ТЕПЛОЧУВСТВИТЕЛЬНОЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
HEAT-SENSITIVE ACTUATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к исполнительному устройству, для обеспечения отклика исполнительного механизма, который зависит от температуры. Изобретение дополнительно относится к изготовлению и применению исполнительного устройства.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Существует множество применений, которые могут извлекать пользу от уменьшенного в размерах исполнительного механизма, но который может вызывать существенный ход и прикладывать существенное усилие.
Двигатели наиболее широко применяются в качестве исполнительных механизм для генерирования больших ходов и усилий. Для многих миниатюризированных применений, даже небольшие двигатели являются слишком большими, тяжелыми, шумными и дорогостоящими.
Материалы с памятью формы (МПФ), и особенно их подгруппа в виде сплавов с памятью формы (СПФ), могут обеспечивать существенное усилие и ход, когда нагреваются сверх их конкретной температуры изменения фазы. Даже если размеры материала являются небольшими, обеспечиваемые усилие и ход, относительно этих размеров, являются очень большими и точными, в течение очень продолжительного периода времени и после множества операций переключения.
Применение материалов с памятью формы для обеспечения сигнала активации, в зависимости от температуры, таким образом было исследовано. Например, US2014/0007572 раскрывает применение проволоки из сплава с памятью формы, которая сжимается при повышении температуры выше температуры изменения фазы материала, тем самым, задействуя исполнительный механизм. При понижении температуры и переходе проволоки обратно в фазу низкой температуры, восстановление оригинальной длины проволоки, и, следовательно, возврат исполнительного механизма в начальное состояние, достигается посредством применения дополнительных пружин смещения, которые растягивают проволоку обратно в ее длину при низкой температуре.
Требование внешнего смещения для восстановления формы исполнительного механизма является недостатком, который вытекает из того факта, что, когда имеет место понижение температуры, фаза изменяется обратно в оригинальную фазу, а форма нет. Таким образом, до того, как исполнительный механизм может применяться снова, после понижения температуры, внешняя активации должна инициироваться для реверсирования изменения формы МПФ.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение направлено на обеспечение усовершенствованного исполнительного устройства, в котором активация частично основана на теплочувствительности исполнительного устройства. Теплочувствительность связана с откликом на изменение формы слоев материалов с памятью формы исполнительных механизмов при нагревании и охлаждении.
Изобретение определено независимыми пунктами формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения предлагают предпочтительные варианты осуществления.
В соответствии с изобретением, предложено исполнительное устройство, изготовление этого исполнительного устройства и применение устройства в установке, которая по меньшей мере частично управляется посредством исполнительного устройства. Исполнительное устройство является теплочувствительным тем, что его активация зависит от изменений температуры. Исполнительное устройство может иметь по меньшей мере два этапа активации.
Изобретение применяет конструкцию, которая имеет два слоя, каждый из которых содержит или состоит из по меньшей мере одного материала с памятью формы. Материал с памятью формы этих слоев может представлять собой, или может не представлять собой одинаковый материал, при условии, что температуры изменения фазы двух слоев отличаются друг от друга. При первой температуре, первый слой находится в его первой запомненной форме, так как материал с памятью формы в этом слое в таком случае находится в его запомненной форме низкой температуры. Усилие, прикладываемое первым слоем, когда он переходит (изменяется) из его первой в его вторую форму, при переходе из первой температуры во вторую форму, превышает усилие сопротивления, прикладываемое вторым слоем во время этого нагревания до этой второй температуры. Это чрезмерное усилие может применяться для побуждения исполнительного механизма обеспечивать работу во время этого первого этапа активации исполнительного устройства.
Устройство дополнительно выполнено таким образом, что при нагревании от второй температуры до третьей температуры, второй слой превращает (изменяет) его форму таким образом, что первый слой изменяется в его первую форму, т.е. изменятся обратно в оригинальную форму, во время второго этапа активации исполнительного устройства. С этой целью, второй слой соединен с первым слоем либо непосредственно, либо через посредство передаточного механизма/слоев. Более того, соединение также является таким, что, если первый слой изменяет форму в его вторую форму, второй слой изменяет форму в его третью форму. Усилие, прикладываемое вторым слоем при этой третьей температуре, превышает (противодействующее) усилие, прикладываемое первым слоем, следовательно, получая "возврат" исполнительной системы обратно в ее оригинальную форму.
В устройстве, каждый слой имеет однонаправленный эффект памяти на основе его материала с памятью формы, но комбинированное устройство может работать в качестве устройства с двунаправленным эффектом памяти, используя только температуру в качестве управляющего воздействия, таким образом не требуя отдельного исполнительного механизма. Следовательно, изобретение обеспечивает интегрированные в одном датчик, исполнительный механизм и контроллер, что полностью исключает необходимость внешней активации для возврата системы в ее оригинальное состояние (форму) активации. Это открывает огромное количество применений для использования материала с памятью формы в виде небольших исполнительных механизмов с возможностью обеспечения работы.
В изобретении, первый слой и второй слой соединены (прикреплены) друг с другом по меньшей мере частично для побуждения изменения формы одного слоя как следствие изменения формы другого слоя. Такое соединение, предпочтительно, находится в такой форме, что по меньшей мере один поверхностный слой первых слоев неподвижно непосредственно прикреплен к по меньшей мере одной поверхности второго слоя без одного или более связывающих (промежуточных) слоев. В качестве альтернативы, промежуточные слои могут иметь место для связывания первого и второго слоев друг с другом. В действительности, весь механический механизм может использоваться для механического соединения обоих слоев при условии, что он является способным передавать требуемые изменения формы от одного слоя другому слою. В крайнем случае, например, когда оба слоя соединены друг с другом, слои могут соединяться друг с другом таким образом, что оба повторяют одну и ту же форму во время любого из этапов активации устройства.
Первая температура может быть ниже температуры изменения фазы первого материала с памятью формы, и вторая температура - выше температуры изменения фазы первого материала с памятью формы.
Кроме того, вторая температура может быть ниже температуры изменения фазы второго материала с памятью формы, и третья температура - выше температуры изменения фазы второго материала с памятью формы.
Используя это устройство, первое перемещение исполнительного механизма, из первой во вторую форму, стимулируется нагреванием системы из первой температуры во вторую температуру. Возврат системы обратно в ее оригинальную форму стимулируется дополнительным нагреванием системы до третьей температуры. Последующая активация и возврат могут стимулироваться дополнительным циклом между первой и третьей температурами, что будет, соответственно, инициировать первый этап активации или второй этап исполнительного механизма, при котором исполнительное устройство может возвращаться в его оригинальное состояние.
Первый и/или второй слои могут быть выполнены таким образом, что первое произведение толщины и модуля упругости второго слоя при третьей температуре больше, чем второе произведение толщины и модуля упругости первого слоя при второй температуре.
Это означает, что, когда система находится при температурах выше температуры изменения фазы второго слоя (большей, чем третья температура), присущее усилие, прикладываемое вторым слоем, превышает усилие, прикладываемое первым слоем, обеспечивая фазовый переход второго слоя для преодоления усилий сопротивления первого слоя, и приведения всей системы обратно в ее первую форму.
Если первый и второй слои состоят из соответствующих первого и второго материалов с памятью формы, в таком случае модули могут браться из опубликованных таблиц в качестве представленных фазами высокой температуры соответствующих материалов.
Могут использоваться различные комбинации толщин и модулей эластичности для двух слоев. Предпочтительно, первое произведение составляет в диапазоне от 1 до 1,5 величины второго произведения. В таком случае любое одно из преимуществ, описанных здесь ниже, для этого диапазона является получаемым с помощью устройства.
В одном примере, первое произведение составляет в диапазоне от 1 до 1,1 величины, например в диапазоне от 1 до 1,05 величины, второго произведения. Отметим, что изменение фазы из первой формы во вторую форму может иметь место в узком диапазоне температур, например 1-2 градуса. Используя это устройство, остаточное усилие (которое осталось для выполнения работы, как только учтено преодоление усилий сопротивления) увеличено до максимума для первого этапа активации и уменьшено до минимума для возврата, второго этапа активации. Такой вариант осуществления регулируется для выполнения максимальной полезной работы при его исполнительном перемещении, и почти нулевой работы при возвратном перемещении. Это достигается благодаря наличию небольшой разницы между значениями произведений.
В другом примере, первое произведение составляет в диапазоне от 1,1 до 1,5 величины, например в диапазоне от 1,2 до 1,4 величины, второго произведения. Это устройство не приспособлено для максимальной возможной работы на каком-либо одном этапе активации, а скорее обеспечивает работу, подлежащую выполнению исполнительным механизмом, на обоих этапах активации. Общая возможная работа может распределяться между двумя этапами активации. Разные отношения произведений толщины-упругости обеспечивают возможность регулирования этого распределения работы.
В альтернативном примере, третье произведение толщины и модуля упругости второго слоя при второй температуре может составлять в диапазоне от 0,9 до 1 величины, например в диапазоне от 0,95 до 1 величины, четвертого произведения модуля эластичности и толщины первого слоя при второй температуре. Этот пример увеличил бы до максимума доступную работу для второго (возвратного) этапа активации, и уменьшил бы до минимума доступную работу для первого этапа активации. В этом случае только едва хватаемое усилие обеспечивается вторым слоем для первого слоя для преодоления (противодействующих) усилий сопротивления второго слоя, при изменении формы из первой формы во вторую форму. При соответствующей температуре (второй температуре) второй слой имеет его низкий модуль эластичности, в результате чего второй слой имеет существенно большее произведение модуля эластичности и толщины при третьей температуре. Например, может быть необходимо, чтобы второй слой был существенно толще первого, и усилие увеличено до максимума для обратного перемещения второго слоя.
Первое произведение в этом примере может составлять в диапазоне от 1,5 до 2 величин второго произведения.
Каждый из первого и второго слоев может иметь отношение минимального модуля упругости ниже температуры изменения фазы соответствующих первого и второго материалов с изменением фазы к максимальному модулю упругости при соответствующей температуре изменения фазы, которое составляет от 0,6 до 0,3. Это обеспечивает существенное изменение формы при температурах изменения фазы первого и второго материалов с изменением фазы, и именно это изменение обеспечивает возможность выполнения работы во время первого и второго этапов активации.
Разные взаимосвязи между температурами изменения фазы двух слоев могут использоваться.
В одном примере, используется относительно небольшая разница между температурами изменения фазы, например разница между температурами составляет менее 10 градусов, или даже менее 5 градусов. Такое устройство было бы полезным в применениях, в которых требуется очень чувствительный, саморегулирующийся исполнительный механизм. Здесь исполнительный механизм может обеспечивать функциональную возможность наподобие датчика; система переходит во вторую форму при достижении второй температуры, и остается в указанной форме только при условии, что температура остается на или близкой ко второй температуре, возвращаясь обратно в первую форму, как только температура повысилась выше третьей температуры.
В альтернативном примере, разница между температурами составляет больше 10 градусов, например больше 20 градусов. Такое устройство было бы полезным в применениях, где требуется двунаправленное детектирование.
Существуют разные возможные формы, которые могут использоваться.
В одном примере, первый и второй слои скручены в спиральную форму таким образом, что исполнительный механизм может демонстрировать подобную пружине конструкцию. В предпочтительном варианте осуществления, первый и второй слои отдельно изготавливаются и тренируются в спиральную первую форму. Эти две спирали затем вкручиваются друг в друга для образования одной пружины с эффектом двойной памяти, как описано выше.
Предпочтительно, первый слой и/или второй слой состоит из первого материала с памятью формы и второго материала с памятью формы, соответственно. Таким образом, форма слоя полностью определяется формой рассматриваемого материала с памятью формы, так как в слое(ях) нет другого материала. Первый и/или второй материалы с памятью формы могут представлять собой чистые материалы с памятью формы, например чистые металлические сплавы одного вида, или они могут представлять собой смеси разных материалов с памятью формы, например разные металлические сплавы. Материалы с памятью формы могут представлять собой органические материалы, например полимеры, но ввиду увеличенной мощности, предпочтительно, представляют собой неорганические материалы, например металлические сплавы.
В изобретении, первый материал с памятью формы и/или второй материал с памятью формы представляют собой металлические сплавы. Предпочтительно, оба представляют собой сплавы одинаковых металлов, но с разным относительным содержанием металла. Это обеспечивает возможность хорошего связывания слоев и относительно простое регулирование температуры изменения фазы посредством изменения относительной композиции металла.
В варианте осуществления, первый и или второй материалы с памятью формы выбираются из группы металлических сплавов, содержащей или состоящей из: Cu-Al-Ni, Ni-Ti. NiTi является предпочтительным для большинства применений ввиду его устойчивости, практичности и превосходной термомеханической эффективности.
В изобретении, первый слой и второй слой состоят из соответствующих первого и второго материалов с памятью формы, и толщина первого слоя больше толщины второго слоя. Разница в толщине может быть больше любого одного из следующих значений: 5%, 10%, 20%, 50%, 100%, 200% или 500% толщины второго слоя.
Исполнительное устройство может быть частью установки для управления одной или более функциями установки в качестве отклика исполнительного механизма на обратную связь по температуре. Обратная связь по температуре может иметь место вследствие характеристик нагрева самой установки или из ее окружающей среды. Установка таким образом может представлять собой установку, которая создает тепло при работе или включении, или изменяет теплоотдачу как следствие определенных функций, которые она выполняет. Установка может представлять собой: электрическое устройство, или устройство сгорания, например электрический двигатель или двигатель внутреннего сгорания, осветительное устройство или дисплейное устройство, работающее от батарей устройство, электрическое зарядное устройство или производственное оборудование, например на химическом заводе. Если обратная связь по температуре связана с теплом от окружающей среды установки, установка может представлять собой устройство управления для применения в других установках таких как, например, двигатели и многие другие. Такие устройства управления включают: двигатели, клапаны и переключатели любого типа, которые основаны на механическом перемещении и которые требуют активации с помощью обратной связи по температуре.
Изобретение предлагает способ изготовления исполнительного устройства по изобретению. В этом способе обеспечение первого слоя (32) может содержать:
- нанесение первой пленки, содержащей или состоящей из первого материала с памятью формы, на временную подложку (40);
- обработку теплом указанной первой пленки таким образом, чтобы обеспечить поведение памяти формы, демонстрируемое первым слоем (32) теплочувствительного исполнительного механизма;
- деформацию указанной первой пленки обратно в первую форму; и
обеспечение второго слоя (34) может содержать:
- нанесение второй пленки, содержащей или состоящей из второго материала с памятью формы, на первую пленку.
Изобретение также предлагает способ активации или применения исполнительного устройства в соответствии с изобретением, в котором первый слой (32), содержащий или состоящий из первого материала с памятью формы, нагревается до второй температуры, чтобы побудить его изменить форму из первой формы при первой температуре во вторую форму при второй температуре, более высокой, чем первая температура, для того, чтобы вызвать выполнение первого этапа активации; и
- в котором по меньшей мере второй слой, содержащий или состоящий из второго материала с памятью формы, нагревается до третьей температуры, чтобы побудить его изменить форму из третьей формы при второй температуре в четвертую форму при третьей температуре, более высокой, чем вторая температура,
- в котором второй слой (34) соединяется с первым слоем (32) таким образом, что, если второй слой изменяется в его четвертую форму, первый слой изменяется в его первую форму, и в котором второй слой (34) соединен с первым слоем (32) таким образом, что, если первый слой (32) изменяет форму в его вторую форму, второй слой (34) изменяет форму в его третью форму.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примеры изобретения теперь будут подробно описываться со ссылкой на прилагаемые схематичные чертежи, на которых:
на фиг.1 показано взаимное отношение температуры-фазы для материала с памятью формы;
на фиг.2 показано взаимное отношение температуры-напряжения-относительной деформации для материала с памятью формы;
на фиг.3 показан пример исполнительного механизма в соответствии с изобретением;
на фиг.4 показан второй пример исполнительного механизма в соответствии с изобретением; и
на фиг.5 показан пример способа изготовления исполнительного механизма в соответствии с изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Изобретение обеспечивает теплочувствительный исполнительный механизм, который использует двухслойную структуру материала с памятью формы, при этом каждый слой термостимулируется для изменения формы при разной температуре, для создания функциональности двунаправленного приведения в действие. Второй слой - с более высокой температурой изменения фазы - приводит к большему присущему усилию в его фазе высокой температуры, чем первой, и, таким образом, может использоваться для восстановления исполнительного механизма в его первоначальную форму после деформации первым слоем при более низкой температуре.
Материалы с памятью формы (МПФ) являются общеизвестными, в частности сплавы с памятью формы (СПФ). Двумя основными типами сплавов с памятью формы являются медь-алюминий-никель и никель-титан (NiTi), который известен как нитинол. Нитинол, например, является доступным в форме проволоки, стержня и прутка или в виде тонкой пленки. СПФ, однако, также могут создаваться посредством сплавления цинка, меди, золота и железа.
МПФ могут находиться в двух разных фазах, с тремя разными кристаллическими структурами (т.е. двойникованного мартенсита, раздвойникованного мартенсита и аустенита).
Хотя СПФ на основе железа и на основе меди, например Fe-Mn-Si, Cu-Zn-Al и Cu-Al-Ni, являются доступными для приобретения и более дешевыми, чем нитинол, СПФ на основе нитинола являются более предпочтительными для большинства применений вследствие их устойчивости, практичности и превосходной термомеханической эффективности.
Нитинол имеет очень хорошие электрические и механические свойства, большой срок службы и высокую устойчивость к коррозии. В качестве исполнительного механизма, он способен восстанавливать форму около 6-7% в мартенситной фазе и около 14-15% в аустенитной фазе, и на большое напряжение восстановления с множеством циклов. Он имеет большую разницу в модуле упругости в двух фазах, что позволяет материалу обеспечивать большой объем работы при преобразовании фазы.
Нитинол также образует поверхностный слой оксида титана, который защищает никель снаружи, обеспечивая возможность образования биосовместимых устройств, например стентов или других имплантатов.
Нитиноловая проволока с диаметром 0,5 мм может поднимать до 6 кг. Нитинол также имеет свойства сопротивления, которые позволяют ему электрически активироваться посредством нагрева джоулевым теплом. Когда электрический ток проходит непосредственно через проволоку, он может создавать достаточно тепла для вызывания фазового превращения.
В большинстве случаев, температура перехода СПФ выбирается таким образом, что комнатная температура значительно ниже точки превращения материала. Только с преднамеренным добавлением тепла СПФ может демонстрировать активацию. По существу, нитинол может использоваться в качестве исполнительного механизма, датчика и нагревателя - все в одном материале.
Сплавы с памятью формы, однако, не являются подходящими для всех применений. Должны учитываться усилия, смещения, температурные условия и продолжительности цикла, требуемые конкретным исполнительным механизмом. Преимущества нитинола становятся более выраженными, когда размер применения уменьшается. Для больших механизмов соленоиды, двигатели и электромагниты могут быть более подходящими. Однако, в применениях, где такие исполнительные механизмы не могут использоваться, сплавы с памятью формы обеспечивают превосходную альтернативу.
Нитиноловые сплавы изменяться из мартенситного состояния в аустенитное состояние при нагревании и возвращаются при охлаждении.
На фиг.1 показана мартенситная часть в качестве функции нагрева, во время нагревания и охлаждения. Во время нагревания As и Af представляют собой температуры, при которых превращение из мартенсита в аустенит начинается и заканчивается. Температура As представляет собой температуру перехода, также называемую температурой изменения фазы. Во время охлаждения, Ms и Mf представляют собой температуры, при которых переход в мартенсит начинается и заканчивается.
Разница между переходом при нагревании и переходом при охлаждении вызывает гистерезис, где некоторая часть механической энергии теряется в процессе. Форма кривой зависит от свойств материала сплава с памятью формы, например сплавления и механического упрочнения.
Переход из мартенситной фазы в аустенитную фазу зависит только от температуры и напряжения, а не от времени. Когда сплав с памятью формы находится в его холодном состоянии (ниже As), металл может сгибаться или растягиваться и будет поддерживать эти формы до тех пор, пока не нагреется выше температуры перехода. При нагревании, форма изменяется в свою оригинальную форму. Когда металл снова охлаждается, он будет изменять фазу, но не форму, и таким образом оставаться в горячей форме, до тех пор, пока снова не будет деформироваться.
С этим однонаправленным эффектом, охлаждение с высоких температур не вызывает макроскопического изменения формы. Деформация является необходимой для восстановления формы при низкой температуре. Температура As перехода для нитинола определяется типом и композицией сплава и может варьироваться от -150 °C до 200 °C. Обычно, используется температура перехода в диапазоне от -20 °C до 120 °C. Таким образом, температура перехода может регулироваться для конкретного применения.
Существуют также материалы с двунаправленным эффектом памяти формы, на основе холодной обработки или упрочнения, с высокими напряжениями в мартенситной фазе. Однако, эффект не допускает повторяющихся температурных циклов, так как напряжения снимаются со временем. Настоящее изобретение относится, в частности, к однонаправленным материалам с памятью формы.
Как упомянуто выше, фазовые переходы зависят от напряжения, а также температуры. Фиг.2 представляет собой схематичное изображение, показывающее функцию напряжения (σ) - относительной деформации (ε) - температуры (T) для эффекта памяти формы. Материал отжигается так, чтобы запомнить конкретную форму. Материал деформируется в его форму при низкой температуре по траектории 10 посредством прикладывания напряжения к материалу. Это представляет собой область раздвойникования. В наклоне имеется резкий рост в кривой напряжение-относительная деформация, после которого материал становится гораздо более тяжелым для дальнейшей деформации. Как только напряжение снято, показано в виде траектории 12, большая относительная деформация по-прежнему остается в материале до тех пор, пока не нагреется выше температуры перехода. Это представляет собой траекторию 14 нагревания для приведения материала в аустенитную фазу. Он затем может охлаждаться обратно в двойникованную мартенситную фазу вдоль траектории 16, в результате чего относительная деформация материала была снята. Однако, отметим, что форма не изменилась обратно.
Модуль упругости (модуль Юнга) фазы высокой температуры МПФ существенно больше, чем модуль Юнга фазы низкой температуры.
Модуль эластичности, или модуль упругости, представляет собой число, которое представляет собой меру сопротивления объекта или вещества упругой деформации (т.е. непостоянной), когда к нему прикладывается усилие. Модуль эластичности объекта задается (как обычно в науке) в виде наклона его кривой напряжения-относительной деформации в области упругой деформации. Более жесткий материал будет иметь более высокий модуль эластичности. В изобретении, первый и или второй слой может иметь модуль эластичности. Этот модуль может представлять собой модуль МПФ или СПФ, когда слой состоит из МПФ или СПФ. Специалисты в данной области смогут найти такие модули в виде табулированных в стандартных библиотеках данных о материалах (книгах и т.д.) или смогут измерить такие модули, используя стандартные способы измерения таких модулей.
Изменение формы, которое сопровождает это изменение фазы во время нагревания, может обеспечивать первое усилие F1. После понижения температуры ниже температуры изменения фазы, и таким образом после изменения фазы на фазу низкой температуры, меньшее усилие F2 необходимо для восстановления формы МПФ в его оригинальную форму (траектория 10 на фиг.2).
Требуемое усилие восстановления формы может обеспечиваться вручную, например, используя пружину или некоторое другое внешнее механическое смещение.
Изобретение основано на использовании двойного слоя материала с памятью формы, при этом второй слой обеспечивает комплементарное усилие восстановления формы для приведения первого слоя МПФ (и, следовательно, всей структуры) обратно в его оригинальную форму.
На фиг.3 показан пример простого варианта осуществления изобретения. Первый слой материала с памятью формы, 32, механически соединен со вторым слоем, 34, для образования исполнительной конструкции, 30. В этом случае, исполнительная конструкция представляет собой, и перемещается в виде, единое связанное тело с обоими слоями, повторяющими одну и ту же форму. Однако, другое механическое соединение может использоваться при условии, что сохраняется двунаправленный эффект. Первая температура T1 находится ниже температур изменения фазы двух слоев. Первый слой 32 имеет температуру T2 изменения фазы, при этом второй имеет температуру T3 изменения фазы, где T2<T3.
Так как температура системы повышается с температуры ниже до температуры выше температуры T2 фазного перехода первого слоя 32, этот слой переходит в фазу (высокой температуры) высокого модуля упругости, который существенно больше модуля упругости этого первого слоя 32, когда в фазе низкой температуры. Большая жесткость первого слоя 32 относительно второго слоя 34 на этом этапе - где температура находится между T2 и T3 - означает, что усилие, прикладываемое формователем, когда он переходит в свою запомненную форму, превышает какое-либо усилие сопротивления, прикладываемое вторым слоем 34, который при этой температуре по-прежнему находится в его мартенситной фазе с низким модулей эластичности. Как следствие, вся исполнительная конструкция деформируется согласно запомненной форме слоя 32 в первую форму S1 таким образом, что, когда система находится при температуре от T2 до T3, она принимает деформированную, "активирующую" вторую форму S2. Какое-либо чрезмерное усилие, обеспеченное первым слоем 32 во время его перехода из S1 в S2, может использоваться для выполнения работы.
Если температура системы дополнительно повышается с температуры ниже T3 до температуры выше T3, второй слой 34 стимулируется к переходу из его фазы низкой температуры в его фазу высокой температуры (или высокого модуля эластичности), и к переходу в его запомненную форму. Это представляет собой форму S1.
Исполнительный механизм будет оставаться в форме S1 после охлаждения системы с температуры выше T3 до температуры ниже T2 - в результате усилий, прикладываемых слоем 32, который находится в его аустенитной фазе при этой температуре, преодолевая усилия сопротивления слоя 34, который находится в его мартенситной фазе при этой температуре. Цикличность между температурой T1 (которая представляет собой любую температуру ниже T2) и T3 циклически изменяет исполнительный механизм между его разными состояниями.
На фиг.3 показаны разные состояния.
На фиг.3(a) показан исполнительный механизм при температуре T1 ниже T2 и T3, (две температуры изменения фазы МПФ). Двухслойная структура находится в нормальном, неактивированном, режиме. Если материал используется в окружающей среде, это может происходить при комнатной температуре.
С повышением температуры, в некоторый момент времени будет достигнута T2, как показано на фиг.3(b). Хотя первый слой 32 МПФ тоньше, возросшее усилие является достаточно большим для изменения формы всей двухслойной структуры, так как более толстый слой 34 по-прежнему находится в фазе низкой жесткости и низкой температуры. В момент времени, когда требуется привести исполнительный механизм обратно в его оригинальную форму, сначала температура повышается еще больше, по меньшей мере до тех пор, пока не будет достигнута T3, как показано на фиг.3(c).
Форма второго слоя 34 изменяется, в противоположном направлении. Так как второй слой толще, он обеспечивает большее усилие и таким образом он имеет возможность также восстанавливать форму более тонкого слоя. Во время понижения температур, форма двухслойной структуры не меняется, таким образом исполнительный механизм может охлаждаться обратно до температуры ниже T2, при этом исполнительный механизм сохраняет форму S1, показанную на фиг.3(a).
В таблицах ниже показаны расчеты для трех примеров, в упрощенной форме, для объяснения работы исполнительного механизма. Упрощение заключается в том, что предполагается, что усилие, рассчитанное для конкретной толщины слоя, является характерным для усилия по всему поперечному сечению. Дополнительно предполагается, что усилие (на единицу длины), прикладываемое конкретным слоем при конкретной температуре, может аппроксимироваться формулой F=E*d, где E представляет собой модуль упругости слоя при указанной температуре, и d представляет собой толщину слоя. Это представляет собой очень грубую аппроксимацию, и, следовательно, расчетные значения следует рассматривать в качестве иллюстрации концепции, нежели чем в качестве точных значений.
В первой таблице ниже показаны характеристики двух материалов с памятью формы для трех примеров:
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Материал
МПФ1
МПФ2
МПФ1
МПФ2
МПФ1
МПФ2
Темп.
T2=40
T3=50
T2=40
T3=50
T2=40
T3=50
E низкий (ГПа)
35
35
35
35
35
35
E высокий (ГПа)
80
80
80
80
80
80
Толщина d (мм)
4
4,1
4
5,5
4
8,7
Одинаковые материалы используются для двух слоев, но с разными температурами фазового перехода, и разными относительными толщинами в разных примерах.
Во второй таблице ниже показаны усилия, прикладываемые при температуре T2 двумя слоями, а также процентное отношение, которое представляет это усилие в сравнении с максимальным усилием в системе (которое представляет собой усилие, прикладываемое более толстым МПФ при его температуре T3 фазового перехода). Усилие получается из модуля упругости при такой температуре, а именно небольшого E, когда ниже температуры изменения фазы, и большого E, когда при температуре изменения фазы.
T=T2
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Усилие
%отно-шение
Усилие
%отно-шение
Усилие
%отно-шение
изгибающее усилие МПФ1 (кН/мм)
320
98
320
73
320
46
противодейству-ющее усилие МПФ2 (кН/мм)
144
44
193
44
305
44
доступное усилие активации (кН/мм)
176
<b></b><b><u>54</u></b><b></b>
127
<b></b><b><u>29</u></b><b></b>
15
2
В этом примере, усилие, прикладываемое первым слоем, составляет 320 кН/мм при его температуре T2 перехода (80×4=320).
Для примера 1, усилие, прикладываемое вторым слоем, составляет 328 кН/мм при его температуре T3 перехода (80×4,1=328). Противодействующее усилие второго слоя составляет 44 кН/мм (35×4,1=144). Доступное усилие активации представляет собой результирующее усилие (320-144=176). Процентные отношения выражают эти значения относительно значения 328 кН/мм.
Для примера 2, усилие, прикладываемое гораздо более толстым вторым слоем, составляет 440 кН/мм при его температуре T3 перехода (80×5,5=440). Противодействующее усилие второго слоя составляет 193 кН/мм (35×5,5=193). Доступное усилие активации 128 кН/мм представляет собой результирующее усилие (321-193=128). Процентные отношения выражают эти значения относительно значения 440 кН/мм.
Для примера 3, усилие, прикладываемое еще более толстым вторым слоем, составляет 696 кН/мм при его температуре T3 перехода. Противодействующее усилие второго слоя составляет 305 кН/мм (35×8,7=305). Доступное усилие активации 15 кН/мм представляет собой результирующее усилие (320-305=15). Процентные отношения выражают эти значения относительно значения 696 кН/мм.
В таблице ниже показаны усилия, прикладываемые при температуре T3 двумя слоями, а также процентное отношение, которое представляет это усилие в сравнении с максимальным усилием в системе (которое также представляет собой усилие, прикладываемое более толстым МПФ при его температуре T3 фазового перехода).
T=T3
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Усилие
%отно-шение
Усилие
%отно-шение
Усилие
%отно-шение
изгибающее усилие МПФ2 (кН/мм)
328
100
440
100
696
100
противодейству-ющее усилие МПФ1 (кН/мм)
320
98
320
73
320
46
доступное усилие активации (кН/мм)
8
<b></b><b><u>2</u></b><b></b>
120
<b></b><b><u>27</u></b><b></b>
376
<b></b><b><u>54</u></b><b></b>
Для актуального в настоящее время типичного примера, в качестве сплавов с памятью формы могут быть выбраны следующие сплавы: Cu-Al-Ni, Ni-Ti. Однако, могут выбираться другие. Они включают: 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, Zn-Cu-Au-Fe, Fe-Mn-Si, Pt сплавы, Co-Ni-Al [21], Co-Ni-Ga, Ni-Fe-Ga, Ti-Pd в различных концентрациях, Ni-Ti-Nb, и Ni-Mn-Ga. Как по существу известно, отношение металлов в сплавах может использоваться для регулирования свойств, например температур фазового перехода. Специалисты в данной области поймут как и где модифицировать сплавы для получения требуемых температур изменения фазы. NiTi (нитинол) является предпочтительным для большинства применений ввиду его устойчивости, практичности и превосходной термомеханической эффективности.
В трех примерах, два слоя представляют собой нитинол, и значения эластичности используются для нитинола. Слои нитинола имеют разные температуры изменения фазы, но один и тот же модуль эластичности, как друг у друга ниже температуры изменения фазы, и одинаковый модуль эластичности, как друг у друга выше температуры изменения фазы. Разница в свойствах достигается только посредством изменения толщины. Нитинол типично состоит из приблизительно 50-51% никеля в атомных процентах (55-56% в весовых процентах). Выполнение небольших изменений в композиции может существенно изменить температуру перехода сплава.
В примере 1 показано, что требуется, чтобы второй слой 34 материала с памятью формы ("МПФ2") был только немного толще по сравнению с первым слоем материала с памятью формы ("МПФ1"). В первом примере, 54% максимального усилия, созданного в системе, является доступным для активации в одном направлении, из формы S1 в форму S2.
В таком примере, в котором усилие требуется для активации только в одном направлении, произведение (большого) модуля эластичности и толщины второго слоя может составлять в диапазоне от 1 до 1,1, или более предпочтительно от 1 до 1,05 величины произведения (большого) модуля эластичности и толщины первого слоя. Если слои представляют собой материалы с одинаковыми модулями эластичности, в таком случае получается, что толщина второго слоя может составлять в диапазоне от 1 до 1,1, или более предпочтительно от 1 до 1,05 величины толщины первого слоя. Полученное усилие почти полностью обеспечивается во время перемещения в одном направлении (54% в показанном примере), тогда как только небольшое усилие, достаточное для возврата в первую форму, обеспечивается в обратном направлении (2%). Перемещение обратно таким образом осуществляется без обеспечения усилия и требует отсутствия внешней нагрузки.
Во втором примере показано, что, если усилие требуется в обоих направлениях, второй слой 34 может выполняться таким образом, чтобы быть немного толще, и остальное доступное усилие может по существу делиться на 2 (29% в одном направлении и 27% в другом).
В этом примере, в котором усилие требуется для активации в обоих направлениях, произведение (большого) модуля эластичности и толщины второго слоя может составлять в диапазоне от 1,1 до 1,5 величины произведения (большого) модуля эластичности и толщины первого слоя. Диапазон может составлять от 1,2 до 1,4 величины. Кроме того, если слои представляют собой материал с одинаковыми модулями эластичности, в таком случае отношения применяются для толщин.
В третьем примере показано, что если усилие требуется в обратном направлении, только второй слой 34 может выполняться еще более толстым. Этот пример включает приведение противодействующего усилия, прикладываемого вторым слоем при второй температуре T2 (когда он находится в его фазе низкого модуля эластичности) почти до достижения усилия активации, прикладываемого первым слоем при второй температуре T2 (когда он находится в его фазе высокого модуля эластичности). Для этой цели, максимальное усилие, которое может прикладываться вторым слоем будет гораздо больше относительно максимального усилия первого слоя. Для примера 3, максимальное усилие увеличивается до 696 кН/мм, таким образом противодействующее усилие второго слоя при второй температуре становится 305 кН/мм, оставляя только усилие 15 кН/мм при температуре T2.
Примеры выше используют одинаковый материал. Однако, могут использоваться разные материалы, так как именно произведение модуля упругости и толщин обуславливает получаемое усилие.
В общем, для того чтобы второй слой 34 преодолевал усилия сопротивления первого слоя 32 во время его перехода обратно в первую форму S1, и таким образом побуждал весь исполнительный механизм принимать форму S1, усилие, обеспечиваемое слоем 34 в его фазе высокой температуры, должно превышать усилие, обеспечиваемое слоем 32, когда в его фазе высокой температуры (например, 328>320, 440>320 и 696>320 в примерах выше). Где слои состоят из одинакового материала, или, более в широком смысле, где модули эластичности при высокой температуре двух слоев очень похожи, вышеприведенное требование удовлетворяется, если слой 34 имеет толщину, которая больше, чем толщина слоя 32, как объяснено выше. Это получается из того факта, что (допуская разумное упрощение), в общем, усилие, прикладываемое (на единицу длины) слоем материала с толщиной d и модулем эластичности E, может грубо аппроксимироваться выражением E*d. Следовательно, для материалов с очень похожим E, и в частности для слоев с одинаковой длиной, усилие, прикладываемое одним, будет превышать усилие, прикладываемое другим, только если толщина первого больше толщины второго.
Однако, в альтернативном примере, модули эластичности двух слоев отличаются друг от друга - в одной или обеих фазах материалов. В этом случае, условие, заключающее в том, что усилие второго слоя превышает усилие первого, когда оба находятся в их фазах высокой температуры, удовлетворяется более грубо аппроксимированным условием, заключающимся в том, что E*d второго слоя превышает E*d первого, когда при соответствующей высокой температуре.
Таким образом, два слоя могут состоять из одинакового материала с памятью формы, или могут быть выполнены из разных материалов, но в любом случае, указанные два слоя обладают разными температурами изменения фазы.
Вся двухслойная конструкция перемещается в виде единого, связанного тела, при этом каждый слой механически созависим от другого. Два слоя таким образом соединены друг с другом посредством прочных соединений, предпочтительно, по всей поверхности без воздушных промежутков, но таким образом, что каждый сохраняет его конкретные свойства материала. Другие слои могут иметь место в исполнительном элементе, между первым и вторым слоем или на внешних сторонах при условии, что они перемещаются с соответствующими изменениями формы во время работы исполнительного элемента. Предпочтительно, больше таких других слоев нет. Отметим, что для использования теплочувствительный исполнительный механизм по изобретению может прикрепляться к другим слоям. Не требуется, чтобы такие другие слои перемещались вместе с исполнительным механизмом, и типично они прикрепляются только к одной части слоя для того, чтобы позволить исполнительному механизму изменять свою форму.
Варианты осуществления, которые увеличивают до максимума усилие в одном направлении изменения формы, являются наиболее используемыми в применениях, где сама активация является механически трудоемкой, требуя физической работы для выполнения. Примерами этого могут быть исполнительный механизм, который включает клапан на трубе при активации, поворачивает замок или некоторым иным образом включает перемещение физического составного элемента.
Такие варианты осуществления могут быть особенно применимыми в случаях, где сила тяжести может использоваться для обеспечения активации в одном из двух направлений. Например, если открывание клапана требует поднятия заградительной тарелки или элемента против силы тяжести, в таком случае только изменение формы из S1 в S2 требует обеспечения работы; обратная активация выполняется только посредством силы тяжести. Такой вариант осуществления, тем не менее, является предпочтительным по сравнению с однонаправленными исполнительными механизмами, так как только требуется, чтобы сила тяжести была достаточно большой для перемещения самой клапанной тарелки; не требуется, чтобы она была достаточно большой для восстановления формы всего исполнительного механизма в его форму S1. Усилие для этого, конечно, обеспечивается посредством второго слоя материала с памятью формы, как только он нагревается до его фазы высокой температуры.
В качестве альтернативы, если бы клапан был выполнен таким образом, что сила тяжести способствует его открыванию, но работает против его закрывания, в таком случае может быть выполнено так, что только переход формы из S2 в S1 требует обеспечения существенной работы; первое перемещение клапанной тарелки достигается почти полностью только посредством силы тяжести, и усилие может быть увеличено до максимума для обратного перемещения.
Наравне с изменением толщин или других размерных параметров (ширины и длины) и модулей эластичности слоев, разница между температурами изменения фазы двух слоев может варьироваться таким образом, чтобы создавать исполнительные механизмы с разными функциональными возможностями.
В одном примере, T2 и T3 выбираются таким образом, что они находятся очень близко друг к другу - разница между ними может быть меньше 10 градусов или даже меньше 5 градусов. В этом случае, исполнительный механизм ведет себя очень похоже на датчик: система принимает конкретную форму (вторую форму S2) только когда температура находится в пределах конкретного узкого диапазона, и изменяется в другую форму, когда температура поднимается выше этого диапазона (и затем охлаждается ниже диапазона).
Таким образом, небольшая разница между T2 и T3 обеспечивает очень чувствительные саморегулирующиеся исполнительные механизмы. Если, вследствие повышения температуры после достижения T2, затем также достигается T3, не требуется другого механизма для обратной активации. Это является желательным, если исполнительный механизм больше используется для детектирования, чем для активации.
Если требуется активация в обоих направлениях, разница между T2 и T3 должна быть больше. Примером является лампа или осветительная система, которая механически открывается при включении и закрывается после выключения света. Большая разница между T2 и T3 необходима, так как лампа будет повышать температуру во время горения. Однако, требуется, чтобы эта температура оставалась ниже T3. Только после получения сигнала для выключения лампы, температура может повышаться в течение очень короткого периода времени, таким образом, что достигается температура T3, инициируя закрывание источника освещения. Затем прекращается подача энергии, и вся система охлаждается до готовности к повторному запуску.
Наряду с обеспечением активации, инициируемой изменениями температуры окружающей среды, изобретение также обеспечивает возможность прямого управления циклом активации, если специальный генерирующий тепло элемент (например, электрический нагревательный элемент) прикреплен к исполнительному механизму. В таком варианте осуществления, активация любым образом легко управляется посредством изменения электрического тока через нагревательный элемент, позволяя системе, использующей исполнительный механизм, работать в "автоматическом" чувствительном к окружающей среде режиме, а также вручную "корректироваться" компьютерной программой или человеком.
Одним примером такого применения является исполнительный механизм, который управляет охлаждением (или нагреванием) клапана в трубопроводной системе. Клапан охлаждения находится во включенном состоянии, когда исполнительный механизм активируется, и охлаждает систему, когда требуется, например, когда температура окружающей среды является слишком высокой (выше T2). Однако, посредством принудительного нагревания (с помощью прикрепленного нагревательного элемента) клапан охлаждения может вручную перегружаться, если необходимо в применении, выключая клапан охлаждения, когда достигается температура T3. В этом случае, активация в одном направлении инициируется "автоматически" в ответ на изменение температуры окружающей среды, при этом активация в альтернативном направлении является управляемой извне. Ручная перегрузка может стандартно инициироваться посредством компьютерной программы: например, по истечении предварительно определенного количества времени после активации. Или, в качестве альтернативы, ручная перегрузка может инициироваться просто посредством вмешательства человека.
В альтернативном примере, активация может инициировать процесс или событие, которое является самоуправляемым, и не требует обратной активации для восстановления выключенного состояния. Например, активация, которая смещает клапан или затвор, который затем сам возвращается в оригинальное положение спустя некоторое время. В этом случае, возврат исполнительного механизма обратно в первую форму S1 посредством ручного принудительного нагревания может инициироваться незамедлительно.
Исполнительный механизм может иметь форму полосы, как показано в примере выше. Альтернативная конструкция основана на образованной пружиной системе, в которой две взаимноскрученные пружины выполнены из разных композиций сплава, и они отдельно изготавливаются и тренируются. Пружины могут вкручиваться друг в друга для образования одной пружины с эффектом двойной памяти, как описано выше.
На фиг.4 показана пружинная конструкция с двумя слоями 32, 34 материала с изменением формы. Пружина растягивается (или сжимается) с повышением температуры, и восстанавливает форму обратно в оригинальную после дополнительного повышения температуры. Цилиндрическая винтовая пружина имеет вытянутую ось 50. Двухслойная конструкция, объясненная выше, накладывается вдоль осевого направления.
Один возможный способ изготовления исполнительного механизма теперь будет описываться со ссылкой на фиг.5, который использует технологии тонких пленок. В действительности, высокая прочность и термическая активация сплавов с памятью формы делают их превосходными кандидатами для миниатюризированных исполнительных механизмов, которые могут выполняться, используя технологию тонких пленок. Напыленные пленки Ni-Ti также демонстрирует эффект памяти формы. Двухслойный исполнительный механизм может быть выполнен посредством технологий тонких пленок.
Например, процесс, показанный на фиг.5, включает напыление первого слоя 32 на временную подложку 40, как показана на фиг.5(a). Пленка затем обрабатывается теплом для получения ее эффекта памяти формы, когда подложка удалена, как показано на фиг.5(b). Пленка затем деформируется обратно в ее плоскую форму низкой температуры, и вторая пленка 34 затем напыляется на первую пленку, как показано на фиг.5(b). Температура фазового перехода второй пленки выше, чем у первой пленки, для получения двунаправленного эффекта, описанного выше.
Таким образом, способ изготовления исполнительного механизма, используя технологии тонких пленок, обеспечивает требуемое механическое соединение между слоями - для того, чтобы оба перемещались в виде единой формы. Однако, взамен они могут изготавливаться отдельно и затем соединяться посредством склеивания слоев друг с другом или соединения с помощью механических креплений, например.
Другие изменения в раскрытых вариантах осуществления могут быть понятыми и осуществлены специалистами в данной области при осуществлении заявленного изобретения, из изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения, слово "содержащий" не исключает другие элементы или этапы, и единственное число не исключает множество. Простой факт, что определенные меры изложены во взаимно разных зависимых пунктах формулы изобретения, не обозначает, что комбинация этих мер не может использоваться в качестве преимущества. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничение объема.