DE102006003783A1 - Elektrisch beheizbares thermostatisches Arbeitselement - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisch mittels eines Heizelementes (5) beheizbares thermostatisches Arbeitselement (2) mit einem einen Dehnstoff aufnehmenden Gehäuse (3) und einem aus dem Gehäuse ausfahrbaren Arbeitskolben (4). DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass das Heizelement (5) aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) herstellbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein elektrisch mittels eines Heizelementes beheizbares thermostatisches Arbeitselement nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
• Elektrisch beheizbare Arbeitselemente sind bekannt, z. B. durch die DE 199 54 916 A1 der Mitanmelderin. Ein solches Arbeitselement, auch Dehnstoffelement genannt, weist ein metallisches Gehäuse auf, in welchem ein sich bei Erwärmung ausdehnender Stoff, ein Dehnstoff, beispielsweise eine Wachsmischung eingeschlossen ist. Das Gehäuse nimmt ferner einen Arbeitskolben auf, der bei Erwärmung des Dehnstoffes aus dem Gehäuse ausgefahren wird und der Erzeugung einer Stellkraft dient. Die Beheizung des Dehnstoffelementes, welches napfartig ausgebildet ist, erfolgt bei dem bekannten Arbeitselement durch einen scheibenförmigen elektrischen Heizwiderstand, insbesondere einen PTC-Widerstand (PTC = positiver Temperaturkoeffizient). Der Heizwiderstand ist am Boden des Dehnstoffgehäuses angeordnet und wird über eine Kontaktfeder elektrisch kontaktiert. Der Strom fließt durch den Heizwiderstand und das Gehäuse des Dehnstoffelementes, welches an Masse gelegt ist. Die im Heizelement entstehende Wärme gelangt durch Wärmeleitung durch das Gehäuse in den Dehnstoff, welcher sich ausdehnt und dabei den Arbeitskolben aus dem Gehäuse treibt. Derartige thermostatische Arbeitselemente werden – wie auch die DE 197 05 721 A1 der Mitanmelderin zeigt – bei Stellantrieben für Heizungsventile verwendet. Als PTC-Heizelement wird eine 2 bis 3 mm dicke Keramikscheibe verwendet, welche durch einen Sinterprozess hergestellt wird (vgl. DE 20 2004 015 967 U1 und DE 10 2004 011 984 A1 ). Die Keramikscheibe ist insofern in ihrer Formgestaltung und ihrer Festigkeit, insbesondere Elastizität beschränkt.
• Eine abweichende Art der Beheizung eines Dehnstoffelementes wurde durch die DE 10 2004 022 351 A1 der Mitanmelderin bekannt, wobei der Dehnstoff selbst den elektrischen Widerstand bildet und mit elektrisch leitfähigen und jeweils einen elektrischen Widerstand bildenden Partikeln dotiert ist. Auf ein PTC-Element im vorgenannten Sinne kann hierbei verzichtet werden.
• Durch die US 5,206 476 A wurde eine PTC-Heizeinrichtung aus einem Kunststoffmaterial (Polymer) bekannt, welche zur Erwärmung von Luft für ein Kraftfahrzeug verwendet wird. Der PTC-Kunststoffheizer weist Kanäle und Rippen auf, welche ihre Wärme über Konvektion an die Luft abgeben.
• Eine ähnliche Luftheizeinrichtung, hergestellt aus einem Kunststoff bzw. einem Polymer mit PTC-Eigenschaften, wurde durch die WO 2005/025272 A1 bekannt. Ein wabenartiges Gitter wird elektrisch beheizt und von Luft durchströmt.
• Ausgehend von diesem Stand der Technik, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Beheizung eines thermostatischen Arbeitselementes der eingangs genannten Art zu verbessern, insbesondere kostengünstiger zu gestalten.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Heizelement aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff mit PTC-Eigenschaften hergestellt ist oder herstellbar ist. Damit wird der Vorteil erreicht, dass das Heizelement in beliebigen Formen kostengünstig hergestellt ist oder herstellbar ist. Darüber hinaus ist von Vorteil, dass das Gewicht in Folge Verwendung dünnerer Heizelemente reduziert wird.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Da der Kunststoff spritz- und extrudierfähig ist, kann das Heizelement optimal an die Form des Dehnstoffelementes angepasst werden. Vorteilhaft ist ein als Spritzteil hergestelltes topfförmiges Heizelement, in welches das Dehnstoffelement eingesetzt wird. Damit ergibt sich einerseits eine Fixierung des Heizelementes gegenüber dem Gehäuse des Dehnstoffelementes und andererseits eine größere Oberfläche zur Beheizung des Dehnstoffgehäuses. Das Arbeitselement kann somit schneller reagieren, die Regelung wird dynamischer.
• Das Kunststoffheizelement wird vorteilhafterweise durch eine am Boden angeordnete Kontaktfeder mit Strom versorgt, welcher über das Heizelement in das Gehäuse des Dehnstoffelementes fließt, welches seinerseits an Masse gelegt ist. Damit ergibt sich eine vorteilhafte Kontaktierung des Arbeitselementes.
• Vorteilhaft ist auch, wenn der Kunststoff zur Erzielung einer elektrischen Leitfähigkeit Graphit enthält.
• Das erfindungsgemäße Kunststoffheizelement kann vorteilhaft für Stellantriebe, insbesondere bei Heizungsventilen verwendet werden.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
• 1 einen Stellantrieb mit erfindungsgemäßem Arbeitselement und
• 2 das erfindungsgemäße Heizelement.
• 1 zeigt einen Stellantrieb 1 mit einem erfindungsgemäßen Arbeitselement 2. Bezüglich des Stellantriebes wird auf die beiden eingangs genannten Druckschriften der Mitanmelderin, die DE 197 05 721 A1 und die DE 199 54 916 A1 verwiesen, welche beide vollumfänglich in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung einbezogen werden. Das Arbeitselement 2 weist ein Dehnstoffgehäuse 3 aus Metall, vorzugsweise Messing auf, welches in sich einen nicht dargestellten Dehnstoff, z. B. eine Wachsmischung aufnimmt, welche nach außen auf bekannte Weise abgeschlossen ist. Aus der oberen Stirnfläche des Dehnstoffgehäuses 3 ragt ein Arbeitskolben 4 heraus, welcher bei Ausdehnung des Dehnstoffes ausgetrieben wird. Das Dehnstoffelement weist einen zylindrisch und napfförmig ausgebildeten Fühlteil 3a auf, welcher teilweise in einem topfförmig ausgebildeten Heizelement 5 aufgenommen ist, welches einen Boden 5a und eine zylindrische Wandung 5b aufweist. Der Fühlteil 3a des Dehnstoffgehäuses 3 liegt somit mit seiner Stirnfläche auf dem Boden 5a auf und wird andererseits von der zylindrischen der Wandung 5b umgeben. Die Oberfläche des Dehnstoffgehäuses 3, insbesondere des Fühlteiles 3a und die innere Oberfläche des topfförmigen Heizelementes 5, 5a, 5b stehen Wärme leitend und elektrisch leitend in Verbindung. Unterhalb des Bodens 5a des Heizelementes 5 ist eine Kontaktfeder 6 angeordnet, welche sich elektrisch leitend an der Außenfläche des Bodens 5a abstützt. Die Kontaktfeder 6 ist mit einem Pluspol 7 einer nicht dargestellten elektrischen Stromversorgung verbunden. Die dem Heizelement 5 abgewandte Seite des Dehnstoffelementes 3, d. h. der Bund 3b ist über eine Kontaktierung 8 an Masse (Minuspol) gelegt.
• Das topfförmige Heizelement 5 ist aus einem elektrisch leitenden Kunststoff mit PTC-Eigenschaften, d. h. mit einem bei einer Grenztemperatur sprunghaft ansteigenden ohmschen Widerstand hergestellt. Durch diese Eigenschaft ist der Heizer – wie an sich bekannt – selbstregelnd und schaltet sich bei hohen Temperaturen ab. Der Kunststoff, ein Polymer, enthält elektrisch leitende Bestandteile, insbesondere Graphit. Das Kunststoffmaterial des Heizelementes 5 ist spritzfähig, d. h. das topfförmige Heizelement 5 ist als Spritzgussteil herstellbar. Selbstverständlich sind andere, jeweils an das Dehnstoffgehäuse 3 angepasste Formen möglich. Durch die spritztechnisch exakte Formgebung ergibt sich ein inniger Kontakt zwischen der Topfform des Heizelementes 5 und dem Dehnstoffgehäuse 8, d. h. es findet eine gute Wärmeleitung einerseits vom Boden her und andererseits vom Umfang her statt. Die Erwärmung des Dehnstoffes kann somit schneller erfolgen, d. h. das Arbeitselement kann schneller reagieren, der Antrieb wird dynamischer.
• Die Funktion des Stellantriebes in Verbindung mit einem Arbeitselement ist bekannt und wird hier nicht im Einzelnen erläutert, vielmehr wird auf den in die Anmeldung einbezogenen Stand der Technik verwiesen.
• 2 zeigt das topfförmig ausgebildete Heizelement 5, welches als Kunststoffspritzteil hergestellt ist und den Boden 5a sowie die zylindrische Wandung 5b aufweist. Das Heizelement 5 weist eine innere Kontaktfläche F auf, welche sich aus der Kreisfläche F1 des Bodens 5a und der Zylindermantelfläche F2 der Wandung 5b zusammensetzt. Diese Fläche F = F1 + F2 ist maßgebend für den Wärmeübergang zwischen dem Heizelement 5 und dem Fühlteil 3a des Dehnstoffgehäuses 3. Durch diese Betrachtung wird deutlich, dass durch die erfindungsgemäße Topfform bzw. Ummantelung des Fühlteils 3a des Dehnstoffgehäuses 3 mehr Wärme bzw. ein größerer Wärmestrom übertragen werden kann.
• Wie bereits erwähnt, sind aufgrund der Spritzeigenschaften des Kunststoffes mannigfaltige Abwandlungen der im Ausführungsbeispiel dargestellten Topfform möglich, beispielsweise eine Netzform oder eine Bandage, welche das Dehnstoffgehäuse ummantelt und somit erwärmt.
• Die Isolierung des Heizelementes nach außen erfolgt durch ein Kunststoffteil des Stellantriebes.

Claims (9)

1. Elektrisch mittels eines Heizelementes (5) beheizbares thermostatisches Arbeitselement (2) mit einem einen Dehnstoff aufnehmenden Gehäuse (3) und einem aus dem Gehäuse ausfahrbaren Arbeitskolben (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (5) aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) hergestellt ist.
2. Arbeitselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (5) als Spritzteil (durch Spritzgießen) hergestellt ist.
3. Arbeitselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (5) der Form des Gehäuses (3) anpassbar ist und dieses zumindest teilweise umschließt.
4. Arbeitselement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (5) topfförmig (5a, 5b) ausgebildet ist.
5. Arbeitselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (5) auf der dem Gehäuse (3) abgewandten Seite isoliert ist.
6. Arbeitselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (5) über ein am Boden (5a) angeordnetes Federelement (6) elektrisch kontaktierbar ist.
7. Arbeitselement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff des Heizelementes (5) Graphiteinschlüsse aufweist.
8. Arbeitselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff ein Polymer ist.
9. Verwendung des Arbeitselementes nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche für einen Stellantrieb (1), insbesondere zur Betätigung von Ventilen.