CN113557381A - 形状记忆合金致动器子组件和结合有其的流体阀 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种致动器子组件，该致动器子组件包括至少一个可弯曲细长结构(12)，所述至少一个可弯曲细长结构安装在静止本体基部(11)上并且在第一表面上于其远端部分中承载有安装特征部(17)和封堵件(16)，细长结构(12)的弯曲由形状记忆合金线(13)通过联接装置(15)来控制，联接装置在与第一表面相反的第二表面上定位在形状记忆合金线的远端部分中。本发明还涉及一种结合有这种致动器子组件的流体阀。
Description
技术领域
本发明涉及形状记忆合金(SMA)线致动器子组件并且涉及结合有这种致动器子组件的流体阀。
背景技术
一般而言，使用SMA线作为致动元件相对于其他致动***在重量、功耗、成本方面提供了各种优点。
如美国专利3835659和美国专利4973024中所描述，其中通过使用形状记忆合金线提供的优势长期以来得到认可的一个领域是流体阀控制，这些优势特别相关的特定应用是微-流体阀和所谓的“芯片实验室”应用，比如由Vyawahare等人于2008年在labchip上发表的论文“Electronic control of elastomeric microfluidic circuits with shapememory actuators(具有形状记忆致动器的弹性微流体电路的电子控制)”中所描述，第8期，第1530页至1535页。在该论文中，SMA线围绕挠性通道环绕，从而控制挠性通道的直径直至挠性通道闭合。该论文中描述的解决方案对于在通道需要被完全闭合时施加至通道的应力而言远不够理想。
在国际专利申请WO 2010/142453中描述了使用SMA线联接至弹性构件和偏置装置以用于阀致动，美国专利申请2002/171055描述了由形状记忆合金线结合双稳态闩锁机构操作的提升阀，而美国专利9958081中描述了用以打开/闭合阀端口的呈对抗式构型的两个形状记忆合金线。
美国专利7815161、美国专利申请2012/0174572和国际专利申请WO 2018/119508描述了具有与至少一个可移动或可变形的元件连接的SMA元件的流体阀，该流体阀存在与电流供应元件可靠连接的相关问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种适合于在阀中使用的更简单的致动器子组件，与本领域中已知的其他致动器不同，本发明的致动器子组件依赖于可弯曲细长结构的特性而在不需要附加的控制元件——比如偏置装置或闩锁机构——的情况下提供更简单的致动器结构，并且提供易于配装在多个被致动元件中以向致动器子组件提供附加/多种功能的可能性。在本发明的第一方面，本发明在于一种致动器子组件，该致动器子组件包括：具有静止基部的本体，该静止基部具有两个端子，所述两个端子用以对连接至所述两个端子的至少一个形状记忆合金线进行机械固定以及供应电流；至少一个可弯曲细长结构，所述至少一个可弯曲细长结构的弯曲由形状记忆合金线控制，可弯曲细长结构具有高度H以及≥3:1的长细比，可弯曲细长结构具有近端端部和远端端部，近端端部固定至所述静止本体基部；联接装置，联接装置用以通过形状记忆合金线将可弯曲细长结构的第一表面与静止本体基部连接；位于可弯曲细长结构的相反表面上的安装特征部和紧邻安装特征部的封堵件，其中，安装特征部定位在封堵件与远端端部之间，其中，封堵件和形状记忆合金线联接装置两者与可弯曲细长结构远端端部相距H/3以内的距离。
优选地，封堵件和形状记忆合金联接装置与可弯曲细长结构远端端部相距H/5以内的距离，并且高度H被包括在10mm与20mm之间。
术语“长细比”表示，对于给定的几何结构，其高度H与其最小横向尺寸——即，对于扁平结构而言为其厚度——之间的比率。尽管对于本发明而言重要的是细长结构具有至少3:1的最小比率，优选地，该比率被包括在3:1与10:1之间。
附图说明
将借助于以下附图在本发明的一些实施方式中对本发明进行进一步描述，在附图中：
·图1是根据本发明的第一实施方式的致动器子组件的横截面的示意图，
·图2是根据本发明的第二实施方式的致动器子组件的横截面的示意图，
·图3是根据本发明的第三实施方式的致动器子组件的横截面的示意图，
·图4是图3的第三实施方式的立体图，以及
·图5和图6是包含根据本发明的致动器子组件的阀分别处于闭合(未被致动)构型以及打开(被致动)构型的横截面的示意图。
具体实施方式
在附图中，为了帮助理解附图，所示的各种元件的大小和尺寸比例在一些情况下已经改变，具体但非排他地参照图1至图4中封堵件和安装特征部的大小和相对大小。此外，对于本发明的理解而言不是必需的一些辅助或附加元件——比如用于形状记忆合金线的电流供应模块——因其为本技术领域中已知的普通装置并且与本发明的发明构思不相关而未被示出。
以图1的示意性横截面示出了根据本发明的致动器子组件的第一实施方式。致动器子组件10具有静止本体基部11，静止本体基部11保持有从静止本体基部11基本正交地突出的可弯曲细长结构12，致动器子组件10具有嵌入在静止本体基部11中的两个端子14，这两个端子14中的仅一个端子在该横截面中可见，所述端子14构造成用于供应电流并机械地固定形状记忆合金线13的末端。形状记忆合金线13的中心部分钩挂到臂15上，从而与可弯曲细长结构12形成锐角，这种臂15用作位于静止本体基部11与可弯曲细长结构12之间的用于形状记忆合金线13的联接装置。
术语“静止基部”将在可以安装到可移动元件上的致动器子组件的上下文中解释，因此基部相对于致动器子组件本体是静止的，意味着至少一个形状记忆合金线不会导致其运动、移位或变形。
可弯曲细长结构的近端端部和远端端部将相对于静止基部的邻近区域来解释，更具体地，近端端部是指与静止基部接触的末端，远端端部是指远离静止基部且不接触静止基部的末端。
在可弯曲细长结构12的远端端部121的邻近区域，在与形状记忆合金线13所联接的侧部相反的侧部上设置有安装特征部17和紧邻安装特征部17的封堵件16。为了本发明的目的，重要的是，封堵件16和联接装置15位于远端端部121的邻近区域。通过术语“邻近区域”是指形状记忆合金线13联接装置——即，倾斜的臂15——和封堵件16位于距远端端部121的H/3以内的范围处。
形状记忆合金线13连接/联接到可弯曲细长结构12的远端部分上确保了由形状记忆合金收缩所施加的力转换为细长结构12的最有效的弯曲，同时，安装特征部17在远端部分中(在封堵件16与远端端部121之间)的定位因安装特征部17将高于***的任何其他相关部件而保证了最终装置中更高的可靠性和更大的使用灵活性，并且防止在致动器子组件安装在最终装置中期间对密封区域的损坏。
图1还示出了围绕静止本体基部11的橡胶密封垫圈18，以用于对致动器子组件进行紧密密封。该特征在子组件致动器旨在用于流体控制应用时是相关的。
以图2的示意性横截面示出了根据本发明的第二实施方式的致动器子组件。相对于图1的第一实施方式的不同之处在于，在该致动器子组件20中，两个可弯曲细长结构22、22’经由两个形状记忆合金线23、23’联接至静止本体基部21，所述两个形状记忆合金线23、23’在远端端部221、221’的邻近区域中钩挂到臂25、25’上。静止本体基部11保持一对端子24(这一对端子24中的仅一个端子在该横截面中可见)，以用于对所述两个形状记忆合金线23、23’同时进行机械固定和电流供应。
与第一实施方式类似，同样地在该构型中，在每个可弯曲细长结构22、22’上，在与倾斜的臂25、25’相反的侧部上设置有封堵件26、26’和紧邻封堵件26、26’的安装特征部27、27’，并且围绕静止本体基部21布置有密封垫圈28。该实施方式的明显变型设想了使用钩挂在可弯曲细长结构22、22’两者上的单个线。应当理解的是，可弯曲细长结构的数目可以容易地增加至四个(在致动器子组件计划具有大致四边形形状的情况下，致动器子组件的每个边对应一个可弯曲细长结构)以增加由相同子组件控制的功能的数目，并且如果多个可弯曲细长结构以一个靠近另一个的方式配装在同一侧上的话，可弯曲细长结构的数目可以容易地增加至甚至更多。
以图3的示意性横截面示出了根据本发明的第三优选实施方式的致动器子组件。在根据该实施方式的致动器子组件30中，设置有两个形状记忆合金线33、33’，这两个形状记忆合金线33、33’分别连接至相应的一对端子34、34’(如先前附图所示，每对中的仅一个端子在横截面中可见)，并且与先前实施方式不同，这两个形状记忆合金线33、33’分别连接至L形块350、350’，L形块350、350’在由所述形状记忆合金线33、33’控制的可弯曲细长结构32、32’的远端端部321、321’上延伸。
基本上，L形块350、350’的位于致动器子组件30的内侧部上的部分35、35’用作联接装置，而位于外侧部(即，封堵件36、36’的相同侧部)上的部分37、37’用作安装特征部。在该实施方式中，静止本体基部31承载有用于两对端子34、34’的一个保持元件380以及用于将可弯曲细长结构32、32’的近端部分通过锁定装置1、1’固定的两个附加的保持元件39、39’。
类似地，设置有锁定装置2、2’，从而将L形块350、350’固定到可弯曲细长结构32、32’的远端端部321、321’上，同时，设置有锁定装置3、3’，从而将保持元件380固定到静止本体基部31上。
静止本体基部31可以相符合地具有包含适合的密封垫圈38的凹入部，以允许与最终装置(未示出)的适合的安装壳体紧密密封地联接。
致动器子组件30的上述元件中的最相关元件还在图4中以立体图示出。
图1至图4突出了本发明所涵盖的两种类型的实施方式之间的主要区别，这是因为，在图1和图2中，形状记忆合金线13、23、23’以其中间部段与可弯曲细长结构12、22、22’和联接装置15、25、25’两者接触。相比之下，在图3和图4中，形状记忆合金线33、33’与可弯曲细长结构32、32’间隔开并且以形状记忆合金线33、33’的中间部段仅与联接装置35、35’接触。
另外，由封堵件给出了下述细微差别：在图1和图2的情况下，封堵件简单地附接至可弯曲细长结构的外表面，而在图3和图4中，封堵件穿过可弯曲细长结构的外表面。
鉴于封堵件和形状记忆合金线联接装置两者均具有给定的大小和延伸，为了确定封堵件和形状记忆合金线联接装置与可弯曲细长结构的远端端部的距离，应当考虑封堵件的最远端表面，而对于联接装置而言，该距离将从与形状记忆合金线的最远端接触点计算。
需要强调的另一重要方面是，可弯曲细长结构始终呈现为彼此平行并且与静止本体基部正交，但是可弯曲细长结构可以有意地倾斜一小角度。特别地，已经发现可能有利的是，可弯曲细长结构不正交于静止本体基部突出，而是与静止本体基部形成80°与100°之间的角度，可弯曲细长结构优选地具有朝向致动器子组件的外部的倾斜，即，所形成的角度当在可弯曲细长结构的外表面上测量时被包括在80°与89°之间。
本发明不限于特定类型的形状记忆合金线，即使从几何学的观点来看，使用直径被包括在25μm与250μm之间的SMA线是有用的。在这方面，重要的是要强调，由于形状记忆合金线是真实物体，因而偏离圆形截面是可能的，因此术语“直径”意指最小的围封圆的直径。
可弯曲细长结构的优选的厚度被包括在0.05mm与0.15mm之间。根据形状记忆合金直径，可弯曲细长结构也是真实物体，因此可弯曲细长结构的厚度可能不均匀。出于本发明的目的，意在用可弯曲细长结构的最小厚度来表示可弯曲细长结构的厚度。
就可弯曲细长结构厚度与控制形状记忆合金线的直径之间的比率而言，更有利地是该比率被包括在1与3之间。
尽管本发明不限于任何特定的形状记忆合金材料，优选的是使用Ni-Ti基合金——比如根据其加工可以交替地表现出超弹性线行为或形状记忆合金行为的镍钛诺(Nitinol)。镍钛诺的特性和允许获得镍钛诺的方法是本领域技术人员所周知的，例如参见Dennis W.Norwich在SMST 2010会议上发表的文章“A Study of the Properties of aHigh Temperature Binary Nitinol Alloy Above and Below its Martensite toAustenite Transformation Temperature(高温二元镍钛诺合金在其马氏体至奥氏体转变温度之上和之下的特性研究)”。
镍钛诺可以被原样使用，或者可以通过添加诸如Hf、Nb、Pt、Cu之类的元素来调整镍钛诺在转变温度方面的特性。材料合金及其特性的适当选择是本领域技术人员公知的，例如参见：
http://memry.com/nitinol-iq/nitinol-fundamentals/transformation-temperatures
另外，形状记忆合金线可以“自己本身”被使用或与涂层/护套一起使用来改善形状记忆合金线的热管理，即形状记忆合金线在被致动后的冷却。涂层护套可以是均匀的，比如在美国专利9068561中所描述的，该美国专利教示如何通过使用作为导热体的电绝缘涂层来管理残余热，而美国专利6835083描述了一种具有下述封围护套的形状记忆合金线，该封围护套能够改善每个致动周期后的冷却。还可以有利地应用在美国专利8739525中所描述的由相变材料制成或包含相变材料的涂层。
在本发明的第二方面中，本发明涉及一种具有壳体的流体阀，该壳体具有至少两个端口，其中，所述端口中的至少一个端口的打开和闭合通过根据上述实施方式中的任意实施方式的致动器子组件实现。
图5表示了包含根据本发明的致动器子组件的阀40处于闭合(未被致动)构型的横截面的示意图。阀40包括外部壳体401、两个入口开口402、402’和一个出口开口403。当形状记忆合金线33、33’通过焦耳热而被致动(图6)时，形状记忆合金线33、33’缩短，从而在可弯曲细长结构32、32’上施加力，可弯曲细长结构32、32’的弯曲使两个封堵件36、36’远离所述两个入口开口402、402’移动，从而允许流体进入阀并且穿过出口开口403而被输送。
一般而言，根据本发明的子组件致动器的封堵件可以直接与阀入口连接，或者可以在这种阀入口上安装用于流量调节的适合的孔口。
本发明不限于仅代表优选实施方式的这种特定的阀端口构型。在明显的变型中，开口403可以是用于流体的入口开口，该流体待根据哪个SMA线被致动而被选择性地输送穿过出口402、402’(选择性输送)或者在同时致动的情况下被输送穿过出口402、402’两者。
其他阀端口选择方案设想到当使用如图1和图2中所示的致动器子组件时、即当存在单个形状记忆合金线时仅设置有两个开口。对本领域技术人员明显的对上述实施方式的进一步修改意在处于所附权利要求的范围内。说明书中提到的所有专利和出版物指示本公开所属领域的技术人员的技术水平。
此外，术语“流体”必须被广泛解释为包括能够流动穿过合适阀端口的任何物质，比如液体物质、特别地参考油基和水基液体、例如在液压***中使用的油基和水基液体，或者气态物质比如空气——被压缩或在低于正常环境压力(在部分真空下)运行的***中使用的空气。
Claims (15)
1.一种致动器子组件(10；20；30)，其特征在于，所述致动器子组件(10；20；30)包括：
-具有静止基部(11；21；31)的本体，所述静止基部(11；21；31)具有至少两个端子(14；24；34、34’)，所述至少两个端子(14；24；34、34’)构造成对形状记忆合金线进行机械固定以及供应电流，
-至少一个形状记忆合金线(13；23、23’；33、33’)，所述至少一个形状记忆合金线(13；23、23’；33、33’)连接至所述至少两个端子(14；24；34、34’)，
-至少一个可弯曲细长结构(12；22、22’；32、32’)，所述至少一个可弯曲细长结构(12；22、22’；32、32’)的弯曲由所述至少一个形状记忆合金线(13；23、23’；33、33’)控制，所述至少一个可弯曲细长结构(12；22、22’；32、32’)具有高度H以及≥3:1且优选地≤10:1的长细比，所述至少一个可弯曲细长结构(12；22、22’；32、32’)具有固定至所述基部(11；21；31)的近端端部以及自由远端端部(121；221、221’；321、321’)，
-联接装置(15；25、25’；35、35’)，所述联接装置(15；25、25’；35、35’)用以通过所述至少一个形状记忆合金线(13；23、23’；33、33’)将所述至少一个可弯曲细长结构(12；22、22’；32、32’)的第一表面与所述基部(11；21；31)连接，以及
-安装特征部(17；27、27’；37、37’)和封堵件(16；26、26’；36、36’)，所述安装特征部(17；27、27’；37、37’)和所述封堵件(16；26、26’；36、36’)布置在所述至少一个可弯曲细长结构(12；22、22’；32、32’)的与所述第一表面相反的第二表面上，
其中，所述封堵件(16；26、26’；36、36’)和所述联接装置(15；25、25’；35、35’)两者与所述至少一个可弯曲细长结构(12；22、22’；32、32’)的所述自由远端端部(121；221、221’；321、321’)相距H/3以内的距离、优选地H/5以内的距离，所述安装特征部(17；27、27’；37、37’)布置在所述封堵件(16；26、26’；36、36’)与所述自由远端端部(121；221、221’；321、321’)之间。
2.根据权利要求1所述的致动器子组件(20；30)，其中，可弯曲细长结构(22、22’；32、32’)的数目为两个，并且形状记忆合金线(23、23’；33、33’)的数目为两个。
3.根据权利要求1所述的致动器子组件，其中，所述致动器子组件在平面上具有大致四边形的形状，并且可弯曲细长结构的数目为四个，所述致动器子组件的每个边对应一个所述可弯曲细长结构，并且形状记忆合金线的数目为四个。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的致动器子组件(10；20)，其中，所述形状记忆合金线(13；23、23’)与所述可弯曲细长结构(12；22、22’)和所述联接装置(15；25、25’)两者接触。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的致动器子组件(30)，其中，所述形状记忆合金线(33；33’)通过相关的所述联接装置(35、35’)而与所述可弯曲细长结构(32、32’)间隔开。
6.根据权利要求2和5所述的致动器子组件(30)，其中，所述致动器子组件(30)包括两个形状记忆合金线(33、33’)，所述两个形状记忆合金线(33、33’)各自连接至相应的一对端子(34、34’)且连接至L形块(350、350’)，所述L形块(350、350’)在由所述形状记忆合金线(33、33’)控制的所述可弯曲细长结构(32、32’)的所述自由远端端部(321、321’)上延伸，所述L形块(350、350’)的位于所述致动器子组件(30)的内侧部上的第一部分(35、35’)用作联接装置，并且所述L形块(350、350’)的位于所述致动器子组件(30)的外侧部上的第二部分(37、37’)用作安装特征部。
7.根据前一权利要求所述的致动器子组件(30)，其中，所述基部(31)承载有用于两对端子(34、34’)的一个保持元件(380)以及用于对所述可弯曲细长结构(32、32’)的近端部分进行固定的两个附加的保持元件(39、39’)。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的致动器子组件(10；20；30)，其中，所述可弯曲细长结构(12；22、22’；32、32’)具有被包括在0.05mm与0.15mm之间的厚度和/或具有被包括在10mm与20mm之间的高度H。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的致动器子组件(10；20；30)，其中，所述形状记忆合金线(13；23、23’；33、33’)具有被包括在25μm与250μm之间的直径。
10.根据权利要求8和9所述的致动器子组件(10；20；30)，其中，所述可弯曲细长结构(12；22、22’；32、32’)的厚度与所述形状记忆合金线(13；23、23’；33、33’)的直径之间的比率被包括在1与3之间。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的致动器子组件(10；20；30)，其中，由所述可弯曲细长结构(12；22、22’；32、32’)与所述基部(11；21；31)形成的角度当在所述可弯曲细长结构(12；22、22’；32、32’)的外表面上测量时被包括在80°与100°之间、优选地在80°与89°之间，从而使所述可弯曲细长结构(12；22、22’；32、32’)朝向所述致动器子组件(10；20；30)的外部倾斜。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的致动器子组件(10；20；30)，其中，所述基部(11；21；31)上具有密封特征部(18；28；38)。
13.一种流体阀(40)，所述流体阀(40)具有壳体(401)，所述壳体(401)具有至少两个端口(402、402’)，其中，所述流体阀(40)包括根据前述权利要求中的任一项所述的致动器子组件(10；20；30)，所述致动器子组件(10；20；30)执行对所述端口(402、402’)中的至少一个端口、优选地两个端口的打开和闭合。
14.根据前一权利要求所述的流体阀(40)，其中，在所述端口(402、402’)中的至少一个端口上安装有流量调节孔口。
15.根据权利要求13或14所述的流体阀(40)，其中，所述流体阀(40)包括根据权利要求12所述的致动器子组件(10；20；30)，并且所述密封特征部(18；28；38)提供所述致动器子组件的基部(11；21；31)与所述阀壳体(401)之间的防漏连接。
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