Name: 형상 기억의 조사를 기반으로 Elastocaloric 냉각 프로세스 및 모델 검증을위한 실험 방법 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-05-02T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 11 s
Description: 학습하세요 형상 기억 합금을 이용한 엘라스토칼로릭 냉각 공정의 특성 분석 및 열역학 모델 검증 방법을. 이 실험 기법은 효율적인 냉각 장치 설계를 위한 최적화된 공정 개발에 기여합니다.

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

1. 샘플 준비 <ol><li> 캘리퍼스로 SMA 리본을 측정하고, 샘플의 단면을 결정한다. </li><li> 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. </li></ol> 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. <ol><li> 모터 컨트롤러 프로그램을 시작하고로드 설정을 확인하십시오. 위치 모드와 명령 모드로 설정을 변경합니다. 모터가 활성 모드에 확인합니다. </li><li> 에스등 온 0 μm의 클릭으로 모터 제어 프로그램의 목표 위치 버튼을 &quot;조작이 가능&quot;-이 위치에서 클램프 사이의 거리가 90mm이다. </li><li> 실험 장치의 클램프 사이의 샘플을 놓고 샘플을 정렬하기 위해 특수 설계된 정렬 도구를 사용합니다. </li><li> 로드 셀 및 샘플에 굽힘 하중을 방지하기 위해 설치 지원을 사용하여 클램프를 조입니다. (20㎚, 조임 토크) 재현성 고정력을 보장하기 위해 나사 조임 토크 렌치를 사용한다. </li><li> 현재 모터의 위치를​​ 확인하고 모터가 시작 위치 (0 μm의)에 있는지 확인하십시오. </li><li> 적외선 카메라 소프트웨어를 시작하고 클로즈업 렌즈와 결합 된 50mm 렌즈에 대한 보정을로드합니다. 1280 × 100 화소의 화상 사이즈 및 -20 ° C 내지 50 ° C의 온도 범위를 선택한다. 모터 포커스 수단을 이용하여 카메라를 배치하고 전체 시료가 카메라의 시야에 확인. 참고 : IR 카메라, combina에선택된 렌즈 시스템 능은 초점 길이를 가지며, (f)는 50mm, F / 2 200 mm의 작업 거리에서 60 ㎛의 최소 픽셀 크기의 개구. </li><li> 훈련 및 재료 특성에 대한 제어 프로그램을 열고 제어 파라미터 (변위, 속도, 유지 시간, 최대 및 최소 힘 횟수 및 카메라 프레임 레이트)를 설정한다. <ol><li> 시작 위치 (0 μm의)을 설정하고, 소재 전체 위상 변화를 겪게하도록 목표 위치 (4500 μm의)을 선택한다. </li><li> 원하는 변형 속도에 맞는 리니어 직접 구동 속도 (속도의 로딩 / 언 로딩)을 설정한다. 과정 관련 교육을 냉각 5 × 10 -4 초 -1 (45 μm의 / 초 액츄에이터 속도)의 변형 속도를 선택합니다. <ol><li> 선형 직접 구동 속도를 결정 (V) (선택된 변형 속도에 기초 <img alt="엡실론" src="/files/ftp_upload/53626/epsilon.jpg" /> )와 90mm (V의 초기 샘플 길이 (L 0) = &lt;IMG의 고도 = &quot;엡실론&quot;SRC = &quot;/ 파일 / ftp_upload / 53626 / epsilon.jpg는&quot;/&gt;) 리터 0 ∙ </li></ol></li><li> 0 초에 유지 시간을 설정합니다. </li><li> 새로운 샘플 첫 번째 사이클 1 사이클의 수를 설정합니다. </li><li> 압축 하중과 인장 과부하 (최소 부하 1 MPa의 최대 부하 800 MPa의)을 피하기 위해 샘플 별 최소 및 최대 힘의 레벨을 설정합니다. </li><li> 50 밀리 초 / 프레임의 IR 카메라 수집 속도 (초당 20 프레임)을 선택합니다. </li><li> 설정을로드하려면 시작 버튼을 클릭합니다. </li></ol></li><li> , 적외선 카메라 소프트웨어를 열고 파일 이름을 선택하고 5,000 프레임을 할당합니다. <ol><li> 외부 트리거 소스 내부로 전환하고, 데이터 수집 모드를 시작한다. </li></ol></li><li> 제어 프로그램을 열고 시작 실험 버튼을 누릅니다. </li><li> 데이터 시각화 <ol><li> 실험이 종료되면, 데이터 처리 소프트웨어에 데이터를로드 및 힘 / 변위, 명세서의 용어에 시각화RESS / 변형, 힘 / 시간 및 위치 / 시간 다이어그램. </li><li> 적외선 카메라 소프트웨어에 IR 데이터를로드하고 시간이 해결 온도 프로파일을 평가합니다. 된 SMA 리본의 표면을 피복하는 측정 영역을 정의하고 시간 대 샘플의 평균, 최대 및 최소 온도 플롯. </li></ol></li><li> 재료가 안정 기계적 동작을 보여줍니다 잔류 변형을 보상하기 시작 위치에 적응 될 때까지 반복 2.9-2.6 단계를 반복합니다. <ol><li> 제 10 사이클 이후, 실험 당 10 사이클들의 수를 증가 안정된 재료 동작에 도달 할 때까지 실험을 진행. </li></ol></li></ol> 3. 재료 특성 주 : 소재 특성은 상기 액추에이터의 사용과 테스트 장비의 상부 레벨뿐만 아니라 IR 카메라에 장착 된 센서를 필요로한다. 특성화 절차 동안, 샘플 로딩 및 실행 중에 다른 속도로 언로드로딩 및 언 로딩 후 보유 기간. <ol><li> 수도권 리본이 클램핑 해제 된 시험 장비의 제어 시스템은 훈련 후 꺼되어있는 경우, 반복 2.6-2.1 단계를 다시 샘플을 고정. 이러한 경우가 아닌 경우, 다음과 같이 진행. </li><li> 교육 및 재료 특성의 제어 프로그램을 열고 제어 파라미터 (변위, 속도, 유지 시간, 횟수 및 카메라 프레임 속도)를 설정합니다. <ol><li> 샘플 제로 부하가되도록 시작 위치를 설정하고, 훈련 (4500 μm의)의 목표 위치로의 목표 위치에 상당하는 설정한다. </li><li> 원하는 변형 속도에 맞는 리니어 직접 구동 속도 (속도의 로딩 / 언 로딩)을 설정한다. 1 × 10-1 초 -1 0.75 mm X 1.4 mm 이상인 단면과 샘플 단열 상변태 리드 (9000 μm의 / 초의 속도 액추에이터)의 변형 속도를 선택한다. </li><li> (180) 자체의 유지 시간을 설정합니다시료는 초기 온도 레벨에 도달하기에 충분한 C. 주 : 유지 시간 열 평형 시간 상수 (τ)와보다 작은 4의 X τ는 다음의 특성을 실험 시작 전에 증가되어야하는 유지 시간을 계산하여 실험 후에 확인해야한다. </li><li> 1 사이클의 수를 설정합니다. </li><li> 압축 하중과 인장 과부하 (최소 부하 1 MPa의 최대 부하 800 MPa의)을 피하기 위해 샘플 별 최소 및 최대 힘의 레벨을 설정합니다. </li><li> 5 밀리 초 / 프레임의 IR 카메라 수집 속도 (초당 200 프레임)을 선택합니다. </li><li> 설정을로드하려면 시작 버튼을 클릭합니다. </li></ol></li><li> , 적외선 카메라 소프트웨어를 열고 파일 이름을 선택하고 80,000 프레임을 할당합니다. <ol><li> 외부 트리거 소스 내부로 전환하고, 데이터 수집 모드를 시작한다. </li></ol></li><li> 제어 프로그램을 열고 시작 실험 버튼을 누릅니다. </li><li> 에 IR 데이터를로드IR 카메라 소프트웨어. 플롯은 최대 및 최소 샘플 온도 대 시간을 의미한다. 데이터를 내보낼 데이터 처리 소프트웨어 (10, 11)와 일정한 열적 평형 시간을 계산한다. </li><li> 필요하다면 산출 된 열 평형 시정 수에 기초하여, 유지 시간을 적응. </li><li> 반복 3.5-3.2 단계 및 5 × 10-5 초 -1 -1 내지 1 x 초 -1에서 변형 속도뿐만 아니라, 5 %의 최대 변형 2 %의 변형률을 변화 (최대 변형 동등 훈련 중 최대 주). </li><li> 지역의 온도 피크의 조사 : 주 : 재료는 elastocaloric 효과의 속도에 의존하는 현지화 효과를 보여줍니다. 이러한 효과의주의 깊은 연구는 SMA 온도 프로파일의 높은 특수 해상도를 필요로한다. 이를 위해, IR 카메라의 렌즈는 현미경 렌즈로 대체되어야한다. 현미경 렌즈를 3.0의 조리개 (1X)의 배율 15의 픽셀 크기를 갖는195mm의 작동 거리에서 μm의. <ol><li> 빛을 끄고 적외선 카메라의 시야에서 모든 열원을 제거하고 렌즈를 변경합니다. </li><li> 카메라 교정 설정을 변경 한 후 50 ° C 내지 20 ° C의 온도 범위는 500 × 250 화소의 화상 사이즈 내에 현미경 렌즈 보정로드. 샘플을 초점 모터 초점 장치를 사용합니다. </li><li> 2 절에 설명 된 단계에 따라, 1 × -1 초 -1 (9,000 μm의 / 초)의 변형 속도로 인장 시험을 수행 소재 안정화. </li></ol></li><li> 데이터 시각화 <ol><li> 데이터 처리 소프트웨어에 기계적 데이터를로드 및 힘 / 변위, 응력 / 변형, 힘 / 시간 및 위치 / 시간 다이어그램의 관점에서 시각화. </li><li> 적외선 카메라 소프트웨어에 IR 데이터를로드하고 시간이 해결 온도 프로파일을 평가합니다. 수도권 리본의 표면을 커버하는 측정 영역을 정의하고 평균 최대 플롯imum 시간 대 샘플의 최저 온도. </li></ol></li></ol> 4. Elastocaloric 냉각 과정 참고 elastocaloric 냉각 공정의 조사 설정의 상부 및 하부 레벨뿐만 아니라 IR 카메라의 액츄에이터 및 센서의 사용을 필요로한다. 이러한 실험은 공정 성능을 최적화하기 위해 상기 제어 파라미터의 변화를 포함한다. <ol><li> 수도권 리본이 클램핑 해제 된 시험 장비는 재료 특성 후 꺼되어있는 경우, 반복 2.5-2.1 단계를 다시 샘플을 고정. 이러한 경우가 아닌 경우, 다음과 같이 진행. </li><li> 적외선 카메라 소프트웨어를 시작하고 클로즈업 렌즈와 50mm 렌즈에 대한 보정을로드합니다. 1280 X 1024 픽셀의 이미지 크기와 -20 ° C 내지 50 ° C의 온도 범위를 선택한다. 모터 포커스 수단을 이용하여 카메라를 배치하고, 전체 시료가 카메라의 시야에 있는지 확인. 주 : 선택된 렌즈계와 조합 IR 카메라 초점 거리를 갖는 (F) 50mm, F / 2 200 mm의 작업 거리에서 60 ㎛의 최소 픽셀 크기의 개구. </li><li> elastocaloric 냉각 공정을위한 제어 프로그램을 열고 제어 매개 변수를 선형 다이렉트 드라이브 하나 (상위), 사이클과 카메라의 선형 다이렉트 드라이브 하나, 둘, 접촉 시간, 최대 및 최소 힘, 접촉 단계, 수의 속도 (변위 설정 프레임 속도). <ol><li> 샘플 제로 부하가되도록, SMA 하역 용 리니어 직접 구동의 개시 위치를 설정하고, 훈련 (4500 μm의)의 목표 위치로의 목표 위치에 상당하는 설정한다. </li><li> 1 × -1 초 -1 (9,000 μm의 / 초)의 변형 속도에 맞게로드와 SMA의 하역을위한 선형 다이렉트 드라이브의 속도 (속도 로딩 / 언 로딩)를 설정합니다. (100)에 설치의 낮은 수준의 선형 다이렉트 드라이브의 속도를 설정mm / 초. </li><li> 6 초에 접촉 시간을 설정합니다. 주 : 접촉 시간 열전달의 지속 시간을 결정하고, 10 밀리 위의 값으로 설정 될 수있다. </li><li> 로딩 / 언 로딩 모드 후 연락처를 선택합니다. 주 : 접촉 단계에 영향을 로딩 및 언 로딩이 단열 (로딩 / 언 로딩 후의 접촉) 또는 (로딩 / 언 로딩 동안 접촉) 히트 싱크 / 소스 열전달과 결합 여부. </li><li> 40 사이클의 수를 설정합니다. </li><li> 압축 하중과 인장 과부하 (최소 부하 1 MPa의 최대 부하 800 MPa의)을 피하기 위해 샘플 별 최소 및 최대 힘의 레벨을 설정합니다. </li><li> 20 밀리 초 / 프레임의 IR 카메라 수집 속도 (초당 50 프레임)을 선택합니다. 설정을로드하려면 시작 버튼을 클릭합니다. </li></ol></li><li> , 적외선 카메라 소프트웨어를 열고 파일 이름을 선택하고 50000 프레임을 할당합니다. 외부 트리거 소스 내부로 전환하고, 데이터 수집 모드를 시작한다. </li><li> 제어 progr을 엽니 다오전 시작 실험 버튼을 누릅니다. </li><li> 데이터 시각화 <ol><li> 실험은 데이터 처리 소프트웨어에 부하에게 데이터를 완료하고 다음 데이터 가시화되면 : 힘 / 변위, 응력 / 변형, 온도 / 시간 (히트 싱크 / 소스의 온도)에서, 힘 / 시간, 접촉력 / 시간 및 위치 리니어 액츄에이터 / 시간. </li><li> 적외선 카메라 소프트웨어에 IR 데이터를로드하고 시간이 해결 온도 프로파일을 평가합니다. 된 SMA 시료 표면과 방열판의 표면과 열원 커버 세 개의 측정 영역을 정의한다. 시간을 정의 측정 영역의 해결, 평균, 최대 및 최소 온도 데이터를 반출하고 상기 데이터 처리 소프트웨어에로드. </li><li> 온도 / 시간도에서 IR 데이터를 시각화합니다. </li></ol></li><li> 변형, 접촉 시간 및 접촉 단계 : 매개 변수의 변화에​​ 따라 실험을 반복합니다. </li></ol> 5. 모델 검증 <p클래스 = &quot;jove_content&quot;&gt; 참고 : 열 - 기계적으로 결합 된 재료 모델의 검증은 재료 안정화 또는 재료 특성에 부착 실험을 필요로한다. 실험 연구를 수행하기 위해 0.6 mm의 단면을 가진 니켈 - 티타늄 와이어를 사용한다. <ol><li> 제 2 항에 기술 된 단계를 수행하여 진행 5 × 10-5 초의 변형 속도 -1 5 % 변형에서의 등온 인장 시험을 수행한다. </li><li> 실험이 종료되면, 데이터 처리 소프트웨어에 데이터를로드하고 스트레스 / 스트레인 측정 시각화. 오스테 나이트의 탄성률과 마르텐 사이트 상, 변형 균주뿐만 아니라, 히스테리시스의 폭을 계산한다. 모델 7 기계적 입력 데이터로서 상기 데이터 기능. </li><li> 5 × 10-3 1 × 10-4 초 -1, 5 × 10-4 초 -1, 1 × 10-3 초 -1의 변형율에있어서 인장 시험을 실시 </s초 -1, 1 × 10-2 초 -1, 5 × 10-2 초 -1, 1 × 10-1 초&gt;까지 -1 모델의 검증 데이터를 생성한다. </li><li> 완성 된 실험 테스트 시스템에서 샘플을 취하여 시차 주사 열량 측정 (DSC) (18)을 수행하는 경우, 칼로리 물성 안정화 재료 (상 변화와 재료의 비열의 잠열)을 결정한다. 주 : DSC 측정의 열 기계적 결합 모델 열량 입력 데이터를 제공한다. </li><li> 단계 5.3에 기재된 인장 시험의 시뮬레이션을 시작. <ol><li> 시중에서 판매하는 유한 요소 소프트웨어에 형상 기억 합금에 대한 사용자 정의 모델을 구현 : <ol><li> 형상 노드를 선택하고 1D 와이어 형상을 그릴 간격을 선택합니다. </li><li> 선택 매개 변수 노드는 인트 기계적 시험에서 확인 된 모델 매개 변수를 정의합니다페이지 5.2. </li><li> 정의 노드를 마우스 오른쪽 단추로 클릭하고 변수 노드를 생성 할 변수를 선택합니다. 변수 노드를 선택하고 통계 열역학 (19)에서 파생 된 전이 확률을 결정하는 알고리즘을 정의합니다. </li><li> 선택 물리학을 추가하고 추가 계수 양식 PDE 또는 일반 양식 PDE는 고정 운동량 균형, 내부 에너지와 상 변화 (20)의 운동 방정식의 균형 구성된 초 탄성 형상 기억 합금의 동작을 설명하는 하나의 차원 편미분 방정식의 집합 정의하려면 . </li></ol></li><li> 환경 온도 와이어의 초기 온도를 설정하는 초기 값을 하위 노드를 선택한다. <ol><li> 일의 변형 속도를 들면, 2 절에 기술 된 실험 절차에 따라 변형을 적용하기위한 기계적인 경계 조건을 규정하는 디리클레 경계 조건을 선택EP 5.3, 와이어의 일단의 변위를 구속하고, 타 단부의 변위를 처방. </li><li> 때문에 얇은 철사에 비해 대규모 클램프의 일정한 온도로 열 경계 조건을 설정 디리클레 경계 조건을 선택합니다. 참고 : 유한 요소 소프트웨어의 표준 설정을 수렴 솔루션으로 이어질하지 않습니다. </li><li> 찾기 구성의 선택 하위 노드는 표준 설정 (예를 들면, 절대 및 상대 허용 오차 및 비선형의 감쇠 계수, 반복적 인 뉴턴 - 랩슨 해결사)를 수정하고 해결사 실행 &quot;계산&quot;을 클릭합니다. </li></ol></li></ol></li><li> 데이터 분석 <ol><li> 데이터 분석 소프트웨어로 실험 및 시뮬레이션 결과를로드 및 기계적 및 열적 데이터를 시각화. </li><li> 실험 및 시뮬레이션 결과, 각각의 기계 (응력 / 변형률 응답)과의 열 (특수 해결 온도 진화를 비교샘플) 재료 행동. </li></ol></li></ol>

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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...

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. &quot;냉각을위한 새로운 개념 Ferroic 재료의 열량 효과&quot;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 브 레이튼 사이클에 따라 전형적인 elastocaloric 냉동 사이클을 도시한다. 언로드 열원과 저온 사이의 열전달은 낮은 온도 레벨에서 일어난다 SMA. 다음 단계에서, 상기 SMA는 비접촉 상태에 있고 빠르고 단열로드는 SMA 상당한 온도 증가를 이끈다. 수도권의 일정한 변형의 뜨거운 SMA와 히트 싱크 걸릴 장소 사이의 후속 열 전달. 열 전달이 완료되면, 빠른 하역 단열 다음 냉각 C 그러자, 열원의 온도 이하 SMA 상당한 온도 저하에 이르게ycle 및 시작할 수있는 열원과 열전달. elastocaloric 냉각 공정의 효율은 필요한 기계적 작업과 흡열에 의존한다. 첫째, 인장 시험시의 온도 영역을 모니터링하는 실험을 다른 속도 SMA 스트립과 와이어의 인장 시험시 국부 온도 피크의 형성을 조사 할 목적으로, 쇼 등. (6) (7)에 의해 수행되었다. 인가 된 실험 방법은 서모 측정 수단에 의해 온도 필드의 동시 인수 기계적 파라미터 (응력 변형률과 변형률 속도)의 측정을 결합. 인장 시​​험기와 SMA 시편의 로딩 및 언 로딩 중에, 적외선은 (IR) 카메라가 SMA 시료의 IR 이미지를 획득 하였다. 이 기술은 온도 피크의 변형률 속도 의존성 형성의 연구를 가능하게한다. 상의 온도 분포의 측정샘플은 elastocaloric 효과를 조사하고, 재료의 냉각 특성의 결정에 매우 중요하다. 로컬 온도 측정 - 접촉 및 온도 측정을 적용하여이 - 재료의 냉각 특성을 특성화하기 위해 충분하지 않다. 온도 필드의 측정은 쿠이 교수 등의 알에 의해 사용되었다. 8 니켈 - 티타늄 와이어에 elastocaloric 효과 연구. 또한 Ossmer 등. (9), (10)는 서모 온도 측정은 또한 고 변형에서의 단열 상 변환의 조사를 위해 IR 카메라 높은 프레임 레이트를 요구 박막 계 니켈 - 티타늄에 elastocaloric 효과를 조사하기에 적합한 것으로 나타났다 비율. 이 기술은 elastocaloric 수량의 조사 및 고체 기반의 열전달 및에 상당한 영향을 미치는 온도 프로파일의 균일 성을 허용elastocaloric 프로세스의 효율성. 재료의 냉각 효율이 응력 / 변형률을 측정뿐만 아니라 (고려 온도 변화 재료의 열 용량을 고려 결정될 수있다)가 가열에 기초하여 필요한 작업을 계산함으로써 결정될 수있다. 그러나, 실험 방법은 공정 조건에서 elastocaloric 재료의 조사를 사용하지 않습니다. 이 SMA와 냉각 효과의 효율에 상당한 영향을 미치는 열원 사이의 열 전달을 포함한다. 냉각 공정 조건의 재료 특성 및 elastocaloric 냉각 공정의 조사가 기존의 상용 시스템에 의해 조사 될 수없는 고체 기반 열 전달을 가능하게하는 테스트 장비를 필요로한다. 이를 위해, 신규 한 테스트 플랫폼 개발되었다. 도 3에 도시 된 바와 같이, 시험 장비는 두 레벨로 설정된다. uppe을R 레벨 기본 elastocaloric 재료 특성 및 초기 트레이닝 절차 수, 전술 한 방법과 유사한 (도 4 참조). 설치가 선형 직접로드 할 수있는 드라이브와 1 초까지의 변형 속도로 SMA를 언로드가 장착되어 -1 (그림 5 참조). 전형적인 샘플 길이 90 mm ​​동안 선형 다이렉트 드라이브는 최대 1.8 mm (2)의 단면 샘플 조사를 할 수 있습니다. 보통, 인장 시험에 사용되는 볼 스크류 드라이브 달리 - 선형 직접 구동의 장점은 고속 및 고 가속된다. 또한,로드 셀뿐만 아니라, 상기 선형 드라이브 집적 위치 측정 시스템, 기계 측정 데이터를 제공한다. 고해상도 IR 카메라 (1280 X 024 픽셀) (요구되는 온도 범위)에서 최대 400 Hz에서와 SMA의 온도 프로파일을 측정하기 위해 사용된다. 입술과 현미경 렌즈의 사용15 μm의 / 픽셀의 olution 지역의 온도 효과를 조사 할 수 있습니다. 시험 장비의 하부 레벨이 상기 SMA와 열원 / 방열판 사이의 전도성 열전달을 교류를 허용하는 메커니즘을 포함 (도 6 및 7 참조). 하위 레벨에서 선형 다이렉트 드라이브는 공압 실린더 리프트 반면, 히트 싱크의 SMA에 열원 사이 및 SMA에서 스위치와 히트 싱크 / 소스를 (도 8 참조)를 낮춘다. 각 액추에이터는 상이한 냉각 공정 변화의 조사를 허용 독립적으로 제어 될 수있다. 종합 측정 시스템은 기계적 파라미터 측정 수 : 액츄에이터 위치, 액츄에이터 속도 SMA 로딩 력 SMA 및 열원 / 열전달 동안 싱크 사이의 접촉력과 열 파라미터 (즉, 히트 싱크 / 소스, 온도 분포 내부 온도 된 SMA의 표면과 열원 / 죄에케이). 과학적 테스트 플랫폼의보다 상세한 설명은 슈미트 등. (11)에 주어진다. <img alt="그림 5" src="/files/ftp_upload/53626/53626fig5.jpg" /> 시험 장비의 상위 수준의 그림 5. 계획 로딩과 통합 된 위치 측정 시스템과 SMA 샘플의 하역을위한 선형 다이렉트 드라이브.; 인장 힘을 측정하기위한로드 셀뿐만 아니라 온도 프로파일을 획득하기위한 고해상도 IR 카메라 (1280 X 024 픽셀). <img alt="그림 7" src="/files/ftp_upload/53626/53626fig7.jpg" /> 시험 장비의 낮은 수준의 7 제도도 선형 다이렉트 드라이브를 방열판과 열원 사이에 전환.; 공압 실린더는 SMA 시료와 히트 싱크 / 소스 사이에 접촉하는 단계; 온도 센서는 히트 싱크 / 우 통합 된RCE는 블록의 중심 온도를 측정한다. 된 SMA와 열원 사이의 접촉력을 측정하기위한 압축 로드셀 / 싱크는 열 전달 메커니즘에 통합이 방식에 표시되지 않는다. 시험 장비는 다른 합금 조성물 및 샘플 크기뿐만 아니라 형상 (리본, 전선)의 조사를 할 수 있습니다. 또한, 설치가 el​​astocaloric 재료 및 냉각 공정의 포괄적 인 조사를 할 수 있습니다. 전술 한 실험을 수행 할 수 있고, 실행은 단계별로 원고 프로토콜 섹션에서 설명한다. 재질 안정화 : 안정한 물질 동작 냉각 시스템에서 elastocaloric 재료의 사용을 위해 중요하다. 이를 위해 기계적 안정화 과정이 적용된다. 이 절차를 수행하는 동안 재료는 기계적 로딩 및 언 로딩 사이클을 통과하고 위상을 수행오스테 나이트에서 변환은 마르텐 사이트입니다. 재료 안정화 강한 속도 의존성을 보여줍니다. 높은 로딩 속도는 위상 변화의 잠열에 의해 야기되는 재료의 온도 변화로 이어질. 다양한 온도에서 12-15 기계적 트레이닝 사이클처럼이 온도 변화 재료 안정화에 유사한 영향을 미친다. 공지 된 기계 (13) 및 (16) 열량 안정화에 더하여, 열 안정화 물질 체열 (17)을 적용하여 설계된 설치를 관찰 할 수있다. 소재 특성 : 초기 기계적인 훈련 과정 후, 재료는 elastocaloric 재료 특성을 특징으로 할 수 있도록 안정적인 기계적, 열적 및 열량 동작을 보여줍니다. 따라서, 다른 속도 기계적 사이클은 트레이닝 과정과 달리 수행되는 반면 상기 elastocaloric 특성은 로딩 및 언 로딩 후 지주 단계를 포함한다. 주변 온도 레벨에 다시 도달 할 때까지 유지 단계의 기간 동안 SMA 균주는 일정하게 유지된다. 실험이 유형의 주변 온도 레벨뿐만 아니라 소재 효율부터 언로드 후 낮은 달성 가능한 온도를 결정하기 위해 요구된다. 로컬 온도 피크의 속도에 의존 형성은 점점 더 균일 한 온도 분포에 이르는 높은 비율로 관찰 할 수있다. 단열 조건이 달성 될 때까지 또한, 변형 속도를 증가시킴으로써 온도 변화는 똑같이 증가한다. 재료 효율이 언로드하는 동안 물질의 평균 온도의 변화에​​ 기초하여 단열 실험의 힘 - 변위 도면뿐만 아니라 흡수 열을 기반으로 필요한 기계적 작업 및 샘플의 열용량을 계산함으로써 결정될 수있다 . Elastocaloric 냉각 과정 : 공정 조건 SMAS의 냉각 효율의 조사는 SMA 냉각 매체와 열원과 히트 싱크 사이의 열 전달을 필요로한다. 이를 위해, SMA는 (단열 언로드 후) 고체 열원 (단열 로딩 후) 히트 싱크와 접촉한다. 공정의 효율을 강하게 공정 제어 및 열적 경계 조건에 의존한다. 냉각 공정의 광범위한 조사가 가장 효율적인 프로세스 제어를 결정하기 위해 상기 제어 파라미터의 변화를 필요로한다. 프로세스 성능에 개별 파라미터의 영향 (접촉 시간, SMA 균주, SMA의 변형 속도, 접촉 단계 (로딩 / 위상 언 또는 아래)과의 접촉력 동안 접촉)을 조사한다. 또한, 냉각 사이클의 수를 증가시킴으로써 변화 열적 경계 조건의 영향에 보유고려 될 수있다. 모델 검증 : 냉각주기 동안, 기계적 및 열적 거동 재료를 재생시킬 수있는 열 기계적 결합 물질 모델의 개발은 새로운 냉각 기술의 개발이 중요하다. 이 모델은 감소 실험 및 재료 개발 노력에 의해 재료 및 공정 최적화 할 수 있습니다. 유효성 검증 (오스테 나이트의 탄성률과 마르텐 사이트 상, 기계적 히스테리시스의 폭뿐만 아니라 형질 전환 균주)에 필요한 기계적 재료 입력 데이터를 생성하는 안정화 된 물질의 초기 등온 인장 시험을 필요로한다. 모델의 검증은 다른 속도로 인장 시험을 기초로 이루어진다. 모델에 필요한 열량 입력 데이터 기계적 실험 다음 시차 주사 열량계 (DSC)에 의해 결정될 수있다. DSC에 측정 AF 수행해야안정화 된 샘플의 열량 물성을 측정하기 위해 기계적 테스트 터.

<table><tbody><tr><td>선형 직접 드라이브</td><td>ESR-Pollmeier</td><td>ML 1418-U5-W1</td><td>SMA 로딩/언로딩; 열 전달</td></tr><tr><td>공압 실린더&nbsp;</td><td>Festo</td><td>ADNGF-40 574031</td><td>열원/싱크와 SMA</td></tr><tr><td>유도 위치 측정 시스템 간의 접촉&nbsp;</td><td>AMO</td><td>LMKA-1101.1NN-1.0-0</td><td></td></tr><tr><td>인장 및 압축 로드셀</td><td>Futek</td><td>LCF451; FSH02241</td><td>SMA 힘</td></tr><tr><td>압축 로드셀</td><td>Futek</td><td>LTH300; FSH00297</td><td>접촉력</td></tr><tr><td>IR 카메라</td><td>인프라 테크</td><td>이미지 IR 9360; M91129</td><td>1,280 x 1,024 픽셀; 최대 프레임 속도 3,200Hz</td></tr><tr><td>실시간 컨트롤러&nbsp;</td><td>National Instruments</td><td>NI CompactRIO-9074</td><td>데이터 수집 및 컨트롤 시스템</td></tr><tr><td>카메라 바니시</td><td>테테날</td><td>105202</td><td></td></tr></tbody></table>

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

Experimental Methods for Investigation of Shape Memory Based Elastocaloric Cooling Processes and Model Validation

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.

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 ...

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.

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

Shape Memory Alloys (SMA) using elastocaloric cooling processes have the potential to be an environmentally friendly alternative to the conventional vapor ...

본 실험의 전반적인 목표는 탄성열량 재료와 탄성열량 냉각 공정을 연구하는 것입니다. 이를 위해 기본적인 재료 특성 분석 및 고급 탄성열량 공정 제어를 수행할 수 있는 과학적 테스트 장치가 개발되었습니다. 본 방법론에서는 재료의 특성과 공정 제어가 냉각 능력 및 냉각 공정 효율에 미치는 영향을 설명합니다.이러한 연구 결과는 효율적인 냉각 장치 설계의 기초가 되는 최적화된 탄성칼로릭 냉각 공정의 개발을 가능하게 합니다. 빠른 단열 하중 인가 과정에서 형상기억합금의 잠열로 인해 하중 인가 시에는 온도가 상승하고, 이후 하중 제거 시에는 온도가 하강합니다. 탄성칼로릭 냉각 공정에 관한 이번 연구는 독일 보훔의 루르 대학교 재료과학 연구팀과 자를란트 대학교 자르브뤼켄의 메카트로닉스 공학 연구팀 두 곳의 협력을 통해 수행되었습니다.이 과정은 재료 및 공정의 최적화와 시뮬레이션 도구의 개발을 포함합니다. 개발된 과학적 테스트 장치는 형상 기억 합금과 열원 사이, 그리고 형상 기억 합금과 방열판 사이의 고체 상태 열전달에 대한 탄성열 효과 연구를 가능하게 합니다. 이 기술의 주요 장점은 일과 열 같은 공정 값에 각 제어 매개변수가 미치는 영향을 독립적으로 조사할 수 있다는 점입니다.또한, 이 시스템은 모든 공정 단계에서 기계적 및 열적 양을 측정할 수 있는 종합적인 시스템을 갖추고 있습니다. 우선, 캘리퍼를 사용하여 형상기억합금 리본을 측정하고 시료의 단면적을 결정하십시오. 그런 다음, 시료를 고방사율 플레이트의 얇은 층으로 코팅하십시오.다음으로, 모터 컨트롤러 프로그램의 목표 위치를 0 µm로 설정하고 operation enabled 버튼을 클릭하십시오. 이 위치에서 클램프 사이의 거리는 90 mm입니다. 실험 장치의 클램프 사이에 샘플을 배치하고, 특수 제작된 정렬 도구를 사용하여 샘플을 정렬하십시오.그런 다음, 장착 보조 도구를 사용하여 클램프를 조이고, 토크 렌치를 사용하여 나사를 20 newton-meters의 힘으로 조입니다. semper의 정렬은 매우 중요합니다. semper의 풀리는 단 몇 번의 사이클 후에 파손될 것입니다.IR 카메라 소프트웨어를 실행하고, 50mm 렌즈와 근접 렌즈(closeup lens) 조합에 맞는 보정 값을 로드하십시오. 이미지 크기는 1,280 x 100 픽셀로, 온도 범위는 영하 20도에서 영상 50도 사이로 설정한 다음, 모터 포커스 유닛을 사용하여 카메라 위치를 잡으십시오. 학습 및 재료 특성 분석을 위한 제어 프로그램을 실행하십시오.다음으로, 시작 위치를 0 µm로 설정하고 대상 위치를 4,500 µm로 선택하여 재료가 완전한 상변화를 겪도록 합니다. 선형 직접 구동 속도를 45 µm/s로 설정하는데, 이는 5 × 10⁻⁴/s의 변형률과 동일합니다. 이어서 유지 시간을 0 s로, 사이클 수를 1회로, IR 카메라 획득 속도를 50 ms/frame으로 설정한 다음, 시작 버튼을 클릭하여 설정을 적용합니다.이제 IR 카메라 소프트웨어를 열고 파일 이름을 선택한 후 5,000 프레임을 할당합니다. 트리거 소스를 내부에서 외부로 전환하고 데이터 획득 모드를 시작하십시오. 그런 다음 제어 프로그램을 열고 실험 시작 버튼을 눌러 실험을 진행합니다.재료의 특성 분석을 시작하려면, 교육 및 재료용 제어 프로그램을 실행하십시오. 그 다음, 샘플이 초기 상태에서 하중을 받지 않도록 시작 위치를 설정하고, 목표 위치를 교육 시의 목표 위치였던 4, 500 µm로 설정하십시오. 이어서 원하는 변형률 속도를 설정하고, 선형 직접 구동 속도를 9, 000 µm/s로 선택하십시오. 이 속도는 단면적이 0.75 mm × 1.4 mm 이상인 샘플에서 단열 상변화를 유도합니다.실험 전 시료가 원하는 초기 온도에 도달할 수 있도록 유지 시간을 180초로 설정하십시오. 그런 다음, 사이클 수를 1회로, IR 카메라 획득 속도를 프레임당 5밀리초로 설정하고 시작 버튼을 클릭하여 설정을 로드하십시오. 이어서 IR 카메라 소프트웨어를 열고 파일 이름을 선택한 뒤, 실험을 위해 80,000프레임을 할당하십시오.트리거 소스를 내부에서 외부로 전환하고, 데이터 수집 모드를 시작하십시오. 제어 프로그램에서 실험 시작 버튼을 눌러 실험을 시작합니다. 국소 온도 피크를 조사하기 위해, 먼저 조명을 끄십시오.그 다음, IR 카메라의 시야에서 모든 열원을 제거하고 렌즈를 현미경 렌즈로 교체하십시오. 이어서 카메라 보정 설정을 변경하고 현미경 렌즈를 로드한 후, 20~50 °C 범위 내에서 500x250 픽셀의 이미지 크기를 보정하십시오. 모터 초점 장치를 사용하여 샘플의 초점을 맞추십시오.그 후, 이전에 설명한 대로 900μm/s의 선형 다이렉트 드라이브 속도로 표준 인장 시험을 수행합니다. 시편이 장착된 상태에서 IR 카메라 소프트웨어를 실행하고, 근접 렌즈가 장착된 50mm 렌즈의 보정 값을 로드합니다. 이미지 크기는 1,280 x 1,024 픽셀로, 온도 범위는 -20°C에서 50°C로 설정합니다.제어 프로그램을 열고 제어 파라미터를 설정합니다. 샘플에 하중이 가해지지 않은 상태가 되도록 형상 기억 합금을 위한 리니어 다이렉트 드라이브의 시작 위치를 설정하십시오. 또한, 훈련의 목표 위치와 동일하게 목표 위치를 설정하십시오.형상 기억 합금의 로딩 및 언로딩을 위한 리니어 다이렉트 드라이브의 속도를 9,000 micrometers per second로 설정하십시오. 그런 다음, 장치 하단부의 리니어 다이렉트 드라이브 속도를 100 millimeters per second로 설정하십시오. 이어서 접촉 시간을 6초로 설정하십시오.로딩 및 언로딩 모드 이후 접촉을 선택하고 사이클 수를 40으로 설정하십시오. IR 카메라 획득 속도를 프레임당 20 milliseconds로 선택한 다음, 시작 버튼을 클릭하여 설정을 로드하십시오. IR 카메라 소프트웨어에서 파일 이름을 선택하고 실험을 위해 50,000 프레임을 할당하십시오.트리거 소스를 내부에서 외부로 전환하고 데이터 수집 모드를 시작합니다. 마지막으로 제어 프로그램을 열고 실험 시작 버튼을 누릅니다. 이렇게 하면 탄성열 냉각 사이클이 시작됩니다.본 영상 클립에서는 훈련 과정 중 니켈 티타늄 리본에 변형을 가하고 있습니다. 제어된 신장으로 인해 평균 온도가 12.2 K 상승합니다. 해당 재료는 전형적인 히스테리시스 곡선을 따르며, 결과적으로 빨간색으로 표시된 것과 같은 반응 상태로 수렴합니다.니켈 티타늄 구리 바나듐 리본으로 나타낸 여기서의 이력 곡선 폭은 변형률 속도가 증가함에 따라 증가합니다. 이는 상변화 동안 발생하는 온도 변화의 결과입니다. 도표를 보면 특정 지점 이후에는 변형률 속도가 증가하더라도 온도 변화가 더 이상 증가하지 않음을 알 수 있습니다.이 적외선 영상은 냉각 사이클 횟수를 늘림에 따라 방열판과 열원 사이의 온도 차이가 증가하며, 그 결과 재료의 최소 및 최대 온도 변화가 감소함을 보여줍니다. 첫 번째 사이클 이후에는 방열판과 열원이 리본 전체에 접촉하지 않기 때문에 불균일한 온도 프로파일이 나타납니다. 여기에서 인장 시험의 실험값과 시뮬레이션 값 간의 비교를 확인할 수 있습니다.시뮬레이션의 기본 모델은 열역학적으로 결합된 Mueller Achenbach Selleck 모델을 수정한 것입니다. 이는 해당 모델이 재료의 열적 거동뿐만 아니라 기계적 거동도 재현할 수 있음을 보여줍니다. 따라서 절차를 수행할 때, 설계 요구 사항이 모든 냉각 단계를 모니터링하는 것과 변동 매개변수를 직접적으로 제어하는 것임을 기억하는 것이 중요합니다.열 캡슐화는 공정 효율을 높여주지만, 관찰 가능성은 크게 감소하게 됩니다. 추후 실제 장치를 개발할 때는 당연히 이 점을 고려해야 합니다. 본 절차에 따라 단열 공정 제어 외에도 비단열-단열 복합 공정과 같은 다른 공정 변형을 수행함으로써, 접촉 단계가 공정 효율 및 냉각 능력에 미치는 영향과 같은 추가적인 의문점들을 해결할 수 있습니다.이 영상을 시청하신 후에는 탄성열량 냉각 효과에 대해 충분히 이해하고, 재료 최적화와 공정 제어가 냉각 능력 및 공정 효율에 어떻게 영향을 미치는지 파악하시게 될 것입니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Engineering

공학

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