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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Verbindung,
welche Materialien mit unterschiedlichen
Wärmedehnungskoëffizienten auf eine solche Weise aneinanderkuppelt, daß bei
Veränderungen der Temperatur im wesentlichen dasselbe
Abstandsverhältnis zwischen den Materialien beibehalten wird.
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Eine übliche Beschränkung bei Steuerventilen für hohe
Temperaturen, welche dazu ausgelegt sind, bei 1093ºC (2000ºF)
erreichenden Temperaturen zu arbeiten, liegt in den
Betätigungssystemen und der zugehörigen Elektronik, die Temperaturen
oberhalb von 204ºC (400ºF) über eine längere Zeitdauer nicht zu
widerstehen vermögen. Diese Gebrauchseinschränkung wird für
gewöhnlich durch die Verwendung einer thermisch resistenten und
strukturell tragenden Abstandeinrichtung überwunden, die
zwischen dem Ventilkörper und dem Betätigungssystem angeordnet
ist. Diese Abstandeinrichtung besitzt eine Kupplung, die aus
thermisch widerstandsfähigen Materialien hergestellt ist, die
sich nicht deformieren oder eine Temperatur übertragen, die
Bestandteile des Betätigungssystems beschädigen würden.
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Bei einer bekannten Kupplungseinrichtung ist eine
metallische Welle am keramischen Rator eines Turboladers durch
eine Aufschrumpfverbindung befestigt. Wenn diese Art von
Kupplungseinrichtung auch in einem Betriebsbereich entsprechend
funktioniert, in dem die Umgebungstemperaturen 1093ºC (2000ºF)
erreichen, so werden unannehmbare Belastungsdruckkräfte in das
Keramikmaterial bei Temperaturen unterhalb von 204ºC (400ºF)
eingebracht. Überdies kann die Welle ohne Beschädigung der
Welle und des Rotors nicht mehr entfernt werden, sobald einmal
die metallische Welle am Rotor des Turboladers befestigt ist.
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Eine umkehrbare thermische Kupplung wird im US-Patent
4,854,765 zum Ankuppeln eines ersten Elementes an ein zweites
Element geoffenbart. Das erste Element besitzt einen
zylindrischen Vorsprung mit einer darin ausgebildeten Nut mit einwärts
konvergierenden Seiten. Zwei bogenförmige Ringabschnitte sind
in der Nut des ersten Elementes angeordnet, und der
zylindrische Vorsprung wird in einen Hohlraum im zweiten Element
eingesetzt. Ein am zweiten Element befestigter Stift erstreckt sich
durch das erste Element, um die Kupplung zu bilden. Die Ringe
und das zweite Element sind aus demselben Material hergestellt,
wogegen das erste Element aus einem unterschiedlichen Material
erzeugt ist. Wenn die Kupplung Veränderungen der Temperatur
unterworfen wird, dann kompensiert das Verhältnis zwischen den
Ringen und den zueinander konvergierenden Seiten der Nut die
Unterschiede des Dehnungskoëffizienten des ersten und des
zweiten Elementes, um die strukturelle Einheit der Kupplung
aufrechtzuerhalten.
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Bei einer anderen Kupplungseinrichtung ist ein
metallisches Element durch eine äußere Hülse mit einem
keramischen Element verbunden. Leider besitzt diese Art von
Kupplungseinrichtung ebenfalls eine Beschränkung bezüglich der
Entwicklung einer hohen Spannung im keramischen Material bei
niedrigen Temperaturen. Die äußere Hülse, das metallische und das
keramische Element stehen während des Betriebes bei hoher
Temperatur in ständigem Kontakt miteinander. Der Betrieb bei hoher
Temperatur kann zur Entwicklung einer Bindung über eine
Oxydschicht zwischen den Komponenten führen. Sollte es später
erwünscht sein, die Bestandteile der Vorrichtung zu zerlegen,
wird die Bindung über die Oxydschicht aufgebrochen, und es kann
zu einem Schaden an beiden Bestandteilen kommen. Auch mögen
hohe Spannungen in den Teilen des metallischen Elementes ein
Kriechen innerhalb des Betriebsbereiches dieser Art von
Kupplungseinrichtungen verursachen, was zu einer Verminderung der
Klemmkraft führt.
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Um die Gebrauchseinschränkung der Spannung bei
niedriger Temperatur bei Kupplungseinrichtungen mit einer äußeren
Hülse zu überwinden, wurde eine Verbindung mit einer inneren
Hülse für eine Kupplung vorgeschlagen. Bei der Untersuchung
einer solchen Kupplungseinrichtung führte jedoch ihre
Kompliziertheit zu einer zweifachen Vergrößerung des
Außendurchmessers der Verbindung und zu einer entsprechenden Erhöhung des
Gewichtes der Verbindung.
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Überdies wurde auch vorgeschlagen, daß eine
Verbindung vom Flanschtyp für die Verwendung als Kupplungseinrichtung
für hohe Temperaturen annehmbar sei. Weitere Untersuchungen
zeigten, daß das durch langes Aussetzen an hohe Temperaturen
verursachte Kriechen metallischer Befestigungsglieder zum
Lockern der Kupplung führen kann, und daß alternativ sich eine
wesentliche Erhöhung der Komplexität zum Erreichen
ausreichender Festigkeit der Kupplungseinrichtung ergäbe, wenn bloß
keramische Befestigungsglieder verwendet würden.
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Um die Gebrauchsbeschränkungen durch Spannungen der
bekannten Kupplungseinrichtungen zu überwinden, haben wir eine
zerlegbare Verbindung für Kupplungselemente mit einander
ungleichen Wärmedehnungskoeffizienten entwickelt, bei der die
durch solche Unterschiede verursachte Spannung im wesentlichen
auf einen Wert verringert wird, der die Bestandteile nicht
beschädigt.
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Die Erfindung schlägt daher eine Verbindung vor, wie
sie im Anspruch 1 genannt wird. Insbesondere bewerkstelligt die
erfindungsgemäße zerlegbare Verbindung eine Kupplung zwischen
einem ersten Element und einem zweiten Element. Das erste
Element ist aus einem ersten Material hergestellt, das einen
ersten Wärmedehnungskoëffizienten besitzt, und das zweite Element
wird aus einem zweiten Material hergestellt, das einen zweiten
Wärmedehnungskoëffizienten besitzt, wobei der zweite
Wärmedehnungskoëffizient vom ersten Wärmedehnungskoëffizienten des
ersten Materiales verschieden ist. Die Kupplung ist durch ein
erstes zylindrisches Ende mit einer Bohrung gekennzeichnet, das
sich vom ersten Element her erstreckt, und durch ein zweites
zylindrisches Ende, das sich vom zweiten Element her erstreckt,
wobei das zweite zylindrische Ende einen Abschnitt mit einem
ersten Durchmesser aufweist, der in der Bohrung des ersten
zylindrischen Endes angeordnet ist, sowie einen Abschnitt mit
einem zweiten Durchmesser. Das zweite zylindrische Ende besitzt
eine Mehrzahl von Nuten, die am Abschnitt mit dem ersten
Durchmesser angeordnet sind. Das erste zylindrische Ende besitzt
eine an seiner Umfangsfläche angeordnete Rippe. Eine Hülse oder
Klemme umgibt einen Teil des ersten zylindrischen Endes sowie
den Abschnitt des zweiten zylindrischen Endes mit dem zweiten
Durchmesser. Die Hülse hat eine Nut zur Aufnahme der Rippe am
ersten zylindrischen Ende sowie eine Einrichtung zum Befestigen
der Hülse am Abschnitt des zweiten zylindrischen Endes mit dem
zweiten Durchmesser, um eine äußere Druckkraft zwischen der
Hülse und der Rippe zum Halten des ersten Elementes und des
zweiten Elementes in fester Relation aufzubauen, um eine
einheitliche Struktur zu bilden. Das erste Element und das zweite
Element reagieren auf die Unterschiede des
Dehnungskoëffizienten mit einer Verringerung der äußeren Druckkraft, wogegen sich
der Abschnitt mit dem ersten Durchmesser des zweiten
zylindrischen Endes ausdehnt, um eine innere Kraft zu erzeugen, die an
dem Abschnitte der das erste zylindrische Ende umgebenden
Bohrung wirkt. Die Nuten im zweiten zylindrischen Ende
modifizieren die Spannungsverteilung der inneren Radialkraft auf das
erste zylindrische Ende, um das Abstandsverhältnis zwischen dem
ersten Element und dem zweiten Element bei Veränderungen der
Temperatur aufrechtzuerhalten.
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Bei niedriger Temperatur wirkt die Druckkraft der
metallischen Klammer auf die Umfangsfläche des Keramikelementes
bzw. der ersten Welle, um das Abstandsverhältnis zwischen der
ersten und der zweiten Welle aufrechtzuerhalten. Wenn die
Temperatur ansteigt, dehnt sich die Metallklammer mit
unterschiedlicher Geschwindigkeit als das Keramikmaterial der ersten Welle
aus, und als Ergebnis wird die äußere, durch die Anbringung der
Klammer an der Umfangsfläche geschaffene Druckkraft
proportional reduziert, doch dehnt sich gleichzeitig der Abschnitt mit
dem ersten Durchmesser der zweiten Welle so aus, daß er in das
Innere der Bohrung eingreift und bei Erhöhung der Temperatur
eine Radialkraft zum Aufrechterhalten des Abstandsverhältnisses
zwischen der ersten und der zweiten Welle erzeugt. Die Reihe
von Nuten am Abschnitte mit dem ersten Durchmesser der zweiten
Welle verringern die durchschnittliche Spannung im Abschnitte
mit dem ersten Durchmesser, wenn die Verbindung höheren
Temperaturen ausgesetzt ist, um zu sichern, daß die erste Welle von
der zweiten Welle nicht in axialer Richtung getrennt wird.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der
einfachen Kupplung, welche ein Keramikelement mit einem
Metallelement verbindet, um Dreh- und axiale Einflüsse von einer
Umgebung mit relativ niedriger Temperatur auf eine Umgebung mit
hoher Temperatur ohne wesentliche Veränderung der strukturellen
Einheit der Kupplung zu übertragen zu erlauben.
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Diese Erfindung schafft auch eine
Verbindungsvorrichtung mit Einrichtungen zum Kompensieren von Veränderungen des
Wärmedehnungskoëffizienten, um das Abstandsverhältnis zwischen
einem Keramikelement und einem Metallelement bei Veränderungen
der Temperatur aufrechtzuerhalten.
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Diese Erfindung schafft ferner eine Verbindung eines
Metallelementes und eines Keramikelementes mit der Einrichtung
zur Aufrechterhaltung des gegenseitigen Abstandsverhältnisses,
wenn sich die Umgebungstemperatur verändert, um eine
Verringerung der ursprünglichen Druckkraft durch die Entwicklung einer
auswärts gerichteten Radialkraft bei Veränderungen der
Temperatur zu kompensieren.
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Die Unteransprüche 2 bis 6 definieren spezielle
Merkmale für den möglichen Einbau in verschiedenste
Ausführungsformen der Erfindung.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Ziele der Erfindung
sollten sich beim Lesen dieser Beschreibung unter Betrachtung
der Zeichnungen ergeben, worin:
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Figur 1 eine Querschnittsansicht einer Verbindung zum
Ankuppeln einer Keramikwelle nach den hierin geoffenbarten
Prinzipien der Erfindung ist;
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Figur 2 eine Perspektivansicht eines Ventiles und
einer Betätigungsvorrichtung ist, die durch eine gemäß der
vorliegenden Erfindung hergestellte Abstandseinrichtung
getrennt sind; und
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Figur 3 eine Querschnittsansicht des Ventiles, der
Abstandseinrichtung und der Betätigungseinrichtung der Figur 2
ist.
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Die in Figur 1 gezeigte Verbindung 10 besitzt ein
Keramikelement bzw. eine Welle 12, die mit einem Metallelement
bzw. einer Welle 20 verbunden ist.
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Das Keramikelement bzw. die Welle 12 hat ein erstes
Ende 14 und ein zweites Ende 16. Das Keramikelement 12 ist aus
einem Siliziumnitridmaterial gefertigt, das so ausgebildet ist,
daß es dazu imstande ist, mit einem Ventil verbunden zu werden,
dessen Betriebstemperatur 1093ºC (2000ºF) erreichen kann. Wenn
es auch die Länge der Welle 12 erlauben mag, in der Umgebung,
in der sie häufiger angeordnet ist, etwas gekühlt zu werden,
kann sich die Temperatur an dem mit einem Metallelement bzw.
der Welle 20 verbundenen zweiten Ende 16 derjenigen des ersten,
mit dem Ventil verbundenen Endes 14 nähern. Das zweite Ende 16
besitzt einen zylindrischen Körper 18 mit einer darin
angeordneten Bohrung 22. Eine Rippe 24 ist an der Umfangsfläche 26 des
Zylinderkörpers 18 nahe dem zweiten Ende 16 angeordnet.
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Das Metallelement bzw. die Welle 20 besitzt einen
ersten sich in die Bohrung 22 erstreckenden Durchmesserabschnitt
28 und einen zweiten Durchmesserabschnitt 30. Die Welle 20
besteht aus einem Stahl hoher Festigkeit, wie etwa Hastelloy-X
mit einem Wärmedehnungskoëffizienten von 21.84 x 10&supmin;&sup6; cm pro
Grad Celsius von 21 ºC bis 649 ºC (8.6 x 10&supmin;&sup6; Zoll pro Grad
Fahrenheit, von 70ºF bis 1200ºF).
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Das Klemm- oder Hülsenelement ist ebenfalls aus dem
gleichen Stahl hoher Festigkeit wie die Welle hergestellt, und
wird aus zwei Teilen erzeugt, welche jeweils halbzylindrische
Elemente 34 und 35 mit einer Nut 36 zum Aufnehmen der Rippe 24
an der Umfangsfläche 26 der keramischen Welle 12 umfassen.
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Bolzen 38 und 40 erstrecken sich durch die
halbzylindrische Elemente 34 und 35 in Gewinde des zweiten
Durchmesserabschnittes 30 der Welle 20, um das zweite Ende 16 der Schulter
29 benachbart zu positionieren. Zwischen dem Ende 16 und der
Schulter 29 ist etwas Abstand vorgesehen, während das innere
Spiel zwischen dem ersten Durchmesserabschnitt 28 und der
Bohrung 22 nominell 0,00635 cm beträgt, aber von 0 bis 0,00762 cm
variieren kann (0,0025, aber von 0 bis 0,003 Zoll variieren
kann). Wenn das innere Spiel außerhalb des Bereiches liegt, so
kann sich die resultierende radiale Kraft mit den
Temperaturänderungen nicht, wie beabsichtigt, entwickeln. Weil das innere
Spiel innerhalb gewisser Grenzen gehalten werden muß, muß der
Unterschied des Wärmedehnungskoëffizienten der Materialien so
gewählt werden, daß mit den Temperaturänderungen die
gewünschten Änderungen erreicht werden. Die tatsächlichen
physikalischen Dimensionen der Komponenten sind kritisch, denn bei zu
kleinen Komponenten führt die Wärmedehnung, wenn sie auch
eintritt, nicht zu den gewünschten Resultaten. Wir haben
herausgefunden, daß diese Erfindung die besten Resultate liefert, wenn
die Komponenten eine tatsächliche Größe von einem Zoll oder
mehr haben. Um die Spannungsverteilung in der metallischen
Welle 20 zu modifizieren, ist im ersten Durchmesserabschnitt 28
eine Mehrzahl von Nuten 32, 32'...32N angeordnet. Die Nuten 32,
32'...32N ermöglichen bei hohen Temperaturen im ersten
Durchmesserabschnitt eine Längsausdehnung, so daß die entstehende
Radialkraft verändert wird.
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Um die Verbindung 10 auszuwerten, wurde die
Temperatur der Verbindung 10 fortschreitend im Bezug auf die sich
erhöhenden Temperaturen bestimmt. Die keramische Welle 12 wurde
bei Temperaturen evaluiert, die dem Betriebsbereich eines
Hochtemperatur-Ventiles entsprechen, während die metallische Welle
20 bei Temperaturen evaluiert wurde, die für elektronische
Komponenten sicher sind. Anfänglich sorgt die Klemmkraft der
halbzylindrischen Elemente 34 und 35, indem sie auf die keramische
Rippe wirkt, für eine Kupplungskraft, welche die metallische
Welle 20 an der keramischen Welle 12 hält. Mit steigender
Temperatur bewirkt der Wärmedehnungskoëffizient zwischen der
keramischen Welle 12, der metallischen Welle 20 und dem
Klemmelement eine Abnahme der auf die Rippe 24 wirkenden Klemmkraft,
aber die radiale Dehnungskomponente des ersten
Durchmesserabschnittes 28 erzeugt beim Reagieren auf die
Temperaturänderungen eine entsprechende Radialkraft, welche gegen den die
Bohrung 22 umgebenden Bereich des keramischen Elementes wirkt, um
so das zweite Ende 16 in im wesentlichen der gleichen
Raumanordnung zur Schulter 29 zu halten und somit die
Verbindungseinheit aufrechtzuhalten, selbst wenn die Wellen 12 und 20 hohen
Temperaturen ausgesetzt werden.
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Um die Verbindung 10 in einem Betriebsumfeld zu
evaluieren, wurde eine Verbindung 40 entwickelt, wie sie in den
Figuren 2 und 3 zu sehen ist. Die Verbindung 40 ist zur
Verwendung als Abstandseinrichtung 40 zwischen einem Ventil 42 und
einer Betätigungseinheit 44 ausgebildet. Die Betätigungseinheit
44 ist zum Aufnehmen von Elektronikkomponenten und eines
Schrittmotors geplant, wobei der Schrittmotor eine Welle 46 zum
Drehen eines Drehklappen-Ventils in einem Gehäuse 50 anregt.
Das Gehäuse 50 hat eine Einlaßöffnung 52 und eine Auslaßöffnung
54 um ein Fluid, das eine Temperatur von 1093 ºC (2000 ºF)
erreichen kann, einem System zuzuführen. Das Gehäuse 50 besteht
aus keramischem Material und hat einen Fortsatz 56 mit einer
Rippe 58, die dem Ende 60 desselben benachbart ist.
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Ein metallisches Element 62 wurde aus einem
Hochtemperaturstahl, Hastelloy-X, hergestellt. Das metallische Element
62 hat einen ersten, in der Bohrung 57 des Fortsatzes 56
angeordneten Durchmesserabschnitt 64, einen zweiten, vom ersten
Durchmesserabschnitt 64 durch eine Schulter 68 getrennten,
Durchmesserabschnitt 66 und eine Basis 70, die über eine Reihe
von Fingern 72, 74, 76 mit dem zweiten Durchmesserabschnitt 66
verbunden ist. Halbzylindrische Klemmen 78 und 80 sind am
zweiten Durchmesserabschnitt 66 mittels einer Reihe von
selbstverriegelnden Bolzen 82, 84, 86, etc. befestigt. Jede
halbzylindrische Klemme 78 und 80 weist zumindest die Schlitze 88 und 90
auf, die sich von der Fläche 92 bzw. 94 über die Nut 96
erstrecken, welche Nut 96 die Rippe 58 des keramischen Fortsatzes
56 aufnimmt. Das Material der Klemmen 78 und 80 wirkt als
Feder, um den keramischen Fortsatz 56 mit einer Mehrzahl von
federnden Fingern 91, 91'...91N in Kontakt zu halten, welche eine
Klemmkraft erzeugen, um das metallische Element 62 am
keramischen Fortsatz 56 zu halten. Der erste Durchmesserabschnitt 64
hat eine Mehrzahl von Nuten 98, 98'...98N, die die
Spannungsverteilung des metallischen Elementes 62 modifizieren, um den
Abstand zwischen der Schulter 68 und dem Ende 60 am keramischen
Element 50 aufrechtzuerhalten, und um bei Temperaturänderungen
die Dehnungsspannung im keramischen Element zu vermindern.
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Das Ventil 42 ist im Betriebe Temperaturen bis zu
1093 ºC (2000 ºF) ausgesetzt, während die Betätigungseinrich
tung 44 auf einer Temperatur unterhalb von 204 ºC (400 ºF)
gehalten werden muß. Anfänglich wirkt die äußere Klemmkraft von
den Klemmen 78 und 80 auf die Rippe 58, um das metallische
Element 62 mit dem keramischen Element 50 zu kuppeln. Mit
zunehmender Temperatur bewirkt der Wärmedehnungskoëffizient der
Klemmen 78 und 80 eine Verminderung der äußeren Klemmkraft,
aber der gleiche Dehnungskoeffizient verursacht eine Ausdehnung
des ersten Durchmesserabschnittes 64 und erzeugt eine
Radialkraft, welche auf den keramischen Fortsatz 56 wirkt, um die
strukturelle Einheit der Verbindung 40 zu erhalten, während die
Temperaturen des Ventils 42 und der Betätigungseinrichtung 44
ihre maximalen Betriebstemperaturen erreichen.