DE2720886A1

DE2720886A1 - Temperaturempfindliches betaetigungsorgan

Info

Publication number: DE2720886A1
Application number: DE19772720886
Authority: DE
Inventors: William Barrie Hart; Reginald Thomas Williams
Original assignee: Delta Materials Research Ltd
Current assignee: Delta Memory Metal Ltd Ipswich Suffolk Gb
Priority date: 1976-05-10
Filing date: 1977-05-10
Publication date: 1977-12-01
Also published as: NL7705175A; SE7705469L; DK203477A; FR2351446A1; IT1083052B; GB1573204A; FI771485A

Description

OR.-ING. DIPL.-ING. M. SC. DIPl..-PHYS. DR. DIPL.-PHYS.

HÖGER - STELLRECHT - GRIES5BACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART *i *7 O Π O O C

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DELTA MATERIALS RESEARCH LIMITED Hadleigh Road, Ipswich, Suffolk Großbritannien

Temperaturempfindliches Betätigungsorgan

Die Erfindung betrifft ein temperaturempfindliches Betätigungsorgan zur Erzeugung von Kräften und/oder Verschiebungen zur Betätigung einer externen Last oder einer Steuerfunktion.

Die Erfindung befaßt sich hauptsächlich mit den zwei Grundtypen temperaturempfindlicher Betätigungsorgane, nämlich dem Typ, der auf Änderungen der abslouten Temperatur reagiert, sowie dem Typ, der auf Änderungen der Differenz zwischen zwei oder mehreren bestimmten Temperaturen anspricht.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, derartige temperaturempfindliche Betätigungsorgane zu schaffen, die über einen variablen Temperaturbereich arbeiten, der entsprechend einstellbar ist.

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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das temperaturempfindliche Betätigungsorgan mindestens ein aus einem einen Formgedächtniseffekt zeigenden Material bestehendes Betätigungselement umfaßt, das einer großen mechanischen Spannung unterworfen ist, welche wieder abgebaut wird, wenn man das Element einmal oder mehrmals hintereinander einem Erwärmungs-Abkülungszyklus unterwirft, und wobei das Betätigungselement große Kräfte und/oder Verschiebebewegungen erzeugt, deren Größe von der Temperaturänderung abhängt, die das Element erfährt.

Es wird also gemäß der Erfindung das Material des aktiven Elements des Betätigungsorganes für den gewünschten Temperaturbereich geeignet ausgewählt.

Die Erfindung schlägt mithin die Verwendung des sogenannten "Formgedächtniseffektes" (im folgenden nach der englischen Bezeichnung "shape memory effect" SME genannt) vor, den bestimmte Materialien zeigen, beispielsweise einige metallische Legierungen. Bei diesem Effekt bauen sich große mechanische Spannungen im Material durch Erhöhung der Temperatur des Materials ab. Dieser Effekt ist in einem bestimmten Temperaturbereich wirksam, der durch Veränderung der Zusammensetzung des SME-Materials gewählt werden kann. Die temperaturempfindlichen Betätigungselemente, die aus solchen Materialien aufgebaut sind, erzeugen große Kräfte und /oder große Verformungen bei Änderungen der Temperatur. Diese Kräfte und/oder Verformungen werden erfindungsgemäß zur Betätigung von Steuervorgängen etc. eingesetzt. Durch geeignete Formgebung der SME-Elemente des Betätigungsorganes können besonders große Verschiebewege erzielt werden. Bei manchen Anwendungen der Erfindung wird auch der sogenannte "umgekehrte" Effekt ausgenutzt, den die verwendeten SME-Materialien zeigen. Bei diesem Effekt können nacheinander-folgende Aufwärm- und Abkühlzyklen, die jeweils mit einer Bewegung in der einen Richtung beziehungsweise in der anderen Richtung verbunden sind, durchgeführt werden, ohne

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daß eine zusätzliche mechanische Spannung nötig ist.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dem Betätigungsorgan ein solches SME-Betätigungselement zuzuordnen. Ein solches Betätigungsorgan spricht auf Änderungen der absoluten Temperatur an.

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind zwei SME-Elemente vorgesehen, die miteinander fest verbunden sind und deren temperaturabhängige Bewegungen gegeneinander wirken und sich daher weitgehend kompensieren. Eine Änderung der absoluten Temperatur beider Elemente führt daher im wesentlichen zu keiner resultierenden Kraft und zu keiner resultierenden Verschiebung, die Änderung der Temperaturdifferenz der beiden Elemente hingegen ergibt eine resultierende Kraft und/oder einen Ausschlag.

Die temperaturempfindlichen Betätigungsorgane gemäß der Erfindung können getrennte Betätigungsorgane sein, die mit konventionellen Ventilen oder anderen Vorrichtungen zu deren Betätigung gekoppelt sind. Das SME-Element kann aber auch das eigentliche Steuerelement selber sein, ϊη diesem Falle führt das aktive Element sämtliche Funktionen des Betätigungsorganes und der zugeordneten Vorrichtungen gemeinsam aus, es ist beispielsweise gleichzeitig Temperaturfühler, Betätigungsglied und Steuerorgan.

Die aktiven SME-Elemente können verschiedene Formgebung haben. Beispielsv/eise können sie die Form von Torsionsrohren oder Torsionsstäben, von Zugstäben, gebogenen Streifen, Schraubenfedern oder spiralförmig gewundenen Streifen aufweisen. Es sind auch kegelförmige oder konische Scheiben möglich, deren Form beispielsweise von den bekannten Tellerfedern her bekannt ist. Die Elemente können auch die Form anderer Federn aufweisen, beispielsweise von kleeblattförmigen Federn oder anderen Blattfedern.

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Wenn daher im folgenden eine bestimmte Form eines SME-Betätigungselementes beschrieben wird, dann geschieht dies exemplarisch. In den meisten Fällen können für den gleichen Zweck auch andere Formgebungen gewählt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsform dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Darin werden sowohl auf die Absoluttemperatur ansprechende Betatigungsorgane als auch auf die Temperaturdifferenz ansprechende Betatigungsorgane beschrieben.

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Beim Erwärmen biegt sich der in Figur 1a dargestellte gebogene Arm wieder auf und dreht sich das in Figur 1b dargestellte verdrehte Torsionsrohr wieder auf, wenn diese Teile aus einem Material mit Formgedächtniseffekt bestehen, im folgenden als SME-Material (Shape Memory Effect-Material) bezeichnet. Die beim Anstieg der absoluten Temperatur auftretenden Neigungsänderungen des Armes oder Winkeländerungen des Torsionsrohres können zur Betätigung von Steuersystemen und anderen Systemen verwendet werden. Um die speziellen Kombinationen der auf Temperaturänderungen und Erholungseffekte zurückzuführenden Bewegungen der SME-Elemente variieren zu können, kann eine mechanische Vortarierung oder eine Einstellvorrichtung mit dem Element gekoppelt sein, beispielsweise ein Zusatzgewicht, eine Feder oder ein Winkelhebelmechanismus. In der Vorrichtung der Figur 1a wird eine einfache lineare Feder, in der Vorrichtung der Figur 1b eine Torsionsfeder als Ausgleichs- oder Tarierlast verwendet.

Das System arbeitet immer in einen Gleichgewichtszustand, der sich zwischen dem SME-Element und dem Tariergewicht oder der Justiervorrichtung einstellt. Die Stellung des aktiven SME-Elementes als Funktion der Temperatur kann dann einerseits aus der Kraft-Verschiebungs- Temperaturcharakteristik des SME-Elementes und andererseits der Kraft- Verschiebungscharakteristik der Feder oder der Justiervorrichtung bestimmt werden. Dieses Verfahren wird sowohl für ein System linearer Verschiebung als auch für ein System mit winkelmäßiger Verschiebung in den Figuren 2 und 3 dargestellt.

In Figur 2d wird die Federlast Po so variiert, daß gilt: Po + L (die externe Last des aktiven Elements) = k (einer Konstanten). Das System arbeitet dann auf einer einzigen Konstruktionskurve, wie dies in Figur 2d dargestellt ist.

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Es ergibt sich dabei ein eindeutiger charakteristischer Zusammenhang zwischen Termperatur und Biegung oder Drehwinkel, wie dies in Figur 2e dargestellt ist.

Der allgemeinere Fall ist in Figur 3 dargestellt. Hier wird Po und damit auch Po + L so variiert, daß es den gesamten Bereich des Formgedächtniseffektes abdeckt. Das Ergebnis ausgedrückt in Temperatur, Biegung oder Drehwinkel und externer Last ist eine Verallgemeinerung der Figur 2. Für verschiedene Werte von Po ergibt sich ein Satz von Abhängigkeiten zwischen der Temperatur und der Biegung oder der Winkelcharakteristik (Figur 3b).

oder "inverse" Der in Figur 4 verwendete "umgekehrte"/Formgedächtniseffekt, bei dem auf eine Feder verzichtet werden kann, hat nur eine Verschiebungseinstellung, beispielsweise einen Schraubbolzen. In Figur 4a ist ein lineares System und in Figur 4b ein Drehsystem dargestellt.

Figur 5 erläutert die Bstriebscharakteristiken einer Vorrichtung

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mit umgekehrtem Formgedächtniseffekt im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3. Die Konstruktionsverfahren sind ähnlich denen der vorstehend beschriebenen Verfahren, jedoch wird nun der Fokus der Last- Verschiebungs- Temperatur- Kurve der SME-Elemente durch den umgekehrten Formgedächtniseffekt verschoben. In-dem man die Position des Ursprungs in Verschieberichtung um den Betrag B (Figur 5a) mittels geeigneter Vorrichtungen, z.B. mittels eines Steuerknopfes, verschiebt, verändert man die Verschiebung der Vorrichtung relativ zu einem festen Bezugspunkt. Auf diese Weise kann man Temperatur- Verschiebungs- Charakteristika oder Temperatur- Drehwinkel- Charakteristika erzeugen, die denen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ähnlich sind. Die unabhängige Variable ist jedoch hier Beta (Verschiebung des Kraft- Verschiebungs- Ursprungs) und nicht die Last einer Kalibrierfeder, wie in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen.

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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die oben anhand eines SME-Elements ohne Federvorspannung beschriebene Methode der Verschiebung mittels einer Kalibrierung und des Null-Last-Betriebes bei umgekehrtem Formgedächtniseffekt auch bei einem SME-Element angewandt werden,das unter der Vorspannung einer Feder steht.

In Figur 6 ist ein auf Temperaturunterschiede empfindliches Organ mit zwei SME-Elementen dargestellt, wobei die Elemente in der Darstellung der Figur 6a gebogene Streifen und in der Darstellung der Figur 6b Torsionsrohre sind, die jeweils in entgegengesetzter Richtung deformiert und anschließend fest miteinander verbunden worden sind. Solange die Temperaturen der beiden SME-Elemente gleichbleiben, bleibt die relative Position der Elemente fest. Die absolute Temperatur der beiden kann sich ändern, aber solange beide dieselbe Temperatur haben, wird der Temperaturfühler nicht betätigt. Dies erfolgt erst, sobald sich eine Differenz der Temperaturen der beiden Elemente einstellt. Die Größe der relativen Bewegung zwischen den Elementen hängt von der Größe der Temperaturdifferenz ab.

Der Zusammenhang zwischen Temperaturdifferenz und Position der beiden Elemente kann aus den charakteristischen Zusammenhängen zwischen Kraft, Verschiebung und Temperatur für jedes der beiden SME-Elemente bestimmt werden.

In Figur 7 ist das Verfahren für die vorgeschlagenen Vorrichtungen mit linearer oder winkelmäßiger Verschiebung dargestellt.

Wie bei den in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Elementen kann dem aktiven Element eine mechanische Vorlast, ein Tariergewicht oder eine Kalibrierungsvorrichtung zugeordnet werden, um eine Änderung der Empfindlichkeit der Vorrichtung hinsichtlich der Lageverschiebungenabhängigkeit von der Temperaturdifferenz vornehmen zu können.

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Zum Einstellen der Temperaturdifferenz- Lageverschiebungs-Charakteristik unter solchen Bedingungen betrachtet man die zusätzliche Federlast als Teil der Arbeitslast.

Bei einer nicht dargestellten Abwandlung der in Figur 6 dargestellten Vorrichtung werden die zwei Elemente nicht starr miteinander verbunden, sondern mittels Federn oder anderer flexibler Verbindungselemente. Dadurch wird eine weitere Variation der Temperaturdifferenz- Lageverschiebungs- Charakteristik der Vorrichtung ermöglicht.

Die erfindungsgemäßen temperaturempfindlichen Vorrichtungen können vielfältig praktisch angewendet werden, wie sich aus der folgenden Beschreibung ergibt.

In den Figuren 8 bis 2o sind Anwendungsbeispiele der erfindungsgemäßen, temperaturempfindlichen Vorrichtung dargestellt.

Figur 8a zeigt ein Betätigungsorgan zum öffnen von Fenstern, Jalousien oder ähnlichem in Abhängigkeit von der absoluten Temperatur. Das Drehrohrelement dieser Ausführungsform ist mit einer Federkalibrierungsvorrichtung verbunden, wie sie in den Figuren 1a und 1b dargestellt ist. Das Torsionsrohr muß nun das beträchtliche Gewicht eines Fensters bewegen, beispielweise eines Gewächshausfensters. Wie aus der Darstellung der Figur 8b ersichtlich ist, kann auch die Methode der Verschiebung des Nullpunktes verwendet werden. Im Gegensatz zu der in Figur 8a dargestellten Vorrichtung verwendet die Vorrichtung der Figur 8b ein SME-Element, das durch eine Feder oder eine Festvorlast vorgespannt ist. Die Einstellung der Fensteröffnungstemperatur wird mittels einer Gleitkupplung erreicht, mit der die Geometrie der Verbindung zwischen Fenster und öffnungsvorrichtung verändert werden kann. Bei anderen Anwendungen, beispielsweise bei Schalterbetätigungselementen, wird das System praktisch nicht extern belastet.

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Die Temperatur- Lageverschiebungs- Charakteristik der in Figur 8 dargestellten Vorrichtung, das heißt die Größe der Fensteröffnung bei einer bestimmten Temperatur, muß die externe Belastung berücksichtigen, das heißt das Gewicht des Fensters und die Reibung des Systems. Dies wird in den Figuren 2 und 3 und auch in Figur 4 für den umgekehrten Gedächtniseffekt ohne Kontrollfedern illustriert.

In Figur 9 ist ein thermostatisches Wasserventil dargestellt, beispielsweise ein Mischventil, bei dem die Mischtemperatur mittels einer Einstellvorrichtung gewählt werden kann, vergleiche beispielsv/eise Ausführungsform der Figur 3. Die sich daraufhin ergebende Position des SME-Elementes steuert den Zufluß aus der Warmwasserleitung und aus der Kaltwasserleitung in das Mischventil und bestimmt so die gewünschte Temperatur.

Der "umgekehrte" Formgedächtniseffekt wird in dem Ausführunosbeispiel der Figur 1oa verwendet. In dieser Figur ist ein thermostatisches Wasserventil dargestellt, dessen Einstellcharakteristiken denen der Figuren 4 und 5 folgen.

Zur Einstellung kann auch die Verschiebemethode in Verbindung mit einem unter einer Federvorspannung stehenden SME-Element verwendet werden, wie dies bei dem in Figur 1ob dargestellten Mischventil der Fall ist.

Die Figuren 11 bis 16 zeigen verschiedene Ausführunasbeispiele von Ventilatoren oder Propellern mit unterschiedlichem Schaufelneigungswinkel, bei denen die Veränderung dieses Neigungswinkels in Abhängigkeit von der Temperatur durch SME-Elemente vorgenommen wird. Man kann zwischen zwei verschiedenen Typen unterscheiden, nämlich 1. denen, die auf die Temperatur des durch den Ventilator oder Propeller tretenden Mediums ansprechen, bei denen also die SME-Elemente sich in thermischem Kontakt mit dem von den Flügeln bewegten Medium befinden (Figuren 11 bis 14 und 16) und 2. denen, die auf eine andere Temperatur ansprechen, bei denen also die SME-Elemente von der Vorrichtung

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selbst im Abstand angeordnet sind (Figur 15).

Die in Figur 11 dargestellte Vorrichtung ist eine "integrale" Vorrichtung, da die elastische Vorspannungsfunktion durch den Plastikkern der Schaufeln oder Flügel und nicht durch getrennte, zusätzliche Federmittel erzeugt wird. Wenn die Flügel der in Figur 11 dargestellten Vorrichtung aus einem SME-Material mit "umgekehrtem" Formgedächtniseffekt bestehen, benötigt man überhaupt keine Vorspannungsmittel.

Figur 17 zeigt ein Ventil mit einem sowohl als Fühlelement als auch als Betätigungselement dienenden SME-Glled, wobei letzteres derart aufgebaut ist, daß es auch die eigentliche Funktion des Ventils übernimmt. Dadurch wird eine integrierte Vorrichtung geschaffen. In dem in Figur 17 dargestellten Ausführungsbeispiel öffnet und schließt sich das Kernventil in Abhängigkeit von Änderungen der absoluten Temperatur.

Die in den Figuren 18, 19 und 2o dargestellten Ausführungsformen gemäß der Erfindung zeigen praktische Anwendungen von temperaturempfindlichen Betätigungsgliedern, die auf Temperaturdifferenzen ansprechen.

Figur 18 zeigt ein Auslaßventil, wie es beispielsweise in einem Abwärme- Rückgewinnungssystem verwendet werden kann, in dem Flüssigkeit, die eine andere Flüssigkeit umgibt, von dieser aber getrennt ist, aus einem Behälter abgelassen wird, wenn die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Flüssigkeiten unter einen bestimmten Wert absinkt. Bei der Bestimmung der Temperaturdifferenz- Lageverschiebungs- Charakteristik des SME-Systems, muß das Gewicht des Ventilkörpers sowie der auf diesen Ventilkörper einwirkende Druck in der Weise berücksichtigt werden, wie es vorstehend anhand der Figur 7 erläutert und in Figur 7 dargestellt ist.

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Figur 19 zeigt eine Wärmemessvorrichtung, bei der die zwei miteinander verbundenen Torsionsrohre einen Teil eines Einlaß- und Auslaßrohrensystems für ein Heißwasserheiz-system bilden. Die unterschiedliche Temperatur des abfließenden und des zufließenden Wassers erzeugt eine Relativbewegung der beiden Rohre. Der Betrag dieser Relativbewegung kann quantitativ dem Temperaturunterschied zugeordnet werden.

Wenn dieser Temperaturunterschied abgelesen und das entsprechende Signal dem Ausgang eines konventionellen Flußmessers zugeführt wird, dann kann die in dem Heizungssystem verbrauchte Wärme gemessen werden.

Figur 2o zeigt ein Duschmischventil, das auf den Unterschied zwsichen der Heiß- und der Kaltwassereinlaßtemperaturen und der Mischtemperatur des ausströmenden Wassers anspricht. Die miteinander gekoppelten Kernventile, die gleich aufgebaut sind wie das in Figur 17 dargestellte Kernventil, bestehen aus SME-Material. Die Größe der öffnung des Ventils entspricht direkt der Temperatur. Bei dieser Ausführungsform sind die zwei Ventile in der gleichen Weise miteinander verbunden, wie dies in dem allgemeinen Temperaturdifferenz-System der Fall ist, daß anhand der Figur 6 oben beschrieben worden ist.

Vorstehend sind eine Anzahl von verschiedenen Ausführungs- und Anwendungsformen einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung beschrieben worden. Es handelt sich dabei um beispielhafte Beschreibungen. Kleinere Änderungen können vorgenommen werden, ohne daß der Schutzumfang der Erfindung verlassen wird.

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Claims

DR. -ING. DIPL.-ING. M. SC. DP ..-PHYS. DR. DIPL.-PHVS.

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Patentansprüche :

Temperaturempfindliches Betätigungsorgan zur Erzeugung von Kräften und/oder Verschiebungen zur Betätigung einer externen Last oder einer Steuerfunktion, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens ein aus einem einen Formgedächtniseffekt zeigenden Material bestehendes Betätigungselement umfaßt, das einer großen mechanischen Spannung unterworfen worden ist, welche wieder abgebaut wird, wenn man das Element einmal oder mehrmals hintereinander einem Erwärmungs- Abkühlungs- Zyklus unterwirft, wobei das Betätigungselement große Kräfte und/oder Verschiebebewegungen erzeugt, deren Größe von der Temperaturänderung abhängt, die das Element erfährt.

2. Betätigungsorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es 2 Elemente aus einem Material mit Formgedächtnis umfaßt, die derart in Gegenrichtung wirkend miteinander verbunden sind, daß eine Kraft und/oder eine Verschiebung nur erzeugt werden, wenn sich die Differenz der Temperaturen der beiden Elemente ändert.

3. Betätigungsorgan nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es selbst gleichzeitig ein Temperaturfühler, ein Betätigungsglied und ein Steuerelement ist.

4. Betätigungsorgan nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem Fenster derart verbünde ist, daß es das Fenster bei einer Formänderung unter dem Einfluß einer Temperaturänderung öffnet oder schließt.

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5. Betätigungsorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Element mit einem Ventilkörper eines termostatischen Flüssigkeitsventils verbunden ist und dessen Lage bei einer Formänderung unter dem Einfluß einer Temperaturänderung ändert.

6. Betätigungsorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungselemente die Schaufeln eines Ventilators oder Propellers sind und ihren Anstellwinkel bei verschiedenen Temperaturen verstellen.

7. Betätigungsorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungselemente mit den Schaufeln eines Ventilators oder Propellers verbunden sind und deren Anstellwinkel bei einer Formänderung unter dem Einfluß einer Temperaturänderung ändern.

8. Betätigungsorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungselement entsprechend einer Temperaturänderung seine Form ändert und dabei den Durchfluß eines Ventils mehr oder weniger versperrt.

9. Betätigungsorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zv/ei Betätigungselemente derart miteinander verbunden sind, daß die Verbindung der beiden Elemente einen Ventilkörper betätigt, sobald die Teraeperaturdifferenz der beiden Elemente einen bestimmten Wert erreicht.

1o. Betätigungsorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei Betätigungselemente/ , von denen eines an einem Auslaß und eines an einem Einlaß eines Umlauf-Heizungssystems angeordnet ist,und daß die Relativbewegung der beiden Elemente zusammen mit der Durchflußrate zur Bestimmung der abgegebenen Wärme benutzt wird.

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11. Betätigungsorgan nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sein aktives Element der Öffnung und Schließung von zwei Teil eines Mischventils bildenden Ventilen dient, von denen eins in einer Kaltwasserleitung und eins in einer Heißwasserleitung angeordnet ist.

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