DE102018115396A1

DE102018115396A1 - Passiv betätigtes rückstellbares ventil

Info

Publication number: DE102018115396A1
Application number: DE102018115396.1A
Authority: DE
Inventors: Richard J. Skurkis; Anthony L. Smith; Xiujie Gao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-06-28
Filing date: 2018-06-26
Publication date: 2019-01-03
Also published as: US10352466B2; US20190003608A1; CN109140004A

Abstract

Eine Ventilanordnung beinhaltet einen Körper mit einer Längsachse, der einen Hohlraum darin definiert. Im Hohlraum ist ein Wechselventil angeordnet. Das Wechselventil weist eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche auf. Ein Betätigungselement ist an die erste Oberfläche des Wechselventils angrenzend und konfiguriert, um das Wechselventil entlang der Längsachse zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zu verschieben. Das Betätigungselement ist aus einer Formgedächtnislegierung gebildet, die zwischen einer martensit-kristallographischen Phase und einer austenit-kristallographischen Phase in Reaktion auf ein thermisches Aktivierungssignal umschaltbar ist, um dadurch das Wechselventil zwischen der ersten Position und der zweiten Position zu übersetzen. Darüber hinaus befindet sich ein elastisches Element angrenzend an die zweite Oberfläche des Wechselventils. Das elastische Element ist konfiguriert, um der Bewegung des Wechselventils entgegenzuwirken, das sich von der ersten in die zweite Position bewegt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein passiv betätigtes rückstellbares Ventil, insbesondere auf ein passiv betätigtes Ventil zum Erfassen einer Temperatur.
EINLEITUNG
Die Erklärungen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen bereit, die die vorliegende Offenbarung betreffen und dem bisherigen Stand der Technik entsprechen können.
Fertigungseinrichtungen, Fahrzeuge und viele Arten von Geräten unterliegen häufig Temperaturänderungen während des Betriebs. So können beispielsweise Herstellungsvorgänge Heizvorrichtungen wie beispielsweise Öfen, Trockner, Schleifmaschine und dergleichen beinhalten, die wiederholt zwischen extremen Temperaturen wechseln können. Ebenso können Fahrzeuge wie Automobile, Schienenfahrzeuge, Flugzeuge und Erdbewegungsmaschinen eine oder mehrere Komponenten, wie beispielsweise Getriebe, Bremsen, Fluidbehälter, Achsen und Lager beinhalten, die während des Betriebs unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt werden können. Ebenso können elektrisch betriebene Geräte, wie beispielsweise Elektromotoren, Zeitschaltuhren, Schweißtransformatoren und Schweißpistolen; und mechanische Ausrüstung, wie beispielsweise Riemenscheiben, Aufzüge und Schnecken im Betrieb einer Reibungserwärmung unterliegen. Verarbeitungsanlagen wie Reaktoren, Öfen, Kühlmittelrohre, Leitungen, Ventile und Förderer können ebenfalls in wechselnden Umgebungs- und thermischen Bedingungen arbeiten.
Eine derartige Ausrüstung, Fahrzeuge und Vorrichtungen können mit minimaler Betreiberaufmerksamkeit oder Aufsicht betrieben werden. So können zum Beispiel Vorrichtungen während des Betriebs durch Schilde oder Gehäuse abgeschirmt werden, und die Ausrüstung kann dort angeordnet werden, wo der physische und/oder visuelle Zugriff begrenzt ist.
KURZDARSTELLUNG
Eine Ventilanordnung beinhaltet einen Körper mit einer Längsachse, der einen Hohlraum darin definiert. Im Hohlraum ist ein Wechselventil angeordnet. Das Wechselventil weist eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche auf. Ein Betätigungselement ist an die erste Oberfläche des Wechselventils angrenzend und konfiguriert, um das Wechselventil entlang der Längsachse zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zu verschieben. Das Betätigungselement ist aus einer Formgedächtnislegierung gebildet, die zwischen einer martensit-kristallographischen Phase und einer austenit-kristallographischen Phase in Reaktion auf ein thermisches Aktivierungssignal umschaltbar ist, um dadurch das Wechselventil zwischen der ersten Position und der zweiten Position zu übersetzen. Darüber hinaus befindet sich ein elastisches Element angrenzend an die zweite Oberfläche des Wechselventils. Das elastische Element ist konfiguriert, um der Bewegung des Wechselventils entgegenzuwirken, das sich von der ersten in die zweite Position bewegt.
Bei einigen Ausführungsformen umfasst die Ventilanordnung weiterhin einen Stecker, der an das elastische Element angrenzt. Der Stecker ist innerhalb des Hohlraums des Körpers befestigt, um das elastische Element angrenzend an das Wechselventil zu halten. Der Stecker definiert auch einen Einlass, der konfiguriert ist, um dem Hohlraum eine Flüssigkeit zuzuführen, und der Körper definiert einen ersten Auslass, der konfiguriert ist, um die Flüssigkeit aus dem Hohlraum auszutreiben, wenn sich das Wechselventil in der zweiten Position befindet. Der Körper kann auch mindestens einen zweiten Auslass beinhalten, der konfiguriert ist, um die Flüssigkeit aus dem Hohlraum auszutreiben, wenn sich das Wechselventil in der zweiten Position befindet. Darüber hinaus kann das Wechselventil in der ersten Position angeordnet sein, um den ersten Auslass gegen den Fluidstrom abzudichten. Der Stecker wird innerhalb des Hohlraums durch eine Gewindeschraube, einen Rollcrimp und einen Klebstoff gesichert. Das Betätigungselement ist eines aus einer Spiralfeder, einem Draht, einem Band, einer Endlosschleife und Kombinationen daraus.
Eine weitere Ventilanordnung beinhaltet einen Körper mit einer Längsachse, der einen Hohlraum darin definiert. Der Körper definiert einen Einlass, der konfiguriert ist, um eine Flüssigkeit in den Hohlraum einzubringen. Darüber hinaus ist innerhalb des Hohlraums ein Wechselventil angeordnet, wobei das Wechselventil eine erste Oberfläche und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist. Ein elastisches Element befindet sich angrenzend an die erste Oberfläche des Wechselventils. Eine Kappe ist am Körper befestigt, um das Wechselventil im Hohlraum des Körpers einzuschließen. Die Kappe definiert einen Auslass, um die Flüssigkeit aus dem Hohlraum zu leiten. Zusätzlich befindet sich an der zweiten Oberfläche des Wechselventils ein Betätigungselement. Das Betätigungselement ist zum Verschieben des Wechselventils entlang der Längsachse zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position konfiguriert, wobei die erste Position konfiguriert ist, um den Auslass gegen den Fluidstrom abzudichten.
Bei einigen Ausführungsformen ist das Betätigungselement aus einer Formgedächtnislegierung gebildet, die zwischen einer martensit-kristallographischen Phase und einer austenit-kristallographischen Phase in Reaktion auf ein thermisches Aktivierungssignal umschaltbar ist, um dadurch das Wechselventil zwischen der ersten Position und der zweiten Position zu übersetzen. Das elastische Element ist konfiguriert, um der Bewegung des Wechselventils entgegenzuwirken, das sich von der ersten in die zweite Position bewegt. Darüber hinaus beinhaltet der Körper mindestens einen zweiten Auslass beinhalten, der konfiguriert ist, um die Flüssigkeit aus dem Hohlraum auszutreiben, wenn sich das Wechselventil in der zweiten Position befindet. Zusätzlich wird die Kappe durch eine Gewindeschraube, einen Rollcrimp und einen Klebstoff am Körper gesichert. Das Betätigungselement ist eines aus einer Spiralfeder, einem Draht, einem Band, einer Endlosschleife und Kombinationen daraus.
Eine weitere Ventilanordnung beinhaltet ein elastisches Element, ein Wechselventil mit einer ersten Oberfläche, die dem elastischen Element gegenüberliegt, und ein Betätigungselement, das einer zweiten Oberfläche des Wechselventils gegenüberliegt. Das Wechselventil ist konfiguriert, um zwischen der ersten und zweiten Position zu verschieben. Das Betätigungselement ist zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand verschiebbar. Wenn sich das Betätigungselement im ersten Zustand befindet, befinden sich das Betätigungselement und das elastische Element im Gleichgewicht mit dem Wechselventil in der ersten Position. Wenn sich das Betätigungselement im zweiten Zustand befindet, komprimiert das Betätigungselement das elastische Element und verschiebt das Wechselventil in die zweite Position.
Bei einigen Ausführungsformen sind das elastische Element, das Wechselventil und das Betätigungselement in einem Hohlraum eines Körpers angeordnet, und der Körper definiert einen Einlass, der zum Einleiten eines Fluids in den Hohlraum konfiguriert ist. Die Ventilanordnung kann auch eine Kappe beinhalten, die am Körper befestigt ist, um das Wechselventil im Hohlraum des Körpers einzuschließen. Die Kappe kann auch einen Auslass definieren, um das Fluid aus dem Hohlraum zu leiten. Die erste Position ist konfiguriert, um den Auslass gegen den Fluidstrom abzudichten. Das Betätigungselement ist aus einer Formgedächtnislegierung gebildet, die zwischen einer austenit-kristallographischen Phase und einer martensit-kristallographischen Phase in Reaktion auf ein thermisches Aktivierungssignal umschaltbar ist, um dadurch das Wechselventil zwischen der ersten Position und der zweiten Position zu übersetzen. Der Körper beinhaltet auch mindestens einen zweiten Auslass, der konfiguriert ist, um die Flüssigkeit aus dem Hohlraum auszutreiben, wenn sich das Wechselventil in der zweiten Position befindet. Die Kappe wird durch eine Gewindeschraube, einen Rollcrimp und einen Klebstoff am Körper gesichert.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier dargebotenen Beschreibung ersichtlich. Es ist zu beachten, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht dazu beabsichtigt sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.

1 ist eine perspektivische Ansicht eines exemplarischen rückstellbaren Ventils gemäß der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine Explosionsansicht des rückstellbaren Ventils aus 1;
3 ist eine Querschnittsansicht des rückstellbaren Ventils aus 1;
4 ist ein Phasenumwandlungsdiagramm für ein Betätigungselement gemäß der vorliegenden Offenbarung;
5 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren exemplarischen rückstellbaren Ventils gemäß der vorliegenden Offenbarung;
. 6 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren exemplarischen rückstellbaren Ventils gemäß der vorliegenden Offenbarung;
7A ist eine schematische Ansicht einer exemplarischen Querschnittsansicht des rückstellbaren Ventils gemäß der vorliegenden Offenbarung;
7B ist eine schematische Ansicht einer weiteren exemplarischen Querschnittsansicht des rückstellbaren Ventils gemäß der vorliegenden Offenbarung;
7C ist eine schematische Ansicht einer weiteren exemplarischen Querschnittsansicht des rückstellbaren Ventils gemäß der vorliegenden Offenbarung;
7D ist eine schematische Ansicht einer weiteren exemplarischen Querschnittsansicht des rückstellbaren Ventils gemäß der vorliegenden Offenbarung;
8A ist eine Querschnittsansicht eines weiteren exemplarischen rückstellbaren Ventils gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
8B ist eine Querschnittsansicht des rückstellbaren Ventils von 8A im montierten Zustand.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch und beabsichtigt nicht, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendungen in irgendeiner Weise einzuschränken. Es sollte verstanden werden, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen. Weitere Richtungen, wie z. B. „oben“, „seitlich“, „rückwärts“, „untere“ und „obere“, werden zu Veranschaulichungszwecken verwendet und sollen, sofern nicht anders angegeben, nicht zur Erfordernis spezifischer Ausrichtungen führen. Diese Richtungen sind lediglich als Referenzsystem in Bezug auf die bereitgestellten Beispiele vorgesehen, könnten jedoch in alternativen Anwendungen verändert werden.
Unter Bezugnahme auf 1 bis 3 ist nun eine exemplarische rückstellbare Ventilanordnung 10 dargestellt. Die rückstellbare Ventilanordnung 10 arbeitet passiv, d. h. in Reaktion auf Temperaturänderungen und ohne zusätzliche elektrische Energiequelle, und ist nützlich, um einen Bediener über einen Zustand zu informieren, in dem eine Temperatur einer Vorrichtung, eines Teils der Vorrichtung oder eines Fluids, das außerhalb eines gewünschten Temperaturbereichs liegt. Die rückstellbare Ventilanordnung 10 ist automatisch rückstellbar, wenn der Zustand beendet ist, d. h. wenn die Temperatur der Vorrichtung oder des Fluids wieder in den gewünschten Temperaturbereich zurückkehrt. Daher kann die rückstellbare Ventilanordnung 10 vorteilhaft zur Verwendung in der Automobil- und der Luft- und Raumfahrtindustrie; der Zellstoff- und metallverarbeitenden Industrie; der Agrar-, Militär-, Hausgeräte-, Bau-, Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie, der Konsumgüter- und Medizinbranche; und allgemeinen Herstellungsanwendungen sein. Nur als Beispiel kann die rückstellbare Ventilanordnung 10 für Fahrzeuganwendungen, wie Öltemperaturüberwachung, Kühlmitteltemperaturüberwachung, Getriebetemperaturüberwachung, Achsfluidtemperaturüb erwachung, Bremsflüssigkeitsüberwachung und dergleichen, nützlich sein. Die rückstellbare Ventilanordnung 10 kann jedoch auch für nicht fahrzeuggebundene Temperaturüberwachungsanwendungen, wie beispielsweise Heizgeräte, z. B. Öfen, Trockner und Schleifmaschinen, nützlich sein, die wiederholt zwischen extremen Temperaturen wechseln können; elektrisch betriebene Vorrichtungen, wie z. B. Elektromotoren, Zeitschaltuhren, Schweißtransformatoren und Schweißzangen, die während des Betriebs unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sein können; mechanische Einrichtungen, z. B. Riemenscheiben, Aufzüge und Schnecken, die während des Betriebs einer Reibungserwärmung ausgesetzt sein können; und Verarbeitungsvorrichtungen, z. B. Reaktoren, Öfen, Kühlmittelrohre, Leitungen, Ventile und Förderer, die ebenfalls in unterschiedlichen Umgebungs- und Wärmebedingungen betrieben werden können.
Die rückstellbare Ventilanordnung 10 beinhaltet einen Körper 12, der eine Längsachse 14 aufweist. Der Körper 12 definiert einen Hohlraum 16 darin und beinhaltet eine erste Vielzahl an Gewinden 18, die um die Längsachse 14 angeordnet sind. Der Körper 12 kann aus einem thermisch leitfähigen Material, wie beispielsweise einem Metall, z. B. Messing oder Kupfer, gemäß den Betriebsbedingungen der rückstellbaren Ventilanordnung 10 gebildet sein. Die erste Vielzahl an Gewinden 18 kann eine Schraube bilden, sodass der Körper 12 mit einem Gewinde an einer Vorrichtung befestigt werden kann (nicht dargestellt). In einer Ausführungsform kann der Körper 12 eine im Allgemeinen zylindrische Form aufweisen und kann andere Komponenten der rückstellbaren Ventilanordnung 10 vor Verunreinigungen während des Betriebs schützen. Der Körper 12 kann ein proximales Ende 20 und ein distales Ende 22 aufweisen, das vom proximalen Ende 20 entlang der Längsachse 14 beabstandet ist. Der Hohlraum 16 kann so konfiguriert sein, dass er ein Fluid (nicht dargestellt), wie beispielsweise ein Öl-basiertes Fluid, ein Kühlmittel, Umgebungsluft und dergleichen beinhaltet. So kann beispielsweise das Fluid eine Öl-basierte Getriebeflüssigkeit sein. Das Fluid kann die Wärmeübertragung zu verschiedenen Komponenten der rückstellbaren Ventilanordnung 10 verstärken oder verringern. Das Fluid kann an einem Einlass 24 in den Körper 12 eindringen und an einem Auslass 26 aus dem Körper 12 austreten.
Die rückstellbare Ventilanordnung 10 kann auch ein innerhalb des Hohlraums 16 entlang der Längsachse 14 verschiebbares Wechselventil 28, ein am proximalen Ende 20 angeordnetes und zum Verschieben des Wechselventils 28 ausgebildetes Betätigungselement 30 und ein am distalen Ende 22 angeordnetes, mit dem Wechselventil 28 und einem Gewindestopfen 34 in Kontakt stehendes elastisches Element 32 beinhalten. Das Wechselventil 28 kann eine im Allgemeinen zylindrische Form aufweisen und kann ein Sackloch 36 aufweisen, das an einem ersten Ende 38 des Ventils 28 ausgebildet ist, um das Betätigungselement 30 darin aufzunehmen. Während des Betriebs kann das Wechselventil 28 innerhalb des Hohlraums 16 hin und her gleiten und auf einer O-Ring-Dichtung 40 gegenüber dem ersten Ende 38 aufliegen, wie nachfolgend näher beschrieben wird.
Das Betätigungselement 30 kann konfiguriert werden, um das Wechselventil 28 entlang der Längsachse 14 zwischen einer ersten Position in der Nähe des proximalen Endes 20, in der das Wechselventil 28 die O-Ring-Dichtung 40 kontaktiert, und einer zweiten Position in der Nähe des distalen Endes 22, in der das Wechselventil 28 von der O-Ring-Dichtung 40 beabstandet ist, zu verschieben. Hervorzuheben ist, dass jede von der O-Ring-Dichtung 40 beabstandete Position die „zweite Position“ darstellt. Das Betätigungselement 30 ist aus einer Formgedächtnislegierung gebildet, die zwischen einer austenit-kristallographischen Phase und einer martensit-kristallographischen Phase in Reaktion auf ein thermisches Aktivierungssignal (siehe 4) umschaltbar ist, um dadurch das Wechselventil 28 zwischen der ersten Position und der zweiten Position zu übersetzen. Die Formgedächtnislegierung ist in Reaktion auf das thermische Aktivierungssignal zwischen einem ersten temperaturabhängigen Zustand und einem zweiten temperaturabhängigen Zustand übertragbar. Daher kann das Betätigungselement 30, das Wechselventil 28 durch Umschalten zwischen dem ersten temperaturabhängigen Zustand und dem zweiten temperaturabhängigen Zustand betätigen oder übersetzen, sodass Wechselventil 28 entlang der Längsachse 14 innerhalb des Hohlraums 16 gleiten kann. Hervorzuheben ist jedoch, dass das Betätigungselement 30 die Kraft des elastischen Elements 32 überwinden muss, um das Ventil 28 aus der ersten Position zu bewegen.
Wie hierin verwendet, bezieht sich die Terminologie „Formgedächtnislegierung“ auf Legierungen, die einen Formgedächtniseffekt aufweisen und die Fähigkeit haben, die Eigenschaften in Bezug auf die Steifigkeit, die Federrate und/oder die Formstabilität schnell zu verändern. Das heißt, die Formgedächtnislegierung kann sich durch eine molekulare oder kristalline Umlagerung durch eine molekulare oder kristalline Umlagerung unterziehen, um zwischen der martensit-kristallographischen Phase d. h. „Martensit“ und der austenit-kristallographischen Phase, d. h. „Austenit“, zu wechseln. Anders ausgedrückt, kann die Formgedächtnislegierung einer Verschiebungstransformation statt einer Diffusionstransformation unterziehen, um zwischen Martensit und Austenit zu wechseln. Eine Verschiebungstransformation ist definiert als eine strukturelle Veränderung, die durch die koordinierte Bewegung von Atomen oder Atomgruppen in Bezug auf benachbarte Atome oder Atomgruppen auftritt. Im Allgemeinen bezieht sich die Martensitphase auf die vergleichsweise niedrigere Temperaturphase und ist oftmals deformierbarer als die vergleichsweise höhere Austenitphase.
Unter Bezugnahme auf 4 wird nun ein Phasenumwandlungsdiagramm für ein Betätigungselement mit der Temperatur entlang der x-Achse und Ventilposition entlang der y-Achse dargestellt. Die Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung die Veränderung von der kristallographischen Austenitphase zur martensit-kristallographischen Phase zu ändern beginnt, ist als Martensit-Starttemperatur (T_m,s ) bekannt. Die Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung die Veränderung von der kristallographischen Austenitphase zur martensit-kristallographischen Phase vervollständigt, ist als Martensit-Endtemperatur (T_m,f ) bekannt. Ähnlich, wenn die Formgedächtnislegierung erwärmt wird, ist die Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung die Veränderung von der kristallographischen Martensitphase zur austenit-kristallographischen Phase vervollständigt, als Austenit-Starttemperatur (T_a,s ) bekannt. Die Temperatur, bei der die Formgedächtnislegierung die Veränderung von der kristallographischen Martensitphase zur austenit-kristallographischen Phase vervollständigt, ist als Austenit-Endtemperatur (T_a,f ) bekannt.
Die Formgedächtnislegierung kann jede geeignete Form aufweisen (d. h. Form). So wird beispielsweise das Betätigungselement 30 in Form einer Spiralfeder dargestellt; das Betätigungselement 30 kann jedoch auch als formveränderndes Element wie Draht, Klebeband, Band, Endlosschleife und Kombinationen daraus konfiguriert werden. Ferner kann die Formgedächtnislegierung jede geeignete Zusammensetzung aufweisen. Insbesondere kann die Formgedächtnislegierung in Kombination ein Element, ausgewählt aus der Gruppe von Kobalt, Nickel, Titan, Indium, Mangan, Eisen, Palladium, Zink, Kupfer, Silber, Gold, Cadmium, Zinn, Silicium, Platin, Aluminium und Gallium, beinhalten. So können beispielsweise geeignete Formgedächtnislegierungen Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, Legierungen auf Nickel-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Gallium-Basis, Legierungen auf Indium-Titan-Basis, Legierungen auf Indium-Cadmium-Basis, Legierungen auf Nickel-Kobalt-Aluminium-Basis, Legierungen auf Nickel-Mangan-Gallium-Basis, Legierungen auf Kupferbasis (z. B. Kupfer-Zink-Legierungen, Kupfer-AluminiumLegierungen, Kupfer-Gold-Legierungen und Kupfer-Zinn-Legierungen), Legierungen auf Gold-Cadmium-Basis, Legierungen auf Silber-Cadmium-Basis, Legierungen auf Mangan-Kupferbasis, Legierungen auf Eisenplatinbasis, Legierungen auf Eisen-Palladium-Basis und Kombinationen von einer oder mehreren dieser Kombinationen beinhalten. Die Formgedächtnislegierung kann binär, ternär oder eine beliebige höhere Ordnung sein, solange die Formgedächtnislegierung einen Formgedächtniseffekt aufweist, z. B. eine Änderung der Formorientierung, der Dämpfungskapazität und dergleichen. Im Allgemeinen kann die Formgedächtnislegierung gemäß den gewünschten Betriebstemperaturen der rückstellbaren Ventilanordnung 10 ausgewählt werden. In einem speziellen Beispiel kann die Formgedächtnislegierung Nickel und Titan beinhalten.
Das aus der Formgedächtnislegierung gebildete Betätigungselement 30 kann durch einen kalten Zustand gekennzeichnet sein, d. h. wenn eine Temperatur der Formgedächtnislegierung unterhalb der Martensit-Endtemperatur (T_m,f ) der Formgedächtnislegierung liegt. Ebenso kann das aus der Formgedächtnislegierung gebildete Betätigungselement 30 auch durch einen heißen Zustand gekennzeichnet sein, d. h. wenn die Temperatur der Formgedächtnislegierung oberhalb der Austenit-Endtemperatur (T_a,f ) der Formgedächtnislegierung liegt. Zusätzlich kann die rückstellbare Ventilanordnung 10, obwohl sie nicht gezeigt ist, eine Vielzahl von Betätigungselementen 30 beinhalten, die aus der Formgedächtnislegierung gebildet sind. Die Anzahl der Betätigungselemente 30 kann entsprechend einer gewünschten Stabilität der rückstellbaren Ventilanordnung 10 und/oder einer Kraft ausgewählt werden, die erforderlich ist, um das Wechselventil 28 zu verschieben. Darüber hinaus kann das Fluid innerhalb des Hohlraums 16 zurückgehalten werden, wenn sich das Wechselventil 28 in der ersten Position in Kontakt mit der O-Ring-Dichtung 40 befindet und die Wärmeübertragung auf das Betätigungselement 30 verändern kann, z. B. die Größe des thermischen Aktivierungssignals erhöhen oder verstärken, sodass sich die Form und/oder Steifigkeit des Betätigungselements 30 schneller ändern kann. Umgekehrt kann das Fluid die Größe des thermischen Aktivierungssignals verringern, sodass das Betätigungselement 30 die Form und/oder die Steifigkeit langsamer oder nach einem gewünschten Zeitplan verändern kann.
Das Betätigungselement 30 kann sich in Abhängigkeit des thermischen Aktivierungssignals ausdehnen, um das Wechselventil 28 entlang der Längsachse 14 zu verschieben, wenn das Betätigungselement 30 von der martensit-kristallographischen Phase in die austenit-kristallographischen Phase übergeht. Das heißt, das Betätigungselement 30 kann das Wechselventil 28 so beaufschlagen, dass das Wechselventil 28 entlang der Längsachse 14 zum distalen Ende 22 gleitet, dabei die Vorspannkraft überwindet und das elastische Element 32 zwischen einem zweiten Ende 42 des Wechselventils 28 und dem Stopfen 34 zusammendrückt. Bei dieser Anordnung ist die rückstellbare Ventilanordnung 10 „geöffnet“, sodass Fluid im Einlass 24 zwischen der O-Ring-Dichtung 40 und dem Wechselventil 28 zum Auslass 26 strömen kann. Wie bereits erwähnt, gilt jede Anordnung, bei der das Wechselventil 28 aus dem Kontakt mit der O-Ring-Dichtung 40 entfernt wird, als „zweite Position“, da das Fluid zu diesem Zeitpunkt an der O-Ring-Dichtung 40 vorbeiströmt. Wenn das Wechselventil 28 jedoch vollständig in Richtung des distalen Endes 22 oder „vollständig geöffnet“ bewegt wird, wird ein maximaler Durchfluss des Fluids zum Auslass 26 erreicht.
Als nicht einschränkendes Beispiel kann für diese Ausführungsform der Körper 12 einen Ringkanal 44 darin definieren. Der Kanal 44 kann zur Aufnahme der O-Ring-Dichtung 40, wie beispielsweise eines O-Rings aus einem Elastomerwerkstoff, konfiguriert werden und kann im Allgemeinen ringförmig sein oder eine andere gewünschte Form oder Konfiguration aufweisen. Der Kanal 44 kann zum Halten der O-Ring-Dichtung 40 an einer gewünschten Position im Hohlraum 16 hilfreich sein.
Die rückstellbare Ventilanordnung 10 kann weiterhin das elastische Element 32 enthalten, das in Kontakt mit dem Wechselventil 28 am zweiten Ende 42 des Wechselventils 28 angeordnet ist. Das elastische Element 32 kann eine Vorspannfeder sein und ein zweites Ende 42 des Wechselventils 28 kontaktieren. Insbesondere kann das elastische Element 32 so angeordnet werden, dass es das Wechselventil 28 entlang der Längsachse 14 in eine Richtung entgegen der Richtung verschiebt, in der das Betätigungselement 30 dazu neigt, das Wechselventil 28 zu bewegen, wenn das Betätigungselement 30 von der martensit-kristallographischen Phase in die austenit-kristallographischen Phase übergeht. Daher widersetzt sich das elastische Element 32 der Bewegung des Wechselventils 28 bei einer speziellen Federkonstante.
Darüber hinaus kann das elastische Element 32 beim Abkühlen der Formgedächtnislegierung das Wechselventil 28 in die zweite Richtung in Richtung des proximalen Endes 20 verschieben, z. B. vom Stopfen 34 weg, um dadurch die rückstellbare Ventilanordnung 10 in eine Ausgangs- oder Grundstellung zurückzuversetzen, in der das Wechselventil 28 gegen den O-Ring 40 sitzt. Daher kann die Formgedächtnislegierung ausgewählt werden, um die Form und/oder die Steifigkeit bei einer bestimmten Umwandlungstemperatur (T_SB ) zu ändern. So kann beispielsweise die Umwandlungstemperatur (T_SB ) so gewählt werden, dass sie einem geeigneten Betriebstemperaturbereich der Vorrichtung entspricht, für den die rückstellbare Ventilanordnung 10 Temperaturschwankungen misst oder überwacht, die außerhalb, d. h. oberhalb oder unterhalb eines gewünschten Betriebstemperaturbereichs liegen. Da das Betätigungselement 30 von der austenit-kristallographischen Phase in die martensit-kristallographischen Phase übergeht, d. h. die Formgedächtnislegierung kühlt von einer Temperatur oberhalb der Umwandlungstemperatur (T_SB ) auf eine Temperatur unterhalb der Umwandlungstemperatur (T_SB ) ab, kann sich das Betätigungselement 30 so zusammenziehen, dass sich das Wechselventil 28 entlang der Längsachse 14 in Richtung des proximalen Endes 20 hin verschiebt.
Umgekehrt kann die rückstellbare Ventilanordnung 10 entgegengesetzt angeordnet werden (z. B. Umsetzen des Betätigungselements 30 und des elastischen Elements 32). Bei dieser Anordnung kann sich das Betätigungselement 30 zusammenziehen und gegen das Wechselventil 28 ziehen, sodass sich das Wechselventil 28 entlang der Längsachse 14 in Richtung des distalen Endes 22 verschiebt. Da sich das Wechselventil 28 verschiebt, kann das Wechselventil 28 auch das elastische Element 32 gegen eine Federkraft ausdehnen. In diesem Zusammenhang wird die rückstellbare Ventilanordnung 10 durch Legierungsformulierungen und Vorspannkraft-Federraten auf eine bestimmte Betätigungstemperatur abgestimmt und verhält sich selbstrückstellend.
Unter Bezugnahme auf 5 beinhaltet nun eine weitere exemplarische rückstellbare Ventilanordnung 110 ein Wechselventil 128, ein Betätigungselement 130 und ein elastisches Element 132. Die rückstellbare Ventilanordnung 110 ist im Wesentlichen ähnlich der rückstellbaren Ventilanordnung 10 und wird daher nicht im Detail beschrieben. Die rückstellbare Ventilanordnung 110 ist jedoch zum Verpacken in einem handelsüblichen Automobil-Thermostatgehäuse (z.B. wie in einem Wachs-Stellglied) ausgelegt. In der rückstellbaren Ventilanordnung 110 ist das Betätigungselement 130 in einem oberen Bereich 146 mit Seitenwandöffnungen 148 angeordnet, die als Fluideinlass dienen. Ähnlich wie bei der rückstellbaren Ventilanordnung 10 wird das Betätigungselement 130 aus einer Formgedächtnislegierung gebildet, die in Abhängigkeit von einem thermischen Aktivierungssignal zwischen einer martensit-kristallographischen Phase und einer austenit-kristallographischen Phase überführbar ist, um dadurch das Wechselventil 128 zwischen einer ersten und einer zweiten Position zu verschieben. Das Wechselventil 128 ist als plattenförmiges Element ausgeführt, das an einer Unterseite 150 des oberen Bereichs 146 der rücksetzbaren Ventilanordnung 110 anliegt. Das elastische Element 132 ist so angeordnet, dass es der gegenüberliegenden Oberfläche des Wechselventils 128 gegenübersteht und eine Kraft darauf ausübt.
Auf diese Weise, wenn die Temperatur des Fluids außerhalb eines gewünschten Bereichs liegt, beginnt sich das Betätigungselement 130 zu verlängern und somit die Kraft des elastischen Elements 132, die auf das Wechselventil 128 wirkt, zu überwinden. Das Wechselventil 128 beginnt sich in die zweite Position von der Unterseite 150 des oberen Bereichs 146 weg zu bewegen und ermöglicht somit den Durchfluss des Fluids. Wenn die Temperatur des Fluids in den vordefinierten Bereich zurückkehrt, zieht sich das Betätigungselement 130 so zusammen, dass das Wechselventil 128 in die erste Position (z. B. in Richtung des oberen Bereichs 146, sodass es an der Unterseite 150 anliegt) zurückgeführt wird.
Unter Bezugnahme auf 6 weist nun noch eine weitere exemplarische rückstellbare Ventilanordnung 210 ein Wechselventil 228, ein Betätigungselement 230 und ein elastisches Element 232 auf. Die rückstellbare Ventilanordnung 210 ist im Wesentlichen ähnlich der rückstellbaren Ventilanordnung 10 und wird daher nicht im Detail beschrieben. Die rückstellbare Ventilanordnung 210 ist jedoch auf eine kompaktere Gesamtstruktur ausgelegt, da das Betätigungselement 230 konzentrisch mit dem elastischen Element 232 angeordnet ist. Ähnlich wie bei der rückstellbaren Ventilanordnung 10 beinhaltet die rückstellbare Ventilanordnung 210 auch einen Einlass 224, damit ein Fluid in den Hohlraum 216 eindringen kann. Die Ventilanordnung 210 mildert Temperaturerhöhungen während der Verarbeitung, indem sie der Ventilanordnung 210 das Öffnen ermöglicht, wenn die Temperatur des Fluids aus dem Einlass 224 einen Schwellenwert überschreitet. Insbesondere wird das Betätigungselement 230 aus einer Formgedächtnislegierung gebildet, die zwischen einer martensit-kristallographischen Phase und einer austenit-kristallographischen Phase in Reaktion auf ein thermisches Aktivierungssignal überführbar ist, um dadurch das Wechselventil 228 zwischen einer ersten und einer zweiten Position zu verschieben. Die Fluidtemperatur bewirkt, dass sich das Betätigungselement 230 ausdehnt und die Gegenkraft des elastischen Elements 232 überwindet. Durch diese Ausdehnung bewegt sich das Wechselventil 228 von der ersten Position, in der das Wechselventil 228 eine O-Ring-Dichtung 240 kontaktiert, in die zweite Position, in der das Wechselventil 228 das elastische Element 232 zusammendrückt und von der O-Ring-Dichtung 240 beabstandet ist.
Das Wechselventil 228 ist als becherförmiges Element innerhalb einer Gewindekappe 234 dargestellt, die an einem Körper 212 der rückstellbaren Ventilanordnung 210 befestigt ist. Die O-Ring-Dichtung 240 ist zwischen dem Wechselventil 228 und der Gewindekappe 234 dergestalt angeordnet, dass die Bewegung des Wechselventils 228 in die zweite Position das Fluid an der O-Ring-Dichtung 240 vorbei zu einem zentral durch die Gewindekappe 234 angeordneten Auslass 226 strömen lässt.
Auf diese Weise, wenn die Temperatur des Fluids außerhalb eines gewünschten Bereichs liegt, beginnt sich das Betätigungselement 230 auszudehnen und somit die Kraft des elastischen Elements 232, die auf das Wechselventil 228 wirkt, zu überwinden. Das Wechselventil 228 beginnt sich in die zweite Position zu bewegen, weg von der O-Ring-Dichtung 240, und ermöglicht dadurch den Durchfluss des Fluids. Wenn die Temperatur des Fluids in den vordefinierten Bereich zurückkehrt, zieht sich das Betätigungselement 230 derart zusammen, dass das Wechselventil 228 in die erste Position (z. B. in Richtung der Gewindekappe 234, sodass es an der O-Ring-Dichtung 240 anliegt) zurückgeführt wird.
Unter Bezugnahme auf 7A ist nun eine weitere exemplarische rückstellbare Ventilanordnung 310 mit einem sekundären Auslass 352 dargestellt, um einen anderen Weg (z. B. neben den Auslässen 26, 126 oder 226) für das Fluid zum Austreten aus der Ventilanordnung 310 vorzusehen. Der sekundäre Auslass 352 ist als Sackloch ausgeführt, das sich durch eine Wand des Körpers 312 der Ventilanordnung 310 erstreckt. Ein exemplarischer sekundärer Auslass 52 ist in der ersten Ausführungsform der in 1 dargestellten rückstellbaren Ventilanordnung 10 dargestellt; es ist jedoch zu beachten, dass der sekundäre Auslass 52, 352 mit einer der vorherigen Ausführungsformen vorgesehen werden kann. Weiterhin, obwohl 7A ein einzelnes Loch durch die rückstellbare Ventilanordnung 310 darstellt, sollte berücksichtigt werden, dass auch andere Lochkonfigurationen ähnliche Vorteile mit sich bringen. Als Beispiel in 7B dargestellt, kann eine rückstellbare Ventilanordnung 410 einen sekundären Auslass 452 aufweisen, der sich vollständig durch den Körper 412 erstreckt, sodass zwei sekundäre Auslässe für den Durchfluss des Fluids zur Verfügung stehen. Durch das Bereitstellen eines weiteren Wegs für den Austritt des Fluids aus der Ventilanordnung 410 erfährt das System einen geringeren Strömungswiderstand und eine höhere Durchflussrate. Die rückstellbare Ventilanordnung 410 ist ebenfalls druckausgeglichen, mit geringerer Wahrscheinlichkeit, dass das System blockiert. Darüber hinaus weist die Ventilanordnung 410 eine geringere thermische Masse für ein schnelleres Ansprechverhalten auf. Wie in 7C dargestellt, kann eine rückstellbare Ventilanordnung 510 eine Vielzahl von sekundären Auslässen 552 aufweisen, die sich vollständig durch den Körper 512 erstrecken, sodass vier sekundäre Auslässe für den Durchfluss des Fluids zur Verfügung stehen. Wie in 7 Ddargestellt, kann eine rückstellbare Ventilanordnung 610 eine Vielzahl von sekundären Auslässen 652 aufweisen, die sich vollständig durch den Körper 612 erstrecken, sodass sechs sekundäre Auslässe für den Durchfluss des Fluids zur Verfügung stehen. Die in 7C und 7D offenbarten Ausführungsformen dienen der weiteren Reduzierung des Systemwiderstandes und der thermischen Masse.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind hierin beschrieben. Diese Beschreibung ist nur als Beispiel zu verstehen und Variationen, die sich nicht vom Kern der Offenbarung entfernen, werden somit als im Umfang der Offenbarung befindlich verstanden. Während beispielsweise der Stopfen 34 und die Kappe 234 als schraubbar am Körper 12 und 212 befestigt beschrieben werden, ist zu beachten, dass auch ein gewindefreier Stopfen verwendet werden kann. Bei der in den 8A und 8B dargestellten rückstellbaren Ventilanordnung 710 wird beispielsweise ein gewindefreier Stopfen 734 in einen Hohlraum 716 eingesetzt und mit einem elastischen Element 732 in Kontakt gebracht. Eine Außenlasche 754 kann über den gewindelosen Stopfen 734 gebördelt werden, um ihn innerhalb des Hohlraums 716 in Position zu halten (siehe 8B). Es wird auch in Betracht gezogen, den Stopfen an Ort und Stelle mit Klebstoff am Außendurchmesser zu befestigen.
Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgerecht; einige Merkmale können größer oder kleiner dargestellt sein, um die Einzelheiten bestimmter Komponenten zu veranschaulichen. Folglich sind die hierin offenbarten aufbau- und funktionsspezifischen Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachleuten die verschiedenen Arten und Weisen der Nutzung der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Wie der Fachleute verstehen, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die Kombinationen der dargestellten Merkmale stellen repräsentative Ausführungsformen für verschiedene Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen und Implementierungen erwünscht sein.

Claims

Ventilanordnung, umfassend: einen Körper, der eine Längsachse aufweist und einen Hohlraum darin definiert; ein im Hohlraum angeordnetes Wechselventil, wobei das Wechselventil eine erste Oberfläche und eine zweite, gegenüberliegende Oberfläche aufweist; ein Betätigungselement angrenzend an die erste Oberfläche des Wechselventils und konfiguriert zum Verschieben des Wechselventils entlang der Längsachse zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position, worin das Betätigungselement aus einer Formgedächtnislegierung gebildet ist, die zwischen einer martensit-kristallographischen Phase und einer austenit-kristallographischen Phase in Reaktion auf ein thermisches Aktivierungssignal überführbar ist, um dadurch das Wechselventil zwischen der ersten Position und der zweiten Position zu verschieben; und ein elastisches Element angrenzend an die zweite Oberfläche des Wechselventils, worin das elastische Element konfiguriert ist, um der Bewegung des Wechselventils entgegenzuwirken, das sich von der ersten Position in die zweite Position bewegt.
Ventilanordnung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen an das elastische Element angrenzenden Stopfen, worin der Stopfen im Hohlraum des Körpers befestigt ist, um das elastische Element angrenzend an das Wechselventil zu halten.
Ventilanordnung nach Anspruch 2, worin der Stopfen einen Einlass definiert, der konfiguriert ist, um dem Hohlraum ein Fluid zuzuführen, und der Körper einen ersten Auslass definiert, der konfiguriert ist, um das Fluid aus dem Hohlraum auszutreiben, wenn sich das Wechselventil in der zweiten Position befindet.
Ventilanordnung nach Anspruch 3, worin der Körper weiterhin mindestens einen zweiten Auslass beinhaltet, der konfiguriert ist, um das Fluid aus dem Hohlraum auszutreiben, wenn sich das Wechselventil in der zweiten Position befindet.
Ventilanordnung nach Anspruch 3, worin das in der ersten Position angeordnete Wechselventil den ersten Auslass gegen den Fluidstrom abdichtet.
Ventilanordnung nach Anspruch 5, worin die zweite Position eine beliebige Position ist, in der das Wechselventil das Fluid aus dem ersten Auslass ausströmen lässt.
Ventilanordnung nach Anspruch 2, worin der Stopfen einen Auslass definiert, der konfiguriert ist, um das Fluid aus dem Hohlraum auszutreiben, wenn sich das Wechselventil in der zweiten Position befindet, und der Körper definiert einen Einlass, der konfiguriert ist, um dem Hohlraum ein Fluid zuzuführen.
Ventilanordnung nach Anspruch 2, worin der Stopfen im Hohlraum durch eine Gewindeschraube, einen Rollcrimp und einen Klebstoff gesichert ist.
Ventilanordnung nach Anspruch 1, worin das Betätigungselement aus einer Spiralfeder, einem Draht, einem Klebeband, einem Band, einer Endlosschleife und Kombinationen derselben besteht.
Ventilanordnung nach Anspruch 1, worin das Betätigungselement konzentrisch zum elastischen Element angeordnet ist.