JP2023026510A - 形状記憶合金ワイヤサーモスタット式ねじりアクチュエータおよびこれを含むバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】外部電流供給を作動させることが要求されないより軽いＳＭＡベースのねじりアクチュエータで既知の技術に依然として存在する欠点を克服する。【解決手段】静止要素（２）を回転可能要素（３）と接続して、回転可能要素を休止位置と動作位置との間で移動させるねじり形状記憶合金ワイヤ（１）と、回転可能要素（３）に作用して、回転可能要素を上記動作位置と上記休止位置との間で移動させる戻り要素（１１）と、を含むサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ、およびこのようなねじりアクチュエータを含む流体制御サーモスタット式バルブ。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、形状記憶合金ワイヤサーモスタット式ねじりアクチュエータおよびこのようなアクチュエータを組み込んだサーモスタット式バルブに関する。

形状記憶要素によるねじり回復を利用してねじりアクチュエータを実現する考えは、１９９６年以来、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｖｏｌｕｍｅ ２７１７、Ｓｍａｒｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ １９９６： Ｓｍａｒｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓに掲載された論文「Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ ａｃｔｕａｔｏｒｓ」から原理が知られている。この記事では、ＳＭＡ（Ｓｈａｐｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｌｌｏｙ：形状記憶合金）ねじれロッドの特性に焦点を当てて、ＳＭＡ要素がワイヤまたはばねの形態である、ＳＭＡベースのアクチュエータの標準的な使用に関して、その挙動を区別している。

形状記憶合金ねじり棒で作製されたねじりアクチュエータは、ＥＰ０８９５８８５およびＥＰ２７７２６４７にも記載されている。

上のすべてはしたがって、作動させるべき外部電流源を必要とする、大きくて厚い要素、形状記憶合金棒の使用に限定されている。

回転作動を達成する他の代替方法は、米国特許出願公開第２０１７／０１３８３５４号に示されているように、円筒形要素（ドラム）に巻回および拘束された形状記憶合金ワイヤの線形作動によるものである。この場合も、ジュール効果によって作動が達成されることが指定されており、またドラムは、軽量の解決策およびアクチュエータ内部の自由容積が要求される用途におけるその実際の使用を妨げる関連障害物を備えた要素である。コンテナヒンジに適用される回転運動に関する米国特許出願公開第２０１７／０１２１０６８号に記載された解決策にも同様の欠点が存在する。

２０１５年にＳｍａｒｔ Ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓに掲載されたＳｈｉｍらからの記事「Ａ ｓｍａｒｔ ｓｏｆｔ ａｃｔｕａｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ ｆｏｒ ｔｗｉｓｔｉｎｇ ａｃｔｕａｔｉｏｎ」において、作動が電流制御されるねじりアクチュエータが開示されており、ねじり作動用の低電流供給の欠点も記載されている。

ＥＰ０８９５８８５ ＥＰ２７７２６４７ 米国特許出願公開第２０１７／０１３８３５４号 米国特許出願公開第２０１７／０１２１０６８号

「Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ ａｃｔｕａｔｏｒｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｖｏｌｕｍｅ ２７１７、Ｓｍａｒｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ １９９６： Ｓｍａｒｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｓｈｉｍら、「Ａ ｓｍａｒｔ ｓｏｆｔ ａｃｔｕａｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｓｈａｐｅ ｍｅｍｏｒｙ ａｌｌｏｙ ｆｏｒ ｔｗｉｓｔｉｎｇ ａｃｔｕａｔｉｏｎ」、Ｓｍａｒｔ Ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ、２０１５年 「Ｓｈａｐｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｌｌｏｙ Ｓｈａｐｅ Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｔｕｔｏｒｉａｌ」の鍛練セクション「ＭＥ５５９ － Ｓｍａｒｔ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、２００４年秋 「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＳＭＡ Ｔｏｒｑｕｅ Ｔｕｂｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ＤＡＲＰＡ Ｓｍａｒｔ Ｗｉｎｇ Ｐｒｏｇｒａｍ」、ｔｈｅ ＳＰＩＥ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｎｄ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｓｍａｒｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ、１９９９年 Ｋａｒｂａｓｃｈｉ、Ｚｏｈｒｅｈ、「Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｎｉｔｉｎｏｌ： ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ」（２０１２）、ｔｈｅ ２０１２ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｏｌｅｄｏ ｔｈｅｓｉｓ ｈｔｔｐ：／／ｍｅｍｒｙ．ｃｏｍ／ｎｉｔｉｎｏｌ－ｉｑ／ｎｉｔｉｎｏｌ－ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ／ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ

本発明の目的は、外部電流供給を作動させることが要求されないより軽いＳＭＡベースのねじりアクチュエータで既知の技術に依然として存在する欠点を克服することであり、その第１の態様において、
・静止要素と、
・好ましくは少なくとも１つの係合特徴が設けられた回転可能要素と、
・静止要素を回転可能要素と接続して、回転可能要素を休止位置と動作位置との間で移動させる形状記憶合金要素であって、回転可能要素の回転軸に沿って位置する、形状記憶合金要素と、
・回転可能要素に作用して、回転可能要素を上記動作位置と上記休止位置との間で移動させる戻り要素と、
を含み、
形状記憶合金要素は、０．３と３ｍｍとの間、好ましくは０．４と２ｍｍとの間に含まれる直径を備えたねじり形状記憶合金ワイヤであることを特徴とする、
サーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータにある。

「回転可能要素の回転軸に沿って位置する」という表現は、ねじり形状記憶合金ワイヤを回転軸の中心に置くという理想的な場合からの逸脱も包含するように意図されるものであり、特に一定レベルの傾斜が許容される。より具体的には、ねじり形状記憶合金ワイヤと回転可能要素の回転軸に垂直な平面との間の角度は、傾斜方向に関係なく、７５°と９０°（９０°は、ＳＭＡねじりワイヤが回転軸に平行な理想的な状況を表す）との間とすることができる。また、ＳＭＡねじりワイヤと回転軸との間の一定程度の、特に０（完全な位置合わせ－理想的な状態）と５ｍｍとの間の横方向のずれが可能である。

理想的な状態からの上の離脱は、「回転軸に沿って位置する」の定義に包含され、本発明が実際のシステム、すなわち「現実世界」のアクチュエータに言及しているという事実を考慮に入れている。

形状記憶合金ねじりワイヤは現実の物であり、その動作原理により、円形断面から離脱することになるため、「直径」という用語は、マルテンサイト相およびオーステナイト相の両方においてワイヤの全長に沿った最小の囲み円の直径として意図されるものであることに注意することが重要である。

本発明および既知の技術の欠点の文脈において「サーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ」という表現は、その作動および制御がねじり形状記憶合金ワイヤを包囲／それと接触している媒体の温度のみに基づく解決策を包含し、形状記憶合金要素（ねじりＳＭＡワイヤ）のいかなる電流供給／温度制御をも明示的に除外することを強調することも重要である。

以下の図の助けを借りて本発明をさらに説明する。

本発明によるサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータの第１の実施形態の斜視図である。 本発明によるサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータの第１の実施形態の斜視図である。 本発明によるサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータの第２の実施形態の斜視図である。 本発明によるサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータの第２の実施形態の斜視図である。 本発明によるサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータの第３の実施形態の斜視図である。 本発明によるサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータの第３の実施形態の斜視図である。 本発明によるサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータの第４の実施形態の斜視図である。 本発明によるサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータの第４の実施形態の斜視図である。 本発明によるサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータの第５の実施形態の斜視図である。 本発明によるサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータの第５の実施形態の斜視図である。 本発明によるサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータの第６の実施形態の異なる図である。 本発明によるサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータの第６の実施形態の異なる図である。 本発明によるサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータの第６の実施形態の異なる図である。 本発明によるサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータの第６の実施形態の異なる図である。

上の参照図においては本発明の理解に不可欠な要素のみが示され、またいくつかの場合において、要素の寸法および寸法比を変更してその読みやすさを改善している。

本発明者らは、先行技術に開示されたものとは異なり、形状記憶合金棒の代わりに、細い形状記憶合金ワイヤを用いて形状記憶合金ねじりアクチュエータを作製することが可能であること、およびこのような解決策により、ジュール効果による加熱に依存するのではなく、周囲の／環境的な／包囲する媒体温度に基づいたＳＭＡワイヤの自動作動および非作動が可能になることを見出した。

このタイプのアクチュエータの最も有用な用途の１つは、流体制御用のサーモスタット式バルブ、リクローザ、ラッチ、ロックおよびロック解除システム用の熱アクチュエータ内にある。

明確さのため、「ｔｏｒｓｉｏｎ（ねじり）」または「ｔｏｒｓｉｏｎａｌ（ねじりの）」という用語で、ねじれまたはねじれ解除につながるＳＭＡワイヤに対する温度上昇の効果が示される一方、「ｒｏｔａｒｙ（回転の）」または「ｒｏｔａｔｉｏｎ（回転）」という用語は、ＳＭＡワイヤのねじりの結果として与えられる効果および移動を示す。

形状記憶合金は２つの相間の転移によって特徴付けられ、１つは低温で安定している、いわゆるマルテンサイト相で、１つは高温で安定している、いわゆるオーステナイト相である。形状記憶合金は、Ｍｆ、Ｍｓ、Ａｓ、Ａｆの４つの温度によって特徴付けられる。Ｍｆは、これを下回ると形状記憶合金が完全にマルテンサイト相にある、すなわちマルテンサイト構造を有する温度であり、Ａｆは、これを上回ると形状記憶合金が完全にオーステナイト相にある、すなわちオーステナイト構造を有する温度である。ＭｓおよびＡｓは代わりに形状記憶合金の相転移温度を示し、Ｍｓは、冷却時の、オーステナイトからマルテンサイトへの転移開始温度、Ａｓは、加熱時の、マルテンサイトからオーステナイトへの転移開始温度である。形状記憶合金からなるワイヤ、棒、シートなどのような要素は、ＳＭＡ要素としても知られており、温度がＭｆ未満からＡｆを超えて、およびその逆に変化すると、その形状が変化するように鍛えることができる。ＳＭＡ要素の加工および鍛練は、２００４年秋に遡る「Ｓｈａｐｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｌｌｏｙ Ｓｈａｐｅ Ｔｒａｉｎｉｎｇ Ｔｕｔｏｒｉａｌ」の鍛練セクション「ＭＥ５５９ － Ｓｍａｒｔ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」によって例示されたように、当該分野において広く知られている手順である。

ＳＭＡ要素の鍛練およびねじり挙動は当業者に知られており、たとえばＳＭＡチューブのねじり鍛練に関連して、ｔｈｅ ＳＰＩＥ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｎｄ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｓｍａｒｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓの一部として１９９９年に掲載された記事「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＳＭＡ Ｔｏｒｑｕｅ Ｔｕｂｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ＤＡＲＰＡ Ｓｍａｒｔ Ｗｉｎｇ Ｐｒｏｇｒａｍ」、およびＳＭＡワイヤのねじり鍛練に関連して、ｔｈｅ ２０１２ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｏｌｅｄｏ ｔｈｅｓｉｓ、Ｋａｒｂａｓｃｈｉ、Ｚｏｈｒｅｈ、「Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｎｉｔｉｎｏｌ： ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ」（２０１２）を参照されたい。

図１Ａおよび図１Ｂは、本発明によるサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ１０の第１の実施形態の斜視図を示す。ねじり形状記憶合金ワイヤ１が、下方の静止要素２を上方の回転可能要素３と接続している。上方の回転可能要素３には係合特徴４およびばね１１の一方の端部１１’’があり、その他方の端部１１’はアクチュエータ自体の外部にあって図示していない要素（ケース、壁、システムの構成要素など）に固定／拘束されている。

図１Ａは休止状態にあるねじりアクチュエータ１０を示す一方、図１Ｂは一旦作動させたねじりアクチュエータを示し、すなわちねじり形状記憶合金温度はＡｆより高い温度にある。図１Ｂにおいて、係合特徴４の回転変位、ばね１１の伸長、および図１Ａのねじれ構成からの形状記憶合金ワイヤ１のねじれ解除を理解することが可能である。アクチュエータ１０において、ねじり形状記憶合金ワイヤ１は、係合特徴４を図１Ａのその初期位置（ワイヤ温度がＡｓ以下のとき）から図１Ｂのその最終位置（ワイヤ温度がＡｆ以上のとき）へ移動させる。

ばね１１（上記の戻り要素）の目的は、形状記憶合金ワイヤ温度がＭｓを下回ると、アクチュエータ１０の非作動化、すなわち図１Ａに図示および例示する状況におけるワイヤ１の再ねじれを促進することである。

図１Ａおよび図１Ｂに示すように、ねじりアクチュエータを作製する好ましい方法は、Ａｆ以上の温度でねじれ解除構成に入る／向かうＡｓ以下の温度でねじれ構成にあるねじり形状記憶合金ワイヤの使用を想定しており、これは、より低い温度で、ワイヤがマルテンサイト状態（冷構成）にあるとき、形状記憶合金ワイヤがより容易に加工される（ねじられる）という事実を考慮したものである。

代替のサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ２０を図２Ａおよび図２Ｂに示し、それぞれ休止状態（Ａｓを下回るねじり形状記憶合金ワイヤ１の温度）および作動状態（Ａｆを上回るねじり形状記憶合金ワイヤ１の温度）にあるアクチュエータ２０を示す。この場合、戻り要素は、アクチュエータ２０の両側に配置された２つの弾性ストリップ２１、２２からなる。ストリップ２１および２２は、それらの先端が一端で静止要素２に、および他端で回転可能要素３に固定されている。

この構成において、戻り要素は、固定に関して外部環境から自律的であり、すなわちねじりアクチュエータ自体の外部に固定点が要求されない。

本発明によるサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ３０の第３の実施形態を図３Ａおよび図３Ｂに示す。この場合、ねじりアクチュエータ３０は、ねじり形状記憶合金ワイヤ１を包囲してその端部が静止要素２および回転可能要素３に固定されている弾性シース３１の戻り要素としての使用を想定している。したがって、この構成においても、戻り要素は、固定に関して外部環境から自律的であり、ねじりアクチュエータ自体の外部に固定点が要求されない。これら両方の図における破断図Ａが、ねじり形状記憶合金ねじりワイヤ１と弾性シース３１との間の関係をよりよく示している。

図１Ａ～図１Ｂ、図２Ａ～図２Ｂ、図３Ａ～図３Ｂに示すすべての実施形態は、係合特徴４としてスロットを描いている。これは、このような係合特徴４のための可能な解決策の１つに過ぎず、本発明はこれに限定されない。たとえば、複数の係合特徴が回転可能要素、３に存在してもよく、または係合特徴４は、異なるタイプ、たとえばピン、突起のようなエンボス特徴であってもよい。

係合特徴の存在は、このような特徴が設けられていない以下に記載のさらなる実施形態によって示すように、任意選択であることが強調されるべきである。

同様に静止要素２および回転可能要素３は円形状で示されているが、本発明はこれに限定されず、たとえば好ましい代替一実施形態において、回転可能要素３の一部はプーリであり、または歯車形状を有し、さらにより好ましくは、回転可能要素は歯車である。

他の最も興味深い構成の中には、回転可能要素３が空の回転シリンダであり、ねじり形状記憶合金ワイヤ１がそのベースに接続されてその回転および対称軸に沿って位置する場合がある（図６Ａ～図６Ｄ参照）。

サーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ４０の他の一実施形態を図４Ａおよび図４Ｂに示す。この実施形態において静止要素はアクチュエータケース２であり、これは少なくとも壁２３を有し、これにはその中央部分でねじり形状記憶合金ワイヤ１が接続されている。この場合、回転可能要素３は、ねじり形状記憶合金ワイヤ１がその中心において接続された平らな層状シートである。ねじり形状記憶合金ワイヤ１の作動により、要素３が垂直構成（図４Ａ）から水平構成（図４Ｂ）へ移動する。

ケース２は、壁２３に対向する壁を有することができ、形状記憶合金ワイヤ１はこの第２の静止要素にも接続することができる。この場合、ねじりＳＭＡワイヤがねじれ解除されても非拘束の先端で印加された力のために回転運動が加えられないが、その長さに沿って固定された回転可能要素に適用されたワイヤ変形（ねじれ解除状態に戻る）によって回転運動が与えられる。ねじれたおよびねじれ解除されたねじりＳＭＡワイヤは、図４Ａおよび図４Ｂに明示的に示していない。

したがって本発明の目的のため、１つの静止要素２が存在しなければならないが、任意選択でもう１つ存在することもできる。この場合、好ましい戻り要素（図示せず）は、ねじりＳＭＡワイヤを包囲する弾性シースである。

図５Ａおよび図５Ｂは、実施形態４０の一変形である第５の実施形態５０を示す。この場合、ねじり形状記憶合金ワイヤ１は、壁２３および回転可能要素３の最上部に固定され、この構成において、ねじり形状記憶合金ワイヤ１、静止要素／ケース２、回転可能要素３は、作動／非作動状態の１つにおいて流れ遮断形状を画定するように協調的に作用することが重要である。ねじり形状記憶合金ワイヤ１が作動し、図５Ｂに示す水平構成において回転可能要素３を回転させると、流れが通過することが可能になる。

図５Ａ～図５Ｂのアクチュエータ５０についても、図４Ａおよび図４Ｂに関してなされた戻り要素、回転原理および任意選択の第２の静止要素に関する同じ考慮事項が有効である。

すでに述べたように、図４Ａ～図４Ｂおよび図５Ａ～図５Ｂに示す実施形態について、好ましい戻り要素は、ねじり形状記憶合金ワイヤ１を包囲する弾性シース（これらの図には表していない）である。これらの実施形態は、サーモスタット式スロットルバルブを作製するのに特に有用である。

第６の実施形態６０を図６Ａ～図６Ｄに例示しており、図６Ａおよび図６Ｂはそれぞれ、アクチュエータの上方からの図および断面斜視図を示す一方、図６Ｃおよび図６Ｄは、ねじり形状記憶合金ワイヤ１の作動の効果を示すアクチュエータの長手方向断面である。

この実施形態において静止要素は、一端で開いており、他端でベース６１によって閉じられている円筒形アクチュエータケース２であり、回転可能要素３は、ケース２の内側に回転可能に嵌合し、同様に一端で開いて他端でベース６２が設けられた円筒体である。このベース６２は、ベース６１に対向して配置されて、流体用の通路、ならびにねじりばね６６が取り付けられた外部ペグが配備され、上記ばね６６は、近位端がベース６２と係合している一方、その遠位端は回転戻り要素として作用するようにケース２と係合している。

２つの、好ましくは同一の、長手方向アパーチャ６３、６４が、ケース２に同じ軸方向位置で形成され、角度をなすように間隔を置かれ、流れダイバータとして作用し、好ましくはわずかに大きなアパーチャ６５が、回転可能要素３の本体に上記アパーチャ６３、６４と重なる対応する位置で形成されている。ねじり形状記憶合金ワイヤ１は、その作動の結果、２つのアパーチャ６３および６４が開口６５の角度運動を通じて選択的かつ交互に開かれるよう、ベース６１および６２の中心間に接続されている。

より具体的には、図６Ｃは、アパーチャ６５がアパーチャ６４と重なっているため、アパーチャ６４が開いてアパーチャ６３が閉じている、休止（ねじれ）状態にある形状記憶合金ワイヤ１を示す一方、図６Ｄにおいてはアパーチャ６５がアパーチャ６３と重なっているため、アパーチャ６４が閉じてアパーチャ６３が開くように（図６Ｂにも示すように）ワイヤが作動して（ねじれ解除されて）いる。

この実施形態のケース２であれば、ダイバータバルブのケースとして機能することさえでき、これによってアクチュエータは実際に実質的にバルブ全体を具現化することができるということが留意されるべきである。

上の例示された実施形態から観察可能なように、本発明は、ばね、フレクシャ、薄金属ストリップ、弾性シースのような弾性要素の使用が好ましいが、いかなる特定の戻り要素にも限定または制限されない。他の戻り手段、たとえば、その作動により戻り力が提供される線形形状記憶合金ワイヤを適切に用いることもできるので、本発明は弾性戻り要素に限定されないことも強調する。

弾性戻り要素はまた、アクチュエータワイヤ１と同心に配置されており、これと接触していない（ワイヤとの最小距離が少なくとも０．１ｍｍである）金属チューブとすることもできる。このチューブは、鋼またはアルミニウムのような良好な弾性特性を備えた一般的な金属ならびにニッケルチタン合金で作製することができる。好ましいのは、０．３と３ｍｍとの間に含まれる壁厚を有するチューブの使用である。この場合、壁の厚さはＳＭＡワイヤの直径より大きくしてはならない。

薄金属ストリップ２１、２２について適切な材料の中には、たとえば、鋼およびアルミニウムがあり、好ましくは０．１ｍｍと１ｍｍとの間に含まれる厚さ、および１と１０ｍｍとの間に含まれる幅を有する一方、静止要素と回転可能要素との間の距離（すなわち本質的にねじり形状記憶合金ワイヤの長さ）によって長さが決定される。

弾性シース３１について適切な材料の中には、たとえば、好ましくは１と１０ｍｍとの間に含まれる厚さを備えた、シリコーンゴム、ポリブタジエンゴムおよびポリイソプレンゴムのようなエラストマーがある。

弾性シース３１は本質的に、ねじり形状記憶合金ワイヤ１に接触して固定されたカバーであり、したがってねじり形状記憶合金ワイヤ１に取り付けられ、次いでたとえば熱収縮シースを加熱することによってこれに堅く固定され、または代わりにねじり形状記憶合金ワイヤ１を適切な前駆体でコーティングして次いで後者を固化することによって得られる独立型限定要素とすることができるということを強調することが重要である。

典型的には、本発明によるサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータは、３０と１２００Ｎｍｍとの間に含まれる回転可能要素に接続されたワイヤ先端でのトルクを生成することができ、この広い変動は、ねじり形状記憶合金ワイヤの長さと直径との間の可能な結合、およびどのように相対力が非線形にスケールするかを考慮に入れている。

特に、ねじり形状記憶合金ワイヤのトルクと直径の三乗との間の比率は、好ましくは３と１００ＭＰａとの間、より好ましくは１０と６０ＭＰａとの間に含まれる。このパラメータは、圧力測定単位を用いて表されているが、これはこの量が、ねじりを受ける材料の部分に対する最大接線応力に正比例するためである。

好ましくはねじり形状記憶合金ワイヤは、５ｍｍと１００ｍｍとの間に含まれる長さを有する。

本発明によるサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータに用いられる形状記憶合金は好ましくは、４０℃以下のマルテンサイト相温度Ｍｆおよび６０℃以上のオーステナイト相温度Ａｆを有する。

このような温度を有する適切な合金は、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｃｕのような、追加元素あり、またはなしの、ニチノールのようなＮｉ－Ｔｉベースの合金である。合金およびその特性の適切な選択は当業者に知られており、たとえば以下を参照されたい。
ｈｔｔｐ：／／ｍｅｍｒｙ．ｃｏｍ／ｎｉｔｉｎｏｌ－ｉｑ／ｎｉｔｉｎｏｌ－ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ／ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ

本発明は、圧着、塑性変形、はんだ付けが好ましいが、ねじり形状記憶合金ワイヤを静止および回転可能要素に固定する特定の方法に限定または制限されない。はんだ付けに関して、レーザはんだ付けが最も便利である。

本発明によるサーモスタット式形状記憶合金アクチュエータがサーモスタット式バルブに用いられるとき、ねじり記憶合金ワイヤ１は好ましくは、流体の流れ方向と揃えられ、この構成は、バルブシャッタ（回転可能要素またはこれによって駆動される要素）に対する圧力／流量の直接の影響を回避するという利点を有し、バルブシャッタの回転軸は流れ方向に平行である。これにより、作動温度および角度変位のような、ＳＭＡアクチュエータの機能的特性に対する異なる流量での流体圧力の影響が最小化される。

他の利点は、ねじり形状記憶合金ワイヤが流れ方向と「揃って」いるため、これが流体によってより迅速に「濡れ」、したがって熱伝達およびアクチュエータ応答速度が向上するという事実によるものである。

本発明において主張する直径範囲の技術的効果を、上記範囲内およびその外側のワイヤのサンプルから得られた以下のテストデータによってさらに示す。

３０ｍｍの長さおよび異なる直径のねじり形状記憶合金ワイヤを、２つのワイヤ先端の一方をベースプレートに固定する一方、他方のワイヤ先端を回転させてインジケータ／ハンドルを接着させることによって得られた、１．５ｍｍ（幅）×１５ｍｍ（長さ）×０．２ｍｍ（厚さ）の寸法を備えた平らな金属シートからなるテストアセンブリを作製することによってテストした。ねじり形状記憶合金ワイヤの先端は、インジケータ／ハンドルの中央において固定されている。

ハンドルを１８０°回転させることによって手動でねじりをテストアセンブリに適用し、次いでテストアセンブリを１２０℃の温度に予熱したエアオーブンに入れた。

３０秒後に少なくとも１０°回転すればテストアセンブリは適切に機能していると見なされる。上のテスト条件は、サーモスタット式アクチュエータにおいてシステムがどのように挙動することになるか、したがって使用されるべきねじりワイヤの適切さをよく表している。

結果を以下の表にまとめる。

上の表は、本発明の特徴を備えたサンプルＳ１～Ｓ３のＳＭＡワイヤのみが、サーモスタット式ねじりアクチュエータにおいて用いるのに適していることを示している。特に、比較サンプルＣ１は、十分な機械的強度を有さず、ワイヤが曲がるにつれてその形状構成を失っており、したがってこのテストアセンブリは、ワイヤを回転可能要素の回転軸に沿って位置させるという要件に違反するので、請求項１によってもはや包含されない一方、比較サンプルＣ２は過度の慣性を示している（すなわち完全に組み立てられたアクチュエータにおいて用いれば、応答が遅すぎる）。

１ ねじり形状記憶合金ワイヤ
２ 静止要素
３ 回転可能要素
４ 係合特徴
１０ サーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ
１１ ばね
１１’ 他方の端部
１１’’ 一方の端部
２０ サーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ
２１ ストリップ
２２ ストリップ
２３ 壁
３０ サーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ
３１ 弾性シース
４０ サーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ
５０ サーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ
６０ サーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ
６１ ベース
６２ ベース
６３ アパーチャ
６４ アパーチャ
６５ アパーチャ
６６ ばね

Claims (12)

1. サーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ（１０、２０、３０、４０、５０、６０）であって、
   ・静止要素（２）と、
   ・少なくとも１つの係合特徴（４）が設けられた回転可能要素（３）と、
   ・形状記憶合金要素であって、前記形状記憶合金要素は、前記形状記憶合金要素の両端部で前記静止要素（２）を前記回転可能要素（３）と接続して、前記回転可能要素を休止位置と動作位置との間で移動させ、前記形状記憶合金要素と前記回転可能要素の回転軸に垂直な平面との間の角度が、傾斜方向に関係なく、７５°～９０°であり、前記形状記憶合金要素と前記回転軸との間の横方向のずれが５ｍｍ以下となるよう、前記回転可能要素（３）の回転軸に沿って位置する、形状記憶合金要素と、
   ・前記回転可能要素（３）に作用して、前記回転可能要素を前記動作位置と前記休止位置との間で移動させる戻り要素（１１、２１、２２、３１、６６）と、
   を含み、
   前記形状記憶合金要素は、０．３ｍｍ～３ｍｍの直径を備えたねじり形状記憶合金ワイヤ（１）であり、その作動は、それを包囲／それと接触している媒体の温度のみに基づいて、前記両端部を除いて前記ねじり形状記憶合金ワイヤ（１）の全長に亘ってねじれまたはねじれ解除につながり、
   前記アクチュエータ（１０、２０、３０、４０、５０、６０）は、前記形状記憶合金要素の電流供給／温度制御のためのいかなる手段をも含まず、
   前記ねじり形状記憶合金ワイヤ（１）のトルクと直径の三乗との間の比率は、３ＭＰａ～１００ＭＰａであることを特徴とする、サーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ（１０、２０、３０、４０、５０、６０）。
2. 前記ねじり形状記憶合金ワイヤ（１）の長さは、５ｍｍ～１００ｍｍであり、請求項１に記載のサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ（１０、２０、３０、４０、５０、６０）。
3. 前記ねじり形状記憶合金ワイヤ（１）の材料は、４０℃以下のマルテンサイト相温度Ｍｆおよび６０℃以上のオーステナイト相温度Ａｆを有する、請求項１または２に記載のサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ（１０、２０、３０、４０、５０、６０）。
4. 前記ねじり形状記憶合金ワイヤ（１）の材料は、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｐｔ、Ｃｕの１つまたは複数を任意選択で含むＮｉ－Ｔｉ合金から選択される、請求項３に記載のサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ（１０、２０、３０、４０、５０、６０）。
5. 前記形状記憶合金ワイヤ（１）の端部は、圧着、塑性変形、はんだ付けのうちの１つによって固定されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ（１０、２０、３０、４０、５０、６０）。
6. 前記戻り要素（１１、２１、２２、３１、６６）は弾性要素である、請求項１から５のいずれか一項に記載のサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ（１０、２０、３０、４０、５０、６０）。
7. 前記戻り要素は、フレクシャ、ばね（１１、６６）、薄金属ストリップ（２１、２２）、シース（３１）、金属チューブから選択される、請求項６に記載のサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ（１０、２０、３０、４０、５０、６０）。
8. 前記回転可能要素（３）に存在する前記少なくとも１つの係合特徴（４）は係合ピンまたはスロットである、請求項１から７のいずれか一項に記載のサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ（１０、２０、３０）。
9. 前記回転可能要素（３）の少なくとも一部は歯車またはプーリとして成形されている、請求項１から７のいずれか一項に記載のサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ（１０、２０、３０）。
10. 前記静止要素（２）は、一端で開いており、他端で第１のベース（６１）によって閉じられている円筒形ケースであり、前記回転可能要素（３）は、前記静止要素（２）の内側に回転可能に嵌合し、同様に一端で開いて他端で第２のベース（６２）が設けられた円筒体であり、第２のベースは、前記第１のベース（６１）に対向して配置されて流体用の通路が配備され、前記戻り要素は、前記回転可能要素（３）と前記静止要素（２）との間に配置されたねじりばね（６６）であり、前記ねじり形状記憶合金ワイヤ（１）は、前記第１のベース（６１）と前記第２のベース（６２）との中心間に接続され、２つの長手方向アパーチャ（６３、６４）が、前記静止要素（２）に同じ軸方向位置で形成されて角度をなすように間隔を置かれ、前記ねじり形状記憶合金ワイヤ（１）の作動および非作動化時に前記静止要素（２）における前記２つの長手方向アパーチャ（６３、６４）と交互に重なる対応する位置でアパーチャ（６５）が前記回転可能要素（３）に形成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載のサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ（６０）。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のサーモスタット式形状記憶合金ねじりアクチュエータ（１０、２０、３０、４０、５０、６０）を含む流体制御サーモスタット式バルブ。
12. 流体の流れ方向が、前記ねじり形状記憶合金ワイヤ（１）と本質的に平行または整列している、請求項１１に記載の流体制御サーモスタット式バルブ。

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