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Die Erfindung betrifft ein mediendurchströmtes Rohr welches ein Steuer- und/oder Regelelement aufweist 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 verformt. 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, unverformten 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 verformten Zustand durch entsprechende Temperaturänderung wechseln. Der Werkstoff erinnert sich somit sowohl an den ursprünglichen als auch an den verformten 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 Verformungszuständen 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 erforderlich 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 mit Hilfe der bekannten Formgedächtnis-Stellelementen betätigt werden, da das Formänderungsvermögen 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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Die Druckschrift
US 4,553,393 zeigt einen mechanischen Aktuator, der im Wesentlichen aus einer Mehrzahl von Formgedächtniswerkstoffelementen aufgebaut ist. Diese Formgedächtniswerkstoffelemente verändern entsprechend der zugrunde liegenden Anregung ihre Form in vorgegebener Weise und arbeiten demgemäß als Schalter, um einen Stromkreislauf mechanisch zu schalten.
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Gemäß der Druckschrift
DE 6 89 20 247 T2 ist es grundsätzlich gekannt, Formgedächtniswerkstoff als Polymerschaumkörper herzustellen, die gemäß ihrer charakteristischen Eigenschaften, wie Elastizität, Wärmedämmung und dergleichen, eingesetzt werden. Hierbei ist die geringe Dichte von Schaumwerkstoffen besonders vorteilhaft. Die geringe Dichte ist beim Transport von geschäumten Formkörpern dahingehend nachteilig, da diese sperrig sind und das mögliche Transportgewicht pro Transporteinheit nicht ausnützen. Es wird daher vorgeschlagen, die Werkstücke in einem deformierten bzw. komprimierten Zustand zu transportieren und anschließend am Verwendungsort durch den Formgedächtniseffekt in die gewünschte Form zurückzuführen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein mediendurchströmtes Rohr welches ein Steuer- und/oder Regelelement aufweist, 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 mediendurchströmtes Rohr mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.
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In verfahrenstechnischer Hinsicht wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen eines Steuer- und/oder Regelelementes mit den Merkmalen des Patentanspruchs 22 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.
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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 Verformungszuständen 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 erforderlich, Stellelemente 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 Temperaturfühler, 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 erforderliche 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 Steuer- und/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 Steuer- und/oder Regelelement mit Sensor-, Aktor-, Schalter- oder Federfunktion 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 Steuer- und/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 unterschiedlichen 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 Verformungskraft 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 verformt werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Schritte: Auffüllen einer Form mit einer Vielzahl von Füllkörpern; Verfüllen 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 Verfahren 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 Verfahrens 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 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 Erfindung 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 tmperatur- und/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 Korrosionsbeständigkeit 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 vorteilhaft 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 Regelelementes, 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.
