Method Article

형상 기억의 조사를 기반으로 Elastocaloric 냉각 프로세스 및 모델 검증을위한 실험 방법

DOI:

10.3791/53626

⸱

May 2nd, 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Lab for Measurement Technology, Saarland University, 2Intelligent Material Systems Lab, Saarland University, 3Lab for Material Science, Ruhr Universität Bochum

In This Article

Summary

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고체 냉각 공정 조사 및 형상 기억 합금(SMA)의 탄성 재료 특성 분석을 위한 실험 방법이 제시됩니다. 맞춤형 테스트 장비는 탄성 칼로리 냉각 공정의 제어 및 포괄적인 모니터링을 위해 설계되었습니다. 또한 열역학적으로 결합된 모델링 접근 방식을 위한 검증 플랫폼을 제공합니다.

Abstract

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elastocaloric 냉각 공정은 종래 증기 압축 기반 냉각 공정 친환경 대체 될 수있는 가능성을 사용하여 기억 합금 (SMA)을 형성. 니켈 - 티타늄 (니켈 - 티타늄) 합금 시스템은 특히 대형 elastocaloric 효과를 나타낸다. 또한, 효과적인 고체 기반의 냉각 방법의 개발이 필요한 물성 인 큰 잠열을 나타낸다. 과학적인 테스트 장비는 이러한 과정과 SMAS에서 elastocaloric 효과를 조사하기 위해 설계되었습니다. 실현 테스트 장비는 SMA의 기계적 하역 사이클을 독립적으로 제어 할뿐만 아니라, SMA 냉각 소자와 히트 싱크 / 소스간에 전도성 열 전달을 가능하게한다. 시험 장비는 기계적 및 열적 파라미터 동기 측정 할 수있는 포괄적 인 감시 시스템을 갖추고있다. 프로세스 의존성 기계적 작업을 결정하는 것에 더하여, 시스템은 또한 measuremen있게고성능 적외선 카메라의 사용을 통해 elastocaloric 냉각 효과의 열 칼로리 측면 t. 상기 매체로부터의 효율적인 열전달에 중요한 모두 냉각하는 -은 지역화 및 레이트 효과 일러스트레이션 수 있기 때문에 이러한 조합이 특히 중요하다.

제시된 작품은 다른 재료 및 샘플 형상에 elastocaloric 소재를 확인하는 실험 방법을 설명합니다. 또한, 검사 장비는 상이한 냉각 공정 변화를 조사하기 위해 사용된다. 도입 된 분석 방법의 공정 효율에 중요한 공정 차별화 고려와 관련된 경계 조건의 영향을 가능하게한다. (a 열 기계적으로 결합 된 유한 요소 모델) 시뮬레이션 결과와 실험 결과의 비교는 elastocaloric 효과의 기초 물리 이해 가능하다. 또한, 실험 결과뿐만 아니라, 조사 결과 BA시뮬레이션 결과에 나오지 재료의 성질을 개선하기 위해 사용된다.

Introduction

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ferroic 물질에 기초한 고체 냉각 공정은 종래 증기 압축 기반 프로세스 친환경 대체 될 가능성이있다. Ferroic 물질은 자기 열량 electrocaloric 및 elastocaloric 효과 (1, 2)뿐만 아니라 동작 multicaloric 재료 (3)로서 설명되는 이들 효과의 조합을 나타낼 수있다. "냉각을위한 새로운 개념 Ferroic 재료의 열량 효과"4 ferroic 자료의 다른 열량 효과는 현재 독일 과학 재단 (DFG) 우선 순위 프로그램 SPP 1599의 일환으로 연구되고있다. 이 프로그램 내에서 조사되는 메모리 합금 (SMA)이 그들의 큰 잠재 가열 5 특히 니켈 - 티타늄 계 합금에 큰 elastocaloric 효과를 보여 모양. 고 변형 속도에서 변형 - 유도 변형은도 1에 도시 된 바와 같이, SMA 상당한 온도 변화를 이끈다.마르텐 사이트로부터 오스테 나이트 단열 발열 상변태는 SMA 온도를 증가시킨다. 마르텐 사이트에서 흡열 변환은 상당한 온도 감소로 리드를 오스테 나이트합니다. 이러한 elastocaloric 물성은 고체가 적절한 기계적 하역 사이클을 적용함으로써 공정의 냉각에 사용될 수있다.도 2는

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Protocol

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1. 샘플 준비

  1. 캘리퍼스로 SMA 리본을 측정하고, 샘플의 단면을 결정한다.
  2. 높은 방사율 (ε = 0.96) 페인트의 박층으로 코팅하여 리본 IR 측정을위한 샘플을 준비한다.
    주의 : 페인트가 자극으로 분류됩니다. 장갑, 보호 안경과 입 보호 페인트 처리하는 동안 착용해야합니다.

2. 재질 안정화 (교육)

참고 : 초기 기계적인 순환은 기계적 및 열적 물질의 안정화로 연결됩니다. 안정화 효과를 조사하고, 훈련 과정 자체는, 상기 액추에이터의 사용과 테스트 장비의 상부 레벨뿐만 아니라 IR 카메라에 장착 된 센서를 필요로한다.

  1. 모터 컨트롤러 프로그램을 시작하고로드 설정을 확인하십시오. 위치 모드와 명령 모드로 설정을 변경합니다. 모터가 활성 모드에 확인합니다.
  2. 에스등 온 0 μm의 클릭으로 모터 제어 프로그램의 목표 위치 버튼을 "조작이 가능"-이 위치에서 클램프 사이의 거리가 90mm이다.
  3. 실험 장치의 클램프 사이의 샘플을 놓고 샘플을 정렬하기 위해 특수 설계된 정렬 도구를 사용합니다.
  4. 로드 셀 및 샘플에 굽힘 하중을 방지하기 위해 설치 지원을 사....

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Results

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소재의 안정화 (교육) :

도 9는 50 트레이닝 사이클의 응력 / 변형도를 나타낸다. 조사 된 샘플은 A = 1.45 mm (2)의 단면을 가진 니켈 - 티타늄 리본이다. 1 × 10-3 초,인가 된 변형 속도 -1 ΔT = 12.2 K. 온도 상승의 평균 온도 상승에 이어지는 안정화 효과에 상당한 영향을 12- 14; 기계적 안정성에 더하여, 열 안정화 영화 1 프레임 레이트가 실시간 측정 5 배 이상이며, 처음 세 개의 트레이닝 사이클 동안 시료의 온도 분포를 나타내고있다.도 관찰 할 수있다. 실험은 각각의 사이클 후에 중지되었다 마자 샘플이 주위 온도에 도달로 다시 .......

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Discussion

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제시된 과학 실험 장비는 프로토콜 절에 설명 된 실험을 수행함으로써 재료 elastocaloric 냉각 과정의 광범위한 조사를 가능하게한다. 클램핑 전에 샘플의 정확한 정렬은 모든 실험에 대한 매우 중요합니다. 잘못된 정렬은 잠재적으로 초기 물질의 실패로 이어질 수 있습니다. 또한, 최대 요구 균주 전체 상변태가 합금 조성에 따라 도달하는 반면 변형 재료의 수명에 상당한 영향을 적용 하였다. 조사 된 NiTiCuV 합금의 변형 균주. 유의도 9 및도 13에 도시 된 니켈 - 티타늄 합금의 변형 균주보다 낮다 (도 10 참조),이를 위해 초기 테스트가 수행 될 필요가 변형 균주를 식별 할 새로운 합금.

테스트 플랫폼에 대한 개발 요구 프로세스 (P)의 독립적으로 제어했다arameters 모든 사이클 단계 동안 열 및 기계적 상호 작용 프로세스 컴포넌트 동작 (SMA 샘플 열원과 히트 싱크.......

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Disclosures

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저자는 공개할 것이 없습니다.

Acknowledgements

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저자는 DFG 우선 프로그램의 지원을 인정하고 싶습니다 1599 "ferroic 재료의 열량 효과 : 냉각을위한 새로운 개념"(프로젝트 : EG101 / 23-1, SCHU2217 / 2-1, SE704 / 2-1, EG101 / 29 -2, SCH2217 / 3-2, SE704 / 2-2).

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
선형 직접 드라이브ESR-PollmeierML 1418-U5-W1SMA 로딩/언로딩; 열 전달
공압 실린더 FestoADNGF-40 574031열원/싱크와 SMA
유도 위치 측정 시스템 간의 접촉 AMOLMKA-1101.1NN-1.0-0
인장 및 압축 로드셀FutekLCF451; FSH02241SMA 힘
압축 로드셀FutekLTH300; FSH00297접촉력
IR 카메라인프라 테크이미지 IR 9360; M911291,280 x 1,024 픽셀; 최대 프레임 속도 3,200Hz
실시간 컨트롤러 National InstrumentsNI CompactRIO-9074데이터 수집 및 컨트롤 시스템
카메라 바니시테테날105202

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Fähler, S., Rößler, U. K., et al. Caloric effects in ferroic materials: New concepts for cooling. Adv. Eng. Mater. 14 (1-2), 10-19 (2012).
  2. Moya, X., Defay, E., Heine, V., Mathur, N. D. Too cool to work. Nat. Phys. 11 (3), 202-205 (2015).
  3. Starkov, I. A., Starkov, A. S.

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