DE602004005155T2

DE602004005155T2 - Heizvorrichtung mit Betätigungsvorrichtung aus Formgedächtnismaterial

Info

Publication number: DE602004005155T2
Application number: DE602004005155T
Authority: DE
Inventors: Marco Federico Pidria; Massimo Asti; Stefano Alacqua; Francesco Butera
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2024-03-25
Also published as: ES2281770T3; EP1580512B1; EP1580512A1; ATE356329T1; DE602004005155D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Heizvorrichtungen von der Art, welche einen Behälter umfassen, enthaltend ein oder mehrere chemische Verbindungen zur Freigabe von Wärme aufgrund einer Phasenänderung dieser (Kristallisation, Verflüssigung, ...) und ein deformierbares Element um die Phasenänderung auszulösen, welches in dem Behälter angeordnet ist.
Die Verwendung von Materialien, die in der Lage sind Wärme zu speichern und während der Kristallisation freizugeben, ist seit langer Zeit bekannt. Zum Beispiel ist die Verwendung einer Lösung aus Natriumazetat zu diesem Zweck bereits in dem englischen Patent GB-A-0 167 373 beschrieben, welches aus dem Jahre 1920 stammt. Solche Materialien sind zum Beispiel beschrieben und werden verwendet, um thermische „Kissen" herzustellen, zum Beispiel für medizinische Verwendungen. Solche Vorrichtungen nutzen die latente Schmelzwärme aus, welche während des Übergangs einer Lösung aus der flüssigen Phase in die feste Phase freigesetzt wird (siehe zum Beispiel US-A-4 451 383). Vorrichtungen der oben spezifizierten Art sind auch bekannt, wobei die Auslösung der Kristallisation der Lösung durch die Deformation einer Metallplatte oder Membran erzielt wird, welche sich in Kontakt mit der Lösung befindet (siehe zum Beispiel FR-A-2 753 896). In solch einem Fall wird die Deformierung des Auslöserelementes der Kristallisation manuell erzielt. Nach solch einer Deformierung wird ein erster Kristallisationskeim erzeugt, und erlaubt anschließend die Ausdehnung des Phänomens auf die ganze Lösung, mit der Konsequenz der unmittelbaren Freigabe der gesammelten latenten Wärme.
Eine Heizvorrichtung, wie in dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgeführt, ist aus der JP 01 274838 , JP 02 005909 und JP 02 171594 bekannt. Eine Heizvorrichtung, bei welcher die Freigabe der Wärme aus einem unterkühlten Material durch einen Formgedächtnis-Aktuator ausgelöst wird, ist auch aus der US 4 850 424 bekannt.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Vorrichtungen der oben beschriebenen Art zu verbessern, um ihren Einsatz auf verschiedenen Gebieten zu ermöglichen, bei welchen eine Fernsteuerung des Auslöserelementes zur Phasenänderung geeignet sein könnte.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, solch eine Vorrichtung bereitzustellen, mit extrem einfachen und wirksamen Mitteln, welche keinen hohen Energieverbrauch benötigen.
Im Hinblick darauf dieses und weitere Ziele und Vorteile zu erreichen, ist der Gegenstand der Erfindung eine Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Formgedächtnis-Aktuatoren sind selbst bekannt und werden auf verschiedenen technischen Gebieten eingesetzt. Sie setzen die Eigenschaften bestimmter metallischer Legierungen ein, um den Zustand oberhalb und unterhalb einer bestimmten Übergangstemperatur zu ändern. Ein typisches Beispiel ist das eines Formgedächtnisdrahtes, welcher eine kürzere Gestalt annimmt, wenn die Temperatur über einen bestimmten Übergangswert steigt. Auf der anderen Seite sind Formgedächtnis-Aktuatoren dafür bekannt, dass sie vollständig unterschiedliche Anordnungen aufweisen, zum Beispiel die Form von Schraubenfedern, von Drehstäben bzw. Torsionsstäben oder eine andere. Der Anmelder besitzt verschiedene Patente betreffend die spezifische Anordnung von Formgedächtnis-Aktuatoren und auch die spezifische Anwendung dieser Aktuatoren. In den bisher vorgeschlagenen Lösungen, kann die Erwärmung des Formgedächtnis-Aktuators erzielt werden, indem die Umgebungstemperatur, in welcher sich das Formgedächtnis-Element befindet, entweder direkt ausgenutzt wird oder in anderen Fällen, indem die Erwärmung des Formgedächtniseielementes durch den Joule Effekt ausgelöst wird, indem ein elektrischer Strom durch dasselbe geleitet wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft im Wesentlichen neue und vorteilhafte Anwendungen eines Formgedächtnis-Aktuators zur Steuerung des Auslöserelementes zur Änderung der Phase in einer Heizvorrichtung der oben genannten Art.
Normalerweise kann der Aufbau und die Anordnung des Formgedächtniselementes in Bezug auf die Anforderungen jeder spezifischen Anwendung ausgewählt werden, wobei die Notwendigkeit, dass die minimale Betätigungsdauer reduziert werden soll, besonders beachtet wird, und auch der Zeitraum, den das Formgedächtniselement benötigt, um nach der Betätigung in den Ursprungszustand zurückzukehren, und/oder ein hohes Verhältnis Kraft/Gewicht des Formgedächtniselementes zu erhalten. Ein weiterer Vorteil der Formgedächtniselemente ist, dass diese eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen, und diese daher ohne Probleme in die chemische Verbindung eingetaucht werden kann.
Unter den verschiedenen möglichen Anwendungen der Heizvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist die den Kraftstoffes eines Dieselmotors zu erwärmen besonders interessant. Insbesondere während eines Kaltstarts ist es im Allgemeinen notwendig, das einem Dieselmotor zugeführte Diesel zu erwärmen, um die in dem Kraftstoff enthaltenen Paraffinwachse auf den Wänden der Kanäle aufzulösen, welche dem Motor den Kraftstoff zuführen.
Natürlich ist die Heizvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auch auf viele andere Gebiete übertragbar. Zum Beispiel kann sie eingesetzt werden, um die in das Innere eines Fahrzeugs zugeführte Luft der Klimaanlage zu erwärmen. In einem anderen Beispiel könnte sie verwendet werden, um die Kühlflüssigkeit des Motors auf die Bedingungen einer niedrigen Temperatur zu erwärmen.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung deutlich, welche folgt unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die nur als ein nicht begrenzendes Beispiel beigefügt sind, wobei:
1 eine schematische Ansicht einer Heizvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, welche das Betriebsprinzip der Vorrichtung darstellt, und
2, 3, 4 mögliche Variationen der Vorrichtung darstellen.
In 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 eine Heizvorrichtung dargestellt, die insgesamt gemäß der Prinzipien der Erfindung realisiert wurde. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Behälter 2, welcher ein oder mehrere chemische Verbindungen 3 enthält, zum Beispiel eine Lösung aus Natriumacetat, welche in der Lage ist Wärme freizugeben, als Konsequenz der Kristallisation. Der Beginn der Kristallisation wird erzielt, indem die Deformierung einer metallischen Scheibe 4 ausgelöst wird, die in der Lösung 3 eingetaucht ist, wobei die Umfangskante an der Wand des Behälters 2 gesichert ist, und welche, in dem dargestellten Beispiel, mit der Ebene senkrecht zur Längsachse des Behälters 2 angeordnet ist.
Es ist klar, dass die Form, die Abmessungen und das Material des Behälters 2 anders sein können.
Die Scheibe 4 zur Auslösung der Änderung der Phase der chemischen Verbindung 3 kann deformiert werden, bis sie den Zustand erreicht, welcher durch die gestrichelte Linie dargestellt ist, durch einen Formgedächtnisdraht 5, welcher durch eine elektrische Steuereinheit 6 aktiviert wird, welche einen elektrischen Strom durch den Draht 5 führt. Zu diesem Ziel werden die einander gegenüberliegenden Enden des Drahtes 5 auf irgendeine Weise mit der Stromeinheit 6 verbunden.
Wenn der Formgedächtnisdraht 5 durch die Einheit 6 aktiviert wird, erwärmt sich der Draht 5 und, wenn er sich über die Umwandlungstemperatur erwärmt, verkürzt er sich, wodurch die Deformirung der metallischen Scheibe 4 bewirkt wird, da das Ende des Drahtes 5, welches der Scheibe 4 gegenüberliegt, an 8 an einer festen Struktur befestigt ist. Die Enden des Formgedächtnisdrahtes können beide an 8 mit einer festen Struktur verbunden sein. In diesem Fall wird der Formgedächtnis-Draht durch Löcher in der metallischen Scheibe 4 durchgeführt, und der Draht wird in einer U-Form durch diese Löcher zurück geführt, um auf solch eine Weise ein kommendes und gehendes System zu erzielen, wobei die Verkürzung die Deformierung der metallischen Scheibe 4 auf die gleiche Weise bestimmt.
Entsprechend einem Phänomen, welches selbst bekannt ist, löst die Deformierung der Platte 4 den Beginn der Phasenänderung der chemischen Verbindung 3 aus, so dass diese die Wärme unmittelbar freigibt. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in dem sehr kurzen Zeitraum, der notwendig ist, um die Wärme freizugeben. Dieser Vorteil wird zu der Möglichkeit hinzugefügt, eine Aktivierungsdauer des Formgedächtnisdrahtes 5 auch extrem kurz zu erzielen, in der Größenordnung von 100 ms. Des Weiteren ist auch die Wartezeit bis der Draht 5 nach der Aktivierung in den ursprünglichen Zustand zurückkehrt relativ kurz, und liegt in der Größenordnung einer Sekunde. Die Verwendung des Formgedächtnisdrahtes ermöglicht es, ein hohes Verhältnis Kraft/Gewicht zu erzielen, mit der daraus folgenden Kapazität die notwendige Kraft auszuüben, um den Auslöser für die Phasenänderung zu aktivieren, unter Verwendung einer Vorrichtung mit kleinen Abmessungen. Der Formgedächtnisdraht ist auch durch die hohe Beständigkeit gegenüber Korrosion gekennzeichnet, so dass er in der chemischen Verbindung 3 eingetaucht bleiben kann, ohne dass negative Folgen auftreten.
2 betrifft eine Veränderung aus 1, wobei zwei Formgedächtnisdrähte 5, 9 vorgesehen sind, die mit den einander gegenüberliegenden Seiten einer Metallscheibe 4 verbunden sind, um die Scheibe 4 jeweils nach oben zu dem oberen Bereich (in Bezug auf 2) oder nach unten zum Boden zu deformieren. Die Stromeinheit 6 kann so angeordnet werden, dass sie abwechselnd elektrischen Strom zu den Drähten 5, 9 führt, so dass sich die Scheibe abwechselnd in die zwei entgegen gesetzten Richtungen deformiert.
3 zeigt noch eine andere Variation, wobei die Scheibe 4 von einer Seite mit dem Formgedächtnisdraht 5 verbunden ist, welcher durch eine Stromzufuhr aktiviert ist, und von der anderen Seite mit einem Formgedächtnisdraht 10, dessen Aktivierung nicht erzielt wird, indem elektrischer Strom durchgeleitet wird, sondern eher durch die erzeugte Wärme, durch einen elektrischen Widerstand 11, welcher mit dem Ende des Drahtes 10 gegenüberliegend der Scheibe 4 verbunden ist.
4 zeigt eine Variation, die im Wesentlichen der Variation aus 2 ähnlich ist, wobei jedoch zwei Formgedächtnisdrähte 5, 9 nicht direkt mit der Scheibe 4 verbunden sind, sondern eher mit zwei Kipphebeln 12, 13, welche die Deformierung der Scheibe bewirken.
Natürlich können unter Beibehaltung der Prinzipien der Erfindung die Einzelheiten des Aufbaus und die Form der Realisierung deutlich verändert werden, in Bezug auf das nur als ein Beispiel beschriebene und dargestellte, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims

Heizvorrichtung (1) umfassend: einen Behälter (2), enthaltend ein oder mehrere chemische Verbindungen (3), um Wärme aufgrund einer Phasenänderung dieser freizusetzen, ein deformierbares Auslöserelement (4), um diese Phasenänderung auszulösen, welches in dem Behälter angeordnet ist, und einen Formgedächtnis-Aktuator (5), um das deformierbare Auslöserelement (4) zu betätigen, dadurch gekennzeichnet, dass das deformierbare Auslöserelement mit seiner Umfangskante an der Wand des Behälters (2) gesichert ist, und dass der Formgedächtnis-Aktuator aus einem geraden Formgedächtnisdraht (5) hergestellt ist, wobei ein Ende (8) an einer festen Struktur befestigt ist, die außerhalb des Behälters (2) angeordnet ist und ein anderer Bereich an dem deformierbaren Auslöserelement (4) befestigt ist, der innerhalb des Behälters angeordnet ist, wobei die Vorrichtung des Weiteren eine elektronische Steuereinheit (6) umfasst, um dem Formgedächtnisdraht (5) einen elektrischen Strom zu zuführen, mit dem Ziel den Draht oberhalb der Umwandlungstemperatur zu erwärmen, um so dessen Verkürzung zu bewirken, so dass eine Deformierung des deformierbaren Auslöserelementes (4) bewirkt wird, wodurch die Freigabe der Wärme dieser Verbindungen ausgelöst wird.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser andere Bereich des Formgedächtnis-Drahtes (5) mit seinem Ende dem einen Ende gegenüber liegt.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Enden des Formgedächtnisdrahtes (5) mit der festen Struktur verbunden sind, und das deformierbare Auslöseelement (4) in der Form einer metallischen Scheibe ausgebildet ist, mit Löchern, durch welche sich der Formgedächtnisdraht (5) in einer U-Anordnung erstreckt.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, Heizvorrichtung die Vorrichtung einen zweiten Formgedächtnisdraht (9) umfasst, welcher mit dem deformierbaren Auslöserelement (4) verbunden ist, von einer Seite, welche der Seite gegenüberliegt, die mit dem ersten Formgedächtnisdraht (5) verbunden ist, wobei die elektronische Steuereinheit (6) geeignet ist, um abwechselnd dem ersten und zweiten Formgedächtnisdraht (5, 9) elektrischen Strom zuzuführen.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen zweiten Formgedächtnisdraht (10) umfasst, welcher mit dem deformierbaren Auslöserelement (4) verbunden ist, von einer Seite, welche der Seite gegenüberliegt, die mit dem ersten Formgedächtnisdraht (5) verbunden ist, wobei die Vorrichtung einen elektrischen Widerstand (11) umfasst, welcher mit elektrischen Strom versorgt werden kann, mit dem Ziel den zweiten Formgedächtnisdraht (10) zu erwärmen.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formgedächtnisdraht (5) mit dem deformierbaren Auslöserelement (4) durch ein Zwischenelement (12) verbunden ist, welches geeignet ist, die Deformierung des deformierbaren Auslöserelementes (4) auszulösen.
Heizvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zwei Formgedächtnisdrähte (5, 9) umfasst, deren gegenüberliegenden Seiten in Bezug auf das deformierbare Auslöserelement angeordnet sind und jeweils mit Kipphebeln (12, 13) verbunden sind, welche geeignet sind, um die Deformierungen des Auslöseelementes (4) in entgegengesetzten Richtungen auszulösen.
Verwendung einer Heizvorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche für die Erwärmung eines Kraftstoffes, welches einem Dieselmotor zugeführt wird.