專利名稱：形狀記憶合金的熱控制的制作方法
技術領域：
本發明涉及形狀記憶合金。明確地說，本發明涉及形狀記憶合金的熱控制。
背景技術：
形狀記憶合金(SMA)是能“記住”其幾何形狀的合金。SMA可經受其晶體學配置的變形，且隨后因SMA的溫度的增加(即加熱)而與其晶體學配置相反地變形。這些特性是歸因于從低對稱性晶體學結構到高度對稱的晶體學結構(分別稱為馬氏體相和奧氏體相) 的馬氏體相變。SMA的馬氏體相變可歸因于其它因素，但多數與溫度有關。在奧氏體相中，SMA較硬且為剛性，而在馬氏體狀態下，SMA較軟且為柔性。在馬氏體狀態下，SMA可因外力而拉伸或變形。一旦被加熱，SMA將轉變為其奧氏體狀態，且收縮或恢復強加于其的任何拉伸。SMA在收縮時所施加的力可用于執行例如接通裝置或斷開裝置、打開或關閉物體或致動裝置或物體等任務。三種主要類型的SMA為銅-鋅-鋁-鎳合金、銅-鋁-鎳合金以及鎳-鈦(NiTi) 合金。SMA改變其晶體學結構所處的溫度(稱為轉變溫度)是合金的特性，且可通過改變合金中的元素比率來調諧。SMA可通過任何合適的手段來加熱。一種用于加熱SMA的手段包含使電流穿過所述合金，借此合金的電阻導致合金中產生熱量，所述熱量又致使合金經歷馬氏體到奧氏體相變。在去除電流之后，合金開始冷卻，且回復到其馬氏體相結構。因此，SMA的加熱和冷卻使其能夠執行例如致動物體等功能。舉例來說，當SMA被加熱時，其可將物體從第一位置致動到第二位置，且隨后當SMA冷卻時，物體可從第二位置移回到第一位置。SMA實現馬氏體狀態與奧氏體狀態之間的馬氏體相變的速率部分地取決于形狀記憶合金被加熱或冷卻的速率。因此，SMA的周期時間是SMA實現馬氏體狀態與奧氏體狀態之間的馬氏體相變且返回到馬氏體狀態或反之亦然所花費的時間。SMA致動器的周期時間是其在第一位置與第二位置之間致動物體且接著使物體從第二位置返回到第一位置所花費的時間。可能希望能夠操縱SMA和/或SMA致動器的周期時間。舉例來說，對于SMA和 /或SMA致動器來說，可能希望具有盡可能短的周期時間。為了實現此目的，希望能夠盡可能快地加熱和/或冷卻SMA。可通過施加較大的電流穿過致動器來實現在相對較短的周期中加熱SMA的任務，從而實現SMA的幾何形狀的較快改變。相反，為了致使SMA在盡可能短的時間內回復到馬氏體狀態，SMA需要在盡可能短的時間內冷卻。此外，可能存在以下情況，其中希望能夠控制SMA的溫度的增加或減小速率，從而控制SMA在奧氏體狀態與馬氏體狀態之間改變幾何形狀的速率，且又控制物體由SMA致動的移動速率。
發明內容
本申請案是針對一種形狀記憶合金布置，所述布置包含形狀記憶合金部件，其經配置以響應于形狀記憶合金部件的溫度變化而經歷馬氏體相與奧氏體相之間的轉變；以及導熱材料，其與形狀記憶合金部件接觸，其中所述導熱材料可操作以用于通過傳導來將熱量傳遞到形狀記憶合金部件或從形狀記憶合金部件傳遞熱量。熱量傳導性(也稱為導熱性)是指示材料傳導熱量的能力的材料特性。熱量傳導定律(也稱為傅立葉定律)陳述熱量傳遞通過材料的時間率與溫度的負梯度且與熱量流經其中的與所述梯度成直角的面積成比例。換句話說，將其定義為在時間At期間在穩定的狀態條件下且當熱量傳遞僅取決于溫度梯度時，因溫差△T而在垂直于區域A的表面的方向上傳輸經過厚度χ的熱量的量八Q0導熱性以W/(m · K)表達。導熱性=熱量流動速率X距離/(面積X溫差)本發明的導熱材料包含具有以下特性的任何材料因其間的接觸而通過材料傳遞到形狀記憶合金或從形狀記憶合金傳遞的絕大多數熱量或實質上所有熱量均是借助于傳導。因此，本發明的導熱材料不包含具有以下特性的材料因其間的接觸而通過材料傳遞到形狀記憶合金或從形狀記憶合金傳遞的絕大多數熱量或實質上所有熱量均是借助于對流。氣體通常是良好的絕緣體以及不良的熱導體。空氣的導熱性為0. 025ff/(m · K)。 氣體通過對流傳遞的熱量比通過傳導傳遞的熱量多。因此，本發明的導熱材料包含具有比空氣高的導熱性(以W/(m · K)表達)的材料，即> 0. 025ff/(m · K)。例如液體、半固體和固體等非氣體通常是比氣體好的熱導體。液態水的導熱性為 0. 6ff/(Hi-K)0熱油脂(也稱為熱化合物、熱量膏狀物、熱量傳遞化合物、熱膏狀物或散熱化合物)為具有類似于油脂的特性的流體物質，其增加了熱界面的導熱性(通過補償組件的不規則表面)。熱油脂的導熱性為0.7到3W/(m*K)。因此，本發明的導熱材料包含具有> 0. 6ff/ (m · K)或在0. 7到3ff/ (m · K)的范圍內的導熱性(以W/ (m · K)表達)的材料。本發明的導熱材料還可包含具有> 3W/(m · K)的導熱性(以W/(m · K)表達)的材料。形狀記憶合金布置的有利之處在于由于導熱材料與形狀記憶合金部件之間的接觸，與不傳導熱量而是通過對流來傳遞熱量的材料(例如氣體)相比，可較快地實現形狀記憶合金部件的冷卻、加熱或兩者。形狀記憶合金部件具有取決于形狀記憶合金部件從馬氏體或奧氏體相中的一者轉變到所述相中的另一者且再次返回的速率的周期時間。因此，與實質上所有熱量均通過實質上非導熱材料傳遞到形狀記憶合金部件或從形狀記憶合金部件傳遞時的情況相比，通過本發明的導熱材料將熱量快速傳導到形狀記憶合金部件或從形狀記憶合金部件快速傳導熱量使得能夠使形狀記憶合金部件的周期時間減少或增加較大的量。換句話說，通過使形狀記憶合金部件與導熱材料而不是絕熱材料接觸，本發明增加了形狀記憶合金部件可加熱或冷卻的速度。因為導熱材料與例如空氣等材料相比促進了形狀記憶合金部件的較快的冷卻速率，所以本發明特別有利。因此，本發明可減少形狀記憶合金部件經歷從奧氏體到馬氏體相的轉變所需的時間量，與必須耗散其已通過加熱(經由對流)而獲得的實質上所有熱量的形狀記憶合金部件的布置形成對比。在一種形式中，形狀記憶合金部件具有縱向長度，且導熱材料沿形狀記憶合金部件的縱向長度的至少一部分覆蓋形狀記憶合金的整個外表面。技術方案1或技術方案2的形狀記憶合金，其中形狀記憶合金部件沿其整個長度具有縱向軸，所述縱向軸延伸穿過形成形狀記憶合金部件的形狀記憶合金材料，且導熱材料包含在與形狀記憶合金部件的縱向軸相同的方向上延伸的縱向軸。其中導熱材料沿形狀記憶合金部件的縱向長度的至少一部分與形狀記憶合金部件的外表面接觸的形狀記憶合金布置形式的優點是與不沿其縱向長度的至少一部分與導熱材料接觸的形狀記憶合金部件相比，熱量到形狀記憶合金部件或從形狀記憶合金部件的傳導速度增加。換句話說，本發明的此些形式增加了形狀記憶合金部件可加熱或冷卻的速度。在一種形式中，形狀記憶合金部件和導熱材料大體上同心布置。在另一種形式中， 形狀記憶合金部件和導熱材料大體上同軸布置。其中形狀記憶合金部件和導熱材料同心和/或同軸布置的形狀記憶合金布置形式的優點是形狀記憶合金部件的沿其縱向長度的一部分的整個外表面區域與導熱材料接觸，借此進一步增強熱量到形狀記憶合金部件或從形狀記憶合金部件的傳導速度。在又一形式中，所述布置進一步包含用于控制導熱材料的導熱性以控制通過將熱量傳遞到形狀記憶合金部件或從形狀記憶合金部件傳遞熱量的構件。導熱性取決于材料的許多特性，特別是其結構和溫度。因此，通過提供用于更改導熱材料的結構或溫度的構件， 可更改導熱材料的導熱性。在形狀記憶合金布置的一種形式中，導熱材料可操作以用于控制形狀記憶合金部件經歷馬氏體與奧氏體相之間的轉變的速率。在另一形式中，導熱材料可操作以用于控制形狀記憶合金的周期時間。這種形式的形狀記憶合金布置的有利之處在于當并入到形狀記憶合金致動器中時，致動器的周期時間也是可控制的。形狀記憶合金的周期時間可包含形狀記憶合金部件從馬氏體或奧氏體相中的一者轉變到所述相中的另一者且再次返回的速率。在又一形式中，形狀記憶合金布置進一步包含至少部分地環繞導熱材料和形狀記憶合金部件的蓋。在其中導熱材料處于非固體形式的布置中，蓋的優點在于其可有助于使導熱材料保持與形狀記憶合金部件接觸。蓋的另一優點在于不管導熱材料是固體、半固體、粘性材料、膏狀物還是低粘度液體，所述蓋均可保護導熱材料免受損壞、污染、磨蝕等。技術方案12的形狀記憶合金，其中形狀記憶合金部件沿其整個長度具有縱向軸， 所述縱向軸延伸穿過形成形狀記憶合金部件的形狀記憶合金材料，且蓋包含在與形狀記憶合金部件的縱向軸相同的方向上延伸的縱向軸。所述蓋可經配置以使得當形狀記憶合金部件在馬氏體或奧氏體相之間的轉變期間響應于溫度變化而改變形狀時，所述蓋也改變形狀。所述蓋可由柔性材料和/或彈性材料形成。通過提供柔性和/或彈性的蓋，所述蓋不阻礙形狀記憶合金部件在其加熱和/或冷卻后的幾何形狀改變。在一種形式中，形狀記憶合金部件和蓋大體上同心布置。在另一形式中，形狀記憶合金部件和蓋大體上同軸布置。在一種形式中，形狀記憶合金部件具有縱向長度，導熱材料沿所述縱向長度的至少一部分覆蓋形狀記憶合金部件的整個外表面，且所述蓋沿形狀記憶合金部件的長度的由導熱材料覆蓋的部分環繞導熱材料和形狀記憶合金部件。在一種形式中，導熱材料的導熱性是可控制的，以用于控制通過傳導將熱量傳遞到形狀記憶合金部件或從形狀記憶合金部件傳遞熱量。在另一形式中，所述布置進一步包含用于控制導熱材料的溫度以借此控制熱量到形狀記憶合金部件或從形狀記憶合金部件的傳導速率的構件。在一種形式中，形狀記憶合金布置進一步包含熱量傳遞裝置，其用于將熱量傳遞到導熱材料或從導熱材料傳遞熱量，且借此控制導熱材料的溫度。在一種形式中，導熱材料為流體、固體或半固體材料。導熱材料可由包含乙二醇、 硅膏狀物和油的群組中的任一者或一者以上形成。在另一形式中，所述布置進一步包含用于促進形狀記憶合金部件的溫度變化的構件。所述用于促進形狀記憶合金部件的溫度變化的構件包含用于將電流供應到形狀記憶合金部件的構件。在另一方面中，本發明可提供一種形狀記憶合金致動器，其包含根據前述技術方案中的任一者所述的形狀記憶合金布置，其中所述形狀記憶合金布置經配置以連接到可移動物體，且響應于形狀記憶合金部件的溫度變化而移動所述物體。在結合附圖考慮以下描述和所附權利要求書之后，所屬領域的技術人員將明白進一步方面和概念。
在并入本說明書中且構成本說明書的一部分的附圖中，說明本發明的實施例，其與上文所給出的本發明的一般描述以及下文的詳細描述一起用以示范本發明的實施例；圖1是由導熱材料和蓋同心環繞的SMA部件的透視圖，其中所述蓋使導熱材料保持與形狀記憶合金部件接觸。圖2是圖1的形狀記憶合金致動器的橫向橫截面的端視圖。圖3是圖1的形狀記憶合金致動器的縱向橫截面的側視圖，其中形狀記憶合金處于馬氏體狀態，且被拉伸為相對較長的幾何形狀。圖4是圖1的形狀記憶合金致動器的縱向橫截面的側視圖，其中形狀記憶合金因為形狀記憶合金部件的加熱而處于奧氏體狀態，其中形狀記憶合金部件收縮為相對較短的幾何形狀。圖5說明形狀記憶合金致動器的另一形式的透視圖，其中所述致動器進一步包含用于將熱量傳遞到導熱材料或從導熱材料傳遞熱量的熱量傳遞裝置。圖6說明形狀記憶合金致動器的另一形式的透視圖，其中所述致動器包含多個形狀記憶合金部件，其各自分別由導熱材料和蓋兩者環繞，且交織。
具體實施例方式本申請案揭示一種形狀記憶合金(SMA)布置，以及一種并入有所述形狀記憶合金布置的致動器。所述布置和所述致動器可采取任何合適形式，且用于任何合適目的。所述布置和所述致動器可執行任何合適的任務，例如接通或斷開裝置、打開或關閉物體，或致動裝置或物體。SMA致動器可在各種各樣的應用(包含(但不限于)機動車輛、航空學、軍事、 醫療、安全和機器人應用)中在操作上與各種各樣的可致動裝置相關聯。盡管以下詳細描述涉及并入有本發明的SMA布置的致動器，但將了解，本發明可具有比與致動器相關更廣泛的應用。舉例來說，本發明的SMA布置可應用于SMA合金的特性(即其響應于其溫度的變化而改變其幾何形狀或形狀的能力)使得使用SMA合金部件較合適的情況。本文所揭示的本發明的SMA布置和致動器的動作原理之一是其包含與導熱材料接觸并由導熱材料環繞的SMA部件，所述導熱材料在一種形式中在施加到SMA部件的已導致SMA部件加熱的電流已被去除之后促進熱量從SMA部件的傳導。通過從SMA部件傳導熱量，導熱材料促進SMA部件的溫度以比SMA部件由空氣環繞且需要通過對流來耗散熱量的情況下將可能的速率大的速率降低。本發明的導熱材料包含具有以下特性的任何材料因其間的接觸而通過材料傳遞到形狀記憶合金或從形狀記憶合金傳遞的絕大多數熱量或實質上所有熱量均是借助于傳導。因此，本發明的導熱材料不包含具有以下特性的材料因其間的接觸而通過材料傳遞到形狀記憶合金或從形狀記憶合金傳遞的絕大多數熱量或實質上所有熱量均是借助于對流。氣體通常是良好的絕緣體以及不良的熱導體。空氣的導熱性為0. 025ff/(m · K)。 氣體通過對流傳遞的熱量比通過傳導傳遞的熱量多。因此，本發明的導熱材料包含具有比空氣高的導熱性(以W/(m ·Κ)表達)的材料，即> 0. 025ff/(m ·Κ)，且優選具有空氣的導熱性的材料。在一些形式中，導熱材料通過環繞SMA部件和導熱材料兩者的蓋而維持與SMA部件接觸。因此，將SMA部件浸入導熱材料中，其又可由蓋環繞。在一種形式中，所述蓋為柔性材料，其使得其能夠與SMA部件一起移動。因此，SMA致動器由于SMA部件周圍的導熱材料以及(任選地)環繞SMA部件和導熱材料兩者的蓋的應用而可實現較快或較慢的冷卻或加熱或兩者的速率。因此，可通過使SMA部件能夠以比在導熱材料不與SMA部件接觸的情況下的對流快的速率冷卻或加熱， 來減小或增加SMA致動器的周期時間。此外，在本文所說明的SMA致動器的形式中，導熱材料沿SMA部件的縱向長度的至少一部分與SMA部件的外表面接觸。更具體地說，導熱材料實質上沿其長度的至少一部分與SMA部件的整個外表面接觸，以促進在給定導熱材料的導熱性的量值的情況下可能的那樣盡可能快的到SMA部件或從SMA部件的熱量傳導速度。舉例來說，SMA部件和導熱材料以及(任選地)蓋同心和/或同軸布置。此外，通過提供柔性和/或彈性的蓋，所述蓋不阻礙SMA部件在其加熱和/或冷卻后的幾何形狀改變。參看圖1到圖5，展示SMA致動器10。SMA致動器10包含SMA部件20，其在所說明的實施例中為細長且大體上線性的SMA部件20。然而，將了解，SMA部件20可采取任何其它合適的形式或配置。舉例來說，SMA部件20可呈例如彈簧等線圈、螺旋配置、非線性細長部件(例如彎曲細長部件或曲線形細長部件或包含若干個彎曲或曲線的細長部件)的形式。在每一形式中，SMA部件20具有縱向軸X。沿SMA部件20的整個長度，縱向軸X延伸經過形成形狀記憶合金部件20的形狀記憶合金材料。如圖1所示，縱向軸X是延伸經過形成SMA部件的材料的中心的假想線。換句話說，SMA部件20沿縱向軸X的整個長度在整個縱向軸X上是實心的。因此，SMA部件20和縱向軸X沿其整個長度在同一方向上延伸。此外，圖中所說明的SMA部件20具有大體上均勻的橫截面。然而，SMA 20可具有整體變化的橫截面，且可具有可變且/或漸細的輪廓，使得SMA部件20的若干部分大體上比大體上較厚的其它部分薄。SMA部件20可由能夠因加熱或冷卻而改變其幾何形狀的任何材料制成。SMA部件 20可由銅-鋅-鋁、銅-鋅-鋁-鎳、銅-鋁-鎳、銀-鎘、金-鎘、銅-錫、銅-鋅、銦-鈦、 鎳-鋁、鐵-鉬、鎂-銅、鐵-鎂-硅或鎳-鈦(NiTi)合金制成。此些合金可具有奧氏體狀態或相以及馬氏體狀態或相。因此，在加熱期間，As和Af是從馬氏體到奧氏體的轉變開始和結束所處的溫度。Ms表示SMA通常在冷卻后開始從奧氏體改變為馬氏體所處的溫度。Mf 是冷卻期間向馬氏體的過渡結束時的溫度。SMA部件20在馬氏體與奧氏體相之間的過渡取決于溫度。此外，SMA部件20在馬氏體與奧氏體相之間過渡的速率取決于SMA部件20的溫度增加或減小的速率。SMA部件20包含外表面22，其圍繞SMA部件20的圓周徑向面向外，且/或沿SMA 部件20的大體上整個長度而延伸。由此，SMA部件20的外表面22可呈現SMA部件20的任何暴露表面的大體上全部。另一形式的SMA部件(未圖示)可呈中空細長部件的形式， 其具有沿SMA部件的一部分或整個長度縱向延伸穿過SMA部件的開口或中空，結合本文所描述和說明的其它配置中的任一者。在SMA部件為中空細長部件的情況下，縱向軸X不在 SMA部件的中心。然而，縱向軸X沿SMA部件的整個長度且沿縱向軸X的整個長度延伸穿過形成SMA部件的材料。換句話說，即使是SMA部件的中空型式也沿縱向軸X的長度在整個縱向軸X上是實心的。而且，在中空SMA部件中，外表面22還可包含徑向向內面朝在中心或縱向地延伸穿過SMA部件的中部的開口或中空的表面(未圖示)。參看圖1到圖5，SMA部件20由導熱材料層30環繞。SMA部件20和導熱材料30 兩者共享大體上同一縱向軸X。這意味著導熱材料30沿SMA部件20的縱向軸X環繞SMA 部件20。換句話說，導熱材料30沿縱向軸X環繞SMA部件20，縱向軸X大體上沿SMA部件 20的長度大體上延伸穿過形成SMA部件20的材料的中心。換句話說，導熱材料30沿SMA 部件20的縱向長度覆蓋SMA部件20。因此，SMA部件20和導熱材料30沿縱向軸X在同一方向上延伸。而且，SMA部件20和導熱材料30大體上同心。在圖1到圖5中所說明的實施例中，SMA部件20和導熱材料30也大體上同軸。導熱材料30具有外表面32和相對的內表面34。內表面34徑向向內面朝SMA部件20的外表面22，且與SMA部件20的外表面22面對面接觸。導熱材料30可沿SMA部件 20的縱向長度的至少一部分覆蓋SMA部件20的外表面22。或者，導熱材料30可沿SMA部件20的長度的一部分或大體上沿SMA部件20的整個長度大體上覆蓋整個外表面22。因此，導熱材料30可大體上沿SMA部件20的整個長度或長度的一部分圍繞SMA部件20的整個圓周而延伸。因此，可能本質上不存在SMA部件20的沿其整個長度或其長度的一部分的不與導熱材料30接觸的部分。在SMA部件20呈中空細長部件的形式的情況下，中空內部 (未圖示)提供導熱材料30可以本文所述的方式且為本文所述的目的(即，借助于傳導將熱量傳遞到SMA部件20或從SMA部件20傳遞熱量)而放置于其中的空間。在此布置(未圖示)中，導熱材料30的外表面32徑向向外面朝SMA部件20的外表面22的徑向向內面向的部分，且與所述部分面對面接觸。導熱材料30可由適合本文所陳述的要求的任何材料形成。例如液體、半固體和固體等非氣體通常是比氣體好的熱導體。液態水的導熱性為0.6W/(m*K)。熱油脂(也稱為熱化合物、熱量膏狀物、熱量傳遞化合物、熱膏狀物或散熱化合物)為具有類似于油脂的特性的流體物質，其增加了熱界面的導熱性(通過補償組件的不規則表面)。熱油脂的導熱性為0.7到3W/(m· 。因此，本發明的導熱材料包含具有比空氣高的導熱性(以W/(m· 表達)的材料，即> 0. 025ff/(m · K)，且優選具有熱油脂的導熱性(即，0. 7到3ff/(m · K)) 的材料。因此，本發明的導熱材料優選包含具有> 0. 6ff/(m · K)或在0. 7到3W/(m · K)的范圍內的導熱性(以W/(m*K)表達)的材料。本發明的導熱材料還包含具有> 3W/(m*K) 的導熱性(以W/(m · K)表達)的材料。導熱材料30優選由適于傳導來自SMA部件20的外表面22的熱量的材料形成。因此，導熱材料30可由流體形成，所述流體可包含包括乙二醇、硅膏狀物和油的群組中的任一者或一者以上，且可為任何粘性、半粘性或無粘性液體。或者，導熱材料30可為凝膠或半固體材料。然而，導熱材料30應具有某一程度的柔性或展性，以使得導熱材料30的形狀和配置可連同SMA部件20的幾何形狀的任何改變而改變，同時仍維持導熱材料30的內表面 34與SMA部件20的外表面22之間的接觸。參看圖1到圖5，SMA致動器10進一步包含蓋40，其環繞且/或含有導熱材料30。 蓋40可由電絕緣材料形成。因為導熱材料30可為流體或非固體材料，所以蓋40用于使導熱材料30維持與SMA部件20的外表面22接觸。蓋40具有內表面44和相對的外表面42。 蓋40的內表面44徑向面向內，且界定在蓋40內縱向延伸的通道45。導熱材料30和SMA 部件20定位于蓋40的縱向通道45內。蓋40的內表面44與導熱材料30的外表面32面對面接觸。形成導熱材料30的材料大體上不可穿透蓋40的內表面44。因此，蓋40可確保導熱材料30維持于蓋40的內表面44與SMA部件20的外表面22之間，且無法逃出蓋40 的內表面44與SMA部件20的外表面22之間的空間。SMA部件20、導熱材料30和蓋40全部共享大體上同一縱向軸X。這意味著蓋40 環繞導熱材料30，導熱材料30又沿SMA部件20的縱向軸X環繞SMA部件20。換句話說， 蓋40環繞導熱材料30，導熱材料30又沿縱向軸X環繞SMA部件20，縱向軸X大體上沿SMA 部件20的長度大體上延伸穿過形成SMA部件20的材料的中心。換句話說，導熱材料30沿 SMA部件20的縱向長度覆蓋SMA部件20。因此，蓋40、SMA部件20和導熱材料30沿縱向軸X在同一方向上延伸。而且，蓋40、SMA部件20和導熱材料30大體上同心。在圖1到圖 5中所說明的實施例中，蓋40、SMA部件20和導熱材料30也大體上同軸。形成蓋40的材料可為柔件材料，使得如果且當SMA部件20的幾何形狀改變時，這又可致使環繞SMA部件20的導熱材料30的形狀和配置也改變，含有導熱材料30的蓋40 的形狀和配置也可改變，以適應導熱材料30和/或SMA部件20的改變的形狀和配置。形成蓋40的材料可為彈性的，使得當蓋40的形狀和配置因SMA部件20的幾何形狀的改變以及導熱材料30的形狀和配置的任何相關聯改變而臨時更改時，蓋40可在SMA 部件20和/或導熱材料30已回復到其初始幾何形狀之后返回到其初始形狀和配置。蓋40 的柔性和/或彈性本質可有助于確保導熱材料30的形狀和配置在SMA部件20回復到其初始幾何形狀之后也回復到其初始形狀和配置。因此，蓋40的柔性和/或彈性特性使得其能夠確保導熱材料30的內表面34維持沿SMA部件20的整個長度或長度的一部分大體上與 SMA部件20的整個外表面22接觸。
在另一形式中，形成蓋40的材料可為剛性的非柔性材料。剛性蓋40的形狀可使得如果且當SMA部件20的幾何形狀改變時，SMA部件20可在蓋40內的導熱材料30內的通道45內縱向滑動。以此形式，盡管蓋40由剛性材料形成，但其并不實質上阻礙SMA部件 20的幾何形狀的改變或環繞SMA部件20的導熱材料30的形狀或配置的任何改變。舉例來說，在圖1和圖2所說明的實施例中，蓋40和SMA部件20兩者大體上同軸， 這意味著蓋40可由剛性材料形成，且SMA部件20可響應于其溫度的改變，通過在界定于蓋 40的內表面44內的縱向通道45內縱向移動而改變縱向長度。然而，將了解，蓋40無需一定與SMA部件20和/或導熱材料30同軸以允許SMA部件20響應于SMA部件20的溫度改變而相對于剛性蓋40移動，而是可具有任何其它合適形狀或配置。舉例來說，SMA部件20 可以離心方式定位于蓋40和/或導熱材料30內。因此，SMA部件20的中心軸X可與蓋40 的中心軸和/或導熱材料30的中心軸平行且在同一方向上延伸。在本文所說明的SMA致動器10的形式中，導熱材料30沿SMA部件20的縱向長度的至少一部分，大體上與SMA部件20的整個外表面22接觸。這促進了在給定導熱材料的導熱性的量值的情況下，熱量到SMA部件20或從SMA部件20的盡可能快的傳導速率。如在圖1到圖5中可看出，SMA部件20、導熱材料30和蓋40同心和/或同軸布置。形成蓋40的材料可包含合適的柔性、彈性、非柔性或剛性材料，且可(例如)為包含(但不限于)塑料、彈性體、尼龍、熱塑性塑料、熱固性塑料、金屬、鋁、鋼的材料中的任一者或一者以上。參看圖3和圖4，展示使用中的SMA致動器10。SMA致動器10具有第一端15和第二端17。在SMA致動器10的第一端15處，SMA部件20也具有第一端25，而在SMA致動器 10的第二端17處，SMA部件20具有第二端27。可通過將一電極(未圖示)附接在第一端 25處，且將另一電極(未圖示)附接在第二端27處，并使電流通過所述電極之間并穿過SMA 部件20，來將電流施加到SMA部件20。由于電流穿過SMA部件20，因此形成SMA部件20的材料的電阻導致SMA部件20內產生熱量。因此，SMA部件20從As溫度加熱到Aj^度，且其幾何形狀在馬氏體相到奧氏體相之間過渡。在從馬氏體相到奧氏體相的過渡中，SMA部件20收縮到圖4中所說明的長度。因此，在收縮之前，當形成SMA部件20的材料處于馬氏體狀態(其中合金較軟且柔性，如圖3所說明)時，SMA部件20可呈現伸展的幾何形狀。通過施加外力(例如通過例如彈簧等偏置構件)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可被拉伸或延長到相對較長的長度，如圖3所說明。因此，當SMA部件20處于馬氏體狀態時，SMA部件20的溫度相對較低，處于溫度As和/或Mf。當電流穿過SMA部件 20時，SMA部件20開始加熱且接近較高溫度Af，并收縮，如圖4中所說明。SMA部件20的第一端25可連接到物體(未圖示)，且SMA部件20的第二端27可連接到另一物體(未圖示)，使得SMA部件20的長度的收縮和改變導致附接到SMA部件20的第一端25和第二端 27的物體的相對移動，且借此提供其致動。在施加到SMA部件20的電流停止之后，SMA部件20開始耗散已經因穿過SMA部件20的電流而產生的熱量。隨著SMA部件20耗散熱量，其溫度從Ms改變到Mf，在所述溫度下，從奧氏體到馬氏體相的轉變開始和結束，如圖3所說明。由于從馬氏體到奧氏體相的轉變，SMA部件20的幾何形狀更改，使得SMA部件20的長度自己延伸或通過施加拉伸SMA部件20的外力而延伸。SMA部件20從馬氏體相過渡到奧氏體相的速率取決于SMA部件20 內的熱量可耗散的速率。與SMA部件20僅由空氣或由并不特定適于傳導熱量而是被視為絕熱體的某一其它材料環繞的情況相比，導熱材料30快得多地傳導熱量離開SMA部件20。 通過提供導熱材料30，從SMA部件20傳導熱量的速率增加。因此，導熱材料30加速了 SMA 部件20從馬氏體相到奧氏體相的過渡，且又加速了從圖4所說明的收縮長度到圖3所說明的延長長度的過渡。因此，SMA部件20和SMA致動器10更快速地返回到奧氏體相，在此相下，SMA部件20和SMA致動器10準備好在(例如)因穿過其中施加電流而將熱量施加到 SMA部件20后即刻再次從奧氏體相過渡到馬氏體相。因此，導熱材料30促進SMA部件20 和SMA致動器10的較快周期時間，這使得SMA部件20和SMA致動器10能夠在給定的時間周期內在較多的機會中使附接到SMA部件20的第一端25和第二端27的物體相對于彼此而致動。如圖4的實施例中可見，當SMA部件20在馬氏體相與奧氏體相之間過渡，且SMA 部件20的長度收縮時，環繞SMA部件20的導熱材料30聚集且從SMA部件20的外表面22 向外徑向突出，以形成凸起。環繞導熱材料30的蓋40的柔性和/或彈性性質通過從SMA 部件20向外徑向拉伸而促進導熱材料30的凸起。當SMA部件20從奧氏體相過渡到馬氏體相，且SMA部件20拉伸(如圖3所說明)時，環繞SMA部件20的導熱材料30拉伸到其初始形狀和配置，且環繞導熱材料30的蓋40也返回到其初始形狀和配置。蓋40可借助于其柔性和/或彈性特性而返回到其初始配置。因此，蓋40可朝SMA部件20向內徑向收縮到其初始形狀和配置，且借此維持導熱材料30與SMA部件20的外表面22面對面接觸，從而準備好SMA部件20從馬氏體到奧氏體相的另一過渡。參看圖5，展示SMA致動器100的另一形式，其還包含SMA部件120、環繞SMA部件 120的導熱材料130以及環繞導熱材料130且維持導熱材料130與SMA部件120的外表面 122面對面接觸的蓋140。然而，與圖1到圖4所說明的SMA致動器10形成對比，圖5所說明的SMA致動器100還包含用于控制導熱材料130的溫度以借此控制熱量到形狀記憶合金部件120或從形狀記憶合金部件120的傳導速率的構件。用于控制導熱材料130的溫度的構件包含熱量傳遞裝置150。熱量傳遞裝置150是任何合適形式的熱量傳遞設備，且可為用于提供冷卻或加熱或兩者的設備。熱量傳遞裝置150包含連接，其促進導熱材料30從蓋 140與SMA部件120之間的空間傳遞到熱量傳遞系統160。一旦導熱材料130已穿過連接 155到達熱量傳遞系統160，導熱材料130就可根據需要被加熱或冷卻，且接著可返回穿過連接155到達蓋140與SMA部件120之間的空間。因此，通過促進加熱或冷卻導熱材料130 的能力，熱量傳遞裝置150可實現對導熱材料130將熱量傳導到SMA部件120且/或從SMA 部件120傳導熱量的速率的操縱，且借此操縱SMA部件120在馬氏體相與奧氏體相之間(且反之亦然)過渡的速率，其又促進對SMA部件120收縮且/或可伸展的速率的操縱。因此， 熱量傳遞裝置150還可促進對SMA部件120和SMA致動器100的周期時間的操縱。或者，導熱材料130可不穿過連接155到達熱量傳遞系統160，而是熱量傳遞系統 160和連接155可以其它方式促進熱量在導熱材料130與熱量傳遞系統160之間的傳遞，以加熱或冷卻導熱材料130。舉例來說，熱量傳遞裝置150可包含在熱量傳遞系統160與導熱材料130之間經由連接155而延伸的一個或一個以上通道(未圖示)，其中所述通道經配置以使得例如冷卻劑等流體能夠在熱量傳遞系統160與導熱材料130之間傳遞熱量。因此，所述通道可不提供熱量傳遞系統160與導熱材料130之間的流體連通，而是熱量傳遞裝置 150為用于在熱量傳遞系統160與導熱材料130之間傳遞熱量的封閉式系統。參看圖6，展示由交織或以其它方式彼此咬合的多個SMA致動器10形成的SMA致動器200。所述SMA致動器10中的每一者大體上對應于圖1到圖4所說明的SMA致動器 10，或大體上對應于圖5所說明的SMA致動器100。因此，圖6所說明的SMA致動器200的交織長度的SMA致動器10中的每一者包含由導熱材料30環繞的細長SMA部件20，導熱材料30大體上與SMA部件20的整個外表面22以及蓋40面對面接觸，蓋40環繞導熱材料30 且使導熱材料30維持與SMA部件20的外表面22面對面接觸。此外，SMA部件20中的每一者包含第一端25和第二端27，其連接到一個或一個以上物體(未圖示)。此外，每一 SMA 部件20可通過任何手段來加熱，例如通過施加電流穿過SMA部件20中的每一者，這導致將 SMA部件20中的每一者從溫度As加熱到溫度Af，在所述溫度下，SMA部件20中的每一者從馬氏體相過渡到奧氏體相。相反，在去除電流之后，SMA部件20中的每一者開始耗散由導熱材料30從SMA部件20傳導的熱量，使得SMA部件20中的每一者從溫度Ms冷卻到Mf，這對應于從奧氏體到馬氏體相的過渡，且促進SMA部件20的伸展。通過用導熱材料30和蓋40環繞SMA部件20中的每一者，其中導熱材料30和/ 或蓋40是絕緣體且因此是不導電的材料，于是在SMA致動器200的編織長度內的SMA致動器10的SMA部件20中的每一者彼此電絕緣，且其間不會導致短路或其它的電干擾。因此， SMA致動器10的所述配置使得能夠將多個SMA致動器10配置成彼此緊密接觸或實際接觸， 而不用考慮SMA致動器10中的每一者可能短路或以其它方式彼此電干擾的可能性。盡管本文所揭示的SMA致動器10、100、200是在具有大體上線性的SMA部件20、 120的大體上線性的致動器的上下文中揭示，但將了解，此些SMA致動器10、100、200及其相關聯的SMA部件10、120無需一定為線性的。相反，它們可呈例如彈簧等線圈、螺旋配置、例如彎曲部件、曲線部件、有彎部件、折疊部件、卷曲部件、扭曲部件等非線性細長部件或包含若干彎曲、曲線、折疊、卷曲或扭曲的部件或其組合的形式。因此，在SMA致動器10、100、200 以及SMA部件20、120的一些非線性配置中，其在加熱期間在馬氏體與奧氏體相之間的過渡可能不一定導致SMA部件20、120的長度的收縮。事實上，SMA部件20、120在從As到Af的加熱或從Ms到Mf的冷卻期間，在馬氏體與奧氏體相之間的過渡可導致幾何形狀的改變，其涉及彎曲、變直、轉彎、折疊、展開、卷曲、伸直、扭曲、拉直或任何其它幾何形狀改變，其取決于給與SMA部件20、120的構形。此外，盡管本文所揭示的SMA致動器10、100、200是在具有大體上線性的線SMA部件20、120的大體上線性的線致動器的上下文中揭示，但將了解，此些SMA致動器10、100、 200及其相關聯的SMA部件10、120無需一定由線或以線形狀形成，而是可為平面的、平坦的、中空的、管狀的、較厚的、較薄的、編織的等。此外，盡管本文所揭示的SMA部件10、120以及SMA致動器10、100、200是在具有大體上圓形橫截面的細長布置的上下文中揭示，但將了解，此些SMA部件10、120以及SMA 致動器10、100、200無需一定具有此些圓形橫截面。相反，SMA部件10、120以及SMA致動器10、100、200可具有任何橫截面形狀，包含(但不限于)橢圓形、三角形、正方形、平行四邊形、五邊形、六邊形、八邊形等橫截面形狀。類似地，導熱材料30、130和/或蓋40、140的橫截面形狀也可為圓形或任何其它形狀，包含(但不限于)橢圓形、三角形、正方形、平行四邊形、五邊形、六邊形、八邊形等。蓋40、140的形狀可(例如)形成多個鰭狀物或肋狀物(未圖示)。鰭狀物或肋狀物可橫向于SMA部件20、120的縱向軸X而布置，使得每一鰭狀物或肋狀物形成圍繞SMA部件20、120大體上同心的環。在另一形式中，鰭狀物或肋狀物可在與縱向軸X相同的方向上縱向布置，使得每一鰭狀物或肋狀物大體上在與SMA部件20、120相同的方向上延伸。通過包含鰭狀物或肋狀物，蓋40、140的表面積以及包含于蓋內的導熱材料30、130的表面積增加。因此，蓋40、140和/或導熱材料30、130耗散熱量的能力增加。本文已參考優選實施例描述了本發明。所屬領域的技術人員在閱讀和理解本說明書后將想到若干修改和更改。在此些修改和更改屬于所附權利要求書及其均等物的范圍內的程度上，既定包含所有此些修改和更改。
權利要求
1.一種形狀記憶合金布置，所述布置包含形狀記憶合金部件，其經配置以響應于所述形狀記憶合金部件的溫度變化而經歷馬氏體相與奧氏體相之間的轉變；以及導熱材料，其與所述形狀記憶合金部件接觸，其中所述導熱材料可操作以用于控制通過傳導來將熱量傳遞到所述形狀記憶合金部件或從所述形狀記憶合金部件傳遞熱量。
2.根據權利要求1所述的形狀記憶合金布置，其中所述形狀記憶合金部件具有縱向長度，且所述導熱材料沿所述形狀記憶合金部件的所述縱向長度的至少一部分覆蓋所述形狀記憶合金部件的整個外表面。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的形狀記憶合金，其中所述形狀記憶合金部件沿其整個長度具有縱向軸，所述縱向軸延伸穿過形成所述形狀記憶合金部件的形狀記憶合金材料，且所述導熱材料包含在與所述形狀記憶合金部件的所述縱向軸相同的方向上延伸的縱向軸。
4.根據前述權利要求中任一權利要求所述的形狀記憶合金布置，其中所述形狀記憶合金和所述導熱材料大體上同心布置。
5.根據前述權利要求中任一權利要求所述的形狀記憶合金布置，其中所述形狀記憶合金和所述導熱材料大體上同軸布置。
6.根據前述權利要求中任一權利要求所述的形狀記憶合金布置，其進一步包含用于控制所述導熱材料的導熱性以控制通過傳導來將熱量傳遞到所述形狀記憶合金部件或從所述形狀記憶合金部件傳遞熱量的構件。
7.根據前述權利要求中任一權利要求所述的形狀記憶合金布置，其進一步包含用于控制所述導熱材料的溫度以借此控制熱量到所述形狀記憶合金部件或從所述形狀記憶合金部件的傳導速率的構件。
8.根據前述權利要求中任一權利要求所述的形狀記憶合金布置，其進一步包含熱量傳遞裝置，所述熱量傳遞裝置用于將熱量傳遞到所述導熱材料或從所述導熱材料傳遞熱量， 且借此控制所述導熱材料的溫度。
9.根據前述權利要求中任一權利要求所述的形狀記憶合金布置，其中所述導熱材料為流體、固體或半固體材料。
10.根據前述權利要求中任一權利要求所述的形狀記憶合金布置，其中所述導熱材料由包含乙二醇、硅膏狀物和油的群組中的任一者或一者以上形成。
11.根據前述權利要求中任一權利要求所述的形狀記憶合金布置，其中所述導熱材料可操作以用于控制所述形狀記憶合金的周期時間，其中所述形狀記憶合金的所述周期時間包含所述形狀記憶合金部件從所述馬氏體相或奧氏體相中的一者轉變到所述相中的另一者且再次返回的速率。
12.根據前述權利要求中任一權利要求所述的形狀記憶合金布置，其中所述形狀記憶合金布置進一步包含至少部分地環繞所述導熱材料和所述形狀記憶合金部件的蓋。
13.根據權利要求12所述的形狀記憶合金，其中所述形狀記憶合金部件沿其整個長度具有縱向軸，所述縱向軸延伸穿過形成所述形狀記憶合金部件的形狀記憶合金材料，且所述蓋包含在與所述形狀記憶合金部件的所述縱向軸相同的方向上延伸的縱向軸。
14.根據權利要求12或權利要求13所述的形狀記憶合金布置，其中所述蓋經配置以使得當所述形狀記憶合金部件在所述馬氏體相或奧氏體相之間的轉變期間響應于溫度變化而改變形狀時，所述蓋也改變形狀。
15.根據權利要求12到14中任一權利要求所述的形狀記憶合金布置，其中所述蓋由柔性材料形成。
16.根據權利要求12到15中任一權利要求所述的形狀記憶合金布置，其中所述蓋由彈性材料形成。
17.根據權利要求12到16中任一權利要求所述的形狀記憶合金布置，其中所述形狀記憶合金部件和所述蓋大體上同心布置。
18.根據權利要求12到16中任一權利要求所述的形狀記憶合金布置，其中所述形狀記憶合金部件和所述蓋大體上同軸布置。
19.根據權利要求12到18中任一權利要求所述的形狀記憶合金布置，其中所述形狀記憶合金部件具有縱向長度，所述導熱材料沿所述縱向長度的至少一部分覆蓋所述形狀記憶合金部件的整個外表面，且所述蓋沿所述形狀記憶合金部件的所述長度的由所述導熱材料覆蓋的所述部分環繞所述導熱材料和所述形狀記憶合金部件。
20.根據前述權利要求中任一權利要求所述的形狀記憶合金布置，其進一步包含用于促進所述形狀記憶合金部件的溫度變化的構件。
21.根據權利要求20所述的形狀記憶合金布置，其中所述用于促進所述形狀記憶合金部件的溫度變化的構件包含用于將電流施加到所述形狀記憶合金部件的構件。
22.—種形狀記憶合金致動器，其包含根據前述權利要求中任一權利要求所述的形狀記憶合金布置，其中所述形狀記憶合金布置經配置以連接到可移動物體，且響應于形狀記憶合金部件的溫度變化而移動所述物體。
全文摘要
本發明涉及形狀記憶合金。具體來說，本發明涉及一種包含形狀記憶合金部件的形狀記憶合金布置，所述形狀記憶合金部件經配置以響應于所述形狀記憶合金部件的溫度變化而經歷馬氏體相與奧氏體相之間的轉變。所述布置還包含與所述形狀記憶合金部件接觸的導熱材料，其中所述導熱材料可操作以用于控制通過傳導來將熱量傳遞到所述形狀記憶合金部件或從所述形狀記憶合金部件傳遞熱量。本發明還涉及包含本發明的所述形狀記憶合金布置的形狀記憶合金致動器。所述形狀記憶合金布置經配置以連接到可移動物體，且響應于所述形狀記憶合金部件的溫度變化而移動所述物體。
文檔編號C22F1/00GK102264939SQ200980149721
公開日2011年11月30日 申請日期2009年11月23日 優先權日2008年11月24日
發明者亞歷山大·蘇比克, 弗朗西斯科·斯齊亞沃尼, 詹森·米勒, 馬丁·利瑞 申請人:先進汽車技術合作研究中心有限公司