DE102012211499B4

DE102012211499B4 - Vorrichtung zum Steuern einer Phasenumwandlungstemperatur einer Formgedächtnislegierung

Info

Publication number: DE102012211499B4
Application number: DE201210211499
Authority: DE
Inventors: Xiujie Gao; Alan L. Browne; Paul W. Alexander; Nancy L. Johnson; Wayne Brown
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC; Dynalloy Inc
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC; Dynalloy Inc
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2014-04-10
Anticipated expiration: 2032-07-04
Also published as: US20130011806A1; DE102012211499A1; CN102864398B; US8741076B2; CN102864398A

Abstract

Vorrichtung, die zur Steuerung einer Phasenumwandlungstemperatur einer ersten Formgedächtnislegierung angepasst ist, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Primärdraht, der aus der ersten Formgedächtnislegierung besteht; wobei der Primärdraht ein erstes und zweites Ende definiert, wobei das erste Ende fest an einem Aufbau befestigt ist und das zweite Ende zur Verstellung in der Lage ist; eine Aktivierungsquelle, die thermisch mit dem Draht gekoppelt und betreibbar ist, um selektiv eine reversible Umwandlung des Primärdrahts von einer Martensit-Phase zu einer Austenit-Phase während eines Zyklus zu bewirken; ein Lastelement, das funktionell mit dem Primärdraht verbunden und derart konfiguriert ist, eine Zuglast auf den Primärdraht selektiv zu erhöhen, wenn eine Umgebungstemperatur bei oder oberhalb einer Schwellentemperatur liegt, wodurch die Phasenumwandlungstemperatur des Primärdrahts erhöht wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern der Phasenumwandlungstemperatur einer Formgedächtnislegierung.
HINTERGRUND
Eine Formgedächtnislegierung kann als ein Aktuator, ein Sensor oder in einer anderen Funktion in verschiedenen Vorrichtungen verwendet werden. Zwei Phasen, die in Formgedächtnislegierungen auftreten, werden oftmals als Martensit- und Austenit-Phasen bezeichnet. Die Martensit-Phase ist eine relativ weiche und leicht verformbare Phase der Formgedächtnislegierungen, die allgemein bei geringeren Temperaturen vorhanden ist. Die Austenit-Phase, die stärkere Phase der Formgedächtnislegierungen, tritt bei höheren Temperaturen auf. Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Hochtemperaturform erinnert, die als die Phasenumwandlungstemperatur bezeichnet ist, kann durch Anlegen von Spannung und andere Verfahren eingestellt werden. In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann sie beispielsweise von etwa über 100°C bis unter etwa –100°C geändert werden. Bei Anwendungen mit höheren Betätigungstemperaturanforderungen kann die an ein Formgedächtnislegierungselement angelegte Spannung erhöht werden, um ihre Phasenumwandlungstemperatur zu erhöhen. Jedoch reduziert diese Zunahme der Spannung die Ermüdungslebensdauer der Formgedächtnislegierung. Mit anderen Worten resultiert ein kontinuierlicher Betrieb der Formgedächtnislegierung bei einer höheren Betätigungstemperatur in einer wesentlich kürzeren Lebensdauer.
Formgedächtnislegierungen und deren Anwendungen sind in den Druckschriften US 2011/0 120 119 A1 , DE 101 42 998 A1 und EP 0 145 204 A1 beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist eine Vorrichtung vorgesehen, die zum Steuern einer Phasenumwandlungstemperatur einer Formgedächtnislegierung angepasst ist. Die Vorrichtung umfasst einen Primärdraht, der aus der Formgedächtnislegierung besteht. Der Primärdraht definiert ein erstes und zweites Ende, wobei das erste Ende an einem fixierten Aufbau befestigt ist und das zweite Ende zur Verstellung, beispielsweise Verschiebung bzw. Translation oder Rotation, in der Lage ist. Eine Aktivierungsquelle ist thermisch mit dem Draht gekoppelt und dient dazu, selektiv eine reversible Umwandlung des Drahtes von einer Martensit-Phase in eine Austenit-Phase während eines Zyklus zu bewirken. Ein Lastelement ist funktionell mit dem Draht verbunden und derart konfiguriert, eine Zuglast auf den Primärdraht selektiv zu erhöhen, wenn eine Umgebungstemperatur bei oder oberhalb einer Schwellentemperatur liegt, wodurch die Phasenumwandlungstemperatur des Primärdrahts erhöht wird. Mit anderen Worten wird die Spannung an dem Primärdraht nur erhöht, wenn die Umgebungstemperatur bei oder oberhalb einer Schwellentemperatur liegt. Der Primärdraht arbeitet unter geringer Spannung, wenn die Umgebungstemperatur unterhalb einer Schwellentemperatur liegt, so dass eine längere Lebensdauer erreicht werden kann. Dies ermöglicht den Gebrauch relativ kostengünstiger Formgedächtnislegierungsdrähte in gewissen Anwendungen, die ansonsten teure Formgedächtnislegierungsdrähte mit ultrahoher Übergangstemperatur erfordern würden.
Es ist ein Verfahren zum Steuern einer Phasenumwandlungstemperatur eines Primärdrahtes vorgesehen, der aus einer ersten Formgedächtnislegierung besteht und zwei Enden definiert. Ein Ende des Primärdrahtes ist in einer fixierten Position gesichert, so dass das andere Ende des Primärdrahtes zur Verstellung in der Lage ist. Der Primärdraht ist thermisch mit einer Aktivierungsquelle gekoppelt, um selektiv eine reversible Umwandlung des Primärdrahts von einer Martensit-Phase zu einer Austenit-Phase während eines Zyklus zu bewirken. Eine Zuglast auf den Primärdraht wird selektiv erhöht, wenn eine Umgebungstemperatur bei oder oberhalb einer Schwellentemperatur liegt, wodurch die Phasenumwandlungstemperatur des Primärdrahts erhöht wird.
Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten zur Ausführung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen leicht offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Steuerung einer Phasenumwandlungstemperatur einer Formgedächtnislegierung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung von 1, wenn die Umgebungstemperatur über einer Schwellentemperatur liegt;
3 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
4 ist eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
5 ist eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
6 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung von 5, wenn die Umgebungstemperatur über einer Schwellentemperatur liegt;
7 ist eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung, wenn ein Primärdraht in einem kalten Zustand ist;
8 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung von 7, wenn die Umgebungstemperatur über einer Schwellentemperatur liegt und der Primärdraht in einem heißen Zustand ist;
9 ist eine schematische Darstellung eines alternativen wärmeausdehnbaren Elements für die Vorrichtung der 7–8;
10 ist eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
11 ist eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
12 ist eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
13 ist eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
14 ist eine schematische Darstellung einer zehnten Ausführungsform für eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
15 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern einer Umwandlungstemperatur einer Formgedächtnislegierung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bezug nehmend auf die Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen dieselben oder ähnlichen Komponenten in den verschiedenen Ansichten beschreiben, zeigen die 1–2 einen Abschnitt einer Vorrichtung 10 mit einem Primärdraht 12, der aus einer ersten Formgedächtnislegierung (SMA von engl.: ”shape memory alloy”) besteht. Der hier verwendete Begriff ”Draht” ist nicht beschränkend und soll andere ähnliche geometrische Konfigurationen umfassen, die Zuglast-Festigkeits/Dehnungs-Fähigkeiten aufweisen, wie Kabel, Bündel, Verflechtungen, Seile, Streifen, Ketten, Bänder, Federn und andere Elemente.
Geeignete Formgedächtnislegierungen können einen Einweg-Formgedächtniseffekt, einen ihnen eigenen (intrinsischen) Zweiwegeeffekt oder einen äußeren (extrinsischen) Zweiwege-Formgedächtniseffekt in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung und dem Verarbeitungsverlauf zeigen. Wie vorher angemerkt ist, werden die zwei Phasen, die in Formgedächtnislegierungen auftreten, häufig als Martensit- und Austenitphasen bezeichnet. Die Martensitphase ist eine relativ weiche und leicht verformbare Phase der Formgedächtnislegierungen, die im Allgemeinen bei niedrigeren Temperaturen vorliegt. Die Austenitphase, die festere Phase der Formgedächtnislegierungen, tritt bei höheren Temperaturen auf. Formgedächtnismaterialien, die aus Formgedächtnislegierungszusammensetzungen gebildet sind, die Einweg-Formgedächtniseffekte zeigen, formen sich nicht automatisch wieder zurück, und in Abhängigkeit von der Konstruktion des Formgedächtnismaterials erfordern sie eine äußere mechanische Kraft, um sich wieder in die Formorientierung, die sie zuvor zeigten, zurück zu formen. Formgedächtnismaterialien, die einen intrinsischen Zweiwege-Formgedächtniseffekt aufweisen, werden aus einer Formgedächtnislegierungszusammensetzung hergestellt, die sich bei Entfernung der Ursache für die Abweichung automatisch rückformt.
Geeignete Legierungsmaterialien mit Gedächtnisfunktion schließen ohne Beschränkung ein: 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-Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinn-Legierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, vorausgesetzt die Legierungszusammensetzung zeigt einen Formgedächtniseffekt, z. B. eine Änderung der Formorientierung, des Dämpfungsvermögens und dergleichen. Beispielsweise ist eine Legierung auf Nickel-Titan-Basis im Handel unter der Marke NITINOL von Shape Memory Applications, Inc. erhältlich.
Eine Formgedächtnislegierung ist durch einen kalten Zustand gekennzeichnet, d. h. wenn die Temperatur der Legierung unter ihrer Martensit-Endtemperatur M_f liegt. Eine Formgedächtnislegierung ist auch durch einen heißen oder superelastischen Zustand gekennzeichnet, d. h. wenn die Temperatur der Legierung über ihrer Austenit-Endtemperatur A_f liegt. Ein Objekt, das aus der Legierung gebildet ist, kann durch eine Schwellenform gekennzeichnet sein. Wenn das Objekt aus seiner Schwellenform in dem kalten Zustand pseudoplastisch verformt wird, kann die Dehnung durch Erhitzen des Objektes über seine Austenit-Endtemperatur A_f zurückgeführt werden, d. h. ein Anlegen eines Signals zur thermischen Aktivierung, die ausreichend ist, um das Objekt über seine A_f zu erhitzen, bewirkt eine Rückkehr des Objektes zu seiner Schwellenform. Ein Elastizitätsmodul und eine Fließgrenze der SMA sind in dem kalten Zustand auch signifikant geringer als in dem heißen Zustand. Wie dem Fachmann zu verstehen sei, ist die pseudo-plastische Dehnung ähnlich der plastischen Dehnung, da die Dehnung vorhanden ist, wenn sich die SMA im kalten Zustand befindet.
Bezug nehmend auf die 1–2 ist eine Aktivierungsquelle 14 thermisch mit dem Primärdraht 12 gekoppelt und dient dazu, selektiv eine reversible Umwandlung des Primärdrahts 12 von einer Martensit-Phase in eine Austenit-Phase während eines Zyklus zu bewirken. Das Aktivierungssignal von der Aktivierungsquelle 14 kann ein Wärmesignal oder ein elektrisches Signal umfassen, ist jedoch nicht darauf beschränkt, wobei das bestimmte Aktivierungssignal von den Materialien und/oder der Konfiguration der Formgedächtnislegierung und/oder der Vorrichtung abhängig ist. Ein Controller 15 ist funktionell mit der Aktivierungsquelle 14 gekoppelt und derart konfiguriert, die Aktivierungsquelle 14 zu steuern. Beispielsweise kann der Controller 15 einen elektrischen Strom durch den Primärdraht 12 führen, um den Primärdraht 12 zu erwärmen. Ein erstes Ende 16 des Primärdrahts 12 ist funktionell mit einem fixierten Aufbau 18 verbunden. Ein zweites Ende 20 des Primärdrahts 12 ist funktionell mit einem drehbaren Hebel 22 verbunden, so dass das zweite Ende 20 zur Verstellung, beispielsweise Translation oder Rotation, in der Lage ist. Der Hebel 22 nimmt eine erste Hebelposition 24, wenn sich der Primärdraht 12 in seinem kalten Zustand befindet, und eine zweite Hebelposition 26 (in gestrichelten Linien gezeigt) ein, wenn sich der Primärdraht 12 in seinem heißen Zustand befindet. Eine erste Feder 28 ist funktionell mit dem Hebel 22 an einem Ende verbunden und derart konfiguriert, den Hebel 22 zu der ersten Hebelposition 24 vorzuspannen.
Bezug nehmend auf die 1–2 ist ein Sekundärdraht 30 funktionell mit dem Hebel 22 verbunden. Der Sekundärdraht 30 besteht aus einer zweiten Formgedächtnislegierung, die eine geringere Phasenumwandlungstemperatur besitzt, als der Primärdraht, d. h. der Sekundärdraht 30 besitzt eine geringere Austenit-Endtemperatur, als die Austenit-Starttemperatur des Primärdrahts 12. Der Sekundärdraht 30 ist als ein Lastelement konfiguriert, um eine Zuglast auf den Primärdraht 12 selektiv zu erhöhen, wenn sich die Umgebungstemperatur bei oder oberhalb einer Schwellentemperatur befindet, wodurch die Umwandlungstemperatur des Primärdrahts 12 erhöht wird. Bei der Ausführungsform der 1–2 ist die Schwellentemperatur zumindest die Austenit-Starttemperatur des Sekundärdrahtes 30. Der Primärdraht 12 und der Sekundärdraht 30 sind durch jeweilige vorbestimmte Längen gekennzeichnet, zu denen sie in ihrem heißen Zustand nach pseudoplastischer Verformung zurückkehren. Wie in den 1–2 gezeigt ist, sind der Primärdraht 12, der Sekundärdraht 30 und die erste Feder 28 jeweils an einem Ende an dem fixierten Aufbau 18, wie einem gemeinsamen Gehäuse fixiert. Alternativ dazu können jeder des Primärdrahts 12, des Sekundärdrahts 30 und der ersten Feder 28 an separaten fixierten Aufbauten fixiert sein.
Bezug nehmend auf 1 sind während des Normalbetriebs, wenn die Umgebungstemperatur unterhalb der Austenit-Starttemperatur des Sekundärdrahts 30 liegt und sich der Primärdraht 12 in seinem kalten Zustand befindet, sein Elastizitätsmodul und seine Fließgrenze ausreichend gering, so dass sich der Hebel 22 in der ersten Hebelposition 24 befindet, wodurch der Primärdraht 12 aus seiner vorbestimmten Länge verlängert wird. Der Sekundärdraht 30 kann durchhängen, wie in 1 gezeigt ist, oder gerade sein (nicht gezeigt). Da der Sekundärdraht 30 sich in seinem kalten Zustand befindet, sind sein Elastizitätsmodul und seine Fließgrenze ausreichend gering, so dass der Sekundärdraht 30 von seiner vorbestimmten Länge verlängert wird. Wenn der Primärdraht 12 in seinen heißen Zustand durch die Aktivierungsquelle 14 aktiviert ist, kehrt der Primärdraht 12 zu seiner vorbestimmten Länge zurück und sein Modul steigt, wodurch der Hebel 22 zu der zweiten Hebelposition 26 (in 1 in gestrichelten Linien gezeigt) gezogen und der Sekundärdraht 30 ausgedehnt wird. Der Sekundärdraht 30 legt bei keiner dieser Situationen eine Spannung an den Primärdraht 12 an. Somit bleibt während des Normalbetriebs, wenn sich die Umgebungstemperatur unterhalb der Austenit-Starttemperatur des Sekundärdrahts 30 befindet, der Sekundärdraht 30 untätig bzw. ruhend und erlaubt einen Betrieb des Primärdrahts 12 bei Bedingungen mit geringerer Spannung.
Bezug nehmend auf 2 beginnt, wenn die Umgebungstemperatur die Austenit-Starttemperatur des Sekundärdrahts 30 erreicht, der Sekundärdraht 30 eine kristallografische Phasenumwandlung zwischen Austenit und Martensit. Wenn die Umgebungstemperatur auf über die Austenit-Endtemperatur des Sekundärdrahts 30 ansteigt, tritt der Sekundärdraht 30 in seinen heißen oder superelastischen Zustand, wodurch bewirkt wird, dass der Sekundärdraht 30 zu seiner vorbestimmten Länge zurückkehrt und sein Modul steigt. Anschließend kehrt, wenn der Primärdraht 12 in seinen heißen Zustand durch die Aktivierungsquelle 14 aktiviert ist, der Primärdraht 12 zurück zu seiner vorbestimmten Länge und sein Modul steigt, was den Hebel 22 zu der zweiten Hebelposition 26 zieht und dadurch den Sekundärdraht 30 streckt. Der Sekundärdraht 30 übt eine Kraft aus, wenn er gestreckt wird, was die Zuglast oder -spannung an dem Primärdraht 12 erhöht. Der Kraftbetrag, der durch den Sekundärdraht 12 ausgeübt wird, kann durch seine Zusammensetzung, Umwandlungstemperaturen wie auch seine Gesamtquerschnittsfläche abgestimmt sein.
Bezug nehmend auf 2 kann optional ein fixiertes Stoppelement 44 benachbart dem Hebel 22 positioniert sein, um den Hebel 22 an einer Bewegung über die erste Hebelposition 24 hinaus zu blockieren, um zu verhindern, dass der Primärdraht 12 weiter gestreckt wird, wenn er sich in seinem kalten Zustand befindet. Mit anderen Worten kann der Primärdraht 12 ohne jegliche angelegte Spannung ”ruhen”. Ohne ein Stoppelement 44 kann, wenn sich der Primärdraht 12 in seinem kalten Zustand befindet, eine Zugspannung auf dem Primärdraht 12 durch die Vorspannfeder 28 und den Sekundärdraht 30 angelegt werden, wenn sich die Umgebungstemperatur oberhalb der Austenit-Starttemperatur des Sekundärdrahts 30 befindet.
Bei einem Beispiel ist die Schwellentemperatur 5% bis 90% geringer als die Anfangs-Umwandlungstemperatur des Primärdrahts 12. Bei einem Beispiel ist die zusätzliche Zuglast, die durch den Sekundärdraht 30 ausgeübt wird, etwa 5% bis 90% der Nennlast (Zug), der der Primärdraht 12 ausgesetzt ist. Die Nennlast ist diejenige Last, der der Primärdraht 12 in der Abwesenheit des Sekundärdrahts 30 ausgesetzt ist. Nur beispielhaft kann der Primärdraht 12 aus einer ersten Legierung auf Nickel-Titan-Basis bestehen, die eine Austenit-Endtemperatur ohne Spannung von etwa 65° Celsius besitzt. Bei einem Beispiel kann der Sekundärdraht 30 aus einer zweiten Legierung auf Nickel-Titan-Basis bestehen, die eine Austenit-Endtemperatur ohne Spannung von etwa 70° Celsius besitzt. Hier kann, wenn die Umgebungstemperatur 70° Celsius überschreitet, der Sekundärdraht 30 in der Vorrichtung 10 eine Zuglast auf dem Primärdraht 12 von etwa 175 MPa ausüben, wodurch die Austenit-Endtemperatur des Primärdrahts 12 auf etwa 90° Celsius erhöht wird.
Optional dazu kann der Sekundärdraht 30 mit einer zweiten Aktivierungsquelle 54, die mit einem Controller 55 gekoppelt ist, verbunden sein, wie in 2 gezeigt ist. Die zweite Aktivierungsquelle 54 kann derart konfiguriert sein, einen Heizstrom zu dem Sekundärdraht 30 zu leiten, wobei der Sekundärdraht 30 in seinen heißen Zustand aufgeheizt und der Spannungsbetrag, der an dem Primärdraht 12 angelegt wird, selektiv erhöht wird. Durch Leiten einer größeren Größe an Strom durch den Sekundärdraht 30, wenn der Primärdraht 12 von seinem heißen zu seinem kalten Zustand rückgesetzt wird oder sich von seinem heißen zu seinem kalten Zustand bewegt, kann eine Spannungshysterese durch den Sekundärdraht 30 beseitigt werden. Dies bedeutet, bei einer fixierten Temperatur ist die Spannung, die erforderlich ist, um den Sekundärdraht 30 zu strecken, typischerweise höher als die Spannung, die durch den Sekundärdraht 30 bei Kontraktion ausgeübt wird.
Bezug nehmend auf 3, bei der gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten von den 1–2 bezeichnen, ist eine Vorrichtung 110 gezeigt, die eine zweite Ausführungsform darstellt. 3 zeigt schematisch einen Sekundärdraht 130, der aus einer zweiten Formgedächtnislegierung besteht, die eine geringere Phasenumwandlungstemperatur als der Primärdraht 12 besitzt, ist funktionell mit dem Hebel 22 verbunden. Der Sekundärdraht 130 ist als ein Lastelement konfiguriert, um eine Zuglast auf den Primärdraht 12 selektiv zu erhöhen, wenn die Umgebungstemperatur über einen Schwellenwert ansteigt. Die Ausführungsform in den 3 umfasst ferner einen dehnungsbegrenzenden Mechanismus 132, der zwischen dem Sekundärdraht 130 und dem fixierten Aufbau 18 befestigt sein kann. Der dehnungsbegrenzende Mechanismus 132 umfasst eine zweite Feder 134, einen Verbinder 136 und ein Begrenzungselement 138. Die zweite Feder 134 ist vorgedehnt und übt eine nahezu konstante Kraft auf den Sekundärdraht 130 aus. Das Begrenzungselement 138 umgibt zumindest teilweise den Verbinder 136 und ist derart konfiguriert, den Betrag, um den die zweite Feder 134 den Sekundärdraht 130 streckt, zu begrenzen. Mit anderen Worten ist das Begrenzungselement 138 derart konfiguriert, um zu verhindern, dass sich der Sekundärdraht 130 über einen Sollwert hinaus dehnt.
Während des normalen Betriebs, wenn die Umgebungstemperatur unter der Austenit-Starttemperatur des Sekundärdrahts 130 liegt, ist der Betrieb der Vorrichtung 110 derselbe wie der der Vorrichtung 10, die in den 1–2 gezeigt ist. Bezug nehmend auf 3 beginnt, wenn die Umgebungstemperatur bei oder oberhalb der Austenit-Starttemperatur des Sekundärdrahts 130 liegt, der Sekundärdraht 130 eine Änderung der kristallografischen Phase von Martensit zu Austenit, wodurch eine Kraft auf den Hebel 22 ausgeübt wird. Jedoch ist die zweite Feder 134 so gewählt, dass die durch den Sekundärdraht 130 bei dieser Stufe ausgeübte Kraft unzureichend ist, um die Vorspannkraft in der zweiten Feder 134 zu überwinden, so dass die zweite Feder 134 in Position bleibt. Wenn die Umgebungstemperatur bei oder oberhalb der Austenit-Endtemperatur des Sekundärdrahts 130 liegt, tritt der Sekundärdraht 130 in seinen heißen Zustand ein, was zur Folge hat, dass der Sekundärdraht 130 zu seiner vorbestimmten Länge zurückkehrt und sein Modul steigt und eine Kraft ausübt, die ausreichend ist, um die Vorspannkraft in der zweiten Feder 134 zu überschreiten, wodurch die zweite Feder 134 in der Richtung 140 gestreckt wird. Somit ist die Schwellentemperatur für die Ausführungsform in 3 die Austenit-Endtemperatur des Sekundärdrahts 130. Die Kraft und das Verstellprofil in der zweiten Feder 134 erlauben, dass der Sekundärdraht 130 eine Spannungshysterese, wie vorher erwähnt wurde, überwinden kann. Wenn beispielsweise die zweite Feder 134 lang ist, dann ist die Kraft, die diese anlegt, nahezu konstant innerhalb des Bewegungsbereichs des Sekundärdrahts 130. Dies minimiert die Spannungshysterese des Sekundärdrahts; wie bekannt ist, ist bei einer fixierten Temperatur die Spannung, die erforderlich ist, die den Sekundärdraht 30 zu strecken, typischerweise höher als die Spannung, die durch den Sekundärdraht 30 ausgeübt wird, wenn er kontrahiert. Zusätzlich minimiert dies die Temperaturabhängigkeit der durch den Sekundärdraht 130 angelegten Spannung.
Bezug nehmend auf 4 ist eine Vorrichtung 210 gezeigt, die eine dritte Ausführungsform darstellt. Die Vorrichtung 210 weist einen Primärdraht 212 auf, der aus einer ersten Formgedächtnislegierung (SMA) besteht. Eine Aktivierungsquelle 214 ist thermisch mit dem Primärdraht 212 gekoppelt und dient dazu, selektiv eine reversible Umwandlung des Primärdrahts 212 von einer martensitischen Phase in eine austenitische Phase während eines Zyklus zu bewirken. Ein Controller 215 ist funktionell mit der Aktivierungsquelle 214 gekoppelt und derart konfiguriert, die Aktivierungsquelle 214 zu steuern. Ein erstes Ende 216 des Primärdrahts 212 ist an einem fixierten Aufbau 218 befestigt. Ein zweites Ende 220 ist funktionell mit einem drehbaren Hebel 222 verbunden, so dass das zweite Ende 220 zur Verstellung, beispielsweise Translation oder Rotation, in der Lage ist. Der Hebel 222 nimmt eine erste Hebelposition 224, wenn sich der Primärdraht 212 in seinem kalten Zustand befindet, und eine zweite Hebelposition 226 (in gestrichelten Linien gezeigt) ein, wenn sich der Primärdraht 212 in seinem heißen Zustand befindet. Eine erste Feder 228 ist funktionell mit dem Hebel 222 verbunden und derart konfiguriert, den Hebel 222 zu der ersten Hebelposition 224 vorzuspannen. Die Vorrichtung 210 weist eine Kompressionsfeder 240 auf, die an einem Ende beispielsweise durch Befestigung an einem fixierten Aufbau 218 fixiert ist. Die Kompressionsfeder 240 ist zumindest teilweise durch ein reversibles Phasenänderungsmaterial 242 umgeben, die beide in einem Gehäuse 246 positioniert sein können. Das Phasenänderungsmaterial 242 ist so gewählt, dass es eine Temperatur zur Umwandlung von fester zu flüssiger Phase bei der Schwellentemperatur besitzt.
Bezug nehmend auf 4 ist während des Normalbetriebs, wenn die Umgebungstemperatur unterhalb einer Schwellentemperatur liegt, das Phasenänderungsmaterial 242 im Wesentlichen fest und derart konfiguriert, die Kompressionsfeder 240 zu verriegeln oder zu komprimieren. Wenn die Umgebungstemperatur eine Schwellentemperatur erreicht, ist das Phasenänderungsmaterial 242 einer Umwandlung von fester zu flüssiger Phase ausgesetzt und derart konfiguriert, die Kompressionsfeder 240 freizugeben, so dass die Kompressionsfeder 240 eine Zuglast auf den Primärdraht 212 ausübt, wenn der Primärdraht 212 betätigt ist. Somit funktioniert die Kompressionsfeder 240 als ein Lastelement, das derart konfiguriert ist, eine Zuglast auf den Primärdraht 212 selektiv zu erhöhen, wenn eine Umgebungstemperatur bei oder oberhalb einer Schwellentemperatur liegt, wodurch die Phasenumwandlungstemperatur des Primärdrahts 212 erhöht wird. Bei einem Beispiel ist das Phasenänderungsmaterial 242 Paraffinwachs. Jegliches geeignete Material mit einer Temperatur zur Umwandlung von fester zu flüssiger Phase bei der Schwellentemperatur kann verwendet werden.
Bezug nehmend auf die 5–6 ist eine Vorrichtung 310 gezeigt, die eine vierte Ausführungsform darstellt. Die Vorrichtung 310 weist einen Primärdraht 312 auf, der aus einer ersten Formgedächtnislegierung (SMA) besteht. Eine Aktivierungsquelle 314 ist thermisch mit dem Primärdraht 312 gekoppelt und dient dazu, selektiv eine reversible Umwandlung des Primärdrahts 312 von einer martensitischen Phase zu einer austenitischen Phase während eines Zyklus zu bewirken. Ein Controller 315 ist funktionell mit der Aktivierungsquelle 314 gekoppelt, und ist derart konfiguriert, die Aktivierungsquelle 314 zu steuern. Ein erstes Ende 316 des Primärdrahts 312 ist an einem fixierten Aufbau 318 befestigt. Ein zweites Ende 320 des Primärdrahts 312 ist funktionell mit einem drehbaren Hebel 322 verbunden, so dass das zweite Ende 320 zur Verstellung, beispielsweise Translation oder Rotation, in der Lage ist. Der Hebel 322 nimmt eine erste Hebelposition 324, wenn sich der Primärdraht 312 in seinem kalten Zustand befindet, und eine zweite Hebelposition 326 (in gestrichelten Linien gezeigt) ein, wenn sich der Primärdraht 312 in seinem heißen Zustand befindet. Eine erste Feder 328 ist funktionell mit dem Hebel 322 verbunden und derart konfiguriert, den Hebel 322 in die erste Hebelposition 324 vorzuspannen.
Bezug nehmend auf 6 weist die Vorrichtung 310 einen Sekundärdraht 330 auf, um einen Zusatzhebel 340 zu koppeln und zu entkoppeln, so dass die Spannung in dem Primärdraht 312 erhöht werden kann, wenn sich die Umgebungstemperatur bei oder oberhalb der Schwellentemperatur befindet. Der Sekundärdraht 330 besteht aus einer zweiten Formgedächtnislegierung, die eine geringere Umwandlungstemperatur als die erste Formgedächtnislegierung besitzt. Der Zusatzhebel 340, der selektiv mit dem Hebel 322 durch einen geschwenkten Haken 342 gekoppelt sein kann. Der Haken 342 ist relativ zu dem Zusatzhebel 340 zwischen einer ersten Hakenposition 346 und einer zweiten Hakenposition 348 drehbar. Eine zweite Feder 329 ist funktionell mit dem Zusatzhebel 340 verbunden und ist derart konfiguriert, den Zusatzhebel 340 in seine erste Position 350 vorzuspannen. Eine dritte Feder 349 ist funktionell mit dem Haken 342 verbunden und derart konfiguriert, den Haken 342 in die erste Hakenposition 346 vorzuspannen. Ein Stoppelement 344 kann dazu verwendet werden, um eine Bewegung des Hebels 322 und des Zusatzhebels 340 über einen Sollwert hinaus zu verhindern. Der Primärdraht 312 und der Sekundärdraht 330 sind durch jeweilige vorbestimmte Längen gekennzeichnet, zu denen sie in ihrem heißen Zustand nach einer pseudoplastischen Verformung zurückkehren.
Bezug nehmend auf 5 befindet sich während des Normalbetriebs, wenn die Umgebungstemperatur unterhalb der Austenit-Starttemperatur des Sekundärdrahts 330 liegt, der Haken 342 in der ersten Hakenposition 346. Wenn sich der Primärdraht 312 zwischen seinem kalten und heißen Zustand umwandelt, bleibt der Zusatzhebel 340 untätig. Bezug nehmend auf 6 kehrt, wenn die Umgebungstemperatur bei oder oberhalb der Austenit-Starttemperatur des Sekundärdrahts 330 liegt, der Sekundärdraht 330 zu seiner vorbestimmten Länge zurück und erhöht sein Modul, wodurch der Haken 342 zu der zweiten Hakenposition 348 gedrängt wird, wodurch der Zusatzhebel 340 mit dem Hebel 322 gekoppelt wird. Anschließend kehrt, wenn der Primärdraht 312 in seinen heißen Zustand aktiviert ist, der Primärdraht 312 zu seiner vorbestimmten Länge zurück und erhöht sein Modul, wodurch eine Kraft auf den Hebel 322 ausgeübt wird, der nun mit dem Zusatzhebel 340 gekoppelt ist (siehe Position 350 in 6). Die Kopplung des Zusatzhebels 340 mit dem Hebel 322 erhöht selektiv die Zuglast auf den Primärdraht 312.
Bezug nehmend auf die 7–8 ist eine Vorrichtung 410 gezeigt, die eine fünfte Ausführungsform veranschaulicht. Die Vorrichtung 410 weist einen Primärdraht 412 auf, der aus einer ersten Formgedächtnislegierung (SMA) besteht. Eine Aktivierungsquelle 414 ist thermisch mit dem Primärdraht 412 gekoppelt und dient dazu, selektiv eine reversible Umwandlung des Primärdrahts 412 von einer martensitischen Phase zu einer austenitischen Phase während eines Zyklus zu bewirken. Ein Controller 415 ist funktionell mit der Aktivierungsquelle 414 gekoppelt und derart konfiguriert, die Aktivierungsquelle 414 zu steuern. Ein erstes Ende 416 des Primärdrahts 412 ist funktionell mit einem fixierten Aufbau 418 verbunden, während ein zweites Ende 420 funktionell mit einem verschiebbaren Schlitten 422 verbunden ist, so dass das zweite Ende 420 zur Verstellung, beispielsweise Verschiebung bzw. Translation oder Rotation in der Lage ist. Ein wärmeausdehnbares Element 430 ist funktionell mit dem Schlitten 422 verbunden. Das wärmeausdehnbare Element 430 weist ein Befestigungselement 432 auf, das zumindest teilweise in einem Gehäuse 434 angeordnet und zumindest teilweise durch ein Phasenänderungsmaterial 436 umgeben ist. Das Gehäuse 434 kann an einem fixierten Aufbau 418 befestigt sein. Eine Ausdehnungsfeder 438 ist funktionell mit dem Schlitten 422 an einem Ende und dem Befestigungselement 432 an dem anderen Ende verbunden. Der Primärdraht 412 ist durch eine vorbestimmte Länge gekennzeichnet, zu der der Primärdraht 412 in seinem heißen Zustand nach pseudoplastischer Verformung zurückkehrt.
7 zeigt die Vorrichtung 410, wenn die Umgebungstemperatur unterhalb einer Schwellentemperatur liegt und der Primärdraht 412 in seinem kalten Zustand ist. Bezug nehmend auf 7 sind im Normalbetrieb, wenn die Umgebungstemperatur unterhalb einer Schwellentemperatur liegt und der Primärdraht 412 in seinem kalten Zustand ist, das Elastizitätsmodul sowie die Fließgrenze des Primärdrahts 412 ausreichend gering, so dass der Schlitten 422 in einer ersten Schlittenposition 424 ist, wodurch der Primärdraht 412 von seiner vorbestimmten Länge verlängert ist. Wenn der Primärdraht 412 in seinen heißen Zustand erhitzt wird, kehrt der Primärdraht 412 in seine vorbestimmte Länge zurück und erhöht sein Modul, wodurch der Schlitten 422 in der Richtung 426 gezogen und die Ausdehnungsfeder 438 gestreckt wird. Das wärmeausdehnbare Element 430 bleibt in einer Ruhekonfiguration 440 (in 7) untätig und legt in keiner dieser Situationen eine Spannung an den Primärdraht 412 an.
Bezug nehmend auf 8 bewegt sich, wenn die Umgebungstemperatur die Schwellentemperatur überschreitet, das wärmeausdehnbare Element 430 in eine ausgedehnte Konfiguration 442. In der ausgedehnten Konfiguration 442 dehnt sich das Phasenänderungsmaterial 436 zu einem größeren Volumen aus, wodurch das Befestigungselement 432 und daher der Schlitten 422 und die Ausdehnungsfeder 438 gezogen werden. 8 zeigt die Vorrichtung 410, wenn sich die Umgebungstemperatur bei oder oberhalb der Schwellentemperatur befindet und der Primärdraht 412 in seinem heißen Zustand ist. Bezug nehmend auf 8 kehrt, wenn der Primärdraht 412 in seinen heißen Zustand erhitzt wird, der Primärdraht 412 in seine vorbestimmte Länge zurück und erhöht sein Modul, wodurch der Schlitten 422 in der Richtung 426 gezogen und eine Kraft auf die Ausdehnungsfeder 438 ausgeübt wird. Die entgegengesetzte Kraft, die durch das wärmeausdehnbare Element 430 in der ausgedehnten Konfiguration angelegt wird, erhöht selektiv die Zuglast auf den Primärdraht 412. Optional dazu kann ein fixiertes Stoppelement 444 dazu verwendet werden, ein Verschieben des Schlittens 422 zu dem wärmeausdehnbaren Element 430 über einen Sollwert hinaus zu verhindern, wodurch eine Streckung des Primärdrahts 412 verhindert wird, wenn sich der Primärdraht 412 in seinem kalten Zustand befindet. Mit anderen Worten verhindert das Stoppelement 444, dass die Kraft, die durch die Vorspannfeder 438 und das wärmeausdehnbare Element 430 in der ausgedehnten Konfiguration ausgeübt wird, an den Primärdraht 412 übertragen wird, bis der Primärdraht 412 in seinen heißen Zustand erhitzt ist.
Das wärmeausdehnbare Element 430 kann mit beliebigen geeigneten Materialien geformt sein, die einen großen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Bei einem Beispiel ist das Phasenänderungsmaterial 436 Paraffinwachs. Die Schwellentemperatur in diesem Fall ist diejenige Temperatur, bei der sich das wärmeausdehnbare Element 430 ausreichend ausdehnt, um die Vorspannkraft zu überwinden, und die Ausdehnungsfeder 438 streckt.
Bezug nehmend auf 9 kann bei einer alternativen Ausführungsform das wärmeausdehnbare Element 430 in den 7–8 ein bimetallisches Element 460 sein, das eine erste und zweite Metallschicht 462, 464 besitzt, wobei jede einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt.
Bei einem Beispiel ist die erste Metallschicht 462 Kupfer und die zweite Metallschicht 464 ist Stahl. Die erste und zweite Metallschicht 462, 464 können über ihre gesamte Länge durch Schweißen oder andere geeignete Verfahren starr miteinander verbunden sein. Wenn die Umgebungstemperatur unterhalb einer Schwellentemperatur liegt, nimmt das bimetallische Element 460 eine Ruhekonfiguration 466 ein, wie in 9 in gestrichelten Linien gezeigt ist. Wenn die Umgebungstemperatur bei oder oberhalb der Schwellentemperatur liegt, dehnen sich die erste und zweite Metallschicht 462, 464 mit verschiedenen Raten aus, was zur Folge hat, dass sich das bimetallische Element 460 in die ausgedehnte Konfiguration 468 biegt oder verformt und dadurch die Ausdehnungsfeder 438 streckt. Bei einer anderen Ausführungsform kann das wärmeausdehnbare Element eine Nylonstange mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 0,0001 pro Kelvin sein.
Bezug nehmend auf 10 ist eine Vorrichtung 510 gezeigt, die eine sechste Ausführungsform darstellt. Die Vorrichtung 510 weist einen Primärdraht 512 auf, der aus einer ersten Formgedächtnislegierung (SMA) besteht. Eine Aktivierungsquelle 514 ist thermisch mit dem Primärdraht 512 gekoppelt und dient dazu, selektiv eine reversible Umwandlung des Primärdrahts 512 von einer martensitischen Phase zu einer austenitischen Phase während eines Zyklus zu bewirken. Ein Controller 515 ist funktionell mit der Aktivierungsquelle 514 gekoppelt und derart konfiguriert, die Aktivierungsquelle 514 zu steuern. Ein erstes Ende 516 des Primärdrahts 512 ist an einem fixierten Aufbau 518 befestigt. Ein zweites Ende 520 ist funktionell mit einem drehbaren Hebel 522 verbunden, so dass das zweite Ende 520 zur Verstellung, beispielsweise Translation oder Rotation, in der Lage ist. Der Hebel 522 nimmt eine erste Hebelposition 524 ein, wenn sich der Primärdraht 512 in seinem kalten Zustand befindet, und dreht in der Richtung 526, wenn sich der Primärdraht 512 in seinem heißen Zustand befindet. Der drehbare Hebel 522 besitzt einen Drehpunkt 523, der in 10 gezeigt ist. Eine erste Feder 528 ist funktionell mit dem Hebel 522 an einem Ende verbunden und derart konfiguriert, den Hebel 522 in die erste Hebelposition 524 vorzuspannen.
Bezug nehmend auf 10 weist die Vorrichtung 510 einen Sekundärdraht 530 auf, der aus einer zweiten Formgedächtnislegierung besteht, die eine geringere Umwandlungstemperatur besitzt, als der Primärdraht 512. Der Sekundärdraht 530 ist funktionell mit einer Blattfeder 532 an einem Ende und einem fixierten Aufbau 518 an einem anderen Ende verbunden. Der Primärdraht 512 und der Sekundärdraht 530 sind durch jeweilige vorbestimmte Längen gekennzeichnet, zu denen sie in ihrem heißen Zustand nach einer pseudoplastischen Verformung zurückkehren.
Bezug nehmend auf 10 nimmt während des Normalbetriebs, wenn die Umgebungstemperatur unter der Austenit-Starttemperatur des Sekundärdrahts 530 liegt, der Sekundärdraht 530 eine erste Position 545 ein. Wenn sich die Umgebungstemperatur bei oder oberhalb der Austenit-Starttemperatur des Sekundärdrahts 530 befindet, beginnt der Sekundärdraht 530 eine Änderung der kristallografischen Phase von Martensit zu Austenit, wodurch eine Kraft auf die Blattfeder 532 ausgeübt wird. Jedoch ist die durch den Sekundärdraht 530 ausgeübte Kraft unzureichend, um die Vorspannkraft der Blattfeder 532 zu überwinden. Bezug nehmend auf 10 tritt, wenn die Umgebungstemperatur über der Austenit-Endtemperatur des Sekundärdrahts 530 liegt, der Sekundärdraht 530 in seinen heißen Zustand ein, wodurch bewirkt wird, dass der Sekundärdraht 530 zu seiner vorbestimmten Länge zurückkehrt und sein Modul steigt, und eine Kraft ausübt, die ausreichend ist, um die Vorspannkraft der Blattfeder 532 zu überwinden. Dies zieht oder holt die Blattfeder 532 in den Pfad des Hebels 522, wie bei Position 547 in 10 in gestrichelten Linien gezeigt ist. In diesem Fall bringt sie, wenn der Primärdraht 512 in seinem heißen Zustand aktiviert ist, einen Widerstand in Bezug auf die Drehung des Hebels 522 (entgegengesetzte Kraft) auf, wenn dieser in der Richtung 526 dreht. Somit ist der Sekundärdraht 530 als ein Lastelement konfiguriert, um die Spannung in dem Primärdraht 512 selektiv zu erhöhen, wenn sich die Umgebungstemperatur bei oder oberhalb einer Schwellentemperatur befindet. Die Schwellentemperatur in diesem Fall ist zumindest die Austenit-Starttemperatur des Sekundärdrahts 530.
Bezug nehmend auf 11 ist eine Vorrichtung 610 gezeigt, die eine siebte Ausführungsform darstellt. Die Vorrichtung 610 weist einen Primärdraht 612 auf, der aus einer ersten Formgedächtnislegierung (SMA) besteht. Eine Aktivierungsquelle 614 ist thermisch mit dem Primärdraht 612 gekoppelt und dient dazu, selektiv eine reversible Umwandlung des Primärdrahts 612 von einer Martensit-Phase zu einer Austenit-Phase während eines Zyklus zu bewirken. Ein Controller 615 ist funktionell mit der Aktivierungsquelle 614 gekoppelt und derart konfiguriert, die Aktivierungsquelle 614 zu steuern. Ein erstes Ende 616 des Primärdrahts 612 ist an einem fixierten Aufbau 618 befestigt. Ein zweites Ende 620 ist funktionell mit einer Riemenscheibe 622 verbunden, so dass das zweite Ende 620 zur Verstellung, beispielsweise Translation oder Rotation, in der Lage ist. Ein Kraftelement 624 ist funktionell mit dem Primärdraht 612 beispielsweise durch eine eine geringe Reibung aufweisende Schnur 626 verbunden. Das Kraftelement 624 kann ein Gewicht, eine Feder oder ein anderer Mechanismus sein, der derart konfiguriert ist, eine Kraft auszuüben. Ein Sekundärdraht 630 ist funktionell mit der Riemenscheibe 622 an einem Ende und mit einem fixierten Aufbau 618 an einem anderen Ende verbunden. Der Sekundärdraht 630 ist derart konfiguriert, eine entgegengesetzte Kraft auf dem Primärdraht 612 zu erzeugen, wenn die Umgebungstemperatur eine Schwellentemperatur überschreitet. Der Primärdraht 612 und der Sekundärdraht 630 sind durch jeweilige vorbestimmte Längen gekennzeichnet, in die sie in ihrem heißen Zustand nach pseudoplastischer Verformung zurückkehren.
Während des Normalbetriebs, wenn die Umgebungstemperatur unterhalb der Austenit-Starttemperatur des Sekundärdrahts 630 liegt und der Primärdraht 612 in seinem kalten Zustand ist, sind der Elastizitätsmodul sowie die Fließgrenze des Primärdrahts 612 ausreichend gering, so dass der Primärdraht 612 von seiner ursprünglichen Länge verlängert wird. Wenn der Primärdraht 612 in seinen heißen Zustand aktiviert ist, kehrt der Primärdraht 612 zu seiner vorbestimmten Länge zurück und erhöht sein Modul, so dass der Primärdraht 612 das Kraftelement 624 anhebt oder ausfährt. Während die Umgebungstemperatur unterhalb der Austenit-Starttemperatur des Sekundärdrahts 630 bleibt, bleibt der Sekundärdraht 630 in der Position 632 ruhend und erlaubt einen Betrieb des Primärdrahts 612 bei Bedingungen mit geringerer Spannung.
Bezug nehmend auf 11 beginnt, wenn die Umgebungstemperatur die Austenit-Starttemperatur des Sekundärdrahts 630 erreicht, der Sekundärdraht 630 eine kristallografische Phasenumwandlung zwischen Austenit und Martensit. Wenn die Umgebungstemperatur auf über die Austenit-Endtemperatur des Sekundärdrahts 630 zunimmt, tritt der Sekundärdraht 630 in seinen heißen Zustand ein, was zur Folge hat, dass der Sekundärdraht 630 sein Modul erhöht und seinerseits die Riemenscheibe 622 in der Richtung 650 treibt, wie in 11 gezeigt ist. Dies erhöht die Zuglast oder -spannung auf den Primärdraht 612.
Bezug nehmend auf 12 ist eine Vorrichtung 710 gezeigt, die eine achte Ausführungsform darstellt. Die Vorrichtung 710 weist einen Primärdraht 712 auf, der aus einer ersten Formgedächtnislegierung (SMA) besteht. Eine Aktivierungsquelle 714 ist thermisch mit dem Primärdraht 712 gekoppelt und dient dazu, selektiv eine reversible Umwandlung des Primärdrahts 712 von einer Martensitphase zu einer Austenitphase während eines Zyklus zu bewirken. Ein Controller 715 ist funktionell mit der Aktivierungsquelle 714 gekoppelt und derart konfiguriert, die Aktivierungsquelle 714 zu steuern. Ein erstes Ende 716 des Primärdrahts 712 ist an einem fixierten Aufbau 718 befestigt. Ein zweites Ende 720 ist funktionell mit einem Kraftelement 722 beispielsweise durch eine eine niedrige Reibung aufweisende Schnur verbunden, so dass das zweite Ende 720 zur Verstellung, beispielsweise Translation oder Rotation, in der Lage ist. Das Kraftelement 722 kann ein Gewicht, eine Feder oder ein anderer Mechanismus sein, der derart konfiguriert ist, eine Kraft auszuüben. Ein Sekundärdraht 730 ist funktionell mit dem Kraftelement 722 an einem Ende und einem fixierten Aufbau 718 an einem anderen Ende verbunden. Der Sekundärdraht 730 ist derart konfiguriert eine entgegengesetzte Kraft auf dem Primärdraht 712 zu erzeugen, wenn die Umgebungstemperatur eine Schwelle überschreitet. Der Primärdraht 712 und der Sekundärdraht 730 sind durch jeweilige vorbestimmte Längen gekennzeichnet, in die sie in ihrem heißen Zustand nach pseudoplastischer Verformung zurückkehren.
Bezug nehmend auf 12 sind während des Normalbetriebs, wenn die Umgebungstemperatur unterhalb der Austenit-Starttemperatur des Sekundärdrahts 730 liegt und der Primärdraht 712 in seinem kalten Zustand ist, sein Elastizitätsmodul und seine Fließgrenze ausreichend gering, so dass das Kraftelement 722 in der ersten Elementposition 724 ist, wodurch der Primärdraht 712 aus seiner vorbestimmten Länge verlängert wird. Der Sekundärdraht 730 kann gerade sein oder durchhängen. Wenn der Primärdraht 712 in seinen heißen Zustand erhitzt ist, kehrt der Primärdraht 712 zu seiner vorbestimmten Länge zurück und sein Modul steigt, wodurch das Kraftelement 722 zu der zweiten Elementposition 726 (in 14 in gestrichelten Linien gezeigt) angehoben (oder ausgefahren) und der Sekundärdraht 730 gestreckt werden. Der Sekundärdraht 730 legt unter diesen Bedingungen keine Spannung auf den Primärdraht 712 an.
Bezug nehmend auf 12 beginnt, wenn die Umgebungstemperatur die Austenit-Starttemperatur des Sekundärdrahts 730 erreicht, der Sekundärdraht 730 eine kristallografische Phasenumwandlung zwischen Austenit und Martensit. Wenn die Umgebungstemperatur auf über die Austenit-Endtemperatur des Sekundärdrahts 730 zunimmt, tritt der Sekundärdraht 730 in seinen heißen Zustand ein, was zur Folge hat, dass der Sekundärdraht 730 sein Modul erhöht, wodurch eine Kraft auf das Kraftelement 722 ausgeübt wird. Dies erhöht die Zuglast oder -spannung auf den Primärdraht 712. Optional dazu kann ein Stoppelement 744 benachbart dem Kraftelement 722 positioniert sein, um das Kraftelement 722 vor einer Bewegung über die erste Elementposition 724 hinaus zu blockieren, um ein Strecken des Primärdrahts 712, wenn sich dieser in seinem kalten Zustand befindet, zu verhindern.
Bezug nehmend auf 13 ist eine Vorrichtung 810 gezeigt, die eine neunte Ausführungsform darstellt. Die Vorrichtung 810 weist einen ersten Primärdraht 812 und einen zweiten Primärdraht 813 auf, die beide aus einer ersten Formgedächtnislegierung bestehen. Eine Aktivierungsquelle 814 ist thermisch mit dem ersten und zweiten Primärdraht 812, 813 gekoppelt und dient dazu, selektiv eine reversible Umwandlung des Primärdrahts 812 und des Sekundärdrahts 813 von einer Martensit-Phase zu einer Austenit-Phase während eines Zyklus zu bewirken. Ein Controller 815 ist funktionell mit der Aktivierungsquelle 814 gekoppelt und derart konfiguriert, die Aktivierungsquelle 814 zu steuern. Bezug nehmend auf 13 ist der erste Primärdraht 812 funktionell mit einem fixierten Aufbau 818 an einem ersten Ende 816 verbunden und funktionell mit einem Kraftelement 822 an einem zweiten Ende 820 verbunden. Das Kraftelement 822 kann ein Gewicht, eine Feder oder ein anderer Mechanismus sein, der derart konfiguriert ist, eine Kraft auszuüben. Der zweite Primärdraht 813 ist funktionell mit dem fixierten Aufbau 818 an einem ersten Ende 817 verbunden und ist funktionell mit dem Kraftelement 822 an einem zweiten Ende 821 verbunden. Der erste und zweite Primärdraht 812, 813 sind durch eine vorbestimmte Länge gekennzeichnet, in die sie in ihrem heißen Zustand nach pseudoplastischer Verformung zurückkehren.
Während normaler Bedingungen, wenn die Umgebungstemperatur unterhalb einer Schwellentemperatur liegt, führen sowohl der erste als auch zweite Primärdraht 812, 813 Arbeit aus. Wenn der erste und zweite Primärdraht 812, 813 in ihren jeweiligen kalten Zuständen sind, sind ihr Elastizitätsmodul und ihre Fließgrenze ausreichend gering, so dass sie aus ihrer vorbestimmten Länge verlängert sind. Wenn der erste und zweite Primärdraht 812, 813 durch die Aktivierungsquelle 814 auf über ihre Austenit-Endtemperatur erhitzt werden, kehren der erste und zweite Primärdraht 812, 813 in ihre vorbestimmte Länge zurück und erhöhen ihr Modul, so dass der erste und zweite Primärdraht 812, 813 das Kraftelement 822 gemeinsam anheben (oder ausfahren).
Wenn die Umgebungstemperatur bei oder oberhalb einer vordefinierten Schwellentemperatur liegt, deaktiviert der Controller 815 den zweiten Primärdraht 813. Dies erhöht die relative Zuglast auf den Primärdraht 812, wodurch ermöglicht wird, dass dieser ähnlich einem Primärdraht bei hoher Spannung bei Umgebungstemperaturen oberhalb einer Schwelle funktioniert. Die Schwellentemperatur in diesem Fall kann durch den Fachmann für die bevorstehende bestimmte Anwendung gewählt werden.
Bezug nehmend auf 14 ist eine Vorrichtung 910 gezeigt, die eine zehnte Ausführungsform darstellt. Die Vorrichtung 910 weist einen ersten Primärdraht 912 und einen zweiten Primärdraht 913 auf, die beide aus einer ersten Formgedächtnislegierung (SMA) bestehen. Eine Aktivierungsquelle 914 ist thermisch mit dem ersten und zweiten Primärdraht 912, 913 gekoppelt und dient dazu, selektiv eine reversible Umwandlung des Primärdrahts 912 von einer Martensit-Phase zu einer Austenit-Phase während eines Zyklus zu bewirken. Ein Controller 915 ist funktionell mit der Aktivierungsquelle 914 gekoppelt und derart konfiguriert, die Aktivierungsquelle 914 zu steuern. Ein erstes Ende 916 des Primärdrahts 912 ist an einem fixierten Aufbau 918 befestigt. Ein zweites Ende 920 des Primärdrahts 912 ist funktionell mit einem drehbaren Hebel 922 verbunden, so dass das zweite Ende 920 zur Verstellung in der Lage ist. Der Hebel 922 weist eine erste Hebelposition 924 auf, wenn sich der Primärdraht 912 in seinem kalten Zustand befindet. Der Hebel 922 dreht in der Richtung 926, wenn sich der Primärdraht 912 in seinem heißen Zustand befindet. Eine erste Feder 928 ist funktionell mit dem Hebel 922 an einem Ende verbunden und derart konfiguriert, den Hebel 922 in die erste Hebelposition 924 vorzuspannen.
Bezug nehmend auf 14 ist der zweite Primärdraht 913 funktionell an einem Ende mit einem fixierten Aufbau 918 verbunden und funktionell an dem anderen Ende mit einem bewegbaren Verbindungselement 932 verbunden, so dass das andere Ende zur Verstellung in der Lage ist. Das Verbindungselement 932 umgibt zumindest teilweise den Hebel 922. Ein Sekundärdraht 930 ist funktionell mit dem Hebel 922 verbunden. Der Sekundärdraht 930 besteht aus einer zweiten Formgedächtnislegierung mit einer geringeren Austenit-Endtemperatur, als der Austenit-Starttemperatur des Primärdrahts 912. Der erste und zweite Primärdraht 912, 913 und der Sekundärdraht 930 sind durch jeweilige vorbestimmte Längen gekennzeichnet, in die sie in ihrem heißen Zustand nach pseudoplastischer Verformung zurückkehren.
Während des Normalbetriebs, wenn die Umgebungstemperatur unterhalb der Austenit-Starttemperatur des Sekundärdrahts 930 liegt, nimmt das Verbindungselement 932 eine erste Verbindungsposition 950 ein, die in 14 in durchgezogenen Linien gezeigt ist. In dieser Konfiguration ist der zweite Primärdraht 913 derart konfiguriert, die Drehung des Hebels 922 in der Richtung 926 zu unterstützen. Somit führen sowohl der erste als auch zweite Primärdraht 912, 913 Arbeit in dieser Konfiguration aus. Eine Blattfeder 940 ist funktionell mit dem zweiten Draht 930 verbunden und derart konfiguriert, das Verbindungselement 932 zu der ersten Verbindungsposition 950 vorzuspannen.
Wenn die Umgebungstemperatur bei oder oberhalb der Austenit-Endtemperatur des Sekundärdrahts 930 liegt, tritt der Sekundärdraht 930 in seinen heißen Zustand ein und kehrt in seine vorbestimmte Länge zurück, wodurch das Verbindungselement 932 zu einer zweiten Verbindungsposition 952, die in 16 in gestrichelten Linien an Position 954 gezeigt ist, gezogen wird. In dieser Konfiguration ist der zweite Primärdraht 913 ausgerückt und unterstützt nicht länger die Drehung des Hebels 922 in der Richtung 926. Somit führt nur der erste Primärdraht 912 Arbeit in dieser Konfiguration aus. Dies erhöht die Last auf den ersten Primärdraht 912, wodurch ermöglicht wird, dass dieser ähnlich einem Draht bei hoher Spannung bei Temperaturen oberhalb einer Schwelle funktioniert.
Bezug nehmend auf 15 ist ein Verfahren 1000 zum Steuern einer Umwandlungstemperatur eines Primärdrahts 12 in einer Vorrichtung 10 vorgesehen, wobei der Primärdraht 12 aus einer ersten Formgedächtnislegierung besteht. Dieses Verfahren 1000 ist in Bezug auf die 1 bis 2 beschrieben, ist jedoch auf alle Ausführungsformen anwendbar, die oben beschrieben sind. Bei Schritt 1002 wird ein erstes Ende 16 des Primärdrahts 12 an einem fixierten Aufbau 18 befestigt, während ein zweites Ende 20 des Primärdrahts 12 funktionell mit einem bewegbaren Aufbau (wie einem Hebel 22) verbunden wird, so dass das zweite Ende 20 zu einer Verstellung in der Lage ist. Bei Schritt 1004 wird der Primärdraht 12 thermisch mit einer Aktivierungsquelle 14 gekoppelt, um selektiv eine reversible Umwandlung des Primärdrahts 12 von einer Martensit-Phase zu einer Austenit-Phase während eines Zyklus zu bewirken. Bei Schritt 1006 wird die Zuglast auf den Primärdraht 12 selektiv erhöht, wenn eine Umgebungstemperatur bei oder oberhalb einer Schwellentemperatur liegt, wodurch die Phasenumwandlungstemperatur des Primärdrahts 12 erhöht wird. Bei einigen Ausführungsformen (siehe Vorrichtungen 810 und 910 in den 13 bzw. 14) umfasst ein selektives Erhöhen der Zuglast an einem Primärdraht (812 und 912 in den 13 bzw. 14) einen Zusatz eines zweiten Primärdrahts (813 und 913 in den 13 bzw. 14), der aus der ersten Formgedächtnislegierung besteht, und ein Deaktivieren des zweiten Primärdrahts 813, 913, wenn die Umgebungstemperatur bei oder oberhalb der Schwellentemperatur liegt. Der zweite Primärdraht (813 und 913 in den 13 bzw. 14) unterstützt den Primärdraht (812 und 912 in den 13 bzw. 14), wenn die Umgebungstemperatur unter einer Schwellentemperatur liegt.
Es sei angemerkt, dass das hier offenbarte Verfahren als ein Algorithmus ausgeführt sein kann, der durch einen Controller oder durch eine Analogschaltung betrieben wird. Der Controller kann einen Computer umfassen, ist jedoch nicht darauf beschränkt, der einen Prozessor, einen Speicher, Software, Sensoren, Schaltung und beliebige andere Komponenten besitzt, die zur Steuerung der Vorrichtung und des Formgedächtnislegierungselements notwendig sind.
Bezug nehmend auf die 1–14 können die Vorrichtungen 10, 110, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810 und 910 einen beliebigen Typ oder eine beliebige Weise von Vorrichtung umfassen, die den Primärdraht innerhalb jeder Vorrichtung verwendet. Beispielsweise können die Vorrichtungen 10, 110, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810 und 910 eine Luftbelüftungsbaugruppe, ein Druckentlastungsventil, einen Sicherheitsgurtgeber, einen Lasttrenner, einen Sensor oder irgendeine andere ähnliche Vorrichtung umfassen. Der Primärdraht 12 kann als ein aktiver Aktuator verwendet werden, um eine Bewegung in den Vorrichtungen 10, 110, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810 und 910 unter bestimmten Bedingungen, als ein passiver Aktuator, um eine Kraft oder eine Verstellung passiv zu bewirken, wie in einem superelastischen Stent oder einem Prothesendraht, oder als ein Sensor verwendet werden, um Betriebsbedingungen der Vorrichtungen 10, 110, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810 und 910 zu bestimmen. Zusätzlich kann der Primärdraht in jeder Vorrichtung sowohl als ein Sensor als auch als ein Aktuator oder in irgendeiner anderen Art und Weise verwendet werden, die hier nicht gezeigt oder beschrieben ist.

Claims

Vorrichtung, die zur Steuerung einer Phasenumwandlungstemperatur einer ersten Formgedächtnislegierung angepasst ist, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Primärdraht, der aus der ersten Formgedächtnislegierung besteht; wobei der Primärdraht ein erstes und zweites Ende definiert, wobei das erste Ende fest an einem Aufbau befestigt ist und das zweite Ende zur Verstellung in der Lage ist; eine Aktivierungsquelle, die thermisch mit dem Draht gekoppelt und betreibbar ist, um selektiv eine reversible Umwandlung des Primärdrahts von einer Martensit-Phase zu einer Austenit-Phase während eines Zyklus zu bewirken; ein Lastelement, das funktionell mit dem Primärdraht verbunden und derart konfiguriert ist, eine Zuglast auf den Primärdraht selektiv zu erhöhen, wenn eine Umgebungstemperatur bei oder oberhalb einer Schwellentemperatur liegt, wodurch die Phasenumwandlungstemperatur des Primärdrahts erhöht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: der Primärdraht durch eine Anfangs-Umwandlungstemperatur und eine Nennlast gekennzeichnet ist; wobei die Schwellentemperatur etwa 5% bis 90% geringer als die Anfangs-Umwandlungstemperatur ist; und wobei die durch das Lastelement angelegte Zuglast etwa 5% bis 90% der Nennlast beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit: einem drehbaren Hebel, der funktionell mit dem Primärdraht verbunden ist; wobei der Hebel eine erste Hebelposition, wenn sich der Primärdraht in einem kalten Zustand befindet, und eine zweite Hebelposition besitzt, wenn sich der Primärdraht in einem heißen Zustand befindet; eine erste Feder, die funktionell mit dem Hebel an einem Ende verbunden und an dem anderen Ende fixiert ist, wobei die erste Feder den Hebel zu der ersten Hebelposition vorspannt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei: das Lastelement ein Sekundärdraht ist, der aus einer zweiten Formgedächtnislegierung besteht, wobei der Sekundärdraht funktionell mit dem Hebel an einem Ende verbunden und an dem anderen Ende fixiert ist; und die Schwellentemperatur zumindest eine Austenit-Starttemperatur des Sekundärdrahts ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, ferner mit einem Stoppelement, das derart konfiguriert ist, ein Strecken des Primärdrahts zu verhindern, wenn sich der Primärdraht in der Martensit-Phase befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei: wobei das Lastelement ein Sekundärdraht ist, der aus einer zweiten Formgedächtnislegierung besteht, wobei die Schwellentemperatur zumindest eine Austenit-Starttemperatur des Sekundärdrahtes ist; und ferner mit: einem Dehnung begrenzenden Mechanismus, der funktionell zwischen dem Sekundärdraht und dem fixierten Aufbau verbunden ist, wobei der Dehnung begrenzende Mechanismus umfasst: eine vorgespannte zweite Feder, die derart konfiguriert ist, eine ungefähr konstante Kraft auf den Sekundärdraht auszuüben; einen Verbinder, der funktionell mit dem Sekundärdraht verbunden ist; und ein Begrenzungselement, das den Verbinder zumindest teilweise umgibt und derart konfiguriert ist, eine Dehnung auf den Sekundärdraht zu beschränken.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei: das Lastelement eine Kompressionsfeder ist, die an einem Ende fixiert ist; die Kompressionsfeder zumindest teilweise durch ein Phasenänderungsmaterial umgeben ist und durch das Phasenänderungsmaterial komprimiert wird, wenn die Umgebungstemperatur unterhalb der Schwellentemperatur liegt, das Phasenänderungsmaterial derart konfiguriert ist, entweder zu schmelzen oder eine Verminderung der Steifigkeit von zumindest 50% aufzuweisen, wenn die Umgebungstemperatur bei oder oberhalb der Schwellentemperatur liegt, wodurch zugelassen wird, dass die Kompressionsfeder eine Zuglast auf den Primärdraht ausübt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Lastelement ein Zusatzhebel ist, der derart konfiguriert ist, den Hebel selektiv zu koppeln, wenn die Umgebungstemperatur eine Schwellentemperatur überschreitet; wobei der Zusatzhebel umfasst: einen geschwenkten Haken, der relativ zu dem Zusatzhebel zwischen einer ersten Hakenposition und einer zweiten Hakenposition drehbar ist, wobei der Zusatzhebel mit dem Hebel gekoppelt ist, wenn sich das Hakenelement in der zweiten Hakenposition befindet; eine Zusatzfeder, die funktionell mit dem Haken verbunden und derart konfiguriert ist, den Haken zu der ersten Hakenposition vorzuspannen; einen Sekundärdraht, der funktionell mit dem Haken verbunden und derart konfiguriert ist, den Haken zu der zweiten Hakenposition zu ziehen, wenn die Umgebungstemperatur eine Schwellentemperatur überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Lastelement ein wärmeausdehnbares Element ist, das zwischen zwei Konfigurationen, nämlich einer Ruhekonfiguration, wenn die Umgebungstemperatur unter der Schwellentemperatur liegt, und einer ausgedehnten Konfiguration, wenn sich die Umgebungstemperatur bei oder oberhalb der Schwellentemperatur befindet, bewegbar ist; und ferner mit: einem verschiebbaren Schlitten, der funktionell mit dem Draht verbunden ist; einer Ausdehnungsfeder, die funktionell mit dem Schlitten an einem Ende und dem wärmeausdehnbaren Element an dem anderen Ende verbunden ist; und ein fixiertes Stoppelement, das derart konfiguriert ist, um ein Verschieben des Schlittens zu dem ausdehnbaren Element über einen Schwellenpunkt hinaus zu verhindern, wodurch ein Strecken des Primärdrahts verhindert wird, wenn sich der Primärdraht in der Martensit-Phase befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Lastelement ein Sekundärdraht ist, der aus einer zweiten Formgedächtnislegierung besteht, wobei die Schwellentemperatur zumindest eine Austenit-Starttemperatur des Sekundärdrahts ist, und ferner mit: einer Blattfeder, die funktionell mit dem gegenüberliegenden Draht verbunden und derart konfiguriert ist, einer Drehung des Hebels zu der zweiten Hebelposition zu widerstehen, wenn die Umgebungstemperatur die Schwellentemperatur überschreitet.