DE112007000934T5

DE112007000934T5 - Durch aktives Material betätigte Lüftungsvorrichtungen und Verwendungsverfahren

Info

Publication number: DE112007000934T5
Application number: DE112007000934T
Authority: DE
Inventors: Alan L. Grosse Pointe Browne; Robin Bloomfield Stevenson; Nancy L. Northville Johnson; Nilesh D. Ann Arbor Mankame; Xiukie Troy Gao; Paul W. Ypsilanti Alexander; James Berkeley Bloomsburgh; John St. Clair Shores Czoykowski; Neal Onsted Parsons; Jason R. Southfield Spenny
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-04-13
Filing date: 2007-04-13
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2027-04-14
Also published as: US20070243810A1; WO2007121335A3; CN101460325A; CN101460325B; DE112007000934B4; US7597616B2; WO2007121335A2

Abstract

Lüftungsvorrichtung, umfassend:
einen Flügel, der zur räumlichen Bewegung ausgestaltet ist;
und
zumindest einen Aktor in Wirkverbindung mit dem Flügel, der ausgestaltet ist, um den Flügel in zumindest einer Richtung räumlich zu bewegen, wobei der Aktor ein aktives Material umfasst, das ausgestaltet ist, um bei Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung zumindest einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung zumindest einer Eigenschaft bewirkt, dass eine Orientierung des Flügels selektiv verändert wird.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen Lüftungsvorrichtungen und Verfahren zum Steuern von Lüftungsvorrichtungen, wie etwa jene, die bei Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen verwendet werden. Diese Offenbarung richtet sich im Besonderen an Lüftungsvorrichtungen mit aktiven Materialien.
Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen, wie etwa jene, die in einem Kraftfahrzeug zu finden sind, umfassen üblicherweise mehrere Lüftungsvorrichtungen zum Steuern der Luftverteilung. Kraftfahrzeuglüftungsvorrichtungen weisen im Allgemeinen zwei Sätze aus parallelen Flügeln auf, wobei jeder Satz aus Flügeln senkrecht zu dem anderen steht, so dass im Inneren des Fahrzeugs ein Satz die horizontale Verteilung der Luftströmung beeinflusst, und der andere Satz die vertikale Verteilung der Luftströmung beeinflusst. Der Fahrzeugführer oder die Fahrgäste können die Orientierung der Flügel mittels eines Schiebehebels, Knopfes, Schwenkmechanismus oder dergleichen von Hand einstellen. Jedoch kann eine derartige manuelle Betätigung für manche Fahrer (aufgrund des Alters, von Krankheiten und dergleichen) schwierig sein und die Aufmerksamkeit von der Strasse weglenken.
Dementsprechend gibt es einen Bedarf nach verbesserten Lüftungsvorrichtungen und Verfahren zum automatischen Steuern der Lüftungsvor richtungen, so dass eine erhöhte Bequemlichkeit und Zugänglichkeit für Fahrzeugbenutzer erreicht werden kann.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Hierin sind durch aktives Material betätigte Lüftungsvorrichtungen gemäß beispielhaften Ausführungsformen offenbart. In einer Ausführungsform umfasst eine Lüftungsvorrichtung einen Flügel, der zur räumlichen Bewegung ausgestaltet ist, und zumindest einen Aktor in Wirkverbindung mit dem Flügel, der ausgestaltet ist, um den Flügel in zumindest einer Richtung schwenkbar zu bewegen, wobei der Aktor ein aktives Material umfasst, das ausgestaltet ist, um bei Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung zumindest einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung zumindest einer Eigenschaft bewirkt, dass eine Orientierung des Flügels selektiv verändert wird.
Ein Verfahren zum Steuern einer Bedingung einer Luftströmung in einem Fahrzeug umfasst, dass ein aktives Material in einem Aktor in Wirkverbindung mit einem Flügel, der für eine räumliche Bewegung ausgestaltet ist, aktiviert wird, wobei das aktive Material ausgestaltet ist, um bei Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung einer Eigenschaft bewirkt, dass eine Orientierung des Flügels selektiv verändert wird; und die Orientierung des Flügels verändert wird.
In einer anderen Ausführungsform umfasst eine Lüftungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeuglüftungssystem zumindest einen Flügel, der für eine Schwenkbewegung ausgestaltet ist, zumindest einen Aktor in Wirkverbindung mit dem Flügel, der ausgestaltet ist, um den Flügel in mehreren Richtungen räumlich zu bewegen, wobei der Aktor zumindest ein Formge dächtnislegierungselement umfasst, das ausgestaltet ist, um bei Empfang eines Wärmesignals eine Zusammenziehung in einer Längenabmessung zu erfahren, wobei die Zusammenziehung in einer Längenabmessung bewirkt, dass eine Orientierung der zwei oder mehr Flügel selektiv verändert wird, eine Wegstreckeneinstellvorrichtung in Wirkverbindung mit der Formgedächtnislegierung, die ausgestaltet ist, um eine Überlastung der Formgedächtnislegierung zu verhindern, eine Prallplatte in Wirkverbindung mit dem Flügel und dem Aktor, wobei die Prallplatte eine zweite Formgedächtnislegierung und einen Rückstellmechanismus umfasst, wobei die zweite Formgedächtnislegierung ausgestaltet ist, um bei Empfang eines zweiten Wärmesignals eine Zusammenziehung in einer Längenabmessung zu erfahren, wobei die Zusammenziehung in einer Längenabmessung bewirkt, dass die Prallplatte von einer verstauten Position in eine entfaltete Position überführt wird, und der Rückstellmechanismus ausgestaltet ist, um die Prallplatte in die verstaute Position zurückzuführen, und eine Aktivierungsvorrichtung, die ausgestaltet ist, um ein ausgewähltes oder beide von den ersten und zweiten Wärmesignalen bereitzustellen.
Die oben beschriebenen und weiteren Merkmale werden durch die folgenden Figuren und die ausführliche Beschreibung beispielhaft ausgeführt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nun unter Bezugnahme auf die Figuren, die beispielhafte Ausführungsformen sein sollen, und wobei ähnliche Elemente gleich nummeriert sind ist:
1 eine schematische Darstellung einer durch aktives Material betätigten Lüftungsvorrichtung;
2 eine schematische Darstellung eines Aktors mit aktivem Material;
3 eine schematische Darstellung des Aktors von 2 im Betrieb;
4 eine schematische Darstellung von Prallplatten in einer Lüftungsvorrichtung; und
5 eine schematische Darstellung einer durch aktives Material betätigten Prallplatte.
Ausführliche Beschreibung
Hierin werden Lüftungsvorrichtungen und Verfahren zu deren Verwendung beschrieben. Im Gegensatz zu existierenden Lüftungsvorrichtungen sind die hierin offenbarten Lüftungsvorrichtungen vorteilhaft selbsttätig antreibend, was bedeutet, dass sie nicht von Hand eingestellt werden müssen. Die vorliegende Offenbarung umfasst darüber hinaus Lüftungsvorrichtungen, die aktive Materialien anwenden. Darüber hinaus offenbart die vorliegende Druckschrift weitere Verfahren für eine durch aktives Material betätigte Steuerung der Verteilung (Durchflussmenge und/oder -richtung) von Luft, die aus der Lüftungsvorrichtung, wie etwa in Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen, die in einem Fahrzeug, einer Wohnung oder einem Büro zu finden sind, ausgestoßen wird. Vorteilhaft kann der zum Einstellen der Lüftungsvorrichtung erforderliche Kraftaufwand für Benutzer aller Altersgruppen, körperlicher Zustände und Staturen wesentlich vermindert werden. Gemäß einem anderen vorteilhaften Merkmal kann die Orientierung der Flügel in den Lüftungsvorrichtungen auch in dem Fall eines Stromausfalls oder wenn der Benutzer der Lüftungsvor richtung eine Einstellung von Hand bevorzugt, von Hand gesteuert werden. Der Ausdruck "aktives Material", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich im Allgemeinen auf Material, dass bei Anlegen eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft, wie etwa einer Kristallstruktur, einer Materialmorphologie, einer Abmessung, einer Form, einer Phase, einer Orientierung, eines Moduls, einer Steifigkeit und dergleichen, zeigt. Geeignete aktive Materialien umfassen, ohne Einschränkung, Formgedächtnislegierungen (SMA) ferromagnetische Formgedächtnislegierungen (MSMA), Formgedächtnispolymere (SMP), piezoelektrische Materialien, elektroaktive Polymere (EAP), magnetorheologische (MR) Materialien (die Fluide, imprägnierte Schäume & Elastomere umfassen) elektrorheologische (ER) Materialien (die Fluide, imprägnierte Schäume & Elastomere umfassen), und dergleichen. Abhängig von dem besonderen aktiven Material kann das Aktivierungssignal die Form, ohne Einschränkung, eines elektrischen Stromes, eines elektrischen Feldes (Spannung), einer Temperaturänderung, eines elektromagnetischen Feldes, eines optischen Signals, eines schwingenden Signals, eines akustischen Feldes, einer mechanischen Belastung oder Spannung und dergleichen annehmen.
Auch bezeichnen die Ausdrücke "erster", "zweiter" und dergleichen, so wie sie hierin verwendet werden, keine Reihenfolge oder Bedeutung, sondern werden vielmehr dazu verwendet, ein Element von dem anderen zu unterscheiden, und die Ausdrücke "der", "die", "das", "ein", "eine", "einer" und "einen" bezeichnen keine Beschränkung der Menge, sondern bezeichnen vielmehr das Vorhandensein zumindest eines genannten Gegenstandes. Der Modifikator "etwa", der in Verbindung mit einer Menge verwendet wird, ist einschließlich des angeführten Wertes und hat die durch den Kontext vorgegeben Bedeutung (z. B. einschließlich des zur Messung der besonderen Größe gehörten Grades eines Fehlers). Darüber hinaus sind alle hierin offenbarten Bereiche einschließlich der Endpunkte und unabhängig kombinierbar.
Eine beispielhafte Lüftungsvorrichtung ist in 1 gezeigt und allgemein mit Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Die Lüftungsvorrichtung 10 umfasst einen (d. h. zumindest einen) Flügel, der für eine räumliche (z. B. Schwenk-)Bewegung ausgestaltet ist. Wie es in dieser Figur gezeigt ist, umfasst die Lüftungsvorrichtung 10 einen Satz aus im Wesentlichen parallelen Flügeln 16. In Wirkverbindung mit dem Satz aus parallelen Flügeln 16 steht ein Aktor 12. Bei Empfang eines Aktivierungssignals von einer Aktivierungsvorrichtung 18 bewirkt der Aktor 12 eine Änderung der Orientierung des Satzes aus zwei oder mehr Flügeln 16, was zu einer Änderung einer Bedingung einer Luftströmung aus der Lüftungsvorrichtung 10 führt. So wie er hierin verwendet wird, soll der Ausdruck "Bedingung" allgemein, ohne Einschränkung, eine Durchflussmenge, eine räumliche Verteilung, ein Volumen, eine Geschwindigkeit, eine Temperatur und dergleichen bedeuten.
Wahlweise kann die Lüftungsvorrichtung 10 einen zweiten Satz aus im Wesentlichen parallelen Flügeln 19 aufweisen. In einer Ausführungsform, wie sie in 1 zu sehen ist, steht der zweite Satz aus Flügeln 19 senkrecht zu dem ersten Satz aus Flügeln 16. Der zweite Satz aus Flügeln 19 steht in Wirkverbindung mit einem zweiten Aktor 14, der ausgestaltet ist, um bei Empfang eines Aktivierungssignals von der gleichen Aktivierungsvorrichtung 18 oder einer zweiten Aktivierungsvorrichtung (die nicht gezeigt ist) eine Änderung der Orientierung des zweiten Satzes aus Flügeln 19 zu bewirken.
Der Aktor 12 (und/oder 14) kann ein elektromechanischer Aktor, ein Getriebe oder ein auf aktivem Material beruhender Aktor sein. In Kraftfahr zeuganwendungen, bei denen der Raum begrenzt ist, ist es erwünscht, dass der Aktor 12 und die Aktivierungsvorrichtung 18 hinreichend klein sind, so dass sie die Größe der gesamten Lüftungsvorrichtung 10 nicht wesentlich erhöhen. Darüber hinaus ist es auch erwünscht, dass der Aktor 12 auf eine ruhige Weise betreibbar ist. Dementsprechend umfasst der Aktor 12 in einer beispielhaften Ausführungsform ein aktives Material.
Ein beispielhafter Aktor 12 mit aktivem Material ist in 2 gezeigt. Obwohl Bezug auf SMA genommen wird, ist zu verstehen, dass jedes oben beschriebene aktive Material verwendet werden kann, entweder an sich oder in Kombination mit anderen Materialien. Darüber hinaus werden nachstehend ausführliche zusätzliche Informationen hinsichtlich der Arbeitsweise und der Eigenschaften jedes oben aufgelisteten aktiven Materials beschrieben. Der Aktor 12 steht mit den Flügeln 16 in Wirkverbindung und ist ausgestaltet, um die Flügel in mehrere Richtungen, was das Öffnen und Schließen der Lüftungsvorrichtung 10 umfasst, zu bewegen. Der Flügel 16 kann durch einen Flügel 40 von Hand betätigt werden, der auch bewirkt, dass die Flügel 16 bewegt werden, indem die Rillenscheibe 34, mit der die Flügel 16 verbunden sind, gedreht wird.
Der Aktor 12 ist in der Lage, die Flügel 16 unter Verwendung von zwei Sätzen aus antagonistisch ausgestalteten Teilaktoren schwenkbar zu bewegen, wobei jeder Satz davon zumindest zwei binäre Teilaktoren 20, 22, 24 und 26 umfasst. Jeder binäre Teilaktor kann unabhängig oder synchron mit einem oder mehreren der anderen Teilaktoren aktiviert oder deaktiviert werden. In dieser Ausführungsform sind die binären Teilaktoren 20, 22, 24, 26 jedes antagonistischen Satzes mechanisch miteinander in Reihe geschaltet. Ein funktional binärer Teilaktor weist nur zwei Positionen auf, die er wiederholbar erreichen kann, wobei in diesem Fall die Teilaktoren wiederholt zwischen nur zwei Längen übergehen können. Zu Dar stellungszwecken werden SMA-Drähte als die binären Teilaktoren dienen. Die SMA-Drähte 20 und 22 befinden sich in ihrer Phase mit niedriger Steifigkeit, sind in der vollständig verzwillingten Martensitphase (M⁺ = M^–) und weisen eine charakteristische Länge L auf, die leicht gestreckt werden kann, und sind als eine wellige federartige Linie gezeigt. Die SMA-Drähte 24 und 26 befinden sich in der vollständig entzwillingten Martensitphase (M⁺) oder teilweise entzwillingten Martensitphase (M⁺ > M^–) und weisen eine charakteristische Länge L' (> L) auf. Die SMA-Drähte 24 und 26 erfordern daher eine größere Kraft zur Streckung und sind als gerade Linien gezeigt.
Wegstreckeneinstellvorrichtungen 28 stehen in Wirkverbindung mit den SMA-Drähten und sind ausgestaltet, um die Ausdehnung und Zusammenziehung der SMA-Drähte zu begrenzen und um eine Überlastung und/oder Überdehnung der Drähte zu verhindern, indem die Dehnung und/oder Kraft, die von den Drähten erfahren wird, auf zulässige Werte begrenzt wird/werden. Darüber hinaus stellen die Wegstreckeneinstellvorrichtungen 28 eine präzise Einstellbarkeit für die Wegstreckenlänge der SMA-Drähte bereit. Die Wegstreckeneinstellvorrichtungen umfassen ferner einen Verbindungswulst 28b und einen Überlastschutz- und Wegstreckeneinstellvorrichtungsrahmen 28c. Die SMA-Drähte 20 und 22 sind an einem Ende in Position gehalten, indem sie an einer feststehenden Oberfläche 44 befestigt sind. An dem entgegengesetzten Ende sind die SMA-Drähte 20 und 22 jeweils mit den SMA-Drähten 24 bzw. 26 durch Verbindungselemente 30 verbunden. Die Verbindungselemente 30 können jegliche Elemente sein, die zum Verbinden der zwei Sätze aus SMA-Drähten geeignet sind, wie etwa, ohne Einschränkung, Stahl- oder Kevlar-Drähte, Crimpe oder dergleichen. Jedes Verbindungselement kann konstruiert sein, um die Teilaktoren, die es verbindet, voneinander und dem Rahmen/Erde thermisch und/oder elektrisch zu isolieren. Ein zusätzli ches Verbindungselement 30 ist um eine Rillenscheibe 34 gewickelt, die mit einem Ritzel 36 in Verbindung steht. Das Ritzel 36 treibt ein Zahnrad 38 an, das mit einem Hebel 40 in Wirkverbindung steht. Die SMA-Drähte können den Hebel 40 in jede der Richtungen antreiben, wie etwa die drei dargestellten: Mitte (durchgezogene Linie), links (gestrichelte Linie) oder rechts (gestrichelte Linie). Der Aktor 12 steht mit dem Satz aus Flügeln 16 der Lüftungsvorrichtung 10 bei 42 in Wirkverbindung.
Das "Getriebe", das durch die Kombination aus dem Flügel 40, dem Zahnrad 38, dem Ritzel 36 und der Rillenscheibe 34 gebildet ist, ist derart konstruiert, dass ein manueller Kraftaufwand (F), der an dem Ende des Flügels 40 aufgebracht wird, das Getriebe rückwärts antreiben kann, um ein Strecken der SMA-Drähte 20 und 22 mit einer Kraft zu bewirken, deren Größe mit dem Kraftaufwand vergleichbar ist, der erforderlich ist, um den Hebel bei Fehlen der SMA-Drähte von Hand zu betätigen. Dies verleiht dem Aktor 12 bei einem Lastniveau eine sogenannte "Rückantriebsfähigkeit", die ein leichtes Übergehen der SMA-Drähte von Hand zulässt, vorausgesetzt, dass keiner der SMA-Drähte während des Übergehens von Hand aktiviert ist.
3 veranschaulicht einen Aktor 12 in der Mittelposition (wie sie in 3(a) gezeigt ist) und der linken Position (wie sie in 3(b) gezeigt ist). Der Einfachheit halber sind die Handbetätigungsbauteile, d. h. Ritzel 36, Zahnrad 38 und Hebel 40 entfernt worden. In der Mittelposition sind die Gesamtlänge der beiden SMA-Drähte 20–24 und 22–26 auf jeder Seite der Rillenscheibe 34 gleich L plus L'. Die SMA-Drähte sind ausgestaltet, um eine kleine Vordehnung ε₀ gemäß der Länge L zu besitzen; und eine Dehnung ε gemäß der Länge L', wobei ε größer als ε₀ ist. Um die Rillenscheibe 34 in die linke Position (die an der Rillenscheibe 34 durch die gestrichelte Linie in 3(a) und die durchgezogene Linie in 3(b) ange geben ist) zu drehen, werden die SMA-Drähte 20 und 24 über die Austenitendtemperatur erwärmt. Die SMA-Drähte können unabhängig oder zusammen unter Verwendung des gleichen Wärmesignals (d. h. Aktivierungsvorrichtung 18) erwärmt werden. In dem SMA-Draht 20 wird keine Änderung bewirkt, da er sich bereits in seiner vollständig zurückgezogenen Länge befindet. Jedoch erfährt der SMA-Draht 24 eine Transformation von der M⁺-Phase in seiner Austenitphase. Eine Dehnungswiederherstellung wird in dem SMA-Draht 24 erzeugt, die bewirkt, dass sich der SMA-Draht in einer Längenabmessung von L' zu L zusammenzieht. Die Kraft der Dehnungswiederherstellung bewirkt, dass der SMA-Draht 22 sich in der M^+/–-Phase von der Länge L zu L' streckt. Nun beträgt die Gesamtlänge der SMA-Drähte 22 und 26 2L'. Dies ist größer als die Gesamtlänge der SMA-Drähte 20 und 24, die 2L beträgt. Da die Mitte der Rillenscheibe 34 in einem festen Abstand von der Oberfläche 44 verbleibt, muss sich die Rillenscheibe 34 in die linke Position drehen.
Nach der Drehung von der Mittelposition in die linke Position werden die SMA-Drähte 20 und 24 herunter auf unter die Martensitendtemperatur abgekühlt, wo sie in die M^+/–-Phase zurückkehren. Die Rillenscheibe 34, und folglich der Satz aus Flügeln 16, wird in der linken Position bleiben, bis eine weitere Änderung der Orientierung durch irgendeinen der SMA-Drähte oder durch einen Kraftaufwand von Hand an dem Hebel 40 eingeleitet wird. Auf diese Weise weist der Aktor 12, und schließlich die Lüftungsvorrichtung 10, eine sogenannte "Halteeinrichtung im ausgeschalteten Zustand" auf.
Um von der linken Position in die Mittelposition zurückzukehren, können die SMA-Drähte 20 und 22 über die Austenitendtemperatur erwärmt werden. In dem SMA-Draht 20 wird keine Änderung bewirkt, da er sich bereits in der vollständig zurückgezogenen Position befindet. Jedoch erfährt der SMA-Draht 22 eine Transformation von der M⁺-Phase in die Austenitphase. Eine Dehnungswiederherstellung wird in dem SMA-Draht 22 erzeugt, die bewirkt, dass der SMA-Draht 22 sich in einer Längenabmessung von L' zurück zu L zusammenzieht. Die Kraft der Dehnungswiederherstellung bewirkt, dass der SMA-Draht 24 sich in der M^+/–-Phase von der Länge L zu L' streckt. Nun ist die Gesamtlänge der SMA-Drähte 22 und 26 gleich der Gesamtlänge der SMA-Drähte 20 und 24. Da die Mitte der Rillenscheibe 34 in einem festen Abstand von der Oberfläche 44 verbleibt, muss die Rillenscheibe 34 wieder von der linken Position in die Mittelposition rotieren.
Um von der Mittelposition in die rechte Position (die nicht gezeigt ist) zu rotieren, müssen die SMA-Drähte 22 und 26 über die Austenitendtemperatur erwärmt werden. Konzeptionell ist dies symmetrisch zu der Drehung von der Mittelposition in die linke Position. Um schließlich von der rechten Position in die Mittelposition zurückzukehren, müssen die SMA-Drähte 20 und 22 über die Austenitendtemperatur erwärmt werden. Konzeptionell ist diese Drehung von der rechten Position in die Mittelposition symmetrisch zu der Drehung von der linken Position in die Mittelposition. Außerdem bewirkt die Änderung einer Eigenschaft der aktiven Materialien (in diesem Fall der SMA-Drähte) in dem Aktor 12, dass sich die Orientierung der Flügel 16 ändert, wodurch die horizontale Richtung der Luftströmung verändert wird. Ähnlich bewirkt die Änderung einer Eigenschaft der SMA-Drähte in dem Aktor 14, dass sich die Orientierung der Flügel 19 verändert, wodurch die vertikale Richtung der Strömung verändert wird. In einer Kraftfahrzeugausführungsform kann die Richtung eines ausgewählten der Flügel 16 und 19 bewirken, dass die Luft auf eine vertikale Weise, d. h. in Richtung des Fahrgastraumdaches, neutral oder in Richtung des Fahrzeugbodens gelenkt wird. Ähnlich kann die Richtung des entgegengesetzten ausgewählten der Flügel 16 und 19 bewirken, dass die Strömung auf horizontale Weise, d. h. nach links, in die Mitte oder nach rechts von einem Beifahrer und/oder einem Fahrer gelenkt wird.
Das obige Konzept verwendet vier Teilaktoren, von denen jeder nur zwei Positionen wiederholbar erreichen kann, um die Lüftungsvorrichtung auf der Basis aktiven Materials auf drei unterschiedlichen Wegen ohne die Notwendigkeit einer Regelung wiederholbar zu positionieren. Die Teilaktoren sind in zwei antagonistischen Gruppen angeordnet, wobei jede Gruppe zwei Teilaktoren umfasst, die mechanisch in Reihe geschaltet sind. Das Aktivieren eines Teilsatzes aus diesen Aktoren in einer spezifischen Abfolge ermöglicht es, dass der Flügel auf drei unterschiedlichen Wegen positioniert werden kann. Diese Ausführungsform kann verallgemeinert werden, um weniger oder mehr Positionen zu erreichen, indem die Anzahl von Teilaktoren in jeder Gruppe und die Abfolge der Aktivierung verändert werden. Obgleich SMA-Drähte verwendet wurden, um das Konzept zu veranschaulichen, kann jedes andere aktive Material (z. B. EAP, piezoelektrische Materialen und dergleichen) verwendet werden, um die SMA-Drähte in dem obigen Konzept ohne Verlust von Funktionalität zu ersetzen.
Die Verwendung der Wegstreckeneinstellvorrichtungen 28 sorgt dafür, dass jeder der SMA-Drähte wiederholbar zyklisch zwischen zwei Konfigurationen von Längen L bzw. L' pendeln kann, ohne eine Regelung oder irgendeine vorhergehende thermomechanische Verarbeitung der SMA zur Einleitung einer festgelegten Vordehnung in den Draht zu erfordern. Ein weiterer Vorteil der Verwendung der Wegstreckeneinstellvorrichtungen 28 ist, dass die Arbeitswegstrecke jedes SMA-Drahtes auf einen Bruchteil seines maximalen Betriebsbereiches begrenzt werden kann (z. B. ε = 0–10 Prozent). Da die Lebensdauer des SMA-Aktors mit zunehmender auferlegter Dehnung signifikant abnimmt, erlauben es die Wegstreckeneinstellvorrichtungen dem Konstrukteur, eine Wegstrecke zu wählen, die die ge wünschte Lebensdauer sicherstellt. In dieser Ausführungsform wird die Wegstreckeneinstellvorrichtung dazu verwendet, die Länge des Drahtes einzuschränken, so dass sie zwischen L und L' liegt. Beispielsweise können die Wegstreckeneinstellvorrichtungen 28 eine Überlastung und/oder eine Überdehnung des aktiven Materials verhindern, so dass, wenn die SMA-Drähte durch einen unerwünschten Stimulus aktiviert werden, keine übermäßige Dehnung an den SMA-Drähten erfahren wird, wenn sie anschließend durch die Aktivierungsvorrichtung 18 aktiviert werden.
3(c) veranschaulicht ferner eine beispielhafte Ausführungsform einer Wegstreckeneinstellvorrichtung 50. Die Ausdehnungswegstreckeneinstellvorrichtung 52 und die Zusammenziehungswegstreckeneinstellvorrichtung 54 sind in dieser Ausführungsform in einem einzigen Element kombiniert. Die Aktordrähte 56 sind durch Löcher in der Wegestreckenbegrenzungsvorrichtung 58 geführt, und der Wulst 60 dient dazu, das Ende der Aktordrähte 56 zwischen den Rückhalteelementen 62 und 63 der Wegestreckenbegrenzungsvorrichtung 58 zurückzuhalten.
Die hierin offenbarte Wegstreckeneinstellvorrichtung 50 umfasst ein elastisches Element 64, das mechanisch parallel zu den Aktordrähten 56 liegt. Wenn das elastische Element 64 mit Kompression belastet ist, d. h. wenn der zugehörige SMA-Draht versucht, die Länge kürzer als L zu schrumpfen, ist die anfängliche Steifigkeit des elastischen Elements 64 größer als die Steifigkeit des aktivierten, sich in der A-Phase befindenden Aktordrahtes 56. Dies dient dazu, die Zusammenziehung des Drahtes festzuhalten. Wenn die Zusammenziehungswegstrecke des Drahtes 56 durch das elastische Element 64 begrenzt ist, steigt die von dem Element getragene Last an, bis eine Spitzenlast (F_max ≤ F_gesamt) erreicht ist, welche die Maximallast ist, die von dem Draht 56 sicher ausgeübt werden kann. Wenn das an den SMA-Draht angelegte Aktivierungssignal so hoch ist, dass die Kraft in die sem F_max übersteigen kann, strebt die Wegstreckeneinstellvorrichtung 50 an, den Schaden an dem Draht zu minimieren, indem dessen Steifigkeit abrupt verringert wird. Dies wird erreicht, indem das elastische Element 64 in seiner elastischen Antwort bei einer Last von F_max einen Grenzschwellenwert durchläuft, der bewirkt, dass seine Steifigkeit entweder konstant bleibt oder abnimmt, wie es in 3(d) gezeigt ist. Somit ist das elastische Element 64 in der Lage, die maximale Last, die von dem Aktordraht 56 getragen wird, auf F_max zu begrenzen.
Die Steifigkeit der Wegstreckeneinstellvorrichtung 50 unter Zug ist viel höher als die des aktivierten SMA-Drahtes, und dient dazu, einen harten Anschlag gegen eine Ausdehnung des Drahtes über die Länge L' hinaus bereitzustellen. Die Ausdehnungswegstreckeneinstellvorrichtung 52 erfordert keinen Überlastschutzmechanismus wie in dem Zusammenziehungsfall, aber gegebenenfalls kann der gleiche Mechanismus zu diesem Zweck angepasst werden.
Die Positionen, die den Längen L und L' entsprechen, können unter Verwendung von Schrauben 66 genau eingestellt werden, die zentrale Löcher aufweisen, durch die der Draht 56 geführt ist, wie in 3(e) gezeigt ist. Die Schrauben 66 sind in das elastische Element 64 geschraubt und die Position ihrer Köpfe 68, die an der Crimpung 60 anliegen, kann relativ zu dem elastischen Element 64 bewegt und am Ort verriegelt werden. Ein anderer praktischer Vorteil der Verwendung einer Wegstreckeneinstellvorrichtung ist, dass sie dazu verwendet werden kann, Fertigungsschwankungen zu kompensieren, z. B. den Durchhang in dem Aktordraht 56 auszugleichen, der sonst auf die exakte erforderliche Größe geschnitten werden müsste.
Eine Alternative für die oben beschriebenen durch aktives Material betätigte Lüftungsvorrichtung und Teilaktoren kann ein oder mehrere SMA-Aktorelemente umfassen, die in einer antagonistischen Weise oder in einer einer Rückstellkraft entgegenwirkenden Weise verwendet werden, wie die, die durch eine Vorspannfeder ausgeübt wird, um einen Flügel in mehrere Positionen zu bewegen. In dieser Ausführungsform wird die reversible Positionierung der durch aktives Material betätigten Lüftungsvorrichtung unter Verwendung einer Regelung erreicht.
Der Ausdruck "Aktivierungsvorrichtung" soll allgemein eine Vorrichtung bedeuten, die in der Lage ist, das Aktivierungssignal zu erzeugen, das beispielsweise in Ansprechen auf entweder einen direkten Befehl oder in Ansprechen auf das Ergebnis der Verarbeitung von Daten, die von einem oder mehreren Sensoren gesammelt werden, gemäß irgendeiner greifbaren Steuerlogik für die Anwendung erzeugt werden kann.
Obgleich der Einfachheit halber Bezug auf Drähte genommen wurde, ist zu verstehen, dass ein Teilaktor jeder Form anstelle eines Drahtes verwendet werden kann. Beispielsweise kann eine Druckfeder anstelle eines Drahtes verwendet werden. Ähnlich kann von dem Aktor 12 anstelle einer Drehbewegung eine Translationsabtriebsbewegung erzeugt werden, um eine Schlitten- und Hebelkombination anstatt einer Rillenscheibe anzutreiben.
Im Betrieb der hierin offenbarten, durch aktives Material betätigten Lüftungsvorrichtung 10 können mehrere Steuerungs- oder Aktivierungsmechanismen verwendet werden. In einer Kraftfahrzeugausführungsform kann der zum Betrieb der einzelnen Lüftungsvorrichtungen 10 verwendete Controller auch dazu verwendet werden, ein zweites funktionelles Fahrzeugbauteil zu steuern, wie beispielsweise die Seitenspiegel. Auf diese Weise kann der Controller in Wirkverbindung mit dem aktiven Material und/oder der Aktivierungsvorrichtung stehen und die Aktoren 12 oder 14 steuern. Beispielsweise kann anstelle eines Zweiwegeschalters, der es dem Fahrer erlaubt, zwischen dem linken und rechten Seitenspiegel umzuschalten, ein Vierwegeschalter eingesetzt werden, der zulässt, dass der Fahrer ebenso einzeln die linke (fahrerseitige) und rechte (beifahrerseitige) Lüftungsvorrichtung 10 steuern kann. Zusätzlich zu dem Schalter sind die einzelnen Benutzer (d. h. Fahrzeugführer und Beifahrer in der Lage, die Konfiguration der Lüftung 10 durch die Verwendung des Hebels 40 von Hand einzustellen.
Mehrere Lüftungsvorrichtungen 10, wie sie hierin beschrieben sind, können gemeinsam gesteuert werden. Genauer kann die Gesamtverteilung von Luft überall in einem Kraftfahrzeug unter Verwendung eines Controllers für die gesamte Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlage synchronisiert und gesteuert werden. In einer Ausführungsform kann ein Schalter, Knopf oder dergleichen verwendet werden, um selektiv ein Aktivierungssignal an den Aktor/die Aktoren 12 (und/oder 14) von spezifischen Lüftungsvorrichtungen 10 in dem Kraftfahrzeug zu senden. Beispielsweise kann der Schalter, Knopf oder dergleichen verwendet werden, um zwischen einer Verteilung von Luft nur zu dem Fahrer, nur zu dem Beifahrer der vorderen Reihe, zu dem Fahrer und Beifahrer der vorderen Reihe, nur zu der hinteren Reihe, nur zu der hinteren Reihe auf der Fahrerseite, nur zu der hinteren Reihe auf der Beifahrerseite, nur zu den Fenstern, nur zu den fahrerseitigen Fenstern, nur zu den beifahrerseitigen Fenstern, gleichermaßen überall in dem Fahrzeug oder nirgendwohin zu verteilen. Zusätzlich kann es eine manuelle Option geben, wobei die Aktivierung der Aktoren 12 und 14 ausgesetzt wird, um für eine Einstellung der einzelnen Lüftungsvorrichtungen 10 von Hand überall in dem Kraftfahrzeug zu sorgen.
Zusätzlich zu Benutzereingaben können die Lüftungsvorrichtungen 10 auch automatisch auf Eingänge von Sensoren ansprechen, die in Wirkverbindung mit der Aktivierungsvorrichtung 18 stehen. Darüber hinaus können die Lüftungsvorrichtungen und die Bedingung der Luftströmung von den Lüftungsvorrichtungen selektiv gesteuert werden und auf bestimmten vorgegebenen automatischen Betriebsmodi beruhen, die in Ansprechen auf eine Eingabe von zumindest einer Informationsquelle eingeleitet werden. Eine Informationsquelle kann beispielsweise einen Eingang von einem Sensor umfassen. Einige Beispiele von vorgegebenen Betriebsmodi können, ohne Einschränkung, umfassen: einen Beschlagsentfernungsmodus, einen Modus einer Umlenkung von Luft zu einem festgelegten Bereich des Fahrzeugs, einen Modus einer Spülung schädlicher Dämpfe, ein Zirkulationsmodus nach einem transienten Zustand, eine Kombination aus diesen Modi und dergleichen. Beispielsweise ist es in einem Kraftfahrzeug erwünscht, Fahrgastrauminnentemperatur- und Außenumgebungstemperatursensoren zu besitzen. Informationen von anderen am Fahrzeug montierten Sensoren oder meteorologische Informationen, die durch Telekommunikation von anderen Fahrzeugen oder Informationsquellen erhalten werden, können auch dazu verwendet werden, die Luftströmung in dem Fahrzeug einzustellen. Auf diese Weise können die Sensoren die Aktivierungsvorrichtung für einen besonderen Aktor aktivieren, sobald eine vorbestimmte Schwellenbedingung erfüllt worden ist, wie sie etwa in Klimasteuerungssystemen verwendet wird.
Zusätzlich können Zeiträume mit transienter Temperatur (d. h. die Zeiträume, während denen eine Änderung der Temperaturbedingung bewirkt wird) gegenüber stationären Bedingungen unterschiedlich angesprochen werden. Als ein Beispiel können die Lüftungsvorrichtungen 10, die am nächsten bei den Insassen liegen, die Luft von dem Insassen weg verteilen, bis die Lufttemperatur über ein ausgewähltes Niveau ansteigt, statt die kalte Luft zu einem Insassen an einem kalten Morgen zu lenken, wenn der Motor kalt ist. Sobald der Schwellenpegel erreicht worden ist, können die Aktoren 12 und 14 für die Lüftungsvorrichtung 10, die am nächsten bei dem Insassen liegen, aktiviert werden, und die Verteilung von Luft kann zu dem Fahrer umgelenkt werden. Alternativ kann eine Zusatzheizung verwendet werden, um die Aufwärmzeit für den Fahrgastraum zu verringern, indem eine Quelle einer schnellen Erwärmung bereitgestellt wird, während der Motor kalt ist.
In einer anderen Ausführungsform könnte verhindert werden, dass Luft in den Innenraum einströmt, bis die Temperatur ein Schwellenniveau erreicht hat. Die Flügel 16 und 19 in den Lüftungsvorrichtungen 10 können sich in einer geschlossenen Position befinden, bis die Luft eine vorbestimmte Mindesttemperatur erreicht. Mit anderen Worten erfolgt keine Aktivierung des aktiven Materials bis eine vorbestimmte Mindesttemperatur erreicht ist, zu welchem Zeitpunkt das Aktivierungsmaterial eine Anderung einer Eigenschaft erfährt, die bewirkt, dass sich die Orientierung der Flügel verändert, wobei die Flügel von einer geschlossenen Position in eine offene Position übergehen. Beispielsweise kann ein SMA-Draht, dessen Aktivierungstemperatur gleich der festgelegten Temperatur ist, und der gegen eine Vorspannfeder wirkt, dazu verwendet werden, das obige Ergebnis zu erreichen. Der SMA-Draht ist der Luft in den Strömungsdurchgängen in der Lüftungsvorrichtung 10 ausgesetzt. Wenn die Temperatur der Luft niedriger als die Aktivierungstemperatur des SMA-Drahtes ist, bewirkt die Vorspannfeder, dass die Lüftungsvorrichtung 10 geschlossen gehalten wird. In einer alternativen Ausführungsform kann ein Lüfter/Gebläse des Zirkulationssystems ausgeschaltet werden, bis die Luft eine festgelegte Temperatur erreicht hat. Beispielsweise kann die Vorspannfeder bewirken, dass der Schalter, der den Lüfter/Gebläse-Schaltkreis schließt, aus gehalten wird. Der SMA-Draht ist durch die Kraft, die durch die Vorspannfeder ausgeübt wird, in seine Martensitphase vorgedehnt. Nachdem die Lufttemperatur über die Aktivierungstemperatur (d. h. die festgelegte Temperatur) ansteigt, erfährt der SMA-Draht eine Phasentransformation, die von einer Wiederherstellung der Vordehnung begleitet wird. Der SMA-Draht und die Vorspannfeder sind derart gewählt, dass die Kraft, die während der Phasentransformation erzeugt wird, ausreicht, um die Kraft zu überwinden, die durch die Vorspannfeder ausgeübt wird, und kann somit dazu verwendet werden, die Lüftungsvorrichtung 10 zu öffnen, oder alternativ den Schalter umzuwerfen, der den Lüfter/Gebläse-Schaltkreis schließt.
Nun unter Bezugnahme auf 4 ist eine andere beispielhafte Ausführungsform einer durch aktives Material betätigten Lüftungsvorrichtung 100 veranschaulicht. Die Lüftungsvorrichtung 100 umfasst vorteilhaft Prallplatten 102, die verwendet werden können, um eine sanfte Zirkulation von Luft in einem Fahrzeugfahrgastraum zu schaffen, ohne Luft direkt ins Gesicht des Fahrers oder Beifahrers zu blasen. Die Prallplatten 102 können ein optionales Bauteil der oben offenbarten Lüftungsvorrichtungen 10 sein, oder sie können alternativ zusätzliche Lüftungsvorrichtungen separat von den Doppelflügellüftungsvorrichtungen umfassen. Wie es in 4(a) gezeigt ist, steht die durch aktives Material betätigte Lüftungsvorrichtung 100 in Wirkverbindung mit einem starren Träger 104, wie etwa dem Armaturenbrett eines Fahrzeugs, und ist ausgestaltet, um mit den funktionell binären Aktoren mit aktivem Material, wie sie oben beschrieben sind, zu funktionieren. In dieser besonderen Ausführungsform wäre nur ein Aktor (der nicht gezeigt ist) notwendig, um die Flügel 106 selektiv auszurichten. In 4(a) ist die Lüftungsvorrichtung 100 mit in der offenen Position befindlichen Flügeln 106 gezeigt, und die Pfeile stellen den Luftströmungsweg aus der Lüftungsvorrichtung 100 heraus dar. Wenn es von den Insassen erwünscht ist, die Luft umzulenken, können die Flügel 106 durch den binären Aktor mit aktivem Material geschlossen werden, und die Prallplatten 102 können von dem starren Träger 104 vorstehen, um den Luftströmungsweg seitlich abzulenken (wie es durch die Pfeile in 4(b) angegeben ist). Die Prallplatten 102 können in vielerlei Verfahren entfaltet werden. In einer Ausführungsform können die Prallplatten 102 fehlerbelastet sein, wie etwa bei einem manuellen oder elektronischen Lösen einer Zurückhaltung, wie etwa einer Verriegelung oder eines Anschlags (nicht gezeigt), wobei die Prallplatten unter der Kraft der Feder herausspringen. In einer solchen Ausführungsform weisen die Federn eine Steifigkeit auf, die hinreichend niedrig ist, um keine Gefahr für Insassen darzustellen, die versehentlich in Kontakt mit der Lüftungsvorrichtung 100 gelangen, wenn sich die Prallplatten 102 entfalten. Alternativ können die Prallplatten 102 konfiguriert sein, um sich zu entfalten, wenn der Druck der Luft, die durch die geschlossene Lüftungsvorrichtung 100 gelangt, ein bestimmtes Niveau erreicht.
In jeder Ausführungsform der Lüftungsvorrichtung 100 können die Prallplatten von Hand in ihrer ursprüngliche (oder verstaute) Position zurückgeführt werden, indem die Platten einfach zurück in den starren Träger 104 geschoben werden und die Rückhaltung umkonfiguriert wird, beispielsweise indem die Prallplatten 102 nach unten zurück verriegelt werden. Alternativ kann ein Aktor 12 mit aktivem Material verwendet werden, um dem Luftdruck oder der Federlast entgegenzuwirken und somit die Prallplatten zurück in die verstaute Position zurückzustellen, wenn ihre Verwendung nicht erforderlich ist.
Nun 5 zugewandt ist eine noch weitere beispielhafte Ausführungsform einer Lüftungsvorrichtung 150, die Prallplatten 152 umfasst, veranschaulicht. In dieser Ausführungsform können die Prallplatten 152 bei Empfang eines Aktivierungssignals durch SMA-Drähte 154 entfaltet werden. Die SMA-Drähte stehen in Wirkverbindung mit den Prallplatten 152 und dem starren Träger 156. Gleichermaßen können die Prallplatten 152 bei Beendigung des Aktivierungssignals durch eine in Wirkverbindung mit den Prallplatten 152 stehende Rückstellfeder 158 verstaut werden. Im Betrieb werden die SMA-Drähte 154, die bei Raumtemperatur martensitisch sind, durch eine elektrische Widerstandsheizung (elektrische Drähte, die nicht gezeigt sind) auf ihren austenitischen Zustand erwärmt, wenn ein Insasse wünscht, dass sich die Prallplatten 152 entfalten sollen. Bei Empfang des Wärmesignals ziehen sich die SMA-Drähte 154 in einer Längenabmessung zusammen. Die Zusammenziehung bewirkt, dass die Rückhaltekraft, die von der Rückstellfeder 158 ausgeübt wird, überwunden wird, und sich die Prallplatten 152 entfalten. In dieser besonderen Ausführungsform müssen dann die SMA-Drähte 154 kontinuierlich erwärmt werden, selbst nachdem die Prallplatten 152 entfaltet worden sind, um eine Umkehr der SMA-Drähte 154 in den weichen, martensitischen Zustand zu verhindern, unter welchem die Rückstellfeder 158 die SMA-Drähte streckt und die Prallplatten 152 in die verstaute Position zurückführen würde. Damit die Prallplatten 152 entfaltet bleiben, selbst wenn das Wärmesignal von dem SMA-Drähten 154 weggenommen wird, sollte ein Verriegelungsmechanismus (der nicht gezeigt ist) verwendet werden. Wenn es erwünscht ist, kann der Verriegelungsmechanismus gelöst werden, und die Rückstellfeder 158 kann die Prallplatten 152 in die verstaute Position zurückführen. Zur Wiederholung werden die Eigenschaften der SMA sowie anderer geeigneter aktiver Materialien nachstehend ausführlicher besprochen. In einer anderen Ausführungsform können die Prallplatten verwendet werden, um ein Blasen kalter Luft direkter in das Gesicht eines Insassen zu vermeiden, bis die Luft eine vorbestimmte Temperatur erreicht, wie es oben beschrieben ist.
Die durch aktives Material betätigten Lüftungsvorrichtungen, wie sie hier offenbart sind, können auch für eine visuelle, hörbare und haptische Wechselwirkung mit dem Fahrer und/oder Fahrgästen verwendet werden. Die durch aktives Material betätigten Lüftungsvorrichtungen können derart betrieben werden, dass die räumliche Verteilung, die Größe (Strömungsgeschwindigkeit und Volumen) und temporäre Schwankungen der Luftdurchsatzrate, die Strömungsrichtung und die Temperatur der strömenden Luft alle dazu verwendet werden können, um einem Fahrer eine spezifische Fahrzeugbedingung anzuzeigen (d. h. alarmieren, informieren oder auf andere Weise kommunizieren). Wenn, beispielsweise in einer Ausführungsform, festgestellt worden ist, dass der Fahrer schläfrig ist (wie es z. B. von verschiedenen Sensoren, die in dem Fahrzeug montiert sind, oder über Informationen, die von einem Telematikdienst, einem Fahrzeugkommunikationsnetz oder dergleichen erhalten werden, abgeleitet werden kann), kann eine stetige oder pulsierende Strömung von Luft mit einer anderen Temperatur (z. B. kälter) als die Umgebungstemperatur in dem Innenraum auf das Gesicht, die Hände oder dergleichen gelenkt werden, um den Fahrer zu alarmieren. In einer anderen Ausführungsform kann eine Luftströmung aus der geeigneten Richtung verwendet werden, um den Fahrer vor einem anderen Fahrzeug in einem besonderen Punkt (z. B. etwa in einem toten Winkel) zu warnen. Wenn der Fahrer beispielsweise beabsichtigt, auf eine neue Spur nach rechts zu wechseln und sich ein zweites Fahrzeug in dem toten Winkel des Fahrers befindet, könnte dann eine Luftströmung aus den durch aktives Material betätigten Lüftungsvorrichtungen von rechts nach links über das Gesicht, die Hände oder dergleichen des Fahrers blasen, um die Anwesenheit des zweiten Fahrzeugs anzuzeigen. In diesem Beispiel könnten die Lüftungsvorrichtungen durch eine Aktivierungsvorrichtung aktiviert werden, die eingeschaltet wird, wenn der Fahrtrichtungsanzeiger in Vorwegnahme des Spurwechsels aktiviert wird. Ähnlich kann eine Luftströmung von der Seite verwendet wer den, um den Fahrer vor jedem Abweichen von der gegenwärtigen Spur zu warnen (z. B. wenn der Fahrtrichtungsanzeiger nicht aktiv ist).
Materialien, die eine merkliche und steuerbare Änderung ihrer Eigenschaften in Ansprechen auf einen Stimulus erfahren können, sind als aktive oder intelligente Materialien bekannt. Die Änderung ist in den meisten Fällen reversibel, z. B. nur die Wegnahme des Stimulus oder das Anlegen eines entgegenwirkenden Stimulus bewirkt eine Umkehr der Änderung der Materialeigenschaften. Ein aktives Material kann eine Änderung erfahren in seinen: mechanischen Eigenschaften, wie etwa physikalischen Abmessungen, Elastizitätsmoduln, Viskosität und dergleichen; thermischen Eigenschaften, wie etwa Leitfähigkeit, Emissionsvermögen und dergleichen; elektrischen Eigenschaften, wie etwa Widerstand, elektrisches Feld und dergleichen; optischen Eigenschaften, wie etwa Reflexionsvermögen, Transmissionsvermögen und dergleichen; magnetischen Eigenschaften, wie etwa Permeabilität, Magnetfeld und dergleichen. Der Stimulus, der die Änderungen einer oder mehrerer Eigenschaften des aktiven Materials induziert, kann sein: ein mechanischer Stimulus, wie etwa eine Änderung einer aufgebrachten Last; ein elektrischer Stimulus, wie etwa eine Änderung eines angelegten elektrischen Feldes; ein thermischer Stimulus, wie etwa eine Änderung der Temperatur der Umgebung; ein optischer Stimulus, wie etwa eine Änderung der Wellenlänge einfallenden Lichtes; ein magnetischer Stimulus, wie etwa ein Änderung des angelegten Magnetfeldes, usw. Aktive Materialien sind gute Energieumsetzer (d. h. Wandler von Energie von einer Form in eine andere), da sie eine starke Kopplung zwischen zwei oder mehreren ihrer Eigenschaften aufweisen. Die ausgezeichneten Energieumsetzungseigenschaften von aktiven Materialien machen sie zur Verwendung als Sensoren und/oder Aktoren attraktiv.
Beispiele aktiver Materialien umfassen, ohne Einschränkung, Formgedächtnislegierungen ("SMA"; z. B. thermisch und spannungsaktivierte Formgedächtnislegierungen und ferromagnetische Formgedächtnislegierungen (FMSMA)), elektroaktive Polymere ("EAP", wie etwa dielektrische Elastomere, ionische Polymer-Metall-Verbundstoffe "IPMC"), piezoelektrische Materialien (z. B. Polymere, Keramiken) und Formgedächtnispolymere (SMP), Formgedächtniskeramiken (SMC), Baroplaste, magnetorheologische (MR) Materialien (z. B. Fluide, Schäume und Elastomere), elektrorheologische (ER) Materialien (z. B. Fluide, Schäume und Elastomere), Hydrogele und Verbundstoffe der vorhergehenden aktiven Materialien mit nicht aktiven Materialien, Systeme, die zumindest eines der vorstehenden aktiven Materialien umfassen, und Kombinationen, die zumindest eines der vorstehenden aktiven Materialien umfassen.
Aktoren mit aktivem Material bieten das Potential für eine Verringerung der Größe, des Gewichts, des Volumens, der Kosten, des Geräuschs des Aktors und eine Zunahme der Einfachheit, Robustheit und/oder Zuverlässigkeit des Gesamtsystems im Vergleich mit traditionellen elektromechanischen und hydraulischen Betätigungsmitteln. Die Verringerung der Größe, des Gewichts und des Volumens des Aktors rührt von der inhärenten hohen Energiedichte aktiver Materialien im Vergleich mit traditionellen Aktoren her. Aktive Materialien bewerkstelligen dies durch Kombinieren einer Energieumwandlung und Erzeugung einer Betätigungskraft auf dem Materialniveau. Einige Materialien können auch als Sensoren verwendet werden, wodurch ein eingebautes Mittel zum Steuern des Aktorsystems bereitgestellt wird.
Formgedächtnislegierung (SMA), ist der gattungsgemäße Name, der Legierungen gegeben wird, die die ungewöhnliche Eigenschaft eines Dehnungsgedächtnisses zeigen, welches entweder mechanisch oder thermisch indu ziert werden kann. Diese ungewöhnliche Eigenschaft zeichnet sich primär durch zwei thermomechanische Antworten aus, die als der Formgedächtniseffekt (SME) und Superelastizität bekannt sind. Austenit, oder die Elternphase in einer SMA, ist bei Temperaturen über einer charakteristischen Temperatur stabil, die als die Austenitend-(AF)-Temperatur bezeichnet wird. Bei Temperaturen unter der Martensitend-(Mf)-Temperatur existiert die SMA in einer Phase mit niedrigerem Modul, die als Martensit bekannt ist. Das ungewöhnliche thermomechanische Ansprechen von SMA ist auf reversible, in festem Zustand vorliegende, thermoelastische Transformationen zwischen Austenit- und Martensitphasen zurückzuführen.
Drei andere charakteristische Temperaturen werden üblicherweise verwendet, um den Zustand eines SMA-Materials zu identifizieren. Wenn eine SMA-Probe abgekühlt wird, beginnt Martensit bei der Martensitstart-(Ms)-Temperatur Kerne zu bilden; wenn die Probe erwärmt wird, beginnt die Transformation von Martensit zu Austenit bei der Austenitstart-(As)-Temperatur. Die SMA zeigt den SME vorwiegend bei Temperaturen unter Mf, und das Material muss für ein superelastisches Verhalten über die Af-Temperatur erwärmt werden. Bei Temperaturen über Md verliert die SMA ihre einzigartigen Eigenschaften und verhält sich wie ein gewöhnliches Material. In vielen der SMA stehen diese Temperaturen wie folgt in Beziehung: Mf < Ms < As < Af < Md, wobei As die Austenitstarttemperatur ist und Ms die Martensitstarttemepratur ist. Diese SMA werden, ohne Verlust an Allgemeinheit, in Beispielen verwendet, um die Verwendung von SMA in Anwendungen darzustellen.
Der Bereich zwischen As und Af wird häufig als der Transformationstemperaturbereich von Martensit zu Austenit bezeichnet, während der zwischen Ms und Mf häufig als der Transformationstemperaturbereich von Austenit zu Martensit genannt wird. Es ist anzumerken, dass die oben erwähnten Übergangstemperatur Funktionen der von der SMA-Probe erfahrenen Spannung sind. Im Allgemeinen nehmen diese Temperaturen mit zunehmender Spannung zu. Im Hinblick auf die vorstehenden Eigenschaften erfolgt die Verformung der Formgedächtnislegierung bevorzugt bei oder unter der Austenitstarttemperatur (bei oder unter As). Bei der Aufbringung einer mechanischen Last auf ein SMA-Material unter As verformt sich das Martensitmaterial anfangs elastisch. Wenn die Spannung in der Probe eine kritische Spannung erreicht, die als die erste Martensitfließgrenze bekannt ist, tritt die Verformung bei nahezu konstanter Spannung über einen scherungsartigen Mechanismus auf, der als Entzwillingen bekannt ist. Entzwillingen gehört zu einer zusammenwirkenden Umordnung der Atome durch das Verschieben von Atomebenen (Zwillings-Grenzflächen) in der Kristallstruktur der SMA. Obwohl die Verschiebung jedes Atoms gering ist, kann die Gesamtverformung der SMA signifikant sein (z. B. bis zu 8% Dehnung gegenüber < 1% Dehnung für die meisten Metalle) aufgrund der Ansammlung der koordinierten Bewegung aller oder der meisten Atome in dem Material. Anders als eine plastische Verformung in gewöhnlichen Metallen (z. B. Al), die durch die Bewegung von Versetzungen auftritt und daher irreversibel ist, umfasst die Verformung von martensitischen SMA über den Entzwilligungsmechanismus keine Versetzungsbewegung oder kein Aufbrechen von Bindungen zwischen Atomen. Daher ist die Verformung reversibel.
Ein Erwärmen der verformten Probe über die As-Temperatur induziert eine Transformation von Martensit zu Austenit. Die Martensitphase kann mehrere energetisch äquivalente Mikrostrukturen aufweisen, die unterschiedlichen induzierten Dehnungen entsprechen. Im Gegensatz dazu weist die Austenitphase nur eine einzige Mikrostruktur auf, die während der Transformation von Martensit zu Austenit wiederhergestellt wird. Die se Transformation bewirkt daher, dass das SMA-Material die ursprüngliche Form wiedererlangt, die ihm während der Herstellung verliehen wurde. Mit anderen Worten wird die pseudoplastische Dehnung vollständig wiederhergestellt, indem die verformte SMA über Af erwärmt wird. Ein Abkühlen des Materials unter Mf nachdem die Transformation von Martensit zu Austenit abgeschlossen ist, führt nicht zu irgendeiner weiteren Änderung der Form. Dieses Phänomen, bei dem ein SMA-Material eine offensichtliche plastische Verformung wiederherstellt, die bei einer niedrigen Temperatur verliehen wird, bei einer Erwärmung auf eine höhere Temperatur ist als Formgedächtniseffekt bekannt. Wenn der Änderung der Form (z. B. Form, Abmessung usw.), die zu der Transformation von Martensit zu Austenit in einem pseudoplastisch verformten SMA-Material gehört, durch eine von außen aufgebrachte Kraft/Einschränkung Widerstand entgegengebracht wird, wird eine beträchtliche interne Spannung entwickelt, um der äußeren Kraft/Einschränkung entgegenzuwirken. Diese Kraft kann verwendet werden, um eine äußere Last anzutreiben, wodurch ermöglicht wird, dass das SMA-Material als Aktor verwendet werden kann. Die Wiederherstellung in die Austenitphase bei einer höheren Temperatur wird durch sehr große Spannungen bewerkstelligt, die so hoch sein können wie die inhärente Dehnungsfestigkeit des Austenitmaterials; wobei diese Spannungen manchmal bis zu dem Drei- oder Mehrfachen von derjenigen der verformten Martensitphase betragen können. Für Anwendungen, die eine große Anzahl von Arbeitszyklen erfordern, kann eine Dehnung von weniger als oder gleich etwa 4% der verformten Länge an verwendetem Draht erhalten werden.
In der vorstehenden Beschreibung wies das SMA-Material eine einzigartige Form auf (Gestalt, Konfiguration, Abmessung, usw.), die zu einer unbelasteten SMA-Probe über Af gehört, aber es könnte in vielen unterschiedlichen Formen bei Temperaturen unter Mf existieren. Somit zeigt das Mate rial nur beim Erwärmen ein "Gedächtnis", und daher ist dieses Phänomen als Einweg-SME bekannt. Eine thermomechanische Verarbeitung kann einer SMA die Fähigkeit verleihen, einen intrinsischen Zweiwege-Formgedächtniseffekt zu zeigen. Ein geeignet verarbeitetes SMA-Material kann sich an zwei Formen erinnern – eine, die zu Temperaturen über Af gehört und die andere mit Temperaturen unter Mf. Ein Erwärmen einer unbelasteten Probe eines derartigen Materials über Af würde bewirken, dass die Probe ihre Hochtemperaturform erzielt, während ihr Abkühlen unter Mf sie in ihre Niedertemperaturform zurückführen würde. Gegenwärtig sind SMA, die den Einweg-SME zeigen, bis zu einem Punkt gereift, an dem sie in einer Anzahl von kommerziellen Anwendungen verwendet werden. Im Gegensatz dazu sind Materialien, die einen Zweiwege-SME (TWSME) zeigen, noch im Entwicklungsstadium. Bei vielen praktischen Anwendungen jedoch kann das Verhalten eines Elements, das aus einer SMA hergestellt ist, die einen intrinsischen TWSME zeigt, durch ein System reproduziert werden, das ein Element umfasst, das aus einer SMA hergestellt ist, die einen Einweg-SME zeigt, in mechanischer Entgegensetzung zu einem anderen Element, das als das Vorspannelement bekannt ist. Man sagt, dass derartige Systeme einen extrinsischen TWSME zeigen. Bei diesen Systemen dominiert eines der beiden Elemente das andere bei Temperaturen unter Mf, was zu einer Form (oder Gleichgewichtskonfiguration) für das System führt. Wenn die SMA über ihre Af erwärmt wird, nimmt die Steifigkeit des SMA-Elements zu, wodurch die Gleichgewichtskonfiguration des Systems auf ihre Hochtemperaturform verändert wird. Ein anschließendes Abkühlen des SMA-Elements bewirkt, dass das System in seine Niedertemperaturform zurückkehrt.
Ein geeigneter Aktivierungseingang oder ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ist ein thermisches Akti vierungssignal, das eine Größe aufweist, die ausreicht, um Transformationen zwischen den Martensit- und Austenitphasen zu bewirken.
Viele SMA-Materialien zeigen die Fähigkeit, große, wiederherstellbare Dehnungen (bis zu 8%) zu erfahren, wenn sie bei einer Temperatur über Af belastet werden. Dieses Phänomen ist als Superelastizität bekannt. Wenn ein SMA-Material in seiner Austenitphase einer Last ausgesetzt wird, verformt es sich anfangs elastisch. Eine spannungsindizierte Phasentransformation von Austenit zu Martensit wird eingeleitet, wenn die Spannung in dem Material einen kritischen Wert erreicht, der unter der kritischen Spannung für Gleiten liegt (d. h. Versetzungsbewegung in dem Kristall). Diese Transformation tritt über einen scherungsartigen Mechanismus auf, der ähnlich ist wie der, der für das Entzwillingen von Martensit verantwortlich ist. Da die Martensitphase über Af nicht stabil ist, wenn das Material bei dieser Temperatur nicht belastet ist, tritt die umgekehrte Transformation (d. h. Austenit zu Martensit) spontan auf, und die großen während der Belastung induzierten Dehnungen können vollständig wiederhergestellt werden.
Das Material zeigt Hysterese, d. h. die Belastungs- und Entlastungswege im Ansprechen des Materials fallen nicht zusammen. Wenn der obige Belastungs-Entlastungs-Zyklus graphisch auf Spannungs-Dehnungs-Koordinaten dargestellt wird, stellt die Fläche, die zwischen den Belastungs- und Entlastungszweigen des Graphen eingeschlossen ist, die pro Volumeneinheit des Materials dissipierte Energie dar. Das superelastische Verhalten der SMA ist einer signifikanten Hysterese zugeordnet, die diese Materialien für bestimmte Energiedissipationsanwendungen geeignet macht.
Die charakteristischen Temperaturen können durch geringfügige Änderung der Zusammensetzung der Legierung und durch thermomechanische Verarbeitung eingestellt werden. Beispielsweise kann in Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen Af von über etwa 100°C bis unter etwa –100°C verändert werden. Der Formgedächtnisprozess kann über einen Bereich von nur einigen wenigen Graden auftreten oder eine allmählicher Wiederherstellung über einen breiteren Temperaturbereich zeigen. Der Start oder das Ende der Transformation kann bis auf innerhalb einiger Grade, abhängig von der gewünschten Anwendung und Legierungszusammensetzung gesteuert werden.
Beispielhafte Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupfer-Basis (z. B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinn-Legierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupfer-Basis, Legierungen auf Eisen-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis, usw. Die Legierungen können binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, solange die Legierungszusammensetzung einen Formgedächtniseffekt zeigt, z. B. eine Änderung der Gestalt, der Orientierung, der Streckfestigkeit, des Biegemoduls, der Dämpfungsfähigkeit, der Superelastizität und/oder ähnlicher Eigenschaften. Die Auswahl einer geeigneten Formgedächtnislegierungszusammensetzung hängt zum Teil von dem Temperaturbereich der vorgesehenen Anwendung ab.
Einige ferromagnetische Materialien (z. B. bestimmte Ni-Mn-Ga-Legierungen) erfahren eine wesentliche Änderung der Abmessung (z. B. 10% Dehnung), wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Die Abmes sungsänderung findet über einen scherungsartigen Mechanismus (Entzwilligungszustand) statt, der eine zusammenwirkende Umordnung der Kristallstruktur innerhalb der Elemente mit sich bringt, so dass keine Bindungen zwischen Atomen bei dem Prozess aufgebrochen werden. Daher ist die Verformung reversibel und das Material kann durch Anlegen eines entgegenwirkenden Magnetfeldes oder einer äußeren Kraft in seine ungedehnte Form zurückkehren. Derartige Materialien sind als Ferromagnetika oder magnetische Formgedächtnislegierungen (F/MSMA) bekannt. Die Fähigkeit eines äußeren Magnetfeldes, ein F/MSMA-Element zu magnetisieren und dadurch eine Änderung seiner Abmessungen zu induzieren, ist die Basis für die Verwendung dieser Materialien als Aktoren. F/MSMA zeigen ebenfalls den Umkehrungseffekt. Wenn ein F/MSMA-Element in einem Magnetfeld verformt wird, ändert sich die Magnetisierung des Elements. Dies beeinflusst das Magnetfeld und/oder die magnetische Permeabilität der F/MSMA. Daher können F/MSMA auch als Sensoren verwendet werden
Ein typischer F/MSMA-Aktor umfasst ein F/MSMA-Element, einen Kern (gewöhnlich ferromagnetisch), elektrischen Strom führende Spulen, die das betätigende Magnetfeld erzeugen, und ein Mittel zum Umkehren der durch das Magnetfeld induzierten Verformung. Federn, die der durch das Feld induzierten Verformung des F/MSMA-Elements entgegenwirken, werden gewöhnlich verwendet, um das Element in seine nichtbetätigte Konfiguration zurückzuführen, nachdem das Magnetfeld ausgeschaltet ist. Die Umkehr der Verformung kann auch durch die Verwendung eines durch einen Permanentmagneten induzierten Vorspannfeldes bewerkstelligt werden, das dem Feld entgegenwirkt, das von den Aktorspulen erzeugt wird, indem das betätigende Magnetfeld um 90 Grad gedreht wird, indem zwei entgegenwirkende F/MSMA-Elemente verwendet werden, usw.
F/MSMA zeigen den Formgedächtniseffekt und Superelastizität, die zu thermisch aktivierten SMA gehören. Anders als thermisch aktivierte SMA findet jedoch die Abmessungsänderung, die durch ein Magnetfeld in F/MSMA induziert wird, statt, wenn sich das Material vollständig in der Martensitphase befindet. Da es keine begleitende Phasenänderung gibt, ist die Änderung der Abmessungen in einem magnetisch aktivierten F/MSMA viel schneller als in thermisch aktivierten SMA; z. B. können SMA-Aktoren aufgrund der Beschränkungen die durch den langsameren Abkühlprozess auferlegt werden, typischerweise im 0–10 Hz-Bereich betrieben werden, wohingegen F/MSMA-Aktoren typischerweise in dem 100–1000 Hz-Bereich betrieben werden können. Bekanntlich weisen F/MSMA eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit auf. Elemente aus diesem Material haben nach 108 Zyklen eine geringe Verschlechterung des Leistungsvermögens gezeigt.
Da das nutzbare Verhalten von F/MSMA auf die Martensitphase begrenzt ist, weisen sie einen engeren Betriebstemperaturbereich (z. B. kann 5M Ni-Mn-Ga von –50 bis 67°C verwendet werden) als thermisch aktivierte SMA auf. Obwohl F/MSMA große Dehnungen (z. B. nahezu 6–10%) erzeugen können, die mit jenen vergleichbar sind, die durch thermisch aktivierte SMA erzeugt werden, ist die maximale Spannung, die von diesen Materialien entwickelt wird, (ungefähr 1,5 MPa) geringer als die, die von thermisch aktivierten SMA entwickelt wird. Auf F/MSMA beruhende Aktoren neigen dazu, voluminöser als vergleichbare thermische SMA-Aktoren zu sein, da sie einen Magnetfeldgenerator und einen Kern enthalten müssen.
Formgedächtnispolymer (SMP) bezieht sich allgemein auf ein Polymermaterial, das bei Anlegen eines Aktivierungssignals eine Änderung einer Eigenschaft, wie etwa eines Moduls, eines Wärmeausdehnungskoeffizienten, der Durchlässigkeit gegenüber Feuchtigkeit, einer optischen Eigenschaft (z. B. Transmissionsvermögen) oder einer Kombination, die zumindest eine der vorstehenden Eigenschaften umfasst, in Kombination mit einer Änderung seiner Mikrostruktur und/oder Morphologie zeigt. Formgedächtnispolymere können auf Wärme ansprechend sein (d. h. die Änderung der Eigenschaft wird durch ein thermisches Aktivierungssignal bewirkt, das entweder direkt über eine Wärmezufuhr oder -wegnahme oder indirekt über eine Schwingung mit einer Frequenz, die geeignet ist, um Schwingungen mit hoher Amplitude auf der molekularen Ebene zu erregen, die zu innerer Wärmeerzeugung führen, geliefert wird), auf Licht ansprechend sein (d. h. die Änderung der Eigenschaft wird durch ein Aktivierungssignal mit elektromagnetischer Strahlung bewirkt), auf Feuchtigkeit ansprechend sein (d. h. die Änderung der Eigenschaft wird durch ein flüssiges Aktivierungssignal, wie etwa Feuchtigkeit, Wasserdampf oder Wasser bewirkt), auf Chemikalien ansprechend sein (d. h. auf eine Änderung der Konzentration von einer oder mehreren chemischen Spezies in ihrer Umgebung ansprechend sein; z. B. die Konzentration von H⁺Ionen – der pH der Umgebung) oder auf eine Kombination, die zumindest eines der Vorstehenden umfasst.
Im Allgemeinen sind SMP phasengetrennte Copolymere, die zumindest zwei unterschiedliche Einheiten umfassen (z. B. Monomere, Oligomere, Ionomere aus unterschiedlichen Spezies oder aus denselben Spezies mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie etwa Taktizität), die so beschrieben werden können, dass unterschiedliche Segmente innerhalb des SMP definiert sind, wobei jedes Segment unterschiedlich zu den Gesamteigenschaften des SMP beiträgt. So wie er hierin verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck "Segment" auf einen Block, einen Pfropf oder eine Folge der gleichen oder ähnlichen Monomer- oder Oligomereinheiten, die copolymerisiert sind, um das SMP zu bilden. Jedes Segment kann (halb-)kristallin oder amorph sein, und wird einen entsprechenden Schmelzpunkt bzw. eine entsprechende Glasübergangstemperatur (Tg) aufweisen. Der Ausdruck "thermische Übergangstemperatur" wird hier der Zweckmäßigkeit halber verwendet, um sich gattungsgemäß auf entweder eine Tg oder einen Schmelzpunkt abhängig davon zu beziehen, ob das Segment ein amorphes Segment oder ein kristallines Segment ist. Für SMP, die (n) Segmente umfassen, sagt man, dass das SMP ein hartes Segment und (n – 1) weiche Segmente aufweist, wobei das harte Segment eine höhere thermische Übergangstemperatur als irgendein weiches Segment aufweist. Somit weist das SMP (n) thermische Übergangstemperaturen auf. Die thermische Übergangstemperatur des harten Segments wird die "letzte Übergangstemperatur" genannt, und die niedrigste thermische Übergangstemperatur des sogenannten "weichesten" Segments wird die "erste Übergangstemperatur" genannt. Es ist wichtig anzumerken, dass, wenn das SMP mehrere Segmente aufweist, die sich durch die gleiche thermische Übergangstemperatur auszeichnen, die auch die letzte Übergangstemperatur ist, dann gesagt wird, dass das SMP mehrere harte Segmente aufweist.
Wenn das SMP über die letzte Übergangstemperatur erwärmt wird, kann dem SMP-Material eine permanente Form verliehen werden. Eine permanente Form für das SMP kann festgelegt oder gespeichert werden, indem das SMP anschließend unter diese Temperatur abgekühlt wird. So wie sie hierin verwendet werden, sind die Ausdrücke "ursprüngliche Form", "zuvor definierte Form", "vorbestimmte Form" und "permanente Form" Synonyme und sollen austauschbar verwendet werden. Eine temporäre Form kann festgelegt werden, indem das Material auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher ist als eine thermische Übergangstemperatur irgendeines weichen Segments, jedoch unter die letzte Übergangstemperatur, eine äußere Spannung oder Last aufgebracht wird, um das SMP zu verformen, und dann unter die besondere thermische Übergangstemperatur des wei chen Segments abgekühlt wird, während die verformende äußere Spannung oder Last aufrechterhalten wird.
Die permanente Form kann wiederhergestellt werden, indem das Material bei weggenommener Spannung oder Last über die besondere thermische Übergangstemperatur des weichen Segments jedoch unter die letzte Übergangstemperatur erwärmt wird. Somit sollte klar sein, dass es durch Kombinieren mehrerer weicher Segmente möglich ist, mehrere temporäre Formen darzustellen und es mit mehreren harten Segmenten möglich sein kann, mehrere permanente Formen darzustellen. Ähnlich wird unter Verwendung eines geschichteten oder Verbundansatzes eine Kombination mehrerer SMP Übergänge zwischen mehreren temporären und permanenten Formen zeigen.
Beispielsweise bewirkt bei baroplastischen Materialien ein druckinduziertes Mischen von Nonophasendomänen von Komponenten mit hoher und niedriger Glasübergangstemperatur (Tg) die Formänderung. Baroplaste können bei relativ niedrigen Temperaturen wiederholt ohne Verschlechterung verarbeitet werden. Formgedächtniskeramiken (SMC) sind ähnlich wie SMA, können aber viel höhere Betriebstemperaturen als andere Formgedächtnismaterialien tolerieren. Ein Beispiel einer SMC ist ein piezoelektrisches Material.
Das Formgedächtnismaterial kann auch ein piezoelektrisches Material umfassen. In bestimmten Ausführungsformen kann das piezoelektrische Material als ein Aktor zum Bereitstellen einer schnellen Entfaltung konfiguriert sein. So wie er hierin verwendet wird, wird der Ausdruck "Piezoelektrikum" dazu verwendet, ein Material zu beschreiben, das sich mechanisch verformt (die Form ändert), wenn ein Spannungspotential angelegt wird, oder umgekehrt eine elektrische Ladung erzeugt, wenn es mecha nisch verformt wird. Piezoelektrika zeigen eine kleine Änderung der Abmessungen, wenn sie der angelegten Spannung ausgesetzt sind, wobei das Ansprechen proportional zur Stärke des angelegten Feldes und recht schnell ist (sie sind in der Lage, leicht den tausend Herzbereich zu erreichen). Da ihre Abmessungsänderung gering ist (z. B. weniger als 0,1%), werden sie, um die Größe der Abmessungsänderung drastisch zu erhöhen, im Allgemeinen in der Form von als flaches Plattenelement ausgebildeten, piezokeramischen Unimorph- und Bimorphaktoren verwendet, die derart aufgebaut sind, dass sie sich bei Anlegen einer relativ kleinen Spannung zu einer konkaven oder konvexen Form wölben. Das Morphen/Wölben derartiger Flächenelemente innerhalb der Auskleidung des Halters ist dafür geeignet, das gehaltene Objekt zu ergreifen/freizugeben.
Ein Typ von Unimorph ist eine Struktur, die aus einem einzigen piezoelektrischen Element besteht, das außen mit einer flexiblen Metallfolie oder einem flexiblen Metallstreifen verbunden ist, der durch das piezoelektrische Element stimuliert wird, wenn es mit einer sich ändernden Spannung aktiviert wird, und zu einer axialen Krümmung oder Auslenkung führt, wenn sie/er der Bewegung des piezoelektrischen Elements entgegenwirkt. Die Aktorbewegung für einen Unimorph kann durch Zusammenziehung oder Ausdehnung erfolgen. Unimorphe können eine Dehnung so hoch etwa 10% zeigen, können aber im Allgemeinen nur niedrige Lasten in Bezug auf die Gesamtabmessungen der Unimorphstruktur aushalten.
Im Gegensatz zu der piezoelektrischen Unimorphvorrichtung umfasst eine Bimorphvorrichtung eine zwischengelegte flexible Metallfolie, die zwischen zwei piezoelektrischen Elementen angeordnet ist. Bimorphe zeigen eine stärkere Verschiebung als Unimorphe, da sich ein Keramikelement unter der angelegten Spannung zusammenziehen wird, während sich das ande re ausdehnt. Bimorphe können Dehnungen bis zu 20% zeigen, können aber im Allgemeinen ähnlich wie Unimorphe nicht hohen Lasten in Bezug auf die Gesamtabmessungen der Unimorphstruktur standhalten.
Beispielhafte piezoelektrische Materialien umfassen anorganische Verbindungen, organische Verbindungen und Metalle. Was organische Materialien betrifft, so können alle Polymermaterialien mit einer nicht zentralsymmetrischen Struktur und (einer) Gruppe(n) mit einem starken Dipolmoment an der Hauptkette oder an der Seitenkette oder an beiden Ketten innerhalb der Moleküle als Kandidaten für den piezoelektrischen Film verwendet werden. Beispiele für Polymere umfassen Polynatrium-4-styrolsulfonat („PSS"), Poly S-119 (Polyvinylamin-Hauptketten-Azochromophor) und ihre Derivate; Polyfluorkohlenstoffe, umfassend Polyvinylidenfluorid („PVDF"), sein Copolymer Vinylidenfluorid („VDF"), Trifluorethylen (TrFE) und ihre Derivate; Polychlorkohlenstoffe, umfassend Polyvinylchlorid („PVC"), Polyvinylidenchlorid („PVC2") und ihre Derivate; Polyacrylonitrile („PAN") und ihre Derivate; Polycarbonsäuren, umfassend Polymethacrylsäure („PMA") und ihre Derivate; Polyharnstoffe und ihre Derivate; Polyurethane („PUE") und ihre Derivate; Biopolymermoleküle wie z. B. Poly-L-Milchsäuren und ihre Derivate und Membranproteine wie auch Phosphat-Biomoleküle; Polyaniline und ihre Derivate und alle Derivate der Tetramine; Polyimide, umfassend Kapton^®-Moleküle und Polyetherimid („PEI") und ihre Derivate; alle Membranpolymere; Poly-(N-vinylpyrrolidon) („PVP")-Homopolymer und seine Derivate und Zufalls-PVP-Co-Vinylacetat („PVAc")-Copolymere; und alle aromatischen Polymere mit Dipolmomentgruppen in der Hauptkette oder den Seitenketten oder sowohl in der Hauptkette als auch den Seitenketten; sowie Kombinationen, die zumindest eines der Vorhergehenden umfassen.
Des Weiteren können piezoelektrische Materialien Pt, Pd, Ni, T, Cr, Fe, Ag, Au, Cu und Metall-Legierungen, die mindestens eines der Vorhergehenden umfassen, wie auch Kombinationen umfassen, die zumindest eines der Vorhergehenden umfassen. Diese piezoelektrischen Materialien können z. B. auch ein Metalloxid wie z. B. SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, SrTiO₃, PbTiO₃, BaTiO₃, FeO₃, Fe₃O₄, ZnO und Kombinationen, die zumindest eines der Vorhergehenden umfassen; sowie Verbindungen der Gruppen VIA und IIB wie z. B. CdSe, CdS, GaAs, AgCaSe₂, ZnSe, GaP, InP, ZnS und Kombinationen, die zumindest eines der Vorhergehenden umfassen.
MR-Fluide sind eine Klasse von intelligenten Materialien, deren rheologische Eigenschaften sich beim Anlegen eines Magnetfeldes schnell ändern können (z. B. können Eigenschaftsänderungen von mehreren hundert Prozent innerhalb weniger Millisekunden bewirkt werden), was sie sehr geeignet zum Einsperren (Einschränken) oder Zulassen der Entspannung von Formen/Verformungen durch eine deutliche Änderung ihrer Scherfestigkeit macht, wobei solche Änderungen nutzbringend zum Ergreifen und Freigeben von Gegenständen in hierin beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt werden. Beispielhafte Formgedächtnismaterialien umfassen auch magnetorheologische (MR) und ER-Polymere. MR-Polymere sind Suspensionen von magnetisch polarisierbaren Partikeln mit Mikrometergröße (z. B. ferromagnetische oder paramagnetische Partikel wie unten beschrieben) in einem Polymer (z. B. ein duroplastisches/er elastisches/r Polymer oder Kautschuk). Beispielhafte Polymermatrizen umfassen Polyalphaolefine, Naturkautschuk, Silikon, Polybutadien, Polyethylen, Polyisopren und Kombinationen, die zumindest eines der Vorhergehenden umfassen.
Die Steifigkeit und unter Umständen die Form der Polymerstruktur werden bewirkt, indem die Scher- und Kompressions/Zug-Moduln dadurch verändert werden, dass die Stärke des angelegten Magnetfeldes variiert wird. Die MR-Polymere entwickeln ihre Struktur typischerweise, wenn sie einem Magnetfeld so kurz wie einige wenige Millisekunden ausgesetzt werden, wobei die Steifigkeits- und Formänderungen zu der Stärke des angelegten Feldes proportional sind. Werden die MR-Polymere nicht länger dem Magnetfeld ausgesetzt, kehrt sich der Vorgang um und das Elastomer kehrt in seinen Zustand mit niedrigerem Modul zurück. Die kompakte Unterbringung der felderzeugenden Spulen stellt allerdings eine Herausforderung dar.
MR-Fluide zeigen eine Scherfestigkeit, die proportional zu der Größe eines angelegten Magnetfeldes ist, wobei die Eigenschaftsänderungen von mehreren hundert Prozent innerhalb weniger Millisekunden bewirkt werden können. Wenngleich auch bei diesen Materialien die Probleme beim kompakten Unterbringen der zum Erzeugen des angelegten Feldes erforderlichen Spulen bestehen, können sie als Sperr- oder Freigabemechanismus für z. B. ein federbasiertes Ergreifen/Freigeben verwendet werden.
Geeignete MR-Fluidmaterialien umfassen ferromagnetische oder paramagnetische Partikel, die in einem Träger, z. B. in einer Menge von etwa 5,0 Volumenprozent (Vol.-%) bis etwa 50 Vol.-% auf der Basis eines Gesamtvolumens der MR-Zusammensetzung, dispergiert sind. Geeignete Partikel umfassen Eisen; Eisenoxide (einschließlich Fe₂O₃ und Fe₃O₄); Eisennitrid; Eisencarbid; Carbonyleisen; Nickel; Kobalt; Chromdioxid; und Kombinationen, die zumindest eines der Vorhergehenden umfassen, wie z. B. Nickellegierungen; Cobaltlegierungen; Eisenlegierungen, z. B. Edelstahl, Siliziumstahl, wie auch andere, einschließlich Aluminium, Silizium, Cobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer.
Die Partikelgröße sollte so gewählt sein, dass die Partikel Eigenschaften magnetischer Multidomänen zeigen, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt sind. Die Partikeldurchmesser (z. B. wie entlang einer Hauptachse des Partikels gemessen) können kleiner als oder gleich etwa 1000 Mikrometer (μm) sein (z. B. etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 1000 Mikrometer) oder im Spezielleren etwa 0,5 bis etwa 500 Mikrometer und im Spezielleren etwa 10 bis etwa 100 Mikrometer.
Die Viskosität des Trägers kann weniger als oder gleich etwa 100000 Centipoise (cPs) betragen (z. B. etwa 1 cPs bis etwa 100000 cPs) oder im Spezielleren etwa 250 cPs bis etwa 10000 cPs oder noch spezieller etwa 500 cPs bis etwa 1000 Centipoise. Mögliche Träger (z. B. Trägerfluide) umfassen organische Flüssigkeiten, insbesondere nicht polare organische Flüssigkeiten. Beispiele umfassen Öle (z. B. Silikonöle, Mineralöle, Paraffinöle, Weißöle, Hydrauliköle, Transformatoröle und synthetische Kohlenwasserstofföle (z. B. ungesättigte und/oder gesättigte)); halogenierte organische Flüssigkeiten (wie etwa chlorierte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Paraffine, perfluorierte Polyether und fluorierte Kohlenwasserstoffe); Diester; Polyoxyalkylene; Silikone (z. B. fluorierte Silikone); Cyanoalkylsiloxane; Glykole; und Kombinationen, die zumindest einen der angeführten Träger umfassen.
Es können auch wässrige Träger verwendet werden, insbesondere solche, die hydrophile mineralische Tone wie z. B. Bentonit oder Hektorit umfassen. Der wässrige Träger kann Wasser oder Wasser, das ein polares, wassermischbares organisches Lösungsmittel (z. B. Methanol, Ethanol, Propanol, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Azeton, Tetrahydrofuran, Diethylether, Ethylenglykol, Propylenglykol und dergleichen) umfasst, wie auch Kombinationen umfassen, die zumindest einen der vorhergehenden Träger umfassen. Die Menge an polarem organischem Lösungsmittel in dem Träger kann weniger als oder gleich etwa 5,0 Vol.-% (z. B. etwa 0,1 Vol.-% bis etwa 5,0 Vol.-%) auf der Basis eines Gesamtvolumens des MR-Fluids oder im Spezielleren etwa 1,0 Vol.-% bis etwa 3,0 Vol.-% betragen. Der pH des wässrigen Trägers kann weniger als oder gleich etwa 13 (z. B. etwa 5,0 bis etwa 13) oder im Spezielleren etwa 8,0 bis etwa 9,0 betragen.
Wenn die wässrigen Träger natürlichen und/oder synthetischen Bentonit und/oder Hektorit umfassen, kann die Menge an Ton (Bentonit und/oder Hektorit) in dem MR-Fluid weniger als oder gleich etwa 10 Gewichtsprozent (Gew.-%) auf der Basis eines Gesamtgewichts des MR-Fluids oder im Spezielleren etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 8,0 Gew.-% oder im Spezielleren etwa 1,0 Gew.-% bis etwa 6,0 Gew.-% oder noch spezieller etwa 2,0 Gew.-% bis etwa 6,0 Gew.-% betragen.
Optionale Komponenten in dem MR-Fluid umfassen Tone (z. B. organophile Tone), Carboxylatseifen, Dispergiermittel, Korrosionshemmer, Schmiermittel, Antiverschleißadditive, Antioxidantien, thixotrope Mittel und/oder Suspensionsmittel. Carboxylatseifen umfassen Eisenoleat, Eisennaphthenat, Eisenstearat, Aliuminiumdi- und -tristearat, Lithiumstearat, Calciumstearat, Zinkstearat und/oder Natriumstearat; oberflächenaktive Substanzen (z. B. Sulfonate, Phosphatester, Stearinsäure, Glycerolmonooleat, Sorbitansesquioleat, Laurate, Fettsäuren, Fettalkohole, fluoraliphatische Polymerester); und Haftvermittler (z. B. Titanat, Aluminat und Zirkonat); wie auch Kombinationen, die zumindest eines der Vorhergehenden umfassen. Auch Polyalkylendiole wie z. B. Polyethylenglykol und teilweise veresterte Polyole können inkludiert sein.
Elektrorheologische (ER) Fluide sind MR-Fluiden insofern ähnlich, als sie eine Änderung der Scherfestigkeit zeigen, wenn sie einem angelegten Feld, in diesem Fall eher einer Spannung als einem Magnetfeld, ausgesetzt sind. Das Ansprechen erfolgt schnell und proportional zu der Stärke des angelegten Feldes. Es ist jedoch um eine Größenordnung kleiner als das von MR-Fluiden und typischerweise sind mehrere tausend Volt erforderlich.
Elektronische elektroaktive Polymere (EAPs) sind ein Laminat aus einem Paar Elektroden mit einer Zwischenschicht aus einem dielektrischen Material mit einem niedrigen Elastizitätsmodul. Ein Anlegen eines Potentials zwischen den Elektroden drückt die Zwischenschicht zusammen und bewirkt, dass sie sich in der Ebene ausdehnt. Sie zeigen ein Ansprechen, das proportional zu dem angelegten Feld ist, und können mit hohen Frequenzen betätigt werden. Formverändernde EAP-Laminatfolien wurden demonstriert. Ihr Hauptnachteil besteht darin, dass sie angelegte Spannungen benötigen, die um ungefähr drei Größenordnungen größer sind als jene, die von Piezoelektrika benötigt werden.
Elektroaktive Polymere umfassen jene Polymermaterialien, die in Ansprechen auf elektrische oder mechanische Felder piezoelektrische, pyroelektrische oder elektrostriktive Eigenschaften aufweisen. Ein Beispiel für ein elektrostriktives Pfropfelastomer mit einem piezoelektrischen Polyvinylidenfluorid-trifluorethylen-Copolymer. Diese Kombination besitzt die Fähigkeit, eine variable Menge von ferroelektrischen elektrostriktiven molekularen Verbundsystemen zu erzeugen.
Materialien, die zur Verwendung als ein elektroaktives Polymer geeignet sind, können jedes/n im Wesentlichen isolierende/n Polymer oder Gummi umfassen, das/der sich in Ansprechen auf eine elektrostatische Kraft verformt oder dessen Verformung zu einer Änderung eines elektrischen Feldes führt. Beispielhafte Materialien, die zur Verwendung als ein vorgedehntes Polymer geeignet sind, umfassen Silikonelastomere, Acrylelasto mere, Polyurethane, thermoplastische Elastomere, Copolymere, die PDVF umfassen, Haftklebstoffe, Fluorelastomere und Polymere, die Silikon- und Akrylkomponenten (z. B. Copolymere, die Silikon- und Akrylkomponenten umfassen, Polymermischungen, die ein Silikonelastomer und ein Akrylelastomer umfassen, etc.) umfassen.
Materialien, die als ein elektroaktives Polymer verwendet werden, können auf der Basis einer oder mehrerer Materialeigenschaften wie z. B. einer hohen elektrischen Durchschlagfestigkeit, eines niedrigen Elastizitätsmoduls (z. B. für große oder kleine Verformungen), einer hohen Dielektrizitätskonstante und dergleichen ausgewählt sein. In einer Ausführungsform kann das Polymer derart ausgewählt sein, dass es einen Elastizitätsmodul von weniger als oder gleich etwa 100 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform kann das Polymer derart ausgewählt sein, dass es einen maximalen Betätigungsdruck zwischen etwa 0,05 Megapascal (MPa) und etwa 10 MPa oder im Spezielleren zwischen etwa 0,3 MPa und etwa 3 MPa aufweist. In einer weiteren Ausführungsform ist das Polymer derart ausgewählt, dass es eine Dielektrizitätskonstante zwischen etwa 2 und etwa 20 oder im Spezielleren zwischen etwa 2,5 und etwa 12 aufweist. Die vorliegende Offenbarung soll nicht auf diese Bereiche beschränkt sein. Idealerweise wären Materialien mit einer höheren Dielektrizitätskonstante als die oben angegebenen Bereiche wünschenswert, wenn die Materialien sowohl eine hohe Dielektrizitätskonstante als auch eine hohe Durchschlagfestigkeit hätten. In vielen Fällen können elektroaktive Polymere als dünne Filme hergestellt und implementiert sein, die z. B. ein Dicke von weniger als oder gleich etwa 50 Mikrometer aufweisen.
Da sich elektroaktive Polymere bei starken Dehnungen durchbiegen können, sollten sich an den Polymeren befestigte Elektroden ebenso durchbiegen, ohne die mechanische oder elektrische Leistung zu beeinträchti gen. Im Allgemeinen können zur Verwendung geeignete Elektroden jede Form aufweisen und aus jedem Material sein, vorausgesetzt, sie sind in der Lage, eine geeignete Spannung an ein elektroaktives Polymer zu liefern oder von diesem eine geeignete Spannung zu empfangen. Die Spannung kann entweder konstant sein oder sich mit der Zeit ändern. In einer Ausführungsform kleben die Elektroden an einer Oberfläche des Polymers. Elektroden, die an dem Polymer kleben, können fügsam sein und passen sich der sich verändernden Form des Polymers an. Die Elektroden können nur an einem Abschnitt eines elektroaktiven Polymers angelegt sein und eine aktive Fläche gemäß ihrer Geometrie definieren. Verschiedene Arten von Elektroden umfassen strukturierte Elektroden mit Metallbahnen und Ladungsverteilungsschichten, texturierte Elektroden mit verschiedenen Abmessungen außerhalb der Ebene, leitfähige Fette (z. B. Kohlenstofffette und Silberfette), kolloidale Suspensionen, leitfähige Materialien mit einem hohen Aspektverhältnis (z. B. Kohlenstofffilamente und Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Mischungen aus ionenleitfähigen Materialien), wie auch Kombinationen, die zumindest eines der Vorhergehenden umfassen.
Beispielhafte Elektrodenmaterialien können Graphit, Ruß, kolloidale Suspensionen, Metalle (umfassend Silber und Gold), gefüllte Gele und Polymere (z. B. silbergefüllte und kohlenstoffgefüllte Gele und Polymere) und ionen- oder elektronisch leitfähige Polymere wie auch Kombinationen umfassen, die zumindest eines der Vorhergehenden umfassen. Es ist einzusehen, dass bestimmte Elektrodenmaterialien mit gewissen Polymeren gut funktionieren können und mit anderen nicht so gut funktionieren können. Zum Beispiel funktionieren Kohlenstofffilamente gut mit Acrylelastomerpolymeren und nicht so gut mit Silikonpolymeren.
Magnetostriktiva sind Festkörper, die eine starke mechanische Verformung entwickeln, wenn sie einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt sind.
Dieses Phänomen der Magnetostriktion wird den Drehungen von kleinen magnetischen Domänen in den Materialien zugeschrieben, die zufällig orientiert sind, wenn das Material keinem Magnetfeld ausgesetzt ist. Die Formänderung ist bei Ferromagnetika oder ferromagnetischen Festkörpern am größten. Diese Materialien besitzen ein sehr schnelles Ansprechvermögen, wobei die Dehnung proportional zu der Stärke des angelegten Magnetfeldes ist, und sie kehren nach dem Entfernen des Feldes in ihre Ausgangsabmessung zurück. Diese Materialien besitzen jedoch maximale Dehnungen von etwa 0,1 bis etwa 0,2 Prozent.
Elektrostriktive Materialien arbeiten ähnlich wie magnetostriktive Materialien mit der Abwandlung, dass sie eine mechanische Dehnung in Ansprechen auf ein angelegtes elektrisches Feld erfahren. Blei-Magnesium-Niobat (PMN) ist ein Beispiel eines elektrostriktiven Materials.
Die Anwendung und Funktionalität der durch aktives Material betätigten Lüftungsvorrichtungen wird bestimmen, welches aktive Material am besten für die besondere Lüftungsvorrichtung geeignet ist. Faktoren, wie etwa Kraft, Verschiebung, Betätigungszeit und dergleichen, können dazu verwendet werden, zu ermitteln, welche Art von aktivem Material am besten geeignet ist. Wenn beispielsweise eine Anwendung eine Aktivierungszeit von etwa 1 Sekunde oder größer erfordert, kann eine SMA oder ein SMP geeignet sein. Wenn eine Aktivierung kürzere Aktivierungszeiten erfordert, kann eine FMSMA, EAP oder ein MR-Elastomer verwendet werden.
Wie es oben erwähnt wurde, wenden die hierin offenbarten Lüftungsvorrichtungen vorteilhaft aktive Materialien an, um die Durchflussmenge, Richtung, räumliche Strömungsmusterverteilung und Temperatur von Luft durch ein Klimatisierungssystem, wie etwa in einem Kraftfahrzeug, reversibel zu steuern. Die durch aktives Material betätigten Lüftungsvor richtungen sind leicht und inhärent robust. Darüber hinaus sind die durch aktives Material betätigten Lüftungsvorrichtungen auch kostengünstig und besitzen eine leicht anpassbare Konstruktion, die mit begrenzten Änderungen in die existierende Fahrzeuginnenstruktur integriert werden kann und mit existierenden von Hand betätigten Lüftungssystemen verwendet werden kann. Ein Fahrzeuglüftungssystem kann vollständig aus durch aktives Material betätigten Lüftungsvorrichtungen bestehen oder kann nur einige wenige durch aktives Material betätigte Lüftungsvorrichtungen zusammen mit von Hand betätigten Lüftungsvorrichtungen anwenden. Wenn beispielsweise die durch aktives Material betätigten Lüftungsvorrichtungen für eine haptische Wechselwirkung verwendet werden, sind die Lüftungsvorrichtungen nicht auf existierende Lüftungsvorrichtungen beschränkt, vielmehr können zusätzliche Lüftungsvorrichtungen für den geäußerten Zweck einer haptischen Wechselwirkung angewendet werden. Ungeachtet der Lüftungssystemanordnung kann jedoch jede durch aktives Material betätigte Lüftungsvorrichtung automatisch gesteuert sein, was zu erhöhter Bequemlichkeit und reduzierter Ablenkung für einen Fahrer und/oder Beifahrer führt.
Obgleich die Erfindung anhand einer beispielhaften Ausführungsform beschrieben worden ist, werden Fachleute auf dem Gebiet verstehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine besondere Situation oder ein besonderes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Schutzumfang abzuweichen. Daher ist beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf eine besondere Ausführungsform beschränkt ist, die als die beste Ausführungsart offenbart ist, die zur Ausführung dieser Erfindung in Betracht gezogen wird, sondern dass die Erfindung alle Ausfüh rungsformen umfassen wird, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Zusammenfassung
Eine Lüftungsvorrichtung umfasst einen Flügel, der für eine räumliche Bewegung ausgestaltet ist, und zumindest einen Aktor in Wirkverbindung mit dem Flügel, der ausgestaltet ist, um den Flügel in zumindest einer Richtung räumlich zu bewegen, wobei der Aktor ein aktives Material umfasst, das ausgestaltet ist, um bei Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung zumindest einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung zumindest einer Eigenschaft bewirkt, dass eine Orientierung des Flügels selektiv verändert wird.

Claims

Lüftungsvorrichtung, umfassend: einen Flügel, der zur räumlichen Bewegung ausgestaltet ist; und zumindest einen Aktor in Wirkverbindung mit dem Flügel, der ausgestaltet ist, um den Flügel in zumindest einer Richtung räumlich zu bewegen, wobei der Aktor ein aktives Material umfasst, das ausgestaltet ist, um bei Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung zumindest einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung zumindest einer Eigenschaft bewirkt, dass eine Orientierung des Flügels selektiv verändert wird.
Lüftungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Änderung der zumindest einen Eigenschaft eine Änderung einer Kristallstruktur, einer Materialmorphologie, einer Form, einer Abmessung, einer Phase, einer Formorientierung, eines Moduls, einer Steifigkeit oder von Kombinationen mit zumindest einer der vorstehenden Eigenschaften umfasst.
Lüftungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Aktivierungssignal ein thermisches Aktivierungssignal, ein elektrisches Aktivierungssignal, ein magnetisches Aktivierungssignal, ein chemisches Aktivierungssignal, ein optisches Aktivierungssignal, ein elektromagnetisches Aktivierungssignal, ein schwingendes Aktivierungssignal, ein akustisches Aktivierungssig nal, eine mechanische Last oder eine Kombination mit zumindest einem der vorstehenden Aktivierungssignale umfasst.
Lüftungsvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Aktivierungsvorrichtung umfasst, die ausgestaltet ist, um das Aktivierungssignal an das aktive Material zu liefern.
Lüftungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Aktivierungsvorrichtung in Wirkverbindung mit zumindest einem Sensor steht, der ausgestaltet ist, um die Aktivierungsvorrichtung bei Detektion einer vorbestimmten Schwellenbedingung zu aktivieren.
Lüftungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Aktor von Hand übergangen werden kann.
Lüftungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Aktor zwei antagonistisch ausgestaltete Sätze aus Teilaktoren umfasst, die jeweils ein aktives Material umfassen, das ausgestaltet ist, um bei Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung zumindest einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung zumindest einer Eigenschaft bewirkt, dass jeder der zwei antagonistisch ausgestalteten Sätze aus Teilaktoren in zwei Richtungen selektiv bewegt wird.
Lüftungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die zwei antagonistisch ausgestalteten Sätze aus Teilaktoren jeweils zwei oder mehr binäre Teilaktoren umfassen, wobei die zwei oder mehr binären Teilaktoren in serieller mechanischer Verbindung stehen, und wobei die Bewegung in den zwei Richtungen der antagonistisch ausgestalteten Sätze aus Teilaktoren bewirkt, dass die zwei oder mehr binären Teilaktoren in Reihe und selektiv den Flügel in drei oder mehr Richtungen bewegen.
Lüftungsvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Wegstreckeneinstellvorrichtung in Wirkverbindung mit dem aktiven Material umfasst und ausgestaltet ist, um eine Überbelastung und/oder Überdehnung des aktiven Materials zu verhindern, und um eine Einstellung einer Wegstreckenlänge des aktiven Materials bereitzustellen.
Lüftungsvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Prallplatte in Wirkverbindung mit dem Flügel und dem Aktor umfasst.
Lüftungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Prallplatte ein aktives Material umfasst.
Verfahren zum Steuern einer Bedingung einer Luftströmung in einem Fahrzeug, das umfasst, dass: ein aktives Material in einem Aktor in Wirkverbindung mit einem Flügel, der zur räumlichen Bewegung ausgestaltet ist, aktiviert wird, wobei das aktive Material ausgestaltet ist, um bei Empfang eines Aktivierungssignals eine Änderung zumindest einer Eigenschaft zu erfahren, wobei die Änderung zumindest einer Eigenschaft bewirkt, dass eine Orientierung des Flügels selektiv verändert wird; und die Orientierung des Flügels verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Verändern der Orientierung des Flügels bewirkt, dass eine Richtung, ein Volumen, ein räumliches Verteilungsmuster, eine Temperatur, eine Geschwindigkeit oder eine Kombination mit zumindest einem dem Vorstehenden, der Luftströmung verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Änderung der Bedingung der Luftströmung bewirkt, dass einem Insassen eine spezifische Fahrzeugbedingung durch eine Sichtanzeige, eine hörbare Anzeige, eine haptische Anzeige oder eine Kombination mit zumindest einer der vorstehenden Anzeigen angezeigt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner umfasst, dass die Orientierung der Flügel auf der Basis von im Voraus festgelegten Betriebsmodi in Ansprechen auf einen Eingang von zumindest einer Informationsquelle gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die im Voraus festgelegten automatischen Betriebsmodi einen Beschlagsentfernungsmodus, einen Modus einer Umlenkung von Luft zu einem festgelegten Bereich des Fahrzeugs, einen Modus einer Spülung schädlicher Dämpfe, einen Zirkulationsmodus nach einer transienten Bedingung oder Kombination mit zumindest einem der vorstehenden Modi umfassen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Verändern der Richtung der Luftströmung umfasst, dass die Luftströmung während eines Zeitraums einer transienten Temperatur von einem Insassen weggelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Aktivieren des aktiven Materials umfasst, dass eine vorbestimmte minimale Lufttemperatur erreicht wird, und wobei das Verändern der Orientierung des Flügels umfasst, dass der Flügel aus einer geschlossenen Position in eine offene Position überführt wird.
Lüftungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeuglüftungssystem, umfassend: zumindest einen Flügel, der für eine räumliche Bewegung ausgestaltet ist; zumindest einen Aktor in Wirkverbindung mit dem zumindest einen Flügel, der ausgestaltet ist, um den Flügel in mehreren Richtungen räumlich zu bewegen, wobei der Aktor zumindest ein Formgedächtnislegierungselement umfasst, das ausgestaltet ist, um bei Empfang eines Wärmesignals eine Zusammenziehung in einer Längenabmessung zu erfahren, wobei die Zusammenziehung in einer Längenabmessung bewirkt, dass eine Orientierung von einem oder mehreren Flügeln selektiv verändert wird; eine Wegstreckeneinstellvorrichtung in Wirkverbindung mit der Formgedächtnislegierung, die ausgestaltet ist, um ein Überdehnen der Formgedächtnislegierung zu verhindern; eine Prallplatte in Wirkverbindung mit dem Flügel und dem Aktor, wobei die Prallplatte eine zweite Formgedächtnislegierung und einen Rückstellmechanismus umfasst, wobei die zweite Form gedächtnislegierung ausgestaltet ist, um bei Empfang eines zweiten Wärmesignals eine Zusammenziehung in einer Längenabmessung zu erfahren, wobei die Zusammenziehung in einer Längenabmessung bewirkt, dass die Prallplatte von einer verstauten Position in eine entfaltete Position übergeht, und der Rückstellmechanismus ausgestaltet ist, um die Prallplatte in die verstaute Position zurückzuführen; und eine Aktivierungsvorrichtung, die ausgestaltet ist, um ein ausgewähltes oder beide von den ersten und zweiten Wärmesignalen bereitzustellen.
Lüftungsvorrichtung nach Anspruch 19, die ferner einen Controller in Wirkverbindung mit dem aktiven Material umfasst, der ausgestaltet ist, um einen ausgewählten oder beide von dem Aktor und einem zweiten funktionellen Bauteil zu steuern.