形状記憶基づきElastocaloric冷却プロセスの調査とモデル検証のための実験方法

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

elastocaloric冷却プロセスを用いて記憶合金（SMA）の形状従来の蒸気圧縮ベースの冷却プロセスに環境に優しい代替手段である可能性を有します。ニッケル – チタン（ニッケルチタン）ベースの合金系は、特に、大elastocaloric効果を示します。また、効率的なソリッドステートベースの冷却プロセスの開発に必要な材料特性であり、大きな潜熱を示します。科学的な試験装置は、これらのプロセスとのSMAでelastocaloric効果を調査するために設計されています。実現試験装置は、SMAの機械的なロードとアンロードサイクルの独立制御、ならびにSMAの冷却要素と熱源/ヒートシンクとの間に導電性の熱伝達を可能にします。試験装置は、機械的及​​び熱パラメータの同期測定が可能な包括的モニタリングシステムが装備されています。プロセス依存機械的な仕事を決定することに加えて、システムはまた、measuremenを可能にします高性能赤外線カメラを使用することにより、elastocaloric冷却効果の熱カロリーの側面のトン。培地から効率的な熱伝達のために重要なの両方を冷却すること – それは局在化および速度効果のイラストができるため、この組み合わせは、特に重要です。

提示作業は、異なる材料とサンプルの形状でelastocaloric材料特性を識別するための実験方法について説明します。また、試験装置は、異なる冷却プロセス変動を調べるために使用されます。導入された分析方法は、材料、プロセスおよびプロセスの効率に関連する境界条件の影響の差別対価を有効にします。 （熱機械的に結合された有限要素モデルの）シミュレーション結果と実験データの比較はelastocaloric効果の基礎となる物理学のより良い理解を可能にします。また、実験結果、ならびに知見BAシミュレーション結果にsedは、材料特性を改善するために使用されます。

Introduction

強誘電性材料に基づく固体冷却プロセスは、従来の蒸気圧縮ベースのプロセスに環境に優しい代替品となる可能性を持っています。強誘電性材料は、磁気熱量electrocaloricとelastocaloricエフェクト^1、2、ならびにmulticaloric材料挙動³として記載されているこれらの効果の組み合わせを、示すことができます。 ^4：強誘電性材料で異なるカロリーの効果は、現在、ドイツ科学財団（DFG）重点プログラムSPP 1599年の「冷却用の新しい概念強誘電性材料におけるカロリー影響」の一環として検討されています。このプログラム内で検討されている記憶合金（SMA）は、それらの大きな潜熱⁵に特定のNi-Ti系合金では、大規模なelastocaloric効果を示す形状。高い歪み速度における歪み誘起相変態は、 図1に示すように、SMAの大きな温度変化をもたらします。断熱は、オーステナイトからマルテンサイトへの発熱の相変態は、SMAの温度を上昇させます。大幅な温度低下にリードをオーステナイトへのマルテンサイトから吸熱変換。これらelastocaloric材料特性は、適切な機械的負荷及び除荷サイクルを適用することによって、固体の冷却工程のために使用することができる。 図2は、ブレイトンサイクル以下、典型的elastocaloric冷却サイクルを示します。アンロード熱源とコールドとの間の熱伝達は、低温レベルで行われるSMA。次の段階では、SMAは非接触状態にあり、高速、断熱負荷はSMAの著しい温度上昇をもたらします。ホットSMAとヒートシンクとの間の後続の熱伝達は、SMAの一定歪みで起こります。熱移動が完了すると、速く、断熱アン次冷却Cその後、熱源の温度以下SMAの重要な温度低下につながりますycleと熱源との熱伝達が開始することができます。 elastocaloric冷却プロセスの効率は、必要な機械的な仕事と吸収された熱によって異なります。

まず、引張試験中に温度場を監視する実験は、異なる速度でSMAストリップおよびワイヤの引張試験時の局所的な温度のピークの形成を調査する目的で、ショーら ^6,7により行いました。適用される実験方法には、サーモグラフィー測定によって温度場の同時取得と機械的パラメータ（応力、歪み及び歪み速度）の測定値を組み合わせます。引張試験機でSMA試料のローディング及びアンローディング中に、赤外線（IR）カメラは、SMAのサンプルのIR画像を取得するために使用されました。この技術は温度ピークのひずみ速度依存形成の調査を可能にします。上の温度分布の測定サンプルはelastocaloric効果の調査、材料の冷却特性の決意のために非常に重要です。局所温度測定 – 接触温度測定を適用することによっては – 材料の冷却特性を特徴付けるために十分ではありません。温度場の測定はまた、崔らによって使用された^。8のNi-Ti系線材でelastocaloric効果の研究のために。また、Ossmer ら ^9、10はサーモグラフィー温度測定も高ひずみで断熱相変態の調査のためにIRカメラの高いフレームレートを必要としたNi-Ti系薄膜、中elastocaloric効果の研究に適していることが示されました料金。この技術は、elastocaloric量の調査及び固体ベースの熱伝達とに大きな影響を与える温度分布の均一性を可能にしますelastocaloricプロセスの効率。

材料の冷却効率は、応力/歪み測定値に基づいて必要な作業、並びに（アカウントに、温度変化、材料の熱容量を取って決定することができる）、熱を計算することによって決定することができます。しかし、実験方法は、プロセス条件の下でelastocaloric材料の調査を可能にしません。これは、SMA及び冷却効果の効率に大きな影響を与える熱源との間の熱伝達を含みます。

冷却処理条件の材料特性評価およびelastocaloric冷却プロセスの調査は、既存の商用システムによって調査することができないソリッドステートベースの熱伝達を可能にする試験装置を必要とします。この目的のために、新規試験プラットフォームが開発されています。 図3に示すように、テストリグは、次の2つのレベルで設定されている。upperのレベルは基本elastocaloric材料の特性評価および初期トレーニング手順を可能にし、前述の方法に類似した （ 図4を参照）。セットアップは、ロード可能なリニアダイレクトドライブを搭載し、1秒^-1（ 図5参照）までの歪み速度でSMAをアンロードされています。典型的なサンプルの長さが90ミリメートルである一方で、リニアダイレクトドライブは、最大1.8ミリメートル²の断面を有するサンプルの調査を可能にします。典型的には、引張試験のために使用されるボールねじ駆動装置とは対照的に – リニアダイレクトドライブの利点は、高速かつ高加速度です。また、ロードセル、並びにリニア駆動の統合された位置測定システムは、機械的な測定データを提供します。高解像度IRカメラ（1,280 X 1024ピクセル）（必要な温度範囲で）最大400ヘルツでのSMAの温度プロファイルを測定するために使用されます。解像度を持つ顕微鏡レンズの使用15ミクロン/ピクセルのolutionは、局所的な温度の影響の調査を可能にします。試験リグの低いレベルは、SMAおよび熱源/ヒートシンクとの間の伝導性熱伝達を交互にすることが可能機構を含んでいる（ 図6及び図 7参照）。空気圧シリンダーリフト一方、SMAおよびSMAからヒートシンクへの熱源との間のより低いレベルのスイッチでリニアダイレクトドライブ、および熱源/ヒートシンク（ 図8参照）を低下させます。各アクチュエータは、異なる冷却プロセス変動の調査を可能にする独立して制御することができます。総合的な測定システムは、機械的パラメータの測定を可能にする：アクチュエータ位置、アクチュエータ速度、SMA負荷力、熱伝達、ならびに熱パラメータ（熱源/シンクの内側、すなわち 、温度、温度分布の間にSMAと熱源/シンクとの間の接触力SMAの表面と熱源/罪についてK）。科学的試験プラットフォームのより詳細な説明は、シュミットら ¹¹に記載されています。

試験装置の上段の図5.スキーム統合位置測定システムとSMAサンプルのロードとアンロードするためのリニアダイレクトドライブ。温度プロファイルの取得のための引張力を測定するロードセル、ならびに高解像度IRカメラ（1,280 X 1024ピクセル）。

試験リグのより低いレベルの図7スキームヒートシンクと熱源との間で切り替えるためのリニアダイレクトドライブ。 SMAサンプルおよび熱源/シンクとの間の接触を作るために空気圧シリンダ。温度センサはヒートシンク/荘に統合されていますRCEは、ブロックの中心温度を測定します。 SMAおよび熱源/シンクとの間の接触力を測定するための圧縮ロードセルは、この方式で可視の熱伝達機構に統合されていません。

試験装置は、異なる合金組成物およびサンプルサイズだけでなく、幾何学的形状（リボン、ワイヤー）の調査を可能にします。また、セットアップがelastocaloric材料と冷却プロセスの総合的な調査を可能にします。前述の実験を行うことができ、実行はステップバイステップのこの原稿のプロトコルセクションで説明します。

材料の安定化：

安定した材料の挙動は冷却システムにおけるelastocaloric材料の使用のために重要です。この目的のために、機械的な安定化の手順が適用されます。この手順の間材料は、機械的なロードとアンロードサイクルを通過させ、相を行い、オーステナイトからマルテンサイトへの変態。材料の安定化は、強力な速度依存性を示します。高負荷率が相転移の潜熱に起因する材料の温度変化につながります。機械学習サイクルは様々な温度^12〜15でそうであるように、この温度変化は、材料の安定化に類似の影響を有します。周知の機械¹³とカロリー¹⁶の安定化に加えて、熱伝導材の安定化は、サーモグラフィ^17を適用することによって^、設計設定を用いて観察することができます。

材料特性評価：

初期の機械的訓練手順の後、材料はelastocaloric材料特性を特徴づけることを可能にする安定した、機械的、熱的及びカロリーの挙動を示します。したがって、異なる速度で機械的サイクリングトレーニング手順とは対照的に、一方が行われる、elastocaloric特徴付けは、ロードおよびアンロードした後保持段階を含んでいます。周囲温度レベルに再び到達するまで保持段階の期間SMA株が一定に保たれます。この種の実験は、周囲温度レベルから開始し、アンロード後の最低到達温度、ならびに材料の効率を決定するために必要とされます。局所温度ピーク速度依存形成がますます均一な温度分布をもたらすより高いレートで、観察することができます。断熱的条件が達成されるまでさらに、歪速度を増加させることにより、温度変化が同様に増加します。材料効率がアンロード中の材料の平均温度の変化と試料の熱容量に基づいて、断熱実験の力 – 変位図、並びに吸収性の熱に基づいて、要求される機械的仕事を計算することによって決定することができます。

Elastocaloric冷却プロセス：

プロセス条件の下でのSMAの冷却効率の調査は、SMAの冷媒と熱源、ならびにヒートシンクの間の熱伝達を必要とします。この目的のために、SMAは、（断熱アン以下）固体熱源と（断熱負荷以下）のヒートシンクに接触しています。プロセスの効率化が強く、プロセス制御および熱境界条件に依存します。冷却プロセスの総合的な調査は、最も効率的なプロセス制御を決定するために、制御パラメータの変化を必要とします。プロセス性能上のパラメータの個々の影響力（接触時間、SMA株SMA歪み速度、接触相（接触ローディング/アンローディング段階の間または後）と接触力）が検討されなければなりません。また、冷却サイクルの数を増加させることにより変更する熱境界条件の影響にあり考慮されます。

モデルの検証：

冷却サイクル中の機械的及び熱的材料の挙動を再現することが可能な熱機械結合材料モデルの開発は、新規な冷却技術の開発のために重要です。モデルは減少し、実験や材料開発努力による材料とプロセスの最適化を可能にします。検証が必要な機械材料の入力データ（オーステナイトとマルテンサイト相の弾性率、機械的ヒステリシスの幅だけでなく、変換株）を生成するために安定化された材料の初期等温引張試験を必要とします。モデルの妥当性は、異なる速度で引張試験に基づいて行われます。モデルに必要な熱量の入力データは、機械的な実験以下の示差走査熱量測定（DSC）によって決定することができます。 DSC測定は、AF実行されなければなりません安定化されたサンプルのカロリー材料特性を測定するために、機械試験ター。

Protocol

1.試料の調製ノギスでSMAリボンを測定し、試料の断面を決定します。 高放射率（ε= 0.96）塗料の薄層でリボンをコーティングすることにより、IR測定用のサンプルを準備します。 注意：塗料が刺激物として分類されています。手袋、安全メガネと口の保護は、塗料の処理中に着用しなければなりません。 2.材料の安定化（トレーニング） <p …

Representative Results

材料の安定化（トレーニング）： 図9は 50のトレーニングサイクルの応力/ひずみ線図を示しています。調査したサンプルは、A = 1.45ミリメートル2の断面のNi-Ti系リボンです。 1×10 -3秒の印加歪み速度-1ΔT= 12.2 K.温度上昇の平均温度上昇をもたらす安定化効果に大きな影響?…

Discussion

提示科学的な試験装置は、プロトコルの項に記載した実験を行うことによってelastocaloric材料と冷却プロセスの総合的な調査を可能にします。クランプ前の試料の正確な位置合わせは、すべての実験のために重要です。悪いアライメントは、潜在的に早期材料破壊につながることができます。また、最大値は完全な相転移に​​到達するのに必要な歪みは、合金組成に依存するのに対し、歪み…

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