一种车用形状记忆合金智能节温器

摘要

本发明涉及车用节温器技术领域，尤其涉及一种车用形状记忆合金智能节温器。采用具有双程形状记忆效应的SMA弹簧，其位于分流控制腔室中；分流控制腔室顶部为冷却水进水口，中部设有过流孔筛板；过流孔筛板下方为大循环阀门控制装置和小循环阀门控制装置，大循环阀门控制装置的底部为大循环出水口，小循环阀门控制装置底部为小循环出水口。本发明相对于传统的蜡式节温器结构的复杂性，该智能节温器整体结构简单，性能优越，易于实现，且可以根据不同类型发动机的性能和用途去调整结构尺寸以及相关参数，经济方便，便于量产。

权利要求

1.一种车用形状记忆合金智能节温器，其特征在于：采用具有双程形状记忆效应的SMA弹簧，其位于分流控制腔室中；分流控制腔室顶部为冷却水进水口，中部设有过流孔筛板；

过流孔筛板下方为大循环阀门控制装置和小循环阀门控制装置，大循环阀门控制装置的底部为大循环出水口，小循环阀门控制装置底部为小循环出水口；

大循环阀门控制装置和小循环阀门控制装置内设有SMA弹簧，所述SMA弹簧共两根，分为小循环弹簧和大循环弹簧；小循环弹簧两端分别与小循环阀门控制装置的顶部和底部阀门固定连接，原长状态下与小循环阀门控制装置高度一致；大循环弹簧两端分别与大循环阀门控制装置的顶部和底部阀门固定连接，原长状态下长度小于大循环阀门控制装置高度一定长度；大循环弹簧初始位移的状态为拉伸状态，可以关闭大循环阀门，小循环弹簧初始位移的状态为收缩状态，可以打开小循环阀门。

2.如权利要求1所示的车用形状记忆合金智能节温器，其特征在于：大循环阀门控制装置和小循环阀门控制装置包括固定底座，在固定底座内轴向运动的凹型控制阀门，内部的SMA弹簧；在固定底座的侧壁设有弧形保护套，弧形保护套的上端与固定底座相连，下端与分流控制腔室的底部固定。

3.如权利要求2所示的车用形状记忆合金智能节温器，其特征在于：SMA弹簧采用具有一定刚度、强度和双程记忆效应的合金材料制成，凹型控制阀门采用耐高温的轻质金属材质，其余部件均采用具有一定强度和刚度的钢材制成。

4.如权利要求2所示的车用形状记忆合金智能节温器，其特征在于：过流孔筛板为均匀分布有若干过流圆孔的金属圆板。

5.如权利要求1所示的车用形状记忆合金智能节温器，其特征在于：大循环阀门控制装置和小循环阀门控制装置与过流孔筛板焊接固定。

6.如权利要求4所示的车用形状记忆合金智能节温器，其特征在于：过流圆孔、弧形保护套的内壁以及凹型控制阀门的外壁均设计光滑。

说明书

一种车用形状记忆合金智能节温器

技术领域

[0001] 本发明涉及车用节温器技术领域，尤其涉及一种车用形状记忆合金智能节温器。

背景技术

[0002] 在汽车工艺中，节温器是水冷式发动机冷却系统中，对发动机冷却水温度进行控制的主要部件之一，目前大部分汽车发动机常用的的节温器为蜡式节温器，该类型节温器主要利用石蜡的热胀冷缩效应控制冷却液的进行循环，然而由于石蜡热胀冷缩的滞后性会导致发动机短时过热或过冷，影响发动机性能及其使用寿命。

[0003] SMA是一种车用功能材料，具有形状记忆效应，能够实现大变形快速回复，且SMA具有高阻尼性能以及良好的抗腐蚀、抗疲劳性能。基于SMA的优良性能，SMA弹簧成为车用节温器中的理想构件。

[0004] 车用SMA智能节温器主要包括一个分流腔室、两个循环阀门控制装置、以及过流筛孔板组成，本发明所设计的节温器整体结构相对传统节温器简化了内部构造，当冷却液温度改变时，在循环阀门控制装置中弹簧的记忆效应下快速改变冷却液流向，从而达到精准控制冷却液温度的作用。

[0005] 目前，石蜡作为发动机节温器应用最广泛的材料，在工程中得到了大量的应用，但是石蜡式节温器的缺陷较多。SMA作为一种全新的功能材料，具有形状记忆效应，可以根据温度控制其变形程度，在节温器方面也得到了一定的应用，但目前对SMA的利用仍有一些不足之处。

[0006] 1.传统石蜡式节温器是根据热胀冷缩效应改变大小循环阀门的张开与闭合，但是存在严重的滞后性，在冷却液低于节温器开启温度时，阀门仍有较大开度，导致发动机短时过冷，影响发动机的性能和使用寿命。

[0007] 2.传统石蜡式节温器是根据石蜡的熔点和凝固点来迎合汽车发动机的适宜温度区间，温控区间相对单一；而目前市场上各类型汽车对发动机温控区间不尽相同，仅依靠石蜡调节温度并不能精准的控制发动机温度处于适宜区间。

[0008] 3.传统石蜡式节温器内部结构复杂，生产难度大，量产成本高，在汽车工艺智能化发展的背景下，已经不能满足现代汽车性能和设计要求。

[0009] 4.现有的SMA节温器大多停留在研究阶段，且大部分是在传统节温器的母体基础上，将石蜡温控驱动部件换成形状记忆弹簧驱动部件，内部结构虽然有所简化，但是依旧相对复杂，制作难度大，量产成本高，另外，转换阀门时SMA弹簧承受载荷过大，不易于在实际应用中实现。

发明内容

[0010] 本发明要解决的技术问题是SMA作为一种全新的功能材料，具有形状记忆效应，可以根据温度控制其变形程度，在节温器方面也得到了一定的应用，但目前对SMA的利用仍有许多不足。

[0011] 为了解决上述问题，减轻这种滞后性，本发明利用了形状记忆合金(后文简称SMA)弹簧的记忆效应，根据水冷式发动机冷却原理，摒弃了传统节温器的冗杂结构，设计了一种结构简单、响应迅速、温控精准的新型车用SMA智能节温器，相对于传统的蜡式节温器结构的复杂性，该智能节温器整体结构简单，性能优越，易于实现，且可以根据不同类型发动机的性能和用途去调整结构尺寸以及相关参数，经济方便，便于量产。

[0012] 为达到上述目的，本发明提供一种车用形状记忆合金智能节温器，如图2、图6所示，采用具有双程形状记忆效应的SMA弹簧，位于桶状的分流控制腔室中，分流控制腔室顶部为冷却水进水口，中部设有过流孔筛板，调节冷却液温度的均匀性，避免冷却液各处冷热相差过大而导致阀门控制失灵；过流孔筛板下方为大循环阀门控制装置和小循环阀门控制装置，大循环阀门控制装置的底部为大循环出水口，小循环阀门控制装置底部为小循环出水口，大循环出水口和小循环出水口穿过分流控制腔室的底板，与管道接通；进出水口口径和筛孔板孔径设计可以保证冷却液在各类循环模式下的正常流动，且流动过程中各处水压在装置强度许可范围内；

[0013] 阀门控制装置内设有SMA弹簧，SMA是一种新型功能材料，具有形状记忆效应。材料主要存在两种相：奥氏体相和马氏体相。在高温下主要是奥氏体相，低温下主要是马氏体相。当温度小于奥氏体相变结束温度时，对SMA加载，当应力达到一定值时，奥氏体相开始转化为马氏体相，形状记忆应变开始产生。在应力不断升高的过程中，有较大的形状记忆应变产生，在卸载过程中形状记忆应变以残余应变的形式保留了下来，且这部分应变是稳定的。

[0014] 将SMA加热至奥氏体相变结束温度之上时，残余应变恢复，这是形状记忆效应，形状记忆效应主要可分为单程形状记忆效应、双程形状记忆效应以及全程形状记忆效应，本发明采用具有双程形状记忆效应的弹簧，即加热时恢复到高温相形状，冷却时恢复到低温相形状，具体如图1所示。

[0015] SMA的可回复最大应变可达到8％，且具有良好的抗腐蚀、抗疲劳性能。SMA螺旋弹簧继承了SMA的优良性能，同时又具有螺旋弹簧的优点，具有一定初始位移的双程SMA螺旋弹簧在加热到一定温度后会迅速恢复原长，降温到一定温度也能回到具备初始位移的状态。

[0016] 所述SMA弹簧共两根，分为小循环弹簧和大循环弹簧；小循环弹簧两端分别与小循环阀门控制装置的顶部和底部阀门固定连接，原长状态下与小循环阀门控制装置高度，刚好可以使小循环阀门控制装置的阀门紧密闭合；大循环弹簧两端分别与大循环阀门控制装置的顶部和底部阀门固定连接，原长状态下长度小于大循环控制装置高度一定长度，确保低温拉伸后的残余变形和原长的总长能使大循环阀门控制装置的阀门紧密闭合；根据形状记忆效应，采用适当的热处理工艺和方法，对材料马氏体和母相之间的正逆过程和过程温度进行调整，即设计时两者受到的恢复训练不相同，使得大循环弹簧初始位移的状态为拉伸状态，可以关闭大循环阀门，小循环弹簧初始位移的状态为收缩状态，可以打开小循环阀门，也就是使大循环控制装置的弹簧在低于发动机适宜水温区间时，其长度可以使大循环控制装置的阀门关闭，而小循环控制装置的弹簧长度可以使小循环控制装置的阀门正常开启，即如图2所示，右侧小循环阀门打开，左侧大循环阀门关闭；当冷却液温度高于发动机适宜水温区间时，使大、小循环控制装置的弹簧均完全恢复原长，即右侧小循环阀门关闭，左侧大循环阀门打开。

[0017] 进一步的，如图3所示，循环阀门控制装置包括固定底座，在固定底座内轴向运动的凹型控制阀门，内部的SMA弹簧；在固定底座的侧壁设有弧形保护套，弧形保护套的上端与固定底座相连，下端与分流腔室的底部焊接固定；凹型控制阀门尺寸以及布置位置可以保证在弧形保护套内正常上下滑动，且可以正常关闭循环出水口，使用凹型控制阀门主要为了防止阀门卡入管道而导致开启困难。

[0018] 进一步的，SMA弹簧采用具有一定刚度、强度和双程记忆效应的合金材料制成，凹型控制阀门采用耐高温的轻质金属材质，其余部件均采用具有一定强度和刚度的钢材制成。

[0019] 进一步的，如图4、图7所示，过流孔筛板为均匀分布有若干过流圆孔的金属圆板。

[0020] 进一步的，大循环阀门控制装置和小循环阀门控制装置与过流孔筛板焊接固定。

[0021] 进一步的，过流圆孔、弧形保护套以及凹型控制阀门内壁均设计光滑。

[0022] 本发明的有益效果在于：

[0023] (1)设置有两根不同长度的形状合金弹簧处于不同的残余应变下，通过分流腔室的温度变化调节两个阀门的开合，从而实现对冷却液大小循环的控制，精准控制发动机处于适宜温度内。

[0024] (2)设计了一种构造简单的分流腔室，代替了传统的节温器的复杂结构，同样可以实现对冷却液大小循环的控制，分流腔室三个阀门的直径大小根据不同类型汽车发动机进行了精准设计，确保小循环能够快速暖机，大循环可以快速降温。

[0025] (3)针对不同适宜温度区间的车用发动机，本发明中的SMA弹簧进行了不同的记忆训练，且其具体材料选取、尺寸设计满足结构刚度与强度要求。阀门选择了耐高温的轻质金属材质，且制成表面和内壁光滑的凹型阀门，阀门的具体尺寸可以保证发动机工作时正常控制出水口的开合。

附图说明

[0026] 图1是双程形状记忆效应示意图；

[0027] 图2是本发明车用形状记忆合金智能节温器剖面示意图；

[0028] 图3是循环阀门控制装置结构示意图；

[0029] 图4是过流筛板横向剖面图；

[0030] 图5是发动机冷却系统原理图；

[0031] 图6是本发明车用形状记忆合金智能节温器立体结构示意图；

[0032] 图7是过流筛孔板立体结构示意图；

[0033] 图8是小循环节温器内部流向图；

[0034] 图9是第三循环节温器内部流向图；

[0035] 图10是大循环节温器内部流向图；

[0036] 图中，大循环阀门控制装置1、小循环阀门控制装置2、过流孔筛板3、金属圆板301、过流圆孔302、冷却水进水口4、大循环出水口5、小循环出水口6、分流控制腔室7。

具体实施方式

[0037] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0038] 实施例1：

[0039] 一种车用形状记忆合金智能节温器，如图2、图6所示，采用具有双程形状记忆效应的SMA弹簧，位于桶状的分流控制腔室7中，分流控制腔室顶部为冷却水进水口4，中部设有过流孔筛板3，调节冷却液温度的均匀性，避免冷却液各处冷热相差过大而导致阀门控制失灵；过流孔筛板3下方为大循环阀门控制装置1和小循环阀门控制装置2，大循环阀门控制装置1的底部为大循环出水口5，小循环阀门控制装置2底部为小循环出水口6，大循环出水口5和小循环出水口6穿过分流控制腔室7的底板，与管道接通；进出水口口径和筛孔板孔径设计可以保证冷却液在各类循环模式下的正常流动，且流动过程中各处水压在装置强度许可范围内；

[0040] 阀门控制装置内设有SMA弹簧，所述SMA弹簧共两根，分为小循环弹簧和大循环弹簧；小循环弹簧两端分别与小循环阀门控制装置2的顶部和底部阀门固定连接，原长状态下与小循环阀门控制装置2高度，刚好可以使小循环阀门控制装置的阀门紧密闭合；大循环弹簧两端分别与大循环阀门控制装置1的顶部和底部阀门固定连接，原长状态下长度小于大循环控制装置高度一定长度(该长度大概范围是大循环控制装置高度的1/7至1/8，注：不是分流装置的高度，而是循环控制装置的高度，即过流孔筛板到两个阀门的铅直高度，所述装置的大、小循环装置的高度是相等的)，确保低温拉伸后的残余变形和原长的总长能使大循环阀门控制装置的阀门紧密闭合；根据形状记忆效应，采用适当的热处理工艺和方法(热处理方法较多，主要是为了改变形状记忆合金的相变点，具体方法可以参考以下两篇参考文献，【1】沈阿妮,李宁,文玉华.热处理工艺对CuZnAl形状记忆合金相变点的影响[J].四川大学学报(工程科学版)(2):48-50,56.【2】唐强，杨眉，杨军.Fe-Ni-Co-Ti形状记忆合金在不同热处理工艺下的相变特性研究[J].中国金属通报.2019.04)，对材料马氏体和母相之间的正逆过程和过程温度进行调整，使大循环控制装置的弹簧在低于发动机适宜水温区间时，其长度可以使大循环控制装置的阀门关闭，而小循环控制装置的弹簧长度可以使小循环控制装置的阀门正常开启(即设计时两者受到的恢复训练不相同，使得大循环弹簧初始位移的状态为拉伸状态，可以关闭大循环阀门，小循环弹簧初始位移的状态为收缩状态，可以打开小循环阀门)，即如图2所示，右侧小循环阀门打开，左侧大循环阀门关闭；当冷却液温度高于发动机适宜水温区间时，使大、小循环控制装置的弹簧均完全恢复原长，即右侧小循环阀门关闭，左侧大循环阀门打开。

[0041] 如图3所示，循环阀门控制装置包括固定底座104，在固定底座内轴向运动的凹型控制阀门103，内部的SMA弹簧101；在固定底座的侧壁设有弧形保护套102，弧形保护套102的上端与固定底座104相连，下端与分流腔室的底部焊接固定；凹型控制阀门103尺寸以及布置位置可以保证在弧形保护套102内正常上下滑动，且可以正常关闭循环出水口，使用凹型控制阀门103主要为了防止阀门卡入管道而导致开启困难。

[0042] SMA弹簧101采用具有一定刚度、强度和双程记忆效应的合金材料制成，凹型控制阀门103采用耐高温的轻质金属材质，其余部件均采用具有一定强度和刚度的钢材制成。

[0043] 如图4、图7所示，过流孔筛板3为均匀分布有若干过流圆孔302的金属圆板301。

[0044] 实施例2：

[0045] 大循环阀门控制装置1和小循环阀门控制装置2与过流孔筛板3焊接固定。

[0046] 过流圆孔302、弧形保护套102以及凹型控制阀门103内壁均设计光滑。

[0047] 其他均与实施例1相同。

[0048] 如图5所示，发动机冷却系统原理如下：水冷发动机的冷却系统主要由水泵、发动机水套、散热器、节温器等部件组成。当发动机起动后，冷却液的温度较低，节温器的大循环阀门关闭，水泵抽向水套(汽车发动机中的水套是指发动机气缸体和气缸盖内外壳间的空间，是一只多孔水管)中的冷却液从节温器的小循环出水口流回水泵，此为小循环，即：水泵→发动机水套→节温器(小循环出水口)→水泵。由于低温出口的管径很小，故冷却液的流量也很小，且冷却液未经过散热器冷却，发动机的温度上升很快。如果冷却液温度高于规定值时，冷却液从节温器的大循环出水口流向散热器，冷却液的流量变大，此为大循环，即：水泵→发动机水套→节温器(大循环出水口)→散热器→水泵。高温冷却液流入散热器后，经散热器的叶片与空气热交换，使水温降低，流回水泵重新循环。

[0049] 运行过程如下：在发动机开启时，冷却液温度较低，SMA弹簧处于完全残余应变下，此时小循环阀门打开，大循环阀门关闭，可以较快升高温度，达到暖机的作用，冷却却液进行小循环，冷却液在节温器的流向如图8所示；经过一段时间的小循环运转之后，冷却液温度逐渐提升直至发动机运转的适宜温度区间，SMA弹簧会恢复部分原长，此时大循环阀门打开，小循环阀门尚未关闭，此时大小循环同时进行，本文称为第三循环，部分冷却液经过散热器处理达到缓慢降温的效果，冷却液流向如图9所示；经过一段第三循环之后，如果冷却液温度继续升高，则SMA弹簧完全恢复原长，此时大循环阀门打开，小循环阀门关闭，所有冷却液全部进行散热器处理，达到快速降温的效果，冷却液流向如图10所示。当降温后达到适宜温度区间时，进行第三循环以缓慢升温，降温后低于适宜温度区间时进行小循环以快速升温，如此循环始终控制冷却液温度在发动机适宜温度区间内，为发动机提供良好的工作环境。