DE102018105745A1

DE102018105745A1 - Wärmedehnelement und Verfahren zum Betreiben des Wärmedehnelements

Info

Publication number: DE102018105745A1
Application number: DE102018105745.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan Robert; Michael Raufeisen
Original assignee: Hengst SE and Co KG
Current assignee: Hengst SE and Co KG
Priority date: 2018-03-13
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2019-09-19

Abstract

Wärmedehnelement 1 mit einem Gehäuse 10 in dem ein Kolben 30 verschiebbar gelagert ist, wobei der Kolben 30 und das Gehäuse 10 einen Raum 12 umschließen der mit einem Wärmedehnstoff 40 gefüllt ist, so dass eine Temperaturänderung des Wärmedehnstoffs 40 in eine entsprechende Verschiebung des Kolbens 40 umgesetzt wird ist, lässt sich besonders schnell in der Länge verstellen, wenn eine Spule zum Erzeugen eines oszillierenden Magnetfelds in dem Raum außerhalb des Raums angeordnet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines thermisch gesteuerten Aktors und einen thermisch gesteuerten Aktors. Der thermisch gesteuerte Aktor kann insbesondere ein Wärmedehnelements sein. Ein entsprechendes Wärmedehnelement hat ein Gehäuse in dem ein Kolben verschiebbar gelagert ist, wobei der Kolben und das Gehäuse einen Raum umschließen der mit einem Wärmedehnstoff gefüllt ist, so dass eine Volumenänderung des Wärmedehnstoffs eine entsprechende Verschiebung des Kolbens bewirkt.
Stand der Technik
Thermisch gesteuerte Aktoren, die in diesem Patent nachfolgend vereinfachend als Wärmedehnelemente bezeichnet werden, werden meist als Linearantriebe in vielen technischen Gebieten eingesetzt. Wärmedehnelemente setzten dabei eine Wärmeausdehnung bzw. Kontraktion eines Wärmedehnstoffs in eine Bewegung eines Kolbens um. Die entsprechende Bewegung des freien Endes der Kolbenstange kann dann als Antrieb z.B. für ein Ventil verwendet werden.
Diese Wärmedehnelemente haben in der Regel ein Gehäuse in dem ein Kolben beweglich gelagert ist. Der Raum zwischen der Gehäusewandung und dem Kolben wird von dem Wärmedehnstoffs ausgefüllt, so dass eine Volumenänderung des Wärmedehnstoffs eine Translation des Kolbens bewirkt. Als Wärmedehnstoffe finden verbreitet Wachse, z.B. Paraffin oder dgl. Verwendung. Ein entsprechendes Wärmedehnelement ist z.B. in der US 5,176,317 beschrieben.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Wärmedehnelemente ist, dass sie sehr zuverlässig sind und dass sich mit ihnen hohe Stellkräfte auf kleinem Raum realisieren lassen. Oft können die Wärmedehnelemente als rein passive selbstregelnde Stellantriebe in Kühl oder Heizkreisläufen verwendet werden. Für manche Anwendungen sind diese rein passiven Wärmedehnelemente aber zu träge. Daher wird z.B. in den Veröffentlichungen US 2004/0026521 A und US 4,036,433 vorgeschlagen die thermische Kopplung zwischen dem Fluid, dessen Fluss welches über ein von einem Wärmedehnelement angetriebenes Ventil gesteuert wird, zu verbessern. Auch diese Wärmedehnelemente sind rein passiv, d.h. die Energie zum verschieben des Kolbens wird als thermische Energie von der Umgebung aufgenommen, bzw. an diese abgegeben.
Um die Reaktionszeit von Wärmedehnelementen weiter zu erhöhen wurde vorgeschlagen den Wärmedehnstoff elektrisch zu beheizen. In der US 5,971,288 ist z.B. vorgeschlagen ein elektrisch leitendes Pulver mit dem Wärmedehnstoff zu vermengen. Dadurch werde der Wärmedehnstoff elektrisch leitend und man könne einen Strom durch den Wärmedehnstoff leiten, der dann entsprechend dem ersten Jouleschen Gesetz Wärme erzeugt und so den Wärmedehnstoff erwärmt. Bei der Ausdehnung reduziere sich die Dicht der Pulverpartikel, wodurch der Widerstand steige und der Strom reduziert werde. Die Heizleistung sinke entsprechend, so dass das System selbstregelnd sei. Es bestehen jedoch bisher nicht gelöste praktische Probleme in der Ausführung der skizzierten technischen Lehre.
Eine andere aktive Heizung des Wärmedehnstoffs ist in der US 5,572,869 beschrieben. Demnach kann ein elektrischer Heizkörper an der Außenseite des den Wärmedehnstoff aufnehmenden Gehäuses angeordnet werden. Nach der US 3,374,337 wird eine Heizwendel hingegen unmittelbar in dem Wärmedehnstoff angeordnet.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Beobachtung zugrunde, dass die Lösung nach der US 3,374,337 zwar die kürzeste Ansprechzeit zeigt, jedoch in der Fertigung aufwändig und aufgrund der Kabeldurchführungen durch die Gehäusewand zu Leckagen neigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Wärmedehnelement bereitzustellen. Als weitere Aufgabe liegt der Erfindung zugrunde ein Verfahren zum Verstellen eines Kolbens eines Wärmedehnelements anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung nach den entsprechenden unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das Verfahren ermöglicht es einen Kolben eines eingangs angegebenen Wärmedehnelements vgl. schnell zu verschieben, indem der entsprechende Wärmedehnstoff in vorzugsweise unmittelbaren thermischen Kontakt mit einem elektrisch leitenden Material gebracht wird. Anschließend wird das elektrisch leitende Material einem oszillierenden Magnetfeld ausgesetzt, um es induktiv zu erwärmen. Entsprechend erfolgt ein Wärmeübertrag von dem elektrisch leitenden Material auf den Wärmedehnstoff. Der Wärmedehnstoff dehnt sich folglich aus und verschiebt den Kolben entsprechend. Als Wärmedehnstoff können sowohl die schon zuvor beschriebenen Wachse und dgl. verwendet werden als auch Formgedächtnismaterialien. Beispielsweise kann ein vorgespanntes elastisches Element, z.B. eine Kunststoff- oder Metallfeder in einem thermoplastischen Material eingebettet sein. Durch den oben beschriebenen Wärmeeintrag wird das thermoplastische Material zumindest zum Teil weich, d.h. plastisch oder sogar flüssig und das Federelement kann sich ausdehnen. Dabei übt es eine Kraft auf den Kolben aus, die diesen verschiebt. Bei Verwendung einer Metallfeder erzeugt das oszillierende Magnetfeld in dem Metall Wirbelströme, die dann zu einer Ohmschen Erwärmung der Metallfeder führen. Diese gibt zumindest einen Teil der so erzeugten Wärme an das die Feder umschließende thermoplastischen Material ab.
Das elektrisch leitende Material kann folglich zumindest zum Teil vorzugsweise unmittelbar in den Wärmedehnstoff eingebracht werden, so dass ein optimaler thermischer Kontakt zwischen der Wärmequelle, d.h. dem elektrisch leitenden Material, und dem Wärmedehnstoff realisiert werden kann. Der Wärmedehnstoff wird in diesem Sinne mittelbar induktiv erwärmt.
Zusätzlich oder alternativ kann der Wärmedehnstoff auch unmittelbar induktiv erwärmt werden. Dazu kann als Wärmedehnstoff ein Körper aus einem elektrisch leitenden Formgedächtniswerkstoff verwendet werden. Der Körper kann beispielsweise die Form einer Schraubenfeder haben. Bei einer induktiven Erwärmung des Körpers oberhalb einer kritischen Temperatur kehrt dieser in seine austenitische Form zurück und kann dabei Arbeit verrichten, d.h. den Kolben gegen eine Rückstellkraft verschieben. Im Fall der Form einer Schraubenfeder würde diese zunächst z.B. plastisch gestaucht (oder gestreckt) und bei einer Rückkehr in die austenitische Phase wieder die gestrecktere (oder kontrahierte) ursprüngliche Form annehmen. Einer der bekanntesten Formgedächtniswerkstoffe ist Nitinol (TiNi) (vgl. W.J. Buehler, J.W. Gilfrich & R.C. Wiley, Effects of low-temperature phase changes on the mechanical properties of alloys near composition TiNi; Journal of Applied Physics 34, 1963, S. 475). AuchCuZn (Kupfer-Zink), CuZnAl (Kupfer-Zink-Aluminium) und CuAINi (Kupfer-Aluminium-Nickel), FeNiAI (Eisen-Nickel-Aluminium), FeMnSi (Eisen-Mangan-Silizium) und ZnAuCu (Zink-Gold-Kupfer) können als leitender Formgedächtniswerkstoff verwendet werden (nicht abschließende Aufzählung).
Sowohl wenn der Wärmedehnstoff beim Erwärmen flüssig wird (und zuvor fest war) wobei er sich ausdehnt, als auch wenn ein metallischer Formgedächtniswerkstoff in eine zuvor eingeprägte Form zurückkehrt findet ein Phasenübergang statt, entweder fest->flüssig oder martensitisch ->austenitisch (oder umgekehrt bei Abkühlung). Der Übergang „fest<->flüssig“ ist ein Phasenübergang zweiter Ordnung, daher gibt es einen zumindest quasilinearen Bereich in dem die Kolbenposition als Funktion des Energieeintrags stetig ist. Der Phasenübergang von der martensitischer in austenitische Ordnung von Metalllegierungen mit Formgedächtnis ist in der Regel ein Phasenübergang erster Ordnung, d.h. bei Erreichen der Phasenübergangstemperatur T₁ erfolgt eine plötzliche und in diesem Sinne unstetige Lageänderung des Kolbens. In dem Raum kann auch ein schmelzender Wärmedehnstoff zusammen mit einem Formgedächtnismaterial angeordnet werden, dann würde der Kolben zunächst mit steigender Energieaufnahme kontinuierlich aufgrund der Volumenausdehnung des schmelzenden Wärmedehnstoffs verschoben. Erst bei Erreichen der Phasenübergangstemperatur T₁ wird durch das Bestreben des Formgedächtniswerkstoffs in seine zuvor eingeprägte Form zurückzukehren zumindest die auf den Kolben wirkende Kraft letztlich sprungartig verändert, was entsprechend zu einer Verschiebung des Kolbens führt.
Beispielsweise kann das elektrisch leitende Material in dem Raum, der von dem Gehäuse und dem Kolben umschlossen und in diesem Sinne definiert wird angeordnet sein. Dadurch wird die Effizienz des induktiven Erwärmens verbessert. Zudem wird die Wärmeleitfähigkeit in dem Raum verbessert, wenn das elektrisch leitende Material zusammen mit dem Wärmedehnstoff in dem Raum angeordnet ist, weil die Wärmeleitfähigkeit elektrisch leitender Materialien in der Regel besser ist als die der üblichen meist elektrisch isolierenden Wärmedehnstoffe. Entsprechend schneller reagiert das Wärmedehnelement auch auf äußere Temperaturänderungen.
Vorzugsweise wird zum induktiven Heizen ein oszillierendes Magnetfeld mittels wenigstens einer ersten Spule erzeugt, die bevorzugt außerhalb des Raums angeordnet werden kann, in dem der Wärmedehnstoff angeordnet ist. Dadurch werden die Wände des Raums, welcher den Wärmedehnstoff aufnimmt nicht durch Kabelöffnungen geschwächt und es kann in dem Raum ein höherer Druck erzeugt werden, der sich in entsprechend höheren Stellkräften äußert.
Das Wärmedehnelement hat wie üblich ein Gehäuse in dem ein Kolben verschiebbar gelagert ist. Das Gehäuse definiert einen Raum in dem der Kolben beweglich gelagert, z.B. linear verschiebbar gelagert ist.
Der Wärmedehnstoff ist zwischen dem Kolben und einem Widerlager des Gehäuses in dem Raum angeordnet. Wenn der Wärmedehnstoff ein Wachs oder ein anderes Material ist das auf den Kolben infolge einer Volumenänderung wirkt, dann ist der Raum vorzugsweise dicht und von dem Wärmedehnstoff ausgefüllt. Wenn der Wärmedehnstoff jedoch ein Formgedächtnismaterial ist, dann genügt es, wenn der Wärmedehnstoff zwischen dem Widerlager und dem Kolben angeordnet ist. Das Widerlager muss dabei nicht notwendigerweise ein Teil des Gehäuses sein, aber es sollte zumindest so mit dem Gehäuse gekoppelt sein, dass zumindest ein Teil der von dem Wärmedehnstoff auf das Widerlager wirkenden Kraft an das Gehäuse übertragen wird.
Beispielsweise kann der Wärmedehnstoff eine metallische Formgedächtnislegierung aufweisen, d.h. zumindest ein Teil des Wärmedehnstoffs kann zumindest einen Teil des elektrisch leitenden Materials sein. Folglich kann die Formulierung „in thermischem Kontakt“ auch bedeuten, dass der Wärmedehnstoff und das induktiv erwärmte Material zum Teil oder vollständig identisch sind.
Nur zur Vermeidung von Missverständnissen, der Wärmedehnstoff kann sowohl aus einem Material sein oder ein solches aufweisen, das in der Folge einer Temperaturänderung eine Volumenänderung erfährt, dabei können auch Phasenübergänge, z.B. von fest nach flüssig stattfinden. Alternativ oder zusätzlich kann das Material ein Formgedächtniswerkstoff sein oder aufweisen.
Der Kolben und das Gehäuse können den den Wärmedehnstoff aufnehmenden Raum umschließen oder in wenigstens zwei vorzugsweise einander entgegengesetzten Richtungen begrenzen. Eine Temperaturänderung des Wärmedehnstoffs führt daher zu einer Verschiebung des Kolbens. Das kann entweder die Folge einer Volumenänderung des Wärmedehnstoffs sein und/oder eine Rückkehr eines Formgedächtniswerkstoff in eine zuvor andere Form. Anders formuliert, eine Temperaturänderung des Wärmedehnstoffs wird in eine entsprechende Verschiebung des Kolbens umgesetzt.
Zudem hat das Wärmedehnelement vorzugsweise eine erste Spule zum Erzeugen eines oszillierenden Magnetfelds. Die erste Spule wird auch als Primärspule bezeichnet, wobei die erste Spule besonders bevorzugt außerhalb des Raums angeordnet ist. Dadurch kann ein elektrisch leitendes Material durch das Magnetfeld erwärmt werden und diese Wärme zumindest zum Teil an den Wärmedehnstoff übertragen. D.h. das elektrisch leitende Material ist in vorzugsweise unmittelbaren thermischen Kontakt mit dem Wärmedehnstoff. In der Praxis kann es notwendig sein, z.B. zur Abdichtung, Folien, Elastomere oder dgl. zwischen dem elektrisch leitende Material und dem Wärmedehnstoff anzuordnen, jedoch können diese Zwischenlagen sehr dünn ausfallen und daher keine nennenswerte thermische Isolation bereitstellen. Sofern als Wärmedehnstoff eine metallische Formgedächtnislegierung verwendet wird, sind der Wärmedehnstoff und das elektrisch leitende Material identisch. Zudem kann natürlich ein zusätzlicher Wärmeeintrag in den Wärmedehnstoff über andere elektrisch leitende Bauteile erfolgen, z.B. über einen thermischen Kontakt mit dem Kolben, sofern dieser zumindest zum Teil aus einem Metall oder einem anderen elektrisch leitenden Material besteht. Wenn das elektrisch leitende Material zumindest zum Teil von dem Wärmedehnstoff umgeben ist, reagiert das Wärmedehnelement besonders schnell. Das liegt daran, dass dann der thermische Widerstand zwischen dem elektrisch leitenden Material und dem Wärmedehnstoff besonders klein wird. Der Kolben ist in der Regel teilweise von Wärmedehnstoff umgeben, denn seine Kolbenstange ragt aus dem Raum heraus. Der Kolben kann entsprechend aus elektrisch leitendem Material ausgeführt sein, um so den Wärmedehnstoff zu erwärmen, wenn der Kolben induktiv erwärmt wird. Vollständig umgeben meint im Gegensatz dazu, dass ein elektrisch leitendes Material vollständig in dem Wärmedehnstoff eingebettet ist.
Besonders bevorzugt ist das elektrisch leitende Material in dem Wärmedehnstoff vollständig eingebettet. Beispielsweise kann das elektrisch leitende Material ein (metallisches) Blech oder ein Lochblech sein oder aufweisen, dass in dem Wärmedehnstoff eingebettet ist. Solche Bleche haben bezogen auf ihr Volumen eine große Oberfläche, den der magnetische Fluss durchdringen muss (bei entsprechender Ausrichtung des Blechs relativ zum Magnetfeld) und zudem wird über die große Oberfläche die induktiv erzeugte Wärme gleichmäßig an den Wärmedehnstoff abgegeben. Das gilt auch, wenn inhomogene Magnetfeldern das Blech nur lokal erwärmen, weil elektrisch leitfähige Materialen wie Metalle recht gute Wärmeleiter sind (vgl. Wiedemann Franz Gesetz, z.B. in Ashcroft Mermin, Solid State Physics, S. 20f, Saunders College Publishing, 1976) und entsprechend die Wärme daher vglw. gleichmäßig eingebracht wird.
Beispielsweise kann das elektrisch leitende Material zumindest zum Teil paramagnetisch oder (anti)ferromagnetisch sein. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Heizung erhöht, weil neben den Ohm'schen Verlusten (d.h. der Jouleschen Wärme) in dem elektrisch leitfähigen Material auch Ummagnetisierungsverluste als Wärme freiwerden. Nur zur Vermeidung von Unklarheiten: Als paramagnetisch gelten alle Materialen ohne inhärente magnetische Ordnung mit einer positiven magnetischen Suszeptibilität, d.h. mit einer magnetischen Permeabilität µ_r>1. ferro- und antiferromagnetische Materialien haben eine langreichweitige ferromagnetische bzw. antiferromagnetische Korrelation. An dieser Stelle ist anzumerken, dass die Ummagnetisierungsverluste nur dann zu beobachten sind, wenn die Feldstärke des äußeren oszillierenden Magnetfelds genügt, um das elektrisch leitfähige Material bei der gegebenen Temperatur umzumagnetisieren.
Vorzugsweise weist das elektrisch leitende Material wenigstens eine Spule auf, die nachfolgend als zweite Spule oder Sekundärspule bezeichnet wird. Besonders bevorzugt sind die beiden Enden der Sekundärspule elektrisch leitend verbunden, z.B. mittels eines Widerstandsdrahts. Alternativ können aber die beiden Enden auch kurzgeschlossen sein. Zudem ist die Längsachse der Sekundärspule zumindest näherungsweise (±30°, bevorzugt ±20°, besonders bevorzugt ±10°) parallel zur Richtung des äußeren oszillierenden Magnetfelds angeordnet. Diese Maßnahmen verbessern zum einen die magnetische Kopplung und zum anderen wird eine gleichmäßige Einbringung der Wärme in den Wärmedehnstoff ermöglicht, wodurch die Langlebigkeit des Wärmedehnelements verbessert wird. Durch die Verwendung von Polschuhen, kann eine transformatorische Kopplung der Primär- mit der Sekundärspule verbessert werden. Die Sekundärspule kann dabei selber als Heizelement dienen (muss aber nicht) und/oder einen Heizdraht, z.B. in Form eines Wendels, oder ein anderes Heizelement speisen.
Die Richtung des äußeren magnetischen Felds ist in der Regel durch die Längsachse der Primärspule definiert, kann aber durch Polschuhe letztlich beliebig verändert werden. Als Polschuhe werden üblicherweise Bauteile aus einem Material mit hoher Permeabilität, zum Beispiel aus Eisen bezeichnet, die dazu dienen magnetische Feldlinien in einer definierten Form und Richtung austreten zu lassen und zu verteilen.
Besonders bevorzugt befindet sich zumindest ein Abschnitt des Kolbens in dem oszillierenden Magnetfeld, und ist aus einem elektrisch leitenden Material. Anders formuliert weist das elektrisch leitfähige Material zumindest einen Abschnitt des Kolbes auf. Dadurch kann sowohl der Montageaufwand als auch der Materialeinsatz reduziert werden. Besonders bevorzugt hat der Kolben eine Längsachse, die zumindest näherungsweise (±30°, vorzugsweise ±20°, besonders bevorzugt ±10° oder besser) mit der Längsachse der Primärspule zusammenfällt. Dadurch kann das oszillierende Magnetfeld besonders effizient genutzt werden.
In einer bevorzugten Variante ist der Kolben ein Polschuh, wobei der Kolbenboden in Richtung eines induktiv zu erwärmenden elektrisch leitenden Materials weist. Dadurch wird das oszillierende Magnetfeld besonders gut in das zu erwärmenden elektrisch leitenden Materials eingekoppelt.
Wenn sich das elektrisch leitende Material an einer Wandung des Gehäuses und/oder dem Kolben abstützt, hat das Wärmedehnelement eine verbesserte Zyklenfestigkeit. Der Grund dafür ist, dass sich die Position elektrisch leitenden Materials dann nicht oder nur unwesentlich verändert, wenn der Wärmedehnstoff flüssig wird. Eine Agglomeration von Teilchen aus dem elektrisch leitenden Material am Boden des Raums wird vermieden, was zum einen zum einem ungleichmäßigeren Wärmeeintrag vermeidet und zum anderen einer partieller Überhitzung des Wärmedehnstoffs vorbeugt.
Beispielsweise kann das elektrisch leitende Material ein elektrisch leitendes Netz und/oder Gitter und/oder (Loch)Blech und/oder oder Metallwolle aufweisen. Diese Strukturen sind einfach zu fertigen und damit günstig, ermöglichen wegen ihrer großen Oberfläche einen guten thermischen Kontakt, und können eine vglw. große Ausdehnung in dem Raum haben, so dass diese Strukturen selbst wenn sie nicht an einer Gehäusewandung der dem Kolben festgelegt sind immer einen beträchtlichen Teil des Raums überspannen, was für eine gleichmäßige Wärmeinleitung in das Wärmedehnmaterial sorgt. Überspannen meint hier kein Überbrücken, sondern nimmt auf die Ausdehnung zwischen zwei einander entgegengesetzten Endpunkten Bezug. Alternativ kann das elektrisch leitende Material ein elektrisch leitfähiges Pulver aufweisen, das in dem Wärmedehnstoff dispergiert ist. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest ein Teil des Pulvers in einer Matrix, z.B. einer Kunstharzmatrix eingebunden sein, wodurch eine Entmischung vermieden wird.
Zur Vereinfachung wurde bisher angenommen, dass die Gehäusewandung in den Beispielen nicht elektrisch leitend ist. Das ist bei einigen Anwendungen bevorzugt, aber keine Notwendigkeit, d.h. auch die Gehäusewandung kann elektrisch leitend sein und induktiv erwärmt werden.
Ein bevorzugter Anwendungsfall für die beschriebenen Wärmedehnelemente ist der Einsatz als Ventilantrieb. Üblicherweise hat ein Ventil wenigsten einem Ventilgehäuse, das wenigstens zwei Anschlüsse aufweist, wobei auch sogenannte Mehrwegventile bekannt sind, die dann entsprechend weitere Anschlüsse aufweisen. Die Anschlüsse dienen als Ventileinlass bzw. Ventilauslass. Die Anschlüsse sind oft einstückig mit sich daran anschließenden Leitungen verbunden. Zudem haben Ventile in der Regel wenigstens ein Ventilelement, das oft zumindest zum Teil in einer von dem Gehäuse ausgebildeten Ventilkammer angeordnet ist. Das Ventilelement ist meist zwischen wenigstens zwei Positionen verstellbar, wobei das Ventilelement in einer ersten Position eine Fluidverbindung in dem Ventilgehäuse zwischen den beiden Anschlüssen zumindest behindert und in einer zweiten Position die Fluidverbindung zumindest weitgehend freigibt. „Behindern“ meint bevorzugt verschließen, aber es gibt auch Drosselventile die konstruktionsbedingt nicht dicht schließen. „Zumindest weitgehend freigibt“ meint bevorzugt „freigibt“. In der Praxis schließen vor allem einfach und damit günstig gefertigte Ventile oft nicht dicht und auch ein freigegebener Ventilsitz hat in der Regel einen im Vergleich zur Ventilkammer oder einer in dem Ventilgehäuse angeordneten Leitungen einen etwas höheren Druckabfall.
Die erste Position kann sich von der zweiten Position durch eine Verschiebung und/oder Rotation des Ventilelements relativ zu dem Ventilgehäuse unterscheiden. Eine Lageveränderung ist in diesem Sinne folglich ebenso eine Positionsveränderung. Vorzugsweise ist der Kolben oder das Gehäuse wenigstes eines zuvor beschriebenen Wärmedehnelements zumindest mittelbar mit dem Ventilelement gekoppelt ist, wobei das Gehäuse oder Kolben, zumindest mittelbar mit dem Ventilgehäuse gekoppelt. Entsprechend bewirkt eine Verschiebung des Kolbens relativ zum Gehäuse des Wärmedehnelements eine Verstellung der Position des Ventilelements. Mit dem beschriebenen Wärmedehnelement kann daher ein Ventil einfach und vglw. schnell verstellt werden. Beispielsweise kann das Ventil zum Umstellen eines ersten Fluidkreislaufs auf einen zweiten Fluidkreislauf verwendet werden, z.B. von einem kleinen Kühlkreislauf auf einen größeren Kühlkreislauf oder zum Zuschalten eines weiteren Kühlkreislaufs. Dazu kann eine Steuerung die Fluidtemperatur erfassen und bei Erreichen einer Schaltschwelle, die unterhalb der Schmelztemperatur T₂ bzw. der Phasenübergangstemperatur T₁ zur austenitischen Ordnung des Wärmedehnstoffs liegt, den Wärmedehnstoff induktiv heizen (d.h. die Primärspule mit einem Wechselstrom speisen), so dass eine Verschiebung des Kolbens relativ zum Gehäuse eine Positionsveränderung des Ventilelements bewirkt. Diese zweite Position kann z.B. der Stellung „weiterer Kühlkreislauf offen“ entsprechen. Im weiteren Betrieb kann dann die Fluidtemperatur ansteigen auf einen Wert der oberhalb der Schmelztemperatur des Wärmedehnstoffs liegt. Dies kann ebenso von der Steuerung erfasst werden und das induktive Heizen kann beendet werden, weil die Wärme des Fluid genügt um das Ventilelement in der gewünschten Position zu halten (d.h. der Wärmedehnstoff und das Fluid sind thermisch leitend miteinander verbunden). Kühlt das Fluid wieder ab, dann zieht sich der Wärmdehnstoff wieder zusammen und die entsprechende Verschiebung des Kolbens bewirkt dass das Ventilelement in die Ausgangsstellung zurückverstellt wird. Bei einem Wärmedehnstoff aus einer Formgedächtnislegierung kann die Rückstellkraft durch eine Rückstellfeder, motorisch oder auch manuell aufgebracht werde. Im genannten Beispiel würde der weitere Kühlkreislauf wieder geschlossen. In dem Beispiel wurde davon ausgegangen, dass die Verschiebung des Kolbens im Wesentlichen im Bereich eines Phasenübergangs erster Ordnung von fest nach flüssig (oder umgekehrt) des Wärmedehnstoffs stattfindet. Natürlich können auch andere Wärmedehnstoffe verwendet werden, die einen solchen Phasenübergang nicht aufweisen. Dann wäre anstelle des Begriffs der Schmelztemperatur einfach der Begriff „Grenzwerttemperatur“ zu verwenden.
Vorstehend wurde mehrfach die Formulierung verwendet, dass das elektrisch leitende Material eine bestimme Form oder bestimmte Teile „aufweist“. Dadurch soll zum Ausdruck gebracht werden, dass das Material u.a. in der genannten Form oder in Form des genannten Teils verwendet werden kann. Es geht also um die nicht abschließende Nennung von Beispielen, die auch miteinander kombiniert werden können. Es versteht sich von selbst, dass Teile die das elektrisch leitende Material aufweisen, zumindest im Wesentlichen aus einem elektrisch leitenden Material sind.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.

1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung.
2 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung.
3 zeigt eine dritte erfindungsgemäße Vorrichtung.
4 zeigt eine vierte erfindungsgemäße Vorrichtung.
5 zeigt eine fünfte erfindungsgemäße Vorrichtung.

Das Wärmedehnelement in 1 ist ein Linearaktuator und hat ein Gehäuse 10 mit einer Längsachse 2. Das Gehäuse 10 sitzt im Zentrum einer externen Spule 20 mit einem Wickelkörper 25. Die externe Spule 20 ist eine Primärspule und zumindest in etwa koaxial zur Gehäuselängsachse 2 orientiert. Der Wickelkörper 25 sitzt auf dem Gehäuse 10. Das Gehäuse 10 bildet ein Linearlager für einen Kolben 30 aus einem elektrisch leitfähigen Material 60 aus. Dazu hat das Gehäuse 10 einen in eine Gehäuseöffnung mündenden Abschnitt 11 mit einem verjüngten Durchmesser, in dem der Kolben 30 axial verschiebbar gelagert ist. Das freie Ende des Kolbens 30 ragt aus der Gehäuseöffnung nach außen und kann als Abtriebszapfen des Wärmedehnelements 1 genutzt werden. Der Kolben 30 ist hier als einfacher Stift dargestellt. Eine elastische Abdichtung 19, die hier als Folie dargestellt ist, kann vorzugsweise wie dargestellt an Innenseite der kolbenseitigen Stirnwand 14 des Gehäuses anliegen und übergreift den in das Gehäuse 10 ragenden Teil des Kolbens 30. Dadurch kann der Lagerspalt zuverlässig abgedichtet werden. Der Kolben 30 könnte aber auch wie in 5 dargestellt realisiert sein und an der Innenseite 13 des Gehäuses10 vorzugsweise abdichtend entlang laufen. In jedem Fall definieren die Gehäuseinnenseite 13 und der Kolben 30 einen vorzugsweise abgeschlossenen Raum 12.
In dem Raum 12 ist ein Wärmedehnstoff 40. Der Wärmedehnstoff 40 umgibt einen Stift 51 aus einem elektrisch leitenden Material 60, d.h. in diesem Beispiel weist das elektrisch leitende Material einen Stift auf. Wie dargestellt sitzt der Stift 51 vorzugsweise in der axialen Verlängerung des Kolbens 30 (und zentriert dazu). Die Position des Stiftes 51 kann z.B. durch Stützen in dem Gehäuse definiert werden. Im gezeigten Beispiel sind der Stift 51 und der Kolben 30 aus einem paramagnetischen Material. D.h. der von der Spule 20 erzeugte magnetische Fluss wird in dem Kolben und dem Stift konzentriert. Der Kolben dient somit als Polschuh für den Stift 51. Speist man die Spule 20 mit einem Wechselstrom, dann erzeugt man in dem Stift 51 und in dem Kolben 30 Wirbelströme, die sowohl den Stift 51 als auch den Kolben 30 erwärmen. Diese werden von dem Wärmedehnstoff gekühlt, der sich im Gegenzug erwärmt und ausdehnt und dabei den Kolben 30 nach außen verschiebt. Wird der Stromkreis getrennt, stellt sich wieder ein thermisches Gelichgewicht mit der Umgebung ein, d.h. ggf. kontrahiert der Wärmedehnstoff und zieht den Kolben dabei zurück. Anders als dargestellt, ist der Kolben vorzugsweise in Richtung des Gehäuses 10, d.h. in Richtung des Raums 13 vorgespannt, z.B. federbelastet.
Die Ausführungsform nach 2 ist weitgehend identisch zu der Ausführungsform nach 1 und die Beschreibung zur 1 kann entsprechend auf die 2 gelesen werden. Der einzige Unterschied zu der Ausführungsform nach 1 besteht darin, dass in diesem Beispiel der Stift 51 weggelassen wurde, so dass nur der Kolben 30 als elektrisch leitendes Material 60 induktiv erwärmt (evtl. kann auch das Gehäuse 10 elektrische leitend sein und entsprechend erwärmt werden). In dieser Ausführungsform ist der Kolben bevorzugt besonders lang ausgebildet um eine möglichst große Oberfläche zu haben die von dem Wärmedehnstoff umgeben ist (ggf. unter Zwischenlage der optionalen Abdichtung 19, z.B. aus einem Elastomer oder einer vorzugsweise elastischen Folie).
Die Ausführungsform nach 3 ist weitgehend identisch zu der Ausführungsform nach 1 und die Beschreibung zur 1 kann entsprechend auf die 3 gelesen werden. Der einzige Unterschied zu der Ausführungsform nach 1 besteht darin dass bei der Variante nach 3 elektrisch leitfähige Teilchen 52 (z.B. Pulverkörner) in dem Wärmedehnstoff dispergiert sind. Die Teilchen 52 sind als Punkte in einem transparent dargestellten Wärmedehnstoff 40 angedeutet. Ein elektrischer Kontakt zwischen den Teilchen ist nicht notwendig. Die Teilchen werden von dem oszillierenden Magnetfeld der Spule 20 erwärmt und geben diese Wärme an den Wärmedehnstoff ab, der sich entsprechend ausdehnt und den Kolben verschiebt. Vorzugsweise entspricht die Dichte der elektrisch leitenden Teilchen zumindest in etwa (±10%, vorzugsweise ±5%, besonders bevorzugt ±2,5% oder besser) der Dichte des Wärmedehnstoffs. Wenn dieser beim Erwärmen flüssig wird, sollte die Dichte des flüssigen Wärmedehnstoffs als Referenz dienen. Die beschriebene bevorzugte Anpassung der Dichte verhindert ein Entmischen der Partikel.
Die Ausführungsform nach 4 ist bis auf die Anordnung der Spule 20 identisch zur Ausführung nach 1 und die Beschreibung zu der Ausführungsform nach 1 kann entsprechend auf die 4 gelesen werden. Anders als nach 1 ist die Primärspule 20 hier spiralförmig gewickelt und an der dem Kolben 30 gegenüberliegenden Rückseite 18 des Gehäuses angeordnet. Zusätzlich oder alternativ könnte eine Primärspule 20 auch an der Stirnseite 17 des Gehäuses 10 angeordnet sein. Diese Anordnung der Primärspule(n) kann zusätzlich oder alternativ zu den in den anderen Figuren gezeigten Anordnungen vorgesehen werden.
Das Beispiel nach 5 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach 1 durch die Form des Kolbens 30. Anders als in 1 hat der Kolben 30 nach 5 einen Kolbenteller 31 an dessen der Stirnwand 17 zuwandten Seite sich eine Kolbenstange 32 anschließt, die wie in 1 in einem Linearlager läuft. Zudem ist in dem Beispiel nach 5 das Gehäuse zweiteilig, d.h. es hat ein topfartiges Unterteil 16 der von der Stirnwand 14 wie ein mit einem Deckel verschlossen wird. Unterteil 16 und Stirnwand 14 können z.B. verklebt oder verschweißt, verlötet oder sonst wie verbunden sein. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 5 wird der Kolben 30 mittels der Spule 20 induktiv erwärmt und erwärmt entsprechend den in dem Raum 13 angeordneten Wärmedehnstoff. Anders als in den 1 bis 4 ist der Wärmedehnstoffbei dieser Ausführungsform eine in dem Raum 12 angeordnete zweite Spule 53 aus einer metallischen Formgedächtnislegierung, die nur zur einfacheren Unterscheidung als Heizspule 53 oder auch als Sekundärspule 53 bezeichnet wird. Die Heizspule 53 wird von dem oszillierenden Magnetfeld der Primärspule 20 induktiv erwärmt. In diesem Sinne weist das elektrisch leitfähige Material die vorzugsweise kurzgeschlossene Sekundärspule 53 und damit das Formgedächtnismaterial (d.h. den Wärmedehnstoff) auf. Ein von der Primärspule erzeugtes magnetisches Wechselfeld erwärmt daher die Sekundärspule induktiv, so dass diese bei Erreichen der Phasenübergangstemperatur die zuvor eingeprägte Form einnimmt und dabei den Kolben 30 in Richtung der Kolbenstange 32 verschiebt, bis der Kolben an der Stirnwand 14 anliegt. Natürlich kann das elektrisch leitfähige Material zusätzlich auch andere Elemente aufweisen, z.B. den Stift 51 oder die Teilchen 52 wie in den 3 und 4 gezeigt. Ebenso kann die Sekundärspule 53 auch in den Gehäusen nach den 1 bis 4 angeordnet sein, d.h. eine Kombination der beiden Wärmedehnstoffe ist ebenfalls möglich.
Vorzugsweise ist der Wickelkörper aus einem thermisch isolierenden Material, damit die Primärspule 20 möglichst kühl bleibt. Eine thermische Ankopplung des Gehäuses 10 an die Umgebung kann insbesondere z.B. über dessen Stirnseite 17 erfolgen und bei einem beidseits offenen Wickelkörper natürlich auch über die Rückseite 18.
Bezugszeichenliste

2: Längsachse
10: Gehäuse
11: Gehäuseabschnitt mit verjüngten Durchmesser/Gleitlager
12: Raum
13: Gehäuseinnenseite
14: Stirnwand
15: Rückwand
16: Unterteil
17: Gehäusestirnseite
18: Gehäuserückseite
19: Abdichtung
20: Spule / Primärspule
21: Wickelkörper
30: Kolben
31: Kolbenteller
32: Kolbenstange
40: Wärmedehnstoff
51: Stift
52: elektrisch leitfähige Teilchen / Pulver
53: Heizspule / Sekundärspule (vorzugsweise aus Formgedächtnismaterial)
60: elektrisch leitendes Material

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5176317 [0003]
US 2004/0026521 A [0004]
US 4036433 [0004]
US 5971288 [0005]
US 5572869 [0006]
US 3374337 [0006, 0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

W.J. Buehler, J.W. Gilfrich & R.C. Wiley, Effects of low-temperature phase changes on the mechanical properties of alloys near composition TiNi; Journal of Applied Physics 34, 1963, S. 475 [0012]

Claims

Verfahren zum Verschieben eines Kolbens (30) eines Wärmedehnelements (1) mit einem Wärmedehnstoff (40, 53), der in einem von einer Gehäusewandung und dem Kolben (30) begrenzten Raum (12) angeordnet ist, durch Erwärmen des Wärmedehnstoffs (40, 53) dadurch gekennzeichnet, dass zum Erwärmen des Wärmedehnstoffs (40, 53) ein elektrisch leitendes Material (60), welches in dem begrenzten Raum angeordnet und in thermischen Kontakt mit dem Wärmedehnstoff (40) ist induktiv erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum induktiven Heizen ein oszillierendes Magnetfeld mittels wenigsten einer außerhalb des Raums (12) angeordneten Spule (20) erzeugt wird.
Wärmedehnelement (1) mit zumindest einem Gehäuse (10), wobei - das Gehäuse (10) einen Raum (12) definiert, - ein Kolben (30) in dem Raum (12) beweglich gelagert ist, - ein Wärmedehnstoff (40, 53) zwischen dem Kolben (30) und einem Widerlager des Gehäuses (10) in dem Raum (12) angeordnet ist, , dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des Raums (12) eine Spule (20) zum Erzeugen eines oszillierenden Magnetfelds in dem Raum (12) angeordnet ist und dass ein elektrisch leitendes Material (60) in dem Raum (12) angeordnet ist.
Wärmedehnelement (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (20) den Raum (12) umgibt.
Wärmedehnelement (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (20) auf Außenseite einer den Raum 12 definierenden Wandung des Gehäuses (10) sitzt.
Wärmedehnelement (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Material (51, 52, 53, 60) zumindest zum Teil von dem Wärmedehnstoff (40) umgeben ist.
Wärmedehnelement (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Material (51, 52, 53) in dem Wärmedehnstoff (40) eingebettet ist.
Wärmedehnelement (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Wärmedehnstoff (53) zumindest einen Teil des elektrisch leitenden Materials (53) ist.
Wärmedehnelement (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Material (51, 52, 53, 60) paramagnetisch oder ferromagnetisch ist.
Wärmedehnelement (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Material (51, 52, 53, 60) wenigstens eine Sekundärspule (53) aufweist.
Wärmedehnelement (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitende Material (40) wenigsten einen Abschnitt des Kolbens (40) aufweist.
Wärmedehnelement (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet dass sich das elektrisch leitende Material (51, 52, 53, 60) an einer Wandung (14, 15) des Gehäuses (10) und oder dem Kolben (30) abstützt.
Wärmedehnelement (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet dass das elektrisch leitende Material (51, 52, 53, 60) ein Netz und/oder ein Gitter aufweist und/oder zumindest zum Teil ein in dem Wärmedehnstoff (40) dispergiertes Pulver (52) aufweist.
Ventil mit - wenigstens einem Ventilgehäuse, das wenigstens zwei Anschlüsse aufweist und mit - wenigstens einem relativ zum Ventilgehäuse zwischen wenigstens zwei Positionen verstellbaren Ventilelement, wobei das Ventilelement in einer ersten Position eine Fluidverbindung in dem Ventilgehäuse zwischen den beiden Anschlüssen zumindest behindert und in einer zweiten Position die Fluidverbindung zumindest weitgehend freigibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (30) oder das Gehäuse (10) wenigstes eines Wärmedehnelements (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 13 zumindest mittelbar mit dem Ventilelement gekoppelt ist, so dass bei einer Verschiebung des Kolbens relativ zum Gehäuse die Position des Ventilelements verändert wird.