DE4322731A1 - Ventil zur Regelung von Fluidströmen mit einem Stellorgan aus elektrisch heizbarem, gestaltserinnerndem Werkstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Ventile zur Regelung von Fluidströmen mit einem Stellorgan aus elektrisch heizbarem, gestaltserinnerndem Werkstoff, welches ein Verschlußelement gegen die Rückstellkraft einer Feder nach Maßgabe einer temperaturbedingten Längenänderung in seiner Position relativ zum Ventilsitz einstellt.

Aus der deutschen Zeitschrift Management Wissen 8/88, Seite 59 "Tech-Highlights" ist ein Druckluftventil für Robotersteuerungen bekannt. Dieses Ventil zeichnet sich durch äußerst kleine Bauweise, einfache Konstruktion und schnelle Schaltimpulse aus. Es ersetzt bisher verwendete elektromagnetische Ventile, die im Gegensatz dazu groß und teuer sind, wobei deren Magneten oftmals eine Quelle von Störungen für Sensoren sowie für empfindliche mikroelektronische Schaltungen sind.

Die neuen, extrem kleinen Ventile verwenden Gedächtnismetalle als aktives Element. In die Molekülstruktur dieser Legierungen ist die Geometrie einer Festkörperphase eingeprägt, so daß in Abhängigkeit von der Temperatur geometrische Änderungen stattfinden können. Das bekannte Druckluftventil hat einen Gedächtnismetallstift, der mit der Ventilspitze verbunden ist, die von einer Druckfeder in Verschlußposition gehalten wird. Der Gedächtnismetallstift ist in eine elektrische Schaltung integriert. Wenn kein Strom fließt, hält die Feder das Ventil verschlossen, wobei das Gedächtnismetall im Zustand der Niedrigtemperatur seine vergleichsweise längere geometrische Form behält. Wenn es mit Strom erhitzt wird, wandelt es sich in seine zweite Hochdrucktemperaturform um und wird kürzer. Dabei wird die Federkraft überwunden und das Ventil geöffnet.

Es handelt sich bei der bekannten Ausführung des Ventils um ein reines Steuerorgan mit Öffnungs- bzw. Verschlußfunktion. Eine Regelung von Fluidströmen ist mit dem bekannten Ventil nicht durchführbar.

Aus der EP-A1-0 391 018 ist ein Sensor für Meß- und Analysengeräte bekannt. Es handelt sich dabei um ein Sensorelement, bei welchem die zu messende Größe unmittelbar oder mittelbar Einfluß auf den Zustand des Werkstoffes des Sensorelementes ausübt. Das Sensorelement besteht aus einem gestaltserinnernden Werkstoff und ist derart beheizbar, daß seine Betriebstemperatur auf eine Temperatur im Bereich des strukturellen Phasenüberganges seines Werkstoffes einstellbar ist. Kennzeichen der Funktion des bekannten Meß- und Analysengerätes ist, daß die Temperatur des Sensors mit Hilfe eines regelbaren Heizstromes konstant gehalten wird, wobei die am Drahtabschnitt anliegende Spannung, der Heizstrom oder die Heizleistung, als Meßgröße verwendet wird. Bei diesem bekannten Gerät hat die zu messende Größe Einfluß auf die Temperatur des im Bereich des Phasenstrukturüberganges von der Niedertemperaturphase in die Hochtemperaturphase mit Hilfe einer Heizstromregelung gehaltenen gestaltserinnernden Werkstoffes, d. h. der Heizstrom wird einer Temperaturänderung des Werkstoffs nachgeregelt.

Eine unmittelbare Regelung von Fluidströmen ist mit dem bekannten Meß- und Analysengerät nicht möglich, sondern bedürfte der Anordnung eines zusätzlichen elektromechanischen bzw. elektromagnetischen Regelungsorganes für den Fluidstrom, welches dann durch das bekannte Meß- und Analysengerät angesteuert werden müßte. Eine derartige Anordnung ist aufwendig, störanfällig und somit unbefriedigend.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ventil zur Regelung von Fluidströmen mit einem Stellorgan aus elektrisch heizbarem gestaltserinnerndem Werkstoff der eingangs genannten Art anzugeben, welches für eine unmittelbare Regelung insbesondere im Sinne von Konstanthaltung eines vorgegebenen Zustandes eines hindurchgeleiteten Fluidstromes verwendbar und darüber hinaus unkompliziert im Aufbau und extrem klein ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einem Ventil der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art mit der Erfindung dadurch, daß das Stellorgan ein auf eine Temperatur des gestaltungserinnernden Werkstoffs SMA (SMA = Shape Memory Alloy) innerhalb des Phasenübergangsbereiches durch Konstantstrom beheizter Faden und der den Faden umgebende Ventilkörper im Zusammenwirken mit diesem als eine in besonderer Weise auf Änderungen im Zustand eines hindurchgeleiteten Fluidstromes ansprechende Wärmeaustauschvorrichtung ausgebildet ist.

Mit Vorteil eignet sich das Ventil zur unmittelbaren Regelung eines Fluidstromes, wobei dieser innerhalb eines vergleichsweise engen Gleichgewichtsbereiches seines Zustandes beispielsweise in einem konstanten Druckbereich, einem konstanten Flußbereich oder einem konstanten Gasgemischbereich oder auch in einem konstanten Temperaturbereich eingeregelt wird.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Ventil den SMA-Faden aufnehmende, die zu regelnden Fluid-Ströme leitende und dem Wärmeaustausch zwischen dem SMA-Faden und den Fluid-Strömen dienende Kanäle bzw. Anschlüsse aufweist.

Dem Ventil und seinen systematischen Ventilvarianten ist gemeinsam, daß die Kontraktion bzw. Elongation eines Stellorgans aus gestaltserinnerndem Material zur Betätigung des Verschlußmechanismus genutzt wird. Eine weitere Gemeinsamkeit in der Anordnung des Ventils bzw. seiner Ventilvarianten ist dadurch gegeben, daß eine durch Änderung eines Fluidstroms verursachte Längenänderung seines Stellorgans im Bereich des Phasenüberganges eine unmittelbare Änderung des Leitwertes bzw. der Durchflußrate des Fluides durch das Ventil zur Folge hat, so daß dieser Leitwert eine monotone Funktion der temperaturbedingten Länge des Stellorgans ist. Für die Temperatur des Drahtes sind alle im Betrieb auftretenden Parameter verantwortlich, die auf die Wärmebilanz des Systems einen Einfluß ausüben können. Es sind dies beispielsweise:

• - Temperatur T des Fluids
• - Wärmeleitfähigkeit W des Fluids bzw. unterschiedlicher Fluidkomponenten
• - Durchflußrate q des Fluids
• - Druck p des Fluids
• - elektronische, insbesondere konstante Heizleistung am Draht P.

Nimmt man die Umgebungs- (Wand) Temperatur des Ventils als konstant an, so ist die Leitfähigkeit des Ventils eine Funktion einer oder mehrerer dieser Größen.

L = f (T, W, q, p, P)

Durch die Betriebsweise oder konstruktive Maßnahmen wird die Einwirkung vorgenannter Größen auf den Draht je nach Bauweise des Ventils bei konstant gehaltener Heizleistung mittels Änderungen des Leitwertes unmittelbar durch das Prozeßmedium kompensiert. Beispielsweise kann durch eine spezielle Ausbildung des Ventils erreicht werden, daß zwar der Druck, nicht aber der durch das Ventil fließende Fluß mit dem Draht in Berührung kommt, und umgekehrt. Dabei kann die Bauweise so variieren, daß der kontrahierende Faden entweder eine Schließung oder eine Öffnung des Ventils bewirkt.

Im folgenden werden einige für praktische Anwendungen interessante Ausführungen des Ventils angegeben. Beispielsweise kann dieses als Druckregelorgan ausgebildet sein und einen aus elektrisch nicht leitendem Material bestehenden Körper mit einer den SMA-Faden, die Feder sowie das Verschlußelement aufnehmenden Bohrung und mit einem den Ventilsitz mit einem Anschlußkanal sowie einen seitlich davon abzweigenden Nebenkanal aufnehmenden Kopfteil und einem geschlossenen Bodenteil aufweisen, wobei die Feder als Leiter für den Stromfluß zwischen dem ventilseitigen Ende des SMA-Drahtes und dessen anderes Ende am Ventilboden jeweils an eine Stromquelle angeschlossen sind.

Bei dieser Bauart ist der den Faden umgebende Gasdruck bei geöffnetem Ventil gleich dem Druck des vom Nebenkanal durch den Anschlußkanal strömenden Fluids. Der Gasfluß kann das Ventil passieren, ohne den SMA-Draht wesentlich zu beeinflussen. In Druckbereichen, in denen die Wärmeleitung druckabhängig ist, zeigt das Ventil Regelverhalten. Bei sinkendem Druck nimmt die Fadentemperatur zu, der Faden kontrahiert und öffnet das Ventil. Steigt der Druck, wird umgekehrt der Gaszufluß gedrosselt. Es stellt sich für eine konstante elektrische Heizleistung ein Gleichgewichtsdruck ein, der in gewissen Grenzen konstant gehalten wird.

Eine andere Ausgestaltung sieht vor, daß das Ventil als Durchflußregelorgan ausgebildet ist und einen Einströmkanal im Bodenteil sowie einen Ausströmkanal im Kopfteil aufweist. Bei dieser Konstruktion strömt der Gasfluß entlang dem SMA-Draht und transportiert Wärme ab. In geeigneten Flußbereichen ist die abgeführte Wärme eine Funktion des Flusses. Bei eingeprägter konstanter elektrischer Leistung, welche die Drahttemperatur bei einem vorgegebenen konstanten Fluß des Fluids an der Phasenübergangsgrenze hält, wird eine Funktion verwirklicht, bei welcher zunehmender Fluß die Fadentemperatur senkt, wobei der Faden sich verlängert und der Leitwert des Ventils verringert wird. Abnehmender Fluß bewirkt das Gegenteil. Auf diese Weise strebt der Fluß des durchströmenden Fluids einem Gleichgewichtszustand zu, welcher innerhalb enger Grenzen konstant gehalten wird. Der sich einstellende Fluß ist dabei ungefähr proportional der eingespeisten Spannung bzw. Heizleistung. Deshalb eignet sich dieser Ventiltyp als Stellglied in elektronischen Regelkreisen zur Druckregelung von Gasen. Im Gegensatz hierzu sind nach dem Stand der Technik hergestellte Proportionalventile für den Gasfluß problematisch, äußerst aufwendig und störanfällig.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Ventil als Gemischregelorgan ausgebildet ist und der Kopfteil den Ventilsitz mit einem Einlaßkanal für eine Gaskomponente mit vergleichsweise hoher Wärmeleitfähigkeit und einen Nebenkanal für den Gemischeinlaß, sowie der Bodenteil einen Auslaßkanal für das konstant geregelte Gemisch aufweist. Dieser Ventiltyp verwendet als physikalische Grundlage das Wärmeleitvermögen unterschiedlicher Gasarten. Verschieben sich in Gasgemischen die Konzentrationen, so hat das im allgemeinen eine Änderung der Wärmeleitfähigkeit zur Folge. Wenn nun bei geschlossenem Ventil ein Gasstrom vom Nebenkanal im Ventilkopf zum Auslaßkanal im Bodenteil fließt, so steht die Heizleistung des SMA-Drahtes bei einem vorgegebenen konstanten Fluß mit vorgegebenen Gemischkonzentrationen der Gaskomponenten im Gleichgewicht. Dabei liegt die Gaskomponente mit der höheren Wärmeleitfähigkeit am zunächst geschlossenen Einlaßkanal des Kopfteiles an. Wenn diese Komponente im Gemisch verarmt ist, nimmt die Wärmeleitfähigkeit ab, der Draht erhöht seine Temperatur und verkürzt sich, so daß das Ventil öffnet und die Komponente mit der höheren Wärmeleitfähigkeit zusätzlich angereichert wird. Auf diese Weise ergibt sich ein Gleichgewichtszustand der Gemischkonzentration innerhalb vergleichsweise enger Grenzen.

Eine weitere vorteilhafte Ventilvariante ist als Schutzventil für Gaslecksucher, insbesondere für Heliumlecksucher ausgebildet. Es besitzt einen Einströmkanal im Bodenteil, einen Anschlußkanal zum Lecksucher im Kopfteil sowie eine Bypassöffnung im Nebenschluß zum Ventilsitz am kopfseitigen Ende des Ventilkörpers. Beim Schnüffelbetrieb können hohe Heliumkonzentrationen zu einer Verseuchung des Lecksuchers führen. Meist wird das verantwortliche Grobleck erst dann erkannt, wenn der Gasstrom mit der hohen Heliumkonzentration die Apparatur bereits passiert hat. Die Folge sind Unempfindlichkeit und lange Erholungszeiten. In einem solchen Falle schaltet das Schutzventil den Gasstrom ab. Die Heizleistung ist so eingestellt, daß bei geringen Konzentrationen das Ventil geöffnet ist. Tritt nun ein mit Helium angereicherter Gasstrom durch den Einströmkanal im Bodenteil ein, so wird infolge höherer Konzentration von Helium im Gasstrom der SMA-Draht infolge vergrößerter Wärmeleitfähigkeit des Gases abgekühlt, längt sich und schließt das Ventil. Der Gasstrom kann dann nur noch über die Bypassöffnung entweichen. Sobald die Heliumkonzentration abgenommen hat, bewegt sich das Ventil wieder in den Ausgangszustand, d. h. es öffnet.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß das Ventil beispielsweise als Schwellwertschalter ausgebildet ist, mit einem mittig unterteilten Ventilkörper, einem Gaseinlaßkanal im Bodenteil und einer ersten, das Verschlußelement führend aufnehmenden, mit einem Ventilsitz in einer Zwischenwand verschließbaren Bohrung, woran sich im Ventilkörper eine zweite Bohrung anschließt, die den mit der Spitze des Verschlußelementes fest verbundenen SMA-Faden aufnimmt, der auslaßseitig an dem einen Auslaßkanal aufweisenden Kopfteil befestigt ist. Hierbei handelt es sich um ein Schaltventil, welches nach Auslösung in seinem Zustand verharrt und von außen zurückgesetzt werden muß. Wenn ein Gasstrom das Ventil vom Bodenteil zum Kopfteil passiert, wird beim Unterschreiten eines bestimmten Schwellwertes beim Fluß der Gasstrom ganz abgeschaltet, wodurch die Drahttemperatur weiter steigt und das Ventil in der geschlossenen Stellung verharrt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Ventils bei der als Durchflußregelorgan ausgebildeten Variante besteht ferner darin, daß zur Führung des Fluidstroms unter Erhöhung einer den Wärmeaustausch intensivierenden Flußdichte der Fluidströmung ein den SMA-Draht umgebendes, vergleichsweise enges, sich zwischen dem Einlaßkanal im Bodenteil und dem Ventilsitz erstreckendes Keramikröhrchen angeordnet ist.

Die Erfindung wird in schematischen Zeichnungen in bevorzugten Ausführungsformen gezeigt, wobei aus den Zeichnungen weitere vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale der Erfindung entnehmbar sind.

Fig. 1 ein Schema eines Ventilaufbaues zur Konstantregelung des Druckes gasförmiger Medien,

Fig. 2 ein Schaltbild des Ventilaufbaues gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Schema des Ventilaufbaues für konstante Durchflußregelung eines Gasstromes,

Fig. 4 ein Schaltbild des Ventilaufbaues nach Fig. 3,

Fig. 5 ein Schema eines Ventilaufbaues für konstante Gemischregelung von Gasen,

Fig. 6 ein Schaltbild des Ventilaufbaues nach Fig. 5,

Fig. 7 ein Schema des Ventilaufbaues in der Funktion eines Schutzventils für Heliumlecksucher,

Fig. 8 ein Schema des Ventilaufbaues in der Funktion eines Schwellwertschalters,

Fig. 9 im Schnitt ein Ventil für konstante Flußregelung nach Fig. 3 und 4 mit einem den SMA-Draht umgebenden Keramikröhrchen.

Die in den Figuren rein schematisch gezeigten Ventilaufbauvarianten weisen als übereinstimmende bzw. ähnliche Merkmale in der Bauart einen Ventilkörper (20) aus elektrisch nicht leitendem Material mit einem den Ventilsitz (22) aufweisenden Kopfteil (25) und einem Bodenteil (26) auf. Der Ventilkörper (20) nimmt in einer Bohrung (24) das Verschlußelement (21) mit dem Stellorgan (1) aus elektrisch heizbarem gestaltserinnerndem Werkstoff in Form des SMA-Fadens sowie die Rückstellfeder (23) auf.

Wenn auch den im folgenden beschriebenen Ventilvarianten gemeinsam ist, daß die Kontraktion bzw. Elongation des Drahtes (1) aus gestaltserinnerndem Material zur Betätigung des Verschlußelementes (21) genutzt wird, so können prinzipiell anstelle des Drahtes (1) auch andere geometrische Formen mit Formänderungen durch Biegung oder Torsion genutzt werden. Wegen der Einfachheit der Konstruktion sowie der Anschaulichkeit der Funktion wird das Drahtprinzip bevorzugt und als Beispiel gezeigt. Ebenso als reines Ausführungsbeispiel und nicht als Einschränkung ist die Verwendung eines Kegel- oder Nadelventilkörpers als Verschlußelement (21) zu verstehen. Auch hier sind grundsätzlich andere Ventiltypen einsetzbar. Die Anordnung des Antriebes ist grundsätzlich so gewählt, daß eine Längenänderung des als Stellorgan verwendeten SMA-Drahtes (1) im Bereich des Phasenüberganges eine Änderung des Leitwertes und damit des Fluid-Durchlasses im Ventilsitz (22) zur Folge hat, so daß der Leitwert eine monotone Funktion der Länge des Stellorgans ist.

Durch den grundsätzlichen Aufbau des Ventils in Form einer in besonderer Weise auf Änderung im Zustand des hindurchgeleiteten Fluidstromes ansprechende Wärmeaustauschvorrichtung wird erreicht, daß die jeweilige Länge des Drahtes (1) als Funktion der Fadentemperatur bei konstant gehaltener Heizleistung von unterschiedlichen physikalischen Parametern des Fluidstromes beeinflußt wird. Für die Temperatur des Drahtes (1) sind daher alle im Betrieb auftretenden Parameter verantwortlich, die auf die Wärmebilanz des Systems Einfluß haben wie Temperatur, Wärmeleitfähigkeit, Durchflußrate, Druck und Gemischart der Gase.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung für einen Druckkonstanter. Der den SMA-Faden umgebende Gasdruck ist gleich dem am Anschluß A des Nebenkanals (28), weil dieser mit der Bohrung (24) des Ventilkörpers (20) in Verbindung steht. Bei geöffnetem Verschlußelement (21) im Hochtemperaturzustand des SMA-Fadens (1) kann ein Gasfluß zwischen dem Nebenkanal (28) und dem Anschlußkanal (B, 27) im Kopfteil (25) des Ventils fließen. In Druckbereichen, im welchen die Wärmeleitung druckabhängig ist, zeigt das Ventil Regelverhalten. Bei sinkendem Druck nimmt die Temperatur des Fadens (1) zu, der Faden (1) kontrahiert und öffnet das Ventil (21, 22). Steigt der Druck, wird umgekehrt der Gaszufluß gedrosselt. Es stellt sich also für eine feste elektrische Heizleistung ein Gleichgewichtsdruck ein, der in vergleichsweise engen Grenzen konstant gehalten wird. Der Ventilaufbau nach Fig. 1 weist einen geschlossenen Bodenteil (26) auf, wobei die Feder (23) als Leiter für den Stromfluß zwischen dem ventilseitigen Ende des SMA-Drahtes (1) und dessen anderes Ende am Ventilboden (26) jeweils an eine Stromquelle (2) über die Stromanschlüsse (3 und 4) angeschlossen ist.

In der Fig. 2 ist das Schaltbild des Ventilaufbaues nach Fig. 1 dargestellt. Das Schaltbild zeigt die Anordnung einer Feinvakuum-Apparatur mit einem Gasfluß von B nach A und zur Vakuumpumpe (10) über den Vakuumbehälter (11) sowie den Ventilkörper (20) mit dem im Nebenschluß zur Fluidströmung angeordneten Stellorgan in Form des SMA-Fadens (1). Dieser ist über die Stromanschlüsse (3, 4) an die Stromquelle (2) angeschlossen. Diese ist als regelbare Stromquelle (2) dargestellt, wird jedoch für einen konstant zu haltenden Druck konstant eingeregelt.

Der Ventilaufbau nach Fig. 3 zeigt ein System zur konstanten Flußregelung. Bei dieser Konstruktion passiert der Gasfluß den SMA-Draht (1) und transportiert Wärme ab. In geeigneten Flußbereichen ist somit die abgeführte Wärme eine Funktion des Flusses. Bei eingeprägter elektrischer Leistung entsprechend einer Drahttemperatur im Bereich des Phasenüberganges senkt zunehmender Fluß die Fadentemperatur, während abnehmender Fluß das Gegenteil bewirkt. Hierbei strebt der Fluß einem Gleichgewicht zu. Das Ventil hat am Bodenteil (26) einen Einströmkanal (30) mit der Bezeichnung B und im Kopfteil (25) einen Auslaßkanal (29) mit der Bezeichnung A. Die elektrischen Anschlüsse und Bezeichnungen sind im übrigen gleich denjenigen in Fig. 1.

In der Fig. 4 ist das Schaltbild des Flußregelungsventils nach Fig. 3 gezeigt, wobei ebenfalls gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind. Vom Ventilator (9) wird ein Fluidstrom von B entlang des beheizten SMA-Fadens (1) über das Ventil zum Auslaßkanal A gefördert. Bei Änderung des Flusses ändert sich wie vor beschrieben die Temperatur des SMA-Fadens (1) bei dessen konstanter Beheizung durch die Stromquelle (2) wobei das Verschlußorgan (21) entsprechend reagiert.

In der Fig. 5 ist ein als Gemischregelorgan ausgebildetes Ventil dargestellt. Es weist das Ventil (20) mit dem Verschlußelement (21), dem Stellorgan des SMA-Drahtes (1) und der Rückstellfeder (23) auf. Das zu regelnde Gemisch aus wenigstens zwei Komponenten tritt durch den mit A bezeichneten Einlaßkanal (33) im Kopfteil (25) in das Ventil ein, strömt am SMA-Faden (1) entlang und verläßt das Ventil durch den bodenseitigen Auslaßkanal (34) mit der Bezeichnung C. Eine zunächst vom Ventilverschlußkörper (21) gesperrte Gaskomponente mit höherem Wärmeleitvermögen steht am Einströmkanal (32) mit der Bezeichnung B an. Das Gasleitvermögen ist gasartabhängig. Verschieben sich im Gasgemisch die Konzentrationen der Komponenten, so hat das bei konstantem Fluß eine Änderung der Wärmeleitfähigkeit zur Folge. Diesen Effekt nützt die gezeigte Ventilkonstruktion aus. Durch den Anschluß A fließt ständig ein beispielsweise binäres Gasgemisch zum Ausgang C. Wenn die Komponente mit der höheren Wärmeleitfähigkeit im Gemisch verarmt wird, nimmt die Leitfähigkeit ab, der SMA-Draht (1) erhöht seine Temperatur und verkürzt sich, das Verschlußelement (21) hebt sich vom Ventilsitz (22) ab, wodurch ein Strömungsquerschnitt des Einströmkanals (32) für die Komponente mit der höheren Wärmeleitfähigkeit geöffnet wird und das Gemisch wieder auf konstante Gemischkonzentrationen eingeregelt wird.

Hierzu zeigt die Fig. 6 ein Schaltbild. Durch das Gebläse (8) wird ein z. B. binäres Fluidgemisch über den Einlaßkanal (33) mit der Bezeichnung A durch den Ventilkörper (30) hindurch zum Auslaßkanal (34) mit der Bezeichnung C gefördert. Das Gebläse (7) fördert im Falle einer Öffnung des Ventils die Komponente mit der höheren Wärmeleitfähigkeit durch den Einlaßkanal (32) mit der Bezeichnung B in der vorbeschriebenen Weise zur Anreicherung der Mischung des Fluid-Gemischstromes.

Weitere Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Die Fig. 7 zeigt ein Ventil in der Ausführung als Schutzventil für Gaslecksucher, insbesondere für Heliumlecksucher. Am Bodenteil (26) befindet sich der Einströmungskanal (30), welcher durch eine Leitung mit einer Schnüffelspitze verbunden ist. Der Einlaßkanal (30) trägt die Bezeichnung D. Am Kopfteil (25) befindet sich der Auslaßkanal (29) mit Anschluß an einen Lecksucher. Der Auslaßkanal (29) trägt die Bezeichnung E. Weiter befindet sich unmittelbar neben dem Kopfteil (25) eine Bypassöffnung (35). Für eine bestimmte Heliumkonzentration und Flußrate des Lecksuchers ergibt sich ein Gleichgewicht zwischen der induzierten Heizleistung des SMA-Drahtes (1) und der Wärmeabfuhr durch den Lecksucherstrom mit der geringen Heliumkonzentration. Dabei ist das Ventil geöffnet. Wenn ein mit Helium stärker angereicherter Fluidstrom bei D eintritt, wird vom SMA-Draht (1) mehr Wärme abgeführt und dieser nimmt seine verlängerte geometrische Form an. Dadurch verschließt das Verschlußelement (21) den Ventilsitz (22) und der Gasstrom kann nun nur noch über die Bypassöffnung (35) entweichen.

Das Ventil kann alternativ auch als Schwellwertschalter für Druck oder Fluß ausgebildet sein. Einen solchen Schalter, der nach Auslösung in seinem Zustand verharrt und von außen zurückgesetzt werden muß, zeigt die Fig. 8. Das Ventil ist mit einem mittig unterteilten Ventilkörper (20) ausgebildet, mit einem Gaseinlaßkanal (30) im Bodenteil (26) sowie mit einem Auslaßkanal (29) am Kopfteil (25). An den Gaseinlaßkanal (30) mit der Bezeichnung F schließt sich eine erste, das Gasverschlußelement (21) führend aufnehmende, mit einem Ventilsitz (22) in einer Zwischenwand (19) verschließbare Bohrung (24) an. Weiterhin weist das Ventil eine in Flußrichtung zweite Bohrung (18) auf, die den mit der Spitze (17) des Verschlußelementes (21) fest verbundenen SMA-Faden (1) als Stellorgan des Ventils aufnimmt. Dieser ist auslaßseitig im Kopfteil (25) befestigt. Die Beheizung des SMA-Drahtes erfolgt über die Stromanschlüsse (3, 4) durch die Stromquelle (2). Während der Funktion passiert ein Fluidstrom das schematisch dargestellte Ventil von F nach G. Unterschreitet der Fluß einen bestimmten Schwellwert, dann wird der Gasstrom abgeschaltet und damit der Wärmeabtransport durch den Gasstrom unterbrochen. Dadurch steigt die Drahttemperatur weiter an und das Ventil verharrt in dieser Stellung.

Entsprechend einer Darstellung in der Fig. 9 kann ein besonders intensiver Wärmeaustausch zwischen dem Fluidstrom und dem SMA-Faden (1) durch eine Ausgestaltung des Ventils mit einem Flußleitröhrchen (16) herbeigeführt werden. Bei dieser Anordnung wird das thermische Gleichgewicht des Wärmeaustauschs zwischen dem konstant beheizten SMA-Faden (1) und dem durchströmenden Fluidstrom durch die Abhängigkeit zwischen der Geschwindigkeit des Fluidstromes und dem dadurch verursachten mehr oder weniger schnellen Wärmetransport bestimmt. Infolge der durch das Keramikröhrchen (16) in unmittelbarer Nähe des SMA-Fadens (1) gebündelten Strömung ist dieses Gleichgewicht und damit die Funktion des Ventils außerordentlich sensibel.

Die vorbeschriebenen Ventiltypen haben gegenüber konventionellen Ventiltypen eine Reihe von Vorteilen. Es sind dies:

• - einfache, vergleichsweise preisgünstige Konstruktion
• - kleine Bauformen
• - spezielle Charakteristiken, dadurch vereinfachte Applikationen
• - Betrieb mit Spannungen unter 0,5 V und Strömen unter 0,5 A möglich, dadurch einsetzbar in Exbereichen
• - Vermeidung von Störungen für Sensoren und empfindliche mikroelektronische Schaltungen infolge Wegfall von Magneten und deren Magnetfeldern.

Claims (8)

1. Ventil zur Regelung von Fluidströmen mit einem Stellorgan aus elektrisch heizbarem gestaltserinnerndem Werkstoff, welches ein Verschlußelement gegen die Rückstellkraft einer Feder nach Maßgabe einer temperaturbedingten Längenänderung in seiner Position relativ zum Ventilsitz einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellorgan ein auf eine Temperatur des gestaltserinnernden Werkstoffs (SMA) innerhalb des Phasenübergangsbereiches durch Konstantstrom beheizter Faden (1) und der den Faden (1) umgebende Ventilkörper (20) im Zusammenwirken mit diesem als eine in besonderer Weise auf Änderungen im Zustand eines hindurchgeleiteten Fluidstromes ansprechende Wärmeaustauschvorrichtung ausgebildet ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine den SMA-Faden (1) aufnehmende, die zu regelnden Fluid-Ströme leitende und dem Wärmeaustausch zwischen dem SMA-Faden (1) und den Fluid-Strömen dienende Bohrung (24) sowie Kanäle (27) bzw. Anschlüsse (28-30; 32-35) aufweist.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als Druckregelorgan ausgebildet ist und einen aus elektrisch nicht leitendem Material bestehenden Körper (20) mit einer den SMA-Faden (1), die Feder (23) sowie das Verschlußelement (21) aufnehmenden Bohrung (24) und mit einem den Ventilsitz (22) mit einem Anschlußkanal (27) sowie einen seitlich davon abzweigenden Nebenkanal (28) aufnehmenden Kopfteil (25) und einem geschlossenen Bodenteil (26) aufweist, wobei die Feder (23) als Leiter für den Stromfluß zwischen dem ventilseitigen Ende des SMA-Drahtes (1) und dessen anderes Ende am Ventilboden (26) jeweils an eine Stromquelle (2) angeschlossen sind.

4. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als Durchflußregelorgan ausgebildet ist und einen Einströmkanal (30) im Bodenteil (26) sowie einen Ausströmkanal (29) im Kopfteil (25) aufweist.

5. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als Gemischregelorgan ausgebildet ist und der Kopfteil (25) den Ventilsitz (22) mit einem Einlaßkanal (32) für eine Gaskomponente mit vergleichsweise hoher Wärmeleitfähigkeit und einen Nebenkanal (33) für den Gemischeinlaß und das Bodenteil (26) einen Auslaßkanal (34) für das konstant geregelte Gemisch aufweist.

6. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als Schutzventil für Gaslecksucher, insbesondere für Heliumlecksucher ausgebildet ist, mit einem Einströmkanal (30) im Bodenteil (26), einem Auslaßkanal (29) als Anschluß zum Lecksucher im Kopfteil (25), sowie einer Bypassöffnung (35) im Nebenschluß zum Ventilsitz (22) am kopfseitigen Ende des Ventilkörpers (20).

7. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als Schwellwertschalter ausgebildet ist, mit einem mittig unterteilten Ventilkörper (20) mit einem Gaseinlaßkanal (30) im Bodenteil (26) und einer ersten, das Verschlußelement (21) führend aufnehmenden, mit einem Ventilsitz (22) in einer Zwischenwand (19) verschließbaren Bohrung (24), woran sich im Ventilkörper (20) eine zweite Bohrung (18) anschließt, die den mit der Spitze (17) des Verschlußelementes (21) fest verbundenen SMA-Faden (1) aufnimmt, der auslaßseitig in dem einen Auslaßkanal (29) aufweisenden Kopfteil (25) befestigt ist.

8. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Führung des Fluidstroms unter Erhöhung einer den Wärmeaustausch intensivierenden Flußdichte der Fluidströmung ein den SMA-Draht (1) umgebendes, vergleichsweise enges, sich zwischen dem Einlaßkanal (30) im Bodenteil (26) und dem Ventilsitz (22) erstreckendes Keramikröhrchen (16) aufweist.