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Die
Erfindung betrifft thermostatisches Betätigungselement
mit einem Heizelement und ein Verfahren zur Herstellung des Heizelements,
wobei das thermostatische Betätigungselement ein zumindest teilweise
mit einem Dehnstoff gefülltes Gehäuse, ein in
dem Gehäuse angeordnetes Heizelement und mindestens ein
elektrisches Verbindungselement umfasst, über welches das
Heizelement mit Strom versorgbar ist, so dass der Dehnstoff durch
das Heizelement erwärmbar ist.
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Das
Heizelement, auch als elektrischer Heizwiderstand bezeichnet, steht
in wärmeübertragender Verbindung zu dem Dehnstoff
des Betätigungselements. Aufgrund einer Erwärmung
dehnt sich der in dem Gehäuse angeordnete Dehnstoff aus,
so dass ein Arbeitskolben oder ein ähnliches Element aus dem
Gehäuse getrieben wird.
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Das
thermostatische Betätigungselement ist beispielsweise ein
Kennfeldthermostatventil für ein Kraftfahrzeug. Eine Stromversorgung
des Heizelements kann dabei durch ein Motormanagement gesteuert und/oder
geregelt werden, wobei über ein im Vorfeld ermitteltes
und im Motormanagement abgelegtes Kennfeld in Abhängigkeit
von einer aktuellen Fahrsituation eine Stromversorgung und damit
eine Betätigung des Thermostatventils erfolgt.
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Aus
der
DE 101 10 185
A1 ist ein Dehnstoff-Arbeitselement zur Betätigung
eines Thermostatventils mit einem Gehäuse und einem aus
dem Gehäuse herausgeführten beweglichen Arbeitskolben
bekannt, wobei in dem Gehäuse Dehnstoff und eine Heizeinrichtung
angeordnet sind. Die Heizeinrichtung umfasst einen Träger,
welcher einen Hohlraum aufweist, und einen um den Träger
gewickelten Heizleiter. Um zu gewährleisten, dass eine
gute Wärmeübertragung zwischen dem Heizdraht und
dem im Gehäuse befindlichen Dehnstoff möglich
ist, weist der aus
DE
101 10 185 A1 bekannte Träger eine komplexe Form
auf. Ein derartiger Träger ist daher teuer in der Herstellung.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein thermostatisches Betätigungselement
mit einem Heizelement zu schaffen, welches kostengünstig
herstellbar ist und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.
Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung
eines derartigen Heizelements zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein thermostatisches Betätigungselement
umfassend ein einen Dehnstoff aufnehmendes Gehäuse, ein
in dem Gehäuse angeordnetes Heizelement und mindestens ein
elektrisches Verbindungselement, über welches das Heizelement
mit Strom versorgbar ist, so dass der Dehnstoff durch das Heizelement
erwärmbar ist, wobei das Heizelement als freitragender
Formkörper gestaltet ist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung
wird ein Formkörper als freitragend oder selbsttragend
bezeichnet, wenn er zur Erfüllung seiner Funktion, d. h.
zur Aufheizung des ihn umgebenden und sich unter hohem Druck ausdehnenden Dehnstoffs,
im Wesentlichen ohne äußere Lastaufnahmeelemente
oder Abstützelemente auskommt. Bei einem derartigen Heizelement
kann auf herkömmliche Trägerkörper, um
welche ein Heizdraht gewickelt wird, oder andere Stützelemente
verzichtet werden.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Formkörper als
starrer Formkörper gestaltet, welcher zumindest in einem
Temperaturbereich entsprechend dem Arbeitsbereich des thermostatischen
Betätigungselements eine hohe Steifigkeit und/oder Festigkeit
aufweist, so dass unter Einwirkung einer Kraft aufgrund einer Ausdehnung
des Dehnstoffs, aufgrund von Fahrzeugvibrationen, bei der Montage und/oder
aufgrund einer anliegenden Temperatur der Formkörper nicht
oder nur unwesentlich verformt wird und nicht beschädigt
oder zerstört wird. Der Temperaturbereich liegt beispielsweise
zwischen –40°C und 250°C. Ein derartige „Starre"
ist durch Materialeigenschaften wie E-Modul, Streckgrenze, Dehngrenze, Zugfestigkeit
erzielbar und/oder durch eine geeignete Formgebung, beispielsweise
durch eine geeignete Querschnittsgröße. In einer
Ausgestaltung ist der Formkörper massiv.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Formkörper eine
Heizwendel. Als Wendel wird dabei ein schraubenlinienförmig
gestalteter Körper bezeichnet. Eine Wendel ist einfach
herstellbar und weist gute freitragende Eigenschaften auf. Ein Wendel
weist weiter eine große Oberfläche auf. Zudem kann
ein Arbeitskolben in die Wendel hineinragen, so dass eine kurze
Bauform des thermostatischen Betätigungselements möglich
ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Formkörper
aus einem metallischen Werkstoff, einem nicht-metallischen Werkstoff
oder einem Halbleiter-Werkstoff geformt. Der Formkörper
kann dabei je nach Art des Dehnstoffs und/oder gewünschten Temperaturbereichs
geeignet gewählt werden. Das Material des Formkörpers
kann dabei so gewählt sein, dass der Dehnstoff sich nicht
oder nur unwesentlich auf dem Formkörper absetzt oder an
diesem anhaftet.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Formkörper
durch Umformen und/oder durch Urformen, insbesondere durch Sintern,
Gießen, Spritzgießen oder dergleichen, geformt
ist. Je nach Art des Werkstoffs ist eine Formung des Heizelements
durch eine geeignete Umform- und/Urformtechnik vorteilhaft.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des thermostatischen Betätigungselements
ist das Gehäuse als Rohr, verformtes Rohr, tiefgezogene
Dose oder dergleichen gestaltet. Die Gestalt des Gehäuses
ist in Abhängigkeit einer Verwendung des thermostatischen
Betätigungselements geeignet wählbar.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des thermostatischen Betätigungselements
ist das Gehäuse aus Metall, insbesondere Stahl, vorzugsweise
rostfreiem Stahl. Rostfreier Stahl oder Edelstahl weist eine gute Widerstandsfähigkeit
gegenüber äußeren Einflüssen und/oder
gegenüber dem Dehnstoff auf.
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In
einer Ausgestaltung des thermostatischen Betätigungselements
ist das Heizelement und/oder das mindestens eine Verbindungselement
durch eine Glas-Metall-Durchführung an dem Gehäuse
befestigt. Eine Glas-Metall-Durchführung umfasst eine Glasabdichtung,
in welche das Heizelement und/oder das Verbindungselement isolierend
einsetzbar ist. Die Glasabdichtung oder Glasdurchführung
ist von einem Metall umgeben. Eine derartige Glas-Metall-Durchführung
bietet durch Ausnutzung des geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
von Glas im Vergleich zu dem Ausdehnungskoeffizienten von Metall
in der Herstellung eine gute Abdichtung. Insbesondere bei einem
Gehäuse aus Metall ist das Gehäuse vorteilhaft
für die Glas-Metall-Durchführung nutzbar, um so
eine gute Abdichtung zu erzielen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des thermostatischen Betätigungselements
ist das mindestens eine Verbindungselement als Steckpin und/oder
als Verbindungsleitung gestaltet. Je nach Einsatzgebiet des thermostatischen
Betätigungselements, insbesondere Umweltbedingungen und/oder
Gegenstecker, ist durch ein Steckpin oder eine Verbindungsleitung,
beispielsweise ein Kabel, eine gute Anbindung an eine Stromquelle
möglich. Vorzugsweise sind zwei Verbindungselemente mit
dem Heizelement wirkverbunden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des thermostatischen Betätigungselements
ist das mindestens eine Verbindungselement an das Heizelement gecrimpt,
geschweißt, gelötet oder dergleichen.
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Die
Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung
eines Heizelements für ein thermostatisches Betätigungselement,
umfassend ein zumindest teilweise mit einem Dehnstoff gefülltes Gehäuse
und mindestens ein elektrisches Verbindungselement, durch welches
das Heizelement mit Strom versorgbar ist, wobei das Heizelement
in dem Gehäuse des thermostatischen Betätigungselements anordenbar
ist, so dass der Dehnstoff durch das Heizelement erwärmbar
ist, und das Heizelement durch Umformen und/oder Urformen als freitragender Formkörper
geformt wird. Die Art des Herstellungsverfahrens ist beispielsweise
abhängig von einem verwendeten Material. In einer vorteilhaften
Ausgestaltung wird ein Material verwendet, welches zumindest in
einem Arbeitsbereich des thermostatischen Betätigungselements
eine hohe Steifigkeit und/oder eine hohe Festigkeit aufweist, so
dass unter Einwirkung einer Kraft aufgrund einer Ausdehnung des Dehnstoffs,
aufgrund von Fahrzeugvibrationen, bei der Montage und/oder aufgrund
einer anlie genden Temperatur der Formkörper nicht oder
nur unwesentlich verformt wird und nicht beschädigt oder
zerstört wird.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in der Zeichnung schematisch
dargestellt ist. Sämtliche aus den Ansprüchen,
der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder
Vorteile, einschließlich konstruktive Einzelheiten, räumliche
Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für
sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich
sein.
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Die
einzige Figur zeigt:
eine Schnittansicht eines thermostatischen
Betätigungselements.
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Die
Figur zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines thermostatischen
Betätigungselements 1, umfassend ein mit Dehnstoff 2 gefülltes
Gehäuse 3, ein in dem Gehäuse angeordnetes
Heizelement 4 und zwei elektrische Verbindungselemente 5, über
welche das Heizelement 4 mit Strom versorgbar ist. Das
Gehäuse 3 ist über eine Glasabdichtung 6 und
eine weitere, nicht dargestellte Abdichtung druckfest und abdichtend
verschlossen.
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Das
Heizelement 4 ist in einem in dem Gehäuse angeordneten
Bereich an zwei Enden mit den zwei Verbindungselementen 5 zur Übertragung
von Strom verbunden, beispielsweise vercrimpt, verlötet oder
verschweißt. Bei den dargestellten Verbindungselementen 5 handelt
es sich um Pins, welche beispielsweise mit einem nicht dargestellten
Gegenstecker verbindbar sind. In anderen Ausgestaltungen der Erfindung
sind anstelle der Pins Kabel oder ähnliche Verbindungselemente
mit dem Heizelement 4 verbunden. Form und/oder Beschichtung
der Ver bindungselemente 4 sind in Abhängigkeit
eines Einsatzgebiets des thermostatischen Betätigungselements 1 geeignet
wählbar.
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Durch
Anlegen eines Stroms an das Heizelement 4 erwärmt
sich das in dem Gehäuse 3 angeordnete Heizelement 4,
so dass ein in das Gehäuse 3 gefüllter
Dehnstoff 2 ebenfalls erwärmt wird. Aufgrund der
Erwärmung dehnt sich der Dehnstoff 2 aus, so dass
beispielsweise ein nicht dargestellter Arbeitskolben aus dem Gehäuse 3 ausgetrieben
wird.
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Das
dargestellte Heizelement 4 ist als Heizwendel gestaltet.
Dabei handelt es sich um einen freitragenden Formkörper.
Bei dem Ausführungsbeispiel ist das Heizelement 4 eine
Doppelwendel mit zwei parallelen Strängen, die schraubenlinienförmig auf
einer zylindrischen Mantelfläche liegen. Die beiden Stränge,
die einen gleichbleibenden runden Querschnitt aufweisen, gehen an
ihren den Verbindungselementen abgewandten Enden unmittelbar ineinander über.
Das so gestaltete Heizelement 4 wird aufgrund der Belastung
durch die Ausdehnung des Dehnstoffs 2 in dem Gehäuse 3 und
eine damit verbundene Druckerhöhung weder verformt noch
beschädigt. In anderen Ausgestaltungen der Erfindung weist
das Heizelement 4 eine von der dargestellten Wendel abweichende
Form auf, wobei das Heizelement 4 jedoch erfindungsgemäß als
freitragender, vorzugsweise massiver, Formkörper gestaltet
ist.
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In
der dargestellten Ausführungsform sind die Verbindungselemente 4 in
eine Glas-Metall-Durchführung umfassend die Glasabdichtung 6 eingebettet.
Das dargestellte Gehäuse 3 ist aus Metall, so
dass das Gehäuse 3 für die Glas-Metall-Durchführung
nutzbar ist. Die Glas-Metall-Durchführung ermöglicht
eine gute mechanische Befestigung der Verbindungselemente 5 sowie
eine gute elektrische Isolation zwischen den Verbindungselementen 5 und
zu dem metallischen Gehäuse 3 sowie eine gute
Abdichtung. Das Gehäuse 3 ist vorzugsweise aus
Edelstahl.
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Das
Heizelement 4 wird durch eine Umformtechnik und/oder eine
Urformtechnik, beispielsweise Gießen, Spritzguss, Sintern
oder dergleichen, in eine geeignete Form gebracht. Ein derartiges
Heizelement 4 ist einfach herstellbar, wobei durch eine
geeignete Formgebung eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer
gewährleistet ist.
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Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Arbeitskolben in einem
Gummieinsatz, beispielsweise einer sackartigen Membran geführt.
Insbesondere bei einer Gestaltung des Heizelements 4 als
Wendel oder Doppelwendel (wie dargestellt), kann die Membran dabei
zumindest teilweise im Inneren des Heizelements 4 angeordnet
sein, so dass der Dehnstoff im Bereich des Gummieinsatzes schnell
aufgeheizt wird.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ragt der Arbeitskolben
ohne Gummieinsatz in den inneren Bereich eines wendel-, rohr- oder
topfförmigen Heizelementes hinein. Dabei kann das thermostatische
Betätigungselement besonders kurz gestaltet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10110185
A1 [0004, 0004]