一种热敏螺旋弹簧在柔性填充容器中的应用

1.本发明涉及螺旋弹簧领域，具体涉及一种热敏螺旋弹簧在柔性填充容器中的应用。


背景技术：

2.根据统计，家庭中最大的两类安全隐患：(1)家中绳索，容易导致儿童缠绕窒息和绊倒摔伤等危险。(2)炉具等加热烧伤和烫伤：儿童皮肤比成人更薄，一杯热咖啡5秒钟可导致儿童重度烫伤，多数时候刚停止加热的锅具、炉具和电水壶等在70-90℃，儿童误触极易导致烫伤。
3.如果有一系列方便的给低幼儿童设计的安全防护用具，不仅能够提高家中儿童的安全性，也能让家长安心放手让孩子们动手做家务，锻炼自理能力。目前并没有这类简单、便宜的自动化的儿童家庭生活安全防护用具。
4.形状记忆合金制造的卫星天线是一种利用形状记忆合金(sma)加热升温后能完全消除其在较低的温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的特点实现小体积收纳和大面积展开的设计——即拥有"记忆"效应特点的金属材料工程应用，如图1。
5.sma在牙齿正畸器、各类腔内支架和手术缝合线也有很广泛使用。另外，形状记忆合金材料在控制浴室水管的水温、启动消防报警装置和暖气的阀门内有了应用。在我们的生活中主要用作结构材料，还没有用于各种安全防护用具的自动弹出驱动元件的公开资料。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可实现自动伸展导致体积膨胀，无需电路驱动，且结构简单、反应敏捷、价格低廉、通用性好的热敏螺旋弹簧在柔性填充容器中的应用。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.本发明就家庭中收纳袋绳索和炉灶给低幼儿童带来的安全风险问题，设计并制作一类可以实现室温下随意折叠收纳，使用时候加热迅速自动撑开，填充容器体积的封口开关。
9.根据形状记忆合金可恢复变形大、输出力大的重复伸缩特点，本发明提出采用形状记忆合金(sma)丝线制造不同形态弹簧的设想，希望结合弹簧的能量储存和记忆合金丝的形变可逆重复输出力的特性，做出简单、经济和智能的驱动弹簧元件。这种驱动弹簧可放入大口径收纳袋、球体玩具和防热等安全用具等容器的内胆中，实现室温下随意折叠收纳，使用时候短时受热自动伸长，形成大体积填充支撑各种容器的目的。这个sma驱动弹簧可以解决了大体积容器占用空间大、携带不方便的问题，而且不需要电池电能、反应敏捷、结构简单且价格低廉、通用性好。
10.一种热敏螺旋弹簧在柔性填充容器中的应用，该弹簧用作柔性填充容器的自支撑
驱动开关。
11.进一步地，该弹簧的结构为单螺旋、双螺旋或三螺旋。
12.发明人了解到，自然界中很多植物和动物都有弹簧的螺旋结构和形态，比如电鳗、蛇类的身体骨骼就是弹簧结构，给这类软体动物提供足够的体积缩小能力，以躲避天敌。蛛丝的内部结构也是三种不同螺旋形态构成，提供很大的弹力和收缩力，电影里面蜘蛛侠的蛛丝同样具有科学原理。基因dna也是著名的双螺旋结构，双螺旋提供了极大的结构稳定性和互补性，并且局部dna还可以形成三螺旋甚至四螺旋的形式。双螺旋的主链有二条，它们似“麻花状”绕一共同轴心以右手方向盘旋，提供超大变形，如图2。因此本发明中选择模仿dna结构，制作单螺旋、双螺旋和三螺旋的弹簧。本发明中螺旋弹簧的结构、宽度、直径和数量四个参数设计如图3-4所示。
13.进一步地，该弹簧的材质为形状记忆合金。
14.进一步地，该弹簧的材质为镍-钛记忆合金。
15.进一步地，所述弹簧的螺径d为1-4cm，螺距l为1-7cm。
16.进一步地，所述弹簧的螺径d为1-2cm，螺距l为1.8-2.2cm。
17.进一步地，所述弹簧的螺旋数量为4-36组。
18.进一步地，所述弹簧的螺旋数量为4-8组。
19.进一步地，该应用的具体方法为：
20.将弹簧煅烧后，使其形状固定至收缩态，然后冷却至室温；
21.将弹簧连接到柔性填充容器上，再将弹簧加热后，弹簧伸展，将柔性填充容器撑开。柔性填充容器包括收纳袋、厨房透明防护罩内胆或玩偶。
22.进一步地，所述煅烧的温度为350-450℃，时间为10-20min；所述加热的温度为60-70℃。
23.与现有技术相比，本发明针对家庭中收纳袋绳索和炉灶给低幼儿童带来的安全风险问题，设计并制作一类可以实现室温下随意折叠收纳，使用时候加热迅速自动撑开，填充容器体积的封口开关。利用形状记忆合金sma可恢复变形大、输出力大的重复伸缩特点，提出仿照dna双螺旋结构，采用镍-钛形状记忆合金丝线绕制“智能弹簧”的设想，结合弹簧的能量储存特点和记忆合金的形变可逆重复输出力的特性，做出简单和自动伸展的弹簧驱动元件作为封口开关。
附图说明
24.图1为形状记忆合金变形恢复原理图；
25.图2为dna弹性杆模型的超大变形；
26.图3为本发明螺旋几何尺寸设计示意图；
27.图4为本发明三种螺旋的形状结构设计示意图；
28.图5为本发明镍-钛记忆合金金属丝室温中尺寸设计、绕制和测试过程图；
29.图6为本发明用于研究的弹簧样品照片；
30.图7为本发明中不同长度的sma弹簧受热后自动伸长的响应速度对比实验；
31.图8为本发明中弹簧加热伸展的过程形态对比；
32.图9为本发明中弹簧受热后膨胀的驱动力演示实验；
33.图10为填充实施例2中优化尺寸的弹簧原件后收纳袋电吹风加热后膨胀演示图；
34.图11为用sma弹簧作为温度感应的自动膨胀和支撑的生活物品。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
36.本发明采用镍-钛记忆合金丝线，直径为1.0mm，输出力大约800mpa，预形变约4-5％，必要时还要使用金属剪刀钳，游标卡尺、电子计时器、直径为1-4cm的陶瓷管模具，加热台，加热炉，烧杯，自来水，电吹风，若干家用布料、无纺布、海绵块和透明耐热塑料布。
37.螺旋弹簧的制备具体参数如下表1中。使用镍-钛记忆合金丝线在直径为1-4cm的不同陶瓷管是缠扰形成弹簧，如图5所示。然后使用400℃加热炉热固定形状15分钟，取出冷却到室温。然后将用电吹风和热水加热弹簧样品至60-70℃，观测记录伸展时间和弹出力。最后将优选出弹力大、变形速度最快的弹簧样品装入家用布料、无纺布、海绵块和透明耐热塑料布做成大袋子和防护罩容器，观测这些容器的受热后体积变化时间和体积增加量。
38.图6给出了不同螺旋直径、螺旋宽度、螺旋长度和螺旋结构的测试样品照片。由于受弹簧制备工具的精度限制，样品制备的尺寸精度有0.05-0.10cm的偏差。
39.表1螺旋制备的具体参数和性能测试方案
[0040][0041]
实施例1
[0042]
本实施例中，弹簧为单螺旋结构，具体参数如表2所示
[0043]
表2单螺旋结构的性能测试数据
[0044][0045]
数据结果表明：最快速伸展的单螺旋弹簧样品几何尺寸为宽度2cm，直径2cm，含有4组螺旋，它的伸长开始时间为5秒，完全伸长时间为29秒，见图7。并且所有研究的单螺旋弹簧样品均可以实现20次以上的缠绕-伸长测试。
[0046]
实施例2
[0047]
本实施例中，弹簧为双螺旋结构，具体参数如表3所示
[0048]
表3双螺旋结构的性能测试数据
[0049]
[0050][0051]
双螺旋弹簧样品的数据表明：最快速伸展的弹簧样品几何尺寸为宽度2cm，直径2cm，含有4组螺旋，它的伸长开始时间为9-11秒，完全伸长时间为35-61秒。并且所有研究的双螺旋弹簧样品均可以实现20次以上的缠绕-伸长测试，见图8。图8(a-b)双螺旋弹簧经历多次重复缠绕-加热伸长20个循环前后的形貌，(c)三种螺旋结构弹簧加热伸展的过程形态对比。
[0052]
实施例3
[0053]
本实施例中，弹簧为三螺旋结构，具体参数如表4所示
[0054]
表4三螺旋结构的性能测试数据
[0055]
[0056][0057]
三螺旋弹簧样品的数据表明：最快速伸展的弹簧样品几何尺寸同样为宽度2cm，直径2cm，含有4组螺旋，它的伸长开始时间为19～20秒，加热10分钟后所有受测试样品也无法实现完全伸长。因此就没有继续测试三螺旋弹簧样品的缠绕-伸长性能。测试中发现三螺旋弹簧无法完全伸展的原因是，三根螺旋结构伸长速度不一致，导致螺旋结构发生大角度转动、穿插和二次缠绕，见图8(c)，因而形成了伸长的相互阻碍。
[0058]
针对单螺旋弹簧、双螺旋弹簧和螺旋弹簧样品的推力大小进行加热测试数据表明，见图9，三螺旋弹簧的推力最大，双螺旋次之，单螺旋推力最弱。
[0059]
以上的弹簧样品的实验观测和分析发现：弹簧的螺旋形态和螺旋宽度是影响伸展和弹力的最重要因素，宽度2cm，直径2cm，含有4组螺旋结构的双螺旋弹簧具有伸长最快速和完全伸长时间最短的特点，并且也能提供较大的推力。在收纳袋中和橡胶玩偶中分别装入将5根和3根这种双螺旋弹簧，电吹风加热中收纳袋和玩偶迅速膨胀和撑开，如图10。但是玩偶的体积增加更多，这是由于香蕉玩偶的材料更容易伸展。这个实验证明了在家用电吹风和热水等热源，即》60℃的短时间加热后，形状记忆合金制作的单螺旋和双螺旋结构弹簧可以提供反复瞬时膨胀撑开的功能。
[0060]
依据目标容器的容积、质量和使用温度热源选择把双螺旋结构弹簧数量，封入其内胆，如图11展示的三个家庭中可能应用的产品案例。图11(a)中的收纳袋口封入sma双螺旋弹簧，取代绳子打结封口的设计，儿童可以手持电吹风加热弹簧位置即可打开收纳袋。图11(b)为厨房透明防护罩内胆中放置sma双螺旋弹簧做支撑框架，可放置在停止加热的灶台上端、有蒸汽冒出的锅灶上方，当热源温度高于60℃，内胆中的弹簧的长度迅速伸长为丝线，膨胀填充或者形成支撑骨架，便于低龄儿童快速知道不能触碰高温部位。如果需要再次收纳，可放到冷水中，它会立即恢复原状。也可以将弹簧装入孩子喜欢的玩偶内部，图11(c)，充当温度报警器，当某处温度过高时报警娃娃快速膨胀，直观、快速地提醒父母和孩子。
[0061]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。