JP2005533988A - コンパクトな形状記憶合金ドライブを有する弁 - Google Patents

Abstract

本発明は、通路孔（８）を備えた基体（７）と、通路孔（８）を閉鎖し、かつ解放するために移動する弁部材（３）と、通路孔（８）を解放するために弁部材（３）を移動させることのできる、操作機構とを有する弁、特に玉弁に関するものである。操作機構は基体（７）、あるいはその基体と結合された支持体（１）に固定された、形状記憶合金からなる少なくとも２つのワイヤ状の部材（２）を有しており、それらの部材はしきい温度を越えて温度が上昇した場合に交互に縮まり、かつ、一方の部材（２）が片側に短くなった場合に弁部材（３）が通路孔（８）上の安定した位置から通路孔（８）の隣りの安定した位置へ、そして他方の部材（２）が片側に短くなった場合に再び通路孔（８）上の安定した位置へ移動することができるように、弁部材（３）に作用するように結合されている。弁の操作機構は、コンパクトに実現することができ、かつ操作中に最小限のエネルギしか要求しない。

Description

本発明は、弁、特に玉弁に関するものであって、弁は通路孔を備えた基体、通路孔を閉鎖し、かつ解放するために移動可能な弁部材および操作機構を有しており、その操作機構によって通路孔を解放するために弁部材を移動させることができ、操作機構は基体に、あるいは基体と結合された支持体に固定された、形状記憶合金からなる少なくとも２本のワイヤ状の部材を有しており、それらの部材は温度がしきい温度を上回る温度に上昇した場合に収縮する。

弁は、多くの技術的領域内で、媒体の流量を制御するために、重要な役割を果たす。弁は、固定的に定められた体積を配量するためにも、連続的な流体流を準備し、あるいは遮断するためにも使用することができる。アクティブに切り替る弁は、エネルギ供給を受けて閉鎖状態から開放状態へ、あるいはその逆に移動される。弁を開放し、かつ場合によっては閉鎖するための操作機構は、多くの適用において、できるだけわずかな空間とエネルギしか必要としないようにされなければならない。

特許文献１からは、迅速に切り替る玉弁が知られており、その玉弁は通路孔を備えた基体、通路孔を閉鎖し、かつ解放するための玉および操作機構を有しており、その操作機構によって通路孔を解放するために玉を移動させることができる。弁が閉鎖されている状態において、玉は、印加されるガス流の圧力によって通路孔に対して圧接される。通路孔を解放するために、操作機構は玉を通路孔から移動させる。そのために、操作機構の操作部材が玉に側方の衝撃を与え、それによって玉は通路孔ないしは通路孔の弁座から離れる。玉を弁座上へ復帰させることは、投入されるガス流の影響を受けて行われる。玉を移動させるための操作機構として、この公報においては、パルス駆動される電磁石が使用され、その電磁石は操作後ばね力によって再び初期位置へ引き戻される。しかし、電磁石を有するこの種の操作機構は、かなりの組込み空間を必要とし、多くの適用のために高すぎるエネルギ消費を有している。

非特許文献１に、約１００μｍの玉大きさを有する迅速に切り替るマイクロ玉弁が記載されており、それはピエゾセラミックのマルチレイヤーアクチュエータによって操作される。この弁の利点は、電磁的な駆動装置に比較して組込み大きさが小さいことと、駆動装置として使用されるピエゾセラミックアクチュエータのためのエネルギ消費が小さいことである。しかし、このピエゾセラミックアクチュエータの欠点は、アクチュエータがμｍ−領域の移動距離しか発生させることができないことにある。従ってこの操作機構は、より大きい玉弁の玉を操作するためには適していない。

この形態においても、玉は短時間だけ、かつパルスによって弁座から離され、その後は液体流によって再びその初期位置を占める。比較的長い期間にわたって解放された弁状態を維持しようとする場合には、上述した２つの弁においては、アクチュエータを矢継ぎ早に繰返し操作することが必要である。それによって、弁を開放しておこうとする間、常にエネルギが消費される。

特許文献２、特許文献３、特許文献４および特許文献５には、弁部材を操作するために圧電性のアクチュエータを使用する、弁が記載されている。すなわち、たとえば特許文献２には、圧電性の曲げ変換器に保持されたシール部材を使用する弁が示されており、弁はそのシール部材によって閉鎖可能である。

特許文献６は、形状記憶合金からなる少なくとも２つのアクチュエータを有する電気機械的な構成部材を記述しており、それらのアクチュエータは所定の温度に達した場合にその形状を変化させ、かつ変化に従って移動する。記載されている構成部材の主要な特徴は、２つのアクチュエータがそれぞれ異なる温度においてその形状を変化させることである。

特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、特許文献１１および特許文献１２、特許文献１３は、特許請求項１の上位概念に基づく弁を記述しており、それらの弁においては、形状記憶合金からなるワイヤ状の部材は、弁の閉鎖または開放の間常に他の締付け部材、好ましくはばね、に抗して移動させなければならない。弁部材の移動は、少なくとも一方向において、従って弁の開放または閉鎖は、付加的なばね部材によってもたらされる。

ＤＥ３８３５７８８Ａ１ ＤＥ１９９６１７３６Ａ１ ＤＥ３９３５４７４Ａ１ ＤＥ３７４４２４０Ａ１ ＤＥ３６０８５５０Ａ１ ＤＥ１００６２７０４Ａ１ ＤＥ６９７０９５２９Ｔ２ ＤＥ１９９６３４９９Ａ１ ＤＥ４３２２７３１Ａ１ ＤＥ３６３５２１６Ａ１ ＵＳ５３４５９６３Ａ ＵＳ４９７３０２４Ａ ＪＰ６１１０３０８１Ａ １９９９年３月１１日、ライナー ノルトマン他（編集）の「コロキウム、メカトロニックシステムにおけるアクチュエータ（"Kolloquium Aktoren in Mechatronischen Systemen"）」のｐ．１４−１６の、Ｗ．エールフェルト他の：「マイクロアクチュエータ作用原理、製造テクノロジーおよびアプリケーション」（"Mikroaktoren-Wirkprinzipien, Fertigungstechinology und Applikationen"）

本発明の課題は、ミリメートルのレベルの操作距離のためにも使用することのできる、コンパクトでエネルギ効率のよい操作機構を有する弁、特に玉弁を提供することである。

この課題は、特許請求項１に記載の弁によって解決される。弁の好ましい形態は、従属請求項の対象であって、あるいは以下の説明と実施例から理解することができる。

この弁は、公知のように、通路孔を備えた弁部材、通路孔を閉鎖し、かつ解放するために移動する弁部材および操作機構を有しており、その操作機構によって通路孔を解放するために弁部材を移動させることができる。通路孔は、その端縁自体によって弁部材のための弁座を形成することができる。もちろん、通路孔の領域内に、弁が閉鎖された状態において弁部材がその上に載る、別体の弁座を形成することもできる。この弁においては、操作機構は、基体または基体と結合された支持体に固定された、形状記憶合金からなる少なくとも２つのワイヤ状の部材から形成され、それらの部材はしきい温度を越える温度に温度上昇した場合に、交互に縮まる。ワイヤ状の部材は、一方の部材が一方側で短くなった場合に弁部材が通路孔上の安定した位置から通路孔の隣りの安定した位置へ、そして他の部材が片側で短くなった場合に再び通路孔上の安定した位置へ移動することができるように、弁部材に作用するように結合されている。収縮は、一方または他方の部材のそれぞれパルスに基づく加熱によって行われる。ワイヤ状の部材は、直接弁部材に、あるいは弁部材のためのガイド部材に固定することができる。弁部材のためのこの種のガイド部材は、たとえば弁部材の玉を部分的に包囲する軸受ハウジングとすることができる。

形状記憶合金（Shape-Memory-Alloy, SMA）からなるワイヤ状の部材を使用することによって、弁の弁部材のためのエネルギ効率のよい、コンパクトな操作機構が実現される。形状記憶合金は、しきい温度を上回る温度に加熱された後に再びその元の形状を占める、という特性を有している。当業者には、たとえばＴｉＮｉＰｄ、ＴｉＮｉ、ＣｕＡｌ、ＣｕＺｎＡｌまたはＣｕＡｌＮｉのような、これらの特性を有する多数の金属合金が知られている。形状記憶合金は、ずばぬけて、単位体積当たり最高の機械的エネルギ密度、すなわち最高の機械的作業能力を有している。以下ではＳＭＡワイヤと称する、形状記憶合金からなる、まさにワイヤ状の部材によって、最高のエネルギ効率が得られる。このＳＭＡワイヤは、たとえば通電によって、加熱した場合に、長手方向に縮まり、機械的作業を行う。この弁においては、少なくとも２つのこの種のＳＭＡワイヤが必要である。というのは、各ワイヤは、アクチュエータとして一方向にのみ作用することができるからである。２つのアクチュエータの各々から提供することのできる機械的エネルギは、主に、弁部材の移動に用いられるが、また、すでに縮まっている、逆方向に作用するＳＭＡワイヤを再び元の長さに伸張させるのに十分でなければならない。ワイヤ状の状態においてこの種の形状記憶合金のエネルギ効率が高いので、この弁は最小限のエネルギ消費で駆動される。他の利点は、２つのＳＭＡワイヤのみが配置され、かつ加熱ないしは駆動するためにたとえば電流を供給すれば済む、この操作機構が、極めてコンパクトで場所をとらないように実現されることにある。特に、この操作機構によって、μｍのレベルにおいてだけでなく、ｍｍのレベルとｃｍｎレベルにおいても、弁部材の移動が可能である。

特に好ましい形態においては、この弁は、２つの要素からなる開放特性を有する玉弁として実現される。ここでは、玉として形成された弁部材は、開放位置と閉鎖位置において、操作機構が作動されていない場合に安定した位置にあるので、弁の開放された状態と閉鎖された状態を維持するために、エネルギを費やす必要がない。それによってエネルギが節約される。というのは、エネルギは開放された位置と閉鎖された位置との間で切替えるためにだけ必要とされるが、弁の２つの終端位置を維持するためには、必要とされないからである。玉状の弁部材は、閉鎖された弁位置においては、通路孔上に密着し、開放された位置においては基体の凹部内で通路孔の側方の隣りに位置している。操作機構は、弁部材をこれら２つの位置の間で移動させる。好ましくは玉状の弁部材の２つの安定した位置は、弁部材をそれぞれ通路孔ないしは凹部に対して押圧する、弾性的な部材、たとえばコイルばねによって支援される。２つの要素からなる開放特性を有するこの玉弁の形態において、約３ｍｍの直径を有する玉が使用され、その玉を操作機構によって開放した位置と閉鎖された位置との間で約１．５ｍｍだけ移動させなければならない。そのために、約３０ｍＮの初期力が必要であって、それはここで説明した操作機構によって容易にもたらすことができる。

この説明と以下の実施例において、それぞれ玉弁が記述される場合でも、当業者には、本発明に基づく弁が他の形態においても、たとえば違うように形成された弁部材または弁部材としての弁キャップによっても実現されることは、明らかである。
以下、図面との組み合わせにおいて実施例を用いて、本発明を再度説明する。

図１は、この弁の基体７と玉６として形成されている弁部材に対する、この操作機構のＳＭＡワイヤ２の配置の４つの異なる可能性を、４つの部分図（Ｉ）から（IV）で示している。４つの部分図は、原理的な説明のためだけに用いられるので、たとえばＳＭＡワイヤの固定のような、弁の他の部材は図示されていない。すべての部分図は、弁の基体７をその中に配置されている、弁出口１１に連通する通路孔８と共に示している。通路孔８の他に、以下においては弁底とも称される、基体７内に行き止まりで終わる凹部９が形成されている。４つすべての表示において、玉６は、閉弁状態においては弁開口部８の上方に位置し、開弁状態においては、凹部９の上方に位置している。玉６は、すべての場合において弾性的な機械要素、例えば、図に示すコイルばね１０によって所望の位置上に保持されるので、玉６の双安定の位置が達成される。コイルばね１０の軸線は、２つの安定した玉位置の間の中央において弁底７に対して垂直に配置されており、かつコイルばねは弁の操作ボルト１２に固定されている。弁を開放し、かつ閉鎖するための玉６の移動は、双方向矢印で示唆されている。移動は、２本のＳＭＡワイヤ２によって示唆される操作機構を介して行われる。このＳＭＡワイヤ２のワイヤ長さは、玉６の２つの位置によって生じる、最大に伸張された状態のおいても、２％の伸張を上回ることがないように、定められている。ワイヤ太さは、それぞれ玉６を移動させるために供給すべき力に適合されている。この供給すべき力が大きくなるほど、ＳＭＡワイヤ２をそれだけ太く形成しなければならない。

操作機構の最も簡単な形態においては、２つの位置の間の玉６の移動は、たとえば部分図（Ｉ）に示すように、玉の所望の移動方向にＳＭＡワイヤが直接収縮することによって実現される。玉６に向けられた２つのワイヤ端部は、たとえば玉のための適切な、図示されていない玉ホルダに固定することができる。これらワイヤ端部は、この表示においては、玉６の移動軸に相当する共通のライン上に延びている。もちろん、それに応じて玉６から離れた２つのワイヤ端部は、基体７に対して、ないしは直接この基体に固定されなければならない。左のＳＭＡワイヤ２に電流を供給することによって、このワイヤを加熱した場合に、玉６は通路孔８上へ移動し、同時に右のＳＭＡワイヤ２が伸張される。次に、右のＳＭＡワイヤ２が加熱された場合に、玉６は再び凹部９上の開放した位置へ移動し、今回は左のＳＭＡワイヤが再び伸張される。このようにして左と右のワイヤ２に交互に給電することによって、弁の交互の開放と閉鎖が達成される。玉６をこのようにして１．５ｍｍだけ移動させることができるようにするためには、もちろんそれぞれ３７．５ｍｍのワイヤ長さが必要である。弁のためのわずかな組立て大きさを得るために、この場合においては２本のＳＭＡワイヤ２のための方向変換機構が使用される。

短いが、その代わりに太いＳＭＡワイヤ２を、部分図（II）に示すように、レバー機構の使用の元で、使用することができる。この形態においては、玉６ないしはこの玉のための玉ホルダが、レバーアーム４に固定されており、そのレバーアームのレバー軸は図に矢印で示唆されている。２本のＳＭＡワイヤ２は、この例においては、レバーアーム４に反対方向に作用する。このような形態によって、てこの作用に基づいて、比較的短いＳＭＡワイヤによって、玉６のより大きい移動距離が得られる。もちろんそのために、より大きい力がもたらされるので、ＳＭＡワイヤ２は、他の実施例の場合よりも太く選択されなければならない。

この弁の特に好ましい形態は、部分図（III）に示すＳＭＡワイヤ２の配置によって得られる。この形態においては、互いに対して平行に延びる２本のＳＭＡワイヤ２が使用され、それらは玉６の所望の移動方向に対して垂直に張られている。２本のワイヤ２の一方が、通電によって加熱された場合に、そのワイヤは縮まって、緊張し、その際に玉６をワイヤの延びに対して垂直かつ弁底７に対して平行に所望の位置へ移動させる。玉６の移動によって、逆方向に作用する、加熱されていなワイヤが伸張されて、次に、暖められて再び収縮するとすぐに、玉をその元の位置へ押し戻す。冷却された、最初はアクティブであったワイヤが再び伸張されて、次にそのワイヤ自体が再びアクチュエータとして作用することができる。２本のＳＭＡワイヤ２は、最大に収縮した直線的な状態において、ワイヤのそれぞれ一方によって玉６が２つの所望の位置の一方上に正確に位置するように、配置されなければならない。そのためには、両方のＳＭＡワイヤ２が玉６を、図から明らかなように、部分的に包囲することが、必要である。もちろん、各ＳＭＡワイヤのそれぞれ両方のワイヤ端部が、基体７または基体７と適切に結合された支持体に固定されなければならない。この解決は、ＳＭＡワイヤ２がたとえば酸化アルミニウムセラミックのような、しっかりとした土台上に固定される場合に、ＳＭＡワイヤの簡単な機構的固定と電気的接触を許す。土台は、同時に、ワイヤ２と電子的な構成素子を電気的に接触させるための導体路構造用の支持体として用いることができる。同時の固定と接触は、良好に導通する接着剤によって、あるいは半田によって行うことができる。ワイヤ２をしっかりとした土台に対して押圧する、ばねクリップ接触による固定と接触も、たとえば可能である。固定機構のこの種の形態によって、１．５ｍｍの移動のために、それぞれ１４．９ｍｍのワイヤ長さしか必要とされない。従ってこの形態は、特にコンパクトな構造を特徴としている。

第４の部分図（IV）においては、ＳＭＡワイヤ２がコイルばね１０の両側かつその軸線に対してほぼ平行に配置されている、形態が示されている。ＳＭＡワイヤは、コイルばね１０の端部において、たとえば玉６の適当な金属の玉ホルダと機械的に結合することができる。２本のワイヤ２が通電によって加熱された場合に、ワイヤは縮まって、コイルばね２を収縮させ、玉６を通路孔８の弁座から持ち上げる。２本のワイヤ２の左のワイヤの通電が停止されて、それによりこのワイヤは冷却され、右のワイヤ２はさらに短時間通電され続ける場合に、コイルばね１０は通電されているワイヤの方向に曲がって、従って玉６もそれに応じた方向へ移動させる。右のワイヤのための電流供給も停止されるので、このワイヤも冷却される。それによってばね１０は、延長されて、玉６は凹部９の所望の安定した終端位置へ嵌入する。玉６を再び移動させるために、上述したプロセスが再度行われる。もちろん、こんどは最初に右のワイヤが冷却されなければならない。コイルばね１０は、逆方向に湾曲して、玉６は冷却後に通路孔８の上方の第２の位置へ嵌入する。この形態も、極めてコンパクトな構造で実現される。原則的に、部分図（III）と（IV）の２つの形態によって、最小の組込み空間において弁を一度操作するためのエネルギ消費が５ｍＷｓより下に制限される。これは、２つの安定した位置の間で約１．５ｍｍの距離を移動しなければならない、約３ｍｍの直径を有するサファイア玉６を備えた弁の形態についても、当てはまる。

図２は、この玉弁の実施例を詳細に説明するものであって、その表示においては図１の部分図（III）の形態に基づくＳＭＡワイヤ２が配置されている。ＳＭＡワイヤ２の自由端部は、この実施例においては酸化アルミニウムセラミックからなる支持体プレート１上に接着固定されており、かつ、弁から導出されたＣｕＢｅクランプ接点を介して接触される。接触は、この表示においては見えず、ただ、弁のカバー１３から突出するＣｕＢｅ接触ばね１４のみが見られる。支持体プレート１は、弁の基体７上に固定されており、基体７と支持体プレート１との間にシリコンシールディスク１５が配置されている。もちろん、基体７の液体排出用の通路孔８の上方において、それに応じた切欠きが、図から明らかなように、支持体プレート１とシリコンシールディスク１５に設けられなければならない。支持体プレート１の上に弁のカバー１３がかぶせられており、そのカバー内に、通路孔８へ液体を供給するための液体供給通路１６が形成されている。カバー１３には、さらに、コイルばね１０を固定するための操作ボルト１２とその上に配置されたシールボルト１７が一体化されている。コイルばね１０は、玉６を通路孔８ないしはこの図では見えない凹部９に対して押圧する。操作ボルト１２を介して通路孔８ないしは凹部９に対する玉６の圧接力を調節することができる。ＳＭＡワイヤ２に適切な電流を供給することによって、玉を開放された位置と閉鎖された位置へ交互に移動させることができる。図から明らかなように、大体において支持体プレート１上に固定されたＳＭＡワイヤ２とその電気的な接点１４とからなる操作機構は、最低限の組込み空間しか要求しない。

図３は、本発明に基づく弁の他の実施例を一部組み立てられた表示において示しており、この実施例においては、ＳＭＡワイヤ２は、図１の部分図（IV）に従って配置されている。これらのワイヤ２は、同様に、酸化アルミニウムセラミックからなる支持体プレート１上に固定されているが、支持体プレートは図２の形態とは異なり弁の、通路孔８とその隣りに位置する凹部９とが形成されている底プレート７に対して垂直に延びている。玉６は、この例においては、玉ホルダ５を介して案内され、その玉ホルダにコイルばね１０が作用し、かつＳＭＡワイヤ２のそれぞれの端部が固定されている。この例においても、コイルばね１０の押圧力を、ここでもシールおよび操作ねじ１２、１７を介して調節することができる。この図の形態においては、玉側に配置されているワイヤ端部のアース接触は、金属の玉ホルダ５、金属の締付けばね１０およびプラスチックカバー１３内の金属挿入片１８を介して行われ、その金属挿入片は外部から電気的に接触することができる。この形態も、操作機能のためにずっと小さい付加的な組込み空間しか必要としない。

本発明に基づく弁におけるＳＡＭワイヤの配置の４つの原理的な可能性を示している。 本弁の詳細な実施例を示している。 本発明の他の詳細な実施例を示している。

符号の説明

１ 支持体ないし支持プレート
２ ワイヤ状の部材（ＳＭＡワイヤ）
３ 移動する弁部材
４ レバー部材
５ ガイド部材ないし玉ホルダ
６ 玉
７ 基体ないし弁部材
８ 通路孔
９ 凹部
１０ 弾性的な部材ないしコイルばね
１１ 弁出口
１２ 操作ボルト
１３ カバー
１４ ＣｕＢｅ接触ばね
１５ シリコンシールディスク
１６ 液体供給通路
１７ シールボルト
１８ 金属挿入片

Claims (11)

1. 弁であって、
   通路孔（８）を備えた基体（７）と、通路孔（８）を閉鎖し、かつ解放するために移動する弁部材（３）と、通路孔（８）を解放するために弁部材（３）を移動させることのできる、操作機構とを有し、操作機構は基体（７）、あるいはその基体と結合された支持体（１）に固定された、形状記憶合金からなる少なくとも２つのワイヤ状の部材（２）を有しており、前記部材は温度がしきい温度を上回る温度に上昇した場合に縮まる、ようにされている弁において、
   ワイヤ状の部材（２）は、交互に収縮し、かつ、一方の部材（２）が片側に短くなった場合に弁部材（３）が通路孔（８）上の安定した位置から通路孔（８）の隣りの安定した位置へ、そして他方の部材（２）が片側に短くなった場合に再び通路孔（８）上の安定した位置へ移動することができるように、弁部材（３）に作用するように結合されていることを特徴とする弁。
2. ２つのワイヤ状の部材（２）は、互いに対してほぼ平行かつ弁部材（３）の移動方向に対して垂直に延びており、かつ２つのワイヤ状の部材（２）の間に配置されている弁部材（３）を、一方の部材の収縮した直線状の状態において弁部材（３）が通路孔（８）上に位置し、他方の部材の収縮した直線状の状態においては通路孔（８）の隣りに位置するように、包囲することを特徴とする請求項１に記載の弁。
3. ２つのワイヤ状の部材（２）は、互いに対してほぼ平行かつ弁部材（３）の移動方向に対して垂直に延びており、かつ弁部材（３）は、ワイヤ状の部材（２）の自由端部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の弁。
4. ２つのワイヤ状の部材（２）は、通路孔（８）の領域内では少なくともほぼ共通のライン上で、弁部材（３）の移動方向に延びており、かつ弁部材（３）が２つのワイヤ状の部材（２）の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の弁。
5. ２つのワイヤ状の部材（２）が、直接弁部材（３）に固定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の弁。
6. ２つのワイヤ状の部材（２）が、弁部材（３）を案内するためのガイド部材（５）に固定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の弁。
7. ２つのワイヤ状の部材（２）が、レバー部材（４）の一方の端部に固定されており、前記レバー部材の他方の端部を介して弁部材（３）が案内されることを特徴とする請求項１に記載の弁。
8. 弁部材（３）が、玉（６）であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の弁。
9. 基体（７）内で、通路孔（８）の隣りに凹部（９）が形成されており、前記通路孔が弁の開放された状態における玉（６）のための弁座として用いられることを特徴とする請求項８に記載の弁。
10. 玉（６）が、弾性的な部材（１０）、特にコイルばねと接続されており、前記弾性的な部材によって玉がそれぞれ基体（７）の通路孔（８）ないし凹部（９）に対して押圧されることを特徴とする請求項８または９に記載の弁。
11. ２つのワイヤ状の部材（２）がオーム抵抗を形成して、前記部材は電流の供給によってしきい温度を越えて発熱することができることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の弁。

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