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Die
Erfindung betrifft ein Dehnstoffelement, insbesondere für einen
Thermostaten, mit einer Dehnstoffkammer zur Aufnahme eines Dehnstoffs und
einem bei einer Ausdehnung des Dehnstoffs verlagerbaren Betätigungselement,
wobei in der Dehnstoffkammer wenigstens ein von Dehnstoff umgebenes
Wärmeleitelement
angeordnet ist.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 34 00 699 A1 ist ein Dehnstoffelement
bekannt, bei dem in einer Dehnstoffkammer ein Wärmeleitelement angeordnet ist,
das einerseits im Kontakt mit einer Wandung der Dehnstoffkammer
und andererseits von Dehnstoff umgeben ist. Mittels des Wärmeleitelements
soll Wärme
von einem das Dehnstoffelement umgebenden Medium schneller auf den
Dehnstoff in der Dehnstoffkammer übertragen werden, um so ein schnelleres
Ansprechen des Dehnstoffelements auf Temperaturänderungen des Mediums zu erreichen. Das
Wärmeleitelement
ist sternförmig
gefaltet, so dass sich radial nach innen ragende Falten ergeben. Das
Wärmeleitelement
besteht aus Kupfer und wird in die Dehnstoffkammer eingelötet.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE
199 40 975 A1 ist ein Dehnstoffthermostat zur temperaturabhängigen Verstellung
eines Schaltelementes bekannt, wobei Mittel zur Verbesserung der
Wärmeleitung
an der Wand des Gehäuses
vorgesehen sind. Die Mittel bestehen zum Beispiel aus Rippen, die über einen Fuß an einem
Gehäuse
des Dehnstoffthermostaten befestigt sind.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE
1 922 961 A ist ein Thermostat mit an einer Thermostatgehäuseinnenwand
und einer Thermostatgehäuseaußenwand
angeordneten, nach innen bzw. außen ragenden Wärmeübertragungsmitteln
bekannt, wobei die jeweils gegenüberliegenden
inneren und äußeren Wärmeübertragungsmittel
zu einstückigen,
die Thermostatgehäusewand
durchsetzenden Wärmeübertragungselementen
zusammengefasst sind.
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Zur
Verbesserung des Temperaturansprechverhaltens von Dehnstoffelementen
ist es ebenfalls bekannt, einen Dehnstoff mit Kupferpulver zu versetzen.
Der mit Kupferpulver versetzte Dehnstoff ist fertigungstechnisch
nicht einfach zu beherrschen. Es ist notwendig, das Gemisch von
Hand zu verarbeiten, da aufgrund der großen Dichteunterschiede zwischen
Kupferpulver und Dehnstoff sowie der sich daraus ergebenden Entmischungsgefahr
eine relativ große
Menge Bindemittel zugegeben werden muss. Das Gemisch ist dadurch
vergleichsweise zäh,
so dass eine maschinelle Verarbeitung schwer zu beherrschen wäre.
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Zur
Verbesserung des Temperaturansprechverhaltens ist es ebenfalls bekannt,
eine von einem Medium umspülte
Außenseite
eines Gehäuses
mit Strömungsleitblechen
oder ähnlichem
zu versehen, um den äußeren Wärmeübergang
zu verbessern.
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Mit
der Erfindung soll ein auf Temperaturänderungen rasch ansprechendes
Dehnstoffelement geschaffen werden, das kostengünstig herstellbar ist.
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Erfindungsgemäß ist hierzu
ein Dehnstoffelement, insbesondere für einen Thermostaten, mit einer
Dehnstoffkammer zur Aufnahme eines Dehnstoffs und einem bei einer
Ausdehnung des Dehnstoffs verlagerbaren Betätigungselement vorgesehen,
wobei in der Dehnstoffkammer wenigstens ein von Dehnstoff umgebenes
Wärmeleitelement
angeordnet ist, bei dem das Wärmeleitelement
wenigstens teilweise aus offenporigem Metallschaum besteht.
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Mit
Metallschaum werden schaumartige oder schwammartige offenporige
Metallgitternetzstrukturen bezeichnet, die regelmäßig, unregelmäßig oder mit
statistischer Unregelmäßigkeit
aufgebaut sein können.
Solche Metallschaumstrukturen weisen hohe Verhältnisse von Oberfläche zu Volumen
auf und sind dadurch geeignet, einen Wärmeübergang in den Dehnstoff zu
beschleunigen. Als offenporige Strukturen behindern sie eine Bewegung
oder Strömung
des Dehnstoffs in der Dehnstoffkammer nur geringfügig. Die
Anordnung des Metallschaums in der Dehnstoffkammer kann im Kontakt
zu einer Wandung der Dehnstoffkammer, beispielsweise aber auch an
einem beheizten Kolben des Betätigungsorgans
erfolgen. Selbst ohne Kontakt zu einer Wandung der Dehnstoffkammer
kann mittels des Metallschaums eine Wärmeverteilung in dem Dehnstoff
beschleunigt werden.
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In
Weiterbildung der Erfindung besteht der Metallschaum aus Aluminium
oder einer Aluminiumlegierung.
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Aluminium
weist gute Wärmeleiteigenschaften
auf und hat gegenüber
Kupfer eine geringere thermische Masse, so dass die Erwärmung des
Metallschaumelements selbst die Erwärmung des Dehnstoffs weniger
verlangsamt, als dies bei Kupfer der Fall wäre.
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In
Weiterbildung der Erfindung bestehen das Gehäuse des Dehnstoffelements mit
der Dehnstoffkammer und der Metallschaum aus dem gleichen Metall.
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Dadurch
weisen das Gehäuse
der Dehnstoffkammer und der Metallschaum den gleichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten auf. Das Gehäuse und das Wärmeleitelement
mit dem Metallschaum können
gegebenenfalls in einem Arbeitsgang, beispielsweise durch Feinguss,
hergestellt werden.
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In
Weiterbildung der Erfindung steht das Wärmeleitelement mit dem Metallschaum
in Kontakt zu wenigstens einer Wandung der Dehnstoffkammer. Dadurch
wird ein guter Wärmeübergang
von einem das Gehäuse
des Dehnstoffelements umgebenden Medium in den Dehnstoff erreicht.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist der Metallschaum mittels einer Löt- oder Schweißverbindung mit
wenigstens einer Wandung der Dehnstoffkammer verbunden. Dadurch
wird einerseits ein sicherer Halt des Metallschaums in der Dehnstoffkammer
und andererseits ein guter Wärmeübergang
vom Gehäuse der
Dehnstoffkammer zu dem Metallschaum erreicht.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist der Metallschaum mittels einer Presspassung
in die Dehnstoffkammer eingefügt.
Auf diese Weise wird ein einfach herstellbares Dehnstoffelement
geschaffen, bei dem ein guter Wärmeübergang
zwischen Metallschaum und Gehäuse
des Dehnstoffelements sowie ein sicherer Halt des Metallschaums
erreicht werden.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist der Metallschaum an einem in die
Dehnstoffkammer eingeführten
Ende mit einer Fase versehen. Auf diese Weise wird das Einschieben
des Wärmeleitelements
mit dem Metallschaum in die Dehnstoffkammer erleichtert.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist der Metallschaum mittels wenigstens
einer Einprägung
in eine die Dehnstoffkammer wenigstens abschnittsweise begrenzende
Gehäusewandung
fixiert. Durch diese Maßnahmen
kann einerseits das Metallschaumelement in der Dehnstoffkammer fixiert
werden, andererseits kann durch die Prägung einer Gehäusewandung
der Dehnstoffkammer auch eine Nullstellung des Betätigungselements
des Dehnstoffelements eingestellt werden.
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In
Weiterbildung der Erfindung sind eine die Dehnstoffkammer wenigstens
abschnittsweise bildende Bohrung und das Wärmeleitelement mit dem Metallschaum
zylindrisch ausgebildet.
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Speziell
die Form eines Kreiszylinders vereint einfache und präzise Herstellbarkeit
mit geringem Raumbedarf.
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In
Weiterbildung der Erfindung besteht das Wärmeleitelement vollständig aus
Metallschaum.
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Diese
Maßnahmen
tragen zur einfachen Herstellbarkeit bei. Ein Metallschaumelement
kann separat hergestellt und als Ganzes in die Dehnstoffkammer eingeschoben
werden.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist das Wärmeleitelement mit einer zentralen
Bohrung versehen. Eine solche zentrale Bohrung kann zum Einfüllen des Dehnstoffs
bei eingeschobenem Wärmeleitelement sowie
zum Aufnehmen eines Kolbens eines Betätigungsorgans dienen.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Betätigungselement und dem Metallschaum
ein Distanzstück
vorgesehen.
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Auf
diese Weise wird ein Schutz des Betätigungselements, beispielsweise
eine die Dehnstoffkammer abschließende Membran, vor Verletzungen durch
den Metallschaum, beispielsweise bei nicht beabsichtigter Verlagerung
des Metallschaums, erreicht. Das Distanzstück kann beispielsweise als breitere,
den Metallschaum in Richtung der Membran abdeckenden weiteren Membran
ausgebildet sein.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist das Gehäuse an seiner Außenseite
mit einer Rändelung
versehen.
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Eine
Rändelung
ist maschinell in einfacher Weise herstellbar. Eine Rändelung
an einer Außenseite
des Gehäuses,
die in ein Medium, beispielsweise Wasser, ragt, sorgt einerseits
für eine
Verwirbelung des Mediums und somit für einen verbesserten Wärmeübergang
zwischen Medium und Gehäuse. Zum
anderen wird eine Oberflächenvergrößerung der
Außenseite
des Gehäuses
erzielt, die ebenfalls zu einem ver besserten Wärmeübergang beiträgt. Gegenüber Wärmeleitblechen
hat eine Rändelung den
Vorteil, dass das Gehäuse
zur Einstellung einer Nullstellung des Betätigungsorgans auch nach Aufbringen
der Rändelung
noch geprägt
werden kann.
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Ein
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung in Zusammenhang
mit den Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Längsschnittansicht
eines Dehnstoffelements gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung und
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2 eine
schematische Darstellung eines Abschnitts eines erfindungsgemäßen Metallschaumelements.
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In
der Darstellung der 1 ist ein teilweise geschnittenes
Dehnstoffelement 10 zu erkennen. Das Dehnstoffelement 10 weist
ein Gehäuse 12 auf, das
mit einer zylindrischen Bohrung versehen ist, die eine Dehnstoffkammer 14 bildet.
Die Dehnstoffkammer 14 ist mit einem geeigneten Dehnstoff,
beispielsweise Wachs oder Öl,
gefüllt,
das sich bei Erwärmung
ausdehnt. Bei Erwärmung
des Dehnstoffs in der Dehnstoffkammer 14 wird eine, die
Dehnstoffkammer 14 verschließende Membran 16 verformt. Die
Membran 16 ist an ihrem Umfang mittels eines Befestigungsteils 18 an
dem Gehäuse 12 festgelegt. Hierzu
ist ein Ringflansch 20 des Befestigungsteils 18 in
einen ringförmigen
Endabschnitt 22 des Gehäuses 12 eingebördelt. Dadurch
wird die Membran 16 in ihrem Umfangsbereich gegen das Gehäuse 12 gepresst.
Bei einer Ausdehnung des Dehnstoffs in der Dehnstoffkammer 14 verlagert
sich folglich nur ein Mittenbereich der Membran 16. Bei
einer Verlagerung des Mittenbereichs der Membran 16 wird
ein Distanzstück 24 bewegt,
das in einer Bohrung 26 des Befestigungsteils 18 verschiebbar
gelagert ist. Ei ne Verschiebung des Distanzstücks 24 wird auf eine
Betätigungsstange 28 übertragen,
die ebenfalls in der Bohrung 26 des Befestigungsteils 18 verschiebbar aufgenommen
ist. Die Betätigungsstange 28 ist
an ihrem, außerhalb
des Befestigungsteils 18 liegenden Ende mit einer Gummimanschette 30 versehen,
die die Bohrung 26 gegen Eindringen von Schmutz abdichtet
und mit dem Befestigungsteil 18 verbunden ist.
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Das
Gehäuse 12 ist
wenigstens abschnittsweise von einem Medium umströmt, beispielsweise Wasser,
das eine vorgewählte
Temperatur haben soll. Je nach Temperatur des das Gehäuse 12 umgebenden
Wassers dehnt sich der Dehnstoff in der Dehnstoffkammer 14 aus
oder zieht sich wieder zusammen. Je nach Ausdehnung des Dehnstoffs
in der Dehnstoffkammer 14 wird die Membran 16 verlagert und
die Betätigungsstange 28 nimmt
eine definierte Stellung ein, die von der Temperatur des das Gehäuse 12 umgebenden
Wassers abhängt.
Mittels der Betätigungsstange 28 kann
ein Mischventil einer Armatur betätigt werden. Auf diese Weise
kann die Temperatur des das Gehäuse 12 umgebenden
Wassers geregelt werden.
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Um
einen Temperaturübergang
von dem Medium auf das Gehäuse 12 zu
verbessern, ist das Gehäuse 12 in
seinem, vom Medium umströmten
Abschnitt mit einer Rändelung 32 versehen.
Die Rändelung 32 trägt einerseits
zu einer Oberflächenvergrößerung der
Außenseite
des Gehäuses 12 sowie
zu einer Verwirbelung des Mediums bei. Die Rändelung 32 bewirkt
somit einen verbesserten Wärmeübergang
vom Medium auf das Gehäuse 12.
Ein guter Wärmeübergang
zwischen dem das Gehäuse 12 umströmenden Medium
und dem Dehnstoff in der Dehnstoffkammer 14 ist erwünscht, um
Temperaturschwankungen des Mediums möglichst rasch ausregeln zu
können.
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Zur
Verbesserung des Wärmeübergangs von
dem Gehäuse 12 in
den Dehnstoff in der Dehnstoffkammer 14 ist in die Dehnstoffkammer 14 ein Wärmeleitelement
eingeschoben, das aus einem offenporigen Metallschaumelement 34 besteht.
Die Gitternetzstruktur des Metallschaumelements 34 ist in
der 1 durch regelmäßig verlaufende
Gitternetzlinien angedeutet. Es können aber sowohl regelmäßige als
auch unregelmäßige sowie
mit statistischen Unregelmäßigkeiten
versehene metallische Gitternetzstrukturen verwendet werden. Die
Poren des Metallschaumelements 34 sind mit dem Dehnstoff
gefüllt.
Auf diese Weise ist ein guter Wärmeübergang
von dem Metallschaumelement 34 auf den in der Dehnstoffkammer 14 befindlichen
Dehnstoff gewährleistet.
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Das
kreiszylindrische Metallschaumelement 34 ist mit einer
leichten Presspassung in die ebenfalls zylindrische Dehnstoffkammer 14 eingefügt. Dadurch steht
das Metallschaumelement 34 in Kontakt mit der Umfangswandung
der Dehnstoffkammer 14. Auf diese Weise ist ein guter Wärmeübergang
zwischen der Wandung des Gehäuses 12 und
dem aus Aluminium bestehenden Metallschaumelement 34 gewährleistet.
Mittels des Metallschaumelements 34 kann eine schnellere
Reaktion des Dehnstoffelements 10 auf Temperaturänderungen
des Mediums erreicht werden, das das Gehäuse 12 umströmt.
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Um
das Einführen
des Metallschaumelements 34 in die Dehnstoffkammer 14 zu
erleichtern, ist dieses an dem Ende, das zuerst in die Dehnstoffkammer 14 eingeführt wird,
mit einer umlaufenden Fase 36 versehen. Das Metallschaumelement 34 wird
unter Kraftanwendung in die Dehnstoffkammer 14 eingeschoben,
so dass es mit einer leichten Presspassung in der Dehnstoffkammer 14 gehalten
ist. Diesbezüglich
ist es vorteilhaft, wenn das Gehäuse 12 wie
das Metallschaumelement 34 aus Aluminium bestehen, da dann
das Gehäuse 12 und
das Metallschaumelement 34 den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
aufweisen, so dass sich das Metallschaumelement 34 auch
bei Erwärmung
des Gehäuses 12 nicht
lockert. Um die Membran 16 vor Verletzungen durch das Metallschaumelement 34 zu schützen, wenn
sich dieses doch in Richtung der Membran 16 verschieben
sollte, kann zwischen dem Metallschaumelement 34 und der
Membran 16 ein Distanzstück vorgesehen sein. Ein solches
Distanzstück
kann beispielsweise aus einer weiteren Membran auf der Stirnseite
des Metallschaumelements 34 bestehen.
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Die
schematische Ansicht der 2 dient der Veranschaulichung
einer möglichen
Gitternetzstruktur des Metallschaumelements 34. Dargestellt ist
ein willkürlicher
Ausschnitt aus dem Metallschaumelement 34, wobei zu erkennen
ist, dass die Gitternetzstruktur des Metallschaumelements 34 aus
miteinander verbundenen Stegen 38 besteht, die durch die
Poren definiert werden. Elementare Strukturparameter des Metallschaumelements 34 sind
Volumenanteil und Porosität. 2 stellt
lediglich eine mögliche
Gitternetzstruktur dar, als Wärmeleitelemente sind
auch anders ausgebildete schaumartige offenporige Metallgitternetzstrukturen
einsetzbar.