DE102004022351C5

DE102004022351C5 - Dehnstoffelement

Info

Publication number: DE102004022351C5
Application number: DE102004022351A
Authority: DE
Inventors: Eike Dr. Willers; Harald Ruoff
Original assignee: Behr Thermot Tronik GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2004-04-29
Filing date: 2004-04-29
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2024-04-30
Also published as: KR100859364B1; JP2005326004A; DE102004022351B4; DE102004022351A1; US20050242311A1; KR20060047583A

Abstract

Dehnstoffelement für Thermostatventile mit einem Gehäuse (20), einem in dem Gehäuse (20) angeordneten Dehnstoff (22), einem bei einer Volumenänderung des Dehnstoffs (22) relativ zum Gehäuse (20) bewegbaren, als Kolben (16) ausgebildeten Betätigungselement (16) und elektrisch aktivierbaren Mitteln zum Aufheizen des Dehnstoffs (22), wobei das Gehäuse (20) mittels eines Verschlussstopfens (24) verschlossen ist, der eine zentrale Durchgangsbohrung aufweist, in welcher der Kolben (16) geführt ist, die Mittel zum Aufheizen des Dehnstoffs (22) zwei mit dem Dehnstoff (22) in Kontakt stehende Elektroden (28, 20) aufweisen, der Dehnstoff (22) elektrisch leitfähig ist und einen elektrischen Widerstand bildet und der Dehnstoff (22) ein Wachs ist, das mit elektrisch leitfähigen und jeweils einen elektrischen Widerstand bildenden Partikeln versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verschlussstopfen (24) und dem Dehnstoff (22) eine Gummimembran (26) angeordnet ist, welche bei Erwärmung des Dehnstoffs (22) in die zentrale Durchgangsbohrung des Verschlussstopfens (24) hineingedrückt wird und dadurch den Kolben vom...

Description

Die Erfindung betrifft ein Dehnstoffelement für Thermostatventile mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse angeordneten Dehnstoff, einem bei einer Volumenänderung des Dehnstoffs relativ zum Gehäuse bewegbaren Betätigungselement und elektrisch aktivierbaren Mitteln zum Aufheizen des Dehnstoffs, wobei die Mittel zum Aufheizen des Dehnstoffs zwei mit dem Dehnstoff in Kontakt stehende Elektroden aufweisen, der Dehnstoff elektrisch leitfähig ist und einen elektrischen Widerstand bildet.
Bekannt sind Dehnstoffelemente für Thermostatventile von Kühlkreisläufen in Kraftfahrzeugen, bei denen ein Dehnstoff elektrisch beheizt werden kann, um einen Arbeitspunkt des Dehnstoffelements zu verschieben. Der Dehnstoff wird beispielsweise dann beheizt, wenn eine aktuelle Fahrsituation des Kraftfahrzeugs, beispielsweise Volllast bei niedriger Geschwindigkeit, einen erhöhten Kühlbedarf erwarten lässt. Durch Beheizen des Dehnstoffs kann das Thermostatventil dann geöffnet werden, noch bevor die dafür an und für sich notwendige Kühlwassertemperatur erreicht ist. Als Heizelemente werden im Dehnstoff angeordnete Dick schichtwiderstände, Platten, Zylinder oder Wickeldrähte verwendet. Es ist ebenfalls bekannt, einen Kolben des Dehnstoffelements elektrisch zu beheizen. Aufgrund der hohen Dehnstoffdrücke bis etwa 400 bar, der teilweise hohen Umgebungstemperatur verbunden mit geringer Wärmeabfuhr sowie von Vibrationen im Fahrbetrieb liegen harte Umgebungsbedingungen vor, die hohe Anforderungen an die Heizelemente und insbesondere die elektrischen Zuleitungen und deren Durchleitungen stellen. Auch die Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse und deren Weiterführung durch ein Gehäuse eines Thermostatventils ist kritisch.
Die deutsche Patentschrift DE 11 935 77 B zeigt ein Dehnstoffelement für Thermostatventile, bei dem ein elektrisch leitfähiger Silikongummi durch Stromdurchgang elektrisch beheizt wird und bei dem sich durch die Wärmeausdehnung des Silikongummis ein Arbeitskolben verschiebt. Der Aggregatzustand des Silikongummis ändert sich bei der Erwärmung nicht.
Aus der US 5,971,288 ist ein Dehnstoffelement für Thermostatventile mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse angeordneten Dehnstoff, einem bei einer Volumenänderung des Dehnstoffs relativ zum Gehäuse bewegbaren Betätigungselement und elektrisch aktivierbaren Mitteln zum Aufheizen des Dehnstoffs bekannt, wobei die Mittel zum Aufheizen des Dehnstoffs zwei mit dem Dehnstoff in Kontakt stehende Elektroden aufweisen, der Dehnstoff elektrisch leitfähig ist und einen elektrischen Widerstand bildet und der Dehnstoff ein Wachs ist, das mit elektrisch leitfähigen und jeweils einen elektrischen Widerstand bildenden Partikeln versehen ist.
Mit der Erfindung soll ein einfach herstellbares und zuverlässiges elektrisch beheizbares Dehnstoffelement geschaffen werden.
Erfindungsgemäß ist ein Dehnstoffelement für Thermostatventile mit einem Gehäuse vorgesehen, einem in dem Gehäuse angeordneten Dehnstoff, einem bei einer Volumenänderung des Dehnstoffs relativ zum Gehäuse bewegbaren, als Kolben ausgebildeten Betätigungselement und elektrisch aktivierbaren Mitteln zum Aufheizen des Dehnstoffs, wobei das Gehäuse mittels eines Verschlussstopfens verschlossen ist, der eine zentrale Durchgangsbohrung aufweist, in welcher der Kolben geführt ist, die Mittel zum Aufheizen des Dehnstoffs zwei mit dem Dehnstoff in Kontakt stehende Elektroden aufweisen, der Dehnstoff elektrisch leitfähig ist und einen elektrischen Widerstand bildet und der Dehnstoff ein Wachs ist, das mit elektrisch leitfähigen und jeweils einen elektrischen Widerstand bildenden Partikeln versehen ist, zwischen dem Verschlussstopfen und dem Dehnstoff eine Gummimembran angeordnet ist, welche bei Erwärmung des Dehnstoffs in die zentrale Durchgangsbohrung des Verschlussstopfens hineingedrückt wird und dadurch den Kolben von dem Gehäuse weg verschiebt, eine in einen Innenraum des Gehäuses ragende und mit dem Dehnstoff in Kontakt stehende Elektrode vorgesehen ist und das mit dem Dehnstoff in Kontakt stehende Gehäuse die zweite Elektrode bildet.
Indem der Dehnstoff selbst den elektrischen Widerstand bildet, kann unmittelbar der Dehnstoff beheizt werden. in der Folge kann eine sehr gleichmäßige Erwärmung des Dehnstoffs und damit eine sehr schnelle, zuverlässige Auslenkung des Betätigungselements erzielt werden. Speziell müssen keine separaten Heizelemente vorgesehen werden, wodurch eine erhebliche Vereinfachung der Konstruktion und erhebliche Kosteneinsparungen erzielbar sind. Gerade die kritische Kontaktierung der separaten Heizelemente, die im Betrieb härtesten Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, kann bei der Erfindung entfallen.
Indem der Dehnstoff ein mit Partikeln versehenes Wachs ist, lässt sich der elektrische Widerstand des Dehnstoffs in einfacher Weise durch die Anzahl der Partikel, deren Größe sowie deren elektrische Eigenschaften einstellen. Für das erfindungsgemäße Dehnstoffelement kann dadurch ein konventioneller, bewährter Dehnstoff verwendet werden, der lediglich mit elektrisch leitfähigen Partikeln versehen werden muss. Die Partikelgröße kann dabei sehr klein sein, bis in den Nanometerbereich, so dass sich die hydraulischen Eigenschaften des Dehnstoffs nicht oder lediglich unwesentlich verändern.
In Weiterbildung der Erfindung weist der Dehnstoff Graphitpartikel, Metallpartikel und/oder Partikel aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten auf.
Beispielsweise wird Metallpulver mit einer Partikelgröße bis zum Nanometerbereich in den Dehnstoff eingebracht. Ein solches Pulver mit positivem Widerstandstemperaturkoeffizient oder PTC-Pulver, bei dem ein elektrischer Widerstandswert mit steigender Temperatur ansteigt, ermöglicht beim Einsatz in Kühlsystemen von Kraftfahrzeugen ein schnelles und zuverlässiges Ansprechen des Dehnstoffelements.
In Weiterbildung der Erfindung weisen die Partikel jeweils im Mikrometerbereich liegende Abmessungen auf.
Beispielsweise beträgt die Partikelgröße zwischen etwa 1 μm und 10 μm pro Partikel. Solche Partikelabmessungen haben sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Beim Einsatz im Kühlsystem von Kraftfahrzeugen liegt das üblicherweise kühlwasserumspülte Gehäuse zweckmäßigerweise auf Masse. Indem das Gehäuse als eine der beiden Elektroden verwendet wird, ergibt sich eine weitere Vereinfachung dadurch, dass nur noch eine separate Elektrode im Dehnstoff angeordnet werden muss. In der Folge muss auch nur noch eine elektrische Zuleitung in abgedichteter und elektrisch isolierter Weise in das Gehäuse eingeführt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Schnittansicht eines Thermostatventils mit einem erfindungsgemäßen Dehnstoffelement.
In der Schnittansicht der 1 ist ein Thermostatventil 10 dargestellt, das ein elektrisch beheizbares Dehnstoffelement 12 aufweist, mittels dem ein Absperrschieber 14 bewegbar ist. Der Absperrschieber 14 wird mittels eines Kolbens 16 des Dehnstoffelementes 12 bewegt. In seine Ruhelage ist der Absperrschieber mittels einer Feder 18 vorgespannt. Wird der Absperrschieber 14 mittels der Feder 18 in die Ruhelage bewegt, wird gleichzeitig der Kolben 16 in seine Ruhelage zurückgedrückt.
Neben dem Kolben 16 weist das Dehnstoffelement 12 ein Gehäuse 20 auf, in dem ein Dehnstoff 22 angeordnet ist. Das Gehäuse 22 wird mittels eines Verschlussstopfens 24 verschlossen, wobei zwischen dem Verschlussstopfen 24 und dem Dehnstoff 22 eine Gummimembran 26 angeordnet ist. Der Verschlussstopfen 24 weist eine zentrale Durchgangsbohrung auf, in der der Kolben 16 geführt ist.
Wenn sich der Dehnstoff 22, beispielsweise ein Wachs, erwärmt, dehnt sich sein Volumen aus. In der Folge wird die Gummimembran 26, wie in der 1 dargestellt ist, in die zentrale Durchgangsbohrung des Verschlussstopfens 24 hineingedrückt und verschiebt dadurch auch den Kolben 16 vom Gehäuse 20 weg, in der 1 nach unten. Verringert sich das Volumen des Dehnstoffs 22 wieder durch Abkühlung, zieht sich die Gummimembran 26 aus der zentralen Durchgangsbohrung des Verschlussstopfens 24 zurück und auch der Kolben 16 wird mittels der Feder 18 wieder zurückgedrückt. Eine Erwärmung des Dehnstoffs findet durch einen Wärmeübergang von dem das Thermostatventil 10 durchströmenden Kühlwasser auf das Gehäuse 20 und dann den Dehnstoff 22 statt.
Um den Absperrschieber 14 bereits bei einer Kühlwassertemperatur zu bewegen, bei der der Dehnstoff 22 noch keine ausreichende Volumenänderung erfährt, um den Kolben 16 nennenswert zu bewegen, sind bei dem Thermostatventil 10 Mittel vorgesehen, um den Dehnstoff 22 elektrisch zu beheizen. Diese Mittel weisen eine in den Dehnstoff hineinragende Elektrode 28 auf, die über ein elektrisches Verbindungskabel 30 und einen Stecker 32 mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Ein zweites Verbindungskabel 34 ist elektrisch mit dem Gehäuse 20 verbunden und legt das Gehäuse 20 auf Masse. Weiterhin ist der Dehnstoff 22 im Gehäuse 20 elektrisch leitfähig und bildet einen elektrischen Widerstand. Dies wird dadurch erreicht, dass dem Dehnstoff 22 elektrisch leitfähige Partikel beigemengt sind, die jeweils selbst einen elektrischen Widerstand bilden. Da der Dehnstoff 22 leitfähig ist, fließt dann, wenn an die Elektrode 28 ein Potential angelegt wird, ein Strom zwischen der Elektrode 28 und dem auf Masse gelegten Gehäuse 20. Der Strom fließt dabei durch den mit elektrisch leitfähigen Partikeln versehenen und dadurch einen elektrischen Widerstand bildenden Dehnstoff 22, so dass sich dieser erwärmt. Bei ausreichender Erwärmung des Dehnstoffs 22 wird sich dieser dann wieder ausdehnen und den Kolben 16 verschieben.
Da der Dehnstoff 22 unmittelbar erwärmt wird und im Gegensatz zum Stand der Technik keine separaten Heizelemente eingesetzt werden müssen, ist der Aufbau des Dehnstoffelements 12 erheblich vereinfacht. Speziell müssen keine separaten Heizelemente kontaktiert werden, was bei den erheblichen Drücken im Dehnstoffelement 12, bis zu 400 bar, der erheblichen Erwärmung des Dehnstoffelements und den starken Vibrationen im Fahrbetrieb von großem Vorteil ist. Da der Dehnstoff 22 selbst elektrisch leitfähig ist, kann auch eine sehr homogene Erwärmung des Dehnstoffs erzielt werden. In der Folge kann ein sehr zuverlässiges und auch schnelles Ansprechen des Dehnstoffelements 12 bei elektrischer Beheizung erreicht werden. Die Größe der Partikel, vorzugsweise Metall- oder Graphitpartikel mit positivem Temperaturkoeffizienten, liegt im Bereich zwischen 1 μm und 100 μm.

Claims

Dehnstoffelement für Thermostatventile mit einem Gehäuse (20), einem in dem Gehäuse (20) angeordneten Dehnstoff (22), einem bei einer Volumenänderung des Dehnstoffs (22) relativ zum Gehäuse (20) bewegbaren, als Kolben (16) ausgebildeten Betätigungselement (16) und elektrisch aktivierbaren Mitteln zum Aufheizen des Dehnstoffs (22), wobei das Gehäuse (20) mittels eines Verschlussstopfens (24) verschlossen ist, der eine zentrale Durchgangsbohrung aufweist, in welcher der Kolben (16) geführt ist, die Mittel zum Aufheizen des Dehnstoffs (22) zwei mit dem Dehnstoff (22) in Kontakt stehende Elektroden (28, 20) aufweisen, der Dehnstoff (22) elektrisch leitfähig ist und einen elektrischen Widerstand bildet und der Dehnstoff (22) ein Wachs ist, das mit elektrisch leitfähigen und jeweils einen elektrischen Widerstand bildenden Partikeln versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verschlussstopfen (24) und dem Dehnstoff (22) eine Gummimembran (26) angeordnet ist, welche bei Erwärmung des Dehnstoffs (22) in die zentrale Durchgangsbohrung des Verschlussstopfens (24) hineingedrückt wird und dadurch den Kolben vom Gehäuse weg verschiebt, und eine in einen Innenraum des Gehäuses (20) ragende und mit dem Dehnstoff (22) in Kontakt stehende Elektrode (28) vorgesehen ist, und dass das mit dem Dehnstoff (22) in Kontakt stehende Gehäuse (20) die zweite Elektrode bildet.
Dehnstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnstoff (22) Graphitpartikel, Metallpartikel und/oder Partikel aus einem Material mit positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweist.
Dehnstoffelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel jeweils im Mikrometerbereich liegende Abmessungen aufweisen.