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1、10申请公布号CN102016306A43申请公布日20110413CN102016306ACN102016306A21申请号200980116462722申请日2009050861/05135120080508USF03G7/06200601F16K31/00200601G05D23/0220060171申请人通用汽车环球科技运作公司地址美国密执安州72发明人X高AL布朗NL约翰逊ND曼凯姆GA埃雷拉GP麦奈特PB乌索罗NW平托RJ斯库尔基斯PW亚历山大74专利代理机构中国专利代理香港有限公司72001代理人彭武54发明名称使用外部元件来控制活性材料致动器中的热传递57摘要一种致动器包括热激。
2、活的活性材料构件和外部元件，所述外部元件配置成与所述构件选择性地接合且具有配置成将热能传递给所述构件和/或从所述构件传递热能的预定导热率，从而在接合时减少激活周期或在激活之后的冷却速率。30优先权数据85PCT申请进入国家阶段日2010110886PCT申请的申请数据PCT/US2009/0432662009050887PCT申请的公布数据WO2009/137757EN2009111251INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书6页附图4页CN102016316A1/2页21一种热激活的活性材料致动器，包括活性材料构件，所述活性材料构件能操作以在暴露于热激。
3、活信号或者被遮蔽热激活信号时经受基本属性的可逆变化，从而分别在激活周期内被激活、和去激活，且在被激活之后具有环境冷却速率；以及外部元件，所述外部元件具有预定导热率，且配置成选择性地与所述构件接合，从而减少所述周期和/或加快所述速率。2根据权利要求1所述的致动器，其中，所述构件是形状记忆合金拉线。3根据权利要求1所述的致动器，其中，冷却速率加快至少10。4根据权利要求1所述的致动器，其中，冷却速率加快至少25。5根据权利要求1所述的致动器，其中，所述形状记忆合金构件在去激活时具有第一截面面积，在被激活时具有大于第一截面面积的第二截面面积，所述外部元件是外部护套，所述外部护套限定内部空间，所述内部。
4、空间具有大于第一截面面积而通常不大于第二截面面积的第三截面面积，所述SMA构件设置在所述空间内。6根据权利要求5所述的致动器，其中，第三面积不小于第一面积的125。7根据权利要求5所述的致动器，其中，第三面积小于第二面积，且护套是可拉伸的，从而在所述构件被激活时呈现径向上覆层。8根据权利要求5所述的致动器，其中，所述护套是柔性的，所述构件具有限定角部和外表面的多边形截面形状，第一、第二和第三面积协作地配置，使得在所述构件去激活时仅仅多边形的角部与护套接触，且在所述构件被激活时护套与表面呈现上覆层。9根据权利要求5所述的致动器，其中，导热率不小于空气导热率的500。10根据权利要求9所述的致动器。
5、，其中，护套由选自主要由以下材料构成的组的材料制成铜、铜合金、铝和铝合金。11根据权利要求5所述的致动器，其中，护套是纵向分段的。12根据权利要求1所述的致动器，其中，SMA构件具有外表面，外部元件是流体，所述流体与所述表面接合且热联接到源，所述源能操作以在将所述构件暴露于信号之前将流体和从而所述构件加热至目标温度从而减少所述周期和/或在所述构件暴露于信号之后将流体和从而所述构件冷却至目标温度以加快所述速率。13根据权利要求12所述的致动器，其中，所述构件内部地设置在管道内，所述管道流体地联接到所述源，且流体在管道和源内流动。14根据权利要求12所述的致动器，其中，所述源是车辆发动机，流体是来。
6、自于发动机的空气流，所述构件选择性地暴露于所述空气流。15根据权利要求1所述的致动器，其中，形状记忆合金构件具有外表面和奥氏体完成温度，外部元件是热联接到形状记忆合金构件的材料层，所述层具有大于所述完成温度且小于该温度的预定百分比的熔点或蒸发点，从而在致使所述构件产生过量热能时熔化或蒸发，且具有能操作去除所述过量的熔化热或蒸发热。16根据权利要求15所述的致动器，其中，所述百分比不小于110。17根据权利要求16所述的致动器，其中，所述材料是石蜡。18根据权利要求15所述的致动器，还包括在所述层外部的收集器护套，所述构件具有第一导热率，所述护套具有大于第一导热率的150的第二导热率，从而从所述。
7、构件和权利要求书CN102016306ACN102016316A2/2页3层吸取热能。19一种激活形状记忆合金致动器的方法，所述致动器包括恢复机构，所述恢复机构能操作在激活之后在环境条件下使得致动器以第一恢复速率恢复，所述方法包括A将激活信号施加给致动器，从而激活致动器；和B在激活之后，将恢复信号施加给致动器，从而实现比第一恢复速率更慢的第二恢复速率。权利要求书CN102016306ACN102016316A1/6页4使用外部元件来控制活性材料致动器中的热传递0001相关申请0002本申请参考于2008年5月8日提交的题为“CONTROLMETHODSFORSMAACTUATORS”的美国临时。
8、专利申请序列NO61/051,351且要求该临时专利申请的优先权和权益，该临时专利申请的公开内容作为参考引入本文。技术领域0003本发明总体上涉及控制热激活的活性材料致动器的方法，且更具体地涉及使用外部元件来控制致动器内的热传递的方法。背景技术0004热激活的活性材料致动器，如处于马氏体状态的形状记忆合金SMA致动器，通过将该材料加热到高于预定值的温度来激活。对于SMA，这使得材料经受从马氏体到奥氏体状态的相变，其中，该材料收缩且在该过程中用于做功。例如，SMA拉线借助于通过该拉线施加电流来电阻加热。一旦被激活，致动器在被再次激活之前必须经受冷却周期。该方法的关心的问题包括限制激活周期从而提供。
9、更即时的激活，以及限制冷却周期，冷却周期进一步有助于防止过热。此外，应当理解的是，延长的激活和冷却周期可能引起减少的系统响应带宽，其中，过热可能引起对致动器的损害。因而，期望具有加快激活和冷却的有效手段，从而使激活流线化且在致动器的寿命内防止过热。发明内容0005本发明通过提供使用外部元件以在热激活循环内减少激活周期和/或加快冷却时间的新式形状记忆合金致动器来解决这些问题。除了其它之外，本发明用于减少带宽，且在热激活循环期间防止过热。因而，本发明用于实现更有效的操作，用于保护SMA致动器和由其驱动的装置或机器的整体性。0006在本发明的第一方面，一种热激活的活性材料致动器适合于减少如上所述的冷。
10、却时间。致动器包括活性材料构件，所述活性材料构件能操作在暴露于热激活信号或者被遮蔽热激活信号时经受基本属性的可逆变化，从而分别被激活和去激活。所述元件在去激活时具有第一截面面积，在被激活时具有大于第一截面面积的第二截面面积。独创地，所述致动器还包括外部护套，所述外部护套具有设计成传导地加快冷却的预定导热率。所述护套限定内部空间，所述内部空间具有大于第一截面面积而通常不大于第二截面面积的第三截面面积。最后，所述元件设置在所述空间内。0007在本发明的第二方面，所述致动器适合于减少激活时间。在此，所述致动器包括具有外表面的活性材料构件、以及外部流体，所述外部流体与所述表面接合且热联接到加热源，所述。
11、加热源能操作在将元件暴露于激活信号之前将流体和从而所述元件加热至目标温度。0008本发明可通过参考本发明的各个特征的以下详细说明和本文包括的示例更容易说明书CN102016306ACN102016316A2/6页5理解。附图说明0009本发明的优选实施例在下文参考示例性比例的附图详细描述，在附图中0010图1是根据本发明优选实施例的形状记忆合金致动器的截面图，所述致动器包括限定具有第一截面面积的内部空间的护套、以及设置在所述空间中且具有小于第一截面面积的第二截面面积的SMA拉线；0011图1A是图1所示的致动器的截面图，其中，拉线已经被激活，具体地示出了拉线具有至少等于第一截面面积的增大的第三。
12、截面面积；0012图1B是根据本发明优选实施例的图1所示的致动器的透视图，包括分段护套，所述分段护套包括由多个柔性肋互连且隔开的多个部段；0013图2是根据本发明优选实施例的形状记忆合金致动器的截面图，所述致动器包括限定具有第一截面面积的内部空间的柔性护套、以及设置在所述空间中且具有小于第一截面面积的第二截面面积的SMA拉线，所述SMA拉线具有多边形配置，从而就是说仅仅沿其角部与护套接触；0014图2A是图2所示的致动器的截面图，其中，拉线已经被激活，具体地示出了拉线具有至少等于第一截面面积的增大的第三截面面积，从而使得护套与拉线的形状相符；0015图3是根据本发明优选实施例的系统的简图，所述。
13、系统包括形状记忆合金致动器、与致动器热接合的源、和封装所述致动器且流体地联接到所述源的管道；0016图3A是图3所示的致动器和管道的截面图；和0017图4是根据本发明优选实施例的形状记忆合金致动器的截面图，所述致动器具有外部材料层，所述外部材料层在相对目标温度范围的情况下具有熔化热或蒸发热。具体实施方式0018如图14所示，本文提出了新式致动器10的各个实施例，致动器10包括热激活的活性材料构件例如，拉线12和外部元件14，外部元件14可操作以减少拉线12的激活和/或冷却周期。即，外部元件14产生预定导热率，该预定导热率在与往返周围空间的热传递速率相比时减少激活周期和/或加快冷却速率。更具体地。
14、，外部元件14能操作减少激活周期和/或加快冷却速率至少10，最优选地至少25。虽然本文具体参考SMA进行描述，但是借助于其它热激活的活性材料如，形状记忆聚合物SMP使用本发明的益处当然也在本发明的范围内。优选实施例的以下说明本质上仅仅是示例性的，且绝不旨在限制本发明、其应用或使用。0019在图3中，系统16适合与致动器拉线12一起使用，致动器拉线12驱动地联接到负载18且能操作做有用机械功。系统16还包括能操作将激活信号传输给拉线12的功率源20。最后，控制器22通信地联接到功率源20和拉线12且配置成在需要时使得致动器10驱动负载18。如本文使用的，术语“拉线”不是限制性的，而在与本发明的几。
15、何形状限制相容的范围内，应当包括具有抗拉负载强度/应变能力的其它类似几何配置，例如缆线、束、编织物、绳索、条、链和其它元件。说明书CN102016306ACN102016316A3/6页60020如本文使用的，形状记忆合金SMA通常指的是一组金属材料，其在经受合适的热激励时能够恢复某些之前限定的形状或尺寸。形状记忆合金能经受相变，其中它们的屈服强度、硬度、尺寸和/或形状随温度而改变。术语“屈服强度”指的是材料展现距应力和应变比发生特定偏离时的应力。一般来说，在低温或在马氏体相时，形状记忆合金能够发生伪塑性变形，且在暴露给一定高温时将改变成奥氏体相或母相，从而回到它们变形前的形状。仅在加热时展现。
16、这种形状记忆效应的材料称为具有单向形状记忆。在再次冷却时也展现形状记忆的材料称为具有双向形状记忆性能。0021形状记忆合金存在几个与温度相关的不同相。这些相中最常用到的就是前面提到的所谓马氏体相和奥氏体相。在以下的描述中，马氏体相一般指的是更易发生变形的低温相，而奥氏体相一般指的是更刚硬的高温相。当形状记忆合金处于马氏体相并被加热时，其开始改变成奥氏体相。这种现象开始时的温度通常称为奥氏体起始温度AS。这种现象结束时的温度称为奥氏体完成温度AF。0022当形状记忆合金处于奥氏体相并被冷却时，其开始改变成马氏体相，这种现象开始时的温度称为马氏体起始温度MS。奥氏体完成转变成马氏体时的温度则称为马。
17、氏体完成温度MF。一般来说，形状记忆合金在马氏体相较软、较容易发生变形，而在奥氏体相较硬、更刚性且更刚硬。由上可知，适合用于形状记忆合金的激活信号是具有在马氏体和奥氏体相之间引起转变的大小的热激活信号。0023取决于合金成分和工艺过程，形状记忆合金可以展现单向形状记忆效应、内在的双向效应、或外在的双向形状记忆效应。退火处理的形状记忆合金一般只展现单向的形状记忆效应。对低温变形之后的形状记忆材料进行充分加热将导致马氏体向奥氏体的转变类型，而材料将恢复到初始的退火后的形状。然而，单向的形状记忆效应只能在加热时看到。包括展现单向记忆效应的形状记忆合金成分的活性材料无法自动重新成形，可能需要外部的机械。
18、力来使其重新形成形状。0024内在的双向形状记忆材料和外在的双向形状记忆材料的特征在于，既可以在从马氏体相加热为奥氏体相时发生形状改变，同时也可以在从奥氏体相冷却回到马氏体相时发生附加形状改变。展现内在的形状记忆效应的活性材料是由会使活性材料由于上述提及的相变而自动重新成形的形状记忆合金成分制成。内在的双向形状记忆特性必须通过工艺过程引入形状记忆材料。这些工艺过程包括在马氏体相时的材料极限变形，在约束或载荷条件下的加热冷却，诸如激光退火、抛光或喷丸加工的表面改性。一旦材料被训练展现双向形状记忆效应，那么在高低温状态之间的形状变化通常是可逆的并且在经过很多个热循环后仍然能保持有效。相比而言，展现。
19、外在的双向形状记忆效应的活性材料是将展现单向效应的形状记忆合金成分与提供回复力以重新形成初始形状的另一种成分组合而成的复合物或多成分材料。0025形状记忆合金被加热到某一温度时会记忆其高温形态，此温度可以通过合金成分的细微改变和通过热处理过程进行调整。例如，在镍钛形状记忆合金中，上述温度可以从高于约100变至低于约100。形状恢复过程只在几度的范围内发生，而且根据期望应用以及合金的成分，可以将此转变过程的开始或结束控制在1或2度之内。在跨过形状记忆合金发生转变的温度范围内，其机械属性会发生巨大的变化，通常为系统提供形状记忆效应、超弹性效应和高阻尼容量。说明书CN102016306ACN1020。
20、16316A4/6页70026合适的形状记忆合金材料包括，但并不限于，镍钛基合金、铟钛基合金、镍铝基合金、镍镓基合金、铜基合金如铜锌合金、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、铁铂基合金、铁钯基合金及类似物。这些合金可以是二元的、三元的或任何更高元的，只要合金成分在例如形状取向变化、阻尼容量等方面展现形状记忆效应即可。0027在通常使用中，当加热至高于SMA的马氏体奥氏体相变温度时，SMA具有25倍的模量增加和高达8取决于预应变量的尺寸变化在处于马氏体相时引起的伪塑性变形的恢复。0028形状记忆聚合物SMP一般指的是一组聚合物材料，其在经受合适的温度激励。
21、时能够恢复先前限定的形状。形状记忆聚合物能发生相变，其中它们的形状将会随温度而改变。通常，SMP具有两种主要部分，硬部分和软部分。先前限定的或永久的形状可以通过在比最高热转变温度更高的温度下熔融或处理聚合物且随后冷却到该热转变温度之下来设定。最高热转变通常是硬部分的玻璃转变温度TG或熔融点。暂时形状可以通过将材料加热至比软部分的TG或转变温度更高但是比硬部分的TG或熔融点更低的温度来设定。在以软部分的转变温度处理材料并随后冷却以固定形状时，设定暂时形状。材料可通过将材料加热至高于软部分的转变温度来逆变至永久形状。0029例如，聚合物材料的永久形状可以是具有大致直线形状且限定第一长度的拉线，而暂。
22、时形状可以是限定比第一长度更小的第二长度的类似拉线。在另一个实施例中，材料可呈现弹簧形式，在激活时具有第一弹性模量，在去激活时具有第二模量。0030永久形状恢复所需温度可以设定为在大约63和大约120或以上之间的任何温度。设计聚合物本身的成分和结构可以允许针对期望应用选择特定温度。形状恢复的优选温度大于或等于大约30，更优选大于或等于大约0，最优选大于或等于大约50。而且，形状恢复的优选温度小于或等于大约120，最优选小于或等于大约120且大于或等于大约80。0031合适的形状记忆聚合物包括热塑性、热固性、互穿网络、半互穿网络或混合网络。聚合物可以是单种聚合物或者聚合物的混合物。聚合物可以具有。
23、侧链或树枝结构元件的线性或分支热塑性弹性体。适合形成形状记忆聚合物的聚合物组分包括但不限于聚磷腈、聚乙烯醇、聚酰胺、聚酯酰胺、聚氨酸、聚酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚亚烃基烯、聚丙烯酰胺、聚亚烷基二醇、聚烷基氧化物、聚亚烷基对苯二甲酸酯、聚原酸酯、聚乙烯醚、聚乙烯酯、聚乙烯卤化物、聚酯、聚交酯、聚二醇、聚硅氧烷、聚氨基甲酸酯、聚醚、聚醚酰胺、聚醚酯及其共聚物。合适的聚丙烯酸酯的示例包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙醇、聚丙烯酸丁酯、聚甲基丙烯酸异丁酯、聚己基丙烯酸酯、聚异癸基丙烯酸酯，聚甲基丙烯酸月桂酯、聚苯基丙烯酸酯、聚丙烯酸甲酯、聚异丙基丙烯酸酯、聚异丁基丙烯酸酯和聚十八基丙烯酸酯。其他合。
24、适的聚合物的示例包括聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯酚、聚乙烯吡咯烷酮、氯化聚乙烯、聚十八烷基乙烯基醚乙烯醋酸乙烯共聚物、聚乙烯、聚环氧乙烷聚对苯二甲酸乙二酯、聚乙烯/尼龙接枝共聚物、聚己酸内酯一聚酰胺嵌段共聚物、聚己酸内酯丙烯酸酯N丙烯酸丁酯、聚冰片基多面低聚硅酸酯、聚氯乙烯、尿烷/丁二稀共聚物、聚氨基甲酸酯嵌段共聚物、苯乙烯丁二稀苯说明书CN102016306ACN102016316A5/6页8乙烯嵌段共聚物等等。0032因而，应当理解的是，SMP在加热至高于其具有较低玻璃转变温度的成分的玻璃转变温度时展现模量的剧烈下降。如果在温度下降时保持加载/变形，变形形状将在SMP中设定，直到在没有负载的情。
25、况下被再次加热，在该状况下，将恢复模制形状。虽然SMP可变化地使用块、薄片、厚片、栅格、束、纤维或泡沫形式，但是它们需要连续功率来保持其较低模量状态。0033回到本发明，图1示出了第一示例性实施例，其中，外部元件14是护套24，护套24配置成选择性地接合活性材料构件例如，拉线12且从拉线12吸取热能。更具体地，在拉线12在去激活时具有第一截面面积且在被激活时具有大于第一截面面积的第二截面面积的情况下，护套24限定具有第三截面面积的内部空间26，第三截面面积大于第一截面面积而通常不大于第二截面面积。更优选地，第三面积不小于第一截面面积的125。0034拉线12设置在空间26中。因而，在正常去激活。
26、状态，拉线12理想地沿由两个圆形截面图1限定的切线最小地接触护套24。在激活时，拉线径向膨胀，从而填充空间26且显著增加拉线12和护套24之间的接合接触面积图1A。这样，由于护套24提供的增加的热传递速率，拉线12能够以另外加快的冷却速率传递热能。即，在接合时，护套22通过传导产生比由环境条件提供的冷却速率更大的冷却速率。0035因而，护套24配置成具有显著大于0024W/MK空气的传导率的导热率即，热传递系数。例如，护套24可由分别具有大约400和250W/MK的导热率的铜例如，铜合金或铝例如，铝合金形成。如图1B所示，优选护套24纵向分段，从而在接合时允许在没有摩擦损失的情况下拉线12的连。
27、续纵向膨胀/收缩。在此，部段24A可以通过多个柔性肋28图1B互连以保持合适的间距。0036优选护套24也是可拉伸的，从而第三面积可以小于第二面积。在此，当拉线12被激活时，护套24和拉线12将通常呈现径向上覆的层，从而最大化接合接触面积。护套24可以具有可整体拉伸的本体，或者可以包括将辐射状节段EMISSIVESECTOR弹性地互连的纵向膜未示出。在另一个替代方案中，当护套24是柔性的时，拉线12可具有多边形截面形状，限定角部12A和外表面12B图2。在此，第一、第二和第三面积协作地配置，使得在拉线12处于正常去激活状态时仅仅多边形的角部12A与护套24接触，且在拉线12被激活时使得护套24。
28、与表面12B相符，从而与表面12B限定上覆层。0037在本发明的第二方面，外部元件14是配置成选择性地接合表面12B的流体30。流体30热联接到源32，源32能操作将流体30和从而拉线12加热和/或冷却至目标温度。即，源32可在将拉线12暴露于激活信号之前加热拉线12，从而“起动”拉线12并减少激活周期；和/或在暴露于信号之后冷却拉线12，从而加快冷却速率。在例如机动车设置中，源32可以是车辆未示出的发动机或冷却系统。关于前者，应当理解的是，源32将在正常操作期间产生加热的环境空气。通过将拉线12选择性地暴露于加热的空气，可以实现起动。通过在与冷却系统的热侧和冷侧相互作用之间切换，拉线12可通。
29、过冷却系统分别加热和冷却。0038替代地，拉线12可以内部地设置在管道34内，管道34流体地联接到源32，如图3所示。流体30在管道34和源32内流动且优选地由管道34和源32除了驱动杆和说明书CN102016306ACN102016316A6/6页9电触头之外，其被保护不受流体影响气密地密封。同样，当源32是车辆发动机时，管道34可以配置成将空气流从发动机引导到拉线12，从而拉线起动是发动机正常操作的副产物。可以设置阀36，从而拉线12选择性地暴露于空气流。0039最后，在图4所示的第三示例中，外部元件14是材料层38，材料层38热联接且更优选地直接接合拉线表面12B。层38具有大于拉线12。
30、的奥氏体完成温度且小于该温度的预定百分比的熔点或蒸发点，从而在致使拉线12产生过量热能时熔化或蒸发。更优选地，该百分比不大于125，最优选地为110，从而确保快速响应且使得热过量和所需材料最小化。0040层38具有能操作去除过量热量的熔化热即，熔化焓或蒸发热。例如，层38可具有在100300J/G之间的熔化热，因而，适合在本文使用的材料是石蜡。在图4中也示出了收集器护套40，护套40在外部容纳处于熔化或蒸发状态的材料层38，直到释放其能量并再次固化或液化。为此，护套40具有的导热率同样不小于拉线12的导热率，从而从拉线12和层38吸取热能。更优选地，收集器护套40具有的导热率大于拉线12的导热。
31、率150，最优选200。0041在本发明的另一个方面，应当理解的是，可以使用增加的冷却速率以在激活拉线12后施加恢复信号以减慢致动器12的恢复，而不减少带宽，与先前实施例不同。施加的恢复信号在不同条件内可以变化以实现一致的恢复。0042该书面说明书使用示例来公开本发明，包括最佳模式，且也使得本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可专利范围由权利要求限定，且可以包括本领域技术人员可以想到的其它示例。如果这种其它示例具有与权利要求的文字语言并无不同的结构元件或者如果它们包括与权利要求的文字语言并无实质差别的等价结构元件，那么它们旨在处于权利要求的范围内。0043同样，如本文使用的，措词“第一”、“第二”等并不表示任何顺序或重要性，而是用于将一个元件与另一个元件进行区分，措词“该”、“一”并不表示数量的限制，而是表示存在至少一个所引用项。涉及相同数量的给定部件或测量值的所有范围包括端点且可以独立地组合。说明书CN102016306ACN102016316A1/4页10图1图1A图1B说明书附图CN102016306ACN102016316A2/4页11图2图2A说明书附图CN102016306ACN102016316A3/4页12图3说明书附图CN102016306ACN102016316A4/4页13图3A图4说明书附图CN102016306A。