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    DieErfindung betrifft ein Dehnstoffelement für Thermostatventile mit einemGehäuse,einem in dem Gehäuseangeordneten Dehnstoff, einem bei einer Volumenänderung des Dehnstoffs relativzum Gehäusebewegbaren Betätigungselementund elektrisch aktivierbaren Mitteln zum Aufheizen des Dehnstoffs.Erfindungsgemäß weisendie Mittel zum Aufheizen des Dehnstoffs zwei mit dem Dehnstoff inKontakt stehende Elektroden auf, ist der Dehnstoff elektrisch leitfähig undbildet einen elektrischen Widerstand.Verwendung z. B. für Thermostatventilein Kühlkreisläufen vonKraftfahrzeugen.
    公开号:DE102004022351A1
    申请号:DE102004022351
    申请日:2004-04-29
    公开日:2005-11-17
    发明作者:Harald Ruoff；Eike Dr. Willers
    申请人:Behr Thermot Tronik GmbH；
    IPC主号:F01P7-16
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Dehnstoffelement für Thermostatventile mit einemGehäuse,einem in dem Gehäuseangeordneten Dehnstoff, einem bei einer Volumenänderung des Dehnstoffs relativzum Gehäusebewegbaren Betätigungselementund elektrisch aktivierbaren Mitteln zum Aufheizen des Dehnstoffs.
    [0002] Bekanntsind Dehnstoffelemente fürThermostatventile von Kühlkreisläufen inKraftfahrzeugen, bei denen ein Dehnstoff elektrisch beheizt werdenkann, um einen Arbeitspunkt des Dehnstoffelements zu verschieben.Der Dehnstoff wird beispielsweise dann beheizt, wenn eine aktuelleFahrsituation des Kraftfahrzeugs, beispielsweise Volllast bei niedrigerGeschwindigkeit, einen erhöhtenKühlbedarferwarten lässt.Durch Beheizen des Dehnstoffs kann das Thermostatventil dann geöffnet werden,noch bevor die dafüran und fürsich notwendige Kühlwassertemperaturerreicht ist. Als Heizelemente werden im Dehnstoff angeordnete Dickschichtwiderstände, Platten,Zylinder oder Wickeldrähteverwendet. Es ist ebenfalls bekannt, einen Kolben des Dehnstoffelementselektrisch zu beheizen. Aufgrund der hohen Dehnstoffdrücke bisetwa 400 bar, der teilweise hohen Umgebungstemperatur verbundenmit geringer Wärmeabfuhrsowie von Vibrationen im Fahrbetrieb liegen harte Umgebungs bedingungenvor, die hohe Anforderungen an die Heizelemente und insbesonderedie elektrischen Zuleitungen und deren Durchleitungen stellen. Auchdie Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse und deren Weiterführung durch einGehäuseeines Thermostatventils ist kritisch.
    [0003] Mitder Erfindung soll ein einfach herstellbares und zuverlässiges elektrischbeheizbares Dehnstoffelement geschaffen werden.
    [0004] Erfindungsgemäß ist hierzuein Dehnstoffelement fürThermostatventile mit einem Gehäuse,einem in dem Gehäuseangeordneten Dehnstoff, einem bei einer Volumenänderung des Dehnstoffs relativzum Gehäusebewegbaren Betätigungselement undelektrisch aktivierbaren Mitteln zum Aufheizen des Dehnstoffs vorgesehen,bei dem die Mittel zum Aufheizen des Dehnstoffs zwei mit dem Dehnstoffin Kontakt stehende Elektroden aufweisen, der Dehnstoff elektrischleitfähigist und einen elektrischen Widerstand bildet.
    [0005] Indemder Dehnstoff selbst den elektrischen Widerstand bildet, kann unmittelbarder Dehnstoff beheizt werden. In der Folge kann eine sehr gleichmäßige Erwärmung desDehnstoffs und damit eine sehr schnelle, zuverlässige Auslenkung des Betätigungselementserzielt werden. Speziell müssenkeine separaten Heizelemente vorgesehen werden, wodurch eine erheblicheVereinfachung der Konstruktion und erhebliche Kosteneinsparungenerzielbar sind. Gerade die kritische Kontaktierung der separatenHeizelemente, die im Betrieb härtestenUmgebungsbedingungen ausgesetzt ist, kann bei der Erfindung entfallen.
    [0006] InWeiterbildung der Erfindung ist der Dehnstoff mit elektrisch leitfähigen undjeweils einen elektrischen Widerstand bildenden Partikeln versehen.
    [0007] Aufdiese Weise lässtsich der elektrische Widerstand des Dehnstoffs in einfacher Weisedurch die Anzahl der Partikel, deren Größe sowie deren elektrischeEigenschaften einstellen. Fürdas erfindungsgemäße Dehnstoffelementkann dadurch ein konventioneller, bewährter Dehnstoff verwendet werden,der lediglich mit elektrisch leitfähigen Partikeln versehen werdenmuss. Die Partikelgröße kanndabei sehr klein sein, bis in den Nanometerbereich, so dass sichdie hydraulischen Eigenschaften des Dehnstoffs nicht oder lediglichunwesentlich verändern.
    [0008] InWeiterbildung der Erfindung weist der Dehnstoff Graphitpartikel,Metallpartikel und/oder Partikel aus einem Material mit positivemTemperaturkoeffizienten auf.
    [0009] Beispielsweisewird Metallpulver mit einer Partikelgröße bis zum Nanometerbereichin den Dehnstoff eingebracht. Ein solches Pulver mit positivem Widerstandstemperaturkoeffizientoder PTC-Pulver, bei dem ein elektrischer Widerstandswert mit steigenderTemperatur ansteigt, ermöglicht beimEinsatz in Kühlsystemenvon Kraftfahrzeugen ein schnelles und zuverlässiges Ansprechen des Dehnstoffelements.
    [0010] InWeiterbildung der Erfindung weisen die Partikel jeweils im Mikrometerbereichliegende Abmessungen auf.
    [0011] Beispielsweisebeträgtdie Partikelgröße zwischenetwa 1 μmund 10 μmpro Partikel. Solche Partikelabmessungen haben sich als besondersvorteilhaft herausgestellt.
    [0012] InWeiterbildung der Erfindung ist eine der Elektroden mittels desmit dem Dehnstoff in Kontakt stehenden und wenigstens abschnittsweiseelektrisch leitfähigausgebildeten Gehäusesrealisiert.
    [0013] BeimEinsatz im Kühlsystemvon Kraftfahrzeugen liegt das üblicherweisekühlwasserumspülte Gehäuse zweckmäßigerweiseauf Masse. Indem das Gehäuseals eine der beiden Elektroden verwendet wird, ergibt sich eineweitere Vereinfachung dadurch, dass nur noch eine separate Elektrodeim Dehnstoff angeordnet werden muss. In der Folge muss auch nurnoch eine elektrische Zuleitung in abgedichteter und elektrischisolierter Weise in das Gehäuseeingeführtwerden.
    [0014] InWeiterbildung der Erfindung ist wenigstens eine in einen Innenraumdes Gehäusesragende und mit dem Dehnstoff in Kontakt stehende Elektrode vorgesehen.
    [0015] Indemwenigstens eine der Elektroden in den Innenraum des Gehäuses hineinragt,lässt sicheine besonders gleichmäßig Erwärmung desDehnstoffs bei Strombeaufschlagung erreichen. Es können beispielsweiseauch zwei in den Dehnstoff hineinragende Elektroden vorgesehen sein,wobei eine der Elektroden dann auf Potential und die andere Elektrode aufMasse gelegt wird. Im Sinne einer gleichmäßigen Stromverteilung können aberselbstverständlichauch mehrere Elektroden auf Potential und/oder mehrere Elektrodenauf Masse gelegt werden. Beispielsweise kann auch eine zylinderförmige Elektrodeeingesetzt werden, auf deren Mittellängsachse dann die zweite Elektrodeliegt.
    [0016] InWeiterbildung der Erfindung ist das Betätigungselement als Kolben ausgebildet,der abschnittsweise mit dem Dehnstoff in Kontakt steht, wobei derKolben eine der Elektroden bildet.
    [0017] Aufdiese Weise lässtsich eine weitere Vereinfachung erzielen, wenn der in den Dehnstoffhineinragende Kolben als Elektrode verwendet wird.
    [0018] InWeiterbildung der Erfindung bildet der Kolben eine erste Elektrodeund das mit dem Dehnstoff in Kontakt stehende Gehäuse diezweite Elektrode.
    [0019] Beieiner solchen Ausbildung des erfindungsgemäßen Dehnstoffelements kannman vollständigohne separate Elektroden auskommen, da sowohl der Kolben als auchdas Gehäusejeweils eine Doppelfunktion aufweisen. Vorteilhafterweise wird zumAufheizen des Dehnstoffs der Kolben auf Potential und das Gehäuse aufMasse gelegt. Dies ist aus Sicherheitsgründen vorteilhaft, spezielldann, wenn das Gehäusevon Kühlwasserumspültist.
    [0020] WeitereMerkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen undder folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindungim Zusammenhang mit den Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
    [0021] 1 eineSchnittansicht eines Thermostatventils mit einem erfindungsgemäßen Dehnstoffelement,
    [0022] 2 eineschematische Darstellung einer möglichenElektrodenanordnung bei einem erfindungsgemäßen Dehnstoffelement,
    [0023] 3 eineweitere möglicheElektrodenanordnung bei einem erfindungsgemäßen Dehnstoffelement,
    [0024] 4 eineSchnittansicht eines erfindungsgemäßen Dehnstoffelements gemäß einerweiteren Ausführungsformder Erfindung und
    [0025] 5 eineSchnittansicht eines erfindungsgemäßen Dehnstoffelements gemäß einernoch weiteren Ausführungsformder Erfindung.
    [0026] Inder 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 wirdmittels eines Kolbens 16 des Dehnstoffelementes 12 bewegt.In seine Ruhelage ist der Absperrschieber mittels einer Feder 18 vorgespannt. Wirdder Absperrschieber 14 mittels der Feder 18 in dieRuhelage bewegt, wird gleichzeitig der Kolben 16 in seineRuhelage zurückgedrückt.
    [0027] Nebendem Kolben 16 weist das Dehnstoffelement 12 einGehäuse 20 auf,in dem ein Dehnstoff 22 angeordnet ist. Das Gehäuse 22 wirdmittels eines Verschlussstopfens 24 verschlossen, wobeizwischen dem Verschlussstopfen 24 und dem Dehnstoff 22 eineGummimembran 26 angeordnet ist. Der Verschlussstopfen 24 weisteine zentrale Durchgangsbohrung auf, in der der Kolben 16 geführt ist.
    [0028] Wennsich der Dehnstoff 22, beispielsweise ein Wachs, erwärmt, dehntsich sein Volumen aus. In der Folge wird die Gummimembran 26,wie in der 1 dargestellt ist, in die zentraleDurchgangsbohrung des Verschlussstopfens 24 hineingedrückt und verschiebtdadurch auch den Kolben 16 vom Gehäuse 20 weg, in der 1 nachunten. Verringert sich das Volumen des Dehnstoffs 22 wiederdurch Abkühlung,zieht sich die Gummimembran 26 aus der zentralen Durchgangsbohrungdes Verschlussstopfens 24 zurück und auch der Kolben 16 wirdmittels der Feder 18 wieder zurückgedrückt. Eine Erwärmung desDehnstoffs findet durch einen Wärmeübergang vondem das Thermostatventil 10 durchströmenden Kühlwasser auf das Gehäuse 20 unddann den Dehnstoff 22 statt.
    [0029] Umden Absperrschieber 14 bereits bei einer Kühlwassertemperaturzu bewegen, bei der der Dehnstoff 22 noch keine ausreichendeVolumenänderungerfährt,um den Kolben 16 nennenswert zu bewegen, sind bei dem Thermostatventil 10 Mittel vorgesehen,um den Dehnstoff 22 elektrisch zu beheizen. Diese Mittelweisen eine in den Dehnstoff hineinragende Elektrode 28 auf,die überein elektrisches Verbindungskabel 30 und einen Stecker 32 mit elektrischerEnergie versorgt werden kann. Ein zweites Verbindungskabel 34 istelektrisch mit dem Gehäuse 20 verbundenund legt das Gehäuse 20 auf Masse.Weiterhin ist der Dehnstoff 22 im Gehäuse 20 elektrischleitfähigund 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 derDehnstoff 22 leitfähigist, fließtdann, wenn an die Elektrode 28 ein Potential angelegt wird, einStrom zwischen der Elektrode 28 und dem auf Masse gelegtenGehäuse 20.Der Strom fließtdabei durch den mit elektrisch leitfähigen Partikeln versehenenund dadurch einen elektrischen Widerstand bildenden Dehnstoff 22,so dass sich dieser erwärmt. Beiausreichender Erwärmungdes Dehnstoffs 22 wird sich dieser dann wieder ausdehnenund den Kolben 16 verschieben.
    [0030] Dader Dehnstoff 22 unmittelbar erwärmt wird und im Gegensatz zumStand der Technik keine separaten Heizelemente eingesetzt werdenmüssen, istder Aufbau des Dehnstoffelements 12 erheblich vereinfacht.Speziell müssenkeine separaten Heizelemente kontaktiert werden, was bei den erheblichen Drücken imDehnstoffelement 12, bis zu 400 bar, der erheblichen Erwärmung desDehnstoffelements und den starken Vibrationen im Fahrbetrieb vongroßem Vorteilist. Da der Dehnstoff 22 selbst elektrisch leitfähig ist,kann auch eine sehr homogene Erwärmung desDehnstoffs erzielt werden. In der Folge kann ein sehr zuverlässiges undauch schnelles Ansprechen des Dehnstoffelements 12 beielektrischer Beheizung erreicht werden. Die Größe der Partikel, vorzugsweiseMetall- oder Graphitpartikel mit positivem Temperaturkoeffizienten,liegt im Bereich zwischen 1 μm und100 μm.
    [0031] Dieschematische Darstellung der 2 zeigteine möglicheElektrodenanordnung. Die beiden Elektroden 38, 40 ragenin den Dehnstoff hinein und bei Anlegen einer Potentialdifferenzzwischen den Elektroden 38, 40 wird zwischen denElektroden 38, 40 ein elektrischer Strom fließen, derdann zu einer Erwärmungdes Dehnstoffs führt.Die Elektrode 40 kann beispielsweise elektrisch leitfähig mitdem Gehäuse 20 verbundensein und es könnenauch jeweils mehrere Elektroden 38, 40 vorgesehensein, um eine möglichstgleichmäßige Stromverteilungund damit Erwärmungdes Dehnstoffs 22 zu erzielen.
    [0032] Inder schematischen Darstellung der 3 ist eineweitere möglicheElektrodenanordnung dargestellt. Dabei ist eine Elektrode 42 hohlzylindrisch ausgebildetund eine zweite Elektrode 44 liegt auf einer Mittellängsachseder hohlzylindrischen ersten Elektrode 42. Durch eine solcheAnordnung lässtsich eine besonders gleichmäßige Stromverteilungerreichen.
    [0033] DieSchnittansicht der 4 zeigt eine weitere Ausführungsformeines erfindungsgemäßen Dehnstoffelements 46.Das Dehnstoffelement 46 weist ein Metallgehäuse 48 auf,in dem ein elektrisch leitfähigerDehnstoff 50 angeordnet ist. In den Dehnstoff 50 hineinragt ein Ende eines Kolbens 52, der aus elektrisch leitfähigem Metallbesteht. Das Gehäuse 48 istmittels eines Verschlussstopfens 54 abgedichtet, der einezentrale Durchgangsbohrung aufweist, in der der Kolben 52 geführt ist.Zwischen dem Dehnstoff 50 und dem Verschlussstopfen 54 istauf der offenen Seite des Gehäuses 48 eineelastische Membran 56 angeordnet. Die elastische Membran 56 weisteine zentrale Durchgangsöffnungauf, in die der Kolben 52 eingeführt ist. Zur Abdichtung greiftdie elastische Membran 56 in eine umlaufende Nut des Kolbens 52 ein.Bei einer Erwärmungdes Dehnstoffs 50 im Gehäuse 48 dehnt sichdieser aus und verschiebt dadurch den Kolben 52 vom Gehäuse 48 weg,in der 4 nach rechts.
    [0034] Umeine elektrische Erwärmungdes elektrisch leitfähigenDehnstoffs 50 zu erreichen, wird das in den Dehnstoff 50 hineinragendeEnde des Kol bens 52 als erste Elektrode verwendet und dasGehäuse 48 istauf Masse gelegt und dient als zweite Elektrode. Bei einer Potentialdifferenzzwischen dem Kolben 52 und dem Gehäuse 48 fließt dadurchein Strom zwischen Kolben 52 und Gehäuse 48 und durch die dabeientstehende ohmsche Wärmewird der Dehnstoff 50 erwärmt. Da der Kolben 52 beiErwärmung desDehnstoffs 50 relativ zum Gehäuse 48 und relativ zumVerschlussstopfen 54 eine Bewegung ausführt, ist dieser mittels einesSchleifers 58 kontaktiert. Die Kontaktierung des sich bewegendenKolbens 52 kann aber auch in irgendeiner anderen Weiseerfolgen, beispielsweise durch flexible Kabelzuleitungen. Das Dehnstoffelement 46 verzichtetvollständigauf separate, im Dehnstoff 50 angeordnete Elektroden. Dadurchist eine erhebliche Vereinfachung der Konstruktion möglich, beider insbesondere keine defektanfälligenDurchführungenvon elektrischen Leitungen durch das Gehäuse 48 vorgesehenwerden müssen.
    [0035] Einweiteres erfindungsgemäßes Dehnstoffelement 60 istin Schnittansicht in der 5 dargestellt. Das Dehnstoffelement 60 istmit Ausnahme des in der 4 dargestellten Schleifers 58 undder zugehörigenelektrischen Zuleitung sehr ähnlichzu dem in der 4 dargestellten Dehnstoffelement 46 aufgebaut,so dass auf eine erneute detaillierte Beschreibung verzichtet wird.Im Unterschied zum Dehnstoffelement 46 der 4 istbei dem Dehnstoffelement 60 der 5 ein Kolben 62 relativzu einem nur schematisch angedeuteten Thermostatventilgehäuse 64 fixiert.Bei einer Erwärmungdes Dehnstoffs 50 im Gehäuse 48 bleibt derKolben 62 somit gegenüberdem Thermostatventilgehäuse 64 in Ruheund das Gehäuse 48 wirdsich verschieben, in der Darstellung der 5 nach links.Folglich muss auch ein Absperrschieber dann durch das Gehäuse 48 betätigt werden.
    [0036] Dader Kolben 62 relativ zum Thermostatventilgehäuse 64 inRuhe bleibt, aber auch mit dem Dehnstoff 50 in Kontaktsteht, ist die Kontak tierung bei dem Dehnstoffelement 60 inbesonders einfacher Weise ausführbar.Der Kolben 62 kann auf Potential gelegt werden und dasGehäuse 48 wirddemgegenüberauf Masse gelegt. Dadurch fließtein Strom durch den elektrisch leitfähigen Dehnstoff 50,so dass sich dieser erwärmt.Eine Kontaktierung des Gehäuses 48 kanndabei mittels eines Schleifers erfolgen oder sogar mittelbar über eindas Gehäuse 48 umströmendes Kühlmittel.Dies ist dann unkritisch, wenn das Gehäuse 48 ohnehin nurauf Masse gelegt werden soll. Auch die Kontaktierung mit einem Schleiferist unkritisch, wenn das Gehäuse 48 lediglichmit Masse verbunden werden soll.
    [0037] Insgesamtwird durch die Erfindung eine erhebliche konstruktive Vereinfachungeines Dehnstoffelements in Verbindung mit einer erheblichen Kostenersparnisbei der Herstellung ermöglicht.
    权利要求:
    Claims (9)
    [1] Dehnstoffelement für Thermostatventile mit einemGehäuse(20; 48), einem in dem Gehäuse (20; 48)angeordneten Dehnstoff (22; 50), einem bei einer Volumenänderungdes Dehnstoffs (22; 50) relativ zum Gehäuse (20; 48)bewegbaren Betätigungselement(16; 52; 62) und elektrisch aktivierbarenMitteln zum Aufheizen des Dehnstoffs (22; 50), dadurchgekennzeichnet, dass die Mittel zum Aufheizen des Dehnstoffs(22; 50) zwei mit dem Dehnstoff (22; 50) inKontakt stehende Elektroden (28, 20; 38, 40; 42, 44; 52, 48; 62, 48)aufweisen, der Dehnstoff (22; 50) elektrisch leitfähig istund einen elektrischen Widerstand bildet.
    [2] Dehnstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der Dehnstoff (22; 50) mit elektrisch leitfähigen undjeweils einen elektrischen Widerstand bildenden Partikeln versehenist.
    [3] Dehnstoffelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnstoff (22; 50)Graphitpartikel, Metallpartikel und/oder Partikel aus einem Materialmit positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweist.
    [4] Dehnstoffelement nach Anspruch 2 oder Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel jeweils im Mikrometerbereichliegende Abmessungen aufweisen.
    [5] Dehnstoffelement nach wenigstens einem der vorstehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektroden mittels des mitdem Dehnstoff (22; 50) in Kontakt stehenden undwenigstens abschnittsweise elektrisch leitfähig ausgebildeten Gehäuses (20; 48)realisiert ist.
    [6] Dehnstoffelement nach wenigstens einem der vorstehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine in einen Innenraumdes Gehäuses(20; 48) ragende und mit dem Dehnstoff (22; 50)in Kontakt stehende Elektrode (28; 52; 62)vorgesehen ist.
    [7] Dehnstoffelement nach wenigstens einem der vorstehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement als Kolben (52; 62) ausgebildetist, der abschnittsweise mit dem Dehnstoff (50) in Kontaktsteht, wobei der Kolben (52; 62) eine der Elektrodenbildet.
    [8] Dehnstoffelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,dass das mit dem Dehnstoff (50) in Kontakt stehende Gehäuse (48)die zweite Elektrode bildet.
    [9] Dehnstoffelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,dass zum Aufheizen des Dehnstoffs (50) der Kolben (52; 62)auf Potential und das Gehäuse(48) auf Masse gelegt ist.
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