DE19544805C1 - Elektrochemisches Stellelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrochemisches Stellelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches elektrochemisches Stellelement ist durch die DE 33 16 258 C2 bekannt. Dort ist nur eine elektrochemische Zelle vorhanden, in der das bei Durchlauf des Gleichstroms sich entwickelnde Gas in einen gasdichten Metallbalg ein­ tritt, diesen ausdehnt und die Verstellung eines Ventilstö­ ßels bewirkt. Diese Anordnung hat den Nachteil eines äu­ ßerst geringen Wirkungsgrades der Umwandlung eingespeister elektrischer Energie in Arbeit. Ursache hierfür ist, daß ein Großteil der elektrischen Energie in chemischer Form gespeichert wird und nur ein geringer Teil für die Gasent­ wicklung aufgewendet wird.

Die DE-A 32 11 833 beschreibt einen hydraulischen Kurbel­ trieb mit Zug- und Druckzylinder, wobei zwei nebeneinander symmetrisch zur Drehachse einer Kurbelwellenachse angeord­ nete doppelt wirkende Zylinder an eine doppelarmige Kurbel­ schwinge und an einen Maschinenständer in mehrfacher Weise drehbar angelenkt sind und eine winkelbegrenzte Drehbewe­ gung der Kurbelwelle mit Drehsinnänderung bewirken. Hierbei handelt es sich um ein rein mechanisches, durch Zugkraft und Druckkraft erzeugtes Drehmoment zur Ausführung einer hin- und hergehenden Bewegung einer doppelarmigen Kurbel­ welle durch doppelt wirkende hydraulisch beaufschlagbare Druckzylinder, nicht jedoch um den Einsatz von elektroche­ mischen Stellelementen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrochemi­ sches Stellelement der eingangs näher genannten Art mit ei­ nem hohen spezifischen Arbeitsvermögen und guter Energiebi­ lanz zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der große Vorteil des erfindungsgemäßen elektrochemischen Stellelementes ist, daß die beiden Zellen so betrieben wer­ den, daß die erste Zelle geladen und die zweite Zelle ent­ laden wird. Dabei fließen Energiemengen von einer Zelle zur anderen. Dadurch ist die Energiebilanz um Größenordnungen besser als die Bilanz bekannter elektrochemischer Stellele­ mente. Die Wirkungsweise ist derart, daß beim Einspeisen von Strom in der ersten Zelle der Innendruck steigt und diese sich ausdehnt, während in der zweiten Zelle der Innendruck sich senkt und diese sich verkleinert. Zur Steuerung und zum Ausgleich der Ener­ gieverluste wird eine steuerbare elektrische Spannungsquelle zwischen die bei­ den elektrochemischen Zellen geschaltet. Die beiden Zellen können wie nach­ stehend geschaltet werden:

• a) die beiden Zellen sind galvanisch getrennt,
• b) die Zellen sind galvanisch verbunden und zwischen den Zellen herrscht eine Potentialdifferenz, so daß ein betrags- und richtungsmäßig vorgege­ bener Strom zwischen den Zellen fließt,
• c) wie bei b), aber Stromfluß in umgekehrter Richtung.

Außerdem können die beiden Zellen elektrisch vorgeladen werden und stellen somit einen elektrischen Energiespeicher dar. Die steuernde Spannungsquelle kann aus den Zellen des Stellelementes gespeist werden. Dadurch ist es mög­ lich, das Stellelement auch ohne äußere Energiequelle zu betreiben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema für die elektrische Verschaltung von zwei elektrochemi­ schen Zellen;

Fig. 2 eine erstes Ausführungsbeispiel für ein elektrochemisches Stellele­ ment;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel für ein elektrochemisches Stellele­ ment in Ruhestellung;

Fig. 4 das elektrochemische Stellelement nach Fig. 3 in Arbeitsstellung;

Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel für ein elektrochemisches Stellele­ ment in Ruhestellung und

Fig. 6 das elektrochemische Stellelement nach Fig. 5 in Arbeitsstellung.

In Fig. 1 ist für zwei elektrochemische Zellen 1 und 2 die elektrische Verschal­ tung dargestellt. Es soll angenommen werden, daß bei einer Stromrichtung ent­ sprechend dem Pfeil 3 durch die Zuleitung 4 in der Zelle 1 eine Druckzunahme durch eine Gaserzeugung erfolgt. Nach dem Austritt aus der Zelle 1 fließt der Strom entsprechend den Pfeilen 5 und 6 in umgekehrter Richtung durch die Zelle 2, wodurch in dieser eine Gasentladung mit einer Druckabnahme stattfin­ det. Als Folge davon dehnt sich die Zelle 1 aus und die Zelle 2 verringert ihr Volumen. Diese Verschiebebewegung kann zur Verrichtung einer Stellaufgabe genutzt werden.

In Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stellele­ mentes 10 dargestellt. Hierbei liegen zwei aus Metallbälgen gefertigte gasdich­ te Zellen 11 und 12 aneinander. Wird in der Zelle 11 dadurch Gas erzeugt, daß ein Strom erst in die Zelle 11 und dann in umgekehrter Richtung in die Zelle 12 geleitet wird, verschiebt sich - bei festgehaltenen Zellstirnwänden - die Zwi­ schenwand zwischen den Zellen 11 und 12 bis ein Druckausgleich stattfindet. Diese Verschiebebewegung wird durch eine Antriebsstange 13 zur Verrichtung einer Stellaufgabe, z. B. zum Öffnen und Schließen eines Ventils, genutzt. Die Zurücknahme der Verschiebebewegung der Antriebsstange 13 erfolgt dadurch, daß die Stromrichtung umgekehrt wird, also zuerst der Strom in die Zelle 12 geleitet wird, wodurch diese sich durch Gaserzeugung ausdehnt, während sich in der Zelle 11 durch Entgasen das Volumen verringert. Die Zellen 11 und 12 können an Stelle von Metallbälgen auch aus geeigneten Kunststoffmaterialien oder aus einem pneumatischen Zylinder mit gut abgedichtetem Kolben beste­ hen.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel entsprechend den Fig. 3 und 4 ist ein elek­ trochemisches Stellelement 20 entsprechend den Fig. 3 und 4 zwischen dem Ende eines Tragflügels 21 und einer angesetzten Klappe 22 eingebaut. Tragflü­ gel 21 und Klappe 22 sind durch einen elastischen Zugstab 23 verbunden, wo­ bei der Zugstab 23 im mittleren Teil zwischen Zellen 24 und 25 des Stellele­ mentes 20 angeordnet ist. Fig. 3 zeigt diese Anordnung in Ruhestellung, bei der die beiden Zellen 24 und 25 denselben Druck und gleiches Volumen ha­ ben. Wird nun durch die Zellen 24 und 25 entsprechend Fig. 1 ein Strom gelei­ tet, findet in der Zelle 24 eine Gaserzeugung und in der Zelle 25 eine Gasent­ ladung statt. Somit wird das Volumen in der Zelle 24 größer und dasjenige in der Zelle 25 kleiner. Als Folge davon wird entsprechend Fig. 4 der Zugstab 23 mit der Klappe 22 nach rechts verbogen, es wird also die Klappe 22 ausge­ schlagen. Der Vorgang kann umgekehrt werden, wenn der Strom erst durch die Zelle 25 geleitet wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 5 und 6 zeigt die Betäti­ gung eines Ruders, z. B. eines Höhenruders, durch ein elektrochemisches Stel­ lelement 30 mit den Zellen 31 und 32. Das elektrochemische Stellelement 30 ist dabei in das hintere Ende einer Höhenflosse 33 eingebaut und zwischen den Zellen 31 und 32 liegt eine Nase 34a eines Ruders 34, das um einen Drehpunkt 35 ausschlagen kann. Wird nun Strom erst durch die Zelle 31 und dann durch die Zelle 32 geleitet, dehnt sich die Zelle 31 aus und die Zelle 32 zieht sich zu­ sammen. Durch diesen Vorgang wird, wie die Fig. 6 zeigt, die Nase 34a ver­ schoben und das Ruder 34 schlägt in Richtung eines Pfeiles 36 aus. Dieser Vorgang läßt sich, wie bereits beschrieben, umkehren.

Das Prinzip der Erfindung mit den beiden wechselseitig mit Strom beauf­ schlagbaren, elektrochemischen Stellelementen kann weiterhin vielseitig, z. B. zur Verstellung von Lüftungsklappen, Positioniereinrichtungen usw., eingesetzt werden.

Claims (7)

1. Elektrochemisches Stellelement mit mindestens einer gasdichten, flexiblen, mit Gleichstrom beaufschlagbaren Zelle, in der durch eine reversible Reaktion ein Druck erzeugt wird, der in eine Bewegung umsetzbar ist, da­ durch gekennzeichnet, daß zwei elektrochemische Zellen (1, 2; 22, 12; 24, 25; 31, 32) ein miteinander korre­ spondierendes Zellenpaar bilden, in dem die erste Zelle (1, 11, 24, 31) geladen wird und sich ausdehnt und da­ bei die zweite Zelle entladen wird und sich zusammen­ zieht, daß die beiden Zellen (1, 2; 11, 12; 24, 25; 31, 32) elektrisch so geschaltet sind, daß in der einen Zelle (1, 11, 24, 31) der Strom in umgekehrter Richtung fließt, wie in der anderen Zelle (2, 12, 25, 32) und daß die dabei auftretende Verschiebebewegung zwischen den Zellen zu einer Stellbewegung genutzt wird.

2. Elektrochemisches Stellelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellbewegung einer Abtriebsstange (13) geradlinig in Richtung der beiden hintereinander liegenden Zellen (11, 12) und der Zellzwischenwandverschiebung erfolgt.

3. Elektrochemisches Stellelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Längs­ seiten der zwei aneinander liegenden Zellen (24, 25) ein elastischer Zugstab (23) eingespannt ist, der beim Ausdehnen der ersten Zelle (24) und Zusammenziehen der zweiten Zelle (25) einen Biegeausschlag ausführt.

4. Elektrochemisches Stellelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Seiten der beiden Zellen (31, 32) ein Arm eines zweiarmigen Hebels eingesetzt ist, so daß beim Ausdehnen der ersten Zelle (31) und Zusammenziehen der zweiten Zelle (32) der zwischen den Zellen liegende Arm (34a) des Hebels mitgenommen wird, der andere Arm (34) des Hebels gegen­ sinnig verschwenkt wird.

5. Elektrochemisches Stellelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Paare von elektrochemischen Zellen elektrisch parallel angeordnet und seriell miteinander verschaltet sind.

6. Elektrochemisches Stellelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zellen (1, 2; 11, 12; 24, 25; 31, 32) elektrisch vorgeladen sind und die steuernde Spannungs­ quelle aus den Zellen gespeist wird.

7. Verwendung der elektrochemischen Stellelemente nach einem der Ansprüche 3 und 4 für den Ausschlag einer Klappe eines Flügelteiles oder eines Ruders an einem Luftfahrzeug.