Eksperimentelle metoder for undersøkelse av Shape Memory Basert Elastocaloric Kjøle Prosesser og Modell 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) ved hjelp av elastocaloric kjøleprosesser har potensial til å være en miljøvennlig alternativ til den konvensjonelle dampkompresjon basert avkjøling. Nikkel-Titan (Ni-Ti) basert legering systemer, spesielt, viser store elastocaloric effekter. Videre utviser store latente heat som er en nødvendig materiell eiendom for utvikling av en effektiv solid-state basert kjøleprosessen. En vitenskapelig test riggen er designet for å undersøke disse prosessene og elastocaloric effekter i SMAs. Den realiserte Testriggen muliggjør uavhengig kontroll av en SMA mekaniske losse- og lastesykluser, samt ledende varmeoverføring mellom SMA kjøleelementer og en varmekilde / sink. Testriggen er utstyrt med en omfattende overvåking system i stand til synkroniserte målingene av mekaniske og termiske parametere. I tillegg til å bestemme prosessavhengige mekanisk arbeide, vil systemet muliggjør også measurement av termiske kalori aspekter ved elastocaloric kjølende effekt ved bruk av en høy-ytelse infrarødt kamera. Denne kombinasjonen er av spesiell interesse, fordi det gir illustrasjoner av lokalisering og kurseffekter – både viktige for effektiv varmeoverføring fra mediet som skal kjøles.

Arbeidet presenteres beskriver en eksperimentell metode for å identifisere elastocaloric materialegenskaper i forskjellige materialer og prøve geometrier. Videre er testrigg som brukes til å undersøke ulike kjøleprosessvariasjoner. De innførte analysemetoder muliggjøre en differensiert behandling av materiale, prosess og relaterte grensebetingelse innflytelse på prosessen effektivitet. Sammenligningen av de eksperimentelle data med resultater simulerings (av en termomekanisk koblet finite element modell) gir mulighet for bedre forståelse av de underliggende fysikken i elastocaloric effekt. I tillegg er de eksperimentelle resultater, så vel som resultatene based på simuleringsresultatene, blir brukt for å forbedre materialegenskapene.

Introduction

Solid state kjøleprosesser basert på ferroic materialer har potensial til å være miljøvennlige alternativer til konvensjonell dampkompresjonsbasert prosess. Ferroic materialer kan oppvise magnetocaloric, electrocaloric og elastocaloric effekter ^{1, 2,} så vel som kombinasjoner av disse effektene, som er beskrevet som multicaloric materialoppførsel ^3. De ulike kalori effekter i ferroic materialer blir nå etterforsket som en del av den tyske Science Foundation (DFG) Priority program SPP 1599 "caloric Effekter i Ferroic Materialer: Nye konsepter for Cooling" ^4. Shape Memory Alloys (SMA), som er undersøkt i dette programmet viser store elastocaloric effekter, spesielt Ni-Ti-baserte legeringer på grunn av deres store latente varmer ^5. Stammen-induserte faseomdannelse ved høye belastnings priser som fører til betydelige temperaturendringer på den SMA, som vist i figur 1. Denadiabatisk, eksoterm fase transformasjon fra austenitt til martensitt øker SMA temperatur. Den endoterme transformasjon fra marten til austenitt fører til en betydelig reduksjon av temperatur. Disse elastocaloric materialegenskaper kan brukes for solid-state avkjølingsprosesser ved å anvende en passende mekanisk lasting og lossing syklus. Figur 2 viser en typisk elastocaloric kjølesyklus, som følge av Brayton syklus. Varmeoverføringen mellom varmekilden og det kalde, ubelastet SMA finne sted ved lave nivåer temperatur. I neste fase, er det SMA på et kontaktfritt staten og den raske, adiabatisk lasting fører til en betydelig temperaturøkning i SMA. Den påfølgende varmeoverføring mellom varm SMA og varmeavlederen foregår ved konstant belastning av SMA. Ved fullførelse av varmeoverføring, fører hurtig, adiabatisk lossing til en betydelig temperaturfall av SMA under temperaturen av varmekilden, hvoretter den neste kjøle cycle og varmeoverføring med varmekilden kan starte. Effektiviteten av elastocaloric avkjølingsprosessen er avhengig av den ønskede mekaniske arbeidet og den absorberte varme.

Først ble eksperimenter som overvåker temperaturen feltet under strekkprøver utført av Shaw et al. ^{6, 7,} med det formål å undersøke dannelsen av lokale temperaturtopper i løpet av strekkprøver av SMA strimler og ledninger ved ulike priser. Den brukes eksperimentell metode kombinert måling av mekaniske parametre (stress, belastning og påkjenning rate) med samtidig erverv av temperatur felt ved hjelp av termografiske målinger. Under lasting og lossing av en SMA-prøven med en strekkprøvemaskin, en infrarød (IR) kamera ble brukt til å kjøpe IR-bilder av SMA prøven. Denne teknikken gjør at etterforskningen av belastningen hastighetsavhengige dannelsen av temperaturtopper. Måling av temperaturfordelingen iPrøven er meget viktig for undersøkelse av elastocaloric effekter og bestemmelse av kjøle materialets egenskaper. En lokal temperaturmåling – ved påføring av et kontakttemperaturmåle – er ikke tilstrekkelig for å karakterisere de kjølende egenskaper til materialet. En måling av temperaturfeltet ble også brukt av Cui et al. ⁸ for studiet av elastocaloric effekter i Ni-Ti ledninger. Videre Ossmer et al. ^{9, 10} viste at termotemperaturmålinger er også egnet for etterforskningen av elastocaloric effekter i Ni-Ti baserte tynne filmer, som krevde høy bildefrekvens av IR-kamera for etterforskningen av adiabatiske fasetransformasjoner ved høy belastning priser. Denne teknikken gjør det mulig for etterforskningen av elastocaloric mengder og homogenitet temperaturprofilen, som har en betydelig innflytelse på SSD-baserte varmeoverføring ogeffektiviteten av elastocaloric prosesser.

Kjøleeffekten av materialet kan bestemmes ved å beregne den nødvendige arbeid basert på spenning / strekk-målinger, så vel som varmen (som kan bestemmes med hensyn til temperaturendringen og varmekapasiteten til materialet). Men den eksperimentelle metoden ikke aktivere etterforskningen av elastocaloric materiale under prosessen tilstand. Dette omfatter en varmeoverføring mellom SMA og en varmekilde, som har en betydelig innflytelse på effektiviteten av den kjølende effekt.

Materialet karakterisering av kjøleprosessbetingelser og etterforskningen av elastocaloric kjøleprosesser krever en testrigg som muliggjør solid-state basert varmeoverføring, som ikke kan bli undersøkt av noen eksisterende kommersielt system. For å oppnå dette, har en ny testplattform er utviklet. Testriggen er satt opp i to nivåer, som vist i figur 3. Den upper nivå gjør det mulig for basis elastocaloric materialkarakterisering og innledende treningsprosedyrer, i likhet med den tidligere beskrevne metode (se figur 4). Oppsettet er utstyrt med en lineær direktedrift i stand til lasting og lossing av SMA ved belastning på opptil 1 sek ^-1 (se figur 5). Den lineære direkte drift muliggjør undersøkelse av prøver med et tverrsnitt på opptil 1,8 mm ^2, mens den typiske prøvelengde er 90 mm. Fordelen med en lineær direkte drift er den høye hastighet og det høye akselerasjon – i motsetning til kuleskrue stasjoner som typisk anvendes for strekkprøver. Videre er en lastcelle, samt integrerte stilling målesystem av den lineære driv, gir mekanisk måledata. En høy oppløsning IR-kamera (1280 x 1024 bildeelementer) brukes til å måle temperaturprofilen av den SMA med opp til 400 Hz (i ønsket temperaturområde). Bruken av et mikroskop linse med en resolution av 15 mikrometer / pixel gjør at etterforskningen av lokale temperatureffekter. Den nedre delen av testriggen inneholder en mekanisme som gjør det mulig for vekslende ledende varmeoverføring mellom SMA og varmekilde / varmeleder (se figur 6 og 7). Den lineære direktedrift i lavere nivå skifter mellom varmekilden til SMA og fra SMA til kjøleribben, mens en pneumatisk sylinder heiser og senker varmekilde / vask (se figur 8). Hver aktuator kan styres uavhengig av hverandre slik at for undersøkelse av ulike kjøleprosessvariasjoner. Den omfattende målesystem muliggjør måling av mekaniske parametere: aktuatorposisjon, aktuator hastighet, SMA lasting kraft, kontaktkraft mellom SMA og varmekilde / vask under varmeoverføring samt termiske parametre (dvs. temperaturer i varmekilden / vask, temperaturfordeling på overflaten av SMA og varmekilden / sink). En mer detaljert beskrivelse av den vitenskapelige tester plattformen er gitt i Schmidt et al., ^11.

Figur 5. Scheme av det øvre nivået av testriggen En lineær direkte stasjonen for lasting og lossing av SMA prøven med integrert posisjon målesystem.; en lastcelle for måling av strekkrefter, i tillegg til en høy oppløsning IR-kamera (1280 x 1024 piksler) for temperaturprofil kjøp.

Figur 7. Scheme av lavere nivå av testriggen En lineær direkte stasjonen for å bytte mellom kjøleribbe og varmekilde.; en pneumatisk sylinder for å få kontakt mellom prøven og SMA varmekilden / sink; temperatursensorer er integrert i kjøleribben / souRCE å måle kjernetemperaturen av blokkene. En kompresjonslastcelle for å måle kontaktkraften mellom SMA og varmekilden / sink er integrert i varmeoverføringsmekanismen og ikke er synlig i dette skjema.

Testriggen tillater undersøkelse av ulike legeringssammensetninger og utvalgsstørrelser samt geometrier (bånd, ledninger). Videre gjør oppsettet omfattende undersøkelser av elastocaloric materialer og kjøleprosesser. De tidligere beskrevne eksperimenter kan utføres og utførelsen vil bli beskrevet trinn for trinn i protokollen i dette manuskriptet.

Materiale stabilisering:

Stabilt materiale oppførsel er viktig for bruken av elastocaloric materialer i kjølesystemer. For dette formål blir en mekanisk stabilisering prosedyre anvendt. Under denne prosedyren føres materialet mekanisk lasting og lossing av sykluser og utfører en fasetransformasjon fra austenitt til martensitt. Materialet stabilisering viser en sterk avhengighet hastighet. Høy belastningsgrader føre til en temperaturforandring av materialet, som er forårsaket av den latente varme av fasetransformasjonen. Denne temperaturendringen har en tilsvarende påvirkning på materialet stabilisering, som gjør mekaniske treningssykler ved forskjellige temperaturer ^12-15. I tillegg til den velkjente mekaniske ¹³ og kalori ¹⁶ stabilisering, kan en termisk materiale stabilisering observeres med designet oppsett ved å bruke termografi ^17.

Material karakterisering:

Etter en innledende mekanisk trening prosedyre, viser materialet stabilt mekanisk, termisk og kalori atferd slik at elastocaloric materialegenskaper for å bli karakterisert. Derfor er mekanisk sykling med forskjellige hastigheter utføres mens, i motsetning til treningsprosedyren, det elastocaloric karakterisering inkluderer et holdingselskap fase etter lasting og lossing. For varigheten av holdefasen SMA belastningen holdes konstant inntil en omgivelsestemperaturnivået er nådd på nytt. Denne type forsøk er nødvendig for å bestemme den lavest oppnåelige temperatur etter lossing, med start fra omgivelsestemperaturnivåer, så vel som det materiale effektivitet. Hastighetsavhengige dannelsen av lokale temperaturtopper kan observeres, med høyere priser fører til en stadig mer homogen temperaturfordeling. Videre, ved å øke belastningen hastigheten øker temperaturen endres like inntil adiabatiske betingelser er oppnådd. Materialet effektivitet kan bestemmes ved å beregne den nødvendige mekaniske arbeidet, basert på en kraftforskyvningsdiagram av en adiabatisk eksperiment, såvel som den absorberbare varme, basert på den midlere temperaturendring av materialet under lossing og varmekapasiteten av prøven .

Elastocaloric kjøling prosessen:

Undersøkelsen av kjøleeffektiviteten av SMAs i henhold til prosessbetingelser krever at varmeoverføringen mellom SMA kjølemedium, og en varmekilde, så vel som en varmeavleder. For dette formål er det SMA i kontakt med et faststoff-tilstand varmekilde (etter adiabatisk lossing) og en kjøleribbe (etter adiabatisk lasting). Effektiviteten av prosessen avhenger sterkt av prosesskontroll og de termiske grensebetingelsene. Den omfattende undersøkelse av kjøleprosessen krever en variant av styreparametrene for å bestemme den mest effektive prosesskontroll. Den enkelte påvirkning av parametrene (kontakttid, SMA belastning, SMA tøyning, kontakt fase (kontakt under lasting / lossing fase eller etter) og kontaktkraften) på prosessytelse må undersøkes. Videre er innflytelsen av den endrede termiske grensebetingelsen ved å øke antallet av kjølesykluser måtas i betraktning.

Modell validering:

Utviklingen av en termomekanisk koblet materiale modell, i stand til å reprodusere den mekaniske og termiske materiale oppførsel under avkjølingssyklusen, er avgjørende for utvikling av en ny kjøleteknologi. Modellen gir mulighet for material og prosessoptimalisering av redusert eksperimentell og materialutvikling innsats. Validerings krever en initial isotermisk strekktest av en stabilisert materiale for å generere de nødvendige mekaniske materialinngangsdata (elastisitetsmodulen til austenitt og martensittfasen, idet bredden av den mekaniske hysterese samt transformasjon stamme). Valideringen av modellen finner sted på basis av strekkprøver med forskjellige satser. De nødvendige kalori inndata for modellen kan bestemmes ved differensiell scanning-kalorimetri (DSC) ved å følge de mekaniske eksperimenter. DSC-målinger å bli utført after den mekaniske test for å måle kalorimaterialegenskapene til et stabilisert prøve.

Protocol

1. Prøvepreparering Mål SMA bånd av målepunkter og bestemme tverrsnittet av prøven. Preparere prøven for IR-målinger ved å belegge båndet med et tynt lag med høy emissivitet (ε = 0,96) maling. Forsiktig: Maling er klassifisert som irriterende. Hansker, vernebriller og munnvern må brukes under behandlingen av malingen. 2. Material Stabilization (Training) Merk: Start mekanisk sykling fører til en mekanisk og term…

Representative Results

Materiale stabilisering (Training): Figur 9 viser en spenning / belastning skjema av 50 trenings sykluser. Den undersøkte prøven er en Ni-Ti bånd med et tverrsnitt på A = 1,45 mm 2. Den påførte belastningen hastighet på 1 x 10 -3 sek -1 fører til en gjennomsnittlig temperaturøkning på AT = 12,2 K. Temperaturøkningen har en betydelig innflytelse på s…

Discussion

Den presenterte vitenskapelige testriggen gjør omfattende undersøkelse av elastocaloric materialer og kjøleprosesser ved å utføre forsøkene beskrevet i protokollen delen. Nøyaktig innretting av prøven før klem er avgjørende for alle forsøkene. Bad justering kan potensielt føre til tidlig materialfeil. Videre er den maksimale påført stammen har vesentlig innflytelse på materialets levetid, mens den nødvendige belastning for å oppnå en fullstendig fasetransformasjonen er avhengig av sammensetningen av le…

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