CN104121745A - 用于sma驱动器的套管式冷却系统及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于SMA驱动器的套管式冷却系统，属于动力与传动系统领域。本发明包括压缩空气供应装置、出流管和冷却管，压缩空气供应装置连接出流管的一端，出流管的另一端连接冷却管的一端，冷却管的另一端为开口，冷却管内插入SMA丝，所述冷却管与SMA丝之间存在间隙形成压缩空气通道。本发明还公开了一种用于SMA驱动器的套管式冷却系统的实验方法。本发明对单根SMA丝的冷却速度快、效率高，适合布置于有多根SMA驱动器紧密排布的场合，能够在不影响其他SMA丝的情况下进行单根快速冷却。SMA丝直径与冷却管直径之比的取值范围为D_s/D_c∈[0.4,0.5]，可加快压缩空气通过冷却管的速度，提高冷却效率。

Description

用于SMA驱动器的套管式冷却系统及实验方法

技术领域

本发明涉及一种套管式冷却系统及实验方法，尤其是一种用于SMA驱动器的套管式冷却系统及实验方法，属于动力与传动系统领域。

背景技术

形状记忆合金(SMA)材料因其具有形状记忆效应，可以将其作为驱动器使用，SMA驱动器具有结构简单、驱动力大、功率重量比高、响应迅速等优点，在实际中特别是在飞行器机翼变体结构中得到了大量的应用。

SMA驱动器的冷却时间直接影响驱动器的响应速度，目前SMA驱动器冷却方式有机械通风冷却、水冷、空冷、散热器冷却等，但对于有多根SMA丝机械结构的驱动器，传统的冷却方法存在结构复杂、冷却效率低、加热和冷却互相干涉等问题，无法满足SMA驱动器正常的工作需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种结构简单、冷却效率高且与加热互不干涉的用于SMA驱动器的套管式冷却系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供的用于SMA驱动器的套管式冷却系统，包括压缩空气供应装置、出流管和冷却管，所述压缩空气供应装置连接出流管的一端，出流管的另一端连接冷却管的一端，冷却管的另一端为开口，所述冷却管内用于插入SMA丝，所述冷却管与SMA丝之间存在间隙形成压缩空气通道。

本发明中，所述SMA丝直径与冷却管直径之比的取值范围为D_s/D_c∈[0.4,0.5]，D_s为SMA丝直径，D_c为冷却管直径。

本发明中，所述压缩空气供应装置包括空气压缩机、气压传感器和PXI采集控制器；所述空气压缩机与出流管连接，所述气压传感器连接空气压缩机，所述PXI采集控制器分别与气压传感器、空气压缩机的冷却控制阀连接。

本发明中，所述空气压缩机设有泄压阀，所述泄压阀连接气压传感器。

本发明中，冷却管为PU耐热管。

本发明还公开了用于SMA驱动器的套管式冷却系统的实验方法，其特征于包括以下步骤：

1)、不考虑冷却过程中相变潜热对温度的影响，建立SMA丝热力学方程：

$m_s{c}_s\frac{{\mathrm{dT}}_s}{\mathrm{dt}}+E_s+U_s=0---\left(1\right)$

式(1)中m_s为SMA丝质量，c_s为SMA材料的比热容，T_s表示SMA丝表面温度，E_s和U_s分别表示单位时间内的辐射换热量和表面对流换热量，其中：

$E_s=\mathrm{A\δ}(T_s^4-T_{\∞}^4)---\left(2\right)$

式(2)中，A为SMA丝换热表面积，T_∞为环境温度，δ为Stefan-Boltzmann常数；

U_s＝Ah(T_s-T_∞)  (3)

式(3)中，h表示SMA丝的表面换热系数；在SMA丝温度T_s及T_∞已知情形下，参数h的表达式为：

$h=\mathrm{Nu}\frac{\mathrm{\λ}}{D_s}---\left(4\right)$

式(4)中，D_s为SMA丝直径、Nu表示对流换热努谢尔特数、λ为定性温度下的空气导热系数，与温度T的关系式为λ＝(0.76T+36.04)/10000；在Δt时间内，近似认为热阻不变，则Nu越大，对流换热过程越强烈；

2)、建立管内湍流下的强制对流努谢尔特数Nu_en数学模型：

Nu_en＝0.023Re^0.8Pr^0.4  (5)

式(5)中，Re表示换热段内流动雷诺数，其中：

Re＝u_avD_hρ_a/μ  (6)

式(6)中，u_av表示换热管内平均流速，D_h＝D_c-D_s表示换热段内环隙当量直径，ρ_a为空气密度，μ表示空气运动粘度；

3)、根据气压传动学原理将整个系统的管道代换为集中气阻，由定积气容绝热放气时间方程求得气罐内压力随时间的关系式，并将其表示成气阻上游气压p₁与时间t的函数关系：

$p_1=\frac{p_0}{{[({1000A}_{e}t\sqrt{T_{\∞}}/{431V}_0)+1]}^7}---\left(7\right)$

式(7)中，p₀为初始状态时的罐内气压；

4)、令σ₁＝p_∞/p₁表示放气过程中喷嘴下游(环境)气压与上游气压比，σ₀＝p_∞/p₀表示初始时刻气压比，当σ₁小于临界气压比0.5283时，冷却管内质量流量q_m的计算公式为：

$q_m=A_e{p}_0{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{1/(k-1)}{\left[\frac{2k}{(k+1){\mathrm{RT}}_{\∞}}\right]}^{1/2}---\left(8\right)$

式(8)中，k为比热容比，R为气体常数；

5)、考虑管道内壁摩擦阻力对气流动能的影响，通过对整个管道按长度积分，建立管道内的流动数学模型,求得冷却管内的平均空气密度；

$\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}({2D}_1{q}_M^2\ln \frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2}+{{\mathrm{fq}}_m}^2{L}_1)-\frac{{\mathrm{kD}}_1^5}{k+1}(p_1{\mathrm{\ρ}}_1-p_1{\mathrm{\ρ}}_1^{-k}{\mathrm{\ρ}}_2^{k+1})=0---\left(9\right)$

式(9)中，ρ₁为气罐出口处的空气密度，ρ₂为冷却管出口处的空气密度,ln表示对数函数；

6)、结合由上式(8)所得的管内空气流量数据，得到冷却管内的平均空气流速u_av；将u_av代入式(6)，可求得换热段内流动雷诺数Re，进而通过式(5)计算冷却过程中任意时刻的强制对流努谢尔特数Nu_en；

7)、通过对式(1)按时间积分得出SMA丝在冷却过程中温度随时间的变化数据。

本发明的有益效果在于：(1)、本发明对单根SMA丝的冷却速度快、效率高，其速度为传统自然冷却的5倍以上，为风扇冷却方式的3倍以上；(2)、本发明适合布置于有多根SMA驱动器紧密排布的场合，能够在不影响其他SMA丝的情况下进行单根快速冷却；(3)、SMA丝直径与冷却管直径之比的取值范围为D_s/D_c∈[0.4,0.5]，可以进一步使用压缩空气快速通过冷却管，提高冷却效率；(4)、冷却管选择PU耐热管，确保了冷却管的工作稳定性；(5)、其结构简单可靠，机械结构内部仅保留冷却管部件，压缩空气罐、冷却控制阀及控制设备布置于结构外，维修方便。

附图说明

图1差动式SMA驱动器示意图；

图2本发明用于SMA驱动器的套管式冷却系统示意图；

图3为本发明中压缩空气罐及冷却系统控制框图；

图4仿真计算过程中冷却管出口附近的流场速度云图；

图5空气压缩机中压缩空气罐出口压强与放气时间的关系曲线；

图6空气质量流量随时间变化曲线；

图7强制对流换热SMA丝温度与时间关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

本发明主要应用于SMA驱动器机械结构的冷却，差动式SMA驱动结构示意图，如图1所示。SMA丝驱动器中，SMA1和SMA2上下对称分布，且经过预拉伸后存在一定的预应变。当SMA1加热至温度超过A_s(母相相变开始温度)时，SMA1将回复到预拉伸前的长度，丝内拉应力产生的顺时针力矩使机构顺时针偏转，同时导致SMA2被拉伸；反之，SMA2加热时机构逆时针偏转。

如图2所示，本发明用于SMA驱动器的套管式冷却系统，包括空气压缩机、出流管、气压传感器和PXI采集控制器，空气压缩机包括空压电机和压缩空气罐组成，压缩空气罐出口与出流管的一端连接，压缩空气罐出口与出流管间安装有冷却控制阀，冷却控制阀连接PXI采集控制器，以控制压缩空气罐向出流管供气；出流管的另一端与冷却管的一端连接，冷却管的另一端为开口，冷却管采用PU耐热管；气压传感器连接压缩空气罐的出口处，实时测量压缩空气罐内的压力信号；压缩空气罐的罐体上安装有泄压阀，泄压阀连接气压传感器，当压缩空气罐压力大于上限时通过打开泄压阀降低气压；空压电机连接气压传感器，气压传感器PXI连接采集控制器。SMA丝插入冷却管内，每个冷却管插入1根SMA丝，冷却管与SMA丝之间存在一定的间隙，以便于压缩空气的通过；SMA丝直径D_s与冷却管直径D_c之比的取值范围为D_s/D_c∈[0.4,0.5]。SMA丝的两端连接加热电源。本发明亦可适应于包含多根SMA丝的驱动器的冷却，其冷却管的数量根据SMA丝的数量确定。本例中空气压缩机的压缩空气罐容积为12L、出流管长度L₁＝1.8m、压缩空气罐出流管内径D₁＝6mm、冷却管长度L₂＝0.2m、冷却管内径D_c＝2mm，SMA丝直径D_s＝1mm，在实际应用中，针对不同直径的SMA丝，冷却管的直径需相应调整，以保证SMA丝与冷却管内壁之间有一定的间隙。

如图3所示，气压传感器带有2个通道的开关量输出，通道1控制空压电机开关，通道2控制泄压阀，通道1和通道2上分别设置继电器1和继电器2；冷却控制阀与PXI采集控制器间连接继电器3。用户可自行设定此通道中允许的气压上下阈值，压缩空气罐内气压保持在安全工作范围内。气罐内最低与最高气压值分别为p_min和p_max，若罐内气压低于p_min，则冷却管内的空气流速达不到冷却系统需求；而基于安全考虑，罐内气压须低于p_max。

本发明具体控制过程为：气压传感器实时采集罐内气压，当气罐中气压低于p_min时，气压传感器通道1输出信号使空压电机启动，罐内气压升高；当气罐中压强高于p_max时，通道1输出使泄压阀打开的电平信号，直至气罐内压强下降至p_max时，泄压阀关闭。当冷却系统处于启动状态时，冷却控制阀由用户操纵PXI采集控制器发出信号控制通断。当需要对SMA丝进行冷却时，通过PXI采集控制器输出使冷却控制阀接通的信号，压缩空气高速流入出流管之后流入SMA丝冷却管，气流以一定速度穿过冷却管与受热SMA丝之间形成的环形窄缝通道，形成强制对流换热后，通过冷却管的开口端排放到外界环境中；冷却过程结束时，PX采集控制器向冷却控制阀输出截止信号，冷却管内无气流流过。

如图4所示，压缩空气高速流经冷却管后喷放到外界环境中，在与高温SMA丝的对流换热过程中，通过热交换吸收SMA丝的热量，使其快速降低温度。

本发明用于SMA驱动器的套管式冷却系统气压传动过程分析实验方法具体过程为：

1)、不考虑冷却过程中相变潜热对温度的影响，建立SMA丝热力学方程，表示成微分形式如下：

$m_s{c}_s\frac{{\mathrm{dT}}_s}{\mathrm{dt}}+E_s+U_s=0---\left(1\right)$

式(1)中m_s为SMA丝质量，d含义为微分算子,c_s为SMA材料的比热容，T_s表示SMA丝表面温度，E_s和U_s分别表示单位时间内的辐射换热量和表面对流换热量，其中：

$E_s=\mathrm{A\δ}(T_s^4-T_{\∞}^4)---\left(2\right)$

式(2)中，A为SMA丝换热表面积，T_∞为环境温度，δ为Stefan-Boltzmann常数；

U_s＝Ah(T_s-T_∞)  (3)

式(3)中，h表示SMA丝的表面换热系数；在SMA丝温度T_s及T_∞已知情形下，参数h的表达式为：

$h=\mathrm{Nu}\frac{\mathrm{\λ}}{D_s}---\left(4\right)$

式(4)中，D_s为SMA丝直径、Nu表示对流换热努谢尔特数、λ为定性温度下的空气导热系数，与温度T的关系式为λ＝(0.76T+36.04)/10000；在Δt时间内，近似认为热阻不变，则Nu越大，对流换热过程越强烈；

2)、建立管内湍流下的强制对流努谢尔特数Nu_en数学模型：

Nu_en＝0.023Re^0.8Pr^0.4  (5)

式(5)中，Re表示换热段内流动雷诺数，其中：

Re＝u_avD_hρ_a/μ  (6)

式(6)中，u_av表示换热管内平均流速，D_h＝D_c-D_s表示换热段内环隙当量直径，ρ_a为空气密度，μ表示空气运动粘度；

3)、在冷却过程中，压缩空气罐视为定积气容，高压空气经过气阀、气罐出流管及冷却管后排放到周围环境中。在实际过程中，根据气压传动学原理将整个系统的管道代换为集中气阻，由定积气容绝热放气时间方程求得气罐内压力随时间的关系式，并将其表示成气阻上游气压p₁与时间t的函数关系：

$p_1=\frac{p_0}{{[({1000A}_{e}t\sqrt{T_{\∞}}/{431V}_0)+1]}^7}---\left(7\right)$

式(7)中，p₀为初始状态时的罐内气压；

4)、令σ₁＝p_∞/p₁表示放气过程中喷嘴下游(环境)气压与上游气压比，σ₀＝p_∞/p₀表示初始时刻气压比，当σ₁小于临界气压比0.5283时，冷却管内质量流量q_m的计算公式为：

$q_m=A_e{p}_0{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{1/(k-1)}{\left[\frac{2k}{(k+1){\mathrm{RT}}_{\∞}}\right]}^{1/2}---\left(8\right)$

式(8)中，k为比热容比，R为气体常数；其中，k＝1.4，R＝287.1J/(kg·K)。由此计算所得的压缩空气罐常温放气时压强随时间的变化曲线与实验数据对比，如图5所示；冷却过程中管道内流量随时间的变化曲线，如图6所示；

5)、考虑管道内壁摩擦阻力对气流动能的影响，通过对整个管道按长度积分，建立管道内的流动数学模型方程如式(9)所示，进而求得冷却管内的平均空气密度：

$\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}({2D}_1{q}_M^2\ln \frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2}+{{\mathrm{fq}}_m}^2{L}_1)-\frac{{\mathrm{kD}}_1^5}{k+1}(p_1{\mathrm{\ρ}}_1-p_1{\mathrm{\ρ}}_1^{-k}{\mathrm{\ρ}}_2^{k+1})=0---\left(9\right)$

式(9)中，q_m为冷却管内质量流量，ρ₁为气罐出口处的空气密度，ρ₂为冷却管出口处的空气密度,ln表示对数函数；

6)、结合由上式(8)所得的管内空气流量数据，得到冷却管内的平均空气流速u_av；将u_av代入式(6)，可求得换热段内流动雷诺数Re，进而通过式(5)计算冷却过程中任意时刻的强制对流努谢尔特数Nu_en；

7)、通过对式(1)按时间积分得出SMA丝在冷却过程中温度随时间的变化数据。

在此，以直径为1mm、长度为120mm、被加热至67℃的SMA丝为例，计算结果与实验对比，如图7所示。从图中可以看出，理论计算结果与实验结果有一定误差，温度整体下降速率计算快于实验，但仍能准确反映冷却时温度的变化趋势。

在实际应用中，若给定管道系统和压缩空气罐等硬件设备，根据SMA丝的直径、长度、加热温度等参数，及冷却时长的限制等要求，可通过改变压缩空气罐内的初始气压来调节冷却时间。通过利用上述数学模型，可以较准确的预测冷却时间，为后续的冷却系统改进提供了计算方法和依据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于SMA驱动器的套管式冷却系统，其特征在于：包括压缩空气供应装置、出流管和冷却管，所述压缩空气供应装置连接出流管的一端，出流管的另一端连接冷却管的一端，冷却管的另一端为开口，所述冷却管内用于插入SMA丝，所述冷却管与SMA丝之间存在间隙形成压缩空气通道。

2.根据权利要求1所述的用于SMA驱动器的套管式冷却系统，其特征在于：所述SMA丝直径与冷却管直径之比的取值范围为D_s/D_c∈[0.4,0.5]，D_s为SMA丝直径，D_c为冷却管直径。

3.根据权利要求2所述的用于SMA驱动器的套管式冷却系统，其特征在于：所述压缩空气供应装置包括空气压缩机、气压传感器和PXI采集控制器；所述空气压缩机与出流管连接，所述气压传感器连接空气压缩机，所述PXI采集控制器分别与气压传感器、空气压缩机的冷却控制阀连接。

4.根据权利要求3所述的用于SMA驱动器的套管式冷却系统，其特征在于：所述空气压缩机设有泄压阀，所述泄压阀连接气压传感器。

5.根据权利要求4所述的用于SMA驱动器的套管式冷却系统，其特征在于：所述冷却管为PU耐热管。

6.根据权利要求1至5任一项所述的用于SMA驱动器的套管式冷却系统的实验方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、不考虑冷却过程中相变潜热对温度的影响，建立SMA丝热力学方程：

$m_s{c}_s\frac{{\mathrm{dT}}_s}{\mathrm{dt}}+E_s+U_s=0---\left(1\right)$

式(1)中m_s为SMA丝质量，c_s为SMA材料的比热容，T_s表示SMA丝表面温度，E_s和U_s分别表示单位时间内的辐射换热量和表面对流换热量，其中：

$E_s=\mathrm{A\δ}(T_s^4-T_{\∞}^4)---\left(2\right)$

式(2)中，A为SMA丝换热表面积，T_∞为环境温度，δ为Stefan-Boltzmann常数；

U_s＝Ah(T_s-T_∞)  (3)

式(3)中，h表示SMA丝的表面换热系数；在SMA丝温度T_s及T_∞已知情形下，参数h的表达式为：

$h=\mathrm{Nu}\frac{\mathrm{\λ}}{D_s}---\left(4\right)$

式(4)中，D_s为SMA丝直径、Nu表示对流换热努谢尔特数、λ为定性温度下的空气导热系数，与温度T的关系式为λ＝(0.76T+36.04)/10000；在Δt时间内，近似认为热阻不变，则Nu越大，对流换热过程越强烈；

2)、建立管内湍流下的强制对流努谢尔特数Nu_en数学模型：

Nu_en＝0.023Re^0.8Pr^0.4  (5)

式(5)中，Re表示换热段内流动雷诺数，其中：

Re＝u_avD_hρ_a/μ  (6)

式(6)中，u_av表示换热管内平均流速，D_h＝D_c-D_s表示换热段内环隙当量直径，ρ_a为空气密度，μ表示空气运动粘度；

3)、根据气压传动学原理将整个系统的管道代换为集中气阻，由定积气容绝热放气时间方程求得气罐内压力随时间的关系式，并将其表示成气阻上游气压p₁与时间t的函数关系：

$p_1=\frac{p_0}{{[({1000A}_{e}t\sqrt{T_{\∞}}/{431V}_0)+1]}^7}---\left(7\right)$

式(7)中，p₀为初始状态时的罐内气压；

4)、令σ₁＝p_∞/p₁表示放气过程中喷嘴下游(环境)气压与上游气压比，σ₀＝p_∞/p₀表示初始时刻气压比，当σ₁小于临界气压比0.5283时，冷却管内质量流量q_m的计算公式为：

$q_m=A_e{p}_0{\left(\frac{2}{k+1}\right)}^{1/(k-1)}{\left[\frac{2k}{(k+1){\mathrm{RT}}_{\∞}}\right]}^{1/2}---\left(8\right)$

式(8)中，k为比热容比，R为气体常数；

5)、考虑管道内壁摩擦阻力对气流动能的影响，通过对整个管道按长度积分，建立管道内的流动数学模型,求得冷却管内的平均空气密度；

$\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}({2D}_1{q}_M^2\ln \frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2}+{{\mathrm{fq}}_m}^2{L}_1)-\frac{{\mathrm{kD}}_1^5}{k+1}(p_1{\mathrm{\ρ}}_1-p_1{\mathrm{\ρ}}_1^{-k}{\mathrm{\ρ}}_2^{k+1})=0---\left(9\right)$

式(9)中，ρ₁为气罐出口处的空气密度，ρ₂为冷却管出口处的空气密度,ln表示对数函数；

6)、结合由上式(8)所得的管内空气流量数据，得到冷却管内的平均空气流速u_av；将u_av代入式(6)，可求得换热段内流动雷诺数Re，进而通过式(5)计算冷却过程中任意时刻的强制对流努谢尔特数Nu_en；

7)、通过对式(1)按时间积分得出SMA丝在冷却过程中温度随时间的变化数据。