DE3802919A1

DE3802919A1 - Stellelement mit vorgeformtem element aus einem beheizbaren memorymetall

Info

Publication number: DE3802919A1
Application number: DE19883802919
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Feldmann; Hans-Georg Reiss; Thomas Remmen
Original assignee: Systemtechnik GmbH
Current assignee: Krupp Industietechnik GmbH
Priority date: 1988-02-02
Filing date: 1988-02-02
Publication date: 1988-08-18
Also published as: EP0326851A3; EP0326851A2; JPH01227089A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Stellelement mit vorgeformtem Element aus einem beheizbaren Memorymetall, das bei Unter- oder Überschreitung einer kritischen Temperatur verschiedene Gestalt annimmt.

Nach der DE-PS 34 00 793 ist eine Verschlußeinrichtung für Lüftungskanäle mit einem Stellorgan aus einer Memory-Legierung bekannt. Dieses Stellorgan hat hier jedoch die Wirkung eines Schalters, der gegenüber den älteren Bimetallschaltern kürzere Ein- und Ausschaltverzögerungszeiten hat. Außerdem haben diese Stellorgane aus Memorymetall gegenüber den älteren Bimetallschaltern den Vorteil, daß sie geringere Heizung benötigen, geringeres Volumen haben und insgesamt geringeren Aufwand erfordern.

Im Modellbau, speziell im Eisenbahnmodellbau sollen demgegenüber Bewegungsvorgänge möglichst originalgetreu nachgebildet werden. Bisher gelingt diese Nachbildung nur bei einigen Bewegungsabläufen, bei anderen werden diese mit Magnetschaltern nur in Schaltvorgänge umgesetzt, eine weitere Gruppe von Bewegungsabläufen schließlich kann bisher noch gar nicht nachgebildet werden. Wegen der Größe der bekannten Stellantriebe und Stellglieder im Modellbau sind andere Lösungen bisher nicht möglich gewesen.

Mit den Memorymetall-Elementen können nach der bekannten DE-PS 34 00 793 zwar kleine Schalter gebaut werden, aber für eine Nachbildung des Bewegungsvorgangs gibt es keine Hinweise. So werden z. B. auch jetzt noch neue Gleissysteme für den Eisenbahnmodellbau mit den bisher bekannten Stellantrieben und Stellelementen neu entwickelt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, mit Hilfe eines Stellelements Bewegungsabläufe in miniaturisierter Form originalgetreu nachzubilden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Stellelement ein Element aus Memorymetall enthält, das vorgeformt ist, so daß es bei Unter- bzw. Überschreitung einer kritischen Temperatur eine Formänderung erfährt. Die Beheizung des Memorymetalls wird so durchgeführt, daß die Formänderung in Abhängigkeit von der Temperaturänderung hinreichend langsam bis hinreichend schnell, d. h. möglichst originalgetreu durchlaufen wird. Auf diese Weise lassen sich Bewegungsvorgänge zwischen zwei stabilen Zuständen nachbilden.

Wegen der einfachen Massenherstellung geeigneter Memorymetall-Elemente sind die erfindungsgemäßen Stellelemente insbesondere für den Serienmodellbau geeignet. Dabei ist der Eisenbahnmodellbau besonders hervorzuheben.

Das Memoryelement kann entweder aus bekannten Nickel-Titan-Legierungen bestehen oder besser noch aus einer Nickel-Titan-Kupfer-Legierung, mit 48,1 Gew.-% Ni 50,25 Gew.-% und
43,9 Gew.-% Ti 45,5 Gew.-%, Rest Kupfer. Diese Legierung zeichnet sich insbesondere aus durch geringere Ermüdungserscheinungen. Die verschiedenen Zusammensetzungen haben darüber hinaus verschiedene kritische Temperaturen von 8 °C bis 68°C.

Bei vielen Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn das Stellelement vollständig aus Memorymetall besteht. Zur Nachbildung komplexerer Bewegungsvorgänge ist es besonders günstig, wenn das Stellelement abschnittweise in verschiedener Weise vorgeformt ist und die einzelnen Abschnitte in ihrer Geometrie unterschiedlich ausgebildet sind. Außerdem lassen sich komplexe Bewegungsvorgänge in vorteilhafter Weise dadurch nachbilden, daß das Memorymetall-Element abschnittweise aus verschiedenen Legierungen mit verschiedenen kritischen Temperaturen besteht. Schließlich läßt sich das Memorymetall-Element in einem Stellelement auch mit konventionellen Schaltelementen kombinieren.

Die Heizung der Memorymetall-Elemente kann entweder durch den ohmschen Widerstand des Memorymetalls selbst besorgt werden, oder durch einen PTC-Widerstand. Besonders vorteilhaft ist in vielen Fällen die Heizung des Memorymetalls mit Mikrowellen oder Infrarot, da diese Heizung berührungslos und unsichtbar ist. Die Heizungen sind jeweils an eine in bekannter Technik ausgeführte geregelte Heizstromquelle angeschlossen. Die eingespeiste Energie ist gegeben durch Strom×Spannung×Zeit und soll mindestens einen Abschnitt des Memoryelements von der Umgebungstemperatur auf die kritische Temperatur aufheizen. Diese Energie kann z.B. bei konstantem Strom entweder bei einer hohen Spannung über eine kurze Zeit oder bei einer niedrigen Spannung über eine längere Zeit abgegeben werden. Durch geeignete Wahl der Spannung und der Zeit kann der Bewegungsablauf originalgetreu oder wie vorgegeben bestimmt werden.

Im einfachsten Fall ist das Memorymetall-Element ein im vorgeformten Zustand gebogener oder tordierter Stab aus Memorymetall. Werden größere Kräfte für den Stellvorgang benötigt, so erhält das Memorymetall-Element die Form von Schraubenfedern oder Spiralen. Bei komplexeren Bewegungsvorgängen kann das Memorymetall-Element verschiedene Verzweigungen aufweisen, die jeweils unterschiedlich reagieren.

Für eine noch bessere Originaltreue der Bewegungen können die Memorymetall-Elemente noch mit Federn und Gewichten versehen werden.

In der schematischen Zeichnung in Fig. 1 bis 5 sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1a, b Memorymetall-Element als Stellelement zur Betätigung eines Signals,

Fig. 2a, b Memorymetall-Element als Scharnier,

Fig. 3a, b Memorymetall-Element als Torsionselement zum Schwenken des Wasserarms eines Wasserkrans,

Fig. 4a-f mehrarmiges Memorymetallelement,

Fig. 5a, b Memorymetall-Element in Verbindung mit einem Klinkenrad.

Fig. 1a und 1b zeigen im Schnitt das Modell eines Eisenbahnsignals mit einem Stellelement. Das Stellelement 3 ist aus Memorymetall und ist einseitig formschlüssig eingespannt und am anderen Ende frei beweglich. Fig. 1b zeigt die Ruhestellung des Stellelementes 3 und Fig. 1a zeigt die Stellung des Stellelementes, wenn die kritische Temperatur des Memorymetalls erreicht ist. Durch die Formänderung des Memorymetalls wird das Signal 2 am Mast 1 verstellt.

In Fig. 2a und 2b wird das Memoryelement 1 als Scharnier eingesetzt. Fig. 2b zeigt das Memorymetall 1 in Ruhestellung, Fig. 2a bei Erreichen der kritischen Temperatur. Durch Beheizen des Memoryelements kann so z.B. eine Tür geöffnet werden.

Fig. 3a und 3b zeigen einen Wasserkran, bei dem der Wasserarm mit Hilfe des Memoryelementes um 90° geschwenkt wird. Das Memoryelement 1 verdrillt sich in diesem Fall bei Oberschreiten der kritischen Temperatur so, daß die Bewegung um 90° ausgeführt wird.

Fig. 4a bis f zeigen im Schnitt und in der Draufsicht das Ausführungsbeispiel eines Stellelements aus Memorymetall mit zwei Enden mit unterschiedlichen Querschnitten und unterschiedlicher Formgebung, mittig formschlüssig eingespannt, an beiden Enden frei beweglich, in drei möglichen Stellungen.

In Fig. 4a und b wird die Ruhestellung gezeigt. Teil 1, 2 und 2 a stellen das Memoryelement dar. Teil 3, z.B. ein Seil, das zu stellende Teil. In Fig. 4c und 4d ist der Zustand dargestellt worden, bei dem das Teil 1 die kritische Temperatur erreicht hat, aber Teil 2 mit 2 a noch unterhalb der kritischen Temperatur liegt. Das Teil 1 drückt das zu stellende Teil 3 unter die Haltelasche 2 a des dickeren nur langsamer, wegen größerer Masse, zu erwärmenden Teiles 2, das durch die nur kurze Aufheizzeit noch nicht seine Umwandlungstemperatur erreicht hat. Beim Abkühlen nimmt das Memoryelement wieder die Gestalt wie in Fig. 4a und 4b ein, das zu stellende Teil 3 wird jedoch weiterhin durch die Haltelasche 2 a gehalten. Fig. 4e und Fig. 4f zeigen das Memorymetall in einem Zustand, bei dem beide Teile 1 und 2 mit 2 a die kritische Umwandlungstemperatur erreicht haben. Dabei dreht Teil 2 die Haltelasche 2 a derart, daß das zu stellende Teil 3 freigegeben wird und während des Abkühlens des Teiles 1 wieder in die Position 4 a, 4 b geführt wird. Durch die örtliche Wärmespeicherung bewegt sich das Teil 2 mit 2 a erst nach einer Verzögerung in die Position nach Fig. 4a und Fig. 4b zurück.

Fig. 5a und 5b zeigen das Stellglied aus Memorymetall 1 mit einer Klinkenrad-Nockenrad-Kombination. Das Memorymetall-Element 1 dreht das Klinkenrad 4 bei Erwärmung um eine Stufe und steht dann in der in Fig. 5b dargestellten Position. Der Stößel 2 auf dem Nockenrad 5 wird dabei angehoben und die Falle 3 rastet im folgenden Zahn ein. Nach dem Abkühlungsvorgang nimmt das Memorymetall unterstützt durch die Feder 6 wieder seine Ausgangsposition (Fig. 5a) ein. Nach einem weiteren Erwärmungszyklus kehrt der Stößel 2 wieder in die gesenkte Position zurück.

Die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen jeweils nur den Endzustand des Memorymetall-Elementes. Die jeweiligen Bewegungsvorgänge werden durch geeignete Wahl der Zeit und der Spannung gesteuert.

Claims

1. Stellelement mit vorgeformtem Element aus einem beheizbaren Memorymetall, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des Memorymetall-Elements die Bewegung zwischen zwei Zuständen originalgetreu nachgebildet wird.

2. Stellelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es für den Serienmodellbau eingesetzt wird.

3. Stellelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es für den Eisenbahnmodellbau eingesetzt wird.

4. Stellelement nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Memorymetall eine Nickel-Titan-Legierung ist.

5. Stellelement nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Memorymetall eine Nickel-Titan-Kupfer-Legierung ist, die folgende Zusammensetzung hat:
48,1 Gew.-% Ni 50,25 Gew.-%
43,9 Gew.-% Ti 45,5 Gew.-%
Rest Kupfer.

6. Stellelement nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es vollständig aus Memorymetall besteht.

7. Stellelement nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgeformte Element aus Memorymetall abschnittweise aus verschiedenen Legierungen besteht.

8. Stellelement nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus Memorymetall abschnittweise verschieden vorgeformt ist, so daß die einzelnen Abschnitte bei Unter- oder Überschreitung der kritischen Temperatur die jeweiligen Formveränderungen erfahren.

9. Stellelement nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement aus einer Kombination von Schaltelement und Memorymetall besteht.

10. Stellelement nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Memorymetall-Element durch Mikrowellen geheizt wird.

11. Stellelement nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Memorymetall-Element durch Infrarot (z.B. mit Hilfe von GAs-Dioden, Laser-Dioden) geheizt wird.