DE102008021444A1

DE102008021444A1 - Aktuator mit mindestens zwei Stellelementen und Ventil mit einem Aktuator

Info

Publication number: DE102008021444A1
Application number: DE102008021444A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Pfahler
Original assignee: Alfmeier Praezision AG Baugruppen und Systemlosungen
Current assignee: Alfmeier Praezision SE
Priority date: 2008-04-29
Filing date: 2008-04-29
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2028-04-30
Also published as: DE102008021444B4

Abstract

Ein Aktuator (4) umfasst mindestens zwei Stellelemente (5), wobei an jedem Stellelement (5) ein SMA-Draht (12, 12a, 12b) und die SMA-Drähte (12, 12a, 12b) zur Beaufschlagung mit Strom in einer Schaltung integriert sind, die folgendermaßen ausgestaltet ist:
- zwischen einem Versorgungsspannungspfad (20) und einem Massepfad (22) ist eine Serienschaltung geschaltet, die eine mindestens zwei parallele Stränge (24a, 24b) aufweisende Parallelschaltung und eine Stromquelle (29) umfasst, die den zur Beaufschlagung eines SMA-Drahtes (12, 12a, 12b) erforderlichen Strom liefert,
- jeder Strang (24a, 24b) umfasst eine Serienschaltung aus einem SMA-Draht (12, 12a, 12b) des Aktuators und einem Schalter (26a, 26b), der in geschlossenem Zustand eine Beaufschlagung des in dem Strang (24a, 24b) befindlichen SMA-Drahtes (12, 12a, 12b) mit dem Strom aus der Stromquelle (29) ermöglicht.
Ein Ventil umfasst einen Aktuator (4), bei dem das Stellelement (5) eine Ventilöffnung (3) steuert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator mit mindestens zwei Stellelementen, wobei jedem Stellelement ein SMA-Draht zugeordnet ist und die SMA-Drähte zur Beaufschlagung mit Strom in einer Schaltung integriert sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Ventil mit einem Aktuator.
Zur Betätigung von Aktuatoren werden Formgedächtnislegierungen eingesetzt. Dabei wird ein Draht aus einer solchen Formgedächtnislegierung (Shape Memory Alloy, SMA) über seine Umwandlungstemperatur erwärmt. Damit wandelt sich die Legierung von einer Martensit- in eine Austenitstruktur, was zur Folge hat, dass sich der Draht verkürzt. Durch diese Verkürzung kann der Draht Arbeit leisten und dadurch beispielsweise ein in einem Aktuator vorhandenes Stellelement betätigen. Ein Aktuator kann so aufgebaut sein, dass das Stellelement in eine Richtung, die sogenannte Hubrichtung, mittels eines SMA-Drahtes betätigt wird und in die entgegengesetzte Rückstellrichtung durch ein Rückstellelement bewegt wird. Solch ein Aktuator kann wiederum dazu benutzt werden, ein Ventil zu öffnen und zu schließen. Ein solches Ventil ist beispielsweise aus der DE 10 2005 060 217 A1 bekannt. Um einen SMA-Draht zu erwärmen ist es üblich, diesen mit Strom zu beaufschlagen. Für einen Aktuator ist daher eine Schaltung notwendig, die eine Stromquelle enthält, mit der der SMA-Draht mit Strom versorgt wird. Der Strom wird dabei durch die Stromquelle in einem bestimmten Bereich konstant gehalten, damit der SMA-Draht nicht beschädigt wird.
Besonders bei Anwendungen von Aktuatoren bzw. Ventilen mit mehreren SMA-Drähten und deshalb mehrfach vorhandenen Schaltungen kann es wegen des damit verbundenen zunehmenden Platzbedarfs zu Problemen kommen, einen solchen Aktuator bzw. ein solches Ventil samt Schaltung bei beengten Einbauräumen zu installieren. Es ergeben sich insgesamt dadurch höhere technische und wirtschaftliche Aufwände.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, einen Aktuator und ein Ventil anzugeben, die hinsichtlich der genannten Nachteile verbessert sind.
Diese Aufgabe wird durch einen Aktuator mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. nach Anspruch 6 durch ein damit ausgestaltetes Ventil gelöst. Danach weist ein Aktuator mindestens zwei Stellelemente auf. Jedem Stellelement ist ein SMA-Draht zugeordnet, der bei Beaufschlagung mit Strom dieses in eine Hubrichtung betätigt. Zur Betätigung des Stellelementes in die der Hubrichtung entgegengesetzten Rückstellrichtung wirkt dieses mit einem Rückstellelement zusammen. Durch das Rückstellelement erfolgt somit automatisch eine Rückstellung des Stellelementes, sobald der SMA-Draht nicht mit Strom beaufschlagt ist. Eine Feder stellt dabei eine besonders einfache und kostengünstige Ausführungsform des Rückstellelementes dar.
Die SMA-Drähte sind zur Beaufschlagung mit Strom in einer Schaltung integriert, die einen Versorgungsspannungspfad und einen Massepfad umfasst. Zwischen die beiden Pfade ist eine Serienschaltung geschaltet, die eine mindestens zwei parallele Stränge aufweisende Parallelschaltung und eine Stromquelle umfasst. Die Stromquelle dient dabei zur Beaufschlagung eines SMA-Drahtes mit Strom und damit zu dessen Aufheizung. Nach Überschreiten der Umwandlungstemperatur zieht sich der SMA-Draht zusammen, wodurch dieser auf das Stellelement eine Kraft ausübt und es somit betätigt. Die Anzahl der Stränge ergibt sich aus der Anzahl der in einem Aktuator vorhandenen SMA-Drähte. Jeder Strang umfasst eine Serienschaltung aus einem SMA-Draht des Aktuators und einen vorzugsweise als Schalttransistor ausgebildeten Schalter, der im geschlossenen Zustand eine Beaufschlagung des in dem Strang befindlichen SMA-Drahtes mit Strom aus der Stromquelle ermöglicht. Angesteuert werden die Schalter durch eine externe Steuereinheit.
Durch die Merkmale der vorliegenden Erfindung wird erreicht, dass zur Beaufschlagung mehrerer SMA-Drähte nur eine einzige Stromquelle erforderlich ist. Die bisher üblichen weiteren Stromquellen können daher entfallen. Ein besonderer Einspareffekt ergibt sich bei Schaltungen, bei denen zur gleichen Zeit nur ein SMA-Draht mit Strom beaufschlagt werden muss. Hier kann eine herkömmliche Stromquelle, die für den Betrieb eines SMA-Drahtes dimensioniert ist, die bisher übliche Vielzahl von Stromquellen ersetzen. Die Baugröße und das Gewicht des Aktuators werden dadurch wirksam reduziert. Da die Stromquellen auch relativ teure Elemente einer Schaltung darstellen, entsteht durch die Verwendung lediglich einer Stromquelle auch ein Kostenvorteil.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Aktuator je SMA-Draht einen Endschalter auf, der durch das Stellelement in einer Endstellung betätigt wird und eine Endschalterelektronik, die das Schaltsignal der Endschalter aufbereitet und in deren Abhängigkeit die Stromquelle ansteuert. Nach Betätigen des Endschalters durch das Stellelement wird die Stromquelle und somit die Versorgung des SMA-Drahtes mit Strom durch die Endschalterelektronik unterbrochen. Der Draht kühlt sich daraufhin ab. Bei Unterschreiten der Umwandlungstemperatur geht der SMA-Draht von der Austenit- in die Martensitphase über, was wiederum zu einer Ausdehnung führt. Durch die Ausdehnung übt der Draht keine Kraft mehr auf das Stellelement aus, woraufhin das Rückstellelement, dessen Funktion auch der Endschalter einnehmen kann, das Stellelement in Rückstellrichtung aus der Endstellung herausbewegt. Der Endschalter schaltet daraufhin in seine ursprüngliche Stellung, was zu einem erneuten Einschalten der Stromquelle, einer Beaufschlagung des SMA-Drahtes mit Strom, zu einem wiederholten Zusammenziehen des SMA-Drahtes und zu einer Betätigung des Endschalters führt. Dieser Vorgang wiederholt sich, solange der Schalter, der sich in dem selben Strang wie der SMA-Draht befindet, durch die externe Steuereinheit eingeschaltet bleibt. Es werden dabei Wiederholfrequenzen im Bereich von etwa 1 kHz erreicht. Durch das ständige Ein- und Ausschalten der Stromquelle wird das Stellelement in der Nähe der Endstellung bewegt, da sofort nach Rückschalten des Endschalters der SMA-Draht wieder aufgeheizt wird. Das Stellelement kehrt also nicht in die ursprüngliche Ausgangslage zurück. Der SMA-Draht wird währenddessen auf einer niedrigeren Temperatur gehalten, als wenn er ständig in seiner Endstellung mit Strom beaufschlagt wird, wie dies bei einer Ausführung ohne Endschalter der Fall wäre. Dies führt zu einer reduzierten Beanspruchung und damit zu einer verlängerten Lebensdauer des SMA-Drahtes.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
1 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Ventils mit einem Aktuator,
2 eine Schaltung zur Ansteuerung zweier SMA-Drähte.
1 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Ventils. Zur Veranschaulichung ist hierbei jedoch nur einer von zwei vorhandenen Aktuatoren mit jeweils einem SMA-Draht abgebildet. Das Ventil umfasst ein druckdichtes Ventilgehäuse 2, das einen nicht gezeigten Verbraucheranschluss und eine Ventilöffnung 3 aufweist. Innerhalb des Ventilgehäuses befindet sich ein Aktuator 4 mit einem Stellelement 5, das senkrecht zu einer Grundplatte 6 in einer Führung 7 angeordnet und entlang seiner Längsachse in der Führung 7 beweglich ist. Der mittlere Abschnitt des Stellelementes 5 ist ein Zylinder 8, an dessen oberen Ende ein Dichtelement 9 angebracht ist, das zur Abdichtung der Ventilöffnung 3 dient. Am unteren Ende weist das Stellelement 5 einen Stift 10 auf, der in der Endstellung des Stellelementes 5 in eine Bohrung 11 der Grundplatte 6 eingebracht ist. Weiterhin umfasst der Aktuator 4 einen SMA-Draht 12 zur Betätigung des Stellelementes 5, der in einem mittleren Bereich mit dem Stellelement 5 in Kontakt steht. Die jeweiligen Enden des SMA-Drahtes 12 sind an der Grundplatte 6 des Ventils befestigt. Ebenfalls an der Grundplatte 6 befindet sich ein Endschalter 13, der von dem Stift 10 des Stellelementes 5 in einer Endstellung betätigt wird. Zur Rückstellung des Stellelementes 5 ist an diesem ein Rückstellelement 14 angebracht, das in diesem Beispiel eine Feder ist, die das Stellelement konzentrisch umschließt.
In stromlosem Zustand weist der SMA-Draht 12 seine größte Länge auf. Durch Beaufschlagung des SMA-Drahtes 12 mit Strom wird dieser erwärmt, woraufhin er sich zusammenzieht. Durch die damit hervorgerufene Längenänderung des SMA-Drahtes 12 wird nun eine Kraft auf das Stellelement in Richtung der Grundplatte 6 ausgeübt, wodurch das Stellelement in Hubrichtung, welche durch Pfeil 15 dargestellt ist, bewegt wird und es die Ventilöffnung 3 freigibt, indem zwischen Dichtelement 9 und Ventilöffnung 3 ein Spalt gebildet wird. Ist das Stellelement 5 in seiner Endstellung angelangt, betätigt dieses über den Stift 10 den Endschalter 13. Das hervorgerufene Schaltsignal wird dafür benutzt, um die Stromzufuhr für den SMA-Draht 12 zu unterbrechen. Ist der SMA-Draht 12 nicht mehr mit Strom beaufschlagt kühlt sich dieser ab, bis er sich bei Unterschreiten der Umwandlungstemperatur von der Austenitphase in die Martensitphase umwandelt, was eine Verlängerung des SMA-Drahtes 12 bewirkt. Der SMA-Draht 12 übt nun keine Kraft in Hubrichtung 15 auf das Stellelement 5 mehr aus. Durch das Rückstellelement 14 wird das Stellelement 5 wieder entgegengesetzt zur Hubrichtung 15 in Rückstellrichtung bewegt. Der Endschalter 13 schaltet dadurch wieder in seine ursprüngliche Stellung zurück, was zu einem erneuten Beaufschlagen des SMA-Drahtes 12 mit Strom führt und das Stellelement 5 wieder in seine Endstellung gebracht wird. Das Stellelement 5 wird dadurch in der Nähe seiner Endstellung gehalten. Die Ventilöffnung 3 bleibt somit freigegeben. Bei endgültigem Abschalten des Stromes wird das Stellelement 5 durch das Rückstellelement 14 in die Ausgangslage gebracht, wodurch die Ventilöffnung 3 durch das Dichtelement 9 geschlossen wird. Zur Beaufschlagung des SMA-Drahtes 12 mit Strom ist eine Schaltung erforderlich. Dazu ist in der Grundplatte 6 eine Leiterplatte integriert, die hier nicht dargestellt ist. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schaltung extern untergebracht ist. Über eine Schnittstelle 16 sind die für den Betrieb erforderlichen Strom- und Signalleitungen an das Ventil angeschlossen.
In 2 ist nun eine solche Schaltung zur Ansteuerung zweier aus 1 bekannter Aktuatoren mit jeweils einem SMA-Draht dargestellt. Diese Schaltung weist einen Versorgungsspannungspfad 20 und einen Massepfad 22 auf. An den Versorgungsspannungspfad 20 sind zwei parallele Stränge 24a, 24b angeschlossen, in denen jeweils ein Schalter 26a bzw. 26b und ein SMA-Draht 12a bzw. 12b in Serie geschaltet sind. Die Schalter 26a bzw. 26b werden mit einer Steuereinheit 27 über die beiden Steuerleitungen 28a und 28b angesteuert. Zu den zwei parallelen Strängen 24a, 24b ist wiederum eine Stromquelle 29 in Serie geschaltet, so dass eine Verbindung zum Massepfad 22 hergestellt ist. An die Stromquelle 29 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Endschalterelektronik 30 angeschlossen, die mit den Endschaltern 13a bzw. 13b der beiden Aktuatoren über die Signalleitungen 32a bzw. 32b verbunden ist. Die Endschalterelektronik 30 dient mit den Endschaltern 13a bzw. 13b dazu, die Stromquelle 29 abzuschalten, wenn das Stellelement 5 seine Endstellung erreicht hat. Es ist jedoch auch möglich, auf die Endabschaltung mit den Endschaltern 13a, 13b und der Endschalterelektronik 30 zu verzichten.
Um die Schaltung betreiben zu können, muss zwischen Versorgungsspannungspfad 20 und Massepfad 22 eine Versorgungsspannung anliegen. Soll nun ein Stellelement 5 betätigt werden, so wird durch eine Steuereinheit 27 ein Schaltsignal erzeugt, das den entsprechenden Schalter, beispielsweise 26a, für das betreffende Stellelement 5 mit SMA-Draht 12a schließt. Der Stromkreis zwischen Versorgungsspannungspfad 20 und Massepfad 22 über SMA-Draht 12a und Stromquelle 29 ist nunmehr geschlossen. Der SMA-Draht 12a wird durch die Stromquelle 29 mit einem konstanten Strom beaufschlagt und wird dadurch erwärmt. Durch die Erwärmung des SMA-Drahtes 12a über dessen Umwandlungstemperatur zieht sich dieser zusammen, wodurch das Stellelement 5 in Hubrichtung 15 betätigt wird. Erreicht das Stellelement 5 die vorgegebene Endstellung, so betätigt es über den Stift 10 den Endschalter 13a. Das Signal dieses Endschalters 13a wird durch die Endschalterelektronik 30 aufbereitet, was schließlich dazu führt, dass die Stromquelle 29 abgeschaltet und der SMA-Draht 12a nicht mehr mit Strom beaufschlagt wird. Der SMA-Draht 12a kühlt sich daraufhin ab und dehnt sich nach Unterschreiten seiner Umwandlungstemperatur wieder aus, wodurch dieser keine Kraft mehr auf das Stellelement 5 ausübt. Der Endschalter 13a schaltet daraufhin in seine ursprüngliche Stellung, was zu einem erneuten Einschalten der Stromquelle 29, einer Beaufschlagung des SMA-Drahtes 12a mit Strom, zu einem wiederholten Zusammenziehen des SMA-Drahtes 12a und zu einer erneuten Betätigung des Endschalters 13a führt. Dieser Vorgang wiederholt sich, solange der Schalter 26a durch die externe Steuereinheit eingeschaltet bleibt. Durch das ständige Ein- und Ausschalten der Stromquelle 29 wird das Stellelement 5 in der Nähe der Endstellung bewegt, da sofort nach Rückschalten des Endschalters 13a der SMA-Draht 12a wieder aufgeheizt wird. Das Stellelement 5 kehrt also nicht in die ursprüngliche Ausgangslage zurück. Wie oben beschrieben ist jedoch das Vorhandensein der Endabschaltung optional. Der SMA-Draht 12a würde dann in seiner Endstellung solange weiter mit Strom beaufschlagt, wie der Schalter 26a durch die externe Steuereinheit eingeschaltet bleibt. Dies führt jedoch dazu, dass im Vergleich zu der Ausführung mit Endabschaltung, der SMA-Draht 12a auf eine höhere Temperatur erhitzt wird und dadurch die Lebensdauer verkürzt wird. In beiden Fällen wird erst nach Ausschalten des Schalters 26a der Stromfluss durch den SMA-Draht 26a endgültig abgeschaltet. Das Stellelement 5 wird dann durch das Rückstellelement 14 in seine Ausgangsposition gebracht und die Ventilöffnung 3 geschlossen. Wenn nun der andere SMA-Draht 12b mit Strom beaufschlagt werden soll, muss der entsprechende Schalter 26b geschlossen werden, der sich innerhalb des Stranges 24b befindet. Auch die Versorgung dieses SMA-Drahtes 12b mit Strom erfolgt von der einzigen vorhandenen Stromquelle 29. Der weitere Funktionsablauf der Schaltung entspricht dem, wie er bereits oben für den SMA-Draht 7a beschrieben wurde.

2: Ventilgehäuse
3: Ventilöffnung
4: Aktuator
5: Stellelement
6: Grundplatte
7: Führung
8: Zylinder
9: Dichtelement
10: Stift
11: Bohrung
12: SMA-Draht
12a: SMA-Draht
12b: SMA-Draht
13: Endschalter
13a: Endschalter
13b: Endschalter
14: Rückstellelement
15: Hubrichtung
16: Schnittstelle
20: Versorgungsspannungspfad
22: Massepfad
24a: Strang
24b: Strang
26a: Schalter
26b: Schalter
27: Steuereinheit
28a: Steuerleitung
28b: Steuerleitung
29: Stromquelle
30: Endschalterelektronik
32a: Signalleitung
32b: Signalleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102005060217 A1 [0002]

Claims

Aktuator (4) mit mindestens zwei Stellelementen (5), wobei jedem Stellelement (5) ein SMA-Draht (12, 12a, 12b) zugeordnet ist, der dieses in eine Hubrichtung (15) betätigt, und wobei jedes Stellelement (5) mit einem Rückstellelement (14) zusammenwirkt, das das Stellelement (5) in die entgegengesetzte Rückstellrichtung bewegt, und wobei die SMA-Drähte (12, 12a, 12b) zur Beaufschlagung mit Strom in einer Schaltung integriert sind, die folgendermaßen ausgestaltet ist: – zwischen einem Versorgungsspannungspfad (20) und einem Massepfad (22) ist eine Serienschaltung geschaltet, die eine mindestens zwei parallele Stränge (24a, 24b) aufweisende Parallelschaltung und eine Stromquelle (29) umfasst, die den zur Beaufschlagung eines SMA-Drahtes (12, 12a, 12b) erforderlichen Strom liefert, – jeder Strang (24a, 24b) umfasst eine Serienschaltung aus einem SMA-Draht (12, 12a, 12b) des Aktuators und einem Schalter (26a, 26b), der in geschlossenem Zustand eine Beaufschlagung des in dem Strang (24a, 24b) befindlichen SMA-Drahtes (12, 12a, 12b) mit dem Strom aus der Stromquelle (29) ermöglicht.
Aktuator (4) nach Anspruch 1, mit jeweils einem Endschalter (13, 13a, 13b) je Stellelement (5), der durch das Stellelement (5) in einer Endstellung betätigt wird und einer Endschalterelektronik (30), die das Schaltsignal der Endschalter (13, 13a, 13b) aufbereitet und in deren Abhängigkeit die Stromquelle (29) ansteuert.
Aktuator (4) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schalter (26a, 26b) ein Schalttransistor ist.
Aktuator (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Rückstellelement (14) eine Feder ist.
Ventil mit einem Aktuator (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Stellelement (5) eine Ventilöffnung (3) steuert.