CN117203425A - 形状记忆合金致动的流体子组件和结合有该流体子组件的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明是形状记忆合金致动的流体子组件(10)以及结合其作为分配装置的设备所固有的，其中，形状记忆合金线(16、16’)的致动导致流体密封式贮存器(17”)被盖(18)压缩成使得流体密封式贮存器(17”)的体积从最大体积Vo减小至最小体积V1，这种减小导致压力增加，从而导致出口挡板(13”)打开并且通过出口通道(13)分配流体。

Description

形状记忆合金致动的流体子组件和结合有该流体子组件的 设备
技术领域
本发明是形状记忆合金(SMA)致动的流体子组件所固有的。
背景技术
一般来说，SMA线作为致动元件的使用相对于其他致动系统在重量、功耗、成本方面提供了各种优点，并且它们利用了适当训练过的SMA线在加热时缩短的能力，最典型的是通过适当的电流源利用焦耳效应缩短。
如US3835659和US4973024中所描述的，其中通过使用形状记忆合金线所带来的优点长期以来得到认可的领域是流体阀控制，并且这些优点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Vyawahare等人的于2008年在labchip第8期第1530页至第1535页上发表的论文“Electronic control of elastomeric microfluidic circuitswith shape memory actuators(具有形状记忆致动器的弹性微流体电路的电子控制)”中所描述的。在该论文中，SMA线绕柔性通道环绕，以用于控制挠性通道的直径直至挠性通道关闭。该论文中描述的解决方案对于在通道需要完全关闭时施加至通道的应力而言远不够理想。
在EP1552146中也描述了SMA线在流体模块中的使用，其中驱动柱塞以将流体分配体积减小至零，这种解决方案不是最佳的，因为柱塞的重复接触和冲击可能导致颗粒释放污染分配的流体。在同一领域中，US2012/209189中公开了一种类似的解决方案，该解决方案没有描述如何有效地实现能够可靠操作的基于SMA的系统，即承受适当的负载，并且还依赖于弹簧加载的提升阀通过与分配的流体接触的柔性隔膜来关闭入口阀和出口阀。更具体地，如Lagoudas等人的于2009年在Smart Materials and Structures(智能材料与结构)第18卷第8期发表的论文“Thermomechanical fatigue of shape memory alloys(形状记忆合金的热机械疲劳)”中所概述的，设计不当的基于SMA的致动器将导致SMA线的过度疲劳及其断裂/失效。
发明内容
本发明的目的是克服根据现有技术的基于SMA的流体致动器的缺点，并且在其第一方面包括如本申请的权利要求中详细描述的形状记忆合金致动的流体子组件。
附图说明
将借助于以下附图对本发明进行进一步的说明，在附图中：
图1A至图1C是根据本发明的形状记忆合金致动的流体子组件处于其静止位置(图1A)、第一致动状态(图1B)和第二致动状态(图1C)下的横截面图的示意图；
图2A至图2D是根据本发明的形状记忆合金致动的流体子组件的第二实施方式的示意图，其中，图2A是俯视图，而图2B、图2C和图2D是沿着图2A的线A-A’截取的处于其静止位置(图2B)、第一致动状态(图2C)和第二致动状态(2D)下的横截面图；
图3是用于制作在所述第二实施方式中使用的入口挡板和出口挡板的优选方法的俯视示意图；以及
图4是第二实施方式的变型的俯视示意图。
具体实施方式
在附图中，在一些情况下示出的各种元件的大小和尺寸比已经改变，以帮助理解附图，特别但非排他性地关于SMA线的直径、偏置元件、比如回复弹簧的大小、以及流体紧密密封元件的长度/厚度/宽度。此外，没有示出用于形状记忆合金线的压接装置以及用于其激活的电流传导元件，因为它们对于本领域技术人员来说是公知的，并且对于理解本发明来说不是必需的。
在图1A中示出了根据本发明的形状记忆合金致动的流体子组件的第一实施方式的横截面图的示意图。子组件10具有带有通过壁14分隔开的入口通道12和出口通道13的基部11。入口通道12和出口通道13分别通过入口端口12’和出口端口13’与通过优选地由橡胶材料制成的壳体17”限定的流体密封式贮存器连通，并且该贮存器能够通过盖18从最大体积Vo压缩至最小体积V1。
盖18从Vo朝向V1的压缩运动是通过连接基部11和盖18的一对形状记忆合金线16、16’驱动的，而盖18从V1朝向Vo的膨胀运动是通过回复弹簧17、17’驱动的。
入口端口12’和出口端口13’通常分别由挡板12”和挡板13”封闭，这意味着需要一定的力打开它们。封闭力可以通过各种方式提供，例如在图1A所示出的实施方式中，挡板12”和挡板13”在基部11上以抵接在其上的方式枢转，这种力可以由同时作为挡板12”、13”在基部11上的锚定元件的扭转加载弹簧提供。换句话说，优选的是端口12’、13’分别由比端口宽度长的挡板12”、13”封闭，端口宽度被定义为入口/出口通道12、13与流体紧密压缩贮存器17之间的开口的宽度。
图1A是从结构角度看的子组件10的横截面示意图，图1B和图1C是子组件10第一致动状态比如流体分配(图1B)和第二致动状态比如流体装载(图1C)的横截面示意图。
特别地，在分配阶段，形状记忆合金线16、16’的启用以及随之发生的缩短使盖18朝向基部11下移，压缩壳体17”和弹簧17、17’，从而使体积Vo朝向体积V1减小。压力增加克服了在出口端口13’下方枢转的挡板13”的扭转弹簧的阻力，从而使挡板13”向下旋转并且允许通过端口13’以非常可重复的方式分配精确量的流体(基本上为Vo-Vl)。相反，由于挡板12”在端口12’上方枢转，因此壳体17”中的压力增加将使端口12’保持紧密闭合，从而防止流体回流到入口通道12中。
在分配阶段之后，SMA线16、16’被停用，由此回复弹簧17、17’将盖18朝向其起始位置移动以恢复体积Vo。该运动导致贮存器17”中的压力降低，通过挡板12”克服其扭转弹簧的阻力向上旋转，导致入口端口12’打开，并且通过流体抽吸填充贮存器17”。相反，由于挡板13”在端口13’下方枢转，因此壳体17”中的压力降低将使端口13’保持紧密闭合，从而防止流体从出口通道13回流。
不必说，为了使系统进行循环分配和填充，需要第一循环，其中，空气仅从出口端口13’流出，而SMA线停用以及回复弹簧17、17’的作用而导致的压力下降将用待分配的流体填充贮存器17”。
现在参照图2A至图2D中所示的第二实施方式，子组件20具有带有入口通道22和出口通道23的基部21，入口通道22和出口通道23通过壁24分隔开并且分别通过入口端口22’和出口端口23’与流体密封式贮存器连通，入口端口22’和出口端口23’通常通过相应的挡板22”和挡板23”封闭，与上面所描述的第一实施方式类似。封闭力可以通过各种方式提供，例如在图2A至图3的实施方式中，在图3中示出制作挡板22”、23”的优选方式，是具有形状为倒C的两个切口的连续弹性隔膜25，所述隔膜25位于通道22、23的顶部并穿过壁24，使得封闭力由隔膜25的材料的变形阻力提供。
与在第一实施方式中一样，入口端口/出口端口由比端口宽度长并抵靠在基部上的挡板封闭，但是在这种情况下，两个挡板都位于相应的端口下方，由此壁24在端口22’下方朝向入口通道22延伸，以便为挡板22”提供抵接。
在该第二实施方式中，流体密封式贮存器由圆顶形状、可弹性变形的元件28限定，该元件28的周缘被保持在固定至基部21的环形座280中的垫圈281封锁。形状记忆合金线26越过圆顶28的顶点并且穿过设置在座280中的合适的凹槽，以便连接至同样固定至基部21的固定支柱26’、26”。
图2B示出了从结构角度看的子组件20的横截面示意图，图2C和图2D示出了子组件20在流体分配(图2C)阶段和流体装载(图2D)阶段期间的横截面示意图。
特别地，在分配阶段期间，形状记忆合金线26的启用使得可变形弹性元件28优选地通过位于圆顶顶部处的合适的联接器29向下推动，因此由于容纳在座280中的可压缩垫圈281所允许的元件28的变形而使体积Vo朝向体积V1减小，即可变形元件28的周缘将在弹性垫圈281中钻得更深。
与第一实施方式中一样，贮存器中的压力增加导致由于挡板23”克服了隔膜25的阻力被向下推动而使出口端口23’打开，因此使贮存器与出口通道23之间能够流体连通(图2C)。相反，由于挡板22”从上方抵接壁24，因此压力的增加将保持端口22’紧密封闭，从而防止流体回流到入口通道22中。
一旦SMA线26被停用，由于元件28的弹性和垫圈281沿其周缘的推动，元件28会回复至其原始形状，从而恢复最大体积Vo。这导致贮存器中的压力降低，从而导致出口端口23’关闭，这也是由于返回至其未变形位置的挡板23”的弹性，以及由于挡板22”向上变形而打开入口端口22’。
对于第一实施方式，同样在这种情况下，子组件需要经历第一装载循环，以便为其随后的一系列分配操作做好准备。
图4中示出了第二实施方式的变型，该图示出了子组件40，子组件40具有与图2A至图2D中所示的子组件20的大致相同的结构和操作，但是在形状记忆合金线的数目上有所不同。实际上，在子组件40中，由四根SMA线461、462、463和464提供致动，每根SMA线的第一末端连接至位于圆顶28的顶点处的共用联接器49，并且第二末端连接至相应的固定支柱。
附图中未示出的其他可能的变型可以仅使用两根对准的SMA线，即461/463对或462/464对中的一者，或者两根正交交叉的SMA线，即SMA线26和与其正交的另一SMA线。此外，第一实施方式的枢转挡板12”、13”可以在第二实施方式中用来代替隔膜挡板22”、23”，而第二实施方式中的隔膜挡板22”、23”也可以在第一实施方式中用来代替枢转挡板12”、13”。此外，与第二实施方式的SMA线26类似，第一实施方式的SMA线16、16’可以被替换和/或与越过盖18的一根或更多根SMA线结合。
需要强调的是，术语“挡板”并不局限于任何特定的几何形状或构型，而是包括能够根据上述解释的机制在由从Vo朝向V1的贮存器体积减少和从V1朝向Vo的贮存器体积增加所引起的压力变化的作用下关闭和打开入口端口和出口端口的任何等效元件。
还应当强调的是，考虑作用在一根或多根SMA线上的所有贡献来评估总致动力，一根或多根SMA线是仅有的导致流体密封式贮存器压缩的一个或多个活性元件。在单根SMA线的情况下，它是作用在SMA线上的所有回复力的总和，在多根SMA线的情况下，它是单独或共同作用在不同SMA线上的所有回复力的总和。
因此，在图4的实施方式中，力被认为是来自共同的回复元件，即弹性可变形元件28和周缘垫圈281作用在线461、462、463和464上的所有回复力的总和，而在第一实施方式中，回复力由回复弹簧17、17’和壳体17”单独提供。还可能具有附加的弹性回复装置，例如第二实施方式可能包括布置在壁24与圆顶28之间的回复弹簧。
本发明对由弹性装置提供的回复力设定了正确的限制，使得所述弹性装置的以牛顿表示的总回复力F由下式给出
其中，Vo/V1包括在2与5之间。例如，对于以3.5压缩比(即Vo/V1＝3.5)操作的系统，作用在一根或多根SMA线上的总回复力F应当具有不高于2.625N的上限和不低于0.35N的下限。
在过低的回复力、例如0.1N下操作将导致不足以泵送流体通过通道的有限的压力水平，并且过低的压力差无法可靠地操作入口挡板和出口挡板、特别是在隔膜挡板的情况下。在过大的力、例如6N下操作将需要高的力的SMA线，其致动速度受到限制，以及增加对其固定的要求且电压要求高于5V，从而防止使用标准USB源。
根据本发明的形状记忆合金致动的流体子组件的优选的最大体积Vo包括在100μl与500μl之间。
关于入口挡板和出口挡板，优选的是图2B至图2D中所描绘的可弯曲挡板，其厚度包括在50μm与250μm之间，并且更优选地，挡板由杨氏模量包括在0.001GPa与0.05GPa之间的材料制成的隔膜中的切口获得。
尽管本发明不限于任何特定的形状记忆合金，但是优选的是使用镍钛基合金、比如可以根据其加工交替地表现出超弹性行为或形状记忆合金行为的镍钛诺。镍钛诺的性质和允许实现这些性质的方法对本领域技术人员来说是公知的、参见例如Dennis W.Norwich在2010年的SMST会议上展示的论文“AStudy of the Properties of a High TemperatureBinary Nitinol Alloy Above and Below its Martensite to AusteniteTransformation Temperature(高温二元镍钛诺合金在高于和低于其马氏体向奥氏体转变温度下的特性的研究)”。
镍钛诺可以被原样使用，或者可以通过添加比如Hf、Nb、Pt和Cu的元素来调整镍钛诺在转变温度方面的特性。材料合金的正确选择及其特性是本领域技术人员公知的，参见例如Tuissi等人的白皮书“Fabrication Process and Characterization of NiTi Wiresfor Actuators(用于致动器的NiTi线的制造工艺和特性)”。
此外，形状记忆合金线可以“本身”被使用或者可以与涂层/护套一起使用以改善形状记忆合金线的热管理、即形状记忆合金线在停用之后的冷却。涂层护套可以是均匀的、比如在US9068561中所描述的，其教示了如何通过使用作为热导体的电绝缘涂层来管理余热，而US6835083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之后的冷却。还可以有利地采用在US8739525中所描述的由相变材料制成或包含相变材料的涂层。
关于形状记忆合金线的直径，所述直径优选地包括在50μm与150μm之间。
在本发明的第二方面中，本发明包括结合有分配装置的设备，该分配装置包括如先前所描述的形状记忆合金致动的流体子组件。优选地，这种装置是药物(可消耗的)盒或分析设备、更优选地用于芯片实验室应用。

Claims (15)

1.一种形状记忆合金致动的流体子组件(10；20；40)，包括：
·基部(11；21)，所述基部(11；21)具有入口通道(12；22)、出口通道(13；23)和通道分隔壁(14；24)，
·可压缩的流体密封式贮存器，所述流体密封式贮存器通过由入口挡板(12”；22”)封闭的入口端口(12’；22’)与所述入口通道(12；22)连通，并且通过由出口挡板(13”；23”)封闭的出口端口(13’；23’)与所述出口通道(13；23)连通，
·至少一根形状记忆合金线(16、16’；26；461、462、463、464)，至少一根所述形状记忆合金线(16、16’；26；461、462、463、464)布置成在启用时通过作用于流体密封式贮存器的盖(18；28)而将所述流体密封式贮存器从最大体积Vo压缩至最小体积V1，
·弹性回复装置(17、17’、17”；28、281)，所述弹性回复装置(17、17’、17”；28、281)在至少一根所述形状记忆合金线(16、16’；26；461、462、463、464)停用时将可压缩的所述流体密封式贮存器的体积从V1恢复至Vo，
其特征在于，所述弹性回复装置(17、17’、17”；28；281)的以牛顿表示的总回复力F由下式给出
其中，Vo/V1包括在2与5之间。
2.根据权利要求1所述的形状记忆合金致动的流体子组件(10；20；40)，其中，Vo包括在100μl与500μl之间。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的形状记忆合金致动的流体子组件(10；20；40)，其中，所述入口挡板(12”；22”)和所述出口挡板(13”；23”)具有包括在50μm与250μm之间的厚度。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的形状记忆合金致动的流体子组件(10；20；40)，其中，所述入口挡板(12”；22”)比所述入口端口(12’；22’)的宽度长，并且所述出口挡板(13”；23”)比所述出口端口(13’；23’)的宽度长。
5.根据权利要求4所述的形状记忆合金致动的流体子组件(10)，其中，所述入口挡板(12”)固定在所述入口端口(12’)上方并抵靠在所述贮存器的底部上，并且所述出口挡板(13”)固定在所述出口端口(13’)下方并抵靠在所述出口通道(13)的顶部上。
6.根据权利要求5所述的形状记忆合金致动的流体子组件(10)，其中，所述挡板(12”、13”)是刚性的并且固定在枢转点上，以便相对于所述基部(11)旋转。
7.根据权利要求5所述的形状记忆合金致动的流体子组件(10)，其中，所述挡板(12”、13”)是挠性的并刚性地固定至所述基部(11)，挡板材料优选地具有包括在0.001GPa与0.05GPa之间的杨氏模量。
8.根据权利要求4所述的形状记忆合金致动的流体子组件(20)，其中，所述入口挡板(22”)固定在所述入口端口(22’)下方并抵靠在所述通道分隔壁(24)的朝向所述入口通道(22)延伸的部分上，并且所述出口挡板(23”)固定在所述出口端口(23’)下方并抵靠在所述出口通道(23)的顶部上。
9.根据权利要求8所述的形状记忆合金致动的流体子组件(20)，其中，所述入口挡板(22”)和所述出口挡板(23”)是从具有形状为倒C的两个切口的连续弹性隔膜(25)中获得的，所述隔膜(25)位于所述通道(22、23)的顶部上并且穿过所述通道分隔壁(24)，隔膜材料优选地具有包括在0.001GPa与0.05GPa之间的杨氏模量。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的形状记忆合金致动的流体子组件(10)，其中，所述盖(18)是与相对于一根或更多根所述形状记忆合金线(16、16’)起相反作用的一个或更多个弹性回复元件(17、17’、17”)接触的刚性盖(18)。
11.根据权利要求10所述的形状记忆合金致动的流体模块子组件(10)，其中，所述弹性回复元件包括一个或更多个弹簧(17、17’)和/或橡胶壳体(17”)，所述橡胶壳体(17”)在所述橡胶壳体(17”)的未压缩状态下限定最大体积Vo。
12.根据权利要求1至9中的任一项所述的形状记忆合金致动的流体模块子组件(20；40)，其中，所述盖(28)是圆顶形的可弹性变形的元件，所述盖的周缘通过保持在固定至所述基部(21)的环形座(280)中的垫圈(281)封锁，并且至少一根所述形状记忆合金线(26)越过所述盖(28)的顶点并且优选地通过位于所述盖(28)的顶点处的联接器(29)作用在所述盖(28)上。
13.根据权利要求12所述的形状记忆合金致动的流体子组件(20；40)，其中，由四根SMA线(461、462、463、464)提供致动，每根SMA线的第一末端连接至位于圆顶形的所述盖(28)的顶点处的共用联接器(49)，并且第二末端连接至相应的固定支柱。
14.一种结合有包括根据前述权利要求中的任一项所述的形状记忆合金致动的流体子组件(10；20；40)的分配装置的设备，所述设备优选地为流体分配器、更优选地为适用于分配药物或试剂的流体分配器。
15.一种结合有根据权利要求14所述的设备的分析系统，所述分析系统优选地为芯片实验室。
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