致动器的制造方法
【专利摘要】一种致动器，具有壳体(2)，也至少具有连接元件(3)，具有当加热时改变形状的形状记忆元件(4)，具有加热元件(5)并具有导热元件(6)。形状记忆元件(4)以基本长形被配置并被布置在壳体(2)内，使得当它改变形状时它移动连接元件(3)。加热元件(5)被配置和布置在壳体(2)内，使得当被激活时，它加热形状记忆元件(4)。导热元件(6)被配置和布置在壳体(2)内，使得它与形状记忆元件(4)至少在一些时间接触，特别是在大于形状记忆元件(4)的总表面的0.1倍的表面。在这种情况下，当它与形状记忆元件(4)接触时，导热元件(6)至少部分可移动地压靠后者。然而，当它处于接触时，导热元件(6)也具有不与形状记忆元件(4)或加热元件(5)接触的表面，且其具体至少是导热元件(6)与形状记忆元件(4)接触的表面的1.6倍大。
【专利说明】致动器
【技术领域】
[0001]本发明涉及根据权利要求1前序部分的致动器。
[0002]在该致动器中，当受热时形状记忆元件移动连接元件,该连接元件，当致动器例如被安装在阀上时，移动阀的柱塞。
【背景技术】
[0003]使用形状记忆元件的致动器已被使用，尤其是在汽车工程和建筑自动化的领域，特别用于解锁门锁或最近出于安全原因在发生火灾的情况下用于关闭通风口。在这些应用中，这种致动器必须有成本效率，易于大量制造，可靠且耐用，并且尤其是它们必须能产生最小的工作行程和最小的力，最小数量的致动循环或具有最低寿命。根据不同的应用，它们不得超过最大导通时间或最大切断时间。
[0004]根据权利要求1前序部分的致动器在US4841730的图11和12中示出。驱动器应该能够通过放热反应设备仅一次即导通，因此，尤其是没有示出有成本效率的、快速的甚至对旋转的形状记忆元件的冷却的措施。
[0005]未指定应用的线性驱动器已在DE9100339U1示出，其包含与本发明有关的导热元件，特别是由具有良好导热性能的材料制成的管状元件。为了冷却该元件，壳体具有通风孔。为了加热该元件，该管状元件在另一个位置与加热元件接触。该管状元件封装与其平行布置的由形状记忆金属制成的螺旋弹簧。由形状记忆金属制成的该弹簧被壳体的内端面侧向支撑，不被管状元件所支撑。因此，它不能与该管状元件接触，而这对于最佳传热是必须的。因此，由形状记忆金属制成的弹簧在其长度方向上具有明显的圆形横截面，其与管状元件的内部不匹配。
[0006]US2001 / 0038082A1描述了一种使用形状记忆元件用于调节阀的致动器，其中提到了在工业生产中的应用，尤其是在半导体行业，也就是说在非常稳定的条件下。调节要求在任何时间进行精确量的加热或冷却。为此，提出了有源的冷却元件如旋转风扇，压电风扇或珀尔帖半导体。导热元件被完全地省略。此外，实际上，至少一个传感器以及微处理器是必需的。缠绕在线圈周围的形状记忆线不易于大量装配。风扇产生噪音并且，除非在干净的房间内，其还在机构敏感的地方促进灰尘的沉积。
[0007]用于具有不确定应用的驱动器的弧形形状记忆元件在俄罗斯圣彼得堡机器人和技术控制学院的 A.Priadko, S.Pulnev, 1.Viahhir, V.Vetrov 和 V.Yudin 的文章“Actuatorsand drives based on Cu-Al-Ni shape memory single crystals” 中被提出。其中，形状记忆元件的加热通过缠绕的电阻线提供，其使得可能均匀加热但阻碍了冷却。不存在导热元件。
[0008]W02003 / 069644示出了一种致动器，其中直线形状记忆元件仅在其部分的长度上被机械地连接到导电和导热的塑料的导热元件上，其难以生产。不存在形状记忆元件的快速和均匀冷却措施。
[0009]US4765139描述了也具有直线的或具有弧形的形状记忆元件的驱动器。该元件的加热和冷却依靠精细的热电半导体发电机经由与它在小表面上接触的金属线刷来提供。该形状记忆元件因此被快速但不均匀和无成本效益地加热和冷却。
[0010]使用形状记忆元件的致动器也应用于加热、通风或空气调节的控制系统，特别是为了致动用于水、冷却液或气体的阀。为此，需要在2到3毫米的致动范围和约100N的致动力下工作的致动器，其中这些值仅被解释为典型的示例或作为数量级的表示。这些性能通常必须被维持达到超过8年的100000个致动循环。
[0011]在用于加热、通风或空气调节的控制系统内导通和切断致动器应该在一个最长的时间之内被执行。这些最长时间依赖于应用并且例如用于导通和用于切断，在每种情况下为一分钟。这种致动器的年功率消耗量也应该保持在一个最大值之内，根据应用大约30千瓦时。它们必须足够地坚固以在操作中承受过载，过载例如可能由于在致动区域内的异物而突然地出现，或由于磨损随时间出现。然而，最重要的是，安装在活动空间内的致动器必须几乎无声地操作。
[0012]直到现在，唯一合适的致动器为那些在螺线管的基础上通过齿轮传动电动马达，或通过具有提升活塞的可加热的填充蜡的气缸来工作的致动器。该最后的解决方案的设置使得特别安静的操作是可能的。
[0013]长久以来，人们努力开发基于形状记忆元件的致动器以满足这种需求，到目前为止没有获得显著的成功。形状记忆元件具有免磨损和无声操作，以及相对较低的构件成本的明显优点。温度平衡在这里是特别的挑战，理由之一是因为在典型长度的操作期间，加热元件需要在提升的温度下保持形状记忆元件。将形状记忆元件热绝缘会减小能量损失，但会消极地影响其冷却，意味着形状记忆元件可能不会在规定的最大切断时间内返回到它的初始形状。另外的困难是致动器遭受替换的高环境温度，形状记忆元件在该温度下返回到它的初始形状是缓慢的。在其它的操作时间，环境温度可能较低，其增加了导通时间。特别地，在狭小空间内具有加热线路的阀致动器有时遭受高温。
[0014]作为额外的挑战，当在加热、通风或空气调节的控制系统中使用时，与传统的应用相比，使用形状记忆元件的致动器必须产生大量的力。为了简单制造，并且为了避免对齿轮传动的需要，紧凑的形状记忆元件的较大的单一横截面相对于缠绕的形状记忆线的多个横截面是优选的。然而，这相对于体积减小了表面积，其进一步增加了温度平衡方面的挑战。
[0015]同样地，疲劳测试已经表明，仅加热形状记忆元件的一个小表面不会可靠地提供较高的力和具有最小工作行程的最小数量的致动循环，为了这个原因，形状记忆元件优选被均匀地加热。
[0016]EP304944A2示出了加热、通风或空气调节的控制系统的阀驱动器，其具有盘状的形状记忆环。当被加热后，每个形状记忆环都向外翻形成截锥，其中失去了几乎与被布置在中心的导热元件的任何接触。它们通过充满被控制的流体被选择性地加热或冷却。不知道这种阀驱动器是否可在市场上已经可获得。
[0017]EP922892A1描述了一种在加热、通风或空气调节的控制系统中使用的致动器，以在两个致动点之间来回切换阀，特别是它可以反转工作方向。例如，它使用由形状记忆合金制成的金属带，当被加热时其长度改变。不存在导热元件。在市场上不能获得这种致动器。
[0018]EP1926928A1最近披露了一种根据权利要求1前序部分的致动器。它被设计为在两个致动点之间来回切换阀。导热元件仅在由具有压印形状记忆的合金制成的金属构件和加热元件之间延伸。它在至少一个纵向侧并在构件宽度的大部分上与构件的小表面接触，但显然不适合应对温度平衡的要求。该构件本身被配置成基本直的，因为它处于弧中，该弧当被加热时伸展。它被定向为基本横向于阀柱塞的运动方向。这种致动器当前在市场上无法获得。
【发明内容】
[0019]本发明基于以下的理解，S卩，使用简单的机械装置可大幅改善基于形状记忆元件的致动器，并且特别是使它们适合在加热、通风或空气调节的控制系统中的应用。
[0020]根据本发明的解决方案由权利要求1的特征所表示。一种具有自由表面的导热元件在广泛变化的操作条件内允许导通时间、切断时间、能源效率和耐久性之间的优化平衡，以及同时支持形状记忆元件的保持。出于冷却的目的，该自由表面至少是导热元件与形状记忆元件接触的表面的1.6倍大。
【专利附图】
【附图说明】
[0021 ] 以下，将参照附图描述本发明的示例性实施例。
[0022]图1示意性地示出了根据本发明的致动器和水阀的截面视图，水阀安装在致动器上。
[0023]图2示意性地和部分地从另一个角度示出了图1的致动器和水阀，水阀安装在致动器上。
[0024]图3示意性地从另一个角度示出了图1的致动器的形状记忆元件、加热元件和导热元件。
[0025]图4示意性地示出了根据本发明的致动器的形状记忆元件、替代性加热元件和替代性导热元件的侧视图。
[0026]图5示意性地从另一个角度示出了图4的致动器的形状记忆元件、加热元件和导热元件。
【具体实施方式】
[0027]在图1和2中，致动器I包括壳体2，连接元件3，形状记忆元件4，加热元件5和导热元件6。在该位置中，该形状记忆元件4还没有通过加热被导通。
[0028]为了有成本效率地制造，该导热元件6由金属板制成。存在具有足够的导热性能并且可以弯曲到合适程度的许多合金。已经发现可能带有光滑的、耐腐蚀涂层的具有90%重量分数铜的合金是特别合适的。在一个未示出的实施例中，由于高导热耦合，导热元件可额外地包含壳体的金属部件。
[0029]壳体2包括刚性连接的壳体部分7，其中凹部松散地接收弧形形状记忆元件4的一端。以相似的方式，连接元件3包括轭形传动元件8，其通过弹簧9的压力抵靠连接元件3保持。被中心地定位在传动元件8中的凹部松散地接收弧形形状记忆元件4的另一端。这两个凹部都被设置为大致漏斗状，以当形状记忆元件4改变形状时，使形状记忆元件4的斜面端居中。
[0030]通过其与图1的剖面平行延伸的纵向侧，形状记忆元件4压靠导热元件6的表面。导热元件6与形状记忆元件接触的形状记忆元件的表面在其宽度的大部分上延伸。这些导热元件表面轻微弹性地按压形状记忆元件4并导致保持后者。因此，虽然它与形状记忆元件4接触，导热元件6至少部分可移动地压靠后者。根据尺寸和材料的选择，当形状记忆元件4正在改变形状时，使用导热膏用于润滑形状记忆元件4沿导热表面的运动，以及热接触所述形状记忆元件可能是有利的。在一个未示出的实施例中，该形状记忆元件可被螺旋地配置并且可在外侧接触导热套筒。
[0031]形状记忆元件4由已知的合金制成，主要包括本领域技术人员可根据不同需求从商业上可容易获得的多种合金中选择的镍和钛。当从大约70°C加热到略低于100°C时，合金的结构从马氏体变为奥氏体，由此合金可进行工作。
[0032]在力、工作行程和热平衡的折衷中，该形状记忆元件4在其长度的至少一半上的横截面积优选大于其长度的平方的0.002倍。
[0033]用于激活加热元件5的电气线路通过电缆11馈电。加热元件5为具有被称为“正温度系数”或“PTC”的电阻，当其被激活时以自我调节的方式被加热到约120°C。加热元件5接触-从而加热-导热元件6，其又与形状记忆元件4接触。在一个未示出的实施例中，加热元件可为出于加热的目的产生通过形状记忆元件或通过缠绕后者的电阻线的电流的电源装置。
[0034]由于被加热，形状记忆元件4通过减小曲率增加了长度。形状记忆元件4的尺寸使得，在该过程中，它抵抗弹簧9的作用提升传动元件8，由此连接元件3不再被压下。
[0035]此外，致动器I可通过移动杆10被手动地导通和切断。
[0036]致动器I通过卡口环12被安装到具有互补的卡口凸缘14的水阀13上。在这种情况下，连接元件3然后不再压下柱塞15，为此较小的弹簧16连同阀板17 —起提升它并允许水流动。
[0037]为了切断致动器，加热元件5被停用，由此形状记忆元件4再次冷却。在约80°C，其结构开始变回到马氏体，这一过程在大约50°C完成。因为它具有内在的双向效应，它不需要施加任何外力返回到最初形状。这需要形状记忆元件根据对应于需求的过程已被“训练”。在一个未示出的实施例中，具有外部的双向效应或具有需要外力的单向效应的形状记忆材料也将是可能的。对此将不需要训练。
[0038]为了实现均匀的加热和冷却，导热元件6与形状记忆元件4接触的表面优选地大于形状记忆元件4的总表面的0.1倍。即使在一个未示出的实施例中，加热元件至少在加热过程中直接地压靠形状记忆元件，由于形状记忆材料的通常特性，导热元件更好地分配热量。加热元件5优选地被配置和布置在壳体中，使得当它被激活时，它与形状记忆元件4或与导热元件6接触，随后导热元件6与形状记忆元件4接触，并且导热元件6因此加热形状记忆元件4 (直接的或间接地)的表面大于形状记忆元件4的总表面的0.1倍。
[0039]一旦形状记忆元件被加热，并且如果致动器的相应位置在更长的时期段内仍保持需要，在一个未示出的实施例中，导热元件可处于与形状记忆元件较远的距离，例如通过导通较小的附加形状记忆元件。
[0040]图3示出了导热元件6如何与加热元件5接触，出于热传递和在其基本相对侧安装的目的。加热元件5优选地被弹性地夹紧或适配地接收，使得不需要粘合剂。
[0041]在图4和5中，可替代的导热元件6以夹紧的方式将形状记忆元件4保持在其后侦牝以及通过其十个指状件60到69保持在一个纵向侧和前侧。这导致特别大的接触面积。
[0042]加热元件5从形状记忆元件4上脱离，使得处于这两者之间的导热元件6被缩小到仅具有小的横截面积。热平衡可通过该部分地脱离被优化，因为加热元件5的剩余热在形状记忆元件4已被停用后具有对形状记忆元件4冷却下来更少的负面效应，即使它减慢形状记忆元件4在其它时间的加热。为此，导热元件6优选地具有最小的横截面，其小于导热元件6与形状记忆元件4接触的表面的0.2倍。
【权利要求】
1.一种致动器， 具有壳体(2)，还至少具有 连接元件⑶， 被加热时改变形状的形状记忆元件(4)，其中，形状记忆元件(4)以基本长形配置并被布置在壳体(2)内，使得当它改变形状时，它移动连接元件(3)， 加热元件(5)，被配置和布置在壳体(2)内，使得当被激活时，它加热形状记忆元件(4)，以及 导热元件出)，被配置和布置在壳体(2)内，使得它与形状记忆元件(4)至少一些时间接触， 其中，导热元件(6)与形状记忆元件⑷接触的表面大于形状记忆元件⑷的总表面的0.1倍，其中，当导热元件(6)与形状记忆元件(4)接触时，导热元件(6)至少部分可移动地压靠形状记忆元件(4)， 其特征在于， 当导热元件(6)处于接触时，导热元件(6)还具有不与形状记忆元件(4)或加热元件(5)接触的表面，并且导热元件(6)的自由表面至少是导热元件(6)与形状记忆元件⑷接触的表面的1.6倍大。
2.根据权利要求1所述的致动器，其中，导热元件(6)至少部分可移动地压靠形状记忆元件(4)，因为形状记忆元件(4)压靠导热元件(6)的表面并且随着它改变形状，可沿着这些表面移动。
3.根据前述权利要求之一所述的致动器，其中， 导热元件(6)被配置和布置在壳体(2)内，使得至少出于冷却的目的，它与形状记忆元件(4)至少一些时间内接触。
4.根据前述权利要求之一所述的致动器，其中， 加热元件(5)被配置和布置在壳体(2)内，使得当它被激活时，它与形状记忆元件(4)或导热元件(6)接触，然后导热元件(6)与形状记忆元件(4)接触，以及 导热元件出)因此直接地或间接地加热形状记忆元件(4)的表面大于形状记忆元件(4)的总表面的0.1倍。
5.根据前述权利要求之一所述的致动器，其中， 导热元件(6)至少包括金属板。
6.根据前述权利要求之一所述的致动器，其中， 形状记忆元件(4)被配置成基本直的，并且导热元件(6)被配置和布置在壳体(2)内，使得它与形状记忆元件(4)在基本相对的纵向侧至少一些时间内接触。
7.根据前述权利要求之一所述的致动器，其中， 形状记忆元件(4)被配置成基本直的，以及 当它被加热时，形状记忆元件(4)长度改变，尤其是通过弯曲或伸展。
8.根据前述权利要求之一所述的致动器，其中， 当被加热时，形状记忆元件(4)的长度改变，以及 形状记忆元件(4)在其 一端被容纳在壳体部分(7)的凹部内，在另一端被容纳在传动元件(8)的凹部内，以及移动传动元件(8)更接近或更远离壳体部分(7)来移动连接元件(3)。
9.根据前述权利要求之一所述的致动器，其中， 形状记忆元件(4)在其长度的至少一半的横截面积大于其长度的平方的0.002倍。
10.根据前述权利要求之一所述的致动器，其中， 导热元件(6)被配置和布置在壳体(2)内，使得它与加热元件(5)至少在基本相对的纵向侧接触。
11.根据前述权利要求之一所述的致动器，其中， 导热元件(6)被配置和布置在壳体(2)内，使得它与加热元件(5)至少一些时间内接触，以及 导热元件(6)在加热元件(5)和形状记忆元件(4)之间具有最小的横截面积，该最小的横截面积小于导热元件(6)与形状记忆元件(4)接触的表面的0.2倍。
12.根据前述权利要求之一所述的致动器，其中， 导热元件出)由具有至少·90%重量分数铜的合金制成。
【文档编号】F16K31/64GK103822009SQ201310561306
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2012年9月28日
【发明者】S·哈格曼, R·帕特尔, F·里施 申请人:西门子公司, 因文塔斯股份公司