专利名称：一种低速直线运动的实现方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种驱动物体作直线运动的技术方法与装置，具体涉及一种通 过热管热膨胀与面积效应行程放大原理，来实现低速直线运动输出的装置。
背景技术：
低速直线运动力输出装置，在机械领域中的应用极为广泛。目前，实现低 速直线运动的技术方法，归纳起来主要有以下几种
(1) 以高速旋转电动机或内燃机等为动力源，通过减速器和旋转一直线运动 转换机构来实现低速直线运动。应用较多的旋转一直线运动转换机构是螺旋传 动和齿轮一齿条传动，这种装置的显著缺点是结构复杂，且因为存在高速旋转 的机械传动装置，噪声污染比较的严重。
(2) 采用液压传动，配合节流调速回路，使得液压缸活塞进行低速直线运动。 这一技术的显著缺点是能量形式转换环节多，节流调速回路效率极低，造成能 源利用率低。此外，液压泵的噪声污染和因油液泄漏造成的环境污染，都比较
的严重。
(3) 采用数控转动的伺服电机，通过丝杠一螺母机构实现低速直线运动。这 一技术的显著缺点是伺服电机及其驱动电源的价格较髙。此外，整个装置在空 间位置的安装布置方面，远不及液压传动装置灵活方便。
(4) 采用数控直线运动的伺服电机，直接得到低速直线运动。这一技术的显 著缺点是除了伺服电机及其驱动电源的价格较高，以及空间安装布置不方便 外，直线伺服电机的体积，特别是直径尺寸较大，也常常让设计人员感到棘手。
由上述可知，目前普遍使用的低速直线运动装置均存在比较明显的缺陷， 需要寻求新的提供低速直线运动的技术方法，以满足使用上的需求。
发明内容
本发明目的是提供一种具有能源利用率高、稳定性好、体积小、基本无污 染的低速直线运动技术。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是 一种低速直线运动的实现方 法，其原理在于将一端固定的热管因受热膨胀而产生的微量伸长位移，通过 自由端作用于面积效应行程放大装置，转变为输出活塞的显著位移，实现低速 直线运动。
应用上述低速直线运动的实现方法的一种低速直线运动装置，包括一端固 定的热管、对所述热管进行加热与冷却的装置、以及与热管的自由端配合的面 积效应行程放大装置，所述对热管进行加热与冷却的装置是半导体制热/制冷 快速转换装置(4)。
上述技术方案中，所述面积效应行程放大装置，由固定在热管自由端的主 动活塞(6),与主动活塞缸体(5)、输出活塞(10)及输出活塞缸体(9)组成，主动 活塞(6)与主动活塞缸体(5)配合形成主动活塞腔，输出活塞(10)与输出活塞缸 体(9)配合形成输出活塞腔，主动活塞腔与输出活塞腔联通形成封闭空间，封 闭空间内填充有液体介质(7)，输出活塞杆与缸体壁之间设有复位弹簧(ll)。 所述热管的自由端与主动活塞固定端之间，设置有隔热垫(3)。 所述主动活塞腔与输出活塞腔之间，通过管路(8)进行联通。 上文中，半导体制热/制冷快速转换装置提供热能，使热管发生尺寸膨胀 而产生驱动力，面积效应行程放大装置用于传递驱动力并转换行程，控制装置 用于控制热管的温度与输出活塞的动作，通常，控制装置可以采用计算机及其 中的软件实现，在实际使用中，也可以设置专门的单片机电路等实现。所述半 导体制热/制冷快速转换元件包括P型半导体元件、n型半导体元件、热电偶、 热端换热器以及冷端换热器。其工作原理是基于帕尔帖效应，把P型半导体 元件和n型半导体元件连接成热电偶，并接上直流电源后，由帕尔贴效应可 知，在两个接头处就会产生温差，其中一个接头处吸热，温度降低，即为冷端； 另一个接头处放热，温度升高，即为热端。若干个这样的电偶对在电路上串联 起来，就构成一个常见的制热/制冷组件，即热电堆。借助于热交换器等各种 传热措施，将热端放出的热量加以利用，即为制热；将冷端置于一定的环境中
去吸热，即为制冷。只要改变电流方向，就可以将冷热端方向相互转换。而改 变输入电功率的大小，就能改变加热与冷却速度。
所述热管为现有技术，包括金属密封管、吸液芯和蒸汽通道。标准热管是 一个封闭的依靠工质相变传热的元件，将金属管内的不凝气体除去，抽成负压， 管内壁附着有毛细管作用的多孔材料做吸液芯，充入工质后该密封金属管就变 成了一根热管。热管沿轴向分为蒸发段、绝热段和冷凝段。蒸发段管内的液相 工质从管外热源吸收热量并蒸发。气相工质髙速向冷凝段移动，当与温度较低 的冷凝段管壁接触后放热冷凝成液体，液体工质再利用吸液芯的毛细作用回流 到蒸发段。如此往复，不断的传递热量。
上述技术方案中，所述面积效应行程放大装置利用帕斯卡原理，主动活塞 腔、液体管路以及输出活塞腔组成一个密闭空间，液体介质作为传动介质，大 直径的主动活塞推动小直径的输出活塞运动，形成一个行程放大装置。主动活 塞腔通过管路与输出活塞腔联通，并通过封闭在腔内和管路内的液体介质将主 动活塞接受的微量位移进行放大。
使用时，利用半导体制热/制冷快速转换元件进行加热，温度升髙使得热 管的金属封闭管产生纵向的伸长，这个伸长量通过主动活塞传递给液体介质， 液体介质产生压强并作用在输出活塞左端面，推动输出活塞向右进行低速直线 运动，并同时产生输出力。
进一步的技术方案，所述热管外设有温度传感器，所述半导体制热/制冷 快速转换元件设有温度控制器，其信号经由电路传输给控制装置。所述温度控 制器以及温度传感器的设置，并且与控制装置相连接，可以准确地对温度迸行 监控，根据需要进行调整。
进一步的技术方案，密闭空间的液体介质与压强传感器连接，其信号经由 电路传输给控制装置。所述压强传感器对压力信号进行采集，并将信号传递给 控制装置，进而对压力进行监控。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点
1.由于本发明通过半导体制热/制冷快速转换元件对热管进行加热或冷 却，使得热管随着温度的升髙而产生纵向的伸长，通过主动活塞将伸长量传递 给液体介质，液体介质产生压强并驱动输出活塞进行低速直线运动，较之以往
的技术方法与装置，本发明能源利用率髙，稳定性好；
2. 本发明的整个装置中，没有髙速运动的机械构件，基本不会产生噪音 污染；主动活塞与输出活塞之间的液体介质是密闭的，泄漏问题容易解决，不 会产生一般液压系统因油液挥发泄漏而造成的地面及空气污染；
3. 由于本发明中主动活塞腔与输出活塞腔是通过管路联通，给输出活塞 的空间位置设计提供了很大方便和自由。
4. 本发明结构简单，体积小，并且成本低廉，适合推广使用。
附图1为本发明实施例一中低速直线运动装置的结构示意附图2为本发明实施例一中半导体制热/制冷快速转换元件原理示意附图3为本发明实施例一中热管原理示意附图4为本发明实施例一中面积效应行程放大装置原理示意图。 其中1、控制装置；2、热管；3、隔热垫；4、半导体制热/制冷快速转 换元件；5、主动活塞输入缸体；6、主动活塞；7、液体介质；8、管路；9、 输出缸体；10、输出活塞；11、复位弹簧；12、温度传感器；13、温度控制器； 14、压强传感器；15、 P型半导体元件；16、 N型半导体元件；17、热电偶； 18、热端换热器；19、冷端换热器；20、金属密封管；21、吸液芯；22、蒸汽 通道。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述
实施例一参见附图1至附图4所示， 一种低速直线运动装置，包括温控 微量位移驱动装置、面积效应行程放大装置以及控制装置1，控制装置釆用计 算机实现，所述温控微量位移驱动装置包括一热管2,所述热管下端固定，上 端固定有隔热垫3，所述热管外侧环绕设置有半导体制热/制冷快速转换元件4; 所述面积效应行程放大装置，由固定在热管自由端的主动活塞6，与主动活塞 缸体5、输出活塞10及输出活塞缸体9组成，主动活塞6与主动活塞缸体5 配合形成主动活塞腔，输出活塞10与输出活塞缸体9配合形成输出活塞腔，
主动活塞腔与输出活塞腔通过管路联通形成封闭空间，封闭空间内填充有液体 介质7。
如图2所示，半导体制热/制冷快速转换元件包括P型半导体元件15、 N 型半导体元件16、热电偶17、热端换热器18以及冷端换热器19。
热管包括金属密封管20、吸液芯21和蒸汽通道22,如图3所示。
如图4所示的面积效应行程放大装置，包括主动活塞输出缸体、主动活塞、 液体介质、液体管路、输出缸体9、输出活塞10以及复位弹簧11。
工作时，半导体制热/制冷快速转换元件为制热状态，温度升高使得热管 的金属封闭管纵向伸长，驱动主动活塞，通过主动活塞将伸长量传递给液体介 质产生压强，经由管路驱动输出活塞向右进行低速直线运动，同时产生输出力。 向右运动过程结束后，通过反向电流使得半导体制热/制冷快速转换元件转换 为制冷状态，则热管的金属封闭管纵向收縮，在复位弹簧的作用下，输出活塞 向左低速运动返回，完成一个工作循环。
在工作过程中，输出活塞产生的实际输出力F，可以通过压强传感器进行 间接测量计算。压强传感器和温度传感器的数据进入计算机，计算机通过温度 控制器，控制半导体装置进行制热/制冷转换，可以在动态下将实际输出力F控 制在所要求的范围内。之所以采用这种半闭环自动控制方式，主要考虑因素是 压强的测量极为方便，控制系统成本低。
需要说明的是，热管的相变传热是不可逆的。故制冷过程中热管的金属封 闭管产生纵向收缩，依靠的是热传导，故输出活塞向左低速运动返回的时间， 在输入功率相同的前提下，要长于向右运动的工作过程时间。若要使二者时间
大致相同，则应使制热时的输入电功率，小于制冷时的输入电功率。
权利要求
1．一种低速直线运动的实现方法，其特征在于将一端固定的热管因受热膨胀而产生的微量伸长位移，通过自由端作用于面积效应行程放大装置，转变为输出活塞的显著位移，实现低速直线运动。
2. —种低速直线运动装置，其特征在于包括一端固定的热管、对所述 热管进行加热与冷却的装置、以及与热管的自由端配合的面积效应行程放大装 置，所述对热管进行加热与冷却的装置是半导体制热/制冷快速转换装置(4)。
3. 根据权利要求2所述的低速直线运动装置，其特征在于所述面积效 应行程放大装置，由固定在热管自由端的主动活塞(6)、主动活塞缸体(5)、输 出活塞(10)及输出活塞缸体(9)组成，主动活塞(6)与主动活塞缸体(5)配合形成 主动活塞腔，输出活塞(10)与输出活塞缸体(9)配合形成输出活塞腔，主动活塞 腔与输出活塞腔联通形成封闭空间，封闭空间内填充有液体介质(7)，输出活 塞杆与缸体壁之间设有复位弹簧(ll)。
4. 根据权利要求2所述的低速直线运动装置，其特征在于所述热管外 侧设有温度传感器(12)，所述半导体制热/制冷快速转换元件设有温度控制器 (13)，其信号经由电路传输给控制装置。
5. 根据权利要求3所述的低速直线运动装置，其特征在于所述面积效 应行程放大装置中设有压强传感器(14),其信号经由电路传输给控制装置。
6. 根据权利要求3所述的低速直线运动装置，其特征在于热管自由端 与主动活塞固定端之间，设置有隔热垫(3)。
7. 根据权利要求3所述的低速直线运动装置，其特征在于主动活塞腔与 输出活塞腔之间，通过管路(8)进行联通。
全文摘要
本发明公开了一种低速直线运动方法，将一端固定的热管因受热膨胀而产生的微量伸长位移，通过自由端作用于面积效应行程放大装置，转变为输出活塞的显著位移，实现低速直线运动。其装置，包括一端固定的热管、对所述热管进行加热与冷却的装置、以及与热管的自由端配合的面积效应行程放大装置，所述对热管进行加热与冷却的装置是半导体制热/制冷快速转换装置。本发明通过温控微量位移驱动装置，经面积效应行程放大装置驱动进行低速直线运动，提高了能源的利用效率，稳定性好，无污染，适合推广使用。
文档编号F03G7/06GK101363423SQ20081019659
公开日2009年2月11日 申请日期2008年9月12日 优先权日2008年9月12日
发明者王传洋, 窦云霞, 钟康民 申请人:苏州大学