DE102011120963B4

DE102011120963B4 - Anordnungen mit thermisch aktivem Material, die Phasenänderungsmaterialien umfassen, und Verfahren zur Verwendung derselben

Info

Publication number: DE102011120963B4
Application number: DE201110120963
Authority: DE
Inventors: Nilesh D. Mankame; Jennifer P. Lawall
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2031-12-14
Also published as: CN102661260A; CN102661260B; DE102011120963A1

Abstract

Anordnung mit einem thermisch aktivierten Material, die zwischen einem betätigten Zustand und einem nicht betätigten Zustand umwandelbar ist, wobei die Anordnung umfasst: ein Aktuatorelement mit einem Aktuatormaterial, welches durch eine Betätigungstemperatur und eine Rücksetztemperatur definiert ist, wobei das Aktuatormaterial: in Ansprechen darauf, dass es über die Betätigungstemperatur erwärmt wird, bewirkt, dass das Aktuatorelement eine Betätigung von einer nicht betätigten Form, in der sich die Aktuatoranordnung in dem nicht betätigten Zustand befindet, in eine betätigte Form durchführt, wobei die Aktuatoranordnung in den betätigten Zustand umgewandelt wird; und in Ansprechen darauf, dass es auf oder unter die Rücksetztemperatur abkühlt, bewirkt, dass das Betätigungselement eine Betätigung von der betätigten Form zurück in die nicht betätigte Form durchführt; einen Antriebsmechanismus, der mit dem Aktuatorelement verbunden ist; ein Phasenänderungsmaterial (PCM), welches dem Antriebsmechanismus zugeordnet ist, wobei das PCM durch eine Phasenänderungstemperatur definiert ist, die bewirkt, dass das PCM in Ansprechen darauf, dass es auf oder über die Phasenänderungstemperatur erwärmt wird, von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand übergeht; wobei der Antriebsmechanismus ausgebildet ist, um: zu bewirken, dass das PCM direkt mit dem Aktuatorelement in Eingriff steht, wenn sich die Aktuatoranordnung in dem nicht betätigten Zustand befindet, und von dem Aktuatorelement außer Eingriff steht, wenn sich die Aktuatoranordnung in dem betätigten Zustand befindet; oder zu bewirken, dass das PCM direkt mit dem Aktuatorelement in Eingriff steht, wenn sich die Aktuatoranordnung in dem betätigten Zustand befindet, und von dem Aktuatorelement außer Eingriff steht, wenn sich die Aktuatoranordnung in dem nicht betätigten Zustand befindet; und eine Ummantelung, die zumindest einen Abschnitt des PCM umgibt, um das PCM-Material einzuschließen, wenn sich das PCM in dem zweiten Zustand befindet.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die Patentanmeldung beansprucht die Priorität und setzt sich teilweise fort aus der U.S.-Patentanmeldung Nr. 12/792 120 ( US 2010/0236236 A1 ) mit dem Titel „Accelerating Cooling in Active Material Actuators Using Heat Sinks”, eingereicht am 3. Juni 2010, und der U.S.-Patentanmeldung Nr. 12/437 768 mit dem Titel „Controlling Heat Transfer in Active Material Actuators Using Heat Sinks”, eingereicht am 8. Mai 2009, deren Offenbarungsgehalte hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenlegung betrifft allgemein das Wärmemanagement von thermisch aktivierten Anordnungen aus einem aktiven Material und im Spezielleren das Wärmemanagement von thermisch aktivierten Anordnungen aus einem aktiven Material unter Verwendung von Phasenänderungsmaterialien.
HINTERGRUND
I. Formgedächtnislegierungen
Formgedächtnislegierung (SMA, von shape-memory alloy) ist der Gattungsname, der Legierungen gegeben wurde, welche die ungewöhnliche Eigenschaft eines Formänderungsgedächtnisses zeigen, das entweder mechanisch oder thermisch induziert werden kann. Diese ungewöhnliche Eigenschaft zeichnet sich primär durch zwei thermomechanische Reaktionen aus, die als Formgedächtniseffekt (SME, von shape memory effect) und Superelastizität bekannt sind.
Die Austenit- oder Mutterphase in einer SMA ist stabil bei Temperaturen über einer charakteristischen Temperatur, welche als die Austenit-End(A_f)-Temperatur bezeichnet wird. Bei Temperaturen unter einer Martensit-End(M_f)-Temperatur liegt die SMA in einer Phase mit einem kleineren Modul vor, welche als Martensit bekannt ist. Die ungewöhnliche thermomechanische Reaktion von SMA wird auf reversible, thermoelastische Festkörperumwandlungen zwischen den Austenit- und Martensitphasen zurückgeführt.
Üblicherweise werden drei weitere charakteristische Temperaturen verwendet, um den Zustand eines SMA-Materials zu kennzeichnen. Wenn eine SMA-Probe abgekühlt wird, beginnt der Martensit bei der Martensit-Anfangs(M_S)-Temperatur Kristallkeime zu bilden; wenn die Probe erwärmt wird, beginnt die Martensit-Austenit-Umwandlung bei der Austenit-Anfangs(A_S)-Temperatur. Die SMA zeigt die SME am stärksten bei Temperaturen unter M_f und für ein superelastisches Verhalten muss sich das Material über der A_f-Temperatur befinden. Bei Temperaturen über M_d verliert die SMA ihre einzigartigen Eigenschaften und verhält sich wie ein gewöhnliches Material. In vielen der SMA stehen diese Temperaturen in folgender Beziehung: M_f < M_s < A_s < A_f < M_d.
II. Formgedächtniseffekt
Ein SMA-Material wird typischerweise thermomechanisch bei einer Temperatur über Af verarbeitet, um ihm eine gewünschte Form zu verleihen, wie z. B. durch Ziehen des Materials zu einem Draht. Wenn das Material auf eine Temperatur unter Mf abgekühlt wird, behält es die ursprüngliche makroskopische Form, die im verliehen wurde, aber seine Kristallstruktur ändert sich, wenn sich das Material von Austenit in Martensit umwandelt.
Beim Anwenden einer mechanischen Belastung auf die SMA-Probe verformt sich das martensitische Material anfänglich elastisch in Übereinstimmung mit dem Hooke'schen Gesetz. Wenn die Spannung in der Probe eine kritische Spannung erreicht, die als die erste Fließgrenze von Martensit bekannt ist, findet die Verformung bei nahezu konstanter Spannung über einen scherartigen Mechanismus statt, der als Entzwilligung bekannt ist.
Die Entzwilligung ist mit einer kooperativen Neuordnung der Atome verbunden, welche das Gleiten der atomaren Ebenen (Zwillingsgrenzflächen) in der Kristallstruktur der SMA mit sich bringen. Wenngleich die Verschiebung eines jeden Atoms klein ist, kann die Gesamtverformung der SMA wegen der Akkumulierung der koordinierten Bewegung aller oder beinahe aller Atome in dem Material beträchtlich sein (z. B. bis zu 8% Formänderung gegenüber < 1% Formänderung für die meisten Metalle). Da die Gesamtverformung groß ist, scheint sich die SMA plastisch zu verformen – weshalb dieses Verhalten oft als pseudoplastisch beschrieben wird. Im Gegensatz zu der plastischen Verformung, die infolge der Bewegung von Dislokationen erfolgt und somit irreversibel ist, beinhaltet die Verformung einer martensitischen SMA über den Entzwilligungsmechanismus kein/e Dislokationsbewegung oder Aufbrechen von interatomaren Bindungen. Somit ist die Verformung reversibel. Wenn die SMA in diesem Stadium unbelastet ist, wird die elastische Komponente der Gesamtverformung vollständig wiedererlangt, aber die Entzwilligungsverformung bleibt erhalten.
Das Erwärmen des Materials über die A_s-Temperatur induziert eine Martensit-Austenit-Umwandlung. Die Mikrostruktur der Martensitphase kann angrenzende Gebiete mit mehreren energetisch gleichwertigen Mikrostrukturen umfassen. Im Gegensatz dazu weist die Austenitphase nur eine Mikrostruktur auf, die während der Martensit-Austenit-Umwandlung wiederhergestellt wird. Infolgedessen bewirkt diese Umwandlung, dass das SMA-Material die ursprüngliche Form wiedererlangt, die ihm während der Herstellung verliehen wurde. Anders ausgedrückt wird die pseudoplastische Formänderung durch Erwärmen der verformten SMA über A_f vollständig wiedererlangt. Ein Abkühlen des Materials unter M_f, nachdem die Martensit-Austenit-Umwandlung abgeschlossen ist, führt zu keiner weiteren Änderung in der Form.
Das Phänomen, in dem das SMA-Material eine scheinbare plastische Verformung, verliehen bei einer niedrigen Temperatur, beim Erwärmen auf eine höhere Temperatur, wiedererlangt, ist als Formgedächtniseffekt bekannt.
Wenn einer Änderung der Gestalt (z. B. einer Form, Abmessung etc.) in Verbindung mit einer Martensit-Austenit-Umwandlung in einem pseudoplastisch verformten SMA-Material durch eine/n äußerlich angewendete/n Kraft/Zwang widerstanden wird, entwickelt sich eine beträchtliche innere Spannung, um der/dem äußerlichen Kraft/Zwang entgegenzuwirken. Die Kraft kann verwendet werden, um eine äußerliche Belastung voranzutreiben und dadurch das SMA-Material in die Lage zu versetzen, als ein Aktuator verwendet zu werden.
A. SME in eine Richtung
In der vorhergehenden Beschreibung war das SMA-Material, welches pseudoplastischen Verformungen bei einer Temperatur unter M_f unterworfen wurde, in der Lage, die ihm verliehene ursprüngliche Gestalt durch Erwärmen über A_f wiederherzustellen. Ein anschließendes Abkühlen des Materials unter M_f induzierte keine weitere Formänderung. Anders ausgedrückt gab es eine eindeutige Form, die einer nicht belasteten SMA-Probe über A_f zugehörig war, diese konnte aber in vielen unterschiedlichen Formen bei Temperaturen unter M_f existieren. Somit zeigt das Material ein „Gedächtnis” nur beim Erwärmen und deshalb ist dieses Phänomen als Formgedächtniseffekt in eine Richtung bekannt.
B. SME in zwei Richtungen (TWSME, von two-way SME)
1. Intrinsisch
Eine thermomechanische Bearbeitung kann einer SMA die Fähigkeit verleihen, einen intrinsischen Formgedächtniseffekt in zwei Richtungen zu zeigen. Ein in geeigneter Weise bearbeitetes SMA-Material kann sich an zwei Formen erinnern: eine, die Temperaturen über A_f, und eine andere, die Temperaturen unter M_f zugehörig ist. Ein Erwärmen einer nicht belasteten Probe aus solch einem Material über A_f würde bewirken, dass die Probe ihre Hochtemperaturform erlangt, während ein Abkühlen derselben unter M_f sie in ihre Niedertemperaturform zurückbringen würde.
2. Extrinsisch
SMA mit einem SME in eine Richtung wurden bis zu einem Punkt entwickelt, an dem sie in einer Anzahl kommerzieller Anwendungen verwendet wurden. Hingegen befinden sich Materialien, welche einen TWSME zeigen, allgemein noch immer in Entwicklungsstufen. In vielen praktischen Anwendungen kann das Verhalten eines Elements, welches aus einer SMA hergestellt ist, die einen intrinsischen TWSME zeigt, von einem System reproduziert werden, welches ein Element umfasst, das aus einem SMA, welches einen SME in eine Richtung zeigt, in mechanischem Gegensatz zu einem anderen Element hergestellt ist, das als Vorspannelement bekannt ist. Man sagt, dass solche Systeme einen extrinsischen TWSME zeigen.
In diesen Systemen beherrscht eines der zwei Elemente das andere bei Temperaturen unter M_f, was zu einer Form (oder Gleichgewichtskonfiguration) für das System führt. Wenn die SMA über ihre A_f erwärmt wird, nimmt die Steifigkeit des SMA-Elements zu, wodurch sich die Gleichgewichtskonfiguration des Systems in seine Hochtemperaturform ändert. Ein anschließendes Abkühlen des SMA-Elements bewirkt, dass das System in seine Niedertemperaturform zurückkehrt.
Die Herausforderungen in Verbindung mit thermischen Vorrichtungen wie z. B. SMA-Aktuatoren umfassen die Verkürzung der Zykluszeit – der Zeit, die für die Vorrichtung erforderlich ist, um eine Betätigung und Stillsetzung durchzuführen, und den Schutz einer thermischen Überlastung der Vorrichtung. Die vorliegende Erfindung stellt Vorteile in diesen und anderen Bereichen für Systeme mit thermischen Vorrichtungen bereit.
ZUSAMMENFASSUNG
Die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen Aktuatorelementanordnungen mit Phasenänderungsmaterialien und Systeme umfassend und Verfahren zur Verwendung die/derselben vor. In einem Aspekt betrifft die vorliegende Offenlegung eine Anordnung mit einem thermisch aktivierten Material, die zwischen einem betätigten Zustand und einem nicht betätigten Zustand umwandelbar ist. Die Anordnung dieses Aspekts umfasst ein Aktuatorelement mit einem Aktuatormaterial, welches durch eine Betätigungstemperatur und eine Rücksetztemperatur definiert ist. Wenn dem Aktuatormaterial ein Reiz in der Form von Wärme zugeführt wird, die seine Temperatur auf oder über seine Betätigungstemperatur erhöht, führt das Aktuatorelement in Ansprechen darauf, dass es auf die Betätigungstemperatur erwärmt wird, eine Betätigung von einer nicht betätigten Form, in der sich die Aktuatoranordnung in dem nicht betätigten Zustand befindet, in eine betätigte Form durch, um die Aktuatoranordnung in den betätigten Zustand umzuwandeln. Ein Entfernen des Reizes führt zum Abkühlen des Materials; wenn das Material auf oder unter die Rücksetztemperatur abkühlt, führt das Aktuatorelement eine Stillsetzung von der betätigten Form zurück in die nicht betätigte Form durch. In einigen Ausführungsformen umfasst die Anordnung ferner einen Antriebsmechanismus, der mit dem Aktuatorelement verbunden ist, und ein Phasenänderungsmaterial (PCM), welches dem Antriebsmechanismus zugeordnet ist.
Das PCM weist ein PCM-Material auf, das durch eine Phasenänderungstemperatur definiert ist und bewirkt, dass das PCM in Ansprechen darauf, dass es auf oder über die Phasenänderungstemperatur erwärmt wird, von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand übergeht. Der Antriebsmechanismus bewirkt, dass das PCM direkt in das Aktuatorelement eingreift, wenn sich die Aktuatoranordnung in dem nicht betätigten Zustand befindet, und von dem Aktuatorelement ausgerückt wird, wenn sich die Aktuatoranordnung in dem betätigten Zustand befindet.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Offenlegung auch eine Aktuatoranordnung mit einem thermisch aktivierten Material, die zwischen einem betätigten Zustand und einem nicht betätigten Zustand umwandelbar ist. Die Anordnung dieses Aspekts umfasst ein Aktuatorelement mit einem Aktuatormaterial, welches durch eine Betätigungstemperatur und eine Rücksetztemperatur definiert ist. Das Aktuatormaterial bewirkt, dass das Aktuatorelement in Ansprechen darauf, dass es auf die Betätigungstemperatur erwärmt wird, eine Betätigung von einer nicht betätigten Form, in der sich die Aktuatoranordnung in dem nicht betätigten Zustand befindet, in eine betätigte Form durchführt, um die Aktuatoranordnung in den betätigten Zustand umzuwandeln. Das Aktuatormaterial bewirkt in Ansprechen darauf, dass es auf die Rücksetztemperatur abgekühlt wird, auch, dass das Aktuatorelement eine Betätigung von der betätigten Form zurück in die nicht betätigte Form durchführt. Die Anordnung umfasst ferner einen Antriebsmechanismus, der mit dem Aktuatorelement verbunden ist, und ein PCM, welches dem Antriebsmechanismus zugeordnet ist. Der Antriebsmechanismus bewirkt, dass das PCM während eines Teils (z. B. der Betätigung) des Aktuatorzyklus in direktem thermischen Kontakt mit dem SMA-Aktuatorelement angeordnet wird und während des anderen Teils (z. B. der Stillsetzung) des Aktuatorzyklus von dem direkten thermischen Kontakt mit dem Aktuatorelement entfernt wird.
Das PCM weist ein PCM-Material auf, das durch eine Phasenänderungstemperatur definiert ist und bewirkt, dass das PCM in Ansprechen darauf, dass es auf oder über die Phasenänderungstemperatur erwärmt wird, von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand übergeht. Die Phasenänderung ist von einer beträchtlichen Aufnahme (z. B. Schmelzen eines Festkörpers) oder Abgabe (z. B. Gefrieren einer Flüssigkeit) von Wärme bei einer nahezu konstanten Temperatur oder über einem schmalen Bereich von Temperaturen begleitet. Diese Fähigkeit, große Wärmemengen aufzunehmen (z. B. die latente Schmelzwärme) oder freizusetzen (z. B. die latente Schmelzwärme), im Vergleich mit der merklichen Wärme, die aufgenommen oder abgegeben wird, wenn das Material keine Änderung der Phase erfährt (z. B. das Erwärmen oder Abkühlen eines Festkörpers auf oder unter seinen Schmelzpunkt), macht PCM-Materialien für Wärmemanagementanwendungen attraktiv. Während Fest/Fest- und Flüssig/Fest-Phasenumwandlungen auch zur Wärmeaufnahme, -speicherung und -abgabe in großem Maßstab verwendet werden können, verwenden die meisten PCM die Fest/Flüssig-Phasenänderung.
Zur einfacheren Erklärung ist in der vorliegenden Anmeldung primär eine Fest/Flüssig-Phasenänderung beschrieben – die hierin verwendeten Begriffe umfassen z. B. feste Phase, flüssige Phase, Schmelzpunkt, Schmelzen und Erstarren anstelle von Vor-Umwandlungsphase, Nach-Umwandlungsphase, Phasenumwandlungstemperatur, Vorwärts-Umwandlung bzw. Rückwärts-Umwandlung. Es sollte jedoch einzusehen sein, dass die Wahl der Begriffsdefinition die anderen Arten von PCM nicht ausschließen soll.
Das PCM-Element kann allgemein die Form einer einfachen Beschichtung aus einem PCM annehmen, welche das SMA-Aktuatorelement umgibt, oder es kann die Form einer aus einem PCM hergestellten Ummantelung annehmen, die über einen SMA-Aktuator geschoben ist, oder es kann die Form eines thermischen Verbundstoffes annehmen, der PCM- und Nicht-PCM-Bestandteile umfasst, oder es kann die Form einer ein PCM enthaltenden festen Einfassung annehmen. Der thermische Verbundstoff kann das Nicht-PCM-Material innerhalb einer PCM-Matrix (z. B. ein Kupfernetz in einem thermischen Paraffin-Verbundstoff zur Verbesserung des thermischen Diffusionsvermögens des thermischen PCM-Verbundstoffes) aufweisen oder das PCM-Material eingekapselt in einer Nicht-PCM-Matrix (z. B. PCM-Mikrokugeln, die in einer thermisch leitfähigen Silikonmatrix verteilt sind) aufweisen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Offenlegung auch eine thermisch aktivierte Aktuatoranordnung, die zwischen einem betätigten Zustand und einem nicht betätigten Zustand umwandelbar ist. Die Anordnung umfasst ein Aktuatorelement mit einem Aktuatormaterial, welches durch eine Betätigungstemperatur und eine Rücksetztemperatur definiert ist. Wenn das Aktuatormaterial einem thermischen Reiz ausgesetzt wird, bewirkt es, dass das Aktuatorelement in Ansprechen darauf, dass es auf die Betätigungstemperatur erwärmt wird, eine Betätigung von einer nicht betätigten Form, in der sich die Aktuatoranordnung in dem nicht betätigten Zustand befindet, in eine betätigte Form durchführt, um die Aktuatoranordnung in den betätigten Zustand umzuwandeln.
Wenn das Aktuatormaterial einem thermischen Reiz ausgesetzt wird, bewirkt es auch, dass das Aktuatorelement in Ansprechen darauf, dass es auf die Rücksetztemperatur abgekühlt wird, von der betätigten Form in die nicht betätigte Form zurückkehrt. In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung umfasst die Anordnung einen thermischen Verbundstoff. Der thermische Verbundstoff umfasst ein PCM-Material, das durch eine Phasenänderungstemperatur definiert ist und bewirkt, dass das PCM in Ansprechen darauf, dass es auf die Phasenänderungstemperatur erwärmt wird, von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand übergeht. Der thermische Verbundstoff umfasst auch ein Nicht-PCM-Material, das mit dem PCM-Material verteilt ist, wobei das Nicht-PCM-Material eine höhere Leitfähigkeit aufweist als das PCM-Material, um dadurch die Übertragung von Wärme, die in ein proximales Gebiet des PCM eingebracht wird, in ein distales Gebiet des PCM zu fördern.
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden hierin zum Teil offensichtlich und zum Teil dargelegt.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht einen Querschnitt einer Aktuatoranordnung einschließlich eines Elements aus einem Phasenänderungsmaterial gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung.
2 veranschaulicht einen Querschnitt einer Aktuatoranordnung einschließlich eines thermischen Verbundstoffes mit einem Phasenänderungsmaterial gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung.
3A veranschaulicht einen Querschnitt einer Aktuatoranordnung einschließlich beweglicher Massen, welche ein Phasenänderungsmaterial umschließen oder umfassen, vor einer Betätigung, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung.
3B veranschaulicht den Querschnitt der Aktuatoranordnung von 3A nach einer Betätigung.
4A veranschaulicht einen Querschnitt einer Aktuatoranordnung einschließlich beweglicher Massen aus einem Phasenänderungsmaterial vor einer Betätigung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung.
4B veranschaulicht den Querschnitt der Aktuatoranordnung von 4A nach einer Betätigung.
5A veranschaulicht einen Querschnitt einer Aktuatoranordnung einschließlich eines Phasenänderungsmaterialbades vor einer Betätigung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung.
5B veranschaulicht den Querschnitt der Aktuatoranordnung von 5A nach einer Betätigung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Wie erforderlich, sind hierin detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung offenbart. Die offenbarten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und können in verschiedenen und alternativen Formen und Kombinationen daraus ausgeführt sein. Wie hierin verwendet, beziehen sich z. B „beispielhaft” und ähnliche Ausdrücke in großem Umfang auf Ausführungsformen, die als eine Veranschaulichung, eine Probe, ein Modell oder Muster dienen.
Die Fig. sind nicht unbedingt maßstabgetreu und einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um so Details spezieller Komponenten zu zeigen. In einigen Fällen wurden gut bekannte Komponenten, Systeme, Materialien und Verfahren nicht im Detail beschrieben, um zu vermeiden, dass die vorliegende Offenlegung unklar wird. Aus diesem Grund sind spezifische strukturelle und funktionelle Details, die hierin offenbart sind, nicht als einschränkend sondern nur als Basis für die Ansprüche und als eine repräsentative Basis dafür zu betrachten, einen Fachmann zu lehren, die vorliegende Offenlegung verschiedenartig zu verwenden.
I. Übersicht der Offenlegung
In verschiedenen Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Offenlegung Anordnungen mit einem temperaturempfindlichen Element wie z. B. einem Formgedächtnislegierungs(SMA, von shape memory alloy)-Aktuatorelement und einem Phasenänderungsmaterial(PCM, von phase change material)-Element zum Wärmemanagement des temperaturempfindlichen Elements. Wenngleich die Ausführungsformen allgemein in Verbindung mit SMA-Aktuatoren beschrieben sind, kann die Lehre der vorliegenden Offenlegung mit Anordnungen umgesetzt werden, die andere thermisch aktivierte aktive Materialien aufweisen.
In verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen ist das PCM-Element in der Anordnung so angeordnet, dass es in permanentem oder zeitweiligem thermischen Kontakt mit dem SMA-Aktuatorelement steht. Das PCM-Element beeinflusst die Leistung des SMA-Aktuators durch Verkürzung der Betätigungszeit des Aktuators, Verkürzen der Stillsetzungszeit des Aktuators und/oder Bereitstellung eines Schutzes gegen thermische Überlastung des thermisch aktiven Elements.
II. Temperaturempfindliches Element
Als beispielhafte temperaturempfindliche Elemente sind primär Formgedächtnislegierungen (SMA) und Formgedächtnispolymere (SMP, von shape memory polymers) beschrieben.
A. Formgedächtnislegierungen
SMA sind Legierungen, welche die Fähigkeit zeigen, in eine zuvor definierte Form und/oder Größe zurückzukehren, wenn sie einem entsprechenden thermischen Reiz unterworfen werden. SMA werden typischerweise verwendet, um mechanische Arbeit zu verrichten. Eine SMA kann z. B. mit einer Last wie z. B. einem Schalter oder einer Masse, der/die bewegt werden soll, und mit einer Initiierungsquelle gekoppelt sein, die betreibbar ist, um ein Aktivierungssignal an die SMA zu liefern. Das Aktivierungssignal kann z. B. ein thermischer Eingang, ein mechanischer Eingang oder eine Kombination, ein thermomechanischer Eingang, sein.
Die Aktuatoranordnungen der vorliegenden Offenlegung können in einem breiten Kontext verwendet werden. Aktuatoranordnungen können beispielsweise in Kraftfahrzeuganwendungen wie z. B. als Kraftstoffinjektoren oder Fahrgastraumausstattungen (z. B. eine Sitzlendenstützungssteuerung) verwendet werden.
Die Aktivierungswärmequelle kann eine Wärmequelle außerhalb der Aktuatoranordnung wie z. B. ein Autoabgassystem, -heizungs/kühlsystem oder -motor sein. Die Wärme von der äußeren Quelle könnte andernfalls ungenutzte Überschuss- oder Nebenproduktwärme sein. Die Rückgewinnung solcher Überschusswärme ist eine effiziente Möglichkeit, um SMA-Arbeit zu erzeugen, da die Aktivierungswärme nicht separat erzeugt werden muss und die genutzte Überschusswärme nicht verschwendet wird. Überschusswärme könnte von der Quelle auch in der Weise zurückgewonnen werden, dass die Quelle in dem Prozess vorteilhafterweise gekühlt wird.
In einigen Ausführungsformen könnte die Initialisierungsquelle auch eine elektrische Stromversorgung, Wechsel- oder Gleichstrom und thermische Energie sein, die erzeugt wird, indem der Strom durch einen Widerstand geleitet wird. Diese Art von Heizung ist als Ohm'sche Heizung bekannt. Die elektrische Versorgung kann z. B. ein Ladesystem eines Fahrzeuges sein, in dem die SMA verwendet wird. Ein Controller (z. B. ein Computercontroller) kann mit der Wärme- oder elektrischen Quelle und der SMA gekoppelt sein, um die Betätigung der SMA und/oder die zeitliche Abfolge des Eingriffes zwischen der SMA und dem PCM zu steuern.
SMA sind in der Lage, Phasenübergänge zu erfahren, in denen ihre Steifigkeit, Abmessung und/oder Form als eine Funktion der Temperatur verändert werden. Im Allgemeinen können SMA in der Niedertemperatur- oder Martensitphase plastisch verformt werden und werden, wenn sie einer höheren Temperatur ausgesetzt sind, in eine Austenitphase oder Mutterphase übergehen und in ihre permanente Form zurückkehren. Die Austenitphasenform kann während der Herstellung des SMA-Elements festgelegt werden. Materialien, die diesen Formgedächtniseffekt nur beim Erwärmen zeigen, werden als solche mit einem Formgedächtnis in einer Richtung bezeichnet. Materialien, die auch beim Wiederabkühlen ein Formgedächtnis zeigen, werden als solche mit einem Formgedächtnisverhalten in zwei Richtungen bezeichnet, wie nachfolgend weiter beschrieben.
SMA liegen in mehreren verschiedenen temperaturabhängigen Phasen vor. Die am häufigsten verwendeten dieser Phasen sind die sogenannte Martensit- und die Austenitphase, die oben erwähnt sind. In der nachfolgenden Erläuterung bezieht sich die Martensitphase allgemein auf die stärker verformbare Phase niedrigerer Temperatur, wohingegen sich die Austenitphase allgemein auf die steifere Phase höherer Temperatur bezieht. Wenn sich die SMA 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 endet, wird oft als Austenit-Endtemperatur (A_f) bezeichnet.
Wenn sich die SMA 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 Hinblick auf das Vorhergehende ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit SMA ein thermisches Aktivierungssignal in einer Größenordnung, um Umwandlungen zwischen der Martensit- und der Austenitphase zu bewirken.
SMA 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 SMA 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 die ursprüngliche, geglühte Form oder die permanente Form wiedererlangen. Somit werden Formgedächtniseffekte in eine Richtung nur beim Erwärmen beobachtet. Aktive Materialien, die SMA-Zusammensetzungen umfassen, welche Gedächtniseffekte in eine Richtung zeigen, kehren beim Abkühlen nicht automatisch in ihre temporäre Form oder verformte Form zurück und es ist wahrscheinlich, dass sie eine äußere mechanische Kraft benötigen, um in ihre temporäre Form zurückzukehren.
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. Ein intrinsisches Formgedächtnisverhalten in zwei Richtungen muss in dem Formgedächtnismaterial durch thermomechanische 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 beigebracht wurde, den Formgedächtniseffekt in zwei Richtungen zu zeigen, ist die Formänderung zwischen den Niedrig- und Hochtemperaturzuständen allgemein reversibel und bleibt über eine große Anzahl thermischer Zyklen hinweg erhalten. Im Gegensatz dazu sind aktive Materialien, die die extrinsischen Formgedächtniseffekte in zwei Richtungen zeigen, Verbund- oder Mehrkomponentenmaterialien, die eine SMA-Zusammensetzung, welche einen Effekt in eine Richtung zeigt, mit einem weiteren Element kombinieren, das eine Rückstellkraft bereitstellt, um die ursprüngliche Form des Verbundstoffes wiederzuerlangen.
Die Temperatur, bei der die SMA ihre permanente Form wiedererlangt, wenn sie erwärmt wird, kann durch geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch Wärmebehandlung angepasst werden. In Nickel-Titan-SMA 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 Grad statt und der Anfang oder das Ende der Umwandlung kann, abhängig von der gewünschten Anwendung und Legierungszusammensetzung, innerhalb von einem oder zwei Grad gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der SMA variieren stark über den Temperaturbereich, der ihre Umwandlung überspannt, und verleihen dem System typischerweise Formgedächtniseffekte, superelastische Effekte und ein hohes Dämpfungsvermögen.
Geeignete SMA-Materialien 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-, Kupfer-Titan-Nickel- 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-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 einer Abmessung, des Elastizitätsmoduls des Dämpfungsvermögens und dergleichen.
Im typischen Gebrauch zeigen SMA einen Modulanstieg des 2,5-fachen und eine Abmessungsänderung (Rückverformung einer pseudoplastischen Verformung, die in der Martensitphase induziert wird) von bis zu 8% (abhängig von dem Ausmaß der Vorverformung), wenn sie über ihre Martensit/Austenit-Phasenübergangstemperatur erwärmt werden. Eine beispielhafte handelsübliche SMA ist Flexinol^® (Flexinol ist ein eingetragenes Markenzeichen von Dynalloy, Inc., Tustin, Kalifornien).
B. Formgedächtnispolymere
Thermisch aktivierte Formgedächtnispolymere (SMP) sind Polymere, welche die folgenden Eigenschaften zeigen:

1. Ihr Elastizitätsmodul ändert sich deutlich (üblicherweise um zwischen etwa einer und drei Größenordnungen) über einen schmalen Übergangstemperaturbereich;
2. Dieser Temperaturbereich kann so eingestellt werden, dass er durch Verändern der Zusammensetzung des Polymers innerhalb eines großen Bereiches eingestellt werden kann, der das Intervall von etwa 0 bis etwa 150°C umfasst; und
3. Bei Temperaturen über diesem Übergangsbereich ist ein begrenztes gummiartiges Plateau im elastischen Ansprechen des Materials, wo der Modul ziemlich konstant bleibt.

Auch Eigenschaften von SMP neben dem Elastizitätsmodul wie z. B. die Durchlässigkeit gegenüber Feuchtigkeit, der Brechungsindex etc. zeigen eine deutliche Änderung über den Übergangstemperaturbereich hinweg. SMP, die durch andere Stimuli wie z. B. Licht, Feuchtigkeit etc. aktiviert werden, zeigen ein ähnliches Verhalten, wobei die Änderung der Eigenschaften über einen Bereich von endlichen, separaten, diskreten Werten des spezifischen Reizes, oder diesem entsprechend stattfindet.
Diese Eigenschaften sind das Ergebnis der Morphologie des Polymers, welches Ketten von Atomen umfasst, die durch zwei Arten von Vernetzungen verbunden sind: irreversiblen und reversiblen. Die letztere Art kann durch Zufuhr von ausreichend thermischer Energie, um die Temperatur des Polymers über den Übergangsbereich in thermisch aktivierten SMP anzuheben, aufgebrochen werden. In diesem Zustand werden die Ketten in dem Polymer nur durch irreversible Vernetzungen zusammengehalten. Demzufolge ist der Elastizitätsmodul des Polymers niedrig und das Material kann auf hohe Dehnungen (z. B. bis zu etwa 300%) gestreckt werden.
Auf Grund der geringeren Anzahl an Vernetzungen können sich die Polymerketten relativ zueinander über beträchtliche Distanzen bewegen, um die großen Formänderungen unterzubringen, ohne das Aufbrechen der reversiblen Vernetzungen, und damit ein plastisches Versagen nach sich zu ziehen. Wenn diese Verformung aufrechterhalten wird, während das Polymer auf eine Temperatur unter dem Übergangsbereich abgekühlt wird, werden die reversiblen Vernetzungen zwischen den Polymerketten in ihren neuen Positionen gebildet. Die erhöhte Dichte an Vernetzungen schränkt die relative Bewegung der Polymerketten ein und erhöht somit die Steifigkeit des Materials. Die neu gebildeten reversiblen Vernetzungen dienen dazu, die dem Polymer verliehene Verformung über dem Übergangsbereich einzusperren. Experimente haben gezeigt, dass das Polymer die verformte Form über lange Zeit (bis zu 6 Monate) beibehalten kann, solange sie innerhalb der Elastizitätsgrenze des Polymers unter dem Übergangsbereich belastet werden und die Materialtemperatur nicht in oder über den Übergangsbereich ansteigt. Ein anschließendes Erwärmen des Polymers über den Übergangsbereich bewirkt, dass die reversiblen Vernetzungen aufbrechen, und wenn das Material frei von äußeren Belastungen ist, bildet es die zuvor in ihm induzierte Verformung über dem Übergangsbereich zurück. Die Verformungsrückbildung ist nahezu vollständig, in vielen Fällen z. B. zu etwa 98% oder mehr. Somit können SMP temporäre Formen verliehen werden, indem sie über dem Übergangsbereich verformt werden und sie unter den Übergangsbereich abgekühlt werden. Die ursprüngliche Form kann durch einfaches Erwärmen des Polymers über den Übergangsbereich bei Nichtvorhandensein von äußeren Belastungen zurückgebildet werden.
In Abhängigkeit von der Natur der Polymermorphologie kann eine breite Vielfalt von SMP gebildet werden. Eine Möglichkeit der Klassifizierung von SMP beruht auf der Natur der Vernetzungen. Die irreversiblen Vernetzungen in duroplastischen SMP werden durch kovalente Bindungen gebildet. Thermoplastische SMP weisen nicht wirklich irreversible Vernetzungen auf. Es sind vielmehr zwei Arten von reversiblen Vernetzungen, die über fein getrennte Temperaturbereiche gebildet und aufgebrochen werden. Jeder dieser Temperaturbereiche, über die hinweg sich das Polymer in einer oben spezifizierten Weise verhält, kann als ein Übergangsbereich für das Material bezeichnet werden. Typischerweise wird der tiefste Temperaturbereich, der in den Bereich normaler Betriebsbedingungen für das Material fällt, als der Übergangsbereich verwendet. Wenn das Material über seinen Übergangsbereich erwärmt wird, werden nur die Vernetzungen aufgebrochen, welche diesem Bereich und allen tieferen Bereichen entsprechen. Die Vernetzungen, welche sich bei höheren Temperaturen bilden und aufgebrochen werden, sind nicht betroffen und sie spielen die Rolle irreversibler Vernetzungen in dieser Klasse von SMP.
Die oben erwähnten Änderungen der Eigenschaften finden statt, wenn die Temperatur des Polymers eine charakteristische Umschalttemperatur überschreitet. Wenn die reversiblen Vernetzungen der Ausbildung eines glasförmigen Zustandes (d. h. einer Verglasung) zugeschrieben werden, ist die charakteristische Umschalttemperatur für diesen Zustand die Glasübergangstemperatur. Wenn die reversiblen Vernetzungen auf Grund der Ausbildung von mikrokristallinen Gebieten gebildet werden, ist die charakteristische Umschalttemperatur für diesen Zustand die Schmelztemperatur.
Ein SMP kann mehrere Umschalttemperaturen zeigen, die der Ausbildung oder Auflösung verschiedener Phasen entsprechen. Üblicherweise entspricht die höchste Umschalttemperatur der Temperatur, über der die permanente Form des SMP festgelegt wird. Es kann jede andere der verbleibenden (d. h. niedrigeren) Umschalttemperaturen für eine spezielle Anwendung basierend auf den spezifischen Bedürfnissen für diese Anwendung gewählt werden.
Eine temporäre Form kann festgelegt werden, indem das Material auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher ist als die gewählte Umschalttemperatur des polymeren Materials, aber niedriger als die nächsthöhere Umschalttemperatur des Materials. Die temporäre Form wird festgelegt, während das Material bei oder über dieser Temperatur in seine Form verformt wird, gefolgt von einem Abkühlen desselben unter die gewählte Umschalttemperatur, während die Form beibehalten wird, um die Form zu fixieren. Das Material kann in die permanente Form zurückgebracht werden, indem das Material über die gewählte Umschalttemperatur erwärmt wird. In einigen Ausführungsformen ist es wichtig sicherzustellen, dass keine äußeren Belastungen auf das Material wirken, während es in die permanente Form zurückgebracht wird.
Zum Beispiel kann die permanente Form des polymeren Materials ein Draht sein, der eine im Wesentlichen gerade 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 weiteren Ausführungsform kann das Material eine Feder darstellen, die einen ersten Elastizitätsmodul aufweist, wenn sie aktiviert ist, und einen zweiten Elastizitätsmodul aufweist, wenn sie deaktiviert ist.
Die für die Wiederherstellung der Permanentform erforderliche Temperatur kann bei einer beliebigen Temperatur zwischen etwa –63°C und etwa 120°C oder darüber festgelegt sein. Die technische Planung der Zusammensetzung und Struktur des Polymers selbst kann die Wahl einer bestimmten Temperatur für eine gewünschte Anwendung zulassen. Eine bevorzugte Temperatur für die Formrückbildung ist höher oder gleich etwa –30°C, stärker bevorzugt höher oder gleich etwa 0°C und am stärksten bevorzugt eine Temperatur höher oder gleich etwa 50°C. Auch ist eine bevorzugte Temperatur für die Formwiedererlangung niedriger oder gleich etwa 120°C und am stärksten bevorzugt niedriger oder gleich etwa 120°C und höher oder gleich etwa 80°C.
Geeignete SMP umfassen Thermoplaste, Duroplaste, Durchdringungsnetzwerke, halbdurchdringende Netzwerke oder gemischte Netzwerke. Die Polymere können ein einzelnes Polymer oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können lineare oder verzweigte thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder dentritischen Strukturelementen sein. Geeignete Polymerkomponenten zum Bilden eines Formgedächtnispolymers umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Polyphosphazane, Polyvinylalkohole, Polyamide, Polyesteramide, Polyaminosäure(n), Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglykole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterphthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylaktide, Polyglykolide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere davon. Beispiele für geeignete Polyacrylate umfassen Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat und Polyoctadecylacrylat. Beispiele für weitere geeignete Polymere umfassen Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidin, chloriertes Polybutylen, Polyoctadecylvinylether, Ethylenvinylacetat, Polyethylen, Polyethylenoxid-Polyethylen-Terephthalat, Polyethylen/Nylon (Pfropf-Copolymer), Polycaprolaktonpolyamid (Blockcopolymer), Polycaprolaktondimethacrylat-n-Butylacrylat, polyhedrales oligomeres Polynorbornylsilsequioxan, Polyvinylchlorid, Urethan/Butadien-Copolymere, polyurethanhaltige Blockcopolymere, Styrol-Butadienstyrol-Blockcopolymere und dergleichen.
Während SMP verschiedentlich in Block-, Tafel-, Platten-, Gitter, Fachwerk, Faser- oder Schaumform verwendet werden können, benötigen sie kontinuierlich Leistung, um in ihrem Zustand mit niedrigem Modul zu bleiben.
III. Phasenänderungsmaterialien
Phasenänderungsmaterialien (PCM) können zur Speicherung und Abgabe latenter Wärme verwendet werden. PCM weisen eine relativ hohe Umwandlungsenthalpie in Verbindung mit einer Phasenänderung (z. B. latente Schmelzwärmen in Verbindung mit einer Phasenänderung von fest zu flüssig) auf und sind in der Lage, relativ große Energiebeträge zu speichern und freizusetzen. Wenn das Material sein Phase ändert, z. B. von fest zu flüssig, flüssig zu fest, fest zu gasförmig, gasförmig zu flüssig und fest zu fest, wird Wärme aufgenommen oder abgegeben. Die am häufigsten verwendete Phasenänderung ist von fest zu flüssig. Im Allgemeinen finden Phasenänderungen von flüssig zu gasförmig relativ schnell statt und beinhalten eine relativ hohe Umwandlungsenthalpie, und Phasenänderungen von fest zu fest finden relativ langsam statt und beinhalten eine relativ geringe Umwandlungsenthalpie.
Wenn z. B. ein Fest/Flüssig-PCM erwärmt wird, verhält sich das PCM zu Beginn wie ein empfindliches Wärmespeicher(SHS, von sensible heat storage)-Material, wobei sich seine Temperatur erhöht, wenn es Wärme aufnimmt. Allerdings nehmen Fest-Flüssig-PCM im Gegensatz zu SHS-Materialien, wenn sie die Temperatur erreichen, bei der sie die Phase ändern, große Mengen von Wärme auf, während sie eine nominell konstante Temperatur beibehalten. Das Fest/Flüssig-PCM wird damit fortsetzen, Wärme ohne einen wesentlichen Temperaturanstieg aufzunehmen, bis das gesamte Material in die flüssige Phase umgewandelt ist. Andere Arten von PCM zeigen ähnliche Verhaltensweisen.
Wenn die Temperatur eines PCM in seiner flüssigen Phase unter die Phasenänderungstemperatur reduziert ist, gibt das PCM seine gespeicherte latente Wärme ab und erstarrt schließlich, wenn die benachbarte Temperatur unter seinem Schmelzpunkt liegt.
Man schätzt, dass PCM zwischen etwa fünf und etwa vierzehn Mal mehr Wärme pro Volumeneinheit speichern als einige Wärme aufnehmende Materialien wie z. B. Wasser, Mauerwerk oder Stein. PCM sind mit einer beliebigen einer großen Vielfalt von Phasenänderungstemperaturen erhältlich. Es sind z. B. PCM mit Phasenänderungstemperaturen zwischen etwa –5°C und etwa 190°C erhältlich.
PCM-Arten umfassen organische PCM und anorganische PCM. Organische PCM umfassen z. B. Paraffin (C_nH_2n+2) wie z. B. Oktadecan und Fettsäuren (CH₃(CH₂)_2nCOOH). Anorganische PCM umfassen z. B. Salzhydrate (MnH₂O). Eine andere Art von PCM sind Eutektika, die eine Kombination aus verschiedenen organischen Materialien oder organischen und anorganischen Materialien sind.
Die Variablen zur Auswahl eines PCM umfassen die thermischen Eigenschaften (z. B. die Schmelzwärme pro Volumeneinheit, die spezifische Wärme, die Wärmeleitfähigkeit/volumetrische Wärmespeicherrate, die Wärmeabgaberate), kinematische Eigenschaften (z. B. die Volumenänderung, die Phasenänderungskongruenz, die Schmelzkongruenz und die Kristallkeimbildung (Selbstkristallkeimbildung gegenüber der Notwendigkeit eines Kristallkeimbildungsmittels)), chemische Eigenschaften (z. B. Stabilität, Ausmaß der Entmischung, volle Umkehrbarkeit zwischen Phasenänderungen, Degradation nach einer großen Anzahl von Phasenänderungszyklen und Korrosionsanfälligkeit) und wirtschaftliche Faktoren (z. B. Kosten und Verfügbarkeit).
IV. Phasenänderungsmaterial-Beschichtung
Wendet man sich nun den Fig. und im Spezielleren 1 zu, so ist eine beispielhafte wärmeempfindliche Anordnung 100 beschrieben, welche Phasenänderungsmaterialien (PCM) verwendet. Die Anordnung 100 umfasst ein wärmeempfindliches Element 102 und ein PCM 4 mit einer definierenden Phasenänderungstemperatur. Das PCM 104 beschichtet, umgibt und/oder umkapselt das wärmeempfindliche Element 102. Die Anordnung 100 ist derart angeordnet, dass das PCM 104 für den gesamten oder einen Teil des Betätigungs/Stillsetzungszyklus des wärmeempfindlichen Elements 102 in thermischem Kontakt mit dem wärmeempfindlichen Element 102 steht. Wenngleich die Lehren der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, um die Leistung anderer wärmeempfindlicher Elemente 102 zu verbessern, ist das wärmeempfindliche Element primär beispielhaft als wärmeempfindlicher Aktuator und im Spezielleren als ein SMA-Aktuatorelement beschrieben.
Übliche Formen für SMA-Aktuatorelemente 102 umfassen Drähte, einseitig eingespannte Träger, Federn, ein Band, einen Streifen, eine Folie, Rohrleitungen, Kabel, Seile und Litzen. Das SMA-Aktuatorelement 102 kann eine oder mehrere Komponenten umfassen. In einigen Ausführungsformen (nicht im Detail gezeigt) umfasst das SMA-Aktuatorelement 102 beispielsweise einen einzigen Draht oder ein Bündel aus Drähten, z. B. parallel oder als Litze. Die Komponenten solcher Mehrkomponenten-SMA-Aktuatorelemente können die gleichen oder unterschiedlichen Eigenschaften wie Größe, Form und Material aufweisen.
Das PCM 104 ist im Hinblick auf das SMA-Aktuatorelement 102 derart geformt, dimensioniert und angeordnet, um die Betätigungszeit des SMA-Aktuatorelements 102 zu reduzieren, die Stillsetzungszeit des SMA-Aktuatorelements 102 zu reduzieren und/oder die Aktuatoranordnung 100 im Allgemeinen oder das SMA-Aktuatorelement 102 im Speziellen gegen Überhitzen zu schützen, wie nachfolgend in größerem Detail beschrieben.
Das PCM 104 umfasst eine erste Fläche 104b, die in der Anordnung 100 derart dimensioniert, geformt und angeordnet ist, dass sie mit einer Fläche 102a des SMA-Aktuatorelements 102 in Kontakt steht. In verschiedenen Ausführungsformen ist das PCM 104 derart dimensioniert, geformt und angeordnet, um mit der Fläche 102a des SMA-Aktuatorelements permanent oder zeitweilig in Eingriff zu stehen. Der Kontakt kann als eine thermische Kopplung zwischen den zwei Elementen 102, 104 bezeichnet werden. In der Ausführungsform, welche in 1 veranschaulicht ist, ist eine zweite Fläche 104a des PCM 104 gegenüber einer umliegenden Umgebung 108 (z. B. Luft) ausgesetzt.
Die PCM-Komponente 104, welche die Form einer Beschichtung, einer Ummantelung, eines Zylinders etc. annehmen kann, ändert die Phase, wenn ihre Temperatur die Phasenänderungstemperatur erreicht. Während auch Fest/Fest- und Flüssig/Gas-Phasenumwandlungen als PCM verwendet werden können, die in der Lage sind, Wärme zu speichern/abzugeben, verwenden die meisten üblichen PCM-Anwendungen die Fest/Flüssig-Phasenänderung. Als solche umfassen die hierin verwendeten Begriffe für die Fest/Flüssig-PCM der Einfachheit halber feste Phase, flüssige Phase, Schmelzpunkt, Schmelzen und Erstarren anstelle von Vor-Umwandlungsphase, Nach-Umwandlungsphase, Phasenumwandlungstemperatur, Vorwärts-Umwandlung bzw. Rückwärts-Umwandlung. Es sollte jedoch einzusehen sein, dass die vorliegende Offenlegung auf andere Arten von PCM zutrifft.
Das PCM 104 kann derart gewählt und/oder eine Zusammensetzung aus einem PCM-Material sein, welches maßgeschneidert ist, um gewünschte Eigenschaften zu erzielen. Das PCM 104 kann z. B. derart ausgewählt sein, dass es eine gewählte Phasenänderungstemperatur aufweist. Variablen zum Auswählen einer Phasenänderungstemperatur, umfassen die Betätigungstemperatur des wärmeempfindlichen SMA-Aktuatorelements 102. Die Schmelz- oder Verdampfungstemperatur des PCM 104 kann z. B. als Prozentanteil der Phasenänderungstemperatur des SMA-Aktuatorelements 102 dargestellt werden. In einer Ausführungsform sind das PCM 104 und das SMA-Aktuatorelement 102 derart ausgewählt, dass das PCM 104 eine Phasenänderungstemperatur zwischen etwa 110% und etwa 125% der Aktivierungstemperatur des SMA-Aktuatorelements 102 aufweist.
Wie nachfolgend in größerem Detail beschrieben, kann das PCM 104 derart ausgewählt oder zugeschnitten sein, dass es eine Phasenänderungstemperatur unter, bei oder über der Betätigungstemperatur aufweist, um entsprechende vorteilhafte Wärmeübertragungseigenschaften zwischen dem PCM 104 und dem SMA-Aktuatorelement 102 zu fördern. Das PCM 104 zieht oder gibt z. B. abhängig von den relativen Temperaturen des PCM und des SMA-Aktuatorelements während und zwischen Betätigungszyklen Wärme von/an dem/das SMA-Aktuatorelement 102 ab.
Die Raten, mit denen das PCM 104 Wärme abzieht und abgibt sind zumindest teilweise von der Schmelzenthalpie des PCM 104 abhängig, die auch als die latente Schmelzwärme, latente Schmelzwärme oder Schmelzenthalpieänderung bekannt und üblicherweise mit dem Symbol ΔH_schmelz ausgedrückt wird. Die Standard(oder molare)-Schmelzenthalpie für ein Material ist der Betrag an Wärmeenergie, der für ein Mol des Materials absorbiert oder entwickelt wird, um Zustände wie z. B. von fest zu flüssig oder umgekehrt zu ändern. In einer Ausführungsform weist das PCM 104 eine Schmelzenthalpie zwischen etwa 100 Joule/Gramm (Jg) und etwa 300 Jg auf, wie es z. B. bei zumindest einigen Paraffinwachsen der Fall ist, wenngleich PCM mit einer großen Vielfalt anderer Schmelzenthalpien in den Anordnungen und Verfahren der vorliegenden Offenlegung verwendet werden können.
Wie auch nachfolgend weiter beschrieben, werden PCM 104 in einigen Ausführungsformen als kompakte Wärmespeicherelemente zum Vorwärmen des SMA-Aktuatorelements 102 verwendet, um die Betätigungszeiten für das SMA-Aktuatorelement 102 zu reduzieren und/oder die Umgebungsabhängigkeit der Betätigungszeiten zu reduzieren. In einer speziellen Ausführungsform wird das SMA-Aktuatorelement mithilfe des PCM 104 vorgewärmt, welches wiederum durch eine äußere Quelle, z. B. eine Zufuhr von Nebenprodukt- oder Überschusswärme von einem System außerhalb der Aktuatoranordnung 100 wie z. B. einem Motor oder einem Heiz/Kühlsystem eines Kraftfahrzeugs erwärmt wird, in dem die Aktuatoranordnung 100 verwendet wird.
In einigen Ausführungsformen ist das PCM 104 zumindest teilweise von einer Ummantelung 106 umgeben, wie in 1 gezeigt. Die PCM-Ummantelung 106 hält das PCM 104, wenn sich das PCM 104 in einem teilweise oder vollständig geschmolzenen Zustand befindet. Das Material der Ummantelung 106 kann so gewählt sein, dass es eine Wärmeübertragungsrate aufweist, die größer ist als jene des PCM 104 und in einigen speziellen Ausführungsformen größer ist als etwa 150% und etwa 200% einer Wärmeleitfähigkeit des PCM 104, um die Abfuhr von Wärmeenergie des PCM 104 zu erleichtern während das PCM 104 eingeschlossen ist. Die Ummantelung 106 kann jedes beliebige einer Vielfalt von Materialien und Kombinationen von Materialien umfassen. In einigen Ausführungsformen ist die Ummantelung 106 aus Kupfer (z. B. Kupferlegierungen) oder Aluminium (z. B. Aluminiumlegierungen) gebildet, die Wärmeleitfähigkeiten von etwa 400 Watt pro Kelvin pro Meter (W/mK) bzw. 250 W/mK aufweisen. In einigen Ausführungsformen weist die Ummantelung 106 eine Wärmeleitfähigkeit auf, die niedriger ist als jene des PCM 104 und so isolierende Eigenschaften zeigt, indem es die Wärme davon abhält, aus dem PCM durch die entsprechende Grenzfläche hindurch zu entweichen.
Die Ummantelung 106 kann in Bezug auf das PCM 104 derart dimensioniert, geformt und angeordnet sein, dass sie Wärme zwischen dem PCM 104 und der Umgebung 108 während eines Betriebes der Anordnung 100 auf eine erwünschte Art und Weise führt. Die Ummantelung 106 kann eine Vielfalt von Größen und Formen aufweisen. In einigen Ausführungsformen weist die Ummantelung 106 eine Form auf, die einer Form des SMA-Aktuatorelements 102 entspricht. In einigen Ausführungsformen ist die Ummantelung 106 dehnbar, um eine Ausdehnen und Zusammenziehen des PCM 104 durch Betriebszyklen der Anordnung 100 unterzubringen.
In der in 1 veranschaulichten Ausführungsform ist das PCM 104 derart dimensioniert, geformt und anderweitig ausgebildet, dass ein Abschnitt 104d des PCM 104, der distaler zu dem SMA-Aktuatorelement 102 liegt, effektiv als eine Ummantelung fungiert und mehrere proximale Abschnitte 104p des PCM 104 hält. In dieser Ausführungsform wird jegliches geschmolzenes oder verdampftes PCM durch den distalen Abschnitt 104d eingekapselt, solange der distale Abschnitt 104d nicht geschmolzen ist. In einigen Ausführungsformen ist die Anordnung 100 derart ausgebildet, dass die proximalen Gebiete 104p des PCM 104 an den Enden (nicht im Detail gezeigt) des PCM 104 noch nicht vollständig geschmolzen sind, so dass das geschmolzene PCM nicht aus den Enden abläuft. In einigen speziellen Ausführungsformen ist/sind eines oder mehrere Enden des PCM 104 thermisch an Masse gelegt, was die Endabschnitte des PCM 104 (z. B. proximal und distal) bei einer niedrigeren Temperatur (engl.: temperate) hält, während die Temperatur des proximalen Nicht-Endabschnitts des PCM 104 ansteigt und sie daher davor bewahrt, dass sie schmelzen. In einer speziellen Ausbildungsform ist/sind ein oder mehrere Enden des PCM 104 mit Endkappen (nicht gezeigt) ausgestattet, um ein Austreten von dem geschmolzenen PCM-Kern zu verhindern.
Die Anordnung 100 kann derart ausgebildet sein, dass das SMA-Aktuatorelement 102 eine vollständige Betätigung durchführen wird, bevor der weiter distale Abschnitt 104d des PCM in die flüssige oder Gasphase wechselt.
Um die Energieübertragung zwischen dem PCM 104 und dem SMA-Aktuatorelement 102 zu maximieren, sollte der Oberfläche/Oberfläche-Kontakt zwischen den zwei Elementen maximiert sein. In einer Ausführungsform wird die Anordnung 100 durch Ziehen des SMA-Aktuatorelements 102 durch das PCM hindurch gebildet, während sich das PCM in einer vollständigen oder zumindest teilweise flüssigen Phase befindet. In einer weiteren Ausführungsform wird die Anordnung 100 gebildet, indem das PCM 104 um das SMA-Aktuatorelement 102 herum geformt oder mit einer Schrumpffolie umhüllt wird.
In einer in Erwägung gezogenen Ausführungsform wird während der Ausbildung der Anordnung und/oder während eines Betriebes ein Zwischenmaterial (nicht gezeigt) zwischen das PCM 104 und das SMA-Aktuatorelement 102 eingebracht. In einer Ausführungsform kann beispielsweise eine Wärmeübertragungsgrenzfläche wie z. B. eine Wärmeleitpaste zwischen den beiden eingebracht werden.
In einem Aspekt der Offenlegung (nicht gezeigt) ist die Anordnung 100 oder das die Anordnung 100 umfassende System derart ausgebildet, dass ein Fluid (z. B. Luft, ein anderes Gas oder eine Flüssigkeit) kontinuierlich oder selektiv mit der äußeren Fläche 104a des PCM 104 in Eingriff steht. In einige Ausführungsformen ist das Fluid thermisch mit einer Quelle gekoppelt, die betreibbar ist, um das Fluid und damit das PCM 104 in Richtung einer Zieltemperatur zu erwärmen und/oder abzukühlen. Das heißt, wenn das PCM 104 erwärmt wird, wird das SMA-Aktuatorelement 102 durch das wärmere PCM 104 erwärmt.
Das PCM 104 kann verwendet werden, um das SMA-Aktuatorelement 102 vorzuwärmen, um die Betätigungszeit des Elements 102 zu verkürzen.
Bevor der Aktuator durch die Initialisierungsquelle (nicht gezeigt) erwärmt wird, können das PCM 104 und daher das SMA-Aktuatorelement 102 z. B. auf eine Temperatur erwärmt werden, die höher ist als die Umgebungstemperatur und unter der Rücksetztemperatur des SMA-Aktuatorelements 102 liegt. In diesem Beispiel müsste dann die Temperatur des SMA-Aktuatorelements 102 nur von der Temperatur des Fluids auf die Betätigungstemperatur erhöht werden. Dieser Prozess zur Verkürzung der Betätigungsdauer kann als Vorwärmen oder Betriebsvorbereitung des SMA-Aktuatorelements 102 bezeichnet werden und ist mit Bezugnahme auf die verschiedenen Implementierungsfälle nachfolgend in weiterem Detail beschrieben.
Umgekehrt kann das Fluid das PCM 104 und damit das SMA-Aktuatorelement kühlen. Nachdem das SMA-Aktuatorelement 102 betätigt wurde, könnte das relativ kühlere PCM 104 z. B. dabei helfen, die Temperatur des SMA-Aktuatorelements 102 unter seine Betätigungstemperatur zu bringen.
In einer Ausführungform (nicht gezeigt) ist ein PCM in einem inneren Gebiet des SMA-Aktuatorelements 102 angeordnet und in einer Ausführungsform ist ein PCM innerhalb des SMA-Aktuatorelements und um das SMA-Aktuatorelement 102 herum angeordnet. In beiden dieser Ausführungsformen können die oben beschriebenen Wärme- und/oder Kühlfluide in kontinuierlichen oder selektiven Kontakt mit dem innen liegenden und außen liegenden PCM gebracht sein.
V. Thermische PCM-Verbundstoffe
Das in Verbindung mit dem SMA-Aktuatorelement 102 verwendete PCM kann ein Teil eines thermischen Verbundstoffs sein. Thermische Verbundstoffe sind Kombinationen aus einer PCM- und einer Nicht-PCM-, üblicherweise einer festen Struktur. In einem Beispiel umfasst das PCM ein Kupfer- oder Siliziumgitter als die feste Struktur, eingetaucht in Paraffinwachs als das PCM. Solche Verbundstoffe oder Hybridmaterialien werden erzeugt, um spezifische Materialeigenschaften aufzuweisen. Eine Eigenschaft von reinem PCM 104 und eines thermischen PCM-Verbundstoffes ist die Wärmeleitfähigkeit. Was auch immer das PCM-Material ist, die Wärmeleitfähigkeit wird durch Hinzufügen eines hochleitfähigen Nicht-PCM erhöht. Für Ausführungsformen, in denen zu erwarten ist, dass das PCM in dem geschmolzenen Zustand fließt, muss das Nicht-PCM porös vorliegen, z. B. in der Form eines Gitters, um das Fließen zuzulassen.
2 zeigt eine Aktuatoranordnung 200, die ein SMA-Aktuatorelement 102 und einen thermischen PCM-Verbundstoff 204 umfasst. Der thermische PCM-Verbundstoff 204 umfasst ein PCM 210, das innerhalb oder um ein/es Nicht-PCM 212 herum verteilt oder eingegossen ist. In einigen Ausführungsformen bildet das Nicht-PCM 212 ein Netzwerk wie z. B. ein/e dreidimensionale/s Matrix oder Gitter, über welches das PCM 210 verteilt ist.
Das Nicht-PCM 212 kann eine Vielfalt von Formen und Größen aufweisen. Zum Beispiel ist das Nicht-PCM 212 in einer Ausführungsform aus miteinander verbundenen Zellen gebildet, die rechteckige (z. B. quadratische) Querschnitte bereitstellen. In einer in Erwägung gezogenen Ausführungsform sind einige oder alle Komponenten (z. B. Ränder oder Seiten) des Nicht-PCM 212 gewölbt.
In einer Ausführungsform (nicht gezeigt) umfasst der thermische PCM-Verbundstoff 204 Kugeln aus einem Nicht-PCM, die über ein PCM verteilt sind. In einer in Erwägung gezogenen Ausführungsform (ebenfalls nicht gezeigt) umfasst der thermische Verbundstoff 204 PCM-Kugeln, die über ein Nicht-PCM verteilt sind. Die Kugeln dieser Ausführungsformen können jede beliebige Vielfalt von Formen einschließlich kugelförmiger, würfelförmiger und länglicher aufweisen.
Das Nicht-PCM 212 jeder dieser Ausführungsformen erleichtert die Verteilung von Wärmeenergie von dem SMA-Aktuatorelement 102 zu den weiter distalen Gebieten 204d des thermischen PCM-Verbundstoffes 204, um die Absorption von Wärme von dem SMA-Aktuatorelement 102 zu erhöhen. Dies ist insbesondere nützlich, wenn das PCM ein schlechtes Temperaturleitvermögen aufweist. Da das SMA-Aktuatorelement 102 zuerst während eines Betriebs der Anordnung 200 erwärmt wird, absorbiert das weiter proximale Gebiet 204p des thermischen PCM-Verbundstoffes 204, das sich in Kontakt mit oder näher an dem SMA-Aktuatorelement 102 befindet, Wärmeenergie vor den distalen Gebieten 204d, und somit würden die proximalen Gebiete 204p zuerst aufgewärmt werden und zuerst die Phase ändern. Die einheitlichere Verteilung der Wärme, die durch den Nicht-PCM-Teil ermöglicht wird, verbessert die Wärmespeicher/Abgabeleistung des thermischen Verbundstoffes.
Das Nicht-PCM 212 kann, außer dass es das PCM 104 hält, fungieren, um dem thermischen Verbundstoff 204 Integrität zu verleihen. Die Integrität kann beim Bearbeiten des thermischen Verbundstoffes 204 hilfreich sein, indem sie z. B. das Schneiden, Kombinieren und anderweitige Bearbeiten erleichtert.
Die Materialien zum Bilden des thermischen Verbundstoffes 204 können auf der Basis einer Vielfalt von Eigenschaften gewählt werden, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielhafte Eigenschaften umfassen die Leitfähigkeit, Verfügbarkeit, Kosten und die Fähigkeit, geschnitten oder auf andere Weise bearbeitet zu werden. Wie oben stehend angeführt, ist ein beispielhaftes Nicht-PCM 214 Kupfer, und Paraffin ist ein beispielhaftes PCM. Paraffin ist als PCM von Vorteil, da es eine relativ hohe Phasenänderungstemperatur, je nach Reinheit des Paraffins – um 40–50°C, aber eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Verwendung von Paraffin allein kann ein Effizienzniveau zur Folge haben, welches niedriger ist als erwünscht, aber das Hinzufügen eines relativ leitfähigen Nicht-PCM verbessert jedoch die Übertragung von Energie, was dazu führt, dass die Wärmeübertragung schneller und gleichmäßiger über den gesamten thermischen PCM-Verbundstoff 204 hinweg stattfindet.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Anordnung 200 eine Ummantelung 206, die ähnliche oder gleiche Eigenschaften aufweisen kann wie die Ummantelung 106, die oben stehend in Verbindung mit der in 1 veranschaulichten Anordnung 100 beschrieben ist. In einigen Ausführungsformen (nicht gezeigt) umfasst die Anordnung 200 die Ummantelung 206 nicht.
Das SMA-Aktuatorelement 102 weist eine Bandbreite auf, die durch einen Zyklus definiert ist, welcher Erwärmungs-, Betätigungs-, Abkühl- und Stillsetzungsperioden umfasst. Das PCM 104 und der thermische PCM-Verbundstoff 204 dienen in verschiedenen Ausführungsformen dazu, die Abkühlperiode und/oder die Betätigungsperiode zu verkürzen und/oder können das SMA-Aktuatorelement 102 vor thermischem Schaden schützen.
VI. Bewegliche PCM-Masse
3A zeigt eine Anordnung 300, die ein SMA-Aktuatorelement 102 und eine oder mehrere bewegliche PCM-Massen 304 oder PCM-Reservoirs aufweist. Das PCM 304 dieser Ausführungsform kann die Eigenschaften der PCM 104, 204 aufweisen, die oben stehend unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben sind. In einigen Ausführungsformen ist das PCM 304 z. B. ein thermischer Verbundstoff und in einigen Ausführungsformen ist es zumindest teilweise von einer Ummantelung 306 abgedeckt. In den Ausführungsformen mit einer Ummantelung 306 kann die Ummantelung 306 die gleichen oder ähnliche Eigenschaften aufweisen wie die Ummantelung 106, die oben in Verbindung mit der in 1 veranschaulichten Anordnung 100 beschrieben ist.
Die beweglichen Massen 304 bestehen in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung hauptsächlich oder vollständig aus PCM wie z. B. Fest/Fest-PCM. In einigen Ausführungsformen umfassen die beweglichen Massen PCM wie z. B. Fest/Flüssig-PCM oder Flüssig/Gas-PCM innerhalb einer festen Hülle 306 (z. B. ein Kupfermantel), wie z. B. ein Paraffinwachs in dem Kupfermantel.
Die Anordnung 300 ist derart ausgebildet, dass das PCM 304 und das SMA-Aktuatorelement 102 selbständig und selektiv miteinander in oder außer Eingriff treten, wenn die Anordnung 300 zwischen nicht betätigten und betätigten Zuständen taktet. Aus diesem Grund umfasst die Anordnung 300 ferner einen Antriebsmechanismus 320. Der Antriebsmechanismus 320 ist dem PCM 304 zugeordnet (z. B. damit verbunden) und betreibbar, um eine Verschiebung des PCM 304 bis zu einem Punkt eines Kontakts mit dem SMA-Aktuatorelement 102 zu bewirken. Der Antriebsmechanismus 320 ist vorzugsweise ausgebildet, um solch einen Kontakt zu bewirken, ohne übermäßige Spannungsbelastungen auf das SMA-Aktuatorelement 102 anzuwenden. Es wird in Erwägung gezogen, dass das PCM 304 mit dem Antriebsmechanismus 320 verbunden sein oder integral mit dem Antriebsmechanismus 320 sein kann, z. B. indem es innerhalb oder andernfalls als Teil des wie z. B. zwischen den Doppellinien des in 3 gezeigten Antriebsmechanismus 320 gebildet ist.
In einer Ausführungsform umfasst der Antriebsmechanismus 320 eine oder mehrere bogenförmige Strukturen 322, wie z. B. bogenförmige Federn oder andere Arten von Federn. In einer speziellen Ausführungsform ist der Antriebsmechanismus 320 derart ausgebildet und in der Anordnung 300 angeordnet, dass er von dem SMA-Aktuatorelement 102 selbst angetrieben wird. Wenn sich das SMA-Aktuatorelement 102 nämlich beim Betätigen und Stillsetzen bewegt, um Arbeit zu verrichten (z. B. einen Schalter oder ein Gewicht W zu bewegen, ein Ventil zu öffnen/schließen, einen Knopf zu drücken oder loszulassen etc.), wird der Mechanismus 300 auf Grund seiner Verbindung mit dem SMA-Aktuatorelement 102 in einer dementsprechenden Weise bewegt.
Wenn das SMA-Aktuatorelement 102 von seinem nicht betätigten Zustand, in 3A gezeigt, in seinen in 3B gezeigten betätigten Zustand betätigt wird, wird der Antriebsmechanismus 320 von einer anfänglichen Position, die in 3A gezeigt ist, in eine in resultierende Position bewegt, die in 3B gezeigt ist.
Wie in den 3A und 3B gezeigt, ist der Antriebsmechanismus 320 derart ausgebildet und in der Aktuatoranordnung 300 angeordnet, dass das PCM 304 aus einem Eingriff mit dem SMA-Aktuatorelement 102 weg bewegt wird, wenn das Aktuatorelement 102 betätigt wird. Diese Ausführungsform wird eingesetzt, um eine vorteilhafte Wärmeübertragung zwischen dem SMA-Aktuatorelement 102 und dem PCM 304 vor und/oder an dem Betätigungspunkt vorzusehen. Wie in den ersten Fallbeispielen nachfolgend weiter beschrieben wird, könnte der Aufbau dieser Anordnung 300 z. B. verwendet werden, um das SMA-Aktuatorelement vor einer Betätigung vorzuwärmen.
Das PCM 304 wird auf eine Temperatur gebracht, die höher ist als die Temperatur der umliegenden Umgebung 108. Wenn das PCM 304 mit dem SMA-Aktuatorelement 102 in Kontakt gelangt, wird Energie von dem PCM 304 auf das Aktuatorelement 102 und infolgedessen auf das Aktuatorelement 102 übertragen. Das PCM 304 kann auf vielfältige Art und Weise erwärmt werden, einschließlich von der Betätigungswärme des SMA-Aktuatorelements 102 und/oder von einer externen Wärmequelle. Wie oben beschrieben kann die äußere Wärmequelle eine speziell vorgesehene Quelle oder ein Erhaltungsstrom eines Fluids sein, das Nebenproduktwärme von einem anderen System, wie z. B. einem Motor oder einem Kühlsystem eines Kraftfahrzeugs aufweist, in dem die Aktuatoranordnung 300 verwendet wird.
Das SMA-Aktuatorelement 102, das auf die erhöhte Temperatur über der Umgebungstemperatur erwärmt wird, müsste dann nur noch von der erhöhten Temperatur auf die Betätigungstemperatur anstatt von der niedrigeren Umgebungstemperatur auf die Betätigungstemperatur erwärmt werden. Bei der Betätigung werden die PCM 304 von dem Kontakt mit dem SMA-Aktuatorelement 102 weg bewegt, wie in 3B gezeigt, wodurch besser zugelassen wird, dass das Aktuatorelement 102 abkühlt und die Stillsetzungszeit nicht verlängert wird.
Wenn es abgekühlt und in seinen nicht betätigten Zustand zurückgekehrt ist, ist das SMA-Aktuatorelement 102 bereit für die nächste Betätigung und der Antriebsmechanismus 320 bewirkt, dass das PCM 304 wieder in das SMA-Aktuatorelement 102 eingreift. In einigen Ausführungsformen ist die Anordnung 300 derart angeordnet, dass das PCM 304 im nicht aktivierten Zustand, der in 3A gezeigt ist, in Kontakt mit dem SMA-Aktuatorelement 102 gedrückt ist, um eine Kontaktfläche zwischen den beiden für eine maximale Wärmeübertragung zu maximieren. Der Antriebsmechanismus 320, das PCM 304 und das Aktuatorelement 102 können z. B. derart angeordnet sein, dass, wenn sich das Aktuatorelement 102 in seinem nicht betätigten Zustand befindet, der Antriebsmechanismus 320 eine Vorspannkraft ausübt, die bewirkt, dass das PCM 304 mit dem Aktuatorelement 102 nicht nur in Kontakt steht, sondern dagegen drückt
In einigen Ausführungsformen stellt der Antriebsmechanismus 320 eine Vorspannkraft in Richtung einer oder beider der in 3A gezeigten nicht betätigten Positionen und der in 3B gezeigten, betätigten Position bereit. Auf diese Weise unterstützt der Antriebsmechanismus 320 das SMA-Aktuatorelement 102 beim Übergang von seinem betätigten Zustand in den nicht betätigten Zustand bzw. von dem nicht betätigten Zustand in den betätigten Zustand. Auf diese Weise kann der Antriebsmechanismus 320 die Kraftmenge begrenzen, die das Aktuatorelement 102 erzeugen muss, um eine Betätigung oder Stillsetzung durchzuführen. Weitere Vorteile können eine längere Lebensdauer des Aktuatorelements, ein erhöhtes Lastbewegungsvermögen der Anordnung 300 und schnellere Betätigungs- und/oder Stillsetzungszeiten sein.
4A zeigt eine Anordnung 400, die ein SMA-Aktuatorelement 102 und ein PCM 404 aufweist. Das PCM 404 dieser Ausführungsform kann die Eigenschaften der PCM 104, 204 aufweisen, die oben in Verbindung mit den 1 und 2 beschrieben sind. In einigen Ausführungsformen ist das PCM 404 z. B. ein thermischer Verbundstoff (z. B. PCM/Nicht-PCM-Matrix) und in einigen Ausführungsformen ist es zumindest teilweise durch eine Ummantelung 406 abgedeckt, welche die gleiche wie die oder ähnlich der Ummantelung 106 sein kann, welche oben in Verbindung mit der in 1 veranschaulichten Anordnung 100 beschrieben ist.
Die Anordnung 400 ist derart ausgebildet, dass das PCM 404 und das SMA-Aktuatorelement 102 selbständig und selektiv miteinander in und außer Eingriff stehen, wenn die Anordnung 400 zwischen nicht betätigten und betätigten Zuständen taktet. Aus diesem Grund umfasst die Anordnung 400 in einigen Ausführungsformen ferner einen Antriebsmechanismus 410. Der Antriebsmechanismus 410 ist dem PCM 404 zugeordnet und betreibbar, um eine Verschiebung des PCM 400 zu einem Kontaktpunkt mit dem SMA-Aktuatorelement 102 zu bewirken. Der Antriebsmechanismus 410 ist bevorzugt ausgebildet, um solch einen Kontakt zu bewirken, ohne übermäßige Spannungsbelastungen auf das SMA-Aktuatorelement 102 anzuwenden. Es wird in Erwägung gezogen, dass das PCM 404 integral mit dem Antriebsmechanismus 410 oder damit verbunden sein kann.
In einer Ausführungsform umfasst der Antriebsmechanismus 410 eine oder mehrere bogenförmige Strukturen 412 wie z. B. bogenförmige Federn oder andere Arten von Federn. In einer Ausführungsform ist der Antriebsmechanismus 410 derart ausgebildet und in der Anordnung 400 angeordnet, dass er von dem SMA-Aktuatorelement 102 selbst angetrieben wird. Wenn sich das SMA-Aktuatorelement 102 nämlich beim Betätigen und Stillsetzen bewegt, um Arbeit zu verrichten, wird der Mechanismus 400 auf Grund seiner Verbindung mit dem SMA-Aktuatorelement 102 auf eine dementsprechende Art und Weise bewegt.
Wenn das SMA-Aktuatorelement 102 von seinem nicht betätigten Zustand, in 4A gezeigt, in seinen in 4B gezeigten betätigten Zustand betätigt wird, wird der Antriebsmechanismus 410 von einer in 4A gezeigten anfänglichen Position in die in 4B gezeigte resultierende Position bewegt.
Wie in den 4A und 4B gezeigt, ist der Antriebsmechanismus 410 derart ausgebildet und in der Aktuatoranordnung 400 angeordnet, dass das PCM 404 in Richtung eines Eingriffs mit dem SMA-Aktuatorelement 102 bewegt wird, wenn das Aktuatorelement 102 betätigt wird. Diese Ausführungsform wird eingesetzt, um an und/oder nach dem Betätigungspunkt eine vorteilhafte Wärmeübertragung zwischen dem SMA-Aktuatorelement 102 und dem PCM 404 bereitzustellen. Wie z. B. in den zweiten Fallbeispielen nachfolgend beschrieben wird, könnte die Anordnung 400 verwendet werden, um die Deaktivierungszeit durch Verwenden des PCM 404 als einen Kühlkörper zu verkürzen.
Das PCM 404 wird auf eine Temperatur gebracht, die niedriger ist als die Betätigungstemperatur des SMA-Aktuatorelements 102. Wenn das PCM 404 mit dem SMA-Aktuatorelement 102 in Kontakt steht, wird Energie von dem SMA-Aktuatorelement 102 auf das PCM 404 übertragen und die Abkühlrate des Aktuatorelements 102 wird dadurch erhöht. Wenn die PCM-Masse 404 den SMA-Draht berührt ist die Abkühlrate höher als wenn der SMA-Draht Wärme an die umliegende Umgebung durch Konvektion und/oder Abstrahlung verliert, da Fest-Fest-Wärmeübertragungskoeffizienten größer sind als natürliche oder erzwungene Flüssig-Fest-Wärmeübertragungskoeffizienten, wenn an der Fest-Fest-Grenzfläche ein guter thermischer Kontakt aufrechterhalten wird. Das PCM-Element 404 gestattet es, eine beträchtliche Menge Wärme von dem Draht zu entfernen, indem eine Niedertemperatursenke mit einem hohen Wärmeabsorptionsvermögen bereitgestellt wird.
Bei einer Stillsetzung werden die PCM 404 von dem Kontakt mit dem SMA-Aktuatorelement 102 weg bewegt, um die Betätigungszeit nicht durch Niedrighalten der Temperatur des Elements 102 zu verlängern.
In einigen Ausführungsformen ist die Anordnung 400, wenn sie sich in dem in 4B gezeigten betätigten Zustand befindet, derart angeordnet, dass das PCM 404 mit dem SMA-Aktuatorelement 102 in Kontakt gedrückt wird, sodass eine Kontaktfläche maximiert und/oder ein guter thermischer Kontakt erreicht wird, wodurch die Wärmeübertragung zwischen den beiden maximiert ist. Der Antriebsmechanismus 410, das PCM 404 und das Aktuatorelement 102 können z. B. derart angeordnet sein, dass, wenn sich das Aktuatorelement 102 in seinem betätigten Zustand befindet, der Antriebsmechanismus 410 eine Vorspannkraft ausübt, die bewirkt, dass das PCM 404 gegen das SMA-Aktuatorelement 102 drückt.
In einigen Ausführungsformen stellt der Antriebsmechanismus 410 eine Vorspannkraft in Richtung einer oder beider der in 4A gezeigten nicht betätigten Positionen und der in 4B gezeigten betätigten Position bereit. Auf diese Weise unterstützt der Antriebsmechanismus 410 das SMA-Aktuatorelement 102 beim Übergang von seinem betätigten Zustand in einen nicht betätigten Zustand bzw. von dem nicht betätigten Zustand in den betätigten Zustand. Auf diese Weise kann der Antriebsmechanismus 410 die Kraftmenge begrenzen, die das Aktuatorelement 102 erzeugen muss, um eine Betätigung oder Stillsetzung durchzuführen. Weitere Vorteile können eine längere Lebensdauer des Aktuatorelements, ein erhöhtes Lastbewegungsvermögen der Anordnung 400 und schnellere Betätigungs- und/oder Stillsetzungszeiten sein.
VII. PCM-Bad
Die 5A/B veranschaulichen eine Anordnung 500 gemäß einer weiteren Ausführungsform, die derart ausgebildet ist, dass, wie bei den Ausführungsformen der 3A/B und 4A/B, ein thermisches Betätigungselement 102 während des Betätigungszyklus selektiv mit einem PCM 504 in Kontakt steht. In dieser Ausführungsform liegt das PCM 504 in der Form eines Bades oder Reservoirs vor, das von einem/r Bad-Gehäuse oder -Hülle 506 gehalten wird.
Es wird einzusehen sein, dass die Anordnung 500 der 5A/B der Anordnung 300 der 3A/B insofern ähnlicher ist, als jede derart ausgebildet ist, dass das thermische Betätigungselement 102 (z. B. ein SMA-Draht) aus einem thermischen Kontakt mit dem PCM 304/504, wenn das Betätigungselement 102 eine Betätigung durchführt, und zurück in Kontakt mit dem PCM 304/504 bewegt wird, wenn das Betätigungselement eine Stillsetzung durchführt. In einer in Erwägung gezogenen Ausführungsform ist das PCM-Bad 504 ein thermischer Verbundstoff, der ein Nicht-PCM-Material wie z. B. Kugeln aus einem Nicht-PCM-Material umfasst, um die thermischen und/oder dynamischen Eigenschaften des Bades 504 zu beeinflussen.
Wie oben stehend beschrieben, zeigen einige thermisch betätigte SMA-Materialien einen beträchtlichen Formgedächtniseffekt in zwei Richtungen, d. h., sie ziehen sich beim Erwärmen über eine charakteristische Temperatur (A_s) nicht nur zusammen, sondern dehnen sich beim Abkühlen unter eine niedrigere charakteristische Temperatur (M_s) auch spontan aus. Somit scheint sich das Material nicht nur an seine Hochtemperatur-Konfiguration zu erinnern, sondern auch an seine Konfigurationen bei einer oder mehreren niedrigeren Temperaturen und speziell an seine Länge bei der Referenzumgebungstemperatur (T_ref).
Für einige Ausführungsformen, in denen das Aktuatorelement 102 verwendet wird, um Arbeit gegen eine äußere Belastung W zu verrichten (z. B. eine Totlast zu heben wie in den 5A/B gezeigt), umfasst die Anordnung 500 einen festen Anschlag 530. Während die Anordnung 500 verschiedene Arten von festen Anschlägen in verschiedenen Ausführungsformen umfasst, ist in der Ausführungsform der 5A/B der feste Anschlag 530 mit dem Aktuatorelement 102 verbunden. Der feste Anschlag in dieser Ausführungsform ist derart ausgebildet und mit dem Aktuatorelement 102 verbunden, dass er mit der Bad-Hülle 506 (siehe 5B) oder einer anderen Struktur in Kontakt steht, um eine Bewegung des Anschlags 530 und dadurch auch einen zusätzlichen Zug an dem Aktuatorelement 102 zu verhindern. In dieser und weiteren Ausführungsformen mit einem festen Anschlag 530 kann der Anschlag 530 verwendet werden, um zu verhindern, dass die äußere Last W den Aktuator 102 über eine genau festgelegte Beanspruchungsgrenze hinaus beansprucht, wenn er sich in seiner weicheren martensitischen Phase befindet. Unabhängig davon, ob die Anordnung 500 einen Anschlag 530 umfasst, kann die Anordnung 500 zwischen dem Aktuatorelement 102 und der Last W z. B. eine Länge von Material umfassen, die Aktuatormaterial oder Nicht-Aktuatormaterial umfassen kann.
Im Betrieb ist das Aktuatorelement 102, wenn es deaktiviert ist, schlaff, und ist dadurch teilweise oder vollständig in dem PCM-Bad 504 eingetaucht, das teilweise oder ganz geschmolzen ist, wie in 5A gezeigt. In einigen Ausführungsformen speichert das PCM-Bad 504 Wärme von einer Wärmequelle, wie z. B. jenen, die oben stehend in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben sind (z. B. Erhaltungsstromwärme von einer Widerstandsheizung, Abwärme von einem Kraftfahrzeugauspuff oder -kühlmittel etc.). In diesen Ausführungsformen kann das PCM-Bad 504 bei einer Vorwärmtemperatur T_preheat, zwischen T_ref und
gehalten werden.
Das Vorwärmen des Aktuatorelements 102 ist dabei hilfreich, die Betätigungszeit zu verkürzen, indem der Temperaturbereich, über den der Betätigungsreiz (z. B. elektrischer Strom für widerstandsbeheizte SMA) das Aktuatorelement 102 zur Betätigung erwärmen muss, reduziert wird. Wenn das Aktuatorelement 102 eine Betätigung durchführt, führt die durch die Phasenänderung induzierte Kontraktion anfänglich zu einem Straffen des Durchhanges in dem Aktuatorelement 102, wie in den 5A bis 5B gezeigt. Nachdem der Durchhang gestrafft wurde, verrichtet das Aktuatorelement 102 Arbeit gegen eine äußere Last W, z. B. durch Anheben einer Totlastbelastung.
In einigen Ausführungsformen ist die Anordnung 500 derart ausgebildet, dass das Aktuatorelement 102, sobald der Durchhang vollständig gestrafft ist, nicht mehr in thermischem Kontakt mit dem PCM-Bad 504 steht. Auf diese Weise führt das Aktuatorelement 102, das aufgewärmt wird, dem PCM-Bad 504 keine unerwünschte Wärme (z. B. Überhitzen) zu. Das Aktuatorelement 102 erfordert auch keinen zusätzlichen Reiz wie z. B. Extrastrom, wenn es sich in seinem betätigten Zustand befindet, um einen Verlust von Wärme an das PCM in dem Bad 504 zu kompensieren.
Wenn die SMA stillgesetzt wird, indem man sie unter eine charakteristische Temperatur abkühlen lässt, erfährt sie eine umgekehrte Phasenumwandlung, welche eine Phase mit niedrigerem Modul zur Folge hat, die von der in 5B gezeigten Gruppierung zu der in 5A führt. Für Ausführungsformen, in denen die Last W eine Totlast oder eine andere Last umfasst, die an dem Aktuatorelement 102 zieht, dehnt die Last W das Aktuatorelement 102, bis der feste Anschlag 530 wirksam wird, um die Spannung zu begrenzen, welche die äußere Belastung an dem Aktuatorelement 102 induzieren kann. Ein weiteres Abkühlen, nachdem der feste Anschlag 530 wirksam wurde, bewirkt, dass der Draht erschlafft, bis er bei der Referenztemperatur T_{_ref} seine anfängliche Konfiguration erreicht, die in 5A gezeigt ist. Damit ist ein Betätigungszyklus zu Ende.
In einigen Ausführungsformen werden Dichtungen und Nicht-SMA-Verbindungselemente (nicht gezeigt) verwendet, um eine unbeabsichtigte Beförderung des PCM aus dem PCM-Reservoir auf Grund des wiederholten Zusammenziehens und Ausdehnens des Aktuatorelements 102 zu vermeiden. Nicht-SMA-Verbindungselemente können auch dabei hilfreich sein, das Aktuatorelement 102, das mit dem PCM-Bad in Kontakt gelangt, innerhalb des Gehäuses 506 einzugrenzen, wodurch die Beförderung des PCM-Materials durch Mitreißen etc. aus dem Gehäuse heraus vermieden wird.
Der Betrieb und die Vorteile der Anordnung 500 der 5A/B sind ansonsten die gleichen wie jene, die oben stehend in Verbindung mit der Anordnung 300 der 3A/B beschrieben sind.
VIII. Fälle von Wärmeübertragung
Wie oben beschrieben kann das PCM, abhängig von den relativen Temperaturen des PCM und des SMA-Aktuatorelements, Wärme von dem SMA-Aktuatorelement 102 abziehen oder an dieses abgeben. Unten stehend sind Beispielfälle beschrieben, in denen das PCM verschiedene Phasenänderungstemperaturen (z. B. Schmelzpunkt) in Bezug auf die Betätigungstemperatur des SMA-Aktuatorelements 102 aufweist. Die Wahl des PCM hat Einfluss darauf, welcher Teil oder Teile des Betätigungszyklus verbessert werden, manchmal auf Kosten einer geringfügig schwächeren Leistung bei einem komplementären Teil des Zyklus.
Zum Beispiel kann eine Gruppierung, in der das gewählte PCM die Zeit stark verkürzt, die erforderlich ist, damit ein SMA-Aktuatorelement 102 eine Deaktivierung durchführt, keine Auswirkung auf die Betätigungszeit haben oder diese sogar etwas verlängern. In ähnlicher Weise kann eine Gruppierung, in der das gewählte PCM die Zeit, die erforderlich ist, damit ein SMA-Aktuatorelement 102 eine Betätigung durchführt, reduziert, keine Auswirkung auf die Stillsetzungszeit haben oder diese erhöhen. In einigen Gruppierungen kann das gewählte PCM Verkürzungen sowohl der Betätigungszeit als auch der Stillsetzungszeit ermöglichen, aber diese Verkürzungen werden allgemein nicht so groß sein wie jene, die in Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung erreichbar sind, in denen die Anordnung derart angeordnet ist, dass viel kürzere Betätigungs- oder Stillsetzungszeiten erzielt werden.
A. Erster Fall von Wärmeübertragung
In einem ersten beispielhaften Fall des Verkürzens der Betätigungszeit ist das PCM einer Vorwärmquelle wie z. B. einem äußeren Fluid ausgesetzt und das PCM ist derart gewählt, dass es eine Phasenänderungstemperatur aufweist, die relativ nahe bei der Referenzumgebungstemperatur (T_ref) liegt. In einer Ausführungsform kann der Bereich dargestellt werden als:
wobei MP (Schmelzpunkt) die Temperatur ist, bei der das PCM die Phasenumwandlung erfährt, die für seine Wärmespeicher/Abgabefunktion verantwortlich ist,
die Temperatur (Martensit-Ende) ist, bei der die thermische Umwandlung von Austenit zu Martensit durch die SMA beendet ist und sie zu ihrem anfänglichen Spannungsniveau von S_min zurückkehrt. Je näher MP bei T_ref liegt, desto näher wird das Ansprechen des Systems bei niedrigen Umgebungstemperaturen (T_0_{_min} < T_ref, wobei T_0 die Umgebungstemperatur ist) bei seinem Ansprechen bei T_ref liegen. Dies führt zu einem System, dessen thermisches Ansprechen weniger empfindlich auf Schwankungen der Umgebungstemperatur ist. Je näher MP bei
liegt, desto größer ist die Verkürzung der Betätigungszeit im Vergleich mit dem Grundsystem ohne das PCM, was aber auf Kosten einer längeren Stillsetzungszeit geht.
In zumindest einigen Ausführungsformen wird bevorzugt, dass die Vorwärmtemperatur unter
liegt, um beim Abkühlen eine vollständige Umwandlung zurück zu Martensit sicherzustellen.
Wie hierin weiter beschrieben könnte das äußere Fluid ein Erhaltungsstrom von Nebenproduktwärme von z. B. einem Motor oder einem Heizungs/Kühlsystem außerhalb der Aktuatoranordnung sein. Indem es dem äußeren Fluid ausgesetzt wird, erreicht das PCM seine flüssige Phase und kann zumindest eine Zeit lang vollständig oder teilweise darin verbleiben und hält das SMA-Aktuatorelement 102 bei oder über dem MP des PCM vor einer Betätigung SMA-Aktuatorelements 102.
Wie vorgesehen, verwenden, während Fest/Fest- und Flüssig/Gas-Phasenumwandlungen auch als PCM verwendet werden können, die zur Wärmespeicherung/abgabe in der Lage sind, die meisten herkömmlichen PCM-Anwendungen die Fest/Flüssig-Phasenänderung. Als solche umfassen die hierin verwendeten Begriffe für die Fest/Flüssig-PCM der Einfachheit halber feste Phase, flüssige Phase, Schmelzpunkt, Schmelzen und Erstarren anstelle von Vor-Umwandlungsphase, Nach-Umwandlungsphase, Phasenumwandlungstemperatur, Vorwärts-Umwandlung bzw. Rückwärts-Umwandlung. Es sollte jedoch einzusehen sein, dass die vorliegende Offenlegung auf andere Typen von PCM zutrifft.
Wenn die Umgebungstemperatur (T_0) niedriger ist als der MP des PCM, befindet sich das SMA-Aktuatorelement 102, welches durch das PCM vorgewärmt wird, vor der Betätigung näher bei seiner Betätigungstemperatur, als wenn sich der Aktuator bei T_0 befinden würde. Demzufolge muss die Temperatur des SMA-Aktuatorelements 102, wenn der Betätigungsreiz (z. B. elektrischer Strom, um die SMA mittels Widerstand zu erwärmen) an das SMA-Aktuatorelement 102 bereitgestellt wird, nur von der vorgewärmten Temperatur auf seine Betätigungstemperatur und nicht von einer niedrigeren Umgebungstemperatur erhöht werden, um dadurch die Betätigungszeit zu verkürzen, wenn das Reizniveau unverändert ist, oder das erforderliche Reizniveau zu reduzieren, um die Betätigung zu bewirken, während die Betätigungszeit unverändert bleibt.
In einigen Ausführungsformen ist der erste Fall mit einer Anordnung wie den Anordnungen 100 oder 200 implementiert, die oben in Verbindung mit den 1 und 2 beschrieben sind. In weiteren Ausführungsformen ist der erste Fall mit einer Anordnung 300 implementiert, die mit Bezug auf die 3A/B oder 5A/B beschrieben ist.
Wie oben stehend mit Bezugnahme auf die Anordnung 300 der 3A/B beschrieben, ist ein Antriebsmechanismus 320 z. B. derart ausgebildet und in der Aktuatoranordnung 300 angeordnet, dass das PCM-Reservoir 304 von einem direkten thermischen Kontakt mit dem SMA-Aktuatorelement 102 weg bewegt wird, wenn das Aktuatorelement 102 betätigt wird. Das PCM-Reservoir 304 kann einen hohlen Kupferblock umfassen, wobei das PCM den Großteil seines hohlen Kerns ausfüllt. Diese Ausführungsform wird verwendet, um eine vorteilhafte Wärmeübertragung zwischen dem SMA-Aktuatorelement 102 und dem PCM-Reservoir 304 bereitzustellen, sofern die Reservoirtemperatur höher ist als jene der SMA. Das PCM 304 wird auf eine Temperatur gebracht, die höher ist als die Temperatur der Umgebung, indem es Wärme von einer äußeren Quelle (nicht gezeigt) aufnimmt und diese speichert. In einigen Implementierungen liegt der MP des PCM zwischen T_ref und
Es wird einzusehen sein, dass ein ähnlicher Betrieb und ähnliche Vorteile unter Verwendung der Anordnung 500 der 5A/B erzielt werden können.
In einigen Ausführungsformen ist es wichtig, dass sich das PCM in dem geschmolzenen Zustand befindet, wenn es Wärme an den SMA-Aktuator überträgt, um die höhere Energiespeicherkapazität zu nutzen, welche die PCM bieten. Auf diese Weise dient ein Kontakt mit dem PCM-Reservoir dazu, die SMA vorzuwärmen, um dadurch den Heizstrom, der erforderlich ist, um sie in einem gegebenen Zeitintervall zu betätigen, oder die Zeit zu verringern, die erforderlich ist, um sie für einen gegebenen Betätigungsstrom zu betätigen. Ein Vorteil der Verwendung der in den 3A/B und 5A/B gezeigten Anordnung gegenüber jener in den 1 und 2 besteht darin, dass mit der ersten das PCM nicht in thermischem Kontakt mit der SMA bleibt, nachdem sie eine Betätigung durchführt. Somit wird das PCM nicht durch die vollständig betätigte SMA erwärmt, die sich bei einer Temperatur, die höher ist als A_f und somit höher als der MP des PCM befindet. Dies vermindert die Aufwärts-Verschiebung der Temperatur des PCM über mehrere aufeinanderfolgende Zyklen. Dies wird bedeutsam, wenn es erforderlich ist, dass die SMA für einen wesentlichen Teil ihres Arbeitszyklus betätigt bleibt. Überdies kehrt das PCM-Reservoir, wenn der Aktuator eine Stillsetzung durchführt, nicht in thermischen Kontakt mit der SMA zurück, bis die SMA den Großteil (oder die Gesamtheit) ihrer ursprünglichen Länge wiedererlangt hat. Somit ist die Verlängerung der Abkühlzeit auf Grund des Vorhandenseins des vorheizenden PCM-Reservoirs viel geringer für die in den 3A/B und 5A/B als in den 1–2 gezeigten Anordnungen. Demzufolge stellen die in den 3A/B und den 5A/B gezeigten Anordnungen, wenngleich sie komplexer sind als jene in den 1–2, eine bessere Steuerung über das thermische Ansprechen des SMA-Aktuators bereit.
B. Zweiter Fall von Wärmeübertragung
In dem zweiten Fall wird das PCM als ein Wärme absorbierendes Element oder Kühlkörper verwendet, um die Stillsetzungs- oder Abkühlzeit des SMA-Aktuatorelements 102 folgend auf eine Aktivierung zu verkürzen. Ein Verkürzen der Stillsetzungszeit weist Vorteile auf, welche die Verkürzung der gesamten Zykluszeit – der Zeit für einen Aktuator, um eine Betätigung und Stillsetzung durchzuführen, um so für eine nachfolgende Betätigung bereit zu sein, umfassen. Da Zykluszeiten in den meisten Aktuatorgruppierungen durch den Abkühlteil des Zyklus bestimmt werden, der in einigen Fällen zwischen etwa 25–60 Sekunden dauert und/oder bis zu etwa 90% der Zykluszeit dauert. Die PCM der oben stehend beschriebenen Ausführungsformen dienen dazu, die Abkühlrate um zumindest etwa 25% und am stärksten bevorzugt um zumindest etwa 80% verglichen mit herkömmlichen Systemen zu beschleunigen, in denen das SMA-Aktuatorelement 102 nur einer umliegenden Umgebung ausgesetzt ist.
Für diesen Fall ist das PCM derart gewählt, dass es eine Phasenänderungstemperatur aufweist, die eine Übermenge des oben für das für den ersten Fall von Wärmeübertragung ausgewählte PCM angegebenen Bereiches ist. Im Speziellen ist ein vorgeschlagener Bereich
Es können vorteilhafterweise PCM mit einem niedrigeren MP als T_ref verwendet werden, wenn dafür gesorgt ist, dass sie mithilfe eines externen Mittels unter ihren MP abgekühlt werden, insbesondere wenn sie nicht verwendet werden, um die SMA-Aktuatoren abzukühlen.
Wie oben stehend mit Bezug auf die Anordnung 400 der 4A und 4B beschrieben umfasst die Anordnung 400 z. B. ein SMA-Aktuatorelement 102 und ein PCM-Reservoir 404, die derart angeordnet sind, dass das PCM-Reservoir 404 und das SMA-Aktuatorelement 102 selbstständig und selektiv miteinander in und außer Eingriff gelangen, während die Anordnung 400 in Zyklen zwischen nicht betätigten und betätigten Zuständen taktet. Hierzu umfasst die Anordnung 400 in einigen Ausführungsformen ferner einen Antriebsmechanismus 410.
Das PCM-Reservoir 404 kann einen hohlen Kupferblock umfassen, wobei das PCM den Großteil seines hohlen Kerns ausfüllt. Wenn der SMA-Aktuator sich in seinem stillgesetzten Zustand befindet, steht das PCM-Reservoir nicht in direktem thermischen Kontakt mit der SMA. Der Antriebsmechanismus 410 ist derart ausgebildet und in der Aktuatoranordnung 400 angeordnet, dass das PCM-Reservoir 404 in direkten thermischen Kontakt mit dem SMA-Aktuatorelement 102 bewegt wird, wenn das Aktuatorelement 102 betätigt wird.
Wenn das PCM-Reservoir 404 in direkten thermischen Kontakt mit dem SMA-Aktuator gebracht wird, beginnt es, den SMA-Aktuator abzukühlen, indem es schnell Wärme aus dem Aktuator zieht. Das Reservoir bewerkstelligt dies, indem es sich bei einer Temperatur befindet, die niedriger ist als die Betätigungstemperatur der SMA, und indem es die Tatsache ausnützt, dass die Fest/Fest-Wärmeübertragungskoeffizienten (z. B. SMA-Draht auf den Kupferblock) höher sind als Fest/Luftgas-Übertragungskoeffizienten (z. B. SMA-Draht auf die Luft), was selbst dann eine höhere Wärmeübertragungsrate zur Folge hat, wenn die Temperaturdifferenz geringer ist, als wenn der SMA-Draht direkt Wärme an die Luft verliert.
In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung sind feste bewegliche Massen durch hohle feste Massen ersetzt, die mit PCM gefüllt sind, was die Wärmeabsorptionskapazität pro Masseneinheit infolge der hohen Wärmespeicherkapazität in Verbindung mit der Phasenänderung in PCM beträchtlich erhöht. Bei einer Stillsetzung werden die PCM 404 von einem Kontakt mit dem SMA-Aktuatorelement 102 weg bewegt, um die Betätigungszeit nicht durch Niedrighalten der Temperatur des Elements 102 zu verlängern.
C. Dritter Fall von Wärmeübertragung
In einem dritten Fall wird das PCM als eine Übertemperatursicherung verwendet, um die Wahrscheinlichkeit zu reduzieren, dass das SMA-Aktuatorelement 102 überhitzt. Als ein Beispiel weist das SMA-Aktuatorelement 102 eine Betätigungstemperatur
von etwa 75°C auf und kann Temperaturen (T_max) bis zu etwa 100°C tolerieren, bevor es, z. B. durch eine/n Verlust/Verschlechterung des Formgedächtnisverhaltens, Bruch etc., versagt.
Eine Möglichkeit, die Betätigungszeit zu verkürzen, besteht darin, mehr Wärme auf das SMA-Aktuatorelement 102 anzuwenden, ohne T_max zu überschreiten. Das SMA-Aktuatorelement 102 kann z. B. nur vorübergehend an einen Reiz (z. B. Heizstrom in einem widerstandsbeheizten SMA-Aktuator) in einer Größenordnung herangeführt werden, die, wenn sie kontinuierlich angewendet wird, eine stationäre Temperatur in dem Draht mit sich bringen kann, welche über seiner Betätigungstemperatur liegt. Diese hohe Größenordnung des Reizes wird für eine kurze Zeitspanne angewendet, sodass das SMA-Aktuatorelement 102 die Betätigungstemperatur schneller erreicht. Sobald die SMA-Drahttemperatur hinreichend nahe bei seiner Betätigungstemperatur liegt, wird die Reizgrößenordnung auf die reduziert, die erforderlich ist, um die Betätigungstemperatur in dem Draht aufrechtzuerhalten. In solchen Fällen ist es vorteilhaft, die SMA zu schützen, indem verhindert wird, dass ihre Temperatur T_max überschreitet, falls die Veränderung des Reizes, wie oben beschrieben, nicht ausreicht, um die SMA-Temperatur innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen zu halten. Dies kann bewerkstelligt werden, indem die SMA in thermischem Kontakt mit einem PCM gehalten wird, dessen MP z. B. in einen Bereich von:
fällt.
Während eines normalen Betriebes, d. h., wenn die Temperatur der SMA bei einer vollen Betätigung bei oder nahe
bleibt, verbleibt das PCM in seinem erstarrten Zustand. Wenn das schützende PCM-Material auf die SMA-Aktuatoren beschichtet ist, wie z. B. in den 1 und 2 gezeigt, wird die Wärme, die erforderlich ist, um die SMA zu betätigen, vorteilhafterweise durch Widerstandsheizen bereitgestellt. In diesem Fall wird die durch Widerstand erzeugte Wärme in dem SMA-Draht teilweise zu der PCM-Beschichtung geleitet, was zu einer merklichen Erwärmung des PCM führt.
Solange die SMA-Aktuatortemperatur unter dem MP des PCM bleibt, absorbiert das PCM relativ geringe Mengen von Wärme. Wenn die SMA-Drahttemperatur jedoch dem MP des PCM entspricht oder diesen überschreitet, absorbiert das PCM relativ große Mengen an Wärme bei einer allgemein konstanten Temperatur, welche der MP des PCM ist. Somit dient das PCM als eine Übertemperatursicherung, die relativ große Mengen von Wärme absorbieren kann, ohne zuzulassen, dass die SMA-Temperatur den MP des PCM überschreitet, der so ausgewählt ist, dass er niedriger ist als T_max.
Wenn die SMA-Aktuatorelementtemperatur unter MP fällt, erstarrt das PCM wieder. Die PCM-Beschichtung kann Schutz gegen ein einzelnes Überhitzungsereignis (z. B. 1, wo die Beschichtung wegschmilzt, nachdem sie verwendet wurde) oder mehrere solcher Ereignisse (z. B. 2, wo die Ummantelung 206 das geschmolzene PCM beinhaltet und verhindert, dass es austritt) bereitstellen. Typischerweise tendieren PCM für Wärmemanagementanwendungen wie die hier beschriebenen dazu, dass sie hohe Temperaturleitfähigkeiten aufweisen. Somit können für Beschichtungen/Ummantelungen, die aus PCM hergestellt sind, Beschichtungen/Ummantelungen, den Wärmeverlust von dem SMA-Element erhöhen, indem sie die effektive Wärmeübertragungsfläche vergrößern. Dies verkürzt die Abkühlzeiten, allerdings mit dem Nachteil, dass die Erwärmungszeiten verlängert werden. Allerdings ist eine Widerstandsheizung beinahe adiabatisch und somit ist die Verlängerung der Erwärmungszeiten infolge der Vergrößerung der effektiven Wärmeübertragungsfläche vernachlässigbar, während die Verkürzung der Abkühlzeiten beträchtlich sein kann, wodurch ermöglicht wird, dass PCM-Beschichtungen/Ummantelungen eine beträchtliche Verkürzung der Zykluszeiten ergeben, während sie einen Überhitzungsschutz bereitstellen.
Demzufolge umfassen die Vorteile der vorliegenden Offenlegung zusätzlich zu der Fähigkeit, die Abkühlzeiten durch effektives Vergrößern der Wärmeübertragungsfläche über thermisch leitfähige Beschichtungen und infolge ihres hohen Temperaturleitvermögens zu verkürzen, das Verkürzen der Zykluszeiten durch Verwendung der PCM-Beschichtungen als Übertemperatursicherung. In einigen Ausführungsformen benötigen PCM hohe Temperaturleitfähigkeiten, um sicherzustellen, dass jegliche absorbierte Wärme durch den gesamten PCM-Körper hinweg und nicht lokal auf einige Flächen beschränkt verteilt wird. Auf diese Weise wird die Wärmeabsorption pro Masseneinheit des PCM maximiert.
In einigen Ausführungsformen ist der dritte Fall mit einer Anordnung wie z. B. den oben stehend in Verbindung mit den 1 und 2 beschriebenen Anordnungen 100 oder 200 implementiert. In weiteren Ausführungsformen ist der dritte Fall mit einer Anordnung 400 wie jener implementiert, die mit Bezugnahme auf die 4A und 4B beschrieben ist.
IX. Weitere Verwendungen
Es wird in Erwägung gezogen, dass Phasenänderungsmaterialien anstelle von anderen Wärmesteuerungselementen wie z. B. Kühlkörpern verwendet werden können, um die verschiedenen Vorteile der hierin oben stehend beschriebenen gesteuerten Wärmeübertragung zu erzielen. Zum Beispiel kann unter Bezugnahme auf die U.S.-Patentanmeldung-Nr. 12/792 120 (die '120-Anmeldung; US 2010/0236236 A1 ) ein Phasenänderungsmaterial anstelle der in Verbindung mit den 1a, 1b und 1c dieser Anmeldung beschriebenen Thermoelemente 14a, b verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel kann ein Phasenänderungsmaterial anstelle des in Verbindung mit 2 und jeder der 4–7 der '120-Anmeldung beschriebenen Thermoelements 14 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel kann ein Phasenänderungsmaterial anstelle des in Verbindung mit 8 der '120-Anmeldung beschriebenen Thermoelements 38 verwendet werden. Wie oben vorgesehen, beansprucht die vorliegende Anmeldung die Priorität der '120-Anmeldung und ist eine teilweise Fortsetzung derselben.
X. Schluss
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind rein beispielhafte Veranschaulichungen von Implementierungen, die für ein klares Verständnis der Prinzipien der Offenlegung dargelegt sind. Es können Abwandlungen, Veränderungen und Kombinationen an/mit den oben beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne von dem Schutzumfang der Ansprüche abzuweichen. Alle derartigen Abwandlungen, Veränderungen und Kombinationen sind hierin von dem Schutzumfang dieser Offenlegung und den nachfolgenden Ansprüchen umfasst.

Claims

Anordnung mit einem thermisch aktivierten Material, die zwischen einem betätigten Zustand und einem nicht betätigten Zustand umwandelbar ist, wobei die Anordnung umfasst: ein Aktuatorelement mit einem Aktuatormaterial, welches durch eine Betätigungstemperatur und eine Rücksetztemperatur definiert ist, wobei das Aktuatormaterial: in Ansprechen darauf, dass es über die Betätigungstemperatur erwärmt wird, bewirkt, dass das Aktuatorelement eine Betätigung von einer nicht betätigten Form, in der sich die Aktuatoranordnung in dem nicht betätigten Zustand befindet, in eine betätigte Form durchführt, wobei die Aktuatoranordnung in den betätigten Zustand umgewandelt wird; und in Ansprechen darauf, dass es auf oder unter die Rücksetztemperatur abkühlt, bewirkt, dass das Betätigungselement eine Betätigung von der betätigten Form zurück in die nicht betätigte Form durchführt; einen Antriebsmechanismus, der mit dem Aktuatorelement verbunden ist; ein Phasenänderungsmaterial (PCM), welches dem Antriebsmechanismus zugeordnet ist, wobei das PCM durch eine Phasenänderungstemperatur definiert ist, die bewirkt, dass das PCM in Ansprechen darauf, dass es auf oder über die Phasenänderungstemperatur erwärmt wird, von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand übergeht; wobei der Antriebsmechanismus ausgebildet ist, um: zu bewirken, dass das PCM direkt mit dem Aktuatorelement in Eingriff steht, wenn sich die Aktuatoranordnung in dem nicht betätigten Zustand befindet, und von dem Aktuatorelement außer Eingriff steht, wenn sich die Aktuatoranordnung in dem betätigten Zustand befindet; oder zu bewirken, dass das PCM direkt mit dem Aktuatorelement in Eingriff steht, wenn sich die Aktuatoranordnung in dem betätigten Zustand befindet, und von dem Aktuatorelement außer Eingriff steht, wenn sich die Aktuatoranordnung in dem nicht betätigten Zustand befindet; und eine Ummantelung, die zumindest einen Abschnitt des PCM umgibt, um das PCM-Material einzuschließen, wenn sich das PCM in dem zweiten Zustand befindet.
Anordnung mit einem thermisch aktivierten Material nach Anspruch 1, wobei: der Antriebsmechanismus ausgebildet ist, um zu bewirken, dass das PCM direkt mit dem Aktuatorelement in Eingriff steht, wenn sich die Aktuatoranordnung in dem nicht betätigten Zustand befindet, und von dem Aktuatorelement außer Eingriff steht, wenn sich die Aktuatoranordnung in dem betätigten Zustand befindet; und das PCM derart ausgebildet ist, dass die Phasenänderungstemperatur niedriger als die Betätigungstemperatur des Aktuatorelements und höher als eine Umgebungstemperatur ist, der die Anordnung erwartungsgemäß während eines Betriebes der Anordnung ausgesetzt ist.
Anordnung mit einem thermisch aktivierten Material nach Anspruch 1, wobei: der Antriebsmechanismus ausgebildet ist, um zu bewirken, dass das PCM direkt mit dem Aktuatorelement in Eingriff steht, wenn sich die Aktuatoranordnung in dem betätigten Zustand befindet, und von dem Aktuatorelement außer Eingriff steht, wenn sich die Aktuatoranordnung in dem nicht betätigten Zustand befindet; und die PCM-Phasenänderungstemperatur niedriger als die Betätigungstemperatur des Aktuatorelements ist.
Anordnung mit einem thermisch aktivierten Material nach Anspruch 1, wobei das PCM mit dem Antriebsmechanismus verbunden ist.
Anordnung mit einem thermisch aktivierten Material nach Anspruch 1, wobei das PCM ein integraler Teil des Antriebsmechanismus ist.
Anordnung mit einem thermisch aktivierten Material nach Anspruch 1, wobei das PCM ein Nicht-PCM-Material umfasst, das mit dem PCM-Material einen thermischen PCM-Verbundstoff bildet, wobei das Nicht-PCM-Material eine höhere Leitfähigkeit aufweist als das PCM-Material, um dadurch die Übertragung von Wärme, die in ein proximales Gebiet des PCM eingebracht wird, in ein distales Gebiet des PCM zu fördern.
Anordnung mit einem thermisch aktivierten Material nach Anspruch 1, wobei die Anordnung ausgestaltet ist, um Wärmemanagementeigenschaften zu bewirken, wenn das PCM einer Wärmequelle ausgesetzt ist, die sich bei einer Temperatur befindet, welche höher als eine Umgebungstemperatur ist, der die Anordnung erwartungsgemäß während eines Betriebes der Anordnung ausgesetzt ist.
Anordnung mit einem thermisch aktivierten Material nach Anspruch 1, wobei der Antriebsmechanismus die Aktuatoranordnung in Richtung des betätigten Zustands oder des nicht betätigten Zustands vorspannt.
Anordnung mit einem thermisch aktivierten Material, die zwischen einem betätigten Zustand und einem nicht betätigten Zustand umwandelbar ist, wobei die Anordnung umfasst: ein Aktuatorelement mit einem Aktuatormaterial, welches durch eine Betätigungstemperatur und eine Rücksetztemperatur definiert ist, wobei das Aktuatormaterial: in Ansprechen darauf, dass es auf oder über die Betätigungstemperatur erwärmt wird, bewirkt, dass das Aktuatorelement eine Betätigung von einer nicht betätigten Form, in der sich die Aktuatoranordnung in dem nicht betätigten Zustand befindet, in eine betätigte Form durchführt, wobei die Aktuatoranordnung in Ansprechen darauf, dass sie auf die Betätigungstemperatur erwärmt wird, in den betätigten Zustand umgewandelt wird; und in Ansprechen darauf, dass es auf oder unter die Rücksetztemperatur abkühlt, bewirkt, dass das Betätigungselement eine Betätigung von der betätigten Form zurück in die nicht betätigte Form durchführt; und ein Phasenänderungsmaterial-(PCM)-Bad, welches in der Anordnung benachbart des Aktuatorelements angeordnet ist, sodass das Aktuatorelement selektiv aus, in einen und zurück aus einem thermischen Kontakt mit dem PCM-Bad bewegt wird, wenn das Aktuatorelement von dem betätigten Zustand in den nicht betätigten Zustand und zurück in den betätigten Zustand übergeht, wobei das PCM-Bad durch eine Phasenänderungstemperatur definiert ist, wobei das PCM-Bad in Ansprechen darauf, dass es auf oder über die Phasenänderungstemperatur erwärmt wird, von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand übergeht.
Anordnung mit einem thermisch aktivierten Material, die zwischen einem betätigten Zustand und einem nicht betätigten Zustand umwandelbar ist, wobei die Anordnung umfasst: ein Aktuatorelement mit einem Aktuatormaterial, welches durch eine Betätigungstemperatur und eine Rücksetztemperatur definiert ist, wobei: das Aktuatormaterial in Ansprechen darauf, dass es auf die Betätigungstemperatur erwärmt wird, bewirkt, dass das Aktuatorelement eine Betätigung von einer nicht betätigten Form, in der sich die Aktuatoranordnung in dem nicht betätigten Zustand befindet, in eine betätigte Form durchführt, wobei die Aktuatoranordnung in den betätigten Zustand umgewandelt wird; und das Aktuatormaterial in Ansprechen darauf, dass es auf die Rücksetztemperatur abgekühlt wird, bewirkt, dass das Aktuatorelement eine Betätigung von der betätigten Form zurück in die nicht betätigte Form durchführt; und einen Phasenänderungsmaterial-(PCM)-Verbundstoff, der mit dem Aktuatorelement verbunden ist, wobei der PCM-Verbundstoff umfasst: ein PCM-Material, welches durch eine Phasenänderungstemperatur definiert ist und bewirkt, dass das PCM in Ansprechen darauf, dass es auf die Phasenänderungstemperatur erwärmt wird, von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand übergeht; und ein Nicht-PCM-Material, das mit dem PCM-Material verteilt ist, wobei das Nicht-PCM-Material eine höhere Leitfähigkeit aufweist als das PCM-Material, um dadurch die Übertragung von Wärme, die in ein proximales Gebiet des PCM eingebracht wird, in ein distales Gebiet des PCM zu fördern.