JPH0151907B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は温度によつて形状を変える形状記憶合
金を使用したもので、その動作温度を調節可能な
らしめた感温駆動体に関するものである。 従来、周囲温度を検出して流体の流れ等を制御
するアクチユエータの感温材にはバイメタル、ワ
ツクス等が使用されている。第１図は感温材にバ
イメタルを使用したアクチユエータを有する感温
弁の一例を縦断面で示したものである。この感温
弁の駆動機構はバイメタル３４によつてバルブ３
３を上下方向に駆動し、流体通路３１，３２を開
閉するものである。この場合、バルブ３３を動作
させるためには、高荷重、大ストロークを発生す
るバイメタル３４を使用する必要がある。これを
実現するためにはバイメタルの寸法を大きくした
り、二枚以上の金属板を重ねて製作する必要があ
り、バルブ駆動機構が大型とならざるを得なかつ
た。駆動機構が大型化すると、駆動部の熱容量が
大きくなり、動作温度にばらつきが生じやすいと
ともに温度に対する応答性が低下する欠点があ
る。また、耐振性も悪く振動する装置への取り付
けに防振対策が必要であつた。そこで感温材とし
て、形状記憶合金を使用することが広く、試みら
れている。しかし該合金で種々の形状の伸縮材を
成形して、所望の形状を記憶させても、各伸縮体
でその形状、寸法に若干の差が生じる。この差が
アクチユエータの動作温度にばらつきを与える原
因となつている。 本発明は、上記バイメタル、ワツクスあるいは
形状記憶合金を感温材として使用した従来のアク
チユエータの欠点を克服するために為されたもの
で、その目的とするところは、形状記憶合金から
なる伸縮体を使用したアクチユエータにおいて、
その動作温度を所望値に調整できるようにした感
温駆動体を提供することである。 本発明の感温駆動体は、一端に開口部を有し、
他端に孔を有する円筒状の容器と、該容器内にお
いてその軸方向に移動可能に挿置され、前記孔に
突出させた主部と該主部の前記孔と反対側の端部
に設けられて容器の内側に摺動可能としたフラン
ジ部とを有する駆動部材と、前記フランジ部と前
記容器内の孔側端部との間に挟持したバイアスバ
ネと、前記駆動部材のフランジ部端面に該駆動部
材と同軸に結合した軸部と、該軸部の前記フラン
ジ部と反対側の他端に結合したストツパ部とから
なり、該フランジ部とストツパ部との間隔を調整
可能としたロツドと、該ロツドの軸部の駆動部材
側に遊貫した座金と、前記容器内のバイアスバネ
とフランジ部を隔てて対向する、前記フランジ部
と前記開口部の間の前記座金で区画された部屋の
何らか一方に配設されるとともにバネ力を伸縮体
が伸長するときにバイアスバネの力を上回るよう
に調整されたリリーフバイアスバネと、その他方
の部屋に配設され所定の温度で形状を変化させる
形状記憶合金製の伸縮体と、前記容器の開口部に
設けられ、該容器内で軸方向に移動可能にすると
ともに前記伸縮体の長さを直接調整する端部材と
から成り、前記駆動部材の作動温度を所定の値に
調整できるようにしたことを特徴とするものであ
る。 本発明の感温駆動体は、駆動部材の作動温度を
所定の値に確実に調整することができる。 また、この感温駆動体は、駆動部材を確実に動
作させることができる。 さらに、この感温駆動体は、形状記憶合金製の
伸縮体の寿命を向上させることができる。 第２図に本発明の一態様を示す。まず本態様に
より本発明をより詳細に説明する。 本態様の感温駆動体は、筒状の容器１と、その
端部に有する孔１２から、その主部２１を突出す
とともに、フランジ部２２を容器１内に向けて摺
動可能に配設した駆動部材２と、該フランジ部２
２と容器１の端部１３との間に挾持せしめたバイ
アスバネ３と、上記駆動部材２のフランジ部側端
面に、同軸に結合したロツド６と、該ロツド６の
軸部６２に遊貫した座金７と、該座金７とフラン
ジ部２２の間に挾持したリリーフバイアスバネ４
と、座金７と端部材１１の間に挾持した形状記憶
合金にて構成した伸縮材５とからなり、これらの
各要素は同軸に配設する。そして、ロツド６によ
つてコイル状リリーフバイアスバネ４に発生する
バネ力を調整できるようになつている。この調整
は、駆動部材２に螺合したロツド６を回転するこ
とによつてフランジ部２２とロツド６のストツパ
６１との間隔を変化させるようにしてもよいし、
ストツパ６１を軸部６２に螺合して、ストツパ６
１を回転せしめて行なつてもよい。また、コイル
状に成形した形状記憶合金の一端を当接する端部
材１１は容器１内で、軸方向に移動できるよう
に、容器１と結合してある。この結合はねじのよ
うに任意の位置で固定できるものに限らず不連続
溝をつけて、段階的に位置を選択できる方法によ
つてもよい。該端部材１１によつてバイアスバネ
３のバネ力あるいは、駆動部材２の容器１からの
突出量を調整できるようになつている。 バイアスバネ３およびリリーフバイアスバネ４
は、コイル状のバネで、そのピツチおよび直径は
一定であつてもよいし、変化していてもよい。こ
れらのバネの材質は鋼系、あるいは、リン青銅、
洋白等の非鉄系の金属でもよい。 伸縮体５は、Ni−Ti、Cu−Al−Ni、Cu−Zn
−Al等、従来から公知の形状記憶合金線材を、
上記バネと同様、コイル状に成型したのち、熱処
理によつて所望形状を記憶せしめたものである。
形状の記憶は２−way記憶、すなわち可逆の２種
類の形状の記憶であつてもよいし、１−way記
憶、すなわち１種類の形状の記憶でもよい。 すなわち、形状記憶合金は材質によつて決まる
温度を境にしてその形状を変えることができるも
のである。前記バイアスバネ３は、形状記憶合金
が変形する時、この変形を助けるための力を付与
するものである。特に伸縮体５の形状記憶が１−
wayの場合には、該伸縮体に可逆的な変形動作を
行なわせるために、バイアスバネ３を使用するの
が望ましい。２−way記憶の場合でも、一方の形
状への変形を補助すると、変形動作がなめらかに
行なわれるので、バイアスバネを使用するのが望
ましい。また、該バイアスバネ３は、駆動部材２
を容器１内に引き込む役目も有している。 上記リリーフバイアスバネ４はそれ自身が変形
して、形状記憶合金により構成した伸縮体５に作
用する力を一定値以下におさえる役目を果す。す
なわち、リリーフバイアスバネ４がないと、伸縮
体５が伸びて、駆動部材２を移動せしめ、該駆動
部材２が移動限界まで達すると、形状記憶合金に
て構成した伸縮体５には過大な応力が発生する。
該過大応力が該合金の降伏応力を越えると、該合
金は塑性変形し、その記憶を失ない、以後の動作
における再現性が悪化するとともに、き裂が発生
して破壊することもある。バイアスバネ３とリリ
ーフバイアスバネ４のバネ力の大小関係は、伸縮
体５が伸長するときには、リリーフバイアスバネ
４のバネ力がバイアスバネ３の力を上回るよう
に、調整しておく。この調整は、バネ自体に上記
特性を持たせることはもちろんであるが、端部材
１１あるいはロツド６あるいは両者で調整するこ
ともできる。 次に該感温駆動体の動作について説明する。第
２図に示す態様は、低温の状態であり、伸縮体５
が収縮した状態を示している。ここで、たとえ
ば、該感温駆動体周囲の温度が上昇して、伸縮体
５を構成する合金の変態温度を越えると、、伸縮
体５は伸び始めるとする。 すると、伸縮体５は座金７を押圧するととも
に、バイアスバネ３は収縮せしめられる。その結
果、駆動部材２は容器１からの突き出し量を増加
し、被駆動部（図示せず）に力を供給することが
できる。このとき、リリーフバイアスバネ４が
少々収縮することもある。駆動部材２が移動限界
に達して、突き出し量が増加しなくなると、第３
図に示すように伸縮体５は、リリーフバイアスバ
ネ４を収縮せしめるので、伸縮体の余分の伸びを
吸収し、該伸縮体５には過大な力が発生しない。
それ故、伸縮体が塑性変形することもなく、まし
てやき裂が発生して該伸縮体５が破壊することも
ない。リリーフバイアスバネ４に上記リリーフ機
能を充分に発揮させるためには、ロツド６によつ
てバネ力を、あらかじめ適正値に調整しておくこ
とができる。リリーフバイアスバネ４のバネ力を
大きくしたい場合にはロツド６を駆動部材２にね
じ込むとともに、端部材１１をも容器１中へ押し
込むとよい。逆に、バネ力を小さくしたい場合に
は、上記と逆にすればよい。このようにして、伸
縮体５に作用する力を調整可能にし、本発明にか
かる感温駆動体の動力源となつている伸縮体５の
構成材料である形状記憶合金を、その許容作用力
範囲内で使用することができるので、伸縮体５の
寿命が長くなる。 次に、周囲温度が低下して、伸縮体５が再び収
縮する場合を説明する。 この場合、伸縮体５が２−wayの記憶を有して
おれば、伸縮体５は、リリーフバイアスバネ４の
反揆力を補助力として収縮する。すなわち、該リ
リーフバイアスバネ４は、上述のリリーフバネと
しての役目を果すとともに、バイアスバネとして
の作用も有している。伸縮体５が収縮してゆくと
リリーフバイアスバネ４の端部に当接している座
金７がストツパ６１に当るので、リリーフバイア
スバネ４はこれ以上伸びることはできない。 当然、座金７がストツパ６１に当る前にバイア
スバネ３が伸び始めることもあるが、その後は、
バイアスバネ３が駆動部材２を容器１内に引き込
むとともに、伸縮体５に収縮方向の補助力を与え
る。それ故、伸縮体５は確実にもとの状態に収縮
する。 伸縮体５が１−wayの記憶を有している場合に
は、伸縮体５を収縮せしめるための力は、バイア
スバネ３から供給される。それ故、バイアスバネ
としては、この力が発生し得るバネであることが
必要である。バイアスバネ３のバネ力を調整する
ためには、端部材１１を容器１内で移動させて行
なうことができる。 次に本発明にかかる感温駆動体の第二の態様を
縦断面図で第４図に示す。 各バネの構成作用は第１の態様に比べてほとん
ど変らないが、リリーフバイアスバネ４を伸縮体
５の内側に配設し、感温駆動体の全長を短かくコ
ンパクトにしたところに特徴がある。 また、ストツパ６１が端部材１１の開口部１１
１に近くなり、リリーフバイアスバネの初期バネ
力を調整しやすいという特長をも有する。 さらに、本発明にかかる感温駆動体の第三の態
様を第５図に示す。本態様は第一の態様における
リリーフバイアス４と伸縮体５とを置きかえ、ロ
ツド６を端部材１１に結合したものである。この
態様の動作も第一態様とほとんど変らないが、リ
リーフバイアスバネ４の初期バネ力の調整が容易
であるという特長を有する。 以下、本発明の実施例を説明する。 実施例 １ 粒度200番の六四黄銅粉、粒度350番以下のアル
ミニウム粉、および粒度200番の銅粉をそれぞれ
750：100：817の割合で配合、混合し、原料粉を
した。 この原料粉を圧力5ton／cm²の圧力で圧粉し、直
径が30mm、長さが45mmの成形体と得た。 その後、この成形体を窒素ガス中で温度900℃、
１時間保持の熱処理を行ない、焼結した。さら
に、この焼結体を850℃で熱間押し出しし、直径
１mmの線材とした。この線材の合金組成は、分析
値で亜鉛が18.2wt％、アルミニウムが5.9wt％、
残部が銅であつた。 この線材を有効径６mm、巻数５のコイルに巻
き、全長を35mmに伸ばして石英管中に固定した。
このコイルを石英管とともに720℃で５分間加熱
したのち水冷し、高温における形状を記憶せしめ
た。 次に、このコイルを０℃の水中で、線間が密着
するまで縮め、低温における形状を記憶させ、本
発明における伸縮体を得た。 一方、線径が0.4mm、有効径が６mm、有効巻数
が４、バネ定数25ｇ／mmの鋼製バネを２個用意
し、１個をバイアスバネ、他の１個を本発明にお
けるリリーフバイアスバネとした。 これらのバネと形状記憶合金よりなる伸縮体を
別に用意した銅製の容器に駆動部材とともに組付
け、本発明の第三態様の感温駆動体を30個製作し
た。 次に、これらの感温駆動体を、空気開閉弁の駆
動部として組込んだ流量制御弁を製作した。第６
図は流量制御弁の一部欠載図であり、気体流通部
１０１の気体通路１０２を、本発明にかかる感温
駆動体１００の駆動部材２により開閉するように
したものである。 この流量制御弁の気体通路１０２に20／分の
空気を通し、感温駆動体を水中に置き、水の温度
を20℃〜60℃まで上下し、流量制御弁の動作点を
端部材１１を回転させることによつて調節した。 上記30個の感温駆動体の動作点のばらつきは10
℃近くであつたが、上記調節をすることによつ
て、表に示す範囲内に入れることができ、本発明
における調整機構が有効であることがわかつた。

【表】 また、これらの流量制御弁の応答性は開、閉弁
温度に達してから３〜８秒で弁は所期の動作をし
た。 さらに、弁の開閉を10回繰返しの耐久試験を行
なつた結果、安定に動作し、耐久性にも優れてい
ることがわかつた。 なお、駆動部材２の先端を円錐状に形成したた
めに、気体の流量をある程度連続的に変化させる
ことができる。また、該駆動部材に当接する弁座
を円錐面にすると、より連続的に流量を調節する
ことが可能となる。 実施例 ２ 直径１mmのNi−Ti合金線材を、常温で有効径
６mm、有効巻数６のコイル状に巻回し、伸縮体用
素材を用意した。このコイル状素材を全長が約５
cmとなるように引き伸ばし、石英管内に固定し、
アルゴンガス中で温度400℃、15分の加熱処理を
行ない、そののち水冷した。さらに、実施例１と
同様、温度０℃の水中で線材が密着するように縮
め、高温時、低温時の形状を記憶せしめ本発明に
おける伸縮体５を得た。さらに、これと同様の伸
縮体を９個製作した。 一方、線径0.55mm、有効径６mm、有効巻数６、
バネ定数60ｇ／mmの鋼製バネを２ケ用意し、それ
ぞれをバイアスバネ、リリーフバイアスバネとし
た。 上記伸縮体とバネを別に用意した容器に駆動部
材等とともに組付け、本発明の第１の態様にかか
る感温駆動体を10個製作した。 本実施例における感温駆動体は、第７図にその
断面図で示すように、容器１の内部に気体あるい
は液体を流通せしめ得るようにしたものである。
この構造は、気体あるいは液体の熱が直接伸縮体
５に伝達できる特長を有するので、温度変化に対
する応答性に優れた駆動体を必要とする場合に有
効である。 第８図は、容器１の実施例を示すもので、孔１
２の周囲に気体あるいは液体の流通孔１５を複数
個を設けたものである。 第９図は座金７の実施例を示すもので、流体が
流れ得るように、切欠き７１を設けたものであ
る。第１０図は、駆動部材２の実施例を示すもの
で、フランジ部２２に流体が通過できるように孔
２２１を設けたものである。 以上のように構成した感温駆動体を、第１１図
に示すように、内燃機関用キヤブレタの結氷防止
のための緩房用水制御弁としてキヤブレタ１００
に取り付けた。すなわちキヤブレタ１００のスロ
ツトバルブ１０１およびスローポート１０２の周
辺に設けた暖房用水通路１０３の出口に、感温駆
動体１０４、弁座１０５とから構成した制御弁を
取りつけた。 このキヤブレタを排気量2000c.c.のガソリンエン
ジンに組みつけた。緩房用水通路１０３の入口
は、エンジン冷却水用ポンプに、弁座１０５の暖
房用水出口は冷却水戻し口へ接続し、エンジン冷
却水の一部を暖房用水通路に流通できるようにし
た。 次に、上記ガソリンエンジンを温度０℃、相対
湿度90％の雰囲気でアイドル運転し、キヤブレタ
１００のスロツトルバルブ１０１、スローポート
１０２附近への結氷状況を観察した。 まず、暖房用水を流さずに運転すると、スロー
ポート１０２の近辺に結氷が見られた。 次に、暖房用水を流通せしめてエンジンを運転
したが結氷は見られなかつた。しかし、９個の感
温駆動体を順次取り換えて同様の試験を行なつた
結果、結氷、あるいは逆に暖房されすぎて過多の
燃料が滲み出す、いわゆるパーコレーシヨン現象
が生じず、且つ、アイドリングを安定にするため
に適度に燃料の気化を促進する温度として35℃を
中心として、±10℃の範囲内で動作温度がばらつ
いた。このため、ばらつきの上限ではパーコレー
シヨンが、下限では結氷が生じた。 そこで、キヤブレターのスローポート１０２近
辺に熱電対を取りつけて測温しながら再運転し
た。それぞれの感温駆動体の端部材１１により動
作温度を調整することによつて、スローポート１
０２近辺の温度を35±２℃の範囲に収めることが
できた。その結果、結氷も、パーコレーシヨンも
生じず、エンジンのアイドリングも安定した。

【図面の簡単な説明】

第１図は、バイメタルを使用した従来型の感温
駆動体を利用した感温弁を示す縦断面図。第２
図、第４図および第５図はそれぞれ本発明にかか
る感温駆動体の各態様を示す縦断面図で、形状記
憶合金よりなる伸縮体が収縮した状態を示す。第
３図は、第２図に示す態様で、形状記憶合金より
なる伸縮体が伸長した状態を示す縦断面図であ
る。第６図は、本発明にかかる感温駆動体を使用
した流量制御弁の一部欠載図である。第７図は本
発明の一実施例であり、内部を流体が通過しうる
ように構成した感温駆動体の縦断面図、第８図は
第７図に示す感温駆動体に使用する容器の外観斜
視図、第９図は第７図に示す感温駆動体に使用す
る座金の外観斜視図、第１０図は、第７図に示す
感温駆動体に使用する駆動部材の外観斜視図であ
る。第１１図は本発明にかかる感温駆動体により
暖房用水を制御するようにした内燃機関用キヤブ
レタの縦断面図である。 １……容器、２……駆動部材、３……バイアス
バネ、４……リリーフバイアスバネ、５……伸縮
体、６……ロツド、７……座金、１１……端部
材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一端に開口部を有し、他端に孔を有する円筒
   状の容器と、 該容器内においてその軸方向に移動可能に挿置
   され、前記孔に突出させた主部と該主部の前記孔
   と反対側の端部に設けられて容器の内側に摺動可
   能としたフランジ部とを有する駆動部材と、 前記フランジ部と前記容器内の孔側端部との間
   に挟持したバイアスバネと、 前記駆動部材のフランジ部端面に該駆動部材と
   同軸に結合した軸部と、該軸部の前記フランジ部
   と反対側の他端に結合したストツパ部とからな
   り、該フランジ部とストツパ部との間隔を調整可
   能としたロツドと、 該ロツドの軸部の駆動部材側に遊貫した座金
   と、 前記容器内のバイアスバネとフランジ部を隔て
   て対向する、前記フランジ部と前記開口部の間の
   前記座金で区画された部屋の何れか一方に配設さ
   れるとともにバネ力を伸縮体が伸長するときにバ
   イアスバネの力を上回るように調整されたリリー
   フバイアスバネと、その他方の部屋に配設され所
   定の温度で形状を変化させる形状記憶合金製の伸
   縮体と、 前記容器の開口部に設けられ、該容器内で軸方
   向に移動可能にするとともに前記伸縮体の長さを
   直接調整する端部材とから成り、 前記駆動部材の作動温度を所定の値に調整でき
   るようにしたことを特徴とする感温駆動体。