ES2298960T3 - Disposicion de dispositivo de accionamiento. - Google Patents
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Abstract
Una disposición de dispositivo de accionamiento, que comprende: un dispositivo de accionamiento piezoeléctrico (20), que tiene un tramo o sección de cuerpo (12); una envuelta o recubrimiento (50), que recubre al menos parte de la sección de cuerpo (12) del dispositivo de accionamiento (20); y al menos un miembro constrictor (30, 40; 60), dispuesto externamente con respecto al recubrimiento (50); en la cual el miembro constrictor (30, 40; 60) aplica una fuerza constrictora al recubrimiento (50) con el fin de mantener una obturación o cierre hermético entre el recubrimiento (50) y la sección de cuerpo subyacente (12) del dispositivo de accionamiento (20).
Description
Disposición de dispositivo de accionamiento.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de accionamiento del tipo que comprende al menos un
elemento piezoeléctrico. En particular, la invención se refiere a
un dispositivo de accionamiento piezoeléctrico para uso en un
inyector de combustible.
En un inyector de combustible conocido, un
dispositivo de accionamiento piezoeléctrico es susceptible de
hacerse funcionar para controlar el suministro de combustible al
interior de un espacio de combustión. El dispositivo de
accionamiento piezoeléctrico incluye típicamente un apilamiento o
pila de elementos piezoeléctricos a través de los cuales se aplica
una tensión, durante su uso, a través de un dispositivo conectador
eléctrico. Se describe un inyector de combustible de este tipo en
la Patente concedida a este mismo Solicitante EP 0995901, ó en la
DE 10046661.
Se conoce la práctica de disponer la pila
piezoeléctrica dentro de un volumen acumulador en el inyector, que
está dispuesto para recibir, durante su uso, combustible a alta
presión. Comúnmente, por lo tanto, la pila piezoeléctrica se
encuentra sumergida en combustible a lo largo de toda su vida
operativa. Además, cuando el sistema de inyección de combustible
está siendo utilizado, el dispositivo de accionamiento es expuesto
al combustible a una presión en el distribuidor de inyección que
oscila entre, por ejemplo, 200 bar y 2.000 bar. Con el fin proteger
de daños la pila piezoeléctrica, es importante que la pila se obture
o cierre herméticamente con respecto al combustible situado dentro
del volumen acumulador, al objeto de evitar la entrada de
combustible en las juntas de unión entre los elementos individuales
que forman la pila. Es importante también proteger la pila
piezoeléctrica de los contaminantes medioambientales, tales como la
humedad. La presencia de un fluido conductor tal como agua en la
pila puede provocar efectos electroquímicos y conducir a un fallo
por cortocircuito.
Es particularmente importante que, cuando el
dispositivo de accionamiento se utiliza en una modo presurizado
hidrostáticamente, según se describe, por ejemplo, en la Patente
concedida a este mismo Solicitante EP 1096137, la pila
piezoeléctrica se proteja de la entrada de fluido de presurización
hidrostática, ya que éste podría desplazarse al interior de grietas
en la estructura y provocar que éstas se abriesen.
En el documento EP 0995901, la pila
piezoeléctrica está provista de un revestimiento o manguito
compuesto de un material obturador flexible. El revestimiento
contribuye a obturar los elementos de la pila piezoeléctrica
aislándolos del combustible contenido en el volumen acumulador.
Además, como el revestimiento es flexible, la pila es sometida a la
carga de compresión que se aplica por parte del combustible a
presión, lo que contribuye a reducir la propagación de grietas en
la estructura. Para este propósito, se conoce el uso de una técnica
de sobre-moldeo o moldeo en superposición para
encapsular la pieza piezoeléctrica dentro de un revestimiento de
plástico o un miembro de manguito, como se describe en la Solicitud
de Patente WO 02/061856, concedida a este mismo Solicitante. El
revestimiento o manguito puede también encapsular el dispositivo
conectador eléctrico, como se describe en la Patente concedida a
este mismo Solicitante EP 1079097. El manguito está hecho
preferiblemente a partir de un fluoropolímero de baja permeabilidad
y resistente al combustible, tal como, por ejemplo, fluoruro de
polivinilideno (PVDF -"polyvinylidene fuoride") o
etilentetrafluoroetileno (ETFE).
Se ha observado, sin embargo, que aún puede
haber entrada de fluido en la superficie de separación o interfaz
entre el dispositivo de accionamiento y el revestimiento o manguito.
Por ejemplo, los manguitos anteriormente mencionados están hechos,
de preferencia, a partir de materiales elásticos o de encogimiento
por calor, como tubos con unos primer y segundo extremos abiertos,
de tal manera que el dispositivo de accionamiento puede ser
insertado en el tubo abierto. Se deja entonces al tubo contraerse
elásticamente, o bien se hace contraer por la aplicación de calor,
al objeto de encapsular el dispositivo de accionamiento. Se
comprenderá que, si bien el manguito se apoya ahora fuertemente
contra el dispositivo de accionamiento, los primer y segundo
extremos del tubo presentan recorridos o caminos para la entrada de
fluido en la interfaz entre el revestimiento y el dispositivo de
accionamiento encapsulado.
Se conoce la práctica de proporcionar un
adhesivo químico o un material de relleno, como se ha descrito, por
ejemplo, en la Solicitud Internacional
co-dependiente, de este mismo Solicitante, WO
02/061856, entre el revestimiento y el dispositivo de
accionamiento. Sin embargo, incluso en este caso, se ha observado la
entrada de fluido entre el revestimiento y el dispositivo de
accionamiento. Los adhesivos que se utilizan en la actualidad son
propensos a la degradación por efecto del combustible y se observa
habitualmente la entrada tras menos de 2.000 horas. Es razonable
esperar que un inyector tenga una vida útil de 15 años (> 130.000
horas). Se han probado una variedad de adhesivos diferentes en un
intento de crear una obturación de extremo duradera, pero ha sido
difícil conseguir una unión duradera y consistente.
La obturación de extremo ha venido siendo
también un problema con el encapsulado moldeado por inyección.
Incrementar el recorrido de fuga de la obturación de extremo con un
laberinto ha encontrado grados variables de éxito, pero con la
desventaja añadida de que no puede ser empleado fácilmente con
componentes cerámicos sin que se incurra en costes adicionales. Una
dificultad añadida ha venido siendo la tendencia de los elementos
piezoeléctricos a fracturarse durante el moldeo por inyección.
Es un propósito de la presente invención aliviar
los problemas anteriormente mencionados, pero sin que ello se añada
significativamente al coste, a la complejidad ni al tamaño del
dispositivo de accionamiento.
De acuerdo con la presente invención, se
proporciona una disposición de dispositivo de accionamiento que
comprende un dispositivo de accionamiento piezoeléctrico, que tiene
un tramo o sección de cuerpo, una envuelta o recubrimiento que
recubre al menos parte de la sección de cuerpo del dispositivo de
accionamiento, y al menos un miembro constrictor, dispuesto
externamente con respecto al recubrimiento. El al menos un miembro
constrictor aplica una fuerza constrictiva al recubrimiento para
mantener una obturación o cierre hermético entre el recubrimiento y
la sección de cuerpo subyacente del elemento de accionamiento.
En una realización preferida de la invención, el
recubrimiento es flexible. Convenientemente, el recubrimiento se
adapta al contorno del cuerpo subyacente. De preferencia, el
recubrimiento presenta una superficie de asiento macho a una
superficie hembra del miembro constrictor.
En una realización preferida de la invención, la
sección de cuerpo del dispositivo de accionamiento está insertada
en el recubrimiento. El recubrimiento puede tener la forma de un
manguito, y el manguito puede estar hecho de un material
susceptible de encogerse por calor. Alternativamente, el
recubrimiento está formado, de manera conveniente, sobre la sección
de cuerpo del dispositivo de accionamiento. El recubrimiento puede
estar hecho por sobre-moldeo o moldeo en
superposición, pintado, inmersión o rociado.
En una realización de la invención, el
recubrimiento está en contacto con la sección de cuerpo subyacente
del dispositivo de accionamiento. Alternativamente, se ha dispuesto
al menos una capa intermedia entre el recubrimiento y la sección de
cuerpo subyacente del dispositivo de accionamiento. La capa
intermedia puede ser una capa de adhesivo o una capa de relleno.
También puede haber al menos dos capas intermedias, incluyendo al
menos una capa de adhesivo y al menos una capa de relleno.
En una realización de la invención, el miembro
constrictor aplica la fuerza constrictora al recubrimiento de forma
elástica. El miembro constrictor puede tener un diámetro que se
expande de forma elástica para adaptarse a la sección de cuerpo
recubierta subyacente del dispositivo de accionamiento.
En una realización preferida, el miembro
constrictor aplica la fuerza constrictora al recubrimiento por
deformación plástica. Por ejemplo, el miembro constrictor puede ser
de material susceptible de contraerse por calor.
En una realización preferida, el miembro
constrictor es de un material con memoria de forma.
Convenientemente, el material del miembro constrictor es deformable
por transformación martensítica de su estructura cristalina. El
material con memoria de forma puede ser una aleación de níquel y
titanio, tal como el NiTiNOL. Alternativamente, la aleación de
níquel y titanio puede ser Ni_{30}Pt_{30}Ti_{50}. La aleación
de níquel y titanio puede contener también hierro. De preferencia,
el hierro está presente en la aleación en una proporción de menos
de aproximadamente entre el 3% y el 4% de la aleación.
Convenientemente, la disposición del dispositivo
de accionamiento tiene un intervalo de temperaturas operativas
definido, y el material con memoria de forma del miembro constrictor
tiene una temperatura de transformación martensítica definida que
está fuera del intervalo. El intervalo de temperaturas operativas de
la disposición del dispositivo de accionamiento puede ser entre
aproximadamente -40ºC y aproximadamente +150ºC; en consecuencia, la
temperatura de transformación martensítica definida puede ser
aproximadamente -60ºC, o bien la temperatura de transformación
martensítica definida puede ser más de aproximadamente +150ºC.
Preferiblemente, por lo tanto, la temperatura de transformación
martensítica se encuentra por encima de la temperatura operativa
máxima o está por debajo de la temperatura operativa mínima de la
disposición del dispositivo de accionamiento.
Cuando el miembro constrictor está formado a
partir de un material con memoria de forma, puede consistir,
convenientemente, en un anillo. El anillo puede tener un diámetro
interno de aproximadamente 7,5 mm y un diámetro externo de
aproximadamente 9,5 mm. El anillo puede tener también una longitud
de aproximadamente 2 mm en una dirección ortogonal o perpendicular
a cualquier diámetro del anillo.
De forma conveniente, el miembro constrictor es
generalmente anular. El miembro constrictor puede tener una sección
transversal que define un lado generalmente recto situado de cara a
la sección de cuerpo recubierta del dispositivo de accionamiento.
El lado recto puede definir una superficie hembra cilíndrica. El
miembro constrictor puede comprender al menos una espira, y puede
comprender una pluralidad de espiras. Las espiras de la pluralidad
pueden cooperar para definir una superficie hembra cilíndrica. Por
otra parte, el miembro constrictor puede comprender un elemento
bobinado que tiene una sección transversal que define un lado
generalmente recto situado de cara a la sección de cuerpo
recubierta del dispositivo de accionamiento, en el cual dichos
lados de espiras sucesivas se alinean para definir la superficie
hembra cilíndrica. La sección transversal del elemento bobinado
puede ser generalmente oblonga. De forma conveniente, las sucesivas
espiras de la pluralidad pueden contactar a tope unas con otras.
Preferiblemente, el miembro constrictor puede ser generalmente
tubular.
La invención puede también expresarse como un
método para fabricar una disposición de dispositivo de
accionamiento, de tal modo que el método comprende: proporcionar un
dispositivo de accionamiento piezoeléctrico que tiene una sección
de cuerpo y una envuelta o recubrimiento que recubre al menos parte
de la sección de cuerpo; y aplicar al menos un miembro constrictor
al exterior del recubrimiento, de tal modo que el miembro
constrictor aplica una fuerza constrictora al recubrimiento con el
fin de mantener una obturación o cierre hermético entre el
recubrimiento y la sección de cuerpo subyacente del dispositivo de
accionamiento.
El método puede comprender, preferiblemente,
expandir el miembro constrictor antes de su aplicación al exterior
del recubrimiento, y dejar entonces, o provocar, que el miembro
constrictor se encoja sobre el recubrimiento.
El método puede comprender expandir de forma
elástica el miembro constrictor antes de su aplicación al exterior
del recubrimiento, y dejar entonces que el miembro constrictor se
encoja sobre el recubrimiento por liberación de la deformación
elástica del miembro constrictor. La expansión elástica del miembro
constrictor puede llevarse a cabo mediante el deslizamiento del
miembro constrictor sobre un mandril, o mediante la inserción de una
herramienta expansiva dentro del miembro constrictor, o bien
aplicando fuerzas opuestas a los extremos libres de un miembro
constrictivo bobinado de tal manera que la bobina se desenrolle
ligeramente.
Alternativamente, cuando el miembro constrictor
es de una aleación con memoria de forma que tiene cierta temperatura
de transformación martensítica, el método puede comprender expandir
el miembro constrictivo a una temperatura por debajo de la
temperatura de transformación martensítica, antes de su aplicación
al exterior del recubrimiento; haciendo entonces, o permitiendo,
que la temperatura del miembro constrictor exceda la temperatura de
transformación martensítica, con lo que el miembro constrictivo se
encoge sobre el recubrimiento. El miembro constrictivo puede, por
ejemplo, ser expandido en aproximadamente el 8% antes de su
aplicación al recubrimiento. Este método puede comprender,
adicionalmente, almacenar el miembro constrictivo expandido a una
temperatura por debajo de la temperatura de transformación
martensítica, antes de su aplicación al exterior del recubrimiento.
El método puede también comprender adicionalmente un tratamiento
térmico de recocido del miembro constrictivo, antes de su
expansión, tratamiento térmico que puede llevarse a cabo,
preferiblemente, a aproximadamente 500 grados Celsius. El método
puede aún comprender, de manera adicional, formar el miembro
constrictivo antes de su tratamiento térmico de recocido,
llevándose a cabo dicha etapa de conformación a una temperatura por
debajo de la temperatura de transformación martensítica.
Ventajosamente, la invención puede comprender adicionalmente
enfriar al menos parte del dispositivo de accionamiento recubierto
con el fin de retardar el inicio de la transformación martensítica
con la aplicación del miembro constrictivo al exterior del
recubrimiento.
La presente invención se extiende a un inyector
de combustible que incluye una disposición del dispositivo de
accionamiento de la invención, según se describe aquí o según se
fabrica mediante el método de la invención aquí
descrito. La disposición del dispositivo de accionamiento puede instalarse en un volumen acumulador del
inyector.
descrito. La disposición del dispositivo de accionamiento puede instalarse en un volumen acumulador del
inyector.
Se describirán a continuación realizaciones de
la presente invención a modo de ejemplo únicamente, con referencia
a los dibujos que se acompañan, en los cuales:
la Figura 1 es una vista en perspectiva de una
disposición de dispositivo de accionamiento piezoeléctrico
conocida, que incluye una primera realización de la presente
invención;
la Figura 2 es una vista en perspectiva y
aumentada hasta el detalle de un primer extremo de la disposición
de dispositivo de accionamiento de la Figura 1, incluyendo la
primera realización de la presente invención;
la Figura 3 es una vista en corte y aumentada
del primer extremo de la disposición de dispositivo de accionamiento
de la Figura 1, incluyendo la primera realización de la presente
invención;
la Figura 4 es una vista en corte y aumentada
hasta el detalle de parte del segundo extremo del dispositivo de
accionamiento de la Figura 1, incluyendo la primera realización de
la presente invención;
la Figura 5 es una vista en perspectiva y
aumentada hasta el detalle de un primer extremo de una disposición
de dispositivo de accionamiento correspondiente a la Figura 1, pero
que incluye un sujetador anular en una segunda realización,
preferida en el presente, de la presente invención;
la Figura 6 es una representación esquemática de
los cambios en la forma cristalina de una aleación con memoria de
forma que sobre los que descansa el efecto de memoria de forma;
las Figuras 7a, 7b y 7c son representaciones
esquemáticas de una técnica preferida para fabricar un sujetador
para uso en la segunda realización de la invención, según se muestra
en la Figura 5; y
las Figuras 8a y 8b son representaciones
esquemáticas de una técnica preferida para ensamblar la disposición
de dispositivo de accionamiento de la Figura 5, incluyendo un
sujetador anular de acuerdo con la segunda realización de la
presente invención.
La Figura 1 muestra una disposición 10 de
dispositivo de accionamiento que es alargada y de forma generalmente
cilíndrica. La disposición 10 incluye un dispositivo de
accionamiento piezoeléctrico 20 conocido, que tiene al menos un
elemento piezoeléctrico (no mostrado) y es adecuado para uso en un
inyector de combustible de un motor de combustión interna.
El dispositivo de accionamiento 20 incluye un
tramo o sección de cuerpo generalmente cilíndrica 12, que comprende:
una porción principal central 13, que contiene un apilamiento o
pila piezoeléctrica; y unas primera y segunda piezas de extremo 14
y 16, respectivamente. La pieza de extremo 14, situada en el primer
extremo de la sección de cuerpo 12, incluye un dispositivo
conectador eléctrico con unos primer y segundo terminales y que,
durante su uso, recibe una tensión desde una fuente de suministro
de tensión (no mostrada). La pieza de extremo 16, situada en el
segundo extremo de la sección de cuerpo 12, incluye un miembro de
transmisión de carga que, en uso, coopera con un pistón de control
o aguja de válvula (no mostrada) del inyector de combustible.
Como se muestra en la Figura 2, interiormente
con respecto al dispositivo conectador eléctrico situado en el
primer extremo de la sección de cuerpo 12, la pieza de extremo 14 es
más estrecha que la porción principal 13, de tal manera, en sección
transversal longitudinal, el primer extremo de la sección de cuerpo
12 tiene un perfil escalonado que comprende un cuello 125 y un
hombro 126. Aunque no se muestra en la Figura 2, se apreciará que
hacia dentro con respecto al miembro de transmisión de carga situado
en el segundo extremo de la sección de cuerpo 12, la pieza de
extremo 16 es más estrecha que la porción principal 13, aparte del
cuello similarmente estrecho 125 situado en el primer extremo, de
tal manera que en sección transversal longitudinal, el segundo
extremo de la sección de cuerpo 12 tiene una perfil escalonado que
comprende un cuello 127 y un hombro 128.
En la Patente concedida a este mismo Solicitante
EP 0995901 se exponen exhaustivamente detalles de la pila
piezoeléctrica y de los componentes internos del dispositivo de
accionamiento 20, así como una descripción de cómo funciona el
dispositivo de accionamiento, de manera que no se explicarán
aquí.
Haciendo referencia a las Figuras 2 a 4, se
proporcionan, de acuerdo con una primera realización de la presente
invención, sujetadores arrollados o bobinados 30, 40,
respectivamente situados en el primer y en el segundo extremos de
la sección de cuerpo 12. Las espiras sucesivas de los sujetadores
30, 40 contactan a tope unas con otras, de tal manera que cada
sujetador 30, 40 define un anillo en forma de un tubo corto y
expansible.
Como se muestra en detalle en la Figura 2, el
sujetador 30 circunda o rodea la sección de cuerpo 12 por el cuello
125, hacia fuera con respecto al hombro 126. Adicionalmente, se
apreciará que el sujetador 40 circunda la sección de cuerpo 12 por
el cuello 127, hacia fuera con respecto al hombro 128. La posición
de los sujetadores 30 y 40 puede observarse con mayor detalle en
las vistas en sección de las Figuras 3 y 4.
Es evidente en las Figuras 3 y 4 la presencia de
un manguito flexible 50, que recubre y está adaptado a los
contornos de la sección de cuerpo 12. El manguito 50 se extiende a
lo largo de la longitud de la sección de cuerpo 12 desde la pieza
de extremo 14 hasta la pieza de extremo 16.
Haciendo referencia a la Figura 3, el sujetador
30 está situado externamente con respecto al manguito 50, en torno
al cuello 125 de la sección de cuerpo 12, de tal forma que la
superficie interior del sujetador 30 se apoya contra el exterior
del manguito 50. El sujetador 30 está formado de un material de
alambre de resorte o elástico convencional, que puede ser expandido
y contraído elásticamente para modificar su diámetro interno.
Cuando se sitúa alrededor del cuello 125, el sujetador 30 ejerce una
fuerza constrictora sobre el manguito 50 suficiente para empujar el
interior del manguito 50 contra el exterior de la sección de cuerpo
12. La fuerza constrictora es lo suficientemente intensa como para
que se mantenga una obturación o cierre estanco al fluido en la
superficie de separación o interfaz entre el manguito 50 y la
sección de cuerpo 12, por debajo del sujetador 30.
Puede observarse en la Figura 4 que el sujetador
40 está situado externamente con respecto al manguito 50 en torno
al cuello 127, y forma una obturación de la misma manera que se ha
descrito para el sujetador 30.
Los sujetadores 30 y 40 rodean los cuellos 125,
127, respectivamente, con al menos dos vueltas completas de sus
bobinas en torno a la circunferencia de esas zonas. La forma
bobinada proporciona un área grande y sustancialmente continua de
presión de contacto contra el manguito 50 por debajo de los
sujetadores 30, 40, al tiempo que minimiza el diámetro externo de
la disposición 10 del dispositivo de accionamiento.
Puede observarse en las Figuras 3 y 4 que los
sujetadores 30, 40 están bobinados a partir de un cable de una
sección transversal oblonga con lados rectos y esquinas o vértices
redondeados. Dicha forma de sección transversal ejerce una presión
sustancialmente uniforme sobre el manguito 50 por debajo de los
sujetadores 30, 40. También minimiza la probabilidad de crear un
recorrido helicoidal de presión de contacto baja entre las espiras
de los sujetadores 30, 40, que podría permitir, en caso de darse,
el desplazamiento del fluido al interior de la interfaz entre el
manguito 50 y los cuellos 125, 127.
Durante el ensamblaje, el sujetador 30 es
expandido, colocado y dejado a continuación contraerse hasta su
lugar sobre el manguito 50, en el cuello 125. El sujetador 40 se
coloca similarmente sobre el manguito 50, en el cuello 127, de la
misma manera. La expansión puede conseguirse, por ejemplo,
mecánicamente, haciendo deslizar el sujetador 30, 40 sobre un
mandril, o mediante la inserción de una herramienta expansiva dentro
del sujetador 30, 40, ó bien por la aplicación de fuerzas opuestas
en los extremos libres de la bobina, de tal manera que la bobina se
desenrolla ligeramente. Una vez situada correctamente sobre el
manguito 50 en el cuello 125 ó 127, según sea apropiado, el
sujetador 30, 40 expandido se deja sencillamente contraerse
elásticamente hasta constreñir el manguito 50 y formar un cierre
hermético con éste contra la sección de cuerpo subyacente 12.
Haciendo referencia a la Figura 5, se
proporciona, de acuerdo con una segunda realización, actualmente
referida, de la presente invención, un sujetador anular 60 en el
primer extremo de la sección de cuerpo 12 del dispositivo de
accionamiento 20. El sujetador 60 circunda o rodea la sección de
cuerpo 12 por el cuello 125, hacia fuera con respecto al hombro
126. Ha de apreciarse que podría proporcionarse un sujetador anular
similar 60 en el segundo extremo de la sección de cuerpo 12 (no
mostrado en esta Figura) para circundar la sección de cuerpo 12 por
el cuello 127, hacia fuera con respecto al hombro 128. Los
sujetadores 60 circundan los cuellos 125, 127 en una vuelta
completa en torno a la circunferencia de esas zonas.
Los sujetadores 60 están situados externamente
con respecto al manguito 50 en torno a los cuellos 125, 127,
respectivamente, de la sección de cuerpo 12, de tal manera que la
superficie hembra interior de cada sujetador 60 se apoya contra el
exterior del manguito 50. Cuando están situados alrededor de los
cuellos 125, 127, los sujetadores 60 ejercen una fuerza
constrictora sobre el manguito 50 que es suficiente como para
empujar el interior del manguito 50 contra el exterior de la
sección de cuerpo 12. La fuerza constrictora es lo suficientemente
intensa como para que se mantenga un cierre estanco al fluido en las
interfaces entre el manguito 50 y la sección de cuerpo 12, por
debajo de los sujetadores 60.
Los sujetadores 60 están hechos de un material
con memoria de forma que comprende, por ejemplo, una aleación de
níquel y titanio. Semejante aleación con memoria de forma es capaz
de experimentar una deformación mecánica muy acusada a una
temperatura, e incluso para un incremento moderado de la
temperatura, retorna a su forma inicial. Este fenómeno es debido a
una transformación martensítica termoelástica. Haciendo referencia a
la Figura 6, se apreciará que a temperaturas inferiores a una
temperatura de transformación martensítica definida, la aleación
tiene una estructura cristalina martensítica; a temperaturas
superiores a la temperatura de transformación martensítica
definida, la aleación tiene una estructura austenítica. Cuando la
mayoría de los metales y aleaciones se deforman plásticamente, el
cambio de forma implica el movimiento de dislocaciones y planos de
deslizamiento. Sin embargo, en el caso de la aleación con memoria
de forma, la deformación en la forma martensítica a baja
temperatura se produce por la reorganización de la estructura
cristalina maclada. Si la aleación martensítica deformada se lleva
entonces a una temperatura por encima de la temperatura de
transformación martensítica, se produce una transformación en
estructura cristalina austenítica, se invierte la deformación previa
debida a la reorganización de la macla, y la aleación retorna a su
forma inicial.
Una técnica preferida para fabricar el sujetador
60 se muestra en las Figura 7a, 7b y 7c. Durante su fabricación, el
sujetador 60 se forma con el tamaño y la forma según se requeriría
para su uso, mediante el trabajo en frío hasta las dimensiones
finales deseadas, a una temperatura por debajo de la temperatura de
transformación martensítica, tal y como se muestra en la Figura 7a,
seguido de un tratamiento térmico de recocido para establecer la
deformación de memoria de forma deseada, como se muestra en la
Figura 7b. Cada sujetador 60 se hace retornar entonces a una
temperatura por debajo de la temperatura de transformación
martensítica, de tal manera que la estructura cristalina del
sujetador se encuentra entonces en la forma martensítica emparejada
en macla, con lo que el sujetador 60 se deforma mecánicamente para
incrementar su circunferencia en aproximadamente el 8%, como se
muestra en la Figura 7c.
Es típica una temperatura de tratamiento térmico
de recocido de aproximadamente 500ºC cuando se pretende maximizar
la deformación de la memoria de forma, según se describe en la
publicación "Uso de aleaciones de nitinol" ("Using
Nitinol Alloys"), de Johnson Matthey, 2004. Se apreciará que
pueden utilizarse otras temperaturas.
Tras su fabricación, los sujetadores 60 pueden
ser almacenados a una temperatura por debajo de la temperatura de
transformación martensítica, antes de su ensamblaje en la
disposición 10 del dispositivo de accionamiento.
En las Figuras 8a y 8b. Los sujetadores
deformados 60 se colocan sobre el manguito 50 en los cuellos 125,
127, a una temperatura por debajo de la temperatura de
transformación martensítica, como se muestra en la Figura 8a. Los
sujetadores 60 deformados y ya colocados se hacen retornar, o se
dejan retornar, a una temperatura por encima de la temperatura de
transformación martensítica. A medida que los sujetadores 60 suben
por encima de la temperatura de transformación martensítica, se
produce una transición termoelástica tal, que la estructura
cristalina se transforma de una estructura martensítica en una
estructura austenítica, y la circunferencia o contorno de los
sujetadores 60 se reduce, como se muestra en la Figura 8b. Por medio
de la deformación de transición con memoria de forma, los
sujetadores 60 constriñen el manguito 50 y forman un cierre
hermético con sus extremos contra la sección de cuerpo 12
subyacente.
subyacente.
Durante el ensamblaje, si la composición de la
aleación con memoria de forma del sujetador 60 y las condiciones
del tratamiento térmico se han seleccionado de tal manera que
provoquen que el sujetador 60 experimente un encogimiento de
transición de fase de martensítica a austenítica a -50ºC, existirá
un espacio de separación suficiente como para ensamblar el
sujetador 60 en su lugar sobre el manguito 50 y el dispositivo de
accionamiento 10 subyacente. Se apreciará que, si el dispositivo de
accionamiento 10 recubierto es enfriado al igual que el sujetador
60 durante el ensamblaje, el sujetador 60 se calentará más
lentamente, dando más tiempo para el manejo antes de que se
produzca el encogimiento inducido por la transición en el sujetador
60.
En realizaciones preferidas, puede esperarse que
la disposición 10 del dispositivo de accionamiento tenga un
intervalo de temperaturas operativas de -40ºC a +150ºC. Se apreciará
que la temperatura de transformación martensítica de la aleación de
los sujetadores 60 debe encontrarse fuera del intervalo de
temperaturas de trabajo de la disposición 10 del dispositivo de
accionamiento. Así pues, se apreciará también que el ajuste de los
sujetadores 60 en su posición, en los cuellos 125, 127,
respectivamente, del dispositivo de accionamiento 20, ha de tener
lugar a una temperatura fuera del intervalo de temperaturas
operativas de la disposición 10 del dispositivo de
accionamiento.
De forma conveniente, la aleación con memoria de
forma de los sujetadores 60 puede ser NiTiNOL, una aleación de
níquel y titanio que es la aleación con memoria de forma más
extensamente utilizada. La deformación recuperable del NiTiNOL
puede ser tanto como una deformación del 8% para un uso de un solo
ciclo. Modificando las proporciones relativas de níquel y titanio
en la aleación, la temperatura de transformación martensítica puede
variarse de -50ºC a +110ºC. La inclusión en la aleación de
elementos adicionales puede alterar adicionalmente la temperatura
de transformación. Por ejemplo, la introducción de entre el 3% y el
4% de acero en el NiTiNOL rebaja la temperatura de transformación
hasta -100ºC, como se describe en la publicación "Uso de
aleaciones de nitinol" ("Using Nitinol Alloys"),
de Johnson Matthey, 2004. Convenientemente, una aleación de NiTiNOL
con hierro añadido, de tal manera que presente una temperatura de
transición de -60ºC debería resultar adecuada, puesto que esto son
20ºC por debajo de la temperatura operativa mínima anticipada de la
disposición 10 del dispositivo de accionamiento (-40ºC). Ello deja
margen para el error a la hora de valorar la temperatura de
transición de la aleación y para la aparición de extremos
inesperados de temperatura dentro de la disposición de dispositivo
de accionamiento que se está utilizando, por ejemplo, debido a una
climatología extrema.
El NiTiNOL se encuentra disponible de forma
generalizada y es relativamente barato. En grandes cantidades, el
coste del NiTiNOL se encuentra en la zona de unos 100 USD (dólares
norteamericanos) por kg para formas simples, tales como anillos
planos, según se describe en la publicación "Uso de aleaciones
de nitinol" ("Using Nitinol Alloys"), de Johnson
Matthey, 2004. A modo de ejemplo, cada sujetador 60 que tiene un
diámetro interno de 7,5 mm, un espesor de 1 mm y 2 mm de longitud,
utiliza aproximadamente 47 mm^{3} de NiTiNOL. Dadas estas
especificaciones, pueden fabricarse en torno a 3.300 sujetadores por
cada kilogramo de NiTiNOL, con un coste estimado del componente de
menos de 3 centavos por cada sujetador.
Se apreciará que se conocen también otras
composiciones de NiTiNOL con temperaturas de transición adecuadas.
Por ejemplo, la aleación con memoria de forma de los sujetadores 60
puede ser Ni_{30}Pt_{30}Ti_{50}. Este material presenta una
temperatura de transición por encima de 150ºC, que es la temperatura
operativa máxima anticipada de la disposición 10 del dispositivo de
accionamiento. Este material puede formarse también de manera que
produzca la suficiente deformación de transición de memoria de forma
como para formar un cierre hermético de acuerdo con la presente
invención. Las propiedades de este material se describen en la
publicación de Noebe, R. D.; Biles, T.; y Padula II, S.A.:
"Aleaciones con memoria de forma de alta temperatura, a base
de NiTi: propiedades, perspectivas y aplicaciones
potenciales" ("NiTi-Based
High-Temperature Shape-Memory
Alloys: Properties, Prospects, and Potential Applications"),
NASA/TM - -2005-213104, 2005.
La tensión de abrazamiento creada por los
sujetadores 60 y, a su vez, la tensión de obturación creada entre
el manguito 50 y el dispositivo de accionamiento subyacente 10 no se
describe en detalla, ya que ésta dependerá de las propiedades
reales del manguito, así como de las propiedades mecánicas y las
dimensiones de la aleación con memoria de forma. Basándose en las
cifras disponibles, un sujetador de NiTiNOL con un diámetro interno
de 7,5 mm y un diámetro externo de 9,5 mm proporcionará el
suficiente abrazamiento.
Si el manguito 50 está compuesto de PVDF,
entonces se estima que, basándose en un módulo de elasticidad cúbica
o volumétrica de 3 GPa, puede generarse una carga de abrazamiento
de 30 MPa (resistencia a la compresión de 40 MPa) por parte del
sujetador 60, comprimiendo el manguito 50 el 1%.
Por medio de la invención, la obturación o
cierre hermético formado por cualquiera de los sujetadores 30, 40 ó
60 tiene la integridad suficiente para resistir el paso de fluidos
al interior de la interfaz existente entre el manguito 50 y la
sección de cuerpo 12. Durante el uso, tales fluidos pueden incluir,
por ejemplo, combustible a alta presión, fluido de presurización
hidrostática o humedad procedente del entorno. Sin embargo, la
realización de la invención preferida en el presente y ejemplificada
por el sujetador anular 60, ofrece la ventaja de que no existe la
posibilidad de formación de un recorrido de entrada helicoidal entre
el manguito 50 y la sección de cuerpo 12 situada bajo el sujetador
60. Además, la formación del sujetador 50 a partir de una pieza
anular de material de aleación con memoria de forma puede
proporcionar una carga de abrazamiento mayor, en comparación con la
proporcionada por otros materiales o configuraciones de sujetador,
incluyendo las que se basan en la elasticidad debida a la
deformación
elástica.
elástica.
Son posibles muchas variaciones dentro del
concepto inventivo. Por ejemplo, se apreciará que el dispositivo de
accionamiento piezoeléctrico 20 puede ser de cualquier tipo. Las
piezas de extremo 14, 16 pueden estar formadas, al menos en parte,
de un material cerámico.
El manguito 50 es un ejemplo de las diversas
envueltas o recubrimientos que pueden utilizarse para recubrir la
sección de cuerpo 12 del dispositivo de accionamiento 20. Por
ejemplo, el recubrimiento puede consistir en un tubo con unos
primer y segundo extremos abiertos, de tal manera que el dispositivo
de accionamiento 20 puede ser insertado en el tubo abierto. El
manguito puede estar compuesto de un material expandido
elásticamente y al que se ha dejado contraerse para ajustarse a la
forma del dispositivo de accionamiento, o puede ser un polímetro o
elastómero sobre-moldeado o moldeado en
superposición, o bien puede tratarse de un revestimiento aplicado
por inmersión, por pintado o por rociado.
Puede haber además, opcionalmente, al menos un
material o sustancia adhesiva o de relleno, o bien una combinación
de ellas, dispuesta entre la superficie exterior del dispositivo de
accionamiento y la superficie interior del recubrimiento.
Se apreciará que los sujetadores 30, 40 y 60
pueden ser, opcionalmente, bobinados o en hélice, circulares o
conformados con forma de c. Preferiblemente, el sujetador está
conformado de tal manera que su cara interna hembra se adapta a la
superficie externa macho del dispositivo de accionamiento
recubierto, en la posición del sujetador.
En realizaciones alternativas, el sujetador
puede ser cuadrado, redondo, triangular, trapezoidal o de cualquier
otra forma apropiada en sección transversal.
En las realizaciones preferidas que se han
presentado aquí, los sujetadores están formados idénticamente en
cada extremo de la disposición del dispositivo de accionamiento. De
la misma manera, sin embargo, cada sujetador podría haberse
conformado individualmente, en particular si los primer y segundo
extremos del dispositivo de accionamiento se han conformado con
formas diferentes.
Habiendo descrito realizaciones preferidas
concretas de la presente invención, ha de apreciarse que las
realizaciones en cuestión son únicamente ejemplares y que pueden
llevarse a cabo variaciones y modificaciones según se les ocurra a
los que poseen los conocimientos y la pericia apropiados, sin
apartarse del ámbito de la invención, conforme se expone en las
reivindicaciones que se acompañan.
Claims (35)
1. Una disposición de dispositivo de
accionamiento, que comprende:
un dispositivo de accionamiento piezoeléctrico
(20), que tiene un tramo o sección de cuerpo (12);
una envuelta o recubrimiento (50), que recubre
al menos parte de la sección de cuerpo (12) del dispositivo de
accionamiento (20); y
al menos un miembro constrictor (30, 40; 60),
dispuesto externamente con respecto al recubrimiento (50);
en la cual el miembro constrictor (30, 40; 60)
aplica una fuerza constrictora al recubrimiento (50) con el fin de
mantener una obturación o cierre hermético entre el recubrimiento
(50) y la sección de cuerpo subyacente (12) del dispositivo de
accionamiento (20).
2. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con la reivindicación 1, en la cual el
recubrimiento (50) es flexible.
3. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, en la cual el recubrimiento (50) se adapta a los
contornos de la sección de cuerpo subyacente (12).
4. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, en la cual el recubrimiento (50) presenta una
superficie de asiento macho a una superficie hembra del miembro
constrictor (30, 40; 60).
5. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, en la cual la sección de cuerpo (12) del dispositivo
de accionamiento (20) está insertada en el recubrimiento (50).
6. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con la reivindicación 5, en la cual el
recubrimiento (50) es un manguito.
7. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con la reivindicación 6, en la cual el
manguito (50) está compuesto de un material susceptible de
encogerse por calor.
8. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a
7, en la cual existe al menos una capa intermedia dispuesta entre
el recubrimiento (50) y la sección de cuerpo (12) subyacente del
dispositivo de accionamiento (20).
9. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con la reivindicación 8, en la cual la capa
intermedia es una capa de adhesivo o una capa de relleno.
10. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con la reivindicación 8, en la cual existen
al menos dos capas intermedias, incluyendo al menos una capa de
adhesivo y al menos una capa de relleno.
11. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a
4, en la cual el recubrimiento (50) está formado sobre la sección
de cuerpo (12) del dispositivo de accionamiento (20).
12. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con la reivindicación 11, en la cual el
recubrimiento (50) está formado por sobre-moldeo o
moldeo en superposición, pintado, inmersión o rociado.
13. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, en la que el recubrimiento (50) está en contacto con
la sección de cuerpo (12) subyacente del dispositivo de
accionamiento (50).
14. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, en la cual el miembro constrictor (30, 40; 60) aplica
la fuerza constrictora al recubrimiento (50) de forma elástica.
15. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con la reivindicación 14, en la cual el
miembro constrictor (30, 40; 60) tiene un diámetro que está
expandido elásticamente para adaptarse a la sección de cuerpo (12)
recubierta subyacente del dispositivo de accionamiento (20).
16. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a
13, en la cual el miembro constrictor (30, 40; 60) aplica la fuerza
constrictora al recubrimiento (50) por medio de una deformación
plástica.
17. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con la reivindicación 16, en la cual el
miembro constrictor (30, 40; 60) es de material susceptible de
contraerse por calor.
18. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con la reivindicación 16 ó la
reivindicación 17, en la cual el miembro constrictor (30, 40; 60)
es de un material con memoria de forma.
19. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con la reivindicación 18, de tal manera que
la disposición de dispositivo de accionamiento tiene un cierto
intervalo de temperaturas operativas y en ella el material con
memoria de forma del miembro constrictor (30, 40; 60) tiene una
temperatura de transformación martensítica definida que está fuera
de ese intervalo de temperaturas.
20. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, en la cual el miembro constrictor (30, 40; 60) es
generalmente anular.
21. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con la reivindicación 20, en la cual el
miembro constrictor (30, 40; 60) es generalmente tubular.
22. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones
precedentes, en la cual el miembro constrictor (30, 40; 60) tiene
una sección transversal que define un lado generalmente recto
situado de cara a la sección de cuerpo (12) recubierta del
dispositivo de accionamiento (20).
23. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con la reivindicación 22, en la cual el
lado generalmente recto define una superficie hembra
cilíndrica.
24. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 20 a
23, en la cual el miembro constrictor (30, 40; 60) comprende al
menos una espira.
25. La disposición de dispositivo de
accionamiento de acuerdo con la reivindicación 24, en la cual el
miembro constrictor (30, 40; 60) comprende una pluralidad de
espiras y las espiras de la pluralidad cooperan para definir una
superficie hembra cilíndrica.
26. Un método para fabricar una disposición de
dispositivo de accionamiento, de tal modo que el método
comprende:
proporcionar un dispositivo de accionamiento
piezoeléctrico (20), que tiene una sección de cuerpo (12) una
envuelta o recubrimiento (50) que recubre al menos parte de la
sección de cuerpo (12); y
aplicar al menos un miembro constrictor (30, 40;
60) al exterior del recubrimiento (50), de tal modo que el miembro
constrictor (30, 40; 60) aplica una fuerza constrictora al
recubrimiento (50) con el fin de mantener una obturación o cierre
hermético entre el recubrimiento (50) y la sección de cuerpo (12)
subyacente del dispositivo de accionamiento (20).
27. El método de acuerdo con la reivindicación
26, que comprende:
expandir el miembro constrictor (30, 40; 60)
antes de su aplicación al exterior del recubrimiento (50); y
dejar, o provocar, que el miembro constrictor
(30, 40; 60) se encoja sobre el recubrimiento (50).
28. El método de acuerdo con la reivindicación
27, que comprende:
expandir elásticamente el miembro constrictor
(30, 40; 60) antes de su aplicación al exterior del recubrimiento
(50); y
dejar al miembro constrictor (30, 40; 60)
encogerse sobre el recubrimiento (50) mediante la liberación de la
deformación elástica del miembro constrictor (30, 40; 60).
29. El método de acuerdo con la reivindicación
27, en el cual el miembro constrictor (30, 40; 60) es de una
aleación con memoria de forma que tiene una temperatura de
transformación martensítica, de tal modo que el método
comprende:
expandir el miembro constrictor (30, 40; 60) a
una temperatura por debajo de la temperatura de transformación
martensítica, antes de su aplicación al exterior del recubrimiento
(50); y
hacer, o permitir, que la temperatura del
miembro constrictor (30, 40; 60) exceda de la temperatura de
transformación martensítica, con lo que el miembro constrictor (30,
40; 60) se contrae sobre el recubrimiento (50).
30. El método de acuerdo con la reivindicación
29, que comprende adicionalmente almacenar el miembro constrictor
(30, 40; 60) expandido a una temperatura por debajo de la
temperatura de transformación martensítica antes de su aplicación
al exterior del recubrimiento (50).
\newpage
31. El método de acuerdo con la reivindicación
29 ó la reivindicación 30, que comprende adicionalmente un
tratamiento térmico de recocido del miembro constrictor (30, 40; 60)
antes de su expansión.
32. El método de acuerdo con la reivindicación
31, que comprende adicionalmente formar el miembro constrictor (30,
40; 60) antes de su tratamiento térmico de recocido, siendo dicha
etapa de formación realizada una temperatura por debajo de la
temperatura de transformación martensítica.
33. El método de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 29 a 32, que comprende adicionalmente enfriar al
menos parte del dispositivo de accionamiento recubierto, con el fin
de retrasar el comienzo de la transformación martensítica con la
aplicación del miembro constrictor (30, 40; 60) al exterior del
recubrimiento (50).
34. Un inyector de combustible que incluye una
disposición de dispositivo de accionamiento según se ha definido en
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 25, ó como se fabrica
mediante el método de cualquiera de las reivindicaciones 26 a
33.
35. El inyector de combustible de acuerdo con la
reivindicación 34, en el cual la disposición de dispositivo de
accionamiento está instalada en un volumen acumulador del
inyector.
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