專利名稱：一種低速直線運動的實現方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種驅動物體作直線運動的技術方法與裝置，具體涉及一種通 過熱管熱膨脹與面積效應行程放大原理，來實現低速直線運動輸出的裝置。
背景技術：
低速直線運動力輸出裝置，在機械領域中的應用極為廣泛。目前，實現低 速直線運動的技術方法，歸納起來主要有以下幾種
(1) 以高速旋轉電動機或內燃機等為動力源，通過減速器和旋轉一直線運動 轉換機構來實現低速直線運動。應用較多的旋轉一直線運動轉換機構是螺旋傳 動和齒輪一齒條傳動，這種裝置的顯著缺點是結構復雜，且因為存在高速旋轉 的機械傳動裝置，噪聲污染比較的嚴重。
(2) 采用液壓傳動，配合節流調速回路，使得液壓缸活塞進行低速直線運動。 這一技術的顯著缺點是能量形式轉換環節多，節流調速回路效率極低，造成能 源利用率低。此外，液壓泵的噪聲污染和因油液泄漏造成的環境污染，都比較
的嚴重。
(3) 采用數控轉動的伺服電機，通過絲杠一螺母機構實現低速直線運動。這 一技術的顯著缺點是伺服電機及其驅動電源的價格較髙。此外，整個裝置在空 間位置的安裝布置方面，遠不及液壓傳動裝置靈活方便。
(4) 采用數控直線運動的伺服電機，直接得到低速直線運動。這一技術的顯 著缺點是除了伺服電機及其驅動電源的價格較高，以及空間安裝布置不方便 外，直線伺服電機的體積，特別是直徑尺寸較大，也常常讓設計人員感到棘手。
由上述可知，目前普遍使用的低速直線運動裝置均存在比較明顯的缺陷， 需要尋求新的提供低速直線運動的技術方法，以滿足使用上的需求。
發明內容
本發明目的是提供一種具有能源利用率高、穩定性好、體積小、基本無污 染的低速直線運動技術。
為達到上述目的，本發明采用的技術方案是 一種低速直線運動的實現方 法，其原理在于將一端固定的熱管因受熱膨脹而產生的微量伸長位移，通過 自由端作用于面積效應行程放大裝置，轉變為輸出活塞的顯著位移，實現低速 直線運動。
應用上述低速直線運動的實現方法的一種低速直線運動裝置，包括一端固 定的熱管、對所述熱管進行加熱與冷卻的裝置、以及與熱管的自由端配合的面 積效應行程放大裝置，所述對熱管進行加熱與冷卻的裝置是半導體制熱/制冷 快速轉換裝置(4)。
上述技術方案中，所述面積效應行程放大裝置，由固定在熱管自由端的主 動活塞(6),與主動活塞缸體(5)、輸出活塞(10)及輸出活塞缸體(9)組成，主動 活塞(6)與主動活塞缸體(5)配合形成主動活塞腔，輸出活塞(10)與輸出活塞缸 體(9)配合形成輸出活塞腔，主動活塞腔與輸出活塞腔聯通形成封閉空間，封 閉空間內填充有液體介質(7)，輸出活塞桿與缸體壁之間設有復位彈簧(ll)。 所述熱管的自由端與主動活塞固定端之間，設置有隔熱墊(3)。 所述主動活塞腔與輸出活塞腔之間，通過管路(8)進行聯通。 上文中，半導體制熱/制冷快速轉換裝置提供熱能，使熱管發生尺寸膨脹 而產生驅動力，面積效應行程放大裝置用于傳遞驅動力并轉換行程，控制裝置 用于控制熱管的溫度與輸出活塞的動作，通常，控制裝置可以采用計算機及其 中的軟件實現，在實際使用中，也可以設置專門的單片機電路等實現。所述半 導體制熱/制冷快速轉換元件包括P型半導體元件、n型半導體元件、熱電偶、 熱端換熱器以及冷端換熱器。其工作原理是基于帕爾帖效應，把P型半導體 元件和n型半導體元件連接成熱電偶，并接上直流電源后，由帕爾貼效應可 知，在兩個接頭處就會產生溫差，其中一個接頭處吸熱，溫度降低，即為冷端； 另一個接頭處放熱，溫度升高，即為熱端。若干個這樣的電偶對在電路上串聯 起來，就構成一個常見的制熱/制冷組件，即熱電堆。借助于熱交換器等各種 傳熱措施，將熱端放出的熱量加以利用，即為制熱；將冷端置于一定的環境中
去吸熱，即為制冷。只要改變電流方向，就可以將冷熱端方向相互轉換。而改 變輸入電功率的大小，就能改變加熱與冷卻速度。
所述熱管為現有技術，包括金屬密封管、吸液芯和蒸汽通道。標準熱管是 一個封閉的依靠工質相變傳熱的元件，將金屬管內的不凝氣體除去，抽成負壓， 管內壁附著有毛細管作用的多孔材料做吸液芯，充入工質后該密封金屬管就變 成了一根熱管。熱管沿軸向分為蒸發段、絕熱段和冷凝段。蒸發段管內的液相 工質從管外熱源吸收熱量并蒸發。氣相工質髙速向冷凝段移動，當與溫度較低 的冷凝段管壁接觸后放熱冷凝成液體，液體工質再利用吸液芯的毛細作用回流 到蒸發段。如此往復，不斷的傳遞熱量。
上述技術方案中，所述面積效應行程放大裝置利用帕斯卡原理，主動活塞 腔、液體管路以及輸出活塞腔組成一個密閉空間，液體介質作為傳動介質，大 直徑的主動活塞推動小直徑的輸出活塞運動，形成一個行程放大裝置。主動活 塞腔通過管路與輸出活塞腔聯通，并通過封閉在腔內和管路內的液體介質將主 動活塞接受的微量位移進行放大。
使用時，利用半導體制熱/制冷快速轉換元件進行加熱，溫度升髙使得熱 管的金屬封閉管產生縱向的伸長，這個伸長量通過主動活塞傳遞給液體介質， 液體介質產生壓強并作用在輸出活塞左端面，推動輸出活塞向右進行低速直線 運動，并同時產生輸出力。
進一步的技術方案，所述熱管外設有溫度傳感器，所述半導體制熱/制冷 快速轉換元件設有溫度控制器，其信號經由電路傳輸給控制裝置。所述溫度控 制器以及溫度傳感器的設置，并且與控制裝置相連接，可以準確地對溫度迸行 監控，根據需要進行調整。
進一步的技術方案，密閉空間的液體介質與壓強傳感器連接，其信號經由 電路傳輸給控制裝置。所述壓強傳感器對壓力信號進行采集，并將信號傳遞給 控制裝置，進而對壓力進行監控。
由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點
1.由于本發明通過半導體制熱/制冷快速轉換元件對熱管進行加熱或冷 卻，使得熱管隨著溫度的升髙而產生縱向的伸長，通過主動活塞將伸長量傳遞 給液體介質，液體介質產生壓強并驅動輸出活塞進行低速直線運動，較之以往
的技術方法與裝置，本發明能源利用率髙，穩定性好；
2. 本發明的整個裝置中，沒有髙速運動的機械構件，基本不會產生噪音 污染；主動活塞與輸出活塞之間的液體介質是密閉的，泄漏問題容易解決，不 會產生一般液壓系統因油液揮發泄漏而造成的地面及空氣污染；
3. 由于本發明中主動活塞腔與輸出活塞腔是通過管路聯通，給輸出活塞 的空間位置設計提供了很大方便和自由。
4. 本發明結構簡單，體積小，并且成本低廉，適合推廣使用。
附圖1為本發明實施例一中低速直線運動裝置的結構示意附圖2為本發明實施例一中半導體制熱/制冷快速轉換元件原理示意附圖3為本發明實施例一中熱管原理示意附圖4為本發明實施例一中面積效應行程放大裝置原理示意圖。 其中1、控制裝置；2、熱管；3、隔熱墊；4、半導體制熱/制冷快速轉 換元件；5、主動活塞輸入缸體；6、主動活塞；7、液體介質；8、管路；9、 輸出缸體；10、輸出活塞；11、復位彈簧；12、溫度傳感器；13、溫度控制器； 14、壓強傳感器；15、 P型半導體元件；16、 N型半導體元件；17、熱電偶； 18、熱端換熱器；19、冷端換熱器；20、金屬密封管；21、吸液芯；22、蒸汽 通道。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述
實施例一參見附圖1至附圖4所示， 一種低速直線運動裝置，包括溫控 微量位移驅動裝置、面積效應行程放大裝置以及控制裝置1，控制裝置釆用計 算機實現，所述溫控微量位移驅動裝置包括一熱管2,所述熱管下端固定，上 端固定有隔熱墊3，所述熱管外側環繞設置有半導體制熱/制冷快速轉換元件4; 所述面積效應行程放大裝置，由固定在熱管自由端的主動活塞6，與主動活塞 缸體5、輸出活塞10及輸出活塞缸體9組成，主動活塞6與主動活塞缸體5 配合形成主動活塞腔，輸出活塞10與輸出活塞缸體9配合形成輸出活塞腔，
主動活塞腔與輸出活塞腔通過管路聯通形成封閉空間，封閉空間內填充有液體 介質7。
如圖2所示，半導體制熱/制冷快速轉換元件包括P型半導體元件15、 N 型半導體元件16、熱電偶17、熱端換熱器18以及冷端換熱器19。
熱管包括金屬密封管20、吸液芯21和蒸汽通道22,如圖3所示。
如圖4所示的面積效應行程放大裝置，包括主動活塞輸出缸體、主動活塞、 液體介質、液體管路、輸出缸體9、輸出活塞10以及復位彈簧11。
工作時，半導體制熱/制冷快速轉換元件為制熱狀態，溫度升高使得熱管 的金屬封閉管縱向伸長，驅動主動活塞，通過主動活塞將伸長量傳遞給液體介 質產生壓強，經由管路驅動輸出活塞向右進行低速直線運動，同時產生輸出力。 向右運動過程結束后，通過反向電流使得半導體制熱/制冷快速轉換元件轉換 為制冷狀態，則熱管的金屬封閉管縱向收縮，在復位彈簧的作用下，輸出活塞 向左低速運動返回，完成一個工作循環。
在工作過程中，輸出活塞產生的實際輸出力F，可以通過壓強傳感器進行 間接測量計算。壓強傳感器和溫度傳感器的數據進入計算機，計算機通過溫度 控制器，控制半導體裝置進行制熱/制冷轉換，可以在動態下將實際輸出力F控 制在所要求的范圍內。之所以采用這種半閉環自動控制方式，主要考慮因素是 壓強的測量極為方便，控制系統成本低。
需要說明的是，熱管的相變傳熱是不可逆的。故制冷過程中熱管的金屬封 閉管產生縱向收縮，依靠的是熱傳導，故輸出活塞向左低速運動返回的時間， 在輸入功率相同的前提下，要長于向右運動的工作過程時間。若要使二者時間
大致相同，則應使制熱時的輸入電功率，小于制冷時的輸入電功率。
權利要求
1．一種低速直線運動的實現方法，其特征在于將一端固定的熱管因受熱膨脹而產生的微量伸長位移，通過自由端作用于面積效應行程放大裝置，轉變為輸出活塞的顯著位移，實現低速直線運動。
2. —種低速直線運動裝置，其特征在于包括一端固定的熱管、對所述 熱管進行加熱與冷卻的裝置、以及與熱管的自由端配合的面積效應行程放大裝 置，所述對熱管進行加熱與冷卻的裝置是半導體制熱/制冷快速轉換裝置(4)。
3. 根據權利要求2所述的低速直線運動裝置，其特征在于所述面積效 應行程放大裝置，由固定在熱管自由端的主動活塞(6)、主動活塞缸體(5)、輸 出活塞(10)及輸出活塞缸體(9)組成，主動活塞(6)與主動活塞缸體(5)配合形成 主動活塞腔，輸出活塞(10)與輸出活塞缸體(9)配合形成輸出活塞腔，主動活塞 腔與輸出活塞腔聯通形成封閉空間，封閉空間內填充有液體介質(7)，輸出活 塞桿與缸體壁之間設有復位彈簧(ll)。
4. 根據權利要求2所述的低速直線運動裝置，其特征在于所述熱管外 側設有溫度傳感器(12)，所述半導體制熱/制冷快速轉換元件設有溫度控制器 (13)，其信號經由電路傳輸給控制裝置。
5. 根據權利要求3所述的低速直線運動裝置，其特征在于所述面積效 應行程放大裝置中設有壓強傳感器(14),其信號經由電路傳輸給控制裝置。
6. 根據權利要求3所述的低速直線運動裝置，其特征在于熱管自由端 與主動活塞固定端之間，設置有隔熱墊(3)。
7. 根據權利要求3所述的低速直線運動裝置，其特征在于主動活塞腔與 輸出活塞腔之間，通過管路(8)進行聯通。
全文摘要
本發明公開了一種低速直線運動方法，將一端固定的熱管因受熱膨脹而產生的微量伸長位移，通過自由端作用于面積效應行程放大裝置，轉變為輸出活塞的顯著位移，實現低速直線運動。其裝置，包括一端固定的熱管、對所述熱管進行加熱與冷卻的裝置、以及與熱管的自由端配合的面積效應行程放大裝置，所述對熱管進行加熱與冷卻的裝置是半導體制熱/制冷快速轉換裝置。本發明通過溫控微量位移驅動裝置，經面積效應行程放大裝置驅動進行低速直線運動，提高了能源的利用效率，穩定性好，無污染，適合推廣使用。
文檔編號F03G7/06GK101363423SQ20081019659
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月12日 優先權日2008年9月12日
發明者王傳洋, 竇云霞, 鐘康民 申請人:蘇州大學