Dispositivo actuador.

Dispositivo actuador para la generación de un movimiento o desplazamiento en al menos uno de sus extremos,

que comprende dos componentes de cualquier sección: uno con memoria de forma y otro superelástico que se curva en forma de arco y se articula a sus extremos, donde el movimiento se produce por la diferencia de tensiones del conjunto cuando se supera la temperatura de activación del primero. Ambos componentes están hechos de aleación de memoria de forma. En el caso del arco tiene la propiedad superelástica y en el caso de la cuerda del arco tiene la propiedad de memoria de forma.

Sus principales ventajas son conseguir un actuador sin ruidos ni vibraciones, con una larga vida útil, nulo mantenimiento, funcionamiento autónomo dependiente de la temperatura o controlado a voluntad por el usuario y sin problemas de fatiga del material.

DESCRIPCION

Dispositivo actuador

La presente memoria descriptiva se refiere, como su título indica, a un dispositivo actuador del tipo de los 5 utilizados para la generación de un movimiento o desplazamiento en al menos uno de sus extremos, que comprende dos componentes de cualquier sección: uno con memoria de forma y otro superelástico que se curva en forma de arco y se articula a sus extremos, donde el movimiento se produce por la diferencia de tensiones del conjunto cuando se supera la temperatura de activación del primero. Ambos componentes están hechos de aleación de memoria de forma. En el caso del arco tiene la propiedad superelástica y en el caso de la cuerda del 10 arco tiene la propiedad de memoria de forma.

Campo de la invención

La invención se refiere al campo de los dispositivos de actuación mecánica, concretamente los basados en 15 aleación de memoria de forma en los que un cambio de temperatura, dentro del rango preestablecido en función de su propia temperatura de activación, produce el movimiento de alargamiento o acortamiento que a su vez actúa en otro miembro o parte de otro mecanismo o máquina.

Estado del Arte 20

En la actualidad se conocen numerosas aleaciones con efecto de memoria de forma pero la más extendida comercialmente, la que exhibe mejor esta propiedad y por lo tanto la más idónea es la aleación de Niquel y Titanio, más conocida por Nitinol.

El Nitinol además posee la característica de la superelasticidad, mostrando un gran comportamiento a la fatiga de ciclos continuados de carga y descarga. También posee excelente comportamiento a la corrosión y es biocompatible lo que permite su uso en aplicaciones médicas. En este campo, el uso del Nitinol se encuentra muy extendido.

En el mercado hay diferentes tipos de actuadores basados en aleación de memoria de forma. Muchos de ellos utilizan cables de Nitinol. El movimiento se produce por el 10% de acortamiento del cable al variar de temperatura, presentando el inconveniente de que se obtienen generalmente distancias muy cortas de actuación.

En estos actuadores convencionales el mecanismo de retorno del sistema a la posición inicial suele ser mediante 35 resortes de acero u otros materiales que con el tiempo pueden mostrar fatiga mecánica inherente a su material, pudiendo afectar al rendimiento y precisión del actuador.

Antecedentes de la invención

Existen varias patentes relacionados con actuadores basados en dispositivos de memoria de forma: WO2013153400 "SMA actuation apparatus", US2013160445 "Shape memor y alloy actuator", ES-2280288 "Lavadora o lavavajillas automáticos con distribuidor de agua", ES-2206171 "Dispositivo de control provisto de un elemento actuador con memoria de forma calentado por inducción", ES-2259164 "Dispositivo de tope con actuador de memoria de forma", ES-2372450 "Un dispositivo de actuador basado en una aleación de memoria de 45 forma, y un montaje de flap-ala equipado con tal dispositivo de actuador", ES-2091896 "Actuador metalico de memoria en respuesta al calor", y US2013269174 "Miniature Forward-Looking Ultrasound Imaging Mechanism Enabled by Local Shape Memor y Alloy Actuator". Todos ellos utilizan únicamente un elemento con memoria de forma, y presentan el inconveniente de que el mecanismo de retorno del sistema a la posición inicial es mediante resortes de acero u otros materiales que con el tiempo pueden mostrar fatiga mecánica. 50

También se conocen aplicaciones con varios elementos de memoria de forma, como la descritas en US4932210 "Shape Memor y Metal Actuator" o EP2640972 "Shape memor y alloy actuation apparatus", que utilizan varias barras de Nitinol pero únicamente para conseguir movimientos en diferentes ejes del espacio, no solventando el problema anterior. 55

Descripción de la invención

Para solventar la problemática existente en los actuadores, mejorando el estado de la técnica actual, se ha ideado el dispositivo actuador objeto de la presente invención, el cual comprende dos componentes de cualquier 60 sección: uno con memoria de forma y otro superelástico que se curva en forma de arco y se articula a sus extremos, donde el movimiento se produce por la diferencia de tensiones del conjunto cuando se supera la temperatura de activación del primero.

Ambos componentes están hechos de aleación de memoria de forma, en inglés SMA (Shape Memor y Alloy) . En el caso del arco es SMA con la propiedad superelástica y en el caso de la cuerda del arco es SMA con la propiedad de memoria de forma. Cuando la cuerda está por debajo de su temperatura de activación, el arco ejerce más fuerza de la que esta puede soportar y la deforma estirándola al máximo. Cuando la temperatura de la cuerda supera su temperatura de activación, esta ejerce más fuerza que el arco y recupera su forma original, 5 produciendo el movimiento de actuación.

Esta invención aprovecha las cualidades del Nitinol, el cual puede presentarse en dos fases o estados diferentes: cuando se encuentra por debajo de su temperatura de activación o transformación, está en fase martensítica o martensita. Cuando está por encima de dicha temperatura, el material está en fase austenítica o austenita. 10

En la fase austenítica, el Nitinol presenta estructura cristalina cúbica y centrada lo que le confiere mayor resistencia y tenacidad que en su fase martensítica cuya estructura cristalina no es recta sino inclinada. Aprovechando estas dos situaciones en las que una fase presenta más fuerza que otra, se puede obtener un equilibrio dinámico de tensiones dependiente de la temperatura de activación o transformación en el que, cuando 15 el sistema se encuentra por encima de la misma se produce la actuación en su camino de ida y cuando se encuentra por debajo se produce el camino de vuelta de la actuación, reiniciándose el ciclo.

En la primera fase austenítica o fase caliente, ya que está por encima de la temperatura de activación, la cuerda ejerce más fuerza que el arco y en la segunda fase martensítica o fase fría, ya que está por debajo de la 20 temperatura de activación, el arco ejerce más fuerza que la cuerda.

Ventajas de la invención

Este dispositivo actuador que se presenta aporta múltiples ventajas sobre los sistemas convencionales 25 disponibles en la actualidad siendo una de ellas la combinación en un único dispositivo las propiedades de memoria de forma y superelasticidad, consiguiendo un actuador sin fatiga mecánica, ruidos o vibraciones.

Es importante destacar que, dada la simplicidad del dispositivo, al estar configurado únicamente por dos elementos, se asegura una larga vida útil con poca probabilidad de fallo, indicado para actuaciones que 30 necesiten alta fiabilidad de funcionamiento, además de un casi nulo coste económico de mantenimiento.

Otra importante ventaja frente a actuadores convencionales, o parcialmente basados en elementos de memoria de forma es que, debido a las características inherentes a los elementos superelásticos, el material carece de fatiga. Esto, unido a las cualidades anticorrosión da como resultado un actuador de alta calidad y durabilidad. 35

Destacar asimismo que el presente dispositivo consigue mejorar el estado de la técnica, obteniendo distancias de actuación del orden del 300% de la longitud inicial, muy superiores al 10% común en los actuadores basados en cable de Nitinol, posibilitando nuevas aplicaciones que requieran grandes desplazamientos, y que hasta ahora no eran posibles mediante la tecnología existente en este tipo de actuadores. 40

Además, el presente invento se caracteriza por estar formado únicamente por materiales con memoria de forma, frente a otros actuadores en los que el mecanismo de retorno del sistema a la posición inicial es mediante resortes de acero u otros materiales que con el tiempo pueden mostrar fatiga mecánica y menor durabilidad o sobredimensionamiento de estos elementos para evitarla. Este dispositivo presenta la ventaja de que este 45 problema no ocurre aprovechando la cualidad de la superelasticidad de los SMAs, especialmente en el caso del Nitinol.

El actuador se puede construir a cualquier escala. Los dispositivos de mayor tamaño desarrollarán más fuerza que los pequeños. Por el contrario, el tiempo de enfriamiento del SMA es mayor y la cadencia de actuación es 50 por lo tanto menor. A tamaño más reducido se consiguen ciclos más rápidos, casi instantáneos, debido al menor tiempo de enfriamiento. La fuerza desarrollada por el actuador, en el camino de ida del sistema, es en definitiva la fuerza que desarrolla el muelle al recuperar la forma menos la fuerza de oposición del arco. De esta manera, podemos fácilmente diseñar el actuador en función de la fuerza...

- Dispositivo actuador, del tipo de los utilizados para la generación de un movimiento o desplazamiento en al menos uno de sus extremos, caracterizado por que comprende al menos un elemento lineal superelástico (1) y un elemento con memoria de forma SMA (2) , estando dispuesto el elemento lineal superelástico (1) curvado y 5 relacionado en sus extremos con los extremos del elemento con memoria de forma SMA (2) mediante dos uniones articuladas (3, 4) , quedando el conjunto en tensión, conformando el elemento lineal superelástico (1) un arco y el elemento con memoria de forma SMA (2) la cuerda de dicho arco, siendo la distancia entre sus extremos variable en función de los cambios de temperatura del elemento con memoria de forma SMA (2) .

- Dispositivo actuador, según la reivindicación 1, caracterizado por que el elemento con memoria de forma SMA (2) adopta una forma de muelle.

- Dispositivo actuador, según la reivindicación 1, caracterizado por que uno de sus extremos es fijo y el otro es móvil. 15

- Dispositivo actuador, según la reivindicación 1, caracterizado por que el elemento lineal superelástico (1) o el elemento con memoria de forma SMA (2) dispone de un punto fijo intermedio (5) , siendo móviles ambos extremos.

- Dispositivo actuador, según la reivindicación 4, caracterizado por que el punto fijo intermedio (5) está ubicado en la parte central del elemento lineal superelástico (1) o del elemento con memoria de forma SMA (2) .

- Dispositivo actuador, según cualquiera de las reivindicaciones 3 a la 5, caracterizado por que el extremo o extremos móviles se encuentran mecánicamente relacionados con un mecanismo o dispositivo externo receptor 25 del movimiento.

- Dispositivo actuador, según la reivindicación 1, caracterizado por que los cambios de temperatura del elemento con memoria de forma SMA (2) son originados a partir de una o varias fuentes calóricas seleccionadas del grupo formado por energía solar, energía geotérmica, agua caliente, efecto Joule eléctrico, piezoelectricidad, 30 circuitos electrónicos, elementos eléctricos, y motores.

- Uso de un dispositivo actuador como el descrito en las reivindicaciones anteriores, caracterizado por su combinación con otros dispositivos actuadores similares en paralelo, en serie, o en combinaciones serie y paralelo. 35

- Uso de un dispositivo actuador, según la reivindicación 8, caracterizado por que la combinación en paralelo consiste en la agrupación en paralelo de varios elementos lineales superelásticos (1) y varios elementos con memoria de forma SMA (2) de menor longitud, mediante únicamente dos uniones articuladas (3, 4) .

- Uso de un dispositivo actuador, según la reivindicación 8, caracterizado por que la combinación en serie consiste en la agrupación de varios elementos lineales superelásticos (1) y varios elementos con memoria de forma SMA (2) de menor longitud, con diversas uniones articuladas (3, 4) intermedias.