Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Eksperimentelle metoder for undersøkelse av Shape Memory Basert Elastocaloric Kjøle Prosesser og Modell Validation

Published: May 2, 2016 doi: 10.3791/53626
Automatic Translation
1,2, 2, 3, 3, 3, 1, 2
1Lab for Measurement Technology, Saarland University, 2Intelligent Material Systems Lab, Saarland University, 3Lab for Material Science, Ruhr Universität Bochum

Abstract

Shape Memory Alloys (SMA) ved hjelp av elastocaloric kjøleprosesser har potensial til å være en miljøvennlig alternativ til den konvensjonelle dampkompresjon basert avkjøling. Nikkel-Titan (Ni-Ti) basert legering systemer, spesielt, viser store elastocaloric effekter. Videre utviser store latente heat som er en nødvendig materiell eiendom for utvikling av en effektiv solid-state basert kjøleprosessen. En vitenskapelig test riggen er designet for å undersøke disse prosessene og elastocaloric effekter i SMAs. Den realiserte Testriggen muliggjør uavhengig kontroll av en SMA mekaniske losse- og lastesykluser, samt ledende varmeoverføring mellom SMA kjøleelementer og en varmekilde / sink. Testriggen er utstyrt med en omfattende overvåking system i stand til synkroniserte målingene av mekaniske og termiske parametere. I tillegg til å bestemme prosessavhengige mekanisk arbeide, vil systemet muliggjør også measurement av termiske kalori aspekter ved elastocaloric kjølende effekt ved bruk av en høy-ytelse infrarødt kamera. Denne kombinasjonen er av spesiell interesse, fordi det gir illustrasjoner av lokalisering og kurseffekter - både viktige for effektiv varmeoverføring fra mediet som skal kjøles.

Arbeidet presenteres beskriver en eksperimentell metode for å identifisere elastocaloric materialegenskaper i forskjellige materialer og prøve geometrier. Videre er testrigg som brukes til å undersøke ulike kjøleprosessvariasjoner. De innførte analysemetoder muliggjøre en differensiert behandling av materiale, prosess og relaterte grensebetingelse innflytelse på prosessen effektivitet. Sammenligningen av de eksperimentelle data med resultater simulerings (av en termomekanisk koblet finite element modell) gir mulighet for bedre forståelse av de underliggende fysikken i elastocaloric effekt. I tillegg er de eksperimentelle resultater, så vel som resultatene based på simuleringsresultatene, blir brukt for å forbedre materialegenskapene.

Introduction

Solid state kjøleprosesser basert på ferroic materialer har potensial til å være miljøvennlige alternativer til konvensjonell dampkompresjonsbasert prosess. Ferroic materialer kan oppvise magnetocaloric, electrocaloric og elastocaloric effekter 1, 2, så vel som kombinasjoner av disse effektene, som er beskrevet som multicaloric materialoppførsel 3. De ulike kalori effekter i ferroic materialer blir nå etterforsket som en del av den tyske Science Foundation (DFG) Priority program SPP 1599 "caloric Effekter i Ferroic Materialer: Nye konsepter for Cooling" 4. Shape Memory Alloys (SMA), som er undersøkt i dette programmet viser store elastocaloric effekter, spesielt Ni-Ti-baserte legeringer på grunn av deres store latente varmer 5. Stammen-induserte faseomdannelse ved høye belastnings priser som fører til betydelige temperaturendringer på den SMA, som vist i figur 1. Denadiabatisk, eksoterm fase transformasjon fra austenitt til martensitt øker SMA temperatur. Den endoterme transformasjon fra marten til austenitt fører til en betydelig reduksjon av temperatur. Disse elastocaloric materialegenskaper kan brukes for solid-state avkjølingsprosesser ved å anvende en passende mekanisk lasting og lossing syklus. Figur 2 viser en typisk elastocaloric kjølesyklus, som følge av Brayton syklus. Varmeoverføringen mellom varmekilden og det kalde, ubelastet SMA finne sted ved lave nivåer temperatur. I neste fase, er det SMA på et kontaktfritt staten og den raske, adiabatisk lasting fører til en betydelig temperaturøkning i SMA. Den påfølgende varmeoverføring mellom varm SMA og varmeavlederen foregår ved konstant belastning av SMA. Ved fullførelse av varmeoverføring, fører hurtig, adiabatisk lossing til en betydelig temperaturfall av SMA under temperaturen av varmekilden, hvoretter den neste kjøle cycle og varmeoverføring med varmekilden kan starte. Effektiviteten av elastocaloric avkjølingsprosessen er avhengig av den ønskede mekaniske arbeidet og den absorberte varme.

Først ble eksperimenter som overvåker temperaturen feltet under strekkprøver utført av Shaw et al. 6, 7, med det formål å undersøke dannelsen av lokale temperaturtopper i løpet av strekkprøver av SMA strimler og ledninger ved ulike priser. Den brukes eksperimentell metode kombinert måling av mekaniske parametre (stress, belastning og påkjenning rate) med samtidig erverv av temperatur felt ved hjelp av termografiske målinger. Under lasting og lossing av en SMA-prøven med en strekkprøvemaskin, en infrarød (IR) kamera ble brukt til å kjøpe IR-bilder av SMA prøven. Denne teknikken gjør at etterforskningen av belastningen hastighetsavhengige dannelsen av temperaturtopper. Måling av temperaturfordelingen iPrøven er meget viktig for undersøkelse av elastocaloric effekter og bestemmelse av kjøle materialets egenskaper. En lokal temperaturmåling - ved påføring av et kontakttemperaturmåle - er ikke tilstrekkelig for å karakterisere de kjølende egenskaper til materialet. En måling av temperaturfeltet ble også brukt av Cui et al. 8 for studiet av elastocaloric effekter i Ni-Ti ledninger. Videre Ossmer et al. 9, 10 viste at termotemperaturmålinger er også egnet for etterforskningen av elastocaloric effekter i Ni-Ti baserte tynne filmer, som krevde høy bildefrekvens av IR-kamera for etterforskningen av adiabatiske fasetransformasjoner ved høy belastning priser. Denne teknikken gjør det mulig for etterforskningen av elastocaloric mengder og homogenitet temperaturprofilen, som har en betydelig innflytelse på SSD-baserte varmeoverføring ogeffektiviteten av elastocaloric prosesser.

Kjøleeffekten av materialet kan bestemmes ved å beregne den nødvendige arbeid basert på spenning / strekk-målinger, så vel som varmen (som kan bestemmes med hensyn til temperaturendringen og varmekapasiteten til materialet). Men den eksperimentelle metoden ikke aktivere etterforskningen av elastocaloric materiale under prosessen tilstand. Dette omfatter en varmeoverføring mellom SMA og en varmekilde, som har en betydelig innflytelse på effektiviteten av den kjølende effekt.

Materialet karakterisering av kjøleprosessbetingelser og etterforskningen av elastocaloric kjøleprosesser krever en testrigg som muliggjør solid-state basert varmeoverføring, som ikke kan bli undersøkt av noen eksisterende kommersielt system. For å oppnå dette, har en ny testplattform er utviklet. Testriggen er satt opp i to nivåer, som vist i figur 3. Den upper nivå gjør det mulig for basis elastocaloric materialkarakterisering og innledende treningsprosedyrer, i likhet med den tidligere beskrevne metode (se figur 4). Oppsettet er utstyrt med en lineær direktedrift i stand til lasting og lossing av SMA ved belastning på opptil 1 sek -1 (se figur 5). Den lineære direkte drift muliggjør undersøkelse av prøver med et tverrsnitt på opptil 1,8 mm 2, mens den typiske prøvelengde er 90 mm. Fordelen med en lineær direkte drift er den høye hastighet og det høye akselerasjon - i motsetning til kuleskrue stasjoner som typisk anvendes for strekkprøver. Videre er en lastcelle, samt integrerte stilling målesystem av den lineære driv, gir mekanisk måledata. En høy oppløsning IR-kamera (1280 x 1024 bildeelementer) brukes til å måle temperaturprofilen av den SMA med opp til 400 Hz (i ønsket temperaturområde). Bruken av et mikroskop linse med en resolution av 15 mikrometer / pixel gjør at etterforskningen av lokale temperatureffekter. Den nedre delen av testriggen inneholder en mekanisme som gjør det mulig for vekslende ledende varmeoverføring mellom SMA og varmekilde / varmeleder (se figur 6 og 7). Den lineære direktedrift i lavere nivå skifter mellom varmekilden til SMA og fra SMA til kjøleribben, mens en pneumatisk sylinder heiser og senker varmekilde / vask (se figur 8). Hver aktuator kan styres uavhengig av hverandre slik at for undersøkelse av ulike kjøleprosessvariasjoner. Den omfattende målesystem muliggjør måling av mekaniske parametere: aktuatorposisjon, aktuator hastighet, SMA lasting kraft, kontaktkraft mellom SMA og varmekilde / vask under varmeoverføring samt termiske parametre (dvs. temperaturer i varmekilden / vask, temperaturfordeling på overflaten av SMA og varmekilden / sink). En mer detaljert beskrivelse av den vitenskapelige tester plattformen er gitt i Schmidt et al., 11.

Figur 5
Figur 5. Scheme av det øvre nivået av testriggen En lineær direkte stasjonen for lasting og lossing av SMA prøven med integrert posisjon målesystem.; en lastcelle for måling av strekkrefter, i tillegg til en høy oppløsning IR-kamera (1280 x 1024 piksler) for temperaturprofil kjøp.

Figur 7
Figur 7. Scheme av lavere nivå av testriggen En lineær direkte stasjonen for å bytte mellom kjøleribbe og varmekilde.; en pneumatisk sylinder for å få kontakt mellom prøven og SMA varmekilden / sink; temperatursensorer er integrert i kjøleribben / souRCE å måle kjernetemperaturen av blokkene. En kompresjonslastcelle for å måle kontaktkraften mellom SMA og varmekilden / sink er integrert i varmeoverføringsmekanismen og ikke er synlig i dette skjema.

Testriggen tillater undersøkelse av ulike legeringssammensetninger og utvalgsstørrelser samt geometrier (bånd, ledninger). Videre gjør oppsettet omfattende undersøkelser av elastocaloric materialer og kjøleprosesser. De tidligere beskrevne eksperimenter kan utføres og utførelsen vil bli beskrevet trinn for trinn i protokollen i dette manuskriptet.

Materiale stabilisering:

Stabilt materiale oppførsel er viktig for bruken av elastocaloric materialer i kjølesystemer. For dette formål blir en mekanisk stabilisering prosedyre anvendt. Under denne prosedyren føres materialet mekanisk lasting og lossing av sykluser og utfører en fasetransformasjon fra austenitt til martensitt. Materialet stabilisering viser en sterk avhengighet hastighet. Høy belastningsgrader føre til en temperaturforandring av materialet, som er forårsaket av den latente varme av fasetransformasjonen. Denne temperaturendringen har en tilsvarende påvirkning på materialet stabilisering, som gjør mekaniske treningssykler ved forskjellige temperaturer 12-15. I tillegg til den velkjente mekaniske 13 og kalori 16 stabilisering, kan en termisk materiale stabilisering observeres med designet oppsett ved å bruke termografi 17.

Material karakterisering:

Etter en innledende mekanisk trening prosedyre, viser materialet stabilt mekanisk, termisk og kalori atferd slik at elastocaloric materialegenskaper for å bli karakterisert. Derfor er mekanisk sykling med forskjellige hastigheter utføres mens, i motsetning til treningsprosedyren, det elastocaloric karakterisering inkluderer et holdingselskap fase etter lasting og lossing. For varigheten av holdefasen SMA belastningen holdes konstant inntil en omgivelsestemperaturnivået er nådd på nytt. Denne type forsøk er nødvendig for å bestemme den lavest oppnåelige temperatur etter lossing, med start fra omgivelsestemperaturnivåer, så vel som det materiale effektivitet. Hastighetsavhengige dannelsen av lokale temperaturtopper kan observeres, med høyere priser fører til en stadig mer homogen temperaturfordeling. Videre, ved å øke belastningen hastigheten øker temperaturen endres like inntil adiabatiske betingelser er oppnådd. Materialet effektivitet kan bestemmes ved å beregne den nødvendige mekaniske arbeidet, basert på en kraftforskyvningsdiagram av en adiabatisk eksperiment, såvel som den absorberbare varme, basert på den midlere temperaturendring av materialet under lossing og varmekapasiteten av prøven .

Elastocaloric kjøling prosessen:

Undersøkelsen av kjøleeffektiviteten av SMAs i henhold til prosessbetingelser krever at varmeoverføringen mellom SMA kjølemedium, og en varmekilde, så vel som en varmeavleder. For dette formål er det SMA i kontakt med et faststoff-tilstand varmekilde (etter adiabatisk lossing) og en kjøleribbe (etter adiabatisk lasting). Effektiviteten av prosessen avhenger sterkt av prosesskontroll og de termiske grensebetingelsene. Den omfattende undersøkelse av kjøleprosessen krever en variant av styreparametrene for å bestemme den mest effektive prosesskontroll. Den enkelte påvirkning av parametrene (kontakttid, SMA belastning, SMA tøyning, kontakt fase (kontakt under lasting / lossing fase eller etter) og kontaktkraften) på prosessytelse må undersøkes. Videre er innflytelsen av den endrede termiske grensebetingelsen ved å øke antallet av kjølesykluser måtas i betraktning.

Modell validering:

Utviklingen av en termomekanisk koblet materiale modell, i stand til å reprodusere den mekaniske og termiske materiale oppførsel under avkjølingssyklusen, er avgjørende for utvikling av en ny kjøleteknologi. Modellen gir mulighet for material og prosessoptimalisering av redusert eksperimentell og materialutvikling innsats. Validerings krever en initial isotermisk strekktest av en stabilisert materiale for å generere de nødvendige mekaniske materialinngangsdata (elastisitetsmodulen til austenitt og martensittfasen, idet bredden av den mekaniske hysterese samt transformasjon stamme). Valideringen av modellen finner sted på basis av strekkprøver med forskjellige satser. De nødvendige kalori inndata for modellen kan bestemmes ved differensiell scanning-kalorimetri (DSC) ved å følge de mekaniske eksperimenter. DSC-målinger å bli utført after den mekaniske test for å måle kalorimaterialegenskapene til et stabilisert prøve.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Prøvepreparering

  1. Mål SMA bånd av målepunkter og bestemme tverrsnittet av prøven.
  2. Preparere prøven for IR-målinger ved å belegge båndet med et tynt lag med høy emissivitet (ε = 0,96) maling.
    Forsiktig: Maling er klassifisert som irriterende. Hansker, vernebriller og munnvern må brukes under behandlingen av malingen.

2. Material Stabilization (Training)

Merk: Start mekanisk sykling fører til en mekanisk og termisk materiale stabilisering. Undersøkelsen av stabiliseringseffekt, og treningen prosedyren i seg selv, krever bruk av aktuatoren, og sensorene er montert i det øvre nivå av testriggen, samt IR-kamera.

  1. Begynn motor kontrolleren program og kontroller lastet innstillinger. Endre innstillingene til posisjon modus og kommandomodus. Kontroller at motoren er i aktiv modus.
  2. Set mål posisjon i motorstyring programmet til 0 mikrometer og klikk på "operasjon Aktiver" knappen - i denne posisjonen avstanden mellom klemmene er 90 mm.
  3. Plasser prøven mellom klemmene den eksperimentelle oppsett og bruk en spesialdesignet justering verktøyet for å justere prøven.
  4. Stram klemmene ved hjelp av et monteringshjelp for å unngå å bøye belastning på veiecelle og prøve. Bruk en momentnøkkel for å stramme skruene for å sikre en reproduserbar klemkraft (tiltrekningsmoment: 20 Nm).
  5. Sjekk dagens motor posisjon og sørg for at motoren er i startposisjon (0 mm).
  6. Start IR-kamera programvare og laste kalibrering for en 50 mm linse kombinert med en nærlinse. Velg et bilde størrelse på 1280 x 100 piksler, og et temperaturområde fra -20 ° C til 50 ° C. Plassere kameraet ved hjelp av motor fokus enheten og bekrefte hele prøven er i synsfeltet til kameraet.
    Merk: IR-kamera, i sammenslutningdelse med den valgte linsesystemet, har en brennvidde (f) på 50 mm, en blenderåpning på f / 2 og en minimum punktstørrelse på 60 um ved en arbeidsavstand på 200 mm.
  7. Åpne kontrollprogram for trening og materialkarakterisering og sette styringsparametrene (forskyvning, hastighet, holder tid, maksimum og minimum kraft, antall sykluser og kamera bildefrekvens).
    1. Angi start posisjon (0 um) og velge målposisjonen (4500 um), slik at materialet undergår en fullstendig fase transformasjon.
    2. Sett den lineære direkte stasjonen hastighet (hastighet lasting / lossing) til å møte ønsket belastningen rate. Velge en tøyningshastighet på 5 x 10 -4 -1 sek (aktuator hastighet på 45 nm / sek) for kjøling av prosessrelatert opplæring.
      1. Bestemme den lineære direkte drivhastigheten (v) basert på den valgte tøyningshastighet ( epsilon ) Og den opprinnelige prøvelengde (l 0) på 90 mm ​​(v = <img alt = "Epsilon" src = "/ files / ftp_upload / 53626 / epsilon.jpg" /> ∙ l 0)
    3. Sett holdetiden til 0 sek.
    4. Sett antall sykluser til en for den første syklusen med en ny prøve.
    5. Sett prøven spesifikke minimum og maksimal kraft nivå for å unngå trykkbelastning og strekk (minimum belastning 1 MPa, maks belastning 800 MPa).
    6. Velg et IR-kamera oppkjøp på 50 msek / ramme (20 bilder per sekund).
    7. Klikk på Start-knappen for å laste innstillingene.
  8. Åpne IR-kamera programvare, velger et filnavn og fordele 5000 rammer.
    1. Bytt fra intern til ekstern utløser kilde og starte datainnsamlingsmodus.
  9. Åpne kontrollprogram og trykker på start eksperiment.
  10. datavisualisering
    1. Når eksperimentet er ferdig, legger dataene inn i databehandlingsprogramvare og visualisere det i form av kraft / forskyvning, strykk / belastning, kraft / tid og posisjon / tidsdiagrammer.
    2. Last IR data i IR-kamera programvare og vurdere tids løst temperaturprofiler. Definere et måleområde som dekker overflaten av SMA bånd og plotte gjennomsnittlig maksimal og minimal temperatur av prøven mot tid.
  11. Gjenta trinn 02.06 til 02.09 til materialet viser stabil mekanisk atferd og tilpasse startposisjonen for å kompensere for rest stammer.
    1. Etter de første 10 sykluser, øke antall sykluser per eksperiment til 10 og fortsette med forsøkene inntil stabil materialoppførsel er nådd.

3. Materiale Karakterisering

Merk: materialkarakterisering krever bruk av aktuatoren, og sensorene er montert i det øvre nivå av testriggen, samt IR-kamera. Under karakterisering prosedyren prøven er lastet og losset på ulike priser mens du utføreret holdingselskap periode etter lasting og lossing.

  1. Hvis SMA båndet har blitt unclamped og kontrollsystemet av testriggen er slått av etter trening, gjenta trinn 02.01 til 02.06 og klemme prøven på nytt. Hvis dette ikke var tilfelle, gjør som følger.
  2. Åpne kontrollprogram for trening og materialkarakterisering og sette styringsparametrene (forskyvning, hastighet, holder tid, antall sykluser og kamera bildefrekvens).
    1. Angi start posisjon, slik at prøven er under null belastning og satt målposisjonen tilsvarer målposisjonen av treningen (4500 um).
    2. Sett den lineære direkte stasjonen hastighet (hastighet lasting / lossing) til å møte ønsket belastningen rate. Velge en tøyningshastighet på 1 x 10 sek -1 -1 (aktuator hastighet på 9000 um / sek) som fører til en adiabatisk fase transformasjon for prøver med et tverrsnitt på 0,75 mm x 1,4 mm eller større.
    3. Sett holdetiden til 180 sec, som er tilstrekkelig for prøven å nå den første temperaturnivå.
      Merk: Beholdningen tiden må verifiseres etter forsøket ved å beregne en termisk likevekt tidskonstant (τ) og en holdetid mindre enn 4 x τ må økes før neste karakterisering forsøket starter.
    4. Sett antall sykluser til en.
    5. Sett prøven spesifikke minimum og maksimal kraft nivå for å unngå trykkbelastning og strekk (minimum belastning 1 MPa, maks belastning 800 MPa).
    6. Velg et IR-kamera oppkjøp på 5 ms / ramme (200 bilder per sekund).
    7. Klikk på Start-knappen for å laste innstillingene.
  3. Åpne IR-kamera programvare, velger et filnavn og fordele 80.000 rammer.
    1. Bytt fra intern til ekstern utløser kilde og starte datainnsamlingsmodus.
  4. Åpne kontrollprogram og trykker på start eksperiment.
  5. Last IR data inn iIR-kamera programvare. Plot bety maksimum og minimum sample temperaturer vs tid. Eksportere data og beregne varmeutjevning tid konstant med databehandling programvare 10,11.
  6. Tilpasse holdetiden, hvis det er nødvendig, basert på den beregnede varmeutjevning tidskonstant.
  7. Gjenta trinn 3.2 til 3.5 og variere belastningen hastighet fra 5 x 10 -5 sek -1 til 1 x 10 sek -1 -1, samt belastningen fra 2% til et maksimum belastning på 5% (maksimal belastning tilsvarer maksimal belastning under trening).
  8. Undersøkelse av lokale temperaturtopper:
    Merk: Materialet viser en hastighetsavhengig lokalisering effekten av elastocaloric effekt. Nøye undersøkelse av disse effektene krever en høy spesiell oppløsning av SMA temperaturprofilen. For dette formål, har linsen i IR-kamera for å bli erstattet av et mikroskop linse. Mikroskopet objektivet har en blenderåpning på 3,0, en forstørrelse på 1X og en pikselstørrelse på 15um ved en arbeidsavstand på 195 mm.
    1. Slå av lyset, fjerner du alle varmekilder fra synsfeltet av IR-kamera og endre linsen.
    2. Endre kalibreringsinnstillingene kamera og laste inn et mikroskop linse kalibrering innen temperaturområdet på 20 ° C til 50 ° C og en bildestørrelse på 500 x 250 piksler. Bruk motorenheten fokus for å konsentrere prøven.
    3. Utfør en strekktest på en tøyning av 1 x 10 -1 sek -1 (9000 mikrometer / sek), følg trinnene beskrevet i punkt 2: stabilisering Material.
  9. data Visualisering
    1. Last mekaniske data inn i databehandlingsprogramvare og visualisere det i form av kraft / forskyvning, stress / belastning, kraft / tid og posisjon / tidsdiagrammer.
    2. Last IR data i IR-kamera programvare og vurdere tids løst temperaturprofiler. Definere et måleområde som dekker overflaten av SMA bånd og plotte den midlere maximum og minimumstemperatur for prøven i forhold til tiden.

4. Elastocaloric kjøleprosessen

Merk: Etterforskningen av elastocaloric kjøleprosesser krever bruk av aktuatorer og sensorer i den øvre og nedre delen av oppsett samt IR-kamera. Disse forsøk omfatter en variant av styreparametrene for å optimalisere prosessytelse.

  1. Hvis SMA båndet har blitt unclamped og testriggen er slått av etter at materialet karakterisering, gjenta trinn 02.01 til 02.05 og klemme prøven på nytt. Hvis dette ikke var tilfelle, gjør som følger.
  2. Start IR-kamera programvare og laste kalibreringen for 50 mm objektiv med nærlinse. Velg et bilde størrelse på 1280 x 1024 piksler, og et temperaturområde fra -20 ° C til 50 ° C. Plasser kameraet ved hjelp av motor fokus enhet, og sørg for at hele prøven er i synsfeltet til kameraet.
    Merk: IR-kamera i kombinasjon med den valgte linsesystemet har en brennvidde (f) på 50 mm, en blenderåpning på f / 2 og en minimum punktstørrelse på 60 um ved en arbeidsavstand på 200 mm.
  3. Åpne kontrollprogram for elastocaloric kjøleprosesser og sette styringsparametrene (forskyvning av lineær direkte drive en (øverste nivå), hastigheten av lineær direkte drive en og to, kontakttid, maksimal og minimal kraft, kontakt fase, antall sykluser og kamera frame rate).
    1. Sett startposisjonen for den lineære direkte stasjonen for SMA lasting og lossing, slik at prøven er under null belastning og sette mål posisjon tilsvarende til målet posisjon i opplæringen (4500 mm).
    2. Sett hastighet (hastighet lasting / lossing) av den lineære direkte stasjonen for lasting og lossing av SMA å møte en tøyning av 1 x 10 -1 sek -1 (9000 mikrometer / sek). Sett hastigheten av den lineære direktedrift i den nedre delen av oppsettet til 100mm / sek.
    3. Angi at kontakttiden til 6 sek.
      Merk: Kontakt tid bestemmer varigheten av varmeoverføring og kan settes til en verdi på over 10 msek.
    4. Velg kontakten etter lasting / lossing modus.
      Merk: Kontakt fase påvirkninger om lasting og lossing er adiabatisk (kontakt etter lasting / lossing) eller kombinert med en varmeoverføring til kjøleribben / kilde (kontakt under lasting / lossing).
    5. Sett antall sykluser til 40.
    6. Sett prøven spesifikke minimum og maksimal kraft nivå for å unngå trykkbelastning og strekk (minimum belastning 1 MPa, maks belastning 800 MPa).
    7. Velg et IR-kamera oppkjøp på 20 ms / ramme (50 bilder per sekund). Klikk på Start-knappen for å laste innstillingene.
  4. Åpne IR-kamera programvare, velger et filnavn og fordele 50000 rammer. Bytt fra intern til ekstern utløser kilde og starte datainnsamlingsmodus.
  5. Åpne kontroll progrer og trykker på start eksperiment.
  6. datavisualisering
    1. Når eksperimentet er ferdig laste dataene inn i databehandlingsprogramvare og visualisere følgende data: kraft / forskyvning, stress / belastning, temperatur / tid (temperaturen på kjøleribbe / kilde), kraft / tid, kontaktkraft / tid og posisjon av det lineære aktuatorer / tid.
    2. Last IR data i IR-kamera programvare og vurdere tids løst temperaturprofiler. Definere tre måleområder som dekker overflaten av SMA prøven, så vel som overflaten av varmeavlederen og varmekilden. Eksportere tiden løst gjennomsnittlig, maksimum og minimum temperaturdata fra de definerte måleområder og laste dem inn i databehandlingsprogramvare.
    3. Visual IR-data i et temperatur / tid-diagram.
  7. Gjenta eksperimentet etter variasjon av parametrene: belastning, kontakttid og kontaktfasen.

5. Modell Validation

  1. Utfør en isoterm strekk test på en tøyning av 5 x 10 -5 sek -1 og en belastning på 5%, fortsetter ved å utføre trinnene som er beskrevet i kapittel 2.
  2. Når eksperimentet er ferdig, legger dataene inn i databehandlingsprogramvare og visualisere stress / belastning måling. Beregn elastisitetsmodulen til austenitt og martensittfasen er transformasjonen belastningen samt bredden av hysterese. Den nevnte data funksjon som mekaniske inndata for modellen 7.
  3. Utføre videre strekkprøver på tøyningshastigheter av 1 x 10 -4 sek -1, 5 x 10 -4 sek -1, 1 x 10 -3 sek -1, 5 x 10 -3 -1, 1 x 10 sek -2 -1, 5 x 10 sek -2 -1, 1 x 10 sek -1 -1 for å generere valideringsdata for modellen.
  4. Ved forsøkene er fullført ta prøven ut av testsystemet, og utføre en differensiell scanning-kalorimetrisk måling (DSC) 18 for å bestemme den kalorimaterialegenskaper (Latent varme fra den faseomdannelse og spesifikk varmekapasitet av materialet) av det stabiliserte materialet.
    Merk: DSC målinger gir caloric inngangsdata for termo-mekanisk koplet modell.
  5. Start simulering av strekkprøver som er beskrevet i trinn 5,3.
    1. Implementere tilpasset modell for formen minne legeringer i kommersielt tilgjengelige element programvare:
      1. Velg geometri node og velge Intervall å trekke 1D ledning geometri.
      2. Velg Parametere node å definere modellparametere identifisert fra mekaniske tester i step 5,2.
      3. Høyreklikk Definisjoner noden og velge variabler for å lage en variabler node. Velg variabler node og definere algoritme for å bestemme overgangssannsynligheter avledet fra statistisk termodynamikk 19.
      4. Velg Legg til fysikk og legge Coefficient Form PDE eller General Form PDE å definere et sett med endimensjonale partielle differensialligninger som beskriver oppførselen til superelastisk Shape Memory Alloy, bestående av den stasjonære momentum balanse, balansen av indre energi og kinetiske ligninger av fase transformasjon 20 .
    2. Velg startverdier sub-node for å sette den opprinnelige temperaturen av ledningen til miljøet temperatur.
      1. Velg Dirichlet Boundary tilstand å fore mekaniske grensebetingelser for å påføre en belastning å følge den eksperimentelle prosedyren beskrevet i kapittel 2, for strekk-priser i step 5,3, begrenser den forskyvning av den ene ende av ledningen og foreskriver forskyvning av den andre enden.
      2. Velg Dirichlet Boundary tilstand å sette termiske grensebetingelsene til konstant temperatur på grunn av den massive klemmer sammenlignet med tynn tråd.
        Merk: Standardinnstillinger for element programvare ikke fører til en konvergerende løsning.
      3. Velg undernoder av Solver Configuration for å endre standardinnstillingene (f.eks absolutte og relative toleranser og demping koeffisient av ikke-lineære, iterative Newton-Raphson Solver) og klikk "Compute" å kjøre løser.
  6. Dataanalyse
    1. Last eksperimentelle og simuleringsresultatene inn i dataanalyse programvare og visualisere de mekaniske og termiske data.
    2. Sammenlign eksperimentelle og simuleringsresultatene, respektive mekanisk (spenning / belastning respons) og termisk (spesielt løst temperatur utviklingen avprøve) materialoppførsel.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Materiale stabilisering (Training):

Figur 9 viser en spenning / belastning skjema av 50 trenings sykluser. Den undersøkte prøven er en Ni-Ti bånd med et tverrsnitt på A = 1,45 mm 2. Den påførte belastningen hastighet på 1 x 10 -3 sek -1 fører til en gjennomsnittlig temperaturøkning på AT = 12,2 K. Temperaturøkningen har en betydelig innflytelse på stabiliseringseffekt 12- 14; i tillegg til den mekaniske stabilisering, kan en termisk stabilisering observeres også. Film 1 viser temperaturfordelingen i prøven i løpet av de første tre treningssykler, bildefrekvensen er fem ganger høyere for eksempel den virkelige tidsmåling. Forsøket ble stoppet etter hver syklus, og startet på nytt så snart prøven nådde romtemperatur. En homogenisering av elastocaloric effektobserveres imidlertid intensiteten av temperaturtoppene reduseres ved å øke antallet sykler.

Figur 9

Figur 9. Mekanisk stabilisering av et binært Ni-Ti bånd under trening. Stress / belastning diagram over 50 opplærings sykluser på en tøyning av 1 x 10 -3 sek -1.

Material karakterisering:

Resultatene av en elastocaloric materiale karakterisering av en NiTiCuV bånd (A = 1,07 mm 2) er vist i figur 10. Den spenning / belastning diagrammet i figur 10 (a) viser at økende belastnings priser føre til økende hysterese bredde 7, 12, 21 . Denne korrelasjonen er et resultat of temperaturendringen under faseomdannelse, som også er vist i AT-tøyningshastighet diagram (figur 10 (b)). Videre viser diagrammet at ved belastningsøkning på over 5 x 10 -2 -1 sek det ikke er noen ytterligere økning av temperaturendringer. Stagnasjon av temperaturendring angir at den adiabatiske grensen er nådd, som også kan være avledet fra stagnasjon av temperaturstress økning (vist i spennings-tøynings diagram). Videre viser det lille avviket mellom den gjennomsnittlige og maksimale temperaturendring ved store hastigheter at materialet omdanner nesten homogent. Sammenligningen av IR videoer ervervet i løpet av eksperimenter utført på en tøyning av 1 x 10 -3 sek -1 (se Movie 2 (lasting) og Movie 3 (lossing)) og til en tøyning av 1 x 10 -1 sek -1 (se Movie 4 (lasting, 10 ganger tregere) Og Movie 5 (lossing 10 ganger saktere)) viser homogenisering av elastocaloric effekt ved å øke belastningen priser.

Basert på materialkarakterisering, kan effektiviteten av materialet bestemmes. Arbeidet med en adiabatisk lasting og lossing syklus med tøyning av 1 x 10 -1 sek -1 tilsvarer de områdene i kraft-deflection diagrammet i Figur 11. Det røde området viser uopprettelig arbeid hysterese som tas i betraktning for bestemmelse av Coefficient of Performance (COP) av materialet. Varmen blir beregnet på grunnlag av den midlere negative temperaturendring på 20 K og varmekapasiteten av prøven, mens den varmekapasiteten kan bestemmes ved å ta inn på konto den spesifikke varmekapasitet (cp = 0,46 J / (kg K)), tettheten (ρ = 7340 kg / cm 3) og volumet av prøven. Den resulterende COP 7 er quotient av absorbert varme og mekanisk arbeid. En grafisk metode for å bestemme effektiviteten av elastocaloric kjøleprosesser basert på den termodynamisk analyse av kjølesykluser er beskrevet i Schmidt et al. 22

Figur 1o

Figur 10. Material karakterisering. Hastighetsavhengig spenning / belastning diagram (a) og AT / tøyning skjema som viser minimum, maksimum og midlere SMA temperaturendring (b) av en NiTiCuV bånd. Stammen ble holdt konstant i 150 sekunder etter lasting og lossing.

Figur 11
Figur 11. Arbeids. Force / nedbøyning diagram av en NiTiCuV bånd (A = 1,07 mm 2) during en adiabatisk lasting og lossing syklus. Nedbøyningen ble holdt konstant i 150 sekunder etter lasting og lossing. Arbeidet tilsvarer de områdene i diagrammet mens arbeidet under lossing potensielt kan gjenopprettes.

Kjøleprosessen:

Kraften avbøyning diagrammet i figur 12 (a) viser den mekaniske oppførsel av den tidligere karakteriserte NiTiCuV prøven i løpet av 40 kjølesykluser. Kontakttiden mellom SMA og varmekilden / sink ble satt til 6 sekunder og belastningen hastighet ble innstilt til 1 x 10 sek -1 -1. Den temperatur-tid-diagrammet i figur 12 (b) viser temperaturøkning av varmeavlederen og temperaturen nedsettelse av varmekilden under de 40 kjølesykluser, noe som endrer de termiske grensebetingelsene i prosessen. Videre påvirkning av grense conditions til den mekaniske og termiske materiale oppførsel kan observeres. IR video (film 6) viser at ved å øke antallet sykluser minimums- og maksimumstemperaturendring av materialet avtar Dette gjenspeiles også i reduksjon av hysteresen bredde (se Figur 12 (a)). Etter den første syklusen, oppstår et inhomogent temperaturprofil fordi varmen vask / kilde ikke kommer i kontakt hele SMA bånd (se Movie 6). Den betydelige forskjellig temperaturprofil SMA etter den første syklus fører til en lavere transformasjon belastning i den andre syklus (se Figur 12 (a)). COP av prosessen avhenger sterkt av temperaturen av kjøleribben og varmekilden som vist i figur 13. Den økende temperaturforskjellen mellom kjøleribbe og varmekilden fører til en avtagende COP, som er relatert til den synkende temperaturforskjellen mellom varmekilde og the SMA. COP er beregnet basert på det ikke-gjenvinnbart arbeid (se figur 10) og den absorberte varme ved kontakt mellom SMA og varmekilden. Den absorberte varme bestemmes ved å ta hensyn til varmekapasitet av SMA og den midlere temperaturendring av SMA i kontakt med varmekilden. Den kjøleeffekt per enhet overflateareal av fremgangsmåten viser en tilsvarende trend (se figur 14). Den kjøleeffekt per enhet overflateareal kan beregnes på grunnlag av den absorberte varme per syklus, syklustiden på 13,1 sek og overflatearealet av prøven i kontakt med varmekilden (8,4 x 10 -6 m 2). Dette eksempel på en SMA-basert avkjølingsprosess viser at materialet viser en annen oppførsel under prosessbetingelsene i forhold til materialkarakterisering. Varmeoverføringen og prosesskontroll påvirke kjøleevnen av materialet og må tas i betraktning for validering av elastocaloric materialer.

Figur 12
Figur 12. kjøleprosessen. Force / nedbøyning diagram (a) og temperatur / tid-diagram (b) i en 40 syklus kjøleprosess med en NiTiCuV prøve (A = 1,07 mm 2) og en kontakttid på 6 sekunder.

Figur 13
Figur 13. COP av kjøleprosessen. Et økende antall kjølesykluser fører til en avtagende COP og en økende temperaturforskjell mellom kjøleribbe og varmekilde.

Figur 14
Figur 14. Kjøling kraft av fremgangsmåten. Et økende antall kjølesykluser fører til en reduksjon av den COOling effekt per enhet overflateareal og en økende temperaturforskjell mellom kjøleribbe og varmekilde.

Modell validering:

Figur 15 (se også film 7) viser sammenligningen mellom forsøk og simulering av en strekk-test utført ved en tøyningshastighet på 1 x 10 -3 -1 sek. Sammenligningsprøven var en Ni-Ti ledning med en diameter på 0,6 mm og en innspenningslengde på 90 mm. Den underliggende modell av simuleringen er en modifikasjon av den termomekanisk koblet Müller-Achenbach-Seelecke (MAS) modell 23, 24, 19. Modellen ble utvidet for å muliggjøre simulering av lokaliserte faseomdannelse og inhomogene temperaturfordeling. Sammenligningen mellom de eksperimentelle resultater (se Film 7 (a)) og simuleringen (se Film 7 (b)) Viser at modellen er i stand til å gjengi den mekaniske så vel som den termiske materialoppførsel. De simulerte temperatur feltene viser til lokaliserte temperaturtopper og intensiteten av toppene viser en god korrelasjon med forsøket. Videre er tidspunktet for temperaturtopp formasjonen og den resulterende spenning reduksjonen viser godt samsvar. Den påførte modell tilnærmingen er ikke bare begrenset til simulering av materialets oppførsel ved strekk, også en bøyebelastningen kan simuleres 25. Den fysisk motivert Modellen gir mulighet for detaljert analyse av de underliggende mekanismene og støtter prosessen og materialet optimalisering ved å redusere eksperimentell og materialutvikling innsats.

Figur 15
Figur 15. Sammenligning mellom forsøk (a) og simulerings (b) resultatene av en Ni-Ti-ledning med en diameter på 0,6 mm (A = 0.2734 mm2). Valideringen eksperimentet er en strekk test på en tøyning av 1 x 10 -3 sek -1.

Figur 1
Figur 1 (Film). Adiabatisk fase transformasjon av en SMA-prøven. Den adiabatiske, eksoterme fase transformasjon fra austenitt til martensitt og øker SMA temperatur og den endoterme transformasjon fra martensitt til austenitt fører til en betydelig temperaturreduksjon. (Høyreklikk for å laste ned denne filmen)

Figur 2
Figur 2 (Movie). Elastocaloric kjølesyklus. Varmeoverføringen mellom varmekilden og SMA finne sted ved lave nivåer temperatur. I den neste fase,SMA er i en kontakt-fri tilstand og rask (adiabatisk) lasting øker SMA temperatur. Den påfølgende varmeoverføring mellom varm SMA og varmeavlederen foregår ved konstant belastning av SMA. Ved fullførelse av varmeoverføring, fører hurtig adiabatisk lossing til en betydelig temperaturfall av SMA. (Høyreklikk for å laste ned denne filmen)

Figur 3
Figur 3 (Film). 3D montering animasjon. Animasjonen viser hovedkomponentene i det øvre nivået av testriggen. (Høyreklikk for å laste ned denne filmen)

Figur 4
Figur 4 (Film). 3D-animasjon av testriggen. laste ned denne filmen)

Figur 6
Figur 6 (Film). 3D montering animasjon. Animasjonen viser hovedkomponentene i den nedre delen av testriggen. (Høyreklikk for å laste ned denne filmen)

Figur 8
Figur 8 (Film). 3D-animasjon av testriggen. Animasjonen viser en elastocaloric kjølesyklus. (Høyreklikk for å laste ned denne filmen)

film 1 Film 1. IR film av de første tre trenings sykluser av en Ni-Ti bånd ved en tøyningshastighet på 1 x 10 -3 sek -1 (5x avspillingshastighet). IR film viser en økende homogenisering effekt av elastocaloric effekt ved å øke antall trenings sykluser. (Høyreklikk for å laste ned )

Movie 2
Movie 2. Mekanisk lasting av en NiTiCuV bånd på en tøyning av 1 x 10 -3 sek -1 (IR film, 1x avspilling rate). IR Filmen viser en homogen temperaturfordeling på SMA overflaten. (Høyreklikk for å laste ned )


Movie 3. Mekanisk lossing av en NiTiCuV bånd på en tøyning av 1 x 10 -3 sek -1 (IR film; 1x avspilling rate). IR Filmen viser en homogen temperaturfordeling på SMA overflaten. (Høyreklikk for å laste ned )

Movie 4
Film 4. Mekanisk belastning av en NiTiCuV bånd (A = 1,07 mm 2) ved en tøyningshastighet på 1 x 10 sek -1 -1 (IR-film, 10x langsommere avspillingshastighet). IR-film viser en homogen temperaturfordeling i SMA flate. (Høyreklikk for å laste ned )

page = "1"> Movie 5
Movie 5. Mekanisk lossing av en NiTiCuV bånd på en tøyning av 1 x 10 -1 sek -1 (IR film, 10x saktere avspilling rate). IR Filmen viser en homogen temperaturfordeling på SMA overflaten. (Høyreklikk for å laste ned )

Movie 6
Film 6. IR film av en 40 syklus kjøleprosessen. Kontakttiden mellom NiTiCuV prøven og kjøleribben / kilden ble satt til 6 sek. Filmen viser sykluser: 1, 2, 11, 12, 21, 22, 31, 32 og 40. (høyreklikk for å laste ned )

g "/>
Film 7. Sammenligning mellom eksperiment og simuleringsresultatene av en Ni-Ti ledning med en diameter på 0,6 mm (A = 0,2734 mm 2). Valideringen eksperimentet er en strekktest ved en tøyningshastighet på 1 x 10 -3 -1 sek. Modellen er i stand til å gjenskape mekanisk og termisk materialoppførsel og gir en prediksjon av temperatur fronter som vises under mekanisk sykling. (Høyreklikk for å laste ned )

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den presenterte vitenskapelige testriggen gjør omfattende undersøkelse av elastocaloric materialer og kjøleprosesser ved å utføre forsøkene beskrevet i protokollen delen. Nøyaktig innretting av prøven før klem er avgjørende for alle forsøkene. Bad justering kan potensielt føre til tidlig materialfeil. Videre er den maksimale påført stammen har vesentlig innflytelse på materialets levetid, mens den nødvendige belastning for å oppnå en fullstendig fasetransformasjonen er avhengig av sammensetningen av legeringen. Omformingen stamme av den undersøkte NiTiCuV legering (se figur 10) er vesentlig lavere enn den transformasjonen stamme av Ni-Ti-legering vist i figur 9 og figur 13. For dette formål, for å innledende tester identifisere transformasjonen belastning må bli utført for nye legeringer.

Utviklingen behov for testing plattformen var uavhengig kontroll av prosessen parameters og overvåking av termisk og mekanisk oppførsel av samspill prosesskomponenter (SMA prøve, varmekilde og kjøleribbe) i alle prosjektfaser. Derfor ble kjøleribben og varmekilden montert ved siden av hverandre samtidig, termografisk målinger av SMA prøven og varmekilden / vask slik at under alle prosessfaser. Den inhomogene temperaturfordelingen på SMA båndet, så vel som påvirkningen av temperaturutviklingen av varmeavlederen og varmekilden på SMA-atferd (se figur 10 og film 6), illustrerer behovet for undersøkelse av termografisk prosess. Temperaturprofilen og inhomogen varmeveksling ikke bare påvirker effektiviteten av prosessen; materialet levetid blir også påvirket av temperaturprofilen. Høye temperaturer under mekanisk sykling føre til en betydelig økning av funksjonell og strukturell utmatting av materialet 12- 14 6 sykluser. For å bestemme temperaturprofilen av materialet ved hjelp av termografi, preliminære eksperimenter viste at en homogen, høy emissivitet koeffisient av materialet er nødvendig. Materialet belegg (en høy emissivitet lakk) gir en mer reproduserbar emissivitet koeffisient, uavhengig av sammensetningen av legeringen og den anvendte overflatebehandling av prøvene. Undersøkelsen av temperaturfordelingen på en SMA bånd med en lengde på 90 mm krever en oppløsning på ca. 80 mikrometer / bildeelement for å dekke hele prøvelengde med 1280 bildeelementer. Dette begrenser minimumsprøvebredde på 240 um for å sikre at minst ett IR-piksel alltid er helt dekket av prøven. Mindre prøver kan undersøkes med IR-kamera i kombinasjon med mikroskop linse, hvis målingen av temperaturprofilenav hele prøven er ikke nødvendig. Mikroskopet linsen gir en oppløsning på 15 mikrometer / piksel og muliggjør undersøkelse av prøver med en bredde på 45 um.

De designede vitenskapelige testriggen muliggjør videre etterforskningen av avanserte elastocaloric kjølesykluser. Ikke-adiabatisk lasting av SMA i kontakt med varmeleder kan redusere den maksimale SMA temperatur under prosessen, noe som øker effektiviteten ved å redusere hysterese bredde. Videre kan lavere maksimalpris SMA temperaturer potensielt øke materialets levetid.

De representative resultatene av den vitenskapelige testriggen viste at testing plattformen tillater for etterforskningen av ulike legeringer med ulike dimensjoner og formfaktorer. Den maksimale tverrsnitt av prøvene er begrenset til 1,8 mm 2. Begrensningen er basert på maksimal kontinuerlig kraft av den lineære direkte drift av 1200 N. prøve dimensjoner inflinnflytelse på prosesskontroll, mens strekk hastigheten med hvilken prøvene omdanner adiabatisk er først og fremst påvirket av overflaten til tverrsnittet forhold. I tillegg har kontakttiden mellom SMA og varmekilden / sink for å være tilpasset de eksempel dimensjoner for å optimalisere effektiviteten og / eller kjøleeffekt. En stor overflate for å tverrsnitt forholdet reduserer syklustiden og den motsatte forholdet fører til langsommere prosesser. Valget av prøvestørrelsen, i tillegg til prøven geometri, definerer driftsfrekvensen for en fremtidig elastocaloric kjøleanordning og må tilpasses til de brukskrav.

Optimalisering av elastocaloric kjøleprosesser er nødvendig for å etablere en ny miljøvennlig kjøleteknologi som kan være et konkurransedyktig alternativ til den konvensjonelle dampkompresjon basert prosess. Den utviklet vitenskapelig test oppsett og utvikling av nye legeringer som NiTiCu 26 og NiTiCUV er første skritt i utviklingen av en effektiv kjøling enhet. Til den beste kjennskap av forfatterne, er denne vitenskapelige oppsettet den første system som tillater undersøkelse av elastocaloric egenskapene for en SMA i løpet av halvlederbaserte kjøleprosesser ved å overvåke temperaturen til SMA og varmekilden / sink under alle prosesstrinn . En rett frem modifikasjon av varmekilden / sink og klemmene gjør det mulig for undersøkelse av den konduktive varmeoverføring av SMA med andre formfaktorer som nett og rør. Imidlertid har den vitenskapelige testriggen er utviklet fra en vitenskapelig point-of-view, og gir mulighet for omfattende materielle og prosess undersøkelser for prosess- og materialoptimaliseringer i stedet for høy systemytelse. Ytterligere tiltak er nødvendig for å overføre funnene oppnådd med den vitenskapelige testoppsettet til utformingen av en elastocaloric kjøling enhet. I denne sammenheng er det utviklet termomekanisk koblet mOdel støtter utviklingsprosessen simulere nedkjølingen på enhetsnivå.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Forfatterne ønsker å takke støtte fra DFG prioritert program 1599 "caloric virkninger i ferroic materialer: Nye konsepter for kjøling" (Prosjekter: EG101 / 23-1, SCHU2217 / 2-1, SE704 / 2-1, EG101 / 29 -2, SCH2217 / 3-2, SE704 / 2-2).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Linear direct drives ESR-Pollmeier ML 1418-U5-W1 SMA loading/unloading; heat transfer
Pneumatic cylinder  Festo ADNGF-40 574031 Contact between heat source/sink and SMA
Inductive position measurement system  AMO LMKA-1101.1NN-1.0-0
Tension and compression load cell Futek LCF451; FSH02241 SMA force
Compression load cell Futek LTH300; FSH00297 Contact force
IR camera Infra Tec Image IR 9360; M91129 1,280 x 1,024 pixels; Maximum frame rate 3,200 Hz
Real-Time Controller  National Instruments NI CompactRIO-9074 Data acquisiton and control system
Camera varnish Tetenal 105202

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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. On the thermodynamic foundations of solid-state cooler based on multiferroic materials. Int. J. Refrig. 37, 249-256 (2014).
  4. Caloric Effects in Ferroic Materials: New Concepts for Cooling. , Available from: http://www.ferroiccooling.de/ (2012).
  5. Moya, X., Kar-Narayan, S., Mathur, N. D. Caloric materials near ferroic phase transitions. Nat. Mater. 13 (5), 439-450 (2014).
  6. Shaw, J. A., Kyriakides, S. On the nucleation and propagation of phase transformation fronts in a NiTi alloy. Acta Mater. 45 (2), 683-700 (1997).
  7. Chang, B. -C., Ja Shaw,, Iadicola, M. A. Thermodynamics of Shape Memory Alloy Wire: Modeling Experiments, and Application. Contin. Mech. Thermodyn. 18 (1-2), 83-118 (2006).
  8. Cui, J., Wu, Y. M., et al. Demonstration of high efficiency elastocaloric cooling with large Delta T using NiTi wires. Appl. Phys. Lett. 101 (7), 073904 (2012).
  9. Ossmer, H., Lambrecht, F., Gültig, M., Chluba, C., Quandt, E., Kohl, M. Evolution of temperature profiles in TiNi films for elastocaloric cooling. Acta Mater. 81, 9-20 (2014).
  10. Ossmer, H., Chluba, C., Krevet, B., Quandt, E., Rohde, M., Kohl, M. Elastocaloric cooling using shape memory alloy films. J. Phys. Conf. Ser. 476 (1), 012138 (2013).
  11. Schmidt, M., Schütze, A., Seelecke, S. Scientific test setup for investigation of shape memory alloy based elastocaloric cooling processes. Int. J. Refrig. 54, 88-97 (2015).
  12. Tobushi, H., Shimeno, Y., Hachisuka, T., Tanaka, K. Influence of strain rate on superelastic properties of TiNi shape memory alloy. Mech. Mater. 30 (2), 141-150 (1998).
  13. Miyazaki, S., Mizukoshi, K., Ueki, T., Sakuma, T., Liu, Y. Fatigue life of Ti-50 at.% Ni and Ti-40Ni-10Cu (at.%) shape memory alloy. Mater. Sci. Eng. A. 273-275, 658-663 (1999).
  14. Olbricht, J., Yawny, A., Condò, A. M., Lovey, F. C., Eggeler, G. The influence of temperature on the evolution of functional properties during pseudoelastic cycling of ultra fine grained NiTi. Mater. Sci. Eng. A. 481-482, 142-145 (2008).
  15. Tušek, J., Engelbrecht, K., Mikkelsen, L. P., Pryds, N. Elastocaloric effect of Ni-Ti wire for application in a cooling device. J. Appl. Phys. 117 (12), 124901 (2015).
  16. Zarnetta, R., Takahashi, R., et al. Identification of Quaternary Shape Memory Alloys with Near-Zero Thermal Hysteresis and Unprecedented Functional Stability. Adv. Funct. Mater. 20 (12), 1917-1923 (2010).
  17. Schmidt, M., Ullrich, J., et al. Thermal Stabilization of NiTiCuV Shape Memory Alloys: Observations During Elastocaloric Training. Shape Mem. Superelasticity. , (2015).
  18. Höhne, G., Hemminger, W., Flammersheim, H. -J. Differential Scanning Calorimetry. , Berlin Heidelberg Springer-Verlag. (2003).
  19. Heintze, O., Seelecke, S. A coupled thermomechanical model for shape memory alloys-From single crystal to polycrystal. Mater. Sci. Eng. A. 481-482, 389-394 (2008).
  20. Furst, S. J., Crews, J. H., Seelecke, S. Numerical and experimental analysis of inhomogeneities in SMA wires induced by thermal boundary conditions. Contin. Mech. Thermodyn. 24 (4-6), 485-504 (2012).
  21. Shaw, J., Kyriakides, S. Thermomechanical aspects of NiTi. J. Mech. Phys. Solids. 43 (8), 1243-1281 (1995).
  22. Cooling Efficiencies of a NiTi-Based Cooling Process. Schmidt, M., Schütze, A., Seelecke, S. ASME 2013 Conf. Smart Mater. Adapt. Struct. Intell. Syst. Dev. Charact. Multifunct. Mater. Model. Simul. Control Adapt. Syst. Integr. Syst. Des. Implement, , (2013).
  23. Achenbach, M., Müller, I. A MODEL FOR SHAPE MEMORY. . Le J. Phys. Colloq. 43 (C4), 163-167 (1982).
  24. Müller, I., Seelecke, S. Thermodynamic aspects of shape memory alloys. Math. Comput. Model. 34 (12-13), 1307-1355 (2001).
  25. Experimental Investigation and Numerical Simulation of the Mechanical and Thermal Behavior of a Superelastic Shape Memory Alloy Beam During Bending. Ullrich, J., Schmidt, M., et al. ASME 2014 Conf. Smart Mater. Adapt. Struct. Intell. Syst. Mech. Behav. Act. Mater. Integr. Syst. Des. Implementation; Bioinspired Smart Mater. Syst. Energy Harvest, , (2014).
  26. Bechtold, C., Chluba, C., Lima de Miranda, R., Quandt, E. High cyclic stability of the elastocaloric effect in sputtered TiNiCu shape memory films. Appl. Phys. Lett. 101 (9), 091903 (2012).

Tags

Engineering Elastocaloric kjøling fase transformasjon Shape minne legering prosessoptimering Scientific testrigg Latent varme Solid state kjøling Termo kombinert modell
Eksperimentelle metoder for undersøkelse av Shape Memory Basert Elastocaloric Kjøle Prosesser og Modell Validation
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Schmidt, M., Ullrich, J., Wieczorek, … More

Schmidt, M., Ullrich, J., Wieczorek, A., Frenzel, J., Eggeler, G., Schütze, A., Seelecke, S. Experimental Methods for Investigation of Shape Memory Based Elastocaloric Cooling Processes and Model Validation. J. Vis. Exp. (111), e53626, doi:10.3791/53626 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter