DE102009047834A1

DE102009047834A1 - Durch aktives Material ermöglichte Druckentlastungsventile und Verwendungsverfahren

Info

Publication number: DE102009047834A1
Application number: DE102009047834A
Authority: DE
Inventors: Alan L. Grosse Pointe Browne; Paul W. Ypsilanti Alexander; Nancy L. Northville Johnson; James H. White Lake Shoemaker
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2010-04-29
Anticipated expiration: 2029-10-01
Also published as: CN101725741B; DE102009047834B4; US20100099346A1; CN101725741A; US8414366B2

Abstract

Ein aktives Druckentlastungsventil, das ausgebildet ist, um selektiv einen Zustand in einem Innenraum zu regulieren, umfasst im Allgemeinen ein Gehäuse, das den Raum fluidtechnisch mit einer Außenumgebung koppelt und eine Öffnung definiert, einen Aktuator, der ein Element aus aktivem Material umfasst, das dazu dient, eine Bewegung einer Klappe relativ zu der Öffnung zu bewirken, einen Lastbegrenzungsschutz, der mit dem Element gekoppelt und derart ausgestaltet ist, dass es eine sekundäre Ausgangsstrecke für dieses vorsieht, wenn die Klappe sich nicht bewegen kann, und/oder einen Verriegelungsmechanismus, der mit der Klappe gekoppelt und derart ausgestaltet ist, dass er mit dieser in Eingriff gelangt, um die Klappe in einem modifizierten Zustand zu halten.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet
Diese Offenbarung betrifft allgemein Luftdruckentlastungsventile und genauer Druckentlastungsventile und Verfahren zum Regeln von Zuständen in einem Innenraum unter Verwendung einer Betätigung mit aktivem Material.
2. Technischer Hintergrund
Es ist festzustellen, dass Druckdifferenzen zwischen inneren Räumlichkeiten oder Räumen und der Außenumgebung unerwünschte Zustande hervorrufen können. Beispielsweise können sie in einem Milieu eines Kraftfahrzeugs eine Zunahme eines ”Dröhnens” (d. h. eines Unbehagens durch einen niedrigen Lärmpegel), einer erforderlichen Türschließkraft, und insbesondere dann, wenn sie plötzlich erfolgen, eines Unbehagens für die Insassen der Räumlichkeit hervorrufen. Somit gibt es Druckentlastungsventile (PRVs von Pressure Relief Valves) zum Reduzieren einer Druckdifferenz, die beim Schließen eines verschwenkbaren Plattenelements (z. B. einer Tür, Hubklappe, Heckklappe usw.) oder eines Fensters, einer Aktivierung des HLK-Systems oder einer Airbagentfaltung, einem Öffnen eines Fensters während einer Bewegung des Fahrzeuges, sodass ein Bernoulli-Effekt hervorgerufen wird, zunehmen kann. Diese Ventile sind im Allgemeinen in einem inneren Plattenelement angeordnet, das eine Schnittstel le zwischen dem Raum und der Umgebung herstellt (z. B. dem Konstruktionsplattenelement zwischen dem Rücksitz und dem Kofferraum, dem Konstruktionsplattenelement zwischen dem Boden und der Außenumgebung, dem Konstruktionsplattenelement zwischen dem Armaturenbrett und dem Motorraum und dergleichen). Konstruktiv umfassen herkömmliche PRVs zumindest einen Kanal, der die innere Räumlichkeit und die Außenumgebung fluidtechnisch koppelt, und eine bewegliche Klappe (z. B. ein Tor), das über einer durch den Kanal definierten Öffnung angeordnet ist. Die Klappe wird in Ansprechen auf die Druckdifferenz passiv betätigt. Wenn beispielsweise der Luftdruck in dem Innenraum größer als der Außenluftdruck ist, öffnet sich die Klappe, um den erhöhten Druck zu kompensieren sowie abzuschwächen, und wenn der Luftdruck des Innenraums kleiner als der Außenluftdruck ist, bedeckt die bewegliche Klappe die Öffnung, um zu verhindern, dass Luft in den Innenraum eintritt.
In jüngerer Zeit sind aktive PRVs, die einen Antriebsmechanismus zum Öffnen und/oder zum Schließen der Klappe benutzen, entwickelt worden, um sich einigen der Einschränkungen von passiven PRVs zu widmen. Bei diesen Ausgestaltungen ist nicht länger eine Druckdifferenz erforderlich, um das PRV zu betätigen; sondern es ist festzustellen, dass statt über eine sensorische oder manuelle Eingabe aktive PRVs durch andere Zustände ausgelöst und dazu verwendet werden können, diese anzusprechen, wie etwa eine schlecht Luftqualität entweder innerhalb oder außerhalb des Raumes, zu hohe Temperatur, eine Detektion von einem Sensor und der Betrieb oder die Beschaffenheit eines zugehörigen Systems. Jedoch haben aktive PRVs in der Technik auch verschiedene Probleme. Beispielsweise erfordern aktive PRVs aus dem Stand der Technik, einschließlich jene, die Motoren, Solenoide und eine Betätigung mit aktivem Material benutzen (wie sie etwa durch das eigene U.S. Patent Nr. 7,204,472 A dargestellt sind), um die Bewegung der Klappe zu bewirken, typischerweise eine kon stante Leistung, um das Ventil in dem betätigten Zustand zu halten. Dies führt unvermeidlich zu einem Zug an der Leistungsversorgung. Mit Bezug auf PRV auf der Basis von aktivem Material aus dem Stand der Technik ist das Fehlen eines Lastbegrenzungsschutzes, das zu einem Unvermögen führt, einen Ausfall und die zugehörigen Kosten zu vermeiden, ebenfalls ein Problem. Es ist beispielsweise festzustellen, dass dort, wo das Öffnen der Klappe durch einen Fremdkörper blockiert wird, das Element aus aktivem Material in diesen PRVs überhitzen, beschädigt werden oder auf andere Weise versagen kann.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
In Ansprechen auf die oben erwähnten Probleme gibt die vorliegende Erfindung ein verbessertes PRV auf der Basis von aktivem Material an, das zur Verwendung mit einem Innenraum, wie etwa dem eines Fahrzeugs, ausgebildet ist. Infolge der reversiblen Änderungseigenschaften, die von aktiven Materialien gezeigt werden, ist die Erfindung neben anderen Dingen dazu nützlich, eine Druckdifferenz selektiv zu verringern, wobei die Selektivität auf einer Vielfalt von autonom oder manuell bestimmten Zuständen beruht. Infolgedessen ist die Erfindung zum Verringern von Dröhnen oder Luftstau sowie zum Verbessern/Erhöhen der Belüftung, nach Bedarf und über Fernsteuerung nützlich. Weitere Vorteile der Erfindung umfassen das Halten einer Nullleistung-Belüftungsstellung über einen Verriegelungsmechanismus. Schließlich ist festzustellen, dass die hier vorgestellte neuartige Verwendung von Elementen aus aktivem Material das Gewicht und/oder die Komplexität im Vergleich mit mechanisch, elektromechanisch, hydraulisch oder pneumatisch basierten Systemen als Gegenstück verringert, und mit Bezug auf PRVs mit aktivem Material aus dem Stand der Technik die Energieeffizienz erhöht und die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls und der zugehörigen Kosten verringert.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Druckentlastungsventil, das zur Verwendung mit und zum Modifizieren eines Zustandes eines Innenraums eines Fahrzeugs ausgebildet ist. Das Ventil umfasst ein Gehäuse, das eine Öffnung in Fluidverbindung mit dem Raum und einer Außenumgebung definiert, eine Klappe, die schwenkbar mit dem Gehäuse verbunden ist, sodass bewirkt wird, dass sie zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand verschwenkt, und einen Aktuator, der antreibend mit der Klappe gekoppelt ist. Die Klappe ist derart ausgestaltet, dass sie in dem geschlossenen Zustand zumindest einen Teil der Öffnung bedeckt und in dem offenen Zustand die Öffnung nicht versperrt, um eine Fluidströmung zwischen dem Raum und der Umgebung zuzulassen. Der Aktuator umfasst ein Element aus aktivem Material, das den Effekt hat, eine reversible Änderung einer fundamentalen Eigenschaft zu erfahren, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt wird. Die Änderung dient dazu, zu bewirken, dass die Klappe zwischen dem offenen und dem geschlossenen Zustand verschwenkt, um einen modifizierten Zustand zu erreichen. Der erfindungsgemäße Aktuator umfasst ferner einen Lastbegrenzungsschutz, der mit dem Element gekoppelt und derart ausgestaltet ist, dass er eine sekundäre Ausgangsstrecke für dieses vorsieht, wenn die Klappe nicht zwischen dem offenen und dem geschlossenen Zustand verschwenken kann, und/oder einen Verriegelungsmechanismus, der mit der Klappe gekoppelt und derart ausgestaltet ist, dass er mit dieser in Eingriff gelangt, um die Klappe in dem modifizierten Zustand zu halten, selbst wenn die Änderung umgekehrt wird (z. B. das Aktivierungssignal unterbrochen wird).
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein damit in Beziehung stehendes Verfahren zum selektiven Modifizieren eines Zustandes eines Innenraumes. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass der Raum mit einer Außenumgebung über eine Öffnung fluidtechnisch gekoppelt wird, um eine Fluidströmung dazwischen zuzulassen, ein Element aus aktivem Material relativ zu der Öffnung befestigt wird, und ein Abtastwert des Zustandes ermittelt wird. Sobald er ermittelt worden ist, wird der Abtastwert mit einem Schwellenwert verglichen, um einen Wert eines nicht konformen Zustandes zu ermitteln, wenn der Abtastwert einen Schwellenwert übersteigt. Das Element wird aktiviert, wenn der Wert eines nicht konformen Zustandes ermittelt wird. Es wird infolge der Aktivierung des Elements bewirkt, dass sich die Öffnung schließt oder öffnet, und der Zustand wird infolge des Öffnens oder Schließens der Öffnung modifiziert.
Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung, einschließlich die Anwendung von Formgedächtnislegierungen, Formgedächtnispolymeren und anderen aktiven Materialien zum Betätigen, Verriegelungsmechanismen zur Verwendung mit und verschiedene Ausgestaltungen von PRV auf der Basis von aktivem Material werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) und den begleitenden Zeichnungsfiguren deutlich werden.
KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
Eine bevorzugte Ausführungsform/bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung wird/werden nachstehend ausführlich anhand der begleitenden Zeichnungsfiguren beschrieben, in denen:
1 eine Aufrissansicht eines Fahrzeugs ist, das gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Mehrzahl von PRVs mit aktivem Material, die mit einem ersten und zweiten Sensor gekoppelt sind, einen Controller und eine Leistungsversorgung umfasst;
2 eine Perspektivansicht eines aktiven PRV gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
3 eine perspektivische schematische Ansicht eines PRV mit einer einzigen verschwenkbaren Tür gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
3a ein Seitenaufriss des in 3 gezeigten PRV ist, das die Klappe in einem geschlossenen Zustand und einen Aktuator mit aktivem Material besonders veranschaulicht, der einen Formgedächtnisdraht und eine Vorspannfeder, die mit diesem antreibend gekoppelt ist, umfasst;
3b ein Seitenaufriss des in den 3–3a gezeigten PRV ist, wobei sich die Klappe in einem offenen Zustand befindet, der durch die Aktivierung des Drahts bewirkt wird,
3c ein Seitenaufriss des in den 3–3b gezeigten PRV ist, wobei die Bewegung der Klappe durch einen Fremdkörper behindert wird, wenn der Draht aktiviert worden ist;
3d ein Seitenaufriss des in den 3–3c gezeigten PRV ist, wobei der Lastbegrenzungsschutz in Eingriff ist, um eine sekundäre Ausgangsstrecke für das Element infolge der Blockierung bereitzustellen;
4 ein Seitenaufriss eines PRV auf der Basis von aktivem Material gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, der die Schwenkachse der Klappe, und eines Verriegelungsmechanismus auf Sperrklinkenbasis besonders veranschaulicht, der eine Klinke, einen Zahnradverbinder, einen Formgedächtnisdraht und eine Vorspannfeder in einer vergrößerten Ansicht umfasst;
4a eine vergrößerte Ansicht der Schwenkachse und des Verriegelungsmechanismus, die in 4 gezeigt sind, ist, wobei die Klappe in einen offenen Zustand geschwungen ist, sodass das Zahnrad mit der Klinke in Eingriff steht;
4b eine vergrößerte Ansicht der Schwenkachse und des Verriegelungsmechanismus ist, die in 4 gezeigt sind, ist, wobei der Draht aktiviert worden ist, um die Klinke und das Zahnrad außer Eingriff zu bringen;
4c eine vergrößerte Ansicht der Schwenkachse und des Verriegelungsmechanismus, die in 4 gezeigt sind, ist, wobei die Klappe in den geschlossenen Zustand zurückgeführt worden ist, aber der Draht nicht abkühlen gelassen wurde;
5 eine Perspektivansicht eines PRV auf der Basis von aktivem Material gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, das mehrere horizontale Schwenkachsen und zugehörige Klappen aufweist;
6 eine Perspektivansicht eines PRV auf der Basis von aktivem Material gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vor liegenden Erfindung ist, das mehrere vertikale Schwenkachsen und zugehörige Klappen aufweist;
7 ein Seitenaufriss des in 5 gezeigten PRV und ein Aufriss von oben des in 6 gezeigten PRV gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wobei ein einzelner Aktuator mit aktivem Material mit den Klappen in Eingriff steht;
7a ein Seitenaufriss des in 7 gezeigten PRV gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, wobei eine Mehrzahl von separat fungierenden Aktuatoren mit aktivem Material mit den Klappen zu variierenden Graden in Eingriff steht;
8 eine Perspektivansicht eines Einklappen-PRV gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, das eine Schwenkachse aufweist, die in der Mitte angeordnet ist;
8a eine Seitenaufrissansicht des in 8 gezeigten PRV ist, wobei die Klappe in einen vollständig offenen Zustand und in Art einer verdeckten Linie, zurück in den vollständig geschlossenen Zustand verschwenkt gezeigt ist;
9 eine Perspektivansicht, genommen aus dem Inneren, eines PRV gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, das eine zusammenklappbare Klappe und ein in der Mitte angeordnetes Gelenk, einen Formgedächtnislegierungsdraht in der Ausgestaltung als Bogensehne und einen Kanal umfasst, der einen Schlitz bildet, in welchem bewirkt wird, dass sich das Gelenk durch den Bogensehnendraht umsetzt;
9a ein Seitenaufriss des in 9 gezeigten PRV ist, der die Klappe in einem geschlossenen Zustand besonders veranschaulicht; und
9b ein Seitenaufriss des in 9 gezeigten PRV ist, der die Klappe in dem vollständig offenen Zustand besonders veranschaulicht, wobei der Draht aktiviert und das Gelenk umgesetzt worden ist.
10 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens für ein PRV auf der Basis von aktivem Material gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft neuartige Ausgestaltungen eines durch aktives Material betätigten Druckentlastungsventils (PRV von Pressure Relief Valve) 10 und Verfahren zum Verändern eines zusammenwirkend definierten Zustandes, wie etwa einer Druckdifferenz, zwischen einem Innenraum oder einer Räumlichkeit 12 und einer Außenumgebung 14. In den hierin besprochenen veranschaulichten und bevorzugten Ausführungsformen werden PRVs 10 auf der Basis von aktivem Material mit Bezug auf ein Fahrzeug 16, wie etwa ein Kraftfahrzeug, ein LKW, ein SUV, eine Schiffskabine oder ein Flugzeug, angewandt und benutzt, jedoch ist festzustellen, dass die Vorteile und der Nutzen der vorliegenden Erfindung bei anderen Anwendungen oder immer dann, wenn das Steuern von Zu ständen, wie etwa einer Druckdifferenz oder einer Luftströmung, zwischen fluidtechnisch gekoppelten Räumlichkeiten erwünscht ist, verwendet werden können. Beispielsweise ist festzustellen, dass die vorliegende Erfindung bei privaten und gewerblichen Strömungseinrichtungen angewendet werden kann.
Bei der vorliegenden Erfindung liefert die Verwendung der aktiven Materialien ein Mittel zum selektiven Öffnen und Schließen der Druckentlastungsventile bei Vorhandensein oder Fehlen einer Luftdruckdifferenz. Somit besitzen die hierin offenbarten aktiven Druckentlastungsventile eine zusätzliche Funktionalität gegenüber der bisher bekannten. Beispielsweise kann, wie es nachstehend ausführlicher offenbart ist, das bevorzugte PRV programmiert sein, um bei Detektion eines Zustandes oder eines Ereignisses zu öffnen. Das heißt, das bevorzugte PRV 10 kann derart programmiert (oder passiv ausgestaltet) sein, dass es öffnet, wenn eine bestimmte Temperatur in dem Innenraum überschritten wird, sodass das PRV als eine ”intelligente” Belüftungseinrichtung fungiert, die betreibbar ist, um den Innenraum selektiv zu kühlen; und, wenn das Fahrzeug beispielsweise einen Sensor 18 zum Detektieren einer Kohlenmonoxidkonzentration umfasst, könnte das aktive Druckentlastungsventil derart ausgestaltet sein, dass es öffnet, wenn eine bestimmte Kohlenmonoxidkonzentration darin detektiert wird, wodurch übermäßiges Kohlenmonoxid aus dem Innenraum 12 diffundieren kann. Gleichermaßen können, wie es hierin weiter besprochen wird, andere Sensoren 18, wie etwa Thermoelemente, Thermistoren, Barometer, Voraufprallsensoren, Feuchtigkeitsdetektoren oder dergleichen, ähnlich dazu benutzt werden, andere Zustände zu detektieren und eine PRV-Funktion auszulösen.
Fachleute werden feststellen, dass es für die Benutzung des aktiven PRV 10 der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl von Betriebsmodi gibt, die einschließen, aber nicht darauf beschränkt sind, a) dass ein oder mehrere Aktuatoren mit aktivem Material bewirken, dass die Ventilklappe(n) öffnet/öffnen, b) dass ein oder mehrere Aktuatoren mit aktivem Material bewirken, dass die Ventilklappe(n) schließt/schließen, c) dass ein oder mehrere Aktuatoren mit aktivem Material bewirken, dass die Ventilklappe(n) sowohl öffnet/öffnen als auch schließt/schließen, oder d) dass ein oder mehrere aktive Materialien verwendet werden, um auswählbare einzelne oder Teilgruppen von Elementen einer Mehrelementklappe selektiv zu öffnen oder zu schließen. Beispielhafte Ausführungsformen dieser Fälle werden in Teil (II) unten veranschaulicht und weiter beschrieben.
I. Aktives Material, Erläuterung und Funktion
Wie hierin verwendet, soll dem Ausdruck „aktives Material” seine ursprüngliche Bedeutung zu Teil werden, wie sie ein Fachmann verstehen würde, und es umfasst jedes Material oder jeden Verbundwerkstoff, das/der eine reversible Änderung einer fundamentalen (z. B. chemischen oder intrinsischen physikalischen) Eigenschaft zeigt, wenn es/er einer äußeren Signalquelle ausgesetzt wird. Somit sollen aktive Materialien jene Zusammensetzungen umfassen, die in Ansprechen auf das Aktivierungssignal, welches für verschiedene aktive Materialien, den Typ elektrischer, magnetischer, thermischer und ähnlicher Felder annehmen kann, eine Änderung der Steifigkeitseigenschaften, der Form und/oder der Abmessungen zeigen können.
Geeignete aktive Materialien zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung umfassen, sind aber sind nicht beschränkt auf Formgedächtnismaterialien, wie Formgedächtnislegierungen und Formgedächtnispolymere. Formgedächtnismaterialien beziehen sich allgemein auf Materialien oder Zusammensetzungen, die die Fähigkeit besitzen, sich an ihre ursprüngli che zumindest eine Eigenschaft, wie z. B. die Form, zu erinnern, die später abgerufen werden kann, indem ein äußerer Stimulus angewendet wird. Als solche ist die Verformung gegenüber der ursprünglichen Form ein temporärer Zustand. Auf diese Weise können sich Formgedächtnismaterialien in Ansprechen auf ein Aktivierungssignal in die eingelernte Form ändern. Beispielhafte Formgedächtnismaterialien umfassen die vorstehend genannten Formgedächtnislegierungen (SMA) und Formgedächtnispolymere (SMP) sowie Formgedächtniskeramiken, elektroaktive Polymere (EAP), ferromagnetische SMA, elektrorheologische (ER) Zusammensetzungen, magnetorheologische (MR) Zusammensetzungen, dielektrische Elastomere, Ionen-Polymer-Metall-Verbundwerkstoffe (IPMC), piezoelektrische Polymere, piezoelektrische Keramiken, verschiedene Kombinationen der vorstehenden Materialien, und dergleichen.
Formgedächtnislegierungen (SMA) beziehen sich allgemein auf eine Gruppe von metallischen Materialien, die die Fähigkeit haben, zu einer zuvor definierten Form oder Größe zurückzukehren, wenn sie einem geeigneten thermischen Stimulus unterworfen werden. Formgedächtnislegierungen können Phasenübergänge erfahren, bei denen ihre Fließgrenze, Steifigkeit, Abmessung und/oder Form als eine Funktion der Temperatur verändert werden. Der Ausdruck „Fließgrenze” bezieht sich auf die Spannung, bei der ein Material eine festgelegte Abweichung von der Proportionalität zwischen Spannung und Dehnung zeigt. Im Allgemeinen können Formgedächtnislegierungen in der Niedrigtemperatur- oder Martensitphase plastisch verformt werden und werden sich, wenn sie irgendeiner höheren Temperatur ausgesetzt sind, in eine Austenitphase oder Hauptphase umwandeln und in ihre Form vor der Verformung zurückkehren. Materialien, die diesen Formgedächtniseffekt nur bei Erwärmung zeigen, werden als ein Formgedächtnis in einer Richtung besitzend bezeichnet. Diejenigen Materialien, die auch ein Formgedächtnis nach dem Wiederabkühlen zei gen, werden als ein Formgedächtnisverhalten in zwei Richtungen besitzend bezeichnet.
Formgedächtnislegierungen liegen in mehreren verschiedenen temperaturabhängigen Phasen vor. Die am häufigsten verwendeten dieser Phasen sind die sogenannte Martensit- und die Austenitphase, die oben erläutert sind. In der nachfolgenden Erläuterung bezieht sich die Martensitphase allgemein auf die stärker verformbare Phase niedrigerer Temperatur, wohingegen sich die Austenitphase allgemein auf die starrere Phase höherer Temperatur bezieht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase befindet und erwärmt wird, beginnt sie, sich in die Austenitphase zu ändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als Austenit-Anfangstemperatur (A_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen abgeschlossen ist, wird als Austenit-Endtemperatur (A_f) bezeichnet.
Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie, sich in die Martensitphase zu ändern, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird als Martensit-Anfangstemperatur (M_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der der Austenit aufhört, sich in Martensit umzuwandeln, wird oft als Martensit-Endtemperatur (M_f) bezeichnet. Im Allgemeinen sind die Formgedächtnislegierungen in ihrer martensitischen Phase weicher und leichter verformbar und in ihrer austenitischen Phase härter, steifer und/oder starrer. Im Hinblick auf das zuvor Gesagte ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal in einer Größenordnung, die ausreicht, um Umwandlungen zwischen der Martensit- und der Austenitphase zu bewirken.
Formgedächtnislegierungen können abhängig von der Legierungszusammensetzung und der bisherigen Verarbeitung einen Formgedächtniseffekt in eine Richtung, einen intrinsischen Effekt in zwei Richtungen oder einen extrinsischen Formgedächtniseffekt in zwei Richtungen zeigen. Geglühte Formgedächtnislegierungen zeigen typischerweise nur den Formgedächtniseffekt in eine Richtung. Ein ausreichendes Erwärmen anschließend an eine Verformung des Formgedächtnismaterials bei niedriger Temperatur wird den Martensit/Austenit-Übergang induzieren und das Material wird seine ursprüngliche, geglühte Form wiedererlangen. Somit werden Formgedächtniseffekte in eine Richtung nur beim Erwärmen beobachtet. Aktive Materialien, die Formgedächtnislegierungszusammensetzungen umfassen, die Einweg-Gedächtniseffekte zeigen, bilden sich nicht automatisch zurück und werden wahrscheinlich eine äußere mechanische Kraft erfordern, um sich in die Form zurückzubilden, die zuvor für die Luftströmungssteuerung geeignet war.
Intrinsische und extrinsische Zweirichtungs-Formgedächtnismaterialien zeichnen sich durch einen Formübergang sowohl beim Erwärmen von der Martensitphase in die Austenitphase als auch einen zusätzlichen Formübergang beim Abkühlen von der Austenitphase zurück in die Martensitphase aus. Aktive Materialien, die einen intrinsischen Formgedächtniseffekt zeigen, sind aus einer Formgedächtnislegierungszusammensetzung hergestellt, die bewirken wird, dass sich die aktiven Materialien infolge der oben angeführten Phasenumwandlungen automatisch selbst zurückbilden. Ein intrinsisches Formgedächtnisverhalten in zwei Richtungen muss in dem Formgedächtnismaterial durch die Bearbeitung induziert werden. Solche Prozeduren umfassen eine extreme Verformung des Materials während es sich in der Martensitphase befindet, ein Erwärmen/Abkühlen unter Zwang oder Belastung, oder eine Oberflächenmodifizierung durch z. B. Laserglühen, Polieren oder Kugelstrahlen. Sobald dem Material beige bracht wurde, einen Formgedächtniseffekt in zwei Richtungen zu zeigen, ist die Formänderung zwischen den Niedertemperatur- und Hochtemperaturzuständen allgemein reversibel und bleibt über eine hohe Zahl thermischer Zyklen hinweg erhalten. Im Gegensatz dazu sind aktive Materialien, die die extrinsischen Formgedächtniseffekte in zwei Richtungen zeigt, Verbund- oder Mehrkomponentenmaterialien, die eine Formgedächtnislegierungszusammensetzung, welche einen Effekt in eine Richtung zeigen, mit einem weiteren Element, das eine Rückstellkraft bereitstellt, um die ursprüngliche Form zurückzubilden, kombinieren.
Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Hochtemperaturform erinnert, wenn sie erwärmt wird, kann durch geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch Wärmebehandlung angepasst werden. In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann sie z. B. von über etwa 100°C auf unter etwa –100°C geändert werden. Der Formwiedererlangungsprozess findet über einen Bereich von nur wenigen Graden statt und der Anfang oder das Ende der Umwandlung kann, abhängig von der gewünschten Anwendung und Legierungszusammensetzung, innerhalb von einem oder zwei Graden gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich, der ihre Umwandlung überspannt, und verleihen dem System typischerweise Formgedächtniseffekte, superelastische Effekte und ein hohes Dämpfungsvermögen.
Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen ohne Einschränkung Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zinklegierungen, Kupfer-Aluminiumlegierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinnlegierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, vorausgesetzt die Legierungszusammensetzung zeigt einen Formgedächtniseffekt wie z. B. eine Änderung der Formorientierung, des Dämpfungsvermögens und dergleichen.
Es ist daher festzustellen, dass SMA zu Zwecken dieser Erfindung einen Modulanstieg des 2,5-fachen und eine Abmessungsänderung von bis zu 8% (je nach Vordehnung) zeigen, wenn sie über ihre Martensit/Austenit-Phasenübergangstemperatur erwärmt werden. Es ist festzustellen, dass thermisch induzierte SMA-Phasenwechsel in eine Richtung verlaufen, sodass ein Vorspannkraft-Rückstellmechanismus (z. B. eine Feder) erforderlich sein würde, um die SMA in ihre Ausgangskonfiguration zurückzubringen, sobald das angelegte Feld weggenommen wird. Eine Joule'sche Erwärmung kann verwendet werden, um das gesamte System elektronisch steuerbar zu machen. Spannungsinduzierte Phasenwechsel in SMA verlaufen jedoch von Natur aus in zwei Richtungen. Die Anwendung einer ausreichenden Spannung, wenn sich die SMA in ihrer austenitischen Phase befindet, wird bewirken, dass sie sich in ihre martensitische Phase mit niedrigerem Modul ändert, in der sie eine „superelastische” Verformung von bis zu 8% zeigen kann. Die Wegnahme der angewendeten Spannung wird bewirken, dass sich die SMA in ihre austenitische Phase zurückstellt und dabei ihre Ausgangsform und den höheren Modul wiedererlangt.
Ferromagnetische SMA (FSMA), die eine Unterklasse der SMA sind, können bei der vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendet werden. Diese Materialien verhalten sich wie herkömmliche SMA-Materialien, die eine spannungs- oder thermisch induzierte Phasenumwandlung zwischen Martensit und Austenit zeigen. Außerdem sind FSMA ferromagnetisch und besitzen eine starke magnetokristalline Anisotropie, was zulässt, dass ein äußeres magnetisches Feld die Orientierung/den Anteil von feldausgerichteten martensitischen Varianten beeinflusst. Wenn das magnetische Feld entfernt wird, kann das Material ein vollständiges Formgedächtnis in zwei Richtungen, ein partielles in zwei Richtungen oder eines in eine Richtung aufweisen. Für ein partielles oder Formgedächtnis in eine Richtung kann ein äußerer Stimulus, eine Temperatur, ein magnetisches Feld oder eine Spannung zulassen, dass das Material in seinen Ausgangszustand zurückkehrt. Ein vollkommenes Formgedächtnis in zwei Richtungen kann für eine proportionale Steuerung, bei der eine kontinuierliche Energie zugeführt wird, verwendet werden. Ein Formgedächtnis in eine Richtung ist am nützlichsten für Schienenfüllungsanwendungen. Äußere magnetische Felder werden in Kraftfahrzeuganwendungen im Allgemeinen über Elektromagneten mit einem weichmagnetischen Kern erzeugt, wenngleich für ein schnelles Ansprechen auch ein Paar Helmholtz-Spulen verwendet werden kann.
Formgedächtnispolymere (SMP) beziehen sich im Allgemeinen auf eine Gruppe von Polymermaterialien, die die Fähigkeit zeigen, in irgendeine zuvor definierte Form zurückzukehren, wenn sie einem geeigneten thermischen Stimulus ausgesetzt werden. Formgedächtnispolymere können Phasenübergänge erfahren, bei denen ihre Form als Funktion der Temperatur geändert wird. Im Allgemeinen weisen SMP zwei Hauptsegmente auf, nämlich ein hartes Segment und ein weiches Segment. Die zuvor definierte oder permanente Form kann durch Schmelzen oder verarbeiten des Polymers bei einer höheren Temperatur als der höchste thermische Übergang gefolgt von einem Kühlen unter diese thermische Übergangstemperatur eingestellt werden. Der höchste thermische Übergang ist üblicherweise die Glasübergangstemperatur (T_g) oder der Schmelzpunkt des harten Segments. Eine temporäre Form kann eingestellt werden, indem das Material auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher ist als die T_g oder die Übergangstemperatur des weichen Segments aber niedriger ist als die T_g oder der Schmelzpunkt des harten Segments. Die temporäre Form wird eingestellt, während das Material bei der Übergangstemperatur des weichen Segments verarbeitet wird, gefolgt von einem Kühlen, um die Form zu fixieren. Das Material kann in die permanente Form zurückgeführt werden, indem das Material über die Übergangstemperatur des weichen Segments erwärmt wird.
Beispielsweise kann die permanente Form des Polymermaterials ein Draht sein, der eine im Wesentlichen gerade gerichtete Form aufweist und eine erste Länge definiert, während die temporäre Form ein ähnlicher Draht sein kann, der eine zweite Länge definiert, die kürzer ist als die erste. In einer anderen Ausführungsform kann das Material eine Feder darstellen, die einen ersten Elastizitätsmodul aufweist, wenn sie aktiviert ist, und einen zweiten Modul, wenn sie deaktiviert ist.
Die Temperatur, welche zur Wiederherstellung der permanenten Form erforderlich ist, kann auf eine beliebige Temperatur zwischen etwa –63°C und etwa 120°C oder darüber eingestellt werden. Das Konstruieren der Zusammensetzung und Struktur des Polymers selbst kann die Auswahl einer besonderen Temperatur für eine gewünschte Anwendung zulassen. Eine bevorzugte Temperatur für die Formwiederherstellung ist größer als oder gleich etwa –30°C, stärker bevorzugt größer als oder gleich etwa 0°C und am stärksten bevorzugt eine Temperatur größer als oder gleich etwa 50°C. Ebenfalls ist eine bevorzugte Temperatur für die Formwiederherstellung geringer als oder gleich etwa 120°C und am stärksten bevorzugt geringer als oder gleich etwa 120°C und größer als oder gleich etwa 80°C.
Geeignete Formgedächtnispolymere umfassen Thermoplaste, warmhärtende Materialien, sich gegenseitig durchdringende Netze, sich gegenseitig halbdurchdringende Netze oder vermischte Netze. Die Polymere können ein einzelnes Polymer oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können geradkettige oder verzweigtkettige thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder dendritischen Strukturelementen sein. Geeignete Polymerkomponenten zur Formung eines Polymers mit Formgedächtnis schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf Polyphosphazene, Polyvinylalkohole, Polyamide, Polyesteramide, Polyaminosäuren, Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglycole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylactide, Polyglycolide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyester, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere hiervon. Beispiele von geeigneten Polyacrylaten umfassen: Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat und Polyoctadecylacrylat. Beispiele von anderen geeigneten Polymeren umfassen: Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidon, chloriertes Polybutylen, Poly(octadecylvinylether)ethylenvinylacetat, Polyethylen, Polyethylenoxid-polyethylenterephthalat, Polyethylen/Nylon (Pfropfcopolymer), Polycaprolactone-Polyamid (Blockcopolymer), Poly(caprolacton)dimethacrylat-n-butylacrylat, polyhedrales oligomeres Polynorbornylsilsequioxan, Polyvinylchlorid, Urethan/Butadiencopolymere, Polyurethanblockcopolymere, Styrol-Butadien-Styrolblockcopolymere und dergleichen.
Somit ist zu Zwecken dieser Erfindung festzustellen, dass SMP einen drastischen Abfall im Modul zeigen, wenn sie über die Glasübergangstempera tur ihres Bestandteils hinaus erwärmt werden, der eine niedrigere Glasübergangstemperatur aufweist. Wenn die Belastung/Verformung aufrecht erhalten wird, während die Temperatur abfallen gelassen wird, wird die verformte Form in dem SMP festgelegt, bis es wieder erwärmt wird, während es nicht unter Last steht, unter welcher Bedingung es in die Form wie bei der Formung zurückkehren wird. Obgleich SMP in verschiedenen Block-, Bahn-, Platten-, Gitter-, Streben-, Faser- oder Schaumformen verwendet werden können, erfordern sie ständig Leistung, um in ihrem Zustand mit niedrigem Modul zu bleiben. Somit sind sie für eine reversible Festlegung einer Form des Einsatzes 10 geeignet.
Geeignete piezoelektrische Materialien umfassen, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf anorganische Verbindungen, organische Verbindungen und Metalle. Was organische Materialien betrifft, so können alle Polymermaterialien mit einer nicht zentralsymmetrischen Struktur und (einer) Gruppe(n) mit einem starken Dipolmoment an der Hauptkette oder an der Seitenkette oder an beiden Ketten innerhalb der Moleküle als geeignete Kandidaten für den piezoelektrischen Film verwendet werden. Beispielhafte Polymere umfassen z. B., sind jedoch nicht beschränkt auf Polynatrium-4-Styrolsulfonat, Poly(Polyvinylamin-Hauptketten-Azochromophor) und ihre Derivate; Polyfluorkohlenwasserstoffe, umfassend Polyvinylidenfluorid, sein Copolymer Vinylidenfluorid („VDF”), Co-Trifluorethylen und seine Derivate; Polychlorkohlenwasserstoffe, umfassend Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid und seine Derivate; Polyacrylnitrile und ihre Derivate; Polycarbonsäuren, umfassend Polymethacrylsäure und ihre Derivate; Polyharnstoffe und ihre Derivate; Polyurethane und ihre Derivate; Biomoleküle, wie z. B. Poly-L-Milchsäuren und ihre Derivate, und Zellmembranproteine wie auch Phosphat-Biomoleküle, wie z. B. Phosphodilipide; Polyaniline und ihre Derivate, und alle Derivate der Tetramine; Polyamide umfassend aromatische Polyamide und Polyamide, umfassend Kapton und Polyetherimid und ihre Derivate; alle Membranpolymere; Poly-N-vinylpyrrolidon (PVP)-Homopolymer und seine Derivate und Zufalls-PVP-Co-Vinylacetat-Copolymere; und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder Seitenketten oder sowohl in der Hauptkette als auch den Seitenketten, und Mischungen davon.
Piezoelektrische Materialien können auch Metalle umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Blei, Antimon, Mangan, Tantal, Zirkonium, Niob, Lanthan, Platin, Palladium, Nickel, Wolfram, Aluminium, Strontium, Titan, Barium, Calcium, Chrom, Silber, Eisen, Silizium, Kupfer, Legierungen mit zumindest einem der vorstehenden Metalle und Oxide mit zumindest einem der vorstehenden Metalle besteht. Geeignete Metalloxide umfassen SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, SrTiO₃, PbTiO₃, BaTiO₃, FeO₃, Fe₃O₄, ZnO und Mischungen hiervon, sowie Verbindungen der Gruppe VIA und IIB wie CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe₂, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Mischungen hiervon. Vorzugsweise ist das Piezoelektrische Material aus der Gruppe ausgewählt, die aus Polyvinylidenfluorid, Bleizirconattitanat und Bariumtitanat und Mischungen daraus besteht.
Geeignete magnetorheologische Fluidmaterialien umfassen, sollen jedoch nicht beschränkt sein auf ferromagnetische oder paramagnetische Partikel, die in einem Trägerfluid dispergiert sind. Geeignete Partikel umfassen Eisen; Eisenlegierungen, wie etwa jene, die Aluminium, Silizium, Kobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer umfassen; Eisenoxide, die Fe₂O₃ und Fe₃O₄ umfassen; Eisennitrid; Eisencarbid; Carbonyleisen; Nickel und Nickellegierungen; Kobalt und Kobaltlegierungen; Chromdioxid; rostfreien Stahl, Siliziumstahl und dergleichen. Beispiele von geeigneten Partikeln umfassen: Reineisenpulver, reduzierte Eisenpulver, Mischungen von Eisenoxidpulver/Reineisenpulver und Mischungen von Eisenoxidpulver/reduziertem Eisenpulver. Ein bevorzugtes magnetisch ansprechendes, partikelförmiges Material ist Carbonyleisen, bevorzugt reduziertes Carbonyleisen.
Die Partikelgröße sollte derart gewählt sein, dass die Partikel Multidomäneneigenschaften zeigen, wenn sie einem magnetischen Feld ausgesetzt werden. Durchmessergrößen für die Partikel können kleiner als oder gleich etwa 1000 Mikrometer sein, wobei kleiner als oder gleich etwa 500 Mikrometer bevorzugt ist und kleiner als oder gleich etwa 100 Mikrometer stärker bevorzugt ist. Ebenfalls bevorzugt ist ein Partikeldurchmesser von größer als oder gleich etwa 0,1 Mikrometer, wobei größer als oder gleich etwa 0,5 stärker bevorzugt ist und größer als oder gleich etwa 10 Mikrometer besonders bevorzugt ist. Die Partikel sind bevorzugt in einer Menge zwischen etwa 5,0 bis etwa 50 Vol.-% der gesamten MR-Fluidzusammensetzung vorhanden.
Geeignete Trägerfluide umfassen organische Flüssigkeiten, insbesondere nichtpolare organische Flüssigkeiten. Beispiele umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Silikonöle; Mineralöle; Paraffinöle; Silikoncopolymere; Weißöle; Hydrauliköle; Transformatorenöle; halogenierte organische Flüssigkeiten, wie etwa chlorierte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Paraffine, perfluorierte Polyether und fluorierte Kohlenwasserstoffe; Diester; Polyoxyalkylene; fluorierte Silikone; Cyanoalkylsiloxane; Glykole; synthetische Kohlenwasserstofföle, die ungesättigte und gesättigte umfassen; und Kombinationen, die zumindest eines der vorstehenden Fluide umfassen.
Die Viskosität der Trägerkomponente kann kleiner als oder gleich etwa 100000 Centipoise sein, wobei gleich oder kleiner als etwa 10000 Centipoise bevorzugt ist und kleiner als oder gleich etwa 1000 Centipoise stärker bevorzugt ist. Ebenso bevorzugt ist eine Viskosität von größer als oder gleich etwa 1 Centipoise, wobei größer als oder gleich etwa 250 Centipoise bevorzugt ist und größer als oder gleich etwa 500 Centipoise besonders bevorzugt ist.
Wässrige Trägerfluide können ebenfalls verwendet werden, insbesondere jene, die hydrophile Mineraltone, wie Bentonit oder Hectorit, umfassen. Das wässrige Trägerfluid kann Wasser oder Wasser mit einer kleinen Menge an polaren, wassermischbaren, organischen Lösungsmitteln, wie etwa Methanol, Ethanol, Propanol, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Aceton, Tetrahydrofuran, Diethylether, Ethylenglykol, Propylenglykol und dergleichen, umfassen. Die Menge an polaren organischen Lösungsmitteln ist kleiner als oder gleich etwa 5,0 Volumen-% des Gesamt-MR-Fluids und bevorzugt kleiner als oder gleich etwa 3,0%. Ebenso ist die Menge an polaren organischen Lösungsmitteln bevorzugt größer als oder gleich etwa 0,1 Volumen-% und stärker bevorzugt größer als oder gleich etwa 1,0 Volumen-% des Gesamt-MR-Fluids. Der pH des wässrigen Trägerfluids ist bevorzugt kleiner als oder gleich etwa 13 und bevorzugt kleiner als oder gleich etwa 9,0. Ebenso ist der pH des wässrigen Trägerfluids größer als oder gleich etwa 5,0 und bevorzugt größer als oder gleich etwa 8,0.
Es kann natürliches oder synthetisches Bentonit oder Hectorit verwendet werden. Die Menge an Bentonit oder Hectorit in dem MR-Fluid ist kleiner als oder gleich etwa 10 Gewichtsprozent des Gesamt-MR-Fluids, bevorzugt kleiner als oder gleich etwa 8,0 Gewichtsprozent und stärker bevorzugt kleiner als oder gleich etwa 6,0 Gewichtsprozent. Bevorzugt ist das Bentonit oder Hectorit in einer Menge von größer als oder gleich etwa 0,1 Gewichtsprozent, stärker bevorzugt größer als oder gleich etwa 1,0 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt größer als oder gleich etwa 2,0 Gewichtsprozent des Gesamt-MR-Fluids vorhanden.
Wahlweise Komponenten des MR-Fluids umfassen Tone, Organotone, Carboxylatseifen, Dispersionsmittel, Korrosionsinhibitoren, Schmiermittel, Antiverschleisszusätze für extremen Druck, Antioxidantien, thixotrope Mittel und konventionelle Suspensionsmittel. Carboxylatseifen umfassen Eisenoleat, Eisennapthenat, Eisenstearat, Aluminium-di- und tri-stearat, Lithiumstearat, Calciumstearat, Zinkstearat und Natriumstearat und Tenside, wie etwa Sulfonate, Phosphatester, Stearinsäure, Glycerolmonooleat, Sorbitansesquioleat, Laurate, Fettsäuren, Fettalkohole, fluoraliphatische Polymerester und Titanat-, Aluminat- und Zirkonatkopplungsmittel und dergleichen. Polyalkylendiole, wie etwa Polyethylenglykol und teilweise verestere Polyole, können ebenfalls enthalten sein.
Geeignete MR-Elastomermaterialien umfassen, sollen aber nicht beschränkt sein auf eine elastische Polymermatrix mit einer Suspension aus ferromagnetischen oder paramagnetischen Partikeln, wobei die Partikel oben beschrieben sind. Geeignete Polymermatrizen umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Polyalphaolefine, Naturkautschuk, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren und dergleichen.
Elektroaktive Polymere umfassen diejenigen Polymermaterialien, die in Ansprechen auf elektrische oder mechanische Felder piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften zeigen. Ein Beispiel ist ein elektrostriktives gepfropftes Elastomer mit einem piezoelektrischen Polyvinylidenfluoridtrifluorethylen-copolymer. Diese Kombination hat die Fähigkeit zur Erzeugung einer variierenden Menge von ferroelektrischenelektrostriktiven molekularen Verbundsystemen. Diese können als piezoelektrischer Sensor oder auch als elektrostriktiver Aktuator betrieben werden.
Materialien, die zur Verwendung als ein elektroaktives Polymer geeignet sind, können jedes/n im Wesentlichen isolierende/n Polymer oder Kautschuk (oder eine Kombination davon) umfassen, das/der sich in Ansprechen auf eine elektrostatische Kraft verformt oder dessen Verformung zu einer Änderung eines elektrischen Feldes führt. Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als ein vorgedehntes Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelastomere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere mit PVDF, Haftklebstoffe, Fluorelastomere, Polymere, die Silikon- und Acrylkomponenten umfassen, und dergleichen. Polymere, die Silikon- und Acrylkomponenten umfassen, können z. B. Copolymere mit Silikon- und Acrylkomponenten, Polymermischungen mit einem Silikonelastomer und einem Acrylelastomer umfassen.
Materialien, die als ein elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf der Basis einer oder mehrerer Materialeigenschaften wie z. B. einer hohen elektrischen Durchbruchsfeldstärke, eines niedrigen Elastizitätsmoduls (für große oder kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante und dergleichen ausgewählt sein. In einer Ausführungsform ist das Polymer derart gewählt, dass es einen Elastizitätsmodul von höchstens etwa 100 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es einen maximalen Betätigungsdruck zwischen etwa 0,05 MPa und etwa 10 MPa und bevorzugt zwischen etwa 0,3 MPa und etwa 3 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform ist das Polymer derart gewählt, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen etwa 2 und etwa 20 und bevorzugt zwischen etwa 2,5 und etwa 12 aufweist. Die vorliegende Offenlegung soll nicht auf diese Bereiche beschränkt sein. Idealerweise wären Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als die oben angegebenen Bereiche wünschenswert, wenn die Materialien sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine hohe Durchschlagfestigkeit hätten. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere als dünne Filme hergestellt und implementiert sein. Dicken, die für diese Dünnfilme geeignet sind, können unter 50 Mikrometer liegen.
Da sich elektroaktive Polymere bei hohen Belastungen durchbiegen können, sollten sich an den Polymeren befestigte Elektroden ebenso durchbiegen, ohne die mechanische oder elektrische Leistung zu beeinträchtigen. Im Allgemeinen können zur Verwendung geeignete Elektroden jede Form aufweisen und aus jedem Material sein, vorausgesetzt, sie können eine geeignete Spannung an ein elektroaktives Polymer liefern oder von diesem eine geeignete Spannung empfangen. Die Spannung kann entweder konstant sein oder sich mit der Zeit ändern. In einer Ausführungsform kleben die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers. Elektroden, die an dem Polymer kleben, sind bevorzugt nachgiebig und passen sich der sich verändernden Form des Polymers an. Dementsprechend kann die vorliegende Offenlegung nachgiebige Elektroden umfassen, die sich der Form eines elektroaktiven Polymers, an dem sie befestigt sind, anpassen. Die Elektroden können nur an einem Abschnitt eines elektroaktiven Polymers angelegt sein und eine aktive Fläche gemäß ihrer Geometrie definieren. Verschiedene zur Verwendung mit der vorliegenden Offenlegung geeignete Arten von Elektroden umfassen strukturierte Elektroden mit Metallbahnen und Ladungsverteilungsschichten, texturierte Elektroden mit verschiedenen Maßen außerhalb der Ebene, leitfähige Fette wie z. B. Kohlenstofffette oder Silberfette, kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien mit einem hohen Aspektverhältnis, wie z. B. Kohlenstofffilamente und Kohlenstoff-Nanoröhrchen, und Mischungen aus ionisch leitfähigen Materialien.
Materialien, die für Elektroden der vorliegenden Offenlegung verwendet werden, können variieren. Geeignete Materialien, die in einer Elektrode verwendet werden, können Grafit, Ruß, kolloidale Suspensionen und dünne Metalle, umfassend Silber und Gold, silbergefüllte und kohlenstoffgefüllte Gele und Polymere und ionisch oder elektronisch leitfähige Polymere umfassen. Es ist einzusehen, dass bestimmte Elektrodenmaterialien mit gewissen Polymeren gut funktionieren können und mit anderen nicht so gut funktionieren können. Zum Beispiel funktionieren Kohlenstofffilamente gut mit Acrylelastomerpolymeren und nicht so gut mit Silikonpolymeren.
II. Beispielhafte PRV mit aktivem Material, Verfahren und Anwendungen
Der konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung zugewandt, sind verschiedene Ausführungsformen eines aktiven Druckentlastungsventils 10 gezeigt, das in den 1–10 eine Betätigung mit aktivem Material benutzt. Im Allgemeinen umfasst das PRV 10 ein Gehäuse (oder einen Kanal) 20, das eine Öffnung 22 (2) definiert; ein Scharnier 24, das drehfähig an dem Gehäuse 20 befestigt ist; eine starre Klappe 26 in Schwenkverbindung mit dem Scharnier 24; und einen Steuerverbinder 28 in Wirkverbindung mit einem Aktuator 30 auf der Basis von aktivem Material. Das Gehäuse 20 kann fest an dem Fahrzeug 16, wie es in 1 gezeigt ist, oder einer anderen Struktur befestigt sein. Obwohl es einzeln beschrieben und veranschaulicht ist, ist festzustellen, dass mehrere PRV benutzt werden und separat mit Bezug auf den Innenraum gesteuert werden können (1).
Die Öffnung 22 steht mit dem Innenraum 12 und der Außenumgebung 14 in Fluidverbindung. Auf diese Weise kann ein selektives Öffnen und Schließen der Klappe 26 dazu verwendet werden, eine Fluidströmung zwischen dem Innenraum 12 und der Außenumgebung 14 zu regulieren. Um eine Fluidströmung weiter zu verhindern, kann das PRV 10 ferner eine elastische Dichtung (nicht gezeigt) umfassen, die um die Öffnung 22 herum und zwischen der Klappe 26 und dem Gehäuse 20 angeordnet ist, um von diesen zusammengedrückt zu werden. Wie es nachstehend weiter beschrieben wird, können mehrere Klappen, die gemeinsam oder einzeln arbeiten oder irgendwelche anderen Verstellmittel angewandt werden, um die Fluidverbindung variabel zu steuern.
Eine Leistungsversorgung 32 steht in Wirkverbindung mit dem Aktuator 30 und ist betreibbar, um ein geeignetes Aktivierungssignal bereitzustellen (1). Die Leistungsversorgung 32 kann automatisch über eine Fernsteuerung angefordert und durch eine PWM, einen Regler oder einen Leistungswiderstand in Reihe reguliert werden. Beispielsweise in dem Fall von Aktuatoren, die thermisch aktiviertes Formgedächtnismaterial umfassen, kann ein Strom durch die Leistungsversorgung 32 zugeführt werden, um eine Joule'sche Erwärmung zu bewirken, wenn dies vom Fahrzeuginsassen (nicht gezeigt) angefordert wird. Alternativ kann die Leistungsversorgung 32 von einer Umgebungsenergie oder einer Zustandsquelle, wie etwa Strahlung von der Sonne, kommen, sodass das PRV 10 passiv aktiviert wird.
Unter Bezugnahme auf die 3–3d ist ein PRV 10 gezeigt, das eine starre Klappe 26 aufweist, die schwenkbar entlang der Oberseite des Gehäuses 20 montiert ist, so dass eine Schwenkachse p definiert ist. Der Verbinder 28 weist einen Schwenkarm, der einen Schwenkpunkt definiert, der konzentrisch mit der Schwenkachse der Klappe 26 ausgerichtet ist, einen langen Arm 34 und einen kurzen Arm 36 auf. Der lange Arm 34 erstreckt sich gemeinsam mit der Klappe 26 und definiert eine erste Armlänge, die gleich der Längsabmessung der Klappe 26 ist. Der kurze Arm 36 weist eine zweite Armlänge auf, die bevorzugt kleiner als die Hälfte, stär ker bevorzugt kleiner als ein Viertel, am stärksten bevorzugt kleiner als ein Achtel der ersten Armlänge ist.
Ein Element 38 aus aktivem Material mit definierter Länge ist an dem kurzen Arm 36 angebracht. In den 3–3d besteht das Element 38 aus einem Formgedächtnisdraht, der an einem Ende an dem kurzen Arm 36 und an dem anderen Ende an dem Gehäuse 20 oder Fahrzeug 16 angebracht ist. Nach einer Aktivierung durch die Leistungsversorgung 32 nimmt die Länge des Drahtes 38 ab, was bewirkt, dass die starre Klappe 26 sich um ihre Achse verschwenkt. Bei Unterbrechung des Aktivierungssignals kehrt der Draht 38 in seine ursprüngliche Abmessung zurück oder erfährt eine plastische Verformung, abhängig von dem aktiven Material, das angewandt wird, um das Schließen der Klappe 26 zu bewirken. Wie es in den 3a–b gezeigt ist, wird bewirkt, dass der Draht 38, sobald er aktiviert wird, infolge der Drehung des kurzen Arms 36 verschwenkt, und um eine Spannungsansammlung und/oder eine Krümmung an dem anderen Ende zu verhindern, ist es wünschenswert, den Draht 38 und das Gehäuse 20 schwenkbar zu verbinden.
Es ist festzustellen, dass der bevorzugte Draht 38 Spannungs- und Dehnungswerte von 170 MPa bzw. 2,5% aufweist, um zu einer Dichtungskraft von 2 N zu führen, wenn er aktiviert ist, und dass zwischen 2,5 und 12 V und 2 Ampere Strom erforderlich sind, um das PRV 10 zu betätigen.
Stärker bevorzugt ist, wie es in 3b gezeigt ist, eine Zugfeder 40 auch an dem kurzen Arm 36 angebracht und derart ausgestaltet, dass die plastische Verformung erzeugt wird und/oder ein Schließen der Klappe 26 bewirkt wird, sodass die Klappe 26 im leistungsfreien Zustand gegen das Gehäuse 20 gehalten wird (alternativ kann eine Torsionsfeder um die Schwenkachse herum angeordnet und derart ausgestaltet sein, dass sie auf die gleiche Weise wirkt). Die Vorspannfeder 40 kann den Formgedächtnisdraht 38 strecken, um eine spannungsinduzierte Umwandlung in eine Martensitphase zusätzlich zu der zu bewirken, die durch das Kühlen hervorgerufen wird.
Mit Bezug auf den Fall b) oben ist festzustellen, dass die vorstehend erwähnten Ausgestaltungen umgekehrt werden könnten, wobei eine Druckfeder (nicht gezeigt) arbeitet, um die Klappe 26 so anzutreiben, dass sie auf geht, und der Draht 38 arbeitet, um das Ventil selektiv zu schließen. Mit Bezug auf den Fall c) ist auch festzustellen, dass zwei antagonistische Aktuatoren 30 mit aktivem Material, von denen einer offen wäre und der andere davon die Klappe 26 schließen würde (oder alternativ ein einzelner Aktuator mit einem Effekt in zwei Richtungen) benutzt werden könnten.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft den Einschluss eines Lastbegrenzungsschutzes 52, um eine Dehnungs-/Spannungsentlastungsfähigkeit bereitzustellen und dadurch die Lebensdauer des Elements 38 zu erhöhen. In dieser Hinsicht ist festzustellen, dass, wenn ein aktives Material eine Umwandlung erfährt, aber verhindert wird, dass es die resultierende physikalische Änderung erfahren kann (z. B. ein gestreckter SMA-Draht über seine Umwandlungstemperatur hinaus erwärmt wird, aber nicht zugelassen wird, dass der Draht in seinen ungespannten Zustand zurückkehrt) nachteilige Einflüsse auf das Verhalten und/oder die Langlebigkeit der Materialien auftreten können. Bei der vorliegenden Erfindung ist beispielsweise vorhersehbar, dass entweder durch einen Fremdkörper 54 (3c–d) oder eine andere Form von Beeinflussung (z. B. ein herausverformtes Karosserieplattenelement, das eine Bewegung blockiert, oder Eis-/Schmutzaufbau an der Ventilklappe) verhindert werden könnte, dass die Klappe 26 sich bei Betätigung bewegt. Um eine Beschädigung des Aktuatorelements 38 zu verhindern, ist somit bevorzugt eine sekundäre Ausgangsstrecke der ausgelösten Bewegung enthalten, die zulässt, dass das Element 38 auf das Aktivierungssignal ansprechen kann, während der Zustand der Klappe 26 unverändert bleibt.
Beispielsweise kann der Draht 38 ferner mit einer Zugfeder 56 verbunden sein, die in Reihe damit gegenüber dem Verbinder 28 platziert ist (3a–d). Die Feder 56 wird bis zu einem Punkt gestreckt, an dem ihre aufgebrachte Vorbelastung dem Belastungsniveau entspricht, bei dem festzustellen ist, dass der Aktuator 30 beginnen würde, eine zu große Kraft zu erfahren, wenn er blockiert wäre. Infolgedessen wird eine Aktivierung des Aktuators 30 zunächst eine Kraft aufbringen, die versucht, die Klappe 26 zu öffnen, aber wenn das Kraftniveau die Vorlast in der Feder übersteigt (z. B. die Klappe 26 blockiert ist), wird der Draht 38 stattdessen die Feder weiter strecken, wodurch eine Ausgangsstrecke für die Drahtdehnung bereitgestellt wird und die Unversehrtheit des aktiven PRV 10 bewahrt wird.
Stärker bevorzugt und wie es in den 3–3d gezeigt ist, kann der Schutz 52 ferner einen Hebel 58 zwischen dem Element 38 und der Feder 56 umfassen. Der Hebel 58 definiert einen ersten und einen zweiten Arm 60, 62 und eine Schwenkachse. Das Element 38 ist an einem der Arme angebracht, sodass es von der Achse eine erste Distanz beabstandet ist. Die Feder 56 ist an dem anderen Arm angebracht und von der Achse eine zweite Distanz, die größer ist als der erste, beabstandet, um eine mechanische Hebelwirkung bereitzustellen.
Es ist auch festzustellen, dass für den Fall, dass der Überlastschutz versagt, eine mechanische Verbindung, wie etwa ein Kabel (nicht gezeigt) an dem Inneren eines PRV 10 angebracht sein kann, auf das zugegriffen und an dem gezogen werden kann, um das PRV 10 zu schließen, sollte er in einem teilweise oder vollständig offenen Zustand versagen, insbesondere in dem Fall von Ausführungsformen mit Mechanismen mit einem Öffnen durch eine Vorspannfeder und einem Schließen auf der Basis von aktivem Material.
Das erfindungsgemäße PRV 10 umfasst bevorzugt einen Verriegelungsmechanismus, wie etwa der Typ, der in den 4–4c gezeigt ist. In dieser Ausgestaltung umfasst der Mechanismus eine Klinke 44, die gegen einen Widerstand um eine Achse zwischen eingerückten und ausgerückten Stellungen verschwenkbar ist, und der Verbinder 28 weist ein drehbares Zahnrad 46 auf, das zumindest einen Zahn definiert, der derart ausgestaltet ist, dass er die Klinke 44 fängt, wenn sie sich in der eingerückten Stellung befindet. Stärker bevorzugt weist das Zahnrad 46 mehrere Zähne auf, um mit der Klinke 44 in mehreren inkrementellen Stellungen in Eingriff gelangen zu können, was zu variablen Öffnungsgraden (z. B. zwischen 17° und 52°) für die Klappe 26 führt. In der veranschaulichten Ausführungsform ist eine vorspannende Verriegelungsfeder 48, die an der Klinke 44 angebracht ist, derart ausgestaltet, dass sie bewirkt, dass der Mechanismus 42 mit der Klappe 26 in Eingriff gelangt, und ein zweites Element aus aktivem Material (z. B. Formgedächtnisdraht) 50, das eine Aktivierungskraft aufweist, die größer ist als die Federkonstante der Feder 48, ist gegenüber an der Klinke 44 angebracht. Wie es in 4b gezeigt ist, ist das zweite Element 50 betreibbar, um zu bewirken, dass der Mechanismus 42 außer Eingriff gelangt und die Klappe 26 freigibt, wenn es aktiviert wird. Es ist festzustellen, dass alternativ die Rollen des Elements 50 und der Feder 48 umgekehrt werden können, indem ihre Verbindungspunkte relativ zu der Klinke 44 ausgetauscht werden; das heißt, das zweite Element 50 könnte derart ausgestaltet sein, dass es bewirkt, dass der Mechanismus 42 mit der Klappe 26 in Eingriff gelangt, wenn es aktiviert wird, und die Vorspannfeder 48 könnte eine Federkonstante aufweisen, die kleiner ist als die Aktivierungskraft, sodass sie derart ausgestaltet ist, dass sie bewirkt, dass der Mechanismus 42 nur dann außer Eingriff gelangt und die Klappe 26 freigibt, wenn das zweite Element 50 deaktiviert wird.
Auf der Basis dieser Ausgestaltungen sind Betätigungszeiten von weniger als fünf Sekunden, eine ungefähre Lebensdauer von 100000 Betätigungen und eine Arbeitsumgebung zwischen –40 und 90°C beobachtet worden.
In anderen Ausführungsformen zeigen die 5–7a PRV 10 mit einer Mehrzahl von horizontal oder vertikal orientierten Klappen 26, die jeweils schwenkbar mit dem Gehäuse 20 verbunden sind, um eine gleiche Mehrzahl von Schwenkachsen zu definieren. Ein einzelner Aktuator 30 kann mit jeder der Klappen 26 verbunden und derart ausgestaltet sein, dass er eine kongruente Bewegung bewirkt, wie es zuvor beschrieben und in 7 gezeigt ist, oder stärker bevorzugt kann ein separater Aktuator 30 mit aktivem Material eine Bewegung einer zugehörigen Klappe 26 steuern, wie es in 7a gezeigt ist. Wieder sind die Klappen 26 bevorzugt derart vorgespannt, dass sie einen Abschnitt der Öffnung dicht verschließen, wenn das zugehörige Element 38 deaktiviert wird. Es liegt auch im Bereich der Erfindung, verschiedentlich rotierende, faltende, gleitende oder irisartige Klappen 26 in Übereinstimmung mit der Erfindung anzuwenden.
In einer anderen Ausführungsform kann die Klappe 26 eine Schwenkachse in der Mitte anwenden, um um ihre Längsmittellinie rotieren zu können, wie es in 8 und 8a gezeigt ist. Es ist festzustellen, dass sich in dieser Ausgestaltung die Hälfte der Klappe in dem Gehäuse 20 erstreckt, wenn sie im offenen Zustand ist, was zu weniger Vorstand in den Raum 12 hinein führt. Es ist in Erwägung zu ziehen, dass in dieser Ausgestaltung andere auf aktivem Material beruhende Aktuatoren, wie etwa ein Drehmomentrohr, das mit einer antagonistisch vorgespannten Torsionsfeder gekoppelt ist, eingesetzt werden können.
Schließlich kann in einer nochmals anderen bevorzugten Ausführungsform das Gehäuse 20 einen Schlitz 66 in der Mitte definieren und ein erstes und ein zweites Klappeneingriffsquerelement 68, 70 gegenüber dem Schlitz 66 umfassen (9–9b). Die Klappe 26 ist in dieser Ausgestaltung um das Schwenkgelenk in der Mitte, das durch ein Scharnier 24 gebildet ist, zusammenklappbar. Das Gelenk ist in dem Schlitz 66 angeordnet. Die Elemente 68, 70 bewirken, dass sich die Klappe 26 durch Falten zusammenklappt, wenn bewirkt wird, dass sich das Gelenk in Richtung des Inneren des Gehäuses 20 umsetzt. In dieser Ausgestaltung ist bevorzugt ein Formgedächtnisdraht 38 mit dem Gelenk gekoppelt und hat eine Ausgestaltung als Bogensehne (9a, b). Infolge einer trigonometrischen Beziehung bewirkt die Ausgestaltung als Bogensehne, wenn der Draht 38 aktiviert ist, dass das Gelenk um eine Distanz umgesetzt wird, die größer ist als die Drahtverschiebung (d. h. eine Längenänderung). Eine Rückstellfeder 72, die eine Federkonstante aufweist, die kleiner ist als die Aktivierungskraft des Drahtes 38, ist in dem Schlitz 66 angeordnet und derart ausgestaltet, dass sie einen Eingriff mit dem Gelenk aufrechterhält und dieses nach außen hin vorspannt. Schließlich ist eine Torsionsfeder 74 koaxial mit dem Scharnier 24 ausgerichtet, in der Klappe 26 angebracht und derart ausgestaltet, dass sie bewirkt, dass die Klappe 26 zusammenklappt, d. h. durch das Umsetzen des Gelenks nach innen, wobei bewirkt wird, dass die Feder 74 potentielle Energie speichert. Wenn der Draht 38 deaktiviert wird und bewirkt wird, dass das Gelenk nach außen wandert, gibt die Torsionsfeder 74 ihre Energie frei, um weiter zu bewirken, dass die Klappe 26 in den geschlossenen Zustand zurückkehrt und in diesem abgedichtet ist.
Im Betrieb kann ein selektives Öffnen der starren Klappe 26 durch einen Controller 64 bewirkt werden, der nachrichtentechnisch mit der Leistungsversorgung 30 und einem Sensor/Sensoren 18 und/oder einer Eingabeeinrichtung verbunden ist. Der Controller 64 kann derart programmier sein, dass die Leistungsversorgung 32 das Aktivierungssignal liefert, wobei Algorithmen verwendet werden, die auf einem Sensoreingang beruhen, wie es zuvor beschrieben wurde und in 10 beispielhaft dargestellt ist. Beispielsweise kann der Luftdruck mit einem Sensor zum Anzeigen, wenn während der Fahrzeugbewegung ein Fenster geöffnet wird, wenn ein Airbag ausgelöst wird, oder beim Schließen einer Tür oder dergleichen überwacht werden. Alternativ können andere Sensoreingänge, wie etwa eine Temperatur, die anzeigt, dass die Innentemperatur des Fahrzeugs einen voreingestellten Temperaturschwellenwert überschritten hat, und dergleichen, angewandt werden. Ferner können andere Sensoreingänge einen Gassensor umfassen, wie es erwünscht sein kann, um eine Kohlenmonoxidkonzentration in dem Innenraum zu detektieren.
In anderen Ausführungsformen ist festzustellen, dass der Betrieb (entweder öffnen oder schließen) des PRV 10 durch die Aktivierung eines HLK-Systems ausgelöst werden könnte, das betreibbar ist, um den Innenraum 12 aufzubereiten, oder durch Empfang von Telematikinformation, die zusammenwirkend von einem GPS- oder anderen Positionsbestimmungssystem und einer Kartendatenbank ermittelt wird (10), die beide auch nachrichtentechnisch mit dem Controller 64 gekoppelt sind und beispielsweise zum Einsatz in dem Milieu eines Kraftfahrzeugs geeignet sind.
Hierin offenbarte Bereiche sind einschließlich und kombinierbar (z. B. Bereiche von ”bis zu etwa 25 Gew.-% oder spezieller etwa 5 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%” sind einschließlich der Endpunkte und aller Zwischenwerte der Bereiche von ”etwa 5 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-%” usw.). ”Kombinati on” ist einschließlich Mischungen, Gemische, Legierungen, Reaktionsprodukte und dergleichen. Darüber hinaus bezeichnen die Ausdrücke ”erster”, ”zweiter” und dergleichen hierin keinerlei Reihenfolge, Menge oder Bedeutung, sondern werden vielmehr dazu verwendet, ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Ausdrücke ”ein”, ”eine”, ”einer” und ”eines” hierin bezeichnen keine Einschränkung der Menge, sondern bezeichnen vielmehr das Vorhandensein von zumindest einem genannten Gegenstand. Der Modifikator ”etwa”, der in Verbindung mit einer Menge verwendet wird, ist einschließlich des genannten Wertes und hat die durch den Kontext vorgegebene Bedeutung (z. B. umfasst den Fehlergrad, der zu einer Messung der besonderen Menge gehört). Das Suffix ”(s)”, ”(n)”, ”(e)” wie es hierin verwendet wird, soll sowohl den Singular als auch den Plural des Ausdrucks, den es modifiziert, einschließen, wodurch ein oder mehrere von diesem Ausdruck eingeschlossen werden (z. B. Farbstoff(e) umfasst einen oder mehrere Farbstoffe). Überall in der Beschreibung, wo Bezug auf ”eine Ausführungsform”, ”eine weitere Ausführungsform”, ”Ausführungsform” und so weiter genommen wird, bedeutet dies ein besonderes Element (z. B. Merkmal, Struktur und/oder Eigenschaft), das in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben ist, in zumindest einer hierin beschriebenen Ausführungsform enthalten ist, und in anderen Ausführungsformen vorhanden sein kann oder nicht. Zusätzlich ist zu verstehen, dass die beschriebenen Elemente in den verschiedenen Ausführungsformen in jeder geeigneten Weise kombiniert werden können.
Geeignete Algorithmen, eine Verarbeitungsfähigkeit und Sensoreingänge liegen in Anbetracht dieser Offenbarung innerhalb des Könnens des Fachmanns. Diese Erfindung ist anhand beispielhafter Ausführungsformen beschrieben worden; wobei Fachleute verstehen werden, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Elemente durch Äquivalente davon ersetzt werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können viele Abwandlungen vorgenommen werden, um eine besondere Situation oder ein besonderes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichen Umfang abzuweichen. Es ist beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf eine besondere Ausführungsform beschränkt sein soll, die als die beste Ausführungsart offenbart ist, die in Betracht gezogen wird, um diese Erfindung auszuführen, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.

10: PRV
12: Raum
14: Umgebung
16: Fahrzeug
18: Sensor
20: Gehäuse
22: Öffnung
24: Scharnier
26: Klappe
28: Verbinder
30: Aktuator
32: Leistungsversorgung
34: langer Arm von Klappenhebel
36: kurzer Arm von Klappenhebel
38: Aktuatorelement
40: Aktuatorvorspannfeder
42: Verriegelungsmechanismus
44: Klinke
46: Zahnrad
48: vorspannende Verriegelungsfeder
50: zweites Element zum Ausrücken der Verriegelung
52: Lastbegrenzungsschutz
54: Fremdkörper
56: Zugfeder von Schutz
58: Hebel von Schutz
60: Arm 1
62: Arm 2
64: Controller
66: Schlitz in der Mitte
68: Querelement 1
70: Querelement 2
72: Rückstellfeder
74: Torsionsfeder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 7204472 A [0003]

Claims

Druckentlastungsventil, das zur Verwendung mit einem Innenraum und zum Modifizieren eines Zustandes desselben ausgebildet ist, wobei das Ventil umfasst: ein Gehäuse, das eine Öffnung in Fluidverbindung mit dem Raum und einer Außenumgebung definiert; zumindest eine Klappe, die derart schwenkbar mit dem Gehäuse verbunden ist, dass bewirkt wird, dass sie zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand verschwenkt, und die derart ausgestaltet ist, dass sie in dem geschlossenen Zustand zumindest einen Teil der Öffnung bedeckt und in dem offenen Zustand die Öffnung nicht versperrt, um eine Fluidströmung zwischen dem Raum und der Umgebung zuzulassen; und zumindest einen Aktuator, der antreibend mit der Klappe gekoppelt ist und ein Element aus aktivem Material umfasst, das den Effekt hat, eine reversible Änderung einer fundamentalen Eigenschaft zu erfahren, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt wird, wobei die Änderung dazu dient, zu bewirken, dass die Klappe zwischen dem offenen und dem geschlossenen Zustand verschwenkt, um einen modifizierten Zustand zu erreichen, wobei der Aktuator ferner einen Verriegelungsmechanismus umfasst, der mit der Klappe gekoppelt und derart ausgestaltet ist, dass er mit dieser in Eingriff gelangt, um die Klappe in dem modifizierten Zustand zu halten, wenn die Änderung umgekehrt wird.
Ventil nach Anspruch 1, wobei das aktive Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die im Wesentlichen aus Formgedächtnislegierungen, ferromagnetischen Formgedächtnislegierungen, Formgedächtnispolymeren, piezoelektrischen Materialien, elektroaktiven Polymeren, magnetorheologischen Fluiden und Elastomeren, elektrorheologischen Fluiden und Verbundwerkstoffen derselben besteht.
Ventil nach Anspruch 1, wobei der Verriegelungsmechanismus eine Vorspannfeder, die derart ausgestaltet ist, dass sie bewirkt, dass der Mechanismus mit der Klappe in Eingriff gelangt, und ein zweites Element aus aktivem Material umfasst, das eine Aktivierungskraft aufweist, die größer ist als die Federkonstante der Feder, sodass es betreibbar ist, um zu bewirken, dass der Mechanismus von der Klappe außer Eingriff gelangt und diese freigibt, wenn der Mechanismus mit der Klappe in Eingriff steht und das zweite Element aktiviert wird.
Ventil nach Anspruch 1, wobei der Verriegelungsmechanismus ein zweites Element aus aktivem Material, das eine Aktivierungskraft aufweist und derart ausgestaltet ist, dass es bewirkt, dass der Mechanismus mit der Klappe in Eingriff gelangt, wenn es aktiviert wird, und eine Vorspannfeder umfasst, die eine Federkonstante aufweist, die kleiner ist als die Aktivierungskraft, sodass sie derart ausgestaltet ist, dass sie bewirkt, dass der Mechanismus von der Klappe außer Eingriff gelangt und diese freigibt, wenn der Mechanismus mit der Klappe in Eingriff steht und das zweite Element deaktiviert wird.
Ventil nach Anspruch 1, wobei der Mechanismus eine Klinke, die unter Widerstand zwischen eingerückten und ausgerückten Stellungen verschwenkbar ist, und ein drehbares Zahnrad umfasst, das zumindest einen Zahn definiert, der derart ausgestaltet ist, dass er die Klinke fängt, wenn sie in der eingerückten Stellung ist.
Ventil nach Anspruch 1, das ferner einen Lastbegrenzungsschutz aufweist, der mit dem Element gekoppelt und derart ausgestaltet ist, dass er eine sekundäre Ausgangsstrecke für dieses vorsieht, wenn die Klappe nicht zwischen dem offenen und dem geschlossenen Zustand verschwenken kann.
Ventil nach Anspruch 1, wobei die Klappe eine Schwenkachse in der Mitte aufweist, sodass sich die Hälfte der Klappe in dem Gehäuse erstreckt, wenn sie in dem offenen Zustand ist.
Ventil nach Anspruch 1, wobei eine Mehrzahl von Klappen schwenkbar mit dem Gehäuse verbunden ist, um eine gleiche Mehrzahl von Schwenkachsen zu definieren, und jede der Klappen antreibend mit einem separat betreibbaren Aktuator gekoppelt ist.
Ventil nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse einen Schlitz in der Mitte definiert und ein erstes und ein zweites Klappeneingriffselement gegenüber dem Schlitz umfasst, wobei die Klappe um ein Schwenkgelenk in der Mitte, das in dem Schlitz angeordnet ist, zusammenklappbar ist, und durch die Elemente bewirkt wird, dass sie zusammenklappt, wenn bewirkt wird, dass sich das Gelenk in dem Schlitz und in Richtung des Inneren des Gehäuses umsetzt.
Ventil nach Anspruch 1, wobei der Aktuator einen Formgedächtnisdraht umfasst, der eine Drahtverschiebung aufweist, wenn er aktiviert oder deaktiviert wird, und der Draht mit der Klappe gekoppelt ist und eine Ausgestaltung als Bogensehne hat, sodass bewirkt wird, dass sich die Klappe eine Distanz umsetzt, die größer als die Verschiebung ist.
Druckentlastungsventil, das zur Verwendung mit einem Innenraum eines Fahrzeugs und zum Modifizieren eines Zustandes desselben ausgebildet ist, wobei das Ventil umfasst: ein Gehäuse, das eine Öffnung in Fluidverbindung mit dem Raum und einer Außenumgebung definiert; eine Klappe, die schwenkbar mit dem Gehäuse verbunden ist, um zu bewirken, dass sie zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand verschwenkt, und derart ausgestaltet ist, dass sie in dem geschlossenen Zustand zumindest einen Teil der Öffnung bedeckt und in dem offenen Zustand die Öffnung nicht versperrt, um eine Fluidströmung zwischen dem Raum und der Umgebung zuzulassen; und einen Aktuator, der antreibend mit der Klappe gekoppelt ist und ein Element aus aktivem Material umfasst, das den Effekt hat, eine reversible Änderung einer fundamentalen Eigenschaft zu erfahren, wenn es einem Aktivierungssignal ausgesetzt wird, wobei die Änderung dazu dient, zu bewirken, dass die Klappe zwischen dem offenen und dem geschlossenen Zustand verschwenkt, um einen modifizierten Zustand zu erreichen, wobei der Aktuator ferner einen Lastbegrenzungsschutz umfasst, der mit einem Element gekoppelt und derart ausgestaltet ist, dass er eine sekundäre Ausgangsstrecke für dieses vorsieht, wenn die Klappe nicht zwischen dem offenen und dem geschlossenen Zustand verschwenken kann.
Ventil nach Anspruch 11, wobei der Schutz eine gestreckte Feder umfasst, die in Reihe mit dem Element geschaltet ist.
Ventil nach Anspruch 12, wobei der Schutz ferner einen Hebel zwischen dem Element und der Feder umfasst, wobei der Hebel einen ersten und einen zweiten Arm und eine Schwenkachse definiert, wobei das Element an einem der Arme angebracht und von der Achse eine erste Distanz beabstandet ist, und die Feder an dem anderen der Arme angebracht und von der Achse eine zweite Distanz, die größer ist als die erste, beabstandet ist.
Verfahren zum selektiven Modifizieren eines Zustandes eines Innenraums, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: a) der Raum mit einer Außenumgebung über eine Öffnung fluidtechnisch gekoppelt wird, um eine Fluidströmung dazwischen zuzulassen; b) ein Element aus aktivem Material relativ zu der Öffnung befestigt wird; c) ein Abtastwert des Zustandes ermittelt wird; d) der Abtastwert mit einem Schwellenwert verglichen wird, und ein Wert eines nicht konformen Zustandes ermittelt wird, wenn der Abtastwert den Schwellenwert übersteigt; e) das Element aktiviert wird, wenn der Wert eines nicht konformen Zustandes ermittelt wird; f) infolge des Aktivierens des Elements bewirkt wird, dass die Öffnung geschlossen oder geöffnet wird; und g) der Zustand infolge eines Öffnens oder Schließens der Öffnung modifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Zustand zusammenwirkend durch den Raum und die Umgebung definiert und aus der Gruppe ausgewählt wird, die im Wesentlichen aus einer Druckdifferenz, einer Temperaturdifferenz, einer Gaskonzentrationsdifferenz und Kombinationen davon besteht.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei Schritt c) ferner die Schritte umfasst, dass zumindest ein Sensor relativ zu dem Raum befestigt und der Wert unter Verwendung des Sensors detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Sensor ein Thermoelement, ein Barometer, ein Voraufprallsensor, ein Feuchtigkeitsdetektor oder ein Kohlenmonoxidsensor ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei Schritt c) ferner die Schritte umfasst, dass eine Position des Raums unter Verwendung eines Positionsbestimmungssystems ermittelt wird, und der Abtastwert aus einer Kartendatenbank auf der Basis der Position abgerufen wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei Schritt c) ferner die Schritte umfasst, dass ein Zustand eines HLK-Systems, das betreibbar ist, um den Raum aufzubereiten, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Schritte d) und e) ferner den Schritt umfassen, dass ein Grad einer Überschreitung des Schwellenwerts ermittelt wird, und an das Element ein Aktivierungssignal ausgegeben wird, das proportional zu dem Grad an Überschreitung ist.