen die äußeren Abmessungen der – in diesem Fall einen – Querrippe9 derart, dass die äußere Verbindungslinie zweier benachbarter Längsrippen8 außerhalb der äußeren Abmessungen der Querrippe9 liegt. Somit berührt auch ein um die Außenseiten der Längsrippen8 gewickelter Heizdraht3 die Querrippen9 nicht und kann daher ebenso wie im Bereich der Durchbrüche zwischen Längs- und Querrippen8 ,9 auch im Bereich der Querrippen9 allseitig vom Dehnstoffwachs umspült werden. Durch die Anordnung der Längsrippen8 wird der Heizdraht in der dargestellten beispielhaften Ausführung in Form eines gleichmäßigen Sechsecks geführt. Eine andere Anzahl von Längsrippen8 , beispielsweise zwischen3 und10 , vorzugsweise zwischen4 und8 , ist ebenfalls möglich. - Das Einspritzen der Kontaktteile
5 ,6 in den Träger2 ist in der7 angedeutet. Aus der7 ist ersichtlich, dass die Kontaktteile5 ,6 in Form eines Stanzgitters vorliegen, bei dem während des Spritzvorganges die in der7 strichpunktiert dargestellten Teile des Stanzgitters noch vorhanden sind. Es werden, wie aus der7 ersichtlich ist, gleichzeitig mehrere Träger2 in die Form gespritzt. Nach Entnehmen der Träger2 und des Stanzgitters aus der Spritzform werden die strichpunktiert dargestellten Teile entfernt, so dass mit dem einzelnen Träger2 lediglich die durchgezeichnet dargestellten Kontaktteile5 ,6 verbunden bleibt. Damit ist eine rationelle und gut dichtende Verbindung der Kontaktteile5 ,6 nach außen sichergestellt. - Bei einer alternativen Ausgestaltung der Kontaktteile
5 ,6 sind diese nicht aus Flachmaterial, sondern rund ausgeführt. Die inneren Enden5a und6a sind dabei flachgedrückt und als Gabel21 ausgeformt. Der Heizdraht ist derart daran befestigt, dass er zuerst hinter der Gabel aufgewickelt und das Ende dann durch den Spalt21 der Gabel21 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 (siehe8 ). -
9 zeigt die monoton steigende Widerstand-Temperatur-Kennlinie des Heizleiters.
Claims (20)
- Dehnstoff-Arbeitselement, insbesondere zur Betätigung eines Thermostatventils, mit einem Gehäuse (
14 ) und mit einem aus dem Gehäuse herausgeführten beweglichen Arbeitsstift, wobei in dem Gehäuse Dehnstoff und eine Heizeinrichtung mit einem auf einem Träger (7 ) angebrachten elektrischen Widerstandselement angeordnet sind, wobei das Widerstandsheizelement ein um den Träger (7 ) gewickelter Heizleiter (3 ) ist, wobei Kontaktteile (5 ,6 ) zumindest durch einen Teil des Trägers (7 ) geführt sind, und wobei der Träger (7 ) Längsrippen (8 ,9 ) und einen Hohlraum aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (7 ) eine käfigförmige Struktur mit Längs- und Querrippen (8 ,9 ) aufweist, dass der Heizleiter (3 ) ein solcher mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes ist, dass der Heizleiter (3 ) mit einer hochtemperaturbeständigen Isolierschicht überzogen ist, dass am Ende des Trägers (7 ) ein massiver Ring (10 ) ausgeformt ist, der Ansätze (11 ) aufweist, deren äußere Abmessungen dem Innendurchmesser eines zylinderförmigen Gehäuseunterteils (14a ) entsprechen; und dass die innere und äußere Anschlussenden (5a ,6a ;5b ,6b ) aufweisenden Kontaktteile (5 ,6 ) in einem Sockel (4 ) des Trägers (2 ) eingespritzt sind, aus dem die inneren Anschlussenden (5a ,5b ) seitlich herausragen, mit denen beide Enden des Heizleiters (3 ) verbunden sind. - Arbeitselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter (
3 ) einen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes von > 2 × 10–3/K hat. - Arbeitselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (
2 ) eine mehrkantige Außenkontur hat. - Arbeitselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter (
3 ) um Außenkanten der Längsrippen gewickelt ist. - Arbeitselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter (
3 ) einlagig auf den Trägerkörper (2 ) aufgewickelt ist. - Arbeitselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Heizleiters (
3 ) eine Nickel-Eisen-Legierung ist. - Arbeitselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (
2 ) aus hochtemperaturbeständigem Material besteht. - Arbeitselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (
2 ) aus thermoplastischem Kunststoff, vorzugsweise Polyphenylensulfid (PPS) oder Flüssigkristallpolymer (Liquid Christall Polymer LCP) besteht. - Arbeitselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (
2 ) aus duroplastischem Kunststoff, insbesondere Epoxidharz, wie Araldit, besteht. - Arbeitselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (
2 ) aus spritzgießfähiger Polymerkeramik besteht. - Arbeitselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (
2 ) an seinem Kontaktteilen (5 ,6 ) tragenden Ende durch einen O-Dichtring (15 ) im Gehäuse abgedichtet ist. - Arbeitselement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der O-Dichtring (
15 ) zwischen Gehäuse (14 ) und Träger (2 ) in einem Ringabsatz (16 ) des Trägerkörpers (2 ) angeordnet ist. - Arbeitselement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der O-Dichtring (
15 ) in einer seitlich an einem Sockel (4 ) des Trägers (2 ) umlaufenden Ringnut (17 ) angeordnet ist. - Arbeitselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sockel (
4 ) des Trägerkörpers (2 ) an seiner der Heizleiter zugewandten Seite eine Keilnut aufweist, in der Dichtmasse angeordnet ist. - Arbeitselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktteile (
5 ,6 ) aus Flachmaterial bestehen. - Arbeitselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktteile (
5 ,6 ) aus Rundmaterial bestehen. - Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Endteile (
5a ,6a ) der Kontaktteile (5 ,6 ) flach gedrückt und als Gabel ausgebildet sind. - Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizdraht (
3 ) unterhalb der Gabel auf das Ende (5a ,6a ) des Kontaktteils (5 ,6 ) aufgewickelt ist, durch die Gabel geführt und deren Spitze zur Festlegung des Heizdrahtrandes zusammengedrückt ist. - Thermostatventil, insbesondere für den Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch ein Dehnstoff-Arbeitselement nach einem der vorangehenden Ansprüche.
- Verfahren zur Herstellung eines Trägers für eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktteile einem Spritzwerkzeug für einen Träger eines Heizleiters in Form eines Stanzgitters zugeführt werden.
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