DE102015201534B3

DE102015201534B3 - Antriebsvorrichtung für eine Klappe und Vorrichtung zur Steuerung eines Medienstromes

Info

Publication number: DE102015201534B3
Application number: DE102015201534.3A
Authority: DE
Inventors: Volker Glaser
Original assignee: Nea Solutions GmbH
Current assignee: Nea Solutions GmbH
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2015-01-29
Publication date: 2016-04-21
Anticipated expiration: 2035-01-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung (5) zur Bewegung zumindest einer um eine Schwenkachse schwenkbaren Klappe (4) mit zumindest einem in seiner Länge veränderlichen Antriebselement (6), wobei das Antriebselement (6) zumindest abschnittsweise aus einem Formgedächtnismaterial gebildet ist. Dabei ist das Antriebselement (6) als längliches Element ausgebildet, welches sich mit seiner Längsausdehnung im Wesentlichen parallel zur Schwenkachse der Klappe (4) erstreckt, wobei das Antriebselement (6) mit einem mit der Klappe (4) mechanisch gekoppelten Getriebe (8) gekoppelt ist, welches eine im Wesentlichen lineare Bewegung des Formgedächtnismaterials in eine Rotation der Klappe (4) um die Schwenkachse umwandelt. Alternativ oder zusätzlich ist das Antriebselement (6) als Torsionsstab ausgebildet, welcher sich mit seiner Längsausdehnung im Wesentlichen parallel zur Schwenkachse der Klappe (4) erstreckt, wobei das Antriebselement (6) mit der Klappe (4) mechanisch gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung (1) zur Steuerung eines Medienstromes mit einer Klappenanordnung (3), wobei die Klappenanordnung (3) zumindest eine, um eine Schwenkachse schwenkbare und/oder eine verformbare Klappe (4) und zumindest eine Antriebsvorrichtung (5) zur Bewegung der Klappe (4) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung zur Bewegung zumindest einer um eine Schwenkachse schwenkbaren Klappe.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Antriebsvorrichtung zur Bewegung einer Klappe.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Steuerung eines Medienstromes mit einer Klappenanordnung.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen zur Steuerung eines Medienstromes in einem Strömungskanal mit einer in oder an dem Strömungskanal angeordneten Klappenanordnung bekannt. Die Klappenanordnung umfasst eine oder mehrere Klappen, welche um eine Schwenkachse schwenkbar angeordnet sind. Anhand einer Bewegung der zumindest einen Klappe um die Schwenkachse wird eine Position derselben eingestellt, welche einen von dem Medium durchströmbaren Querschnitt des Strömungskanals und eine Strömungsrichtung des Mediums bestimmt. Eine Durchführung der Bewegung der Klappe erfolgt manuell oder die Vorrichtung umfasst eine Antriebsvorrichtung zum motorischen Antrieb der Klappe.
Die nachveröffentlichte DE 10 2013 221 336 A1 beschreibt eine Lüftungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Klappe zum Steuern eines Luftstroms und einem Antrieb zum Verstellen der Klappe, wobei der Antrieb wenigstens einen Formgedächtnisaktor zum Verstellen der Klappe aufweist. Der Formgedächtnisaktor wirkt geradlinig und parallel zur Rotationsachse der Klappe und ist über einen Spindeltrieb mit der Klappe gekoppelt, so dass eine lineare Bewegung des Formgedächtnisaktors in eine Schwenkbewegung der Klappe umgesetzt wird.
Aus der DE 10 2007 045 348 A1 ist eine Antriebs-Stelleinrichtung zur Umstellung eines Funktionskörpers zwischen einer Ruhestellung und einer Betriebsstellung mit einem Stellkörper, der mit einem Fest-Abschnitt mit einem starren Widerlagerkörper und mit einem Funktions-Abschnitt mit dem Funktionskörper verbindbar ist, bekannt. Der Stellkörper weist einen Stell-Abschnitt aus einer SMA-Legierung auf und liegt in der Ruhestellung in einem Verformungszustand der SMA-Legierung und in der Betriebsstellung in einem Entformungszustand der SMA-Legierung vor. Dabei ist die SMA-Legierung so ausgeführt, dass der Stellkörper bei einer über die Umgebungstemperatur induzierten Erwärmung in einem Temperaturbereich zwischen –30 °C und 50 °C vom Verformungszustand in den Entformungszustand übergeht.
Weiterhin sind aus der DE 28 08 661 A1 eine Steuereinrichtung zur temperaturabhängigen Steuerung von Luft-Mischklappen in luftseitig gesteuerten Heizungsanlagen für Fahrzeuge und aus der DE 102 22 320 A1 eine Einrichtung zur Betätigung einer Steuerklappe zur Steuerung eines Luftstromes bei einem Kraftfahrzeug mittels eines eine Formgedächtnislegierung umfassenden Aktuators bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Antriebsvorrichtung zur Bewegung zumindest einer um eine Schwenkachse schwenkbaren Klappe, eine Antriebsvorrichtung zur Bewegung einer Klappe und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Medienstromes mit einer Klappenanordnung anzugeben.
Hinsichtlich der Antriebsvorrichtung zur Bewegung zumindest einer um eine Schwenkachse schwenkbaren Klappe wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale, hinsichtlich der Antriebsvorrichtung zur Bewegung einer Klappe durch die im Anspruch 10 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Vorrichtung zur Steuerung eines Medienstromes durch die im Anspruch 13 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung zur Bewegung zumindest einer um eine Schwenkachse schwenkbaren Klappe umfasst zumindest ein in seiner Länge veränderliches Antriebselement, wobei das Antriebselement zumindest abschnittsweise aus einem Formgedächtnismaterial, beispielsweise einer Formgedächtnislegierung oder einem Formgedächtnispolymer, gebildet ist. Dabei ist das Antriebselement als längliches Element ausgebildet, welches sich mit seiner Längsausdehnung im Wesentlichen parallel zur Schwenkachse der Klappe erstreckt, wobei das Antriebselement mit einem mit der Klappe mechanisch gekoppelten Getriebe gekoppelt ist, welches eine im Wesentlichen lineare Bewegung des Formgedächtnismaterials in eine Rotation der Klappe um die Schwenkachse umwandelt. Alternativ oder zusätzlich ist das Antriebselement als Torsionsstab ausgebildet, welcher sich mit seiner Längsausdehnung im Wesentlichen parallel zur Schwenkachse der Klappe erstreckt, wobei das Antriebselement mit der Klappe mechanisch gekoppelt ist. Um ein Halten der Klappe in einer vorgegebenen Position ohne das Erfordernis einer dauerhaften Anregung des Antriebselements zu realisieren, ist weiterhin ein zum Halten der Klappe in einer vorgegebenen Position ausgebildeter Rastmechanismus vorgesehen. Dabei umfasst der Rastmechanismus ein Antriebselement zur Betätigung des Rastmechanismus, wobei das Antriebselement zumindest abschnittsweise aus einem Formgedächtnismaterial gebildet ist. Hierbei ist lediglich eine kurzzeitig erzeugte Anregung des Antriebselements erforderlich, um den Rastmechanismus zu betätigen. Aufgrund des zumindest abschnittsweise aus einem Formgedächtnismaterial gebildeten Antriebselements zeichnet sich dieses auch durch besonders geringe Abmessungen und ein besonders geringes Gewicht aus, wobei die Betätigung des Rastmechanismus für den Nutzer nahezu geräuschlos ausführbar ist.
Die Antriebsvorrichtung ermöglicht gegenüber einer herkömmlichen manuell durchgeführten Bewegung der Klappe eine Komfortsteigerung für einen Bediener, eine automatische Bewegung der Klappe sowie die Möglichkeit einer höheren Genauigkeit bei der Erzielung gewünschter Schwenkpositionen der Klappe. Gegenüber bekannten Antriebsvorrichtungen für motorisch, insbesondere elektromotorisch durchgeführte Bewegungen einer Klappe, zeichnet sich die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung durch ein signifikant verringertes Gewicht bei gleichzeitig sehr geringem erforderlichen Bauraum aus. Gleichzeitig ist es mittels der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung möglich, die Bewegung der Klappe für einen Bediener zumindest nahezu geräuschlos durchzuführen. Hierbei sind insbesondere aufgrund der Anordnung des als längliches Element, beispielsweise als Draht oder Stange, ausgebildeten Antriebselements parallel zur Schwenkachse der Klappe oder im Bereich der Schwenkachse und der Umwandlung der linearen Bewegung derselben in die Rotation besonders geringe Abmessungen der Antriebsvorrichtung möglich. Weiterhin können aufgrund der Verwendung des Getriebes zur Umwandlung der linearen Bewegung in die Rotation bereits aus einer Längenänderung des Formgedächtnismaterials resultierende kleine Bewegungen des Antriebselements zum Schwenken der Klappe verwendet werden. Ist das Antriebselement als Torsionsstab ausgebildet, ist bei einer entsprechenden Ansteuerung des Torsionsstabes unmittelbar eine Rotationsbewegung erzeugbar, welche aufgrund der mechanischen Kopplung mit der Klappe auf diese übertragen wird. In dieser Ausgestaltung ist kein Getriebe erforderlich oder dieses kann sehr einfach und kostengünstig ausgebildet sein.
In einer möglichen Ausgestaltung der Antriebsvorrichtung sind zumindest zwei in ihrer Länge veränderliche und zumindest abschnittsweise aus einem Formgedächtnismaterial gebildete Antriebselemente vorgesehen, wobei die Antriebselemente derart angeordnet sind, dass die Längenänderung der Formgedächtnismaterialien bei einer Anregung in entgegensetzte Richtungen erfolgt. Dabei ist es mittels der in entgegengesetzte Richtungen wirkenden Antriebselemente möglich, ein so genanntes Agonist-Antagonist-Prinzip und somit in einfacher Weise ein Schwenken der Klappe in entgegengesetzte Richtungen zu realisieren.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Antriebsvorrichtung ist die Klappe mit zumindest einem in seiner Länge veränderlichen und zur Verformung der Klappe ausgebildeten Verformungselement mechanisch gekoppelt oder das Verformungselement ist in eine Materialstruktur der Klappe eingebettet, wobei das Verformungselement zumindest abschnittsweise aus einem Formgedächtnismaterial gebildet ist. Das Verformungselement ermöglicht dabei in einfacher Weise eine Verformung der Klappe selbst. Somit ist beispielsweise bei einer Verwendung der Klappe in einer Vorrichtung zur Steuerung eines Medienstromes eine gezielte Beeinflussung einer Richtung und einer Form des Medienstromes möglich.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Rastmechanismus Bestandteil des Getriebes ist. Durch diese Kombination ist eine sehr bauraumsparende Ausbildung von Getriebe und Rastantrieb möglich.
Eine Weiterbildung der Antriebsvorrichtung sieht vor, dass das Getriebe ein Schrittgetriebe ist. Derartige Schrittgetriebe zeichnen sich einerseits durch einen besonders geringen Bauraum aus und ermöglichen andererseits eine sehr exakte und in kleinen Schritten durchführbare Positionierung der Klappe in unterschiedlichen Positionen. Gleichzeitig kann mittels des Schrittgetriebes ein Halten der Klappe in vorgegebenen Positionen realisiert werden, so dass eine Verwendung eines zusätzlichen Rastmechanismus nicht zwingend erforderlich ist.
In einer Ausgestaltung der Antriebsvorrichtung ist eine zum Halten der Klappe in einer vorgegebenen Position ausgebildete Bremse vorgesehen. Auch die Bremse ermöglicht ein Halten der Klappe in einer vorgegebenen Position ohne das Erfordernis einer dauerhaften Anregung des Antriebselements. Bei einem Lösen der Bremse ist dagegen die Bewegung der Klappe um die Schwenkachse in einfacher Weise freigegeben.
Eine mögliche Weiterbildung der Antriebsvorrichtung sieht vor, dass die Bremse mittels eines zumindest abschnittsweise aus einem Formgedächtnismaterial gebildeten weiteren Antriebselements betätigbar ist. Hierbei ist lediglich eine kurzzeitig erzeugte Anregung des weiteren Antriebselements erforderlich, um die Bremse freizugeben. Aufgrund des zumindest abschnittsweise aus einem Formgedächtnismaterial gebildeten weiteren Antriebselements zeichnet sich dieses auch durch besonders geringe Abmessungen und ein besonders geringes Gewicht aus, wobei die Betätigung der Bremse für den Nutzer nahezu geräuschlos ausführbar ist.
Zur Erzeugung der im Wesentlichen linearen Bewegung des Formgedächtnismaterials sieht eine mögliche Weiterbildung der Antriebsvorrichtung vor, dass das zumindest eine Antriebselement mit einer Steuereinheit, ausgebildet zur Erzeugung einer magnetischen, elektrischen und/oder thermischen Anregung des Formgedächtnismaterials, gekoppelt ist.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Antriebsvorrichtung ist zumindest eine Positionsbestimmungseinheit zur Bestimmung einer Schwenkposition der Klappe vorgesehen, wobei die Positionsbestimmungseinheit zumindest ein Widerstandsmessgerät zur Messung eines elektrischen Widerstands des Antriebselements umfasst und derart ausgebildet ist, dass aus dem gemessenen Widerstand die Schwenkposition ermittelbar ist. Diese Bestimmung der Schwenkposition ist besonders einfach und somit effizient und gleichzeitig sehr exakt durchführbar, wobei das Widerstandsmessgerät aufgrund seiner geringen Abmessungen sehr einfach in die Antriebsvorrichtung integrierbar ist.
In einer Alternative ist zur Lösung der Aufgabe eine Antriebsvorrichtung zur Bewegung einer Klappe vorgesehen, welche zumindest ein in seiner Länge veränderliches und zur Verformung der Klappe ausgebildetes Verformungselement umfasst, wobei das Verformungselement mechanisch mit der Klappe gekoppelt ist oder das Verformungselement in eine Materialstruktur der Klappe eingebettet ist, wobei das Verformungselement zumindest abschnittsweise aus einem Formgedächtnismaterial gebildet ist. Das Verformungselement ermöglicht dabei in einfacher Weise eine Verformung der Klappe selbst. Somit ist beispielsweise bei einer Verwendung der Klappe in einer Vorrichtung zur Steuerung eines Medienstromes eine gezielte Beeinflussung einer Richtung und einer Form des Medienstromes möglich.
In einer möglichen Ausgestaltung dieser alternativen Antriebsvorrichtung ist das zumindest eine Verformungselement mit einer Steuereinheit gekoppelt, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, das Antriebselement derart anzusteuern, dass mittels dieser eine magnetische, elektrische und/oder thermische Anregung des Formgedächtnismaterials erzeugbar ist.
Eine weitere mögliche Ausgestaltung der alternativen Antriebsvorrichtung sieht vor, dass zumindest eine Verformungsbestimmungseinheit zur Bestimmung einer Verformung der Klappe vorgesehen ist, wobei die Verformungsbestimmungseinheit zumindest ein Widerstandsmessgerät zur Messung eines elektrischen Widerstands des Verformungselements umfasst und derart ausgebildet ist, dass aus dem gemessenen Widerstand die Verformung ermittelbar ist. Diese Bestimmung der Verformung ist besonders einfach und somit effizient und gleichzeitig sehr exakt durchführbar, wobei das Widerstandsmessgerät aufgrund seiner geringen Abmessungen sehr einfach in die Antriebsvorrichtung integrierbar ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung eines Medienstromes umfasst eine Klappenanordnung, wobei die Klappenanordnung zumindest eine, um eine Schwenkachse schwenkbare und/oder eine verformbare Klappe und zumindest eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung zur Bewegung der Klappe oder eine Weiterbildung der Antriebsvorrichtung umfasst. Mittels der Klappenanordnung ist der Medienstrom insbesondere bezüglich einer Strömungsrichtung, eines Strömungsquerschnitts, einer Strömungsmenge und einer Strömungsgeschwindigkeit steuerbar.
Dabei ermöglicht die Vorrichtung mit der Klappenanordnung eine für einen Bediener komfortabel durchführbare Bedienung der Klappe und/oder eine automatisch durchführbare Bedienung der Klappe, wobei die Vorrichtung aufgrund der Verwendung der Antriebsvorrichtung ein signifikant verringertes Gewicht bei gleichzeitig sehr geringem erforderlichen Bauraum aufweist. Auch ist es mittels der Vorrichtung möglich, die Bewegung der Klappe zumindest nahezu geräuschlos durchzuführen.
Weiterhin umfasst die Klappenanordnung mehrere Klappen, wobei eine Anzahl von unmittelbar angetriebenen Klappen jeweils unmittelbar mit einer Antriebsvorrichtung gekoppelt ist und eine weitere Anzahl von Klappen mittels einer Koppelvorrichtung mit zumindest einer unmittelbar angetriebenen Klappe gekoppelt ist. Dabei ist es möglich, beispielsweise nur eine Klappe unmittelbar mittels einer Antriebsvorrichtung aktiv anzutreiben und weitere Klappen mittels der Koppelvorrichtung passiv bzw. indirekt anzutreiben. Auch ist es möglich, mehrere Gruppen von Klappen zu bilden, woraus sich eine einfache und sehr exakt durchführbare Steuerung des Medienstromes ergibt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
1 schematisch einen Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Steuerung eines Medienstromes in einem geschlossenen Zustand,
2 schematisch einen vergrößerten Ausschnitt der Vorrichtung gemäß 1 in einem geöffneten Zustand,
3 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Steuerung eines Medienstromes,
4 schematisch eine Draufsicht der Vorrichtung gemäß 3,
5 schematisch eine Schnittdarstellung der Vorrichtung gemäß 4,
6 schematisch eine Vorderansicht der Vorrichtung gemäß 3,
7 schematisch eine Detailansicht eines Ausschnitts der Vorrichtung gemäß 4,
8 schematisch eine Schnittdarstellung eines ersten Ausschnitts der Vorrichtung gemäß 6,
9 schematisch eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausschnitts der Vorrichtung gemäß 6,
10 schematisch eine Detaildarstellung eines Getriebes der Vorrichtung gemäß 3,
11 schematisch eine Detaildarstellung eines Lagers der Vorrichtung gemäß 3,
12 schematisch eine Explosionsdarstellung des Lagers gemäß 11,
13 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Steuerung eines Medienstromes in einem geschlossenen Zustand,
14 schematisch eine Schnittdarstellung des Ausschnitts des dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 13 in einem geöffneten Zustand,
15 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Bremse einer Vorrichtung zur Steuerung eines Medienstromes,
16 schematisch eine Schnittdarstellung der Bremse gemäß 15,
17 schematisch einen perspektivischen Teilschnitt der Bremse gemäß 15,
18 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Getriebes einer Vorrichtung zur Steuerung eines Medienstromes, und
19 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Getriebes einer Vorrichtung zur Steuerung eines Medienstromes.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Ausschnitt eines möglichen ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Steuerung eines Medienstromes in stark vereinfachter Weise dargestellt.
Die Vorrichtung 1 umfasst ein Rahmenelement 2 und eine Klappenanordnung 3 mit mehreren jeweils um eine Schwenkachse schwenkbaren Klappen 4, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel zur Wahrung der Übersichtlichkeit lediglich eine Klappe 4 im geschlossenen Zustand dargestellt ist. Dabei sind die Klappen 4 insbesondere lamellenförmig ausgebildet und zum Verschluss oder einem Öffnen eines mit einem beispielsweise flüssig oder gasförmig ausgebildeten Mediums durchströmbaren Strömungskanals ausgebildet, wobei die Vorrichtung 1 hierzu in nicht näher dargestellter Weise an dem Strömungskanal oder innerhalb desselben angeordnet ist.
Zum Schwenken der Klappen 4 umfasst die Vorrichtung 1 für jede Klappe 4 eine Antriebsvorrichtung 5, welche ein aus einem Formgedächtnismaterial gebildeten Draht ausgebildetes längliches Antriebselement 6 umfasst, das sich mit seiner Längsausdehnung im Wesentlichen parallel zur Schwenkachse der Klappe 4 erstreckt. Bei dem Formgedächtnismaterial handelt es sich um eine Formgedächtnislegierung oder ein Formgedächtnispolymer, wobei eine Längenänderung des Formgedächtnismaterials mittels einer nicht gezeigten Steuereinheit anhand einer magnetischen, elektrischen und/oder thermischen Anregung erzeugt wird.
In einer möglichen alternativen Ausgestaltung wird eine Anzahl von unmittelbar mit einer oder mehrerer Antriebsvorrichtungen 5 angetrieben Klappen 4 unmittelbar durch die zumindest eine Antriebsvorrichtung 5 angetrieben und eine weitere Anzahl von Klappen 4 mittels einer nicht gezeigten Koppelvorrichtung mit zumindest einer unmittelbar angetriebenen Klappe 4 gekoppelt und wird somit indirekt über diese angetrieben.
Das Antriebselement 6 ist dabei in Form einer Schlinge ausgehend von einem Lager 7 um einen mit einem Getriebe 8 gekoppelten und in 4 näher dargestellten Umlenkpunkt 9 geführt.
Das Getriebe 8 umfasst ein weiteres Lager 10, an welchem ein in 2 näher dargestelltes Lagerelement 11 angeordnet ist. Auf dem Lagerelement 11 ist in Richtung der Schwenkachse der Klappe 4 entgegen einer mittels einer Feder 13 erzeugten Federkraft verschiebbar ein hülsenförmiger Gewindekörper 12 angeordnet. An einer Mantelfläche des Gewindekörpers 12 ist ein Gewindegang 12.1 mit einer großen Steigung angeordnet, in welchen ein stiftförmiges und an der Klappe 4 angeordnetes Kraftübertragungselement 14 eingreift.
Zur Erzeugung des Schwenkens der Klappe 4 aus dem dargestellten geschlossenen Zustand in einen in 2 dargestellten geöffneten Zustand wird das Antriebselement 6 mittels der Steuereinheit derart angesteuert, beispielsweise mit einem elektrischen Strom beaufschlagt, dass sich eine Länge des Antriebselements 6 verkürzt und der Gewindekörper 12 auf dem Lagerelement 11 entgegen der Federkraft in Richtung des gegenüberliegend angeordneten Lagers 7 bewegt wird. Hierdurch erfolgt eine Verschiebung des Kraftübertragungselements 14 in dem Gewindegang 12.1 in der Art, dass die Klappe 4 geschwenkt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Gewindegang 12.1 derart ausgebildet, dass ein Schwenken der Klappe 4 um 90° möglich ist. Somit wird eine lineare Bewegung des Antriebselements 6 in eine Rotation der Klappe 4 um die Schwenkachse umgewandelt.
Hierbei ist das Antriebselement 6 mittels der Steuereinheit derart ansteuerbar, dass die Klappe in nicht näher dargestellter Weise auch Zwischenpositionen zwischen dem vollständig geschlossenen und dem vollständig geöffneten Zustand einnehmen kann.
In einer möglichen nicht gezeigten Ausgestaltung ist an beiden Seiten einer jeweiligen Klappe 4 eine Antriebsvorrichtung 5 angeordnet. Somit können bei langen Klappen 4 Torsionen vermieden oder zumindest vermindert werden. Auch können auf zwei gegenüberliegenden Seiten gegenläufige Antriebsvorrichtungen 5 zur schnellen Bewegung der Klappe 4 in beide Richtungen vorgesehen sein.
In nicht näher dargestellter Weise umfasst die Vorrichtung 1 in einer möglichen Ausgestaltung weiterhin eine Positionsbestimmungseinheit zur Bestimmung einer Schwenkposition der Klappe 4, wobei die Positionsbestimmungseinheit zumindest ein Widerstandsmessgerät zur Messung eines elektrischen Widerstands des Antriebselements 6 umfasst und derart ausgebildet ist, dass aus dem gemessenen Widerstand die Schwenkposition ermittelbar ist.
In einer weiteren nicht näher dargestellten Ausgestaltung ist in die Klappe 4 jeweils zumindest ein in seiner Länge veränderliches und zur Verformung der jeweiligen Klappe 4 ausgebildetes Verformungselement eingebettet oder mechanisch mit der Klappe gekoppelt. Das Verformungselement ist zumindest abschnittsweise aus einem Formgedächtnismaterial gebildet, so dass eine definierte Verformung der Klappe 4 und daraus folgend eine optimierte Beeinflussung des Medienstromes realisierbar sind.
In einer weiteren nicht näher dargestellten Ausgestaltung der Vorrichtung 1 ist das Antriebselement 6 alternativ oder zusätzlich als Torsionsstab ausgebildet, welcher sich mit seiner Längsausdehnung im Wesentlichen parallel zur Schwenkachse der Klappe 4 erstreckt oder eine Schwenkachse der Klappe 4 bildet. Dabei ist der aus dem Formgedächtnismaterial gebildete Torsionsstab mit der Klappe 4 mechanisch gekoppelt und derart ansteuerbar, beispielsweise mit einem elektrischen Strom beaufschlagbar, dass sich dessen Form ändert. Diese Formänderung führt zu einer Rotation des Torsionsstabes und der mit diesem mechanisch gekoppelten Klappe.
2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Vorrichtung 1 gemäß 1 in dem geöffneten Zustand, in welchem eine Medienströmung im Strömungskanal freigegeben ist. Hierbei befindet sich der Gewindekörper 12 auf dem Lagerelement 11 in einer entgegen der Federkraft in Richtung des gegenüberliegend angeordneten Lagers 7 bewegten Position und die Feder 13 ist gespannt. Für ein teilweises oder vollständiges Schließen der Klappe 4 wird beispielsweise der am Antriebselement 6 anliegende elektrische Strom verringert, so dass sich die Länge des Antriebselements 6 vergrößert und der Gewindekörper 12 mittels der Federkraft in Richtung des Lagers 10 auf dem Lagerelement 11 bewegt wird.
In einer alternativen Ausgestaltung wird durch Verkürzung des Antriebselements 6 der Gewindekörper 12 derart bewegt, dass die Klappe 4 geschlossen wird. Um ein Halten der Klappe 4 in diesem Zustand zu ermöglichen, ohne das Antriebselement 6 dauerhaft anzusteuern, umfasst die Vorrichtung 1 insbesondere einen in den 13 und 14 oder 18 und 19 dargestellten Rastmechanismus 15 und/oder eine in den 15 bis 17 dargestellte Bremse 16. Beim Lösen des Rastmechanismus 15 und/oder der Bremse 16 kann somit in einfacher Weise aufgrund der mittels der Feder 13 erzeugten Federkraft ein automatisches Öffnen der Klappe 4 ohne aktive Ansteuerung des Antriebselements 6 erfolgen. Dadurch kann beispielsweise eine mittels der Vorrichtung 1gesteuerte Medienströmung zur Kühlung eines Bauteils auch bei nicht vorhandener Energie zur Ansteuerung des Antriebselements 6 aufrechterhalten werden.
In den 3 bis 12 sind verschiedene Ansichten eines Ausschnitts eines möglichen zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Steuerung eines Medienstromes in stark vereinfachter Weise und Detaildarstellungen der Vorrichtung 1 dargestellt.
Im Unterschied zu dem in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 ist die Feder 13 an einer Außenseite des Rahmenelements 2 angeordnet und der hülsenartige Gewindekörper 12 wird innerhalb eines mit diesem korrespondierenden Lagerelements 11 geführt.
13 zeigt eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts eines möglichen dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Steuerung eines Medienstromes in einem geschlossenen Zustand.
Im Unterschied zu dem in den 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 1 einen Rastmechanismus 15, welcher dazu ausgebildet ist, die Klappe 4 in verschiedenen Positionen zu halten, ohne dass eine Ansteuerung des Antriebselements 6 zur Realisierung der Haltefunktion erforderlich ist.
Der Rastmechanismus 15 ist dabei Bestandteil des Getriebes 8 und umfasst zwei drehbar gelagerte und mit einer Federkraft einer Feder 15.3 beaufschlagte Rasthebel 15.1, 15.2. Die Anordnung der Feder 15.3 und der Rasthebel 15.1, 15.2 ist dabei derart ausgebildet, dass die Rasthebel 15.1, 15.2 in dafür vorgesehene Aussparungen in die Mantelfläche des Gewindekörpers 12 eingebrachter Raststrukturen S1, S2 gedrückt werden und somit der mittels der Feder 13 erzeugten Federkraft entgegenwirken.
Dabei rasten die Rasthebel 15.1, 15.2 bei Verkürzung des Antriebselements 6 und damit verbundener Öffnung der Klappe 4 selbsttätig in die entsprechenden Aussparungen der Raststrukturen S1, S2 ein, ohne dass eine Ansteuerung der Rasthebel 15.1, 15.2 erforderlich ist.
In 14 ist eine Schnittdarstellung des Ausschnitts der Vorrichtung 1 gemäß 13 in einem geöffneten Zustand dargestellt, wobei die Rasthebel 15.1, 15.2 in Aussparungen der Raststrukturen S1, S2 angeordnet sind, welche einer vollständig geöffneten Position entsprechen.
Um ein Öffnen der Klappe 4 zu ermöglichen wird das Antriebselement 6 derart angesteuert, dass dieses sich verkürzt, der Gewindekörper 12 in Richtung des Lagers 7 bewegt wird und somit die Federkraft der Feder 13 nicht mehr auf die Rasthebel 15.1, 15.2 wirkt. Gleichzeitig oder unmittelbar im Anschluss daran wird ein ebenfalls aus einem Formgedächtnismaterial gebildetes Antriebselement 15.4 derart angesteuert, dass sich dieses verkürzt und die Rasthebel 15.1, 15.2 entgegen der mittels der Feder 15.3 erzeugten Federkraft schwenkt, so dass diese aus der Wirkverbindung mit den Raststrukturen S1, S2 geschwenkt werden und den Gewindekörper 12 zur Bewegung in Richtung des Lagers 10 freigeben.
In einer möglichen Ausgestaltung ist eine nicht gezeigte Speichereinheit vorgesehen, in welcher elektrische Energie zum Antrieb der Antriebselemente 6, 15.4 gespeichert ist. Somit ist auch bei einer Unterbrechung der Energieversorgung eine Ansteuerung der Antriebselemente 6, 15.4 in der Art möglich, dass je nach Zustand der Klappe 4 bei gespannter Feder 13 ein automatisches Öffnen oder Schließen der Klappe 4 auch bei Unterbrechung der Energieversorgung möglich ist.
Die 15 bis 17 zeigen in verschiedenen Ansichten eine Bremse 16 im gebremsten Zustand, welche mit jedem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Steuerung eines Medienstromes kombinierbar ist.
Die Bremse 16 umfasst ein mittelbar oder unmittelbar mit einer Klappe 4 gekoppeltes Gehäuse 16.1, in welchem eine Feder 16.2 angeordnet ist, die eine Federkraft auf das Gehäuse 16.1, einen Gehäusedeckel 16.3 und ein Bremselement 16.5 ausübt.
Zum Betätigen der Bremse 16 ist ein ebenfalls aus einem Formgedächtnismaterial gebildetes Antriebselement 16.6 vorgesehen, welches in einer Schlaufe um einen am Bremselement 16.3 angeordneten Umlenkpunkt 16.7 gelegt ist.
Zur Erzeugung des gebremsten Zustands wird mittels des Antriebselements 16.6 eine entgegengesetzt zur Federkraft wirkende Kraft erzeugt. Hierzu wird das Antriebselement 16.6 derart angesteuert, dass dieses sich verkürzt, die Feder 16.2 spannt und somit das Bremselement 16.5 und ein zweites Bremselement 16.4 in mechanischen Eingriff miteinander bringt. Für diesen mechanischen Eingriff weist das erste Bremselement 16.5 mehrere Rastelemente 16.5.1, 16.5.2 auf, welche mit Rastelementen 16.4.1, 16.4.2 des zweiten Bremselements 16.4 korrespondieren und in diese eingreifen. Insbesondere sind die Rastelemente 16.4.1, 16.4.2, 16.5.1, 16.5.2 beabstandet zueinander auf einer Kreisbahn angeordnet, wobei die Abstände der Rastelemente 16.4.1, 16.4.2 den Abständen der Rastelemente 16.5.1, 16.5.2 entsprechen oder ein ganzzahliges Vielfaches dieser betragen.
Um das Schwenken der Klappe 4 zu ermöglichen, wird die Bremse 16 gelöst, indem das Antriebselement 16.6 derart angesteuert wird, dass dieses sich längt. Hieraus ergibt sich, dass mittels der Federkraft der mechanische Eingriff zwischen den Bremselementen 16.4, 16.5 gelöst wird und die Bremselemente 16.4, 16.5 frei zueinander drehbar sind. Somit ist auch die Klappe 4 schwenkbar. Ist ein Schwenken der Klappe 4 in eine vorgegebene Sollposition abgeschlossen, wird das Antriebselement 16.6 derart angesteuert, dass dieses sich wieder verkürzt und somit die Bremselemente 16.4, 16.5 und deren Rastelemente 16.4.1, 16.4.2, 16.5.1, 16.5.2 in mechanischen Eingriff miteinander bringt. Um sicherzustellen, dass die Rastelemente 16.4.1, 16.4.2, 16.5.1, 16.5.2 sich nach dem Beenden des Schwenkens der Klappe 4 gegenüberstehen und somit in Eingriff miteinander gebracht werden können, wird eine Schwenkbewegung der Klappe 4 derart gesteuert, dass ein Schwenkweg den Abständen der Rastelemente 16.5.1, 16.5.2 entspricht oder ein ganzzahliges Vielfaches dieser beträgt.
In 18 ist ein erstes mögliches Ausführungsbeispiel des Getriebes 8 dargestellt, wobei dieses ein Schrittgetriebe mit einem Rastmechanismus 15 ist. Mittels des Antriebselements 6 wird anhand einer linearen Bewegung B eine Drehbewegung D eines Zylinders 8.1 des Getriebes 8 erzeugt, wobei das Kraftübertragungselement 14 der Klappe 4 in einer Raststruktur S3 des Rastmechanismus 15 geführt wird und bei Beenden der Antriebsbewegung mittels der Raststruktur S3 gehalten wird.
19 ist ein zweites mögliches Ausführungsbeispiel des Getriebes 8, wobei dieses ebenfalls ein Schrittgetriebe mit einem Rastmechanismus 15 ist. Mittels des Antriebselements 6 wird anhand einer linearen Bewegung B eine Drehbewegung D eines Außenrades 8.2 des Getriebes 8 erzeugt, wobei dieses ein Innenrad 8.3 mit einer korrespondierenden Verzahnung antreibt. Die beiden Verzahnungen bilden eine Raststruktur S4, in welcher das Kraftübertragungselement 14 der Klappe 4 geführt wird und bei Beenden der Antriebsbewegung mittels der Raststruktur S4 gehalten wird.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Rahmenelement
3: Klappenanordnung
4: Klappe
5: Antriebsvorrichtung
6: Antriebselement
7: Lager
8: Getriebe
8.1: Zylinder
8.2: Außenrad
8.3: Innenrad
9: Umlenkpunkt
10: Lager
11: Lagerelement
12: Gewindekörper
12.1: Gewindegang
13: Feder
14: Kraftübertragungselement
15: Rastmechanismus
15.1: Rasthebel
15.2: Rasthebel
15.3: Feder
15.4: Antriebselement
16: Bremse
16.1: Gehäuse
16.2: Feder
16.3: Gehäusedeckel
16.4: Bremselement
16.4.1: Rastelement
16.4.2: Rastelement
16.5: Bremselement
16.5.1: Rastelement
16.5.2: Rastelement
16.6: Antriebselement
16.7: Umlenkpunkt
B: Bewegung
D: Drehbewegung
S1: Raststruktur
S2: Raststruktur
S3: Raststruktur
S4: Raststruktur

Claims

Antriebsvorrichtung (5) zur Bewegung zumindest einer um eine Schwenkachse schwenkbaren Klappe (4) – mit zumindest einem in seiner Länge und/oder Form veränderlichen Antriebselement (6), – wobei das Antriebselement (6) zumindest abschnittsweise aus einem Formgedächtnismaterial gebildet ist, – wobei das Antriebselement (6) als längliches Element ausgebildet ist, – welches sich mit seiner Längsausdehnung im Wesentlichen parallel zur Schwenkachse der Klappe (4) erstreckt, – wobei das Antriebselement (6) mit einem mit der Klappe (4) mechanisch gekoppelten Getriebe (8) gekoppelt ist, – welches eine im Wesentlichen lineare Bewegung des Formgedächtnismaterials in eine Rotation der Klappe (4) um die Schwenkachse umwandelt und/oder – wobei das Antriebselement (6) als Torsionsstab ausgebildet ist, – welcher sich mit seiner Längsausdehnung im Wesentlichen parallel zur Schwenkachse der Klappe (4) erstreckt, – wobei das Antriebselement (6) mit der Klappe (4) mechanisch gekoppelt ist und – wobei ein Rastmechanismus (15), ausgebildet zum Halten der Klappe (4) in einer vorgegebenen Position, vorgesehen ist, – wobei der Rastmechanismus (15) ein Antriebselement (15.4) zur Betätigung des Rastmechanismus (15) umfasst, wobei das Antriebselement (15.4) zumindest abschnittsweise aus einem Formgedächtnismaterial gebildet ist.
Antriebsvorrichtung (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Klappe (4) mit zumindest einem in seiner Länge veränderlichen und zur Verformung der Klappe (4) ausgebildeten Verformungselement mechanisch gekoppelt ist oder das Verformungselement in eine Materialstruktur der Klappe (4) eingebettet ist, – wobei das Verformungselement zumindest abschnittsweise aus einem Formgedächtnismaterial gebildet ist.
Antriebsvorrichtung (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei in ihrer Länge veränderliche und zumindest abschnittsweise aus einem Formgedächtnismaterial gebildete Antriebselemente (6) vorgesehen sind, wobei die Antriebselemente (6) derart angeordnet sind, dass die Längenänderung der Formgedächtnismaterialien bei einer Anregung in entgegensetzte Richtungen erfolgt.
Antriebsvorrichtung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rastmechanismus (15) Bestandteil des Getriebes (8) ist.
Antriebsvorrichtung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (8) ein Schrittgetriebe ist.
Antriebsvorrichtung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bremse (16), ausgebildet zum Halten der Klappe (4) in einer vorgegebenen Position, vorgesehen ist.
Antriebsvorrichtung (5) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse (16) ein Antriebselement (16.6) zur Betätigung der Bremse (16) umfasst, wobei das Antriebselement (16.6) zumindest abschnittsweise aus einem Formgedächtnismaterial gebildet ist.
Antriebsvorrichtung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Antriebselement (6) mit einer Steuereinheit gekoppelt ist, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, das Antriebselement (5) derart anzusteuern, dass mittels dieser eine magnetische, elektrische und/oder thermische Anregung des Formgedächtnismaterials erzeugbar ist.
Antriebsvorrichtung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Positionsbestimmungseinheit zur Bestimmung einer Schwenkposition der Klappe (4) vorgesehen ist, wobei die Positionsbestimmungseinheit zumindest ein Widerstandsmessgerät zur Messung eines elektrischen Widerstands des Antriebselements (6) umfasst und derart ausgebildet ist, dass aus dem gemessenen Widerstand die Schwenkposition ermittelbar ist.
Antriebsvorrichtung (5) zur Bewegung einer Klappe (4), gekennzeichnet durch zumindest ein in seiner Länge veränderliches und zur Verformung der Klappe (4) ausgebildetes Verformungselement, – wobei das Verformungselement mechanisch mit der Klappe (4) gekoppelt ist oder – das Verformungselement in eine Materialstruktur der Klappe (4) eingebettet ist, – wobei das Verformungselement zumindest abschnittsweise aus einem Formgedächtnismaterial gebildet ist.
Antriebsvorrichtung (5) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Verformungselement mit einer Steuereinheit gekoppelt ist, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, das Antriebselement (5) derart anzusteuern, dass mittels dieser eine magnetische, elektrische und/oder thermische Anregung des Formgedächtnismaterials erzeugbar ist.
Antriebsvorrichtung (5) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Verformungsbestimmungseinheit zur Bestimmung einer Verformung der Klappe (4) vorgesehen ist, wobei die Verformungsbestimmungseinheit zumindest ein Widerstandsmessgerät zur Messung eines elektrischen Widerstands des Verformungselements umfasst und derart ausgebildet ist, dass aus dem gemessenen Widerstand die Verformung ermittelbar ist.
Vorrichtung (1) zur Steuerung eines Medienstromes mit einer Klappenanordnung (3), – wobei die Klappenanordnung (3) zumindest eine, um eine Schwenkachse schwenkbare und/oder eine verformbare Klappe (4) und zumindest eine Antriebsvorrichtung (5) zur Bewegung der Klappe (4) und/oder zur Verformung der Klappe (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst und – wobei die Klappenanordnung (3) mehrere Klappen (4) umfasst, wobei eine Anzahl von unmittelbar angetriebenen Klappen (4) jeweils unmittelbar mit einer Antriebsvorrichtung (5) gekoppelt ist und eine weitere Anzahl von Klappen (4) mittels einer Koppelvorrichtung mit zumindest einer unmittelbar angetriebenen Klappe (4) gekoppelt ist.