KR20160081890A

KR20160081890A - 에너지 회수 장치

Info

Publication number: KR20160081890A
Application number: KR1020167000755A
Authority: KR
Inventors: 배리 쿨렌; 로난 바이른
Original assignee: 엑서진 엘티디
Priority date: 2013-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2016-07-08
Also published as: CA2915696A1; GB201310512D0; US20160208783A1; CN105452656A; WO2014198934A3; WO2014198934A2; MX2015017196A; ZA201509058B; AU2014280038A1; BR112015031108A2; EP3008337A2

Abstract

본 발명은 SMA 코어 또는 물질을 포함한 에너지 회수 장치의 많은 실시양태를 제공한다. 본 발명은 닫힌 체임버 내의 SMA 코어와 이와 연결된 피스톤 헤드 수축의 결과로서 부피 감소로 야기되는 압력 펄스의 문제를 해결한다. 또한 본 발명은 최소한 요소를 부가하여 이 문제를 효과적으로 처리하는 다양한 해결책을 제시한다.

Description

에너지 회수 장치{Pressure Relief System and Method in an Energy Recovery Device}

본 발명은 형상기억합금(SMA)을 사용한 에너지 회수 기술에 관한 것이다.

일반적으로 100℃ 이하의 저급 열은 산업분야, 발전과 운송 분야에서 버려지는 중요한 부분이다. 이러한 폐기되는 부분의 회수와 재사용은 바람직하다. 이런 목적으로 제안되는 기술의 예는 열전기 발전[Thermoelectric Generator (TEG)]이다. 하지만 열전기 발전 기술은 고가이다. 이러한 폐기 에너지를 회수하는 다른 실험적 시도는 형상기억합금의 사용이다.

형상기억합금은 원래의 냉간 가공 형상에서 한번 변형된 후에 열을 가하면 원래의 형상으로 돌아가는 원래의 형상을 기억하는 합금이다. 이러한 물질은 유압, 공압과 모터 기반 장치와 같은 전통적 작동기(actuator)에 대한 경량화, 고형화로의 대안이다.

세가지 주요 형상기억합금은 구리-아연-알루미늄-니켈, 구리-알루미늄-니켈과 니켈-티타늄 합금이지만 아연, 구리, 금과 철을 합금하여도 얻을 수 있다.

이러한 물질의 기억 메커니즘은 1970년대 초반부터 열회수 공정, 특히 열에서 운동으로 에너지를 회수하는 SMA 엔진으로의 사용이 적용되거나 제안되었다.

제1형은 크랭크 엔진 형으로 미국 특허 US468372가 일례로 SMA 작동기의 왕복 선형 운동을 작동기를 출력 축에 편심 연결함으로써 연속 회전운동으로 변환시킨다. 그 작동기는 때로는 확장 스프링을 형성하도록 배치된다. 어떤 배치는 크랭크를 기계적 한계 위치까지 구동하기 위하여 플라이휠을 요한다. 관련된 형태는 스와시 플레이트 엔진(Swash Plate Engine)으로 이는 회전축이 크랭크에서는 수직인 반면에 작용 힘 방향에 수직이란 점을 제외하고는 크랭크와 유사하다.

제2형은 풀리 엔진 형으로 미국특허 US4010612가 일례이다. 풀리 엔진에서는 연속 벨트의 SMA 와이어는 구동 메커니즘으로 사용된다. 이 풀리 엔진은 동기화되거나 비동기화될 수 있다. 비동기화 엔진에서는 풀리는 서로에 대해 독립적으로 자유롭게 회전한다. 다른 요소와는 유일한 연결은 와이어 루프와의 구름 접촉이다. 대조적으로, 동기화 엔진에서는 풀리는 서로 고정된 관계로 회전하도록 구속된다. 동기화라는 말은 두 개의 축이 동일한 속도로 상대적인 위치를 유지할 때 흔히 사용된다.

제3형의 SMA 엔진은 필드 엔진 형으로 미국특허 US4027479가 일례이다. 이 유형에서는 엔진이 중력장 또는 자력장의 힘에 대하여 작동한다.

제4형의 SMA 엔진은 필드 엔진 형으로 미국특허 US4434618가 일례인 왕복동 SMA 엔진이다.

제5형의 SMA 엔진은 필드 엔진 형으로 미국특허 US4938026가 일례인 시?셜 SMA 엔진이다. 시?셜 엔진은 강력한 작은 스텝으로 움직여 총합이 상당한 변이에 이르는 엔진이다. 이는 자벌레 처럼 작동하는데 전부가 작은 스텝으로 뻗고 후부가 뒤따르며 후부가 근접하면 전부가 다시 뻗는다.

제6형의 SMA 엔진은 콘트라베스 이탈리아나 에스피에이(Contraves Italiana S.p.A.)에 양도된 미국특허 US5,150,770A에 나타나 있는 데 스프링 작용 재충전 장치를 게시하고 있다. 상기 콘트라베스의 장치는 두 가지 문제점이 있는 데 하나는 왕복동 방법으로는 신속히 재충전하기가 어렵다는 것과 두 번째로 손실 없이 에너지를 변속장치에 방출하는 것이 어렵다는 것이다.

제7형의 SMA 엔진은 브리즈웨이 오스트랄리아 프티 리미티드(Australia Pty Limited )에 양도된 미국특허공개 US2007/261307A에 나타나 있는 데 자동 윈도우 시스템의 에너지 회수 충전 시스템을 게시하고 있다. 브리즈웨이 기술은 축압기에 유체를 펌핑하는 데 사용되는 피스톤에 연계된 SMA 와이어를 개시하고 있다. 그 피스톤은 SMA 와이어가 수축하거나 확장함에 따라 연결되어 운동한다.

제8형의 SMA 엔진은 제너럴 모터즈 코포레이션(General Motors Corporation ) 에 양도된 미국특허공개 US2008/0034749A에 나타나 있는 데 변조된 운동을 갖는 능동형 물질 작동기(actuator)를 개시하고 있다.

이러한 SMA 엔진에서 난제는 SMA 물질의 주기이다. SMA 물질은 일반적으로 비교적 늦게(10's of RPM) 확장, 수축한다. 유용한 산업 적용을 위한 가치 있는 왕복동 운동의 주기(100's to 1000's of RPM)를 달성하는 것이 매우 어려운 문제로 남아 있다. 이는 사소한 문제가 아니고 복합적인 문제이고 주요한 기생적 출력 손실을 수반한다. 장치 내의 다른 문제점은 SMA 물질의 왕복동 운동은 압력 차등, 압력 펄스를 유발하고 가열 코어의 수축과 냉각 코어의 최대 확장을 방해한다.

본 발명의 목적은 상기의 문제점 중 적어도 하나를 해결하기 위한 것이다.

본 발명은 닫힌 체임버 내의 SMA 와이어와 이에 연결된 피스톤 헤드의 수축의 결과인 부피 축소에 기인한 압력 펄스 문제를 해결하기 위한 것이다. 본 발명은 최소한의 부가 구성으로 이러한 문제를 해결하기 위한 단순하고 효과적인 방법을 제공한다.

유체 이동 방압 실시양태

본 발명은 하나의 실시양태로서,

구동 메커니즘의 일단에 고정되고 타단에 연결된 길다란 SMA 물질을 포함하는 제1 SMA 엔진;

상기 제1 SMA 엔진을 수용하고 상기 제1 SMA 엔진을 가열하고/하거나 냉각하도록 유체가 순차적으로 채워지는 제1 체임버;

상기 구동 메커니즘의 일단에 고정되고 타단에 연결된 길다란 SMA 물질을 포함하는 제2 SMA 엔진; 및

상기 제2 SMA 엔진을 수용하고 상기 제2 SMA 엔진을 가열하고/하거나 냉각하도록 유체가 순차적으로 채워지는 제2 체임버를 포함하고 제1 코어와 제2 코어가 서로 유체적으로 연통되는 에너지 회수 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 다른 실시양태로서,

제1 SMA 코어를 가열하고/하거나 냉각하기 위하여 유체가 순차적으로 채워지는 제1 체임버 내에 수용되는 제1 SMA 코어;와

제2 SMA 코어를 가열하고/하거나 냉각하기 위하여 유체가 순차적으로 채워지는 제2 체임버 내에 수용되는 제2 SMA 코어를 포함하고 상기 제1 코어와 상기 제2 코어가 서로 유체적으로 연통되는 에너지 회수 장치를 제공한다.

하나 이상의 코어가 연결되어 변이된 부피의 물이 인접된 복수의 실린더에 전달되도록 할 수 있다는 것은 쉽게 이해할 수 있다.

이러한 시스템은 가열 코어의 방해 받지 않는 완전한 수축과 동시에 가열 코어에서 이전되는 부가 매스의 도움을 받아 냉각 코어의 완전한 팽창을 가능하게 하는 목적으로 유체 매스의 이웃 실린더 사이로의 전달을 허용한다.

유압 방압 실시양태

또한 본 발명은 하나의 실시양태로서,

SMA 코어를 가열하고/하거나 냉각하기 위하여 유체가 순차적으로 채워지는 제1 체임버 내에 수용되는 SMA 코어; 및 스프링과 같은 바이어스 수단을 포함하는 부가 체임버를 포함하고 상기 제1 체임버 내의 SMA 코어 상에서 상기 바이어스 수단이 유체를 상기 부가 체임버 내로 흐르도록 하는 에너지 회수 장치를 제공한다.

하나의 실시양태에서, 상기 바이어스 수단은 유압 피스톤을 포함한다.

본 발명은 닫힌 체임버 내의 SMA 와이어와 이와 연결된 피스톤 헤드의 수축으로 야기된 용량 감소로 인한 압력 펄스 문제를 해결한다. 본 발명은 최소의 부가 구성으로 이러한 문제를 제거하는 단순하고 효과적인 방법을 제공한다.

본 발명은 압력 펄스로부터 일을 생산하는 방법을 제공한다. 이는 시스템의 출력에 기여하거나 또는 밸브 기구를 작동하거나 달리는 유용한 부가적 파워를 제공한다. 어떤 선택도 시스템의 효율에 기여한다.

축열기 유체 교환 실시양태

본 발명의 한 실시양태에서,

상기 제2 SMA 엔진을 수용하고 상기 제2 SMA 엔진을 가열하고/하거나 냉각하도록 유체가 순차적으로 채워지는 제2 체임버를 포함하고 제1 코어와 제2 코어가 축열식 열교환기를 통하여 서로 유체적으로 연통되는 에너지 회수 장치를 제공한다.

축열식 열교환기는 변이되는 물로부터 열을 저장하게 하고 사이클의 후반에 활용될 수 있다. 이러한 열은 사이클의 후반에 물이 복귀할 때 물에 의하여 수집된다. 이러한 방법으로 효율이 개선된다.

본 발명은 작업 코어 간의 축열식 열 교환기 사용을 통하여 폐기되는 열의 최대 사용을 허용하면서 SMA 코어 열 엔진 방식에서 바람직하지 않는 압력 펄스를 상쇄하게 한다.

부피 교환 방압 실시양태

본 발명의 한 실시양태에서,

구동 장치의 일단에 고정되고 타단에 연결된 길다란 SMA 물질을 포함하는 제1 SMA 엔진;

구동 메커니즘의 일단에 고정되고 타단에 연결된 길다란 SMA 물질을 포함하는 제2 SMA 엔진; 및

상기 제2 SMA 엔진을 수용하고 상기 제2 SMA 엔진을 가열하고/하거나 냉각하도록 유체가 순차적으로 채워지는 제2 체임버를 포함하고 제1 코어와 제2 코어가 인접한 피스톤과 유압라인을 통하여 서로 유체적으로 연통되는 에너지 회수 장치를 제공한다.

본 발명은 닫힌 체임버 내의 SMA 와이어와 이와 연결된 피스톤 헤드의 수축으로 야기된 부피 감소로 인한 압력 펄스 문제를 해결한다. 본 발명은 최소의 부가 구성으로 이러한 문제를 제거하는 단순하고 효과적인 방법을 제공한다.

이러한 시스템은 가열 코어가 냉각되는 코어에 부피 변이를 전달하면서 코어 간 상호작용을 허용한다. 이러한 작용은 냉각 코어의 피스톤을 더 낮추는 데 일조를 하고 따라서 요구되는 이완력을 감소시킨다.

기계적 부피 교환 실시양태

본 발명의 한 실시양태에서,

상기 구동 장치의 일단에 고정되고 타단에 연결된 길다란 SMA 물질을 포함하는 제2 SMA 엔진; 및

상기 제2 SMA 엔진을 수용하고 상기 제2 SMA 엔진을 가열하고/하거나 냉각하도록 유체가 순차적으로 채워지는 제2 체임버를 포함하고 제1 코어와 제2 코어 간에 피스톤 연결을 통하여 각각의 코어에서 일정 부피가 유지되는 에너지 회수 장치를 제공한다.

일 실시양태에서 피스톤의 운동은 피스톤과 작업 피스톤 사이의 기계적 연결로서 조절된다.

본 발명은 또한 작동 유체를 통한 유압식 연결을 사용하여 압력 펄스 문제를 제거한다. 이러한 방법은 급격한 압력 변동을 감내할 수는 없지만 압력 펄스를 시스템 내의 다른 압력 용기와 나눈다. 기계적 연결은 항상 일정한 볼륨을 유지하므로 이러한 문제가 발생하지 않느다.

본 발명은 또한 개별 코어가 시스템 내의 다른 코어와 독립적으로 압력 조절을 하는 메커니즘의 방압 방법과 비교하여 요구되는 자원을 감소시킨다. 시스템 내의 각 2개의 코어에 대하여 하나의 방압 구조가 요구되기 때문에 기계적 용량 교환방식의 이점을 대변한다.

본 발명의 한 실시양태에서 시스템은 연계된 코어 내에 유체를 구획하여 뜨거운 유체와 찬 유체의 혼합을 억제하도록 한다. 이러한 제안은 다른 온도의 유체가 혼합되면 코어에 포함된 SMA 요소의 작용에 부정적인 효과를 미치기 때문에 유체의 교환이 일어나는 다른 방법에 비하여 유리하다. 다른 방법의 경우 가열 코어에 들어가는 찬(冷) 유체의 유입이 코어의 온도를 떨어뜨리고 상기 코어에 포함된 SMA 와이어를 완전하게 수축하는 데 걸리는 시간을 증가시킨다.

피스톤 축 방압 실시양태

발명의 한 실시양태로서,

체임버에 수용되고 SMA 코어의 가열과 냉각을 허용하도록 유체로 순차적으로 채워지는 SMA 코어; 및 상기 체임버 내에서 상기 SMA 코어에 연결된 이동 가능 피스톤을 포함하고 상기 피스톤은 하나의 확장 또는 수축의 길이에 대하여 SMA의 선형 또는 방사형 수축과 동일한 부피를 변이시키는 단면적을 가지는 축이 장착되는 에너지 회수 장치를 제공한다.

이러한 문제에 대한 일반적인 해결책은 압력 용기를 구비하는 것인데 이는 부가 요소를 더하는 것이고 비용을 부가시킨다. 구성에서 요구되는 피스톤 축을 사용함으로써 부가적 요소의 필요성이 없어진다.

기계적 방압 실시양태

본 발명의 한 실시양태에서,

체임버에 수용되고 SMA 코어의 가열 및/또는 냉각을 허용하도록 유체로 순차적으로 채워지는 SMA 코어; 및 상기 체임버 내에서 상기 SMA 코어에 연결된 이동 가능한 제1 피스톤; 및

상기 제1 피스톤과 비동기화 방식으로 작동하는 제2 피스톤을 포함하는 에너지 회수 장치가 제공된다.

본 발명은 또한 작동 유체를 통한 유압식 연결을 사용하여 압력 펄스 문제를 제거한다. 이러한 방법은 급격한 압력 변동을 감내할 수는 없지만 압력 펄스를 시스템 내의 다른 압력 용기와 나눈다. 기계적 연결은 이러한 문제를 포함하지 않는다.

본 발명은 닫힌 체임버 내의 SMA 와이어와 이에 연계된 피스톤 헤드의 수축의 결과인 부피 축소에 기인한 압력 펄스 문제를 최소한의 부가 구성으로 해결하였다.

본 발명은 실시양태를 도면을 참조하여 상세히 설명함으로써 보다 명확하게 이해될 것이다. 도면에서 알 수 있듯이 각 도면은 구성도, 다이야그람 또는 그래프이다. 적색은 가열 또는 온(溫)을 의미하고 청색은 냉각 또는 냉(冷)을 의미한다.
도1은 코어 내에서 부피 감소가 일어나는 것을 도시한다.
도2는 본 발명의 한 실시양태에서 2 코어 유체 이동 방압 메커니즘을 설명한다.
도3은 도2와 유사하지만 다수의 코어 유체 이동 방압 메커니즘을 설명한다.
도4는 냉각(a) 또는 가열(b) 동안 스프링 저항 방압 메커니즘의 작용을 설명한다.
도5는 냉각(a) 또는 가열(b) 동안 교대로 피스톤/스프링 배열 구조의 작용을 설명한다.
도6은 한 실시양태에 따라 피스톤과 방압 피스톤을 설명한다.
도7은 압축 스프링 작용 상태를 보여준다.
도8에는 (a) 피스톤이 냉각 시 낮아질 때 반대되는 마찰력이 반대되는 방향으로 작용함을 보이고 (b) SMA 수축 시에도 동일한 것이 보인다.
도9는 냉각(a) 또는 가열(b) 동안 파워를 생성하는 유압 요소의 작용을 설명한다.
도10은 방압을 위한 변속을 설명한다.
도11은 4-코어 시스템을 위한 방압 변속 어셈블리를 설명한다.
도12는 벨트 없는 4-코어 시스템의 방압 변속을 설명한다.
도13은 한 실시양태에 따라 요구되는 피스톤 복귀력의 지점을 설명한다.
도14는 한 실시양태에 따른 방압 시스템 구성도를 나타낸다.
도15는 별개의 유압 라인을 사용하는 자력 보조 피스톤의 작용을 설명한다. (a) SMA가 냉각될 때 주 피스톤과 보조 피스톤은 내려가며 유압 피스톤은 올라간다. (b) SMA가 가열될 때 수축하여 주 피스톤과 보조 피스톤은 상승하고 유압 피스톤을 아래로 민다.
도16은 SMA 와이어의 수축(좌측)과 하우징의 기본 구조(우측)를 설명한다.
도17과 18은 냉각(a)과 가열(b) 동안 방압 방식 B의 부피 작용을 설명한다.
도19는 본 발명의 일 실시양태에 따른 방압 시스템의 구성도이다.
도20은 아이들 코어(또는 버퍼 코어)를 구현하는 유체 교환 방식의 실시양태를 설명한다.
도21은 개별 코어의 가열 흐름 사이클을 도시하는 데 (a) 코어는 완전 냉각되고 막 가열 시작하려고 하며, (b) 냉(冷) 유체가 냉 출구를 통하여 아직 흐르고 있는(급배출) 와중에 냉 입구가 닫히고 코어는 가열을 시작하며, (c) 주 피스톤이 상승을 계속하는 동안 코어는 온(溫) 유체로 채워지고 온 출구는 열린다.
도22는 한 실시양태에 따른 축열기의 작용을 설명한다.
도23은 한 실시양태의 구동 적용에서 축열기의 온도 대 시간 곡선을 보여 준다.
도24는 2 방압 배열을 설명한다.
도25는 방압 적용을 설명한다. (a)에서 코어 A는 가열되고 변이된 부피를 코어 B로 전달하며, (b)에서 코어 B가 가열되고 변이된 부피는 코어 A에 전달한다.
도26은 가열과 냉각이 불균등한 사이클을 가지는 5-코어 시스템을 보여준다. 적색 코어는 가열 코어이고 청색은 냉각 코어를 나타낸다.
도27은 동일 시간의 가열 코어와 냉각 코어에서의 변이를 보여 준다.
도28은 단일 코어에서 하나의 가열 냉각 사이클 동안 부피 변화를 보여 준다.
도29는 다수 코어의 부피 변화를 보여 준다.
도30은 3-코어 시스템의 방압 작용을 설명한다. (a)에서 가열된 코어 C는 부피를 코어 A 와 코어 B와 교환하며, (b)에서 가열된 코어 A는 코어 B와 C와 교환하며, (c)에서 가열된 코어 B 는 코어 A 와 C와 교환한다.
도31은 5-코어 시스템의 가열/냉각 시?스를 설명한다.
도32는 방압 작용을 통한 코어 사이클을 설명한다.
도33은 교대 시스템 배열의 방압 작용을 설명한다.
도34는 방압 작용을 통한 코어 사이클을 설명한다.
도35는 평행한 피스톤 방압 작용을 보여 준다.
도36은 복합 마찰력 예를 보여 준다.
도37은 사용되는 유압 피스톤의 치수를 보여 준다.
도38은 본 발명의 일 실시양태에 따른 방압 셋업을 보여 준다.
도39는 본 발명의 일 실시양태에 따른 피스톤 방압 구성도를 보여 준다.
도40은 기계적으로 연결된 부피 교환 방압 작용을 보여 준다. (a)에서 코어 A는 냉각되었고 가열 시작을 준비하며, (b)에서 코어 A가 가열될 때 부피를 냉각되고 있는 코어 B에 전달한다.
도41은 코어 출구를 통한 기계적 부피 교환 방식의 실시양태를 설명한다.
도42는 코어 A의 냉각(a)과 가열(b) 동안 장치의 작용에서 일어나는 부피 변이와 코어 B에서 동시에 일어나는 반대의 변이를 보여 준다.
도43은 피스톤(1)과 로드 실링(2와 3)의 위치를 보여 준다.
도44는 본 발명의 일 실시양태에 따른 기계적 부피 교환 구성도를 보여 준다.
도45는 다중 부피 교환을 설명한다.
도46은 SMA 와이어와 피스톤 면적을 설명한다.
도47은 SMA 와이어의 수축을 설명한다.
도48은 방압 요소에서 존재하는 응력을 설명한다.
도49는 저항 마찰력을 설명한다.
도50은 본 발명의 일 실시양태에 따른 피스톤에 사용되는 실링을 보여 준다.
도51은 냉각(a)과 가열(b) 시에 기계적 연결로서 힌지를 사용하는 방압을 보여 준다.
도52는 냉각(a)과 가열(b) 동안 작업 유체를 사용하는 자력 보조 피스톤의 작용을 설명한다.
도53은 SMA 와이어 수축(좌)과 하우징의 기본 기하 구조(우)를 예시한다.
도54는 냉각(a)과 가열(b) 때 출력 변속을 구현하는 방압 방식의 작용을 설명한다.
도55는 본 발명의 일 실시양태에 따른 방압 변속을 설명한다.
도56은 압축 스프링의 작용 상태를 설명한다.
도57은 요구되는 피스톤 복귀력의 위치를 설명한다.
도58, 59와 60은 본 발명에 따른 다른 실시양태들의 구성도를 보여 준다.

저급 열을 기계적 일로 회수하고 변환하는 형상기억합금(SMA) 작동기는 엑서진 리미티드(Exergyn Limited)에 양도된 공개되지 않은 PCT/EP2012/074566에 자세히 설명되어 있고 여기 참고로 통합 기술되어 있다.

SMA 물질/코어가 본질적으로 도면을 참고하여 여기에 예시되지만 본 발명은 능동적 물질 또는 네거티브 열적 팽창(NTE) 물질로 알려진 일군의 물질에 적용될 수 있다. NTE 물질은 활성 신호, 이를 테면 전기, 자기, 열 또는 다른 형식의 활성 물질의 유사한 장에 반응하여 경직도, 모양 및/또는 치수의 변화를 시현하는 조성 물질을 포함한다. 바람직한 활성 물질은 형상물질과 이들의 조합에 제한되지 않는다. 때로 스마트 물질로 일컬어지는 일군의 활성 또는 NTE 물질로서 형상기억합금은 본래의 형상을 기억하여 외부 자극(즉 활성 신호)을 적용하여 본래의 형상으로 돌아가는 물질 또는 조성물이다.

유체 이동 방압 실시양태

SMA 활성 에너지 회수 장치의 한 문제는 압력 펄스다. 이러한 펄스는 SMA 와이어에 연결된 작업 피스톤의 운동에 의한 시스템의 부피 변화에 기인한다. 이러한 부피 변화는 비응축성 유체 즉 물일 때 시스템 내의 압력(

)을 변경하므로 심각하다. 이것은 큰 압력차를 야기하고 시스템 실패를 불러온다. 따라서 반드시 이 문제의 해결책이 있어야 한다.

펄스 문제는 시스템 코어 내의 작업 피스톤의 움직임으로 야기된 부피 변화로부터 일어난다. 이러한 코어의 작용 동안 작동 유체는 SMA 다발 위로 통과한다. 이러한 유체는 더운 흐름과 찬 흐름 사이에 순차적으로 변경되고 SMA 요소에 상 변화를 유도한다. 가열될 때 SMA요소는 수축하고 연결된 피스톤을 들어올리고 시스템의 용량은 감소하게 된다. 도1은 이런 작용을 설명한다. 피스톤이 상승하면 피스톤 헤드로부터 코어 출구까지의 거리가 z₁ to z₂로 감소하고 따라서 부피가 감소한다.

본 발명은 복수의 작업 코어를 연결하여 서로 직접 연통되도록 하여 이들 사이의 유체의 교환에 의한 부피 이송을 가능하게 하여 이러한 바람직하지 않은 압력 펄스를 극복한다. 이는 도2에 도시되어 있다.

가장 단순한 실시양태에서 두 개의 코어 1, 2는 유체 체임버가 채널 또는 연결통로 3으로 직접 연통되도록 연결되어 있다. 임의의 시점에 한 코어는 가열되고(더운 유체가 체임버를 통과하고 여기 장입된 SMA 요소는 가열되고 수축된다) 다른 코어는 냉각된다(즉 차가운 유체가 제2 체임버를 통과하고 장입된 SMA 요소는 냉각하고 팽창한다).

SMA 작동 요소가 가열되면 수축하고 작업 피스톤을 들어 올리고-조정 메커니즘이 없을 때는- 전체 체임버 부피를 감소시킨다. 이 경우에 유체가 액체인 경우, 비압축성이므로 시스템 압력은 증가한다.

동시에 인근 코어는 냉각되고 SMA 요소가 시초 길이와 부피로 팽창한다(베인 스트레인 (Bain strain) 이다).

코어가 냉각될 때 부피가 상응하는 유체 유입 없이 증가하면 시스템 내에서 음압이 형성될 수 있다.

유체는 주 유입(즉 시스템 입구)에 의하여 공급될 수 있지만 이는 시스템 압력이 유지되면 시스템 부피 흐름이 순간적으로 증가함을 내포한다. 따라서 일반적으로는 음압의 형성이 통상적이다.

또한, 가열 단계 동안 제거된 유체의 흐름은 시스템으로부터의 유체 흐름을 일시적으로 증가시킬 수 있지만 이는 통상적인 것이 아니다.

이러한 변이되는 유체를 수용하기 위하여 인근 코어를 채널3로 연결한다. 그러므로 하나의 코어1이 가열될 때 이는 유체의 부피를 제2 코어에 이동시키고 유체를 시스템 압력을 유지하는 쪽으로 수용한다.

본 발명에는 많은 시스템 변수가 있음을 이해할 것이다. 가장 관련성이 있는 것은 인접 코어에서 SMA 요소의 가열과 냉각 시간의 불일치가. 존재할 가능성이 있다. 이는 가열 코어로부터 변이되는 유체 부피가 냉각 코어에서 요구되는 부피와 동일하지 않아 완전한 압력 회복효과가 느껴지지 않는다는 것이다.

이를 극복하는 방법은 다수의 코어를 연결하여 가열 사이클에서 변이되는 여분의 유체 부피를 다수의 코어에 분배하는 방법이다. 이는 완전한 시스템 압력의 유지를 가능하게 한다. 연결되는 코어 수의 비율(즉 냉각 코어 대 가열 코어의 비율)은 가열 시간과 냉각 시간의 비율로서 직접적으로 정할 수 있다. 따라서,

여기서

은 냉각 코어의 수이고

은 가열 코어의 수이며

은 냉각 시간 대 가열 시간의 비율

이다.

비

는 항상 1의 배수가 아니라 단지 부분 크기의 코어가 필요하다고 이해될 수 있다. 이를 수용한 수단은 냉각 코어의 수가 다음 최대 자연수 배수 N_C로 정해지게 한다. 예를 들면, r _t =1.2이라면 N _C 는 반올림하여 6으로 정하는 것이 가능하다. 가열 단계를 완수하기 위하여 여분의 시간이 주어진다는 의미이면서 이러한 방식에 의하여 시스템 내에서 압력 펄스를 평활화하는 구조의 단순화와 충분한 시간을 확보한다.

유체 일부를 이웃 코어에 펌핑함으로써 수축하는 코어는 냉각 코어에 어떤 일을 하는 효과를 수행하고 본질적으로 복귀 스트로크에서 보조한다고 이해될 수 있다. 이는 SMA 요소가 시작 위치로 복귀하는 데 이완력이 필요할 때 유리하다. 유체 이송이 필요한 이완력을 제공하기 위한 모든 일을 수행하는 것으로 이해될 수 없지만(일반적으로 합금 일 능력의 20-30%) 다른 방식에 비하여 이완 메커니즘의 크기와 능력을 줄이는 효과의 보조 구조를 대변할 것이다.

유압 방압 실시양태

상기와 같이 펄스 문제는 시스템 내의 작업 피스톤의 운동으로 야기된 부피 변화에서 기인한다. 이러한 코어의 작동 중에 작동 유체는 일련의 SMA를 통과한다. 이러한 유체는 냉, 열간 사이에서 순차적으로 변경되고 SMA 성분의 상 변화를 유도한다. 가열 시 SMA 성분은 수축하고 연결된 피스톤을 들어올리고 따라서 시스템 내의 유체 부피의 감소가 이루어진다. 도1은 이를 설명한다, 피스톤이 올라갈 때 피스톤 헤드로부터 코어 출구까지의 거리는 z1 에서 z2로 감소하고 부피를 줄이게 된다.

압력 펄스 문제는 작동 유체의 운전 메커니즘을 사용하여 해결되었다. 적절한 변경으로 질량이 코어 사이로 이동하여 코어의 부피 증가를 가능케 하고 이는 올라가는 피스톤에 의하여 야기되는 변화를 보상하게 되는 것이다.

스프링 저항 피스톤 방식

이 방식의 이해를 돕기 위하여 아래 표와 같이 명명한다.

V	부피
V _P	주 피스톤 헤드에 의하여 변이되는 부피
V _H	유압 피스톤에 의하여 변이되는 부피
F	힘
F _i	스프링에 가해지는 최초 힘
F _f	스프링에 가해지는 최종 힘
F _H	역 방향 마찰력
F _P	압력 펄스에 의하여 가해지는 힘
P	압력
P _i	방압 피스톤에 가해지는 최초 압력
P _f	방압 피스톤에 가해지는 최초 압력
x	변이 또는 편차
x _h	유압 피스톤의 변이
x _p	주 피스톤의 변이
x _i	스프링의 최초 편차
x _f	스프링의 최종/최대 편차
x _d	압력 펄스에 의한 스프링 편차
d _h	방압 피스톤 헤드 직경
d _p	주 피스톤 헤드 직경
A	넓이
A _p	주 피스톤 면의 넓이
A _h	방압 피스톤 면의 넓이
k	스프링 상수

피스톤 하우징 내에 압축 스프링 저항 피스톤의 사용은 압력 펄스 문제의 해결책을 제시한다. 이러한 피스톤은 주 피스톤 헤드의 승강에 따른 부피 변화에 반작용하는 부피적 증가와 감소를 허용한다. 도4는 이러한 방식을 설명한다.

도4에 보이듯이 코어가 냉각될 때 방압 피스톤은 코어 내의 일정한 부피를 유지하면서 낮아진다. 똑같이 코어가 가열되고 주 피스톤이 상승하여 스프링 저항 피스톤 또한 올라가는 피스톤에 의한 감소 양 만큼 코어의 부피를 늘린다. 이는 압력 펄스에 의하여 창출되는 힘을 작동 매체를 통하여 이러한 스프링 구조에 전달함으로써 달성되는 것이다. 이의 다른 배치로서 피스톤 스프링 구조가 코어에 대하여 외부적으로 위치된 구조가 도5에 도시된다.

도5에는 주 피스톤에 의한 부피 변화(V_P)(냉각 시 증가하고 가열 시 줄어드는)는 피스톤과 스프링(V_h)의 역 방향 크기와 맞먹는다. 주 피스톤에 의하여 변경되는 부피는 SMA 와이어가 야기한 변화 가능 부피를 먼저 반영한 후에 일어난다. 메커니즘이 압력 증가를 제거하기 위해서는 이러한 부피는 다음과 같은 관계를 가져야 한다.

방압 피스톤 헤드를 디자인하는 주 요소는 헤드의 단면적(Cross Sectional Area ;CSA)과 요구되는 편향 수준이다. 이 둘은 편향과 SMA 작용 피스톤 헤드의 변이된 부피이다. 도6을 참조한다.

먼저, 주 피스톤 헤드에 의하여 변이되는 부피 값 V_p를 결정해야 한다. 이는 피스톤 페이스 면적 A_p과 그의 편향 x_p 을 사용하는 아래의 실린더 부피 공식에 의하여 얻어진다.

이는 상승하는 피스톤의 부피 변화일 뿐 항상 반대 값을 갖는 SMA 와이어 수축을 포함하지는 않는다. 따라서 변이되는 실제 부피 V_A 다음 식과 같다.

여기서 V_SMA 는 SMA에 의하여 야기된 부피 변화이다.

다시 한번 실린더 부피 식을 이용하여 방압 피스톤 헤드의 치수가 허용되는 편향 값이나 피스톤 페이스 면적으로 얻어진다. 이러한 방법은 모터바이크 주 실린더 유압 라인에 사용하기 위하여 피스톤 헤드를 디자인할 때 적용될 수 있다. 이러한 장치에서 대략 10mm 허용 운동이 있다. 변이되는 부피가 상기와 같이 이미 계산되었다면 편향 값은 알려졌으므로 다음 절차는 피스톤 페이스 면적을 결정하는 것이다.

이 식에 대입되는 값 x _h 또는 d _h 는 유압 피스톤이 기하학적 제한으로 움직일 수 있는 범위 또는 표준 피스톤이 사용되는 것과 같이 피스톤 직경이 고정된 경우에 의하여 결정된다. 또는 마찰 효과가 최소화되도록 이런 변수의 이상 값을 얻는 것 또한 가능하다.

장치의 디자인에 있어서, 스프링의 강도와 구조도 고려돼야 한다. 장치가 상기 코어로부터 돌출되는 경우는 허용되는 편향 값은 코어 둘레의 가능한 공간에 의하여 정해질 수 있다. 반대로 피스톤 페이스 크기가 코어 구조에 의하여 제한 받는 경우도 있어 이때는 편향 값은 유사한 맥락에서 정해진다. 도7는 작동 중 압축 스프링을 도시한다.

도7에 보이 듯이 스프링은 3 상태 즉 자유 길이, 전 부하와 최대 일 하중 중 하나로 나타낼 수 있다. 자유 길이는 구동이 '스위치 온' 되기 전 하중이 안 걸린 상태의 스프링 길이이다. 전 부하 길이 또는 장착 길이는 구동이 온 되고 작업 하중이 안 걸렸을 때 길이이다. 이는 시스템이 작동 압력(≒2 Bar)에 놓일 때 관찰될 수 있는 상태이다. 최종적으로는 최대 일 하중일 때 스프링은 작동 길이로 감소할 것이다. 이는 SMA 가열 동안 주 피스톤이 꼭지에 닿을 때 길이이고 압력은 전보다 커질 것이다(>2 Bar). 그러므로 스프링 최대 편향은 압력 펄스에 의한 길이에 더하여 초기 2 Bar 조건을 실행할 수 있는 총 편향으로 결론지어 진다. 그것은 다음 수학 식으로 결정될 수 있다.

스프링 계산의 실례

훅크의 법칙을 사용하여 요구되는 전체 편향을 허용하는 스프링을 결정하기 위하여 사용되는 스프링 상수를 정의할 수 있다. 훅크의 법칙은 다음 식으로 표시된다;

스프링의 주된 기능은 피스톤 페이스에 기반하여 특정 부피를 변이하는 것이기에 피스톤에 대한 요구 변위에 기하여 스프링 상수(k)의 올바른 값을 결정하는 것이 필요하다. 이는 다음과 같이 하여 달성된다.

1. 초기와 최대 부하에서 피스톤 페이스에 작용하는 힘을 결정한다.

a. 시스템 압력 P_i 에 의하여 야기되는 초기 힘 F_i을 결정하고;

b. 압력 펄스 P_f가 일어난 후 피스톤에 작용하는 힘 F_f을 결정한다.

2. 훅크 법칙에 기반하여 F_f 과 F_i 값을 사용하고 스프링 경직도 k를 결정하 기 위하여 다음 식을 사용한다;

[1]

[2]

a. 식1은 다음과 같고;

b. 식2는 다음과 같이 표시되는 데 최종 편향 x_f는 최초편향과 압력 펄스 x_d 에 의하여 야기된 편향의 총화이다.

최초 변이 x_i 를 구하기 위하여 식1의 k 를 식2에 대입한다. 이는 다시 k값을 구하기 위하여 사용된다. 식2는 다음 식과 같이 된다.

3. 초기 편향 값을 사용하여 식1에 대입하여 요구하는 스프링 상수를 구할 수 있다.

4. 요구되는 스프링은 시판되는 스프링을 조사하여 스프링 상수를 갖도록 디 자인 할 수 있으며 전체 스프링의 편향을 고려하여 적합한 스프링을 결정할 수 있다.

마찰 분석

이러한 압력 조절 방법이 작동 중에 발생할 수 있는 문제는 마찰의 존재와 연계된다. 이는 피스톤과 하우징 사이 더 상세하게는 피스톤 실링과 하우징 벽과의 사이의 기계적 마찰에 의하여 야기된다. 이러한 마찰력은 피스톤이 종주하는 움직임에 역행한다. 하지만 압력과 구동에 게재되는 요동은 비교적 크고(>2 Bar) 이러한 마찰력을 극복할 수 있다.

마찰력의 크기는 피스톤 실링 직경의 함수이다. 이는 직경이 클수록 접촉면이 크고 마찰력이 크다는 사실 때문이다. 그러므로 이 관계는 불필요한 힘의 존재를 감소시키려고 피스톤을 디자인할 때 고려되어야 한다. 도8은 작동 중 마찰력을 설명한다.

피스톤 헤드의 승강은 힘 F_p를 생성하고 방압 피스톤은 운동을 억제하는 역방향 마찰력 F_H을 생성한다. 이러한 설명을 사용하여 다음과 같이 언급될 수 있다. 주 피스톤 헤드는 다음과 같은 경우에 마찰력을 극복한다.

그러므로 F_p 는 부피를 피스톤 스프링 구조로 성공적으로 전달하기 위해서는 F_H 보다 커야 한다.

이러한 방압 장치 구조는 제한 되지 않지만 다음과 같은 요소를 필요로 한다.

1. 하나의 코어당 하나의 피스톤 헤드

2. 피스톤 당 실링

3. 코어 당 하나의 압축 스프링

4. 코어 당 하나의 피스톤/스프링 하우징

5. 장치를 장착하기 위한 하우징

유압 파워

압력 펄스로부터 파워를 얻는 구조이다. 이는 유압 라인 4를 변속과 연계하여 시스템 출력의 기여 또는 밸브 기구 작동을 포함하여 여러 가지 응용에 사용될 수 있다. 이 구조는 도9에 예시된 것처럼 피스톤2, 복귀 스프링3과 변속기1로 구성된다.

도9에 도시된 바와 같이 코어가 가열되고 피스톤은 상승하고 생성된 힘은 유압 피스톤 2를 아래로 밀고 이에 의하여 시스템의 부피를 적당량 증가시킨다. 이러한 작용은 코어 5에 존재하는 일정 부피로 되고 압력 펄스는 생성되지 않는다. 코어가 냉각되면 반대 작용이 일어난다. 주 피스톤이 하강하고 유압 방압 피스톤이 복귀 스프링 3에 존재에 의하여 상승하고 따라서 또 한 번 일정 압력을 유지한다.

유압 피스톤이 시스템의 가열 국면에서만이 일을 한다는 것을 주목해야 한다. 코어가 냉각될 때 스프락 기어와 같은 연결된 변속 요소는 관성 운동한다. 이는 이완기 동안 추가적 부하를 방해한다. 복수 코어 시스템에서는 모든 방압 피스톤은 동일 출력 축에 연이어서 연결된다. 이는 주 작업 피스톤에 의하여 생성되는 출력 패턴과 유사하다. 주 피스톤의 파워 스트로크가 서로 중복될 때 이 출력은 연속적이어야 한다. 그러므로 압력 펄스와 연계된 출력은 주 출력에 기여하거나 밸브를 작동시키는 데 사용될 수 있다.

도10에 나타난 바와 같이, 변속기는 스프락 기어, 캠 클러치, 벨트와 두 축으로 이루어진다. 스프락 기어의 목적은 일이 하나의 방향으로 짝 지워진 축으로 전달되며 다른 방향으로는 관성 운동하게 하는 것이다. 이에 따라 일이 코어가 가열될 때만 즉 압력 펄스가 일어날 때 수행된다. 캠 클러치는 일이 스프락 기어 축에서 출력 축으로 전달 되고 반대로는 안되도록 구비된다. 이는 다수 소스가 파워를 서로 영향 주지 않고 단일 축에 제공하도록 허용한다.

도11은 4개의 코어 A, B, C와 D로 구성된 조합이 도시되었다. 부가적으로 도12는 출력 축에 스프락 기어와 캠 클러치를 동심원으로 배치하고 벨트와 풀리를 제거함으로써 더 효율적이고 컴팩트한 조합을 보여 준다.

각 방압 피스톤은 전기한 바와 같이 페이스를 적절히 디자인하여 변경할 수 있다. 예를 들면 스무드하고 연속적 작용이 요구되는 밸브 기구와 같은 적용에는 보다 큰 스트로크가 바람직하다.

복귀 스프링의 존재로 압력 펄스에 의하여 형성되는 힘의 일부는 이 스프링을 압축하는 것이 필요하다. 이 힘을 복귀력이라고 한다. 그러므로 이 힘과 압력 펄스에 의하여 생성되는 실제 일을 결정하기 위하여 바람직한 스프링이 정의된다.

훅크의 법칙을 이용하여 스프링이 겪는 전체 편향을 허용하는 스프링 상수를 정하는 것이 가능하다. 훅크의 법칙은 다음 식으로 표시된다.

상기 식에서 F는 힘이고 k는 스프링 상수이며 x는 변이이다.

스프링의 주된 기능은 피스톤 페이스에 기반하여 특정 부피를 전이하는 것이기에 피스톤에 대한 요구 변위에 기하여 스프링 상수(k)의 올바른 값을 결정하는 것이 필요하다. 이는 다음과 같은 실시예에 의하여 달성된다.

적절한 치수의 스프링을 선택한다. 예를 들면, 리즈스프링(leesprings.com.)에서 공급하는 압축 스프링(LHC 250U 08M)이다. 이는 다른 스프링에 비해 높은 스트로크 길이 (70.8mm)와 높은 스프링 상수(18.87 N/mm)를 가진다. 높은 스프링 상수는 초기 상태에서 압축되고 압력 펄스 하에서 추가 압축되는 충분한 여지를 갖기 위하여 요구된다. 충분히 긴 스트로크도 초기 압력에 더하여 주 피스톤의 편향 길이(≒30mm)와 유사한 편향을 달성할 수 있어야 하기 때문에 필요하다. 이 스프링의 적합성은 하기와 같이 더 조사될 수 있다.

이 스프링의 전체 가능 스트로크 S_T는 70.8 mm이지만 사이클 중 스프링의 과압축에 의하여 스프링의 손상 가능성을 감안하면 줄여 잡아야 한다. 어떤 일의 경우 엘리스 노만에 의하여 참고된 스프링 크기 선정{Considerations for sizing springs | News content from Machine Design. Machine Design. [Online] 16 October 2012. [Cited: 9 May 2013.] http://machinedesign.com/news/considerations-sizing-springs}에 의하면 사이클 부하의 경우 전체 가용 스트로크의 85%를 잡는 것으로 제안한다. 그러므로 실제 가용 스트로크 S_A는 다음 식으로 나타낸다.

다음 단계는 시스템 압력 2 Bar (200kPa)의 P_i에서 야기되는 초기 전이를 결정하는 것이다. 단순하게 SMA 와이어의 부피 증가는 이 실시예에서 무시되었다. 방압 피스톤은 동일 스트로크에서 동일 용량의 유체를 변이하기 위하여 주 피스톤과 동일한 헤드 직경을 갖도록 하고 동일한 스프락 기어가 사용되도록 한다. 주 피스톤의 직경은 샘플 구동기의 감마 프로토타입에서 60mm를 갖도록 하였다. 이 시스템 파라미터를 고려하여 방압 피스톤에 가해지는 힘 F_i는 다음과 같이 결정된다.

여기서 A는 방압 피스톤의 페이스 면적이다.

이 힘은 이완 스프링의 최초 편향 x_i 을 결정하기 위하여 훅크 식에 대입될 수 있다;

이 실시예에서 SMA 수축 동안 주 피스톤과 방압 피스톤의 스트로크는 30mm이다. 그러므로 스프링이 겪어야 하는 전체 편향 x_f은 다음과 같다;

그러므로 이 스프링은 작동 스트로크 x_f가 S_A.보다 작고 사이클 내에서 요구되는 편향을 수용할 수 있으므로 적합하다고 할 수 있다.

최종 단계는 피스톤을 원래 위치로 복구시키는 데 필요한 힘 F_return을 결정하는 것이다. 이는 다시 훅크 식을 사용하여 결정한다. 이 힘은 도13에 표시되어 있다.

사용 가능한 일로 바꿀 수 있는 전체 힘 F_work은 다음과 같다;

실시 구성도

본 발명의 다른 실시예로서 방압 장치는 도14에 도시되어 있고 이에 제한되지는 않지만 다음 요소들을 필요로 한다.

1. 코어 당 방압 피스톤

2. 방압 피스톤 당 실링

3. 코어 당 코어를 피스톤에 연결하는 유압 라인

4. 연결점을 형성하는 피스톤 하우징 머시닝

5. 코어당 복귀 스프링

* 변속기

6. 코어 당 스프락 기어

7. 코어 당 캠 클러치

8. 출력 축

9. 도11 변속- 코어 당 풀리 벨트 또는

도12 변속-코어 당 기어-클러치 장착

자체-보조 피스톤

자체보조 피스톤은 압력 펄스 문제를 해결하는 피스톤 하우징(PH) 디자인의 실시양태이다. 이 방식은 메인 코어에서 주 피스톤으로 연결되는 유압라인으로 구성되는 데 적절한 단면적을 갖는 피스톤 헤드가 주 피스톤에 기계적으로 연결되어 있다. 이 배치에서는 상승하는 피스톤이 야기하는 부피 감소는 아래의 보조 피스톤에 의한 동일한 부피 증가로 상쇄되며 반대의 경우도 같다. 이는 피스톤에 의하여 분리된 별개의 유압 라인을 구비하는 것으로 도15에 잘 도시되어 있다. 이 그림으로부터 (a) SMA가 냉각할 때 주와 보조 피스톤이 내려가고 유압 피스톤이 올라가며 (b) SMA가 가열될 때 주와 보조 피스톤이 올라가고 유압 피스톤이 내려감을 알 수 있다.

도15를 보면 냉각 중에 주 피스톤이 내려갈 때 아래 보조 피스톤이 내려감으로써 주 코어와 주 피스톤 아래의 영역 사이의 용량 교환을 허용한다. 가열 시에는 반대 현상이 일어나 용량 변동이 없게 된다. 이는 압력 펄스 문제를 해결하고 주 피스톤 동작의 자유도를 크게 한다.

디자인 고려사항

이 방식의 중요한 디자인 고려 사항은 보조 피스톤이다. 이 요소의 페이스 표면 면적은 주 피스톤 헤드가 변이시키는 동일한 용량을 변이시키는 값을 갖는다. 그러므로 동일한 가용 스트로크를 가지며 일측의 변이량은 타측의 그것과 같다. 보조 피스톤의 정확한 페이스 면적을 페이스의 직경에 의하여 정하는 것은 여러 가지 요소를 고려하여 얻어진다. 이는 SMA 수축 효과를 고려한 후에 주 피스톤 헤드가 변이시키는 부피를 결정하여 수행된다. SMA 와이어는 축 방향과 방사형으로 수축하여 시스템 부피를 증가시킨다. 이 부피 변화는 상승하는 주 피스톤에 의한 부피 감소에 의하여 상쇄된다. 정확한 피스톤 크기를 결정하는 것은 하기와 같다.

SMA 와이어에 의한 수축은 베인 스트레인(Bain strain)에 의하여 야기된다. 이에 의하여 와이어가 모든 방향으로 수축한다. 와이어의 경우 수축은 선형과 방사형으로 일어난다. 이는 도16에 도시되어 있는데 와이어 길이는 L 에서 l 로 와이어 직경은 D 에서 d로 수축한다. 피스톤 하우징 메커니즘이 상기 도면에 또한 도시되었는데 직접 유압 라인이 2개의 피스톤 대신에 구비되었다.

피스톤 축의 바른 직경을 정하기 위하여 다음 절차에 따라야 한다.

1. 선형 수축으로 야기되는 용량 변화를 정한다;

a. 각 개별 와이어의 초기 CSA와 A₁을 정의한다;

여기서 D는 수축 전의 와이어 직경

b. 선형 수축에 의하여 변이된 부피 V₁를 계산한다.

여기서 L는 SMA 와이어의 수축 전 길이이고 l는 SMA 와이어의 수축 후 길이.

2. 방사형 수축으로 변이된 부피를 계산한다.

a. 방사형 수축의 단면적 A₂는 수축 전, 후의 와이어 단면적 차이이다;

여기서 d는 수축 후의 직경

b. 방사형 수축으로 변이된 부피 V₂;

3. SMA 와이어의 전체 부피 감소 V_T를 결정한다.

여기서 N은 번들로 된 SMA의 와이어

4. 주 피스톤에 의해 전이된 부피를 계산.

a. 한 스트로크 당 변이된 부피 x_P 를 정하고;

여기서 A_p는 주 피스톤 페이스의 표면적이고 d_P 는 주 피스톤 헤드의 직경이다.

b. SMA 수축에 의한 부피 보상을 반영하고 주 피스톤에 의하여 변이된 실질 볼륨 V_N, 을 결정한다.

5. 스트로크 당 요구되는 부피 V_A에 기반하여 적절한 보조 피스톤 헤드의 직 경을 정한다.

여기서 A_A 는 보조 피스톤의 페이스 면적이고 d_A 는 보조 피스톤 헤드의 직경이다.

유압 피스톤 방식 디자인 고려사항

도15 방식의 방압 피스톤 헤드를 디자인함에 있어서 주요 요소는 유압 피스톤 헤드의 단면적과 요구되는 편향의 수준이다. 이 요소들은 모두 편향과 주 SMA 발동 주 피스톤 헤드의 변이 부피의 함수이다. 도17의 시스템을 고려하라. 먼저 주 피스톤 헤드로 변이되는 부피 V_M을 정해야 한다. 이는 단순히 실린더 부피 식을 사용하여 얻어진다.

여기서 A_p 는 주 피스톤 헤드 페이스의 면적이고 x_p 는 이의 편향이다.

다시 실린더 부피 식을 사용하여 방압 피스톤 헤드의 치수가 그 요소의 허용되는 편향 x_h 또는 피스톤 페이스 직경 d_h가 알려지면 계산될 수 있다. 이 방법은 예를 들면 모터바이크 주 실린더 유압 라인에 사용하기 위하여 피스톤 헤드를 디자인할 때 적용될 수 있다. 이러한 장치에서 대략 10mm 허용 운동이 있다. 변이되는 부피가 상기와 같이 이미 계산되었다면 편향 값은 알려졌으므로 다음 절차는 A_h가 유압 피스톤 페이스의 면적으로 적절한 유압 피스톤 페이스 면적을 결정하는 것이다. 2개의 유압 방압 피스톤의 존재로 인하여 이들 각각이 변이하여야 하는 부피는 주 피스톤이 변이하는 부피의 반이다.

상기 식은 유압 피스톤의 운동가능 범위(시스템의 기하 구조로)로 피스톤 편향 x_h가 알려졌을 때 적합하다. 그 직경 값을 결정하는 것은 하기와 같으며 피스톤 헤드 직경이 고정될 때(가용한 표준 피스톤 부품에 기반하여) 적합하다. 또한 마찰 효과가 최소화되도록 이런 변수의 이상 값을 얻는 것 또한 가능하다.

도18에 보면 주 피스톤의 운동 범위(x _M)와 유압 피스톤의 운동 범위(x _h)가 다를 수 있으나 전체 부피 변이는 항상 일정(V_M and 2V_H) 하다. 이러한 관계는 유압 피스톤 헤드 직경이 알려진 경우 x_M과 x_h의 관계식을 얻는 데 사용될 수 있다.

도18로부터 알 수 있듯이 주 피스톤의 편향 x_P는 유압 피스톤의 편향 x_H는 다음과 같은 관계가 있다. 여기서 d_P는 주 피스톤의 직경이고 부피 코어에 대한 SMA 와이어의 효과 고려사항이 주어진다.

상기 관계는 유압 피스톤이 유발한 어떤 운동도 주 피스톤 운동의 결과이고 부피 변화는 서로 상쇄되어야 한다는 사실에서 얻어진다. 상기 부피 관계식은 주 피스톤 헤드에 의하여 변이되는 부피(V_M)와 보조 피스톤 헤드에 의하여 변이되는 부피가 동일해야 한다는 사실을 고려하여 얻어질 수 있다. 두 개의 유압 피스톤이 존재하므로 주 피스톤에 의하여 변이되는 부피는 이 두 피스톤에 똑 같이 분배된다. 이 피스톤들에 의한 전체 변이 부피는 주 피스톤에 의한 변이 부피와 동일하므로 부피가 피스톤 상과 하에서 서로 교환되게 되는 것이다. 전기한 바와 같이 이는 피스톤이 자기 보조를 하게 하여 자유도를 증가시킨다.

실시예 구성도

이 방압 장치는 도19에 도시된 바와 같이 이에 제한되지는 않지만 다음과 같은 요소를 필요로 한다.

방식 A

1. 코어 당 보조 피스톤

2. 코어 당 보조 피스톤 실링

3. 코어 당 코어를 보조 피스톤에 연결하는 유압 라인

4. 하우징 머시닝

5. (필요하다면) 코어 당 적절한 수의 유압 더블 헤드 피스톤

6. 유압 피스톤 당 2개의 실링

축열기 유체 교환 실시양태

전기한 바와 같이 펄스 문제는 시스템 코어에서 작업 피스톤의 운동으로 야기된 부피 변화에 기인한다. 코어의 작동 중에 작동 유체는 일련의 SMA 다발 위로 전달된다. 이 유체는 순차적으로 온과 냉으로 변경되고 SMA 성분의 상 변화를 유도한다. 가열될 때 SMA 성분은 수축하고 연결된 피스톤을 상승시키고 도1에 도시된 바와 같이 시스템의 부피를 감소시킨다. 피스톤이 상승할 때 피스톤 헤드와 코어 출구 사이의 거리가 z₁ 에서 z₂로 줄고 이는 부피를 감소시키는 것이다.

이 방식에서 발생할 수 있는 문제는 온 유체가 냉 유체로 이동하는 것이다. 이는 가열 코어와 냉각 코어 사이에 냉온이 활성화되지 않는 버퍼 코어를 필요로 한다. 이 코어는 가열 활성 코어로부터 가열된 유체를 수용하고 찬 유체를 냉각 활성 코어로 전달한다. 이러한 아이들 또는 버퍼 코어는 시스템의 크기, 비용과 손실을 부과하므로 바람직하지 않다. 따라서, 이러한 코어의 업무를 수행할 수 있는 컴팩트한 형태가 바람직하다. 도20에는 이러한 버퍼 코어를 구비한 유체 교환 방식을 보여 준다.

축열식 열교환기 또는 축열기가 좀 더 유체 흐름의 온도의 변화에 대응하는 현실적 방법이다. 축열기는 온(溫) 유체 흐름에서 추출된 열을 저장하는 데 사용된다. 본 발명에서는 아이들 코어 대신에 축열기를 사용할 수 있다.

축열기 작용

축열식 열 교환기는 일반적인 산업 구성요소이다. 이들은 또한 가열과 냉각 상태 사이의 저장된 열을 회수하여 전체 에너지 효율의 증가를 가져 오는 스털링 사이클 열 엔진의 중요한 요소이다.

발명에서 축열식 열 교환기가 열을 최적화하여 사용하도록 배치되는 실시예를 보여 준다. 축열식 적용의 주요 고려 사항은 시스템의 유체 전달 시?스이다. 이는 코어 사이의 온냉 흐름 사이의 스위칭을 포함한다. 유체 전달 조절 억제에 의하여 2개의 코어는 일정한 흐름 속도를 유지하기 위하여 반대되는 시?스로 작동해야 한다. 또한, 온 에서 냉으로 스위치될 때 온 유체가 냉 탱크로 흘러가는 것을 막기 위하여 코어 안의 유체를 급격히 비워버리는 것도 고려해야 하며 반대로도 또한 같다. 이는 코어로의 온 입구의 개방과 동일 코어에 대한 냉 출구로의 폐쇄(따라서 온 출구의 개방) 사이의 지연으로 귀결된다. 이는 코어의 냉각 사이클에서 출구에서 온에서 냉 흐름으로 전환하고 가열 사이클에서는 반대로 되게 된다. 이는 도21에 예시되어 있다.

도21은 개별 코어의 가열 사이클을 보여 주는데; (a) 코어는 완전히 냉각되고 가열을 시작하려 하고, (b) 냉 입구가 폐쇄될 때 코어는 가열되고 온 입구는 개방되고 냉 유체는 냉 출구로 아직 급배출되고 있으며 (c) 코어는 온 유체로 채워지고 작업 피스톤이 상승하면서 온 출구는 개방된다. 냉각 사이클의 경우도 또한 같다.

도21의 사이클을 고려하면, 축열기가 출구에 배치된다면 냉각 사이클에서는 냉에서 온 흐름을 겪고 가열 사이클에는 냉에서 온의 동일한 흐름 조건을 수행할 것이다. 도22는 2개의 반대 가열/냉각 사이클의 코어 사이에 연결되는 적용의 축열기 작용을 설명한다.

도22는 축열기의 작용을 설명하는 데; (a) 코어 B는 사이클의 종반을 향해 가면서 가열된 물을 코어 A로 보내고 코어 A가 냉 흐름에 참여할 때 열을 축열기에 보내면서, (b) 코어 A는 냉 유체를 축열기를 통하여 보내면서 가열을 시작하고 축열기는 코어 B로부터 급 배출되는 가열 유체를 만나서 냉 유체를 가열하며, (c) 축열기는 양 코어가 급배출할 때 열을 저장하고 가열된 흐름이 축열기를 통과한다.

상기 도시된 작용은 축열기가 효과적인 해결책을 제공함을 보여준다. 하지만 축열기가 이런 적용에 맞게 설계되어야 한다. 축열기는 주어진 시간(t_h)에 충분히 냉각할 수 있는 능력과 축열된 열을 주어진 시간(t_h) 냉수에 부가하여 가열시킬 수 있는 능력을 가져야 한다. 이러한 시간 주기는 다음과 같다;

여기서 t_flush 는 스위칭 동안 냉/온수를 급배출하는 데 걸리는 시간이고 t_cycle은 개별 냉/온 사이클 당 걸리는 시간이다.

열기의 열 흡수와 방출 능력과 수행에 충격을 주는 여러 인자들이 있다. 축열기를 만드는 재료와 길이도 그러한 인자이다. 도23은 도22의 축열기에서 1초 동안의 가열/냉각 사이클 시간의 예측된 온도-시간 수행 능력을 보여 준다.

도23은 본 발명의 한 실시양태에 따른 구동 적용에서 축열기의 온도 대 시간 커브를 설명한다.

그러나, 스털링 엔진과 같은 다른 열기관과는 달리 본 발명의 축열기는 작용 중 완전한 냉각과 가열 유체의 완전한 매스 플로우를 겪지 않는다(예를 들면 가열 냉각 물 흐름). 오히려, 사이클 내의 압력 펄스 동안 변이된 매스에 대응하여 전체 유량의 일부분만 축열기를 통하여 이전된다. 차이는 적절한 밸브 시스템을 통하여 배출된다.

부피 교환 방압 실시양태

도1에 언급한 바와 같이 펄스 문제는 시스템 코어 내에서 일하는 피스톤의 운동으로 야기된 부피 변화로부터 발생한다. 펄스 문제는 시스템 코어 내의 작업 피스톤의 움직임으로 야기된 부피 변화로부터 일어난다. 이러한 코어의 작용 동안 작동 유체는 SMA 다발 위로 통과한다. 이러한 유체는 더운 흐름과 찬 흐름 사이에 순차적으로 변경되고 SMA 요소에 상 변화를 유도한다. 가열될 때 SMA 요소는 수축하고 연결된 피스톤을 들어 올리고 시스템의 용량은 감소하게 된다. 이러한 펄스 문제는 인접한 피스톤 또는 코어 사이의 유압라인을 사용하여 해결할 수 있다. 이러한 연결은 변이된 부피를 이 코어들 사이에서 교환하고 압력 문제를 없앤다. 이러한 방식은 본 발명의 여러 실시양태에서 적용될 수 있다.

방압 작용

2개의 헤드를 갖는 피스톤 또는 유압라인이 있는 경우 부피 교환은 각 코어 사이의 연결에 의하여 이루어진다. 이는 가열 코어로부터 여분의 부피가 냉각 코어로 전달될 때 부피의 증가를 처리하여 압력이 해제된다. 이러한 연결은 코어 출구에 부착된다. 도24는 2개의 가능한 구조를 보여준다.

가장 단순한 시현으로는 온과 냉 흐름에 대한 대립하는 시?스로 작용하는 2개의 코어가 있을 때이다. 이러한 실시양태는 도25에 도시되어 있다. A 코어가 가열될 때 작업 피스톤 헤드는 상승하고 상기 코어 내의 부피는 감소하며, 반면에 냉각 시의 B 코어는 반대이다. 연결 방압 요소는 이를 가열 코어로부터 변이되는 부피를 냉각 코어의 하강 작업 피스톤을 보조하도록 변경하여 보상한다. 이러한 메커니즘은 코어가 일정한 부피와 동일한 압력을 경험한다는 것이다. 이러한 시?스는 코어 B가 가열하고 코어 A가 냉각할 때 반복된다.

상기의 작용은 반대되는 가열과 냉각 사이클을 갖는 2개의 코어로 된 복수의 블록을 구비하는 어떠한 시스템에도 적용된다. 그러나, 항상 그런 건 아니다. 가열시간과 냉각시간이 다른 경우이다. 이 경우에는 3개 이상의 코어가 동시에 작용하여 다른 코어가 다른 단계에서 가열되거나 냉각된다. 이 시스템의 작동 중 압력 펄스에 대해서는 시스템 내의 모든 코어를 방압 라인과 연결 즉 모든 코어 출구를 이 라인에 연결하여 대응 제거할 수 있다.

도26을 참조하면, 이러한 시스템은 가열시간과 냉각시간은 2:3의 비율을 가지므로 유체 전달 억제 조절로 정확하게 작동하는 다섯 개의 코어를 필요로 한다. 작동 SMA의 피로수명을 증가시키기 위하여 의도되는 아이들 코어를 가질 수도 있다. 이 조합에 적용되는 조건 때문에 항상 2개의 코어는 그들의 부피를 줄이고 3개의 코어는 증가시킨다. 전기한 방압 요소의 부가는 어떠한 압력 편차 문제도 해결할 수 있다. 방압은 본질적으로 코어의 볼륨을 연결하는 것이다. 이는 일 개의 코어 볼륨의 변화가 시스템 내의 다른 코어에 영향을 미친다는 것이다.

시스템이 압력 펄스를 완전히 제거하기 위하여 시스템 내의 부피 증가는 부피 감소와 동일해야 한다. 이는 코어가 가열 또는 냉각되는 속도 때문에 특정 배열에서 일어난다. 도27에는 코어를 완전히 가열시키는 시간의 반을 넘어 2개의 가열코어가 가열될 때 SMA의 완전한 수축으로 변이되는 부피의 반을 변이시킨다. 이를 통해 시스템 내의 부피 감소는 한 피스톤의 완전 하강에 의하여 유발되는 부피와 동일하다. 따라서, 시스템의 총 부피 변화는 증가와 감소가 서로 상쇄되어 0이다.

상기와 같이 상승하는 피스톤 헤드가 야기하는 부피의 감소는 피스톤이 하강할 때 증가하는 속도보다 빠르다. 이는 도28에 도시되어 있다. 데이터 점은 5초 동안 단일 코어 내에서 일어나는 부피 감소의 퍼센트를 나타내도록 임의로 선정되었다.

상기 5-코어 시스템에서 이러한 코어는 각 코어가 적절히 보상되도록 결합될 수 있다. 사이클 사이의 지연은 가열 대 냉각 시간뿐만 아니라 코어의 수에 의하여 정해진다. 도29의 그래프는 A에서 E까지 매겨진 각 코어에 대한 5 코어 시스템 부피 편차, 일정하게 보이는 시스템의 총 유체 부피를 도시한다. 설명한 다수 코어 시스템의 경우 수축 코어의 부피 감소는 전체 시스템 부피가 항상 일정하도록 이웃의 확장 코어의 부피 증가로 보상된다.

피스톤 방압 기계적 작동-연속

여기서 논의 하는 방식의 이해를 돕기 위하여 하기 표와 같이 기호를 정의한다.

S _P	유압 피스톤의 스트로크
S _C	주 피스톤의 스트로크
a	SMA 수축에 의한 주 피스톤의 선형 변이
b	SMA 수축에 의한 주 피스톤의 3분의 1 변이
c	SMA 수축에 의한 주 피스톤의 6분의 1 변이
d	SMA 수축에 의한 주 피스톤의 절반 변이

상기 작용의 메커니즘을 설계하기 위하여 장치의 현장에서의 동작을 정확하게 예측하는 것이 중요하다. 시스템 작동 중 일어나는 기계적 동작을 검사하고 장치가 정확하게 기능하도록 모델이 사용될 수 있다. 가열 대 냉각의 비가 1:2인 실시양태를 고려한다. 이 비율의 결과 유체 전달 제한 조절 때문에 시스템은 적어도 3개의 코어가 필요하고 주어진 시간에 이 조합은 하나의 가열 코어와 2개의 냉각 코어로 이루어진다. 도30은 방압 메커니즘이 이 시스템 내에서 어떻게 작동하나를 설명한다. 다이야그램에서 보이는 단계들은 코어를 완전히 가열시키는데 요하는 동일한 시간 간격이다.

도30을 보면 한 코어가 가열될 때 연결된 피스톤은 움직여지고 시스템 내의 가열 코어와 냉각 코어 안에 존재하는 부피를 일정하게 유지한다. 가열 코어 내의 피스톤이 스트로크(S_C)를 완수하는 시간 동안 냉각 코어의 피스톤은 이 스트로크의 반을 완수한다. 이는 가열 코어에서 변이되는 부피는 반으로 나눠져 이 냉각 코어들에 균등히 배분되고 연결 피스톤은 이 스트로크의 반(d)과 부피의 반을 변이한다.

상기 모델이 방압 장치의 작용을 성공적으로 수행하는 것으로 설명되지만 모든 경우에 그런 것은 아니다. 이 실시양태에서는 코어가 배치된 순서가 가열과 냉각 코어에 대하여 방압 메커니즘의 작용에 영향을 주지 않는다. 그러나 항상 그렇지는 않다.

도27의 시스템에서 메커니즘의 작용은 코어가 조합된 순서가 피스톤 방압 장치의 작용에 강한 영향을 주는 점을 제외하고는 상기와 같다. 이 시스템에서는 2개의 가열코어는 나란히 위치한다. 도31은 이 시스템과 시?스 상의 각 코어 상태를 설명한다.

도31에서 부피 변화는 스트로크 당 1/2(d) 또는 1/6(c)의 증분으로 코어 사이에 교환된다. 이 결과는 이 배치에서 변이되는 전체 부피가 각 주 피스톤 스트로크에 의하여 변이되는 부피와 같게 된다. 각 코어가 겪는 사이클은 도32에 도시된다. 사이클 당 방압 피스톤의 전체 스트로크는 주 피스톤의 2/3 스트로크이다.

도33은 다른 조합이 도시되어 있다. 이 실시양태에서는 가열 코어는 바로 옆에 이웃하고 있지 않고 냉각 코어에 의하여 떨어져 있다. 코어가 배열된 순서는 시스템의 기하 구조에 영향을 줌을 이 다이야그람과 도34로 알 수 있다. 전 실시예와 비교하면 이 시스템의 시현은 방압 피스톤이 더 짧은 스트로크(수축에 의하여 변이되는 부피의 1/6)를 가져야 함을 요구하고 있다.

전기한 도34로부터 부피 변화는 스트로크 당 전체 변이 부피의 1/3(b) 또는 1/6 증분 만큼 코어 사이에 교환된다. 이는 하기와 같이 이 배열에 의하여 변이되는 전체 부피가 주 피스톤의 각 스트로크로 변이되는 부피의 반과 같다는 것을 알 수 있다.

그러므로 방압 기구를 설계할 때 코어의 순서가 치수와 압력에 영향을 주고 피스톤 스트로크가 논의된 두 번째 예보다 짧아야 하므로 코어가 배치되는 순서를 고려해야 한다. 이는 어떤 적용에서는 코어가 가열과 냉각을 하는 순서를 변경해야 하는 요건이 있으므로 문제가 된다. 게다가 시스템에 아이들 코어를 구비하는 것은 이 문제를 더 심각하게 만든다. 이런 경우에는 평행 배열이 좀 더 바람직하다.

피스톤 방압 기계적 작동-평행

방압 메커니즘을 위한 좀 더 유리한 배열은 평행형이다. 평행 배열에서는 가열, 냉각과 아이들 코어의 순서는 장치의 작동과는 무관하다. 부피 요동은 한 코어에서 어떤 순서에 있든 여러 코어로 분산된다. 이는 압력 피스톤이 상기와 같이 시리즈로 배열되고 아이들 코어를 구비하여 생기는 문제점을 없앤다.

도35에서 어떤 수의 코어가 가열되고 부피 변동을 일으켜도 이러한 변이는 아이들 코어의 존재와 관계없이 또는 배치 순서에 상관 없이 냉각 코어에 의하여 상쇄된다. 평행 배치 방식은 부피 변이를 자체 할당하고 아이들 상태의 코어를 방해하지 않고 관련 코어에 이동하게 하므로 연속적 실시양태에 비하여 이점이 있다.

마찰 분석

이 방법의 압력 조절 작동 중에 발생할 수 있는 문제는 마찰의 존재, 특히 메커니즘이 시리즈로 배열된 경우, 이에 관련된 문제이다. 이는 피스톤과 하우징 사이, 특히 피스톤 실링과 하우징 벽 사이에 발생하는 운동 마찰에 기인한다(전체 시스템이 아니고 장치 자체와 관련하여). 이러한 마찰력은 어떤 방향이든지 횡단하는 피스톤의 운동에 반대 방향이다. 그러나 샘플 구동에서 존재하는 압력과 요동은 피스톤 페이스 면적(≒60 mm)에 비하여 비교적 크고(>2 Bar), 따라서 이러한 마찰력을 극복해야 한다.

마찰의 범위를 증가시킬 수 있는 이 방압 방식에서는 연속적으로 배치되었을 때 일어나는 복합 효과의 양상이 있다. 이 배열의 특징으로 마찰에 의한 반발력은 일련의 피스톤 수의 배수이다. 이는 코어가 많을수록 마찰력 극복을 위한 압력은 더 증가하게 된다. 개별적으로는 마찰력이 압력 요동에 의한 힘에 비교하여 작지만 시리즈일 때는 복합적으로 작용하여 피스톤의 움직임을 방해하고 따라서 코어 사이의 부피 이동을 저해할 수 있다. 이는 장치 고장으로 이어질 수 있으므로 장치 설계에서는 고려되어야 한다. 도36은 이러한 반발 마찰력을 설명한다.

도36에서 상승 피스톤 헤드는 압력 펄스 힘 F_p을 생성하고 압력 피스톤은 운동에 저항하는 반발 마찰력 F_r을 생성한다. 이러한 설명에서 주 피스톤 헤드는 다음 경우에 마찰력을 극복한다.

여기서 n 은 유압 피스톤의 수이다.

그러므로, 도38의 예에서 F_p는 2F_r보다 커야 부피를 코어 사이에 전달할 수 있다.

피스톤 페이스 설계

이 섹션에서 사용하는 기호는 다음 표와 같이 정의된다.

V	SMA에 의한 부피 변동을 고려한 후의 주 피스톤으로 변이되는 부피
A _P	주 피스톤 헤드의 페이스 면적
A _h	유압 피스톤 헤드의 페이스 면적
x _P	SMA 수축에 의한 주 피스톤 헤드의 선형 변이
x _h	유압 피스톤의 선형 변이
d _h	유압 피스톤 헤드의 직경

방압 피스톤 헤드를 설계하는데 주요 인자는 헤드의 단면적과 편향의 크기이다. 이 인자들은 모두 SMA 발동 주 피스톤 헤드의 편향과 변이된 부피의 함수이다. 도37은 이런 관계를 설명한다.

첫째, 주 피스톤 헤드로 변이되는 부피 값을 결정해야 한다. 이는 실린더 부피 공식을 사용하여 간단히 얻어진다.

또 실린더 부피 공식을 사용하여 가능한 편향과 피스톤 헤드 직경이 주어지면 방압 피스톤 헤드 치수가 계산된다. 이는 예를 들면 모터바이크 마스터 실린더 유압라인에 사용되는 피스톤 헤드를 설계하는데 적용될 수 있다. 이런 장치에서는 대략 10mm가 허용 범위이다. 변이되는 부피가 이미 계산되면 적합한 피스톤 헤드 직경을 결정하기 위하여 다음 절차가 이루어진다.

상기 절차는 특정 페이스 직경을 위한 허용 편향을 결정하기 위하여 사용된다. 예를 들면 표준 피스톤 부품을 사용하여 장치를 설계하는데 적합하다.

스타트업 작동

전기한 방압 피스톤이 체임버 내에 적절하게 위치되지 않을 수 있는 경우가 있다. 이는 초기 시스템의 채움에서 일어나는데 연속적 코어를 틀리거나 부정확하게 채우면 코어 A가 완전하게 채워지고 방압 피스톤 채임버가 전부 또는 일부가 채워질 수 있다. 이는 방압 피스톤이 제2 코어인 코어 B로 편향되게 한다.

시스템을 스타트업할 때 방압 피스톤은 중앙 지점이 아닌 곳에서 진동하기 시작한다. 이는 교환 부피가 편향된 시작 조건 때문에 각 코어의 압력 피크가 달라지는 경우를 초래한다. 코어 내에서 압력을 수동적으로 조정하거나 사이클 조정 상황에서 방압 피스톤을 억제함으로써 시스템/방압 요소가 반복되도록 하는 조건을 만들 수 있다. 이를 수행하기 위한 방법이 도38에 도시된다.

도38에 의하면 초기 단계에서 (a) 피스톤의 양쪽( 즉 양 쪽 코어)에서 냉각되고 이 코어 내의 피스톤은 최저 위치에 있음을 알 수 있다. 이 실시예에서는 2bar에서 작동하도록 된 2개의 코어만 존재한다. 그림으로부터 피스톤은 요구되는 편향(작업 피스톤에 의하여 변이되는 부피를 전달하기 위하여 이동하여야 하는 거리)의 적어도 2배의 운동 자유도를 가진다.

도38에 도시된 단계 (a)에서 방압 피스톤은 운동 거리의 중간에 위치한다. 이는 피스톤의 양측에 동일한 압력이 적용되기 때문이다. 이 단계에서 양 쪽 코어의 시스템 압력은 의도된 운전 압력보다 낮아야 한다. 단계 (b)에서 한 코어가 가열되고 SMA가 완전히 수축되게 된다. 이에 의하여 이제 상승하는 피스톤 헤드가 냉각 코어 방향으로 방압 피스톤을 밀 때 피스톤이 양 쪽이 압력이 같아질 때까지 양 쪽 코어에서는 부피 감소가 일어나게 된다. 방압 피스톤의 이러한 움직임은 그 작업 피스톤이 움직일 수 없을 때 냉각 코어 내의 부피를 감소시킨다. 동시에 상승하는 작업 피스톤에 의하여 변이된 부피의 일부를 냉각 코어에 전달하므로 가열 코어는 부피 감소를 겪게 된다. 이 점에서 방압 피스톤은 초기의 중심 위치에서 벗어나고 이는 피스톤에게 2배의 자유도를 주는 이유이다. 시스템이 정지 위치에 도달하고(코어 A는 완전 냉각하고 코어 B는 완전 가열할 때) 동일 압력이 피스톤의 양측에 존재할 때 이 압력은 수동적으로 동시에 운전 압력 2bar로 증가할 수 있다. 최종적으로 단계 (c)는 코어 A가 가열되고 코어 b가 냉각될 때 시스템이 어떻게 운전 사이클로 들어갈 수 있는지 보여 준다. 이 가열과 냉각 작동 중에는 방압은 시스템의 압력을 2 bar로 유지하면서 적절히 왼 쪽에서 오른 쪽으로 움직여 부피를 이동시킨다.

상기 실시예는 2개 코어 시스템을 예로 들었지만 이 방법론은 많은 수의 코어에도 확대 적용될 수 있다.

기계적 연결 방식

전기한 유압식 방식에 대비하여 기계적 연결을 통하여 부피를 교환하는 방식이다.

실시 구성도

이 방압 장치는 도39에 도시된 바와 같이 다음 요소들을 필요로 한다.

1. 각 코어에 대한 2개의 T 파이프 정션

2. 각 코어에 대한 연결 유압 라인 또는 피스톤

3. 각 코어를 위한 피스톤 하우징 연결기구로의 2개의 1인치 T 파이프 정션

4. T 조인트의 밀착 연결을 위한 밀봉재

5. 헤드의 피스톤 실링

여기서 개시된 유압 라인/피스톤 메커니즘은 압력 펄스 문제의 실현 가능한 해결책이다. 이 방식은 코어 간의 부피를 성공적으로 교환하여 압력차를 해결한다. 그러나 이 메커니즘은 단점이 있다. 코어가 순차적으로 배열되는 순서와 복합 마찰력 문제 때문에 피스톤의 기하적 구조에 변경이 포함된다는 것이다.

기계적 부피 교환 실시양태

도1에 대하여 전기한 바와 같이 펄스 문제가 시스템 코어에서 작업 피스톤의 운동으로 야기된 부피 변화에서 일어난다. 이 코어의 운전 중에 작동 유체는 SMA 다발 위로 전달된다. 이 유체는 온과 냉 흐름 사이에서 시?스에 따라 변경되고 SMA 요소에 상 변화를 일으킨다. 가열 시 SMA 요소는 수축하고 연결된 피스톤을 상승시키고 시스템의 부피 축소를 유발한다.

방압 작동

이 방압 방법은 코어간 피스톤 연결로 각 코어의 부피를 일정하게 유지하여 운전된다. 이러한 피스톤의 운동은 이와 작업 피스톤 사이의 기계적 연결에 의하여 지배된다. 이 배열의 예는 도40에 도시된다.

상기와 같이 코어A가 가열되면 그 피스톤은 상승한다. 방압 메커니즘이 없으면 부피가 감소한다. 그러나 코어 A에서 주 피스톤이 상승할 때 방압 피스톤(Pressure Relief Piston; PRP)이 하강하여 이 코어 내의 부피와 압력을 일정하게 유지하므로 이런 일이 일어나지 않는다. 이는 레버 연결에 의하는데 코어 A의 작업 피스톤의 반대 방향으로 방압 피스톤(PRP)을 움직이게 한다. 코어 B에서는 작업 피스톤이 반대이다. 방압 피스톤(PRP)이 코어 A의 작업 피스톤의 상승으로 하강하고 이 코어의 부피를 증가시키면 코어 B의 부피를 또한 감소시켜 피스톤의 하강으로 인한 부피 증가를 상쇄시킨다. 이러한 작용은 이전 냉각 코어 B가 가열을 시작하고 코어 A가 냉각을 시작하면 반대로 된다. 상승하는 작업 피스톤은 방압 피스톤 또한 직접 기계적 연결로 상승하게 한다. 이는 코어 A 뿐만 아니라 이 코어에서도 일정한 부피를 유지하게 한다. 전체 방압 체임버를 주행하는 중앙 피스톤 로드의 요건은 그 피스톤 헤드가 양쪽 면에 동일한 단면적을 가지는 것이며 스트로크 동안 동일 부피를 양쪽에 전이할 수 있어야 한다.

상기에 명시되지는 않았지만 방압 라인이 코어에 연결된 지점은 코어 출구에 위치하도록 한다. 한 실시양태에서 이 출구는 작업 피스톤에 대하여 코어의 말단에 위치한다. 이 방식의 실제 모양은 도41과 같다.

이 방식이 정확히 작동하기 위하여 방압 피스톤이 유체의 정확한 부피를 변이시켜야 한다. 도40과 41에 제안되었듯이 방압 피스톤은 주 피스톤과 동일한 스트로크에 걸쳐 상기 부피를 변이시켜야 한다. 기계적 연결이 주 피스톤에서 방압 피스톤으로 1:1 변이 전달한다. 도42는 이 방압 기구의 작용 동안 일어나는 부피 변이를 강조하여 보여 준다.

도41에서 주 피스톤에 의하여 변이되는 부피와(V_M) 방압 피스톤에 의하여 변이되는 부피(V_P)는 방압 피스톤이 적절한 크기를 가진다면 서로 상쇄된다. 관계식은 다음과 같다.

적절한 피스톤 크기로 정하기 위하여 다음과 같은 절차를 따를 수 있다.

1. 실린더 부피 식을 사용하여 주 피스톤에 의하여 스트로크 동안 변이되는 부피를 결정한다.

상기 식에서 A_M은 페이스 단면적이다.

2. 이 값을 이용하여 방압 피스톤이 주 피스톤과 같은 스트로크를 가짐으로 이 부피를 변이할 수 있는 방압 피스톤의 페이스 단면을 결정한다.

3. 정확한 부피를 변이하기 위한 방압 피스톤 직경을 결정한다. 이 때 체임 버를 주행하는 피스톤 로드는 부피 변이에 기여하지 못함을 방압 피스톤의 설계에 고려하여야 한다. 방압 피스톤의 헤드는 피스톤 로드의 단면적 (A_R) 에 더하여 원하는 부피를 변이하기 위한 전체 표면적을 가져야 한다.

여기서 d_R은 피스톤 로드의 직경이다.

이와 같이 상기 절차로 주 피스톤의 기하구조에 기반하여 적절한 크기의 방압 피스톤 헤드를 구체화할 수 있다.

시스템 손실 분석

이 방압 방식의 구현은 피스톤을 시스템에 추가시키는 것을 포함하고 따라서 마찰과 관련된 손실을 포함한다. 더 상세하게는 이 마찰의 근원은 실링과 금속 하우징과의 표면 접촉에 기인한다. 제안된 방식에는 3개의 부가적 실링이 시스템에 요구된다. 피스톤 헤드 실링(1), 피스톤 로드 입구와 출구 실링(각각 2, 3)이다. 이의 위치는 도43에 도시된다.

이 방압 피스톤을 움직이는데 요하는 일은 양쪽 코어의 작업 피스톤에 의하여 수행된다. 그러므로 방압 메커니즘의 운전은 시스템의 출력에서 추출하는 것이다. 이러한 손실은 부분적으로는 이러한 마찰 저항력에 의하여 계량화될 수 있다. 실링과 관련된 마찰은 피스톤의 운동에 양 방향으로 저항한다. 이를 고려하여 로드 실링과 피스톤 실링의 마찰 손실(각각 F_r 과 F_P)을 전체 출력(F_T)에서 뺀 작업 피스톤으로부터의 순출력(F_net)은 다음 식과 같다.

출력의 마찰 손실에 더하여 주 피스톤이 방압 요소를 가동할 때 가해지는 힘과 연관된 마찰력이 있다. 이러한 요소는 작업 피스톤의 헤드, 피스톤 로드와 피스톤 연결 로드에 가해지는 무게들(각각 m_head, m_hinge,m_conn)를 구성한다. 작업 피스톤 출력의 손실은 다음 식으로 표시될 수 있다.

여기서 g는 중력 가속도이다.

최종적으로는, 또한 피스톤에 대항하는 무게로는 물이 방압 체임버를 점유하기 위하여 물을 들어올리는 힘이 있다. 이러한 유체는 시스템 내의 전체 볼륨에 비교할 때는 중요하지 않다. 도42에서 코어 A의 가열 동안 작업 피스톤이 끌어올려야 하는 부피 V_H와 코어 B를 끌어올려야 하는 부피 V_H가 있다. 상기 식과 마찬가지로, 이러한 칼럼의 물의 무게(m_water) 는 작업 피스톤의 순 힘 생산의 손실로서 나타낼 수 있다.

실시 구성도

도44는 이 섹션에서 논의되는 방식의 개략을 설명하고 있다.

이 방식은 제한되지 않지만 다음과 같은 요소를 필요로 한다.

1. 2개의 인접한 코어 당 힌지 조인트

2. 2개의 인접한 코어 당 피스톤 연결 로드

3. 2개의 인접한 코어 당 피스톤 로드

4. 2개의 인접한 코어 당 피스톤 헤드

5. 2개의 인접한 코어 방압 피스톤 체임버

6. 코어 당 T-조인트 파이프

7. 코어 당 3 피스톤 실링, 2 로드 실링과 1 피스톤 실링]

피스톤 축 방압 실시양태

본 발명은 도1에 도시되고 전기한 압력 펄스 문제의 해결책을 제시한다. 이는 SMA 와이어의 축소에 의한 부피 증가를 피스톤 축의 도입에 의한 부피 감소를 매칭함으로써 달성된다.

SMA 코어 작동 중 작업 유체는 SMA 다발을 통과한다. 이 유체는 순차적으로 온과 냉 흐름으로 변화되고 SMA 요소에 상 변화를 유도한다. 가열될 때 SMA 성분은 수축하고 연결된 피스톤을 들어올리고 시스템의 부피를 감소하게 한다.

본 발명은 피스톤을 SMA 와이어에 대하여 설계함으로써 달성된다. 특히 SMA 와이어의 수축은 부피의 증가를 일으키고 상승하는 피스톤 축은 부피의 감소를 일으킨다. 그러므로 이러한 양적, 음적 부피 변화를 서로 상쇄하고 시스템이 일정한 부피에 있도록 한다. 도45는 이러한 부피 변화를 설명한다.

한 실시양태에서, 본 발명은 SMA 와이어의 선형 축소에 의한 변이 즉 스트로크 길이에서 선형과 방사형의 축소의 결합된 부피를 변이하도록 피스톤의 축이 단면적(CSA)을 갖도록 설계함으로써 이러한 부피 문제를 매칭하는 방법을 제공한다. 이러한 방식은 도46에 보인다. 여기서 SMA 와이어에 의하여 변이되는 부피(Vw)는 피스톤 축(Vs)에 의하여 변이되는 부피와 동일하다.

설계 계산

SMA 와이어에 의한 축소는 베인 스트레인(Bain strain)에 의한다. 이는 와이어 수축이 모든 방향에 일어남을 말한다. 와이어의 경우에는 수축이 선형과 방사형으로 일어난다. 도47에는 와이어 길이가 L 에서 l로 축소되고 직경은 D에서 d로 축소된다.

피스톤 축의 정확한 직경을 결정하기 위하여 다음 절차가 이루어져야 한다.

1. SMA 선형 수축에 의한 부피 변화를 결정한다.

a. 각 개별 와이어의 최초 단면적을 정한다.

여기서 D는 축소 전의 직경이다.

b. 선형 수축에 의하여 변이된 부피 V₁를 계산한다.

여기서, L은 SMA 와이어의 수축 전 길이이고

L는 수축 후 SMA 와이어의 길이

2. 방사형 수축에 의하여 변이된 부피를 결정한다.

c. 와이어의 초기와 수축 후의 단면적 차이인 방사형 수축의 단면적을 찾아 낸다.

여기서 d는 수축 후의 직경이다.

.

d. 방사형 수축에 의하여 변이된 부피 V₂를 계산한다.

3. SMA 와이어의 전체 부피 감소 V_T 를 결정한다.

여기서, N는 SMA 와이어의 수

4. SMA 와이어에 의하여 변이된 전체부피에 기반하여 피스톤 축 직경 d_s를 결 정한다.

상기와 같이 SMA 와이어와 이의 직경에 기반한 피스톤 축의 직경을 특정하는 것은 가능하다. 가용한 스트로크가 선형 수축으로 야기된 변이와 동일할 뿐만 아니라 축의 직경은 선형과 방사형 수축으로 변이되는 부피의 함수이므로 아 축의 단면적은 결합된 SMA 와이어보다 커야 한다.

응력 분석

새로 설계된 피스톤이 작동력을 견딜 수 있는지를 확인하기 위하여 응력 분석이 수행되야 한다. 피스톤 축은 SMA 와이어의 수축력을 변속기에 전달할 수 있는 강도가 있어야 한다. 이 인장강도는 SMA 또는 피스톤 물질의 항복 강도를 초과할 수 없다.

SMA 와이어에 대한 허용 응력은 원하는 피로 수명의 함수이다. SMA 와이어에 작용하는 응력은 항복 강도보다는 훨씬 적다. 이 섹션에서 논의된 코어 배열에서는 SMA 와이어와 피스톤은 일렬로 연결된다. 따라서 이들은 동일한 힘을 받는다. 사실 전기한 바와 같이 피스톤 축의 단면적은 SMA 와이어의 집합적 단면적보다 크다. 그러므로, SMA 와이어에 존재하는 허용되는 응력은 피스톤 물질의 항복강도를 초과하지 않는 한 요소들은 안전 요건 내에서는 실패하지 않는다.

물질이 받는 응력은 그것의 기하학적 구조와 가해지는 힘에 의한다. 와이어와 피스톤이 받는 응력은 이러한 성분의 단면적 함수이다. 전기한 바와 같이 방압 방법에 의하여 시스템에 부가되는 제한 때문에 SMA 와이어는 피스톤 축보다 작은 단면적을 갖는다. 와이어와 피스톤 내의 응력을 유도하는 힘은 SMA의 수축(F_w)과 운동에 대한 변속 저항(F_R)에 의하여 야기된다. 이는 도48에 도시된다. 기하 구조를 통해 받는 응력은 다음식을 사용하여 얻어 진다.

여기서 F는 힘이고 A는 면적이다.

코어의 작동 동안 힘을 생성하는 요소에서 받는 힘은 주어진 시간에는 일정하다. 시스템에서의 변수는 이 요소의 단면적이다. 도48에 보듯이 피스톤 헤드 직경은 SMA 와이어의 이상적 배열을 수용하기 위하여 피스톤 축보다 크다. 그러므로 시스템에서 와이어가 가장 큰 응력을 받고 피스톤 축이 가장 작은 응력을 받으며 피스톤 헤드는 가장 큰 단면적으로 가장 작은 응력을 받는다. 이는 아래에 수학적으로 표시된다.

마찰 분석

코어 내의 피스톤의 작동은 대항하는 마찰력을 일으켜 피스톤이 운동하고자 하는 반대 방향으로 작용한다. 이러한 마찰력은 피스톤 실링이 피스톤 하우징의 벽과 접촉에서 일어난다. 생성된 이 마찰력은 이 접촉 경계면의 면적에 비례한다. 여기에 개시된 자유형 피스톤은 마찰력이 현저히 줄어든다.

종래의 코어 배열에서는 실링이 주 피스톤 헤드에 위치하며 피스톤 헤드는 축 보다 큰 직경을 가진다. 자유로운 피스톤 형태에서는 실링이 축에 위치하고 작은 둘레로 인하여 접촉면이 작다. 코어 내에서 작용하는 마찰력 F_f의 위치는 도49에 도시되어 있다.

필요한 요소

이 섹션에서 논의된 메커니즘은 코어(피스톤) 내에 이미 있는 요소 외에 다음 요소를 필요로 한다.

1. 재료 물질

2. 머시닝

3. 실링- 도50에 도시되었지만 이는 피스톤 축에 위치하고 계산된 직경에 따 라 주문 제작된 실링으로 얻어질 수 있다.

이점

이 방압 메커니즘의 이점은 다음과 같다.

● 추가적인 요소가 없다.

● 프리 피스톤 구조로 마찰이 감소

● 구현하기가 단순

● 이미 구현된 메커니즘과 어셈블리의 사용

● 프리 피스톤은 피스톤으로 야기된 전체 부피 변이를 감소시켜 준다.

피스톤 축 설계의 방압 방법은 압력 펄스를 제거하는 실현 가능한 방식이다. 이는 피스톤에 의하여 시스템에 부가되는 부가 부피와 SMA 수축에 의하여 제거되는 부피 사이의 부피 변경 밸런스를 허용한다. 이 방식은 코어에 최소의 변경으로 매우 쉽게 구현될 수 있다.

기계적 방압 실시양태

다른 실시양태에서는 압력 펄스 문제는 피스톤 하우징(PH) 또는 주위 요소의 설계를 기계적 연결로 변경하여 해결할 수 있다. 적절한 변경은 매스를 코어 주위로 이동하여 일정한 부피를 유지하고 압력 펄스 문제를 해결할 수 있다.

방압 메커니즘을 작동시키기 위한 기계적 연결의 사용은 압력 펄스가 방압 메커니즘을 작동시키는 다른 방법에서 제기되는 문제를 근본적으로 없앤다. 이러한 유압식 방압 기술은 펄스가 방압 메커니즘과 급격한 압력 요동을 처리할 수 없는 시스템 내의 다른 압력 용기 사이에 공유되도록 한다. 기계적으로 연결된 방압 장치는 코어 내의 부피를 항상 일정하게 유지하여 압력 펄스가 일어나지 않도록 한다.

가장 기본적인 방압 방법은 작업 피스톤과 기계적으로 연결된 부가 피스톤을 포함한다. 이 피스톤은 작업 피스톤과 치수가 동일하고 동기화하여 작동한다. 방압 피스톤이 주 피스톤에 대하여 반대의 스트로크를 수행하기 위하여 제안되는 메커니즘은 1:1 변이를 가지는 레버이다. 이 배열은 도51에 도시된다.

도51로부터 코어가 가열될 때 주 피스톤은 상승하고 연결된 방압 피스톤은 동일 속도로 하강한다. 이는 상승하는 피스톤에 의한 부피 감소(PH)가 변이된 유체를 수용하는 방압 피스톤에 의하여 상쇄되게 한다. 이는 코어 내에 일정한 부피를 유지하게 하고 압력 요동의 문제를 해결한다.

실시양태 A-자력 보조 피스톤

자력 보조 주 피스톤은 압력 펄스 문제를 없애는 피스톤 하우징 설계의 다른 실시양태이다. 이러한 방식은 주 코어에서 주 피스톤 아래로 이동하는 유압라인으로 구성되며 적절한 단면적의 피스톤 헤드가 상기 주 피스톤에 연결되어 있다. 이 배열은 상승하는 피스톤에 의한 부피 감소는 그 밑의 부피 증가에 의하여 상쇄된다. 반대도 또한 같다. 이는 도52에 설명된다. 작업 유체는 주 피스톤 아래로 이동하게 되어 있다.

도52에서, 주 피스톤은 냉각 중에 하강하고 하부 피스톤은 하강하며 부피를 주 코어와 주 피스톤 하부 영역 사이에 교환하도록 한다. 가열 사이클에서는 반대 현상이 일어 나고 부피 요동은 없게 된다. 이러한 방식은 주 피스톤의 운동 자유도를 증가시키고 압력 펄스 문제를 제거한다.

일반 설계 고려사항

이 방식의 중요한 디자인 고려사항은 보조 피스톤이다. 이 요소의 페이스 표면적은 주 피스톤 헤드에 의하여 변이되는 동일한 부피를 변이하는 값을 가져야 한다. 주 피스톤과 보조 피스톤의 헤드는 서로 고정되어 있다. 따라서 동일 가용 스트로크를 가지고 하나가 변이시키는 만큼 다른 것도 변이시킨다. 보조 피스톤의 정확한 표면적을 직경으로 표시하는 것은 여러 요소를 고려한다. SMA 수축을 고려한 후에 주 피스톤에 의하여 변이되는 부피를 결정하여야 한다. SMA 와이어는 선형 또는 방사형으로 수축하여 시스템 부피의 증가를 가져 온다. 이 부피 변화는 상승하는 주 피스톤에 의한 부피 감소를 벌충한다. 정확한 보조 피스톤의 크기를 결정하는 절차는 하기에 개괄된다.

SMA 와이어에 의한 수축은 베인 스트레인(Bain strain)에 의하여 야기된다. 이에 의하여 와이어가 모든 방향으로 수축한다. 와이어의 경우 수축은 선형과 방사형으로 일어난다. 이는 도53에 도시되어 있는데 와이어 길이는 L 에서 l 로 와이어 직경은 D 에서 d로 수축한다. 피스톤 하우징 메커니즘이 상기 도면에 또한 도시된다.

피스톤 축의 정확한 직경을 정하기 위하여 다음과 같은 절차를 따른다.

1. SMA 선형 수축에 의한 부피 변화를 결정한다.

e. 개별 와이어의 초기 단면적 A₁을 결정한다;

여기서 D는 수축 전 와이어의 직경이다.

f. 선형 수축에 의한 부피 변이(V₁)를 계산한다.

여기서, L은 수축 전 SMA 와이어의 길이 l은 수축 후 SMA 와이어의 길이

2. 방사형 수축으로 변이된 부피를 구한다.

g. 방사형 수축의 단면적 A₂를 구한다. 이는 와이어 단면적의 수축 전과 후 의 차이이다;

여기서 d는 수축 후 와이어의 직경이다.

h. 방사형 수축으로 변이된 부피 V2를 구한다.

3. SMA 와이어의 전체 부피(V_T ) 감소를 구한다.

여기서 N은 다발(bundle)로 된 SMA 와이어의 수

4. 주 피스톤에 의하여 변이된 부피를 계산

a. 스트로크 x_P에 걸친 부피를 결정한다;

여기서, A_p 는 주 피스톤의 페이스 면적이고 d_P 는 주 피스톤의 직경이다.

b. 주 피스톤에 의하여 변이된 실제 부피 V_N(SMA 수축으로 이루어지는 부 피)를 결정한다.

5. 스트로크 당 변이가 요구되는 부피 V_A 에 기반하여 적합한 부조 피스톤 헤 드 직경을 정한다.

방식 B- 변속 보조

본 발명의 범위 내에서 다양한 실시양태가 있다. 또 하나의 조합으로는 압력 펄스가 변속기에 연결된 피스톤에 의하여 제거하는 것이다. 이 방식은 도54에 도시되었다. 압력 펄스 피스톤이 연결된 변속기 축은 방향성 운동을 갖지 않으므로 피스톤을 원위치로 복귀시키기 위하여 복귀 스프링이 필요하다.

상기 도면과 같이 코어가 가열되고 피스톤이 상승하면 생성된 힘이 유압 피스톤을 변속기를 통하여 하강시키고 적절한 양으로 시스템 부피를 증가시킨다. 이 작용은 코어 내의 부피를 일정하게 유지하여 압력 펄스를 생성하지 않는다. 코어가 냉각되면 반대로 주 피스톤이 하강하고 복귀 스프링 때문에 유압식 방압 피스톤은 상승하고 일정 압력을 유지한다.

주요한 것은 유압 피스톤은 코어가 가열할 때 주 피스톤에 의하여만 발동된다. 코어가 냉각될 때 스프락 기어와 같은 연결된 변속 요소는 자유 회전한다. 이는 방압 피스톤이 복귀 스프링에 의하여 초기 위치로 돌아가게 한다. 방압 피스톤의 변속기 연결부는 변속 축의 반대편이고 크기가 다르다는 것을 제외하고는 주 피스톤의 연결부의 복제판이다. 이에 의하여 주 피스톤 반대 방향으로 일이 방압 피스톤으로 이전되게 하고 코어 내에서 일정한 부피가 존재하도록 한다. 이러한 맥락에서 양 쪽 스프락 기어가 반대 방향으로 자유 회전 하도록 한다. 이 조합은 도55에 도시된다.

상기 다이야그람에 보시는 바와 같이 변속기는 스프락 기어, 캠 클러치, 벨트와 2개의 축으로 이루어져 있다. 스프락 기어의 목적은 일이 한 방향(압력 펄스가 일어 날 때) 축으로 전달되게 하고 다른 방향으로는 자유회전 하도록 한다. 일은 코어가 가열될 때 즉 작업 피스톤이 상승할 때만 전달된다. 캠 클러치는 일이 스프락 기어 축으로부터 출력 축에 변속 전달되지만 반대로는 되지 않도록 한다. 이는 복수의 소스로부터 힘을 축에 전달하는 방법이다.

각 방압 피스톤의 스트로크는 전기한 바 있지만 피스톤 페이스를 적절히 설계하여 변경할 수 있다. 방압 피스톤에 부과되는 스트로크는 고정된 변이를 갖는 작업 피스톤에서 전달되는 요청 스트로크를 맞추기 위하여 출력 축에 사용되는 기어 크기에 영향을 미친다. 예를 들면, 요구되는 방압 스트로크가 주 피스톤의 스트로크 보다 크다면 짝 진 기어는 작업 피스톤에 연결된 기어보다 클 필요가 있다. 방압 피스톤 스트로크가 주피스톤 스트로크보다 작다면 이와 반대일 수 있다.

주 피스톤이 방압 피스톤과 연결된 구조여서 출력 스트로크(상승 스트로크)일 때 시스템 또는 주 피스톤으로부터 일의 일부가 샌다. 방압 피스톤을 작동시키기 위한 힘은 복귀 스프링의 이완력을 극복하여야 한다. 이 힘을 결정하기 위해서는 바람직한 스프링이 정의되어야 한다.

장치의 설계에 있어서, 피스톤 페이스 면적과 또한 스프링의 경직도와 기하적 구조가 고려되어야 한다. 방압 피스톤의 크기는 허용 가능한 편향에 근거하여 결정해야 함은 전기한 바 있다. 장치가 코어로부터 돌출하는 것이라면 이 편향은 코어 주위의 가용한 공간에 의하여 정해질 수 있다. 반대로 피스톤 페이스 크기가 코어 또는 표준 시판 부품의 구조에 의하여 제한될 수 있다. 여기서 편향된 결과는 같은 맥락에서 계산될 수 있다. 이 값에 근거하여 정확한 스프링의 크기가 정해진다. 도56에는 작동 중 압축 스프링의 상태를 설명한다.

도56에 보이는 바와 같이 스프링은 세가지 상태, 즉, 자유 길이, 부하 전과 최대 하중으로 나타난다. 자유 길이는 구동이 '스위치 온’ 되기 전 하중이 안 걸린 상태의 스프링 길이이다. 전 부하 길이 또는 장착 길이는 구동이 온 되고 하중이 안 걸렸을 때 길이이다. 이는 시스템이 작동 압력(≒2 Bar)에 놓일 때 관찰될 수 있는 상태이다. 최종적으로는 최대 일 하중일 때 스프링은 작동 길이로 감소할 것이다. 이는 SMA 가열 동안 주 피스톤이 꼭지에 닿을 때 길이이고 압력은 전보다 커질 것이다(>2 Bar). 그러므로 스프링 최대 편향은 압력 펄스를 없애는 부가 변속에 의한 편향에 더하여 초기 2 Bar 조건을 실행할 수 있는 총 편향으로 결론지어 진다. 그것은 다음 수학 식으로 결정될 수 있다.

여기서 k는 스프링 상수이고 F는 힘이며 x는 변이이다.

스프링의 주된 기능은 피스톤 페이스 에 기반하여 특정 부피를 전이하는 것이기에 피스톤에 대한 요구 변위에 에 기하여 스프링 상수(k)의 올바른 값을 결정하는 것이 필요하다. 이는 다음과 같이 하여 달성된다.

적절한 치수의 스프링을 선택한다. 예를 들면, 리즈스프링(leesprings.com.)에서 공급하는 압축 스프링(LHC 250U 08M)이다. 이는 다른 스프링에 비해 높은 스트로크 길이 (70.8mm)와 높은 스프링 상수(18.87 N/mm)를 가진다. 이 스프링의 적합성은 하기와 같이 더 조사될 수 있다.

이 스프링의 전체 가능 스트로크 S_T는 70.8 mm이지만 사이클 중 스프링의 과압축에 의하여 스프링의 손상 가능성을 감안하면 줄여 잡아야 한다. 그러므로 실제 가용 스트로크 S_A는 다음 식으로 나타낸다.

여기서 A는 방압 피스톤의 페이스 면적이다.

이 적용의 경우 방압 피스톤은 주 작업 피스톤의 각 파워 스트로크로부터 566N의 힘을 얻는다.

실시 구성도

이 방압 장치의 실시예는 도 58, 59와 60에 도시된 다음 요소(이에 제한되지는 않음)를 필요로 한다.

실시예 A-도58

1. 코어 당 보조 피스톤

2. 코어 당 보조 피스톤 실링

3. 코어 당 코어를 보조 피스톤에 연결하는 유압 라인

4. 피스톤 하우징 머시닝

실시예 B-도59

1. 코어 당 방압 피스톤

2. 방압 피스톤 당 실링

3. 코어 당 코어를 피스톤에 연결하는 유압 라인

4. 연결점을 형성하는 피스톤 하우징 머시닝

5. 코어당 복귀 스프링

6. 코어 당 스프락 기어

실시예 C-기본 레버 실시양태 도60

1. 주 피스톤과 방압 피스톤 사이의 레버 암을 연결함

2. 방압 피스톤

3. 방압 피스톤 실링

4. 피스톤 하우징 머시닝 또는 방압 피스톤 하우징 요소의 부가

여기에 개시된 피스톤 하우징 방압 메커니즘은 압력 펄스 문제의 실현 가능한 해결책이다. 이러한 방식은 유체 부피를 다른 영역의 코어에 성공적으로 재배치할 수 있다. 하지만 이 메커니즘은 인접 코어를 연결하거나 피스톤 축을 개선하거나 하는 다른 해결책에 비하여 많은 기계가공과 요소를 필요로 한다.

본 발명은 개시된 실시양태에 제한되지 않으며 본 구조와 세부에 변경이 가능하다.

Claims

제1 SMA 코어를 가열하고/하거나 냉각하기 위하여 유체가 순차적으로 채워지는 제1 체임버 내에 수용되는 제1 SMA 코어;와
제2 SMA 코어를 가열하고/하거나 냉각하기 위하여 유체가 순차적으로 채워지는 제2 체임버 내에 수용되는 제2 SMA 코어를 포함하고 상기 제1 코어와 상기 제2 코어가 서로 유체적으로 연통되는 에너지 회수 장치
제1항에 있어서, 상기 제1코어와 상기 제2코어는 축열교환기를 통하여 유체로 연통되어 있는 에너지 회수 장치
제1항에 있어서, 상기 제1코어와 상기 제2코어는 인접 피스톤 또는 유압 라인을 통하여 유체로 연통되어 있는 에너지 회수 장치
제1항에 있어서, 각 코어의 일정한 부피가 상기 제1 코어와 상기 제2 코어 사이의 피스톤 연결을 통하여 유지되는 에너지 회수 장치
제1항에 있어서, 각 코어의 일정한 부피가 상기 제1 코어와 상기 제2 코어 사이의 피스톤 연결을 통하여 유지되는 에너지 회수 장치
제1항에 있어서, 상기 제1 SMA 코어 또는 상기 제2 SMA 코어는 체임버 내의 이동 가능한 피스톤과 연결되어 있고, 상기 제2 피스톤은 상기 제1 피스톤과는 비동기화된 에너지 회수 장치
제1항에 있어서, 상기 제1 체임버 또는 상기 제2 체임버에는 스프링과 같은 바이어스 수단을 갖는 부가 체임버가 배치되고 상기 체임버 내에서 확장하는 SMA 코어 상에서 상기 바이어스 수단이 유체를 상기 부가 체임버 내로 흐르도록 하는 에너지 회수 장치
제7항에 있어서, 상기 바이어스 수단은 유압 피스톤을 포함하는 에너지 회수 장치
SMA 코어를 가열하고/하거나 냉각하기 위하여 유체가 순차적으로 채워지는 제1 체임버 내에 수용되는 SMA 코어; 및 스프링과 같은 바이어스 수단을 갖는 부가적 체임버를 갖는 체임버를 포함하고 상기 체임버 내의 SMA 코어 상에서 상기 바이어스 수단이 유체를 상기 부가 체임버 내로 흐르도록 하는 에너지 회수 장치
제9항에 있어서, 상기 바이어스 수단은 유압 피스톤을 포함하는 에너지 회수 장치