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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität auf Basis der vorläufigen Anmeldung 62/057,455 mit dem Titel „Surface Temperature-Responsive Switch Using Smart Material Actuators („Oberflächenempfindlicher, Aktuatoren mit einem intelligenten Material verwendender Schalter”), eingereicht am 30. September 2014, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft temperaturempfindliche Vorrichtungen, die geeignet sind, auf eine Maschine oder Einrichtung zu passen, wie sie z. B. in Produktionsvorgängen verwendet wird. Jede angebaute Vorrichtung spricht auf die Oberflächentemperatur der Einrichtung an und dient dazu, über eine Überhitzung der Einrichtung, an der sie angebracht oder mit der sie thermisch verbunden ist, Meldung zu machen. Im Spezielleren betrifft diese Offenbarung Vorrichtungen, in denen ausgewählte Materialien, die bei einer vorbestimmten Maschinen-Überhitzungstemperatur physikalisch umgewandelt werden, ansprechen, indem sie direkt einen Schalter betätigen, der eine elektrische Verbindung zu einer Alarm gebenden oder Warnvorrichtung schließt. Der Schalter kann ferner verbunden sein, um einem Maschinencontroller den Überhitzungszustand zu signalisieren, sodass der Maschinencontroller einen Alarm auslösen, das Überhitzungsereignis protokollieren oder eine vorprogrammierte Antwort ausführen kann.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Moderne Produktionsvorgänge und andere Bedienungsvorrichtungen verwenden viele Arten von Einrichtungen, die Belastungen ausgesetzt sind, welche eine Erwärmung in Abschnitten der speziellen Maschine oder Einheit verursachen. Gelegentlich findet die Erwärmung in elektrisch betriebenen Einrichtungen wie z. B. Elektromotoren, Schweißtransformatoren und Schweißpistolen statt. Die Erwärmung kann auch in Einrichtungen wie z. B. Getriebegehäusen, Lagern und Einrichtungen zur spanenden Bearbeitung, die einer Reibungsbelastung ausgesetzt sind, stattfinden. Oft wird die Einrichtung unter Umständen verwendet, welche maximalen Nutzen aus ihren Auslegungsfähigkeiten ziehen, und kann eine wesentliche Wärmeentwicklung innerhalb einer bestimmten, stark belasteten Produktionseinheit zur Folge haben. Es kann ferner erwartet werden, dass die Einrichtung bei minimaler Bedieneraufmerksamkeit oder -aufsicht betrieben wird.
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In vielen Fällen kann die Einrichtung durch Schutzschilder, Ummantelungen oder Schutzeinrichtungen ummantelt sein, die eine optische Überwachung schwierig machen, oder die Einrichtung kann sich dort befinden, wo ein physischer und/oder optischer Zugang begrenzt ist.
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Es besteht daher ein Bedarf an kostengünstigen und wenig Energie verbrauchenden Vorrichtungen, die geeignet sein können, um autonom als Temperaturwächter zu fungieren, die ein Fern- und maschinenspezifisches Überhitzungssignal oder Übertemperatursignal bereitstellen. Es gibt einen Bedarf dafür, dass diese Vorrichtungen unaufdringlich auf die Einrichtung oder in thermischer Verbindung mit der Einrichtung oder innerhalb der Einrichtung angebaut werden. Solche Vorrichtungen sollten ein Warnsignal, bevorzugt an einer zentralen oder gut frequentierten Stelle, auslösen, falls oder wenn ein bestimmter Abschnitt der Einrichtung eine Temperatur erreicht, die wahrscheinlich schädlich für ihren Dauerbetrieb ist, und zeigen einen Überhitzungszustand an.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft eine temperaturempfindliche Vorrichtung, die beim Erreichen einer vorbestimmten Temperatur einen Schalter betätigt, der mit einem Alarm gebenden Stromkreis verbunden ist und ein Alarmsignal auslöst. Die Vorrichtung soll auf einem Teil einer Apparatur oder Einrichtung befestigt oder anderweitig in thermischer Verbindung damit positioniert werden, und die vorbestimmte Betriebstemperatur der Vorrichtung wird so gewählt, dass sie bezeichnend für einen Überhitzungszustand in dem Teil der Apparatur oder Einrichtung ist. Ein die Form veränderndes, lineares Formgedächtnislegierungs(SMA, vom engl. shape memory alloy)-Element dient als ein temperaturempfindlicher Aktuator. Das SMA-Element wird, wenn es sich gegenüber einer Umgebungstemperatur erwärmt, die Form ändern, wenn die Apparatur überhitzt und die vorbestimmte Temperatur erreicht wird. Die Formänderung des SMA-Elements wird einen Schalter betätigen. Der Schalter kann, wenn er betätigt wird, den Alarm direkt auslösen oder kann für Maschinen, die unter der Steuerung eines programmierbaren Controllers arbeiten, dem Controller signalisieren, einen Alarm auszulösen. Optional kann der Controller vorprogrammiert werden, um andere Aktivitäten wie z. B. ein Herunterfahren der Einrichtung oder Reduzieren der Last auf der Einrichtung zusätzlich zum Auslösen des Alarms durchführen.
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Das lineare SMA-Element kann gemäß einer Ausführungsform ein Draht sein. Solch ein Draht wird sich, wenn er bei einer Temperatur, die niedriger ist als seine vorbestimmte Temperatur, vorgestreckt wird, zusammenziehen und verkürzen, um seine anfängliche Länge wiederzuerlangen, wenn er von unter seiner vorbestimmten Temperatur auf oder über seine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird. Es sind viele SMA-Legierungszusammensetzungen bekannt und sie können bei Umsetzung der Erfindung verwendet werden, aber eine geeignete Zusammensetzung ist eine Legierung aus Nickel und Titan in annähernd gleichen atomaren Verhältnissen, die allgemein als Nitinol bekannt ist.
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Gemäß einer exemplarischen und nicht einschränkenden Ausführungsform beinhaltet die Vorrichtung ein wärmeleitfähiges Metallblechgehäuse mit einer allgemein rechteckigen Basis, die eine Größe von etwa 25 Millimeter oder dergleichen mal etwa 60 Millimeter oder dergleichen aufweisen kann. Eine Oberfläche der Basis, die äußere Oberfläche, ist zum Befestigen auf der zu überwachenden Einrichtung vorgesehen. Ein durch ein Druckstück betätigter Schalter ist auf der inneren Oberfläche der Basis befestigt und allgemein zentral entlang der langen Achse des Rechtecks positioniert, wobei sein Druckstück allgemein parallel zu der Basis steht und wobei sein Druckstück derart orientiert ist, dass es allgemein parallel zu der kurzen Achse des Rechtecks steht. Eine geeignete Länge des SMA-Drahtes, der allgemein entlang der langen Achse des Rechtecks angeordnet und an seinen Enden an der Basis befestigt ist, ist sehr nahe bei und allgemein parallel zu der inneren Oberfläche der Basis positioniert. Gemäß einigen Ausführungsformen kann der SMA-Draht mit der Basis in Kontakt stehen. Der SMA-Draht ist derart eingerichtet, dass der Draht mit dem Schalterdruckstück an etwa dem SMA-Draht-Mittelpunkt in Eingriff steht, sodass der SMA-Draht von oben betrachtet die Form eines 'v' mit dem Schalterdruckstück an seinem Scheitel annimmt.
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Im Betrieb erhöht Wärme, die in der in Betrieb befindlichen Einrichtung erzeugt wird, die Temperatur des SMA-Drahtes. Die durch die Einrichtung erzeugte Wärme wird durch die Basis hindurch geleitet, und ein bestimmter Anteil dieser Wärme wird durch die SMA-Drahtende-Befestigungspunkte hindurch zu der Basis wie auch durch Leitung und/oder Konvektion entlang der gesamten Länge des SMA-Drahtes infolge seines Kontakts mit oder seiner Nähe zu der Basis geleitet. Unter normalen Maschinen-Betriebsbedingungen wird der Temperaturanstieg des SMA-Drahtes nicht hinreichend dafür sein, dass der Draht seine vorbestimmte Temperatur erreicht, und der SMA-Draht wird die Form nicht ändern. Allerdings wird der SMA-Draht im Falle eines Maschinenüberhitzungs-Ereignisses seine vorbestimmte Temperatur erreichen, was bewirkt, dass er sich zusammenzieht und verkürzt. Aufgrund der anfänglichen 'v'-Form des Drahtes wird jede Verkürzung des SMA-Drahtes den Winkel zwischen den Armen des 'v' öffnen und Druck auf das Schalterdruckstück anwenden. Durch geeignete Wahl der/s SMA-Drahtlänge und -durchmessers wird ein/e hinreichende/r Verschiebung und Druck auf das Schalterdreckstück angewendet, um den Schalter zu betätigen und den Alarm gebenden Stromkreis zu schließen.
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Andere Merkmale des Gehäuses können schützende Seiten und eine obere Abdeckung und geeignete Befestigungsmerkmale für den Schalter und den SMA-Draht wie auch Öffnungen zum Unterbringen von elektrischen Kabeln und Verbinder und Merkmale zum Erleichtern des Befestigens des Gehäuses an der Maschine umfassen. Insbesondere kann das Gehäuse Merkmale beinhalten, um das Befestigen der Vorrichtungsbasis an anderen als flachen Maschinenoberflächen zu ermöglichen oder zu erleichtern. Das Gehäuse kann auch dazu dienen, den Zutritt der örtlichen Umgebung zu dem SMA-Draht auszuschließen oder einzuschränken, um sicherzustellen, dass die SMA-Draht-Temperatur durch äußerliche Einflüsse nicht wesentlich beeinflusst wird
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Weitere Ziele, Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung werden aus den nachfolgenden detaillierten Beschreibungen illustrativer Ausführungsformen von exemplarischen gegenständlichen in-situ Übertemperaturvorrichtungen und den Umgebungen, in denen sie verwendet werden können, offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine Darstellung einer exemplarischen Maschine, eines Roboterarmes mit zumindest zwei Motoren und einem Greifer, mit einem Übertemperatursensor, der auf der Oberfläche einer äußeren Ummantelung der Roboterarme an jedem der beiden Motoren befestigt ist. Ein Motor ist gezeigt, während er Wärme in einer Menge abgibt, die bezeichnend für einen Normalbetrieb ist, und eine normale Betriebstemperatur aufweist, während der andere eine übermäßige Wärmeabgabe zeigt und sich in einem Übertemperaturzustand befindet. Anzeigeeinrichtungen, die mit jedem Sensor verbunden sind, sprechen entsprechend auf die erfassten Temperaturen an, und das Ansprechen wird (optional) auf einem Display wiederholt, das auf einem Maschinencontrollerschrank befestigt ist.
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2 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform einer Übertemperatur-Detektionsvorrichtung, die eingehende und ausgehende Drahtpaare umfasst, die mit einem geeigneten Pol eines Schalters verbunden ist, welcher an einer Basis befestigt ist und durch einen SMA-Draht betätigt wird, der mechanisch an der Basis befestigt und in unmittelbarer Nähe dazu positioniert ist. Eine Abdeckung ist an der Basis angebracht, sodass die Basis und die Abdeckung als ein Gehäuse dienen, welches den Schalter und den Draht allgemein umschließt und die Vorrichtung zumindest teilweise von ihrer Umgebung isoliert.
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3 zeigt in Draufsicht die Aktivmaterial-, mit dem SMA-Draht betätigte Übertemperaturvorrichtung von 2 und zeigt ferner die Anwendung eines optionalen Isolierüberzuges, der über dem SMA-Draht positioniert ist.
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4 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Übertemperaturvorrichtung wie jene der 2 und 3, die in einem Gehäuse befestigt ist, das für raue Umgebungen geeignet ist.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die vorliegende Erfindung stellt Überhitzungs-Detektionsvorrichtungen bereit, die zum Befestigen in situ auf einem Teil einer Einrichtung oder Maschine vorgesehen sind, aber eine Fernbenachrichtigung bereitstellen. Solche Vorrichtungen können Anwendung bei Produktionsvorgängen finden, wo immer Einrichtungen oder Vorrichtungen im Betrieb Wärme erzeugen, und können, wenn die erzeugte Wärme nicht abgeführt wird, eine gewisse Verschlechterung der Leistung infolge einer Überhitzung erfahren. Allerdings können solche Vorrichtungen auch Anwendung finden in: Fahrzeugen, z. B auf einem Servolenkungs-Elektromotor, Verbrauchervorrichtungen, insbesondere solche, die Elektromotoren verwenden, und; Elektronik, z. B. in Servern. Solche Vorrichtungen können auch verwendet werden, um einen anormalen Betrieb von Kühlsystemen wie z. B. Kältemaschinen, die verwendet werden, um solche Einrichtungen zu kühlen, zu detektieren. Wie in der Folge verwendet, sollen die Ausdrücke 'Maschine' und 'Einrichtung' einen großen Bereich von Vorrichtungen einschließlich Wärme produzierende Maschinenkomponenten, die ein Übertemperatur-Ereignis erfahren können, umfassen.
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Die Vorrichtungen sind geformt, um auf einer Oberfläche der Maschine angeordnet zu werden, die einen Temperaturanstieg erfahren würde, wenn die Maschine eine Fehlfunktion erfährt oder überhitzt. Die Überhitzungs-Detektionsvorrichtungen verwenden temperaturempfindliche Aktivmaterial-Aktuatoren, die eine Formänderung erfahren, wenn sie von einer Referenztemperatur auf einen vorbestimmten Temperaturbereich erwärmt werden. Wenn sie einer solchen Formänderung unterworfen sind, betätigen die Überhitzungs-Detektionsvorrichtungen einen Schalter, um einen Alarm oder eine Nachricht zu signalisieren, dass der Aktivmaterial-Aktuator seine vorbestimmte Temperatur erreicht hat. Durch Wählen der vorbestimmten Temperatur, sodass sie bezeichnend für eine Maschinenüberhitzung ist, kann die Aktivmaterial-Formänderung einen Maschinenüberhitzungszustand signalisieren.
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Die Vorrichtung soll keinen Alarm signalisieren, wenn sich eine Maschine oder eine andere Einrichtung bei oder nahe bei einer Referenztemperatur befindet, die bezeichnend für einen normalen Maschinenbetrieb ist, aber einen Alarm signalisieren, wenn die Maschine eine vorbestimmte Temperatur erreicht, die höher ist als die Referenztemperatur. Solch ein Alarm kann ein optischer Alarm wie z. B. ein Licht oder ein akustischer Alarm wie z. B. eine Sirene oder eine beliebige Kombination aus diesen sein, und die Alarm gebende Vorrichtung kann nahe bei oder entfernt von der Maschine befestigt sein. Gemäß einigen Ausführungsformen kann eine Benachrichtigung über ein Überhitzungsereignis drahtlos von einem Sender, der durch die Überhitzungserfassungsvorrichtung gesteuert ist, zu einem entfernt angeordneten Empfänger weitergeleitet werden. Eine drahtlose Benachrichtigung kann das Senden von Textnachrichten oder optischen, akustischen oder haptischen Warnsignalen an ein oder mehrere Mobiltelefone umfassen.
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In vielen Anwendungen wie z. B. in Verbrauchervorrichtungen kann die Referenztemperatur eine Umgebungstemperatur oder etwa 20–25°C oder dergleichen sein. In anderen Anwendungen wie z. B. in einer Fahrzeugmotorraum-Anwendung oder in einer Produktionsumgebung kann die Vorrichtung einen Bereich von Temperaturen von etwa 0°C bis etwa 40°C oder in einigen extremen, unbewachten Umgebungen sogar höhere erfahren. Allerdings ist in jedem Fall die Referenztemperatur des Sensors an die vorherrschende Temperatur der Umgebung, in der er in Betrieb sein wird, angepasst, sodass er ansprechen wird und ein Alarm gebendes Signal nur dann bereitstellen wird, wenn der Sensor einer bestimmten vorbestimmten Temperatur ausgesetzt ist, die die vorherrschende Temperatur, in der er verwendet werden soll, übersteigt. Die vorbestimmte, Alarm gebende Temperatur sollte bevorzugt um zumindest 20°C höher sein als die Referenztemperatur.
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Für Niedertemperaturanwendungen, z. B. jene, die eine Kältemaschine beinhalten, kann es bevorzugt sein, die Temperatur des abgekühlten flüssigen Ablaufes aus der Kältemaschine durch Befestigen der Vorrichtung auf einem Ablaufrohr oder einem Wärmetauschergehäuse zu erfassen. In diesem Fall würde ein Anstieg der Temperatur des abgekühlten flüssigen Ablaufes einen Verlust des Kühlvermögens anzeigen und dazu dienen, ein Problem oder ein drohendes Problem mit der Kältemaschine anzuzeigen. Eine geeignete Referenztemperatur in dieser Situation wäre die Temperatur des flüssigen Ablaufes, die unter Normalbetrieb erhalten wird.
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Der Schalter kann ein im Ruhezustand offener oder ein im Ruhezustand geschlossener sein, wenn er mit einer Logikschaltung verbunden ist, die in der Lage ist, eine Änderung des Status des Schalters zu erkennen. Wenn es sich um einen mehrpoligen Schalter handelt, kann er gemischte Schließer- und Öffnerkontakte beinhalten. Wenn ein Schalter jedoch einen Alarm gebenden Schaltkreis direkt betätigt, wird ein Schließerschalter bevorzugt und es ist die Verwendung solcher Schließerschalter, die den primären, aber nicht ausschließlichen Fokus der folgenden Beschreibung darstellen wird.
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Durch Festlegen der vorbestimmten Temperatur als gleich wie eine Temperatur, die einem drohenden Maschinen- oder Einrichtungs-Überhitzungstemperaturereignis entspricht, signalisiert der Alarm oder die Benachrichtigung ein drohendes Übertemperaturereignis in der Maschine oder der Einrichtung. Da die Übertemperatur-Detektionsvorrichtung außen an der Maschine oder der Einrichtung befestigt werden soll, wird die vorbestimmte Temperatur nicht die gleiche sein wie die Maschinen-Innentemperatur. Eine Innentemperatur während eines Überhitzungsereignisses wird in der Regel eine niedrige Temperatur auf der Maschinenoberfläche entwickeln. Beispielsweise ist die Nenn-Isoliertemperatur eines NEMA Elektromotors der Klasse 'B' 130°C. Es wird allgemein anerkannt, dass die Ummantelung solch eines Motors um 20–30°C kühler sein wird als die Wicklungstemperatur, oder etwa 100°C oder dergleichen. Aufgrund von 'heißen Stellen' in der Wicklung wird eine Toleranz von 10°C gegeben. Mit einer gebührenden Toleranz für die Variabilität im Sensoransprechen und dem Wunsch, vielmehr ein drohendes als ein tatsächliches Übertemperaturereignis zu signalisieren, könnte es passend sein, einen SMA-Draht mit einer Übergangstemperatur von 80°C oder dergleichen zu verwenden. Der Prozess zum Ermitteln solch einer geeigneten vorbestimmten Temperatur kann auf Erfahrung, wie in dem obigen Beispiel, Modellierung, Experimenten oder einer beliebigen Kombination aus diesen basieren. In allen Fällen ist es das Ziel, eine vorbestimmte Temperatur zu ermitteln, die zuverlässig einen Überhitzungs- oder einen drohenden Überhitzungszustand repräsentiert. Bevorzugt wird kein Abschnitt des erwarteten Bereiches 'normaler' Betriebstemperaturen einschließlich jener Betriebstemperaturen, die unter Dauerbetrieb unter einer Last von 100% entwickelt werden, die vorbestimmte Temperatur umfassen.
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In der Mehrheit der Fälle wird die Übertemperaturvorrichtung an einer äußeren Oberfläche der Maschine oder Einrichtung und in thermischer Verbindung mit dieser befestigt sein. Somit ist eine Maschine-um-Maschine- und Befestigungsstelle-um-Befestigungsstelle-Korrelation zwischen Oberflächentemperatur und Maschinen-Übertemperatur-Temperatur erforderlich, sodass der gewählte Aktivmaterial-Aktuator sein vorgesehenes Verhalten bei der Maschinenoberflächentemperatur zeigen wird, welche der Überhitzung an der Befestigungsstelle entspricht. Eine ähnliche Korrelation ist erforderlich, wenn die Vorrichtung auf einem Kältemaschinen-Ablaufrohr oder einem Wärmetauscher befestigt ist. Weniger häufig kann die Vorrichtung von der Maschine weg, z. B. in dem Ablaufkühlstrom einer gebläsegekühlten Vorrichtung wie z. B. in einem Elektromotor, befestigt sein. Eine ähnliche Korrelation der Ablaufstromtemperatur mit der Maschinenüberhitzungstemperatur ist mit dieser Vorrichtungsanordnungsweise erforderlich, und es ist eine ähnliche Übereinstimmung der Aktuator-Betriebstemperatur mit einer Ablauftemperatur, die für eine Überhitzung bezeichnend ist, notwendig.
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Ein Überblick über solch eine Übertemperatur-Detektionsvorrichtung und ihre Funktion sind schematisch in 1 illustriert, die die Anwendung der Vorrichtung auf einen Roboterarm 100 zeigt, der auf einer Basis 18 befestigt ist und einen Greifer 12 und Gelenke 14 und 16 umfasst, die durch Motoren 24 und 26 betätigt werden. An der Oberfläche einer äußeren Ummantelung jedes Motors 24, 26 ist ein Übertemperatur-Detektionssensor 10 befestigt. Die Sensoren können bevorzugt dort befestigt sein, wo der Temperaturanstieg infolge eines Motorbetriebes am größten ist, es wird aber einzusehen sein, dass die Optionen für die Anordnung der Sensoren 10 infolge der Notwendigkeit, den Bereich einer Roboterbewegung nicht zu beschränken, begrenzt sein können. Allerdings kann unter der Voraussetzung, dass die Oberflächentemperatur an der gewählten Befestigungsstelle mit der Motor-Überhitzungstemperatur korreliert werden kann, der Sensor seinem vorgesehenen Zweck dienen. Wiederum kann die Korrelation mithilfe einer beliebigen Kombination aus Experiment, Modellierung oder Erfahrung und einer geeigneten vorbestimmten gewählten Temperatur hergestellt werden.
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Die Sensoren 10 sind über Drahtpaare 28 und 30 (von denen jedes der zeichnerischen Übersichtlichkeit halber als eine einzelne Leitung dargestellt ist) mit Alarm gebenden Vorrichtungen 32, 38 verbunden, die hier als Lichter gezeigt sind. Die Drahtpaare 28, 30 sind hier der zeichnerischen Übersichtlichkeit halber als kurze und Alarm gebende Vorrichtungen 32, 38 gezeigt und nahe dem Roboter 100 gezeigt, aber die Drahtpaare können eine beliebige passende Länge aufweisen und die Alarm gebenden Vorrichtungen können an jeder beliebigen geeigneten Stelle angeordnet sein. Für ein einfaches LED-Display, das weg von einer Niederspannungsquelle in einem Bereich von etwa 3,5 Volt bis 12 Volt betrieben wird und weniger als etwa 250 mA bezieht, können die Drähte 28, 30 22- oder 24-AWG (amerikanische Norm für Querschnitte)-Drähte, die bis zu etwa 65 Meter lang sind, mit geeigneten Strombegrenzungswiderständen, falls notwendig, sein. Die Drahtpaare sind an der Außenseite des Roboterarmes befestigt gezeigt, können aber auch innen zu dem Roboterarm geführt werden.
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Wie abgebildet, entwickelt der Motor 24, der normal arbeitet, Wärme 34, aber seine Ummantelungsoberflächentemperatur ist nicht hinreichend, um den mit dem Drahtpaar 28 und dem Licht 38 verbundenen Sensor 10 auszulösen, so dass das Licht 38 gelöscht wird. Der Motor 26 überhitzt jedoch und entwickelt übermäßige Wärme 36, die hinreichend ist, um den mit dem Drahtpaar 30 und dem Licht 32 verbundenen Sensor 10 auszulösen, um einem Bediener oder einem anderen Beobachter Alarm zu geben. Optional können Drahtpaare 28' und 30', die mit den gleichen jeweiligen Sensoren 10 verbunden sind, als Drahtpaare 28, 30 mit einem Maschinencontroller 40 verbunden sein, der neben anderen Herangehensweisen ein zum Leuchten gebrachtes Warnsignal 32 als ein zum Leuchten gebrachtes Warnsignal 32' und ein gelöschtes Warnsignal 38 als ein gelöschtes Warnsignal 32' auf einer Anzeigentafel 42 wiederholen kann. Es sind andere Alarm gebende Optionen möglich. Der Controller 40 kann z. B. in geeigneter Weise mit einem Kommunikationsnetzwerk verbunden sein, sodass er eine Fernalarmierung über ein Mobiltelefon oder einen entfernten Computer bereitstellen kann. Selbstverständlich kann solch ein Controller 40, außer dass er Alarm gibt, programmiert sein, um (eine) Maßnahme(n) zu ergreifen, um den Überhitzungszustand zu mindern, wie z. B. die Maschine abzustellen oder ihre Arbeitslast zu reduzieren.
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Es wir einzusehen sein, dass die Sensoren 10 in den meisten Anwendungen nicht mit elektrischer Leistung versorgt werden und nur dazu dienen, den Stromfluss in einer/m Alarmschaltung oder Controller/Überwachungssystem mit einer zugehörigen Warnvorrichtung zu unterbrechen. Somit ist die Beschaffenheit der Warnvorrichtung nur durch die elektrischen Eigenschaften der Warnvorrichtung begrenzt, sodass, solange die Drahtpaare wie z. B. 28, 30 in 1 und der Schalter innerhalb des Sensors 10 in der Lage sind, mit der erforderlichen Spannung und Stromstärke umzugehen, ein geeigneter Betrieb sichergestellt ist. Der Einfachheit halber sind Drähte mit einem kleinen Durchmesser wie z. B. AWG 22 und AWG 24 bevorzugt. Dies ist für die meisten optischen und akustischen Alarme geeignet, und kann dazu dienen, einen drahtlosen Sender zu betätigen, wenn der Alarm drahtlos weitergeleitet werden soll, wenn aber Alarme mit einem höheren Strombezug verwendet werden, kann der Sensor 10 verwendet werden, um eine Schaltvorrichtung die für höhere Stromstärken geeignet ist, wie z. B. ein mit dem Alarm verbundenes Relais, zu steuern.
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Wenn der Sensor 10 mit einem Controller verbunden ist, kann der Controller auf eine Änderung des Status des Schalters ansprechen, die durch eine Änderung einer Spannung von entweder offen zu geschlossen, wie oben stehend beschrieben, oder von geschlossen zu offen angezeigt wird. Da nur einem minimale Stromstärke oder Leistung für solch eine Logikschaltung erforderlich ist, kann die Verwendung eines Stromkreises mit einem Öffnerschalter, der wenn die Maschine überhitzt, durch den SMA-Draht geöffnet wird, um einen Überhitzungszustand anzuzeigen, in Erwägung gezogen werden, wenngleich die Verwendung eines Schließerschalters bevorzugt wird.
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Eine nicht einschränkende, aber repräsentative Ausführungsform des Sensors 10 ist in 2 in perspektivischer Darstellung und in 3 in Draufsicht gezeigt. Die gezeigte Ausführungsform weist einen allgemein rechteckigen Grundriss auf und ist etwa 60 Millimeter lang mal 25 Millimeter breit, es können aber, soweit erforderlich, andere Grundrisse verwendet werden, um eine spezielle Maschine anzupassen. Der Schalter 70, der hier als ein zweipoliger Schalter gezeigt ist, ist ein Schließertaster, der durch an der Basis 50 durch einen Nasenabschnitt 59 der Basis 50 befestigt ist. Der Schalter 70 beinhaltet ein federbelastetes Druckstück 72 (die Feder ist nicht gezeigt), das, wenn es gegen den Federdruck niedergedrückt wird, in elektrische Kontakte eingreift oder aus diesen ausrückt, um die Eigenschaften des Schaltkreises zu verändern, in dem er enthalten ist. Eine darüber liegende Abdeckung 60 ist durch Nasen 62 in der Abdeckung 670, welche in Schlitze 56 in jedem von gegenüberliegenden, nach oben stehenden Stirnwandabschnitten 54 der Basis 50 eingreifen, an der Basis 50 befestigt. Die Abdeckung 60 ist durch nach unten stehende Abschnitte 64, 64' und einen gegenüberliegenden nach unten stehenden Abschnitt 64'' in geeigneter Weise über dem Schalter 70 positioniert. Ferner weisen die Abdeckung 60 und die Basis 50 Ausschnitte aus, die zum Führen des Drahtpaares 28 und optional des Drahtpaares 28' zu deren jeweiligen Kontakten 69 auf dem Schalter 70 geeignet sind. Ein SMA-Element, das als Draht 80 gezeigt ist, ist an seinen Enden an der Basis 50 befestigt. Die Enden des Drahtes 80 sind an Crimp-Befestigungselementen 82 befestigt, die wiederum an der Basis 50 an den Nasenabschnitten 58 (der Basis 50) befestigt sind. Es können auch Crimp-Befestigungselement-Nasen 83 an der Basis angebracht sein.
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Es wird einzusehen sein, dass geeignete lineare SMA-Elemente nicht auf Drähte beschränkt sind. Der Draht 80 kann durch längliche SMA-Elemente wie z. B. Bänder, Kabel, Federn oder Ketten ersetzt sein, ohne den Betrieb der Vorrichtung zu verändern. Der Ausdruck 'SMA-Draht', wie in der Anmeldung verwendet, soll auch die Verwendung von SMA-Elementen in diesen alternativen Ausgestaltungen und Geometrien umfassen.
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Der SMA-Draht 80 kann auf einer Nickel-Titan-Zusammensetzung mit einem Durchmesser zwischen etwa 100 und 300 Mikrometern basieren, wobei ein Durchmesser von etwa 150 Mikrometern bevorzugt ist. Der SMA-Draht 80 ist in einer straffen, 'v'-förmigen 'Bogensehnen'-Konfiguration ausgestaltet, wobei der Scheitel des 'v' in einer Nut 67 einer Biegenase 68 befestigt ist. Der durch die Arme des 'v' gebildete Winkel könnte von 5° bis 175° reichen, sollte aber bevorzugt zwischen etwa 60° und 120° Grad liegen. Die Biegenase 68 der Abdeckung 60 steht mit dem Druckstück 72 des Schalters 70 in leichtem Kontakt, übt aber keine hinreichende Kraft aus, um das federbelastete (die Feder ist nicht gezeigt) Druckstück 72 hinreichend zu verschieben, um die inneren Schalterkontakte (nicht gezeigt) zu betätigen.
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Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist der Schalter 70 ein Druckknopfschalter, der durch ein Druckstück 72 betätigt wird, und der SMA-Draht 80 wirkt auf die Biegenase 68 ein, um dadurch das Druckstück 72 zu betätigen. Gemäß anderen Ausführungsformen kann jedoch ein direkter Kontakt zwischen dem SMA-Draht und dem Druckstück bevorzugt sein. Druckknopfschalter können auch mit einer minimalen Änderung an der Vorrichtungsstruktur durch andere Schaltergeometrien wie z. B. Hebelschalter oder Kippschalter ersetzt werden.
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Formgedächtnislegierungen (SMA) sind Legierungen mit einer breiten Vielfalt von Zusammensetzungen, die einer molekularen Umordnung unterworfen sind, wenn sie fest sind, das heißt, sie zeigen eine Festphasenänderung. Wenn sie durch eine Umwandlungstemperatur oder, in den meisten Fällen, einen schmalen Umwandlungstemperaturbereich hindurch erwärmt oder abgekühlt werden, werden solche Legierungen zwischen einer von zwei Phasen wechseln, die sich nur in ihrer Kristallstruktur unterscheiden. Die beiden in Formgedächtnislegierungen auftretenden Phasen werden in allen Legierungssystemen, die ein SMA-Verhalten zeigen, als Martensit und Austenit bezeichnet. Martensit ist eine relativ weiche und leicht verformbare Phase, die bei niedrigeren Temperaturen oder Temperaturen unterhalb der Umwandlungstemperatur auftritt. Austenit ist die Phase, die bei höheren Temperaturen oder Temperaturen auftritt, die höher sind als die Umwandlungstemperatur. Austenit ist stärker und gegenüber einer Verformung widerstandsfähiger als Martensit.
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In zukünftigen Abschnitten wird der Ausdruck 'Umwandlungstemperatur' eine Temperatur oder einen Temperaturbereich bezeichnen, über die/den beim Erwärmen von unterhalb der Umwandlungstemperatur bis oberhalb der Umwandlungstemperatur die SMA-Legierung sich von Martensit zu Austenit umwandeln wird, und beim Abkühlen von oberhalb der Umwandlungstemperatur bis unterhalb der Umwandlungstemperatur die SMA-Legierung sich von Austenit zu Martensit umwandeln wird.
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Bemerkenswerterweise kann eine SMA, wenn sie bei einer Temperatur unterhalb ihrer Umwandlungstemperatur in ihrer Martensitphase verformt und dann über ihre Umwandlungstemperatur erwärmt wird, ihre nicht verformte Form wiedererlangen. Dieses Verhalten wird nur für geringfügige Verformungen der Martensitphase gezeigt und ist allgemein auf eine 'reversible Formänderung' begrenzt, die mit der SMA-Zusammensetzung variiert, aber allgemein weniger als etwa 8% beträgt. Vorteilhafterweise kann die Umwandlung zu Austenit jedoch eine beträchtliche Kraft erzeugen. Beispielsweise kann ein aus Nitinol hergestellter Draht mit einem Durchmesser von 200 Mikrometern zuverlässig eine Kraft von mehr als 5 N erzeugen.
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Im Betrieb wird sich ein SMA-Draht 80 einer Übertemperatur-Detektionsvorrichtung 10 normalerweise bei einer Temperatur unterhalb seiner Umwandlungstemperatur und in seiner Martensitphase befinden. Der Martensit-SMA-Draht 80 wird vorgedehnt, indem er nicht weiter als bis zu seiner reversiblen Formänderung gestreckt und zwischen Basisstützen 58 und um die Biegenase 68 herum verlängert wird, während er in eine Nut 67 der Biegenase 68 eingreift. Der Schalter 70 sollte so angeordnet sein, dass die Biegenase 68 mit dem Ende 66 des Druckstückes 72 in Kontakt steht, und der Martensit-SMA-Draht 80 sollte so positioniert sein, dass er keinen oder einen minimalen Durchhang zeigt und straff durch die Biegenase 68 hindurch in das Ende 66 des Schalterdruckstückes 72 eingreift. Bevorzugt wirken die Basisstützen 58 und die Nut 67 zusammen, um den SMA-Draht 80 zumindest nahe bei der Basisoberfläche 51 zu halten. Das Anordnen der Übertemperatur-Detektionsvorrichtung 10 in Kontakt mit einer Maschine oder Einrichtung wird eine thermische Verbindung zwischen der Maschine und dem Basisabschnitt 50 der Vorrichtung durch einen Maschinenkontakt mit der Basisunterfläche 53 ermöglichen. Leitung und möglicherweise Konvektion wird/werden von der Maschine erzeugte Wärme von dem Basisabschnitt 50 zu dem SMA-Draht 80 transportieren und seine Temperatur erhöhen. Wenn die von der Maschine erzeugte Wärme die Temperatur des SMA-Drahtes hinreichend erhöht, um den SMA-Draht in seine Austenitphase umzuwandeln, wird der SMA-Draht 80 danach trachten, zu seiner nicht gestreckten Länge zu schrumpfen. Wegen der anfängliche 'v'- oder 'Bogensehnen'-Konfiguration des SMA-Drahtes wird jede Drahtschrumpfung oder -kontraktion versuchen, den Draht zu begradigen und dadurch Druck auf die Biegenase 68 anwenden, das Druckstück 72 niederdrücken und die inneren Kontakte schließen, um die Schaltkreise zu schließen, die von den Drahtpaaren 28 und, falls vorhanden, 28' bedient werden. Der Schalter 70 wird in seiner geschlossenen Konfiguration gehalten, solange sich die Maschine in einem Übertemperaturzustand befindet und der SMA-Draht sich in seiner Austenitphase befindet. Wie zuvor angemerkt, ist die indirekte Betätigung des Schalters 70 durch die Biegewirkung des SMA-Drahtes 80 auf die Biegenase 68 exemplarisch und nicht einschränkend. Es ist auch eine direkte Betätigung des Schalters 70 durch dem SMA-Draht 80 möglich, wenngleich in diesem Modus ein den SMA-Draht aufnehmender Führungsschlitz (nicht gezeigt) analog der Nut 67 in der mit dem SMA-Draht in Kontakt stehenden Oberfläche des Druckstückes 72 angeordnet sein sollte, um den SMA-Draht an seiner bevorzugten Stelle nahe der Basisoberfläche 51 zu halten. Gemäß dieser Ausführungsform sollte der SMA-Draht 80 auch durchhangfrei sein, sodass er straff mit dem Ende 66 des Druckstückes 72 in Eingriff stehen kann.
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Dieses SMA-Draht-Verhalten wird dazu dienen, ein Maschinen-Übertemperaturereignis anzuzeigen, wenn die Umwandlungstemperatur des SMA-Drahtes gewählt ist, um sich einer Maschinenoberflächentemperatur anzupassen, die nur dann auftritt, wenn die Maschine überhitzt oder, stärker bevorzugt, wenn die Maschine kurz davor ist, zu überhitzen. Dann, wenn die Drahtpaare 28, 28' in einem 'scharfen' Alarm gebenden Schaltkreis eingebaut sind, kann ein Schalterkontaktschließen des Schalters 70 den Alarm gebenden Schaltkreis schließen und einen Betrieb einer oder mehrerer Alarmierungsvorrichtungen wie z. B. eines Lichts, einer Sirene oder einer anderen sensorisch stimulierenden, Alarm gebenden Vorrichtung ermöglichen. Dies kann eine eigenständige Alarmierung sein, die z. B. von dem Drahtpaar 28 bedient wird, oder eine Alarmschaltung sein, die mit einem Maschinencontroller einer ähnliche Vorrichtung integriert ist, die z. B. von dem Drahtpaar 28' bedient wird.
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Wenn die SMA-Draht-Temperatur unter die Übergangstemperatur oder den Übergangstemperaturbereich abfällt, wird der Draht in seine leichter verformte Martensitphase zurückkehren. Bei geeigneter Wahl der SMA-Draht-Stärke und des Schalterfeder-Rückstelldruckes wird der Draht, der in seiner Austenitphase das Druckstück 72 gegen den Federrückstelldruck niederdrücken könnte, durch den Federrückstelldruck verformt, um den SMA-Draht und das Druckstück 72 in ihre anfängliche Konfiguration zurückzubringen. Dies wird die Kontakte des Schalters in ihren Anfangszustand zurückbringen und, im Falle des Schalters 70, Verbindungen in den Schaltkreisen unterbrechen, die durch die Drahtpaare 28 und, falls vorhanden 28' bedient werden, um die Übertemperatur-Detektionsvorrichtung in ihre anfängliche Betriebskonfiguration und bereit, um wieder ein Maschinen-Übertemperaturereignis zu signalisieren, wenn und falls es stattfindet, zurückzusetzen. Wenn es z. B., um eine manuelle Ereignisprotokollierung zu ermöglichen, erwünscht ist, die Vorrichtung manuell zurückzusetzen, kann zwei Ansätzen gefolgt werden. Der Taster 70 kann durch einen EIN/AUS-Sperrschalter oder einen Sperrschaltkreis, wie Fachleuten auf dem Gebiet wohl bekannt, ersetzt werden, der zwischen dem Schalter und der Alarm signalisierenden Vorrichtung eingebracht werden kann.
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Es wird einzusehen sein, dass die auf den SMA-Draht angewendete Vordehnung, die gestreckte Länge des SMA-Drahtes, der Winkel de 'v'- oder der 'Bogensehne' und die erforderliche betätigende Verschiebung des Schalters alle zusammenwirken müssen, um sicherzustellen, dass die Umwandlung des SMA-Drahtes eine hinreichende Verschiebung zur Folge haben wird, um den Schalter zu betätigen. Alle Schalter weisen einen gewissen 'Totgang' auf, wobei das Druckstück niedergedrückt und verschoben werden kann, ohne die Schalterkontakte zu öffnen oder zu schließen, sodass die gewählte Konfiguration den Totgangabschnitt der Druckstückbewegungsverlaufes wie auch den Kontakt betätigenden Abschnitt des Bewegungsverlaufes berücksichtigen muss. Es wird bevorzugt, dass der Schalter auch einen Nachlauf beinhaltet, das heißt, das Druckstück sich weiter gegen eine Federbelastung bewegt, nachdem ein elektrischer Kontakt hergestellt oder unterbrochen wurde. Ein Schalter mit Nachlauf wird die Last auf dem SMA-Draht während der späteren Stufen seiner Kontraktion verglichen mit einem Schalter verringern, der 'ausläuft', unmittelbar nachdem ein Kontakt hergestellt oder unterbrochen wurde.
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Es wird einzusehen sein, dass die Temperatur, die einem Übertemperaturereignis entspricht, von Maschine zu Maschine abhängig von z. B. der Auslegungstemperatur des spezifischen Grades elektrischer Isolierung, die innerhalb der Maschine verwendet wird, variieren kann. Gleichermaßen wird für eine spezifische Maschine ihre Oberflächentemperatur von Oberfläche zu Oberfläche variieren. Somit hängt der Nutzwert des oben beschriebenen Ansatzes von der Verfügbarkeit einer Reihe von SMA-Legierungen mit einem Bereich von Umwandlungstemperaturen ab, die für die Bedürfnisse vieler Maschinen geeignet sind und für den Bereich möglicher Befestigungsflächen auf jeder derartigen Maschine geeignet sind.
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Glücklicherweise wurde ein Formgedächtnisverhalten bei einer großen Anzahl von Legierungssystemen einschließlich Ni-Ti und abgeleiteten Legierungen einschließlich Ni-Ti-Hf sowie Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Ti-Nb, Au-Cu-Zn, Cu-Zn-Sn, Cu-Zn-Si, Ag-Cd Cu-Sn, Cu-Zn-Ga, Ni-Al, Fe-Pt, Ti-Pd-Ni, Fe-Mn-Si, Au-Zd und Cu-Zn beobachtet. Eine Phasenumwandlung kann über einen Temperaturbereich zwischen etwa minus 100°C und etwa plus 150°C oder dergleichen stattfinden, wobei sich spezialisierte Legierungen bei bis zu etwa 250°C umwandeln.
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Von diesen vielen Zusammensetzungen sind Legierungen aus Nickel und Titan in einem annähernd gleichen atomaren Verhältnis, die allgemein als Nitinol bekannt sind, am weitesten verbreitet, aber selbst hier können geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung deutliche Unterschiede bei der Umwandlungstemperatur auslösen. Beispielsweise kann ein Verändern des Nickel/Titan-Verhältnisses der Legierung von etwa 0,96 auf etwa 1,04 die Umwandlungstemperatur von etwa plus 70°C auf etwa minus 100°C ändern. Die Umwandlungstemperatur von Legierungen auf Nitinol-Basis kann auch durch Zugabe geringer Mengen von zusätzlichen Legierungselementen modifiziert werden. Beispielsweise können Hafnium-Zugaben den Hochtemperatur-Betriebsbereich erweitern. Es ist daher machbar, die Eigenschaften einer SMA 'maßzuschneidern' sodass eine Umwandlung bei welcher vorgewählten Temperatur auch immer stattfindet, die mit der Vorrichtungstemperatur am besten korreliert, welche die zuverlässigste Anzeige eines drohenden Einrichtungs- oder Maschinenversagens bereitstellt.
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Solche Aktivmaterial-Aktuatoren ermöglichen daher ein Warnungssignal, wann immer ein Einrichtungsteil eine Temperatur erreicht, die bezeichnend für eine Überhitzung ist. In Verbindung mit einem geeignet vorprogrammierten Maschinencontroller kann solch ein Signal auch eine Änderung eines Maschinenbetriebes, unter anderem ein sofortiges Abstellen der Maschine, auslösen, um jede weitere Wärmeentwicklung zu reduzieren wie auch eine automatisierte Datenerfassung zu ermöglichen. Solch eine Datenerfassung kann, wenn sie mit anderen Maschinendaten kombiniert wird, Diagnoseabläufe unterstützen, um die Grundursache einer Überhitzung zu bestimmen und sicherzustellen, dass sie nicht wieder auftritt.
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In einigen Fällen kann eine Übertemperatur-Detektionsvorrichtung angerufen werden, um in einer aggressiven Umgebung zu arbeiten, in der sie nachteiligen Außenumgebungseinflüssen ausgesetzt sein wird, z. B. auf einer Bearbeitungszentrum-Spindel, wo eine spanende Bearbeitung unter einer Überflutungskühlung durchgeführt wird. In dieser Situation würde das für die Umgebung zugängliche Gehäuse, das in den 2 und 3 gezeigt ist, offensichtlich ungeeignet sein, da es zulassen würde, dass der SMA-Draht kontinuierlich einem Kühlmittel ausgesetzt ist, sodass der SMA-Draht wahrscheinlich niemals seine Umwandlungstemperatur erreichen würd, ganz gleich, wie die Maschinentemperatur ist. Um den SMA-Draht gegenüber der Einwirkung solcher Außenumgebungseinflüsse zu schützen, wäre das in 4 gezeigte abgedichtete Gehäuse 200 geeignet.
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In 4 umfasst das Gehäuse einen Unterbau 150 und eine Abdeckung 160, die mittels Schrauben 162 aneinander befestigt sind. Optional kann eine Dichtung 168 zwischen dem Unterbau und der Abdeckung angeordnet sein. Wie gezeigt, ist der Gehäuseunterbau 150 ein einheitlicher Körper, der aus einem festen Block aus Aluminium oder einem ähnlichen Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit gefräst wurde, und umfasst Wände 159 und eine Basis 157. Die Basis 157 ist geeignet dick, um Schrauben 158 unterzubringen, um Crimp-Verbinder 182 und jedes Ende des SMA-Drahtes 80 an dem Gehäuse zu befestigen. Der Schalter 70 kann mit einem Hochtemperaturklebstoff, einem mechanischen Verbindungselement wie z. B. einer Schraube oder in jeder anderen geeigneten Art und Weise an der inneren Basisoberfläche 151 befestigt sein. Wie in der vorhergehenden Ausführungsform sind die Enden des vorgestreckten Drahtes 80 an der Basis befestigt und um das Schalterdruckstück 72 herum geschlungen, sodass der Draht 80 in der Draufsicht wieder die 'v'-Form einer gespannten Bogensehne annimmt. Eine Führung 168, die eine Drahtpositionierungsnut (nicht gezeigt) enthalten kann, stützt den Draht 80 und positioniert in vertikal und erleichtert das Anwenden der bei der Phasenänderung erzeugten Kraft entlang der Achse des Schalterdruckstückes 72. Die Drahtpaare 28, 28' sind durch eine geeignet dimensionierte Kerbe 190 in einer Wand 159 des Unterbaus 150 aus der Basis 150 herausgeführt.
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Die Vorrichtung wird durch Anbringen der Abdeckung 160 auf der Basis 150 abgedichtet. In der Fig. ist die Abdeckung 160 mithilfe von Schrauben 162, die in komplementäre Schraubenlöcher 164 in den Basiswänden 159 eingreifen, an dem Unterbau 150 befestigt, aber Fachleute auf dem Gebiet werden einsehen, dass dies exemplarisch und nicht einschränkend ist, und dass andere mechanische oder Klebefügeverfahren verwendet werden können. Optional kann eine verbesserte Abdichtung der Abdeckung 160 auf dem Unterbau 150 durch Positionieren einer zusammendrückbaren Dichtung 168 zwischen der Abdeckung und der Basis vorgesehen werden. Es kann auch zweckdienlich sein, auch eine zusätzliche Abdichtung für die Drahtpaare 28, 28' dort vorzusehen, wo sie aus dem Gehäuse austreten. Dies kann durch Führen der Drähte durch eine nachgiebige Tülle (nicht gezeigt), die in eine Vertiefung 190 eingebaut ist, oder alternativ in Kombination mit der Tülle erfolgen, um ein verteilbares Dichtmittel wie z. B ein Hochtemperatur-RTV (Silikon) um die Drähte herum aufzutragen, wo sie aus dem Gehäuse austreten.
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Da die Aktivmaterial-Betätigungselemente dieser Überhitzungsvorrichtungen auf die Einrichtungstemperatur ansprechen, ist es unerlässlich, dass ein effektiver thermischer Kontakt zwischen zumindest dem Aktuatorabschnitt der Vorrichtung und der Produktionseinrichtung, die sie schützt, begünstigt wird. Wie gezeigt, weisen die in den 2, 3 und 4 illustrierten Gehäuseoberflächen Maschinenkontakt-Basisoberflächen 53 und 153 auf. Es wird einzusehen sein, dass die Maschinenkontakt-Basisoberflächen 153 des Gehäuses 200 üblicherweise problemlos mittels spanender Bearbeitung geformt werden kann, um sich jeder Maschinen- oder Maschinenummantelungsoberfläche anzupassen.
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Die Basis 50 und die Abdeckung 60 der in den 2 und 3 gezeigten Überhitzungs-Detektionsvorrichtung 10 sind aus einer dünnen Bahn oder Folie, in der Regel Edelstahl 304 oder, für eine überlegene Wärmeleitfähigkeit, einer Aluminiumlegierung mit einer Dicke, die von etwa 100 Mikrometern bis etwa 300 Mikrometern oder dergleichen reicht, hergestellt sein. Solch ein dünnes Material kann sich problemlos biegen, aber, um der Basis 50 eine gewisse strukturelle Steifigkeit zu verleihen, können die zwei gegenüberliegenden langen Kanten der allgemein rechteckigen Basis zu einer verkehrten 'U'-Form gerollt werden, um versteifende Rippen 52 (in 2 gezeigt) zu bilden. Die nach oben stehenden Stirnwände 54 der gegenüberliegenden kurzen Kanten der rechteckigen Basis werden ebenfalls eine versteifende Funktion bereitstellen. Diese geformten versteifenden Merkmale um den Umfang herum werden die Form der Basis 50 stabilisieren und sie als allgemein flach erhalten.
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Die Basis 50 kann sich biegen, um eine gekrümmte Oberfläche unterzubringen, aber nur in einem sehr begrenzten Ausmaß von weniger als etwa 5° oder dergleichen. Wenn eine größere Krümmung erforderlich ist, können die Wände und die gerollten Kanten geschlitzt, aufgestochen oder gekerbt sein, um diese Merkmale zu kurzen Segmenten zu brechen, die weniger Biegesteifigkeit verleihen. Geeignete exemplarische Schlitze 92 sind gestrichelt in einer der Rippen 52 und einer der Stirnwände 54 illustriert, und ein geeigneter exemplarischer Spalt 94 ist ebenfalls gestrichelt in einer der Rippen 52 illustriert. Die Schlitze 92 können geeigneterweise verwendet werden, wenn die Vorrichtung in einer konkaven Abwärtskonfiguration auf einer gekrümmten Oberfläche angewendet werden soll, während die Spalte 94 für eine konkave Aufwärtskonfiguration geeignet sind. Es wird einzusehen sein, dass die Anzahl und die Beabstandung sowohl der Schlitze 92 als auch der Spalte 94 durch die Krümmung der Oberfläche, an der die Vorrichtung 10 angebracht werden soll, vorgegeben sein werden, und dass die Kanten des Schlitzes 92 als ein 'v' eingerichtet sein können, wenn die parallelen Kanten des illustrierten 'U-förmigen' Schlitzes in Wechselwirkung treten, wenn die Vorrichtung gebogen wird, um sich an die Maschine anzupassen.
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Ein physikalischer Kontakt zwischen der gegenständlichen Überhitzungs-Detektionsvorrichtung und der geschützten Einrichtung kann durch eine mechanische Halterung einschließlich Klammern, Schrauben, Bolzen sowie Haken- und Schlaufenhalterungen sichergestellt werden. Ein physikalischer Kontakt zwischen der Vorrichtung und der Maschine kann auch je nach Erfordernis durch geschweißte, hartgelötete oder gelötete Verbindungen oder durch eine Klebebefestigung mithilfe von entweder dauerhaften oder lösbaren Klebstoffen aufrechterhalten werden. Es kann z. B. ein doppelseitiges wärmeleitfähiges Band verwendet werden.
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Ein thermischer Kontakt, insbesondere auf rauen oder unregelmäßigen Einrichtungsoberflächen kann durch Zwischenschalten eines geeigneten wärmeleitfähigen Mediums zwischen der Vorrichtung und der Einrichtung begünstigt werden. Dies könnte ein Metall; etwa Kupfer, in Folien- oder Pulverform oder eine Wärmeleitpaste, die Metallpartikel wie z. B. Silber enthält, oder beliebige andere wärmeleitfähige Medien umfassen, die Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind. Es wird einzusehen sein, dass die Klebstoff-Formulierungen, die solche wärmeleitfähigen Partikel enthalten, verwendet werden können, um gleichzeitig die Aktivmaterial-Vorrichtung an der Einrichtung zu befestigen und eine gute Wärmeübertragung zu begünstigen.
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Die Ausführungsform der 2 und 3 wurde als offen und für die Außenumgebung zugänglich gezeigt. Bei dieser Bauform kann eine Vorrichtung in einem Ablaufkühlstrom, z. B. von einem Elektromotor, angeordnet sein, und bei einer geeigneten Wahl der SMA-Zusammensetzung die Temperatur des Ablaufkühlstromes als einen Indikator einer Maschinenüberhitzung verwenden. Wenn die Vorrichtung jedoch direkt an einer Maschine angebracht werden soll, kann diese offene Bauform den SMA-Draht Außenumgebungseinflüssen aussetzen, wie oben angeführt. Diese Außenumgebungseinflüsse können Luftströmungen oder Kühlzugluftströme umfassen, die außerhalb der Vorrichtung entstehen. Diese außen entstehenden Luftströmungen können wie das zuvor erörterte Überflutungskühlmittel die SMA-Draht-Temperatur verringern und einen einwandfreien Betrieb der Vorrichtung bei einem Maschinen-Übertemperaturereignis verzögern oder verhindern. Unter diesen Umständen kann es bevorzugt sein, eine Schicht aus einem leichtgewichtigen, temperaturbeständigen, leicht zusammendrückbaren Schaum wie z. B. Bisco® BF-2000 Ultrasoft Silikonschaum (erhältlich bei Stockwell Elastomerics) oder eine Schicht aus einer locker gepackten Fiberglas-Isolierung über dem SMA-Draht 80, das heißt zwischen dem SMA-Draht 80 und der Unterseite der Abdeckung 60 zu positionieren. Solch eine Schicht, die in 3 bei 90 gezeigt ist, kann dazu dienen, den SMA-Draht 80 gegen den Einfluss solcher außen entstehenden Luftströmungen zu schützen, wie auch die thermische Verbindung zwischen der Basis 50 und dem SMA-Draht 80 zu verbessern. Solch eine Isolierschicht kann auch in der Ausführungsform von 4 verwendet werden, um den SMA-Draht sanft in eine verbesserte thermische Verbindung mit der Basis zu drängen.
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Die Methoden der Erfindung wurden mithilfe bestimmter illustrativer Beispiele beschrieben, wobei der Schutzumfang der Erfindung jedoch nicht auf diese illustrativen Beispiele beschränkt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- 22- oder 24-AWG (amerikanische Norm für Querschnitte)-Drähte [0025]
- AWG 22 [0027]
- AWG 24 [0027]
