DE102013102353A1

DE102013102353A1 - Temperature-controlled deflection

Info

Publication number: DE102013102353A1
Application number: DE102013102353.3A
Authority: DE
Inventors: Rainer Fechte-Heinen; Lothar Patberg; Hans-Erich Giese; Stephan Selle; Joseph Georg Kevenhörster
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2014-09-11
Also published as: WO2014135530A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur temperaturgesteuerten Umleitung eines Fluids aufweisend einen Einlass und mindestens ein Umlenkmittel, welches zumindest teilweise aus einem Material mit Formgedächtniseigenschaften besteht. Darüber hinaus betrifft die Erfindung vorteilhafte Verwendungen der Vorrichtung. Die Aufgabe, eine Vorrichtung zur temperaturgesteuerten Umleitung eines Fluids bereitzustellen, welche auf einfache Weise eine die Formgedächtniseigenschaften eines Materials optimal nutzende Umlenkung eines Fluids gewährleistet, wird dadurch gelöst, dass Rückstellmittel zur Rückstellung des Umlenkmittels vorgesehen sind.The invention relates to a device for the temperature-controlled diversion of a fluid, having an inlet and at least one deflection means, which at least partially consists of a material with shape memory properties. The invention also relates to advantageous uses of the device. The object of providing a device for temperature-controlled diversion of a fluid, which in a simple manner ensures a diversion of a fluid that makes optimal use of the shape memory properties of a material, is achieved in that restoring means are provided for restoring the diverting means.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur temperaturgesteuerten Umleitung eines Fluids aufweisend einen Einlass und mindestens ein Umlenkmittel, welches zumindest teilweise aus einem Material mit Formgedächtniseigenschaften besteht. Darüber hinaus betrifft die Erfindung vorteilhafte Verwendungen der Vorrichtung.The invention relates to a device for the temperature-controlled diversion of a fluid having an inlet and at least one deflection means, which consists at least partially of a material with shape memory properties. Moreover, the invention relates to advantageous uses of the device.

Vorrichtungen zur Umleitung eines Fluids aufweisend ein Umlenkmittel, welches zumindest teilweise aus einem Material mit Formgedächtniseigenschaften besteht, sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. In der europäischen Patentanmeldung EP 2 039 902 A2 wird beispielsweise zur Steuerung des Kühlmittels in einem Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, eine Formgedächtnislegierung (FGL) zu verwenden. Die genannte europäische Patentanmeldung offenbart hierzu ein Leitungssystem mit einem Öffnungsquerschnitt, welcher durch ein Bauteil aus einer Formgedächtnislegierung geöffnet oder geschlossen wird. Aus der japanischen Patentanmeldung JP 55119519 A ist eine Luftklappe einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs bekannt, welche aus einem Material mit Formgedächtniseigenschaften besteht, die den Luftstrom temperaturabhängig in einen von zwei Luftausgängen umlenkt. Als Materialsystem wird in der genannten japanischen Patentanmeldung eine ternäre Kupfer-Zink-Aluminium-Legierung erwähnt, welche hier zum Einsatz kommen soll. Die bisher bekannten Vorrichtungen zur temperaturgesteuerten Umleitung eines Fluids sind, wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, in Temperaturbereichen vorgesehen, welche Raumtemperatur bis maximal 130°C betragen. Darüber hinaus erschien es bisher als notwendig, zur Rückstellung des Umlenkmittels den sogenannten Zweiweg-Formgedächtniseffekt zu nutzen. Dieser ist aber aufgrund der notwendigen Vorbehandlung der Produkte technisch nur aufwendig zu erreichen und weist nicht die gewünschte Prozessstabilität und Zyklenzahl auf.Devices for diverting a fluid comprising a deflection means, which consists at least partially of a material with shape memory properties, are already known from the prior art. In the European patent application EP 2 039 902 A2 For example, in order to control the coolant in a cooling circuit of a motor vehicle, it is proposed to use a shape memory alloy (SMA). For this purpose, the cited European patent application discloses a conduit system with an opening cross section which is opened or closed by a component made of a shape memory alloy. From the Japanese patent application JP 55119519 A is a damper of an air conditioning system of a motor vehicle is known, which consists of a material with shape memory properties, which deflects the air flow temperature-dependent in one of two air outlets. As a material system mentioned in the said Japanese patent application, a ternary copper-zinc-aluminum alloy, which is to be used here. The hitherto known devices for the temperature-controlled diversion of a fluid are, as is apparent from the above statements, provided in temperature ranges, which are room temperature up to a maximum of 130 ° C. Moreover, it has hitherto been found necessary to use the so-called two-way shape memory effect to return the diverter. However, this is technically difficult to achieve due to the necessary pretreatment of the products and does not have the desired process stability and number of cycles.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur temperaturgesteuerten Umleitung eines Fluids bereitzustellen, welche auf einfache Weise eine die Formgedächtniseigenschaften eines Materials optimal nutzende Umlenkung eines Fluids gewährleistet. Darüber hinaus ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung bevorzugte Verwendungen der Vorrichtung vorzuschlagen.Proceeding from this, the object of the present invention is to provide a device for the temperature-controlled diversion of a fluid, which in a simple manner ensures a diversion of a fluid which optimally utilizes the shape memory properties of a material. In addition, the object of the present invention is to propose preferred uses of the device.

Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die aufgezeigte Aufgabe dadurch gelöst, dass Rückstellmittel zur Rückstellung des Umlenkmittels vorgesehen sind. Unter Rückstellmittel werden Mittel verstanden, welche eine Kraft gegen die durch die Formgedächtniseigenschaften des Umlenkmittels auftretende Verformung aufbringen, so dass das Umlenkmittel beim Nachlassen oder Verschwinden des Formgedächtniseffektes, eine Rückstellung des Umlenkmittels bewirkt. Bevorzugt wird das Umlenkmittel in die Ausgangsposition vor der Umformung durch die Rückstellmittel zurückgeführt. Hierdurch wird ermöglicht, dass der technisch nur relativ aufwendig zu erreichende Zweiweg-Formgedächtniseffekt nicht notwendigerweise zur Realisierung einer Vorrichtung zur temperaturgesteuerten Umleitung eines Fluids genutzt werden muss, sondern vielmehr der Einweg-Formgedächtniseffekt, welcher durch die Kraftausübung der Rückstellmittel auf das Umlenkmittel immer wieder neu initialisiert wird. Unter Fluide sind üblicherweise Gase und Flüssigkeiten zu verstehen, jedoch lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch fließfähige Feststoffe umleiten.According to a first teaching of the present invention, the stated object is achieved in that restoring means are provided for returning the deflecting means. By restoring means are meant which apply a force against the deformation which occurs due to the shape memory properties of the deflection means, so that the deflection means, when the shape memory effect disappears or disappears, effects a return of the deflection means. Preferably, the deflection means is returned to the initial position prior to forming by the return means. This makes it possible that the two-way shape memory effect that is technically only relatively complicated to achieve must not necessarily be used for realizing a device for the temperature-controlled diversion of a fluid, but rather the one-way shape memory effect, which is repeatedly reinitialized by the force exerted by the restoring means on the deflection means becomes. Fluids are usually gases and liquids to understand, but can be redirected with the device according to the invention also flowable solids.

Die Rückstellmittel können beispielsweise mechanisch, pneumatisch, hydraulisch, magnetisch oder servoelektrisch realisiert sein und eine Rückstellung des Umlenkmittels in seine Ausgangsposition unterstützen, in dem diese eine Kraft auf das Umlenkmittel in Richtung der Ausgangsposition des Umlenkmittels ausüben. Als mechanische Rückstellmittel können beispielsweise elastische Federn dienen, welche auf die Umlenkmittel eine zur Auslenkung des Umlenkmittels proportionale Kraft auf dieses ausüben. Diese sind besonders einfach und können auch in hohen Temperaturbereichen eingesetzt werden. Aufwendiger aber auch für Hochtemperaturanwendungen geeignet sind darüber hinaus servoelektrische, pneumatische, magnetische oder auch hydraulische Rückstellmittel, die präzise steuerbar sind.The return means can be realized, for example, mechanically, pneumatically, hydraulically, magnetically or servoelectrically and support a return of the deflection means to its starting position in which they exert a force on the deflection means in the direction of the starting position of the deflection means. As a mechanical return means, for example, elastic springs are used, which exert on the deflection means a proportional to the deflection of the deflection force on this. These are particularly simple and can also be used in high temperature ranges. More expensive but also suitable for high temperature applications are also servo-electric, pneumatic, magnetic or hydraulic return means that are precisely controlled.

Ferner kann das Umlenkmittel mit einem Heizelement zusätzlich verbunden sein, um bei Bedarf aktiv von außen die Auslenkung des Umlenkmittels steuern zu können. Die Beeinflussung von außen kann dann von Vorteil sein, wenn im Auslass eine Leckage festgestellt wird und die Aktivierungstemperatur aufgrund des Prozesses nicht umgehend erreicht werden kann.Furthermore, the deflecting means may additionally be connected to a heating element in order to be able to actively control the deflection of the deflecting means if necessary from outside. The influence from the outside can be advantageous if leakage is detected in the outlet and the activation temperature can not be reached immediately due to the process.

Eine weitere, vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung kann dadurch bereitgestellt werden, dass das Umlenkmittel zumindest teilweise aus einer Formgedächtnislegierung besteht und die Formgedächtnislegierung eine Umwandlungstemperatur (Aktivierungstemperatur bzw. Schalttemperatur) von mehr als 175°C aufweist. Insbesondere Hochtemperaturanwendungen, beispielsweise zur Umlenkung von Abgasen in einem Turbolader oder anderen Industrieprozessen, können durch diese Ausführungsform temperaturgesteuert umgeleitet werden. Insbesondere bei den genannten hohen Temperaturen oberhalb von 175°C ist es sehr häufig schwierig, über Sensoren gesteuerte Umlenkmittel in dem Fluidstrom zu platzieren, so dass über die genannte Ausführungsform der Vorrichtung zur temperaturgesteuerten Umleitung eines Fluids eine besonders einfache Ausgestaltung der Umleitung eines Fluids mit Temperaturen oberhalb von 175°C möglich ist.A further, advantageous embodiment of the device can be provided in that the deflection means consists at least partially of a shape memory alloy and the shape memory alloy has a transformation temperature (activation temperature or switching temperature) of more than 175 ° C. In particular, high-temperature applications, for example for the diversion of exhaust gases in a turbocharger or other industrial processes, can be diverted by temperature control in this embodiment. In particular, at the above-mentioned high temperatures above 175 ° C, it is very often difficult, deflecting means controlled by sensors in the fluid flow to place, so that on the said embodiment of the device for the temperature-controlled diversion of a fluid, a particularly simple embodiment of the diversion of a fluid with temperatures above 175 ° C is possible.

Zur Realisierung von Umlenkmitteln, welche Hochtemperaturfluide umlenken bzw. umleiten können, ist gemäß einer weiteren Ausführungsform die Formgedächtnislegierung eine Fe-Legierung, Fe-Mn-Legierung, Fe-Mn-Si-Legierung, Fe-Mn-Si-Cr-Legierung oder eine Fe-Mn-Si-Cr-Ni-Legierung. Die genannten Legierungssysteme zeichnen sich dadurch aus, dass die Umwandlungstemperaturen bzw. Aktivierungstemperaturen, welche zur Formänderung führen, oberhalb von 175°C liegen. Im Ergebnis kann dadurch insbesondere für heiße Abgase, beispielsweise von Kraftfahrzeugen oder auch von Industrieprozessen eine einfache und prozesssichere Vorrichtung zur Umlenkung der Fluide bereitgestellt werden.In order to realize deflecting means which can redirect high-temperature fluids, according to a further embodiment, the shape memory alloy is a Fe alloy, Fe-Mn alloy, Fe-Mn-Si alloy, Fe-Mn-Si-Cr alloy or a Fe-Mn-Si-Cr-Ni alloy. The alloy systems mentioned are distinguished by the fact that the transformation temperatures or activation temperatures which lead to a change in shape are above 175 ° C. As a result, in particular for hot exhaust gases, for example of motor vehicles or of industrial processes, a simple and process-reliable device for deflecting the fluids can be provided.

Ist als Formgedächtnislegierung eine Fe-Legierung, Fe-Mn-Legierung, Fe-Mn-Si-Legierung, eine Fe-Mn-Si-Cr-Legierung oder eine Fe-Mn-Si-Cr-Ni-Legierung vorgesehen, können Umlenkmittel kostengünstig bereitgestellt werden, welche bei hohen Temperaturen oberhalb von 175°C aufgrund der Formgedächtniseigenschaften zum Umlenken bzw. temperaturgesteuerten Umleiten eines Fluids bereitgestellt werden. Daher eignen sich die genannten Eisensysteme insbesondere für die Massenproduktion. Aufgrund der relativ guten Wärmeleitung der Eisenlegierungen reagieren diese in sehr kurzen Ansprechzeiten prozesssicher auf eine Temperaturänderung des geführten Fluids. Aufgrund der über das Legierungssystem einstellbaren Zugfestigkeiten von mehr als 200 MPa bis etwa 1100 MPa, insbesondere 250 MPa bis etwa 600 MPa besteht zudem die Möglichkeit, die Rückstellmittel entsprechend einfach auszuführen, da nicht so große Kräfte zur Rückstellung der Umlenkmittel benötigt werden.If a shape memory alloy is an Fe alloy, Fe-Mn alloy, Fe-Mn-Si alloy, an Fe-Mn-Si-Cr alloy or an Fe-Mn-Si-Cr-Ni alloy, deflection means can be cost-effective which are provided at high temperatures above 175 ° C due to shape memory characteristics for redirecting or temperature-controlled redirecting of a fluid. Therefore, the said iron systems are particularly suitable for mass production. Due to the relatively good heat conduction of the iron alloys, these react in a very short response time reliably to a temperature change of the guided fluid. Due to the adjustable over the alloy system tensile strengths of more than 200 MPa to about 1100 MPa, in particular 250 MPa to about 600 MPa there is also the possibility of correspondingly simple to perform the return means, since not so large forces are required to return the deflection.

Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zur temperaturgesteuerten Umleitung eines Fluids weist eine Formgedächtnislegierung auf, welche neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen die folgenden Legierungselemente in Gew.-% enthält:
12% ≤ Mn ≤ 45%,
1 ≤ Si ≤ 20%,
Cr ≤ 20%,
Ni ≤ 20%,
Mo ≤ 20%,
Cu ≤ 20%,
Co ≤ 20%,
Al ≤ 10%,
Mg ≤ 10%,
V ≤ 2%,
Ti ≤ 2%,
Nb ≤ 2%,
W ≤ 2%,
C ≤ 1%,
N ≤ 1%,
P ≤ 0,3%,
Zr ≤ 0,3%,
B ≤ 0,01%.A further embodiment of the device for the temperature-controlled diversion of a fluid has a shape memory alloy which, in addition to iron and unavoidable impurities, contains the following alloying elements in% by weight:
12% ≤ Mn ≤ 45%,
1 ≦ Si ≦ 20%,
Cr ≤ 20%,
Ni ≤ 20%,
Mo ≤ 20%,
Cu ≤ 20%,
Co ≤ 20%,
Al ≤ 10%,
Mg ≤ 10%,
V ≤ 2%,
Ti ≤ 2%,
Nb ≤ 2%,
W ≤ 2%,
C ≤ 1%,
N ≤ 1%,
P ≤ 0.3%,
Zr≤0.3%,
B ≤ 0.01%.

Ein entsprechendes Legierungssystem kann auf die spezifischen Festigkeitseigenschaften durch die Auswahl der unterschiedlichen Legierungskomponenten sehr gut abgestimmt werden. Beispielsweise erhöht sich die Festigkeit bei Zugabe von Kohlenstoff, Chrom, Molybdän, Titan, Niob oder Vanadium deutlich. Zulegieren von Mangan, Kohlenstoff, Chrom oder Nickel stabilisiert die Austenitphase, was zu einer Erhöhung der Aktivierungstemperatur genutzt werden kann. Eine Kombination von mindestens je einem Element aus der Gruppe Vanadium, Titan, Niob, Wolfram einerseits und mindestens je einem Element aus der Gruppe Kohlenstoff, Stickstoff, Bor andererseits führt zur Bildung von Ausscheidungen im Gefüge und somit zur Vereinfachung oder zum Entfall der thermomechanischen Materialbehandlung.A corresponding alloy system can be adapted very well to the specific strength properties by selecting the different alloy components. For example, the strength increases significantly with the addition of carbon, chromium, molybdenum, titanium, niobium or vanadium. Addition of manganese, carbon, chromium or nickel stabilizes the austenite phase, which can be used to increase the activation temperature. A combination of at least one element from the group of vanadium, titanium, niobium, tungsten on the one hand and at least one element from the group carbon, nitrogen, boron on the other hand leads to the formation of precipitates in the microstructure and thus to simplify or omit the thermomechanical material treatment.

Ein pseudoplastische bzw. pseudoeleastische Formgedächtnislegierung kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur temperaturgesteuerten Umleitung eines Fluids dadurch bereitgestellt werden, dass die Formgedächtnislegierung neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen die folgenden Legierungselemente in Gew.-% enthält:
25% ≤ Mn ≤ 32%,
3% ≤ Si ≤ 8%,
3% ≤ Cr ≤ 6%,
Ni ≤ 3%,
C ≤ 0,07%, bevorzugt 0,01% ≤ C ≤ 0,07%,
und/oder
N ≤ 0,07%, bevorzugt 0,01% ≤ N ≤ 0,07%,
0,1% ≤ Ti ≤ 1,5% oder
0,1% ≤ Nb ≤ 1,5% oder 0,1% ≤ W ≤ 1,5% oder
0,1% ≤ V ≤ 1,5%.A pseudo-elastic shape memory alloy may be provided according to another embodiment of the temperature-controlled fluid bypass device in that the shape memory alloy contains, in addition to iron and unavoidable impurities, the following weight percent alloying elements:
25% ≤ Mn ≤ 32%,
3% ≤ Si ≤ 8%,
3% ≤ Cr ≤ 6%,
Ni ≤ 3%,
C ≤ 0.07%, preferably 0.01% ≤ C ≤ 0.07%,
and or
N ≤ 0.07%, preferably 0.01% ≤ N ≤ 0.07%,
0.1% ≤ Ti ≤ 1.5% or
0.1% ≤ Nb ≤ 1.5% or 0.1% ≤ W ≤ 1.5% or
0.1% ≤ V ≤ 1.5%.

Bevorzugt sind in der Vorrichtung zur temperaturgesteuerten Umleitung eines Fluids mindestens zwei Auslässe vorgesehen, wobei das mindestens eine Umlenkmittel das Fluid in einen der mindestens zwei Auslässe umlenken kann. Die so bereitgestellte Fluidweiche, je nach Ausführungsweiche auch Gasweiche genannt, kann das Fluid mit hoher Reproduktionsrate und extrem geringem Wartungsaufwand in jeweils einen der beiden Auslässe umlenken.Preferably, at least two outlets are provided in the device for the temperature-controlled diversion of a fluid, wherein the at least one deflection means can deflect the fluid into one of the at least two outlets. The fluid switch provided in this way, also called a gas switch according to the execution switch, can redirect the fluid into one of the two outlets at a high reproduction rate and extremely low maintenance.

Vorzugsweise sind mechanische, pneumatische, magnetische, elektrische, servo-elektrische und/oder hydraulische Rückstellmittel zur Rückstellung des Umlenkmittels vorgesehen, so dass der sogenannte Einwegeffekt einer Formgedächtnislegierung durch die Verformung unterhalb der Aktivierungstemperatur durch die Rückstellmittel genutzt werden kann. Dieser Effekt kann bis zu 10⁷-mal und öfter wiederholt werden. Mechanische Rückstellmittel sind dabei besonders einfach ausgestaltet und erfordern den geringsten Aufwand. Sie können darüber hinaus besonders temperaturstabil ausgeführt werden. Pneumatische, magnetische, elektrische, servo-elektrische und/oder hydraulische Rückstellmittel ermöglichen eine direkte Steuerung (z. B. über Druckluft). Es hat sich darüber hinaus herausgestellt, dass es gemäß einer weiteren Ausführungsform vorteilhaft ist, das Umlenkmittel im Fluidstrom derart anzuordnen, dass der Fluidstrom die Auslenkung und/oder die Rückstellung des Umlenkmittels unterstützt. Beispielsweise kann der Umlenkvorgang dadurch unterstützt werden, dass der Fluidstrom entsprechend einer Art Ventil beim Anströmen der ausgelenkten Umlenkmittel eine Bewegung des Umlenkmittels in Schließrichtung hervorruft. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Umlenkbewegung des Umlenkmittels zumindest teilweise in Strömungsrichtung des Fluids erfolgt.Preferably, mechanical, pneumatic, magnetic, electrical, servo-electric and / or hydraulic return means for resetting the deflection means are provided so that the so-called one-way effect of a shape memory alloy is utilized by the deformation below the activation temperature by the return means can be. This effect can be repeated up to 10 ⁷ times and more often. Mechanical return means are designed particularly simple and require the least effort. In addition, they can be made particularly temperature-stable. Pneumatic, magnetic, electrical, servo-electric and / or hydraulic return means allow direct control (eg via compressed air). It has also been found that it is advantageous according to a further embodiment to arrange the deflection in the fluid flow such that the fluid flow supports the deflection and / or the provision of the deflection. For example, the deflection process can be assisted by the fluid flow causing a movement of the deflection means in the closing direction in accordance with a type of valve when the deflection means deflected. This can be achieved, for example, in that the deflecting movement of the deflection means takes place at least partially in the flow direction of the fluid.

Beispielsweise kann das Umlenkmittel eine flache Zunge bestehend aus einer Formgedächtnislegierung und Verschließmitteln aufweisen. Die aus einer Formgedächtnislegierung bestehende Zunge verformt sich entsprechend der eingestellten Formgedächtniseigenschaften der Formgedächtnislegierung ab einer Aktivierungstemperatur, so dass die Verschließmittel ihre Position ändern.For example, the deflection means may comprise a flat tongue consisting of a shape memory alloy and closing means. The shape memory alloy tongue deforms from an activation temperature according to the set shape memory properties of the shape memory alloy, so that the closing means changes position.

Vorzugsweise sind aber Verschließmittel und Zunge des Umlenkmittels einstückig und damit ebenfalls aus einer Formgedächtnislegierung hergestellt. Diese Ausführungsform ist besonders einfach und gewährleistet ein Umlenken des Fluidstroms.Preferably, however, closing means and tongue of the deflection means are integral and thus also made of a shape memory alloy. This embodiment is particularly simple and ensures a deflection of the fluid flow.

Die oben aufgezeigte Aufgabe wird auch durch eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Umlenkung eines Fluids gelöst, welche zumindest zeitweise Temperaturen oberhalb von 175°C annimmt, wobei eine Umlenkung durch das Umlenkmittel oberhalb einer durch die Legierungskonzeptionierung festgelegten Aktivierungs- bzw. Schalttemperatur von mindestens 175°C erfolgt. Entsprechende Umlenkmittel können beispielsweise durch die Verwendung einer eisenbasierten Formgedächtnislegierung bereitgestellt werden.The above-indicated object is also achieved by a use of the device according to the invention for deflecting a fluid, which at least temporarily assumes temperatures above 175 ° C, wherein a deflection by the deflection means above an established by the alloying activation or switching temperature of at least 175 ° C takes place. Corresponding deflection means can be provided for example by the use of an iron-based shape memory alloy.

Aufgrund der hohen Aktivierungstemperatur der Umlenkmittel wird die Vorrichtung vorzugsweise zur Steuerung von Fluiden in Ventilen für Turbinen und Motoren oder zur Umlenkung von Abgasen von Motoren, Turbinen oder Industrieprozessen verwendet. Wie bereits zuvor ausgeführt, weisen die Umlenkmittel eine extrem hohe Robustheit auf, da der nutzbare Einwegeffekt nahezu verschleißfrei durchgeführt wird.Due to the high activation temperature of the deflection means, the device is preferably used for the control of fluids in valves for turbines and engines or for the diversion of exhaust gases from engines, turbines or industrial processes. As already stated above, the deflection means have an extremely high robustness, since the usable one-way effect is carried out almost wear-free.

Insbesondere zur Umlenkung von Fluiden in Turboladern oder Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorteilhaft, da insbesondere hier sehr hohe Temperaturen oberhalb von 175°C auftreten.In particular, for the deflection of fluids in turbochargers or exhaust systems of motor vehicles, the use of the device according to the invention is advantageous, since in particular very high temperatures above 175 ° C occur.

Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt inThe invention will now be explained in more detail with reference to an embodiment in conjunction with the drawings. The drawing shows in

1 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur temperaturgesteuerten Umleitung eines Fluids, 1 1 is a schematic sectional view of an embodiment of a device for the temperature-controlled diversion of a fluid,

2 und 3 schematische Draufsichten auf ein Ausführungsbeispiel eines Umlenkmittels. 2 and 3 schematic plan views of an embodiment of a deflection.

1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein Vorrichtung 1 zur temperaturgesteuerten Umleitung eines Fluids 2, dessen Strömungsrichtung mit Pfeilen dargestellt ist. Das Fluid 2 strömt in den Einlass der Vorrichtung zur temperaturgesteuerten Umleitung eines Fluids 2 ein und wird durch das Umlenkmittel 4 in den in 1 dargestellten Auslass 6 umlenkt. Das Umlenkmittel 4 besteht dabei zumindest teilweise aus einem Material mit Formgedächtniseigenschaften, welche temperaturinduziert, d. h. bei Erreichen einer Aktivierungstemperatur, eine Formänderung der Umlenkmittel 4 hervorrufen. In dem in 1 dargestellten Zustand wurde das Umlenkmittel aufgrund des Übersteigens der Aktivierungstemperatur ausgelenkt, so dass der Auslass 7 verschlossen ist. Die schematisch mit einem Doppelpfeil dargestellten Rückstellmittel gewährleisten, dass das aufgrund der Formgedächtniseigenschaften ausgelenkte Umlenkmittel 4 bei Abfall der Temperatur unterhalb der Aktivierungstemperatur des Formgedächtniseffektes und je nach Rückstellmittel, insbesondere durch Unterstützung des Fluidstroms selbst, in die mit Strichlinien dargestellte Position zumindest teilweise bzw. vollständig zurückgestellt wird und dabei verformt wird. 1 shows a schematic sectional view of a device 1 for temperature-controlled diversion of a fluid 2 , whose flow direction is shown by arrows. The fluid 2 flows into the inlet of the device for the temperature-controlled diversion of a fluid 2 and is by the deflection 4 in the in 1 illustrated outlet 6 deflects. The deflection 4 consists at least partially of a material with shape memory properties, which temperature-induced, ie upon reaching an activation temperature, a change in shape of the deflection 4 cause. In the in 1 As shown, the deflecting means has been deflected due to the activation temperature being exceeded, so that the outlet 7 is closed. The return means shown schematically by a double arrow ensure that the deflecting means deflected due to the shape memory properties 4 when the temperature drops below the activation temperature of the shape memory effect and depending on the return means, in particular by supporting the fluid flow itself, is at least partially or completely reset in the position shown in dashed lines and is deformed.

In diesem Zustand lenkt das Umlenkmittel 4 das Fluid 2 in den Auslass 7. Nach jeder Verformung des Umlenkmittels 4 wird eine erneute Verformung aufgrund des Einwegformgedächtniseffekt ermöglicht. Bei einem folgenden Anstieg der Temperatur über die Aktivierungstemperatur, beispielsweise auf mehr als 200°C bei einer Fe-basierenden Formgedächtnislegierungen, wird aufgrund des Einweg-Formgedächtniseffekts das durch die Rückstellmittel verformte Umlenkmittel 4 erneut gegen die Rückstellmittel 5 ausgelenkt. Der Einweg-Formgedächtniseffekt kann eine sehr hohe Anzahl an Wiederholungen der Auslenkungen des Umlenkmittels 4 bereitstellen, da dieser nahezu verschleißfrei durch eine Kristallstrukturänderung bewirkt wird.In this state, the deflection deflects 4 the fluid 2 in the outlet 7 , After every deformation of the deflection 4 Re-deformation due to the disposable shape memory effect is enabled. Upon a subsequent rise in temperature above the activation temperature, for example to more than 200 ° C in an Fe-based shape memory alloy, the deflecting means deformed by the return means becomes due to the one-way shape memory effect 4 again against the return funds 5 deflected. The one-way shape memory effect can be a very high number of repetitions of the deflections of the deflection 4 provide, since this is caused almost wear-free by a crystal structure change.

Die Rückstellmittel 5, hier nur mit einem Doppelpfeil dargestellt, können sowohl durch mechanische Rückstellmittel, beispielsweise eine elastische Feder, aber auch durch andere mechanische Mittel, magnetische, elektrische, servo-elektrische, pneumatische und/oder hydraulische Rückstellmittel bereitgestellt werden. Eine elastische Feder hat dabei den Vorteil, dass diese besonders einfach ist und neben einer hohen Anzahl an Auslenkungen auch sehr temperaturstabil ausgeführt werden kann. Magnetische, elektrische, servoelektrische, pneumatische und/oder hydraulische Rückstellmittel sind dagegen präzise steuerbar und ermöglichen eine schnelle Reaktion des Umlenkmittels 4. The return means 5 , shown here only with a double arrow, can be provided both by mechanical return means, such as an elastic spring, but also by other mechanical means, magnetic, electrical, servo-electric, pneumatic and / or hydraulic return means. An elastic spring has the advantage that it is particularly simple and can also be performed very temperature stable in addition to a high number of deflections. By contrast, magnetic, electrical, servo-electrical, pneumatic and / or hydraulic return means are precisely controllable and enable a rapid reaction of the deflection means 4 ,

Ein Ausführungsbeispiel eines Umlenkmittels 4 ist in 2 bzw. ein weiteres Ausführungsbeispiel in 3 in einer Draufsicht dargestellt. Das Ausführungsbeispiel aus 2 ist einstückig ausgeführt und besteht vollständig aus einer Formgedächtnislegierung. In 3 besteht die Zunge 8 aus einer Formgedächtnislegierung, das Verschließmittel 9 dagegen beispielsweise aus für die Anwendungstemperaturen geeignetem Stahl ohne Formgedächtniseigenschaften.An embodiment of a deflection 4 is in 2 or another embodiment in 3 shown in a plan view. The embodiment of 2 is made in one piece and consists entirely of a shape memory alloy. In 3 is the tongue 8th from a shape memory alloy, the closing means 9 however, for example, suitable for the application temperatures steel without shape memory properties.

In Frage kommen als Formgedächtnislegierungen insbesondere die Gruppe aus Fe-basierten Formgedächtnislegierungen, da diese auch bei hohen Temperaturen oberhalb von 175°C einsetzbar sind und darüber hinaus im Vergleich zu den übrigen Formgedächtnislegierungen kostengünstig zur Verfügung gestellt werden. Allerdings ist der Formgedächtniseffekt in der Regel relativ klein im Verhältnis zu beispielweise NiTi-Systemen.In question come as shape memory alloys in particular the group of Fe-based shape memory alloys, as they can be used even at high temperatures above 175 ° C and beyond are made available at low cost compared to the other shape memory alloys. However, the shape memory effect is usually relatively small in relation to, for example, NiTi systems.

Prinzipiell ist es aber auch möglich, die Umlenkmittel aus den unterschiedlichsten Formgedächtniseigenschaften aufweisenden Materialien, wie beispielsweise Formgedächtnispolymeren, elektroaktiven Polymeren, Polymermetallverbundschäumen, leitfähigen Polymeren, dilektrischen Elastomere, piezolektrischen Materialien, NiTi-Legierungen oder Kupfer basierten Legierungen etc. bereitzustellen.In principle, however, it is also possible to provide the deflecting means of the most varied of shape memory properties having materials, such as shape memory polymers, electroactive polymers, polymer metal composite foams, conductive polymers, dilektrischen elastomers, piezoelectric materials, NiTi alloys or copper-based alloys, etc.

Die Zunge 8 des Umlenkmittels 4 wird so vorbehandelt, dass diese beispielsweise oberhalb der Aktivierungstemperatur zu einer Auslenkung des Umlenkmittels aus einer flachen Form in eine abgeknickte Form, wie sie in 1 dargestellt ist, ändert. Es reicht dabei aus, dass Umlenkmittel 4 mit einer Formgedächtniseigenschaften aufweisenden Zunge 8 auszustatten, welche an dem Verschließmittel 9 befestigt ist, 3.The tongue 8th the deflection 4 is pretreated so that this example, above the activation temperature to a deflection of the deflection of a flat shape in a bent shape, as shown in 1 is shown changes. It is sufficient that deflection 4 having a shape memory characteristic tongue 8th equipped, which at the closing means 9 is attached, 3 ,

In 2 ist dagegen die einstückige Variante dargestellt, wobei die Zunge 8 und das Verschließmittel 9 aus einem identischem Material mit Formgedächtniseigenschaft bestehen. In beiden Figuren sind Befestigungsmittel 10 für Rückstellmittel schematisch dargestellt. Das Befestigungsmittel 10 für Rückstellmittel kann beispielsweise aus einer auf dem Verschließmittel 9 befestigten Lasche bestehen, in welche eine mechanische Feder eingehakt wird.In 2 In contrast, the one-piece variant is shown, wherein the tongue 8th and the closing means 9 consist of an identical material with shape memory property. In both figures are fasteners 10 shown schematically for return means. The fastener 10 for return means, for example, from one on the closing means 9 fastened tab in which a mechanical spring is hooked.

Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur temperaturgesteuerten Umleitung eines Fluids kann beispielsweise trotz der hohen Temperaturen zur Umleitung von Abgasen, beispielsweise in einem Turbolader oder einem anderen Industrieprozess genutzt werden.This in 1 illustrated embodiment of a device for the temperature-controlled diversion of a fluid can be used, for example, despite the high temperatures for the diversion of exhaust gases, for example in a turbocharger or other industrial process.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2039902 A2 [0002]
JP 55119519A [0002]

Claims

Contraption ( 1 ) for the temperature-controlled diversion of a fluid ( 2 ) having an inlet ( 3 ) and at least one deflection means ( 4 ), which consists at least partly of a material with shape memory properties, characterized in that, return means ( 5 ) for returning the deflecting means ( 4 ) are provided.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the deflection means ( 5 ) consists at least partially of a shape memory alloy and the shape memory alloy has a transition temperature of more than 175 ° C.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the shape memory alloy is an Fe alloy, Fe-Mn alloy, Fe-Mn-Si alloy, an Fe-Mn-Si-Cr alloy or a Fe-Mn-Si alloy. Cr-Ni alloy is.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the shape memory alloy in addition to iron and unavoidable impurities contains the following alloy elements in wt .-%: 12% ≤ Mn ≤ 45%, 1 ≤ Si ≤ 20%, Cr ≤ 20%, Ni≤20%, Mo≤20%, Cu≤20%, Co≤20%, Al≤10%, Mg≤10%, V≤2%, Ti≤2%, Nb≤2%, W≤2%, C ≦ 1%, N ≦ 1%, P ≦ 0.3%, Zr ≦ 0.3%, B ≦ 0.01%.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the shape memory alloy in addition to iron and unavoidable impurities contains the following alloying elements in wt .-%: 25% ≤ Mn ≤ 32%, 3% ≤ Si ≤ 8%, 3% ≤ Cr ≦ 6%, Ni ≦ 3%, C ≦ 0.07%, preferably 0.01% ≦ C ≦ 0.07%, and / or N ≦ 0.07%, preferably 0.01% ≦ N ≦ 0.07 %, 0.1% ≤ Ti ≤ 1.5% or 0.1% ≤ Nb ≤ 1.5% or 0.1% ≤ W ≤ 1.5% or 0.1% ≤ V ≤ 1.5%.

Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least two outlets ( 6 . 7 ) are provided and the at least one deflection means ( 4 ) the fluid ( 2 ) into one of the at least two outlets ( 6 . 7 ) can redirect.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that mechanical, magnetic, electrical, servo-electric, pneumatic and / or hydraulic return means ( 5 ) are provided for returning the deflection means.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the deflection means ( 4 ) is arranged in the fluid flow such that the fluid flow the deflection and / or return of the deflection ( 4 ) supported.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the deflection means ( 4 ) a flat tongue ( 8th ) consisting of a shape memory alloy and sealing means ( 9 ) having.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the closing means ( 9 ) and the tongue ( 8th ) of the deflecting means ( 4 ) are integral.

Device according to one of claims 9 or 10, characterized in that the closing means or the tongue ( 9 . 8th ) have a fastening device for return means.

Use of a device according to one of claims 1 to 11 for deflecting a fluid which at least temporarily assumes temperatures above 175 ° C, wherein a deflection by the deflecting means takes place at a temperature above 175 ° C.

Use according to claim 11, characterized in that the device is used for the control of fluid in valves for turbines and engines or for the diversion of exhaust gases from engines, turbines or industrial processes.

Use according to claim 11, characterized in that the device is used in turbochargers or exhaust systems of motor vehicles.