DE19843966C1 - Temperaturgesteuerter Drahthalter - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen temperaturgesteuerten Drahthalter zu schaffen, der ein sicheres und definiertes Auslösen ermöglicht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Drahthalter (1) aus einem Formgedächtnismaterial gefertigt ist und daß der Draht (14) in einer Öffnung (2) des Drahthalters (1) durch ein Zusammendrücken der Öffnung (2) eingeklemmt ist und bei Temperaturerhöhung des Drahthalters (1) auf die bestimmte Betriebstemperatur die zusammengedrückte Öffnung (2) sich selbsttätig öffnet und den Draht freigibt. Die Erfindung findet Anwendung in einem temperaturgesteuerten Drahthalter, der einen unter mechanischer Spannung stehenden, festgehaltenen Draht (14) bei Erreichen einer bestimmten Betriebstemperatur freigibt.

Description

Die Erfindung betrifft einen temperaturgesteuerten Drahthalter, der einen unter mechanischer Spannung gehaltenen Draht temperaturgesteuert freigibt, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist in der Raumfahrttechnik bekannt (DE-A1-196 49 739), einen unter Zugspannung stehenden Draht an seinem gekrümmten Ende mit einem Schmelzdraht zu halten, der bei Stromdurchfluß schmilzt und den Draht freigibt. Der unter Zugspannung stehende Draht hält, als Spule geformt, zwei Hälften einer geteilten Bolzenhalterung zusammen. Bei einer Freigabe des Drahtes klappen die beiden Hälften der Bolzenhalterung unter Federdruck auseinander und der Bolzen kann sich aus der Bolzenhalterung lösen. Mit dem Bolzen werden beispielsweise beim Starten der Rakete Solarzellenpanels eines Raumflugkörpers zusammengedrückt, die bei Erreichen des Missionszieles durch das Lösen des Bolzens freigegeben werden. Die Verwendung eines Schmelzdrahtes hat den Nachteil einer unsicheren und undefinierten Auslösung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen temperaturgesteuerten Drahthalter zu schaffen, der ein sicheres und definiertes Auslösen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung verwendet die Eigenschaften von Legierungen mit Formgedächtnis, sog. Shape Memory Alloys. Derartige Legierungen auf der Basis von z. B. TiNi weisen bekannterweise zwei verschiedene feste Phasen auf, nämlich martensitisch bei niedriger Temperatur und austenitisch bei hoher Temperatur mit einem progressivem Phasendurchtritt während man die Legierung erwärmt. Erfindungsgemäß wird der sog. "Ein-Weg-Effekt" derartiger Legierungen ausgenutzt. Dabei wird im Martensit eine "pseudoplastische" Verformung der Legierung erzeugt, die sich im durch Temperaturerhöhung eingestellten Austenit bekannterweise wieder zurückbildet. Einer daran anschließende Abkühlung ins Martensit führt aber nicht zu einer weiteren Verformung, sondern es bleibt der im Austenit zurückgebildete Zustand erhalten.

Der erfindungsgemäße Drahthalter hat den Vorteil, daß er aus wenigen Teilen besteht, wegen der kompakten Bauweise leicht in bestehende Designs integrierbar ist und damit bekannte Aufbauten mit Drahthaltern simplifiziert. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Halters besteht darin, daß bei der Drahtfreigabe keine weggesprengten Teile, wie z. B. bei pyrotechnischer Freigabe entstehen und daß keine Teile bei der Freigabe zerstört werden. Durch eine besondere Verwendung von Form­ gedächtnislegierungen, die mit einem speziellen mechanischen Bearbeitungsprozeß vorbehandelt sind, liegt die Austenit-Start-Temperatur deutlich über den Werten von kommerziell erhältlichen TiNi-Legierungen. Bei einer Verwendung derartiger Legierungen können erfindungsgemäße Drahthalter vorteilhaft auch bei höheren Umgebungs­ temperaturen eingesetzt werden, wie sie z. B. bei Raumfahrtmissionen auftreten können.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Drahthalter mit Reibschluß,

Fig. 2 zeigt einen Ablauf des Klemm- und Freigabevorganges dieses Drahthalters,

Fig. 3 zeigt einen Drahthalter mit zusätzlichem Formschluß,

Fig. 4 zeigt eine Halteraufnahme und

Fig. 5a und Fig. 5b zeigen verschiedene Anschlußmöglichkeiten für eine Zufuhr von joulscher Wärme.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel ist ein aus einem TiNi-Blech erodierter Drahthalter 1, der an einem Rand eine als Einkerbung ausgebildete Öffnung 2 aufweist, die zum Zwecke der Festklemmung eines in sie eingestecktem Drahtes zusammendrückbar ist. Eine Bohrung 3 dient zur Befestigung des Drahthalters 1 in einer Halteraufnahme 6; siehe Fig. 3. Der Drahthalter ist in Fig. 1 in einem vergößerten Maßstab abgebildet.

Das TiNi-Blech hat vor der Erosion die Abmessungen 12 × 22 × 1 mm und ist mit einem speziellen Walzprozeß so vorbehandelt, daß der Wert für die Austenit-Start-Temperatur des Drahthalters 1 größer als 100 grad C ist.

Abweichend von der in Fig. 1 gezeigten Ausbildung des Drahthalters in einer rechteckigen Blechform können bei Bedarf andere Körperformen, in die sich eine zusammendrückbare Öffnung unterbringen läßt, Berücksichtigung finden. So kann z. B. der Drahthalter als eine Scheibe mit einer zusammendrückbaren Öffnung ausgebildet sein. Auch kann die Ausbildung der zusammendrückbaren Öffnung 2 von der in Fig. 1 gezeigten Einkerbung bei Bedarf abgewandelt werden. Denkbar sind z. B. Öffnungen in Spaltform oder Sacklöcher. Maßgeblich bei der Formgestaltung ist die Erzielung einer ausreichenden Klemm- und Öffnungswirkung. Die Materialauswahl ist maßgeblich durch die gewünschte Austenit- Start-Temperatur bestimmt. Unterschiedliche Legierungen mit Formgedächtnis sind einsetzbar; z. B. normale TiNi-Bleche ohne spezielle mechanische Vorbehandlung mit Werten für die Austenit-Start-Temperatur im Bereich zwischen 60 und 80 grad C.

Die in Fig. 1 gezeigten Abmessungen des Drahthalters 1 und der Öffnung 2 sind nur beispielhaft für einen Drahthalter, der eine Haltekraft von etwa 5 Kg aufweist und bei Bedarf anderen räumlichen Anforderungen und Haltekraft-Anforderungen anpaßbar.

Der in Fig. 2 gezeigte Ablauf des Klemm- und Auslösevorganges ist mit den aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten "A", "B" und "C" dargestellt. In den Verfahrensschritten "A" und "B" befindet sich der Drahthalter bei einer niedrigen Temperatur im Martensit und im Verfahrensschritt "C" bei einer hohen Temperatur im Austenit. Im Schritt "A" wird zunächst die Öffnung 2 des Drahthalters 1 zugedrückt, was in Fig. 2 mit den Richtungspfeilen 15 angedeutet ist. Anschließend erfolgt gemäß Richtungspfeil 16 ein Hineindrücken des Drahtes 14 in die vorher zugedrückte Öffnung 2. Diese Vorgehensweise beim Klemmvorgang bewirkt eine gute Haltekraft auf den eingeklemmten Draht. Das Zusammendrücken der Öffnung 2 kann abweichend zu der voranstehenden Vorgehensweise aber auch erst nach einem vorher erfolgten Hineinführen des Drahtes in die Öffnung 2 erfolgen.

Verfahrensschritt "B" zeigt den in den Drahthalter 1 eingeklemmten Draht 14 im Martensit und Verfahrensschritt "C" zeigt die Freigabe des Drahtes 14 in Richtung des Richtungspfeiles 17 nach Erreichen der Austenit-Start-Temperatur.

Fig. 3 zeigt den Drahthalter gemäß Fig. 1 mit zusätzlichen Ausbuchtungen 4 in den Flanken der als Einkerbung ausgebildeten Öffnung 2. Die Ausbuchtungen 4 sind im Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel als Ausrundungen ausgebildet und nehmen eine als Kugel ausgebildete Aufweitung des Drahtes 14 auf. Infolge dieses Formschlusses ist die Haltewirkung des Drahthalters 1 verbessert. Die in Fig. 3 gezeigten Abmessungen der Ausrundungen und ihre Position in der Öffnung 2 sind nur beispielhaft angegeben und bei Bedarf abänderbar. Auch sind andere Ausgestaltungen des Formschlusses, die von dem Kugel-Ausrundungs-System abweichen, denkbar; z. B. könnte die Aufweitung des Drahtes ein Drahtende mit größerem Durchmesser als der Draht sein, das in entsprechenden Ausbuchtungen der Öffnung 2 aufgenommen wird.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Halteraufnahme 6 in geschnittener Seitenansicht, Draufsicht und Vorderansicht. Die Halteraufnahme 6 ist aus dem hochtemperaturbeständigen Kunststoff Polyetheretherketon (PEEK) gefertigt. Dieser Werkstoff ist als Raumfahrtwerkstoff qualifiziert und die elektrischen Kennwerte bzgl. der Isolation sind im Vergleich zu anderen Kunststoffen sehr gut. Eine Verwendung anderer temperaturbeständiger und elektrisch isolierender Materialien ist möglich. Der Drahthalter 1 wird in einem seitlich offenen Schlitz 7 aufgenommen und in dem Schlitz mit einer Kunststoffschraube 11 (siehe Fig. 5a) gehalten. In der Halteraufnahme 6 ist dafür eine Gewindebohrung 9 vorgesehen. Der Drahthalter 1 liegt mit ausreichendem Abstand für einen reibungslosen Öffnungsvorgang in dem Schlitz mit seiner Öffnung 2 zu der geschlossenen Vorderkante der Halteraufnahme, in der eine Durchgangsöffnung 8 zum Durchstecken des Drahtes 14 in die Öffnung 2 vorgesehen ist.

Ein Langloch 10 in der Halteraufnahme 6 dient zur Positionierung und Fixierung der Halteraufnahme.

Die in Fig. 4 gezeigten Abmessungen der Halteraufnahme 6 sind bei Bedarf unter Beachtung der Drahthalterabmessungen veränderbar.

In Fig. 5a und in Fig. 5b sind Ausführungsbeispiele für eine joulsche Wärmezufuhr gezeigt, mit welcher der Drahthalter auf die Austenit-Start-Temperatur erwärmt werden kann. In Fig. 5a wird der elektrische Strom im Bereich der Befestigungsschraube von der Ober- zur Unterseite des Drahthalters 1 geführt und erwärmt dabei den Drahthalter. Dazu sind an den Enden von Stromleitungen 13 Ösen 12 aus Kupfer angebracht, die mit der Kunststoffschraube 11 auf die Ober- und Unterseite des Drahthalters 1 gedrückt werden.

In Fig. 5b ist eine Ausführung gezeigt, in welcher der elektrische Strom im Bereich der Befestigungsschraube seitlich durch den Drahthalter geführt ist. Die abisolierten Enden der Stromleitungen 13 sind dazu auf der Oberseite des Drahthalters 1 beidseitig der Bohrung 3 mechanisch geklemmt.

Der Drahthalter kann anstelle der vorangehend beschriebenen Erwärmung mit joulscher Wärme auch indirekt, z. B. mittels aufgesetzter PTC-Elemente oder anderen steuerbaren Wärmequellen erwärmt werden.

Claims (12)

1. Temperaturgesteuerter Drahthalter, der einen unter mechanischer Spannung stehenden, festgehaltenen Draht (14) bei Erreichen einer bestimmten Betriebstemperatur freigibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Drahthalter (1) aus einem Formgedächtnismaterial gefertigt ist und daß der Draht (14) in einer Öffnung (2) des Drahthalters (1) durch ein Zusammendrücken der Öffnung (2) eingeklemmt ist und bei Temperaturerhöhung des Drahthalters (1) auf die bestimmte Betriebstemperatur die zusammengedrückte Öffnung (2) sich selbsttätig öffnet und den Draht freigibt.

2. Drahthalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zugeklemmte Drahthalter (1) durch Ausnutzung des "Ein-Weg-Effektes" des Formgedächtnismateriales bei Temperaturerhöhung irreversibel öffnet.

3. Drahthalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drahthalter aus einem dünnen Blech besteht und daß die zusammendrückbare Öffnung (2) als eine Einkerbung in einem Rand des Bleches ausgebildet ist.

4. Drahthalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formschluß für die Klemmung dadurch erzeugt ist, daß die Einkerbung auf beiden Flanken eine Ausbuchtung (4) aufweist und daß das Ende des Drahtes (14) eine Aufweitung aufweist, die im zugeklemmten Zustand des Drahthalters in diesen Ausbuchtungen (4) aufgenommen ist.

5. Drahthalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterungen (4) Ausrundungen sind und die Aufweitung des Drahtes (14) eine Kugelform aufweist.

6. Drahthalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Formgedächtnismaterial auf einer Legierung mit TiNi-Basis basiert.

7. Drahthalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Formgedächtnismaterial ein speziell mit einem mechanischen Verfahren vorbehandeltes Blech ist, das aufgrund dieser Vorbehandlung eine Austenit-Start-Temperatur von größer als 100 grad C aufweist.

8. Drahthalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Drahthalter (1) aus dem vorbehandelten Blech herauserodiert ist.

9. Drahthalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Drahthalter (1) in einer Halteraufnahme (6) aufgenommen ist, die aus dem temperaturbeständigen Kunststoff Polyetheretherketon (PEEK) gefertigt ist.

10. Drahthalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Drahthalters (1) auf die Austenit-Start-Temperatur mittels joulscher Wärme erfolgt.

11. Drahthalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrische Widerstandsbahn zur Erzeugung der joulschen Wärme der Drahthalter selbst dient.

12. Verfahren für einen Drahthalter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Klemmprozeß so erfolgt, daß bei niedriger Temperatur zunächst die leere Öffnung (2) zugedrückt und darauffolgend das Ende des Drahtes (14) in die zugedrückte Öffnung (2) hineingedrückt wird.