CN103410692B - 一种提供动力的膨胀胶囊和动力驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种提供动力的膨胀胶囊，包括加热元件和膨胀介质，所述膨胀介质均匀地包裹在所述加热元件的表面，并共同组成膨胀组件，所述膨胀胶囊还包括弹性件；当所述加热元件加热时，所述膨胀介质向四周膨胀并作用于所述弹性件使其产生弹性变形；当所述加热元件停止加热后，所述弹性件在回弹力的作用下紧贴所述膨胀介质，并使所述膨胀介质往初始状态回缩。本发明还公开一种动力驱动装置。由于膨胀介质均匀地包裹在加热元件外。当加热时，均匀受热的膨胀介质，迅速向四周膨胀，提供快速、稳定的动力；当停止加热后，弹性件在回复力和复位反力的作用下回缩到初始状态或初始体积，膨胀介质内不会产生空隙或导致活塞杆不能回复到初始位置的问题。

Description

一种提供动力的膨胀胶囊和动力驱动装置

技术领域

本发明涉及一种能够提供动力的膨胀胶囊和动力驱动装置。

背景技术

动力驱动装置是利用膨胀介质受热后体积变化来提供可控的动力，从而推动传动部件发生可控的位移。公开号为CN102103947A的中国发明专利，公开了一种利用膨胀介质来驱动断路器开关的驱动装置。参见图1所示，驱动装置包括外壳2，密封件3，加热导线6，加热器5，相变膨胀物质4和流体介质7，加热器5设置在相变膨胀物质4中，当加热器5对相变膨胀物质4进行加热时，相变膨胀物质4膨胀，从而推动顶杆活塞1。顶杆活塞1将体积膨胀转换为位移和力传递给断路器，从而实现断路器的合闸或断开。当加热器5停止加热时，相变膨胀物质4回复到初始状态，顶杆活塞1也回复到初始位置，此时断路器断开或合闸。

在高温环境下使用该驱动装置需要采用高熔点的相变膨胀物质4，但是由于该驱动装置中的相变膨胀物质4在加热开始时，远离加热器5的相变膨胀物质4为凝固的固体状态，会阻止该结构中距加热器5较近最先熔化的相变膨胀物质4向上膨胀，尤其在低温环境下使用时或外在空间对外壳2的结构有限制的情况下，该结构的相变膨胀物质4只能向单方向膨胀、且膨胀距离较远，驱动装置提供动力速度较慢、并容易导致最远端的固态的相变膨胀物质4被强行推动而破坏密封件3；当加热停止后，远离加热器5的相变膨胀物质4最先凝固结痂，部分相变膨胀介质4可能会凝固在外壳2的内腔壁上或密封件3上，导致冷却后顶杆活塞1不能顺利复位到初始位置。这样，该驱动装置只能采用较低熔点的相变膨胀物质4，且顶杆活塞1的顶出速度和回复速度都较慢，从而造成该驱动装置的使用环境温度范围和速度受到限制。

因此，有必要设计一种适用环境温度广、能够快速平稳顶出和回复的提供动力的膨胀胶囊和动力驱动装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用环境温度广、动作速度快且可靠平稳的提供动力的膨胀胶囊和动力驱动装置。

本发明提供一种提供动力的膨胀胶囊，包括加热元件和膨胀介质，所述膨胀介质均匀地包裹在所述加热元件的表面，并共同组成膨胀组件，所述膨胀胶囊还包括弹性件；

当所述加热元件加热时，所述膨胀介质向四周膨胀并作用于所述弹性件使得所述弹性件产生弹性变形；

当所述加热元件停止加热后，所述弹性件在回弹力的作用下紧贴所述膨胀介质，并使所述膨胀介质往初始状态回缩。

优选地，所述弹性件包裹在所述膨胀组件外。

优选地，所述弹性件的中心留有空腔。

优选地，所述弹性件为中空封闭囊体。

优选地，所述膨胀胶囊的横截面为圆形、或多边形、或椭圆形。

优选地，所述膨胀组件与所述弹性件相邻。

优选地，所述弹性件为环形支架，所述膨胀组件盘绕在所述环形支架上，所述弹性件和所述膨胀组件一起被收容在刚性外壳中。

优选地，所述加热元件为电阻丝，或正温度系数热敏电阻，或片状加热电阻。

优选地，所述膨胀介质为相变介质石蜡，或石蜡混合物。

优选地，所述弹性件由耐高温橡胶，或热塑弹性体制成。

本发明还提供一种动力驱动装置，包括刚性外壳、膨胀胶囊、密封件、活塞杆和复位反力件，所述膨胀胶囊收容在所述刚性外壳中，所述刚性外壳内充满了流体物质，所述刚性外壳利用密封件进行密封，所述活塞杆的底端穿过所述密封件插入到所述刚性外壳中，所述活塞杆的顶端与所述复位反力件连接，所述膨胀胶囊包括加热元件和膨胀介质，

所述膨胀介质均匀地包裹在所述加热元件的表面，并共同组成膨胀组件，所述膨胀胶囊还包括弹性件；

当所述加热元件加热时，所述膨胀介质向四周膨胀并作用于所述弹性件使得所述弹性件产生弹性变形，所述弹性件挤压所述流体物质，所述流体物质推动所述活塞杆顶出；

当所述加热元件停止加热后，所述弹性件在回弹力的作用下紧贴所述膨胀介质并使所述膨胀介质往初始状态回缩，在所述复位反力件的作用下所述活塞杆回复到初始位置。

优选地，所述弹性件包覆在所述膨胀组件外。

优选地，所述弹性件的中心留有空腔。

优选地，所述弹性件为中空封闭囊体。

优选地，所述膨胀组件与所述弹性件相邻。

优选地，所述弹性件为环形支架，所述膨胀组件盘绕在所述环形支架上，所述弹性件和所述膨胀组件一起被收容在刚性外壳中。

优选地，所述活塞杆的底端插入到所述弹性件的所述空腔中。

优选地，所述活塞杆的底端位于所述膨胀胶囊外。

优选地，所述复位反力件为复位弹簧，或弹性橡胶件，或磁性件；

所述复位反力件安装在所述活塞杆的顶端，或安装在所述动力驱动装置的两侧或一侧。

优选地，所述密封件为密封圈。

优选地，所述流体物质为液态油或油脂。

采用上述技术方案后，具有如下有益效果：由于膨胀介质均匀地包裹在加热元件外。当加热时，均匀受热的膨胀介质，迅速向四周膨胀，提供快速、稳定的动力；当停止加热后，弹性件在弹性回复力的作用，紧贴在膨胀介质表面，并在复位反力件的辅助作用下，迅速随同膨胀介质回缩到初始状态或初始体积，膨胀介质内不会产生空隙或导致活塞杆不能回复到初始位置的问题。

附图说明

图1是现有的利用膨胀介质来驱动断路器开关的驱动装置的剖视图；

图2是本发明第一种实施例中膨胀胶囊的立体图；

图3是本发明第一种实施例中膨胀胶囊的剖视图；

图4是本发明第一种实施例中动力驱动装置的剖视图；

图5是本发明第一种实施例的变形例中动力驱动装置的剖视图；

图6是本发明第二种实施例中膨胀胶囊的立体图；

图7是本发明第二种实施例中膨胀胶囊的剖视图；

图8是本发明第二种实施例中动力驱动装置的剖视图；

图9是本发明第二种实施例的变形例中动力驱动装置的剖视图；

图10是本发明第三种实施例中膨胀胶囊中膨胀组件和弹性件的立体图；

图11是本发明第三种实施例中膨胀胶囊中刚性外壳的立体图；

图12是本发明第三种实施例中动力驱动装置的剖视图；

图13是本发明第三种实施例的变形例中动力驱动装置的剖视图；

图14是本发明第四种实施例中膨胀胶囊的结构示意图；

图15是本发明第四种实施例中动力驱动装置的结构示意图。

附图标记对照表：

1——顶杆活塞      2——外壳        3——密封件

4——相变膨胀物质  5——加热器      6——加热导线

7——流体介质

10——加热元件     11——导线       12——膨胀组件

20——膨胀介质     30——弹性件     40——空腔

50——刚性外壳     60——活塞杆     70——密封件

80——复位反力件   90——流体物质   100——膨胀胶囊

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。

<实施例一>

图2-4为本发明第一种实施例的结构示意图。其中，图2为本发明第一种实施例中膨胀胶囊的立体图。图3为本发明第一种实施例中膨胀胶囊的剖视图。图4为本发明第一实施例中动力驱动装置的剖视图。

如图3所示，提供动力的膨胀胶囊100包括加热元件10和膨胀介质20，膨胀介质20均匀地包裹加热元件10，并共同组成膨胀组件，膨胀组件外包裹有一层弹性件30。本实施例中，膨胀胶囊100为环柱状，加热元件10为电阻丝，电阻丝可以被缠绕成多圈后上下来回折叠直接收容在弹性件30中，也可以缠绕在支架上再收容到弹性件30中。如果加热元件10为片状电阻，也可以直接收容到弹性件30中。加热元件10通过导线11通电后加热；加热元件10外表面完全地、均匀地包裹有膨胀介质20，然后一起收容在弹性件30内；弹性件30为环形囊体，环形囊体中形成空腔40。

如图4所示，动力驱动装置包括刚性外壳50、膨胀胶囊100、密封件70、活塞杆60和复位反力件80，膨胀胶囊100收容在刚性外壳50中，刚性外壳50内充满了流体物质90，刚性外壳50利用密封件70进行密封，活塞杆60的底端穿过密封件70插入到刚性外壳50中，活塞杆60的顶端与复位反力件80连接。活塞杆60的底端插入到弹性件30的空腔40中。复位反力件80安装在活塞杆60的上方。本实施例中，复位反力件80为复位弹簧，密封件70为密封圈，流体物质90为油脂。

当加热元件10通过导线11被通电加热后，其四周被均匀布置的膨胀介质20由固态迅速溶化为液态，体积迅速向四周膨胀变大，推动包裹在其外壁的弹性件30一起膨胀体积快速向四周变大，此时弹性件30紧紧的包覆贴在膨胀介质20的外表面上，由于膨胀胶囊100的体积瞬间变大，会挤压推动由刚性外壳50、密封件70、活塞杆60、膨胀胶囊100组成的腔体内的油脂产生向内腔40的推力，油脂推动活塞杆60克服外侧的复位反力件80产生的向下推力而快速顶出。

当加热元件10停止被输入能量加热时，随着温度的下降，膨胀胶囊100内的膨胀介质受冷开始由液态向固态转变，其体积开始收缩，由于外侧的复位反力件80始终推动活塞杆60向初始位置方向回复，活塞杆60推动油脂沿膨胀胶囊100的外表面均匀的压缩膨胀胶囊100的体积，同时由于弹性件30的弹性，始终紧紧包裹在膨胀介质20的外表面，并且在外侧油脂的均匀回复液压力的作用下会均匀的回复到初始体积，且内部不会产生由于冷凝产生的空隙，最终确保动力装置的活塞杆60能够回复到初始位置。又由于膨胀介质20均匀地包裹在加热元件10的周围，膨胀介质20受热均匀，降温时的温度也均匀回落，不会出现远离加热元件10的部分膨胀介质过早冷凝而导致膨胀介质内部产生空隙或体积不能回复到初始状态的情况。同时，在弹性件30的作用下迅速回缩，也不会产生提前结痂，而使得传动部件（例如，活塞杆）不能顺利回复到初始位置的问题。

需要说明的是，相对于膨胀胶囊的整体体积来说，膨胀介质20的厚度通常较薄。较薄厚度的膨胀介质受热后会瞬间熔化膨胀，停止加热后，散热也快，体积能够迅速回缩到初始体积。在实际应用中，膨胀介质的厚度要根据膨胀胶囊输出动力的大小、加热元件的功率、环境温度以及产品需要的膨胀动作速度等多种因素综合考虑才能够设定。

较佳地，膨胀介质20为相变介质石蜡，或石蜡混合物。石蜡在常温下通常是固态或半固态，当加热达到熔点后，变为液态。液态的石蜡体积会增大，能够提供动力。

本发明中的膨胀胶囊能够适用于在高温环境下使用的具有高熔点的膨胀介质。如果膨胀介质的熔点较低，当膨胀胶囊在高温环境下使用时，会产生不需要或不可控的动力。因此，在高温环境下，必须使用具有高熔点的膨胀介质。但是，由于高熔点的膨胀介质，在停止加热时，膨胀介质凝固的时间也较快，尤其需要在高低温环境下都使用的动力驱动装置，采用高熔点石蜡解决了高温环境下不必要误动作的问题，但是如果在低温环境下使用，加热元件附近膨胀介质不能迅速回缩，而距加热元件过远的膨胀介质迅速凝固，很可能出现提前结痂，导致传动部件（例如，活塞杆）不能顺利回复到初始位置的情况，甚至破坏密封结构。因此，由于本发明中的膨胀胶囊能够迅速回复，既能够适用于在高温环境下使用的具有高熔点的膨胀介质，也适合具有高熔点膨胀介质在低温环境的使用，同时动作速度更快、运动更平稳。当然，本发明也同样适用于在常温中或较低环境温度下使用的具有较低熔点的膨胀介质。

本实施例中，膨胀胶囊的横截面为圆形环。较佳地，膨胀胶囊的横截面还可以为矩形环、或其他多边形环，或椭圆形环，或不规则形状。实际应用中，膨胀胶囊的形状和大小，要根据所应用的产品来定。

较佳地，活塞杆60深入腔体40的部分采用从上向下逐渐变细的结构，或者内腔40采用从上向下逐渐变细的结构，由于内腔40的四周同时向中心挤压活塞杆60，加速活塞杆60快速顶出速度，从而提供一种快速、稳定和可控的动力。

较佳地，弹性件30由耐高温橡胶制成，或热塑弹性体制成。

较佳地，加热元件10还可以为正温度系数热敏电阻（PTC,PositiveTemperature Coefficient），或片状加热电阻。

较佳地，复位反力件80还可以为弹性橡胶件，或磁性件。在顶部空间受到限制时，复位反力件80可以如图5所示，布置在活塞杆60的两侧，也可以只布置在单侧。

较佳地，密封件70为O型密封圈、或V型密封圈，或X型密封圈，或Y型密封圈。可以为静密封结构，或动密封结构，单级密封或多级密封结构。

较佳地，流体物质90还可以为液态油。

<实施例二>

图6-8为本发明第二种实施例的结构示意图。其中，图6是为本发明第二种实施例中膨胀胶囊的立体图。图7为本发明第二种实施例中膨胀胶囊的剖视图。图8为本发明第二种实施例中动力驱动装置的剖视图。

本实施例与第一种实施例不同的是：膨胀胶囊为圆柱状，弹性件30为圆柱形的中空封闭囊体，加热元件10和膨胀介质20收容在弹性件30中。加热元件10中引出两条导线11，膨胀介质20和弹性件30依次包裹在加热元件10的外表面上，形成圆柱形的膨胀胶囊。活塞杆60的底端位于弹性件30的上方，膨胀胶囊100外。

当加热元件10通过导线11被通电加热后，其四周被均匀布置的膨胀介质20由固态迅速溶化为液态，体积迅速变大，推动包裹在其外壁的弹性件30一起膨胀体积变大，此时弹性件30紧紧的包覆贴在膨胀介质20的外表面上，由于膨胀胶囊100的体积瞬间变大，会挤压推动由刚性外壳50、密封件70、活塞杆60、膨胀胶囊100组成的腔体内的油脂产生向外的推力，推动活塞杆60克服外侧复位反力件80产生的向下推力快速顶出，从而提供一种可控的动力。

当加热元件10停止被输入能量加热时，随着温度的下降，膨胀胶囊100内的膨胀介质受冷开始由液态向固态转变，其体积开始收缩，由于外侧的复位反力件80始终推动活塞杆60向初始位置方向回复，活塞杆60推动油脂沿膨胀胶囊100的外表面均匀的压缩膨胀胶囊的体积，由于弹性件30的弹性，始终紧紧包裹在膨胀介质20的外表面，并且在外侧油脂的均匀回复液压力的作用下会均匀的回复到初始体积，且内部不会产生由于冷凝产生的空隙；最终确保动力装置的活塞杆60能够回复到初始位置。

较佳地，如图9所示，在顶部空间受到限制时，复位反力件80可布置在活塞杆60的两侧或单侧。

较佳地，膨胀胶囊的横截面还可以为多边形或椭圆形。实际应用中，膨胀胶囊的形状和大小，要根据所应用的产品来定。

<实施例三>

图10-12为本发明第三种实施例的结构示意图。其中，图10为本发明第三种实施例中膨胀胶囊中膨胀组件和弹性件的立体图，图11为本发明第三种实施例中膨胀胶囊中刚性外壳的立体图，图12为本发明第三种实施例中动力驱动装置的剖视图。

本实施例与第一种实施例不同的是：膨胀胶囊为环柱状，加热元件10为电阻丝，电阻丝可以被缠绕成多圈，加热元件10通过导线11通电后加热；加热元件10外表面完全地、均匀地包裹有膨胀介质20，共同形成膨胀组件12；弹性件30为环形支架，环形支架中形成空腔40。膨胀组件12盘绕在弹性件30的四周环形支架上，大部分包裹在弹性件30四周的内侧，弹性件30和膨胀组件12一起被收容在刚性外壳50中。

当加热加热元件10时，膨胀介质20均匀受热，迅速膨胀，提供均匀稳定的动力，膨胀后的膨胀介质20推动与其相邻的弹性件30。由于弹性件30外侧为刚性外壳50，弹性件30只能向内侧的空腔40的方向膨胀，弹性件30挤压油脂，油脂推动位于空腔40中的活塞杆60，同时活塞杆60伸入空腔40的部分为锥形或者此部分空腔为锥形，活塞杆60会同时受到内腔40的挤压被快速推出。当膨胀介质20膨胀时，弹性件30产生一定的弹性变形。当停止加热后，膨胀介质20的体积会自动收缩，同时在弹性件30的外侧力和复位反力件80的作用下，膨胀介质20能够迅速回缩到初始状态或初始体积，空腔40此时回复到原体积，活塞杆60又重新回落到空腔40中的初始位置。

较佳地，如图13所示，在顶部空间受到限制时，复位反力件80可布置在活塞杆60的两侧或单侧。

<实施例四>

图14-15为本发明第四种实施例的结构示意图。其中，图14为本发明第四种实施例中膨胀胶囊的结构示意图；图15是本发明第四种实施例中动力驱动装置的结构示意图。

本实施例与第二种实施例不同的是：膨胀胶囊100为矩形扁平块状，弹性件30也为矩形扁平块状的中空封闭囊体，刚性外壳50根据断路器产品的一种内部可利用空间制作，膨胀组件12收容在矩形扁平的弹性件30内。加热元件10可由电阻丝制而成，也可以为片状加热电阻布置在弹性件30内，其四周均匀布置一层能够瞬间熔化膨胀足量的膨胀介质20。油脂充满在膨胀胶囊100的四周。活塞杆60位于膨胀胶囊100右侧的斜上方。本实施例的工作原理与第二中实施例类似，在此不再累述。

当然，若将该矩形扁平膨胀胶囊100设计为外方内圆柱的环形结构，活塞杆60初始位置深入到柱形或锥形柱的空腔40中，该实例的工作原理与第一种实例类似，在此不再累述。

本发明中的膨胀胶囊的形状和结构不限于上述四种实施例及其变形例，膨胀胶囊的形状还可以是正立方体、椭圆体、球体、或不规则的形状。只要包括加热元件10和膨胀介质20，膨胀介质20均匀地包裹加热元件10，膨胀介质20与弹性件30能够相互作用，并且为外界提供动力的技术方案，都属于本发明的保护范围。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。

Claims (18)

1.一种提供动力的膨胀胶囊，包括加热元件和膨胀介质，其特征在于，所述膨胀介质均匀地包裹在所述加热元件的表面，并共同组成膨胀组件，所述膨胀胶囊还包括弹性件；

当所述加热元件加热时，所述膨胀介质向四周膨胀并作用于所述弹性件使得所述弹性件产生弹性变形；

当所述加热元件停止加热后，所述弹性件在回弹力的作用下紧贴所述膨胀介质，并使所述膨胀介质往初始状态回缩；

所述弹性件包裹在所述膨胀组件外；

所述弹性件的中心留有空腔。

2.根据权利要求1所述的膨胀胶囊，其特征在于，所述膨胀胶囊的横截面为圆形、或多边形、或椭圆形。

3.根据权利要求1所述的膨胀胶囊，其特征在于，所述膨胀组件与所述弹性件相邻。

4.根据权利要求3所述的膨胀胶囊，其特征在于，所述弹性件为环形支架，所述膨胀组件盘绕在所述环形支架上，所述弹性件和所述膨胀组件一起被收容在刚性外壳中。

5.根据权利要求1所述的膨胀胶囊，其特征在于，所述加热元件为电阻丝，或正温度系数热敏电阻，或片状加热电阻。

6.根据权利要求1所述的膨胀胶囊，其特征在于，所述膨胀介质为相变介质石蜡，或石蜡混合物。

7.根据权利要求1所述的膨胀胶囊，其特征在于，所述弹性件由耐高温橡胶，或热塑弹性体制成。

8.一种动力驱动装置，包括刚性外壳、膨胀胶囊、密封件、活塞杆和复位反力件，所述膨胀胶囊收容在所述刚性外壳中，所述刚性外壳内充满了流体物质，所述刚性外壳利用密封件进行密封，所述活塞杆的底端穿过所述密封件插入到所述刚性外壳中，所述活塞杆的顶端与所述复位反力件连接，所述膨胀胶囊包括加热元件和膨胀介质，其特征在于，

所述膨胀介质均匀地包裹在所述加热元件的表面，并共同组成膨胀组件，所述膨胀胶囊还包括弹性件；

当所述加热元件加热时，所述膨胀介质向四周膨胀并作用于所述弹性件使得所述弹性件产生弹性变形，所述弹性件挤压所述流体物质，所述流体物质推动所述活塞杆顶出；

当所述加热元件停止加热后，所述弹性件在回弹力的作用下紧贴所述膨胀介质并使所述膨胀介质往初始状态回缩，在所述复位反力件的作用下所述活塞杆回复到初始位置。

9.根据权利要求8所述的动力驱动装置，其特征在于，所述弹性件包覆在所述膨胀组件外。

10.根据权利要求9所述的动力驱动装置，其特征在于，所述弹性件的中心留有空腔。

11.根据权利要求9所述的动力驱动装置，其特征在于，所述弹性件为中空封闭囊体。

12.根据权利要求8所述的动力驱动装置，其特征在于，所述膨胀组件与所述弹性件相邻。

13.根据权利要求12所述的动力驱动装置，其特征在于，所述弹性件为环形支架，所述膨胀组件盘绕在所述环形支架上，所述弹性件和所述膨胀组件一起被收容在刚性外壳中。

14.根据权利要求10所述的动力驱动装置，其特征在于，所述活塞杆的底端插入到所述弹性件的所述空腔中。

15.根据权利要求11所述的动力驱动装置，其特征在于，所述活塞杆的底端位于所述膨胀胶囊外。

16.根据权利要求8所述的动力驱动装置，其特征在于，所述复位反力件为复位弹簧，或弹性橡胶件，或磁性件；

所述复位反力件安装在所述活塞杆的顶端，或安装在所述动力驱动装置的两侧或一侧。

17.根据权利要求11所述的动力驱动装置，其特征在于，所述密封件为密封圈。

18.根据权利要求11所述的动力驱动装置，其特征在于，所述流体物质为液态油或油脂。