暖气温度控制器设计.docx

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暖气温度控制器设计

摘要

基于记忆材料的暖气片温度控制器的设计，是通过记忆材料具有记忆效应此特殊性能，从而实现本设计的要求。

利用Ni-Ti合金记忆材料制成的控制器能够达到对外界温度在一定范围内的自动控制的目的。

随着外界温度的变化Ni-Ti合金的形状也随之变化，从而使控制器对暖气片的水流量控制，这样导致了外界温度的变化，温度的变化又反馈于Ni-Ti合金，此种循环控制便实现了控制器对外界温度的自动控制。

关键词：

形状记忆材料、温度控制器、记忆弹簧

Subject:

Basedonmaterialheatingfilmstemperaturecontrollermemorydesign

Abstract

Forheatingfilmstemperaturecontrollermemorymaterialsdesignisamemorythroughmemorymaterialeffectthisspecialperformanceinordertoachievethedesignrequirements.Ni-Timemoryalloysusingmaterialscontrollertotheoutsideworldcanbeachievedwithinacertaintemperatureintheautomaticcontrolpurposes.WiththeoutsidetemperaturechangesNi-Tialloyshapealsochangeaccordingly.Therebycontrolstocontroltheflowofwaterheatingpanels,Thisledtochangesinexternaltemperature,ChangesintemperatureandfeedbackNi-Tialloys,Suchcontrolisachievedcontrollertocycleoutsidetemperatureautomatic.

Keywords:

Shapememorymaterials,Temperaturecontroller,Spring-loadedmemory

1绪论

形状记忆材料是一种特殊的功能材料，它能够感知环境的变化（如温度、力、电磁、溶剂等）的刺激，并响应这种变化对其力学参数（如形状、位置、应变等）进行调整，从而回复到其预先设定状态。

形状记忆材料具有的这种性能叫做形状记忆效应。

基于记忆材料的暖气片温度控制器的设计是为了解决在无人控制下控制器能实现自动控制温度的目的。

设计的基于记忆材料的暖气片温度控制器,它是无源元件。

主要采用形状记忆合金材料制成螺旋状弹簧,此螺旋状弹簧同时作为感温元件和动作执行部件。

一直以来在温度控制方面大多都采用电子控制的方法，实现比较方便并且控制精度比较高。

但是却大量消耗能源和人力资源，用在高精度控制领域有其优越性。

本文之所以采用记忆材料来实现温度的自动控制，主要是由于记忆材料其特异的功能足以实现室内温度的自动控制。

记忆材料是一种新型的功能材料，具有一定初始形状的材料经形变并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理刺激或化学刺激的处理又可恢复成初始形状的材料。

正因为记忆材料有此特异功能，用来实现温度的控制就有其优越性和便易性。

能很容易的实现范围性的温度控制，结构简单，控制器体积小，并能按控制要求实现温度的自动控制。

目前，形状记忆材料已在空间技术、机器人和自动控制系统、仪器仪表、汽车工业和医疗设备等领域有了大量地应用，并且展示出了广阔的前景。

相信在不久的将来，形状记忆材料一定会成为功能材料中的佼佼者，并且在工业领域发挥巨大的作用。

2形状记忆合金

在研究Ti-Ni合金时发现：

原来弯曲的合金丝被拉直后，当温度升高到一定值时，它又恢复到原来弯曲的形状。

人们把这种现象称为形状记忆效应。

具有形状记忆效应的金属称为形状记忆合金。

形状记忆现象的发现可追溯到1932年，美国在研究Au-Cd合金时观察到马氏体随温度变化而消长；1938年美国哈佛大学和麻省理工学院发现Cu-Sn，Cu-Zn合金在马氏体相变中的形状记忆效应；同年前苏联对Cu-Al-Ni,Cu-Sn合金的形状记忆机理进行了研究；19511953年，美国分别在Au-Cd,In-TI合金中观察到形状记忆效应。

30年代初，形状记忆效应只被看作一种现象，Ti-Ni合金形状记忆效应发现后，美国研制了最初实用的形状记忆合金”Nition”。

除了合金外，也发现在非金属材料如高聚物和陶瓷中有形状记忆现象。

20世纪50年代初英国的Charlesby等人发现在辐射交联聚乙烯中有形状记忆现象。

1957年Ray-Chem.公司申请了辐射交联聚乙烯热收缩管的专利，并开始了生产。

1984年法国煤化学公司首先开发聚降冰片烯成功。

其后日本的几家公司有生产了新的形状记忆高聚物。

现在已生产的形状记忆高聚物已制备成热收缩管和膜等，用于电器、医疗、机械、和玩具等行业。

形状记忆陶瓷和玻璃尚处于探索阶段。

2.1形状记忆原理

2.1.1热弹性马氏体相变

大部分形状记忆合金的形状记忆机理是热弹性马氏体相变。

马氏体相变往往具有可逆性，即把马氏体以足够快的速度加热，可以不经分解直接转变为高温相。

母相向马氏体相转变开始，终了温度称为

、

。

马氏体向母相逆转变开始、终了温度称为

。

具有马氏体逆转变，且

与

相差很小的合金，将其冷却到

点以下，马氏体晶核随温度下降逐渐长大，温度回升时马氏体片又反过来同步地随温度上升而减小，这种马氏体叫热弹性马氏体。

在

以上一温度对合金施加外力也可引起马氏体转变，形成的马氏体叫应力诱发马氏体。

有些应力诱发马氏体也属弹性马氏体，应力增加时马氏体长大，反之马氏体缩小，应力消除后马氏体消失，这种马氏体叫应力弹性马氏体。

应力弹性马氏体行程时会使合金产生附加应变，当除去应力时，这种附加应变也会随之消失，这种现象叫超弹性（伪弹性）。

母相受力生成马氏体并发生形变，或先淬火得到马氏体，然后使马氏体发生塑性变形，变形后的合金受热时，马氏体发生逆转变，恢复母相原始状态；温度升高至

时，马氏体消失，合金完全恢复到原来的形状。

但是具有热弹性马氏体相变的材料并不都具有形状记忆效应。

2.1.2形状记忆原理

形状记忆材料应具备如下条件：

（1）马氏体相变是热弹性的；

（2）马氏体点阵的不变切变为挛变，亚结构为卵晶或层错；（3）母相和马氏体均为有序点阵结构。

形状记忆效应和伪弹性的出现与温度和应力有直接关系。

不仅对母相施加应力诱发马氏体相变会产生伪弹性，而且在

温度下，应力能诱发具有其它结构的马氏体。

这种应力诱发马氏体在热力学上是不稳定的，仅能在应力下存在，应力除去后，逆转变为原始结构马氏体而出现伪弹性。

2.1.3形状记忆效应与伪弹性

形状记忆效应有三种形式：

第一种称为单向形状记忆效应，即将母相冷却或加应力，使之发生马氏体相变，然后使马氏体发生塑性变形，改变其形状，再重新加热到以上，马氏体发生逆转变，温度升至点，马氏体完全消失，材料完全恢复母相形状。

一般没有特殊说明，形状记忆效应都是指这种单向形状记忆效应，见图2-1（a）。

有些形状记忆合金在加热发生马氏体逆转变时，对母相有记忆相应；当从母相再次冷却为马氏体时，还恢复原马氏体的的形状，这种现象称为双向形状记忆效应，又称可逆形状记忆效应。

如图2-1（b）。

第三种情况是在合金系中发现的，在冷热循环过程中，形状恢复到与母相完全相反的形状，称为全方位形状记忆效应。

见图2-1（c）。

应力弹性马氏体行程时会使合金产生附加应变，去除应力后，马氏体消失，应变也随之恢复，这种现象称为为弹性或超弹性。

2.2形状记忆合金

以发现的形状记忆合金种类很多，可以分为镍－钛系，铜系，铁系合金三大类。

另外，近年发现一些聚合物和陶瓷材料也具有形状记忆功能，其形状记忆原理与合金不同，还有待于进一步研究。

目前已实用化的形状记忆材料只有Ti-Ni合金和铜系形状记忆合金。

2.2.1Ti-Ni系合金

Ti-Ni合金中有三种金属化合物：

Ti2Ni,NiTi和TiNi3。

NiTi的高温相是CsCl结构的体心立方晶体，低温相是一种复杂的长周期堆垛结构B19，属单斜晶系。

高温相与马氏体之间的转变温度随合金成分及其热处理状态在而改变。

Ni成分变化0.1at%,

变化10K。

为了得到良好的记忆效应，通常在1000℃左右固容后，在400℃时效，再淬火得到马氏体。

时效处理一方面能提高滑移变形的临界应力，另一方面能引起R相变。

通过时效处理、反复进行相变和逆转变及加入其他元素，当母相转变为R相时，相变应小于1％，逆转变的温度滞后小于1.5K。

表2－2为Ti-Ni系合金有关性能指标

单向形状记忆合金

全方位形状记忆合金

材料性能

MAT－10

MAT－100

相变特性

相变温度

（℃）

相变温度

（℃）

滞后（℃）

形变恢复量

形变恢复力

－8080

－7090

2030

反复使用次数少：

8％以下

多次反复使用：

3％以下

400以下

－400

－1040

约70

2％以下（全方位）

400以下（升温）

130以下（降温）

物理特性

熔点（℃）

密度（g／cm3）

热膨胀系数

奥氏体

马氏体

1300

6.5

11

6.6

1300

6.5

11

6.6

电特性

电阻率

奥氏体

马氏体

7090

5080

7090

5080

力学特性

硬度

奥氏体

马氏体

断裂应力

屈服应力

延伸率

200350

180200

700900

100150

5070

200350

180200

700900

100

5070

由于形状记忆合金在许多应用中，都是在热和应变循环过程中工作的，因此材料可以反复使用到什么程度是设计者关心的、也是形状记忆合金实用化最突出的问题。

如合金在加热-冷循环中，伴随着相变温度的变动；反复形变过程中，相变温度和形变动作的变化也影响材料的疲劳寿命。

因为相变温度的变动和形变动作的变化可使元件动作温度失常，形变动作的变化可以使调节器的作用力不稳定，而材料的疲劳寿命则决定着元件的使用限度。

NiTi合金从高温母相冷却到通常的马氏体相变之前，要发生菱形结构的R相变，是电阻率陡峭升高。

在马氏体相变发生之后，电阻率又急剧降低，形成一个独特的电阻峰，在反复进行马氏体相变的热循环之后，合金相变温度将可能发生变化。

近年来在Ti-Ni合金基础上，加入Nb,Cu,Fe,Al,Si等元素，开发了Ti-Ni-Cu,Ti-Ni-Nb,Ti-Ni-Fe,Ti-Ni-Cr等新型的Ti-Ni合金。

上述合金元素对Ti-Ni合金的

点有明显的影响，也使AS温度降低，即使伪弹性向低温发展。

Ti-Ni系合金是最有实用前景的形状记忆材料，性能优良，可靠性好，并且与人体有生物相容性，但成本高，加工困难。

2.2.2铜系形状记忆合金

与Ti-Ni合金相比，Cu-Zn-Al制造加工容易，价格便宜，并有良好的记忆性能，相变点可在一定范围内调节，不同成分的相变温度不同。

同时，处理工艺对其相变点也有影响。

且随热循环次数的增加，合金的

和

点却随热循环次数的增加而缓慢降低，这些影响因素可以用热循环过程中位错的增值来说明。

在Cu-Zn-Al合金中，位错使DO3型结构的母相的有序度下降。

前者由于生成残留马氏体，在约

次热循环后，已能看到形状记忆效应衰退，而后者由于不生成残留马氏体可以期望得到更稳定的性能。

一般铜基合金在

点以上经过最初几个应力循环后即出现应变残留，在Cu-Zn三元系合金中，对相变不利的<111>方向晶粒滑移形变特别显著，残留有相当的应变。

对于Cu-Zn-Al合金，由于母相强度高，滑移变形难以进行，单晶中，在

相变伪循环中尽管应力很高，回线的形状却几乎不变。

但在多晶中，由于难以引起滑移形变，残留应变小则应力集中未能缓和，因此变得非常翠。

Cu-Zn-Al合金由于调整应变不协调，滑移形变难以进行，故无论在哪一种形变方式下，多晶的疲劳寿命都比单晶低。

可以通过晶粒细化和加工－时效处理来改善疲劳特性。

研究表明，Cu-Zn-Al合金通过粉末压制的方法，可以使疲劳寿命大幅度改善。

总之，铜系形状记忆合金由于热稳定性差，晶界易断裂，及多晶合金疲劳特性差等弱点，大大限制了其实用化。

2.2.3铁系形状记忆合金

铁系形状记忆合金发展较晚，主要Fe-PtFe-Pd,Fe-Ni-Co-Ti,Fe-Mn-Si等合金，另外，目前已有高锰钢和不锈钢也具有不完全性的形状记忆效应。

铁基形状记忆合金成本较Ti-Ni系和铜系合金低，易于加工，在应用方面具有明显的竞争优势。

目前的研究集中在Fe-Mn-Si合金上，近年来许多学者在这方面作了大量研究，在铁基记忆合金中加入Ni,Co,Ti等合金元素，可改善形状记忆效应。

2.3形状记忆材料的应用及发展

2.3.1形状记忆合金的应用

1）机械电气产品中的应用

①管接头

1970年美国用形状记忆合金制作F-14战斗机上的低温配合连接器，随后有数以百万以上的连接件的应用。

形状记忆合金作为低温配合联结件在飞机的液压系统中及体积较小的石油、石化、电力工业产品中的应用。

宽热滞NiTiNb合金的出现使形状记忆合金连接件和联结装置更有吸引力。

另一种连接件的形状是焊接的网状金属丝，可用于制造导体的金属丝编织层的安全接头。

这种连接件已经用于密封装置、电气连接装置、电子工程和机械装置，并能在－65～300℃可靠的工作。

已开发出的密封系统装置可在严酷的环境中用作电气件连接。

体积小且可靠性高的低温接头的结构是由一个形状记忆环紧贴着带内孔的铜合金的电气接头上的指针，当冷却到Mf点温度以下时，铂铜指针产生足够的力打开接头。

计算机连接大电路板的互连电缆需要一个接头，该接头在接触电阻降至最低时关闭会产生强力，可防止电缆损坏。

机械手

形状记忆元件具有感温和驱动的双重功能，因此可以用形状记忆元件制作机器人、机械手，通过温度变化使其动作。

2）宇航工业中的应用

形状记忆合金已应用到航空和太空装置。

如用在军用飞机的液压系统中的低温配合连接件，欧洲和美国正在研制用于直升飞机的智能水平旋翼中的形状记忆合金材料。

由于直升飞机高振动和高噪声使其应用受到限制，其噪声和震动的来源主要时叶片涡流干扰，以及叶片型线的微小偏差。

这就需要一种平衡叶片螺距的装置，使各叶片能精确的在同一平面旋转。

目前已开发出一种叶片的轨迹控制器，它是用一个小的双管记忆合金驱动器控制叶片边缘轨迹上的小翼片的位置，使其震动降到最低。

这种装置的定位准确性在±7。

5°范围内为±0.25°。

在太空方面，俄罗斯制作的形状记忆合金装置已达到了实用水平，如用于空间计划的大型天线和MIR空间站天线杆的连接与装配。

在美国，太空计划应用形状记忆合金的驱动插梢释放发射后的有效载荷，已证实是成功的。

脆性插梢用在预压气缸中，当形状恢复时引起有凹口的插梢断裂，它比常规的爆炸释放装置要安全的多。

另外，在卫星中使用一种可打开容器的形状记忆释放装置，该容器用于保护灵敏的锗探测器免受装配和发射期间的污染。

3）卫生医疗中的应用

用于医学领域的记忆合金，除了具备形状记忆或超弹性特性外，还应该满足化学和生物学等方面可靠性的要求。

一般植入生物体内的金属在生物体液的环境中会融解形成金属离子，其中一些金属离子会引起癌病，染色体畸变等各种细胞毒性反应或导致血栓等，称之为生物相容性差。

在现有的实用记忆合金中，只有与生物体接触后会形成稳定性很强的钝化膜的合金材可以植入生物体内，其中仅TiNi合金满足条件，是目前医学上主要使用的记忆合金。

在医学上TiNi合金应用较广的有口腔牙齿矫形丝，外科中用的各种矫形棒、骨连接器。

血管夹、凝血滤器等。

近年来在血管扩张元件中也应用了TiNi形状记忆合金。

4）日常生活中的应用

防烫伤阀

在家庭生活中，已开发的形状记忆阀可用来防止洗涤槽中、浴盆和浴室的热水意外烫伤；这些阀门也可用于旅馆和其他适宜的地方。

如果水龙头流出的水温达到可能烫伤人的温度时，形状记忆合金驱动阀门关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。

眼睛框架

在眼睛框架的鼻梁和耳部装配TiNi合金可使人感到舒适并抗磨损，由于TiNi合金所具有的柔韧性已使他们广泛用于改变眼睛时尚界。

用超弹性的恒定力夹牢镜片。

这些超弹性合金制造的眼睛框架的变形能力很大，而普通的眼睛框则不能做到。

移动电话天线和火灾检查阀门

使用超弹性TiNi金属丝作蜂窝状电话天线是形状记忆合金的另一个应用。

过去使用不锈钢天线，由于弯曲常常出现损坏问题。

使用TiNi形状记忆合金丝移动电话天线，具有高抗破坏性受到人们普遍欢迎。

因此常用来制作蜂窝状电话天线和火灾阀门。

火灾中当局部地方升温时阀门会自动关闭，防止了危险气进入。

这种特殊结构设计的优点是，它具有检查阀门的操作，然后又能恢复到安全状态；这种火灾检查阀门在半导体制造业中得到使用，在半导体制造的扩散过程中使用了有毒的气体；这种火灾检查阀也可在化学和石油工厂应用.

5）其它方面的应用

在工程和建筑领域用TiNi形状记忆合金作为隔音材料及探测地震损害控制的潜力已显示出来。

已试验了桥梁和建筑物中的应用，因此作为隔音材料及探测损害控制的应用以成为一个新的应用领域。

2.3.2形状记忆合金的发展方向

1）高温形状记忆合金

TiNi和CuZnAl合金的Ms温度通常不超过100℃，而形状记忆合金的动作温度取决于Ms，而这两种合金只能在100℃以下工作。

但在相当多的情况下，如防火装置，汽车发动机的记忆合金元件的工作温度都超过100℃，在核反应堆工程中，记忆合金元件的动作温度要求达到600℃高温，因而研制高温的形状记忆合金就称为一个主要的发展方向。

目前国内外研究的高温形状记忆合金主要有三类：

第一类是CuZnAl为基础发展起来的CuZnAlMnX五元合金，他的Ms最高可到200℃左右；第二类是从NiAl金属间化合物发展起来的NiAlZ合金，其最高Ms可在480℃以上；第三类是从TiNi合金发展起来的TiNiY三元合金，他的随Y的含量增加而增高，最高可达1040℃。

2）窄滞后形状记忆合金

通过热弹性马氏体相变实现记忆效应的TiNi，其相变滞后温度一般在2030℃，使其热灵敏度较低而应用受限。

当利用R相变实现记忆效应时，其相变滞后温度小于2℃，这样就可以制成窄滞后形状记忆合金。

TiNi合金或TiNiFe、TiNiCo等合金经冷加工后在低温退火或高温退火可实现R相变。

3）宽滞后形状记忆合金

有的时候，TiNi合金的AS温度小于室温，这样它的马氏体加工后制品必须在低温贮存，很不方便。

而TiNiPb合金可以形成－Pb软相，产生塑性变形使相变应变驰豫，降低应变马氏体的弹性应变能从而减少逆相变驱动力，结果使AS显著升高，使滞后最高可达144℃。

4）形状记忆合金薄膜

形状记忆合金目前的主要缺点是其电阻对温度和应力的灵敏度不高，响应速度也较慢。

为此，近年来发展了形状记忆合金薄膜，由于其表面积大、散热能力高和电阻率高，从而增加了灵敏度和响应速度，作为灵敏兼驱动元件，显示出潜力。

除上述几方面以外，仍有其它各种合金。

目前，有人对形状记忆合金具有形状记忆效应的必备条件进行了最新研究，认为热弹性马氏体相变并不是合金具有形状记忆效应的必备条件，例如FeMnSi和FeNiC系都通过非热弹性马氏体相变而显示出形状记忆效应。

只要能形成单变体马氏体，排除其它阻力，通过马氏体相变和逆相变，材料就会显示出形状记忆效应，按照这个原则，将会开发出更多系列的形状记忆合金。

3供暖系统的设计

由于现在所使用的供暖系统的情况，大多数采用的是热水供暖系统，所以暖气片温度控制器也就基于此系统进行设计。

温度控制器能实现室内温度的控制，只要是通过自动改变供暖系统热水的流量来达到温度控制的目的。

在供暖系统中如果改变局部的热水流量就会改变主管道热水的压力和温度，所以要设计的温度控制器必需要选择一种受流量影响比较小的供暖系统和必须实现对锅炉房的反馈控制，即管道的水流压力过大时锅炉房主管道水流量就相应的减少。

这就需要设计整个供暖系统的反馈响应装置和赖以实现控制功能的供暖系统的管道设计。

当前暖气供应的方式是多种多样的，要想实现气温度的控制，就需要选择一种适合的供暖系统进行设计，并设计其整合方案，使其能发挥其最优越的控制目的。

控制器所要实现的功能就是对室内温度的控制，使温度能自动调节到人们生活所要的最舒适的温度范围。

在这一章就简单的对供暖系统作一介绍并从中选择一种最优方案来实现设计的实用化。

3.1室内热水供暖系统

以热水作为热煤的供暖系统，称为热水供暖系统。

从卫生和节能等因素考虑居住和公共建筑应采用热水作为热煤。

热水供暖系统也用在生产厂房及辅助建筑物中。

热水供暖系统可按下述方法分类：

按热煤温度的不同可分为低温供水系统和高温供水系统。

室内热水供暖系统，大多采用低温水作为热煤。

设计供、回水温度多采用95℃/70℃。

高温水供暖系统宜在生产厂房中应用。

设计供、回水温度大多采用120－130℃/70－80℃。

按系统循环动力的不同，可分为重力循环系统和机械循环系统。

靠水的密度差进行循环的系统称为重力循环系统；靠机械力进行循环的系统，称为机械循环系统。

按散热器在供水与会输管道之间，室串联还是并联，分为单管系统和双管系统。

热水经供水立管或水平供水管，顺序流过多组散热器，并顺序的在各散热器中冷却的系统，称为单管系统；热水经供水立管或水平供水管平行的分配给多组散热器，冷却后的回水自每个散热器直接沿回水立管或水平回水管流回热源的系统，称为双管系统。

按系统的管道和各层散热器只见的关系，可分为垂直式系统和水平式系统。

热水通过立管分配到各层散热器，为垂直式系统；热水通过设在每层的水平管，分配到同一层的散热器，为水平式系统。

在下面的描述中，就主要的供暖系统作一简单的分析。

3.1.1供暖系统的综合选择

就目前使用的供暖系统从大的方面可分为重力循环热水供暖系统和机械循环热水供暖系统两大类。

重力循环热水供暖系统在室内采暖中很少使用，它升温慢，系统作用压力小，管径大和投资高，一般用于小型的单位建筑物供暖。

目前热水供暖主要采用机械循环系统。

此温度控制器的设计也是基于此系统进行设计的。

机械循环系统由锅炉房设备、室外管网和室内供暖系统三部分组成。

靠循环水泵驱动水循环，所以水在管道内流速大，管径小、升温快，在系统中循环时的冷却温降小。

由于这些特性，在此系统上实现温度控制较容易。

供暖系统按散热器在供水管和回水管之间是串联还是并联，分为单管系统和双管系统。

双管热水供暖系统在目前使用在室内采暖是比较多的。

双管热水供暖系统，按供水管的位置不同，可分为上分、中分。

下分三种系统。

在实际使用中各有其优缺点，但在室内采暖中使用最为广泛的是下分式（下供下回式），其优缺点表现在：

●调节灵活，例如在散热器供水支管上装调节阀就可以调节或关掉本房间供暖。

●在地下室布置供水干管而不影响其他房间的供暖，管路直接散热给地下室，无效热损失小。

●在施工中，由下向上每安装好一层散热器即可开始供暖，给冬季施工带来很大方便。

●室内无供水干管，顶层房间美观。

●缓和了上供下回式系统的垂直热力失调的现象。

根据以上综合考虑我选择机械循环双管热水供暖系统中的下供下回式系统进行控制器的设计。

并设计出整合的系统简图。

见图纸所示：

从图中可以看