CN113195927A - 用于阀的热致动器、具有这种致动器的阀、以及热致动器在阀中的用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于阀的元件(22)的温度相关运动的热致动器(1，1′)，其中，该热致动器(1，1′)的长度变化取决于周围温度。此外，本发明涉及一种具有这种致动器的阀以及这种用于控制流体流量的阀的用途。设想的是致动器(1，1′)由温度相关材料借助于增材制造方法制成。

Description

用于阀的热致动器、具有这种致动器的阀、以及热致动器在阀 中的用途

技术领域

本发明涉及一种用于阀元件的温度相关运动的热致动器，其中，该热致动器的长度根据温度而变化。此外，本发明涉及一种具有这种热致动器的阀、以及热致动器的用于阀元件的温度相关调节的用途。

背景技术

对于阀(比如散热器阀或例如布置在加热系统的回水管中的阀)的温度相关控制，通常使用热致动器、以用于定位阀元件。因此，根据温度(比如水温或房间空气温度)，调节流经阀的流体。在这些已知的解决方案中，热致动器例如被设计成波纹管元件的形式，该波纹管元件具有在温度升高时膨胀的填充物，使得波纹管元件的尺寸在纵向方向上增加。这导致阀元件的运动，这从而导致通过阀的流量减小或增大。

发明内容

本发明的目的是提供一种热致动器，该热致动器具有可变几何形状且易于制造。进一步地，所需的安装空间应较小并且生产成本应较低。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的热致动器、根据权利要求16的阀、以及根据权利要求21的这种热致动器的用途来实现。在从属权利要求中描述了有利的实施例。

在用于阀元件的温度相关运动的热致动器中，其中，该致动器的长度根据环境温度而变化，该致动器通过使用温度相关材料的增材方法制成，该温度相关材料由于温度变化而长度具有显著变化。

借助于增材方法，可以实现致动器的各种各样的形状。由于温度相关材料，因此不需要额外的元件来根据温度变化引起长度变化。因此，致动器易于制造并且可以尺寸较小。

有利地，该致动器由至少两种不同的材料制成，其中，第一材料在第一温度范围上长度具有显著变化，第二材料在第二温度范围上长度具有显著变化。通过使用两种不同的材料(在不同的温度范围上长度具有显著变化)，总共可以覆盖相对较大的温度范围。这种长度变化可以直接或间接地用于阀元件的对应运动。

特别地，可以选择不同的温度范围，例如在15℃与35℃之间的低温度范围或在60℃至80℃之间的高温度范围。特别优选的是，该第一温度范围在15℃与25℃之间延伸、尤其是在18℃与22℃之间延伸，其中，该第二温度范围在15℃与25℃之间延伸、尤其是在28℃至32℃之间延伸。因此，覆盖了与房屋中通常期望的房间空气温度相对应的整个温度范围。总体而言，获得了相对较大的覆盖范围和高分辨能力。

优选地，该致动器包括第三材料，在该第三材料中嵌入了该第一材料和该第二材料的区域。于是，该第三材料可以具有其他期望的特性，例如提供形成其他材料嵌入其中的致动器的实际形状的足够的稳定性。特别地，第三材料可以比第一材料和第二材料便宜。三种以上的不同的材料也是可能的。

在优选的实施例中，该致动器具有至少一个网眼，该至少一个网眼具有上部纵向条和尤其与其平行的下部纵向条，其中，这些纵向条在其端部经由横脊连接，其中，在该上部纵向条与该下部纵向条之间形成自由空间。纵向条允许致动器的简单变形，其中，第一材料和第二材料形成纵向条中的一部分。自由空间允许材料节省和重量节省。进一步地，还提供了高度的灵活性，并且因此提供了致动器长度上的大变化。于是可以制成具有更高刚度的横脊。纵向条由于温度升高而增大，使得它们背离彼此弯曲，从而致动器在横向方向上增大。使若干网眼在横向方向上彼此上下布置产生了相对较大的膨胀，并且通过纵向方向上的多个网眼，产生了相对较高的致动力。

特别优选的是，在各自情况下，在这些纵向条中形成至少两个纵向延伸层，其中，这些层在横向方向上彼此间隔开。第一材料和第二材料的区域在各层中交替地形成。这种布置使得可以限定纵向条由于温度变化引起的变形。特别地，可以确保纵向条在横向方向上向外侧弯曲而不是向内弯曲，这使得致动器在横向方向上扩大。

特别优选的是，纵向条中的靠近自由空间定位的层的中间区域由第二材料形成，并且优选的是在该层中，外部区域分别由第一材料形成。在离自由空间更远的层中，中间区域由第一材料形成，外部区域由第二材料形成。这样的配置引起长度变化较大。外层在较高的温度下经历更大的长度变化，并且因此将第一层之前所做的变化放大。因此，可以用足够高的力产生大的运动。进一步地，实现了致动器形状的对称变化。

在优选的实施例中，致动器具有以网格布置的多个网眼，其中，在横向方向上相邻的网眼在纵向方向上相对于彼此偏移网眼宽度的二分之一宽度。因此，致动器具有大量的网眼，这些网眼长度变化的总和使得总体上可以产生相对较大的运动和力。在这种情况下，通过网眼的交错布置实现相对高的密度，其中，每个下部网眼的上部纵向条同时形成相应上部网眼的下部纵向条。这产生良好的材料和空间利用率。

优选地，网眼的网格形成特别是以圆柱形或螺旋形状布置的材料网。因此，致动器可以以紧凑的尺寸形成并且可以产生相对较大的长度变化。特别地，通过螺旋形状，相对较长的材料网(这意味着大的致动器)可以容纳在小房间中。

在优选的替代性实施例中，致动器具有螺旋弹簧几何形状。在这种情况下，致动器可以具有一定的固有弹性，该固有弹性表示弹簧劲度系数(spring rate)，其中，弹簧劲度系数受材料的温度相关变化的影响。进一步地，弹簧的长度可能因为温度变化而改变和/或弹簧圈之间的自由空间可能受影响。总体而言，螺旋弹簧几何形状提供了许多可能性。

在优选的发展中，致动器包括加热装置。因此，可以控制致动器长度的变化，而不受环境温度影响。通常这将由供给到加热装置的电压来控制，然后加热装置加热使致动器膨胀。

优选地，加热装置可以嵌入热致动器中，其中，加热器特别地形成为加热丝。可以在借助于增材方法制造致动器的同时集成加热装置。致动器的后续组装非常简单。这也确保了热量可以直接作用在材料上，并且因此得到非常有效的利用。另外，加热装置受到保护以免受机械影响。

有利地，加热装置(尤其是加热丝)借助于增材制造方法制造。因此，当制造致动器本身时，可以直接集成加热装置。

在优选实施例中，致动器具有集成电子电路。这可以在增材制造过程中实施到致动器中。在这种情况下，可以集成不同的和/或多个电子电路，例如提供无线通信的电子电路或记录致动器长度变化的传感器。于是可以将这种长度变化无线地传输到温度控制系统等。致动器因此配备有附加特征。

在优选的实施例中，致动器具有多层不同材料，这些材料对环境影响的反应不同。除了长度上的温度相关变化之外，还可以使用对其他环境影响(比如湿度)的反应。另外，可以组合具有不同反应特性的材料。

在另一实施例中，这些材料中的至少一种是双稳态材料。双稳态材料在第一状态中采取特定形状而在第二状态中采取不同形状，其中，相应状态例如取决于温度。特别地，结合加热装置，可以提供可切换的致动器。

此外，换能器可以被集成在该致动器中，该换能器将该致动器的运动转换为电能。如此获得的电能例如可以用于对电子电路供电，使得不必提供额外的能源。例如，压电元件可以用作能量转换器。这样的致动器可以自给自足地工作。

上述目的还通过具有如上所述的热致动器的阀来实现，其中，致动器连接到阀的元件并且在阀的关闭方向和/或打开方向上起作用。该元件可以是与阀座相互作用的阀元件。替代性地，该元件可以是直接或间接地连接到阀元件的任何其他元件。在任何情况下，致动器的长度变化因此直接或间接地转换为元件的运动。例如，这通过调节阀中的自由流动截面而允许加热回路中的自动温度控制。例如，弹簧元件可以在与致动器相反的方向上作用在阀元件上。

在优选实施例中，阀包括其中布置有致动器的恒温装置。因此，致动器几乎不受通过阀传导的介质(比如加热的水)的温度的影响。而是，致动器或多或少仅由周围空气温度激活。

优选地，致动器经由弹簧元件而与阀元件连接。弹簧吸收可能导致阀损坏的过载，因为弹簧元件可以吸收致动力的峰值。换句话说，这种弹簧是一种超压弹簧，如果温度升高，阀内的某些东西将存在破裂的风险，则超压弹簧将被致动并防止损坏。

在另一实施例中，致动器被布置在阀壳(诸如联管节)内。于是致动器由流经阀壳的介质的温度控制并且调节该温度。还可以想到在阀壳内布置致动器并且在阀盖中布置额外的致动器，其中，阀壳内的致动器抵消了介质温度的影响。布置在阀盖中的致动器由环境温度激活。这引起基于环境温度的更准确控制。

在替代性实施例中，致动器形成阀元件。这允许仅具有几个元件的阀的非常紧凑的设计。

本发明的一部分还在于如上所述的热致动器用于元件的温度相关调节的用途。因此，本发明的热元件取代了通常使用的需要相对大量空间的波纹管元件或蜡。另外，这种热致动器的重量可以更轻并且制造成多种不同几何形状。此外，致动器可以提供附加功能。

附图说明

本发明的进一步特征、细节和优点将从权利要求的措辞和参照附图的以下示例性实施例的描述变得明显：

图1a在膨胀状态下的具有多个网眼的热致动器，

图1b在收缩状态下的图1a的致动器，

图2穿过网眼的示意性截面，

图3致动器的可能布置，

图4具有热致动器的阀，

图5具有热致动器的替代阀，以及

图6螺旋弹簧形状的致动器。

具体实施方式

图1示出了用诸如3D打印的增材制造过程生产的热致动器1，该热致动器包括若干网眼2a、2b、2c、2d。网眼以网格或网状物的形状布置。因此，致动器1或多或少采用材料网的形式。

网眼2包括上部纵向条3和下部纵向条4，该上部纵向条和下部纵向条经由横脊5、6彼此连接。在横向方向上，相邻网眼被定位成偏移网眼宽度的二分之一宽度，其中，上部纵向条同时代表定位在下方的网眼的下部纵向条。

在此示例中，致动器1具有九行网眼。然而，行数或多或少是可变的并且取决于各自的需要。

在图1a中，致动器1被示出为处于纵向条3、4扩展的状态。这意味着热致动器1相对温暖。纵向条3、4由于膨胀而向外拱起，并且因此提供了网眼7的相对较大的自由空间。致动器1由此增加了其在横向方向8上的长度。

在图1b中，热致动器1被示为处于较低的环境温度。纵向条3、4已经收缩并且致动器1包括在横向方向8上的小的延伸。在横向方向8上延伸的差异展示了致动器1的可能行程，该可能行程可以用于致动阀元件的运动。

图2示出了热致动器1的网眼的基本结构。在此示例中，致动器1借助于诸如3D打印的增材制造过程由三种材料制成。第一材料9在例如18℃至22℃之间的第一温度范围内长度具有显著变化。第二材料10在可能是例如28℃至32℃的第二温度范围上长度具有显著变化。赋予致动器1其基本形状的第三材料11不具有温度引起的长度显著变化。因此，纵向条3、4和横脊5、6主要由第三材料形成，在该第三材料中嵌入了第一材料9和第二材料10。

在每个纵向条3、4中有包括第一材料9和第二材料10的两层12a、12b、15a、15b。第一材料9和第二材料10交替布置。在更靠近自由空间定位的层12a、12b中，中间区域13a、13b由第一材料9形成，而外部区域14a、14b、14c和14d由第二材料10形成。在相应的外层15a、15b中，布置是相反的。相应的中间区域16a、16b包括第一材料9，而外部区域17a、17b、17c、17d由第二材料10形成。通过这种布置，随着温度的升高，确保了网眼2在致动器的横向方向8上的加宽，这也使自由空间7增大。

图3示出了由以螺旋形式布置的带状材料制成的致动器1的实施例。这允许在小空间中安装具有相对较大长度的致动器。因此，致动器可以提供大的位移和高的致动力。

图4示出了阀的恒温装置18，该阀具有布置在其部的致动器1。恒温装置18包括旋转手柄19。通过这种手柄，可以调节所需的温度。在此实施例中，阀优选地用于散热器的温度控制。

致动器1经由杆20和弹簧元件21作用在元件22上，该元件可以连接至与阀座相互作用的阀元件(未示出)。此外，元件22的位置控制了阀的自由流动截面。如果环境温度升高，热致动器1膨胀，由此将元件22向内推动，该运动被传递到阀元件(未示出)，这使得自由流动截面减小。如果环境温度降低，则致动器1再次收缩并且在背离阀的方向上拉动元件22。因此，自由流动截面增加。这使得根据环境温度自动调节通过阀的流量。

附加的热致动器1′放置在恒温装置的面向阀的一侧23处。此致动器1′主要受流经阀的介质的温度的影响。致动器1′补偿介质温度对致动器1的可能影响，从而实现基于环境温度的非常准确的控制并且补偿介质温度的影响。

图5示出了阀24的实施例，其中，热致动器1是元件22的一部分。元件22形成与阀24的阀座相互作用的阀元件。阀18的结构被进一步简化。这使得可以实现非常紧凑的阀。

图6示出了具有螺旋弹簧形式的致动器1的实施例。由于第一材料和第二材料的对应长度变化，该弹簧的长度根据环境温度而变化。这可以用于阀元件的受控运动。

本发明不局限于上述实施例之一，而是能以许多方式修改。例如，可以使用其他材料，以考虑更大的温度范围或其他环境影响。除了致动器的网眼形状的设计之外，其他几何形状也是可以想到的，例如，堆叠的致动器，其中，该堆叠中的每个元件具有其自身的功能、或其他布置。使用借助于诸如3D打印的增材方法、通过在不同温度范围内具有长度显著变化的至少两种材料制造的热致动器简化了阀的制造，尤其是在建筑物供暖系统中的所使用的阀的制造。在此，由于致动器的形状不是固定的，因此开启了多种不同的新设计的可能性。进一步地，在致动器中集成额外的元件以提供附加功能非常简单。

产生特征和优点的权利要求、说明书和附图全部(包括设计细节、空间布置和方法步骤)对于本发明本身和在多种不同组合中可能都是必不可少的。

附图标记列表

1 致动器

2 网眼

3 上部纵向条

4 下部纵向条

5 横脊

6 横脊

7 自由空间

8 横向方向

9 第一材料

10 第二材料

11 第三材料

12 内水平面

13 中间区域

14 外部区域

15 外水平面

16 中间区域

17 外部区域

18 恒温装置

19 手柄

20 杆

21 弹簧元件

22 元件

23 侧部

24 阀

Claims (18)

1.一种用于阀元件(22)的温度相关运动的热致动器(1，1′)，其中，该热致动器(1，1′)的长度根据环境温度而变化，其特征在于，该致动器(1，1′)通过使用温度相关材料的增材制造方法制成，该温度相关材料由于温度变化而长度具有显著变化。

2.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，该致动器通过至少两种不同的温度相关材料制成，其中，第一材料(9)在第一温度范围上长度具有显著变化，第二材料(10)在第二温度范围上长度具有显著变化。

3.根据权利要求1或2所述的致动器，其特征在于，该第一温度范围在15℃至25℃之间延伸、尤其是在18℃至22℃之间延伸，其中，该第二温度范围在25℃与35℃之间延伸、尤其是在28℃至32℃之间延伸。

4.根据前述权利要求中任一项所述的致动器，其特征在于，该致动器包括第三材料(11)，在该第三材料中嵌入了该第一材料(9)和该第二材料(10)的区域(13，14，16，17)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的致动器，其特征在于，该致动器包括至少一个网眼(2)，该至少一个网眼具有上部纵向条(3)和下部纵向条(4)，其中，这些纵向条(3，4)在它们的端部处经由横脊(5，6)连接，其中，在该上部纵向条(3)与该下部纵向条(4)之间形成自由空间(7)。

6.根据前述权利要求之一所述的致动器，其特征在于，这些纵向条(3，4)各自具有形成在其中的至少两个纵向延伸层(12，15)，其中，这些层(12，15)在横向方向上彼此间隔开，并且其中，在每层(12，15)中包括交替布置的该第一材料(9)和该第二材料(10)的区域(13，14，16，17)。

7.根据权利要求6所述的致动器，其特征在于，靠近该自由空间(7)定位的该层(12)中的中间区域(13)由该第二材料(10)形成，并且这些外部区域(14)由该第一材料(9)形成，其中，在离该自由空间(7)较远定位的该层(15)中，中间区域(16)由该第一材料(9)形成并且外部区域(17)由该第二材料(10)形成。

8.根据权利要求5至7之一所述的致动器，其特征在于，该致动器(1)包括以网格布置的多个网眼(2)，其中，在该横向方向上相邻的网眼(2)在该纵向方向上相对于彼此偏移网眼宽度的二分之一宽度。

9.根据权利要求8所述的致动器，其特征在于，这些网眼(2)布置的网格形成尤其是圆柱形或螺旋形状布置的材料网。

10.根据权利要求1至4之一所述的致动器，其特征在于，该致动器具有螺旋弹簧几何形状。

11.根据前述权利要求之一所述的致动器，其特征在于，该致动器包括加热装置。

12.根据权利要求11所述的致动器，其特征在于，该加热装置嵌入在该热致动器中，其中，该加热装置尤其被设计为加热丝。

13.根据前述权利要求之一所述的致动器，其特征在于，该致动器包括至少一个集成电子电路。

14.根据前述权利要求之一所述的致动器，其特征在于，该致动器包括多层不同的材料，这些材料对环境影响的反应不同。

15.根据前述权利要求之一所述的致动器，其特征在于，这些材料中的至少一种材料是双稳态材料。

16.根据前述权利要求之一所述的致动器，其特征在于，换能器被集成在该致动器中，该换能器将该致动器的运动转换成电能。

17.一种具有根据前述权利要求中任一项所述的热致动器的阀，其特征在于，该阀包括恒温装置(18)，其中，该致动器(1)布置在该恒温装置的内部。

18.根据权利要求1至16之一所述的用于阀元件的温度相关调节的热致动器的用途。

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