Experimentelle Methoden zur Untersuchung von Formgedächtnis-Based Elastocaloric Kühlprozesse und Modellvalidierung

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, elastokalorische Materialien und elastokalorische Abkühlprozesse zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde ein wissenschaftlicher Prüfstand entwickelt, der grundlegende Materialcharakterisierungen und fortschrittliche elastokalorische Prozesskontrollen durchführt. Unser Verfahren beschreibt den Einfluss von Materialeigenschaften und Prozessführung auf die Kühlleistung und den Wirkungsgrad des Kühlprozesses.

Die Erkenntnisse ermöglichen die Entwicklung optimierter elastokalorischer Kühlprozesse, die die Grundlage für die Auslegung effizienter Kühlgeräte bilden. Bei der schnellen adiabatischen Beladung führen die latenten Wärmen der Formgedächtnislegierung zu einem Temperaturanstieg während der Belastung und zu einem Temperaturabfall beim anschließenden Entladen. Die Untersuchung des elastokalorischen Kühlprozesses ist eine Zusammenarbeit zwischen der Materialwissenschaftsgruppe der Ruhr-Universität Bochum und zwei Gruppen aus der Mechatronik der Universität des Saarlandes, Saarbrücken, Deutschland.

Dabei geht es um die Optimierung der Materialien sowie der Prozesse und auch um die Entwicklung eines Simulationstools. Der entwickelte wissenschaftliche Prüfstand ermöglicht die Untersuchung des elastokalorischen Effekts für die Festkörperwärmeübertragung zwischen der Formgedächtnislegierung und einer Wärmequelle und der Formgedächtnislegierung und einem Kühlkörper. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht in der unabhängigen Untersuchung des Einflusses jedes Regelparameters auf Prozesswerte wie Arbeit und Wärme.

Darüber hinaus ist dieses System zu einem umfassenden System zur Messung mechanischer und endgültiger Größen bei jedem Prozessschritt ausgestattet. Verwenden Sie zunächst Messschieber, um das Formgedächtnis-Legierungsband zu messen, und bestimmen Sie den Querschnitt der Probe. Beschichten Sie die Probe dann mit einer dünnen Schicht einer Platte mit hohem Emissionsgrad.

Stellen Sie anschließend die Zielposition im Motorsteuerungsprogramm auf null Mikrometer ein und klicken Sie auf die Schaltfläche Betrieb aktiviert. An dieser Stelle beträgt der Abstand zwischen den Klemmen 90 Millimeter. Platzieren Sie die Probe zwischen den Klemmen des Versuchsaufbaus und verwenden Sie ein speziell entwickeltes Ausrichtungswerkzeug, um die Probe auszurichten.

Verwenden Sie dann eine Montagehilfe, um die Klemmen festzuziehen, und einen Drehmomentschlüssel, um die Schrauben mit einer Kraft von 20 Newtonmetern anzuziehen. Die Aufstellung des Semper ist sehr kritisch. Die Riemenscheibe am Semper versagt schon nach wenigen Zyklen.

Starten Sie die IR-Kamerasoftware und laden Sie die Kalibrierung für ein 50-Millimeter-Objektiv in Kombination mit einem Nahobjektiv. Wählen Sie eine Bildgröße von 1.280 x 100 Pixeln und einen Temperaturbereich von minus 20 bis 50 Grad Celsius und verwenden Sie dann die Motorfokuseinheit, um die Kamera zu positionieren. Öffnen Sie das Steuerungsprogramm für die Schulung und Materialcharakterisierung.

Stellen Sie als Nächstes die Startposition auf null Mikrometer ein und wählen Sie eine Zielposition von 4.500 Mikrometern, damit das Material eine vollständige Phasenumwandlung durchläuft. Stellen Sie die Geschwindigkeit des linearen Direktantriebs auf 45 Mikrometer pro Sekunde ein, was einer Dehnungsrate von fünfmal 10 zu minus vier pro Sekunde entspricht. Stellen Sie anschließend die Haltezeit auf null Sekunden, die Anzahl der Zyklen auf eins und die Erfassungsrate der IR-Kamera auf 50 Millisekunden pro Bild ein und klicken Sie dann auf die Startschaltfläche, um die Einstellungen zu laden.

Öffnen Sie nun die IR-Kamerasoftware, wählen Sie einen Dateinamen und weisen Sie 5.000 Bilder zu. Wechseln Sie von einer internen zu einer externen Triggerquelle und starten Sie den Datenerfassungsmodus. Öffnen Sie dann das Steuerungsprogramm und drücken Sie die Schaltfläche Experiment starten, um das Experiment auszuführen.

Um mit der Charakterisierung des Materials zu beginnen, öffnen Sie das Steuerungsprogramm für Training und Material. Stellen Sie dann die Startposition so ein, dass die Probe zunächst unter Nulllast steht, und stellen Sie die Zielposition ein, die der Zielposition des Trainings entspricht, die 4.500 Mikrometer beträgt. Stellen Sie als Nächstes die Dehnungsrate wie gewünscht ein und wählen Sie eine lineare Direktantriebsgeschwindigkeit von 9.000 Mikrometern pro Sekunde, die zu einer adiabatischen Phasenumwandlung für Proben mit einer Querschnittsfläche von 0,75 Millimeter x 1,4 Millimeter oder größer führt.

Stellen Sie die Haltezeit auf 180 Sekunden ein, damit die Probe vor dem Experiment genügend Zeit hat, die gewünschte Anfangstemperatur zu erreichen. Stellen Sie dann die Anzahl der Zyklen auf eins und die Erfassungsrate der IR-Kamera auf 5 Millisekunden pro Bild ein und klicken Sie auf die Startschaltfläche, um die Einstellungen zu laden. Öffnen Sie als Nächstes die IR-Kamerasoftware, wählen Sie einen Dateinamen und weisen Sie dem Experiment 80.000 Bilder zu.

Wechseln Sie von einer internen zu einer externen Triggerquelle und starten Sie den Datenerfassungsmodus. Drücken Sie im Steuerungsprogramm die Schaltfläche Experiment starten, um das Experiment zu starten. Um lokale Temperaturspitzen zu untersuchen, schalten Sie zunächst das Licht aus.

Entfernen Sie dann alle Wärmequellen aus dem Sichtfeld der IR-Kamera und tauschen Sie das Objektiv gegen ein Mikroskopobjektiv aus. Ändern Sie als Nächstes die Einstellungen für die Kamerakalibrierung, laden Sie ein Mikroskopobjektiv und kalibrieren Sie eine Bildgröße von 500 x 250 Pixeln im Bereich von 20 bis 50 Grad Celsius. Verwenden Sie die Motorfokuseinheit, um die Probe zu fokussieren.

Führen Sie dann einen Standard-Zugversuch bei einer linearen Direktantriebsgeschwindigkeit von 900 Mikrometern pro Sekunde durch, wie zuvor beschrieben. Wenn die Probe noch an Ort und Stelle ist, starten Sie die IR-Kamerasoftware und laden Sie die Kalibrierung für das 50-Millimeter-Objektiv mit Nahobjektiv. Wählen Sie eine Bildgröße von 1.280 x 1.024 Pixel und einen Temperaturbereich von minus 20 bis 50 Grad Celsius.

Öffnen Sie das Steuerungsprogramm und stellen Sie die Steuerungsparameter ein. Stellen Sie die Startposition des linearen Direktantriebs für die Formgedächtnislegierungen so ein, dass die Probe unter Nulllast steht. Legen Sie außerdem die Zielposition fest, die der Zielposition des Trainings entspricht.

Stellen Sie die Geschwindigkeit des linearen Direktantriebs zum Be- und Entladen der Formgedächtnislegierung auf 9.000 Mikrometer pro Sekunde ein. Stellen Sie dann die Geschwindigkeit des linearen Direktantriebs in der unteren Ebene des Setups auf 100 Millimeter pro Sekunde ein. Stellen Sie als Nächstes die Kontaktzeit auf sechs Sekunden ein.

Wählen Sie den Kontakt nach dem Be- und Entlademodus aus und stellen Sie die Anzahl der Zyklen auf 40 ein. Wählen Sie eine Erfassungsrate der IR-Kamera von 20 Millisekunden pro Bild und klicken Sie dann auf die Schaltfläche Start, um die Einstellungen zu laden. Wählen Sie in der IR-Kamerasoftware einen Dateinamen aus und weisen Sie dem Experiment 50.000 Bilder zu.

Wechseln Sie von einer internen zu einer externen Triggerquelle und starten Sie den Datenerfassungsmodus. Öffnen Sie abschließend das Steuerungsprogramm und drücken Sie die Schaltfläche Experiment starten. Dadurch wird der elastokalorische Kühlzyklus gestartet.

In diesem Filmclip wird ein Nickel-Titan-Band während des Trainings gespannt. Die kontrollierte Dehnung führt zu einem mittleren Temperaturanstieg von 12,2 Grad Kelvin. Das Material folgt einer typischen Hysteresekurve und pendelt sich schließlich in einer Reaktion ein, wie sie in Rot dargestellt ist.

Hier mit einem Nickel-Titan-Kupfer-Vanadium-Band dargestellt, nimmt die Hysteresebreite mit zunehmenden Dehnungsraten zu. Dies ist eine Folge der Temperaturänderung während der Phasenumwandlung. Das Diagramm zeigt, dass es ab einem bestimmten Punkt keine weitere Erhöhung der Temperaturänderung als Reaktion auf eine zunehmende Dehnungsrate gibt.

Dieses Infrarotvideo zeigt, dass durch die Erhöhung der Anzahl der Kühlzyklen die Temperaturunterschiede zwischen Kühlkörper und Wärmequelle zunehmen und zu einer abnehmenden minimalen und maximalen Temperaturänderung des Materials führt. Nach dem ersten Zyklus entsteht ein inhomogenes Temperaturprofil, da Kühlkörper und Wärmequelle nicht das gesamte Farbband berühren. Hier sehen Sie den Vergleich zwischen Experiment und Simulation eines Zugversuchs.

Das zugrundeliegende Modell der Simulation ist eine Modifikation des thermomechanisch gekoppelten Müller-Achenbach-Selleck-Modells. Dies zeigt, dass das Modell in der Lage ist, sowohl das mechanische als auch das thermische Verhalten des Materials zu reproduzieren. Wenn Sie also das Verfahren ausprobieren, ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass die Designanforderungen die Überwachung aller Kühlschritte und auch eine einfache Kontrolle der Variationsparameter sind.

Die thermische Verkapselung erhöht die Effizienz des Prozesses, die Beobachtbarkeit wird jedoch stark reduziert. Für die Entwicklung eines echten Gerätes im Nachhinein würden Sie das natürlich in Betracht ziehen. Im Anschluss an dieses Verfahren können neben der adiabatischen Prozessführung auch andere Prozessvarianten, wie z.B. unadiabatische adiabatische kombinierte Prozesse, durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen wie den Einfluss der Kontaktphase und auf den Prozesswirkungsgrad und die Kühlleistung zu beantworten.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis für den elastokalorischen Kühleffekt haben und wissen, wie Materialoptimierung und Prozesssteuerung die Kühlleistung und den Wirkungsgrad des Prozesses beeinflussen.