HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen thermischen Stellantrieb
und insbesondere auf einen thermischen Stellantrieb, der in einem
Wachspellet-Thermostat für Kraftfahrzeugmotoren und verschiedenen thermischen
Sensoren vorgesehen ist.
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Der thermische Stellantrieb in dem Wachspellet-Thermostat umfaßt eine
Stahlstange, die an einem Gehäuse an einem Basisende davon gesichert ist,
ein Führungsteil, das gleitend an der Stange befestigt ist, eine
Dichtspule, die an dem Führungsteil befestigt ist und um die Stange vorgesehen
ist, einen wärmeleitenden Zylinder, der an dem Führungsteil befestigt ist
und einem Kühlmittel ausgesetzt ist, ein Wachs, das in dem Zylinder
vorgesehen ist, und eine Feder, die das Führungsteil zu dem Basisende der
Stange hin drückt.
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Wenn die Temperatur des Kühlmittels über einen vorbestimmten Wert des
Thermostats hinaus ansteigt, dehnt sich das Wachs aus. Dies drückt die
Dichtspule gegen die Stahlstange. Da das Wachs die Dichtspule um die
Stange zusammenquetscht, bewegt sich der Zylinder nach außen zusammen mit
dem Führungsteil gegen die Feder, wodurch ein Ventil geöffnet wird. Wenn
sich das Thermostat abkühlt, zieht sich das Wachs zusammen, so daß sich
die Dichtspule ausdehnt, und der Zylinder wird zu dem Basisende der
Stange durch die Feder bewegt.
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In einem gewöhnlichen Thermostat, das einen Ventilöffnungshub von 10 mm
besitzt, wird der Druck des Wachses zum Anheben des Ventils bis zu
140 kg/cm² hoch. Um dem hohen Druck zu widerstehen und die Haltbarkeit
sicherzustellen, ist die Dichtspule so hergestellt, daß sie eine große
Dicke besitzt, zum Beispiel 45%. des Durchmessers der Stange. Deshalb
wird, um die verdickte und steife Dichtspule zusammenzupressen und zu
deformieren, eine hohe Kraft von 38 kg/cm² für 140 kg/cm² verbraucht.
Zusätzlich treten dort Probleme auf, wie beispielsweise eine Abnutzung
und ein Zerreißen der Dichtspule und ein Anhaften der Spule an der
Stange, und zwar aufgrund der hohen Reibung.
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Die EP-A-0-318-208 und die US-A-3-045-918 stellen relevante Vorrichtungen
nach dem Stand der Technik dar.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie im Anspruch 1 definiert ist,
wird ein thermischer Stellantrieb mit einer Stellstange, einem
Führungsteil, welches gleitend bewegbar auf der Stellstange vorgesehen ist, einem
elastischen Dicht-Beutel, welcher um die Stellstange herum vorgesehen ist
und hermetisch abdichtend mit dem Führungsteil verbunden ist, einem
wärmeleitfähigen Zylinder, welcher den Dicht-Beutel und die Stellstange
beherbergt und mit dem Führungsteil verbunden ist, und einem Wachs, das in
dem wärmeleitfähigen Zylinder so vorgesehen ist, daß dieser den
Dicht-Beutel umschließt, geschaffen.
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Der Dicht-Beutel besitzt einen Basisabschnitt, welcher eine Öffnung
aufweist, und einen Beutelabschnitt, welcher einen Hohlraum definiert, und
der mit der Stange nur an der Öffnung in Kontakt steht, zur Ausbildung
eines Zwischenraums zwischen dem Beutelabschnitt und der Stange, und
wobei der Zwischenraum mit einem schmierenden Öl gefüllt ist.
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Der Beutelabschnitt besitzt eine Dicke zwischen 25% und 1% des
Durchmessers der Stellstange, so daß der Druck des schmierenden Öls auf einen
Wert gleich bzw. äquivalent dem Druck des Wachses aufgebaut wird, wodurch
der Beutelabschnitt in einem Gleitzustand gehalten wird.
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Wenn sich das Wachs mit einem Erhöhen der Umgebungstemperatur ausdehnt,
bewirkt der Druck des schmierenden Öls gleich dem Druck ein Anheben der
Stange.
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Zu einer frühen Stufe der Ausdehnung des Wachses wird ein Teil des
Beutelabschnitts benachbart dem Basisabschnitt zuerst zusammengezogen, um
die Stange zu quetschen, so daß das schmierende Öl in dem Dicht-Beutel am
Auslaufen gehindert wird. Da sich der Beutelabschnitt in einem gleitenden
Zustand zwischen dem Wachs und dem schmierenden Öl befindet, nimmt der
Beutelabschnitt nicht an dem Anheben der Stange teil. Deshalb kann die
Dicke des Dicht-Beutels reduziert werden und die Lebensdauer des
Dicht-Beutels wird verlängert. Aufgrund der dünnen Dicke des
Dicht-Beutels kann der Durchmesser des wärmeleitenden Zylinders verringert werden
und der Durchmesser der Stange kann erhöht werden.
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Andererseits nimmt der Druck des Wachses, der zum Anheben der Stange
notwendig ist, im umgekehrten Verhältnis zu dem Quadrat des Durchmessers der
Stange ab. Demzufolge verringert sich der Druck des Wachses und
demzufolge der Druck des schmierenden Öls in großem Umfang mit dem Erhöhen des
Durchmessers der Stange. Deshalb kann die Lebensdauer des Dicht-Beutels
weiter erhöht werden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, keinen thermischen
Stellantrieb zu schaffen, der einen elastischen Dicht-Beutel aufweist, der
eine Stange und ein schmierendes Öl aufnimmt, das in einem Zwischenraum
zwischen dem Dicht-Beutel und der Stange vorgesehen ist, wobei sich die
Stange relativ zu einem Führungsteil durch Druck des schmierenden Öls
gleich dem Druck des Wachses bewegt, und zwar ohne Berührung des
Dicht-Beutels mit der Stange.
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Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen thermischen
Stellantrieb zu schaffen, bei dem ein elastischer Dicht-Beutel, der um
eine Stange vorgesehen ist, eine sehr kleine Dicke besitzt, wodurch die
Größe und das Gewicht des thermischen Stellantriebs reduziert und die
Lebensdauer des thermischen Stellantriebs erhöht wird.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen thermischen
Stellantrieb zu schaffen, bei dem ein Dicht-Beutel, der eine geringe
Dicke besitzt, zuerst in eine Stange an einem Basisabschnitt davon
eingreift, wodurch verhindert wird, daß schmierendes Öl ausläuft.
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Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
aus der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen ersichtlicher.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines thermischen Stellantriebs für ein
Thermostat gemäß der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht des thermischen Stellantriebs in einem
Kompressionszustand eines elastischen Dicht-Beutels;
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Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht des thermischen Stellantriebs der Fig. 2;
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Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht des Dicht-Beutels;
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Fig. 5 und 6 zeigen Schnittansichten eines Thermostats, das mit dem
thermischen Stellantrieb der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist;
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Fig. 7a und 7b stellen einen herkömmlichen, thermischen Stellantrieb und
einen thermischen Stellantrieb der vorliegenden Erfindung im natürlichen
Maßstab dar; und
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Fig. 8 zeigt eine Schnittansicht eines anderen Beispiels des thermischen
Stellantriebs der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Fig. 1 stellt einen thermischen Stellantrieb der vorliegenden Erfindung
dar, der in einem Thermostat eines Motorkühlsystems für ein Kraftfahrzeug
befestigt werden soll. Der thermische Stellantrieb weist eine
Stellstahlstange 1, ein Führungsteil 2, welches gleitend bewegbar auf der Stange
befestigt ist, und einen elastischen Dicht-Beutel 3, der hermetisch an
dem Führungsteil 2 gesichert ist, auf. Der Dicht-Beutel 3 ist in einen
wärmeleitfahigen Zylinder 5 eingesetzt, der mit Wachspellets 4 gefüllt
ist. Eine Dichtungseinrichtung 13 ist zwischen dem Führungsteil 2 und der
Stange 1 vorgesehen, um so zu verhindern, daß Fremdmaterial in den
Dicht-Beutel 3 eindringt. Ein oberes Ende 6 des Zylinders 5 ist gesichert
mit dem Führungsteil 2 in Eingriff gebracht, wodurch der thermische
Stellantrieb 7 gebildet wird.
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Der Dicht-Beutel 3 weist einen Beutelabschnitt 3a auf, der einen
Hohlraum 8 und einen Basisabschnitt 9 definiert, der eine Öffnung 9a besitzt,
wie dies in fig. 4 dargestellt ist. Der Dicht-Beutel 3 steht mit der
Stange 1 nur an der Öffnung 9a mit einem Zwischenraum 10 zwischen dem
Beutelabschnitt 3a und der Stange in Eingriff. Der Zwischenraum 10 ist
mit schmierendem Öl 11 aufgefüllt. Die Dicke des Beutelabschnitts 3a wird
auf einen sehr kleinen Wert reduziert. Die Dicke liegt zum Beispiel
zwischen 95% und 1% des Durchmessers der Stange. Der Zwischenraum 10
besitzt eine Breite ungefähr gleich der Dicke 12 des Dicht-Beutels.
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Wenn sich das Wachs 4 mit einem Erhöhen einer Umgebungstemperatur
ausdehnt, erhöht sich der Druck des schmierenden Öls 11 auf einen Wert
gleich dem Druck des Wachses. Der Druck des schmierenden Öls wirkt so, um
die Stange 1 entsprechend anzuheben. Fig. 2 stellt den Zustand dar, wo
die Stange 1 auf eine maximale Anhebungsposition angehoben ist. Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird die Stange durch den Druck des schmierenden
Öls 11 angehoben und demzufolge befindet sich der Beutelabschnitt 3a in
einem Gleitzustand bzw. schwimmenden Zustand zwischen dem Wachs 4 und dem
schmierenden Öl, die im Druck ausbalanciert sind. Deshalb nimmt der
Beutelabschnitt 3a nicht an dem Anheben der Stange teil.
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Zu einer frühen Stufe der Ausdehnung des Wachses 4 wird ein Teil des
Beutelabschnitts 3a benachbart dem Basisabschnitt 9 zuerst zusammengezogen,
um die Stange zu quetschen, so daß das schmierende Öl 11 in dem
Dicht-Beutel am Auslaufen gehindert wird.
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Wenn die Umgebungstemperatur abfällt, zieht sich das Wachs 4 zusammen.
Dementsprechend wird die Stange 1 durch eine elastische Kraft 14a einer
Feder (nicht dargestellt) zu der Anfangsposition der Fig. 1 abgesenkt.
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Fig. 5 stellt das Thermostat dar, das einen thermischen Stellantrieb der
vorliegenden Erfindung besitzt, der für ein Kühlsystem eines
Kraftfahrzeugmotors vorgesehen ist.
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Das Thermostat besitzt ein Gehäuse 16, das an einer Wand eines
Kühlmittelkanals des Motors befestigt ist, und einen Rahmen 17, der an dem
Gehäuse 16 befestigt ist. Das Gehäuse 16 besitzt einen Ventilsitz 15. Die
Stahlstange 1 des thermischen Stellantriebs der vorliegenden Erfindung
ist an dem Gehäuse 16 an einem Oberseitenabschnitt 20 befestigt und ein
primäres Ventil 18 ist an dem Führungsteil 2 gesichert. Eine
Rückführschraubenfeder 14, die so angeordnet ist, daß sie den Zylinder 5 umgibt,
ist zwischen dem primären Ventil 18 und dem Boden des Rahmens 17
vorgesehen. Ein Sprengring 19 ist mit dem Führungsteil 2 zum Sichern des
primären Ventils 18 an dem Führungsteil 2 in Eingriff gebracht.
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Fig. 6 stellt das Ventil in dem geschlossenen Zustand dar. Wenn die
Temperatur des Kühlmittels oberhalb eines vorbestimmten Werts des
Thermostats ansteigt, bewirkt die Expansion des Wachses, daß der Druck des
schmierenden Öls bis zu einem Wert gleich dem Druck des Wachses 4
ansteigt. Der Druck des Schmiermittelöls wird auf die Stange 1 ausgeübt, um
sie nach oben zu drücken. Da die Stange 1 gesichert ist, wird der
Zylinder
5 des thermischen Stellantriebs nach unten gegen die Kraft der
Feder 14 bewegt, wodurch das primäre Ventil 18 geöffnet wird, wie dies in
Fig. 5 dargestellt ist.
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Wenn sich die Kühlmitteltemperatur verringert, zieht sich das Wachs 4
zusammen. Demzufolge bewirkt die Schraubenfeder 14 so, daß sich das
Ventil 18 zu der geschlossenen Position anhebt, wie dies in Fig. 6
dargestellt ist.
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Fig. 8 stellt einen thermischen Stellantrieb für eine allgemeine
Verwendung dar. Ein Sprengring 21 ist mit einer ringförmigen Nut der Stange 1
in Eingriff gebracht, um so den Zwischenraum zwischen dem unteren Ende
der Stange 1 und dem Boden des Dicht-Beutels 3 zu bestimmen. Das obere
Ende der Stange 1 ist betriebsmäßig mit einer Einrichtung, die betätigt
werden soll, verbunden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung nimmt der elastische Dicht-Beutel nicht
am Bewegen der Stange teil. Deshalb kann die Dicke des Dicht-Beutels
merkbar reduziert werden und die Lebenszeit des Dicht-Beutels wird sehr
stark über fünf Mal gegenüber derjenigen der herkömmlichen Dichtspule
verlängert.
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Aufgrund der sehr dünnen Dicke des Dicht-Beutels kann der Durchmesser des
wärmeleitenden Zylinders verringert werden. Je kleiner der Durchmesser
des Zylinders wird, desto stärker steigt die Widerstandsfähigkeit des
Zylinders an. Hierdurch kann die Dicke der Wand des Zylinders verringert
werden, was ein Erhöhen der thermischen Empfindlichkeit und eine
Verringerung der Größe und des Gewichts des thermischen Stellantriebs
bewirkt. Im Gegensatz dazu kann der Durchmesser der Stange erhöht werden.
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Andererseits nimmt der Druck des Wachses, der zum Anheben der Stange
notwendig ist, in umgekehrtem Verhältnis zu dem Quadrat des Durchmessers der
Stange ab. Demzufolge verringert sich der Druck des Wachses und
demzufolge
der Druck des schmierenden Öls in großem Umfang mit der
Vergrößerung des Durchmessers der Stange. Dies verlängert auch die
Lebenszeit des Dicht-Beutels.
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Haltbarkeitstests der thermischen Stellantriebe wurden wie folgt
durchgeführt.
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A. Dicht-Beutel der vorliegenden Erfindung
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Durchmesser der Stange: 4,5mm
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Dicke der Dichtspule: 0,2mm
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Dickenverhältnis zu der Stange: 4,44%.
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B. Herkömmliche Dichtspule
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Durchmesser der Stange: 3,8mm
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Dicke der Dichtspule: 1,7mm
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Dickenverhältnis zu der Stange: 44,7%.
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C. Spezifikation der Testmaschine
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Beim Anheben der Stange auf 10mm,
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Federbelastung an der Stange: 11,5kg
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Zykluszeit: 6 Sekunden
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EIN: 3 Sekunden AUS: 3 Sekunden
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D. Ergebnis
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a. Thermischer Stellantrieb der vorliegenden Erfindung
Druck zum Anheben der Stange auf 10mm: ungefähr 73 kg/cm²
Ein geringer Druck von 0,4 kg/cm² für den gesamten Druck von
73 kg/cm² wurde zur Deformierung des Dicht-Beutels verbraucht.
Lebensdauer: Keine Defekte wurden bei 200.000 Zyklen vorgefunden.
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b. Herkömmlicher, thermischer Stellantrieb
Druck zum Anheben der Stange auf 10 mm: ungefähr 140 kg/cm²
Druck von ungefähr 38 kg/cm² für den gesamten Druck von
140 kg/cm² wurde zur Deformierung und Quetschung der Dichtspule
verbraucht.
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Lebensdauer: ungefähr 40.000 Zyklen.
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Obwohl die thermischen Stellantriebe in der Leistung dieselben sind, ist
der Energieverbrauch des thermischen Stellantriebs der vorliegenden
Erfindung um 67 kg/cm² kleiner als der herkömmliche und die Lebensdauer
des ersteren beträgt über fünf Mal derjenigen des letzeren. Weiterhin
verringert sich der Druck des Wachses um 52% desjenigen des herkömmlichen
durch geringfügiges Erhöhen des Durchmessers der Stange um 0,7mm.
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Fig. 7a stellt einen thermischen Stellantrieb dar, der mit einer
herkömmlichen Dichtspule ausgestattet ist, und fig. 7b stellt einen thermischen
Stellantrieb dar, der einen Dicht-Beutel der vorliegenden Erfindung in
einem natürlichen Maßstab besitzt, der dieselbe Leistung besitzt. Die
Stange der Fig. 7a besitzt einen Durchmesser von 3,8mm und die Stange der
Fig. 7b besitzt einen größeren Durchmesser von 4,5mm, ungeachtet, daß der
thermische Stellantrieb eine geringere Größe als in Fig. 7a besitzt.