DE102013203514A1

DE102013203514A1 - Räumlich gradierte SMA-Aktuatoren

Info

Publication number: DE102013203514A1
Application number: DE102013203514A
Authority: DE
Inventors: Alan L. Browne; Nancy L. Johnson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2013-09-19
Also published as: US20130239565A1; CN103306925A

Abstract

Es wird ein Formgedächtnislegierungselement offenbart, das ausgebildet ist, um eine gradierte thermische Änderung entlang einer Dimension des Formgedächtnislegierungselements in Ansprechen auf eine thermische Anregung zu durchlaufen. Diese gradierte thermische Änderung erzeugt einen Wechsel zwischen dem Martensitzustand und dem Austenitzustand der Formgedächtnislegierung, die entlang dieser Dimension gradiert ist, was wiederum ein gradiertes Verschiebungsansprechen des Formgedächtniselements erzeugt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung betreffen metallische Formgedächtnislegierungsaktuatoren (”SMA-Aktuatoren”) und spezieller SMA-Aktuatoren mit besonderen thermischen Ansprecheigenschaften.
HINTERGRUND
Formgedächtnislegierungen sind in der Technik wohlbekannt. Formgedächtnislegierungen sind Legierungszusammensetzungen mit zumindest zwei unterschiedlichen temperaturabhängigen Phasen. Die am häufigsten eingesetzten dieser Phasen sind die sogenannte Martensitphase und die sogenannte Austenitphase. In der nachfolgenden Diskussion bezieht sich die Martensitphase im Allgemeinen auf die besser verformbare Phase bei niedrigerer Temperatur, während sich die Austenitphase im Allgemeinen auf die steifere Phase bei höherer Temperatur bezieht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase befindet und aufgeheizt wird, beginnt sie, sich in die Austenitphase zu verändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird häufig als die Austenit-Starttemperatur (A_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen abgeschlossen ist, wird als die Austenit-Endtemperatur (A_f) bezeichnet. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie, sich in die Martensitphase zu verändern, und die Temperatur, bei dieser dieses Phänomen beginnt, wird als die Martensit-Starttemperatur (M_s) bezeichnet. Die Temperatur, bei welcher der Austenit damit aufhört, sich in Martensit umzuwandeln, wird als die Martensit-Endtemperatur (M_f) bezeichnet. Es sollte angemerkt werden, dass die zuvor erwähnten Übergangstemperaturen Funktionen der Spannung sind, die durch die SMA-Probe erfahren wird. Speziell nehmen diese Temperaturen mit zunehmender Spannung zu. Im Hinblick auf die vorstehenden Eigenschaften erfolgt die Verformung der Formgedächtnislegierung typischerweise bei oder unterhalb der Austenit-Umwandlungstemperatur (bei oder unterhalb A_s). Ein anschließendes Aufheizen über die Austenit-Übergangstemperatur bewirkt, dass die verformte Formgedächtnislegierungsprobe wieder zu ihrer permanenten Form zurückkehrt. Folglich ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung bei Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal mit einer Größe, die ausreicht, um Umwandlungen zwischen der Martensitphase und der Austenitphase zu bewirken.
Aufgrund ihrer temperaturabhängigen Formgedächtniseigenschaften werden die Formgedächtnislegierungen als Aktuatoren oder als andere Elemente verwendet oder wurden für eine solche Verwendung vorgeschlagen, die eine gesteuerte Bewegung in verschiedenen mechanischen und elektromechanischen Einrichtungen oder anderen Anwendungen erfordert, wie beispielsweise bei Blenden zur Steuerung einer Luftströmung, bei reversibel ausfahrbaren Haltegriffen, bei tragbaren Insulinpumpen und bei Auswurfmechanismen für Computermedien, um einige zu nennen. Eine üblicherweise verwendete Ausbildung ist diejenige eines SMA-Drahts mit zwei ”erinnerten” Längen, bei welcher der Draht an einem Element oder an einer Einrichtungskomponente befestigt ist, das bzw. die zwischen verschiedenen Positionen bewegt wird, indem der Draht zwischen der längeren und der kürzeren erinnerten Länge umgewandelt wird. Andere Ausbildungen können ebenso verwendet werden, wie beispielsweise ein SMA-Aktuator, der zwischen einer geraden und einer gebogenen Form umgewandelt werden kann. Die thermische Anregung zum Umwandeln eines SMA-Aktuators zwischen unterschiedlichen Zuständen kann eine direkte äußere thermische Anregung sein, wie beispielsweise Wärme, die mittels einer Wärmequelle angewendet wird, wie beispielsweise mittels eines Infrarot-, eines konvektiven oder eines konduktiven Heizelements. In dem Fall eines SMA-Drahtaktuators wird die thermische Anregung jedoch oft angewendet, indem einfach ein elektrischer Strom durch den Draht fließt, um zu bewirken, dass dieser aufgeheizt wird, und indem der Strom unterbrochen wird, so dass sich der Draht abkühlt, indem Wärme an die umgebende kühlere Umwelt übertragen wird.
Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Form bei höherer Temperatur erinnert, wenn sie aufgeheizt wird, kann durch leichte Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch eine thermomechanische Bearbeitung eingestellt werden. Bei Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann diese beispielsweise von oberhalb ungefähr 100°C bis unterhalb ungefähr –100°C verändert werden. Der Wiederherstellungsprozess für die Form kann über einen Bereich von nur wenigen Graden auftreten oder eine eher allmähliche Wiederherstellung zeigen. Der Beginn oder das Ende der Umwandlung kann in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung und der Legierungszusammensetzung derart gesteuert werden, dass er innerhalb eines Grades oder innerhalb von zwei Grad liegt. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich, der durch deren Umwandlung aufgespannt wird, und sie liefern typischerweise den Formgedächtniseffekt, einen superelastischen Effekt und eine hohe Dämpfungskapazität. Beispielsweise wird in der Martensitphase ein geringerer Elastizitätsmodul als in der Austenitphase beobachtet. Formgedächtnislegierungen in der Martensitphase können große Verformungen durchlaufen, indem die Kristallstrukturanordnung mit der ausgeübten Spannung neu ausgerichtet wird, z. B. mit dem Druck eines passenden Druckschuhs. Das Material wird diese Form beibehalten, nachdem die Spannung entfernt wird.
Der Übergang einer Formgedächtnislegierung zwischen dem Martensitzustand und dem Austenitzustand als eine Funktion der Temperatur ist in dem Diagramm von 1 dargestellt, in dem die vertikale Achse ξ den Anteil der Zusammensetzung in dem Martensitzustand repräsentiert und die horizontale Achse T die Temperatur repräsentiert. Die obere in 1 gezeigte Kurve mit dem begleitenden Pfeil, der abwärts und nach rechts zeigt, stellt den Übergang von dem Martensitzustand in den Austenitzustand dar, der durch eine Zunahme in der Temperatur bewirkt wird, wobei die Temperaturen A_s und A_f an der horizontalen Achse bezeichnet sind. Die untere Kurve in 1 mit dem begleitenden Pfeil, der aufwärts und nach links zeigt, stellt den Übergang von dem Austenitzustand in den Martensitzustand dar, der durch eine Abnahme in der Temperatur bewirkt wird, wobei die Temperaturen M_s und M_f an der horizontalen Achse bezeichnet sind.
Für viele Formgedächtnislegierungen kann der Wechsel zwischen dem Martensitzustand und dem Austenitzustand und umgekehrt relativ schnell in Ansprechen auf eine thermische Anregung erfolgen. Dies kann durch verschiedene Faktoren bedingt sein, wie beispielsweise, dass die Zusammensetzung einen engen Temperaturbereich zwischen den Temperaturen A_s und A_f und/oder zwischen den Temperaturen M_s und M_f aufweist. Andere Faktoren umfassen, dass die elektrischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung derart beschaffen sind, dass die Temperatur eines SMA-Drahts schnell über den Temperaturbereich von A_s bis A_f ansteigt, wenn ein Strom angelegt wird. Dies kann zu einem relativ schnellen Wechsel zwischen den erinnerten Formen oder Längen eines SMA-Aktuators führen, was in vielen Fällen unerwünscht ist, in denen aus ästhetischen und/oder funktionalen Gründen eine langsamere Betätigung gewünscht ist.
Dementsprechend ist es wünschenswert, ein Formgedächtnislegierungselement zu schaffen, bei dem das Ansprechen maßgeschneidert werden kann, um Ziel-Betätigungsraten in Ansprechen auf eine thermische Anregung zu erreichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Formgedächtnislegierungselement ausgebildet, um in Ansprechen auf eine thermische Anregung eine gradierte thermische Änderung entlang einer Dimension des Formgedächtnislegierungselements zu durchlaufen. Diese gradierte thermische Änderung erzeugt einen Wechsel zwischen dem Martensitzustand und dem Austenitzustand der Formgedächtnislegierung, die entlang dieser Dimension gradiert ist, was wiederum ein gradiertes Verschiebungsansprechen des Formgedächtniselements erzeugt.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird das gradierte thermische Ansprechen des SMA-Elements durch eine Gradierung entlang einer Dimension des Elements in dem Verhältnis des Oberflächenumfangs zur Querschnittsfläche in einer Ebene senkrecht zu dieser Dimension erzeugt. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform wird das gradierte thermische Ansprechen des SMA-Elements durch eine Gradierung entlang einer Dimension des Elements in der Ausbildung einer Querschnittsgeometrie in einer Ebene senkrecht zu dieser Dimension erzeugt. Bei einer noch anderen beispielhaften Ausführungsform weist das SMA-Element eine Beschichtung an diesem auf, und das gradierte thermische Ansprechen wird durch eine Gradierung entlang einer Dimension des SMA-Elements in der Ausbildung einer Querschnittsgeometrie in einer Ebene senkrecht zu dieser Dimension oder in der Dicke erzeugt.
Bei einer noch anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst ein Aktuator ein Formgedächtnislegierungselement, das ausgebildet ist, um in Ansprechen auf eine thermische Anregung eine gradierte thermische Änderung entlang einer Dimension des Formgedächtnislegierungselements zu durchlaufen. Diese gradierte thermische Änderung erzeugt einen Wechsel zwischen dem Martensitzustand und dem Austenitzustand der Formgedächtnislegierung, die entlang dieser Dimension gradiert ist, was wiederum ein gradiertes Verschiebungsansprechen entlang der Dimension des Formgedächtniselements erzeugt. Bei beispielhaften Ausführungsformen wird das gradierte thermische Ansprechen durch Gradierungen entlang dieser Dimension in der Ausbildung des SMA-Elements oder in einer Beschichtung an dem SMA-Element geschaffen, wie es vorstehend beschrieben ist. Bei einer anderen Ausführungsform wird das gradierte thermische Ansprechen des SMA-Elements durch eine Gradierung entlang einer Dimension des SMA-Elements in der Querschnittsgeometrie oder in der Dicke eines Abschnitts des Aktuators in thermischer Verbindung mit dem SMA-Element geschaffen. Bei einer noch anderen beispielhaften Ausführungsform wird das gradierte thermische Ansprechen durch eine Gradierung entlang einer Dimension des SMA-Elements bezüglich der Konvektion geschaffen, welcher das SMA-Element ausgesetzt ist.
Die vorstehenden Merkmale und die dadurch geschaffenen Vorteile werden zusammen mit anderen Merkmalen und Vorteilen anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung leicht offensichtlich, wenn die Beschreibung mit den begleitenden Zeichnungen in Verbindung gebracht wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und Details erscheinen lediglich beispielhaft in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen, wobei sich die ausführliche Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, von denen:
1 ein Diagramm einer Phasenänderung über der Temperatur einer typischen Formgedächtnislegierung ist;
2 eine Ansicht eines Längsquerschnitts einer Ausführungsform darstellt, bei der ein SMA-Element eine kontinuierliche Gradierung im Durchmesser aufweist;
3 eine Ansicht eines Längsquerschnitts einer Ausführungsform darstellt, bei der ein SMA-Element eine Beschichtung mit einer kontinuierlichen Gradierung in der Dicke aufweist;
4 eine Ansicht eines Längsquerschnitts einer Ausführungsform darstellt, bei der ein SMA-Element gestufte Gradierungen im Durchmesser aufweist;
5 eine Ansicht eines Längsquerschnitts einer Ausführungsform darstellt, bei der ein SMA-Element eine Beschichtung mit gestuften Gradierungen in der Dicke aufweist;
6 eine Ansicht eines Längsquerschnitts einer Ausführungsform darstellt, bei der ein SMA-Element gestufte und kontinuierliche Gradierungen im Durchmesser aufweist;
7 eine Ansicht eines Längsquerschnitts einer Ausführungsform darstellt, bei der ein SMA-Element eine Beschichtung mit gestuften und kontinuierlichen Gradierungen in der Dicke aufweist;
8A und 8B eine Ausführungsform zeigen, bei der ein SMA-Element eine Gradierung in der Querschnittsgeometrie aufweist;
9A und 9B eine Ausführungsform zeigen, bei der ein SMA-Element eine Beschichtung mit einer Gradierung in der Querschnittsgeometrie aufweist;
10 eine Ansicht eines Längsquerschnitts eines Aktuators zeigt, bei dem ein Abschnitt des Aktuators in thermischer Verbindung mit einem SMA-Element eine Gradierung in der Dicke aufweist; und
11 eine Perspektivansicht eines Aktuators darstellt, der ausgebildet ist, um ein SMA-Element mit einer Gradierung bezüglich der Konvektion zu schaffen.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Formgedächtnislegierungselement ausgebildet, um in Ansprechen auf eine thermische Anregung eine gradierte thermische Änderung entlang einer Dimension des Formgedächtnislegierungselements zu durchlaufen. Mit einer gradierten thermischen Änderung entlang einer Dimension des SMA-Elements ist gemeint, dass zu einem Zeitpunkt das Niveau der thermischen Energie an einer Position entlang dieser Dimension von dem Niveau der thermischen Energie an einer anderen Position entlang dieser Dimension verschieden ist. Da es das Hinzufügen oder Entfernen von thermischer Energie zu der Formgedächtnislegierung bzw. von dieser ist, das eine Vorwärts- und Rückwärts-Phasenänderung zwischen dem Austenitzustand und dem Martensitzustand hervorruft, ermöglicht die Fähigkeit, den Zeitpunkt der thermischen Änderung an verschiedenen Positionen an dem SMA-Element zu modifizieren, die Modifikation des Zeitpunkts der Phasenänderung an verschiedenen Positionen an dem SMA-Element, wodurch der Zeitpunkt des Verschiebungsansprechens des SMA-Elements in Ansprechen auf die thermische Anregung modifiziert wird. SMA-Elemente können in einer Vielzahl von Ausbildungen gebildet werden, und dementsprechend gibt es keine spezielle Einschränkung für die Ausrichtung der Dimension, entlang derer das SMA-Element eine gradierte thermische Änderung zeigt, solange diese für das gewünschte Verschiebungsansprechen des SMA-Elements sorgt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist die Dimension eine lineare Dimension. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform liegt das SMA-Element in der Form eines Formgedächtnislegierungsdrahts vor, und die lineare Dimension verläuft parallel zu der Längsachse des Drahts.
Das gradierte thermische Ansprechen entlang einer Dimension des SMA-Elements kann durch eine Gradierung entlang dieser Dimension in der Fähigkeit des SMA-Elements geschaffen werden, Wärme zu absorbieren oder zu dissipieren. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird das gradierte thermische Ansprechen durch eine Gradierung entlang der Dimension in dem Verhältnis des Oberflächenumfangs zur Querschnittsfläche in einer Ebene geschaffen, die senkrecht zu dieser Dimension verläuft. Wenn die Gradierung entlang dieser Dimension integriert wird, entspricht das Verhältnis der Querschnittsfläche zum Oberflächenumfang einem Verhältnis des Volumens zur Oberfläche. Bei einer gegebenen Dichte entspricht das Volumen der Masse und daher der Menge an thermischer Energie in dem SMA-Element. Bei einem gegebenen Wärmeübertragungskoeffizient für das SMA-Material entspricht die Oberfläche der Rate der Wärmeübertragung in das SMA-Element oder aus diesem durch diese Oberfläche. Daher gibt ein größeres Verhältnis der Querschnittsfläche zum Oberflächenumfang (das Verhältnis der Fläche zum Umfang oder das ”APR”, von area to perimeter ratio) eine langsamere Wärmeübertragung zwischen dem SMA-Element und dessen Umgebung an, während ein höheres Verhältnis eine schnellere Wärmeübertragung angibt. In dem typischen Fall, dass Wärmeenergie intern durch Anlegen eines elektrischen Stroms an das SMA-Element erzeugt wird, dissipieren Flächen mit einem niedrigeren APR diese Wärme leichter als Flächen mit einem höheren Verhältnis. Ohne Berücksichtigung irgendeiner Auswirkung von Querschnittsschwankungen auf die Rate der Wärmeerzeugung durch den elektrischen Widerstand werden Flächen mit einem höheren APR im Vergleich zu Flächen mit einem niedrigeren APR leichter in Ansprechen auf das Anlegen des elektrischen Stroms aufgeheizt und langsamer abgekühlt, wenn der Strom entfernt wird. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann das gradierte thermische Ansprechen verwendet werden, um eine zeitbasierte Gradierung in dem Verschiebungsansprechen des SMA-Elements zu schaffen, bei dem Abschnitte des Elements mit höherem APR während des Aufheizens ein schnelleres Ansprechen auf eine thermische Anregung zeigen und Abschnitte des Elements mit geringerem APR ein langsameres Ansprechen während des Aufheizens zeigen. Das Umgekehrte gilt für das Abkühlen, nachdem der Strom abgeschaltet wurde. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann das gradierte thermische Ansprechen verwendet werden, um eine steuerbare Gesamtverschiebung in Ansprechen auf das Anlegen unterschiedlicher Niveaus des elektrischen Stroms zu schaffen. Bei dieser Ausführungsform erzeugt ein gegebenes Stromniveau eine ausreichende Wärmemenge, um die Temperatur in einigen Abschnitten des Elements (mit höherem APR) weit genug zu erhöhen, um eine Phasenänderung vom Martensit zum Austenit hervorzurufen, aber nicht in bestimmten Abschnitten des Elements (mit niedrigerem APR). Progressiv höhere Stromniveaus bewirken, dass die Abschnitte mit niedrigerem APR ausreichende Temperaturniveaus erreichen, um eine Phasenänderung hervorzurufen, wodurch größere Gesamtniveaus der Verschiebung in dem Element erzeugt werden. Auf diese Weise können steuerbare Niveaus der Betätigung geschaffen werden, indem der Strom variiert wird.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann das APR variiert werden, indem die Dicke oder der Durchmesser eines SMA-Elements variiert wird. Nun zu den Figuren übergehend, in denen die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, um die gleichen oder ähnliche Elemente in den verschiedenen Figuren zu identifizieren, zeigt 2 eine Ansicht eines Längsquerschnitts eines SMA-Elements 10 in der Form eines runden SMA-Drahts. In 2 weist das SMA-Element 10 ein rechtes Ende 12 und ein linkes Ende 14 auf, die optional für eine Befestigung an äußeren Elementen oder Komponenten ausgebildet sein können, auf die das SMA-Element wirken soll. Das Element, das aus einer Formgedächtnislegierung 15 gebildet ist, weist eine kontinuierliche Gradierung im Durchmesser auf, wobei sich der Durchmesser kontinuierlich von einem kleineren Durchmesser an dem linken Ende 14 bis zu einem größeren Durchmesser an dem rechten Ende 12 ändert. Für einen runden Draht ist die Querschnittsfläche gleich πr², und der Oberflächenumfang ist gleich 2πr, und folglich beträgt das APR πr²/2πr = r/2. Daher liefert der kontinuierlich variierende Durchmesser oder Radius des SMA-Drahts, der in 2 gezeigt ist, ein kontinuierlich variierendes APR und folglich eine variierende thermische Änderung entlang der axialen Dimension des Grads.
Zusätzlich dazu, dass die Dicke oder der Durchmesser des SMA-Elements selbst variiert wird, kann das APR mit einer Beschichtung an dem SMA-Element 10 von variierender Dicke verändert werden. 3 stellt eine Ansicht eines Längsquerschnitts eines SMA-Elements 10 dar, das einen runden SMA-Draht umfasst, der aus einer Formgedächtnislegierung 15 gebildet ist und eine Beschichtung 17 an diesem aufweist. Die Beschichtung 17 weist eine kontinuierliche Gradierung in der Dicke von keiner Beschichtung an dem linken Ende 14 bis zu einer dicken Beschichtung an dem rechten Ende 12 auf. Die Verwendung der Beschichtung 17 kann zusätzliche Parameter schaffen, um die Eigenschaften des thermischen Ansprechens des SMA-Elements 10 maßzuschneidern, da die Beschichtung 17 ermöglicht, dass die Eigenschaften der Wärmeübertragung mit dem APR variiert werden, während eine Schwankung in der Wärmeerzeugung durch den elektrischen Widerstand beseitigt wird, die durch die Querschnittsfläche des SMA-Metalls selbst verursacht wird. Die Beschichtung 17 kann auch eine andere thermische Leitfähigkeit und eine andere Wärmekapazität als das SMA-Material selbst aufweisen, wodurch weitere Parameter geliefert werden, um das thermische Ansprechen des SMA-Elements 10 maßzuschneidern. Beispielsweise können die Zusammensetzung der Beschichtung 17 und dementsprechend deren Wärmekapazität und/oder thermische Leitfähigkeit auf eine gradierte Weise entlang einer axialen Dimension des SMA-Elements 10 variiert werden.
2 und 3 zeigen beispielhafte Ausführungsformen, bei denen SMA-Elemente eine kontinuierliche Gradierung im APR zeigen. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann ein SMA-Element eine gestufte Gradierung im APR aufweisen. 4 und 5 zeigen beispielhafte Ausführungsformen von SMA-Elementen mit gestuften Gradierungen. In 4 ist ein SMA-Element 10 mit einem rechten Ende 12 und einem linken Ende 14 aus einer Formgedächtnislegierung 15 gebildet. Das SMA-Element 10 weist gestufte Gradierungen im Durchmesser zwischen einem Abschnitt 20 mit einem ersten Durchmesser, einem Abschnitt 22 mit einem Durchmesser, der größer als der erste Durchmesser ist, und einem Abschnitt 24 mit einem Durchmesser auf, der größer als der Durchmesser des Abschnitts 22 ist. In 5 weist ein SMA-Element 10 mit einem Draht mit konstantem Durchmesser, der aus der Formgedächtnislegierung 15 gebildet ist, eine Beschichtung 17 an diesem auf. Die Beschichtung 17 weist gestufte Gradierungen im Durchmesser zwischen einem Abschnitt 20 mit einer ersten Dicke, einem Abschnitt 22 mit einer Dicke, die größer als die erste Dicke ist, und einem Abschnitt 24 mit einer Dicke auf, die größer als die Dicke des Abschnitts 22 ist. Die gestuften Gradierungen können abrupt sein, wie es beispielsweise in 6 gezeigt ist, oder sie können eine abgeschrägte Ausbildung aufweisen, wie es in 4 gezeigt ist. Die abgeschrägte Ausbildung kann dabei helfen, eine Spannungskonzentration in dem SMA-Element 10 zu regulieren, wodurch möglicherweise die Bildung von Rissen vermieden wird, die zu einem vorzeitigen Ausfall des SMA-Elements 10 führen könnten.
6 und 7 zeigen Ausführungsformen von SMA-Elementen mit sowohl kontinuierlichen als auch gestuften Gradierungen. In 6 ist ein SMA-Element 10 mit einem rechten Ende 12 und einem linken Ende 14 aus der Formgedächtnislegierung 15 gebildet. Das SMA-Element 10 weist gestufte Gradierungen im Durchmesser zwischen einem Abschnitt 20 mit einem ersten Durchmesser, einem Abschnitt 22 mit einem Durchmesser, der größer als der erste Durchmesser ist, und einem Abschnitt 24 mit einem Durchmesser auf, der größer als der Durchmesser des Abschnitts 22 ist.
Zusätzlich durchläuft der Durchmesser des SMA-Elements 10 eine kontinuierliche Gradierung, und er wird in jedem der Abschnitte 20, 22 und 24 progressiv größer, wenn man sich vom linken Ende 14 in Richtung des rechten Endes 12 bewegt. 7 zeigt ein SMA-Element 10, das eine Beschichtung 17 mit Gradierungen in der Dicke zwischen einem Abschnitt 20 mit einer ersten Dicke, einem Abschnitt 22 mit einer Dicke, die größer als die erste Dicke ist, und einem Abschnitt 24 mit einer Dicke aufweist, die größer als die Dicke des Abschnitts 22 ist. Zusätzlich durchläuft die Dicke des SMA-Elements 10 eine kontinuierliche Gradierung, und sie wird in jedem der Abschnitte 20, 22 und 24 progressiv dicker, wenn man sich vom linken Ende 14 in Richtung des rechten Endes 12 bewegt.
Die Ausführungsformen in 2–7, die vorstehend beschrieben sind, beruhen auf einer Gradierung in der Querschnittsfläche bezogen auf den Oberflächenumfang (”APR”), um eine Gradierung der Wärmeströmung in ein SMA-Element und aus diesem heraus zu schaffen, wodurch eine gradierte thermische Änderung und ein gleichzeitiges gradiertes Verschiebungsansprechen des SMA-Elements erzeugt werden. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann eine gradierte thermische Änderung entlang einer Dimension eines SMA-Elements aus einer Gradierung in der Querschnittsgeometrie in einer Ebene des SMA-Elements senkrecht zu dieser Dimension resultieren. Die Querschnittsgeometrie eines SMA-Drahts beeinflusst das Muster einer konduktiven Wärmeübertragung in dem SMA-Element, das wiederum die Verteilung der Wärmeenergie beeinflusst, welche die SMA-Phasenumwandlung bewirkt. Dementsprechend erzeugt eine Gradierung in der Querschnittsgeometrie eine gradierte thermische Änderung und ein gleichzeitiges gradiertes Verschiebungsansprechen des SMA-Elements. Obgleich eine Gradierung in der Querschnittsgeometrie oft von einer Gradierung im APR begleitet ist, würde eine Gradierung in der Querschnittsgeometrie den Wärmefluss und die Verteilung der Wärmeenergie in dem SMA-Element sogar dann beeinflussen, wenn die Querschnittsgradierung mit Ausbildungen und Schwankungen in der Gesamtdicke/dem Gesamtdurchmesser implementiert werden würde, um dadurch das APR konstant zu halten. 8 und 9 zeigen Ausführungsformen von SMA-Elementen mit Gradierungen in der Querschnittsgeometrie, wie sie durch radiale Querschnittsansichten an verschiedenen Positionen entlang der Länge eines SMA-Drahts dargestellt sind. 8A und 8B zeigen radiale Querschnittsansichten eines SMA-Elements 10, das aus der Formgedächtnislegierung 15 gebildet ist, wobei das SMA-Element 10 eine Gradierung zwischen einer runden Querschnittsgeometrie, wie sie in 8A gezeigt ist, und einer komplexeren Querschnittsgeometrie aufweist, wie sie in 8B gezeigt ist. 8B zeigt eine komplexe Querschnittsgeometrie, die aus der Formgedächtnislegierung 15 gebildet ist und umlaufende Kuppenabschnitte 32 aufweist, die mit einem zentralen Abschnitt 34 mit kreisförmigem Querschnitt durch Beine 36 verbunden sind. Bei einer solchen Ausbildung übertragen die umlaufenden Kuppenabschnitte 32 Wärme schneller an die umgebende Umwelt und von dieser als der zentrale Abschnitt 34, wodurch eine Variation im Wärmefluss (im Vergleich zu der kreisförmigen Querschnittsgeometrie, die in 8A gezeigt ist) in dem SMA-Element 10 geschaffen wird, wenn dieses entweder aufgeheizt oder abgekühlt wird. 9A und 9B zeigen eine Gradierung in der Querschnittsgeometrie, die durch eine Beschichtung 17 geschaffen wird, wobei das SMA-Element 10 eine Gradierung zwischen einer runden Querschnittsgeometrie, wie sie in 9A gezeigt ist, und einer komplexeren Querschnittsgeometrie aufweist, wie sie in 9B gezeigt ist. 9B zeigt ein SMA-Element 10, das aus einer Formgedächtnislegierung 15 gebildet ist und eine Beschichtung 17 an diesem in einer sternförmigen Ausbildung aufweist.
Wie vorstehend diskutiert wurde, können SMA-Elemente, wie beispielsweise SMA-Drähte, als Aktuatoren für eine Vielzahl von Einrichtungen verwendet werden, indem die Enden des Drahts einfach kann Komponenten befestigt werden, auf die der Aktuator wirken soll, und indem der Draht einer thermischen Anregung ausgesetzt wird. SMA-Elemente können auch in andere Komponenten integriert werden, um einen Aktuator zu bilden. Beispielsweise kann ein SMA-Draht in einer Hülse eingeschlossen werden, um diesen zu schützen und um dessen Position oder Form in einer speziellen Ausbildung aufrecht zu erhalten. Ein beliebiges der vorstehend beschriebenen SMA-Elemente kann in andere Komponenten integriert werden, um einen Aktuator zu bilden. Zusätzlich weist bei einigen beispielhaften Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, ein Abschnitt des Aktuators in thermischer Verbindung mit dem SMA-Element eine Gradierung entlang einer Dimension des SMA-Elements in der Ausbildung der Querschnittsgeometrie in einer Ebene senkrecht zu dieser Dimension oder in der Dicke auf. Solche Ausführungsformen sind den Ausführungsformen mit Beschichtung ähnlich, die vorstehend bei 3, 5, 7 und 9 beschrieben sind, außer dass die Gradierung durch einen Abschnitt des Aktuators in thermischer Verbindung mit dem SMA-Element anstatt durch eine Beschichtung an dem SMA-Element geschaffen wird. Eine beispielhafte Ausführungsform ist in 10 dargestellt, in welcher der Aktuator 40 ein SMA-Element 10, wie beispielsweise einen SMA-Draht, mit einem rechten Ende 12 und einem linken Ende 14 aufweist und aus einer Formgedächtnislegierung 15 gebildet ist. Das SMA-Element 10 ist gleitend in einem Hülsenelement 42 angeordnet. Eine enge Toleranz zwischen dem Außendurchmesser des SMA-Elements 10 und dem Innendurchmesser der Hülse 42 fördert die thermische Verbindung zwischen dem SMA-Element 10 und dem Hülsenelement 42. Das Hülsenelement 42 ist derart gezeigt, dass es eine kontinuierliche Gradierung in der Dicke von einer minimalen Dicke an dem linken Ende 14 bis zu einer größeren Dicke an dem rechten Ende 12 aufweist.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann eine gradierte thermische Änderung an einem SMA-Element geschaffen werden, indem der Grad der Konvektion variiert wird, der das SMA-Element ausgesetzt ist. Dies kann auf verschiedene Weisen erreicht werden, wie beispielsweise dadurch, dass ein Aktuator mit einem Ventilator vorgesehen ist, der ein gradiertes Muster einer Luftströmung über das SMA-Element leitet, indem eine Aktuatorhülse oder ein Aktuatorgehäuse vorgesehen ist, das ein gradiertes Muster von Öffnungen aufweist, oder durch beides. Abschnitte des SMA-Elements, die größeren Niveaus der Konvektion ausgesetzt sind, weisen eine höhere Rate der Wärmeübertragung zur umgebenden Umwelt oder von dieser auf, und sie erzeugen eine thermische Gradierung in dem SMA-Element, wodurch ein gradiertes Verschiebungsansprechen geschaffen wird. Eine beispielhafte Ausführungsform ist in 11 dargestellt, in der ein SMA-Element 10 gleitend in einem Aktuatorgehäuse 44 angeordnet ist. Das Aktuatorgehäuse 44 ist mit Grillelementen oder Rippen 46 gezeigt, die eine gradierte Beabstandung zwischen diesen aufweisen, um dadurch ein gradiertes Muster von Öffnungen zu bilden. Die Grillelemente oder Rippen 46 sind mit einer weiteren Beabstandung (wodurch eine größere Konvektion zugelassen wird) in Richtung des linken Endes 14 des SMA-Elements 10 und mit einer engeren Beabstandung (wodurch eine geringere Konvektion zugelassen wird) in Richtung des rechten Endes 12 des SMA-Elements 10 gezeigt.
Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien zum Herstellen des anpassbaren Formgedächtnisgegenstands bzw. der anpassbaren Formgedächtnisgegenstände, die hierin beschrieben sind, umfassen auf Nickel-Titan basierte Legierungen, auf Indium-Titan basierte Legierungen, auf Nickel-Aluminium basierte Legierungen, auf Nickel-Gallium basierte Legierungen, kupferbasierte Legierungen (z. B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold-Legierungen und Kupfer-Zinn-Legierungen), auf Gold-Cadmium basierte Legierungen, auf Silber-Cadmium basierte Legierungen, auf Indium-Cadmium basierte Legierungen, auf Mangan-Kupfer basierte Legierungen, auf Eisen-Platin basierte Legierungen, auf Eisen-Palladium basierte Legierungen und dergleichen, ohne auf diese beschränkt zu sein. Die Legierungen können binär, ternär oder von einer beliebigen höheren Ordnung sein. Die Auswahl einer geeigneten Formgedächtnislegierungszusammensetzung hängt von dem Temperaturbereich ab, in dem die Komponente betrieben werden soll. SMA-Elemente müssen typischerweise bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben oder trainiert werden, um unterschiedliche Formen zwischen dem Austenitzustand und dem Martensitzustand im Gedächtnis zu behalten. SMA-Elemente können in Abhängigkeit von der Anwendung, für die sie gedacht sind, ein Einweg- oder ein Zweiwege-Formgedächtnis zeigen, und die hierin offenbarten Ausführungsformen können entweder mit Einweg- oder mit Zweiwege-SMA-Elementen verwendet werden.
Obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen ausgeführt werden können und Elemente von diesen durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen ausgeführt werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Umfang der vorliegenden Anmeldung fallen.

Claims

Formgedächtnislegierungselement, das ausgebildet ist, um in Ansprechen auf eine thermische Anregung eine gradierte thermische Änderung entlang einer Dimension des Formgedächtnislegierungselements zu durchlaufen, wodurch ein gradiertes Verschiebungsansprechen des Elements geschaffen wird.
Formgedächtnislegierungselement nach Anspruch 1, wobei das Formgedächtnislegierungselement eine Gradierung entlang der Dimension in einem Verhältnis eines Oberflächenumfangs zu einer Querschnittsfläche in einer Ebene senkrecht zu der Dimension oder in der Ausbildung einer Querschnittsgeometrie in der Ebene aufweist.
Formgedächtnislegierungselement nach Anspruch 1, das eine Beschichtung an diesem aufweist, wobei die Beschichtung eine Gradierung entlang der Dimension in der Ausbildung einer Querschnittsgeometrie in einer Ebene senkrecht zu der Dimension oder in der Dicke aufweist.
Formgedächtnislegierungselement nach Anspruch 1, das eine Beschichtung an diesem aufweist, wobei die Beschichtung eine Gradierung entlang der Dimension in einer Materialzusammensetzung der Beschichtung aufweist, wodurch eine Gradierung entlang der Dimension in der thermischen Leitfähigkeit, in der Wärmekapazität oder sowohl in der thermischen Leitfähigkeit als auch in der Wärmekapazität geschaffen wird.
Formgedächtnislegierungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die gradierte thermische Änderung, mit der das Formgedächtnislegierungselement derart ausgebildet ist, dass diese durchlaufen wird, eine gestufte Gradierung entlang der Dimension umfasst.
Formgedächtnislegierungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die gradierte thermische Änderung, mit der das Formgedächtnislegierungselement derart ausgebildet ist, dass diese durchlaufen wird, eine kontinuierliche thermische Gradierung entlang zumindest eines Segments der Dimension umfasst.
Aktuator, der ein Formgedächtnislegierungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst.
Verfahren zum Betreiben des Aktuators nach Anspruch 7, das umfasst, dass ein elektrischer Strom durch das Formgedächtnislegierungselement hindurchtritt und dass das Niveau des Stroms gesteuert wird, um eine Phasenänderung in einem gewünschten Abschnitt des Formgedächtnislegierungselements zu erzeugen, wodurch ein gewünschtes Verschiebungsansprechen in dem Aktuator erzeugt wird.
Verfahren zum Betreiben des Aktuators nach Anspruch 7, das umfasst, dass ein elektrischer Strom durch das Formgedächtnislegierungselement bei einem Stromniveau hindurchtritt, das ausreicht, um eine Phasenänderung zu erzeugen, die in verschiedenen Abschnitten des Formgedächtnislegierungselements zu verschiedenen Zeiten auftritt, wodurch ein zeitlich gradiertes Verschiebungsansprechen in dem Aktuator erzeugt wird.