Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor für ein Heizgerät, insbesondere ein
mobiles Zusatzheizgerät eines Fahrzeugs, mit einem Messfühler der zum
Anordnen in einem Kanal vorgesehen ist, in dem sich ein flüssiges Medium befindet.
Ferner betrifft die Erfindung ein Heizgerät mit einem derartigen Temperatursensor,
der zum Erkennen einer Temperatur, insbesondere einer Übertemperatur, an
mindestens einem Kanal dient, in dem sich ein flüssiges Medium befindet.
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Temperatursensoren der eingangs genannten Art werden bei Heizgeräten
verwendet, um an einem Wärmeübertrager des Heizgerätes die Temperatur einer
Innenwand bzw. Wandung des Wärmeübertragers zu ermitteln. Die Innenwand
trennt einen Brenngasraum eines Brenners des Heizgerätes von einem
Wärmeträgerraum, in dem ein flüssiges Kühlmedium strömt. Das Kühlmedium kann
beispielsweise das Kühlwasser eines vorzuwärmenden Verbrennungsmotors oder
ein flüssiger Wärmeträger in einem Wärmeübertrager an einem Fahrgastraum
sein.
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Solche Temperatursensoren werden oftmals als elektrische Widerstände mit
NTC- oder PTC-Charakter oder auch als Thermoelemente ausgebildet. Der
Widerstand oder das Thermoelement ragt in ein zylindrisches Gehäuse eines
Fühlers und ist darin eingegossen oder verklebt. Der Fühler ragt mit einer glatten
zylindrischen Oberfläche in ein Kühlmedium bzw. einen flüssigen Wärmeträger des
Wärmeübertragers des Heizgerätes. Die Temperatursensoren sind zum Teil
speziell so montiert, dass sie mit dem Boden ihres Fühlers flach auf einer Innenwand
des Wärmeübertragers anliegen, um so bei Ausfall der Strömung des
Kühlmediums möglichst schnell und zuverlässig eine steigende Temperatur der Innenwand
zu erfassen. Bei Erkennung einer Übertemperatur der Innenwand wird der
Heizbetrieb des Heizgerätes entsprechend abgeregelt oder eingestellt. Der
Temperatursensor ist mit einer Steuereinrichtung elektrisch verbunden, die die Signale des
Temperatursensors auswertet und den Heizbetrieb entsprechend steuert. Bei
bekannten Temperatursensoren kommt es zu Abweichungen zwischen der
tatsächlichen Temperatur des Kühlmediums und der vom Fühler des Temperatursensors
ermittelten Temperatur.
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Aus DE 39 42 732 A1 ist ein Wärmetauscher einer Standheizung für
Kraftfahrzeuge bekannt, bei dem ein Temperaturüberwachungselement in einem
Außengehäuse des Wärmetauschers eingesetzt ist. Das Überwachungselement
durchsetzt das Außengehäuse und berührt mit einer Kontaktfläche eine Stelle der
inneren Wärmetauscherwand. Alternativ wird das Überwachungselement in einem
definierten Abstand von der Wärmetauscherwand gehalten. Damit unter allen
Umständen ein Anliegen der Kontaktfläche des
Temperaturüberwachungselements an der Wärmetauscherwand bzw. ein gleich bleibender Abstand zu der
Wärmetauscherwand gewährleistet ist, ist das Temperaturüberwachungselement
mit der Kontaktfläche in Richtung auf die Wärmetauscherwand vorgespannt. Der
Temperaturfühler des Temperaturüberwachungselements, der sich zwischen dem
Außengehäuse und er Wärmetauscherwand befindet ist bei allen
Ausführungsformen gemäß der DE 39 42 732 A1 zylindrisch mit einer glatten Oberfläche
gestaltet.
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Aus DE 44 46 829 A1 ist ein Fahrzeugheizgerät mit einer Überhitzungs-
Überwachungseinrichtung bekannt, bei der ein zweiteiliger Überhitzungs-
Temperaturfühler ausgebildet ist, mittels dem eine Überhitzung im Endbereich des
Flammrohrs schnell erfasst werden soll, während von dieser Überhitzung ein
Wärmeträger-Temperaturfühler nicht oder nur wenig beeinflusst wird. Die
einzelnen Temperaturfühler dieser Anordnung sind wiederum zylindrisch mit glatter
Oberfläche gestaltet.
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Aus DE 38 39 244 A1 und C1 ist je ein Heizgerät, insbesondere ein
Fahrzeugzusatzheizgerät, bekannt, bei dem ebenfalls ein Anlagefühler ausgebildet, der in
wärmeleitende Verbindung mit einer Wärmeübertragerwand vorgespannt ist. Bei
einer Ausführungsform eines solchen Anlagefühlers ist das Kopfteil, das in
wärmeübertragender Verbindung mir der Wärmeübertragerwand steht, selbst
elastisch ausgebildet. Aufgrund der durch die Vorspannung erzeugten elastischen
Verformung des Kopfteils bildet sich bei diesem außen eine gewellte Oberfläche,
die in Fig. 4 der DE 38 39 244 A1 und C1 dargestellt ist.
Zugrundeliegende Aufgabe
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heizgerät mit einem
Temperatursensor zu schaffen, bei dem zwischen der tatsächlichen Temperatur eines
flüssigen Wärmeträgers und der von dem Temperatursensor übermittelten Temperatur
eine möglichst geringe Abweichung besteht.
Erfindungsgemäße Lösung
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem eingangs genannten
Temperatursensor gelöst, bei dem der Messfühler mit mindestens einer Wärmeleitrippe
gestaltet ist. Die Aufgabe ist ferner mit einem Heizgerät gelöst, bei dem ein derartiger
erfindungsgemäßer Temperatursensor zum Erkennen einer Temperatur,
insbesondere einer Übertemperatur, an mindestens einem Kanal vorgesehen ist, in
dem sich ein flüssiges Medium befindet.
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Erfindungsgemäß ist ein in ein Kühlmedium ragender, beispielsweise zylindrischer
Abschnitt eines Messfühlers bzw. Temperaturfühlers des Temperatursensors mit
wärmeleitenden Rippen versehen, die einerseits den Wärmeübergang vom
Kühlmedium auf den Messfühler verbessern und andererseits ein Abströmen vom
Wärme in das Kühlmedium fördern, wenn dieses eine geringere Temperatur als
der Messfühler aufweist.
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Durch den erfindungsgemäß verbesserten Wärmetransport zwischen dem
flüssigen Medium und dem Messfühler sind die Reaktionszeiten des
Temperatursensors bei sich ändernden Temperaturen des Kühlmediums erheblich verkürzt.
Kurze Reaktionszeiten können insbesondere dann erzielt werden, wenn durch die
erfindungsgemäßen Wärmeleitrippen nur eine geringe zusätzliche Masse an dem
Messfühler angeordnet wird, wenn die Wärmeleitrippen also großflächig und
zugleich dünn gestaltet sind. Zusätzliche Masse an dem Messfühler würde
Trägheit hinsichtlich der Wärmeleitung bedeuten.
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Darüber hinaus wird durch die in das Kühlmedium tauchende Verrippung des
Messfühlers die Temperaturinformation des Kühlmediums effektiver
aufgenommen und schneller an das eigentliche Sensorelement in Gestalt eines
Widerstandselements geliefert, welches sich in dem Messfühler befindet. Die mit dem
Temperatursensor verbundene Steuereinrichtung folgt exakter der
Kühlmitteltemperatur, während zugleich der negative Einfluss von Störgrößen der Umgebung
verringert ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist am Messfühler ein
Messabschnitt zum Messen der Temperatur einer den Kanal begrenzenden Wand
vorgesehen ist, wobei der Messabschnitt insbesondere mit einer Wärmeleitrippe als
Anlagefläche an der Wand gestaltet ist. Der derart gestaltete Temperatursensor
ermöglicht ein Überwachen sowohl der Temperatur eines flüssigen Wärmeträgers
als auch der begrenzenden Wand eines Kanals, in dem der Wärmeträger strömt.
Durch die an der Wand anliegende und als Wärmeleitrippe gestaltete
Anlagefläche ist die Wärmeübergangsfläche vergrößert und der weitergebildete Messfühler
thermisch noch effektiver an die Wand des Kanals angebunden. Ein solcher
Messfühler reagiert daher noch schneller auf einen Ausfall der
Kühlmittelströmung, welche mit einer Erhöhung der Temperatur der Wand des Kanals
verbunden ist.
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Die beschriebenen Wirkungen können insbesondere vorteilhaft mit einem
Temperatursensor erzielt werden, bei dem der Messfühler als zylindrischer oder leicht
konischer Stab mit zwei ringförmigen Wärmeleitrippen an seiner Mantelfläche
gestaltet ist. Ein solcher Messfühler kann besonders günstig hergestellt werden.
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Darüber hinaus können die beiden Rippen derart gestaltet sein, dass eine erste
Wärmeleitrippe zum Anordnen in dem Kanal und die zweite Wärmeleitrippe zum
Anliegen an der Wand des Kanals ausgebildet ist und insbesondere den Abschnitt
zum Messen der Temperatur der Wand bildet. Jeder Rippe ist somit eine eigene
Messaufgabe zugeordnet. Durch entsprechende Dimensionierung der einzelnen
Rippen kann die einzelne Messaufgabe betont werden. So kann beispielsweise
durch eine groß dimensionierte Wärmeleitrippe als Anlagefläche an der Wand des
Kanals der Schwerpunkt auf das Messen der Temperatur der Wand gelegt
werden. Darüber hinaus kann auf diese Weise die Funktion des erfindungsgemäßen
Temperatursensors verändert werden, indem allein die äußere Hülle des
Messfühlers mit seinen Wärmeleitrippen geändert wird. Die restlichen Bauteile des
Temperatursensors können hingegen als Gleichteile ausgebildet sein. Solche
Gleichteile können in hoher Stückzahl kostengünstig hergestellt werden.
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Der Messfühler kann ferner an seiner der Wand zugewandten Seite mit einem
abstehenden Stift versehen sein, der eine im Vergleich zum Messfühler geringe
Querschnittsfläche aufweist. Ein solcher Stift hält bei einem gegen die Wand
angelehnten Temperatursensor den Messfühler von der Wand beabstandet, wobei
zugleich nur eine sehr geringe Wärmeenergiemenge von der Wand auf den
Messfühler übergeleitet werden kann. Ein solcher Temperatursensor ist daher speziell
zum Messen der Temperatur eines flüssigen Wärmeträgers geeignet, der sich in
dem Kanal befindet.
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Der Messfühler des erfindungsgemäßen Temperatursensors ist vorteilhaft aus
einem starren Material, insbesondere aus Aluminium oder aus Stahl hergestellt.
Ein solches Material ist im Gegensatz zu einem elastischen Material sehr
beständig. Es kann während des Einbaus nahezu nicht verformt werden, so dass auch
Änderungen des Messverhaltens des Temperatursensors verhindert sind, wie sie
durch eine Verformung eines elastischen Materials auftreten könnten. So ergibt
sich bei einem elastischen Material beispielsweise der Nachteil, dass die zu
überwindende Wärmeleitstrecke bei stark komprimiertem Material geringer ist als bei
nicht komprimiertem Material. Der Temperatursensor reagiert daher je nach
Kompressionsgrad des Materials verschieden schnell auf eine Temperaturänderung.
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Bei dem erfindungsgemäßen Heizgerät ist ferner der Kanal vorteilhaft durch eine
Innenwand eines Wärmeübertragers eines Brenners des Heizgerätes und eine
Außenwand des Wärmeübertragers gestaltet, zwischen denen ein flüssiges
Medium strömen kann, wobei der Temperatursensor die Außenwand durchsetzt und
an der Innenwand des Wärmeübertragers mit seinem Messbereich zum Messen
der Temperatur der Innenwand anliegt. Ein derart angeordneter
Temperatursensor kann von außen verbaut, elektrisch kontaktiert und auch gewartet werden.
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Um eine gute Abdichtung des Kanals und eine sichere thermische Trennung des
Messfühlers von Umwelteinflüssen, wie Spritzwasser und dergleichen, zu
erreichen, ist der Messfühler vorteilhaft im wesentlichen stabförmig ausgebildet und an
seiner Mantelfläche ist eine Nut ausgeformt, in der ein Dichtring eingelegt ist,
mittels dem der Temperatursensor in der Außenwand fluiddicht eingesetzt ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Heizgeräte
anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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Fig. 1 einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Temperatursensors
des Standes der Technik,
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Fig. 2 einen Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines
Temperatursensors gemäß der Erfindung,
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Fig. 3 einen Längsschnitt eines Wärmeübertragers eines erfindungsgemäßen
Heizgerätes, bei dem zwei Temperatursensoren gemäß Fig. 2 angeordnet
sind, und
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Fig. 4 einen Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines
Temperatursensors gemäß der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In Fig. 1 ist eine Temperatursensor 10 veranschaulicht, wie er bei bekannten
Zusatzheizgeräten für Kraftfahrzeuge verwendet wird.
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Der Temperatursensor 10 ist im Wesentlichen stabförmig gestaltet, wobei von
einem bezogen auf Fig. 1 oben angeordneten Kopf 12 sich ein zylindrischer
Messfühler 14 nach unten erstreckt. Der Kopf 12 ist mit einem hohlzylindrischen
Gehäuseabschnitt 16 ausgebildet, an den sich ein außen kreiszylindrischer,
becherförmiger Gehäuseabschnitt 18 des Messfühlers 14 anschließt.
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In den beiden Gehäuseabschnitten 16 und 18 ist ein Widerstandselement 20 in
Gestalt eines PTC-Widerstandsdrahtes in einer wärmeleitenden Vergussmasse
eingebettet. An das Widerstandselement 20 ist eine elektrische Leitung 22angeschlossen, die aus dem hohlzylindrischen Gehäuseabschnitt 16 zu einer nicht
veranschaulichten Steuereinheit für das Heizgerät führt.
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Der hohlzylindrische Gehäuseabschnitt 16 des Kopfes 12 ist mit einem Deckel 24
verschlossen und an seiner Mantelfläche ist im bezogen auf Fig. 1 unteren
Bereich eine Ringnut 26 ausgeformt, in die ein Dichtring 28 eingelegt ist.
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In Fig. 2 ist ein Temperatursensor 30 gemäß der Erfindung veranschaulicht. Der
Temperatursensor 30 ist hinsichtlich der Bauteile 12 bis 28 im Wesentlichen wie
der Temperaturfühler 10 ausgebildet. Der Temperaturfühler 30 weist jedoch im
Gegensatz zum Messfühler 14 des Temperatursensors 10 an der Mantelfläche
seines Messfühlers 14 keine glatte kreiszylindrische Oberfläche auf, sondern ist
an dieser Mantelfläche mit einer ersten Wärmeleitrippe 32 und einer zweiten
Wärmeleitrippe 34 gestaltet.
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Die erste Wärmeleitrippe 32 erstreckt sich entlang einer Umfangslinie des
Messfühlers 14 in etwa der Mitte zwischen dem bezogen auf Fig. 2 oberen und unteren
Enden des Messfühlers 14 radial nach außen ragend. Die zweite Wärmeleitrippe
34 ist am bezogen auf Fig. 2 unteren Ende des Messfühlers 14 ausgeformt. Sie
erstreckt sich im Wesentlichen über den Boden des Messfühlers 14 und steht von
diesem radial nach außen ragend ab. Die Wärmeleitrippen 32 und 34 sind je mit
einem trapezförmigen Querschnitt gestaltet, wobei die Basis des Trapezes an der
ansonsten kreiszylindrischen Mantelfläche des Messfühlers 14 anliegt. Die
Wärmeleitrippen 32 und 34 sind durch eine spanende Bearbeitung aus einem
Aluminium-Vollmaterial herausgearbeitet oder in einem Guss- oder Pressverfahren
hergestellt worden. Alternativ können die Wärmeleitrippen 32 und 34 als Ring bzw.
Scheibe an den Messfühler 14 beispielsweise geklebt oder aufgepresst worden
sein. Ziel ist es, dass eine gut wärmeleitende Verbindung zwischen dem
becherförmigen Gehäuse 18 und der jeweiligen Wärmeleitrippe 32 oder 34 geschaffen
ist. Alternativ können auch viele dünne Blechringe, die insbesondere radial innen
mit einem kleinen Bund versehen sind, auch der Mantelfläche des Messfühlers 14
aufgeschoben sein.
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Alternativ kann bzw. können die Wärmeleitrippen 32 und 34 einzeln oder beide
mit einem anderen Querschnittsprofil, beispielsweise in Rechteck- oder
Quadratform gestaltet sein. Dabei wird grundsätzlich eine möglichst große äußere
Oberfläche der einzelnen Wärmeleitrippe 32 oder 34 angestrebt.
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In Fig. 3 ist die Einbausituation von erfindungsgemäßen Temperatursensoren 30
an einem Wärmeübertrager 36 eines weiter nicht veranschaulichten Heizgerätes
veranschaulicht.
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Der Wärmeübertrager 36 ist mit einer becherförmigen Außenwand 38 und einer
darin eingesetzten ebenfalls becherförmigen Innenwand 40 gestaltet. Innerhalb
der Innenwand 40 strömt im Betrieb des Heizgerätes ein nicht dargestelltes
Brenngas, das von einem Brenner des Heizgerätes erhitzt wird. Zwischen der
Außenwand 38 und der Innenwand 40 strömt ein nicht veranschaulichter flüssiger
Wärmeträger in Form einer Kühlflüssigkeit bzw. eines Kühlmediums durch einen
Kanal 42, der im Wesentlichen den gesamten Zwischenraum zwischen der
Außenwand 38 und der Innenwand 40 ausfüllt.
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In dem zylindrischen Abschnitt der becherförmigen Außenwand 38 sind eine erste
Öffnung 44 und eine zweite Öffnung 46 ausgebildet. Gegenüber von diesen
Öffnungen 44 und 46 sind an der becherförmigen Innenwand 40 jeweils eine erste
ebene Anlagefläche 48 und eine zweite ebene Anlagefläche 50 ausgeformt. Die
zweite ebene Anlagefläche 50 ist dabei an einer Stufe 52 im Bereich des Bodens
der becherförmigen Innenwand 40 ausgestaltet.
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Der bereits erwähnte flüssige Wärmeträger strömt in einer Richtung durch den
Kanal 42, die durch zwei Pfeile 54 gekennzeichnet ist.
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An dem Wärmeübertrager 36 ist in den beiden Öffnungen 44 und 46 je ein
Temperatursensor 30 gemäß Fig. 2 eingesetzt. Der einzelne Temperatursensor 30
dichtet am Rand der jeweiligen Öffnung 44 bzw. 46 mit seinem Dichtring 28
fluiddicht ab. Der bezogen auf Fig. 3 rechte Temperatursensor 30 ist als Teil einer
Temperaturreglung für das Kühlmedium vorgesehen, während der bezogen auf
Fig. 3 linke Temperatursensor 30 als Überhitzungsschutz dient.
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An der Innenwand 40 liegt je ein Messfühler 14 der Temperatursensoren 30 mit
seiner ebenen Bodenfläche des becherförmigen Gehäuseabschnitts 18 an der
ebenen Anlagefläche 48 bzw. 50 an. Die einzelnen Temperatursensoren 30 sind
dabei jeweils mit einer nicht veranschaulichten Federvorrichtung gegen die ebene
Anlagefläche 48 bzw. 50 vorgespannt.
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Der Wärmeübergang zwischen den Messfühlern 14 und der Innenwand 40 ist
durch die erfindungsgemäß vorgesehene zweite Wärmeleitrippe 34 verbessert,
indem die Kontaktfläche an der Oberfläche der Innenwand 40 bzw. dem
Messfühler 14 vergrößert ist. Mit Hilfe der zweiten Wärmeleitrippe 34 ist somit eine gut
wärmeleitende Verbindung zwischen dem jeweiligen Temperatursensor 30 und
der Innenwand 40 geschaffen. Dies führt zu einer schnellen Temperaturänderung
am Boden des becherförmigen Gehäuseabschnitts 18 des Messfühlers 14 und
damit zu einer kurzen Reaktionszeit des einzelnen Temperatursensors 30 bei
einer Änderung der Temperatur der Innenwand 40.
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Der sich in dem Kanal 42 befindende flüssige Wärmeträger steht über die erste
Wärmeleitrippe 32 mit dem hohlzylindrischen Bereich des becherförmigen
Gehäuseabschnitts 18 jedes Messfühlers 14 in wärmeleitender Verbindung. Mit der
Wärmeleitrippe 32 ist der Wärmeübergang in diesem Bereich wiederum erheblich
verbessert. Bei einer Temperaturänderung des flüssigen Wärmeträgers, wie sich
beispielsweise aufgrund einer gestauten Strömung des Wärmeträgers ergeben
kann, geht Wärmeenergie daher besonders schnell auf den hohlylindrischen
Bereich des becherförmigen Gehäuseabschnitts 18 über. Dies führt zu einer
Änderung der Temperatur am Gehäuseabschnitt 18, die von dem Widerstandselement
20 ermittelt wird. Auf diese Weise ist wiederum die Reaktionszeit der
Temperaturfühler 30 verringert bzw. die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht, nämlich bezogen
auf eine Temperaturänderung des flüssigen Wärmeträgers.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung von Wärmeleitrippen 32 und 34 an
dem Messfühler 14 der Temperatursensoren 30 folgt das von dem jeweiligen
Widerstandselement 20 an die Steuereinrichtung gemeldete elektrische Signal
schneller und genauer dem Temperaturverlauf des Kühlmediums. Ferner wird
eine Temperaturänderung der Innenwand 40 von dem jeweiligen Temperatursensor
30 genauer ermittelt.
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In Fig. 4 ist eine Ausführungsform eines Temperatursensors 30 veranschaulicht,
der hinsichtlich der Bauteile 12 bis 28 und insbesondere hinsichtlich der
Wärmeleitrippen 32 und 34 im Wesentlichen gleich aufgebaut ist, wie die in den Fig. 2
und 3 veranschaulichten Temperatursensoren 30.
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Der Temperatursensor 30 gemäß Fig. 4 ist am Boden des becherförmigen
Gehäuseabschnitts 18 des Messfühlers 14 jedoch mit einem im Wesentlichen
senkrecht abstehenden Stift 56 versehen. Der Stift 56 hält bei eingebautem
Temperatursensor 30 die Bodenfläche des Messfühlers 14 von der Anlagefläche 48 bzw.
50 beabstandet. Der Stift 56 sorgt auf diese Weise dafür, dass zwischen der
Innenwand 40 und dem Messfühler 14 verhältnismäßig wenig Wärmeenergie
übergeleitet werden kann. Ein derart ausgebildeter Temperatursensor 30 ist speziell
zum Messen der Temperatur des in dem Kanal 42 strömenden Wärmeträgers
vorgesehen.
Bezugszeichenliste
10 Temperatursensor gemäß dem Stand der Technik
12 Kopf
14 Messfühler
16 hohlzylindrisches Gehäuseabschnitt
18 becherförmiger Gehäuseabschnitt
20 Widerstandselement
22 Leitung
24 Deckel
26 Ringnut
28 Dichtring
30 Temperatursensor gemäß der Erfindung
32 erste Wärmeleitrippe
34 zweite Wärmeleitrippe
36 Wärmeübertrager
38 Außenwand
40 Innenwand
42 Kanal
44 erste Öffnung
46 zweite Öffnung
48 erste ebene Anlagefläche
50 zweite ebene Anlagefläche
52 Stufe
54 Richtung der Wärmeträgerströmung
56 Stift