CN105551903A - 基于sma热弹力材料的新型自复电路保险装置及工作过程 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SMA热弹力材料的新型自复电路保险装置及工作过程，该装置包括供流电路、报警电路和自恢复电路保险开关，其中保险开关由Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝、紧固螺丝、滑片、预紧弹簧、供流电路转换触头、报警电路转换触头、绝缘导轨、金属固定夹、干路导线和触头转换导轨组成；本发明利用了具有TW-SME的Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂合金在低温和高温状态下的相态转变，来实现供流电路和报警电路之间的及时切换；本发明的优点在于，自恢复性过流保护，响应时间短，瞬时报警，安装方便，保险开关失效后仍然可以保护电路，对工作环境要求较低等；本发明适用于各种大中小型工业及民用建筑体系。

Description

基于SMA热弹力材料的新型自复电路保险装置及工作过程

技术领域

本发明属于电路安全技术领域，具体涉及基于SMA热弹力材料的新型自复电路保险装置及工作过程。

背景技术

近年来，越来越多的新型电路设计理念被广泛应用于工业、民用建筑体系中，其目的在于提升人们生活的便利性、可靠性和安全性，其中首要的任务是提高电路使用的安全性。一般的方法是在电路中加设保险丝，当电路发生异常和故障的时候，能够起到过流保护的作用，避免电器的烧损和火灾的发生。传统的保险丝制作材料由最初的铅锑合金过渡到了铅、锌、铝等低熔点金属按照许用电流强度制作成的不同直径大小的保险丝。这些材料制作的保险丝安装之后仅能保护电路一次，熔断之后必须及时更换，且熔断情况复杂，可能出现不正常熔断等。这不仅会给个人的生活带来很大的不便，而且也给一些需要及时恢复供电的用电设备带来隐患，对某些作业过程也是十分危险的。基于此，专利102025140A将PPTC过流保护模块引入到了电路中。该模块由高分子PTC聚合物制成，在常温下呈现低阻抗态，热能平衡；当温度过高时，发热量将大于散热量，使电阻器迅速膨胀，进而使聚合物碳离子分离而加大阻值，模块呈现高阻抗态，达到了节流的效果。这种高分子PTC聚合物制成的自复保险丝，不仅能起到过流保护的效果，而且可以自动复位，解决了传统保险丝的一些不足，但是由于高分子PTC聚合物在高温状态下碳离子的分离需要一定的时间，使整体装置的响应时间较慢，不能达到快速截流的效果，且该系统缺少必要的报警装置而使电路故障不能反映出来，阻碍了电路的及时恢复。因此，该设计仍有许多可以改进的地方。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供基于SMA热弹力材料的新型自复电路保险装置及工作过程，利用Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝(通过多次热机械处理使降温时发生R相变)的双向形状记忆效应，改进电路设计，缩短电路保险装置的响应时间，增加实际使用的可靠性和安全性，充分发挥该电路保险装置的保护功能、自动复位功能和报警功能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于SMA热弹力材料的新型自复电路保险装置，该装置的总电路由串联在火线11上的自恢复电路保险开关3和两个子闭环电路组成，两个子闭环电路为供流电路1和报警电路2；所述供流电路1为串联在火线11上的工作电路，由串联在火线11上的总开关4和过流保护保险丝5，并联在自恢复电路保险开关3两端的分流电阻6以及连接在火线11和零线12间的用电设备7组成，总开关4、过流保护保险丝5、自恢复电路保险开关3和用电设备7顺序电联接形成干路；所述报警电路2包括与自恢复电路保险开关3连接的操作开关8，与操作开关8依次连接的报警器9和分压电阻10，分压电阻10另一端连接零线12；两个子闭环电路通过自恢复电路保险开关3进行切换，其中：供流电路1负责用电设备7的正常运转，报警电路2负责对供流电路1中的过流现象及时报警，并通过开关操作进行电路的开路复位。

所述的自恢复电路保险开关3由Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1、紧固螺丝3-2、滑片3-3、预紧弹簧3-4、供流电路转换触头3-5、报警电路转换触头3-6、绝缘导轨3-7、金属固定夹3-8、干路导线3-9和触头转换导轨3-10组成，且Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1经过处理后在低温马氏体相态下的长度大于在高温奥氏体相态下的长度，其中，Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1分别由金属固定夹3-8和滑片3-3上的紧固螺丝3-2进行夹固，滑片3-3与凹槽式绝缘导轨3-7嵌接，下端套嵌触头转换导轨3-10，使得滑片3-3只能沿着双导轨方向左右平移，滑片3-3的一侧固结有预紧弹簧3-4，预紧弹簧3-4另一端与固定绝缘端固结，用于对冷却时的合金丝3-1进行拉伸并控制滑片3-3在合金丝相变时的位移，金属固定夹3-8一侧有导线固结孔，将电路中的干路导线3-9与金属固定夹3-8连接，滑片3-3的下端有供流电路转换触头3-5和报警电路转换触头3-6，供流电路转换触头3-5和报警电路转换触头3-6通过触头转换导轨3-10连接，该导轨中间部分有一小段为绝缘材料制成，长度足够小，不会使电路切换迟滞或双闭环电路都切断，滑片3-3在不同的温度下能够移动到不同的电路转换触头位置，从而连通不同的电路，实现电路的快速切换；所述供流电路1的分流电阻6连接在自恢复电路保险开关3的干路导线3-9和供流电路转换触头3-5引出的导线间，所述报警电路2的报警器9与自恢复电路保险开关3的报警电路转换触头3-6连接。

所述分压电阻10的阻值为90～110Ω。

上述所述的新型自复电路保险装置的工作过程，包括以下步骤：

1)当电路处于正常状况时，通过Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1的电流强度低于一般保险丝的熔断电流，电流产生的热达到了平衡，此时Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1处于低温马氏体状态，通过干路导线3-9、Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1、滑片3-3和供流电路转换触头3-5，自恢复电路保险开关3维持连通供流电路1进行正常供电；

2)当发生短路故障或用电超载时，通过Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1的过载电流将产生高热，热量一旦高于Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金3-1的相变温度，Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1将由马氏体向高温奥氏体转变，这将使它产生8％的应变恢复(热弹性)，由于Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1的长度收缩，将带动滑片3-3在绝缘导轨3-7和触头转换导轨3-10上移动，使供流电路1断开，报警电路2接通，产生报警讯号；

3)操作者排除电路故障后及时对报警电路2进行断路操作即恢复操作前开关为闭合状态，使电流不再通过Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1，由于TW-SME效应，Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1在冷却过程中，将由高温奥氏体，经过R相转变，返回到马氏体状态，Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1也因此恢复到了原来的长度，供流电路1接通，电路恢复。

使用本发明，可以改进传统保险丝和PPTC的很多不足之处，具体如下：

1)由于经过特殊的热机械处理后，Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂合金具有TW-SME功能，因此可以随着温度变化改变自身长度，成为温敏开关元件，进而实现了供流电路切断后的自恢复功能，相较于传统保险丝的熔断和PPTC的聚合物碳离子的分离，形状记忆合金丝一旦发生相变就可以切断供流电路，更加可靠安全，响应时间更短。

2)本发明较常规自复保险丝装置增加了报警系统，使保险元件的恢复不再依靠元件本身，而能够进行人为操作，可以减少很多由于元件自身不确定性因素带来的影响。

3)Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂合金丝作为合金材料，其抗腐蚀性与不锈钢丝相仿，扩展了该装置的工作环境。

4)一般的自恢复电路保险装置很少考虑保险元件反复多次作用后失效的补救措施，本发明增设了过流保护保险丝，可以解决自恢复电路保险开关失效后电路的安全问题，避免了隐患的发生。

5)本发明拆装简易，耗材量少，Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂合金的重复利用次数也高达80次以上。

总之，本发明用具有双向形状记忆效应(TW-SME)的形状记忆合金(SMA)热弹力材料—Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝替代普通的保险丝，来达到增加电路安全级别的目的。基本原理是利用这种可以在不同电流产生的不同温度下发生马氏体和奥氏体之间顺、逆相态转变的过流电子保护元件，实现新型保险开关的自动切换。采用这种新型电路最终可以达到过流保护、瞬时报警和电路自恢复等效果，安装方便，使用安全可靠。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明新型自复电路保险装置的电路原理图。

图2为本发明新型自复电路保险装置中的自恢复电路保险开关的结构详图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式和注意事项进行详细说明。

步骤1：基于奥氏体转变的过流保护机制

本发明一种基于SMA热弹力材料的新型自恢复电路保险装置的电路原理如附图1所示，由两个闭环电路和一个切换开关组成。闭环电路根据其作用效果分别为供流电路1和报警电路2，其中，供流电路1即将保险装置串联在火线11中的工作电路，由总开关4、过流保护保险丝5、分流电阻6和用电设备7组成。分流电阻6的作用是通过调节电阻的大小，将通过自恢复电路保险开关3的电流控制在一定范围内，避免Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1的熔断，且使Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1的温度控制在合理的范围内，以便在电流过大时能够达到相变温度，实现开关的快速切换。其阻值的计算公式如下(假设Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1的相变温度为70℃)：

$R=\frac{R_{70}(U-\[i\]R_{out})}{\[i\](R_{70}+R_{out})-U}$

其中，R₇₀表示Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1在70℃时的阻值，R_out表示用电设备7阻值和过流保护保险丝5的阻值之和，[i]表示许用电流，U表示地区额定电压，如中国的家用额定电压为220V。

总开关4的作用是当自恢复电路保险开关3上的Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1反复多次作用而失效后，关闭总电路进行安全更换。过流保护保险丝5的熔断电流要稍微比许用电流大，这样可以避免在自恢复电路保险开关3正常工作的情况下熔断，它负责在自恢复电路保险开关3失效的情况下保护电阻。

电路在正常情况下，自恢复电路保险开关3处于热平衡状态，相当于一段导线，使电流通过而不产生相变。当电路中通过的电流过大时，自恢复电路保险开关3处的热平衡将会打破，此时其温度将升高，促成了Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1由低温马氏体向高温奥氏体的转变，其长度将收缩，带动滑片3-3向左移动，预紧弹簧3-4被拉伸，滑片3-3底端沿着触头转换导轨3-10离开供流电路转换触头3-5并与报警电路转换触头3-6接触，此时供流电路1断开，报警电路2连通，实现了对电路的过流保护。Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1上通过的电流强度与其产生的温度关系如下所示：

${\mathrm{\ρV}}_w{c}_p\frac{dT}{dt}+{\mathrm{hA}}_w(T_w-T_a)+{\mathrm{\ϵ\σ}}_{rad}{A}_w(T_w^4-T_a^4)+{\mathrm{\ρV}}_w\mathrm{\Δ}H\left|\frac{d\mathrm{\ξ}}{dt}\right|+\frac{{\mathrm{dW}}_{mech}}{dt}=i^2{R}_{Ni-Ti-Cu}$

其中，T_w为Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1的温度，T_a为周围环境温度，ρV_w为Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1的质量，c_p为Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1的比热容，h为对流换热系数，ε为热辐射率，σ_rad为玻尔兹曼常量，等式左边第四项为相变潜热项，W_mech为预紧弹簧3-4的机械能，R_Ni-Ti-Cu为Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1在相应温度下的阻值。

步骤2：报警系统机制

电路在过流状态下，自恢复电路保险开关3将由供流电路1切换到报警电路2。该电路由操作开关8、报警器9和分压电阻10和构成，由于报警系统中的操作开关8平时为闭合状态，因此报警系统被激活。其中分压电阻10用来承担相当一部分的电压降，从而调节报警电路2的电流强度在合适的范围。该范围内，报警电路2一直处于过流状态，Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1也不至被烧坏熔断。此时，Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1将一直处于高温奥氏体状态，而使供流电路1持续断路，报警器9正常工作。报警器9触发后，由操作人员检修电路故障或降低用电载荷，然后将报警电路2的操作开关8断开，此时报警器9停止报警，报警电路2中不再有电流通过，自恢复电路保险开关3进入了冷却阶段。

步骤3：基于奥氏体-R相-马氏体转变的供流电路自恢复机制

进入冷却阶段的Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1与外界环境进行热对流、热辐射等，自身温度不断降低，导致Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1发生相变，由高温奥氏体发生一种热弹性马氏体相变，即R相变。R相变的变形量仅为马氏体相变的1/10，但是它是TW-SME的必要因素。随着温度继续冷却降低，Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1将由R相恢复“记忆”达到马氏体的长度，即为原长。该冷却过程中Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1上通过的电流强度与其产生的温度关系同样可以由下式表示：

${\mathrm{\ρV}}_w{c}_p\frac{{\mathrm{dT}}_w}{dt}+{\mathrm{hA}}_w(T_w-T_a)+{\mathrm{\ϵ\σ}}_{rad}{A}_w(T_w^4-T_a^4)-{\mathrm{\ρV}}_w\mathrm{\Δ}H\left|\frac{d\mathrm{\ξ}}{dt}\right|-\frac{{\mathrm{dW}}_{mech}}{dt}=0$

各个物理量的意义步骤1已给出，这里相变潜热和预紧弹簧3-4做负功。

Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1恢复原长后将带动滑片通过触头转换导轨3-10与供流电路1的触头接触，此时供流电路1打开，通过Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1的电流所产生的热在故障修复后达到了热平衡状态，电路恢复正常。这一过程将一直循环往复直到Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1多次作用后失效或者断开。此时若Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝3-1仍接通供流电路且电流持续增大，达到了过流保护保险丝5的许用电流极限，将触发过流保护机制，使过流保护保险丝5熔断，充分保证了电路的安全。

Claims (4)

1.一种基于SMA热弹力材料的新型自复电路保险装置，其特征在于：该装置的总电路由串联在火线(11)上的自恢复电路保险开关(3)和两个子闭环电路组成，两个子闭环电路为供流电路(1)和报警电路(2)；所述供流电路(1)为串联在火线(11)上的工作电路，由串联在火线(11)上的总开关(4)和过流保护保险丝(5)，并联在自恢复电路保险开关(3)两端的分流电阻(6)以及连接在火线(11)和零线(12)间的用电设备(7)组成，总开关(4)、过流保护保险丝(5)、自恢复电路保险开关(3)和用电设备(7)顺序电联接形成干路；所述报警电路(2)包括与自恢复电路保险开关(3)连接的操作开关(8)，与操作开关(8)依次连接的报警器(9)和分压电阻(10)，分压电阻(10)另一端连接零线(12)；两个子闭环电路通过自恢复电路保险开关(3)进行切换，其中：供流电路(1)负责用电设备(7)的正常运转，报警电路(2)负责对供流电路(1)中的过流现象及时报警，并通过开关操作进行电路的开路复位。

2.根据权利要求1所述的新型自复电路保险装置，其特征在于：所述的自恢复电路保险开关(3)由Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝(3-1)、紧固螺丝(3-2)、滑片(3-3)、预紧弹簧(3-4)、供流电路转换触头(3-5)、报警电路转换触头(3-6)、绝缘导轨(3-7)、金属固定夹(3-8)、干路导线(3-9)和触头转换导轨(3-10)组成，且Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝(3-1)经过处理后在低温马氏体相态下的长度大于在高温奥氏体相态下的长度，其中，Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝(3-1)分别由金属固定夹(3-8)和滑片(3-3)上的紧固螺丝(3-2)进行夹固，滑片(3-3)与凹槽式绝缘导轨(3-7)嵌接，下端套嵌触头转换导轨(3-10)，使得滑片(3-3)只能沿着双导轨方向左右平移，滑片(3-3)的一侧固结有预紧弹簧(3-4)，预紧弹簧(3-4)另一端与固定绝缘端固结，用于对冷却时的合金丝(3-1)进行拉伸并控制滑片(3-3)在合金丝相变时的位移，金属固定夹(3-8)一侧有导线固结孔，将电路中的干路导线(3-9)与金属固定夹(3-8)连接，滑片(3-3)的下端有供流电路转换触头(3-5)和报警电路转换触头(3-6)，供流电路转换触头(3-5)和报警电路转换触头(3-6)通过触头转换导轨(3-10)连接，该导轨中间部分有一小段为绝缘材料制成，长度足够小，不会使电路切换迟滞或双闭环电路都切断，滑片(3-3)在不同的温度下能够移动到不同的电路转换触头位置，从而连通不同的电路，实现电路的快速切换；所述供流电路(1)的分流电阻(6)连接在自恢复电路保险开关(3)的干路导线(3-9)和供流电路转换触头(3-5)引出的导线间，所述报警电路(2)的报警器(9)与自恢复电路保险开关(3)的报警电路转换触头(3-6)连接。

3.根据权利要求1所述的新型自复电路保险装置，其特征在于：所述分压电阻(10)的阻值为90～110Ω。

4.权利要求2所述的新型自复电路保险装置的工作过程，其特征在于：包括以下步骤：

1)当电路处于正常状况时，通过Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝(3-1)的电流强度低于一般保险丝的熔断电流，电流产生的热达到了平衡，此时Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝(3-1)处于低温马氏体状态，通过干路导线(3-9)、Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝(3-1)、滑片(3-3)和供流电路转换触头(3-5)，自恢复电路保险开关(3)维持连通供流电路(1)进行正常供电；

2)当发生短路故障或用电超载时，通过Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝(3-1)的过载电流将产生高热，热量一旦高于Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金(3-1)的相变温度，Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝(3-1)将由马氏体向高温奥氏体转变，这将使它产生8％的应变恢复，由于Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝(3-1)的长度收缩，将带动滑片(3-3)在绝缘导轨(3-7)和触头转换导轨(3-10)上移动，使供流电路(1)断开，报警电路(2)接通，产生报警讯号；

3)操作者排除电路故障后及时对报警电路(2)进行断路操作即恢复操作前开关为闭合状态，使电流不再通过Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝(3-1)，由于TW-SME效应，Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝(3-1)在冷却过程中，将由高温奥氏体，经过R相转变，返回到马氏体状态，Ti₅₄Ni₃₄Cu₁₂形状记忆合金丝(3-1)也因此恢复到了原来的长度，供流电路(1)接通，电路恢复。