创新方法论—TRIZ试解-热膨胀原理

李正桐

    热膨胀原理是TRIZ（发明问题解决理论）40条创新原理的第37条。

    TRIZ对热膨胀原理的解释是：“将热能转换为机械能或机械作用”。事实上对该原理的应用往往不局限于能量的转换，而且把热膨胀系数为负值的情况也包含在内，也就是说包括了一切因温度变化导致的体积或长度的变化。

    正如许多自然现象一样，热胀冷缩现象既给我们带来便利也给我们带来麻烦。在高速行驶的列车上，单调而沉重的车轮撞击声会伴随我们的全部行程。为什么？因为一段一段的路轨之间有间隙。如果把路轨焊接起来，不是可以延长轨道和列车的使用寿命吗？不行。考虑到钢轨的热胀冷缩，这个间隙必须留出来，否则本来笔直的路径在夏天尤其是在阳光暴晒下就会因膨胀而变弯曲。例如一段100千米的铁路，夏天和冬天可以胀缩60多米。严格地说导致铁路变弯曲的不单单是钢轨的热膨胀，而是钢轨与地面的热膨胀系数的差值。以下我们引用的许多例子也都是涉及两种不同材质的热膨胀系数的差值。

    热胀冷缩现象带给我们的麻烦远不止这些。例如向玻璃杯中倒开水，有时会因操之过急而使玻璃杯炸裂，这是因不均衡的温升造成不均衡的热膨胀所致。作为热胀冷缩现象的一个特例（涉及相变且膨胀系数为负），水结冰时的膨胀更具有惊人的破坏力。隆冬时节水管内的水结冰可将水管胀裂。而在自然界岩石缝隙中的微量水的冻结就足以扩大岩石的裂缝，加速其风化。此外，较精确的长度测量也不得不考虑温度的影响。

    其实物质的性质本无所谓有利或有害，自从人们认识到热胀冷缩现象以来，一方面刻意减小或防止由它造成的损害，另一方面又想方设法对它加以利用。例如早在16世纪伽利略就利用气体的体膨胀发明了玻璃管温度计。但由于这种温度计同时也受气压的影响，不够精确，至17世纪法国人布利奥发明了水银温度计，沿用至今。

    对热胀冷缩现象的一项经典应用是双金属片，这是一种获得广泛应用的热工元件。双金属片至少由两种金属的薄板组成，其中线膨胀系数较大的叫做主动层，线膨胀系数较小的叫做被动层，将这两个金属片用铆、焊等方法合在一起就组成双金属片。当温度升高时，主动层的膨胀大于被动层，致使双金属片向被动层一侧弯曲；温度降低时则相反。这种巧妙的设计使得原来难以察觉的微小线膨胀变成幅度较大的形变，而且这种形变有足够的力对外做功。早期曾有人采用这种元件利用昼夜温差为钟表上发条或做成双金属片温度计，用于指示或控制温度；现在则大量用于电路的热保护、日光灯启辉器或用于其它热工控制。

    笔者以前曾述及一种手表的温度补偿机构。我们知道手表的核心部件是游丝和平衡轮的组合，平衡轮俗称摆轮，当温度变化时，由于热胀冷缩，摆轮的直径有微小的变化从而影响计时精度。高档的有温度补偿的摆轮不是完整的环形，而是有两个缺口，有些像S形。它的两个半环就是双金属结构，外层为主动层。当温度升高摆轮膨胀时，两个半环却稍稍向内弯曲，补偿了膨胀的影响，从而使整个摆轮的转动惯量保持恒定，也就保持了计时精度。温度降低时作用相反。本栏目还曾述及美国宇航局推出的一种调控航天器太阳能电池翼板方向的机构，也利用了圆柱螺旋形的双金属片。

    热胀冷缩造成的长度增量虽然微小，但输出的力却很大。国外曾报道过一种实验装置，是将很长的细铜管的首端固定在一个绞盘上，并在绞盘上平绕很多圈，尾端甩出来固定在一个框架上，绞盘的轴也插入这个框架。向细铜管内交替地通入冷水和热水，则细铜管的胀缩就会使绞盘交替地向正反方向转动，可以输出这个动力对外做功。当然还需要有一个使绞盘复位的弹簧。

    笔者曾经述及的炮管和火车轮箍的嵌套也利用了热胀冷缩原理，这里不再赘述。更值得一提的是铅字。铅字是铸出来的，而就铸造来说，成型容易，表现细节却有难度，原因之一就是热胀冷缩。本该是棱角的地方，待熔融金属冷凝收缩后棱角就不清晰了。为了在铸字工艺中解决这个问题，人们巧妙地利用了金属锑的冷胀性，用铅锑合金做铅字的材料。熔融的铅水注入字模后，在凝固过程中不缩反胀，紧紧贴住字模内壁，使得铸出的铅字细节清晰、棱角分明。

    综上所述，我们在从事设计或发明的时候，一方面要留心热胀冷缩作用的潜在危害，另一方面也不要忘记对它加以利用，以上的一些案例不是做得很巧妙吗？■