EP0707693A1 - Fluid flow regulating valve with a control element made of an electrically heatable, shape memory alloy - Google Patents

Fluid flow regulating valve with a control element made of an electrically heatable, shape memory alloy

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EP0707693A1
EP0707693A1 EP94918786A EP94918786A EP0707693A1 EP 0707693 A1 EP0707693 A1 EP 0707693A1 EP 94918786 A EP94918786 A EP 94918786A EP 94918786 A EP94918786 A EP 94918786A EP 0707693 A1 EP0707693 A1 EP 0707693A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
thread
sma
flow
channel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP94918786A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Günter Voss
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Original Assignee
Leybold AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Leybold AG filed Critical Leybold AG
Publication of EP0707693A1 publication Critical patent/EP0707693A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/002Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by temperature variation

Definitions

  • Valve for regulating fluid flows with an actuator made of electrically heatable, completely clean material
  • the invention relates to valves for regulating fluid flows with an actuator made of electrically heatable, ge staltseri nne rndem material, which has a closure element against the back L l force of a spring according to a temperature-dependent change in length its position relative to the valve seat.
  • a compressed air valve L for robot controls is known from the German magazine Management Congress Congress 8/88, page 59 "Tech-Highlights". This valve is characterized by an extremely small size, simple construction and fast switching 11 mpu l s e. It replaces previously used electromagnetic valves which, on the contrary, are large and expensive, their magnets being often a source of interference for sensors and for sensitive microelectronic circuits.
  • the new, extremely small valves use memory metals as an active element.
  • the well-known compressed air valve has a memory metal lsti ft, which is connected to the valve tip, which is held in the closed position by a compression spring.
  • the memory metal pen is integrated in an electrical circuit. When there is no current flowing, the spring keeps the valve closed, the memory metal keeping its comparatively longer geometric shape in the state of low temperature. When heated with electricity, it converts to its second high pressure temperature form and becomes shorter. The spring force is overcome and the valve opened.
  • the known version of the valve is a pure control element with opening or
  • a sensor for measuring and analysis devices is known from EP-A1-0 391 018. It is a sensor element in which the size to be measured has a direct or indirect influence on the condition of the material of the sensor element.
  • the sensor element is made of a material called Gesta Itseri and is heatable in such a way that its operating temperature can be adjusted to a temperature in the range of the structural phase transition of its material.
  • Characteristic of the function of the known measuring and analysis device is that the temperature of the sensor is kept constant with the aid of a controllable heating current, the voltage applied to the wire, the heating current or the heating power, being used as a measured variable.
  • the size to be measured has an influence on the temperature of the transition in the area of the phase structure
  • the low temperature eme phature phase into the high temperature phase with the help of a material that keeps the heat from the air, i.e. the heating current is adjusted to a change in temperature of the material.
  • a direct control of fluid flows is not possible with the known measuring and analysis device, but would require the arrangement of an additional e rect to see romechani or electromagnetic control lung organ for the fluid flow, which would then have to be controlled by the known measuring and ana lysis device. Such an arrangement is complex, prone to failure and therefore unsatisfactory.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a valve for regulating fluid flows with an actuator made of electrically heatable gesta Ltseri material of the type mentioned, which can be used for direct control, in particular in the sense of constant maintenance of a predetermined state of a fluid flow passed through and moreover uncomplicated in construction and extremely small.
  • the valve is suitable for direct control of a fluid flow, which is regulated within a comparatively narrow equilibrium range of its state, for example in a constant pressure range, a constant flow range or a constant gas mixture range or also in a constant temperature range.
  • valve has channels or connections which receive the SMA thread, conduct the fluid streams to be regulated and serve to heat exchange between the SMA thread and the fluid streams.
  • valve and its systematic valve variants have in common is that the contraction or elongation of a material made of steel is used to actuate the closing mechanism.
  • Another common feature in the arrangement of the valve or its valve variants is that a change in the length of its actuator caused by a change in a fluid flow in the area of the phase transition results in an immediate change in the conductance or the flow rate of the fluid through the valve, so that this conductance is a monotonous function of the temperature-related length of the actuator. All parameters occurring during operation are responsible for the temperature of the wire, which can influence the heat balance of the system. For example: - temperature T of the fluid
  • the conductivity of the valve is a function of one or more of these quantities.
  • the process medium compensates for the effects of the above-mentioned variables directly through the process medium through the operating mode or constructive measures.
  • a special design of the valve can ensure that the pressure comes into contact with the wire, but not the flow flowing through the valve, and vice versa.
  • the design can vary so that ' the contracting thread causes either a closure or an opening of the valve.
  • valve design can be designed as a pressure control element and a body made of electrically non-conductive material with a bore receiving the SMA thread, the spring and the closure element and with a Have valve seat with a connecting channel and a side channel branching side receiving head and a closed bottom part l, the spring as a conductor for the current flow between the vent i lse iti gene end of the SMA wire and the other end thereof on the valve bottom are connected to a power source.
  • the gas pressure surrounding the thread when the valve is open is equal to the pressure of the fluid flowing from the secondary duct through the connecting duct L.
  • the gas flow can pass through the valve without significantly influencing the SMA wire.
  • the valve shows control valve 11. As the pressure drops, the thread temperature increases, the thread contracts and opens the valve. Conversely, if the pressure increases, the gas flow is throttled. It equates to a constant electrical heating output . increased pressure, which is kept constant within certain limits.
  • the valve is designed as a flow control member and has an inflow channel in the bottom part 1 and an outflow channel in the top part 1.
  • the gas flow flows along the SMA wire and transports heat away.
  • the heat dissipated is a function of the flow.
  • an impressed constant electrical power which keeps the wire temperature at a predetermined constant flow of the fluid at the phase transition limit
  • a function is realized in which increasing flow lowers the thread temperature, the thread lengthening and the conductance of the valve being reduced .
  • Decreasing river causes the opposite l.
  • the flow of the flowing fluid tends to a state of equilibrium, which is kept constant within narrow limits.
  • the resulting flow is approximately proportional to the voltage or heating power fed in. That is why this type of valve is suitable as an actuator in electronic control loops for the pruning of gases.
  • Proportion on Ivent i Le manufactured according to the prior art are problematic, extremely complex and prone to failure for the gas flow.
  • Venti l is formed as a Lorgan
  • Bodentei l an outlet channel for the constantly regulated
  • This type of valve uses the thermal conductivity of different types of gas as the physical basis. Moving in
  • the heating power of the SMA wire is at a predetermined constant flow with predetermined mixture concentrations
  • Another advantageous valve variant is designed as a protective valve for gas leak detectors, in particular for helium leak detectors. It has an inflow channel in the bottom part l, a connection channel to the leak detector in the head part l and a bypass opening in the bypass to the valve seat at the head end of the valve body.
  • the apparatus has already passed helium concentration.
  • the result is insensitivity and long recovery times.
  • the protection valve switches off the gas flow.
  • the heating power is set so that the valve is open at low concentrations. If a gas stream enriched with helium now enters through the inflow channel in the bottom part l, the SMA wire is cooled due to the higher concentration of helium in the gas stream, and cooled due to the increased thermal conductivity of the gas, lengthens and closes the valve l. The gas flow can then only escape through the bypass opening. As soon as the
  • the valve moves back to the initial state, i.e. it opens.
  • valve is designed, for example, as a visual filter, with a central valve body, one Gas inlet channel in the bottom part l and a first, the closure element guiding, with a valve seat in an intermediate wall closable hole, which is followed by a second hole in the valve body, which receives the SMA thread firmly connected to the tip of the valve , which is fastened on the outlet side to the head part 1 having an outlet channel.
  • This is a Wegventi l, which remains in its state after tripping and must be reset from the outside. If a gas flow passes the valve from the bottom part to the head part, the gas flow is completely switched off when the flow falls below a certain threshold, as a result of which the wire temperature rises further and the valve remains in the closed position.
  • a comparatively narrow ceramic tube surrounding the SMA wire and extending between the inlet channel in the base part and the valve seat is arranged.
  • Fig. 1 is a diagram of a Vent i barrel structure for constant active lung pressure of the gaseous Media
  • FIG. 3 is a schematic of the venti structure for constant flow regulation of a gas flow
  • Fig. 7 is a diagram of Vent i L admittedes in the function of a Schutzventi ls for Heliumlec 'ksücher,
  • FIGS. 3 and 4 show in section a valve for constant flow control according to FIGS. 3 and 4 with a ceramic tube surrounding the SMA wire
  • Vent i L superstructure variants shown purely schematically in the figures have, as matching or similar features in construction, a valve body (20) made of electrically non-conductive material with a head part (25) having the valve seat (22) and one Soil part (26).
  • the valve body (20) takes in a bore (24) the Versch Luße element (21) with the actuator (1) made of electrically heatable sta Lt se ri nne rende material in the form of the SMA thread and the return spring (23).
  • valve variants described below have in common that the contraction or elongation of the wire (1) made of material resemble of the shape is used to actuate the closure element (21), where in principle instead of the wire (1) other geometric shapes with changes in shape due to bending or torsion can also be used. Because of the simplicity of the construction and the clarity of the function, the wire principle is preferred and shown as an example.
  • the use of a cone or needle valve body as a locking element (21) is also to be understood as a pure embodiment example and not as a limitation. Basically, other types of valves can also be used here.
  • the arrangement of the drive is fundamentally chosen so that a change in length of the SMA wire (1) used as an actuator in the area of the phase transition results in a change in the conductance and thus the fluid passage in the valve seat (22), so that the master value is a monotonous function of the length of the actuator.
  • the respective length of the wire (1) as a function of the thread temperature with a constant heating power of different physical parameters of the fluid flow is therefore responsible for the temperature of the wire (1) all parameters that occur during operation, which have an influence on the thermal balance of the system such as temperature, Thermal conductivity, flow rate, pressure and mixture type of the gases.
  • Figure 1 shows an arrangement for a pressure constant.
  • the gas pressure surrounding the SMA thread is equal to that at connection A of the secondary duct (28), since it is connected to the bore (24) of the valve body (20).
  • Ver rsch Luße element (21) in the high temperature state of the SMA thread (1), a gas flow can flow between the secondary duct (28) and the connecting duct (B, 27) in the head part (25) of the valve.
  • the valve shows regu lation.
  • the pressure drops, the temperature of the thread (1) increases, the thread (1) contracts and opens the valve (21, 22). Conversely, if the pressure increases, the gas flow is throttled.
  • FIG. 2 shows the circuit diagram of the valve assembly according to FIG. 1.
  • the circuit diagram shows the arrangement of a fine vacuum apparatus with a gas flow from B to A and to the vacuum pump (10) via the vacuum container (11) and the valve body (20) with the actuator arranged in the bypass to the fluid flow in the form of the SMA thread ( 1 ) .
  • This is via the power connections (3,4) connected to the power source (2).
  • This is shown as a controllable current source (2), but is constantly regulated for a pressure to be kept constant.
  • the Venti L admitted according to Figure 3 shows a system for constant flow control.
  • the gas flow passes the SMA wire (1) and transports heat away.
  • the heat dissipated is a function of the flow.
  • the valve has on the bottom part (26) an inflow channel (30) with the designation B and in the head part (25) an outlet channel (29) with the designation A.
  • the electrical connections and designations are otherwise the same as those in Fig. 1.
  • FIG. 4 The circuit diagram of the flow control valve according to FIG. 3 is shown in FIG. 4, the same elements also being identified with the same reference numbers.
  • a fluid flow from B along the heated SMA thread (1) is conveyed from the fan (9) via the valve to the outlet duct A.
  • the temperature of the SMA thread (1) changes as described above when it is constantly heated by the current source (2), the closure element (21) reacting accordingly.
  • FIG. 5 shows a valve designed as a lively mixture. It has the valve (20) with the closure element (21), the actuator of the SMA wire (1) and the return spring (23).
  • the mixture to be controlled consisting of at least two components, enters the valve through the inlet channel (A) in the head part (25), flows along the SMA thread (1) and leaves the valve through the outlet channel at the bottom (34) with the designation C.
  • a gas component with a higher thermal conductivity, initially blocked by the Vent i Lve rsch Luß body (21), is present at the inflow channel (32) with the designation B.
  • the gas capacity is gas dependent. If the concentrations of the components shift in the gas mixture, this leads to a change in the thermal conductivity with a constant flow. The one shown uses this effect
  • a binary gas mixture for example, constantly flows through the connection A to the output C. If the component with the higher thermal conductivity in the mixture is depleted, the conductivity decreases, the SMA wire (1) increases its temperature and shortens, the closure element (21) stands out from the valve seat (22), whereby a flow cross-section of the inflow channel (32) is opened for the component with the higher thermal conductivity and the mixture is adjusted again to constant mixture concentrations.
  • Figure 6 shows a Heidelbergbi ld.
  • a z. B. binary fluid mixture via the inlet channel (33) labeled A through the Venti l Sciences (30) through to the outlet channel (34) with the label C.
  • the blower (7) promotes the component with the higher thermal conductivity through the inlet channel (32) with the designation B in the manner described above for enriching the mixture of the fluid mixture when it opens the valve. Further elements are identified by the same reference symbols.
  • FIG. 7 shows a valve designed as a protective valve for gas leak detectors, in particular for He li um Lee ksuche r.
  • the inflow channel (30) which is connected by a line to a sniffer tip, is located on the bottom part (26).
  • the A 'l supportivekanal (30) is called D.
  • On Kopftei l (25) the outlet channel (29) is located with a connection to a leak detector.
  • the outlet channel (29) bears the designation E.
  • the valve is open. If a fluid stream enriched with helium occurs at D, more heat is removed from the SMA wire (1) and
  • the valve can alternatively also be configured as a visual switch for pressure or flow.
  • FIG. 8 shows such a switch, which has to remain in its state after tripping and must be reset from the outside.
  • the valve is designed with a valve body (20) divided in the middle, with a gas inlet channel (30) in the bottom part ( 26) and with an outlet channel (29) on the head part l (25).
  • a gas inlet channel (30) in the bottom part ( 26) and with an outlet channel (29) on the head part l (25).
  • F At the gas inlet duct (30) with the designation F closes a first, the gas closure element (21) guiding, with a valve seat (22) in an intermediate wall (19) closable bore (24).
  • valve l has a second bore (18) in the flow direction, which receives the SMA thread (1), which is firmly connected to the tip (17) of the closure element (21), as the actuator of the valve. This is fixed on the outlet side in the head part l (25).
  • the SMA wire is heated via the power connections (3, 4) by the power source (2).
  • a fluid flow passes through the schematically illustrated valve from F to G. If the flow falls below a certain threshold value, the gas flow is switched off and the heat removal by the gas flow is thus interrupted. As a result, the wire temperature continues to rise and the valve remains in this position.
  • a particularly intensive heat exchange between the fluid flow and the SMA thread (1) can be achieved by designing the valve
  • valve types described above have a number of advantages over conventional valve types. It are this

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Abstract

A fluid flow regulating valve has a control element made of an electrically heatable, shape memory alloy which adjusts a closure element against the restoring force of a spring according to a temperature-dependent longitudinal change in its position in relation to the valve seat. In order to keep constant a state of a fluid (for example pressure, flow rate, mixture composition etc.), the control element is a thread (1) heated by a constant current up to a temperature within the phase transition range of the shape memory alloy (SMA) and the valve body (20) which surrounds the thread (1) is designed as a heat exchanger which in co-operation with the thread reacts in a special way to changes in the state of a passing fluid flow. Appropriately, the valve body contains a bore (24) for receiving the SMA thread (1), for guiding the fluid flows to be regulated and for carrying out the heat exchange between the SMA thread (1) and the fluid flows, as well as channels (27) or joints (28).

Description

Venti l zur Regelung von Fluidströmen mit einem Stel lorgan aus elektrisch heizbarem, ges a 11 s e r i nne rndem Werkstoff Valve for regulating fluid flows with an actuator made of electrically heatable, completely clean material
Die Erfindung betrifft Venti le zur Regelung von F luidströmen mi t einem Stellorgan aus elektrisch heizbarem, ge s t a l t s e r i nne rndem Werkstoff, welches ein Verschlußelement gegen die Rüc ks t e L l kraft einer Feder nach Maßgabe einer t empe r a t u r bed i ng t en Längenänderung in seiner Position relativ zum Venti lsitz einstellt.The invention relates to valves for regulating fluid flows with an actuator made of electrically heatable, ge staltseri nne rndem material, which has a closure element against the back L l force of a spring according to a temperature-dependent change in length its position relative to the valve seat.
Aus der deutschen Zeitschrift Management Wissen 8/88, Seite 59 "Tech-Highlights" ist ein Druckluftventi L für Robotersteuerungen bekannt. Dieses Venti l zeichnet sich durch äußerst kleine Bauwe se, einfache Konstruktion und schnelle S c h a 11 i mpu l s e aus. Es ersetzt bisher verwendete elektromagnetische Venti le, die im Gegensatz dazu groß und teuer sind, wobei deren Magneten,oftmals eine Quel le von Störungen für Sensoren sowie für empfindliche mi kroelektroni sche Schaltungen .sind.A compressed air valve L for robot controls is known from the German magazine Management Wissen 8/88, page 59 "Tech-Highlights". This valve is characterized by an extremely small size, simple construction and fast switching 11 mpu l s e. It replaces previously used electromagnetic valves which, on the contrary, are large and expensive, their magnets being often a source of interference for sensors and for sensitive microelectronic circuits.
Die neuen, extrem kleinen Venti le verwenden Gedächtni smetalle als aktives Element . In die Molekülstruktur dieser Legierungen ist die Geomet rie einer Festkörperphase eingeprägt, so daß in Abhängigkeit von der Temperatur geometrische Änderungen stattfinden können. Das bekannte Druckluftventi l hat einen Gedächtnismetal lsti ft, der mit der Venti lspitze verbunden ist, die von einer Druckfeder in Verschlußposition gehalten wird. Der Gedächtnismetallstift ist in eine elektrische Schaltung integriert. Wenn kein Strom fließt, hält die Feder das Venti l versc lossen, wobei das Gedächtnismetall im Zustand der Niedrigtemperatur seine vergleichsweise längere geometrische Form behält. Wenn es mit Strom erhitzt wird, wandelt es sich in seine zweite Hochdrucktemperaturform um und wird kürzer. Dabei wird die Federkraft überwunden und das Venti l geöffnet.The new, extremely small valves use memory metals as an active element. In the molecular structure of these alloys, the geometry of a solid phase is impressed, so that geometric changes can take place depending on the temperature. The well-known compressed air valve has a memory metal lsti ft, which is connected to the valve tip, which is held in the closed position by a compression spring. The memory metal pen is integrated in an electrical circuit. When there is no current flowing, the spring keeps the valve closed, the memory metal keeping its comparatively longer geometric shape in the state of low temperature. When heated with electricity, it converts to its second high pressure temperature form and becomes shorter. The spring force is overcome and the valve opened.
Es .handelt sich bei der bekannten Ausführung des Venti ls um ein reines Steuerorgan mit bffnungs- bzw.The known version of the valve is a pure control element with opening or
Verschlußfunktion. Eine Regelung von Fluidströmen ist mit dem bekannten Venti l nicht durchführbar.Locking function. A regulation of fluid flows is not feasible with the known venti l.
Aus der EP-A1-0 391 018 ist ein Sensor für Meß- und Analysengeräte bekannt. Es handelt sich dabei um ein Sensorelement, bei welchem die zu messende Größe unmittelbar oder mittelbar Einfluß auf den -Zustand des Werkstoffes .des Sensorelementes ausübt. Das Sensorelement besteht aus einem gesta Itseri nnernden Werkstoff und ist derart beheizbar, daß seine Betriebstemperatur auf eine Temperatur im Bereich des strukturell!en Phasenüberganges seines Werkstoffes einstellbar ist. Kennzeichen der Funktion des bekannten Meß- und Analysengerätes ist, daß die Temperatur des Sensors mit Hi lfe eines regelbaren Heizstromes konstant gehalten wird, wobei die am Draht abschni tt anliegende Spannung, der Heizstrom oder die Heizleistung, als Meßgröße verwendet wird. Bei diesem bekannten Gerät hat die zu messende Größe Einfluß auf die Temperatur des im Bereich des Phasenst ruktu rübe rganges von der N i ede rt empe ratu rphase in die Hocht empe ra t u rpha se mit Hi lfe einer He i zst romrege Lung gehaltenen gest a 11 seri nnernden Werkstoffes, d.h. der Heizstrom wird einer Tempe raturänderung des Werkstoffs nachgeregelt.A sensor for measuring and analysis devices is known from EP-A1-0 391 018. It is a sensor element in which the size to be measured has a direct or indirect influence on the condition of the material of the sensor element. The sensor element is made of a material called Gesta Itseri and is heatable in such a way that its operating temperature can be adjusted to a temperature in the range of the structural phase transition of its material. Characteristic of the function of the known measuring and analysis device is that the temperature of the sensor is kept constant with the aid of a controllable heating current, the voltage applied to the wire, the heating current or the heating power, being used as a measured variable. In this known device, the size to be measured has an influence on the temperature of the transition in the area of the phase structure The low temperature eme phature phase into the high temperature phase with the help of a material that keeps the heat from the air, i.e. the heating current is adjusted to a change in temperature of the material.
Eine unmittelbare Regelung von Fluidströmen ist mit dem bekannten Meß- und Analysengerät nicht möglich, sondern bedürfte der Anordnung eines zusätzlichen e Lekt romechani sehen bzw. elektromagnetischen Rege Lungsorganes für den FLuidstrom, welches dann durch das bekannte Meß- und Ana Lysengerät angesteuert werden müßte. Eine derartige Anordnung ist aufwendig, störanfällig und somit unbefriedigend.A direct control of fluid flows is not possible with the known measuring and analysis device, but would require the arrangement of an additional e rect to see romechani or electromagnetic control lung organ for the fluid flow, which would then have to be controlled by the known measuring and ana lysis device. Such an arrangement is complex, prone to failure and therefore unsatisfactory.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Venti l zur Regelung von Fluidströmen mit einem Stellorgan aus elektrisch heizbarem gesta Ltseri nnernde Werkstoff der eingangs genannten Art anzugeben, welches für eine unmittelbare Regelung insbesondere im Sinne von Konstant ha Ltung eines vorgegebenen Zustandes eines hindurchgeleiteten Fluidstromes verwendbar und darüber hinaus unkompliziert im Aufbau und extrem klein st.The invention is therefore based on the object of specifying a valve for regulating fluid flows with an actuator made of electrically heatable gesta Ltseri material of the type mentioned, which can be used for direct control, in particular in the sense of constant maintenance of a predetermined state of a fluid flow passed through and moreover uncomplicated in construction and extremely small.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einem Venti l der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art mit der Erfindung dadurch, daß das Stellorgan ein auf eine Temperatur des gesta Itungseri nne rnden Werkstoffs SMA (SMA = Shape Memory Alloy) innerhalb des Phasenübergangsbereiches durch Konst ant st ro beheizter Faden und der den Faden umgebende Venti lkörper im Zusammenwir en mit diesem als eine in besonderer Weise auf Änderungen im Zustand eines hindurchgeleiteten Fluidstromes ansprechende Wärmeaustauschvorrichtung ausgebi ldet ist.The solution to the problem is achieved with a Venti l of the type mentioned in the preamble of claim 1 with the invention in that the actuator a temperature of the Gesta Itungseri nnen material SMA (SMA = Shape Memory Alloy) within the phase transition area by constant ant st ro heated thread and the valve body surrounding the thread in cooperation with it as one in a special way to changes in the state of a through the fluid flow responsive heat exchange device is trained.
Mit Vortei l eignet sich das Venti l zur un ittelbaren Regelung eines Fluidstromes, wobei dieser innerhalb eines vergleichsweise engen Gleichgewichtsbereiches seines Zustandes beispielsweise in einem konstanten Druckbereich, einem konstanten Flußbereich oder einem konstanten Gasgemischbereich oder auch in einem konstanten Temperaturbereich eingeregelt wird.With advantage, the valve is suitable for direct control of a fluid flow, which is regulated within a comparatively narrow equilibrium range of its state, for example in a constant pressure range, a constant flow range or a constant gas mixture range or also in a constant temperature range.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Venti l den SMA-Faden aufnehmende, die zu regelnden Fluid-Ströme leitende und dem W rmeaustausch zwischen dem SMA-Faden und den Fluid-Strömen dienende Kanäle bzw. Anschlüsse aufweist.One embodiment of the invention provides that the valve has channels or connections which receive the SMA thread, conduct the fluid streams to be regulated and serve to heat exchange between the SMA thread and the fluid streams.
Dem Venti l und seinen systematischen Venti lvarianten ist gemeinsam, daß die Kontraktion bzw. Elongation eines St e L Lorgans- aus gest a Lt se ri nnerndem Material zur Betätigung des Versch Lußmechani smus genutzt wird. Eine weitere Gemeinsamkeit in der Anordnung des Venti ls bzw. seiner Venti lvarianten ist dadurch gegeben, daß eine durch Änderung eines Fluidstroms verursachte Längenänderung seines Stellorgans im Bereich des Phasenüberganges eine unmittelbare Änderung des Leitwertes bzw. der Durchflußrate des Fluides durch das Ventil zur Folge hat, so daß dieser Leitwert eine monotone Funktion der temperaturbedingten Länge des Stellorgans ist. Für die Temperatur des Drahtes sind alle im Betrieb auftretenden Parameter verantwortlich, die auf die Wärmebilanz des Systems einen Einfluß ausüben können. Es sind dies beispielsweise: - Temperatur T des FluidsWhat the valve and its systematic valve variants have in common is that the contraction or elongation of a material made of steel is used to actuate the closing mechanism. Another common feature in the arrangement of the valve or its valve variants is that a change in the length of its actuator caused by a change in a fluid flow in the area of the phase transition results in an immediate change in the conductance or the flow rate of the fluid through the valve, so that this conductance is a monotonous function of the temperature-related length of the actuator. All parameters occurring during operation are responsible for the temperature of the wire, which can influence the heat balance of the system. For example: - temperature T of the fluid
- Wä meleitfähigkeit W des Fluids bzw. unterschiedlicher Fluidko ponenten- Thermal conductivity W of the fluid or different fluid components
- Du rchf Lußrat e q des Fluids- You flow rate e q of the fluid
- Druck p des Fluids- pressure p of the fluid
- elektronische, insbesondere konstante Heizleistung am Draht P- Electronic, in particular constant heating power on the wire P
Nimmt man die Umgebungs- (Wand) Temperatur des Ventils als konstant an, so ist die Leitfähigkeit des Ventils eine Funktion einer oder mehrerer dieser Größen.Assuming that the ambient (wall) temperature of the valve is constant, the conductivity of the valve is a function of one or more of these quantities.
L = f (T, W, q, p, P)L = f (T, W, q, p, P)
Durch die Betriebsweise oder konstruktive Maßnahmen wird die Einwirkung vorgenannter Größen auf den Dr.-aht je nach Bauweise des Ventils bei konstant gehaltener Heizleistung mittels Änderungen des Leitwertes unmittelbar durch das Prozeßmedium kompensiert. Beispielsweise kann durch eine spezielle Ausbildung des Ventils erreicht werden, daß zwar der Druck, nicht aber der durch das Ventil fließende Fluß mit dem Draht in Berührung kommt, und umgekehrt. Dabei kann die Bauweise so variieren, daß' der kontrahierende Faden entweder eine Schließung oder eine Öffnung des Ventils bewi rkt .Depending on the construction of the valve and the heating output kept constant, the process medium compensates for the effects of the above-mentioned variables directly through the process medium through the operating mode or constructive measures. For example, a special design of the valve can ensure that the pressure comes into contact with the wire, but not the flow flowing through the valve, and vice versa. The design can vary so that ' the contracting thread causes either a closure or an opening of the valve.
Im folgenden werden einige für praktische Anwendungen interessante Ausführung des Ventils angegeben. Beispielsweise kann dieses als Druckregelorgan ausgebildet sein und einen aus elektrisch nicht leitendem Material bestehenden Körper mit einer den SMA-Faden, die Feder sowie das Verschlußelement aufnehmenden Bohrung und mit einem den Venti lsitz mit einem Anschlußkanal sowie einen seitlich davon abzweigenden Nebenkanal aufnehmenden Kopftei l und einem geschlossenen Bodentei l aufweisen, wobei die Feder als Leiter für den Stromfluß zwischen dem vent i lse i t i gen Ende des SMA-Drahtes und dessen anderes Ende am Venti lboden jewei ls an eine Stromquelle angeschlossen sind.Some of the valve designs that are of interest for practical applications are given below. For example, this can be designed as a pressure control element and a body made of electrically non-conductive material with a bore receiving the SMA thread, the spring and the closure element and with a Have valve seat with a connecting channel and a side channel branching side receiving head and a closed bottom part l, the spring as a conductor for the current flow between the vent i lse iti gene end of the SMA wire and the other end thereof on the valve bottom are connected to a power source.
Bei dieser Bauart ist der den Faden umgebende Gasdruck bei geöffnetem Venti l gleich dem Druck des. vom Nebenkanal durch den Ansch lußkana L strömenden Fluids. Der Gasfluß kann das Venti l passieren, ohne den SMA-Draht wesentlich zu beeinflussen. In Druckbereichen, in denen die Wärmeleitung druckabhängig ist, zeigt das Venti l Rege Lve rha 11 en . Bei sinkendem Druck nimmt die Fadentemperatur zu, der Faden kontrahiert und öffnet das Venti l. Steigt der Druck, wird umgekehrt der Gaszufluß gedrosselt. Es stellt s-ich für eine konstante elektrische Heizleistung ein G le i ch.gew i c ht sd ruc k ein, der in gewissen Grenzen konstant gehalten wird.In this type of construction, the gas pressure surrounding the thread when the valve is open is equal to the pressure of the fluid flowing from the secondary duct through the connecting duct L. The gas flow can pass through the valve without significantly influencing the SMA wire. In pressure areas in which the heat conduction is pressure-dependent, the valve shows control valve 11. As the pressure drops, the thread temperature increases, the thread contracts and opens the valve. Conversely, if the pressure increases, the gas flow is throttled. It equates to a constant electrical heating output . increased pressure, which is kept constant within certain limits.
Eine andere Ausgestaltung sieht vor, daß das Ventil als DurchflußregeLorgan ausgebildet ist und einen Einströmkanal im Bodentei l sowie einen Ausströmkanal im Kopftei l aufweist. Bei dieser Konstruktion strömt der Gasfluß entlang dem SMA-Draht und transport.-i-ert Wärme ab. In geeigneten Flußbereichen ist die abgeführte Wärme eine Funktion des Flusses. Bei eingeprägter konstanter elektrischer Leistung, welche die raht tempe ratu r bei einem vorgegebenen konstanten Fluß des Fluids an der Phasenübergangsgrenze hält, wird eine Funktion verwirklicht, bei welcher zunehmender Fluß die Fadentemperatur senkt, wobei der Faden sich verlängert und der Leitwert des Venti ls verringert wird. Abnehmender Fluß bewirkt das Gegentei l. Auf diese Weise strebt der Fluß des durchströmenden Fluids einem Gleichgewichtszustand zu, welcher innerhalb enger Grenzen konstant gehalten wird. Der sich einstellende Fluß ist dabei ungefähr proportional der eingespeisten Spannung bzw. Heizleistung. Deshalb eignet sich dieser Venti ltyp als Stellglied in elektronischen Regelkreisen zur D ruc krege Lung von Gasen. Im Gegensatz hierzu sind nach dem Stand der Technik hergestellte Proport i ona Ivent i Le für den Gasfluß problematisch, äußerst aufwendig und störanf llig.Another embodiment provides that the valve is designed as a flow control member and has an inflow channel in the bottom part 1 and an outflow channel in the top part 1. With this construction, the gas flow flows along the SMA wire and transports heat away. In suitable river areas, the heat dissipated is a function of the flow. With an impressed constant electrical power, which keeps the wire temperature at a predetermined constant flow of the fluid at the phase transition limit, a function is realized in which increasing flow lowers the thread temperature, the thread lengthening and the conductance of the valve being reduced . Decreasing river causes the opposite l. In this way, the flow of the flowing fluid tends to a state of equilibrium, which is kept constant within narrow limits. The resulting flow is approximately proportional to the voltage or heating power fed in. That is why this type of valve is suitable as an actuator in electronic control loops for the pruning of gases. In contrast, Proportion on Ivent i Le manufactured according to the prior art are problematic, extremely complex and prone to failure for the gas flow.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß dasAnother embodiment of the invention provides that
Venti l als Gemi sehrege Lorgan ausgebildet ist und derVenti l is formed as a Lorgan, and the
Kopftei l den Venti lsitz mit einem Einlaßkanal für eineHead part of the valve seat with an inlet channel for one
Gas komponente mit vergleichsweise hoher Wärmeleitfähigkeit und einen Nebenkanal für den Gemischeinlaß, s-ow-ie derGas component with a comparatively high thermal conductivity and a secondary channel for the mixture inlet, s-ow-ie the
Bodentei l einen Auslaßkanal für das konstant geregelteBodentei l an outlet channel for the constantly regulated
Gemisch aufweist. Dieser Venti Ltyp verwendet als physikalische Grundlage das Wärmeleitvermögen unterschiedlicher Gasarten. Verschieben sich inMixture. This type of valve uses the thermal conductivity of different types of gas as the physical basis. Moving in
Gasgemischen die Konzentrationen, so hat das im allgemeinen eine Änderung der Wärmeleitfähigkeit zur Folge. Wenn nun bei geschlossenem Venti l ein Gasist rom vom Nebenkanal imGas mixtures the concentrations, this generally results in a change in the thermal conductivity. If, when the valve is closed, a gas current from the secondary duct in the
Venti lkopf zum Auslaßkanal im Bodentei l fließt, so steht die Heizleistung des SMA-Drahtes bei einem vorgegebenen konstanten Fluß mit vorgegebenen Gemi sehkonzent rat i onen derIf the valve head flows to the outlet duct in the bottom part, the heating power of the SMA wire is at a predetermined constant flow with predetermined mixture concentrations
Gas omponent en im Gleichgewicht. Dabei liegt dieGas components in equilibrium. Here lies the
Gaskomponente mit der höheren Wärmeleitfähgikeit am zunächst geschlossenen Einlaßkanal des Kopftei les an. Wenn diese Komponente im Gemisch verarmt ist, nimmt dieGas component with the higher thermal conductivity at the initially closed inlet duct of the head part. If this component is depleted in the mixture, the
Wärmeleitfähigkeit ab, der Draht erhöht seine Temperatur und verkürzt sich, so daß das Ventil öffnet und die Komponente mit der höheren Wärmeleitfähigkeit zusätzlich angereichert wird. Auf diese Weise ergibt sich ein Gleichgewichtszustand der Gern i seh konzent rat i on innerhalb vergleichsweise enger Grenzen.Thermal conductivity decreases, the wire increases its temperature and shortens, so that the valve opens and the Component with the higher thermal conductivity is additionally enriched. In this way, the equilibrium of the concentration is within relatively narrow limits.
Eine weitere vortei lhafte Venti lvariante ist als Schutzventi l für Gas lecksuche r, insbesondere für He li um Lecksucher ausgebi ldet. Es besitzt einen Einströmkanal im Bodentei l, einen Ansc.hlußkanal zum Lecksucher im Kopftei l sowie eine Bypassöffnung im Nebenschluß zum Venti lsitz am kopfseitigen Ende des Vent i L körpers . Beim Schnüffe Lbet ri eb können hohe Heliumkonzentrationen zu einer Verseuchung des Lecksuchers führen. Meist wird das verantwortliche Grobleck erst dann erkannt, wenn der Gasstrom mit der hohenAnother advantageous valve variant is designed as a protective valve for gas leak detectors, in particular for helium leak detectors. It has an inflow channel in the bottom part l, a connection channel to the leak detector in the head part l and a bypass opening in the bypass to the valve seat at the head end of the valve body. With the sniff Lbet ri eb, high helium concentrations can contaminate the leak detector. Usually the responsible gross leak is only recognized when the gas flow with the high
Heliumkonzentration die Apparatur bereits pas.siert hat. Die Folge sind Unempfi nd l i chke t und lange Erho Lungszei ten . In einem solchen Falle schaltet das Schutzventi l den Gasstrom ab. Die Heizleistung ist so eingestellt, daß bei geringen Konzentrationen das Ventil geöffnet ist. Tritt nun ein mit Helium angereicherter Gasstrom durch den Einströmkanal im Bodentei l ein, so wird infolge höherer Konzentration von Helium im Gasstrom der SMA-Dra'ht, infolge vergrößerter Wärmeleitfähigkeit des Gases abgekühlt, Längt sich und schließt das Venti l. Der Gasstrom kann dann nur noch über die Bypassöffnung entweichen. Sobald dieThe apparatus has already passed helium concentration. The result is insensitivity and long recovery times. In such a case, the protection valve switches off the gas flow. The heating power is set so that the valve is open at low concentrations. If a gas stream enriched with helium now enters through the inflow channel in the bottom part l, the SMA wire is cooled due to the higher concentration of helium in the gas stream, and cooled due to the increased thermal conductivity of the gas, lengthens and closes the valve l. The gas flow can then only escape through the bypass opening. As soon as the
Heliumkonzentration abgenommen hat, bewegt sich das Venti l wieder in den Ausgangszustand, d.h. es öffnet.If the helium concentration has decreased, the valve moves back to the initial state, i.e. it opens.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß das Venti l beispielsweise als Sehwe L Iwertscha Iter ausgebildet ist, mit einem mittig unterteilten Vent i Lkö rper, einem Gaseinlaßkanal im Bodentei l und einer ersten, das Verschlußelement führend aufnehmenden, mit einem Venti lsitz in eine Zwischenwand verschließbaren Bohrung, woran sich im Venti lkörper eine zweite Bohrung anschließt, die den mit der Spitze des Ve rse Luße lement es fest verbundenen SMA-Faden aufnimmt, der auslaßseitig an dem einen Auslaßkanal aufweisenden Kopftei l befestigt ist. Hierbei handelt es sich um ein Schaltventi l, welches nach Auslösung in seinem Zustand verharrt und von außen zurückgesetzt werden muß. Wenn ein Gasstrom das Venti l vom Bodentei l zum Kopftei l passiert, wird beim Unterschreiten eines bestimmten SchweLlwertes beim Fluß der Gasstrom ganz abgeschaltet, wodurch die Drahttemperatur weiter steigt und das Venti l in der geschlossenen Stellung verharrt.A further embodiment provides that the valve is designed, for example, as a visual filter, with a central valve body, one Gas inlet channel in the bottom part l and a first, the closure element guiding, with a valve seat in an intermediate wall closable hole, which is followed by a second hole in the valve body, which receives the SMA thread firmly connected to the tip of the valve , which is fastened on the outlet side to the head part 1 having an outlet channel. This is a Schaltventi l, which remains in its state after tripping and must be reset from the outside. If a gas flow passes the valve from the bottom part to the head part, the gas flow is completely switched off when the flow falls below a certain threshold, as a result of which the wire temperature rises further and the valve remains in the closed position.
Eine vortei lhafte Ausgestaltung des Venti ls bei der als Durchf Lußrege lorgan ausgebi ldeten Variante besteht ferner darin, daß zur Führung des FLuidstroms unter Erhöhung einer den Wärmeau-stausch intensivierenden Flußdichte derAn advantageous embodiment of the valve in the variant embodied as a through-flow regulator also consists in that for guiding the fluid flow while increasing a flow density which intensifies the heat exchange
II.
F Lu i dst römung ein den SMA-Draht umgebendes, vergleichsweise enges, sich zwischen dem Einlaßkanal im Bodentei l und dem Venti lsitz erstreckendes Kerami kröhrchen angeordnet ist.For air flow, a comparatively narrow ceramic tube surrounding the SMA wire and extending between the inlet channel in the base part and the valve seat is arranged.
Die Erfindung wird in schematischen.-Zeichnungen in bevorzugten Aus füh rungs fo rmen gezeigt, wobei aus den Zeichnungen weitere vortei lhafte Einzelheiten und Merkmale der Erfindung entnehmbar sind.The invention is shown in schematic. Drawings in preferred embodiments, further advantageous details and features of the invention being apparent from the drawings.
Es ze i gen :Show it :
Fig. 1 ein Schema eines Vent i Laufbaues zur Konstant rege Lung des Druckes gasförmiger Medien,Fig. 1 is a diagram of a Vent i barrel structure for constant active lung pressure of the gaseous Media,
Fig. 2 ein Schaltbi ld des Venti laufbaues gemäß Fig. 1 ,2 a Schaltbi ld of the Venti running construction according to FIG. 1,
Fig. 3 ein Schema des Venti laufbaues für konstante Durchf lußrege Lung eines Gasstromes,3 is a schematic of the venti structure for constant flow regulation of a gas flow,
Fig. 4 ein Schaltbi ld des Venti laufbaues nach Fig. 3,4 is a Schaltbi ld of the Venti Laufbaues of FIG. 3,
Fig. 5 ein Schema eines Ventilaufbaues für konstante Gern i seh rege Lung von Gasen,5 shows a diagram of a valve structure for constant air flow of gases,
Fig. 6 ein Schaltbi ld des Venti laufbaues nach Fig. 5,6 is a Schaltbi ld of the Venti Laufbaues of FIG. 5,
Fig. 7 ein Schema des Vent i Laufbaues in der Funktion eines Schutzventi ls für Heliumlec'ksücher,Fig. 7 is a diagram of Vent i Laufbaues in the function of a Schutzventi ls for Heliumlec 'ksücher,
Fig. 8 ein Schema des Venti laufbaues in der Funktion eines Sehwe L Iwertscha Lters ,8 is a diagram of the Venti Laufbaues in the function of a Sehwe L Iwertscha Lters,
Fig. 9 im Schnitt ein Ventil für konstante FLußregelung nach Fig. 3 und 4 mit einem den SMA-Draht umgebenden, Keramikröhrchen,9 shows in section a valve for constant flow control according to FIGS. 3 and 4 with a ceramic tube surrounding the SMA wire,
Die in den Figuren rein schematisch gezeigten Vent i L aufbauva ri anten weisen als übereinstimmende bzw. ähnliche Merkmale in der Bauart einen Venti lkörper (20) aus elektrisch nicht leitendem Material mit einem den Venti lsitz (22) aufweisenden Kopftei l (25) und einem Bodentei l (26) auf. Der Ventilkörper (20) nimmt in einer Bohrung (24) das Ve rsch Luße lement (21 ) mit dem Stellorgan (1 ) aus elektrisch heizbarem gest a Lt se r i nne rnde Werkstoff in Form des SMA-Fadens sowie die Rückstellfeder (23) auf.The Vent i L superstructure variants shown purely schematically in the figures have, as matching or similar features in construction, a valve body (20) made of electrically non-conductive material with a head part (25) having the valve seat (22) and one Soil part (26). The valve body (20) takes in a bore (24) the Versch Luße element (21) with the actuator (1) made of electrically heatable sta Lt se ri nne rende material in the form of the SMA thread and the return spring (23).
Wenn auch den im folgenden beschriebenen Venti lvarianten gemeinsam ist, daß die Kontraktion bzw. ELongation des Drahtes (1 ) aus gestaltserinnerndem Material zur Betätigung des Ve rs c h luße L e entes (21 ) genutzt wird, wo können prinzipiell anstelle des Drahtes (1 ) auch andere geometrische Formen mit Formänderungen durch Biegung oder Torsion genutzt werden. Wegen der Einfachheit der Konstruktion sowie der Anschaulichkeit der Funktion wird das Drahtprinzip bevorzugt und als Beispiel gezeigt. Ebenso als reines Aus füh rungsbe i spi e L und nicht als Einschränkung ist die Verwendung eines Kegel- oder Nadelventi lkörpers als Ve rsch L uße lement (21) zu verstehen. Auch hier sind grundsätzlich andere Venti ltypen einsetzbar. Die Anordnung des Antriebes ist grundsätzlich so gewählt, daß- eine Längenänderung des als Stellorgan verwendeten SMA-Drahtes (1) im Bereich des Phasenüberganges eine Änderung des Leitwertes .und damit des Fluid-Durchlasses im Venti lsitz (22) zur Folge hat, so daß der Leitwert eine monotone Funktion der Länge des StelLorgans ist.Even if the valve variants described below have in common that the contraction or elongation of the wire (1) made of material reminiscent of the shape is used to actuate the closure element (21), where in principle instead of the wire (1) other geometric shapes with changes in shape due to bending or torsion can also be used. Because of the simplicity of the construction and the clarity of the function, the wire principle is preferred and shown as an example. The use of a cone or needle valve body as a locking element (21) is also to be understood as a pure embodiment example and not as a limitation. Basically, other types of valves can also be used here. The arrangement of the drive is fundamentally chosen so that a change in length of the SMA wire (1) used as an actuator in the area of the phase transition results in a change in the conductance and thus the fluid passage in the valve seat (22), so that the master value is a monotonous function of the length of the actuator.
Durch den grundsätzlichen Aufbau) des Venti ls in Form einer in besonderer Weise auf Änderung im.. Zustand des hindurchgeleiteten Fluidstromes ansprechende Wärmeaustauschvorrichtung wird erreicht, daß die jewei lige Länge des Drahtes (1) als Funktion der Fadentemperatur bei konstant gehaltener Heizleistung von unterschiedlichen physikalischen Parametern des Fluidstromes beeinflußt wird Für die Temperatur des Drahtes (1) sind daher alle im Betrieb auftretenden Parameter verantwortlich, die auf die Wärmebi lanz des Systems Einfluß haben wie Temperatur, Wärmeleitfähigkeit, Durchflußrate, Druck und Gemischart der Gase .Due to the basic structure) of the valve in the form of a heat exchange device which responds in a special way to a change in the state of the fluid flow being passed through, it is achieved that the respective length of the wire (1) as a function of the thread temperature with a constant heating power of different physical parameters of the fluid flow is therefore responsible for the temperature of the wire (1) all parameters that occur during operation, which have an influence on the thermal balance of the system such as temperature, Thermal conductivity, flow rate, pressure and mixture type of the gases.
Figur 1 zeigt eine Anordnung für einen Druckkonstanter. Der den SMA-Faden umgebende Gasdruck ist gleich dem am Anschluß A des Nebenkanals (28), wei l dieser mit der Bohrung (24) des Venti lkörpers (20) in Verbindung steht. Bei geöffnetem Ve rsch Luße lement (21) im Hochtemperaturzustand des SMA-Fadens (1 ) kann ein Gasfluß zwischen dem Nebenkanal (28) und dem Anschlußkanal (B, 27) im Kopftei l (25) des Venti ls fließen. In Druckbereichen, im welchen die Wärmeleitung druckabhängig ist, zeigt das Venti l Rege l e rha l ten . Bei sinkendem Druck nimmt die Temperatur des Fadens (1) zu, der Faden (1) kontrahiert und öffnet das Venti l (21, 22) . Steigt der Druck, wird umgekehrt der Gaszufluß gedrosselt. Es stellt sich also für eine feste - elektrische Heizleistung ein Gleichgewichtsdruck ein, der in vergleichsweise engen Grenzen konstant gehalten wird. Der Venti laufbau nach Fig. 1 weist einen geschlossenen Bodentei l (26) auf, wobei die Feder (23) als Leiter für den Stromfluß zwischen dem vent i Lsei t i gen Ende des SMA-Drahtes (1) und dessen anderes Ende am Ventilboden (26) jeweils an eine Stromquelle (2) über die 'St.romanschlüsse (3 und 4) angeschlossen ist.Figure 1 shows an arrangement for a pressure constant. The gas pressure surrounding the SMA thread is equal to that at connection A of the secondary duct (28), since it is connected to the bore (24) of the valve body (20). When the Ver rsch Luße element (21) in the high temperature state of the SMA thread (1), a gas flow can flow between the secondary duct (28) and the connecting duct (B, 27) in the head part (25) of the valve. In pressure areas in which the heat conduction is pressure-dependent, the valve shows regu lation. When the pressure drops, the temperature of the thread (1) increases, the thread (1) contracts and opens the valve (21, 22). Conversely, if the pressure increases, the gas flow is throttled. An equilibrium pressure is established for a fixed electrical heating output, which is kept constant within comparatively narrow limits. 1 has a closed bottom part l (26), the spring (23) as a conductor for the current flow between the vent i Lsei ti gene end of the SMA wire (1) and its other end on the valve bottom ( 26) is each connected to a power source (2) via the 'St. Rome connections (3 and 4).
In der Figur 2 ist das Schaltbi ld des Vent i l aufbaues nach Figur 1 dargestellt. Das Schaltbild zeigt die Anordnung einer Feinvakuum-Apparatur mit einem GasfLuß von B nach A und zur Vakuumpumpe (10) über den Vakuumbehälter (11 ) sowie den Venti lkörper (20) mit dem im Nebenschluß zur Fluidströmung angeordneten Stellorgan in Form des SMA-Fadens (1 ) . Dieser ist über die Stromanschlüsse (3,4) an die Stromquelle (2) angeschlossen. Diese ist als regelbare Stromquelle (2) dargestellt, wird jedoch für einen konstant zu haltenden Druck konstant eingeregelt.FIG. 2 shows the circuit diagram of the valve assembly according to FIG. 1. The circuit diagram shows the arrangement of a fine vacuum apparatus with a gas flow from B to A and to the vacuum pump (10) via the vacuum container (11) and the valve body (20) with the actuator arranged in the bypass to the fluid flow in the form of the SMA thread ( 1 ) . This is via the power connections (3,4) connected to the power source (2). This is shown as a controllable current source (2), but is constantly regulated for a pressure to be kept constant.
Der Venti laufbau nach Figur 3 zeigt ein System zur konstanten Flußregelung. Bei dieser Konstruktion passiert der Gasfluß den SMA-Draht (1) und transportiert Wärme ab. In geeigneten F Lußberei chen ist somit die abgeführte Wärme eine Funktion des Flusses. Bei eingeprägter elektrischer Leistung entsprechend einer Drahttemperatur im Bereich des Phasenüberganges senkt zunehmender FLuß die F adent empe rat ur, während abnehmender Fluß das Gegentei l bewirkt. Hierbei strebt der FLuß einem Gleichgewicht zu. Das Venti l hat am Bodentei l (26) einen Einströmkanal (30) mit der Bezeichnung B und im Kopftei l (25) einen AusLaßkanaL (29) mit der Bezeichnung A. Die e ektrischen Anschlüsse und Bezeichnungen sind im übrigen gleich denjenigen in Fig. 1.The Venti Laufbau according to Figure 3 shows a system for constant flow control. With this construction, the gas flow passes the SMA wire (1) and transports heat away. In suitable F flow areas, the heat dissipated is a function of the flow. With impressed electrical power corresponding to a wire temperature in the area of the phase transition, increasing flow lowers the fadent empe rat ur, while decreasing flow causes the opposite. Here the river strives for a balance. The valve has on the bottom part (26) an inflow channel (30) with the designation B and in the head part (25) an outlet channel (29) with the designation A. The electrical connections and designations are otherwise the same as those in Fig. 1.
In der Figur 4 ist das Schaltbild des Flußregelungsventi ls nach Fig. 3- gezeigt, wobei ebenfalls gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind. Vom Venti lator (9) wi rd ein FLuidstrom von B entlang des beheizten SMA-Fadens (1 ) über das Venti l zum Auslaßkanal A gefördert. Bei Änderung des Flusses ändert sich wie vor beschrieben die Temperatur des SMA-Fadens (1) bei dessen konstanter Beheizung durch die Stromquelle (2) wobei das Versch Lußorgan (21) entsprechend reagiert.The circuit diagram of the flow control valve according to FIG. 3 is shown in FIG. 4, the same elements also being identified with the same reference numbers. A fluid flow from B along the heated SMA thread (1) is conveyed from the fan (9) via the valve to the outlet duct A. When the flow changes, the temperature of the SMA thread (1) changes as described above when it is constantly heated by the current source (2), the closure element (21) reacting accordingly.
In der Figur 5 ist ein als Gemi seh rege Lorgan ausgebi ldetes Venti l dargestellt. Es weist das Venti l (20) mit dem Versch luße Lement (21), dem Stellorgan des SMA-Drahtes (1 ) und der Rückstellfeder (23) auf. Das zu regelnde Gemisch aus wenigstens zwei Komponenten tritt durch den mit A bezeichneten Einlaßkanal (33) im Kopftei l (25) in das Venti l ein, strömt am SMA-Faden (1) entlang und verläßt das Venti l durch den bodensei t i gen Auslaßkanal (34) mit der Bezeichnung C. Eine zunächst vom Vent i Lve rsch Lußkö rpe r (21 ) gesperrte Gas komponente mit höherem Wärmeleitvermögen steht am Einströmkanal (32) mit der Bezeichnung B an. Das Gas Le i tve rmögen ist gasa rt abhängi g . Verschieben sich im Gasgemisch die Konzentrationen der Komponenten, so hat das bei konstantem Fluß eine Änderung der Wärmeleitfähigkeit zur Folge. Diesen Effekt nützt die gezeigteFIG. 5 shows a valve designed as a lively mixture. It has the valve (20) with the closure element (21), the actuator of the SMA wire (1) and the return spring (23). The mixture to be controlled, consisting of at least two components, enters the valve through the inlet channel (A) in the head part (25), flows along the SMA thread (1) and leaves the valve through the outlet channel at the bottom (34) with the designation C. A gas component with a higher thermal conductivity, initially blocked by the Vent i Lve rsch Luß body (21), is present at the inflow channel (32) with the designation B. The gas capacity is gas dependent. If the concentrations of the components shift in the gas mixture, this leads to a change in the thermal conductivity with a constant flow. The one shown uses this effect
Vent i L konst rukt i on aus. Durch den Anschluß A fließt ständig ein beispielsweise binäres Gasgemisch zum Ausgang C. Wenn die Komponente mit der höheren Wärmeleitfähigkeit im Gemisch verarmt wird, nimmt die Leitfähigkeit ab, der SMA-Draht (1 ) erhöht seine Temperatur und verkürzt sich, das Verschlußelement (21 ) hebt sich vom Venti lsitz (22) ab, wodurch ein Strömungsquerschnitt des Einströmkanals (32) für die Komponente mit der höheren Wärmeleitfähigkeit geöffnet wird und das Gemisch wieder auf konstante Gemischkonzentrationen eingeregelt wird.Vent i L con struct i on. A binary gas mixture, for example, constantly flows through the connection A to the output C. If the component with the higher thermal conductivity in the mixture is depleted, the conductivity decreases, the SMA wire (1) increases its temperature and shortens, the closure element (21) stands out from the valve seat (22), whereby a flow cross-section of the inflow channel (32) is opened for the component with the higher thermal conductivity and the mixture is adjusted again to constant mixture concentrations.
Hierzu zeigt die Figur 6 ein Schaltbi ld. Durch das Gebläse (8) wird ein z. B. binäres Fluidgemisch über den Einlaßkanal (33) mit der Bezeichnung A durch den Venti lkörper (30) hindurch zum Auslaßkanal (34) mit der Bezeichnung C gefördert. Das Gebläse (7) fördert im Falle einer Öffnung des Ventils die Komponente mit der höheren Wärmeleitfähigkeit durch den Einlaßkanal (32) mit der Bezeichnung B in der vorbeschriebenen Weise zur Anreicherung der Mischung des F lu i d-Gemi sehst ro es . Weitere Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.For this purpose, Figure 6 shows a Schaltbi ld. By the fan (8) a z. B. binary fluid mixture via the inlet channel (33) labeled A through the Venti lkörper (30) through to the outlet channel (34) with the label C. The blower (7) promotes the component with the higher thermal conductivity through the inlet channel (32) with the designation B in the manner described above for enriching the mixture of the fluid mixture when it opens the valve. Further elements are identified by the same reference symbols.
Die Figur 7 zeigt ein Venti l in der Ausführung als Schutzventi l für Gaslecksucher, insbesondere für He l i um Lee ksuche r . Am Bodenteil (26) befindet sich der Einströmungskanal (30), .welcher durch eine Leitung mit einer Schnüffelspitze verbunden ist. Der Ein'laßkanal (30) trägt die Bezeichnung D. Am Kopftei l (25) befindet sich der Auslaßkanal (29) mit Anschluß an einen Lecksucher. Der Auslaßkanal (29) trägt die Bezeichnung E. Weiter befindet sich unmittelbar neben dem Kopftei l (25) eine Bypassöffnung (35) . Für eine bestimmte Heliumkonzentration und Flußrate des Lecksuchers ergibt sich ein Gleichgewicht zwischen der induzierten Heizleistung des SMA-Drahtes (1) und der Wärmeabfuhr durch den Lecksucherstrom mit der geringen Heliumkonzentration. Dabei ist das Venti l geöffnet. Wenn ein mit Helium stärker angereicherter FLuidstrom bei D eintritt, wi rd vom SMA-Draht (1) mehr Wärme abgeführt undFIG. 7 shows a valve designed as a protective valve for gas leak detectors, in particular for He li um Lee ksuche r. The inflow channel (30), which is connected by a line to a sniffer tip, is located on the bottom part (26). The A 'laßkanal (30) is called D. On Kopftei l (25), the outlet channel (29) is located with a connection to a leak detector. The outlet channel (29) bears the designation E. Furthermore, there is a bypass opening (35) immediately next to the head part (25). For a specific helium concentration and flow rate of the leak detector, there is a balance between the induced heating power of the SMA wire (1) and the heat dissipation by the leak detector current with the low helium concentration. The valve is open. If a fluid stream enriched with helium occurs at D, more heat is removed from the SMA wire (1) and
I * dieser nimmt seine verlängerte geometrische Form an. Dadurch verschließt das Verschlußelement (21 ) den Venti lsitz (22) und der Gasstrom kann nun nur noch über die Bypassöffnung (35) entweichen.I * this takes on its elongated geometric shape. As a result, the closure element (21) closes the valve seat (22) and the gas flow can now only escape via the bypass opening (35).
Das Venti l kann alternativ auch als Sehwe l Iwe rt scha Lt e r für Druck oder Fluß ausgebi ldet sein. Einen solchen Schalter, der nach Auslösung in seinem Zustand verharrt und von außen zurückgesetzt werden muß, zeigt die Figur 8. Das Venti l ist mit einem mittig untertei lten Venti lkörper (20) ausgebi ldet, mit einem Gaseinlaßkanal (30) im Bodentei l (26) sowie mit einem Auslaßkanal (29) am Kopftei l (25) . An den Gaseinlaßkanal (30) mit der Bezeichnung F schließt sich eine erste, das Gasverschlußelement (21) führend aufnehmende, mit einem Venti lsitz (22) in einer Zwischenwand (19) verschließbare Bohrung (24) an. Weiterhin weist das Venti l eine in Flußrichtung zweite Bohrung (18) auf, die den mit der Spitze (17) des Verschlußelementes (21 ) fest verbundenen SMA-Faden (1) als Stellorgan des Venti ls aufnimmt. Dieser ist auslaßseitig im Kopftei l (25) befestigt. Die Beheizung des SMA-Drahtes erfolgt über die Stromanschlüsse (3, 4) durch die Stromquelle (2) . Während der Funktion passiert ein Fluidstrom das schematisch dargestellte Venti l von F nach G. Unterschreitet der Fluß einen bestimmten Schwellwert, dann wird der Gasstrom abgeschaltet und damit der Wärmeabtransport durch den Gasstrom unterbrochen. Dadurch steigt die Drahttemperatur weiter an und das Venti l verharrt in dieser Stellung.The valve can alternatively also be configured as a visual switch for pressure or flow. FIG. 8 shows such a switch, which has to remain in its state after tripping and must be reset from the outside. The valve is designed with a valve body (20) divided in the middle, with a gas inlet channel (30) in the bottom part ( 26) and with an outlet channel (29) on the head part l (25). At the gas inlet duct (30) with the designation F closes a first, the gas closure element (21) guiding, with a valve seat (22) in an intermediate wall (19) closable bore (24). Furthermore, the valve l has a second bore (18) in the flow direction, which receives the SMA thread (1), which is firmly connected to the tip (17) of the closure element (21), as the actuator of the valve. This is fixed on the outlet side in the head part l (25). The SMA wire is heated via the power connections (3, 4) by the power source (2). During the function, a fluid flow passes through the schematically illustrated valve from F to G. If the flow falls below a certain threshold value, the gas flow is switched off and the heat removal by the gas flow is thus interrupted. As a result, the wire temperature continues to rise and the valve remains in this position.
Entsprechend einer Darstellung in der Figur 9 kann ein besonders intensiver Wärmeaustausch zwischen dem Fluidstrom und dem SMA-Faden (1) durch eine Ausgestaltung des Venti lsAccording to a representation in FIG. 9, a particularly intensive heat exchange between the fluid flow and the SMA thread (1) can be achieved by designing the valve
I mit einem F lußlei t röhrchen (16) herbeigeführt werden. Bei dieser Anordnung wird das thermische Gleichgewicht des Wä r eaust auschs zwischen dem konstant beheizten SMA-Faden (1) und dem durchströmenden Fluidstrom durch die Abhängigkeit zwischen der Geschwindigkeit des Fluidstromes und dem dadurch verursachten mehr oder weniger schnellen Wärmetransport bestimmt. Infolge der durch das Kerami kröh rchen (16) in unmittelbarer Nähe des SMA-Fadens (1 ) gebündelten Strömung ist dieses Gleichgewicht und damit die Funktion des Venti ls außerordentlich sensibel.I can be brought about with a flow guide tube (16). With this arrangement, the thermal equilibrium of the heat exchange between the constantly heated SMA thread (1) and the flowing fluid flow is determined by the dependence between the speed of the fluid flow and the more or less rapid heat transport caused thereby. As a result of the flow bundled by the kerami tube (16) in the immediate vicinity of the SMA thread (1), this balance and thus the function of the valve is extremely sensitive.
Die vorbeschriebenen Venti ltypen haben gegenüber konventionellen Venti ltypen eine Reihe von Vortei len. Es s i n d d i e sThe valve types described above have a number of advantages over conventional valve types. It are this
- einfache, vergleichsweise preisgünstige Konstruktion- Simple, comparatively inexpensive construction
- kleine Bauformen- small designs
- spezielle Charakteristiken, dadurch vereinfachte App l i kat i onen- Special characteristics, thus simplified appli cations
- Betrieb mit Spannungen unter 0,5 V und Strömen unter 0,5 A möglich, dadurch einsetzbar in Exbereichen- Operation with voltages below 0.5 V and currents below 0.5 A possible, therefore usable in hazardous areas
- Vermeidung von Störungen für Sensoren und empfindliche mikroelektronische Schaltungen infolge Wegfall von Magneten und deren Magnetfeldern. - Avoidance of interference for sensors and sensitive microelectronic circuits due to the elimination of magnets and their magnetic fields.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Ventil zur Regelung von Fluidströmen mit einem Stellorgan aus .elektrisch heizbarem gestaltserinnerndem Werkstoff, welches ein Verschlußelement gegen die Rüc kst e L l kraft einer Feder nach Maßgabe einer temperaturbedingten Längenänderung in seiner Position relativ zum Ventilsitz einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellorgan ein auf eine Temperatur des gesta lt se r i nne rnden Werkstoffs (SMA) innerhalb des Phasenübergangsbereiches durch K-onstantstrom beheizter Faden (1) und der den Faden (1) umgebende Ventilkörper (20) im Zusammenwirken mit diesem als eine in besonderer Weise auf Änderungen im Zustand eines hindurchgeleiteten Fluidstromes ansprechende Wä rmeaustausch o rri cht ung ausgebi ldet ist.1. Valve for regulating fluid flows with an actuator made of .electrically heatable shape-remembering material, which adjusts a closure element against the back e L l by force of a spring in accordance with a temperature-related change in length in its position relative to the valve seat, characterized in that the actuator to a temperature of the stacked material (SMA) within the phase transition area by constant current heated thread (1) and the valve body (20) surrounding the thread (1) in cooperation with this as a particular way to changes in Appealing heat exchange is formed in the state of a fluid flow passed through.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine den SMA-Faden (1) aufnehmende, die zu< egelnden Fluid-Ströme leitende und dem Wärmeaustausch zwischen dem SMA-Faden (1) und den Fluid-Strömen dienende Bohrung (24) so ie Kanäle (27) bzw. Anschlüsse (28 - 30; 32 - 35) aufweist.2. Valve according to claim 1, characterized in that there is a SMA thread (1) receiving, the <to regulating fluid streams conductive and the heat exchange between the SMA thread (1) and the fluid streams serving bore (24 ) so he has channels (27) or connections (28 - 30; 32 - 35).
3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als Druckregelorgan ausgebildet ist und einen aus elektrisch nicht leitendem Material bestehenden Körper (20) mit einer den SMA-Faden (1)/ die Feder (23) sowie das Verschlußelement (21) aufnehmenden Bohrung (24) und mit einem den Venti lsitz (22) mit einem Anschlußkanal (27) sowie einen seitlich davon abzweigenden Nebenkanal (28) aufnehmenden Kopftei L (25) und einem geschlossenen Bodentei l (26) aufweist, wobei die Feder (23) als Leiter für den Stromfluß zwischen dem vent i Ise i t i gen Ende des SMA-Drahtes (1 ) und dessen anderes Ende am Venti lboden (26) jewei ls an eine Stromquelle (2) angeschlossen sind.3. Valve according to claim 1 or 2, characterized in that it is designed as a pressure regulating member and a body made of electrically non-conductive material (20) with an SMA thread (1) / the spring (23) and the closure element (21st ) receiving bore (24) and with a valve seat (22) with a connecting channel ( 27) and a side channel branching off from it ( 28 ) Receiving head part L (25) and a closed bottom part L (26), the spring (23) as a conductor for the current flow between the vent i Ise iti gene end of the SMA wire (1) and its other end on the valve bottom ( 26) are each connected to a power source (2).
4. Venti l nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als Durchflußregelorgan ausgebi ldet ist und einen Einströmkanal (30) im Bodentei l (26) sowie einen4. Venti l according to claim 1 or 2, characterized in that it is trained as a flow control member and an inflow channel (30) in the bottom part l (26) and one
Ausst römkana L (29) im Kopftei l (25) aufweist.Ausst romankana L (29) in the head part l (25).
5. Venti l nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als Gemi seh rege lo rgan ausgebi ldet ist und der Kopftei l (25) den Venti lsitz (22) mit einem Einlaßkanal (32) für eine Gas komponente mit vergleichsweise hoher Wärmeleitfähigkeit und einen Nebenkanal (33) für den Ge ischeinlaß und das Bodentei l (26) einen Auslaßkanal (34) für das konstant geregelte Gemisch aufweist.5. Valve l according to claim 1 or 2, characterized in that it is formed as a rain shower lo rgan and the head part l (25) the valve seat (22) with an inlet channel (32) for a gas component with a comparatively high Thermal conductivity and a secondary channel (33) for the Ge ischeinlaß and the bottom part l (26) has an outlet channel (34) for the constantly controlled mixture.
6. Venti l nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als Schutzventil für Gaslecksucher, insbesondere für Heliumlecksucher ausgebi ldet ist, mit einem Einströmkanal (30) im Bodentei l (26), einem Αuslaßkanal (29) als Anschluß zum Lecksucher im Kopftei l (25), sowie einer Bypassöffnung (35) im Nebenschluß zum Venti lsitz (22) am kopfseitigen Ende des Venti lkörpers (20) .6. Venti l according to claim 1 or 2, characterized in that it is formed as a protective valve for gas leak detectors, in particular for helium leak detectors, with an inflow channel (30) in the bottom part l (26), an outlet channel (29) as a connection to the leak detector in Head part l (25), and a bypass opening (35) in the bypass to the valve seat (22) at the head end of the valve body (20).
7. Venti l nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es als Schwellwertschalter ausgebi ldet ist, mit einem mittig untertei lten Venti lkörper (20) mit einem Gaseinlaßkanal (30) im Bodentei l (26) und einer ersten, das Verschlußelement (21 ) führend aufnehmenden, mit einem Venti lsitz (22) in einer Zwischenwand (19) verschließbaren Bohrung (24), woran sich im Venti lkörper (20) eine zweite Bohrung (18) anschließt, die den mit der Spitze (17) des Verschlußelementes (21) fest verbundenen SMA-Faden (1 ) aufnimmt, der auslaßseitig in dem einen Auslaßkanal (29) aufweisenden Kopftei l (25) befestigt ist.7. Venti l according to claim 1 or 2, characterized in that it is designed as a threshold switch, with a centrally divided valve body (20) with a gas inlet channel (30) in the bottom part (26) and a first, the closure element ( 21) leader, with a Valve seat (22) in an intermediate wall (19) closable bore (24), followed by a second bore (18) in the valve body (20), which connects the SMA with the tip (17) of the closure element (21). Thread (1) receives, which is fastened on the outlet side in the head part l (25) having an outlet channel (29).
8. Venti l nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Führung des Fluidstroms unter Erhöhung einer den Wärmeaustausch intensivierenden Flußdichte der Fluidströmung ein den SMA-Draht (1 ) umgebendes, vergleichsweise enges, sich zwischen dem Einlaßkanal (30) im Bodentei L (26) und dem Venti lsitz (22) erstreckendes Ke ram i k röh rchen (16) aufweist. 8. Venti l according to claim 4, characterized in that for guiding the fluid flow while increasing a heat density intensifying flow density of the fluid flow surrounding the SMA wire (1), comparatively narrow, between the inlet channel (30) in the bottom part L ( 26) and the valve seat (22) extending ceramic tube (16).
EP94918786A 1993-07-08 1994-05-26 Fluid flow regulating valve with a control element made of an electrically heatable, shape memory alloy Withdrawn EP0707693A1 (en)

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