CN113192795A - 一种基于形状记忆合金的多温度阶梯控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于形状记忆合金的多温度阶梯控制装置及控制方法，提供一种不仅可以提高温控***的可靠性和普适性,而且机构简单、安装方便、不需要控制电源、温度自由设定的基于记忆合金的温度自控装置。本发明的装置设有记忆合金弹簧、传动机构、开关机构、绝缘外壳，记忆合金弹簧随温度的变化，带动传动机构进而控制开关机构对电路实现开合控制，本发明的温控装置能适用于各种工作环境、可联组的设定多个温度限位控制多组触头的分合、使用寿命长。

Description

一种基于形状记忆合金的多温度阶梯控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及温度控制领域，具体涉及一种基于形状记忆合金的多温度阶梯控制装置及控制方法。

背景技术

近年来，温控***在各个领域应用越来越广泛，各行各业对温控装置的需求也有着越来越多形式，但是由于近年来自动化和智能化高速的发展，大部分温度控制方式采用传感器与继电器的配合实现，采用传感器与继电器必然需要低压控制电源，使得温度控制***在某些环境下的构建太过繁琐，大大提高了温度控制的成本以及使用门槛。

目前，温控装置均采用传感器采集温度数据，由控制器集中处理后操控继电器的架构，使得温控装置结构整体分散，温度控制过程不够紧凑，在某些工作环境下可能会由于中间某环节的故障导致失去温度控制能力从而造成严重的后果，因此亟需一种使用方法与普通开关无差，可实现就地控制的温控装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于形状记忆合金的多温度阶梯控制装置及控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于形状记忆合金的多温度阶梯控制装置，包括传动机构，记忆合金弹簧，绝缘壳体；所述传动机构分为第一传动机构和第二传动机构，第一传动机构由传动杆、复位弹簧、蓄力弹簧、限位凸块组成，第二传动机构由传动杆、蓄力弹簧、限位凸块组成，所述绝缘壳体的中部开设有通孔，传动杆贯穿通孔延伸至壳体内部并可在通孔中自由进行上下运动，记忆合金弹簧套设在传动杆上并与之物理接触，所述传动机构的动作由记忆合金弹簧的伸缩控制。

优选的，所述传动杆上部设有一个凸起结构的杆帽，所述记忆合金弹簧的一端与传动杆杆帽连接，另一端与绝缘壳体顶面的外壁固定连接。

优选的，所述蓄力弹簧(51,52，53,54)与传动杆通过转轴结构连接；所述复位弹簧套设在传动杆上，复位弹簧的一端与绝缘壳体顶面的内壁固定连接，另一端与第一传动机构转轴结构上部固定设置的限位凸块(91)连接；所述蓄力弹簧(55)、蓄力弹簧(56)分别设置在传动机构转轴结构与传动机构转轴结构下部固定设置的限位凸块(92)、限位凸块(93)之间。

优选的，在所述的绝缘壳体内部还固定设置有限位挡板(81,82)，限位挡板能阻止转轴结构的继续上移并使蓄力弹簧继续储能，限位挡板(81)设置在第一传动机构转轴结构与限位凸块(91)之间，限位挡板(82)设置在第二传动机构转轴结构与限位凸块(92)之间。

优选的，所述温度自控装置还包括有开关机构，所述开关机构由第一温限开关机构和第二温限开关机构组成，所述开关机构的分合状态分别由对应的传动机构控制，所述开关机构包括动触头和静触点，所述动触头具体为簧片形式的动触头。

优选的，所述静触点包括常闭静触点(61,63，65,67)和常开静触点(62,64，66,68)，所述动触头控制常闭静触点和常开静触点。

优选的，所述复位弹簧可以在记忆合金弹簧带动传动机构动作后将传动机构复位至起始状态。

优选的，所述蓄力弹簧可以为传动机构提供一定的动作应力。

优选的，所述绝缘壳体是所有机构的支撑体，为所有机构提供支撑作用。

优选的，所述绝缘壳体的外侧表面有联组结构，可联组多个装置使用实现不同温度阶梯控制。

一种基于形状记忆合金的多温度阶梯控制装置的控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

升温步骤：当温度升高，记忆合金弹簧伸长，带动传动杆向上位移，蓄力弹簧的轴方向及其力发生变化，当超过其最大蓄力时将反方向释放储能，将簧片与常开触点闭合，实现第一温限开关机构动作步骤；

再升温步骤：当温度在第一温限的基础上继续升高，记忆合金弹簧继续伸长，传动杆继续向上位移，蓄力弹簧由于限位挡板的缘故继续储能，第一开关机构保持动作状态，直到力达到第二温限动作临界值，蓄力弹簧将反方向释放储能，将簧片与常开触点闭合，实现第二温限开关机构动作步骤；

降温步骤：当温度下降时，在记忆合金弹簧、复位弹簧、蓄力弹簧的共同作用下，传动杆将逐渐恢复至初始位置，过程中蓄力弹簧将再次重复蓄力到释放的动作，进而使得簧片恢复到初始位置，依次实现了温限开关机构的复位步骤。

本发明的有益效果是：本发明采用记忆合金材料来控制传动杆的位置，不同的记忆合金在不同温度下的形变量不同，只要通过调节传动杆与记忆合金弹簧的连接位置,就可以实现设定开关动作温度的目的，达到使用环境适应性强的效果；本发明所提供的温控装置利用形状记忆合金的温度形变特性，可以自动感知温度不需要温度传感器，又可以利用它的自动形变来开合温度回路，不需要另设控制电源和继电器，使用方法与普通开关无差，可实现就地控制，本发明可单个、可联组的设定多个温度限位控制多组触头的分合。

附图说明

图1为本发明多温度阶梯控制装置联组示意图；

图2为本发明多温度阶梯控制装置结构初始状态结构示意图；

图3为本发明温控装置动作状态第一种变化状态结构示意图；

图4为本发明温控装置动作状态第二种变化状态结构示意图；

图中，记忆合金弹簧-1，传动杆-2，杆帽-21，复位弹簧-3，簧片-(41,42)，蓄力弹簧-(51,52，53,54,55,56)，常闭静触点-(61,63,65,67)，常开静触点-(62,64,66,68)，绝缘壳体-7，限位挡板-(81,82)限位凸块-(91,92,93)。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图2所示，是本发明多温度阶梯控制装置结构初始状态结构示意图，包括传动机构，记忆合金弹簧1，绝缘壳体7；所述传动机构分为第一传动机构和第二传动机构，第一传动机构由传动杆2、复位弹簧3、蓄力弹簧51,52、限位凸块91,92组成，第二传动机构由传动杆2、蓄力弹簧53,54、限位凸块93组成，所述绝缘壳体7的中部开设有通孔，传动杆2贯穿通孔延伸至壳体内部并可在通孔中自由进行上下运动，记忆合金弹簧1套设在传动杆上并与之物理接触，所述传动机构的动作由记忆合金弹簧的伸缩控制；至少包括绝缘壳体7的支撑体，绝缘壳体为所有机构提供支撑作用；开关机构的分合状态由传动机构控制，开关机构包括有动触头和静触点，动触头具体为簧片形式的动触头。

形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)具有能够记住其原始形状的功能，也即：形状记忆合金具有形状记忆效应。可以在高于奥氏体化温度As的环境下将形状记忆合金体制成第一形状、目标形状或初始状态。接着，在温度低于奥氏体温度As的环境下，将形状记忆合金体塑性形变而形成第二形状(或称为塑性形状)。如果再将形状记忆合金加热到奥氏体化温度As以上的温度，形状记忆合金将形变恢复成预设形状。

形状记忆合金可以包括钛镍系形状记忆合金、铜镍系合金、铜铝系合金、铜锌系合金、铁系合金的一种或者多种。例如，钛镍系形状记忆合金可以包括钛镍合金、钛镍铜合金、钛镍铁合金的一种或多种。记忆合金弹簧的预设长度与塑性长度可以按所需温度限位、阻尼系数和开关应力范围预设。

形状记忆合金弹簧可以通过合适的可调节结构与传动机构连接，传动杆上部设有一个凸起结构的杆帽21，绝缘壳体7的中部开设有通孔，传动杆贯穿通孔延伸至壳体内部并可在通孔中自由进行上下运动，记忆合金弹簧1的一端与传动杆杆帽21连接，另一端与绝缘壳体顶面的外壁固定连接，通过调节杆帽凸起的温度，可以改变装置的动作温度。例如杆帽若将记忆合金弹簧的初始长度压缩至较短，则温度限位较低；若将记忆合金弹簧的初始长度压缩至较长，则温度限位较高。

如图2所示，所述蓄力弹簧51,52，53,54与传动杆2通过转轴结构连接；所述复位弹簧3套设在传动杆上，复位弹簧的一端与绝缘壳体顶面的内壁固定连接，另一端与第一传动机构转轴结构上部固定设置的限位凸块91连接，复位弹簧3可以在记忆合金弹簧带动传动机构动作后将传动机构复位至起始状态，可通过调节该限位凸块与传动杆的相对位置来实现复位弹簧的复位力度；所述限位凸块92、限位凸块93固定设置在传动杆上，并随着传动杆的位移而移动，具体分别设置在传动机构转轴结构下部，所述蓄力弹簧55、蓄力弹簧56分别设置在传动机构转轴结构与传动机构转轴结构下部设置的限位凸块92、限位凸块93之间，当传动杆2发生轴向位移时，蓄力弹簧51、52、53、54的力会随之变化，实现传动机构的动作。蓄力弹簧51、52、53、54通过转轴结构与簧片41、42连接，蓄力弹簧可以为传动机构提供一定的动作应力。

温度自控装置还包括有开关机构，所述开关机构由第一温限开关机构和第二温限开关机构组成，所述开关机构的分合状态分别由对应的传动机构控制，所述开关机构包括动触头和静触点，所述动触头具体为簧片形式的动触头。

静触点包括常闭静触点61,63，65,67和常开静触点62,64，66,68，动触头控制常闭静触点和常开静触点。

在所述的绝缘壳体7内部还固定设置有限位挡板81,82，限位挡板能阻止转轴结构的继续上移(过度动作)并使蓄力弹簧继续储能，限位挡板是一个中间带有通孔的挡板，传动杆能通过通孔贯穿限位挡板，并且限位挡板没有与传动杆直接接触，限位挡板的位置是固定的，并不会因为传动杆的移动而变化，限位挡板81设置在第一传动机构转轴结构与限位凸块91之间，限位挡板82设置在第二传动机构转轴结构与限位凸块92之间。

当记忆合金弹簧1随着温度升高发生长度伸长的变化时会带动传动杆2发生位移，进而使蓄力弹簧55、56的轴方向及其的力发生变化，进而带动蓄力弹簧51、52、53、54的轴方向及其力发生变化，当蓄力弹簧51、52的轴方向与簧片长度方向在同一条直线上时，蓄力弹簧51、52的蓄力达到最大。

当温度继续升高，记忆合金弹簧继续伸长，如图3所示，则在传动杆2的位移作用下，蓄力弹簧51、52、55将反方向释放储能，将簧片41与静触点61、63分离并与静触点62、64接触，实现常闭触点断开，常开触点闭合，即实现了第一温限开关机构动作。

当温度在第一温限的基础上继续升高，记忆合金弹簧继续伸长，如图4所示，则传动杆继续位移，蓄力弹簧55由于限位挡板81的缘故继续储能，第一开关机构保持动作状态；蓄力弹簧53、54、56继续储能，直到力达到第二温限动作临界值，若继续储能，则蓄力弹簧53、54、56将反向释放储能，将簧片42与静触头65、67分离并与静触头66、68接触，实现常闭触点断开，常开触点闭合，即实现了第二温限开关机构动作。

当温度下降时，在记忆合金弹簧1、复位弹簧3、蓄力弹簧55、56的共同作用下，传动杆将逐渐恢复至初始位置，过程中蓄力弹簧51、52、53、54、55、56将再次重复蓄力到释放的动作，进而使得簧片42、41分别恢复初始位置，如图2所示，实现传动机构及开关机构的复位，装置状态由图4依次变化为图3、图2。

上述过程为单个温度自控装置的动作过程，若将多个单装置通过外壳7上的联组结构联组使用，即可实现多温度阶梯控制，如图1中所示为三个单装置联组使用，可实现三阶温度阶梯控制。本申请的装置可以在温度到达所设温度限位时控制电路开断或闭合，可以在不需要外部控制电源的环境下，有效的开合范围内电流值的电路，总的来说，本发明的温度自控装置具有可调温度限位、结构简单、无需控制电源、具有较大的开合能力、可联组使用、具备多温度阶梯控制、使用寿命长等优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于形状记忆合金的多温度阶梯控制装置，其特征在于：包括传动机构，记忆合金弹簧(1)，绝缘壳体(7)；所述传动机构分为第一传动机构和第二传动机构，第一传动机构由传动杆(2)、复位弹簧(3)、蓄力弹簧(51,52)、限位凸块(91,92)组成，第二传动机构由传动杆(2)、蓄力弹簧(53,54)、限位凸块(93)组成，所述绝缘壳体(7)的中部开设有通孔，传动杆(2)贯穿通孔延伸至壳体内部并可在通孔中自由进行上下运动，记忆合金弹簧(1)套设在传动杆上并与之物理接触，所述传动机构的动作由记忆合金弹簧的伸缩控制。

2.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金的多温度阶梯控制装置，其特征在于：所述传动杆上部设有一个凸起结构的杆帽(21)，所述记忆合金弹簧(1)的一端与传动杆杆帽(21)连接，另一端与绝缘壳体(7)顶面的外壁固定连接。

3.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金的多温度阶梯控制装置，其特征在于：所述蓄力弹簧(51,52，53,54)与传动杆(2)通过转轴结构连接；所述复位弹簧(3)套设在传动杆上，复位弹簧的一端与绝缘壳体顶面的内壁固定连接，另一端与第一传动机构转轴结构上部固定设置的限位凸块(91)连接；所述蓄力弹簧(55)、蓄力弹簧(56)分别设置在传动机构转轴结构与传动机构转轴结构下部固定设置的限位凸块(92)、限位凸块(93)之间。

4.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金的多温度阶梯控制装置，其特征在于：在所述的绝缘壳体(7)内部还固定设置有限位挡板(81,82)，限位挡板能阻止转轴结构的继续上移并使蓄力弹簧继续储能，限位挡板(81)设置在第一传动机构转轴结构与限位凸块(91)之间，限位挡板(82)设置在第二传动机构转轴结构与限位凸块(92)之间。

5.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金的多温度阶梯控制装置，其特征在于：所述温度自控装置还包括有开关机构，所述开关机构由第一温限开关机构和第二温限开关机构组成，所述开关机构的分合状态分别由对应的传动机构控制，所述开关机构包括动触头和静触点，所述动触头具体为簧片形式的动触头。

6.根据权利要求5所述的基于形状记忆合金的多温度阶梯控制装置，其特征在于：所述静触点包括常闭静触点(61,63，65,67)和常开静触点(62,64，66,68)，所述动触头控制常闭静触点和常开静触点。

7.根据权利要求1或3所述的基于形状记忆合金的多温度阶梯控制装置，其特征在于：所述复位弹簧(3)可以在记忆合金弹簧带动传动机构动作后将传动机构复位至起始状态；所述蓄力弹簧可以为传动机构提供一定的动作应力。

8.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金的多温度阶梯控制装置，其特征在于：所述绝缘壳体(7)是所有机构的支撑体，为所有机构提供支撑作用。

9.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金的多温度阶梯控制装置，其特征在于：所述绝缘壳体(7)的外侧表面有联组结构，可联组多个装置使用实现不同温度阶梯控制。

10.一种根据权利要求1所述的基于形状记忆合金的多温度阶梯控制装置的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括如下步骤：

升温步骤：当温度升高，记忆合金弹簧伸长，带动传动杆向上位移，蓄力弹簧的轴方向及其力发生变化，当超过其最大蓄力时将反方向释放储能，将簧片与常开触点闭合，实现第一温限开关机构动作步骤；

再升温步骤：当温度在第一温限的基础上继续升高，记忆合金弹簧继续伸长，传动杆继续向上位移，蓄力弹簧由于限位挡板的缘故继续储能，第一开关机构保持动作状态，直到力达到第二温限动作临界值，蓄力弹簧将反方向释放储能，将簧片与常开触点闭合，实现第二温限开关机构动作步骤；

降温步骤：当温度下降时，在记忆合金弹簧、复位弹簧、蓄力弹簧的共同作用下，传动杆将逐渐恢复至初始位置，过程中蓄力弹簧将再次重复蓄力到释放的动作，进而使得簧片恢复到初始位置，依次实现了温限开关机构的复位步骤。

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