CN115875222A - 一种基于温控相变材料的主动驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温控相变材料的主动驱动装置，包括：相变材料驱动机构和主动控制机构；相变材料驱动机构包括相变材料和机械驱动机构；相变材料载置于机械驱动机构中；机械驱动机构响应于相变材料在相变时的热胀冷缩驱动外部目标移动；主动控制机构用于检测相变材料实时温度，根据相变材料实时温度以及目标驱动位移量利用预设数学模型确定相变材料目标温度，并利用温控模块控制相变材料实时温度向相变材料目标温度逼近；预设数学模型是关于相变材料实时温度、相变材料目标温度以及目标驱动位移量的数学模型。本发明基于相变材料实现了精确、动态地控制外部目标的位移量。

Description

一种基于温控相变材料的主动驱动装置

技术领域

本发明属于驱动器技术领域，具体涉及一种基于温控相变材料的主动驱动装置。

背景技术

驱动器是一种将其他能量转换为机械能的装置。现有的驱动器通常以压电或者电磁形式驱动，很难同时兼顾强作用力和大形变量。

在较新的研究中，基于形状记忆合金的驱动器可以同时兼顾强作用力和大形变量，但是由于形状记忆合金的加热温度高且基于形状记忆合金的驱动器往往结构都很复杂，因此限制了其在高功率驱动器方面的应用。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种基于温控相变材料的主动驱动装置。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种基于温控相变材料的主动驱动装置，包括：

相变材料驱动机构；所述相变材料驱动机构包括：相变材料和机械驱动机构；所述相变材料载置于所述机械驱动机构中；所述机械驱动机构响应于所述相变材料在相变时的热胀冷缩驱动外部目标移动；

主动控制机构；所述主动控制机构用于检测相变材料实时温度，根据所述相变材料实时温度以及目标驱动位移量利用预设数学模型确定相变材料目标温度，并基于所述预设数学模型控制所述相变材料实时温度向所述相变材料目标温度逼近；其中，所述预设数学模型是关于相变材料实时温度、相变材料目标温度以及目标驱动位移量的数学模型。

可选地，所述机械驱动机构，包括：

缸体；所述相变材料被载置于所述缸体内部的一侧；

活塞；所述活塞位于所述缸体内部的另一侧并与所述缸体的内壁滑动接触，以响应于所述相变材料的热胀冷缩在所述缸体内部滑动；

驱动杆；所述驱动杆一端伸入所述缸体内并与所述活塞固定连接，另一端从所述缸体内部的所述另一侧伸出所述缸体；

两个弹簧底座；所述两个弹簧底座均位于所述缸体内，其中一个与所述活塞固定连接，另一个与所述驱动杆远离所述活塞的一端滑动连接；

回复弹簧；所述回复弹簧被压缩布置在所述两个弹簧底座之间，且套设在所述驱动杆上。

可选地，所述预设数学模型为：

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其中，μ表示预设的等压体积膨胀系数，

表示预设的等温体积压缩系数，T表示所述相变材料实时温度，T₀表示T向所述相变材料目标温度逼近的过程中所要达到的阶段性温度，V表示所述相变材料对应于T的体积；d表示缸体的内部直径，所述缸体是所述机械驱动机构中用于载置相变材料的缸体；f表示已知的外部目标对所述驱动杆产生的负载力，x表示驱动位移量向所述目标驱动位移量逼近的过程中所要达到的阶段性位移量；k表示回复弹簧的弹簧系数，所述回复弹簧是所述机械驱动机构中响应于所述相变材料的热胀冷缩而伸缩的弹簧。

可选地，所述主动控制机构，包括：

温度检测模块；所述温度检测模块用于检测相变材料实时温度；

加温模块；所述加温模块用于对所述相变材料加温；

减温模块；所述减温模块用于对所述相变材料减温；

温控模块；所述温控模块用于根据所述相变材料实时温度以及目标驱动位移量利用预设数学模型确定相变材料目标温度，并基于所述预设数学模型控制所述加温模块和所述减温模块分时工作，以使所述相变材料实时温度向所述相变材料目标温度逼近。

可选地，所述温度检测模块包括温度传感器；所述温度传感器安装于所述相变材料附近以检测相变材料实时温度；

所述加温模块包括加热带；所述加热带缠绕于所述缸体外壁；

所述减温模块包括冷风机；所述冷风机用于向所述缸体内部相变材料不可接触的空间吹风；所述缸体对应所述空间的部分设有排风结构。

可选地，所述温控模块，根据所述相变材料目标温度控制所述加温模块和所述减温模块分时工作，包括：

响应于所述相变材料目标温度高于所述相变材料实时温度，基于预设数学模型控制所述加温模块工作；

响应于所述相变材料目标温度低于所述相变材料实时温度，基于预设数学模型控制所述减温模块工作。

可选地，所述机械驱动机构，还包括：密封圈；

所述密封圈周向嵌合于所述活塞与所述缸体的内壁之间，以确保所述活塞与所述缸体的内壁之间的密封性。

可选地，所述机械驱动机构，还包括：端盖；

所述端盖铆接在所述缸体外部的一端形成缸体维护端；

所述缸体维护端设有开孔，所述开孔配有带耐热密封垫的密封螺钉。

可选地，所述缸体采用传热速率＞381W/(m·k)的合金材料制成。

可选地，还包括：控制面板；

所述控制面板与所述温控模块电连接；

所述控制面板，用于接收用户输入的所述相变材料的相变温度范围，还用于显示相变材料实时温度以及所述温控模块的工作状态。

本发明提供的基于温控相变材料的主动驱动装置中，利用了相变材料在相变温度附近具有很大的体膨胀系数的特点，发掘了相变材料在高功率驱动器方面的应用潜力。其中，相变材料的加热温度低、变形率大、输出力大，在响应时间和功率方面均比形状记忆合金更加优越，因此本发明提供的基于温控相变材料的主动驱动装置比基于形状记忆合金的驱动器更适合应用于高功率驱动场景中。并且，本发明利用预设数学模型可以根据相变材料实时温度以及目标驱动位移量确定相变材料目标温度，从而基于该预设数学模型控制相变材料实时温度向相变材料目标温度逼近，使得相变材料的体积变化满足目标驱动位移量，实现了精确、动态地控制外部目标的位移量。

以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于温控相变材料的主动驱动装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中的主动控制机构的温度控制逻辑的示意图；

图3是本发明实施例中的温控模块与加热带、冷风机等的电连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明实施例提供了一种基于温控相变材料的主动驱动装置，利用了相变材料在相变温度附近具有很大的体膨胀系数的特点，发掘了相变材料在高功率驱动器方面的应用潜力。

本发明实施例提供的该主动驱动装置包括：相变材料驱动机构和主动控制机构；其中，相变材料驱动机构包括：相变材料和机械驱动机构；相变材料载置于机械驱动机构中；机械驱动机构响应于相变材料在相变时的热胀冷缩驱动外部目标移动；主动控制机构用于检测相变材料实时温度，根据相变材料实时温度以及目标驱动位移量利用预设数学模型确定相变材料目标温度，并基于该预设数学模型控制相变材料实时温度向相变材料目标温度逼近；其中，该预设数学模型是关于相变材料实时温度、相变材料目标温度以及目标驱动位移量的数学模型。

其中，预设数学模型为：

其中，μ表示预设的等压体积膨胀系数，

表示预设的等温体积压缩系数，T表示相变材料实时温度，T₀表示T向相变材料目标温度逼近的过程中所要达到的阶段性温度，V表示相变材料对应于T的体积；d表示缸体的内部直径，该缸体是机械驱动机构中用于载置相变材料的缸体；f表示已知的外部目标对驱动杆产生的负载力，x表示驱动位移量向所述目标驱动位移量逼近的过程中所要达到的阶段性位移量；k表示回复弹簧的弹簧系数，该回复弹簧是机械驱动机构中响应于相变材料的热胀冷缩而伸缩的弹簧。

经过实验发现，相变材料在相变温度范围内的μ和

都很小，大约在0.001左右，因此可以将μ和/>

视为常数。此外，相变材料在缸体内对应于不同温度T下的体积V可以通过预先进行实验得到，因此可以直接查询阶段性温度T对应的V。

该主动驱动装置中，相变材料的加热温度低、变形率大、输出力大，在响应时间和功率方面均比形状记忆合金更加优越，因此本发明实施例提供的基于温控相变材料的主动驱动装置比基于形状记忆合金的驱动器更适合应用于高功率驱动场景中。

并且，本发明实施例利用预设数学模型可以根据相变材料实时温度以及目标驱动位移量确定相变材料目标温度，从而基于该预设数学模型控制相变材料实时温度向相变材料目标温度逼近，使得相变材料的体积变化满足目标驱动位移量，实现了主动、精确、动态地控制外部目标的位移量，提升了驱动效率和精准性。

如图1所示，上述机械驱动机构，可以包括：缸体2、活塞5、驱动杆1、两个弹簧底座4以及回复弹簧3。

可选地，缸体2可以为圆柱空心结构，或者至少在活塞5的移动范围内为圆柱空心结构。

其中，相变材料7被载置于缸体2内部的一侧；活塞5位于缸体2内部的另一侧并与缸体2的内壁滑动接触，以响应于相变材料7的热胀冷缩在缸体2内部滑动；驱动杆1一端伸入缸体2内并与活塞5固定连接(例如螺纹连接)，另一端从缸体2内部的另一侧伸出缸体2；两个弹簧底座4均位于缸体2内，其中一个与活塞5固定连接(例如螺钉连接)，另一个与驱动杆1远离活塞5的一端滑动连接；回复弹簧3被压缩布置在两个弹簧底座4之间，且套设在驱动杆1上。

具体而言，当相变材料7体积膨胀时，其产生的相变力推动活塞5和驱动杆1向缸体2外水平直线运动，回复弹簧3被进一步压缩；当相变材料7体积收缩时，回复弹簧3回复产生的弹簧力推动活塞5和驱动杆1向缸体2内水平直线运动。

可以理解的是，相变材料7资源丰富，因此本发明实施例中对相变材料7的具体类型不做限定，可根据实际驱动要求选择相应的相变材料7。例如可以采用低温相变材料7，其在常温下为固态，这样对相变材料7进行加热时不需要很高的温度。

优选地，可以采用Cu-石蜡复合材料或者AlN-石蜡复合材料等，这些材料具有较好的膨胀收缩性，均可以在一定温度范围内体积随温度的变化而变化。

在一个实施例中，如图1所示，机械驱动机构，还可以包括：密封圈6；该密封圈6周向嵌合于活塞5与缸体2的内壁之间，以确保活塞5与缸体2的内壁之间的密封性，从而避免相变材料7向缸体2内的另一侧渗漏。

在一个实施例中，如图1所示，机械驱动机构，还可以包括：端盖10；该端盖10铆接在缸体2外部的一端形成缸体2维护端；该缸体2维护端设有开孔，该开孔配有带耐热密封垫的密封螺钉11。这样，可以通过开孔向缸体2内注入或者导出相变材料7，实现对相变材料7的维护。此外，当没有注入或导出相变材料7的需求时，密封螺钉11也可以避免相变材料7渗漏到缸体2外面。

本发明实施例中，主动控制机构，主要包括：温度检测模块、加温模块、减温模块以及温控模块。

其中，温度检测模块用于检测相变材料实时温度；加温模块用于对相变材料7加温；减温模块用于对相变材料7减温；温控模块用于根据相变材料实时温度以及目标驱动位移量利用预设数学模型确定相变材料目标温度，并基于该预设数学模型控制加温模块和减温模块分时工作，以使相变材料实时温度向相变材料目标温度逼近。

具体而言，温控模块根据相变材料目标温度控制加温模块和减温模块分时工作，包括：

响应于相变材料目标温度高于相变材料实时温度，基于预设数学模型控制加温模块工作；

响应于相变材料目标温度低于相变材料实时温度，基于预设数学模型控制减温模块工作。

可以理解的是，相变材料目标温度要在相变温度范围[T_min，T_max]内，这样相变材料7才能产生相应的相变形变。

因此，如图2中所示的，当相变材料目标温度T高于相变材料实时温度T₀且不高于T_max时，控制加温模块工作可以使相变材料7才能产生相应的体积膨胀；而当相变材料目标温度T高于相变材料实时温度T₀且高于T_max时，说明设置的目标驱动位移量已经超出了主动驱动装置的驱动范围，此时可以继续控制加温模块工作，直到相变材料实时温度T达到T_max时停止加温，使主动驱动装置做出当前可以达到的最大驱动位移量。

同理的，当相变材料目标温度T低于相变材料实时温度T₀且不低于T_min时，控制减温模块工作可以使相变材料7才能产生相应的体积收缩；而当相变材料目标温度T低于相变材料实时温度T₀且低于T_min时，说明设置的目标驱动位移量已经超出了主动驱动装置的驱动范围，此时可以继续控制减温模块工作，直到相变材料实时温度T达到T_min时停止减温，使主动驱动装置做出当前可以达到的最大驱动位移量。

在一个实施例中，假设相变材料7为石蜡，则当相变材料目标温度T高于相变材料实时温度T₀时，加热带88升温加热相变材料7，随着相变材料7的温度逐渐升高到相变温度以上，相变材料7受热发生固-液相变产生体积膨胀，推动驱动杆11产生直线移动，完成驱动杆1伸长工作。当相变材料目标温度T低于相变材料实时温度T₀时，冷风机对相变材料7进行散热，随着温度逐渐下降到相变温度以下，相变材料7发生液-固相变导致体积收缩，在回复弹簧3作用下，带动驱动杆1回复到原位，完成驱动杆1收缩工作。

在一个实施例中，如图1所示，温度检测模块可以包括温度传感器9，该温度传感器9可以是温度传感芯片或者热电偶等，温度传感器9检测到的温度信号通过线缆传输到温控模块；温度传感器9安装于相变材料7附近以检测相变材料实时温度，例如可以设置在加热带8与缸体2之间，利用缸体2较好的热传导性来检测相变材料7的温度。加温模块可以包括加热带8；该加热带8紧密缠绕于缸体2外壁，例如可以使用螺旋式硅胶加热带以螺旋麻花式的缠绕方式缠绕在缸体2外壁，这种硅胶加热带具有升温速度快，加热稳定的优点。减温模块可以包括冷风机13；该冷风机13用于向缸体2内部相变材料7不可接触的空间吹风；缸体2对应缸体2内部相变材料7不可接触的空间的部分设有排风结构16。冷风机13产生的气流可以经过冷却管路15进入到缸体2内部，然后经过排风结构16流出缸体2外部，完成散热过程。其中，排风结构16可以是排风孔或者排风开槽等，这都是可以的。

在一个实施例中，加温模块可以包括热风枪，该热风枪用于向缸体2外壁对应相变材料7的部分吹热风。

在一个实施例中，减温模块可以包括缠绕于缸体2外壁的冷水管以及冷水循环系统。

优选地，上述缸体2优选采用传热速率＞381W/(m·k)的合金材料制成。这样，当需要透过缸体2向相变材料7加温或减温时，可以很快使相变材料7达到相变材料目标温度。

另外，在图1所示实施例的基础上，除了缸体2优选采用传热速率＞381W/(m·k)的合金材料制成以外，活塞5以及两个弹簧底座4均可以使用相同的合金材料。这样当使用冷风机13向缸体2内吹冷风时，活塞5及其固定连接的弹簧底座4也可以迅速降温，从而帮助隔壁的相变材料7快速达到相变材料目标温度。

在一个实施例中，上述基于温控相变材料7的主动驱动装置还可以包括：温控器盒17；该温控器盒17上设有控制面板；该控制面板与温控模块电连接；温控模块载置于温控器盒17中。

该控制面板，用于接收用户输入的相变材料7的相变温度范围[T_min，T_max]，还用于显示相变材料实时温度T以及温控模块的工作状态。

该控制面板上可以设有显示屏18、上限温度按钮19、下限温度按钮20、工作状态指示灯21、供电状态指示灯22以及电源插座23等。

其中，显示屏18位可以位于该温控器盒17左侧上，用来显示相变材料实时温度T以及所设置的相变温度范围[T_min，T_max]。上限温度按钮19和下限温度按钮20可以位于温控器盒17中间部位。其中，上限温度按钮19用来设定T_max，下限温度按钮20用来设定T_min。工作状态指示灯21位于温度按钮右侧；其中，亮灯时表示温控模块处于运行状态，灭灯时表示温控模块处于停止工作状态。供电状态指示灯22位于工作状态指示灯右侧，其中，亮灯时表示处于供电状态，灭灯时表示处于停止供电状态。两个电源插座23中的一个电源插座用来给加热带8供电，另一个电源插座用来给冷风机13供电(如图3所示)。

在实际应用中，如图1所示，上述主动驱动装置还可以包括基座12；该基座12用于承载相变材料驱动机构以及主动控制机构中的部件。例如，相变材料驱动机构可以被基座12水平地承托；主动控制机构中的冷风机13及其连接缸体2的冷却管路15可以安装在基座12内部；此外，在基座12内还可以设置减震底座14，以减轻用来减少风机振动所产生的不利影响。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于温控相变材料的主动驱动装置，其特征在于，包括：

相变材料驱动机构；所述相变材料驱动机构包括：相变材料和机械驱动机构；所述相变材料载置于所述机械驱动机构中；所述机械驱动机构响应于所述相变材料在相变时的热胀冷缩驱动外部目标移动；

主动控制机构；所述主动控制机构用于检测相变材料实时温度，根据所述相变材料实时温度以及目标驱动位移量利用预设数学模型确定相变材料目标温度，并基于所述预设数学模型控制所述相变材料实时温度向所述相变材料目标温度逼近；其中，所述预设数学模型是关于相变材料实时温度、相变材料目标温度以及目标驱动位移量的数学模型。

2.根据权利要求1所述的基于温控相变材料的主动驱动装置，其特征在于，所述机械驱动机构，包括：

缸体；所述相变材料被载置于所述缸体内部的一侧；

活塞；所述活塞位于所述缸体内部的另一侧并与所述缸体的内壁滑动接触，以响应于所述相变材料的热胀冷缩在所述缸体内部滑动；

驱动杆；所述驱动杆一端伸入所述缸体内并与所述活塞固定连接，另一端从所述缸体内部的所述另一侧伸出所述缸体；

两个弹簧底座；所述两个弹簧底座均位于所述缸体内，其中一个与所述活塞固定连接，另一个与所述驱动杆远离所述活塞的一端滑动连接；

回复弹簧；所述回复弹簧被压缩布置在所述两个弹簧底座之间，且套设在所述驱动杆上。

3.根据权利要求1所述的基于温控相变材料的主动驱动装置，其特征在于，所述预设数学模型为：

其中，μ表示预设的等压体积膨胀系数，

表示预设的等温体积压缩系数，T表示所述相变材料实时温度，T₀表示T向所述相变材料目标温度逼近的过程中所要达到的阶段性温度，V表示所述相变材料对应于T的体积；d表示缸体的内部直径，所述缸体是所述机械驱动机构中用于载置相变材料的缸体；f表示已知的外部目标对所述驱动杆产生的负载力，x表示驱动位移量向所述目标驱动位移量逼近的过程中所要达到的阶段性位移量；k表示回复弹簧的弹簧系数，所述回复弹簧是所述机械驱动机构中响应于所述相变材料的热胀冷缩而伸缩的弹簧。

4.根据权利要求2所述的基于温控相变材料的主动驱动装置，其特征在于，所述主动控制机构，包括：

温度检测模块；所述温度检测模块用于检测相变材料实时温度；

加温模块；所述加温模块用于对所述相变材料加温；

减温模块；所述减温模块用于对所述相变材料减温；

温控模块；所述温控模块用于根据所述相变材料实时温度以及目标驱动位移量利用预设数学模型确定相变材料目标温度，并基于所述预设数学模型控制所述加温模块和所述减温模块分时工作，以使所述相变材料实时温度向所述相变材料目标温度逼近。

5.根据权利要求4所述的基于温控相变材料的主动驱动装置，其特征在于，

所述温度检测模块包括温度传感器；所述温度传感器安装于所述相变材料附近以检测相变材料实时温度；

所述加温模块包括加热带；所述加热带缠绕于所述缸体外壁；

所述减温模块包括冷风机；所述冷风机用于向所述缸体内部相变材料不可接触的空间吹风；所述缸体对应所述空间的部分设有排风结构。

6.根据权利要求5所述的基于温控相变材料的主动驱动装置，其特征在于，所述温控模块，根据所述相变材料目标温度控制所述加温模块和所述减温模块分时工作，包括：

响应于所述相变材料目标温度高于所述相变材料实时温度，基于预设数学模型控制所述加温模块工作；

响应于所述相变材料目标温度低于所述相变材料实时温度，基于预设数学模型控制所述减温模块工作。

7.根据权利要求2所述的基于温控相变材料的主动驱动装置，其特征在于，所述机械驱动机构，还包括：密封圈；

所述密封圈周向嵌合于所述活塞与所述缸体的内壁之间，以确保所述活塞与所述缸体的内壁之间的密封性。

8.根据权利要求2所述的基于温控相变材料的主动驱动装置，其特征在于，所述机械驱动机构，还包括：端盖；

所述端盖铆接在所述缸体外部的一端形成缸体维护端；

所述缸体维护端设有开孔，所述开孔配有带耐热密封垫的密封螺钉。

9.根据权利要求2所述的基于温控相变材料的主动驱动装置，其特征在于，所述缸体采用传热速率＞381W/(m·k)的合金材料制成。

10.根据权利要求4所述的基于温控相变材料的主动驱动装置，其特征在于，还包括：控制面板；

所述控制面板与所述温控模块电连接；

所述控制面板，用于接收用户输入的所述相变材料的相变温度范围，还用于显示相变材料实时温度以及所述温控模块的工作状态。

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