JPH06123276A - Thermal and mechanical energy transducing type driving element - Google Patents

Thermal and mechanical energy transducing type driving element

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JPH06123276A
JPH06123276A JP14989292A JP14989292A JPH06123276A JP H06123276 A JPH06123276 A JP H06123276A JP 14989292 A JP14989292 A JP 14989292A JP 14989292 A JP14989292 A JP 14989292A JP H06123276 A JPH06123276 A JP H06123276A
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JP
Japan
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shape memory
mechanical energy
energy conversion
alloy
transformation
Prior art date
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Application number
JP14989292A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasubumi Furuya
泰文 古屋
Yoshikatsu Tanahashi
善克 棚橋
Takeshi Masumoto
健 増本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Seiki Co Ltd
Original Assignee
Honda Seiki Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To easily obtain a thin final product, attain quick thermal response, satisfactory thermal-mechanical energy transducing efficiency, prevent deterioration of memory, and make use for a long term even in a strong acid and alkaline environment. CONSTITUTION:Hot water 10 in which Ti-Ni-Cu alloy is molten is flame-coated onto a rotary copper roll 13 directly from a quartz nozzle 12 around which a specimen induction heating coil 11 in an atmosphere of high-purity Ar. The hot water is rapidly cooled and solidified at a molten hot water contact portion 14 with cooling speed of 10<2> to 10<6> deg.C/S, to obtain a rapid-cooled and solidified ribbon 15. The rapid-cooled and solidified ribbon 15 is utilized as a coil for opening and closing an automatic dryer, which is a thermal and mechanical energy transducing type driving element.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、形状記憶素材に要所
の形状を記憶せしめてなる熱機械エネルギー変換型駆動
素子に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermo-mechanical energy conversion type drive element in which a shape memory material stores a shape of a key portion.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、形状記憶素材からなる熱機械エネ
ルギー変換型駆動素子は、サーモスタット、自動乾燥
庫、火災報知機、電気回路保護用スイッチ、ヒートシン
ク等に広く用いられている。
2. Description of the Related Art In recent years, thermomechanical energy conversion type drive elements made of shape memory materials have been widely used in thermostats, automatic dryers, fire alarms, switches for protecting electric circuits, heat sinks and the like.

【0003】図9および図10は、熱機械エネルギー変
換型駆動素子を自動乾燥庫に適用した例を示す。この自
動乾燥庫は、乾燥室1とこの乾燥室1に連結された乾燥
ユニット2とからなり、乾燥ユニット2は、下から順に
ヒーター部3、吸湿剤充填部4、リンク機構部5により
構成されている。吸湿剤充填部4は、リンク機構の端部
に設けられた2つのドア6、7の開閉により、乾燥室1
及び外気と連通できるようになっている。リンク機構部
5には、内側のドア6を常時開状態(吸収状態)に付勢
する引張ばね8が設けられている。また、吸湿剤充填部
4には、ヒーター部3の加熱により、引張ばね8の力に
抗してリンク機構を作動させ、外側のドア7を開状態
(排湿状態)とするコイル9が備えられている。コイル
9は、例えばTi、Ni、Cu系の形状記憶合金からな
る熱機械エネルギー変換型駆動素子である。
9 and 10 show an example in which a thermo-mechanical energy conversion type driving element is applied to an automatic dryer. The automatic drying chamber comprises a drying chamber 1 and a drying unit 2 connected to the drying chamber 1. The drying unit 2 is composed of a heater unit 3, a hygroscopic agent filling unit 4, and a link mechanism unit 5 in order from the bottom. ing. The moisture absorbent filling section 4 is opened and closed by opening and closing two doors 6 and 7 provided at the end of the link mechanism.
And it can communicate with outside air. The link mechanism portion 5 is provided with a tension spring 8 that biases the inner door 6 to a normally open state (absorption state). Further, the hygroscopic agent filling section 4 is provided with a coil 9 which operates the link mechanism against the force of the tension spring 8 by heating the heater section 3 to open the outer door 7 (dehumidification state). Has been. The coil 9 is a thermo-mechanical energy conversion type driving element made of, for example, Ti, Ni, or Cu-based shape memory alloy.

【0004】上記構成の自動乾燥庫では、通常時、ヒー
ター部3による吸湿剤の加熱はなく、図9に示す吸湿状
態にある。すなわち、コイル9は伸びた状態で、引張ば
ね8の力によりリンク機構を介して内側のドア6が開か
れ、乾燥湿1と吸湿剤充填部4とが通じ、外側のドア7
が閉じられ、外気と遮断されている。吸湿を長時間行う
と、吸湿剤が劣化する。このため、一定時間ごとに内側
のドア6を閉じ、外気と通じる外側のドア7を開いて吸
湿剤を加熱し、吸収した水分を外に放出する必要があ
る。
In the automatic dryer having the above-described structure, the hygroscopic agent is not heated by the heater section 3 in the normal state, and the hygroscopic state is as shown in FIG. That is, with the coil 9 extended, the inner door 6 is opened by the force of the tension spring 8 via the link mechanism, the dry moisture 1 and the hygroscopic agent filling portion 4 communicate, and the outer door 7 is opened.
Is closed and isolated from the outside air. When moisture is absorbed for a long time, the moisture absorbent deteriorates. Therefore, it is necessary to close the inner door 6 and open the outer door 7 that communicates with the outside air at regular intervals to heat the hygroscopic agent and release the absorbed moisture to the outside.

【0005】この際、ヒーター部3の加熱により、コイ
ル9は、変態温度に達した時点で図10に示すように収
縮し、引張ばね8の力に抗してリンク機構を作動させ、
内側のドア6を閉じるとともに外側のドア7を開き、排
湿状態となる。そして、水分を十分に放出した後、ヒー
ター部3の加熱を停止すると、コイル9は、変態温度よ
り低くなって、再び図9に示すような伸びた状態とな
る。これにより、引張ばね8の作用で外側のドア7が閉
じるとともに内側のドア6が開き、吸湿が行われる。
At this time, the heating of the heater portion 3 causes the coil 9 to contract as shown in FIG. 10 when the transformation temperature is reached, actuating the link mechanism against the force of the tension spring 8,
The inner door 6 is closed and the outer door 7 is opened, so that the moisture is exhausted. Then, when the heating of the heater portion 3 is stopped after the water is sufficiently discharged, the coil 9 becomes lower than the transformation temperature and becomes the extended state as shown in FIG. 9 again. As a result, the action of the tension spring 8 closes the outer door 7 and opens the inner door 6 to absorb moisture.

【0006】ところで従来、コイル9を形成する形状記
憶合金は、溶解・熱間加工プロセスにより最終形状の製
品素材を得るのが一般的であった。この溶解・熱間加工
プロセスによれば、高周波真空溶解、又はプラズマ溶解
法等によって作られた鋳塊をプレス、圧延、鍛造等の熱
間加工手段により所要の形状に加工して用いるものであ
った。
[0006] By the way, conventionally, the shape memory alloy forming the coil 9 is generally obtained by a melting and hot working process to obtain a product material having a final shape. According to this melting / hot working process, an ingot made by high-frequency vacuum melting or plasma melting is processed into a desired shape by hot working means such as pressing, rolling, or forging. It was

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかし、この溶解・熱
間加工プロセスにより例えばTi−Ni−Cu系等の形
状記憶合金を得る場合には、Ti−Ni合金は難加工性
ゆえに、熱応答性の良い薄板製品を得るのは困難であ
り、特にCuが10at%以上になると脆化し、極めて
難加工性になるため薄板最終製品を得るのは困難であっ
た。また、溶解加工材料は、それを構成する多結晶方位
が図10に示すようにランダムのため、材料全体にわた
る変態時期が場所によりずれて、その結果、変態ひずみ
〜温度ヒステリシス曲線の温度幅(ΔT=Af−Mf)
が大きく、またループ変態点近傍での屈曲が丸くなり、
温度変化に伴う形状記憶合金の応答性が鈍かった。
However, when a shape memory alloy such as a Ti-Ni-Cu system is obtained by this melting / hot working process, the Ti-Ni alloy is difficult to work and therefore has a thermal responsiveness. It is difficult to obtain a good thin plate product, and particularly when Cu is 10 at% or more, it becomes brittle and extremely difficult to work, so it is difficult to obtain a thin plate final product. Further, in the melt-processed material, the polycrystal orientations constituting the material are random as shown in FIG. 10, so the transformation time throughout the material is shifted depending on the location, and as a result, transformation strain-temperature range of temperature hysteresis curve (ΔT = Af-Mf)
Is large, and the bend near the loop transformation point becomes round,
The response of the shape memory alloy with the temperature change was slow.

【0008】さらに、変態結晶組織の不連続性から無駄
な変態過程でのロスが生じ、熱→機械エネルギー変換効
率は数%以下であった しかも、結晶組織が粗粒で、基
地の転移密度が小さいために、降伏応力が低く、繰り返
し使用中に記憶効果の低下(記憶ボケ)が起こり、SM
Aの応用範囲を狭めていた。また、耐食性についても、
本来、TiーNi系は良いのであるが、加工材料の粗結
晶粒や表面不均質のため極く強い酸性・アルカリ性極限
環境下での長期使用には問題が残されていた。
Further, the discontinuity of the transformed crystal structure causes a loss in the useless transformation process, and the heat-to-mechanical energy conversion efficiency is several percent or less. Moreover, the crystal structure is coarse and the dislocation density of the matrix is low. Since it is small, the yield stress is low, and the memory effect deteriorates (memory blur) during repeated use.
The application range of A was narrowed. Also, regarding corrosion resistance,
Originally, the Ti-Ni system is good, but due to the coarse crystal grains of the processed material and the non-uniformity of the surface, there remains a problem for long-term use in an extremely strong acidic / alkaline extreme environment.

【0009】従って、この発明は以上の従来の問題点に
鑑みてなされたものであり、薄板最終製品を容易に得る
ことができ、温度変化に伴う応答性が鋭く、また熱・機
械エネルギー変換効率が良好で、さらには繰り返し使用
中に記憶効果の低下(記憶ボケ)生じるようなことはな
く、しかも極く強い酸性・アルカリ性極限環境下での長
期使用が可能な形状記憶素材からなる熱機械エネルギー
変換型駆動素子を提供することを目的とする。
Therefore, the present invention has been made in view of the above conventional problems, and it is possible to easily obtain a thin plate final product, the response is sharp with a temperature change, and the heat / mechanical energy conversion efficiency is high. The thermo-mechanical energy of the shape memory material is good, and does not cause deterioration of memory effect (memory blurring) during repeated use, and can be used for a long period of time under extremely acidic and alkaline extreme environments. An object is to provide a conversion type driving element.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】従来の溶解・熱間加工に
よる形状記憶合金の欠点をできるだけ少なくするために
は、その材料組織自体の改善が必要なことが解る。即
ち、変態歪〜温度ヒステリシス曲線を狭く、シャープに
して、かつエネルギー変換性能を向上させ、実使用上重
要な疲労劣化を強度を上げつつ抑えるためには、合金組
織を均質・微細・かつ結晶方位をできるだけ揃えて、材料
全体が同時に熱弾性マルテンサイト変態を起こすように
仕向ければ良い。また、材料形状も熱応答性を上げ、俊
敏な形状記憶現象を得るためには、より薄くして比表面
積を増やし、冷却時の熱拡散を促進させる必要がある。
It is understood that the material structure itself needs to be improved in order to minimize the defects of the shape memory alloy by the conventional melting and hot working. That is, in order to make the transformation strain-temperature hysteresis curve narrow and sharp, improve the energy conversion performance, and suppress fatigue deterioration, which is important for practical use, while increasing the strength, the alloy structure should be homogeneous, fine, and crystalline Should be arranged as much as possible so that the entire material simultaneously undergoes thermoelastic martensitic transformation. Further, in order to improve the thermal responsiveness of the material shape and to obtain an agile shape memory phenomenon, it is necessary to make the material thinner to increase the specific surface area and promote heat diffusion during cooling.

【0011】以上の諸条件を充たす新素材開発のため
に、本発明者らは、形状記憶現象を示す合金系溶湯をノ
ズルから直接Cu冷却ロールに射出して、最終薄板(約
20〜300ミクロン厚さ)を得る回転急冷凝固法(M
elt−spinning Technique)を採
用し試みた。その結果、かかる回転急冷凝固法による急
冷効果により、均質で極く微細な異方性(数ミクロン以
下の柱状結晶)組織を得ることができ、さらに、下部組
織は高転移密度となっているため、降伏による塑性歪が
生じ難く、相変態以外のエネルギーロスがないために、
熱・機械エネルギー変換性能の向上および形状記憶疲労
劣化も抑制され、耐食性の向上もはかられることを知見
し、本発明をなすに至った。
In order to develop a new material satisfying the above conditions, the inventors of the present invention directly inject a molten alloy system showing a shape memory phenomenon from a nozzle to a Cu cooling roll to obtain a final thin plate (about 20 to 300 microns). Rotational rapid solidification method (M)
lt-spinning Technology) was adopted. As a result, a homogeneous and extremely fine anisotropic (columnar crystal of a few microns or less) structure can be obtained by the rapid cooling effect of the rotary rapid solidification method, and the lower structure has a high dislocation density. , It is difficult to generate plastic strain due to yield, and there is no energy loss other than phase transformation.
The inventors have found that the improvement of heat / mechanical energy conversion performance, the deterioration of shape memory fatigue, and the improvement of corrosion resistance can be achieved, and the present invention has been accomplished.

【0012】すなわちこの発明の熱機械エネルギー変換
型駆動素子によれば、形状記憶素材に所要の形状を記憶
せしめてなる熱機械エネルギー変換型駆動素子におい
て、形状記憶現象を示す合金系溶湯を急冷凝固させて得
られる形状記憶素材を用いることとした。この発明にい
う形状記憶現象を示す合金には表1及び表2に示すもの
がある。
That is, according to the thermo-mechanical energy conversion type drive element of the present invention, in the thermo-mechanical energy conversion type drive element in which a shape memory material stores a required shape, an alloy-type molten metal exhibiting a shape memory phenomenon is rapidly solidified. We decided to use the shape memory material obtained by doing so. Alloys exhibiting a shape memory phenomenon according to the present invention include those shown in Tables 1 and 2.

【0013】[0013]

【表1】[Table 1]

【0014】[0014]

【表2】[Table 2]

【0015】形状記憶現象を示す合金系溶湯を急冷凝固
させるには、その冷却速度を102〜106℃/secと
するのがよい。また、前記形状記憶素材としてはTi−
Ni系合金溶湯を急冷凝固させて得られるTi−Ni系
形状記憶合金が適しており、さらには、この形状記憶素
材としては、Ti(50±y,y≦±2at%)−Ni
(50−y−x)−Cu(xat%)系合金溶湯を急冷
凝固させて得られるTi−Ni−Cu系形状記憶合金が
特に適している。ここでCuの含有量xは0<x≦20
at%とするのが良い。この領域は通常の溶解・熱間加
工プロセスでは材質脆化(粒界脆化など)か起こり、大
きな圧延加工は困難となる。
In order to rapidly solidify the alloy-type molten metal exhibiting the shape memory phenomenon, it is preferable that the cooling rate is 10 2 to 10 6 ° C / sec. Further, as the shape memory material, Ti-
A Ti-Ni-based shape memory alloy obtained by rapidly solidifying a molten Ni-based alloy is suitable, and Ti (50 ± y, y ≦ ± 2 at%)-Ni is suitable as the shape-memory material.
A Ti-Ni-Cu-based shape memory alloy obtained by rapidly solidifying a (50-y-x) -Cu (xat%)-based alloy melt is particularly suitable. Here, the Cu content x is 0 <x ≦ 20.
At% is good. In this area, material embrittlement (grain boundary embrittlement, etc.) occurs in a normal melting / hot working process, making large rolling difficult.

【0016】またこの発明のうち、熱・機械的エネルギ
ー変換効率ηに関しては、Cu含有量xが11.0〜1
6.0at%とするのが良く、好ましくは12.0〜1
4.0at%とするのが良い。xが11.0at%未満
では変態ひずみは大きくなるが、変態温度差ΔTが大き
くなり、逆にxが16.0at%を越えると、変態温度
幅ΔTは小さいが変態ひずみが急減し、実用上好ましく
ない。また、xが12.0at%未満または14.0a
t%を越える範囲では熱エネルギー変換性能を示すパラ
メーターηが低下し、閉鎖系での使用に不都合となるの
で好ましくない。
Further, in the present invention, regarding the thermal / mechanical energy conversion efficiency η, the Cu content x is 11.0 to 1
It is better to set it to 6.0 at%, preferably 12.0-1.
It is better to set it to 4.0 at%. When x is less than 11.0 at%, the transformation strain becomes large, but the transformation temperature difference ΔT becomes large. On the contrary, when x exceeds 16.0 at%, the transformation temperature width ΔT is small but the transformation strain sharply decreases. Not preferable. Further, x is less than 12.0 at% or 14.0a.
If it exceeds t%, the parameter η showing the thermal energy conversion performance decreases, which is not preferable because it is inconvenient for use in a closed system.

【0017】さらにこの発明において、Cuの含有量x
は3.0〜7.0at%とするのが良い。すなわち、自
然解放系熱源(放棄されて未開発の低品位熱源、例えば
温泉、工場温排水など)からの熱エネルギーの回収を図
る場合は、このxが3.0〜7.0at%の領域で、そ
の回収性能パラメーターμが最も大きく、有利となるか
らである。Cuの含有量xが3.0at%未満では変態
温度幅ΔTが大きくなりすぎて(30℃以上)応用範囲
とその実用性が狭まる。一方、Xが7.0at%を越え
るとΔTは急激に小さくなるが、変態ひずみとμが急激
に低下して熱エネルギー回収性能が低下してしまうので
不都合となる。
Further, in the present invention, the Cu content x
Is preferably 3.0 to 7.0 at%. That is, when recovering thermal energy from a natural release system heat source (abandoned and undeveloped low-grade heat source, for example, hot springs, factory hot drainage, etc.), this x is in the range of 3.0 to 7.0 at%. This is because the recovery performance parameter μ is the largest and is advantageous. If the Cu content x is less than 3.0 at%, the transformation temperature width ΔT becomes too large (30 ° C. or more), and the application range and its practicality are narrowed. On the other hand, when X exceeds 7.0 at%, ΔT sharply decreases, but the transformation strain and μ sharply decrease and the thermal energy recovery performance deteriorates, which is disadvantageous.

【0018】この発明において用いられる急冷凝固法と
しては、例えば溶湯を直接Cu冷却板などに吹き付け急
冷し小試験片を作成するガン法、連続薄板作成用の回転
ロール(単、双ロール)法、細線作製に適する回転液中
紡糸法、急冷粉末を作るスプレー法等がある。以上の各
急冷法の中で、回転ロール法(単ロール)によって急冷
凝固を行うときには、その冷却速度は20〜50m/s
ecとするのが良い。冷却速度が20m/sec未満で
ある場合には急冷金属組織(特に、結晶粒径)が粗大化
し、かつランダム方位化し形状記憶変態のみだれを生
じ、多結晶の様に形状記憶効果、耐疲労劣化性、耐腐食
性が低下してしまう。逆に冷却速度が50m/secを
越える場合には金属組織は非晶質化(アモルファス)し
て結晶変態に基づく形状記憶現象は現れなくなり好まし
くない。
Examples of the rapid solidification method used in the present invention include, for example, a gun method in which a molten metal is directly sprayed onto a Cu cooling plate to be rapidly cooled to produce a small test piece, a rotating roll (single or twin roll) method for producing a continuous thin plate, There are a spinning submerged spinning method suitable for producing fine wires, a spray method for producing a quenched powder, and the like. Among the above quenching methods, when performing rapid solidification by the rotating roll method (single roll), the cooling rate is 20 to 50 m / s.
ec is good. If the cooling rate is less than 20 m / sec, the quenched metal structure (particularly, the crystal grain size) becomes coarse and random orientation occurs, resulting in ablation of the shape memory transformation, resulting in a shape memory effect like a polycrystal and deterioration in fatigue resistance. And corrosion resistance will be reduced. On the contrary, when the cooling rate exceeds 50 m / sec, the metal structure becomes amorphous and the shape memory phenomenon based on the crystal transformation does not appear, which is not preferable.

【0019】[0019]

【作用】一般に溶湯急冷凝固法により金属溶湯を急冷凝
固させる場合、図14に示されるように冷却速度(ロー
ル回転速度)を早くするに従って、金属組織はデンドラ
イト相から微細結晶化され、等軸柱状結晶をへて超急冷
速度(1×106℃/sec以上)でアモルファスに変
化する。Ti−Ni−Cu溶湯の急冷速度を例えば40
m/sec(1×106℃/sec)とすると、金属組
織は図15に示される様な板厚方向に結晶軸が揃った微
細柱状晶(結晶粒径=2〜3ミクロン)となる。この点
につきX線結晶構造解析を行っても結晶方向がそろって
いることが確認される。従ってこの急冷速度で冷却した
Ti−Ni−Cu系形状記憶合金は、このような金属組
織を有することから、次のような機能を有するに至る。
In general, when the molten metal is rapidly solidified by the molten metal rapid solidification method, the metal structure is finely crystallized from the dendrite phase as the cooling speed (roll rotation speed) is increased as shown in FIG. It transforms into a crystal through a crystal at a superquenching rate (1 × 10 6 ° C / sec or more). For example, the quenching rate of the Ti-Ni-Cu molten metal is 40
When m / sec (1 × 10 6 ° C./sec), the metal structure becomes fine columnar crystals (crystal grain size = 2 to 3 μm) with crystal axes aligned in the plate thickness direction as shown in FIG. Even if X-ray crystal structure analysis is performed on this point, it is confirmed that the crystal directions are aligned. Therefore, the Ti-Ni-Cu-based shape memory alloy cooled at this quenching rate has such a metal structure, and thus has the following function.

【0020】柱状晶形成により、結晶方位がそろってい
るために、かかるTi−Ni−Cu系形状記憶合金で
は、全体として同時に均一な変態が生じる。従って、急
冷凝固法により、形状記憶変態ひずみの大きい結晶方位
を材料の長手方向にそろえるようにすれば、材料全体と
して変態ひずみを大きくすることができる。また、微細
柱状結晶のため、素材全体として変態が同時に起こり、
その結果、変態温度幅ΔTは小さくなり、またヒステリ
シスはシャープになる。また微細結晶組織であるため、
材料降伏応力が高くなり、負荷応力安定性が向上する。
さらに微細結晶で降伏応力が高く、かつ結晶方位がそろ
っている結果として、繰り返し使用に対して、塑性歪・
転移が導入されにくく、機能疲労劣化(記憶ボケ)しに
くくなる。
Since the crystal orientations are aligned due to the formation of columnar crystals, the Ti-Ni-Cu-based shape memory alloy simultaneously undergoes uniform transformation as a whole. Therefore, if the crystal orientation with a large shape memory transformation strain is aligned with the longitudinal direction of the material by the rapid solidification method, the transformation strain can be increased as a whole material. Also, because of the fine columnar crystals, transformation occurs at the same time for the entire material,
As a result, the transformation temperature width ΔT becomes small and the hysteresis becomes sharp. Since it has a fine crystal structure,
The material yield stress is high and the load stress stability is improved.
Furthermore, as a result of the higher yield stress in the fine crystals and the uniform crystal orientation, plastic strain
Metastases are less likely to be introduced, and functional fatigue deterioration (memory blur) is less likely to occur.

【0021】この発明のTi(50±y,y≦±2at
%)−Ni(50−y−x)−Cu(xat%)系合金
で、Cuの添加量xを5at%とすると、冷却過程にお
ける変態経路は立方晶から単斜晶という経路をたどる。
この変態機構は1段階の変態機構であり、大きな変態ひ
ずみは得られるものの、そのためには外界からの大きな
熱源が必要となるため変態温度幅は大きい。
Ti (50 ± y, y ≦ ± 2 at of the present invention
%)-Ni (50-y-x) -Cu (xat%) based alloy, if the addition amount x of Cu is 5 at%, the transformation route in the cooling process follows the route from cubic to monoclinic.
This transformation mechanism is a one-step transformation mechanism, and although a large transformation strain can be obtained, a large heat source from the outside is required for that, so the transformation temperature width is large.

【0022】一方、この発明のTi(50±y,y≦±
2at%)−Ni(50−y−x)−Cu(xat%)
系合金で、Cuの添加量xを15at%程度とすると、
その付近では立方晶から斜方晶、さらに単斜晶という経
路をたどる。この場合、変態ひずみは小さくなるが、順
次、変態過程での結晶核生成や成長が抑えられるために
変態履歴すなわち変態温度幅は小さく、また、スムーズ
な変態過程をたどり、その結果として、エネルギー変換
性能が良好になるものと推測される。
On the other hand, Ti (50 ± y, y ≦ ± of the present invention
2 at%)-Ni (50-y-x) -Cu (xat%)
In a system alloy, if the addition amount x of Cu is about 15 at%,
In the vicinity, the route from cubic to orthorhombic and then to monoclinic is followed. In this case, the transformation strain is small, but the transformation history, that is, the transformation temperature width is small because the crystal nucleation and growth in the transformation process are suppressed in sequence, and the smooth transformation process is followed, resulting in energy conversion. It is presumed that the performance will be good.

【0023】[0023]

【実施例】図1に示す回転急冷凝固装置を用い、Ar雰
囲気中でTiNiCuインゴット素材をアーク溶解して
得た表1に示す組成のTi−Ni−Cu合金の溶湯10
を、高純度Ar雰囲気中で、試料誘導加熱用コイル11
が巻回された石英ノズル12から直接回転銅ロール13
に溶射して、溶湯接触部14において急速に冷却凝固さ
せて急冷凝固リボン15を得た。その際、冷却速度を1
×104〜1×106℃/secに設定し、ロール速度を
20〜40m/sec、冷却用の回転銅ロール(直径=
200mm)回転速度を2000〜4000rpmとし
た。得られたTi−Ni−Cu系形状記憶合金リボンの
寸法は、板厚が0.03mm、幅が2.0mm、長さが
200mmであった。このリボンを形状記憶処理し、図
10に示す自動乾燥庫のコイル9を製造した。なお合金
リボンにつき表2に示す諸特性を評価した。
EXAMPLE A molten Ti—Ni—Cu alloy 10 having the composition shown in Table 1 obtained by arc melting a TiNiCu ingot material in an Ar atmosphere using the rotary rapid solidification apparatus shown in FIG.
In a high-purity Ar atmosphere, the sample induction heating coil 11
Rotating copper roll 13 directly from quartz nozzle 12 around which is wound
And was rapidly cooled and solidified at the molten metal contact portion 14 to obtain a rapidly solidified ribbon 15. At that time, the cooling rate is 1
It is set to × 10 4 to 1 × 10 6 ° C / sec, a roll speed is 20 to 40 m / sec, and a rotating copper roll for cooling (diameter =
(200 mm) The rotation speed was 2000 to 4000 rpm. The dimensions of the obtained Ti-Ni-Cu-based shape memory alloy ribbon were 0.03 mm in plate thickness, 2.0 mm in width, and 200 mm in length. The ribbon was subjected to shape memory treatment to manufacture the coil 9 of the automatic dryer shown in FIG. Various properties shown in Table 2 were evaluated for the alloy ribbon.

【0024】[0024]

【表1】(合金化学組成) [Table 1] (Alloy chemical composition)

【0025】[0025]

【表2】(評価特性および評価条件または評価法) [Table 2] (Evaluation characteristics and evaluation conditions or evaluation methods)

【0026】以上の諸特性の評価結果を図2〜図9に示
す。図2に示されるように、応力増加に対して急冷材料
のヒステリシス曲線は安定で、溶解加工材料のヒステリ
シスループに比べて急冷凝固Ti−Ni−Cu系形状記
憶合金のヒステリシスループは狭くシャープであり、か
つ変態温度差ΔTも小さく保たれ、外部負荷応力に対し
ての特性、機能の安定性が高いといえる。
The evaluation results of the above various characteristics are shown in FIGS. As shown in FIG. 2, the hysteresis curve of the quenched material is stable against an increase in stress, and the hysteresis loop of the rapidly solidified Ti—Ni—Cu-based shape memory alloy is narrow and sharp as compared with the hysteresis loop of the melt-processed material. Moreover, the transformation temperature difference ΔT is kept small, and it can be said that the stability of the characteristics and functions against external load stress is high.

【0027】さらに図3、4に示されるように、各変態
点はCu13%前後で313Kと最も低くなる。このデ
ータからTi(50±y,y≦±2at%)−Ni(5
0−y−x)−Cu(xat%)系合金でy成分の調整
若しくは第4元素(Co,Feなど)の添加効果によ
り、さらに室温以下の低温度レベルまで変態点の調整が
可能となれば、常温付近の温度差で駆動できる熱機械エ
ネルギー変換素子が実現する。
Further, as shown in FIGS. 3 and 4, each transformation point is the lowest at around 313 K at around Cu 13%. From this data, Ti (50 ± y, y ≦ ± 2at%)-Ni (5
In the 0-y-x) -Cu (xat%)-based alloy, the transformation point can be further adjusted to a low temperature level below room temperature by adjusting the y component or adding the fourth element (Co, Fe, etc.). For example, a thermomechanical energy conversion element that can be driven with a temperature difference near room temperature will be realized.

【0028】次に、図5にTi−Ni−Cu系形状記憶
合金のCu添加量を0〜20at%に変化させたとき
の、ヒステリシスループ、熱エネルギ変換・回収性能と
ΔT変化等についての評価結果を示す。
Next, FIG. 5 shows an evaluation of hysteresis loop, thermal energy conversion / recovery performance and ΔT change, etc., when the Cu addition amount of the Ti—Ni—Cu type shape memory alloy is changed to 0 to 20 at%. The results are shown.

【0029】図5中、熱エネルギ回収性能(自然熱エネ
ルギ開放系での性能)パラメータμは(1)式で示され
る。 μ=σ・ε/2 …(1) σ:負荷応力 ε:変態歪幅(ここでは、逆変態過程AsからAfの間
で定義したもの)
In FIG. 5, the heat energy recovery performance (performance in the natural heat energy release system) parameter μ is expressed by the equation (1). μ = σ · ε / 2 (1) σ: Load stress ε: Transformation strain width (here, defined between the reverse transformation processes As and Af)

【0030】また図5中、熱エネルギ変換性能(閉鎖系
で外部より熱を導入して機械エネルギを取り出す性能)
パラメータηは(2)式で定義される。 η=(σ・ε)/Δq …(2) Δq:変態時に単位質量あたり吸収される熱量(DSC
より測定) 図5に示されるように、変態歪ΔεはCu5%で最大に
なり、また変態温度差ΔTはCu10at%以上で10
℃以下となり、Cu=15〜17at%で最小値6℃を
示すに至った。
Further, in FIG. 5, heat energy conversion performance (performance of extracting mechanical energy by introducing heat from the outside in a closed system).
The parameter η is defined by the equation (2). η = (σ · ε) / Δq (2) Δq: Amount of heat absorbed per unit mass during transformation (DSC
(Measurement) As shown in FIG. 5, the transformation strain Δε is maximum at Cu 5%, and the transformation temperature difference ΔT is 10 at Cu 10 at% or more.
The temperature became lower than 0 ° C and reached a minimum value of 6 ° C at Cu = 15 to 17 at%.

【0031】また、図5に示されるように熱エネルギ回
収性能パラメータμはCu5%前後で最大となり、一
方、熱エネルギ変換性能パラメータηはCu13at%
前後で最大値を示し、図中下部に○として記載されてい
る溶解加工材に比べて、Cu=0.10at%では2〜
3倍、さらにCu=13at%付近の狭い化学組織領域
では、最高5〜6倍程度の大幅な向上が認められる。従
って、図5中、斜線部がこの発明の実施例の急冷凝固材
の特性優位域であるということができる。
Further, as shown in FIG. 5, the heat energy recovery performance parameter μ becomes maximum at around Cu 5%, while the heat energy conversion performance parameter η is Cu 13 at%.
It shows the maximum value before and after, and is 2 to 10 at Cu = 0.10 at% as compared with the melt-processed material indicated by ○ in the lower part of the figure.
A significant improvement of up to 5 to 6 times is recognized in the narrow chemical structure region of 3 times, and further in the vicinity of Cu = 13 at%. Therefore, in FIG. 5, it can be said that the hatched portion is the characteristic superior region of the rapidly solidified material of the embodiment of the present invention.

【0032】図6、7には、急冷凝固形状記憶合金の一
例としてのTi−Ni系形状記憶合金及びTi−Ni−
Cu系形状記憶合金の耐疲労劣化性を同じく溶解加工材
料と比較して示す。図6中ΔDNはN回目の熱サイクル
での形状記憶変態歪幅を示し、ΔD1は1回目の熱サイ
クルでの形状記憶変態歪幅を示す。またNは熱サイクル
回数、Nfは破断に要した熱サイクル回数であり、N/
Nfは疲労寿命比を示す。図7中L0は最初の基準長を
示し、Uは伸び量を示し、U/L0は伸びひずみ量を示
す。図6に示されるように急冷凝固Ti−Ni−Cu系
形状記憶合金は変態ひずみ量の劣化ΔDN/ΔD1がほぼ
1.0を維持して推移するのに対し、同じく溶解加工材
料は徐々に増大する。また図7に示されるように、急冷
凝固Ti−Ni系形状記憶合金及び急冷凝固Ti−Ni
−Cu系形状記憶合金は繰り返し伸び劣化U/L0がほ
とんど認められないのに対し、同じく溶解加工材料は顕
著な繰り返し伸び劣化を示す。
FIGS. 6 and 7 show Ti-Ni-based shape memory alloys and Ti-Ni- alloys as examples of rapidly solidified shape memory alloys.
The fatigue deterioration resistance of the Cu-based shape memory alloy is also shown in comparison with the melt-processed material. In FIG. 6, ΔD N represents the shape memory transformation strain width in the Nth heat cycle, and ΔD 1 represents the shape memory transformation strain width in the first heat cycle. N is the number of thermal cycles, Nf is the number of thermal cycles required for fracture, and N /
Nf represents a fatigue life ratio. In FIG. 7, L 0 indicates the initial reference length, U indicates the elongation amount, and U / L 0 indicates the elongation strain amount. As shown in FIG. 6, in the rapidly solidified Ti-Ni-Cu-based shape memory alloy, the deterioration of the transformation strain ΔD N / ΔD 1 changes and maintains approximately 1.0, while the melt-processed material gradually increases. Increase to. Further, as shown in FIG. 7, the rapidly solidified Ti-Ni-based shape memory alloy and the rapidly solidified Ti-Ni are used.
In the Cu-based shape memory alloy, almost no repeated elongation deterioration U / L 0 is observed, whereas the melt-processed material also shows remarkable repeated elongation deterioration.

【0033】図8は、本実施例のTi−Ni−Cu系形
状記憶合金につき、塩酸(1N/HCl)中での分極曲
線を測定したものである。図示されるように、各分極曲
線の最下点、いわゆる自然電極電位レベルで比較しても
従来の溶解加工材に比べて耐食性は100倍から1万倍
程度の大幅な向上が可能なことが理解される。
FIG. 8 shows the polarization curve of the Ti—Ni—Cu type shape memory alloy of this example measured in hydrochloric acid (1N / HCl). As shown in the figure, even if the lowest point of each polarization curve, that is, the so-called natural electrode potential level is compared, the corrosion resistance can be greatly improved by 100 times to 10,000 times as compared with the conventional melt processed material. To be understood.

【0034】図11はこの発明の形状記憶合金素子を自
動風向調整型吹き出し口に適用した実施例を示す。図1
1に示されるように吹き出し口20にはベーン21が取
り付けられ、このベーン21によって冷風もしくは暖風
の吹き出し方向が決定される。すなわちベーン21はこ
の発明の形状記憶合金素子を適用した形状記憶合金線ば
ね22とバイアスばね23とによって作動され、暖房時
にはベーン21は垂直下方を向き、一方冷房時にはベー
ン21は傾斜せしめられる
FIG. 11 shows an embodiment in which the shape memory alloy element of the present invention is applied to an automatic wind direction adjusting type outlet. Figure 1
As shown in FIG. 1, a vane 21 is attached to the blowout port 20, and the vane 21 determines the blowing direction of cold air or warm air. That is, the vane 21 is actuated by the shape memory alloy wire spring 22 and the bias spring 23 to which the shape memory alloy element of the present invention is applied, the vane 21 is directed vertically downward during heating, while the vane 21 is inclined during cooling.

【0035】したがって、冷房時には吹き出し口真下で
寒すぎることがないように、水平吹き出しとすることが
でき逆に暖房時には垂直下方に向けて温風を吹き出すこ
とができる。
Therefore, horizontal air can be blown out so as not to be too cold just below the air outlet during cooling, and conversely, hot air can be blown vertically downward during heating.

【0036】図12、13はこの発明の形状記憶合金素
子をヒートシンクを設けて用いる例を示す。形状記憶合
金素子を宇宙空高真空中で用いる場合には素子の冷却速
度が最大の問題となる。図13の実線は一定応力下での
放冷によるひずみ量の変化を雰囲気圧力をパラメーター
にして示した図である。この図からも分かるように大気
中でも十分なひずみ量を得るのに約30秒、真空中(特
に10-5Torr)では5分程度かかる。したがって、
例えば太陽追尾などの動作の緩やかな応用にはこのまま
でも利用可能であるが速い応答速度が要求されるマニュ
ピレーターなどには利用できない。
12 and 13 show an example of using the shape memory alloy element of the present invention with a heat sink. When the shape memory alloy element is used in high vacuum in space, the cooling rate of the element becomes the biggest problem. The solid line in FIG. 13 is a diagram showing changes in the amount of strain due to cooling under constant stress with the atmospheric pressure as a parameter. As can be seen from this figure, it takes about 30 seconds to obtain a sufficient strain amount in the atmosphere, and about 5 minutes in the vacuum (especially 10 −5 Torr). Therefore,
For example, it can be used as it is for applications such as sun tracking with slow operation, but it cannot be used for manipulators and the like that require high response speed.

【0037】図13はこのような問題についての対策と
して、形状記憶合金素子30に対する加熱手段としてヒ
ートシンク31を設ける態様を示す。この場合ヒートシ
ンク31と形状記憶合金素子30との間の熱伝導媒体の
熱伝導率が重要で、熱伝導率が大きすぎると加熱できな
いこととなる。この熱伝導媒体としては大気の約3倍の
熱伝導率を有し、蒸気圧が極めて低いグリース32を用
いることができる。このようにすることによって、図1
3に破線で示されるように大気圧中での約5分の1程度
の時間で十分なひずみ量が得られた。
FIG. 13 shows a mode in which a heat sink 31 is provided as a heating means for the shape memory alloy element 30 as a measure against such a problem. In this case, the thermal conductivity of the thermal conductive medium between the heat sink 31 and the shape memory alloy element 30 is important, and if the thermal conductivity is too large, heating cannot be performed. As the heat transfer medium, grease 32 having a heat conductivity about three times that of the atmosphere and an extremely low vapor pressure can be used. By doing so, FIG.
As indicated by the broken line in Fig. 3, a sufficient amount of strain was obtained in about one fifth of the time in atmospheric pressure.

【0038】しかもこの発明の熱機械エネルギー変換型
駆動素子では従来の材料よりもはるかに鋭敏な応答性が
あるのでかかる宇宙空間における利用にも十分に対応す
ることができる。すなわちこの形状記憶合金素子30に
この発明の熱機械エネルギー変換型駆動素子を適用する
ことによって、通常の溶解加工材料より変態温度幅が狭
いので、温度変化に対し敏感に作動し、かつ繰り返し使
用に伴う機能劣化(記憶ボケ)が大幅に減少(1/10
程度)され、極めて超寿命となる。また酸化雰囲気(1
N−Hcl)塩酸中での耐食性が大幅に向上(100〜
1万倍)される。図14は生体、細胞、卵子などの柔ら
かい物体をつかむ際に適した形状記憶マニピュレータの
適用例を示す。ポリマーもしくはシリコンゴムで覆った
形状記憶合金(線、板)が外部からの通電加熱で内側に
屈曲して、あたかも指のような動作が可能となる。な
お、通電加熱を止めると埋め込みポリマー、シリコンゴ
ムの弾力により元の形状に復帰できる。また図15には
異物などの把持器具先端のグリップ部分に通電型の形状
記憶合金を設定した例を示す。たとえば、生体内部の結
石などを摘出するのに適しているが、そのグリップ部分
の板(ブレード)には形状記憶合金単体もしくは図16
に示されるようポリマーベース(基地)形状記憶薄板や
ワイヤーが組み込まれており、その後方に接続されるリ
ード線(導線)により通電抵抗加熱され、形状記憶動作
により把握作動する。直腸、食道、気管支さらには膀
胱、腎臓につながる尿管内部の性状を検査するのには、
複雑に屈曲している生体空洞部を患者に与える不快感を
最小限に押さえながら、十分な検査が行える内視鏡(エ
ンドロスコープ)の開発が不可欠であるが機械的制御で
は重量・大型化し、屈曲が困難になる欠点があった。図
17にはそのために考案した形状記憶変形を利用した3
次元の能動的動作可能な内視鏡の模式図の一例を示す。
そのための屈曲可能な内部構造としては、図18に示さ
れる自在継手(フレキシブルジョイント)と形状記憶バ
ネを組み合わせた方式や図19に示される様な通電用導
線(バイアス復元力用にも使用する)と、ら線状(スパ
イラル)変形制御方式が考えられる。図20に示される
ように、パイプ内の液体流量を調整もしくは止めるため
の機械的バルブのかわりに材料自体が変形してその流量
断面積を自在に調整できる人工筋肉としての用途に有効
である。この場合も、図に示される外部からの通電や熱
線照射などによる温度変化を与える必要がある。その、
人工筋肉部分の構造の一例を図21に示す。形状記憶合
金ワイヤー、板の間に、冷却時の形状復元を促す反力
(バイアス)用金属やポリマーが必要になる。ただし、
2方向形状記憶材料を用いればその必要はない。
Moreover, since the thermo-mechanical energy conversion type driving element of the present invention has a far more sensitive response than the conventional material, it can be sufficiently applied to such use in outer space. That is, by applying the thermo-mechanical energy conversion type driving element of the present invention to this shape memory alloy element 30, since the transformation temperature width is narrower than that of a usual melt-processed material, it operates sensitively to temperature changes and is repeatedly used. Significantly reduced functional deterioration (memory blur) (1/10)
It will be extremely long life. The oxidizing atmosphere (1
Corrosion resistance in N-Hcl) hydrochloric acid is significantly improved (100-
10,000 times). FIG. 14 shows an application example of a shape memory manipulator suitable for grasping a soft object such as a living body, a cell, or an egg. The shape memory alloy (wire, plate) covered with polymer or silicone rubber bends inward by electric heating from the outside, making it possible to operate as if it were a finger. It should be noted that when the electric heating is stopped, the original shape can be restored by the elasticity of the embedded polymer and silicon rubber. Further, FIG. 15 shows an example in which a current-carrying shape memory alloy is set in the grip portion at the tip of a gripping device for foreign matter or the like. For example, it is suitable for extracting a calculus or the like inside a living body, but the plate (blade) of the grip portion is made of a shape memory alloy alone or as shown in FIG.
As shown in Fig. 3, a polymer base (base) shape memory thin plate and a wire are incorporated, and a lead wire (conductor wire) connected to the rear side of the polymer base heats the resistance resistance and heats the shape memory operation to grasp. To examine the properties inside the ureter that connect to the rectum, esophagus, bronchi, and even the bladder and kidneys
It is indispensable to develop an endoscope (endroscope) that can perform a sufficient examination while minimizing the discomfort given to the patient by the intricately bent living body cavity, but the mechanical control increases the weight and size, There was a drawback that it became difficult to bend. FIG. 17 shows a method 3 utilizing shape memory deformation devised for that purpose.
1 shows an example of a schematic diagram of a three-dimensionally actively operable endoscope.
As a bendable internal structure therefor, a method in which a universal joint (flexible joint) shown in FIG. 18 is combined with a shape memory spring, or a conducting wire as shown in FIG. 19 (also used for bias restoring force) Therefore, a spiral deformation control method can be considered. As shown in FIG. 20, the material itself is deformed instead of the mechanical valve for adjusting or stopping the liquid flow rate in the pipe, and it is effective for use as an artificial muscle in which the flow rate cross-sectional area can be freely adjusted. In this case as well, it is necessary to change the temperature due to external energization or heat ray irradiation as shown in the figure. That,
FIG. 21 shows an example of the structure of the artificial muscle portion. Between the shape memory alloy wire and the plate, a metal or polymer for reaction force (bias) that promotes shape recovery during cooling is required. However,
This is not necessary if a two-way shape memory material is used.

【0039】[0039]

【発明の効果】以上のようにこの発明の熱機械エネルギ
ー変換型駆動素子によれば、次のような優れた効果が奏
される。 1.変態時の単位体積当たりの吸収熱を機械仕事に変換
する性能が向上され、低温度差熱資源媒体からの熱エネ
ルギー回収性能が2〜3倍(Cu=13at%で最大5
〜6倍)向上される。 2.通常の溶解加工材料より変態温度幅が狭く、この変
態温度幅ΔTはCu=15〜17at%付近で最小6℃
を示し、温度変化に対し敏感であり、急激な変態ひずみ
伸縮機能を有するとともに、変態ひずみも溶解加工材料
よりも大きい。 3.繰り返し使用に伴う機能劣化(記憶ボケ)が大幅に
減少(1/10程度)される。 4.酸化雰囲気(1N−Hcl)塩酸中での耐食性が大
幅に向上(100〜1万倍)される。
As described above, according to the thermo-mechanical energy conversion type driving element of the present invention, the following excellent effects are exhibited. 1. The performance of converting the absorbed heat per unit volume during transformation into mechanical work is improved, and the heat energy recovery performance from the low temperature difference heat resource medium is 2-3 times higher (up to 5 at Cu = 13 at%).
~ 6 times) improved. 2. The transformation temperature width is narrower than that of ordinary melt-processed materials, and the transformation temperature width ΔT is at least 6 ° C near Cu = 15 to 17 at%.
It is sensitive to temperature changes, has a rapid transformation strain expansion / contraction function, and has a transformation strain larger than that of the melt-processed material. 3. Functional deterioration (memory blur) due to repeated use is greatly reduced (about 1/10). 4. Corrosion resistance in oxidizing atmosphere (1N-Hcl) hydrochloric acid is significantly improved (100 to 10,000 times).

【0040】この発明の熱機械エネルギー変換型駆動素
子は以上のような優れた機能を有することから、実施例
の自動乾燥庫、自動風向調整型吹き出し口等の他以下の
ような適用が可能となる。 (1)熱機械的応用 温度センサと駆動素子とを兼ね備えた形状記憶合金をサ
ーマルアクチュエーター(熱機械駆動素子)として用い
て、サーモスタット、火災報知機、電気回路保護用スイ
ッチ、パイプ継ぎ手、さらにはロボット用の人工筋肉
(通電抵抗加熱・冷却による超小型サーマルアクチュエ
ータ)等として使用する場合、前述の特徴は有利に働
く。即ち、例えば、温度センサとしては非常に狭い温度
範囲で変態が終了する(Cu=13at%付近ではAs
→Af点、Ms→Mf点は1℃以内)こと、及び変態温
度幅も10℃以内(10at%以上、最小=6℃、Cu
=13at%)なので、外界の温度変化に極めて敏感に
反応することが可能となる。さらに、繰り返し記憶ボケ
も大幅に抑制される(溶解加工材料の1/10程度)の
で、長期の繰り返し使用とその信頼性が増すことにな
る。また強酸性環境下でも耐食性が大幅に向上(最高1
万倍)しているので、極悪な環境下でも使用できる熱機
械エネルギー変換駆動素子となりえることもわかる。
Since the thermo-mechanical energy conversion type drive element of the present invention has the above-mentioned excellent functions, it can be applied to the following examples in addition to the automatic dryer of the embodiment, the automatic wind direction adjusting type outlet, and the like. Become. (1) Thermo-mechanical application Using a shape memory alloy that has both a temperature sensor and a driving element as a thermal actuator (thermo-mechanical driving element), a thermostat, a fire alarm, an electric circuit protection switch, a pipe joint, and a robot. When used as an artificial muscle for use (ultra-small thermal actuator by heating / cooling electric resistance), the above-mentioned features work advantageously. That is, for example, as a temperature sensor, the transformation ends within a very narrow temperature range (As near Cu = 13 at%).
→ Af point, Ms → Mf point is within 1 ° C, and the transformation temperature range is within 10 ° C (10 at% or more, minimum = 6 ° C, Cu
= 13 at%), it is possible to react extremely sensitively to changes in the external temperature. Further, repeated memory blurring is greatly suppressed (about 1/10 of the melt-processed material), so that long-term repeated use and its reliability are increased. In addition, the corrosion resistance is significantly improved even in a strongly acidic environment (up to 1
Therefore, it can be seen that it can be used as a thermo-mechanical energy conversion driving element that can be used even in a very bad environment.

【0041】さらに、熱を機械エネルギーに変換する効
率が従来材に比べ3倍程度良いために、従来よりも小さ
な熱源(加熱電力消費)でロボットアクチュエーターの
駆動が可能になり、省エネルギーが可能になる。また、
この発明の熱機械エネルギー変換型駆動素子は、溶解加
工では不可能な、極めて薄い帯板(20〜300ミクロ
ン)が作成できるので、冷却時に表面からの熱拡散がさ
れやすく、変態サイクルでの応答性を大幅に改善するこ
とができる。
Furthermore, since the efficiency of converting heat into mechanical energy is about three times better than that of conventional materials, it is possible to drive the robot actuator with a heat source (heating power consumption) smaller than in the prior art, and energy can be saved. . Also,
The thermo-mechanical energy conversion type drive element of the present invention can form an extremely thin strip (20 to 300 μm), which is impossible by melting processing, so that heat is easily diffused from the surface during cooling, and the response in the transformation cycle is high. It can greatly improve the sex.

【0042】(2)熱エネルギー変換材料的応用例 この発明の熱機械エネルギー変換型駆動素子の熱弾性マ
ルテンサイト変態を応用して、工場排水、発電プラン
ト、温泉などからの、いわゆる低温度差熱エネルギーか
ら機械的エネルギーを抽出することができる。この発明
の熱機械エネルギー変換型駆動素子の諸特性から、従来
の溶解・加工材料に比べて狭い温度幅(10℃以下)で
変態サイクルが終了するために、従来よりも極めて狭い
温度差熱源からのエネルギー回収が可能となり、しかも
疲労劣化も押さえられるので長時間の使用に耐えること
ができる。また、大きな変態ひずみを得ることができる
ので、解放系熱源からの大きなエネルギー回収率が可能
となる。
(2) Application example of thermal energy conversion material By applying the thermoelastic martensite transformation of the thermomechanical energy conversion type driving element of the present invention, so-called low temperature difference heat from factory wastewater, power plant, hot spring, etc. Mechanical energy can be extracted from energy. From the various characteristics of the thermo-mechanical energy conversion type driving element of the present invention, the transformation cycle is completed within a narrower temperature range (10 ° C. or less) than that of the conventional melting / processing material. Energy can be recovered and fatigue deterioration can be suppressed, so that it can be used for a long time. Further, since a large transformation strain can be obtained, a large energy recovery rate from the open system heat source becomes possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 この発明に適用される急冷凝固形状記憶合金
の一例としてのTi−Ni−Cu系形状記憶合金を得る
ために用いられる急冷凝固装置の模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of a rapid solidification apparatus used to obtain a Ti—Ni—Cu-based shape memory alloy as an example of a rapidly solidified shape memory alloy applied to the present invention.

【図2】 この発明に適用される急冷凝固形状記憶合金
の一例としてのTi−Ni−Cu系形状記憶合金と従来
材のヒステリシスループを比較して示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a comparison between a hysteresis loop of a Ti—Ni—Cu-based shape memory alloy as an example of a rapidly solidified shape memory alloy applied to the present invention and a hysteresis loop of a conventional material.

【図3】 この発明に適用される急冷凝固形状記憶合金
の一例としてのTi−Ni−Cu系形状記憶合金でCu
添加量を0〜20%に変化させたときのヒステリシスル
ープの変化を示す図である。
FIG. 3 is a Ti-Ni-Cu-based shape memory alloy as an example of a rapidly solidified shape memory alloy applied to the present invention.
It is a figure which shows the change of a hysteresis loop when changing the addition amount to 0-20%.

【図4】 この発明に適用される急冷凝固形状記憶合金
の一例としてのTi−Ni−Cu系形状記憶合金でCu
添加量を0〜20%に変化させたときの各変態温度の変
化を総合的に示す図である。
FIG. 4 is a Ti-Ni-Cu-based shape memory alloy Cu which is an example of a rapidly solidified shape memory alloy applied to the present invention.
It is a figure which shows synthetically the change of each transformation temperature when changing the addition amount to 0-20%.

【図5】 この発明に適用される急冷凝固形状記憶合金
の一例としてのTi−Ni−Cu系形状記憶合金でCu
添加量を0〜20%に変化させたときの熱エネルギ回収
性能μ、熱エネルギ変換性能η、変態温度差ΔTの変化
を総合的に示す図である。
FIG. 5 is a Ti-Ni-Cu-based shape memory alloy Cu as an example of a rapidly solidified shape memory alloy applied to the present invention.
It is a figure which shows synthetically the change of the heat energy recovery performance (micro | micron | mu), heat energy conversion performance (eta), and transformation temperature difference (DELTA) T when changing the addition amount to 0-20%.

【図6】 この発明に適用される急冷凝固形状記憶合金
の一例としてのTi−Ni−Cu系形状記憶合金の耐疲
労劣化性を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing fatigue deterioration resistance of a Ti—Ni—Cu-based shape memory alloy as an example of a rapidly solidified shape memory alloy applied to the present invention.

【図7】 この発明に適用される急冷凝固形状記憶合金
の一例としてのTi−Ni−Cu系形状記憶合金の耐疲
労劣化性を示す別の図である。
FIG. 7 is another diagram showing fatigue deterioration resistance of a Ti—Ni—Cu-based shape memory alloy as an example of the rapidly solidified shape memory alloy applied to the present invention.

【図8】 この発明に適用される急冷凝固形状記憶合金
の一例としてのTi−Ni−Cu系形状記憶合金の塩酸
(1N/HCl)中での分極曲線を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a polarization curve of a Ti—Ni—Cu-based shape memory alloy in hydrochloric acid (1N / HCl) as an example of a rapidly solidified shape memory alloy applied to the present invention.

【図9】 この発明の形状記憶合金素子が適用される一
例としての自動乾燥庫の作動説明図である。
FIG. 9 is an operation explanatory view of an automatic dryer as an example to which the shape memory alloy element of the present invention is applied.

【図10】 同じくこの発明の形状記憶合金素子が適用
される一例としての自動乾燥庫の作動説明図である。
FIG. 10 is also an operation explanatory view of an automatic dryer as an example to which the shape memory alloy element of the present invention is applied.

【図11】 この発明の形状記憶合金素子が適用される
一例としての自動風向調整型吹き出し口の作動説明図で
ある。
FIG. 11 is an operation explanatory view of an automatic wind direction adjustment type blowout port as an example to which the shape memory alloy element of the present invention is applied.

【図12】 この発明の形状記憶合金素子の一定応力下
での放冷によるひずみ量の時間変化を雰囲気圧力をパラ
メーターとして示した図である。
FIG. 12 is a diagram showing the time variation of the strain amount due to cooling under constant stress of the shape memory alloy element of the present invention with the atmospheric pressure as a parameter.

【図13】 この発明の形状記憶合金素子の適用態様の
一例としてヒートシンクを用いる場合について示す図で
ある。
FIG. 13 is a diagram showing a case where a heat sink is used as an example of an application mode of the shape memory alloy element of the present invention.

【図14】 生体、細胞、卵子などの柔らかい物体をつ
かむ際に適した形状記憶マニピュレータの適用例を示す
図である。
FIG. 14 is a diagram showing an application example of a shape memory manipulator suitable for grasping a soft object such as a living body, a cell, or an egg.

【図15】 異物などの把持器具先端のグリップ部分に
通電型の形状記憶合金を設定した例を示す図である。
FIG. 15 is a diagram showing an example in which a current-carrying shape memory alloy is set in the grip portion of the tip of a gripping tool for foreign matter or the like.

【図16】 ポリマーベース(基地)形状記憶薄板を示
す図である。
FIG. 16 shows a polymer based shape memory lamella.

【図17】 形状記憶変形を利用した3次元の能動的動
作可能な内視鏡の模式図の一例を示す。
FIG. 17 shows an example of a schematic diagram of a three-dimensionally active endoscope using shape memory deformation.

【図18】 自在継手(フレキシブルジョイント)と形
状記憶バネを組み合わせた方式を示す。
FIG. 18 shows a system in which a universal joint (flexible joint) and a shape memory spring are combined.

【図19】 通電用導線(バイアス復元力用にも使用す
る)と、ら線状(スパイラル)変形制御方式を示す。
FIG. 19 shows a conducting wire (also used for bias restoring force) and a spiral deformation control system.

【図20】 パイプ内の液体流量を調整もしくは止める
ための機械的バルブのかわりに材料自体が変形してその
流量断面積を自在に調整できる人工筋肉としての用途を
示す。
FIG. 20 shows the use as an artificial muscle in which the material itself is deformed in place of a mechanical valve for adjusting or stopping the liquid flow rate in the pipe, and the flow rate cross-sectional area can be freely adjusted.

【図21】 人工筋肉部分の構造の一例を示す。FIG. 21 shows an example of the structure of the artificial muscle portion.

【図22】 この発明に適用される急冷凝固形状記憶合
金の一例としてのTi−Ni系形状記憶合金の急冷速度
に伴う組織変化を示す模式図である。
FIG. 22 is a schematic diagram showing a structural change with a rapid cooling rate of a Ti—Ni-based shape memory alloy as an example of a rapidly solidified shape memory alloy applied to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 試料誘導加熱用コイル 12 石英ノズル 13 回転Cuロール 14 溶湯接触部 15 急冷凝固リボン 11 Sample Induction Heating Coil 12 Quartz Nozzle 13 Rotating Cu Roll 14 Molten Metal Contact Part 15 Rapidly Solidified Ribbon

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古屋 泰文 宮城県仙台市青葉区三条町14−1−33 (72)発明者 棚橋 善克 宮城県仙台市太白区八木山香澄町10ー26 (72)発明者 増本 健 宮城県仙台市青葉区上杉三丁目8−22 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Yasufumi Furuya, 14-1-33 Sanjo-cho, Aoba-ku, Sendai-shi, Miyagi (72) Inventor Yoshikatsu Tanahashi 10-26 (72) Kasumi-cho, Yagiyama, Taihaku-ku, Sendai, Miyagi ) Inventor Ken Masumoto 3-8-22, Uesugi, Aoba-ku, Sendai City, Miyagi Prefecture

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 形状記憶素材に所要の形状を記憶せしめ
てなる熱機械エネルギー変換型駆動素子において、形状
記憶現象を示す合金系溶湯を急冷凝固させて得られる形
状記憶素材を用いることを特徴とする熱機械エネルギー
変換型駆動素子。
1. A thermo-mechanical energy conversion type drive element in which a desired shape is stored in a shape memory material, wherein a shape memory material obtained by rapid solidification of an alloy-based molten metal exhibiting a shape memory phenomenon is used. A thermo-mechanical energy conversion type driving element.
【請求項2】 形状記憶現象を示す合金系溶湯を急冷凝
固させるにあたりその冷却速度を102〜106℃/se
cとする請求項1記載の熱機械エネルギー変換型駆動素
子。
2. A cooling rate of 10 2 to 10 6 ° C./se for rapid solidification of an alloy-based molten metal exhibiting a shape memory phenomenon.
The thermo-mechanical energy conversion type drive element according to claim 1, wherein c is c.
【請求項3】 形状記憶素材に所要の形状を記憶せしめ
てなる熱機械エネルギー変換型駆動素子において、前記
形状記憶素材として、Ti−Ni系合金溶湯を急冷凝固
させて得られるTi−Ni系形状記憶合金を用いる請求
項1記載の熱機械エネルギー変換型駆動素子。
3. A thermo-mechanical energy conversion type drive element in which a shape memory material stores a required shape, and a Ti-Ni type shape obtained by quenching and solidifying a Ti-Ni type alloy melt as the shape memory material. The thermomechanical energy conversion type drive element according to claim 1, wherein a memory alloy is used.
【請求項4】 形状記憶素材に所要の形状を記憶せしめ
てなる熱機械エネルギー変換型駆動素子において、前記
形状記憶素材として、Ti(50±y,y≦±2at
%)−Ni(50−y−x)−Cu(xat%)系合金
溶湯を急冷凝固させて得られるTi−Ni−Cu系形状
記憶合金を用いることを特徴とする熱機械エネルギー変
換型駆動素子。
4. A thermo-mechanical energy conversion type driving element in which a shape memory material stores a desired shape, wherein Ti (50 ± y, y ≦ ± 2 at) is used as the shape memory material.
%)-Ni (50-y-x) -Cu (xat%)-based alloy molten metal is used, and a Ti-Ni-Cu-based shape memory alloy obtained by rapid solidification is used. .
【請求項5】 Cuの含有量xが0<x≦20at%で
ある請求項3に記載した熱機械エネルギー変換型駆動素
子。
5. The thermomechanical energy conversion type drive element according to claim 3, wherein the Cu content x is 0 <x ≦ 20 at%.
【請求項6】 Cuの含有量xが11.0〜16.0a
t%である請求項3に記載した熱機械エネルギー変換型
駆動素子。
6. The Cu content x is 11.0 to 16.0a.
The thermo-mechanical energy conversion type driving element according to claim 3, wherein the driving element is t%.
【請求項7】 Cuの含有量xが3.0〜7.0at%
である請求項3に記載した熱機械エネルギー変換型駆動
素子。
7. The Cu content x is 3.0 to 7.0 at%.
The thermo-mechanical energy conversion type drive element according to claim 3.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020078215A (en) * 2001-04-06 2002-10-18 장우양 Cu-Al-Ni based shape memoey alloy ribbon and it's manufacturing method
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