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Die
Erfindung betrifft eine Antriebs-Stelleinrichtung zur Umstellung
eines Funktionskörpers zwischen einer Ruhestellung und
einer Betriebsstellung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner
betrifft die Erfindung eine Funktions-Baugruppe mit einer derartigen
Antriebs-Stelleinrichtung.
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Derartige
Antriebs-Stelleinrichtungen sind, was ihre Betriebsanforderungen
angeht, aufwendig.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebs-Stelleinrichtung
der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die Betriebsanforderungen,
die an diese Antriebs-Stelleinrichtung gestellt sind, gering sind.
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch
eine Antriebs-Stelleinrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen.
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass es durchaus möglich ist, einen SMA-(Formgedächtnislegierung,
Shape-Memory-Alloy-)Stellkörper so vorzubereiten, dass
die Umstelltemperatur des Stellkörpers einer Umgebungstemperatur
entspricht, bei der die erforderliche Umstellung genau bewerkstelligt werden
soll. Der SMA-Stellkörper kann dann passiv arbeiten, er
wird also alleine von einer Veränderung der Umgebungstemperatur
gesteuert. Eine aktive Ansteuerung des SMA-Stellkörpers,
die eine entsprechende Energiequelle und einen entsprechenden Steuerschaltkreis
erfordert, entfällt. Dies reduziert den Aufwand für
die Antriebs-Stelleinrichtung erheblich. Erfindungsgemäße
SMA-Antriebs-Stelleinrichtungen können beispielsweise Lüftungsaufgaben
erfüllen, indem sie oberhalb einer gewissen Grenztemperatur
Lüftungsöffnungen angetrieben freigeben.
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Bei
der SMA-Legierung kann es sich beispielsweise um eine Nickel-Titan-(NiTi-)Legierung handeln.
Diese Legierung kann Au, Pa, Pt, Cu und/oder Cr als mögliche
weitere Legierungsbestandteile zur Beeinflussung der Hystereseeigenschaften
und insbesondere der Temperaturgrenzen der Umstellung zwischen dem
Verformungszustand und dem Entformungszustand aufweisen. Die SMA-Legierung
kann auch CuZn-, CuSn-, Ag-Cd-, Au-Cd-, CuAlNi-, InTi-, NiAl-, Fe-Pt-,
Mn-Cu-, FeMnSi-Legierungsbestandteile aufweisen. Beim SMA-Material
kann es sich um ein Einwege-Material oder um ein Zweiwege-Material
handeln. Ein Einwege-Material stellt sich nur in einer Verlagerungsrichtung
zwischen Verformungs- und Entformungszustand selbsttätig
um, während es in der anderen Verlagerungsrichtung eine
Kraftunterstützung benötigt. Bei der Einwege-Legierung
ist also eine zusätzliche Rückführ-Einrichtung
erforderlich. Ein Zweiwege-Material stellt sich in beiden Richtungen
selbsttätig um. Ein bevorzugter Übergangs- beziehungsweise
Umstell-Temperaturbereich für den SMA-Stellkörper
ist –20°C bis 30°C, bevorzugt –10°C
bis 20°C und noch mehr bevorzugt 0°C bis 20°C.
Innerhalb von diesen Bereichen sind interessante Anwendungen der
Antriebs-Stelleinrichtung insbesondere im Lüftungsbereich
möglich. Der eigentliche Arbeitsbereich, innerhalb dem
sich eine Umstellung des SMA-Stellkörpers vollzieht, ist
verglichen mit dem Übergangs-Temperaturbereich in der Regel
enger und richtet sich nach der konkreten Anwendung des Funktionskörpers.
Im Bereich der Klimatechnik wird beispielsweise ein Arbeitsbereich
mit einer Temperaturspanne von etwa 10°C angestrebt, so
dass eine Umstellung des Funktionskörpers beispielsweise
bei 15°C beginnt und bei 25°C abgeschlossen ist.
Auch andere Arbeitsbereiche, beispielsweise von 15°C, können
bei der Klimatechnik eingesetzt werden, so dass eine Umstellung des
Funktionskörpers beispielsweise bei 15°C beginnt
und bei 30°C abgeschlossen ist. Bei der Anwendung des Funktionskörpers
als Absperrventil kann auch ein Arbeitsbereich mit einer kleineren Temperaturspanne,
beispielsweise von 5°C erforderlich sein. Bei einer derartigen
Anwendung kann die Umstellung des Funktionskörpers bei
40°C beginnen und bei 45°C abgeschlossen sei.
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Eine
Vorspannfeder nach Anspruch 2 unterstützt eine Rückführung
des SMA-Stellkörpers vom Entformungs- in den Verformungszustand.
Zusammen mit einer derartigen Vorspannfeder sind daher auch Einwege-SMA-Legierungen
einsetzbar, die selbsttätig eine Umstellung vom Verformungs-
in den Entformungszustand, nicht aber zurück in den Verformungszustand
durchführen.
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Eine
Vorspannfeder nach Anspruch 3 ermöglicht, wie erfindungsgemäß erkannt
wurde, eine Feineinstellung einer Umstelltemperatur der SMA-Legierung
hin zu größeren Temperaturen. Auf diese Weise
kann die Umstelltemperatur fein an die jeweiligen Anforderungen
der Antriebs-Stelleinrichtung angepasst werden. Die Vorspannkraft
muss nicht auf den gesamten Stell-Abschnitt des Stellkörpers
wirken. Es ist oftmals ausreichend, wenn die Vorspannkraft lediglich
auf einen ausgewählten Volumenbereich des Stell-Abschnitts
wirkt, damit die erwünschte Feineinstellung der Umstelltemperatur
resultiert. Bei einer NiTi-Legierung als SMA-Legierung kann der
Einfluss der Vorspannkraft auf die Umstelltemperatur beispielsweise
5°K/100N/mm2 betragen. Bei der
Umstellung des Funktionskörpers zwischen der Ruhestellung
und der Betriebsstellung erfolgt zumindest abschnittsweise eine
Dehnung des Funktionskörpers. Die maximale Dehnung derartiger
Funktionskörperabschnitte oder des gesamten Funktionskörpers,
die innerhalb der Antriebs-Stelleinrichtung toleriert werden kann,
kann abhängig von der Anzahl der erforderlichen Umstellungszyklen
zwischen der Ruhestellung und der Betriebsstellung vorgegeben werden.
Wenn, beispielsweise im Rahmen des Einsatzes als einmalige Sicherheitskomponente
lediglich ein einziger Zyklus gefordert ist, kann beispielsweise
eine maximale Umwandlungsdehnung von bis zu 8% erfolgen. Wenn der
Funktionskörper viele Umstellungszyklen verarbeiten soll,
kann die maximal zulässige Umwandlungsdehnung entsprechend
reduziert werden.
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Ein
Einstellelement nach Anspruch 4 erlaubt eine Feineinstellung der
Umstelltemperatur des SMA-Stellkörpers bei beispielsweise
in eine Funktions-Baugruppe eingebauter Antriebs-Stelleinrichtung.
Der Benutzer kann dann die Antriebs-Stelleinrichtung auf seine persönlichen
Vorlieben einstellen. Soll beispielsweise eine von SMA-Stellkörper
angesteuerte Lüftungsklappe erst bei einer höheren
Umstelltemperatur aufmachen, stellt der Benutzer über das
Einstellelement einfach eine höhere Vorspannkraft ein.
Das Einstellelement kann eine stufenlose oder eine stufenweise Vorgabe
der Vorspannkraft ermöglichen. Neben der Funktion der Vorspannkraft-Vorgabe
kann das Einstellelement auch dazu genutzt werden, den Funktionskörper
zwischen der Ruhestellung und der Betriebsstellung manuell umzustellen.
Hierzu ist zusätzlich noch eine Arretiermöglichkeit
des Funktionskörpers in der Ruhestellung bzw. der Betriebsstellung
vorgesehen. Auf diese Weise kann die temperaturabhängige
Umstellung des Funktionskörpers zugunsten einer Permanentstellung
von diesem in der Ruhestellung oder der Betriebsstellung auf einen
Nutzerwunsch hin außer Kraft gesetzt werden.
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Eine
Federkonstante nach Anspruch 5 führt zu einer vorteilhaft
geringen Veränderung der linearen Abhängigkeit
der Rückstellkraft der Vorspannfeder von der Umstellung
des SMA-Stellkörpers zwischen dem Verformungs- und dem
Entformungszustand. Der Einfluss der Vorspannfeder auf die Verstellgenauigkeit
bzw. die Sensibilität der Antriebs-Stelleinrichtung können
hinsichtlich mehrerer Aspekte genutzt werden. Zum einen beeinflusst
eine Abhängigkeit der Federkonstante von der Umstellung
entsprechend den Verlauf der SMA-Antriebsmomente bzw. -kräfte,
was zur Einstellung eines Wunschverlaufes genutzt werden kann. Für
bestimmte Anwendungen ist eine möglichst geringe Federkonstante
gewünscht, so dass SMA-Materialien mit geringen Umstellkräften
genutzt werden können.
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Ein
Stellkörper nach Anspruch 6 lässt sich an verschiedene
Antriebsanforderungen ohne Weiteres anpassen.
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Schwenkbewegungen
eines Torsions-Stellkörpers nach Anspruch 7 sind für
viele Anwendungen der erfindungsgemäßen Antriebs-Stelleinrichtung ausreichend.
Grundsätzlich sind auch Schwenkbewegungen um größere
Winkel, zum Beispiel um 180°, möglich.
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Eine
Vorspannfeder nach Anspruch 8 baut kompakt.
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Eine
Vorspannfeder nach Anspruch 9 kann insbesondere dann, wenn ein Funktionskörper
zwei Torsionsstab-Lagerungen erfordert, eine sehr elegante Ergänzung
des Torsions-Stellkörpers darstellen. Eine erste dieser
beiden Torsionsstab-Lagerungen kann dann durch den SMA-Stellkörper
und eine zweite dieser beiden Torsionsstab-Lagerungen kann durch
die Torsions-Vorspannfeder realisiert sein.
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Ein
Stellkörper nach Anspruch 10 baut kompakt und kann insbesondere
zusammen mit Linearführungen eingesetzt werden.
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Ein
längenverstellbarer Stellkörper nach Anspruch
11 ist an bestimmte Anwendungen der Antriebs-Stelleinrichtung angepasst.
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Ein
Stellkörper nach Anspruch 12 kann im Zusammenhang mit zu
schwenkenden Funktionskörpern eingesetzt werden.
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Die
Ausgestaltung des Biege-Stellkörpers nach Anspruch 13 ist
wiederum an bestimmte Erfordernisse der Antriebs-Stelleinrichtung
angepasst.
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Biegewinkel
nach Anspruch 14 haben sich zur Erfüllung vieler Stellaufgaben
als ausreichend herausgestellt. Grundsätzlich sind auch
größere Biegewinkel möglich, zum Beispiel
Biegewinkel bis hin zu 180°.
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Die
Vorteile einer die erfindungsgemäße Antriebs-Stelleinrichtung
beinhaltenden Funktions-Baugruppe nach Anspruch 15 entsprechen denen,
die vorstehend schon unter Bezugnahme auf die Antriebs-Stelleinrichtung
ausgeführt wurden.
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Ein
Lagerkörper nach Anspruch 16 erhöht die Stabilität
der Funktions-Baugruppe. Im Gegenzug sind die tragenden Anforderungen
an den SMA-Stellkörper reduziert.
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Eine
Ausführung des Funktionskörpers nach Anspruch
17 ermöglicht eine die Vorteile der erfindungsgemäßen
Antriebs-Stelleinrichtung besonders nutzende und kompakt ausführbare
Funktions-Baugruppe.
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Eine
als Zugfeder nach Anspruch 18 ausgeführte Vorspannfeder
ist besonders vorteilhaft im Zusammenspiel mit einem auf Längenverstellung
beruhenden Stellkörper nach Anspruch 10 einsetzbar.
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Entsprechendes
gilt für eine Vorspannfeder nach Anspruch 19 im Zusammenspiel
mit einem Stellkörper nach Anspruch 12.
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Ein
Schieber als Funktionskörper nach Anspruch 20 kann besonders
kompakt mit einem Längenverstellungs-Stellkörper
nach Anspruch 10 ausgeführt sein.
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Eine
Schwenkklappe als Funktionskörper nach Anspruch 21 kann
besonders kompakt mit einem Torsions-Stellkörper nach Anspruch
6 oder mit einem Biege-Stellkörper nach Anspruch 12 realisiert werden.
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Ein
Dichtkörper nach Anspruch 22 als Funktionskörper
kann eine bereits bestehende Baugruppe ergänzen und zu
einer erfindungsgemäßen Funktions-Baugruppe machen.
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Ein
Dichtkörper nach Anspruch 23 lässt sich insbesondere
als Profilelement kostengünstig herstellen.
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Eine
Ausführung nach Anspruch 24 nutzt die den Dichtkörper
aufweisende Funktions-Baugruppe besonders gut.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher
erläutert. In dieser zeigen:
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1 in
einer Seitenansicht eine Antriebs-Stelleinrichtung mit einem SMA-Stellkörper
in einem Verformungszustand;
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2 eine
stirnseitige Ansicht der Antriebs-Stelleinrichtung aus Blickrichtung
II in 1;
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3 in
einer zu 1 ähnlichen Darstellung
die Antriebs-Stelleinrichtung in einem Entformungszustand;
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4 in
einer zu 2 ähnlichen Darstellung
die Antriebs-Stelleinrichtung nach 3 aus Blickrichtung
IV in 3;
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5 in
einer zu 1 ähnlichen Darstellung
eine weitere Ausführung einer Antriebs-Stelleinrichtung
mit einer zusätzlichen Vorspannfeder, die entgegen einer
Umstellrichtung zwischen dem Verformungszustand und dem Entformungszustand
auf den Stellkörper wirkt;
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6 in
einer zu 2 ähnlichen Darstellung
die Antriebs-Stelleinrichtung nach 5, wobei ein
Funktions-Abschnitt des Stellkörpers sowohl im Verformungszustand
als auch im Entformungszustand dargestellt ist;
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7 ein
kalorimetrisches Phasenumwandlungsdiagramm eines SMA-Stellkörpermaterials;
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8 perspektivisch
eine Funktions-Baugruppe mit einer weiteren Ausführung
einer Antriebs-Stelleinrichtung mit einem SMA-Stellkörper und
einer Vorspannfeder, dargestellt in einem Verformungszustand des
Stellkörpers;
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9 in
einer zu 8 ähnlichen Darstellung
die Funktions-Baugruppe nach 8 mit dem Stellkörper
in einem Entformungszustand;
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10 eine
weitere Ausführung einer Funktions-Baugruppe mit einer
weiteren Ausführung einer Antriebs-Stelleinrichtung mit
zwei SMA-Stellkörpern und einer Vorspannfeder, dargestellt
in einem Verformungszustand;
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11 in
einer zu 10 ähnlichen Darstellung
die Funktions-Baugruppe nach 10 mit
den Stellkörpern im Entformungszustand;
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12 eine
weitere Ausführung einer Funktions-Baugruppe mit einer
weiteren Ausführung einer Antriebs-Stelleinrichtung mit
einem SMA-Stellkörper in einem Verformungszustand;
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13 in
einer zu 12 ähnlichen Darstellung
die Funktions-Baugruppe nach 12 mit
dem Stellkörper im Entformungszustand;
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14 einen
Querschnitt durch eine weitere Ausführung einer Funktions-Baugruppe
mit einer weiteren Ausführung einer Antriebs-Stelleinrichtung mit
einem SMA-Stellkörper, wobei die Antriebs-Stelleinrichtung
sowohl in einem Verformungs- als auch in einem Entformungszustand
dargestellt ist;
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15 perspektivisch
die Antriebs-Stelleinrichtung der Funktions-Baugruppe nach 14 mit dem
Stellkörper in einem Entformungszustand; und
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16 in
einer zu 15 ähnlichen Darstellung
die Antriebs-Stelleinrichtung mit dem Stellkörper in einem
Verformungszustand.
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Eine
Antriebs-Stelleinrichtung 1, von der eine erste Ausführung
in den 1 bis 4 dargestellt ist, dient zur
Umstellung eines in den 1 bis 4 nicht
dargestellten Funktionskörpers zwischen einer Ruhestellung
und einer Betriebsstellung. Bei dem Funktionskörper kann
es sich beispielsweise um eine Lüftungsklappe handeln,
die in der Ruhestellung eine Lüftungsöffnung zumindest
teilweise verschließt und in der Betriebsstellung die Lüftungsöffnung
freigibt.
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Die
Antriebs-Stelleinrichtung 1 hat einen Stellkörper 2 mit
einem Stell-Abschnitt 3 aus einer Shape Memory Alloy-(SMA-)Legierung,
also aus einer Formgedächtnislegierung. Bei der SMA-Legierung
handelt es sich bei der Ausführung nach den 1 bis 4 um
eine NiTi-Legierung. Der Stellkörper 2 hat die
Form eines Stabes, der über eine Torsions-Umstellung um
eine Stellkörper-Längsachse 2a vom Verformungs-
in den Entformungszustand übergeht. Der Stellkörper 2 hat
einen Stabdurchmesser von etwa 2 mm und eine Stablänge
von etwa 250 mm.
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Ein
Fest-Abschnitt 4 des Stellkörpers 2 ist
mit einem starren Widerlagerkörper 5 verbunden.
Starr mit dem Widerlagerkörper 5 wiederum verbunden
ist ein nicht dargestellter Rahmen, der die mit der Lüftungsklappe
zusammenwirkende Lüftungsöffnung vorgibt. Ein
Funktions-Abschnitt 6 des Stellkörpers 2, der
am vom Fest-Abschnitt 4 abgewandten Ende des Stellkörpers 2 angeordnet
ist, weist einen Befestigungsbolzen 7 auf, der gegenüber
dem Stellkörper 2 um 90° abgewinkelt
ist. Über den Befestigungsbolzen 7 kann die Lüftungsklappe
mit dem Stellkörper 2 verbunden werden. Der Funktions-Abschnitt 6 ist
in einem in den 1, 3 und 5 angedeuteten Lagerkörper 8 gelagert.
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Der
Torsions-Stellkörper 2 ist so ausgeführt, dass
der Funktions-Abschnitt 6 und damit auch der hieran angebrachte
Befestigungsbolzen 7 beim Übergang zwischen dem
Verformungszustand und dem Entformungszustand eine Drehung um 90° um die
Stellkörper-Längsachse 2a durchführt.
Dies ist anschaulich aus einem Vergleich der 2 und 4 ersichtlich.
Die 2 zeigt den Funktions-Abschnitt 6 und
den Befestigungsbolzen 7 im Verformungszustand, in dem
der Befestigungsbolzen 7 in der 2 vom Funktions-Abschnitt 6 aus
nach rechts ragt. Die 4 zeigt den Funktions-Abschnitt 6 mit dem
Befestigungsbolzen 7 im Entformungszustand, in dem sich
der Befestigungsbolzen 7 zusammen mit dem Funktions-Abschnitt 6 aus
dem Verformungszustand nach 2 um 90° entgegen
dem Uhrzeigersinn gedreht hat, sodass der Befestigungsbolzen 7 in der 4 vom
Funktions-Abschnitt 6 nun senkrecht nach oben ragt.
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Gegenüber
dem Fest-Abschnitt 4 vollführt der Funktions-Abschnitt 6 bei
einer Verlagerung zwischen dem Verformungszustand und dem Entformungszustand
also eine Torsions-Drehung um 90°. Bei anderen Ausführungen
des SMA-Stellkörpers 2 sind auch andere Torsions-Drehungen
zwischen dem Verformungszustand und dem Entformungszustand möglich,
die beispielsweise 30° oder mehr, 45° oder mehr
oder auch 60° oder mehr betragen.
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Eine
maximale Umwandlungsdehnung des Funktions-Abschnitts bei der Verlagerung
zwischen dem Verformungszustand und dem Entformungszustand kann
beispielsweise 3% betragen. Je nachdem, wie viele Umwandlungszyklen
gefordert werden, sind auch geringere oder größere
maximale Umwandlungsdehnungen zulässig.
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7 zeigt
ein kalorimetrisches Phasenumwandlungsdiagramm des SMA-Stellkörpers 2.
Dargestellt ist der Wärmestrom in W/g über die
Temperatur in °C. Der so vermessene Stellkörper 2 wurde
hergestellt, indem zunächst ein Roh-Stellkörper
erzeugt wurde, der anschließend wärmebehandelt
wurde. Ausgehend von tiefen Temperaturen (T = –20°C)
erfolgt bei einer Erwärmung bei 6,92°C zunächst
der Beginn einer Austenit-Bildung (Austenitstart; As). Bei weiterer
Erwärmung ist die Austenit-Bildung abgeschlossen bei 33,06°C
(Austenit-Finish, Af). Bei sich hieran anschließender Abkühlung
beginnt bei 26,34°C eine Martensit-Bildung (Martensitstart;
Ms). Bei weiterer Abkühlung ist die Martensit-Bildung abgeschlossen
bei 2,67°C (Martensit-Finish; Mf).
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Grundsätzlich
gilt, dass der Verformungszustand bei niedrigeren Temperaturen vorliegt
als der Entformungszustand. Innerhalb der Temperatur-Übergangs-Temperaturbereiche,
die durch die vorstehend beschriebenen Austenit- und Martensit-Umwandlungen
vorgegeben sind, wird je nach Anwendungsbereich ein in der Regel
eine geringe Temperaturspanne aufweisender Temperatur-Arbeitsbereich
ausgewählt, innerhalb dem sich eine Austenit- bzw. Martensit-Umwandlung
zur Umstellung des Funktionskörpers zwischen der Ruhestellung
und der Betriebsstellung einstellt. Dieser Arbeitsbereich kann bei
einem SMA-Material mit dem Phasenumwandlungsdiagramm nach 7 beispielsweise
zwischen 11°C und 18°C gewählt werden,
da dort eine starke Aktivität hinsichtlich der Austenit-
bzw. Martensit-Bildung vorliegt. Bei 18°C kann beispielsweise
die Lüftungsklappe in der einen Luftkanal vollständig
freigebenden Betriebsstellung und bei 11°C in einer den
Lüftungskanal vollständig verschließenden
Ruhestellung vorliegen.
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Der
SMA-Stellkörper 2 ist aus einem Zweiwege-SMA-Material.
Der Stellkörper 2 der Ausführung nach
den 1 bis 4 geht also ohne äußere
Krafteinwirkung selbsttätig bei Erwärmung vom Verformungszustand
nach den 1 und 2 in den
Entformungszustand nach den 3 und 4 und
genauso selbsttätig bei Abkühlung vom Entformungszustand
wieder zurück in den Verformungszustand über.
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Das
SMA-Material des Stellkörpers 2 kann je nach der
thermischen Behandlung des Roh-Körpers so ausgeführt
sein, dass der kräftefreie Stellkörper 2 bei
einer Erwärmung in einem Temperaturbereich zwischen –30°C
und 50°C vom Verformungszustand in den Entformungszustand übergeht.
Ein bestimmter Stellkörper 2 kann beispielsweise
eine Umstellungstemperatur von –25°C haben. Ein
weiterer Stellkörper 2, der durch andere thermische
Behandlung aus einem Roh-Stellkörper hervorgeht, kann eine Umstellungstemperatur
beispielsweise von 10°C haben. Die genaue Umstellungstemperatur
wird auf den jeweiligen Anwendungszweck der Antriebs-Stelleinrichtung 1 abgestimmt.
Bevorzugte Umstelltemperaturbereiche können zwischen –20°C
und 30°C, zwischen –10°C und 20°C
und zwischen 0°C und 10°C liegen. Die eigentlichen
Temperatur-Arbeitsbereiche stimmen in der Regel mit diesen Umstelltemperaturbereichen
nicht überein, sondern stellen ausgewählte Abschnitte
aus diesen Temperaturbereichen mit Temperaturspannen beispielsweise
von 5°C, 10°C oder 15°C dar.
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5 und 6 zeigen
eine weitere Ausführung einer Antriebs-Stelleinrichtung 1.
Komponenten, die denjenigen entsprechend, die vorstehend schon unter
Bezugnahme auf die 1 bis 4 erläutert wurden,
tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen
diskutiert.
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Die
Antriebs-Stelleinrichtung 1 nach den 5 und 6 hat
eine Vorspannfeder 9, die als sich um den Torsions-Stellkörper 2 herum
windende Schraubenfeder ausgebildet ist. Ein erstes freies Ende 10 der
Vorspannfeder 9 ist am Widerlagerkörper 5 und
ein zweites freies Ende 11 der Vorspannfeder 9 ist
am Funktions-Abschnitt 6 des Stellkörpers 2 festgelegt.
Die Vorspannfeder 9 übt auf den Stellkörper 2 eine
Kraft aus, die entgegen einer Umstellrichtung 12 in den 4 und 6 entgegen
dem Uhrzeigersinn zwischen dem Verformungszustand und dem Entformungszustand
wirkt. Die Vorspannfeder 9 wirkt also in der 6 im
Uhrzeigersinn auf den Funktions-Abschnitt 6, sodass der
Stellkörper 2 bei der Entformung, also beim Übergang
vom Verformungszustand in den Entformungszustand zusätzlich
die Vorspannkraft der Vorspannfeder 9 überwinden
muss. Gleichzeitig wirkt die Vorspannfeder 9 bei einem Übergang
vom Entformungszustand in den Verformungszustand (vergleiche Verformungs-Umstellrichtung 13 im
Uhrzeigersinn in der 2) unterstützend. Die
federunterstützte Rückstellung in den Verformungszustand
ist aufgrund der unterschiedlichen Materialfestigkeiten der Austenit-Phase
verglichen mit der Martensit-Phase erklärbar.
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Die
Vorspannfeder 9 wirkt auf den Torsions-Stellkörper 2 eine
Vorspannkraft entgegen der Entformungs-Umstellrichtung 12 aus,
die zu inneren Spannungen im Stellkörper 2 mit
einer typischen Größe von 250 N/mm2 führt.
Auch andere Vorspannkräfte im Bereich zwischen 100 und
500 N/mm2, und bevorzugt zwischen 200 und
300 N/mm2, sind möglich. Eine Vorspannkraft
in Höhe von 100 N/mm2 führt zu
einer Erhöhung einer kräftefreien Umstelltemperatur
des Torsions-Stellkörpers zwischen dem Verformungszustand
und dem Entformungszustand von etwa 8°C. Wird die Vorspannfeder 9 beim
Torsions-Stellkörper 2 mit dem Phasenumwandlungsdiagramm
nach 7 eingesetzt, so beginnt der Übergang
vom Verformungszustand in den Entformungszustand dann bei einer
Temperatur beispielsweise im Bereich von 19°C und endet
bei einer Temperatur im Bereich von 26°C.
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In
der 6 ist der Befestigungsbolzen 7 gestrichelt
sowohl in der Verformungsstellung, also mit dem Stellkörper 2 im
Verformungszustand, als auch in der Entormungsstellung, also mit
dem Stellkörper 2 im Entformungszustand dargestellt.
In der 6 horizontal ist der Befestigungsbolzen 7 in
der Verformungsstellung und in der 6 vertikal
in der Entformungsstellung dargestellt.
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Auf
Höhe der axialen Festlegung der Vorspannfeder 9 am
zweiten freien Ende 11 am Funktions-Abschnitt 6 des
Stellkörpers 2 ist eine Mehrzahl von Montagepositionen 14 in
Form von Einhängelöchern im Stellkörper 2 ausgeführt.
Insgesamt können beispielsweise vier derartige Montagepositionen 14 in
Umfangsrichtung gleich verteilt auf der gleichen axialen Höhe
im Funktions-Abschnitt 6 ausgeführt sein. Je nachdem
in welcher der Montagepositionen 14 das zweite freie Ende 11 der
Vorspannfeder 9 eingehängt ist, ergibt sich eine
sich jeweils um 0,25 verschiedene Zahl von Windungen der Vorspannfeder 9 um
den Stellkörper 2 und damit eine andere Vorspannkraft,
die die Vorspannfeder 9 auf den Stellkörper 2 ausübt.
Je nachdem, wie groß die Anzahl der Windungen der Vorspannfeder 9 um
den Stellkörper 2 ist, kann damit die absolute
Größe der Vorspannkraft und damit die Umstelltemperatur
des Stellkörpers 2 vom Verformungszustand in den
Entformungszustand eingestellt werden. Dies kann zur Feinanpassung
beispielsweise des thermischen Ansprechverhaltens einer mit der
Antriebs-Stelleinrichtung 1 ausgerüsteten Lüfterklappen-Baugruppe
genutzt werden.
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Da
die Vorspannfeder 9 die Umstellung des Stellkörpers 2 vom
Entformungszustand in den Verformungszustand fördert, kann
es sich beim SMA-Material des Stellkörpers 2 nach
den 5 und 6 um ein Einwege-SMA-Material
handeln, welches ausschließlich selbstständig
zwischen dem Verformungszustand und dem Entformungszustand wechselt
und durch aktive Krafteinwirkung wieder zurückgeführt
werden muss.
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Die
Vorspannfeder 9 hat eine Federkonstante, die sich bei einer
Umstellung des Stellkörpers 2 zwischen dem Verformungszustand
und dem Entformungszustand um weniger als 0,1% ändert.
Auch andere Typen von Vorspannfedern 9 können
eingesetzt werden, deren Federkonstanten sich bei einer Umstellung
des Stellkörpers 2 zwischen dem Verformungszustand
und dem Entformungszustand um weniger als 10% oder um weniger als
1% ändern.
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8 und 9 zeigen
eine Funktions-Baugruppe 15 mit einer weiteren Ausführung
einer Antriebs-Stelleinrichtung 1. Komponenten, die denjenigen
entsprechen, die vorstehend schon unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 erläutert
wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern beziehungsweise die gleichen
Bezeichnungen und werden nicht nochmals im Einzelnen erläutert.
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Bei
der Funktions-Baugruppe 15 ist ein Funktionskörper 16 als
Lüftungsschieber ausgeführt, der in einem Widerlagerkörper 17 in
Form eines Führungsrahmens geführt ist. Im Funktionskörper 16 ist eine
erste rechteckige Lüftungsöffnung 18 und
im Widerlagerkörper 17 eine zweite Lüftungsöffnung 19 ausgeführt.
Ein SMA-Stellkörper 20 ist bei der Ausführung
nach den 8 und 9 als Stab
ausgeführt, der über eine Längenverstellung
längs einer Stellkörper-Längsachse 20a von
einem längeren Verformungszustand, der in der 8 dargestellt
ist, in einen kürzeren Entformungszustand, der in der 9 dargestellt
ist, übergeht. Mit dem Fest-Abschnitt 4 ist der
Stellkörper 20 mit dem Widerlagerkörper 17 und
mit dem Funktions-Abschnitt 6 mit dem Funktionskörper 16 verbunden.
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In
der dem Verformungszustand des Stellkörpers 20 zugeordneten
Verformungsstellung überdecken sich die Lüftungsöffnungen 18, 19 nicht,
sodass ein Lüftungskanal, der über die Lüftungsöffnungen 18, 19 verbunden
wird, verschlossen ist. In der dem Entformungszustand zugeordneten
Entformungsstellung nach 9 überdecken sich die
Lüftungsöffnungen 18, 19, fluchten
also. Der Lüftungskanal ist in dieser Stellung freigegeben.
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Eine
Vorspannfeder 21 ist bei der Ausführung nach den 8 und 9 als
Zugfeder ausgebildet, deren eines freies Ende am Widerlagerkörper 17 und
deren anderes freies Ende am Funktionskörper 16 festgelegt
ist. Die Funktion der Vorspannfeder 21 entspricht derjenigen
der Vorspannfeder 9 bei der Ausführung nach den 5 und 6.
Die Vorspannfeder 21 spannt die Antriebs-Stelleinrichtung 1 der
Funktions-Baugruppe 15 im Verformungszustand vor. Eine
Schiebebewegung des Funktionskörpers 16 (vergleiche
Richtungspfeil 22 in der 9) beim Übergang
vom Verformungszustand in den Entformungszustand des Stellkörpers 20 muss
entgegen der Zugkraft der Vorspannfeder 21 erfolgen. Über
die Vorspannfeder 21 kann wiederum die Umstelltemperatur
des SMA-Stellkörpers 2 vorgegeben werden. Zur
Vorgabe verschiedener Vorspannkräfte sind im Schieber 16 wiederum
mehrere Montagepositionen 14 für das schieberseitige
freie Ende der Vorspannfeder 21 ausgeführt. 10 und 11 zeigen
eine weitere Ausführung einer Funktions-Baugruppe 23 mit
einer weiteren Ausführung einer Antriebs-Stelleinrichtung 1.
Komponenten, die denjenigen entsprechen, die vorstehend schon unter
Bezugnahme auf die 1 bis 9 erläutert
wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und Bezeichnungen und
werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
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Bei
der Funktions-Baugruppe 23 ist ein Funktionskörper 24 als
Schwenkklappe und ein Widerlagerkörper 25 als
Anlagerahmen für die Schwenkklappe 24 ausgeführt.
Bei der Ausführung nach den 10 und 11 sind
zwei SMA-Stellkörper 26 in Form jeweils eines
Stabes ausgeführt, der über eine Biegeverstellung
vom Verformungs- in den Entformungszustand übergeht. Im
Verformungszustand liegen die Stellkörper 26 als
gerade Stäbe vor. Dieser Verformungszustand ist in der 10 dargestellt.
Im Entformungszustand liegen die Stellkörper 26 als
gebogene Stäbe vor. Dieser Zustand ist in der 11 dargestellt.
Ein Biegewinkel zwischen dem Verformungszustand und dem Entformungszustand liegt
etwa bei 90°. Auch andere Biegewinkel von 30° oder
mehr, von 45° oder mehr oder von 60° oder mehr
sind möglich.
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Eine
Vorspannfeder 27, deren Funktion der Vorspannfeder 9 bei
der Ausführung nach den 5 und 6 und
der Vorspannfeder 21 nach den 8 und 9 entspricht,
ist bei der Ausführung nach den 10 und 11 als
Biegefeder ausgeführt. Diese ist an einem ihrer freien
Enden am Funktionskörper 24 und am anderen freien
Ende am Widerlagerkörper 25 festgelegt und spannt
die Antriebs-Stelleinrichtung 1 nach den 10 und 11 im
Verformungszustand der Stellkörper 26 vor.
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Im
Verformungszustand verschließt der in Form einer Lüftungsklappe
ausgeführte Funktionskörper 24 eine Lüftungsöffnung 28 im
Anlagerahmen 25 zumindest teilweise. In der um eine mit
der Verbindungslinie der Biegestellen der Stellkörper 26 zusammenfallenden
Schwenkachse 29 verschwenkten Entformungsstellung gibt
die Schwenkklappe 24 die Lüftungsöffnung 28 frei.
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12 und 13 zeigen
eine weitere Ausführung einer Funktions-Baugruppe 30.
Komponenten, die denjenigen entsprechen, die vorstehend schon unter
Bezugnahme auf die 1 bis 11 erläutert
wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern beziehungsweise Bezeichnungen
und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
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Bei
der Funktions-Baugruppe 30 ist ein Funktionskörper 31 als
Lüftungs-Schwenkklappe in Form einer transparenten Kunststoff-Scheibe,
beispielsweise aus Polycarbonat (PC) ausgeführt. Letztere
ist schwenkbar zu einem Widerlagerkörper 32 in Form
eines Rahmens gelagert, der ebenfalls aus transparentem PC ausgeführt
ist. Zur Schwenklagerung des Funktionskörpers 31 dienen
zwei längs einer Schwenkachse angeordnete Torsionsstäbe.
Ein erster Torsionsstab ist ein SMA-Stellkörper 34,
dessen Funktion den Stellkörpern 2, 20, 26 entspricht. Ein
zweites Schwenklager ist durch eine Torsions-Vorspannfeder 35 gebildet,
deren Funktion derjenigen der Vorspannfedern 9, 21, 27 entspricht.
Die 12 zeigt den Funktionskörper 31 in
einer Verformungs- beziehungsweise Ruhestellung, die dem Verformungszustand
des Stellkörpers 34 entspricht. In dieser Ruhestellung
schließt der Funktionskörper 31 mit dem
Widerlagerkörper 32 ab, sodass eine Lüftungsöffnung 36 zumindest
teilweise geschlossen ist.
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Die
Stellung nach 13, die Betriebsstellung des
Funktionskörpers 31, entspricht dem Entformungszustand
des Stellkörpers 34. Der Funktionskörper 31 ist
dann aus der Ruhestellung um die Schwenkachse 33 um etwa
45° geschwenkt, sodass er die Lüftungsöffnung 36 im
Widerlagerkörper 32 freigibt. Die Vorspannfeder 35 spannt
den Funktionskörper 31 in der Verformungs- beziehungsweise
Ruhestellung vor.
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14 bis 16 zeigen
eine weitere Ausführung einer Funktions-Baugruppe 37 mit
einer weiteren Ausführung einer Antriebs-Stelleinrichtung 1. Komponenten,
die denjenigen entsprechen, die vorstehend schon unter Bezugnahme
auf die 1 bis 13 erläutet
wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern beziehungsweise Bezeichnungen
und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.
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Ein
Funktionskörper 38 ist bei der Funktions-Baugruppe 37 als
Dichtkörper ausgeführt. Der Dichtkörper 38 hat
eine Dichtlippe 39 und einen einstückig mit dieser
verbundenen Befestigungsabschnitt 40. Letzterer hat ein
Rastprofil 41. Der Funktionskörper 38 hat
einen extrudierten polymeren Grundkörper.
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Durch
einen abgewinkelten Übergang zwischen der Dichtlippe 39 und
dem Befestigungsabschnitt 40 ist ein metallisches Rundprofil 42 in
Form eines Metallstabes durch den Grundkörper des Funktionskörpers 38 durchgeführt,
welches als Längsstütze für den Funktionskörper 38 dient.
Fluchtend zum Rundprofil 42 ist ein Torsions-Stellkörper 43 aus SMA-Material
angeordnet, der mit seinem Funktions-Abschnitt 6 über
das Rundprofil 42 mit dem Funktionskörper 38 verbunden
ist. Über seinen Fest-Abschnitt 4 ist der Stellkörper 43 mit
dem Widerlagerkörper 5 verbunden. Auf der vom
Stellkörper 43 abgewandten Seite des Funktionskörpers 38 ist
das Rundprofil 42 an einem weiteren, in der Zeichnung nicht
dargestellten Widerlagerkörper festgelegt. Dort ist das
Rundprofil 42 drehbar gelagert.
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15 zeigt
den Funktionskörper in einer Betriebsstellung, die einem
Entformungszustand des Stellkörpers 43 entspricht.
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In
einer in der 14 dargestellten, montierten
Position ist der Funktionskörper 38 mit dem Rastprofil 41 in
eine hierzu komplementäre Rastnut eines Blendrahmens 44 der
Funktions-Baugruppe 37 in Form einer Rahmen-Baugruppe eingerastet.
In der Betriebsstellung des Funktionskörpers 38,
die in der 14 mit stärkerer Linienführung
dargestellt ist, liegt ein freies Ende 45 der Dichtlippe 39 am
Blendrahmen 44 an. Ein Durchgangskanal 46 zwischen dem
Blendrahmen 44 und einem Flügelrahmen 47 der
Rahmen-Baugruppe 37 ist somit durchlässig. In der
Entformungsstellung schließen der Befestigungsabschnitt 40 und
die Dichtlippe 39 in etwa einen 90°-Winkel zueinander
ein.
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In
der Verformungsstellung ist der Funktions-Abschnitt 6 des
Torsions-Stellkörpers 43 gegenüber dem
Fest-Abschnitt 4 um etwa 45° verdreht. Dementsprechend
hat sich auch der Winkel zwischen der Dichtlippe 39 und
dem Befestigungsabschnitt 40 auf etwa 45° verkleinert,
wie in der 14 mit verringerter Stichstärke
dargestellt. Das freie Ende 45 der Dichtlippe 39 liegt
dann am Flügelrahmen 47 an. Der Durchgangskanal 46 zwischen
dem Blendrahmen 44 und dem Flügelrahmen 47 ist
somit verschlossen.
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Eine
Torsions-Vorspannfeder 48 ist als Blattfeder an den Torsions-Stellkörper 43 angeformt.
Der Stellkörper 43 durchtritt dabei die Vorspannfeder 48 mittig
und liegt in einer Blatt-Ebene der Vorspannfeder 48.
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Die
Vorspannfeder 48 spannt den Stellkörper 43 im
Verformungszustand vor.
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Bei
niedriger Temperatur liegt der SMA-Stellkörper 43 im
Verformungszustand vor, sodass der Durchgangskanal 46 durch
die Dichtlippe 39 verschlossen ist. Oberhalb der Umstelltemperatur
des SMA-Materials des Stellkörpers 43 erfolgt
eine Umstellung in den Entformungszustand, sodass der Durchgangskanal 46 zur
Belüftung freigegeben ist.
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Der
Widerlagerkörper 5 ist starr mit dem Blendrahmen 44 verbunden.
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Die
oben beschriebenen Lüftungsklappen-Ausführungsvarianten
eignen sich insbesondere als Lüftungsklappen-Baugruppe
in einem Wintergarten oder in einem Gewächshaus.
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Der
Stab des Stellkörpers (2; 20; 26; 34)
bzw. der Stellkörper (2; 20; 26; 34; 43)
kann in einfacher Weise aus einem SMA-Draht hergestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10362008
A1 [0002]
- - DE 60106840 T2 [0002]