CN1647223A - 温控致动器 - Google Patents

Abstract

一种温控致动器，其具有一外壳(12)，外壳带有一个近端和一个可移动的远端部分。一条芯线(16)沿外壳伸展，它的末梢部分固定在外壳的远端部分。芯线的末梢部分具有奥氏体状态和马氏体状态。此末梢部分通过响应于沿芯线测温部分(22，24)的温度变化在奥氏体状态与马氏体状态之间转变来移动远端部分。与芯线的末梢部分机械相连的近侧部分向末梢部分传送由张紧元件(20)提供的张力。与芯线的近侧部分连接的张紧元件恒定地向芯线施加张力。

Description

温控致动器

发明领域

本发明涉及控制系统，尤其涉及温控致动器。

发明背景

在自动控制系统中，基于温度的变化对系统进行控制时，热敏控制器是非常有效的。在众多控制器中，温度的变化会引起一定程度上电量的变化。此类装置的例子包括电热调节器和电阻式温度检测器(RTD)，其中电阻随温度变化而变化；还包括热电偶，其中电阻会产生电压。在这些装置中，温度传感器放置在待测温区域中。传感器中产生电信号，接着该电信号会被传送到位于区域外的开关上。

上述类型的控制器有两个分立的元件：一个用于产生与温度相关的信号的温度测量装置；一个独立的电动机械式致动器或电子致动器，用于接收该信号并根据该信号执行某些动作。只要提供电连接，温度传感器就可以和制动器分离开来。这在温度传感器暴露于比较苛刻的环境中时特别有效。

另外一种热敏控制器使用双金属片作为温度感应元件。这种控制器是纯机械式的。不需要电信号来驱动致动器，因为事实上，双金属片既是温度传感器又是致动器。当双金属片经历温度变化时，它会产生几乎不易觉察的运动。这个由温度诱发的移动可以用来例如对开关进行操作。

双金属片制作简便并且不需要能量。另外，控制系统的设定值可以很容易地通过适当地偏置金属片进行调节。然而，双金属片不适用于苛刻的环境，因为很难将温度传感器从致动器上分离。另外，也很难通过双金属片来精确地控制设定值。

另外一种类型的热控致动器依赖于与温度相关的相变或者化学反应。这种致动器的一个例子是一种装有弹簧的元件，用比弹簧熔点低的金属将其定位。当温度超过金属的熔点时，金属液化，从而放开装有弹簧的元件。然而，这种类型的致动器不易进行重复使用。

发明内容

本发明部分上是基于一个公知的事实：合金在马氏体状态与奥氏体状态之间与温度相关的转变可以用来产生温度的变化从而引发机械移动。

一方面，本发明包含一种温控致动器，它具有一个外壳，外壳具有一个近端和一个可移动的远端部分。一条芯线沿外壳伸展，它的末梢部分固定在外壳的远端部分。芯线的末梢部分具有奥氏体状态和马氏体状态。此末梢部分被配置用来移动外壳的远端部分，是通过响应于沿芯线测温部分的温度变化在奥氏体状态与马氏体状态之间转变来实现的。与芯线的末梢部分机械相连的近侧部分向末梢部分传送由张紧元件提供的张力。与芯线的近侧部分连接的张紧元件被配置用来恒定地向芯线施加张力。

在一实施例中，温控致动器具有一个包含镍钛合金的末梢部分。在其它实施例包含的那些方案中，外壳包含一个柔性套管，套管具有一个柔性远端部分，或套管具有一个铰接的远端部分。外壳可以配置用来在压缩状态时限定一个通道。柔性远端部分可以配置用来在松弛状态下呈现预定形状。套管的近侧部分可以用一个刚性的套筒将其封装。

在另一实施例中，末梢部分的奥氏体转变温度高于近侧部分的奥氏体转变温度。芯线的测温部分可以是芯线的末梢部分，芯线的近侧部分，或芯线的中间部分。

致动器的一个实施例包含位于近侧部分和末梢部分之间的中间部分。所包含的中间部分可以是一种具有奥氏体状态和马氏体状态的合金。在这种情况下，近侧部分可以是中间部分的延伸。此延伸部分的直径小于中间部分的直径。

在一些实施例中，末梢部分处于温度诱导马氏体状态时，近侧部分处于奥氏体状态。在这些实施例中，近侧部分的直径的选取使得，末梢部分处于温度诱导奥氏体状态时，张力导致近侧部分处于应力诱导马氏体状态。

相反地，在其它实施例包含方案中，其中当末梢部分处于奥氏体状态时，近侧部分处于温度诱导马氏体状态。在这些实施例中，末梢部分的直径的选取使得，近侧部分处于温度诱导奥氏体状态时，张力导致末梢部分处于应力诱导马氏体状态。

张紧元件可以施加恒定张力或变化张力。张紧元件的例子包括在芯线上悬挂配重、芯线上结合轴向可移动部件(通过该部件的轴向位置控制芯线中的张力)、推动芯线的装有弹簧的平盘，或者向芯线施加张力的螺钉。

本发明的另一方面是一种对监测环境中的温度变化提供机械响应的方法。此方法包括将芯线的末梢部分固定在外壳的远端部分。末梢部分具有奥氏体状态和马氏体状态。芯线通过张力进行偏置。然后将芯线的测温部分暴露在监测环境中。

在一个实施例中，暴露芯线的测温部分包括将芯线的末梢部分暴露在监测环境中。本发明的这个实施例可以包括：导致末梢部分响应于沿末梢部分的温度变化而在奥氏体状态与马氏体状态之间转变。

或者，暴露芯线的测温部分也包括将芯线的近侧部分暴露在监测环境中。本发明的这个可选替换实施例可以包含，导致近侧部分响应于沿近侧部分的温度变化而在奥氏体状态与马氏体状态之间转变。响应于这个转变，此方法可选择性地包括，响应于近侧部分在奥氏体状态与马氏体状态之间的转变，导致末梢部分在奥氏体状态与马氏体状态之间转变。

除非另外定义，所有这里使用的技术术语和科学术语，具有与本发明所属领域中普通技术人员所公知的意思。尽管类似于或等同于这里所描述的那些方法和材料也可以用于本发明的实施或测试，下面仍将给出恰当的方法和材料。所有出版物、专利申请、专利，和其它这里所提到的参考文献全部在此引入作为参考。在出现矛盾的情况下，将遵守本说明书，包括定义。另外，材料、方法和实例仅用于演示说明，而非仅限于此。

在下面的附图和说明中将对本发明的一个或多个实施例的细节进行阐明。本发明的其它特征、目的和优点从说明和附图以及权利要求书中将显而易见。

附图的简要说明

各附图中相同的标号表示相同的元件。

图1是处于松弛状态的致动器的示意图。

图2是图1中致动器处于张紧状态时的示意图。

图3是图1中致动器处于松弛状态时的剖面图。

图4是图1中致动器处于张紧状态时的剖面图。

图5是第二个致动器处于松弛状态时的剖面图。

图6是图5中致动器处于张紧状态时的剖面图。

图7是第三个致动器处于松弛状态时的剖面图。

图8是图5中致动器处于张紧状态时的剖面图。

详细说明

这里所述的温控致动器使用非均匀芯线，这种芯线在经受拉力时，在不同的位置会产生不同数量的伸展。这些不同数量的伸展部分程度上取决于芯线各部分的温度。至少一部分芯线包含一种形状记忆合金，这种合金已经在处于它的奥氏体状态时经过预热设定了预定形状。芯线的这一部分安装在致动器上，并且控制致动器柔性部分的形状。连接在芯线近侧部分的配重或其它形式力的施加装置保持沿芯线的张力。

参考图1，结合本发明原理的致动器10的第一实施例包含外壳12，外壳12具有一个近侧部分和一个远端部分。在所示实施例中，外壳12是一个由环接节段制成的柔性套管。然而，外壳12也可以是一个具有柔性远端部分和刚性近侧部分的套管。外壳12具有一个平衡压缩状态，其中限定了一个预选通道。另外，外壳12也可以是一个具有刚性远端部分的套管，刚性远端部分通过一个或多个铰链连接在刚性近侧部分上，从而允许远端部分相对于近侧部分的运动。在其它实施例中，外壳12根本就不需要是管状的，而是可以向其周围敞开的。

封装外壳12的近侧部分的套筒14为近侧部分提供刚性支持。然而，外壳12的远端部分可以自由改变形状。特别是，远端部分可以自由地在松弛形状(如图1所示)和张紧形状(如图2所示)之间自由变换。在图1和图2中，松弛形状是一个线圈，张紧形状是直的。然而，本发明不局限于这两种特殊的外形。

如图1所示，外壳12可以是节段结构，在其组成节段之间能够实现环接。然而，外壳12也可以是任何可以自由地实现图2所示的弯曲状态和图1所示的伸展状态之间所需转变的柔性部分。外壳12可以是闭环缠绕线圈，带预载或不带预载，或者它也可以是开环缠绕线圈。外壳12可以包含隔板、波纹管，或任何类似柔性可压缩部件。

图3和图4所示的致动器10的剖面图，显示了该结构的一部分，该结构允许温度的变化，从而在外壳12的松弛状态和张紧状态之间将其肘环套接。

参考图3，芯线16固定在外壳12的远端的端帽19上，通过远端和近端之间的管腔延伸。端帽19提供芯线16与外壳12间的机械连接，从而，由芯线16所形成的通道的变化导致由外壳12所形成的通道相应的变化。

外壳12和芯线16之间的连接也可以通过外壳12和芯线16之间的直接连接来提供。另外，连接点并不需要如图3所示那样在外壳12的顶端。例如，通过在近端使连接点位移的方式，可以使顶端松驰。

芯线16的近端可操作地连接在张紧元件20上，张紧元件20在芯线16的近端上施加一个恒定的力，用力向量F表示。由于芯线16固定在端帽19上，这个恒定的作用力不会移动芯线16。而是将芯线16置于张紧状态下。这个张力表现为一个贯穿芯线16的应力场。芯线16响应于这个应力场伸展。芯线16的设计使得，在特定的温度下，芯线16的不同部分的伸展量不同。

张紧元件20在图3中表示为一个配重。然而，任何施力机构都可以用来作为张紧元件20。例如，可以使用滑轮在相对于力向量的某个角度上引导作用力。作用力的大小不需要是恒定的。在其它实施例中，配重可以用弹簧机构替代。

芯线16的末梢部分22是由具有形状记忆的合金制成的。一种比较适合用来制作芯线16的合金是镍钛合金，商标名称是NITINOL^TM。这种合金具有以下特性：当变形并加热超过临界温度点(对NITINOL约为700华氏度左右)时，会“记忆”变形的形状。

末梢部分22是这样形成的：将芯线16的一个末梢部分变形，将其加热超过临界温度，然后再将其冷却。末梢部分22变形所形成的形状接着成为它的记忆形状。使用这种方式进行处理时，末梢部分22需要具有与温度相关的机械特性。特别是，末梢部分22具有该特性，即它可以处于两种状态之一：奥氏体状态(恢复到它的记忆形状)和马氏体状态(超弹性)。

芯线16的末梢部分22根据其温度确定自身的状态。加热超过奥氏体转变温度时，末梢部分22恢复为它的奥氏体状态。在这种状态下，末梢部分22有恢复它的记忆形状的趋势。另外，对末梢部分22施加应力时，它变形比较困难。在末梢部分22处于奥氏体状态时对它施加应力将导致该部分产生相对较小的延伸。相反，冷却到低于马氏体转变温度时，末梢部分22变得具有超弹特性。处于马氏体状态时，末梢部分22很容易变形。因此，施加应力会导致相当大的应变及此后末梢部分22的相当大的延伸。

芯线16的近侧部分24是由刚性材料制成，如不锈钢，这种材料的应变响应与温度仅有微弱的关联。或者，近侧部分24也可以由超弹性合金制成，此合金的奥氏体转变温度必须低于末梢部分22的奥氏体转变温度。

在操作中，张紧元件20施加的作用力迫使芯线16伸长。芯线16的末梢部分22低于它的马氏体转变温度时，末梢部分22失去了呈现它的记忆形状的趋势。另外，末梢部分22变得具有超弹性。结果，绝大部分的伸长发生在末梢部分22。近侧部分24因为比超弹性的末梢部分22的刚性要大，它的伸长量很小。由于芯线16的末梢部分固定在端帽19上，如图4所示，芯线16有拉直外壳12的末梢部分的趋势。

相反，芯线16的末梢部分22的温度高于它的奥氏体转变温度时，它失去它的超弹特性并呈现它的记忆形状。结果，它的伸长量很小。在这种情况下，伸长是发生在近侧部分24。另外，末梢部分22恢复它的记忆形状。由于芯线16是通过端帽19机械连接在外壳12上，外壳12的末梢部分同样地呈现它的记忆形状。

正如上面所提到的，诸如NITINOL之类的材料在从它的奥氏体状态转变到它的马氏体状态时，变得具有超弹性。在NITINOL处于它的奥氏体状态的情况下被冷却到低于它的马氏体转变温度时，这就会发生。然而，另一个导致从奥氏体向马氏体转变的途径是用力拉奥氏体芯线使其转变为马氏体。通过这种途径形成的马氏体被称为“应力诱导马氏体”。下面所描述的本发明的另外实施例，就使用了应力诱导马氏体。

在第二实施例中，如图5和图6所示，芯线16具有一个末梢部分22，一个近侧部分24，以及一个位于末梢和近侧部分22、24之间的中间部分26。末梢部分22和中间部分26类似于上述第一实施例有关的末梢部分22和近侧部分24。

像第一实施例中那样，连接在近端的张紧元件20施加一个恒定的作用力，使芯线16处于张紧状态。所产生的张力形成了一个贯穿芯线16(包括它的近侧部分24在内)的应力场。近侧部分24经历的响应于此应力的应变，部分程度上取决于末梢部分22是处于它的奥氏体状态还是马氏体状态。

请参考图5，末梢部分22的温度低于它的马氏体转变温度时，它变得具有超弹性。结果，由张紧元件20施加的绝大部分应力通过末梢部分22的伸长得到消除。由于应力主要是通过末梢部分22的伸长来消除，近侧部分24承受了相对较小的应变。结果，近侧部分24保持了它的奥氏体状态。

现在参见图6，末梢部分22的温度高于它的奥氏体转变温度时，它失去了它的超弹特性，并恢复为它的记忆形状。结果，末梢部分22不再大量地消除当前贯穿芯线16的应力。在这种情况下，应力拉紧近侧部分24，从而使它转变到它的马氏体状态。一旦近侧部分24处于它的马氏体状态，它就具有了超弹性。近侧部分24处于超弹性状态，它就可以足够地伸长，以消除芯线16中的应力。

近侧部分24和中间部分26可以采用不同的材料。然而，为了避免必须连接近侧和中间部分，将它们互相制成一体更为方便。在所示的第二实施例中，近侧部分24是通过磨掉芯线16的一部分而形成的。在这种情况下，近侧部分24就是芯线16上由于磨削导致直径减小的部分，中间部分26就是芯线16上直径保持原样的那部分。由于近侧部分24的直径比中间部分26的直径要小，同样的应力会使其产生比中间部分26更大的变形。这又确保：即使近侧部分24已经转变到它的马氏体状态，中间部分26仍可以保持它的奥氏体状态。

在第三实施例中，如图7和图8所示，芯线16的近侧部分和末梢部分的作用与第二实施例中恰好相反。在这种情况下，一根NITINOL芯线16具有一个直径减小了的末梢部分22。结果，远端通过转变为应力诱导马氏体而响应足够大的应力。要达到这样的效果，它需要具有超弹特性并如图7所示那样伸长。由于芯线16通过端帽19连接在外壳12上，这将会引起外壳12伸直。在缺乏这样的应力的情况下，远端恢复为奥氏体并且恢复它的记忆形状。由于芯线16通过端帽19连接在外壳12上，这使得外壳12呈现其记忆形状。

芯线16的近侧部分24具有一个奥氏体转变温度，此温度高于芯线16的中间部分26的奥氏体转变温度。如第二实施例中那样，一个张紧元件20在近端施加一个拉力。

参见图8，芯线16的近端的温度低于它的马氏体转变温度时，它变成马氏体。结果，它伸长很多，多到足以消除贯穿芯线16施加的绝大部分应力。因此近侧部分24使得末梢部分22免于因承受过大的应力而变成应力诱导马氏体。由于末梢部分22保持了奥氏体的状态，它呈现它的记忆形状。由于芯线16和外壳12之间的连接，外壳12也同样地呈现记忆形状。

参见图7，近侧部分24的温度高于它的奥氏体转变温度时，它变成奥氏体，因此不再响应所施加的应力而明显伸长。结果，应力必须由芯线16上的其余部分来承受。由于芯线16的末梢部分22直径减小，它将经受相当大的应力，足以使它转变为应力诱导马氏体。在这种情况下，它失去它的记忆形状并且伸直。由于芯线16和外壳12之间的连接，外壳12也伸直。

图6到图8中所示的张紧元件20是一个套环，它具有一个用于容纳套筒14的狭槽，和一个用于安装芯线16的中心孔。狭槽使张紧元件20可以在轴向上沿套筒14移动，从而改变施加在芯线16上的张力。狭槽的轴向位置可以通过诸如齿条和小齿轮布置进行调节。然而，张紧元件20并不需要特殊形式的结构。最重要的是要使芯线16具有足够恒定的张力，在温度环境允许的情况下，可以使芯线的某一部分伸长。

张紧元件20的另一实施例是穿过外壳直径安装的螺钉。螺钉在它的轴杆上有一个孔与芯线16配合。螺钉拧动时，芯线16可以张紧或变得松弛，就像吉他或其它弦乐器上调弦的方法一样。

奥氏体转变温度和马氏体转变温度可以通过一些公知的方法进行调整，如对合金热处理或向合金掺入添加剂。

其它实施例

需要理解的是，尽管前面已经描述了本发明及其中的详细说明，上述说明是为了阐明本发明，而不限于此，通过所附权利要求对该范围加以限定。本发明的其它方面、优点和修改亦在下述权利要求范围之内。

Claims (30)

1.一种温控致动器，包括：

一外壳(12)，其具有近端和可移动的远端部分；

一芯线(16)，其沿外壳延伸，该芯线具有

一末梢部分(22)，其固定在外壳的远端部分，该末梢部分具有

一奥氏体状态，和

一马氏体状态，

该末梢部分被配置成，通过响应于沿芯线测温部分(22，24)的温度变化而在奥氏体状态与马氏体状态之间转变来移动外壳的远端部分，以及

一近侧部分(24)，与末梢部分机械连接，近侧部分向末梢部分传递张力；

一张紧元件(20)，其连接在芯线的近侧部分，该张紧元件配置用来恒定地向芯线施加张力。

2.权利要求1所述的温控致动器，其中末梢部分包括镍钛合金。

3.权利要求1所述的温控致动器，其中外壳包括柔性套管。

4.权利要求1所述的温控致动器，其中外壳包括具有柔性远端部分的套管。

5.权利要求4所述的温控致动器，其中柔性远端部分在处于平衡状态时呈现预定形状。

6.权利要求1所述的温控致动器，其中外壳包括具有铰接远端部分的套管。

7.权利要求1所述的温控致动器，其中外壳配置用来在压缩状态时限定一个通道。

8.权利要求3所述的温控致动器，进一步包括一刚性套筒(14)，其封装柔性套管的近侧部分。

9.权利要求1所述的温控致动器，其中末梢部分的奥氏体转变温度高于近侧部分的奥氏体转变温度。

10.权利要求1所述的温控致动器，其中测温部分包括芯线的末梢部分。

11.权利要求10所述的温控致动器，进一步包括位于近侧部分和末梢部分之间的中间部分。

12.权利要求11所述的温控致动器，其中中间部分包括具有奥氏体状态和马氏体状态的合金，近侧部分包括中间部分的延伸部分，该延伸部分的直径小于中间部分的直径。

13.权利要求12所述的温控致动器，

其中末梢部分处于温度诱导马氏体状态时，近侧部分处于奥氏体状态，并且

其中近侧部分的直径的选取使得，末梢部分处于温度诱导奥氏体状态时，张力导致近侧部分处于应力诱导马氏体状态。

14.权利要求1所述的温控致动器，其中测温部分包括芯线的近侧部分。

15.权利要求11所述的温控致动器，其中近侧部分配置用来响应于沿芯线的近侧部分的温度变化在奥氏体状态与马氏体状态之间转变。

16.权利要求12所述的温控致动器，其中末梢部分包括中间部分的延伸部分，延伸部分的直径小于中间部分的直径。

17.权利要求16所述的温控致动器，

其中末梢部分处于奥氏体状态时近侧部分处于温度诱导马氏体状态，并且

其中末梢部分的直径的选取使得，近侧部分处于温度诱导奥氏体状态时，张力导致末梢部分处于应力诱导马氏体状态。

18.权利要求11所述的温控致动器，其中近侧部分的奥氏体转变温度高于中间部分的奥氏体转变温度。

19.权利要求1所述的温控致动器，其中张紧元件恒定地偏置，以向芯线施加恒定的作用力。

20.权利要求1所述的温控致动器，其中张紧元件恒定地偏置，以向芯线施加变化的作用力。

21.权利要求1所述的温控致动器，其中张紧元件包括悬挂在芯线上的配重。

22.权利要求1所述的温控致动器，其中张紧元件包括与芯线接合的轴向可移动部件，该部件的轴向位置控制芯线中的张力。

23.一种对监测环境的温度变化提供机械响应的方法，该方法包括：

将芯线的末梢部分固定在外壳的远端部分，末梢部分具有奥氏体状态和马氏体状态；

通过张力将芯线偏置；以及

将芯线的测温部分暴露在监测环境中。

24.权利要求23所述的方法，其中将芯线的测温部分暴露包括将芯线的末梢部分暴露在监测环境中。

25.权利要求23所述的方法，进一步包括导致末梢部分响应于沿末梢部分的温度变化在奥氏体状态与马氏体状态之间转变。

26.权利要求23所述的方法，其中将芯线的测温部分暴露包括将芯线的近侧部分暴露在监测环境中。

27.权利要求26所述的方法，进一步包括导致近侧部分响应于沿近侧部分的温度变化在奥氏体状态与马氏体状态之间转变。

28.权利要求26所述的方法，进一步包括，响应于近侧部分在奥氏体状态与马氏体状态之间转变，导致末梢部分在奥氏体状态与马氏体状态之间转变。

29.权利要求23所述的方法，其中偏置芯线包括在芯线上施加恒定的作用力。

30.权利要求23所述的方法，其中偏置芯线包括在芯线上施加变化的作用力。

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