Актюатор на основе функционального материала



Актюатор на основе функционального материала
Актюатор на основе функционального материала
Актюатор на основе функционального материала
Актюатор на основе функционального материала
Актюатор на основе функционального материала
Актюатор на основе функционального материала
Актюатор на основе функционального материала

 


Владельцы патента RU 2539605:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к области приборостроения, механики и технике исполнительных элементов на основе функциональных материалов, изменяющих свои форму и размеры под воздействием различных физических полей. Актюатор на основе функционального материала содержит активный элемент, выполненный из функционального материала, механически соединенный с упругим элементом, систему электродов, соединенных с активным элементом, источник электропитания, подсоединенный к системе электродов для контроля актюатора. В качестве функционального материала выбран аморфный металл или сплав. Технический результат заключается в повышении эффективности актюатора, в частности в повышении его быстродействия и выходной механической мощности, а также в повышении надежности и технологичности. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области приборостроения, механики и технике исполнительных элементов на основе функциональных материалов, изменяющих свои форму и размеры под воздействием различных физических полей, например электрического, магнитного, теплового, и может найти применение в машиностроении, приборостроении, микромеханике, в технологии датчиков для испытания технических систем и др.

Известен аналог (Панич А.Е., Пьезокерамические актюаторы. Ростов 2008 г. С.153. ) [1] предлагаемого технического решения - актюатор на основе функционального материала, в качестве которого использован пьезокерамический элемент, способный испытывать деформацию при приложении электрического поля, система электродов и источник электрического напряжения, подключенный к системе электродов, для управления деформацией актюатора.

Недостатками актюатора согласно аналогу [1] являются низкая технологичность и эффективность вследствие недостаточной деформации за счет воздействия электрического поля на функциональный материал - пьезоэлектрическую керамику (типичное значение относительной деформации - 10-4) и низкая блокирующая сила, под которой понимается максимальное механическое напряжение, которое развивает актюатор при электроиндуцированной деформации, и, как следствие, малая производимая механическая мощность, низкая надежность вследствие хрупкости керамики.

Прототипом предлагаемого технического решения, то есть наиболее близким по конструкции актюатором на основе функционального материала, является актюатор, описанный в работе (А.И. Полетучий. Тепловой двигатель. А.С. СССР №969956, МКИ3 F03G 7/02. Опубл. 30.10.82, Бюл. №40) [2]. В этой работе описан актюатор на основе активного элемента, выполненного из функционального материала - сплава TiNi с эффектом памяти формы (ЭПФ), соединенного механически с упругим элементом, системы электродов, подсоединенных к активному элементу, и источника электрического напряжения, подсоединенного к системе электродов. Работа актюатора согласно прототипу основана на том, что необходимое для совершения актюатором какого-либо механического действия, например замыкания контактов или срабатывания клапана, возбуждение в активном элементе из сплава с ЭПФ создается в результате нагрева Джоулевым теплом пропускаемого через него электрического тока и механического напряжения, развиваемого упругим элементом. Подробное описание физической природы явления термоупругого мартенситного перехода и ЭПФ в сплавах семейства TiNi дано, например, в книге (А.Г. Хунджуа. Введение в структурную физику сплавов с эффектом памяти формы. МГУ, 1991) [3].

Недостатком прототипа является низкое быстродействие, обусловленное тем, что псевдопластическая деформация функционального сплава с ЭПФ требует преодоление как времени тепловой инерции, так и характерного времени протекания мартенситного перехода. Кроме того, низкая максимальная производимая механическая мощность, которая есть следствие малого быстродействия, также относится к недостаткам прототипа.

Цель предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности актюатора, в частности в повышении его быстродействия и повышении выходной механической мощности, а также в повышении надежности и технологичности и в упрощении массового производства.

Поставленные цели достигаются тем, что в актюаторе на основе функционального материала, включающем активный элемент, выполненный из функционального материала, механически соединенный с упругим элементом, систему электродов, соединенных с активным элементом, источник электропитания, подсоединенный к системе электродов для контроля актюатора, согласно изобретению в качестве функционального материала выбран аморфный металл или сплав.

Поставленные цели достигаются также тем, что в актюаторе на основе функционального материала, согласно изобретению, активный элемент, выполненный из функционального материала, заключен в объем, обеспечивающий охлаждение элемента потоком жидкости или газа.

Поставленные цели достигаются также тем, что в актюаторе на основе функционального материала, согласно изобретению, активный элемент выполнен из аморфного быстрозакаленного сплава Ti2NiCu в виде ленты.

Новым в предложенном техническом решении, по сравнению с известным, является то, что впервые в качестве функционального материала, изменяющего свои размеры под воздействием теплового поля, создаваемого Джоулевым теплом тока, протекающего через активный элемент, используется сплав в аморфном состоянии, например, Ti2NiCu. Хотя традиционно сплав Ti2NiCu в технологии дачиков и исполнительных элементов находит применение в кристаллическом состоянии и демонстрирует ЭПФ, однако в аморфном состоянии у него отсутствует упорядоченная кристаллическая структура, и, следовательно, термоупругое мартенситное превращение и присущий ему ЭПФ не наблюдаются. Однако, как показано в настоящей работе, за счет теплового расширения аморфного сплава, которое заметно превышает расширение кристаллических металлов и сплавов, возможно получение достаточно сильной термоуправляемой деформации, а высокая прочность, малая толщина и малая инерция теплового расширения быстрозакаленного аморфного сплава позволяют в совокупности получить преимущество в быстродействии и достигаемой удельной мощности по сравнению с прототипом.

В дальнейшем предлагаемое техническое решение поясняется в связи с чертежами.

Фиг.1 - схема актюатора на основе нового функционального материала - аморфной ленты быстрозакаленного сплава и схема измерения термомеханических свойств аморфных сплавов. 1 - быстрозакаленная аморфная лента сплава Ti2NiCu, 2, 3 - электрические контакты, 4 - источник стабилизированного напряжения, 5 - неподвижный блок, 6 - нагрузка, 7 - измерительный флажок, 8 - микроскоп.

Фиг.2 - дифрактограмма (а) и микрофотография (б), доказывающие аморфное состояние сплава.

Фиг.3 - зависимости деформации удлинения аморфного сплава (а) от температуры и механического напряжения (б) при разных значениях электрического тока (а) и относительного удлинения аморфного сплава от величины электрического тока (б).

Фиг.4 - схема актюатора на основе функционального материала в виде аморфной быстрозакаленной ленты, принудительно охлаждаемой потоком теплообменной жидкости или газа. 1 - быстрозакаленная аморфная лента сплава Ti2NiCu, 2, 3 - электрические контакты, 9 - источник электрических импульсов, 10 - стеклянная трубка, 11 - динамометр, 7 - измерительный флажок, 12 - источник света и фотоприемник, 13 - теплообменная жидкость.

Фиг.5 - временная зависимость управляемой деформации актюатора согласно предлагаемого технического решения, выполненного из быстрозакаленного аморфного сплава Ti2NiCu.

Сущность предлагаемого технического решения (см. фиг.1) состоит в том, что, активный элемент из аморфной ленты быстрозакаленного сплава 1, подключенный при помощи контактов 2 и 3 к источнику электрического тока 4, испытывает нагрев и тепловое расширение, вследствие нагрева Джоулевым теплом электрического тока. Натяжение ленты через механическую систему 5 осуществляется источником силы, например грузиком или пружиной 6. Удлинение ленты при нагреве фиксируется датчиком 8 по перемещению флажка 7, жестко связанного с активным элементом 1.

В данном техническом решении предлагается в качестве функционального материала активного элемента применить аморфную быстрозакаленную ленту, например, из сплава Ti2NiCu. Структурное состояние сплава аттестовано с помощью электронного микроскопа (см. фиг.2). На дифрактограмме (а) и электронной микрофотографии (б) не удается различить признаков кристаллической структуры, что доказывает ее аморфное состояние. Измерение зависимостей относительного удлинения (деформации) ε=ΔL/L, где L - начальная длина аморфной ленты, от внешнего механического напряжения и температуры показывает, что модуль упругости ленты (наклон прямых) практически не зависит от величины электрического тока (температуры) (фиг.3а), в то время как нагрев Джоулевым теплом приводит к значительной деформации сплава до 0,3% (см. фиг.3б) в широком интервале токов.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности актюатора, в частности в повышении его быстродействия и повышении выходной механической мощности, а также в повышении надежности и технологичности и упрощении массового производства, что достигается за счет свойств нового функционального материала - аморфных быстрозакаленных сплавов. Как известно, во многих случаях аморфные металлы и сплавы отличаются повышенными прочностными свойствами по отношению к кристаллическим сплавам. Это позволяет говорить о повышении надежности активного элемента 1 и развиваемой актюатором силы, ограниченной его прочностью.

Сущность изобретения заключается в следующем. Выходная механическая мощность актюатора равна произведению предельно достижимой развиваемой силы F на перемещение d и на предельную частоту циклов f:

Таким образом, увеличение прочности функционального материала не только повышает надежность, но и максимальную выходную механическую мощность при периодическом возбуждении.

Дополнительным преимуществом быстрозакаленных сплавов является малая толщина - до нескольких десятых микрон. Быстродействие актюатора (то есть предельная частота циклов f) ограничена характерным временем процесса активации функционального материала. Оно, в свою очередь, определяется наибольшим из двух времен: 1) характерным временем теплообмена актюатора с окружающей средой и 2) характерным временем инерции изменения структуры функционального материала. Тепловое характерное время tth зависит как от свойств среды, например, окружающего актюатор газа или жидкости, так и от характерных времен процессов, связанных с перестройкой структуры tstr. В случае прототипа - актюатора с ЭПФ - tstr ограничено временем формирования мартенситной структуры. В случае аморфного сплава кристаллическая структура отсутствует, и скорость изменения длины актюатора имеет только ограничение, связанное с распространением тепла. Это характерное время определяется внутренними процессами теплопередачи сплава и свойствами теплоотдачи в окружающую среду tth inv. Как известно, характерное время теплопроводности пластины определяется по порядку величины следующим соотношением:

здесь h - толщина пластины или ленты сплава, с - его теплоемкость, ρ - плотность, κ - теплопроводность. Таким образом, уменьшение толщины актюатора при применении быстрозакаленной ленты ведет к очень резкому (обратно пропорционально квадрату толщины) уменьшению времени tth int. Для уменьшения времени tth inv удобно применить принудительное охлаждение теплообменной жидкостью или газом. Для этого в настоящей работе сконструирована специальная экспериментальная установка для испытания прототипа актюатора, показанная на фиг.4.

Установка содержит активный элемент в виде аморфного сплава, погруженный в проточную теплообменную жидкость 13. Для регистрации быстрого изменения длины актюатора применены фотоэлемент с источником света 12 и флажок 7. Источник электрического тока представлял импульсный генератор 9.

Результаты эксперимента по измерению быстродействия актюатора представлены в виде временной диаграммы зависимости деформации актюатора на фиг.5 при возбуждении импульсом электрического тока не более 5 мс. Видно, что передний фронт отклика актюатора не превышает 8 мс, а полная длительность импульса - 20 мс. За импульсом возбуждения следуют затухающие механические осцилляции на резонансной частоте пружины. Механический резонанс системы пружина - активный элемент можно также использовать для повышения предельной рабочей частоты актюатора. Таким образом, в настоящей работе достигнуто быстродействие актюатора с новым функциональным материалом - аморфной быстрозакаленной лентой не менее 50 Гц.

Экономический эффект от внедрения предлагаемого изобретения может быть значительным, если с его помощью удасться решить задачу генерации звуковых и ультразвуковых колебаний большой мощности. Предложенный функциональный материал при небольшой массе активного элемента из быстрозакаленного сплава может обеспечить достижение очень высоких мощностей управляемых колебаний. Этому способствуют и уникальная технологичность, которая позволяет получать аморфные сплавы большими объемами, буквально километрами за считанные секунды и минуты. Цена сплавов невысока. Сплав сразу после изготовления готов к производству активных элементов.

Пример 1. В качестве примера реализации актюатора на основе функционального материала рассмотрим эскиз установки, представленный на фиг.1. В качестве активного элемента применена быстрозакаленная аморфная лента сплава Co59Ni10Fe5Si11B15, описанного в статье (Rosner H., Shelyakov A.V., Glezer, A.M., Feit, K., SchloBmacher, P. A study of an amorphous-crystalline structured Ti-25Ni-25Cu (at.%) shape memory alloy. Materials Science and Engineering A, V.273-275, P.733-737) [4] с коэффициентом теплового расширения около 3*10-5 К-1. Толщина ленты - 40 мкм. Сопротивление ленты - 10 Ом. При пропускании тока 1 А деформация удлинения составляет около 0,3% или 300 мкм. Создаваемая сила - 2 Н. Частота циклов - 1 Гц.

Пример 2. Актюатор на основе функционального материала, описанный в примере 1, снабжен охлаждающим контуром с проточной жидкостью - водой при комнатной температуре (см. схему на фиг.4). Частота циклов - 50 Гц.

Пример 3. В качестве примера реализации актюатора на основе функционального материала рассмотрим актюатор, аналогичный по конструкции описанному в примерах 1 и 2 (фиг.1-5). В качестве функционального сплава применена аморфная быстрозакаленная лента Ti2NiCu согласно статье [4]. При длине быстрозакаленной ленты сплава 30 см и при токе 2 А удлинение ленты составляет 0,9 мм, создаваемая сила - 10 Н. Частота повторения импульсов тока - 50 Гц, производимая механическая мощность P=0,45 Вт. Масса ленты - 100 мг. Удельная мощность =4000 Вт/кг, что в сравнении с автомобилем «Жигули» ВАЗ 2107 (500 Вт/кг) больше на один порядок величины.

1. Актюатор на основе функционального материала, включающий активный элемент, выполненный из функционального материала, механически соединенный с упругим элементом, систему электродов, соединенных с активным элементом, источник электропитания, подсоединенный к системе электродов для контроля актюатора, отличающийся тем, что в качестве функционального материала выбран аморфный металл или сплав.

2. Актюатор на основе функционального материала по п.1, отличающийся тем, что активный элемент, выполненный из функционального материала, заключен в объем, обеспечивающий охлаждение элемента потоком жидкости или газа.

3. Актюатор на основе функционального материала по п.1, отличающийся тем, что активный элемент выполнен из аморфного быстрозакаленного сплава Ti2NiCu.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике, к системам генерации энергии. Технический результат состоит в повышении эффективности и экологической безопасности.

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к устройствам, которые преобразовывают тепловую энергию в механическую, с возможностью преобразования в электрическую.

Устройство для преобразования тепловой энергии в механическую содержит термочувствительное рабочее тело в виде двух теплоаккумулирующих материалов, расположенных в отдельных теплоизолированных цилиндрических корпусах регенеративных теплообменников.

Изобретение относится к области создания высоких и сверхвысоких статических давлений в больших объемах и может быть использовано для испытания различных узлов и агрегатов перспективных авиационных гидросистем высокого давления, а также для исследования свойств новых конструкционных материалов и создания устойчивых кристаллических структур.

Изобретение относится к приводной технике и может быть использовано при создании термосорбционных приводов. Линейный привод выполнен в виде цилиндра, внутри которого установлен поршень со штоком, совмещенный с блоком генераторов-сорберов, объединенных термоэлектрическим модулем, кабели электропитания которого герметично выведены наружу цилиндра через шток.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам преобразования тепловой энергии в механическую с использованием разности температур жидкости и окружающей среды.

Двигатель // 2467203
Изобретение относится к энергетике и предназначено для привода различных машин. .

Изобретение относится к области механики, микросистемной техники и наномеханики, в частности к технике устройств на основе материалов с эффектом памяти формы, и может найти применение в радиоэлектронике, машиностроении, нанотехнологии, электронной микроскопии, медицине.

Изобретение относится к теплоэнергетике, использующей, в частности, источники тепла окружающей среды, и может быть применено для привода различных машин и механизмов.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для привода различных машин и механизмов. Тепловетровой двигатель включает основание, на котором установлен вал с ротором. Ротор содержит теплообменные камеры, заполненные рабочим веществом, и соединенные с ними каналами рабочие камеры с рабочими элементами поступательного движения, имеющими возможность взаимодействия с запорными устройствами, установленными на каналах, соединяющих теплообменные камеры с рабочими камерами. Рабочие элементы имеют возможность взаимодействия с колесами, связанными с закрепленным на основании колесом. На валу установлена крыльчатка, а между ротором и валом, а также между крыльчаткой и валом размещены обгонные муфты. Изобретение позволяет повысить эффективность работы. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, предназначенных преимущественно для районов с низкими температурами. Двигатель внутреннего сгорания имеет по крайней мере одну камеру (2) сгорания, соединенную со своим рабочим объемом, и механизм преобразования тепловой энергии в механическую энергию движения. Рабочий объем выполнен в виде рабочего канала (3), по крайней мере две стенки (4) и (5) которого жестко соединены между собой. Между каналом 3 и одной из стенок (4) или (5) установлена теплоизоляционная пластина (8). Один конец канала (3) является выходным звеном двигателя. Технический результат заключается в повышении надежности запуска при низких температурах и в утилизации бросовой энергии. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к устройствам, преобразующим тепловую энергию в механическую, а более конкретно к тепловому приводу, обеспечивающему утилизацию тепла отводящих газов котельной и использование их энергии для привода, например конвейера удаления шлама. Тепловой привод содержит последовательно расположенные в парожидкостном тракте испаритель, заполненный кипящей жидкостью, парожидкостный патрубок, тепловую трубу, гидрорукав, гидродвигатель и холодильник. Холодильник совмещен с гидростатическим гидроаккумулятором, где последний расположен над тепловой трубой и парожидкостным патрубком, соосно с ним и отделен от него перегородкой, имеющей сквозное отверстие с клапаном, выполненным в виде подвижного золотника, расположенного на штоке, закрепленном к дну тепловой трубы, и снабженного свободно установленными и охватывающими золотник, поплавком и пружиной, размещенными между клапаном и буртом, которые связаны с золотником, а верхняя часть тепловой трубы сообщена с испарителем наклонно установленным патрубком, сечение которого значительно больше сечения проектируемого потока жидкости, поступающей самотеком от тепловой трубы в испаритель. 1 ил.

Изобретение относится к области ювелирной промышленности, а более конкретно к украшениям, носимым на теле человека, имеющим подвижный декоративный элемент. Устройство для приведения в движение подвижных элементов украшений, носимых на теле человека, содержит тепловой двигатель, выполненный с возможностью преобразования разницы температур в двух разных точках пространства в движение декоративного(ных) элемента(ов). Предлагается также украшение и способ приведения в движение подвижных элементов украшений. Обеспечивается возможность уменьшения размеров общих габаритов украшения при увеличении размеров декоративного элемента за счет уменьшение площади поверхности, занимаемой преобразователем энергии на украшении. 3 н. и 28 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение может быть использовано в робототехнике, биомеханических протезах и в различного рода приводах. Способ получения механической энергии с помощью электроактивных полимеров заключается в использовании полимеров в виде волокон (1), которые под воздействием электричества начинают сворачиваться в спираль. После отключения электрического напряжения полимерные волокна распрямляются. Волокна (1) объединены в пучки и находятся в защитной эластичной оболочке (3). Изобретение направлено на увеличение степени деформации электроактивных полимеров, расширение сферы их применения, упрощение способа, уменьшение веса и габаритов устройства, используемого в способе. 6 ил.

Изобретение относится к использованию расширяемого элемента, который расширяется при повышенной температуре, для приложения силы к одному или более окружающим компонентам. Расширяемый элемент содержит металлическое тело, имеющее по меньшей мере одну боковую стенку, окружающую полость, и расширяемый материал, расширяющийся за счет фазового превращения и/или разложения, удерживаемый внутри полости и окруженный упомянутой по меньшей мере одной боковой стенкой. Полость имеет первый объем при первой температуре и дополнительно содержит материал-наполнитель, который не вносит вклад в расширение и который занимает по меньшей мере примерно 50% первого объема полости; и при второй температуре по меньшей мере примерно 500°C расширяемый материал расширяется, так что полость имеет второй объем. Второй объем больше первого объема. За счет расширения расширяемого материала упомянутая по меньшей мере одна боковая стенка оказывает манометрическое давление по меньшей мере примерно 150 фунтов/кв.дюйм. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 1 табл., 16 ил.
Наверх