CN102592883B - 一种基于低熔点金属相变体积变化效应的温度开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的基于低熔点金属相变效应的温度开关，其由空心壳体、固定杆、空心活塞、弹簧，以及充注于固定杆和空心活塞之间的液态金属组成；空心壳体上开设用于流体进出的至少一进口和一出口；固定杆紧固在空心壳体内底面上；活塞紧套在固定杆外壁上，活塞两端分别与壳体和活塞相连接；在温度变化低熔点金属发生相变时活塞可在金属膨胀力和弹簧回位力作用下相对固定杆运动，活塞的运动导致外壳上流体进出口的开闭，而实现不同温度下开闭功能。本发明充分利用了液态金属高热导率，低热容的热物理性质，反应极为灵敏；同时因为液态金属种类多样，该温度开关阈值选择广；可广泛应用于智能建筑、余热利用、工业热管理及微流控芯片等领域。

Description

一种基于低熔点金属相变体积变化效应的温度开关

技术领域

本发明涉及一种温度开关，特别涉及一种利用低熔点金属在其相变温度点的体积变化效应，来驱动活塞运动并控制流体出入的基于低熔点金属相变效应的温度开关。

背景技术

温度开关定义为能感受特定温度，并做出相应机械动作的器件。其典型应用包括汽车节温器、建筑供暖通风控制、恒温混水阀、电子器件过热保护等。目前主流的温度开关有如下三种：双金属片式、石蜡式及记忆合金式。因为双金属片驱动力及行程有限，记忆合金制造加工复杂且成本高昂，目前应用最广的仍然为石蜡式温度开关。石蜡式温度开关驱动力大，价格低廉，在汽车节温器、恒温混水阀等器件上得到了广泛应用。然而，石蜡式温度开关最突出的问题在于石蜡热导率低，因此开关反应速度慢，控温波动显著。

围绕石蜡式温度开关的优化，国内外公司已申请并保护了一系列专利(如KR2009008671-A，US2007137709-A1，JP2005285398-A)，同时产生了一大批民用产品。但当前都只是在传统石蜡式温度开关结构上做一定的优化调整，并无实质性革新。因此，目前就如何在保证石蜡温度开关驱动力大，结构简单等优点的前提下显著提高其开关灵敏性仍然是工业界尚未解决的难题。

为此，本发明提出一种基于低熔点金属相变体积变化效应的温度开关。其利用低熔点金属在其相变温度点的体积变化效应，来驱动活塞运动实现迅速的开关动作。其典型优点如下：(1)反应迅速。低熔点金属(如铋，镓，铟)热导率为石蜡的数百倍，升降温迅速，因此对外界环境温度反应极其灵敏；(2)监控温度范围广。典型开关温度可由-80℃(NaKCs合金)到270℃(金属铋)，其开关相变点可根据合金配比灵活定制；(3)高体积膨胀率。镓，铋的凝固体积膨胀率可达3％；(4)金属凝固后强度高，耐压能力更大；(5)无毒，物化性质稳定。不会出现石蜡或记忆合金高温失效等问题，可保证开关长期稳定运行；(6)石蜡熔化体积膨胀，而低熔点金属部分熔化膨胀，部分凝固膨胀，选材及实现可更加灵活。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于低熔点金属相变体积变化效应的温度开关，该温度开关利用低熔点金属在其相变温度点的体积变化效应，来驱动活塞运动实现迅速的开关动作，以实现根据流体温度控制流体流通状态的目的。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的基于低熔点金属相变体积变化效应的温度开关，如图1所示，其组成如下：

一空心壳体1；所述空心壳体1的壳壁上设有用于流体进、出的至少一个进口J1和至少一个出口C1；

一垂向固定于所述空心壳体1内底面上的固定杆2；

一套装于所述固定杆2外壁上的空心活塞3；所述固定杆2顶端与空心活塞3内顶端之间设有空间5；其空间5内装有液态金属；

一套装于所述空心活塞3外壁上的弹簧4；所述弹簧4的两端分别与空心壳体1和空心活塞3相连接。

所述空心壳体1、固定杆2和活塞3材质均为金属，塑料或陶瓷；所述金属为不锈钢、铜或铝等；所述塑料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚碳酸酯等；所述陶瓷为氧化铝陶瓷等。

所述的弹簧4材质为金属或塑料；所述金属为不锈钢、铜或铝；所述塑料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚碳酸酯等。

本发明的基于低熔点金属相变效应的温度开关的外形尺度可为1微米～1米。

所述的液态金属为熔点在200℃以下的钠、钾、锂、铷、铯、镓、铟、汞、铅铋合金、镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金、铋基合金、汞基合金或钠钾合金。

所述镓基二元合金为镓铟合金、镓铅合金或镓汞合金；

所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。

在实际运行中，本发明提供的基于低熔点金属相变体积变化效应的温度开关开始处于某一状态，随着流体温度的变化，当温度到达温度开关的设计阈值(即低熔点液态金属的熔点)时，液态金属发生相变，空心活塞3在液态金属相变体积力和弹簧力的作用下相对固定杆2发生位移，同时导致空心壳体1上流体进口、流体出口的适度开闭，以此实现根据流体温度控制流体流通状态的目的。

本发明的基于低熔点金属相变体积变化效应的温度开关的优点在于：

(1)反应迅速。低熔点金属(如铋，镓，铟)热导率为石蜡的数百倍，升降温迅速，因此对外界环境温度反应极其灵敏；

(2)监控温度范围广。典型开关温度可由-80℃(NaKCs合金)到270℃(金属铋)，其开关相变点可根据合金配比灵活定制；

(3)高体积膨胀率。镓，铋的凝固体积膨胀率可达3％；

(4)金属凝固后强度高，耐压能力更大；

(5)无毒，物化性质稳定。不会出现石蜡或记忆合金高温失效等问题，可保证开关长期稳定运行；

(6)石蜡熔化体积膨胀，而低熔点金属部分熔化膨胀，部分凝固膨胀，选材及实现可更加灵活。

本发明可广泛应用于智能建筑、余热利用、工业热管理、微流控芯片实验室等领域。

附图说明

图1为实施例1温度开关作为温敏流体阀门处于关闭状态时的结构示意图；

图2为实施例1温度开关作为温敏流体阀门处于打开状态时的结构示意图；

图3为实施例2温度开关作为汽车节温器控制冷却水走小循环的结构示意图；

图4为实施例2温度开关作为汽车节温器控制冷却水走大循环的结构示意图；

图5为实施例3温度开关作为恒温混水阀控制混水水温的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例进一步描述本发明。

实施例1

实施例1展示了本发明的基于低熔点金属相变体积变化效应的温度开关的一种典型应用。图1为该温度开关处于关闭状态时的结构示意图；图2为该温度开关处于打开状态时的结构示意图。

如图1和图2所示，本实施例的低熔点金属相变温度开关由空心壳体1、固定杆2、空心活塞3、弹簧4，以及充注于固定杆2顶端与空心活塞3内顶端之间的空间5中的液态金属组成；

本实施例的空心壳体1侧壁上开设一个流体进入口J1和开于空心壳体1顶壁上一个流体排出口C1；

固定杆2垂向固定在空心壳体1内底端壁上；空心活塞3紧套在固定杆2的外壁上；弹簧4套装于空心活塞3外壁上，其两端分别与空心壳体1和活塞3相连接；

由于弹簧4两端分别连接空心壳体1和空心活塞3，其弹性力可以使空心活塞3相对固定杆2运动；

空心壳体1、固定杆2、空心活塞3的材质均可为金属，塑料或陶瓷等；本实施例中，这些部件的材质均为聚乙烯(当然均为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚碳酸酯亦可)。

所述弹簧4的材质可为金属或塑料；本实施例中，其材质亦为聚乙烯(当然均为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚碳酸酯亦可)。

本发明的温度开关可采用微加工或常规加工方式生产，其外形尺度范围可为1微米～1米之间；在应用在微流控芯片领域时，典型的温度开关尺度可以为数微米；而在应用于大型工业液冷系统中，本发明的温度开关尺度可为数米。

本发明的低熔点金属可为熔点在200℃以下的钠、钾、锂、铷、铯、镓、铟、汞、铅铋合金、镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金、铋基合金、汞基合金或钠钾合金。本实施例中，低熔点金属5为镓铟合金，其熔点可根据元素比例灵活调配，本实施例中选择Ga₆₈In₃₂，其熔点为50℃。

本发明的基于低熔点金属相变体积变化效应的温度开关运行过程如下：

初始状态时，流体温度低于50℃，低熔点金属为固态，体积较大，在其体积膨胀力的作用下，空心活塞3相对固定杆2向上运动，弹簧4同时关闭流体排出口C1(图1中空心壳体1顶端壁流体排出口C1关闭)；当流体温度高于50℃时，低熔点金属吸热熔化，体积变小，在弹簧4的回弹力作用下，空心活塞3相对固定杆2向下运动，弹簧4回力同时开启流体排出口C1(图2中空心壳体1顶端壁流体排出口C1开启)；为此，本发明的温度开关可实现流体温度高于温度阈值(50℃)时允许流体通过，流体温度低于温度阈值时阻止流体通过的功能。因为低熔点金属具有极高的热导率，因此开关反应迅速，延时极小。本实施例的温度开关可广泛应用于智能建筑、余热利用、工业热管理、微流控芯片实验室等领域。

实施例2

实施例2展示了本发明的基于低熔点金属相变体积变化效应的温度开关用作汽车节温器的一种典型应用；图3、图4为其结构示意图。

如图3和图4所示，本实施例的基于低熔点金属相变体积变化效应的温度开关的结构与实施例1基本相同，所不同的是：

空心壳体1上开设一个流体进入口J1和两个流体排出口(位于空心壳体1侧壁底部的小循环出口Cx和位于空心壳体1顶壁上的大循环出口Cd)；其中，经过汽车发动机8被加热的冷却水从位于空心壳体1侧壁中部的流体进入口J1流入，通过小循环出口Cx流出的热水不经过散热器7直接回到汽车发动机8，而从大循环出口Cd流出的热水将经过一散热器7冷却后再流回汽车发动机8。

本实施例的空心壳体1、固定杆2、空心活塞3的材质均为氧化铝陶瓷，弹簧4材质亦为不锈钢(铜或铝亦可)。

本实施例的低熔点金属选择Ga₈₂Sn₁₈，其熔点为70℃。

运行过程如下：汽车发动机8启动时冷却水温度低，此时低熔点金属呈固态体积较大，弹簧4受力压缩；因而节温器底部小循环出口Cx打开，顶部大循环出口Cd关闭，冷却水不经过散热器7，发动机能迅速暖缸，以提高工作性能和减少磨损(图3)；随着发动机8温度逐渐上升，冷却水温度超过温度阈值(70℃)时，低熔点金属熔化，体积变小，在弹簧4回弹力作用下，顶部大循环出口Cd开启，底部小循环出口Cx关闭，冷却水转而流经大循环通往散热器7来避免汽车发动机8过热(图4)；总的来说，基于低熔点金属的汽车节温器(即本发明的基于低熔点金属相变体积变化效应的温度开关)通过对冷却水温度的快速反应，可保证低温时冷却水走底部的小循环回路，而高温时走顶部的大循环回路，以此来维持合适的冷却水及发动机工作温度。

实施例3

实施例3展示了本发明的基于低熔点金属相变体积变化效应的温度开关用作恒温混水阀的一种典型应用。图5为该恒温混水阀调节冷热水混合比例，保证出水温度恒定的示意图。

如图5所示，本实施例中基于低熔点金属相变体积变化效应的温度开关的结构与实施例1基本相同，所不同的是：

本实施例有两个流体进入口(热水进口J1和冷水进口J2)和一个流体排出口(混合水出口C1)。冷、热水分别从各自进入口进入，在混水阀内混合，然后经混合水出口C1流出。

本实施例的空心壳体1、固定杆2、空心活塞3的材质均为不锈钢(铜或铝亦可)。所述弹簧4材质为不锈钢。

实施例的低熔点金属选择Ga₇₈In₂₂，其熔点为35℃。

运行过程如下：温度开关设定温度阈值为35℃(即低熔点金属熔点)；若流体排出口C1混合水温度高于35℃，则低熔点金属5熔化体积缩小，在弹簧4回弹力的作用下空心活塞3相对固定杆2向下运行，减小热水进口并增大冷水进口，因此使混合水温度降低。若出口混合水温度低于35℃，则低熔点金属5凝固体积增大，在金属膨胀力的作用下空心活塞3相对固定杆2向上运行，增大热水进口并减小冷水进口，因此使混合水温度升高。如此往复，温度开关可使混合出水水温恒定在35℃左右。因为低熔点金属具有极高的热导率和较低的热容，因此基于低熔点金属的恒温混水阀具有非常迅速的反应速率，出水温度波动小。本发明可广泛应用于建筑或工业热水控制领域。

本发明对于低熔点金属材料的选择，钠、钾、锂、铷、铯、镓、铟、汞、铅铋合金、镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金、铋基合金、汞基合金或钠钾合金均可适用。其中，镓基合金、铟基合金和铋基合金因为无毒，性质稳定，不易蒸发泄漏等优点为最优选择。钠、钾、锂、铷、铯及其合金化学性质较活泼，必须在良好封装隔绝空气和水情况下应用。汞及其合金成本低，但因为存在一定毒性，因此也必须进行良好的封装后方能使用。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于低熔点金属相变效应的温度开关，其特征在于，其组成如下：

一空心壳体；所述空心壳体的壳壁上设有用于流体进、出的至少一个进口和至少一个出口；

一垂向固定于所述空心壳体内底面上的固定杆；

一套装于所述固定杆外壁上的空心活塞；所述固定杆顶端与空心活塞内顶面之间

设有空间，所述空间内装有液态金属；

一套装于所述空心活塞外壁上的弹簧；所述弹簧的两端分别与空心壳体和空心活塞相连接；

所述的液态金属为熔点在200℃以下的钠、钾、锂、铷、铯、镓、铟、汞、铅铋合金、镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金、铋基合金、汞基合金或钠钾合金。

2.按权利要求1所述的基于低熔点金属相变效应的温度开关，其特征在于，所述空心壳体、固定杆和空心活塞材质均为金属，塑料或陶瓷。

3.按权利要求2所述的基于低熔点金属相变效应的温度开关，其特征在于，所述金属为不锈钢、铜或铝；所述塑料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚碳酸酯；所述陶瓷为氧化铝陶瓷。

4.按权利要求1所述的基于低熔点金属相变效应的温度开关，其特征在于，所述弹簧（4）材质为金属或塑料。

5.按权利要求4所述的基于低熔点金属相变效应的温度开关，其特征在于，所述金属为不锈钢、铜或铝；所述塑料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚碳酸酯。

6.按权利要求1所述的基于低熔点金属相变效应的温度开关，其特征在于，其外形尺度范围在1微米～1米之间。

7.按权利要求1所述的基于低熔点金属相变效应的温度开关，其特征在于，所述镓基二元合金为镓铟合金、镓铅合金或镓汞合金。

8.按权利要求1所述的基于低熔点金属相变效应的温度开关，其特征在于，所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。

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