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Die Erfindung betrifft einen Aktuator, mit dem Wärmeenergie in mechanische Arbeit mit Hilfe einer Formgedächtnislegierung umgewandelt wird, der insbesondere für Schlösser oder Schließeinrichtungen verwendet wird. Der Aktuator umfasst ein Stellelement, welches von einer Ausgangsstellung mit Hilfe der Formgedächtnislegierung in eine Endstellung bewegt werden kann. Eine Formgedächtnislegierung ist ein Material, welches sich bei Überschreiten einer materialabhängigen Aktivierungstemperatur sprungartig verformt. Es wird daher die Temperatur der Formgedächtnislegierung so verändert, dass diese sprunghaft die Form verändert. Die so herbeigeführte sprunghafte Formveränderung bewirkt die Bewegung des Stellelements von der Ausgangsstellung in die Endstellung. Soll das Stellelement wieder in die Ausgangsstellung bewegt werden, so wird die Ausgangstemperatur des Formgedächtniselements wieder hergestellt.
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Aus der Druckschrift
DE 38 20 877 A1 geht ein Aktuator zur Fernbetätigung von Schlössern und Schließeinrichtungen hervor, bei dem zum Beispiel ein Auslösehebel durch eine dort Memory-Legierung genannte Formgedächtnislegierung bewegt wird. Aus dieser Druckschrift ist unter anderem bekannt, eine Mehrzahl aus einer Memory-Legierung bestehende Drähte so miteinander durch eine Umlenkung zu verbinden, dass die wirksame Drahtlänge vergrößert wird.
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Aus der Druckschrift
DE 299 14 843 U1 geht ein Aktuator umfassend eine Formgedächtnislegierung hervor, der ein durch Wärme betätigbarer Schalter ist. Zur Abkühlung wird ein Kühlblech eingesetzt.
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Auch aus der
US 2002 / 0 113 499 A1 und
EP 1 340 870 A1 sind Aktuatoren mit Elementen aus Formgedächtnislegierungen bekannt, zu deren Abkühlung ein Kühlblech eingesetzt wird.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen funktionstüchtigen, vorzugsweise in Schlössern von (Kraft-)fahrzeugen und Gebäuden einsetzbaren Aktuator auf Basis einer Formgedächtnislegierung (Shape Memory Alloy) zu schaffen.
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Die Erfindung geht aus von einem Aktuator, der ein Stellelement umfasst, das von einer Ausgangsstellung in eine Endstellung mit Hilfe einer Antriebseinrichtung bewegt werden kann, die eine Formgedächtnislegierung umfasst. Durch die Bewegung in die Endstellung wird ein Kontakt zwischen der Formgedächtnislegierung und einem Kühlkörper hergestellt. Ergänzend wird in einer möglichen Ausführungsform durch die Bewegung in die Endstellung mittels eines Schaltelements der Stromfluss gestoppt oder zumindest reduziert, mit dem die Formgedächtnislegierung erwärmt wird. Erfindungsgemäß umfasst die Antriebseinrichtung einen Draht, der aus der Formgedächtnislegierung besteht, wobei ein jedes Ende des Drahtes an einem Kühlkörper befestigt ist, der aus einem elektrisch leitfähigen Material und zwar insbesondere aus einem Metall wie beispielsweise Messing besteht. Um den Draht zu erwärmen, wird eine Spannung an die beiden Kühlkörper angelegt. In der Ausgangsstellung fließt nun ein Strom durch den Draht. Der Draht wird so erwärmt und verformt sich bei Überschreiten der materialabhängigen Aktivierungstemperatur. Durch die Verformung wird das Stellelement in Richtung Endstellung bewegt oder eine solche Bewegung zumindest ermöglicht. An dem Stellelement ist ein elektrisches Verbindungselement aus elektrisch leitfähigem Material befestigt, der gegen die beiden Kühlkörper bewegt wird, wenn das Stellelement in Richtung Endstellung bewegt wird. In der Endstellung kontaktiert das elektrisches Verbindungselement schließlich die beiden Kühlkörper, so dass dann ein Strom über das elektrische Verbindungselement zum anderen Kühlkörper fließen kann. Der zuvor durch den Draht fließende Strom wird entsprechend reduziert oder sogar vernachlässigbar klein. Das elektrische Verbindungselement verursacht also einen Kurzschluss, wenn der durch den Draht fließende Strom zumindest vernachlässigbar klein wird. In dieser Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Kühlkörper also zugleich Teil des Schaltelements, was eine technisch besonders einfache, kompakte Bauweise erlaubt.
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Indem in der Endstellung ein Kontakt zu einem Kühlkörper hergestellt wird, kann die Formgedächtnislegierung nach Erreichen der Endstellung schnell abgekühlt werden. Durch das Abkühlen kann eine schnelle Bewegung des Stellelements in seine Ausgangsstellung bewirkt oder zumindest ermöglicht werden. Indem in der Endstellung der Heizstrom für die Formgedächtnislegierung insbesondere durch Kurzschluss unterbrochen oder zumindest reduziert wird, wird die Formgedächtnislegierung vor Überhitzen und damit der Aktuator vor einer Beschädigung geschützt. Mit einem solchen Aktuator kann ein Stellelement rasch von einer Ausgangsstellung in eine Endstellung und ohne große Zeitverzögerung anschließend zurück bewegt werden, um so beispielsweise ein weiteres Bauteil mechanisch zu betätigen. Ein derart konstruierter Aktuator kann besonders kompakt gebaut sein.
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In der Ausgangsstellung kann zwischen der Formgedächtnislegierung und dem Kühlkörper bereits ein erster Kontakt bestehen. Der Kontaktbereich vergrößert sich in diesem Fall, wenn das Stellelement in die Endstellung bewegt wird. Hat das Stellelement die Endstellung erreicht, so hat sich die Kontaktfläche zwischen der Formgedächtnislegierung und dem Kühlkörper dann um ein Vielfaches vergrößert.
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Wird der Draht beheizt, so zieht sich dieser in einer Ausführungsform der Erfindung zusammen und zieht dadurch das Stellelement von seiner Ausgangsstellung in Richtung Endstellung. In der Endstellung legt sich der Draht an den Kühlkörper an. Bevorzugt kontaktiert der Draht dann zu mehr als 50% den Kühlkörper, besonders bevorzugt zu mehr als 70% und zwar bezogen auf die Gesamtlänge des Drahts, um so besonders gut kühlen zu können. Insbesondere mit Hilfe einer Feder wird der erkaltete Draht wieder auf seine Anfangslänge gedehnt und in die Ausgangsstellung gebracht.
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Die Antriebseinrichtung muss nicht zwingend einen Draht umfassen. Die Antriebseinrichtung kann beispielsweise auch eine Stange sein oder eine Stange umfassen. Ein Draht lässt sich jedoch aufgrund seiner Biegsamkeit im Vergleich zu einer Stange flexibler an vorhandene Geometrien anpassen bzw. in technisch vorteilhafte Geometrien eingebaut werden.
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Es ist nicht zwingend erforderlich, dass sich der Draht oder ein vergleichbares Mittel durch Erwärmen zusammenzieht bzw. verkürzt, um ein Stellelement von einer Ausgangsstellung in eine Endstellung zu bewegen. So kann eine in der Ausgangsstellung vorgespannte Feder vorhanden sein, die das Stellelement in Richtung Endstellung drückt. Der noch kühle und damit nicht gedehnte Draht hält das Stellelement zunächst in seiner Endstellung. Wird der Draht erwärmt, so dehnt sich dieser aus. Das Stellelement bewegt sich dann durch Federkraft in die Endstellung hinein.
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Es ist allerdings vorteilhaft, dass das Stellelement durch das vorgenannte Verkürzen eines Drahts oder eines vergleichbaren Mittels in die Endstellung gezogen wird, da mit Hilfe der Formgedächtnislegierung eine große Kraft erzeugt werden kann. Es muss dann also keine große Federkraft bereitgestellt werden, die dauerhaft auf das Stellelement einwirken und dieses dann mit hoher Kraft dauerhaft belasten würde.
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In einer Ausführungsform schließt der Draht mit einer benachbarten Oberfläche des Kühlkörpers in der Ausgangsstellung einen spitzen Winkel ein. Wird das Stellelement in seine Endstellung bewegt, so verkleinert sich dieser Winkel, bis schließlich der Draht an der Oberfläche des Kühlkörpers anliegt und kein Winkel größer als 0° mehr vorhanden ist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Drahtenden seitlich neben einem insbesondere stangenförmigen oder stangenartigem Stellelement so befestigt, dass der Draht mit dem Stellelement bzw. der Stange in der Ausgangsstellung einen spitzen Winkel größer als 45° einschließt. Dieser Winkel liegt besonders bevorzugt zwischen 60° und 80°. Der Draht ist darüber hinaus mit dem zwischen den beiden befestigten Enden angeordneten Stellelement verbunden und führt zu diesem Zweck in einer zweckmäßigen Ausführungsform durch eine Bohrung oder seitliche Ausnehmung des Stellelements hindurch. Mit dieser Ausführungsform lässt sich eine besonders große Hubbewegung des Stellelements erreichen, ohne dass das Stellelement zu verkanten droht. da dann der Draht besonders schnell und einfach in die Ausnehmung eingehängt werden kann.
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In einer Ausführungsform umfasst der Aktuator eine Feder, die zumindest in der Endstellung vorgespannt ist. Diese Feder bewegt das Stellelement zurück in seine Ausgangsstellung, wenn die Formgedächtnislegierung durch Abkühlen in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt.
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Mit dem Aktuator wird in einer Ausführungsform der Erfindung ein Bauelement verschoben und zwar insbesondere ein Bauelement einer Schließvorrichtung bevorzugt für ein Kraftfahrzeug oder für ein Gebäude, so zum Beispiel das aus der Druckschrift
DE 10 2008 012 439 A1 bekannte verschiebbare Verbindungselement einer Schließvorrichtung einer Kraftfahrzeugkarosserie. In einer Ausführungsform ist der Aktuator Teil einer Vorrichtung zur Entriegelung eines Schlosses, so zum Beispiel in der aus der Druckschrift
DE 10 2004 040 566 A1 bekannten Weise. In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Aktuator in einem Elektrokomponententräger eingebaut, so zum Beispiel in dem aus der Druckschrift
DE 103 20 441 B3 bekannten Komponententräger. Ein solcher Komponententräger ist insbesondere Teil eines Türverschlusses insbesondere für ein Kraftfahrzeug oder für ein Gebäude.
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Die Formgedächtnislegierung wird bevorzugt so ausgewählt, dass die Aktivierungstemperatur zwischen 100°C und 150°C liegt und zwar insbesondere dann, wenn der Aktuator in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird. Es ist zweckmäßig, eine Aktivierungstemperatur von weniger als 150°C vorzusehen, da eine solche Temperatur regelmäßig niedrig genug ist, um verwendete Materialien wie zum Beispiel Kunststoffe nicht zu beschädigen.
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Der Aktuator wird bevorzugt so konstruiert, dass sich die Länge eines aus der Formgedächtnislegierung bestehenden Drahtes durch Erwärmen bzw. Abkühlen nebst Passieren der Aktivierungstemperatur um 3% bis 6% verändert. Einerseits ist eine solche Längenveränderung ausreichend, um einen praxisrelevanten Hub des Stellelements erzeugen zu können. Andererseits wird so eine übermäßige Veränderung der Form des Drahtes vermieden, was übermäßige, zerstörerische Belastungen zur Folge haben könnten.
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Ein Durchmesser des Drahtes von 0,1 bis 1 mm, bevorzugt von 0,2 bis 0,4 mm hat sich als zweckmäßig erwiesen.
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Der Aktuator wird insbesondere in einem Schloss oder einer Schließeinrichtung eingesetzt. Das Schloss oder die Schließeinrichtung kann Teil eines Kraftfahrzeugs oder Gebäudes sein.
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Es zeigen:
- 1: Aktuator in der Ausgangsstellung
- 2: Aktuator in der Endstellung
- 3: Drahtführung durch Stellelement
- 4: verbesserte Ausführungsform
- 5: weitere Ausführungsform
- 6: Schaltprinzip
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1 skizziert einen Aktuator 1 mit einem stangenförmigen Stellelement 2, das durch Bohrungen im Gehäuse 3 längsverschiebbar gelagert wird. Der Aktuator 1 umfasst als Antriebseinrichtung einen Draht 4, der aus einer Formgedächtnislegierung besteht. Die beiden Enden 5 und 6 des Drahtes 4 sind an zwei Kühlkörpern 7 und 8 befestigt. Die Enden 5 und 6 des Drahtes 4 können zum Beispiel mit Hilfe von Schrauben 9 und 10 klemmend gehalten sein. Der Draht 4 wird im Bereich des Stellelements 2 durch ein Führungselement 11 bogenförmig gehalten und geführt, um so Knickstellen im Draht 4 zu vermeiden, die den Draht 4 beschädigen könnten. Das Führungselement 11 besteht vorzugsweise aus einem relativ weichen Material wie Kunststoff und ist an dem Stellelement 2 befestigt. Der Draht 4 führt durch eine seitliche Ausnehmung im Stellelement 2 hindurch und kann daher besonders leicht und schnell in die Ausnehmung eingelegt werden.
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Befindet sich der Draht in der Ausnehmung, so wird der Draht von dieser Ausnehmung gehalten.
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An das Führungselement grenzt ein als elektrisches Verbindungselement dienender metallischer Stab oder Stift 12 an, der in eine Rille des Führungselements hineinreichen kann, um die Lage des elektrischen Verbindungselements 12 zu stabilisieren. Eine um das Stellelement 2 herum führende Feder 13 stützt sich im vorgespannten Zustand einerseits gegen das Gehäuse 3 und andererseits gegen das elektrische Verbindungselement 12 ab. Aufgrund der Vorspannung drückt die Feder 13 das Stellelement 2 in seine Ausgangsstellung hinein. Der Draht 4 wird dadurch mechanisch gespannt und in seiner vorgesehenen Lage gehalten.
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Aus dem Gehäuse 3 führen elektrische Kontakte 14 und 15 der Kühlkörper 7 und 8 heraus und zwar in entgegengesetzte Richtungen. Wird eine Spannung an die elektrischen Kontakte angelegt, so fließt ein elektrischer Strom durch den Draht 4 hindurch. Der Draht 4 stellt an sich einen elektrischen Widerstand dar und erwärmt sich aufgrund des durch ihn hindurch fließenden elektrischen Stroms. Durch die Erwärmung zieht sich der Draht 4 zusammen, wodurch das Stellelement 2 in Richtung des Pfeils 16 und damit in Richtung Endstellung bewegt wird.
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In der Ausgangsstellung schließt der Draht 4 mit dem Stellelement 2 einen Winkel α ein, der insbesondere zwischen 60 und 80° liegt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Winkel α = 70°. Durch einen solchen Winkel wird erreicht, dass der mit einer Verkürzung des Drahts einhergehende Hub des Stellelements 2 deutlich größer ist als die Verkürzung.
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Die Endstellung wird in der 2 gezeigt. Das elektrische Verbindungselement 12 wird nun gegen die beiden Kontaktspitzen 17 und 18 der Kühlkörper 7 und 8 gedrückt. Außerdem liegt der Draht 4 überwiegend an den beiden Kühlkörpern 7 und 8 an und kontaktiert in diesem Sinne die beiden Kühlkörper.
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Ein Strom, der durch an die beiden Kontakte 14 und 15 angelegte Spannung erzeugt wird, fließt nun aufgrund der sehr viel größeren Querschnitte praktisch vollständig durch die beiden Kühlkörper 7 und 8 sowie durch das elektrische Verbindungselement 12 hindurch und nicht mehr durch den Draht 4. Der Draht wird dann durch den eingeleiteten Kurzschluss nicht mehr erwärmt und kann daher nicht überhitzen. Wärme kann vielmehr aus dem Draht aufgrund des entsprechenden Kontaktes beschleunigt in die Kühlkörper abgeleitet werden. Wird der Stromfluss unterbrochen, so kühlt der Draht rasch aus und nimmt seine ursprünglich Form an. Die Feder 13 drückt dann den Stellelement 2 in seine Ausgangsstellung zurück. Der Aktuator wird daher vor allem eingesetzt, wenn ein kurzer mechanischer Impuls erzeugt werden soll.
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Das Gehäuse 3 ist in der dargestellten Ausführungsform 59 mm breit und 19 mm hoch. Die Gehäusetiefe beträgt 8,1 mm. Das Gewicht des gezeigten Aktuators betrug ohne das aus Metall bestehende Stellelement lediglich 10 g. Das Gewicht des Stellelements betrug 6g. Mit Hilfe der Erfindung kann also problemlos ein Aktuator mit einem Gewicht von weniger als 20g hergestellt werden. Der Aktuator kann daher sehr kompakt gebaut sein. Die Kontakte 14 und 15 müssen nicht wie gezeigt seitlich aus dem Gehäuse 3 heraus geführt werden. Statt dessen können diese zum Beispiel auch nach oben aus dem Gehäuse 3 heraus reichen. Mit dem in den 1 und 2 gezeigten Aktuator gelingt mit der angegebenen Gehäusedimension durch Verkürzung des Drahtes 4 um 4,8% eine Hubbewegung des Stellelements von 4 mm. Da das Stellelement 2 aus zwei Seiten des Gehäuses heraus führt, kann der Aktuator für Hub oder Zug ausgelegt werden. Der Durchmesser des Drahtes 4 kann an die gewünschte Situation angepasst werden. Mit einem dickeren Draht kann eine höhere Hub- oder Zugkraft erzeugt werden. Ein dünnerer Draht kühlt schneller ab und ermöglicht daher eine höhere Dynamik.
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Es hat sich gezeigt, dass bei einer Spannung von 12 V und einem Strom von 3A die Endstellung des Stellelements für mehrere Sekunden aufrecht erhalten werden kann, ohne dass dieses „flattert“. Um ein Verstellen des Stellelements zu bewirken, musste eine Spannung von wenigstens 5V bei einem Strom von wenigstens 1A angelegt werden. Nach Abschalten des Stroms genügte eine Abkühlzeit von einer Sekunde, um das Stellelement in seine Ausgangsstellung zurückspringen zu lassen. Innerhalb von einer Sekunde konnte das Stellelement durch Anschalten des Strom von der Ausgangsstellung in die Endstellung bewegt werden.
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In der 3 wird eine Führung des Drahts 4 durch eine seitliche Ausnehmung 19 in dem Stellelement 2 verdeutlicht.
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In der 4 wird eine verbesserte Ausführungsform gezeigt, die eine Feder 20 umfasst. Die Feder 20 ist zwischen dem elektrischen Verbindungselement 12 und dem Führungselement 11 angeordnet. Beispielsweise ist das elektrische Verbindungselement 12 gleitend gelagert und kann daher entlang des Stellelements 2 verschoben werden. Verkürzt sich der Draht aufgrund des Überschreitens der Aktivierungstemperatur, so wird das elektrische Verbindungselement 12 federnd gegen Kontaktspitzen 17 und 18 gedrückt. Ein schlagartige Belastung des Drahtes 4 bei Erreichen der Endstellung wird so vermieden, was die Lebensdauer des Drahts 4 verlängert.
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Das elektrische Verbindungselement 12 ist aber bevorzugt fest mit dem Stellelement 2 verbunden, wenn das Führungselement 11 entlang des Stellelements 2 verschiebbar angeordnet ist. Auch auf dieses Weise wird vermieden, dass eine Verkürzung des Drahts 4 aufgrund einer Erwärmung durch einen harten Anschlag schlagartig gestoppt werden kann. Die Federkraft der Feder 20, die zwischen dem elektrischen Verbindungselement 12 und dem Führungselement 11 angeordnet, ist vorzugsweise größer als die Federkraft der Feder 13, mit der der kalte Draht 4 in seine Ausgangsstellung gedrückt wird. Die Feder 13 drückt gegen das fest angeordnete elektrische Verbindungselement 12 und bewegt nach einem hinreichenden Abkühlen des Drahts 4 das Stellelement 2 und damit auch den Draht 4 in seine Ausgangsstellung zurück. Wenn die Federkraft der Feder 20 die Federkraft der Feder 13 übersteigt, ist so gewährleistet, dass die Feder 20 in der Ausgangsstellung nicht derart stark zusammengedrückt wird, dass diese nicht vorbeschriebene den Draht 4 schonende Wirkung entfalten kann. Ist das Führungselement 11 relativ zum Stellelement 2 verschiebbar angeordnet, so wird die Position des Führungselements 11 in der Ausgangsstellung durch geeignete Wahl der Federkräfte so eingestellt, dass der Draht 4 nicht in Bewegungsrichtung (Richtung Endstellung) auf dem Stellelement 2 aufliegt. Auch in der Endstellung liegt der Draht bevorzugt dann nicht in vorgenannter Weise an. Der Draht 4 legt sich dann ggfs. nachgiebig an zumindest einen Kühlkörper in der Endstellung an. Beschädigungen des Drahtes werden so verbessert vermieden.
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Merkmale der Ausführungsbeispiele, die in den Ansprüchen noch nicht genannt sind, müssen nicht zwingend miteinander kombiniert werden. Diese können also einzeln mit dem anspruchsgemäßen Aktuator kombiniert werden.
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In der 5 wird eine Ausführungsform gezeigt, bei der aus einer Formgedächtnislegierung bestehender Draht zunächst durch Formveränderung den Arm 21 verschiebt. Die Verschiebung des Arms 21 bewirkt eine Verschiebung des Stellelements. Wird das Stellelement durch Erwärmen des Drahts in Richtung des gehäuseseitig angebrachten elektrischen Leiters 22 verschoben, so kontaktiert dieser in der Endstellung den elektrischen Leiter 23, der am Stellelement 2 angebracht ist. Aufgrund des so herbeigeführten elektrischen Kurzschlusses fließt dann der Strom zum Beispiel vom elektrischen äußeren Kontakt 14 zum elektrischen äußeren Kontakt 15 nicht länger durch den aus der Formgedächtnislegierung bestehenden Draht 4 hindurch, sondern über den elektrisch leitenden Arm 21 in das elektrisch leitende Stellelement 2 hinein und von hier aus über die kurz geschlossenen elektrischen Leiter 22 und 23 zum äußeren Kontakt 15. Ein weiteres Erwärmen des Drahtes 4 wird damit unterbrochen.
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In der 6 wird das Schaltprinzip verdeutlicht. Der Draht 4 weist einen Widerstand 24 auf. Wird der Schalter 26 geschlossen und ist der Widerstand 25 dieser parallelen elektrischen Leitung sehr viel kleiner als der Widerstand 24 des Drahts 4, so wird der Stromfluss durch den Draht 4 praktisch vollständig unterbrochen. Ein Strom fließt allerdings nur unter der Vorraussetzng, dass auch der Schalter 27 zuvor geschlossen worden ist, der das Aktivieren eines Aktuators repräsentiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1:
- Aktuator
- 2:
- Stellelement
- 3:
- Gehäuse
- 4:
- Draht
- 5:
- Drahtende
- 6:
- Drahtende
- 7:
- Kühlkörper
- 8:
- Kühlkörper
- 9:
- Schraube
- 10:
- Schraube
- 11:
- Führungselement
- 12:
- metalischer Stab
- 13:
- Feder
- 14:
- Kontakt
- 15:
- Kontakt
- 16:
- Pfeil
- 17:
- Kontaktspitze
- 18:
- Kontaktspitze
- 19:
- Ausnehmung
- 20:
- Feder
- 21:
- Arm
- 22:
- elektrischer Leiter
- 23:
- elektrischer Leiter
- 24:
- elektrischer Widerstand
- 25:
- elektrischer Widerstand
- 26:
- elektrischer Schalter
- 27:
- elektrischer Schalter
