JPH08505677A

JPH08505677A - 高速熱機構的アクチュエータ

Info

Publication number: JPH08505677A
Application number: JP6516267A
Authority: JP
Inventors: ティーシュナイダー，エドワード
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-01-11
Filing date: 1994-01-10
Publication date: 1996-06-18
Also published as: ATE167312T1; EP0679267A1; US5419133A; CA2151709A1; DE69410985T2; EP0679267B1; DE69410985D1; WO1994016368A1; CA2151709C

Abstract

(57)【要約】ヒートシンク（１４）は、アクチュエータ（１８）と、導管（１０）を流れ、バルブ（１２）によって制御される液体との間に熱的接触を生じさせる。アクチュエータは、熱伝導性があり比較的電気伝導性のないニクロム金属薄（２４、２６）に覆われた酸化ベリリウムの熱伝導性セラミックのプレート（２２、５０）によって、その最も大きい面を規定される容器を含む。容器の縦方向の側部（３０、３２）も比較的電気伝導性がない。アコーディオンのようなひだが付けられたベリリウム銅の金属薄（４４）またはカーボンファイバのマット（８２、１１６）のような、熱的にも電気的にも伝導性のあるコアがチャンバ内に配置されている。電流は、コアそのもの（図４）または、電気絶縁性の加熱ワイヤ（８０）（図５）または、電気絶縁性の加熱面層（図６）を流れ、ガス状でない重合体の相変化化合物（４６）の抵抗加熱及び融解を引き起こす。（図８）の実施例においては、抵抗加熱電流は誘導的に誘導される。重合体のコア物質は膨張し、ラバーコア（６６，１０８）を介して、力をプッシュ・ピン（６８、１３０）に伝える。導管（１０）を流れる液体は、コア、容器そしてヒートシンクを介して相変化物質から熱を奪い、相変化化合物を凝固させ、プッシュ・ピンを収縮させる。５００ミリ秒より短い動作時間を達成するよう、相変化化合物は選ばれ、アクチュエータのサイズが決められる。

Description

【発明の詳細な説明】高速熱機構的アクチュエータ技術分野本発明は、機械力供給装置とアクチュエータに関する。強力で動作の小さい伸縮可能なアクチュエータと関係して特別な応用を見出すことが出来、これを特に参照して説明する。しかしながら、本発明は、他の機械力供給装置、ポンプ、モータ、バルブコントローラ等と同様に、他の高圧力液体式システムと閏係しても応用を見出すことが出来るであろうことを認識されるべきである。背景技術これまで、熱的膨張を機械的力に変換するために、数多くの技術が利用されてきた。熱的膨張によって生成される大きなパワーレベルは熱エンジンやその他の装置において有益な仕事に変換されてきた。最も一般的には、液体／蒸気相の熱的膨張のエネルギーは、液体の迅速な輸送可能性を利用するために動力化されている。この輸送可能性は、相変化をもたらすための熱の大量輸送を促進する。この大量輸送をもたらす１つの方法は、液体を物理的に熱供給源に移動させ、それから、液体／蒸気が抵抗に逆らって冷却源に流れるようにするものである。スチームや外部燃焼エンジンの他のタイプのものは、この技術を代表するものである。他の技術においては、燃料液体あるいは液体エーロゾルが燃焼チャンバ内に注入される。この混合物は発火させられ、燃焼蒸気は抵抗に逆らってチャンバを出ていくようにされ、物理的に熱を放出し、次のサイクルのためにチャンバ内を空にする。これら液体／蒸気相技術は幾つかの欠点を有している。第１に、蒸気相は非常に高い圧力で圧縮される。これらの圧力が予期せず解き放たれることにより、突風に伴った衝撃波を発生し、壊れた破片が飛び散って危険である。物質は輸送され消費され、失われたあるいは消費された液体のかわりの液体を供給しつづけることと同様に、複雑な制御とバルブ操作が要求される。膨張と収縮のために熱によって働く物質を輸送するのではなく、熱そのものを移動させることができるであろう。より詳細には、加熱サイクルの間膨張し、冷却サイクルの間収縮する封止されたチャンバに熱を流入させたり、チャンバから熱を取り去ったりすることが可能である。封止されたチャンバを用いた技術は、その機械的単純性、比例制御、非常に堅固な動作、様々な熱源に迅速に適用できること、パワー密度が高いこと及び静かな動作を含む多くの利点を有している。更に、液体は蒸気と比べて僅かな量しか圧縮されないので、これらは液体／蒸気システムよりもずっと安全である傾向がある。不幸にも、媒体へ及びからの熱の輸送は普通、熱伝導性によっている。融解時に良い膨張／収縮率を示す媒体は、比較的熱伝導率が良くない。従って、固体／液体封止チャンバ相変化アクチュエータは非常に遅いサイクル時間を持つ傾向にある。本発明は、ソレノイドのサイクル時間のオーダー、すなわち、約２分の１秒かそれ以下の短縮されたサイクル時間を示すことのできる、新しく改良された固体／液体または固体／固体相変化封止チャンバアクチュエータを企図している。発明の要点アクチュエータは、内部チャンバを規定する容器と、チャンバ内に配置される熱伝導性コアと、コア内部の通路を満たす温度膨張性成分とを含む。このように、コアが化合物に熱を伝導するとき、それは膨張し、コアが化合物から熱を奪うときには、それは収縮する。機械的動作手段は、化合物が膨張や収縮するときに機械的な動作をこうむる。アクチュエータは更に、ＵＡΔＴ／Ｈ_f＜０．５ｓｅｃとなるように相変化化合物から熱を移動するために、ヒートシンクとコアの間に、選択的に温度差ΔＴを生成する手段によって特徴付けられている。ここで、Ｕは化合物の熱伝導率、ΔＴは温度差、Ａはコアから化合物への伝導路の典型的面積、Ｈ_fは化合物の融解熱である。アクチュエータは更に、高い熱伝導率を有するカーボンファイバを含むコアによって特徴付けられている。アクチュエータは更に、選択的にコアのカーボンファイバに圧力を掛け、熱伝導率を調整する手段によって特徴付けられている。本発明の他の側面によれば、コアは伝導性でアコーディオン状のひだが形成された金属薄を含む。本発明の他の側面によれば、内部チャンバは一般に環状であって、磁束透過コアを囲んでいる。１次側巻き線は選択的にコア内に磁束を誘導する。２次側巻き線はコア内に磁束を誘導し、容器を介して電力を供給されることなく２次側巻き線に電流を誘導する。本発明の他の側面によれば、アクチュエータは内部チャンバを規定する容器と、チャンバ内に配置され、加熱されたり冷却されたりすると膨張したり収縮したりする化合物と、化合物の膨張や収縮を機械的動きに変換する手段とを有する。アクチュエータは更に、チャンバ内に配置され、カーボンファイバの表面間の多数のパスを規定するカーボンファイバコアによって特徴付けられている。カーボンファイバは容器の熱伝導性を有する部分と熱的に接触している。化合物は、カーボンファイバ内のパスを満たし、カーボンファイバが化合物に熱を伝えて膨張させたり、熱を奪って収縮させたりする。本発明の他の側面によれば、機械的動作の方法が提供される。カーボンファイバの表面間の多数のパスを規定する熱伝導性コアを保持する容器の内部チャンバは、加熱と冷却に従って膨張と収縮を行う化合物で満たされている。熱はコアに加えられ化合物を膨張させる。そして、この膨張は機械的動きに変換される。熱は、コアと熱的に接触しているヒートシンクから取り除かれ、化合物を冷却し、これを収縮させる。この収縮は機械的収縮に変換される。コアはヒートシンクと熱的に接触しており、機械的収縮は０．５秒より短い間に起こる。より詳しくは、ＵＡΔＴ／Ｈ_f＜０．５秒であり、ここで、Ｕは化合物の熱伝導率、Ｔは温度差、Ａはコアから化合物への伝導路の代表的面積、Ｈ_fは化合物の融解熱である。本発明のより限定された側面においては、上記方法は、面積に対する体積の比を調整するためにコアのカーボンファイバを選択的に押圧することを含む。本発明の他のより限定された側面においては、容器の内部チャンバの加熱電流は誘導的に誘導される。本発明の１つの利点は動作の速度にある。本設計によれば、ソレノイドと比較できるほどの速度を得られる。本発明の他の利点はその機械的単純性にある。本発明によるアクチュエータの他の利点は、その高い堅固さにある。他の利点は、比例制御、高いパワー密度、静かな動作、安全性及び熱源の柔軟性を含んでいる。図面の簡単な説明図１は、液体バルブを備えた本発明によるアクチュエータの概略図である。図２は、図１のアクチュエータの縦断面図である。図３は、図１のアクチュエータの横断面図である。図４は、図１のアクチュエータの分解図である。図５は、コアが繊維状のマットを含む別の実施例の分解図である。図６は、コアが高熱伝導性の繊維からなる螺旋状のラップされた織り地を含む別の実施例である。図６Ａは、図６の一部の拡大図である。図７は、図６のコアの熱伝導率をコア内の静止圧力に対してプロットしたものである。図８は、誘導的に制御される別の実施例である。好適実施例の詳細な説明図１を参照すると、導管１０は液体、例えば水力学的な液体を制御バルブ１２に運ぶ。好ましくは、液体は約１５０゜Ｆより低い温度である。典型的には、水力学的システムは、水力学的液体が１４０°Ｆより低い温度に冷やされているように熱交換器を含んでいる。多くの他の液体システムは、温度がこの範囲にちょうどある液体を運ぶ。例えば、「冷」水システム、輻射暖房システム、低温度化学処理システム等である。第１の接触部材あるいはヒートシンク部材１４は、輸送される液体との熱交換を提供する。好ましくは、第１のヒートシンクあるいは接触手段は、液体が通過する、アルミニウム、銅あるいは他の高い熱伝導率を有する物質のシリンダー、例えばバルブ本体の一部を含む。図１を参照しつつ、特に図２、３及び４を参照すると、アクチュエータ１８は第１のヒートシンク部材１４の設置面１６に対して設置されている第２の、あるいはアクチュエータ・ヒートシンク２０を含んでいる。高熱伝導率物質の層２２は第２のヒートシンク２０と熱的に接触している。好ましくは、高熱伝導率層２２は、第２のヒートシンク２０に電流が流れてしまわないように、比較的低い電気伝導率を有している。好適実施例においては、層２２は酸化ベリリウムのセラミックである。金属性のフィルムあるいは金属薄の向かい合っている層２４、２６と端部の部材３０、３２、３４、３６は内部にチャンバを規定する容器を形成している。金属性フィルムあるいは金属薄層２４、２６と横部の部材３０、３２は、やはり比較的低い電気伝導性を有する熱伝導性物質で構成されている。向かい合った端部の部材３４、３６は、例えば銅あるいはベリリウム銅の電気伝導性の良い物質で構成されている。電気接続端子４０、４２は、それぞれ端部の部材３４、３６に接続されている。コア部材４４は、例えばギア状のローラの間で巻き付けることによって、ひだ付の断面に折り曲げられた０．１０ｍｍのベリリウム銅金属薄で作られる。この金属薄は、コアの近接した壁の間に例えば０．０５ｍｍという選択された空間が存在すると破れてしまう。ひだの付いたコアは、ニクロム製金属薄２４、２６、ニクロム製横部部材３０、３２及び銅製または電気伝導性の端部部材３４、３６にハンダ付けされている。ひだの付いた金属薄内の通路は、ワックスのような、ガラス転移温度での固体−固体相変化や融解温度での固体−液体相変化等をしたときに膨張する熱膨張物質４６で満たされている。０．０５ｍｍ間隔の細い通路では、相変化物質の全ての部分は、コア部材から０．０２５ｍｍよりも僅かしか離れていない。この大きさは、より速いアクチュエータのために少なくすることも、低速が許容される場合に増やすこともあるだろう。電流が電気コネクタ４０、４２の間に流されるとき、電圧あるいは電流分割器が首尾よく規定され、電流のほとんどはコア金属薄４４を介して流れる。つまり、ニクロム金属薄２２、２６とニクロム端部部材３０、３２を含むニクロム脚は比較的高い電気抵抗を持っている。コア４４と端部部材３４、３６を含むコア脚は重要なことに、より小さな電気抵抗を有している。これら２つの脚が結果的に並列に接続されていることにより、電流は、２つの脚の相対抵抗によってより低い抵抗の脚を主に流れる。可変電流源４８は、電流の大きなバーストあるいはパルスを供給し、初期動作を起こさせ、より小さな電流を供給して伸長動作の予め選択された状態を維持するために、ヒートシンクを介した冷却を相殺するのに十分な加熱を行う。酸化ベリリウムまたは他の熱伝導性物質の第２の層５０は、容器の反対面に設けられている。強化層５２は第２の面に上張りされて、歪みや膨張に対してチャンバを強化する。機械的動作伝送手段６０は膨張媒体４６の膨張を機械的動きに変換する。好適実施例においては、手段６０は、ニクロム金属薄２４、２６の層の１つに対して固く保持された円筒状器具６２を含んでいる。ニクロム金属薄は、目的があってコア４４にハンダ付けされていない部分６４を持っており、膨張物質が相を変えるときチャンバから外側にまがれるように、すなわち、スナップ・ドーム部材として機能するようになっている。変形可能な、弾性部材６６、例えばラバー・プラグまたはコアは、円筒状器具６２の中に配置されており、機械的動きをドーム部材６４からプッシュ・ピン６８に伝える。ネジ山の掘られたプラグ７０はねじり下ろされラバー・コアを押圧し、プッシュ・ピン６８に初期負荷を与える。ラバー部材へのトルクを選択的に調整することによって、プッシュ・ピンの最初の大きさ、あるいは伸長点を正確に決めることができる。ラバー・コア６６はまた、ドーム部材６４の低移動、大きい面積歪みをプッシュ・ピン６８のより大きな移動、小さな断面領域の歪みに変換する水力学的液体と似たような機能も果たす。図５を参照すると、他の実施例においては、コア４４は、高熱伝導率カーボンファイバであり、好ましくはＡｍｏｃｏから提供されるＫ−１１００カーボンファイバであり、ベリリウム銅の約５倍の熱伝導率を有している。より詳しくは、Ｋ−１１００カーボンファイバの熱伝導率は、６４Ｏｂｔｕ／ｆｔ−゜Ｆ−Ｈｒのオーダーである。カーボンファイバあるいはベリリウム銅金属薄のコアは、比較的低い電気抵抗を有しており、高い電流量と低い電圧供給を必要とする。もし、低い電流量と高い電圧供給が望まれるなら、抵抗ワイヤ８０のようなヒータをコアに含ませることができる。このワイヤはコアの熱伝導物質と絶縁されている。あるいは、金属の薄いフィルムをどちらかの内部コア表面の上の絶縁層上に敷くことができ、カーボンファイバまたはベリリウム銅のコア構造と接触することができる。フレーム・スプレー、スパッタリング、電気泳動、あるいは他の手段のいずれかによって形成されるこの薄いフィルムは、また、コアの熱伝導構造の接点で電気的に絶縁されている。カーボンファイバは、抵抗ワイヤから熱的に膨張する物質の全ての領域にすぐに熱を伝える。カーボンファイバは非常に電気伝導性が良いので、抵抗加熱ワイヤ８０は電気的に絶縁されている。酸化ベリリウムのような熱伝導性電気絶縁体８２は、カーボンファイバが端子４０、４２を電気的にショートさせないようにする。電気抵抗ワイヤの端は高圧の電気的フィードスルー４０、４２によって電気的に接続され、容器内の選択的加熱を供給する。ファイバ・コアはランダム・ファイバ・マットあるいはフェルトでよく、熱膨張ポリマーのような熱膨張媒体が注入されている。あるいは、カーボンファイバは、クロース（Cloth）に織られるであろうし、ロビングス（rovings）に形成されるであろうし、心棒に巻き付けられるであろうし、あるいは、他の形や構成に成されるであろう。更に、ファイバはランダムに切り刻まれるであろう。製造を容易にするために、溶けた熱伝導性物質のスープと細かく分割されたカーボンファイバを混ぜて、容器の中に詰め込むであろう。更に、ダイヤモンドのような、他の非常に熱伝導性が良い物質も混合物に導入するであろう。工業ダイヤモンドは、Ｋ−１１００カーボンファイバより約３分の１大きい熱伝導率を持っている。混合物の中に工業ダイヤモンドの粉を混ぜることにより、更によい熱伝導性を得ることが出来る。あるいは、コアを細かく分割されたダイヤモンドで構成することも可能である。図６は、好適な心棒巻き、あるいは同軸カーボンファイバ、カーボン・フィラメントの実施例を示す。容器は、一般に環状の穴を規定する非常に熱伝導性のよい金属部材１００によって規定される。穴は、テーパ状の内部端１０２を持ち、この中にテーパ状のベリリウム銅のコレット１０４を滑り込ませる。環状チャンバ１０６は、コレットと固く圧縮不可能な金属要素１１０との間で規定される。コレット１０４は、金属要素１１０が後方にシフトするのを制限する唇部１１２を有する。Ｏ−リング１１４は熱伝導性物質の高圧力の漏れを防ぎ、熱膨張物質が収縮するとき空気が環状領域１０６に引き込まれるのを防止する。環状チャンバ１０６は、熱膨張物質が注入された、固く心棒に巻き付けられたカーボンファイバによって満たされている。ファイバ１１６は、図示の簡単化のために図６Ａに大きくスペースをとって示されている。薄く電気抵抗のあるヒータ層１１８は、実質的に環状チャンバの周囲に渡って延びており、熱伝導性のある電気絶縁体１２０によって囲まれている。電気的に絶縁された抵抗ワイヤを環状チャンバ１０６に設けるのは任意である。高圧力電気供給器１２２は、抵抗ヒータ層１１８とアクチュエータの外面との間に絶縁された電流路を提供する。フィル・チューブ１２４は環状穴１０６を熱膨張物質で満たすことを容易にするように設けられている。力伝達手段は、環状領域１０６からの膨張力を伝達する。好適実施例においては、複数の半径方向の穴１２６は重合体の膨張物質１２８で満たされる。環状領域１０６内で生成された強い力の下で、重合体の膨張物質は流動し、冷えた状態においても力を伝達する。半径方向の穴１２６は、重合体の膨張物質１２８がピストン・ガイド１３２に滑り入れられるピストン１３０に対して作用するように結合される。Ｏ−リング１３４とカラー１３６は、収納部１００に、あるいは、からピストン・ガイド１３２をねじのように入れ込み、引き出すことによって、ピストンに対して選択的に締めつけられる。このように、熱膨張物質が相を変化させ、膨張するとき、それを穴を通して動かし、ピストンを押して伸長させる。コレット１０４は、容器１００とねじ込まれるように接続する１３８。このように、噛み合い穴１４０によるコレット部材１０４の回転は、コレット部材１０４をテーパ状の壁面１０２に対して押しつける。カム構造は、コレットの直径を縮小し、環状チャンバ１０６内のカーボンファイバと熱膨張物質を押圧する。図７を参照すると、カーボンファイバを押圧することは、これの電気伝導度を向上させ、従って、これらの熱伝導率を増加させる。熱伝導率が改善するのは、交差しているファイバも一緒に押圧して、より良い熱的接触が行われることによるのであろう。コレットは、コレット柔軟点１４２とＯ−リング１４４と水力学的バックアップ・リング１４６とを含み、コレットを穴に押し込む押圧力の調整を容易にする。コレットと収納部のネジ状の接触を選択的に調整することにより、カーボンファイバの伝導性は図７の利用可能な伝導率の範囲内で調整される。図８の実施例においては、アクチュエータは誘導的に制御される。電気伝導性のカーボンファイバ１５０は、溝領域１５４のセラミックあるいは鉄の磁束透過コア１５２のまわりにしっかりと巻き付けられている。溝領域は半径方向の穴１５６によって、中央穴１５８に接続されている。封止Ｏ−リング１６２を有するピストン１６０は中央穴に滑り入れられる。熱伝導性外部壁１６４は、溝を封止して、閉鎮された環状チャンバを規定する。外壁は、外部収納部による磁界の寄生的誘導を避けるために酸化ベリリウム・セラミックで形成されるのが好ましい。Ｏ−リング１６６は環状チャンバを封止する。しっかり巻きつけられたカーボン・フィラメントと半径方向の穴と中央の穴との間の全ての空間を含む環状チャンバはワックスのような重合体の膨張媒体１６８で満たされる。環状チャンバ内の膨張媒体が状態を変え、膨張するとき、半径方向の穴と中央の穴の中の重合体の物質には、状態を変えなくても流動を起こすような十分な圧力が加えられる。重合体の物質が流動するときには、ピストンを押して伸長させる。あるいは、穴１５６、１５８は、膨張をピストンに伝達することのできる弾力性のある化合物で満たすことも可能である。この実施例においては、膨張ポリマーは領域１５０に制限される。鉄あるいはセラミックの磁気コアはループ状に延びている。ワイヤ巻き線１７０はコア・ループの離れた部分のまわりに巻かれており、ループと電気カーボンファイバ巻き線１５０を通る磁束を選択的に生成する。アクチュエータの速度は、大部分、熱エネルギーが膨張媒体を出入りする速度によって制御される。ソレノイドは最も一般的なアクチュエータの中のものであるので、現在ある装置の大部分はソレノイドのスピードで作動するアクチュエータを使用するよう設計されている。同様に、多くの設計者は、アクチュエータがソレノイドと比較できるほどの速度を持っていることを要求する。負荷の下では、ソレノイドは典型的には、約５０〜５００ミリ秒の範囲で作動する。負荷なしでは、ソレノイドは２０ミリ秒位の速さで動くであろう。従って、本アクチュエータのコア構造は膨張媒体を出入りする熱が十分な速度で動き、動作を２分の１秒かそれより短い間で達成できるように設計する。アクチュエータを膨張させるのに要求される熱エネルギーの量Ｑ_cは、膨張媒体の融解熱Ｈ_f、生成される圧力Ｐ、及び膨張体積ｄＶによって決定される。膨張したアクチュエータを収縮させるために取り除かねばならない熱エネルギーの量Ｑ_c は、ちょうど融解熱Ｈ_fである。融解熱は圧力と温度の複雑な関数であって、異なる重合体の物質に対し変化し、まだ普遍的な数学公式に単純化できていない。ここでの解析を簡単にするため、融解熱を固定された量Ｈ_fで表す。より詳しくは、膨張：Ｑ_c＝Ｈ_f＋Ｐ＊ｄＶ＊ｃ（１ａ）収縮：Ｑ_c＝Ｈ_f （１ｂ）ここで、ｃは変換係数である。Ｑを立方インチあたりのＢＴＵで測定するとき、融解熱Ｈ_fは立方インチあたりのＢＴＵで測定され、圧力Ｐは平方インチあたりのポンドで、膨張体積ｄＶは膨張物質体積の立方インチあたりの立方インチで測定され、変換係数ｃは、インチ／ポンドあたり１／９３３６ＢＴＵである。熱伝導速度ｑは熱エネルギーＱの時間微分、すなわち、膨張：ｑ_c＝ｄＱ_c／ｄｔ＝ｄ（Ｈ_f＋Ｐ＊ｄＶ＊ｃ）／ｄｔ（２ａ）収縮：ｑ_c＝ｄＱ_c／ｄｔ＝ｄＨ_f ／ｄｔ（２ｂ）冷却あるいは収縮モードにおいては、ヒートシンクと膨張物質間の全てのパスの実質の熱コンダクタンスを記述する全体の熱伝導率Ｕによって、速度は制御される。このパスはヒートシンクから相変化を被る膨張物質のもっとも遠いもっとも増加した要素にまで広がる。全ての相変化物質がアクチュエータの収縮をもたらすために相変化を被る必要がないことは注目されるであろう。しかし、相変化を被らない物質は動作には寄与しない。熱伝導速度ｑ_cはまた、ｑ_c＝ＵＡΔＴ（３）でも定義される。ここで、Ｕは全体の熱伝導率、Ａは伝導パスの代表的面積、Δ Ｔは膨張物質とヒートシンクとの間の全体の温度差である。式（２）と（３）とを組み合わせると、収縮：ＵＡ＝ｑ_c／ΔＴ＝（ｄＨ_f／ｄｔ）／ΔＴ（４ａ）上記計算において、Ｕ、全体の熱伝導速度は、ニクロム金属薄、酸化ベリリウム・セラミック、膨張ポリマー及び様々なシンクのような、パス上にある様々な物質の熱伝導性係数を示すコングロマリット数（conglomerate number）である。更に、理論的面積Ａと、Ｕに含まれる長さ係数Ｘによって表現されるコングロマリット形態（conglomerate geometry）を仮定している。この形態係数を詳述するためには、様々なシンクのパス上にある物質の熱的抵抗が膨張ポリマーのものよりもはるかに小さいことに注意しなければならない。シンク物質の典型的な熱伝導率はポリマーより２４０から１２８０倍大きい。従って、ポリマーの伝導率と幾何形状のみを調べることにより問題を近似することができる。この場合、全体の熱伝導率Ｕはポリマーの熱伝導率Ｋ_pに置き換えられる。シンクからもっともはなれた膨張ポリマー要素は、もっとも近いコア・シンク・パス要素からのポリマー中の距離ｘとして定義される。従って、式（３）は、ｑ_c＝（ＫＡ／ｘ）ΔＴ（５）のように書き換えることが出来る。ここで、Ａは、いま考えている膨張ポリマー要素の単位体積を与える伝導パスの正確な面積である。Ｋが重合体物質に対して定数であることが分かり、この解析においてΔＴを定数に固定すると、ｑ_c＝Ｃ＊Ａ／ｘ（６）が得られる。ここで、Ｃ＝Ｋ＊ΔＴである。これから、アクチュエータの速度が、薄い層内のポリマーの所定の体積をシンク表面面積のより広い面積に（Ａを大きくする）拡げ（ｘを減少させ）ることによって、増加することを見ることが出来る。我々の目的は、あらゆる与えられたアクチュエータの体積や物理的サイズに独立な、普遍的なアクチュエータの速度係数を定義することなので、上記式６のｑ_cを、アクチュエータの体積で割って、以下のように正規化しなければならない。ｑ_c／Ｖ＝（Ｃ＊Ａ／ｘ）／Ｖ＝Ｃ／ｘ² （７）これは、異なるシステムの相対的比較のための係数であるので、便宜上、Ｃ＝１とし、１／ｘ²係数の平方根を使うことができる。というのも、同点で、最大化されるからである。ここで、この係数はまた、内部表面積を内部体積で割ったものに等しく、多くの比較の場合便利である。従って、係数は、Ｒ＝Ａ／Ｖ＝１／ｘ（８）となる、あるいは、アクチュエータの与えられた体積に対し、速度は内部壁からの平均距離の逆数に比例する。幅ｘ、深さｙ、長さｚの狭い溝あるいはのこぎりの切れ目の単純な例を取り上げると、表面積は２（ｘ＋ｙ）ｚで、体積はｘｙｚである。体積に対する表面積の割合Ｒは、Ｒ＝｛２（ｘ＋ｙ）ｚ｝／（ｘｙｚ）＝２（１／ｘ＋１／ｙ）（９）と書くことが出来る。実験的プロセスから、０．０２５ｃｍ幅で０．１５０ｃｍの深さの切れ目からは十分な結果が得られることが分かっている。この例においては、Ｒ＝５７１．４ｃｍ^-1である。１０×１０^-4ｃｍのオーダーの直径を持つファイバ・コアに対しては、体積に対する面積の比は３５，０００から１２７，５００ｃｍ^-1の範囲にあり、ファイバ・コアが押圧される密度に依存する。従って、表面積の体積に対する比が約２５００ｃｍ^-1より大きいコアによれば、低速度において十分な結果が得られ、比が３７，５００ｃｍ^-1ではより高速の動作が得られる。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】を流れる液体は、コア、容器そしてヒートシンクを介して相変化物質から熱を奪い、相変化化合物を凝固させ、プッシュ・ピンを収縮させる。５００ミリ秒より短い動作時間を達成するよう、相変化化合物は選ばれ、アクチュエータのサイズが決められる。

Claims

【特許請求の範囲】１．内部チャンバを内部に規定する容器と、表面間に多数のパスを規定する、チャンバ内に配置された熱伝導性コアと、コア内のパスを満たし、コアが熱を伝えたときは膨張し、コアが熱を奪ったときには収縮する温度膨張化合物と、化合物が膨張収縮をするとき機械的動きを被る手段とを備えるアクチュエータであって、ヒートシンクとコアの間に選択的に温度差ΔＴを生成し、前記化合物は熱伝導率Ｕを有し、コアから化合物への伝導パスは代表的面積Ａを有し、化合物は融解熱Ｈ_fを有して、ＵＡΔＴ／Ｈ_f＜０．５秒となる手段を更に特徴とするアクチュエータ。２．熱伝導性コアの表面積の容器の内部チャンバの体積に対する比が２５００センチメートル^-1より大きいことを更に特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。３．コアが電気的かつ熱的伝導性を有するアコーディオン状のひだを付けられた金属薄を含むことを更に特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。４．電気接続手段はコアの相対する端に電気的に接続され、コアの相対する端の間ではコアは相対的に伝導性を有し、容器は相対的に電気的伝導的性がなく、電気接続手段に印加される電流は主にコアを流れ、コアが抵抗ヒータとして機能することを更に特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。５．少なくとも容器の一方の壁が熱伝導セラミックの層を含んでいることを更に特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。６．熱伝導性コアは、高熱伝導性のファイバと高熱伝導性の粒状の物質との少なくとも一方を含むことを更に特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。７．高熱伝導性の粒状の物質は細かく分割されたダイヤモンドを含むことを更に特徴とする請求項６記載のアクチュエータ。８．高熱伝導性のファイバは、カーボンファイバを含んでいることを更に特徴とする請求項６記載のアクチュエータ。９．コアが、電気的に絶縁された加熱伝導体を有していることを更に特徴とする請求項８記載のアクチュエータ。 10．カーボンファイバは、ランダム・ファイバ・マット、クロース、ロビングス、心棒に巻き付けたもの、ランダムに切り刻まれたもの、細かく分割されたのもの内の１つであることを更に特徴とする請求項８記載のアクチュエータ。 11．コアのカーボンファイバを選択的に押圧する手段を更に特徴とする請求項８記載のアクチュエータ。 12．コアは、容器の少なくとも熱伝導性のある部分と熱的に接触しており、容器の熱伝導性のある部分は、熱伝導性コア物質の熱伝導率よりも小さな熱伝導率を有しており、容器が伝導性が良くないことによって、コアがチャンバ全体と熱平衡にあることが維持されることを更に特徴とする請求項８記載のアクチュエータ。 13．内部チャンバが一般に環状で、磁束透過コアを囲んでおり、更に、磁束透過コア内に磁束を選択的に誘導する１次側巻き線と、内部チャンバ内に設置され、磁束透過コア内に誘導された磁束が、２次側巻き線に電流を誘導し、２次側巻き線内の電流が抵抗加熱を起こすような２次側巻き線とを更に備えることを更に特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。 14．内部チャンバを内部に規定する容器と、内部チャンバ内に配置され、加熱及び冷却されることによって、膨張及び収縮する化合物と、化合物の膨張及び収縮を機械的動きに変換する手段とを備えるアクチュエータであって、カーボンファイバ・コアがチャンバ内に配置され、カーボンファイバの表面間の多数のパスを規定し、カーボンファイバは容器の熱伝導性の部分と熱的接触があり、化合物がカーボンファイバ内のパスを満たして、カーボンファイバが化合物に熱を導き入れるときは化合物が膨張し、カーボンファイバが化合物から熱を奪うときに化合物が収縮することを更に特徴とするアクチュエータ。 15．電気的に絶縁された抵抗加熱伝導体は、ファイバと熱的接触を持ちながらファイバ内を延びていることを更に特徴とする請求項１４記載のアクチュエータ。 16．熱伝導特性を調整するためにカーボンファイバ・コアを選択的に押圧する手段を更に特徴とする請求項１４記載のアクチュエータ。 17．内部チャンバと同軸的に伸長している磁束透過部材であって、カーボンファイバ・コアは、磁束透過部材内の磁束がカーボンファイバ内に抵抗加熱電流を誘導するように設けられており、磁束透過部材内の磁束を選択的に誘導する１次側巻き線手段とを更に特徴とする請求項１４記載のアクチュエータ。 18．容器の内部チャンバを、それらの表面間に多数のパスを規定し、加熱及び冷却に伴って膨張及び収縮する化合物でパスが満たされ、内部チャンバの体積とコアの表面積との間で、ある面積に対する体積の比を持つ熱伝導性コアで満たし、化合物が膨張するようにコアを加熱し、化合物の膨張を機械的伸長に変換し、化合物が収縮するようにコアと熱的接触のあるヒートシンクを冷却し、収縮を機械的収縮に変換することからなり、Ｕを化合物の熱伝導率、ΔＴを温度差、Ａをコアから化合物への伝導パスの代表的面積、Ｈ_fを化合物の融解熱としたとき、化合物とコアとの間の熱伝導が、ＵＡΔＴ／Ｈ_f＜０．５秒で特徴付けられ、機械的収縮が０．５秒より早く達成される機械的動作方法。 19．コアは、面積に対する体積の比を調整するために選択的に押圧されるカーボンファイバを含んでいる請求項１８記載の方法。 20．前記加熱するステップは、内部チャンバ内に加熱電流を誘導的に誘導することを含む請求項１８記載の方法。