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

この実験の全体的な目標は、弾性熱量材料と弾性熱量冷却プロセスを調査することです。この目的のために、基本的な材料特性評価と高度な弾性熱量プロセス制御を行うための科学試験装置が開発されました。私たちの方法は、材料特性とプロセス制御が冷却力と冷却プロセスの効率に与える影響を説明しています。

この知見は、効率的な冷却装置の設計の基礎となる、最適化されたエラストカロリー冷却プロセスの開発を可能にする。高速断熱荷重中、形状記憶合金の潜熱により、荷重中の温度上昇と、その後の除荷時の温度低下が生じます。エラストカロリー冷却プロセスの研究は、ボーフムのルール大学の材料科学グループと、ドイツのザールブリュッケンにあるザールラント大学のメカトロニクス工学の2つのグループとの共同研究です。

これには、材料とプロセスの最適化、およびシミュレーションツールの開発が含まれます。開発された科学試験装置は、形状記憶合金と熱源、および形状記憶合金とヒートシンクとの間の固体熱伝達の弾性熱量効果の研究を可能にします。この手法の主な利点は、仕事や熱などのプロセス値に対する各制御パラメータの影響を独立して調査できることです。

さらに、このシステムは、すべてのプロセスステップで機械的量と端子量を測定する包括的なシステムに統合されています。まず、キャリパーを使用して形状記憶合金リボンを測定し、サンプルの断面積を決定します。次に、サンプルを高放射率プレートの薄層でコーティングします。

次に、モーターコントローラープログラムの目標位置をゼロマイクロメートルに設定し、操作可能ボタンをクリックします。この位置では、クランプ間の距離は90ミリメートルです。実験セットアップのクランプの間にサンプルを置き、特別に設計されたアライメントツールを使用してサンプルをアライメントします。

次に、取り付け補助具を使用してクランプを締め、トルクレンチを使用してネジを20ニュートンメートルの力で締めます。センパーのラインナップは非常に重要です。センパーのプーリーは、わずか数サイクルで故障します。

IRカメラソフトウェアを起動し、クローズアップレンズと組み合わせた50mmレンズのキャリブレーションをロードします。画像サイズを 1、280 x 100 ピクセル、温度範囲を摂氏マイナス 20 度から 50 度に選択し、モーター フォーカス ユニットを使用してカメラを配置します。トレーニングと材料特性評価のための制御プログラムを開きます。

次に、開始位置をゼロマイクロメートルに設定し、目標位置を4, 500マイクロメートルに選択して、材料が完全に相変態するようにします。線形ダイレクト ドライブ速度を 45 ミクロン/秒 (これは、ひずみ速度 5 × 10 から負の 4/秒に相当します) に設定します。次に、保持時間を0秒に、サイクル数を1に、IRカメラの取得速度をフレームあたり50ミリ秒に設定し、スタートボタンをクリックして設定をロードします。

次に、IRカメラソフトウェアを開き、ファイル名を選択して、5, 000フレームを割り当てます。内部トリガ・ソースから外部トリガ・ソースに切り替えて、データ・アクイジション・モードを開始します。その後、制御プログラムを開き、実験開始ボタンを押して実験を実行します。

材料の特性評価を開始するには、トレーニングと材料の制御プログラムを開きます。次に、サンプルが最初にゼロ負荷下にあるように開始位置を設定し、トレーニングの目標位置に相当する目標位置(4, 500マイクロメートル)を設定します。次に、必要に応じてひずみ速度を設定し、毎秒9、000マイクロメートルの線形直接駆動速度を選択します。これにより、断面積が0.75ミリメートル×1.4ミリメートル以上のサンプルの断熱相変態が発生します。

実験前にサンプルが目的の初期温度に達するのに十分な時間を確保するために、保持時間を180秒に設定します。次に、サイクル数を1に、IRカメラの取得速度をフレームあたり5ミリ秒に設定し、開始ボタンをクリックして設定をロードします。次に、IRカメラソフトウェアを開き、ファイル名を選択し、実験に80, 000フレームを割り当てます。

内部トリガ・ソースから外部トリガ・ソースに切り替えて、データ・アクイジション・モードを開始します。制御プログラムで、実験開始ボタンを押して実験を開始します。局所的な温度ピークを調査するには、まずライトをオフにします。

次に、IRカメラの視野からすべての熱源を取り除き、レンズを顕微鏡レンズに交換します。次に、カメラのキャリブレーション設定を変更し、顕微鏡レンズをロードして、摂氏20〜50度の範囲で500×250ピクセルの画像サイズをキャリブレーションします。モーターフォーカスユニットを使用して、サンプルに焦点を合わせます。

次に、前述のように、毎秒900ミクロンの線形直接駆動速度で標準的な引張試験を実行します。サンプルを所定の位置に保持したまま、IRカメラソフトウェアを起動し、クローズアップレンズ付きの50mmレンズのキャリブレーションをロードします。画像サイズは 1、280 x 1、024 ピクセル、温度範囲はマイナス 20 〜 50 °C

制御プログラムを開き、制御パラメータを設定します。形状記憶合金のリニアダイレクトドライブの開始位置を設定して、サンプルがゼロ負荷になるようにします。また、トレーニングの目標位置と同等の目標位置を設定します。

形状記憶合金のロードおよびアンロード用のリニアダイレクトドライブの速度を毎秒9、000マイクロメートルに設定します。次に、セットアップの下位レベルでリニア ダイレクト ドライブの速度を 100 mm/秒に設定します。次に、接触時間を 6 秒に設定します。

ロードおよびアンロードモードの後に接点を選択し、サイクル数を40に設定します。IRカメラの取得速度をフレームあたり20ミリ秒に選択し、スタートボタンをクリックして設定を読み込みます。IRカメラソフトウェアで、ファイル名を選択し、実験に50, 000フレームを割り当てます。

内部トリガ・ソースから外部トリガ・ソースに切り替えて、データ・アクイジション・モードを開始します。最後に、制御プログラムを開き、実験開始ボタンを押します。これにより、エラストカロリー冷却サイクルが始まります。

この動画では、トレーニング中にニッケルチタンのリボンを濾している様子が写っています。制御されたストレッチにより、平均温度は12.2ケルビン上昇します。材料は典型的なヒステリシス曲線をたどり、最終的には赤で示されたような応答に落ち着きます。

ここでは、ニッケルチタン銅バナジウムリボンで示されていますが、ひずみ速度の増加とともにヒステリシス幅が増加します。これは、相変態中の温度変化の結果です。この図は、あるポイントを過ぎると、ひずみ速度の増加に応じて温度変化がそれ以上増加しないことを示しています。

この赤外線ビデオは、冷却サイクルの数を増やすと、ヒートシンクと熱源の温度差が増加し、材料の最小温度変化と最大温度変化が減少することを示しています。最初のサイクルの後、ヒートシンクと熱源がリボン全体に接触しないため、不均一な温度プロファイルが発生します。ここでは、引張試験の実験とシミュレーションの比較を見ることができます。

シミュレーションの基礎となるモデルは、熱機械的に結合されたミューラー・アッヘンバッハ・セレック・モデルを修正したものです。これは、モデルが材料の機械的挙動と熱的挙動を再現できることを示しています。したがって、手順を試行する際には、設計要件がすべての冷却ステップを監視し、変動パラメータの直接的な制御であることを覚えておくことが重要です。

熱カプセル化はプロセスの効率を向上させますが、可観測性は大幅に低下します。その後の実機の開発では、当然ながらそれを考慮に入れるでしょう。この手順に続いて、非断熱断熱複合プロセスなど、断熱プロセス制御以外の他のプロセスバリエーションを実行して、接触相の影響やプロセス効率と冷却電力への影響などの追加の質問に答えることができます。

このビデオを見れば、エラストカロリック冷却効果と、材料の最適化とプロセス制御がプロセスの冷却能力と効率にどのように影響するかについて十分に理解できるはずです。