CN109555872A - 一种基于磁性温敏大变形材料的温控限流方法 - Google Patents

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史萌
邱锦斌
卿莅维
刘丰恺
卢天健
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K7/00—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/002—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by temperature variation

Abstract

本发明公开了一种基于温敏大变形材料的温控限流方法，该方法使用一种含有磁性纳米粒子酒精液滴的硅橡胶基温敏大变形复合材料，通常呈含通孔的柱体、圆台形结构。通过电磁感应加热复合材料内的纳米粒子，使其内部酒精液滴受热发生液气相变，引起限流装置体积快速增大，由于限流装置外壁受到工作管道固定限制，限流装置向内膨胀，其张口缩小，起到限流作用；当停止加热，内部酒精蒸气逐渐冷却液化，限流装置体积减小，张口扩大至恢复原状，通道打开。该装置与传统限流方法相比：(1)结构简单，成本低廉；(2)温敏复合材料为软固体，容易制成各种形状；(3)采用电磁加热控制温度变化，加热快速且均匀，避免了传统接触式加热对原材料的损害。

Description

一种基于磁性温敏大变形材料的温控限流方法
技术领域
本发明属于一种纳米技术及相变原理应用领域，涉及一种基于温敏大变形材料的温控限流方法。
背景技术
限流方法，是一种控制和调节流体在流道内流动的方法，被广泛运用于机械、能源和化工等领域。其中，阀门作为具有代表性的限流装置，被设计成各种各样的形式用来满足各行业的需求。
与此同时，对于具有特殊功能的传统温控限流方法，大多是建立在传统机械阀门的基础上，加入温度控制反馈模块，制成温控阀门。一般通过温度传感器与流量传感器采集阀门入水口出水口的温度与阀门流量。而且阀门的控制模块依赖于单片机芯片，并通过电机驱动控制与阀门轴相连的减速电机正向/逆向旋转来调节阀门的开启程度。温控阀门开关的装置较为复杂，尺寸不灵活、成本高昂、且适应性差，容易受到外界条件的限制。
针对以上问题，本专利提出了基于磁性温敏大变形材料的限流方法，并具代表性的设计了基于此方法的温控阀门。其利用气液相变会产生巨大体积变化的原理，采用自身硅橡胶基体材料的可膨胀性进行开启或关闭，具有结构简单，成本低的优点，并且实现了流动的温敏智能控制。此外，该方法较之传统温控阀门还具有不受大小、形状限制的特点。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术不足，利用气液相变产生巨大体积变化这一特点,针对现有限流装置(如阀门)结构复杂、成本较高以及自调节能力差的问题，提出了新型温控限流方法，即一种基于温敏大变形材料的温控限流方法。以一种高弹性的硅橡胶裹夹酒精液滴，通过改变温度使酒精液滴发生液气相变，复合材料产生体积变化，以此来控制限流装置开口的张闭程度，达到限流目的。改变温度的方式可分为电磁加热与非电磁加热两种(例如电阻丝加热等)，其中电磁加热具有加热效率高，加热均匀，非接触式加热不会对材料本身造成损伤等优点。并且所设计的限流结构简单，无运动部件，成本低廉，在小尺度和复杂形状等情况下应用具有较大优势，可反复使用，易于操作实现。
为了实现以上目的，采用了如下的发明方案：
一种基于温敏大变形材料的温控限流方法，硅橡胶与1-5000mg/mL的磁性纳米粒子酒精溶液，酒精溶液与硅橡胶体积比为20％混合，将所得混合溶液放入限流装置模具中进行固化，常温下6--48小时，固化后取出待用。
开始加热时，限流材料膨胀，其内壁张口内缩，起到限流作用。
停止加热时，限流材料收缩，限流装置内壁张口外扩，限流装置恢复原状，流体通过。
加热限流装置的方法可分为电磁加热与非电磁加热；
限流装置形状根据所使用的场合而定，为含通孔的柱体、圆台形结构
本发明具有以下特点：
(1)限流方法采用的结构装置简单，成本低廉，容易实现；
(2)复合材料为软固体，容易制成各种形状，在小尺度以
及复杂结构等情形下具有较大优势；
(3)利用电磁场控制阀门温度变化，加热快速且均匀；
(4)实现了非接触式加热，在一定程度上也能减少对原材料的损害，增加限流装置的使用寿命；
(5)采用电磁加热，使限流装置开闭操作简单易行；
(6)本发明成功地将电信号转化为流动信号，实现了流动的智
能控制。
附图说明
图1为本限流装置立体视图：其中各部件分别为：1工作管道，2内通孔，3温敏大变形材料制成的温控限流装置。限流装置被固定在工作管道1内，流体4流过限流装置。
图2为限流装置的限流工作原理示意图。
图3为一个工作周期内电磁加热时限流装置内表面的温度变化曲线。
具体实施方式
以一种高弹性的硅橡胶为基体材料，先配置一定浓度的纳米粒子酒精混合溶液(本文以浓度为80mg/mL为例)，按照20％(V/V)的比例将混合溶液与基体硅橡胶搅拌混合均匀。将得到的混合浊液装入限流装置模具，常温下固化6-48小时之后拔出模具，限流装置结构如附图1所示。利用电磁加热仪产生感应磁场，加热阀门内部磁性纳米粒子，使阀门均匀受热。由于阀门外壁受到工作管道的限制，内部酒精液滴汽化产生体积膨胀使得阀门张口收缩，起到限流作用。
本发明的工作原理为：
使用时，通过电磁感应加热复合材料内的纳米粒子，使其内部酒精液滴受热发生液气相变，引起限流装置体积快速增大，由于限流装置外壁受到工作管道固定限制，限流装置向内膨胀，其张口缩小，起到限流作用；当停止加热，内部酒精蒸气逐渐冷却液化，限流装置体积减小，张口扩大至恢复原状，通道打开。
本发明通过改变温度达到控制限流的目的。此处以使用本限流方法制作而成的温控阀门为例介绍。再以电磁加热为例，对使用本限流方法进行阀门限流的步骤进行说明。
首先将硅橡胶与80mg/mL的纳米粒子酒精溶液混合，装入阀门模具中，在室温下固化24小时左右，得到可在管道内起到限流作用的温控阀门。
加热过程中，阀门的外壁接触工作管道，利用电磁感应仪产生感应磁场，加热材料内部磁性纳米粒子，使温度升高达到酒精气液相变临界温度，酒精气化，材料体积膨胀，阀门张口缩小，通过装置的流体流量逐渐减少，最终没有流体通过阀门。
加热结束后，阀门开始冷却，内部酒精温度逐渐降低，发生液化，使得阀门材料体积减小，阀门张口重新打开，液体可以再次流过阀门装置，张口程度与阀门原张口程度相同，因此证明阀门装置可以反复利用。
本研究对阀门的工作性能进行定量测量：(1)以外径D＝14mm,内径d＝7mm的阀门为例，测得其一个工作周期内的温度变(一个完整的工作周期为：1、开始加热；2、阀门完全闭合；3、停止加热；4、阀门开始打开)。经过实验测量，该限流装置(以纳米粒子浓度为80mg/mL为例)，在电磁加热的情况下温度变化曲线附图3所示，当螺线管频率为298kHz，电流为250A时其内表面的加热速率约31.2℃/min。同时，测得该阀门在感应加热时的闭合时间为97秒。
一、阀门材料制作
(1)准备硅橡胶基体材料，配置浓度为80mg/mL的含有磁性纳米颗粒的酒精溶液；
(2)将硅橡胶基体材料与含有纳米颗粒的酒精溶液按照比例混合均匀，酒精溶液与硅橡胶基体材料体积比为20％；
(3)装入阀门模具中，在室温下固化24小时即可。
二、阀门工作原理
(1)将阀门置入电磁加热仪螺线管内，内部磁性纳米粒子感应受热；
(2)阀门材料均匀受热，当温度达到酒精相变临界温度后，阀门材料发生体积膨胀；
(3)阀门外壁膨胀受到工作管道的限制，内壁往里扩张，阀张口逐渐闭合；
(4)往与阀门连接的管道内通入流体，由于阀门内壁张口闭合，流体流量逐渐减小，最终阀门关闭，起到限流作用；
(5)停止加热，温度降低，酒精液化，体积缩小，阀门张口打开，管内流体流出，阀门逐渐恢复原状，等待下一次限流命令。

Claims (5)

1.一种基于温敏大变形材料的温控限流方法，其特征在于：硅橡胶与1-5000mg/mL的磁性纳米粒子酒精溶液，酒精溶液与硅橡胶体积比为20％混合，将所得混合溶液放入限流装置模具中进行固化，常温下6--48小时，固化后取出待用。
2.根据权利要求1所述的基于温敏大变形材料的温控限流方法，其特征在于，开始加热时，限流材料膨胀，其内壁张口内缩，起到限流作用。
3.根据权利要求1或2所述的基于温敏大变形材料的温控限流方法，其特征在于，停止加热时，限流材料收缩，限流装置内壁张口外扩，限流装置恢复原状，流体通过。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于温敏大变形材料的温控限流方法，其特征在于，加热限流装置的方法可分为电磁加热与非电磁加热。
5.根据权利要求1、2或3所述的基于温敏大变形材料的温控限流装置，其特征在于，限流装置形状根据所使用的场合而定，为含通孔的柱体、圆台形结构。
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