Experimentele methoden voor Onderzoek van Shape geheugen gebaseerd Elastocaloric Cooling Processen en Model Validation

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

Shape Memory Alloys (SMA) gebruikt elastocaloric koelprocessen hebben het potentieel om een ​​milieuvriendelijk alternatief voor de conventionele dampcompressie gebaseerd koelproces zijn. Nikkel-Titanium (Ni-Ti) gebaseerde legering systemen, in het bijzonder, tonen grote elastocaloric effecten. Bovendien vertonen grote latente warmte die een noodzakelijke materiaal onroerend goed voor de ontwikkeling van een efficiënte solid-state-based koelproces. Een wetenschappelijk testbank is ontworpen om deze processen en de elastocaloric effecten SMA onderzoeken. De gerealiseerde testopstelling laat een onafhankelijke besturing van mechanische belasting en lossen cycli een SMA's, evenals geleidende warmteoverdracht tussen SMA koelelementen en een warmtebron / sink. De testopstelling is uitgerust met een uitgebreid controlesysteem kan gesynchroniseerde metingen van mechanische en thermische parameters. Naast het bepalen van de procesafhankelijke mechanische arbeid, het systeem maakt ook measurement thermische calorische aspecten van de elastocaloric koelende werking door het gebruik van een krachtige infraroodcamera. Deze combinatie is bijzonder interessant omdat het toelaat illustraties van lokalisatie en-invloeden – zowel belangrijk voor een efficiënte warmteoverdracht van het medium te koelen.

De gepresenteerde werk beschrijft een experimentele methode om elastocaloric materiaaleigenschappen in verschillende materialen en sample geometrieën te identificeren. Verder wordt de testinrichting gebruikt om verschillende koelproces varianten te onderzoeken. De geïntroduceerde analysemethoden maken een gedifferentieerd onderzoek van materiaal, werkwijze en verwante randvoorwaarde invloeden op de procesefficiency. De vergelijking van de experimentele gegevens met de simulatie resultaten (van een thermomechanisch gekoppeld eindige elementen model) zorgt voor een beter begrip van de onderliggende fysica van de elastocaloric effect. Bovendien, de experimentele resultaten, evenals de resultaten based de simulatieresultaten, worden gebruikt om de materiaaleigenschappen te verbeteren.

Introduction

Solid state koelproces gebaseerd op Ferroïsche materialen potentieel milieuvriendelijke alternatieven voor de conventionele dampcompressie gebaseerde proces. Ferroïsche materialen kunnen magnetocalorisch, electrocaloric en elastocaloric effecten ^{1, 2,} alsook combinaties van deze effecten, die worden beschreven als multicaloric materiaalgedrag ³ vertonen. De verschillende calorische effecten in Ferroïsche materialen worden momenteel onderzocht in het kader van de Duitse Science Foundation (DFG) Priority programma SPP 1599 "Caloric Effects in Ferroïsche Materials: Nieuwe concepten voor Cooling" ^4. Shape Memory Alloys (SMA) die worden onderzocht binnen het programma tonen grote elastocaloric effecten, in het bijzonder Ni-Ti gebaseerde legeringen vanwege hun grote latente warmte ^5. De rekgeïnduceerde fasetransformatie bij hoge vervormingssnelheden leidt tot significante veranderingen temperatuur van de SMA, zie figuur 1. Deadiabatische exotherme fase transformatie van austeniet naar martensiet verhoogt de temperatuur SMA. De endotherme omzetting van martensiet naar austeniet leidt tot een aanzienlijke daling temperatuur. Deze elastocaloric materiaaleigenschappen kan worden gebruikt voor solid-state koeling beperken door een geschikte mechanische laad- en ontlaadcyclus. Figuur 2 toont een typische elastocaloric koelcyclus na de Brayton cyclus. De warmte-overdracht tussen de warmtebron en de koude, gelost SMA vinden plaats op een laag niveau temperatuur. In de volgende fase, de SMA is in een contact-vrije staat en de snelle, adiabatische laden leidt tot een significante toename van de temperatuur van de SMA. De daaropvolgende warmteoverdracht tussen de hete SMA en het koellichaam vinden plaats bij constante spanning van de SMA. Na voltooiing van de warmteoverdracht, snelle adiabatische lossing leidt tot een aanzienlijke daling van de temperatuur SMA beneden de temperatuur van de warmtebron, waarna de volgende koeling cycle en de warmte-overdracht met de warmtebron kan beginnen. De efficiëntie van de elastocaloric koelproces afhankelijk van de vereiste mechanische arbeid en de geabsorbeerde warmte.

Eerste experimenten bewaken van de temperatuur veld bij trekproeven uitgevoerd door Shaw et al. ^{6, 7,} met als doel de vorming van plaatselijke temperatuurpieken bij trekproeven SMA stroken en draden met verschillende snelheden te onderzoeken. De toegepaste experimentele methode combined de meting van de mechanische parameters (spanning, rek en reksnelheid) met daarmee gepaard gaande temperaturen gebieden door middel van thermografische meting. Tijdens het laden en lossen van een SMA monster met een trekbank, een infrarood (IR) werd gebruikt om IR beelden van de SMA monster te verkrijgen. Deze techniek maakt het mogelijk het onderzoek naar de mate van spanning afhankelijk van de vorming van de temperatuur pieken. Het meten van de temperatuurverdeling op demonster is zeer belangrijk voor het onderzoek naar de effecten elastocaloric en de bepaling van de koelende eigenschappen van het materiaal. Een lokale temperatuurmeting – door een contact temperatuurmeting – niet voldoende is om de koelende eigenschappen van het materiaal te karakteriseren. Een meting van de temperatuur veld werd ook gebruikt door Cui et al. ⁸ voor de studie van elastocaloric effecten in Ni-Ti draden. Bovendien Ossmer et al. ^{9, 10} bleek dat thermografische temperatuurmetingen zijn ook geschikt voor het onderzoeken van elastocaloric effecten Ni-Ti gebaseerde dunne films, die hoge framesnelheden van de infraroodcamera de voor het onderzoek van adiabatische faseovergangen bij hoge belasting tarieven. Deze techniek maakt het onderzoek elastocaloric hoeveelheden en de homogeniteit van het temperatuurprofiel, die van grote invloed op het solid-state-based warmteoverdracht en heeftefficiëntie van elastocaloric processen.

Het koelrendement van het materiaal kan worden bepaald door het vereiste werk gebaseerd op de spanning / rek metingen als de warmte (welke kan worden bepaald met inachtneming van de temperatuurverandering en de warmtecapaciteit van het materiaal). Echter, de experimentele methode niet in staat het onderzoek naar de elastocaloric materiaal onder proces conditie. Dit omvat een warmteoverdracht tussen de SMA en een warmtebron, die van grote invloed op de efficiëntie van het koeleffect heeft.

Het materiaalkarakterisering koeling procesomstandigheden en het onderzoek elastocaloric koelproces vereist een testbank waardoor solid-state gebaseerde warmteoverdracht, die niet kan worden onderzocht door een bestaand commercieel systeem. Daartoe is een nieuw testplatform ontwikkeld. De testopstelling is opgezet in twee niveaus, zoals weergegeven in figuur 3. De UPPEr level maakt eenvoudige elastocaloric materiaalkarakterisering en initiële trainingsprocedures, vergelijkbaar met de eerder beschreven werkwijze (zie figuur 4). De opstelling is voorzien van een lineaire rechtstreekse aandrijving kan laden en lossen van de SMA op vervormingssnelheden tot 1 sec ^-1 (zie figuur 5). De lineaire rechtstreekse aandrijving maakt onderzoek van monsters met een doorsnede van maximaal 1,8 mm ^2, terwijl de typische monster lengte 90 mm. Het voordeel van een directe lineaire aandrijving is de hoge snelheid en de hoge versnelling – anders dan balschroef schijven die kenmerkend worden gebruikt voor trekproeven. Verder een load cell, alsmede de positie- meetsysteem van de lineaire aandrijving, levert mechanische meetgegevens. Een hoge resolutie IR-camera (1280 x 1024 pixels) wordt gebruikt om het temperatuurprofiel van de SMA met tot 400 Hz (verplichte temperatuurgebied) te meten. Het gebruik van een microscoop objectief met een resolution van 15 micrometer / pixel maakt het onderzoek van de lokale temperatuur effecten. Het lagere niveau van de testopstelling van een mechanisme dat zorgt voor afwisselend geleidende warmteoverdracht tussen de SMA en de warmtebron / koellichaam bevat (zie figuren 6 en 7). De lineaire direct drive in het lagere niveau schakelt tussen de warmtebron naar de SMA en van de SMA op het koellichaam, terwijl een pneumatische cilinder liften en verlaagt de warmtebron / wastafel (zie figuur 8). Elke actuator kan afzonderlijk worden ingesteld waardoor onderzoeken van verschillende koelproces variaties. Het uitgebreide meetsysteem maakt het mogelijk metingen van mechanische parameters: actuator positie, actuator snelheid, SMA kracht van de belasting, contact kracht tussen SMA en warmtebron / sink tijdens warmteoverdracht evenals thermische parameters (dat wil zeggen, de temperatuur in de warmtebron / wastafel, temperatuurverdeling op het oppervlak van de SMA en de warmtebron / sink). Een meer gedetailleerde beschrijving van de wetenschappelijke testen platform wordt gegeven in Schmidt et al. ^11.

Figuur 5. Schema van de bovenste verdieping van de testopstelling Een lineaire aandrijving voor het laden en lossen van de SMA monster met geïntegreerde positie meetsysteem.; meetcel voor het meten van trekkrachten, evenals een hoge resolutie IR-camera (1280 x 1024 pixels) voor temperatuurprofiel acquisities.

Figuur 7. Schema van het lagere niveau van de testopstelling Een lineaire aandrijving voor het schakelen tussen de heatsink en warmtebron.; een pneumatische cilinder om het contact tussen de SMA monster en de warmtebron / wastafel te maken; temperatuursensoren zijn geïntegreerd in het koellichaam / souRCE de kerntemperatuur van de blokken meten. Een drukbelasting cel voor het meten van de contactkracht tussen de SMA en de warmtebron / sink geïntegreerd in warmtetransport mechanisme en niet zichtbaar in dit schema.

De testopstelling zorgt voor het onderzoek van de verschillende lichtmetalen composities en steekproefomvang, alsmede geometrieën (linten, draden). Bovendien is de installatie maakt het mogelijk uitgebreide onderzoeken elastocaloric materialen en koeling processen. De hiervoor beschreven proeven kunnen worden uitgevoerd en de uitvoering wordt beschreven stap voor stap in het protocol deel van dit manuscript.

Materiaal stabilisatie:

Stabiel materiaalgedrag is belangrijk voor het gebruik van elastocaloric materialen in koelsystemen. Hiertoe wordt een werkwijze mechanische stabilisatie toegepast. Tijdens deze procedure gaat het materiaal mechanisch laden en lossen cycli en voert een fasetransformatie van austeniet tot martensiet. Het materiaal stabilisatie vertoont een sterke tarief afhankelijkheid. Hoge beladingspercentages leidt tot een temperatuurverandering van het materiaal, dat wordt veroorzaakt door de latente warmte van de fasetransformatie. Deze temperatuurverandering heeft dezelfde invloed op het materiaal stabilisatie, evenals mechanische trainingscycli bij verschillende temperaturen ^12-15. Naast de bekende mechanische ¹³ en ¹⁶ calorische stabilisatie kan een thermische stabilisatie materiaal worden waargenomen met de ontworpen installatie door toepassing van thermografie ^17.

Materiaal karakterisering:

Na een eerste trainingsprocedure mechanische, het materiaal toont stabiele mechanische, thermische en calorische gedrag waardoor de elastocaloric materiaaleigenschappen worden gekarakteriseerd. Daarom wordt mechanisch fietsen op verschillende snelheden dat uitgevoerd, in tegenstelling tot de trainingsprocedure de elastocaloric karakterisering omvat een holding fase na het laden en lossen. Gedurende de vasthoudfase de SMA spanning blijft constant tot een temperatuur opnieuw is bereikt. Dergelijke experimenten is nodig om de laagst bereikbare temperatuur na het lossen vanaf omgevingstemperatuur niveau, evenals de materiaalefficiëntie bepalen. Percentage afhankelijke vorming van plaatselijke temperatuurpieken kan worden waargenomen met hogere tarieven leidt tot een steeds homogene temperatuurverdeling. Bovendien, door het verhogen van de mate van spanning de temperatuurverandering even stijgt tot adiabatische omstandigheden worden bereikt. Het materiaal efficiëntie kan worden bepaald door de vereiste mechanische werk, gebaseerd op een kracht-verplaatsing diagram van een adiabatische experiment, evenals de absorbeerbare hitte, gebaseerd op de gemiddelde temperatuurverandering van het materiaal bij het lossen en de warmtecapaciteit van het monster .

elastocaloric koelproces:

Het onderzoek naar het koelrendement van SMA onder procesomstandigheden vereist de warmteoverdracht tussen de SMA koelmedium en een warmtebron, en een koellichaam. Daartoe de SMA in contact met een solid-state warmtebron (volgende adiabatische lossen) en een koellichaam (adiabatische volgende lading). De efficiëntie van het proces sterk afhankelijk van de procesbeheersing en de thermische randvoorwaarden. De uitgebreid onderzoek van het koelproces vereist een variatie van de regelparameters om de meest efficiënte procescontrole bepalen. De individuele invloed van de parameters (contacttijd, SMA stam, SMA strain rate, contact fase (contact tijdens het laden / lossen fase of na) en contact kracht) over het proces prestaties moet worden onderzocht. Bovendien is de invloed van de veranderende thermische randvoorwaarde door steeds koelcycli moetin aanmerking genomen.

Modelvalidatie:

De ontwikkeling van een thermomechanisch materiaal model, kunnen reproduceren de mechanische en thermische materiaalgedrag tijdens koelcyclus is cruciaal voor de ontwikkeling van een nieuwe koeltechniek. Het model zorgt voor materiaal en procesoptimalisatie door verminderde experimentele en materiële ontwikkeling inspanning. De validatie vereist een eerste isotherm trekproef van een gestabiliseerd materiaal om de vereiste mechanische materiaalinput genereren (elasticiteitsmodulus van het austeniet en martensiet fase, de breedte van de mechanische hysteresis en de transformatie stam). De validatie van het model plaatsvindt op basis van trekproeven met verschillende snelheden. De vereiste calorische invoergegevens voor het model kan worden bepaald door differentiële scanning calorimetrie (DSC) na de mechanische experimenten. De DSC-metingen moeten worden uitgevoerd after de mechanische test om de calorische materiaaleigenschappen van een gestabiliseerde monster te meten.

Protocol

1. Monstervoorbereiding Meet de SMA lint met calipers en bepalen de dwarsdoorsnede van het monster. Bereid het monster voor IR metingen door bekleden van het lint met een dunne laag van hoge emissiviteit (ε = 0,96) verf. Let op: De verf is geklasseerd als irriterend. Handschoenen, een veiligheidsbril en de bescherming van de mond moet tijdens de verwerking van de verf worden gedragen. 2. Materiaal Stabilization (Training) O…

Representative Results

Materiaal stabilisatie (Training): Figuur 9 toont een spanning / rek diagram van 50 trainingscycli. Het onderzochte monster een Ni-Ti lint met een doorsnede van A = 1,45 mm 2. De toegepaste vervormingssnelheid van 1 x 10 sec -1 -3 leidt tot een gemiddelde temperatuurstijging van AT = 12,2 K. De temperatuurtoename een significante invloed op het stabilisatie-eff…

Discussion

De gepresenteerde wetenschappelijke proefopstelling stelt uitgebreid onderzoek van elastocaloric materialen en koeling processen door het uitvoeren van de in de sectie protocol beschreven experimenten. Nauwkeurige uitlijning van de monster voor klemming is cruciaal voor alle experimenten. Slechte uitlijning kan mogelijk leiden tot vroege materiaal falen. Bovendien is de maximale aangebrachte spanning invloed van betekenis heeft op de levensduur materiaal, terwijl de gewenste spanning bereikt een complete faseovergang af…

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