Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb mit einem FGL-Aktorelement.

Zur Erzeugung von rotatorischen Stellbewegungen in FGL-basierenden Aktorelementen werden häufig Schraubenfeder als Thermostatantrieb eingesetzt, die durch ein umgebenes Fluid aktiviert werden. Auch als Rückstellfedern werden in der Praxis meistens Schraubenfedern eingesetzt, wobei diese Rückstellfedern typischerweise aus Federstahl hergestellt sind.

Je nach Bauraumanforderungen sind diese Anordnungen von Schraubenfedern, die nur lineare Stellbewegungen ausführen können, schlecht in ein Gesamtsystem zu integrieren, da die translatorische Bewegung der Schraubenfedern in eine rotatorische Bewegung mittels Hebelarmes umgewandelt wird. Weiterhin erreichen diese Anordnungen aufgrund der Hebelverhältnisse nur begrenzte Stellbereiche, bevor sie einen „Totpunkt“ erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen rotatorisch wirkenden Stellantrieb mit einem FGL- Aktorelement anzugeben, der besonders kompakt baut. Zur Lösung der Aufgabe weist die Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf.

Demzufolge umfasst die Erfindung einen rotatorischen Aktuator beziehungsweise Stellantrieb mit einer Bogenfeder aus einer Formgedächtnislegierung (FGL) als FGL- Aktorelement und mit einer weiteren Bogenfeder als einem Rückstellelement. Als Rückstellelement dient beispielsweise eine Gegenfeder aus Federstahl. Beispielsweise dient eine weitere FGL-Bogenfeder als Rückstellelement. Die Bogenfedern des Stellantriebs wirken bevorzugt gegensinnig auf einen drehbar gelagerten Hebel und stellen so ein Drehmoment zur Verfügung, welches über ein Verhältnis der Bogenfederkräfte einerseits und eine Länge des Drehhebels andererseits bestimmt ist.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Stellantrieb mit den gegensinnig wirkenden Bogenfedern sehr kompakt baut. Der Raumbedarf ist gering.

Die Bogenfedern selbst sind im unbelasteten Zustand bogenförmig vorgeformt. Dies gilt für die FGL-Bogenfedern sowie konventionelle Bogenfedern gleichermaßen. Beide eignen sich daher in besonderem Maße, um mit dem drehbaren Hebel zusammenzuwirken und ein Drehmoment zur Verfügung zu stellen. Die Drehbewegung des Hebels ist dabei allein durch die Geometrie der Bogenfedern selbst begrenzt. Totpunkte werden vermieden.

Um die Bogenfedern in Bezug auf ihre Stellbewegung zu führen, kann beispielweise eine bogenförmige Schale vorgesehen sein, die die Bogenfedern jedenfalls abschnittsweise und bevorzugt von außen umgreift und so einen Kanal für die Bogenfedern zu definieren.

Beispielsweise können die Bogenfedern von Innen geführt sein. Ein innenliegenden Führungselement, welches von den Bogenfedern umgriffen wird, kann beispielsweise ringsegmentförmig ausgebildet sein.

FGL-basierende Aktorelemente werden beispielsweise für Regelventilen im Thermomanagement eingesetzt, wo sie thermisch durch die Umgebungstemperatur aktiviert werden. Abhängig von der Umgebungstemperatur strömt hierbei ein Fluid durch das Ventil beziehungsweise das Ventil ist geschlossen und der Fluidstrom unterbrochen.

Alternativ kann das Ventil aktiv betätigt werden. Hierzu kann das FGL-Aktorelement bestromt und so erwärmt 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. Sie haben keinen einschränkenden Charakter.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stellantriebs mit einer FGL-Bogenfeder und einer Rückstellbogenfeder in einer ersten Drehstellung (Klappe geschlossen),

Fig. 2 eine Frontansicht des Stellantriebs nach Fig. 1 in der ersten Drehstellung,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Stellantriebs nach der ersten

Ausführungsform in einer zweiten Drehstellung (Klappe geöffnet),

Fig. 4 eine Frontansicht des Stellantriebs nach Fig. 3 in der zweiten Drehstellung,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stellantriebs mit einem innenliegenden Führungselement für die FGL-Bogenfeder und die Rückstellbogenfeder,

Fig. 6 eine Frontansicht des Stellantriebs nach Fig. 5,

Fig. 7 einen Schnitt A-A durch das Führungselements des Stellantriebs nach den Fig. 5 und 6 und Fig. 8 eine Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform des Führungselements mit einem rechteckigen Querschnitt.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung nach den Fig. 1 bis 4 sieht einen Stellantrieb mit einer FGL-Bogenfeder 1 als FGL-Aktor und eine konventionelle Bogenfeder 2 aus Federstahl als Rückstellelement vor. Beide Bogenfedern 1 wirken gegensinnig auf einen Hebel 3, der um eine Achse 4 drehbar gelagert ist. Mit dem Drehhebel 3 und der Achse 4 wird eine Klappe 5 verschenkt.

Die Klappe 5 ist Teil eines Ventils, das ein Gehäuse 7 mit einer Durchgangsöffnung 6 für ein Fluid vorsieht. Die Öffnung 6 wird von der Klappe 5 wahlweise verschlossen oder freigegeben. Die Klappe 5 wird hierzu aus einer ersten Drehstellung in eine zweite Drehstellung und zurück verschenkt.

Das Wirkprinzip der FGL-Bogenfedern 1 lässt sich grundsätzlich folgendermaßen erklären. Bei niedrigen Temperaturen ist die FGL-Bogenfeder 1 in der „weichen“ Martensitphase und lässt sich von der Rückstellbogenfeder 2 bis zum Block zusammendrücken. Die Durchgangsöffnung 6 des Ventils wird in diesem Zustand von der Klappe 5 verschlossen, vergleiche Fig. 1 und 2.

Im Zuge der kristallographischen Phasenumwandlung von Martensit zu Austenit läuft die Formannahme in die Hochtemperaturgeometrie der FGL-Bogenfeder 1 ab. Durch diese Formannahme kann die FGL-Bogenfeder 1 ein Moment aufbringen, welches höher als das der Rückstellbogenfeder 2 ist. Somit wird die Rückstellbogenfeder 2 komprimiert und die Bewegung der Klappe 5 ausgeführt, vergleiche Fig. 3 und 4.

Der FGL-Aktor 1 arbeitet nach dem Prinzip des sogenannten „extrinsischen Zweiwegeffektes“, was bedeutet, dass zur zyklischen Nutzung des Formgedächtniseffektes eine äußere Kraft notwendig wird, die das FGL-Material im martensitischen Zustand wieder in seine Ausgangsform zurückstellt. Dazu kommt eine Schraubendruckfeder aus Federstahl in Bogenfederform zum Einsatz, um beispielsweise zwei Schaltzustände beziehungsweise Drehstellungen des FGL-Aktors 1 zu erreichen. Vorliegend wird die Klappe 5 über die FGL-Bogenfeder 1 von der ersten Drehstellung in die zweite Drehstellung verbracht mit der Folge, dass die Durchgangsöffnung 6 freigegeben wird. Demgegenüber dient die Rückstellbogenfeder 2 dazu, die Klappe 5 aus der zweiten Drehstellung in die ersten Drehstellung zurückzuverbringen und die Durchgangsöffnung 6 zu verschließen.

Die Betätigung der FGL-Bogenfeder 1 erfolgt temperaturabhängig. Charakteristisch ist hierbei die sogenannte Umwandlungstemperatur. Oberhalb der Umwandlungstemperatur nimmt die FGL-Bogenfeder 1 die Austenitstrukur ein, wohingegen sie unterhalb der Umwandlungstemperatur die Martensitstruktur einnimmt.

Die Temperatur der FGL-Bogenfeder 1 kann beispielsweise durch die Umgebungstemperatur bestimmt sein. Beispielsweise kann die FGL-Bogenfeder 1 bestromt und so erwärmt werden.

Die FGL-Bogenfeder 1 erzeugt über eine in Richtung der Schraubenachse wirkende Federkraft F und der Hebel 3 mit einem Hebelarm I zum Mittelpunkt ein Drehmoment

M = F ■ I um die durch den Mittelpunkt laufende Drehachse 4. Das durch die FGL-Bogenfeder 1 erzeugte Drehmoment M auf die Achse 4 lässt diese rotieren und öffnet die Klappe 4 des Ventils, welches dann ein zu beförderndes Fluid wie zum Beispiel Kühlflüssigkeit oder Luft durchströmen lässt, sofern die Federkraft F der FGL-Bogenfeder 1 größer ist als eine Gegenkraft, die von der Rückstellfeder 2 bereitgestellt wird.

Durch die Abkühlung und die damit verbundene Rückumwandlung der FGL- Bogenfeder 1 vom Austenit in den Martensit kann diese im Zuge einer Entzwillingung bei niedrigen Spannungen verformt werden. Makroskopisch äußerst sich dies in einer Rotationsbewegung zurück in die erste Drehstellung. Die Gegenkraft der Rückstellfeder 2 ist insofern größer als die Federkraft F der FGL-Bogenfeder 1. Ein nun durch die Rückstellbogenfeder 2 erzeugte Drehmoment auf die Achse 4 schließt nun beispielsweise die Klappe 5 am Ventil wieder. Die Fig. 5 bis 7 zeigen eine zweite Ausführungsform des Stellantriebs. Hierbei sind die Bogenfedern 1, 2 von Innen geführt. Zu diesem Zweck ist ein ringsegmentförmiges Führungselement 10 vorgesehen, welches von den beiden Bogenfedern 1, 2 umgriffen wird und diese auf einer Kreisbahn führt.

Das Führungsringsegment 10 sieht einen kreisförmigen Querschnitt auf. Es ist durch den Hebel 3 hindurchgeführt und besitzt einen konstanten Radius.

Fig. 8 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Führungsringsegments 10. Das alternative Führungsringsegment 10 besitzt einen rechteckigen Querschnitt.

In einer weiteren, in den Zeichnungen nicht dargestellten Ausprägungsform der Erfindung wird zur Realisierung von zyklischen Stellbewegungen das Prinzip der Agonist-Antagonist-Bauweise verwendet. In diesem Fall wird die konventionelle Rückstellbogenfeder durch eine weitere FGL-Bogenfeder ausgetauscht, so dass mindestens zwei FGL-Bogenfedern im System arbeiten. Wird nun eine der FGL- Bogenfedern erwärmt (beispielsweise aktiv durch Bestromung) und somit aktiviert, wird die andere, inaktive und weiche FGL-Bogenfeder beim Stellvorgang plastisch verformt.

Diese Bauweise bietet nicht nur die Möglichkeit der Realisierung von wiederholbaren Stellbewegungen durch eine wechselseitige Erwärmung der beider FGL-Bogenfedern, sondern ist auch in der Lage, die jeweilige Schaltposition im stromlosen beziehungsweise nicht aktivierten Zustand zu halten. Da die inaktive FGL-Bogenfeder von der aktiven FGL-Bogenfeder beim Stellvorgang plastisch verformt wurde, stehen zum Halten der Position maximal die Momente zur Verfügung, die zur erneuten pseudoplastischen Verformung überwunden werden müssten. Damit kann gegebenenfalls auf eine Haltemechanik verzichtet werden.

Weitere Vorteile ergeben sich durch die optimal bereitgestellten Rückstellmomente, die nicht höher als nötig ausfallen. Bezugszeichenliste

1 FGL-Bogenfeder

2 Rückstellbogenfeder

3 Hebel

4 Achse

5 Klappe

6 Durchlassöffnung

7 Gehäuse

8 Führungskanal

9 Schale

10 Führungsringsegment