专利名称：具有增强热传递特性的形状记忆合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及形状记忆合金促动器，其具有提供增强的热传递特点的柔性外涂层或柔性外层。
背景技术：
在机电系统中，可以使用不同种类的促动器(例如电动机、阀、活塞或杆)对输出载荷施加力。活性材料元件可以用于提高总的系统性能。例如，用形状记忆合金(SMA)形成的元件可用于在系统中施加期望的力。SMA元件呈现伪弹性、伪塑性和形状记忆特点。这样的性能可以用在某些应用中
发明内容
本文公开一种形状记忆合金(SMA)促动器，具有相对于常规配置的SMA促动器的优化的循环时间。SMA促动器的功能性是基于其热激活的形状记忆和模量的变化。一些SMA促动器可在促动循环的激活阶段被快速加热。然而，难以在促动循环的回复/脱开阶段快速冷却同一 SMA促动器。另外，在施加电阻加热过程中促动循环可以有时基本上不同于施加环境加热(例如将SMA促动器用于高温环境中)的情况。本发明的SMA促动器因此包括柔性外涂层或层，其增强促动器的热传递特性，由此改善循环时间，如上所述。具体说，本文公开的SMA促动器包括SMA元件，例如线、条带、或具有期望横截面形状的任何其他SMA元件。SMA元件被包围在柔性外层中。柔性外层具有预定横截面几何形状(其可以或可以不匹配包含在其中的SMA元件的形状)和材料成分，所述材料成分与形状一起共同优化SMA促动器的热传递特性。这又增加促动循环的速度。SMA促动器在促动循环的激活阶段使用加热源激活，并在去激活/回复阶段被去激活。SMA促动器的性能可以选择为用于给定应用，以增加促动循环的任一或两个部分的速度，即激活和去激活阶段。还公开一种机电系统，其包括加热源和如上所述配置的SMA促动器。还公开一种方法，用于减少上述SMA促动器的循环时间。该方法包括提供如所示配置的SMA促动器，将SMA促动器连接到载荷，使用主动的或被动的加热源激活SMA促动器，和例如使用冷却源、自由空气或环境冷却方法去激活SMA元件。在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。
图I是使用如本文公开的形状记忆合金(SMA)促动器的机电系统的示意图；图2是具有带星形横截面的柔性外层的SMA促动器的示意性端视图；图3是具有带另一星形横截面的柔性外层的SMA促动器的示意性端视图；图4是具有带椭圆形横截面的柔性外层的SMA促动器的示意性端视图；图5是具有带细长榄尖形(marquise-shaped)横截面的柔性外层的SMA促动器的不意性端视图；图6是具有带泪滴形或锥形横截面的柔性外层的SMA促动器的示意性端视图；图7是具有带嵌入在层中的离散元件的柔性外层的SMA促动器的示意性侧视图；图8是具有带适用于接合增强柔性外套的径向特征的SMA元件的SMA促动器的示意图套；图9是可选端部夹紧装置的透视图，其允许图8所示的柔性外套随SMA元件运动；和图10是描述用于优化SMA促动器的循环时间的方法的流程图。
具体实施方式
参见附图，其中几幅图中相同的附图标记对应系统或相似的部件，且以图I开始，机电系统10包括形状记忆合金(SMA)促动器16。SMA促动器16包括柔性外涂层或柔性外层24，其如后文所述能减少用于促动SMA促动器16所需的循环时间。柔性外层24可以针对SMA元件15应用。尽管在各图中出于展示的一致性和简单性目的被显示为圆柱或丝状，但是SMA元件15可以具有专用于期望的应用的横截面形状。例如，参考图2-7在后文所述的任何几何横截面，以及在本文未示出的形状，例如花生形状、条带形状等都可以应用于其中包含的SMA元件15。SMA促动器16配置为使载荷18运动或以其他方式作用在载荷18上，由此让载荷18大体如箭头20所示地运动。如本领域所理解的，运动的实际方向可以如所示地是直线的、非直线的，或旋转的，取决于SMA促动器16和任何联动机构的构造。载荷18可以实施为力可针对施加的任何物理物体或装置。在一个实施例中，控制器12可以与加热源14通信，该加热源14例如为热风扇、线圈、对流装置等，适用于向SMA促动器16中提供加热信号(箭头17)作为热激活信号。加热信号(箭头17)可以同样来自周围环境，例如在SMA促动器16用在车辆的发动机舱中时。在该例子中，装置是发动机(未示出)或其他生热装置。控制器12也可以与可选的冷却源25 (以虚线所示)通信，该冷却源25例如为冷空气风扇，其提供冷却信号(箭头19)。可选的冷却源25和加热源14可以在一些实施例中被组合到单个装置中。例如，通过改变单个风扇装置中加热/冷却温度的设置，可轻易地按照需要改变输出温度。在不使用冷却源25时，SMA促动器16可以通过停止加热源14和/或通过允许对用于所需冷却的周围的自由或静止空气发生热传递而去激活。如本领域公知到，SMA(其有时本领域中称为“智能材料”)呈现伪弹性和伪塑性性能以及形状记忆行为，且由此具有“记住”其原始形状的能力。SMA的原始形状可以经由外部刺激(例如加热信号(箭头17))而在实现了变形之后被恢复。SMA从原始形状的变形部分地由于依赖温度和应力的固态相变和集体原子重排(cooperative atomicrearrangement)是临时的且可逆的。SMA的两个相是马氏体(m)相和奥氏体(a)相,它们分别被称为低温相和高温相，其中发生从低对称性(m相)的晶体结构到高对称性的(a相)晶体结构的相变。SMA代表独特类型的热激活的智能材料(TASM)，其由于应力引发和温度引发的可恢复变形行为而经历可逆的相变。一些示例性的SMA材料包括铜-锌-招-镍,铜-招-镍,和镍-钛。
仍然参见图1，柔性外层24和其各种实施例的材料可以例如包括高热传导性柔性娃树脂、电子纸或可拉伸薄石墨烯膜(graphene film),例如经由蒸汽沉积过程沉积在SMA元件15上的膜。在另一实施例中，柔性外层24可以包括碳纳米管(CNT)，其相对于SMA元件15轴向和/或径向地取向。如本领域所理解的，CNT是具有管状或圆柱形纳米结构的碳同素异形体，其提供优秀的传导性和其他独特的电性能。在任何实施例中柔性外层24具有足够的表面面积用于提供期望的热传递特性。柔性外层24可以是所施加的涂层、套或任何其他合适的层。出于展示的简单性，柔性外层24示意性地显示为圆柱形。然而，柔性外层24具有经校准的或以其他方式预定的几何横截面形状，例如在图2-6中所示的和在后文所述的示例性构造之一。在一些实施例中，柔性外层24的名义几何形状可以在SMA促动器16的激活阶段中改变，导致增强SMA促动器16的热传导性。其他实施例可以通过激活循环的激活和回复阶段而保留相同的名义几何形状。使用柔性外层24可以特别适合直的、非卷绕的构造，例如长直的SMA元件15， 虽然其他构造也是可能的。参见图2和3，按照两个可行的示例性几何构造，相应的SMA促动器116和216配置为具有不同的星形横截面。图2和3的星形横截面可以最佳地用于垂直取向或水平取向的SMA元件15，其在使用时，例如，在激活阶段中具有自然的热对流性。对于其他取向，不同的横截面几何形状可能更适合。在图2和3所示的构造中，SMA元件15分别被包围在柔性外层24、124中，其形成有或设置有多个尖端，如所示的。尽管在图2中显示了四个尖端且在图3中显示了七个尖端，但是通过柔性外层24、124提供的星形横截面中尖端的数量和大小可以取决于应用和期望的热传递速率而变化。SMA促动器116，216与加热源14和可选地与冷却源25通信，如图I所示，从而任何加热或冷却的/环境空气流(共同用箭头22代表)最终按照需要加热或冷却SMA促动器116、216。参见图4、5和6，替代横截面几何构造可以包括椭圆形(图4)、细长榄尖形(图5)和泪滴形(图6)，以及本文未特别描述的其它几何构造。图4、5和6所示的横截面可以具有相对于图2和3所示的星形设计具有更低的轮廓阻力。图4的SMA促动器316、图5的SMA促动器416和图6的SMA促动器516每一个包括SMA元件15，其被包围在相应的柔性外层224、324和424中。SMA促动器316、416和516与图I的加热源14和可选地与冷却源25通信，从而任何加热或冷却/环境空气流(箭头22)按照需要加热或冷却SMA促动器316,416 和 516。在各种实施例中的SMA元件15和/或外层224、324、424的几何构造或横截面形状可以基于用于特别阶段所需的热传递的速度来选择。例如，在电阻加热施加过程中，即在SMA元件15通过电阻主动加热时，在其各种实施例中柔性层24可以配置为具有减少量的热传导性。环境加热可以获益于增加量的热传导性。换句话说，为了减少与周围环境发生完全被动的热交换的应用情况中的循环时间，例如在热区和冷区(加热和冷却区域)之间使SMA促动器16循环时，例如在热力发动机中，柔性外层24的几何构造和形状可以选择为有助于在SMA促动器16在热区域(例如高温空气或水)中时向SMA元件15中进行热传递。相同的构造可以有助于在SMA促动器16置于冷却区域中时将热量传出SMA元件15 (即高的热传导性和大的表面面积)。在电阻性加热与向周围环境的被动热传递/冷却结合使用的应用情况下，可在SMA元件15的加热期间提供较低的传热率(heat transfer rate),且在冷却SMA元件15时提供较高的传热率。SMA促动器16和其各种替换的实施例的适当形状、大小和取向可以通过计算和/或使用合适的模型以及通过对机电系统10(见图I)的独特热力学性能的理解来确定。在图2-6所示的实施例中，柔性外层24、124、224、324和424每一个具有在SMA元件15相变期间保持不变的名义几何形状和热传导性。如将被解释的，替换实施例可以使用，其改变了SMA促动器16和其替换的实施例的名义几何形状和/或热传导性热。参见图7，图1-6的柔性外24、124、224、324和424分别可以包括多个离散元件(discrete elements) 23。这样的促动器在图7中示出，如同SMA促动器616。离散元件23可以附接到替换的柔性层524。出于简单的目的，促动器616的形状是圆柱形，但是可以使用任何如上所述的形状。在SMA促动器616经由图I的加热源14激活时，SMA促动器616沿箭头60所示的轴向方向收缩。在长度变化期间，离散元件23改变其相对于SMA元件15的相对位置和/或排列。取决于离散元件23的构造和相对位置和/或排列的变化，这可以增加传热率。在SMA促动器616回复到其原始长度时，离散元件23可以再次排列以由此减少传热率。该过程可对SMA促动器616的每一个促动循环重复。离散元件23可以例如配置为高传导性纤维、CNT或其他合适的元件，其相对于SMA元件15沿径向向外的方向取向且至少部分地嵌入在柔性外层524中。在SMA促动器616被激活时，它沿箭头60的方向在一定程度上缩短，如上所述，且柔性外层524被压缩。这使得每一个离散元件23沿箭头70的方向运动，由此相对于在同一促动器被去激活时，在SMA促动器616被激活时离散元件向外伸出的更远。在SMA促动器616再次冷却时，离散元件23在一定程度上缩回到柔性外层524中。参见图8，显示了 SMA促动器716的实施例，其中SMA元件15被包含在柔性外层624中。柔性外层624配置为可选柔性套。SMA元件15可以或可以不沿SMA元件15和柔性外层624之间的界面结合到柔性外层624。在SMA元件15不结合到外层624时，具有足够高热传导性的流体薄层可以定位在SMA元件15和柔性外层624之间的界面46处。这可有助于确保一致水平的热性能。在另一实施例中，SMA元件15和柔性外层624之间的长期粘接可以通过在SMA元件15上设置足够的纹理(例如径向突出部28)来保持。径向突出部17 (其可以具有与SMA元件15相同的材料)，例如突出部、突起或表面粗糙部，可提供在或沿界面46的空间分布的机械互锁。参见图9，图8的SMA促动器716或图I所示SMA促动器16任何变式可以包括端部夹紧组件40。SMA促动器716的线缆75的一部分在图9示出。组件40可以用于将SMA元件15物理连接到柔性外层24和其各种实施例。SMA元件15可以被夹紧、卷边或以其他方式机械地连接到组件40，例如通过使用组件40的保持部分50。在一个实施例中，保持部分50可以配置为所示的卷边插脚(crimping prong) 52或另外的合适装置。连接到组件40的其余部分的夹持件42可以将柔性层24朝向SMA元件15挤压。使用端部夹紧组件40可以有助于减少在或沿SMA元件15和柔性外层24之间的界面存在的任何剪切应力。如此做可增加SMA元件15和柔性外层24之间存在的任何结合的使用寿命。使用组件40使得柔性外层24在SMA元件15相变期间伴随SMA元件15运动。例如,在SMA元件15缩短时，柔性外层24可至少部分地运动到通过线缆75的端部30限定的开口 34中。尽管组件40可增加SMA促动器716必须克服的有效载荷，但是这样的额外载荷预期不会过多，尤其是在柔性外层24必定已经在促动循环的回复/脱开阶段被拉伸时。用于减少用于完成SMA促动器16和其各种实施例的促动循环的所需循环时间的方法100针对图I的系统10进行描述。在步骤102，方法100包括提供如上所述配置的SMA促动器16。即SMA促动器16应该包括被柔性外层24围绕的SMA元件15，其SMA元件15和层24的预定几何横截面形状和材料性能用于共同优化SMA促动器16的热传递特性。步骤104包括连接SMA促动器16到载荷18。方法100随后前进到步骤106，其中使用加热源14或其他合适的激活手段激活SMA促动器16，由此造成SMA元件15的第一相变。例如，SMA元件15可以经历从马氏体(m)相到奥氏体(a)相的变化,如上所述。一旦激活，方法100前进到步骤108。
在步骤108，一旦图I的载荷18已经动作，则SMA促动器16被去激活。步骤108会需要使用冷却源25或周围的/自由的空气以造成SMA元件15的第二相变。该相变可以是从奥氏体(a)相到马氏体(m)相的变化。柔性外层24增加第二相变的速度，如上所述。在步骤106的第二相变可以可选地需要改变SMA促动器16的名义几何形状和热传导性，如参考图7在前文所详述的。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
1.一种形状记忆合金(SMA)促动器，包括 SMA元件，其在促动循环的激活阶段通过加热源激活且在促动循环的去激活/回复阶段被去激活；和 柔性外层，围绕SMA元件，其中柔性外层具有预定几何横截面形状和材料成分，所述横截面形状和材料成分共同优化SMA促动器的热传递特性，由此减少用于完成促动循环所需的循环时间。
2.如权利要求I所述的SMA促动器，其中SMA元件具有进一步优化热传递特性的预定几何横截面形状。
3.如权利要求I所述的SMA促动器，其中柔性外层的形状是以下中的一种星形、椭圆形、细长榄尖形和泪滴形。
4.如权利要求I所述的SMA促动器，其中柔性外层包括以下中的一种高热传导性柔性硅树脂、电子纸、可拉伸的薄石墨烯膜和碳纳米管。
5.如权利要求I所述的SMA促动器，其中SMA促动器的名义几何形状和热传导性中的至少之一在激活阶段改变。
6.如权利要求5所述的SMA促动器，进一步包括多个离散元件，其相对于SMA元件沿径向向外方向取向，且至少部分地嵌入柔性外层中，其中SMA促动器的激活使得离散元件远离SMA元件径向向外运动，且其中SMA促动器的去激活使得离散元件至少部分地缩回到柔性外层中。
7.如权利要求6所述的SMA促动器，其中离散元件包括以下中的至少一种高传导性纤维和碳纳米管。
8.如权利要求I所述的SMA促动器，进一步包括端部夹紧组件，其使得柔性外层在SMA元件相变期间伴随SMA元件运动。
9.一种机电系统包括 加热源；和 形状记忆合金(SMA)促动器，配置为联接到载荷，该SMA促动器具有 SMA元件，其在促动循环的激活阶段通过加热源激活且在促动循环的去激活/回复阶段被去激活；和 柔性外层，围绕SMA元件； 其中柔性外层具有预定几何横截面形状和材料成分，所述横截面形状和材料成分共同优化SMA促动器的热传递特性，由此减少用于完成促动循环所需的循环时间。
10.如权利要求9所述的系统，其中柔性外层包括柔性涂层和柔性套中之一。
全文摘要
一种形状记忆合金(SMA)促动器包括SMA元件和柔性外涂层或层。元件相应地通过加热源激活。所述层围绕所述元件且增强元件的热传递特性以增加促动循环的速度。名义几何形状和/或热传导性可以在激活阶段改变，且可以包括相对于元件取向且至少部分地嵌入在层中的离散元件。端部夹紧组件可以用于使得层在相变期间伴随元件运动。一种机电系统包括冷却源和促动器。一种方法包括连接促动器到载荷、使用加热源激活元件和使用冷却源或自由的/周围空气去激活元件。
文档编号F03G7/06GK102678496SQ201210071540
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月16日 优先权日2011年3月16日
发明者A.L.布朗, J.H.布朗, N.D.曼卡姆, N.L.约翰逊, N.W.平托四世, X.高 申请人:合金力学公司, 通用汽车环球科技运作有限责任公司