Dehnstoffelement
Das Dehnstoffelement bzw. Dehnstoffarbeitselement bezeichnet einen mit Dehnstoff gefüllten Aktor und besteht in der Regel aus einem Gehäuse, einem Arbeitskolben und dem Dehnstoff.
Funktion
BearbeitenDas Gehäuse ist mit dem Dehnstoff gefüllt, die Füllung besteht je nach Arbeitstemperatur aus Öl, Wachs, Hartparaffin oder auch Metall. Durch Temperaturänderung findet ein materialabhängiger Phasenübergang statt. Dabei erfährt der Dehnstoff eine signifikante Volumenänderung. Durch zweckmäßig gestaltete Gehäuse wird die Volumenänderung in eine Bewegung gewandelt. Die dabei zurückgelegte Bewegung ist proportional zur Temperaturänderung des Dehnstoffs, wobei die Hysterese sehr gering ist.[1] Kühlt der Dehnstoff wieder ab, wird der Arbeitskolben meist durch einen Federmechanismus in das Gehäuse zurückgedrückt. Da für die Phasenumwandlung bei typisch konstanter Temperatur Wärmeenergie benötigt wird, dauert der Schaltvorgang so lange, wie der dafür nötige Wärmefluss.
Mit der Verwendung einer Mischung verschieden hoch schmelzender Öle oder Wachse wird über das Schmelzintervall ein Schaltbereich definiert. Gleiches gilt für Metalllegierungen. So spielen sich für Zwischentemperaturen entsprechende Zwischenstellungen des Aktuators ein, was unerwünschtes Schwingen im Regelkreis und damit auch mechanischen Verschleiß am Kolben vermeiden hilft.
Die Einsatzmöglichkeiten von Dehnstoffelementen liegen im Temperaturbereich von etwa −40 °C bis +180 °C. Die Temperatur für den Beginn der Hubentfaltung wird durch die jeweils verwendeten Dehnstoffe vorgegeben. Es existieren auch Dehnstoffelemente, bei denen der Arbeitspunkt durch künstliche Beheizung verschoben werden kann.[2]
Innerhalb eines Dehnstoffelements können Drücke von 400 Bar erreicht werden, wodurch Dehnstoffelemente große Kräfte ausüben können. Weiterhin ist die Bauart relativ unempfindlich gegen Vibrationen.[2]
Bauarten
BearbeitenMechanischer Aufbau eines Dehnstoffelementes:
- Ausführung mit Membran
- Ausführung mit Elastomereinsatz
Anwendungen
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Ein Beispiel für die Verwendung von Dehnstoffelementen ist das Thermostatventil.[3][4] In Zentralheizungsanlagen oder auch in der Sanitärtechnik bei Mischbatterien[5] tragen Wachs-Dehnstoffelemente zur Sicherheit vor Verbrühung beim Duschvorgang bei. Diese Dehnstoffelemente gleichen Temperaturschwankungen in Sekundenbruchteilen aus.
Stellantriebe für Heizverteiler[6] werden mit 230 V oder 24 V beheizt und steuern so den Durchfluss des angeschlossenen Ventils.
Bekannt sind Dehnstoffelemente auch in Kühlkreisläufen von Kraftfahrzeugen[2][7] und in Kondensatableitern als Dehnkörper-Regelarmaturen, die selbsttätig das sich in Dampfleitungen und Umformungsprozessen bildende Kondensat in Rohrleitung ableiten, oder im Brandschutzventil.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit von Dehnstoffelementen ist die umgebungstemperaturabhängige Begrenzung der Kraftstoff-Einspritzmenge beim Start von Verbrennungsmotoren.[8]
Einzelnachweise
Bearbeiten- ↑ Sven Langbein, Alexander Czechowicz: Konstruktionspraxis Formgedächtnistechnik: Potentiale - Auslegung - Beispiele, Springer Vieweg, ISBN 978-3-8348-1957-4, S. 158
- ↑ a b c Patent DE102004022351C5: Dehnstoffelement. Angemeldet am 29. April 2004, veröffentlicht am 18. Dezember 2008, Anmelder: Behr Thermot-tronik GmbH, Erfinder: Eike Willers, Harald Ruoff.
- ↑ Patentanmeldung DE102004011735A1: Dehnstoffelement mit durch Prägungen reduziertem Volumen. Angemeldet am 4. März 2004, veröffentlicht am 22. September 2005, Anmelder: Behr Thermot-tronik GmbH, Erfinder: Bernd Schönherr.
- ↑ Patent DE10146823B4: Dehnstoffelement, insbesondere für einen Thermostaten. Angemeldet am 18. September 2001, veröffentlicht am 12. August 2010, Anmelder: Behr Thermot-tronik GmbH, Erfinder: Eike Willers, Immanuel Buschatz.
- ↑ Thermostatbatterie mit Dehnstoffelement
- ↑ [1]
- ↑ Felix Klingbiel, Ute Müller: Eindimensionale Strömungssimulation als Schlüssel zur Systemanalyse von Fluid- und Wärmeströmen in: Norbert Deußen (Hrsg.): Wärmemanagement des Kraftfahrzeugs: Entwicklungsmethoden und Bauteile der Kfz- und Nfz-Wärmetechnik, Expert Verlag, Renningen-Malmsheim 1998, ISBN 3-8169-1670-8, S. 198ff.
- ↑ Robert Bosch GmbH (Hrsg.): Dieselmotor-Management: Systeme und Komponenten, Vieweg Verlag, Braunschweig / Wiesbaden 2002, ISBN 978-3-322-99414-1, S. 168