DE102014115852A1

DE102014115852A1 - Stellglied für eine Kraftfahrzeugklimaanlage zur Absperrung oder Regelung des Durchflusses von Fluiden

Info

Publication number: DE102014115852A1
Application number: DE102014115852.0A
Authority: DE
Inventors: Frank Weber; Andrea Gentile; Frank Schmitz
Original assignee: Halla Visteon Climate Control Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2016-05-04
Also published as: KR101738227B1; KR20160051510A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Stellglied einer Kraftfahrzeugklimaanlage zur Absperrung oder Regelung des Durchflusses von Fluiden mit einem Stellantrieb und einem Verschlusselement, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der Stellantrieb für das Verschlusselement als elektroaktives Polymer ausgebildet ist, welches mit einem mechanischen Verschlusselement (7) zusammenwirkt.

Description

Die Erfindung betrifft Stellglieder, insbesondere für Kraftfahrzeugklimaanlagen gemäß dem Oberbegriff der selbstständigen Patentansprüche.
Stellglieder der gattungsgemäßen Art dienen der Absperrung oder Regelung des Durchflusses von Fluiden in Kraftfahrzeugklimaanlagen. Die Stellglieder werden insbesondere für Luft- oder Kältemittelströme eingesetzt. Als Stellglied im Sinne der Erfindung wird somit ein Bauteil einer Kraftfahrzeugklimaanlage verstanden, welches im weitesten Sinne der Steuerung oder Regelung von Fluidströmen dient. Die Stellglieder umfassen somit je nach Ausgestaltung und Bezeichnung Stellantriebe, Getriebe, Kinematiken, Aktuatoren, Aktoren und Verschlusselemente. Das Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft prinzipiell eine Vielzahl von Einsatzfällen. Insbesondere dort, wo Fluidströme geregelt oder gesteuert werden, wie beispielsweise der Luftmassenstrom einer Klimaanlage, ist die Erfindung vorteilhaft einsetzbar. In Kraftfahrzeugklimaanlagen können somit bekannte Stellglieder, wie Türen, Klappen, Folien oder Rollen, zur Regelung der Luftführung innerhalb und außerhalb der Klimaanlage durch die erfindungsgemäßen Stellglieder ersetzt werden. Weiterhin werden auch Teile der konventionellen Stellglieder, wie Aktuatoren, Getriebe oder Kinematiken zur Ansteuerung von Verschlusselementen, durch die neuartigen Klappen ersetzt.
Im Stand der Technik sind als Stellglieder einer Kraftfahrzeugklimaanlage gespritzte formstabile Kunststoffklappen oder -türen mit elektromechanischen Aktuatoren und Stellmotoren sowie Vakuumdosen oder Bowdenzügen bekannt.
Hierbei werden unter Umständen mehrere Klappen mit einem Aktuator über eine Drehscheibenkinematik, ein Kinematikgestänge oder Ähnliches angetrieben. Die elektromechanischen Aktuatoren und Stellmotoren nach dem Stand der Technik bestehen zumeist aus einer Stator- und Rotorkombination. Der Rotor wird aufgrund eines elektromagnetischen Feldes, erzeugt durch einen elektrischen Stromfluss in Kupferspulen, bewegt. Zur Gewährleistung eines Selbsthaltemomentes sowie der geforderten Kraftübertragung wird der Stellmotor mit einem entsprechenden Getriebe versehen. Es gibt verschiedene Ausführungen der Motoren, mit oder ohne Feedback sowie direkt angesteuert oder mit BUS-Ansteuerung.
Mit Bezug auf die elektromechanischen Stellglieder in konventionellen Kraftfahrzeugklimaanlagen ist festzustellen, dass eine weitere Entwicklung dieser Technik und eine Gewichtsreduzierung sowohl bei den Klappen wie auch bei den elektromechanischen Aktuatoren sehr schwer zu realisieren sein wird, da diese hinsichtlich ihres Gewichts und ihres Volumens bereits in hohem Maße optimiert sind. Ein weiterer Nachteil besteht auch darin, dass gerade im Hinblick auf die Elektromobilität der Stromverbrauch der Komponenten in einem Kraftfahrzeug weiter reduziert werden muss, um eine Reichweitenerhöhung der Fahrzeuge bei gleichem Energiespeichervermögen zu realisieren. Ein weiterer Nachteil der konventionellen elektromechanischen Antriebe von Stellgliedern in Kraftfahrzeugklimaanlagen ist die relativ hohe Geräuschentwicklung bei diesen Antrieben. Weiterhin nachteilig ist, dass die bisherigen elektromechanischen Stellmotoren immer einen hohen Kupferanteil sowie Dauermagnete aufweisen, was sich zusammen mit den zunehmenden Rohstoffpreisen negativ auf diese Technik auswirkt. Auch ist der Bauraum in modernen Fahrzeugen immer weiter begrenzt, so dass die Einsparung von zumeist außen angebrachten elektromechanischen Aktuatoren sowie Kinematiken wünschenswert ist.
Ein weiterer Nachteil bei den konventionellen Systemen besteht in der relativ geringen Geschwindigkeit eines Auf-Zu-Zyklus. Die Anforderungen bezüglich der Stellgeschwindigkeiten einzelner Klappen lassen sich mit der herkömmlichen Technik kaum noch realisieren. Ein zusätzlicher Aspekt besteht in der geforderten zunehmenden Leistungsdauer und Wartungsfreiheit der Komponenten bei gleichbleibenden Kosten, was mit den konventionellen elektromechanischen Antrieben schwierig realisierbar ist. Auch ist kritisch in Bezug auf die konventionelle Technik anzumerken, dass eine exakte Positionierung der direkt angetriebenen Klappen nur mit technisch hohem Aufwand am Aktuator umsetzbar ist. Werden mehrere Klappen über eine Kinematik angetrieben, ist eine exakte Positionsbestimmung nur mit zusätzlichem messtechnischem Aufwand realisierbar.
Weiterhin sind im Stand der Technik aus der US 5,250,167 A elektrisch gesteuerte Polymergelaktuatoren bekannt. Diese Aktuatoren werden auch als künstliche Muskeln bezeichnet und bei der Konstruktion von Robotern eingesetzt. Dabei werden Eigenschaften dieser Gelsysteme benutzt, dass durch eine angelegte Spannung unter bestimmten Randbedingungen Bewegungen der Gele erzeugt werden können.
Aus der US 5,268,082 A ist weiterhin ein Aktuatorelement bekannt, welches eine Ionenaustauschmembran und ein Paar von Elektroden enthält. Dieses Aktuatorelement erzeugt beim Anlegen einer Spannung eine Drehbewegung oder eine Rotationsbewegung. Als Einsatzgebiete für das Aktuatorelement werden die Erzeugung von Bewegungen zur Steuerung aktiver Katheder oder implantierter Mikropumpen und anderer medizinischer Geräte zur in vivo-Nutzung angegeben.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein neuartiges Stellglied für Kraftfahrzeugklimaanlagen zur Verfügung zu stellen, welches die vorgenannten Nachteile der elektromechanischen Stellglieder weitgehend überwindet.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Gegenstände der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Stellglied einer Kraftfahrzeugklimaanlage zur Absperrung oder Regelung des Durchflusses von Fluiden gelöst, welches einen Stellantrieb und ein Verschlusselement aufweist, wobei der Stellantrieb für das Verschlusselement als elektroaktives Polymer ausgebildet ist, welches mit einem mechanischen Verschlusselement zusammenwirkt.
Bevorzugt wirkt der Stellantrieb über ein Getriebe mit dem mechanischen Verschlusselement zusammen.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Verschlusselement rotierbar und eine Absperrung oder Regelung des Durchflusses von Fluiden in Abhängigkeit der an das Verschlusselement angelegten Spannung bewirkend ausgebildet.
Besonders bevorzugt ist mit dem elektroaktiven Polymer eine translatorische Bewegung erzeugbar, welche durch ein Getriebe in eine rotierende Bewegung als Stellbewegung für das mechanische Verschlusselement umgesetzt ist.
Es hat sich gezeigt, dass besonders vorteilhaft als Getriebe eine Kurbelscheibe zwischen dem elektroaktiven Polymer und einer Klappe als mechanisches Verschlusselement in Kraftfahrzeugklimaanlagen einsetzbar ist.
Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass mit dem elektroaktiven Polymer eine Drehbewegung erzeugbar ist, welche durch ein Getriebe in eine translatorische Bewegung als Stellbewegung für das mechanische Verschlusselement umgesetzt ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Stellglied einer Kraftfahrzeugklimaanlage zur Absperrung oder Regelung des Durchflusses von Fluiden gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der Stellantrieb und das Verschlusselement als ein Bauelement ausgeführt sind und dass dieses Bauelement als elektroaktives Polymer ausgebildet ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung führt das Bauelement eine Rotationsbewegung oder eine Biegebewegung als Stellbewegung aus und ist entsprechend ausgebildet.
Bevorzugt ist als elektroaktives Polymer ein EAP-Aktuator ausgebildet.
Weiterhin ist das elektroaktive Polymer vorteilhaft als IPMC-Aktuator ausgebildet.
Besonders bevorzugt ist eine Verwendung des Stellgliedes vorgenannter Art als Türen, Klappen, Folien oder Rollen zur Steuerung des Luftvolumenstroms in Belüftungsanlagen von Kraftfahrzeugen.
Eine alternative Verwendung eines Stellgliedes der vorgenannten Art besteht vorteilhaft im Einsatz als Ventil oder Hahn in Kältemittelkreisläufen von Kraftfahrzeugen.
Gemäß der Konzeption der Erfindung können aktive und insbesondere elektroaktive Polymere aufgrund einer Änderung der äußeren Bedingungen, wie zum Beispiel einer angelegten elektrischen Spannung, aber auch einer Temperatur oder eines magnetischen Feldes oder einer mechanischen Spannung, eigenständig ihre Form ändern. Je nach Eigenschaft der elektroaktiven Polymere können diese eine Translations- oder eine Rotations- bzw. Biegebewegung ausführen.
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines Ionic Polymere Metall Composit, auch als IPMC bezeichnet, welches in der Lage ist, eine gerichtete Rotationsbewegung abhängig von einer angelegten elektrischen Spannung auszuführen. Wird eine elektrische Spannung an das IPMC angelegt, findet eine Molekülverschiebung im Inneren des IPMC statt, welche aufgrund der Massenverschiebung eine Rotationsbewegung oder eine Biegebewegung zur Folge hat. Durch diese Dreh- oder Biegebewegung ist es möglich, Luftkanäle in Klimaanlagen zu öffnen, zu schließen oder den Luftstrom zu drosseln oder umzulenken. Die Polymere können direkt im Luftverteilgehäuse der Klimaanlage verbaut werden und benötigen lediglich ein elektrisches Kabel je Klappe zum Anschluss an ein elektrisches Steuergerät.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der elektroaktiven Polymere sind im weiteren Sinne die als EAP bezeichneten Elektro Aktiv Polymers, welche in der Lage sind, eine Translationsbewegung durchzuführen. Durch eine von außen angelegte elektrische Spannung expandiert das Polymer in eine bestimmte Richtung. Die Richtung und das Ausmaß der Bewegung kann durch die Polymerstruktur beeinflusst werden. Diese Translationsbewegung kann direkt zum Antrieb eines Systems genutzt werden oder sie wird mittels einer Kinematik in eine Rotationsbewegung gewandelt. Ein EAP-Aktuator wird vorteilhaft in eine Achse einer Klappe zur Luftsteuerung in eine Klimaanlage integriert.
Die konzeptionsgemäß mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, dass eine Verringerung des Stromverbrauches der Stellglieder für Kraftfahrzeugklimaanlagen erreicht werden kann. Weiterhin ist es als vorteilhaft anzusehen, dass die elektroaktiven Polymere in beliebigen Formen produziert werden können, wodurch ein grundlegend neues Design für Klappen und Türen des kompletten Luftverteilgehäuses der Klimaanlage möglich wird. Ein weiterer Vorteil besteht in der Bauraumoptimierung durch beispielsweise den Entfall von außen angebrachten elektromechanischen Aktuatoren und Kinematiken.
Hinzu tritt die Reduzierung und Vermeidung des Einsatzes von Kupfer und Dauermagneten und damit zusammenstehende Rohstoffpreisreduzierungen. Insbesondere für den mobilen Einsatz in Kraftfahrzeugklimageräten ist die Verringerung des Gewichts von besonderem Vorteil, da damit der Energieverbrauch für das Fahrzeug sinkt. Ein weiterer vorteilhafter Aspekt ist die Verringerung des Geräuschpegels beim Öffnen oder Schließen der Luftkanäle. Regelungstechnisch von Vorteil ist, dass ein schnelleres Öffnen und Schließen der Luftkanäle mit den erfindungsgemäßen Stellgliedern möglich ist. Weiterhin besteht ein deutlich reduzierter Verschleiß und es ist keine Wartung der elektroaktiven Polymere und der daraus ausgeführten Stellglieder erforderlich.
Der Anwendungsbereich der Stellglieder gemäß der Erfindung betrifft somit vorteilhaft alle Einsatzfälle, in denen eine präzise Verstellung von Stellgliedern, wie Klappen oder Türen, in Klimaanlagen benötigt wird und in denen eine Ansteuerung von Ventilen im Kältemittelkreislauf erforderlich ist.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1a: elektroaktives Polymer, Grundprinzip eines IPMC,
1b, c: Prinzipdarstellung eines IPMC als Klappe in einem Fluidstrom,
2: Grundprinzip eines EAP-Aktuators,
3a, b: EAP-Aktuator mit Getriebe,
4a: Klappe als IPMC, spannungslos,
4b: Klappe als IPMC als Einsatz in der Kraftfahrzeugklimaanlage bei positiven Spannungswerten und
4c: Klappe als IPMC als Einsatz in der Kraftfahrzeugklimaanlage bei negativen Spannungswerten.
1a zeigt das Grundprinzip eines IPMC-Aktuators 3, welcher aus einem elektroaktiven Polymer besteht, das mit einem polaren Lösungsmittel versetzt ist. Im spannungslosen Zustand sind das Polymer und das Lösungsmittel gleichverteilt zwischen zwei Elektroden 1 angeordnet, wobei die Elektroden 1 gerade, flach und eben ausgerichtet sind. Wird nun eine elektrische Spannung als Versorgungsspannungsschaltung 4 angelegt, so separieren sich die geladenen Teilchen entsprechend und dies führt zu einer Ausdehnung einer Elektrode 1, was schließlich zu einem Biegemoment führt und der IPMC-Aktuator 3 eine entsprechende Bewegung ausführt.
In 1b ist schematisch der Einsatz eines IPMC-Aktuators 3 in einem Luftkanal 2 mit Luftstrom 8 dargestellt, bei dem das Steuerglied spannungslos und der IPMC-Aktuator 3, welcher als mechanische Klappe wirkt, geschlossen ist.
In 1c ist über die Versorgungsspannungsschaltung 4 eine Spannung angelegt und der IPMC-Aktuator 3 mittels Biegungs- oder Rotationsbewegung geöffnet. Der Luftstrom 8 kann im Luftkanal 2 in Pfeilrichtung strömen.
2 zeigt ein weiteres Stellglied mit einem elektroaktiven Polymer, welches als Electro Activ Polymer, genannt EAP-Aktuator 5, mit zwei Elektroden 1 und zwischenliegender Polymerschicht ausgeführt ist. Wirkprinzipgemäß verschiebt sich die obere Elektrode 1 gemäß angedeutetem Pfeil geradlinig parallel zur unteren Elektrode.
In 3a und 3b ist jeweils ein Anwendungsbeispiel eines EAP-Aktuators 5 dargestellt, welches über ein Getriebe 6 in Form einer Kurbelscheibe mit einem mechanischen Verschlusselement als Klappe 7 verbunden ist. Das Getriebe 6 wandelt die geradlinige Bewegung des EAP-Aktuators 5 beim Anlegen einer elektrischen Spannung in eine Rotationsbewegung um, mittels welcher die Klappen 7 eine Verstellbewegung ausführen.
In den 4a, 4b und 4c ist eine Klappe einer Kraftfahrzeugklimaanlage als IPMC-Aktuator 3 in einem Luftkanal 2 dargestellt. Der IPMC-Aktuator 3 ist mit einer Versorgungsspannungsschaltung 4 verbunden, welche jedoch in der Darstellung gemäß 4a spannungslos ist. Der Umluftstrom 9 und der Frischluftstrom 10 bilden gemeinsam den Luftstrom 8.
In 4b wird der IPMC-Aktuator 3 mittels der Versorgungsspannungsschaltung 4 mit Spannung beaufschlagt und verschließt nach der gerichteten Biegung des IPMC-Aktuators 3 den Umluftstrompfad, so dass nur Frischluft 10 als Luftstrom 8 diesen Mischpunkt der Kraftfahrzeugklimaanlage verlässt.
In 4c wird der IPMC-Aktuator 3 mittels der Versorgungsspannungsschaltung 4 umgepolt, wodurch nunmehr der Frischluftstrom 10 durch den IPMC verschlossen wird und der Luftstrom 8 ausschließlich aus dem Umluftstrom 9 besteht. Über die Höhe der Spannung und die Polarität der Versorgungsspannungsschaltung 4 können verschiedene Stellungen des IPMC-Aktuators 3 als Klappe realisiert werden, so dass beliebige Mischzustände von Umluftstrom 9 und Frischluftstrom 10 mit dem Stellglied einstellbar sind.
Bezugszeichenliste

1: Elektrode
2: Luftkanal
3: IPMC-Aktuator
4: Versorgungsspannungsschaltung
5: EAP-Aktuator
6: Getriebe
7: Klappe, mechanisches Verschlusselement
8: Luftstrom
9: Umluftstrom
10: Frischluftstrom, Frischluft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5250167 A [0007]
US 5268082 A [0008]

Claims

Stellglied einer Kraftfahrzeugklimaanlage zur Absperrung oder Regelung des Durchflusses von Fluiden mit einem Stellantrieb und einem Verschlusselement, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb für das Verschlusselement als elektroaktives Polymer ausgebildet ist, welches mit einem mechanischen Verschlusselement (7) zusammenwirkt.
Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb über ein Getriebe (6) mit dem mechanischen Verschlusselement (7) zusammenwirkt.
Stellglied nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (7) rotierbar und eine Absperrung oder Regelung des Durchflusses von Fluiden in Abhängigkeit der an das Verschlusselement (7) angelegten Spannung bewirkend ausgebildet ist.
Stellglied nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem elektroaktiven Polymer eine translatorische Bewegung erzeugbar ist, welche durch das Getriebe (6) in eine rotierende Bewegung als Stellbewegung für das mechanische Verschlusselement (7) umgesetzt ist.
Stellglied nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Getriebe (6) eine Kurbelscheibe zwischen dem elektroaktiven Polymer und einer Klappe (7) als mechanisches Verschlusselement angeordnet ist.
Stellglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem elektroaktiven Polymer eine Drehbewegung erzeugbar ist, welche durch ein Getriebe in eine translatorische Bewegung als Stellbewegung für das mechanische Verschlusselement umgesetzt ist.
Stellglied einer Kraftfahrzeugklimaanlage zur Absperrung oder Regelung des Durchflusses von Fluiden, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb und das Verschlusselement als ein Bauelement ausgeführt sind und dass dieses Bauelement aus einem elektroaktiven Polymer ausgebildet ist.
Stellglied nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement eine Rotationsbewegung oder eine Biegebewegung als Stellbewegung ausführbar ausgebildet ist.
Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elektroaktive Polymer als EAP-Aktuator (5) ausgebildet ist.
Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elektroaktive Polymer als IPMC-Aktuator (3) ausgebildet ist.
Verwendung eines Stellgliedes nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Türen, Klappen, Folien oder Rollen zur Steuerung des Luftvolumenstroms in Belüftungsanlagen von Kraftfahrzeugen.
Verwendung eines Stellgliedes nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Ventil oder Hahn in Kältemittelkreisläufen von Kraftfahrzeugen.