JP2020523518A - エネルギー回収装置で使用するためのｓｍａまたはｎｔｅ材料のヒステリシス操作 - Google Patents

Abstract

本発明は、駆動機構と、第１端部で固定され、第２端部で駆動機構に接続された複数の形状記憶合金（ＳＭＡ）要素または負熱膨張（ＮＴＥ）要素を含むエンジンコアと、を備えるエネルギー回収装置を提供する。同要素が所望の温度に達するまで駆動機構の動きを制限するように、エンジンコアと駆動機構との間にブロック機構が配置される。

Description

本出願はエネルギー回収の分野に関し、特に、形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）材料の使用に関する。

通常、１００度未満と考えられている低質熱は、産業プロセス、発電、および輸送用途においてかなりのエネルギー浪費の流れをつくる。かかる浪費の流れを回収したり再利用することが望ましい。この目的のために提案された技術の例に、熱電発電機（ＴＥＧ）がある。残念ながら、ＴＥＧは、比較的高価である。かかるエネルギーを回収するために提案されたもう一つの方法であって、主に実験的な方法として、形状記憶合金を採用するものがある。

形状記憶合金（ＳＭＡ）は、元の冷間鍛造形状を「記憶」する合金で、変形されても、加熱により変形前の形状に戻る。この材料は、油圧式、空気圧式、モーターを中心とするシステムなど、従来のアクチュエータに代わる軽量でソリッドステートの代替品である。

形状記憶合金の３つの主要なタイプは、銅−亜鉛−アルミニウム−ニッケル、銅−アルミニウム−ニッケル、およびニッケル−チタン（ＮｉＴｉ）合金であるが、ＳＭＡは、例えば亜鉛、銅、金および鉄の合金により生成できる。これらの列挙はすべてではない。

かかる材料の記憶は、１９７０年代初頭から熱回収プロセスでの使用のため採用され、あるいは提案されてきた。特に熱からエネルギーを動力として回収するＳＭＡエンジンの構築がある。エネルギー回収装置に関する最近の公報として、本発明の譲受人に譲渡された国際公開第２０１３／０８７４９０号がある。エネルギー回収装置は、束状に配置された、または密に詰められた複数の細長のワイヤを有するエンジンコアからなる。ＳＭＡまたはＮＴＥワイヤ材料の収縮を効率的な方法で機械的な力に変換することが望ましい。ＳＭＡ材料は、複雑な応力−ひずみ−温度の関係を示す。通常、応力と温度の組み合わせは、「非双晶」（de-twinned）のマルテンサイト相からオーステナイト相へのＳＭＡ材料の変態に関係する。

完全なマルテンサイト（または完全なオーステナイト）相の間にワイヤに負荷がかかると、ヤング率に従ってひずむ。外部応力が加えられなくても、オーステナイトおよび双晶マルテンサイト状態はワイヤ内で自然に発生する。荷重がかかっていない形状記憶合金の欠点は、ワイヤが特定のたわみを得ておらず、転移が温度差のみに基づいて起こるということである。ワイヤのサイクリングから有益な出力を得るには、応力をかける必要がある。応力の大きさは、望ましい変形に依存する。ワイヤに応力を加えて反応させると、疲労寿命に悪影響を与える可能性があり、エンジンコアの故障につながる。

米国特許出願公開第２０１１／１７９７９０（Ｐｒｅｔｏｒｉｕｓ）号明細書は、形状記憶合金の相変化を可能にする再生可能な機械的配置を備えた複数の異なる実施形態を記載する。相変化は、合金が軟らかい状態で力を加え、マルテンサイトを加熱してオーステナイトに戻すことにより、マルテンサイトからオーステナイト、そして逆へ変化させて、力の戻りを向上させる。英国特許出願公開第２，５３３，３５７（Ｅｘｅｒｇｙｎ）号明細書は、拡張マルテンサイト状態の材料を戻す力を提供するコアと、拮抗配置でスムーズな動作における偏向を減衰させるスプリングとを扱う。

したがって、エネルギー回収装置で使用するためのＳＭＡまたはＮＴＥエンジンコアの疲労寿命をより長く確保するために改善されたシステムおよび方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、添付の特許請求の範囲に記載されるように、次のエネルギー回収装置が提供される。エネルギー回収装置は、駆動機構と、第１端部で固定され、第２端部で駆動機構に接続された複数の細長の形状記憶合金（ＳＭＡ）要素または負熱膨張（ＮＴＥ）要素を備えるエンジンコアとを備え、前記要素が所望の温度に予熱されるまで駆動機構の動きを制限するように、エンジンコアと駆動機構との間にブロック機構が配置されることを特徴とする。

本発明は、ワイヤ（単数または複数）を収容するチャンバの充填に依存することによるワイヤの不均衡な係合の問題を解消する。不均衡な係合は、ワイヤに過負荷をかけ、材料の内部構造を損傷するという問題を引き起こす。本発明は、温度および応力の固有の依存性を切り離すことにより、コアのヒステリシス操作を伴う、ワイヤの疲労寿命を長くするための保護機構を提供する。材料のヒステリシスの動きと固有の材料特性の操作を理解することにより、不均衡な活性化による合金の過剰応力を防ぐことができる。本発明により、材料の一部が長い疲労寿命に悪影響を及ぼす応力レベルを被ることを避けるために、変態温度に達したときに合金の自由な動きを防ぐ実施形態を説明する。本発明は、束に配置された複数の細長のＳＭＡワイヤを含むエンジンコア内のサイクルレジームのため合金の疲労寿命を向上させる方法を提供する。

一つの実施形態では、ブロック機構は調整可能である。

一つの実施形態では、ブロック機構は、異なる動作サイクル間の開位置と閉位置との間で動作するように構成される。

一つの実施形態では、ブロック機構は、コールドサイクル中の形状記憶合金（ＳＭＡ）要素または負熱膨張（ＮＴＥ）要素において、過度の伸びを防ぐ物理的ストッパを備える。

一つの実施形態では、ブロック機構は、形状記憶合金（ＳＭＡ）要素または負熱膨張（ＮＴＥ）要素が加熱されるときに、ホットサイクルの温度制御を提供する。

一つの実施形態では、形状記憶合金（ＳＭＡ）要素または負熱膨張（ＮＴＥ）要素のホットおよびコールドサイクルを決めるヒステリシスループが提供され、前記ブロック機構によって制御される。

一つの実施形態では、ホットサイクルの活性化温度が、形状記憶合金（ＳＭＡ）要素または負熱膨張（ＮＴＥ）要素の活性化を高温流の温度が達成するのに十分でないレベルまで上昇している場合、要素が保護され、要素の内部構造への過度の応力が防止されるように、駆動機構の動きがブロックされる。

一つの実施形態では、複数の形状記憶合金（ＳＭＡ）要素または負熱膨張（ＮＴＥ）要素は、コアを形成するために互いに略平行に配置された複数のワイヤとして配置される。

さらなる実施形態では、エネルギー回収装置は、駆動機構と、第１端部で固定され、第２端部で駆動機構に接続されている細長の形状記憶合金（ＳＭＡ）要素または負熱膨張（ＮＴＥ）要素を含むエンジンコアと、を備え、前記要素が所望の温度に予熱されるまで駆動機構の動きを制限するように、エンジンコアと駆動機構の間にブロック機構が配置されることを特徴とする。

別の実施形態では、次のエネルギー回収方法が提供される。エネルギー回収方法は、エネルギー回収装置のステップであって、複数の細長の形状記憶合金（ＳＭＡ）要素または負熱膨張（ＮＴＥ）要素を配置して、第１端部で固定され、第２端部で駆動機構に接続されたコアを形成するステップと。前記要素が所望の温度に達するまで駆動機構の動きを制限するように、エンジンコアと駆動機構の間にブロック機構を配置するステップとを含む。

本発明は、添付の図面を参照し、例示に過ぎない実施形態の以下の説明より、より明確に理解される。
図１は、形状記憶合金における既知の応力-温度依存性を示す。 図２は、一定の応力でのヒステリシスループを示す。 図３は、２つの異なる応力での２つのヒステリシスループを示す。 図４は、ＮＴＥまたはＳＭＡワイヤ材料のエンジンコアを組み込んだエネルギー回収装置の結果として生じるサイクルを示す。 図５は、本発明の第１実施形態によるコールドサイクル中のエンジンコアの過度の伸びを防止する物理的ストッパを示す。 図６は、本発明の一実施形態による、コールドサイクルであって高温側の温度制御中において過度の伸びを防止する物理的ストッパを示す図である。 図７は、コアのヒステリシスにより疲労寿命の改善を可能にする停止機構の動作を示す。 図８は、疲労寿命を改善するためのワイヤのヒステリシス操作（ワイヤをセグメント化した図）と、ピストンの動きがブロックされたときの温度への影響を示す。 図９は、３ワイヤ束のワイヤのセグメント化された係合を示す。 図１０は、ワイヤの温度と動きのホットサイクル図である。 図１１は、ワイヤの温度と動きのコールドサイクル図である。

本発明は、形状記憶合金（ＳＭＡ）または他の負熱膨張材料（ＮＴＥ）のいずれかを使用して加熱流体から動力を生成できる熱回収システムで使用するためのワイヤの最適なサイクリングに関する。

かかるエネルギー回収装置は、本発明の譲受人に譲渡された国際公開第２０１３／０８７４９０号に記載されており、参照により本明細書にすべて組み込まれる。

かかる用途では、熱源にさらされた材料の収縮が取得され、使用可能な機械的仕事に変換される。かかるエンジンの作業要素に有用な材料として、ニッケルチタン合金（ＮｉＴｉ）があることは証明されている。この合金は、公知の形状記憶合金であり、さまざまな業界で多くの用途がある。任意の適切なＳＭＡまたはＮＴＥ材料を使用できることは、本発明の文脈において理解されるであろう。

力は、ピストンおよび伝達機構を介して、作動中のコア内で（複数のワイヤとして示されている）この合金の収縮および膨張を通じて生成される。このシステムの重要な側面は、信頼性の高いアセンブリがつくられ、最大数の仕事サイクルで力強い低変位の作動を可能にすることである。したがって、特定の構成要件および必要なＳＭＡ材料の質量に応じて、複数の細長のＳＭＡワイヤを一緒に使用し、互いに実質的に平行に間隔を空けて配して、単一のコアを形成することができる。

このような単一のエンジンコアでは、多数のロッド／ワイヤが束にまとめられる。ワイヤは、動作中、継続的な応力と温度変化の環境下に置かれる。図１は、形状記憶合金における公知の応力−温度依存性を示す。一定の応力でのワイヤヒステリシスを図２に示す。ループは、ワイヤが受ける応力体系に依存する活性化温度によって決まる。より高い応力が加えられると、ヒステリシスループは上にシフトする。活性化温度は、図３に示すように、応力レベルが高いほど高くなる。図４に示すように、コールドサイクルに小さな負荷をかけ、ホットサイクル中に大きな負荷をかけたデュアルローディングサイクルの仕事ウィンドウを得るためには、ヒステリシスの動きを考慮する必要がある。

活性化温度と、目標の出力を得るにはワイヤが高い応力レベルにさらされるということを考慮すると、ワイヤの疲労寿命は短くなる。

本発明の第１実施形態によれば、物理的停止機構がコールドサイクルに配置されるため、ワイヤは全長を伸ばすことができず、その後、内部構造に過剰な応力がかからず、材料に欠陥（早期の故障につながる内部／表面亀裂）が組み込まれずに済む。図５は、コールドサイクル中の過度の伸びを防ぐ物理的な停止を示す。図６は、コールドサイクルおよびホットサイドの温度制御中の過度の伸びを防ぐ物理的な停止を示す。

温度制御に関しては、ワイヤが絶対最大変形見込みに達していないため、たわみは制限される。これは、別の可能な保護形態である。なぜなら、サイクリング中の累積的な永久変形による性能の低下は減少するものの、完全には排除されないためである。

ワイヤのたわみを制限し、材料の均一な係合を確保し、長さの過負荷を防ぐため、ワイヤは、優れた負荷体系をとる準備ができていない。次の解決策は、（ワイヤに取り付けられた）ピストンの下と上にストッパを配置することにより提供される。ブロック機構は、ホットおよび／またはコールドサイクル中の材料の変形に反応してピストンが移動させることがないクランプの形態であってもよいが、これに限定されない。ブロック機構が満たさなければならない条件は、上部クランプが完全に制御可能であり、必要に応じて閉位置と開位置とをとることができること（ピストンを解放または保持）、下部クランプは閉位置にとどまることができる必要があるが、その位置は、コールドサイクル（ピストンの軸上の移動）でより多くの変形を得る必要がある場合、調整できる必要があることである。

図７は、コアのヒステリシスにより疲労寿命を改善できる停止機構の動作を示す。図７では、エンジンコアを示すワイヤは、ピストンの下にストッパを配置することで冷水にさらされたときに低負荷で制御されるたわみを構成する。この図では、単一のＮＴＥまたはＳＭＡワイヤが示されているが、実際には、コアを複数のワイヤで構成して、単一のコアとして定義することができる。位置２は、ワイヤが完全に伸びた位置にあり、ピストンが上部でブロックされており、全負荷がかかっている状態を示す。ピストンが物理的なストッパ上にあることにより、より高い負荷にさらされたときに、ワイヤがもっと伸びることが防止される。位置３および４は、完全にブロックされた位置で、温水がワイヤに供給される状態を示す。ワイヤの移動が妨げられることにより、ヒステリシスが上にシフトし、温水温度が不十分になってワイヤを反応させることができない。これにより、ヒステリシスを操作してワイヤを保護する。このように、過負荷とされると、ワイヤは活性化温度が高すぎるため、水／流体が材料をオーステナイト形態に戻すという目的を果たすことができず、実際には反応できなくなる（応力と温度の関係の分断）。材料が完全に加熱されると、位置５に示すように、「停止」の拘束が解除され（上部停止）、位置６でワイヤが収縮する。冷たい流体が材料の上を流れると、位置７においてサイクルは再開され、位置８に示すように、緩和ステージが低負荷で開始される。

仕事サイクルをさらに最適化するために、過負荷状態で合金の活性化が防止されるように、温度／応力依存性を監視し、流体温度を下げることが可能であるが、過熱はないため、流体における非効率的な使用可能性はない。

図８は、疲労寿命を改善するためのワイヤのヒステリシス操作（ワイヤをセグメント化した図）と、ピストンの動きがブロックされたときの温度への影響を示す。図８に示すように、ピストンの動きがブロックされると、高温側の活性化温度は、高温ストリームの温度がワイヤの活性化を達成するのに十分でなくなるレベルまで上昇する。このようにして、ワイヤは保護され、材料の内部構造の過度の応力が防止される。

図９は、３束の配置のワイヤのセグメント化された係合を示す。図９は、使用中の不均一な活性化により、バンドル内のワイヤに過度の応力がかかるのをピストンのブロッキングがどのように防ぐかを示す。すべてのワイヤが均一な温度になったら、ワイヤに過度の応力をかけることなくピストンが作動するように、ブロック機構を解除できる。図１０は、ワイヤの温度と動きのホットサイクル図を示す。予熱段階では、ＳＭＡワイヤは制限されており、移動できない。ヒステリシスの操作の流れは、ピストンの移動制限によって提供される。温度が所望の温度に達すると、ブロック機構が解除され、ワイヤの膨張によりピストンが作動する。最初にプランジフェーズがあり、図１０に示すように、ワイヤは急速にパワーフェーズに移行する。図１１は、ワイヤの温度と動きのコールドサイクル図を示しており、予冷段階と冷却段階が示されており、図１０の逆サイクルである。

本明細書において、用語「備える（comprise, comprises)、備えた（comprised)、備えている（comprising)」またはその任意の変形、および用語「含む（include, includes)、含んだ(included)、含んでいる（including)」またはその任意の変形は、すべて交換可能であるとみなされ、それらの用語はすべて可能な限り広い解釈を与えられるべきであり、その逆も可能である。

本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、構造においても具体的な内容においても変形可能である。

Claims (8)

1. 駆動機構と、
   第１端部で固定され、第２端部で前記駆動機構に接続された複数の細長の形状記憶合金（ＳＭＡ）要素または複数の負熱膨張（ＮＴＥ）要素を備えるエンジンコアと、を備え、
   前記要素が所望の温度に達するまで前記駆動機構の動きを制限するように、前記エンジンコアと前記駆動機構との間にブロック機構が配置されることを特徴とする、
   エネルギー回収装置。
2. 前記ブロック機構は調整可能である、
   請求項１に記載のエネルギー回収装置。
3. 前記ブロック機構は、前記要素の温度に応じて開位置と閉位置との間を移動するように構成されている、
   請求項１または２に記載のエネルギー回収装置。
4. 前記ブロック機構は、コールドサイクル中の前記形状記憶合金（ＳＭＡ）要素または前記負熱膨張（ＮＴＥ）要素において過度の伸びを防ぐ物理的ストッパを備える、
   請求項１から３のいずれかに記載のエネルギー回収装置。
5. 前記ブロック機構は、前記形状記憶合金（ＳＭＡ）要素または前記負熱膨張（ＮＴＥ）要素が加熱されるとき、ホットサイクルの温度制御を提供するように構成されている、
   請求項１から４のいずれかに記載のエネルギー回収装置。
6. 前記ブロック機構は、前記形状記憶合金（ＳＭＡ）要素または前記負熱膨張（ＮＴＥ）要素のホットおよびコールドサイクルを決めるヒステリシスループを制御するように構成される、
   請求項１から５のいずれかに記載のエネルギー回収装置。
7. ホットサイクルの活性化温度が、前記形状記憶合金（ＳＭＡ）要素または前記負熱膨張（ＮＴＥ）要素の活性化を温度が達成するのに十分ではないレベルまで上昇している場合、前記駆動機構の動きはブロックされ、前記要素は保護され、前記要素の内部構造への過度の応力が防止される、
   請求項１から６のいずれかに記載のエネルギー回収装置。
8. エネルギー回収装置のステップであって、
   複数の細長の形状記憶合金（ＳＭＡ）要素または負熱膨張（ＮＴＥ）要素を配置して、第１端部で固定され、第２端部で駆動機構に接続されたコアを形成するステップと、
   前記要素が所望の温度に達するまで前記駆動機構の動きを制限するように、エンジンコアと前記駆動機構との間にブロック機構を配置するステップと、
   を含む、エネルギー回収方法。

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