ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНОЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
HEAT-SENSITIVE ACTUATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к исполнительному устройству, предназначенному для получения реакции исполнительного устройства, которая зависит от температуры. Кроме того, изобретение относится к изготовлению и использованию исполнительного устройства.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Имеются многочисленные области применения, в которых можно получать выгоду от применения исполнительного устройства уменьшенного размера, но который может создавать значительное перемещение и прикладывать значительную силу.
Двигатели чаще всего используют в качестве исполнительных устройств для создания больших перемещений и сил. При многих применениях, связанных с миниатюризацией, даже небольшие двигатели ощущаются слишком большими, тяжелыми, шумными и дорогими.
Материалы с эффектом памяти формы (МЭПФ), особенно сплавы с эффектом памяти формы (СЭПФ), способны создавать значительные силу и перемещение при нагреве сверх определенной температуры фазового перехода. Даже при небольших размерах материала в течение очень продолжительного периода времени и после многочисленных действий по переключению создаются сила и перемещение, очень большие и точные относительно этих размеров.
Исследовалось применение материала с эффектом памяти формы для получения сигнала приведения в действие, зависящего от температуры. Например, в патенте US №6764166 раскрыто применение сплава с эффектом памяти формы для образования части инжекционного сопла для струйного печатающего устройства. После повышения температуры и изменения формы вследствие фазового перехода форма материала должна восстанавливаться до первоначальной формы перед тем, как может быть вновь начато приведение в действие. В патенте US №6764166 заранее создают предварительное напряжение в сопле для приведения его в скрученное состояние, а нагревом сопла осуществляют выпрямление сопловой пластины. После охлаждения предварительное напряжение возвращает пластину в скрученное состояние.
Необходимость создания предварительного напряжения является недостатком, который следует из того, что при понижении температуры фаза изменяется обратно до первоначальной фазы, но форма не изменяется. Поэтому до того, как исполнительное устройство может быть использован повторно после понижения температуры, должно быть инициировано внешнее приведение в действие для обратного изменения формы материала с эффектом памяти формы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение направлено на создание усовершенствованного исполнительного устройства, активация которого зависит от чувствительности к теплу или температуре исполнительного устройства и в котором активация формы является обратимой.
Изобретение определено в независимых пунктах формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения представлены предпочтительные варианты осуществления.
Согласно изобретению представлены исполнительное устройство, применение устройства и установка, частично управляемая устройством, а также способ приведения в действие.
В изобретении объединены многослойный пакет, имеющий по меньшей мере два слоя с различными коэффициентами теплового расширения, прикрепленные друг к другу, для работы подобно биметаллической пластинке при нагреве, и слой, имеющий материал с эффектом памяти формы, при этом слой, имеющий материал с эффектом памяти формы, может быть одним из слоев многослойного пакета или отдельным слоем. С одной стороны, чувствительность к тепловому излучению исполнительного устройства является результатом восприимчивости к изменению формы материала (материалов) с эффектом памяти формы исполнительного устройства. С другой стороны, чувствительность к тепловому излучению является результатом использования многослойной структуры, которая функционирует как биметаллическая пластиночная структура.
В контексте изобретения многослойный пакет представляет собой структуру, которая способна преобразовывать изменение температуры в механическое перемещение. Биметаллическая пластинка является примером такой структуры. Биметаллическая пластинка состоит из двух полосок различных металлов, которые увеличиваются в объеме в различной степени, когда их нагревают. Хотя на практике такие полоски обычно содержат металлы или состоят из них, такие как сталь и медь или в некоторых случаях сталь и латунь, многослойный пакет согласно изобретению не ограничен этими материалами, а также может включать в себя органические материалы, такие как полимеры. Если материалы с эффектом памяти формы представляют собой органические материалы (полимеры), то предпочтительно, чтобы материалы многослойного пакета также были органическими материалами (полимерами). Если материалы с эффектом памяти формы представляют собой металлы и/или металлические сплавы, то предпочтительно, чтобы материалы многослойного пакета также были металлами и/или металлическими сплавами.
Слои предпочтительно соединять друг с другом на всем протяжении или в локальных точках склепыванием, пайкой, сваркой или приклеиванием. Однако такие соединения также можно продолжать на большие расстояния, чтобы полоски имели другие слои или механические соединения между ними. Таким образом, форма многослойного пакета повторяет форму материала с эффектом памяти формы, и измененная форма может восстанавливаться до первоначальной с оптимальным результатом. Между слоями могут быть теплоизолирующие слои, чтобы имелась возможность нагрева только конкретных слоев пакета, например, путем электрически индуцированного нагрева джоулевым теплом. Вследствие различных сил расширения при нагреве плоская полоска сгибается в одном направлении, а при охлаждении ниже первоначальной температуры в противоположном направлении. Металл с более высоким коэффициентом теплового расширения находится на внешней стороне кривой при нагреве полоски и на внутренней стороне при охлаждении полоски.
Для образования компактного и робастного исполнительного элемента исполнительного устройства предпочтительно, чтобы слои многослойного пакета и слой материала с эффектом памяти формы были полностью соединены друг с другом на всем протяжении их длины и ширины. Тем самым наилучшим образом достигается вытекающая из формы характеристика многослойного пакета.
Сила, прикладываемая слоем материала с эффектом памяти формы, при переходе к второй форме при температуре выше температуры фазового перехода превышает любую противодействующую силу, которая прикладывается многослойным пакетом. Однако при охлаждении обратно до температуры ниже температуры фазового перехода многослойный пакет способен прикладывать силу, достаточную для возвращения формы слоя материала с эффектом памяти формы к первой форме.
Этой конфигурацией обеспечивается объединение датчика и исполнительного устройства, которым частично или полностью исключается необходимость во внешнем исполнительном устройстве для изменения формы на обратную. Этим делается возможным огромное число применений с использованием изменяющих форму материалов в качестве небольших исполнительных устройств, предназначенных для выполнения работы.
Кроме того, в этом устройстве согласно изобретению большие напряжения в многослойном пакете исключаются по той причине, что структура имеет небольшие внутренние напряжения при нахождении в первой форме.
Слой материала с эффектом памяти формы может иметь один или несколько материалов с эффектом памяти формы, но предпочтительно, чтобы имелся один материал с эффектом памяти формы. Слой может иметь такие материалы, встроенные или в одном ряду с другими материалами. Предпочтительно, чтобы слой состоял из одного или нескольких материалов с эффектом памяти формы. В последнем случае форма может полностью определяться формой материалов с эффектом памяти формы. Предпочтительно, чтобы материалы с эффектом памяти формы были металлами или металлическими сплавами. Предпочтительно, чтобы материалы многослойного пакета были металлами или металлическими сплавами. Другие и более специфические материалы будут рассмотрены в подробном описании изобретения.
Предпочтительно, чтобы первая температура была ниже температуры фазового перехода материала с эффектом памяти формы и вторая температура была выше температуры фазового перехода материала с эффектом памяти формы. Таким образом, можно получать весь выигрыш от фазового перехода материалов с эффектом памяти формы.
Многослойный пакет может содержать слой материала с эффектом памяти формы в качестве одного из его двух слоев. При этом коэффициент теплового расширения слоя материала с эффектом памяти формы отличается от коэффициента теплового расширения первого слоя многослойного пакета. Кроме того, исполнительное устройство в целом может иметь только два слоя.
В соответствии с предпочтительной компоновкой исполнительное устройство может содержать слой материала с эффектом памяти, заключенный между первым и вторым слоями с первым и вторым коэффициентами теплового расширения, соответственно. Поэтому в этом случае исполнительное устройство имеет по меньшей мере три слоя. В одном варианте осуществления коэффициент теплового расширения слоя с эффектом памяти формы равен либо соответствующему коэффициенту теплового расширения первого слоя или второго слоя, либо находится между коэффициентами теплового расширения этих слоев.
Этим обеспечивается материал с эффектом памяти формы с металлическими слоями на обеих сторонах, образующий трехслойную структуру, находящийся между материалами со значительно отличающимися коэффициентами теплового расширения (КТР). На одной стороне имеется материал с относительно высоким коэффициентом теплового расширения и на другой стороне имеется материал с относительно низким коэффициентом теплового расширения («относительно» означает относительно друг друга). К тому же слои могут поддерживаться относительно тонкими по сравнению с двухслойным пакетным исполнительным устройством при достижении таких же сил. Это выгодно для снижения усталостных нагрузок и поэтому для повышения срока службы (количества циклов приведения в действие) исполнительного элемента в устройстве.
В приведенных выше примерах правильное сочетание материалов различных типов и размеров с высоким и низким коэффициентами теплового расширения вместе с подходящим материалом с эффектом памяти формы позволяет осуществлять восстановление формы при использовании биметаллической пластиночной структуры для изменения на обратную формы материала с эффектом памяти формы после охлаждения до температуры ниже температуры фазового перехода. Тепловые коэффициенты материалов можно в целях удобства брать из литературных баз данных и использовать с учетом проектных ограничений для получения выполнимых вариантов осуществления.
В соответствии с вариантом осуществления слой материала с эффектом памяти формы представляет собой слой, отличающийся от первого слоя и второго слоя и непосредственно прикрепленный только к второму слою, но не прикрепленный непосредственно к первому слою. В этом варианте осуществления фактически имеется биметаллический пластиночный многослойный пакет на одной стороне слоя материала с эффектом памяти формы.
Существуют различные возможные изменения формы, которые можно использовать. Одним используемым изменением формы является изменение, основанное на привнесении или уменьшении изгиба слоя материала с эффектом памяти формы. Поэтому в таком варианте осуществления первая форма и/или вторая форма представляют собой формы, изогнутые в направлении пакетирования многослойного пакета, и либо первая форма является менее изогнутой формой, чем вторая форма, первый слой находится на внешней стороне второй формы и первый слой имеет более высокий коэффициент теплового расширения, чем второй слой, либо первая форма является более изогнутой формой, чем вторая форма, первый слой находится на внутренней стороне первого слоя материала с эффектом памяти формы и первый слой имеет более высокий коэффициент теплового расширения, чем второй слой.
Иначе говоря, форма биметаллической пластиночной структуры выпрямляется при охлаждении, а материал с эффектом памяти формы привносит изгиб при нагреве, и кроме того, возможна обратная структура, принимающая изогнутую форму при охлаждении.
В обоих случаях материалы располагают с учетом их коэффициентов теплового расширения, чтобы действующая сила биметаллической пластинки добавлялась к силе, создаваемой индуцированным изменением формы материала с эффектом памяти формы при переходе от первой к второй температуре, и кроме того, обеспечивалось максимальное содействие при обратном изменении температуры.
Согласно еще одному примеру первая и вторая формы представляют собой формы пружины с различными степенями удлинения пружины.
Исполнительное устройство может содержать нагревательное устройство для нагрева по меньшей мере слоя материала с эффектом памяти формы и/или охлаждающее устройство для охлаждения по меньшей мере слоя материала с эффектом памяти формы. Это может быть необходимо для обеспечения регулирования нагрева, когда при использовании окружающей средой не создается изменение температуры. Кроме того, того нагрев и охлаждение могут содействовать более быстрому изменению состояния исполнительного устройства. Нагрев можно осуществлять джоулевым теплом нагревательного элемента или устройства. Охлаждение можно осуществлять с помощью потока жидкости или других общеизвестных устройств или принципов охлаждения.
Исполнительное устройство можно использовать в различных областях применения, и оно может быть частью различных установок, особенно в случае, когда устройство используется для частичного управления установкой или прибором.
Поэтому установка может содержать цепь, включающую исполнительное устройство, при этом исполнительное устройство работает как переключатель. Это могут быть электрическая цепь и электрический переключатель, но также могут быть трубопровод с клапанами в качестве переключателя.
Установка может быть цепью защитного выключателя, в которой используется исполнительное устройство согласно изобретению, которое приводит в действие электрический выключатель, когда материал с эффектом памяти формы имеет вторую форму. Оно может использоваться в осветительном приборе для обеспечения безопасного выключения в случае перегрева.
Установка может быть установкой, которая имеет контроллер конфигурации, который выбирает различные физические конфигурации на основании состояний приведения в действие исполнительного устройства. Он может использоваться для создания эстетических изменений во внешнем виде установки в зависимости от температуры. Такой прибор/установка включает в себя, например, осветительные устройства или другие декоративные домашние или офисные устройства.
Согласно другому аспекту в цепи циклирования, предназначенной для циклирования работы или конфигурации множества устройств, используется набор исполнительных устройств согласно изобретению. Это позволяет чередовать работающие устройства до тех пор, пока не достигается их предельная температура, или устройства можно чередовать с выбором различных физических конфигураций.
Таким образом, установка может быть осветительным прибором, содержащим множество осветительных элементов и цепь циклирования устройства, описанную выше, при этом каждый осветительный элемент содержит одно из множества устройств цепи циклирования устройства. Это можно использовать для продления срока службы прибора или для образования иной физической конфигурации прибора с течением времени. Кроме того, это можно использовать в осветительном приборе, имеющем многочисленные осветительные элементы.
Установка может быть частью двигателя или может быть двигателем, при этом исполнительное устройство является частью клапана, предназначенного для регулирования жидкости, используемой в двигателе при работе. Двигатель может быть, например, любым двигателем внутреннего сгорания (поршневым, или турбинным, или реактивным) и электродвигателем. Исполнительное устройство как часть клапана для регулирования жидкости может предназначаться для регулирования потока масла для смазки, и/или может предназначаться для регулирования топлива, и/или может предназначаться для регулирования охлаждающей жидкости. Регулирование жидкости может осуществляться от резервуара до места использования в двигателе, при этом подходящими местами для использования являются, например: камера сгорания, места или участки смазки или места испарения.
Этим обеспечивается автоматическая смазка, снабжение топливом или охлаждение двигателя с уменьшением необходимости во вмешательстве в работу, и/или техническом обслуживании, и/или заправке или смазке.
Согласно еще одному аспекту изобретением также является способ термочувствительного приведения в действие.
В способе предпочтительно, чтобы первая температура была ниже температуры фазового перехода материала с эффектом памяти формы и вторая температура была выше температуры фазового перехода материала с эффектом памяти формы.
Предпочтительно поддерживать температуру многослойного пакета всегда ниже второй температуры. Многослойный пакет может повторять изменение формы слоя материала с эффектом памяти формы при нагреве этого слоя, а с началом охлаждения этого слоя вся возвратная сила прилагается многослойным пакетом. Кроме того, нет необходимости охлаждать пакетный слой, чтобы исполнительное устройство в целом могло работать быстрее.
В способе изменение температуры слоя материала с изменением фазы включает в себя изменение температуры многослойного пакета. К тому же многослойный пакет может способствовать созданию силы для этапа изменения формы на основании изменения формы слоя материала с эффектом изменения формы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Теперь примеры изобретения будут описаны подробно с обращением к сопровождающим чертежам, на которых:
фиг.1 - диаграмма зависимости температура-фаза для материала с эффектом памяти формы;
фиг.2 - диаграмма зависимости температура-напряжение-деформация для материала с эффектом памяти формы;
фиг.3 - вид приводимого в качестве первого примера исполнительного устройства согласно изобретению;
фиг.4 - вид приводимого в качестве второго примера исполнительного устройства согласно изобретению;
фиг.5 - вид приводимого в качестве третьего примера исполнительного устройства согласно изобретению;
фиг.6 и 7 - виды установки с использованием исполнительного устройства согласно изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Согласно изобретению, предложено исполнительное устройство, которое может быть термочувствительным и которое может иметь по меньшей мере первую стадию или состояние приведения в действие и вторую стадию или состояние приведения в действие. В исполнительном устройстве используется материал с эффектом памяти формы (МЭПФ), который при термическом стимулировании может изменять форму в ответ на повышение температуры, от первой формы при первой температуре до второй формы при второй температуре. Кроме того, исполнительным устройством выполняется первая стадия приведения в действие для достижения второго состояния приведения в действие. В исполнительном устройстве используется многослойная структура, которая может работать аналогично биметаллической пластиночной структуре, то есть она может сгибаться при нагреве и отгибаться назад при охлаждении. Поэтому многослойная структура имеет по меньшей мере два слоя с различными коэффициентами теплового расширения (КТР). Многослойная структура может содержать слой, имеющий материал с эффектом памяти формы, или может быть связана со слоем, имеющим материал с эффектом памяти формы, так что при охлаждении от второй температуры до первой температуры вследствие теплового сжатия слоев многослойного пакета за исключением любых слоев с эффектом памяти формы многослойная структура побуждает слой, имеющий материал с эффектом памяти формы, повторять обратное изменение формы (по меньшей мере частично) многослойной структуры до первой формы. Таким образом, многослойная структура используется для возвращения слоя материала с эффектом памяти формы в исполнительном устройстве к его первоначальной форме после охлаждения. Тем самым в исполнительном устройстве может выполняться возвращение из второй стадии приведения в действие к первой стадии приведения в действие и подготовка к повторному выполнению первой стадии приведения в действие.
Материалы с эффектом памяти формы (МЭПФ) хорошо известны, в частности, сплавы с эффектом памяти формы (СЭПФ). Сплавами с эффектом памяти формы двух основных видов являются сплав меди, алюминия, никеля и никелево-титановый сплав (Ni-Ti), который известен как нитинол. Например, нитинол имеется в виде проволоки, прутка или стержня, или в виде тонкой пленки. Однако сплавы с эффектом памяти формы также можно образовывать сплавлением цинка, меди, золота и железа.
Материалы с эффектом памяти формы могут существовать в двух различных фазах с тремя различными кристаллическими структурами (то есть двойниковой мартенситной, мартенситной с исключенным двойникованием и аустенитной).
Хотя сплавы с эффектом памяти формы на основе железа и на основе меди, такие как Fe-Mn-Si, Cu-Zn-Al и Cu-Al-Ni, имеются в продаже и дешевле, чем нитинол, сплавы с эффектом памяти формы на основе нитинола являются более предпочтительными для большей части применений вследствие их стабильности, осуществимости и хороших термомеханических характеристик.
Нитинол имеет очень хорошие электрические и механические свойства, большую усталостную долговечность и высокую коррозионную стойкость. В качестве исполнительного устройства он способен обеспечивать упругое восстановление формы около 6-7% в мартенситной фазе и около 14-15% в аустенитной фазе и высокое восстанавливающее напряжение при многих циклах. Имеется большое различие в модулях упругости в двух фазах, которое позволяет выполнять большой объем работы при фазовом переходе.
Кроме того, нитинол образует поверхностный слой оксида титана, который защищает никель снаружи, позволяя образовывать биологически совместимые устройства, такие как медицинские стенты или другие имплантаты.
На нитиноловой проволоке диаметром 0,5 мм можно поднимать до 6 кг. Кроме того, нитинол обладает резистивными свойствами, что позволяет приводить его в действие электрически джоулевым теплом. Когда электрический ток протекает непосредственно по проволоке, он может создавать теплоту в достаточном количестве, чтобы создавать фазовый переход.
В большинстве случаев температуру перехода сплава с эффектом памяти формы выбирают так, чтобы комнатная температуры была значительно ниже температуры фазового перехода материала. Только при намеренном добавлении теплоты может проявляться приведение в действие сплава с эффектом памяти формы. По существу, нитинол можно использовать в качестве исполнительного устройства, датчика и нагревателя, всех из одного материала.
Однако сплавы с эффектом памяти формы пригодны не для всех применений. Необходимо учитывать силы, смещения, температурные условия и продолжительности циклов, требуемые для конкретного исполнительного устройства. Преимущества нитинола становятся более ясно выраженными по мере уменьшения размера механизма. Можно считать соленоиды, двигатели и электромагниты более подходящими для крупных механизмов. Однако в областях применения, в которых такие исполнительные устройства не могут использоваться, сплавы с эффектом памяти формы обеспечивают хорошую альтернативу.
Нитиноловые сплавы изменяют состояние от мартенситного до аустенитного состояния при нагреве и изменяют состояние на обратное при охлаждении.
На фиг.1 показана мартенситная фракция в зависимости от нагрева, во время нагрева и охлаждения. Во время нагрева As и Af представляют собой температуры, при которых переход от мартенсита к аустениту начинается и заканчивается. Температура As является температурой фазового перехода. Во время охлаждения Ms и Mf представляют собой температуры, при которых переход к мартенситу начинается и заканчивается.
Различием между переходом при нагреве и переходом при охлаждении обуславливается увеличение гистерезиса, когда в процессе теряется некоторая часть механической энергии. Форма кривой зависит от свойств материалов сплава с эффектом памяти формы, такими как легирование и деформационное упрочнение.
Переход от мартенситной фазы к аустенитной фазе зависит только от температуры и напряжения, но не от времени. Когда сплав с эффектом памяти формы находится в холодном состоянии (ниже As), металл может быть согнутым или растянутым и будет сохранять эту форму до нагрева выше температуры перехода. При нагреве форма изменяется до первоначальной формы. Когда металл охлаждают повторно, он будет изменять фазу, но не форму, и поэтому останется в «горячей» форме (то есть в первоначальной форме) до повторного деформирования.
При наличии этого однонаправленного эффекта охлаждение от высоких температур не приводит к макроскопическому изменению формы. Деформация необходима для восстановления низкотемпературной формы. Температура As перехода для нитинола определяется видом и составом сплава и может изменяться в пределах от -150°С до 200°С. Обычно используемой является температура перехода в пределах от 20°С до 120°С. Поэтому температуру перехода можно подбирать к конкретному применению.
Кроме того, имеются материалы с двунаправленным эффектом памяти формы, обусловленным холодной обработкой или упрочнением, с высокими напряжениями в мартенситной фазе. Однако эффект не делает возможными повторные температурные циклы, поскольку напряжения ослабевают с течением времени. Это изобретение в особенности относится к материалам с однонаправленным эффектом памяти формы.
Как упоминалось выше, фазовые переходы зависят от напряжения, а также от температуры. На фиг.2 представлена схематичная диаграмма, показывающая функцию напряжение-деформация-температура для эффекта памяти формы. Напряжение показано как σ и деформация показана как ε.
Материал отжигали для запоминания конкретной формы. Материал деформировали до низкотемпературной формы по траектории 10 приложением напряжения к материалу. Речь идет об области с исключенным двойникованием. Наблюдалось резкое повышение наклона кривой напряжение-деформация, после которого дальнейшее деформирование материала становилось намного более трудным. После ослабления напряжения, показанного траекторией 12, все еще оставалась сильная деформация материала до нагрева выше температуры перехода. Речь идет о траектории 14 нагрева для перехода материала в аустенитную фазу. Затем можно было выполнить охлаждение обратно до мартенситной фазы с двойникованием по траектории 16, на которой показано, что деформация материала уменьшается (но форма обратно не изменяется).
Модуль упругости (модуль Е упругости) высокотемпературной фазы материала с эффектом памяти формы значительно выше, чем модуль Е упругости низкотемпературной фазы.
Изменение формы, которое сопутствует этому фазовому переходу во время нагрева, способно создать первую силу F1. После понижения температуры ниже температуры фазового перехода и поэтому после фазового перехода к низкотемпературной фазе меньшая сила F2 необходима для изменения формы материала с эффектом памяти формы до его первоначальной формы (траектория 10 на фиг.2).
Необходимую восстанавливающую форму силу можно создавать вручную, например, при использовании пружины или еще одного материала с эффектом памяти формы.
Изобретение основано на использовании многослойной структуры, имеющей по меньшей мере два слоя с различными коэффициентами теплового расширения, связанных или соединенных с материалом с эффектом памяти формы. Она функционирует по существу как биметаллическая пластиночная структура, и это позволяет слою принимать первую форму при более низкой температуре.
В таком случае исполнительное устройство содержит элемент из материала с эффектом памяти формы и по меньшей мере один дополнительный слой. Этот дополнительный слой может содержать, например, слой металла или металлического сплава или состоять из него. Многослойный пакет может быть изготовлен из меди и стали.
Например, в качестве сплавов с эффектом памяти формы можно выбирать следующие сплавы: Cu-Al-Ni, Ni-Ti. Однако можно использовать другие. Они включают в себя: Ag-Cd с 44-49 ат.% Cd; Au-Cd с 46,5-50 ат.% Cd; Cu-Al-Ni с 14-14,5 вес.% Al и 3-4,5 вес.% Ni; Cu-Sn с приблизительно 15 ат.% Sn; Cu-Zn с 38,5-41,5 вес.% Zn; Cu-Zn-X (X=Si, Al, Sn); Fe-Pt с приблизительно 25 ат.% Pt; Mn-Cu с 5-35 ат.% Cu; сплавы Zn-Cu-Au-Fe, Fe-Mn-Si, Pt; Co-Ni-Al [21]; Co-Ni-Ga, Ni-Fe-Ga, Ti-Pd в различных концентрациях; Ni-Ti-Nb и Ni-Mn-Ga. Как известно, пропорцию металлов в сплавах можно использовать по существу для регулирования характеристик, таких как температуры фазовых переходов. Специалисты в данной области техники должны знать, каким образом и когда модифицировать сплавы, чтобы получать необходимые температуры фазовых переходов. Ni-Ti (нитинол) предпочтителен для большей части применений вследствие стабильности, осуществимости и хороших термомеханических характеристик.
Поэтому один медный слой, стальной слой или никелевый слой можно сочетать со слоем, содержащим один или несколько материалов с эффектом памяти формы или состоящим из них. Выбор сочетания может быть основан, с одной стороны, на повышении различий коэффициентов теплового расширения, а с другой стороны, на улучшении сцепления слоев друг с другом.
При наличии только одного дополнительного слоя материал с эффектом памяти формы и слой совместно реализуют функциональные возможности биметаллической пластинки. Однако можно создавать два дополнительных слоя.
Силы между различными частями исполнительного устройства очень различаются, и поэтому большие силы будут существовать на границе раздела между ними. Поэтому компоненты соединяют друг с другом с обеспечением сильных связей, предпочтительно по всей поверхности без воздушных промежутков, но так, чтобы сохранялись специфические свойства материалов различных частей. Соединения могут быть сравнимыми с соединениями между двумя металлами в обычной биметаллической пластинке.
В простейшем случае имеется единственный слой, такой как металлический слой с высоким коэффициентом теплового расширения. Металлический слой и слой материала с эффектом памяти формы выполняют как биметаллическую пластиночную структуру.
В еще одном примере слой материала с эффектом памяти формы заключают между первым и вторым слоями с первым и вторым коэффициентами теплового расширения, соответственно. Они могут быть металлическими слоями, которые совместно образуют биметаллическую пластиночную структуру.
На фиг.3 показаны для примера простейшие структуры с использованием металлического слоя в сочетании со слоем материала с эффектом памяти формы.
Первая, мартенситная, форма является планарной, а вторая, аустенитная, форма включает в себя изгиб.
Таким образом, высокотемпературная форма слоя 30 материала с эффектом памяти формы включает в себя изгиб. Металлический слой 32 с более высоким коэффициентом теплового расширения по сравнению со слоем 30 материала с эффектом памяти формы нанесен с внешней стороны изгиба.
При высоких температурах металлический слой будет испытывать расширение, но ему будет препятствовать материал с эффектом памяти формы, пока не будет достигнута температура фазового перехода. Однако направление изгибающей силы, являющейся следствием различий коэффициентов теплового расширения, содействует изгибу слоя материала с эффектом памяти формы, а не противодействует ему.
По мере изменения формы материала с эффектом памяти формы вследствие высокой силы (высоким модулем Е упругости определяется сила F1) материал с высоким коэффициентом теплового расширения повторяет это изменение формы.
В дальнейшем, когда температура понижается ниже температуры фазового перехода, материал с эффектом памяти формы переходит в низкотемпературную фазу и вследствие намного меньшего его модуля Е упругости сила, необходимая для приведения его обратно к первоначальной форме (сила F2), резко уменьшается.
Вследствие более низкой температуры металлический слой с высоким коэффициентом теплового расширения сокращается. Поскольку сила, необходимая для изменения формы материала с эффектом памяти формы в низкотемпературной фазе, намного меньше, металлический слой 32 с высоким коэффициентом теплового расширения создает силу, достаточную для восстановления формы двухслойной структуры.
Металлический слой имеет высокий коэффициент теплового расширения, так что он обладает способностью к значительному изменению расширения между двумя фазами, достаточному для приведения исполнительного устройства к первой форме.
Вследствие превосходных упругих характеристик материала с эффектом памяти формы многочисленные действия по изгибу не будут приводить к усталости. Однако это не так для биметаллов. По этой причине необходимо поддерживать толщину биметаллов по возможности небольшой.
По этой причине предпочтительно использовать два биметаллических слоя. Необходимо, чтобы коэффициенты теплового расширения этих слоев значительно отличались. Получающаяся в результате структура показана на фиг.4.
И в этом случае первая, мартенситная, форма является планарной, а вторая, аустенитная, форма включает в себя изгиб.
Металлический слой 34 с более высоким коэффициентом теплового расширения закреплен на внешнем сгибе материала с эффектом памяти формы и металлический слой 34 с более низким коэффициентом теплового расширения закреплен на внутреннем сгибе.
-6
-1
-6
-1
-6
-1
-6
-1
Например, металлические слои могут содержать свинец с коэффициентом теплового расширения 28,9×10 K и цирконий с коэффициентом теплового расширения 5,7×10 K. Металлический слой может иметь толщину в пределах от 0,2 до 1 мм, например 0,5 мм, а слой материала с эффектом памяти формы может быть толще, например от 2 до 10 мм, например 4 мм. Слой нитинолового материала с эффектом памяти формы имеет значения коэффициента теплового расширения между двумя значениями, например 6,6×10 K в мартенситной фазе и 11×10 K в аустенитной фазе. Эти значения изменяются в зависимости от выбираемого состава.
Исполнительное устройство может иметь форму стержня, например, длиной от 5 до 15 см.
Ниже температуры фазового перехода слои принимают прямолинейную форму. Вследствие наличия материала 30 с эффектом памяти формы выше температуры фазового перехода образуется изгиб. После охлаждения ниже температуры фазового перехода силы в биметаллических слоях 34 и 36 являются достаточно большими для изменения формы набора слоев до прямолинейной формы.
И в этом случае два биметаллических слоя способствуют изгибу, вызываемому слоем материала с эффектом памяти формы, а не противодействуют ему.
В обоих примерах металлические слои и материал с эффектом памяти формы выбирают так, чтобы при комнатной температуре различие коэффициентов теплового расширения приводило исполнительное устройство к плоской конфигурации. Это будет способствовать достижению больших ходов при перемещении.
Вместо этого низкотемпературное состояние может включать в себя состояние изгиба, а высокотемпературное состояние в таком случае может включать в себя плоское состояние или фактически даже состояние большего изгиба.
На фиг.5 показан еще один пример, в котором материалу с эффектом памяти формы и тем самым соединенному с ним металлическому слою или слоям придана форма цилиндрической винтовой пружины. Пружина удлиняется (или сокращается) при повышении температуры и восстанавливает форму до первоначальной после понижения температуры благодаря использованию биметаллической пластиночной конструкции пружины.
Показана трехслойная структура. Цилиндрическая винтовая пружина имеет продольную ось 50. Как и в трехслойной структуре, поясненной выше, имеются слои 36, 30, 34, собранные в пакет вдоль направления оси, так что относительное удлинение на противоположных сторонах может вызывать удлинение или сокращение пружины.
Такой же подход может быть применен к другим конструкциям пружины.
Как упоминалось выше, температура перехода может быть выбрана в пределах диапазона известным способом путем подбора свойств материала. Температуру следует выбирать в зависимости от заданной температуры, которая должна быть обнаружена. Она может быть критической температурой Т1, которая должна быть обнаружена. Однако не является существенным реагирование исполнительного устройства при этой температуре. Он может реагировать при более низкой температуре Т2, и в таком случае тепловые свойства среды между компонентом и исполнительным устройством могут выбираться из условия установления подходящего теплового градиента, чтобы исполнительное устройство реагировало в случае, когда температура компонента достигает заданной температуры переключения. Среда может быть воздушным промежутком подходящих размеров или другой теплоизолирующей средой.
В общем случае изобретение может быть применено в миниатюризированных исполнительного устройствах, которые реагируют на температуру. Некоторые примеры рассматриваются ниже.
Первый ряд примеров относится к защитной цепи выключения с использованием исполнительного устройства, который приводит в действие электрический выключатель, когда материал с эффектом памяти формы имеет вторую форму.
Ее можно использовать для управления светильником в зависимости от температуры лампы (ламп) внутри. Теплом лампы материал с эффектом памяти формы (МЭПФ) нагревается выше температуры фазового перехода и поэтому форма материала с эффектом памяти формы изменяется. В таком случае осуществляется управление включением и выключением лампы (ламп) и работа лампы является стабильной в каждом из двух возможных состояний. Преимущество исполнительного устройства согласно изобретению по сравнению с биметаллической пластинкой, взятой отдельно, заключается, например, в том, что биметаллическая пластинка неспособна подводить значительную силу. Большая биметаллическая пластинка, способная подводить большую силу, становится очень тяжелой, и усталостная прочность становится серьезной проблемой.
Бинарный защитный выключатель можно считать реализацией двухпозиционного регулирования. Однако также возможен аналоговый защитный выключатель, который изменяет выходной сигнал в зависимости от положения исполнительного устройства. Таким образом, различные положения исполнительного устройства могут иметь результатом различные команды управления.
Например, материал с эффектом памяти формы можно расположить так, чтобы во время использования он был отклонен в сторону источника тепла. Когда лампу включают, материал с эффектом памяти формы нагревается и вследствие фазового перехода он отгибается от лампы. Благодаря этому перемещению расстояние от лампы становится достаточно большим для охлаждения опять же ниже температуры фазового перехода и поэтому материал изгибается в обратном направлении. Поскольку лампа все еще создает теплоту в некотором количестве, материал с эффектом памяти формы снова нагревается и опять отгибается и т.д.
Следовательно, во время освещения исполнительное устройство осциллирует. Это можно использовать для физического изменения формы лампы, для создания художественного эффекта, который называют «живым светильником». Для этого различные части светильника могут быть подвижными относительно других частей или положения источника света могут быть подвижными относительно оптических компонентов, которые обрабатывают световой выход. Это относительное физическое перемещение может регулироваться исполнительным устройством, которое способно подводить силу, достаточную для регулирования перемещения компонентов.
Можно иметь единственный исполнительное устройство, связанное с источником света, например, создающий эффект волнообразной освещенности. Однако многочисленные исполнительные устройства могут быть предусмотрены в одном светильнике в сочетании друг с другом, например, вытягивающие и продвигающие компоненты светильника. Этим можно создавать более динамичные эффекты, например, подобные перемещению морской анемоны.
Во втором ряде примеров используется набор исполнительных устройств для циклической работы множества приборов. Кроме того, его можно использовать в осветительном приборе, содержащем множество осветительных элементов.
Например, лампа А включается и нагревает исполнительное устройство. Исполнительное устройство перемещается и управляет переключателем, который включает еще одну лампу В (или многочисленные другие лампы). Лампа В имеет другое исполнительное устройство, которое нагревается, когда лампа В включена. Это исполнительное устройство также управляет переключателем, который может включать другие лампы, но который также может выключать лампу А. В таком случае исполнительное устройство, близкое к лампе А, охлаждается и возвращается в первоначальное положение. В течение последующего цикла лампа А опять включается и процедура может начаться еще раз.
Этот способ можно использовать для исключения перегрева отдельных ламп благодаря циклической работе. В любой конкретный момент времени может быть включена одна или несколько ламп. В ином случае этим способом можно получать простой механизм для создания эффектов освещения, таких как набор мерцающих ламп, без необходимости в сложных схемах управления.
Кроме того, возможны применения в самоочищающихся светильниках для наружного освещения. Светоизлучающие диоды имеют срок службы до 30 лет, поэтому повышается интерес к автоматической очистке поверхности светильников для наружного освещения (например, высоко подвешенных над дорогой). Ее можно выполнять, например, путем использования самоочищающихся поверхностей, от которых отталкивается грязь/водоросли и т.д., но эта технология еще не является коммерчески доступной. Вместо этого процесс очистки можно инициировать в ответ на температуру лампы. Например, ее измерение можно инициировать в сочетании с инициированием датчика, который обнаруживает дождь, чтобы выполнять протирание только в случае, если присутствуют вода (и омыляющее вещество).
Обнаружение дождя может быть основано на сборе воды на верхней части светильника, чтобы начинать протирание в момент времени, когда дождевая вода присутствует в достаточном количестве.
Еще один пример относится к автоматическому техническому обслуживанию двигателей, которые расходуют масло. В таком случае контур двигателя включает в себя двигатель с масляной смазкой, масляный резервуар и клапан для подачи масла для двигателя из резервуара. Исполнительное устройство может использоваться для регулирования подачи масла в двигатель в зависимости от температуры двигателя.
Для исключения проблем, таких как остановка двигателя, существуют механизмы для добавления масла при работе двигателей. При этом добавление масла может производиться в ответ на повышение температуры до значения, при котором исполнительное устройство открывает масляный впускной клапан. После добавления масла в достаточном количестве температура понижается и исполнительное устройство снова закрывает клапан. Таким образом, исполнительное устройство представляет собой детектор (обнаруживает момент, когда температура становится слишком высокой) и он также представляет собой исполнительное устройство для решения проблемы (при обнаружении, что температура является слишком высокой, он открывает масляный впускной клапан). Кроме того, исполнительное устройство представляет собой защитный детектор (он обнаруживает, что температура опять стала достаточно низкой) и это же исполнительное устройство используется для закрывания масляного впускного клапана после добавления масла в достаточном количестве. Эти все функции обеспечиваются одним устройством, которое работает без необходимости в электричестве.
Согласно еще одному примеру исполнительное устройство можно также использовать для приведения в действие тормоза экстренного торможения в автомобилях, поездах, американских горках и т.д. в ответ на температуру ключевого компонента безопасности. Его можно реализовывать без необходимости в дополнительных компонентах.
На фиг.6 в схематичной форме показана система с использованием исполнительного устройства.
Система содержит компонент 60, для которого требуется защита или другое действие, выполняемое в случае, когда температура его (или части его) превышает критическую температуру. В ином случае действие в ответ на температуру может осуществляться по эстетическим или другим причинам, связанным с регулированием.
В этом примере деталь 61 компонента является механически перемещаемой, регулируемой исполнительным устройством 62.
Как и в примерах, приведенных выше, компонент 60 может быть двигателем с масляной смазкой или светильником. Однако он может быть любым компонентом, для которого требуется регулирование температуры. Деталь 61 компонента может быть регулирующим масло клапаном для двигателя с масляной смазкой, приведенного в качестве примера выше, или она может быть компонентом оптической лучевой обработки, или источником света, или компонентом корпуса светильника, приведенного в качестве примера выше. Например, эффект светового выхода можно изменять путем регулирования относительного положения источника света и компонента обработки пучка.
Кроме того, исполнительное устройство может содержать нагревательный элемент, чтобы регулировать теплоту вместо реагирования на независимую измеряемую температуру компонента.
Перемещение, используемое в установке из фиг.1, может быть полностью механическим, а исполнительное устройство может подводить достаточную силу для соответствующего регулирования перемещения. Способность материала с изменением формы подводить достаточную силу делает исполнительное устройство особенно интересным, когда механические действия должны осуществляться на основании физической формы исполнительного устройства. Следовательно, невозможно использовать для такого регулирования только одно биметаллическое устройство.
Однако исполнительное устройство может альтернативно или дополнительно обеспечивать электрическое регулирование.
Например, исполнительное устройство 62 можно использовать для управления электрическими переключателями в электрической цепи. Например, при необходимости контроллер 64 можно использовать для выполнения соответствующего действия на основании выбора одного или нескольких переключателей 65. В светильнике, приведенном для примера выше, оно может быть выключением лампы или снижением потребляемой мощности путем уменьшения светоотдачи лампы.
Во всех примерах исполнительное устройство 62 впоследствии возвращается к установке более низкой температуры, поскольку выбранное действие приводит к изменению температуры исполнительного устройства. Например, исполнительное устройство, возможно, будет находиться дальше от источника тепла или компонент 60 будет генерировать меньше тепла (поскольку он выключен или настроен на меньшую выходную мощность, или другое корректирующее действие было выбрано для предотвращения перегрева).
Как упоминалось выше, система может содержать многочисленные компоненты 60 и соответствующие исполнительные устройства 62 для реализации автоматизированного циклического режима работы многочисленных компонентов.
На фиг.6 показана система с замкнутым контуром, в которой температура компонента измеряется и используется для управления компонентом. Однако, как пояснялось выше, система может быть системой с разомкнутым контуром, которая приводится в действие простым способом (например, пропусканием тока через нитиноловый слой) путем нагрева и обеспечивает управление устройством независимо от температуры регулируемого компонента. Таким образом, использование функции измерения температуры является необязательным, а исполнительное устройство может работать только как устройство управления.
На фиг.7 показан клапан 70, включающий исполнительное устройство 76 согласно изобретению в замкнутой конфигурации, и показан такой же клапан 71 с исполнительным устройством 77 в замкнутой конфигурации. Плунжер 74 блокирует поток в трубе 72 в конфигурации 70, тогда как он позволяет потоку протекать, когда плунжер 75 не блокирует трубу 72 в конфигурации 71.
В примерах, приведенных выше, для формирования биметаллической пластиночной структуры использованы металлы и использован слой материала с эффектом памяти формы из металла или металлического сплава (такого как нитинол).
Кроме того, имеются органические и пластические материалы с эффектом памяти формы. Обычно они могут подводить меньшую силу, но могут быть применения, требующие меньшей силы, в которых такие материалы могут использоваться. Конечно, в будущем могут появиться органические материалы с эффектом памяти формы, которые смогут производить большие силы.
Многослойную структуру, имеющую по меньшей мере два слоя с различными коэффициентами теплового расширения, обычно можно реализовать при использовании металлических слоев. Однако функциональные возможности ее основаны только на различии коэффициентов теплового расширения и неметаллические слои также можно использовать для получения подходящих относительных значений коэффициента теплового расширения. Кроме того, существуют электроактивные полимеры (ЭАП), которые растягиваются при электрической активации. Если электроактивный полимер прикрепить к сгибаемому, но не растягиваемому материалу, структура будет изгибаться подобно биметаллической структуре при стимулировании и будет снова расправляться при отключении электрической энергии. Путем выполнения регулирования электроактивного полимера зависимым от температуры успешно реализуют коэффициент теплового расширения электроактивного полимера, который отличается от коэффициента теплового расширения не растягиваемого материала (который имеет близкий к нулю коэффициент теплового расширения). Таким образом, в этом случае многослойная структура может быть активно управляемым устройством, а не пассивным устройством, которое просто реагирует на температуру. В таком случае зависимую от температуры схему управления используют для приведения в действие электроактивного полимера.
Активация электроактивного полимера может продолжаться только в течение времени, достаточного для возвращения формы материала с эффектом памяти формы к форме, желательной при низких температурах.
Другие изменения к раскрытым вариантам осуществления могут быть поняты и выполнены специалистами в данной области техники при применении на практике заявленного изобретения на основании изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а единственное число не исключает множества. То, что некоторые признаки перечисляются во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих признаков не может использоваться с достижением преимущества. Любые позиции в формуле изобретения не следует толковать как ограничивающие объем изобретения.
Итак, в термочувствительном исполнительном устройстве используется слой материала с эффектом памяти формы, который термически стимулируется к изменению формы в ответ на повышение температуры от первой формы при первой температуре до второй формы при второй температуре. Многослойный пакет связан со слоем материала с эффектом памяти формы, и он может принимать первую форму при первой температуре. Таким образом, многослойный пакет используется для возвращения формы материала с эффектом памяти формы к первоначальной форме после охлаждения.