DE2321767A1

DE2321767A1 - Betaetigungsorgan zur umwandlung elektrischer energie in lineare mechanische bewegung

Info

Publication number: DE2321767A1
Application number: DE2321767A
Authority: DE
Inventors: Peter Goodkind Berg; Leo Marcoux
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1972-05-01
Filing date: 1973-04-30
Publication date: 1973-11-15
Also published as: CA981916A; PL87690B1; AU5529273A; NL7306036A; AR203534A1; US3782121A; FR2182876A1; FR2182876B1; JPS5234697B2; IT974886B; JPS4925339A; DD105097A5; GB1422140A; DE7316296U; SE401720B; ES414296A1; SU519152A3

Description

SEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED
13500 North Central Expressway
Dallas. Texas. 7.St.A.

Betätigungsorgan zur Umwandlung Energie in linear© mechanische

Die Erfindung bezieht sich auf ein thermisches Betätigungsorgan und insbesondere auf ein-thermisches Betätigungsorgan zum Umwandeln elektrischer Energie is mechanische

In der USA-Patentanmeldung Serial Number 168 657 vom 3·· August 1971 ist ein thermisches Betätigungsorgan besehrie=· ben, in dem ein selbstregelndes, wärmeerzeugendes Element in einer Wärmeübertragungsverbindung mit einer Kammer angebracht ist, die ein thermisch ausdehnungsfähiges Medium enthält. Eine elektrische Erregung de#-Wärme= erzeugungselements verursacht eine Ausdehnung des thermisch ausdehungsfähigen Mediums _s was eine lineare Bewegung eines Kolbens zur Folge hat, der bezüglich des Mediums derart angebracht ist_p daß er eine Kraft aufnehmen kann. Ein derartiges Betätigungsorgan weist gegenüber bekannten Organen viele Vorteile auf. So ergibt sich beispielsweise infolge der Verwendung eines selbstregelnden Wärmeerzeugungselements ein Betätigungsorgan, bei dem eine Überhitzung auch dann vermieden

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wlrd₉ wean eine im-wesentlichen konstante elektrische , Erregung verwendet wird» Außerdem erübrigt sich" die Verwendung esterner Einrichtungen zur Begrenzung der elektrischen Erregung. Dieses Betätigungsorgan ist ebenso wie andere bekannte Betätigungsorgane so geeicht _s daß es einen gewünschten Hub @raeugt_p doch ändert sich diese Eichung im Läufe der Zeit infolge von Verlusten des ausdehnungsfälligen Mediums aus der Kammer oder infolge v©n Volusaenänderungen der Kammer,, falls sie durch einen zufälligen Schlag deformiert wird* Bei solchen Betätigungs=· organen besteht auch die Gefahr der Zerstörungp wenn der.Kolben von irgendeiner statischen^ externen Kraft an einer Bewegung gehindert werden sollte_o Außerdem muß die Maximaltemperatur des Wärmeerzeugungselements niedrig genug gewählt werden„ damit sich keine ¥©r° sehleehterung des ausdehnungsfähigen Mediums ergibto In manchen Anwendungsfällen thermischer Betätigungsorgane stellen diese Merkmal© zwar keine Einschränkungen dar_s doch gibt es bestimmte Fälle, in denen sie Bedeutung erlangen«, Ein solcher Fall ist beispielsweise in einer -Geschirrspülmaschine gegeben, in der das Betätigungsorgan zur Abgabe von Seife oder eines -Spülmittels verwendet wirdo Ungünstige Betriebsbedingungen wie Feuchtigkeit und Schmutz können eu einem Verkleben der Verbindungshebel führen, was wiederum zu einer Deformation der das ausdehnungsfähige Medium enthaltenden Kammer führen könnte« Das bedeutet, daß sich das Medium auch dann weiter aus·» dehnt, wenn der Kolben festsitzt, so daß die Kammer, in der der Kolben angebracht ist, deformiert wird_a Ein anderes Anwendungsbeispiel wäre ein Fall, bei dem es wichtig ist, einen exakt vorbestimmten gegebenen Hub während der Lebensdauer des Betätigungsorgans aufrecht zu erhalten.

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Diese Einschränkungen bekannter Betätigungsorgane -werden mit Hilfe der Erfindung beseitigt, nach der ein thermisches Betätigungsorgan mit einem Kraftausübungskolben geschaffen wird, bei dem der Hub des Kolbens durch mechanische Anschläge exakt bestimmt wirdv Wenn der Kolben voll ausgefahren ist,verursacht in einer Ausführungsform eine fortgesetzte Ausdehnung des ausdehnungsfähigen Mediums eine Trennung der dieses Medium enthaltenden Kammer von der Wärmequelle gegen die Vorspannung einer zweiten Rückkehrfeder, so daß die Wärmeübertragungsverbindung von der Wärmequelle zu dem Medium so verändert wird, daß der Druckwert innerhalb der gewünschten Grenzen gehalten wird_e Es kann eine kürzere Ansprechzeit des Betätigungsorgans erzielt werden, da wegen dieser Trennung eine Wärmequelle mit höherer Temperatur verwendet werden -kann» In einer anderen Ausführungsform ist der Ort der Kammer innerhalb des Gehäuses fest, doch wird ein zweiter Kolben zur Erweiterung des verfügbaren Volumens der Kammer angetrieben.

Mit Hilfe der Erfindung soll ein thermisches Betätigungsorgan geschaffen werden, das elektrische Energie in eine lineare mechanische Bewegung mit einem exakt vorbestimmten Hub umwandelt. Ferner soll der Hub des mit Hilfe der Erfindung zu schaffenden Betätigungsorgans einstellbar sein; er soll sich jedoch im Verlauf der Lebensdauer nicht ändern. Das mit Hilfe der Erfindung zu schaffende thermische Betätigungsorgan soll von einer unbeweglichen externen statischen Last nicht zerstört werden können. Außerdem soll die Aufwärmzeit des zu schaffenden thermischen Betätigungsorgans kürzer sein, ohne daß damit eine längere Abkühlzeit verbunden ist.

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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Fig.1 eine Ansicht eines thermischen Betätigungsorgans nach der Erfindung,

Flg.2 eine Draufsicht auf das in Fig..1 dargestellte Betätigungsorgan,

Fig.3 eine Unter.ansicht des Betätigungsorgans , Fig.4 ©inen Schnitt längs der Linie 4-4 von Fig.2,

Fig.5 ein Widerstands-Temperatur-Diagramm für das _xim Betätigungsorgan verwendete Heizelement, wobei der Widerstand im logarithmischen Maßstab dargestellt ist,

Fig.6 ein Diagramm der prozentualen Volumenvergrößerung über der Temperatur für ein bei dem erfindungsgemäßen Betätigungsorgan brauchbares thermisch ausdehnungsfähiges Material,

Fig.7 einen dem Schnitt von Fig.4 ähnlichen vereinfachten Schnitt, der das Betätigungsorgan in der nichtbetätigten Stellung zeigt,

Fig.8 eine ähnliche Ansicht wie in Fig.7, in der ein Zwischenbetätigungszustand dargestellt ist, bei der der Kraftausübungskolben gerade seinen vollen Hub erreicht hat, .--...

Fig.9 eine ähnliche Ansicht wie in den Figuren 7 und 8, in der das Betätigungsorgan voll betätigt dargestellt ist,

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Pig. 10 eine ähnliche Ansicht wi© In Fig.7, in der Einrichtungen zur Einstellung des Hubs des Betätigungs-!- kolbens dargestellt sind_?

Fig. 11 eine der Ansicht von Fig.8 ähnliche Ansicht, in der eine weitere Ausführungsform in einem Zwischenbetätigungszustand dargestellt ist₉ bei der der Kraftausübungskolben gerade seinen vollen Hub erreicht hat,

Fig. 12 eine der Ansicht von Pig.11 ähnliche Ansicht _g in der das Betätigungsorgan gemäß der weiteren Ausführungsform in vollbetätigtem Zustand dargestellt ist,

Fig.13 das auf einem Träger befestigte Betätigungsorgan und

Fig.14 eine andere Befestigungsmögliclikeit für das Betätigungsorgan.

In den verschiedenen Ansichten der Zeichnung sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeiehen bezeichnet. Die Abmessungen gewisser in der Zeichnung dargestellter Teile sind zur Verdeutlichung der Darstellung verändert und vergrößert worden. -

In den Figuren 1 bis 4 ist ein thermisches Betätigungsorgan 10 dargestellt. Ein Gehäuse aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise aus elektrisch isolierendem Phenolharz,besteht aus zwei gleichen in Längsrichtung geteilten Hälften; in diesem Gehäuse ist eine allgemein zylindrisch geformte Ausnehmung 16 gebildet. In jeder Gehäusehälfte sind zwei Löcher 18 und 20 angebracht, die zur Verbindung der beiden Gehäusehälften 12 und 14 ( nicht

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dargestellte) Nieten aufnehmen* In der Gehäusehälfte ist ein Stift 22 angebracht, der zur richtigen Ausrichtung der beiden Hälften in eine dazu passende Vertiefung 24 in einer gleichartigen Gehäusehälfte eingeschoben werden kann. .

In der Ausnehmung 16 befindet sich ein Kolben 26 _g der allgemein zylindrisch ausgebildet ist und zweckmässigerweise aus Phenolmaterial geformt ist» An einem Ende des Kolbens 26 ist ein nach außen ragender radialer Flansch 28 angeformt ₉ der von der Ausnehmung 16 esaspassend aufgenommen wird. Eine als Schraubenfeder ausgebildete Feder 30 umgibt den Kolben 26 zwischen dem Flansch 28 und dem oberen Wandabschnitt 32 des Gehäuses, so daß der Kolben in der Ausnehmung gegen di© Vorspannung der Feder 30 gleiten kann« Der Kolben 26 ist mit einem Schaftabschnitt 34 mit verringertem Durchmesser ausgestattet, der mit dem Hauptkörper des Kolbens 26 einen ringförmigen Ansatz 36 bildet,' der dazu dient, die nach außen gerichtete Bewegung des Kolbens 26 durch Anstossen am oberen Wandabschnitt 32 des Gehäuses zu begrenzen« Eine Öffnung 38 im oberen Wandabschnitt 32 nimmt den Schaftabschnitt 34 gleitend auf. Im Gehäuse ist auch ein ringförmiger Sitz 40 angebracht, gegen den die Bodenfläche 44 des Flansches 28 von der Feder 30 gedrückt wird. Es ist zu erkennen, daß der Kolben 26 somit von der Feder 30 in die unbetätigte, zurückgezogene Stellung gedrückt wird, in der der Flansch 28 gegen den ringförmigen Sitz 40 stößt, der als Anschlag dient, während eine nach außen gerichtete Bewegung des Kolbens 26 von dem ringförmigen Ansatz 36 begrenzt wird, der gegen den als zweiter Anschlag wirkenden Wandabschnitt 32 stößt.

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Der Kolben 26 ist mit einer Bohrung 42 versehen, die mit der Bodenfläche 44 in Verbindung steht und in der ein angeformter , nach unten ragender Zapfen 46 angebracht ist. Die Tiefe der Bohrung 42 ist so gewählt, daß sie größer als der Hub des Kolbens ist.

Eine allgemein zylindrische Kammer 48 ist aus wärmeleitendem Material, beispielsweise aus Messing hergestellt; sie weist einen ersten Körperabschnitt 50 auf, der über einen kegelstumpfförmigen Abschnitt 54 mit einem zweiten^ mit offenem Ende versehenen Hülsenabschnitt 52 verbunden ist. Der Eülsenabschnitt 52 ragt in die Bohrung 42 des. Kolbens 26, und er sitzt vorzugsweise eng an der Seitenwand der Bohrung 42, damit er als Führungseinrichtung dient, die die einzelnen Teile ausgerichtet hält und die Möglichkeit des Wackeins verhindert. Am freien Ende des Körperabschnitts 50 ist ein nach außen ragender Flansch 56 angebracht, damit eine Bördelbefestigung 60 einer Basis 58 erleichtert wird. Die Basis 58 ist mit einer rohrförmigen Hülse 62 mit offenem Ende ausgestattet, die in die Kammer ragt. In der Kammer 48 befindet sich ein unten näher beschriebenes thermisch ausdehnungsfähiges Medium 64. Ein erster frei beweglicher Kolbenkopf 66 wird von dem Hülsenabschnitt 52 verschiebbar aufgenommen uid ein zweiter ir el beweglicher Kolbenkopf wird von der Hülse 62 verschiebbar aufgenommen. Die freibeweglichen Kolbenköpfe 66 und 68 sind mit Dichtungssitznuten 70 bzw. 72 ausgestattet, die 0-Ringdichtungen bzw. 76 aufnehmen. Die 0-Ringdichtungen 74 und 76 bestehen aus einem relativ flexiblen , gummiähnlichen Material, das sich für einen ständigen Hochtemperaturbetrieb eignet, wie es beispielsweise bei einem fluoroelastomeren Material der Fall ist.

Zwischen der Bördelbefestigung 60 desKörperabschnitts 50 und einem am Gehäuse gebildeten Ansatz 80 befindet sich

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sine zweite , als Schraubenfeder ausgebildete Rückholfeder 78, die die Kammer 48 in Richtung zum Boden des Gehäuses gegen eine kraftaufnehmende, wärmeleitende Platte 82 drückt.

Durch öffnungen im Gehäuseboden 88 erstrecken sich Anschlußklemmen 84 und 8β_β Die Anschlußklemme 84 ist vorzugsweise mit einer seitlich verlaufenden kreisförmigen Platte 90 ausgestattet, die auf einer im Gehäuse gebildeten Schulter 98 sitzt, mit der ein Plättchen 92 aus einem Material mit positivem Widerstandstemperaturkoeffizienten (PTC) verklebt ist. Das Plättchen ist auf seinen gegenüberliegenden Flächen mit metallisierenden Kontaktflächen versehen, von denen eine mit der Platte 90 entweder verlötet oder mit Hilfe eines elektrisch leitenden Silberepoxyds verklebt sein kann. An der Anschlußklemme 86 ist eine seitlich verlaufende Platte 94 angeformt. Zwischen der zweiten Fläche des Plättchens 92 und der Platte 94 erstreckt sich eine elektrisch leitende Anschlußfeder 96.

Das Plättchen 92 besteht vorzugsweise aus einem Material mit positivem Widerstandstemperaturkoeffizienten (PTC) mit einem steilen Anstieg bei Temperaturen über einem Anomaliwert, so daß es sich bei elektrischer Erregung selbst auf eine ausgewählte Temperatur regelt. Ein Beispiel eines solchen Materials ist ein mit Lanthan dotiertes Bariumtitanat-Keramikmaterialj, beispielsweise Ba_n Q₀₇La_{n nn},Ti0_x.

u,yyf u, kjkj ρ _?

Fig.5 zeigt den Verlauf einer Widerstands-Temperatur-Kurve 100 eines für die hier beschriebenen Zwecke brauchbaren Plättchens aus einem Material mit positivem Widerstandstemperaturkoeffizienten, wobei die Widerstandswerte im logarithmischen Maßstab angegeben sind; es können auch andere Anomalitemperaturen verwendet werden.Ife ist zu erkennen,

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daß der Widerstand bei Werten unterhalb einer tooaalitemperatur von etwa 12Q°C im wesentlichen konstant ist und daß er über der Anomalitemperatur jedoch plötzlich um mehrere Größenordnungen ansteigt. Wenn zur Erregimg des Plättchens eine geeignete Spannung verwendet wird, nimmt die Temperatur des Plättchens schnell zu_a bis der Anomalipunkt erreicht ist,bei dem der Widerstandswert plötzlich ansteigt und den Strom und die Energiezufuhr zum Plättchen begrenzt« Die Eingangsenergie wird herab-= gesetzt, bis das Plättchen ein thermisches Gleichgewicht bei einer Betriebstemperatur von ©twa 120°C erreicht, die in der Kurve 100 mit T₀ bezeichnet ist· Zwar wird die Verwendung sines Standardwiderstands·» heizelements von der den hi@r beschriebenen Organ zugrundeliegenden Idee mitumfaßt_s doch wird vorzugsweise ein Heizelement mit positivem Widerstandstemperaturkoeffizienten verwendet, da es sich für die Verwendung in thermischen Betätigungsorganen besonders gut eignete Da das AtasaaB der Ausdehnung des ausdehnungsfähigen Mediums direkt von der Temperatur des Mediums abhängt, ist es vorteilhaft, Heizelemente zu verwenden, die eine ausgewählte Eonstante; vorbestimmte Betriebstemperatur haben; Heizelemente, mit positivem Widerstandstemperaturkoeffizienten und mit steilem Kennlinienanstieg weisen diese Eigenschaft auf.Beispielsweise haben Änderungen der Eingangsspannung nur einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Betriebstemperatur des Plattchens. Eine Erhöhung der Eingangsspannung hat zunächst eine Erhöhung der Eingangsenergie des Plättchens zur Folge, die eine geringe Erhöhung der Betriebstemperatur bewirkt, die ihrerseits einen grosser en Anstieg des Widerstandswertes zur Folge hat, der die Eingangsenergie v/ieder auf den ursprünglichen Arbeitspunkt verkleinert .Eine Absenkungdar Eingangs spannung hat zunächst eine Absenkung der Eingangsenergie zur Folge,

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die ein® geringfügige Absenkung der Betriebstemperatur bewirkt, die dann wieder eine stärkere Abnahme des Widerstandswerts verursacht^ so daß dadurch die Eingangsenergie wieder auf den Arbeitspunkt angehoben wird_e

änderungen der Umgebungstemperatur haben keinen Einfluß auf den Arbeitspunkt des Plättchens, da die Anomalitemperatur weit über der Umgebungstemperatur liegt.

Da das Plättchen elektrische Energie in Wärme durch eine

Aufheizung nach der Formel IR umsetzt, können entweder Wechselstromenergiequellen oder Gleichstromenergiequellen verwendet werden. Es werden keine Hochfrequenzstörungen ausgestrahlt ₉ da keine Kontakte oder andere beweglichen .■ Teile vorhanden sind. . .

Für die Verwendung als thermisch ausdehnungsfähiges Medium stehen viele Materialien zur Verfügung* In JPig.6 ist in der Kurve 102 die prozentuale Volumenausdehnung über der Temperatur für ein solches Material dargestellt, das ein bearbeitetes Paraffinwachs mit einer engen Molekular gewichtsverteilung ist_o Der Volumenausdehnungskoeffizient eines solchen Materials ist im Änderungsbereich vom festen Zustand in den flüssigen Zustand wesentlich größer als der Ausdehnungskoeffizient für den festen oder den flüssigen Zustand. Das Wachs behält seine Ausdehnungseigenschaften unbegrenzt bei, und sie sind völlig druckunabhängig. Das für das Medium 64 ausgewählte besondere Material hat die Eigenschaft, daß sein Zustandsänderungstemperaturbereich über'der während des Betriebs des RetStigungsorgans höchstens zu erwartenden Umgebungstemperatur liegt, da es erwünscht-ist, daß die Kolbenbewegung während der starken Ausdehnung bei der Zustandsänderung des Mediums stattfindet. Das dem Diagramm von

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Fig·6 zugrundeliegende Medium hat einen Zuetandsänderungebereich von 80 bis 95⁰C, und es eignet sich besonders gut bei einem Plättchen mit einer über diesem Bereich liegenden Temperatur von beispielsweise 120⁰C, vie unten noch genauer erläutert wird·

Die Arbeitsweise des Betätigungsorgans 10 wird unter Bezugnahme auf die Figuren 7 bis 9 beschrieben, die etwas vereinfacht sind, damit das Verständnis der Arbeitsweise erleichtert wird. Fig.7 zeigt das Betätigungsorgan 10 in nicht erregtem oder unbetätigtem Zustand von Flg.4. Nach Erregen der von dem Plättchen 92 gebildeten Wärmequelle durch Anlegen einer Spannung an das Plättchen über die Anschlußklemmen 84 und 86 erreicht die Temperatur des Plättchens schnell die Arbeitstemperatur Tg(FIg.5), und über die aus Messing bestehende Kammer 46 wird Wärme zu dem ausdehnungsfähigen Medium 64 geleitet. Es sei bemerkt, daß die sich in die Kammer erstreckende Hülse 62 die Wärmeübertragung von der Wärmequelle zu dem Medium 64 verstärkt. Wenn die Temperatur des Mediums 80⁰C erreicht, beginnt die Zustandsänderung, so daß der Kolben 26 gegen die Vorspannung der Feder 30 nach außen gedrückt wird, bis der Ansatz 36 des Kolbens 26 gegen den Wandabschnitt 32 der Ausnehmung stößt, wodurch der Kolbenhub begrenzt wird, wie in Fig.8 zu erkennen ist. Das Medium 64 dehnt sich jedoch weiter aus und veranlaßt die Kammer 48, sich von dem Plättchen 92 gegen die Vorspannung der Feder 78 zu lösen, wie in Fig.9 zu erkennen ist. Damit dies statt» finden kann, ist die effektive Kolbenfläche des freibeweglichen Kolbenkopfs 68 so gewählt, daß sie größer als die effektive Kolbenfläche des frei beweglichen Kolbenkopfs 66 ist. Somit wirkt auf den kegelstumpfförmigen Abschnitt 54 eine resultierende Kraft, die die Kammer von der Wärmequelle und der Platte 82 (Fig.4)

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wegbewegt und die von der Differenz der zwei Flächen abhängt. Wenn sich die Kammer von der Wärmequelle gelöst hat,wird die Wärmeübertragung auf.das Medium verringert, auch wenn sich das Plättchen immer noch auf seiner Betriebstemperatur befindet. Auf diese Weise wird zwischen dem Druck in der Kammer und der Wärmeübertragung auf das Medium ein Gleichgewicht erzielt. Je weiter sich die Kammer von der Wärmequelle entfernt, desto geringer wird die auf das Medium übertragene Wärmemenge. In Fig.9 ist die Trennung zu Darstellungszwecken zwar übertrieben dargestellt, doch hat sich im praktischen Betrieb gezeigt, daß dieses Gleichgewicht typischerweise bei einem Abstand (Luftspalt) von 0,75 bis 1 mm (30 bis 40 000 Tausendstel inch) eintritt. Das System ist so ausgelegt, daß der Gleichgewichtszustand bei einem erniedrigten Wärmezufuhrwert zum Medium 64 erreicht wird, wobei etwa die halbe Zustandsänderungsausdehnung vorliegt, die zur Betätigung des Kolbens 26 verwendet wird. Der isostatische Druck, der die Bewegung der Kammer 48 auslöst, hängt ausschließlich von den relativen Flächen der Kolbenköpfe 66 und 68 und von der Belastung der Rückholfeder 78 ab.

Wenn das Betätigungsorgan abgeschaltet wird, bewegt sich die Kammer 48 in Kontakt mit der Platte 82, und der Kolben 26 bewegt sich infolge der Rückstellkraft der Feder 30 wieder in seine in Fig.7 dargestellte zurückgezogene Lage zurück.

Es ist also zu erkennen, daß bei Verlust eines kleinen Teils des Mediums 64 während der zyklischen Betätigung eine Erwärmung des Mediums auf eine etwas höhere Temperatur stattfindet, ehe der Kolben 26 seinen Hub beendet und der Aufbau des Drucks beginnt. Die externen

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Belastungseigenschaften und die Länge der Kolbenbewegung ändern sich bei einem Verlust des ausdehnungsfähigen Mediums aus der Kammer 48 solange nicht, bis der Reservevorrat erschöpft ist. Das bedeutet, daB beim Betätigungsorgan 10 zunächst von der unteren Hälfte des Fest=»Flüssig-Übergangsbereichs der Zustandsänderungsausdehnung (Fig„6) zur Betätigung Gebrauch gemacht wird, während in der Nähe des Endes der Lebensdauer die obere Hälfte dieses Zustandsänderungsbereichs ausgenutzt wird, wobei bei einer um etwa 7°C höher liegenden Temperatur gearbeitet wird.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Systems mit einem Primärkolben und einem Sekundäpkolben besteht darin, daß das Betätigungsorgan sich selbst gegen Druckzerstörungen schützt , die infolge statischer externen Belastungen auftreten, die über die vorgesehenen Grenzwerte hinausgehen· Wenn der Kolben 26 während seines Hubs auf eine statisch unbewegliche Kraft treffen sollte, dann steigt der Druck in der Kammer 48 an, was das Lösen der Kammer 48 unter Erreichen eines Gleichgewichtszustandes in einem Haltebetrieb mit verringerter Wärmezufuhr zur Folge hat. Wenn die überschüssige statische Kraft vom Kolben 26 entfernt wird, wird seine nach außen gerichtete Bewegung fortgesetzt, so daß sein Hub beendet wird. Dies ist durchaus ein übliches und normales Ereignis in gewissen Anwendungsfällen, beisp ielsweise beim automatischen Ausstossen von Eiswürfeln aus einerSchale nach ausreichender Erwärmung von Trennelementen.

Das Lösen der Kammer 48 von der Wärmequelle erlaubt auch die Verwendung eines Plättchens mit einem höheren Anomalipunkt als es sonst möglich wäre, ohne daß das ausdehnungsfähige Medium auf zu hohe Temperaturen aufgeheizt wird,-da die Wärmezufuhr zu dem Medium durch das Loslösen herab-

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herabgesetzt wird_? das den Temperaturanstieg des Mediums begrenzt. In einigen Anwendungsfällen kann es erwünscht sein, einen kürzeren Kolbenhub zu erreichen· Wie aus Fig.10 zn erkennen ist, kann dies einfach dadurch erreicht werden, daß ein oder mehrere ringförmige Abstandselemente 104 hinzugefügt werden, so daß jeder gewünschte Hub in einem gegebenen Aufbau bis zum Gesamtabstand zwischen dem Ansatz 36 und dem Wandabschnitt 32 erzielt werden kann_s wenn der Kolben auf den Sitz 40 des Gehäuses abgesenkt ist_e

Sine weitere. Ausführungsform ist in den Figuren 11 und dargestellt; Fig.11 zeigt dabei ein Betätigungsorgan ., nachdem der ^K©lben 26 seine voll ausgefahrene Lage erreicht hat, während Fig.12 das Betätigungsorgan im völlig betätigten Gleichgewichtszustand zeigt„ Diese Ausführungsform ist insbesondere von Nutzen, wenn es erwünscht ist,, daß nach der Abschaltung des Betätigungsorgans eine längere Abkühlzeit zur Verfügung steht. Wenn das Betätigungsorgan beispielsweise als Sperrvorrichtung für einen Hochtemperaturofen, beispielsweise einen pyrolytischen, selbstreinigenden Ofen verwendet wird, kann eine positive Zeitverzögerung erwünscht sein, die eine ausreichende Kühlung des Ofeninneren erlaubt, ehe der Ofen geöffnet werden kann, auch wenn die elektrische Energie ausgefallen ist. Wie aus Fig. hervorgeht, enthält das Betätigungsorgan 110 eine abgeänderte Kammer 112'für das ausdehnungsfähige Medium. Die Kammer 112 ist in dem Gehäuse mit Hilfe von geeigneten Vorrichtungen befestigt, und sie enthält einen freibeweglichen Kolbenkopf 114, der von einer Feder 118 gegen einen Sitz 116 gedrückt wird. Die anderen Bestandteile dieses Betätigungsorgans gleichen denen des Betätigungsorgans und auch die Arbeitsweise ist gleich mit der Ausnahme, daß anstelle der Erzielung eines Gleichgewichtszustandes

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mit Hilfe einer reduzierten Wärmeübertragung durch Lösen der Kammer von der Wärmequelle hier das Volumen der Kammer weiter zunehmen kann, indem der Kolbenkopf 114 gegen die Vorspannung der Feder 118 gedrückt wird, wie aus Fig.12 zu erkennen ist. Auf diese Weise wird die Temperatur des Mediums auch nach einer Abschaltung des Betätigungsorgans auf einem höheren Wert-gehalten, da eine enge thermische Kopplung mit der Wärmequelle während des gesamten Arbeitszyklus vorliegt.

Diese Ausführungsform ist insbesondere dann nützlich -, wenn das Betätigungsorgan bei außergewöhnlich hohen Umgebungstemperaturen verwendet werden soll, wie es beispielsweise im Motorraum eines Kraftfährzeugs der Fall ist. Ein Niederdrücken des Kolbenkopfs 114 vergrößert das für das sich ausdehnende- Wachs zur Verfügung stehende Volumen wesentlich mehr als in der oben beschriebenen Ausführungsform, bei der die Volumenvergrößerung in der Hülse 62 teilweise von der Volumenverringerung im Hülsenabschnitt 52 aufgehoben wurde. Wenn es erwünscht ist, dem sich ausdehnenden Wachs noch mehr Volumen zur Verfügung zu stellen, dann können der Durchmesser des Hülsenabschnitts 52 und auch seine Bohrung vergrößert werden. -. .

Das hier beschriebene Betätigungsorgan kann auf mehrere Arten befestigt werden. Beispielsweise zeigt Fig.14 das Betätigungsorgan 10 auf einem Träger 130. Am Umfang des Gehäuses sind mehrere durch Stege 134 voneinander getrennte Nuten 132 angebracht, die zum Festhalten des Betätigungsorgans Halbringe 136 aufnehmen können. Der Abstand, mit dem das Betätigungsorgan durch den Träger ragt, kann auf diese Weise dadurch eingestellt werden, daß das Betätigungsorgan so angebracht wird, daß einer der

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Stege 134 mit dem Träger 130 in einer Linie liegt. Andrerseits kann das Betätigungsorgan auch in einer öffnung in einem Bügel 138 angebracht sein, wie in Fig.14 zu erkennen ist, wobei ein Ansatz 140 des Gehäuses gegen den Bügel 138 gedrückt ist und ein Aufschiebering 142 das Betätigungsorgan festhält.

Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

Betätigungsorgan zur Umsetzung elektrischer Energie in eine lineare mechanische Bewegung mit einem hohlen Gehäuse, in dem eine Ausnehmung gebildet ist, gekennzeichnet durch eine mit ersten und zweiten Kraftabgabeflächen versehene Kammer in der Ausnehmung, ein in der Kammer enthaltenes thermisch ausdehnungsfähiges Medium, eine erregbare Wärmequelle, die mit dem thermisch ausdehnungsfähigen Medium in einer Wärmeübertragungsverbindung steht, einen in dem Gehäuse verschiebbar angebrachten ersten Kolben, der bezüglich des Gehäuses aus einer zurückgezogenen Stellung in eine vorgestreckte Stellung beweglich ist, eine Verbindungsvorrichtung, die den ersten Kolben mit der ersten Kraftabgabefläche der Kammer derart verbindet, daß sich der erste Kolben bei einer ausreichenden Ausdehnung des Mediums von der zurückgezogenen Stellung in die vorgestreckte Stellung bewegt, einen in dem Gehäuse relativ zur Kammer beweglich angebrachten zweiten Kolben und eine Verbindungsvorrichtung, die den zweiten Kolben mit der zweiten Kraftabgabefläche der Kammer derart verbindet, daß sich der zweite Kolben relativ zur Kammer bei einer fortgesetzten Ausdehnung des Mediums nur dann bewegt, wenn eine vorbestimmte, von dem Medium auf den ersten Kolben ausgeübte Kcaft überschritten worden ist.

2. Betätigungsorgan nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kraftabgabefläche der Kammer von einer eine Bohrung bildenden Einrichtung geformt ist, daß der zweite Kolben in dieser Bohrung verschiebbar angebracht ist, daß der Kolben von einerVorspannungseinrichtung gegen das ausdehnungsfähige Medium gedrückt ist, und daß die Vorspannungseinrichtung auf den zweiten

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Kolben eine gegebene Kraft ausübt, die größer als wie zum Bewegen des ersten Kolbens von der zurückgezogenen in die vorgestreckte Stellung benötigte Kraft erforderlich ist,so daß eine kontinuierliche Ausdehnung des Mediums nach der Bewegung des ersten Kolbens in die vorgestreckte Stellung den zweiten Kolben veranlaßt, sich zur Vergrößerung des effektiven Kammervolumens von dem -Medium wegzubewegen·

3. Betätigungsorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kraftabgabefläche der Kammer von einer eine Bohrung bildenden Einrichtung geformt' ist, daß der zweite Kolben in dieser Bohrung angebracht ist, daß Einrichtungen zur Begrenzung der von dem Medium weg gerichteten Bewegung des zweiten Kolbens vorgesehen_tsind, daß die wirksame Fläche der zweiten Kraftabgabefläche größer als die wirksame Fläche der ersten Kraftabgabefläche ist, daß die Kammer in der Ausnehmung verschiebbar angebracht ist, daß eine Vorspannungseinrichtung die Kammer in einer zur Achse der Bohrung allgemein parallelen Richtung vorspannt und daß die Vorspannungseinrichtung auf die Kammer eine gegebene Kraft ausübt, die über einer zur Bewegung des ersten Kolbens von der zurückgezogenen in die vorgestreckte Stellung verwendeten vorbestimmten Kraft liegt, so daß eine fort- gesetzte Ausdehnung des Mediums nach der Bewegung des ersten Kolbens in die vorgestreckte Stellung eine Relativbewegung der Kammer zum Gehäuse zur Folge hat.

4. Betätigungsorgan nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle in dem Gehäuse befestigt ist, daß die Vorspannungseinrichtung auf die Kammer eine Kraft ausübt, die die Kammer in enger Wärmeübertragungsverbindung mit der Wärmequelle zu halten versucht, und daß eine von der fortgesetzten Ausdehnung des Mediums nach der Verschie-

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bung des ersten Kolbens in die vorgestreckte Stellung verursachte Bewegung der Kammer die von dem Medium empfangene Wärme innerhalb der Kammer reduziert, so daß sich ein Gleichgewicht zwischen der Wärmezufuhr zu dem Medium und dem von dem Medium ausgeübten Druck einstellt.

5. Betätigungsorgan nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle aus einem Plättchen eines Materials besteht, daß einen positiven Temperaturwiderstandskoeffizienten aufweist.

6. Betätigungsorgan nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das ausdehnungsfähige Medium einen Übergangstemperaturbereich für den Übergang vom festen in den flüssigen Zustand aufweist und daß das die Wärmequelle bildende Plättchen eine Anomal it emperatur aufweist, über der das Plättchen einen steil verlaufenden positiven Temperaturwiderstandskoeffizienten aufweist, wobei die Anomalitemperatur über dem Zustandsänderungstemperaturbereich des ausdehnungsfähigen Mediums

. liegt.

7· Betätigungsorgan mit einem Gehäuse, in dem eine Ausnehmung gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse eine elektrische Energiequelle angebracht ist, daß in der Ausnehmung eine Kammer mit ersten und zweiten Kraftabgabeflächen derart angebracht ist, daß sie von der elektrischen Energiequelle Energie empfangen kann, daß in der Kammer ein ausdehnungsfähiges Medium enthalten ist, daß in dem Gehäuse ein zwischen einer zurückgezogenen und einer vorgestreckten Stellung verschiebbarer erster Kolben angebracht ist, daß der Kolben mit einer Kraftaufnahmefläche versehen ist, die derart angeordnet ist, daß sie von der ersten Kraftabgabefläche der Kammer Kraft empfangen kann, daß in dem Gehäuse ein zweiter Kolben angebracht ist,

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der eine Kraftaufnahmefläche aufweist, die derart angeordnet ist, daß sie von der zweiten Kraftabgabefläche der Kammer Kraft empfangen kann, daß die zweite Kraftaufnahmefläche größer als die erste¹ Kraftaufnahmeflache ist, daß eine Vorspannungseinrichtung zur Vorspannung des zweiten Kolbens in einer der Richtung der von dem ausdehnungsfähigen Medium ausgeübten Kraft entgegengesetzten Richtung vorgesehen ist, und daß die Vorspannungseinrichtung auf den zweiten Kolben eine gegebene Kraft ausübt ₉ die über einer zum Bewegen des ersten Kolbens von der zurückgezogenen Stellung in die vorgestreckte Stellung verwendeten vorbestimmten Kraft liegt, so daß das sich bei elektrischer Erregung ausdehnende ausdehnungsiähige Medium den ersten Kolben veranlaßt, sich von der zurückgezogenen Stellung in die vorgestreckteStellung zu bewegen, wobei eine fortgesetzte Ausdehnung des ausdehnungsfähigen Mediums eine Relativ-bewegung des zweiten Kolbens bis zur Irreichung eines Gleichgewichts zwischen der Energiezufuhr und dem von dem. ausdehnungsfähigen-Medium ausgeübten Druck zur Folge hat.

8. Betätigungsvorrichtung sum UmwancüLn elektrischer Energie in eine lineare mechanische Bewegmig, gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit einer- Ausnehmung und einem oberen Wandabsehnittj, in*dem ein© sieh in die Ausnehmung' erstreckende Öffnung angebracht ist, eine aus wärmeleitendem Material." hergestellte ₉ in dem Gehäuse enthalten© Kammer mit ersten und zweiten,,'mit der Kammer in Verbindung stehenden Bohrungen, ein in der-'Kammer enthaltenes thermisch'ausdeh^imgsfähiges-. Medium-, ein elektris5hea.-'¥id©rstasxdsheig@lement₉ d® in- dem Gehäuse ia eiaer Wärmeübertraguagsverbindung mit der Kammer angebracht ist, einen-ia der Gehäiaseausnehmiang zwischen einer-; zurückgezogenen Stellung sand- ©ia©r vorgestreckten Stellung

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. , beweglichen ersten Kolben, der eine in der ersten Bohrung der Kammer liegende erste Kraftaufnahmefläche aufweist, wobei in der Gehäuseausnehmung eine erste Rückholfeder angebracht ist, die den ersten Kolben in seine zurückgezogene Stellung vorspannt, eine Einrichtung zur elektrischen Erregung des Widerstandsheizelements, einen zweiten Kolben mit einem Glied mit einer in der zweiten Bohrung der Kammer angebrachten zweiten Kraftaufnahmefläche, die relativ zur Kammer beweglich ist, und eine zweite Rückholfeder zum Verhindern einer Relativbewegung zwischen der zweiten Kraftaufnahmefläche und der Kammer bis zum Überschreiten einer vorbestimmten Kraft auf den ersten Kolben.

9. Betätigungsorgan nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ort der Kammer innerhalb der Ausnehmung des Gehäuses festliegt, daß die zweite Rückholfeder das Glied des zweiten Kolbens gegen das KaHimerinnere vorspannt und daß eine Einrichtung zur Begrenzung der nach Innen ferichteten Bewegung des Gliedes des zweiten Kolbens vorgesehen ist.

10· Betätigungsorgan nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnetdaß die Kammer einen allgemein zylindriechen Körperabschnitt mit zwei entgegengesetzten Enden aufweist, daß ein erster länglicher Hülsenabschnitt mit reduziertem Durchmesser und ein ein Ende des Körperabschnitts mit dem ersten Hülsenabschnitt verbindender kegelstumpfföraiger Zwischenabschnitt vorgesehen sind, daß am anderen Ende des Körperabschnitts eine Bodenwand mit einer Öffnung angebracht ist, daß die Bodenwand mit einer zweiten länglichen Hülse ausgestattet ist, die mit der Öffnung in der Bodenwand in Verbindung steht und sich in das Innere der Kammer erstreckt, daß der erste Hülsenabschnitt die erste Bohrung bildet und daß der zweite Hülsenabschnitt die zweite Bohrung bildet.

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11. Betätigungsorgan nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Bohrung ein erstes frei bewegliches Kolbenglied enthalten ist, daß in der zweiten Bohrung ein zweites frei bewegliches Kolbenglied enthalten ist, daß in den frei beweglichen Kolbengliedern jeweils eine Nut angebracht ist und daß in (Jeder der Nuten ein Elastomer «Dichtungsring sitzt, der abdichtend zwischen den Kolbengliedern und den die Bohrungen bildenden Flächen sitzt,

12. Betätigungsorgan nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer in der Ausnehmung des Gehäuses beweglich' angebracht ist und einen nach außen ragenden radialen Flansch aufweist, daß in dem Gehäuse eine Platte gebildet ist, daß die zweite Rückholfeder eine Schraubenfeder ist, die sich zwischen dem radialen Flansch der Kammer und der Platte des, Gehäuses erstreckt, und daß eine Einrichtung zur Begrenzung der nach außen gerichteten Bewegung des zweiten Kolbens vorgesehen ist«

13. Betätigungsorgan nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Bohrungen kreisförmig sind, und daß derDurchmesser der zweiten Bohrung größer als der Durchmesser der ersten Bohrung ist.

14. Betätigungsorgan nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Widerstandsheizelement einPlättchen aus einem Material mit einem positiven Temperaturwiderstandskoeffizienten ist.

15· Betätigungsorgan nach Anspruch 14g dadurch-."gekennzeichnet, daß das Plättchen aus Bariumtitant bestellt, das mit einem zu den Seltenen Erden gehörenden Element dotiert ist, und daß das Plättchen zwei metallisierte gegenüberliegende/ Flächen aufweist.

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16· Betätigungsorgan nach -Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Anschlußklemmen vorgesehen sind, die sich von außen in die Gehäuseausnehraung erstrecken, daß die erste Anschlußklemme eine sich seitlich quer über die Ausnehmung erstreckende 'Fläche aufweist, daß die zweite Anschlußklemme eine sich seitlich erstreckende Platte innerhalb der Ausnehmung aufweist, daß eine Fläche des Plättchens mit der sich seitlich erstreckenden Fläche der ersten Anschlußklemme verklebt ist und daß zwischen der anderen Fläche des Plattchens und der Platte der zweiten Anschlußklemme eine elekrisch leitende Feder unter Bildung eines elektrischen Kontakts eingespannt ist.

17· BBtätigungsorgan nach Anspruch 16₅ dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer mit einerBodenwand ausgestattet ist₉ die an die sich seitlich erstreckende Fläche der ersten Anschlußklemme in einer ¥armeübertragungsverbindung angrenzt«

18« Betätigungsorgan nach Anspruch 17_P dadurch gekennzeichnet, daß eine wärmeleitende Kraftverteilungsplatte zwischen der sich seitlich erstreckenden Fläche der ersten Anschlußklemme und der Bodenwand der Kammer angebracht ist.

19. Betätigungsorgan nach Anspruch 8_S dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kolben mit einemZapfen versehen ist, der sich durch die in der Oberwand des Gehäuses angebrachte Öffnung erstreckt, daß an dem Kolben eine vorstehende Fläche angeformt ist, die gegen eine innere Anschlagflache der Oberwand zur Begrenzung der nach außen gerichteten Bewegung des Kolbens stoßen kann, daß in der Ausnehmung des Gehäuses eine Anschlagplatte enthalten 1st und daß der Kolben mit einer Fläche versehen ist, die zur Begrenzung der nach innen gerichteten Bewegung d©s ■ Kollbens gegen die Anschlagplatte stoßen kann, so daß die Kolbenbewegimg durch den Abstand zwischen den beiden Anschlägen exakt festgelegt ist«,

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20. Betätigungsorgan nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß auf den Zapf en des ersten Kolbens zur Verkürzung der Kolbenbewegung ein Abstandsglied angebracht ist·

21. Betätigungsorgan nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse allgemein zylindrisch ausgebildet ist und mehrere Stege und Nuten aufweist, und daß die Nuten Sprengringe zur Befestigung des Betätigungsorgans in einer gewünschten eingestellten Lage aufnehmen können.

22. Betätigungsorgan mit einem hohlen Gehäuse, in dem eine Ausnehmung angebracht ist, gekennzeichnet durch eine in der Ausnehmung befindliche Kammer mit einer Kraftabgabe-rfläche, ein in der Kammer enthaltenes thermisch ausdehnungsfähiges Medium, eine erregbare Wärmequelle, die in einer Wärmeübertragungsverbindung mit dem thermisch ausdehnungsfähigen Medium angebracht ist, einen in dem Gehäuse angebrachten Kolben, der relativ zu dem Gehäuse zwischen einer zurückgezogenen Stellung und einer vorgestreckten Stellung beweglich ist, eine den Kolben mit der Kraftabgabefläche der Kammer verbindende Einrichtung zum Bewegen des Kolbens von der zurückgezogenen Stellung in die vorgestreckte Stellung bei einer ausreichenden Ausdehnung des Mediums und eine Einrichtung zum Bewegen der Kammer relativ zu dem Gehäuse zur Herabsetzung der Wärmezufuhr zu dem Medium bei einer Bewegung des Kolbens in die vorgestreckte Stellung.

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