JPH08512387A - 電気的に加熱可能な、形状記憶材料から成る調節機構で流体の流れを調整するための弁 - Google Patents
電気的に加熱可能な、形状記憶材料から成る調節機構で流体の流れを調整するための弁Info
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Abstract
(57)【要約】
電気的に加熱可能な形状を記憶する材料から成る調節機構を用いて流体の流れを調整する弁であって、前記調節機構が閉鎖部材をばねの戻し力に抗して、温度に関連した長さ変化の程度に応じて閉鎖部材の位置を弁坐に対して相対的に調節する形式のものにおいて、流体の状態(例えば圧力、流量、混合組成等)をコンスタントに保つことは、調整機構が、相移行範囲内で形状記憶材料(SMA)の温度に定電流によって加熱された糸(1)であり、糸(1)を取囲む弁体(20)が該糸(1)と協働して、特別な形式で、貫流する流体の流れの状態における変化に応働する熱交換装置を構成することで達成される。
Description
【発明の詳細な説明】
電気的に加熱可能な、形状記憶材料から成る
調節機構で流体の流れを調整するための弁
本発明は、電気的に加熱可能な、形状記憶材料から成る調節機構で流体の流れ
を調整するための弁であって、調節機構が、ばねの戻し力に抗して、温度に基づ
く長さ変化の程度に応じて、閉鎖部材の、弁坐に対する相対位置を調節する形式
のものに関する。
ドイツの期刊誌Management Wissen8/88、59ページ「Tich-Highlights」
によればロボット制御のための圧縮空気弁が公知である。この弁はきわめて小さ
い構造形式、簡単な構成及び迅速な切換パルスですぐれている。この弁は、この
弁とは異なって大きくかつ高価である従来使用されていた電磁式弁の代わりとな
る。この場合には前記弁の磁石はしばしばセンサ及び敏感なマイクロ電子的な回
路のための故障源になる。
新しいきわめて小型であるこの弁は能動素子として形状記憶合金を使用してい
る。この合金の分子構造には固体相の幾何学的な形状が記憶させられているので
、温度に関連して幾何学的な変化が行われる。この公知の圧縮空気弁は圧縮ばね
により閉鎖位置に保持される弁先端と結合された形状記憶金属ピンを有している
。形状記憶金属ピンは電気的な回路に統合されている
。電流が流されていないと、ばねは弁を閉じた状態に保つ。この場合、形状記憶
金属は低温状態で比較的に長い幾何学的な形を維持する。形状記憶金属が電流で
加熱されると、形状記憶金属は第2の高温状態に変態しかつ短くなる。この場合
には、ばね力が克服されかつ弁が開放される。
この弁の公知の構造は開放もしくは閉鎖機能を有する純然たる制御機構である
。流体の流れをこの公知の弁で調整することは実施できない。
EP−A1−0391018号明細書によれば測定及び析出装置のためのセン
サが公知である。これは、測定しようとする値が直接又は間接的にセンサ部材の
材料に影響を及ぼすセンサ部材である。センサ部材は形状記憶材料から成り、そ
の材料の組織的な相移行範囲における温度にその稼動温度を調節可能に加熱可能
である。公知の測定兼分析装置の機能の特徴はセンサの温度が、調整可能な加熱
電流でコンスタントに保たれ、この場合、線材区分にかかる電圧、加熱電流又は
加熱力が測定値として使用されることである。この公知の装置においては、測定
しようとする値は、加熱電流調整によって保たれた形状記憶材料の低温相から高
温相への相組織移行範囲における温度に対する影響を有している。すなわち、加
熱電流は材料の温度変化に合わせて後調整される。
流体の流れの直接的な調整は公知の測定兼分析装置
では不可能で、流体の流れのために付加的な電気機械的なもしくは電磁的な調整
機構が必要であり、この調整機構が公知の測定兼析出装置によって制御される必
要がある。このような配置は費用がかかり、故障しやすく、したがって満足でき
るものではない。
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の電気的に加熱可能な形状記憶材料から成
る調節機構を用いて流体の流れを調整するための弁であって、貫流する流体の流
れの所定の状態を一定に保つ意味で直接的に調整するために使用可能でかつその
上、構造が複雑でなくかつきわめて小型である形式のものを提供することである
。
本発明の課題は請求項1の上位概念に記載した形式の弁において、調節機構が
形状を記憶する材料SMA(SMA=Shape Memory Alloy)の相移行範囲内の温
度に定電流で加熱可能な糸であって、糸を取囲む弁体がこれと協働して、貫流す
る流体の流れの状態における変化に特別な形式で応働する熱交換装置として構成
されていることによって解決された。
前記弁は利点をもって、流体の流れの直接的な調整に適する。この場合流体の
流れは、例えば一定の圧力範囲、一定の流れ範囲又は一定のガス混合範囲の他に
、一定の温度範囲における状態の比較的に狭まい平衡範囲内へ調整される。
本発明の構成では、弁は、SMA糸を受容する、調
整しようとする流体の流れを導く、SMA糸と流体の流れとの間の熱交換に役立
つ通路もしくは接続部を有している。
この弁と体系的な弁ヴァリエーションに共通であることは、形状記憶材料から
成る調節機構の収縮もしくは離角が閉鎖メカニズムの作動に利用されていること
である。この弁及び弁ヴァリエーションの配置における別の共通性は、流体の流
れの変化によって惹起される調節機構の相移行範囲における長さ変化が、弁を通
る流体の案内値もしくは流過値の直接的な変化を結果としてもたらし、この案内
値が調節機構の温度に関連した長さの単調関数であることである。線材の温度に
とっては運転中に発生する、当該システムの熱勘定に影響を及ぼす、すべてのパ
ラメータが関係する。これは例えば、
−流体の温度T
−流体の導熱性Wもしくは種々異なる流体成分
−流体の流過値q
−流体の圧力p
−線材における電子的な、特にコンスタントな加熱力P
である。
弁の周囲(壁)温度を一定であると仮定すると、弁の案内性はこれらの値の1
つ又は複数の関数になる。
L=f(T,W,q,p,P)
運転形式又は構成的な処置によって、線材に対する前記値の影響は、弁の構造
に応じて、加熱力が一定に保たれた状態で、案内値の変化で直接的にプロセス媒
体により補償される。例えば弁の特別な構成により、弁を流れる流体の圧力が線
材と接触するが流れは接触しないようにすること又はその反対が達成される。こ
の場合には構成形式は収縮する糸が弁の閉鎖又は開放を行うように選択すること
ができる。
以下に弁の実際の使用に有意義な実施態様について記載する。例えばこの弁は
圧力調整機構として構成され、導電性を有しない材料から成る、SMA糸とばね
と閉鎖部材とを受容する孔と、接続通路を有する弁坐と接続通路からなる側方へ
分岐する副通路とを受容するヘッド部分と、閉じられた底部分とを有することが
できる。この場合、ばねはSMA線材の弁側の端部と弁底におけるSMA線材の
他方の端部との間の電流のための導体としてそれぞれ電流源に接続されている。
この構造形式では糸を取囲むガス圧は、弁が開放されている状態では、副通路
から接続通路を通って流れる流体の圧力と等しい。ガス流はSMA線材に著しい
影響を及ぼすことなく弁を通過することができる。導熱性が圧力に関連する圧力
範囲において弁は調整動作を発揮する。圧力が低下すると糸温度が上昇する。糸
は収縮しかつ弁を開放する。圧力が上昇すると、反対にガス流は絞られる。一定
の電気的な加熱力に対して
は、所定の限界内でコンスタントに保たれる平衡圧が発生させられる。
他の実施態様においては、弁は流過調整機構として構成され、底部分における
流入通路とヘッド部分における流出通路とを有している。この構成ではガス流は
SMA線材に沿って流れ、熱を導出する。適当な流れ範囲においては導出された
熱は流れの関数である。線材温度を流体の所定のコンスタントな流れに際して相
移行限界に保持するコンスタントな電気的な出力においては、増加する流れが糸
温度を低下させる作用が実現される。この場合、糸は長くなり、弁の案内値は減
少される。減少する流れはその反対の現象をもたらす。このような形式で流過す
る流体の流れは平衡状態を保とうとする。この平衡状態は狭まい限界内で一定に
保たれる。この場合、調節された流れは供給された電圧もしくは加熱力にほぼ比
例する。したがってこの弁タイプはガスを圧力制御するための電気的な調整回路
における調節部材として適する。これとは異なって公知技術に従って製作された
ガス流のための比例弁は問題があり、きわめて費用がかかりかつ故障しやすい。
本発明の別の実施態様においては弁は混合調整機構として構成され、ヘッド部
分は比較的に高い導熱性を有するガス成分のための流入通路と混合物流入のため
の副通路とを備えた弁坐を有し、底部分はコンスタントに調整された混合物の流
出通路を有している。この
弁タイプは物理的な基礎として異なるガス種の導熱特性を使用している。ガス混
合体において濃度が変化すると、その結果として一般的に導熱性の変化がもたら
される。弁が閉じられた状態でガス流が弁ヘッドにおける副通路から底部分にお
ける流出通路に流れると、SMA線材の加熱力は所定のコンスタントな流れ状態
においては、ガス成分の所定の混合体濃度と平衡状態にある。この場合、高い方
の導熱性を有するガス成分はヘッド部分の当初閉じられていた流入通路に作用す
る。このガス成分が混合体において減少すると、導熱性は低下し、線材はその温
度を上昇させかつ短くなるので、弁は開放しかつ高い方の導熱性を有する成分は
付加的に増量される。このような形式で比較的に狭まい、限界内で混合濃度の平
衡状態が得られる。
別の有利な弁ヴァリエーションはガス漏れ探査器、特にヘリューム漏れ探索器
のための保護弁として構成されている。弁は底部分における流入通路とヘッド部
分における、探索器への接続通路と、弁体のヘッド側の端部における、弁坐に対
する副接続部内のバイパス開口とを有している。探査運転においては高いヘリュ
ーム凝縮物が漏れ探査器で探査される。たいていは責任のある粗い漏れは、高い
ヘリューム濃度のガス流が装置をすでに通過してからはじめて確認される。その
結果として非敏感性と長い回復時間がもたらされる。このような場合に保護弁は
ガス流を遮断する。加熱力
は濃度がわずかである場合に弁を開放するように調節されている。ヘリュームを
多く含んだガス流が底部分における流入通路を通って流入すると、ガス流におけ
るヘリュームの濃度が高いことに基づき、SMA線材は、ガスの導熱性が大きく
なる結果、冷却され、長くなりかつ弁を閉じる。次いでガス流はバイパス開口だ
けを介して逃がされることになる。ヘリューム濃度が低下すると、弁は再び出発
状態に移動する。すなわち弁は開放される。
本発明の別の実施態様においては、弁は、閾値スイッチとして構成され、中央
で分割された弁体と、底部分におけるガス流入通路と、閉鎖部材を案内して受容
する、中間壁における弁坐で閉鎖可能な第1の孔とを有し、この第1の孔に弁体
において第2の孔が接続され、この第2の孔が閉鎖部材の先端に固定的に結合さ
れたSMA糸を受容している。このSMA糸は出口側で、流出通路を有するヘッ
ド部分に固定されている。この場合、この弁は解放後その状態にロックされかつ
外から後退させられなければならない切換え弁である。ガス流が弁を底部分から
ヘッド部分へ通過すると、流れが所定の閾値を越えた場合には、ガス流が完全に
遮断される。これによって線材濃度はさらに上昇しかつ弁は閉じられた位置にロ
ックされる。
流過調整機構として構成されたバリエーションにおける弁の有利な構成の特徴
は流体の流れの、熱交換を
強める流体の集束を高めて流体の流れを案内するために、SMA線材を取囲む、
比較的に狭まい、底部分の流入通路と弁坐との間を延びるセラミック小管が配置
されていることである。
次に本発明を略示した有利な実施例について説明する。この場合、図面には本
発明の有利な構成を特徴とが示されている。
第1図はガス状の媒体の圧力をコンスタントに調整する弁構造の略示図。
第2図は第1図の弁構造の回路図。
第3図はガス流のコンスタントな流過調整を行う弁構造の略示図。
第4図は第3図の弁構造の回路図。
第5図はガスのコンスタントな混合調整を行うための弁構造の略示図。
第6図は第5図の弁の回路図。
第7図はヘリューム漏れ探査器のための保護弁の働きをする弁構造の略示図。
第8図は閾値スイッチの働きをする弁構造の略示図。
第9図は第3図と第4図に示したコンスタントな流れ調整を行うための弁を、
SMA線材を取囲むセラミック小管と共に断面して示した図。
図面に略示した弁構造バリエーションは共通の特徴もしくは類似した特徴とし
て、導電性ではない材料か
ら成る弁体20を有し、この弁体20は弁坐22を有するヘッド部分25と底部
分26とを備えている。弁体20は孔24内に、電気的に加熱可能な形状記憶材
料から成る、SMA糸の形をした調節機構を有する閉鎖部材21と戻しばね23
とを受容している。
以後記述する弁バリエーションにおいて、形状記憶材料から成る線材1の収縮
もしくは離角が閉鎖部材21の作動に用いられることが共通ではあるが、原理的
には線材1の代わりに曲げ又はねじりによる形状変化を呈する他の幾何学的な形
を使用することもできる。構成の簡易性並びに機能の理解性に基づき線材原理を
選びかつ例として図示した。又、閉鎖部材21として円錐又はニードル弁体を用
いることも実施例に過ぎず、これに限定されるものではない。この場合にも原理
的には他の弁タイプを使用することができる。駆動装置の配置は、原則的には、
調節機構として使用したSMA線材1の相移行範囲における長さの変化が、弁坐
における案内値、ひいては流体流過量の変化をもたらし、したがって案内値が調
節機構の長さの単調関数であるように選択されている。
特に流過する流体の流れの状態における変化に応働する熱交換装置の形に弁を
原則的に構成することにより、線材1のそのつどの長さが、加熱力を一定に保っ
た状態で、糸温度の関数として流体の流れの種々異なる物理的なパラメータに影
響されることが達成される
ようになった。したがって線材1の温度に対しては、システムの熱勘定に影響を
及ぼす、運転中に発生するすべてのパラメータ、例えば温度、導熱性、流過量、
圧力及びガスの混合形式が責任があることになる。
第1図には定圧器のための配置が示されている。SMA糸を取囲むガス圧は副
通路28の接続部Aにおける圧力と等しい。なぜならばこの副通路28は弁体2
0の孔24と接続されているからである。SMA糸1の高温状態で閉鎖部材21
が開放されている場合には、ガス流が弁のヘッド部分25における接続通路B、
27と副通路28との間で流れることができる。導熱性が圧力に関連する圧力範
囲においては、弁は調整動作を発揮する。圧力が低下すると糸1の温度は上昇す
る。糸1は収縮しかつ弁を開放する。圧力が上昇すると、反対にガス流が絞られ
る。したがって固定した電気的な加熱力に対しては、比較的に狭まい限界内でコ
ンスタントに保たれる平衡圧が調節される。第1図による弁構造は、閉じられた
底部分26を有している。この場合にはばね23はSMA線材1の弁側の端部と
SMA線材1の、弁底26における他方の端部との間の電流のための導体として
、それぞれ1つの電流源2に、電流接続部3,4を介して接続されている。
第2図においては第1図の弁構造の回路図が示されている。この回路図にはガ
ス流がBからAへかつバキュームタンク11と弁体20とを介してバキュームポ
ンプ10へ流れる精密バキューム装置の配置が示されている。この場合、弁体2
0は流体の流れに対する副接続路に配置された、SMA糸1の形をした調節機構
を有している。このSMA糸1は電流接続部3,4を介して電流源2に接続され
ている。この電流源2は調整可能な電流源として示されているが、一定に保とう
とする圧力に対しては一定に調整される。
第3図による弁構造は、定流調整を行うシステムを示している。この構造では
ガス流はSMA線材を通過しかつ熱を導出する。したがって適当な流れ範囲にお
いては導出される熱は流れの関数である。相移行範囲における線材温度に相応し
て与えられた電気的な出力のもとで、増加する流れは糸温度を低下させるのに対
し、減少する流れはその反対に作用する。この場合、流れは平衡状態をもたらそ
うとする。弁は底部26に符号Bを備えた流入通路30を有し、ヘッド部分25
は符号Aを備えた流出通路29を有している。電気的な接続部と符号はその他の
点では第1図のものと同じである。
第4図においては、第3図の流れ調整弁の回路が示されている。この場合にも
同じ部材には同じ符号が付けられている。ベンチュレータ9からは符号Bで示さ
れた流体の流れが、加熱されたSMA糸1に沿って、弁を介して流出通路Aに向
って送られる。流れが変化するとすでに述べたようにSMA糸が電流源2によっ
てコンスタントに加熱されている状態で、このSMA糸の温度が変化する。この
場合には閉鎖機構21は相応に作動される。
第5図においては混合調整機構として構成された弁が示されている。この場合
には閉鎖部材21とSMA線材1の調節機構と戻しばね25とを有する弁20が
設けられている。少なくとも2つの成分から成る調整しようとする混合物はヘッ
ド部分25における、符号Aで示された流入通路33を通って弁内に流入し、S
MA糸1に沿って流れ、符号Cで示された底側の流出通路34を通って弁から流
出する。当初、弁閉鎖体21によって遮断された、高い方の導熱性を有するガス
成分は符号Bで示された流入通路32に作用する。導熱性はガスの種類に関連す
る。ガス混合物において成分の濃度が移動すると、流れが一定である場合に導熱
性の変化がもたらされる。この効果を図示の弁構造は利用している。接続部Aを
通っては常に例えば2部分の混合物が流出口Aに向って流れる。導熱性の高い方
の成分が混合物において減少すると導熱性が減退し、SMA線材1はその温度を
上昇させかつ短くなり、閉鎖部材21は弁坐22から離される。これによって、
導熱性の高方の成分のための流入通路32の流れ横断面が開放され、混合物は再
びコンスタントな混合濃度に調整される。
このための回路図は第6図に示されている。ファン
8によて例えば2成分の流体混合物が符号Aを有する流入通路33を介して弁体
30を通って、符号Cを有する流出通路34に送られる。ファン7は弁が開放さ
れている場合に、導熱性の高い方の成分を符号Bを有する流入通路32を通して
、記述した形式で流体混合物流の混合率を高めるために搬送する。他の部材は同
じ符号で示されている。
第7図においてはガス漏れ探査器、特にヘリューム漏れ探査器のための保護弁
としての構造を有する弁が示されている。底部分26には流入通路30があり、
この流入通路30は導管で探査先端と接続されている。流入通路30は符号Dで
示されている。ヘッド部分25には探査器に対する接続部を有する流出通路29
がある。流出通路29は符号Eを有している。さらにヘッド部分25のすぐ横に
はバイパス開口25がある。所定のヘリューム濃度と探査器の流れ値に対しては
、SMA線材1の誘導された加熱力とヘリューム濃度の小さい漏れ探査器流によ
る熱導出との間には平衡状態が生じる。この場合には弁は開放される。ヘリュー
ムをより多く含有する流体の流れが符号Dで示したところに流入すると、SMA
線材1からより多くの熱が導出され、このSMA線材1は長くなった幾何学的な
形をとる。これにより閉鎖部材21は弁坐22を閉じ、ガス流はバイパス開口3
5を介してしか逃げることができなくなる。
弁は択一的に圧力又は流れのための閾値スイッチとしても構成できる。解離後
にその状態にロックされ外から戻されなければならないこのような弁は、第8図
に示されている。弁は中央で分割された弁体20、底部分26におけるガス流入
通路30、ヘッド部分25における流出通路を29を有している。符号Fを有す
るガス流入通路30には、ガス閉鎖部材21を案内して受容する、中間壁19に
おける弁坐22で閉鎖可能な第1の孔24が接続している。さらに弁は、流れ方
向で第2の孔18を有している。この第2の孔18は閉鎖部材21の先端17と
固定的に結合されたSMA糸1を弁の調節機構として受容している。このSMA
糸1は流出側でヘッド部分25に固定されている。SMA線材の加熱は電流接続
部3,4を介して電流源2によって行われる。作用中に流体の流れは概略的に示
した弁をFからGへ通過する。流れが所定の閾値を下回ると、ガス流は遮断され
、ひいてはガス流による熱導出が中断される。これによって線材温度が引続き上
昇しかつ弁がこの位置にロックされる。
第9図に示したように、流体の流れとSMA糸との間の特に強い熱交換は流れ
案内小管16を有する弁の構造により達成することができる。この配置では、コ
ンスタントに加熱されたSMA糸と貫流する流体の流れとの間の熱交換の熱的な
平衡は、流体の流れの速度とこれによって惹起される多かれ少なかれ迅速な熱搬
送との間の関連性によって決められる。セラミック小管16によってSMA糸1
のすぐ近くに集束された流れによって、前記平衡、ひいては弁の機能はきわめて
敏感になる。
前述の弁タイプは一般的な弁タイプに比して一連の利点を有する。
これらの利点とは
−簡単で、比較的に安価な構造、
−小型である構造形態、
−特殊な特性、これによって簡易化された適応性
−0.5V以下の電圧と0.5A以下の電流を用いた運転が可能で、特別な使用
領域での使用が可能
−磁石とその磁界が省略されることに基づき、センサ及び敏感なマイクロ電子回
路の故障の回避である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1. 電気的に加熱可能な形状を記憶する材料から成る調節機構を用いて流体の 流れを調整する弁であって、前記調節機構が閉鎖部材をばねの戻し力に抗して、 温度に関連した長さ変化の程度に応じて閉鎖部材の位置を弁坐に対して相対的に 調節する形式のものにおいて、前記調節機構が相移動範囲内の形状記憶材料(S MA)の温度に定電流によって加熱された糸(1)であって、糸(1)を取囲む 弁体(20)が該糸(1)と協働して、貫流する流体の流れの状態の変化に特別 な形式で応働する熱交換装置を構成していることを特徴とする、電気的に加熱可 能な形状を記憶する材料から成る調節機構を用いて流体の流れを調整する弁。 2. SMA糸(1)を受容する、調整しようとする流体の流れを案内する、S MA糸(1)と流体の流れとの間の熱交換に役立つ孔(24)並びに通路(27 )もしくは接続部(28−30;32−35)を有している、請求項1記載の弁 。 3. 弁が圧力調整機構として構成され、導電性ではない材料から成る弁体(2 0)を有し、該弁体(20)がSMA糸(1)、ばね(23)並びに閉鎖部材( 21)を受容する孔(24)と、接続通路(27)を有する弁坐(22)と該接 続通路から側方に分 岐する副通路(28)とを受容するヘッド部分(25)と、閉じられた底部分( 26)とを有し、前記ばね(23)がSMA線材(1)の弁側の端部とSMA線 材(1)の、弁底(26)における他方の端部との間の電流の導体として電流源 (2)に接続されている、請求項1又は2記載の弁。 4. 弁が流過調整機構として構成され、底部分(26)における流入通路(3 0)並びにヘッド部分(25)における流出通路(29)を有している、請求項 1又は2記載の弁。 5. 弁が混合調整機構として構成され、ヘッド部分(25)が導熱性の比較的 に高いガス成分のための流入通路(32)を備えた弁坐(22)と混合物流入た めの副通路(33)とを有し、底部分(26)がコンスタントに調整された混合 物のための流出通路(34)を有している。請求項1又は2記載の弁。 6. 弁がガス漏れ探査器、特にヘリューム漏れ探査器のための保護弁として構 成され、底部分(26)における流入通路(30)と、ヘッド部分(25)にお ける、漏れ探査器への接続部としての流出通路(29)と、弁体(20)のヘッ ド側の端部における、弁坐(22)への副接続部におけるバイパス開口(35) とを有している、請求項1又は2記載の弁。 7. 弁が閾値スイッチとして構成され、中央で分割さ れた弁体(20)を有し、該弁体(20)が底部分(26)におけるガス流入通 路(30)と、閉鎖部材(21)を案内して受容する、中間壁(19)における 弁坐(22)で閉鎖可能な第1の孔(24)を有し、この第1の孔(24)に弁 体(20)において第2の孔(18)が接続しており、該第2の孔(18)が、 閉鎖部材(21)の先端(17)に固定的に結合されたSMA糸(1)を受容し ており、該SMA糸(1)が流出側で、流出通路(29)を有するヘッド部分( 25)に固定されている、請求項1又は2記載の弁。 8. 弁が流体の流れの、熱交換を強める流れ密度を高めて流体の流れを案内す るために、SMA線材(1)を取囲む、比較的に狭まい、底部分(26)におけ る流入通路(30)と弁坐(22)との間を延びるセラミック小管(16)を有 している、請求項4記載の弁。
Applications Claiming Priority (3)
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