控制形状记忆合金的相变温度的设备和方法

专利名称：控制形状记忆合金的相变温度的设备和方法
技术领域：
本发明涉及控制形状记忆合金的相变温度的设备和方法。
背景技术：
形状记忆合金可以在各种装置中用作促动器、传感器或有其他功能。发生在形状记忆合金中的两个相常常称为马氏体和奥氏体相。马氏体相是形状记忆合金的较软并可易于变形的相，其通常存在于较低温度下。奥氏体相一形状记忆合金的较强相一出现在较高温度下。形状记忆合金记住的其高温形式时所处于 的温度(称为相变温度)可以通过施加应力和其它方法来调节。在镍-钛形状记忆合金中，例如，温度可以从约100° C之上变化到约-100° C之下。在具有较高促动温度需求的应用中，可以增加施加到形状记忆合金元件的应力，以增加其相变温度。然而，应力的增加减少形状记忆合金的疲劳寿命。换句话说，持续地在较高促动温度下操作形状记忆合金导致短得多的寿命。

发明内容
提供了一种适于控制形状记忆合金的相变温度的装置和方法。该装置包括由形状记忆合金构成的主金属丝。主金属丝限定出第一和第二端部，第一端部附连到固定结构，第二端部能够移位，例如平移或旋转。激活源热联接到金属丝，并且是可操作的以选择性地使得金属丝在循环期间从马氏体相可逆地转变到奥氏体相。加载元件操作地连接到金属丝，并配置为，当环境温度等于或高于临界温度时选择性地增加主金属丝上的拉伸载荷，由此增加主金属丝的相变温度。换句话说，主金属丝上的应力仅当环境温度等于或高于临界温度时增加。当环境温度处于临界温度之下时，主金属丝在低应力下操作，从而获得较长的寿命。这使得在一些另外需要高成本超高转变温度形状记忆合金金属丝的应用中使用较低成本的形状记忆合金可行。提出了一种控制主金属丝的相变温度的方法，所述主金属丝由第一形状记忆合金构成并限定出两个端部。主金属丝的一个端部固定在一固定的位置，从而主金属丝的另一个端部能够移位。主金属丝热联接到激活源，用于选择性地使得主金属丝在循环期间从马氏体相可逆地转变到奥氏体相。当环境温度等于或高于临界温度时，主金属丝上的拉伸载荷选择性地增加，由此增加主金属丝的相变温度。本发明的上述特征和优势及其他特征和优势将从用于实施本发明的最佳模式的以下详细描述连同附图时显而易见。


图I是根据本发明的控制形状记忆合金的相变温度的装置的示意图；图2是当环境温度处于临界温度之上时图I的装置的示意图；图3是根据本发明的装置的第二实施例的示意图；图4是根据本发明的装置的第三实施例的示意图5是根据本发明的装置的第四实施例的示意图；图6是当环境温度处于临界温度之上时图5的装置的示意图；图7是根据本发明的装置的第五实施例的示意图，这时主金属丝处于冷态；图8是当环境温度处于临界温度之上且主金属丝处于热态时图7的装置的示意图；图9是用于图7-8的装置的替换可热膨胀元件的示意图；图10是根据本发明的装置的第六实施例的示意图；图11是根据本发明的装置的第七实施例的示意图；图12是根据本发明的装置的第八实施例的示意图； 图13是根据本发明的装置的第九实施例的示意图；图14是根据本发明的装置的第十实施例的示意图；图15是根据本发明的控制形状记忆合金的相变温度的方法的流程图。
具体实施例方式参考附图，其中在几幅图中相同的附图标记指向相同或相似的构件，图1-2示出装置10的一部分，其具有主金属丝12，所述主金属丝12由第一形状记忆合金(SMA)构成。如此处使用的，术语“金属丝”不是限制性的，且应该包括其他类似的表现出拉伸载荷强度/应变能力的几何构造，诸如线缆、线束、编织物、绳、条带、链、带子、弹簧和其它元件。取决于合金成分和加工历史，合适的形状记忆合金可以呈现出单向形状记忆效应、固有的双向效应、或非固有的双向形状记忆效应。如前所述，出现在形状记忆合金中的两个相常常称为马氏体和奥氏体相。马氏体相是形状记忆合金的较软并可易于变形的相，其通常存在于较低温度下。奥氏体相——形状记忆合金的较强的相——出现在较高温度下。由呈现出单向形状记忆效应的形状记忆合金成分形成的形状记忆材料不自动重新成形(reform),且取决于形状记忆材料设计，其可能需要外部机械力来重新成形先前呈现的形状方位。呈现固有形状记忆效应的形状记忆材料由自身自动重新成形的形状记忆合金成分制造。合适的形状记忆合金材料包括但不限于镍-钛合金、铟-钛基合金、镍-铝基合金、镍-镓基合金、铜基合金(例如铜-锌合金，铜-铝合金、铜-金合金和铜-锡合金)、金-镉基合金、银-镉基合金、铟-镉基合金、锰-铜基合金、铁-钼基合金、铁-钼基合金、铁-钯基合金等。形状记忆合金材料可为二元、三元、或任意更高阶，只要合金成分呈现形状记忆效应，例如改变形状取向、阻尼能力等。例如，镍-钛基合金是从Shape MemoryApplications, Inc可商业获得，其商标为NITIN0L。形状记忆合金特征在于冷态，即，当合金的温度处于其马氏体终了温度Mf之下。形状记忆合金的特征还在于热态或超弹形态，即，当合金的温度处于其奥氏体终了温度Af之上。用合金形成的物体特征在于临界形状。当物体在冷态下从其临界形状伪塑性地变形时,可以通过将物体加热到其奥氏体终了温度Af之上而使应变反向，即，施加足以将物体加热到其Af之上的热激活信号将使得物体返回到其临界形状。SMA的弹性模量和屈服强度在冷态下还行还显著低于在热态下。如被本领域技术人员所理解的，伪塑性应变类似于当SMA在冷态下时应变持续存在的塑性应变。
参见图1-2,激活源(activation source)14热联接到主金属丝12,并且是可操作的以选择性地使得主金属丝12在循环期间从马氏体相可逆地转变到奥氏体相。来自激活源14的激活信号可以包括但不限于热信号或电信号，而具体的激活信号取决于形状记忆合金和/或装置的材料和/或配置。控制器15操作地联接到激活源14并配置为控制激活源14。例如，控制器15可以引导电流流过主金属丝12以加热主金属丝12。主金属丝12的第一端部16操作地连接到固定结构18。主金属丝12的第二端部20操作地连接到可旋转杆22，从而第二端部20能够移位，例如，平移或旋转。杆22在主金属丝12处于其冷态下时呈第一杆位置24，当主金属丝12处于其热态下时呈第二杆位置26 (以虚线示出)。第一弹簧28在一个端部操作地连接到杆22，并配置为朝向第一杆位置24偏置杆22。参考图1-2，副金属丝30操作地连接到杆22。副金属丝30由具有比主金属丝低的相变温度的第二形状记忆合金构成，即，副金属丝30具有比主金属丝12的奥氏体开始温度低的奥氏体终了温度。副金属丝30配置作为加载元件，以当环境温度等于或高于临界温度时选择性地增加主金属丝12上的拉伸载荷，由此增加主金属丝12的相变温度。在图1-2的实施例中，临界温度至少是副金属丝30的奥氏体开始温度。主金属丝12和副金属丝30特征在于各自的预定长度，它们在伪塑性变形之后在它们的热态下回复到该预定长度。如 图1-2中所示，主金属丝12、副金属丝30和第一弹簧28每一个在一个端部固定到固定结构18，诸如公共的壳体。替换地，主金属丝12、副金属丝30和第一弹簧28可以固定到分立的固定结构。参见图1，在正常操作期间，当环境温度处于副金属丝30的奥氏体开始温度之下且主金属丝12处于其冷态下时，主金属丝12的弹性模量和屈服强度足够低，使得杆22位于第一杆位置24，由此使主金属丝12从其预定长度伸长。副金属丝30可以如图I中所示是松弛的或是直的(未示出)。由于副金属丝30处于其冷态下，其弹性模量和屈服强度足够低，使得副金属丝30从其预定长度伸长。当主金属丝12通过激活源14而被激活到其热态时，主金属丝12回复到其预定长度并且模量增加，由此朝向第二杆位置26 (图I中以虚线示出)拉动杆22并使副金属丝30延伸。副金属丝30在这些情形下的任意情形下均不施加任何应力在主金属丝12上。因此，在正常操作期间，当环境温度处于副金属丝30的奥氏体开始温度之下时，副金属丝30保持休眠状态(dormant)并允许主金属丝12在较低应力条件下操作。参考图2，当环境温度达到副金属丝30的奥氏体开始温度时，副金属丝30开始在奥氏体和马氏体之间的结晶相变。随着环境温度增加到副金属丝30的奥氏体终了温度之上，副金属丝30进入其热态或超弹形态，导致副金属丝30回复到其预定长度并且模量增力口。接下来，当主金属丝12通过激活源14而被激活到其热态时，主金属丝12回复到其预定长度并且模量增加，朝向第二杆位置26拉动杆22并由此使副金属丝30伸展。副金属丝30在其伸展时施加一力，增加主金属丝12上的拉伸载荷和应力。副金属丝12施加的力的量可以通过其成分、转变温度以及其总横截面积调节。参见图2，可选地，固定的止动构件44可以定位为邻近杆22，以阻止杆22运动超过第一杆位置24，以便防止主金属丝12在其处于其冷态下时进一步伸展。换句话说，主金属丝12可以在没有任何被施加的应力的情况下“闲置”。在没有止动构件44的情况下，当主金属丝12处于其冷态下时，如果环境温度处于副金属丝30的奥氏体开始温度之上，则拉伸应力可以通过偏置弹簧28和副金属丝30施加到主金属丝12上。在一个示例中，临界温度比主金属丝12的初始变换温度低5%至90%。在一个示例中，副金属丝30施加的额外的拉伸载荷约为主金属丝12经受的额定载荷(拉伸)的5%至90%。额定载荷是在没有副金属丝30的情况下主金属丝12经受的载荷。仅通过示例，主金属丝12可以由第一镍钛基合金构成，所第一镍钛基合金在没有应力的情况下具有约65摄氏度的奥氏体终了温度。在一个示例中，副金属丝30可以由第二镍钛基合金构成，所第二镍钛基合金在没有应力的情况下具有约70摄氏度的奥氏体终了温度。这里，当环境温度超过70摄氏度时，装置10中的副金属丝30可以将大约175MP的拉伸载荷施加到主金属丝12上，由此将主金属丝12的奥氏体终了温度增加到大约90摄氏度。可选地，副金属丝30可以连接到第二激活源54，该第二激活源54联接到控制器55，如图2中所示的。第二激活源54可以配置为使加热电流流过副金属丝30，将副金属丝30加热到其热态并选择性地增加施加到主金属丝12的应力的量。通过在主金属丝12复原或从其热态运动到其冷态时使较大量的电流流过副金属丝30，可以消除副金属丝30引起 的应力滞后现象。即，在固定的温度下，让副金属丝30伸展所需的应力通常高于在收缩中副金属丝30施加的应力。参见图3，其中相同的附图标记指向图1-2中的相同的部件，示出了说明第二实施例的装置110。图3示意性地描绘了由第二形状记忆合金构成的副金属丝130，所述第二形状记忆合金具有比主金属丝12低的相变温度，所述副金属丝130操作地连接到杆22。副金属丝130配置作为加载元件，以当环境温度增加到临界温度之上时选择性地增加主金属丝12上的拉伸载荷。图3中的实施例进一步包括应变限制机构132，该应变限制机构132可以附连在副金属丝130和固定结构18之间。应变限制机构132包括第二弹簧134、连接器136和限制构件138。第二弹簧134是预拉伸的，并在副金属丝130上施加几乎恒定的力。限制构件138至少部分地围绕连接器136，并配置为限制第二弹簧134拉伸副金属丝130的量。换句话说，限制构件138配置为防止副金属丝130应变超过设定点。在正常操作期间，当环境温度处于副金属丝130的奥氏体开始温度之下时，装置110的操作与图1-2中所示的装置10相同。参见图3，当环境温度等于或高于副金属丝130的奥氏体开始温度时，副金属丝130开始从马氏体到奥氏体改变结晶相，由此在杆22上施加力。但是，选择第二弹簧134使得副金属丝130施加的力在该阶段不足以克服第二弹簧134中的偏置力，从而第二弹簧134保留在位。当环境温度等于或高于副金属丝130的奥氏体终了温度时，副金属丝130进入其热态，导致副金属丝130回复到其预定长度并且模量增力口，且施加足以超过第二弹簧134中的偏置力的力，由此沿方向140拉伸第二弹簧134。因此，图3中的实施例的临界温度是副金属丝130的奥氏体终了温度。第二弹簧134中的力和位移特点允许副金属丝130克服如之前提到的应力滞后现象。例如，如果第二弹簧134是长的，则其施加的力在副金属丝130的运动范围内几乎恒定。这最小化了副金属丝的应力滞后现象；如已知的，在固定的温度下，让副金属丝30伸展所需的应力通常高于副金属丝30在收缩时施加的应力。另外，这最小化了副金属丝130施加的应力的温度依从性。参见图4，显示了说明第三实施例的装置210。装置210包括主金属丝212，所述主金属丝212由第一形状记忆合金(SMA)构成。激活源214热联接到主金属丝212，并且是可操作的以选择性地使得主金属丝212在循环期间从马氏体相可逆地转变到奥氏体相。控制器215操作地联接到激活源214并配置为控制激活源214。主金属丝212的第一端部216附连到固定结构218。第二端部220操作地连接到可旋转杆222，从而第二端部220能够移位，例如，平移或旋转。杆222在主金属丝212处于其冷态下时呈第一杆位置224，当主金属丝212处于其热态下时呈第二杆位置226 (以虚线示出)。第一弹簧228操作地连接到杆222，并配置为朝向第一杆位置224偏置杆222。装置210包括压缩弹簧240，所述压缩弹簧240例如通过附连到固定结构218而在一个端部被固定。压缩弹簧240至少部分地被可逆相变材料242围绕，压缩弹簧240和相变材料242两者均可以定位在壳体246中。选择相变材料242为在临界温度下具有固态至液态的相变温度。参见图4，在正常操作期间，当环境温度处于临界温度之下时，相变材料(phase-change material )242基本上是固态,且配置为使压缩弹簧240锁定或压缩。当环境温度达到临界温度时，相变材料242经历固态至液态相变并配置为释放压缩弹簧240，从而当主金属丝212激活时，压缩弹簧240在主金属丝212上施加拉伸载荷。因此，压缩弹簧240用作加载元件，所述加载元件配置为，当环境温度等于或高于临界温度时选择性地增加主金属丝212上的拉伸载荷，由此增加主金属丝212的相变温度。在一个示例中，相变材料242是石蜡。可以使用在临界温度下具有固态至液态相变温度的任何合适的材料。 参见图5-6，显示了说明第四实施例的装置310。装置310包括主金属丝312，所述主金属丝312由第一形状记忆合金(SMA)构成。激活源314热联接到主金属丝312，并且是可操作的以选择性地使得主金属丝312在循环期间从马氏体相可逆地转变到奥氏体相。控制器315操作地联接到激活源314并配置为控制激活源214。主金属丝312的第一端部316附连到固定结构318。主金属丝312的第二端部320操作地连接到可旋转杆322，从而第二端部320能够移位，例如，平移或旋转。杆322在主金属丝312处于其冷态下时呈第一杆位置324，当主金属丝312处于其热态下时呈第二杆位置326 (以虚线示出)。第一弹簧328操作地连接到杆322，并配置为朝向第一杆位置324偏置杆322。参见图6，装置310包括副金属丝330，所述副金属丝330联接和脱开辅助杆340，从而当环境温度等于或高于临界温度时，主金属丝312中的应力可以增加。副金属丝330由第二形状记忆合金构成，所述第二形状记忆合金具有比第一形状记忆合金低的相变温度。辅助杆340可以通过枢转钩342选择性地联接到杆322。钩342相对于辅助杆340在第一钩位置346和第二钩位置348之间可旋转。第二弹簧329操作地连接到辅助杆340，并配置为朝向辅助杆的第一位置350偏置辅助杆340。第三弹簧349操作地连接到钩342，并配置为朝向第一钩位置346偏置钩342。止动构件344可以用于防止杆322和辅助杆340运动超过设定点。主金属丝312和副金属丝330特征在于各自的预定长度，它们在伪塑性变形之后在它们的热态下回复到该预定长度。参见图5，在正常操作期间，当环境温度处于副金属丝330的奥氏体开始温度之下时，钩342位于第一钩位置346。随着主金属丝312在其冷态和热态之间变换，辅助杆340保持静止。参见图6，当环境温度等于或高于副金属丝330的奥氏体开始温度时，副金属丝330回复到其预定长度并且模量增加，使钩42朝向第二钩位置348促动，由此将辅助杆340联接到杆322。接下来，当主金属丝312被激活到其热态时，主金属丝312回复到其预定长度并且模量增加，由此在杆322上施加力，所述杆322现在联接到辅助杆340 (参见图6中位置350)。辅助杆340至杆322的联接选择性地增加主金属丝312上的拉伸载荷。
参见图7-8，显示了说明第五实施例的装置410。装置410包括主金属丝412，所述主金属丝412由第一形状记忆合金(SMA)构成。激活源414热联接到主金属丝412，并且是可操作的以选择性地使得主金属丝412在循环期间从马氏体相可逆地转变到奥氏体相。控制器415操作地联接到激活源414并配置为控制激活源414。主金属丝412的第一端部416操作地连接到固定结构418，而第二端部420操作地连接到可平移滑动件422，从而第二端部420能够移位，例如，平移或旋转。可热膨胀元件430操作地连接到滑动件422。可热膨胀元件430包括附连元件432，所述附连元件432至 少部分地位于壳体434内并至少部分地被相变材料436围绕。壳体434可以附连到固定结构418。拉簧(extension spring)438在一个端部操作地联接到滑动件422，在另一个端部操作地连接到附连元件432。主金属丝412特征在于预定长度，主金属丝412在伪塑性变形之后在其热态下回复到该预定长度。图7示出当环境温度处于临界温度之下且主金属丝412处于其冷态时的装置410。参见图7，在正常操作期间，当环境温度处于临界温度之下并且主金属丝412处于其冷态下时，主金属丝412的弹性模量和屈服强度足够低，使得滑动件422位于第一滑动件位置424，由此使主金属丝412从其预定长度伸长。当主金属丝412被加热到其热态时，主金属丝412回复到其预定长度并且模量增加，由此沿方向426拉动滑动件422并使拉簧438伸展。可热膨胀元件430在闲置结构440中保持静止(图7中所示)，并且在这些情形下的任意情形中均不施加任何应力在主金属丝412上。参见图8，当环境温度超过临界温度时，可热膨胀元件430运动到延伸结构442。在延伸结构442中，相变材料436膨胀到更大的体积，拉动附连元件432并因此拉动滑动件422和拉簧438。图8示出当环境温度等于或高于临界温度且主金属丝412处于其热态时的装置410。参见图8，当主金属丝412被加热到其热态时，主金属丝412回复到其预定长度并且模量增加，由此沿方向426拉动滑动件422并在拉簧438上施加力。在延伸结构中可热膨胀元件430施加的相反力选择性地增加主金属丝412上的拉伸载荷。可选地，固定的止动构件444可以用于防止滑动件411朝向可热膨胀元件430平移超过设定点，由此防止当主金属丝412处于其冷态下时该主金属丝412伸展。换句话说，止动构件444防止在主金属丝412被加热到其热态之前在延伸结构下的可热膨胀元件430和偏动弹簧438施加的力传送到主金属丝412。可热膨胀元件430可以用具有大的热膨胀系数的任何合适的材料形成。在一个示例中，相变材料436是石蜡。在该情况下临界温度是可热膨胀元件430充分膨胀以克服偏置力并使拉簧438伸展所处的温度。参见图9，在替换实施例中，图7-8中的可热膨胀元件430可以是双金属元件460，所述双金属元件460具有第一和第二金属层462、464，每一个金属层具有不同的热膨胀系数。在一个不例中，第一金属层462是铜,第二金属层464是钢。第一和第二金属层462、464可以通过焊接或其它合适的方法在它们的整个长度上刚性地连结在一起。当环境温度于临界温度之下时，双金属元件460呈闲置结构466，图9中以虚线示出。当环境温度等于或高于临界温度时，第一和第二金属层462、464以不同速率膨胀，导致双金属元件460弯曲或变形到延伸结构468，并因此使拉簧438伸展。在另一实施例中，可热膨胀元件可以是具有约每开氏温度O. 0001的热膨胀系数的尼龙棒。
参见图10，显示了说明第六实施例的装置510。装置510包括主金属丝512，所述主金属丝512由第一形状记忆合金(SMA)构成。激活源514热联接到主金属丝512，并且是可操作的以选择性地使得主金属丝512在循环期间从马氏体相可逆地转变到奥氏体相。控制器515操作地联接到激活源514并配置为控制激活源514。主金属丝512的第一端部516附连到固定结构518。第二端部520操作地连接到可旋转杆522，从而第二端部520能够移位，例如，平移或旋转。杆522当主金属丝512处于其冷态下时呈第一杆位置524，且当主金属丝512处于其热态时沿方向526旋转。可旋转杆522具有枢转点523，图10中所示。第一弹簧528在一个端部操作地连接到杆522，并配置为朝向第一杆位置524偏置杆522。参见图10，装置510包括由第二形状记忆合金构成的副金属丝530，第二形状记忆合金具有比主金属丝512低的相变温度。副金属丝530在一个端部操作地连接到片簧532，且在另一端部操作地连接到固定结构518。主金属丝512和副金属丝530特征在于各自的预定长度，它们在伪塑性变形之后在它们的热态下回复到该预定长度。参见图10，在正常操作期间，当环境温度处于副金属丝530的奥氏体开始温度之下时，副金属丝530呈第一位置545。当环境温度等于或高于副金属丝530的奥氏体开始温 度时，副金属丝530开始从马氏体到奥氏体变化结晶相，由此在片簧532上施加力。但是，副金属丝530施加的力不足以克服片簧532的偏置力。参见图10，当环境温度处于副金属丝530的奥氏体终了温度之上时，副金属丝530进入其热态，导致副金属丝530回复到其预定长度并且模量增加，且施加足以克服片簧532的偏置力的力。这拉动或拽动片簧532进入到杆522的路径，如图10中在位置547处以虚线示出的。在该情况下，当主金属丝512被激活到其热态时，随着主金属丝512沿方向526旋转，该主金属丝512遭遇到对杆522的旋转的阻力(相反力)。因此，副金属丝530配置作为加载元件，以当环境温度等于或高于临界温度时选择性地增加主金属丝512中的应力。在该情况下临界温度至少是副金属丝530的奥氏体开始温度。参见图11，显示了说明第七实施例的装置610。装置610包括主金属丝612，所述主金属丝612由第一形状记忆合金(SMA)构成。激活源614热联接到主金属丝612，并且是可操作的以选择性地使得主金属丝612在循环期间从马氏体相可逆地转变到奥氏体相。控制器615操作地联接到激活源614并配置为控制激活源614。主金属丝612的第一端部616附连到固定结构618。第二端部620操作地连接到带轮622，从而第二端部620能够移位，例如，平移或旋转。力元件624操作地连接到主金属丝612,例如通过低摩擦绳626。力元件624可以是重物、弹簧或配置为施加力的任何其它机构。副金属丝630在一个端部操作地连接到带轮622，且在另一端部操作地连接到固定结构618。副金属丝630配置为，当环境温度超过临界温度时，在主金属丝612上产生相反力。主金属丝612和副金属丝630特征在于各自的预定长度，它们在伪塑性变形之后在它们的热态下回复到该预定长度。在正常操作期间，当环境温度处于副金属丝630的奥氏体开始温度之下并且主金属丝612处于其冷态下时，主金属丝612的弹性模量和屈服强度足够低，使得主金属丝612从其预定长度伸长。当主金属丝612被激活到其热态时，主金属丝612回复到其预定长度并且模量增加，从而主金属丝612提升力元件624或使力元件624延伸。当环境温度保持在副金属丝630的奥氏体开始温度之下时，副金属丝630在位置632保持休眠并允许主金属丝612在较低应力条件下操作。
参考图11，当环境温度达到副金属丝630的奥氏体开始温度时，副金属丝630开始了在奥氏体和马氏体之间的结晶相变。随着环境温度增加到副金属丝630的奥氏体终了温度之上，副金属丝630进入其热态，导致副金属丝630模量增加，并继而沿方向650促动带轮622，如图11中所示。这增加了主金属丝612上的拉伸载荷或应力。参见图12，显示了说明第八实施例的装置710。装置710包括主金属丝712，所述主金属丝712由第一形状记忆合金(SMA)构成。激活源714热联接到主金属丝712，并且是可操作的以选择性地使得主金属丝712在循环期间从马氏体相可逆地转变到奥氏体相。控制器715操作地联接到激活源714并配置为控制激活源714。主金属丝712的第一端部716附连到固定结构718。第二端部720操作地连接到力元件722，例如通过低摩擦绳，从而第二端部720能够移位，例如，平移或旋转。力元件722可以是重物、弹簧或配置为施加力的任何其它机构。副金属丝730在一个端部操作地连接到力元件722，且在另一端部操作地连接到固定结构718。副金属丝730配置为，当环境温度超过临界温度时，在主金属丝712上产生相反力。主金属丝712和副金属丝730特征在于各自的预定长度，它们在伪塑性变形 之后在它们的热态下回复到该预定长度。参见图12，在正常操作期间，当环境温度处于副金属丝730的奥氏体开始温度之下且主金属丝712处于其冷态下时，主金属丝712的弹性模量和屈服强度足够低，使得力元件722位于第一元件位置724，由此使主金属丝712从其预定长度伸长。副金属丝730可以是直的或松弛的。当主金属丝712被加热到其热态时，主金属丝712回复到其预定长度并且模量增加，由此使力元件722朝向第二元件位置726 (图14中以虚线示出)提升(或延伸)并使副金属丝730伸展。副金属丝730在这些情形下均不施加任何应力在主金属丝12上。参考图12，当环境温度达到副金属丝730的奥氏体开始温度时，副金属丝730开始了在奥氏体和马氏体之间的结晶相变。随着环境温度增加到副金属丝730的奥氏体终了温度之上，副金属丝730进入其热态，导致副金属丝730模量增加，由此在力元件722上施加力。这增加了主金属丝712上的拉伸载荷或应力。可选地，止动构件744可以定位为邻近力元件722，以阻止力元件722运动超过第一元件位置724，以便防止主金属丝712在其处于其冷态下时伸展。参见图13，显示了说明第九实施例的装置810。装置810包括第一主金属丝812和第二主金属丝813，所述第一主金属丝812和第二主金属丝813两者均由第一形状记忆合金构成。激活源814热联接到第一和第二主金属丝812、813，并且是可操作的以选择性地使得主金属丝812和副金属丝813在循环期间从马氏体相可逆地转变到奥氏体相。控制器815操作地联接到激活源814并配置为控制激活源814。参见图13，第一主金属丝812在第一端部816操作地连接到固定结构818，并且在第二端部820操作地连接到力元件822。力元件822可以是重物、弹簧或配置为施加力的任何其它机构。第二主金属丝813在第一端部817操作地连接到固定结构818，并且在第二端部821操作地连接到力元件822。第一和第二主金属丝812、813特征在于预定长度，它们在伪塑性变形之后在它们的热态下回复到该预定长度。在正常条件下，当环境温度处于临界温度之下时，第一和第二主金属丝812、813两者均进行工作。当第一和第二主金属丝812、813处于它们各自的冷态下时，它们的弹性模量和屈服强度足够低，使得它们从它们的预定长度伸长。随着第一和第二主金属丝812、813通过激活源814加热到它们的奥氏体终了温度之上时，第一和第二主金属丝812、813回复到它们的预定长度并且模量增加，从而第一和第二主金属丝812、813 —起提升(或延伸)力元件822。当环境温度等于或高于预定的临界温度时，控制器停用第二主金属丝813。这增加了主金属丝812上的相对拉伸载荷，允许主金属丝812像处于在临界值之上的环境温度下在高应力下的主金属丝一样发挥功能。在该情况下临界温度可以由本领域技术人员为即将发生的具体应用选择。参见图14，显示了说明第十实施例的装置910。装置910包括第一主金属丝912和第二主金属丝913，所述第一主金属丝912和第二主金属丝913两者均由第一形状记忆合金(SMA)构成。激活源914热联接到第一和第二主金属丝912、913，并且是可操作的以选择性地使得主金属丝912在循环期间从马氏体相可逆地转变到奥氏体相。控制器915操作地联接到激活源914并配置为控制激活源914。主金属丝912的第一端部916附连到固定结构918。主金属丝912的第二端部920操作地连接到可旋转杆922，从而第二端部920能够 移位。杆922包括当主金属丝912处于其冷态下时的第一杆位置924。当主金属丝912处于其热态下时，杆922沿方向926旋转。第一弹簧928在一个端部操作地连接到杆922，并配置为朝向第一杆位置924偏置杆922。参见图14，第二主金属丝913在一个端部操作地连接到固定结构918，在另一个端部操作地连接到可运动连接构件932，从而另一端可以平移。连接构件932至少部分地围绕杆922。副金属丝930操作地连接到杆922。副金属丝930由第二形状记忆合金构成，所述第二形状记忆合金具有比主金属丝912的奥氏体开始温度低的奥氏体终了温度。第一和第二主金属丝912、913和副金属丝930特征在于各自的预定长度，它们在伪塑性变形之后在它们的热态下回复到该预定长度。在正常操作期间，当环境温度处于副金属丝930的奥氏体开始温度之下时，连接构件932呈第一连接位置950，图14中以实线示出。在该结构中，第二主金属丝913配置为支持杆922沿方向926的旋转。因此，第一和第二主金属丝912、913两者均在该结构中进行工作。片簧940操作地连接到副金属丝930，并配置为朝向第一连接位置950偏置连接构件 932。当环境温度等于或高于副金属丝930的奥氏体终了温度时，副金属丝930进入其热态并回复到其预定长度，由此朝向第二连接位置952拉动连接构件932，在图14中在位置954处以虚线示出。在该结构中，第二主金属丝913脱开接合并不再支持杆922沿方向926的旋转。因此，仅第一主金属丝912在该结构中进行工作。这增加了第一主金属丝912上的载荷，允许主金属丝912像处于在临界值之上的温度下且在高应力下的金属丝一样工作。参见图15，提供了对装置10中的主金属丝12的相变温度进行控制的方法1000，其中主金属丝12由第一形状记忆合金构成。该方法1000参照图1-2而被描述，但可应用于上述所有实施例。在步骤1002中，主金属丝12的第一端部16附连到固定结构18，而主金属丝12的第二端部20操作地连接到可运动结构(诸如杆22)，从而第二端部20能够平移。在步骤1004中，主金属丝12热联接到激活源14，用于选择性地使得主金属丝12在循环期间从马氏体相可逆地转变到奥氏体相。在步骤1006中，当环境温度等于或高于临界温度时，主金属丝12上的拉伸载荷选择性地增加，由此增加主金属丝12的相变温度。在一些实施例中(分别参见图13和14中的装置810和910)，选择性地增加主金属丝(分别参见图13和14中的812和912)上的拉伸载荷包括添加由第一形状记忆合金构成的第二主金属丝(分别参见图13和14中的813和913)，并当环境温度等于或高于临界温度时停用第二主金属丝813、913。当环境温度处于临界温度之下时，第二主金属丝(分别参见图13和14中的813和913)支撑主金属丝(分别参见图13和14中的812和912)。应意识到，此处公开的方法可以实施为为由控制器或由模拟电路执行的算法。控制器可以包括但不限于具有处理器的计算机、存储器、软件、传感器、电路和用于控制装置 和形状记忆合金所需的任何其它部件。参见图1-14，装置 10、110、210、310、410、510、610、710、810 和 910 可以包括在每一个装置内利用主金属丝的任何类型或方式的设备。例如，装置10、110、210、310、410、510、610,710,810和910可以包括但不限于空气通风组件、卸压阀、座椅安全带提供器、断路器、传感器、或一些其它类似的装置。主金属丝12可以被用作主动促动器以在一些条件下引起装置10、110、210、310、410、510、610、710、810和910的运动，或被用作被动促动器以被动地引起力或位移(诸如超弹性血管支架或托牙线)，或被用作传感器以确定装置10、110、210、310、410、510、610、710、810和910的操作状态。另外，在每一个装置中的主金属丝可以即用作传感器也用作促动器，或以此处未示出或描述的一些其它方式使用。尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。
权利要求
1.一种适于控制第一形状记忆合金的相变温度的装置，所述装置包括 主金属丝，由第一形状记忆合金构成； 其中，主金属丝限定出第一和第二端部，第一端部固定地附连到一结构，第二端部能够移位； 激活源，热联接到金属丝并且是可操作的，以选择性地使得主金属丝在循环期间从马氏体相可逆地转变到奥氏体相； 加载元件，操作地连接到主金属丝，并配置为，当环境温度等于或高于临界温度时选择性地增加主金属丝上的拉伸载荷，由此增加主金属丝的相变温度。
2.如权利要求I所述的装置，其中 主金属丝特征在于初始相变温度和额定载荷； 其中，临界温度比初始相变温度低约5%至90% ;和 加载元件施加的拉伸载荷约为额定载荷的5%至90%。
3.如权利要求I所述的装置，还包括 可旋转杆，操作地连接到主金属丝； 其中，当主金属丝处于冷态下时杆具有第一杆位置，当主金属丝处于热态下时杆具有第二杆位置； 第一弹簧，在一个端部操作地连接到杆并且在另一个端部固定，第一弹簧朝向第一杆位置偏置所述杆。
4.如权利要求3所述的装置，其中 加载元件是由第二形状记忆合金构成的副金属丝，副金属丝在一个端部操作地连接到杆且在另一个端部固定；和 临界温度至少是副金属丝的奥氏体开始温度。
5.如权利要求4所述的装置，还包括止动构件，配置为当主金属丝处于马氏体相时防止主金属丝的伸展。
6.如权利要求3所述的装置，其中 其中，加载元件是由第二形状记忆合金构成的副金属丝，临界温度至少是副金属丝的奥氏体开始温度；且还包括 应变限制机构，操作地连接在副金属丝和固定结构之间，所述应变限制机构包括 预拉伸第二弹簧，配置为在副金属丝上施加大约恒定的力； 连接器，操作地连接到副金属丝；和 限制构件，至少部分地围绕连接器并配置为限制副金属丝上的应变。
7.如权利要求3所述的装置，其中 加载元件是在一个端部固定的压缩弹簧； 所述压缩弹簧至少部分地被相变材料围绕，并当环境温度处于临界温度之下时被相变材料压缩， 相变材料配置为，当环境温度等于或高于临界温度时，进行融化或呈现出至少50%的刚度减少中的任一项，由此允许压缩弹簧在主金属丝上施加拉伸载荷。
8.如权利要求3所述的装置，其中加载元件是辅助杆，所述辅助杆配置为，当环境温度超过临界温度时，选择性地联接杆；辅助杆包括枢转钩，相对于辅助杆在第一钩位置和第二钩位置之间可旋转，当所述钩构件位于第二钩位置时辅助杆联接到杆； 辅助弹簧，操作地连接到钩，并配置为朝向第一钩位置偏置钩； 副金属丝，操作地联接到钩，并配置为当环境温度超过临界温度时朝向第二钩位置拉动钩。
9.如权利要求3所述的装置，其中加载元件是可在两种结构之间运动的可热膨胀元件，所述两种结构为当环境温度处于临界温度之下时的闲置结构，和当环境温度等于或高于临界温度时的延伸结构；且进一步包括 可平移滑动件，操作地连接到金属丝； 拉簧，在一个端部操作地联接到滑动件，在另一个端部操作地连接到可热膨胀元件；和 固定的止动构件，配置为防止滑动件朝向可膨胀元件平移超过临界点，由此防止当主金属丝处于其马氏体相下时伸展。
10.如权利要求3所述的装置，其中加载元件是由第二形状记忆合金构成的副金属丝，临界温度至少是副金属丝的奥氏体开始温度；且还包括 片弹簧，操作地联接到相对的金属丝，并配置为当环境温度超过临界温度时抵抗杆朝向第二杆位置的旋转。
全文摘要
提供了一种控制形状记忆合金的相变温度的设备和方法。该装置包括由形状记忆合金构成的主金属丝。主金属丝限定出第一和第二端部，第一端部附连到固定结构，第二端部能够移置。激活源热联接到金属丝，并且是可操作的以选择性地使得主金属丝在循环期间从马氏体相可逆地转变到奥氏体相。加载元件操作地连接到主金属丝，并配置为，当环境温度处于或高于临界温度时选择性地增加主金属丝上的拉伸载荷，由此增加主金属丝的相变温度。
文档编号C22F1/00GK102864398SQ20121023654
公开日2013年1月9日 申请日期2012年7月9日 优先权日2011年7月7日
发明者X.高, A.L.布朗, P.W.亚历山大, N.L.约翰逊, W.布朗 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司, 合金力学公司