一种基于形状记忆合金与压电材料的智能热开关

摘要

本发明公开了一种基于形状记忆合金与压电材料的智能热开关，基于形状记忆合金与压电材料，可实现自动控温的目的。当高温器件温度升高时，位于均温板上的形状记忆合金弹簧感受温度变化，将温度信号转变为压电材料的形变量进行发电，通过多个压电材料串联，将产生的电量用于驱动压电陶瓷雾化片。压电陶瓷雾化片接与上层水箱的底部，通电后的，水滴通过雾化片，形成细小的喷雾，覆盖于高温器件表面，被高温器件加热，汽化，实现降温。解决了如何使这种高温器件在降温的同时，又能利用这部分废热的技术问题，本发明结构简单，不许外界提供额外的能量，可实施性强，具有结构紧凑、温度均匀性好等优良特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于形状记忆合金与压电材料的智能热开关，属于智能材料及自适应热管理技术领域。

背景技术

能源是当今世界经济社会发展的重要物质基础，对经济繁荣、民生改善和国家安全至关重要。近年来以压电、形状记忆合金等智能材料为主的小型间接转换废热而发电的研究广泛开展起来。

压电材料由于其结构简单、成本低、能量密度高、能量转换效率高、结构相容性好等优点，被广泛应用于各种机械能的转换发电。目前，一些学者利用环境中存在的能量，如振动能、风能等，与压电材料结合将这些能量转化为电能。但是，压电材料对热能不敏感。形状记忆材料是一种能够感知温度变化调整其力学参数，从而恢复其原有形态的智能材料。镍钛形状记忆合金具有形状记忆特性好、相变驱动能力大、疲劳强度高等优点。它通常用来转换热能形成机械变形或振动，或广泛应用于驱动装置中产生驱动力。因此，将压电材料与形状记忆合金的优势结合进行发电，是一种理想的组合。

同时，电子器件等再工作过程中会产生大量的热量，如不及时排除，会对其正常工作产生较大影响，但常规冷却系统的质量往往较大，对于微小的电子器件而言，是不经济可行的。如何使这种高温器件在降温的同时，又能利用这部分废热使值得研究的。

发明内容

本发明为了解决上述背景技术中提到的如何使这种高温器件在降温的同时，又能利用这部分废热，以及传统喷雾冷却占用体积大、实用性受限的技术问题，提出一种基于形状记忆合金与压电材料的智能热开关。

本发明提出一种基于形状记忆合金与压电材料的智能热开关，包括多组压电材料、压电陶瓷雾化片、若干形状记忆合金弹簧、均温板、高温器件和泄压装置，所述均温板上放置有高温器件，每个形状记忆合金弹簧上端与压电材料连接，下端与均温板连接，所述压电陶瓷雾化片接与上层水箱的底部，且与水接触，所述压电陶瓷雾化片通过多组压电材料供给的电能驱动，所述压电陶瓷雾化片将水箱内的水雾化为小水滴，在高温器件表面汽化、吸热，实现高温器件的自适应热管理，汽化后的水蒸气，通过泄压装置排出系统。

优选地，所述形状记忆合金弹簧在常温下处于伸长状态，在高温器件散热量增加时，变为收缩状态，位于均温板上的形状记忆合金弹簧感受温度变化，将温度信号转变为压电材料的形变量进行发电。

优选地，所述高温器件在温度突增时，能够达到水的相变温度，水汽化吸热，使高温器件温度降低。

优选地，所述压电陶瓷雾化片通过多组压电材料串联产生的电能工作。

优选地，热开关壳体上侧设置有泄压装置。

本发明所述的基于形状记忆合金与压电材料的智能热开关的有益效果为：

(1)本发明提出的一种基于形状记忆合金与压电材料的智能热开关，形状记忆合金可以将高温器件的温度变化转换为形变量，而压电材料可以进一步将形变能转换为电能，进一步的，可以将产生的电能用于器件的降温中，如图1所示。与传统的热管理系统不同，本系统不需要外界提供电能，而是依靠智能材料产生电能，进行自适应降温。

(2)本发明提出的一种基于形状记忆合金与压电材料的智能热开关，结构简单，无需外界提供额外的能量，可实施性强。

(3)本发明提出的一种基于形状记忆合金与压电材料的智能热开关，使用压电陶瓷雾化喷嘴进行喷雾冷却，解决了传统喷雾冷却占用体积大、实用性受限等问题，具有结构紧凑、温度均匀性好等优良特点。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1为有益效果中提到的能量转换的示意图；

图2为形状记忆合金的形变原理图；

图3是本发明所述的一种基于形状记忆合金与压电材料的智能热开关结构正常时的主视图；

图4是本发明所述的一种基于形状记忆合金与压电材料的智能热开关的结构超温时的主视图；

图5是本发明中压电材料与形状记忆合金正常状态以及工作状态，其中，(a)为正常状态，(b)为工作状态；

图6是本发明中压电材料与形状记忆合金布置图；

其中，1-水箱；2-压电材料；3-压电陶瓷雾化片；4-形状记忆合金弹簧；5-均温板；6-高温器件；7-泄压装置；8-喷雾区域。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

具体实施方式一：参见图2-6说明本实施方式。本实施方式所述的基于形状记忆合金与压电材料的智能热开关，包括多组压电材料2、压电陶瓷雾化片3、若干形状记忆合金弹簧4、均温板5、高温器件6和泄压装置7，所述均温板5上放置有高温器件6，每个形状记忆合金弹簧4上端与压电材料2连接，下端与均温板5连接，所述压电陶瓷雾化片3接与上层水箱1的底部，且与水接触，所述压电陶瓷雾化片3通过多组压电材料2供给的电能驱动，所述压电陶瓷雾化片3将水箱1内的水雾化为小水滴，在高温器件6表面汽化、吸热，实现高温器件6的自适应热管理，汽化后的水蒸气，通过泄压装置7排出系统。

所述形状记忆合金弹簧4在常温下处于伸长状态，在高温器件散热量增加时，变为收缩状态，位于均温板5上的形状记忆合金弹簧4感受温度变化，将温度信号转变为压电材料2的形变量进行发电。

所述高温器件6在温度突增时，能够达到水的相变温度，水汽化吸热，使高温器件6温度降低。

所述压电陶瓷雾化片3通过多组压电材料2串联产生的电能工作。

热开关壳体的上侧设置有泄压装置7。

当高温器件温度升高时，位于均温板5上的形状记忆合金弹簧4感受温度变化，将温度信号转变为压电材料2的形变量进行发电，通过多个压电材料2串联，将产生的电量用于驱动压电陶瓷雾化片3。压电陶瓷雾化片3接与上层水箱1的底部，通电后的，水滴通过雾化片3，形成细小的喷雾，覆盖于高温器件6表面，被高温器件6加热，汽化，实现降温。

正常情况下，形状记忆合金弹簧4处于拉伸状态，压电材料2没有任何形变量。当系统中的高温器件6温度突然升高时，达到了形状记忆合金弹簧4的相变点，此时通过均温板5的热传导，形状记忆合金弹簧4收缩，如图5所示，将温度变化转化为形状记忆合金弹簧4的形变量，进一步带动压电材料2变形，产生电能。

在系统的顶端布置有水箱1，水箱1下侧接有压电陶瓷雾化片3。陶瓷雾化片3通过压电材料2供给的电能驱动，将水箱1内的水雾化为小水滴，在高温器件6表面汽化，吸热，实现高温器件6的自适应热管理，汽化后的水蒸气，通过泄压装置7排出系统。

所述的形状记忆合金是具有形状记忆效应和超弹性的一种智能材料。普通金属的变形分为弹性变形和塑性变形两种。对于普通金属发生弹性形变时，卸载时能够恢复原状，但发生塑性变形时，卸载之后，金属材料不能恢复至原始形状。对于形状记忆合金而言，发生塑性变形时，合金内结构由孪晶马氏体变为非孪晶马氏体，撤销外载荷后，将形状记忆合金加热至Af以上时，合金由非孪晶马氏体变为奥氏体，合金的塑性变形会消失，合金能够恢复至原状，晶体转换图如2所示。本方案中，形状记忆合金弹簧4在相变点之前为拉伸状态，受热后，恢复初始状态，收缩，从而使压电材料产生形变。

所述的压电材料2会通过压电效应发电，即当沿着压电材料的某一方向施加机械力时，会产生沿着该方向伸长或者缩短的机械变形，从而使得压电材料的表面上出现电荷，撤出机械力时，压电材料2表面的电荷会消失。

所述的压电陶瓷雾化片3由多组压电材料2形变产生的电能串联供给，如图6所示。

所述的高温器件6在温度突增时，能够达到水的相变温度。

所述的压电陶瓷雾化片3，工作需求流量少，不需要外界提供泵功，通过自身振动形成喷雾效果。经过水箱1底部的微孔水滴被震动雾化为细小的液滴，再通过雾化片的高频振动作用，使液体以一定速度从微孔喷出，达到雾化的效果。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。