KR900006405Y1 - 열감응장치 - Google Patents

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내용 없음.

Description

열감응장치

제1도 및 제2도는 형상기억합금과 대항바이어스 하중을 결합한 2방향 동작 열감응장치의 설명도.

제3도는 종래의 2방향동작 열감응장치의 동작을 설명하는 온도와 변위의 관계도.

제4도는 본 고안의 2방향 동작 열감응장치의 동작을 설명하는 온도와 변위의 관계도.

제5도 및 제6도는 제4도에 대응하는 실측 관계도.

제7도는 본 고안의 2방향 동작 열감응장치와 종래의 2방향 동작 열감응 장치의 특성비교도.

제8도는 본 고안의 열감응장치의 동작범위 설명도.

제9도 및 제10도는 각각 본 고안의 실시예를 도시한 열감응장치의 기본 구성도.

제11도는 제9도 및 제10도에 도시한 열감응장치의 동작설명도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

9,13 : SMA 코일스프링(형상기억효과 합금) 3 : 본체

2,14 : 추(바이어스 하중) 4 : 지지점

5 : 가동봉 6 : 선단부

7,8 : 연결부

10 : 코일스프링(바이어스 하중) 11 : 하우징

12 : 가동체 15,16,17 : 스토퍼

본 고안은 형상기억합금을 이용한 열감응장치에 관한 것이다.

최근, 형상기억합금[이하, SMA(Shape memory alloy의 약자)이라 부름]의 공업적 응용연구가 성행되고 있다. SMA로서는 여러가지 합금이 알려져 있으나, 현재 실용적으로 CuZnAl합금과 NiTi합금이 사용되고 있다.

열감응장치에의 응용을 고려할 경우, 가열시와 냉각시에 SMA가 가역적으로 변형하는 2방향성동작을 나타내며, 또한, 가열시의 변형온도와 냉각시의 변형온도와의 차(소위 히스테리시스)가 작고, 또한 가열, 냉각의 반복으로 인한 수명열화가 적은 것이 요망된다.

CuZnAl합금을 주로하는 Cu합금은, 합금자체가 2방향동작의 성질을 가지며, 히스테리시스도 약 10℃정도의 작은 값을 나타내지만, 가열, 냉각의 반복으로 인해 수명의 열화가 크다, 한편, NiTi합금은 가열시에만 변형하는 1방향동작의 SMA이지만, 합금의 성질상, 피로수명은 Cu합금에 비해서 매우 뛰어난 것이다.

이때문에, 합금단독으로는 1방향성 도아동작 밖에 나타나지 않는 NiTi합금을 2방향 동작을 사용하는 연구가 이루어지고 있다. 예를 들면 제1도에 도시한 바와 같이, 고온에서 밀착권회상태로 형상기억처리하여 NiTi합금선의 코일스프링(1)을 만들고, 여기에 추(웨이트)(2)를 달아매는 구성이 알려져 있다. 형상기억에 형상변화를 나타내는 온도(변태온도)이하에서는 NiTi합금성질로서 탄성계수나 항복응력등의 강도가 낮아 추(2)에 의해서 응력유기(誘起)마르텐사이트 변태에 의한 변형이 일어나서 NiTi합금 코일스프링(1)은 늘어나지만, 이것을 가열하면, 변태온도에서 형성기억에 의해서 본래의 형상으로 되돌아갈려고 하는 큰 복원력이 발생하여, NiTi합금선의 코일스프링(1)이 수축하여, 추(2)를 들어올린다. 따라서, 변태온도 이하에서는 NiTi합금선의 코일스프링(1)이 늘어나고, 변태온도 이상에서는 수축하여, 동작범위가 D인 2방향동작이 된다.

또, 추(2)대신에 제2도에 도시한 바와 같이, 본체(3)의 지지점(4)을 중심으로 회전동작하는 가동봉(5)의 선단부(6)와 본체상의 연결점(7)(8)과의 사이에, 한쪽에는 SMA코일스프링(9), 다른쪽에는 통상의 재료로된 코일스프링(10)을 부착한 구성으로 하면, 변태온도 이하에서는 SMA코일스프링(9)은 실선으로 표시한 바와 같이, 변태온도 이상에서는 SMA코일스프링(9)은 점선으로 표시한 바와 같이 동작범위가 D인 2방향동작을 한다.

이러한, SMA에 추나 혹은 통상의 코일스프링등의 대향바이어스하중을 결합한 2방향동작의 열감응장치에 있어서, 온도(T)와 변위(S)(SMA의 늘어남)의 관계는 제3도에 도시한 바와 같이되며, 가열시의 동작온도와 냉각시의 동작온도가 불일치하여 소위 히스테리시스 현상이 발생한다.

종래의 NiTi합금을 사용한 열감응장치에 있어서는, 히스테리시스의 온도폭(△T)이 10∼30℃있다. 이러한 히스테리시스폭 으로서는 정밀하게 온도를 제어하거나, 물체를 움직이게 하거나 하는 열감응장치에 사용할 수 없으므로 반복수명 특성이 양호한 NiTi합금의 공업적 응용에 큰 장애가 되고 있었다.

본 고안은 이러한 문제를 해결하기 위하여 히스테리시스폭이 매우 작은 열감응장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 고안은 SMA의 2방향동작에 대해서 SMA의 변형에 의한 전단변형(Shearing deformation)량이 작은 영역에서의 변형특성을 광범위하게 검토해서 이루어진 것이다. 예를 들면 제1도의 구성에 있어서 SMA의 2방향 동작은 종래 공지의 제3도의 특성을 나타내지 않으며, 기본적으로는 온도 T₁과 온도 T₂상이에서의 특성은 제4도의 온도-변위 곡선에 도시한 바와 같다. 가열시의 형상복원 즉, 마르텐사이트상(相)으로 부터 오오스테나이트상으로의 변태는 2단계로 발생하며, 제1의 과정(a)과 제2의 과정(b)으로 나타나서SMA코일스링을 수축한다. 냉각시에는 하나의 강제변형과정(C)즉, 응력유기로 시작회는 마르텐사이트변태로 변형하여, SMA코일스프링이 늘어난다. 이와 같이 온도 T₁과 온도T₂사이에서 온도-변위의 페루우프를 나타낸다는 것이 판면되었다. 본 고안은 이와 같이 새롭게 발견한 형상에 의거해서 이루어진 것으로서, 형상복원의 제1과정(a)으로 부터 제2과정(b)으로의 천이점을 A, 강제변형과정(C)의 종착점을 B라고 했을 경우, 열감응장치의 동작범위로서, SMA의 변형에 의한 A점에서의 전단변형령(r_A) 및 B점에 있어서의 전단변형량(r_B)의 값이 r_A<r_B이고, 또한 SMA의 변형범위를 전단변형량(r_A)과 전단변형량(r_B)의 사이에 있도록 한정시킨 것이다. 여기서, 전단변형량(O)는 고온시에 무하중시의 SMA의 형상은 밀착코일형상으로 형상기억 처리한 SMA코일스프링일 경우, 밀착상태에 있다.

이와 같이 한정으로 본 고안은 히스테리시스를 3℃이하로 하는 것을 가능하게 했다.

이하, 본 고안을 실시예에 의해서 설명한다.

SMA는 NiTi합금으로서 동작온도가 30∼50℃사이에 있는(동작온도는 합금조성이 동일해도, 열처리, 혹은 바이어스 하중에 의해서 변함)동일한 조성의 직경 0.75mm의 선재(線材)를 소재로 했다.

이 선재를 코일평균직경이 5.6mm인 밀착코일형상으로 감아서 형상기억처리를 행하였다. 형상기억처리 온도는 425℃, 450℃, 475℃ 및 500℃로 하고 가열시간은 30분으로 했다. 기억처리후, 유효권회수가 16회인 코일스프링을 제조하였다.

이러한, SMA코일스프링에 대해서 제1도의 바이어스 하중의 추(웨이트)로 매다는 방법에 의해 여러가지의 하중에서 가열, 냉각(수증냉각)해서, 온도와 변위(SMA코일스프링의 늘어남)의 관계를 규했다.

그 결과를 일례를 제5도 및 제7도에 도시한다.

또한, SMA코일스프링의 변위, 즉 신장도(δ)와 그 신장도에 의한 SMA코일선재의 전단변형(r)과의 사이에는 다음 관계식이 있다.

(여기서, d는 선재의 직경, D는 코일평균 직경, n은 유효권회수,

따라서, 실시예에서는 d=0.75φmm, D=5.6φmm, m=16회로 했으나, 제5도 및 제6도의 온도-전단병형의 관계로 보면, 선재의 직경(d), 코일평균직경(D)혹은 유효권회수(n)가 상이한 샘플에 대해서도 마찬가지이다.

제5도는 형상기억처리온도 450℃의 SMA코일스프링에, 바이어스 하중을 130g결합한 예이다. 실선은 30℃와 70℃사이에서의 가열 및 냉각에 있어서의 온도-변위곡선이고, 형상복원의 제2의 과정은 출현되지 않았으며 제1의 과정은 위치 A₁에서 끝난다.

점선(일부는 30℃-70℃의 곡선과 중복된)은 5℃와 70℃사이에서의 가열 및 냉각에 있어서의 온도-변위곡선이며, 형상복원의 제1과정은 위치 A₂에서 끝나고, 제2의 과정을 거쳐서 70℃에 도달한다.

양자에 있어서, 냉각과정은 같은 곡선을 따르며 강제변형과정은 위치 B₁에서 끝난다. 여기서, 가열시의 형상 복원의 제1과정과 냉각시의 강제변형과정의 온도차, 즉 히스테리시스는 약 1.5℃라고 하는 매우 작은 값이된다.

제6도는, 형상기억처리온도 500℃의 SMA코일스프링에 바이어스하중 85g을 결합시킨 예이다. 실선은 25℃와 70℃사이에서의 가열 및 냉각에 있어서의 온도-변위곡선이고, 형상복원의 제1과정은 위치 A₃에서 끝나면, 제2의 고정을 거쳐서 70℃에 도달한다. 점선(일부는 25℃-70℃의 곡선과 중복됨)을 19℃와 70℃사이에서의 가열 및 냉각에 있어서의 온도-변위곡선이고, 형상복원의 제1고정은 A₄에서 끝나며, 제2의 과정을 거쳐서 70℃에 도달한다.

양자에 있어서, 냉각과정은 같은 곡선을 따르며 강제변형과정은 위치 B₂에서 끝난다. 여기서, 25℃∼70℃사이의 곡선에서, 가열시의 형상복원의 제1의 과정과 냉각시의 강제변형과정의 온도차, 즉 히스테리시스는 약 2.5℃이다. 형상기억처리온도 425℃, 475℃의 SMA코일 스프링에 대해서도 유사한 결과를 얻었다.

이들 결과로 부터 SMA와 바이어스하중을 결합한 2방향동작에 있어서, 냉각시의 온도-변위관계는 사용최저온도에 관계없이 같은 경로를 따르게 되나, 가열시의 온도-변위관계는 사용최저온도에 따라서 다르다는 것이 판면되었다. 즉, 형상복원의 제1과정에서 받는 변위량은 사용최저온도의 영향을 그다지 받지 않으나, 제2의 과정에서 받는 변위량은 사용최저온도가 낮을 수록 커진다. 그리고 형상복원의 제2과정은 제1의 과정보다 고온에서 일어나기 때문에, 제2의 과정과 냉각시의 강제변형과정과정과의 온도차는 매우 크다.

이와 같은 현상이 실제의 열감응장치에 있어서 어떠한 상황으로 나타나는 가를 다음에 설명한다.

제6도의 특성을 나타내는 SMA코일스프링과 바이엇스하중을 결합시킨 실제의 열감응장치에 있어서, 동작범위의 즉 SMA코일스프링의 신장범위를 전단변형량으로 r_A3=0.55와 r_B2=0.90%사이에 있도록 스토퍼로 규제한다. 이와 같은 장치의 온도-변위곡선은 제7도에 도시한 바와 같다. 즉 최저온도 25℃의 범위에서 사용하면 제7도(a)와 같이 되며, 히스네리시스는 2.5℃이다.

그러나, 최저온도 19℃의 범위에서 사용하면 제7도(b)와 같이 되며, 히스테리시스는 약 18℃가 된다. 즉, 제6도에 있어서, 전단변형량 0.55%와 0.90%사이의 히스테리시스에 대응하는 히스테리시스를 나타낸다.

이상과 같이, SMA와 바이어스 하중을 결합한 2방향 동작의 열감응장치에 대해서, 매우 작은, 히스체리스상태를 얻으려면, 하중 및 최저사용온도와의 관계에 있어서, SMA코일 스프링의 신장범위를 규제하는 일이 중요하다.

즉 SMA에 대항하는 하중에 대해서 사용온도 범위에서의 온도-변위(SMA)코일스프링의 전단변형량)의 관계를 제4도와 같이 규하고, 가열시의 형상복원의 제1과정으로 부터 제2의 과정으로의 천이점(A)에 대응하는 전단변형량(r_A)이 냉각시의 강제변형과정의 종착점 B에 대응하는 전단변형량(r_B)보다 작은 값으로 하여, 양자의 전단변형량의 차를 동작범위로 하면, 3℃이하의 히스테리시스의 열감응장치를 얻을 수 있다.

제8도(a)(b)(c) 및 (d)는 각각, 형상기억처리온도, 425℃, 450℃, 475℃ 및 500℃의 NiTi합금코일스프링에 대해서 바이어스하중과 최저사용온도를 파라미터로 해서 전단변형량(r_A)과 전단변형량(r_B)의 관계를 도시한 것이다. 전단변형량(r_A)의 우측에 기록된 온도가 최저온도이다.

이 제8도에 있어서, 전단변형량(r_A)이 전단변형량(r_B)보다 작고, 또한 전단변형량(r_A)과 전단변형량(r_B)내에 둘러싸이는 범위에서 SMA코일스프링을 사용하면, 히스테리시스 3℃이하의 열감응장치를 얻을 수 있다. 도면으로 부터 명백한 바와 같이, 바이엇스하중이 클수록, 또 사용최저온도가 낮을 수록, 히스테리시스 3℃이하의 동작을 나타내는 SMA의 전단변형의 폭은 좁아진다.

본 고안에 의한 열감응장치는, 상기의 조건을 반족시킬 수 있도록 동작범위를 한정한 것으로서, 이 동작번위의 규제 방법으로서 구체적인 예를 다음에 예시한다.

제9도는 하우징(11)에 상하 이동가능한 가동체(12)를 조립해 넣고, 상부후크를 하우징(11)에 연결하고, 하부후크를 가동체(12)에 연결된 SMA코일스프링(13)을 배치하고, 가동체(12)에는 추(14)를 매달아 놓고 또한 가동체(12)의 동작범위를 스토퍼(15)(16)로 규제하여, SMA코일스프링(13)의 신장범위를 규제한 것을 도시한 도면이다.

제10도는 제2도와 마찬가지로 본체(3)의 지지점(4)을 중심으로 회전동작하는 가작봉(5)의 선단뷰(6)와 본체(3)위의 연결점(7)(8)과의 사이에, 한쪽에는 SMA코일스프링(9), 다른쪽에는 통상의 코일스프링(10)을 부착한 구성에 있어서, 가동봉(5)의 동작범위를 스토퍼(17)로 규제한 것을 도시한 도면이다.

제9도와 제10도의 구성에 대해서, 그 동작을 제11도에 도시한 전단변형범위도로 부터 설명한다. 제9도는 정적하중이므로, 사용목적의 바이스하중(WS)에 대해서, 수직선을 긋고, r_A선과 r_B선과의 교차점을 구하면, r_BS-r_AS가 허용동작 범위가 된다.

제10도의 경우는, 가동봉의 회전에 따라 통상의 코일스프링(바이스스프링)에 의한 토오크가 변화한다. 따라서, 저온에서 SMA코일스프링이 늘어났을 때에는 바이스스프링에 의한 토오크는 커지며, 고온에서 SMA코일이 수축했을 때에는, 바이어스프링에 의한 토오크가 작아지도록, 바이어스스프링의 탄성계수와, 바이어스 스프링의 연결위치를 설정할 수 있다. 제10도는 바이어스 스프링이 늘어났을때에, 바이어스 스프링이 수축하려고 하는 힘은 커도, 바이어스 스프링의 선장방향의 중심선과 가동봉의 회전중심과의 간격을 짧게 해서 회전력을 작은 값으로 하기 때문에, 지지점(4)에 대하여 본체(3)를 구부러지게 한다.

이와 같이 설정하면, SMA코일스프링을 신장시키려고 하는 힘은 저온시 즉, SMA코일스프링이 신장될때에 크고 (이하, WS이라고함)고온시 즉 SMA코일스프링이 수축할때에 작아(이하, WL이라고함)진다. 따라서 제11도에 있어서, 저온시의 하중을 WS라고 하고, 고온시의 하중을 WL이라고 했을 경우, 허용동작범위는 r_BS-r_AL가 되어, 제9도의 방식에 비해 동작범위를 크게 가질 수 있다.

종래의 열감응장치에 있어서는, SMA의 특징이 되는 큰 형상복원량이나 큰 형상복원력에 착안하고 있었기때문에, SMA의 전단변형량을 크게 해서 사용되고 있었다. 이 때문에, 형상복원의 제1과정보다도 제2의 과정이 형상복원량의 대부분을 차지하고 있기 때문에, 혹은 제6도와 제7도에 대응해서 도시한 바와 같이, 전단변형량이 같아도 SMA의 특성에 맞는 사용온도가 아니기 때문에 히스테리스폭은 10℃이상의 큰 값이 된다.

이에 대해서, 본 고안의 열감응장치는, 동작범위를 SMA의 전단변형량으로서 규정하므로서, 히스테리시스폭은 3℃이하의 매우 작은 값이 된다. 이때문에 종래는 형상기억 합금으로는 정밀하게 제어가 곤란했던 각종 제어기기, 예를 들면, 항온조의 온도설정기, 유체경로의 감열밸브, 공조기의 풍향변경기구등에의 용융이 가능하게 되어 열감장치로서 뛰어난 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

1. TiNi형상기억 합금(1)(8)(13)에 대향바이어스 하중(2)(10)(14)을 결합하여 형상기억합금이 냉각시에는 대향 바이어스 하중의 작용력에 의해서 변형되고, 가열시에는 형상기억 합금의 기억효과에 의해서 냉각시와 반대방향으로 변형되는 2방향 동작의 구성으로 하고 2방향동작의 동작범위를 규제한 열감응장치에 있어서, 동작범위를 규제하지 않는 상태에서의 형상기억 합금의 온도와 변위의 관계가 냉각시에는 제1의 형상변화(제4도의 C)와 제2의 형상변화(제4도의 B점 보다 전단변형 r가 큰 변형)를 하고, 가열시에는 제1의 형상 복원과정(제4도의 a)과 제2의 형상복원 과정(제4도의 b)을 하지만 상기 동작범위의 규제를 냉각시의 제1의 형상변화(제4도의 C)와 가열시의 제1의 형상복원과정(제4도의 a)이 다같이 포함되는 전단번형의 범위, 즉 냉각시의 제1의 형상변화의 종점(제4도의 B)과 가열시의 제1의 형상복원 과정의 종점(제4도의 A)과의 사이의 범위로 한 열감응장치.
2. 제1항에 있어서, 형상기억합금이 NiTi합금코일스프링이며, 그 형상기억처리온도가 425℃이상 500℃이하인 열감응장치.