(57)【要約】本願は、エネルギー回収の分野に関し、特に、同目的での形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材料（ＮＴＥ）の使用に関する。本発明は、その元の性質を伴ってコアを構成するように、ある時間周期にわたって、ある温度を上回ってコアを加熱するステップを含む、エネルギー回収デバイスで使用するためのＳＭＡまたはＮＴＥ材料ベースのコアを再生するシステムおよび方法を提供する。本システムおよび方法は、エネルギー回収デバイスの現場上に、または遠隔で実装されることができる。
2018500498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー回収デバイスで使用するためのＳＭＡまたはＮＴＥ材料ベースのコアを再生する方法であって、ある時間周期にわたって、ある温度を上回って前記コアを加熱し、その元の性質を伴う前記コアを構成するステップを含む、方法。
【請求項２】
ある時間周期にわたって前記コアのオーステナイト仕上げ温度を上回る温度を選択するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記コアは、前記加熱ステップの前に疲労する、または弱まる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
加熱するステップは、加熱要素、誘導炉、液体、油、または砂浴のうちの少なくとも１つから提供されることができる、いずれかの前記請求項に記載の方法。
【請求項５】
加熱するステップは、周期的に繰り返される、いずれかの前記請求項に記載の方法。
【請求項６】
信号が、前記コアを加熱するステップを制御するように遠隔で供給されることができる、いずれかの前記請求項に記載の方法。
【請求項７】
加熱するステップは、加熱が、応力誘起マルテンサイト（ＳＩＭ）をオーステナイトに戻し、部分的に形状記憶性質の劣化を取り消すように、前記コアの前記オーステナイト仕上げ温度Ａｆを上回る温度Ｔｈを選択するステップを伴う、いずれかの前記請求項に記載の方法。
【請求項８】
エネルギー回収デバイスで使用するためのＳＭＡまたはＮＴＥ材料ベースのコアを再生するシステムであって、ある時間周期にわたって、ある温度を上回って前記コアを加熱し、その元の性質を伴う前記コアを構成するように適合されるモジュールを備える、システム。
【請求項９】
ある時間周期にわたって前記コアのオーステナイト仕上げ温度を上回る温度を選択するための手段を備える、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記コアは、前記加熱ステップの前に疲労する、または弱まる、請求項８または９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記加熱モジュールは、加熱要素、誘導炉、液体、油、または砂浴のうちの少なくとも１つを備える、請求項８〜１０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２】
加熱するステップは、周期的に繰り返される、請求項８〜１１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３】
信号が、前記コアを加熱するための前記加熱モジュールを制御するように遠隔で供給されることができる、請求項８〜１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１４】
前記加熱モジュールは、加熱が、応力誘起マルテンサイト（ＳＩＭ）をオーステナイトに戻し、部分的に形状記憶性質の劣化を取り消すように、前記コアの前記オーステナイト仕上げ温度Ａｆを上回る加熱温度Ｔｈを選択するように構成される、請求項８〜１３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１５】
前記コアは、複数の伸長ＳＭＡまたはＮＴＥ要素を備える、請求項８〜１４のいずれかに記載のシステム。
【請求項１６】
前記コアの動作を監視するように構成される検出器を備える、請求項８〜１５のいずれかに記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、エネルギー回収の分野に関し、特に、同目的での形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材料（ＮＴＥ）の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的には１００度を下回ると考えられる低位熱は、工業的プロセス、発電、および輸送用途における重要な廃エネルギー流を代表する。そのような廃流の回収および再利用が、望ましい。この目的のために提案された技術の例は、熱電発電機（ＴＥＧ）である。残念なことに、ＴＥＧは、比較的高価である。そのようなエネルギーを回収するために提案されている、別の大部分が実験的なアプローチは、形状記憶合金の使用である。
【０００３】
形状記憶合金（ＳＭＡ）は、元の低温鍛造形状を「記憶」する合金であって、いったん変形させられると、加熱に応じて、その事前変形形状に戻る。本材料は、液圧、空気圧、およびモータベースのシステム等の従来のアクチュエータに対する軽量で固体の代替物である。
【０００４】
コア内で作用する作動媒体として形状記憶合金（ＳＭＡ）または別の負熱膨張（ＮＴＥ）材料を利用する、熱エンジンの概念が、開発中である。例えば、ＰＣＴ特許公開第ＷＯ２０１３／０８７４９０号で開示され、本発明の出願人に譲渡されたようなエンジンでは、熱源への暴露時のそのような材料の強制的な収縮が、捕捉され、使用可能な機械仕事に変換される。
【０００５】
これまで、そのような全装備質量のための有用な材料は、ニッケルチタン合金（ＮｉＴｉ）であることが分かっている。本合金は、周知の形状記憶合金であり、異なる業界にわたって多数の用途を有する。
【０００６】
例えば、ＮｉＴｉワイヤは、第ＷＯ２０１３／０８７４９０号で説明されるエンジンの作業要素を形成する。力が、ピストンおよびクランク機構を介して、作業コア内のワイヤ要素の収縮ならびに膨張を通して生成される。本システムの重要な側面は、強力かつ確実な融合が生成され、高い力の低変位仕事が最大数の作業サイクルにわたって行われることを可能にするように、両端でＮｉＴｉ要素を固着する能力である。
【０００７】
多数のサイクルにわたるＳＭＡまたはＮＴＥの反復収縮および膨張に起因して、ＳＭＡまたはＮＴＥコア材料が使用とともに経時的に劣化し、非効率的な動作をもたらすという問題が存在する。１つの解決策は、コアを完全に交換することであるが、これは、複雑で費用のかかる作業である。
【０００８】
したがって、上記の問題を克服するシステムおよび方法を提供することが、本発明の目的である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によると、添付の請求項で立案されるように、その元の性質を伴ってコアを構成するように、ある時間周期にわたって、ある温度を上回ってコアを加熱するステップを含む、エネルギー回収デバイスで使用するためのＳＭＡまたはＮＴＥ材料ベースのコアを再生する方法が提供される。
【００１０】
本発明の方法およびシステムは、ＮｉＴｉワイヤの耐用年数を増進し、熱機械循環によって引き起こされる、それらの性能の損失を回避する。本システムおよび方法は、エネルギー回収デバイスの現場上に、または遠隔で実装され得ることが理解されるであろう。
【００１１】
一実施形態では、ある時間周期にわたってコアのオーステナイト仕上げ温度を上回る温度を選択するステップが提供される。
【００１２】
一実施形態では、コアは、加熱ステップの前に疲労する、または弱まる。
【００１３】
一実施形態では、加熱するステップは、加熱要素、誘導炉、液体、油、または砂浴のうちの少なくとも１つから提供されることができる。
【００１４】
一実施形態では、周期的に繰り返される、加熱するステップが提供される。
【００１５】
一実施形態では、信号が、コアを加熱するステップを制御するように遠隔で供給されることができる。コアの加熱を制御するように信号を遠隔で供給するために、任意の信号手段が使用され得ることが理解されるであろう。
【００１６】
一実施形態では、加熱するステップは、加熱が、応力誘起マルテンサイト（ＳＩＭ）をオーステナイトに戻し、部分的に形状記憶性質の劣化を取り消すように、コアのオーステナイト仕上げ温度Ａｆを上回る温度Ｔｈを選択するステップを伴う。
【００１７】
一実施形態では、ある時間周期にわたってコアのオーステナイト仕上げ温度を上回る温度を選択するための手段が提供される。
【００１８】
一実施形態では、コアは、加熱ステップの前に疲労する、または弱まる。
【００１９】
一実施形態では、加熱モジュールは、加熱要素、誘導炉、液体、油、または砂浴のうちの少なくとも１つを備える。
【００２０】
一実施形態では、加熱するステップは、周期的に繰り返される。
【００２１】
一実施形態では、信号が、コアを加熱するための加熱モジュールを制御するように遠隔で供給されることができる。
【００２２】
一実施形態では、加熱モジュールは、加熱が、応力誘起マルテンサイト（ＳＩＭ）をオーステナイトに戻し、部分的に形状記憶性質の劣化を取り消すように、コアのオーステナイト仕上げ温度Ａｆを上回る加熱温度Ｔｈを選択するように構成される。
【００２３】
本発明の別の実施形態では、その元の性質を伴ってコアを構成するように、ある時間周期にわたって、ある温度を上回ってコアを加熱するために適合されるモジュールを備える、エネルギー回収デバイスで使用するためのＳＭＡまたはＮＴＥ材料ベースのコアを再生するシステムが提供される。
【００２４】
一実施形態では、ある時間周期にわたってコアのオーステナイト仕上げ温度を上回る温度を選択するための手段が提供される。
【００２５】
一実施形態では、加熱モジュールは、加熱要素、誘導炉、液体、油、または砂浴のうちの少なくとも１つを備える。
【００２６】
一実施形態では、信号が、コアを加熱するための加熱モジュールを制御するように遠隔で供給されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
本発明は、付随の図面を参照して、一例としてのみ与えられる実施形態の以下の説明から、より明確に理解されるであろう。
【図１】図１は、ＳＭＡまたはＮＴＥ材料を使用する、従来技術のエネルギー回収システムを図示する。
【図２】図２は、複数のＳＭＡまたはＮＴＥ要素とともに動作しているコアの実施形態を図示する。
【図３】図３は、複数回繰り返されることができる、エネルギー回収デバイスのコア内のＳＭＡの回復の回復シーケンスを図示する。
【図４】図４は、本発明の動作を確認するように、回復および疲労したＳＭＡワイヤの温度対変位曲線の比較を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明は、低位熱から発電するために形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材料（ＮＴＥ）のいずれか一方を使用することができる、開発中の熱回収システムに関する。
【００２９】
ここで、参照番号１によって示されるＳＭＡエンジンを採用する、エネルギー回収デバイスを提供する、図１を参照して、エネルギー回収デバイスの例示的な公知の実施形態を説明する。ＳＭＡエンジン１は、ＳＭＡ作動コアを備える。ＳＭＡ作動コアは、固定される第１の点で圧着または別様に固着されたＳＭＡ材料から成る。反対端で、ＳＭＡ材料は、駆動機構２に圧着または別様に固着される。したがって、第１の点が係留される一方で、第２の点は、駆動機構３を引動するが、自由に動くことができる。浸漬チャンバ４は、ＳＭＡエンジンを収納するために適合され、ＳＭＡエンジンの加熱および／または冷却を可能にするために、流体で連続的に充填されるように適合される。したがって、熱がＳＭＡコアに印加されると、それは、自由に収縮することができる。好適には、ＳＭＡコアは、ＳＭＡ材料の複数の平行ワイヤ、リボン、またはシートを含む。典型的には、約４％の偏向が、そのようなコアにとって一般的である。より高い偏向もまた、達成されることができる。したがって、１ｍの長さのＳＭＡ材料が採用されるとき、約４ｃｍの直線運動が利用可能になることを予期し得る。提供される力は、使用されるワイヤの質量に依存することが理解されるであろう。そのようなエネルギー回収デバイスは、本発明の出願人に譲渡されたＰＣＴ特許公開第ＷＯ２０１３／０８７４９０号で説明され、参照することによって本明細書に完全に組み込まれる。
【００３０】
そのような用途に関して、熱源への暴露時のＳＭＡまたはＮＴＥ材料の収縮が、捕捉され、使用可能な機械仕事に変換される。そのようなエンジンの作業要素のための有用な材料は、ニッケルチタン合金（ＮｉＴｉ）であることが証明されている。ＳＭＡ作動コアは、固定される第１の点で圧着または別様に固着された複数のＳＭＡ材料から成る。
【００３１】
エンジン内でＮｉＴｉワイヤを固着するために、高い負荷の下で動作することを可能にするであろうような様式で、両端で各ワイヤを係留することができる、システムを開発することが要求される。本システムは、「バンドルホルダ」と指定されている。
【００３２】
そのようなコアは、Ｅｘｅｒｇｙｎ  Ｌｉｍｉｔｅｄに譲渡された英国特許出願第１４０９６７９．６号で説明され、参照することによって本明細書に完全に組み込まれる。本願では、第１の端部で固定され、第２の端部で駆動機構に接続された複数の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）要素を備える、エネルギー回収デバイスで使用するためのコアエンジンが説明されている。ホルダは、複数の形状記憶合金（ＳＭＡ）またはＮＴＥ要素、例えば、ニッケルチタンワイヤを受容するように適合される複数のスロットを伴って構成される、ホルダである。ＳＭＡワイヤは、実質的に伸長であり、チャンバの中に収納されるコアを構成するように平行配向で配列される。
【００３３】
図２は、エネルギー回収デバイスで使用中である、平行に配列された複数のＳＭＡまたはＮＴＥワイヤ１０とともに動作しているコアの実施形態を図示する。コアは、チャンバの中に収納され、弁１１およびマニホールド１２を介して流体源に接続される。ＳＭＡワイヤは、底部および上部バンドルホルダ１３ならびに１４によって両端で固着される。コアの一方の端部は、エネルギーを生成するように、ＳＭＡワイヤ１０の膨張および収縮に応答して移動可能であるピストン１５と連通している。コアは、低位熱から発電するために形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材料（ＮＴＥ）のいずれか一方を使用することができる、開発中の新規の熱回収システムを可能にする。
【００３４】
そのような用途に関して、熱源への暴露時のそのような材料の収縮が、捕捉され、使用可能な機械仕事に変換される。そのようなエンジンの作業要素のための有用な材料は、ニッケルチタン合金（ＮｉＴｉ）であることが証明されている。本合金は、周知の形状記憶合金であり、異なる業界にわたって多数の用途を有する。力が、ピストンおよびトランスミッション機構を介して、作業コア内の（複数のワイヤとして具現化される）合金の収縮ならびに膨張を通して生成される。上記のように、多数のサイクルにわたるＳＭＡまたはＮＴＥの反復収縮および膨張に起因して、ＳＭＡまたはＮＴＥコア材料が使用とともに経時的に劣化もしくは疲労し、非効率的な動作をもたらすという問題が存在する。
【００３５】
形状記憶合金（ＳＭＡ）の疲労は、欠陥および構造変化の蓄積に起因して起こり、ひいては、構造疲労（すなわち、亀裂の開始、亀裂の成長、および最終的な破裂）だけではなく、機能的疲労にもつながり、擬弾性挙動を呈するＳＭＡが繰り返し負荷を受けるとき、恒久歪みの蓄積が続いて起こり、順方向および逆変態のための臨界応力が減少する。機能的疲労は、転位の蓄積またはマルテンサイト変異形の安定化もしくはこれらのプロセスの組み合わせのいずれか一方に起因している。
【００３６】
本発明の第１の側面によると、コアを加熱するための制御された電流または他の加熱手段もしくは熱源の印加が、コアをその元の性質に戻らせることが発見されている。本発明の一実施形態では、応力誘起マルテンサイト（ＳＩＭ）をオーステナイトに戻し、部分的に形状記憶性質の劣化を取り消し、したがって、ＳＭＡの機能的疲労性質を増進することができる、オーステナイト仕上げ温度Ａｆを上回る温度Ｔｈまで循環サンプルを加熱するステップを伴う、熱処理が提供される。本手順は、以降で「回復」または「再生」と称される。本発明との関連で、「回復」または「再生」という用語は、使用中の劣化の結果として、ＳＭＡもしくはＮＴＥ材料コアをその所望の性質に戻すことを意味するように、広く解釈されるはずである。亀裂先端の前の応力誘起変態が亀裂の成長を遅らせ得ることが、十分に確立されている。マルテンサイトの安定化は、微細構造の応力緩和の可能性を局所的に低減させ、したがって、構造疲労中に疲労寿命にも悪影響を及ぼし得る。
【００３７】
回復処理は、ある時間周期にわたって合金のオーステナイト仕上げ温度を上回る温度を有する熱源への形状記憶合金の暴露を伴う。本熱源は、誘導炉、液体、油、または砂浴として提示されることができる。本循環後熱処理が行われる温度は、熱源への暴露時間の事前設定された周期のために設定される。
【００３８】
本発明のシステムおよび方法は、行うことが簡単であるが、有意に有益である、周期的回復処理を通して、ＳＭＡ構成要素の疲労寿命を増進する。本システムは、コアを加熱し、加熱動作を制御するための１つまたはそれを上回るモジュールとして具現化されることができる。制御は、コアにおいて現場で、または遠隔場所から行われることができる。図３は、概して、参照番号２０によって示される、本発明の一実施形態による、回復または再生プロセスのフローチャートを図示する。周期的に、またはコア動作の劣化が検出されるときに行われ得る、回復処理は、所望の温度までコアを加熱することによって行われる。検出は、コアの動作を監視するように、適切なセンサを用いた閉制御ループによって行われることができる。再生するためのコアの加熱に関して、加熱は、コアの加熱を制御するように構成される関連モジュールを伴ういくつかの熱源から提供されることができる。検出および加熱モジュールは、中心制御ステーションから、コアが位置する遠隔現場に制御信号を供給することによって、遠隔で制御されることができる。制御信号は、任意の好適な通信リンクを経由して供給されることができる。回復処理は、「適時に」、すなわち、ある種の恒久損傷が材料内に生成される前に行われるときのみ、効果的であることに留意しなければならない。回復、ひいては、構成要素の疲労寿命を増進することの特定の利点は、古い疲労したワイヤを新しいものと交換するために構造全体を解体することが、過剰に高価であり得る、または単に可能ではないことである。
【００３９】
図４は、回復が、ＳＭＡワイヤの「記憶喪失」を誘発した、すなわち、参照番号３０によって示される、熱機械循環によって組み込まれた高温および低温形状を「忘れさせる」ことを示す。図中の中央の曲線は、５００＋サイクル後に生じた合金の記憶を表す（曲線は、狭く、記憶効果がワイヤに組み込まれていることを示す）。上および下の曲線は、より幅が広く、ＳＭＡワイヤが回復熱処理を受けた後に得られた。ワイヤの記憶に組み込まれた挙動は、完全に消去され、熱機械循環レジームより前の特性の回復を可能にした。
【００４０】
合金の記憶をリセットすることの明白な利点以外に、回復熱処理は、熱機械循環中にエネルギー回収デバイスで任意の損傷が引き起こされた場合に、ワイヤの表面の品質を改善することができる。
【００４１】
本発明との関連で、ＳＭＡ材料が説明され、本発明は、エネルギー回収デバイスで使用するためのコアを構成する、ＮＴＥ材料の一般部類に適用され得ることが理解されるであろう。
【００４２】
本明細書では、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ、ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ、およびｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」またはそれらの任意の変異形ならびに「ｉｎｃｌｕｄｅ、ｉｎｃｌｕｄｅｓ、ｉｎｃｌｕｄｅｄ、およびｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」またはそれらの任意の変異形は、完全に互換可能であり、それらは全て、可能な限り広い解釈を与えられるべきであり、その逆も同様である。
【００４３】
本発明は、上述した実施形態に限定されないが、構造および詳細の両方において変更され得る。
【図１】
2018500498.tif 000003
【図２】
2018500498.tif 000004
【図３】
2018500498.tif 000005
【図４】
2018500498.tif 000006
【国際調査報告】
2018500498.tif 000007
2018500498.tif 000008
2018500498.tif 000009