verticale

Sviluppo di attuatori rotativi a memoria di forma per diffusori d'aria

Partendo dalle proprietà intrinseche delle leghe a memoria di forma, è stato sviluppato un attuatore rotativo per la variazione dell'angolo d'incidenza delle pale, in un diffusore d'aria industriale. La progettazione e lo sviluppo del dispositivo rotativo sono stati illustrati partendo dal modello geometrico-matematico dell'attuatore, sino ad arrivare ai test funzionali, passando attraverso la caratterizzazione degli elementi elastici che compongono l'attuatore stesso.

Scarica il PDF Scarica il PDF
Aggiungi ai preferiti Aggiungi ai preferiti


Articoli tecnico scientifici o articoli contenenti case history
La Termotecnica giugno 2013

Pubblicato
da Alessio Rampini




Settori: 

Parole chiave: 


Estratto del testo
INTRODUZIONE
Fin dalla loro scoperta [1,2], le leghe a memoria di forma hanno attratto
l''interesse di ingegneri e ricercatori grazie alle loro peculiari proprietà
funzionali. Nonostante ciò, la diffusione e l''applicazione di questi ma-
teriali si è limitata inizialmente a settori ad alto valore aggiunto, quali il
settore difesa e il biomedicale che sono i settori che più di altri sono stati
in grado di assorbire gli elevati costi della materia prima. Nell''ultimo
decennio, invece, si è registrato un crescente interesse da parte dei settori
industriali più disparati quali l''HVAC [3,4], il settore dell''elettrodomestico
[5] e il settore dell''automotive [6], grazie all''aumento dell''efficienza
produttiva e la conseguente riduzione dei costi della materia prima. Il
crescente interesse in questa tecnologia è dimostrato soprattutto dall''au-
mento delle domande di brevetto dell''ultimo decennio, che rappresenta
l''80% delle domande depositate negli ultimi 20 anni [7], tra le quali, vi
sono alcune applicazioni dei materiali SMA utilizzati sia come attuatori
sia come sensori di temperatura, utilizzati, ad esempio, in valvole ter-
mostatiche.
Le valvole termostatiche, come altri tipi di dispositivi che sono in grado di
produrre lavoro in risposta a un stimolo termico, rientrano nella catego-
ria degli attuatori termici (AT) che trovano largo uso, ad esempio, nella
regolazione e/o controllo di processi termodinamici.
Gli ATs, realizzati mediante leghe a memoria di forma, sfruttano le pro-
prietà uniche di questi materiali, che presentano una stretta dipendenza
delle proprietà meccaniche dalla temperatura, tale da consentire la
modulazione del lavoro generato in funzione di una variazione di tem-
peratura che può essere sfruttata in dispositivi di controllo e regolazione
nel campo della climatizzazione.
L''attuazione di sistemi di regolazione mediante ATs sembra essere econo-
micamente molto vantaggiosa, se paragonata a sistemi elettromeccanici
che impiegano elettroniche di controllo e sensori di temperatura per il
retro azionamento. La conseguenza dei vantaggi economici e tecnici
appena descritti rende gli ATs adatti alla regolazione di pale e/o paratie
in dispositivi per la diffusione dell''aria, utilizzati per regolare la direzione
di mandata dell''aria in funzione della temperatura dell''aria stessa. I diffusori d''aria sono dispositivi comunemente usati, nel condizio-
namento industriale, per ottenere un campo termico più omogeneo
all''interno di un volume predefinito, consentendo un condizio-
namento efficiente in termine di risparmio energetico a parità di
comfort. Com''è noto, i diffusori d''aria sfruttano il moto di conve-
zione dell''aria lanciando l''aria calda in direzione perpendicolare
al suolo, mentre l''aria fredda viene lanciata in direzione parallela;
in condizioni di funzionamento, l''aria calda, spinta verso il basso,
tenderà a salire mentre l''aria fredda, spinta parallela al terreno,
tenderà a scendere consentendo un''omogeneità di temperatura sia
in riscaldamento sia in raffreddamento.
Il metodo appena descritto rappresenta uno dei metodi più efficienti
per il condizionamento se confrontato a quelli di condizionamento
mediante l''utilizzo di diffusori con lancio dell''aria in direzione fissa.
I dispositivi, presenti sul mercato, in grado di variare l''angolo di
lancio dell''aria in funzione della temperatura sono numerosi; nella
Figura 1 è rappresentato il modello preso come campione di riferi-
mento per lo sviluppo dell''attuatore rotativo. Nel presente articolo verrà descritto un semplice modello geometri-
co matematico dell''attuatore e verrà, inoltre, descritto il processo di
sviluppo e caratterizzazione dell''attuatore e dei suoi elementi costi-
tutivi: la molla a memoria di forma e la molla di contrasto in acciaio.
Per poter meglio comprendere il comportamento dei materiali
a memoria di forma si rimanda a una breve introduzione
nell''appendice I. Tecnica Climatizzazione la TERmOTEcNIca giugno 2013 di F.Stortiero, R.Gualandris, S.Gualandris F.Stortiero, R.Gualandris, S.Gualandris, Technosprings Italia Srl Sviluppo di attuatori rotativi a memoria di forma
per diffusori d''aria Partendo dalle proprietà intrinseche delle leghe a memoria di forma, è stato sviluppato un attuatore rotativo per la variazione dell''angolo d''inci-
denza delle pale, in un diffusore d''aria industriale. La progettazione e lo sviluppo del dispositivo rotativo sono stati illustrati partendo dal modello
geometrico-matematico dell''attuatore, sino ad arrivare ai test funzionali, passando attraverso la caratterizzazione degli elementi elastici che com-
pongono l''attuatore stesso. 61 DEvElOpmENT OF ShapE mEmORy allOyS -baSED ROTaRy acTUaTORS FOR aIR DIFFUSERS
Starting from the intrinsic properties of this class of materials , a rotary actuator for an industrial air diffuser with selectable inclination device of
blades, has been developed. The design and development processes have been described starting from the introduction of a simple geometric''math-
ematical model of the actuator up to the execution of functional tests of a prototype passing through the thermo-mechanical characterization of the
elastic elements whose the actuator is made up. FIGURa 1 - Schema costruttivo e principio di funzionamento
di un diffusore d''aria a lancio direzionabile
Tecnica Climatizzazione 62 la TERmOTEcNIca giugno 2013 mODEllO GEOmETRIcO-maTEmaTIcO
Al fine di poter realizzare un attuatore rotativo basato su una molla a memo-
ria di forma è stata sfruttata una particolare configurazione di montaggio,
cosiddetta ''non allineata', dell''elemento attivo SMA e della contro-molla in
acciaio. In particolar modo le due molle sono state montate su di un braccio
di leva fissato a un centro di rotazione O, comune all''albero principale del
diffusore che trasferisce il movimento alle pale per mezzo di una coppia
conica. Mentre un''estremità delle molle è stata fissata al braccio di leva, le
estremità opposte, rispettivamente della molla SMA e della contro-molla, so-
no state montate in verso opposto lungo due direzioni che si intersecano tra
loro per poter applicare una coppia torcente sul braccio di leva. Secondo il
montaggio appena descritto, un modello geometrico matematico della con-
figurazione ''non allineata' è stato sviluppato come mostrato nella Figura 2. Il modello è stato sviluppato in forma generalizzata e le condizioni di vincolo
per i dati in ingresso sono state determinate dai vincoli geometrici legati alle
dimensioni del diffusore.
I parametri che consentono di descrivere l''attuatore sono facilmente identi-
ficabili e sono strettamente correlati alle dimensioni delle molle: -L0, lunghezza della molla SMA a temperatura superiore a Af;
-L1, lunghezza della molla SMA a temperatura inferiore a Mf;
-θo, angolo di montaggio della molla SMA;
-R0, braccio di leva;
-θ, angolo di rotazione del braccio di leva;
-β, angolo di costruzione. Inoltre, partendo dalle condizioni di vincolo geometrico iniziali e consi-
derando i requisiti di performance dell''attuatore desiderati, in termini di
coppia e angolo di rotazione, è stato possibile calcolare le frecce (corse)
e forze rispettivamente della molla SMA e della contro-molla in acciaio,
mediante l''utilizzo delle relazioni trigonometriche derivate dal modello.
In particolare, le relazioni trigonometriche derivate dal modello geometrico
e riportate di seguito sono state esplicitate al fine di calcolare lo spostamento
e l''angolo del momento sia dell''elemento attivo sia dell''elemento passivo
durante il passaggio di aria calda e di aria fredda in relazione alle condi-
zioni iniziali di montaggio e/o vincolo: L1= L02 + 2'' R''Sen θ / 2 ( ) ( ) 2 '' 4'' L0'' R''Sen θ / 2 ( )''Cos θο +' / 2 ''θ / 2 ( ) β = Arcsen L0 / L1 ( )''Sen θο +' / 2 ''θ / 2 ( ) ( ) Angolo del momento = ' +θ ( ) 2 + β Operando, inoltre, con le formule precedenti e considerando le relazioni
generiche tra momento torcente e braccio di leva, sono state ricavate le relazioni 4 e 5, riportate di seguito, che consentono di calcolare lo sposta-
mento assoluto lineare, sottraendo L0 a L1 e le forze applicate dai singoli
elementi in funzione del angolo di rotazione: Variazione Lunghezza Mol a, VLM = L1'' L0 Forza = Momento di At uazione / R0''Sen Angolo del momento ( ) ( ) In definitiva, il modello geometrico-matematico ha consentito di trasformare
lo spostamento rotazionale dell'' attuatore nello spostamento lineare delle
molle, permettendo di dimensionare gli elementi elastici come elementi di
un attuatore differenziale lineare. mETODI E RISUlTaTI
Le prestazioni dell''attuatore rotativo richieste da un''applicazione possono
essere definite da 4 parametri: momento di attuazione, l''angolo di rotazione
e la temperatura di attuazione e di reset. Nel presente studio è stata presa
in considerazione un''applicazione di tipo commerciale che presenta un
momento di attuazione di 0,7Nm e un angolo di rotazione dell''albero di
trasmissione di 15°. La temperatura di attuazione e la temperatura di reset
sono state definite rispettivamente come la temperatura alla quale si ha la
massima corsa e la corsa nulla dell''attuatore; nell''applicazione specifica, la
temperatura di attuazione è 35 °C, invece la temperatura di reset è 10 °C.
Partendo da questi valori di coppia e di angolo di rotazione sono stati cal-
colati i valori di forza della molla SMA in relazione alla posizione angolare
del braccio di leva; invece, le temperature dell''aria calda e della aria fredda
immessa nel diffusore sono state considerate rispettivamente le temperature
di azionamento e di reset dell''attuatore che sono state prese come riferimento
per l''ottimizzazione delle proprietà termo-meccaniche dell''elemento attivo.
Infine, le forze dell''elemento SMA in funzione dell''angolo di rotazione sono
state calcolate utilizzando la relazione (5) e i risultati delle relazioni (1), (2) e
(3); l''andamento non lineare della forza al variare dell''angolo di rotazione
del braccio di leva dell''attuatore è mostrato dal grafico in Figura 3. (1) FIGURa 2 - modello geometrico della configurazione di
montaggio della molla Sma e contro-molla per la generazione di
un momento in grado di ruotare l''albero di comando delle pale
FIGURa 3 - Grafico della forza in funzione dello spostamento
della molla Sma e in funzione dell''angolo di rotazione
dell''attuatore. metodo grafico per la risoluzione di attuatori
a memoria di forma
(2) (3) (4)
(5) Nonostante l''andamento della forza non sia lineare al variare dell''angolo di
rotazione e conseguentemente dell''allungamento della molla, consideran-
do che il sistema operi in condizione di lavoro statico e trascurando qualsiasi
contributo del momento d''inerzia, è stato possibile considerare la posizione
iniziale e finale del braccio di leva, punti di equilibrio statico del sistema.
Approssimando l''attuatore come dispositivo che lavora in condizioni di
equilibrio statico è stato possibile imporre la forza alla massima corsa (@15°
di rotazione) uguale alla forza di attuazione dell''attuatore.
Inoltre, in accordo al modello geometrico-matematico, lo spostamento
relativo della molla SMA, che lavora tra i punti di equilibrio dell''attuatore,
può essere considerato come la corsa di un attuatore lineare, trasformando
il problema del dimensionamento di un dispositivo rotativo nel disegno di
un più semplice attuatore lineare differenziale con una forza di attuazione
costante e uguale alla forza massima ottenuta alla massima corsa.
Gli assunti sopra citati possono facilmente essere riassunti nelle seguenti
relazioni: Variazione Lunghezza Mol a, VLM = Corsa At uatore, Corsa Forza massima @massima freccia mol a SMA = Forza di At uazione, PA Il dimensionamento della molla SMA è stato eseguito con l''ausilio delle for-
mule tradizionali delle molle meccaniche, ponendo i vincoli sulla geometria
e sulla caratteristica delle molle secondo la rappresentazione schematica
dell''attuatore, come descritto dal metodo grafico utilizzato per dimensiona-
re gli attuatori a memoria di forma [8,9]. Il metodo grafico, come mostrato
nel grafico in basso della Figura 3, è stato utilizzato anche per ottimizzare
le proprietà funzionali del materiale e in particolare sono state eseguite le
curve forza-spostamento della molla SMA a diverse temperature per misu-
rare la variazione delle caratteristiche alle diverse temperature di esercizio
(temperatura di attuazione e temperatura di reset), mentre i valori di forza
di attuazione (PA) e della corsa dell''attuatore (Corsa) sono stati posti come
vincoli per dimensionare la contro-molla in acciaio.
Successivamente, i due elementi elastici sono stati montati su un attuatore di
pre-serie nella configurazione mostrata e descritta dal modello geometrico-
matematico e l''attuatore è stato montato su un diffusore di tipo commerciale,
come mostrato in Figura 1. Dopo aver eseguito un primo ciclo termico tra la
temperatura di attuazione e la temperatura di reset per rimuovere la storia
termica del processo di produzione sono stati eseguiti test funzionali e test
per la caratterizzazione termo-meccanica del dispositivo, come mostrato
in Figura 4 dove viene mostrato il comportamento isteretico dell''attuatore
a memoria di forma montato sull''albero di trasmissione del diffusore. La
larghezza del ciclo d''isteresi non è omogenea in un tutto l''intervallo di tem- peratura a causa della presenza di giochi di accoppiamento tra attuatore e
albero di trasmissione e accoppiamento tra albero di trasmissione e coppia
conica. Nonostante ciò, dalle prove condotte in cella climatica l''attuatore
rotativo si è dimostrato in grado di modificare l''angolo di incidenza delle
pale del diffusore al variare della temperatura d''ingresso dell''aria in ac-
cordo ai requisiti di performance richiesti.
Una completa caratterizzazione termo-meccanica dell''attuatore è stata
condotta misurando sia le temperature di trasformazione sia le propriètà
funzionali.
In particolare le proprietà dell''attuatore e le temperature di trasformazione
sono state riportate nella Tabella 1: DIScUSSIONE E RISUlTaTI
La caratterizzazione termo-meccanica e i test funzionali hanno dimostrato
l''efficacia del modello geometrico-matematico nel descrivere il comporta-
mento della forza in funzione dell''angolo di rotazione consentendo di di-
mensionare la molla SMA e la contro-molla in acciaio mediante l''approccio
del metodo grafico.
Il lavoro svolto ha, inoltre, dimostrato come il metodo proposto sia gene-
ralizzabile e possa dunque essere utilizzato per dimensionare un generico
attuatore rotativo a memoria di forma e i relativi elementi elastici che lo
compongono.
Nonostante la versatilità del metodo, è stata analizzata un''ulteriore ge-
neralizzazione che consenta di definire famiglie di attuatori definendo
una costante K in funzione dei vincoli geometrici e del massimo angolo di
rotazione dell''attuatore. La costante K, così definita, ha la seguente forma: K = K θο,θ, L0 ( ), K θο,θ, L0 ( ) =1/ Sen Angolo del momento ( ) Dove l''angolo del momento è stato calcolato per R0 = 1 mm e il momento
è espresso in [Nmm].
Nel caso dell''attuatore sviluppato nel presente lavoro, il valore di K deter-
minato dai vincoli geometrici e dall''angolo massimo di rotazione di 15°
si ottiene un valore di K = 1,028. Poiché il valore K definisce una costante
dell''attuatore in funzione dei vincoli geometrici iniziali e dell''angolo mas-
simo di rotazione, è possibile definire qualunque molla SMA per differenti
valori di momento di attuazione '-e di braccio di leva calcolando i valori
di forza massima @ Af (temperatura di attuazione) secondo la seguente
relazione: Forza Massima = ' '' K θο,θ, L0 ( ) '' ''/ R0 Considerando R0 come vincolo geometrico, è possibile calcolare la forza
massima che deve esprimere la molla SMA a diversi valori di momento Tecnica Climatizzazione 37 la TERmOTEcNIca giugno 2013 63 FIGURa 4 - ciclo di isteresi dell''attuatore rotativo montato
sul diffusore d''aria
TabElla 1 - Tabella riassuntiva delle temperature di
trasformazione e delle performance dell''attuatore rotativo
(6)
(7) (8) (9) di azionamento al fine di dimensionare un''intera famiglia di attuatori
rotativi che presentano gli stessi vincoli geometrici e lo stesso angolo
massimo di rotazione. Viceversa, considerando la forza della molla SMA
come parametro di vincolo sarà possibile calcolare il massimo momento
espresso dall''attuatore, noto il braccio di leva, oppure calcolare il braccio
di leva minimo a valori di momenti definiti. cONclUSIONI
' stata condotta l''analisi geometrica di un attuatore rotativo e le relazioni
matematiche tra i vincoli geometrici iniziali e le prestazioni dell''attuatore
sono state definite.
Inoltre, è stata descritta una procedura per il dimensionamento della
molla SMA e della contro-molla in acciaio che compongono l''attuatore
rotativo e un esempio preliminare per la generalizzazione del metodo
di calcolo è stato definito introducendo la costante K.
Considerando le relazioni descritte sopra e la forza massima espressa
dalla molla SMA, è possibile calcolare il massimo angolo di rotazione
e la massima coppia dell''attuatore sviluppato, che sono rispettivamente:
90° per piccole coppie e 2Nm per piccoli angoli di rotazione.
Nonostante sia stato illustrato un metodo di calcolo e dimensionamento
piuttosto efficace, rimangono aperti alcuni aspetti quali la possibilità di
predire le forze della molla SMA in funzione del processo termo-mec-
canico di produzione. La definizione dei parametri di processo e della
relazione che lega questi parametri alle proprietà della molla SMA non
sono ancora stati sviluppati e saranno oggetto di futuri studi. appENDIcE I
Le leghe a memoria di forma appartengono alla classe dei materiali
funzionali che devono le loro proprietà a una particolare trasforma-
zione allotropica che può essere indotta sia termicamente sia mediante
l''applicazione di una sollecitazione. La trasformazione allotropica che
conferisce le proprietà a questa classe di materiali è una trasformazione
martensitica che in alcune leghe presenta caratteristiche termoelastiche
garantendo una corrispondenza cristallografica tra la fase Austenite,
presente a più alta temperatura, e la fase Martensitica, presente a
temperature più basse delle temperature di stabilità dell''Austenite. Uno
dei fenomeni più noti che si osserva nei materiali a memoria di forma è
il recupero di forma o recupero libero: un qualsiasi oggetto realizzato
con leghe SMA, se opportunamente processato, può registrare una
forma geometrica stabile a una determinata temperatura. Qualora
l''oggetto venga raffreddato e successivamente deformato si osserva un
comportamento plastico con un cambiamento macroscopico della forma
di partenza. Anche se apparentemente il processo sembra irreversibile,
qualora l''oggetto venga riscaldato e riportato alla temperatura di parten-
za, esso è in grado di recuperare la deformazione imposta, mostrando
il recupero della forma iniziale.
La trasformazione martensitica termoelastica non è reversibile, ma pre-
senta un comportamento isteretico caratterizzato dalle temperature di
trasformazione diretta (Austenite -> Martensite): Ms (Martensite Start),
Mf (Martensite Finish), e dalle temperature di trasformazione inversa
(Martensite -> Austenite): As (Austenite Start), Af (Austenite Finish).
Inoltre, la correlazione delle proprietà intrinseche del materiale dalla
trasformazione di fase determina una dipendenza delle stesse proprietà
dalla variazione di temperatura imposta. Tralasciando gli aspetti scientifici di base che fuoriescono dallo scopo del
presente articolo, è importante sottolineare soprattutto un altro aspetto
del fenomeno del recupero di forma. Se, infatti, durante il recupero me-
diante passaggio di calore, l''oggetto viene vincolato a un peso (Forza),
il recupero della forma (Spostamento) avviene generando un Lavoro. Il
fenomeno appena descritto dimostra come un qualsiasi oggetto realiz-
zato in materiale a memoria di forma sia in grado di trasformare l''ener-
gia termica in energia meccanica e possa essere dunque considerato
intrinsecamente un attuatore. Inoltre, il lavoro generato dal recupero
vincolato di un oggetto realizzato in materiale a memoria di forma, può
essere promosso mediante il flusso di calore sotto diverse forme, quali la
convezione, la conduzione, l''irraggiamento ma anche per effetto joule
mediante il passaggio di corrente.
Infine, la trasformazione Martensitica, come anticipato in precedenza,
può essere indotta mediante l''applicazione di una sollecitazione a un
oggetto realizzato in lega SMA che si trova alla temperatura di equi-
librio della fase Austenite. A temperature superiori alla temperatura di
equilibrio dell''Austenite, Af, infatti, la Martensite viene indotta dall''ap-
plicazione di un carico che deforma di parecchi punti percentuali (anche
8 - 10%) l''oggetto, superando il punto di snervamento del materiale. La
deformazione ''pseudo-plastica' in realtà non è indotta da fenomeni
di deformazione plastica, ma semplicemente dalla formazione e dalla
crescita della struttura Martensitica, che a sua volta può ritornare alla
fase Austenitica di partenza qualora il carico venga rilasciato. In sintesi,
oggetti che si trovano a temperatura di equilibrio della fase Austenite
possono sperimentare deformazioni dell''8 - 10% senza incamerare
deformazioni permanenti, dando vita dunque al fenomeno che viene
chiamato: superelasticità. Un esempio di oggetti che sfruttano le proprietà
superelastiche delle leghe SMA sono, ad esempio, le montature per
occhiali superelastiche in grado di essere piegate notevolmente senza
alcuna rottura e/o deformazione permanente. RIFERImENTI bIblIOGRaFIcI
1. L.C. Chang and T.A. Read, Plastic Deformation and Diffusionless Phase Changes in Metals, The Gold-Cadmium Beta Phase, AIME Trans 191:
47 - 52, 1951. 2. Buehler, W.J., J.V. Gilfrich, and R.C. Wiley, Effect of Low-Temperature Phase Changes on the Mechanical Properties of Alloys near Compo-
sition TiNi', Journal of Applied Physics, volume 34, number 5, May
1963, pages 1475 - 1477. 3. EP 1 936 206 Fan device with blades with selectable inclination, 2007.
4. EP 1 936 344 Temperature sensor and actuator device, 2007.
5. EP1293596 Automatic laundry or dishwashing machine with water distributor, 2003. 6. EP 1 734 294 Flow control assemblies having integrally formed shape memory alloy actuators, 2006. 7. WIPO (World Intellectual Patents Organization) database: 589 patents from 1990 up today, whose 99 from 1990 up to 2000 and the rest from
the 2000 up today. Data gathered using ''SMA'' Keyword. 8. T.C. Waram, 2nd Edition, Actuator Design Using Shape Memory Alloys, Hamilton, Ontario, 1993. 9. I.Okhata, Y.Suzuki, The design of shape memory alloy actuators and their applications, Shape Memory Materials, K. Otsuka and C.M
Wayman, 11, pp 240 - 266, (1998). Tecnica Climatizzazione 64 la TERmOTEcNIca giugno 2013


© Eiom - All rights Reserved     P.IVA 00850640186