DE3316258C2

DE3316258C2 -

Info

Publication number: DE3316258C2
Application number: DE19833316258
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl.-Ing. 6054 Rodgau De Seyer; Robert Dr.Rer.Nat. 8752 Laufach De Fleischmann; Harald Dr.Phil.Nat. 6246 Glashuetten De Boehm
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Elster Kromschroeder GmbH
Priority date: 1983-05-04
Filing date: 1983-05-04
Publication date: 1988-01-21
Also published as: DE3316258A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Stellglied mit einem abgeschlossenen Gasraum, in dem durch eine reversible Reaktion ein Druck erzeugt wird, der in eine Bewegung umsetzbar ist.The invention relates to an actuator with a closed gas space in which by a reversible reaction a pressure is generated that can be converted into a movement is.

Ein derartiges Stellglied ist aus der DE-OS 32 24 731 bekannt. Der Druck wird durch eine chemische Reaktion erzeugt, bei der Wasserstoff mit einem Metall bzw. einer Metall-Legierung umgesetzt wird. Die reversible Führung dieser Reaktion erfolgt durch Temperatureinfluß. Als nichtkondensierendes Arbeitsmittel dient Wasserstoff im thermodynamischen Gleichgewicht mit einem Feststoff im Temperaturfühler. Zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Druckes ist die Aufrechterhaltung einer zugeordneten Temperatur des Temperaturfühlers, d. h. Energiezufuhr, erforderlich. Eine Anwendung dieses Systems als Stellglied erfordert zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Zustandes ständig die Aufwendung einer Halteenergie.Such an actuator is from DE-OS 32 24 731 known. The pressure is caused by a chemical Generated reaction in which hydrogen with a metal or a metal alloy is implemented. The reversible This reaction is carried out by the influence of temperature. Hydrogen serves as the non-condensing working medium in thermodynamic equilibrium with a solid in Temperature sensor. To maintain a certain Pressure is the maintenance of an associated temperature the temperature sensor, d. H. Energy supply, required. An application of this system as an actuator required to maintain a certain condition constantly using a holding energy.

Ferner ist aus der CH-PS 5 22 552 eine thermische Antriebseinrichtung zur Betätigung von Ventilen oder Steuerorganen beschrieben. In einem geschlossenen Behälter ist eine elektrisch beheizte Flüssigkeit vorgesehen, die entsprechend der elektrischen Heizleistung verdampft und aufgrund der dadurch bedingten Druckerhöhung den Behälter vergrößert. Zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Zustands ist auch hier ständig die Aufwendung einer Halteenergie erforderlich.Furthermore, from CH-PS 5 22 552 is a thermal Drive device for actuating valves or control elements described. In a closed container an electrically heated liquid is provided accordingly the electrical heating power evaporates and due the resulting pressure increase the container enlarged. To maintain a certain state is the constant use of a holding energy required.

Ausgehend von dem eingangs definierten Stellglied liegt dem Anmeldungsgegenstand die Aufgabe zugrunde, ein durch reversible chemische Reaktion erzeugten Druck betätigbares Stellglied verfügbar zu machen, bei dem der eingestellte Druck ohne Energiezufuhr aufrecht erhalten werden kann.Starting from the actuator defined at the beginning the object of the application is based on the task operable pressure generated by reversible chemical reaction To make available actuator at which the set Pressure can be maintained without energy can.

Diese Aufgabe wird gemäß Erfindung dadurch gelöst, daß die reversible Reaktion eine durch Gleichstrom hervorgerufene elektrochemische Reaktion ist, wobei der Druckaufbau bzw. Druckabbau in Abhängigkeit von der Richtung des fließenden Gleichstromes erfolgt.According to the invention, this object is achieved by that the reversible reaction is a direct current is electrochemical reaction, the buildup of pressure or pressure reduction depending on the direction of the flowing direct current takes place.

Das Stellglied läßt sich mit Vorteil als Ersatz für Ausdehnungsregler, Stellmotore und Positioniereinrichtungen usw. anwenden.The actuator can be used as a replacement for expansion controllers, servomotors and positioning devices etc. apply.

Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Developments of the invention are the subclaims refer to.

Das Wesen der Erfindung soll nachstehend anhand einiger in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigtThe essence of the invention will be described below some shown schematically in the drawings Exemplary embodiments are explained in more detail. It shows

Fig. 1 die Schnittansicht des gesamten Stellglieds, Fig. 1 is a sectional view of the entire actuator,

Fig. 2 die Ausbildung des elektrochemischen Systems des Stellglieds, Fig. 2 shows the construction of the electrochemical system of the actuator,

Fig. 3 eine andere Ausbildung des elektrochemischen Systems des Stellglieds und Fig. 3 shows another embodiment of the electrochemical system of the actuator and

Fig. 4 eine weitere Ausbildung des elektrochemischen Systems des Stellglieds. Fig. 4 shows a further embodiment of the electrochemical system of the actuator.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, kann das Stellglied 10 durch einen zylindrischen Ausdehnungskörper 1 gebildet werden, in dessen Innenraum 6 Luft eingeschlossen ist. Die Stirnseite 5 dieses Ausdehnungskörpers 1 ist durch einen Festkörperelektrolyten 2 gebildet, der in der Lage ist, beispielsweise den Sauerstoff der Luft zu ionisieren und mit Hilfe eines angelegten Stromes I als Ion in den Elektrolyten 2 zu befördern. Die Oberflächen des Elektrolyten 2 sind mit je einer luftdurchlässigen Elektrode 3 beschichtet. Bei einer vorgegebenen Stromrichtung wandert der Sauerstoff beispielsweise in den abgeschlossenen Innenraum 6 des Körpers 1 hinein. Er bewirkt damit eine Druckzunahme und eine Ausdehnung des Körpers 1. Die Dehnung bewirkt beispielsweise eine Verstellung eines vom Stellglied 10 zu betätigenden Stößels 4 auf ein Ventil 7.As can be seen from FIG. 1, the actuator 10 can be formed by a cylindrical expansion body 1 , in the interior 6 of which air is enclosed. The end face 5 of the expansion body 1 is formed by a solid electrolyte 2, which is capable of, for example, to ionize the oxygen in the air and transported with the aid of an applied current I as an ion in the electrolyte. 2 The surfaces of the electrolyte 2 are each coated with an air-permeable electrode 3 . For a given current direction, the oxygen migrates, for example, into the closed interior 6 of the body 1 . It thus causes an increase in pressure and an expansion of the body 1 . The expansion causes, for example, an adjustment of a tappet 4 to be actuated by the actuator 10 to a valve 7 .

Wird der Strom I abgeschaltet, bleibt der Druck und somit die Ventilsteuerung auch ohne weitere Energiezufuhr erhalten. Kehrt man die Stromrichtung um, so werden die Sauerstoffmoleküle in entgegengesetzter Richtung aus dem Innenraum 6 des Körpers 1 herausbefördert und der Überdruck im Innern abgebaut. Der Körper 1 zieht sich wieder zusammen und das Ventil 7 wechselt damit seinen Schaltzustand. Auch zur Erhaltung dieses Zustandes wird keine elektrische Energie mehr benötigt.If the current I is switched off, the pressure and thus the valve control are retained even without further energy supply. If the direction of the current is reversed, the oxygen molecules are conveyed out of the interior 6 of the body 1 in the opposite direction and the excess pressure in the interior is reduced. The body 1 contracts again and the valve 7 thus changes its switching state. Electrical energy is no longer required to maintain this state.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten bestehen in der Verwendung als elektronisch gesteuerter Antrieb für Lüftungsklappen, Ventile in anderen Systemen und Positioniereinrichtungen. Die Erfindung ist auch auf Wasserstoffreaktionen, Flüssigkeit/Gas- und Festkörper/Gasumsetzungen anwendbar.There are further possible uses as an electronically controlled actuator for ventilation flaps, Valves in other systems and positioning devices. The invention is also applicable to hydrogen reactions, liquid / gas and solid / gas conversions applicable.

Eine Festkörperreaktion geht von der reversiblen Zersetzung verschiedener Metalloxide aus, wie sie beispielsweise bei sekundärer Zn/Luft-Zellen angewendet wird, wie eine derartige in Fig. 2 dargestellt ist.A solid-state reaction starts from the reversible decomposition of various metal oxides, as is used, for example, in secondary Zn / air cells, as is shown in FIG. 2.

In einem geschlossenen System ist eine Metallhydroxidelektrode 22 über einen alkalischen Matrixelektrolyten 24 einer Sauerstoffelektrode 25, 26 gegenübergestellt. Der LadevorgangIn a closed system, a metal hydroxide electrode 22 is juxtaposed with an oxygen electrode 25, 26 via an alkaline matrix electrolyte 24 . The loading process

4 OH⊖ → 2 H₂O + O₂↑ + 4 e⊖
bzw.
4 e⊖ + 4 Me⊕ → 4 Me
Gesamtreaktion:
4 MeOH → 4 Me + O₂ + 2 H₂O4 OH⊖ → 2 H₂O + O₂ ↑ + 4 e⊖
respectively.
4 e⊖ + 4 Me⊕ → 4 Me
Overall response:
4 MeOH → 4 Me + O₂ + 2 H₂O

erzeugt einen erhöhten Gasdruck, der eine Kraft auf eine Federstahlmembran 27 ausübt. Die Umkehrung der Reaktion führt wieder zum Druckabbau und zur Rückstellung der Federstahlmembran 27. Das Kunststoffgehäuse 21 und die Federstahlmembran 27 sind durch die Dichtung 23 so miteinander verbunden, daß sich ein gasdichter Raum 28 ergibt.generates an increased gas pressure which exerts a force on a spring steel membrane 27 . The reversal of the reaction again leads to the reduction in pressure and to the resetting of the spring steel membrane 27 . The plastic housing 21 and the spring steel membrane 27 are connected by the seal 23 so that a gas-tight space 28 results.

Nickeloxidhydrat- und Wasserzersetzung sind die Grundreaktionen einer reversiblen Wasserstoffzelle, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist.Nickel oxide hydrate and water decomposition are the basic reactions of a reversible hydrogen cell, as shown in Fig. 3.

Beim LadevorgangWhen loading

2 Ni(OH)₂ + 2 OH⊖ → 2 NiO(OH) + 2 H₂O + 2 e⊖
bzw.
2 e⊖ + 2 H₂O → H₂ + 2 OH⊖
Gesamtreaktion:
2 Ni(OH)₂ → 2 NiO(OH) + H₂2 Ni (OH) ₂ + 2 OH⊖ → 2 NiO (OH) + 2 H₂O + 2 e⊖
respectively.
2 e⊖ + 2 H₂O → H₂ + 2 OH⊖
Overall response:
2 Ni (OH) ₂ → 2 NiO (OH) + H₂

entsteht ein Wasserstoffdruck, der ebenfalls über eine Federstahlmembran 31, 37 eine Ventilschaltung durchführen kann. Zweckmäßig wird die Innenseite des Federstahls 31 mit Schwarznickel und einer kunststoffgebundenen Aktivkohleschicht 33 beschichtet; ferner sind vorgesehen ein teilweise festgelegter, alkalischer Elektrolyt 34 und eine Nickelhydroxidgegenelektrode 35 auf einer stabilen Kunststoffgrundplatte 36. Zwischen den Membranen 31, 37 ist eine Dichtung 32 angeordnet.creates a hydrogen pressure, which can also perform a valve switching via a spring steel membrane 31, 37 . The inside of the spring steel 31 is expediently coated with black nickel and a plastic-bonded activated carbon layer 33 ; a partially fixed, alkaline electrolyte 34 and a nickel hydroxide counterelectrode 35 are also provided on a stable plastic base plate 36 . A seal 32 is arranged between the membranes 31, 37 .

Fig. 4 zeigt ein System mit einer WC-Elektrode und einem SPE-Elektrolyten. Das System ist eingeschlossen zwischen einer Federstahlmembran 47 und einer Kunststoffplatte 41, die mittels einer Dichtung 43 verbunden sind; mit 42 ist die elektrische Ableitung der O₂-Elektrode 44 bezeichnet; die Kunststoffplatte 41 ist mit einem Luftdruckausgleich 48 versehen. Fig. 4 shows a system with a WC-electrode and a PES electrolyte. The system is enclosed between a spring steel membrane 47 and a plastic plate 41 , which are connected by means of a seal 43 ; with 42 the electrical derivative of the O₂ electrode 44 is designated; the plastic plate 41 is provided with an air pressure compensation 48 .

Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung ergeben sich in einem System, in dem eine Wolframcarbidelektrode 46 über einem SPE-Elektrolyten 45 (Solid-Polymer-Electrolyte) mit einer Kohle/Pt-Luftelektrode 44 gekoppelt ist:Hydrogen and oxygen evolution result in a system in which a tungsten carbide electrode 46 is coupled to a carbon / Pt air electrode 44 via an SPE electrolyte 45 (solid polymer electrolyte):

Hier können beide Gasräume hermetisch verschlossen oder der Sauerstoffgasraum zur Atmosphäre hin geöffnet sein. Die reversible Wasserzersetzung ist verantwortlich für die Schaltdruckänderungen.Here both gas spaces can be hermetically sealed or the oxygen gas space must be open to the atmosphere. The reversible water decomposition is responsible for the switching pressure changes.

Claims

1. Actuator with a closed gas space, in which a pressure is generated by a reversible reaction, which can be converted into a movement, characterized in that the reversible reaction is an electrochemical reaction caused by direct current, the pressure build-up or pressure reduction depending on the direction of the flowing direct current.

2. Actuator according to claim 1, characterized by an expansion body ( 1; 21, 27; 31, 37; 41, 47 ) and an electrochemical system associated therewith and influenced by it with two electrodes ( 3, 9; 22, 25/26; 31/33, 35; 44, 46 ) between which an electrolyte is arranged, a specific amount of gas being bound or released as a function of the direction and strength of the flowing direct current by the course of the electrochemical reaction.

3. Actuator according to claim 2, characterized in that a solid-state electrode ( 22 ) connected to the gas space ( 28 ) is reversibly decomposable.

4. Actuator according to claim 2, characterized in that one of the electrodes is designed as a spring steel membrane ( 31 ) and is coated on the gas space side with a catalytically active material ( 33 ).

5. Actuator according to claim 2, characterized in that one of the electrodes is designed as an oxygen electrode ( 44 ) and communicates with the atmosphere.