專利名稱：控制形狀記憶合金的相變溫度的設備和方法
技術領域：
本發明涉及控制形狀記憶合金的相變溫度的設備和方法。
背景技術：
形狀記憶合金可以在各種裝置中用作促動器、傳感器或有其他功能。發生在形狀記憶合金中的兩個相常常稱為馬氏體和奧氏體相。馬氏體相是形狀記憶合金的較軟并可易于變形的相，其通常存在于較低溫度下。奧氏體相一形狀記憶合金的較強相一出現在較高溫度下。形狀記憶合金記住的其高溫形式時所處于 的溫度(稱為相變溫度)可以通過施加應力和其它方法來調節。在鎳-鈦形狀記憶合金中，例如，溫度可以從約100° C之上變化到約-100° C之下。在具有較高促動溫度需求的應用中，可以增加施加到形狀記憶合金元件的應力，以增加其相變溫度。然而，應力的增加減少形狀記憶合金的疲勞壽命。換句話說，持續地在較高促動溫度下操作形狀記憶合金導致短得多的壽命。

發明內容
提供了一種適于控制形狀記憶合金的相變溫度的裝置和方法。該裝置包括由形狀記憶合金構成的主金屬絲。主金屬絲限定出第一和第二端部，第一端部附連到固定結構，第二端部能夠移位，例如平移或旋轉。激活源熱聯接到金屬絲，并且是可操作的以選擇性地使得金屬絲在循環期間從馬氏體相可逆地轉變到奧氏體相。加載元件操作地連接到金屬絲，并配置為，當環境溫度等于或高于臨界溫度時選擇性地增加主金屬絲上的拉伸載荷，由此增加主金屬絲的相變溫度。換句話說，主金屬絲上的應力僅當環境溫度等于或高于臨界溫度時增加。當環境溫度處于臨界溫度之下時，主金屬絲在低應力下操作，從而獲得較長的壽命。這使得在一些另外需要高成本超高轉變溫度形狀記憶合金金屬絲的應用中使用較低成本的形狀記憶合金可行。提出了一種控制主金屬絲的相變溫度的方法，所述主金屬絲由第一形狀記憶合金構成并限定出兩個端部。主金屬絲的一個端部固定在一固定的位置，從而主金屬絲的另一個端部能夠移位。主金屬絲熱聯接到激活源，用于選擇性地使得主金屬絲在循環期間從馬氏體相可逆地轉變到奧氏體相。當環境溫度等于或高于臨界溫度時，主金屬絲上的拉伸載荷選擇性地增加，由此增加主金屬絲的相變溫度。本發明的上述特征和優勢及其他特征和優勢將從用于實施本發明的最佳模式的以下詳細描述連同附圖時顯而易見。


圖I是根據本發明的控制形狀記憶合金的相變溫度的裝置的示意圖；圖2是當環境溫度處于臨界溫度之上時圖I的裝置的示意圖；圖3是根據本發明的裝置的第二實施例的示意圖；圖4是根據本發明的裝置的第三實施例的示意圖5是根據本發明的裝置的第四實施例的示意圖；圖6是當環境溫度處于臨界溫度之上時圖5的裝置的示意圖；圖7是根據本發明的裝置的第五實施例的示意圖，這時主金屬絲處于冷態；圖8是當環境溫度處于臨界溫度之上且主金屬絲處于熱態時圖7的裝置的示意圖；圖9是用于圖7-8的裝置的替換可熱膨脹元件的示意圖；圖10是根據本發明的裝置的第六實施例的示意圖；圖11是根據本發明的裝置的第七實施例的示意圖；圖12是根據本發明的裝置的第八實施例的示意圖； 圖13是根據本發明的裝置的第九實施例的示意圖；圖14是根據本發明的裝置的第十實施例的示意圖；圖15是根據本發明的控制形狀記憶合金的相變溫度的方法的流程圖。
具體實施例方式參考附圖，其中在幾幅圖中相同的附圖標記指向相同或相似的構件，圖1-2示出裝置10的一部分，其具有主金屬絲12，所述主金屬絲12由第一形狀記憶合金(SMA)構成。如此處使用的，術語“金屬絲”不是限制性的，且應該包括其他類似的表現出拉伸載荷強度/應變能力的幾何構造，諸如線纜、線束、編織物、繩、條帶、鏈、帶子、彈簧和其它元件。取決于合金成分和加工歷史，合適的形狀記憶合金可以呈現出單向形狀記憶效應、固有的雙向效應、或非固有的雙向形狀記憶效應。如前所述，出現在形狀記憶合金中的兩個相常常稱為馬氏體和奧氏體相。馬氏體相是形狀記憶合金的較軟并可易于變形的相，其通常存在于較低溫度下。奧氏體相——形狀記憶合金的較強的相——出現在較高溫度下。由呈現出單向形狀記憶效應的形狀記憶合金成分形成的形狀記憶材料不自動重新成形(reform),且取決于形狀記憶材料設計，其可能需要外部機械力來重新成形先前呈現的形狀方位。呈現固有形狀記憶效應的形狀記憶材料由自身自動重新成形的形狀記憶合金成分制造。合適的形狀記憶合金材料包括但不限于鎳-鈦合金、銦-鈦基合金、鎳-鋁基合金、鎳-鎵基合金、銅基合金(例如銅-鋅合金，銅-鋁合金、銅-金合金和銅-錫合金)、金-鎘基合金、銀-鎘基合金、銦-鎘基合金、錳-銅基合金、鐵-鉬基合金、鐵-鉬基合金、鐵-鈀基合金等。形狀記憶合金材料可為二元、三元、或任意更高階，只要合金成分呈現形狀記憶效應，例如改變形狀取向、阻尼能力等。例如，鎳-鈦基合金是從Shape MemoryApplications, Inc可商業獲得，其商標為NITIN0L。形狀記憶合金特征在于冷態，即，當合金的溫度處于其馬氏體終了溫度Mf之下。形狀記憶合金的特征還在于熱態或超彈形態，即，當合金的溫度處于其奧氏體終了溫度Af之上。用合金形成的物體特征在于臨界形狀。當物體在冷態下從其臨界形狀偽塑性地變形時,可以通過將物體加熱到其奧氏體終了溫度Af之上而使應變反向，即，施加足以將物體加熱到其Af之上的熱激活信號將使得物體返回到其臨界形狀。SMA的彈性模量和屈服強度在冷態下還行還顯著低于在熱態下。如被本領域技術人員所理解的，偽塑性應變類似于當SMA在冷態下時應變持續存在的塑性應變。
參見圖1-2,激活源(activation source)14熱聯接到主金屬絲12,并且是可操作的以選擇性地使得主金屬絲12在循環期間從馬氏體相可逆地轉變到奧氏體相。來自激活源14的激活信號可以包括但不限于熱信號或電信號，而具體的激活信號取決于形狀記憶合金和/或裝置的材料和/或配置。控制器15操作地聯接到激活源14并配置為控制激活源14。例如，控制器15可以引導電流流過主金屬絲12以加熱主金屬絲12。主金屬絲12的第一端部16操作地連接到固定結構18。主金屬絲12的第二端部20操作地連接到可旋轉桿22，從而第二端部20能夠移位，例如，平移或旋轉。桿22在主金屬絲12處于其冷態下時呈第一桿位置24，當主金屬絲12處于其熱態下時呈第二桿位置26 (以虛線示出)。第一彈簧28在一個端部操作地連接到桿22，并配置為朝向第一桿位置24偏置桿22。參考圖1-2，副金屬絲30操作地連接到桿22。副金屬絲30由具有比主金屬絲低的相變溫度的第二形狀記憶合金構成，即，副金屬絲30具有比主金屬絲12的奧氏體開始溫度低的奧氏體終了溫度。副金屬絲30配置作為加載元件，以當環境溫度等于或高于臨界溫度時選擇性地增加主金屬絲12上的拉伸載荷，由此增加主金屬絲12的相變溫度。在圖1-2的實施例中，臨界溫度至少是副金屬絲30的奧氏體開始溫度。主金屬絲12和副金屬絲30特征在于各自的預定長度，它們在偽塑性變形之后在它們的熱態下回復到該預定長度。如 圖1-2中所示，主金屬絲12、副金屬絲30和第一彈簧28每一個在一個端部固定到固定結構18，諸如公共的殼體。替換地，主金屬絲12、副金屬絲30和第一彈簧28可以固定到分立的固定結構。參見圖1，在正常操作期間，當環境溫度處于副金屬絲30的奧氏體開始溫度之下且主金屬絲12處于其冷態下時，主金屬絲12的彈性模量和屈服強度足夠低，使得桿22位于第一桿位置24，由此使主金屬絲12從其預定長度伸長。副金屬絲30可以如圖I中所示是松弛的或是直的(未示出)。由于副金屬絲30處于其冷態下，其彈性模量和屈服強度足夠低，使得副金屬絲30從其預定長度伸長。當主金屬絲12通過激活源14而被激活到其熱態時，主金屬絲12回復到其預定長度并且模量增加，由此朝向第二桿位置26 (圖I中以虛線示出)拉動桿22并使副金屬絲30延伸。副金屬絲30在這些情形下的任意情形下均不施加任何應力在主金屬絲12上。因此，在正常操作期間，當環境溫度處于副金屬絲30的奧氏體開始溫度之下時，副金屬絲30保持休眠狀態(dormant)并允許主金屬絲12在較低應力條件下操作。參考圖2，當環境溫度達到副金屬絲30的奧氏體開始溫度時，副金屬絲30開始在奧氏體和馬氏體之間的結晶相變。隨著環境溫度增加到副金屬絲30的奧氏體終了溫度之上，副金屬絲30進入其熱態或超彈形態，導致副金屬絲30回復到其預定長度并且模量增力口。接下來，當主金屬絲12通過激活源14而被激活到其熱態時，主金屬絲12回復到其預定長度并且模量增加，朝向第二桿位置26拉動桿22并由此使副金屬絲30伸展。副金屬絲30在其伸展時施加一力，增加主金屬絲12上的拉伸載荷和應力。副金屬絲12施加的力的量可以通過其成分、轉變溫度以及其總橫截面積調節。參見圖2，可選地，固定的止動構件44可以定位為鄰近桿22，以阻止桿22運動超過第一桿位置24，以便防止主金屬絲12在其處于其冷態下時進一步伸展。換句話說，主金屬絲12可以在沒有任何被施加的應力的情況下“閑置”。在沒有止動構件44的情況下，當主金屬絲12處于其冷態下時，如果環境溫度處于副金屬絲30的奧氏體開始溫度之上，則拉伸應力可以通過偏置彈簧28和副金屬絲30施加到主金屬絲12上。在一個示例中，臨界溫度比主金屬絲12的初始變換溫度低5%至90%。在一個示例中，副金屬絲30施加的額外的拉伸載荷約為主金屬絲12經受的額定載荷(拉伸)的5%至90%。額定載荷是在沒有副金屬絲30的情況下主金屬絲12經受的載荷。僅通過示例，主金屬絲12可以由第一鎳鈦基合金構成，所第一鎳鈦基合金在沒有應力的情況下具有約65攝氏度的奧氏體終了溫度。在一個示例中，副金屬絲30可以由第二鎳鈦基合金構成，所第二鎳鈦基合金在沒有應力的情況下具有約70攝氏度的奧氏體終了溫度。這里，當環境溫度超過70攝氏度時，裝置10中的副金屬絲30可以將大約175MP的拉伸載荷施加到主金屬絲12上，由此將主金屬絲12的奧氏體終了溫度增加到大約90攝氏度。可選地，副金屬絲30可以連接到第二激活源54，該第二激活源54聯接到控制器55，如圖2中所示的。第二激活源54可以配置為使加熱電流流過副金屬絲30，將副金屬絲30加熱到其熱態并選擇性地增加施加到主金屬絲12的應力的量。通過在主金屬絲12復原或從其熱態運動到其冷態時使較大量的電流流過副金屬絲30，可以消除副金屬絲30引起 的應力滯后現象。即，在固定的溫度下，讓副金屬絲30伸展所需的應力通常高于在收縮中副金屬絲30施加的應力。參見圖3，其中相同的附圖標記指向圖1-2中的相同的部件，示出了說明第二實施例的裝置110。圖3示意性地描繪了由第二形狀記憶合金構成的副金屬絲130，所述第二形狀記憶合金具有比主金屬絲12低的相變溫度，所述副金屬絲130操作地連接到桿22。副金屬絲130配置作為加載元件，以當環境溫度增加到臨界溫度之上時選擇性地增加主金屬絲12上的拉伸載荷。圖3中的實施例進一步包括應變限制機構132，該應變限制機構132可以附連在副金屬絲130和固定結構18之間。應變限制機構132包括第二彈簧134、連接器136和限制構件138。第二彈簧134是預拉伸的，并在副金屬絲130上施加幾乎恒定的力。限制構件138至少部分地圍繞連接器136，并配置為限制第二彈簧134拉伸副金屬絲130的量。換句話說，限制構件138配置為防止副金屬絲130應變超過設定點。在正常操作期間，當環境溫度處于副金屬絲130的奧氏體開始溫度之下時，裝置110的操作與圖1-2中所示的裝置10相同。參見圖3，當環境溫度等于或高于副金屬絲130的奧氏體開始溫度時，副金屬絲130開始從馬氏體到奧氏體改變結晶相，由此在桿22上施加力。但是，選擇第二彈簧134使得副金屬絲130施加的力在該階段不足以克服第二彈簧134中的偏置力，從而第二彈簧134保留在位。當環境溫度等于或高于副金屬絲130的奧氏體終了溫度時，副金屬絲130進入其熱態，導致副金屬絲130回復到其預定長度并且模量增力口，且施加足以超過第二彈簧134中的偏置力的力，由此沿方向140拉伸第二彈簧134。因此，圖3中的實施例的臨界溫度是副金屬絲130的奧氏體終了溫度。第二彈簧134中的力和位移特點允許副金屬絲130克服如之前提到的應力滯后現象。例如，如果第二彈簧134是長的，則其施加的力在副金屬絲130的運動范圍內幾乎恒定。這最小化了副金屬絲的應力滯后現象；如已知的，在固定的溫度下，讓副金屬絲30伸展所需的應力通常高于副金屬絲30在收縮時施加的應力。另外，這最小化了副金屬絲130施加的應力的溫度依從性。參見圖4，顯示了說明第三實施例的裝置210。裝置210包括主金屬絲212，所述主金屬絲212由第一形狀記憶合金(SMA)構成。激活源214熱聯接到主金屬絲212，并且是可操作的以選擇性地使得主金屬絲212在循環期間從馬氏體相可逆地轉變到奧氏體相。控制器215操作地聯接到激活源214并配置為控制激活源214。主金屬絲212的第一端部216附連到固定結構218。第二端部220操作地連接到可旋轉桿222，從而第二端部220能夠移位，例如，平移或旋轉。桿222在主金屬絲212處于其冷態下時呈第一桿位置224，當主金屬絲212處于其熱態下時呈第二桿位置226 (以虛線示出)。第一彈簧228操作地連接到桿222，并配置為朝向第一桿位置224偏置桿222。裝置210包括壓縮彈簧240，所述壓縮彈簧240例如通過附連到固定結構218而在一個端部被固定。壓縮彈簧240至少部分地被可逆相變材料242圍繞，壓縮彈簧240和相變材料242兩者均可以定位在殼體246中。選擇相變材料242為在臨界溫度下具有固態至液態的相變溫度。參見圖4，在正常操作期間，當環境溫度處于臨界溫度之下時，相變材料(phase-change material )242基本上是固態,且配置為使壓縮彈簧240鎖定或壓縮。當環境溫度達到臨界溫度時，相變材料242經歷固態至液態相變并配置為釋放壓縮彈簧240，從而當主金屬絲212激活時，壓縮彈簧240在主金屬絲212上施加拉伸載荷。因此，壓縮彈簧240用作加載元件，所述加載元件配置為，當環境溫度等于或高于臨界溫度時選擇性地增加主金屬絲212上的拉伸載荷，由此增加主金屬絲212的相變溫度。在一個示例中，相變材料242是石蠟。可以使用在臨界溫度下具有固態至液態相變溫度的任何合適的材料。 參見圖5-6，顯示了說明第四實施例的裝置310。裝置310包括主金屬絲312，所述主金屬絲312由第一形狀記憶合金(SMA)構成。激活源314熱聯接到主金屬絲312，并且是可操作的以選擇性地使得主金屬絲312在循環期間從馬氏體相可逆地轉變到奧氏體相。控制器315操作地聯接到激活源314并配置為控制激活源214。主金屬絲312的第一端部316附連到固定結構318。主金屬絲312的第二端部320操作地連接到可旋轉桿322，從而第二端部320能夠移位，例如，平移或旋轉。桿322在主金屬絲312處于其冷態下時呈第一桿位置324，當主金屬絲312處于其熱態下時呈第二桿位置326 (以虛線示出)。第一彈簧328操作地連接到桿322，并配置為朝向第一桿位置324偏置桿322。參見圖6，裝置310包括副金屬絲330，所述副金屬絲330聯接和脫開輔助桿340，從而當環境溫度等于或高于臨界溫度時，主金屬絲312中的應力可以增加。副金屬絲330由第二形狀記憶合金構成，所述第二形狀記憶合金具有比第一形狀記憶合金低的相變溫度。輔助桿340可以通過樞轉鉤342選擇性地聯接到桿322。鉤342相對于輔助桿340在第一鉤位置346和第二鉤位置348之間可旋轉。第二彈簧329操作地連接到輔助桿340，并配置為朝向輔助桿的第一位置350偏置輔助桿340。第三彈簧349操作地連接到鉤342，并配置為朝向第一鉤位置346偏置鉤342。止動構件344可以用于防止桿322和輔助桿340運動超過設定點。主金屬絲312和副金屬絲330特征在于各自的預定長度，它們在偽塑性變形之后在它們的熱態下回復到該預定長度。參見圖5，在正常操作期間，當環境溫度處于副金屬絲330的奧氏體開始溫度之下時，鉤342位于第一鉤位置346。隨著主金屬絲312在其冷態和熱態之間變換，輔助桿340保持靜止。參見圖6，當環境溫度等于或高于副金屬絲330的奧氏體開始溫度時，副金屬絲330回復到其預定長度并且模量增加，使鉤42朝向第二鉤位置348促動，由此將輔助桿340聯接到桿322。接下來，當主金屬絲312被激活到其熱態時，主金屬絲312回復到其預定長度并且模量增加，由此在桿322上施加力，所述桿322現在聯接到輔助桿340 (參見圖6中位置350)。輔助桿340至桿322的聯接選擇性地增加主金屬絲312上的拉伸載荷。
參見圖7-8，顯示了說明第五實施例的裝置410。裝置410包括主金屬絲412，所述主金屬絲412由第一形狀記憶合金(SMA)構成。激活源414熱聯接到主金屬絲412，并且是可操作的以選擇性地使得主金屬絲412在循環期間從馬氏體相可逆地轉變到奧氏體相。控制器415操作地聯接到激活源414并配置為控制激活源414。主金屬絲412的第一端部416操作地連接到固定結構418，而第二端部420操作地連接到可平移滑動件422，從而第二端部420能夠移位，例如，平移或旋轉。可熱膨脹元件430操作地連接到滑動件422。可熱膨脹元件430包括附連元件432，所述附連元件432至 少部分地位于殼體434內并至少部分地被相變材料436圍繞。殼體434可以附連到固定結構418。拉簧(extension spring)438在一個端部操作地聯接到滑動件422，在另一個端部操作地連接到附連元件432。主金屬絲412特征在于預定長度，主金屬絲412在偽塑性變形之后在其熱態下回復到該預定長度。圖7示出當環境溫度處于臨界溫度之下且主金屬絲412處于其冷態時的裝置410。參見圖7，在正常操作期間，當環境溫度處于臨界溫度之下并且主金屬絲412處于其冷態下時，主金屬絲412的彈性模量和屈服強度足夠低，使得滑動件422位于第一滑動件位置424，由此使主金屬絲412從其預定長度伸長。當主金屬絲412被加熱到其熱態時，主金屬絲412回復到其預定長度并且模量增加，由此沿方向426拉動滑動件422并使拉簧438伸展。可熱膨脹元件430在閑置結構440中保持靜止(圖7中所示)，并且在這些情形下的任意情形中均不施加任何應力在主金屬絲412上。參見圖8，當環境溫度超過臨界溫度時，可熱膨脹元件430運動到延伸結構442。在延伸結構442中，相變材料436膨脹到更大的體積，拉動附連元件432并因此拉動滑動件422和拉簧438。圖8示出當環境溫度等于或高于臨界溫度且主金屬絲412處于其熱態時的裝置410。參見圖8，當主金屬絲412被加熱到其熱態時，主金屬絲412回復到其預定長度并且模量增加，由此沿方向426拉動滑動件422并在拉簧438上施加力。在延伸結構中可熱膨脹元件430施加的相反力選擇性地增加主金屬絲412上的拉伸載荷。可選地，固定的止動構件444可以用于防止滑動件411朝向可熱膨脹元件430平移超過設定點，由此防止當主金屬絲412處于其冷態下時該主金屬絲412伸展。換句話說，止動構件444防止在主金屬絲412被加熱到其熱態之前在延伸結構下的可熱膨脹元件430和偏動彈簧438施加的力傳送到主金屬絲412。可熱膨脹元件430可以用具有大的熱膨脹系數的任何合適的材料形成。在一個示例中，相變材料436是石蠟。在該情況下臨界溫度是可熱膨脹元件430充分膨脹以克服偏置力并使拉簧438伸展所處的溫度。參見圖9，在替換實施例中，圖7-8中的可熱膨脹元件430可以是雙金屬元件460，所述雙金屬元件460具有第一和第二金屬層462、464，每一個金屬層具有不同的熱膨脹系數。在一個不例中，第一金屬層462是銅,第二金屬層464是鋼。第一和第二金屬層462、464可以通過焊接或其它合適的方法在它們的整個長度上剛性地連結在一起。當環境溫度于臨界溫度之下時，雙金屬元件460呈閑置結構466，圖9中以虛線示出。當環境溫度等于或高于臨界溫度時，第一和第二金屬層462、464以不同速率膨脹，導致雙金屬元件460彎曲或變形到延伸結構468，并因此使拉簧438伸展。在另一實施例中，可熱膨脹元件可以是具有約每開氏溫度O. 0001的熱膨脹系數的尼龍棒。
參見圖10，顯示了說明第六實施例的裝置510。裝置510包括主金屬絲512，所述主金屬絲512由第一形狀記憶合金(SMA)構成。激活源514熱聯接到主金屬絲512，并且是可操作的以選擇性地使得主金屬絲512在循環期間從馬氏體相可逆地轉變到奧氏體相。控制器515操作地聯接到激活源514并配置為控制激活源514。主金屬絲512的第一端部516附連到固定結構518。第二端部520操作地連接到可旋轉桿522，從而第二端部520能夠移位，例如，平移或旋轉。桿522當主金屬絲512處于其冷態下時呈第一桿位置524，且當主金屬絲512處于其熱態時沿方向526旋轉。可旋轉桿522具有樞轉點523，圖10中所示。第一彈簧528在一個端部操作地連接到桿522，并配置為朝向第一桿位置524偏置桿522。參見圖10，裝置510包括由第二形狀記憶合金構成的副金屬絲530，第二形狀記憶合金具有比主金屬絲512低的相變溫度。副金屬絲530在一個端部操作地連接到片簧532，且在另一端部操作地連接到固定結構518。主金屬絲512和副金屬絲530特征在于各自的預定長度，它們在偽塑性變形之后在它們的熱態下回復到該預定長度。參見圖10，在正常操作期間，當環境溫度處于副金屬絲530的奧氏體開始溫度之下時，副金屬絲530呈第一位置545。當環境溫度等于或高于副金屬絲530的奧氏體開始溫 度時，副金屬絲530開始從馬氏體到奧氏體變化結晶相，由此在片簧532上施加力。但是，副金屬絲530施加的力不足以克服片簧532的偏置力。參見圖10，當環境溫度處于副金屬絲530的奧氏體終了溫度之上時，副金屬絲530進入其熱態，導致副金屬絲530回復到其預定長度并且模量增加，且施加足以克服片簧532的偏置力的力。這拉動或拽動片簧532進入到桿522的路徑，如圖10中在位置547處以虛線示出的。在該情況下，當主金屬絲512被激活到其熱態時，隨著主金屬絲512沿方向526旋轉，該主金屬絲512遭遇到對桿522的旋轉的阻力(相反力)。因此，副金屬絲530配置作為加載元件，以當環境溫度等于或高于臨界溫度時選擇性地增加主金屬絲512中的應力。在該情況下臨界溫度至少是副金屬絲530的奧氏體開始溫度。參見圖11，顯示了說明第七實施例的裝置610。裝置610包括主金屬絲612，所述主金屬絲612由第一形狀記憶合金(SMA)構成。激活源614熱聯接到主金屬絲612，并且是可操作的以選擇性地使得主金屬絲612在循環期間從馬氏體相可逆地轉變到奧氏體相。控制器615操作地聯接到激活源614并配置為控制激活源614。主金屬絲612的第一端部616附連到固定結構618。第二端部620操作地連接到帶輪622，從而第二端部620能夠移位，例如，平移或旋轉。力元件624操作地連接到主金屬絲612,例如通過低摩擦繩626。力元件624可以是重物、彈簧或配置為施加力的任何其它機構。副金屬絲630在一個端部操作地連接到帶輪622，且在另一端部操作地連接到固定結構618。副金屬絲630配置為，當環境溫度超過臨界溫度時，在主金屬絲612上產生相反力。主金屬絲612和副金屬絲630特征在于各自的預定長度，它們在偽塑性變形之后在它們的熱態下回復到該預定長度。在正常操作期間，當環境溫度處于副金屬絲630的奧氏體開始溫度之下并且主金屬絲612處于其冷態下時，主金屬絲612的彈性模量和屈服強度足夠低，使得主金屬絲612從其預定長度伸長。當主金屬絲612被激活到其熱態時，主金屬絲612回復到其預定長度并且模量增加，從而主金屬絲612提升力元件624或使力元件624延伸。當環境溫度保持在副金屬絲630的奧氏體開始溫度之下時，副金屬絲630在位置632保持休眠并允許主金屬絲612在較低應力條件下操作。
參考圖11，當環境溫度達到副金屬絲630的奧氏體開始溫度時，副金屬絲630開始了在奧氏體和馬氏體之間的結晶相變。隨著環境溫度增加到副金屬絲630的奧氏體終了溫度之上，副金屬絲630進入其熱態，導致副金屬絲630模量增加，并繼而沿方向650促動帶輪622，如圖11中所示。這增加了主金屬絲612上的拉伸載荷或應力。參見圖12，顯示了說明第八實施例的裝置710。裝置710包括主金屬絲712，所述主金屬絲712由第一形狀記憶合金(SMA)構成。激活源714熱聯接到主金屬絲712，并且是可操作的以選擇性地使得主金屬絲712在循環期間從馬氏體相可逆地轉變到奧氏體相。控制器715操作地聯接到激活源714并配置為控制激活源714。主金屬絲712的第一端部716附連到固定結構718。第二端部720操作地連接到力元件722，例如通過低摩擦繩，從而第二端部720能夠移位，例如，平移或旋轉。力元件722可以是重物、彈簧或配置為施加力的任何其它機構。副金屬絲730在一個端部操作地連接到力元件722，且在另一端部操作地連接到固定結構718。副金屬絲730配置為，當環境溫度超過臨界溫度時，在主金屬絲712上產生相反力。主金屬絲712和副金屬絲730特征在于各自的預定長度，它們在偽塑性變形 之后在它們的熱態下回復到該預定長度。參見圖12，在正常操作期間，當環境溫度處于副金屬絲730的奧氏體開始溫度之下且主金屬絲712處于其冷態下時，主金屬絲712的彈性模量和屈服強度足夠低，使得力元件722位于第一元件位置724，由此使主金屬絲712從其預定長度伸長。副金屬絲730可以是直的或松弛的。當主金屬絲712被加熱到其熱態時，主金屬絲712回復到其預定長度并且模量增加，由此使力元件722朝向第二元件位置726 (圖14中以虛線示出)提升(或延伸)并使副金屬絲730伸展。副金屬絲730在這些情形下均不施加任何應力在主金屬絲12上。參考圖12，當環境溫度達到副金屬絲730的奧氏體開始溫度時，副金屬絲730開始了在奧氏體和馬氏體之間的結晶相變。隨著環境溫度增加到副金屬絲730的奧氏體終了溫度之上，副金屬絲730進入其熱態，導致副金屬絲730模量增加，由此在力元件722上施加力。這增加了主金屬絲712上的拉伸載荷或應力。可選地，止動構件744可以定位為鄰近力元件722，以阻止力元件722運動超過第一元件位置724，以便防止主金屬絲712在其處于其冷態下時伸展。參見圖13，顯示了說明第九實施例的裝置810。裝置810包括第一主金屬絲812和第二主金屬絲813，所述第一主金屬絲812和第二主金屬絲813兩者均由第一形狀記憶合金構成。激活源814熱聯接到第一和第二主金屬絲812、813，并且是可操作的以選擇性地使得主金屬絲812和副金屬絲813在循環期間從馬氏體相可逆地轉變到奧氏體相。控制器815操作地聯接到激活源814并配置為控制激活源814。參見圖13，第一主金屬絲812在第一端部816操作地連接到固定結構818，并且在第二端部820操作地連接到力元件822。力元件822可以是重物、彈簧或配置為施加力的任何其它機構。第二主金屬絲813在第一端部817操作地連接到固定結構818，并且在第二端部821操作地連接到力元件822。第一和第二主金屬絲812、813特征在于預定長度，它們在偽塑性變形之后在它們的熱態下回復到該預定長度。在正常條件下，當環境溫度處于臨界溫度之下時，第一和第二主金屬絲812、813兩者均進行工作。當第一和第二主金屬絲812、813處于它們各自的冷態下時，它們的彈性模量和屈服強度足夠低，使得它們從它們的預定長度伸長。隨著第一和第二主金屬絲812、813通過激活源814加熱到它們的奧氏體終了溫度之上時，第一和第二主金屬絲812、813回復到它們的預定長度并且模量增加，從而第一和第二主金屬絲812、813 —起提升(或延伸)力元件822。當環境溫度等于或高于預定的臨界溫度時，控制器停用第二主金屬絲813。這增加了主金屬絲812上的相對拉伸載荷，允許主金屬絲812像處于在臨界值之上的環境溫度下在高應力下的主金屬絲一樣發揮功能。在該情況下臨界溫度可以由本領域技術人員為即將發生的具體應用選擇。參見圖14，顯示了說明第十實施例的裝置910。裝置910包括第一主金屬絲912和第二主金屬絲913，所述第一主金屬絲912和第二主金屬絲913兩者均由第一形狀記憶合金(SMA)構成。激活源914熱聯接到第一和第二主金屬絲912、913，并且是可操作的以選擇性地使得主金屬絲912在循環期間從馬氏體相可逆地轉變到奧氏體相。控制器915操作地聯接到激活源914并配置為控制激活源914。主金屬絲912的第一端部916附連到固定結構918。主金屬絲912的第二端部920操作地連接到可旋轉桿922，從而第二端部920能夠 移位。桿922包括當主金屬絲912處于其冷態下時的第一桿位置924。當主金屬絲912處于其熱態下時，桿922沿方向926旋轉。第一彈簧928在一個端部操作地連接到桿922，并配置為朝向第一桿位置924偏置桿922。參見圖14，第二主金屬絲913在一個端部操作地連接到固定結構918，在另一個端部操作地連接到可運動連接構件932，從而另一端可以平移。連接構件932至少部分地圍繞桿922。副金屬絲930操作地連接到桿922。副金屬絲930由第二形狀記憶合金構成，所述第二形狀記憶合金具有比主金屬絲912的奧氏體開始溫度低的奧氏體終了溫度。第一和第二主金屬絲912、913和副金屬絲930特征在于各自的預定長度，它們在偽塑性變形之后在它們的熱態下回復到該預定長度。在正常操作期間，當環境溫度處于副金屬絲930的奧氏體開始溫度之下時，連接構件932呈第一連接位置950，圖14中以實線示出。在該結構中，第二主金屬絲913配置為支持桿922沿方向926的旋轉。因此，第一和第二主金屬絲912、913兩者均在該結構中進行工作。片簧940操作地連接到副金屬絲930，并配置為朝向第一連接位置950偏置連接構件 932。當環境溫度等于或高于副金屬絲930的奧氏體終了溫度時，副金屬絲930進入其熱態并回復到其預定長度，由此朝向第二連接位置952拉動連接構件932，在圖14中在位置954處以虛線示出。在該結構中，第二主金屬絲913脫開接合并不再支持桿922沿方向926的旋轉。因此，僅第一主金屬絲912在該結構中進行工作。這增加了第一主金屬絲912上的載荷，允許主金屬絲912像處于在臨界值之上的溫度下且在高應力下的金屬絲一樣工作。參見圖15，提供了對裝置10中的主金屬絲12的相變溫度進行控制的方法1000，其中主金屬絲12由第一形狀記憶合金構成。該方法1000參照圖1-2而被描述，但可應用于上述所有實施例。在步驟1002中，主金屬絲12的第一端部16附連到固定結構18，而主金屬絲12的第二端部20操作地連接到可運動結構(諸如桿22)，從而第二端部20能夠平移。在步驟1004中，主金屬絲12熱聯接到激活源14，用于選擇性地使得主金屬絲12在循環期間從馬氏體相可逆地轉變到奧氏體相。在步驟1006中，當環境溫度等于或高于臨界溫度時，主金屬絲12上的拉伸載荷選擇性地增加，由此增加主金屬絲12的相變溫度。在一些實施例中(分別參見圖13和14中的裝置810和910)，選擇性地增加主金屬絲(分別參見圖13和14中的812和912)上的拉伸載荷包括添加由第一形狀記憶合金構成的第二主金屬絲(分別參見圖13和14中的813和913)，并當環境溫度等于或高于臨界溫度時停用第二主金屬絲813、913。當環境溫度處于臨界溫度之下時，第二主金屬絲(分別參見圖13和14中的813和913)支撐主金屬絲(分別參見圖13和14中的812和912)。應意識到，此處公開的方法可以實施為為由控制器或由模擬電路執行的算法。控制器可以包括但不限于具有處理器的計算機、存儲器、軟件、傳感器、電路和用于控制裝置 和形狀記憶合金所需的任何其它部件。參見圖1-14，裝置 10、110、210、310、410、510、610、710、810 和 910 可以包括在每一個裝置內利用主金屬絲的任何類型或方式的設備。例如，裝置10、110、210、310、410、510、610,710,810和910可以包括但不限于空氣通風組件、卸壓閥、座椅安全帶提供器、斷路器、傳感器、或一些其它類似的裝置。主金屬絲12可以被用作主動促動器以在一些條件下引起裝置10、110、210、310、410、510、610、710、810和910的運動，或被用作被動促動器以被動地引起力或位移(諸如超彈性血管支架或托牙線)，或被用作傳感器以確定裝置10、110、210、310、410、510、610、710、810和910的操作狀態。另外，在每一個裝置中的主金屬絲可以即用作傳感器也用作促動器，或以此處未示出或描述的一些其它方式使用。盡管已經對執行本發明的較佳模式進行了詳盡的描述，但是本領域技術人員可得知在所附的權利要求的范圍內的用來實施本發明的許多替換設計和實施例。
權利要求
1.一種適于控制第一形狀記憶合金的相變溫度的裝置，所述裝置包括 主金屬絲，由第一形狀記憶合金構成； 其中，主金屬絲限定出第一和第二端部，第一端部固定地附連到一結構，第二端部能夠移位； 激活源，熱聯接到金屬絲并且是可操作的，以選擇性地使得主金屬絲在循環期間從馬氏體相可逆地轉變到奧氏體相； 加載元件，操作地連接到主金屬絲，并配置為，當環境溫度等于或高于臨界溫度時選擇性地增加主金屬絲上的拉伸載荷，由此增加主金屬絲的相變溫度。
2.如權利要求I所述的裝置，其中 主金屬絲特征在于初始相變溫度和額定載荷； 其中，臨界溫度比初始相變溫度低約5%至90% ;和 加載元件施加的拉伸載荷約為額定載荷的5%至90%。
3.如權利要求I所述的裝置，還包括 可旋轉桿，操作地連接到主金屬絲； 其中，當主金屬絲處于冷態下時桿具有第一桿位置，當主金屬絲處于熱態下時桿具有第二桿位置； 第一彈簧，在一個端部操作地連接到桿并且在另一個端部固定，第一彈簧朝向第一桿位置偏置所述桿。
4.如權利要求3所述的裝置，其中 加載元件是由第二形狀記憶合金構成的副金屬絲，副金屬絲在一個端部操作地連接到桿且在另一個端部固定；和 臨界溫度至少是副金屬絲的奧氏體開始溫度。
5.如權利要求4所述的裝置，還包括止動構件，配置為當主金屬絲處于馬氏體相時防止主金屬絲的伸展。
6.如權利要求3所述的裝置，其中 其中，加載元件是由第二形狀記憶合金構成的副金屬絲，臨界溫度至少是副金屬絲的奧氏體開始溫度；且還包括 應變限制機構，操作地連接在副金屬絲和固定結構之間，所述應變限制機構包括 預拉伸第二彈簧，配置為在副金屬絲上施加大約恒定的力； 連接器，操作地連接到副金屬絲；和 限制構件，至少部分地圍繞連接器并配置為限制副金屬絲上的應變。
7.如權利要求3所述的裝置，其中 加載元件是在一個端部固定的壓縮彈簧； 所述壓縮彈簧至少部分地被相變材料圍繞，并當環境溫度處于臨界溫度之下時被相變材料壓縮， 相變材料配置為，當環境溫度等于或高于臨界溫度時，進行融化或呈現出至少50%的剛度減少中的任一項，由此允許壓縮彈簧在主金屬絲上施加拉伸載荷。
8.如權利要求3所述的裝置，其中加載元件是輔助桿，所述輔助桿配置為，當環境溫度超過臨界溫度時，選擇性地聯接桿；輔助桿包括樞轉鉤，相對于輔助桿在第一鉤位置和第二鉤位置之間可旋轉，當所述鉤構件位于第二鉤位置時輔助桿聯接到桿； 輔助彈簧，操作地連接到鉤，并配置為朝向第一鉤位置偏置鉤； 副金屬絲，操作地聯接到鉤，并配置為當環境溫度超過臨界溫度時朝向第二鉤位置拉動鉤。
9.如權利要求3所述的裝置，其中加載元件是可在兩種結構之間運動的可熱膨脹元件，所述兩種結構為當環境溫度處于臨界溫度之下時的閑置結構，和當環境溫度等于或高于臨界溫度時的延伸結構；且進一步包括 可平移滑動件，操作地連接到金屬絲； 拉簧，在一個端部操作地聯接到滑動件，在另一個端部操作地連接到可熱膨脹元件；和 固定的止動構件，配置為防止滑動件朝向可膨脹元件平移超過臨界點，由此防止當主金屬絲處于其馬氏體相下時伸展。
10.如權利要求3所述的裝置，其中加載元件是由第二形狀記憶合金構成的副金屬絲，臨界溫度至少是副金屬絲的奧氏體開始溫度；且還包括 片彈簧，操作地聯接到相對的金屬絲，并配置為當環境溫度超過臨界溫度時抵抗桿朝向第二桿位置的旋轉。
全文摘要
提供了一種控制形狀記憶合金的相變溫度的設備和方法。該裝置包括由形狀記憶合金構成的主金屬絲。主金屬絲限定出第一和第二端部，第一端部附連到固定結構，第二端部能夠移置。激活源熱聯接到金屬絲，并且是可操作的以選擇性地使得主金屬絲在循環期間從馬氏體相可逆地轉變到奧氏體相。加載元件操作地連接到主金屬絲，并配置為，當環境溫度處于或高于臨界溫度時選擇性地增加主金屬絲上的拉伸載荷，由此增加主金屬絲的相變溫度。
文檔編號C22F1/00GK102864398SQ20121023654
公開日2013年1月9日 申請日期2012年7月9日 優先權日2011年7月7日
發明者X.高, A.L.布朗, P.W.亞歷山大, N.L.約翰遜, W.布朗 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司, 合金力學公司