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Die
Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung, insbesondere eine thermoreaktive
Stellvorrichtung.
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Elektrische
Stellvorrichtungen zum Verstellen bzw. Betätigen eines mechanischen Stellelements
sind bekannt. Die herkömmlichen
Stellvorrichtungen weisen einen komplexen Aufbau auf und der Betrieb
erfordert elektrischen Strom.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stellvorrichtung bereitzustellen,
die in Abhängigkeit
von der Temperatur (= thermoreaktiv) steuerbar ist, und die mit
einem verhältnismäßig einfachen
und unkomplizierten Aufbau mit hoher Zuverlässigkeit Stellkräfte im Bereich
mehrerer Newton erzeugt.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe stellt die Erfindung die Stellvorrichtung, insbesondere
thermoreaktive Stellvorrichtung, gemäß Anspruch 1 bereit, umfassend
ein zumindest abschnittsweise gekrümmtes, schlauchförmiges Federelement,
wobei das Federelement mit einem Medium, das wenigstens eine inkompressible
Komponente enthält,
derart befüllt
ist, dass sich das Federelement bei einer Volumenänderung
des Mediums elastisch verformt, um ein an das Federelement koppelbares
Stellelement mechanisch verstellen zu können. Die erfindungsgemäße Stellvorrichtung
erzeugt in Abhängigkeit
von der Temperatur des Mediums bzw. aufgrund der temperaturbedingten
Volumenänderung
des Mediums, bei verhältnismäßig einfachem
und unkompliziertem Aufbau mit hoher Zuverlässigkeit große Stellkräfte, und
löst die der
Erfindung zugrundeliegende Aufgabe.
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Die
erfindungsgemäße Stellvorrichtung
arbeitet im Wesentlichen nach dem Prinzip einer Bourdonfeder. Eine
Bourdonfeder ist allgemein eine rund gebogene Rohrfeder ovalen Querschnitts,
die einseitig verschlossen ist und sich unter Druckeinwirkung aufbiegt.
Diese Druckeinwirkung wird von außen in die Bourdonfeder eingeleitet
und die Verformung z. B. in einen Zeigerausschlag eines Manometers
umgesetzt.
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Im
Gegensatz zu den meisten mechanischen Manometern, bei denen die
Bourdonfeder zu finden ist, ist bei der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung
die Bourdonfeder beidseitig verschlossen, so dass die Druckänderung
in der Bourdonfeder entstehen muss. Dies wird aufgrund der Volumenänderung der
inkompressiblen Komponente erreicht.
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Ein
Medium bzw. ein Fluid, das seine Dichte bei Druck von außen nicht ändert, wird „inkompressibel" genannt. Wenngleich
inkompressible Fluide in der Natur nicht existieren, kann man für die meisten Berechnungen,
wie z. B. Wasser in Wasserleitungen unter Normalbedingungen, jedoch
von einem inkompressiblen Fluid ausgehen. Zur besseren Verständlichkeit
wird im Rahmen dieser Beschreibung und den Ansprüchen der Begriff „inkompressibles
Medium" verwendet,
und soll ein im Wesentlichen inkompressibles Medium ebenfalls umfassen.
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Weitere
bevorzugte Ausführungen
der Erfindung werden in den Unteransprüchen beansprucht.
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Vorteilhaft ändert sich
eine Krümmung
des Federelements in Abhängigkeit
der Volumenänderung
des Mediums. Bezogen auf ein kreisförmig oder spiralförmig gekrümmtes Federelement
verringert sich die Krümmung
des Federelements bei Volumenzunahme des Mediums und vergrößert sich
bei Volumenabnahme des Mediums, so dass durch die temperaturbedingte
Volumenänderung
des Mediums eine Schwenkbewegung eines freien Endes des Federelements
entsteht. Diese Schwenkbewegung ist zur Verstellung bzw. Betätigung eines
mechanisch an das freie Ende des Federelements koppelbaren Stellelements
nutzbar.
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Es
hat sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, wenn das Federelement
in einem Ausgangszustand zumindest abschnittsweise eine von der
Kreisform abweichende Querschnittsform, vorzugsweise eine ovale
oder polygonale Querschnittsform, bevorzugt eine polygonale Querschnittsform
mit abgerundeten Ecken aufweist. Eine derartige Querschnittsform
hat im Gegensatz zu einem Kreisquerschnitt ein kleineres Verhältnis zwischen
Querschnittsfläche
und Umfang. Um die Volumenzunahme des Mediums in dem beidseitig
abgeschlossenen schlauchförmigen
Federelement aufnehmen zu können,
ist der Querschnitt bestrebt in eine Kreisform überzugehen, da ein Kreisquerschnitt
das günstigste
Verhältnis
zwischen Querschnittsfläche
und Umfang aufweist. Durch diese Querschnittsveränderung des Federelements kommt
es zu einer Veränderung
der Krümmung
des Federelements.
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Je
flacher die Querschnittsform des Federelements im Ausgangszustand
ist, d. h. je kleiner das Verhältnis
von Dicke zu Breite der Querschnittsform ist, um so größer ist
die Tendenz zur Krümmungsänderung
des Federelements bei Volumenänderung des
Mediums. Die Dicke der Querschnittsform bemisst sich dabei senkrecht
bzw. radial zu einer Krümmungsachse,
und die Breite der Querschnittsform bemisst sich parallel zur Krümmungsachse
der Krümmung.
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In
diesem Zusammenhang hat sich gezeigt, dass das Federelement in einem
Verformungszustand gegenüber
dem Ausgangszustand eine der Kreisform angenäherte Querschnittsform aufweist. Damit
kann ein größeres Volumen
in dem Federelement bei gleichem Umfang aufgenommen werden. Somit
ist die Volumenänderung
des Mediums gezielt in eine Verformung des Federelements umsetzbar.
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In
einer weiteren Ausführung
der Erfindung ist das Federelement in einem Ausgangszustand zumindest
abschnittsweise spiralförmig
und/oder schraubenförmig
ausgebildet und weist vorzugsweise zwischen 1 und 20, bevorzugt
zwischen 2 und 10, besonders bevorzugt 5 Windungen auf. Dadurch
wird der Stellweg der Stellvorrichtung im Wesentlichen proportional
zur Anzahl der Windungen erhöht.
Die Spirale ist eine Kurve, die um einen zentralen Punkt oder Achse
verläuft
und je nach Laufrichtung, sich immer weiter von diesem bzw. dieser
entfernt oder annähert.
Eine Sonderform der Spirale ist die proxotypische Spirale, die ein
Gebilde in der Ebene ist, d. h. keine Erstreckung entlang ihrer
Krümmungsachse aufweist.
Die Schraube dagegen ist eine Kurve, die sich mit konstanter Steigung
um den Mantel eines Zylinders dreht. Beliebige spiralförmige und/oder schraubenförmige Ausgestaltungen
des Federelements im Sinne der obigen Definitionen sind ausführbar und
sollen im Rahmen dieser Offenbarung als mit umfasst gelten. Um die
Stellvorrichtung in besonders kompakten Bauräumen anzuwenden, hat es sich
als vorteilhaft erwiesen, wenn das Federelement eine Abmessung von
weniger als 80 mm × 80
mm × 80 mm,
vorzugsweise weniger als 60 mm × 60
mm × 60 mm,
bevorzugt weniger als 40 mm × 40
mm × 40
mm aufweist.
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Es
hat sich weiterhin gezeigt, dass das Medium zusätzlich zu der inkompressiblen
Komponente eine gasförmige
Komponente enthalten kann. Die gasförmige Komponente dient der
Feineinstellung des Stellweges und sorgt für eine Verschleppung des Stelleffekts
bzw. eine Zeitverzögerung
zwischen einer Temperaturänderung
der inkompressiblen Komponente und der Stellbewegung der Stellvorrichtung.
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Bei
einer gewissen Steifigkeit des Federelementes bewirkt eine Ausdehnung
der inkompressiblen Komponente zunächst eine Verdichtung der gasförmigen Komponente.
Somit steigt vorerst der Druck nur langsam im Federelement an und
es kommt zu einer verzögerten
elastischen Verformung des Federelements. Bei einer Volumenverringerung
der inkompressiblen Komponente dehnt sich die gasförmige Komponente
aus und der Druck im Federelement sinkt.
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Es
hat sich als zweckdienlich erwiesen, wenn zumindest eine inkompressible
Komponente des Mediums im Bereich von +5°C bis +50°C, vorzugsweise im Bereich von
+10°C bis
+30°C, bevorzugt
im Bereich +15°C
bis +25°C,
besonders bevorzugt in einem der Bereiche +16°C bis +18°C, +18°C bis +20°C oder +20°C bis +22°C einen überproportional hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist, weil diese Temperaturbereiche z. B. in Kühlhäusern, Gewächshäusern, Wohnräumen, oder
dergleichen auftreten. Somit kann mit der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung
eine gezielte mechanische Betätigung
bei derartigen Temperaturen ausgelöst werden. Dadurch wird eine
Vielzahl möglicher
Anwendungen erschlossen.
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Weiterhin
hat es sich als günstig
erwiesen, wenn zumindest eine inkompressible Komponente des Mediums
im Bereich von +5°C
bis +50°C,
vorzugsweise im Bereich von +10°C
bis +30°C,
bevorzugt im Bereich +15°C
bis +25°C,
besonders bevorzugt in einem der Bereiche +16°C bis +18°C, +18°C bis +20°C oder +20°C bis +22°C einen Phasenübergang,
vorzugsweise einen Fest/Flüssig-Phasenübergang
aufweist. Da sich das Volumen bestimmter Medien beim Phasenübergang
sprunghaft verändert, wirkt
sich dies auf die elastische Verformung des Federelementes aus,
so dass besonders in diesem Temperaturbereich des Phasenüberganges
ein großer
Stellweg erreicht werden kann.
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In
diesem Zusammenhang hat es sich als günstig gezeigt, wenn zumindest
eine Komponente des Mediums ein Paraffin, vorzugsweise ein Paraffingemisch
enthält.
Da Paraffine eine besonders große Volumenänderung
beim Phasenübergang
aufweisen, lässt
sich ein großer
Stellweg realisieren. Durch Mischen geeigneter Paraffine zu einem
Paraffingemisch, ist die Phasenübergangstemperatur
bzw. der Phasenübergangstemperaturbereich
gezielt bis auf wenige Grad Celsius genau einstellbar. Das Paraffin, bzw.
das Paraffingemisch ist daher hervorragend als inkompressibles Medium
einsetzbar.
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Von
Vorteil kann es sein, wenn zumindest eine Komponente des Mediums
eine ionische Flüssigkeit
enthält.
Ionische Flüssigkeiten
sind Flüssigkeiten,
die ausschließlich
Ionen enthalten. Es handelt sich also um flüssige Salze, ohne dass das
Salz dabei in einem Lösungsmittel
wie Wasser gelöst
wird. Heutzutage spricht man von ionischen Flüssigkeiten im Zusammenhang
mit Salzen, die bereits bei Temperaturen unter 100°C flüssig sind.
Beispiele für
verwendete Kationen sind alkylierte Imidazolium-, Pyridinium-, Ammonium-
oder Phosphonium-Ionen. Als Anionen werden unterschiedlichste Ionen
vom einfachen Halogenid über
komplexere anorganische Ionen wie Tetrafluoroborate bis hin zu großen organischen
Ionen wie Trifluoromethansulfonimid herangezogen. Die Größe der beteiligten
Ionen behindert die Bildung eines starken Kristallgitters. Bereits
geringe thermische Energie genügt
daher, um die Gitterenergie zu überwinden
und die feste Kristallstruktur aufzubrechen.
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In
diesem Zusammenhang hat sich auch gezeigt, dass Salzhydrate, wie
z. B. Kalziumchlorid-Hexahydrat als inkompressibles Medium besonders
gut eignen, da auch diese beim Phasenübergang eine relativ große Volumenzunahme
aufweisen und sich damit das Federelement in diesem Temperaturbereich
stark verformt.
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Es
hat sich weiterhin als günstig
erwiesen, wenn zumindest eine Komponente des Mediums im Bereich
von +5°C
bis +50°C,
vorzugsweise im Bereich von +10°C
bis +30°C,
bevorzugt im Bereich +15°C
bis +25°C,
besonders bevorzugt in einem der Bereiche +16°C bis +18°C, +18°C bis +20°C oder +20°C bis +22°C eine Volumenänderung
größer 1%, vorzugsweise
von 5% bis 15%, bevorzugt von 8% bis 12% aufweist. Auf diese Weise
sind große
Stellwinkel bzw. Stellwege erzielbar.
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Das
Stellelement kann eine mechanische Klappe sein, wobei die Verstellung
des Klappenausschlags durch die Lageveränderung des freien Endes des
Federelementes erfolgt, so dass der Volumenstrom eines Mediums durch
eine von der Klappe verschließbare Öffnung regulierbar
ist. Eine derartige mechanische Klappe kann z. B. zur Belüftung von Räumen verwendet
werden. Diese Ausführung
eignet sich besonders für
die Anwendung in Kühlhäusern, Gewächshäusern oder
Wohnräumen,
wo ein Luftaustausch bei Überschreiten
bzw. Unterschreiten eines vorgegebenen Temperaturwerts zur Temperaturregulierung
erwünscht
ist.
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Eine
weitere Ausführung
der Erfindung betrifft eine Verschlussanordnung zum Verschließen einer Öffnung,
umfassend eine vorbeschriebene Stellvorrichtung, wobei das Stellelement
einen Verschluss für
eine Öffnung
bildet und der Grad der Öffnung
in Abhängigkeit
von der Temperatur des Mediums einstellbar ist. Der Grad der Öffnung bedeutet
in diesem Zusammenhang, die tatsächlich
für einen Mediumsaustausch
zwischen den beiden durch den Verschluss getrennten Räumen zur
Verfügung
stehende Fläche
im Verhältnis
zur Gesamtfläche
der Öffnung.
Mit einer derartigen Verschlussanordnung ist z. B. eine selbstregulierende
Steuerung einer Innenraumtemperatur möglich.
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Im
Rahmen der Erfindung hat sich auch gezeigt, dass die Stellvorrichtung
und die Verschlussanordnung auch in kleineren bzw. größeren absoluten Temperaturbereichen
eingesetzt werden kann. Beispiele für einen derartigen Einsatz
wären z.
B. in Heiz- oder Kühlkreisläufen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
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1 zeigt
schematisch das Wirkprinzip einer erfindungsgemäßen Stellvorrichtung.
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2a bis 2c zeigen
verschiedene Querschnittsformen des Federelements im unverformten Zustand.
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3a bis 3c zeigen
die zu den 2a bis 2c entsprechenden
Querschnittsformen des Federelements im verformten Zustand.
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4a und 4b zeigen
ein schraubenförmiges
Federelement der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung,
in einer Seitenansicht (4a) bzw. in
einer Frontalansicht (4b).
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5 zeigt
ein Federelement der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung, in der
Form einer ebenen Spirale.
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6 zeigt
eine mögliche
Anwendung einer erfindungsgemäßen Verschlussanordnung
mit der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung,
im Einbauzustand in einer Tür.
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7 zeigt
eine weitere mögliche
Anwendung der erfindungsgemäßen Verschlussanordnung mit
der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung,
in einem Einbauzustand über
einem Flügelfenster.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele:
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Die
Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung, insbesondere thermoreaktive
Stellvorrichtung, umfassend ein zumindest abschnittsweise gekrümmtes, schlauchförmiges Federelement 1,
wobei das Federelement 1 mit einem Medium 2, das
wenigstens eine inkompressible Komponente enthält, derart befüllt ist, dass
sich das Federelement 1 bei einer Volumenänderung
des Mediums 2 elastisch verformt, um ein an das Federelement 1 koppelbares
Stellelement 3 mechanisch zu verstellen.
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Der
Aufbau und das Wirkprinzip der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung und einer
die Stellvorrichtung aufweisenden, erfindungsgemäßen Verschlussanordnung werden
nachfolgend mit Bezug auf beiliegende Figuren ausführlich beschrieben.
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Das
Federelement 1 ist vorzugsweise ein schlauchförmiger bzw.
rohrförmiger,
zumindest abschnittsweise gekrümmter
Hohlkörper
und besteht aus einem elastischen Material, vorzugsweise Metall oder
Kunststoff, und weist je nach Dimensionierung eine Wandstärke, vorzugsweise
zwischen 0,1 bis 2,0 mm auf, die eine elastische Verformung des
Federelements 1 im Bereich der Wandung (Querschnittsformveränderung)
zulässt.
Ein derartiges Federelement 1 wird auch als Rohrfeder(-element)
oder Röhrenfeder(-element)
bezeichnet. Der Querschnitt des Federelements 1 kann zumindest
zu einem Ende hin kleiner werden, ist aber vorzugsweise konstant.
Der Aufbau des Federelements 1 entspricht im Wesentlichen
dem Aufbau der herkömmlichen
Bourdonfeder, jedoch sind die Abmessungen größer als bei der herkömmlichen
Bourdonfeder und das Medium 2 im Inneren des Federelements 1 ist
abgedichtet und eingeschlossen.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Stellvorrichtung,
wobei das Federelement 1 im unverformten Zustand (Ausgangszustand)
einen Dreiviertelkreis um eine Krümmungsachse K beschreibt. Der
unverformte Zustand des Federelements 1 ist mit der durchgezogenen
Linie dargestellt und der verformte Zustand (Verformungszustand)
ist mit der gestrichelten Linie angezeigt. Das Federelement 1 ist
an einem Ende fixiert.
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Eine
Volumenänderung
des im Federelement 1 eingeschlossenen Mediums 2,
die z. B. durch eine Temperaturveränderung hervorgerufen wird, verformt
das Federelement 1 derart, dass sich die Krümmung des
Federelements 1 verändert.
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Bei
einer Volumenzunahme des im Federelement 1 eingeschlossenen
Mediums 2 vergrößert sich
der Krümmungsradius
R auf R'. Bei einer
nachfolgenden Volumenabnahme des im Federelement 1 eingeschlossenen
Mediums 2 nimmt der Krümmungsradius
von R' auf R ab.
Durch Vergrößerung des
Krümmungsradius
von R auf R' ergibt
sich eine Lageänderung
des freien Endes des Federelementes 1 von E nach E'. Durch Verkleinerung
des Krümmungsradius
von R' auf R verlagert
sich das Ende des Federelements 1 entsprechend von E' nach E. Die Lageänderung
E-E' entspricht
einem Stellweg bzw. einem Stellwinkel α der Stellvorrichtung 1.
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Die 2a bis 2c zeigen
beispielhaft einige mögliche
Querschnittsformen des Federelements 1 mit darin eingeschlossenem
Medium 2 im unverformten Zustand. In 2a weist
das Federelement 1 im unverformten Zustand eine im Wesentlichen
rechteckige Querschnittsform mit abgerundeten Ecken auf. Diese Querschnittsform
wird auch als Flachbogen bezeichnet. In 2b weist
das Federelement 1 eine bikonvexe bzw. spitzbogenförmige Querschnittsform auf.
Dabei ist die Ausdehnung der Querschnittsform des Federelements 1 senkrecht
zur Krümmungsachse
K geringer als parallel zur Krümmungsachse
K. Auch jede beliebige polygonale Querschnittsform ist mit oder
ohne abgerundete(n) Ecken einsetzbar. Geeignet sind insbesondere
dreieckige, viereckige, fünfeckige,
sechseckige, siebeneckige, achteckige, zehneckige und zwölfeckige
Querschnittsformen mit oder ohne abgerundete(n) Ecken. In 2c weist das Federelement 1 eine
im Wesentlichen ovale bzw. elliptische Querschnittsform auf. Die
kleine Halbachse des Ovals bzw. der Ellipse ist dabei im Wesentlichen
senkrecht zur Krümmungsachse
K ausgerichtet, während
sich die große
Halbachse des Ovals bzw. der Ellipse vorzugsweise im Wesentlichen
parallel zur Krümmungsachse
K erstreckt. Je kleiner das Verhältnis
von kleiner Halbachse zu großer
Halbachse im unverformten Zustand ist, umso stärker wirkt sich eine Volumenänderung
des im Federelements 1 eingeschlossenen Mediums 2 auf
die Verformung des Federelements 1 aus, was für die Zwecke
der Erfindung vorteilhaft ist.
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Die 3a bis 3c zeigen
die zu den 2a bis 2c jeweils
entsprechenden Querschnittsformen im Schnitt III-III aus 1 im
verformten Zustand.
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Dabei
ist zu sehen, dass die Querschnittsform des Federelements 1 im
verformten Zustand gegenüber
dem unverformten Zustand eine der Kreisform angenäherte Querschnittsform
aufweist (vgl. 2a und 3a; 2b und 3b; 2c und 3c).
Dadurch, dass sich die Querschnittsform des Federelements 1 der Kreisform
annähert,
kann bei gleichbleibendem Umfang ein größeres Volumen eingeschlossen
werden. Dieser Effekt bewirkt, dass eine Volumenzunahme des im Federelement 1 eingeschlossenen
Mediums 2 das Federelement 1 an der Krümmungsinnenseite verlängert und
an der Krümmungsaußenseite
verkürzt,
so dass der Krümmungsradius
vergrößert wird. Die
absolute Länge
des Federelements 1 bleibt dabei vorzugsweise im Wesentlichen
gleich, so dass die Volumenzunahme des im Federelement 1 eingeschlossenen
Mediums 2 vorzugsweise ausschließlich in eine Querschnittsformveränderung,
nicht aber in eine Längenänderung
des Federelements 1 umgesetzt wird.
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4a und 4b zeigen
ein schraubenförmig ausgebildetes
Federelement 1 der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung in der
Seitenansicht (4a) bzw. in der Frontalansicht
(4b). Die Schraube ist im geometrischen
Sinne eine Kurve, die sich mit konstanter Steigung um den Mantel
eines Zylinders dreht. Die Schraube wird gemeinhin auch als zylindrische
Spirale oder Helix bezeichnet. Das dargestellte, schraubenförmige Federelement 1 weist
insgesamt fünf
Windungen auf. An einem Ende des Federelements 1 ist das
Stellelement 3 angeordnet. Das andere Ende des Federelements 1 ist
fixiert. Das Federelement 1 weist z. B. eine Querschnittsform
gemäß der 2a bis 2c im
unverformten Zustand bzw. gemäß 3a bis 3c im
verformten Zustand auf. Die Breite B des Federelements 1,
d. h. die Erstreckung der Querschnittsform des Federelements 1 im
unverformten Zustand im Wesentlichen parallel zur Krümmungsachse
K, beträgt
z. B. 10 mm. Die Dicke D des Federelements 1, d. h. die
Erstreckung der Querschnittsform des Federelements 1 im
unverformten Zustand senkrecht zur Krümmungsachse K, beträgt z. B.
2 mm. Durch die Anzahl der Windungen des schraubenförmigen Federelements 1 wird
der in 1 veranschaulichte Effekt der Vergrößerung des Krümmungsradius
von R auf R' bzw.
die Lageänderung
des freien Endes des Federelementes 1 von E nach E' entsprechend vervielfacht.
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Das
Stellelement 3 ist eine mechanische Klappe, vorzugsweise
eine Belüftungsklappe,
die an einem Ende des Federelements 1 fixiert ist und durch die
Krümmungsachse
K im unverformten Zustand verläuft,
sowie um die Krümmungsachse
K drehbar ist.
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Durch
die verformungsbedingte Lageänderung
des freien Endes des schraubenförmigen
Federelements 1 von E nach E (siehe 1) ist der Klappenausschlag
mit dem Stellwinkel α darstellbar. Der Überstand
der Klappe über
die Krümmungsachse
K ist mit dem Bezugszeichen X bezeichnet.
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5 zeigt
ein Federelement 1 der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung in der
Form einer ebenen Spirale. Ein Ende des Federelements 1,
hier das innere Ende, ist fixiert, und das freie Ende des Federelements 1 ist
mechanisch mit einem Stellelement 3 koppelbar. Dargestellt
ist hier der Fall, wenn eine Volumenänderung in einer gegenüber den 1 und 4 umgekehrten
Richtung vorliegt, d. h. eine Volumenverringerung des im Federelement 1 eingeschlossenen
Mediums 2 stattfindet. Der mit Bezug auf die 1 bis 4 beschriebene
Effekt, hervorgerufen durch eine Volumenzunahme des im Federelement 1 eingeschlossenen
Mediums 2, ist im Übrigen
reversibel. Bei einer Volumenabnahme des im Federelement 1 eingeschlossenen
Mediums 2, stellt sich das Federelement 1 aufgrund
seiner federelastischen Eigenschaften entsprechend zurück und nimmt
den Ausgangszustand an. Gemäß 5 verändert sich
die Lage des freien Endes des spiralförmigen Federelements 1 bei
einer Volumenabnahme des im Federelement 1 eingeschlossenen
Mediums 2 durch den Übergang
des Querschnitts in den Ausgangszustand und erzeugt einen Stellwinkel α.
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6 zeigt
einen möglichen
Anwendungsfall einer erfindungsgemäßen Verschlussanordnung 4, umfassend
die erfindungsgemäße Stellvorrichtung, wobei
das Stellelement 3 einen Verschluss bildet, um eine Öffnung 5 in
Abhängigkeit
der Temperatur des Mediums 2 zu öffnen und zu schließen. Hierbei
ist die Verschlussanordnung 4 in einer Tür eingebaut.
Bevorzugte Anwendungsfälle
sind Türen
zu Kühlhäusern, Gewächshäusern, Wohnräumen, etc.
und überall
dort, wo in einem bestimmten Temperaturintervall eine Bewegung selbsttätig ausgeführt werden
soll. Zur Regulierung der Temperatur in einem Raum wird ein Luftstrom
durch eine vom Verschluss verschließbare Öffnung in Abhängigkeit
von der Temperatur gesteuert. Das Federelement 1 mit dem
darin eingeschlossenen Medium 2 ist vorzugweise auf jener
Seite der Tür
angeordnet, deren Temperaturwert durch den über die Stellvorrichtung bewerkstelligten
Klappenausschlag bzw. den durch die Öffnung zugeführten Luftstrom
zu regulieren ist.
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7 zeigt
eine weitere bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Verschlussanordnung, wobei
die Verschlussanordnung 4 oberhalb eines Flügelfensters
eingebaut ist.
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Das
Stellelement 3 ist als Belüftungsklappe ausgebildet, dessen Öffnungsgrad
sich in Abhängigkeit
der Temperatur verändert.
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Das
Medium 2 enthält
als inkompressible Komponente(n) ein Paraffin, ein Paraffingemisch,
ein Silikonöl
und/oder eine ionische Flüssigkeit,
wobei die inkompressible Komponente des Mediums im Bereich von +5°C bis +50°C, vorzugsweise
im Bereich von +10°C
bis +30°C,
bevorzugt im Bereich +15°C bis
+25°C, besonders
bevorzugt in einem der Bereiche +16°C bis +18°C, +18°C bis +20°C oder im Bereich von +20°C bis +22°C eine lineare
Ausdehnung oder bevorzugt einen Phasenübergang, insbesondere einen
Fest/Flüssig-Phasenübergang
aufweist. Anders gesagt, weist die inkompressible Komponente des
Mediums 2 einen nicht-linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf, wobei der Phasenübergang den überproportional
hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der inkompressiblen Komponente des Mediums 2 im Bereich
der Phasenübergangstemperatur bewirkt.
Die Volumenänderung
der inkompressiblen Komponente des Mediums 2 ist beim Phasenübergang
in der Regel größer als
1%, vorzugsweise von 5% bis 15%, bevorzugt von 8% bis 12%. Die Phasenübergangstemperatur
bzw. der Phasenübergangstemperaturbereich
der inkompressiblen Komponente des Mediums 2 kann durch
Auswahl und Dosierung der Bestandteile gezielt auf den gewünschten
Arbeitstemperaturbereich der Stellvorrichtung eingestellt werden.
Durch Zugabe von wärmeübertragenden Partikeln,
insbesondere Metallpartikeln aus Eisen, Stahl, Kupfer, Silber, Aluminium,
aber auch Graphit in Pulverform zu dem Medium 2 ist beispielsweise
ein besserer bzw. schnellerer Wärmeaustausch
mit der Umgebung möglich.
Durch Zugabe von Keimbildnern, wie z. B. Talkum, Kreide, Kaolin
(alle mikronisiert) oder Salze organischer Säuren zu dem Medium 2 können Umwandlungsverzögerungen
abgeschwächt
und die Phasenübergangstemperaturen beeinflusst
werden. Die Stellvorrichtung wird bei Überschreiten/Unterschreiten
des Arbeitstemperaturbereichs durch Volumenänderung des Mediums 2 tätig.
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Aufgrund
der elastischen Bauweise ist die Stellvorrichtung auch manuell verstellbar,
wobei die manuelle Verstellung die thermisch induzierte Verstellung
der Stellvorrichtung auch überlagern
kann. Wegen der Inkompressibilität
zumindest einer Komponente des Mediums 2 gibt der Querschnitt
des Federelementes 1 nach und es ergibt sich eine erzwungene
Verformung. Durch die Auswahl der Querschnittsform, der Wandstärke und
des Krümmungsradius
des Federelementes 1 können
bestimmte Verstellparameter verändert
werden, wie z. B. der Stellweg bzw. Stellwinkel der Stellvorrichtung,
die erzeugte Stellkraft, etc.
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Auch
kann eine Vorspannung des Federelements 1 durch eine elastische
Vorspannung eingestellt werden, die vor einer thermischen Verstellung der
Stellvorrichtung überwunden
werden muss. Auf diese Weise ist eine Kalibrierung der Stellvorrichtung auf
einen bestimmten Temperaturbereich möglich.