用于微阀的包含形状记忆合金的驱动单元和微阀

摘要

本发明涉及用于微阀的驱动单元，包括壳体、弹簧和至少一个形状记忆合金元件，该形状记忆合金元件以能够偏离的方式附连到壳体、由弹簧朝向偏离的位置加载、并能够通过温度上升以及由此激活的形状记忆作用而克服通过弹簧增大的负载运动进入至少较少偏离的位置。本发明还涉及一种微阀，特别是常闭的微阀，包括流体壳体、至少一个阀座、与阀座对置的密封元件和上述类型的驱动单元，其中，形状记忆合金元件与密封元件配合，并将操作力施加到密封元件上，用于借助于压缩弹簧力或克服压缩弹簧力关闭和打开阀。

说明书

技术领域

本发明涉及用于微阀的包含形状记忆合金元件的驱动单元，以及微阀。 

背景技术

形状记忆合金元件因其可用作具有高能量密度的致动器而闻名。 

例如，在DE 102 33 601中所描述的，其中一个或更多个致动元件与线形式的形状记忆合金元件配合的阀被已知。 

由形状记忆合金制成的箔也被已知。在此情况下，只有用于控制阀的行程的较小行进能在阀中获得，并且只有低压能被控制。 

另外，已知基于用于致动器的形状记忆合金原理的阀在许多情形中是NO(即“常开”)设计。通常，工业应用要求NC(即“常闭”)阀，NC阀在静止状态时闭合，并且直到电流作用其上时才会打开。 

发明内容

因此，本发明的目的是提供用于微阀的驱动单元和微阀，所述驱动单元包括形状记忆合金元件，在该微阀中可以获得更大的行程。 

在权利要求1中描述了根据本发明的、用于微阀的驱动单元。 

用于微阀的驱动单元包括壳体、弹簧和形状记忆合金元件。形状记忆合金元件以能够偏离的方式附连到壳体，并由弹簧朝向偏离的位置加载。如果温度上升，形状记忆的作用就会生效：形状记忆合金元件随着增大弹簧负载运动至较少偏离的位置。 

形状记忆合金元件通过弹簧偏离由下述情形产生，例如，形状记忆合金元件借助于弹簧被推动分开。如果温度上升，形状记忆合金元件收缩以呈现其初始形状，并因此克服增大的弹簧力达到较少偏离的位置。然而，也可以是形状记忆合金元件首先由弹簧压缩，然后随着温度上升而膨胀，因此克服增大的弹簧力达到较少偏离的位置。在温度上升的情况下，由形状记忆合金元件所“记住”的形状通过作用在该形状记忆合金元件上的力和温度、以已知方式赋予所述元件。 

在一个实施方式中，形状记忆合金元件包括彼此叠置的至少一对箔，所述一对箔在它们的外周处至少部分地相互连接，特别是焊接，并且通过弹簧被推动分开或压缩。特别地，当将驱动单元应用于阀中的技术的情形下，使用一对叠置的箔具有下述优势，即，由此可以获得更大的阀行程。因此，当然可以有两个以上的箔彼此叠置。 

单个箔包括用于弹簧或与弹簧配合的传动元件的中央通道。根据期望的尺寸和力的情况，也可以选择具有较大直径的弹簧，然后可以将形状记忆合金元件放置在弹簧内。 

弹簧优选地是由壳体支承的并且与离支承部最远的箔接合的压缩弹簧。形状记忆合金元件由弹簧推动分开，例如由止动元件限定的距离。由于形状记忆合金元件附接在同一壳体侧，所以充分利用了箔堆的高度。当温度作用时，形状记忆合金元件克服弹簧力，重新回到其原始高度。 

基本地，弹簧可以是具有弹性性能的元件，其由弹簧钢或弹性材料制造。 

在另一实施方式中，压缩弹簧和形状记忆合金元件通过壳体的相反的侧支承。在此情况下，压缩弹簧和与之邻近的箔接合，并且箔堆被压缩，同时其原始高度减小。当温度作用时，箔堆膨胀，并且返回到具有较高高度的起始位置，压缩弹簧被进一步加载。 

优选实施方式包括彼此叠置的至少两对箔。两对箔中相邻的箔在用于弹簧或与弹簧配合的传动元件的中央通道的圆周上彼此连接。其为箔堆提供了类似弹簧的几何形状，其可以被压缩或被推动分开。 

根据形状记忆合金元件和弹簧是否通过同一壳体侧或相反的壳体 侧来支承，形状记忆合金元件和弹簧将会在同一侧或相反的侧与传动元件接合。如果形状记忆合金元件和传动元件彼此牢固地连接，比如焊接，则传动元件就会通过形状记忆合金元件随从于相对应致动器的运动。如果该驱动单元用于阀中，则会有下述优势，即，即使在没有任何流体压力的情况下，阀也自动地打开。 

如果形状记忆合金元件和弹簧在相反的侧与传动元件接合，则可以省去形状记忆合金元件和传动元件之间的牢固连接。在此情况下，传动元件搁置在形状记忆合金元件上，并且自动地随从于形状记忆合金元件的任何运动。 

在用于形成形状记忆合金元件的箔堆的单个箔的几何形状设计方面，存在很大的设计自由度。其可特别是形成为椭圆形、圆形或三角形。也可设想其它几何形状。然而，箔可通过已知方法，例如激光切割或湿法化学刻蚀工艺构造。 

也可以在驱动单元中使用几个形状记忆合金元件。代替将形状记忆合金元件在较大区域上附接于驱动单元壳体的一侧，而是可将两个或更多个形状记忆合金元件插入驱动单元壳体中，使得它们转动90°，从而这些箔具有搁靠在驱动单元壳体上的外周。然后，中央通道将形成在两个或多个中心设置的形状记忆合金元件之间。 

根据本发明的实施方式，箔通过流入箔内部的电流加热。NiTi、CuZn或FeNiAl合金是用于形状记忆合金元件的典型材料。温度转变的范围是从100℃到300℃。然而，也有温度转变的范围仅从40℃到70℃的形状记忆合金元件。也可以不通过形状记忆合金元件的任何直接电接触而实现对其温度的影响，例如可以通过加热元件或通过接触流体进行热传导而实现。形状记忆合金元件的温度应用的另一可行性可实现为，弹簧是电接触，并且导电地连接到形状记忆合金元件上。此处，可以设计形状记忆合金元件使得外部箔没有中央通道，并且弹簧搁置在该箔上。 

优选地，使用主动式或被动式的冷却元件来冷却形状记忆合金元件。在这样做时，当在微阀中使用驱动单元时，可以相当大地减少开关次数。在微设计中，珀耳帖元件也是已知的。 

根据本发明的驱动单元特别适于作为微阀，特别是常闭微阀中的致动器使用。在一个实施方式中，包含根据本发明的驱动单元的微阀包括 流体壳体，该流体壳体具有至少一个阀座和与该阀座对置的密封元件。密封元件与形状记忆元件配合，将操作力施加在密封元件上，用于克服压缩弹簧力打开阀。 

密封元件可形成为夹在流体壳体与驱动单元壳体之间的膜片。然而，密封元件也可在邻近阀座的一侧设置在传动元件上。 

附图说明

从参照附图的下述说明中，本发明的其他特征和优点将会变得明显，附图中： 

图1a是通过对处于“闭合”位置的微阀截取的截面图； 

图1b是根据图1a的处于“打开”位置的截面图； 

图2a是通过对处于“闭合”位置的微阀的第二实施方式截取的截面图； 

图2b是对根据图2a的处于“打开”位置的微阀截取的截面图； 

图3a是根据本发明的形状记忆合金元件的俯视图； 

图3b是形状记忆合金元件的另一实施方式的俯视图； 

图4a-j是用于组装形状记忆合金元件的箔的实施方式的俯视图；以及 

图5示出微阀的驱动单元的替代性实施方式。 

具体实施方式

图1a示出微阀10的横截面图，微阀10包括驱动单元壳体20和具有阀座40的流体壳体30。驱动单元壳体20可构造成两部分。膜片50设置在驱动单元壳体20和流体壳体30之间。驱动单元壳体20包括腔60，腔60朝向流体壳体30开放，弹簧70、形状记忆合金元件80和传动元件90设置在腔60中。形状记忆合金元件80具有附接到壳体20的支承部110的一侧，以及附接到传动元件90的其相对侧。在同一壳体 侧，弹簧70具有依靠在支承部120上的其一端，以及依靠在传动元件90上的其第二端。同样地，弹簧70和形状记忆合金元件80附接到传动元件90的同一侧。 

形状记忆合金元件80包括彼此叠置的至少一对箔130，箔130在它们的外周处至少部分地彼此连接。根据箔130的形状，两个三角形箔130可以在它们的三个角部处彼此局部连接，例如，特别是通过焊接。圆形箔可以沿它们的整个外圆周彼此连接。以此方式，形状记忆合金元件80的外部形状与一堆盘簧相似。由于几个箔130彼此叠置的情形，所以存在大于仅使用单个箔时的行进。当用在阀中时，该行进可以作为行程。 

用于容纳弹簧70的中央通道140设置在形状记忆合金元件80中。根据由形状记忆合金元件80将提供的力和行进，弹簧70和形状记忆合金元件80也可被设计成使得弹簧70具有比形状记忆合金元件80更大的内径；然后，弹簧70可以将形状记忆合金元件80容纳在其内部。 

弹簧70被压缩并朝着膜片50和阀座40推动传动元件90，从而关闭阀座40。同时，弹簧70朝向偏离的位置推动形状记忆合金元件80分开。此处，弹簧70是压缩弹簧，并且在形状记忆合金元件80中接合离支承部120最远的箔130。以此方式，利用形状记忆合金元件80的整个高度。 

如在图1a中所示，也可以在形状记忆合金元件80中使用几对彼此叠置的箔130。两对箔中相邻的箔分别在中央通道140的圆周上彼此连接。以此方式，形状记忆合金元件80呈现类似弹簧的几何形状。箔130可以类似手风琴的方式被拉开或被压缩。 

在优选实施方式中，形状记忆合金元件80和传动元件90彼此牢固地连接。这是传动元件90随从于致动器的运动的原因。该驱动单元也可用于仅能实现小的流体压力的那些阀中。在激活形状记忆合金元件80之后，阀在没有流体的帮助下自动地打开。然而，在流体压力较高的情况下，可以省去形状记忆合金元件80和传动元件90之间的连接。 

彼此叠置以形成形状记忆合金元件80的箔130包括电触点。当电流作用于箔130时，箔130自身体内被加热，从而激活形状记忆合金元件80的“记忆”：形状记忆合金元件80呈现其被强加的形状。 

图1b示出对应于图1a但处于打开状态的微阀10的横截面。此处，示意出形状记忆合金元件80处于略微小程度偏离的位置，此位置是当温度增加/电流通过的情况下形状记忆合金元件80所呈现的位置。随着弹簧被进一步地加载，形状记忆合金元件80收缩。结果，传动元件90和膜片50打开阀座40。 

为了减少微阀10的开、关次数，在优选的实施方式中，使用主动式或被动式的冷却元件，特别是使用微型珀耳帖元件。 

图2a示出微阀10的另一实施方式在闭合状态下的横截面。该微阀包括图1a中示意出的阀的所有部件，但是这些部件设置不同。形状记忆合金元件80由在驱动单元壳体20一侧的支承部110支承，弹簧70由设置在驱动单元壳体20的另一侧的支承部120支承。弹簧70和形状记忆合金元件80具有它们的依靠在传动元件90的相反的侧上的另一端。弹簧70接合靠近支承部120的箔130，并且压缩形状记忆合金元件80，以致呈现偏离的形状。该配置具有传动元件90依靠在形状记忆合金元件80上的优点；这就是为什么不必要求这两个部件彼此牢固地连接的原因(与流体的压力状况无关)，因为传动部件90随从于致动器的运动。 

图2b示意出打开状态下的图2a的微阀10的横截面。此处示出当电流作用于形状记忆合金元件80时，形状记忆合金元件80处于其较少偏离的位置。在温度升高的情况下，形状记忆合金元件80由于“记忆”而膨胀到其被赋予的形状，弹簧70被进一步程度地加载。结果，传动元件90和膜片50打开阀座40。 

图3a示出由彼此叠置的箔130组装的、包括中央通道140的形状记忆合金元件80。电接触装置150在相对的侧附连到外部箔130。然而，可依据阀10中的安装情形选择和修改电接触装置150的位置。箔130具有椭圆形状。在每对箔中，箔130在它们的外圆周处至少部分地彼此连接。彼此叠置的箔中相邻的对在中央通道140周围处相互连接；特别是，它们被焊接。在根据图3a的实施方式中，中央通道140成形为圆形形状。所述通道也可具有另外的几何形状，例如，如在图3b中所示的。 

在图3b中，形状记忆合金元件80由圆形箔130构成。同样地，中 央通道140构造为圆形，但是包括从中央朝向外侧延伸的另外的径向凹部160。此外，保留的基本为三角形的箔部分170的每一个均具有指向中央通道140的角部180。相邻对的箔在所述角部180处彼此连接。 

图4a到图4j示例性地示出具有中央通道140的箔130的各种实施方式。此处可见多种设计的可能性。 

图5示出微阀的驱动单元的实施，如在图1a和1b的基本构造中已知的。对于从图1a和图1b的实施方式中已知的部件，使用相同的附图标记，并且参照上述解释。 

与图1a和图1b的实施方式不同，处于图5的构型中的形状记忆合金元件80被实现为在面向传动元件90的一侧闭合。由此弹簧70由最下面的箔130的内侧支承，而最下面的箔130又搁靠在传动元件90上。