一種基於低熔點金屬相變體積變化效應的溫度開關的製作方法

2023-06-24 11:30:56

專利名稱：一種基於低熔點金屬相變體積變化效應的溫度開關的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種溫度開關，特別涉及一種利用低熔點金屬在其相變溫度點的體積變化效應，來驅動活塞運動並控制流體出入的基於低熔點金屬相變效應的溫度開關。
背景技術：
溫度開關定義為能感受特定溫度，並做出相應機械動作的器件。其典型應用包括汽車節溫器、建築供暖通風控制、恆溫混水閥、電子器件過熱保護等。目前主流的溫度開關有如下三種雙金屬片式、石蠟式及記憶合金式。因為雙金屬片驅動力及行程有限，記憶合金製造加工複雜且成本高昂，目前應用最廣的仍然為石蠟式溫度開關。石蠟式溫度開關驅動力大，價格低廉，在汽車節溫器、恆溫混水閥等器件上得到了廣泛應用。然而，石蠟式溫度開關最突出的問題在於石蠟熱導率低，因此開關反應速度慢，控溫波動顯著。圍繞石蠟式溫度開關的優化，國內外公司已申請並保護了一系列專利(如 KR2009008671-A, US2007137709-A1, JP2005285398-A)，同時產生了一大批民用產品。但當前都只是在傳統石蠟式溫度開關結構上做一定的優化調整，並無實質性革新。因此，目前就如何在保證石蠟溫度開關驅動力大，結構簡單等優點的前提下顯著提高其開關靈敏性仍然是工業界尚未解決的難題。為此，本發明提出一種基於低熔點金屬相變體積變化效應的溫度開關。其利用低熔點金屬在其相變溫度點的體積變化效應，來驅動活塞運動實現迅速的開關動作。其典型優點如下(1)反應迅速。低熔點金屬(如鉍，鎵，銦)熱導率為石蠟的數百倍，升降溫迅速， 因此對外界環境溫度反應極其靈敏；(2)監控溫度範圍廣。典型開關溫度可由-80°C (NaKCs 合金)到270°C (金屬鉍)，其開關相變點可根據合金配比靈活定製；(3)高體積膨脹率。 鎵，鉍的凝固體積膨脹率可達3%; (4)金屬凝固後強度高，耐壓能力更大；( 無毒，物化性質穩定。不會出現石蠟或記憶合金高溫失效等問題，可保證開關長期穩定運行；(6)石蠟熔化體積膨脹，而低熔點金屬部分熔化膨脹，部分凝固膨脹，選材及實現可更加靈活。

發明內容
本發明的目的在於提供一種基於低熔點金屬相變體積變化效應的溫度開關，該溫度開關利用低熔點金屬在其相變溫度點的體積變化效應，來驅動活塞運動實現迅速的開關動作，以實現根據流體溫度控制流體流通狀態的目的。本發明的技術方案如下本發明提供的基於低熔點金屬相變體積變化效應的溫度開關，如圖1所示，其組成如下一空心殼體1 ；所述空心殼體1的殼壁上設有用於流體進、出的至少一個進口 Jl 和至少一個出口 Cl ；一垂向固定於所述空心殼體1內底面上的固定杆2 ；一套裝於所述固定杆2外壁上的空心活塞3 ；所述固定杆2頂端與空心活塞3內頂端之間設有空間5 ；其空間5內裝有液態金屬； 一套裝於所述空心活塞3外壁上的彈簧4 ；所述彈簧4的兩端分別與空心殼體1和空心活塞3相連接。所述空心殼體1、固定杆2和活塞3材質均為金屬，塑料或陶瓷；所述金屬為不鏽鋼、銅或鋁等；所述塑料為聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚碳酸酯等；所述陶瓷為氧化鋁陶
PL·寸。所述的彈簧4材質為金屬或塑料；所述金屬為不鏽鋼、銅或鋁；所述塑料為聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚碳酸酯等。本發明的基於低熔點金屬相變效應的溫度開關的外形尺度可為1微米 1米。所述的液態金屬為熔點在200°C以下的鈉、鉀、鋰、銣、銫、鎵、銦、汞、鉛鉍合金、鎵
基二元合金、鎵基多元合金、銦基合金、鉍基合金、汞基合金或鈉鉀合金。所述鎵基二元合金為鎵銦合金、鎵鉛合金或鎵汞合金；所述鎵基多元合金為鎵銦錫合金或鎵銦錫鋅合金。在實際運行中，本發明提供的基於低熔點金屬相變體積變化效應的溫度開關開始處於某一狀態，隨著流體溫度的變化，當溫度到達溫度開關的設計閾值(即低熔點液態金屬的熔點)時，液態金屬發生相變，空心活塞3在液態金屬相變體積力和彈簧力的作用下相對固定杆2發生位移，同時導致空心殼體1上流體進口、流體出口的適度開閉，以此實現根據流體溫度控制流體流通狀態的目的。本發明的基於低熔點金屬相變體積變化效應的溫度開關的優點在於(1)反應迅速。低熔點金屬(如鉍，鎵，銦)熱導率為石蠟的數百倍，升降溫迅速， 因此對外界環境溫度反應極其靈敏；(2)監控溫度範圍廣。典型開關溫度可由-80°C (NaKCs合金)到270°C (金屬鉍)，其開關相變點可根據合金配比靈活定製；(3)高體積膨脹率。鎵，鉍的凝固體積膨脹率可達3% ；(4)金屬凝固後強度高，耐壓能力更大；(5)無毒，物化性質穩定。不會出現石蠟或記憶合金高溫失效等問題，可保證開關長期穩定運行；(6)石蠟熔化體積膨脹，而低熔點金屬部分熔化膨脹，部分凝固膨脹，選材及實現可更加靈活。本發明可廣泛應用於智能建築、餘熱利用、工業熱管理、微流控晶片實驗室等領域。


圖1為實施例1溫度開關作為溫敏流體閥門處於關閉狀態時的結構示意圖；圖2為實施例1溫度開關作為溫敏流體閥門處於打開狀態時的結構示意圖；圖3為實施例2溫度開關作為汽車節溫器控制冷卻水走小循環的結構示意圖；圖4為實施例2溫度開關作為汽車節溫器控制冷卻水走大循環的結構示意圖；圖5為實施例3溫度開關作為恆溫混水閥控制混水水溫的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖及具體實施例進一步描述本發明。實施例1實施例1展示了本發明的基於低熔點金屬相變體積變化效應的溫度開關的一種典型應用。圖1為該溫度開關處於關閉狀態時的結構示意圖；圖2為該溫度開關處於打開狀態時的結構示意圖。如圖1和圖2所示，本實施例的低熔點金屬相變溫度開關由空心殼體1、固定杆2、 空心活塞3、彈簧4，以及充注於固定杆2頂端與空心活塞3內頂端之間的空間5中的液態金屬組成；本實施例的空心殼體1側壁上開設一個流體進入口 Jl和開於空心殼體1頂壁上一個流體排出口 Cl ；固定杆2垂向固定在空心殼體1內底端壁上；空心活塞3緊套在固定杆2的外壁上；彈簧4套裝於空心活塞3外壁上，其兩端分別與空心殼體1和活塞3相連接；由於彈簧4兩端分別連接空心殼體1和空心活塞3，其彈性力可以使空心活塞3相對固定杆2運動；空心殼體1、固定杆2、空心活塞3的材質均可為金屬，塑料或陶瓷等；本實施例中， 這些部件的材質均為聚乙烯(當然均為聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚碳酸酯亦可)。所述彈簧4的材質可為金屬或塑料；本實施例中，其材質亦為聚乙烯(當然均為聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚碳酸酯亦可)。本發明的溫度開關可採用微加工或常規加工方式生產，其外形尺度範圍可為1微米 1米之間；在應用在微流控晶片領域時，典型的溫度開關尺度可以為數微米；而在應用於大型工業液冷系統中，本發明的溫度開關尺度可為數米。本發明的低熔點金屬可為熔點在200°C以下的鈉、鉀、鋰、銣、銫、鎵、銦、汞、鉛鉍合金、鎵基二元合金、鎵基多元合金、銦基合金、鉍基合金、汞基合金或鈉鉀合金。本實施例中， 低熔點金屬5為鎵銦合金，其熔點可根據元素比例靈活調配，本實施例中選擇Ga6Jn32，其熔點為50 0C ο本發明的基於低熔點金屬相變體積變化效應的溫度開關運行過程如下初始狀態時，流體溫度低於50°C，低熔點金屬為固態，體積較大，在其體積膨脹力的作用下，空心活塞3相對固定杆2向上運動，彈簧4同時關閉流體排出口 Cl (圖1中空心殼體1頂端壁流體排出口 Cl關閉)；當流體溫度高於50°C時，低熔點金屬吸熱熔化，體積變小，在彈簧4的回彈力作用下，空心活塞3相對固定杆2向下運動，彈簧4回力同時開啟流體排出口 Cl (圖2中空心殼體1頂端壁流體排出口 Cl開啟)；為此，本發明的溫度開關可實現流體溫度高於溫度閾值(50°C)時允許流體通過，流體溫度低於溫度閾值時阻止流體通過的功能。因為低熔點金屬具有極高的熱導率，因此開關反應迅速，延時極小。本實施例的溫度開關可廣泛應用於智能建築、餘熱利用、工業熱管理、微流控晶片實驗室等領域。實施例2實施例2展示了本發明的基於低熔點金屬相變體積變化效應的溫度開關用作汽車節溫器的一種典型應用；圖3、圖4為其結構示意圖。如圖3和圖4所示，本實施例的基於低熔點金屬相變體積變化效應的溫度開關的結構與實施例1基本相同，所不同的是空心殼體1上開設一個流體進入口 Jl和兩個流體排出口(位於空心殼體1側壁底部的小循環出口 Cx和位於空心殼體1頂壁上的大循環出口 Cd)；其中，經過汽車發動機8 被加熱的冷卻水從位於空心殼體1側壁中部的流體進入口 Jl流入，通過小循環出口 Cx流出的熱水不經過散熱器7直接回到汽車發動機8，而從大循環出口 Cd流出的熱水將經過一散熱器7冷卻後再流回汽車發動機8。本實施例的空心殼體1、固定杆2、空心活塞3的材質均為氧化鋁陶瓷，彈簧4材質亦為不鏽鋼(銅或鋁亦可)。本實施例的低熔點金屬選擇Gii82Sn18,其熔點為70°C。運行過程如下汽車發動機8啟動時冷卻水溫度低，此時低熔點金屬呈固態體積較大，彈簧4受力壓縮；因而節溫器底部小循環出口 Cx打開，頂部大循環出口 Cd關閉，冷卻水不經過散熱器7，發動機能迅速暖缸，以提高工作性能和減少磨損(圖幻；隨著發動機8 溫度逐漸上升，冷卻水溫度超過溫度閾值(70°C)時，低熔點金屬熔化，體積變小，在彈簧4 回彈力作用下，頂部大循環出口 Cd開啟，底部小循環出口 Cx關閉，冷卻水轉而流經大循環通往散熱器7來避免汽車發動機8過熱(圖4)；總的來說，基於低熔點金屬的汽車節溫器 (即本發明的基於低熔點金屬相變體積變化效應的溫度開關)通過對冷卻水溫度的快速反應，可保證低溫時冷卻水走底部的小循環迴路，而高溫時走頂部的大循環迴路，以此來維持合適的冷卻水及發動機工作溫度。實施例3實施例3展示了本發明的基於低熔點金屬相變體積變化效應的溫度開關用作恆溫混水閥的一種典型應用。圖5為該恆溫混水閥調節冷熱水混合比例，保證出水溫度恆定的示意圖。如圖5所示，本實施例中基於低熔點金屬相變體積變化效應的溫度開關的結構與實施例1基本相同，所不同的是本實施例有兩個流體進入口(熱水進口 Jl和冷水進口 B)和一個流體排出口(混合水出口 Cl)。冷、熱水分別從各自進入口進入，在混水閥內混合，然後經混合水出口 Cl流出。本實施例的空心殼體1、固定杆2、空心活塞3的材質均為不鏽鋼(銅或鋁亦可)。 所述彈簧4材質為不鏽鋼。實施例的低熔點金屬選擇Gii78h22，其熔點為35°C。運行過程如下溫度開關設定溫度閾值為35°C (即低熔點金屬熔點)；若流體排出口 Cl混合水溫度高於35°C，則低熔點金屬5熔化體積縮小，在彈簧4回彈力的作用下空心活塞3相對固定杆2向下運行，減小熱水進口並增大冷水進口，因此使混合水溫度降低。 若出口混合水溫度低於35°C，則低熔點金屬5凝固體積增大，在金屬膨脹力的作用下空心活塞3相對固定杆2向上運行，增大熱水進口並減小冷水進口，因此使混合水溫度升高。如此往復，溫度開關可使混合出水水溫恆定在35°C左右。因為低熔點金屬具有極高的熱導率和較低的熱容，因此基於低熔點金屬的恆溫混水閥具有非常迅速的反應速率，出水溫度波動小。本發明可廣泛應用於建築或工業熱水控制領域。本發明對於低熔點金屬材料的選擇，鈉、鉀、鋰、銣、銫、鎵、銦、汞、鉛鉍合金、鎵基二元合金、鎵基多元合金、銦基合金、鉍基合金、汞基合金或鈉鉀合金均可適用。其中，鎵基合金、銦基合金和鉍基合金因為無毒，性質穩定，不易蒸發洩漏等優點為最優選擇。鈉、鉀、 鋰、銣、銫及其合金化學性質較活潑，必須在良好封裝隔絕空氣和水情況下應用。汞及其合金成本低，但因為存在一定毒性，因此也必須進行良好的封裝後方能使用。
最後應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。儘管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種基於低熔點金屬相變效應的溫度開關，其特徵在於，其組成如下一空心殼體；所述空心殼體的殼壁上設有用於流體進、出的至少一個進口和至少一個出口 ；一垂向固定於所述空心殼體內底面上的固定杆；一套裝於所述固定杆外壁上的空心活塞；所述固定杆頂端與空心活塞內頂面之間設有空間，所述空間內裝有液態金屬；一套裝於所述空心活塞外壁上的彈簧；所述彈簧的兩端分別與空心殼體和空心活塞相連接。
2.按權利要求1所述的基於低熔點金屬相變效應的溫度開關，其特徵在於，所述空心殼體、固定杆和空心活塞材質均為金屬，塑料或陶瓷。
3.按權利要求2所述的基於低熔點金屬相變效應的溫度開關，其特徵在於，所述金屬為不鏽鋼、銅或鋁；所述塑料為聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚碳酸酯；所述陶瓷為氧化鋁陶瓷。
4.按權利要求1所述的基於低熔點金屬相變效應的溫度開關，其特徵在於，所述彈簧4 材質為金屬或塑料。
5.按權利要求4所述的基於低熔點金屬相變效應的溫度開關，其特徵在於，所述金屬為不鏽鋼、銅或鋁；所述塑料為聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚碳酸酯。
6.按權利要求1所述的基於低熔點金屬相變效應的溫度開關，其特徵在於，其外形尺度範圍在1微米 1米之間。
7.按權利要求1所述的基於低熔點金屬相變效應的溫度開關，其特徵在於，所述的液態金屬為熔點在200°C以下的鈉、鉀、鋰、銣、銫、鎵、銦、汞、鉛鉍合金、鎵基二元合金、鎵基多元合金、銦基合金、鉍基合金、汞基合金或鈉鉀合金。
8.按權利要求7所述的基於低熔點金屬相變效應的溫度開關，其特徵在於，所述鎵基二元合金為鎵銦合金、鎵鉛合金或鎵汞合金。
9.按權利要求7所述的基於低熔點金屬相變效應的溫度開關，其特徵在於，所述鎵基多元合金為鎵銦錫合金或鎵銦錫鋅合金。
全文摘要
本發明涉及的基於低熔點金屬相變效應的溫度開關，其由空心殼體、固定杆、空心活塞、彈簧，以及充注於固定杆和空心活塞之間的液態金屬組成；空心殼體上開設用於流體進出的至少一進口和一出口；固定杆緊固在空心殼體內底面上；活塞緊套在固定杆外壁上，活塞兩端分別與殼體和活塞相連接；在溫度變化低熔點金屬發生相變時活塞可在金屬膨脹力和彈簧回位力作用下相對固定杆運動，活塞的運動導致外殼上流體進出口的開閉，而實現不同溫度下開閉功能。本發明充分利用了液態金屬高熱導率，低熱容的熱物理性質，反應極為靈敏；同時因為液態金屬種類多樣，該溫度開關閾值選擇廣；可廣泛應用於智能建築、餘熱利用、工業熱管理及微流控晶片等領域。
文檔編號H01H37/44GK102592883SQ20111000567
公開日2012年7月18日 申請日期2011年1月7日 優先權日2011年1月7日
發明者劉靜, 鄧月光 申請人:中國科學院理化技術研究所