WO2023246981A1 - Formgedächtnislegierungs-aktuator und verwendung desselben - Google Patents

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WO2023246981A1
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actuating element
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collector
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Miguel CALLEJAS
Paul KOPIETZ
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Ingpuls Smart Shadings Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to an actuator for reversibly generating a translational actuating movement, comprising an actuating element made of a shape memory alloy, which is designed to carry out a length contraction when heated to a temperature above a conversion temperature range.
  • the invention further relates to a use of an actuator according to the invention.
  • An actuator is a system that converts non-mechanical energy into mechanical work, in particular into an actuating movement (working stroke) and a work force.
  • Actuators with an actuator made of a shape memory alloy also called a shape memory alloy actuator (SMA actuator) can be activated thermally induced, meaning they react to a change in temperature.
  • a shape memory alloy (FGL, English: SMA - shape-memory alloy) is one of the functional materials. It is often referred to as a memory alloy, which is due to the fact that after an apparently plastic deformation by heating it can apparently “remember” a shape previously imprinted by heat treatment.
  • This shape transformation is based on a temperature-dependent phase transformation of two different crystal structures Shape memory alloy, the cold phase (martensite) and the warm phase (austenite).
  • a phase transformation which is associated with the conversion of heat into mechanical work and takes place in a material-specific transformation temperature range, both crystal structures can merge into one another.
  • the SMA material In the cold phase (martensite), the SMA material is in a more deformable form with a lower modulus of elasticity than in the stiffer warm phase (austenite).
  • the shape memory alloy is in the cold phase and is heated, the crystal structure begins to change and turn into austenite.
  • the temperature at which this phase transformation begins is called the austenite starting temperature (A s ).
  • the temperature at which this phase transformation is complete is called the austenite finishing temperature (Af).
  • the SMA material In the warm phase (austenite), the SMA material returns to its original imprinted shape and thereby generates a tensile force that can be used as a working force for an actuator. In addition, a length contraction of the SMA material takes place, which can be used as an adjusting movement or working stroke for an actuator.
  • the shape memory alloy When the shape memory alloy is cooled from the warm phase, it transforms back into martensite.
  • the starting temperature for this phase transformation is called the martensite starting temperature (M s )
  • the final temperature at which this phase transformation is completed is called the martensite finishing temperature (Mf).
  • the temperature range between the martensite finish temperature (Mf) and the austenite finish temperature (Af) is referred to below as the transformation temperature range.
  • a longitudinally extended actuating element made of a shape memory alloy therefore has austenite and an activated, length-contracted state at a temperature above the transformation temperature range and martensite and a non-activated, length-relaxed state at a temperature below the transformation temperature range.
  • actuators of the generic type that can be activated autonomously by solar radiation or solar radiation.
  • JPA 60-116880 A specifies an actuator that can be activated by solar radiation for a rotary actuating movement.
  • the actuator has an adjusting element made of a shape memory alloy that runs around in a housing as an endless loop.
  • the actuating element goes through an endless cycle of heating in an open housing area exposed to solar radiation and cooling in one shaded housing area. As a result, the rotational movement of the control element takes place until there is no longer sufficient solar radiation available. This actuator is therefore unsuitable for carrying out a defined, translational actuating movement.
  • an actuator with an actuating element made of a shape memory alloy which can be activated by solar radiation.
  • the actuating element is directly exposed to solar radiation and, when heated sufficiently by the solar radiation, performs a linear length contraction. This closes a flap that separates the control element from the solar radiation and provides shade. In the shade, the actuating element cools down again and is elongated again by a preload spring as a restoring element, and the flap is opened again. Since the actuating element is directly exposed to solar radiation, the length contraction and thus the activation of the actuator is directly dependent on the intensity of the solar radiation or the ambient temperature and a sudden actuating movement takes place because almost the entire actuating element is exposed to solar radiation. This actuator is therefore not very practical for actuating applications in which a cascading or temporally slowed or time-defined actuating movement or an activation of the actuator with a lower dependency on the ambient temperature or the intensity of the solar radiation is required.
  • the object of the present invention is to provide an improved actuator of the generic type, which can be activated completely autonomously by solar radiation.
  • an actuator according to the invention for reversibly generating a translational actuating movement comprises an actuating element made of a shape memory alloy, the actuating element being designed to carry out a length contraction when heated to a temperature above a conversion temperature range, and an overheating collector for absorbing solar thermal radiation.
  • the overheating collector has a collector housing which encloses an overheating volume that can be heated by the solar thermal radiation to a temperature above the conversion temperature range, and a collector opening.
  • a first end of the actuating element is fixed to the collector housing and a second end of the actuating element is arranged to be translationally movable such that the actuating element is completely accommodated in the superheating volume in an activated length-contracted state at a temperature above the conversion temperature range and in a non-activated length-relaxed state at a Temperature below the conversion temperature range has emerged from the collector housing in sections through the collector opening.
  • the particular advantage of the invention is that the solar thermal radiation or solar radiation can be used both as a switching signal and as an energy source in order to activate the actuator to carry out a translational actuating movement.
  • the actuator according to the invention is activated completely autonomously when necessary and can be operated energy self-sufficiently, emission-free and with low noise.
  • electrical components for the actuator can be completely dispensed with, which significantly simplifies the design and manufacture of the actuator.
  • the actuating element To carry out the actuating movement, the actuating element must be heated to a temperature above the transformation temperature range of the shape memory alloy.
  • the overheating collector is intended to absorb the solar radiation in order to heat the overheating volume to a corresponding temperature.
  • the part of the actuating element accommodated in the overheating collector undergoes a structural transformation from martensite to austenite when the temperature rises to a temperature above the conversion temperature range, which is associated with a length contraction, that is to say a shortening of the actuating element.
  • the shape memory alloy is preferably such that the phase transformation from martensite to austenite occurs in a transformation temperature range that is above the typical maximum ambient temperatures at a place of use. This ensures that the austenite formation of the SMA material of the actuating element, which is responsible for activating the actuator, takes place exclusively in the overheating collector, which prevents sudden length contraction.
  • a special feature of the actuator according to the invention is that in the non-activated state of the actuating element, a large part of the SMA material of the actuating element is located outside the overheating collector.
  • Heating of the part of the actuating element accommodated in the overheating collector by the solar radiation leads to this part experiencing a length contraction when a tensile force is applied and thus further SMA material of the actuating element is pulled through the collector opening into the overheating volume. If there is sufficient solar radiation, this process takes place continuously and autonomously until the actuating element is completely contracted in length or activated and is completely absorbed into the overheating collector.
  • the translational movement caused by the length contraction of the actuating element can be used as an actuating movement of the actuator according to the invention.
  • the actuating element provides a tensile force, which can be used as an actuator force of the actuator according to the invention.
  • the tensile force in the activated, length-contracted state of the actuating element is greater than in the non-activated, length-relaxed state.
  • a return of the actuating element to its length-relaxed form in the non-activated state as a result of cooling to a temperature below the conversion temperature range takes place automatically by means of gravity or a restoring element.
  • a mass body is attached to the translationally movable second end of the actuating element.
  • a mass of the mass body is dimensioned such that a weight force of the mass body is smaller than a tensile force of the actuating element in the activated, length-contracted state and is greater than a tensile force of the actuating element in the non-activated, length-relaxed state.
  • the mass body is intended to enable the adjusting element to be adjusted back from the activated to the non-activated, length-relaxed state.
  • the actuator When the actuator is activated, the actuating element contracts and thereby forms a tensile force that is large enough to move the mass body in the opposite direction to raise gravity.
  • the actuating element After the solar radiation ceases or as a result of a drop in temperature, the actuating element returns to the non-activated state and returns to its length-relaxed state as a result of the gravity acting on the mass body.
  • the weight of the mass body is therefore chosen to be greater than a tensile force of the actuating element in the non-activated state.
  • the actuator comprises a restoring element, wherein a restoring force of the restoring element is greater than a tensile force of the actuating element in the activated, length-contracted state and is smaller than a tensile force of the actuating element in the non-activated, length-relaxed state.
  • the restoring force provided by the restoring element is directed in the opposite direction to the tensile force applied by the adjusting element and ensures that the clamping element can be returned to the length-relaxed state when cooled to a temperature below the conversion temperature range, in which the clamping element is preferably arranged predominantly outside the overheating collector.
  • the actuator can be mounted independently of gravity using the restoring element and therefore also horizontally oriented or vertically oriented upside down, that is, with the collector opening pointing upwards, that is, facing the ground.
  • the restoring element is preferably a biasing spring, in particular a spiral spring and/or plate spring and/or leg spring and/or sheet metal spring, or a spring assembly with two or more biasing springs.
  • the actuator according to the invention can advantageously be adjusted back noise-free and emission-free via the mass body or the preload spring as a restoring element.
  • the actuator according to the invention is preferably vertically oriented or with a The angle of attack is oriented relative to the horizontal so that the weight of the mass body can counteract the tensile force of the actuating element.
  • the collector housing of the overheating collector is aligned so that the collector opening points downwards, i.e. towards the ground.
  • the actuating element is designed as a wire or as a wire rope or wire bundle or strand and is preferably wound in a spiral shape or as a spiral spring.
  • this wire-shaped design of the actuating element allows the actuator according to the invention to be designed in a compact design and the actuating element can be manufactured cost-effectively.
  • the actuating element In the form of a wire wound into a spiral or helical spring, the actuating element has a large surface area for heat transfer in a small space, whereby the actuating element can advantageously be designed with a reduced cross section or wire diameter and less thermal radiation is required than with a thick one Wire with large wire diameter.
  • predetermined spring characteristics can be formed for the actuating element.
  • the adjusting element can also be designed as a sheet metal or thin-film element or a differently shaped three-dimensional element while maintaining the inventive idea.
  • the actuator further comprises a linear guide for the actuating element.
  • the linear guide is intended to guide the actuating element in such a way that it carries out a defined translational actuating movement with as little friction as possible.
  • the linear guide is preferably designed as an elongated guide wire.
  • a first wire end of the guide wire is arranged at the level of the first end of the actuating element on the collector housing of the overheating collector and a second wire end of the guide wire is arranged outside the collector housing.
  • the adjusting element is preferred spirally wound around the guide wire.
  • guide wire is to be understood broadly and can in particular also include a wire rope or a wire bundle or a strand or the like.
  • the mass body has an opening through which the guide wire is passed.
  • the mass body advantageously forms an element that is movable along the guide wire, via which the adjusting element is guided in a translationally displaceable manner along the guide wire.
  • the shape memory alloy of the actuating element is preferably a nickel-titanium alloy (NiTi).
  • NiTi nickel-titanium alloy
  • ternary shape memory alloys such as NiTiCu, NiTi Fe, NiTi Hf, NiTiZr, NiTi N b, NitTiCr, NiTiV or higher alloys, for example quaternary shape memory alloys, can also be used for the actuating element, depending on the expected ambient or operating temperatures.
  • Such shape memory alloys based on the alloying elements nickel and titanium advantageously have a high tensile strength and elongation at break with good corrosion resistance and a long service life.
  • the actuator is used to clamp a sun protection element, in particular a sun sail or a sun awning.
  • the actuator is advantageously activated as a result of solar radiation, so that the actuator can be automatically activated to extend the sun protection element if there is a need for shading by a sun protection element. Because the actuator can be reset, the sun protection element can also be moved back autonomously when not needed, for example in heavy clouds or at night.
  • FIG. 2 shows a schematic side view of the SMA actuator according to the invention according to FIG. 1 with the SMA element in the partially activated state
  • FIG. 3 shows a schematic side view of the SMA actuator according to the invention according to FIG. 1 with the SMA element in the fully activated state
  • FIG. 4 shows a schematic side view of a second embodiment of an SMA actuator according to the invention with an SMA element in the fully activated state
  • FIG. 5 shows a schematic side view of the SMA actuator according to the invention according to FIG. 4 with the SMA element in the partially activated state
  • FIG. 6 shows a schematic side view of the SMA actuator according to the invention according to FIG. 4 with the SMA element in the non-activated state
  • FIG. 7 shows a schematic side view of a third embodiment of an SMA actuator according to the invention with an SMA element in the non-activated state
  • Fig. 8 is a schematic side view of the SMA actuator according to the invention according to Fig. 7 with the SMA element in the partially activated state and
  • Fig. 9 is a schematic side view of the SMA actuator according to the invention according to Fig. 7 with the SMA element in the fully activated state.
  • the actuator 1 includes, as essential functional components, an actuator 2 made of a shape memory alloy (FGL) and a Overheating collector 3 with a collector housing 7, which is a
  • FGL shape memory alloy
  • Superheating volume encloses, and a collector opening 8, through which the actuating element can be passed.
  • the adjusting element 2 is designed to extend longitudinally and has a first end 9, which is fixed to the collector housing 7 of the overheating collector 3 and is permanently arranged in the overheating volume.
  • a second end 10 of the adjusting element 2, which is opposite the first end 9, is arranged or mounted in a translationally movable manner and can pass through the collector opening 8.
  • the overheating collector 3 is designed to absorb solar thermal radiation (solar radiation) in order to heat the overheating volume enclosed by the collector housing 7 and the part of the actuating element 2 accommodated therein to a temperature above a conversion temperature range of the shape memory alloy of the actuating element 2.
  • FIGS. 1 to 3 A first embodiment of the actuator 1 according to the invention is shown in FIGS. 1 to 3.
  • the actuating element 2 is designed here as a spirally or helically wound wire, i.e. as a spiral spring or helical spring.
  • the collector housing 7 here has a substantially can-shaped shape and is open on one side in the area of the collector opening 8.
  • the actuator 1 To guide the actuating element 2 along a defined translational direction of movement, the actuator 1 provides a guide wire 6 as a line guide, around which the actuating element 2 is wound.
  • a movably mounted, spherical mass body 4 is also attached to the movable second end 10 of the actuating element 2, which provides an opening through which the guide wire 5 is guided.
  • the actuating element 2 and the guide wire 5 are inclined with respect to their longitudinal extent with an angle of attack a of approximately 30 ° to the horizontal, whereby the mass body 4, due to gravity or the force of gravity, applies a weight force that is opposite to the internal tensile force of the actuating element 2.
  • a mass of the mass body 4 is dimensioned such that the weight of the mass body 4 is smaller than a tensile force of the actuating element 2 in the activated, length-contracted state and is greater than a tensile force of the actuating element 2 in the non-activated, length-relaxed state .
  • Fig. 1 shows the actuator 1 with the actuating element 2 in the non-activated, length-relaxed state.
  • the adjusting element 2 protrudes largely from the overheating collector 3 and is accommodated in the area of the first end 9 in the overheating volume enclosed by the collector housing 7.
  • the actuating element 2 assumes this state at a temperature below the transformation temperature range of the shape memory alloy. This is typically the case in heavily cloudy or shady conditions and at night when sufficient solar radiation from the sun is not available.
  • the actuating element 2 is in a partially activated transition state.
  • the overheating collector absorbs sufficient solar radiation, as a result of which the part of the actuating element 2 included in the overheating volume is heated to a temperature above the conversion temperature range and converted into the activated state.
  • this overheated part of the actuating element 2 has undergone a length contraction with the application of a tensile force, whereby the mass body 4 has been slightly displaced up along the guide wire 5 towards the overheating collector 3.
  • the actuating element 2 is in the activated, length-contracted state and is completely included in the superheating volume.
  • the actuator 1 is activated in this respect.
  • the tensile force of the actuating element 2 is greater than in the non-activated state and greater than the opposing weight of the mass body 4, so that the mass body 4 has been pulled in front of the collector opening 8.
  • FIGS. 4 to 6 A second embodiment of an actuator 1 according to the invention is shown in FIGS. 4 to 6.
  • the actuator 1 has the can-shaped, one-sided open overheating collector 3, the elongated actuating element 5 in the form of a spirally wound wire made of a shape memory alloy, and the spherical mass body 4.
  • the actuator 1 or the actuating element 5 are vertically upright here, that is, oriented perpendicular to the horizontal.
  • the collector opening 8 of the overheating collector 3 points downwards, that is, towards the ground, so that the weight of the mass body 4 is directed vertically downwards.
  • the weight of the mass body 4 causes a gravity-induced resetting of the actuating element 2 when, as a result of cooling, it changes from the activated, length-contracted state, shown in FIG. 4, to the non-activated, length-relaxed state, shown in FIG. 6. Since the mass body 4 in this embodiment of the actuator 1 always holds the actuating element 2 vertically, a linear guide and a restoring element can be dispensed with.
  • FIGS. 7 to 9 A third embodiment of the actuator 1 according to the invention is shown in FIGS. 7 to 9.
  • the actuator 1 comprises the can-shaped overheating collector 3, which is open on one side, the longitudinally extending actuating element 2 in the form of a spirally wound wire made of a shape memory alloy, the spherical mass body 4 and the guide wire 5.
  • the actuator 1 further comprises a longitudinally extending spirally or helically wound one Biasing spring as a restoring element 6.
  • the biasing spring and the actuating element 2 are each wound around the longitudinally extended guide wire 5.
  • the actuator 1 is oriented horizontally here, that is to say the actuating element 2 and the restoring element 6 as well as the guide wire 5 are each oriented parallel to the horizontal with respect to their longitudinal extent.
  • the restoring element 6 is arranged here on a side opposite the adjusting element 2 and is attached to the mass body 4 with a movable end.
  • the restoring element 6 provides a horizontal restoring force that is directly opposite to the tensile force of the actuating element 2.
  • a gravity-based provision can be dispensed with here.
  • the restoring force of the restoring element 6 is selected so that it is greater than the tensile force of the adjusting element 2 in the non-activated, length-relaxed state and is smaller than the tensile force of the actuating element 2 in the activated, length-contracted state.
  • the invention is not limited to the embodiments of the actuator 1 shown in the figures.
  • the components of the actuator 1 can be freely selected within wide limits with regard to their dimensions, shape, number and arrangement relative to one another.
  • the actuator 1 according to the invention can be activated autonomously as a result of solar radiation, it can be used in particular to clamp a sun protection element, for example a sun sail or a sun awning or the like.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aktuator (1) zur reversiblen Erzeugung einer translatorischen Stellbewegung umfassend ein Stellelement (2) aus einer Formgedächtnislegierung, welches ausgebildet ist, bei einer Erhitzung auf eine Temperatur oberhalb eines Umwandlungstemperaturbereichs eine Längenkontraktion auszuführen, umfassend einen Überhitzungskollektor (3) zur Aufnahme solarer thermischer Strahlung mit einem Kollektorgehäuse (7), welches ein durch die solare thermische Strahlung auf eine Temperatur oberhalb des Umwandlungstemperaturbereichs erhitzbares Überhitzungsvolumen umschließt, und mit einer Kollektoröffnung (8), wobei ein erstes Ende (9) des Stellelements (2) an dem Kollektorgehäuse (7) festgelegt ist und ein zweites Ende (10) des Stellelements (2) translatorisch beweglich angeordnet ist derart, dass das Stellelement (2) in einem aktivierten längenkontraktierten Zustand bei einer Temperatur oberhalb des Umwandlungstemperaturbereichs vollständig in dem Überhitzungsvolumen aufgenommen ist und in einem nichtaktivierten längenrelaxierten Zustand bei einer Temperatur unterhalb des Umwandlungstemperaturbereichs abschnittsweise durch die Kollektoröffnung (8) hindurch aus dem Kollektorgehäuse (7) ausgetreten ist.

Description

Formgedächtnislegierungs-Aktuator und Verwendung desselben
Die Erfindung betrifft einen Aktuator zur reversiblen Erzeugung einer translatorischen Stellbewegung umfassend ein Stellelement aus einer Formgedächtnislegierung, welches ausgebildet ist, bei einer Erhitzung auf eine Temperatur oberhalb eines Umwandlungstemperaturbereichs eine Längenkontraktion auszuführen. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Aktuators.
Ein Aktuator ist ein System, welches eine nicht mechanische Energie in mechanische Arbeit umwandelt, insbesondere in eine Stellbewegung (Arbeitshub) und eine Arbeitskraft. Aktuatoren mit einem Stellelement aus einer Formgedächtnislegierung, auch Formgedächtnislegierungs-Aktuator (FGL-Aktuator) genannt, können thermisch induziert aktiviert werden, das heißt sie reagieren auf eine Temperaturänderung. Eine Formgedächtnislegierung (FGL, englisch: SMA - shape-memory alloy) zählt zu den Funktionswerkstoffen. Sie wird oft auch als Memorylegierung bezeichnet, was daher rührt, dass sie sich nach einer scheinbar plastischen Verformung durch Erhitzen an eine vorher durch eine Wärmebehandlung eingeprägte Gestalt scheinbar „erinnern“ kann. Diese Formumwandlung basiert auf einer temperaturabhängigen Phasenumwandlung zweier verschiedener Kristallstrukturen der Formgedächtnislegierung, der Kaltphase (Martensit) und der Warmphase (Austenit). Durch eine Phasenumwandlung, welche mit der Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit verbunden ist und in einem materialspezifischen Umwandlungstemperaturbereich stattfindet, können beide Kristallstrukturen ineinander übergehen. In der Kaltphase (Martensit) liegt das FGL-Material in einer besser verformbaren Form mit einem geringeren Elastizitätsmodul vor, als in der steiferen Warmphase (Austenit). Wenn sich die Formgedächtnislegierung in der Kaltphase befindet und aufgeheizt wird, beginnt sich die Kristallstruktur zu verändern und in Austenit überzugehen. Die Temperatur, bei der diese Phasenumwandlung beginnt, wird als Austenit-Starttemperatur (As) bezeichnet. Die Temperatur, bei der diese Phasenumwandlung abgeschlossen ist, wird als Austenit-Finishtemperatur (Af) bezeichnet. In der Warmphase (Austenit) nimmt das FGL-Material seine ursprüngliche eingeprägte Form wieder an und erzeugt dabei eine Zugkraft, die als eine Arbeitskraft für einen Aktuator genutzt werden kann. Zudem findet dabei eine Längenkontraktion des FGL-Materials statt, die als Stellbewegung beziehungsweise Arbeitshub für einen Aktuator verwendet werden kann. Wenn die Formgedächtnislegierung aus der Warmphase heraus abgekühlt wird, wandelt sie sich wieder in Martensit um. Die Starttemperatur für diese Phasenumwandlung wird Martensit-Starttemperatur (Ms), die Endtemperatur, bei der diese Phasenumwandlung abgeschlossen ist, wird Martensit- Finishtemperatur (Mf) genannt. Als Umwandlungstemperaturbereich wird nachfolgend der Temperaturbereich zwischen der Martensit-Finishtemperatur (Mf) und der Austenit- Finishtemperatur (Af) bezeichnet. Ein längserstrecktes Stellelement aus einer Formgedächtnislegierung weist demzufolge bei einer Temperatur oberhalb des Umwandlungstemperaturbereichs Austenit und einen aktivierten, längenkontraktierten Zustand und bei einer Temperatur unterhalb des Umwandlungstemperaturbereichs Martensit und einen nichtaktivierten, längenrelaxierten Zustand auf.
Es besteht ein Bedarf an Aktuatoren der gattungsgemäßen Art, die sich autonom durch Solarstrahlung beziehungsweise Sonneneinstrahlung aktivieren lassen.
Die JPA 60-116880 A gibt einen durch Solarstrahlung aktivierbaren Aktuator für eine rotatorische Stellbewegung an. Der Aktuator weist ein in einem Gehäuse als Endlosschlaufe umlaufendes Stellelement aus einer Formgedächtnislegierung auf. Das Stellelement durchläuft hier einen endlosen Kreislauf aus Erhitzung in einem der Solarstrahlung ausgesetzten offenen Gehäusebereich und Abkühlung in einem verschatteten Gehäusebereich. Demzufolge findet hier die Rotationsbewegung des Stellelements solange statt, bis nicht mehr ausreichend Solarstrahlung zur Verfügung steht. Zur Ausführung einer definierten, translatorischen Stellbewegung ist dieser Aktuator insofern ungeeignet.
Aus der US 8,938,965 B1 ist ein Aktuator mit einem Stellelement aus einer Formgedächtnislegierung bekannt, der durch Solarstrahlung aktivierbar ist. Das Stellelement ist hierbei direkt der Solarstrahlung ausgesetzt und führt bei einer ausreichenden Erwärmung durch die Solarstrahlung eine lineare Längenkontraktion aus. Dadurch wird eine Klappe geschlossen, welche das Stellelement von der Solarstrahlung trennt und verschattet. Im Schatten kühlt das Stellelement wieder ab und wird von einer Vorspannfeder als Rückstellelement wieder gelängt, und die Klappe erneut geöffnet. Da hierbei das Stellelement direkt der Solarstrahlung ausgesetzt ist, ist die Längenkontraktion und damit die Aktivierung des Aktuators unmittelbar von der Intensität der Solarstrahlung beziehungsweise der Umgebungstemperatur abhängig und es findet dabei eine sprunghafte Stellbewegung statt, da nahezu das gesamte Stellelement der Solarstrahlung ausgesetzt ist. Für Stellanwendungen, bei denen eine kaskadische beziehungsweise zeitlich verlangsamte beziehungsweise zeitlich definiert ablaufende Stellbewegung oder eine Aktivierung des Aktuators mit einer geringeren Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur beziehungsweise der Intensität der Solarstrahlung gefordert ist, ist dieser Aktuator somit wenig praktikabel.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Aktuator der gattungsgemäßen Art anzugeben, welcher vollständig autonom durch Solarstrahlung aktivierbar ist.
Zur Lösung der Aufgabe weist die Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf. Demzufolge umfasst ein erfindungsgemäßer Aktuator zur reversiblen Erzeugung einer translatorischen Stellbewegung ein Stellelement aus einer Formgedächtnislegierung, wobei das Stellelement ausgebildet ist, bei einer Erhitzung auf eine Temperatur oberhalb eines Umwandlungstemperaturbereichs eine Längenkontraktion auszuführen, und einen Überhitzungskollektor zur Aufnahme solarer thermischer Strahlung. Der Überhitzungskollektor weist ein Kollektorgehäuse auf, welches ein durch die solare thermische Strahlung auf eine Temperatur oberhalb des Umwandlungstemperaturbereichs erhitzbares Überhitzungsvolumen umschließt, und eine Kollektoröffnung. Ein erstes Ende des Stellelements ist an dem Kollektorgehäuse festgelegt und ein zweites Ende des Stellelements ist translatorisch beweglich angeordnet derart, dass das Stellelement in einem aktivierten längenkontraktierten Zustand bei einer Temperatur oberhalb des Umwandlungstemperaturbereichs vollständig in dem Überhitzungsvolumen aufgenommen ist und in einem nichtaktivierten längenrelaxierten Zustand bei einer Temperatur unterhalb des Umwandlungstemperaturbereichs abschnittsweise durch die Kollektoröffnung hindurch aus dem Kollektorgehäuse ausgetreten ist.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die solare thermische Strahlung beziehungsweise Solarstrahlung sowohl als ein Schaltsignal als auch als Energiequelle einsetzbar ist, um den Aktuator zur Ausführung einer translatorischen Stellbewegung zu aktivieren. Vorteilhaft aktiviert sich der erfindungsgemäße Aktuator somit bei Bedarf vollständig autonom und kann energieautark und emissionsfrei sowie geräuscharm betrieben werden. Zudem kann auf elektrische Komponenten für den Aktuator vollständig verzichtet werden, wodurch sich der Aufbau und die Fertigung des Aktuators wesentlich vereinfachen.
Zur Ausführung der Stellbewegung ist eine Erhitzung des Stellelements auf eine Temperatur oberhalb des Umwandlungstemperaturbereichs der Formgedächtnislegierung erforderlich. Der Überhitzungskollektor ist hierzu vorgesehen, die Solarstrahlung aufzunehmen, um das Überhitzungsvolumen auf eine dementsprechende Temperatur zu erhitzen. Der in den Überhitzungskollektor aufgenommene Teil des Stellelements erfährt insofern bei einem Temperaturanstieg auf eine Temperatur oberhalb des Umwandlungstemperaturbereichs eine Gefügeumwandlung von Martensit zu Austenit, was mit einer Längenkontraktion, das heißt einer Verkürzung des Stellelements, verbunden ist.
Die Formgedächtnislegierung ist vorzugsweise so beschaffen, dass die Phasenumwandlung von Martensit in Austenit in einem Umwandlungstemperaturbereich stattfindet, der oberhalb der typischen maximalen Umgebungstemperaturen an einem Verwendungsort liegt. Hierdurch ist sichergestellt, dass die für die Aktivierung des Aktuators verantwortliche Austenitbildung des FGL- Materials des Stellelements ausschließlich in dem Überhitzungskollektor stattfindet, wodurch eine sprunghafte Längenkontraktion verhindert ist. Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Aktuators besteht darin, dass sich im nichtaktivierten Zustand des Stellelements ein Großteil des FGL-Materials des Stellelements außerhalb des Überhitzungskollektors befindet. Eine Erhitzung des in den Überhitzungskollektor aufgenommenen Teils des Stellelements durch die Solarstrahlung (Teilaktivierung) führt demzufolge dazu, dass dieser Teil unter Aufbringung einer Zugkraft eine Längenkontraktion erfährt und somit weiteres FGL- Material des Stellelements durch die Kollektoröffnung hindurch in das Überhitzungsvolumen hineinzieht. Dieser Vorgang läuft bei ausreichender Solarstrahlung kontinuierlich und autonom ab, solange bis das Stellelement vollständig längenkontraktiert beziehungsweise aktiviert ist und vollständig in den Überhitzungskollektor aufgenommen ist. Die hierbei durch die Längenkontraktion des Stellelements erfolgte Translationsbewegung lässt sich als Stellbewegung des erfindungsgemäßen Aktuators nutzen. Zudem stellt das Stellelement hierbei eine Zugkraft bereit, welche sich als eine Aktuatorkraft des erfindungsgemäßen Aktuators nutzen lässt. Die Zugkraft im aktivierten, längenkontraktierten Zustand des Stellelements ist größer als im nichtaktivierten, längenrelaxierten Zustand.
Eine Rückstellung des Stellelements in seine längenrelaxierte Form im nichtaktivierten Zustand infolge einer Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb des Umwandlungstemperaturbereichs erfolgt hierbei automatisch mittels der Schwerkraft oder eines Rückstellelements. Hierdurch lässt sich ein Zweiweg-Effekt ausnutzen, das heißt das Stellelement führt bei der Zustandsformänderung aus dem nichtaktivierten in den aktivierten Zustand und zurück eine reziproke translatorische Stellbewegung beziehungsweise einen reversiblen Stellzyklus aus.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist diesbezüglich an dem translatorisch beweglichen zweiten Ende des Stellelements ein Massekörper befestigt. Eine Masse des Massekörpers ist so bemessen, dass eine Gewichtskraft des Massekörpers kleiner ist als eine Zugkraft des Stellelements im aktivierten, längenkontraktierten Zustand und größer ist als eine Zugkraft des Stellelements im nichtaktivierten, längenrelaxierten Zustand. Der Massekörper ist vorgesehen, eine Rückverstellbarkeit des Stellelements aus dem aktivierten in den nichtaktivierten, längenrelaxierten Zustand zu ermöglichen. Bei Aktivierung des Aktuators zieht sich das Stellelement zusammen und bildet dabei eine Zugkraft aus, die groß genug ist, den Massekörper entgegengesetzt zu der Schwerkraft anzuheben. Nach Wegfall der Solarstrahlung beziehungsweise infolge einer Temperaturabsenkung geht das Stellelement zurück in den nichtaktivierten Zustand und erfährt infolge der auf den Massekörper wirkenden Schwerkraft eine Rückstellung auf seine längenrelaxierte Zustandsform. Die Gewichtskraft des Massekörpers ist hierbei demzufolge größer gewählt, als eine Zugkraft des Stellelements im nichtaktivierten Zustand.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Aktuator ein Rückstellelement, wobei eine Rückstellkraft des Rückstellelements größer ist als eine Zugkraft des Stellelements im aktivierten, längenkontraktierten Zustand und kleiner ist als eine Zugkraft des Stellelements im nichtaktivierten, längenrelaxierten Zustand. Die von dem Rückstellelement bereitgestellte Rückstellkraft ist der von dem Stellelement aufgebrachten Zugkraft entgegengerichtet und sorgt dafür, dass das Spannelement bei einer Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb des Umwandlungstemperaturbereichs in die längenrelaxierte Zustandsform zurückverbringbar ist, in welcher das Spannelement vorzugsweise überwiegend außerhalb des Überhitzungskollektors angeordnet ist. Vorteilhaft kann durch das Rückstellelement der Aktuator schwerkraftunabhängig und demzufolge auch horizontal orientiert oder vertikal kopfüber orientiert, das heißt mit der Kollektoröffnung nach oben zeigend, das heißt dem Erdboden entgegengerichtet, montiert werden.
Das Rückstellelement ist vorzugsweise eine Vorspannfeder, insbesondere eine Spiralfeder und/oder Tellerfeder und/oder Schenkelfeder und/oder Blechfeder, beziehungsweise ein Federpaket mit zwei oder mehr Vorspannfedern.
Vorteilhaft lässt sich der erfindungsgemäße Aktuator über den Massekörper beziehungsweise die Vorspannfeder als Rückstellelement lärm- und emissionsfrei zurückverstellen.
Grundsätzlich sind unter Beibehaltung der Erfindung auch weitere alternative Ausführungsformen für das Rückstellelement denkbar, wie beispielsweise ein Elektromotor oder ein Stellzylinder.
Der erfindungsgemäße Aktuator ist für diese schwerkraftbasierte Rückstellung mittels des Massekörpers vorzugsweise vertikal orientiert beziehungsweise mit einem Anstellwinkel zur Horizontalen so orientiert, sodass die Gewichtskraft des Massekörpers der Zugkraft des Stellelements entgegenwirken kann. Hierfür ist das Kollektorgehäuse des Überhitzungskollektors so ausgerichtet, dass die Kollektoröffnung nach unten, das heißt zum Erdboden hinzeigt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Stellelement als ein Draht beziehungsweise als Drahtseil beziehungsweise Drahtbündel beziehungsweise Litze ausgebildet und dabei bevorzugt spiralförmig gewunden beziehungsweise eine Spiralfeder. Vorteilhaft kann durch diese drahtförmige Ausbildung des Stellelements der erfindungsgemäße Aktuator in einer kompakten Bauform ausgebildet werden und das Stellelement kostengünstig hergestellt werden.
In der Form als ein zu einer Spiral- beziehungsweise Schraubenfeder gewundener Draht weist das Stellelement eine große Oberfläche zur Wärmeübertragung auf kleinem Raum auf, wodurch das Stellelement vorteilhaft mit einem reduzierten Querschnitt beziehungsweise Drahtdurchmesser ausgeführt werden kann und weniger thermische Strahlung erforderlich ist, als bei einem dicken Draht mit großem Drahtdurchmesser. Zudem lassen sich vorbestimmte Federkennlinien für das Stellelement ausbilden.
Selbstverständlich kann das Stellelement unter Beibehaltung der erfinderischen Idee auch als ein Blech beziehungsweise Dünnschichtelement beziehungsweise ein anders geformtes dreidimensionales Element ausgeführt sein.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Aktuator weiter eine Linearführung für das Stellelement. Die Linearführung ist vorgesehen, das Stellelement so zu führen, dass dieses möglichst reibungsarm eine definierte translatorische Stellbewegung ausführt.
Vorzugsweise ist die Linearführung als ein längserstreckter Führungsdraht ausgebildet. Dabei ist ein erstes Drahtende des Führungsdrahts auf Höhe des ersten Endes des Stellelements am Kollektorgehäuse des Überhitzungskollektors und ein zweites Drahtende des Führungsdrahts außerhalb des Kollektorgehäuses angeordnet. Auf diese Weise ist eine einfach zu montierende und kostengünstige herstellbare Linearführung für das Stellelement realisiert. Das Stellelement ist dabei bevorzugt spiralförmig um den Führungsdraht herumgewunden. Der Begriff Führungsdraht ist weit zu verstehen und kann insbesondere auch ein Drahtseil beziehungsweise ein Drahtbündel beziehungsweise eine Litze oder dergleichen umfassen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Massekörper einen Durchbruch auf, durch den der Führungsdraht hindurchgeführt ist. Vorteilhaft bildet der Massekörper insofern ein entlang des Führungsdrahts bewegliches Element, über welches das Stellelement translatorisch verschiebbar entlang des Führungsdrahts geführt ist.
Die Formgedächtnislegierung des Stellelements ist vorzugsweise eine Nickel-Titan- Legierung (NiTi). Insbesondere können für das Stellelement in Abhängigkeit von zu erwartenden Umgebungs- beziehungsweise Einsatztemperaturen auch ternäre Formgedächtnislegierungen wie NiTiCu, NiTi Fe, NiTi Hf, NiTiZr, NiTi N b, NitTiCr, NiTiV oder höherlegierte, zum Beispiel quarternäre Formgedächtnislegierungen zum Einsatz kommen. Derartige Formgedächnislegierungen auf Basis der Legierungselemente Nickel und Titan, weisen vorteilhaft eine hohe Zugfestigkeit und Bruchdehnung bei einer guten Korrosionsbestätigkeit und einer langen Lebensdauer auf.
Selbstverständlich sind unter Beibehaltung der erfinderischen Idee alternative weitere Legierungszusammensetzungen für das Stellelement denkbar.
Eine Verwendung des erfindungsgemäßen Aktuators sieht vor, dass der Aktuator zum Aufspannen eines Sonnenschutzelements, insbesondere eines Sonnensegels oder einer Sonnenmarkise verwendet wird. Vorteilhaft erfolgt die Aktivierung des Aktuators infolge von Solarstrahlung, sodass der Aktuator bei einem Bedarf an einer Beschattung durch ein Sonnenschutzelement automatisch aktivierbar ist zum Ausfahren des Sonnenschutzelements. Durch die Rückstellbarkeit des Aktuators kann das Sonnenschutzelement zudem bei Nichtbedarf, beispielsweise bei starker Bewölkung oder in der Nacht, autonom zurückverfahren werden.
Aus den weiteren Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung sind weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung zu entnehmen. Dort erwähnte Merkmale können jeweils einzeln für sich oder auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Die Zeichnungen dienen lediglich beispielhaft der Klarstellung der Erfindung und haben keinen einschränkenden Charakter. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen FGL-Aktuators mit einem FGL-Element im nichtaktivierten Zustand,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen FGL-Aktuators nach Fig. 1 mit dem FGL-Element im teilaktivierten Zustand,
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen FGL-Aktuators nach Fig. 1 mit dem FGL-Element im vollständig aktivierten Zustand,
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen FGL-Aktuators mit einem FGL-Element im vollständig aktivierten Zustand,
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen FGL-Aktuators nach Fig. 4 mit dem FGL-Element im teilaktivierten Zustand,
Fig. 6 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen FGL-Aktuators nach Fig. 4 mit dem FGL-Element im nichtaktivierten Zustand,
Fig. 7 eine schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen FGL-Aktuators mit einem FGL-Element im nichtaktivierten Zustand,
Fig. 8 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen FGL-Aktuators nach Fig. 7 mit dem FGL-Element im teilaktivierten Zustand und
Fig. 9 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen FGL-Aktuators nach Fig. 7 mit dem FGL-Element im vollständig aktivierten Zustand.
Die Fig. 1 bis Fig. 9 geben verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Aktuators 1 zur Ausführung einer translatorischen Stellbewegung an. Der Aktuator 1 umfasst als wesentliche Funktionskomponenten jeweils ein Stellelement 2 aus einer Formgedächtnislegierung (FGL) und einen Überhitzungskollektor 3 mit einem Kollektorgehäuse 7, welches ein
Überhitzungsvolumen umschließt, und einer Kollektoröffnung 8, durch die das Stellelement hindurchführbar ist, auf.
Das Stellelement 2 ist längserstreckt ausgebildet und weist ein erstes Ende 9 auf, welches an dem Kollektorgehäuse 7 des Überhitzungskollektors 3 festgelegt ist und dauerhaft in dem Überhitzungsvolumen angeordnet ist. Ein dem ersten Ende 9 gegenüberliegendes zweites Ende 10 des Stellelements 2 ist translatorisch beweglich angeordnet beziehungsweise gelagert und kann durch die Kollektoröffnung 8 hindurchtreten.
Der Überhitzungskollektor 3 ist ausgebildet, solare thermische Strahlung (Solarstrahlung) aufzunehmen, um das von dem Kollektorgehäuse 7 umschlossene Überhitzungsvolumen und den darin aufgenommenen Teil des Stellelements 2 auf eine Temperatur oberhalb eines Umwandlungstemperaturbereichs der Formgedächtnislegierung des Stellelements 2 zu erhitzen.
Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aktuators 1 geben die Fig. 1 bis Fig. 3 an. Das Stellelement 2 ist hier als ein spiralförmig beziehungsweise schraubenförmig gewundener Draht, also als eine Spiralfeder beziehungsweise Schraubenfeder ausgeführt. Das Kollektorgehäuse 7 weist hier eine im Wesentlichen dosenförmige und im Bereich der Kollektoröffnung 8 einseitig offene Form auf.
Zur Führung des Stellelements 2 entlang einer definierten Translationsbewegungsrichtung sieht der Aktuator 1 einen Führungsdraht 6 als Linienführung vor, um welchen das Stellelement 2 herumgewunden ist. An dem beweglichen zweiten Ende 10 des Stellelements 2 ist zudem ein beweglich gelagerter, kugelförmiger Massekörper 4 befestigt, welcher einen Durchbruch vorsieht, durch den der Führungsdraht 5 hindurchgeführt ist.
Das Stellelement 2 und der Führungsdraht 5 sind in Bezug auf Ihre Längserstreckung mit einem Anstellwinkel a von zirka 30° zur Horizontalen geneigt, wodurch der Massekörper 4 infolge der Schwerkraft beziehungsweise Erdanziehungskraft eine der inneren Zugkraft des Stellelements 2 entgegengerichtete Gewichtskraft aufbringt. Um das Stellelement 2 aus dem aktivierten, längenkontraktierten in den nichtaktivierten, längenrelaxierten Zustand und zurück verbringen zu können, ist eine Masse des Massekörpers 4 so bemessen, dass die Gewichtskraft des Massekörpers 4 kleiner ist als eine Zugkraft des Stellelements 2 im aktivierten, längenkontraktierten Zustand und größer ist als eine Zugkraft des Stellelements 2 im nichtaktivierten, längenrelaxierten Zustand.
Fig. 1 zeigt den Aktuator 1 mit dem Stellelement 2 im nichtaktivierten, längenrelaxierten Zustand. Das Stellelement 2 ragt hierbei größtenteils aus dem Überhitzungskollektor 3 heraus und ist im Bereich des ersten Endes 9 in dem von dem Kollektorgehäuse 7 umschlossenen Überhitzungsvolumen aufgenommen. Das Stellelement 2 nimmt diese Zustandsform bei einer Temperatur unterhalb des Umwandlungstemperaturbereichs der Formgedächtnislegierung ein. Dies ist typischerweise bei starker Bewölkung oder Beschattung sowie nachts der Fall, wenn keine ausreichende Solarstrahlung durch die Sonne verfügbar ist.
In Fig. 2 befindet sich das Stellelement 2 in einem teilaktivierten Übergangszustand. Der Überhitzungskollektor nimmt eine ausreichende Solarstrahlung auf, wodurch der in das Überhitzungsvolumen aufgenommene Teil des Stellelements 2 auf eine Temperatur oberhalb des Umwandlungstemperaturbereichs erhitzt und in den aktivierten Zustand überführt worden ist. Demzufolge hat dieser überhitzte Teil des Stellelements 2 ein Längenkontraktion unter Aufbringung einer Zugkraft erfahren, wodurch der Massekörper 4 entlang des Führungsdrahts 5 leicht zu dem Überhitzungskollektor 3 hin hochverschoben worden ist.
In Fig. 3 befindet sich das Stellelement 2 im aktivierten, längenkontraktierten Zustand und ist vollständig in das Überhitzungsvolumen aufgenommen. Der Aktuator 1 ist insofern aktiviert. Die Zugkraft des Stellelements 2 ist dabei größer als im nichtaktivierten Zustand und größer als die entgegengerichtete Gewichtskraft des Massekörpers 4, sodass der Massekörper 4 entsprechend vor die Kollektoröffnung 8 herangezogen worden ist.
Der Weg um den der bewegliche Massekörper 4 infolge der Zustandsänderung des Stellelements 2 aus dem nichtaktivierten Zustand gemäß Fig. 1 in den aktivierten Zustand gemäß Figur 3 verschoben worden ist, definiert eine Stellbewegung beziehungsweise einen Arbeitshub für den Aktuator 1. Eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktuators 1 geben die Fig. 4 bis Fig. 6 an. Der Aktuator 1 weist hier wie gehabt den dosenförmigen, einseitig offenen Überhitzungskollektor 3, das längserstreckte Stellelement 5 in Form eines spiralförmig gewundenen Drahtes aus einer Formgedächtnislegierung, sowie den kugelförmigen Massekörper 4 auf. Der Aktuator 1 beziehungsweise das Stellelement 5 sind hier vertikal aufrecht, das heißt senkrecht zur Horizontalen orientiert. Die Kollektoröffnung 8 des Überhitzungskollektors 3 zeigt dabei nach unten, das heißt zum Erdboden hin, sodass die Gewichtskraft des Massekörpers 4 vertikal nach unten gerichtet ist. Die Gewichtskraft des Massekörpers 4 bewirkt insofern eine schwerkraftinduzierte Rückstellung des Stellelements 2, wenn dieses infolge einer Abkühlung aus dem aktivierten, längenkontraktierten Zustand, dargestellt in Fig. 4, in den nichtaktivierten längenrelaxierten Zustand, dargestellt in Fig. 6, übergeht. Da der Massekörper 4 in dieser Ausführungsform des Aktuators 1 das Stellelement 2 stets lotrecht hält, kann auf eine Linearführung und auf ein Rückstellelement verzichtet werden.
Eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aktuators 1 geben die Fig. 7 bis Fig. 9 an. Der Aktuator 1 umfasst wie gehabt den dosenförmigen und einseitig offenen Überhitzungskollektor 3, das längserstreckte Stellelement 2 in Form eines spiralförmig gewundenen Drahtes aus einer Formgedächtnislegierung, den kugelförmigen Massekörper 4 sowie den Führungsdraht 5. Weiter umfasst der Aktuator 1 hier eine längserstreckte spiral- beziehungsweise schraubenförmig gewundene Vorspannfeder als ein Rückstellelement 6. Die Vorspannfeder und das Stellelement 2 sind jeweils um den längserstreckten Führungsdraht 5 herumgewunden. Der Aktuator 1 ist hier horizontal orientiert, das heißt das Stellelement 2 und das Rückstellelement 6 sowie der Führungsdraht 5 sind hier in Bezug auf ihre Längserstreckung jeweils parallel zur Horizontalen orientiert.
Das Rückstellelement 6 ist hier an einer dem Stellelement 2 gegenüberliegenden Seite angeordnet und mit einem beweglichen Ende an dem Massekörper 4 befestigt. Das Rückstellelement 6 stellt eine horizontale Rückstellkraft bereit, die der Zugkraft des Stellelements 2 direkt entgegengerichtet ist. Insofern kann hier auf eine schwerkraftbasierte Rückstellung verzichtet werden. Die Rückstellkraft des Rückstellelements 6 ist so gewählt, dass sie größer als die Zugkraft des Stellelements 2 im nichtaktivierten, längenrelaxierten Zustand und kleiner als die Zugkraft des Stellelements 2 im aktivierten, längenkontraktierten Zustand ist.
Die Erfindung ist nicht auf die figürlich dargestellten Ausführungsformen des Aktuators 1 beschränkt. Insbesondere sind die Komponenten des Aktuators 1 hinsichtlich ihrer Dimensionierung, Form, Anzahl und Anordnung zueinander in weiten Grenzen frei wählbar.
Dadurch, dass sich der erfindungsgemäße Aktuator 1 autonom infolge von Solarstrahlung aktivieren lässt, kann er insbesondere zum Aufspannen eines Sonnenschutzelements, beispielsweise eines Sonnensegels oder einer Sonnenmarkise oder dergleichen, verwenden werden.
Selbstverständlich sind zahlreiche weitere Verwendungsmöglichkeiten für den erfindungsgemäßen Aktuator 1 denkbar.
Gleiche Bauteile und Bauteilfunktionen sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Bezugszeichenliste
1 Aktuator
2 Stellelement
3 Überhitzungskollektor
4 Massekörper
5 Führungsdraht
6 Rückstellelement
7 Kollektorgehäuse
8 Kollektoröffnung
9 erstes Ende
10 zweites Ende
11 erstes Drahtende
12 zweites Drahtende a Anstellwinkel

Claims

Patentansprüche
1. Aktuator (1) zur reversiblen Erzeugung einer translatorischen Stellbewegung umfassend ein Stellelement (2) aus einer Formgedächtnislegierung, welches ausgebildet ist, bei einer Erhitzung auf eine Temperatur oberhalb eines Umwandlungstemperaturbereichs eine Längenkontraktion auszuführen, umfassend einen Überhitzungskollektor (3) zur Aufnahme solarer thermischer Strahlung mit einem Kollektorgehäuse (7), welches ein durch die solare thermische Strahlung auf eine Temperatur oberhalb des Umwandlungstemperaturbereichs erhitzbares Überhitzungsvolumen umschließt, und mit einer Kollektoröffnung (8), wobei ein erstes Ende (9) des Stellelements (2) an dem Kollektorgehäuse (7) festgelegt ist und ein zweites Ende (10) des Stellelements (2) translatorisch beweglich angeordnet ist derart, dass das Stellelement (2) in einem aktivierten längenkontraktierten Zustand bei einer Temperatur oberhalb des Umwandlungstemperaturbereichs vollständig in dem Überhitzungsvolumen aufgenommen ist und in einem nichtaktivierten längenrelaxierten Zustand bei einer Temperatur unterhalb des Umwandlungstemperaturbereichs abschnittsweise durch die Kollektoröffnung (8) hindurch aus dem Kollektorgehäuse (7) ausgetreten ist.
2. Aktuator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zweiten Ende (10) des Stellelements (2) ein Massekörper (4) befestigt ist, dessen Masse so bemessen ist, dass eine Gewichtskraft des Massekörpers (4) kleiner ist als eine Zugkraft des Stellelements (2) im aktivierten, längenkontraktierten Zustand und größer ist als eine Zugkraft des Stellelements (2) im nichtaktivierten, längenrelaxierten Zustand.
3. Aktuator (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (1) weiter ein Rückstellelement (6) umfasst, wobei eine Rückstellkraft des Rückstellelements (6) kleiner ist als eine Zugkraft des Stellelements (2) im aktivierten, längenkontraktierten Zustand und größer ist als eine Zugkraft des Stellelements (2) im nichtaktivierten, längenrelaxierten Zustand. Aktuator (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstellelement (6) eine Vorspannfeder, insbesondere eine Spiralfeder und/oder Tellerfeder und/oder Schenkelfeder und/oder Blechfeder, und/oder ein Federpaket mit zwei oder mehr Vorspannfedern ist. Aktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (2) als ein Draht und/oder Drahtseil und/oder Drahtbündel und/oder Litze und besonders bevorzugt spiralförmig gewunden ausgebildet ist. Aktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (1) weiter eine Linearführung für das Stellelement (2) umfasst. Aktuator (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearführung ein längserstreckter Führungsdraht (5) ist, wobei ein erstes Drahtende (11) des Führungsdrahts (5) auf Höhe des ersten Endes (9) des Stellelements (2) an dem Kollektorgehäuse (7) des Überhitzungskollektors (3) und ein zweites Drahtende (12) des Führungsdrahts (5) außerhalb des Kollektorgehäuses (7) angeordnet ist. Aktuator (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Massekörper (4) einen Durchbruch aufweist, durch den der Führungsdraht (5) hindurchgeführt ist. Aktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (2) im nichtaktivierten, längenrelaxierten Zustand in Bezug auf seine Längserstreckung zu mindestens 50 % außerhalb des Überhitzungsvolumens angeordnet ist. Aktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung des Stellelements (2) eine Nickel-Titan-Legierung ist. Verwendung eines Aktuators (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Aufspannen eines Sonnenschutzelements, insbesondere eines Sonnensegels oder einer Sonnenmarkise.
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BE888218A (fr) * 1981-04-01 1981-10-01 Acec Pompe actionnee par l'energie solaire.
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US8938965B1 (en) 2011-05-27 2015-01-27 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Thermal powered reciprocating-force motor

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