CN102661260B - 包括相变材料的热活性材料组件及其使用方法 - Google Patents

包括相变材料的热活性材料组件及其使用方法 Download PDF

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Abstract

一种能在致动状况和非致动状况之间转变的热激活材料组件，该组件包括致动器材料，分别响应于被加热以及冷却至高于/低于致动温度使得致动器元件从非致动形状向致动形状致动，并且反之亦然。该组件还包括连接到致动器元件的驱动机构以及与驱动机构相连的相变材料(PCM)。驱动机构使得PCM：(i)在致动器组件处于非致动状况时与致动器元件直接接合以及在致动器组件处于致动状况时与致动器元件脱离；或(ii)在致动器组件处于致动状况时与致动器元件直接接合并且在致动器组件处于非致动状况时与致动器元件脱离。

Description

包括相变材料的热活性材料组件及其使用方法
相关申请
本专利申请要求2010年6月3日提交的名为“ACCELERATINGCOOLING IN ACTIVE MATERIAL ACTUATORS USING HEAT SINKS(使用吸热设备的加速冷却活性材料致动器)”的美国专利申请No.12/792,120和2009年5月8日提交的名为“CONTROLLING HEAT TRANSFER INACTIVE MATERIAL ACTUATORS USING HEAT SINKS，(使用吸热设备的控制热传递活性材料致动器)”的美国专利申请No.12/437,768的优先权并且是其部分延续，其全部内容在此结合作为参考。
背景技术
本发明总体上涉及热激活的活性材料组件的热管理，以及更特别地涉及使用相变材料的热激活的活性材料组件的热管理。
背景
I.形状记忆合金
形状记忆合金(SMA)是给予展现出可以机械地或者热诱导的应变记忆的罕见属性的合金的类属名。该罕见属性主要特征在于被称作形状记忆效应(SME)和超弹性(Superleasticity)的两种热-机械响应。
SMA中的奥氏体或母相在高于被称为奥氏体结束(Af)温度的特征温度时是稳定的。在低于马氏体结束(Mf)温度的温度时，SMA以低模量相(被称为马氏体)存在。SMA的罕见的热-机械响应归因于在奥氏体与马氏体相之间的可逆的、固态的、热弹性转变。
三个其他的特征温度通常用于识别SMA材料的状态。当SMA样品冷却时，马氏体在马氏体开始(Ms)温度开始成核；当样品被加热时，在奥氏体开始(As)温度开始马氏体向奥氏体的转变。在温度低于Mr时，SMA最显著地展现出SME，并且为了超弹性性能材料必须在Af温度之上。在温度高于Md时，SMA损失其独有的属性并且表现为像普通材料。在许多SMA中，这些温度的关系如下：Mf＜Ms＜As＜Af＜Md。
II.形状记忆效应
SMA材料在Af之上的温度典型地以热-机械地处理从而赋予其所需的形态，例如通过将材料拉为线。当材料冷却至低于Mf的温度时，其保持赋予其的原始的肉眼可见的形态，但当材料从奥氏体变化为马氏体时其晶体结构发生了变化。
在机械负载作用到SMA样品上时，马氏体材料遵循虎克定律开始弹性变形。当用品中的应力到达被称为马氏体的第一屈服点的临界应力时，经由被称作去孪晶(de-twinning)的剪切状机构以几乎恒定的应力发生变形。
去孪晶与原子的协作的重新排列相关，包括SMA的晶体结构中原子面(孪晶界面)的滑动。尽管每个原子的位移很小，但由于材料中所有或大多数原子的协调运动的累积，SMA的总变形可以是显著的(例如，高达8％应变对比大多数金属的＜1％应变)。由于总变形很大，SMA看起来像弹性变形-因此该性能经常被描述为假塑性体。然而，不同于由于错位运动产生并且因此不可逆的塑性变形，经由去孪晶机构的马氏体SMA的变形不包括错位运动或内部原子键的断裂。因此，该变形是可逆的。如果SMA在该相被卸载，总变形的弹性分量完全恢复，但保持去孪晶变形。
加热材料高于As温度引起了马氏体向奥氏体转变。马氏体相的微观结构可以包括具有多个能量相同的微观结构的邻接区域。相反地，奥氏体相具有唯一的一个微观结构，其在马氏体向奥氏体转变期间被恢复。因此，该转变使得SMA材料恢复在制造期间赋予其的原始形态。换句话说，通过加热变形的SMA高于Af，假塑性应变完全地恢复。在马氏体向奥氏体转变完成后，将材料冷却至低于Mf不会导致形态有任何更进一步的变化。
其中在低温下作用直至加热至较高温度的SMA材料恢复表观的塑性变形的现象被称作形状记忆效应。
如果在伪塑性变形SMA材料中与马氏体向奥氏体转变相关的形态的变化(例如，形状，尺寸，等)通过外部作用的力/约束被阻止，产生了相当大的内应力以对抗外部力/约束。该力可以用于驱动外部负载，由此使得SMA材料用作致动器。
A.单向SME
在上述描述中，在温度低于Mf经受假塑性变形的SMA材料能够通过加热高于Af而恢复赋予其的原始形态。材料随后冷却低于Mf不会在形态上产生任何进一步的变化。换句话说，存在与高于Af的卸载SMA样品相关的单一形态，但其在低于Mf的温度下存在许多不同的形态。如此，材料仅在加热时展现出“记忆”，并且因此，该现象被称作单向形状记忆效应。
B.双向SME(TWSME)
1.内在的
热-机械处理可以给予SMA展现出内在的双向形状记忆效果的能力。适当处理的SMA材料可以记忆两种形状-一个与高于Af的温度相关以及另一个与低于Mr的温度相关。加热这样的材料的卸载的样品高于Af将使得样品获得其高温形状，而冷却低于Mf将使其恢复回到其低温形状。
2.外在的
具有单向SME的SMA已经发展到他们已经在许多商业应用中使用的点上。相反地，展现出TWSME的材料总体上仍然在发展阶段。在许多实际应用中，由展现出内在TWSME的SMA制成的元件的性能可以由包括由展现出单向SME的SMA制成的元件的系统复制，该元件与被称作偏置元件的另一元件在机械性上对抗。这样的系统被称为展现出了外在的TWSME。
在这些系统中，两个元件之一在低于Mf的温度时控制另一个，产生了用于系统的一个形态(或平衡配置)。当SMA被加热高于其Af时，SMA元件的刚性增加，由此将系统的平衡配置变为其高温形态。SMA元件的随后的冷却使得系统恢复至其低温形态。
与诸如SMA致动器的热装置相关的挑战包括减少循环时间-装置致动或去致动(de-actuate)所需的时间，以及防止装置的热过载。本发明提供用于具有热装置的系统的这些以及其他方面优点。
发明内容
本发明的各个实施例提供具有相变材料的致动器元件组件，以及包括该致动器元件组件的系统以及用于使用该组件的方法。在一个方面中，本发明涉及一种能在致动状况和非致动状况之间转变的热激活材料组件。该方面的组件包括具有由致动温度和重置温度限定的致动器材料的致动器元件。当致动器材料被供给以热量形式的激励，将其温度增加至其致动温度或以上时，致动元件从其中致动器组件处于非致动状况的非致动形状致动至响应于被加热至致动温度将致动器组件转变至致动状况的致动形状。激励的除去导致了材料的冷却；当材料冷却至重置温度或以下时，并且致动器元件从致动形状去致动回到非致动形状。在一些实施例中，组件还包括连接到致动器元件的驱动机构以及与驱动机构相连的相变材料(PCM)。
PCM具有由相变温度限定的并且响应于被加热至相变温度或高于相变温度使得PCM从第一状态过渡至第二状态的PCM材料。驱动机构使得PCM在致动器组件处于非致动状况时与致动器元件直接接合并且在致动器组件处于致动状况时与致动器元件脱离。
在另一方面中，本发明还涉及一种热激活材料致动器组件，其可在致动状况和非致动状况之间转变。该方面的组件包括具有由致动温度和重置温度限定的致动器材料的致动器元件。响应于被加热至致动温度，致动器材料使得致动器元件从其中致动器组件处于非致动状况的非致动形状致动至将致动器组件转变至致动状况的致动形状。响应于被冷却至重置温度，致动器材料还使得致动器元件从致动形状致动返回至非致动形状。组件还包括连接到致动器元件的驱动机构以及与驱动机构相连的PCM。驱动机构使得PCM在致动器周期的一个部分(例如，致动)期间与SMA致动器元件直接热接触并且在致动周期的另一部分(例如，去致动)期间离开与致动器元件的直接热接触。
PCM具有由相变温度限定的并且响应于被加热至相变温度或以上使得PCM从第一状态过渡至第二状态的PCM材料。在几乎恒温或温度的较窄范围内，相变伴随有热量的显著吸收(例如，固体的熔化)或释放(例如，液体的冻结)。与当材料没有经受相变(例如，固体的加热或冷却低于其熔点)时吸收或释放的显然相比较，吸收(例如，熔化潜热)或释放(例如，熔化潜热)大量热量的该能力使得PCM材料对于热管理应用来说是有吸引力的。虽然固体-固体以及液体-气体的相变也可以用于大规模热吸收、存储和释放，但是最普通的PCM使用固体-液体相变。
为了便于说明，在本申请中主要描述的是固体-液体相变-例如，在此使用的术语包括固相、液相、熔点、熔化和冻结，分别替代了转变前相、转变后相、相变温度、前向转变和反向转变。然而，应当理解，术语的选择并不旨在排除其他类型的PCM。
通常，PCM元件可以采用环绕SMA致动器元件的PCM简单涂层的形式，或其可以采用由滑动过SMA致动器的PCM制成的护套的形式，或其可以采用包括PCM和非PCM成分的热合成物的形式，或其可以采用包含PCM的固体外壳的形式。热合成物可以具有分布在PCM基体(例如，石蜡热合成物中的铜丝网以改进PCM热合成物的热扩散率)内的非PCM材料或具有封装在非PCM基体(例如，散布在热传导硅树脂基体中的PCM微小珠)中的PCM材料。
在另一方面中，本发明还涉及一种热激活材料致动器组件，其可在致动状况和非致动状况之间转变。组件包括具有由致动温度和重置温度限定的致动器材料的致动器元件。响应于被加热至致动温度，致动器材料当暴露于热激励时，使得致动器元件从其中致动器组件处于非致动状况的非致动形状致动至将致动器组件转变至致动状况的致动形状。
当暴露于热激励时，致动器材料还响应于冷却至重置温度，使得致动器元件从致动形状返回至非致动形状。在本发明的一个特别的实施例中，组件包括热合成物。热合成物包括由相变温度限定的并且响应于被加热至相变温度使得PCM从第一状态过渡至第二状态的PCM材料。热合成物还包括与PCM材料一起分布的非PCM材料，非PCM材料具有比PCM材料更高的传导性，由此促进了导入至PCM的近端区域的热向PCM的远端区域的传递。
本发明还涉及以下的技术方案。
1.一种能在致动状况和非致动状况之间转变的热激活材料组件，该组件包括：
具有由致动温度和重置温度限定的致动器材料的致动器元件，其中致动器材料：
响应于被加热至致动温度或以上，使得致动元件从其中致动器组件处于非致动状况的非致动形状致动至将致动器组件转变至致动状况的致动形状；以及
响应于冷却至重置温度或以下，使得致动元件从致动形状致动回到非致动形状；
连接到致动器元件的驱动机构；
与驱动机构相连的相变材料(PCM)，PCM由相变温度限定并且响应于被加热至相变温度或以上而使得PCM从第一状态过渡至第二状态；
其中驱动机构配置成：
使得PCM在致动器组件处于非致动状况时与致动器元件直接接合并且在致动器组件处于致动状况时与致动器元件脱离；或
使得PCM在致动器组件处于致动状况时与致动器元件直接接合并且在致动器组件处于非致动状况时与致动器元件脱离；以及
护套，所述护套环绕PCM的至少一部分从而当PCM处于第二状态时容纳PCM材料。
2.如权利要求1所述的热激活材料组件，其中：
驱动机构配置成使得PCM在致动器组件处于非致动状况时与致动器元件直接接合并且在致动器组件处于致动状况时与致动器元件脱离；以及
PCM配置成使得相变温度低于致动器元件的致动温度并且高于在组件工作期间组件预期所处的环境温度。
3.如权利要求1所述的热激活材料组件，其中：
驱动机构配置成使得PCM在致动器组件处于致动状况时与致动器元件直接接合并且在致动器组件处于非致动状况时与致动器元件脱离；以及
PCM相变温度低于致动器元件的致动温度。
4.如权利要求1所述的热激活材料组件，其中，PCM连接至驱动机构。
5.如权利要求1所述的热激活材料组件，其中，PCM是驱动机构的组整体部分。
6.如权利要求1所述的热激活材料组件，其中，PCM包括与PCM材料一起形成PCM热合成物的非PCM材料，非PCM材料具有比PCM材料更高的传导性，由此促进了导入至PCM的近端区域的热向PCM的远端区域的传递。
7.如权利要求1所述的热激活材料组件，其中，该组件设计为当PCM暴露于热源时实现所需的热管理特征，其中，所述热源所处的温度高于在组件工作期间组件预期所处的环境温度。
8.如权利要求1所述的热激活材料组件，其中，驱动机构向致动状况和非致动状况中的一种偏置致动器组件。
9.如权利要求1所述的热激活材料组件，其中，PCM包括形状记忆合金(SMA)。
10.如权利要求1所述的热激活材料组件，其中，PCM包括形状记忆聚合物(SMP)。
11.一种能在致动状况和非致动状况之间转变的热激活材料组件，该组件包括：
具有由致动温度和重置温度限定的致动器材料的致动器元件，其中，致动器材料：
响应于被加热至致动温度或以上，使得致动元件从其中致动器组件处于非致动状况的非致动形状致动至响应于被加热至致动温度将致动器组件转变至致动状况的致动形状；以及
响应于冷却至重置温度或以下，使得致动元件从致动形状致动回到非致动形状；以及
布置在组件中邻近致动器元件的相变材料(PCM)池，从而当致动器元件从致动状况过渡至非致动状况并且返回至致动状况变化时，致动器元件有选择地移动离开、进入以及回到离开与PCM池热接触，其中PCM池由相变温度限定，其中响应于被加热至相变温度或以上，PCM池从第一状态过渡至第二状态。
12.如权利要求11所述的热激活材料组件，其中：
PCM配置成使得相变温度低于致动器元件的致动温度。
13.如权利要求11所述的热激活材料组件，还包括环绕PCM池的至少一部分的外壳。
14.如权利要求11所述的热激活材料组件，其中：PCM包括与PCM材料一起形成PCM热合成物的非PCM材料，非PCM材料具有比PCM材料更高的传导性，由此促进了导入至PCM池的热传递。
15.如权利要求11所述的热激活材料组件，其中，PCM包括从包括形状记忆合金(SMA)和形状记忆聚合物(SMP)的一组材料中选择出的至少一种材料。
16.如权利要求11所述的热激活材料组件，还包括配置并且布置在组件中以限制作用在致动器元件上的应变的止挡件。
17.一种能在致动状况和非致动状况之间转变的热激活材料组件，该组件包括：
具有由致动温度和重置温度限定的致动器材料的致动器元件，其中：
响应于被加热至致动温度，致动器材料使得致动器元件从其中致动器组件处于非致动状况的非致动形状致动至将致动器组件转变至致动状况的致动形状；以及
响应于被冷却至重置温度，致动器材料使得致动器元件从致动形状致动回到非致动形状；以及
连接到致动器元件的相变材料(PCM)合成物，PCM合成物包括：
由相变温度限定的并且响应于被加热至相变温度使得PCM从第一状态过渡至第二状态的PCM材料，以及
与PCM材料一起分布的非PCM材料，非PCM材料具有比PCM材料更高的传导性，由此促进了导入至PCM的近端区域的热向PCM的远端区域的传递。
18.如权利要求18所述的热激活材料组件，其中，PCM配置成使得相变温度低于致动器元件的致动温度并且高于在组件工作期间组件预期所处的环境温度。
19.如权利要求18所述的热激活材料组件，还包括护套，所述护套环绕PCM的至少一部分从而当PCM处于第二状态时容纳PCM材料。
20.如权利要求18所述的热激活材料致动器组件，其中，该组件设计为当PCM暴露于热源时实现所需的热管理特征，其中，所述热源所处的温度高于在组件工作期间组件预期所处的环境温度。
本发明的其他方面将在下文中部分地表现出和部分地指出。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的包括相变材料元件的致动器组件的横截面。
图2示出了根据本发明的另一实施例的包括包含相变材料的热合成物的致动器组件的横截面。
图3A示出了根据本发明的一实施例的包括围绕或包括相变材料的移动块体的致动器组件在致动之前的横截面。
图3B示出了致动后的图3A的致动器组件的横截面。
图4A示出了根据本发明的一实施例的包括相变材料的移动块体的另一致动器组件在致动之前的横截面。
图4B示出了致动后的图4A的致动器组件的横截面。
图5A示出了根据本发明的一实施例的包括相变材料池的致动器组件在致动之前的横截面。
图5B示出了致动后的图5A的致动器组件的横截面。
具体实施方式
根据需要，在此公开本发明的具体实施例。公开的实施例仅仅是示例，其可能以多种以及可替换的形式以及其结合实施。如在此使用的，例如，″示例性的″以及类似的术语可扩大地涉及作为示例、范例、模型或图案的实施例。
附图并不必须按比例并且一些特征可以放大或缩小，例如以示出特殊部件的细节。在一些情况下，为了避免模糊本发明，公知的部件、系统、材料或方法没有具体描述。所以，在此公开的具体的结构和功能细节不是解释为限制，而仅仅作为权利要求的基础以及用于教导本领域技术人员多样地使用本发明的代表性的基础。
I.本发明的概述
在各个实施例中，本发明描述了具有诸如形状记忆合金(SMA)致动器元件的热敏元件，以及用于热敏元件的热管理的相变材料(PCM)元件的组件。尽管描述的实施例通常与SMA致动器相关，但是本发明的教导可以与具有其他热激活活性材料的组件一起实施。
在此描述的各个实施例中，PCM元件布置在组件中以永久或间歇地与SMA致动器元件热接触。PCM元件通过减少致动器的致动时间，减少致动器的去致动时间，和/或提供对热活性元件的热过载的保护而影响SMA致动器的性能。
II.热敏元件
作为示例性的热敏元件，主要描述了形状记忆合金(SMAs)以及形状记忆聚合物(SMPs)。
A.形状记忆合金
SMA是在经受适当的热激励时展现返回到预先限定的形状和/或尺寸的能力的合金。典型地，SMA用来执行有用机械功。例如，SMA可以连接到诸如开关或要移动块体的负载，以及连接到可操作将激活信号传输至SMA的启动源。激活信号可以是，例如热输入、机械输入、或结合的热-机械输入。
本发明的致动器组件可以在多种背景下使用。例如，致动器组件可以在汽车应用中使用，例如燃料喷射器或客舱特征(例如，座位腰椎支撑控制)。
激活热源可以是致动器组件外部的热源，例如汽车排放系统、加热/冷却系统、或发动机。来自外部源的热量可以是否则未使用的余热或副产物热量。回收这样的余热是产生SMA工作的有效方法，因为激活热量不需要单独地产生并且不浪费所使用的余热。同样，余热可以以这样的方式从源取回，使得源在过程中有利地冷却。
在一些实施例中，启动源还可以是电力供应，交流或直流的，以及使电流通过电阻而产生的热能。这类的加热被称为焦耳加热。电力供应可以是，例如，使用SMA的车辆的充电系统。控制器(例如，计算机控制器)可以连接到热或者电源以及SMA上以控制SMA的致动和/或SMA与PCM之间的接合的定时。
SMA能够经受相变，其中，它们的刚度、尺寸和/或形状根据温度而变。通常，在低温或马氏体相时，SMA可以伪塑性变形并且在暴露于一些较高温度时将转变为奥氏体相或母相，返回到它们的永久形状。在SMA元件的制造期间，奥氏体相形状可以设定。仅在加热时展现该形状记忆效果的材料被称为是具有单向形状记忆。如在下文中所述的，在再次冷却时也展现形状记忆的材料被称为是具有双向形状记忆性能。
SMA以一些不同的随温度而变的相存在。这些相中通常所利用的是如上所述的所谓马氏体和奥氏体相。在下面的讨论中，马氏体相通常是指可变形更多的、较低温度相，然而奥氏体相通常是指较硬的、较高温度相。当SMA处于马氏体相并且被加热时，其开始变为奥氏体相。在该现象开始时的温度通常被称为是奥氏体开始温度(As)。在该现象结束时的温度通常称为奥氏体结束温度(Af)。
当SMA处于奥氏体相并且被冷却时，其开始变为马氏体相，并且在该现象开始时的温度被称为是马氏体开始温度(Ms)。在奥氏体结束转变为马氏体时的温度被称为马氏体结束温度(Mf)。鉴于上文，与SMA一起使用的适当激活信号是具有引起在马氏体与奥氏体相之间转变的幅度的热激活信号。
取决于合金成分与过程历史，SMA可以展现单向形状记忆效果、内在的双向效果、或外在的双向形状记忆效果。退火的SMA典型地仅展现出单向形状记忆效果。在形状记忆材料的低温变形之后的充分加热将引起马氏体-奥氏体型过渡，并且材料将恢复原始的退火形状或永久形状。因此，单向形状记忆效果仅仅在加热时观察到。包括展现出单向记忆效果的SMA成分的活性材料在冷却时不会自动地恢复成它们暂时的形状或变形形状，并且可能需要外部的机械力以恢复成它们暂时的形状。
内在的和外在的双向形状记忆材料的特征在于在加热时从马氏体相向奥氏体相的形状过渡，以及在冷却时从奥氏体相返回至马氏体相的附加形状过渡。内在的双向形状记忆性能必须通过热-机械处理在形状记忆材料中产生。这样的处理包括在马氏体相时材料的极度变形，在约束或负载下加热-冷却，或例如激光退火、磨光或喷丸处理的表面改性。一旦材料已经训练出展现双向形状记忆效果，在低和高温状态之间的形状改变通常是可逆的并且在大量的热循环内持续。相反地，展现出外在的双向形状记忆效果的活性材料是将展现出单向效果的SMA成分与提供恢复力以恢复合成物的原始形状的另一成分组合的合成物或多组分材料。
当加热时SMA恢复其永久形状时的温度可以通过合金的成分中的轻微改变以及通过热处理进行调整。例如，在镍-钛SMA中，其可以从高于约100℃至低于约-100℃变化。形状恢复过程在仅仅几度的范围内发生并且取决于所需应用以及合金成分，转变的开始或结束可以控制在一度或两度。SMA的机械性能在横跨它们转变的温度范围内较大程度地变化，典型地给系统提供形状记忆效果、超弹性效果以及高阻尼容量。
适当的SMA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(例如，铜-锌合金，铜-铝合金，铜-金，铜-钛-镍，以及铜-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，等等。合金可以二元的，三元的，或任意更高元的，只要合金成分展现出形状记忆效果，例如，尺寸，弹性模量，阻尼容量的变化，等等。
在典型的使用中，当加热高于它们的马氏体-奥氏体相过渡温度时，SMA展现出约2.5倍的模量增加以及高达约8％(取决于预-应变的量)的尺寸变化(当处于马氏体相时引起的伪塑性变形的恢复)。一个示例性的可商业获得的SMA是Flexinol(Flexinol是California的Tustin的Dynalloy公司的注册商标)。
B.形状记忆聚合物
热激活形状记忆聚合物(SMPs)是展现出所有下列属性的聚合物：
1.它们的弹性模量在窄的过渡温度范围内显著地变化(通常在约1-3个数量级之间)；
2.该温度范围可以通过改变聚合物的成分而调节成位于包括约0至约150℃的间隔的宽范围内；以及
3.在高于过渡范围的温度时，在材料的弹性响应中存在有限的橡胶状的平稳状态，其中，模量保持相当恒定。
除弹性模量之外，SMP的属性(例如水分渗透率、折射率等)在过渡温度范围内也展现出显著的变化。由其它激励(例如光，湿度等)激活的SMP显示出了类似的性能，其中属性的变化发生在具体激励的有限的单独的离散值的范围内，或对应于具体激励的有限的单独的离散值。
这些属性是聚合物的形态结构的结果，其包含由两种类型的交联键连接的原子链：不可逆的和可逆的。后一种类型可以通过供给充分的热能以将聚合物温度升高高于热激活材料SMP的过渡范围而被破坏。在这种情况下，聚合物中的链仅仅通过不可逆的交联键保持在一起。从此，聚合物的弹性模量很低并且材料可以拉伸至高应变(例如，高达大约300％)。
由于较少的交联键，聚合物链在不使得可逆的交联键破坏的情况下可以彼此相互移动显著的距离以适应大的应变，并且因此没有塑性破坏。如果在聚合物冷却至低于过渡范围的温度的同时如果保持该变形，可逆的交联键在它们的新位置中的聚合物链之间形成。交联键的增加密度抑制了聚合物链的相对运动，并且因此增加了材料的刚性。新形成的可逆交联键起到锁定在高于过渡范围时赋予聚合物的变形的作用。实验显示，聚合物可以将变形形状保持在延长的时间(例如，高达约6个月)，只要它们在低于过渡范围时在聚合物的弹性极限内被加载并且材料温度不上升至或高于过渡范围。聚合物的随后加热高于过渡范围使得可逆的交联键断开，并且如果材料没有外部负载，其恢复在较早在高于过渡范围时引起的变形。应变恢复几乎完成-例如，在多数情况下大约98％或以上。因此，SMP可以通过在高于过渡范围时变形以及冷却低于过渡范围而赋予临时的形状。在没有外部负载的情况下通过简单地加热聚合物高于过渡范围，可以恢复原始形状。
取决于聚合物形态组织的性质，可以形成多种SMP。分类SMP的一种方式是基于交联键的性质。热固性SMP中的不可逆交联键是由共价键形成。热塑性SMP不具有真正不可逆的交联键。相反，它们具有在有限的单独的温度范围内形成并且断裂的两种或更多种可逆的交联键。聚合物在上面指定的某些方式存在的任何这些温度范围可以当做材料的过渡范围。典型地，落入材料的正常工作条件的范围的最低温度范围用作过渡范围。当材料加热高于其过渡范围时，仅仅对应于该范围以及所有较低范围的交联键断裂。在较高温度下断裂并且形成的交联键是不受影响的，并且它们在SMP的该类别中起到不可逆的交联键的作用。
当聚合物的温度横跨特征切换温度时，属性中的上述变化发生。当可逆的交联键归因于玻璃状态(即，玻璃化)的形成时，特征切换温度是该状态的玻璃过渡温度。当可逆的交联键由于微结晶区的形成而形成时，特征切换温度是该状态的熔点。
SMP可以展现对应于不同相的形成或分解的多个切换温度。通常，最高切换温度对应于高于设定SMP的永久形状的温度。基于特定应用的具体需求，任何其余(即，较低)切换温度可以选择用于该应用。
通过将材料加热至比聚合材料的选择切换温度高但比材料的下一更高切换温度低的温度，可以设定临时形状。当在处于或高于该温度时使得材料变形至该形状，之后通过将其冷却至低于选择的切换温度同时保持该形状以将形状固定，将材料变形为该形状的同时，设定临时形状。通过将材料加热至选择的切换温度之上，材料可以恢复到永久形状。在一些实施例中，重要的是确保当其恢复到永久形状的同时没有外部负载作用在材料上。
例如，聚合材料的永久形状可以使表示实质上平直形状并且限定第一长度的线，而临时形状可以是限定小于第一长度的第二长度的类似的线。在另一实施例中，材料可以表示当被激活时具有第一弹性模量并且当被去激活时具有第二模量的弹簧。
永久形状复原所需的温度可以设定在约-63℃与约120℃或以上之间的任意温度。设计聚合物本身的成分和结构可以允许选择用于所需应用的特定温度。用于形状恢复的优选温度是大于或等于约-30℃，更优选地大于或等于约0℃，并且最优选地温度大于或等于约50℃。同样，用于形状恢复的优选温度是小于或等于约120℃，并且最优选地小于或等于约120℃并且大于或等于约80℃。
合适的SMP包括热塑塑料，热固性材料，互穿网络，半互穿网络，或混合网络。聚合物可以是单种聚合物或聚合物的混合物。聚合物可以是直线或具有侧链或树枝状的结构成分的分支热塑性弹性体。形成形状记忆聚合物的合适聚合物成分包括，但不限制于，聚磷腈，多聚(乙烯醇)聚酰胺，聚酯氨化物，多聚(氨基酸)，聚酐，聚碳酸酯，聚丙烯酸酯，聚烷撑，聚丙烯酰胺，聚二醇，聚烷撑氧化物，聚烷撑对酞酸盐，聚糖酯，聚乙烯醚，聚乙烯酯，聚乙烯卤化物，聚酯，聚交酯，聚乙二醇，聚硅氧烷，聚氨基甲酸酯，聚醚，聚醚氨化物，聚醚酯纤维，和其共聚物。合适的聚丙烯酸酯的例子包括多聚(甲基丙烯酸甲酯)，多聚(甲基丙烯酸乙酯)，摺叠(甲基丙烯酸丁酯)，多聚(甲基丙烯酸异丁酯)，多聚(己基异丁烯酸)，多聚(异癸异丁烯酸)，多聚(甲基丙烯酸月桂酯)，多聚(苯基异丁烯酸)，多聚(丙烯酸甲酯)，多聚(异丙基丙烯酸盐)，多聚(丙烯酸酸异丁酯)和多聚(十八基丙烯酸盐)。其他的合适的聚合物的例子包括聚苯乙烯，聚丙烯，聚乙烯石炭酸，聚乙烯吡咯烷酮，氯化聚丁烯，多聚(十八基乙烯醚)乙烯-乙酸乙烯共聚物，聚乙烯，多聚(环氧乙烷)-多聚(对苯二甲酸亚乙酯)，聚乙烯/尼龙(接枝共聚物)，聚己酸内酯-聚酰胺(块状共聚物)，多聚(己内酯)二甲基丙烯酸酯-丙烯酸正丁酯，多聚(降莰烷-多面的寡聚半硅氧烷)，聚氯乙烯，聚氨酯/丁二烯共聚物，聚氨基甲酸酯块状共聚物，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯块状共聚物等等。
尽管SMP可以多样地以块、片材、平板、栅格、桁架、纤维或泡沫形式使用，但他们需要持续动力以维持在它们的较低模量状态中。
III.相变材料
相变材料(PCM)可以被用作潜热储存和释放。PCM具有与相变相关的相对较高的转变焓(例如，与从固体到液体相变相关的熔化潜热)，以及能够存储和释放相对较大的能量。当材料改变其相时热量被吸收或释放，例如从固体至液体，液体至固体，液体至气体，气体至液体，以及固体至固体。最通常使用的相变是固体至液体。通常，液体-气体相变发生相对较快并且包括相对较高的转变焓，并且固体-固体相变发生相对较慢并且包括相对较低的转变焓。
当加热固体至液体PCM时，例如PCM最初具有显热储存(SHS)材料，并且当其吸收热量时其温度增加。不同于SHS材料，然而，当固体-液体PCM到达它们相变的温度时，在保持名义上的恒温的同时它们吸收大量的热。固体-液体PCM将在没有显著的升温的情况下继续吸收热量，直到全部材料变化为液相为止。其他类型的PCM展现出类似的属性。
当在其液相时PCM的温度减少为低于相变温度时，PCM释放其存储的潜热，并且如果附近的温度低于其熔点，那么最后固化。
据估计，PCM每单位体积比诸如水、砖体或岩石的一些吸热材料存储在约五倍以及约十四倍之间的热量。可利用具有在任意宽范围相变温度的PCM。例如，可利用具有约-5℃与约190℃之间的相变温度的PCM。
PCM类型包括有机的PCM和无机的PCM。有机的PCM包括，例如，诸如十八碳烷的石蜡(CnH2n+2)以及脂肪酸(CH3(CH2)2nCOOH)。无机的PCM包括，例如，盐水合物(MnH2O)。另一类型的PCM是低共熔混合物，其是多种有机材料或有机和无机材料的结合。
用于选择PCM的变量包括热特性(例如，每单位体积的熔解热，比热，导热率/容积热存储率，放热率)，运动学属性(例如，容积的变化，相变的一致性，熔解的一致性，以及核化(自核化对比需要成核剂))，化学属性(例如，稳定性，分离量，相变之间完全可逆性，多个相变周期后的退化，以及腐蚀性)，以及经济因素(例如，成本和利用率)。
IV.相变材料涂层
现在转向附图，尤其是附图1，描述了使用相变材料(PCM)的示例性的热敏组件100。组件100包括热敏元件102和具有限定的相变温度的PCM104。PCM 104涂敷，环绕，和/或封装热敏元件102。布置组件100使得PCM104在热敏元件102的全部或部分致动/去致动周期与热敏元件102热接触。尽管本发明的教导可以用来改进其它热敏元件102的性能，但热敏元件主要地描述为热敏致动器，举例来说，更特别地作为SMA致动器元件。
SMA致动器元件102的常见形状包括线、悬臂梁、弹簧、带、条、片材、管、缆、绳以及辫。SMA致动器元件102可以包括一个或多个部件。例如，在一些实施例中(未示出细节)，SMA致动器元件102包括单个线或例如并联或成辫的一束线。这样的多部件SMA致动器元件的部件可以具有相同或不同的特征，例如尺寸，形状，以及材料。
PCM 104相对于SMA致动器元件102定形状、尺寸以及布置，以减少SMA致动器元件102的致动时间，减少SMA致动器元件102的去致动时间，和/或防止致动器组件100总体过热或SMA致动器元件102过热，尤其如以下描述的更多细节。
PCM 104包括设定尺寸，形状以及布置在组件100中的第一表面104b以与SMA致动器元件102的表面102a接触。在各种实施例中，PCM 104设定尺寸，形状，以及布置为与SMA致动器元件102的表面102a永久地或断续地接合。接触可以被称为是两个元件102，104之间的热耦合。在图1所示的实施例中，PCM 104的第二表面104a暴露于周围环境108(例如，空气)。
当其温度到达相变温度时，采用涂层、护套、圆筒等形式的PCM部件104改变相位。虽然固体-固体以及液体-气体的相变也可以被用作能够热存储/释放的PCM，但是最普通的PCM应用使用固体-液体相变。照这样，为了便于说明，在此使用的固体-液体PCM的术语包括固相、液相、熔点、熔化和冻结，分别替代了转变前相、转变后相、相变温度、前向转变和反向转变。然而，应当理解本发明适于其他类型的PCM。
PCM 104可以被选择且/或PCM材料的成分可以被定制以获得所需特征。例如，可以选择具有选择的相变温度的PCM 104。用于选择相变温度的变量包括热敏SMA致动器元件102的致动温度。例如，PCM 104的熔化或蒸发温度可以表示为SMA致动器元件102的相变温度的百分比。在一个实施例中，选择了PCM 104和SMA致动器元件102，从而PCM 104具有在SMA致动器元件102的激活温度的约110％与约125％之间的相变温度。
如在下文中更详细地描述的，PCM 104可以选择或使适合具有低于激活温度、处于激活温度或高于激活温度的相变温度，以促进PCM 104与SMA致动器元件102之间的对应有益热传递特征。例如，取决于在致动周期期间或之间PCM以及SMA致动器元件的相对温度，PCM 104从SMA致动器元件102吸收热量或释放热量至SMA致动器元件102。
PCM 104吸收和释放热量的速率至少部分地取决于PCM 104的熔化焓，又名熔化潜热，熔化潜热，或熔化的焓变，其通常表示为AHfus。用于材料的熔化的标准(或摩尔)焓是一摩尔材料改变状态时吸收或者析出的热能的量，例如从固体到液体或反之亦然。在一个实施例中，PCM 104具有在约100焦耳/克(J/g)与约300J/g之间的熔化焓，例如，是具有至少一些石蜡的情况，然而具有宽范围的其它熔化焓的PCM可以被用在本发明的组件和方法中。
如还在下文中描述的，PCM 104在一些实施例中用作用于预热SMA致动器元件102的紧凑热储存元件以减少用于SMA致动器元件102的致动时间和/或减少动作时间的环境相关性。在一些特别的实施例中，SMA致动器元件通过PCM 104预热，其继而由诸如副产品的供给的外部热源或来自致动器外部的系统(例如，使用致动器组件100的汽车的发动机或加热/冷却系统)的余热加热。
在一些实施例中，如图1所示，PCM 104至少部分地由护套106围绕。当PCM 104在部分地或完全地熔化状态时，PCM护套106保持PCM 104。护套106材料可以选择为具有大于PCM 104的传热速率，并且在一些特别的实施例中，大于PCM 104的导热率的约150％与约200％之间，从而利于在容纳PCM104的同时热能从PCM 104排出。护套106可以包括任意多种材料以及材料的组合。在一些实施例中，护套106由铜(例如，铜合金)或铝(例如，铝合金)形成，其分别呈现出约400瓦特每开尔文每米(W/mK)以及250W/mK的导热率。在一些实施例中，护套106具有低于PCM 104的导热率，并且从而通过防止热量穿过对应的界面离开PCM而展现出隔热属性。
护套106可以相对于PCM 104设定尺寸，形状以及布置从而在组件100在所需的方式工作期间在PCM 104与周围环境108之间传递热量。护套106可以具有多种尺寸和形状，在一些实施例中，护套106具有对应于SMA致动器元件102的形状的形状。在一些实施例中，护套106是可拉伸的以在组件100的工作循环中适应PCM 104的膨胀和收缩。
在图1所示的实施例中，PCM 104设定尺寸，形状以及在其它方面配置成使得SMA致动器元件102的更远离PCM 104的部分104d有效地作为护套，保持PCM 104的更近端部分104p。在该实施例中，只要远端部分104d不熔化，任何熔化或汽化的PCM由远端部分104d封装。在一些实施例中，配置组件100从而在PCM 104的端部(未示出细节)的PCM 104的近端区域104p未完全熔化，从而熔化的PCM不排出端部。在一些特别的实施例中，PCM 104的一个或多个端部热接地，其将PCM 104的端部(例如，近端和远端)保持在较低温度，同时PCM 104的非端部的近端部分的温度增加，并且因此防止它们熔化。在一个特别的实施例中，PCM 104的一个或多个端部配备有端帽(未示出)以避免从熔化的PCM芯的渗漏。
组件100可以配置为使得SMA致动器元件102在PCM的更远端部分104d变为液体或气体相位之前将完全致动。
为了将PCM 104与SMA致动器元件102之间的能量传递最大化，两个元件之间的面-面接触应当最大化。在一个实施例中，组件100通过在PCM处于完全或至少部分液相的同时将SMA致动器元件102牵拉通过PCM而形成。在另一实施例中，组件100通过围绕SMA致动器元件102制模或收缩包裹PCM104而形成。
在一个设想的实施例中，在组件的形成期间和/或工作期间，中间材料(未示出)引入在PCM 104与SMA致动器元件102之间。例如，在一个实施例中，例如热油脂的热传递界面可以引入在两个之间。
在本发明的一个方面中(未示出)，组件100或包括组件100的系统配置为使得流体(例如，空气，另一气体，或液体)连续地或有选择地与PCM104的外表面104a接合。在一些实施例中，流体热连接至可操作地加热和/或冷却流体的源，并且由此PCM 104逼近目标温度。即，当PCM 104被加热时，SMA致动器元件102由较暖和的PCM 104加热。
为了减少元件102的致动时间，PCM 104可以用于预热SMA致动器元件102。例如，在致动器由启动源(未示出)加热之前，PCM 104(并且从而SMA致动器元件102)可以加热至大于周围温度并且低于SMA致动器102的重置温度的温度。在该例子中，SMA致动器元件102的温度于是将只须从流体的温度增加至致动温度。减少致动时间的该过程可以被称为是预热，或起动SMA致动器元件102，并且根据以下多种具体实施方式情况进一步地描述细节。
相反地，流体可以冷却PCM 104，并且由此冷却SMA致动器元件。例如，在SMA致动器元件102致动后，相对较冷却的PCM 104可以帮助将SMA致动器元件102的温度变得低于其致动温度。
在一个实施例中(未示出)，PCM布置在SMA致动器元件102的内部区域中，并且在一个实施例中，PCM布置在SMA致动器元件内部以及围绕SMA致动器元件102。在任一这些实施例中，如上所述的加热和/或冷却流体可以与内部和外部PCM连续地或选择性地接触。
V.PCM热合成物
与SMA致动器元件102结合使用的PCM可以是热合成物的一部分。热合成物是PCM与非PCM的结合，通常是固体结构。在一个例子中，PCM包括作为固体结构的铜或硅丝网，沉浸在作为PCM的石蜡中。产生这样的合成物，或混合材料以具有特殊的材料性质。纯PCM 104与PCM热合成物的一个特征是导热率。无论什么PCM材料，通过增加高传导的非PCM，导热率增加。对于PCM预计在熔化状态中流动的实施例，非PCM必须是多孔的，例如以丝网的形式，以允许流动。
图2示出了致动器组件200，包括SMA致动器元件102和PCM热合成物204。PCM热合成物204包括散布或注入在非PCM 212内或周围的PCM210。在一些实施例中，非PCM212形成框架，例如PCM 210分布在其中的三维基体或栅格。
非PCM 212可以具有任意的各种各样的形状和尺寸。例如，在一个实施例中，非PCM 212由提供矩形(例如，正方形)横截面的互连箱体形成。在一个实施例中，非PCM212的一些或全部部件(例如，边或侧面)是曲线的。
在一个实施例中(未示出)，PCM热合成物204包括贯穿PCM分布的非PCM小珠。在一个设想的实施例中(也未示出)，热合成物204包括贯穿非PCM分布的PCM小珠。这些的实施例小珠可以具有任意的各种各样的形状，包括球形、小室和长条形。
每个这些实施例的非PCM 212利于热能从SMA致动器元件102分配至PCM热合成物204的更远端区域204d以增加从SMA致动器元件102的热吸收。当PCM具有差的热扩散率时，这尤其有用。当SMA致动器元件102首先加热时，在组件200的工作期间，与SMA致动器元件102接触或更接近SMA致动器元件102的PCM热合成物204的更近端区域204p在远端区域204d之前吸收热能，并且因此近端区域204p将首先加热，并且首先改变相位。由非PCM部分促进的热量的更均匀分布改进了热合成物的热存储/释放性能。
非PCM 212，除保持PCM 104之外，可以起到给予热合成物204的完整性的功能。完整性可以帮助热合成物204的工作，例如，通过利于切开，结合，以及以其他方式工作。
在不背离本发明的范围的情况下根据各种特征可以选择用于形成热合成物204的材料。示例性的特性包括传导率、利用率、成本、剪切以及以其它方式工作的能力。如以上提供的，示例性的非PCM 214是铜并且石蜡是示例性的PCM。石蜡作为PCM是有利的，因为其具有相对高的相变温度-取决于石蜡的等级，约40-50℃，但具有相对低的导热率。单独使用石蜡可以导致小于所需的效率水平，但增加相对传导的非PCM改进了能量传递，使得热传递在贯穿PCM热合成物204中更迅速地并且更均匀地发生。
在一些实施例中，组件200包括护套206，其可以具有与图1所示的组件100结合在上文描述的护套106相同或类似的特征。在一些实施例中(未示出)，组件200不包括护套206。
SMA致动器元件102呈现出由包括加热，致动，冷却，以及去致动周期的循环限定的频带宽度。PCM 104和PCM热合成物204在各种实施例中可操作以减少冷却周期和/或致动周期，和/或可以保护SMA致动器元件102免受热损伤。
VI.移动PCM块体
图3A示出了具有SMA致动器元件102和一个或多个PCM移动块体304或PCM贮存器的组件300。该实施例的PCM 304可以具有关于图1和2在上文所述的PCM 104，204的特征。例如，在一些实施例中，PCM 304是热合成物，以及在一些实施例中，至少部分地由护套306覆盖。在具有护套306的实施例中，护套306可以具有与图1所示的组件100结合在上文描述的护套106相同或类似的特征。
在本发明的一些实施例中，移动块体304主要或全部由PCM制成，例如固体-固体PCM。在一些实施例中，移动块体包括在固体外壳306(例如，铜套)内的PCM，例如铜套中的石蜡的，PCM例如为固体-液体PCM或液体-气体PCM。
当组件300在非致动与致动状态之间循环时，组件300配置成使得PCM 304和SMA致动器元件102自主地并且有选择地彼此结合与脱离。为此，在一些实施例中，组件300还包括驱动机构320。驱动机构320与PCM 304相连(例如，连接)并且可操作以使得PCM 304移位至与SMA致动器元件102接触的点上。驱动机构320优选地配置成在没有将过度的应力负载施加至SMA致动器元件102的情况下引起这样的接触。预计PCM 304可以连接到驱动机构320或集成到驱动机构320上，例如通过形成在其内部或否则作为其一部分，例如在图3所示的驱动机构320的双线之间。
在一个实施例中，驱动机构320包括一个或多个弓形结构322，例如弓形弹簧，或其他类型的弹簧。在一个特别的实施例中，驱动机构320配置并布置在组件300中以被SMA致动器元件102本身驱动。即，当SMA致动器元件102以致动以及去致动的方式移动以做功(例如，移动开关或其他重量W，关闭/打开阀，按压/去按压(depress)按钮，等)时，由于其与致动器元件102的连接，机构300以对应的方式移动。
例如，当SMA致动器元件102从如图3A所示的其非致动状态向图3B所示的其致动状态致动时，驱动机构320从图3A所示的开始位置向图3B所示的结果位置移动。
如图3A和3B所示，当致动器元件102致动时，驱动机构320配置并布置在致动器组件300中从而PCM 304从与SMA致动器元件102相接合处移动开。该实施例用来在致动点之前和/或在致动点时提供SMA致动器元件102与PCM 304之间的有利热传递。例如，如在下文中的第一种情况示例中进一步描述的，该组件300的布置可用于在致动之前预热SMA致动器元件。
PCM 304被致使处于高于周围环境108的温度的温度。当PCM 304与SMA致动器元件102接触时，能量从PCM 304传递至致动器元件102，并且致动器元件102作为结果。PCM 304可以以各种方式加热，包括来自SMA致动器元件102的致动热和/或来自外部热源。如上所述，外部热源可以是专用的源或具有来自另一系统的副产物热量的流体的涓流，另一系统例如是使用致动器组件300的汽车的发动机或冷却系统。
替代了从较低环境温度至致动温度，被加热至高于环境温度的升高温度的SMA致动器元件102然后将仅需从升高温度加热至致动温度。如图3B所示，一旦致动，PCM 304就移动离开与SMA致动器元件102的接触，由此更好地允许致动器元件102冷却并且不增加去致动时间。
当冷却并且返回到其非致动状态时，SMA致动器元件102准备好用于下一次致动，并且驱动机构320使得PCM 304与SMA致动器元件102重新接合。在一些实施例中，组件300布置为使得在图3A所示的非致动状态PCM 304压至与SMA致动器元件102接触以将两者之间的接触面积最大化，以用于最大热传递。例如，驱动机构320，PCM 304，以及致动器元件102可以布置为使得当致动器元件102处于其非致动状态时，驱动机构320施加偏置力使得PCM 304不是仅仅与致动器元件102接触，而是压靠在其上。
在一些实施例中，驱动机构320向图3A所示的非致动位置和图3B所示的致动位置中的一个或两个提供偏置力。以这种方式，驱动机构320分别协助SMA致动器元件102从其致动状态过渡至非致动状态或从非致动状态过渡至致动状态。以这样的方式，驱动机构320可以限制致动器元件102产生致动或去致动需要的力的量。其他的优点可以包括致动器元件的较长寿命，组件300的增加的负载移动能力，以及较快的致动和/或去致动时间。
图4A示出了具有SMA致动器元件102和PCM404的组件400。该实施例的PCM 404可以具有与图1和图2结合在上文描述的PCM 104，204的特征。例如，在一些实施例中，PCM 404是热合成物(例如，PCM/非PCM基体)，以及在一些实施例中至少部分地由护套406覆盖，该护套406可以与图1所示的组件100结合在上文描述的护套106相同或类似。
当组件400在致动与非致动状态之间循环时，组件400配置成使得PCM 404和SMA致动器元件102自主地并且有选择地彼此接合与脱离。为此，在一些实施例中，组件400还包括驱动机构410。驱动机构410与PCM 404相连(例如，连接)并且可操作以使得PCM 400移位至与SMA致动器元件102接触的点。驱动机构410优选地配置成在没有将过多的应力负载施加至SMA致动器元件102的情况下引起这样的接触。可设想的是，PCM 404可以集成至驱动机构410或连接到其上。
在一个实施例中，驱动机构410包括一个或多个弓形结构412，例如弓形弹簧，或其它类型的弹簧。在一个实施例中，驱动机构410配置并布置在组件400中以被SMA致动器元件102本身驱动。即，当SMA致动器元件102以致动和去致动以做功的方式移动时，由于其与致动器元件102的连接，机构400以对应的方式移动。
例如，当SMA致动器元件102从如图4A所示的非致动状态向图4B所示的致动状态致动时，驱动机构410从图4A所示的开始位置向图4B所示的结果位置移动。
如图4A和4B所示，当致动器元件102致动时，驱动机构410配置并布置在致动器组件400中从而PCM 404朝向与SMA致动器元件102相接合移动。该实施例用来提供在致动点时和/或致动点之后的SMA致动器元件102与PCM 404之间的有利的热传递。例如，如在以下的第二情况示例中进一步描述的，通过使用PCM 404作为吸热设备，组件400可用于减少去致动时间。
PCM 404被致使处于低于SMA致动器元件102的致动温度的温度。当PCM 404与SMA致动器元件102接触时，能量从SMA致动器元件102传递至PCM 404，并且致动器元件102的冷却速率因此增加。当PCM块体404接触SMA线而不是当SMA线通过对流和/或辐射损失热量至周围环境时，冷却速率较高，因为当良好的热接触维持在固体-固体界面时固体-固体传热系数大于自然的或强制的固体-流体传热系数。通过提供具有高热吸收容量的低温接收器，PCM元件404允许大量的热从线移除。
在去致动时，PCM 404离开与SMA致动器元件102的接触从而通过保持元件102的温度下降而不增加致动时间。
在一些实施例中，当在图4B所示的致动状态时，组件400布置为使得PCM 404受压与SMA致动器元件102接触从而将接触面积最大化和/或获得良好的热接触，由此将两者之间的热传递最大化。例如，驱动机构410，PCM 404，以及致动器元件102可以布置为使得当致动器元件102处于其致动状态时，驱动机构410施加偏置力使得PCM 404压靠在SMA致动器元件102上。
在一些实施例中，驱动机构410向图4A所示的非致动位置和图4B所示的致动位置中的一个或两个供应偏置力。以这种方式，驱动机构410协助SMA致动器元件102分别从其致动状态过渡至其非致动状态或从非致动状态过渡至其致动状态。以这样的方式，驱动机构410可以限制致动器元件102产生致动或去致动需要的力的量。其他的优点可以包括致动器元件的较长寿命，组件400的增加的负载移动能力，以及较快的致动和/或去致动时间。
VII.PCM池
图5A/B示出了根据另一实施例的组件500，如同图3A/B和图4A/B的实施例那样，在致动循环期间，组件500配置成使得热致动元件102有选择地接触PCM 504。在该实施例中，PCM 504以池或储存器的形式由池护套或外壳506保持。
将会理解，图5A/B的组件500与图3A/B的组件300更接近，因为其中每个都配置成使得热致动元件102(例如，SMA线)在致动元件102致动时移动离开与PCM 304/504的热接触，并且当致动元件去致动时，返回与PCM304/504接触。在一个设想的实施例中，PCM池504是包括非PCM材料的热合成物，例如非PCM材料的小珠，以影响池504的热和/或动态特性。
如上所述，一些热致动的SMA材料显示出显著的双向形状记忆效应，即，不仅加热高于特征温度(As)时收缩，而且在冷却低于较低特征温度(Ms)时它们也自发地伸长。因此，材料看起来像不仅″记忆″其高温配置，而且″记忆″在一个或多个较低温度时的配置，并且尤其在参考环境温度(Tref)时的其长度。
对于一些实施例，其中致动器元件102用作抵抗外部负载W(例如，如图5A/B所示提升自重)做功，组件500包括硬止挡件530。虽然在各种实施例中组件500包括各种型式的硬止挡件，在图5A/B的实施例中，硬止挡件530连接到致动器元件102上。该实施例中硬止挡件配置且连接到致动器元件102从而接触池外壳506(见图5B)或其他的结构以阻止止挡件530的运动，并且从而辅加地拉动致动器元件102。在包括硬止挡件530的该以及其它实施例中，止挡件530可用于防止当其处于其较软的马氏体相时，外部负载W超过规定应变极限猛拉(strain)致动器102。无论组件500是否包括止挡件530，组件500可以在致动器元件102与负载W之间包括一定长度的材料，例如可以包括致动器材料或非致动器材料。
工作中，如图5A所示，致动器元件102在去致动时变得松弛，并且由此部分地或完全地浸入到PCM池504中，被部分地或完全地熔化。在一些实施例中，PCM池504存储来自热源的热量，例如如上所述的其它实施例的那些(例如，来自电阻加热器的涓流电流，来自汽车排气或冷却剂的废热，等等)。在这些实施例中，PCM池504可以保持在Tref与Mf_s0之间的预热温度Tpreheat。
通过减少致动激励(例如，用于电阻加热的SMA的电流)致动加热致动器元件102需要的温度范围，预热致动器元件102帮助减少致动时间。如图5A至图5B所示，当致动器元件102致动时，相变引起的收缩开始引起致动器元件102中的松弛部分的拉紧。在松弛部分已经拉紧后，致动器元件102抵抗外部负载W做功，例如通过提升自重负载。
在一些实施例中，组件500配置成使得一旦松弛部分完全地绷紧致动器元件102就不再与PCM池504热接触。用这种方式，被加热的致动器元件102不供给不需要的热量(例如，过热)至PCM池504。同样，当其处于其致动状态以补偿至池504中的PCM的热量损失时，致动器元件102不需要附加的激励，例如额外电流。
当SMA去致动时，通过将其冷却至低于特征温度，其经受从图5B向图5A所示的布置进行的产生较低模量相位的反向相变。对于负载W包括自重或拉紧致动器元件102的其他负载的实施例，负载W拉伸致动器元件102直到硬止挡件530开始生效以限制外部负载可以作用在致动器元件102上的应变。进一步冷却，在硬止挡件530开始生效后，使得线松弛，直到其到达在如图5A所示的参考温度T_ref的其初始配置为止。这完成了致动循环。
在一些实施例中，使用了密封件与非SMA连接器元件(未示出)，从而避免了由于致动器元件102的重复收缩与伸长导致的PCM从PCM储存器中无意运送出。非SMA连接器元件还可以帮助限制与PCM池接触的致动器元件102保持在护套506之内，由此避免PCM材料经由携带等从护套运送出。
图5A/B的组件500的工作与优点在其它方面与结合图3A/B的组件300在上文描述的那些相同。
VIII.热传递情况
如上所述，取决于PCM与SMA致动器元件的相对温度，PCM可以从SMA致动器元件102吸收热量或释放热量至SMA致动器元件102。以下是描述的示例性情况，其中PCM相对于SMA致动器元件102的致动温度具有多种相变温度(例如，熔点)。PCM的选择影响改进了致动循环的哪一部分或哪些部分，有时以循环的互补部分上的稍微降低的性能为代价。
例如，选择的PCM大大地减少了SMA致动器元件102去致动所花费的时间的布置可能对致动时间没有影响，或甚至稍稍的增加致动时间。类似地，选择的PCM减少了SMA致动器元件102致动所花费的时间的布置可能对去致动时间没有影响或增加去致动时间。在一些布置中，选择的PCM可以利于致动时间和去致动时间均减少，但这些减少将通常不会与其中组件布置为获得低得多的致动或去致动时间的本发明实施例中可获得的一样大。
A.第一热传递情况
在第一示例性情况中，为了减少致动时间，PCM暴露于预热源，例如外部流体，并且选择PCM以具有相对接近于参考环境温度(Tref)的相变温度。在一个实施例中，范围可以表示为：Tref≤MP＜Mf_smin，其中MP(熔点)是PCM经受负责其热存储/释放功能的相变时的温度，Mf_Smin是通过SMA奥氏体向热马氏体转变完成时并且其返回到其Smin的初始应力水平的温度(马氏体结束)。MP越接近Tref，在低环境温度(T_0_min＜Tref，其中T_0是环境温度)下系统的响应越接近其在Tref的响应。这产生了其热响应对环境温度中的变化较不敏感的系统。MP越接近Mf_Smin，与没有PCM的基准系统相比致动时间的减少越大，但这些是以较高的去致动时间为代价的。
在至少一些实施例中，预热温度优选小于Mf_Srnin以确保在冷却时完成回到马氏体的转变。
如在此进一步描述的，外部流体可以是例如来自在致动器组件之外的发动机或加热/冷却系统的副产物热量的涓流电流。通过暴露在外部流体中，PCM到达并且可以至少一段时间内保持全部或部分地在其液体相位，并且在SMA致动器元件102的致动之前将SMA致动器元件102保持在PCM的MP或之上。
如所提供的，尽管固体-固体以及液体-气体的相变还可以被用作能够热存储/释放的PCM，但最普通的PCM应用是使用固体-液体相变。照这样，为了便于说明，在此使用的固体-液体PCM的术语包括固相、液相、熔点、熔化和冻结，分别替代了转变前相、转变后相、相变温度、前向转变和反向转变。然而，应当理解本发明适于其他类型的PCM。
当环境温度(T_0)低于PCM的MP时，由PCM预热的SMA致动器元件102在致动之前比如果致动器处于T_0时更接近其致动温度。因此，当致动激励(例如，电阻加热SMA的电流)提供至SMA致动器元件102时，SMA致动器元件102的温度只须从预热温度增加至其致动温度，而不是从较低的环境温度，由此在激励水平未改变时减少了致动时间，或者在保留致动时间不改变的同时减少了实现致动所需的激励水平。
在一些实施例中，第一种情况是采用诸如与图1和图2结合在上文描述的组件100或200的组件实施。在其他的实施例中，第一种情况是采用如关于图3A/B或图5A/B描述的组件300实施。
如上所述关于图3A/B的组件300，驱动机构320配置并布置在致动器组件300中从而在致动器元件102致动时PCM储存器304从与SMA致动器元件102直接热接触处移动开。PCM储存器304可以包括中空铜块并且PCM充填大部分中空芯。只要储存器温度大于SMA的时，该实施例用来提供在SMA致动器元件102与PCM储存器304之间的有利热传递。通过从外部源(未示出)接收热量并且将其存储，使得PCM 304处于高于周围环境的温度的温度。在一些实施例中，PCM的MP位于Tref与Mf_Smin之间。将会理解使用图5A/B的组件500可以获得类似的工作和优点。
在一些实施例中，为了使用由PCM提供的较高能量存储容量，对于PCM而言重要的是在其热传递至SMA致动器时处于熔化状态。用这种方法，与PCM储存器接触起到预热SMA的作用，由此减少了在给定的时间间隔将其致动需要的加热电流或对于给定的致动电流将其致动需要的时间。使用图3A/B与图5A/B所示的组件比图1和2所示的优点是，对于前者，PCM在其致动后不停留在与SMA的热接触。因此，PCM不通过完全致动的SMA得到加热，该完全致动的SMA处于高于Af的温度，并且因此，高于PCM的MP。这消除在多个连续的循环中PCM的温度向上偏移。这对于SMA需要在其工作循环的显著部分保持致动时尤为重要。此外，当致动器去致动时，PCM储存器不返回与SMA热接触，直到SMA恢复大部分(或全部)其原始长度为止。因此，对于图3A/B和图5A/B所示的组件，由于预热PCM储存器的存在引起的冷却时间的增加比图1-2的更少。因此，尽管图3A/B和图5A/B所示的组件比图1-2的更复杂，但它们对SMA致动器的热响应提供更好的控制。
B.第二热传递情况
在第二种情况中，PCM被用作吸热元件或吸热设备，以减少致动之后SMA致动器元件102的去致动或冷却时间。减少去致动时间具有包括减少总体循环时间的优点，全部循环时间为-用于致动器致动，以及去致动从而为随后的致动作好准备的时间。因为在大多数致动器布置中循环时间由循环的冷却部分主导，其在一些情况中在约25-60秒之间和/或占循环时间的约90％。与SMA致动器元件102仅暴露于周围环境中的传统系统相比，如上所述的实施例的PCM可操作将冷却速率加速至少约25％，并且最优选地为至少约80％。
对于该情况，PCM选择为具有相变温度，该相变温度为选择作为第一热传递情况的PCM的如上所述的范围的扩展集(superset，或超集)。具体地，建议的范围是MP＜Mf_Smin。如果做出规定通过外部手段将它们冷却至低于它们的MP，可以有利地使用MPs低于Tref的PCM，尤其是它们不用于冷却SMA致动器时。
如上关于图4A和4B的组件400所述的，例如，组件400包括SMA致动器元件102和PCM储存器404，其布置成使得当组件400在致动与非致动状态之间循环时PCM储存器404和SMA致动器元件102自主地和有选择地彼此接合和脱离。因为这样，在一些实施例中组件400还包括驱动机构410。
PCM储存器404可以包括中空铜块并且PCM充填大部分中空芯。当SMA致动器处于其去致动状态时，PCM储存器不直接与SMA热接触。致动器元件102致动时，驱动机构410配置并布置在致动器组件400中使得PCM储存器404移动至与SMA致动器元件102直接热接触。
当PCM储存器404与SMA致动器进入直接热接触时，其通过迅速地从致动器吸取热量而开始冷却SMA致动器。储存器通过处于低于SMA的致动温度的温度并且通过使用固体至固体传热系数(SMA线至铜块)高于固体至空气气体传递系数(例如，SMA线至空气)的事实而实现此，由此产生了较高的传递速率，甚至当温差比SMA线直接损失热量至空气时更低的时候也是如此。
在本发明的某些实施例中，固体移动块体由充填有PCM的中空固体块体替代，由于与PCM中相变相关的高热量存储容量，这大大地增加了每单位质量的吸热容量。在去致动时，PCM 404移动离开与SMA致动器元件102的接触从而通过保持元件102的温度下降而不增加致动时间。
B.第三热传递情况
在第三种情况中，PCM被用作热熔丝以减少SMA致动器元件102过热的可能性。举例来说，SMA致动器元件102具有约75℃的致动温度(Af_Smax)，并且在损坏之前可以容忍高达约100℃的温度(Tmax)，例如通过形状记忆性能的损失/退化、破裂等等。
减少致动时间的一个方式是在不超过Tmax的情况下施加更多的热量到SMA致动器元件102上。例如，SMA致动器元件102可以仅瞬时地引入一定幅度的激励(例如电阻加热的SMA致动器中的加热电流)，如果连续地施加，该幅度可以在线中获得超过其致动温度的稳态温度。该激励的高幅度施加短时间段，从而SMA致动器元件102更迅速地到达致动温度。一旦SMA线温度充分接近其致动温度，激励幅度减少为维持线中的致动温度所需的幅度。在这样的情况下，在如上所述的激励的调节不足以保持SMA温度在规定极限内的情况下，通过防止其温度超过Tmax对保护SMA是有用的。通过保持SMA与MP下降的PCM热接触可以获得此，例如，在这样的范围内：Af_Smax＜MP＜Tmax。
在正常工作期间，即，当完全致动的SMA的温度停留在Af_Smax处或其附近，PCM保持在其冻结状态中。如果保护性PCM材料涂覆在SMA致动器上，例如如图1和2所示，致动SMA所需的热量由电阻加热有利地提供。在这种情况下，SMA线中电阻地产生的热量部分地传导至PCM涂层上，这将产生PCM的一些可感加热。
只要SMA致动器温度停留在低于PCM的MP，PCM吸收相对少量的热量。然而，如果SMA线温度等于或超过PCM的MP，PCM在大致恒温(即PCM的MP)下，吸收相对大量的热量。因此，在没有使得SMA温度超过PCM的MP的情况下，PCM起到可以吸收相对大量热量的热熔丝的作用，该PCM的MP选择小于Tmax。
当SMA致动器元件温度降到MP之下时，PCM再次冻结。PCM涂涂层可以提供对单个热过载事件(例如，图1，其中在其使用后涂层熔化)或多个这样的事件(例如，图2，其中护套206容纳熔化的PCM并且防止其漏泄)的保护。典型地，像在这里描述一样，用于热管理应用的PCM趋于具有高的热扩散率。因此，对于由PCM制成的厚的涂层/护套，通过增加有效传热面积，涂层/护套可以提高来自SMA元件的热损失。这将减少冷却时间，尽管是以增加加热时间作为代价。然而，电阻加热几乎是绝热的，因此由于有效传热面积的增加导致的加热时间的增加是可以忽略的，而冷却时间的减少可以是显著的，由此允许PCM涂层/护套在循环次数上产生明显的减少，同时提供热过载保护。
因此，本发明的优点包括，除通过经由导热率涂层有效地增加传热面积而减少冷却时间的能力之外，并且由于它们的高的热扩散率，通过使用作为热熔丝的PCM涂层减少了循环次数。在一些实施例中，PCM需要高的热扩散率以确保任何被吸收的热量传遍PCM本体，并且不局限在一些区域。用这种方法，将PCM的每单位质量的热吸收最大化。
在一些实施例中，第三种情况是采用诸如与图1和图2结合在上文描述的组件100或200的组件实施。在其他的实施例中，第三种情况是采用如关于图4A和4B描述那样的组件400实施。
IX.附加的使用
可设想的是，相变材料可代替其他的热控制元件使用，例如吸热设备，以获得以上在此描述的受控热传递的各种优点。例如，关于美国专利申请No.12/792,120(′120申请)，相变材料可以取代该申请中与图1a，1b，以及1c结合描述的热元件14a，b使用。作为另一例子，相变材料可以取代与′120申请的图2和图4-7中每个结合描述的热元件14使用。作为另一个例子，相变材料可以取代与120申请的图8结合描述的热元件38使用。如上所述，本申请要求′120申请的延优先权并且是′120申请的部分延续。
X.结论
上述实施例仅仅是为了清楚理解本发明的原理所述的实施方式的示例性解释。在不背离权利要求的范围的情况下，可以对上述实施例做出变化、修改以及组合。在此的所有这样的变化、修改以及组合都包含在本申请的范围以及所附权利要求中。

Claims (18)

1.一种能在致动状况和非致动状况之间转变的热激活材料组件，该组件包括：
具有由致动温度和重置温度限定的致动器材料的致动器元件，其中致动器材料：
　　响应于被加热至致动温度或以上，使得致动器元件从其中致动器组件处于非致动状况的非致动形状致动至将致动器组件转变至致动状况的致动形状；以及
　　响应于冷却至重置温度或以下，使得致动器元件从致动形状致动回到非致动形状；
连接到致动器元件的驱动机构；
与驱动机构相连的相变材料（PCM），相变材料由相变温度限定并且响应于被加热至相变温度或以上而使得相变材料从第一状态过渡至第二状态；
其中驱动机构配置成：
　　使得相变材料在致动器组件处于非致动状况时与致动器元件直接接合并且在致动器组件处于致动状况时与致动器元件脱离；或
　　使得相变材料在致动器组件处于致动状况时与致动器元件直接接合并且在致动器组件处于非致动状况时与致动器元件脱离；以及
护套，所述护套环绕相变材料的至少一部分从而当相变材料处于第二状态时容纳相变材料。
2.如权利要求1所述的热激活材料组件，其中：
驱动机构配置成使得相变材料在致动器组件处于非致动状况时与致动器元件直接接合并且在致动器组件处于致动状况时与致动器元件脱离；以及
相变材料配置成使得相变温度低于致动器元件的致动温度并且高于在组件工作期间组件预期所处的环境温度。
3.如权利要求1所述的热激活材料组件，其中：
驱动机构配置成使得相变材料在致动器组件处于致动状况时与致动器元件直接接合并且在致动器组件处于非致动状况时与致动器元件脱离；以及
相变材料相变温度低于致动器元件的致动温度。
4.如权利要求1所述的热激活材料组件，其中，相变材料连接至驱动机构。
5.如权利要求1所述的热激活材料组件，其中 ，相变材料是驱动机构的组整体部分。
6.如权利要求1所述的热激活材料组件，其中，相变材料包括与相变材料一起形成相变材料热合成物的非相变材料，非相变材料具有比相变材料更高的传导性，由此促进了导入至相变材料的近端区域的热向相变材料的远端区域的传递。
7.如权利要求1所述的热激活材料组件，其中，该组件设计为当相变材料暴露于热源时实现所需的热管理特征，其中，所述热源所处的温度高于在组件工作期间组件预期所处的环境温度。
8.如权利要求1所述的热激活材料组件，其中，驱动机构向致动状况和非致动状况中的一种偏置致动器组件。
9.如权利要求1所述的热激活材料组件，其中，相变材料包括形状记忆合金（SMA）。
10.如权利要求1所述的热激活材料组件，其中，相变材料包括形状记忆聚合物（SMP）。
11.一种能在致动状况和非致动状况之间转变的热激活材料组件，该组件包括：
具有由致动温度和重置温度限定的致动器材料的致动器元件，其中，致动器材料：
　　响应于被加热至致动温度或以上，使得致动器元件从其中致动器组件处于非致动状况的非致动形状致动至响应于被加热至致动温度将致动器组件转变至致动状况的致动形状；以及
　　响应于冷却至重置温度或以下，使得致动器元件从致动形状致动回到非致动形状；以及
布置在组件中邻近致动器元件的相变材料（PCM）池，从而当致动器元件从致动状况过渡至非致动状况并且返回至致动状况变化时，致动器元件有选择地移动离开、进入以及回到离开与相变材料池热接触，其中相变材料池由相变温度限定，其中响应于被加热至相变温度或以上，相变材料池从第一状态过渡至第二状态，
相变材料配置成使得相变温度低于致动器元件的致动温度。
12.如权利要求11所述的热激活材料组件， 还包括环绕相变材料池的至少一部分的外壳。
13.如权利要求11所述的热激活材料组件，其中：相变材料包括与相变材料一起形成相变材料热合成物的非相变材料，非相变材料具有比相变材料更高的传导性，由此促进了导入至相变材料池的热传递。
14.如权利要求11所述的热激活材料组件，其中，相变材料包括从包括形状记忆合金（SMA）和形状记忆聚合物（SMP）的一组材料中选择出的至少一种材料。
15.如权利要求11所述的热激活材料组件，还包括配置并且布置在组件中以限制作用在致动器元件上的应变的止挡件。
16.一种能在致动状况和非致动状况之间转变的热激活材料组件, 该组件包括：
具有由致动温度和重置温度限定的致动器材料的致动器元件，其中：
　　响应于被加热至致动温度，致动器材料使得致动器元件从其中致动器组件处于非致动状况的非致动形状致动至将致动器组件转变至致动状况的致动形状；以及
　　响应于被冷却至重置温度，致动器材料使得致动器元件从致动形状致动回到非致动形状； 以及
连接到致动器元件的相变材料（PCM）合成物，相变材料合成物包括：
　　由相变温度限定的并且响应于被加热至相变温度使得相变材料从第一状态过渡至第二状态的相变材料，以及
　　与相变材料一起分布的非相变材料，非相变材料具有比相变材料更高的传导性，由此促进了导入至相变材料的近端区域的热向相变材料的远端区域的传递，
相变材料配置成使得相变温度低于致动器元件的致动温度并且高于在组件工作期间组件预期所处的环境温度。
17.如权利要求16所述的热激活材料组件，还包括护套，所述护套环绕相变材料的至少一部分从而当相变材料处于第二状态时容纳相变材料。
18.如权利要求16所述的热激活材料致动器组件，其中，该组件设计为当相变材料暴露于热源时实现所需的热管理特征，其中，所述热源所处的温度高于在组件工作期间组件预期所处的环境温度。
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