KR102048032B1 - Cooling system and superelastic material used therefor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초탄성 물질 및 이를 이용한 냉각시스템에 관한 것으로, 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 초탄성 특성을 가지는 물질에 있어서, 상기 초탄성 특성을 가지는 물질은, 상기 니켈은 50 내지 51.5 원자부(at.%), 상기 바나듐은 4 내지 7.5 원자부(at.%), 상기 티타늄이 잔부를 구성하고, 상기 초탄성 특성을 가지는 물질의 외부에서 인가되는 응력(stress)이 변할 때, 상기 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도가 변하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a superelastic material and a cooling system using the same, in a material having superelastic properties including nickel (Ni), titanium (Ti) and vanadium (V), the material having the superelastic property is The nickel is 50 to 51.5 atomic parts (at.%), The vanadium is 4 to 7.5 atomic parts (at.%), The titanium constitutes the balance, the stress applied from the outside of the material having the superelastic properties ( When the stress is changed, the temperature of the material having the superelastic properties is characterized in that it changes.

Description

냉각시스템 및 이에 사용되는 초탄성 물질{COOLING SYSTEM AND SUPERELASTIC MATERIAL USED THEREFOR}COOLING SYSTEM AND SUPERELASTIC MATERIAL USED THEREFOR}

본 발명은 냉각시스템 및 이에 사용되는 초탄성 물질에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 초탄성 물질에 있어서, 외부의 응력에 의해 온도가 변하는 탄성열량효과를 이용하고, 그 효율 및 수명이 향상된 냉각시스템 및 이에 사용되는 초탄성 물질에 관한 것이다.The present invention relates to a cooling system and to a superelastic material used therein. More specifically, in the superelastic material including nickel (Ni), titanium (Ti) and vanadium (V), the cooling effect is improved by utilizing the elastic calorific effect whose temperature is changed by external stress and improving its efficiency and lifespan. A system and a superelastic material used therein.

자동차, 냉장고 등 냉각시스템이 필요한 다양한 응용분야에서, 고체-고체 상변환을 하는 열량 물질(Caloric material)은 기존의 증기압축냉각 시스템에 비하여, 친환경적이고, 빠른 응답속도 및 상대적으로 간단한 설비 구조 등과 같은 장점 덕분에 차세대 냉각시스템의 대안으로 많은 관심을 모으고 있다. 열량 물질은, 열량 효과(Caloric effect)를 가지는 물질을 지칭하는데, 열량 효과란, 외부의 자극에 의한 물질의 열적 반응(예를 들어, 온도변화)을 말한다. 외부 자극의 종류에 따라 전기적(전기장), 자기적(자기장), 기계적(정수압 또는 일축응력) 열량 효과라 부른다. 그 중에서도, 외부 자극으로 일축방향의 압축 또는 인장 응력을 이용하는 열량 효과를 탄성열량효과(Elastocaloric effect)라 부르는데, 탄성열량효과를 가진 물질은 미국 에너지부(US Department of Energy)의 2014년 보고서에서 차세대 냉각시스템의 대안으로 가장 유망한 후보로 평가되었다. In various applications that require cooling systems, such as automobiles and refrigerators, the solid-solid phase-changing caloric material is more environmentally friendly, faster in response to speed, and relatively simpler than the conventional vapor compression cooling system. Thanks to its advantages, it is attracting much attention as an alternative to the next generation cooling system. A caloric substance refers to a substance having a caloric effect, which refers to a thermal response (eg, temperature change) of a substance by an external stimulus. Depending on the type of external stimulus, it is called an electrical (electric field), magnetic (magnetic field), mechanical (hydrostatic or uniaxial stress) caloric effect. Among them, the caloric effect using uniaxial compressive or tensile stress as an external stimulus is called the Elastocaloric effect, and the material with the elastic calorific effect is the next generation in the 2014 report of the US Department of Energy. It was rated as the most promising candidate as an alternative to cooling systems.

탄성열량효과는 등온 엔트로피 변화(Isothermal entropy change, ΔSiso) 또는 단열 온도 변화(Adiabatic temperature change, ΔTadi)에 의해 정량화 될 수 있다. 하지만, 탄성열량효과의 효율과 관련된 다양한 파라미터, 예를 들어, 탄성열량 냉각 강도(Elastocaloric cooling strength), 성능 효율(Coefficient of performance) 및 작동 온도 범위를 종합적으로 평가하여 적합한 재료를 선택하여야 한다. 또한, 탄성열량 물질의 반복된 사용 동안의 피로 특성은 실사용에 있어서 수명을 결정하는 핵심 요소이다. 최근 몇 년 동안, 외부 응력에 의한 일차 가역적 마르텐사이트계 변형(First-order reversible martensite transformation)을 통해 열적 반응을 보이는 형상기억합금(Shape memory alloy, SMA)이 탄성열량효과에 적합한 재료로 집중적인 연구가 진행되었다.The elastic calorific effect can be quantified by an isothermal entropy change (ΔS iso ) or an adiabatic temperature change (ΔT adi ). However, a variety of parameters related to the efficiency of the elastic calorific effect, such as Elastocaloric cooling strength, Coefficient of performance and operating temperature range should be comprehensively evaluated to select a suitable material. In addition, fatigue properties during repeated use of elastomeric calories materials are key factors in determining lifetime in practical use. In recent years, shape memory alloys (SMAs), which exhibit thermal response through first-order reversible martensite transformation due to external stress, have been intensively studied as suitable materials for the elastic caloric effect. Proceeded.

형상기억합금의 조성물과 기능성에 따라 많은 종류가 있지만, 그 중에서도, 니켈-티타늄(Nickel-Titanium, NiTi)계 형상기억합금의 탄성열량효과에 대한 연구가 집중적으로 진행되어 왔다. 탄성열량효과의 관점에서 NiTi계 형상기억합금은 단일 온도 변화(ΔT) 효율은 뛰어나나, 기능성과 구조적 안정성에서 부족하다는 단점을 가지고 있다. 특히 100회 미만의 반복 사용에서 탄성열량효과의 성능이 크게 저하되는 한계를 가지고 있다. 특히, 종래의 증기 압축을 이용한 냉동시스템을 대체하기 위해 탄성열량효과를 이용한 고체-고체 상전이 냉각재료가 개발되고 있었으나, 비용 및 효율의 한계로 실사용에 어려움을 겪고 있다.Although there are many kinds according to the composition and function of the shape memory alloy, among them, studies on the elastic calorific effect of nickel-titanium (NiTi) -based shape memory alloy have been intensively conducted. In terms of the elastic calorific effect, NiTi-based shape memory alloys have excellent single temperature change (ΔT) efficiency, but have a disadvantage in their functionality and structural stability. In particular, the repeated use of less than 100 times has a limit that the performance of the elastic calorific effect is greatly reduced. In particular, in order to replace the conventional refrigeration system using steam compression, a solid-solid phase change cooling material using an elastic calorific effect has been developed, but it is difficult to use due to the limitation of cost and efficiency.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 초탄성 특성을 가지는 고체냉각재료를 포함한 냉각시스템을 제공하고, 고체냉각재료의 탄성열량효과를 이용하여 냉각 효율을 증대시키고, 냉각시스템을 소형화하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention is to solve the various problems including the above problems, to provide a cooling system including a solid cooling material having superelastic properties, and to increase the cooling efficiency by using the elastic calorific effect of the solid cooling material. It is aimed at reducing the size of the cooling system.

또한, 본 발명은 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 초탄성 특성을 가지는 물질을 제공하고, 초탄성 특성을 가지는 물질의 효율 및 수명을 증대시키는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a material having superelastic properties including nickel (Ni), titanium (Ti) and vanadium (V), and to increase the efficiency and life of the material having superelastic properties.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 냉동 공간; 전달 받은 열을 외부로 방출하는 히트 싱크(Heat sink); 및 상기 열을 상기 냉동 공간에서 상기 히트 싱크로 방열하는 재생기;를 포함하고, 상기 재생기는 초탄성 특성을 가지는 고체냉각재료를 포함하는, 냉각 시스템이 제공된다.According to an aspect of the present invention for solving the above problems, a freezing space; A heat sink that radiates the received heat to the outside; And a regenerator for radiating the heat from the refrigeration space to the heat sink, wherein the regenerator includes a solid cooling material having superelastic properties.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고체냉각재료는, 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the solid cooling material may include nickel (Ni), titanium (Ti) and vanadium (V).

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 재생기의 상기 고체냉각재료는, 응력(Stress)이 인가되는 경우, 상기 히트 싱크로 상기 열을 방출하고, 상기 응력이 제거되는 경우, 상기 냉동 공간에서 상기 열을 흡수할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the solid cooling material of the regenerator, when a stress is applied to release the heat to the heat sink, when the stress is removed, in the freezing space It can absorb heat.

그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 초탄성 특성을 가지는 물질에 있어서, 상기 초탄성 특성을 가지는 물질은, 상기 니켈은 50 내지 51.5 원자부(at.%), 상기 바나듐은 4 내지 7.5 원자부(at.%), 상기 티타늄이 잔부를 구성하고, 상기 초탄성 특성을 가지는 물질의 외부에서 인가되는 응력(stress)이 변할 때, 상기 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도가 변하는, 초탄성 특성을 가지는 물질이 제공된다.In addition, according to an aspect of the present invention for solving the above problems, in the material having a super-elastic properties including nickel (Ni), titanium (Ti) and vanadium (V), the material having the super-elastic properties The nickel is 50 to 51.5 atomic parts (at.%), The vanadium is 4 to 7.5 atomic parts (at.%), The titanium constitutes the balance, the stress applied from the outside of the material having the superelastic properties When the stress is changed, the material having the superelastic property is provided, wherein the temperature of the material having the superelastic property is changed.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 초탄성 특성을 가지는 물질은, 아르곤(Ar)분위기에서 아크멜팅법(Arcmelting)으로 제조될 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the material having the superelastic properties may be prepared by an arcmelting method in an argon (Ar) atmosphere.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 초탄성 특성을 가지는 물질은, 상기 응력이 인가되는 제1 단계에 의해 상기 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도가 증가하고, 상기 응력이 제거되는 제2 단계에 의해 상기 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도가 내려갈 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the material having the superelastic properties, the temperature of the material having the superelastic properties is increased by the first step of applying the stress, the second stress is removed By the step, the temperature of the material having the superelastic properties may be lowered.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 초탄성 특성을 가지는 물질은, 하기의 [식 1]에 따른 탄성열량의 강도(Strength of elastocaloric, Strength of EC)의 값이 적어도 50℃·GPa-1일 수 있다.In addition, according to one embodiment of the invention, the second material having an elastic property, the following [formula 1], the value of the intensity of the acoustic heat (Strength of elastocaloric, Strength of EC) at least 50 ℃ · GPa according to the - Can be 1

[식 1][Equation 1]

Strength of EC = |ΔT/Δσ|Strength of EC = | ΔT / Δσ |

(여기서, ΔT는 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도변화량(Temperature, ℃), Δσ는 인가된 응력의 변화(GPa))Where ΔT is the temperature change of the material having superelastic properties (Temperature, ° C) and Δσ is the change in applied stress (GPa))

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 초탄성 특성을 가지는 물질은, 하기의 [식 2]에 따른 효율(Coefficient of performance, COP)의 값이 적어도 22.5일 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the material having the superelastic properties, the value of the efficiency (Coefficient of performance, COP) according to the following [Formula 2] may be at least 22.5.

[식 2][Equation 2]

COP = ΔQ/ΔWCOP = ΔQ / ΔW

(여기서, ΔQ는 초탄성 특성을 가지는 물질의 발열량(Extracted heat, J), ΔW는 초탄성 특성을 가지는 물질에 인가된 일(Work, J))Where ΔQ is the exothermic heat of the material having superelastic properties (J), and ΔW is the work applied to the material having superelastic properties (Work, J).

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 초탄성 특성을 가지는 물질은, 상기 제1 단계 및 상기 제2 단계를 적어도 5,000회 반복한 후의 상기 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도변화량(ΔTf)과, 상기 제1 단계 및 상기 제2 단계를 각각 최초로 반복하였을 때 상기 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도변화량(ΔT1)이 하기의 [식 3]을 만족할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the material having the superelastic properties, the temperature change amount (ΔT f ) of the material having the superelastic properties after repeating the first step and the second step at least 5,000 times When the first step and the second step are respectively repeated for the first time, the temperature change amount ΔT 1 of the material having the superelastic property may satisfy Equation 3 below.

[식 3][Equation 3]

0.8*ΔT1 ≤ ΔTf ≤ ΔT1 0.8 * ΔT 1 ≤ ΔT f ≤ ΔT 1

(여기서, ΔT1는 제1 단계 및 제2 단계를 각각 최초로 반복하였을 때 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도변화량(Temperature, ℃), ΔTf는 제1 단계 및 제2 단계를 각각 적어도 5,000회 반복하였을 때 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도변화량(Temperature, ℃))(Wherein ΔT 1 is the temperature change (Temperature, ° C) of the material having superelastic properties when the first and second steps are respectively repeated for the first time, and ΔT f repeats the first and second steps at least 5,000 times, respectively) Temperature change of the material having superelastic properties (Temperature, ℃))

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 초탄성 특성을 가지는 고체냉각재료를 포함한 냉각시스템을 제공하고, 고체냉각재료의 탄성열량효과를 이용하여 냉각 효율을 증대시키고, 냉각시스템의 소형화 할 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention made as described above, to provide a cooling system including a solid cooling material having a super-elastic properties, to increase the cooling efficiency by using the elastic calorific effect of the solid cooling material, miniaturization of the cooling system It can work.

또한, 본 발명에 따르면, 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 초탄성 특성을 가지는 물질에 있어서, 외부의 응력에 의해 온도가 변하는 탄성열량효과를 이용하고, 그 효율 및 수명이 향상될 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, in a material having superelastic properties including nickel (Ni), titanium (Ti), and vanadium (V), an elastic calorific effect of changing temperature by external stress is used, and the efficiency And the lifespan can be improved.

물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초탄성 특성을 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속재료의 종류에 따른 응력-변형률 선도(Stress-strain curve)를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초탄성 특성을 가지는 물질에 인가되는 응력변화에 따라 온도가 변하는 탄성열량효과를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초탄성 특성을 가지는 물질의 탄성열량효과 시험용 시편 및 시편의 전자 후면 산란 회절(Electron backscatter diffraction, EBSD) 미세조직 분석도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초탄성 특성을 가지는 물질의 가역 마르텐사이트 상변화(Martensite transformation, MT)의 시차 주기 열량계(Differential scanning calorimetry, DSC)측정 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초탄성 특성을 가지는 물질의 바나듐(V)의 조성비에 따른, 열적 히스테리시스(Thermal hysteresis) 및 마르텐사이트-오스테나이트 상변화시 엔탈피 변화(ΔHMA)를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초탄성 특성을 가지는 물질의 탄성열량효과의 과정을 나타내는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초탄성 특성을 가지는 물질의 응력-변형률 선도(Stress-strain curve)를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초탄성 특성을 가지는 물질의 응력변화에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10 및 도11은 종래의 NiTi합금의 탄성열량효과 실험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 초탄성 특성을 가지는 물질의 탄성열량의 강도(Strength of elastocaloric, Strength of EC)의 값을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 초탄성 특성을 가지는 물질을 탄성열량효과 실험을 5,000회 실시할 때, 시간에 따른 온도변화를 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성열량효과 실험에 따른 응력-변형률 선도(Stress strain curve)를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성열량효과 실험에 따른 응력-온도변화를 나타내는 그래프이다.1 is a schematic diagram illustrating a superelastic property according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing a stress-strain curve according to the type of metal material according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram illustrating an elastic calorific effect of changing temperature according to a stress change applied to a material having superelastic properties according to an exemplary embodiment of the present invention.
Figure 4 is an electron backscatter diffraction (EBSD) microstructure analysis of the elastic calorific effect test specimen and the specimen of the material having a superelastic properties according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a differential scanning calorimetry (DSC) measurement graph of reversible martensite transformation (MT) of a material having superelastic properties according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 illustrates enthalpy change (ΔH MA ) during thermal hysteresis and martensite-austenite phase change according to the composition ratio of vanadium (V) of a material having superelastic properties according to an embodiment of the present invention. It is a graph.
7 is a schematic diagram showing a process of the elastic calorific effect of a material having a superelastic property according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph illustrating a stress-strain curve of a material having a superelastic property according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph showing a temperature change according to a change in stress of a material having a superelastic property according to an embodiment of the present invention.
10 and 11 are graphs showing the results of elastic calorific effect experiments of conventional NiTi alloys.
12 is a graph showing the value of the strength of the elastic calorie (Strength of elastocaloric, Strength of EC) of a material having a superelastic property according to an embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a graph showing a temperature change with time when an elastic calorific effect experiment is performed 5,000 times on a material having superelastic properties according to an embodiment of the present invention.
14 is a graph showing a stress strain curve according to the elastic calorific effect experiment according to an embodiment of the present invention.
15 is a graph showing the stress-temperature change according to the elastic calorific effect experiment according to an embodiment of the present invention.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.DETAILED DESCRIPTION The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings that show, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and characteristics described herein may be embodied in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention with respect to one embodiment. In addition, it is to be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description, therefore, is not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if properly described, is defined only by the appended claims, along with the full range of equivalents to which such claims are entitled. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions throughout the several aspects, and length, area, thickness, and the like may be exaggerated for convenience.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the present invention.

초탄성 특성 및 탄성열량효과Superelastic properties and elastic calorific effect

먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 초탄성 특성(Superelasticity)과 탄성열량효과(Elastocaloric effect)에 대하여 설명한다. 도 1은 초탄성 특성을 도시하는 개략도이고, 도 2는 금속재료의 종류에 따른 응력 변형률 선도(Stress-strain curve)를 나타내는 그래프이다.First, with reference to Figures 1 to 3, the superelasticity (Superelasticity) and the elastic caloric effect (Elastocaloric effect) will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing superelastic properties, and FIG. 2 is a graph showing a stress-strain curve according to the type of metal material.

초탄성 특성(Superelasticity)이란, 임의의 형상을 기억하고 있는 합금에 응력을 가하여 변형시킨 후 응력을 제거하면 원래의 형상으로 복원되는 현상을 의미한다. Superelasticity refers to a phenomenon in which an alloy that remembers an arbitrary shape is deformed by applying stress to the alloy and then restored to its original shape when the stress is removed.

통상적인 금속재료의 경우, 외부에서 응력이 인가되면, 탄성변형 및 소성변형을 거쳐 초기의 형태에서 변형된 형태로 변하는 성형성을 가진다. 소성변형을 거친 금속재료는 초기의 형태로 되돌아 가지 않고, 변형된 형태로 유지된다. 한편, 형상기억합금(Shape memory alloy)은, 외부의 응력에 의해 변형된 형태를 유지하고 있는 합금이 가열 또는 냉각에 의해 초기의 상태로 되돌아 가는 특성을 가진 합금이다. 이는 형상기억합금이 포함하고 있는 오스테나이트(Austenite)상이 외부 응력에 의해 마르텐사이트(Martensite)상으로 변태하고, 가열 또는 냉각에 의해 마르텐사이트상이 다시 오스테나이트상으로 변태할 수 있기 때문에 초기의 상태으로 되돌아 갈 수 있는 것이다.In the case of a conventional metal material, when a stress is applied from the outside, it has a formability that changes from an initial form to a deformed form through elastic deformation and plastic deformation. The plastic material which has undergone plastic deformation does not return to its initial form but remains in the deformed form. Shape memory alloys, on the other hand, are alloys having the property of returning to an initial state by the heating or cooling of an alloy that maintains its shape deformed by external stress. This is because the austenite phase contained in the shape memory alloy is transformed into the martensite phase by external stress, and the martensite phase can be transformed back into the austenite phase by heating or cooling. You can go back.

반면에, 초탄성 특성을 가진 물질의 경우, 외부의 응력에 의해 변형된 형태에서, 외부의 응력이 제거됨과 동시에 초기의 상태로 되돌아간다. 도 1을 참조하면, 초기의 초탄성 특성을 가진 금속재료는 오스테나이트상을 포함하고 있다. 이때, 외부의 응력이 인가되면 형태가 변하면서 오스테나이트상은 마르텐사이트상으로 상변화 한다. 이후, 응력이 제거되면, 다른 부가적인 조건을 가하지 않더라도 마르텐사이트상이 초기의 상태인 오스테나이트상으로 되돌아 가며 변형된 형태도 초기의 형상으로 되돌아 간다. On the other hand, in the case of a material having superelastic properties, in a form deformed by external stress, the external stress is removed and returns to the initial state. Referring to FIG. 1, an initial superelastic metal material includes an austenite phase. At this time, when an external stress is applied, the austenite phase changes into a martensite phase while changing its shape. Then, when the stress is removed, the martensite phase returns to the initial austenite phase and the deformed shape also returns to the initial shape without applying other additional conditions.

도 2를 참조하면, 금속재료의 종류에 따른 응력 변형율 선도가 서로 다른 것을 알 수 있다. 도 2(a)는 일반 금속재료의 응력 변형율 선도, 도 2(b)는 초탄성 특성을 가지는 금속재료의 응력 변형율 선도, 도 2(c)는 형상기억합금의 응력 변형율 선도를 나타내는 그래프이다. 일반 금속재료의 경우, 응력의 인가 및 제거에 따라 금속재료가 성형된 상태인 C를 유지한다. 형상기억합금의 경우, 응력의 인가 및 제거에 따라 성형된 상태인 C'에서, 가열 또는 냉각에 의해 초기의 상태로 되돌아 간다. 반면, 도 2(b)의 경우, 응력에 의해 형태가 변형되었다가, 응력이 제거되면 초기의 상태로 되돌아가는 것을 알 수 있다. 즉, 초탄성 특성을 가지는 물질은, 외부에서 인가되는 응력의 변화에 따라 오스테나이트상과 마르텐사이트상이 서로 상변화 하며 형태가 변하였다가 초기의 상태로 되돌아갈 수 있다.Referring to Figure 2, it can be seen that the stress strain diagram according to the type of metal material is different. 2 (a) is a stress strain diagram of a general metal material, FIG. 2 (b) is a stress strain diagram of a metal material having superelastic properties, and FIG. 2 (c) is a graph showing a stress strain diagram of a shape memory alloy. In the case of general metal materials, C, which is a metal material, is maintained in accordance with the application and removal of stress. In the case of the shape memory alloy, in the state C 'formed in accordance with the application and removal of the stress, the shape memory alloy is returned to the initial state by heating or cooling. On the other hand, in Figure 2 (b), the shape is deformed by the stress, it can be seen that the return to the initial state when the stress is removed. That is, the material having a superelastic property, the austenite phase and the martensite phase phase change with each other in accordance with the change of the stress applied from the outside, the shape can be changed back to the initial state.

다음으로, 도 3을 참조하여, 탄성열량효과(Elastocaloric effect)에 대하여 설명한다.Next, with reference to FIG. 3, the elastic calorific effect (Elastocaloric effect) will be described.

탄성열량효과(Elastocaloric effect)란, 외부의 응력에 의해 물질이 열적 반응(예를 들어, 온도변화)을 나타내는 것을 의미한다. 외부의 응력이 인가될 때 물질의 온도가 올라가고, 응력이 제거될 때 물질의 온도가 내려갈 수 있으며, 그 반대의 경우일 수 있다.Elastocaloric effect means that the material exhibits a thermal reaction (eg, temperature change) by external stress. The temperature of the material may rise when an external stress is applied, and the temperature of the material may decrease when the stress is removed, and vice versa.

한편, 초탄성 특성을 가지는 물질은, 외부의 응력이 변할 때, 물질의 형태가 변할 때 온도의 변화가 있을 수 있는데, 이는 초탄성 특성을 가지는 물질이 탄성열량효과의 특성을 가질 수 있음을 의미한다.On the other hand, a material having a superelastic property may have a change in temperature when the external stress is changed and a shape of the material is changed, which means that a material having a superelastic property may have characteristics of an elastic calorific effect. do.

도 3은 초탄성 특성을 가지는 물질에 인가되는 응력변화에 따라 온도가 변하는 탄성열량효과 특성을 나타내는 개략도이다. 온도가 T0인 초기의 오스테나이트상에 외부에서 응력이 인가되고, 오스테나이트상은 마르텐사이트상으로 상변화한다. 이때, 오스테나이트상 내부의 잠열이 방출되며 물질의 온도가 ΔTadi만큼 상승한다(T=T0+ΔTadi). 이후, 외부의 계로 열(Qrel)을 방출하여 온도가 ΔTadi만큼 감소할 수 있다(T=T0).Figure 3 is a schematic diagram showing the elastic calorific effect characteristics change in temperature in accordance with the change in stress applied to the material having a superelastic properties. Stress is applied externally to the initial austenite phase whose temperature is T 0 , and the austenite phase phase changes to a martensite phase. At this time, the latent heat inside the austenite phase is released and the temperature of the material rises by ΔT adi (T = T 0 + ΔT adi ). Thereafter, the heat may be released to the external system Q rel to decrease the temperature by ΔT adi (T = T 0 ).

온도가 T0인 마르텐사이트상의 물질에 인가된 응력을 제거하면, 초탄성 특성에 의해 오스테나이트상으로 역변화한다. 이때, 오스테나이트 상의 내부로 잠열을 흡수하여 물질의 온도가 ΔTadi만큼 내려간다(T=T0-ΔTadi). 이후, 외부의 계로부터 열(Qabs)을 흡수하여 온도가 ΔTadi만큼 상승하여(T=T0), 초기의 온도가 T0인 오스테나이트상을 포함하는 상태로 되돌아올 수 있다.When the stress applied to the martensite phase material whose temperature is T 0 is removed, it is reversed to the austenite phase by the superelastic property. At this time, the latent heat is absorbed into the austenite phase to lower the temperature of the material by ΔT adi (T = T 0 -ΔT adi ). Thereafter, the heat is absorbed from the external system (Q abs ) and the temperature is increased by ΔT adi (T = T 0 ), and the initial temperature may be returned to the state containing the austenite phase having T 0 .

탄성열량효과를 가지는 금속재료는, 응력을 인가하고 제거하는 과정에서, 외부의 계에 의해 열을 흡수하거나 또는 방출하는 단계를 포함한다. 이때, 탄성열량효과를 이용하여, 기계적 에너지를 열에너지로 전환할 수 있고, 전환되는 열에너지는 냉장고 등 가전 및 기타 제품의 열교환 시스템 설계시 사용될 수 있다.The metallic material having an elastic calorific effect includes absorbing or releasing heat by an external system in the process of applying and removing stress. In this case, the elastic calorific effect may be used to convert mechanical energy into thermal energy, and the converted thermal energy may be used in the design of heat exchange systems of home appliances and other products such as refrigerators.

다음으로, 본 발명에 따른 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 초탄성 특성을 가지는 물질에 대하여 설명한다.Next, a material having superelastic properties including nickel (Ni), titanium (Ti) and vanadium (V) according to the present invention will be described.

니켈(nickel( NiNi ), 티타늄(), titanium( TiTi ) 및 바나듐(V)을 포함하는 ) And vanadium (V) 초탄성Superelastic 물질 matter

도 4 내지 도 10을 참조하여, 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 초탄성 물질에 대하여 설명한다.A superelastic material including nickel (Ni), titanium (Ti), and vanadium (V) will be described with reference to FIGS. 4 to 10.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 초탄성 특성을 가지는 물질에 있어서, 초탄성 특성을 가지는 물질은, 니켈은 50 내지 51.5 원자부(at.%), 바나듐은 4 내지 7.5 원자부(at.%), 티타늄이 잔부를 구성하고, 초탄성 특성을 가지는 물질의 외부에서 인가되는 응력(stress)이 변할 때, 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도가 변하는, 초탄성 특성을 가지는 물질을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in a material having superelastic properties including nickel (Ni), titanium (Ti) and vanadium (V), the material having superelastic properties may include 50 to 51.5 atomic parts of nickel (at.%), vanadium has 4 to 7.5 atomic parts (at.%), titanium constitutes the balance, and has superelastic properties when the stress applied from the outside of the material having superelastic properties changes. It may include a material having superelastic properties, the temperature of the material varies.

니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 초탄성 특성을 가지는 물질은, 아르곤(Ar) 분위기에서 아크멜팅법(Arcmelting)으로 제조할 수 있다.Materials having superelastic properties, including nickel (Ni), titanium (Ti), and vanadium (V), may be manufactured by arcmelting in an argon (Ar) atmosphere.

일 예로, 먼저, Ni50Ti45 .3V4.7(at.%)의 공칭 조성을 갖는 잉곳(Ingot)을 고순도 원소(99.99 중량%)를 사용하여 아르곤(Ar) 분위기에서 아크(Arc) 용융시킨다. 상기 잉곳을 7 회 재용해 처리하였을 때, 초기 잉곳에 비하여 중량 감소는 0.1% 미만이다. 잉곳을 진공 석영로에서 1050℃로 24시간 균질화시킨 후 얼음물로 급냉시킨다. 상기 아크멜팅법에 의해 제조된 초탄성 특성을 가지는 물질 시편에 있어서, 오스테나이트 초기 미세 조직을 분석하기 위해 전자 후면 산란 회절(Electron Backscatter Diffraction, EBSD)을 이용한다. 초탄성 특성을 가지는 물질은 각 금속 성분의 조성비 변화에 따라 특성이 쉽게 달라질 수 있어, 초탄성 특성을 부여하기 위해 특정한 조성비를 가지도록 제조할 필요가 있다.As an example, first, an ingot having a nominal composition of Ni 50 Ti 45 .3 V 4.7 (at.%) Is arc-fused in an argon (Ar) atmosphere using a high purity element (99.99 wt%). When the ingot was remelted seven times, the weight loss was less than 0.1% compared to the initial ingot. The ingot is homogenized at 1050 ° C. for 24 hours in a vacuum quartz furnace and then quenched with ice water. In the material specimens having the superelastic properties prepared by the arc melting method, electron backscatter diffraction (EBSD) is used to analyze the initial microstructure of austenite. The material having superelastic properties can be easily changed according to the change in the composition ratio of each metal component, it is necessary to manufacture to have a specific composition ratio in order to give the superelastic properties.

한편, 초탄성 특성을 가지는 물질은 외부에서 인가되는 응력이 변할 때, 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도가 변하는 탄성열량효과의 특성을 가질 수 있다. 아크멜팅법을 이용하여 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐을 포함하는 초탄성 특성을 가지는 물질은 오스테나이트상을 포함하고 있다. 초탄성 특성을 가지는 물질에 응력이 인가되거나 제거될 때, 오스테나이트상과 마르텐사이트상이 서로 상변화 할 수 있다. 이때, 초탄성 특성을 가지는 물질은 내부의 잠열 변화에 의해 온도가 변하는 탄성열량효과 특성을 가질 수 있다.On the other hand, a material having a superelastic property may have a property of an elastic calorific effect in which a temperature of a material having a superelastic property changes when a stress applied from the outside is changed. By using the arc melting method, a material having superelastic properties including nickel (Ni), titanium (Ti), and vanadium includes an austenite phase. When stress is applied to or removed from a material having superelastic properties, the austenite phase and the martensite phase may phase change from each other. In this case, the material having a superelastic property may have an elastic calorific effect property in which the temperature is changed by a latent heat change therein.

한편, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초탄성 특성을 가지는 물질의 탄성열량효과 시험용 시편[도 4의 (a)] 및 시편의 전자 후면 산란 회절(Electron backscatter diffraction, EBSD) 미세조직 분석도[도 4의 (b)]이다.On the other hand, Figure 4 is an electrothermal calorific effect test specimen of the material having a superelastic properties according to an embodiment of the present invention [Fig. 4 (a)] and electron backscatter diffraction (EBSD) microstructure analysis of the specimen Fig. 4 (b).

초탄성 특성을 가지는 물질의 탄성열량효과 시험을 위해 시편(S)을 준비한다. 시편(S)의 가로(w)길이와 세로길이는 5.0mm이고, 높이(h)는 9.0mm인 직육면체이다. 시편(S)의 내부에 오스테나이트상을 포함하는지 확인하기 위해, 시편(S)의 전자 후면 산란 회절(Electron backscatter diffraction, EBSD) 미세조직을 분석한다. 도 4 (b)는 EBSD를 이용한 시편(S)의 상온(Room temperature, RT≒25)에서 오스테나이트상의 역 극점도 지도(Inverse pole figure map)를 나타낸다.Prepare a specimen (S) for the elastic calorific effect test of a material having superelastic properties. The horizontal length and the vertical length of the specimen S are 5.0 mm, and the height h is a rectangular parallelepiped having 9.0 mm. In order to check whether an austenite phase is included in the specimen S, the electron backscatter diffraction (EBSD) microstructure of the specimen S is analyzed. Figure 4 (b) shows an inverse pole figure map on the austenite at room temperature (RT # 25) of the specimen S using EBSD.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초탄성 특성을 가지는 물질의 가역 마르텐사이트 상변화(Martensitic transformation, MT)의 시차 주기 열량계(Differential scanning colorimetry, DSC)측정 그래프를 나타낸다.FIG. 5 shows a differential scanning colorimetry (DSC) measurement graph of reversible martensitic transformation (MT) of a material having superelastic properties according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 마르텐사이트상의 시작(Ms)과 마감(Mf) 및 오스테나이트상의 시작(As)과 마감(Af) 온도는 각각 4.6℃, -6.3℃, 7.5℃ 및 14.7℃이다. 마르텐사이트-오스테나이트 상변화(Martensitic transformation, MT)와 역 마르텐사이트-오스테나이트 상변화에서 엔탈피 변화(ΔH)의 값은 각각 -9.04 J·g- 1와 9.40J·g-1이다. 이때, 각각의 엔트로피 변화(ΔS)는 하기의 식에 따라 계산한 결과, -31.98 J·Kg-1·K-1과 33.26 J·Kg-1·K-1로 계산되었다.5, the start of martensite phase (M s) and finish (M f) and the austenite start over night (A s) and the finish (A f) temperature of 4.6 ℃, -6.3 ℃, respectively, 7.5 and 14.7 ℃ ℃ to be. The enthalpy change (ΔH) in the martensitic-austenite phase change and inverse martensitic-austenite phase change is -9.04 J.g - 1 and 9.40J.g -1, respectively. At this time, was calculated to each of the entropy change (ΔS) is a result of calculation according to the following equation, -31.98 Kg · J -1 · K -1 and 33.26 J · Kg -1 · K -1 .

ΔS = ΔH / Ta ΔS = ΔH / T a

(여기서, Ta는 평형온도((Af + Ms)/2))Where T a is the equilibrium temperature ((A f + M s ) / 2)

한편, 히스테리시스(Hysteresis)란, 어느 하나의 물성이 변할 때 다른 물성이 변하는 경우, 하나의 물성 변화 경로에 따라 다른 물성이 다른 값을 갖는 현상이다. 초탄성 특성을 가지는 물질에 있어서, 외부의 응력이 인가되어 변형율이 변할 때, 다른 물성인 온도가 변하는데, 인가된 응력이 제거되어 초탄성 특성에 의해 초기의 상태로 되돌아 올 때, 변화된 물성이 다른 경로를 통해 초기의 상태가 되는 것이다. 이때, 초탄성 특성을 가지는 물질에 있어서 열적 히스테리시스는, (As + Af - Ms - Mf)/2으로 정의된다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 초탄성 특성을 가지는 물질은, 열적 히스테리시스(Thermal Hysteresis)가 12.0로, 종래의 NiTi 또는 NiTiX계 합금에 비해 매우 작은 값을 나타낸다. 초탄성 특성을 가지는 물질이 니켈, 티타늄 및 바나듐을 포함할 때, 열적 히스테리시스가 낮아질 수 있다. 이는, 마르텐사이트-오스테나이트 상변화(MT)가 가역적이어서 안정한 피로 특성을 나타내는 것을 의미한다.On the other hand, hysteresis is a phenomenon in which different physical properties have different values depending on one physical property change path when one physical property changes when another physical property changes. In a material having a superelastic property, when an external stress is applied to change the strain rate, a different physical temperature is changed, and when the applied stress is removed to return to the initial state by the superelastic property, the changed physical property is changed. It's going to be in an initial state through another path. In this case, the thermal hysteresis in the material having superelastic properties is defined as (A s + A f -M s -M f ) / 2. Referring to FIG. 5, the material having the superelastic property of the present invention has a thermal hysteresis of 12.0, which is very small compared to a conventional NiTi or NiTiX-based alloy. When the material having superelastic properties includes nickel, titanium and vanadium, thermal hysteresis can be lowered. This means that the martensite-austenite phase change (MT) is reversible and exhibits stable fatigue properties.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 초탄성 특성을 가지는 물질의 바나듐(V)의 조성비에 따른, 열적 히스테리시스(Thermal hysteresis) 및 마르텐사이트-오스테나이트 상변화시 엔탈피 변화(ΔHMA)를 나타내는 그래프이다.6 is a diagram illustrating thermal hysteresis and thermal enthalpy change (ΔH MA ) according to a composition ratio of vanadium (V) of a material having superelastic properties according to an embodiment of the present invention. It is a graph.

도 6을 참조하면, 초탄성 특성을 가지는 물질은, 바나듐(V)의 조성비가 증가함에 따라, 마르텐사이트-오스테나이트 상변화시의 엔탈피 변화(ΔHMA)는 감소하는 추세를 보인다. 반면에, 열적 히스테리시스는, 바나듐의 조성비가 증가함에 따라 값이 감소하다가 다시 증가하는 추세를 보인다. 열적 히스테리시스의 값이 낮을 때, 마르텐사이트 상변화가 가역적이어서 안정한 피로 특성을 나타낸다. 도 6에 따르면, 바나듐(V)이 초탄성 특성을 가지는 물질에 4.7 원자부(at%) 포함되어 있을 때, 열적 히스테리시스의 값이 12.0로 가장 낮은 값을 가지며, 이때, 가장 낮은 열적 히스테리시스 값을 가짐에 따라 안정적인 마르텐사이트-오스테나이트 상변화 특성을 가질 수 있다.Referring to FIG. 6, as the composition ratio of vanadium (V) increases, the enthalpy change (ΔH MA ) of the martensite-austenite phase change decreases. Thermal hysteresis, on the other hand, tends to decrease with increasing vanadium and then increase again. When the value of the thermal hysteresis is low, the martensite phase change is reversible and shows stable fatigue characteristics. According to FIG. 6, when vanadium (V) contains 4.7 atomic parts (at%) in a material having superelastic properties, the thermal hysteresis has the lowest value of 12.0, where the lowest thermal hysteresis value is obtained. As it may have a stable martensite-austenite phase change characteristics.

다음으로, 도 7 내지 도 10을 참조하여, 초탄성 특성을 가지는 물질의 탄성열량효과 실험에 대하여 설명한다.Next, with reference to FIGS. 7 to 10, the elastic calorific effect experiment of a material having superelastic properties will be described.

도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 초탄성 특성을 가지는 물질의 탄성열량효과의 과정을 나타내는 개략도이다.7 is a schematic diagram showing a process of the elastic calorific effect of a material having a superelastic property according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 초탄성 특성을 가지는 물질은, 응력이 인가되는 제1 단계(S10)에 의해 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도가 상승(S20)하고, 응력이 제거되는 제2 단계(S30)에 의해 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도가 하락(S40)할 수 있다.Referring to FIG. 7, in the material having the superelastic properties, the temperature of the material having the superelastic properties is increased (S20) by the first step (S10) in which stress is applied, and the second step (S30) in which the stress is removed. ), The temperature of the material having the superelastic property may decrease (S40).

니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 초탄성 특성을 가지는 물질에 응력을 인가할 때(S10), 초탄성 특성을 가지는 물질의 오스테나이트상이 마르텐사이트상으로 상변화 한다. 이때, 오스테나이트상의 잠열이 방출되며 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도가 상승한다(S20). 이후, 초탄성 특성을 가지는 물질에 인가되었던 응력이 제거되면(S30), 마르텐사이트상은 다시 오스테나이트상으로 상변화 한다. 상변화된 오스테나이트상은 잠열을 흡수하므로, 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도가 하락한다(S40). 바나듐(V)을 포함하는 초탄성 특성을 가지는 물질은, 열적 히스테리시스 값이 낮아 마르텐사이트-오스테나이트 상변화가 가역적이며, 탄성열량효과를 가질 수 있다.When stress is applied to a material having superelastic properties including nickel (Ni), titanium (Ti) and vanadium (V) (S10), the austenite phase of the material having superelastic properties changes to a martensite phase. . At this time, the latent heat of the austenite phase is released and the temperature of the material having superelastic properties rises (S20). After that, when the stress applied to the material having the superelastic property is removed (S30), the martensite phase is changed into the austenite phase again. Since the phase-changed austenite phase absorbs latent heat, the temperature of the material having superelastic properties decreases (S40). A material having superelastic properties including vanadium (V) has a low thermal hysteresis value and thus reversible martensite-austenite phase change, and may have an elastic calorific effect.

다음으로, 도 8 및 도 9를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초탄성 특성을 가지는 물질의 탄성열량효과 실험에 대하여 설명한다.Next, with reference to Figures 8 and 9, it will be described for the elastic calorific effect experiment of the material having a super-elastic properties according to an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초탄성 특성을 가지는 물질의 응력 변형률 선도(Stress-strain curve)를 나타내는 그래프이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초탄성 특성을 가지는 물질의 응력변화에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 8 is a graph showing a stress-strain curve of a material having a superelastic property according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a graph showing a material having a superelastic property according to an embodiment of the present invention. It is a graph showing the temperature change according to the stress change.

도 8을 참조하면, 탄성열량효과 실험은 먼저, 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 물질에 초탄성 특성을 부여하기 위해 기계적 훈련과정을 진행할 수 있다. 5.0mm x 5.0mm x 9.0mm의 치수를 갖는 시편(S)을 0.001s- 1 의 변형률 속도에서 300MPa의 압축 응력을 인가하고 제거하는 주기를 30 회 반복하여 기계적으로 훈련시킨다(Training path). 도 8에 도시된 바와 같이, 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 초탄성 특성을 가지는 물질은 30회의 반복된 기계적 훈련과정을 거쳐, 최종주기(Cycle)에서 완전한 변형 회복이 가능한 초탄성 특성을 나타낸다.Referring to FIG. 8, the elastic calorific effect experiment may first proceed with a mechanical training process to impart superelastic properties to a material including nickel (Ni), titanium (Ti), and vanadium (V). The specimen (S) having dimensions of 5.0 mm x 5.0 mm x 9.0 mm is mechanically trained by 30 cycles of applying and removing a compressive stress of 300 MPa at a strain rate of 0.001 s - 1 . As shown in FIG. 8, a material having superelastic properties, including nickel (Ni), titanium (Ti), and vanadium (V), undergoes 30 repeated mechanical training cycles and is fully deformed at the final cycle. It exhibits resilient superelastic properties.

도 8의 초탄성 곡선(L)은 기계적 훈련의 소성 변형으로 인한 치수 변화를 고려하여 보정된 응력-변형률 곡선이다. 최초주기와 최종주기를 비교하면, 초탄성 특성의 여러 요인이 점진적으로 변하는 것을 알 수 있다. 먼저, 마르텐사이트 상변화를 위한 임계응력(σs)은, 최초 134MPa에서, 81MPa로 감소한다. 또한, 응력을 인가하거나 제거할 때 상변화 안정기(σs~σf)의 기울기가 가파라짐에 따라, 기계적 훈련을 거칠수록 초탄성 특성을 가지는 물질의 응력-변형률 선도의 곡선이 작아지고, 응력-히스테리시스가 좁아진다.The superelastic curve L of FIG. 8 is a stress-strain curve corrected in consideration of dimensional change due to plastic deformation of mechanical training. Comparing the initial and final cycles, it can be seen that several factors of the superelastic properties change gradually. First, the critical stress σ s for the martensite phase change decreases from 81 MPa to 81 MPa. In addition, as the slope of the phase change stabilizer (σ s to σ f ) becomes steep when applying or removing stress, the curve of the stress-strain diagram of a material having superelastic properties becomes smaller as the mechanical training passes. The stress-hysteresis narrows.

다음으로, 본 발명의 초탄성 특성을 가지는 물질의 탄성열량효과 가열 및 냉각 실험에 대하여 설명한다. 초탄성 특성을 가지는 물질에 0.025s-1의 변형률 속도(ε), 0MPa 초과 300MPa 이하의 범위에서 응력을 인가하고 제거하는 실험을 진행한다. 응력을 인가한 뒤, 응력을 제거하기 전, 5초동안 유지하여 온도의 변화를 유도하였다. 초탄성 특성을 가지는 물질의 시편 중앙부에 적외선 열 화상 카메라를 이용하여 온도를 직접 측정하였다.Next, the elastic calorific effect heating and cooling experiments of the material having the superelastic properties of the present invention will be described. Experiments are conducted to apply and remove stresses in the range of 0.025s -1 strain rate (ε), more than 0 MPa and less than 300 MPa to the material having superelastic properties. After the stress was applied, it was kept for 5 seconds before the stress was removed to induce a change in temperature. The temperature was directly measured by using an infrared thermal imaging camera in the center of the specimen of the material having the superelastic properties.

도 9는 도 8의 초탄성 곡선(L)의 응력이 인가되는 부분에서, 임계 응력(σs , σf)에 기초하여 R1, R2 및 R3의 3개의 영역으로 나누고, 각 구간에서 응력을 인가하거나 제거할 때, 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도변화(ΔT)를 나타낸다.FIG. 9 is divided into three regions of R1, R2 and R3 based on the critical stress σ s and σ f at the portion where the stress of the superelastic curve L of FIG. 8 is applied, and applies a stress in each section. When removed or removed, the temperature change (ΔT) of the material having superelastic properties is shown.

도 9를 참조하면, 먼저, R1구간에서 유한한 온도변화(ΔT)가 관찰되었다. 이는 거시적인 관점에서 볼 때, 오스테나이트상의 순수한 탄성에 의한 것으로 볼 수 있다. 또한, 이는 오스테나이트상의 일부분이 마르텐사이트상으로 상변화한 것을 의미한다.Referring to FIG. 9, first, a finite temperature change ΔT was observed in the R1 section. This can be seen from the macroscopic point of view, due to the pure elasticity of the austenite phase. This also means that a portion of the austenite phase has been phase changed into martensite phase.

다음으로, 상변환 안정기(σs~σf)의 응력 범위에 해당하는 R2구간에서는 응력에 따라 온도변화(ΔT)가 선형적으로 상승한다. 그리고, 거시적인 관점에서 상변화된 마르텐사이즈상의 탄성부분(σf 이후)에 해당하는 R3구간에서는 응력에 의해 유도된 마르텐사이트 상변화는 거의 완료된다. 그러나, R3구간에서도 미소량의 온도변화(ΔT)가 관찰되는데, 이는 남아있는 오스테나이트가 마르텐사이트로 상변화하는 것을 의미한다.Next, in the section R2 corresponding to the stress range of the phase conversion ballasts (σ s to σ f ), the temperature change ΔT increases linearly with the stress. In the macroscopic view, the martensite phase change induced by stress is almost completed in the R3 section corresponding to the elastic portion (after σ f ) of the phase change martensite phase. However, a slight temperature change (ΔT) is also observed in the R3 section, which means that the remaining austenite phase changes to martensite.

응력을 인가하거나 제거할 때, 이론적인 단열 온도변화(ΔTadi)를 하기의 식을 이용하여 계산할 수 있다.When stress is applied or removed, the theoretical adiabatic temperature change (ΔT adi ) can be calculated using the following equation.

ΔTadi = -Ts·ΔS/Cp ΔT adi = -T s ΔS / C p

여기서, Ts는 초탄성 특성을 가지는 물질의 주위 온도(Ambient temperature), Cp는 비열 용량(Jg-1K-1), ΔS는 엔트로피 변화량(Jg-1K- 1)이다. 비열 용량(Cp)의 값을 0.51Jg-1K-1이라 할 때, 단열 온도변화(ΔTadi)의 이론값은 탄성열량가열의 경우 18.6℃이고, 탄성열량냉각의 경우 -19.4으로 계산되었다. 인가되는 최대 응력인 290MPa에 대한 단열 온도변화(ΔTadi)를 실제 측정된 온도변화(ΔT)와 비교하면, 그 값의 차이가 크다. 이는 탄성열량효과 실험에서, 변형률 속도가 이상적인 단열 과정에 충분하지 못하기 때문이다. 실제로, 변형은 290MPa만큼 완료되지 않으며, 290MPa만큼 변형을 완료하기 위해서는 추가적인 응력의 인가가 필요하다. 상기 실험 결과, 본 발명의 초탄성 특성을 가지는 물질의 탄성열량효과를 이용하여 주위의 온도를 변화시키는데 이용할 수 있다.Here, T s is the ambient temperature (Ambient temperature) of the material having a superelastic property, C p is the specific heat capacity (Jg -1 K -1 ), ΔS is the entropy change amount (Jg -1 K - 1 ). When the specific heat capacity (C p ) is 0.51Jg -1 K -1 , the theoretical value of the adiabatic temperature change (ΔT adi ) is 18.6 ° C for elastic calorific heating and -19.4 for elastic calorie cooling. . When the adiabatic temperature change ΔT adi for 290 MPa, the maximum stress applied, is compared with the actual measured temperature change ΔT, the difference in value is large. This is because, in the elastic calorific effect experiment, the strain rate is not sufficient for the ideal adiabatic process. Indeed, the deformation is not completed by 290 MPa, and additional stress is required to complete the deformation by 290 MPa. As a result of the experiment, it can be used to change the ambient temperature by using the elastic calorific effect of the material having the superelastic properties of the present invention.

한편, 초탄성 특성을 가지는 물질을 이용하여 히트 싱크 또는 냉각 장치로 사용하기 위해서, 탄성열량효과의 효율과 수명특성이 중요하다. 단일 효율이 매우 높다고 하더라도 수명이 짧아 100회 미만의 사용에서 효율이 초기보다 매우 낮아진다면 실 사용에 제한이 따른다. 또한, 수명이 매우 길어도 초탄성 특성을 가지는 물질의 단일 효율이 매우 저조하다면, 열적 기기로 비효율적이다. 즉, 탄성열량효과를 이용한 냉각 시스템에 있어서, 사용되는 재료의 효율과 수명이 중요 요소로 작용한다.On the other hand, in order to use as a heat sink or a cooling device using a material having a superelastic property, the efficiency and life characteristics of the elastic calorific effect is important. Even if a single efficiency is very high, there is a limit to the actual use if the life is short and the efficiency is much lower than the initial one in less than 100 uses. In addition, even if the lifetime is very long, if the single efficiency of the material having superelastic properties is very low, it is inefficient as a thermal device. That is, in the cooling system using the elastic calorific effect, the efficiency and life of the materials used are important factors.

다음으로, 본 발명의 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 초탄성 특성을 가지는 물질의 탄성열량효과 효율 및 수명 분석에 대하여 설명한다.Next, the elastic calorific effect efficiency and life analysis of a material having superelastic properties including nickel (Ni), titanium (Ti) and vanadium (V) of the present invention will be described.

초탄성Superelastic 특성을 가지는 물질의Of substances with properties 탄성열량효과Elastic Calorie Effect 효율 특성 실험 Efficiency Characteristic Experiment

도 10 내지 도 12를 참조하여, 본 발명의 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 초탄성 특성의 가지는 물질의 탄성열량효과 효율 특성을 분석한다.Referring to FIGS. 10 to 12, the elastic calorific effect efficiency characteristics of the material having superelastic properties including nickel (Ni), titanium (Ti), and vanadium (V) of the present invention are analyzed.

도 10 및 도 11은 종래의 NiTi 합금의 탄성열량효과 실험의 결과를 나타내는 그래프이다.10 and 11 are graphs showing the results of the elastic calorific effect experiment of the conventional NiTi alloy.

도 10을 참조하면, 종래의 NiTi 합금의 경우, 응력이 인가될 때, 최대 온도변화가 25.5(delta T = 25.5)이고, 응력이 제거될 때, 최대 온도변화는 17(delta T = -17)이다. 이는, 종래의 NiTi 합금의 경우, 탄성열량효과의 단일 효율이 약 20 임을 의미한다.Referring to FIG. 10, in the case of the conventional NiTi alloy, when stress is applied, the maximum temperature change is 25.5 (delta T = 25.5), and when the stress is removed, the maximum temperature change is 17 (delta T = -17). to be. This means that in the case of the conventional NiTi alloy, the single efficiency of the elastic calorific effect is about 20.

다음으로, 도 11을 참조하면, 종래의 NiTi 합금의 경우, 응력을 인가하고 제거하는 단계를 약 100회 반복하였을 때, 최초의 주기(Cycle)시 온도변화보다 매우 낮은 온도변화를 보인다. 즉, 종래의 NiTi 합금의 경우, 약 100회 이상의 사용시, 탄성열량효과의 효율이 40%이상 감소한다. 이는, 종래의 NiTi 합금은 탄성열량효과에 있어서 수명특성이 좋지 않다는 것을 의미한다.Next, referring to FIG. 11, in the case of the conventional NiTi alloy, when the steps of applying and removing the stress are repeated about 100 times, the temperature change is much lower than the temperature change at the initial cycle. That is, in the case of the conventional NiTi alloy, the efficiency of the elastic calorific effect is reduced by 40% or more when used about 100 times or more. This means that the conventional NiTi alloy has poor life characteristics in the elastic calorific effect.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른, 초탄성 특성을 가지는 물질의 탄성열량의 강도(Strength of elastocaloric, Strength of EC)의 값을 나타내는 그래프이다.12 is a graph showing a value of the strength of the elastic calorific value (strength of elastocaloric, Strength of EC) of a material having a superelastic property according to an embodiment of the present invention.

도 12를 참조하면, 초탄성 특성을 가지는 물질은, 하기의 [식 1]에 따른 탄성열량의 강도의 값이 적어도 50℃·GPa-1일 수 있다.Referring to FIG. 12, the material having superelastic properties may have a value of strength of the elastic calorie value according to Equation 1 below at least 50 ° C. GPa −1 .

[식 1] [Equation 1]

Strength of EC = |ΔT/Δσ|Strength of EC = | ΔT / Δσ |

(여기서, ΔT는 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도변화량(Temperature, ℃), Δσ는 인가된 응력의 변화(GPa))Where ΔT is the temperature change of the material having superelastic properties (Temperature, ° C) and Δσ is the change in applied stress (GPa))

도 12는 도 9의 본 발명의 초탄성 특성을 가지는 물질의 탄성열량효과 실험에서, 탄성열량의 강도(Strength of EC)를 측정하여 나타낸 그래프이다. 응력이 170Mpa일 때, 탄성열량의 강도가 가장 높게 측정되었고, 그 값은 50GPa- 1이상이다. 이는 상변화 안정기(σs~σf , R2)의 최종점에서의 탄성열량의 강도이다. 종래의 NiTi 합금의 탄성열량의 강도는 22.6GPa- 1으로 측정되었다. 즉, 본 발명의 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 초탄성 특성을 가지는 물질은 종래의 NiTi 합금보다 탄성열량의 강도가 2배 이상일 수 있다. FIG. 12 is a graph illustrating the measurement of the strength of the elastic calorific value in the elastic calorific effect experiment of the material having the superelastic properties of FIG. 9. When the stress is 170Mpa, it was the strength of the elastic calorimetry highest, the value 50GPa - is greater than or equal to 1. This is the strength of the elastic calorific value at the end point of the phase change ballasts (σ s to σ f , R 2). The strength of the elastic calorific value of the conventional NiTi alloy was measured to be 22.6GPa - 1 . That is, a material having superelastic properties including nickel (Ni), titanium (Ti), and vanadium (V) of the present invention may have twice the strength of the amount of elastic heat than the conventional NiTi alloy.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 초탄성 특성을 가지는 물질은, 하기의 [식 2]에 따른 효율(Coefficient of performance, COP)의 값이 적어도 22.5일 수 있다.On the other hand, according to an embodiment of the present invention, the material having a superelastic property, the value of the efficiency (Coefficient of performance, COP) according to the following [Formula 2] may be at least 22.5.

[식 2][Equation 2]

COP = ΔQ/ΔWCOP = ΔQ / ΔW

(여기서, ΔQ는 초탄성 특성을 가지는 물질의 발열량(Extracted heat, J), ΔW는 초탄성 특성을 가지는 물질에 인가된 일(Work, J))Where ΔQ is the exothermic heat of the material having superelastic properties (J), and ΔW is the work applied to the material having superelastic properties (Work, J).

탄성열량효과의 효율(Coefficient of performance, COP)은, 초탄성 특성을 가지는 물질에 응력을 인가하여 온도가 변할 때, 온도변화에 따른 발열량(ΔQ, 비열 용량(Cp)과 온도변화량(ΔT)을 곱한 값)을 응력에 의해 초탄성 특성을 가지는 물질에 인가되는 일(ΔW, 응력-변형률 선도를 적분하여 계산한 값)로 나눈 값으로 정의된다. The efficiency of elastic calorific effect (CoP) is the calorific value (ΔQ, specific heat capacity (C p ) and temperature change amount (ΔT) according to temperature change when the temperature is changed by applying stress to a material having superelastic properties. Multiplied by) is defined as the value divided by the work (ΔW, calculated by integrating the stress-strain diagram) applied to a material having superelastic properties by stress.

도 13에 따른 탄성열량효과 실험의 결과값을 기초로 하여, 본 발명의 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 초탄성 특성을 가지는 물질의 COP값을 계산한 결과, 탄성열량 가열의 경우 COP값이 11.6이고, 탄성열량 냉각의 경우 COP값이 22.5로 계산되었다. 종래의 NiTi 합금의 경우, 탄성열량 냉각의 COP값이 11.8인 것을 고려하면, 본 발명의 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 초탄성 특성을 가지는 물질은 종래의 NiTi 합금에 비하여 COP값이 약 2배 일 수 있다.On the basis of the results of the elastic calorific effect experiment according to FIG. 13, as a result of calculating the COP value of a material having superelastic properties including nickel (Ni), titanium (Ti) and vanadium (V) of the present invention, In the case of elastic calorie heating, the COP value was 11.6, and in the case of elastic calorie cooling, the COP value was calculated as 22.5. In the case of the conventional NiTi alloy, considering that the COP value of the elastic calorie cooling is 11.8, the material having superelastic properties including nickel (Ni), titanium (Ti) and vanadium (V) of the present invention is conventional NiTi The COP value may be about twice that of the alloy.

초탄성Superelastic 특성을 가지는 물질의Of substances with properties 탄성열량효과Elastic Calorie Effect 수명 특성 실험 Life characteristic experiment

다음으로, 도 13 내지 도 15를 참조하여, 본 발명의 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 초탄성 특성의 가지는 물질의 탄성열량효과 수명 특성을 분석한다.Next, referring to FIGS. 13 to 15, the elastic calorific effect life characteristics of the material having superelastic properties including nickel (Ni), titanium (Ti), and vanadium (V) of the present invention are analyzed.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 초탄성 특성을 가지는 물질을 탄성열량효과 실험을 5,000회 실시할 때, 시간에 따른 온도변화를 나타내는 그래프, 도 14는 탄성열량효과 실험에 따른 응력-변형률 선도, 도 15는 탄성열량효과 실험에 따른 응력-온도변화를 나타내는 그래프이다.13 is a graph showing temperature change with time when the elastic calorific effect experiment is performed 5,000 times on a material having superelastic properties according to an embodiment of the present invention, and FIG. 14 is a stress-strain according to the elastic calorific effect experiment. 15 is a graph showing the stress-temperature change according to the elastic calorific effect experiment.

먼저, 초탄성 특성을 가지는 물질의 탄성열량효과의 수명 실험은, 0.03 s-1의 변형률 속도로 5,000회의 260MPa의 응력을 인가하고 제거하는 단계를 반복한다. 이때, 초탄성 특성을 가지는 물질 시편(S)의 온도를 모니터링하여 탄성열량효과의 수명 실험을 진행한다. 도 14는 탄성열량효과 수명 실험의 1 내지 5회, 2,501 내지 2,505회, 4,996 내지 5,000회 반복하였을 때, 시간에 따른 초탄성 특성을 가지는 물질 시편(S)의 온도변화를 나타낸 그래프이다. 이때 초탄성 특성을 가지는 물질 시편(S)의 온도 변화의 최소값을 0으로 설정하였다.First, the life test of the elastic calorific effect of a material having a superelastic property, repeats the step of applying and removing 5,000 times of 260MPa stress at a strain rate of 0.03 s -1 . At this time, by monitoring the temperature of the material specimen (S) having a super-elastic properties proceeds the life test of the elastic calorific effect. 14 is a graph showing the temperature change of the material specimen (S) having a superelastic property with time when repeated 1 to 5 times, 2,501 to 2,505 times, 4,996 to 5,000 times the elastic calorific effect life test. At this time, the minimum value of the temperature change of the material specimen (S) having superelastic properties was set to zero.

수명실험 결과, 동일한 5회의 주기동안, 온도변화량의 감소가 2,500회 주기에서 더 크게 감소한 것으로 나타나고, 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도가 상승하고 내려가는 1주기의 주기시간이 감소하는 것을 알 수 있다. As a result of the life test, it can be seen that during the same five cycles, the decrease in the temperature change amount is more significantly reduced in the 2,500 cycles, and the cycle time of one cycle in which the temperature of the material having the superelasticity rises and falls is decreased.

도 14를 참조하면, 초탄성 특성을 가지는 물질의 탄성열량효과 실험에서 5,000회 주기를 반복한 결과, 변형율(Strain)이 감소한 것을 알 수 있다. 초탄성 특성을 가지는 물질의 기계적 훈련을 완료하였을 때 변형율보다 5,000회 주기를 반복한 후의 변형율이 0.002만큼 감소하였다. 즉, 탄성열량효과 실험을 5,000회 반복하면, 응력 인가에 따른 변형율 변화량(d)이 0.002이고, 이는 1주기의 주기시간이 감소하는 것을 의미한다. 하지만, 도 14를 참조하면, 탄성열량효과 실험을 5,000회 반복한 후의 초탄성 특성을 가지는 물질의 응력 변형율 선도가 초기상태와 큰 변화가 없다는 것을 알 수 있다. 이는, 본 발명에 따른 초탄성 특성을 가진 물질이 탄성열량효과의 피로(Fatigue)특성이 우수하다는 것을 의미한다.Referring to FIG. 14, as a result of repeating 5,000 cycles in the elastic calorific effect experiment of a material having superelastic properties, it can be seen that strain is reduced. When the mechanical training of the material with superelastic properties was completed, the strain after 5,000 cycles after the strain was reduced by 0.002. That is, if the elastic calorific effect experiment is repeated 5,000 times, the strain change amount (d) according to the stress applied is 0.002, which means that the cycle time of one cycle is reduced. However, referring to FIG. 14, it can be seen that the stress strain diagram of the material having the superelastic property after 5,000 repeated elastic calorific effect experiments is not significantly changed from the initial state. This means that the superelastic material according to the present invention has excellent fatigue characteristics of the elastic calorific effect.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 초탄성 특성을 가지는 물질의 탄성열량 냉각 시험을 5,000회 반복하였을 때 응력과 온도변화량을 나타내는 그래프이다. 15 is a graph showing the amount of stress and temperature change when the elastic calorie cooling test of the material having a superelastic property is repeated 5,000 times according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 초탄성 특성을 가지는 물질은, 응력을 인가하는 제1 단계(S10) 및 인가한 응력을 제거하는 제2 단계(S30)를 적어도 5,000회 반복한 후의 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도변화량(ΔTf)과, 제1 단계(S10) 및 제2 단계(S30)를 각각 최초로 반복하였을 때 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도변화량(ΔT1)이 하기의 [식 3]을 만족할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the material having the superelastic properties is a superelastic property after repeating the first step (S10) of applying the stress and the second step (S30) of removing the applied stress at least 5,000 times. When the temperature change amount ΔT f of the material having the first step and the first step S10 and the second step S30 are respectively repeated for the first time, the temperature change amount ΔT 1 of the material having the superelastic property is expressed by Equation 3 below. ] Can be satisfied.

[식 3][Equation 3]

0.8*ΔT1 ≤ ΔTf ≤ ΔT1 0.8 * ΔT 1 ≤ ΔT f ≤ ΔT 1

(여기서, ΔT1는 제1 단계(S10) 및 제2 단계(S30)를 각각 최초로 반복하였을 때 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도변화량(Temperature, ℃), ΔTf는 제1 단계(S10) 및 제2 단계(S30)를 각각 적어도 5,000회 반복하였을 때 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도변화량(Temperature, ℃))Here, ΔT 1 is the temperature change amount (Temperature, ℃) of the material having a superelastic property when the first step (S10) and the second step (S30) is first repeated, respectively, ΔT f is the first step (S10) and Temperature change (Temperature, ℃) of the material having a superelastic property when the second step (S30) is repeated at least 5,000 times)

기계적 훈련을 완료한 시편(After training)과 제1 단계(S10) 및 제2 단계(S30)를 5,000회 반복한 후의 시편(After 5,000 cycles)에 대하여, 0.025s-1의 변형률 속도로 인가된 응력을 제거시킬 때, 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도변화량(ΔT, 각각 ΔT1, ΔTf)을 측정한다. 서로 다른 두 시편에 인가된 응력을 제거할 때, 온도변화량(ΔTf) 값은 온도변화량(ΔT1) 값의 80% 이상이다. 반면에, 종래의 NiTi 합금의 경우, 27회 주기를 반복하였을 때 감소된 온도변화량(ΔT) 값은, 기계적 훈련을 완료한 시편의 온도변화량(ΔT1) 값의 약 40% 이다. 즉, 본 발명의 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 초탄성 특성을 가지는 물질은 종래의 NiTi 합금 보다 수명특성이 2배이상 증가한다.Stress applied at a strain rate of 0.025s -1 for specimens after mechanical training (After training) and specimens (After 5,000 cycles) after repeating the first step (S10) and the second step (S30) 5,000 times. When removing, the amount of temperature change (ΔT, ΔT 1 , ΔT f ) of the material having superelastic properties is measured. When removing stresses applied to two different specimens, the temperature change amount ΔT f is greater than 80% of the temperature change amount ΔT 1 . On the other hand, in the case of the conventional NiTi alloy, the temperature change amount ΔT decreased after 27 cycles is about 40% of the value of the temperature change ΔT 1 of the specimen after mechanical training. That is, the material having superelastic properties including nickel (Ni), titanium (Ti), and vanadium (V) of the present invention has a lifespan characteristic that is increased by two times or more than a conventional NiTi alloy.

초탄성Superelastic 물질을 이용한 냉각시스템 Material Cooling System

다음으로, 본 발명의 초탄성 특성을 가지는 물질을 이용한 냉각시스템에 대하여 설명한다.Next, a cooling system using a material having superelastic properties of the present invention will be described.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 초탄성 특성을 가지는 물질을 이용한 냉각시스템은, 냉동 공간, 전달 받은 열을 외부로 방출하는 히트 싱크(Heat sink) 및 열을 냉동 공간에서 히트 싱크로 방열하는 재생기를 포함하고, 재생기는 초탄성 특성을 가지는 고체냉각재료를 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a cooling system using a material having superelastic properties includes a refrigerating space, a heat sink that radiates the received heat to the outside, and a regenerator that radiates heat from the refrigerating space to the heat sink. The regenerator may include a solid cooling material having superelastic properties.

히트 싱크는 냉각시스템에 있어서 높은 수준의 온도를 유지하고, 냉동 공간은 낮은 수준의 온도를 유지한다. 재생기는 히트 싱크와 냉동 공간 사이에서 열을 전달하는 역할을 하며, 바람직하게는 히트 싱크와 냉동 공간에 직접적으로 연결될 수 있다. The heat sink maintains a high level of temperature in the cooling system and the freezing space maintains a low level of temperature. The regenerator serves to transfer heat between the heat sink and the freezing space, and may preferably be directly connected to the heat sink and the freezing space.

재생기는, 니켈, 티타늄 및 바나듐을 포함하는 초탄성 특성을 가지는 고체냉각재료를 포함할 수 있다. 고체냉각재료는, 종래의 증기를 이용한 냉각시스템과는 달리, 고체-고체 상전이를 이용한 냉각시스템을 제공할 수 있다. 이는, 공간적으로 효율이 좋아 시스템의 소형화가 가능하고, 환경적인 영향이 작으며 전력소모가 적은 효과가 있다.The regenerator may comprise a solid cooling material having superelastic properties including nickel, titanium and vanadium. The solid cooling material may provide a cooling system using a solid-solid phase transition, unlike a cooling system using a conventional steam. It is possible to miniaturize the system because of its high spatial efficiency, and has the effect of small environmental impact and low power consumption.

고체냉각재료는, 응력이 인가되면 히트 싱크로 열을 방출하고, 응력이 제거되는 경우 냉동 공간에서 열을 흡수할 수 있다. 고체냉각재료를 포함한 재생기에 응력이 인가되면, 초탄성 특성을 가지는 고체냉각재료는 온도가 올라간다. 이때, 발생하는 열을 히트 싱크로 방출한다. 이후, 응력이 제거되는 경우, 초탄성 특성을 가지는 고체냉각재료는 온도가 내려간다. 이때, 냉동 공간에서 발생한 열을 고체냉각재료가 흡수한다. 따라서, 냉동 공간의 온도를 낮게 유지할 수 있다.The solid cooling material may release heat to the heat sink when stress is applied, and absorb heat in the freezing space when the stress is removed. When stress is applied to a regenerator including a solid cooling material, the temperature of the solid cooling material having superelastic properties rises. At this time, the generated heat is released to the heat sink. Then, when the stress is removed, the temperature of the solid cooling material having a superelastic property is lowered. At this time, the solid cooling material absorbs the heat generated in the freezing space. Therefore, the temperature of the freezing space can be kept low.

즉, 초탄성 특성을 가지는 고체냉각재료를 포함한 재생기는, 외부의 응력변화에 따라 온도가 변하고, 이를 히트 싱크와 냉동 공간으로 열을 전달하는 냉각시스템을 제공할 수 있다.That is, a regenerator including a solid cooling material having superelastic properties may provide a cooling system in which a temperature changes according to an external stress change and transfers heat to a heat sink and a freezing space.

한편, 고체냉각재료가 응력이 인가되었을 ? 히트 싱크와 연결되어 열을 방출하고, 응력이 제거되었을 때 냉동 공간과 연결되어 열을 흡수할 수 있도록, 응력의 인가/제거에 따라 재생기의 히트 싱크/냉동 공간과의 연결 상태를 변경하는 수단을 더 포함할 수 있다.On the other hand, is the solid cooling material stressed? Means for changing the connection of the regenerator with the heat sink / freezing space in response to the application / removal of stress, so as to be connected to the heat sink to release heat and to be connected to the freezing space to absorb heat when the stress is removed. It may further include.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.Although the present invention has been illustrated and described with reference to the preferred embodiments as described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications may be made by those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Modifications and variations are possible. Such modifications and variations are intended to be within the scope of the invention and the appended claims.

Claims (9)

냉동 공간;
전달 받은 열을 외부로 방출하는 히트 싱크(Heat sink); 및
상기 열을 상기 냉동 공간에서 상기 히트 싱크로 방열하는 재생기;
를 포함하고,
상기 재생기는 초탄성 특성을 가지며 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 고체냉각재료를 포함하며,
상기 고체냉각재료는, 상기 니켈이 50 내지 51.5 원자부(at.%), 상기 바나듐이 4.5 내지 6.0 원자부(at.%), 상기 티타늄이 잔부를 구성하는, 냉각 시스템.Freezing space;
A heat sink that radiates the received heat to the outside; And
A regenerator for radiating the heat from the refrigeration space to the heat sink;
Including,
The regenerator has a superelastic property and includes a solid cooling material including nickel (Ni), titanium (Ti) and vanadium (V),
The solid cooling material is 50 to 51.5 atomic parts (at.%) Of nickel, 4.5 to 6.0 atomic parts (at.%) Of vanadium, and the titanium constitutes the remainder. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 재생기의 상기 고체냉각재료는, 응력(Stress)이 인가되는 경우, 상기 히트 싱크로 상기 열을 방출하고, 상기 응력이 제거되는 경우, 상기 냉동 공간에서 상기 열을 흡수하는, 냉각 시스템.The method of claim 1,
The solid cooling material of the regenerator releases the heat to the heat sink when stress is applied and absorbs the heat in the freezing space when the stress is removed. 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 포함하는 초탄성 특성을 가지는 물질에 있어서,
상기 초탄성 특성을 가지는 물질은,
상기 니켈은 50 내지 51.5 원자부(at.%),
상기 바나듐은 4.5 내지 6.0 원자부(at.%),
상기 티타늄이 잔부를 구성하고,
상기 초탄성 특성을 가지는 물질의 외부에서 인가되는 응력(stress)이 변할 때, 상기 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도가 변하는, 초탄성 특성을 가지는 물질.In a material having superelastic properties including nickel (Ni), titanium (Ti) and vanadium (V),
The material having the superelastic properties,
The nickel is 50 to 51.5 atomic parts (at.%),
The vanadium is 4.5 to 6.0 atomic parts (at.%),
The titanium constitutes the balance,
When the stress applied from the outside of the material having the super-elastic properties is changed, the temperature of the material having the super-elastic properties is changed, the material having a super-elastic properties. 제4항에 있어서,
상기 초탄성 특성을 가지는 물질은, 아르곤(Ar)분위기에서 아크멜팅법(Arcmelting)으로 제조되는, 초탄성 특성을 가지는 물질.The method of claim 4, wherein
The material having the superelastic property is a material having the superelastic property, which is manufactured by an arcmelting method in an argon (Ar) atmosphere. 제4항에 있어서,
상기 초탄성 특성을 가지는 물질은, 상기 응력이 인가되는 제1 단계에 의해 상기 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도가 증가하고, 상기 응력이 제거되는 제2 단계에 의해 상기 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도가 내려가는, 초탄성 특성을 가지는 물질.The method of claim 4, wherein
The material having the superelastic properties may be obtained by increasing the temperature of the material having the superelastic properties by the first step of applying the stress and of the material having the superelastic properties by the second step of removing the stress. A material with superelastic properties that decreases in temperature. 제4항에 있어서,
상기 초탄성 특성을 가지는 물질은, 하기의 [식 1]에 따른 탄성열량의 강도(Strength of elastocaloric, Strength of EC)의 값이 적어도 50℃·GPa-1인, 초탄성 특성을 가지는 물질.
[식 1]
Strength of EC = |ΔT/Δσ|
(여기서, ΔT는 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도변화량(Temperature, ℃), Δσ는 인가된 응력의 변화(GPa))The method of claim 4, wherein
The material having the superelastic property is a material having a superelastic property, the value of the strength of elasticity (Strength of elastocaloric, Strength of EC) according to the following [Equation 1] at least 50 ℃ GPa- 1 .
[Equation 1]
Strength of EC = | ΔT / Δσ |
Where ΔT is the temperature change of the material having superelastic properties (Temperature, ° C) and Δσ is the change in applied stress (GPa)) 제4항에 있어서,
상기 초탄성 특성을 가지는 물질은, 하기의 [식 2]에 따른 효율(Coefficient of performance, COP)의 값이 적어도 22.5인, 초탄성 특성을 가지는 물질.
[식 2]
COP = ΔQ/ΔW
(여기서, ΔQ는 초탄성 특성을 가지는 물질의 발열량(Extracted heat, J), ΔW는 초탄성 특성을 가지는 물질에 인가된 일(Work, J))The method of claim 4, wherein
The material having the superelastic property is a material having the superelastic property, the value of the efficiency (Coefficient of performance, COP) according to the following [Formula 2] is at least 22.5.
[Equation 2]
COP = ΔQ / ΔW
Where ΔQ is the exothermic heat of the material having superelastic properties (J), and ΔW is the work applied to the material having superelastic properties (Work, J). 제6항에 있어서,
상기 초탄성 특성을 가지는 물질은, 상기 제1 단계 및 상기 제2 단계를 적어도 5,000회 반복한 후의 상기 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도변화량(ΔTf)과, 상기 제1 단계 및 상기 제2 단계를 각각 최초로 반복하였을 때 상기 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도변화량(ΔT1)이 하기의 [식 3]을 만족하는, 초탄성 특성을 가지는 물질.
[식 3]
0.8*ΔT1 ≤ ΔTf ≤ ΔT1
(여기서, ΔT1는 제1 단계 및 제2 단계를 각각 최초로 반복하였을 때 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도변화량(Temperature, ℃), ΔTf는 제1 단계 및 제2 단계를 각각 적어도 5,000회 반복하였을 때 초탄성 특성을 가지는 물질의 온도변화량(Temperature, ℃))The method of claim 6,
The material having the superelastic properties may include a temperature change amount ΔT f of the material having the superelastic properties after repeating the first and second steps at least 5,000 times, and the first and second steps. When the first iteration for each of the first time the amount of change of temperature (ΔT 1 ) of the material having the superelastic properties satisfy the following [Equation 3], the material having the superelastic properties.
[Equation 3]
0.8 * ΔT 1 ≤ ΔT f ≤ ΔT 1
(Wherein ΔT 1 is the temperature change (Temperature, ° C) of the material having superelastic properties when the first and second steps are respectively repeated for the first time, and ΔT f repeats the first and second steps at least 5,000 times, respectively) Temperature change of the material having superelastic properties (Temperature, ℃))
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