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

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments besteht darin, elastokalorische Materialien und elastokalorische Kühlprozesse zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde eine wissenschaftliche Versuchsanlage entwickelt, um grundlegende Materialcharakterisierungen sowie fortschrittliche Steuerungen elastokalorischer Prozesse durchzuführen. Unsere Methode beschreibt den Einfluss von Materialeigenschaften und Prozesssteuerung auf die Kühlleistung und Effizienz des Kühlprozesses.

Die Ergebnisse ermöglichen die Entwicklung optimierter elastokalorischer Kühlverfahren, die als Grundlage für die Konstruktion effizienter Kühleinrichtungen dienen. Während einer schnellen adiabatischen Belastung führen die latente Wärme der Formgedächtnislegierung zu einer Temperaturerhöhung während der Belastung und zu einer Temperatursenk  ung während der anschließenden Entlastung. Die Untersuchung des elastokalorischen Kühlprozesses erfolgt in Zusammenarbeit zwischen der Werkstoffwissenschaftsgruppe der Ruhr-Universität Bochum und zwei Gruppen der Mechatronik-Ingenieurwissenschaften der Universität des Saarlandes, Saarbrücken, Deutschland.

Es beinhaltet die Optimierung der Materialien sowie der Prozesse und zudem die Entwicklung eines Simulationswerkzeugs. Die entwickelte wissenschaftliche Prüfvorrichtung ermöglicht die Untersuchung des elastokalorischen Effekts für den Wärmeübergang im festen Zustand zwischen der Formgedächtnislegierung und einer Wärmequelle sowie zwischen der Formgedächtnislegierung und einem Wärmesenke. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt in der unabhängigen Untersuchung des Einflusses jedes Steuerparameters auf Prozessgrößen wie Arbeit und Wärme.

Außerdem ist dieses System in ein umfassendes System zur Messung mechanischer und elektrischer Größen in jedem Arbeitsschritt integriert. Beginnen Sie damit, mithilfe eines Messschiebers das Formgedächtnislegierungsband zu vermessen und den Querschnitt der Probe zu bestimmen. Anschließend beschichten Sie die Probe mit einer dünnen Schicht eines Materials mit hohem Emissionsgrad.

Als Nächstes stellen Sie die Zielposition im Motorsteuerungsprogramm auf null Mikrometer ein und klicken Sie auf die Schaltfläche „Betrieb aktiviert“. In dieser Position beträgt der Abstand zwischen den Klemmen 90 Millimeter. Platzieren Sie die Probe zwischen den Klemmen des Versuchsaufbaus und richten Sie die Probe mithilfe eines speziell konstruierten Ausrichtwerkzeugs aus.

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

Starten Sie die IR-Kamera-Software, und laden Sie die Kalibrierung für ein 50-Millimeter-Objektiv in Kombination mit einem Makroobjektiv. Wählen Sie eine Bildgröße von 1.280 mal 100 Pixeln und einen Temperaturbereich von minus 20 bis 50 Grad Celsius, und positionieren Sie dann die Kamera mithilfe der Motorfokus-Einheit. Öffnen Sie das Steuerungsprogramm für das Training und die Materialcharakterisierung.

Als Nächstes stellen Sie die Startposition auf null Mikrometer ein und wählen eine Zielposition von 4.500 Mikrometern, sodass das Material eine vollständige Phasenumwandlung durchläuft. Stellen Sie die Geschwindigkeit des linearen Direktantriebs auf 45 Mikrometer pro Sekunde ein, was einer Dehnrate von fünf mal 10 hoch minus vier pro Sekunde entspricht. Stellen Sie danach die Haltezeit auf null Sekunden, die Anzahl der Zyklen auf eins, die Aufnahmerate der Infrarotkamera auf 50 Millisekunden pro Bild und klicken Sie anschließend auf den Startknopf, um die Einstellungen zu übernehmen.

Öffnen Sie nun die Software der IR-Kamera, wählen Sie einen Dateinamen und legen Sie 5.000 Bilder fest. Wechseln Sie von einer internen zu einer externen Triggerquelle und starten Sie den Datenerfassungsmodus. Öffnen Sie anschließend das Steuerungsprogramm und drücken Sie die Schaltfläche „Experiment starten“, um das Experiment durchzuführen.

Um das Material zu charakterisieren, öffnen Sie das Steuerungsprogramm für Training und Material. Stellen Sie dann die Startposition so ein, dass die Probe zunächst keiner Belastung ausgesetzt ist, und legen Sie die Zielposition entsprechend der Zielposition des Trainings fest, die bei 4.500 Mikrometern lag. Anschließend stellen Sie die gewünschte Dehngeschwindigkeit ein und wählen eine lineare Direktantriebsgeschwindigkeit von 9.000 Mikrometern pro Sekunde, was zu einer adiabatischen Phasenumwandlung bei Proben mit einer Querschnittsfläche von 0,75 Millimetern mal 1,4 Millimetern oder größer führt.

Stellen Sie die Haltezeit auf 180 Sekunden ein, um dem Probenmaterial genügend Zeit zu geben, vor dem Experiment die gewünschte Anfangstemperatur zu erreichen. Danach stellen Sie die Anzahl der Zyklen auf eins, die Aufnahmerate der IR-Kamera auf 5 Millisekunden pro Bild und klicken Sie auf die Schaltfläche „Start“, um die Einstellungen zu übernehmen. Öffnen Sie anschließend die Software der IR-Kamera, wählen Sie einen Dateinamen und reservieren Sie 80.000 Bilder für das Experiment.

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

Entfernen Sie anschließend alle Wärmequellen aus dem Sichtfeld der Infrarotkamera und wechseln Sie das Objektiv zu einem Mikroskopobjektiv. Ändern Sie danach die Kalibrierungseinstellungen der Kamera, laden Sie ein Mikroskopobjektiv und kalibrieren Sie eine Bildgröße von 500 mal 250 Pixeln im Temperaturbereich von 20 bis 50 Grad Celsius. Verwenden Sie die motorisierte Fokussiereinheit, um die Probe zu fokussieren.

Danach einen standardmäßigen Zugversuch mit einer linearen Direktantriebsgeschwindigkeit von 900 Mikrometern pro Sekunde durchführen, wie zuvor beschrieben. Mit der Probe weiterhin eingespannt die Software der Infrarotkamera starten und die Kalibrierung für das 50-Millimeter-Objektiv mit Nahlinse laden. Eine Bildgröße von 1.280 mal 1.024 Pixeln und einen Temperaturbereich von minus 20 bis 50 Grad Celsius wählen.

Öffnen Sie das Steuerungsprogramm und stellen Sie die Steuerparameter ein. Stellen Sie die Startposition des linearen Direktantriebs für die Formgedächtnislegierungen so ein, dass die Probe keiner Belastung ausgesetzt ist. Stellen Sie außerdem die Zielposition ein, die der Zielposition des Trainings entspricht.

Stellen Sie die Geschwindigkeit des linearen Direktantriebs für das Beladen und Entladen der Formgedächtnislegierung auf 9.000 Mikrometer pro Sekunde ein. Stellen Sie anschließend die Geschwindigkeit des linearen Direktantriebs in der unteren Ebene des Aufbaus auf 100 Millimeter pro Sekunde ein. Danach stellen Sie die Kontaktdauer auf sechs Sekunden ein.

Wählen Sie den Kontakt nach dem Lade- und Entlademodus aus und stellen Sie die Anzahl der Zyklen auf 40 ein. Wählen Sie eine Aufnahmerate der IR-Kamera von 20 Millisekunden pro Bild und klicken Sie anschließend auf die Schaltfläche „Start“, um die Einstellungen zu laden. Wählen Sie in der IR-Kamera-Software einen Dateinamen und reservieren Sie 50.000 Bilder für das Experiment.

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 eingeleitet.

In diesem Filmclip wird ein Nickel-Titan-Ribbon während des Trainings belastet. Das kontrollierte Dehnen führt zu einer mittleren Temperaturerhöhung von 12,2 Kelvin. Das Material folgt einer typischen Hysteresekurve und nähert sich schließlich einer Antwort an, wie sie in Rot dargestellt ist.

Hier mit einem Nickel-Titan-Kupfer-Vanadium-Band gezeigt, nimmt die Hysteresebreite mit steigenden Dehnungsraten zu. Dies ist eine Folge der Temperaturänderung während der Phasenumwandlung. Das Diagramm zeigt, dass nach einem bestimmten Punkt keine weitere Zunahme der Temperaturänderung als Reaktion auf eine steigende Dehnungsrate erfolgt.

Dieses Infrarotvideo zeigt, dass durch die Erhöhung der Anzahl von Kühlzyklen die Temperaturdifferenzen zwischen Wärmesenke und Wärmequelle zunehmen und somit eine abnehmende minimale sowie maximale Temperaturänderung des Materials bewirken. Nach dem ersten Zyklus entsteht ein inhomogenes Temperaturprofil, da die Wärmesenke und die Wärmequelle nicht die gesamte Bandprobe berühren. Hier sehen Sie den Vergleich zwischen Experiment und Simulation eines Zugversuchs.

Das zugrunde liegende Modell der Simulation ist eine Modifizierung des thermomechanisch gekoppelten Mueller-Achenbach-Selleck-Modells. Dies zeigt, dass das Modell in der Lage ist, das mechanische sowie das thermische Verhalten des Materials wiederzugeben. Daher ist es bei der Durchführung des Verfahrens wichtig, sich daran zu erinnern, dass die Konstruktionsanforderungen alle Kühlstufen überwachen und außerdem eine direkte Steuerung der Variationsparameter ermöglichen.

Die thermische Einschließung erhöht die Effizienz des Verfahrens, jedoch würde die Beobachtbarkeit stark eingeschränkt werden. Bei der Entwicklung eines realen Geräts würden Sie dies selbstverständlich berücksichtigen. Mit diesem Verfahren können weitere Prozessvarianten neben der adiabatischen Prozessführung, wie nichtadiabatische und adiabatische kombinierte Prozesse, durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen hinsichtlich des Einflusses der Kontaktphase auf die Prozesseffizienz und die Kühlleistung zu beantworten.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis des elasto-kalorischen Kühleffekts haben und wie die Optimierung der Materialien und die Prozesssteuerung die Kühlleistung und Effizienz des Verfahrens beeinflussen.