专利名称：形状记忆合金的热控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及形状记忆合金。明确地说，本发明涉及形状记忆合金的热控制。
背景技术：
形状记忆合金(SMA)是能“记住”其几何形状的合金。SMA可经受其晶体学配置的变形，且随后因SMA的温度的增加(即加热)而与其晶体学配置相反地变形。这些特性是归因于从低对称性晶体学结构到高度对称的晶体学结构(分别称为马氏体相和奥氏体相) 的马氏体相变。SMA的马氏体相变可归因于其它因素，但多数与温度有关。在奥氏体相中，SMA较硬且为刚性，而在马氏体状态下，SMA较软且为柔性。在马氏体状态下，SMA可因外力而拉伸或变形。一旦被加热，SMA将转变为其奥氏体状态，且收缩或恢复强加于其的任何拉伸。SMA在收缩时所施加的力可用于执行例如接通装置或断开装置、打开或关闭物体或致动装置或物体等任务。三种主要类型的SMA为铜-锌-铝-镍合金、铜-铝-镍合金以及镍-钛(NiTi) 合金。SMA改变其晶体学结构所处的温度(称为转变温度)是合金的特性，且可通过改变合金中的元素比率来调谐。SMA可通过任何合适的手段来加热。一种用于加热SMA的手段包含使电流穿过所述合金，借此合金的电阻导致合金中产生热量，所述热量又致使合金经历马氏体到奥氏体相变。在去除电流之后，合金开始冷却，且回复到其马氏体相结构。因此，SMA的加热和冷却使其能够执行例如致动物体等功能。举例来说，当SMA被加热时，其可将物体从第一位置致动到第二位置，且随后当SMA冷却时，物体可从第二位置移回到第一位置。SMA实现马氏体状态与奥氏体状态之间的马氏体相变的速率部分地取决于形状记忆合金被加热或冷却的速率。因此，SMA的周期时间是SMA实现马氏体状态与奥氏体状态之间的马氏体相变且返回到马氏体状态或反之亦然所花费的时间。SMA致动器的周期时间是其在第一位置与第二位置之间致动物体且接着使物体从第二位置返回到第一位置所花费的时间。可能希望能够操纵SMA和/或SMA致动器的周期时间。举例来说，对于SMA和 /或SMA致动器来说，可能希望具有尽可能短的周期时间。为了实现此目的，希望能够尽可能快地加热和/或冷却SMA。可通过施加较大的电流穿过致动器来实现在相对较短的周期中加热SMA的任务，从而实现SMA的几何形状的较快改变。相反，为了致使SMA在尽可能短的时间内回复到马氏体状态，SMA需要在尽可能短的时间内冷却。此外，可能存在以下情况，其中希望能够控制SMA的温度的增加或减小速率，从而控制SMA在奥氏体状态与马氏体状态之间改变几何形状的速率，且又控制物体由SMA致动的移动速率。
发明内容
本申请案是针对一种形状记忆合金布置，所述布置包含形状记忆合金部件，其经配置以响应于形状记忆合金部件的温度变化而经历马氏体相与奥氏体相之间的转变；以及导热材料，其与形状记忆合金部件接触，其中所述导热材料可操作以用于通过传导来将热量传递到形状记忆合金部件或从形状记忆合金部件传递热量。热量传导性(也称为导热性)是指示材料传导热量的能力的材料特性。热量传导定律(也称为傅立叶定律)陈述热量传递通过材料的时间率与温度的负梯度且与热量流经其中的与所述梯度成直角的面积成比例。换句话说，将其定义为在时间At期间在稳定的状态条件下且当热量传递仅取决于温度梯度时，因温差△T而在垂直于区域A的表面的方向上传输经过厚度χ的热量的量八Q0导热性以W/(m · K)表达。导热性=热量流动速率X距离/(面积X温差)本发明的导热材料包含具有以下特性的任何材料因其间的接触而通过材料传递到形状记忆合金或从形状记忆合金传递的绝大多数热量或实质上所有热量均是借助于传导。因此，本发明的导热材料不包含具有以下特性的材料因其间的接触而通过材料传递到形状记忆合金或从形状记忆合金传递的绝大多数热量或实质上所有热量均是借助于对流。气体通常是良好的绝缘体以及不良的热导体。空气的导热性为0. 025ff/(m · K)。 气体通过对流传递的热量比通过传导传递的热量多。因此，本发明的导热材料包含具有比空气高的导热性(以W/(m · K)表达)的材料，即> 0. 025ff/(m · K)。例如液体、半固体和固体等非气体通常是比气体好的热导体。液态水的导热性为 0. 6ff/(Hi-K)0热油脂(也称为热化合物、热量膏状物、热量传递化合物、热膏状物或散热化合物)为具有类似于油脂的特性的流体物质，其增加了热界面的导热性(通过补偿组件的不规则表面)。热油脂的导热性为0.7到3W/(m*K)。因此，本发明的导热材料包含具有> 0. 6ff/ (m · K)或在0. 7到3ff/ (m · K)的范围内的导热性(以W/ (m · K)表达)的材料。本发明的导热材料还可包含具有> 3W/(m · K)的导热性(以W/(m · K)表达)的材料。形状记忆合金布置的有利之处在于由于导热材料与形状记忆合金部件之间的接触，与不传导热量而是通过对流来传递热量的材料(例如气体)相比，可较快地实现形状记忆合金部件的冷却、加热或两者。形状记忆合金部件具有取决于形状记忆合金部件从马氏体或奥氏体相中的一者转变到所述相中的另一者且再次返回的速率的周期时间。因此，与实质上所有热量均通过实质上非导热材料传递到形状记忆合金部件或从形状记忆合金部件传递时的情况相比，通过本发明的导热材料将热量快速传导到形状记忆合金部件或从形状记忆合金部件快速传导热量使得能够使形状记忆合金部件的周期时间减少或增加较大的量。换句话说，通过使形状记忆合金部件与导热材料而不是绝热材料接触，本发明增加了形状记忆合金部件可加热或冷却的速度。因为导热材料与例如空气等材料相比促进了形状记忆合金部件的较快的冷却速率，所以本发明特别有利。因此，本发明可减少形状记忆合金部件经历从奥氏体到马氏体相的转变所需的时间量，与必须耗散其已通过加热(经由对流)而获得的实质上所有热量的形状记忆合金部件的布置形成对比。在一种形式中，形状记忆合金部件具有纵向长度，且导热材料沿形状记忆合金部件的纵向长度的至少一部分覆盖形状记忆合金的整个外表面。技术方案1或技术方案2的形状记忆合金，其中形状记忆合金部件沿其整个长度具有纵向轴，所述纵向轴延伸穿过形成形状记忆合金部件的形状记忆合金材料，且导热材料包含在与形状记忆合金部件的纵向轴相同的方向上延伸的纵向轴。其中导热材料沿形状记忆合金部件的纵向长度的至少一部分与形状记忆合金部件的外表面接触的形状记忆合金布置形式的优点是与不沿其纵向长度的至少一部分与导热材料接触的形状记忆合金部件相比，热量到形状记忆合金部件或从形状记忆合金部件的传导速度增加。换句话说，本发明的此些形式增加了形状记忆合金部件可加热或冷却的速度。在一种形式中，形状记忆合金部件和导热材料大体上同心布置。在另一种形式中， 形状记忆合金部件和导热材料大体上同轴布置。其中形状记忆合金部件和导热材料同心和/或同轴布置的形状记忆合金布置形式的优点是形状记忆合金部件的沿其纵向长度的一部分的整个外表面区域与导热材料接触，借此进一步增强热量到形状记忆合金部件或从形状记忆合金部件的传导速度。在又一形式中，所述布置进一步包含用于控制导热材料的导热性以控制通过将热量传递到形状记忆合金部件或从形状记忆合金部件传递热量的构件。导热性取决于材料的许多特性，特别是其结构和温度。因此，通过提供用于更改导热材料的结构或温度的构件， 可更改导热材料的导热性。在形状记忆合金布置的一种形式中，导热材料可操作以用于控制形状记忆合金部件经历马氏体与奥氏体相之间的转变的速率。在另一形式中，导热材料可操作以用于控制形状记忆合金的周期时间。这种形式的形状记忆合金布置的有利之处在于当并入到形状记忆合金致动器中时，致动器的周期时间也是可控制的。形状记忆合金的周期时间可包含形状记忆合金部件从马氏体或奥氏体相中的一者转变到所述相中的另一者且再次返回的速率。在又一形式中，形状记忆合金布置进一步包含至少部分地环绕导热材料和形状记忆合金部件的盖。在其中导热材料处于非固体形式的布置中，盖的优点在于其可有助于使导热材料保持与形状记忆合金部件接触。盖的另一优点在于不管导热材料是固体、半固体、粘性材料、膏状物还是低粘度液体，所述盖均可保护导热材料免受损坏、污染、磨蚀等。技术方案12的形状记忆合金，其中形状记忆合金部件沿其整个长度具有纵向轴， 所述纵向轴延伸穿过形成形状记忆合金部件的形状记忆合金材料，且盖包含在与形状记忆合金部件的纵向轴相同的方向上延伸的纵向轴。所述盖可经配置以使得当形状记忆合金部件在马氏体或奥氏体相之间的转变期间响应于温度变化而改变形状时，所述盖也改变形状。所述盖可由柔性材料和/或弹性材料形成。通过提供柔性和/或弹性的盖，所述盖不阻碍形状记忆合金部件在其加热和/或冷却后的几何形状改变。在一种形式中，形状记忆合金部件和盖大体上同心布置。在另一形式中，形状记忆合金部件和盖大体上同轴布置。在一种形式中，形状记忆合金部件具有纵向长度，导热材料沿所述纵向长度的至少一部分覆盖形状记忆合金部件的整个外表面，且所述盖沿形状记忆合金部件的长度的由导热材料覆盖的部分环绕导热材料和形状记忆合金部件。在一种形式中，导热材料的导热性是可控制的，以用于控制通过传导将热量传递到形状记忆合金部件或从形状记忆合金部件传递热量。在另一形式中，所述布置进一步包含用于控制导热材料的温度以借此控制热量到形状记忆合金部件或从形状记忆合金部件的传导速率的构件。在一种形式中，形状记忆合金布置进一步包含热量传递装置，其用于将热量传递到导热材料或从导热材料传递热量，且借此控制导热材料的温度。在一种形式中，导热材料为流体、固体或半固体材料。导热材料可由包含乙二醇、 硅膏状物和油的群组中的任一者或一者以上形成。在另一形式中，所述布置进一步包含用于促进形状记忆合金部件的温度变化的构件。所述用于促进形状记忆合金部件的温度变化的构件包含用于将电流供应到形状记忆合金部件的构件。在另一方面中，本发明可提供一种形状记忆合金致动器，其包含根据前述技术方案中的任一者所述的形状记忆合金布置，其中所述形状记忆合金布置经配置以连接到可移动物体，且响应于形状记忆合金部件的温度变化而移动所述物体。在结合附图考虑以下描述和所附权利要求书之后，所属领域的技术人员将明白进一步方面和概念。
在并入本说明书中且构成本说明书的一部分的附图中，说明本发明的实施例，其与上文所给出的本发明的一般描述以及下文的详细描述一起用以示范本发明的实施例；图1是由导热材料和盖同心环绕的SMA部件的透视图，其中所述盖使导热材料保持与形状记忆合金部件接触。图2是图1的形状记忆合金致动器的横向横截面的端视图。图3是图1的形状记忆合金致动器的纵向横截面的侧视图，其中形状记忆合金处于马氏体状态，且被拉伸为相对较长的几何形状。图4是图1的形状记忆合金致动器的纵向横截面的侧视图，其中形状记忆合金因为形状记忆合金部件的加热而处于奥氏体状态，其中形状记忆合金部件收缩为相对较短的几何形状。图5说明形状记忆合金致动器的另一形式的透视图，其中所述致动器进一步包含用于将热量传递到导热材料或从导热材料传递热量的热量传递装置。图6说明形状记忆合金致动器的另一形式的透视图，其中所述致动器包含多个形状记忆合金部件，其各自分别由导热材料和盖两者环绕，且交织。
具体实施例方式本申请案揭示一种形状记忆合金(SMA)布置，以及一种并入有所述形状记忆合金布置的致动器。所述布置和所述致动器可采取任何合适形式，且用于任何合适目的。所述布置和所述致动器可执行任何合适的任务，例如接通或断开装置、打开或关闭物体，或致动装置或物体。SMA致动器可在各种各样的应用(包含(但不限于)机动车辆、航空学、军事、 医疗、安全和机器人应用)中在操作上与各种各样的可致动装置相关联。尽管以下详细描述涉及并入有本发明的SMA布置的致动器，但将了解，本发明可具有比与致动器相关更广泛的应用。举例来说，本发明的SMA布置可应用于SMA合金的特性(即其响应于其温度的变化而改变其几何形状或形状的能力)使得使用SMA合金部件较合适的情况。本文所揭示的本发明的SMA布置和致动器的动作原理之一是其包含与导热材料接触并由导热材料环绕的SMA部件，所述导热材料在一种形式中在施加到SMA部件的已导致SMA部件加热的电流已被去除之后促进热量从SMA部件的传导。通过从SMA部件传导热量，导热材料促进SMA部件的温度以比SMA部件由空气环绕且需要通过对流来耗散热量的情况下将可能的速率大的速率降低。本发明的导热材料包含具有以下特性的任何材料因其间的接触而通过材料传递到形状记忆合金或从形状记忆合金传递的绝大多数热量或实质上所有热量均是借助于传导。因此，本发明的导热材料不包含具有以下特性的材料因其间的接触而通过材料传递到形状记忆合金或从形状记忆合金传递的绝大多数热量或实质上所有热量均是借助于对流。气体通常是良好的绝缘体以及不良的热导体。空气的导热性为0. 025ff/(m · K)。 气体通过对流传递的热量比通过传导传递的热量多。因此，本发明的导热材料包含具有比空气高的导热性(以W/(m ·Κ)表达)的材料，即> 0. 025ff/(m ·Κ)，且优选具有空气的导热性的材料。在一些形式中，导热材料通过环绕SMA部件和导热材料两者的盖而维持与SMA部件接触。因此，将SMA部件浸入导热材料中，其又可由盖环绕。在一种形式中，所述盖为柔性材料，其使得其能够与SMA部件一起移动。因此，SMA致动器由于SMA部件周围的导热材料以及(任选地)环绕SMA部件和导热材料两者的盖的应用而可实现较快或较慢的冷却或加热或两者的速率。因此，可通过使SMA部件能够以比在导热材料不与SMA部件接触的情况下的对流快的速率冷却或加热， 来减小或增加SMA致动器的周期时间。此外，在本文所说明的SMA致动器的形式中，导热材料沿SMA部件的纵向长度的至少一部分与SMA部件的外表面接触。更具体地说，导热材料实质上沿其长度的至少一部分与SMA部件的整个外表面接触，以促进在给定导热材料的导热性的量值的情况下可能的那样尽可能快的到SMA部件或从SMA部件的热量传导速度。举例来说，SMA部件和导热材料以及(任选地)盖同心和/或同轴布置。此外，通过提供柔性和/或弹性的盖，所述盖不阻碍SMA部件在其加热和/或冷却后的几何形状改变。参看图1到图5，展示SMA致动器10。SMA致动器10包含SMA部件20，其在所说明的实施例中为细长且大体上线性的SMA部件20。然而，将了解，SMA部件20可采取任何其它合适的形式或配置。举例来说，SMA部件20可呈例如弹簧等线圈、螺旋配置、非线性细长部件(例如弯曲细长部件或曲线形细长部件或包含若干个弯曲或曲线的细长部件)的形式。在每一形式中，SMA部件20具有纵向轴X。沿SMA部件20的整个长度，纵向轴X延伸经过形成形状记忆合金部件20的形状记忆合金材料。如图1所示，纵向轴X是延伸经过形成SMA部件的材料的中心的假想线。换句话说，SMA部件20沿纵向轴X的整个长度在整个纵向轴X上是实心的。因此，SMA部件20和纵向轴X沿其整个长度在同一方向上延伸。此外，图中所说明的SMA部件20具有大体上均勻的横截面。然而，SMA 20可具有整体变化的横截面，且可具有可变且/或渐细的轮廓，使得SMA部件20的若干部分大体上比大体上较厚的其它部分薄。SMA部件20可由能够因加热或冷却而改变其几何形状的任何材料制成。SMA部件 20可由铜-锌-铝、铜-锌-铝-镍、铜-铝-镍、银-镉、金-镉、铜-锡、铜-锌、铟-钛、 镍-铝、铁-钼、镁-铜、铁-镁-硅或镍-钛(NiTi)合金制成。此些合金可具有奥氏体状态或相以及马氏体状态或相。因此，在加热期间，As和Af是从马氏体到奥氏体的转变开始和结束所处的温度。Ms表示SMA通常在冷却后开始从奥氏体改变为马氏体所处的温度。Mf 是冷却期间向马氏体的过渡结束时的温度。SMA部件20在马氏体与奥氏体相之间的过渡取决于温度。此外，SMA部件20在马氏体与奥氏体相之间过渡的速率取决于SMA部件20的温度增加或减小的速率。SMA部件20包含外表面22，其围绕SMA部件20的圆周径向面向外，且/或沿SMA 部件20的大体上整个长度而延伸。由此，SMA部件20的外表面22可呈现SMA部件20的任何暴露表面的大体上全部。另一形式的SMA部件(未图示)可呈中空细长部件的形式， 其具有沿SMA部件的一部分或整个长度纵向延伸穿过SMA部件的开口或中空，结合本文所描述和说明的其它配置中的任一者。在SMA部件为中空细长部件的情况下，纵向轴X不在 SMA部件的中心。然而，纵向轴X沿SMA部件的整个长度且沿纵向轴X的整个长度延伸穿过形成SMA部件的材料。换句话说，即使是SMA部件的中空型式也沿纵向轴X的长度在整个纵向轴X上是实心的。而且，在中空SMA部件中，外表面22还可包含径向向内面朝在中心或纵向地延伸穿过SMA部件的中部的开口或中空的表面(未图示)。参看图1到图5，SMA部件20由导热材料层30环绕。SMA部件20和导热材料30 两者共享大体上同一纵向轴X。这意味着导热材料30沿SMA部件20的纵向轴X环绕SMA 部件20。换句话说，导热材料30沿纵向轴X环绕SMA部件20，纵向轴X大体上沿SMA部件 20的长度大体上延伸穿过形成SMA部件20的材料的中心。换句话说，导热材料30沿SMA 部件20的纵向长度覆盖SMA部件20。因此，SMA部件20和导热材料30沿纵向轴X在同一方向上延伸。而且，SMA部件20和导热材料30大体上同心。在图1到图5中所说明的实施例中，SMA部件20和导热材料30也大体上同轴。导热材料30具有外表面32和相对的内表面34。内表面34径向向内面朝SMA部件20的外表面22，且与SMA部件20的外表面22面对面接触。导热材料30可沿SMA部件 20的纵向长度的至少一部分覆盖SMA部件20的外表面22。或者，导热材料30可沿SMA部件20的长度的一部分或大体上沿SMA部件20的整个长度大体上覆盖整个外表面22。因此，导热材料30可大体上沿SMA部件20的整个长度或长度的一部分围绕SMA部件20的整个圆周而延伸。因此，可能本质上不存在SMA部件20的沿其整个长度或其长度的一部分的不与导热材料30接触的部分。在SMA部件20呈中空细长部件的形式的情况下，中空内部 (未图示)提供导热材料30可以本文所述的方式且为本文所述的目的(即，借助于传导将热量传递到SMA部件20或从SMA部件20传递热量)而放置于其中的空间。在此布置(未图示)中，导热材料30的外表面32径向向外面朝SMA部件20的外表面22的径向向内面向的部分，且与所述部分面对面接触。导热材料30可由适合本文所陈述的要求的任何材料形成。例如液体、半固体和固体等非气体通常是比气体好的热导体。液态水的导热性为0.6W/(m*K)。热油脂(也称为热化合物、热量膏状物、热量传递化合物、热膏状物或散热化合物)为具有类似于油脂的特性的流体物质，其增加了热界面的导热性(通过补偿组件的不规则表面)。热油脂的导热性为0.7到3W/(m· 。因此，本发明的导热材料包含具有比空气高的导热性(以W/(m· 表达)的材料，即> 0. 025ff/(m · K)，且优选具有热油脂的导热性(即，0. 7到3ff/(m · K)) 的材料。因此，本发明的导热材料优选包含具有> 0. 6ff/(m · K)或在0. 7到3W/(m · K)的范围内的导热性(以W/(m*K)表达)的材料。本发明的导热材料还包含具有> 3W/(m*K) 的导热性(以W/(m · K)表达)的材料。导热材料30优选由适于传导来自SMA部件20的外表面22的热量的材料形成。因此，导热材料30可由流体形成，所述流体可包含包括乙二醇、硅膏状物和油的群组中的任一者或一者以上，且可为任何粘性、半粘性或无粘性液体。或者，导热材料30可为凝胶或半固体材料。然而，导热材料30应具有某一程度的柔性或展性，以使得导热材料30的形状和配置可连同SMA部件20的几何形状的任何改变而改变，同时仍维持导热材料30的内表面 34与SMA部件20的外表面22之间的接触。参看图1到图5，SMA致动器10进一步包含盖40，其环绕且/或含有导热材料30。 盖40可由电绝缘材料形成。因为导热材料30可为流体或非固体材料，所以盖40用于使导热材料30维持与SMA部件20的外表面22接触。盖40具有内表面44和相对的外表面42。 盖40的内表面44径向面向内，且界定在盖40内纵向延伸的通道45。导热材料30和SMA 部件20定位于盖40的纵向通道45内。盖40的内表面44与导热材料30的外表面32面对面接触。形成导热材料30的材料大体上不可穿透盖40的内表面44。因此，盖40可确保导热材料30维持于盖40的内表面44与SMA部件20的外表面22之间，且无法逃出盖40 的内表面44与SMA部件20的外表面22之间的空间。SMA部件20、导热材料30和盖40全部共享大体上同一纵向轴X。这意味着盖40 环绕导热材料30，导热材料30又沿SMA部件20的纵向轴X环绕SMA部件20。换句话说， 盖40环绕导热材料30，导热材料30又沿纵向轴X环绕SMA部件20，纵向轴X大体上沿SMA 部件20的长度大体上延伸穿过形成SMA部件20的材料的中心。换句话说，导热材料30沿 SMA部件20的纵向长度覆盖SMA部件20。因此，盖40、SMA部件20和导热材料30沿纵向轴X在同一方向上延伸。而且，盖40、SMA部件20和导热材料30大体上同心。在图1到图 5中所说明的实施例中，盖40、SMA部件20和导热材料30也大体上同轴。形成盖40的材料可为柔件材料，使得如果且当SMA部件20的几何形状改变时，这又可致使环绕SMA部件20的导热材料30的形状和配置也改变，含有导热材料30的盖40 的形状和配置也可改变，以适应导热材料30和/或SMA部件20的改变的形状和配置。形成盖40的材料可为弹性的，使得当盖40的形状和配置因SMA部件20的几何形状的改变以及导热材料30的形状和配置的任何相关联改变而临时更改时，盖40可在SMA 部件20和/或导热材料30已回复到其初始几何形状之后返回到其初始形状和配置。盖40 的柔性和/或弹性本质可有助于确保导热材料30的形状和配置在SMA部件20回复到其初始几何形状之后也回复到其初始形状和配置。因此，盖40的柔性和/或弹性特性使得其能够确保导热材料30的内表面34维持沿SMA部件20的整个长度或长度的一部分大体上与 SMA部件20的整个外表面22接触。
在另一形式中，形成盖40的材料可为刚性的非柔性材料。刚性盖40的形状可使得如果且当SMA部件20的几何形状改变时，SMA部件20可在盖40内的导热材料30内的通道45内纵向滑动。以此形式，尽管盖40由刚性材料形成，但其并不实质上阻碍SMA部件 20的几何形状的改变或环绕SMA部件20的导热材料30的形状或配置的任何改变。举例来说，在图1和图2所说明的实施例中，盖40和SMA部件20两者大体上同轴， 这意味着盖40可由刚性材料形成，且SMA部件20可响应于其温度的改变，通过在界定于盖 40的内表面44内的纵向通道45内纵向移动而改变纵向长度。然而，将了解，盖40无需一定与SMA部件20和/或导热材料30同轴以允许SMA部件20响应于SMA部件20的温度改变而相对于刚性盖40移动，而是可具有任何其它合适形状或配置。举例来说，SMA部件20 可以离心方式定位于盖40和/或导热材料30内。因此，SMA部件20的中心轴X可与盖40 的中心轴和/或导热材料30的中心轴平行且在同一方向上延伸。在本文所说明的SMA致动器10的形式中，导热材料30沿SMA部件20的纵向长度的至少一部分，大体上与SMA部件20的整个外表面22接触。这促进了在给定导热材料的导热性的量值的情况下，热量到SMA部件20或从SMA部件20的尽可能快的传导速率。如在图1到图5中可看出，SMA部件20、导热材料30和盖40同心和/或同轴布置。形成盖40的材料可包含合适的柔性、弹性、非柔性或刚性材料，且可(例如)为包含(但不限于)塑料、弹性体、尼龙、热塑性塑料、热固性塑料、金属、铝、钢的材料中的任一者或一者以上。参看图3和图4，展示使用中的SMA致动器10。SMA致动器10具有第一端15和第二端17。在SMA致动器10的第一端15处，SMA部件20也具有第一端25，而在SMA致动器 10的第二端17处，SMA部件20具有第二端27。可通过将一电极(未图示)附接在第一端 25处，且将另一电极(未图示)附接在第二端27处，并使电流通过所述电极之间并穿过SMA 部件20，来将电流施加到SMA部件20。由于电流穿过SMA部件20，因此形成SMA部件20的材料的电阻导致SMA部件20内产生热量。因此，SMA部件20从As温度加热到Aj^度，且其几何形状在马氏体相到奥氏体相之间过渡。在从马氏体相到奥氏体相的过渡中，SMA部件20收缩到图4中所说明的长度。因此，在收缩之前，当形成SMA部件20的材料处于马氏体状态(其中合金较软且柔性，如图3所说明)时，SMA部件20可呈现伸展的几何形状。通过施加外力(例如通过例如弹簧等偏置构件)或在彼此相反的方向上施加到第一端25和第二端27的某一其它力， SMA部件20可被拉伸或延长到相对较长的长度，如图3所说明。因此，当SMA部件20处于马氏体状态时，SMA部件20的温度相对较低，处于温度As和/或Mf。当电流穿过SMA部件 20时，SMA部件20开始加热且接近较高温度Af，并收缩，如图4中所说明。SMA部件20的第一端25可连接到物体(未图示)，且SMA部件20的第二端27可连接到另一物体(未图示)，使得SMA部件20的长度的收缩和改变导致附接到SMA部件20的第一端25和第二端 27的物体的相对移动，且借此提供其致动。在施加到SMA部件20的电流停止之后，SMA部件20开始耗散已经因穿过SMA部件20的电流而产生的热量。随着SMA部件20耗散热量，其温度从Ms改变到Mf，在所述温度下，从奥氏体到马氏体相的转变开始和结束，如图3所说明。由于从马氏体到奥氏体相的转变，SMA部件20的几何形状更改，使得SMA部件20的长度自己延伸或通过施加拉伸SMA部件20的外力而延伸。SMA部件20从马氏体相过渡到奥氏体相的速率取决于SMA部件20 内的热量可耗散的速率。与SMA部件20仅由空气或由并不特定适于传导热量而是被视为绝热体的某一其它材料环绕的情况相比，导热材料30快得多地传导热量离开SMA部件20。 通过提供导热材料30，从SMA部件20传导热量的速率增加。因此，导热材料30加速了 SMA 部件20从马氏体相到奥氏体相的过渡，且又加速了从图4所说明的收缩长度到图3所说明的延长长度的过渡。因此，SMA部件20和SMA致动器10更快速地返回到奥氏体相，在此相下，SMA部件20和SMA致动器10准备好在(例如)因穿过其中施加电流而将热量施加到 SMA部件20后即刻再次从奥氏体相过渡到马氏体相。因此，导热材料30促进SMA部件20 和SMA致动器10的较快周期时间，这使得SMA部件20和SMA致动器10能够在给定的时间周期内在较多的机会中使附接到SMA部件20的第一端25和第二端27的物体相对于彼此而致动。如图4的实施例中可见，当SMA部件20在马氏体相与奥氏体相之间过渡，且SMA 部件20的长度收缩时，环绕SMA部件20的导热材料30聚集且从SMA部件20的外表面22 向外径向突出，以形成凸起。环绕导热材料30的盖40的柔性和/或弹性性质通过从SMA 部件20向外径向拉伸而促进导热材料30的凸起。当SMA部件20从奥氏体相过渡到马氏体相，且SMA部件20拉伸(如图3所说明)时，环绕SMA部件20的导热材料30拉伸到其初始形状和配置，且环绕导热材料30的盖40也返回到其初始形状和配置。盖40可借助于其柔性和/或弹性特性而返回到其初始配置。因此，盖40可朝SMA部件20向内径向收缩到其初始形状和配置，且借此维持导热材料30与SMA部件20的外表面22面对面接触，从而准备好SMA部件20从马氏体到奥氏体相的另一过渡。参看图5，展示SMA致动器100的另一形式，其还包含SMA部件120、环绕SMA部件 120的导热材料130以及环绕导热材料130且维持导热材料130与SMA部件120的外表面 122面对面接触的盖140。然而，与图1到图4所说明的SMA致动器10形成对比，图5所说明的SMA致动器100还包含用于控制导热材料130的温度以借此控制热量到形状记忆合金部件120或从形状记忆合金部件120的传导速率的构件。用于控制导热材料130的温度的构件包含热量传递装置150。热量传递装置150是任何合适形式的热量传递设备，且可为用于提供冷却或加热或两者的设备。热量传递装置150包含连接，其促进导热材料30从盖 140与SMA部件120之间的空间传递到热量传递系统160。一旦导热材料130已穿过连接 155到达热量传递系统160，导热材料130就可根据需要被加热或冷却，且接着可返回穿过连接155到达盖140与SMA部件120之间的空间。因此，通过促进加热或冷却导热材料130 的能力，热量传递装置150可实现对导热材料130将热量传导到SMA部件120且/或从SMA 部件120传导热量的速率的操纵，且借此操纵SMA部件120在马氏体相与奥氏体相之间(且反之亦然)过渡的速率，其又促进对SMA部件120收缩且/或可伸展的速率的操纵。因此， 热量传递装置150还可促进对SMA部件120和SMA致动器100的周期时间的操纵。或者，导热材料130可不穿过连接155到达热量传递系统160，而是热量传递系统 160和连接155可以其它方式促进热量在导热材料130与热量传递系统160之间的传递，以加热或冷却导热材料130。举例来说，热量传递装置150可包含在热量传递系统160与导热材料130之间经由连接155而延伸的一个或一个以上通道(未图示)，其中所述通道经配置以使得例如冷却剂等流体能够在热量传递系统160与导热材料130之间传递热量。因此，所述通道可不提供热量传递系统160与导热材料130之间的流体连通，而是热量传递装置 150为用于在热量传递系统160与导热材料130之间传递热量的封闭式系统。参看图6，展示由交织或以其它方式彼此咬合的多个SMA致动器10形成的SMA致动器200。所述SMA致动器10中的每一者大体上对应于图1到图4所说明的SMA致动器 10，或大体上对应于图5所说明的SMA致动器100。因此，图6所说明的SMA致动器200的交织长度的SMA致动器10中的每一者包含由导热材料30环绕的细长SMA部件20，导热材料30大体上与SMA部件20的整个外表面22以及盖40面对面接触，盖40环绕导热材料30 且使导热材料30维持与SMA部件20的外表面22面对面接触。此外，SMA部件20中的每一者包含第一端25和第二端27，其连接到一个或一个以上物体(未图示)。此外，每一 SMA 部件20可通过任何手段来加热，例如通过施加电流穿过SMA部件20中的每一者，这导致将 SMA部件20中的每一者从温度As加热到温度Af，在所述温度下，SMA部件20中的每一者从马氏体相过渡到奥氏体相。相反，在去除电流之后，SMA部件20中的每一者开始耗散由导热材料30从SMA部件20传导的热量，使得SMA部件20中的每一者从温度Ms冷却到Mf，这对应于从奥氏体到马氏体相的过渡，且促进SMA部件20的伸展。通过用导热材料30和盖40环绕SMA部件20中的每一者，其中导热材料30和/ 或盖40是绝缘体且因此是不导电的材料，于是在SMA致动器200的编织长度内的SMA致动器10的SMA部件20中的每一者彼此电绝缘，且其间不会导致短路或其它的电干扰。因此， SMA致动器10的所述配置使得能够将多个SMA致动器10配置成彼此紧密接触或实际接触， 而不用考虑SMA致动器10中的每一者可能短路或以其它方式彼此电干扰的可能性。尽管本文所揭示的SMA致动器10、100、200是在具有大体上线性的SMA部件20、 120的大体上线性的致动器的上下文中揭示，但将了解，此些SMA致动器10、100、200及其相关联的SMA部件10、120无需一定为线性的。相反，它们可呈例如弹簧等线圈、螺旋配置、例如弯曲部件、曲线部件、有弯部件、折叠部件、卷曲部件、扭曲部件等非线性细长部件或包含若干弯曲、曲线、折叠、卷曲或扭曲的部件或其组合的形式。因此，在SMA致动器10、100、200 以及SMA部件20、120的一些非线性配置中，其在加热期间在马氏体与奥氏体相之间的过渡可能不一定导致SMA部件20、120的长度的收缩。事实上，SMA部件20、120在从As到Af的加热或从Ms到Mf的冷却期间，在马氏体与奥氏体相之间的过渡可导致几何形状的改变，其涉及弯曲、变直、转弯、折叠、展开、卷曲、伸直、扭曲、拉直或任何其它几何形状改变，其取决于给与SMA部件20、120的构形。此外，尽管本文所揭示的SMA致动器10、100、200是在具有大体上线性的线SMA部件20、120的大体上线性的线致动器的上下文中揭示，但将了解，此些SMA致动器10、100、 200及其相关联的SMA部件10、120无需一定由线或以线形状形成，而是可为平面的、平坦的、中空的、管状的、较厚的、较薄的、编织的等。此外，尽管本文所揭示的SMA部件10、120以及SMA致动器10、100、200是在具有大体上圆形横截面的细长布置的上下文中揭示，但将了解，此些SMA部件10、120以及SMA 致动器10、100、200无需一定具有此些圆形横截面。相反，SMA部件10、120以及SMA致动器10、100、200可具有任何横截面形状，包含(但不限于)椭圆形、三角形、正方形、平行四边形、五边形、六边形、八边形等横截面形状。类似地，导热材料30、130和/或盖40、140的横截面形状也可为圆形或任何其它形状，包含(但不限于)椭圆形、三角形、正方形、平行四边形、五边形、六边形、八边形等。盖40、140的形状可(例如)形成多个鳍状物或肋状物(未图示)。鳍状物或肋状物可横向于SMA部件20、120的纵向轴X而布置，使得每一鳍状物或肋状物形成围绕SMA部件20、120大体上同心的环。在另一形式中，鳍状物或肋状物可在与纵向轴X相同的方向上纵向布置，使得每一鳍状物或肋状物大体上在与SMA部件20、120相同的方向上延伸。通过包含鳍状物或肋状物，盖40、140的表面积以及包含于盖内的导热材料30、130的表面积增加。因此，盖40、140和/或导热材料30、130耗散热量的能力增加。本文已参考优选实施例描述了本发明。所属领域的技术人员在阅读和理解本说明书后将想到若干修改和更改。在此些修改和更改属于所附权利要求书及其均等物的范围内的程度上，既定包含所有此些修改和更改。
权利要求
1.一种形状记忆合金布置，所述布置包含形状记忆合金部件，其经配置以响应于所述形状记忆合金部件的温度变化而经历马氏体相与奥氏体相之间的转变；以及导热材料，其与所述形状记忆合金部件接触，其中所述导热材料可操作以用于控制通过传导来将热量传递到所述形状记忆合金部件或从所述形状记忆合金部件传递热量。
2.根据权利要求1所述的形状记忆合金布置，其中所述形状记忆合金部件具有纵向长度，且所述导热材料沿所述形状记忆合金部件的所述纵向长度的至少一部分覆盖所述形状记忆合金部件的整个外表面。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的形状记忆合金，其中所述形状记忆合金部件沿其整个长度具有纵向轴，所述纵向轴延伸穿过形成所述形状记忆合金部件的形状记忆合金材料，且所述导热材料包含在与所述形状记忆合金部件的所述纵向轴相同的方向上延伸的纵向轴。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的形状记忆合金布置，其中所述形状记忆合金和所述导热材料大体上同心布置。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的形状记忆合金布置，其中所述形状记忆合金和所述导热材料大体上同轴布置。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的形状记忆合金布置，其进一步包含用于控制所述导热材料的导热性以控制通过传导来将热量传递到所述形状记忆合金部件或从所述形状记忆合金部件传递热量的构件。
7.根据前述权利要求中任一权利要求所述的形状记忆合金布置，其进一步包含用于控制所述导热材料的温度以借此控制热量到所述形状记忆合金部件或从所述形状记忆合金部件的传导速率的构件。
8.根据前述权利要求中任一权利要求所述的形状记忆合金布置，其进一步包含热量传递装置，所述热量传递装置用于将热量传递到所述导热材料或从所述导热材料传递热量， 且借此控制所述导热材料的温度。
9.根据前述权利要求中任一权利要求所述的形状记忆合金布置，其中所述导热材料为流体、固体或半固体材料。
10.根据前述权利要求中任一权利要求所述的形状记忆合金布置，其中所述导热材料由包含乙二醇、硅膏状物和油的群组中的任一者或一者以上形成。
11.根据前述权利要求中任一权利要求所述的形状记忆合金布置，其中所述导热材料可操作以用于控制所述形状记忆合金的周期时间，其中所述形状记忆合金的所述周期时间包含所述形状记忆合金部件从所述马氏体相或奥氏体相中的一者转变到所述相中的另一者且再次返回的速率。
12.根据前述权利要求中任一权利要求所述的形状记忆合金布置，其中所述形状记忆合金布置进一步包含至少部分地环绕所述导热材料和所述形状记忆合金部件的盖。
13.根据权利要求12所述的形状记忆合金，其中所述形状记忆合金部件沿其整个长度具有纵向轴，所述纵向轴延伸穿过形成所述形状记忆合金部件的形状记忆合金材料，且所述盖包含在与所述形状记忆合金部件的所述纵向轴相同的方向上延伸的纵向轴。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的形状记忆合金布置，其中所述盖经配置以使得当所述形状记忆合金部件在所述马氏体相或奥氏体相之间的转变期间响应于温度变化而改变形状时，所述盖也改变形状。
15.根据权利要求12到14中任一权利要求所述的形状记忆合金布置，其中所述盖由柔性材料形成。
16.根据权利要求12到15中任一权利要求所述的形状记忆合金布置，其中所述盖由弹性材料形成。
17.根据权利要求12到16中任一权利要求所述的形状记忆合金布置，其中所述形状记忆合金部件和所述盖大体上同心布置。
18.根据权利要求12到16中任一权利要求所述的形状记忆合金布置，其中所述形状记忆合金部件和所述盖大体上同轴布置。
19.根据权利要求12到18中任一权利要求所述的形状记忆合金布置，其中所述形状记忆合金部件具有纵向长度，所述导热材料沿所述纵向长度的至少一部分覆盖所述形状记忆合金部件的整个外表面，且所述盖沿所述形状记忆合金部件的所述长度的由所述导热材料覆盖的所述部分环绕所述导热材料和所述形状记忆合金部件。
20.根据前述权利要求中任一权利要求所述的形状记忆合金布置，其进一步包含用于促进所述形状记忆合金部件的温度变化的构件。
21.根据权利要求20所述的形状记忆合金布置，其中所述用于促进所述形状记忆合金部件的温度变化的构件包含用于将电流施加到所述形状记忆合金部件的构件。
22.—种形状记忆合金致动器，其包含根据前述权利要求中任一权利要求所述的形状记忆合金布置，其中所述形状记忆合金布置经配置以连接到可移动物体，且响应于形状记忆合金部件的温度变化而移动所述物体。
全文摘要
本发明涉及形状记忆合金。具体来说，本发明涉及一种包含形状记忆合金部件的形状记忆合金布置，所述形状记忆合金部件经配置以响应于所述形状记忆合金部件的温度变化而经历马氏体相与奥氏体相之间的转变。所述布置还包含与所述形状记忆合金部件接触的导热材料，其中所述导热材料可操作以用于控制通过传导来将热量传递到所述形状记忆合金部件或从所述形状记忆合金部件传递热量。本发明还涉及包含本发明的所述形状记忆合金布置的形状记忆合金致动器。所述形状记忆合金布置经配置以连接到可移动物体，且响应于所述形状记忆合金部件的温度变化而移动所述物体。
文档编号C22F1/00GK102264939SQ200980149721
公开日2011年11月30日 申请日期2009年11月23日 优先权日2008年11月24日
发明者亚历山大·苏比克, 弗朗西斯科·斯齐亚沃尼, 詹森·米勒, 马丁·利瑞 申请人:先进汽车技术合作研究中心有限公司