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Transient heat transfer and heat storage effect in thermoelastic martensitic transformation

Research Project

Project/Area Number 19K04981
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 26010:Metallic material properties-related
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

KATO HIROYUKI  北海道大学, 工学研究院, 准教授 (80224533)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2020: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords相変態 / 形状記憶合金 / 伝熱工学 / アクチュエータ / マルテンサイト変態 / 潜熱 / 非定常熱伝達 / 熱力学 / 自己組織形成 / ステファン問題 / 伝熱 / 蓄熱 / 蓄熱材料 / 蓄熱効果 / 熱弾性
Outline of Research at the Start

形状記憶合金は熱弾性型マルテンサイト変態と呼ばれる固体相変化によって形状記憶効果を示す。変態が進む途中での二相共存状態において変態潜熱の非定常な伝達が組織形成へ及ぼす影響を解明し,顕微鏡組織の時間変化を適切に再現する時間発展シミュレーションモデルを作成する.材料工学における相変化の結晶学と,機械工学における弾性不均一体の連続体力学解析および伝熱解析を組み合わせた実験・理論・数値解析を行い,その成果として形状記憶合金による固体蓄熱材料の性能を実証する.

Outline of Final Research Achievements

Shape memory effect occurs by raising the temperature of shape memory material after deformation. The original shape can be recovered after the heating. The heating process requires additional heat energy to that of the heat capacity. The amount of additional heat is the latent heat or the heat of sublimation. We know that the latent heat for melting ice is used for ice packs and ice pillows. The latent heat of shape memory alloy can be used to cool down the temperature of electronic devices without the accident of water leak. In order to develop engineering application of the latent heat of shape memory alloys, present study has examined the amount of heat and the heat transfer effect. In particular, it is found that the latent heat of Nickel Titanium alloy, which is known for the medical use in blood vessels stent, is largest among various shape memory alloys. The alloy is a promising candidate for the latent heat storage material.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

形状記憶合金の熱弾性型マルテンサイト変態について、潜熱の絶対値およびその非定常伝達について検討し,固体蓄熱材料の応用を提案した。文献では,様々な形状記憶合金の中でニッケルチタン合金の潜熱が最も大きく,今回,実験により文献値よりも大きい±36J/gの値を得た。潜熱の発生は試料温度の局所的な乱れを伴い、その乱れを二次元温度分布の熱画像として初めて撮影した。形状記憶合金で液漏れのない固体の冷却材を創るための基礎的な物性を明らかにするとともに,モデルによる視覚的な実証を行った。

Report

(6 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (18 results)

All 2024 2023 2022 2021 2019 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Nonlinear deflection analysis of helical spring in elastic-perfect plastic material: Application to the plastic extension of piano wire spring2021

    • Author(s)
      Hiroyuki Kato, Hitoshi Suzuki
    • Journal Title

      Mechanics of Materials

      Volume: 160

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Latent heat storage capacity of NiTi shape memory alloy2021

    • Author(s)
      Hiroyuki Kato
    • Journal Title

      Journal of materials science

      Volume: 56 Issue: 13 Pages: 8243-8250

    • DOI

      10.1007/s10853-021-05777-6

    • NAID

      120007184601

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] ニッケルチタン形状記憶合金短時間熱処理線材の組織とマルテンサイト変態2024

    • Author(s)
      仲尾隼弥 加藤博之
    • Organizer
      日本金属学会春期大会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 引張コイルばねの幾何学的非線形性と形状記憶合金ばねの変形について2024

    • Author(s)
      加藤博之
    • Organizer
      日本ばね学会学術講演会
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  • [Presentation] ニッケルチタン合金短時間形状記憶処理材の組織と力学特性2023

    • Author(s)
      仲尾隼弥 加藤博之
    • Organizer
      日本機械学会材料力学部門講演会M&Mつくば
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  • [Presentation] 形状記憶合金の変態潜熱を利用した固体蓄熱効果のモデル実験による検証2023

    • Author(s)
      浅野謙進 内藤祐太 加藤博之
    • Organizer
      日本機械学会材料力学部門講演会M&Mつくば
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Nonlinear deflection of NiTi shape memory alloy helical spring2023

    • Author(s)
      Hitoshi Suzuki Hiroyuki Kato
    • Organizer
      JSME Int Conf ATEM&DIC
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Latent heat storage capacity of Nickel Titanium shape memory alloys and its application in solid-state heat storage2023

    • Author(s)
      Kenshin Asano Yuta Naito Hiroyuki Kato
    • Organizer
      JSME Int Conf ATEM&DIC
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      2023 Annual Research Report
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  • [Presentation] 水中レーザー溶融法によるTiNi母合金のサブミクロン粒子化2023

    • Author(s)
      高橋良輔  加藤博之  山内有二 越崎直人
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      日本鉄鋼協会・日本金属学会両北海道支部合同冬季講演大会
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  • [Presentation] ニッケルチタン形状記憶合金短時間形状記憶処理材の機械的性質2022

    • Author(s)
      仲尾隼弥  加藤博之
    • Organizer
      日本機械学会 M&M2022材料力学カンファレンス
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] ニッケルチタン形状記憶合金の潜熱蓄熱効果と固体冷却器への応用2022

    • Author(s)
      内藤祐太 加藤博之
    • Organizer
      日本機械学会 M&M2022材料力学カンファレンス
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] ニッケルチタン形状記憶合金コイルばねの非線形荷重変形応答2022

    • Author(s)
      加藤博之 鈴木和
    • Organizer
      日本機械学会 M&M2022材料力学カンファレンス
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] ニッケルチタン形状記憶合金の潜熱蓄熱効果を利用したアルミニウム複合固体冷却器の有限要素解析2021

    • Author(s)
      内藤祐太,加藤博之
    • Organizer
      日本機械学会M&M2021材料力学カンファレンス
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] ニッケルチタン形状記憶合金の超弾性機能疲労特性に 及ぼす短時間形状記憶処理の効果2021

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      仲尾隼弥,加藤博之
    • Organizer
      日本機械学会2021年度年次大会
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  • [Presentation] ニッケルチタン形状記憶合金における超弾性疲労特性の改善2021

    • Author(s)
      眞木亮輔、仲尾隼弥、加藤博之
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      日本金属学会2021年春期(第168回)講演大会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] マルテンサイト変態の潜熱を利用したNiTi形状記憶合金固体冷却器の伝熱解析2019

    • Author(s)
      浅野 謙進,加藤博之
    • Organizer
      2019年度日本鉄鋼協会・日本金属学会両北海道支部合同冬期講演大会
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      2019 Research-status Report
  • [Presentation] マルテンサイト変態の潜熱を利用したNiTi形状記憶合金固体冷却器の伝熱解析2019

    • Author(s)
      浅野謙進, 加藤博之
    • Organizer
      2020年日本金属学会春季大会
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      2019 Research-status Report
  • [Remarks] 北海道大学工学研究院機械宇宙工学部門材料力学研究室

    • URL

      https://mech-hm.eng.hokudai.ac.jp/~sm/

    • Related Report
      2023 Annual Research Report

URL: 

Published: 2019-04-18   Modified: 2025-01-30  

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