DE102009040097B4 - Anordnung zur Verstellung eines Bauteils zwischen zwei Endstellungen - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Verstellung eines Bauteils zwischen zwei Endstellungen, unter Verwendung eines temperaturabhängigen, aus einer Legierung mit einprägbarem Formgedächtnis bestehenden, strangförmigen metallischen Stellelements, das an seinem einen Ende in einer beweglichen Aufnahme und an seinem anderen Ende in einem an einem Grundkörper angebrachten Festpunkt befestigt ist, bei welcher eine in axialer Richtung auf das Stellelement einwirkende Feder vorhanden ist, durch welche das Stellelement in nicht erwärmtem Zustand in eine einer ersten Endstellung des Bauteils entsprechenden größeren Länge gehalten ist, und bei welcher das Stellelement bei Erwärmung eine einer zweiten Endstellung des Bauteils entsprechende kürzere Länge einnimmt, welche einer als eingeprägtes Formgedächtnis vorgegebenen Länge desselben entspricht (
EP 1 329 922 A2 ). - Eine derartige Anordnung wird beispielsweise in der Heizungs- und Lüftungstechnik eingesetzt. Sie kann grundsätzlich überall dort verwendet werden, wo eine Verstellbewegung durchgeführt werden soll. Es können dadurch beispielsweise Ventile betätigt, Klappen bewegt oder lichte Rohrquerschnitte verändert werden, wodurch auch die Durchflußmenge eines durch ein entsprechendes Rohrsystem strömenden bzw. fließenden Mediums verändert werden kann. Ein solches Medium ist beispielsweise Wasser oder Luft.
- Ein metallisches Stellelement mit eingeprägtem Formgedächtnis, wie es bei der Anordnung nach der Erfindung eingesetzt wird, besteht aus einer an sich bekannten Formgedächtnislegierung. Sie hat beispielsweise die Komponenten Nickel, Titan und Kupfer. Ein Element aus einer solchen Legierung erhält mit einer speziellen Behandlung unterhalb einer kritischen Temperatur mit bleibender Verformung ein Formgedächtnis mit der Maßgabe eingeprägt, daß es nach einer Verformung aus seiner eingeprägten Form heraus in eine andere Form bei Erwärmung in die eingeprägte Form zurückgeht, und zwar mit erheblicher Kraftentwicklung. Dabei können solche Elemente bei unterschiedlichen Temperaturen reagieren, und zwar in Abhängigkeit von den zu ihrem Aufbau verwendeten Legierungsbestandteilen. Sie können bei Fortfall der Erwärmung in einer gegebenen Position gehalten oder mit relativ geringem Kraftaufwand, beispielsweise mittels einer Feder, wieder in die durch die erwähnte Verformung erreichte andere Form zurückgebracht werden.
- Bei der bekannten Anordnung nach der eingangs erwähnten
EP 1 329 922 A2 ist ein streifenförmiges metallisches Stellelement aus einer Legierung mit eingeprägtem Formgedächtnis eingesetzt, das zwischen einer beweglichen Aufnahme und einem Festpunkt angeordnet ist und unter der Wirkung einer Feder steht, durch welche es bei Fortfall einer ein- und ausschaltbaren Erwärmung in seine Ausgangsstellung zurückgebracht werden soll. Diese Druckschrift beschreibt eine Einrichtung zur Kompensation einer nach oftmaligem Betätigen des Stellelements und durch alterungsbedingte Einflüsse entstehenden Längenänderung des streifenförmigen Stellelements. Sie wird dann wirksam, wenn das Stellelement für eine Längenkompensation ausreichend verlängert ist. Das Stellelement kann trotzdem zwischen der Aufnahme und dem Festpunkt relativ lose sein, so daß seine Funktionsfähigkeit bis hin zum vollständigen Ausfall beeinträchtigt wird. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderte Anordnung so zu gestalten, daß das eingesetzte Stellelement stets in gestrecktem Zustand gehalten wird und nach Einschaltung einer Erwärmung unverzögert reagiert.
- Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,
- – daß der Grundkörper einen rohrförmigen, das Stellelement umgebenden Ansatz aufweist, der an einem axialen Ende einen radial nach außen abstehenden Flansch hat und auf dessen äußerer Oberfläche eine in axialer Richtung verschiebbare Innenhülse aufliegt, welche an ihrem dem Flansch des Ansatzes abgewandten axialen Ende einen radial nach innen weisenden Kragen mit einer zentralen Öffnung hat, in welcher die bewegliche Aufnahme des Stellelements angeordnet ist,
- – daß konzentrisch zu der Innenhülse eine ebenfalls in axialer Richtung verschiebbare Außenhülse vorgesehen ist, welche auf der Innenhülse aufliegt und bei nicht erwärmtem und damit verlängertem Stellelement mit einer Stirnseite an dem radial nach außen abstehenden Flansch des Grundkörpers anliegt,
- – daß Innenhülse und Außenhülse jeweils einen radial nach außen abstehenden Vorsprung aufweisen, zwischen denen unter Anlage an denselben die als Druckfeder ausgebildete, in axialer Richtung wirkende Feder angebracht ist, welche auf der Außenhülse aufliegt, und
- – daß an dem Grundkörper ein mit zwei etwa rechtwinklig zueinander verlaufenden Hebelarmen ausgerüsteter und um eine Drehachse drehbarer Hebel angebracht ist, der mit einem ersten Hebelarm mit der Außenhülse gekoppelt ist, der mit seinem zweiten Hebelarm am zu verstellenden Bauteil, das selbst unter der Wirkung einer Stellfeder steht, anliegt und dasselbe in seiner ersten Endstellung hält, und der mindestens einen auf der dem ersten Hebelarm gegenüber liegenden Seite der Drehachse angebrachten Vorsprung hat, an dem ein in Achsrichtung von der Innenhülse abstehender Steg anliegt.
- Diese Anordnung reagiert ohne jegliche Verzögerung, sobald das Stellelement bis zu seiner Reaktionstemperatur erwärmt wird, weil die Druckfeder das Stellelement in nicht erwärmtem Zustand ständig mit Vorspannung bei seiner größeren, der ersten Endstellung des zu verstellenden Bauteils entsprechenden Länge hält. Das Stellelement hat dadurch in seiner verlängerten Position stets eine definierte Ausgangsposition mit einem definierten mechanischen Widerstand, der durch das Stellelement selbst mit seiner bei Erwärmung entwickelten Kraft überwunden wird. Die Druckfeder drückt außerdem Innenhülse und Außenhülse in jedem Zustand der Anordnung über deren radial nach außen stehende Vorsprünge auseinander. Da die Außenhülse im Ruhezustand der Anordnung, in welcher das Stellelement nicht erwärmt wird, mit einer Stirnseite am radial nach außen abstehenden Flansch des Grundkörpers anliegt und daher in dieser Richtung nicht bewegt werden kann, wirkt sich die Kraft der Druckfeder nur auf die Innenhülse und damit auf die im Kragen derselben gelagerte bewegliche Aufnahme des Stellelements aus. Dasselbe wird also ständig in seine längere Position gedrückt und in derselben gehalten. Der Hebel ist mit seinem ersten Hebelarm mit der Außenhülse verbunden und hält bei verlängertem Stellelement das zu verstellende Bauteil in seiner ersten Endstellung.
- Wenn das Stellelement ausreichend erwärmt ist, verkürzt es seine Länge. Es nimmt dabei die Innenhülse gegen die Kraft der Druckfeder mit und drückt diese zusammen. Die Innenhülse drückt dadurch mit ihrem Steg gegen den Vorsprung des Hebels und dreht denselben um seine Drehachse. Dadurch wird die Außenhülse über den ersten Hebelarm des Hebels entgegen der Wirkung der Druckfeder bewegt, die dadurch weiter zusammengedrückt wird. Gleichzeitig wird der zweite Hebelarm des Hebels so bewegt, daß er das zu verstellende Bauteil entlastet, welches unter der Wirkung seiner eigenen Stellfeder in seine zweite Endstellung bewegt wird. Bei Fortfall der Erwärmung wird das Stellelement durch die Druckfeder wieder in seine verlängerte Position gedrückt und unter Vorspannung in derselben gehalten. Dabei wird das Bauteil entgegen der Wirkung seiner Stellfeder in seine erste Endstellung zurückbewegt.
- Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in den Zeichnungen dargestellt.
- Es zeigen:
-
1 eine perspektivische Ansicht der Anordnung nach der Erfindung. -
2 eine Seitenansicht der Anordnung nach1 im Schnitt mit verlängertem Stellelement. -
3 eine Draufsicht auf die Anordnung nach1 im Schnitt mit verlängertem Stellelement. -
4 einen Schnitt durch2 . -
5 bis7 die Anordnung analog zu den2 bis4 mit verkürztem Stellelement. - Die Erfindung wird im folgenden – stellvertretend für die Verstellung aller anderen möglichen Bauteile – am Beispiel eines Ventils einer Heizungsanlage beschrieben. Dabei wird angenommen, daß das Ventil beim Aufsetzen der Anordnung nach der Erfindung geschlossen ist und durch Erwärmung des Stellelements derselben geöffnet wird.
-
1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht die Anordnung nach der Erfindung als Aufsatz für ein Ventil, das bei aufgesetzter Anordnung geschlossen sein soll. Der aus2 ersichtliche, unter der Wirkung einer nicht mit dargestellten Stellfeder stehende Stößels1 des Ventils befindet sich dann also in der Schließstellung. Er wird durch einen Hebel2 in der Schließstellung gehalten, der um eine an einem Grundkörper3 der Anordnung angebrachte Achse4 in Richtung des Doppelpfeils5 schwenkbar ist. - Das im Folgenden für verschiedene Einzelteile verwendete Wart „rohrförmig” schließt einen kreisrunden, ovalen und polygonen Querschnitt dieser Einzelteile ein.
- Die Anordnung weist als wesentliches Einzelteil den Grundkörper
3 auf, der aus Metall oder Kunststoff bestehen kann. Er hat einen rohrförmigen Ansatz6 , der an seinem einen axialen Ende einen radial nach außen abstehenden Flansch7 hat. Er umgibt ein strangförmiges metallisches Stellelement8 , das an seinem einen Ende in einer beweglichen Aufnahme9 und an seinem anderen Ende mit einer Aufnahme10 an einem Festpunkt am Grundkörper3 festgelegt ist. Die Aufnahme9 ist beweglich, weil sie der Bewegung des Stellelements8 folgt, wenn dasselbe zwischen seiner verlängerten und seiner verkürzten Position bewegt wird. Das Stellelement8 besteht aus einer Legierung mit einprägbarem Formgedächtnis. Es kann drahtförmig oder streifenförmig ausgeführt sein. Zu seiner Betätigung ist das Stellelement8 durch Beheizung erwärmbar, und zwar vorzugsweise durch elektrischen Strom. Dazu kann das Stellelement8 selbst gegebenenfalls an eine Spannungsquelle angeschlossen werden. Es ist in bevorzugter Ausführungsform aber mit einem elektrischen Heizelement11 bestückt, bei dem es sich mit Vorteil um einen PTC-Widerstand handelt. Das Heizelement11 ist in den2 und3 gestrichelt eingezeichnet. - Der rohrförmige Ansatz
6 des Grundkörpers3 ist von einer rohrförmigen Innenhülse12 umgeben, die an dem Ansatz6 anliegt und in axialer Richtung auf demselben verschiebbar ist. Die Innenhülse12 hat an ihrem dem Flansch7 des Grundkörpers3 abgewandten axialen Ende einen radial nach innen weisenden Kragen13 mit einer zentralen Öffnung, in welcher die bewegliche Aufnahme9 des Stellelements8 angeordnet ist. Sie hat mit Vorteil an dem gleichen axialen Ende einen radial nach außen abstehenden Vorsprung14 . An dem dem Kragen13 abgewandten Ende hat die Innenhülse12 gemäß den1 und3 zwei parallel und mit Abstand zueinander verlaufende, in Achsrichtung weisende Stege15 und16 , von denen in den2 und4 nur der Steg15 zu erkennen ist. Es soll mindestens ein solcher Steg an der Innenhülse12 angebracht sein. In bevorzugter Ausführungsform sind es die beiden Stege15 und16 , die auf zwei unterschiedlichen Seiten des Stellelements8 liegen und zwischen denen der Hebel2 angeordnet ist. - Koaxial zur Innenhülse
12 ist eine rohrförmige Außenhülse17 angebracht, die ebenfalls in axialer Richtung verschiebbar ist. Sie liegt an der äußeren Umfangsfläche der Innenhülse12 an und hat mit Vorteil an einem axialen Ende einen radial nach außen weisenden Vorsprung18 . Die Außenhülse17 ist von einer Druckfeder19 umgeben, die zwischen den Vorsprüngen14 der Innenhülse12 und18 der Außenhülse17 , an denen sie mit ihrer Federkraft anliegt, angeordnet ist, und die auf der Außenhülse17 aufliegt. Die Druckfeder19 ist mit Vorteil als Schraubenfeder ausgeführt. In der aus den2 bis4 hervorgehenden Ruhestellung der Anordnung liegt die Außenhülse17 mit einer Stirnseite am Flansch7 des Grundkörpers3 an. Sie ragt außerdem mit einer stegartigen, in axialer Richtung verlaufenden Verlängerung20 durch eine Öffnung im Grundkörper3 bzw. im Flansch7 desselben hindurch. Die Verlängerung20 hat eine erste Ausnehmung21 , in welche der Stößel1 des Ventils hineinragt, und eine zweite Ausnehmung22 , in welche ein erster Hebelarm23 des Hebels2 eingreift. Der erste Hebelarm23 ist dadurch mit der Außenhülse17 gekoppelt und wird zusammen mit derselben bewegt. - Der andere Hebelarm
24 des Hebels2 verläuft etwa rechtwinklig zum ersten Hebelarm23 . Er liegt auf dem Stößel1 auf und hält denselben entgegen der Wirkung seiner Stellfeder in der Schließstellung. Das ist die erste Endstellung des zu verstellenden Bauteils – hier des Ventils. Der Hebel2 wird in der geschilderten Position durch die Druckfeder19 gehalten, welche – wie bereits erwähnt – an den Vorsprüngen14 der Innenhülse12 und18 der Außenhülse17 anliegt und damit die beiden Hülsen in axialer Richtung auseinander drückt. Dieser Druck wirkt auch auf den Kragen13 der Innenhülse6 , in welcher das bewegliche Halteelement9 des Stellelements8 angebracht ist. Dadurch wird ständig ein in axialer Richtung wirkender Druck auf das Stellelement8 ausgeübt, welches dementsprechend mit Vorspannung in seiner längeren Position gehalten wird. - Die Außenbuchse
17 wird in der Ruhestellung der Anordnung durch die Druckfeder19 an den Flansch7 des Grundkörpers3 gedrückt und in dieser Position gehalten, welche auch die Lage des Hebels2 bestimmt. In dieser Lage berühren die Stege15 und16 der inneren Hülse6 zwei Vorsprünge25 und26 des Hebels2 , welche bezüglich der Achse4 desselben auf der dem ersten Hebelarm23 gegenüber liegenden Seite desselben angebracht sind, ohne Druck auf dieselben auszuüben. - Die Federkraft der Druckfeder
19 muß dementsprechend höher als die Federkraft der Stellfeder des Stößels1 sein. Sie soll außerdem hoch genug sein, um eine ausreichend hohe Druckkraft auf die bewegliche Aufnahme9 und damit auf das Stellelement8 auszuüben. - Die Anordnung nach der Erfindung arbeitet zur Verstellung des Stößels
1 eines Ventils beispielsweise wie folgt:
Die Anordnung befindet sich in der in den2 bis4 dargestellten und im Vorangehenden beschriebenen Ruhestellung, in welcher das Stellelement8 unter der Wirkung der Druckfeder19 seine verlängerte Position einnimmt. Das Ventil ist in dieser Position geschlossen. Wenn das Ventil geöffnet werden soll, wird das am Stellelement8 angebrachte elektrische Heizelement11 eingeschaltet, so daß das Stellelement8 erwärmt wird. Nach ausreichender Erwärmung bewegt sich das Stellelement8 in seine dem eingeprägten Formgedächtnis entsprechende kürzere Position, und zwar mit erheblicher Kraftentwicklung. Die entsprechenden Lagen aller Einzelteile der Anordnung gehen in der dann erreichten Arbeitsstellung derselben aus den5 bis7 hervor, in denen gleiche Teile wie in den1 bis4 mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. - Durch das kürzer werdende Stellelement
8 wird die an seinem Ende angebrachte bewegliche Aufnahme9 in Richtung des Pfeils27 bewegt bzw. mitgenommen. Sie drückt über die ebenfalls in Richtung des Pfeiles27 bewegte Innenhülse6 bzw. deren Vorsprung14 die Druckfeder19 zusammen. Gleichzeitig werden die Stege15 und16 der Innenhülse12 gegen die Vorsprünge25 und26 des Hebels2 gedrückt. Der Hebel2 wird dadurch um seine Achse4 gedreht, so daß der Hebelarm24 vom Stößel1 abhebt und denselben entlastet. Die Stellfeder des Ventils kann dadurch den Stößel1 in seine Offenstellung bewegen, so daß das Ventil geöffnet wird. Der Weg, den die Innenhülse12 und damit die Stege15 und16 zwischen den beiden Positionen des Stellelements8 zurücklegt, kann beispielsweise 1 mm bis 5 mm betragen. Dieser Weg entspricht etwa der Längenänderung des Stellelements8 zwischen seinen beiden Positionen. Er wird durch die richtige Wahl der Längen der beiden Hebelarme23 und24 des Hebels2 und die damit einstellbare Hebelübersetzung für die Verstellung des Stößels1 verlängert. So ist im dargestellten Ausführungsbeispiel der Hebelarm24 wesentlich länger als der Hebelarm23 . - Wenn das Ventil wieder geschlossen werden soll, wird das Heizelement
11 abgeschaltet. Das dadurch kalt werdende Stellelement8 wird durch die Druckfeder19 wieder verlängert. Es nimmt dann ebenso wie alle Einzelteile der Anordnung wieder seine aus den2 und3 ersichtliche, der Ruhestellung der Anordnung entsprechende Position ein. Die Druckfeder19 hält dann das Stellelement8 wieder unter Vorspannung.
Claims (2)
- Anordnung zur Verstellung eines Bauteils zwischen zwei Endstellungen, unter Verwendung eines temperaturabhängigen, aus einer Legierung mit einprägbarem Formgedächtnis bestehenden, strangförmigen metallischen Stellelements, das an seinem einen Ende in einer beweglichen Aufnahme und an seinem anderen Ende in einem an einem Grundkörper angebrachten Festpunkt befestigt ist, bei welcher eine in axialer Richtung auf das Stellelement einwirkende Feder vorhanden ist, durch welche das Stellelement in nicht erwärmtem Zustand in eine einer ersten Endstellung des Bauteils entsprechenden größeren Länge gehalten ist, und bei welcher das Stellelement bei Erwärmung eine einer zweiten Entstellung des Bauteils entsprechende kürzere Länge einnimmt, welche einer als eingeprägtes Formgedächtnis vorgegebenen Länge desselben entspricht, dadurch gekennzeichnet, – daß der Grundkörper (
3 ) einen rohrförmigen, das Stellelement (8 ) umgebenden Ansatz (6 ) aufweist, der an einem axialen Ende einen radial nach außen abstehenden Flansch (7 ) hat und auf dessen äußerer Oberfläche eine in axialer Richtung verschiebbare Innenhülse (12 ) aufliegt, welche an ihrem dem Flansch (7 ) des Ansatzes (6 ) abgewandten axialen Ende einen radial nach innen weisenden Kragen (13 ) mit einer zentralen Öffnung hat, in welcher die bewegliche Aufnahme (9 ) des Stellelements (8 ) angeordnet ist, – daß konzentrisch zu der Innenhülse (12 ) eine ebenfalls in axialer Richtung verschiebbare Außenhülse (17 ) vorgesehen ist, welche auf der Innenhülse (12 ) aufliegt und bei nicht erwärmtem und damit verlängertem Stellelement (8 ) mit einer Stirnseite an dem radial nach außen abstehenden Flansch (7 ) des Grundkörpers (3 ) anliegt, – daß Innenhülse (12 ) und Außenhülse (17 ) jeweils einen radial nach außen abstehenden Vorsprung (14 ,18 ) aufweisen, zwischen denen unter Anlage an denselben die als Druckfeder (19 ) ausgebildete, in axialer Richtung wirkende Feder angebracht ist, welche auf der Außenhülse (17 ) aufliegt, und – daß an dem Grundkörper (3 ) ein mit zwei etwa rechtwinklig zueinander verlaufenden Hebelarmen (23 ,24 ) ausgerüsteter und um eine Drehachse (4 ) drehbarer Hebel (2 ) angebracht ist, der mit einem ersten Hebelarm (23 ) mit der Außenhülse (17 ) gekoppelt ist, der mit seinem zweiten Hebelarm (24 ) am zu verstellenden Bauteil (1 ), das selbst unter der Wirkung einer Stellfeder steht, anliegt und dasselbe in seiner ersten Endstellung hält, und der mindestens einen auf der dem ersten Hebelarm (23 ) gegenüber liegenden Seite der Drehachse (4 ) angebrachten Vorsprung hat, an dem ein in Achsrichtung von der Innenhülse (12 ) abstehender Steg (15 ,16 ) anliegt. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenhülse (
12 ) zwei in axialer Richtung von derselben abstehende sowie parallel und mit Abstand zueinander verlaufende Stege (15 ,16 ) angebracht sind, zwischen denen der mit zwei korrespondierenden Vorsprüngen (25 ,26 ) ausgerüstete Hebel (2 ) angeordnet ist.
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US4490975A (en) * | 1983-03-14 | 1985-01-01 | Raychem Corporation | Self-protecting and conditioning memory metal actuator |
US5070697A (en) * | 1988-04-12 | 1991-12-10 | Koni | Actuator with memory metal and a shock absorber provided with this actuator |
EP1329922A2 (de) * | 2002-01-17 | 2003-07-23 | Inventas AG | Thermisch betätigter Aktuator mit SMA-Element |
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2009
- 2009-09-04 DE DE102009040097.4A patent/DE102009040097B4/de active Active
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