DE102007031356A1

DE102007031356A1 - Dehnstoffelement

Info

Publication number: DE102007031356A1
Application number: DE102007031356A
Authority: DE
Inventors: Olaf Wolter; Richard Kitzmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2009-01-08

Abstract

Die Aufgabe, ein einfaches und kostengünstiges Dehnstoffelement (1) zu schaffen, welches im Wesentlichen eine verbesserte Axial- und Radialführung einer mittels Dehnstoffs (4) betätigbaren Kolbenstange (3) gestattet, wird im Wesentlichen dadurch gelöst, dass der Dehnstoff (4) des Dehnstoffelementes (1) von einem im Wesentlichen aus einer elastischen Membran (5) gebildeten ringförmigen Beutel (6) aufgenommen ist, der seinerseits innerhalb eines Gehäuses (2) des Dehnstoffelementes (1) angeordnet und durch seine zentrische Öffnung (7) hindurch von der Kolbenstange (3) durchdrungen ist, wobei der mit Dehnstoff (4) gefüllte Beutel (6), in Bewegungsrichtung der Kolbenstange (3) gesehen, einenends axial an einem Radialsteg (8) der Kolbenstange (3) und anderenends axial am Gehäuse (2) abgestützt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Dehnstoffelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der JP 60022020 A ist es bekannt, in Abhängigkeit von der Kühlwassertemperatur im Kühlkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine mittels eines temperatursensitiven Körpers den ölhydraulischen Schlupf einer Fluidkupplung zu schalten, um ein Lüfterrad und ein Flügelrad einer Kühlwasserpumpe temperaturabhängig drehen zu lassen. Die JP 62153596 A offenbart des Weiteren eine Wasserpumpe mit einem Haupt- und einem Nebenflügelrad, welche mittels eines temperatursensitiven Aktuators und eines Presselementes derart bei erhöhten Wassertemperaturen reibschlüssig verbindbar sind, dass ein erhöhter Volumenstrom realisierbar ist. Die DE 101 42 263 C1 beschreibt eine regelbare Kühlmittelpumpe mit einem mittels eines Thermoelementes betätigten und Ausströmöffnungen abdeckenden Schieber, wobei das Thermoelement in Abhängigkeit der jeweiligen Kühlmitteltemperatur stufenlos den Schieber betätigt und so das Öffnen bzw. das Verschließen der Ausströmöffnungen bewirkt. Aus der Praxis ist es seit geraumer Zeit bekannt, die oben erwähnten temperatursensitiven Körper/Aktuatoren bzw. Thermoelemente als sogenannte Dehnstoffeelemente auszubilden. So ist aus der DE 10 2004 011 735 A1 ein Dehnstoffelement bekannt, welches im Wesentlichen einen in einem Gehäuse angeordneten Dehnstoff aufweist, der seinerseits geeignet ist, durch temperaturabhängige Volumenänderung auf eine Stirnseite eines verschiebbaren Kolbens als beispielsweise Stellantrieb zu wirken. Aus der DE 30 07 640 A1 ist weiterhin eine regelbare Wasserpumpe an einer Brennkraftmaschine mit einem Verstellmechanismus bekannt, der seinerseits aus einem vom Kühlwasser der Brennkraftmaschine beaufschlagten ringförmigen Dehnstoffelement besteht, welches über einen in einem ringförmigen Zylinder geführten Ringkolben gegen eine auf denselben wirkende Federkraft eine Verstellscheibe einer auf der Welle der Wasserpumpe angeordneten Riemenscheibe mit zunehmender Kühlwasserwärme im Sinne einer Übersetzung ins Schnelle verstellt. Der Dehnstoff ist seinerseits bevorzugt als temperatursensitives Wachs oder Gas ausgebildet. Den vorgenannten Dehnstoffelementen ist gemein, dass im Hinblick auf den zu betätigenden Kolben erhöhte Anforderungen an die Lagerung bzw. Führung desselben zu stellen sind, um ein Verkanten und/oder eine ungleichförmige Verschiebung des Kolbens und demgemäß Funktionsnachteile zu vermeiden. Hier setzt die nachfolgend beschriebene Erfindung an.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches und kostengünstiges Dehnstoffelement zu schaffen, welches im Wesentlichen eine verbesserte Axial- und Radialführung einer mittels Dehnstoff betätigbaren Kolbenstange gestattet.
Ausgehend von einem Dehnstoffelement, umfassend ein Gehäuse, in welchem Dehnstoff angeordnet ist, sowie eine federbelastete Kolbenstange, die ihrerseits infolge einer bestimmten Medientemperatur bewirkten Volumenänderung des Dehnstoffes relativ zum Gehäuse gegen die Federkraft „F_Feder" verschiebbar ist, wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass der Dehnstoff von einem im Wesentlichen aus einer elastischen Membran gebildeten ringförmigen Beutel aufgenommen ist, der seinerseits innerhalb des Gehäuses angeordnet und durch seine zentrische Öffnung hindurch von der Kolbenstange durchdrungen ist, wobei der mit Dehnstoff gefüllte Beutel in Bewegungsrichtung der Kolbenstange gesehen, einenends axial an einem Radialsteg der Kolbenstange und anderenends axial am Gehäuse abgestützt ist. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der mit Dehnstoff gefüllte Beutel derart ausgebildet, dass in jedweden Betriebszustand des Dehnstoffelementes durch den Beutel zum einen über die Länge desselben eine weitestgehend vollumfängliche radiale Abstützung der Kolbenstange und/oder zum anderen eine weitestgehend vollumfängliche axiale Abstützung des Radialsteges der Kolbenstange gewährleistet ist. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der den Dehnstoff aufnehmende Beutel durch ein ringförmiges, weitestgehend starres stirnseitiges Deckelelement des Gehäuses sowie eine an demselben form-, kraft- und/oder stoffschlüssig befestigte ringförmig ausgebildete elastische Membran gebildet sein. Demgegenüber kann der den Dehnstoff aufnehmende Beutel auch ausschließlich durch die elastische Membran gebildet sein. Wie die Erfindung weiter vorsieht, kann der den Dehnstoff aufnehmende Beutel als separates und bereits vormontiertes Ein- oder Anbauteil ausgebildet sein. Vorzugsweise ist besagter Dehnstoff durch ein Wachs, ein Gas oder eine Flüssigkeit gebildet, welche/s bei Erwärmung eine Volumenänderung zum höheren und bei Abkühlung eine Volumenänderung zum niederen aufweist. Wie die Erfindung noch vorsieht, ist das die Federkraft „F_Feder" auf die Kolbenstange aufbringende Federelement derart angeordnet, dass eine direkte Berührung mit dem temperaturbestimmenden Medium vermieden ist. Besonders vorteilhaft kann das Dehnstoffelement als ein in Abhängigkeit von einer aktuellen und auf den Dehnstoff des Dehnstoffelementes einwirkenden Medientemperatur selbstregelnder Stellantrieb ausgebildet sein. Insoweit sind durch die Erfindung eine Kühlmittelpumpe im Kühlkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine mit dem in Rede stehenden Dehnstoffelement zur Regelung des Volumenstromes eines Kühlmittels in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur desselben sowie ein Ventil mit diesem Dehnstoffelement zur Regelung des Volumenstromes eines gasförmigen oder flüssigen Mediums durch Öffnen oder Schließen des Ventils in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur des besagten Mediums mit erfasst. Ebenso ist durch die Erfindung eine temperaturgesteuerte Kupplung mit einem Dehnstoffelement der oben beschrieben Art als Betätigungsorgan für die Kupplung mit erfasst, wobei die Kupplung als Schaltkupplung oder auch als Fluidkupplung ausgebildet sein kann
Das vorgeschlagene Dehnstoffelement hat im Hinblick auf herkömmliche den wesentlichen Vorteil, dass die Axial- und Radialführung der zu betätigenden Kolbenstange desselben durch eine einfache und kostengünstige Maßnahme erheblich verbessert ist, indem der im Beutel abgefüllte Dehnstoff selbst Lager- und Führungsfunktionen übernimmt demgemäß sind aufwendige Lager- und/oder Führungselemente für die Kolbenstange außerhalb des Gehäuses des Dehnstoffelementes entbehrlich, zumindest jedoch reduzierbar.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 den Teillängsschnitt eines erfindungsgemäß ausgebildeten Dehnstoffelementes in einer Einzeldarstellung gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 den Teillängsschnitt eines erfindungsgemäß ausgebildeten Dehnstoffelementes in einer Einzeldarstellung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
3 den Teillängsschnitt einer Kühlmittelpumpe mit einem Dehnstoffelement nach 1 oder 2, und
4 eine Ventilanordnung mit einem Dehnstoffelement nach 1 oder 2.
1 zeigt zunächst äußerst schematisch ein Dehnstoffelement 1, welches sich im Wesentlichen aus einem Gehäuse 2, vorzugsweise zylindrischem Gehäuse 2, und einer in demselben federbelasteten sowie relativ zum Gehäuse 2 axial verschiebbaren Kolbenstange 3 als Betätigungselement zur temperaturabhängigen Betätigung eines Aggregates, eines Schalt- oder Steuerelementes oder jedwedem anderen temperaturabhängig betätigbaren Bauteil zusammensetzt.
In dem Gehäuse 1 ist ferner ein Dehnstoff 4 angeordnet, welcher von einem im Wesentlichen aus einer elastischen Membran 5 gebildeten Beutel 6 aufgenommen ist. Besagter Dehnstoff 4 ist bevorzugt durch ein an sich bekanntes Wachs gebildet, kann jedoch auch ein geeignetes Gas oder eine geeignete Flüssigkeit umfassen, welche bei Erwärmung eine Volumenänderung zum höheren und bei Abkühlung eine Volumenänderung zum niederen aufweisen.
Der Beutel 6 ist seinerseits ringförmig ausgebildet und durch seine zentrische Öffnung 7 hindurch von der Kolbenstange 3 durchdrungen. Er umschließt sozusagen in seiner Axialausdehnung weitestgehend voll umfänglich die Kolbenstange 3.
Stirnseitig, d. h., axial stützt sich besagter Beutel 6 an einem Radialsteg 8 der Kolbenstange 3 und am Gehäuse 2 ab.
Bevorzugt ist der mit Dehnstoff 4 gefüllte Beutel 6 derart ausgebildet, dass in jedwedem Betriebszustand des Dehnstoffelementes 1 über die Länge bzw. axiale Erstreckung des Beutels 6 durch denselben eine weitestgehend vollumfängliche radiale Abstützung der Kolbenstange 3 gewährleistet ist. D. h., es ist über den gesamten Umfang der Kolbenstange 3 eine radiale Kraft auf dieselbe durch den Dehnstoff zu verzeichnen, ohne die Axialbewegung der Kolbenstange 3 maßgeblich zu behindern. Gleichzeitig ist eine weitestgehend vollumfängliche axiale Abstützung des Radialsteges 8 der Kolbenstange 3 zu verzeichnen.
Zweckmäßigerweise ist der Beutel 6 vollständig geschlossen und als separates Ein- bzw. Anbauteil ausgebildet, wodurch die Montage desselben wesentlich erleichtert ist. Des Weiteren sind herkömmlich erforderliche Abdichtungsmaßnahmen im Bereich des Gehäuses 2 bezüglich des Dehnstoffes 4 entbehrlich.
Wie der 1 weiter zu entnehmen ist, ist gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante des Beutels 6 derselbe durch ein ringförmiges, weitestgehend starres und mit einer Zentralbohrung für die Kolbenstange 3 versehenes stirnseitiges Deckelelement 2a des Gehäuses 2 sowie eine an demselben durch Formschluss befestigte ringförmig ausgebildete elastische Membran 5 gebildet, indem dieselbe sozusagen zweimal umlaufend durch je eine Einbördelung 9 am Deckelelement 2a festgelegt ist und somit im mit Dehnstoff 4 gefülltem Zustand ein ringförmiges und mit dem Deckelelement 2a verschlossenes sackförmiges Teil ausbildet. Sicherlich sind neben besagtem Formschluss auch ein Form- und/oder Stoffschluss denkbar.
Durch diese Maßnahme ist eine vereinfachte Bestückung des Gehäuses 2 mit Dehnstoff 4 zu verzeichnen, da der den Dehnstoff 4 aufnehmende Beutel 6 als Ein- oder Anbauteil bereits vormontiert, d. h., mit Dehnstoff 4 gefüllt und mittels des Deckelelementes 2a verschlossen, zur stirnseitigen Bestückung des Gehäuses 2 mit Dehnstoff 4 und Befestigung des Deckelelementes 2a am Gehäuse 2 bereitgestellt werden kann.
Selbstverständlich kann es auch angezeigt sein, und ist demgemäß durch die Erfindung mit erfasst, den mit Dehnstoff 4 gefüllten Beutel 6 ausschließlich durch die elastische Membran 5 auszubilden, in das Gehäuse 2 einzubringen und dasselbe abschließend mittels eines separaten Deckelelementes 2a zu verschließen (nicht näher dargestellt).
Nachfolgend wird die Funktionsweise des Dehnstoffelementes 1 näher beschrieben.
Gesetzt den Fall, es ist durch ein beliebiges erwärmtes Medium, welches ein Fluid, ein Gas oder/oder Körperwärme eines Festkörpers sein können, eine Erwärmung des Dehnstoffes 4 zu verzeichnen, so dehnt sich dieses aus und stützt sich dabei vorliegend zum einen am Gehäuse 2 respektive dessen Deckelelement 2a und zum anderen am Radialsteg 8 der Kolbenstange 3 axial ab.
In der Folge wird die Kolbenstange 3 vom Deckelelement 2a axial fortbewegt, bis der temperaturabhängige Ausdehnungsfaktor des Dehnstoffes 4 erreicht ist, wodurch eine erste von einer Vielzahl von Schaltstellungen der Kolbenstange 3 als beispielsweise Betätigungselement eines Schalters, Ventils o. a. erreicht ist. Für den Fachmann ist sicherlich leicht nachvollziehbar, dass infolge Verwendung des Dehnstoffes 4 die axiale Bewegung der Kolbenstange 3 weitestgehend kontinuierlich erfolgt.
Zweckmäßigerweise wird die vorbeschriebene Axialbewegung gegen eine auf die Kolbenstange 3 wirkende Federkraft „F_Feder" durchgeführt, um die Kolbenstange 3 bei Abkühlung und Volumenverminderung des Dehnstoffes 4 wieder in den Ausgangszustand zurückzuführen.
Aufgrund der Tatsache, dass der Beutel 6 im Wesentlichen aus einer elastischen Membran 5 gebildet ist, wirken sich die aus der Volumenerhöhung des Dehnstoffes 4 und/oder der einwirkenden Federkraft „F_Feder" resultierenden Druckkräfte des Beutels 6 in alle Richtungen gleichmäßig und demgemäß auch gleichmäßig auf die jeweilige in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Dehnstoffelementes 1 vom Beutel 6 überstrichene Mantelfläche der Kolbenstange 3 in Form von Radialkräften und auf die zum Beutel 6 korrespondierende Stirnfläche des Radialsteges 8 in Form von Axialkräften aus, welche eine verbesserte radiale Führung der Kolbenstange 3 bewirken und etwaige herkömmlich zu verzeichnende Verkantungen derselben an benachbarten Bauteilen verhindern.
Das Ausführungsbeispiel nach 2 unterscheidet sich zum vorbeschriebenen lediglich dadurch, dass innerhalb des Gehäuses 2 noch eine fest mit dem Deckelelement 2a verbundene Führungshülse 10 für die Kolbenstange 3 vorgesehen ist, um Beschädigungen am Beutel 6 infolge der axialen Bewegung der Kolbenstange 3 zu verhindern.
3 zeigt einen ersten möglichen Anwendungsfall für oben näher beschriebenes und besonders ausgebildetes Dehnstoffelement 1.
Danach ist eine mit zumindest einem Dehnstoffelement 1 der oben beschriebenen Art als Stellantrieb bestückte Kühlmittelpumpe 11 gezeigt, welche beispielsweise im Kühlkreislauf einer nicht näher dargestellten, jedoch an sich bekannten Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist und demgemäß keiner weiteren Erläuterungen bedarf.
Vermittels eines derartigen Dehnstoffelementes 1 lässt sich besonders einfach und kostengünstig der vom Flügelrad 12 der Kühlmittelpumpe 11 bewirkte Volumenstrom des Kühlmittels in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur des Kühlmittels regeln, indem die federkraftbelastete Kolbenstange 3 vorliegend eine Schiebehülse 13 axial über das Flügelrad 12 oder von diesem weg bewegt.
Sicherlich sind auch andere an sich bekannte Regelungen des Volumenstromes des Kühlmittels möglich und durch die Erfindung mit erfasst, indem beispielsweise der Strömungsquerschnitt von nicht näher gezeigten Kühlmitteleintritts- und/oder Kühlmittelaustrittsöffnungen der Kühlmittelpumpe 11 verändert werden.
Wie der 3 weiter zu entnehmen ist, gestattet das vorstehend beschriebene Dehnstoffelement 1 die Anordnung des die Federkraft „F_Feder" auf die Kolbenstange 3 aufbringende Federelementes 14, vorliegend gebildet durch eine- oder mehrere Tellerfedern, außerhalb der Volumenströmung des Kühlmittels, wodurch Druckverluste vermieden sind.
4 zeigt einen weiteren Anwendungsfall für oben näher beschriebenes und besonders. ausgebildetes Dehnstoffelement 1, wobei hier mittels desselben über die Kolbenstange 3 ein Schließelement 15 in Form eines Ventiltellers eines Ventils 16 betrieben wird und somit die Regelung des Volumenstromes eines gasförmigen oder flüssigen Mediums durch Öffnen oder Schließen des Ventils 16 bzw. dessen Schließelementes 15 in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur des besagten Mediums gestattet ist. Auch hier ist das Federelement 14, vorliegend gebildet durch eine- oder mehrere Schraubenzugfedern, außerhalb der Volumenströmung des Mediums angeordnet.
Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf vorstehende Anwendungsfälle, sondern umfasst jedweden technischen Anwendungsfall, bei welchem die Anwendung des erfindungsgemäß ausgebildeten Dehnstoffelementes 1 vorteilhaft ist.
So ist es beispielsweise auch denkbar und demgemäß von der Erfindung mit erfasst, eine an sich bekannte temperaturgesteuerte Kupplung, wie eine Schaltkupplung oder eine Fluidkupplung, mit einem Dehnstoffelement 1 der erfindungsgemäßen Art zu bestücken, um mittels der Kolbenstange 3 desselben kontinuierlich ein Antriebsorgan der Schaltkupplung oder ein Ventil zur Änderung des Flüssigkeitsstandes oder ein Mittel zur Änderung der Flüssigkeitsschichtdicke im Kupplungsgehäuse der Fluidkupplung zu betätigen (nicht näher dargestellt).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 60022020 A [0002]
- JP 62153596 A [0002]
- DE 10142263 C1 [0002]
- DE 102004011735 A1 [0002]
- DE 3007640 A1 [0002]

Claims

Dehnstoffelement (1), umfassend ein Gehäuse (2), in welchem Dehnstoff (4) angeordnet ist, sowie eine federbelastete Kolbenstange (3), die ihrerseits infolge einer bestimmten Medientemperatur bewirkten Volumenänderung des Dehnstoffes (4) relativ zum Gehäuse (2) gegen die Federkraft „F_Feder" verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnstoff (4) von einem im Wesentlichen aus einer elastischen Membran (5) gebildeten ringförmigen Beutel (6) aufgenommen ist, der seinerseits innerhalb des Gehäuses (2) angeordnet und durch seine zentrische Öffnung (7) hindurch von der Kolbenstange (3) durchdrungen ist, wobei der mit Dehnstoff (4) gefüllte Beutel (6) in Bewegungsrichtung der Kolbenstange (3) gesehen, einenends axial an einem Radialsteg (8) der Kolbenstange (3) und anderenends axial am Gehäuse (2) abgestützt ist.
Dehnstoffelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit Dehnstoff (4) gefüllte Beutel (6) derart ausgebildet ist, dass in jedweden Betriebszustand des Dehnstoffelementes (1) durch den Beutel (6) zum einen über die Länge desselben eine weitestgehend vollumfängliche radiale Abstützung der Kolbenstange (3) und/oder zum anderen eine weitestgehend vollumfängliche axiale Abstützung des Radialsteges (8) der Kolbenstange (3) gewährleistet ist.
Dehnstoffelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der den Dehnstoff (4) aufnehmende Beutel (6) durch ein ringförmiges, weitestgehend starres stirnseitiges Deckelelement (2a) des Gehäuses (2) sowie eine an demselben form-, kraft- und/oder stoffschlüssig befestigte ringförmig ausgebildete elastische Membran (5) gebildet ist.
Dehnstoffelement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der den Dehnstoff (4) aufnehmende Beutel (6) ausschließlich durch die elastische Membran (5) gebildet ist.
Dehnstoffelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der den Dehnstoff (4) aufnehmende Beutel (6) als separates und bereits vormontiertes Ein- oder Anbauteil ausgebildet ist.
Dehnstoffelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnstoff (4) durch ein Wachs, ein Gas oder eine Flüssigkeit gebildet ist, welche/s bei Erwärmung eine Volumenänderung zum höheren und bei Abkühlung eine Volumenänderung zum niederen aufweist.
Dehnstoffelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das die Federkraft „F_Feder" auf die Kolbenstange (3) aufbringende Federelement (12) derart angeordnet ist, dass eine direkte Berührung mit dem temperaturbestimmenden Medium vermieden ist.
Dehnstoffelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dehnstoffelement (1) als ein in Abhängigkeit von einer aktuellen und auf den Dehnstoff (4) des Dehnstoffelementes (1) einwirkenden Medientemperatur selbstregelnder Stellantrieb ausgebildet ist.
Kühlmittelpumpe (11) im Kühlkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Dehnstoffelement (1) nach Anspruch 8 zur Regelung des Volumenstromes eines Kühlmittels in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur desselben.
Ventil (14) mit einem Dehnstoffelement (1) nach Anspruch 8 zur Regelung des Volumenstromes eines gasförmigen oder flüssigen Mediums durch Öffnen oder Schließen des Ventils (16) in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur des besagten Mediums.
Temperaturgesteuerte Kupplung mit einem Dehnstoffelement (1) nach Anspruch 8 als Betätigungsorgan für die Kupplung.
Temperaturgesteuerte Kupplung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe als Schaltkupplung ausgebildet ist.
Temperaturgesteuerte Kupplung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe als Fluidkupplung ausgebildet ist.