RO137564A2 - Motor termic liniar alternativ acţionat prin aliaje cu memoria formei - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un motor termic liniar alternativ utilizat pentru dezvoltarea unei mişcări rectilinii alternative. Motorul, conform invenţiei, cuprinde o pereche de elemente (1, 2), realizate din aliaj cu memoria formei (AMF) termoelastic cu formă caldă rectilinie, care se află în stare martensitică la temperatura camerei şi au fost încovoiate în mod egal atunci când au fost fixate în câte o extremitate în stânga, respectiv în dreapta, prin nişte articulaţii (11), la o carcasă (7), celelalte capete fiind cuplate articulat la capetele axului (8), astfel încât pot fi aduse succesiv prin acţiune reciprocă în focarele unor lentile (3, 4) fixate în suporţi reglabili (5, 6), determinând o deplasare longitudinală a axului (8). Prin încălzire utilizând energia solară, elementele (1, 2) intră în stare austenitică şi dezvoltă efect de memoria formei, generator de lucru mecanic, realizându-se conversia energiei solare în energie mecanică.

Description

MOTOR TERMIC LINIAR ALTERNATIV ACȚIONAT PRIN ALIAJE CU MEMORIA FORMEI

Invenția se referă la un ansamblu care folosește energia solară focalizată asupra unor perechi de elemente din aliaj cu memoria formei (AMF) care, fiind activate în mod alternativ, dezvoltă efect de memoria formei (EMF) generator de lucru mecanic.

Obiectul invenției este un ansamblu care dezvoltă mișcare rectilinie alternativă prin conversia energiei solare în energie mecanică.

Sunt cunoscute aliaje termoelastice cu memoria formei care au capacitatea de a-și recupera „forma caldă” și de a dezvolta lucru mecanic, prin încălzirea într-un interval superior de temperatură, după ce au fost deformate și menținute într-un interval inferior de temperatură [1].

Literatura de specialitate propune clasificarea motoarelor acționate prin AMF in șase categorii luând in considerare tipul mecanismului de acționare : -motoare cu arbore cotit, cu iulie, pe baza de câmp, cu discuri oscilante, secvențiale si alternative. [2]

Motoarele cu arbore cotit transforma mișcarea liniar-altemativa a elementului din AMF in mișcare continua de rotație a unui ax de ieșire. Tipuri de astfel de motoare sunt descrise in brevetele US4683721; US4691518; US5279123 si altele, iar aspecte teoretice in lucrările [3], [4],[5],[6],[7],

(b) US4691518.

(c) US52~9123.

Motoarele cu falie utilizează ca element de acționare curele din fire de AMF. Aceste tipuri de motoare pot fi nesincronizate sau sincronizate. Referințe despre funcționarea acestora se găsesc in lucrările [8],[4],[5],[9],[10],[11]. In cazul motoarelor nesincronizate, faliile se rotesc liber una fata de cealaltă. Singura legătura intre falii este contactul cu inelul din AMF. Astfel de soluții sunt descrise in brevetele US4010612; US4275561 s.a.

(a) US4010612. (b) US42~5561.

Motoarele sincronizate se caracterizează prin aceea ca faliile lor se rotesc una fata de cealaltă într-o relație determinata. Tipuri de astfel de motoare sunt descrise in brevetele(a) US4150544; (b) US4246754; (c) US4305250.

(a) US4150544. (b) L'S4246~54. (c) US4305250.

Motoarele pe baza de câmp utilizează câmpul gravitațional sau câmpul magnetic pentru a echilibra un mecanism. Brevetele (a) US4027479 si (b) US4281513 descriu soluțiile tehnice pentru astfel de motoare.

(b) US42S1513.

Motoarele cu platouri oscilante sunt asemănătoare cu cele cu arbore cotit cu excepția faptului ca axa lor de rotație este paralela cu direcția forței aplicate spre deosebire de cele cu arbore cotit, unde forța aplicata are o direcție perpendiculara pe axa de rotație. Acest concept este foarte potrivit pentru fire din AMF, unde deplasări mici dar puternice sunt transformate direct in mișcare de rotație. Brevetele US4175390 SI (b) US4305250 descriu astfel de soluții.

(a) US41'5390.

(b) US43O525O.

Motoarele secvențiale se bazează pe deplasări mici si puternice care se sumează pentru a determina deplasarea substanțiala a unui element condus. Principiul de funcționare se aseamănă cu deplasarea unei omizi, prin extensia părții anterioare cu o valoare mica, urmata de tragerea părții posterioare. Când partea posterioara si-a terminat deplasarea, partea anterioara reia ciclul prin deplasarea înainte cu valoarea mica inițiala. Soluția prezentata in brevetul (a) US4938026 se compune dintr-o roata dințată tubulara din AMF care angrenează cu o roata dințată convențională. La încălzire dinții rotii tubulare din AMF tind sa se apropie intre ei, rotind roata dințată convențională cu care se afla in angrenare.

35^x (a) US493S026.

Motoarele liniar-altemative dezvolta o mișcare de translație alternativă, ceea ce face ca utilizarea elementelor din AMF sa fie foarte potrivita. Provocarea in realizarea acestui tip de motor este aducerea ciclica a firelor in zona calda, respectiv zona rece, fără mutarea fizica a acestora intre aceste zone. De cele mai multe ori se utilizează pompe externe pentru aportul de fluid cald sau

2°) rece peste elementele din AMF, ceea ce inevitabil, le reduce eficienta. Brevetul (a)US4434618 propune o soluție in care un piston este acționat prin niște spire din AMF, iar brevetul (b)US4759187 ilustrează o banda de fire paralele din AMF conectate la un piston prin intermediul unei piese de legătura.

(a) US4434618.

(b) US4e9lS5

Spre deosebire de aceste soluții, aplicația care face obiectul invenției utilizează elemente din aliaj cu memoria formei (AMF) iar căldura produsa de Soare este transmisa direct elementelor de acționare.

Invenția reprezintă o noua aplicație a aliajelor cu memoria formei, fiind practic un motor liniaraltemativ care utilizează energie solara.

Invenția este prezentata pe larg in continuare in legătura si cu Fig.l ce reprezintă:

Conform invenției, elementele (1) si (2), realizate din AMF termoelastice sunt în stare martensitică la temperatura camerei si fixate in cate o extremitate in stânga respectiv dreapta prin articulațiile (11) la carcasa (7) celelalte capete fiind cuplate prin articulații la capetele axului (8), sunt aduse succesiv prin acțiune reciprocă in focarele lentilelor (3) si (4) fixate in suporții reglabili (5) si (6) poziționați pe carcasa (7), determinând deplasarea longitudinala a axului(8) care glisează in

ghidajul (9) prevăzut cu canale circulare in care intra bila indexorului (11). In momentul încărcării ansamblului, axul (8) se deplasează spre stânga iar elementul (1) este arcuit, reducându-i-se raza de curbură și intra in focarul lentilei (3). Astfel, elementul (1) se încălzește până în stare austenitică si dezvoltă EMF generator de lucru mecanic, tinzând să revină la forma inițiala cu rază de curbură mai mare. Prin această acțiune axul (8) este deplasat spre dreapta, comprimând elementul (2) si aducându-1 in focarul lentilei (4). Acest lucru este posibil datorita faptului ca forța dezvoltata de AMF austenitic, în timpul revenirii la forma caldă, este mai mare decât forța necesara pentru deformarea AMF martensitic, la imprimarea formei reci, știut fiind că, la AMF termoelastice, austenita este mai rigidă decât martensita [1], în continuare, elementul (2) se încălzește, devine austenitic si la rândul lui revine la forma inițiala cu raza de curbură mai mare, comprimând elementul (1), devenit între timp martensitic în urma răcirii, care este adus in focarul lentilei (3). Ca urmare, tija (8) se deplasează axial stânga-dreapta. Indexorul cu bila se reglează astfel încât sa mențină in focar elementele din AMF un timp suficient pentru a permite încălzirea.

Bibliografie

1. Bujoreanu L.G., Materiale Inteligente, Editura Junimea, 2002

2. Ean H. Schiller, Heat Engine Driven by Shape Memory Alloys: Prototyping andDesign

3. Zhu, J. J., Liang, N. G., Liew, K. M. and Huang, W. M., Energy Conversion in Shape Memory Alloy Heat Engine Part I: Theory, Journal of Intelligent Material Systems and Structures

4. Tobushi, H., Kimura, K., Iwanaga, H. and Cahoon, J. R., Basic Research on Shape Memory Alloy Heat Engine (Output Power Characteristics and Problems in Development), JSME International Journal Series, Series 1, Voi. 33, No. 2,pp. 263-267, 1990

5. Tanaka, M,, Shape Memory Alloy Engine, 27th Intersociety Energy Conversion Conference, Voi. 3,pp. 3.87-3.91, 1992.

6. Zhu, J. J., Liang, N. G., Liew, K. M. and Huang, W. M., Energy Conversion in Shape Memory Alloy Heat Engine Part 11: Simulation, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Voi. 12, pp. 133-140, February 2001.

7. Iwanga, H., Tobushi, H. and Ito, H. Basic Research on Output Power Characteristics of a Shape Memory Alloy Heat Engine, JSME International Journal, Series 1, Voi. 31, pp. 634-637, 1988.

8. Johnson, A. D., Nitinol Heat Engines, Intersociety Energy Conversion Engineering Conference - conference record, pp. 530-534, 1975.

9. Tobushi, H. and Cahoon, J. R., Mechanical Analysis of a Solar-Powered Solid State Engine, Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering, Voi. 9, No. 3, pp. 137-141, 1985.

10. Tanaka, H., Kohda, M. and Okuda, T., A Study Of The High-Power Nitinol Heat Engine, 20th Intersociety Energy Conversion, Voi. 2,pp. 2.729-2.734, 1985.

11. Wakjira, J. F., The VT1 Shape Memory Alloy Heat Engine Design, Master's thesis, Department ofMechanical Engineering, Virgin ia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, VA, 2001.

12. U. S PATENTS :

US4683721; US4691518; US5279123; US4010612; US4275561; US4150544;

US4246754; US4305250; US4938026; US4434618; US4759187

Claims (1)

1. Ansamblu caracterizat prin aceea că folosește energia solară focalizată asupra unor perechi de elemente din aliaj cu memoria formei (AMF) termoelastic, aflate în stare martensitică la temperatura camerei care, fiind activate pe rând, se rearmează reciproc și dezvoltă mișcare rectilinie alternativă prin efect de memoria formei generator de lucru mecanic care realizează conversia energiei solare în energie mecanică.