NL2000209C2

NL2000209C2 - Thermische actuator.

Info

Publication number: NL2000209C2
Application number: NL2000209A
Authority: NL
Inventors: Gih Keong Lau; Duc Trinh Chu; Johannes Frans Lodewijk Goosen; Alfred Van Keulen; Pasqualina Maria Sarro
Original assignee: Univ Delft Tech
Priority date: 2006-09-04
Filing date: 2006-09-04
Publication date: 2008-03-05

Description

NL 47.085-VB/co Thermische actuator

De uitvinding heeft betrekking op een thermische actuator, ingericht om een vooraf bepaalde verplaatsing te realiseren van een actuatordeel, welke verplaatsing afhankelijk is van een stuursignaal, omvattende een eerste materiaal en 5 een tweede materiaal, welk eerste en tweede materiaal afhankelijk van het stuursignaal onderling samenwerken voor de verplaatsing van het actuatordeel.

Een dergelijke thermische actuator is bekend uit de praktijk. Als voorbeeld kan genoemd worden een bimetaal waar- 10 bij een stuursignaal in de vorm van een warmtebron kan zorgdragen voor een verstelling van het bimetaal van een eerste stand naar een tweede stand.

De uitvinding is gericht op het verbeteren van een thermische actuator zoals in de aanhef bedoeld. Dergelijke 15 thermische actuatoren worden als microactuator op diverse terreinen toegepast, bijvoorbeeld in microfluïdische componenten zoals pompjes, klepjes, spuitmondjes. Ook is bekend de toepassing in mechatronische systemen voor fijnregeling en positionering, respectievelijk actieve demping.

20 Bekende microactuatoren leveren ofwel een goede ver plaatsing, waarbij deze weinig stijfheid bezitten, zodat ook weinig kracht kan worden uitgeoefend, dan wel bezitten een grote stijfheid, maar staan slechts een kleine verplaatsing toe.

25 Dergelijke bekende actuatoren waarvan de stijfheid laag is en de thermische uitzettingscoëfficiënt hoog, bezitten in het algemeen het nadeel dat -de thermische geleiding slecht is waardoor een dergelijke thermische actuator een trage respons kent.

30 Ook is nadelig aan de bekende thermische actuatoren dat in toepassingen waarin het uitoefenen van noemenswaardige arbeid vereist is, het aansturen van de actuator de toepassing van hoge temperaturen vergt.

2

Met de uitvinding is beoogd een thermische actuator te verschaffen welke voordelen bezit ten opzichte van de bekende actuatoren en daarvoor een bruikbaar alternatief vormt.

Met name is een oogmerk van de uitvinding om een 5 thermische actuator te verschaffen die bij temperatuurverho-ging een relatief grote verplaatsing kent, terwijl deze zodanig stijf is dat bij die verplaatsing ook relatief veel arbeid kan worden verricht. Ook is een oogmerk dat de thermische actuator volgens de uitvinding een relatief snelle res-10 pons kent.

De thermische actuator volgens de uitvinding is gekenmerkt door één of meer van de navolgende conclusies.

In een eerste aspect van de uitvinding is de thermische actuator erdoor gekenmerkt dat het eerste materiaal en 15 het tweede materiaal in een alternerende reeks lagen op elkaar zijn aangebracht.

Deze maatregel faciliteert de mogelijkheid om de thermische actuator zodanig te dimensioneren dat deze optimaal is afgestemd op de toepassing waarin de actuator dient 20 te worden gebruikt.

Voordelig is daarbij de uitvoering van de thermische actuator die erdoor gekenmerkt is dat het eerste materiaal een stijfheid bezit die hoger is dan de stijfheid van het tweede materiaal, en dat het eerste materiaal het tweede ma-25 teriaal begrensd onder tenminste eenzijdige vrijlating van een zijde alwaar het tweede materiaal expansiemogelijkheid bezit.

Bij verwarming van de actuator zal het tweede materiaal uitzetten en doordat deze uitzetting door het eerste 30 materiaal beperkt wordt met uitzondering van de zijde die is vrijgelaten, zal de volume-uitzetting van het tweede materiaal zich omzetten in een lineaire uitzetting aan deze vrijgelaten zijde. Hierdoor wordt de thermische uitzetting aan de vrijgelaten zijde theoretisch met een factor 3 vergroot ten 35 opzichte van het tweede materiaal wanneer zich dit in een alzijdig vrijgelaten omgeving bevindt.

Eveneens voordelig aan deze uitvoeringsvorm is dat de stijfheid van het eerste materiaal bewerkstelligt dat het 3 ten gevolge van de thermische expansie samendrukken van het tweede materiaal verstijving daarvan oplevert, waardoor de totale stijfheid van de thermische actuator volgens de uitvinding groter is dan die van het tweede materiaal als zoda-5 nig. Hierdoor kan de actuator relatief veel arbeid verrichten.

De thermische actuator volgens de uitvinding laat zich geschikt zo uitvoeren dat het eerste materiaal een eerste uitzettingscoëfficiënt heeft, het tweede materiaal een 10 tweede uitzettingscoëfficiënt heeft, en dat de tweede uitzettingscoëf f iciënt hoger is dan de eerste uitzettingscoëffici-ent. Dit levert een relatief eenvoudige constructie op van de thermische actuator volgens de uitvinding.

De nagestreefde eigenschappen van de actuator vol-15 gens de uitvinding worden in het bijzonder gefaciliteerd in de uitvoeringsvorm die erdoor gekenmerkt is dat het tweede materiaal een dikte bezit gezien tussen aangrenzende lagen van het eerste materiaal, welke dikte tenminste een factor 3 kleiner is dan de afmetingen van het tweede materiaal gezien 20 in een vlak gelegen tussen de aangrenzende lagen van het eerste materiaal.

Verder is het voordelig om de thermische actuator volgens de uitvinding zo uit te voeren dat gezien in verhouding tot elkaar het eerste materiaal thermisch goed geleiden-25 de eigenschappen bezit ten opzichte van de in de regel thermisch isolerende eigenschappen van het tweede materiaal.

Met de zojuist genoemde kenmerken wordt bereikt dat de algehele thermische geleiding van de actuator volgens de uitvinding bijzonder wordt bevorderd zodat de actuator een 30 relatief snelle responstijd kan bezitten.

Ten behoeve van het besturen van de thermische actuator volgens de uitvinding is het verder wenselijk dat voorzien is in een verwarmingsorgaan.

Hiertoe kan eenvoudig het eerste materiaal van de 35 actuator volgens de uitvinding zijn uitgevoerd als het verwarmingsorgaan. Overigens wordt opgemerkt dat dit een preferentie betreft, en dat het verwarmingsorgaan ook additioneel 4 kan zijn aangebracht als separaat te onderscheiden orgaan, dat al dan niet deel uitmaakt van de actuator.

Een geschikte mogelijkheid voor het realiseren van het verwarmingsorgaan is om voor het eerste materiaal een re-5 sistief verwarmbaar materiaal te nemen. Hiermee is het eenvoudig mogelijk om de actuator volgens de uitvinding elektrisch aan te sturen.

Voor het toe te passen eerste materiaal en het toe te passen tweede materiaal bestaat een omvangrijke keuzemoge-10 lijkheid.

Gebleken is dat uitstekende resultaten bereikbaar zijn door het eerste materiaal te selecteren uit de groep omvattende metalen en halfgeleiders, zoals nikkel, titanium, platinum, aluminium, koper, gedoteerd silicium, boriumnitri-15 de.

Voor het tweede materiaal kan een effectieve selectie gemaakt worden uit de groep omvattende: epoxyhars, polyu-rethaan, siliconenrubber of rubber, polytetrafluorethyleen.

De uitvinding zal in het navolgende verder worden 20 toegelicht aan de hand van enkele de hierna volgende octrooi-conclusies niet beperkende uitvoeringsvoorbeelden, en onder verwijzing naar de tekening.

In de tekening tonen de figuren 1-11 elf varianten van volgens de uitvinding vorm gegeven thermische actuatoren, 25 gezien in dwarsdoorsnede.

Figuur 12 toont de variant van fig. 1 in een perspectivische weergave.

De in de diverse figuren 1-12 gebruikte gelijke ver-wijzingscijfers verwijzen telkens naar overeenkomstige onder-30 delen.

De vele varianten die getoond zijn in de figuren 1-11 illustreren de ruime variatiemogelijkheid die de uitvinding biedt zonder verlating van de uitvindingsgedachte zoals gespecificeerd in de navolgende conclusies. Hierbij kan bo-35 vendien worden opgemerkt dat de getoonde varianten in genendele limitatief zijn maar veeleer als enuntiatief zijn op te vatten ten aanzien van de variëteit die de uitvinding biedt 5 voor wat betreft de vormen waarin de thermische actuator kan zijn uitgevoerd.

De met verwijzingscijfer 1 aangeduide thermische actuator volgens de uitvinding is ingericht om een vooraf be-5 paalde verplaatsing in de met pijlen a aangegeven richting te realiseren van een actuatordeel 2.

Deze verplaatsing van het actuatordeel 2 is afhankelijk van een stuursignaal, in de regel in de vorm van een verwarming van de thermische actuator 1 welke bijvoorbeeld 10 gerealiseerd kan worden door een weerstandsverwarming van de actuator 1.

De thermische actuator 1 volgens de uitvinding omvat een eerste materiaal 3 met een eerste uitzettingscoëfficiënt en een tweede materiaal 4 met een tweede uitzettingscoëffici-15 ent, waarbij het eerste 3 en tweede 4 materiaal afhankelijk van het eerder genoemde stuursignaal onderling samenwerken voor de verplaatsing van het actuatordeel 2.

Zoals alle figuren 1-11 laten zien, zijn hiertoe het eerste materiaal 3 en het tweede materiaal 4 in een alterne-20 rende reeks lagen op elkaar aangebracht.

Het eerste materiaal 3 bezit hierbij een stijfheid die hoger is dan de stijfheid van het tweede materiaal 4, terwijl het eerste materiaal 3 het tweede materiaal 4 begrensd onder tenminste eenzijdige vrijlating van een zijde 5, 25 alwaar het tweede materiaal 4 expansiemogelijkheid bezit.

Verder valt op te merken dat bij voorkeur de tweede uitzettingscoëfficiënt van het tweede materiaal 4 hoger is dan de eerste uitzettingscoëfficiënt van het eerste materiaal 3. De nagestreefde eigenschappen van de thermische actuator 1 30 volgens de uitvinding worden in het bijzonder gefaciliteerd doordat het tweede materiaal 4 een dikte bezit gezien tussen aangrenzende lagen 3', 3" van het eerste materiaal 3, welke dikte ten minste een factor 3 kleiner is dan de afmetingen van het tweede materiaal 4 gezien in het vlak gelegen tussen 35 de aangrenzende lagen 3', 3" van het eerste materiaal 3. Dit is ter illustratie slechts met plaatsing van verwijzingscij-fers getoond in fig. 2.

6

Verder is wenselijk dat gezien in verhouding tot elkaar het eerste materiaal 3 betere thermisch geleidende eigenschappen bezit dan het tweede materiaal 4.

Voorts kan worden opgemerkt dat de thermische actua-5 tor 1 volgens de uitvinding voorzien is van een verwarmings-orgaan dat bij voorkeur geïncorporeerd is in het eerste materiaal 3. Hiertoe is bijvoorbeeld het eerste materiaal 3 uit te voeren in een materiaal dat eenvoudig resistief verwarm-baar is.

10 Tenslotte kan nog opgemerkt worden dat het eerste materiaal 3 bij voorkeur geselecteerd is uit de groep omvattende: metalen en halfgeleiders, zoals nikkel, titanium, platinum, aluminium, koper, gedoteerd silicium, boriumnitride, en dat het tweede materiaal 4 geselecteerd is uit de groep 15 omvattende: epoxyhars, polyurethaan, rubber of siliconenrubber en polytetrafluorethyleen.

Claims

1. Thermische actuator (1), ingericht om een vooraf bepaalde verplaatsing te realiseren van een actuatordeel (2), welke verplaatsing afhankelijk is van een stuursignaal, omvattende een eerste materiaal (3) en een tweede materiaal 5 (4), welk eerste (3) en tweede (4) materiaal afhankelijk van het stuursignaal onderling samenwerken voor de verplaatsing van het actuatordeel (2), met het kenmerk, dat het eerste materiaal (3) en het tweede materiaal (4) in een alternerende reeks lagen op elkaar zijn aangebracht.

2. Thermische actuator volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het eerste materiaal (3) een stijfheid bezit die hoger is dan de stijfheid van het tweede materiaal (4), en dat het eerste materiaal (3) het tweede materiaal (4) begrensd onder tenminste eenzijdige vrijlating van een zijde 15 (5), alwaar het tweede materiaal (4) expansiemogelijkheid be zit .

3. Thermische actuator volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het eerste materiaal (3) een eerste uitzet-tingscoëfficiënt heeft, het tweede materiaal (4) een tweede 20 uitzettingscoëfficiënt heeft, en dat de tweede uitzettingsco-efficiënt hoger is dan de eerste uitzettingscoëfficiënt.

4. Thermische actuator volgens één der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat het tweede materiaal (4) een dikte bezit gezien tussen aangrenzende lagen (3', 3") van het eer- 25 ste materiaal (3), welke dikte tenminste een factor 3 kleiner is dan de afmetingen van het tweede materiaal (4) gezien in een vlak gelegen tussen de aangrenzende lagen (3', 3") van het eerste materiaal (3).

5. Thermische actuator volgens één der conclusies Ι- ΙΟ 4, met het kenmerk, dat gezien in verhouding tot elkaar het eerste materiaal (3) betere thermisch geleidende eigenschappen bezit dan het tweede materiaal (4).

6. Thermische actuator volgens één der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat voorzien is in een verwarmingsorgaan.

7. Thermische actuator volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat het eerste materiaal (3) is uitgevoerd als het verwarmingsorgaan.

8. Thermische actuator volgens conclusie 7, met het 5 kenmerk, dat het eerste materiaal resistief verwarmbaar is.

9. Thermische actuator volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het eerste materiaal (3) geselecteerd is uit de groep omvattende metalen en halfgeleiders, zoals nikkel, titanium, platinum, aluminium, koper, ge- 10 doteerd silicium, boriumnitride.

10. Thermische actuator volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het tweede materiaal (4) geselecteerd is uit de groep omvattende: epoxyhars, poly-urethaan, siliconenrubber of rubber, polytetrafluorethyleen.