आकार मेमोरी की जाँच के आधार Elastocaloric शीतलक प्रक्रियाओं और मॉडल सत्यापन के लिए प्रायोगिक तरीके
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
मिश्र स्मृति (SMA) आकार का उपयोग elastocaloric ठंडा प्रक्रियाओं संभावित पारंपरिक वाष्प संपीड़न आधारित ठंडा करने की प्रक्रिया के लिए एक पर्यावरण अनुकूल विकल्प होना चाहिए। निकल टाइटेनियम (नी तिवारी) आधारित मिश्र धातु प्रणाली, विशेष रूप से, बड़े elastocaloric प्रभाव दिखा। इसके अलावा, बड़े गुप्त ऊष्मा जो एक कुशल ठोस राज्य आधारित ठंडा करने की प्रक्रिया के विकास के लिए एक आवश्यक सामग्री संपत्ति है दिखा रहे हैं। एक वैज्ञानिक परीक्षण रिग इन प्रक्रियाओं और SMAS में elastocaloric प्रभाव की जांच करने के लिए डिजाइन किया गया है। एहसास हुआ कि परीक्षण रिग एक SMA के यांत्रिक लोडिंग और अनलोडिंग के चक्र का स्वतंत्र नियंत्रण, साथ ही SMA ठंडा तत्वों और एक गर्मी स्रोत / सिंक के बीच प्रवाहकीय गर्मी हस्तांतरण में सक्षम बनाता है। परीक्षण रिग एक व्यापक निगरानी प्रणाली यांत्रिक और थर्मल मानकों के सिंक्रनाइज़ माप में सक्षम के साथ सुसज्जित है। प्रक्रिया पर निर्भर यांत्रिक काम का निर्धारण करने के अलावा, इस प्रणाली को भी measuremen सक्षम बनाता हैएक उच्च प्रदर्शन अवरक्त कैमरे के उपयोग के माध्यम से elastocaloric शीतलन प्रभाव के थर्मल गरमी पहलुओं के टी। इस संयोजन, विशेष रुचि का है क्योंकि यह अनुमति देता है और स्थानीयकरण दर प्रभाव के चित्र – माध्यम से कुशल गर्मी हस्तांतरण के लिए दोनों महत्वपूर्ण ठंडा होने के लिए।
प्रस्तुत काम विभिन्न सामग्रियों और नमूना geometries में elastocaloric सामग्री के गुणों की पहचान करने के लिए एक प्रयोगात्मक विधि का वर्णन है। इसके अलावा, परीक्षण रिग विभिन्न रूपों ठंडा करने की प्रक्रिया की जांच करने के लिए प्रयोग किया जाता है। विश्लेषण के तरीकों की शुरुआत की प्रक्रिया की क्षमता पर सामग्री, प्रक्रिया का एक विभेदित विचार और सीमा शर्त संबंधित प्रभावों को सक्षम। सिमुलेशन परिणाम (एक thermomechanically मिलकर परिमित तत्व मॉडल के) के साथ प्रयोगात्मक डेटा की तुलना elastocaloric प्रभाव के अंतर्निहित भौतिक विज्ञान की बेहतर समझ के लिए अनुमति देता है। इसके अलावा, प्रयोगात्मक परिणाम, साथ ही निष्कर्षों बीएसिमुलेशन परिणाम पर sed, सामग्री गुणों में सुधार करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं।
Introduction
ठोस राज्य ठंडा ferroic सामग्री के आधार पर प्रक्रियाओं पारंपरिक वाष्प संपीड़न आधारित प्रक्रिया के लिए पर्यावरण की दृष्टि से अनुकूल विकल्प होने की क्षमता है। Ferroic सामग्री, magnetocaloric electrocaloric और elastocaloric प्रभाव 1, 2, साथ ही इन प्रभावों, जो multicaloric सामग्री व्यवहार 3 के रूप में वर्णित किया जाता है के संयोजन प्रदर्शन कर सकते हैं। ": ठंडा के लिए नई अवधारणाओं Ferroic सामग्री में गरमी प्रभाव" 4 ferroic सामग्री में विभिन्न गरमी प्रभाव वर्तमान में जर्मन विज्ञान फाउंडेशन (DFG) प्राथमिकता कार्यक्रम एसपीपी 1599 के भाग के रूप में जांच की जा रही है। मिश्र स्मृति आकार (SMA), जो इस कार्यक्रम के भीतर जांच कर रहे हैं उनके बड़े गुप्त ऊष्मा 5 के कारण बड़े elastocaloric प्रभाव दिखाने के लिए, विशेष रूप से नी तिवारी आधारित मिश्र में। उच्च तनाव दरों पर तनाव प्रेरित चरण परिवर्तन एसएमए के महत्वपूर्ण तापमान में परिवर्तन, के रूप में चित्रा 1 में दिखाया गया की ओर जाता है।समोष्ण, austenite से एक्ज़ोथिर्मिक चरण परिवर्तन martensite को एसएमए तापमान बढ़ जाता है। मार्टेंसाईट से एन्दोठेर्मिक परिवर्तन एक महत्वपूर्ण तापमान में कमी की ओर जाता है austenite करने के लिए। ये elastocaloric सामग्री गुण ठोस राज्य एक उपयुक्त यांत्रिक लोडिंग और अनलोडिंग के चक्र को लागू करने से प्रक्रियाओं ठंडा करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। चित्रा 2 एक ठेठ elastocaloric ठंडा चक्र चलता, Brayton चक्र के बाद। गर्मी स्रोत और ठंड के बीच गर्मी हस्तांतरण, उतार एसएमए कम तापमान के स्तर पर जगह ले लो। अगले चरण में, एसएमए एक संपर्क मुक्त अवस्था में है और तेजी से, ऐडियाबैटिक लोड हो रहा है एसएमए की एक महत्वपूर्ण तापमान में वृद्धि हो जाती है। SMA के निरंतर तनाव में गर्म एसएमए और गर्मी सिंक जगह ले के बीच बाद में गर्मी हस्तांतरण। गर्मी हस्तांतरण के पूरा होने पर, तेज, ऐडियाबैटिक उतराई, गर्मी स्रोत के तापमान नीचे एसएमए की एक महत्वपूर्ण तापमान ड्रॉप की ओर जाता है, जिस अगले ठंडा गycle और गर्मी स्रोत के साथ शुरू कर सकते हैं गर्मी हस्तांतरण। elastocaloric ठंडा करने की प्रक्रिया की दक्षता की आवश्यकता यांत्रिक काम और अवशोषित गर्मी पर निर्भर करता है।
सबसे पहले, तन्यता परीक्षण के दौरान तापमान क्षेत्र की निगरानी के प्रयोगों अल। शॉ एट 6, 7, उद्देश्य के साथ अलग-अलग दरों पर SMA स्ट्रिप्स और तारों की तन्यता परीक्षण के दौरान स्थानीय तापमान चोटियों के गठन की जांच करने के लिए प्रदर्शन किया गया। लागू प्रयोगात्मक विधि thermographic माप के माध्यम से तापमान क्षेत्रों के एक साथ अधिग्रहण के साथ यांत्रिक मानकों (तनाव, तनाव और तनाव दर) की माप संयुक्त। लोड हो रहा है और एक तनन परीक्षण मशीन के साथ एक SMA नमूना की उतराई के दौरान, एक अवरक्त (आईआर) कैमरा एसएमए नमूने की आईआर छवियों को प्राप्त करने के लिए इस्तेमाल किया गया था। इस तकनीक के तापमान चोटियों के तनाव दर निर्भर गठन की जांच में सक्षम बनाता है। पर तापमान वितरण की मापनमूना elastocaloric प्रभाव की जांच और सामग्री के शीतलन गुण के निर्धारण के लिए बहुत महत्वपूर्ण है। एक स्थानीय तापमान माप – से संपर्क कर एक तापमान माप को लागू करने से – क्रम में सामग्री का ठंडा गुण को चिह्नित करने में पर्याप्त नहीं है। तापमान क्षेत्र की एक माप भी नी तिवारी तारों में elastocaloric प्रभाव के अध्ययन के लिए कुई एट अल द्वारा इस्तेमाल किया गया था। 8। इसके अलावा, Ossmer एट अल। 9, 10 से पता चला कि thermographic तापमान माप भी नी तिवारी में elastocaloric प्रभाव आधारित पतली फिल्मों की जांच, जो उच्च तनाव में समोष्ण चरण परिवर्तनों की जांच के लिए आईआर कैमरा के उच्च फ्रेम दर की आवश्यकता के लिए उपयुक्त हैं दरें। इस तकनीक elastocaloric मात्रा की जांच और तापमान प्रोफाइल की एकरूपता है, जो राज्य के ठोस आधार पर गर्मी हस्तांतरण और पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव है के लिए अनुमति देता हैelastocaloric प्रक्रियाओं की दक्षता।
सामग्री के शीतलन दक्षता तनाव / तनाव माप के साथ ही गर्मी (जो खाते में तापमान परिवर्तन और सामग्री की गर्मी क्षमता लेने के लिए निर्धारित किया जा सकता है) के आधार पर आवश्यक काम की गणना के द्वारा निर्धारित किया जा सकता है। हालांकि, प्रयोगात्मक विधि प्रक्रिया शर्त के तहत elastocaloric सामग्री की जांच के लिए सक्षम नहीं है। इस एसएमए और एक गर्मी स्रोत है, जो ठंडा प्रभाव की दक्षता पर एक महत्वपूर्ण प्रभाव है जो गर्मी हस्तांतरण भी शामिल है।
प्रक्रिया की स्थिति ठंडा करने की सामग्री लक्षण और elastocaloric ठंडा करने की प्रक्रिया की जांच के लिए एक परीक्षण रिग ठोस राज्य आधारित गर्मी हस्तांतरण को सक्षम है, जो किसी भी मौजूदा वाणिज्यिक प्रणाली द्वारा जांच नहीं की जा सकती है की आवश्यकता होती है। यह अंत करने के लिए, एक उपन्यास परीक्षण मंच विकसित किया गया है। के रूप में 3 चित्र में दिखाया परीक्षण रिग दो स्तरों में सेट है। Uppeआर के स्तर का बुनियादी elastocaloric सामग्री लक्षण और प्रारंभिक प्रशिक्षण प्रक्रियाओं के लिए अनुमति देता है, पहले से वर्णित विधि के समान (चित्रा 4 देखें)। सेटअप एक रेखीय प्रत्यक्ष ड्राइव लोडिंग में सक्षम है और 1 सेकंड तक तनाव दरों पर SMA उतारने के साथ सुसज्जित है -1 (चित्रा 5)। रेखीय प्रत्यक्ष ड्राइव, अप करने के लिए 1.8 मिमी 2 के एक क्रॉस सेक्शन के साथ नमूनों की जांच में सक्षम बनाता है, जबकि ठेठ नमूना लंबाई 90 मिमी है। गेंद पेंच ड्राइव जो आम तौर पर तन्यता परीक्षण के लिए उपयोग किया जाता है के विपरीत – एक रेखीय प्रत्यक्ष ड्राइव का लाभ उच्च वेग और उच्च गति है। इसके अलावा, एक लोड सेल, साथ ही रैखिक ड्राइव के एकीकृत स्थिति माप प्रणाली, यांत्रिक माप डेटा प्रदान करता है। एक उच्च संकल्प आईआर कैमरा (1280 x 1024 पिक्सल) अप करने के लिए 400 हर्ट्ज के साथ SMA के तापमान प्रोफ़ाइल (आवश्यक तापमान रेंज में) को मापने के लिए प्रयोग किया जाता है। एक Res के साथ एक माइक्रोस्कोप के लेंस का उपयोग15 माइक्रोन / पिक्सेल की olution स्थानीय तापमान प्रभाव की जांच के लिए सक्षम बनाता है। परीक्षण योजना के निचले स्तर एक तंत्र है कि एसएमए और गर्मी स्रोत / हीट सिंक के बीच प्रवाहकीय गर्मी हस्तांतरण बारी के लिए अनुमति देता है (आंकड़े 6 और 7 देखें)। निचले स्तर में रेखीय प्रत्यक्ष ड्राइव, और SMA के लिए गर्मी स्रोत के बीच एसएमए से गर्मी सिंक करने के लिए स्विच, जबकि एक वायवीय सिलेंडर लिफ्टों और गर्मी स्रोत / सिंक (8 चित्रा देखें) को कम करती है। प्रत्येक actuator स्वतंत्र रूप से अलग-अलग रूपों में ठंडा करने की प्रक्रिया की जांच के लिए अनुमति देने के लिए नियंत्रित किया जा सकता है। व्यापक माप प्रणाली यांत्रिक मापदंडों के मापन के लिए सक्षम बनाता है: actuator स्थिति, actuator वेग, SMA लोडिंग बल, एसएमए और गर्मी स्रोत / गर्मी हस्तांतरण के दौरान सिंक के बीच संपर्क बल के साथ ही थर्मल मानकों (यानी, गर्मी स्रोत / सिंक, तापमान वितरण के अंदर तापमान SMA की सतह और गर्मी स्रोत / पाप परकश्मीर)। वैज्ञानिक परीक्षण मंच के एक अधिक विस्तृत विवरण श्मिट एट अल। 11 में दी गई है।
चित्रा 5. परीक्षण योजना के ऊपरी स्तर की योजना लोड हो रहा है और एकीकृत स्थिति माप प्रणाली के साथ SMA नमूने की उतराई के लिए एक रेखीय प्रत्यक्ष ड्राइव। तन्य बलों की मापने के लिए एक लोड सेल, साथ ही तापमान प्रोफाइल अधिग्रहण के लिए एक उच्च संकल्प आईआर कैमरा (1280 x 1024 पिक्सल)।
गर्मी सिंक और गर्मी स्रोत के बीच स्विच करने के लिए यह आंकड़ा 7. परीक्षण योजना के निचले स्तर की योजना एक रेखीय प्रत्यक्ष ड्राइव। एक वायवीय सिलेंडर एसएमए नमूना और गर्मी स्रोत / सिंक के बीच संपर्क बनाने के लिए; तापमान सेंसर गर्मी सिंक / sou में एकीकृत किया गया हैRCE ब्लॉक की कोर तापमान को मापने के लिए। एसएमए और गर्मी स्रोत के बीच संपर्क बल को मापने के लिए एक संपीड़न लोड सेल / सिंक गर्मी हस्तांतरण तंत्र में एकीकृत और इस योजना में दिखाई नहीं है।
परीक्षण रिग अलग मिश्र धातु रचनाओं और नमूना आकार के साथ ही geometries (रिबन, तारों) की जांच के लिए अनुमति देता है। इसके अलावा, सेटअप elastocaloric सामग्री और ठंडा करने की प्रक्रिया की व्यापक जांच के लिए सक्षम बनाता है। पहले से वर्णित प्रयोगों का प्रदर्शन किया जा सकता है और निष्पादन कदम-दर-कदम इस पांडुलिपि के प्रोटोकॉल खंड में वर्णित किया जाएगा।
सामग्री स्थिरीकरण:
स्थिर सामग्री व्यवहार शीतलन प्रणाली में elastocaloric सामग्री के उपयोग के लिए महत्वपूर्ण है। यह अंत करने के लिए, एक यांत्रिक स्थिरीकरण प्रक्रिया लागू किया जाता है। इस प्रक्रिया के दौरान सामग्री यांत्रिक लोडिंग और अनलोडिंग के चक्र से गुजरता है और एक चरण करता हैaustenite से परिवर्तन martensite को। सामग्री स्थिरीकरण एक मजबूत दर निर्भरता से पता चलता है। उच्च लोड हो रहा दरों सामग्री है, जो चरण परिवर्तन की अव्यक्त गर्मी के कारण होता है की एक तापमान परिवर्तन करने के लिए नेतृत्व। के रूप में विभिन्न तापमान 12-15 यांत्रिक प्रशिक्षण चक्र ऐसा करते तापमान परिवर्तन, सामग्री स्थिरीकरण पर एक समान प्रभाव है। जाने-माने मैकेनिकल 13 और गरमी 16 स्थिरीकरण के अलावा, एक थर्मल सामग्री स्थिरीकरण thermography 17 को लागू करने के द्वारा डिजाइन की स्थापना के साथ मनाया जा सकता है।
सामग्री लक्षण:
एक प्रारंभिक यांत्रिक प्रशिक्षण प्रक्रिया के बाद, सामग्री स्थिर यांत्रिक, थर्मल और गरमी व्यवहार की इजाजत दी elastocaloric सामग्री गुण होती जा को दर्शाता है। इसलिए, अलग दरों पर यांत्रिक साइकिल चालन जबकि, इसके विपरीत में प्रशिक्षण प्रक्रिया के लिए किया जाता है, elastocaloric लक्षण वर्णन लोडिंग और अनलोडिंग के बाद एक होल्डिंग चरण भी शामिल है। पकड़े चरण की अवधि के लिए SMA तनाव स्थिर रखा जब तक एक परिवेश के तापमान के स्तर पर पहुंच गया है फिर से किया जाता है। इस प्रकार के प्रयोग के क्रम में उतारने, परिवेश के तापमान का स्तर है, साथ ही सामग्री दक्षता से शुरू करने के बाद से सबसे कम तापमान प्राप्त निर्धारित करने के लिए आवश्यक है। स्थानीय तापमान चोटियों की दर निर्भर गठन उच्च एक तेजी से सजातीय तापमान वितरण के लिए अग्रणी दरों के साथ मनाया जा सकता है। इसके अलावा, तनाव दर में वृद्धि से तापमान परिवर्तन के लिए समान रूप से बढ़ जाती है, जब तक समोष्ण की स्थिति प्राप्त कर रहे हैं। सामग्री दक्षता आवश्यक यांत्रिक काम, एक adiabatic प्रयोग का एक बल विस्थापन आरेख, साथ ही अवशोषित गर्मी के आधार पर सामग्री का मतलब तापमान परिवर्तन के आधार पर उतारने के दौरान और नमूना की गर्मी क्षमता की गणना के द्वारा निर्धारित किया जा सकता ।
Elastocaloric ठंडा करने की प्रक्रिया:
प्रक्रिया परिस्थितियों में SMAS के शीतलन दक्षता की जांच एसएमए ठंडा माध्यम है और एक गर्मी स्रोत है, साथ ही एक गर्मी सिंक के बीच गर्मी हस्तांतरण की आवश्यकता है। इस प्रयोजन के लिए, एसएमए एक ठोस राज्य गर्मी स्रोत (समोष्ण उतारने के बाद) और एक गर्मी सिंक (समोष्ण लोडिंग के बाद) के साथ संपर्क में है। प्रक्रिया की दक्षता में जोरदार प्रक्रिया नियंत्रण और थर्मल सीमा की स्थिति पर निर्भर करता है। ठंडा करने की प्रक्रिया की व्यापक जांच के क्रम में सबसे अधिक कुशल प्रक्रिया नियंत्रण निर्धारित करने के लिए नियंत्रण के मानकों के एक बदलाव की आवश्यकता है। प्रक्रिया के प्रदर्शन पर मापदंडों के अलग-अलग प्रभाव (संपर्क समय, SMA तनाव, SMA तनाव दर, संपर्क चरण (लोडिंग / अनलोडिंग चरण या निम्न) और संपर्क बल के दौरान संपर्क) की जांच की जानी है। इसके अलावा, ठंडा चक्रों की संख्या में वृद्धि से बदल रहा थर्मल सीमा शर्त के प्रभाव पड़ता हैध्यान में रखा जाना।
मॉडल सत्यापन:
एक thermomechanically मिलकर माल मॉडल, ठंडा चक्र के दौरान यांत्रिक और थर्मल सामग्री व्यवहार reproducing में सक्षम के विकास, एक उपन्यास शीतलन प्रौद्योगिकी के विकास के लिए महत्वपूर्ण है। मॉडल कम हो प्रयोगात्मक और भौतिक विकास के प्रयास से सामग्री और प्रक्रिया अनुकूलन के लिए अनुमति देता है। सत्यापन के लिए एक स्थिर सामग्री की आवश्यकता यांत्रिक सामग्री इनपुट डेटा (austenite की लोचदार मापांक और मार्टेंसाईट चरण, यांत्रिक हिस्टैरिसीस की चौड़ाई के साथ ही परिवर्तन तनाव) उत्पन्न करने के लिए एक प्रारंभिक इज़ोटेर्माल तन्यता परीक्षण की आवश्यकता है। मॉडल के सत्यापन अलग दरों पर तन्यता परीक्षण के आधार पर जगह लेता है। मॉडल के लिए आवश्यक गरमी इनपुट डेटा अंतर स्कैनिंग उष्मामिति (डीएससी) यांत्रिक प्रयोगों निम्न द्वारा निर्धारित किया जा सकता है। डीएससी माप वायुसेना प्रदर्शन किया जाना हैआदेश में एक स्थिर नमूना की गरमी सामग्री के गुणों को मापने के लिए यांत्रिक परीक्षण आतंकवाद।
Protocol
Representative Results
Discussion
प्रस्तुत वैज्ञानिक परीक्षण रिग प्रयोगों प्रोटोकॉल खंड में वर्णित प्रदर्शन से elastocaloric सामग्री और ठंडा करने की प्रक्रिया की व्यापक जांच के लिए सक्षम बनाता है। clamping से पहले नमूने के सटीक संरेखण सभी प्रयोग?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों DFG प्राथमिकता कार्यक्रम के समर्थन को स्वीकार करना होगा 1599 "ferroic सामग्री में गरमी प्रभाव: ठंडा करने के लिए नई अवधारणाओं" (परियोजनाएं: EG101 / 23-1, SCHU2217 / 2-1, SE704 / 2-1, EG101 / 29 -2, SCH2217 / 3-2, SE704 / 2-2)।
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 |
Riferimenti
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