Hiilidioksidipatruunoita soveltavien konseptien tekninen toteuttamiskelpoisuus

Abstract

Tämän tutkimuksen tavoitteena on esitellä pieniä kertakäyttöisiä hiilidioksidipatruunoita hyödyntävien laitekonseptien teknistä toteuttamiskelpoisuutta ja sen arviointia. Työssä tutkitaan EN 16509 -standardiin lukeutuvien hiilidioksidipatruunoiden ja näitä soveltavien moniteknisten järjestelmien keskeisimpiä mekatroniikan ja termodynamiikan kysymyksiä tuotekehityksen näkökulmasta. Työ on toteutettu kirjallisuuskatsauksena.

Tutkimus painottuu alussa itse hiilidioksidipatruunoihin liittyvien standardien, käyttökohteiden ja fyysisten ominaisuuksien esittelyyn. Selvitettyjen kokoluokkien ja teknisten tietojen avulla pohjustetaan nesteytetyn hiilidioksidin käyttäytymistä sekä yleisesti että käyttökohteena olevan järjestelmän toimintaperiaatteen mukaan. Seuraavaksi työssä esitellään termodynaamisten toimintaperiaatteiden ja järjestelmien mekatronisten rakenteiden välisiä suhteita analysoimalla valmiita tuotteita ja erilaisia tutkivia tuotekehitysprojekteja. Näiden suhteiden avulla muodostetaan laajempi käsitys siitä, minkälaisia rajoituksia hiilidioksidipatruunoiden käytölle on erilaisissa tuotekonsepteissa. Työn lopuksi esitellään tutkimuksen aiempiin osiin vedoten sopivia vaihtoehtoja konseptien teknisen toteuttamiskelpoisuuden arvioinnille ja muodostetaan johtopäätökset.

Tutkimus osoittaa, että hiilidioksidipatruunoiden kokoluokat ovat standardisoinnin puutteellisuudesta huolimatta vakiintuneita. Valmistajien välillä mitoissa voi kuitenkin olla pientä vaihtelua, mikä on hyvä ottaa huomioon yhteensopivuuden vuoksi. Hiilidioksidi säilytetään kertakäyttöisissä patruunoissa nesteenä, mikä antaa näille jopa moderneja akkuja paremman energiatiheyden. Nopeasti hiilidioksidia vapauttaessa ilmenevä paineen ja lämpötilan alenemiskierre rajoittavat hiilidioksidipatruunoiden mahdollisia käyttökohteita ja vaikeuttavat suorituskyvyn arviointia. Tutkimuksissa esiintyvien prototyyppilaitteistojen ja markkinoilla olevien valmiiden tuotteiden yleisimmät toimintaperiaatteet ovat pulssimainen paineen vapautus ja kertalaukaisu. Toimintaperiaatteet ja hiilidioksidipatruunojen yleiset ominaisuudet heijastuvat laitteiden rakenteeseen. Fyysisten järjestelmien rakenne on monissa käyttötapauksissa hyvin samanlainen. Hiilidioksidipatruunoita käyttävien järjestelmien teknisen toteuttamiskelpoisuuden arviointiin soveltuu esimerkiksi mallipohjainen lähestymistapa ja itsenäisyysaksiomaattinen suunnittelu sekä näiden yhdistelmä.