DE19963501A1 - Aktuator und Verfahren zur Ansteuerung eines Stellgliedes - Google Patents

Abstract

Offenbart wird ein Verfahren und ein Aktuator zur Betätigung eines Stellgliedes, beispielsweise eines Ventilkörpers, wobei zwei Aktuatoren aus einer Formgedächtnislegierung mit entgegengesetzten Wirkrichtungen am Stellglied angreifen. Durch wechselweises Aufheizen der Formgedächtniselemente kann eine Betätigung des Stellgliedes nahezu unabhängig von der Abkühlgeschwindigkeit der Formgedächtniselemente erfolgen. Zudem kann eine stromlose Positionshaltung erreicht werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator für ein Stell­ glied gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Ansteuerung eines derartigen Stellgliedes.

Derartige Stellglieder, beispielsweise Ventile werden üblicherweise von Elektromagneten, Pneumatikzylindern, Hy­ draulikzylindern oder sonstigen, mechanisch wirkenden Ak­ tuatoren betätigt. Problematisch bei derartigen Aktuatoren ist, daß es beim Umschalten zu Druck- oder Schaltstößen kommen kann, die zu schwer beherrschbaren Regelabweichungen bei der Ansteuerung eines Verbrauchers führen können. Des­ weiteren benötigen diese Aktuatoren einen erheblichen Bau­ raum.

In der nachveröffentlichten Patentanmeldung DE 199 38 814 der Anmelderin wird eine Ventilanordnung beschrieben, bei der die vorgenannten Nachteile durch die Verwendung ei­ nes Formgedächtniselementes als Aktuator ausgeräumt sind.

Das sogenannte Formgedächtnis von Formgedächtnislegie­ rungen (Memory-Effekt) basiert auf einer Gefügeumwandlung innerhalb eines definierten, eng begrenzten Temperaturin­ tervalls. Aus diesen Formgedächtnislegierungen hergestellte Bauelemente ändern ihre Abmessungen in dem Übergangsbereich von dem einen Kristallgefüge zum anderen Kristallgefüge um bis zu 8%, so daß erhebliche Stellwege realisierbar sind. Diese Größenveränderung ist um ein Vielfaches größer als diejenigen Längenänderung, die aufgrund der thermischen Ausdehnung des Bauelementes bewirkt wird.

Im wesentlichen unterscheidet man zwei Arten des Form­ gedächtniseffektes:
Den Einwegeffekt und den Zweiwegeffekt.

Zur Erläuterung der beiden Effekte sei angenommen, daß ein aus einer Formgedächtnislegierung hergestellter Draht bei niedriger Temperatur vorverformt wird. Erhöht man dann die Temperatur um die eine Gefügeumwandlung bewirkende Tem­ peraturdifferenz, so verkürzt sich der Draht wieder auf die vor der Verformung (Dehnung) vorliegende ursprüngliche Länge. Bei Abkühlung auf die Ausgangstemperatur verbleibt der Draht in seiner verkürzten Länge, so daß zur Wiederher­ stellung der ursprünglichen Länge wiederum eine mechanische Dehnung des Drahtes erfolgen muß. Die zum Dehnen im abge­ kühlten Zustand erforderliche Kraft beträgt etwa 1/4 derje­ nigen Kraft, welche der Draht bei seiner Verkürzung auf­ grund des Memory-Effektes aufbringt.

Beim sogenannten Zweiwegeeffekt verkürzt sich der Draht bei einer Erwärmung um die genannte Temperaturdifferenz ebenfalls; er nimmt allerdings bei der Abkühlung aufgrund der Gefügerückumwandlung selbsttätig wieder seine ursprüng­ liche Länge ein, ohne daß es einer Dehnung durch eine äuße­ re Kraft bedarf. Die beim Zweiwegeeffekt vom Draht während der Verkürzung aufgebrachte Kraft ist jedoch geringer als diejenige Kraft, die sich bei einem Draht einstellt, der aus einer Formgedächtnislegierung mit Einwegeffekt herge­ stellt ist.

Nachteilig bei den in der DE 199 38 814 beschriebenen Lösungen ist, daß das Ansprechverhalten des Stellgliedes im wesentlichen durch die Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten der Formgedächtniselemente limitiert ist. Die Aufheizge­ schwindigkeit erscheint dabei weniger problematisch zu sein, da diese durch geeignet Heizleistungen auf einfache Weise an die Anforderungen anpaßbar ist. Wesentlich schwie­ riger ist die Anpassung der Abkühlgeschwindigkeit, da diese in der Regel von der Systemtemperatur abhängt, in der das Stellglied betrieben wird.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Aktuator zur Ansteuerung eines Stellgliedes und ein Verfahren zur Ansteuerung eines derartigen Stellgliedes zu schaffen, durch die das Ansprechverhalten bei der Ansteue­ rung des Stellgliedes verbessert ist.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Aktuators durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Verfah­ rens durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruchs 9 gelöst.

Erfindungsgemäß werden dem Stellglied zwei in entgegen­ gesetzter Richtung wirkende Formgedächtniselemente zugeord­ net, über die das Stellglied aus einer Grundposition in zu­ mindest eine Stellposition bewegbar ist. D. h., beispiels­ weise bei Erwärmung eines Formgedächtniselementes wird die­ ses in seine Hochtemperaturform verformt - beispielsweise verkürzt -, so daß das andere, gegensinnig wirkende Formge­ dächtniselement entsprechend gedehnt oder verkürzt wird. Die Rückstellbewegung des Stellgliedes erfolgt durch Beauf­ schlagen des letztgenannten Formgedächtniselementes mit ei­ ner die Gefügeumwandlung bewirkenden Temperaturdifferenz, so daß das erste Formgedächtniselement mit einer Last be­ aufschlagt wird. Durch diese Lastinduzierung wird die Rückumwandlungstemperatur in Richtung einer höheren Tempe­ ratur verschoben, so daß das Gefüge des noch erwärmten er­ sten Formgedächtniselementes bei einer vergleichsweise ho­ hen Temperatur in seine Niedertemperaturphase umgewandelt wird. Dadurch kann dieses erste Formgedächtniselement durch die Formänderung des anderen, beheizten Formgedächtnisele­ mentes in seine Ausgangsposition zurückbewegt werden - das Stellglied kehrt in seine Grundposition zurück.

Die mit dem erfindungsgemäßen Aktuator versehenen Stellglieder zeichnen sich durch einen geringen Bauraum und preisgünstige Herstellbarkeit aus.

D. h., durch die lastinduzierte Änderung der Umwand­ lungstemperatur ist die Rückstellung des Stellgliedes nicht von der Abkühlgeschwindigkeit eines Formgedächtniselementes sondern im wesentlichen nur von der Aufheizgeschwindigkeit der Formgedächtniselemente abhängig. Desweiteren konnte festgestellt werden, daß die normalerweise sehr steil ver­ laufenden Umwandlungskurven (Längenänderung des Formge­ dächtniselementes in Abhängigkeit von der Temperatur) durch die Lastinduzierung abgeflacht werden können, so daß unter Umständen in bestimmten Temperaturbereichen ein proportio­ nales Steilverhalten erzeugbar ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn beide Formgedächt­ niselemente aus der gleichen Legierung hergestellt sind, wobei das erste Formgedächtniselement in der Grundposition des Stellgliedes vorverformt ist. Durch Anlegen der Tempe­ raturdifferenz kann dieses vorverformte Formgedächtnisele­ ment in Richtung seiner Grundform (Memoryform) zurückver­ formt werden.

Das Formgedächtniselementes ist besonders einfach her­ stellbar, wenn es in Form eines Drahtes, einer Spiralfeder, eines Drahtbügels oder einer Scheibe ausgebildet ist. Selbstverständlich sind auch andere Geometrien und FGE aus FGE-Legierung oder aus Verbundmaterialien einsetzbar.

Die Temperaturänderung des Formgedächtniselementes er­ folgt vorzugsweise über eine elektrische Heizung, wobei das Formgedächtniselement selbst Teil der Heizung sein kann.

Des Stellglied kann durch die beiden Formgedächtnisele­ mente selbst und/oder durch zwei Zentrierfedern in seine Grundposition vorgespannt sein.

Die Stellkräfte und Wege sind besonders hoch, wenn die Formgedächtniselemente nach dem Einwegeffekt ausgeführt sind.

Die erfindungsgemäße Anordnung der entgegengesetzt wir­ kenden Formgedächtniselemente läßt sich besonders vorteil­ haft zur Ansteuerung eines Ventilkörpers einer Ventilanord­ nung einsetzen.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäß Anordnung mit zwei Formge­ dächtniselementen und einem Stellglied mit zwei Schaltposi­ tionen;

Fig. 2 Umwandlungskurven eines unbelasteten und eines belasteten Formgedächtniselementes und

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines Stellelementes mit drei Schaltpositionen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Stellgliedes 2, beispielsweise eines Ventilkolbens in zwei Schaltpositionen. Die Erfindung ist jedoch keinesfalls auf die Anwendung bei Ventilkörpern beschränkt, sondern prinzi­ piell bei jedweder Anwendung einsetzbar, bei denen ein Stellglied in zumindest zwei Positionen verschiebbar ist.

Dem in Fig. 1 dargestellten Stellglied 2 sind zwei Ak­ tuatoren in Form eines ersten und zweiten Formgedächtnise­ lementes 4, 6 zugeordnet. Beim dargestellten Ausführungs­ beispiel sind die Formgedächtniselemente 4, 6 als Drähte ausgeführt, die jeweils an einer Stirnseite des Stellglieds 2 angreifen. Derartige drahtförmige Aktuatoren haben den Vorteil, daß durch geeignete Wahl der Drahtlänge L auch re­ lativ große Hübe mit erheblichen Stellkräften realisierbar sind. So können beispielsweise mit einer Drahtlänge von et­ wa 4 mm aufgrund der etwa 4%igen Längenänderung Hübe in der Größenordnung von 160 µm realisiert werden.

Anstelle der drahtförmigen Formgedächtniselemente kön­ nen selbstverständlich auch andere Geometrien, wie bei­ spielsweise Federn, Scheiben, Stäbe, Rohre, Drahtbündel, Verbundgeometrien etc. eingesetzt werden. Die Lage der die Gefügeumwandlung bewirkenden Temperaturdifferenz ist dabei durch geeignete Wahl der Legierung einstellbar. Sehr häufig werden bei Formgedächtniselementen Nickel-Titanlegierungen eingesetzt. Die Umwandlungskurve einer derartigen Nickel- Titanlegierung ist in Fig. 2 schematisch dargestellt, auf die später eingegangen wird.

Die Temperaturerhöhung kann durch das das Formgedächt­ niselement umgebende Medium oder durch eine Heizung bewirkt werden. Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn das Formge­ dächtniselement Teil eines elektrischen Heizkreises ist, d. h., die Formgedächtniselemente 4, 6 sind jeweils Teil ei­ ner Heizung, so daß durch Schließen des nicht dargestellten Heizkreises das zugeordnete Formgedächtniselement erwärmt wird. Weitere Details zu einer derartigen Ansteuerung sind der eingangs genannten Patentanmeldung DE 199 38 814 der Anmelderin entnehmbar, so daß diesbezüglich der Einfachheit halber auf die Offenbarung dieser Druckschrift verwiesen wird.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde das erste Formgedächtniselement (FGE) 4 vor der Mon­ tage gestreckt, so daß dieses eine gedehnte Länge L auf­ weist. Das zweite FGE 6 ist im ungedehnten Zustand mon­ tiert. In der dargestellten Grundstellung (a) befindet sich das Stellglied 2 in einer ersten Schaltposition (Grundposition), die durch die Längen L der beiden FGE 4, 6 vorbestimmt ist. Wie durch die beiden geöffneten Schalter 8, 10 angedeutet, sind die Heizstromkreise unbestromt, so daß die FGE 4, 6 Umgebungstemperatur aufweisen.

Zum Verschieben des Stellgliedes 2 in seine in Fig. 1b) dargestellte zweite Schaltposition wird der Schalter 8 geschlossen, so daß das erste FGE 4 bestromt wird. Durch die Bestromung des Heizkreises des FGE 4 wird dieses auf die eine Gefügeumwandlung bewirkende Temperatur erwärmt und in Richtung seiner Ursprungsform, d. h. in Richtung der vor der Dehnung vorliegenden Länge auf das Maß L' verkürzt. Die aufgrund des Memoryeffektes vom FGE 4 aufgebrachte Kraft ist groß genug, um das zweite FGE 6 entsprechend der Ver­ kürzung des ersten FGE 4 auf das Maß L" - zu verlängern - die Verkürzung des FGE 4 erfolgt gegen die Kraft des zwei­ ten FGE 6. Nach der Verkürzung des FGE 4 und der entspre­ chenden Dehnung des FGE 6 befindet sich das Stellglied 2 in seiner zweiten Schaltposition.

Vorzugsweise werden nach dem Einwegeffekt arbeitende Formgedächtnislegierungen eingesetzt, so daß das Stellglied 2 nach dem Öffnen des Schalters 8 in der in Fig. 1b) dar­ gestellten Stellung verbleibt. D. h., es muß keinerlei Ener­ gie zugeführt werden, um das Stellglied 2 in seinen Schalt­ positionen zu halten. Dies ist ein wesentlicher Vorteil ge­ genüber herkömmlichen Lösungen, bei denen das Stellglied beispielsweise durch Bestromung eines Elektromagneten oder ähnlichem in einer der Schaltpositionen gehalten werden muß.

Zur Rückbewegung des Stellgliedes 2 in seine Grundposi­ tion wird gemäß Fig. 1c) der Schalter 10 geschlossen (Schalter 8 ist geöffnet), so daß das zweite FGE 6 auf die kritische Temperatur erwärmt wird. Aufgrund der Gefügeum­ wandlung will sich nunmehr das Formgedächtniselement 6 in Richtung seiner ungedehnten Länge L verkürzen, so daß eine Zugkraft (Last) auf das erste FGE 4 induziert wird. Eine derartige Lastinduzierung bewirkt bei einer Formgedächtnis­ legierung ein Verschieben der Gefügeumwandlungstemperatur in Richtung einer höheren Temperatur. Aufgrund dieses Tem­ peraturshifts in Richtung einer höheren Temperatur erfolgt die Gefügerückumwandlung des ersten Formgedächtniselementes 4, das sich noch im erwärmten Zustand befindet, bei einer wesentlich höheren Temperatur als es ohne eine Lastinduzie­ rung der Fall wäre. Dadurch wandelt das erste FGE 4 bereits im aufgeheizten Zustand um und nimmt wieder die gedehnte Länge L an. Gleichzeitig wird das zweite FGE 6 auf seine ungedehnte Länge L verkürzt, so daß das Stellglied 2 wieder in der Grundposition Fig. 1d) zwischen den beiden FGEs 4, 6 eingespannt ist. Der Heizkreis des zweiten FGE 6 kann durch Öffnen des Schalters 10 unterbrochen werden, so daß das Stellglied 2 in der gezeigten Grundposition gehalten wird.

Besonders vorteilhaft bei der vorbeschriebenen Lösung ist, daß das Verschieben des Stellgliedes 2 im wesentlichen nur von der Aufheizgeschwindigkeit der Formgedächtnisele­ mente 4, 6 abhängt, während die eine Verkürzung bewirkende Rückumwandlung des Gefüge des FGE 4 bereits in Temperatur­ bereichen erfolgt, die etwa im Bereich der Aufheiztempera­ tur liegen. D. h., das Umschalten ist im wesentlichen unab­ hängig von der die Abkühlgeschwindigkeit bestimmenden Umge­ bungstemperatur, der die beiden FGEs 4, 6 ausgesetzt sind.

In Fig. 2 ist die Formänderung eines Formgedächtnise­ lementes in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt. Dabei ist der Idealverlauf mit einer durchgezogenen Linie dargestellt, wobei der Einfachheit halber der Hystereseef­ fekt vernachlässigt ist. Demgemäß erfolgt der wesentliche Teil der Formänderung bei Erreichen einer kritischen Tempe­ ratur T* schlagartig. Bei einer derartigen Umwandlungskurve würde somit das Stellglied 2 sehr schnell zwischen seinen Schaltpositionen hin und her bewegt werden. Vorversuche zeigten, daß aufgrund der Lastinduzierung der mittlere, vertikale Bereich (Fig. 2) wie strichpunktiert angedeutet, wesentlich flacher gehalten werden kann, so daß die Formän­ derung bei geeigneter Temperatursteuerung proportional durchführbar ist. D. h., theoretisch könnten die erfindungs­ gemäß angeordneten Formgedächtniselemente 4, 6 auch zur proportionalen Ansteuerung von Stellgliedern eingesetzt werden.

Fig. 3 zeigt eine weitere Variante, bei der ein Stell­ glied 2 über zwei Zentrierfedern 12, 14 in eine Mittelstel­ lung vorgespannt ist. An der Stirnseite des Stellgliedes 2 greifen desweiteren zwei FGE 4, 6 an, die bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel beide auf ca. 50% ih­ rer maximalen Dehnung vorgedehnt sind. Beide FGE 4, 6 sind jeweils wieder Teil eines Heizkreises. Bei Bestromung des das FGE 4 enthaltenden Heizkreises verkürzt sich dieses ge­ gen die Kraft des FGE 6 und gegen die Kraft der Zentrierfe­ der 12, so daß das Stellglied 2 in die gestrichelt angedeu­ tete zweite Schaltposition bewegt wird.

Beim Abschalten des Heizkreises des FGE 4 und beim An­ schalten des dem FGE 6 zugeordneten Heizkreises wird bei Überschreiten der kritischen Temperatur T* das Gefüge des FGE 6 umgewandelt und eine Last auf das noch erwärmte FGE 4 induziert. Aufgrund der daraus resultierenden Erhöhung der Gefügerückumwandlungstemperatur wandelt das FGE 4 bereits bei hoher Temperatur um, während das zweite FGE 6 in Rich­ tung seines ungedehnten Zustandes verkürzt wird - das Stellglied. 2 bewegt sich in seine zweite, strichpunktiert angedeutete Schaltposition, wobei das erste FGE 4 durch die vom FGE 6 aufgebrachte Kraft gedehnt wird.

Die Rückstellung des Stellgliedes 2 erfolgt durch Ab­ schalten beider Heizkreise, so daß das Stellglied 2 durch die Kraft der Zentrierfedern 12, 14 in die Mittelposition gebracht wird.

Offenbart sind ein Verfahren und ein Aktuator zur Betä­ tigung eines Stellgliedes, beispielsweise eines Ventilkör­ pers, wobei zwei Aktuatoren aus einer Formgedächtnislegie­ rung mit entgegengesetzten Wirkrichtungen am Stellglied an­ greifen. Durch wechselweises Aufheizen der Formgedächtnise­ lemente kann eine Betätigung des Stellgliedes nahezu unab­ hängig von der Abkühlgeschwindigkeit der Formgedächtnisele­ mente erfolgen. Zudem kann eine stromlose Positionshaltung erreicht werden.

Claims (10)

1. Aktuator für ein Stellglied (2), das von einer Grundpo­ sition in zumindest eine Stellposition und zurückbeweg­ bar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator ge­ geneinander wirkende Formgedächtniselemente (4, 6) hat, von denen ein erstes Formgedächtniselement (4) bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur in Richtung einer Stellposition und das zweite Formgedächtnisele­ ment (6) in Gegenrichtung wirksam ist.

2. Aktuator nach Patentanspruch 1, wobei beide Formge­ dächtniselemente (4, 6) aus der gleichen Legierung her­ gestellt sind.

3. Aktuator nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei das erste Formgedächtniselement (4) in der Grundposition des Stellgliedes (2) vorverformt ist und durch Aufheizen auf die Temperatur in Richtung seiner Grundform zurück­ verformbar ist.

4. Aktuator nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Formgedächtniselement (4, 6) draht- oder scheibenförmig als Feder oder als Drahtbündel ausgebil­ det ist und aus einem Material mit Memoryeffekt oder einem Verbundmaterial hergestellt ist.

5. Aktuator nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Formgedächtniselement Teil einer elektrischen Heizung ist.

6. Aktuator nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Stellglied (2) über Zentrierfedern (12, 14) in eine Mittelstellung vorgespannt ist und beide Form­ gedächtniselemente (4, 6) teilweise vorverformt sind.

7. Aktuator nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Formgedächtniselemente (4, 6) nach dem Ein­ wegeffekt arbeiten.

8. Aktuator nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein Ventil­ körper (2) einer Ventilanordnung ist.

9. Verfahren zur Ansteuerung eines Stellgliedes (2), wobei an dem Stellglied (2) zwei gegeneinander wirkende Form­ gedächtniselemente (4, 6) angreifen, von denen zumin­ dest eines in einer Grundposition des Stellgliedes (2) vorverformt ist, mit den Schritten:

• - Beaufschlagen des vorverformten Formgedächtniselemen­ tes (4) über eine Thermoeinheit mit einer bestimmten Temperatur, so daß durch die resultierende Formänderung des ersten Formgedächtniselementes (4) das Stellglied (2) aus der Grundposition in eine Stehposition ge­ bracht und das andere Formgedächtniselement (6) auf­ grund der Stellkraft des ersten Formgedächtniselementes (4) seinerseits verformt wird;
• - Ansteuerung einer Thermoeinheit zum Beaufschlagen des anderen, zuvor verformten Formgedächtniselementes (6) mit einer bestimmten Temperatur, so daß aufgrund der Formänderung des zweiten Formgedächtniselementes (6) eine Last auf das erste Formgedächtniselement induziert wird, die eine Verlagerung der Umwandlungstemperatur des ersten Formgedächtniselementes (4) zur Folge hat;
• - Verschieben des Stellgliedes (2) in seine Grundposi­ tion aufgrund der durch eine Gefügeumwandlung bewirkten Formänderung des zweiten Formgedächtniselementes (6) und aufgrund der Rückumwandlung des ersten Formgedächt­ niselementes (4) bei der verlagerten Umwandlungstempe­ ratur in seinen vorverformten Zustand.

10. Verfahren nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß das Stellglied (2) im stromlosen Zustand in seiner Schaltposition gehalten wird.