專利名稱：一種基于低熔點金屬相變體積變化效應(yīng)的溫度開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種溫度開關(guān)，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(yīng)，來驅(qū)動活塞運動并控制流體出入的基于低熔點金屬相變效應(yīng)的溫度開關(guān)。
背景技術(shù)：
溫度開關(guān)定義為能感受特定溫度，并做出相應(yīng)機械動作的器件。其典型應(yīng)用包括汽車節(jié)溫器、建筑供暖通風(fēng)控制、恒溫混水閥、電子器件過熱保護等。目前主流的溫度開關(guān)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(qū)動力及行程有限，記憶合金制造加工復(fù)雜且成本高昂，目前應(yīng)用最廣的仍然為石蠟式溫度開關(guān)。石蠟式溫度開關(guān)驅(qū)動力大，價格低廉，在汽車節(jié)溫器、恒溫混水閥等器件上得到了廣泛應(yīng)用。然而，石蠟式溫度開關(guān)最突出的問題在于石蠟熱導(dǎo)率低，因此開關(guān)反應(yīng)速度慢，控溫波動顯著。圍繞石蠟式溫度開關(guān)的優(yōu)化，國內(nèi)外公司已申請并保護了一系列專利(如 KR2009008671-A, US2007137709-A1, JP2005285398-A)，同時產(chǎn)生了一大批民用產(chǎn)品。但當(dāng)前都只是在傳統(tǒng)石蠟式溫度開關(guān)結(jié)構(gòu)上做一定的優(yōu)化調(diào)整，并無實質(zhì)性革新。因此，目前就如何在保證石蠟溫度開關(guān)驅(qū)動力大，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點的前提下顯著提高其開關(guān)靈敏性仍然是工業(yè)界尚未解決的難題。為此，本發(fā)明提出一種基于低熔點金屬相變體積變化效應(yīng)的溫度開關(guān)。其利用低熔點金屬在其相變溫度點的體積變化效應(yīng)，來驅(qū)動活塞運動實現(xiàn)迅速的開關(guān)動作。其典型優(yōu)點如下(1)反應(yīng)迅速。低熔點金屬(如鉍，鎵，銦)熱導(dǎo)率為石蠟的數(shù)百倍，升降溫迅速， 因此對外界環(huán)境溫度反應(yīng)極其靈敏；(2)監(jiān)控溫度范圍廣。典型開關(guān)溫度可由-80°C (NaKCs 合金)到270°C (金屬鉍)，其開關(guān)相變點可根據(jù)合金配比靈活定制；(3)高體積膨脹率。 鎵，鉍的凝固體積膨脹率可達3%; (4)金屬凝固后強度高，耐壓能力更大；( 無毒，物化性質(zhì)穩(wěn)定。不會出現(xiàn)石蠟或記憶合金高溫失效等問題，可保證開關(guān)長期穩(wěn)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(xiàn)可更加靈活。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于低熔點金屬相變體積變化效應(yīng)的溫度開關(guān)，該溫度開關(guān)利用低熔點金屬在其相變溫度點的體積變化效應(yīng)，來驅(qū)動活塞運動實現(xiàn)迅速的開關(guān)動作，以實現(xiàn)根據(jù)流體溫度控制流體流通狀態(tài)的目的。本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的基于低熔點金屬相變體積變化效應(yīng)的溫度開關(guān)，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(shè)有用于流體進、出的至少一個進口 Jl 和至少一個出口 Cl ；一垂向固定于所述空心殼體1內(nèi)底面上的固定桿2 ；一套裝于所述固定桿2外壁上的空心活塞3 ；所述固定桿2頂端與空心活塞3內(nèi)頂端之間設(shè)有空間5 ；其空間5內(nèi)裝有液態(tài)金屬； 一套裝于所述空心活塞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、固定桿2和活塞3材質(zhì)均為金屬，塑料或陶瓷；所述金屬為不銹鋼、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(zhì)為金屬或塑料；所述金屬為不銹鋼、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(fā)明的基于低熔點金屬相變效應(yīng)的溫度開關(guān)的外形尺度可為1微米 1米。所述的液態(tài)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(fā)明提供的基于低熔點金屬相變體積變化效應(yīng)的溫度開關(guān)開始處于某一狀態(tài)，隨著流體溫度的變化，當(dāng)溫度到達溫度開關(guān)的設(shè)計閾值(即低熔點液態(tài)金屬的熔點)時，液態(tài)金屬發(fā)生相變，空心活塞3在液態(tài)金屬相變體積力和彈簧力的作用下相對固定桿2發(fā)生位移，同時導(dǎo)致空心殼體1上流體進口、流體出口的適度開閉，以此實現(xiàn)根據(jù)流體溫度控制流體流通狀態(tài)的目的。本發(fā)明的基于低熔點金屬相變體積變化效應(yīng)的溫度開關(guān)的優(yōu)點在于(1)反應(yīng)迅速。低熔點金屬(如鉍，鎵，銦)熱導(dǎo)率為石蠟的數(shù)百倍，升降溫迅速， 因此對外界環(huán)境溫度反應(yīng)極其靈敏；(2)監(jiān)控溫度范圍廣。典型開關(guān)溫度可由-80°C (NaKCs合金)到270°C (金屬鉍)，其開關(guān)相變點可根據(jù)合金配比靈活定制；(3)高體積膨脹率。鎵，鉍的凝固體積膨脹率可達3% ；(4)金屬凝固后強度高，耐壓能力更大；(5)無毒，物化性質(zhì)穩(wěn)定。不會出現(xiàn)石蠟或記憶合金高溫失效等問題，可保證開關(guān)長期穩(wěn)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(xiàn)可更加靈活。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于智能建筑、余熱利用、工業(yè)熱管理、微流控芯片實驗室等領(lǐng)域。


圖1為實施例1溫度開關(guān)作為溫敏流體閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實施例1溫度開關(guān)作為溫敏流體閥門處于打開狀態(tài)時的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為實施例2溫度開關(guān)作為汽車節(jié)溫器控制冷卻水走小循環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為實施例2溫度開關(guān)作為汽車節(jié)溫器控制冷卻水走大循環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為實施例3溫度開關(guān)作為恒溫混水閥控制混水水溫的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及具體實施例進一步描述本發(fā)明。實施例1實施例1展示了本發(fā)明的基于低熔點金屬相變體積變化效應(yīng)的溫度開關(guān)的一種典型應(yīng)用。圖1為該溫度開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為該溫度開關(guān)處于打開狀態(tài)時的結(jié)構(gòu)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(guān)由空心殼體1、固定桿2、 空心活塞3、彈簧4，以及充注于固定桿2頂端與空心活塞3內(nèi)頂端之間的空間5中的液態(tài)金屬組成；本實施例的空心殼體1側(cè)壁上開設(shè)一個流體進入口 Jl和開于空心殼體1頂壁上一個流體排出口 Cl ；固定桿2垂向固定在空心殼體1內(nèi)底端壁上；空心活塞3緊套在固定桿2的外壁上；彈簧4套裝于空心活塞3外壁上，其兩端分別與空心殼體1和活塞3相連接；由于彈簧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相對固定桿2運動；空心殼體1、固定桿2、空心活塞3的材質(zhì)均可為金屬，塑料或陶瓷等；本實施例中， 這些部件的材質(zhì)均為聚乙烯(當(dāng)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(zhì)可為金屬或塑料；本實施例中，其材質(zhì)亦為聚乙烯(當(dāng)然均為聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚碳酸酯亦可)。本發(fā)明的溫度開關(guān)可采用微加工或常規(guī)加工方式生產(chǎn)，其外形尺度范圍可為1微米 1米之間；在應(yīng)用在微流控芯片領(lǐng)域時，典型的溫度開關(guān)尺度可以為數(shù)微米；而在應(yīng)用于大型工業(yè)液冷系統(tǒng)中，本發(fā)明的溫度開關(guān)尺度可為數(shù)米。本發(fā)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(jù)元素比例靈活調(diào)配，本實施例中選擇Ga6Jn32，其熔點為50 0C ο本發(fā)明的基于低熔點金屬相變體積變化效應(yīng)的溫度開關(guān)運行過程如下初始狀態(tài)時，流體溫度低于50°C，低熔點金屬為固態(tài)，體積較大，在其體積膨脹力的作用下，空心活塞3相對固定桿2向上運動，彈簧4同時關(guān)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(guān)閉)；當(dāng)流體溫度高于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相對固定桿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(fā)明的溫度開關(guān)可實現(xiàn)流體溫度高于溫度閾值(50°C)時允許流體通過，流體溫度低于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(dǎo)率，因此開關(guān)反應(yīng)迅速，延時極小。本實施例的溫度開關(guān)可廣泛應(yīng)用于智能建筑、余熱利用、工業(yè)熱管理、微流控芯片實驗室等領(lǐng)域。實施例2實施例2展示了本發(fā)明的基于低熔點金屬相變體積變化效應(yīng)的溫度開關(guān)用作汽車節(jié)溫器的一種典型應(yīng)用；圖3、圖4為其結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3和圖4所示，本實施例的基于低熔點金屬相變體積變化效應(yīng)的溫度開關(guān)的結(jié)構(gòu)與實施例1基本相同，所不同的是空心殼體1上開設(shè)一個流體進入口 Jl和兩個流體排出口(位于空心殼體1側(cè)壁底部的小循環(huán)出口 Cx和位于空心殼體1頂壁上的大循環(huán)出口 Cd)；其中，經(jīng)過汽車發(fā)動機8 被加熱的冷卻水從位于空心殼體1側(cè)壁中部的流體進入口 Jl流入，通過小循環(huán)出口 Cx流出的熱水不經(jīng)過散熱器7直接回到汽車發(fā)動機8，而從大循環(huán)出口 Cd流出的熱水將經(jīng)過一散熱器7冷卻后再流回汽車發(fā)動機8。本實施例的空心殼體1、固定桿2、空心活塞3的材質(zhì)均為氧化鋁陶瓷，彈簧4材質(zhì)亦為不銹鋼(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(fā)動機8啟動時冷卻水溫度低，此時低熔點金屬呈固態(tài)體積較大，彈簧4受力壓縮；因而節(jié)溫器底部小循環(huán)出口 Cx打開，頂部大循環(huán)出口 Cd關(guān)閉，冷卻水不經(jīng)過散熱器7，發(fā)動機能迅速暖缸，以提高工作性能和減少磨損(圖幻；隨著發(fā)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(huán)出口 Cd開啟，底部小循環(huán)出口 Cx關(guān)閉，冷卻水轉(zhuǎn)而流經(jīng)大循環(huán)通往散熱器7來避免汽車發(fā)動機8過熱(圖4)；總的來說，基于低熔點金屬的汽車節(jié)溫器 (即本發(fā)明的基于低熔點金屬相變體積變化效應(yīng)的溫度開關(guān))通過對冷卻水溫度的快速反應(yīng)，可保證低溫時冷卻水走底部的小循環(huán)回路，而高溫時走頂部的大循環(huán)回路，以此來維持合適的冷卻水及發(fā)動機工作溫度。實施例3實施例3展示了本發(fā)明的基于低熔點金屬相變體積變化效應(yīng)的溫度開關(guān)用作恒溫混水閥的一種典型應(yīng)用。圖5為該恒溫混水閥調(diào)節(jié)冷熱水混合比例，保證出水溫度恒定的示意圖。如圖5所示，本實施例中基于低熔點金屬相變體積變化效應(yīng)的溫度開關(guān)的結(jié)構(gòu)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(nèi)混合，然后經(jīng)混合水出口 Cl流出。本實施例的空心殼體1、固定桿2、空心活塞3的材質(zhì)均為不銹鋼(銅或鋁亦可)。 所述彈簧4材質(zhì)為不銹鋼。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(guān)設(shè)定溫度閾值為35°C (即低熔點金屬熔點)；若流體排出口 Cl混合水溫度高于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相對固定桿2向下運行，減小熱水進口并增大冷水進口，因此使混合水溫度降低。 若出口混合水溫度低于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相對固定桿2向上運行，增大熱水進口并減小冷水進口，因此使混合水溫度升高。如此往復(fù)，溫度開關(guān)可使混合出水水溫恒定在35°C左右。因為低熔點金屬具有極高的熱導(dǎo)率和較低的熱容，因此基于低熔點金屬的恒溫混水閥具有非常迅速的反應(yīng)速率，出水溫度波動小。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于建筑或工業(yè)熱水控制領(lǐng)域。本發(fā)明對于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(zhì)穩(wěn)定，不易蒸發(fā)泄漏等優(yōu)點為最優(yōu)選擇。鈉、鉀、 鋰、銣、銫及其合金化學(xué)性質(zhì)較活潑，必須在良好封裝隔絕空氣和水情況下應(yīng)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后方能使用。
最后應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種基于低熔點金屬相變效應(yīng)的溫度開關(guān)，其特征在于，其組成如下一空心殼體；所述空心殼體的殼壁上設(shè)有用于流體進、出的至少一個進口和至少一個出口 ；一垂向固定于所述空心殼體內(nèi)底面上的固定桿；一套裝于所述固定桿外壁上的空心活塞；所述固定桿頂端與空心活塞內(nèi)頂面之間設(shè)有空間，所述空間內(nèi)裝有液態(tài)金屬；一套裝于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(quán)利要求1所述的基于低熔點金屬相變效應(yīng)的溫度開關(guān)，其特征在于，所述空心殼體、固定桿和空心活塞材質(zhì)均為金屬，塑料或陶瓷。
3.按權(quán)利要求2所述的基于低熔點金屬相變效應(yīng)的溫度開關(guān)，其特征在于，所述金屬為不銹鋼、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(quán)利要求1所述的基于低熔點金屬相變效應(yīng)的溫度開關(guān)，其特征在于，所述彈簧4 材質(zhì)為金屬或塑料。
5.按權(quán)利要求4所述的基于低熔點金屬相變效應(yīng)的溫度開關(guān)，其特征在于，所述金屬為不銹鋼、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(quán)利要求1所述的基于低熔點金屬相變效應(yīng)的溫度開關(guān)，其特征在于，其外形尺度范圍在1微米 1米之間。
7.按權(quán)利要求1所述的基于低熔點金屬相變效應(yīng)的溫度開關(guān)，其特征在于，所述的液態(tài)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(quán)利要求7所述的基于低熔點金屬相變效應(yīng)的溫度開關(guān)，其特征在于，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(quán)利要求7所述的基于低熔點金屬相變效應(yīng)的溫度開關(guān)，其特征在于，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(fā)明涉及的基于低熔點金屬相變效應(yīng)的溫度開關(guān)，其由空心殼體、固定桿、空心活塞、彈簧，以及充注于固定桿和空心活塞之間的液態(tài)金屬組成；空心殼體上開設(shè)用于流體進出的至少一進口和一出口；固定桿緊固在空心殼體內(nèi)底面上；活塞緊套在固定桿外壁上，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(fā)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桿運動，活塞的運動導(dǎo)致外殼上流體進出口的開閉，而實現(xiàn)不同溫度下開閉功能。本發(fā)明充分利用了液態(tài)金屬高熱導(dǎo)率，低熱容的熱物理性質(zhì)，反應(yīng)極為靈敏；同時因為液態(tài)金屬種類多樣，該溫度開關(guān)閾值選擇廣；可廣泛應(yīng)用于智能建筑、余熱利用、工業(yè)熱管理及微流控芯片等領(lǐng)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(yōu)先權(quán)日2011年1月7日
發(fā)明者劉靜, 鄧月光 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所