Eksperimentelle metoder til undersøgelse af Shape Memory Baseret Elastocaloric Køling Processer og 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

Formhukommelseslegeringer (SMA) under anvendelse elastocaloric køleprocesser har potentialet til at være et miljøvenligt alternativ til den konventionelle dampkompressionssystem køle- proces. Nikkel-Titanium (Ni-Ti) baseret legering systemer, især, viser store elastocaloric effekter. Desuden udviser store latente heats, som er en nødvendig materielle værdier for udviklingen af ​​et effektivt solid-state baseret køling proces. En videnskabelig test rig er designet til at undersøge disse processer og de elastocaloric effekter i SMAS. Den realiserede Afprøvningsapparatet muliggør uafhængig styring af en SMA mekaniske lastning og losning cyklusser, samt ledende varmeoverførsel mellem SMA køleelementer og en varmekilde / vask. Testen Riggen er udstyret med et omfattende overvågningssystem i stand til synkroniserede målinger af mekaniske og termiske parametre. Ud over at bestemme proces-afhængige mekanisk arbejde, at systemet giver også measurement af termiske kaloriebehov aspekter af elastocaloric køleeffekt ved anvendelse af et højtydende infrarødt kamera. Denne kombination er af særlig interesse, fordi det giver mulighed for illustrationer af lokalisering og sats effekter – både vigtige for effektiv varmeoverførsel fra mediet, der skal køles.

Arbejdet præsenteres beskriver en eksperimentel metode til at identificere elastocaloric materialeegenskaber i forskellige materialer og prøve geometrier. Endvidere er prøvestanden anvendt til at undersøge forskellige køling procesvariationer. De indførte analysemetoder muliggøre en differentieret behandling af materiale, proces og beslægtede randbetingelse påvirkninger på processen effektivitet. Sammenligningen af ​​de eksperimentelle data med simuleringen resultater (af en termomekanisk koblede finite element model) giver mulighed for en bedre forståelse af de underliggende fysik elastocaloric effekt. Derudover de eksperimentelle resultater, samt fund based på resultaterne af simulationen, anvendes til at forbedre materialeegenskaberne.

Introduction

Solid state køling processer baseret på ferroic materialer har potentiale til at blive miljøvenlige alternativer til den konventionelle dampkompressionssystem baseret proces. Ferroic materialer kan udvise magnetokaloriske, electrocaloric og elastocaloric effekter ^{1, 2,} samt kombinationer af disse effekter, som er beskrevet som multicaloric materiale adfærd ^3. De forskellige kaloriefattige effekter i ferroic materialer er i øjeblikket ved at blive undersøgt som en del af den tyske Science Foundation (DFG) Prioritet program SPP 1599 "kaloriefattige effekter i Ferroic Materialer: Nye koncepter for Køling" ^4. Shape Memory Alloys (SMA), som undersøges under dette program viser store elastocaloric virkninger, navnlig Ni-Ti legeringer på grund af deres store latente heats ^5. Stammen-inducerede fase transformation ved høje belastningsgrader medfører betydelige ændringer af SMA -temperatur som vist i figur 1. Denadiabatisk, eksoterm fase transformation fra austenit til martensit forøger SMA temperatur. Den endoterme transformation fra martensit til austenit fører til et betydeligt fald temperatur. Disse elastocaloric materialeegenskaber kan anvendes til solid state afkøling processer ved at anvende en passende mekanisk læsning og aflæsning cyklus. Figur 2 viser en typisk elastocaloric kølecyklus, efter Brayton cyklus. Overførslen af ​​varme mellem varmekilden og den kolde, losses SMA finde sted ved lave temperaturniveauer. I den næste fase, SMA er i en kontakt-fri stat og den hurtige, adiabatisk belastning fører til en betydelig temperaturstigning på SMA. Den efterfølgende varmeoverførsel mellem den varme SMA og kølelegemet finder sted ved konstant belastning af SMA. Ved afslutningen af ​​varmeoverførsel, hurtig, adiabatisk aflæsning fører til en betydelig temperaturfald i SMA under temperaturen af ​​varmekilden, hvorefter den næste afkøling cycle og varmeoverførslen med varmekilden kan starte. Effektiviteten af ​​elastocaloric køleproces afhænger af den krævede mekanisk arbejde og den absorberede varme.

Først blev eksperimenter overvågning feltet temperatur under trækprøvning udført af Shaw et al. ^{6, 7,} med det formål at undersøge dannelsen af lokale temperaturspidser under trækprøvning af SMA strimler og ledninger ved forskellige hastigheder. Den anvendte eksperimentelle metode kombineret måling af de mekaniske parametre (stress, strain og stamme rate) med samtidig overtagelse af temperatur områder ved hjælp af termografiske målinger. Under lastning og losning af et Smal prøve med en trækprøvningsmaskine, en infrarød (IR) kamera blev anvendt til at erhverve IR-billeder af SMA prøven. Denne teknik muliggør undersøgelse af tøjningshastighed afhængige dannelse af temperaturtoppe. Målingen af ​​temperaturfordelingen påprøve er meget vigtigt for undersøgelsen af ​​de elastocaloric virkninger og bestemmelse af kølende egenskaber af materialet. En lokal temperaturmåling – ved at anvende en kontakt- temperaturmåling – er ikke tilstrækkeligt til at karakterisere de kølende egenskaber af materialet. En måling af feltet temperatur blev også brugt af Cui et al. ⁸ for studiet af elastocaloric virkninger i Ni-Ti ledninger. Desuden Ossmer et al. ^{9, 10} viste, at termografiske temperaturmålinger er også velegnet til undersøgelse af elastocaloric effekter i Ni-Ti baserede tynde film, som krævede høje frame rates af IR-kamera til undersøgelse af adiabatiske fasetransformationer ved høj belastning satser. Denne teknik giver mulighed for undersøgelse af elastocaloric mængder og homogeniteten af ​​temperatur profil, der har en betydelig indflydelse på solid state-baserede varmeoverførsel ogeffektivitet elastocaloric processer.

Køleeffekten af ​​materialet kan bestemmes ved at beregne den krævede arbejde baseret på spændings / belastningskurve målinger samt varme (som kan bestemmes under hensyntagen temperaturændringen og varmekapacitet af materialet). Men den eksperimentelle metode ikke muligt for undersøgelse af elastocaloric materiale under processen tilstand. Dette omfatter en varmeoverførsel mellem SMA og en varmekilde, som har en betydelig indflydelse på effektiviteten af ​​køleeffekten.

Materialet karakterisering af køleprocessen forhold og undersøgelse af elastocaloric køling processer kræver en prøvestand muliggør solid-state baseret varmeoverførsel, som ikke kan blive undersøgt af en eksisterende kommercielt system. Til dette formål har en ny test platform blevet udviklet. Testen Riggen er sat op i to niveauer, som vist i figur 3. Den upper niveau giver mulighed for grundlæggende elastocaloric materiale karakterisering og indledende procedurer uddannelse, svarer til den tidligere beskrevne metode (se figur 4). Opsætningen er udstyret med en lineær direkte drev i stand til lastning og losning af SMA til stamme på op til 1 sek ^-1 (se figur 5). Den lineære direkte drev muliggør undersøgelse af prøver med et tværsnit på op til 1,8 ^mm2, mens det typisk prøve længde er 90 mm. Fordelen ved en lineær direkte drev er den høje hastighed og den høje acceleration – i modsætning til kugleskruen drev, der typisk anvendes til trækprøvning. Desuden er en vejecelle, samt det integrerede position målesystem af den lineære drev, tilvejebringer data mekaniske måling. En høj opløsning IR kamera (1.280 x 1.024 pixels) anvendes til at måle temperaturen profil af SMA med op til 400 Hz (i det ønskede temperaturområde). Anvendelsen af ​​et mikroskop linse med en RESolution på 15 pm / pixel muliggør undersøgelse af lokale temperaturpåvirkninger. Det lavere niveau af afprøvningsapparatet indeholder en mekanisme, der giver mulighed for skiftevis ledende varmeoverførsel mellem SMA og varmekilden / kølelegeme (se figur 6 og 7). Den lineære direkte drev i det lavere niveau skifter mellem varmekilden til SMA og fra SMA til kølelegemet, mens en pneumatisk cylinder elevatorer og sænker varmekilden / vask (se figur 8). Hver aktuator kan styres uafhængigt tillader undersøgelse af forskellige køleprocessen variationer. Den omfattende målesystem muliggør målinger af mekaniske parametre: aktuator position, aktuator velocity, SMA kraften, kontaktkraft mellem SMA og varmekilde / vask under varmeoverførsel samt termiske parametre (dvs. temperaturer inde i varmekilden / vask, temperaturfordeling på overfladen af ​​SMA og varmekilden / sink). En mere detaljeret beskrivelse af den videnskabelige test platform er givet i Schmidt et al. ^11.

Figur 5. Ordningen af det øverste niveau af prøvestand En lineær direkte drev til lastning og losning af SMA prøve med integreret position målesystem.; en vejecelle til måling af trækkræfter, samt en høj opløsning IR kamera (1.280 x 1.024 pixels) for køb temperatur profil.

Figur 7. Arrangement med det lavere niveau af afprøvningsapparatet En lineær direkte drev til at skifte mellem køleplade og varmekilde.; en pneumatisk cylinder for at gøre kontakten mellem SMA prøven og varmekilden / vask; temperaturfølere er blevet integreret i kølelegemet / souRCE at måle kernetemperaturen af ​​blokkene. En kompression vejecelle til måling af kontaktkraften mellem SMA og varmekilden / sink er integreret i varmeoverføringsmekanisme og ikke synlige i denne ordning.

Testen rig mulighed for undersøgelse af forskellige legering kompositioner og stikprøvestørrelser samt geometrier (bånd, ledninger). Desuden opsætningen muliggør omfattende undersøgelser af elastocaloric materialer og køling processer. De tidligere beskrevne eksperimenter kan udføres og anvendelsen vil blive beskrevet trin for trin i det afsnit i dette manuskript protokol.

Materiale stabilisering:

Stabilt materiale adfærd er vigtig for brugen af ​​elastocaloric materialer i kølesystemer. Til dette formål er en mekanisk stabilisering anvendte procedure. Under denne procedure materialet passerer mekaniske lastning og losning cykler og udfører en fasetransformation fra austenit til martensit. Materialet stabilisering viser en stærk sats afhængighed. Belastningen føre til en temperaturændring af det materiale, som er forårsaget af den latente fase transformation. Denne temperatur ændring har en lignende indflydelse på materialet stabilisering, som gør mekaniske uddannelse cyklusser ved forskellige temperaturer ^12-15. Ud over den velkendte mekaniske ¹³ og kaloriefattige ¹⁶ stabilisering, kan en termisk materiale stabilisering iagttages med det designet opsætningen ved at anvende termografi ^17.

Materiale karakterisering:

Efter en indledende procedure mekanisk uddannelse, materialet viser stabil mekanisk, termisk og kaloriefattige adfærd tillade elastocaloric materialeegenskaber skal karakteriseres. Derfor er mekanisk cykling med forskellige satser udført henviser til, at i modsætning til proceduren uddannelse, elastocaloric karakterisering omfatter en bedrift fase efter lastning og losning. For varigheden af ​​bedriften fase SMA-stammen holdes konstant indtil en omgivelsestemperatur er nået igen. Denne type forsøg er nødvendig for at bestemme den lavest opnåelige temperatur efter aflæsning, startende fra omgivelsestemperatur niveauer samt materialets effektivitet. kan observeres Rate afhængig dannelse af lokale temperatur toppe, med højere satser, der fører til en stadig mere homogen temperaturfordeling. Endvidere ved at øge tøjningshastighed temperaturændringen stiger ligeledes, indtil adiabatiske betingelser opnås. Materialet effektivitet kan bestemmes ved at beregne den nødvendige mekaniske arbejde, baseret på en kraft-forskydning diagram af en adiabatisk eksperiment, samt den absorberbare varme, baseret på gennemsnitsværdien temperaturændring af materialet under losning og varmekapacitet af prøven .

Elastocaloric køleproces:

Undersøgelsen af ​​den køleeffekt SMAS under procesbetingelser kræver varmeoverførslen mellem SMA kølemediet og en varmekilde, samt et varmedræn. Til dette formål SMA er i kontakt med en solid-state varmekilde (efter adiabatisk tømning) og et varmedræn (efter adiabatisk loading). Effektiviteten af ​​processen afhænger meget af processtyring og de termiske randbetingelser. Den omfattende undersøgelse af køleprocessen kræver en variation af kontrolparametrene for at bestemme den mest effektive processtyring. Den individuelle påvirkning af parametrene (kontakttid, SMA-stamme, SMA tøjningshastighed, kontakt fase (kontakt under lastning / losning fase eller efter) og kontaktkraft) på processen ydeevne skal undersøges. Endvidere indflydelse af de skiftende termiske randbetingelse ved at øge antallet af kølekredsløb skaltages i betragtning.

Model validering:

Udviklingen af ​​et termomekanisk koblet materiale model, kan reproducere den mekaniske og termiske materiale adfærd under afkøling cyklus, er afgørende for udviklingen af ​​en ny køleteknik. Modellen giver mulighed for materiale og procesoptimering ved reduceret eksperimentel og materiale udviklingsindsats. Valideringen kræver en indledende isoterm trækprøvning af en stabiliseret materiale til at frembringe de krævede inputdata mekanisk materiale (elasticitetsmodul austenit og martensitfasen er bredden af ​​den mekaniske hysterese samt omdannelsen stamme). Valideringen af ​​modellen sker på baggrund af trækprøvning på forskellige satser. De krævede kaloriefattige inputdata til modellen kan bestemmes ved differentialscanningskalometri (DSC) efter de mekaniske forsøg. DSC-målinger skal udføres AFter den mekaniske test for at måle de kaloriefattige materialeegenskaber en stabiliseret prøve.

Protocol

1. Prøvefremstilling Mål SMA bånd med passere og bestemme tværsnittet af prøven. Forbered prøven til IR målinger ved coating båndet med et tyndt lag af høj emissivitet (ε = 0,96) maling. Forsigtig: Malingen er klassificeret som irriterende. Handsker, sikkerhedsbriller og beskyttelse mund skal bæres under behandlingen af ​​malingen. 2. Materiale Stabilization (Uddannelse) Bemærk: Indledende mekanisk cykling f?…

Representative Results

Stabilisering Materiale (Uddannelse): Figur 9 viser en spændings / belastningskurve diagram af 50 erhvervsuddannelsesforløbene. Den undersøgte prøve er en Ni-Ti bånd med et tværsnit af A = 1,45 mm2. Den påførte stamme på 1 x 10 -3 sek-1 fører til en gennemsnitlig temperaturstigning på AT = 12,2 K. Temperaturstigningen har en betydelig indflydelse på…

Discussion

De præsenterede videnskabelige test rig muliggør omfattende undersøgelse af elastocaloric materialer og køling processer ved at udføre forsøgene beskrevet i protokollen sektion. Præcis justering af prøven før fastspænding er afgørende for alle eksperimenterne. Dårlig tilpasning kan potentielt føre til tidlig materiale fiasko. Endvidere er den maksimale anvendte stamme har betydelig indflydelse på materialet levetid, hvorimod den krævede belastning til at nå en fuldstændig fase transformation afhænger a…

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