Experimentelle Methoden zur Untersuchung von Formgedächtnis-Based Elastocaloric Kühlprozesse und Modellvalidierung

Summary

Experimental methods for investigation of solid state cooling processes and characterization of elastocaloric material properties of Shape Memory Alloys (SMA) are presented. A custom-built test rig has been designed for controlling and comprehensive monitoring of elastocaloric cooling processes. Furthermore, it provides a validation platform for thermomechanically coupled modeling approaches.

Abstract

Formgedächtnislegierungen (SMA) mit elastocaloric Kühlverfahren das Potenzial haben, eine umweltfreundliche Alternative zum herkömmlichen Dampfkompressionsbasierten Kühlprozess. Nickel-Titan (Ni-Ti) Legierung auf Basis von Systemen, insbesondere, zeigen große elastocaloric Effekte. Außerdem weisen große Latente Wärme, die eine notwendige Materialeigenschaft für die Entwicklung eines effizienten Solid-State-basierten Kühlprozess ist. Eine wissenschaftliche Prüfstand wurde entwickelt, um diese Prozesse und die elastocaloric Effekte in FGL zu untersuchen. Der realisierte Prüfstand ermöglicht eine unabhängige Steuerung einer mechanischen Be- und Entladezyklen von SMA sowie leitende Wärmeübertragung zwischen SMA Kühlelementen und einer Wärmequelle / Senke. Der Prüfstand ist mit einem umfassenden Monitoring-System ausgestattet, der synchronisierte Messungen von mechanischen und thermischen Parameter. Neben den prozessabhängige mechanische Arbeit zu bestimmen, auch das System ermöglicht Messung!t der thermischen kalorischen Aspekte der elastocaloric Kühlwirkung durch die Verwendung eines Hochleistungs-Infrarot-Kamera. Diese Kombination ist von besonderem Interesse, weil es Illustrationen von Lokalisierungs- und Kurseffekte ermöglicht – sowohl wichtig für eine effiziente Wärmeübertragung aus dem Medium gekühlt werden.

Die vorliegende Arbeit beschreibt eine experimentelle Methode elastocaloric Materialeigenschaften in verschiedenen Materialien und Probengeometrien zu identifizieren. Darüber hinaus wird der Prüfstand verwendet, um verschiedene Kühlprozessvariationen untersucht. Die vorgestellten Analyseverfahren ermöglichen eine differenzierte Betrachtung von Material, Verfahren und damit verbundenen Randbedingung Einflüsse auf die Prozesseffizienz. Der Vergleich der experimentellen Daten mit den Simulationsergebnissen (eines thermomechanisch gekoppelt Finite-Elemente-Modell) ermöglicht ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Physik der elastocaloric Wirkung. Darüber hinaus sind die Versuchsergebnisse sowie die Ergebnisse based auf die Simulationsergebnisse werden verwendet, um die Materialeigenschaften zu verbessern.

Introduction

Solid-State-Kühlprozesse basierend auf ferroische Materialien könnten umweltfreundliche Alternativen zu den herkömmlichen Dampfkompressions basierten Prozess zu sein. Ferroische Materialien aufweisen können magnetokalorischen, elektrokalorische und elastocaloric Effekte ^{1, 2,} sowie Kombinationen dieser Effekte, die ³ als multicaloric Materialverhalten beschrieben. ": Für Kühl Neue Konzepte kalorische Effekte in Ferroische Materialien" ⁴ Die unterschiedlichen kalorischen Effekte in ferroische Materialien werden derzeit im Rahmen der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) Schwerpunktprogramm SPP 1599 untersucht. Formgedächtnislegierungen (SMA) , die im Rahmen dieses Programms zeigen große elastocaloric Effekte untersucht werden, insbesondere Ni-Ti – Basis – Legierungen aufgrund ihrer großen Latente Wärme ^5. Die spannungsinduzierte Phasentransformation bei hohen Dehnungsraten führt zu erheblichen Temperaturänderungen der SMA, wie in Figur 1 gezeigt. Deradiabatische exotherme Phasenumwandlung von Austenit zu Martensit erhöht die SMA Temperatur. Die endotherme Umwandlung von Martensit führt zu einer signifikanten Temperaturabfall in Austenit. Diese elastocaloric Materialeigenschaften kann verwendet werden für Festkörperabkühlung durch eine geeignete mechanische Be- und Entladen Zyklus der Anwendung. Abbildung 2 zeigt eine typische elastocaloric Kühlzyklus nach dem Brayton – Zyklus. Die Wärmeübertragung zwischen der Wärmequelle und dem kalten, unbelasteten SMA laufen bei niedrigen Temperaturniveaus. In der nächsten Phase ist die SMA in einem berührungsfreien Zustand und die schnelle, adiabatische Belastung führt zu einer deutlichen Temperaturerhöhung der SMA. Die anschließende Wärmeübertragung zwischen dem heißen SMA und dem Kühlkörper erfolgen bei konstanter Belastung der SMA. Nach Abschluss der Wärmeübertragung, schnell, führt adiabatischen Entladen zu einem signifikanten Temperaturabfall des SMA unter der Temperatur der Wärmequelle, wobei die nächste Kühl cCycle und die Wärmeübertragung mit der Wärmequelle kann beginnen. Die Effizienz des elastocaloric Kühlprozess hängt von der erforderlichen mechanischen Arbeit und die absorbierte Wärme.

Erste Versuche Überwachung des Temperaturfeldes im Zugversuch wurden al von Shaw et durchgeführt. ^{6, 7,} mit dem Ziel , im Zugversuch von SMA Bänder und Drähte mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten um die Bildung von lokalen Temperaturspitzen zu untersuchen. Die angewandte experimentelle Methode kombiniert die Messung der mechanischen Parameter (Spannung, Dehnung und Dehnungsrate) bei gleichzeitiger Übernahme von Temperaturfeldern mittels Thermografiemessungen. Beim Be- und Entladen eines SMA Probe mit einer Zugprüfmaschine, ein Infrarot (IR) -Kamera verwendet wurde IR-Bilder von der SMA-Probe zu erhalten. Diese Technik ermöglicht die Untersuchung der dehnratenabhängigen Bildung von Temperaturspitzen. Die Messung der Temperaturverteilung auf derProbe ist sehr wichtig für die Untersuchung der Wirkungen elastocaloric und der Bestimmung der Kühleigenschaften des Materials. Eine lokale Temperaturmessung – durch eine Kontakttemperaturmessung Anwendung – ist nicht ausreichend, um die Kühleigenschaften des Materials zu charakterisieren. Eine Messung des Temperaturfeldes wurde auch von Cui et al. ⁸ für die Untersuchung der Effekte elastocaloric in Ni-Ti Drähte verwendet. Weiterhin Ossmer et al. ⁹ gezeigt , ¹⁰ daß Thermographietemperaturmessungen sind auch geeignet für die Untersuchung von elastocaloric Effekte in Ni-Ti basierten Dünnschichten, die bei hoher Belastung hohen Bildraten der IR – Kamera zur Untersuchung von adiabatischen Phasenumwandlungen erforderlichen Raten. Diese Technik ermöglicht die Untersuchung von elastocaloric Mengen und die Homogenität des Temperaturprofils, das auf dem Festkörper-basierte Wärmeübertragung einen maßgeblichen Einfluss hat, und dieEffizienz von elastocaloric Prozesse.

Der Kühlwirkungsgrad des Materials kann durch die Berechnung der erforderlichen Arbeiten an den Spannungs- / Dehnungsmessungen basierend bestimmt werden, sowie die Wärme (welche die Temperaturänderung unter Berücksichtigung der festgestellt werden kann und die Wärmekapazität des Materials). Allerdings ist die experimentelle Methode nicht die Untersuchung des elastocaloric Materials unter Prozessbedingungen ermöglichen. Dazu gehört auch eine Wärmeübertragung zwischen dem SMA und einer Wärmequelle, die auf den Wirkungsgrad der Kühlwirkung einen maßgeblichen Einfluss hat.

Die Materialcharakterisierung von Kühlprozessbedingungen und die Untersuchung von elastocaloric Kühlprozesse erfordern einen Prüfstand ermöglicht Solid-State-basierte Wärmeübertragung, die von jedem bestehenden kommerziellen System untersucht, kann nicht sein. Zu diesem Zweck wurde eine neue Testplattform entwickelt. Der Prüfstand ist in zwei Ebenen aufgebaut , wie in Abbildung 3 gezeigt. Die upper Ebene ermöglicht grundlegende elastocaloric Materialcharakterisierung und Erstausbildung Verfahren, ähnlich wie bei dem zuvor beschriebenen Verfahren (siehe Abbildung 4). Der Aufbau mit einem linearen Direktantrieb ausgestattet Aufgabe ist das Laden und die SMA bei Dehnungsraten bis zu 1 Sekunde Entladen ^-1 (siehe Abbildung 5). Der Lineardirektantrieb ermöglicht die Untersuchung von Proben mit einem Querschnitt von bis zu 1,8 mm ^2, während der typische Probenlänge 90 mm ​​ist. Der Vorteil eines Lineardirektantrieb ist die hohe Geschwindigkeit und die hohe Beschleunigung – im Gegensatz zu Kugelgewindetriebe, die für Zugversuche typischerweise verwendet werden. Weiterhin ist eine Lastzelle, sowie die integrierte Positionsmesssystem des Linearantriebs stellt mechanische Messdaten. Eine hochauflösende IR-Kamera (1.280 x 1.024 Pixel) verwendet, mit bis zu 400 Hz (im geforderten Temperaturbereich), um das Temperaturprofil der SMA zu messen. Die Verwendung einer Mikroskoplinse mit einer resolution von 15 & mgr; m / Pixel ermöglicht die Untersuchung von lokalen Temperatureffekte. Die untere Ebene des Prüfstands enthält einen Mechanismus, der (die 6 und 7 zu sehen) für abwechselnde leitende Wärmeübertragung zwischen der SMA und der Wärmequelle / Kühlkörper ermöglicht. Der lineare Direktantrieb in der unteren Ebene schaltet zwischen der Wärmequelle zu dem SMA und von der SMA an der Wärmesenke, während ein Pneumatikzylinder hebt und senkt die Wärmequelle / Senke (siehe Abbildung 8). Jeder Aktuator kann unabhängig werden, so dass für die Untersuchung verschiedener Kühlprozessschwankungen gesteuert. Das umfassende Messsystem ermöglicht die Messung von mechanischen Parameter: Antriebsstellung, Aktor Geschwindigkeit, SMA Belastungskraft, Kontaktkraft zwischen SMA und Wärmequelle / Senke während der Wärmeübertragung sowie thermischen Parameter (dh Temperaturen im Inneren der Wärmequelle / Senke, Temperaturverteilung auf der Oberfläche des SMA und der Wärmequelle / sink). Eine ausführlichere Beschreibung der wissenschaftlichen Testplattform ist in Schmidt et al. ^11.

Abbildung 5. Schema der oberen Ebene des Prüfstands Eine lineare Direktantrieb für das Be- und Entladen der SMA – Probe mit integrierter Positionsmesssystem. eine Kraftmeßdose zur Messung von Zugkräften sowie eine hochauflösende IR-Kamera (1.280 x 1.024 Pixel) für Temperaturprofil Akquisitionen.

Abbildung 7. Schema der unteren Ebene des Prüfstands eine lineare Direktantrieb für zwischen Kühlkörper und Wärmequelle umgeschaltet wird .; ein pneumatischer Zylinder Kontakt zwischen der SMA-Probe und der Wärmequelle / -senke zu machen; Temperatursensoren wurden in der Kühlkörper / sou integriertRCE die Kerntemperatur der Blöcke zu messen. Eine Druck Wägezelle die Kontaktkraft zwischen der SMA und der Wärmequelle zur Messung / Senke ist in der Wärmeübertragungsmechanismus integriert und nicht sichtbar in diesem Schema.

Der Prüfstand ermöglicht die Untersuchung verschiedener Legierungszusammensetzungen und Probengrößen sowie Geometrien (Bänder, Drähte). Darüber hinaus ermöglicht die Einrichtung umfassende Untersuchungen elastocaloric Materialien und Kühlprozessen. Die zuvor beschriebenen Experimente durchgeführt werden kann und die Ausführung wird die Schritt-für-Schritt in der Protokoll-Abschnitt dieses Manuskript beschrieben.

Material Stabilisierung:

Stable Materialverhalten ist wichtig für den Einsatz von elastocaloric Materialien in Kühlsystemen. Zu diesem Zweck wird eine mechanische Stabilisierungsverfahren angewendet. Bei diesem Vorgang gelangt das Material mechanischen Be- und Entlastungszyklen und führt eine PhasenUmwandlung von Austenit zu Martensit. Das Material Stabilisierung zeigt eine starke Abhängigkeit Rate. Hohe Beladungsraten führen zu einer Temperaturänderung des Materials, die durch die latente Wärme der Phasenumwandlung verursacht wird. Diese Temperaturänderung hat einen ähnlichen Einfluss auf die Materialstabilisierung, als mechanische Trainingszyklen bei verschiedenen Temperaturen ^{von 12 bis 15} tun. Zusätzlich zu dem bekannten mechanischen ¹³ und ¹⁶ kalorischen Stabilisierung, eine thermische Stabilisierung Material kann durch Anlegen Thermografie ¹⁷ mit der entworfenen Einrichtung beobachtet werden.

Materialcharakterisierung:

Nach einer anfänglichen mechanischen Trainingsprozedur zeigt das Material stabile mechanische, thermische und kalorische Verhalten ermöglicht die elastocaloric Materialeigenschaften zu charakterisieren. Daher wird die mechanische cycling mit unterschiedlichen Raten während geführt, im Gegensatz zu der Trainingsprozedur, die elastocaloric Charakterisierung umfasst eine Haltephase nach dem Laden und Entladen. Für die Dauer der Haltephase wird der SMA-Stamm konstant gehalten, bis die Umgebungstemperatur wieder erreicht ist. Diese Art von Experiment erforderlich ist, um die niedrigste erreichbare Temperatur nach der Entladung, ausgehend von Umgebungstemperatur, sowie die Materialeffizienz zu bestimmen. Rate abhängig Bildung von lokalen Temperaturspitzen können zu einer zunehmend homogene Temperaturverteilung führt mit höheren Raten zu beobachten. Darüber hinaus wird durch die Verformungsgeschwindigkeit ebenso die Temperaturanstiegs Änderung erhöht, bis adiabatische Bedingungen erreicht werden. Die Materialeffizienz kann durch die Berechnung des erforderlichen mechanischen Arbeit bestimmt werden, basierend auf einem Kraft-Weg-Diagramm eines adiabatischen Experiments sowie die resorbierbare Wärme, bezogen auf die mittlere Temperaturänderung des Materials während des Entladens und die Wärmekapazität der Probe .

Elastocaloric Kühlprozess:

Die Untersuchung der Kühleffizienz von SMAs unter Prozessbedingungen erfordert die Wärmeübertragung zwischen dem SMA Kühlmedium und einer Wärmequelle, als auch als Wärmesenke. Zu diesem Zweck ist die SMA in Kontakt mit einem Festkörperwärmequelle (folgende adiabatische Entladen) und einer Wärmesenke (nach adiabatische Beladung). Die Wirksamkeit des Verfahrens hängt stark von der Prozesssteuerung und die thermischen Randbedingungen. Die umfassende Untersuchung des Kühlprozesses erfordert eine Veränderung der Steuerparameter, um die effizienteste Prozesssteuerung zu bestimmen. Der individuelle Einfluss der Parameter (Kontaktzeit, SMA-Stamm, SMA Verformungsgeschwindigkeit, Kontaktphase (Kontakt während der Be- / Entladen Phase oder im Anschluss an) und Kontaktkraft) auf die Prozessleistung hat untersucht werden. Darüber hinaus hat der Einfluß der sich ändernden thermischen Randbedingung Anzahl von Kühlzyklen durch zuzunehmenberücksichtigt werden.

Modellvalidierung:

Die Entwicklung eines thermomechanisch gekoppelt Materialmodell, der fähig ist, die mechanischen und thermischen Materialverhalten Wiedergabe während des Zyklus Kühlung, ist entscheidend für die Entwicklung eines neuartigen Kühltechnik. Das Modell erlaubt für Material- und Prozessoptimierung durch reduzierte experimentelle und Materialentwicklungsaufwand. Die Validierung erfordert eine anfängliche isothermische Zugversuch eines stabilisierten Material die erforderlichen mechanischen Materialeingangsdaten (Elastizitätsmodul des Austenits und der Martensitphase, die Breite der mechanische Hysterese sowie die Transformation Stamm) zu erzeugen. Die Validierung des Modells erfolgt auf der Grundlage der Zugversuche bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die gewünschten kalorischen Eingangsdaten für das Modell kann durch Differential Scanning Calorimetry (DSC) nach der mechanischen Versuche ermittelt werden. Die DSC-Messungen haben af ​​durchgeführt werdenter der mechanischen Prüfung, um die Kalorienmaterialeigenschaften einer stabilisierten Probe zu messen.

Protocol

1. Probenvorbereitung Messen Sie die SMA Band mit einer Schieblehre und bestimmen den Querschnitt der Probe. Bereiten Sie die Probe für IR-Messungen durch die Beschichtung der Band mit einer dünnen Schicht mit hohem Emissionsgrad (ε = 0,96) zu malen. Achtung: Die Farbe wird als reizend eingestuft. Handschuhe, Schutzbrille und Mundschutz muss bei der Verarbeitung der Farbe getragen werden. 2. Material Stabilisierung (Training) <p class="jove_conte…

Representative Results

Material Stabilisierung (Training): 9 zeigt eine Spannungs / Dehnungs – Diagramm von 50 Trainingszyklen. Die untersuchte Probe ist eine Ni-Ti Band mit einem Querschnitt von A = 1,45 mm 2. Die aufgebrachte Verformungsgeschwindigkeit von 1 x 10 -3 sec -1 führt zu einer mittleren Temperaturerhöhung von & Dgr; T = 12,2 K. Der Temperaturanstieg hat einen signi…

Discussion

Die präsentierten wissenschaftlichen Prüfstand ermöglicht eine umfassende Untersuchung von elastocaloric Materialien und Kühlprozesse durch die Versuche im Protokollabschnitt durchrühren. Genaue Ausrichtung der Probe vor der Klemmung ist von entscheidender Bedeutung für alle Experimente. Bad Ausrichtung kann zu früh Materialversagen führen möglicherweise. Darüber hinaus beantragte die maximale Dehnung signifikanten Einfluss auf das Material Lebensdauer hat, während die erforderliche Dehnung eine vollständige…

Materials

Linear direct drives	ESR-Pollmeier	ML 1418-U5-W1	SMA loading/unloading; heat transfer
Pneumatic cylinder	Festo	ADNGF-40 574031	Contact between heat source/sink and SMA
Inductive position measurement system	AMO	LMKA-1101.1NN-1.0-0
Tension and compression load cell	Futek	LCF451; FSH02241	SMA force
Compression load cell	Futek	LTH300; FSH00297	Contact force
IR camera	Infra Tec	Image IR 9360; M91129	1280×1024 pixels; Maximum frame rate 3200 Hz
Real-Time Controller	National Instruments	NI CompactRIO-9074	Data acquisiton and control system
Camera varnish	Tetenal	105202