CN101894693B - 采用活性材料激活的电路设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采用活性材料激活的电路设备。一种电子设备，适合用于电路，且包括形状记忆元件，例如，形状记忆合金金属丝，其中，所述元件在激活和/或去激活时能操作断开、闭合或以其它方式改变电路的至少一个特性。

Description

采用活性材料激活的电路设备

技术领域

本发明总体上涉及适合用于电路中且修改电路的至少一个特性的热熔丝、继电器和其它电气部件(本文总称为“电路”或“电子”设备)；且更具体地涉及采用形状记忆材料激活来实现功能的电路设备。

背景技术

熔丝、继电器和可变电阻器以及其它部件已经很长时间应用于电子器件以改进电路的安全性和容量。例如，热熔丝通常用于保护重要或昂贵的部件、人和环境不受电流和热过载的影响；且继电器通常用于允许低能量输入装置(例如，车辆中的点火装置)激活高能量装置(例如，起动器马达)。

关于熔丝，应当理解的是，常规熔丝对可能需要仅仅暂时性保护的装置提供永久性中断。此外，由于装置变得日益复杂和拥挤，这些熔丝日益难于更换。因而，已经开发出可手动重置和可自动重置的熔丝，包括例如聚合正温度系数(PTC)。这些熔丝在经受过多电流时将聚合物链从晶体重新定向为无定形，从而将电流减少为几乎“断路状态”。然而，令人担心的是，PTC熔丝实际上从未断开电路，且由于它们形成分子级别的阻抗，因而其重置功能可能难以控制。

关于继电器和可变电阻器，简单、便宜和可靠结构通常是期望的和/或有益的。然而，本领域已知的大多数继电器是机电的且通常构造有复杂金属线圈和电枢，其在重复使用后易于卡住。此外，对线圈施加和去除感应电流通常需要使用附加电气部件来驱散不想要的或者有害的能量流入。本领域已知的其它继电器不需要机电装置，但是引入许多电气部件，从而增加成本。它们还易于误通和短路。

发明内容

响应于前述问题，本发明提出一种基于形状记忆材料的热设备。因而，本发明用于完全断开或以其它方式修改电路且允许对重置功能的精确控制。因而，本发明在不减少电路功能的情况下更准确地保护电路及其环境，同时减少或消除熔丝更换成本。本发明还可用于当前热熔丝技术不适合的低温应用。简单地通过改变形状记忆材料的成分、直径或长度或者通过改变操作应力，本发明可以适合于需要不同额定电流、电压或温度的应用。

总体而言，本发明涉及适合于保护或修改电路且包括活性材料元件的设备。所述元件由能操作在暴露于激活信号时经受可逆变化的形状记忆材料形成。所述设备配置成使得所述变化能操作使第一触头相对于第二触头移动，从而所述运动断开、闭合或改变电路的至少一部分的输出。例如，在一个实施例中，本发明使用形状记忆合金(SMA)或其它形状记忆材料的形状记忆属性来形成不需要电磁控制电子器件的继电器或可变电阻器。

方案1.一种适合用于承载电流的电路中的电子设备，所述设备包括：

至少一个活性材料元件，所述至少一个活性材料元件能操作在经受激活信号或者去除激活信号时经历可逆变化；和

用于与所述电路相互作用的至少两个触头，

所述设备配置成使得所述变化断开或闭合所述电路。

方案2.根据方案1所述的设备，其中，所述至少一个活性材料选自主要包括形状记忆合金、铁磁形状记忆合金、形状记忆聚合物、压电复合物、电活性聚合物、磁流变弹性体和电流变弹性体的组。

方案3.根据方案1所述的设备，其中，所述信号由电流产生。

方案4.根据方案1所述的设备，其中，所述元件是组成电路且能由热信号范围激活的形状记忆合金金属丝。

方案5.根据方案4所述的设备，其中，所述金属丝由调节弹簧负载对抗，从而扩展能操作激活材料的热信号范围。

方案6.根据方案1所述的设备，其中，所述至少一个元件呈现初始几何形状，所述变化能操作修改所述初始几何形状的至少一个尺寸，从而得到第二几何形状，修改为第二几何形状使得所述触头中的至少一个相对于另一个触头从第一位置移动，从而断开或闭合所述电路。

方案7.根据方案6所述的设备，其中，所述元件具有双向形状记忆，从而能操作在所述变化反向时使得所述触头中的所述至少一个移动回到第一位置。

方案8.根据方案6所述的设备，还包括：

复位机构，所述复位机构驱动地联接到所述触头中的所述至少一个，且能操作在所述变化反向时使得所述触头中的所述至少一个移动回到第一位置。

方案9.根据方案8所述的设备，其中，所述元件是SMA金属丝，所述机构是与所述金属丝同心地对齐的压缩弹簧。

方案10.根据方案1所述的设备，其中，所述设备是熔丝，在电流超过阈值安培时产生信号，且所述元件组成电路。

方案11.根据方案10所述的设备，其中，所述电路是用于系统的控制电路，所述系统选自大致包括充电系统、制动模块、电动马达、蓄电池充电器和咖啡壶的组。

方案12.根据方案1所述的设备，其中，所述设备是继电器，所述元件通信地联接到触发器，所述触发器组成电路，所述变化能操作使得触发器进行开关，从而断开或闭合电路。

方案13.根据方案12所述的设备，其中，所述电路是用于机动车冷却风扇、微处理器冷却风扇或液体冷却系统的控制电路。

方案14.一种适合用于承载电流的电路中的电子设备，所述设备包括：

至少一个SMA金属丝，所述至少一个SMA金属丝能操作在经受激活信号或者去除激活信号时经历可逆变化，其中所述至少一个金属丝呈现初始几何形状，所述变化能操作修改所述初始几何形状的至少一个尺寸，从而得到第二几何形状，修改为第二几何形状使得所述触头中的至少一个相对于另一个触头从第一位置移动且使得所述部分断开或闭合；

复位机构，所述复位机构驱动地联接到所述触头中的所述至少一个，并包括弹簧，且能操作在所述变化反向时使得所述触头中的所述至少一个移动回到第一位置；和

用于与所述电路相互作用的至少两个触头，

所述设备配置成使得所述变化断开或闭合所述电路的至少一部分。

方案15.一种适合用于承载电流的电路中的电子设备，所述设备包括：

至少一个活性材料元件，所述至少一个活性材料元件能操作在经受激活信号或者去除激活信号时经历可逆变化；和

用于与所述电路相互作用的至少两个触头，

所述设备配置成使得所述变化改变所述电路的至少一部分的输出。

方案16.根据方案15所述的设备，其中，所述设备是电位计、可变电阻器或变阻器，所述触头中的一个是滑动触头，且所述变化能操作使得所述触头中的所述一个移动，从而改变输出。

方案17.根据方案15所述的设备，其中，所述元件是形状记忆合金金属丝且能由热信号范围激活。

方案18.根据方案17所述的设备，还包括：

复位机构，所述复位机构能操作在所述变化反向时使得所述改变反向。

方案19.根据方案18所述的设备，其中，所述机构是调节弹簧，所述弹簧配置成对抗所述金属丝，从而扩展能操作激活材料的热信号范围。

本发明的其它方面和优势将从优选实施例的以下详细说明和附图显而易见。

附图说明

本发明的优选实施例将在下文参考附图详细描述，在附图中：

图1a是根据本发明优选实施例的采用可重置熔丝的电路的示意图，其中，熔丝与功率源和负载串联(in-line)连接，从而保护电路不受电气和热损坏；

图1b是根据本发明优选实施例的包括继电器的使用的电路的示意图，其中，继电器与功率源和负载串联连接，使得激活信号断开或闭合包括负载的电路；

图1c是根据本发明优选实施例的包括可变输出电阻器的使用的电路的示意图，其中，电阻器与功率源和负载串联连接，使得激活信号改变电路的电阻；

图2a是根据本发明优选实施例的处于闭合触头位置的可重置熔丝的正视图，其中，形状记忆元件处于初始几何形状，电流能够通过熔丝，且复位弹簧被卸载；

图2b是根据本发明优选实施例的处于断开触头位置的图2a中所示的可重置熔丝的正视图，其中，形状记忆元件呈现第二几何形状，因而电路断开，且弹簧被加载；

图3a是根据本发明优选实施例的采用形状记忆元件的继电器的正视图，其中，形状记忆元件描绘为未激活几何形状，使得触头的相对位置引起电路断开，且在接收激活信号时，形状记忆元件沿虚线闭合电路；和

图3b是根据本发明优选实施例的包括形状记忆元件的可变输出电阻器的正视图，形状记忆元件驱动地联接到滑动触头，所述元件能够使触头滑动。

具体实施方式

优选实施例的以下描述本质上仅仅是示例性的且绝不意在限制本发明、其应用或使用。本发明可在宽范围的应用中找到使用：包括例如电路和电气部件的保护(图1a和2a、b)、电路的控制、激活和逻辑(图1b、c和3a、b)。这就是说，只要期望使用电路保护和管理的优势和益处，就可应用本发明。

总体而言，本发明涉及形状记忆元件，所述形状记忆元件配置成使一个触头相对于另一个触头移动，从而断开、闭合或以其它方式改变电路的至少一个特性。所述元件采用活性材料激活以利于应用和/或改进功能。

适用于本发明使用的活性材料包括但不限于：形状记忆合金、铁磁形状记忆合金以及其它活性材料，如电活性聚合物(EAP)，其在纤维状配置和环境条件下能够用作致动器。这种类型的活性材料能够记忆其初始形状和/或弹性模量，随后可以通过施加外部激励来恢复。因而，从初始形状的变形是暂时性状况。以这种方式，由这些材料制成的元件可以响应于施加或去除(取决于材料及其使用的形式)激活信号来改变为训练形状。与本发明相容的其它活性材料包括形状记忆聚合物、压电复合物、磁流变弹性体以及电流变弹性体。

更具体地，形状记忆合金(SMA)一般指的是一组金属材料，其在经受合适的热激励时能够恢复某些之前限定的形状或尺寸。形状记忆合金能发生相变，其中它们的屈服强度、硬度、尺寸和/或形状也随温度而改变。术语“屈服强度”指的是使材料展现从应力和应变比发生特定偏离时的应力。一般来说，在低温或在马氏体相时，形状记忆合金能够发生伪塑性变形，且在暴露给一些较高温度时将转变成奥氏体相或母相，从而回到它们变形前的形状。仅在加热时展现这种形状记忆效应的材料称为具有单向形状记忆。在再次冷却时也展现形状记忆的材料称为具有双向形状记忆性能。

形状记忆合金存在几个与温度相关的不同相。这些相中最常用到的就是前面提到的所谓马氏体相和奥氏体相。在以下的描述中，马氏体相一般指的是更易发生变形的低温相，而奥氏体相一般指的是更刚硬的高温相。当形状记忆合金处于马氏体相并被加热时，其开始改变成奥氏体相。这种现象开始发生时的温度通常称为奥氏体起始温度(A_S)，这种现象结束时的温度称为奥氏体完成温度(A_f)。

当形状记忆合金处于奥氏体相并被冷却时，其开始改变成马氏体相，这种现象开始发生时的温度称为马氏体起始温度(M_S)。奥氏体完成转变成马氏体时的温度称为马氏体完成温度(M_f)。

取决于合金成分和工艺过程，形状记忆合金可以具有单向形状记忆效应、内在的双向效应、或外在的双向形状记忆效应。退火处理的形状记忆合金一般只具有单向的形状记忆效应。对低温变形之后的形状记忆材料进行充分加热将导致马氏体向奥氏体类型的转变，而材料将恢复到初始的退火后的形状。然而，单向的形状记忆效应只能在加热时看到。包括具有单向记忆效应的形状记忆合金成分的活性材料不会自动重新成形，可能需要外部的机械力来使其重新形成形状。

内在的双向形状记忆材料和外在的双向形状记忆材料的特征在于，既可以在从马氏体相加热为奥氏体相时发生形状改变，同时也可以在从奥氏体相冷却回到马氏体相时发生附加形状改变。具有内在的形状记忆效应的活性材料是由会使活性材料由于上述提及的相变而自动重新成形的形状记忆合金成分制成的。内在的双向形状记忆特性必须通过工艺过程引入形状记忆材料中。这种过程包括在马氏体相时的材料极限变形，约束或载荷条件下的加热冷却，或者诸如激光退火、抛光或喷丸加工的表面改性。一旦材料被训练具有了双向形状记忆效应，那么在低和高温状态之间的这种形状变化通常是可逆的并且在很多个热循环内持续存在。相比而言，具有外在的双向形状记忆效应的活性材料是将具有单向效应的形状记忆合金成分与提供复位力以重新形成初始形状的另一个元件组合而成的复合物或多成分材料。

形状记忆合金被加热时记忆其高温形态的温度可以通过合金成分的细微改变和通过热处理过程进行调整。例如，镍钛形状记忆合金中，上述温度可以从高于约100℃变至低于约-100℃。形状恢复过程只在几摄氏度的范围内发生，而且根据期望应用以及合金的成分，可以将此转变过程的开始或结束控制在1或2度范围之内。在跨过形状记忆合金发生转变的温度范围内，其机械属性会发生巨大的变化，通常为系统提供形状记忆效应、超弹性效应和高阻尼容量。

合适的形状记忆材料包括，但并不限于，镍钛基合金、铟钛基合金、镍铝基合金、镍镓基合金、铜基合金(如铜锌合金、铜铝合金、铜金合金和铜锡合金)、金镉基合金、银镉基合金、铟镉基合金、锰铜基合金、铁铂基合金、铁铂基合金、铁钯基合金等。所述合金可以是二元的、三元的或其它任何更高元的，只要合金成分具有形状记忆效应即可，例如在外形取向、阻尼容量等方面上的变化。

应当理解的是，热诱导的SMA相变是单向的，这样就需要偏压力复位机构(如弹簧)来在一旦去除所施加的场时就使SMA返回至初始配置。使用焦耳加热使整个系统可电子控制。

应当理解的是，大多数镍钛基合金在相对小的温度范围内转变。当应力增加时，许多合金的转变温度也增加。为了增加温度敏感性操作范围，可期望通过优选地用调整的弹簧负载对抗转变而在转变期间影响转变温度。当合金开始转变时，将使得弹簧延长，从而增加负载和合金上的得到应力。这种不同的应力将使得合金呈现不同的转变温度，从而使得合金对更宽范围的温度波动作出响应。

如上所述，电活性聚合物可取代SMA使用。这种活性材料包括展现出响应于电场或机械场的压电、热电或电致伸缩属性的聚合物材料。一个示例为具有压电聚(偏氟乙烯三氟)共聚物的电致伸缩接枝弹性体。该组合物能够产生各种数量的铁电-电致伸缩分子复合系统。这些可以操作为压电传感器或甚至电致伸缩致动器。

适合用作电活性聚合物的材料可包括，任何基本绝缘的聚合物或橡胶(或它们的组合)，它们响应于静电力发生变形，或者说其变形导致电场的变化。适合于用作预应变聚合物的典型材料包括硅酮弹性体、丙烯酸弹性体、聚氨酯、热塑性弹性体、包含PVDF的共聚物、压敏粘接剂、氟化弹性体、包含硅酮和丙烯酸基部分的聚合物等。例如，包含硅酮和丙烯酸基部分的聚合物可以包括包含硅酮和丙烯酸基的共聚物，包含硅酮弹性体和丙烯酸基弹性体的共混聚合物。

转向图1a-c，诸如可重置熔丝10(图1a)、继电器12(图1b)或可变输出电阻器14(图1c)的电子设备与负载16和功率源18结合使用以完成电路19。关于熔丝10，负载16被有效地保护不受有害热或电流的影响，且在继电器12和可变输出电阻器14的情况下，通过负载的电流被继电器12和可变输出电阻器14有效地控制。

如所示实施例所示，每个设备包括形状记忆元件20，形状记忆元件20配置成使设备在多个可实现配置(例如，位置、状况等)之间修改(例如，触发、改变等)。在图2a、b中，例如关于可重置熔丝10，元件20能操作在元件20经受合适的激活信号26时将第一触头22a从第二触头22b断开。如果应用需要自动复位机构(例如，提供仅单向形状记忆)，优选的是复位弹簧24附连到可移动触头22a，且能操作在去除信号26时使触头22a复位。在图2a、b中，弹簧24显示为与形状记忆元件20同心地对齐；然而，当然可以理解的是，可以采用其它几何形状形式，例如，片簧或将触头22a、b互连的电和热隔离的延伸弹簧。图2b示出了形状记忆元件20被激活，复位弹簧24被加载(即，存储能量)，触头22a、b被断开。

在优选实施例中，形状记忆元件20由SMA金属丝制成，其中，术语“金属丝”以非限制性的含义使用且包括其它几何形状形式，例如缆线、编织物、束、条等。在该配置中，信号26是热激活信号，热激活信号可以通过设计成在由电路19承载的电流超过阈值安培时到达的焦耳加热直接产生，或者通过外部源(例如，车辆发动机、冷却系统等)30(图2a、b)间接产生。然而，如前文所述，元件20也可以包括FSMA或EAP，其中，信号26分别是磁场或电流。本发明的熔丝10尤其用于直接或者作为副产物产生热能的应用(包括咖啡壶、蓄电池充电器)或者关于车辆、充电系统、制动模块、电动马达、蓄电池充电器的应用。

在图3a中，形状记忆元件20适合用于继电器12。形状记忆元件20驱动地连接到触发器27，且在元件20经受外部信号26时能操作选择性地使得第一触头22a相对于另一个触头22b移动。如果应用需要，触头22的取向可以变化，使得触头22在元件20被激活时分开。应当理解的是，元件20可以驱动地连接到多个触发器27，从而同时控制多个电路19。同样，形状记忆元件20可呈现SMA金属丝，其中信号26是热激活信号。在该配置中，本发明尤其可应用于激活取决于温度激活的电路，例如机动车冷却风扇、微处理器冷却风扇或液体冷却系统。

在图3b中，元件20用于可变输出电阻器14(例如，电位计、变阻器、热敏电阻等)。元件20驱动地联接到滑动触头28且在元件20经受外部信号26时能操作使滑动触头28移动。这就是说，元件20配置成拉动和/或推动(在提供双向形状记忆时)滑动触头28，从而增加或减小触头22、28之间的电阻。同样，元件20优选呈现为形状记忆金属丝。优选用途是期望取决于温度激活电路的应用，例如机动车冷却风扇。

在可变输出实施例中，形状记忆合金优选地通过夹具、焊料或螺栓(未示出)连接到线性弹簧加载的电位计(也未示出)的端部。在优选实施例中，如果使用旋转电位计，那么直的带齿塑料或其它不导电材料件可以附连到合金以及匹配的旋转齿轮，所述齿轮附连到旋转电位计的轴，使得在合金激活时，齿轮转动，使得电位计中的滑动触头旋转，导致到达电路的负载的电流变化。形状记忆合金优选具有弹簧复位装置或开关，以在事件之后重置。

已经参考示例性实施例描述了本发明；本领域技术人员将会理解，可以在不脱离本发明内容范围的情况下进行各种改变且等价物可以取代其元件。另外，在不脱离其实质的范围的情况下可以进行许多改进来使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，意图是本发明并不限于设想用于实现本发明的最佳模式所公开的特定实施例，而本发明将包括落入所附权利要求范围中的所有实施例。

用语“一”在此不表示数量限制，而是表示存在至少一个提及的项。本文使用的后缀“s”旨在包括其修饰的项的单数和复数，从而包括一个或多个所述项。贯穿说明书的参见“一个实施例”、“另一个实施例”、“一实施例”等等指的是结合该实施例描述的特定元素(例如，特征、结构和/或特性)被包括在本文描述的至少一个实施例中，并且可以或可以不存在于其他实施例中。另外，应当理解的是所描述的元素可以以任何合适方式结合在各个实施例中。

Claims (7)

1.一种适合用于承载电流的电路中的电子设备，所述电路没有位于电路外部的功率源，所述设备包括：

至少一个活性材料元件，所述至少一个活性材料元件能操作在经受激活信号或者去除激活信号时经历可逆变化；

用于与所述电路相互作用的至少两个触头，

所述设备配置成使得所述变化改变所述电路的至少一部分的输出，

所述触头中的一个是滑动触头，且所述变化能操作使得所述触头中的所述一个移动，从而改变输出。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个活性材料选自包括形状记忆合金、形状记忆聚合物、压电复合物、电活性聚合物、磁流变弹性体和电流变弹性体的组。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述元件是组成电路且能由热信号范围激活的形状记忆合金金属丝。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述金属丝由调节弹簧负载对抗，从而扩展能操作激活材料的热信号范围。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备是电位计、变阻器或热敏电阻。

6.根据权利要求1所述的设备，还包括：

复位机构，所述复位机构能操作在所述变化反向时使得所述改变反向。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述元件是SMA金属丝，所述机构是与所述金属丝同心地对齐的压缩弹簧。