Şekil Bellek İncelenmesi Tabanlı Elastocaloric Soğutma Süreçler ve Model Doğrulama için Deneysel Yöntemler

Bu deneyin genel amacı, elastokalorik malzemeleri ve elastokalorik soğutma süreçlerini incelemektir. Bu amaçla, temel malzeme karakterizasyonlarını ve gelişmiş elastokalorik süreç kontrollerini gerçekleştirmek için bilimsel bir test düzeneği geliştirilmiştir. Yöntemimiz, malzeme özelliklerinin ve süreç kontrolünün, soğutma gücü ve soğutma sürecinin verimliliği üzerindeki etkisini açıklamaktadır.

Bulgular, verimli soğutma cihazlarının tasarımının temelini oluşturan optimize edilmiş elastokalorik soğutma süreçlerinin geliştirilmesine olanak sağlamaktadır. Hızlı adyabatik yükleme sırasında, şekil bellekli alaşımın gizli ısıları yükleme esnasında sıcaklık artışına ve ardından gelen boşaltma esnasında sıcaklık düşüşüne yol açar. Elastokalorik soğutma sürecine yönelik inceleme, Bochum'daki Ruhr Üniversitesi malzeme bilimi grubu ile Almanya'nın Saarbrucken kentindeki Saarland Üniversitesi mekatronik mühendisliği bölümünden iki grup arasındaki bir iş birliğidir.

Bu süreç, hem malzemelerin hem de işlemlerin optimizasyonunun yanı sıra bir simülasyon aracının geliştirilmesini kapsamaktadır. Geliştirilen bilimsel test düzeneği; şekil hafızalı alaşım ile bir ısı kaynağı ve şekil hafızalı alaşım ile bir ısı alıcı arasındaki katı hal ısı transferi için elastokalorik etkinin incelenmesine olanak sağlar. Bu tekniğin temel avantajı, her bir kontrol parametresinin iş ve ısı gibi işlem değerleri üzerindeki etkisinin bağımsız olarak araştırılabilmesidir.

Ayrıca bu sistem, her işlem adımında mekanik ve terminal nicelikleri ölçmek için kapsamlı bir sistemle donatılmıştır. Başlangıç olarak, şekil bellekli alaşım şeridini ölçmek için kumpas kullanın ve numunenin kesit alanını belirleyin. Ardından, numuneyi yüksek emisiviteye sahip bir plakanın ince bir tabakasıyla kaplayın.

Sırada, motor kontrolcü programında hedef konumu sıfır mikrometreye ayarlayın ve işlem etkinleştirme butonuna tıklayın. Bu konumda, kıskaçlar arasındaki mesafe 90 milimetredir. Numuneyi deney düzeneğinin kıskaçları arasına yerleştirin ve numuneyi hizalamak için özel olarak tasarlanmış bir hizalama aracı kullanın.

Ardından, kelepçeleri sıkmak için bir montaj yardımcısı ve vidaları 20 newton-metre kuvvete kadar sıkmak için bir tork anahtarı kullanın. Semper'in hizalanması oldukça kritiktir. Semper üzerindeki kasnak sadece birkaç döngüden sonra arızalanacaktır.

IR kamera yazılımını başlatın ve 50 milimetrelik bir lens ile yakın çekim lens kombinasyonu için kalibrasyonu yükleyin. 1.280 x 100 piksel görüntü boyutunu ve -20 ile 50 °C arası bir sıcaklık aralığını seçin, ardından kamerayı konumlandırmak için motorlu odaklama ünitesini kullanın. Eğitim ve malzeme karakterizasyonu için kontrol programını açın.

Ardından, malzemenin tam bir faz dönüşümü geçirmesi için başlangıç konumunu sıfır mikrometreye ve hedef konumu 4.500 mikrometreye ayarlayın. Doğrusal doğrudan tahrik hızını, saniyede beş çarpı 10 üzeri eksi dört bir gerinim hızına eşdeğer olan 45 mikron/saniyeye ayarlayın. Sonraki adımda, bekleme süresini sıfır saniye, döngü sayısını bir, IR kamera görüntüleme hızını kare başına 50 milisaniye olarak ayarlayın ve ardından ayarları yüklemek için başlat düğmesine tıklayın.

Şimdi, IR kamera yazılımını açın, bir dosya adı seçin ve 5.000 kare ayırın. Tetikleme kaynağını dahili olanla dışarıdakine değiştirin ve veri toplama modunu başlatın. Ardından, kontrol programını açın ve deneyi yürütmek için deneyi başlat düğmesine basın.

Malzemenin karakterizasyonuna başlamak için eğitim ve malzeme kontrol programını açın. Ardından, numunenin başlangıçta sıfır yük altında olması için başlangıç konumunu ayarlayın ve hedef konumu, eğitimdeki hedef konum olan 4.500 mikrometreye eşdeyin. Daha sonra, gerilme hızını istediğiniz şekilde ayarlayın ve 0,75 milimetre x 1,4 milimetre veya daha büyükten kesit alanına sahip numuneler için adyabatik faz dönüşümüne yol açan 9.000 mikrometre/saniye değerinde doğrusal direkt sürücü hızını seçin.

Numunenin deneyden önce istenen başlangıç sıcaklığına ulaşması için yeterli sürenin sağlanması amacıyla bekletme süresini 180 saniyeye ayarlayın. Ardından, döngü sayısını bire, IR kamera görüntüleme hızını kare başına 5 milisaniyeye ayarlayın ve ayarları yüklemek için başlat düğmesine tıklayın. Sonrasında, IR kamera yazılımını açın, bir dosya adı seçin ve deney için 80.000 kare ayırın.

Dahili bir tetikleme kaynağından harici bir tetikleme kaynağına geçiş yapın ve veri toplama modunu başlatın. Kontrol programında, deneyi başlatmak için deney başlat düğmesine basın. Yerel sıcaklık piklerini incelemek için önce ışığı kapatın.

Ardından, IR kameranın görüş alanındaki tüm ısı kaynaklarını kaldırın ve lensi bir mikroskop lensiyle değiştirin. Sonra, kamera kalibrasyon ayarlarını değiştirin, bir mikroskop lensi yükleyin ve 20 ila 50 degrees celsius aralığında 500'e 250 piksellik bir görüntü boyutunu kalibre edin. Numuneyi odaklamak için motorlu odaklama ünitesini kullanın.

Ardından, daha önce tanımlandığı gibi, 900 microns/s doğrusal doğrudan tahrik hızıyla standart bir çekme testi gerçekleştirin. Numune hala yerindeyken IR kamera yazılımını başlatın ve yakın çekim lensli 50 millimeter lens için kalibrasyonu yükleyin. Görüntü boyutu olarak 1.280 x 1.024 piksel ve sıcaklık aralığı olarak -20 ile 50 degrees celsius arasını seçin.

Kontrol programını açın ve kontrol parametrelerini ayarlayın. Şekil bellekli alaşımlar için doğrusal doğrudan tahrikin başlangıç konumunu, numunenin sıfır yük altında kalacağı şekilde ayarlayın. Ayrıca, hedef konumu eğitim hedef konumuna eşdeğer olacak şekilde ayarlayın.

Şekil hafızalı alaşımın yüklenmesi ve boşaltılması için doğrusal doğrudan sürücünün hızını 9.000 mikrometre/saniye olarak ayarlayın. Ardından, düzeneğin alt seviyesindeki doğrusal doğrudan sürücünün hızını 100 milimetre/saniye olarak ayarlayın. Son olarak, temas süresini altı saniye olarak belirleyin.

Yükleme ve boşaltma modundan sonra kontağı seçin ve döngü sayısını 40 olarak ayarlayın. IR kamera için kare başına 20 milisaniyelik bir görüntüleme hızı seçin ve ardından ayarları yüklemek için başlat düğmesine tıklayın. IR kamera yazılımında bir dosya adı seçin ve deney için 50.000 kare ayırın.

Dahili tetikleme kaynağından harici tetikleme kaynağına geçiş yapın ve veri toplama modunu başlatın. Son olarak, kontrol programını açın ve deney başlat düğmesine basın. Bu işlem, elastokalorik soğutma döngüsünü başlatacaktır.

Bu video klibinde, bir nikel titanyum şerit eğitim sırasında gerilmektedir. Kontrollü germe işlemi, ortalama 12,2 Kelvin'lik bir sıcaklık artışına yol açar. Malzeme tipik bir histerezis eğrisini takip eder ve sonunda kırmızı ile gösterilen yanıta benzer bir duruma oturur.

Burada bir nikel titanyum bakır vanadyum şeridi ile gösterildiği üzere, histerezis genişliği artan gerilme hızlarıyla birlikte artmaktadır. Bu durum, faz dönüşümü sırasındaki sıcaklık değişiminin bir sonucudur. Diyagram, belirli bir noktadan sonra, artan gerilme hızına yanıt olarak sıcaklık değişiminde daha fazla artış olmadığını göstermektedir.

Bu kızılötesi video, soğutma döngüsü sayısının artırılmasıyla ısı alıcı ve ısı kaynağı arasındaki sıcaklık farklarının arttığını ve bunun sonucunda malzemenin minimum ve maksimum sıcaklık değişiminin azaldığını göstermektedir. İlk döngüden sonra, ısı alıcı ve ısı kaynağı şeridin tamamıyla temas etmediği için homojen olmayan bir sıcaklık profili oluşur. Burada, bir çekme testinin deneyi ile simülasyonu arasındaki karşılaştırmayı görebilirsiniz.

Simülasyonun temel modeli, termomekanik olarak eşleşmiş Mueller Achenbach Selleck Modelinin bir modifikasyonudur. Bu, modelin malzemenin termal davranışının yanı sıra mekanik davranışını da yeniden üretebildiğini göstermektedir. Bu nedenle, prosedür uygulanırken tasarım gereksinimlerinin tüm soğutma aşamalarının izlenmesi ve ayrıca varyasyon parametrelerinin doğrudan kontrol edilmesi olduğunu hatırlamak önemlidir.

Termal enkapsülasyon sürecin verimliliğini artıracaktır, ancak gözlemlenebilirlik büyük ölçüde azalacaktır. Daha sonra gerçek bir cihaz geliştirirken, bunu elbette dikkate alırsınız. Bu prosedürü takip ederek, temas fazının süreç verimliliği ve soğutma gücü üzerindeki etkisi gibi ek soruları yanıtlamak amacıyla, adyabatik süreç kontrolünün yanı sıra adyabatik olmayan adyabatik kombine süreçler gibi diğer süreç varyasyonları da gerçekleştirilebilir.

Bu videoyu izledikten sonra, elastokalorik soğutma etkisini ve malzeme optimizasyonu ile proses kontrolünün, sürecin soğutma gücü ve verimliliği üzerindeki etkilerini iyi bir şekilde kavramış olmalısınız.