CZ202126A3 - Teplotní aktuátor - Google Patents

Teplotní aktuátor Download PDF

Info

Publication number
CZ202126A3
CZ202126A3 CZ2021-26A CZ202126A CZ202126A3 CZ 202126 A3 CZ202126 A3 CZ 202126A3 CZ 202126 A CZ202126 A CZ 202126A CZ 202126 A3 CZ202126 A3 CZ 202126A3
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
sma
elements
spring
temperature
actuator
Prior art date
Application number
CZ2021-26A
Other languages
English (en)
Other versions
CZ309254B6 (cs
Inventor
Michal Valášek
DrSc Valášek Michal prof. Ing.
Original Assignee
České vysoké učení technické v Praze
České vysoké učení technické v Praze
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ÄŚeskĂ© vysokĂ© uÄŤenĂ­ technickĂ© v Praze, České vysoké učení technické v Praze filed Critical ÄŚeskĂ© vysokĂ© uÄŤenĂ­ technickĂ© v Praze
Priority to CZ2021-26A priority Critical patent/CZ202126A3/cs
Priority to PCT/CZ2021/000052 priority patent/WO2022156834A1/en
Priority to EP21823176.9A priority patent/EP4291778A1/en
Publication of CZ309254B6 publication Critical patent/CZ309254B6/cs
Publication of CZ202126A3 publication Critical patent/CZ202126A3/cs

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/061—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element
    • F03G7/0614—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element using shape memory elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/061—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element
    • F03G7/0614—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element using shape memory elements
    • F03G7/06145—Springs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/063—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the mechanic interaction
    • F03G7/06324—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the mechanic interaction increasing or decreasing in volume
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/063—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the mechanic interaction
    • F03G7/0633—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the mechanic interaction performing a rotary movement
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/063—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the mechanic interaction
    • F03G7/0635—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the mechanic interaction with several elements connected in series
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/02—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
    • F16F1/04—Wound springs
    • F16F1/10—Spiral springs with turns lying substantially in plane surfaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/02—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
    • F16F1/04—Wound springs
    • F16F1/12—Attachments or mountings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/02—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
    • F16F1/04—Wound springs
    • F16F1/12—Attachments or mountings
    • F16F1/127—Attachments or mountings allowing rotation about axis of spring
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/30—Means for indicating condition of fuse structurally associated with the fuse
    • H01H85/303—Movable indicating elements
    • H01H85/306—Movable indicating elements acting on an auxiliary switch or contact
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/0241—Structural association of a fuse and another component or apparatus
    • H01H2085/0283—Structural association with a semiconductor device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/20—Bases for supporting the fuse; Separate parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H85/00—Protective devices in which the current flows through a part of fusible material and this current is interrupted by displacement of the fusible material when this current becomes excessive
    • H01H85/02—Details
    • H01H85/44—Structural association with a spark-gap arrester

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • Endoscopes (AREA)
  • Adjustment Of Camera Lenses (AREA)

Abstract

Vynález se týká teplotního aktuátoru obsahujícího pohyblivé prvky tvořené kovy s tvarovou pamětí a jeho podstata spočívá v tom, že je tvořen soustavou alespoň dvou za sebou uspořádaných SMA prvků (1) aktivovaných různými transformačními teplotami. SMA prvky (1) mají kladný a/nebo záporný posuv, jsou od sebe odděleny spojovacími prvky (2) a jsou tvořeny tyčovitými a/nebo ohybovými prvky a /nebo spirálovými (pružinovými) prvky.

Description

Teplotní aktuátor
Oblast techniky
Vynález se týká teplotního aktuátoru, obsahujícího pohyblivé prvky s tvarovou pamětí.
Dosavadní stav techniky
Pohon teplotního aktuátoru pomocí kovů, resp. slitin s tvarovou pamětí (Shape Memory Alloy - SMA) je velmi výhodný svojí velikostí a kompaktností a energetickými nároky, neboť energii čerpá z tepla okolí vedoucího ke změně teploty. Jeho uplatnění je široké v mnoha různých oblastech. Velkým problémem ale je, že aktuátor má právě dvě polohy, mezi kterými se přepíná po dosažení transformační (prahové, přechodové) teploty. Je to tedy pouze dvoustavový aktuátor. Byly sice vytvořeny spojité aktuátory pracující v intervalu transformační teploty kovu s tvarovou pamětí za použití elektrického ohřevu a zpětnovazebního řízení, ale rozsah teplot jejich působení je omezen na okolí jedné transformační teploty a vyžadují řízený zdroj tepelné energie, tedy nemohou užít jen tepla z okolí. Užití SMA prvků je známo z článku „Design of two-stage actuator using shape memory alloy wires with different transformation temperatures“ s použitím pouze dvou SMA prvků, jak je patrné rovněž u spisu JP S61171885 A.
Cílem tohoto vynálezu je aktuátor, který předepsanou spojitou závislost výchylky a síly v závislosti na teplotě aproximuje potřebným počtem diskrétních stavů, ve kterých dochází k přepnutí z jednoho stavu (polohy) do jiného.
Podstata vynálezu
Podstata teplotního aktuátoru obsahujícího pohyblivé prvky s tvarovou pamětí podle tohoto vynálezu spočívá v tom, že je tvořen soustavou alespoň tří za sebou uspořádaných SMA prvků s kladným a/nebo záporným posuvem a oddělených od sebe spojovacími prvky, aktivovaných alespoň třemi různými transformačními teplotami. SMA prvky jsou tvořeny tyčovitými a/nebo ohybovými prvky a /nebo spirálovými prvky. Mezi koncovými částmi spojovacího prvku je uspořádán SMA prvek a doplňková pružina. Mezi SMA prvek a doplňkovou pružinu zasahuje koncová část sousedního spojovacího prvku.
Spirálový prvek tvoří SMA pružinu uloženou v rámu a oddělenou od doplňkové pružiny oddělovacím prvkem, přičemž SMA pružinou a doplňkovou pružinou prochází posuvný prvek.
Spirálový prvek je případně tvořen alespoň dvěma SMA pružinami uloženými v rámu, mezi nimiž je uspořádána doplňková pružina oddělená od SMA pružin oddělovacími prvky, přičemž SMA pružinami a doplňkovou pružinou prochází posuvný prvek.
Soustava SMA prvků je spojena tažným prvkem s rotačním prvkem nebo tvoří SMA pružinu uloženou v rámu a spojenou s rotačním prvkem, který prochází SMA pružinou.
Spirálový, resp. pružinový prvek tvoří SMA pružinu uloženou v rámu a oddělenou od doplňkové pružiny oddělovacím prvkem, přičemž SMA pružinou a doplňkovou pružinou prochází posuvný prvek nebo spirálový (pružinový) prvek tvoří alespoň dvě SMA pružiny uložené v rámu, mezi nimiž je uspořádána doplňková pružina oddělená od SMA pružin oddělovacími prvky, přičemž SMA pružinami a doplňkovou pružinou prochází posuvný prvek. Soustava SMA prvků je případně spojena tažným prvkem s rotačním prvkem nebo tvoří SMA pružinu uloženou v rámu a spojenou s rotačním prvkem, který prochází SMA pružinou. Soustava SMA prvků tvoří případně ohybový aktuátor uspořádaný v dutině poddajného nosníku a je případně uspořádána v nebo na
- 1 CZ 2021 - 26 A3 poddajném tělese. Jednotlivé SMA prvky jsou případně obepnuty elektrickým odporovým drátem propojeným se zdrojem elektrického napětí propojeným s počítačem.
Výhodou teplotního aktuátoru podle tohoto vynálezu je aproximace požadovaného průběhu výchylky a působící síly aktuátoru v závislosti na teplotě tím, že obsahuje vždy alespoň tři SMA prvky a každý z těchto SMA prvků vyvozuje různý posuv v jednom směru nebo různou rotaci kolem jedné osy rotace případně při různé transformační teplotě.
Objasnění výkresů
Na přiložených obrázcích j sou schematicky znázorněny diagramy a části teplotního aktuátoru podle tohoto vynálezu, kde:
obr. 1 znázorňuje diagramy průběhu výchylky a působící síly aktuátoru v závislosti na teplotě; obr. 2 až 5 znázorňují jednotlivá provedení části posuvového aktuátoru;
obr. 6 až 8 znázorňují alternativní provedení části posuvového aktuátoru;
obr. 9 a 10 znázorňují další alternativní provedení části posuvového aktuátoru;
obr. 11 znázorňuje diagramy průběhu výchylky a působící síly alternativního provedení aktuátoru v závislosti na teplotě;
obr. 12 a 13 znázorňují alternativní provedení části posuvového aktuátoru;
obr. 14 a 15 znázorňují provedení rotačních aktuátorů;
obr. 16 znázorňuje ohybový aktuátor;
obr. 17 znázorňuje provedení prostorového aktuátoru;
obr. 18 znázorňuje provedení aktuátoru podle obr. 2, jehož teplota je ovládána elektrickým odporovým drátem; a obr. 19 znázorňuje další alternativu posuvového aktuátoru.
Příklady uskutečnění vynálezu
Na obr. 1 vlevo nahoře je znázorněn požadovaný průběh výchylky a vlevo dole působící síly aktuátoru v závislosti na teplotě. Je to spojitý průběh. Na obr. 1 vpravo nahoře a dole je znázorněna diskrétní aproximace tohoto spojitého průběhu.
Tato aproximace je možná právě tehdy, pokud pro jednotlivé transformační (prahové, přechodové) hodnoty teploty ti, kdy dojde k přepnutí z jednoho stavu (tvaru) do jiného (zapamatovaného) stavu (tvaru), existují odpovídající kovy, resp. slitiny s tvarovou pamětí s danou transformační teplotou. Kovů s tvarovou pamětí s různými transformačními teplotami t, je velké množství ve velkém rozsahu transformačních teplot alespoň od 50 °C do 700 °C. Například NiTi má změnu transformační teploty ti o 10 stupňů se změnou o 1 % obsahu Ti. Výsledkem je aproximace křivky z obr. 1 vlevo závislostí na obr. 1 vpravo. Je mnoho SMA s různými transformačními teplotami ti.
Z obr. 1 je zřejmé, že aproximace průběhu závislosti délky a síly na teplotě vyžaduje více intervalů, alespoň tři pro minimální hodnotu, střední hodnotu a maximální hodnotu.
Na obr. 2 je schematicky znázorněn posuvový aktuátor, který požadovanou aproximaci z obr. 1 uskuteční. To je provedeno tak, že několik SMA prvků 1 tvořených tyčkami z SMA materiálu spojených spojovacími prvky 2 tvoří soustavu o délce L připevněnou k rámu 3 a působící silou F. Každý z těchto SMA prvků 1 má jinou transformační teplotu ti, resp. ne všechny tyto SMA prvky 1 mají stejnou transformační teplotu ti. Tato soustava SMA prvků 1 se skládá z jednotlivých částí, z nichž jedna je znázorněna na obr. 3. Tato část je tvořena SMA prvkem 1 představovaným tyčkou o délce průřezu N a připojenou k okolí přes spojovací prvky 2.
Z popisu aproximace na obr. 1 je zřejmé, že je nutné použít alespoň tři SMA prvky 1.
-2CZ 2021 - 26 A3
Cílem j e dosáhnout aktuátoru, který má předepsaný průběh délky L v závislosti na teplotě t (obr. 1). Toho lze dosáhnout aktuátorem složeným z posloupnosti tyček z kovů s tvarovou pamětí (obr. 3), které j sou aktivovány (transformovány) při dosažení transformační teploty ti. Jedna tyčka má délku di a průřez Si a při transformační teplotě ti (vzrůstající) provede změnu své délky o ALi = Zi+i - Li. Můžeme říct, že SMA prvek ]_ je aktivován transformační teplotou ti. Platí, že
ALi = iidi (1) kde ii je tvarová konstanta, která určuje paměť tvaru vloženou do SMA prvku 1. Je zřejmé, že změna rozměru ALi SMA prvku 1 je úměrná jeho délce di. Tato změna délky nastane, jen pokud aktuátor nepůsobí nějakou silou. Pokud má působit ještě silou Fi+i, pak jeho deformace musí být větší
ALi + ALfí — Ti di (2) o deformaci ALfí způsobenou působením síly Fi+i. Při tom působí aktuátor silou Fi+i = Fi+ AFi, danou vztahem
AFi = ki ALfí (3) kde ki je tuhost SMA prvku i, která je úměrná Youngovu modulu materiálu a průřezu Si SMA prvku 1. Při působení síly AFi je pak výsledná deformace SMA prvku 1 jen ALi, jak je požadováno. Jestliže sestava SMA prvků 1 na obr. 2 dosáhne transformační teploty ti, tak dojde ke změně vnitřní struktury SMA prvku i tak, že naroste jeho tvar o Ti a jeho tuhost o ki. To způsobí posunutí prvku i o ALi za působení přírůstku síly AFi.
Celá věc je však složitější, protože působení přírůstu síly AFi způsobí deformaci ostatních SMA prvků 1 v aktuátoru, tedy deformace prvku i musí být
- ·π (4) kde «je počet SMA prvků 1 v aktuátoru.
Celý postup bude však vyžadovat iterace.
Alternativní řešení SMA prvku 1 je znázorněno na obr. 4. Jde o ohybový prvek. SMA prvek ]_ je tvořen tyčkou tvarovanou do tvaru V o délce ¢/,, průřezu připojeném k okolí přes spojovací prvky 2. Ohybový SMA prvek 1 číslo i je paměťově upraven tak, aby při dosažení transformační teploty ti se prodloužil o ALi. To je dosaženo tak, že nosník tvořící SMA prvek 1 je tvaru V, který se transformací více či méně rozevírá. Deformace SMA prvku 1 po dosažení transformační teploty ti je znázorněna na obr. 4 čárkovaně. SMA prvky 1 mohou mít i jiné tvary než V.
Užitím ohybových SMA prvků 1 z obr. 4 je na obr. 5 znázorněno jiné řešení posuvového aktuátoru, než je na obr. 2. Zde jsou jednotlivé SMA prvky 1 tvořeny ohybovými SMA prvky 1 z obr. 4 spojenými spojovacími prvky 2.
CZ 2021 - 26 A3
Na obr. 6 je znázorněno řešení posuvového aktuátoru s doplňkovou pružinou 5 pro předpětí a bezpečný návrat SMA prvku 1 do původního tvaru po poklesu pod transformační teplotu. SMA prvek 1 je s doplňkovou pružinou 5 předepnut mezi koncové části spojovacího prvku 2 na obr. 6.
Naopak obdobný spojovací prvek 2 na obr. 7 realizuje posuvný pohyb SMA prvku 1 a jeho návrat do původního tvaru aktivací při překročení transformační teploty. Záměnou pořadí SMA prvku 1 a doplňkové pružiny 5 lze totiž proměnit pohyb SMA prvku 1 v pohyb spojovacího prvku 2 do opačného směru, jak je patrné na obr. 7.
Na obr. 8 je pak pomocí částí z obr. 6 a obr. 7 sestaven celý posuvový aktuátor obdobný aktuátorům na obr. 2 a obr. 5. Spojovací prvky 2 zasahují koncovou částí do sousedního spojovacího prvku 2, a tak vedle předpětí realizují i přenos pohybu mezi částmi z obr. 6 a obr. 7.
Na obr. 9 je prostorově úspornější řešení SMA prvku 1 představovaného na obr. 3 tyčkou. K tomu je na obr. 9 užita spirální vinutá SMA pružina 4, která je v těle rámu 3 vymezena v příslušném stavu před SMA transformací doplňkovou pružinou 5 také spirální vinutou vymezující vůle před (obr. 9 nahoře) a po SMA transformaci (obr. 9 dole). Spirální vinuté pružiny mohou být šroubovité válcové s pravidelnou šroubovicí nebo s obecnou spirálou. Transformace SMA prvku představovaného spirální vinutou pružinou 4 způsobí výsun ALi posuvného prvku 6. Posuvný prvek 6 je v rámu 3 uložen posuvně a je k němu pevně připevněn oddělovací prvek 14, který je umístěn mezi spirální vinutou SMA pružinu 4 a doplňkovou spirální vinutou pružinu 5. Spirální vinutá SMA pružina 4 i doplňková spirální vinutá pružina 5 se o rám 3 i oddělovací prvek 14 jen volně opírají. Jejich prodloužením nebo zkrácením se posuvný prvek 6 posouvá. Výhoda tohoto řešení spočívá v tom, že spirální vinutá SMA pružina 4 (s délkou odpovídající délce L na obr. 2) je po stočení kolem posuvného prvku 6 vzhledem k délce posuvného prvku 6 kratší než před stočením. Potřebná délka SMA prvku je tak kratší. Spirální vinutá SMA pružina 4 může být nahrazena srovnatelným prvkem, např. spirálovým prvkem, resp. spirální kuželovou pružinou.
Řešení na obr. 9 je však pro jeden SMA prvek 1. Náhrada řešení z obr. 2 s více SMA prvky, které se transformují při různých transformačních teplotách ti podle obr. 1, pomocí spirální vinuté pružiny je na obr. 10. Spirální vinutá SMA pružina 4 je tvořena posloupností SMA prvků 1 spojených spojovacími prvky 2. Při růstu teploty je posuvný prvek 6 postupně vysouván tak, jak teplota okolí dosahuje jednotlivých transformačních teplot ti podle obr. 1. Jednotlivé SMA prvky 1 mohou mít různou délku Li a různý průřez Si, jak je znázorněno ve střední části spirální vinuté SMA pružiny 4.
Řešení spirální vinutou pružinou podle obr. 9 lze užít ještě pro záporný posuv aktuátoru při vzrůstající teplotě. Na obr. 11 je ukázka požadovaného průběhu výchylky (podobně i průběhu působící síly, která může růst nebo klesat) v závislosti na teplotě jako na obr. 1. Tato závislost však není monotónní. Na obr. 1 závislost jen roste. Na obr. 11 však také v jedné části klesá. Klesat může jak trvale, tak vícekrát během celého průběhu. Obr. 11 vpravo popisuje aproximaci průběhu z obr. 11 vlevo.
Při transformační teplotě ti má dojít k zápornému posuvu. Řešení záporného posuvu pomocí SMA prvku je na obr. 12 pomocí spirální vinuté pružiny. Spirální vinutá SMA pružina 4 je v těle rámu 3 vymezena v příslušném stavu před SMA transformací doplňkovou spirální vinutou pružinou 5 vymezující vůle před (obr. 12 nahoře) a po SMA transformaci (obr. 12 dole). Spirální vinutá SMA pružina 4 je v těle rámu 3 umístěna tak, že její roztažení vede k zasunutí posuvného prvku 6 a tedy k zápornému posuvu. Spirální vinutá SMA pružina 4 je v těle rámu 3 umístěna na obr. 12 z druhé strany než na obr. 9.
Řešení na obr. 12 je opět jen projeden SMA prvek pro jednu transformační teplotu ti. Její rozšíření na více SMA prvků se provede analogicky řešení na obr. 10 s více SMA prvky 1 v spirální vinuté SMA pružině 4.
-4CZ 2021 - 26 A3
Řešení aktuátoru pro více kladných posuvů a více záporných posuvů v závislosti posuvu aktuátoru na teplotě je na obr. 13. Je provedeno tak, že všechny SMA prvky vedoucí ke kladnému posuvu při transformační teplotě jsou shromážděny do posloupnosti SMA prvků 1 v levé spirální vinuté SMA pružině 4 a všechny SMA prvky 1 vedoucí ke zápornému posuvu při transformační teplotě jsou shromážděny do posloupnosti SMA prvků 1 v pravé spirální vinuté SMA pružině 4. Obě spirální vinuté SMA pružiny 4 jsou odděleny doplňkovou spirální vinutou pružinou 5. Spirální vinuté SMA pružiny 4 a doplňková spirální vinutá pružina 5 jsou odděleny oddělovacími prvky 14. Jeden z nich je pevně spojen s posuvným prvkem 6 a druhý je vůči němu posuvný. Spirálové vinuté SMA pružiny 4 a doplňková spirální vinutá pružina 5 se o rám 3 a oddělovací prvky 14 jen volně opírají.
Dosud popisované aktuátory byly aktuátory posuvné. Lze však vytvořit i aktuátory rotační. Rotační SMA aktuátor je na obr. 14. Rotor 7 uložený v rámu 3 je otáčen pomocí momentu působícího pomocí tažného prvku (řemenu, ozubeného řemenu, řetězu, lana) 10 posuvným SMA aktuátorem z obr. 2. Tažný prvek 10 je předepínán doplňkovou pružinou 5. Místo posuvného SMA aktuátoru z obr. 2 lze užít posuvný SMA aktuátor z obr. 5, obr. 8, obr. 10 nebo obr. 13.
Jiný způsob realizace rotačního SMA aktuátoru je na obr. 15, kde spirální vinutá SMA pružina 4 je torzní pružina, která otáčí rotorem 7 tím, že je pevně připevněna k rámu 3 a oddělovacímu prvku 14 a ten je pevně připevněn k rotoru 7. Prodloužení nebo zkrácení SMA prvků 1 při transformaci pak otáčí rotorem 7.
Lze vytvořit i složitější SMA aktuátory. Na obr. 16 je ohybový SMA aktuátor. Je tvořen poddajným nosníkem 8 s dutinou, ve které jsou umístěny SMA prvky 1 spojené spojovacími prvky 2. Při jejich transformaci jejich paměťová deformace ohýbá poddajný nosník 8 do požadovaného tvaru závislého na průběhu teploty. Takto teplotou ovládaný tvar poddajného nosníku 8 může být prostorový a velmi složitý.
Ještě obecnější případ SMA aktuátoru je na obr. 17. Na nebo v poddajném tělese 9 jsou umístěny SMA prvky 1 upevněné k poddajnému tělesu 9 spojovacími prvky 2. Při jejich transformaci jejich paměťová deformace deformuje poddajné těleso 9 do požadovaného tvaru závislého na průběhu teploty. Deformovaný tvar poddajného tělesa 9 je na obr. 17 vpravo znázorněn čárkovaně. Takto teplotou ovládaný tvar poddajného tělesa 9 může být prostorový a velmi složitý a představuje prostorový aktuátor. SMA prvky 1 spolu svírají různé úhly (jsou souosé nebo rovnoběžné nebo různoběžné nebo mimoběžné, mají různou orientaci) a jsou nepřímo propojené přes poddajné těleso 9 nebo přímo spojené přes spojovací prvky 2. SMA prvky 1 tak mohou tvořit soustavy SMA prvků 1 z obr. 2 nebo lze na nebo v poddajném tělese 9 užít posuvný SMA aktuátor z obr. 5, obr. 8, obr. 10 nebo obr. 13 nebo rotační SMA aktuátor z obr. 14 nebo obr. 15 nebo ohybový SMA aktuátor z obr. 16.
Teplota může být jak přirozená teplota vnějšího prostředí SMA aktuátorů, tak teplota ovládaná uměle například elektrickým ohřevem. Na obr. 18 je příklad posuvného SMA aktuátoru z obr. 2, jehož teplota je uměle ovládána elektrickým odporovým drátem 11 vedeným kolem SMA prvků 1 ze zdroje 12 napětí ovládaného/řízeného počítačem 13. Uměle ovládaná teplota může být na všech SMA prvcích 1 nebo jen na části z nich.
Místo elektrického ohřevu lze užít řízený tok horkých nebo studených kapalin nebo plynů také ovládaný/řízený počítačem 13.
Místo rovnoměrného ohřevu celého vnějšího prostředí SMA aktuátoru lze také uvažovat časový průběh šíření teploty ve vnějším prostředí. Posloupnost SMA prvků 1 odpovídajících jednotlivým transformačním teplotám ti pak určuje časový průběh deformace SMA aktuátoru a následně třeba poddajného tělesa 9.
-5CZ 2021 - 26 A3
Na obr. 19 je znázorněno, že SMA prvky 1 z obr. 2 spolu mohou být spojeny přímo bez spojovacích prvků 2.
Tvary SMA prvků 1 mohou být různého tvaru, nejen tyčka nebo nosník tvaru V. SMA prvek 1 5 musí být jen paměťově upraven tak, aby při dosažení transformační teploty ti se potřebně deformoval, například prodloužil, zkrátil, ohnul aj., prvky 1 se tak při dosažení transformační teploty ti mohou prodlužovat nebo zkracovat podle paměťové úpravy.
Doplňkové pružiny 5 mohou být nahrazeny SMA prvky 1 s pohybem opačným než původní ίο SMA prvky L
Všechny popsané varianty se mohou různě kombinovat.
Uměle ovládaná teplota může být řízena počítačem.
Výhoda popisovaných řešení teplotního aktuátoru je, že aproximuje požadovaný průběh výchylky a působící síly v závislosti na teplotě ve velkém rozsahu teplot i bez řízeného zdroje tepelné energie a pro různé i složité druhy pohybů aktuátoru.

Claims (10)

PATENTOVÉ NÁROKY
1. Teplotní aktuátor obsahující pohyblivé prvky tvořené kovy s tvarovou pamětí (SMA), vyznačený tím, že je tvořen soustavou alespoň tří za sebou uspořádaných SMA prvků (1), s kladným a/nebo záporným posuvem a oddělených od sebe spojovacími prvky (2), aktivovaných alespoň třemi různými transformačními teplotami.
2. Teplotní aktuátor podle nároku 1, vyznačený tím, že SMA prvky (1) jsou tvořeny tyčovitými a/nebo ohybovými prvky a /nebo spirálovými pružinovými prvky.
3. Teplotní aktuátor podle některého z předchozích nároků, vyznačený tím, že mezi koncovými částmi spojovacího prvku (2) je uspořádán SMA prvek (1) a doplňková pružina (5).
4. Teplotní aktuátor podle nároku 3, vyznačený tím, že mezi SMA prvek (1) a doplňkovou pružinu (5) zasahuje koncová část sousedního spojovacího prvku (2).
5. Teplotní aktuátor podle nároku 1, vyznačený tím, že spirálovým prvkem je SMA pružina (4) uložená v rámu (3) a oddělená od doplňkové pružiny (5) oddělovacím prvkem (14), přičemž SMA pružinou (4) a doplňkovou pružinou (5) prochází posuvný prvek (6).
6. Teplotní aktuátor podle nároku 1, vyznačený tím, že spirálovým prvkem jsou alespoň dvě SMA pružiny (4) uložené v rámu (3), mezi nimiž je uspořádána doplňková pružina (5), oddělená od SMA pružin (4) oddělovacími prvky (14), přičemž SMA pružinami (4) a doplňkovou pružinou (5) prochází posuvný prvek (6).
7. Teplotní aktuátor podle některého z předchozích nároků, vyznačený tím, že soustava SMA prvků (1) je spojena tažným prvkem (10) s rotačním prvkem (7), neboje SMA pružina (4) uložená v rámu (3) a spojená s rotačním prvkem (7), který prochází SMA pružinou (4).
8. Teplotní aktuátor podle některého z předchozích nároků, vyznačený tím, že soustava SMA prvků (1) tvoří ohybový aktuátor uspořádaný v dutině poddajného nosníku (8).
9. Teplotní aktuátor podle některého z předchozích nároků, vyznačený tím, že soustava SMA prvků (1) je uspořádána v poddajném tělese (9).
10. Teplotní aktuátor podle některého z předchozích nároků, vyznačený tím, že jednotlivé SMA prvky (1) jsou obepnuty elektrickým odporovým drátem (11) propojeným se zdrojem (12) elektrického napětí propojeným s počítačem (13).
CZ2021-26A 2021-01-25 2021-01-25 Teplotní aktuátor CZ202126A3 (cs)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2021-26A CZ202126A3 (cs) 2021-01-25 2021-01-25 Teplotní aktuátor
PCT/CZ2021/000052 WO2022156834A1 (en) 2021-01-25 2021-11-08 Temperature actuator
EP21823176.9A EP4291778A1 (en) 2021-01-25 2021-11-08 Temperature actuator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2021-26A CZ202126A3 (cs) 2021-01-25 2021-01-25 Teplotní aktuátor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ309254B6 CZ309254B6 (cs) 2022-06-22
CZ202126A3 true CZ202126A3 (cs) 2022-06-22

Family

ID=78827502

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2021-26A CZ202126A3 (cs) 2021-01-25 2021-01-25 Teplotní aktuátor

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4291778A1 (cs)
CZ (1) CZ202126A3 (cs)
WO (1) WO2022156834A1 (cs)

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CS195121B1 (cs) * 1977-09-30 1980-01-31 Adolf Mentel Tepelný motor k přeměně tepelné energie v mechanickou práci
JPS60166766A (ja) * 1984-02-09 1985-08-30 Matsushita Electric Ind Co Ltd 熱感応アクチュエ−タ
JPS61171885A (ja) * 1985-01-28 1986-08-02 Toyota Motor Corp アクチユエ−タ
US5396769A (en) * 1993-10-12 1995-03-14 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Rotary actuator
US6326707B1 (en) * 2000-05-08 2001-12-04 Mark A. Gummin Shape memory alloy actuator
WO2003018853A2 (en) * 2001-08-24 2003-03-06 University Of Virginia Patent Foundation Reversible shape memory multifunctional structural designs and method of using and making the same
US7029056B2 (en) * 2004-06-09 2006-04-18 General Motors Corporation Closure lockdown assemblies and methods utilizing active materials
US7464548B2 (en) * 2005-11-30 2008-12-16 The Boeing Company Shape memory alloy linear actuator
US7823382B2 (en) * 2006-08-09 2010-11-02 Gm Global Technology Operations, Inc. Active material actuator with modulated movement
US8104278B2 (en) * 2008-03-31 2012-01-31 GM Global Technology Operations LLC Energy harvesting, storing, and conversion utilizing shape memory activation
US9234509B2 (en) * 2011-05-24 2016-01-12 GM Global Technology Operations LLC Quick-return active material actuator

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022156834A1 (en) 2022-07-28
EP4291778A1 (en) 2023-12-20
CZ309254B6 (cs) 2022-06-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
De Blonk et al. Actuation of elastomeric rods with embedded two-way shape memory alloy actuators
JP4946619B2 (ja) 駆動装置
EP2923083B1 (en) Shape memory alloy actuating element with improved fatigue resistance
JP5048833B2 (ja) 広範な作動温度範囲の形状記憶合金製の要素を備えるアクチュエータ
US7663293B2 (en) Linear motion actuator
FI124970B (fi) Aktuaattori ja menetelmä aktuaattorin parantamiseksi
US7793497B2 (en) Actuator with a wound shape-memory element
KR101333048B1 (ko) 형상기억합금을 이용한 작동기
US11596294B2 (en) Variable stiffness device and method of varying stiffness
US8833071B2 (en) Adaptive spring, damping or hinge system
JP2011117452A (ja) 作動装置
CZ202126A3 (cs) Teplotní aktuátor
US20110083325A1 (en) Method of Manufacturing a Nickel Titanium Coil Actuator
US10954925B2 (en) Bistable actuator device having a shape memory element
RU2691213C2 (ru) Теплочувствительное исполнительное устройство
TW200938737A (en) Lock ring
JP7119136B2 (ja) スイングタイプｓｍａアクチュエータ
CZ35124U1 (cs) Teplotní aktuátor
KR101333047B1 (ko) 형상기억합금을 이용한 작동기
US20220290659A1 (en) Thermal actuator arrangement having improved reset time
Bacciotti et al. On the use of shape memory alloys for deployable passive heat radiators in space satellites
WO2017181991A1 (en) Rotary actuator using shape memory alloy wires in traction
KR102656052B1 (ko) 형상기억합금 와이어를 이용한 선형 구동 액추에이터 모듈 및 이를 이용한 액추에이터 시스템
KR102017560B1 (ko) 선형 응답 특성이 개선된 형상기억합금 엑추에이터
JPH1171662A (ja) 形状記憶合金から成るエレメントのトレーニング法及び該方法を実施する装置