專利名稱：具有增強(qiáng)熱傳遞特性的形狀記憶合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及形狀記憶合金促動器，其具有提供增強(qiáng)的熱傳遞特點(diǎn)的柔性外涂層或柔性外層。
背景技術(shù)：
在機(jī)電系統(tǒng)中，可以使用不同種類的促動器(例如電動機(jī)、閥、活塞或桿)對輸出載荷施加力?；钚圆牧显梢杂糜谔岣呖偟南到y(tǒng)性能。例如，用形狀記憶合金(SMA)形成的元件可用于在系統(tǒng)中施加期望的力。SMA元件呈現(xiàn)偽彈性、偽塑性和形狀記憶特點(diǎn)。這樣的性能可以用在某些應(yīng)用中
發(fā)明內(nèi)容
本文公開一種形狀記憶合金(SMA)促動器，具有相對于常規(guī)配置的SMA促動器的優(yōu)化的循環(huán)時(shí)間。SMA促動器的功能性是基于其熱激活的形狀記憶和模量的變化。一些SMA促動器可在促動循環(huán)的激活階段被快速加熱。然而，難以在促動循環(huán)的回復(fù)/脫開階段快速冷卻同一 SMA促動器。另外，在施加電阻加熱過程中促動循環(huán)可以有時(shí)基本上不同于施加環(huán)境加熱(例如將SMA促動器用于高溫環(huán)境中)的情況。本發(fā)明的SMA促動器因此包括柔性外涂層或?qū)?，其增?qiáng)促動器的熱傳遞特性，由此改善循環(huán)時(shí)間，如上所述。具體說，本文公開的SMA促動器包括SMA元件，例如線、條帶、或具有期望橫截面形狀的任何其他SMA元件。SMA元件被包圍在柔性外層中。柔性外層具有預(yù)定橫截面幾何形狀(其可以或可以不匹配包含在其中的SMA元件的形狀)和材料成分，所述材料成分與形狀一起共同優(yōu)化SMA促動器的熱傳遞特性。這又增加促動循環(huán)的速度。SMA促動器在促動循環(huán)的激活階段使用加熱源激活，并在去激活/回復(fù)階段被去激活。SMA促動器的性能可以選擇為用于給定應(yīng)用，以增加促動循環(huán)的任一或兩個(gè)部分的速度，即激活和去激活階段。還公開一種機(jī)電系統(tǒng)，其包括加熱源和如上所述配置的SMA促動器。還公開一種方法，用于減少上述SMA促動器的循環(huán)時(shí)間。該方法包括提供如所示配置的SMA促動器，將SMA促動器連接到載荷，使用主動的或被動的加熱源激活SMA促動器，和例如使用冷卻源、自由空氣或環(huán)境冷卻方法去激活SMA元件。在下文結(jié)合附圖進(jìn)行的對實(shí)施本發(fā)明的較佳模式做出的詳盡描述中能容易地理解上述的本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)以及其他的特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖I是使用如本文公開的形狀記憶合金(SMA)促動器的機(jī)電系統(tǒng)的示意圖；圖2是具有帶星形橫截面的柔性外層的SMA促動器的示意性端視圖；圖3是具有帶另一星形橫截面的柔性外層的SMA促動器的示意性端視圖；圖4是具有帶橢圓形橫截面的柔性外層的SMA促動器的示意性端視圖；圖5是具有帶細(xì)長欖尖形(marquise-shaped)橫截面的柔性外層的SMA促動器的不意性端視圖；圖6是具有帶淚滴形或錐形橫截面的柔性外層的SMA促動器的示意性端視圖；圖7是具有帶嵌入在層中的離散元件的柔性外層的SMA促動器的示意性側(cè)視圖；圖8是具有帶適用于接合增強(qiáng)柔性外套的徑向特征的SMA元件的SMA促動器的示意圖套；圖9是可選端部夾緊裝置的透視圖，其允許圖8所示的柔性外套隨SMA元件運(yùn)動；和圖10是描述用于優(yōu)化SMA促動器的循環(huán)時(shí)間的方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
參見附圖，其中幾幅圖中相同的附圖標(biāo)記對應(yīng)系統(tǒng)或相似的部件，且以圖I開始，機(jī)電系統(tǒng)10包括形狀記憶合金(SMA)促動器16。SMA促動器16包括柔性外涂層或柔性外層24，其如后文所述能減少用于促動SMA促動器16所需的循環(huán)時(shí)間。柔性外層24可以針對SMA元件15應(yīng)用。盡管在各圖中出于展示的一致性和簡單性目的被顯示為圓柱或絲狀，但是SMA元件15可以具有專用于期望的應(yīng)用的橫截面形狀。例如，參考圖2-7在后文所述的任何幾何橫截面，以及在本文未示出的形狀，例如花生形狀、條帶形狀等都可以應(yīng)用于其中包含的SMA元件15。SMA促動器16配置為使載荷18運(yùn)動或以其他方式作用在載荷18上，由此讓載荷18大體如箭頭20所示地運(yùn)動。如本領(lǐng)域所理解的，運(yùn)動的實(shí)際方向可以如所示地是直線的、非直線的，或旋轉(zhuǎn)的，取決于SMA促動器16和任何聯(lián)動機(jī)構(gòu)的構(gòu)造。載荷18可以實(shí)施為力可針對施加的任何物理物體或裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器12可以與加熱源14通信，該加熱源14例如為熱風(fēng)扇、線圈、對流裝置等，適用于向SMA促動器16中提供加熱信號(箭頭17)作為熱激活信號。加熱信號(箭頭17)可以同樣來自周圍環(huán)境，例如在SMA促動器16用在車輛的發(fā)動機(jī)艙中時(shí)。在該例子中，裝置是發(fā)動機(jī)(未示出)或其他生熱裝置。控制器12也可以與可選的冷卻源25 (以虛線所示)通信，該冷卻源25例如為冷空氣風(fēng)扇，其提供冷卻信號(箭頭19)。可選的冷卻源25和加熱源14可以在一些實(shí)施例中被組合到單個(gè)裝置中。例如，通過改變單個(gè)風(fēng)扇裝置中加熱/冷卻溫度的設(shè)置，可輕易地按照需要改變輸出溫度。在不使用冷卻源25時(shí)，SMA促動器16可以通過停止加熱源14和/或通過允許對用于所需冷卻的周圍的自由或靜止空氣發(fā)生熱傳遞而去激活。如本領(lǐng)域公知到，SMA(其有時(shí)本領(lǐng)域中稱為“智能材料”)呈現(xiàn)偽彈性和偽塑性性能以及形狀記憶行為，且由此具有“記住”其原始形狀的能力。SMA的原始形狀可以經(jīng)由外部刺激(例如加熱信號(箭頭17))而在實(shí)現(xiàn)了變形之后被恢復(fù)。SMA從原始形狀的變形部分地由于依賴溫度和應(yīng)力的固態(tài)相變和集體原子重排(cooperative atomicrearrangement)是臨時(shí)的且可逆的。SMA的兩個(gè)相是馬氏體(m)相和奧氏體(a)相,它們分別被稱為低溫相和高溫相，其中發(fā)生從低對稱性(m相)的晶體結(jié)構(gòu)到高對稱性的(a相)晶體結(jié)構(gòu)的相變。SMA代表獨(dú)特類型的熱激活的智能材料(TASM)，其由于應(yīng)力引發(fā)和溫度引發(fā)的可恢復(fù)變形行為而經(jīng)歷可逆的相變。一些示例性的SMA材料包括銅-鋅-招-鎳,銅-招-鎳,和鎳-鈦。
仍然參見圖1，柔性外層24和其各種實(shí)施例的材料可以例如包括高熱傳導(dǎo)性柔性娃樹脂、電子紙或可拉伸薄石墨烯膜(graphene film),例如經(jīng)由蒸汽沉積過程沉積在SMA元件15上的膜。在另一實(shí)施例中，柔性外層24可以包括碳納米管(CNT)，其相對于SMA元件15軸向和/或徑向地取向。如本領(lǐng)域所理解的，CNT是具有管狀或圓柱形納米結(jié)構(gòu)的碳同素異形體，其提供優(yōu)秀的傳導(dǎo)性和其他獨(dú)特的電性能。在任何實(shí)施例中柔性外層24具有足夠的表面面積用于提供期望的熱傳遞特性。柔性外層24可以是所施加的涂層、套或任何其他合適的層。出于展示的簡單性，柔性外層24示意性地顯示為圓柱形。然而，柔性外層24具有經(jīng)校準(zhǔn)的或以其他方式預(yù)定的幾何橫截面形狀，例如在圖2-6中所示的和在后文所述的示例性構(gòu)造之一。在一些實(shí)施例中，柔性外層24的名義幾何形狀可以在SMA促動器16的激活階段中改變，導(dǎo)致增強(qiáng)SMA促動器16的熱傳導(dǎo)性。其他實(shí)施例可以通過激活循環(huán)的激活和回復(fù)階段而保留相同的名義幾何形狀。使用柔性外層24可以特別適合直的、非卷繞的構(gòu)造，例如長直的SMA元件15， 雖然其他構(gòu)造也是可能的。參見圖2和3，按照兩個(gè)可行的示例性幾何構(gòu)造，相應(yīng)的SMA促動器116和216配置為具有不同的星形橫截面。圖2和3的星形橫截面可以最佳地用于垂直取向或水平取向的SMA元件15，其在使用時(shí)，例如，在激活階段中具有自然的熱對流性。對于其他取向，不同的橫截面幾何形狀可能更適合。在圖2和3所示的構(gòu)造中，SMA元件15分別被包圍在柔性外層24、124中，其形成有或設(shè)置有多個(gè)尖端，如所示的。盡管在圖2中顯示了四個(gè)尖端且在圖3中顯示了七個(gè)尖端，但是通過柔性外層24、124提供的星形橫截面中尖端的數(shù)量和大小可以取決于應(yīng)用和期望的熱傳遞速率而變化。SMA促動器116，216與加熱源14和可選地與冷卻源25通信，如圖I所示，從而任何加熱或冷卻的/環(huán)境空氣流(共同用箭頭22代表)最終按照需要加熱或冷卻SMA促動器116、216。參見圖4、5和6，替代橫截面幾何構(gòu)造可以包括橢圓形(圖4)、細(xì)長欖尖形(圖5)和淚滴形(圖6)，以及本文未特別描述的其它幾何構(gòu)造。圖4、5和6所示的橫截面可以具有相對于圖2和3所示的星形設(shè)計(jì)具有更低的輪廓阻力。圖4的SMA促動器316、圖5的SMA促動器416和圖6的SMA促動器516每一個(gè)包括SMA元件15，其被包圍在相應(yīng)的柔性外層224、324和424中。SMA促動器316、416和516與圖I的加熱源14和可選地與冷卻源25通信，從而任何加熱或冷卻/環(huán)境空氣流(箭頭22)按照需要加熱或冷卻SMA促動器316,416 和 516。在各種實(shí)施例中的SMA元件15和/或外層224、324、424的幾何構(gòu)造或橫截面形狀可以基于用于特別階段所需的熱傳遞的速度來選擇。例如，在電阻加熱施加過程中，即在SMA元件15通過電阻主動加熱時(shí)，在其各種實(shí)施例中柔性層24可以配置為具有減少量的熱傳導(dǎo)性。環(huán)境加熱可以獲益于增加量的熱傳導(dǎo)性。換句話說，為了減少與周圍環(huán)境發(fā)生完全被動的熱交換的應(yīng)用情況中的循環(huán)時(shí)間，例如在熱區(qū)和冷區(qū)(加熱和冷卻區(qū)域)之間使SMA促動器16循環(huán)時(shí)，例如在熱力發(fā)動機(jī)中，柔性外層24的幾何構(gòu)造和形狀可以選擇為有助于在SMA促動器16在熱區(qū)域(例如高溫空氣或水)中時(shí)向SMA元件15中進(jìn)行熱傳遞。相同的構(gòu)造可以有助于在SMA促動器16置于冷卻區(qū)域中時(shí)將熱量傳出SMA元件15 (即高的熱傳導(dǎo)性和大的表面面積)。在電阻性加熱與向周圍環(huán)境的被動熱傳遞/冷卻結(jié)合使用的應(yīng)用情況下，可在SMA元件15的加熱期間提供較低的傳熱率(heat transfer rate),且在冷卻SMA元件15時(shí)提供較高的傳熱率。SMA促動器16和其各種替換的實(shí)施例的適當(dāng)形狀、大小和取向可以通過計(jì)算和/或使用合適的模型以及通過對機(jī)電系統(tǒng)10(見圖I)的獨(dú)特?zé)崃W(xué)性能的理解來確定。在圖2-6所示的實(shí)施例中，柔性外層24、124、224、324和424每一個(gè)具有在SMA元件15相變期間保持不變的名義幾何形狀和熱傳導(dǎo)性。如將被解釋的，替換實(shí)施例可以使用，其改變了SMA促動器16和其替換的實(shí)施例的名義幾何形狀和/或熱傳導(dǎo)性熱。參見圖7，圖1-6的柔性外24、124、224、324和424分別可以包括多個(gè)離散元件(discrete elements) 23。這樣的促動器在圖7中示出，如同SMA促動器616。離散元件23可以附接到替換的柔性層524。出于簡單的目的，促動器616的形狀是圓柱形，但是可以使用任何如上所述的形狀。在SMA促動器616經(jīng)由圖I的加熱源14激活時(shí)，SMA促動器616沿箭頭60所示的軸向方向收縮。在長度變化期間，離散元件23改變其相對于SMA元件15的相對位置和/或排列。取決于離散元件23的構(gòu)造和相對位置和/或排列的變化，這可以增加傳熱率。在SMA促動器616回復(fù)到其原始長度時(shí)，離散元件23可以再次排列以由此減少傳熱率。該過程可對SMA促動器616的每一個(gè)促動循環(huán)重復(fù)。離散元件23可以例如配置為高傳導(dǎo)性纖維、CNT或其他合適的元件，其相對于SMA元件15沿徑向向外的方向取向且至少部分地嵌入在柔性外層524中。在SMA促動器616被激活時(shí)，它沿箭頭60的方向在一定程度上縮短，如上所述，且柔性外層524被壓縮。這使得每一個(gè)離散元件23沿箭頭70的方向運(yùn)動，由此相對于在同一促動器被去激活時(shí)，在SMA促動器616被激活時(shí)離散元件向外伸出的更遠(yuǎn)。在SMA促動器616再次冷卻時(shí)，離散元件23在一定程度上縮回到柔性外層524中。參見圖8，顯示了 SMA促動器716的實(shí)施例，其中SMA元件15被包含在柔性外層624中。柔性外層624配置為可選柔性套。SMA元件15可以或可以不沿SMA元件15和柔性外層624之間的界面結(jié)合到柔性外層624。在SMA元件15不結(jié)合到外層624時(shí)，具有足夠高熱傳導(dǎo)性的流體薄層可以定位在SMA元件15和柔性外層624之間的界面46處。這可有助于確保一致水平的熱性能。在另一實(shí)施例中，SMA元件15和柔性外層624之間的長期粘接可以通過在SMA元件15上設(shè)置足夠的紋理(例如徑向突出部28)來保持。徑向突出部17 (其可以具有與SMA元件15相同的材料)，例如突出部、突起或表面粗糙部，可提供在或沿界面46的空間分布的機(jī)械互鎖。參見圖9，圖8的SMA促動器716或圖I所示SMA促動器16任何變式可以包括端部夾緊組件40。SMA促動器716的線纜75的一部分在圖9示出。組件40可以用于將SMA元件15物理連接到柔性外層24和其各種實(shí)施例。SMA元件15可以被夾緊、卷邊或以其他方式機(jī)械地連接到組件40，例如通過使用組件40的保持部分50。在一個(gè)實(shí)施例中，保持部分50可以配置為所示的卷邊插腳(crimping prong) 52或另外的合適裝置。連接到組件40的其余部分的夾持件42可以將柔性層24朝向SMA元件15擠壓。使用端部夾緊組件40可以有助于減少在或沿SMA元件15和柔性外層24之間的界面存在的任何剪切應(yīng)力。如此做可增加SMA元件15和柔性外層24之間存在的任何結(jié)合的使用壽命。使用組件40使得柔性外層24在SMA元件15相變期間伴隨SMA元件15運(yùn)動。例如,在SMA元件15縮短時(shí)，柔性外層24可至少部分地運(yùn)動到通過線纜75的端部30限定的開口 34中。盡管組件40可增加SMA促動器716必須克服的有效載荷，但是這樣的額外載荷預(yù)期不會過多，尤其是在柔性外層24必定已經(jīng)在促動循環(huán)的回復(fù)/脫開階段被拉伸時(shí)。用于減少用于完成SMA促動器16和其各種實(shí)施例的促動循環(huán)的所需循環(huán)時(shí)間的方法100針對圖I的系統(tǒng)10進(jìn)行描述。在步驟102，方法100包括提供如上所述配置的SMA促動器16。即SMA促動器16應(yīng)該包括被柔性外層24圍繞的SMA元件15，其SMA元件15和層24的預(yù)定幾何橫截面形狀和材料性能用于共同優(yōu)化SMA促動器16的熱傳遞特性。步驟104包括連接SMA促動器16到載荷18。方法100隨后前進(jìn)到步驟106，其中使用加熱源14或其他合適的激活手段激活SMA促動器16，由此造成SMA元件15的第一相變。例如，SMA元件15可以經(jīng)歷從馬氏體(m)相到奧氏體(a)相的變化,如上所述。一旦激活，方法100前進(jìn)到步驟108。
在步驟108，一旦圖I的載荷18已經(jīng)動作，則SMA促動器16被去激活。步驟108會需要使用冷卻源25或周圍的/自由的空氣以造成SMA元件15的第二相變。該相變可以是從奧氏體(a)相到馬氏體(m)相的變化。柔性外層24增加第二相變的速度，如上所述。在步驟106的第二相變可以可選地需要改變SMA促動器16的名義幾何形狀和熱傳導(dǎo)性，如參考圖7在前文所詳述的。盡管已經(jīng)對執(zhí)行本發(fā)明的較佳模式進(jìn)行了詳盡的描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可得知在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)的用來實(shí)施本發(fā)明的許多替換設(shè)計(jì)和實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種形狀記憶合金(SMA)促動器，包括 SMA元件，其在促動循環(huán)的激活階段通過加熱源激活且在促動循環(huán)的去激活/回復(fù)階段被去激活；和 柔性外層，圍繞SMA元件，其中柔性外層具有預(yù)定幾何橫截面形狀和材料成分，所述橫截面形狀和材料成分共同優(yōu)化SMA促動器的熱傳遞特性，由此減少用于完成促動循環(huán)所需的循環(huán)時(shí)間。
2.如權(quán)利要求I所述的SMA促動器，其中SMA元件具有進(jìn)一步優(yōu)化熱傳遞特性的預(yù)定幾何橫截面形狀。
3.如權(quán)利要求I所述的SMA促動器，其中柔性外層的形狀是以下中的一種星形、橢圓形、細(xì)長欖尖形和淚滴形。
4.如權(quán)利要求I所述的SMA促動器，其中柔性外層包括以下中的一種高熱傳導(dǎo)性柔性硅樹脂、電子紙、可拉伸的薄石墨烯膜和碳納米管。
5.如權(quán)利要求I所述的SMA促動器，其中SMA促動器的名義幾何形狀和熱傳導(dǎo)性中的至少之一在激活階段改變。
6.如權(quán)利要求5所述的SMA促動器，進(jìn)一步包括多個(gè)離散元件，其相對于SMA元件沿徑向向外方向取向，且至少部分地嵌入柔性外層中，其中SMA促動器的激活使得離散元件遠(yuǎn)離SMA元件徑向向外運(yùn)動，且其中SMA促動器的去激活使得離散元件至少部分地縮回到柔性外層中。
7.如權(quán)利要求6所述的SMA促動器，其中離散元件包括以下中的至少一種高傳導(dǎo)性纖維和碳納米管。
8.如權(quán)利要求I所述的SMA促動器，進(jìn)一步包括端部夾緊組件，其使得柔性外層在SMA元件相變期間伴隨SMA元件運(yùn)動。
9.一種機(jī)電系統(tǒng)包括 加熱源；和 形狀記憶合金(SMA)促動器，配置為聯(lián)接到載荷，該SMA促動器具有 SMA元件，其在促動循環(huán)的激活階段通過加熱源激活且在促動循環(huán)的去激活/回復(fù)階段被去激活；和 柔性外層，圍繞SMA元件； 其中柔性外層具有預(yù)定幾何橫截面形狀和材料成分，所述橫截面形狀和材料成分共同優(yōu)化SMA促動器的熱傳遞特性，由此減少用于完成促動循環(huán)所需的循環(huán)時(shí)間。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中柔性外層包括柔性涂層和柔性套中之一。
全文摘要
一種形狀記憶合金(SMA)促動器包括SMA元件和柔性外涂層或?qū)印Ｔ鄳?yīng)地通過加熱源激活。所述層圍繞所述元件且增強(qiáng)元件的熱傳遞特性以增加促動循環(huán)的速度。名義幾何形狀和/或熱傳導(dǎo)性可以在激活階段改變，且可以包括相對于元件取向且至少部分地嵌入在層中的離散元件。端部夾緊組件可以用于使得層在相變期間伴隨元件運(yùn)動。一種機(jī)電系統(tǒng)包括冷卻源和促動器。一種方法包括連接促動器到載荷、使用加熱源激活元件和使用冷卻源或自由的/周圍空氣去激活元件。
文檔編號F03G7/06GK102678496SQ201210071540
公開日2012年9月19日 申請日期2012年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月16日
發(fā)明者A.L.布朗, J.H.布朗, N.D.曼卡姆, N.L.約翰遜, N.W.平托四世, X.高 申請人:合金力學(xué)公司, 通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司