DE102007045348A1 - Drive adjusting unit for moving functional body in functional component between rest and operating positions, has shape memory alloy implemented in such manner that adjustment body moves from deformation to demolding state during heating - Google Patents
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Abstract
Description
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.The The invention relates to a drive adjusting device for conversion a functional body between a rest position and an operating position according to the preamble of claim 1. Further The invention relates to a functional assembly with such Drive setting device.
Eine
Antriebs-Stelleinrichtung der eingangs genannten Art ist bekannt
aus der
Derartige Antriebs-Stelleinrichtungen sind, was ihre Betriebsanforderungen angeht, aufwendig.such Drive actuators are what their operating requirements concerned, consuming.
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.It It is therefore an object of the present invention to provide a drive actuator of the type mentioned above in such a way that the operational requirements, which are set to this drive-adjusting device, are low.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Antriebs-Stelleinrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.These The object is achieved by a drive adjusting device with the specified in claim 1 Features.
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.According to the invention was recognized that it is quite possible to use an SMA (shape memory alloy, Shape memory alloy) adjusting body so that the changeover temperature of the actuator of an ambient temperature corresponds to the required conversion should. The SMA actuator can then work passively, he So alone is a change in the ambient temperature controlled. An active control of the SMA actuator, the one corresponding power source and a corresponding control circuit requires, deleted. This reduces the effort for the drive actuator considerably. invention SMA drive control devices can, for example, ventilation tasks meet by being above some limit temperature Release ventilation openings.
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.at The SMA alloy may be, for example, a nickel-titanium (NiTi) alloy. This alloy may be Au, Pa, Pt, Cu and / or Cr as possible other alloy components for influencing the hysteresis properties and in particular the temperature limits of the changeover between the Deformation state and the Entformungszustand have. The SMA alloy can also CuZn, CuSn, Ag-Cd, Au-Cd, CuAlNi-, InTi-, NiAl-, Fe-Pt-, Mn-Cu, FeMnSi alloy components. For the SMA material It can be a one-way material or a two-way material act. A one-way material arises only in a direction of displacement between deformation and Entformungszustand automatically while in the other direction of displacement one Force support needed. For the one-way alloy So it's an extra recycling facility required. A two-way material arises in both directions automatically around. A preferred transition or Changeover temperature range for the SMA actuator is -20 ° C to 30 ° C, preferably -10 ° C to 20 ° C and even more preferably 0 ° C to 20 ° C. Within these areas are interesting applications of Drive adjusting device, especially in the ventilation area possible. The actual workspace, within the is a conversion of the SMA actuator takes place is compared to the transition temperature range usually Closer and depends on the specific application of the functional body. In the field of air conditioning, for example, a workspace aimed at with a temperature range of about 10 ° C, so that a change of the functional body, for example begins at 15 ° C and is completed at 25 ° C. Other work areas, for example, of 15 ° C, can be used in air conditioning, so that a conversion of the Functional body, for example, begins at 15 ° C. and finished at 30 ° C. When using the functional body as shut-off valve can also be a working area with a smaller temperature range, For example, be required by 5 ° C. In such a Application can be the conversion of the functional body at 40 ° C and completed at 45 ° C.
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.A Biasing spring according to claim 2 supports a return of the SMA actuator from the demolding to the deformation state. Together with such a biasing spring are therefore also disposable SMA alloys can be used, which automatically converts from the deformation in the demolding, but not back to the deformation state carry out.
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.A biasing spring according to claim 3 allows, as was recognized according to the invention, a fine adjustment of a switching temperature of the SMA alloy toward higher temperatures. In this way, the changeover temperature can be finely adjusted to the respective requirements of the drive setting device. The preload force does not have to act on the entire actuating portion of the actuator. It is often sufficient if the biasing force acts only on a selected volume range of the control section to result in the desired fine adjustment of the transient temperature. In the case of a NiTi alloy as an SMA alloy, the influence of the prestressing force on the conversion temperature can be, for example, 5 ° K / 100 N / mm 2 . When changing the functional body between the rest position and the operating position is at least partially an expansion of the functional body. The maximum elongation of such radio tion body sections or the entire functional body, which can be tolerated within the drive actuator, can be specified depending on the number of conversion cycles required between the rest position and the operating position. If, for example, in the context of the use as a single safety component only a single cycle is required, for example, a maximum conversion strain of up to 8% can take place. If the functional body is to process many conversion cycles, the maximum permissible conversion strain can be correspondingly reduced.
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.One Adjustment element according to claim 4 allows a fine adjustment of Conversion temperature of the SMA actuator, for example in a functional assembly built-drive actuator. The user can then set the drive actuator to his personal Adjust preferences. For example, if one of SMA actuator controlled ventilation flap only at a higher Changeover temperature, the user asks about the Adjustment simply a higher preload. The adjustment can be a stepless or a gradual specification allow the biasing force. In addition to the function of preload default the adjustment can also be used to the functional body to manually switch between the rest position and the operating position. For this purpose, there is an additional locking option the functional body in the rest position or the operating position intended. In this way, the temperature-dependent Conversion of the functional body in favor of a permanent position from this at rest or the operating position to one User request to be overridden.
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.A Spring constant according to claim 5 leads to an advantageous slight change in the linear dependence the restoring force of the biasing spring of the changeover of the SMA actuator between the deformation and the Entformungszustand. The influence of the preload spring on the adjustment accuracy or the sensitivity of the drive actuator can be used in several aspects. On the one hand influenced a dependence of the spring constant of the changeover according to the course of the SMA drive torques or forces, which can be used to set a wish course. For certain applications is the lowest possible spring rate desired, so that SMA materials with low Umstellkräften can be used.
Ein Stellkörper nach Anspruch 6 lässt sich an verschiedene Antriebsanforderungen ohne Weiteres anpassen.One Actuator according to claim 6 can be connected to different Adapt drive requirements without further ado.
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.pivoting movements a torsion-adjusting body according to claim 7 are for many applications of the drive actuator according to the invention sufficient. Basically, swivel movements are larger Angle, for example by 180 °, possible.
Eine Vorspannfeder nach Anspruch 8 baut kompakt.A Preload spring according to claim 8 builds compact.
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.A Biasing spring according to claim 9, in particular, when a functional body two torsion bar mountings required, a very elegant addition represent the torsion actuator. A first of these Both torsion bar bearings can then by the SMA actuator and a second of these two torsion bar bearings can by the torsion biasing spring be realized.
Ein Stellkörper nach Anspruch 10 baut kompakt und kann insbesondere zusammen mit Linearführungen eingesetzt werden.One Actuator according to claim 10 is compact and can in particular used together with linear guides.
Ein längenverstellbarer Stellkörper nach Anspruch 11 ist an bestimmte Anwendungen der Antriebs-Stelleinrichtung angepasst.One Adjustable length adjusting body according to claim 11 is adapted to particular applications of the drive actuator.
Ein Stellkörper nach Anspruch 12 kann im Zusammenhang mit zu schwenkenden Funktionskörpern eingesetzt werden.One Actuator according to claim 12 may be in connection with pivoting functional bodies are used.
Die Ausgestaltung des Biege-Stellkörpers nach Anspruch 13 ist wiederum an bestimmte Erfordernisse der Antriebs-Stelleinrichtung angepasst.The Embodiment of the bending actuator according to claim 13 again to certain requirements of the drive actuator customized.
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°.bending angle according to claim 14 have to fulfill many Stellaufgaben as sufficient. Basically, too larger bending angles possible, for example Bending angle up to 180 °.
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.The Advantages of a drive actuator according to the invention including functional assembly according to claim 15 correspond to those the above already with reference to the drive actuator were executed.
Ein Lagerkörper nach Anspruch 16 erhöht die Stabilität der Funktions-Baugruppe. Im Gegenzug sind die tragenden Anforderungen an den SMA-Stellkörper reduziert.One Bearing body according to claim 16 increases the stability the functional module. In return, the main requirements reduced to the SMA actuator.
Eine Ausführung des Funktionskörpers nach Anspruch 17 ermöglicht eine die Vorteile der erfindungsgemäßen Antriebs-Stelleinrichtung besonders nutzende und kompakt ausführbare Funktions-Baugruppe.A Execution of the functional body according to claim 17 allows one the advantages of the invention Drive actuator particularly useful and compact executable Function module.
Eine als Zugfeder nach Anspruch 18 ausgeführte Vorspannfeder ist besonders vorteilhaft im Zusammenspiel mit einem auf Längenverstellung beruhenden Stellkörper nach Anspruch 10 einsetzbar.A biasing spring designed as a tension spring according to claim 18 is particularly advantageous in the Zu used in conjunction with a length adjustment based adjusting body according to claim 10.
Entsprechendes gilt für eine Vorspannfeder nach Anspruch 19 im Zusammenspiel mit einem Stellkörper nach Anspruch 12.The same applies to a biasing spring according to claim 19 in interaction with a control element according to claim 12.
Ein Schieber als Funktionskörper nach Anspruch 20 kann besonders kompakt mit einem Längenverstellungs-Stellkörper nach Anspruch 10 ausgeführt sein.One Slider as a functional body according to claim 20 may be particularly compact with a length adjustment actuator be executed according to claim 10.
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.A Swing flap as a functional body according to claim 21 particularly compact with a torsion actuator according to claim 6 or be realized with a bending actuator according to claim 12.
Ein Dichtkörper nach Anspruch 22 als Funktionskörper kann eine bereits bestehende Baugruppe ergänzen und zu einer erfindungsgemäßen Funktions-Baugruppe machen.One Sealing body according to claim 22 as a functional body can supplement and extend an already existing module make a functional assembly according to the invention.
Ein Dichtkörper nach Anspruch 23 lässt sich insbesondere als Profilelement kostengünstig herstellen.One Sealing body according to claim 23 can be in particular produce cost-effective as a profile element.
Eine Ausführung nach Anspruch 24 nutzt die den Dichtkörper aufweisende Funktions-Baugruppe besonders gut.A Embodiment according to claim 24 uses the sealing body having functional assembly particularly good.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:embodiments The invention will be described below with reference to the drawing explained. In this show:
Eine
Antriebs-Stelleinrichtung
Die
Antriebs-Stelleinrichtung
Ein
Fest-Abschnitt
Der
Torsions-Stellkörper
Gegenüber
dem Fest-Abschnitt
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.A maximum conversion strain of the function section during the relocation between the deformation state and the demolding state can For example, be 3%. Depending on how many conversion cycles are required are also smaller or larger maximum conversion strains allowed.
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
Der
SMA-Stellkörper
Das
SMA-Material des Stellkörpers
Die
Antriebs-Stelleinrichtung
Die
Vorspannfeder
In
der
Auf
Höhe der axialen Festlegung der Vorspannfeder
Da
die Vorspannfeder
Die
Vorspannfeder
Bei
der Funktions-Baugruppe
In
der dem Verformungszustand des Stellkörpers
Eine
Vorspannfeder
Bei
der Funktions-Baugruppe
Eine
Vorspannfeder
Im
Verformungszustand verschließt der in Form einer Lüftungsklappe
ausgeführte Funktionskörper
Bei
der Funktions-Baugruppe
Die
Stellung nach
Ein
Funktionskörper
Durch
einen abgewinkelten Übergang zwischen der Dichtlippe
In
einer in der
In
der Verformungsstellung ist der Funktions-Abschnitt
Eine
Torsions-Vorspannfeder
Die
Vorspannfeder
Bei
niedriger Temperatur liegt der SMA-Stellkörper
Der
Widerlagerkörper
Die oben beschriebenen Lüftungsklappen-Ausführungsvarianten eignen sich insbesondere als Lüftungsklappen-Baugruppe in einem Wintergarten oder in einem Gewächshaus.The Ventilation flap embodiments described above are particularly suitable as a ventilation flap assembly in a winter garden or in a greenhouse.
Der
Stab des Stellkörpers (
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- 2007-09-22 DE DE102007045348A patent/DE102007045348A1/en not_active Withdrawn
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OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
R005 | Application deemed withdrawn due to failure to request examination | ||
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Effective date: 20140923 |