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Die Erfindung betrifft eine Klappe umfassend zwei Klappenelemente und eine Verwendung der Klappe zur Steuerung einer Klimaanlage.
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Klappen- und Türsysteme bekannter Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungssysteme (HVAC-Systeme) besitzen Kunststofftüren, die um eine Achse rotieren, in einer Nut durch eine Verschiebungsbewegung gleiten oder Filmtüren, die um eine Achse gewickelt werden, wenn der HVAC-Auslass geöffnet oder geschlossen wird. Der Antrieb erfolgt auf der Außenseite des Gehäuses mittels eines Antriebsmotors oder einer Zentralkinematik. Eine solche Bauweise beinhaltet jedoch einige Nachteile, da ein außen liegender Antrieb zusätzlichen Bauraum benötigt, kostenintensiv ist und ein zusätzliches Gewicht bedeutet. Zudem erzeugen klassische Antriebe (z. B. Schrittmotoren) ein hörbares Geräusch. Auch die elektromagnetische Verträglichkeit kann problematisch sein und ist aufwendig zu prüfen.
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Insbesondere bei Klimageräten, die für Fahrzeuge bestimmt sind, ist ein zusätzliches Gewicht und ein erhöhter Geräuschpegel unerwünscht.
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Aus der
EP 1 195 276 A2 ist eine Vorrichtung zur Regulierung der Luftströmung in einem Kanal, insbesondere für Klimaanlagensysteme in Motorfahrzeugen, bekannt, die Formgedächtnisaktoren zur Steuerung der Bewegung von drehbaren Lattenmitteln in zwei Richtungen aufweist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Klappe, insbesondere für eine Klimaanlage (ein Klimagerät), bereitzustellen die aus wenigen Teilen hergestellt werden kann und möglichst geräuschfrei betätigt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine (Fluid-)Klappe gelöst, bei der die Klappenelemente ein flächiges Bauteil umfassen mit dem eine Öffnung verschließbar ist, wobei die Klappenelemente, durch eine Achse, deren Enden in eine Nut greifen, dreh- und verschiebbar sind, zwei Klappenelemente jeweils an einem Ende des flächigen Bauteils in einem Gelenkbereich miteinander flexibel verbunden sind und die Klappenelemente durch ein Antriebselement aus einem Material mit Formgedächtniseingenschaften, das an dem Gelenkbereich oder den flächigen Bauteilen befestigt ist, bewegbar sind. Die Klappe kann so in eine Öffnung oder einen Fluidkanal einer Klimaanlage eingebaut werden, um die Öffnung oder den Fluidkanal zu öffnen bzw. zu schließen.
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Durch den Gelenkbereich mit den zwei Klappenelementen ist die Klappe als faltbare Klappe (nicht drehbar) ausgebildet. Der Gelenkbereich kann dabei als Scharnier ausgebildet sein. Es sind aber auch Ausführungsformen denkbar, bei denen der Gelenkbereich aus einem flexiblen Material, wie Kunststoff, einem dünnen Metallblech oder aus einem textilen Material besteht.
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Formgedächtnisantriebe enthalten typischerweise deutlich weniger Teile als ein elektromagnetischer Aktuator und sind, trotz des vergleichsweise teuren Formgedächtnismaterials, günstiger herzustellen.
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Der in der Klappe integrierte Antrieb ist platzsparend und benötigt keinen zusätzlichen Bauraum außerhalb des (Klima-)Gerätes. Zudem sind Formgedächtnisantriebe aufgrund ihrer hohen Energiedichte leichter als elektromagnetische Antriebe, so dass das Gewicht der gesamten (Klima-)Anlage verringert wird. Außerdem kommt es zu wesentlich geringeren Geräuschemissionen.
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Das Antriebselement nimmt vorzugsweise durch Erwärmen eine vorgegebene Form ein. Durch Erwärmen des Antriebselements verformt sich dieses und bewegt damit die Klappenelemente im Gelenkbereich.
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Die Position der Klappenelemente ist vorzugsweise durch Erwärmung des Antriebselements regelbar. Die Erwärmung des Antriebselements erfolgt dabei durch Zuführen von Strom, insbesondere von Gleichstrom. Aufgrund des Betriebs mit Gleichstrom ist eine gute elektromagnetische Verträglichkeit gegeben. Zudem erlauben die physikalischen Eigenschaften von Formgedächtnislegierungen eine Positionsdetektion, die beim Stand der Technik als zusätzliche Elemente (Sensoren, Potentiometer, etc.) eingebaut werden müssten.
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Die Position der Klappenelemente ist vorzugsweise durch eine elektrische Kontrolleinheit, die mit dem Antriebselement verbunden ist, steuerbar. Die Kontrolleinheit steuert die Bewegung der Klappenelemente, indem sie die Erwärmung des Antriebselements durch die Stromzufuhr regelt. Dies hat den Vorteil, dass die Klappenelemente in jede mögliche Position bewegt werden können und nicht nur in eine Position in der die Klappe geöffnet oder geschlossen ist. Hierdurch lässt sich auch die Fluidmenge, die die Klappe passiert, regulieren.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an dem Gelenkbereich oder den flächigen Bauteilen ein zweites Antriebselement angeordnet. Dies ermöglicht es, dass die Klappe in eine Ruhe-/Ausgangslage bewegt bzw. in dieser gehalten wird.
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Das zweite Antriebselement ist vorzugsweise ebenfalls aus einem Material mit Formgedächtniseigenschaften oder als Feder (Zug- oder Druckfeder) ausgebildet. Als Federn können alle dem Fachmann bekannten Federn, wie Spiralfedern, eingesetzt werden, die geeignet sind, die Klappenelemente in eine gewünschte Position zu drücken oder zu ziehen.
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Die Feder hält vorzugsweise die Klappenelemente in einer vorab definierten Position. Die Ausführungsform mit einer Feder als Rückstellelement ermöglicht es eine Notfall- bzw. Sicherungs-Position (Fail-Safe-Position) zu definieren, die beim Ausfall des Systems automatisch eingenommen wird.
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Das Material mit Formgedächtniseigenschaften ist vorzugsweise eine Formgedächtnislegierung oder ein Bimetall.
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Formgedächtnislegierungen (Memorymetalle) sind spezielle Metalle, die in zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen existieren können.
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Bimetalle (Thermobimetalle) sind Metallstreifen aus zwei Schichten unterschiedlicher Metalle, die miteinander form- und stoffschlüssig verbunden sind und deren Form sich, aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, bei Temperaturänderungen verändert.
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Des Weiteren wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch eine Verwendung der Klappe zur Steuerung einer Klimaanlage/eines Klimagerätes, wie beispielsweise einem Heiz-Klimagerät oder einem HVAC-System, gelöst. HVAC-Systeme sind normalerweise geschlossene Systeme, welche in dem Gehäuse des geschlossenen Systems erzeugte Geräusche verstärken. Durch die Integration eines Formgedächtnisantriebs in eine (Fluid-)Klappe, insbesondere in einer Klimaanlage, wie beispielsweise einem HVAC-System, wird der Geräuschpegel des Systems gesenkt, was insbesondere bei einer Verwendung der Klappen in Klimageräten eines Fahrzeuges von Vorteil ist.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Figuren. Im Einzelnen zeigt:
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1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Klappe mit zwei bügelförmigen Antriebselementen,
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2: eine schematische Darstellung eine erfindungsgemäße Klappe und die Richtung der Wirkung von Zug- und Druckfedern und
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3a–c: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Klappe im geschlossen, teilweise und vollständig geöffneten Zustand.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen (Fluid-)Klappe 1 in einem (Fluid-)Kanal 2 mit Kanalwänden 3 und einer Öffnung 4, die durch die Klappe 1 geöffnet, ganz oder teilweise geschlossen werden kann.
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Die Klappenelemente 5 umfassen ein flächiges Bauteil 6. Die in der 1 gezeigte Klappe 1 besitzt zwei Klappenelemente 5, die mit jeweils einem Ende des flächigen Bauteils 6 flexibel miteinander verbunden sind, wodurch ein Gelenkbereich 7 gebildet wird.
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Der Gelenkbereich 7 kann ein Scharnier sein oder aus einem flexiblem Material bestehen, dass ein Falten der zwei Klappenelemente 5 an dem Gelenkbereich 7 ermöglicht.
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Außerdem weisen die Klappenelemente 5 eine Achse 8 auf, die auf einer Seite des flächigen Bauteils 6, beispielsweise an deren Enden bzw. Rändern, angeordnet ist. Die Achse 8 ist länger als die maximale Ausdehnung des flächigen Bauteils 6 und ragt somit auf einer oder beiden Seiten über das flächige Bauteil 6 hinaus, so dass die Enden der Achse 8 in eine Nut 9, die auf einer oder beiden Seite(n) der Kanalwand 3 angeordnet ist, greifen, wodurch die Klappe 1 in dem Kanal 2 gehalten wird und in der Nut 9 gleiten kann, wenn die Klappenelemente 5 bewegt werden.
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Die Bewegung der Klappenelemente 5 erfolgt durch ein erstes (bügelartig geformtes) Antriebselement 10 (Formgedächtniselement) das mit den Klappenelementen 5 bzw. dem flächigen Bauteil 6 verbunden ist und das, wenn es erwärmt wird, gebogen wird, so dass die Klappenelemente 5 in dem Gelenkbereich 7 gefaltet werden, wodurch die Klappe 1 geöffnet oder geschlossen wird.
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In der in der 1 gezeigten Ausführungsform ist das Antriebselement 10 auf einer Seite der Klappenelemente 5 mit dem flächigen Bauteil 6 der Klappenelemente 5 verbunden. Es versteht sich jedoch, dass das Antriebselement 10 auch an jeder anderen denkbaren Position der Klappe 1 angeordnet sein kann, die, wenn das Antriebselement 10 gebogen wird, zu einer Bewegung der beiden Klappenelemente 5, und somit zu einem Öffnen oder Schließen der Klappe 1 führt.
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Außerdem sind Ausführungsformen denkbar, bei denen der Gelenkbereich 7 als Antriebselement 10 ausgebildet ist. Hierbei besteht der Gelenkbereich 7 aus einem Material mit Formgedächtniseigenschaften.
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In der 1 wird eine Skizze des Prinzips der Klappe 1 dargestellt. Denkbar wäre aber auch ein Antrieb durch Verdrehen der beiden Klappenelemente 5 gegeneinander im Gelenkpunkt 7.
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Die in der 1 gezeigte Ausführungsform der Klappe 1 weist ein zweites (bügelartig geformtes) Antriebselement 11, aus einem Material mit Formgedächtniseigenschaften, auf. Das zweite Antriebselement 11 kann aber auch als Feder, beispielsweise als Spiralfeder, ausgebildet sein, die als Zug- und/oder Druckfedern, am Gelenkbereich (Gelenkpunkt) 7 angreifen, wie dies in der 2 durch die Pfeile dargestellt ist. Generell gilt, dass der Kraftangriff nicht an einem bestimmten Punkt, auch nicht an dem Gelenkpunkt erfolgen muss. Da Formgedächtnis-Werkstoffe hohe Kräfte in Verbindung mit kleinen Wegen zur Verfügung stellen, kann für den Kraftangriff auch ein außenliegender Punkt gewählt werden.
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In den 3a bis 3c ist die Klappe 1 in drei verschiedenen Positionen dargestellt. Es ist aber, durch die Verwendung eines Formgedächtnisantriebs, auch möglich, dass die Klappe 1 in anderen als den in den 3a bis 3c dargestellten Positionen gehalten wird.
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3a zeigt die Klappe 1 in einer Position in der die Klappe 1 die Öffnung 4 verschließt, so dass kein Fluidaustausch durch den Kanal 2 möglich ist. 3b zeigt die Klappe in einer teilweise geöffneten Position und 3c in einer vollständig geöffneten Position.
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Damit die Klappenelemente 5 die Öffnung fluiddicht abschließen, kann der Rand der flächigen Bauteile 6 mit einer Dichtlippe, beispielsweise aus Gummi, oder einem anderem Dichtungsmaterial versehen sein.
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Die Klappe 1 wird durch eine elektrische Kontrolleinheit (nicht in den Figuren gezeigt) gesteuert, die durch Zuführen von Strom das erste Antriebselement 10 und gegebenenfalls auch das zweite Antriebselement 11 erwärmt, wodurch sich das Antriebselement 10, 11 biegt und dadurch die Klappenelemente 5 bewegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Klappe
- 2
- Kanal
- 3
- Kanalwand
- 4
- Öffnung
- 5
- Klappenelement
- 6
- flächiges Bauteil
- 7
- Gelenkbereich/Gelenkpunkt
- 8
- Achse
- 9
- Nut
- 10
- (erstes) Antriebselement
- 11
- (zweites) Antriebselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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