JP2022542873A - 形状記憶合金制御素子を具備する平衡圧力２ゾーン流体弁 - Google Patents
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Abstract
本発明は、第１の実施態様において、プランジャ（１６）を移動させるための形状記憶合金ワイヤ（１５）の作動時に変形可能要素（１４）の変形によって弁（１０）の制御が達成される、形状記憶合金制御要素を具備する平衡圧力２ゾーン流体弁（１０）に関し、第２の実施態様において、流体の流れを制御するための当該弁の利用に関する。
Description
第１の実施態様における本発明は、形状記憶合金（ＳＭＡ）制御要素を具備する流体弁に関する。
形状記憶合金ワイヤを利用するアクチュエータアセンブリ及びアクチュエータシステムは、古くから当該技術分野において知られており、近年の開発によって、例えば稠密性や統合の容易性のような本質的な利点を十分に活用可能とするために信頼性及び堅牢性が改善されていることに起因して、益々普及している。例えば、特許文献１は、緊急用アクチュエータを有しているロック装置に関し、特許文献２は、多飲料水の自動販売機に設置されている弁の動作システムを開示しており、特許文献３は、動作温度の範囲を拡大させたアクチュエータを開示しており、特許文献４は、家庭用電化製品の動作要素を開示している。
これら装置すべてにおいて、形状記憶合金（ＳＭＡ）の特徴が、より具体的には、２つの相、すなわち比較的低温で安定しているいわゆるマルテンサイト相と比較的高温で安定しているオーステナイト相との間における構造転移によって特徴づけられているＳＭＡの材料特性が利用されている。形状記憶合金は、４つの温度Ｍｆ，Ｍｓ，Ａｓ，Ａｆによって特徴づけられている。ここで、温度Ｍｆは、形状記憶合金が完全にマルテンサイト相に遷移する温度、すなわち形状記憶合金がマルテンサイト構造を有する温度である。温度Ａｆは、形状記憶合金が完全にオーステナイト相に遷移する温度、すなわち形状記憶合金がオーステナイト構造を有する温度である。温度Ｍｓ及び温度Ａｓは、２つの方向において転移が開示される温度である。
形状記憶合金から作られているワイヤ、いわゆるＳＭＡワイヤは、温度が温度Ｍｆ以下から温度Ａｆ以上に変化した場合に、又はその逆に変化した場合に、当該ワイヤの形状を変化させるように記憶されている。ＳＭＡワイヤの加工及び記憶は、非特許文献１に例示されるように、当該技術分野では広く知られた手段である。
また、ＳＭＡワイヤは、オーステナイト開始温度Ａｓ以上の温度において短縮開始し、オーステナイト最終温度Ａｆ以上の温度で加熱された場合において加熱すると最終長さに到達することが知られている。形状記憶合金ワイヤの短縮は、一般に、電流通過による加熱（ジュール効果）によって制御されるが、アクチュエータの内部において１つ以上の要素を変位させるために利用される。
ＳＭＡワイヤの利用分野のうち最も興味深い利用分野のうち一の利用分野は、特許文献５に例示されるような流体弁の弁ポートの制御である。特許文献５は、開閉ステムを移動させるためのダイヤフラムに作用するＳＭＡワイヤを開示している。より近年の流体弁の発展形態は、特許文献６及び特許文献７に開示されている。特許文献６及び特許文献７の両方が、異なる弁ゾーンの間における適切な液密分離（fluid-tight isolation）によって、弁ポートの開口又は切替から発生する圧力平衡の問題の処置を開示している。
特許文献８は、流路を拡幅すると共に非圧力平衡を低減するための一連のオリフィスを具備する、完全に分離された２つのゾーン／サイドの弁システムを開示している。
上述のように、ＳＭＡ作動弁における最も困難な課題のうち一の課題は、弁が状態変化した場合に圧力遷移を管理することである。圧力遷移を管理することができなければ、弁プランジャを押し引きする力が（弁ポートの位置に依存して）発生し、ひいては特に比例弁の出力流量が制御不能になる可能性があるからである。
本発明の目的は、このような技術的課題に対する従来とは異なる改良された解決手段を提供することである。本願発明は、変形可能要素によって密閉された開口部によって分離された第１のゾーンと第２のゾーンとを備えており、第１のゾーンには、固定面に固定されている形状記憶合金ワイヤであって、変形可能要素の第１の表面に直接又はピストンを介して作用する形状記憶合金ワイヤが設けられており、第２のゾーンには、少なくとも２つのポートと、変形可能要素の第１の表面とは反対側の第２の表面に接続されているプランジャであって、ポートのうち一のポートを閉じるように構成されているプランジャとが設けられており、バイパスチャネルが、第１のゾーンを第２のゾーンに接続している。
本発明について、添付図面を参照しつつさらに説明する。
理解を容易にするために、図示の様々な部品の寸法及び寸法比が、特に形状記憶合金ワイヤの直径が、非排他的に変更されている場合がある。また、例えば形状記憶合金ワイヤの圧着部や電気接点のような、本発明を理解するために必要ではない幾つかの要素も図面から省略されている。
図１は、第１の実施例における弁１０の断面図である。弁１０は、２つのポート１１，１２を有している弁ケースを備えている。ポート１２は、変形可能要素１４に接続されているプランジャ１６の末端部１６１によって閉塞可能とされる。変形可能要素１４は、変形可能要素１４の変形を通じてプランジャ１６を駆動する。プランジャ１６がポート１２と接触している場合に、弁が閉じられ、プランジャ１６が上昇した場合に、弁が開き、最初に部分的に開き、その後にプランジャ１６がポート１２から完全に離隔するように移動すると全開する。プランジャ１６を正確に位置決めすることによって、比例弁の制御が可能となる。
プランジャ１６の垂直方向における位置決めは、固定面１７と変形可能要素１４との間にＶ字状に接続されている形状記憶合金ワイヤ１５、すなわち、形状記憶合金ワイヤ１５の両端が固定面１７に固定されていると共に形状記憶合金ワイヤ１５の中央部分が変形可能要素１４に接続されている形状記憶合金ワイヤ１５によって制御される。
変形可能要素１４の位置は、２つの弁ゾーン、すなわち、変形可能要素１４の上方の第１の弁ゾーン（Ｉ）と、変形可能要素１４の下方の第２の弁ゾーン（ＩＩ）とを規定している。第１の弁ゾーン（Ｉ）は、固定面１７、ＳＭＡワイヤ１５、及び変形可能要素１４の上面から構成されており、第２の弁ゾーン（ＩＩ）は、２つの弁ポート１１，１２、プランジャ１６、及び変形可能要素１４の下面から構成されている。好ましくは、プランジャ１６の位置は、プランジャ１６に取り付けられている磁石１９と、固定面１７に取り付けられているホール効果センサ１８とによって検出される（プランジャの位置フィードバックは、比例弁制御において最も重要な特徴である）。
弁１０の動作の最中における圧力を平衡させるために、バイパスチャネル１３が２つの弁ゾーンを接続しており、バイパスチャネル１３は、頂部ゾーンＩに通じる第１の開口部１３１と、下部ゾーンＩＩに通じる第２の開口部１３２とを有している。バイパスチャネル１３を設けることによって、差圧が確実に解消される。より具体的には、弁ゾーンＩと弁ゾーンＩＩとの間において圧力が確実に且つ急速に平衡状態となる。
図１に表わす弁にバイパスチャネルが設けられていない場合には、ＳＭＡワイヤ１５の動作の際にプランジャ１６が上昇し、ポート１２が開くので、その結果として、弁ゾーンＩＩの圧力が変化する。このような圧力変化は、弁の大きさ及び流量に依存するが、激しくなる場合がある。例えば、ポート１２が出口として利用され、弁を開くことによって弁ゾーンＩＩの圧力が低下する場合には、結果として、ＳＭＡワイヤ１５による引張力に抗する拮抗力が発生する。しかしながら、プランジャ１６を所望の位置に持ち上げ続けるためには、より大きな力をＳＭＡワイヤ１５に作用させる必要があり、又は、一定の力を作用させた場合には、プランジャ１６の下降によって不慮の弁流量の減少が発生し、最も深刻なケースでは不慮の弁閉鎖を招くという欠点がある。
バイパスチャネル１３の内部に又はバイパスチャネル１３の開口部１３１，１３２のうち一の開口部の対応部分に遮断要素が設けられていないことに留意することが肝心である。このような構成により、弁ゾーンＩと弁ゾーンＩＩとの間における圧力差を自動的に相殺することができるからである。
図２は、本発明における弁２０の第２の実施例を表わす概略的な断面図である。図２では、ＳＭＡワイヤ２５は、固定面２７と変形可能要素２４の上面の中心点との間に接続されており、変形可能要素２４は、開口部を閉じることによって、上側ゾーンＩと下側ゾーンＩＩとを分離している。
当該本実施例では、固定面２７に取り付けられたホール効果センサ２８を介して、変形可能要素２４の下面に固定されたプランジャ２６の位置を適切にフィードバックするように、磁石２９が変形可能要素２４に取り付けられている。プランジャの位置フィードバックは、比例弁制御において最も重要な特徴である。
図２は、常閉弁（normally closed valve）を表わす。すなわち、ＳＭＡワイヤ２５は作動しておらず、プランジャ２６の末端部２６１が、好ましくはリングガスケット２２０を利用して弁ポート２２を封止しているので、２つのポート２１，２２の間における流体の流れを防止している。このようなガスケット２２０は、任意選択とされ、例えば図１に表わす実施例のようにポート２２と末端部２６１とが“完全に”寸法的に整合するならば、省略することができることに留意すべきである。幾つかの場合では、要素２２０は、例えば較正されたオリフィスのような流量制御機能を具備しない要素とされる。バイパスチャネル２３は、第１弁ゾーンに第１の開口部２３１を有すると共に、第２弁ゾーンに第２の開口部２３２を有しているので、弁２０の動作時に圧力平衡を確保することができる。
図３は、本発明における弁３０の第３の実施例の概略的な断面図である。当該実施例は、当該弁が常開弁であるようにＳＭＡワイヤが変形可能要素に作用する態様を除いて、第１の実施例に非常に類似している。実際には、ＳＭＡワイヤ３５は、先端が静止面３７に接続されたＶ字形状の構成を依然として有しているが、変形可能要素３４の上面に対して略垂直に固定面３７を貫通して延在しているピストン３６′の第１の端部が、Ｖ字形状の中央部に接触しており、ピストン３６′の第２の端部は、変形可能要素３４の上面に接続されており、ピストン３６′の第１の端部は、変形可能要素３４に関して固定面３７の反対側の面に（すなわち、図３では変形可能要素３４の上方に）配置されている。ＳＭＡワイヤ３５の動作（すなわち短縮）によって、ピストン３６′の降下を通じて変形可能要素３４が変形され、プランジャ３６の降下によって、プランジャ３６の末端部分３６１でポート３２が閉じられ、プランジャ３６の行程の終わりに弁３０が閉じられる。
最初の２つの実施例と同様に、２つの端部開口部３３１，３３２を具備するバイパスチャネル３３は、プランジャ３６及び弁ポート３１，３２を含む弁ゾーンＩＩと、ＳＭＡワイヤ３５及びピストン３６′を含む弁ゾーンＩとを連通させている。また、ホール効果センサ３８及び磁石３９によって、プランジャ位置のフィードバック、ひいては弁の比例制御を実現している。
図４は、本発明における弁４０の第４の実施例を表わす概略的な断面図である。第４の実施例は、第４の実施例が弁ハウジングの両側に形成された３つのポート４１，４２，４２′を有している点と、第４の実施例が弁を２つのゾーンＩ，ＩＩに分割する変形可能要素としての蛇腹部４４を備えている点において、第３の実施例の弁３０とは相違する。牽引又は引張によって曲率を変化させる膜（図１～図３に表わす変形可能要素）とは異なり、牽引又は引張によって、蛇腹部４４がゾーンＩＩにおいて垂直に伸張する。
第３の実施例と同様に、固定面４７に取り付けられたＶ字状のＳＭＡワイヤ４５は、変形可能要素４４の上面に対して略垂直に固定面４７を貫通して延在しているピストン４６′の頂部と係合している。ピストン４６′の底部は、変形可能要素４４の上面に接続され、プランジャ４６の頂部は、変形可能要素４４に関して固定面４７の反対側に配置されている。この場合、変形可能要素の水平配置を概念的に維持するために、変形可能要素の上面及び下面は、蛇腹部４４の基部の上面及び下面とみなされることに留意すべきである。
蛇腹部４４の下面には、弁の側壁に形成された弁ポートを閉じるように水平に延在しているプランジャ４６が固定されている。図示の実施例では、プランジャ４６を垂直方向に位置決めすることによって、弁ポート４２，４２′のうち一方の弁ポートをポート４１と選択的且つ交互に連通させることできるので、弁４０は、一種の三方弁になっている。
プランジャ４６の垂直方向位置は、ＳＭＡワイヤ４５の動作状態又は非動作状態によって決定される。蛇腹部を使用する利点は、ＳＭＡワイヤ４５が動作停止されると（加熱されなくなると）、蛇腹部が、自身の構造に起因して、バネのように復帰／付勢力を発生させることである。
開口部４３１，４３２を具備するバイパス４３は、ＳＭＡワイヤ４５の作動時に、すなわち弁ポート４２，４２′の切替時にゾーンＩとゾーンＩＩとの間における圧力平衡を確保する。また、この場合には、固定面４７に取り付けられたホール効果センサ４８と、端子４６１に取り付けられた磁石４９とによって、比例制御のためにプランジャ４６の位置をフィードバックすることができる。このような構成は、ミキサー弁の場合に特に有効である。
本発明における弁は、様々な変形例として実施可能であるが、特に幾つかの変形例については、説明した図面を参照して既に説明済である。
－ ＳＭＡワイヤの構成：最も有用な構成のうち、単一のＳＭＡワイヤが、好ましくは一方の端部が固定面に固定されると共に他方の端部が変形可能要素に固定された直線状の形態で利用される。代替的には、ＳＭＡワイヤは、両端部が固定面に固定されると共に中央部が変形可能要素に固定／接続された、いわゆるＶ／Ｕ字状の構成で利用される。
－ 弁のタイプ：弁自体は、単純なオン／オフ弁又は比例弁とされる。
－ 弁ポート：弁は，入口及び出口に対応する２つの弁ポートを具備する単純な２方向弁であっても良いが（図１～図３）、さもなければ、３方向弁（図４）を形成するために３つのポート又はより多くのポートを具備する一層複雑な構成を有していても良い。
－ 変形可能要素：本発明は、特定のタイプの変形可能要素に限定される訳ではないが、蛇腹部や膜、特に波状の膜が望ましい。
－ 変形可能要素の材料：好ましい材質は柔軟な金属であるが、プラスチックやシリコンも使用可能である。
－ 位置フィードバック：ホール効果センサ及び磁石の利用が望ましいが、例えばＳＭＡ抵抗制御やピストン及びプランジャのような他の手段であっても良い。幾つかの場合には、これら２つの要素は、１つの要素に組み込まれており、膜の場合には、この共通する要素の中央部分が、膜の曲率を変更するために変形可能要素に拘束されている。
－ バイパスチャネル：バイパスチャネルの断面積と弁ポートの断面積との好ましい比率は、０．１～１とされる。これにより、弁全体の流量に対して最良のバイパスの平衡流量を確保することができる。
－ ＳＭＡワイヤの構成：最も有用な構成のうち、単一のＳＭＡワイヤが、好ましくは一方の端部が固定面に固定されると共に他方の端部が変形可能要素に固定された直線状の形態で利用される。代替的には、ＳＭＡワイヤは、両端部が固定面に固定されると共に中央部が変形可能要素に固定／接続された、いわゆるＶ／Ｕ字状の構成で利用される。
－ 弁のタイプ：弁自体は、単純なオン／オフ弁又は比例弁とされる。
－ 弁ポート：弁は，入口及び出口に対応する２つの弁ポートを具備する単純な２方向弁であっても良いが（図１～図３）、さもなければ、３方向弁（図４）を形成するために３つのポート又はより多くのポートを具備する一層複雑な構成を有していても良い。
－ 変形可能要素：本発明は、特定のタイプの変形可能要素に限定される訳ではないが、蛇腹部や膜、特に波状の膜が望ましい。
－ 変形可能要素の材料：好ましい材質は柔軟な金属であるが、プラスチックやシリコンも使用可能である。
－ 位置フィードバック：ホール効果センサ及び磁石の利用が望ましいが、例えばＳＭＡ抵抗制御やピストン及びプランジャのような他の手段であっても良い。幾つかの場合には、これら２つの要素は、１つの要素に組み込まれており、膜の場合には、この共通する要素の中央部分が、膜の曲率を変更するために変形可能要素に拘束されている。
－ バイパスチャネル：バイパスチャネルの断面積と弁ポートの断面積との好ましい比率は、０．１～１とされる。これにより、弁全体の流量に対して最良のバイパスの平衡流量を確保することができる。
本発明における流体弁での利用に適した形状記憶合金としては、例えば、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｃｕの中から元素を付加的に選択するか否かに関わらず、ニチノール（登録商標）のようなＮＩ－ＴＩ基の合金が挙げられる。最も有用なのは、ＳＭＡワイヤは、直径２５μｍ～５００μｍで構成されている。
上述の実施例については、その構造及び動作を説明するために利用した例示的な図面を具体的に参照して説明したが、言うまでも無く、弁はどのような向きでも動作可能であり、すなわち３６０°回転させることができる。従って、弁の実際の向きに従って、“上側”、“下側”、“上方”、及び“下方”等の相対的な位置関係を示す用語は、関連する用語に置き換えられる。
本発明は、第２の実施態様では、形状記憶合金ワイヤによって流体の流れを制御するための上述の弁の利用に関する。
本発明における弁は、任意の適切な流れの制御に適用可能であるが、当該弁は、例えば水、油、冷媒液（例えば、いわゆるＲ４１０ａ）のような流体、又は、より一般的には、蒸発／凝縮弁において自身の状態を変化させることができるすべての流体に適用された場合に、特に優位である。ＳＭＡワイヤがゾーンＩに常駐している際には、蒸発／凝縮ゾーンがゾーンＩＩに限定されるからである。
１０ 弁
１１ ポート
１２ ポート
１３ バイパスチャネル
１４ 変形可能要素
１５ ＳＭＡワイヤ
１６ プランジャ
１７ 固定面
１８ ホール効果センサ
１９ 磁石
２０ 弁
２１ ポート
２２ ポート
２３ バイパスチャネル
２４ 変形可能要素
２５ ＳＭＡワイヤ
２６ プランジャ
２７ 固定面
２８ ホール効果センサ
２９ 磁石
３０ 弁
３１ ポート
３２ ポート
３３ バイパスチャネル
３４ 変形可能要素
３５ ＳＭＡワイヤ
３６ プランジャ
３６′ ピストン
３７ 固定面
３８ ホール効果センサ
３９ 磁石
４０ 弁
４１ 弁ポート
４２ 弁ポート
４２′ 弁ポート
４３ バイパスチャネル
４４ 蛇腹部（変形可能要素）
４５ ＳＭＡワイヤ
４６ プランジャ
４７ 固定面
４８ ホール効果センサ
４９ 磁石
１３１ 第１の開口部
１３２ 第２の開口部
１６１ （プランジャ１６の）末端部
２６１ （プランジャ２６の）末端部
３３１ 端部開口部
３３２ 端部開口部
３６１ （プランジャ３６の）末端部分
４６１ （プランジャ４６の）末端部分
１１ ポート
１２ ポート
１３ バイパスチャネル
１４ 変形可能要素
１５ ＳＭＡワイヤ
１６ プランジャ
１７ 固定面
１８ ホール効果センサ
１９ 磁石
２０ 弁
２１ ポート
２２ ポート
２３ バイパスチャネル
２４ 変形可能要素
２５ ＳＭＡワイヤ
２６ プランジャ
２７ 固定面
２８ ホール効果センサ
２９ 磁石
３０ 弁
３１ ポート
３２ ポート
３３ バイパスチャネル
３４ 変形可能要素
３５ ＳＭＡワイヤ
３６ プランジャ
３６′ ピストン
３７ 固定面
３８ ホール効果センサ
３９ 磁石
４０ 弁
４１ 弁ポート
４２ 弁ポート
４２′ 弁ポート
４３ バイパスチャネル
４４ 蛇腹部（変形可能要素）
４５ ＳＭＡワイヤ
４６ プランジャ
４７ 固定面
４８ ホール効果センサ
４９ 磁石
１３１ 第１の開口部
１３２ 第２の開口部
１６１ （プランジャ１６の）末端部
２６１ （プランジャ２６の）末端部
３３１ 端部開口部
３３２ 端部開口部
３６１ （プランジャ３６の）末端部分
４６１ （プランジャ４６の）末端部分
Claims (9)
- 変形可能要素（１４；２４；３４；４４）によって密閉された開口部によって分離された第１のゾーン（Ｉ）と第２のゾーン（ＩＩ）とを備えている流体弁（１０；２０；３０；４０）において、
前記第１のゾーン（Ｉ）には、固定面（１７；２７；３７；４７）に固定されている形状記憶合金ワイヤ（１５；２５；３５；４５）であって、前記変形可能要素（１４；２４；３４；４４）の第１の表面に直接又はピストン（３６′；３５；４５）を介して作用する前記形状記憶合金ワイヤ（１５；２５；３５；４５）が設けられており、
前記第２のゾーン（ＩＩ）には、少なくとも２つのポート（１１，１２；２１，２２；３１，３２；４１，４２，４２′）と、変形可能要素（１４；２４；３４；４４）の前記第１の表面とは反対側の第２の表面に接続されているプランジャ（１６，２６，３６，４６）であって、前記ポートのうち一のポート（１２；２２，３２；４２，４２′）を閉じるように構成されている前記プランジャ（１６，２６，３６，４６）とが設けられており、
バイパスチャネル（１３；２３；３３；４３）が、前記第１のゾーン（Ｉ）に位置決めされている第１の端部開口部（１３１；２３１；３３１；４３１）と前記第２のゾーン（ＩＩ）に位置決めされている第２の端部開口部（１３２；２３２；３３２；４３２）とを介して、前記第１のゾーン（Ｉ）を前記第２のゾーン（ＩＩ）に永続的に接続していることを特徴とする流体弁（１０；２０；３０；４０）。 - 前記形状記憶合金ワイヤ（１５；２５）が、Ｖ字状に構成されており、Ｖ字状構成の中央部又は端部において、前記変形可能要素（１４；２４）の前記第１の表面に直接接続されていることを特徴とする請求項１に記載の流体弁（１０；２０）。
- 前記形状記憶合金ワイヤ（３５；４５）が、Ｖ字状構成で配置されており、
前記Ｖ字状構成では、前記形状記憶合金ワイヤ（３５；４５）の中央部が、前記変形可能要素（３４；４４）の前記第１の表面に対して略垂直に前記固定面（３７；４７）を貫通して延在しているピストン（３６′；４６′）の第１の端部に係合しており、前記ピストン（３６′；４６′）の第２の端部が、前記変形可能要素（３４；４４）に接続されており、前記ピストン（３６′；４６′）の第１の端部が、その第１の端部は変形可能要素（３４；４４）に関して固定面（３７；４７）の反対側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の流体弁（３０；４０）。 - 前記変形可能要素が、蛇腹部（４４）又は膜（１４；２４；３４）、好ましくは波状の膜とされることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の流体弁（１０；２０；３０；４０）。
- 前記変形可能要素（１４；２４；３４；４４）が、金属から作られていることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の流体弁（１０；２０；３０；４０）。
- 前記バイパスチャネル（１３；２３；３３；４３）の断面積と前記ポート（１１，１２；２１，２２；３１，３２；４１，４２，４２′）の断面積との比が、０，１～１とされることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の流体弁（１０；２０；３０；４０）。
- 前記形状記憶合金ワイヤ（１５；２５；３５；４５）の直径が、２５μｍ～５００μｍとされることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の流体弁（１０；２０；３０；４０）。
- 流体の流れを制御するための請求項１～７のいずれか一項に記載の流体弁の利用であって、前記流体の流れが、水、油、又は冷媒液とされることを特徴とする利用。
- 前記流体弁が、蒸発弁又は凝縮弁であることを特徴とする請求項８に記載の利用。
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