JPH0137672B2 - - Google Patents
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- JPH0137672B2 JPH0137672B2 JP56078944A JP7894481A JPH0137672B2 JP H0137672 B2 JPH0137672 B2 JP H0137672B2 JP 56078944 A JP56078944 A JP 56078944A JP 7894481 A JP7894481 A JP 7894481A JP H0137672 B2 JPH0137672 B2 JP H0137672B2
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B23/00—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Sorption Type Refrigeration Machines (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は形状記憶合金を活用したヒートポンプ
に関する。
に関する。
従来、ヒートポンプはフロン系・アンモニア等
の冷媒を圧縮機で圧縮し、凝縮器で放熱・凝縮
し、キヤピラリーチユーブで減圧し、蒸発器で吸
熱・蒸発させるサイクルを構成したものである。
しかるにこのサイクル構成では高価な圧縮機を必
要とし、更に高圧部がある為に完全なシールを必
要とし、更に凝縮器・蒸発器の熱交換を高める為
に大きな熱交換器を必要とした。
の冷媒を圧縮機で圧縮し、凝縮器で放熱・凝縮
し、キヤピラリーチユーブで減圧し、蒸発器で吸
熱・蒸発させるサイクルを構成したものである。
しかるにこのサイクル構成では高価な圧縮機を必
要とし、更に高圧部がある為に完全なシールを必
要とし、更に凝縮器・蒸発器の熱交換を高める為
に大きな熱交換器を必要とした。
本発明は以上の如き高価なヒートポンプとは構
造を異にし、従来全く試みられることのなかつた
新規なる方式により、構造簡単で安価で高効率の
ヒートポンプを提供することを目的とする。
造を異にし、従来全く試みられることのなかつた
新規なる方式により、構造簡単で安価で高効率の
ヒートポンプを提供することを目的とする。
以下、本発明に係わるヒートポンプについて詳
細に説明する。
細に説明する。
次に形状記憶合金について説明する。
ある種の合金で原子が拡散することなしに発生
するマルテンサイト変態は外力に対する応答がき
わめて早く、又同じ現象が繰り返し再現できる性
質をもち、又それに付随して特異な物理的・機械
的性質をもつことが知られている。そして、この
特異な性質の中にマルテンサイト変態温度以下で
ある応力で塑性変形されていてもこれをマルテン
サイト逆変態温度（オーステナイト変態温度）以
上に加熱するとある条件下で熱処理された形（記
憶された形）に戻つてしまう形状記憶効果があ
る。また、オーステナイト変態温度以上で応力を
かけることによつて生じる応力誘起マルテンサイ
トによる超弾性（応力を除荷すると元の形状に戻
る）なる性質がある。これらの現象の生じる温度
範囲は形状記憶合金の組成や熱処理、作用応力等
で数度から百度近くまで任意に選ぶことができ
る。
するマルテンサイト変態は外力に対する応答がき
わめて早く、又同じ現象が繰り返し再現できる性
質をもち、又それに付随して特異な物理的・機械
的性質をもつことが知られている。そして、この
特異な性質の中にマルテンサイト変態温度以下で
ある応力で塑性変形されていてもこれをマルテン
サイト逆変態温度（オーステナイト変態温度）以
上に加熱するとある条件下で熱処理された形（記
憶された形）に戻つてしまう形状記憶効果があ
る。また、オーステナイト変態温度以上で応力を
かけることによつて生じる応力誘起マルテンサイ
トによる超弾性（応力を除荷すると元の形状に戻
る）なる性質がある。これらの現象の生じる温度
範囲は形状記憶合金の組成や熱処理、作用応力等
で数度から百度近くまで任意に選ぶことができ
る。
第１図は形状記憶合金の代表である55重量％
Ni，45重量％Ti二元合金の熱弾性マルテンサイ
ト変態における変態温度のヒステリシスの一例を
示している。マルテンサイト変態はMs点で始ま
りMf点で終了しその間に変態潜熱HMとして
390cal／ｇ・mol（7.3cal／ｇ）を発熱する。また
オーステナイト変態はAs点で始まりAf点で終了
しその間に変態潜熱HAとして390cal／g.mol
（7.3cal／ｇ）を吸熱する。
Ni，45重量％Ti二元合金の熱弾性マルテンサイ
ト変態における変態温度のヒステリシスの一例を
示している。マルテンサイト変態はMs点で始ま
りMf点で終了しその間に変態潜熱HMとして
390cal／ｇ・mol（7.3cal／ｇ）を発熱する。また
オーステナイト変態はAs点で始まりAf点で終了
しその間に変態潜熱HAとして390cal／g.mol
（7.3cal／ｇ）を吸熱する。
本発明はこの様な発熱・吸熱現象を利用するも
のである。なお、本発明で使用する形状記憶合金
はTiNi系に限らずIn―Tl系、Ni―Al系、Ag―
Cd系、Au―Cd系、Cu―Al―Ni系、Cu―Zn系、
Cu―Zn―Ｘ（Ｘ＝Si，Sn，Al）系等も使用可能
である。
のである。なお、本発明で使用する形状記憶合金
はTiNi系に限らずIn―Tl系、Ni―Al系、Ag―
Cd系、Au―Cd系、Cu―Al―Ni系、Cu―Zn系、
Cu―Zn―Ｘ（Ｘ＝Si，Sn，Al）系等も使用可能
である。
形状記憶合金の変態挙動は熱力学的には液体や
気体の相変態の場合と類似のClausius―
Clapeyronの式で示され、またマルテンサイト相
とオーステナイト相が共存する平衡温度Ｔと形状
記憶合金に作用する応力βとの間には dT／dβ＝一定 …(1) の関係が理想状態で成立する。すなわち、形状記
憶合金に応力を作用させることでその材料の平衡
温度換言すれば変態温度を制御することができ
る。上式とClausius―Clapeyronの式から変態潜
熱の応力依存性が示され、応力βが作用したとき
の変態潜熱Hβは、応力freeの変態潜熱Ｈ（０）
（このＨ（０）は上述のHMまたはHAに対応する）、
及び平衡温度Ｔ（０）を用いて Hβ＝（Ｔ（０）＋dT／dβ・β／Ｔ（０））・Ｈ（０
）…(2) と示される。
気体の相変態の場合と類似のClausius―
Clapeyronの式で示され、またマルテンサイト相
とオーステナイト相が共存する平衡温度Ｔと形状
記憶合金に作用する応力βとの間には dT／dβ＝一定 …(1) の関係が理想状態で成立する。すなわち、形状記
憶合金に応力を作用させることでその材料の平衡
温度換言すれば変態温度を制御することができ
る。上式とClausius―Clapeyronの式から変態潜
熱の応力依存性が示され、応力βが作用したとき
の変態潜熱Hβは、応力freeの変態潜熱Ｈ（０）
（このＨ（０）は上述のHMまたはHAに対応する）、
及び平衡温度Ｔ（０）を用いて Hβ＝（Ｔ（０）＋dT／dβ・β／Ｔ（０））・Ｈ（０
）…(2) と示される。
第２図は、形状記憶合金の代表的な応力―歪曲
線を示す。もしt2＞Afであれば応力を除荷したと
きに歪が零すなわち初期の記憶した形状に回復す
る。
線を示す。もしt2＞Afであれば応力を除荷したと
きに歪が零すなわち初期の記憶した形状に回復す
る。
第３図は、温度t2で歪を与え、温度t1で歪を回
復させる時の応力―歪曲線である（ただしt2＞t1
＞Af）。温度t2で歪を与えた場合、ε1で応力誘起
マルテンサイトが発生し始め、ε2で発生が完了す
る。すなわち、ε1の状態はMs点に相等し、ε2の
状態はMf点に相等する。この間に(2)式にβ2を代
入して得られる熱量Ｈ（β2）を外的環境へ放出す
る。次に温度t1で歪を回復させた場合、ε2で応力
誘起マルテンサイトがオーステナイト相に変態し
始め、ε1で変態が完了する。すなわち、ε2の状態
はAs点に相等し、ε1の状態はAf点に相等する。
この間に、(2)式にβ1を代入して得られる熱量Ｈ
（β1）を外的環境から変態潜熱として吸収する。
復させる時の応力―歪曲線である（ただしt2＞t1
＞Af）。温度t2で歪を与えた場合、ε1で応力誘起
マルテンサイトが発生し始め、ε2で発生が完了す
る。すなわち、ε1の状態はMs点に相等し、ε2の
状態はMf点に相等する。この間に(2)式にβ2を代
入して得られる熱量Ｈ（β2）を外的環境へ放出す
る。次に温度t1で歪を回復させた場合、ε2で応力
誘起マルテンサイトがオーステナイト相に変態し
始め、ε1で変態が完了する。すなわち、ε2の状態
はAs点に相等し、ε1の状態はAf点に相等する。
この間に、(2)式にβ1を代入して得られる熱量Ｈ
（β1）を外的環境から変態潜熱として吸収する。
そこで、第４図の斜線で囲まれた領域の外周経
路に沿つて形状記憶材料を変形させた場合、すな
わち温度t1、歪ε1の状態から歪一定のまま温度
t2の状態まで加熱し、ついて歪ε2の状態まで
歪を与える。このとき発熱反応を伴なう。次に歪
ε2のまま温度t1の状態まで冷却し、ついて歪ε1
の状態まで歪を回復させる。このとき、吸熱反
応を伴なう。
路に沿つて形状記憶材料を変形させた場合、すな
わち温度t1、歪ε1の状態から歪一定のまま温度
t2の状態まで加熱し、ついて歪ε2の状態まで
歪を与える。このとき発熱反応を伴なう。次に歪
ε2のまま温度t1の状態まで冷却し、ついて歪ε1
の状態まで歪を回復させる。このとき、吸熱反
応を伴なう。
いま、外的環境の冷却を行なう場合、熱効率は
Ｃを比熱とすれば Ｈ（β1−）−Ｃ・（t2−t1）／（β2−β1）・（ε2
−ε1）…(3) で与えられる。形状記憶材料としてTiNiを考え
た場合、たとえばβ2＝60Kg／mm2，β1＝20Kg／mm2，
ε2−ε1＝６％，Ｃ＝0.077cal／ｇ・deg，Ｈ（０）
＝7.3cal／ｇ，dT／dβ＝1.14degree／Kg／mm2，Ｔ
（０）＝300〓，t2−t1＝20℃を代入すれば熱効率
は理想的には930％が期待できる。
Ｃを比熱とすれば Ｈ（β1−）−Ｃ・（t2−t1）／（β2−β1）・（ε2
−ε1）…(3) で与えられる。形状記憶材料としてTiNiを考え
た場合、たとえばβ2＝60Kg／mm2，β1＝20Kg／mm2，
ε2−ε1＝６％，Ｃ＝0.077cal／ｇ・deg，Ｈ（０）
＝7.3cal／ｇ，dT／dβ＝1.14degree／Kg／mm2，Ｔ
（０）＝300〓，t2−t1＝20℃を代入すれば熱効率
は理想的には930％が期待できる。
第５図は本発明の実施例である。軸０1と０2に
プーリーがそれぞれ二個づつ同軸に同一回転をな
すように組まれている。
プーリーがそれぞれ二個づつ同軸に同一回転をな
すように組まれている。
プーリー３と５は軸０1に、プーリー４と６は
軸０2に組まれ、プーリー３と４及びプーリー５
と６がそれぞれ対向している。プーリー３と４に
は、形状記憶合金からなるベルト１（ワイヤー
状、コイル状、平板状等）が掛けられている。プ
ーリー５と６には、通常のベルト２が掛けられて
いる。また、高温側と低温側の間に仕切り７が設
けられている。第５図において、たとえばプーリ
ー３の径が４の径より大きく、プーリー５の径と
６の径が等しいとき、外部動力により軸０1もし
くは０2を右回りに駆動することで、第４図のサ
イクルを形状記憶合金１に描かすことができる。
ここでプーリー径の組み合わせは上記の例に限ら
ない。
軸０2に組まれ、プーリー３と４及びプーリー５
と６がそれぞれ対向している。プーリー３と４に
は、形状記憶合金からなるベルト１（ワイヤー
状、コイル状、平板状等）が掛けられている。プ
ーリー５と６には、通常のベルト２が掛けられて
いる。また、高温側と低温側の間に仕切り７が設
けられている。第５図において、たとえばプーリ
ー３の径が４の径より大きく、プーリー５の径と
６の径が等しいとき、外部動力により軸０1もし
くは０2を右回りに駆動することで、第４図のサ
イクルを形状記憶合金１に描かすことができる。
ここでプーリー径の組み合わせは上記の例に限ら
ない。
第６図は他の実施例である。軸０3と０4がわず
かの角をなして同一平面上に配置されている。軸
０3と０4にはメツシユ状の端プレート９と１０が
取りつけられ、そのあいだに薄板からなる形状記
憶合金８が円筒多層の形状で端プレート９と１０
に一体に取りつけられている。この回転体を高温
側と低温側に仕切るため隙間に仕切り板１１が設
けられている。形状記憶材料はＡ部ではもつとも
伸びた状態、Ｂ部でもつとも縮んだ状態となつて
いる。いま、端プレート９と１０の間隙を広げる
ことで形状記憶材料８に伸びを与えるように初期
設定（形状記憶）したとき、外部動力で軸３を右
回しし端プレート９を回転することでヒートポン
プが構成される。ここで軸４は回転駆動させても
遊びの状態でもよい。
かの角をなして同一平面上に配置されている。軸
０3と０4にはメツシユ状の端プレート９と１０が
取りつけられ、そのあいだに薄板からなる形状記
憶合金８が円筒多層の形状で端プレート９と１０
に一体に取りつけられている。この回転体を高温
側と低温側に仕切るため隙間に仕切り板１１が設
けられている。形状記憶材料はＡ部ではもつとも
伸びた状態、Ｂ部でもつとも縮んだ状態となつて
いる。いま、端プレート９と１０の間隙を広げる
ことで形状記憶材料８に伸びを与えるように初期
設定（形状記憶）したとき、外部動力で軸３を右
回しし端プレート９を回転することでヒートポン
プが構成される。ここで軸４は回転駆動させても
遊びの状態でもよい。
実施例は、上記した２例に限られず、一般に形
状記憶合金を用いた熱駆動エンジンを外部動力に
よりエンジン本来の回転方向とは逆に駆動するこ
とで容易に本発明を実施することができる。
状記憶合金を用いた熱駆動エンジンを外部動力に
よりエンジン本来の回転方向とは逆に駆動するこ
とで容易に本発明を実施することができる。
以上説明した如く本発明により高価なコンプレ
ツサーを用いることなく、ヒートポンプを提供で
きるものであつて、また形状記憶材料自身が熱交
換器の役割をはたすために、従来の高価な熱交換
機を用いることなく、しかも高効率のヒートポン
プを得ることができる。
ツサーを用いることなく、ヒートポンプを提供で
きるものであつて、また形状記憶材料自身が熱交
換器の役割をはたすために、従来の高価な熱交換
機を用いることなく、しかも高効率のヒートポン
プを得ることができる。
第１図は母相の割合―温度の特性曲線を示すグ
ラフ図、第２図、第３図，第４図は応力―歪特性
曲線を示すグラフ図、第５図は本発明に係わるヒ
ートポンプの一実施例の側面図、第６図は本発明
に係わるヒートポンプの他の実施例を示し、同図
ａは側面断面図、同図ｂは平面断面図を示す。 図中、１：形状記憶合金ベルト、２：通常ベル
ト、３，４，５，６：プーリー、７：仕切り、
８：形状記憶材料、９，１０：端プレート、１
１：仕切り板。
ラフ図、第２図、第３図，第４図は応力―歪特性
曲線を示すグラフ図、第５図は本発明に係わるヒ
ートポンプの一実施例の側面図、第６図は本発明
に係わるヒートポンプの他の実施例を示し、同図
ａは側面断面図、同図ｂは平面断面図を示す。 図中、１：形状記憶合金ベルト、２：通常ベル
ト、３，４，５，６：プーリー、７：仕切り、
８：形状記憶材料、９，１０：端プレート、１
１：仕切り板。
Claims (1)
- １ 外部動力により形状記憶合金に応力を付与す
る手段と、該手段にて形状記憶合金を変態せしめ
該変態時の吸熱・発熱を外部に取り出す手段とを
備えたことを特徴とするヒートポンプ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56078944A JPS57192761A (en) | 1981-05-22 | 1981-05-22 | Heat pump |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56078944A JPS57192761A (en) | 1981-05-22 | 1981-05-22 | Heat pump |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS57192761A JPS57192761A (en) | 1982-11-26 |
| JPH0137672B2 true JPH0137672B2 (ja) | 1989-08-08 |
Family
ID=13675990
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56078944A Granted JPS57192761A (en) | 1981-05-22 | 1981-05-22 | Heat pump |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS57192761A (ja) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1238600A1 (en) * | 2001-03-08 | 2002-09-11 | Thierry Holemans | NA device using shape memory alloys and a bias element to reduce the thermal hysteresis of the phase change |
| GB0109266D0 (en) * | 2001-04-12 | 2001-05-30 | Univ Bristol | Solid state cooling device |
| US8522545B2 (en) * | 2010-06-22 | 2013-09-03 | Neil Tice | Thermal engine capable of utilizing low-temperature sources of heat |
| US10119059B2 (en) * | 2011-04-11 | 2018-11-06 | Jun Cui | Thermoelastic cooling |
| JP5510569B2 (ja) * | 2012-02-06 | 2014-06-04 | ダイキン工業株式会社 | 冷却加熱モジュール及び空気調和装置 |
| JP5510567B2 (ja) * | 2012-02-06 | 2014-06-04 | ダイキン工業株式会社 | 調湿モジュール及び調湿装置 |
| US10018385B2 (en) | 2012-03-27 | 2018-07-10 | University Of Maryland, College Park | Solid-state heating or cooling systems, devices, and methods |
| US10107529B2 (en) | 2013-02-06 | 2018-10-23 | Daikin Industries, Ltd. | Cooling/heating module and air conditioning device |
| WO2014122702A1 (ja) | 2013-02-06 | 2014-08-14 | ダイキン工業株式会社 | 空気調和装置 |
| US20230010884A1 (en) * | 2019-12-02 | 2023-01-12 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Heat transfer device |
| DE102020113771B4 (de) | 2020-05-20 | 2023-12-21 | Oliver Kastner | Verfahren und Vorrichtung zur Realisierung von Wärmepumpen und/oder Kältemaschinen unter Nutzung elastokalorischer Materialien |
-
1981
- 1981-05-22 JP JP56078944A patent/JPS57192761A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS57192761A (en) | 1982-11-26 |
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