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Thermisches Hubelement
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Die Erfindung betrifft ein thermisches Hubelement gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Hubelemente dienen zur Erzeugung von linearen Hüben oder Drehhüben
und sind normalerweise mit weiteren Einrichtungen verbunden, die durch eine vom
Hubelement ausgehende Kraft- und Wegbeaufschlagung betätigt werden sollen.
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Zur Erzeugung von Hüben sind eine Reihe von Elementen allgemein bekannt
und in der Praxis in einer Vielzahl von Anwendungsfällen eingesetzt: Bei Exzentergetreben
wird eine Drehbewegung über eine exzentrisch verbundene Pleuelstange in eine lineare
Bewegung umngesetzt. Auch bei einem Spindeltrieb wird durch Verdrehen der Spindel
oder der Spindelmutter eine lineare Hubbewegung erzeugt. Mit diesen Bauteilen lassen
sich große Kräfte und auch große Wegstrecken als Hub übertragen. Es ist jedoch immer
ein
Zusatzaggregat erforderlich, das die Drehbewegung erzeugt. Daher,
und wegen des relativ komplizierten mechanischen Aufbaus, sind solche Hubelemente
aufwendig und teuer und erfordern ziemlich viel Platz, wodurch eine Miniaturisierung
nur begrenzt möglich ist.
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Eine weitere Gattung von Hubelementen arbeitet nach dem Prinzip, daß
in Arbeitsräume mit beweglichen Begrenzungswänden Flüssigkeiten oder Gase unter
Druck eingebracht werden und so die Begrenzungswände zur Erzeugung eines Hubs verschoben
werden. Als Arbeitsräume werden dabei hauptsächlich Kolbenzylindereinheiten, Faltenbälge,
Rohrfedern oder Membranbälge verwendet. Auch solche Hubelemente sind relativ aufwendig,
da sie in jedem Fall mit Druckquellen verbunden werden müssen und die Druckquellen
selbst, wie z. B. Pumpen, aufwendige Zusatzaggregate sind. Bei hydraulischen Systemen
ist zusätzlich ein Vorratsbehälter für die Hydraulikflüssigkeit im Hydrauliksystem
erforderlich. Wegen des erforderlichen Anschlusses mit Rohr- oder Schlauchleitungen
und die ebenfalls erforderliche Druckquelle ist auch bei diesen Hubelementen ein
relativ großes Einbauvolumen erforderlich und eine Miniaturisierung nur aufwendig
und begrenzt möglich.
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Ein weiteres bekanntes Hubelement stellt der Hubmagnet dar. Dabei
wird in der Regel ein metallisches Teil von der Spule eines ansteuerbaren Elektromagneten
an- bzw.
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in diese hineingezogen oder abgestoßen. Bei vielen Ausführungsformen
ist die Kraft-Weg-Kennlinie sehr unlinear und damit für viele Anwendungsfälle unbefriedigend.
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Für eineannähQrndkonstante Kraft-Weg-Kennlinie sind meist lange oder
unregelmäßig gewickelte Magnetspulen erforderlich, die teuer sind und ein großes
Bauvolumen aufweisen.
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Die Erfindung geht von der Kolben-Zylindereinheit einer Brennkraftmaschine
aus, die als ein thermisches Hubelement bezeichnet werden kann. Dabei wird in einem
zusammengeschobenen Zustand eines Arbeitsraums, des Hubraums, ein komprimiertes
Brennstoff-Luftgemisch gezündet. Dadurch wird thermische Energie frei, die zur Expansion
des Arbeitsraums, d. h. zum Ausschub des Kolbens aus dem Arbeitsraum führt. Ein
solches thermisches Hubelement ist wegen seines komplizierten Aufbaus in der Regel
nur für periodische Vorgänge, d. h. als Motor eingesetzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein thermisches Hubelement
zu schaffen, das einfach und kompakt aufgebaut und preiswert in der Herstellung
ist.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Hubelement mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Gemäß Anspruch 1 soll bei dem erfindungsgemäßen Hubelement ein Arbeitsraum
vorgesehen sein, der von verschiebbaren oder bewegbaren Begrenzungswänden umschlossen
ist.
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Der Arbeitsraum ist im Betrieb dicht abgeschlossen und enthält ein
vorbestimmtes Volumen eines Arbeitsmediums.
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Durch Zufuhr von Wärmeenergie ist der Arbeitsraum bzw.
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das Arbeitsmedium unter den vorgegebenen Einsatzbedingungen wenigstens
auf eine vorgegebene Temperatur bringbar, die dem Verdampfungs- bzw. Sublimationspunkt
des Arbeitsmediums entspricht.
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Mit diesen Merkmalen wird erreicht, daß bei der Wärmeenergiezufuhr
das Arbeitsmedium verdampft oder sublimiert und damit unter starker Volumenvergrößerung
seinen Aggregatzustand ändert. Dadurch erhöht sich der Druck im Arbeitsraum und
die bewegbare Begrenzungswand erzeugt durch eine Verschiebung die gewünschte Hubbewegung.
Der
Rückwärtshub erfolgt durch das Abkühlen und Kondensieren des
Arbeitsmediums. Das Abkühlen wird in der Regel durch Abschalten der thermischen
Energiezufuhr geschehen, die Abkühlung kann aber auch durch eine verstärkte Wärmeabstrahlung
bei ausgefahrenem Hubelement erfolgen. Der Rückwärtshub bzw. die Rückstellung des
Hubelements kann auch durch eine zusätzliche Federkraft unterstützt werden, die
entweder direkt am Hubelement angebracht ist oder in dem zu betätigenden Bauteil
enthalten ist.
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Das vorgeschlagene Hubelement ist mechanisch robust, zuverlässig und
einfach in der Herstellung. Es ist sowohl für die Übertragung hoher Kräfte als auch
großer Wege je nach Dimensionierung und Ausführung geeignet. Besonders vorteilhaft
ist das kleine Einbauvolumen, insbesondere dort, wo die thermische Energie von der
gesamten Einheit selbst oder einfach elektrisch zur Verfügung gestellt werden kann.
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Wenn sich durch Wärmezufuhr bei der Phasenübergangstemperatur der
Aggregatzustand des Arbeitsmediums ändert und sich dadurch der Druck, das Volumen
oder beides sich erheblich vergrößern, führt dies dazu, daß im Temperaturbereich
um die Umwandlungstemperatur die erzeugte Kraft nahezu unabhängig vom Hub ist. Dies
ergibt eine im wesentlichen wegunabhängige Kraft-Kennlinie, wie dies bei einem Großteil
aller Einsatzfälle eines Hubelements erwünscht ist.
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Anhand einer Zeichnung soll die Erfindung an Ausführungsbeispielen
mit weiteren Einzelheiten, Merkmalen und Vorteilen näher erläutert werden.
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Es zeigen Fig. 1 ein Hubelement als Faltenbalg mit elektrischer Wärmeenergiezuführung,
Fig.
2 ein Hubelement mit einer Teleskopführung im zusammengeschobenen (a) und im ausgefahrenen
(b) Zustand, Fig. 3 die Anordnung einer elektrischen Stabheizung in einem Hubelement,
Fig. 4 die Anordnung mehrerer elektrischer Heizkreise an einem Hubelement.
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In Fig. 1 ist ein Hubelement 1 dargestellt, das aus einem in Vertikalrichtung
(Pfeil 2) bewegbaren Metallfaltenbalg 3 besteht, der an seiner Ober- und Unterseite
Anschlußlaschen 4, 5 für (nicht dargestellte) elektrische Leitungen aufweist und
der ein Arbeitsmedium enthält. Der Metallfaltenbalg 3 ist hermetisch dicht und ein
in der Praxis bewährtes, einfaches und preiswertes Bauteil. Der Arbeitsraum des
Hubelements 1 könnte jedoch auch je nach Anwendungsfall zweckmäßig von einer Rohrfeder,
einer Zylinder-Kolbeneinheit oder einer Membran begrenzt sein. Auch diese Bauteile
sind in der Praxis bewährt.
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Als (nicht dargestelltes) Arbeitsmedium kann ein Feststoff oder eine
Flüssigkeit verwendet werden, die zweckmäßigerweise das Volumen des Arbeitsraumes
auch im zusammengeschobenen Zustand des Hubelements 1 nicht vollständig auszufüllen
brauchen. Es kann beispielsweise über die Füllmenge des Arbeitsmediums ein maximaler
Hub des Hubelements etwa eingestellt werden. Vorteilhaft kann ein sublimierender
Feststoff eingesetzt werden, der unter Volumen- bzw. Druckvergrößerung bei seiner
Sublimationstemperatur sublimiert und sich beim Abkühlen gleichmäßig auf den Begrenzungswänden
wieder als Feststoff niederschlägt. Damit wird ein guter Wärmeübergang von den in
der Regel aufgeheizten Begrenzungswänden auf das Arbeitsmedium erreicht, und (wenn
dies erwünscht wird) eine schnelle Ansprechzeit des Hubelements erzielt.
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Eine ähnliche Wirkung wird mit einer Flüssigkeit mit großer Viskosität
oder Adhäsionskraft an die Begrenzungswände erzielt, da auch hier ein inniger Wärmekontakt
zwischen den Begrenzungswänden und dem Arbeitsmedium hergestellt werden kann. Für
eine schnelle Ansprechzeit können jedoch auch Flüssigkeiten mit einer geringen Viskosität
verwendet werden, wobei es zweckmäßig ist, die Begrenzungswände mit einer saugfähigen
Schicht zu belegen, wodurch über eine Kapillarwirkung der saugfähigen Schicht das
Arbeitsmedium ebenfalls entlang der aufzuwärmenden Begrenzungswände gleichmäßiger
verteilt wird.
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Wird jedoch für andere Einsatzfälle ein im Ansprechverhalten und in
seiner Bewegung träges Hubelement gewünscht, ist ein schneller Wärmeübergang von
der Wärmequelle auf das Arbeitsmedium zu vermeiden. Dies ist beispielsweise so zu
erreichen, daß innerhalb des Arbeitsraums ohne Kontakt mit den Begrenzungswänden
bei einem flüssigen Arbeitsmedium ein saugfähiges Element (Docht) eingebracht ist.
Der Docht und damit das darin enthaltene Arbeitsmedium kann hier nahezu ausschließlich
nur langsam durch Strahlungswärme aufgeheizt werden, was zu einem trägen Verhalten
führt.
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Wenn über die Anschlußlaschen 4, 5 und über den metallischen Faltenbalg
3 ein Stromkreis geschlossen ist, wirkt der Faltenbalg als elektrischer Widerstand.
Dadurch werden in einer Art Widerstandsheizung die Begrenzungswände des Metallfaltenbalgs
über die Verdampfungs- bzw.
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Sublimationstemperatur des enthaltenen Arbeitsmediums erwärmt. Diese
Art der thermischen Energiezuführung ist äußerst einfach und platzsparend. Es ist
lediglich für eine elektrische und ggfs. thermische Isolierung zu sorgen, wie dies
in Verbindung mit Fig. 2 näher erläutert ist. Für die Aufheizung des Arbeitsmediums
könnte jedoch auch jede andere zur Verfügung stehende Wärmequelle verwendet werden.
Im Laborbetrieb wird beispielsweise sehr
oft noch mit offenen Gasflammen
(z.B. Bunsenbrenner) gearbeitet, die als Wärmequelle verwendbar sind. Weiter könnte
das Hubelement beispielsweise in einem aufzuwärmenden Flüssigkeitsbad angebracht
sein. Mit den vorstehend beschriebenen Anordnungen ist auch ohne weiteres zu ersehen,
daß das erfindungsgemäße Hubelement als Überwachungseinrichtung bei Überhitzungen
über den Verdampfungs- bzw. Sublimationspunkt des Arbeitsmediums einzusetzen ist.
Die räumliche Anordnung gegenüber der zu überwachenden Wärmequelle wirkt sich im
wesentlichen auf die Ansprechzeit und Trägheit des Hubelements aus.
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Als Teil einer Überwachungseinrichtung wird das Hubelement zweckmäßigerweise
an eine zu betätigende Meldeeinrichtung (Schalter) oder an eine automatische Absperreinrichtung
(Ventil) für die Wärmeenergiezufuhr angeschlossen. Eine ähnliche Überwachungsfunktion
kann das erfindungsgemäße Hubelement auch in elektrischen Geräten durchführen, wo
im Störfall in größeren Mengen Wärmeenergie frei wird.
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Das in Fig. 1 gezeigte Hubelement hat folgende Funktion: Bei Energiezufuhr
über die Laschen 4, 5 erhitzt sich die metallische Begrenzungswand des Faltenbalgs
3 und damit das im Inneren (Arbeitsraums) des Faltenbalgs 3 enthaltene Arbeitsmedium.
Nach Erreichen des Verdampfungs- bzw.Sublimationspunts des Arbeitsmediums ändert
sich dessen Aggregatzustand unter Vergrößerung des Drucks innerhalb des Arbeitsraums.
Dadurch wird der Faltenbalg 3, dessen Konstruktion (bei nicht zu großen Kräften)
nur eine Bewegung in die Faltungsrichtung (Pfeil 2) zuläßt, auseinanderbewegt. Diese
Bewegung kann zur Betätigung weiterer (nicht dargestellter) Einrichtungen verwendet
werden. In Fig. 1 ist die ausgefahrene Stellung durch strichlierte Linien dargestellt.
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Der Rückwärtshub wird nach dem Abkühlen des Arbeitsmediums entweder
selbsttätig durchgeführt oder der Faltenbalg wird
mit einer zusätzlichen
Rückstellkraft beaufschlagt.
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In Fig. 2 ist ebenfalls ein Faltenbalg 6 (schematisch) als Rechteck
dargestellt, der in einem Teleskopgehäuse 7 eingeschlossen ist. Das Teleskopgehäuse
7 besteht aus einem unteren, ortsfesten und nach oben offenen Teleskoprohr 8 und
einem darüber gesteckten, durch den Faltenbalg 6 nach oben bewegbaren Teleskoprohr
9. Mit dem oberen Teleskoprohr 9 sind zwei schematisch dargestellte Schubstangen
10, 11 verbunden, die auf einen Schalter 12 und ein Absperrventil 13 wirken, um
die Betätigungsmöglichkeiten durch das Hubelement 1 anzudeuten. Das untere und obere
Teleskoprohr 8 und 9 enthalten an ihren Umfangswänden Belüftungsöffnungen 14.
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In Fig. 2 a) ist das Hubelement 1 im zusammengeschobenen Zustand dargestellt.
Dabei ist zu erkennen, daß die Belüftungsöffnungen an den Teleskoprohren 9, 10 so
angebracht sind, daß sie sich im zusammengeschobenen Zustand gegenseitig abdecken,
d. h. keine durchgehende Öffnung zum Faltenbalg 6 besteht.
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In Fig. 2 b) ist das Hubelement 1 im ausgefahrenen Zustand gezeigt.
Dabei ist zu erkennen, daß die Teleskoprohre 8 und 9 ausgefahren sind und dadurch
über die Belüftungsöffnungen 14 eine unmittelbare Verbindung zur (kühleren) Umgebungsluft
hergestellt ist.
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Das in Fig. 2 dargestellte Hubelement hat folgende Funktion: Der Faltenbalg
6 wird im zusammengeschobenen Zustand (Fig. 2 a) entsprechend der Ausführung in
Fig. 1 elektrisch aufgeheizt. Dabei ist der Faltenbalg 6 elektrisch und thermisch
durch die Teleskoprohre 8, 9 gut isoliert, da auch die Belüftungsöffnungen gegenseitig
abgedeckt sind. Das Hubelement 1 hat daher nach kurzer Ansprechzeit bereits die
Übergangstemperatur des Arbeits-
mediums erreicht und bewegt sich
in die in Fig. 2 b) dargestellte Stellung. Wenn hier die Energiezufuhr (elektrischer
Strom) unterbrochen wird, kühlt der Faltenbalg 6 wegen der frei liegenden Belüftungsöffnungen
14 schnell unter die Übergangstemperatur des Arbeitsmediums ab, wodurch auch für
die Rückführung eine kurze Ansprechzeit erzielt wird.
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Bei einem von innen mit Druck durch das Arbeitsmedium beaufschlagten
Falten- oder Membranbalg besteht insbesondere bei größeren Drücken die Gefahr eines
seitlichen Ausknickens. Auch dieses Problem wird mit der in Fig. 2 aufgezeigten
Teleskopführung gelöst, sofern diese entsprechend stark dimensioniert ist.
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In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform eines Hubelements 1 dargestellt,
die bevorzugt träge ansprechen soll. Dazu ist in einem Arbeitsraum (schematisch
dargestellter Faltenbalg 15) eine elektrische Heizkerze angebracht. Wie bereits
weiter oben dargestellt, schlägt sich beim Abkühlen ein sublimierender Fest stoff
im wesentlichen auf der abkühlenden Begrenzungswand nieder und ein flüssiges Arbeitsmedium
sammelt sich in saugfähigen Begrenzungsoberflächen oder am Boden des Hubelements.
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Durch die Verwendung der Heizkerze 16 wird daher kein unmittelbarer
oder nur geringfügiger direkter Kontakt zwischen der Wärmequelle und dem Arbeitsmedium
hergestellt, wodurch der Wärmeaustausch in erster Linie über den träge verlaufenden
Prozeß des Wärmestrahlungsübergangs erfolgen muß. Das Hubelement spricht daher nur
sehr langsam und träge an. Das Hubelement kann daher beispielsweise für eine Stromüberwachung
eingesetzt werden, bei der auch relativ lang andauernde Überströme noch keinen Schaden
anrichten, sondern erst nach einer relativ langen Überstromdauer abgeschaltet werden
muß.
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In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform eines Hubelements dargestellt,
bei dem ein (schematisch gezeichneter) Faltenbalg 17 unter Bildung eines Zwischenraums
18 von einem metallischen Gehäuse 19 umgeben ist. Im Zwischenraum 18 befindet sich
sowohl das Arbeitsmedium, so daß der Faltenbalg von außen beaufschlagt ist,als auch
eine elektrische Heizwendel 20. Die Heizwendel 20 ist an den Stellen 21, 22 elektrisch
angeschlossen. Weiter ist ebenfalls das metallische Gehäuse 19 und der metallische
Faltenbalg 17 an den Stellen 23, 24, 25 elektrisch als Widerstandsheizung angeschlossen.
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An dieser Ausführungsform ist zu ersehen, daß es ohne weiteres möglich
ist, einen Faltenbalg auch von außen her mit Druck zu beaufschlagen und damit die
Zusammenschubbewegung des FaltenbalgsE als Betätigungsbewegungen zu nutzen. Im vorliegenden
Fall könnte beispielsweise das Gehäuse 19 mit einem oberen Deckel versehen sein,
durch den eine mit dem Balg 17 verbundene Hubstange geführt ist, und der zugleich
als Stangenführung verwendet werden könnte.
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Bei der Ausführung gemäß Fig. L sind zwei unabhängige Heizungen vorgesehen,
die Heivendel 20 und die Widerstandsheizung über die äußere Gehäusewand und die
Faltenbalgwand. Damit kann für geeignete Anwendungsfälle die Ansprechgeschwindigkeit
verändert und gesteuert werden, je nachdem, ob die eine oder andere oder beide Heizungen
eingeschaltet werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Hubelement läßt sich auch einfach und vorteilhaft
ein Oszillator aufbauen. Beispielsweise bräuchte lediglich der in Fig. 2 dargestellte
Schalter 12 in den elektrischen Heizkreis für den Balg 6 in der Art eingeschaltet
werden, daß bei zusammengeschobenem Hubelement (Fig. 2 a) der Schalter 12 geschlossen
ist und bei ausgefahrenem Hubelement (Fig. 2 b) der Schalter 12 geöffnet wird. Eine
ähnliche Ausfuhrungsform
wäre mit einer betätigbaren Absperr- oder
Reduziereinrichtung für Heizgas durchführbar.
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Da das erfindungsgemäße Hubelement relativ langsame Bewegungen durchführt,
ist es zweckmäßig, für Schalterbetätigungen bistabile Federelemente zwischen Hubelement
und Schalter vorzusehen. Insbesondere bei elektrischen Schaltern kann die langsame
Annäherung von Schaltkontakten zu Funkenüberschlägen und zum unerwünschten Verschmoren
der Kontaktflächen führen, so daß gerade hier eine schlagartige Schalterbetätigung
über eine bistabile Feder empfehlenswert ist.
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Bei hochwertigen Kraftfahrzeugen sind Einrichtungen an Gurtschlössern
bekannt, mit denen nach einer Fahrt beim Abschalten der Zündung die Gurtschlösser
sofort automatisch geöffnet werden. Zusätzlich sind diese Offnungseinrichtungen
teilweise an weitere Sensoren, wie beispielsweise Hitzesensoren, Aufprallsensoren
etc. angeschlossen, um ein Öffnen des Gurtschlosses nach Unfällen oder bei Fahrzeugbränden
sicher zu stellen. Als Hubelemente für die Auslöseeinrichtung werden dabei in der
Regel Hubmagneten oder Elektromotoren verwendet. Die hier verwendeten Hubelemente
haben sich in der Praxis als nicht befriedigend zuverlässig erwiesen, insbesondere
wegen der notwendigen kleinen Bauvolumina aufgrund der kleinen Einbaumaße. Gerade
in einer an sich bekannten Auslösevorrichtung für Gurtschlösser ist das erfindungsgemäße
Hubelement vorteilhaft und bevorzugt einzusetzen und es hat sich in Versuchen bereits
gut bewährt.
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Zusammenfassend wird festgestellt, daß mit der Erfindung ein thermisches
Hubelement hoher Leistungsdichte, mechanischer Robustheit, hoher Zuverlässigkeit
und der Möglichkeit einer einfachen Herstellung aufgezeigt wurde.