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: Based on material heating films temperature controller memory design

Abstract

For heating films temperature controller memory materials design is a memory through memory material effect this special performance in order to achieve the design requirements. Ni-Ti memory alloys using materials controller to the outside world can be achieved within a certain temperature in the automatic control purposes. With the outside temperature changes Ni-Ti alloy shape also change accordingly. Thereby controls to control the flow of water heating panels, This led to changes in external temperature, Changes in temperature and feedback Ni-Ti alloys, Such control is achieved controller to cycle outside temperature automatic.

Keywords: Shape memory materials, Temperature controller, Spring-loaded memory

目 录

1 绪论 ............................................................... 1

2 形状记忆合金 ...................................................... 2

2.1形状记忆原理 ..................................................... 2

2.1.1热弹性马氏体相变 ............................................. 2

2.1.2 形状记忆原理 ................................................. 3

2.1.3形状记忆效应与伪弹性 ......................................... 3

2.2形状记忆合金 ..................................................... 4

2.2.1 TI-NI系合金 ................................................ 4

2.2.2 铜系形状记忆合金 ............................................. 6

2.2.3 铁系形状记忆合金 ............................................. 7

2.3 形状记忆材料的应用及发展 ......................................... 7

2.3.1 形状记忆合金的应用 ........................................... 7

2.3.2 形状记忆合金的发展方向 ....................................... 9

3供暖系统的设计 .................................................... 11

3.1 室内热水供暖系统 ................................................ 11

3.1.1 供暖系统的综合选择 ......................................... 12

3.2 热水锅炉供暖的智能调节 .......................................... 13

4 控制器整体结构设计 .............................................. 14

4.1暖气温度控制器的结构和工作原理 .................................. 14

4.2形状记忆弹簧的设计 .............................................. 15

4.2.1形状记忆弹簧设计原理 ........................................ 15

4.2.2 记忆弹簧的材料选择 .......................................... 17

4.2.3记忆合金弹簧的主要参数及设计公式 ............................ 17

4.2.4记忆合金弹簧的设计 .......................................... 18

4.2.5记忆合金弹簧形变动作的稳定 .................................. 20

4.2.6 记忆合金弹簧疲劳寿命问题 .................................... 20

4.3滑块及其滑杆的设计 .............................................. 21

4.3.1滑块及其滑杆的材料选择 ...................................... 21

4.3.2滑块及其滑杆的尺寸设计 ...................................... 21

4.4阀体及其阀盖的设计 .............................................. 22

4.4.1阀体及其阀盖的材料选择 ...................................... 22

4.4.2三通及其阀盖的尺寸设计 ...................................... 22

4.5控制器的密封和隔热 .............................................. 23

4.6控制器的装配 .................................................... 23

5 总结 ............................................................. 25

致 谢 .............................................................. 26

参考文献 ............................................................ 27

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；19511953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Ms、Mf。马氏体向母相逆转变开始、终了温度称为As,Af。具有马氏体逆转变，且Ms与As相差很小的合金，将其冷却到Ms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Ms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Af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Mf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。

2.2.1 Ti-Ni系合金

Ti-Ni合金中有三种金属化合物：Ti2Ni,N iTi和TiNi3。N iTi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%,Ms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

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Ms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Mf和Af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103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Af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 B1B1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。