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

固体冷却過程の調査と形状記憶合金(SMA)の弾性材料特性の評価のための実験的方法が紹介されています。カスタムメイドのテストリグは、エラストカロリー冷却プロセスの制御と包括的な監視のために設計されています。さらに、熱機械連成モデリングアプローチの検証プラットフォームを提供します。

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....

Protocol

1.試料の調製

1. ノギスでSMAリボンを測定し、試料の断面を決定します。
2. 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）

注意：初期機械的サイクリングは機械的および熱的材料の安定化につながります。安定化効果の調査、およびトレーニング手順自体は、アクチュエータの使用とテストリグの上位レベルだけでなく、赤外線カメラに搭載されたセンサーが必要です。

1. モータコントローラのプログラムを起動し、ロードされた設定を確認してください。位置モードとコマンドモードに設定を変更します。モーターがアクティブモードにあることを確認します。
2. Sらに0ミクロンとクリックするモータ制御プログラムにおける目標位置のボタンを「操作が可能に」 - この位置でクランプ間の距離は90ミリメートルです。
3. 実験のクランプ間のサンプルを置き、サンプルを整列させるために特別設計されたアライメントツールを使用します。
4. ロードセルおよびサンプルの負荷を曲げないようにするための取り付け助剤を用いてクランプを締めます。再現可能....

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を有する^{12- 14。}機械的安定性に加えて、熱安定化は、 映画1は、フレームレートは、リアルタイム測定の5倍である、最初の三つの訓練サイクル中にサンプルの温度分布を示している。同様に観察することができます。実験は、各サイクルの後に停止し次第、サンプルが周囲温度に達するように再開しました。 elastocaloric効果の均質化温度ピークの強度は、サイク.......

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、歪みは、材料寿命に大きな影響を与える適用しました。調査NiTiCuV合金の転換株（ 図10参照）、図9および図13に示されたNi-Ti合金の変態株よりも著しく低い。このために、形質転換株を同定するための最初の試験は、のために実行されなければなりません新しい合金。

テストプラットフォームの開発ニーズは、プロセスpを独立に制御しましたarameters、すべてのサイクルの段階の間の熱的および機械的相互作用のプロセスコンポーネントの挙動（SMAサンプル、熱源とヒートシンク）の監視。したがって、ヒートシンクおよび熱源は、すべてのプロ.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
リニアダイレクトドライブ	ESR-Pollmeier	ML 1418-U5-W1	SMA ローディング/アンローディング; 熱伝達
空気圧シリンダ	Festo	ADNGF-40 574031	熱源/シンクとSMA
インダクティブ位置測定システム間の接触	AMO	LMKA-1101.1NN-1.0-0
張力および圧縮ロードセル		;FSH02241	SMA力
圧縮ロードセル	Futek	LTH300;FSH00297	接触力
IRカメラ	Infra Tec	Image IR 9360;M91129	1,280 x 1,024 ピクセル。最大フレームレート 3,200Hz
リアルタイムコントローラー	ナショナルインスツルメンツ	NI CompactRIO-9074	データ集録/制御システム
カメラニス	テテナール	105202