DE3637102C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem vorverformten Biegeelement in Gestalt eines Drahtes Stabes oder Streifens aus einem Memory­ metall, das bei Über- bzw. Unterschreiten einer kritischen Temperatur mit einem austenitischen bzw. martensitischen Übergang einen Formänderungsweg durchläuft und dessen Enden gegeneinander ortsfest eingespannt sind.

Der Memoryeffekt kann anschaulich etwa so beschrie­ ben werden: Wird ein Bauteil aus einem Memorywerk­ stoff bei niedriger Temperatur bleibend verformt und anschließend auf eine Temperatur erwärmt, die oberhalb seiner Umwandlungstemperatur liegt, so nimmt es nahezu vollständig die Form ein, die es vor der Verformung besaß. Hierbei kann das Bauteil eine Kraft ausüben und mechanische Arbeit leisten. Die verwendeten Memoryteile werden vielfach einge­ setzt, z. B. in Form von selbstaufrichtenden Luft­ raum-, Weltraum- oder Wasserbauteilen, Maschinen­ lagerungen und Maschineneinrichtungen mit geringerer Lärmentwicklung, vorgespannten Verbindungs- und Be­ festigungs- sowie Verstärkungselementen und als Werkzeuge.

Aus der DE-AS 12 88 363 (vgl. Fig. 3) ist eine gattungsgemäße Vorrichtung mit einem vorverformten bandförmigen Biegelement aus einer TiNi-Legierung bekannt, welches zwischen zwei feststehenden Pfosten eingespannt ist und einen geraden Bereich sowie einen unterhalb der kritischen Temperatur tordierten Bereich aufweist. Zur Erzielung einer reversiblen Arbeitsweise wird der tordierte Bereich auf eine Temperatur oberhalb der Umwandlungstempe­ ratur erwärmt, wodurch dieser Bereich gestreckt und der bisher gerade Bereich tordiert wird. Durch Um­ kehrung dieser Vorgehensweise, nämlich Erhitzen des jetzt tordierten Bereichs über die Umwandlungstempe­ ratur, während der nun gestreckte Bereich unterhalb der Umwandlungstemperatur belassen wird, kann die Bewegungsrichtung umgekehrt werden. Die bekannte Vorrichtung, die mit reversibler Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie arbeitet, kann beispielsweise zur Fernsteuerung eines Schalters oder auch zum Öffnen und Schließen der Kontakte eines Schalters eingesetzt werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die für bestimmte Hubarbeiten oder Schaltvorgänge aufzubringenden Kräfte nicht immer durch Auslösung des Memoryeffektes aufgebracht werden können, was eine Beschränkung des Anwendungs­ bereichs derartiger mit Memorybauteilen ausgestatteter Vorrichtungen zur Folge hatte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung der eingangs erwähnten Gattung zu schaffen, die sich durch eine verbesserte Hubfähigkeit des Biegeelements bzw. die sich bei Hubbehinderung durch eine erhöhte Vorspannkraft in Hubrichtung auszeichnet.

Die gestellte Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die extreme Behinderung an den Enden des beanspruchten Biegeelements führt zum Aufbau eines hohen inneren Spannungszustands, der insgesamt eine erhöhte Hubenergie zur Folge hat.

Der Erfindungsgegenstand kann dadurch weiter ausge­ staltet sein, daß entgegengesetzt zur Richtung des Formänderungsweges wirkende Gewichte und/oder Federn vorgesehen sind, welche die Rückstellbewegung des Biegeelements unterstützen können (Patentan­ spruch 2). Vorzugsweise besteht das Biegeelement aus einer Legierung, die 54 bis 56 Gew.-% Nickel und 46 bis 44 Gew.-% Titan enthält (Patentanspruch 3). Abhängig von der Legierungszusammensetzung wird die Auslösung des Memoryeffektes bei Erhöhung der Um­ gebungstemperatur ohne Fremdenergie stattfinden; es ist jedoch auch möglich, das Biegeelement über PTC-Widerstände (Patentanspruch 4) oder über eine andere Heizung (Patentanspruch 5) zu erwärmen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vielseitig verwendet werden, insbesondere zeigt sie jedoch herausragende Eigenschaften als Hubelement und/oder elektrische bzw. mechanische Schaltkontakte öffnen­ des und schließendes Bauelement in Schaltern; sie kann vorzugsweise auch zur Aktivierung von Klemm­ kontakten oder als Betätigungselement für ein Ab­ sperrorgan eines Durchlaßquerschnittes eingesetzt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine grafische Darstellung der Verformung eines Memorybauteils in Abhängigkeit von der Temperatur,

Fig. 2a, b Jeweils einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in zwei Endzuständen und

Fig. 3a, b in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein Ventil, welches mittels eines Biegeelements aus Memorymetall geöffnet und ge­ schlossen werden kann.

In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist auf der Ordinate die Dehnung bzw. Verformung und auf der Ab­ szisse die Temperatur eines stab- oder schrauben­ förmigen Memoryteils aufgetragen. Im Punkt 1 befin­ det sich das Memoryteil in unverformtem Zustand bei Raumtemperatur, von wo aus es unter Beibehaltung der Temperatur so verformt wird, daß es eine Deh­ nung erhält, die dem Punkt 2 entspricht. Wird dieses vorverformte Memorymetall nunmehr erwärmt, so tritt etwa beim Punkt 3 die den Memoryeffekt be­ wirkende Gefügeumwandlung ein, welche die Verfor­ mung des Memoryteils etwa zum Punkt 4 rückgängig macht. Eine anschließende Abkühlung des Memoryteils bewirkt etwa beim Punkt 5 die Rückumwandlung des Gefüges und damit eine Verformung bis etwa zum Punkt 6. Eine erneute Erwärmung des Memoryteils verursacht etwa beim Punkt 7 eine abermalige Ge­ fügeumwandlung mit einem Rückgang der Verformung bis zum Punkt 8. Der zuletzt beschriebene Kreislauf zwischen den Punkten 8, 5, 6, 7, 8 stellt den reversiblen Anteil des Memoryeffektes dar. Diese Hysterese ist insbesondere durch die Punkte 7 und 8 beim Beginn und Ende der Austenitbildung sowie durch die Punkte 5 und 6 beim Beginn und Ende der Martensitbildung des Gefüges geprägt. Die ent­ stehende Hysterese mit der Breite von ΔT = 30°C ändert ihre Größe und Lage bei allen folgenden Zyklen nicht mehr.

Die vorstehenden Darlegungen verdeutlichen den Vorteil eines Memorybauteils gegenüber einem andersartig wirkenden Thermobimetall: Die Ver­ bindung zweier Metallbänder mit unterschiedlicher Wärmeausdehnungszahl führt auf eine streng monoton wachsende Funktion von Temperatur und Verformung. Das Prinzip des Bimetalls beschränkt somit die Größe der ausübbaren Kraft und läßt nur eine Biege­ verformung zu, während die relativ breite Hysterese beim Memorymetall steuerbare Schalttemperaturen der Biegeelemente zuläßt.

Das in Fig. 2a, b dargestellte Biegelement 9 mit fest eingespannten Enden 10, welches in der Ausgangslage (Fig. 2a) dreifach gekrümmt ist, besteht vor seinem Einbau aus einem Blechstreifen aus einer Memory­ legierung. Löst man durch Aufheizen dieses Biege­ elements den Memoryeffekt aus, so bewirkt die extreme Behinderung an den Enden 10 einen hohen inneren Spannungszustand, den das Biegeelement teil­ weise nur dadurch abbauen kann, daß es - wie aus Fig. 2b ersichtlich - nach oben ausweicht. Dabei führt das Biegeelement einen Hub H₁-H₂ aus, der bei Behinderung die Vorspannkraft in Hubrichtung sogar noch vergrößert. Wäre das Biegeelement an seinen Enden 10 nicht eingespannt, so nähme es nach Auslösen des Memoryeffektes wieder seine Aus­ gangsform, also den geraden bzw. ebenen Zustand an. Die in Rede stehende Ausführungsform stellt also ein größeres Kraftreservoir dar als ein Biege­ element mit einseitiger Einspannung.

Die für die Auslösung des Memoryeffektes erforder­ liche Umwandlungstemperatur kann dadurch erreicht werden, daß das Biegeelement durch die Umgebungs­ wärme aufgeheizt wird; eine andere Steuerungsmög­ lichkeit besteht darin, dem Biegeelement über eine Heizung bzw. über einen PTC-Widerstand Wärme zuzu­ führen.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 läßt sich bei­ spielsweise in einem Sicherheitsventil in der Gas­ technik anwenden. Es ist ohne weiteres möglich, mittels eines Biegeelements der dargestellten Bau­ weise einen Hub von mehreren Millimetern mit einer Kraft bis zu 10²N auszuführen. Der von der Form­ änderung betroffene Biegeelementteil drückt bei seiner Formänderung beispielsweise auf einen Bolzen, wodurch eine lineare Bewegung erzeugt wird.

Es ist jedoch auch möglich, den Formänderungsweg des Biegeelements für Ein- und Ausschaltvorgänge an mechanischen Schaltern zu benutzen oder es als Klemmelement bzw. als elektrisches Schaltelement einzusetzen.

Das in Fig. 3 dargestellte Ventil, welches mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 2 ausgestattet ist, läßt sich vom geöffneten Betriebszustand (Fig. 3a) in den geschlossenen Störfallzustand (Fig. 3b) überführen. Ein Störfall ist dabei dann gegeben, wenn die Umgebungstemperatur unzulässig hohe Werte annimmt. In diesem Fall erwärmt sich das Biegeelement 13 über die Auslösetemperatur (A_S-Temperatur), verformt sich und gibt über den nach oben mitgeführten Riegel 14 den Ventilverschluß 11 schlagartig frei, der über eine Druckfeder 12 auf den Ventilsitz gepreßt wird.

Claims (5)

1. Vorrichtung mit einem vorverformten Biegeelement in Gestalt eines Drahtes, Stabes oder Streifens aus einem Memorymetall, das bei Ober- bzw. Unterschreiten einer kritischen Temperatur mit einem austenitischen bzw. martensitischen Übergang einen Formänderungsweg durchläuft und dessen Enden gegeneinander ortsfest eingespannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegeelement (9, 13) in der Ausgangslage dreifach gekrümmt und in seinem anderen Formendzustand U-förmig ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entgegengesetzt zur Richtung des Formänderungsweges wirkende Gewichte und/oder Federn vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegelement (9, 13) zumindest teilweise aus einer Legierung mit 54 bis 56 Gew.-% Ni und 46 bis 44 Gew.-% Ti besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegeelement (9, 13) über PTC-Widerstände heizbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegeelement (9, 13) mit einer Heizwicklung versehen ist.