DE4322731A1 - Ventil zur Regelung von Fluidströmen mit einem Stellorgan aus elektrisch heizbarem, gestaltserinnerndem Werkstoff - Google Patents
Ventil zur Regelung von Fluidströmen mit einem Stellorgan aus elektrisch heizbarem, gestaltserinnerndem WerkstoffInfo
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Description
Die Erfindung betrifft Ventile zur Regelung von
Fluidströmen mit einem Stellorgan aus elektrisch heizbarem,
gestaltserinnerndem Werkstoff, welches ein Verschlußelement
gegen die Rückstellkraft einer Feder nach Maßgabe einer
temperaturbedingten Längenänderung in seiner Position
relativ zum Ventilsitz einstellt.
Aus der deutschen Zeitschrift Management Wissen 8/88, Seite
59 "Tech-Highlights" ist ein Druckluftventil für
Robotersteuerungen bekannt. Dieses Ventil zeichnet sich
durch äußerst kleine Bauweise, einfache Konstruktion und
schnelle Schaltimpulse aus. Es ersetzt bisher verwendete
elektromagnetische Ventile, die im Gegensatz dazu groß und
teuer sind, wobei deren Magneten oftmals eine Quelle von
Störungen für Sensoren sowie für empfindliche
mikroelektronische Schaltungen sind.
Die neuen, extrem kleinen Ventile verwenden
Gedächtnismetalle als aktives Element. In die
Molekülstruktur dieser Legierungen ist die Geometrie einer
Festkörperphase eingeprägt, so daß in Abhängigkeit von der
Temperatur geometrische Änderungen stattfinden können. Das
bekannte Druckluftventil hat einen Gedächtnismetallstift,
der mit der Ventilspitze verbunden ist, die von einer
Druckfeder in Verschlußposition gehalten wird. Der
Gedächtnismetallstift ist in eine elektrische Schaltung
integriert. Wenn kein Strom fließt, hält die Feder das
Ventil verschlossen, wobei das Gedächtnismetall im Zustand
der Niedrigtemperatur seine vergleichsweise längere
geometrische Form behält. Wenn es mit Strom erhitzt wird,
wandelt es sich in seine zweite Hochdrucktemperaturform um
und wird kürzer. Dabei wird die Federkraft überwunden und
das Ventil geöffnet.
Es handelt sich bei der bekannten Ausführung des Ventils um
ein reines Steuerorgan mit Öffnungs- bzw.
Verschlußfunktion. Eine Regelung von Fluidströmen ist mit
dem bekannten Ventil nicht durchführbar.
Aus der EP-A1-0 391 018 ist ein Sensor für Meß- und
Analysengeräte bekannt. Es handelt sich dabei um ein
Sensorelement, bei welchem die zu messende Größe
unmittelbar oder mittelbar Einfluß auf den Zustand des
Werkstoffes des Sensorelementes ausübt. Das Sensorelement
besteht aus einem gestaltserinnernden Werkstoff und ist
derart beheizbar, daß seine Betriebstemperatur auf eine
Temperatur im Bereich des strukturellen Phasenüberganges
seines Werkstoffes einstellbar ist. Kennzeichen der
Funktion des bekannten Meß- und Analysengerätes ist, daß
die Temperatur des Sensors mit Hilfe eines regelbaren
Heizstromes konstant gehalten wird, wobei die am
Drahtabschnitt anliegende Spannung, der Heizstrom oder die
Heizleistung, als Meßgröße verwendet wird. Bei diesem
bekannten Gerät hat die zu messende Größe Einfluß auf die
Temperatur des im Bereich des Phasenstrukturüberganges von
der Niedertemperaturphase in die Hochtemperaturphase mit
Hilfe einer Heizstromregelung gehaltenen
gestaltserinnernden Werkstoffes, d. h. der Heizstrom wird
einer Temperaturänderung des Werkstoffs nachgeregelt.
Eine unmittelbare Regelung von Fluidströmen ist mit dem
bekannten Meß- und Analysengerät nicht möglich, sondern
bedürfte der Anordnung eines zusätzlichen
elektromechanischen bzw. elektromagnetischen
Regelungsorganes für den Fluidstrom, welches dann durch das
bekannte Meß- und Analysengerät angesteuert werden müßte.
Eine derartige Anordnung ist aufwendig, störanfällig und
somit unbefriedigend.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ventil
zur Regelung von Fluidströmen mit einem Stellorgan aus
elektrisch heizbarem gestaltserinnerndem Werkstoff der
eingangs genannten Art anzugeben, welches für eine
unmittelbare Regelung insbesondere im Sinne von
Konstanthaltung eines vorgegebenen Zustandes eines
hindurchgeleiteten Fluidstromes verwendbar und
darüber hinaus unkompliziert im Aufbau und extrem klein
ist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einem Ventil
der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art mit der
Erfindung dadurch, daß das Stellorgan ein auf eine
Temperatur des gestaltungserinnernden Werkstoffs SMA (SMA =
Shape Memory Alloy) innerhalb des Phasenübergangsbereiches
durch Konstantstrom beheizter Faden und der den Faden
umgebende Ventilkörper im Zusammenwirken mit diesem als
eine in besonderer Weise auf Änderungen im Zustand eines
hindurchgeleiteten Fluidstromes ansprechende
Wärmeaustauschvorrichtung ausgebildet ist.
Mit Vorteil eignet sich das Ventil zur unmittelbaren
Regelung eines Fluidstromes, wobei dieser innerhalb eines
vergleichsweise engen Gleichgewichtsbereiches seines
Zustandes beispielsweise in einem konstanten Druckbereich,
einem konstanten Flußbereich oder einem konstanten
Gasgemischbereich oder auch in einem konstanten
Temperaturbereich eingeregelt wird.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Ventil
den SMA-Faden aufnehmende, die zu regelnden Fluid-Ströme
leitende und dem Wärmeaustausch zwischen dem SMA-Faden und
den Fluid-Strömen dienende Kanäle bzw. Anschlüsse aufweist.
Dem Ventil und seinen systematischen Ventilvarianten ist
gemeinsam, daß die Kontraktion bzw. Elongation eines
Stellorgans aus gestaltserinnerndem Material zur Betätigung
des Verschlußmechanismus genutzt wird. Eine weitere
Gemeinsamkeit in der Anordnung des Ventils bzw. seiner
Ventilvarianten ist dadurch gegeben, daß eine durch
Änderung eines Fluidstroms verursachte Längenänderung
seines Stellorgans im Bereich des Phasenüberganges eine
unmittelbare Änderung des Leitwertes bzw. der Durchflußrate
des Fluides durch das Ventil zur Folge hat, so daß dieser
Leitwert eine monotone Funktion der temperaturbedingten
Länge des Stellorgans ist. Für die Temperatur des Drahtes
sind alle im Betrieb auftretenden Parameter verantwortlich,
die auf die Wärmebilanz des Systems einen Einfluß ausüben
können. Es sind dies beispielsweise:
- - Temperatur T des Fluids
- - Wärmeleitfähigkeit W des Fluids bzw. unterschiedlicher Fluidkomponenten
- - Durchflußrate q des Fluids
- - Druck p des Fluids
- - elektronische, insbesondere konstante Heizleistung am Draht P.
Nimmt man die Umgebungs- (Wand) Temperatur des Ventils als
konstant an, so ist die Leitfähigkeit des Ventils eine
Funktion einer oder mehrerer dieser Größen.
L = f (T, W, q, p, P)
Durch die Betriebsweise oder konstruktive Maßnahmen wird
die Einwirkung vorgenannter Größen auf den Draht je nach
Bauweise des Ventils bei konstant gehaltener Heizleistung
mittels Änderungen des Leitwertes unmittelbar durch das
Prozeßmedium kompensiert. Beispielsweise kann durch eine
spezielle Ausbildung des Ventils erreicht werden, daß zwar
der Druck, nicht aber der durch das Ventil fließende Fluß
mit dem Draht in Berührung kommt, und umgekehrt. Dabei kann
die Bauweise so variieren, daß der kontrahierende Faden
entweder eine Schließung oder eine Öffnung des Ventils
bewirkt.
Im folgenden werden einige für praktische Anwendungen
interessante Ausführungen des Ventils angegeben.
Beispielsweise kann dieses als Druckregelorgan ausgebildet
sein und einen aus elektrisch nicht leitendem Material
bestehenden Körper mit einer den SMA-Faden, die Feder sowie
das Verschlußelement aufnehmenden Bohrung und mit einem den
Ventilsitz mit einem Anschlußkanal sowie einen seitlich
davon abzweigenden Nebenkanal aufnehmenden Kopfteil und
einem geschlossenen Bodenteil aufweisen, wobei die Feder
als Leiter für den Stromfluß zwischen dem ventilseitigen
Ende des SMA-Drahtes und dessen anderes Ende am Ventilboden
jeweils an eine Stromquelle angeschlossen sind.
Bei dieser Bauart ist der den Faden umgebende Gasdruck bei
geöffnetem Ventil gleich dem Druck des vom Nebenkanal durch
den Anschlußkanal strömenden Fluids. Der Gasfluß kann das
Ventil passieren, ohne den SMA-Draht wesentlich zu
beeinflussen. In Druckbereichen, in denen die Wärmeleitung
druckabhängig ist, zeigt das Ventil Regelverhalten. Bei
sinkendem Druck nimmt die Fadentemperatur zu, der Faden
kontrahiert und öffnet das Ventil. Steigt der Druck, wird
umgekehrt der Gaszufluß gedrosselt. Es stellt sich für eine
konstante elektrische Heizleistung ein Gleichgewichtsdruck
ein, der in gewissen Grenzen konstant gehalten wird.
Eine andere Ausgestaltung sieht vor, daß das Ventil als
Durchflußregelorgan ausgebildet ist und einen Einströmkanal
im Bodenteil sowie einen Ausströmkanal im Kopfteil
aufweist. Bei dieser Konstruktion strömt der Gasfluß
entlang dem SMA-Draht und transportiert Wärme ab. In
geeigneten Flußbereichen ist die abgeführte Wärme eine
Funktion des Flusses. Bei eingeprägter konstanter
elektrischer Leistung, welche die Drahttemperatur bei einem
vorgegebenen konstanten Fluß des Fluids an der
Phasenübergangsgrenze hält, wird eine Funktion
verwirklicht, bei welcher zunehmender Fluß die
Fadentemperatur senkt, wobei der Faden sich verlängert und
der Leitwert des Ventils verringert wird. Abnehmender Fluß
bewirkt das Gegenteil. Auf diese Weise strebt der Fluß des
durchströmenden Fluids einem Gleichgewichtszustand zu,
welcher innerhalb enger Grenzen konstant gehalten wird. Der
sich einstellende Fluß ist dabei ungefähr proportional der
eingespeisten Spannung bzw. Heizleistung. Deshalb eignet
sich dieser Ventiltyp als Stellglied in elektronischen
Regelkreisen zur Druckregelung von Gasen. Im Gegensatz
hierzu sind nach dem Stand der Technik hergestellte
Proportionalventile für den Gasfluß problematisch, äußerst
aufwendig und störanfällig.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das
Ventil als Gemischregelorgan ausgebildet ist und der
Kopfteil den Ventilsitz mit einem Einlaßkanal für eine
Gaskomponente mit vergleichsweise hoher Wärmeleitfähigkeit
und einen Nebenkanal für den Gemischeinlaß, sowie der
Bodenteil einen Auslaßkanal für das konstant geregelte
Gemisch aufweist. Dieser Ventiltyp verwendet als
physikalische Grundlage das Wärmeleitvermögen
unterschiedlicher Gasarten. Verschieben sich in
Gasgemischen die Konzentrationen, so hat das im allgemeinen
eine Änderung der Wärmeleitfähigkeit zur Folge. Wenn nun
bei geschlossenem Ventil ein Gasstrom vom Nebenkanal im
Ventilkopf zum Auslaßkanal im Bodenteil fließt, so steht
die Heizleistung des SMA-Drahtes bei einem vorgegebenen
konstanten Fluß mit vorgegebenen Gemischkonzentrationen der
Gaskomponenten im Gleichgewicht. Dabei liegt die
Gaskomponente mit der höheren Wärmeleitfähigkeit am
zunächst geschlossenen Einlaßkanal des Kopfteiles an. Wenn
diese Komponente im Gemisch verarmt ist, nimmt die
Wärmeleitfähigkeit ab, der Draht erhöht seine Temperatur
und verkürzt sich, so daß das Ventil öffnet und die
Komponente mit der höheren Wärmeleitfähigkeit zusätzlich
angereichert wird. Auf diese Weise ergibt sich ein
Gleichgewichtszustand der Gemischkonzentration innerhalb
vergleichsweise enger Grenzen.
Eine weitere vorteilhafte Ventilvariante ist als
Schutzventil für Gaslecksucher, insbesondere für
Heliumlecksucher ausgebildet. Es besitzt einen
Einströmkanal im Bodenteil, einen Anschlußkanal zum
Lecksucher im Kopfteil sowie eine Bypassöffnung im
Nebenschluß zum Ventilsitz am kopfseitigen Ende des
Ventilkörpers. Beim Schnüffelbetrieb können hohe
Heliumkonzentrationen zu einer Verseuchung des Lecksuchers
führen. Meist wird das verantwortliche Grobleck erst dann
erkannt, wenn der Gasstrom mit der hohen
Heliumkonzentration die Apparatur bereits passiert hat. Die
Folge sind Unempfindlichkeit und lange Erholungszeiten. In
einem solchen Falle schaltet das Schutzventil den Gasstrom
ab. Die Heizleistung ist so eingestellt, daß bei geringen
Konzentrationen das Ventil geöffnet ist. Tritt nun ein mit
Helium angereicherter Gasstrom durch den Einströmkanal im
Bodenteil ein, so wird infolge höherer Konzentration von
Helium im Gasstrom der SMA-Draht infolge vergrößerter
Wärmeleitfähigkeit des Gases abgekühlt, längt sich und
schließt das Ventil. Der Gasstrom kann dann nur noch über
die Bypassöffnung entweichen. Sobald die
Heliumkonzentration abgenommen hat, bewegt sich das Ventil
wieder in den Ausgangszustand, d. h. es öffnet.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß das Ventil
beispielsweise als Schwellwertschalter ausgebildet ist, mit
einem mittig unterteilten Ventilkörper, einem
Gaseinlaßkanal im Bodenteil und einer ersten, das
Verschlußelement führend aufnehmenden, mit einem Ventilsitz
in einer Zwischenwand verschließbaren Bohrung, woran sich
im Ventilkörper eine zweite Bohrung anschließt, die den mit
der Spitze des Verschlußelementes fest verbundenen
SMA-Faden aufnimmt, der auslaßseitig an dem einen
Auslaßkanal aufweisenden Kopfteil befestigt ist. Hierbei
handelt es sich um ein Schaltventil, welches nach Auslösung
in seinem Zustand verharrt und von außen zurückgesetzt
werden muß. Wenn ein Gasstrom das Ventil vom Bodenteil zum
Kopfteil passiert, wird beim Unterschreiten eines
bestimmten Schwellwertes beim Fluß der Gasstrom ganz
abgeschaltet, wodurch die Drahttemperatur weiter steigt und
das Ventil in der geschlossenen Stellung verharrt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Ventils bei der als
Durchflußregelorgan ausgebildeten Variante besteht ferner
darin, daß zur Führung des Fluidstroms unter Erhöhung einer
den Wärmeaustausch intensivierenden Flußdichte der
Fluidströmung ein den SMA-Draht umgebendes, vergleichsweise
enges, sich zwischen dem Einlaßkanal im Bodenteil und dem
Ventilsitz erstreckendes Keramikröhrchen angeordnet ist.
Die Erfindung wird in schematischen Zeichnungen in
bevorzugten Ausführungsformen gezeigt, wobei aus den
Zeichnungen weitere vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale
der Erfindung entnehmbar sind.
Fig. 1 ein Schema eines Ventilaufbaues zur
Konstantregelung des Druckes gasförmiger
Medien,
Fig. 2 ein Schaltbild des Ventilaufbaues gemäß Fig. 1,
Fig. 3 ein Schema des Ventilaufbaues für konstante
Durchflußregelung eines Gasstromes,
Fig. 4 ein Schaltbild des Ventilaufbaues nach Fig. 3,
Fig. 5 ein Schema eines Ventilaufbaues für konstante
Gemischregelung von Gasen,
Fig. 6 ein Schaltbild des Ventilaufbaues nach Fig. 5,
Fig. 7 ein Schema des Ventilaufbaues in der Funktion
eines Schutzventils für Heliumlecksucher,
Fig. 8 ein Schema des Ventilaufbaues in der Funktion
eines Schwellwertschalters,
Fig. 9 im Schnitt ein Ventil für konstante
Flußregelung nach Fig. 3 und 4 mit einem
den SMA-Draht umgebenden Keramikröhrchen.
Die in den Figuren rein schematisch gezeigten
Ventilaufbauvarianten weisen als übereinstimmende bzw.
ähnliche Merkmale in der Bauart einen Ventilkörper (20) aus
elektrisch nicht leitendem Material mit einem den
Ventilsitz (22) aufweisenden Kopfteil (25) und einem
Bodenteil (26) auf. Der Ventilkörper (20) nimmt in einer
Bohrung (24) das Verschlußelement (21) mit dem Stellorgan
(1) aus elektrisch heizbarem gestaltserinnerndem Werkstoff
in Form des SMA-Fadens sowie die Rückstellfeder (23) auf.
Wenn auch den im folgenden beschriebenen Ventilvarianten
gemeinsam ist, daß die Kontraktion bzw. Elongation des
Drahtes (1) aus gestaltserinnerndem Material zur Betätigung
des Verschlußelementes (21) genutzt wird, so können
prinzipiell anstelle des Drahtes (1) auch andere
geometrische Formen mit Formänderungen durch Biegung oder
Torsion genutzt werden. Wegen der Einfachheit der
Konstruktion sowie der Anschaulichkeit der Funktion wird
das Drahtprinzip bevorzugt und als Beispiel gezeigt. Ebenso
als reines Ausführungsbeispiel und nicht als Einschränkung
ist die Verwendung eines Kegel- oder Nadelventilkörpers als
Verschlußelement (21) zu verstehen. Auch hier sind
grundsätzlich andere Ventiltypen einsetzbar. Die Anordnung
des Antriebes ist grundsätzlich so gewählt, daß eine
Längenänderung des als Stellorgan verwendeten SMA-Drahtes
(1) im Bereich des Phasenüberganges eine Änderung des
Leitwertes und damit des Fluid-Durchlasses im Ventilsitz
(22) zur Folge hat, so daß der Leitwert eine monotone
Funktion der Länge des Stellorgans ist.
Durch den grundsätzlichen Aufbau des Ventils in Form einer
in besonderer Weise auf Änderung im Zustand des
hindurchgeleiteten Fluidstromes ansprechende
Wärmeaustauschvorrichtung wird erreicht, daß die jeweilige
Länge des Drahtes (1) als Funktion der Fadentemperatur bei
konstant gehaltener Heizleistung von unterschiedlichen
physikalischen Parametern des Fluidstromes beeinflußt wird.
Für die Temperatur des Drahtes (1) sind daher alle im
Betrieb auftretenden Parameter verantwortlich, die auf die
Wärmebilanz des Systems Einfluß haben wie Temperatur,
Wärmeleitfähigkeit, Durchflußrate, Druck und Gemischart der
Gase.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung für einen Druckkonstanter. Der
den SMA-Faden umgebende Gasdruck ist gleich dem am Anschluß
A des Nebenkanals (28), weil dieser mit der Bohrung (24)
des Ventilkörpers (20) in Verbindung steht. Bei geöffnetem
Verschlußelement (21) im Hochtemperaturzustand des
SMA-Fadens (1) kann ein Gasfluß zwischen dem Nebenkanal
(28) und dem Anschlußkanal (B, 27) im Kopfteil (25) des
Ventils fließen. In Druckbereichen, im welchen die
Wärmeleitung druckabhängig ist, zeigt das Ventil
Regelverhalten. Bei sinkendem Druck nimmt die Temperatur
des Fadens (1) zu, der Faden (1) kontrahiert und öffnet das
Ventil (21, 22). Steigt der Druck, wird umgekehrt der
Gaszufluß gedrosselt. Es stellt sich also für eine feste
elektrische Heizleistung ein Gleichgewichtsdruck ein, der
in vergleichsweise engen Grenzen konstant gehalten wird.
Der Ventilaufbau nach Fig. 1 weist einen geschlossenen
Bodenteil (26) auf, wobei die Feder (23) als Leiter für den
Stromfluß zwischen dem ventilseitigen Ende des SMA-Drahtes
(1) und dessen anderes Ende am Ventilboden (26) jeweils an
eine Stromquelle (2) über die Stromanschlüsse (3 und 4)
angeschlossen ist.
In der Fig. 2 ist das Schaltbild des Ventilaufbaues nach
Fig. 1 dargestellt. Das Schaltbild zeigt die Anordnung
einer Feinvakuum-Apparatur mit einem Gasfluß von B nach A
und zur Vakuumpumpe (10) über den Vakuumbehälter (11) sowie
den Ventilkörper (20) mit dem im Nebenschluß zur
Fluidströmung angeordneten Stellorgan in Form des
SMA-Fadens (1). Dieser ist über die Stromanschlüsse (3, 4)
an die Stromquelle (2) angeschlossen. Diese ist als
regelbare Stromquelle (2) dargestellt, wird jedoch für
einen konstant zu haltenden Druck konstant eingeregelt.
Der Ventilaufbau nach Fig. 3 zeigt ein System zur
konstanten Flußregelung. Bei dieser Konstruktion passiert
der Gasfluß den SMA-Draht (1) und transportiert Wärme ab.
In geeigneten Flußbereichen ist somit die abgeführte Wärme
eine Funktion des Flusses. Bei eingeprägter elektrischer
Leistung entsprechend einer Drahttemperatur im Bereich des
Phasenüberganges senkt zunehmender Fluß die
Fadentemperatur, während abnehmender Fluß das Gegenteil
bewirkt. Hierbei strebt der Fluß einem Gleichgewicht zu.
Das Ventil hat am Bodenteil (26) einen Einströmkanal (30)
mit der Bezeichnung B und im Kopfteil (25) einen
Auslaßkanal (29) mit der Bezeichnung A. Die elektrischen
Anschlüsse und Bezeichnungen sind im übrigen gleich
denjenigen in Fig. 1.
In der Fig. 4 ist das Schaltbild des Flußregelungsventils
nach Fig. 3 gezeigt, wobei ebenfalls gleiche Elemente mit
gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind. Vom Ventilator
(9) wird ein Fluidstrom von B entlang des beheizten
SMA-Fadens (1) über das Ventil zum Auslaßkanal A gefördert.
Bei Änderung des Flusses ändert sich wie vor beschrieben
die Temperatur des SMA-Fadens (1) bei dessen konstanter
Beheizung durch die Stromquelle (2) wobei das
Verschlußorgan (21) entsprechend reagiert.
In der Fig. 5 ist ein als Gemischregelorgan ausgebildetes
Ventil dargestellt. Es weist das Ventil (20) mit dem
Verschlußelement (21), dem Stellorgan des SMA-Drahtes (1)
und der Rückstellfeder (23) auf. Das zu regelnde Gemisch
aus wenigstens zwei Komponenten tritt durch den mit A
bezeichneten Einlaßkanal (33) im Kopfteil (25) in das
Ventil ein, strömt am SMA-Faden (1) entlang und verläßt das
Ventil durch den bodenseitigen Auslaßkanal (34) mit der
Bezeichnung C. Eine zunächst vom Ventilverschlußkörper (21)
gesperrte Gaskomponente mit höherem Wärmeleitvermögen steht
am Einströmkanal (32) mit der Bezeichnung B an. Das
Gasleitvermögen ist gasartabhängig. Verschieben sich im
Gasgemisch die Konzentrationen der Komponenten, so hat das
bei konstantem Fluß eine Änderung der Wärmeleitfähigkeit
zur Folge. Diesen Effekt nützt die gezeigte
Ventilkonstruktion aus. Durch den Anschluß A fließt ständig
ein beispielsweise binäres Gasgemisch zum Ausgang C. Wenn
die Komponente mit der höheren Wärmeleitfähigkeit im
Gemisch verarmt wird, nimmt die Leitfähigkeit ab, der
SMA-Draht (1) erhöht seine Temperatur und verkürzt sich,
das Verschlußelement (21) hebt sich vom Ventilsitz (22) ab,
wodurch ein Strömungsquerschnitt des Einströmkanals (32)
für die Komponente mit der höheren Wärmeleitfähigkeit
geöffnet wird und das Gemisch wieder auf konstante
Gemischkonzentrationen eingeregelt wird.
Hierzu zeigt die Fig. 6 ein Schaltbild. Durch das Gebläse
(8) wird ein z. B. binäres Fluidgemisch über den
Einlaßkanal (33) mit der Bezeichnung A durch den
Ventilkörper (30) hindurch zum Auslaßkanal (34) mit der
Bezeichnung C gefördert. Das Gebläse (7) fördert im Falle
einer Öffnung des Ventils die Komponente mit der höheren
Wärmeleitfähigkeit durch den Einlaßkanal (32) mit der
Bezeichnung B in der vorbeschriebenen Weise zur
Anreicherung der Mischung des Fluid-Gemischstromes.
Weitere Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet.
Die Fig. 7 zeigt ein Ventil in der Ausführung als
Schutzventil für Gaslecksucher, insbesondere für
Heliumlecksucher. Am Bodenteil (26) befindet sich der
Einströmungskanal (30), welcher durch eine Leitung mit
einer Schnüffelspitze verbunden ist. Der Einlaßkanal (30)
trägt die Bezeichnung D. Am Kopfteil (25) befindet sich der
Auslaßkanal (29) mit Anschluß an einen Lecksucher. Der
Auslaßkanal (29) trägt die Bezeichnung E. Weiter befindet
sich unmittelbar neben dem Kopfteil (25) eine Bypassöffnung
(35). Für eine bestimmte Heliumkonzentration und Flußrate
des Lecksuchers ergibt sich ein Gleichgewicht zwischen der
induzierten Heizleistung des SMA-Drahtes (1) und der
Wärmeabfuhr durch den Lecksucherstrom mit der geringen
Heliumkonzentration. Dabei ist das Ventil geöffnet. Wenn
ein mit Helium stärker angereicherter Fluidstrom bei D
eintritt, wird vom SMA-Draht (1) mehr Wärme abgeführt und
dieser nimmt seine verlängerte geometrische Form an.
Dadurch verschließt das Verschlußelement (21) den
Ventilsitz (22) und der Gasstrom kann nun nur noch über die
Bypassöffnung (35) entweichen.
Das Ventil kann alternativ auch als Schwellwertschalter für
Druck oder Fluß ausgebildet sein. Einen solchen Schalter,
der nach Auslösung in seinem Zustand verharrt und von außen
zurückgesetzt werden muß, zeigt die Fig. 8. Das Ventil ist
mit einem mittig unterteilten Ventilkörper (20)
ausgebildet, mit einem Gaseinlaßkanal (30) im Bodenteil
(26) sowie mit einem Auslaßkanal (29) am Kopfteil (25). An
den Gaseinlaßkanal (30) mit der Bezeichnung F schließt sich
eine erste, das Gasverschlußelement (21) führend
aufnehmende, mit einem Ventilsitz (22) in einer
Zwischenwand (19) verschließbare Bohrung (24) an. Weiterhin
weist das Ventil eine in Flußrichtung zweite Bohrung (18)
auf, die den mit der Spitze (17) des Verschlußelementes
(21) fest verbundenen SMA-Faden (1) als Stellorgan des
Ventils aufnimmt. Dieser ist auslaßseitig im Kopfteil (25)
befestigt. Die Beheizung des SMA-Drahtes erfolgt über die
Stromanschlüsse (3, 4) durch die Stromquelle (2). Während
der Funktion passiert ein Fluidstrom das schematisch
dargestellte Ventil von F nach G. Unterschreitet der Fluß
einen bestimmten Schwellwert, dann wird der Gasstrom
abgeschaltet und damit der Wärmeabtransport durch den
Gasstrom unterbrochen. Dadurch steigt die Drahttemperatur
weiter an und das Ventil verharrt in dieser Stellung.
Entsprechend einer Darstellung in der Fig. 9 kann ein
besonders intensiver Wärmeaustausch zwischen dem Fluidstrom
und dem SMA-Faden (1) durch eine Ausgestaltung des Ventils
mit einem Flußleitröhrchen (16) herbeigeführt werden. Bei
dieser Anordnung wird das thermische Gleichgewicht des
Wärmeaustauschs zwischen dem konstant beheizten SMA-Faden
(1) und dem durchströmenden Fluidstrom durch die
Abhängigkeit zwischen der Geschwindigkeit des Fluidstromes
und dem dadurch verursachten mehr oder weniger schnellen
Wärmetransport bestimmt. Infolge der durch das
Keramikröhrchen (16) in unmittelbarer Nähe des SMA-Fadens
(1) gebündelten Strömung ist dieses Gleichgewicht und damit
die Funktion des Ventils außerordentlich sensibel.
Die vorbeschriebenen Ventiltypen haben gegenüber
konventionellen Ventiltypen eine Reihe von Vorteilen. Es
sind dies:
- - einfache, vergleichsweise preisgünstige Konstruktion
- - kleine Bauformen
- - spezielle Charakteristiken, dadurch vereinfachte Applikationen
- - Betrieb mit Spannungen unter 0,5 V und Strömen unter 0,5 A möglich, dadurch einsetzbar in Exbereichen
- - Vermeidung von Störungen für Sensoren und empfindliche mikroelektronische Schaltungen infolge Wegfall von Magneten und deren Magnetfeldern.
Claims (8)
1. Ventil zur Regelung von Fluidströmen mit einem
Stellorgan aus elektrisch heizbarem gestaltserinnerndem
Werkstoff, welches ein Verschlußelement gegen die
Rückstellkraft einer Feder nach Maßgabe einer
temperaturbedingten Längenänderung in seiner Position
relativ zum Ventilsitz einstellt, dadurch gekennzeichnet,
daß das Stellorgan ein auf eine Temperatur des
gestaltserinnernden Werkstoffs (SMA) innerhalb des
Phasenübergangsbereiches durch Konstantstrom beheizter
Faden (1) und der den Faden (1) umgebende Ventilkörper (20)
im Zusammenwirken mit diesem als eine in besonderer Weise
auf Änderungen im Zustand eines hindurchgeleiteten
Fluidstromes ansprechende Wärmeaustauschvorrichtung
ausgebildet ist.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es
eine den SMA-Faden (1) aufnehmende, die zu regelnden
Fluid-Ströme leitende und dem Wärmeaustausch zwischen dem
SMA-Faden (1) und den Fluid-Strömen dienende Bohrung (24)
sowie Kanäle (27) bzw. Anschlüsse (28-30; 32-35)
aufweist.
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß es als Druckregelorgan ausgebildet ist und einen aus
elektrisch nicht leitendem Material bestehenden Körper (20)
mit einer den SMA-Faden (1), die Feder (23) sowie das
Verschlußelement (21) aufnehmenden Bohrung (24) und mit
einem den Ventilsitz (22) mit einem Anschlußkanal (27)
sowie einen seitlich davon abzweigenden Nebenkanal (28)
aufnehmenden Kopfteil (25) und einem geschlossenen
Bodenteil (26) aufweist, wobei die Feder (23) als Leiter
für den Stromfluß zwischen dem ventilseitigen Ende des
SMA-Drahtes (1) und dessen anderes Ende am Ventilboden (26)
jeweils an eine Stromquelle (2) angeschlossen sind.
4. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß es als Durchflußregelorgan ausgebildet ist und einen
Einströmkanal (30) im Bodenteil (26) sowie einen
Ausströmkanal (29) im Kopfteil (25) aufweist.
5. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß es als Gemischregelorgan ausgebildet ist und der
Kopfteil (25) den Ventilsitz (22) mit einem Einlaßkanal
(32) für eine Gaskomponente mit vergleichsweise hoher
Wärmeleitfähigkeit und einen Nebenkanal (33) für den
Gemischeinlaß und das Bodenteil (26) einen Auslaßkanal (34)
für das konstant geregelte Gemisch aufweist.
6. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß es als Schutzventil für Gaslecksucher, insbesondere für
Heliumlecksucher ausgebildet ist, mit einem Einströmkanal
(30) im Bodenteil (26), einem Auslaßkanal (29) als Anschluß
zum Lecksucher im Kopfteil (25), sowie einer Bypassöffnung
(35) im Nebenschluß zum Ventilsitz (22) am kopfseitigen
Ende des Ventilkörpers (20).
7. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß es als Schwellwertschalter ausgebildet ist, mit einem
mittig unterteilten Ventilkörper (20) mit einem
Gaseinlaßkanal (30) im Bodenteil (26) und einer ersten, das
Verschlußelement (21) führend aufnehmenden, mit einem
Ventilsitz (22) in einer Zwischenwand (19) verschließbaren
Bohrung (24), woran sich im Ventilkörper (20) eine zweite
Bohrung (18) anschließt, die den mit der Spitze (17) des
Verschlußelementes (21) fest verbundenen SMA-Faden (1)
aufnimmt, der auslaßseitig in dem einen Auslaßkanal (29)
aufweisenden Kopfteil (25) befestigt ist.
8. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es
zur Führung des Fluidstroms unter Erhöhung einer den
Wärmeaustausch intensivierenden Flußdichte der
Fluidströmung ein den SMA-Draht (1) umgebendes,
vergleichsweise enges, sich zwischen dem Einlaßkanal (30)
im Bodenteil (26) und dem Ventilsitz (22) erstreckendes
Keramikröhrchen (16) aufweist.
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