專利名稱：帶有自檢的電路中斷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可復(fù)位電路中斷裝置，該裝置包括但不限于接地故障
電路中斷器(GFCI)、電孤故障電路中斷器(AFCI)、浸沒(méi)檢測(cè)電 路中斷器(IDCI)、電器漏電電路中斷器(ALCI)、設(shè)備漏電電路 中斷器(ELCI)、斷路器、接觸器、閂鎖繼電器及螺線管機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
許多電氣布線裝置具有可連接到電源上的線路側(cè)、和可連接到一 個(gè)或多個(gè)負(fù)載上的負(fù)載側(cè)及在線路和負(fù)載側(cè)之間的至少 一條導(dǎo)電路 徑。對(duì)于供給電力的配線的電氣連接或?qū)τ谙蛞粋€(gè)或多個(gè)負(fù)載導(dǎo)電的 配線的電氣連接分別位于線路側(cè)和負(fù)載側(cè)連接處。已經(jīng)證明電氣布線 裝置工業(yè)對(duì)于電路斷開(kāi)裝置或系統(tǒng)的需要增大，該電路斷開(kāi)裝置或系 統(tǒng)設(shè)計(jì)成中斷到如家用電器、客戶電氣產(chǎn)品及從裝置分支的電路或系 統(tǒng)的各種負(fù)載的電力。具體地說(shuō)，電氣法規(guī)要求在家庭浴室和廚房中 的電路裝有例如接地故障電路中斷器(GFCI)。目前可得到的GFCI 裝置，如在通過(guò)引用全部包括在這里的共同擁有的美國(guó)專利4，595，894 中描述的裝置，使用電動(dòng)斷路(trip)機(jī)構(gòu)機(jī)械地?cái)嚅_(kāi)在線路側(cè)與負(fù) 載側(cè)之間的電氣連接。這樣的裝置在它們通過(guò)例如接地故障的檢測(cè)而 斷路之后是可復(fù)位的。在美國(guó)專利4,595,894中討論的裝置中，用來(lái) 引起電路(即，在線路側(cè)與負(fù)栽側(cè)之間的導(dǎo)電路徑)的機(jī)械斷開(kāi)的斷 路機(jī)構(gòu)包括螺線管(或斷路線圏)。測(cè)試按鈕用來(lái)測(cè)試用于感測(cè)故障 的斷路機(jī)構(gòu)和電路，并且復(fù)位按鈕用來(lái)復(fù)位線路與負(fù)栽側(cè)之間的電氣 連接。
在過(guò)去幾年，電路中斷裝置已經(jīng)進(jìn)化成包括具有復(fù)位閉鎖功能的 電路中斷裝置，該復(fù)位閉鎖功能旨在禁止具有例如不可操作電路中斷部分(即，故障感測(cè)電路和斷路機(jī)構(gòu))、斷開(kāi)中線狀態(tài)、或顛倒布線 狀態(tài)的裝置被復(fù)位。通過(guò)引用全部包括在這里的共同擁有的美國(guó)專利
No.6，040，967 (下文稱為967專利)描述了 一系列的可復(fù)位電路中斷 裝置，如果電路中斷部分(在'967專利中稱作電路中斷器)是不可操 作的或者如果斷開(kāi)中線狀態(tài)存在，則該可復(fù)位電路中斷裝置能夠閉鎖 裝置的復(fù)位部分。通過(guò)引用全部包括在這里的共同擁有的美國(guó)專利 No.6，246，558描述了 一系列的可復(fù)位電路中斷裝置，如果顛倒布線狀 態(tài)存在，則該可復(fù)位電路中斷裝置能夠閉鎖裝置的復(fù)位部分。
盡管大多數(shù)(如果不是全部)現(xiàn)有電路中斷裝置滿足管理電氣故 障保護(hù)裝置的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，但存在著以下跡象，即下一代標(biāo)準(zhǔn)可能要求 在裝置根據(jù)適用標(biāo)準(zhǔn)不再能夠操作的情況下，電路中斷裝置能夠永久 地中斷供給到裝置負(fù)栽側(cè)的電力。而且，下一代標(biāo)準(zhǔn)可能要求對(duì)裝置 的斷路機(jī)構(gòu)的自動(dòng)測(cè)試并且在裝置根據(jù)適用標(biāo)準(zhǔn)不再能夠操作的情 況下永久地中斷供給到裝置負(fù)載側(cè)的電力。

發(fā)明內(nèi)容
本公開(kāi)涉及具有自檢和永久電力中斷系統(tǒng)的可復(fù)位電路中斷裝 置。當(dāng)電路中斷裝置經(jīng)歷裝置失效時(shí)，致動(dòng)永久電力中斷系統(tǒng)。裝置 失效是指其中本發(fā)明的電路中斷裝置按照管理裝置的適用標(biāo)準(zhǔn)不能 夠操作并且/或者按照其設(shè)計(jì)特性不能夠操作的情形和/或狀態(tài)。
在一個(gè)實(shí)施例中，電路中斷裝置包括相線導(dǎo)電路徑和中線導(dǎo)電路 徑，每條導(dǎo)電路徑具有線路側(cè)和負(fù)載側(cè)。提供故障傳感器以對(duì)于故障 狀態(tài)監(jiān)視相線和中線導(dǎo)電路徑，并且所述故障傳感器在檢測(cè)到故障狀 態(tài)的情況下輸出狀態(tài)信號(hào)。因而，狀態(tài)信號(hào)指示已經(jīng)檢測(cè)到故障狀態(tài)。 故障狀態(tài)可能是接地故障、電弧故障、電器漏電故障、浸沒(méi)故障或電 路中斷部分的一些或全部的測(cè)試結(jié)果。提供耦合到繼電器上的繼電器 控制器，并且所述繼電器控制器構(gòu)造成接收狀態(tài)信號(hào)。在這種構(gòu)造中， 當(dāng)繼電器控制器接收到狀態(tài)信號(hào)時(shí)，繼電器控制器激勵(lì)繼電器，引起 在線路側(cè)和負(fù)載側(cè)之間在相線和中線導(dǎo)電路徑中的電氣中斷。傳感器供監(jiān)視電路中斷裝置的負(fù)載側(cè)之用。例如，可提供負(fù)載電壓傳感器以 測(cè)量在負(fù)載側(cè)處在相線和中線導(dǎo)電路徑之間的電壓并且響應(yīng)測(cè)量電
壓輸出電壓信號(hào)；這種測(cè)量電壓信號(hào)一般稱作監(jiān)視信號(hào)。提供電力中 斷系統(tǒng)，以響應(yīng)檢測(cè)到裝置失效引起在導(dǎo)電路徑中的永久或不可復(fù)位 電氣中斷。 一般地，基于狀態(tài)信號(hào)和監(jiān)視信號(hào)檢測(cè)裝置失效。裝置失 效的例子包括故障感測(cè)電路的全部或部分的不適當(dāng)操作、電路中斷裝 置的機(jī)械元件的全部或部分(例如故障螺線管或熔化觸點(diǎn))的不適當(dāng) 操作、或用于電路中斷裝置的支持電路的全部或部分(例如自檢系統(tǒng) 或控制器)的不適當(dāng)操作。
電力中斷系統(tǒng)包括電力中斷控制器和能夠引起在線路側(cè)與負(fù)載 側(cè)之間在相線和中線導(dǎo)電路徑中的永久電氣中斷的電力中斷器。優(yōu)選 地，電力中斷器包括熱耦合到加熱器組件(例如，至少一個(gè)發(fā)熱元件) 上的熔斷絲組件(例如，至少一個(gè)可熔鏈路)。電力中斷控制器可以 是切換網(wǎng)絡(luò)、或切換網(wǎng)絡(luò)和狀態(tài)測(cè)試邏輯電路(或控制器或微處理器) 的組合，該切換網(wǎng)絡(luò)和狀態(tài)測(cè)試邏輯電路的組合能夠從多個(gè)傳感器接 收輸入處理所述輸入及響應(yīng)來(lái)自多個(gè)傳感器的輸入而致動(dòng)切換網(wǎng)絡(luò)。
電路中斷裝置還可以包括自檢系統(tǒng)，該自檢系統(tǒng)能夠自動(dòng)地把故 障狀態(tài)誘導(dǎo)到故障傳感器中，或者誘導(dǎo)當(dāng)故障發(fā)生時(shí)典型生成的狀態(tài) (例如，當(dāng)接地故障發(fā)生時(shí)在相線與中線導(dǎo)體之間的電流不平衡)。
在可選擇實(shí)施例中，電路中斷裝置包括殼體、和每條在線路側(cè)和 負(fù)載側(cè)之間至少部分地布置在殼體內(nèi)的相線導(dǎo)電路徑和中線導(dǎo)電路 徑。優(yōu)選地，相線導(dǎo)電路徑在能夠電氣連接到電源的第一連接、能夠 導(dǎo)電到至少一個(gè)負(fù)載的第二連接及能夠?qū)щ姷街辽僖粋€(gè)用戶可接入 負(fù)載的第三連接處終止。類似地，中線導(dǎo)電路徑在能夠電氣連接到電 源上的第一連接、能夠把中線連接提供給至少一個(gè)負(fù)載的第二連接及 能夠把中線連接提供給至少一個(gè)用戶可接入負(fù)載的第三連接處終止。 裝置還包括電路中斷部分，該電路中斷部分布置在殼體內(nèi)，并且構(gòu)造 成在故障狀態(tài)發(fā)生時(shí)引起在線路側(cè)和負(fù)載側(cè)之間的相線和中線導(dǎo)電 路徑中的電氣中斷。故障狀態(tài)可能是接地故障、電弧故障、電器漏電故障、浸沒(méi)故障或電路中斷部分的至少一部分或全部的測(cè)試結(jié)果。電 力中斷系統(tǒng)還布置在殼體內(nèi)，并且構(gòu)造成在裝置失效發(fā)生時(shí)引起在線 路側(cè)和負(fù)載側(cè)之間的相線和中線導(dǎo)電路徑中的永久或不可復(fù)位的電 氣中斷。


這里參照附圖描述本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例，在附圖中，類似元件被
給予類似的附圖標(biāo)記，其中
圖l是按照本發(fā)明構(gòu)造的電路中斷裝置(作為GFCI實(shí)施)的立
體圖2是具有電力中斷系統(tǒng)和選擇性自動(dòng)自檢系統(tǒng)的本發(fā)明的電 路中斷裝置一個(gè)實(shí)施例的示意表示；
圖3是用來(lái)檢測(cè)接地故障和復(fù)位圖2的裝置的故障傳感器和繼電 器控制器的一個(gè)實(shí)施例的示意表示；
圖3A是帶有自檢系統(tǒng)的圖3的示意表示；
圖4是用來(lái)斷開(kāi)到圖2的GFCI裝置的負(fù)載側(cè)的電力的電力中斷 系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意表示；
圖4A是用來(lái)斷開(kāi)到圖2的GFCI裝置的負(fù)載側(cè)的電力的電力中 斷系統(tǒng)的可選實(shí)施例的示意表示；
圖5是用來(lái)斷開(kāi)到圖2的裝置的負(fù)載側(cè)的電力的電力中斷系統(tǒng)的 又一個(gè)可選實(shí)施例的示意表示；
圖5A是用來(lái)斷開(kāi)到圖2的裝置的負(fù)載側(cè)的電力的電力中斷系統(tǒng)
的另一個(gè)可選實(shí)施例的示意表示；
圖6是用來(lái)斷開(kāi)到圖2的裝置的負(fù)載側(cè)的電力的電力中斷系統(tǒng)的 另一個(gè)可選實(shí)施例的示意表示；
圖7是用來(lái)斷開(kāi)到圖2的裝置的負(fù)栽側(cè)的電力的電力中斷系統(tǒng)的 另一個(gè)可選實(shí)施例的示意表示；
圖8是具有電力中斷系統(tǒng)和選擇性自動(dòng)自檢特征的電路中斷裝 置的實(shí)施例的示意表示；圖9是具有電力中斷系統(tǒng)和選擇性自動(dòng)自檢系統(tǒng)的電路中斷裝 置的又一個(gè)實(shí)施例的示意表示；圖IO是用于電力中斷系統(tǒng)控制器的不同示范實(shí)施例的操作的示 范流程圖。
具體實(shí)施方式
本公開(kāi)考慮到能夠斷開(kāi)在裝置的線路側(cè)和負(fù)載側(cè)處的至少一條 導(dǎo)電路徑的各種類型的電路中斷裝置。導(dǎo)電路徑典型地具有連接到電 源上的至少第一端(即，線路側(cè))和連接到一個(gè)或多個(gè)負(fù)載上的至少 第二端(即，負(fù)載側(cè))。如提到的那樣，在可復(fù)位電路中斷裝置的系 列中的各種裝置包括接地故障電路中斷器(GFCI)、電弧故障電 路中斷器(AFCI)、浸沒(méi)檢測(cè)電路中斷器(IDCI)、電器漏電電路 中斷器(ALCI)及設(shè)備漏電電路中斷器(ELCI)。為了本公開(kāi)的目的，在附圖中表示的和在下面描述的電路中斷裝 置中使用的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)或系統(tǒng)并入到適于安裝在單套接線盒中的 GFCI插座中，該單套接線盒用在例如住宅電氣布線系統(tǒng)中。然而， 根據(jù)本公開(kāi)的機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)可包括在可復(fù)位電路中斷裝置的系列的各 種裝置的任一種中。這里描述的GFCI插座具有線路、負(fù)載及用戶可接入相線連接； 線路、負(fù)載及用戶可接入中線連接。負(fù)載和用戶可接入連接允許外部 導(dǎo)體或電器連接到裝置上，并且線路連接允許對(duì)于電源的電氣連接； 這些連接可以例如借助于電氣緊固裝置實(shí)施，該電氣緊固裝置把外部 導(dǎo)體固定或連接到電路中斷裝置上，并且導(dǎo)電。這樣的連接的例子包 括約束螺釘、凸緣、端子及外部插頭連接。這里描述的電路中斷和復(fù)位部分優(yōu)選地使用機(jī)電元件來(lái)切斷(斷 開(kāi))和形成(閉合)在裝置的線路和負(fù)載側(cè)之間的一條或多條導(dǎo)電路 徑。然而，電氣元件，如固態(tài)開(kāi)關(guān)、半導(dǎo)體元件、集成電路及其它支 持電路，可以用來(lái)斷開(kāi)和閉合導(dǎo)電路徑。一般地，電路中斷部分當(dāng)檢測(cè)到故障(該故障在具體實(shí)施例中描述的是接地故障)時(shí)用來(lái)自動(dòng)地切斷在線路和負(fù)載側(cè)之間的一條或多 條導(dǎo)電路徑中的電連續(xù)(即，斷開(kāi)導(dǎo)電路徑)。復(fù)位部分用來(lái)閉合斷 開(kāi)的導(dǎo)電路徑。在包括復(fù)位閉鎖的實(shí)施例中，復(fù)位部分在復(fù)位閉鎖允 許時(shí)用來(lái)閉合斷開(kāi)的導(dǎo)電路徑。在這種構(gòu)造中，復(fù)位和復(fù)位閉鎖部分 的操作連帶著電路中斷部分的全部或部分的操作，從而如果電路中斷 部分的全部或部分是不可操作的、如果存在斷開(kāi)中線狀態(tài)和/或裝置被 顛倒布線，則斷開(kāi)導(dǎo)電路徑的電連續(xù)不能復(fù)位。應(yīng)該注意，本公開(kāi)不 限于其中電路中斷部分的全部通過(guò)按壓具有復(fù)位閉鎖特征的裝置的 復(fù)位按鈕被致動(dòng)的實(shí)施例。就是說(shuō)，當(dāng)按壓復(fù)位按鈕時(shí)可致動(dòng)電路中 斷部分的全部或部分，并且如果致動(dòng)的部分不適當(dāng)?shù)夭僮?，則復(fù)位閉 鎖將防止裝置被復(fù)位。因此，本公開(kāi)也考慮到其中電路中斷部分的部 分與復(fù)位或復(fù)位閉鎖部分一道使用的實(shí)施例。在可選擇實(shí)施例中，電路中斷裝置也可以包括獨(dú)立于電路中斷部 分操作的斷路部分，從而在電路中斷部分成為不可操作的情況下，裝 置仍然可被斷路。優(yōu)選地，斷路部分被手動(dòng)地致動(dòng)，并且使用機(jī)械元 件切斷一條或多條導(dǎo)電路徑。然而，斷路部分可以使用電路和/或機(jī)電 元件切斷相線或中線導(dǎo)電路徑或兩條路徑。上述特征可并入到任何可復(fù)位電路中斷裝置中，但為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，這里的描述引向GFCI插座。GFCI插座的更詳細(xì)描述提供在美 國(guó)專利No.4,595，894、 No.6，437,700、 No.6，040，967及No.6，246，588中， 這些專利通過(guò)引用全部包括在這里。還應(yīng)該注意，連結(jié)螺釘是可用來(lái)提供電氣連接的布線端子的類型 的示范。其它類型的布線端子的例子包括止動(dòng)螺釘、壓力夾具、壓力 板、推入型連接、尾端及快速連接接片?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖1,所示的典型GFCI裝置10是具有包括相對(duì)中央 本體14的殼體12的GFCI插座，正面或蓋部分16和后部18可拆除 地固定到該中央本體14上。正面部分16具有用來(lái)接收在用于電器(例 如，燈)的纜線端部處通常發(fā)現(xiàn)的類型的突出插頭的正交或極化叉股 的進(jìn)入端口 20、以及容納三叉股插頭的接地-叉股-接收開(kāi)口 22。插座還包括用來(lái)把插座緊固到接線盒上的安裝搭接片24。形成復(fù)位機(jī)構(gòu)的一部分的復(fù)位按鈕30通過(guò)在殼體12的正面部分 16中的開(kāi)口 32延伸。復(fù)位按鈕用來(lái)重新建立在輸入和輸出導(dǎo)電路徑 或?qū)w之間的電連續(xù)。測(cè)試按鈕26通過(guò)在殼體12的正面部分16中 的開(kāi)口 28延伸。測(cè)試按鈕用來(lái)手動(dòng)地致動(dòng)測(cè)試循環(huán)，該測(cè)試循環(huán)測(cè) 試裝置的電路中斷部分的全部或部分的操作。對(duì)于現(xiàn)有家庭電氣布線的電氣連接經(jīng)接線螺釘34和36形成，其 中螺釘34是輸入(或線路)連接點(diǎn)并且螺釘36是輸出(或負(fù)載)連 接點(diǎn)。應(yīng)該注意，兩個(gè)輔助接線螺釘(未表示)布置在插座10的相 對(duì)側(cè)上。類似于接線螺釘34和36，這些輔助接線螺釘提供輸入和輸 出連接點(diǎn)。而且，輸入連接用于家庭布線的線路側(cè)相線(火線)和中 線導(dǎo)體，并且輸出連接用于家庭布線的負(fù)載側(cè)相線(火線)和中線導(dǎo) 體。插頭連接也認(rèn)為是輸出導(dǎo)體。在下面要更詳細(xì)描述的電路中斷部 分用來(lái)切斷在輸入(線路)和輸出(負(fù)載)導(dǎo)電路徑(或?qū)w)之間 的電連續(xù)。參照?qǐng)D2，示出具有電力中斷系統(tǒng)和選擇性自動(dòng)自檢系統(tǒng)的 GFCI裝置的電氣元件的方塊圖。在這個(gè)實(shí)施例中，裝置包括連接到 線路側(cè)相線和中線導(dǎo)體上的電源110，該電源IIO利用已知技術(shù)把交 流線電壓轉(zhuǎn)換成適于把電力供給到故障傳感器112、繼電器控制器 114、電力中斷控制器116A及負(fù)栽電壓傳感器118的直流電力。應(yīng)該 注意，故障傳感器112、繼電器控制器114及繼電器270與裝置的電 路中斷部分相關(guān)聯(lián)。在一個(gè)實(shí)施例中，故障傳感器112利用一對(duì)差動(dòng)變壓器250和 274，這對(duì)差動(dòng)變壓器250和274監(jiān)視交流相線和中線導(dǎo)體的接地故 障狀態(tài)，并且在檢測(cè)到接地故障狀態(tài)或進(jìn)行自檢循環(huán)的情況下，產(chǎn)生 到繼電器控制器114和到電力中斷控制器116的控制信號(hào)。例如，如 果由故障傳感器112檢測(cè)到接地故障狀態(tài)，信號(hào)被發(fā)送到繼電器控制 器114，使控制器114激勵(lì)繼電器270，因而斷開(kāi)在線路側(cè)和負(fù)栽側(cè) 相線和中線導(dǎo)體之間的導(dǎo)電路徑(引起電氣中斷)。故障傳感器112、繼電器控制器114及繼電器270的一種實(shí)施在 圖3中示出。然而，還考慮到故障傳感器、繼電器控制器及繼電器的 其它實(shí)施。參照?qǐng)D3，用于用來(lái)檢測(cè)故障狀態(tài)(這里為接地故障)的 故障傳感器112和繼電器控制器114和繼電器270的常規(guī)電路的示意 表示，在檢測(cè)到接地故障的情況下用來(lái)斷開(kāi)相線和中線導(dǎo)電路徑。典 型地，故障傳感器使用差動(dòng)變壓器和中線變壓器感測(cè)接地故障，并且 在檢測(cè)到接地故障的情況下激勵(lì)繼電器，該繼電器斷開(kāi)到負(fù)載的電 力。圖3的電路用于120伏特的線路對(duì)地的單相用途，是故障傳感器 112和繼電器控制器114的示范，并按如下方式操作對(duì)于相線對(duì)中線故障檢測(cè)，差動(dòng)變壓器250分別監(jiān)視在線路側(cè)相 線和中線導(dǎo)體252和254中的電流流動(dòng)，并且當(dāng)在相線導(dǎo)體252中流 動(dòng)的電流與在中線導(dǎo)體254中流動(dòng)的電流不相等時(shí)，在其次級(jí)繞組中 產(chǎn)生故障或狀態(tài)信號(hào)。來(lái)自差動(dòng)變壓器250的次級(jí)的輸出(即狀態(tài)信 號(hào))通過(guò)二極管258、電容器260、 262及264、及電阻器266傳送到 集成電路256。集成電路256可以是由National Semiconductor Corporation制造的LM 1851型接地故障中斷器。布置二極管258和 電阻器266從而增強(qiáng)電容器260的快速放電。電容器260的這種放電 允許對(duì)集成電路256保持持續(xù)地激勵(lì)，并因而顯著減小故障檢測(cè)需要 的時(shí)間。來(lái)自線路側(cè)的對(duì)集成電路256的持續(xù)激勵(lì)通過(guò)電容器268成 為可能，該電容器268附加到集成電路256的輸出針7上，該集成電 路256在使斷路線圏270的燒毀最小的同時(shí)基本上控制斷路電路。對(duì)于中線對(duì)地故障檢測(cè)(另外稱作接地中線狀態(tài))，故障傳感器 112與以上描述的相線對(duì)中線故障檢測(cè)類似地起作用。變壓器274(與 差動(dòng)變壓器250 —起)形成感應(yīng)線圏的一部分，該感應(yīng)線圏具有在其 次級(jí)繞組上感應(yīng)的信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)電容器276和278傳輸?shù)郊呻?路256的輸入針4。這種感應(yīng)信號(hào)是向集成電路256指示已經(jīng)檢測(cè)到 接地中線狀態(tài)并且裝置應(yīng)該斷路的另一種類型的狀態(tài)信號(hào)。因而，至 少兩種類型的接地故障可由在圖3中表示的電路圖檢測(cè)，即相線對(duì)中 線故障和中線對(duì)地故障。用于兩種類型故障的斷路電路是相同的，因?yàn)槿绻收?接地故障或接地中線狀態(tài))由IC 256的輸入針2、 3、及4檢測(cè)到，則從集 成電路256的針7輸出使電容器268充電的信號(hào)。來(lái)自集成電路256 的針7的信號(hào)施加到SCR 272的柵極上，使所述SCR導(dǎo)通，從而使 電流流過(guò)線圏270,因而激勵(lì)線圏270。線圏270是包括插棒(未表 示)的繼電器的一部分，并且當(dāng)線圏270被激勵(lì)時(shí)，使插棒運(yùn)動(dòng)到與 可運(yùn)動(dòng)臂嚙合以把線路(相線和中線)導(dǎo)體與負(fù)載(相線和中線)導(dǎo) 體斷開(kāi)。具體地說(shuō)，在線圏270的激勵(lì)時(shí)，接地故障電路中斷器的觸 點(diǎn)300和302斷開(kāi)，從而斷開(kāi)到負(fù)載側(cè)相線和中線導(dǎo)體304和306的 電力。故障傳感器112可以包括作為自檢系統(tǒng)的一部分的推壓按鈕308 和電阻器310，該自檢系統(tǒng)把接地故障狀態(tài)(即，引起電流不平衡) 誘導(dǎo)到線路側(cè)導(dǎo)體上以便由故障傳感器112檢測(cè)?？蛇x擇地或除推壓 按鈕308之外，自檢系統(tǒng)309(參圖3A)可并入到故障傳感器112中。 自檢系統(tǒng)使用用于自檢的手動(dòng)致動(dòng)的"測(cè)試"按鈕308。然而，自檢 系統(tǒng)309優(yōu)選地構(gòu)造成通過(guò)電阻器310定期地輸出測(cè)試信號(hào)以把接地 故障狀態(tài)誘導(dǎo)到線路側(cè)導(dǎo)體上以便由故障傳感器112檢測(cè)，因而允許 對(duì)電路中斷部分的全部或部分的自動(dòng)測(cè)試。自檢系統(tǒng)可以是構(gòu)造成例 如一天一次、 一周一次、或一月一次輸出測(cè)試信號(hào)的時(shí)鐘電路。當(dāng)測(cè) 試故障傳感器電路的全部或部分時(shí)，裝置被典型地設(shè)置在斷路狀態(tài)， 作為結(jié)果，裝置需要復(fù)位。然后可以使用復(fù)位按鈕手動(dòng)地復(fù)位裝置， 或者并且可進(jìn)行其中產(chǎn)生使線路和負(fù)載側(cè)連接重新建立的復(fù)位信號(hào) 的自動(dòng)復(fù)位操作。由于自檢的定時(shí)可能是不方便的，即當(dāng)裝置處于使 用中時(shí)，可能希望使自檢系統(tǒng)把信號(hào)發(fā)送到繼電器控制器114，以使 繼電器124在它通過(guò)由自檢系統(tǒng)誘導(dǎo)的模擬故障的檢測(cè)已經(jīng)斷開(kāi)之后 立即閉合。如果例如當(dāng)裝置處于使用中時(shí)自檢被致動(dòng)，則優(yōu)選的是， 自檢循環(huán)和復(fù)位時(shí)間足夠快，從而人將注意不到提供給負(fù)載的短暫中 斷。就是說(shuō)，在斷開(kāi)線路與負(fù)載相線和中線導(dǎo)體之間的導(dǎo)電路徑的繼 電器270的激勵(lì)與繼電器閉合在線路與負(fù)載相線和中線導(dǎo)體之間的導(dǎo)電路徑的時(shí)間之間的時(shí)間足夠小，從而提供給任何負(fù)載的電力的中斷 不顯著(即，不會(huì)不利地影響連接負(fù)載的操作)或人檢測(cè)不到。應(yīng)該注意，在電路中斷裝置是復(fù)位閉鎖型電路中斷裝置的情況下，如果電路中斷部分(即，故障傳感器112、差動(dòng)變壓器250和274、 繼電器控制器114、及繼電器270)的全部或任一部分不適當(dāng)?shù)剡\(yùn)轉(zhuǎn)、 或者如果繼電器控制器或繼電器的全部或任一部分不適當(dāng)?shù)剡\(yùn)轉(zhuǎn)、或 者如果故障傳感器及繼電器控制器和繼電器都不適當(dāng)?shù)剡\(yùn)轉(zhuǎn)，則防止 裝置的復(fù)位。復(fù)位閉鎖型電路中斷裝置的例子在共同擁有美國(guó)專利 No.6，040，967、 No.6，381，112、 No.6，657，834及No.6，671,145中描述， 這些專利的每一個(gè)通過(guò)引用全部包括在這里。再次參照?qǐng)D2，根據(jù)本公開(kāi)的電路中斷裝置可以包括電力中斷系 統(tǒng)116，在一個(gè)或多個(gè)裝置故障存在的情況下，該電力中斷系統(tǒng)116導(dǎo)電路徑的永久電氣中斷(即，斷開(kāi)導(dǎo)電路徑)。電力中斷系統(tǒng)116 包括控制器116A和電力中斷器116B。在圖2的實(shí)施例中，控制器116A 從故障傳感器112和負(fù)載電壓傳感器118接收信號(hào)，并且使用邏輯電 路確定一個(gè)或多個(gè)裝置故障是否存在。在檢測(cè)到一個(gè)或多個(gè)裝置故障 的情況下，電力中斷器116B由控制器116A致動(dòng)以使電力中斷系統(tǒng)的 全部或部分停用，并因而引起在相線和中線導(dǎo)電路徑中的不可復(fù)位的 電氣中斷，防止電力分配到電路中斷裝置10的負(fù)載側(cè)。將參照在圖4-7中描繪的各種示范實(shí)施例描述電力中斷系統(tǒng) 116。在圖4的實(shí)施例中，電力中斷控制器116A包括能夠接收來(lái)自故 障傳感器112、負(fù)載電壓傳感器118 (見(jiàn)圖2 )或兩者的輸入的狀態(tài)測(cè) 試邏輯電路400。例如，SCR 272的柵極輸入(見(jiàn)圖3并且表示為源 于IC 256的針7 )可輸入到狀態(tài)測(cè)試邏輯電路400，在該柵極輸入上 斷路信號(hào)被接收并且用來(lái)激勵(lì)繼電器270。狀態(tài)測(cè)試邏輯電路的輸出 傳輸?shù)角袚Q組件401，該切換組件401包括晶體管402、偏壓電阻器 404和406及整流二極408。這里狀態(tài)測(cè)試邏輯電路的輸出傳輸?shù)骄?體管402的基極。如果SCR 272的柵極輸入用作到狀態(tài)測(cè)試邏輯電路400的輸入，并且SCR在超出其設(shè)計(jì)時(shí)間段之外被致動(dòng)(這可能指示 裝置故障)，則電力中斷器116B可能被充分地致動(dòng)以使電力中斷器 的全部或部分停用，因而引起在相線和中線導(dǎo)電路徑中的不可復(fù)位的 電氣中斷，并且防止電力分配到電路中斷裝置10的負(fù)栽側(cè)。應(yīng)該注 意，SCR或三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件可用于切換組件401，如圖5中 所示。繼續(xù)利用圖4，電力中斷器116B包括熔斷絲組件，例如熱可 熔鏈路410和412，與所示出的相線和中線導(dǎo)電路徑串聯(lián)連接；和加 熱器組件414，熱耦合到熔斷絲組件上。在這種構(gòu)造中，當(dāng)能量供給 到加熱器組件時(shí)，熱量傳遞到熔斷絲組件(這里的可熔鏈路)。當(dāng)足 夠的熱能傳遞到熔斷絲組件使熔斷絲組件斷開(kāi)時(shí)，在相線和中線導(dǎo)電 路徑中的不可復(fù)位或限制性的可復(fù)位電氣中斷發(fā)生。作為結(jié)果，到電 路中斷裝置的負(fù)載側(cè)的電力被除去?？扇坻溌房梢允抢绠?dāng)加熱到一定溫度時(shí)斷開(kāi)或否則切斷各導(dǎo) 電路徑的焊料段(lengths solder )或其它材料?？扇坻溌芬部梢园?熱熔斷絲、熱致動(dòng)開(kāi)關(guān)、由例如在附錄A (附加到本申請(qǐng)上并且通過(guò) 引用包括在這里)中描述的材料形成的記憶金屬絲(muscle wire)、 及當(dāng)經(jīng)受一定量的熱量時(shí)能夠改變其形狀、長(zhǎng)度或整體結(jié)構(gòu)的其它熱 響應(yīng)裝置和/或材料。應(yīng)該注意，在其中熱響應(yīng)材料用作具有當(dāng)加熱時(shí) 切斷導(dǎo)電路徑而當(dāng)冷卻時(shí)重新建立導(dǎo)電路徑的特性的可熔鏈路的實(shí) 例中，在導(dǎo)電路徑中的電氣中斷是限制性的可復(fù)位電氣中斷。也應(yīng)該 注意，由本公開(kāi)也考慮到非熱可熔鏈路。而且，對(duì)于具有復(fù)位閉鎖特征的電路中斷裝置或?qū)τ诓痪哂袕?fù)位 閉鎖特征的裝置，熱響應(yīng)材料可包括在電路中斷裝置中，并且更具體 地與電路中斷裝置的電路中斷部分(用TEST (測(cè)試)按鈕致動(dòng))連 接或者與電路中斷裝置的復(fù)位機(jī)構(gòu)(用RESET (復(fù)位)按鈕致動(dòng)) 連接。如附加到本申請(qǐng)上的并且通過(guò)引用包括在這里的附錄B中表示 的那樣，諸如Flexinol (形狀記憶合金)之類的材料可耦合到在圖1 中表示的電路中斷裝置的復(fù)位機(jī)構(gòu)(包括復(fù)位按鈕)上(這樣一種裝置公開(kāi)在具有序列號(hào)10/6卯，776的標(biāo)題為Circuit Interruption Device and System Utilizing Bridge Contact (利用橋式觸點(diǎn)的電路中斷裝置 和系統(tǒng))的申請(qǐng)中，該申請(qǐng)通過(guò)引用包括在這里)，從而當(dāng)經(jīng)受閾值 量的熱量時(shí)這些材料的膨脹或收縮將相應(yīng)地改變其形狀以與TRIP (斷路)按鈕相互作用，使電路中斷裝置斷路，或者當(dāng)電路中斷裝置 具有復(fù)位閉鎖特征時(shí)與復(fù)位按鈕相互作用使電路中斷裝置復(fù)位，這自 動(dòng)地測(cè)試電路中斷部分的全部或部分。加熱器組件414可包括螺線管(例如，斷路線圏270)，該螺線 管設(shè)有常規(guī)電路中斷裝置，并且用來(lái)斷開(kāi)和閉合進(jìn)行裝置的電路中斷 操作的導(dǎo)電路徑。如果螺線管用作加熱器組件414，則當(dāng)在超出斷路 電路中斷裝置需要的正常時(shí)間的時(shí)間段內(nèi)致動(dòng)螺線管時(shí)產(chǎn)生足夠的 熱量?？蛇x擇地，加熱器組件414可以是發(fā)熱元件，例如電阻器。一個(gè)實(shí)施例是把諸如電阻器之類的發(fā)熱元件與螺線管并聯(lián)地連 接。這種加熱器以引起反作用需要的時(shí)間大于電路中斷裝置的最大允 許斷路時(shí)間的方式影響膨脹或收縮材料。當(dāng)這樣的膨脹材料與電路中 斷部分的至少一部分接合或耦合時(shí)，膨脹和/或收縮可能永久地使裝置 停用。加熱器組件對(duì)于熔斷絲組件的熱耦合例如可通過(guò)繞作為加熱器 組件414的一個(gè)或多個(gè)電阻器纏繞焊料段(熔斷絲組件)而實(shí)現(xiàn)。在操作中，當(dāng)來(lái)自狀態(tài)測(cè)試邏輯電路400的輸出信號(hào)足以接通晶 體管402時(shí)，電流將流經(jīng)加熱器組件，加熱可熔鏈路直到它們斷開(kāi)各 導(dǎo)電路徑。如果可熔鏈路是焊料段，則焊料當(dāng)被加熱時(shí)會(huì)熔化，因而 永久地?cái)嚅_(kāi)各導(dǎo)電路徑。如以上提到的那樣，如果熱響應(yīng)材料作為具 有如下特性的可熔鏈路使用當(dāng)加熱時(shí)導(dǎo)電路徑的切斷發(fā)生而當(dāng)冷卻 時(shí)導(dǎo)電路徑再次形成，則在導(dǎo)電路徑中的電氣中斷是限制性的可復(fù)位 電氣中斷。在圖5的實(shí)施例中，電力中斷控制器116A包括能夠接收來(lái)自故 障傳感器112、或負(fù)載電壓傳感器118(見(jiàn)圖2)或兩者的輸入的狀態(tài) 測(cè)試邏輯電路400。狀態(tài)測(cè)試邏輯電路的輸出傳輸?shù)角袚Q組件401，該切換組件401包括三端雙向可控珪開(kāi)關(guān)元件420和422。電力中斷 器116B包括熔斷絲組件，例如熱可熔鏈路410和412，與所示的 相線和中線導(dǎo)電路徑串聯(lián)連接；和加熱器組件414，熱耦合到熔斷絲 組件上。在這種構(gòu)造中，當(dāng)足夠的能量供給到加熱器組件時(shí)，熔斷絲 組件(這里的可熔鏈路)斷開(kāi)，因而引起在相線和中線導(dǎo)電路徑中的 永久電氣中斷。作為結(jié)果，到電路中斷裝置的負(fù)載側(cè)的電力被除去。 可熔鏈路可與以上描述那些類似。在這個(gè)實(shí)施例中，加熱器組件包括 兩個(gè)發(fā)熱元件416和418，例如電阻器，其中一個(gè)發(fā)熱元件加熱可熔 鏈路410，而另一個(gè)加熱可熔鏈路412。圖4A和5A分別與圖4和5類似，不同之處在于，供給到開(kāi)關(guān) 組件，即電力中斷器和/或電力中斷控制器的信號(hào)來(lái)自外部源，例如來(lái) 自控制器或監(jiān)督電路而不是邏輯電路。圖6的實(shí)施例與圖4的實(shí)施例類似，不同之處在于，微控制器 430把信號(hào)提供給電力中斷控制器116A以使電力中斷器116B斷開(kāi)上 述導(dǎo)電路徑。在這個(gè)實(shí)施例中，微控制器430可用來(lái)啟動(dòng)電路中斷裝 置操作的自檢，并且在微控制器430檢測(cè)到裝置失效的情況下，開(kāi)關(guān) 組件被致動(dòng)使加熱器組件致動(dòng)熔斷絲組件以斷開(kāi)導(dǎo)電路徑。圖7類似 于圖5，不同之處在于，開(kāi)關(guān)組件包括節(jié)電保護(hù)。在控制器116A的 這個(gè)實(shí)施例中，微控制器430經(jīng)電容器Cl和電阻器Rl把輸出信號(hào) 提供給晶體管Ql?？刂凭w管Q4何時(shí)可接通的晶體管Ql被設(shè)置成 把跨過(guò)電容器C2的電壓保持到約零伏特，并且由來(lái)自微控制器430 的輸出信號(hào)短暫地接通。如果微控制器430的輸出保留浮動(dòng)，或者在 微控制器的輸出被驅(qū)動(dòng)成高或低之后的短時(shí)間，電阻器Rl迅速泄放 電容器Cl，由此斷開(kāi)晶體管Ql。當(dāng)晶體管Q1斷電時(shí)，晶體管Q4 在相線導(dǎo)電路徑上的電壓克服齊納二極管Z2的齊納電壓、跨過(guò)二極 管D2的二極管壓降、及跨過(guò)電阻器分壓器R4/(R2+R3+R4)的電壓時(shí) 可接通。在晶體管Ql斷電的情況下，在相線導(dǎo)電路徑上的電壓自由 地將電容器C2充電到其中晶體管Q4接通并且激勵(lì)加熱器組件414 的點(diǎn)。激勵(lì)加熱器組件借助于從相線導(dǎo)電路徑經(jīng)加熱器組件414、經(jīng)二極管D4及晶體管Q4流到中線導(dǎo)電路徑上電流而發(fā)生。這樣的電 流流動(dòng)由于二極管D4并且當(dāng)晶體管Q4接通時(shí)出現(xiàn)在正半循環(huán)上。 加熱器組件414然后開(kāi)始把熱能傳遞到可熔鏈路410和412,并且在 傳遞到可熔鏈路的熱能達(dá)到可熔鏈路的熔點(diǎn)的情況下，那么可熔鏈路 將斷開(kāi)，引起在導(dǎo)電路徑中的電氣中斷?，F(xiàn)在參照?qǐng)D8，示出了電路中斷裝置的可選實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施 例中，微控制器440連接到故障傳感器112、繼電器控制器114及電 力中斷系統(tǒng)116上，并且提供成進(jìn)行故障傳感器、繼電器控制器及電 力中斷系統(tǒng)的自檢并且確定是否存在一個(gè)或多個(gè)裝置失效而之后致 動(dòng)電力中斷系統(tǒng)116以斷開(kāi)上述導(dǎo)電路徑。參照?qǐng)D9，示出了電路中斷裝置的另一個(gè)可選實(shí)施例。在這個(gè)實(shí) 施例中，微控制器450連接到故障傳感器112、故障誘導(dǎo)器452、繼 電器控制器114、電力中斷系統(tǒng)116及負(fù)載電壓傳感器118上，并且 提供成使故障誘導(dǎo)器452啟動(dòng)故障傳感器、繼電器控制器、繼電器及 電力中斷系統(tǒng)的自檢并且確定是否存在一個(gè)或多個(gè)裝置失效而之后 致動(dòng)電力中斷系統(tǒng)以斷開(kāi)上述導(dǎo)電路徑。圖10提供用于微控制器440或450的操作的示范流程圖。如提到的那樣，盡管在電路中斷和某些裝置復(fù)位操作中使用的元 件在本質(zhì)上是機(jī)電的，但本申請(qǐng)也考慮到使用電氣元件，如固態(tài)開(kāi)關(guān) 和支持電路、以及能夠形成和切斷在導(dǎo)電路徑中的電連續(xù)的其它類型 的元件。盡管這里已經(jīng)表示和描述并且指出了本申請(qǐng)的基本特征，但要理 解，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以進(jìn)行描述和示例裝置和其操作的形式和細(xì) 節(jié)的各種省略和替代及變更，而不脫離本申請(qǐng)的精神。形狀記憶效應(yīng)-現(xiàn)象、合金及用途Dieter StoeckelNDONitinol Devices & Components.Inc.，F(xiàn)remont.CA引言某些金屬材料在明顯的塑性變形之后，當(dāng)被加熱時(shí)將返回到其原 始形狀。相同的材料在一定溫度范圍中，可變形高達(dá)約10%，并且當(dāng) 卸載時(shí)仍然將返回其原始形狀。這些不尋常的效應(yīng)分別叫做熱形狀記憶和超彈性(彈性形狀記憶)m。兩種效應(yīng)都取決于稱作熱彈性馬氏 體式轉(zhuǎn)變的特定類型相變的發(fā)生。形狀記憶和超彈性合金以非常規(guī)和 高度驚人方式響應(yīng)溫度變化和機(jī)械應(yīng)力。它們因此有時(shí)叫做"智能材 料"。形狀記憶效應(yīng)可用來(lái)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)和/或力，而超彈性合金允許能量 存儲(chǔ)。兩種效應(yīng)都使科學(xué)家和工程師著迷近三十年，吸引它們到大量 的會(huì)議和討論會(huì)。然而，使它市場(chǎng)化的進(jìn)展非常少，并且能夠認(rèn)為經(jīng)濟(jì)上成功的進(jìn)展也很少。最近的成功主要來(lái)自利用M-Ti合金的超彈性和生物兼容性的醫(yī)學(xué)用途。形狀記憶效應(yīng)"形狀記憶"描述塑性變形試樣通過(guò)對(duì)其加熱而恢復(fù)原始形狀的 效應(yīng)。這種現(xiàn)象由稱作"熱彈性馬氏體式轉(zhuǎn)變"的晶體相變導(dǎo)致。在轉(zhuǎn) 變溫度以下的溫度處，形狀記憶合金是馬氏體。在這種狀態(tài)下，它們 的微觀結(jié)構(gòu)的特征在于"自容納孿晶"。馬氏體是軟的，并且可以通過(guò) 去孿晶很容易地變形。加熱到轉(zhuǎn)變溫度以上恢復(fù)原始形狀，并且把材料轉(zhuǎn)換到其較高強(qiáng)度的奧氏體狀態(tài)(圖1)。變形圖1:形狀記憶效應(yīng)和超彈性的示意表示從奧氏體到馬氏體的轉(zhuǎn)變和從馬氏體到奧氏體的相反轉(zhuǎn)變不會(huì) 發(fā)生在同一溫度處。對(duì)于作為溫度的函數(shù)的馬氏體的體積分?jǐn)?shù)，或者 更具體地，加載有恒定重量的金屬絲的長(zhǎng)度的繪圖提供了在圖2中示 意表示的類型的曲線。完全轉(zhuǎn)變循環(huán)的特征在于如下溫度奧氏體開(kāi) 始溫度(As)、奧氏體結(jié)束溫度(Af)、馬氏體開(kāi)始溫度(Ms)及 馬氏體結(jié)束溫度(Mf)。如果在Af與最大溫度Md之間的溫度范圍中把應(yīng)力施加到形狀 記憶合金上，則可應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體。應(yīng)力誘導(dǎo)和變形馬氏體比通過(guò)常 規(guī)機(jī)理變形奧氏體需要得能量少。高達(dá)10%的應(yīng)變可由這個(gè)處理容納 (特定合金的單晶在一定方向上可表現(xiàn)出高達(dá)25%的偽彈性應(yīng)變)。 由于奧氏體在無(wú)負(fù)載狀態(tài)下在該溫度下是熱動(dòng)態(tài)穩(wěn)定相，所以當(dāng)不再 施加應(yīng)力時(shí)，材料彈回其原始形狀。這種反常彈性也叫做偽彈性或轉(zhuǎn) 變超彈性。在高于Af的增大溫度處應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體變得日益困難。最終， 通過(guò)常規(guī)機(jī)理變形材料比通過(guò)誘導(dǎo)和變形馬氏體容易。馬氏體不再被 應(yīng)力誘導(dǎo)的溫度叫做Md。在Md以上，合金像普通材料那樣變形。 因而，超彈性僅在窄溫度范圍上才觀察到。溫度圖2 (左邊)滯后回路的示意表示圖3 (右邊)在不同溫度處的應(yīng)力/應(yīng)變曲線形狀記憶元件，例如緊固件或執(zhí)行器的設(shè)計(jì)基于馬氏體和奧氏體 的明顯不同的應(yīng)力/應(yīng)變曲線和它們的溫度依賴性。圖3表示在各種溫 度下Ni-Ti合金的拉伸曲線。盡管奧氏體曲線(T>Md )看著像"正常，， 材料的曲線，但馬氏體曲線(T<Md)很不尋常。在超過(guò)第一屈服點(diǎn) 時(shí)，只用4艮小的應(yīng)力增大就可累積幾個(gè)百分比的應(yīng)變。在這之后，應(yīng) 力隨進(jìn)一步的變形迅速增大。在"平臺(tái)區(qū)，，中的變形可被熱恢復(fù)。超過(guò) 第二屈服點(diǎn)的變形不能恢復(fù)。材料然后以常規(guī)方式塑性地變形。在溫 度T〉A(chǔ)f處，同樣，在加載時(shí)觀察到平臺(tái)。在這種情況下，它由應(yīng)力 誘導(dǎo)馬氏體引起。在卸載時(shí)，材料在較低應(yīng)力下轉(zhuǎn)變回奧氏體(卸載平臺(tái))。隨著增大溫度，加載和卸載平臺(tái)應(yīng)力都線性地增大m。形狀記憶合金作為馬氏體轉(zhuǎn)變的結(jié)果的形狀記憶效應(yīng)自19世紀(jì)50年代中期就 已經(jīng)知道，當(dāng)時(shí)在銅基合金中發(fā)現(xiàn)了該效應(yīng)。在六十年代早期，在 Naval Ordnance Laboratory處的研究人員在Ni-Ti合金中發(fā)現(xiàn)了形狀 記憶效應(yīng)(Nitinol-M國(guó)Ti Naval Ordnance Lab )。當(dāng)今，這些合金是 使用最廣的形狀記憶和超彈性合金，組合了最顯著的形狀記憶效應(yīng)和 超彈性、耐腐蝕性和生物兼容性、及卓越的工程性能。像Cu-Zn-Al 和Cu-Al-Ni之類的銅基合金也是在商業(yè)上可獲得的。這些合金比 Ni-Ti穩(wěn)定性差并且更脆，因此盡管較便宜，但僅發(fā)現(xiàn)接受得有限。在最近幾年，鐵基形狀記憶合金已經(jīng)被廣泛地宣傳。然而，由于它們 有限的形狀記憶應(yīng)變、缺乏延展性和其它基本特性，因此必須證明這 些合金本身是可用的工程材料。形狀記憶合金的轉(zhuǎn)變溫度可通過(guò)成分的變化而調(diào)節(jié)。Ni-Ti以及 Cu-Zn-Al合金表現(xiàn)出在-100。C與+100。C之間的轉(zhuǎn)變溫度，Cu-Al-Ni 合金表現(xiàn)出高達(dá)200。C的轉(zhuǎn)變溫度。遺憾的是，Cu-Al-Ni合金在循環(huán) 應(yīng)用中不穩(wěn)定。某些三元Ni-Ti-Pd[3、Ni-Ti-Hf及Ni-Ti-Zr[4合金 也報(bào)告呈現(xiàn)出高于200。C的轉(zhuǎn)變溫度。盡管當(dāng)今無(wú)法在商業(yè)上獲得， 但這些合金最終能把形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)用性擴(kuò)展到高得多的溫度。在 如下，將只評(píng)論Ni-Ti合金。滯后是形狀記憶合金和由這些合金制成的產(chǎn)品的加熱和冷卻行 為的重要特性。依據(jù)使用的合金和/或其處理，轉(zhuǎn)變溫度以及滯后路線 的形狀可在很寬的范圍中變化。二元Ni-Ti合金關(guān)于25°C至40°C的 滯后路線寬度典型地具有在0。C與100。C之間的轉(zhuǎn)變溫度(Af)。含 銅的Ni-Ti合金在轉(zhuǎn)變溫度(Af)范圍從10°C到近似80。C的情況下 表現(xiàn)出7。C至15。C的窄滯后。在呈現(xiàn)前馬氏體轉(zhuǎn)變(通常叫做R-相) 的某些二元和三元Ni-Ti合金中，可發(fā)現(xiàn)0。C至5。C的極窄滯后。另 一方面，在特定熱力學(xué)處理之后，在含鈮的Ni-Ti合金中可實(shí)現(xiàn)超過(guò) 150°C的非常寬滯后。盡管用二元Ni-Ti合金可達(dá)到低轉(zhuǎn)變溫度 (Af 0°C)，但這些合金往往較脆并且難以處理。對(duì)于低溫用途， 因此，通常使用含鐵的Ni-Ti合金。<image>image see original document page 20</image>Ni-Ti合金的標(biāo)準(zhǔn)熱力學(xué)處理產(chǎn)生很陡的滯后回路(較大形狀變 化相對(duì)于較小溫度變化)，這一般在其中在達(dá)到或超過(guò)一定溫度時(shí)必 須完成一定功能的用途中是希望的。特殊處理可產(chǎn)生具有較緩斜率， 即相對(duì)于溫度的較小形狀變化的滯后回路。這種行為在其中要求比例 控制的用途中是優(yōu)選的[5。滯后回路的形狀不僅依賴于合金和處理，而且也受用途本身的影 響。如果金屬絲(標(biāo)準(zhǔn)處理)相對(duì)于恒定負(fù)載工作，例如通過(guò)提升一 定重量，則從馬氏體到奧氏體的過(guò)渡(或反之亦然)發(fā)生在非常窄的 溫度范圍中(典型地5。C)。然而，如果金屬絲相對(duì)于偏置彈簧工作， 則過(guò)渡較緩并且取決于彈簧剛度。工程方面形狀記憶效應(yīng)可用來(lái)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)和/或力，而超彈性可存儲(chǔ)變形能 量。在圖6中應(yīng)力/應(yīng)變圖[6中所表示的不同情況的功能可使用直的 拉伸金屬絲的例子簡(jiǎn)單地解釋。金屬絲在一端處固定。在室溫下拉伸 它在卸載之后產(chǎn)生延長(zhǎng)。金屬絲保持在拉伸狀態(tài)下，直到它被加熱到 高于這種特定合金的轉(zhuǎn)變溫度。在沒(méi)有負(fù)栽施加時(shí)，它然后將縮到其 原始長(zhǎng)度，這叫做自由恢復(fù)。在轉(zhuǎn)變溫度以下的后續(xù)冷卻不引起宏觀 形狀變化。如果在室溫下拉伸之后，防止金屬絲返回到其原始長(zhǎng)度，即如果 在加熱到轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)約束到擴(kuò)展長(zhǎng)度，則它可產(chǎn)生相當(dāng)?shù)牧Α＿@ 種所謂的約束恢復(fù)是多種成功應(yīng)用的基礎(chǔ)[7。如果相反力可由形狀記憶金屬絲克服，則它將產(chǎn)生抵抗力的運(yùn) 動(dòng)，并因而做功。在加熱時(shí)，金屬絲將收縮并且比如提升負(fù)載。在冷 卻時(shí)，同一負(fù)載將拉伸現(xiàn)在的馬氏體金屬絲，并且復(fù)位機(jī)構(gòu)。這種效
應(yīng)叫做具有外部復(fù)位力的雙向效應(yīng)[81 。
依據(jù)偏置機(jī)構(gòu)的種類，可得到不同的力/位移特性[9。在圖7中， 對(duì)于力/位移響應(yīng)，比較五種普通使用的情形。在圖7a中的力水平顯 然由"死負(fù)載"的重量給出，而在圖7b中的力/位移線的斜率代表偏置 鋼彈簧的彈簧剛度。在圖7c中，兩根形狀記憶金屬絲在相反方向上 工作。當(dāng)金屬絲l被加熱(例如，電氣加熱)時(shí)，它收縮，運(yùn)動(dòng)物體， 并同時(shí)拉伸金屬絲2。在金屬絲1的冷卻之后，通過(guò)加熱金屬絲2可 在相反方向上運(yùn)動(dòng)物體。所謂的反向偏置表示在圖7d和e中。磁鐵 使形狀記憶金屬絲產(chǎn)生高靜態(tài)力，該力當(dāng)磁鐵與其保持板分離時(shí)急劇 地下降。在形狀記憶金屬絲的致動(dòng)期間通過(guò)使用具有減小杠桿的凸輪 布置可實(shí)現(xiàn)力的緩慢下降。當(dāng)高循環(huán)穩(wěn)定性重要時(shí)，反向偏置是有益 的。
<image>image see original document page 22</image>
圖7:偏置機(jī)構(gòu)和它們對(duì)力/位移特性的影響[9
在最佳條件和無(wú)負(fù)載下，形狀記憶應(yīng)變可高達(dá)8%。然而，對(duì)于 循環(huán)用途，可用應(yīng)變要小得多。同樣適用于應(yīng)力對(duì)于一次致動(dòng)，奧 氏體屈服強(qiáng)度可以用作最大應(yīng)力。對(duì)于循環(huán)用途必須期望低得多的 值。
形狀記憶合金在一定條件下可表現(xiàn)出真正雙向效應(yīng)，這使它們記憶兩個(gè)不同形狀，低和高溫形狀，甚至不用外力[IO。然而，它較小，
并且其循環(huán)行為不像單向效應(yīng)好理解。因?yàn)闆](méi)有必需的特殊處理，所 以在多種情況下借助于外部復(fù)位力的單向效應(yīng)的循環(huán)使用是較經(jīng)濟(jì) 的解決方案。
以下情形是超彈性。金屬絲在高于Af、但低于Md的溫度處被 加載。在達(dá)到第一屈服點(diǎn)之后，它可以延長(zhǎng)到近似8%的應(yīng)變而沒(méi)有 顯著應(yīng)力增大。在卸載時(shí)，盡管有應(yīng)力滯后，金屬絲彈性地恢復(fù)其原 始長(zhǎng)度。
圖8 (左邊)在不同溫度下超彈性金屬絲的拉伸行為 圖9 (右邊)不銹鋼和超彈性金屬絲的撓曲性的比較
形狀記憶和超彈性合金的用途
在下面，將根據(jù)形狀記憶合金本身的功能對(duì)用途分類，如由 Duerig和Melton[6建議的那樣。Ni-Ti的早期產(chǎn)品開(kāi)發(fā)歷史充滿了失 敗和失望[ll。這可歸因于缺乏對(duì)于效應(yīng)的理解和無(wú)法獲得工程數(shù)據(jù)、 不可靠的熔化技術(shù)及超乎尋常的期望。形狀記憶的一個(gè)主要缺點(diǎn)是其 驚人的表現(xiàn)。它炫耀似乎它能解決世界上的所有問(wèn)題(通過(guò)1990年2 月的專利文獻(xiàn)的瀏覽揭示真空清潔器、睡眠裝置、制鞋方法、球拍 內(nèi)部、形狀可恢復(fù)纖維、毛巾、玩具船、領(lǐng)帶、油冷卻器旁通閥、節(jié) 流機(jī)構(gòu)、混凝土處理方法...)。顯然，它不能。同時(shí)，在試圖建造永 動(dòng)機(jī)和與恒溫雙金屬和其它可選擇例竟?fàn)幧蠐p失數(shù)百萬(wàn)美元之后，該 技術(shù)最終走向成熟。工程師理解材料的好處，但也理解材料的局限性，構(gòu)造方法是可靠的，并且價(jià)格處于可接受的水平。大量的新申請(qǐng)中的 大多數(shù)基于超彈性效應(yīng)，超彈性效應(yīng)不要求與形狀記憶效應(yīng) 一樣嚴(yán)密 的轉(zhuǎn)變溫度控制，比如像用于執(zhí)行器。
最初的技術(shù)成功清楚地是用于接合和緊固目的的約束恢復(fù)事件
的用途[7]。在六十年代后期和七十年代初期，Raychem Corp.在用于 航空器、潛艇及其它用途的管子和管道管接頭的開(kāi)發(fā)中領(lǐng)先。概念簡(jiǎn) 單明了套筒加工到內(nèi)徑比它設(shè)計(jì)成接合的管子的直徑小近似3%。 它然后冷卻到其馬氏體狀態(tài)，并且徑向膨脹百分之八，使它大得足以 在兩個(gè)管端上滑動(dòng)。當(dāng)被加熱時(shí)，套筒收縮到管端上，并且在產(chǎn)生巨 大力的同時(shí)，接合管子。大多數(shù)管接頭由低溫Ni-Ti-Fe合金制成，并 且在膨脹之后必須存儲(chǔ)在液氮中。盡管這看起來(lái)對(duì)于航空器制造商不 是問(wèn)題，但它對(duì)于大多數(shù)商業(yè)用戶是后勤問(wèn)題。因此，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了寬 誦滯后Ni-Ti-Nb合金，該合金在低溫下膨脹之后可在室溫下存儲(chǔ)和裝 運(yùn)，并且為了安裝必須加熱到150。C131。這些合金即使在冷卻到-20。C 以下之后，也保持在它的高強(qiáng)度奧氏體狀態(tài)。
圖10:管接頭，加工和膨脹(頂 圖11:安裝在不銹鋼管子上的形狀記
部)，自由恢復(fù)(中部)以及安裝 憶合金的剖視圖[12j 在管子上(底部)之后[12
為了接合大直徑管路，或?yàn)榱嗽谶@樣的管路的焊縫附近產(chǎn)生高壓 縮應(yīng)力以便改進(jìn)疲勞性，預(yù)應(yīng)變Ni-Ti-Nb金屬絲或帶可圍繞在管路上，并且然后熱恢復(fù)。為了核用途最近由ABB開(kāi)發(fā)這種金屬絲纏繞 技術(shù)14。然而，必須提到的是，Ni-Ti因?yàn)閲?yán)重的氫脆化，不能用在 PDR的高溫、高壓管線中。
寬滯后合金也用在各種緊固用途中。例如，環(huán)可以用于[15
.終止對(duì)連接器的電磁屏蔽編織層
.終止對(duì)氧傳感器的熱屏蔽編織層
.把軸承或齒輪的位置固定在軸上的任意點(diǎn)處，如果希望，則以 受控的軸向預(yù)加栽力鎖定
.通過(guò)利用受控的均勻的徑向壓力壓縮徑向布置的元件的束來(lái)組 裝它們
.在大電流連接器中提供非常高的保持力和低接觸電阻。
圖12:具有緊固環(huán)的電磁屏蔽編織層 末端[12
圖14:在氧氣傳感器上具有緊固環(huán)的 熱屏蔽編織層末端[15
圖13:借助于導(dǎo)電加熱安裝編織層 終止環(huán)[121
圖15:具有安裝的緊固環(huán)的大電流針 /插座連接器類似概念用于ZIF (零插入力)連接器。在這樣一種連接器的技 術(shù)上高度成功的針/插座樣式中，Ni-Ti環(huán)圍繞叉觸點(diǎn)的向外彎曲叉腳。 當(dāng)被冷卻時(shí)(比如，用液氮)，環(huán)隨著它轉(zhuǎn)變到其馬氏體相而減弱， 使彈性叉腳能夠迫使它打開(kāi)。配對(duì)的針然后可自由地插入或除去。對(duì) 于Trident程序15已經(jīng)生產(chǎn)了近一百萬(wàn)個(gè)觸點(diǎn)。其它連接器包括U 形執(zhí)行器，該執(zhí)行器當(dāng)用附加到執(zhí)行器上的箔加熱器加熱時(shí)迫使打開(kāi) 彈簧夾持件[l"。
形狀記憶執(zhí)行器以形狀變化響應(yīng)溫度變化[18。溫度變化可由環(huán) 境溫度變化或通過(guò)電氣加熱形狀記憶元件而引起。在第一種情況下， 形狀記憶合金作為傳感器和執(zhí)行器(熱執(zhí)行器)。在第二種情況下， 電氣執(zhí)行器按要求完成特定任務(wù)。熱以及電氣形狀記憶執(zhí)行器將巨大 的運(yùn)動(dòng)(而不是巨大的力)與小尺寸結(jié)合，因而它們提供高工作輸出。 它們通常僅包括單個(gè)金屬件，例如直金屬絲或螺旋彈簧，并且不要求 復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)。盡管初始認(rèn)為最重要，但當(dāng)作為相對(duì)于開(kāi)發(fā)努力的 成果度量時(shí)，執(zhí)行器是形狀記憶效應(yīng)在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上最小成功的用 途。形狀記憶執(zhí)行器的成功有限的原因是技術(shù)以及成本不足。設(shè)計(jì)要 求通常包括關(guān)于加熱的轉(zhuǎn)變溫度、復(fù)位溫度(滯后)、力(應(yīng)力)、 位移(應(yīng)變)、循環(huán)穩(wěn)定性(疲勞性)、對(duì)于加熱和冷卻的響應(yīng)時(shí)間、 尺寸、過(guò)溫和過(guò)應(yīng)力裕度等等。
圖17:印刷電路板連接器[17J圖18:恒溫控制閥(剖開(kāi))
Ni-Ti彈簧
鋼彈簧
圖19:如同18，功能示意圖[19
熱形狀記憶執(zhí)行器的技術(shù)以及(至少對(duì)于用戶)商業(yè)成功應(yīng)用的 例子是在Mercedes-Benz自動(dòng)變速器中的熱響應(yīng)壓力控制閥。為了改 進(jìn)換檔舒適性，變速器的換檔壓力在冷啟動(dòng)情形期間減小，并且當(dāng)變 速器達(dá)到操作溫度時(shí)再增大[19。在1989年Mercedes樣車中引入， 這種系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)得極為可靠。為什么這種應(yīng)用如此成功？要求的 Af是60。C具有士5。C的舒適裕度，彈簧完全浸沒(méi)在傳動(dòng)流體中，因而 加熱和冷卻緩慢并且非常均勻，要求的力很低(近似5N)，非常小 的位移，最大環(huán)境溫度是130。C，僅期望20,000次循環(huán)。設(shè)計(jì)參數(shù)的 這種幸運(yùn)組合很少找到。已經(jīng)有用于汽車用途的大量建議的形狀記憶 應(yīng)用，列舉少量幾個(gè)，像"智能閑置螺釘"、汽化器通風(fēng)閥、油冷卻器 旁通閥[201。當(dāng)今在市場(chǎng)上的熱形狀記憶執(zhí)行器的其它用途包括粘度 補(bǔ)償裝置、通風(fēng)閥、抗爽傷閥、火檢測(cè)和防止裝置、空調(diào)和通風(fēng)裝置 等等。
圖20:"智能閑置螺釘"(原型)[20
圖21:液化器通風(fēng)閥(原型)圖22:油冷卻器旁通閥(原型)
圖23:如同22,示意功能
圖24:用于油冷卻器的堵塞指示器21j 圖25:自動(dòng)氣體管線截止閥[22
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圖26:抗?fàn)C傷閥圖
27:在玩具中的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
電氣形狀記憶執(zhí)行器已經(jīng)被建議代替螺線管、電動(dòng)機(jī)等等。通過(guò) 在電氣致動(dòng)期間控制電力，可保持特定的力水平和/或特定位置。各種閥、觸發(fā)裝置、活動(dòng)對(duì)象、玩具等等目前正在銷售。已經(jīng)建議在復(fù)合
結(jié)構(gòu)中Ni-Ti金屬絲的集成，以允許該結(jié)構(gòu)按需要改變形狀。這些"智
能復(fù)合物，，也可通過(guò)具有對(duì)于結(jié)構(gòu)剛性的基本控制而主動(dòng)地衰減在結(jié) 構(gòu)中的聲學(xué)噪聲。應(yīng)變適應(yīng)形狀記憶復(fù)合物可用作在桁架結(jié)構(gòu)中的集
成部件，在振動(dòng)和形狀控制中起被動(dòng)和主動(dòng)作用。最近，已經(jīng)提出一 種在空間航天飛機(jī)移動(dòng)期間使用形狀記憶受控鉸鏈系統(tǒng)衰減巨大天 線或反射器的低頻搖擺的系統(tǒng)[231。
<image>image see original document page 29</image>
圖28:主動(dòng)衰減系統(tǒng)23
圖29:用于形狀控制的智能復(fù)合物[24j
對(duì)于形狀記憶合金在電氣執(zhí)行器中的使用的限制因素是當(dāng)今可 用的轉(zhuǎn)變溫度和缺乏對(duì)于冷卻時(shí)間的控制。為了適當(dāng)?shù)毓ぷ?，形狀?憶合金的Mf溫度必須遠(yuǎn)高于執(zhí)行器的最大操作溫度。在循環(huán)用途中 足夠穩(wěn)定的可在商業(yè)上獲得的合金具有約70°C的最大轉(zhuǎn)變溫度 (Mf)。因而，由這種合金制成的電氣執(zhí)行器當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到70。C 時(shí)未能復(fù)位。對(duì)應(yīng)地，執(zhí)行器當(dāng)環(huán)境達(dá)到其As溫度時(shí)會(huì)自觸發(fā)。對(duì) 于具有高操作溫度的用途(例如汽車)，要求具有遠(yuǎn)高于150。C的轉(zhuǎn) 變溫度的合金。如以上提到的那樣，具有高達(dá)200°C的轉(zhuǎn)變溫度的 Ni-Ti-Pd合金可能最終成為可用的。
已經(jīng)常常提出用于機(jī)器人的形狀記憶合金執(zhí)行器的使用，并且?guī)?種原型已經(jīng)呈現(xiàn)。然而，由于形狀記憶效應(yīng)是熱現(xiàn)象，所以響應(yīng)時(shí)間 由材料的加熱和冷卻支配。盡管加熱可通過(guò)供給到執(zhí)行器的功率而控 制，但冷卻卻較不好控制。依據(jù)執(zhí)行器的尺寸(金屬絲直徑、質(zhì)量)， 冷卻時(shí)間能是幾秒至幾分鐘。
如早先提到的那樣，使用超彈性Ni-Ti的應(yīng)用在最近兩年期間已經(jīng)看到爆炸式增長(zhǎng)，而天線、胸罩及眼鏡架是數(shù)量上的領(lǐng)頭羊，隨后
是牙套(dental archwires )和導(dǎo)向絲。超彈性Mtinol的第一次應(yīng)用 是在20世紀(jì)70年代作為正牙牙套。Nitinol提供的優(yōu)于常規(guī)材料的優(yōu) 點(diǎn)顯然是增大的彈性范圍和在未加載期間幾乎恒定的應(yīng)力[25。
超彈性Nitinol導(dǎo)向絲因?yàn)槠錁O大的柔性和抗扭絞性而越來(lái)越多 地使用。它們也表現(xiàn)出增強(qiáng)的可扭轉(zhuǎn)性(把在導(dǎo)向金屬絲一端處的扭 轉(zhuǎn)傳遞成在另一端處的幾乎相同角度的旋轉(zhuǎn)的能力)[26，因而顯著 改進(jìn)可操縱性。彎曲金屬絲所需要的較小力認(rèn)為比不銹鋼導(dǎo)向絲引起 較少損傷?？古そg性和可操縱性也是用來(lái)把Nitinol用在結(jié)石檢索和 碎裂籃中的主要原因。軸以及籃絲可由超彈性Nitinol制成。
最近，形狀記憶和超彈性Nitinol合金已經(jīng)非常有效地用于自膨 脹支架(stent)。壓縮支架的較小輪廓便于支架的安全、無(wú)損傷放置。 在從輸送系統(tǒng)釋放之后，支架彈性地或通過(guò)熱量自膨脹，并且把恒定 的、溫和的徑向力施加在血管壁上。
圖30:自膨脹Nitinol支架[271 圖31:無(wú)扭絞顯微手術(shù)器械
醫(yī)療器械制造商為了最小侵害過(guò)程正在越來(lái)越多地把Nitinol用 在儀器和器械中[28。概念是通過(guò)帶有或沒(méi)有入口的小切口以最小輪 廓進(jìn)入身體內(nèi)，并且然后在體腔內(nèi)改變形狀。使用超彈性Nitinol的 最初器械之一是Mitek Mammalok⑧針絲定位器，用來(lái)定位和標(biāo)記乳 瘤，從而以后手術(shù)可更準(zhǔn)確并且是較小侵害的[29。在插入到身體內(nèi) 期間把彎曲超彈性元件約束在插管內(nèi)的概念用在用于最小侵害手術(shù) 的各種儀器中。圖32表示解剖刀，其曲率通過(guò)超彈性刀片的逐漸突出而增大。不同的刀片構(gòu)造用于各種曲率縫合和懸?guī)魉推鱗30。帶 有可偏轉(zhuǎn)遠(yuǎn)端的器械使用彎曲的超彈性元件，該超彈性元件在插入到 身體期間約束在插管中，并且一旦到身體內(nèi)就展開(kāi)。抓緊器、針夾持 器及剪刀可通過(guò)直套針插管插入。 一旦到腹腔內(nèi)，它們就可變成它們 的彎曲構(gòu)造，因而提高用于操縱的自由度[31。
圖32:可收回解剖刀30]
圖33:無(wú)鉸鏈器械[321
在用于前列腺組織的經(jīng)尿道切除術(shù)的新電氣手術(shù)器械中，射頻能
量經(jīng)兩根側(cè)-展開(kāi)針直接傳送到前列腺中。由超彈性Nitinol制成的這
些針在陡彎附近從軌道管的軸線偏移以徑向穿過(guò)尿道壁展開(kāi)到前列
腺組織中。在通過(guò)引導(dǎo)通道之后，它們直接伸出導(dǎo)管末端[33。
無(wú)鉸鏈器械使用彈性材料的彈性代替樞轉(zhuǎn)接合，以打開(kāi)和閉合抓 緊鑷子的爪或剪刀的刀片。因?yàn)樗鼈兊臎](méi)有運(yùn)動(dòng)部分和隱藏縫隙的簡(jiǎn) 單設(shè)計(jì)，它們更容易清潔和消毒。新一代無(wú)鉸鏈器械把超彈性Nitinol 用于這些器械的致動(dòng)元件，該致動(dòng)元件提供比不銹鋼高至少因數(shù)10 的彈性。這導(dǎo)致增大的打開(kāi)跨度和/或用于人機(jī)處置的約束管的減小位 移。在多種情況下，相對(duì)于常規(guī)器械的多個(gè)復(fù)雜、精確機(jī)加工元件和 連桿，功能末端可以是單件超彈性元件。這允許具有非常小輪廓的器 械的i殳計(jì)[32。
長(zhǎng)和細(xì)的器械，例如像在泌尿科使用的鑷子，往往非常精巧，并 且可能容易扭絞，損壞昂貴的工具。把超彈性Nitinol用于外管和超 彈性致動(dòng)桿，使得器械非常柔軟和耐扭絞。超彈性管僅在最近才可通 過(guò)不同的供應(yīng)商得到。它們也用于活組織檢查針，例如用于干涉計(jì)算 機(jī)層析X射線照相法或磁共振成像。在這些技術(shù)中，Nitinol器械可 被清楚地檢測(cè)而不用人工產(chǎn)物(輝光)[3引。參考文獻(xiàn)
T.W. Duerig. K.N. Mellon. D. Stocckel. CM. Waym抑"￡ngineeting Aspects of Shape Memory Allovs", B加erworth-Heinem咖，1990 T.W. Ducrig, R. Zad'no. in "] 369 S,M. Tuomincn. R丄Bierm幼n，丄o.Melals 1988, 32
J.H. Mulder cl al., Proc. of SMST (A.R. Pehon al. eds.) (1994) tu be published D. Sioeckel. Proc. ADPA Conf."Sman Structures" Washington (1990) T.W. Duerig, ICR Meton, Proc.SMA 86, Gui!in (l術(shù))397 丄L. Proft. T.W. Duerig, in l! !115
D. Stocckel, Advanced Malerials & Processes, 138 (l柳)Oct., 33
R.G. Gibcnson: "Working Wiih Shape Memory Wires", Momlotronics 1991
J. Perkins. D. Hodgson, in fl} 195
T.W. Duerig, Proc. MRS Conf. Boston (l的4) io be published
'Tincl Shape Me歸ty Alloys", RAYCHEM comp幼v lilcralure
T.W. Duerig, K.N. MeUon, L Proft, inH130 '
H. Komfeld, in f4to be published
D. Stocckel, T. Bcwlen. Meial， 46(1992) 668
H,P. Kehrer, H. NuBkem, VDI/VDE "Actuator 94" Bremen (1994) 324...............
Krumme, Connection Technology, April (1訴7) D. Stocckel, T. Waram, SPIE Vol 1543 "Active抑d Adaptive Op"cal Componems" 1991,382 D. Stocckel. J. TinscheA SAE Technicat Paper Series * 910805 D. Swecke!. Springs Vol. 30, Oci. (l簡(jiǎn)35
J.F. Tenrc, D. Sioeckcl, Proc. " Actuawr 92" VD!/VDE Bremen (1992), 100
"HRECHECK" MEMRVTECH company literature
丁. Stevens, Mai. Eng., Vol. 108, Oci, 1991, 18
Proc. ADPA Conf "Smart Suuctures" Washington (1990)
R, Sachdeva, S. Miyazaki, in H〗452
J. Slice, in4jo be published
ANGIOMED AG. conipany lileraUire
A. Melzer, D. Stoeckel, in4to be published
LP. O'Lcary, J.E. Nicholson, R,F> Gatturna, in1! 477
STORZ> company lherature
P.P. Potuet' R. Zadno， in4j to be published
D. Stoeckcl, A. Melzer, Proc. 8lh CIMTEC Florence (1994) to be published TUNA, VIDAMED tm'l' company l"eraiure
D.H,W. Grttnemeycr. R.M.M. Scibcl, "IniervcnUunelle Computertomographie". Ueberreuer Wissenschaft， Wien Berlin (l鄰9) 308
1I.J1.TJ1J11O.I234567009O1 2 345678 9
234567009-il-ll!l.--* .--2 2 2 2 2 2 2 2 2「4記憶金屬絲
可熔鏈路可使用記憶金屬絲(如以上描述的Nitinol)機(jī)理實(shí)現(xiàn)。 通過(guò)使電流通過(guò)Nitinol金屬絲可實(shí)現(xiàn)對(duì)其加熱，使它以巨大的力把 長(zhǎng)度收縮約10%。當(dāng)Nitinol冷下來(lái)時(shí)，它不返回其原始長(zhǎng)度。 一旦 冷卻，它可以使用比當(dāng)它被加熱時(shí)釋放的力稍小的力，被拉回其原始 長(zhǎng)度。
存在Nitinol可用來(lái)使裝置停用的多種方式。例如，Nitinol金屬 絲可繞凸輪纏繞使一端錨定在凸輪上而另 一端在殼體上，Nitinol金屬 絲的收縮引起任何希望角度的凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)以形成和斷開(kāi)導(dǎo)電路徑。作為 另 一個(gè)例子，Nitinol金屬絲可繞滑輪纏繞使一端錨定在殼體上而另一 端錨定在目標(biāo)元件上，從而Nitinol金屬絲可把元件向滑輪運(yùn)動(dòng)任何 希望的距離。作為另一個(gè)例子，并且依據(jù)希望的運(yùn)動(dòng)，一條直的Nitinol 可用來(lái)實(shí)現(xiàn)所希望的導(dǎo)電路徑的斷開(kāi)和形成。
由Nitinol產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)可以以多種方式實(shí)現(xiàn)自毀。Nitinol可把可 動(dòng)導(dǎo)體臂拉離它們的靜止臂，以足夠的力斷開(kāi)焊接觸點(diǎn)，當(dāng)冷卻時(shí)仍 然克服彈簧返回力。Nitinol可拉動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)觸點(diǎn)遠(yuǎn)離或離開(kāi)位置，或者 可把絕緣物拉動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)到分離觸點(diǎn)對(duì)的位置中。
通過(guò)Nitinol金屬絲的電流的控制(加熱它引起導(dǎo)電路徑的斷開(kāi)) 可通過(guò)任何通/斷電流控制實(shí)現(xiàn)。固定器A
固定器B
觸點(diǎn)
到負(fù)栽
-^
.l.將電流從相線導(dǎo)電路徑(電源)傳到固定器A加熱Nitinol金屬絲。
2. 在被加熱時(shí)，Nitinol金屬絲收縮約10%使觸點(diǎn)分開(kāi)，因而引起在導(dǎo)電路徑中的 電氣中斷。
3. 在一個(gè)實(shí)施例中，可動(dòng)和靜止臂可以是電路中斷部分的一部分、和電力中斷系 統(tǒng)的一部分。
4. 在一個(gè)實(shí)施例中，可動(dòng)和靜止臂可以是電力中斷系統(tǒng)的一部分。<image>image see original document page 35</image> 以上是由形狀記憶合金(金屬絲或彈簧)控制的機(jī)構(gòu)的兩個(gè)例子。
A) (斷路)
當(dāng)形狀記憶合金被加熱時(shí)(由快速放電電路)(金屬絲#1)，它 改變其形式形狀(在這種情況下為長(zhǎng)度)，并且使"相線7復(fù)位閉 鎖，，GFCI的插銷板運(yùn)動(dòng)。插銷板的運(yùn)動(dòng)釋放復(fù)位針(斷路GFCI)。 這適用于兩種情形(圖l和圖2)
B) (復(fù)位)
當(dāng)形狀記憶合金(在圖1中的彈簧和在圖2中的金屬絲)被加熱 時(shí)，它改變其形狀并且運(yùn)動(dòng)復(fù)位按鈕，從而它測(cè)試GFCI。(注意， 由于這是復(fù)位閉鎖裝置，所以在復(fù)位的同時(shí)測(cè)試自動(dòng)地發(fā)生)。(注 意，在圖1中，形狀記憶彈簧當(dāng)加熱時(shí)增大其長(zhǎng)度，并且克服復(fù)位彈 簧，引起復(fù)位按鈕向下運(yùn)動(dòng))。
撓曲金屬絲 (形狀記憶 合金)
禍鄰, 板-
的運(yùn)動(dòng)<image>image see original document page 36</image><formula>formula see original document page 37</formula>
權(quán)利要求
1.一種電路中斷裝置，包括相線導(dǎo)電路徑和中線導(dǎo)電路徑，每個(gè)具有線路側(cè)和負(fù)載側(cè)；故障傳感器，能夠監(jiān)視相線和中線導(dǎo)電路徑的預(yù)定故障狀態(tài)，并且在檢測(cè)到預(yù)定故障狀態(tài)的情況下輸出狀態(tài)信號(hào)；繼電器控制器，耦合到繼電器上，并且能夠接收輸出狀態(tài)信號(hào)，從而當(dāng)繼電器控制器接收到輸出狀態(tài)信號(hào)時(shí)，激勵(lì)繼電器，引起在線路側(cè)和負(fù)載側(cè)之間的相線和中線導(dǎo)電路徑中的電氣中斷；負(fù)載電壓傳感器，能夠測(cè)量在負(fù)載側(cè)的相線和中線導(dǎo)電路徑之間的電壓，并且響應(yīng)測(cè)量電壓輸出電壓信號(hào)；及電力中斷系統(tǒng)，具有電力中斷控制器，耦合到故障傳感器和負(fù)載電壓傳感器上，并且能夠基于狀態(tài)信號(hào)和電壓信號(hào)響應(yīng)對(duì)預(yù)定操作狀態(tài)的檢測(cè)而輸出斷開(kāi)信號(hào)；和電力中斷器，能夠響應(yīng)斷開(kāi)信號(hào)引起在線路側(cè)和負(fù)載側(cè)之間的相線和中線導(dǎo)電路徑中的永久電氣中斷。
全文摘要
提供了具有自檢和不可復(fù)位或限制性的可復(fù)位電力中斷系統(tǒng)的可復(fù)位電路中斷裝置。當(dāng)電路中斷裝置按照管理這樣的裝置的適用標(biāo)準(zhǔn)已不能夠操作或者裝置按照其設(shè)計(jì)特性已不能夠操作時(shí)，永久電力中斷系統(tǒng)致動(dòng)。
文檔編號(hào)H02H3/00GK101292406SQ200680038717
公開(kāi)日2008年10月22日 申請(qǐng)日期2006年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月24日
發(fā)明者A·卡利斯托, F·杰曼, N·L·迪薩爾沃, R·M·布拉德利, R·莫尼克 申請(qǐng)人:立維騰制造有限公司