DE2758553A1

DE2758553A1 - ACTUATION DEVICE

Info

Publication number: DE2758553A1
Application number: DE19772758553
Authority: DE
Inventors: Helmut A Krueger; Ronald S Sobecks; Richard N Tauber; Thomas C Tisone
Original assignee: Design and Manufacturing Corp
Current assignee: Design and Manufacturing Corp
Priority date: 1976-12-23
Filing date: 1977-12-23
Publication date: 1978-06-29
Also published as: DE2758553C2; GB1580629A; CA1086078A

Description

Anmelder: Design & Manufacturing Corporation, 4399 Hamann Parkway, Willoughby, Ohio 44094 (USA)Applicant: Design & Manufacturing Corporation, 4399 Hamann Parkway, Willoughby, Ohio 44094 (USA)

BetätigungsvorrichtungActuator

Die Erfindung betrifft ganz allgemein eine Betätigungsvorrichtung und insbesondere eine Betätigungsvorrichtung, bei der ein Teil mittels elektrischer Erwärmung eines Strömungsmittels versetzt oder verschoben wird und somit auf mechanischem Wege eine Betätigung oder Verstellung herbeiführt. Außerdem betrifft die Erfindung eine Betätigungsvorrichtung dieser Art, welche einen mit wenigstens einer Durchgangsöffnung versehenen Einsatz in Form einer Trennwand od. dgl. und außerdem eine Heizeinrichtung mit positivem Temperaturkoeffizienten enthält. Ferner betrifft die Erfindung für eine derartige Betätigungsvorrichtung ein neuartiges Heizelement mit positivem Temperaturkoeffizienten.The invention relates generally to an actuator and, more particularly, to an actuator at which a part is displaced or displaced by means of electrical heating of a fluid and thus on mechanical Ways brings about an actuation or adjustment. The invention also relates to an actuating device of this type, which has an insert provided with at least one through opening in the form of a partition or the like. and also includes a positive temperature coefficient heater. The invention also relates to such an actuator uses a novel heating element with a positive temperature coefficient.

Zum Stand der Technik derartiger Betätigungsvorrichtungen wird beispielsweise auf die US-PS 3 991 572, 3 132 472, 3 686 857, 3 782 121, 3 632 971 und 3 834 165 verwiesen.For the state of the art of such actuating devices, reference is made, for example, to US Pat. No. 3,991,572, 3,132,472, 3,686,857, 3,782,121, 3,632,971, and 3,834,165.

Derartige Betätigungsvorrichtungen werden derzeit für zahlreiche Zwecke verwendet, für die man früher Elektromotore, Vakuummotore, Magnetventile und Kabelzüge verwendete. Sie sind besonders für den Einsatz auf schwierigen Gebieten wie die Fernsteuerung von Sperrkörpern, Leitblechen, Drosselklappen oder Klinkenmechanismen geeignet.Such actuation devices are currently used for numerous purposes for which one previously had electric motors, Used vacuum motors, solenoid valves, and cable pulls. They are especially designed for use in difficult areas such as the remote control of blocking bodies, baffles, throttle valves or latch mechanisms.

-2--2-

809826/105S809826 / 105S

Bei derartigen Betätigungsvorrichtungen wird thermisch expandierendes bzw. wärmedehnbares Medium so erhitzt, daß ein Phasenwechsel stattfindet, entweder von der festen zur flüssigen oder von der flüssigen zur gasförmigen Phase, wodurch sich eine Volumenvergrößerung ergibt, die für eine gegebene Energiemenge die maximale Druckmenge erzeugt, wobei der so.erzeugte Druck in eine mechanische Bewegung umgesetzt werden kann. Die bekannten Betätigungsvorrichtungen j sind jedoch im Aufbau verhältnismäßig kompliziert und lassen in ihrer Wirksamkeit bei längerem Gebrauch schnell nach. Auch sind sie äußerst stoßempfindlich.In such actuation devices, thermally expanding or heat expandable medium is heated so that a phase change takes place, either from the solid to the liquid or from the liquid to the gaseous phase, whereby there is an increase in volume that generates the maximum amount of pressure for a given amount of energy, the pressure generated in this way in a mechanical movement can be implemented. The known actuating devices j are, however, relatively complicated in structure and can their effectiveness quickly decreases with prolonged use. They are also extremely sensitive to shock.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit einem thermisch expandierbaren Betätigungsraedium arbeitende Betätigungsvorrichtung zu schaffen, die in ihrem Aufbau einfach und robust ist und eine große Lebensdauer, d.h. geringe Verschleißempfindlichkeit aufweist.The invention is based on the object of an actuating device which works with a thermally expandable actuating medium to create that is simple and robust in its construction and has a long service life, i.e. short Has sensitivity to wear.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Betätigungsvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved according to the invention with an actuating device solved with the features of the main claim. Advantageous further developments of the invention are the subject of the subclaims.

Die erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung enthält eine Heizkammer mit unveränderbarem Volumen und eine Betätigungskammer mit veränderbarem Volumen, zwischen denen sich innerhalb des Gehäuses der Betätigungsvorrichtung eine mit wenigstens einer Durchgangsöffnung versehene Trennwand befindet, welche eine Abtrennung zwischen einer Heizquelle mit positivem Temperaturkoeffizienten für das expandierbare Betätigungsmedium und einer elastomeren Membran bildet. Durch Betätigung der Heizquelle verdampft ein Teil des vorzugsweise flüssigen Betätigungsmediums bis zum Verdampfen, so daß ein Teil der in der Heizkammer befindlichen Flüssigkeit durch die öffnungen der Trennwand hindurchtritt und in die Betäti- -3- The actuating device according to the invention contains a heating chamber with an unchangeable volume and an actuating chamber with a variable volume, between which there is a partition provided with at least one passage opening within the housing of the actuating device, which separates a heat source with a positive temperature coefficient for the expandable actuating medium and an elastomeric membrane forms. By operating the heat source part of the actuation medium preferably liquid evaporated to evaporation, so that a portion of the liquid in the heating chamber passes through the openings in the partition and the actuating -3-

80982R/10 580982R / 10 5

gungskammer gelangt, wodurch ein Druck auf die Membran ausgeübt und dieselbe nach außen zusammen mit einer Kolbenanordnung verschoben wird, die mit der Membran verbunden ist, wodurch ein Kolbenhub entsteht. Das Heizelement hat einen positiven Temperaturkoeffizienten und ist so ausgebildet, da0 es die Ansprechzeit der Betätigungsvorrichtung verkürzt. Es besteht aus Material mit geringem Widerstand und hat eine Anomalietemp'eratur, oberhalb der der Widerstand des Heizelementes extrem ansteigt. Die Anomalietemperatur ist so gewählt, daß sie im wesentlichen mit der Phasenveränderungstemperatur des in der Betätigungsvorrichtung verwendeten wärmedehnbaren Mediums zusammenfällt. Das Heizelement ist selbstregulierend und hat eine maximale Oberfläche, um das Betätigungsmedium mit einer minimalen thermischen Masse und thermischen Energie schnell aufheizen zu können. Vorzugsweise besteht das Heizelement aus BaTiO, und weist die allgemeine Form eines langgestreckten ringförmigen bzw. mantelförmigen Zylinders auf.movement chamber, whereby a pressure is exerted on the diaphragm and the same is displaced outwards together with a piston arrangement which is connected to the diaphragm, which creates a piston stroke. The heating element has a positive temperature coefficient and is designed so because it shortens the response time of the actuator. It is made of low resistance material and has a Anomaly temperature, above which the resistance of the heating element increases extremely. The anomaly temperature is like this chosen to be substantially related to the phase change temperature of that used in the actuator heat expandable medium collapses. The heating element is self-regulating and has a maximum surface area around the To be able to heat up the actuating medium quickly with a minimal thermal mass and thermal energy. The heating element is preferably made of BaTiO and has the general shape of an elongated annular or jacket-shaped cylinder.

Die Erfindung wird weiterhin anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen von mit wärmedehnbarem Medium arbeitenden Betätigungsvorrichtungen erläutert, und zwar zeigtThe invention is further based on the embodiments shown in the drawing of with heat expandable Medium operating actuators explained, namely shows

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung mit ausgeschaltetem Heizelement und in der eingefahrenen oder Ruhestellung befindlicher Membran und Kolbenanordnung,1 shows a longitudinal section through an embodiment of the actuating device with the heating element switched off and in the retracted or rest position located membrane and piston assembly,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Betätigungsvorrichtung aus Fig. 1, jedoch bei eingeschaltetem Heizelement und voll ausgefahrener Kolbenanordnung,FIG. 2 shows a longitudinal section through the actuating device from FIG. 1, but with the heating element switched on and fully extended piston assembly,

Fig. 3 einen Teilschnitt durch eine andere Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung, welche eine abgewandelteFig. 3 is a partial section through another embodiment of the actuating device, which is a modified

-A--A-

809826/105«809826/105 «

Trennwand und mehrere elektrisch parallel geschaltete Heizelemente, die ausgeschaltet sind, enthält,Contains a partition wall and several heating elements connected in parallel that are switched off,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch noch eine andere Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung, wobei insbesondere ein erfindungsgemäßes Heizelement mit positivem Temperaturkoeffizienten zu erkennen ist,Fig. 4 shows a longitudinal section through yet another embodiment of the actuating device, wherein in particular to recognize a heating element according to the invention with a positive temperature coefficient is,

Fig. 5 einen Querschnitt durch die Betätigungsvorrichtung gemäß Linie 5-5 aus Fig. 4,FIG. 5 shows a cross section through the actuating device according to line 5-5 from FIG. 4,

Fig. 6 eine Seitenansicht des Heizelementes der Betätigungsvorrichtung aus Fig. 4 und 5,Figure 6 is a side view of the heating element of the actuator from Fig. 4 and 5,

Fig. 7 einen Längsschnitt durch das Heizelement nach Linie 7-7 aus Fig. 5,FIG. 7 shows a longitudinal section through the heating element along line 7-7 from FIG. 5,

Fig. 8 ein Diagramm, aus welchem das thermische Phänomen eines Arbeitsmediums für eine derartige Betätigungsvorrichtung zu erkennen ist,8 shows a diagram from which the thermal phenomenon of a working medium for such an actuating device it can be seen

Fig. 9 einen Längsschnitt durch ein aus Material mit positivem Temperaturkoeffizienten bestehendes Schaltelement oder Heizelement,9 shows a longitudinal section through a material made of material with a positive temperature coefficient Switching element or heating element,

Fig. 10 ein Diagramm, aus welchem der Temperaturgradient des Schaltelementes aus Fig. 9 zu erkennen ist, undFIG. 10 is a diagram from which the temperature gradient of the switching element from FIG. 9 can be seen, and

aus
Fig. 11 ein Diagramm^ welchem die Ansprechzeiten für elektrothermisch arbeitende Betätigungsvorrichtungen hervorgehen, welche zahlreiche Kombinationen von Scheibenheizelementen mit positivem Temperaturkoeffizienten für unterschiedliche Bereiche und Dicken auf weisem -5-the end
11 is a diagram showing the response times for electrothermal actuating devices which have numerous combinations of disc heating elements with positive temperature coefficients for different areas and thicknesses on white -5-

809826/1056809826/1056

Beim Ausfuhrungsbeispiel gemäß Pig. 1 und 2 weist die Betätigungsvorrichtung 1 ein im wesentlichen als zylindrische Hülle ausgebildetes Gehäuse 3 auf, das mit einer Stirnwand 6 und einer ringförmigen bzw. zylindrischen Seitenwand 7 ausgestattet ist. Am offenen Ende befindet sich ein nach außen vorstehender, sich jedoch nach innen öffnender Kanal 8, der fest innerhalb eines ähnlichen nach außen vorstehenden, jedoch nach innen offenen Kanal 9 einer Kappe 4 steckt. Die äußere HUlIe der Betätigungsvorrichtung 1 ist also von dem Gehäuse 3 und der Kappe 4 gebildet, die fest und dicht miteinander verbunden sind.In the exemplary embodiment according to Pig. 1 and 2 has the actuator 1, a housing 3 which is essentially designed as a cylindrical shell and which has an end wall 6 and an annular or cylindrical side wall 7 is provided. There is an after at the open end outwardly protruding, but inwardly opening channel 8, which is fixed within a similar outwardly protruding, however, inwardly open channel 9 of a cap 4 is stuck. The outer HUlIe of the actuating device 1 is therefore of the Housing 3 and the cap 4 formed, which are firmly and tightly connected to each other.

Im Innenraum des Gehäuses 3 befindet sich ein Heizelement 10, welches vorzugsweise ein Thermistor mit positivem Temperaturkoeffizienten ist. Dieses Heizelement 10 liegt in einem elektrischen Stromkreis für Wechselstrom oder Gleichstrom, der außerdem eine Energiequelle 12 und einen Schalter 13 enthält, welch letzterer in Fig. 1 offen und in Fig. 2 geschlossen dargestellt ist. Bei geschlossenem Schalter 13 und damit kontinuierlicher elektrischer Energiezufuhr zum Heizelement 10 arbeitet dasselbe selbstregulierend und mit vorgegebener gleichbleibender Temperatur, was bei Verwendung einer mit elektrischem Widerstand arbeitenden Heizspule nicht möglich wäre.In the interior of the housing 3 there is a heating element 10, which is preferably a thermistor with a positive temperature coefficient is. This heating element 10 is in an electrical circuit for alternating current or direct current, which also contains an energy source 12 and a switch 13, the latter being open in FIG. 1 and open in FIG. 2 is shown closed. With the switch 13 closed and thus a continuous supply of electrical energy to the Heating element 10 works the same self-regulating and with a predetermined constant temperature, what when using a heating coil working with electrical resistance would not be possible.

Das Gehäuse 3 ist praktisch vollständig mit einer sich unter Wärmeeinfluß ausdehnenden und zusammenziehenden, einen Druck übertragenden Flüssigkeit 15 gefüllt, welche durch Beheizung von der flüssigen in die gasförmige Phase überführt werden kann und elektrisch nicht leitfähig ist. Beispiele sind Fluor-Kohlenwasserstoff (Freon), Fluorkohlenstoff und Alkohol. Diese Flüssigkeit 15 wird im Gehäuse 3 mittels einer zylindrischen Trennwand 16 gehalten, die in das Gehäuse 3 mit Preßsitz eingepaßt ist und dementsprechend fest an der Innenseite der Seitenwand 7 des Gehäuses 3 anliegt. DieseThe housing 3 is practically complete with a pressure which expands and contracts under the influence of heat transferring liquid 15 filled, which are converted by heating from the liquid to the gaseous phase can and is not electrically conductive. Examples are fluorohydrocarbon (freon), fluorocarbon and alcohol. This liquid 15 is held in the housing 3 by means of a cylindrical partition 16 which extends into the housing 3 is fitted with a press fit and accordingly rests firmly against the inside of the side wall 7 of the housing 3. These

809826/105»809826/105 »

Trennwand 16 besteht vorzugsweise aus hochtemperaturfestern Kunststoff und enthält eine oder mehrere durchgehende Bohrungen 17 mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser. An der Außenseite weist die Trennwand 16 eine Vielzahl von radial nach außen vorstehenden VorSprüngen 18 auf, welche an der Seitenwand 7 des Gehäuses anliegen und die Trennwand 16 durch Reibung in der gewünschten Lage halten.Partition 16 is preferably made of high temperature resistant Plastic and contains one or more through holes 17 with a relatively small diameter. On the outside the partition wall 16 has a plurality of radially outwardly projecting projections 18, which on the side wall 7 of the housing and hold the partition 16 by friction in the desired position.

Wie Fig. 3 zeigt, kann die Trennwand 16 einen zylindrischen Ansatz aufweisen, der sich bis zur Stirnwand 6 erstreckt und an dieser anliegt. Dieser Ansatz ist eine eine Auskleidung der Heizkammer bildende Büchse 19. Gemäß Fig. 1 und 2 ist die Büchse 19 als getrennter Bauteil ausgebildet und besteht aus hochtemperaturfestern Kunststoff. In beiden Fällen dient die Büchse 19 als Wärmeisolierung der Heizkammer 23, um Wärmeverlust nach außen zu verringern und eine schnellere Ansprechbarkeit der Betätigungsvorrichtung bei möglichst geringer Energiezufuhr zu gewährleisten. Außerdem ist die Büchse 19 eine elektrische Isolierung zwischen den Elektroden des Heizelementes bzw. der einzelnen Heizelemente und dem Gehäuse 3, das aus Metall besteht.As FIG. 3 shows, the partition wall 16 can be cylindrical Have approach which extends to the end wall 6 and rests against this. This approach is a liner the sleeve 19 forming the heating chamber. According to FIGS. 1 and 2, the sleeve 19 is designed and made as a separate component made of high temperature resistant plastic. In both cases the sleeve 19 serves as a thermal insulation of the heating chamber 23 in order to reduce heat loss to the outside and a faster one To ensure responsiveness of the actuating device with the lowest possible energy supply. Besides, the Bushing 19 provides electrical insulation between the electrodes of the heating element or the individual heating elements and the Housing 3, which is made of metal.

Die in der Heizkammer 23 befindliche Flüssigkeit 15 umschließt das gesamte Heizelement 10 bzw. dessen einzelne Teile 1OA, 10B und 1OC, so daß sich ein maximaler Oberflächen kontakt zwischen der Flüssigkeit und dem Heizelement ergibt. Dementsprechend steht die gesamte Mittelebene 24 des Heizelementes 10, welche die Arbeitstemperatur zuerst erreicht, mit der Flüssigkeit 15 in Kontakt, so daß das Aufheizen ebenso wie das Abkühlen sehr schnell erfolgt und die Betätigungsvorrichtung dementsprechend schnell in Tätigkeit gesetzt wird, nach dem Abschalten aber auch schnell wieder in ihre Ruhelage zurückkehrt.The liquid 15 located in the heating chamber 23 encloses the entire heating element 10 or its individual ones Parts 10A, 10B and 10C so that there is maximum surface contact between the liquid and the heating element. Accordingly, the entire center plane 24 of the heating element 10, which reaches the working temperature first, is with the liquid 15 in contact, so that the heating as well as the cooling takes place very quickly and the actuating device is accordingly put into action quickly, but also quickly again after switching off returns to its rest position.

-7--7-

809826/1058809826/1058

Die Betätigungsvorrichtung 1 enthält auf der anderen Seite der Trennwand 16 eine Membran aus elastomerem Material, welche gegebenenfalls mit einem Gewebe od. dgl. verstärkt sein kann. Sie weist einen im wesentlichen radial nach außen verlaufenden Flansch-Ring 26 auf, der in den Kanal 8 hineinragt und in diesem festgeklemmt sein kann. Dieser Flanschring 26 der Membran 25 geht ohne scharfen Absatz in einen im wesentlichen zylindrischen und in axialer Richtung der Betätigungsvorrichtung 1 verlaufenden AbschnittThe actuator 1 includes on the other hand the partition wall 16 is a membrane made of elastomeric material, which, if necessary, is reinforced with a fabric or the like can be. It has a flange ring 26 which runs essentially radially outward and projects into the channel 8 and can be stuck in this. This flange ring 26 of the membrane 25 goes into one without a sharp shoulder substantially cylindrical and extending in the axial direction of the actuating device 1 section

27 über, der an einer in ihrer Lage veränderbaren Falte 28 in eine zylindrische Kappe 29 übergeht, die mit einer flachen scheibenförmigen Stirnwand 30 endet. Die zylindrische Kappe 29 liegt fest auf der Außenseite eines Kolbens 32 auf.27 over, which merges at a fold 28 changeable in their position in a cylindrical cap 29, which with a flat disc-shaped end wall 30 ends. The cylindrical cap 29 rests firmly on the outside of a piston 32.

Der Kolben 32 ist Teil einer Kolbenanordnung 33, die auch eine Kolbenstange 34 und eine ringförmige Ausnehmung 35 mit einem Boden 36 und eine als Rückstellfeder dienende Feder 37 umfaßt, deren eines Ende am Boden 36 anliegt. Diese Feder 37 sitzt auf der Kolbenstange 34, wobei ihr anderes Ende an der Stirnwand 40 der Kappe 4 anliegt. Die Stirnwand 40 weist einen hohlen Ansatz 42 auf, durch den die Kolbenstange 34 hindurchgeht. Da der Innendurchmesser des Ansatzes 42 nur geringfügig größer als der Außendurchmesser der Kolbenstange 34 ist, unterstützt der Ansatz 42 die Führung der Kolbenstange 34 bei deren axialen Bewegungen. Die Feder 37 drückt die Kolbenanordnung 33 normalerweise nach rechts (gemäß Darstellung in Fig. 1 und 2), so daß eine radial nach außen verlaufende Schulter 43 an der Kolbenstange 34 sich gegen das äußere Ende des Ansatzes 42 legt. Diese Schulter 43 begrenzt die Einfahrmöglichkeit der Kolbenanordnung 33, so daß die Membran 25 auch bei vollständig eingefahrener Kolbenanordnung noch in einem gewissen axialen Abstand von der Trennwand 16 liegt, wie Fig. 1 zeigt.The piston 32 is part of a piston assembly 33, which also has a piston rod 34 and an annular recess 35 a base 36 and a spring 37 serving as a return spring, one end of which rests on the base 36. This feather 37 sits on the piston rod 34, with its other end on the end wall 40 of the cap 4 rests. The end wall 40 has a hollow extension 42 through which the piston rod 34 passes through. Since the inner diameter of the projection 42 is only slightly larger than the outer diameter of the piston rod 34, the projection 42 assists the guidance of the piston rod 34 during its axial movements. The spring 37 pushes the piston assembly 33 normally to the right (as shown in Figs. 1 and 2) so that one radially outward extending shoulder 43 on the piston rod 34 against each other the outer end of the lug 42 lays. This shoulder 43 limits the retraction of the piston assembly 33, so that the membrane 25 is still at a certain axial distance from the piston assembly even when the piston assembly is fully retracted Partition 16 is, as Fig. 1 shows.

Die Membran 35, die Trennwand 16 und die Seitenwand 7 des Gehäuses 3 bilden eine Kammer 45 mit veränderbarem Volumen. Bei eingeschaltetem Heizelement 10 wird die das Heizelement wenigstens teilweise umgebende Flüssigkeit 14 wenigstens teilweise verdampft, wodurch der Druck in der Heizkammer 23 ansteigt. Dieses Verdampfen wird aufgrund des direkten Kontaktes zwischen Heizelement 10 und Flüssigkeit 15 sehr schnell erfolgen. Gemäß Fig. 3 kann das Verdampfen noch mehr beschleunigt werden, wenn man die Kontaktfläche zwischen Flüssigkeit 15 und Heizelement durch die Anordnung von drei parallel geschalteten Heizelementen 1OA, 1OB und 1OC vergrößert. Die durch die Verdampfung bedingte Druckerhöhung führt dazu, daß ein Teil der Flüssigkeit 15 durch die Bohrungen 17 der Trennwand 16 in die Kammer 15 übertritt und auf die Membran 25 einwirkt, die dementsprechend (in Fig. 1 gesehen) nach links verschoben wird, weil die erhöhte Menge Flüssigkeit in der Kammer 45 zu einer Vergrößerung des Volumens derselben führt.The membrane 35, the partition 16 and the side wall 7 of the Housing 3 form a chamber 45 with a variable volume. When the heating element 10 is switched on, it becomes the heating element at least partially surrounding liquid 14 at least partially evaporated, whereby the pressure in the heating chamber 23 increases. This evaporation becomes great due to the direct contact between the heating element 10 and the liquid 15 done quickly. According to FIG. 3, the evaporation can be accelerated even more if the contact area between Liquid 15 and heating element enlarged by the arrangement of three heating elements 10A, 10B and 10C connected in parallel. The pressure increase caused by the evaporation leads to a part of the liquid 15 passing through the bores 17 of the partition 16 passes into the chamber 15 and acts on the membrane 25, which accordingly (in FIG. 1 seen) is shifted to the left because the increased amount Liquid in the chamber 45 leads to an increase in the volume thereof.

Die Kolbenanordnung 33 wird bei der dadurch bedingten Auswärt sbewegung aufgrund der Anlage des zylindrischen Abschnittes 27 an der Innenseite der Kappe 4 und der Anlage der zylindrischen Kappe 29 an der Außenseite des Kolbens 32 sehr gut geführt, wobei diese Führung noch durch den Ansatz 42 unterstützt wird* Außerdem ist am offenen Ende des Kolbens 32 ein nach außen vorstehender Ring 47 vorgesehen, der dicht an der Innenwand der Kappe 4 endet und somit ebenfalls zur Führung der hin- und hergehenden Kolbenanordnung 33 beiträgt. Bei diesen Bewegungen der Kolbenanordnung 33 wird die Membran 25 um die Falte 28 gerollt, so daß sich die Länge des Abschnittes 2? und der Kappe 29 in gegenseitiger Abhängigkeit ständig ändert.The piston assembly 33 is guided very well during the resulting outward movement due to the contact of the cylindrical section 27 on the inside of the cap 4 and the contact of the cylindrical cap 29 on the outside of the piston 32, this guide being supported by the shoulder 42 * In addition, an outwardly protruding ring 47 is provided at the open end of the piston 32, which ends tightly on the inner wall of the cap 4 and thus also contributes to the guidance of the reciprocating piston arrangement 33. During these movements of the piston arrangement 33, the membrane 25 is rolled around the fold 28, so that the length of the section 2? and the cap 29 is constantly changing in mutual dependence.

Fig. 2 zeigt die maximale Ausfahrstellung der Kolbenanordnung 33, bei der das offene Ende des Kolbens 32 mit derFig. 2 shows the maximum extended position of the piston assembly 33, in which the open end of the piston 32 with the

dort befindlichen Stirnfläche A8 an der Stirnwand 40 der Kappe 4 anliegt. Die Menge bzw. das Volumen der in die Kammer 45 übergetretenen Flüssigkeit 15A bestimmt die Hublänge bzw. Größe der Ausfahrbewegung der Kolbenanordnung, während die vorgegebene Temperatur des Heizelementes 10 die Größe der nach außen abgegebenen Kraft bestimmt. Die Temperatur der in der Kammer 45 befindlichen Flüssigkeit ist wegen des Durchtrittes durch die Trennwand 18 und der größeren Entfernung vom Heizelement niedriger als in der Heizkammer 23. Dies ist günstig, weil die Durchlässigkeit des elastomeren Materials der Membran 25 mit steigender Temperatur der auf sie einwirkenden Flüssigkeit zunimmt. Dementsprechend wird die Lebensdauer der Membran und damit deren Möglichkeit, die Flüssigkeit in der Kammer 45 zu halten, vergrößert, wenn keine hohe Wärme auf sie einwirkt. Ebenso wird durch die geringere Temperatur der Flüssigkeit in der Kammer 45 die Gefahr der Veränderungen der Eigenschaften des elastomeren Materials herabgesetzt oder ausgeschaltet, was die Lebensdauer der Membran ebenfalls erhöht.located there end face A8 on the end wall 40 of the Cap 4 rests. The amount or the volume of the liquid 15A which has passed into the chamber 45 determines the stroke length or size of the extension movement of the piston assembly, while the predetermined temperature of the heating element 10 the Determines the size of the force emitted to the outside. The temperature of the liquid in the chamber 45 is due the passage through the partition 18 and the greater distance from the heating element lower than in the heating chamber 23. This is favorable because the permeability of the elastomeric material of the membrane 25 with increasing temperature of the the liquid acting on it increases. Accordingly, the life of the membrane and thus its possibility of the Holding liquid in the chamber 45 is increased if it is not subjected to high heat. Likewise, the lower temperature of the liquid in the chamber 45 the risk of changes in the properties of the elastomer Material is reduced or eliminated, which also increases the service life of the membrane.

Obwohl die Betätigungsvorrichtung 1 in horizontaler Anordnung dargestellt ist, kann sie auch beispielsweise vertikal angeordnet sein. Bei dieser letztgenannten Anordnung befindet sich die Heizkammer 23 beispielsweise unten, wobei durch das Aufheizen eine Verdampfung entsteht, welche dazu führt, daß die Flüssigkeit in flüssigem Zustand durch die Bohrungen 17 der Trennwand 16 aufgrund des erhöhten Druckes hindurchtritt, ebenso wie es möglich ist, daß die Betätigungsflüssigkeit wenigstens teilweise dampfförmig durch die Trennwand 16 hindurchtritt und in der kühleren Kammer 45 wieder kondensiert. Auch bei dieser Anordnung 1st das Ergebnis beim Einschalten des Heizelementes 10 dasselbe, d.h. durch die Verdampfung der Flüssigkeit 15 in der Heizkammer 23 wird eine Volumenvergrößerung der Betätigungsflüssigkeit erzeugt, welche zu einer Volumenvergrößerung der Kammer 45 und dementsprechendAlthough the actuating device 1 is shown in a horizontal arrangement, it can also, for example, be vertical be arranged. In this latter arrangement, the heating chamber 23 is, for example, at the bottom, whereby the Heating causes an evaporation, which leads to the fact that the liquid in the liquid state through the bores 17 the partition 16 passes due to the increased pressure, as well as it is possible that the actuating liquid passes at least partially in vapor form through the partition 16 and condensed again in the cooler chamber 45. With this arrangement, too, the result is when switching on of the heating element 10 is the same, i.e., by evaporation of the liquid 15 in the heating chamber 23, an increase in volume of the actuating liquid is generated, which to an increase in volume of the chamber 45 and accordingly

! γ10τ! γ10τ

609826/108·609826/108

- 30 - - 30 -

zu einem Verschieben der Kolbenanordnung 33 führt.leads to a displacement of the piston arrangement 33.

Wenn die Betätigungsvorrichtung durch öffnen des Schalters 13 ausgeschaltet wird, kühlt die Flüssigkeit 15 ab. Dieses Abkühlen kann dadurch beschleunigt werden, daß die Betätigungsvorrichtung 1 mittels eines nicht dargestellten Halters aus Metall, der am Gehäuse 3 im Bereich der ineinanderstekkenden Kanäle 8 und 9 angreift, gehalten wird, da dieser als Yfärmeableiter dient. Aufgrund der durch das Abkühlen entstehenden Druckverringerung in der Heizkammer 23 schiebt die Feder 37 die Kolbenanordnung 33 in ihre Ausgangslage zurück, bis die Schulter 43 am Ansatz 42 anliegt. Dadurch wird der größte Teil der in die Kammer 45 gelangten Flüssigkeit 15A durch die Bohrungen 17 der Trennwand 16 in die Heizkammer 23 zurückgedrückt.When the actuator is by opening the switch 13 is switched off, the liquid 15 cools down. This cooling can be accelerated by the fact that the actuating device 1 by means of a metal holder, not shown, which is attached to the housing 3 in the area of the interlocking Channels 8 and 9 attacks, is held, since this serves as a Y heat sink. Due to the cooling resulting pressure reduction in the heating chamber 23, the spring 37 pushes the piston assembly 33 into its starting position back until the shoulder 43 rests against the shoulder 42. Through this the largest part of the liquid 15A which has entered the chamber 45 through the bores 17 of the partition wall 16 into the Heating chamber 23 pushed back.

In Fig. 4 ist eine Betätigungsvorrichtung 110 einer anderen Ausführungsform dargestellt. Diese weist eine zylindrische Kappe 112 und ein ebenfalls zylindrisch ausgebildetes Gehäuse 114 auf, die über eine Bördelung 116 fest miteinander verbunden sind. Unter Einfluß des von einem Arbeitsmedium 130 ausgehenden Druckes kann sich eine aus elastomerem Material bestehende Membran 118 ausrollen, welche mit einem Kolben 120 verbunden ist. /¹Uf diesen Kolben 120 wirkt eine Feder als Rückstellfeder ein, welche den Kolben und die Membran in die in Fig. 4 gezeigte Ruhestellung drücken kann. Die Betätigungsvorrichtung 110 enthält eine teilweise als Trennwand ausgebildete Büchse 124 mit einer Mehrzahl von durch diese hindurchgehenden Bohrungen 126, welche eine Verbindung zwischen der als Vorratsbehälter für das Arbeitsmedium 130 dienenden Heizkammer 127 und einer von der Innenwand der Membran 118 begrenzten Arbeitskammer 125 mit veränderbarem Volumen bilden.In Fig. 4, an actuating device 110 of another embodiment is shown. This has a cylindrical cap 112 and a likewise cylindrical housing 114, which are firmly connected to one another via a flange 116. Under the influence of the pressure emanating from a working medium 130, a membrane 118 made of elastomeric material, which is connected to a piston 120, can roll out. / ¹ Uf this piston 120, a spring acts as a return spring, which can push the piston and the diaphragm into the rest position shown in FIG. 4. The actuating device 110 contains a bush 124, partially designed as a partition, with a plurality of bores 126 passing through it, which form a connection between the heating chamber 127 serving as a storage container for the working medium 130 and a working chamber 125 with a variable volume, which is delimited by the inner wall of the membrane 118 .

Innerhalb der Heizkammer 127 ist ein ringzylindrisches Heiz-Inside the heating chamber 127 is an annular cylindrical heating

609826/1609826/1

element 128 an einer Elektroden-Halterung 132 angebracht. Das Arbeitsmedium 130 füllt die Heizkammer 127 teilweise oder ganz und steht mit dem Heizelement 128 unmittelbar in Kontakt.element 128 attached to an electrode holder 132. The working medium 130 partially or completely fills the heating chamber 127 and is in direct contact with the heating element 128 in contact.

Durch Einschalten der Betätigungsvorrichtung 110 wird dem Heizelement .128 über die Halterung 132 elektrischer Strom zugeführt, so daß eine Erwärmung des Heizelementes 128 aufgrund elektrischen Widerstandes erfolgt. Das Arbeitsmedium 130 wird wie beim vorstehenden Ausführungsbeispiel dementsprechend aufgeheizt, wobei beispielsweise eine Phasenveränderung bzw. Veränderung des Aggregatzustandes erfolgen kann, Jedoch genügt unter Umständen auch eine durch das Aufheizen des Arbeitsmediums herbeigeführte Vergrößerung des spezifischen Volumens desselben mit damit verbundener Druckerhöhung, insbesondere wenn das Arbeitsmedium gasförmig ist. Dementsprechend wird Arbeitsmedium in die Arbeitskammer verdrängt und der Kolben 120 entgegen der Kraft der Rückstellfeder 122 aus der Betätigungsvorrichtung 110 herausgedrückt. Wird die Vorrichtung abgeschaltet und dementsprechend die Zufuhr elektrischer Energie zum Heizelement 128 beendet, kann die Feder 122 den Kolben 120 und mit diesem die Membran 118 in die in Fig. 4 dargestellte Ausgangslage zurückdrücken, wie dies bereits in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis 3 erläutert wurde.By switching on the actuator 110 is the Heating element .128 supplied with electric current via the holder 132, so that heating of the heating element 128 due to electrical resistance takes place. The working medium 130 is accordingly as in the previous exemplary embodiment heated, for example a phase change or change in the state of aggregation taking place However, under certain circumstances an increase in the temperature caused by the heating of the working medium is sufficient specific volume of the same with associated pressure increase, especially when the working medium is gaseous. Accordingly, the working medium is displaced into the working chamber and the piston 120 counter to the force of the return spring 122 pushed out of the actuating device 110. If the device is switched off and, accordingly, the supply of electrical energy to the heating element 128 ended, the spring 122 can move the piston 120 and, with it, the membrane 118 into the starting position shown in FIG. 4 push back, as has already been done in connection with the exemplary embodiment according to FIGS. 1 to 3 was explained.

Wie insbesondere Fig. 5 zeigt, befindet sich zwischen der Oberfläche des Heizelementes 128 und der Büchse 124 ein Abstand, der ausreichend groß 1st, um Arbeitsmedium 130 Über die gesamte Oberfläche des Heizelementes 128 strömen zu lassen. Das Heizelement 128 ist hohlzylindrisch ausgebildet_ys< daß das Arbeitsmedium 130 auch mit der Innenwand des Heizelementes in Kontakt kommen kann. As FIG. 5 in particular shows, there is a distance between the surface of the heating element 128 and the sleeve 124 which is sufficiently large to allow working medium 130 to flow over the entire surface of the heating element 128. The heating element 128 is formed as a hollow cylinder _y s <that the working medium 130 also may occur with the inner wall of the heating element in contact.

809826/1058809826/1058

Afc ~Afc ~

Wie aus Fig. 5 und 6 erkennbar, weist die Halterung 132 eine Elektrode 134 auf, die an einer zentralen Kontaktplatte 136 befestigt ist, von der radiale Arme 138 nach außen laufen, die jeweils am äußeren Ende einen federnden Kontakt 140 aufweisen. Die Kontakte 140 sind leicht nach außen vorgespannt, um eine sichere und dauerhafte Anlage an der Innenwand des ringzylindrischen Heizelementes 128 zu gewährleisten. As can be seen from FIGS. 5 and 6, the holder 132 has an electrode 134 which is fastened to a central contact plate 136, from which radial arms 138 extend outward, each having a resilient contact 140 at the outer end. The contacts 140 are pretensioned slightly outwards in order to ensure a secure and permanent contact with the inner wall of the ring-cylindrical heating element 128.

Auch an der äußeren Mantelfläche des Heizelementes 128 liegen federnde Kontakte 142 an, um eine elektrisch leitende Ver-«· bindung zu bilden. Wie insbesondere Fig. 6 zeigt, sind diese Kontakte 142 an einer flachen ringförmigen Kontaktplatte 144 angeordnet, die auf einer ebenfalls flachen und kreisscheibenförmigen Grundplatte 46 aufliegt und befestigt ist. Am äußeren Rand der Grundplatte 146 sind eine Elektrode 148 und radial verlaufende Nasen 150 angeordnet. Die Nasen 150 dienen dazu, das Heizelement 128 mitsamt der elektrischen Anschlüsse desselben innerhalb des Gehäuses 114 und der Büchse 124 zu zentrieren.Resilient contacts 142 also rest on the outer jacket surface of the heating element 128 in order to provide an electrically conductive connection. to form bond. As shown in particular in FIG. 6, these contacts 142 are on a flat annular contact plate 144 arranged, which rests and is fastened on a likewise flat and circular disk-shaped base plate 46. An electrode 148 and radially extending lugs 150 are arranged on the outer edge of the base plate 146. The noses 150 serve to the heating element 128 together with the electrical connections of the same within the housing 114 and of the sleeve 124 to center.

Die auf der Außenseite des Heizelementes 128 liegenden Kontakte 142 sind leicht nach innen gebogen bzw. vorgespannt, um eine sichere Anlage an der Außenseite des Heizelementes 128 zu gewährleisten. Die innen- und außenliegenden Kontakte 14O und 142 sind dementsprechend in entgegengesetzten Richtungen vorgespannt und klemmen somit das Heizelement 128 zwischen sich derart ein, daß es praktisch "schwimmend" gehalten ist und dementsprechend auf die Betätigungsvorrichtung von außen gegebenenfalls einwirkende Vibrationen auf das Heizelement weniger stark übertragen werden als bei starrer Befestigung desselben in der Betätigungsvorrichtung. Die Halterung 132 ist daher viel einfacher als wenn das Heizelement aus einer Reihe von Scheiben mit positivem Temperaturkoeffizienten bestünde*The contacts 142 lying on the outside of the heating element 128 are slightly bent or pretensioned inwards, in order to ensure a safe contact with the outside of the heating element 128. The internal and external contacts 14O and 142 are accordingly biased in opposite directions and thus clamp the heating element 128 between them in such a way that it is practically "floating" is held and accordingly on the actuating device from the outside possibly acting vibrations are transmitted less strongly to the heating element than when it is rigidly fastened in the actuating device. The bracket 132 is therefore much simpler than having the heating element made up of a series of discs with positive Temperature coefficient would exist *

-13--13-

809826/ 1058809826/1058

Insbesondere aus Fig. 6 und 7 ist erkennbar, daß eine Isolier scheibe 152 vorgesehen ist, welche ein Zusammendrucken der Kontakte 140 und 142 und damit einen Kurzschluß verhindert. Außerdem sind die inneren und äußeren Kontakte 140 und 142 mittels eines Isolierkörpers 154 gegeneinander isoliert, welcher die Elektrode 134 in einer öffnung der Grundplatte 146 und der Kontaktplatte 144 zentriert hält.In particular from Fig. 6 and 7 it can be seen that an insulating disk 152 is provided, which a compression of the Contacts 140 and 142 and thus prevents a short circuit. Also, the inner and outer contacts are 140 and 142 by means of an insulating body 154 which insulates the electrode 134 from one another in an opening in the base plate 146 and the contact plate 144 keeps centered.

Das ringzylindrische Heizelement 128 kann an der Innenseite mit einem leitenden überzug 156 und an der Außenseite mit einem ebenfalls leitenden überzug 158 beschichtet sein. Diese überzüge gewährleisten eine gleichförmige Verteilung des über die Kontakte 140 und 142 zugefUhrten elektrischen Stromes, was wiederum zu einer gleichförmigen Erwärmung bzw. Beheizung der Oberflächen des Heizelementes 128 führt. Diese überzüge können aufgewalzt, elektrisch aufgebracht, aufgesprüht, aufgedampft oder sonstwie aufgebracht werden und enthalten Nickel, Silber oder ähnliche elektrisch leitfähige Materialien. Der zum Heizen verwendete elektrische Strom fließt durch die dünne Wand des Heizelementes von der einen Oberfläche zur anderen.The annular cylindrical heating element 128 can be provided with a conductive coating 156 on the inside and with a conductive coating on the outside a also conductive coating 158 be coated. These coatings ensure a uniform distribution of the electrical current supplied via contacts 140 and 142, which in turn leads to uniform heating or heating of the surfaces of the heating element 128. These Coatings can be rolled on, electrically applied, sprayed on, vapor-deposited or otherwise applied and contain nickel, silver or similar electrically conductive materials. The electrical current used for heating flows through the thin wall of the heating element from one surface to the other.

Das Heizelement 128 besteht vorzugsweise aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten. Derartige Materialien haben bei normaler Temperatur oder Raumtemperatur einen verhältnismäßig geringen Eingangswiderstand, der um mehrere Größenordnungen ansteigt, wenn die Temperatur abnormal ansteigt. Derartige Materialien sind halbleitende keramische Stoffe, für die BaTiO, ein bevorzugtes Beispiel bildet. Sie sind selbstregulierend und gewährleisten eine im wesentlichen konstante Arbeitstemperatur des Heizelementes 128. Auch sind Materialien bekannt, die durch Auftragen auf normalerweise isolierende keramische Stoffe diese in Halbleiter umwandeln.The heating element 128 is preferably made of a material with positive temperature coefficient. Such materials have a proportion at normal temperature or room temperature low input resistance that increases by several orders of magnitude when the temperature rises abnormally. Such materials are semiconducting ceramics, of which BaTiO is a preferred example. They are self-regulating and ensure an essentially constant working temperature of the heating element 128. Materials are also known which, by applying them to normally insulating ceramic materials, convert them into semiconductors convert.

-14--14-

809R76/1058809R76 / 1058

Bei einer 12 Volt-Betätigungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform aus Fig. 4, die ein flüssiges Arbeitsmedium enthält, weist das Heizelement 128 vorzugsweise eine Länge von etwa 105 mm und einen Außendurchmesser von wenigstens 10 mm auf. Ein derartiges Heizelement hat eine zum Heizen verwendbare Oberfläche von 6,45 cm. Bei normalen Temperaturen bzw. Raumtemperatur benötigt ein derartiges Heizelement eine Betätigungszeit von etwa 2 Sekunden. Die Wandstärke des Heizelementes sollte weniger als 1 mm betragen und ist so dünn wie möglich. Die Wandstärke muß aber genügend groß sein, um die Uberschlagspannung bzw. Durchschlagspannung des verwendeten Materials bei den Betriebsspannungen der Betäti-In a 12 volt actuator according to the embodiment 4, which contains a liquid working medium, the heating element 128 preferably has a length of about 105 mm and an outside diameter of at least 10 mm. Such a heating element has one usable for heating 6.45 cm surface. At normal temperatures or room temperature, such a heating element requires an actuation time of about 2 seconds. The wall thickness of the heating element should be less than 1 mm and is so thin as possible. However, the wall thickness must be large enough to accommodate the breakdown voltage or breakdown voltage of the Material for the operating voltages of the actuating

ubersteigen.
gungsvorrichtung zu / Für bevorzugte Heizelemente soll als Sicherheitsfaktor 50 % der Betriebsspannung einkalkuliert werden, so daß das Heizelement bei einer 12 Volt-Vorrichtung auf 18 bis 20 Volt auszulegen ist.exceed.
supply device to / For preferred heating elements, 50 % of the operating voltage should be taken into account as a safety factor, so that the heating element is to be designed for 18 to 20 volts in a 12 volt device.

Anhand von Fig. 8, welche eine Kurve für "kochenden Wärmeübergang bei zwei Phasenströmungen" anhand einer Flüssigkeit (HpO) zeigt, wird die Bedeutung einer maximalen Oberfläche für eine elektro-thermische Betätigungsvorrichtung der vorliegenden Art erläutert. Die Darstellung in Fig. 8 ist in logarithmischem Maßstab und dementsprechend nur relativ zu betrachten. Es ist als eine Variable der Wärmefluß in die Lösung als Funktion der Oberflächenüberheizung AT des Heizelementes 128 aufgetragen. ΔΤ ist der Unterschied der Oberflächentemperatur des Heizelementes und des Siedepunktes der Flüssigkeit.On the basis of FIG. 8, which shows a curve for "boiling heat transfer with two phase flows" on the basis of a liquid (HpO) shows the importance of maximum surface area for an electro-thermal actuator of the present Art explained. The representation in FIG. 8 is on a logarithmic scale and accordingly only relative consider. It is available as a variable of the heat flux into the solution as a function of the surface overheating AT of the Heating element 128 applied. ΔΤ is the difference between the surface temperature of the heating element and the boiling point the liquid.

Im Bereich zwischen den Punkten A und B erfolgt die Wärmeübertragung im wesentlichen durch Konvektion. Im Bereich zwischen den Punkten B und C wird die Flüssigkeit nahe der Oberfläche überhitzt und beginnt 2u verdampfen, wobei sich Bläschen bilden. Die Bläschen transportieren die latenteThe heat transfer takes place in the area between points A and B. essentially by convection. In the area between points B and C, the liquid is close to the Surface overheats and begins to evaporate, taking 2u Form vesicles. The vesicles transport the latent ones

009826/105«009826/105 «

-15--15-

Hitze der Phasenveränderung bzw. Änderung des Aggregatzustandes und erhöhen außerdem die konvektive Hitzeübertragung durch Bewegung der Flüssigkeit nahe der heizenden Oberfläche. Diese Erscheinung bezeichnet man als "Kernsieden·¹ und hat die Eigenschaft eines hohen Hitzeüberganges für ein kleines AT . Dieser Bereich ist vom Gesichtspunkt des Energieverbrauches JLm Vergleich zur von der Flüssigkeit aufgenommenen Wärmemenge am wünschenswertesten.Heat the phase change or change in the physical state and also increase the convective heat transfer through movement of the liquid near the heating surface. This phenomenon is called " ^{nuclear boiling x 1"} and has the property of high heat transfer for a small AT. This range is most desirable from the point of view of energy consumption compared to the amount of heat absorbed by the liquid.

Es ist jedoch erkennbar, daß der Wärmefluß vom Kernsieden nicht unbegrenzt erhöht werden kann. Punkt C ist erreicht, wenn die Anzahl der entstehenden Bläschen so hoch wird, daß die abgehenden Bläschen die herankommende Flüssigkeit stören. Der Dampf wird dann über der Heizfläche eine teilweise isolierende Schicht bilden und die Oberflächentemperatur steigt. Der Punkt C ist als Siedekrise zu bezeichnen.It can be seen, however, that the heat flow from nuclear boiling cannot be increased indefinitely. Point C is reached, when the number of vesicles formed is so high that the vesicles leaving the fluid disturb. The steam will then form a partially insulating layer over the heating surface and the surface temperature will rise. Point C can be described as a boiling crisis.

Im Bereich zwischen den Punkten C und D ist das Sieden unstabil und wird als "texlweises Filmsieden" bezeichnet. Diese Erscheinung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Heizfläche abwechselnd von einer Dampfschicht und einer Flüssigkeitsschicht überdeckt wird, wodurch die Oberflächentemperaturen schwanken. Durch weitere Energiezufuhr kann die Heizfläche den Punkt D erreichen, jedoch mit verringertem Wärmefluß.In the area between points C and D, the boiling is unstable and is referred to as "textile-wise film boiling". These Appearance is characterized in that the heating surface is alternately covered by a layer of vapor and a layer of liquid, whereby the surface temperatures vary. By supplying more energy, the heating surface can reach point D, but with a reduced heat flow.

Im Bereich von Punkt D bis Punkt E wird um das Heizelement ein stabiler Film gebildet, wobei der Wärmeübergang am Punkt D ein Minimum erreicht, weil hier Diffusion prädominierend ist. Ein weiterer Anstieg der Oberflächentemperatur des Heizelementes erlaubt einen Anstieg des Wärmeüberganges durch Wärmestrahlung.In the area from point D to point E, a stable film is formed around the heating element, with the heat transfer at Point D reaches a minimum because diffusion is predominant here. Another increase in surface temperature the heating element allows an increase in the heat transfer due to thermal radiation.

Da große Temperaturanstiege benötigt werden, um im Bereich zwischen C und E zu arbeiten, wurde festgestellt, daß niedrige Betätigungszeiten einer Betätigungsvorrichtung mit einemSince large increases in temperature are required to operate in the range between C and E, it has been found that low actuation times of an actuator with a

809826/1068809826/1068

..κ>_;^ηπ..κ> _; ^ ηπ

Heizelement mit positivem Temperaturkoeffizienten vernünftiger Größe und vernünftigem Energiebedarf durch das Sieden mit teilweisem oder stabilem Film begrenzt sind. Daher können verkürzte Betätigungszeiten wirkungsvoller erreicht werden, indem man die Siedeoberfläche erhöht und nicht das Temperaturgefälle.Positive temperature coefficient heating element of reasonable size and with reasonable energy consumption from boiling with partial or stable film are limited. Therefore, shortened operating times can be achieved more effectively by increasing the boiling surface and not the temperature gradient.

Daher sind nicht alle Bereiche der Darstellung gemäß Fig. 8 für eine Betätigungsvorrichtung mit einer Heizvorrichtung mit positivem Temperaturkoeffizienten geeignet, weil diese so ausgebildet sein sollte, daß sie ihre Ausschalttemperatur erreichen und ihren Widerstand zum Verringern des Wärmeüberganges bzw. Wärmeflusses erhöhen sollte, bevor der Bereich C bis E in größerem Ausmaß erreicht wird. Eine Schalttemperatur, bei der die Oberflächentemperatur sich etwa im Bereich der Siedekrisis befindet, ist besonders vorteilhaft.Therefore, not all areas of the illustration according to FIG. 8 are for an actuating device with a heating device with a positive temperature coefficient, because this should be designed so that it is its switch-off temperature and their resistance to reducing the heat transfer or heat flow should increase before the area C to E is reached to a greater extent. A switching temperature at which the surface temperature is approximately in the range the boiling crisis is particularly advantageous.

Es wurde gefunden, daß eine bevorzugte Betriebstemperatur 150⁰C für das Heizelement 128 besonders vorteilhaft ist. Bei dieser Arbeitstemperatur werden zahlreiche als Arbeitsmedium 130 geeignete Flüssigkeiten von der Betätigungsvorrichtung schnell ausgedehnt. Das Heizelement 128 wird auf diese Betriebstemperatur von etwa 20⁰C mit einem ursprünglichen Widerstand in der Größenordnung von 0,5 -Ω- gebracht, wobei sich ein Widerstandsanstieg von größer als 10^ ergibt. Flüssigkeiten, die hierbei bevorzugt benutzt werden, gehören zur Familie der Fluorkohlenstoffe wie beispielsweise Trichlordifluormethan. Andere geeignete Arbeitsmedien sind ÄthanolCb₂H₅OHjund 2-Methyl-2-butanol, CH₃CH₂(CH,)₂0H od. dgl.It has been found that a preferred operating temperature of 150 ^° C. for the heating element 128 is particularly advantageous. At this working temperature, numerous liquids suitable as working medium 130 are rapidly expanded by the actuating device. The heating element 128 is brought to this operating temperature of about 20 ⁰ C with an initial resistance on the order of 0.5 -Ω-, wherein an increase in resistance of greater than 10 ^ results. Liquids that are preferably used here belong to the fluorocarbon family, such as trichlorodifluoromethane. Other suitable working media are ethanolCb ₂ H ₅ OH and 2-methyl-2-butanol, CH ₃ CH ₂ (CH,) ₂ 0H or the like.

Die Betätigungszeiten können durch geeignete Wahl des Arbeitsmedium© 130 zusätzlich verringert werden.The operating times can also be reduced by a suitable choice of the working medium © 130.

Anhand von Fig. 11 wird gezeigt, daß die Ansprechzeit einer -17- With reference to Fig. 11 it is shown that the response time of a -17-

809826/105«809826/105 «

_V- 2753553^ .-^-i-li_V- 2753553 ^ .- ^ - i-li

Betätigungsvorrichtung von der Oberfläche und der Dicke des Heizelementes abhängen. Es sind empirische Daten verarbeitet, wobei die Einheiten in einem linearen Maßstab aufgetragen sind, jedoch nur relative Vergleiche darstellen. Die Ordinate zeigt die Eingangsspannung der Betätigungsvorrichtung als eine Variable, während die Ansprechzeit bzw. Betätigungszeit des Betätigers die zweite Variable bildet und auf der Abszisse abzulesen ist.Actuator depend on the surface and the thickness of the heating element. Empirical data are processed where the units are plotted on a linear scale but are only relative comparisons. The ordinate shows the input voltage of the actuator as a variable, while the response time or actuation time of the actuator forms the second variable and on the Abscissa is to be read.

Die Kurve A dient als Standard, wobei ein Heizelement mit positivem Temperaturkoeffizienten in Scheibenform mit einer Dicke von 1 mm mit vier verschiedenen Spannungen gespeist wurde. Für jede Spannung wurde die Ansprechzeit der Betätigungsvorrichtung gemessen und aufgetragen. Diese Punkte wurden mittels einer absatzlosen Kurve verbunden, um eine Annäherung der Funktion der Eingangsspannung gegenüber der Ansprechzeit für diese spezielle Betätigungsvorrichtung zu erhalten.Curve A serves as a standard, with a heating element with a positive temperature coefficient in the form of a disk with a Thickness of 1 mm was fed with four different voltages. For each voltage was the actuator response time measured and plotted. These points were connected to an approximation by means of a stepless curve the function of input voltage versus response time for that particular actuator obtain.

Die Kurve B wurde gewonnen, wenn man zwei scheibenförmige Heizelemente dieser Art parallel zueinander anordnet, um die Heizfläche in der Flüssigkeit zu verdoppeln. Die Kurve C zeigt das Verhalten einer Betätigungsvorrichtung mit einem Heizelement aus drei parallel geschalteten Heizscheiben. Wiederum werden bessere Ansprechzeiten als gemäß Kurve B erzielt, da die Heizfläche in der Flüssigkeit weiter vergrößert wurde.The curve B was obtained by arranging two disk-shaped heating elements of this type in parallel to one another to double the heating surface in the liquid. Curve C shows the behavior of an actuator with a Heating element made up of three heating disks connected in parallel. Again, the response times are better than according to curve B. achieved because the heating surface in the liquid was further enlarged.

Es ist jedoch erkennbar, daß die Vergrößerung der Heizfläche in der Flüssigkeit keine lineare Verbesserung ergibt, obwohl man sagen kann, daß durch die Vergrößerung der Heizfläche stets eine Verbesserung erreicht wird.It can be seen, however, that increasing the heating area in the liquid does not give a linear improvement, although it can be said that an improvement is always achieved by increasing the heating surface.

Die Kurven A1, B1 und C1 gelten für Untersuchungen mit 0,8 mm dicken scheibenförmigen Heizelementen. Daraus ist erkennbar,The curves A1, B1 and C1 apply to examinations with 0.8 mm thick disk-shaped heating elements. From this it can be seen

809826/105*809826/105 *

daß die Ansprechzeiten durch Verringerung der Dicke der Heizelemente verkürzt werden, wobei dies unabhängig von der Größe der Heizfläche ist.that the response times are shortened by reducing the thickness of the heating elements, regardless of the size of the heating surface.

Daraus ergibt sich, daß das Heizelement mit der größten Oberfläche und der dünnsten Wandstärke am vorteilhaftestenIt follows that the heating element with the largest surface and the thinnest wall thickness is most advantageous

ist. Die ringzylindrische Ausbildung des Heizelementes 128 gemäß der dargestellten Ausführungsform kombiniert die maximale Heizfläche mit der Möglichkeit einer möglichst geringen Wandstärke.is. The annular cylindrical design of the heating element 128 according to the illustrated embodiment combines the maximum heating surface with the possibility of the smallest possible wall thickness.

Die ringzylindrische Ausbildung ist auch weniger anfällig für einen thermischen Schock. Ein thermischer Schock erfolgt bei Heizelementen durch ungleichförmige Heizung zwischen den Enden des Heizelementes und seiner Mittelebene. Fig. 9 zeigt einen Querschnitt eines waffeiförmigen Heizelementes mit positivem Temperaturkoeffizienten, wobei das Material dieses Heizelementes die Dicke d aufweist. Der elektrische Strom fließt von den Elektroden durch das Widerstandselement in Richtung der Pfeile, wobei sich eine Temperaturverteilung wie in Fig. 10 ergibt. Es ist erkennbar, daß die Mittelebene des Heizelementes die maximale Temperatur des Heizelementes aufweist. Je weiter man sich von der Mittelebene entfernt,The ring-cylindrical design is also less prone to thermal shock. A thermal shock occurs in the case of heating elements due to uneven heating between the ends of the heating element and its center plane. Fig. 9 shows a cross-section of a weapon-shaped heating element with a positive temperature coefficient, the material being this Heating element has the thickness d. The electric current flows from the electrodes through the resistance element in Direction of the arrows, resulting in a temperature distribution as in FIG. 10. It can be seen that the central plane of the heating element has the maximum temperature of the heating element. The further you get from the median plane,

to
desigrößer ist der Temperaturunterschied.to
The temperature difference is desigger.

Daraus ergibt sich, daß der Temperaturunterschied bzw. das Temperaturdifferential von den Enden zur Mittelebene umso geringer ist, Je dünner das Material mit positivem Temperaturkoeffizienten ist. Ein Heizelement mit kleinerem Temperaturdifferential ist für Brüche aufgrund von Wärmeschock weniger anfällig als ein dickeres Heizelement mit höherem Temperaturdifferential. Dies ist wichtig für ein Heizelement 128, dem innerhalb kurzer Zeit eine hohe Energiemenge zugeführt wird, um es schnell auf die gewünschte Betriebstemperatur zu bringen. Auch wird die Oberfläche eines HeizelementeIt follows that the temperature difference or the temperature differential from the ends to the central plane is all the more is lower, the thinner the material with a positive temperature coefficient is. A heating element with a smaller temperature differential is less prone to breakage due to thermal shock than a thicker heating element with a taller one Temperature differential. This is important for a heating element 128 to which a large amount of energy is supplied within a short period of time to quickly bring it to the desired operating temperature. Also becomes the surface of a heating element

809826/1058809826/1058

mit kleinerem Temperaturdifferential heißer als die eines dickeren Heizelementes, da seine Oberfläche theoretisch der maximalen Mittelebenentemperatur näher liegt. Das Heizelement wird auch schneller abkühlen, wodurch sich die Rückstellzeit verkürzt, wenn ein ringzylindrisches Heizelement 128 mit dünner Wandstärke vorgesehen ist.with a smaller temperature differential, it is hotter than that of a thicker heating element, since its surface is theoretically is closer to the maximum midplane temperature. The heating element will also cool down faster, thereby reducing the reset time shortened if an annular cylindrical heating element 128 is provided with a thin wall thickness.

809826/1058809826/1058

Claims

^750553^ 750553

G 51 282

Applicant: Design & Manufacturing Corporation, 4399 Hamann Parkway, Willoughby, Ohio 44094 (USA)

Actuator

Patent claims:

(K) Actuating device with a preferably electrically heated, thermally expandable working medium, which adjusts part of the device in order to generate a mechanical output, with a self-regulating heating device, characterized in that it has a housing (3; 114) with a heating chamber (23 ; 127) i a built-in membrane (25; 118) made of elastomeric material between the heating chamber and an end cap (4; 112) which is adjustable when the pressure of the working medium changes, one corresponding to the movements of the membrane with it against a return spring (37; 122) ) displaceable reciprocating piston-I arrangement (33; 120) in the end cap and a heating element (1O; 128) fed with electrical energy with a positive temperature coefficient in the heating chamber for heating the working medium (15; 130) and increasing the volume or Has printing of the same.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the heating element (128) is annular and cylindrical is open at at least one of its ends and is at least partially in the working medium (130).

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that

it has a holder (132) for holding the heating element (128) in the heating chamber (127).

4. Device according to one of claims 1 to 3 »characterized in that it has a fixed volume in addition to the having heating chamber (23; 127) a working chamber (45; 125), the volume of which is variable, contains, between which have a partition (16; 124) with a limited passage of working medium (15; 130) allowing openings (17; 126) is arranged, with a part of the working chamber bounded by the elastoraeren membrane (25; 118) is.

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the partition (16; 124) consists of plastic and is fixedly arranged in the housing (3; 114) of the actuating device (1; 110).

6. Apparatus according to claim 4 or 5, characterized in that between the partition (16; 124) and the this opposite end wall (6) of the heating chamber (23; 127) has an electrically and heat-insulating lining (19) of the heating chamber.

7. Apparatus according to claim 6, characterized in that the lining (19) with the partition wall (16; 124) one piece.

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the piston arrangement (33) with a Limiting stop (43) is provided, which the piston (32) in its rest position at a distance from the partition (16) holds.

9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized

-3-

G09826/10S8G09826 / 10S8

27 58 DP 3 | AFTER OR. '? CHTI

characterized in that the heating chamber (23) contains a plurality of heating elements (10A, 10B, 10C) which are electrically connected in parallel are.

10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the membrane (25; 118) can be rolled in and out is trained.

11. Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the heating device is a one-piece elongated annular cylindrical heating element (128) made of a material with a positive temperature coefficient and low electrical resistance at room temperature and an abnormal temperature above which the Resistance of the material increases extremely, which has a small wall thickness and its inner and outer surfaces are to be electrically connected to an electrical circuit in order to supply heating energy.

12. The device according to claim 11, characterized in that the material with a positive temperature coefficient BaTiOj is.

13. Device according to one of claims 1 to 12, characterized characterized in that the working medium (15; 130) is a liquid and the anomaly temperature of the annular cylindrical Heating element (128) is higher than the boiling point of the working medium.

14. The device according to claim 13 »characterized in that that the anomaly temperature is lower than the point at which the liquid working medium (15; 130) begins to boil with partial film formation.

15. Device according to one of claims 11 to 14, characterized

909826/1069909826/1069

-u--u-

characterized in that the Ytend thickness of the ring cylindrical Heating element (128) larger than the same is necessary to overcome the breakdown voltage of the material.

16. The device according to claim 15, characterized in that the wall thickness is less than that in the case of rapid heating boundary wall thickness breaking by thermal shock.

17. Device according to one of claims 11 to 16, characterized characterized in that the annular cylindrical heating element (128) inside and outside each have a coating (156; 158) made of electrical and thermally conductive material.

8098?fi /10588098? Fi / 1058