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Verwandte Anmeldungen
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Diese Patentanmeldung nimmt Bezug auf die und beansprucht die Priorität und den Nutzen der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/051 351 mit dem Titel „Control Methods for SMA Actuators” (Steuerverfahren für SMA-Aktuatoren), eingereicht am 8. Mai 2008, deren Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Offenlegung betrifft allgemein Verfahren zum Steuern von thermisch aktivierten Aktuatoren mit einem aktiven Material und im Spezielleren ein Verfahren zum Steuern der Wärmeübertragung innerhalb des Aktuators mithilfe äußerer Elemente.
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2. Erläuterung des Standes der Technik
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Thermisch aktivierte Aktuatoren mit einem aktiven Material wie z. B. Formgedächtnislegierungs(SMA-)Aktuatoren im martensitischen Zustand werden aktiviert, indem das Material auf eine Temperatur erwärmt wird, die über einem vorgegebenen Wert liegt. In Bezug auf die SMA bewirkt dies, dass das Material eine Phasenumwandlung vom Martensit- in den Austenitzustand erfährt, wobei es sich zusammenzieht und im Prozess verwendet wird, um Arbeit zu leisten. Beispielsweise werden SMA-Drähte mittels Widerstandsheizung durch Anlegen eines elektrischen Stromes an dieselben erwärmt Nachdem der Aktuator aktiviert wurde, muss er eine Abkühlperiode erfahren, bevor er wieder betätigt wird. Probleme bei diesem Ansatz umfassen die Begrenzung der Betätigungsperiode, um eine sofortigere Betätigung vorzusehen, und die Begrenzung der Abkühlperiode, was außerdem hilft, ein Überhitzen zu verhindern. Es ist überdies einzusehen, dass längere Betätigungs- und Abkühlperioden eine reduzierte Systemansprechbandbreite verursachen können, wohingegen ein Überhitzen zu Schäden an dem Aktuator führen kann. Es ist daher wünschenswert, ein wirksames Mittel zum Beschleunigen der Betätigung und der Abkühlung zur Verfügung zu haben, um die Betätigung zu rationalisieren und ein Überhitzen über die Standfestigkeit des Aktuators zu verhindern.
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Kurzzusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit diesen Problemen, indem sie neuartige Formgedächtnislegierungsaktuator-Konfigurationen vorsieht, die äußere Elemente verwenden, um über einen thermischen Aktivierungszyklus die Betätigungsperiode zu reduzieren und/oder die Abkühlperiode zu beschleunigen. Die Erfindung ist unter anderem nützlich, um während eines thermischen Betätigungszyklus die Bandbreite zu reduzieren und ein Überhitzen zu verhindern. Die Erfindung als solche ist nützlich, um einen effizienteren Betrieb zu bewerkstelligen und um die Integrität des SMA-Aktuators und der damit betriebenen Vorrichtung oder Maschine zu schützen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein thermisch aktivierter Aktuator mit einem aktiven Material geeignet, um die Abkühlperiode zu reduzieren, wie zuvor beschrieben. Der Aktuator umfasst ein Bauelement aus einem aktiven Material, das betreibbar ist, um eine reversible Änderung in einer fundamentalen Eigenschaft zu erfahren, wenn es einem thermischen Aktivierungssignal ausgesetzt oder vor diesem abgeschottet ist, um so aktiviert bzw. deaktiviert zu sein. Das Element weist einen ersten Querschnittsflächenbereich, wenn es deaktiviert ist, und einen zweiten Querschnittsflächenbereich, der größer ist als der erste, wenn es aktiviert ist, auf. Der Aktuator umfasst erfindungsgemäß ferner eine äußere Hülle, die eine vorbestimmte thermische Leitfähigkeit aufweist, welche ausgebildet ist, um die Abkühlung konduktiv zu beschleunigen. Die Hülle definiert einen Innenraum, welcher einen dritten Querschnittsflächenbereich aufweist, der größer als der erste und allgemein nicht größer als der zweite ist. Schließlich ist das Element innerhalb des Raumes angeordnet ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist der Aktuator geeignet, die Betätigungsperiode zu reduzieren. Hier umfasst der Aktuator ein Bauelement aus einem aktiven Material, das eine äußere Fläche aufweist, und ein äußeres Fluid, das mit der Fläche in Eingriff steht und thermisch mit einer Heizquelle gekoppelt ist, die betreibbar ist, um das Fluid und dadurch das Element auf eine Zieltemperatur zu erwärmen, bevor das Element dem Aktivierungssignal ausgesetzt wird.
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Die Offenlegung ist durch Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung der verschiedenen Merkmale der Offenlegung und die hierin umfassten Beispiele leichter verständlich.
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Kurzbeschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnung
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(Eine) bevorzugte Ausführungsform(en) der Erfindung ist/sind unten stehend im Detail unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungsfig. mit beispielhaftem Maßstab beschrieben, in denen:
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1 ein Querschnitt eines Formgedächtnislegierungsaktuators mit einer Hülle, die einen Innenraum definiert, der einen ersten Querschnittsflächenbereich aufweist, und einem SMA-Draht, der innerhalb des Raumes angeordnet ist und einen zweiten Querschnittsflächenbereich aufweist, der kleiner ist als der erste, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
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1a ein Querschnitt des in 1 gezeigten Aktuators ist, wobei der Draht aktiviert wurde, und insbesondere den Draht mit einem vergrößerten dritten Querschnittsflächenbereich, der zumindest gleich groß ist wie der erste, veranschaulicht;
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1b eine perspektivische Darstellung des in 1 gezeigten Aktuators mit einer segmentierten Hülle, die eine Vielzahl von Segmenten, die durch eine Vielzahl von flexiblen Rippen miteinander verbunden und beabstandet sind, umfasst, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
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2 ein Querschnitt eines Formgedächtnislegierungsaktuators mit einer flexiblen Hülle, die einen Innenraum definiert, der einen ersten Querschnittsflächenbereich aufweist, und einem SMA-Draht, der innerhalb des Raumes angeordnet ist und einen zweiten Querschnittsflächenbereich aufweist, der kleiner ist als der erste, und einer polygonalen Konfiguration, sodass der Draht mit der Hülle nur entlang der Ecken derselben in Kontakt steht, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
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2a ein Querschnitt des in 2 gezeigten Aktuators ist, wobei der Draht aktiviert wurde, und insbesondere den Draht mit einem vergrößerten dritten Querschnittsflächenbereich, der zumindest gleich groß ist wie der erste, sodass die Hülle dazu gebracht wird, sich der Form des Drahtes anzupassen, veranschaulicht;
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3 eine graphische Darstellung eines Systems mit einem Formgedächtnislegierungsaktuator, einer Quelle, die thermisch mit dem Aktuator in Eingriff steht, und einer Leitung, die den Aktuator umschließt und fluidtechnisch mit der Quelle gekoppelt ist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;
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3a ein Querschnitt des Aktuators und der Leitung ist, die in 3 gezeigt sind; und
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4 ein Querschnitt eines Formgedächtnislegierungsaktuators mit einer äußeren Schicht aus einem Material, das eine Schmelz- oder Verdampfungswärme mit einem relativen Zieltemperaturbereich aufweist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Wie in den 1–4 veranschaulicht, sind hierin verschiedene Ausführungsformen eines neuartigen Aktuators 10 präsentiert, der ein thermisch aktiviertes Bauelement (z. B. einen Draht) 12 aus einem aktiven Material und ein äußeres Element 14 umfasst, das betreibbar ist, um die Betätigungs- und/oder Abkühlperiode des Drahtes 12 zu reduzieren. Das heißt, das äußere Element 14 produziert eine vorbestimmte thermische Leitfähigkeit, die im Vergleich zu der Rate der thermischen Wärmeübertragung auf den und von dem umgebenden Raum die Betätigungsperiode reduziert und/oder die Abkühlrate beschleunigt. Stärker bevorzugt wird das äußere Element 14 betrieben, um die Betätigungsperiode und/oder die Abkühlrate um zumindest 10% und am stärksten bevorzugt um zumindest 25% zu reduzieren bzw. zu beschleunigen. Wenngleich hierin unter spezieller Bezugnahme auf eine SMA beschrieben, liegt es innerhalb des Umfangs der Erfindung, die Vorteile der Offenlegung mit anderen thermisch aktivierten aktiven Materialien wie z. B. einem Formgedächtnispolymer (SMP) zu nutzen. Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist rein beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken.
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In 3 ist ein System 16 zur Verwendung mit dem Aktuatordraht 12 geeignet, das antriebstechnisch mit einer Last 18 gekoppelt ist und betreibbar ist, um nützliche mechanische Arbeit zu verrichten. Das System 16 umfasst ferner eine Leistungsversorgung 20, die betreibbar ist, um ein Aktivierungssignal an den Draht 12 zu liefern. Schließlich ist ein Controller 22 kommunikativ mit der Versorgung 20 und dem Draht 12 gekoppelt und ausgebildet, um zu bewirken, dass der Aktuator 10 die Last 18 ansteuert, wenn es erwünscht ist. Wie hierin verwendet, ist der Ausdruck „Draht” nicht einschränkend und er soll andere ähnliche geometrische Konfigurationen, die Zuglastfestigkeit/Dehnungsvermögen bieten, wie Kabel, Bündel, Litzen, Seile, Streifen, Ketten und andere Elemente in dem Ausmaß umfassen, in dem sie mit den geometrischen Einschränkungen der vorliegenden Erfindung kompatibel sind.
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Wie hierin verwendet, beziehen sich Formgedächtnislegierungen (SMAs) allgemein auf eine Gruppe von metallischen Materialien, die die Fähigkeit besitzen, zu einer zuvor definierten Form oder Größe zurückzukehren, wenn sie einem entsprechenden thermischen Reiz unterworfen werden. Formgedächtnislegierungen sind in der Lage, Phasenumwandlungen zu erfahren, in denen ihre Fließgrenze, Steifigkeit, Abmessung und/oder Form als eine Funktion der Temperatur verändert wird/werden. Der Ausdruck „Fließgrenze” bezieht sich auf die Spannung, bei der ein Material eine genau angegebene Abweichung von der Proportionalität zwischen Spannung und Dehnung zeigt. Im Allgemeinen können Formgedächtnislegierungen in der Niedrigtemperatur oder Martensitphase pseudoplastisch verformt werden und sie werden sich, wenn sie einer höheren Temperatur ausgesetzt sind, in eine Austenitphase oder Mutterphase umwandeln und in ihre Form vor der Verformung zurückkehren. Materialien, die diesen Formgedächtniseffekt nur beim Erwärmen zeigen, werden als solche bezeichnet, die ein Formgedächtnis in eine Richtung besitzen. Jene Materialien, die auch beim erneuten Abkühlen ein Formgedächtnis zeigen, werden als solche bezeichnet, die ein Formgedächtnisverhalten in zwei Richtungen zeigen.
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Formgedächtnislegierungen liegen in mehreren verschiedenen temperaturabhängigen Phasen vor. Die am häufigsten verwendeten dieser Phasen sind die sogenannte Martensit- und die Austenitphase, die oben erläutert sind. In der nachfolgenden Erläuterung bezieht sich die Martensitphase allgemein auf die stärker verformbare Phase niedrigerer Temperatur, wohingegen sich die Austenitphase allgemein auf die starrere Phase höherer Temperatur bezieht. Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Martensitphase befindet und erwärmt wird, beginnt sie, sich in die Austenitphase zu ändern. Die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird oft als Austenit-Anfangstemperatur (As) bezeichnet Die Temperatur, bei der dieses Phänomen endet, wird als Austenit-Endtemperatur (Af) bezeichnet Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Austenitphase befindet und abgekühlt wird, beginnt sie, sich in die Martensitphase zu ändern, und die Temperatur, bei der dieses Phänomen beginnt, wird als Martensit-Anfangstemperatur (Ms) bezeichnet. Die Temperatur, bei der der Austenit aufhört, sich in Martensit umzuwandeln, wird oft als Martensit-Endtemperatur (Mf) bezeichnet. Im Allgemeinen sind die Formgedächtnislegierungen in ihrer martensitischen Phase weicher und leichter verformbar und in der austenitischen Phase härter, steifer und/oder starrer. Im Hinblick auf das zuvor Gesagte ist ein geeignetes Aktivierungssignal zur Verwendung mit Formgedächtnislegierungen ein thermisches Aktivierungssignal in einer Größenordnung, um Umwandlungen zwischen der Martensit- und der Austenitphase zu bewirken.
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Formgedächtnislegierungen können abhängig von der Legierungszusammensetzung und der bisherigen Verarbeitung einen Formgedächtniseffekt in eine Richtung, einen intrinsischen Effekt in zwei Richtungen oder einen extrinsischen Formgedächtniseffekt in zwei Richtungen zeigen. Geglühte Formgedächtnislegierungen zeigen typischerweise nur den Formgedächtniseffekt in eine Richtung. Ein ausreichendes Erwärmen anschließend an eine Verformung des Formgedächtnismaterials bei niedriger Temperatur wird die Martensit/Austenit-Umwandlung induzieren und das Material wird die ursprüngliche, geglühte Form wiedererlangen. Somit werden Formgedächtniseffekte in eine Richtung nur beim Erwärmen beobachtet. Aktive Materialien, die Formgedächtnislegierungszusammensetzungen umfassen, welche Gedächtniseffekte in eine Richtung zeigen, bilden sich nicht automatisch zurück und es ist wahrscheinlich, dass sie eine äußere mechanische Kraft benötigen, um die Form zurückzubilden.
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Intrinsische und extrinsische Zweirichtungs-Formgedächtnismaterialien sind durch eine Formänderung sowohl beim Erwärmen von der Martensitphase in die Austenitphase als auch eine zusätzliche Formänderung beim Abkühlen von der Austenitphase zurück in die Martensitphase gekennzeichnet. Aktive Materialien, die einen intrinsischen Formgedächtniseffekt zeigen, sind aus einer Formgedächtnislegierungszusammensetzung hergestellt, die bewirken wird, dass sich die aktiven Materialien infolge der oben angeführten Phasenumwandlungen automatisch selbst zurückbilden. Ein intrinsisches Formgedächtnisverhalten in zwei Richtungen muss in dem Formgedächtnismaterial durch die Bearbeitung induziert werden. Solche Prozeduren umfassen eine extreme Verformung des Materials, während es sich in der Martensitphase befindet, ein Erwärmen/Abkühlen unter Zwang oder Belastung, oder eine Oberflächenmodifizierung durch z. B. Laserglühen, Polieren oder Kugelstrahlen. Sobald dem Material beigebracht wurde, einen Formgedächtniseffekt in zwei Richtungen zu zeigen, ist die Formänderung zwischen den Niedrig- und Hochtemperaturzuständen allgemein reversibel und bleibt über viele thermische Zyklen hinweg erhalten. Im Gegensatz dazu sind aktive Materialien, die die extrinsischen Formgedächtniseffekte in zwei Richtungen zeigen, Verbund- oder Mehrkomponentenmaterialien, die eine Formgedächtnislegierungszusammensetzung, welche einen Effekt in eine Richtung zeigt, mit einem weiteren Element kombinieren, das eine Rückstellkraft bereitstellt, um die ursprüngliche Form rückzubilden.
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Die Temperatur, bei der sich die Formgedächtnislegierung an ihre Hochtemperaturform erinnert, wenn sie erwärmt wird, kann durch geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung der Legierung und durch Wärmebehandlung angepasst werden. In Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen kann sie z. B. von über etwa 100°C auf unter etwa –100°C geändert werden. Der Formwiedererlangungsprozess findet über einen Bereich von nur wenigen Graden statt und der Anfang oder das Ende der Umwandlung kann, abhängig von der gewünschten Anwendung und Legierungszusammensetzung, innerhalb von einem oder zwei Graden gesteuert werden. Die mechanischen Eigenschaften der Formgedächtnislegierung variieren stark über den Temperaturbereich, der ihre Umwandlung überspannt, und verleihen dem System typischerweise Formgedächtniseffekte, superelastische Effekte und ein hohes Dämpfungsvermögen.
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Geeignete Formgedächtnislegierungsmaterialien umfassen ohne Einschränkung Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zinklegierungen, Kupfer-Aluminiumlegierungen, Kupfer-Gold- und Kupfer-Zinnlegierungen), 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-Platin-Basis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und dergleichen. Die Legierungen können binär, ternär oder von irgendeiner höheren Ordnung sein, vorausgesetzt, die Legierungszusammensetzung zeigt einen Formgedächtniseffekt wie z. B. eine Änderung der Formorientierung, des Dämpfungsvermögens und dergleichen.
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Im typischen Gebrauch zeigen SMAs einen Modulanstieg des 2,5-fachen und eine Abmessungsänderung (die Rückverformung einer pseudoplastischen Verformung, die induziert wird, wenn sie sich in der Martensitphase befinden) von bis zu 8% (je nach Ausmaß der Vorverformung), wenn sie über ihre Martensit/Austenit-Phasenumwandlungstemperatur erwärmt werden.
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Formgedächtnispolymere (SMPs) beziehen sich allgemein auf eine Gruppe von Polymermaterialien, die die Fähigkeit zeigen, in eine zuvor definierte Form zurückzukehren, wenn sie einem geeigneten thermischen Reiz unterworfen sind. Formgedächtnispolymere sind in der Lage, Phasenumwandlungen zu erfahren, in denen ihre Form als eine Funktion der Temperatur geändert wird. Im Allgemeinen besitzen SMPs zwei Hauptsegmente, ein hartes Segment und ein weiches Segment. Die zuvor definierte oder permanente Form kann festgelegt werden, indem das Polymer bei einer Temperatur geschmolzen oder verarbeitet wird, die höher ist als die höchste thermische Umwandlung, gefolgt von einem Abkühlen unter diese thermische Umwandlungstemperatur. Die höchste thermische Umwandlung ist üblicherweise die Glasumwandlungstemperatur (Tg) oder der Schmelzpunkt des harten Segments. Eine temporäre Form kann festgelegt werden, indem das Material auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher ist als die Tg oder die Umwandlungstemperatur des weichen Segments, aber niedriger als die Tg oder der Schmelzpunkt des harten Segments. Die temporäre Form wird festgelegt, während das Material bei der Umwandlungstemperatur des weichen Segments bearbeitet wird, gefolgt von einem Abkühlen, um die Form zu fixieren. Das Material kann in die permanente Form zurückgebracht werden, indem das Material über die Umwandlungstemperatur des weichen Segments erwärmt wird.
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Zum Beispiel kann die permanente Form des Polymermaterials ein Draht sein, der eine im Wesentlichen gerade Form aufweist und eine erste Länge definiert, während die temporäre Form ein ähnlicher Draht sein kann, der eine zweite Länge definiert, die kürzer ist als die erste. In einer weiteren Ausführungsform kann das Material eine Feder bilden, die einen ersten Elastizitätsmodul aufweist, wenn sie aktiviert ist, und einen zweiten Modul aufweist, wenn sie deaktiviert ist.
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Die für die Wiedererlangung der permanenten Form erforderliche Temperatur kann bei einer beliebigen Temperatur zwischen etwa –63°C und etwa 120°C oder darüber festgelegt sein. Die technische Planung der Zusammensetzung und Struktur des Polymers selbst kann die Wahl einer bestimmten Temperatur für eine gewünschte Anwendung zulassen. Eine bevorzugte Temperatur für die Formwiedererlangung ist höher oder gleich etwa –30°C, stärker bevorzugt höher oder gleich etwa 0°C und am stärksten bevorzugt eine Temperatur höher oder gleich etwa 50°C. Auch ist eine bevorzugte Temperatur für die Formwiedererlangung niedriger oder gleich etwa 120°C und am stärksten bevorzugt niedriger oder gleich etwa 120°C und höher oder gleich etwa 80°C.
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Geeignete Formgedächtnispolymere umfassen Thermoplaste, Duroplaste, Durchdringungsnetzwerke, halbdurchdringende Netzwerke oder gemischte Netzwerke. Die Polymere können ein einzelnes Polymer oder eine Mischung von Polymeren sein. Die Polymere können lineare oder verzweigte thermoplastische Elastomere mit Seitenketten oder dentritischen Strukturelementen sein. Geeignete Polymerkomponenten zum Bilden eines Formgedächtnispolymers umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Polyphosphazane, Polyvinylalkohole, Polyamide, Polyesteramide, Polyaminosäuren, Polyanhydride, Polycarbonate, Polyacrylate, Polyalkylene, Polyacrylamide, Polyalkylenglykole, Polyalkylenoxide, Polyalkylenterephthalate, Polyorthoester, Polyvinylether, Polyvinylester, Polyvinylhalogenide, Polyester, Polylaktide, Polyglykolide, Polysiloxane, Polyurethane, Polyether, Polyetheramide, Polyetherester und Copolymere davon. Beispiele für geeignete Polyacrylate umfassen Polymethylmethacrylat, Polyethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat, Polyisobutylmethacrylat, Polyhexylmethacrylat, Polyisodecylmethacrylat, Polylaurylmethacrylat, Polyphenylmethacrylat, Polymethylacrylat, Polyisopropylacrylat, Polyisobutylacrylat und Polyoctadecylacrylat Beispiele für weitere geeignete Polymere umfassen Polystyrol, Polypropylen, Polyvinylphenol, Polyvinylpyrrolidin, chloriertes Polybutylen, Polyoctadecylvinylether, Ethylenvinylacetat, Polyethylen, Polyethylenoxid-Polyethylen-Terephthalat, Polyethylen/Nylon (Pfropf-Copolymer), Polycaprolaktonpolyamid (Blockcopolymer), Polycaprolaktondimethacrylat-n-Butylacrylat, polyhedrales oligomeres Polynorbornylsilsequioxan, Polyvinylchlorid, Urethan/Butadien-Copolymere, polyurethanhaltige Blockcopolymere, Styrol-Butadienstyrol-Blockcopolymere und dergleichen.
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Es ist somit einzusehen, dass SMPs einen drastischen Abfall im Modul zeigen, wenn sie über die Glasumwandlungstemperatur ihres Bestandteiles erwärmt werden, der eine niedrigere Glasumwandlungstemperatur aufweist. Wenn eine Belastung/Verformung aufrechterhalten wird, während die Temperatur abfallt, wird die verformte Form des SMP eingestellt, bis es ohne Belastung wieder erwärmt wird, wobei sie unter dieser Bedingung wieder in seine Gussform zurückkehren wird. Während SMPs verschiedentlich in Block-, Tafel-, Platten-, Gitter-, Gebinde-, Faser- oder Schaumformen verwendet werden könnten, benötigen sie eine kontinuierliche Leistung, um in ihrem Zustand mit niedrigerem Modul zu bleiben.
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Zurückkommend auf die vorliegende Erfindung zeigt 1 eine erste beispielhafte Ausführungsform, in der das äußere Element 14 eine Hülle 24 ist, die ausgebildet ist, um selektiv mit dem Bauelement (z. B. einem Draht) 12 aus einem aktiven Material in Eingriff zu gelangen und Wärmeenergie davon abzuziehen. Im Spezielleren definiert die Hülle 24 dort, wo der Draht 12 einen ersten Querschnittsflächenbereich, wenn er deaktiviert ist, und einen zweiten Querschnittsflächenbereich, der größer ist als der erste, wenn er aktiviert ist, aufweist, einen Innenraum 26, der einen dritten Querschnittsflächenbereich aufweist, der größer als der erste und allgemein nicht größer als der zweite ist. Stärker bevorzugt macht der dritte Flächenbereich nicht weniger als 125% des ersten aus.
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Der Draht 12 ist innerhalb des Raumes 26 angeordnet. Als solches steht der Draht 12 in einem normal deaktivierten Zustand in minimalem Kontakt mit der Hülle 24 idealerweise entlang einer Tangentiallinie, die durch die beiden kreisförmigen Querschnitte definiert ist (1). Wenn er aktiviert wird, dehnt sich der Draht radial aus, um so den Raum 26 zu füllen und im Wesentlichen den Kontaktbereich des Eingriffes zwischen dem Draht 12 und der Hülle 24 zu vergrößern (1a). Dadurch ist der Draht 12 in der Lage, Wärmeenergie bei einer ansonsten beschleunigten Abkühlrate infolge der durch die Hülle 24 gebotenen erhöhten thermischen Wärmeübertragungsrate zu übertragen. Das heißt, wenn die Hülle 22 in Eingriff steht, produziert sie eine Abkühlrate durch Konduktion, die größer ist als die durch die Umgebungsbedingungen gebotene Abkühlrate.
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Die Hülle 24 ist daher derart ausgebildet, dass sie eine thermische Leitfähigkeit (d. h. einen Wärmeübertragungskoeffizienten) aufweist, die im Wesentlichen größer als 0,024 W/mK (die Leitfähigkeit von Luft) ist. Die Hülle 24 kann z. B. aus Kupfer (z. B. Kupferlegierungen) oder Aluminium (z. B. Aluminiumlegierungen) gebildet sein, die thermische Leitfähigkeiten von ungefähr 400 bzw. 250 W/mK aufweisen. Wie in 1b gezeigt, ist die bevorzugte Hülle 24 in Längsrichtung segmentiert, um eine fortgesetzte Längsexpansion/-kontraktion des Drahtes 12 ohne Reibungsverlust zu ermöglichen, wenn sie in Eingriff steht. Hier können die Segmente 24a durch eine Vielzahl von flexiblen Rippen 28 miteinander verbunden sein (1b), um eine richtige Beabstandung aufrechtzuerhalten.
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Die bevorzugte Hülle 24 ist auch dehnbar, sodass der dritte Flächenbereich kleiner sein kann als der zweite. Hier werden, wenn der Draht 12 aktiviert ist, die Hülle 24 und der Draht 12 allgemein radial überlagernde Schichten bilden, was den Eingriffkontaktbereich maximiert. Die Hülle 24 kann einen integral dehnbaren Körper aufweisen oder kann aus längsgerichteten Membranen (nicht gezeigt) bestehen, welche die ausstrahlenden Sektoren elastisch miteinander verbinden. In einer weiteren Alternativen, in der die Hülle 24 flexibel ist, kann der Draht 12 eine polygonale Querschnittsform aufweisen, die Ecken 12a und eine äußere Fläche 12b definiert (2). Hier sind der erste, der zweite und der dritte Bereich zusammenwirkend derart ausgebildet, dass nur die Ecken 12a des Polygons mit der Hülle 24 in Kontakt stehen, wenn sich der Draht 12 im normal deaktivierten Zustand befindet, und die Hülle 24 wird dazu gebracht, sich an die Fläche 12b anzupassen, um so überlagernde Schichten mit derselben zu definieren, wenn der Draht 12 aktiviert ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung, ist das äußere Element 14 ein Fluid 30, das ausgebildet ist, um selektiv mit der Fläche 12b in Eingriff zu stehen. Das Fluid 30 ist thermisch mit einer Quelle 32 gekoppelt, die betreibbar ist, um das Fluid 30 und dadurch den Draht 12 auf eine Zieltemperatur zu erwärmen und/oder abzukühlen. Das heißt, die Quelle 32 kann den Draht 12 erwärmen, bevor er dem Aktivierungssignal ausgesetzt wird, um so den Draht 12 „scharf zu machen” und die Betätigungsperiode zu reduzieren; und/oder den Draht 12 abzukühlen, nachdem er dem Signal ausgesetzt wurde, um so die Abkühlrate zu beschleunigen. In einer Kraftfahrzeugeinstellung kann die Quelle 32 z. B. der Motor oder das Kühlsystem des Fahrzeuges (nicht gezeigt) sein. Bezüglich des ersteren ist einzusehen, dass die Quelle 32 während des Normalbetriebes erwärmte Umgebungsluft erzeugen wird. Indem der Draht 12 selektiv der erwärmten Luft ausgesetzt wird, kann das Scharfmachen erreicht werden. Durch Umschalten zwischen der Wechselwirkung mit der heißen und kalten Seite des Kühlsystems kann der Draht 12 durch das Kühlsystem erwärmt bzw. abgekühlt werden.
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Alternativ kann der Draht 12 im Inneren innerhalb einer Leitung 34 angeordnet sein, die fluidtechnisch mit der Quelle 32 gekoppelt ist, wie in 3 gezeigt. Das Fluid 30 strömt innerhalb der Leitung 34 und der Quelle und ist durch diese bevorzugt hermetisch abgeschlossen, mit Ausnahme der Antriebsstange und der elektrischen Kontakte, die vor dem Fluid geschützt sind. Wieder kann die Leitung 34, wenn die Quelle 32 ein Kraftfahrzeugmotor ist, ausgebildet sein, um die Luftströmung aus dem Motor und zu dem Draht 12 zu leiten, sodass das Scharfmachen des Drahtes ein Nebenprodukt des Normalbetriebes des Motors ist. Es kann ein Ventil 36 vorgesehen sein, sodass der Draht 12 selektiv der Luftströmung ausgesetzt werden kann.
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Schließlich ist das äußere Element 14 in einem dritten Beispiel, das bei 4 gezeigt ist, eine Schicht aus einem Material 38, die thermisch mit der Drahtfläche 12b gekoppelt ist und stärker bevorzugt direkt in diese eingreift. Die Schicht 38 besitzt einen Schmelz- oder Verdampfungspunkt, der höher ist als die Austenit-Endtemperatur des Drahtes 12 und niedriger ist als ein vorbestimmter Prozentsatz der Temperatur, um so geschmolzen oder verdampft zu werden, wenn der Draht 12 dazu gebracht wird, einen Überschuss an Wärmeenergie zu produzieren. Stärker bevorzugt beträgt der Prozentsatz nicht mehr als 125% und am stärksten bevorzugt 110%, um so ein schnelles Ansprechen sicherzustellen und den Wärmeüberschuss und das erforderliche Material zu minimieren.
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Die Schicht 38 weist eine Schmelzwärme (d. h. eine Schmelzenthalpie) oder eine Verdampfungswärme auf, die dazu dient, die überschüssige Wärme zu entfernen. Beispielsweise kann die Schicht 38 eine Schmelzwärme von 100–300 Jg besitzen und als solches ist ein geeignetes Material zur Verwendung hierin Paraffinwachs. Ebenfalls in 4 gezeigt ist eine Kollektorhülle 40, die außen die Schicht 38 aus dem Material im geschmolzenen oder verdampften Zustand enthält, bis es seine Energie freisetzt und wieder erstarrt oder sich verflüssigt. Zu diesem Zweck weist die Hülle 40 wiederum eine minimale thermische Leitfähigkeit auf, die nicht niedriger ist als die des Drahtes 12, um so Wärmeenergie von dem Draht 12 und der Schicht 38 abzuziehen. Stärker bevorzugt weist die Kollektorhülle 40 eine thermische Leitfähigkeit von mehr als 150% und am stärksten bevorzugt 200% der thermischen Leitfähigkeit des Drahtes 12 auf.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist einzusehen, dass die erhöhten Abkühlraten verwendet werden können, um ein Rückstellsignal nach Betätigung des Drahtes 12 anzuwenden, um so die Rückstellung des Aktuators 12 zu verlangsamen, ohne dass dies, im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsformen, welche die Bandbreite reduzieren, auf Kosten der Bandbreite geht. Das angewendete Rückstellsignal kann modifiziert sein, um eine gleichbleibende Rückstellung über variierende Bedingungen herbeizuführen.
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Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung offenzulegen, darunter die beste Art, und auch, um jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die dem Fachmann in den Sinn kommen. Solche weiteren Beispiele sollen innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich nicht von der wörtlichen Darlegung der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie gleiche strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden von der wörtlichen Darlegung der Ansprüche umfassen.
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Auch bezeichnen die Ausdrücke „erste/r/s”, „zweite/r/s” und dergleichen, wie hierin verwendet, keinerlei Reihenfolge, Menge oder Bedeutung, sondern werden vielmehr dazu verwendet, ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Ausdrücke „der”, „die”, „das”, „ein”, „eine”, „einer”, „eines und „einen” bedeuten keine Einschränkung der Menge, sondern bezeichnen vielmehr das Vorhandensein von mindestens einem von dem genannten Element. Alle Bereiche, die sich auf die gleiche Menge einer gegebenen Komponente oder Messung beziehen, verstehen sich einschließlich der Endpunkte und sind einzeln kombinierbar.
