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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Fluiddurchfluss-Regelventil und insbesondere
ein Fluiddurchfluss-Regelventil,
das ein Wärmeausdehnungsmaterial
verwendet, das den Durchfluss von großen und kleinen Mengen an Fluid
genau regeln kann. Ein solches Durchflussregelventil ist aus FR-A-2145323 (siehe
Oberbegriff von Anspruch 1) bekannt, welches ein Gehäuse, das
mit einer Einlass- und einer Auslassöffnung versehen ist, ein im
Gehäuse
vorgesehenes Steuermittel mit einem Behälter, der eine Kammer mit einem
offenen Ende festgelegt und ein wärmeausdehnbares Material enthält, das
in Richtung der Auslassöffnung
verlagerbar ist, wenn sich das wärmeausdehnbare
Material ausdehnt, um den Öffnungsgrad
der Auslassöffnung
zu regeln, ein in der Kammer vorgesehenes Heizmittel zum Erwärmen des
wärmeausdehnbaren
Materials und einen Faltenbalg mit einem äußeren Umfangsteil, der am Behälter befestigt
ist, und einem inneren Umfangsplattenteil, der durch den Umfangsteil
mittels des Faltenbalgteils begrenzt ist, umfasst.
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Ein
herkömmliches
Durchflussregelventil, das ein thermisches Material verwendet, wie
im US-Patent Nr. 4943032 (siehe Oberbegriff von Anspruch 1) offenbart,
ist in der zugehörigen 9 der vorliegenden
Anmeldung als aus einem ersten Siliziumwafer 12, einem
Pyrex-Wafer 22, der an einer Oberseite des ersten Siliziumwafers 12 befestigt
ist, und einem zweiten Siliziumwafer 30, der an einer Unterseite
des ersten Siliziumwafers 12 befestigt ist, bestehend gezeigt.
Eine Kammer 10 zum Aufnehmen eines Wärmeausdehnungsmaterials ist
in den ersten Siliziumwafer 12 geätzt und ein Hohlraum zum Aufnehmen
einer Heizvorrichtung 21 ist in einen Bereich zwischen
der Kammer 10 und dem Pyrex-Wafer 22 geätzt. Eine
Dicke (h) ist in einem Bereich 12a zwischen dem ersten
Siliziumwafer 12 und der in diesen geätzten Kammer 10 vorgesehen,
der äußerst dünn ist,
z. B. nur einige μm.
Ein Schlitz 44 zum Gestatten des Durchflusses von Fluid
ist auch in einem Bereich ausgebildet, in dem der erste Siliziumwafer 12 und der
zweite Siliziumwafer 30 befestigt sind, und eine Düse 32 ist
in den zweiten Siliziumwafer 30 an einer Stelle neben dem
Bereich 12a unter der Kammer 10 geätzt.
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Mit
Bezug auf die Betätigung
des obigen Fluidreglers dehnt sich das in der Kammer 10 enthaltene Material
aus, wenn Licht durch einen Lichtleiter 19 zum Pyrex-Wafer 22 geliefert
oder wenn die Heizvorrichtung 21 betätigt wird. Dies verursacht,
dass sich der Bereich 12a des ersten Siliziumwafers 12 in
einer Richtung zur Düse 32 hin
ausdehnt, da es dessen dünnster
Teil ist. Folglich bewegt sich durch die Einlassöffnung 46 eintretendes
Fluid entlang des angegebenen Weges zur Düse 32 durch den Schlitz 44, der
gemäß dem Ausdehnungsgrad
des Bereichs 12a unter der Kammer 10 geregelt
wird.
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Im
obigen Ventil des Standes der Technik werden die Heizvorrichtung 21,
die Kammer 10 und der Schlitz 44 entweder geätzt oder
durchlaufen einen mikroskopischen Siliziumprozess wie z. B. einen photographischen
Prozess. Diese Prozesse erfordern jedoch die Verwendung einer sehr
teuren Anlage.
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Der
mikroskopische Siliziumprozess ist auch ein Verfahren, das für Ventile
verwendet wird, die nur einen kleinen Fluiddurchfluss regeln. Durch
diesen Prozess hergestellte Ventile werden in medizinischen Instrumenten,
Umweltanalyseinstrumenten und dergleichen verwendet. Folglich ist
die Anwendung von Ventilen, die unter Verwendung dieses Prozesses hergestellt
werden, begrenzt.
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Um
einen großen
Fluiddurchfluss zu regeln, muss die Kapazität sowohl des Siliziumwafers
als auch des Pyrex-Wafers
für jedes
Ventil vergrößert werden.
Dies erhöht
jedoch die Herstellungskosten erheblich.
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Da
die Durchmesser der Einlass- und der Auslassöffnung und des Schlitzes so
bearbeitet werden, dass sie winzige Abmessungen aufweisen, können ferner
Fremdsubstanzen, die im Fluid enthalten sind, leicht die Durchgänge versperren,
wodurch die Zuverlässigkeit
der Produkte verschlechtert wird.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend beschriebenen
Probleme zu lösen
oder wesentlich zu verringern.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fluiddurchfluss-Regelventil
bereitzustellen, das sowohl kleine als auch große Fluiddurchflüsse genau
regeln kann und das sich zur Verwendung beim Regeln eines Kühlmitteldurchflusses
in Kühlschränken oder
Klimaanlagen besonders eignet.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fluiddurchfluss-Regelventil
bereitzustellen, das kostengünstig
ist.
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Ein
erfindungsgemäßes Fluiddurchfluss-Regelventil
ist dadurch gekennzeichnet, dass eine separate Ausdehnungsplatte
einen Umfangsteil aufweist, wobei der innere Teil der Ausdehnungsplatte sich über das
offene Ende der Kammer erstreckt und dieses verschließt und sich
als Reaktion auf die Ausdehnung des wärmeausdehnbaren Materials verformt,
um den Öffnungsgrad
der Auslassöffnung
zu regeln.
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Vorzugsweise
umfasst das Heizmittel eine Heizvorrichtung und das Steuermittel
umfasst ein adiabatisches Mittel zum Verhindern, dass Wärme des
durch die Heizvorrichtung erwärmten
Wärmeausdehnungsmaterials
an die Umgebung abgeführt wird.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung besteht das adiabatische Mittel aus einem
adiabatischen Material, das das Steuermittel oder nur die Ausdehnungsplatte
bedeckt.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel umfasst
das adiabatische Mittel ein Trennelement, das zwischen der Heizvorrichtung
und dem Steuermittel angeordnet ist, um zu verhindern, dass die Heizvorrichtung
direkt mit dem Steuermittel in Kontakt steht.
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Das
Steuermittel umfasst vorzugsweise eine Stützplatte, die mit dem Gehäuse gekoppelt
ist, und eine ringförmige
Wand oder einen Abteilring, von welchem ein Ende an der Stützplatte
befestigt ist, während
dessen anderes Ende an der Ausdehnungsplatte befestigt ist, wodurch
die Kammer festgelegt wird.
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Gemäß noch einem
weiteren Ausführungsbeispiel
umfasst das Steuermittel eine Stützplatte, die
mit dem Gehäuse
gekoppelt ist, wobei die Ausdehnungsplatte an der Stützplatte
befestigt ist und dazu ausgelegt ist, die Kammer dazwischen festzulegen.
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Eine
vollständigere
Einschätzung
dieser Erfindung und von vielen von deren Vorteilen wird mit Bezug
auf die folgende ausführliche
Beschreibung von mehreren bevorzugten Ausführungsbeispielen lediglich
beispielhaft mit Bezug auf die 1 bis 8 der zugehörigen Zeichnungen leichter
möglich,
in denen gilt:
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1 ist
eine perspektivische Ansicht in auseinandergezogener Anordnung,
die ein Durchflussregelventil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie III-III von 1,
wenn das Ventil zusammengesetzt ist;
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3 ist
eine Schnittansicht, die ein Durchflussregelventil gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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4 ist
eine Schnittansicht, die ein Durchflussregelventil gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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5 ist
eine Schnittansicht, die ein Durchflussregelventil gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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6 ist
eine Schnittansicht, die ein Durchflussregelventil gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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7 ist
eine Schnittansicht, die ein Durchflussregelventil gemäß einem
sechsten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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8A ist
eine Schnittansicht, die ein Durchflussregelventil gemäß einem
siebten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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8B ist
eine vergrößerte Ansicht,
die den eingekreisten Teil "P" von 8A darstellt;
und
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9 ist
eine Ansicht, die ein Fluiddurchfluss-Regelventil gemäß dem Stand der Technik zeigt.
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Nun
wird im einzelnen auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung
Bezug genommen, von welchen Beispiele in den zugehörigen Zeichnungen
dargestellt sind. Wann immer es möglich ist, werden in den gesamten
Zeichnungen dieselben Bezugsziffern verwendet, um auf dieselben
oder gleiche Teile Bezug zu nehmen
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Mit
Bezug auf die 1 und 2 ist ein Durchflussregelventil 100 gezeigt,
das ein Gehäuse 110,
ein verschiebbares Steuermittel in Form eines Verschiebungssteuerteils 120,
der ein Wärmeausdehnungsmaterial 125 enthält, umfasst.
Das Wärmeausdehnungsmaterial 125 dehnt
sich aus, wenn es durch das Heizelement 130 erwärmt wird.
Wenn sich das Wärmeausdehnungsmaterial 125 ausdehnt, dehnt
sich eine Seite des Verschiebungssteuerteils 120 aus, so
dass er die Auslassöffnung 112 versperrt,
wodurch die Menge an ausgelassenem Fluid geregelt wird.
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Genauer
umfasst das Gehäuse 110 ein
oberes Gehäuse 110a und
ein mit diesem gekoppeltes unteres Gehäuse 110b, wobei ein
eingeschlossener Raum zwischen dem oberen und dem unteren Gehäuse 110a und 110b festgelegt
ist. Das obere Gehäuse 110a ist
mit einer Einlassöffnung 111,
durch die Fluid in das Ventil 100 gelangt, und der Auslassöffnung 112,
durch die das Fluid ausgelassen wird, versehen. Die Auslassöffnung 112 ragt
von der Innenfläche
des oberen Gehäuses 110a vor,
so dass sie näher
am Verschiebungssteuerteil 120 angeordnet werden kann.
Ein Anschluss 113 ist im unteren Gehäuse 110b vorgesehen
und verbindet eine Leistungsversorgung 160 mit dem Heizelement 130.
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Der
Verschiebungssteuerteil 120 umfasst einen Behälter 121 für das Wärmeausdehnungsmaterial
und eine Ausdehnungsplatte 122, die mit dem Behälter 121 gekoppelt
ist.
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Der
in den 1 und 2 gezeigte Behälter 121 umfasst
eine Stützplatte 121a,
die mit dem unteren Gehäuse 110b gekoppelt
ist, und ein ringförmiges
Element in Form eines Kammerrings 121b, der an der Stützplatte 121a befestigt
ist und einen Raum festlegt, in dem das Wärmeausdehnungsmaterial 125 enthalten
ist. Die Ausdehnungsplatte 122 ist auf dem ringförmigen Element 121b vorgesehen.
Wie in 3 gezeigt, die ein zweites Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung darstellt, kann der Behälter 121 als einteiliges
Gehäuse,
das einen Raum 123 festlegt, in dem das Wärmeausdehnungsmaterial 125 enthalten
ist, ausgebildet sein.
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Unter
erneutem Bezug auf 2 ist die Ausdehnungsplatte 122 am
ringförmigen
Element 121b so befestigt, dass sie gegenüber der
Auslassöffnung 112 angeordnet
ist.
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Die
Ausdehnungsplatte 122 dehnt sich aus, wenn sich das Wärmeausdehnungsmaterial 125 ausdehnt.
Es ist bevorzugt, dass die Stützplatte 121a, das
ringförmige
Element 121b und die Ausdehnungsplatte 122 unter
Verwendung von Acrylharz oder durch Hartlöten aneinander befestigt werden.
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Wenn
das innerhalb des Raums 123 enthaltene Wärmeausdehnungsmaterial
erwärmt
wird, wird der Druck innerhalb des Raums 123 durch Gas,
das vom Wärmeausdehnungsmaterial 125 erzeugt
wird, erhöht.
Da das Wärmeausdehnungsmaterial 125 innerhalb
des luftdichten Raums 123 eingeschlossen ist, wird die
Ausdehnungsplatte 122 an diesem Punkt aufgrund der Druckerhöhung ausgedehnt
oder verschoben und die Ausdehnungsplatte 122 dehnt sich in
Richtung der Auslassöffnung 122 aus
und kommt folglich mit dieser in Kontakt und verschließt sie.
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Wenn
der Zwischenraum zwischen der Auslassöffnung 112 und der
Ausdehnungsplatte 112 verändert werden kann, so kann
das Ausmaß an
durch die Auslassöffnung 112 ausgelassenem
Fluid auch verändert
werden. Durch Regeln der an das Heizelement 130 angelegten
Spannung kann die Menge an durch die Auslassöffnung 112 ausgelassenem
Fluid geregelt werden. Wenn beispielsweise eine große Spannung
an das Heizelement 130 angelegt wird, wird die Ausdehnungsplatte 122 ausgedehnt
und verringert die Größe der Auslassöffnung 112,
wodurch ermöglicht
wird, dass nur eine kleine Menge an Fluid ausgelassen wird. Das
Gehäuse 110 funktioniert
als Durchlass, durch den das Fluid strömt, während die Ausdehnungsplatte 122 als
Regler zum Regeln einer Querschnittsfläche des Durchlasses funktioniert.
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Durch
die Stützplatte 121a hindurch
sind Einleitungsöffnungen 124 ausgebildet,
durch die das Wärmeausdehnungsmaterial
in den Raum 123 eingeleitet werden kann. Nach dem hermetischen
Verschließen
des Raums 123 mit der Stützplatte 121a, der
ringförmigen
Wand 121b und der Ausdehnungsplatte 122 wird das
Wärmeausdehnungsmaterial 125 durch
die Einleitungsöffnungen 124 in
den Raum 123 eingeleitet. Vorzugsweise ist das Wärmeausdehnungsmaterial
eine Fluorzusammensetzung, die bei einer relativ niedrigen Temperatur
ausdehnbar ist und nicht leicht mit anderen Materialien reagiert.
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Das
Heizelement 130 ist innerhalb des Verschiebungssteuerteils 120 montiert
und umfasst eine Heizvorrichtung 131, die Wärme erzeugt,
wenn eine Spannung von einer elektrischen Spannungsquelle 160 an
diese angelegt wird. Die Heizvorrichtung 131 ist mit dem
Anschluss 113 durch einen elektrischen Leiter 132a elektrisch
verbunden und der Anschluss 113 ist mit der elektrischen
Spannungsquelle 160 durch einen weiteren Leiter 132b elektrisch
verbunden, wodurch das Anlegen einer Spannung an die Heizvorrichtung 131 ermöglicht wird.
Der elektrische Leiter 132a verläuft durch einen Kontaktteil
der Stützplatte 121a und
der ringförmigen
Wand 121b, wie in 2 gezeigt,
oder verläuft
durch die Einleitungsöffnung 124,
die am Behälter 121 ausgebildet
ist, wie in 3 gezeigt.
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Vorzugsweise
besteht der Verschiebungssteuerteil aus einem Material, das aus
der Gruppe ausgewählt
ist, die aus Metall und Keramik besteht, die beide Eigenschaften
hoher Druckbeständigkeit aufweisen.
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Die 4 und 5 zeigen
ein drittes bzw. ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung. Die Fluiddurchfluss-Regelventile in diesen Ausführungsbeispielen
können
adiabatische Mittel aufweisen, die verhindern können, dass von der Heizvorrichtung 131 erzeugte
Wärme in
die Umgebung abgeführt
wird.
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Ein
adiabatisches Material 151 kann auf die ganze Außenfläche des
Verschiebungssteuerteils 120 abgeschieden oder aufgetragen
werden, wie in 4 gezeigt, oder nur auf die
Ausdehnungsplatte 122 abgeschieden oder aufgetragen werden,
wie in 5 gezeigt, wenn die Stützplatte 121a und
der Kammerring 121b mit zum Halten der Wärme ausreichenden
Dicken ausgebildet sind.
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Da,
wie vorstehend beschrieben, das adiabatische Element 150 auf
dem Verschiebungssteuerteil 120 vorgesehen ist, kann von
der Heizvorrichtung 131 erzeugte Wärme nicht an die Umgebung abgeführt werden.
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6 zeigt
ein fünftes
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, bei dem ein Trennelement 152 als
adiabatisches Mittel zwischen der Heizvorrichtung 131 und
der Stützplatte 121a vorgesehen ist,
so dass Wärme
nicht direkt mit der Stützplatte 121a in
Kontakt kommen kann. Da das Trennelement 152 zwischen der
Heizvorrichtung 131 und dem Behälter 121 angeordnet
ist, kann irgendwelche Wärme,
die von der Heizvorrichtung 131 erzeugt wird, nicht direkt
auf die Stützplatte 121a übertragen
werden, wodurch ein adiabatischer Effekt erhalten wird.
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Wenn
sich eine große
Temperaturdifferenz zwischen dem zum Gehäuse 110 geleiteten
Fluid und dem Verschiebungssteuerteil 120 ergibt, kann,
da der Wärmeaustausch
zwischen dem Fluid und dem Verschiebungssteuerteil 120 geschieht,
das Ausmaß an
Ausdehnung der Ausdehnungsplatte 122 nicht genau gesteuert
werden. Um dies zu verhindern, zeigt 7 ein sechstes
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, bei dem eine Hilfsausdehnungsplatte 128 zwischen
der Einlass- und der Auslassöffnung 111 und 112 vorgesehen
ist. Die Hilfsausdehnungsplatte 128 ist mit der Ausdehnungsplatte 122 durch
ein Verbindungselement 129 verbunden und dehnt sich so
weit wie die Ausdehnungsplatte 112 aus. Wenn sich die Ausdehnungsplatte 122 ausdehnt,
wird daher die Öffnung
der Auslassöffnung 112 durch
die Hilfsausdehnungsplatte 128 geregelt.
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Die 8A und 8B stellen
ein siebtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dar, bei dem das Ventil dazu ausgelegt
ist, die Einlassöffnung 115a mit
der Auslassöffnung 116a von
einer normalen geschlossenen Position derselben in Verbindung zu
bringen.
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Wie
in den vorangehenden Ausführungsbeispielen
umfasst das Gehäuse 110 das
obere und das untere Gehäuse 110a und 110b.
Das obere Gehäuse 110a ist
mit der Einlass- und der Auslassöffnung 115a und 116a versehen.
Einlass- und Auslassröhren 115b bzw. 116b verlaufen
durch die Einlass- und die
Auslassöffnung 115a und 116a.
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Der
Anschluss 113 ist am unteren Gehäuse 110b vorgesehen
und der Behälter 121 weist
eine Heizvorrichtung 131 auf, die an der oberen Oberfläche des
unteren Gehäuses 110b befestigt
ist. An der oberen Oberfläche
des Behälters 121 ist
die Ausdehnungsplatte 122 zum hermetischen Einschließen des durch
den Behälter 121 festgelegten
Raums befestigt.
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An
der Ausdehnungsplatte 122 ist ein Ventilelement 170 vorgesehen,
um die Einlassöffnung 115a und
die Auslassöffnung 116 selektiv
miteinander in Verbindung zu bringen. Das Ventilelement 170 umfasst
eine Hülse 171,
die durch die Einlass- und Auslassröhre 115b und 116b abgestützt ist,
und eine Spule 175, um die Einlassröhre 115b und die Auslassröhre 116b selektiv
miteinander in Verbindung zu bringen, während sie sich gemäß dem Grad
der Ausdehnung der Ausdehnungsplatte 122 hin- und herbewegt.
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Durch
die Hülse 171 verlaufen
ein Einlass- und ein Auslassdurchgang 171a und 171b (siehe 8B).
Der Einlassdurchgang 171a steht mit dem Auslassdurchgang 171b über einen
hohlen Teil 171c der Hülse 171 in
Verbindung. Die Einlass- und die Auslassröhre 115b und 116b sind
in den Einlass- und den Auslassdurchgang 171a bzw. 171b eingesetzt. Mit
diesem Aufbau wird die Hülse 171 durch
die Einlass- und die Auslassröhre 115b und 116b abgestützt. Ein
Auslassloch 172 ist an einem Teil der Hülse oberhalb des Einlass- und
des Auslassdurchgangs 171a und 171b ausgebildet,
welches ermöglicht,
dass sich die Spule 175 sanft hin- und herbewegt, indem
verhindert wird, dass ein Vakuum in dem zwischen der Hülse 171 und
der Spule 175 festgelegten Raum gebildet wird.
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Ein
Ende der Spule 175 ist in den hohlen Teil 171c eingesetzt,
während
das andere Ende mit der Ausdehnungsplatte 122 gekoppelt
ist. Wenn die Ausdehnungsplatte 122 durch die Ausdehnung
des Wärmeausdehnungsmaterials
in Richtung der Hülse 171 verschoben
wird, steigt die Spule 175 daher an, und wenn das Wärmeausdehnungsmaterial
in seinen Anfangszustand zurückgebracht
wird, kehrt die Spule 175 zu ihrem Anfangsteil zurück. Das
obere Ende der Spule 175 ist über dem Einlass- und dem Auslassdurchgang 171a und 171b angeordnet.
Ein Verbindungsdurchgang 176 ist in einer geeigneten Position ausgebildet,
so dass der Einlassdurchgang 171a in der normalen geschlossenen
Position der Spule 175 vom Auslassdurchgang 171b getrennt
ist, während der
Einlassdurchgang 171a mit dem Auslassdurchgang 171b in
der angehobenen Position der Spule 175 in Verbindung steht.
Der Verbindungsbereich des Einlass- und des Auslassdurchgangs 171a und 171b wird
daher gemäß dem verändert, wie
hoch die Spule 175 ansteigt, wodurch die Menge des Fluids geregelt
wird. Die Spule 175 ist mit der Ausdehnungsplatte 122 durch
ein Verbindungselement 178 verbunden.