專利名稱：用于微閥的包含形狀記憶合金的驅(qū)動(dòng)單元和微閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于微閥的包含形狀記憶合金元件的驅(qū)動(dòng)單元，以及微閥。
背景技術(shù)：
形狀記憶合金元件因其可用作具有高能量密度的致動(dòng)器而聞名。例如，在DE 102 33 601中所描述的，其中一個(gè)或更多個(gè)致動(dòng)元件與線形式的形狀記憶合金元件配合的閥被已知。由形狀記憶合金制成的箔也被已知。在此情況下，只有用于控制閥的行程的較小行進(jìn)能在閥中獲得，并且只有低壓能被控制。另外，已知基于用于致動(dòng)器的形狀記憶合金原理的閥在許多情形中是N0(即“常開(kāi)”)設(shè)計(jì)。通常，工業(yè)應(yīng)用要求NC(即“常閉”)閥，NC閥在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)閉合，并且直到電流作用其上時(shí)才會(huì)打開(kāi)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供用于微閥的驅(qū)動(dòng)單元和微閥，所述驅(qū)動(dòng)單元包括形狀記憶合金元件，在該微閥中可以獲得更大的行程。在權(quán)利要求1中描述了根據(jù)本發(fā)明的、用于微閥的驅(qū)動(dòng)單元。用于微閥的驅(qū)動(dòng)單元包括殼體、彈簧和形狀記憶合金元件。形狀記憶合金元件以能夠偏離的方式附連到殼體，并由彈簧朝向偏離的位置加載。如果溫度上升，形狀記憶的作用就會(huì)生效形狀記憶合金元件隨著增大彈簧負(fù)載運(yùn)動(dòng)至較少偏離的位置。形狀記憶合金元件通過(guò)彈簧偏離由下述情形產(chǎn)生，例如，形狀記憶合金元件借助于彈簧被推動(dòng)分開(kāi)。如果溫度上升，形狀記憶合金元件收縮以呈現(xiàn)其初始形狀，并因此克服增大的彈簧力達(dá)到較少偏離的位置。然而，也可以是形狀記憶合金元件首先由彈簧壓縮，然后隨著溫度上升而膨脹，因此克服增大的彈簧力達(dá)到較少偏離的位置。在溫度上升的情況下，由形狀記憶合金元件所“記住”的形狀通過(guò)作用在該形狀記憶合金元件上的力和溫度、 以已知方式賦予所述元件。在一個(gè)實(shí)施方式中，形狀記憶合金元件包括彼此疊置的至少一對(duì)箔，所述一對(duì)箔在它們的外周處至少部分地相互連接，特別是焊接，并且通過(guò)彈簧被推動(dòng)分開(kāi)或壓縮。特別地，當(dāng)將驅(qū)動(dòng)單元應(yīng)用于閥中的技術(shù)的情形下，使用一對(duì)疊置的箔具有下述優(yōu)勢(shì)，即，由此可以獲得更大的閥行程。因此，當(dāng)然可以有兩個(gè)以上的箔彼此疊置。單個(gè)箔包括用于彈簧或與彈簧配合的傳動(dòng)元件的中央通道。根據(jù)期望的尺寸和力的情況，也可以選擇具有較大直徑的彈簧，然后可以將形狀記憶合金元件放置在彈簧內(nèi)。彈簧優(yōu)選地是由殼體支承的并且與離支承部最遠(yuǎn)的箔接合的壓縮彈簧。形狀記憶合金元件由彈簧推動(dòng)分開(kāi)，例如由止動(dòng)元件限定的距離。由于形狀記憶合金元件附接在同一殼體側(cè)，所以充分利用了箔堆的高度。當(dāng)溫度作用時(shí)，形狀記憶合金元件克服彈簧力，重新回到其原始高度。
基本地，彈簧可以是具有彈性性能的元件，其由彈簧鋼或彈性材料制造。在另一實(shí)施方式中，壓縮彈簧和形狀記憶合金元件通過(guò)殼體的相反的側(cè)支承。在此情況下，壓縮彈簧和與之鄰近的箔接合，并且箔堆被壓縮，同時(shí)其原始高度減小。當(dāng)溫度作用時(shí)，箔堆膨脹，并且返回到具有較高高度的起始位置，壓縮彈簧被進(jìn)一步加載。優(yōu)選實(shí)施方式包括彼此疊置的至少兩對(duì)箔。兩對(duì)箔中相鄰的箔在用于彈簧或與彈簧配合的傳動(dòng)元件的中央通道的圓周上彼此連接。其為箔堆提供了類似彈簧的幾何形狀， 其可以被壓縮或被推動(dòng) 分開(kāi)。根據(jù)形狀記憶合金元件和彈簧是否通過(guò)同一殼體側(cè)或相反的殼體側(cè)來(lái)支承，形狀記憶合金元件和彈簧將會(huì)在同一側(cè)或相反的側(cè)與傳動(dòng)元件接合。如果形狀記憶合金元件和傳動(dòng)元件彼此牢固地連接，比如焊接，則傳動(dòng)元件就會(huì)通過(guò)形狀記憶合金元件隨從于相對(duì)應(yīng)致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)。如果該驅(qū)動(dòng)單元用于閥中，則會(huì)有下述優(yōu)勢(shì)，即，即使在沒(méi)有任何流體壓力的情況下，閥也自動(dòng)地打開(kāi)。如果形狀記憶合金元件和彈簧在相反的側(cè)與傳動(dòng)元件接合，則可以省去形狀記憶合金元件和傳動(dòng)元件之間的牢固連接。在此情況下，傳動(dòng)元件擱置在形狀記憶合金元件上， 并且自動(dòng)地隨從于形狀記憶合金元件的任何運(yùn)動(dòng)。在用于形成形狀記憶合金元件的箔堆的單個(gè)箔的幾何形狀設(shè)計(jì)方面，存在很大的設(shè)計(jì)自由度。其可特別是形成為橢圓形、圓形或三角形。也可設(shè)想其它幾何形狀。然而，箔可通過(guò)已知方法，例如激光切割或濕法化學(xué)刻蝕工藝構(gòu)造。也可以在驅(qū)動(dòng)單元中使用幾個(gè)形狀記憶合金元件。代替將形狀記憶合金元件在較大區(qū)域上附接于驅(qū)動(dòng)單元?dú)んw的一側(cè)，而是可將兩個(gè)或更多個(gè)形狀記憶合金元件插入驅(qū)動(dòng)單元?dú)んw中，使得它們轉(zhuǎn)動(dòng)90°，從而這些箔具有擱靠在驅(qū)動(dòng)單元?dú)んw上的外周。然后，中央通道將形成在兩個(gè)或多個(gè)中心設(shè)置的形狀記憶合金元件之間。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，箔通過(guò)流入箔內(nèi)部的電流加熱。NiTi、CuZn或FeNiAl合金是用于形狀記憶合金元件的典型材料。溫度轉(zhuǎn)變的范圍是從100°c到300°C。然而，也有溫度轉(zhuǎn)變的范圍僅從40°C到70°C的形狀記憶合金元件。也可以不通過(guò)形狀記憶合金元件的任何直接電接觸而實(shí)現(xiàn)對(duì)其溫度的影響，例如可以通過(guò)加熱元件或通過(guò)接觸流體進(jìn)行熱傳導(dǎo)而實(shí)現(xiàn)。形狀記憶合金元件的溫度應(yīng)用的另一可行性可實(shí)現(xiàn)為，彈簧是電接觸，并且導(dǎo)電地連接到形狀記憶合金元件上。此處，可以設(shè)計(jì)形狀記憶合金元件使得外部箔沒(méi)有中央通道，并且彈簧擱置在該箔上。優(yōu)選地，使用主動(dòng)式或被動(dòng)式的冷卻元件來(lái)冷卻形狀記憶合金元件。在這樣做時(shí)， 當(dāng)在微閥中使用驅(qū)動(dòng)單元時(shí)，可以相當(dāng)大地減少開(kāi)關(guān)次數(shù)。在微設(shè)計(jì)中，珀耳帖元件也是已知的。根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元特別適于作為微閥，特別是常閉微閥中的致動(dòng)器使用。在一個(gè)實(shí)施方式中，包含根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)單元的微閥包括流體殼體，該流體殼體具有至少一個(gè)閥座和與該閥座對(duì)置的密封元件。密封元件與形狀記憶元件配合，將操作力施加在密封元件上，用于克服壓縮彈簧力打開(kāi)閥。密封元件可形成為夾在流體殼體與驅(qū)動(dòng)單元?dú)んw之間的膜片。然而，密封元件也可在鄰近閥座的一側(cè)設(shè)置在傳動(dòng)元件上。


從參照附圖的下述說(shuō)明中，本發(fā)明的其 他特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得明顯，附圖中圖Ia是通過(guò)對(duì)處于“閉合”位置的微閥截取的截面圖；圖Ib是根據(jù)圖Ia的處于“打開(kāi)”位置的截面圖；圖2a是通過(guò)對(duì)處于“閉合”位置的微閥的第二實(shí)施方式截取的截面圖；圖2b是對(duì)根據(jù)圖2a的處于“打開(kāi)”位置的微閥截取的截面圖；圖3a是根據(jù)本發(fā)明的形狀記憶合金元件的俯視圖；圖3b是形狀記憶合金元件的另一實(shí)施方式的俯視圖；圖4a_j是用于組裝形狀記憶合金元件的箔的實(shí)施方式的俯視圖；以及圖5示出微閥的驅(qū)動(dòng)單元的替代性實(shí)施方式。
具體實(shí)施例方式圖Ia示出微閥10的橫截面圖，微閥10包括驅(qū)動(dòng)單元?dú)んw20和具有閥座40的流體殼體30。驅(qū)動(dòng)單元?dú)んw20可構(gòu)造成兩部分。膜片50設(shè)置在驅(qū)動(dòng)單元?dú)んw20和流體殼體30之間。驅(qū)動(dòng)單元?dú)んw20包括腔60，腔60朝向流體殼體30開(kāi)放，彈簧70、形狀記憶合金元件80和傳動(dòng)元件90設(shè)置在腔60中。形狀記憶合金元件80具有附接到殼體20的支承部110的一側(cè)，以及附接到傳動(dòng)元件90的其相對(duì)側(cè)。在同一殼體側(cè)，彈簧70具有依靠在支承部120上的其一端，以及依靠在傳動(dòng)元件90上的其第二端。同樣地，彈簧70和形狀記憶合金元件80附接到傳動(dòng)元件90的同一側(cè)。形狀記憶合金元件80包括彼此疊置的至少一對(duì)箔130，箔130在它們的外周處至少部分地彼此連接。根據(jù)箔130的形狀，兩個(gè)三角形箔130可以在它們的三個(gè)角部處彼此局部連接，例如，特別是通過(guò)焊接。圓形箔可以沿它們的整個(gè)外圓周彼此連接。以此方式， 形狀記憶合金元件80的外部形狀與一堆盤簧相似。由于幾個(gè)箔130彼此疊置的情形，所以存在大于僅使用單個(gè)箔時(shí)的行進(jìn)。當(dāng)用在閥中時(shí)，該行進(jìn)可以作為行程。用于容納彈簧70的中央通道140設(shè)置在形狀記憶合金元件80中。根據(jù)由形狀記憶合金元件80將提供的力和行進(jìn)，彈簧70和形狀記憶合金元件80也可被設(shè)計(jì)成使得彈簧 70具有比形狀記憶合金元件80更大的內(nèi)徑；然后，彈簧70可以將形狀記憶合金元件80容納在其內(nèi)部。彈簧70被壓縮并朝著膜片50和閥座40推動(dòng)傳動(dòng)元件90，從而關(guān)閉閥座40。同時(shí)，彈簧70朝向偏離的位置推動(dòng)形狀記憶合金元件80分開(kāi)。此處，彈簧70是壓縮彈簧，并且在形狀記憶合金元件80中接合離支承部120最遠(yuǎn)的箔130。以此方式，利用形狀記憶合金元件80的整個(gè)高度。如在圖Ia中所示，也可以在形狀記憶合金元件80中使用幾對(duì)彼此疊置的箔130。 兩對(duì)箔中相鄰的箔分別在中央通道140的圓周上彼此連接。以此方式，形狀記憶合金元件 80呈現(xiàn)類似彈簧的幾何形狀。箔130可以類似手風(fēng)琴的方式被拉開(kāi)或被壓縮。在優(yōu)選實(shí)施方式中，形狀記憶合金元件80和傳動(dòng)元件90彼此牢固地連接。這是傳動(dòng)元件90隨從于致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)的原因。該驅(qū)動(dòng)單元也可用于僅能實(shí)現(xiàn)小的流體壓力的那些閥中。在激活形狀記憶合金元件80之后，閥在沒(méi)有流體的幫助下自動(dòng)地打開(kāi)。然而， 在流體壓力較高的情況下，可以省去形狀記憶合金元件80和傳動(dòng)元件90之間的連接。
彼此疊置以形成形狀記憶合金元件80的箔130包括電觸點(diǎn)。當(dāng)電流作用于箔130 時(shí)，箔130自身體內(nèi)被加熱，從而激活形狀記憶合金元件80的“記憶”形狀記憶合金元件 80呈現(xiàn)其被強(qiáng)加的形狀。圖Ib示出對(duì)應(yīng)于圖Ia但處于打開(kāi)狀態(tài)的微閥10的橫截面。此處，示意出形狀記憶合金元件80處于略微小程度偏離的位置，此位置是當(dāng)溫度增加/電流通過(guò)的情況下形狀記憶合金元件80所呈現(xiàn)的位置。隨著彈簧被進(jìn)一步地加載，形狀記憶合金元件80收縮。結(jié)果，傳動(dòng)元件90和膜片50打開(kāi)閥座40。為了減少微閥10的開(kāi)、關(guān)次數(shù)，在優(yōu)選的實(shí)施方式中，使用主動(dòng)式或被動(dòng)式的冷卻元件，特別是使用微型珀耳帖元件。圖2a示出微閥10的另一實(shí)施方式在閉合狀態(tài)下的橫截面。該微閥包括圖Ia中示意出的閥的所有部件，但是這些部件設(shè)置不同。形狀記憶合金元件80由在驅(qū)動(dòng)單元?dú)んw 20 一側(cè)的支承部110支承，彈簧70由設(shè)置在驅(qū)動(dòng)單元?dú)んw20的另一側(cè)的支承部120支承。 彈簧70和形狀記憶合金元件80具有它們的依靠在傳動(dòng)元件90的相反的側(cè)上的另一端。彈簧70接合靠近支承部120的箔130，并且壓縮形狀記憶合金元件80，以致呈現(xiàn)偏離的形狀。 該配置具有傳動(dòng)元件90依靠在形狀記憶合金元件80上的優(yōu)點(diǎn)；這就是為什么不必要求這兩個(gè)部件彼此牢固地連接的原因(與流體的壓力狀況無(wú)關(guān))，因?yàn)閭鲃?dòng)部件90隨從于致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)。圖2b示意出打開(kāi)狀態(tài)下的圖2a的微閥10的橫截面。此處示出當(dāng)電流作用于形狀記憶合金元件80時(shí)，形狀記憶合金元件80處于其較少偏離的位置。在溫度升高的情況下，形狀記憶合金元件80由于“記憶”而膨脹到其被賦予的形狀，彈簧70被進(jìn)一步程度地加載。結(jié)果，傳動(dòng)元件90和膜片50打開(kāi)閥座40。圖3a示出由彼此疊置的箔130組裝的、包括中央通道140的形狀記憶合金元件 80。電接觸裝置150在相對(duì)的側(cè)附連到外部箔130。然而，可依據(jù)閥10中的安裝情形選擇和修改電接觸裝置150的位置。箔130具有橢圓形狀。在每對(duì)箔中，箔130在它們的外圓周處至少部分地彼此連接。彼此疊置的箔中相鄰的對(duì)在中央通道140周圍處相互連接；特別是，它們被焊接。在根據(jù)圖3a的實(shí)施方式中，中央通道140成形為圓形形狀。所述通道也可具有另外的幾何形狀，例如，如在圖3b中所示的。在圖3b中，形狀記憶合金元件80由圓形箔130構(gòu)成。同樣地，中央通道140構(gòu)造為圓形，但是包括從中央朝向外側(cè)延伸的另外的徑向凹部160。此外，保留的基本為三角形的箔部分170的每一個(gè)均具有指向中央通道140的角部180。相鄰對(duì)的箔在所述角部180 處彼此連接。圖4a到圖4j示例性地示出具有中央通道140的箔130的各種實(shí)施方式。此處可見(jiàn)多種設(shè)計(jì)的可能性。圖5示出微閥的驅(qū)動(dòng)單 元的實(shí)施，如在圖Ia和Ib的基本構(gòu)造中已知的。對(duì)于從圖Ia和圖Ib的實(shí)施方式中已知的部件，使用相同的附圖標(biāo)記，并且參照上述解釋。與圖Ia和圖Ib的實(shí)施方式不同，處于圖5的構(gòu)型中的形狀記憶合金元件80被實(shí)現(xiàn)為在面向傳動(dòng)元件90的一側(cè)閉合。由此彈簧70由最下面的箔130的內(nèi)側(cè)支承，而最下面的箔130又?jǐn)R靠在傳動(dòng)元件90上。
權(quán)利要求
1.一種用于微閥的驅(qū)動(dòng)單元，所述驅(qū)動(dòng)單元包括殼體、彈簧和至少一個(gè)形狀記憶合金元件，所述形狀記憶合金元件以能夠偏離的方式附連到所述殼體，由所述彈簧朝向偏離的位置加載，能夠通過(guò)溫度上升以及由此激活的形狀記憶作用克服由所述彈簧導(dǎo)致的增大的負(fù)載運(yùn)動(dòng)進(jìn)入至少較少偏離的位置中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)單元，其中，所述至少一個(gè)形狀記憶合金元件包括彼此疊置的至少一對(duì)箔，所述至少一對(duì)箔在它們的外周處至少部分地彼此連接，并且由所述彈簧推動(dòng)分開(kāi)進(jìn)入所述偏離的位置，或者被壓縮。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的驅(qū)動(dòng)單元，其中，所述箔包括用于所述彈簧或與所述彈簧配合的傳動(dòng)元件的中央通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的驅(qū)動(dòng)單元，其中，所述彈簧是擱靠在位于所述殼體上的支承部上的并且與離所述支承部最遠(yuǎn)的箔接合的壓縮彈簧。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的驅(qū)動(dòng)單元，其中，所述彈簧是擱靠在位于所述殼體上的支承部上的并且與離所述支承部最近的箔接合的壓縮彈簧。
6.根據(jù)權(quán)利要求3、4或5所述的驅(qū)動(dòng)單元，其中，至少兩對(duì)箔彼此疊置，并且兩對(duì)箔中相鄰的箔在用于所述彈簧或與所述彈簧配合的傳動(dòng)元件的所述中央通道的外周上彼此連接。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)單元，其中，所述形狀記憶合金元件和所述彈簧在傳動(dòng)元件的同一側(cè)上接合。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)單元，其中，所述形狀記憶合金元件和所述彈簧在傳動(dòng)元件的相對(duì)側(cè)上接合。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的驅(qū)動(dòng)單元，其中，所述形狀記憶合金元件牢固地連接到所述傳動(dòng)元件。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)單元，其中，所述箔具有特別是橢圓形、 圓形或三角形的形狀。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)單元，其中，所述箔能夠通過(guò)流入它們內(nèi)部的電流被加熱。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)單元，其中，所述箔能夠借助于主動(dòng)式冷卻元件或被動(dòng)式冷卻元件被冷卻。
13.—種微閥，特別是常閉的微閥，包括流體殼體、至少一個(gè)閥座、與所述閥座相對(duì)的密封元件和根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)單元，其中，所述形狀記憶合金元件與所述密封元件配合，并將操作力施加到所述密封元件上，以便通過(guò)壓縮彈簧力或克服壓縮彈簧力關(guān)閉和打開(kāi)所述閥座。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的微閥，其中，在所述閥座與所述傳動(dòng)元件之間設(shè)置有膜片。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的微閥，其中，所述微閥的外部尺寸值為大約 5mmX 5mmX 5mm0
全文摘要
本發(fā)明涉及用于微閥的驅(qū)動(dòng)單元，包括殼體、彈簧和至少一個(gè)形狀記憶合金元件，該形狀記憶合金元件以能夠偏離的方式附連到殼體、由彈簧朝向偏離的位置加載、并能夠通過(guò)溫度上升以及由此激活的形狀記憶作用而克服通過(guò)彈簧增大的負(fù)載運(yùn)動(dòng)進(jìn)入至少較少偏離的位置。本發(fā)明還涉及一種微閥，特別是常閉的微閥，包括流體殼體、至少一個(gè)閥座、與閥座對(duì)置的密封元件和上述類型的驅(qū)動(dòng)單元，其中，形狀記憶合金元件與密封元件配合，并將操作力施加到密封元件上，用于借助于壓縮彈簧力或克服壓縮彈簧力關(guān)閉和打開(kāi)閥。
文檔編號(hào)F16K31/70GK102345763SQ20111022090
公開(kāi)日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2011年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月28日
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