CN109322808B - 一种记忆合金驱动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高能效、高频响的记忆合金驱动系统。半导体制冷片置于热水和冷水的两个箱体之间，每个箱体和半导体制冷片接触一面的内壁设有散热片，两个箱体均和第一二位三通电磁阀的两个输入端连接，输水软管绕制成螺旋状并且内部置有SMA弹簧，第一二位三通电磁阀连接到水泵输入端，水泵输出端和输水软管连接，输水软管经输水管道和第二二位三通电磁阀连接，第二二位三通电磁阀输出端分别和两个箱体连接。本发明选取有利于结构微型化的半导体制冷片为例，同时起到加热热水箱和冷却冷水箱的效果，以很小的耗能得到驱动SMA元件所需的冷热水，通过传感器引入了温度反馈和位移反馈，对SMA元件相变时产生的位移量进行精确控制，有着很好的节能效果。
Description
技术领域
发明涉及一种记忆合金驱动系统，更准确的说，是一种基于热泵工作的高效能、高频响的记忆合金驱动系统。
背景技术
形状记忆合金驱动技术是一种区别于传统电磁驱动的新型驱动技术，形状记忆合金用于驱动器，主要是利用材料高温相和低温相相互转变过程中产生的变形和回复力，来完成驱动。形状记忆合金驱动器集传感器、驱动和执行机构与一体，有着结构简单、控制方便和低能耗等特点。相比于传统的直流步进电机驱动，使用形状记忆合金可以在很小体积的情况下实现很大的力输出。形状记忆合金驱动器一般包括记忆合金驱动元件和执行机构两部分，通过将形状记忆合金加工为螺旋状、丝状和片状等，可大大扩展其适用范围，满足不同的运动形式要求。
形状记忆合金驱动器在工作时，需要对记忆合金元件进行循环的加热和冷却。传统的方式有电加热配合空冷，但此方式的升温和降温速率不高，从而限制了SMA元件的响应频率；此外还有用水热和水冷等手段对SMA元件进行强制对流换热，其特点是需要不断地提供特定温度的冷热水。这些方式的特点是涉及到了SMA加热和冷却两个过程，而现有的方式中加热和冷却过程都是分开进行的，加热和冷却过程均需要消耗很多的能量，因此能量利用效率不高。
发明内容
针对传统记忆合金驱动响应慢，能量利用率不高的不足，本发明提出了一种高能效、高频响的记忆合金驱动系统。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括箱体、散热片、温度传感器、作为热泵的半导体制冷片、第一二位三通电磁阀、水泵、软管接头、位移传感器、SMA弹簧、输水软管、输水管道和第二二位三通电磁阀；半导体制冷片置于两个箱体之间，两个箱体分别容置热水和冷水，每个箱体和半导体制冷片接触一面的内壁设有散热片，两个箱体均经各自的管道分别和第一二位三通电磁阀的两个输入端连接，输水软管绕制成螺旋状并且内部置有SMA弹簧，第一二位三通电磁阀的一个输出端连接到水泵输入端，水泵输出端和输水软管一端的软管接头连接，输水软管另一端的软管接头经输水管道和第二二位三通电磁阀的一个输入端连接，第二二位三通电磁阀的两个输出端分别经各自的管道和两个箱体连接。
容置热水的箱体内形成热水区，容置冷水的箱体内形成冷水区。
上述除了输水软管及其软管接头、SMA弹簧以外的各个部件结构构成了SMA驱动系统。
还包括位移传感器、温度传感器和控制器，SMA弹簧附近处安装有位移传感器，容置热水的箱体内安装有温度传感器，控制器分别和半导体制冷片、温度传感器、第一二位三通电磁阀、水泵、位移传感器和第二二位三通电磁阀连接；通过控制器向两个电磁阀发送不同的控制信号，进行不同的控制方式，控制器对第一二位三通电磁阀施加PWM脉冲信号，对第二二位三通电磁阀施加开关信号；检测SMA弹簧的形变位移和容置热水的箱体内温度反馈，控制器通过PWM脉冲信号控制第一二位三通电磁阀对热水和冷水水量配比进行调节，从而可控制输水管道里的水温，进而对SMA弹簧相变时产生的位移量进行精确控制。
半导体制冷片的两端涂上导热硅脂和箱体外壁接触连接。半导体制冷片的冷端连接接触容置冷水的箱体，半导体制冷片的热端连接接触容置热水的箱体。
箱体内壁采用保温材料包覆；第一二位三通电磁阀、水泵和第二二位三通电磁阀均内部均采用隔热材料，以降低系统热量损失，减少系统中间环节的热量损失。
本发明的输水软管具有很好的柔性，可随着记忆合金弹簧同步的伸长或收缩；选用的SMA弹簧具有受热收缩的性质，采用具有单程记忆效应的记忆合金制作，相比于双程记忆效应的记忆合金丝，具有工作更加稳定可靠的特点。
在核心的供水驱动模块中，内置了关键元件半导体制冷片，可作为热泵工作，与之配套的有冷热水箱、水箱内的保温材料、电磁阀、水泵、温度传感器、位移传感器及相关的控制系统。控制系统可通过相关电路控制电磁阀的工作方式来调节整个供水回路以及水温，通过控制水泵的工作流速可控制SMA弹簧工作时的响应速度，并可根据温度传感器的反馈实时调整半导体制冷片的开启关闭，根据位移传感器的反馈调节加热水温以控制SMA弹簧相变时产生的位移。
本发明中的半导体制冷片，是热泵一种。半导体制冷片中，当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端，即同时达到了制冷和制热的效果。
半导体制冷片作为热泵，将冷水区的热量传递至热水区，达到了同时对热水区加热和冷水区制冷的效果，以较小的能耗同时获得SMA弹簧驱动所需要的冷热水，同时，在半导体制冷片的两端装了散热片，提高了传热效率。
本发明在记忆合金驱动系统中采用了半导体制冷片，进行记忆合金驱动的加热和冷却过程中，原理上能大幅提高能效。
本发明的有益效果是：
SMA元件形状各异，本发明以最常用的SMA弹簧为例，采用了热水和冷水对SMA弹簧进行强制对流换热，大大提高了响应速度；同时在供水模块采用半导体制冷片作为热泵，可同时获得驱动所需的冷水和热水，提高了能量利用率，并通过传感器引入温度反馈和位移反馈，达到了对SMA弹簧输出位移的精确控制。
附图说明
图1为本发明的驱动系统原理结构图；
图2为本发明的一个应用实例结构图。
图中：箱体1、散热片2、温度传感器3、半导体制冷片4、第一二位三通电磁阀5、水泵6、软管接头7、位移传感器8、SMA弹簧9、输水软管10、输水管道11、第二二位三通电磁阀12、滑块13、导轨14、转动关节15、驱动带16、普通偏置弹簧17。
具体实施方式
下面结合附图1具体阐述本发明的工作原理
图1为该记忆合金驱动系统原理图，如图1所示，本发明系统主要包括箱体1、散热片2、温度传感器3、作为热泵的半导体制冷片4、第一二位三通电磁阀5、水泵6、软管接头7、位移传感器8、SMA弹簧9、输水软管10、输水管道11和第二二位三通电磁阀12；半导体制冷片4置于两个箱体1之间，箱体1内壁采用保温材料包覆，两个箱体1分别容置热水和冷水，容置热水的箱体1内形成热水区，容置冷水的箱体1内形成冷水区。
第一二位三通电磁阀5实质为两进一出，第二二位三通电磁阀12实质为一进两出。每个箱体1和半导体制冷片4接触一面的内壁设有散热片2/导冷片，以提高导热效率，两个箱体1均经各自的管道分别和第一二位三通电磁阀5的两个输入端连接，输水软管10绕制成螺旋状并且内部置有SMA弹簧9，SMA弹簧即形状记忆合金制成的弹簧，第一二位三通电磁阀5的一个输出端连接到水泵6输入端，水泵6输出端和输水软管10一端的软管接头7连接，输水软管10另一端的软管接头7经输水管道11和第二二位三通电磁阀12的一个输入端连接，第二二位三通电磁阀12的两个输出端分别经各自的管道和两个箱体1连接。
上述除了输水软管10及其软管接头7、SMA弹簧9以外的各个部件结构构成了SMA驱动系统。
具体实施还采用了位移传感器8、温度传感器3和控制器，SMA弹簧9附近处安装有位移传感器8，容置热水的箱体1内安装有温度传感器3，控制器分别和半导体制冷片4、温度传感器3、第一二位三通电磁阀5、水泵6、位移传感器8和第二二位三通电磁阀12连接；通过控制器向两个电磁阀发送不同的控制信号，进行不同的控制方式，控制器对第一二位三通电磁阀5施加PWM脉冲信号，对第二二位三通电磁阀12施加开关信号；检测SMA弹簧9的形变位移和容置热水的箱体1内温度反馈，通过温度传感器和位移传感器引入了温度反馈和位移反馈，控制器通过PWM脉冲信号控制第一二位三通电磁阀5对热水和冷水水量配比进行调节，从而可控制输水管道里的水温，进而对SMA弹簧9相变时产生的位移量进行精确控制。
在水泵的输送下冷热水可以特定的流速流过输水软管，与SMA弹簧进行强制对流换热，而且通过控制系统对水泵的控制改变水流流速，可以改变SMA弹簧工作时的响应速度。
本发明的具体工作原理过程如下：
SMA弹簧9在受热时，会发生马氏体转变为奥氏体的相变，相变开始温度AS，相变结束温度AF。当温度达到AS时，开始发生相变，SMA弹簧也开始产生收缩，当温度达到AF及以上，相变结束(相变程度达100％)，此时SMA弹簧可以达到最大收缩量。当控制温度在AS和AF之间，可以使弹簧达到0到最大收缩量之间的任意位移。当需要预期的位移输出时，根据温度和收缩位移的关系得到应输入的热水温度控制热水区的温度和第一二位三通电磁阀5，通过位移传感器调整输出位移与预期位移存在的偏差反馈给控制器，而对输入的热水温度进行微调，以达到精确的位移输出。
具体实施中，电磁阀5为两进一出阀，两个进水口与冷热水箱连接，电磁阀12为一进两出阀，两个出水口与冷热水箱连接。通过第一二位三通电磁阀5可选择性地使供水口与热水区或冷水区连通，两个水箱的水温保持恒定，控制器对电磁阀5施加PWM脉冲信号，通过改变脉冲的宽度和占空比，调节一个周期内出水口的热水量和冷水量，宏观上可以达到控制输水管道中水温的效果，可调节的水温范围即在冷水箱水温和热水箱水温之间；电磁阀12则负责将完成热交换之后热水或冷水分别回收至水箱，只需要采用普通的开关信号即可。
由此，两个电磁阀协调工作，其效果是使得热水区的热水加热SMA弹簧后可流回热水区，冷水区的冷水冷却SMA弹簧后又可流回冷水区；而且，要求电磁阀12工作时间相对于电磁阀5有一段滞后时间，以便使得热交换滞后的水完全流回对应水箱，这样便可以进一步回收余热提高能量利用率。
当检测水箱的水温达到了所需温度或低于所需温度，半导体制冷片便开始或停止工作，这样也提高了半导体制冷片的使用效率；此外还设置了位移传感器，通过引入位移反馈，控制器调节加热水温，控制SMA弹簧的相变程度，从而达到了对相变时产生的位移的精确控制。
如图2所示，本发明的应用实例如下：
图2是一种较为常用的SMA弹簧关节驱动装置，为偏动式驱动，包括滑块13、导轨14、转动关节15、驱动带16、普通偏置弹簧17以及核心的SMA驱动系统。两根导轨14平行布置且一端均固定连接到机架，两根导轨14的另一端均套装可活动的滑块13，其中一根导轨14在滑块13和机架之间套装有普通偏置弹簧17，普通偏置弹簧17即为非形变记忆合金制成的金属弹簧，另一根导轨14在滑块13和机架之间套装有绕制成螺旋状的输水软管10，输水软管10内装有SMA弹簧9，输水软管10的两端软管接头7和SMA驱动系统连接。转动关节15的铰接轴位置固定，两根导轨14的滑块13经绕过转动关节15的驱动带16连接，即驱动带16两端绕过转动关节15和两根导轨14上的滑块13固定连接，驱动带与滑块相连并缠绕在转动关节上，两个弹簧及滑块均可在导轨上滑动。
实例中采用的SMA弹簧为单程SMA弹簧，即只会记忆预处理过程中高温下的形状。SMA弹簧在高温奥氏体状态下刚度大，由于形状记忆效应，在高温下会收缩到预处理时的一个较小的长度，在低温马氏体状态下刚度低，易变形。
实例装置的工作过程如下：
当供水驱动模块向输水软管通热水时，SMA弹簧中马氏体相变转化为奥氏体，由于其形状记忆效应，产生收缩，通过与之固联的滑块，带动驱动带拉动转动关节顺时针转动，此时偏置弹簧也被拉长。
当供水驱动模块向输水软管通冷水时，奥氏体转变为马氏体，SMA弹簧的刚度降低，此时会被处于拉伸状态的普通偏置弹簧拉长，回到原始长度，实现复位，期间转动关节会逆时针转动。
如此，通过供水驱动模块向输水软管交替提供冷热水，便可实现转动关节的来回转动并对外做功。
由此可见，本发明选取有利于结构微型化的半导体制冷片为例，同时起到加热热水箱和冷却冷水箱的效果，以很小的耗能得到驱动SMA元件所需的冷热水，通过传感器引入了温度反馈和位移反馈，对SMA元件相变时产生的位移量进行精确控制，有着很好的节能效果。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种记忆合金驱动系统，其特征在于：包括箱体(1)、散热片(2)、温度传感器(3)、作为热泵的半导体制冷片(4)、第一二位三通电磁阀(5)、水泵(6)、软管接头(7)、位移传感器(8)、SMA弹簧(9)、输水软管(10)、输水管道(11)和第二二位三通电磁阀(12)；半导体制冷片(4)置于两个箱体(1)之间，两个箱体(1)分别容置热水和冷水，每个箱体(1)和半导体制冷片(4)接触一面的内壁设有散热片(2)，两个箱体(1)均经各自的管道分别和第一二位三通电磁阀(5)的两个输入端连接，输水软管(10)绕制成螺旋状并且内部置有SMA弹簧(9)，第一二位三通电磁阀(5)的一个输出端连接到水泵(6)输入端，水泵(6)输出端和输水软管(10)一端的软管接头(7)连接，输水软管(10)另一端的软管接头(7)经输水管道(11)和第二二位三通电磁阀(12)的一个输入端连接，第二二位三通电磁阀(12)的两个输出端分别经各自的管道和两个箱体(1)连接。
2.根据权利要求1所述的一种记忆合金驱动系统，其特征在于：还包括位移传感器(8)、温度传感器(3)和控制器，SMA弹簧(9)附近处安装有位移传感器(8)，容置热水的箱体(1)内安装有温度传感器(3)，控制器分别和半导体制冷片(4)、温度传感器(3)、第一二位三通电磁阀(5)、水泵(6)、位移传感器(8)和第二二位三通电磁阀(12)连接；通过控制器向两个电磁阀发送不同的控制信号，进行不同的控制方式，控制器对第一二位三通电磁阀(5)施加PWM脉冲信号，对第二二位三通电磁阀(12)施加开关信号；检测SMA弹簧(9)的形变位移和容置热水的箱体(1)内温度反馈，控制器通过PWM脉冲信号控制第一二位三通电磁阀(5)对热水和冷水水量配比进行调节，进而对SMA弹簧(9)相变时产生的位移量进行精确控制。
3.根据权利要求1所述的一种记忆合金驱动系统，其特征在于：所述的箱体(1)内壁采用保温材料包覆。
4.根据权利要求1所述的一种记忆合金驱动系统，其特征在于：所述的半导体制冷片(4)的两端涂上导热硅脂，所述导热硅脂和箱体(1)外壁接触连接。
5.根据权利要求1所述的一种记忆合金驱动系统，其特征在于：所述的第一二位三通电磁阀(5)、水泵(6)和第二二位三通电磁阀(12)内部均采用隔热材料。
6.根据权利要求1所述的一种记忆合金驱动系统，其特征在于：包括滑块(13)、导轨(14)、转动关节(15)、驱动带(16)和普通偏置弹簧(17)，两根导轨(14)平行布置且一端均固定连接到机架，两根导轨(14)的另一端均套装可活动的滑块(13)，其中一根导轨(14)在滑块(13)和机架之间套装有普通偏置弹簧(17)，另一根导轨(14)在滑块(13)和机架之间套装有绕制成螺旋状的输水软管(10)，输水软管(10)内装有SMA弹簧(9)，转动关节(15)的铰接轴位置固定，两根导轨(14)的滑块(13)经绕过转动关节(15)的驱动带(16)连接。
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