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Die Erfindung betrifft ein Steuer-
und/oder Regelelement sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Aus der
DE 199 63 499 A1 ist eine
Ventilanordnung bekannt, die einen Ventilkörper umfasst, der in einem
Ventilgehäuse
geführt
ist. Der Ventilköper
ist über
ein mit diesem verbundenes Stellelement aus einer Grundstellung
in eine Steuerstellung verschiebbar. Dieses herkömmliche Stellelement ist ein
aus einem Formgedächtniswerkstoff
hergestellter Draht, der übliche
Stellelemente, wie Elektromagnete, Pneumatikzylinder und Hydraulikzylinder
ersetzt.
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Formgedächtniswerkstoffe zeigen neben
besonderen pseudoelastischen und superplastischen Eigenschaften
stark ausgeprägte
thermomechanische Kopplungseffekte, die diese Werkstoffe zur Herstellung
von Stellelementen besonders geeignet machen. Der so genannte Formgedächtniseffekt
beruht bei diesen Werkstoffe auf einer diffusionslosen Phasenumwandlung,
die in einem bestimmten Temperatur- oder Spannungsbereich stattfindet
und mit einer ausgeprägten
Formänderung
einhergeht. Dabei liegt im Formgedächtniswerkstoff eine Martensitphase vor,
die sich bei Temperaturerhöhung
oberhalb einer bestimmten Starttemperatur in eine Austenitphase umwandelt.
Auf dieser Phasenumwandlung beruht der so genannte Formgedächtniseffekt,
der in einen Einwegeffekt und einen Zweiwegeffekt unterteilt ist.
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Zur Erzielung des Einwegeffektes
wird ein Bauteil aus einem Formgedächtniswerkstoff plastisch vertormt.
Daraufhin wird das Bauteil über
die Austenit-Starttemperatur erwärmt,
so dass sich das im Ausgangszustand vorliegende Martensitgefüge in das
Austenitgefüge
umwandelt. Durch die Phasenumwandlung in den Austenit reduziert
sich die plastische Verformung, so dass das Bauteil in den ursprünglichen,
unvertormten Zustand zurückkehrt.
Da eine anschließende
Abkühlung
des Bauteiles keine weitere Formänderung
bewirkt, spricht man bei diesem Verhalten vom Einwegeffekt.
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Beim Zweiwegeffekt kann die Form
eines Bauteiles aus einem Formgedächtniswerkstoff zwischen dem
ursprünglichen
Zustand und dem plastisch vertormten Zustand durch entsprechende
Temperaturänderung
wechseln. Der Werkstoff erinnert sich somit sowohl an den ursprünglichen
als auch an den vertormten Zustand. Ein entsprechend konditioniertes
Bauteil kann durch eine geeignete Temperaturführung bei Erwärmung über die
Austenit-Starttemperatur und Abkühlung
unter die Martensit-Starttemperatur und die dadurch induzierten
Phasenumwandlungen zwischen verschiedenen Vertormungszuständen wechseln.
Die durch den Zweiwegeffekt erzeugbare Rückstellkraft ist niedriger
als die durch den Einwegeffekt einstellbare Kraft.
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Durch die mit Hilfe des Formgedächtniseffektes
herbeiführbaren
Formänderungen
von Stellelementen aus Formgedächtniswerkstoffen
lassen sich Steuer- und/oder Regelorgane mit erheblichen Stellwegen
unter Aufbringung beträchtlicher
Kräfte
betätigen.
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Der Ventilkörper der aus der
DE 199 63 499 A1 bekannten
Ventilanordnung ist über
eine Feder gegen einen Ventilsitz vorgespannt, wobei der als Stellelement
dienende Draht aus dem Formgedächtniswerkstoff
an dem Ventilkörper
angreift und mit einer Heizeinrichtung verbunden ist. Bei Erwärmung des
Formgedächtnisdrahtes
wird dieser verkürzt.
Die durch diese Verkürzung
auf den Ventilkörper
wirkende Kraft hebt diesen vom Ventilsitz gegen die Federkraft ab,
so dass die Ventilanordnung geöffnet
wird. Bei Abkühlung
des Formgedächtnisdrahtes
wird dieser durch die Feder in die Ausgangslänge gedehnt, so dass der Ventilkörper in
die Schließposition
gebracht und eine reversible Formänderung des Drahtes ermöglicht wird.
Gegenüber
elektromagnetisch betriebenen Stellelementen bringt die Form der
Hysteresekurve des Formgedächtnis-Stellelementes ein vorteilhaftes
Betriebsverhalten mit sich, da diese auf einem langsamen Beginn
der Umwandlung und eine daran anschließend schlagartige, vollständige Umwandlung
beruht.
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Allerdings wird durch den Ersatz
der bisher als Stellelemente verwendeten Elektromagnete, Pneumatikzylinder
oder Hydraulikzylinder durch Formgedächtnis-Stellelemente die durch das Gewicht
der Steuerorgane maßgeblich
bestimmte Trägheit
des Systems nicht oder nur unwesentlich verringert. Das bedeutet,
dass das Ansprechverhalten der bekannten Ventilanordnung weiterhin
stark von der Größe bzw.
dem Gewicht des Steuerorgans, also des Ventilkörpers abhängt.
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Ferner müssen bei der bekannten Ventilanordnung
das Formgedächtnis-Stellelement
und das Steuerorgan funktionsgemäß genau
aufeinander abgestimmt sein, um die Stellwege zu realisieren, die ertorderlich
sind, um das Steuerorgan mit Hilfe des Stellelementes zuverlässig zu
betätigen.
Dazu muss die Formänderung
sowie die durch die Formänderung
aufgebrachte Kraft des Formgedächtnis-Stellelementes
in Abhängigkeit
von der Größe und Bauart des
Steuerorgans genau eingestellt werden. Darüber hinaus können nicht
beliebig große
Steuerorgane rnit Hilfe der bekannten Formgedächtnis-Stellelementen betätigt werden, da das Forrnänderungsvermögen und
die aufbringbare Kraft dieser Stellelemente begrenzt sind, was durch
eine Serien- oder Reihenschaltung dieser Elemente nur bedingt kompensiert werden
kann.
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Eine weitere Ventilanordnung, die
ein Stellelement aus einer Formgedächtnislegierung verwendet,
ist aus der
DE 100
03 710 A1 bekannt. Dieses Stellelement in der Form einer
Feder treibt ein Bypassventil in einem Saugölfilter an. Dabei ist das Formgedächtnis-Stellelement
zwischen einem Bypass-Ventilgehäusedeckel
und einem beweglichen Verschlussdeckel angeordnet, der als Steuerorgan dient.
Durch eine geeignete Temperaturführung
kann die Federkraft der Formgedächtnisfeder
geändert werden,
so dass Öl
mit einer höheren
Viskosität über das
geöffnete
Bypassventil unter Umgehung eines Ölfiltermediums zu einer Pumpe
gelangen kann. Bei höheren
Temperaturen erhöht
sich die Federkraft der Formgedächtnisfeder,
so dass das Bypassventil schließt.
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Neben den oben erwähnten Trägheitsproblemen,
die auch bei dieser bekannten Ventilanordnung gegeben sind, stellt
sich bei dieser Anordnung ferner das Problem der Halterung bzw.
Fixierung des Stellelementes sowie der Verbindung des Stellelementes mit
dem Steuerorgan. Diese Probleme liegen grundsätzlich allen herkömmlichen
Steuersystemen zu Grunde, bei denen ein Steuerorgan durch ein Stellelement
betätigt
wird.
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In der
DE 100 03 710 A1 ist in
dem als Steuerorgan dienenden, beweglichen Verschlussdeckel eine
Ausnehmung vorgesehen, in der das als Feder ausgebildete Stellelement
sitzt. Eine gewisse Fixierung der Feder wird durch die in axialer
Richtung zwischen dem Gehäusedeckel
und dem Verschlussdeckel herrschende Vorspannung der Feder erreicht. Größere, seitlich
an der Feder angreifende Querkräfte
bewirken jedoch ein unerwünschtes
Verrutschen der Feder, wodurch deren Funktion beeinträchtigt oder
vollkommen aufgehoben wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, ein Steuer- und/oder Regelelement sowie ein Verfahren
zu dessen Herstellung anzugeben, das einen wartungsarmen Betrieb
und eine möglichst
einfache und gleichzeitig zuverlässige
Handhabung des Steuer- und/oder Regelelementes gestattet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Steuer- und/oder Regelelement mit einem geschäumten Formkörper aus einem Formgedächtniswerkstoff
gelöst.
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In verfahrenstechnischer Hinsicht
wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch
ein Verfahren zum Herstellen eines Steuer- und/oder Regelelementes gelöst, bei
welchem ein schmelzflüssiges
Formmaterial aus einem Formgedächtniswerkstoff
zu einem Formkörper
geschäumt
wird.
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Das erfindungsgemäße Steuer- und/oder Regelelement
zeichnet sich dadurch aus, dass die bisher getrennt realisierten
Stellfunktionen und Steuer- bzw. Regelfunktionen in einem Bauteil
integriert sind. Dies wird dadurch ermöglicht, dass das erfindungsgemäße Steuer-
und/oder Regelelement einen geschäumten Formkörper aus einem Formgedächtniswerkstoff
umfasst. Das geometrieflexible Schäumen des Formkörpers gestattet
dessen formspezifische Anpassung an unterschiedliche Steuer- und/oder
Regelbedingungen. Da der geschäumte Formkörper erfindungsgemäß aus einem
Formgedächtniswerkstoff
hergestellt ist, kann dieser zwischen verschiedenen vorgegebenen
Vertormungszuständen
wechseln, die aufgrund der geometrieflexiblen Herstellbarkeit des
Formkörpers
jeweils verschiedenen Steuer- bzw. Regelzuständen angepasst werden können.
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Aufgrund der extrem flexiblen Formmöglichkeiten,
die ein geschäumter
Formkörper
bietet, kann das erfindungsgemäße Steuer-
und/oder Regelelement unter Ausnützung
des Formgedächtniseffektes in
unterschiedlichsten Steuer- und/oder Regelsystemen als Sensor, Aktor,
Schalter oder Feder eingesetzt werden.
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Die durch die Erfindung ermöglichte
Integration von Steuer- bzw. Regelfunktionen und Stellfunktionen
in einem Bauteil führt
vorteilhafterweise zu einer Verringerung der Anzahl der Bauteile,
weshalb das erfindungsgemäße Steuer-
und/oder Regelelement zu vergleichsweise niedrigen Kosten hergestellt werden
kann.
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Es ist ferner nicht mehr ertorderlich,
Stellelernente und Steuerorgane aufeinander abzustimmen, da das
erfindungsgemäße Steuer-
und/oder Regelelement die von diesen Bauteilen bisher getrennt verwirklichten
Funktionen vereint. Außerdem entfallen
die Probleme, die im Stand der Technik bei der Befestigung der Stellelemente
an den Steuerorganen auftreten, was einen wartungsarmen Betrieb des
erfindungsgemäße Steuer-
und/oder Regelelementes befördert.
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Aus den oben genannten Gründen gestattet das
erfindungsgemäße Steuer-
und/oder Regelelement insgesamt eine besondere einfache und zuverlässige Handhabung
bei gleichzeitig günstigen
Herstellungskosten.
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Vorteilhafterweise dient das erfindungsgemäße Steuer-
und/oder Regelelement auch als Sensor, insbesondere als Temperaturtühler, der
in bestimmten Temperaturbereichen durch eine entsprechende Gefügeänderung
reagiert, wodurch auf zusätzliche
Sensoren verzichtet werden kann. Somit ist eine weitere bisher nur
getrennt realisierbare Funktion in dem erfindungsgemäßen Steuer-
und/oder Regelelement integriert, was zu den vorstehend genannten
Vorteilen, wie niedrige Herstellungskosten und wartungsarmer Betrieb
führt.
Außerdem
entfällt die
bisher ertorderliche und aufwendige Verschaltung von Sensoren, Stellelementen
und Steuerorganen, was eine vergleichsweise noch einfachere Handhabung
des erfindungsgemäßen Steuer-
und/oder Regelelementes nachsichzieht.
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Ferner ist das erfindungsgemäße Steuer- und/oder
Regelelement aufgrund seines geschäumten Formkörpers ein Ultraleichtbauteil
mit sehr niedrigem spezifischen Gewicht, wodurch das Ansprechverhalten
eines Regel- und/oder Steuersystems, in dem das erfindungsgemäße Steuer-
und/oder Regelelement verwendet wird, beträchtlich verbessert werden kann.
Gleichzeitig weist der geschäumte
Formkörper
hohe Steifigkeit- und Elastizitätseigenschaften auf,
die das erfindungsgemäße Steuer-
und/oder Regelelement für
die unterschiedlichsten Verwendungen auch unter hohen mechanischen
Belastungen geeignet macht.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung ist der geschäumte
Formkörper
des Steuer- und/oder Regelelementes aus einem Metallschaum hergestellt.
Dies bringt den Vorteil besonders hoher Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften bei
gleichzeitig geringem Gewicht, was insbesondere bei der Steuerung
oder Regelung höherer
Drücke eine
Rolle spielt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist der geschäumte Formkörper wenigstens
teilweise eine offenporige Struktur auf. Ein derartiges Steuer-
und/oder Regelelement ist deshalb mediendurchlässig, so dass ein Steuerund/oder
Regelelement nach dieser Ausführungsform
im Strömungsweg
eines zu steuernden oder regelnden Fließmediums angeordnet werden kann.
Das Steuer- und/oder Regelelement wird von dem Fließmedium
aufgrund der offenporigen Struktur des Formkörpers durchströmt.
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Aufgrund der Mediendurchlässigkeit
können das
Steuer- und/oder Regelelement durchströmende flüssige und gasförmige Medien über Wirkgrößen, wie
Innendruck, Fließgeschwindigkeit,
axiale Verschiebungskräfte, überlagerte,
axiale Biegungen und lokale Temperaturverteilung zyklische oder
azyklische Spannungszustände
erzeugen. Diese Spannungszustände
führen über den
Trainingseffekt des aus Formgedächtniswerkstoff
hergestellten, geschäumten
Formkörpers
durch geometrieabhängige, reversible
Formänderungen
zu Steuer- oder Regelprozessen. Die genannten Stellgrößen sind
auf der Basis einer definierten Formänderung des geschäumten Formkörpers vielseitig
je nach Funktion kombiniert und reproduziert einstellbar. Ein derartiges
Steuerund/oder Regelelement mit Sensor-, Aktor-, Schalter- oder
Federtunktion kann bevorzugt in geschlossenen Rohr- oder Profilsystemen
verwendet werden.
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Die Porengröße des geschäumten Formkörpers kann
1 mm bis 6 mm, insbesondere 3 mm bis 4 mm, betragen, wodurch eine
gute Durchströmung des
Formkörpers
ermöglicht
wird. Der Formkörper kann
ferner eine Wabenstruktur aufweisen, was ebenfalls zu einer guten
Mediendurchlässigkeit
führt. Eine
offenporige Metallschaumstruktur bedingt zusätzlich eine besonders gute
Oberflächenhomogenität, d.h.
eine geringe Änderung
der physikalischen und chemischen Grenzflächeneigenschaften, und damit
eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit
mit gleichbleibender Langzeitstabilität, wodurch der Zweiwegeffekt
des Formgedächtniswerkstoffes
keine oder nur geringe Hystereseverluste aufweist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist der geschäumte
Formkörper
eine offenporige Struktur auf, die im Wesentlichen in eine Richtung
ausgerichtet ist. Dadurch wird vorteilhafterweise ein anisotropes
Verhalten des Steuerund/oder Regelelementes erzielt.
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Dem geschäumten Formkörper kann ein Formgedächtnis-Einwegeffekt
aufgeprägt
sein, wodurch größere Kräfte auf
das Wirkmedium ausgeübt werden
können.
Dem geschäumten
Formkörper kann
auch ein Formgedächtnis-Zweiwegeffekt
aufgeprägt
sein, wodurch eine reversible Formänderung des Steuer- und/oder
Regelelementes ohne das Aufbringen einer äußeren Kraft nur durch Temperaturänderung
erreicht werden kann.
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Bevorzugterweise ist der geschäumte Formkörper wenigstens
teilweise mit einem massiven Bauelement zur Bildung eines Verbundkörpers formelastisch
umgeben, wobei der Verbundkörper
wenigstens eine Einströmöffnung und
wenigstens eine Ausströmöffnung aufweist.
Diese Ausgestaltung der Erfindung eignet sich insbesondere für geschäumte Formkörper aus
einem Formgedächtniswerkstoff,
die eine offenporige Struktur aufweisen und von einem Medium durchströmbar sind.
Durch das massive Bauelement, das den geschäumten Formkörper wenigstens teilweise formelastisch
umgibt, wird ein wenigstens zweiseitig geöffneter Verbundkörper geschaffen,
der als Strömungskanal
einsetzbar ist. Durch die Formelastizität des massiven Bauelementes,
das als geschlossene Wandung den geschäumten porösen Formkörper umgibt, wird der Formkörper aus
Formgedächtniswerkstoff
bei Formänderungen nicht
behindert.
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Vorteilhafterweise ist das massive
Bauelement wenigstens teilweise aus einem Formgedächtniswerkstoff
hergestellt, wodurch die Formelastizität des massiven Bauelementes
wirkungsvoll realisiert werden kann. Wenn das massive Bauelement
aus demselben Formgedächtniswerkstoff
wie der Formkörper
hergestellt ist, ergeben sich bei entsprechender Konditionierung
automatisch dieselben Formänderungen,
was die Abstimmung des massiven Bauelementes auf den Formkörper erleichtert.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind mehrere Verbundkörper in Sandwich-Bauweise miteinander
verbunden. Auf diese Weise können
größere Strömungsquerschnitte
realisiert werden. Wenn die Verbundkörper aus unter schiedlichen
Formgedächtniswerkstoffen hergestellt
oder unterschiedlich konditioniert sind, erweitern sich die Möglichkeiten
der spezifischen Regelung bzw. Steuerung des die Verbundkörper durchströmenden Wirkmediums.
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Ferner können massive Bauelemente, insbesondere
ebene Strömungsbleche,
in dem Formkörper
eingelagert sein. Dadurch wird das Auftreten einer Kanalisationswirkung
gefördert.
Der Formkörper kann
ferner mit einer extern steuerbaren Wärmequelle verbunden sein, die
dem Formkörper
lokal oder flächig
Wärme zuführt. Dies
ermöglicht
eine im Wesentlichen von der Temperatur des Wirkmediums unabhängige Steuerung
des Stellelementes von außen durch
den Zweiwegeffekt. Der Formkörper
kann auch mit einer extern steuerbaren Kraftquelle verbunden sein,
die auf den Formkörper
lokal oder flächig
eine äußere Vertormungskraft
aufbringt. Diese Ausgestaltung der Erfindung eignet sich besonders
für ein Steuer-
und/oder Regelelement, das mit dem Einwegeffekt arbeitet. Durch
die von außen
wirkende Kraft kann der Formkörper
reversibel vertormt werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Vertahrens
umfasst die Schritte: Auffüllen
einer Form mit einer Vielzahl von Füllkörpern; Vertüllen der Form mit einem Bindemittel;
Vergießen eines
schmelzflüssigen
Formmaterials aus einem Formgedächtniswerkstoff
in die Form unter Auflösung
des Bindemittels; und Entfernen der Füllkörper aus dem erstarrten Formmaterial
zur Bildung des geschäumten
Formkörpers
aus einem Formgedächtniswerkstoff.
Durch dieses Vertahren wird ein Steuer- und /oder Regelelement mit
einer offenporigen Wabenstruktur erzeugt, das mediendurchlässig ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
des erfindungsgemäßen Steuer-
und/oder Regelelementes und des erfindungsgemäßen Vertahrens zu dessen Herstellung
sind in den übrigen
Unteransprüchen dargelegt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
von Ausführungsbeispielen
und zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
In diesen zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch ein Steuer- und/oder Regelelement mit einem geschäumten Formkörper, der
von einem Blech ummantelt ist, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
und
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2 einen
Querschnitt durch das Steuer- und/oder Regelelement nach 1.
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In den 1 und 2 ist ein Steuer- und/oder Regelelement
gezeigt, das einen geschäumten Formkörper 1 umfasst.
Dieser geschäumte
Formkörper
ist aus einer Formgedächtnislegierung,
beispielsweise aus einer Nickel-Titan-Legierung hergestellt, die
besonders korrosionsbeständig
und medienresistent ist und die Realisierung von Langzeitzyklen
gestattet. Andere Formgedächtnislegierungen,
wie beispielsweise Kupfer-Zink-Aluminium-Legierungen, Gold-Cadmium-Legierungen
oder Eisen-Mangan-Silicium-Legierungen
können
ebenfalls verwendet werden.
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Wie in 1 zu
erkennen, weist der geschäumte
Formkörper
eine offenporige Wabenstruktur aus Metallschaum auf. Bei dieser
offenporigen Struktur sind die einzelnen Poren untereinander zumindest über Durchstoßpunkte
oder Porenstege verbunden und daher, im Gegensatz zu einer geschlossenporigen
Struktur, nicht vollständig
mit metallischer Phase umgeben. Diese schwamm- oder skelettartige,
offenporige Struktur erlaubt das Durchströmen des Formkörpers mit
einem Medium. Die in den 1 und 2 gezeigte Wabenstruktur
des Formkörpers
entsteht durch druckloses Vergießen der Formgedächtnislegierung
in eine Kokille, in der gepresste Kugeln als Platzhalter dienen,
durch welche die Poren beim Erstarren des Formmaterials gebildet
werden. Auf diese Weise wird die gewünschte wabenartige Skelettstruktur
des geschäumten
Formkörpers erhalten.
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Wenn keine Durchströmung des
Formkörpers
mit einem Wirkmedium gewünscht
ist, kann der geschäumte
Formkörper
auch eine geschlossenporige Struktur aufweisen. Ein solcher Formkörper aus einem
Formgedächtniswerkstoff
wird von einem Wirkmedium nicht durchströmt, sondern umströmt. Ein
derartiger Formkörper
kann beispielsweise im Zusammenwirken mit einer Strömungsöffnung diese durch
entsprechende Formänderung öffnen und
verschließen
und somit als Öffnungs-
und Schließorgan wirken,
ohne auf ein zusätzliches
Stellelement angewiesen zu sein.
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Das in 1 und
in 2 gezeigte mediendurchlässige Steuer-
und/oder Regelelement ist beispielhaft als zylindrischer Verbundkörper ausgebildet und
weist ein massives Bauteil 2 in der Form eines Bleches
auf, das den geschäumten
Formkörper 1 formschlüssig umgibt.
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Die Erfindung ist nicht auf eine
Zylinderform beschränkt.
Andere Bauformen, beispielsweise mit rechteckigen Querschnitten
sind auch möglich.
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Das beispielhaft als zylindrischer
Verbundkörper
ausgebildete Steuer- und Regelelement weist eine Einströmöffnung 3 und
eine Ausströmöffnung 4 auf.
Die Strömungsrichtung
ist in 1 mit Pfeilen angegeben.
Das massive Blech, das den porösen Formkörper dichtig
ummantelt, bildet einen Strömungskanal,
in welchem der geschäumte
Formkörper
formschlüssig
vorgesehen ist. Bei der Herstellung dieses Verbundkörpers wird
der Formkörper
an das Blech angegossen und verbindet sich mit diesem metallurgisch.
Diese Verbindung weist eine ausreichende mechanische Festigkeit
auf, um den Formkörper
gegen den Strömungswiderstand
zu halten.
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Eine andere Anordnung oder Anzahl
von Einströmöffnungen
und Ausströmöffnungen
ist selbstverständlich
auch möglich.
Beispielsweise könnte
der in 1 gezeigte zylinderförmige Verbundkörper gekrümmt oder
zur Bildung von zwei oder mehreren Einströmöffnungen oder Ausströmöffnungen
gegabelt sein.
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Um die Formänderung des geschäumten Formkörpers nicht
zu behindern, ist das Blech ebenfalls aus einer Formgedächtnislegierung
hergestellt, insbesondere aus derselben Formgedächtnislegierung wie der geschäumte Formkörper. Andere
Bauelemente, wie beispielsweise dehnbare Folien, können ebenfalls
verwendet werden, um den geschäumten
Formkörper
zu ummanteln, vorausgesetzt diese anderen Bauelemente sind ausreichend
formelastisch, um der gewünschten
Formänderung
des geschäumten
Formkörpers
nachgeben zu können,
und ausreichend fest, um einen stabilen Strömungskanal zu bilden.
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In den 1 und 2 ist weiterhin gezeigt,
dass das Steuer- und/oder Regelelement in einem Rohr 6 vorgesehen
ist, in dem ein Medium 7 fließt. Zwischen der Innenwandung
des Rohres 6 und dem Blech 2 des Steuer- und/oder
Regelelementes ist, wie in
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1 zu
erkennen, ein Ringspalt ausgebildet. Dieser Ringspalt erlaubt eine
Formänderung, insbesondere
eine Ausdehnung des Steuer- und/oder Regelelementes bei dessen Aktivierung.
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Die Erfindung ist nicht auf die nur
beispielhaft zu verstehende Ausgestaltung des Steuer- und/oder Regelelementes
als Verbundkörper
beschränkt.
Vielmehr kann das Steuer- und/oder Regelelement auch ohne das ummantelnde
massive Blech 2, d.h. nur mit dem geschäumten Formkörper 1 verwendet werden. In
diesem Fall wird der geschäumte
Formkörper 1 beispielsweise
in einen vorgegebenen Strömungskanal
eingesetzt, an dessen Form der geschäumte Formkörper 1 im Wesentlichen angepasst
ist. Dabei sollte berücksichtigt
werden, dass der Formkörper 1 nicht
vollkommen formschlüssig
in dem Strömungskanal
angeordnet ist, sondern zwischen einer Innenwandung des Strömungskanales
und dem Formkörper 1 zumindest
bereichsweise ein freier Zwischenraum besteht, in den sich der geschäumte Formkörper 1 bei
Formänderung
erstreckt.
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Der geschäumte Formkörper des vorliegenden Ausführungsbeispiels
weist eine offenporige Schaum- und Wabenstruktur auf mit einer Porengröße, die
3 bis 4 mm beträgt.
Die Ertindung ist aber nicht auf diese Porengröße beschränkt. Größere oder kleinere Porengrößen sind
in Abhängigkeit
von dem das Steuer- und/oder Regelelement durchströmenden Mediums
denkbar, wobei die Einstellung des gewünschten Fließwiderstandes
bei viskosen, flüssigen
oder gasförmigen
Medien im Vordergrund steht. Die Wabenstruktur ist über den
Querschnitt und die Länge
des Formkörpers
statistisch regellos verteilt. Es ist aber auch denkbar, eine gerichtete,
offenporige Wabenstruktur beim Gießen zu erzeugen, die sich auf
eine an der Achse des Formkörpers
ausgerichtete Orientierung bezieht.
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Die offenporige Metallschaumstruktur
des Formkörpers
des Steuer- und/oder Regelelementes gewährleistet in geschlossenen
rohr- oder profilartigen Systemen bei sensiblen flüssig-viskos
oder gasförmigen
Medien eine definierte Durchlässigkeit
bei vorbestimmten, funktionalen Regelabläufen. Der Formkörper ist
ultraleicht bei einer Dichte von 0,2 bis 0,3 g/cm3 und
besitzt gleichzeitig hohe Elastizitätseigenschaften, die für die Funktion
des Zweiwegeffektes der Formgedächtnislegierung
durch temperaturund/oder spannungsinduzierte Phasenumwandlung notwendig
sind.
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Die Form des Steuer- und/oder Regelelementes
ist nicht auf die in den 1 und 2 gezeigte Form beschränkt. Vielmehr
sind in Verbindung mit dünnem
Blech oder Folien der gleichen Materialzusammensetzung wie der geschäumte Formkörper offenporige
Metallschaum-Formkörper
zu vielfältigen geometrisch
und funktional geforderten Körperstrukturen
kombinierbar, ohne dass der Formgedächtnis- und daraus resultierende
Trainingseffekt verloren gehen. Besonders gegenüber aggressiven Medien ist auf
der Basis der Legierungszusammensetzung eine besondere Medienresistenz
und Konosionsbeständigkeit
vorhanden, die eine große
Langzeitstabilität und
damit eine maximale Formänderungszyklenzahl ohne
Zunahme des Hystereseverhaltens ermöglicht.
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Bei dem in den 1 und 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel
sind massive Komponenten in der Form von Strömungsblechen, insbesondere
drei Strömungsblechen,
in die offenporige Metallschaumstruktur eingelagert. Die Einlagerung
erfolgt gerichtet. D.h., die eingelagerten Strömungsbleche sind in Strömungsrichtung
parallel und koaxial angeordnet. Dadurch wird eine gewollte Strömungsverteilung
des jeweiligen Mediums im Formkörper
erzielt. Durch die durch die Einlagerung der Strömungsbleche erzielte Skelettierung
werden Medienturbulenzen vermieden. Gleichzeitig ermöglicht diese
Skelettierung eine lokale Verteilung von Temperatur- und Spannungsfeldern,
die sich auf den zyklischen Formänderungseffekt
spezifisch auswirken oder aber eine gerichtete, offenporige Wabenstruktur
beim Gießen
erzeugen, die sich auf eine an der Achse des Formkörpers ausgerichtete
Orientierung bezieht.
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Eine andere Anzahl oder Anordnung
der eingelagerten Strömungsbleche
ist möglich.
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Eine weitere, nicht gezeigte Möglichkeit
besteht in der Kombination mehrerer Steuer- und/oder Regelelemente in der Form
von spezifisch strukturierten, dünnen
Sandwich-Komponenten
mit integrierten, ebenen, offenporigen Metallschaumeinlagen zu einem
Steuer- und/oder Regelelement in Sandwich-Bauweise. Dadurch kann
eine gewollte, innere Anisotropie der Einlagen-Wabenstruktur zum Auftreten
einer Kanalisationswirkung erzeugt werden.
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Durch geeignete Verform- und Wärmebehandlungszyklen
kann dem Steuer- und/oder Regelelement ein Einweg- oder Zweiwegeffekt
antrainiert werden. Besonders vorteil haft ist die Aufprägung des Zweiwegeffektes,
da dann die reversible Formrückstellung
temperaturabhängig
und wiederholbar erfolgt.
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Die den Formänderungseffekt antreibende Energie
kann entweder durch das Wirkmedium oder von außen bereitgestellt werden.
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Wenn die Energie vom Wirkmedium aufgebracht
wird, wird die für
die erforderliche Temperaturänderung
des Steuer- und/oder Regelelementes notwendige Wärme vom Wirkmedium auf das
Steuer- und/oder Regelelement übertragen.
In diesem Fall dient das Steuer- und/oder Regelelement auch als
Temperaturfühler,
der bei einer entsprechenden Temperaturänderung mit der gewünschten
Gefügeumwandlung
reagiert.
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Die zur Steuerung erforderliche Temperaturänderung
kann auch von außen über eine
externe Wärmequelle
erfolgen, die mit dem Steuer- und/oder Regelelement zusammenwirkt.
Diese Wärmequelle kann
beispielsweise eine Konvektions- oder Strahlungsheizung sein. Auf
diese Weise kann im Wesentlichen unabhängig von der Temperatur des
Mediums die Formänderung
des Steuer- und/oder Regelelementes bewirkt werden.
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Wenn dem Steuer- und/oder Regelelement der
Einwegeffekt antrainiert ist, kann eine externe Kraftquelle vorgesehen
sein, die nach der temperaturinduzierten Formänderung eine gewünschte reversible
Verformung des Steuer- und/oder Regelelementes mechanisch aufbringt.
Es ist aber auch denkbar, dass beispielsweise durch eine Druckerhöhung des
Fließmediums
im Bereich des Steuer- und/oder Regelelementes die gewünschte reversible
Verformung des Steuer- und/oder Regelelementes erzeugt wird, das
dann für
eine temperaturinduzierte Formänderung
bereitsteht. In diesem Fall kann die externe Kraftquelle entfallen.
Ein derartiges Steuer- und/oder Regelelement ist beispielsweise
zur Regelung viskoser Flüssigkeiten,
bei denen höhere
Kräfte
aufgebracht werden müssen,
besonders geeignet.
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Die für das Antrainieren des jeweiligen
Formgedächtniseffektes
notwendigen Verformungs- und Wärmezyklen
richten sich nach dem verwendeten Formgedächtniswerkstoff sowie nach
den gewünschten
Geometrieeigenschaften des Steuer- und/oder Re gelelementes, die
das Steuer- und/oder Regelelement in der jeweiligen Steuer- bzw.
Regelsituation aufweisen soll.
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Zur Herstellung des Steuer- und/oder
Regelelementes wird eine vorgegebene Form mit gepressten Kugeln,
deren Kugeldurchmesser sich nach der Porosität der zu erzeugenden Waben-
bzw. Schaumstruktur richtet, aufgefüllt. Ein möglicher Kugeldurchmesser beträgt 2 mm
bis 4 mm. Größere oder
kleinere Kugeldurchmesser können
in Abhängigkeit
von der angestrebten Porösität und der
dadurch einstellbaren Mediendurchlässigkeit des Formkörpers verwendet
werden.
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Die mit den gepressten Kugeln aufgefüllte Form
wird dann mit einem leicht flüssigen,
aushärtbaren
Bindemittel verfüllt.
Daraufhin wird die schmelzflüssige
Formgedächtnislegierung
in diese Form unter Auflösung
des genannten Bindemittels vergossen. Nach der Erstarrung der Formgedächtnislegierung
werden die Kugeln mittels Ultraschall in einem flüssigen Medium
bzw. in einem trockenen Medium, wenn die Kugeln aus gepresstem Formsand
bestehen, entfernt. Die auf diese Weise erzeugte Wabenstruktur der
drucklos vergossenen Formgedächtnislegierung
wird aufgrund ihrer hohen Porosität als offenporiger Metallschaum
bezeichnet. Zur Verhinderung schädlicher
Oxidationen, die die mechanischen Eigenschaften der Gusslegierungen
beeinflussen können,
kann das Verfahren unter einer geeigneten Atmosphäre, d.h.
unter Schutzgas, durchgeführt
werden.