TWI546481B

TWI546481B - 致動器

Info

Publication number: TWI546481B
Application number: TW102132716A
Authority: TW
Inventors: 斯特凡哈格曼; 羅伯特帕托; 法比恩瑞屈
Original assignee: 西門斯瑞士股份有限公司; 伊文塔斯股份有限公司
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2016-08-21
Also published as: EP2713050A1; CN103822009B; TW201420927A; CN103822009A; KR101506440B1; EP2713050B1; KR20140042741A; US20140090370A1

Description

致動器

本發明係有關於一種根據申請專利範圍第1項之前言部分所實施之致動器。

在此致動器中，一形狀記憶元件在被加熱時會位移一連接元件，而此連接元件在此致動器例如被安裝於一閥上時會依序地位移此閥之柱塞。

運用形狀記憶元件之致動器已尤其被使用在自動工程及建築自動化領域中，特別是用於解開門鎖或最近則用來在火災事件中基於安全考量而關閉氣孔。在這些用途中，此類致動器須符合成本效益，容易大量製造，可靠並耐用，且這種致動器尤其必須可產生一最小工作行程及一最小力，一最小數目之致動循環，或具有一最低限度之壽命。取決於用途，這種致動器必須不超過一最大啟動時間或一最大關閉時間。

根據申請專利範圍第1項之前言部分所實施之致動器被說明於US4841730案之第11及12圖中。此驅動被認為應僅可藉由放熱反應啟動一次，因此具體而言並無顯示任何符合成本效亦且使轉動中之形狀記憶元件快速並均勻冷卻之手段。

DE9100339U1案中已揭示具未指定用途之線性驅動器，其包括一與本發明相關之導熱元件，尤其是一由具有良好導熱性質之材料所製之管狀元件。為了冷卻此元件之目的，殼體具有若干通風口。為了加熱此元件之目的，此管狀元件在另一位置處與一加熱元件相接觸。此管狀元件封圍住一由被與其成平行配置的形狀記憶金屬所製成之螺旋彈簧。此由形狀記憶金屬所製之彈簧藉由殼體之一內端面(非藉由此管狀元件)而被側向地支撐。結果，其將為了最佳熱傳遞之需要而與該管狀元間相接觸。因此，此由形狀記憶金屬所製之彈簧沿著其長度具有一明顯呈圓形之截面，其並不與此管狀元件之內側相符合。

US2001/0038082A1案敘述一種用於一調節閥並運用一形狀記憶元件之致動器，其中述及在工業生產上之用途，尤其是在半導體工業上；換言之，係用於一種非常穩定之氣候中。調節係在任何時候都必需有一精確之加熱或冷卻劑量。為了此一理由，一諸如轉動風扇、壓電風扇、或Peltier半導體之主動冷卻元件被建議使用。一導熱元件被完全地省去。此外，需要至少一感測器以及實際上一微處理器。被纏繞在線圈周圍之形狀記憶金屬線無法輕易地大量組裝。風扇產生噪音，且除非在一潔淨室內，否則風扇也會在對此機構敏感之場所中促進灰塵的沉積。

可供具有不確定用途之驅動器用的拱形記憶元件被建議在一篇『基於銅-鋁-鎳形狀記憶單晶體之致動器及驅動器』論文中，此論文係由位於俄羅斯聖彼得堡之機器人及技術控制協會的A.Priadko、S.Pulnev、I.Viahhi、V.Vetrov及V.Yudin等人所撰。在該文中，形狀記憶元件之加熱係藉由一經纏繞之金屬線所提供，其可使得加熱均一但卻對冷卻有所妨礙。導熱元件則不存在。

WO2003/069644案顯示一種致動器，其中一平直的形狀記憶元件僅在其部分長度上被以機械方式連接至一由導電導熱塑膠製之導熱元件，此導熱元件係很難製造的。於此案中沒有提出任何用於快速且均勻冷卻形狀記憶元件之手段。

US4765139案敘述一種驅動器，其亦具有一平直或拱形之形狀記憶元件。此元件之加熱及冷卻係藉著精巧之熱電半導體發電機並經由若干與其在一小表面上相接觸之金屬線刷而被提供。此形狀記憶元件因此被快速加熱並冷卻，但並不均勻且不符合成本效益。

運用形狀記憶元件之致動器應也被用於可供加熱、通風或空調用之控制系統，尤其是為了起動用於水、冷卻劑或氣體之閥。為此目的，需要可工作在2至3mm之致動範圍中且在大約100N致動力下之致動器，其中此諸數值將僅被解釋為典型範例或為大小等級的表示。這些性能典型地必須被維持在8年間達100,000個致動循環。

在用於加熱、通風或空調之控制系統中啟動或關閉致動器應被執行於一最大時間內。這些最大時間係取決於用途且在例如用於啟動或關閉之各種情況中係一分鐘。此類致動器之全年電力消耗應也維持在一大約30kWh之最大數值內，此則取決於用途。他們必須足夠堅固，以便抵擋操作中之過載，此例如可能因為一在致動區域中的外物而導致突然升高，或可能因為磨損而隨時間升高。然而，最重要地，被裝設在生活空間中之致動器必須要幾乎無聲地運轉。

直至現在為止，僅有的適當致動器係藉由一基於螺線管之齒輪式電動馬達或藉由一具有舉升活塞之可加熱填臘汽缸而運作者。此最後之解決方案尤其使其得以安靜地運轉。

歷經一段長時間，迄今尚未有能夠被認可的成功，很多心力已經花費在發展基於形狀記憶元件之致動器，其可符合前述之要求。形狀記憶元件具有無磨耗及靜音運轉與相對較低組件成本之明顯優點。

溫度平衡在此係一特別的挑戰，因為在一典型長度之操作期間，加熱元件必須將形狀記憶元件保持在一升高的溫度處。熱絕緣此形狀記憶元件將降低能源損耗，但卻將負面地影響其冷卻，此意謂這形狀記憶元件無法在經規定之最大關閉時間內回復至其初始形狀。一額外之困難在於此致動器被交替地暴露在高環境溫度下，形狀記憶元件在此情形之下將會緩慢地回復至其初始形狀。在其他的操作時間下，環境溫度可能低的，此將增加啟動時間。尤其，位於具有許多加熱線路之緊密空間中之閥致動器有時會被暴露在高溫下。

作為一額外之挑戰，當一運用形狀記憶元件之致動器被使用於一供加熱、通風或空調用之控制系統中時，相較於傳統用途，其必須發展出許多力。為求製造簡單之緣故，及為了避免對齒輪之需求，一小巧形狀記憶元件之大單截面相對於一經纏繞之形狀記憶金屬線的多截面係較佳的。然而，這相對於體積減小了表面積，但此卻進一步增加了與溫度平衡有關之挑戰。

相同地，疲勞試驗已顯示僅加熱此形狀記憶元件的一小表面無法在最小工作行程下可靠地提供高力及最小數量之致動循環，因此該形狀記憶元件較佳地是被均一地加熱。

EP304944A2顯示在控制系統中用於加熱、通風或空調之閥驅動器，其具有若干碟狀形狀記憶環。當被加熱時，此諸形狀記憶環各向外轉動以便形成一平截頭體，其中任何與一被配置在中心處之導熱元件間之接觸實際上都不見了。此諸環藉由充滿將被控制之流體而被隨意地加熱或冷卻。不知道此類閥驅動器是否已經可在市面上購得。

EP922892A1敘述一種被使用在可供加熱、通風或空調用之控制系統中的致動器，以便可在兩致動點之間來回地切換一閥，尤其可藉其反轉工作方向。其例如使用一由形狀記憶合金所製之金屬帶，其當被加熱時將改變長度。不存在任何導熱元件。市面上買不到此類致動器。

EP1926928A1最近揭示一種根據申請專利範圍第1項之前言所實施的致動器。此致動器被設計成可在兩致動點之間來回地切換一閥。一導熱元件僅伸展在由具有經壓印之形狀記憶的合金所製成的金屬組件與該加熱元件之間。其與該組件之一小表面相接觸於至少一縱側上，且在那裡越過此縱側寬度的一大部分，但卻明顯地不適於對付溫度平衡的要求。此組件本身被構形呈大致平直狀，因為其係呈弧形，而此弧形在加熱時將會拉伸。其被定向為大致上相對於閥柱塞之移動方向成橫向。此一致動器目前還無法在市面上購得。

本發明係基於可利用簡單之手段達實質改良之認知提供一種致動器，其係以一種形狀記憶元件為基礎且尤其可使其適合於加熱、通風及空氣調節用之控制系統中的許多用途。

根據本發明所提供之解決方法係由申請專利範圍第1項中之諸特徵所代表。一具有一自由表面之導熱元件在廣泛變化之操作條件內可在啟動時間、關閉時間、能源效率、與耐久性之間有一最佳平衡，且同時可支撐以固持該形狀記憶元件。為了冷卻之目的，此自由表面係至少1.6倍大於在該導熱元件與該形狀記憶元件相接觸處之表面。

1‧‧‧致動器

2‧‧‧殼體

3‧‧‧連接元件

4‧‧‧形狀記憶元件

5‧‧‧加熱元件

6‧‧‧導熱元件

7‧‧‧殼體部件

8‧‧‧傳動元件

9‧‧‧彈簧

10‧‧‧移動桿

11‧‧‧纜線

12‧‧‧卡口接環

13‧‧‧水閥

14‧‧‧卡口凸緣

15‧‧‧柱塞

16‧‧‧彈簧

17‧‧‧閥板

下節中將配合參照下列諸圖式來說明本發明之諸示範性實施例，而此諸圖式中：第1圖係一以剖面方式顯示一根據本發明所實施之致動器及一被安裝在此致動器上之水閥的示意圖。

第2圖係一以立體方式部分地顯示一根據本發明所實施之致動器及一被安裝在此致動器上之水閥的示意圖。

第3圖係一以立體方式顯示第1圖中所示致動器之一形狀記憶元件、一加熱元件、及一導熱元件的示意圖。

第4圖係一以立體方式顯示一根據本發明所實施之致動器之形狀記憶元件、一可替代加熱元件、及一可替代導熱元件的側視圖。

第5圖係一示意地顯示第4圖中所示致動器之形狀記憶元件、加熱元件、及導熱元件的示意圖。

在第1及2圖中，致動器1包括：一殼體2、一連接元件3、一形狀記憶元件4、一加熱元件5及一導熱元件6。在此位置中，形狀記憶元件4已藉由被加熱而被啟動。

為達符合成本效益之製造，導熱元件6係由板片金屬所製成。此包含許多具有足夠導熱性質且可被彎曲至適當程度之合金。已發現的是具有90%銅重量分率且可具有一光滑抗蝕塗層的合金尤其適合。在一未被以圖例說明之實施例中，該導熱元件可能由於高度熱傳導耦合而額外地包含該殼體之諸金屬部件。

殼體2包括一被堅硬連接之殼體部件7，其中一凹部鬆弛地收納拱式形狀記憶元件4之一端部。同樣地，連接元件3包括一軛形傳動元件8，其係藉由一彈簧9之壓力而被保持抵住連接元件3。一被中央安置在傳動元件8中之凹部則鬆弛地收納該拱式形狀記憶元件4之另一端部。兩凹部被構形為大致呈漏斗形狀，以便在形狀記憶元件4改變形狀時可將此元件之諸成斜面的端部置中。

形狀記憶元件4藉由其與第1圖之截面平面相平行的諸縱向側邊而承抵導熱元件6之諸表面。此形狀記憶元件之表面(在此處導熱元件6與此形狀記憶元件相接觸)大致延伸在其寬度之一部分上。這些導熱元件表面略微彈性地壓抵住形狀記憶元件4，而有助於固持此記憶元件。因此，當與形狀記憶元件4接觸時，導熱元件6至少部分可位移地承抵住此導熱元件。取決於材料之尺寸與選擇，可能有利的是使用一種導熱膏來潤滑形狀記憶元件4沿著諸導熱表面之移動，並在形狀記憶元件改變形狀之同時熱接觸此記憶元件。在一未被以圖例說明之實施例中，此形狀記憶元件可被構形呈螺旋狀並在外側上可接觸一導熱套筒。

形狀記憶元件4係由一種主要包括鎳及鈦之習知合金所製成，而此合金係熟悉本藝之人士可依據需求而選自市面上可輕易購得的許多合金中者。當由大約70℃被加熱至恰在100℃下時，此合金的結構從麻田散鐵改變成沃斯田鐵，藉此使得此合金可執行工作。

在力、工作行程、及熱平衡間之抵換中，形狀記憶元件4較佳地在至少其長度的一半上具有一大於其長度平方之0.002倍的截面面積。

可供促動加熱元件5用之電線係經由纜線11而被提供。加熱元件5係一具有所謂「正溫度係數」或「PTC」之電阻器，其當被促動時將以自動調整方式加熱至大約120℃。加熱元件5係與導熱元件6相接觸(藉以加熱)，其依序地與形狀記憶元件4相接觸。在一未被以圖例說明之實施例中，此加熱元件可為一電力供應裝置，其為了加熱之目的而產生一通過形狀記憶元件或通過一纏繞在此記憶元件周圍之電阻線的電流。

由於被加熱，形狀記憶元件4透過在曲率上的減小而在長度上增加。此形狀記憶元件4之尺寸被設定成其可在過程中將傳動元件8舉升以對抗彈簧9之作用，藉此使連接元件3不再被壓。

此外，致動器1可採人工方式藉由移動桿10而被起動或關閉。

致動器1藉由一卡口接環12而被安裝至一具有互補卡口凸緣14之水閥13上。在此情形下，連接元件3於是不會再壓一柱塞15，因此使得一較小之彈簧16將其連同閥板17一起舉起而使水得以流動。

為了關閉致動器，加熱元件5被停用，因此使得形狀記憶元件4再度地冷卻下來。在大約80℃處，其結構開始改變回至麻田散鐵，此程序則會在大約50℃處完成。因為本質上具有雙向效應，此形狀記憶元件可在不施加任何外力下回復至其初始形狀。此需要這形狀記憶元件根據一因應需求之程序而被「訓練」。在一未被以圖例說明之實施例中，將亦可用一種具有一外部雙效應或具有一需要外力之單向效應的形狀記憶材料。此則無須進行任何訓練。

為了達到均勻之加熱及冷卻，導熱元件6與形狀記憶元件4相接觸出之表面較佳地係大於形狀記憶元件4之總表面的0.1倍。即使在一未被以圖例說明之實施例中加熱元件至少在加熱期間將直接地承抵住形狀記憶元件，導熱元件仍可因為形狀記憶材料之典型性質而良好地分布熱。加熱元件5較佳地被構形並配置在殼體中，以便其在被促動時可與形狀記憶元件4或與當時接觸到形狀記憶元件4的導熱元件6相接觸，且在導熱元件6於是直接或間接地加熱形狀記憶元件4處之表面係大於形狀記憶元件4之總表面的0.1倍。

一旦一形狀記憶元件已被加熱，且如果此致動器之對應位置還需要一較長的時間，則導熱元件在一未被以圖例說明之實施例中將被有段距離地帶到該形狀記憶元件處，例如遠距地藉由啟動一較小之額外形狀記憶元件。

第3圖顯示導熱元件6係如何為了熱傳遞及安裝之目的而與加熱元件5接觸在其大致成相對立之諸側處。加熱元件5較佳地被彈性地夾住或被配合地收納，以便可不需使用黏著劑。

在第4及5圖中，一可替代之導熱元件6以夾固方式將形狀記憶元件4保持在其後側處，且藉由其十根指部60至69而保持在一縱側處及在前側處。此導致一特別大之接觸面積。

加熱元件5從形狀記憶元件4上退耦，此意謂著介於此兩者之間的導熱元件6被窄化至僅具有一小截面面積。熱平衡可藉由這種部分退耦而被最佳化，因為加熱元件5被停用後其餘熱對於形狀記憶元件4之冷卻具有較小之負效應，即使其有時候緩慢了形狀記憶元件4之加熱。為此目的，導熱元件6較佳地具有一較小之截面，其小於在導熱元件6與形狀記憶元件4接觸處之表面的0.2倍。