Experimentele methoden voor Onderzoek van Shape geheugen gebaseerd Elastocaloric Cooling Processen en Model Validation

1Lab for Measurement Technology, Saarland University, 2Intelligent Material Systems Lab, Saarland University, 3Lab for Material Science, Ruhr Universität Bochum
Published 5/02/2016
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

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

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Shape Memory Alloys (SMA) gebruikt elastocaloric koelprocessen hebben het potentieel om een ​​milieuvriendelijk alternatief voor de conventionele dampcompressie gebaseerd koelproces zijn. Nikkel-Titanium (Ni-Ti) gebaseerde legering systemen, in het bijzonder, tonen grote elastocaloric effecten. Bovendien vertonen grote latente warmte die een noodzakelijke materiaal onroerend goed voor de ontwikkeling van een efficiënte solid-state-based koelproces. Een wetenschappelijk testbank is ontworpen om deze processen en de elastocaloric effecten SMA onderzoeken. De gerealiseerde testopstelling laat een onafhankelijke besturing van mechanische belasting en lossen cycli een SMA's, evenals geleidende warmteoverdracht tussen SMA koelelementen en een warmtebron / sink. De testopstelling is uitgerust met een uitgebreid controlesysteem kan gesynchroniseerde metingen van mechanische en thermische parameters. Naast het bepalen van de procesafhankelijke mechanische arbeid, het systeem maakt ook measurement thermische calorische aspecten van de elastocaloric koelende werking door het gebruik van een krachtige infraroodcamera. Deze combinatie is bijzonder interessant omdat het toelaat illustraties van lokalisatie en-invloeden - zowel belangrijk voor een efficiënte warmteoverdracht van het medium te koelen.

De gepresenteerde werk beschrijft een experimentele methode om elastocaloric materiaaleigenschappen in verschillende materialen en sample geometrieën te identificeren. Verder wordt de testinrichting gebruikt om verschillende koelproces varianten te onderzoeken. De geïntroduceerde analysemethoden maken een gedifferentieerd onderzoek van materiaal, werkwijze en verwante randvoorwaarde invloeden op de procesefficiency. De vergelijking van de experimentele gegevens met de simulatie resultaten (van een thermomechanisch gekoppeld eindige elementen model) zorgt voor een beter begrip van de onderliggende fysica van de elastocaloric effect. Bovendien, de experimentele resultaten, evenals de resultaten based de simulatieresultaten, worden gebruikt om de materiaaleigenschappen te verbeteren.

Introduction

Solid state koelproces gebaseerd op Ferroïsche materialen potentieel milieuvriendelijke alternatieven voor de conventionele dampcompressie gebaseerde proces. Ferroïsche materialen kunnen magnetocalorisch, electrocaloric en elastocaloric effecten 1, 2, alsook combinaties van deze effecten, die worden beschreven als multicaloric materiaalgedrag 3 vertonen. De verschillende calorische effecten in Ferroïsche materialen worden momenteel onderzocht in het kader van de Duitse Science Foundation (DFG) Priority programma SPP 1599 "Caloric Effects in Ferroïsche Materials: Nieuwe concepten voor Cooling" 4. Shape Memory Alloys (SMA) die worden onderzocht binnen het programma tonen grote elastocaloric effecten, in het bijzonder Ni-Ti gebaseerde legeringen vanwege hun grote latente warmte 5. De rekgeïnduceerde fasetransformatie bij hoge vervormingssnelheden leidt tot significante veranderingen temperatuur van de SMA, zie figuur 1. Deadiabatische exotherme fase transformatie van austeniet naar martensiet verhoogt de temperatuur SMA. De endotherme omzetting van martensiet naar austeniet leidt tot een aanzienlijke daling temperatuur. Deze elastocaloric materiaaleigenschappen kan worden gebruikt voor solid-state koeling beperken door een geschikte mechanische laad- en ontlaadcyclus. Figuur 2 toont een typische elastocaloric koelcyclus na de Brayton cyclus. De warmte-overdracht tussen de warmtebron en de koude, gelost SMA vinden plaats op een laag niveau temperatuur. In de volgende fase, de SMA is in een contact-vrije staat en de snelle, adiabatische laden leidt tot een significante toename van de temperatuur van de SMA. De daaropvolgende warmteoverdracht tussen de hete SMA en het koellichaam vinden plaats bij constante spanning van de SMA. Na voltooiing van de warmteoverdracht, snelle adiabatische lossing leidt tot een aanzienlijke daling van de temperatuur SMA beneden de temperatuur van de warmtebron, waarna de volgende koeling cycle en de warmte-overdracht met de warmtebron kan beginnen. De efficiëntie van de elastocaloric koelproces afhankelijk van de vereiste mechanische arbeid en de geabsorbeerde warmte.

Eerste experimenten bewaken van de temperatuur veld bij trekproeven uitgevoerd door Shaw et al. 6, 7, met als doel de vorming van plaatselijke temperatuurpieken bij trekproeven SMA stroken en draden met verschillende snelheden te onderzoeken. De toegepaste experimentele methode combined de meting van de mechanische parameters (spanning, rek en reksnelheid) met daarmee gepaard gaande temperaturen gebieden door middel van thermografische meting. Tijdens het laden en lossen van een SMA monster met een trekbank, een infrarood (IR) werd gebruikt om IR beelden van de SMA monster te verkrijgen. Deze techniek maakt het mogelijk het onderzoek naar de mate van spanning afhankelijk van de vorming van de temperatuur pieken. Het meten van de temperatuurverdeling op demonster is zeer belangrijk voor het onderzoek naar de effecten elastocaloric en de bepaling van de koelende eigenschappen van het materiaal. Een lokale temperatuurmeting - door een contact temperatuurmeting - niet voldoende is om de koelende eigenschappen van het materiaal te karakteriseren. Een meting van de temperatuur veld werd ook gebruikt door Cui et al. 8 voor de studie van elastocaloric effecten in Ni-Ti draden. Bovendien Ossmer et al. 9, 10 bleek dat thermografische temperatuurmetingen zijn ook geschikt voor het onderzoeken van elastocaloric effecten Ni-Ti gebaseerde dunne films, die hoge framesnelheden van de infraroodcamera de voor het onderzoek van adiabatische faseovergangen bij hoge belasting tarieven. Deze techniek maakt het onderzoek elastocaloric hoeveelheden en de homogeniteit van het temperatuurprofiel, die van grote invloed op het solid-state-based warmteoverdracht en heeftefficiëntie van elastocaloric processen.

Het koelrendement van het materiaal kan worden bepaald door het vereiste werk gebaseerd op de spanning / rek metingen als de warmte (welke kan worden bepaald met inachtneming van de temperatuurverandering en de warmtecapaciteit van het materiaal). Echter, de experimentele methode niet in staat het onderzoek naar de elastocaloric materiaal onder proces conditie. Dit omvat een warmteoverdracht tussen de SMA en een warmtebron, die van grote invloed op de efficiëntie van het koeleffect heeft.

Het materiaalkarakterisering koeling procesomstandigheden en het onderzoek elastocaloric koelproces vereist een testbank waardoor solid-state gebaseerde warmteoverdracht, die niet kan worden onderzocht door een bestaand commercieel systeem. Daartoe is een nieuw testplatform ontwikkeld. De testopstelling is opgezet in twee niveaus, zoals weergegeven in figuur 3. De UPPEr level maakt eenvoudige elastocaloric materiaalkarakterisering en initiële trainingsprocedures, vergelijkbaar met de eerder beschreven werkwijze (zie figuur 4). De opstelling is voorzien van een lineaire rechtstreekse aandrijving kan laden en lossen van de SMA op vervormingssnelheden tot 1 sec -1 (zie figuur 5). De lineaire rechtstreekse aandrijving maakt onderzoek van monsters met een doorsnede van maximaal 1,8 mm 2, terwijl de typische monster lengte 90 mm. Het voordeel van een directe lineaire aandrijving is de hoge snelheid en de hoge versnelling - anders dan balschroef schijven die kenmerkend worden gebruikt voor trekproeven. Verder een load cell, alsmede de positie- meetsysteem van de lineaire aandrijving, levert mechanische meetgegevens. Een hoge resolutie IR-camera (1280 x 1024 pixels) wordt gebruikt om het temperatuurprofiel van de SMA met tot 400 Hz (verplichte temperatuurgebied) te meten. Het gebruik van een microscoop objectief met een resolution van 15 micrometer / pixel maakt het onderzoek van de lokale temperatuur effecten. Het lagere niveau van de testopstelling van een mechanisme dat zorgt voor afwisselend geleidende warmteoverdracht tussen de SMA en de warmtebron / koellichaam bevat (zie figuren 6 en 7). De lineaire direct drive in het lagere niveau schakelt tussen de warmtebron naar de SMA en van de SMA op het koellichaam, terwijl een pneumatische cilinder liften en verlaagt de warmtebron / wastafel (zie figuur 8). Elke actuator kan afzonderlijk worden ingesteld waardoor onderzoeken van verschillende koelproces variaties. Het uitgebreide meetsysteem maakt het mogelijk metingen van mechanische parameters: actuator positie, actuator snelheid, SMA kracht van de belasting, contact kracht tussen SMA en warmtebron / sink tijdens warmteoverdracht evenals thermische parameters (dat wil zeggen, de temperatuur in de warmtebron / wastafel, temperatuurverdeling op het oppervlak van de SMA en de warmtebron / sink). Een meer gedetailleerde beschrijving van de wetenschappelijke testen platform wordt gegeven in Schmidt et al. 11.

figuur 5
Figuur 5. Schema van de bovenste verdieping van de testopstelling Een lineaire aandrijving voor het laden en lossen van de SMA monster met geïntegreerde positie meetsysteem.; meetcel voor het meten van trekkrachten, evenals een hoge resolutie IR-camera (1280 x 1024 pixels) voor temperatuurprofiel acquisities.

figuur 7
Figuur 7. Schema van het lagere niveau van de testopstelling Een lineaire aandrijving voor het schakelen tussen de heatsink en warmtebron.; een pneumatische cilinder om het contact tussen de SMA monster en de warmtebron / wastafel te maken; temperatuursensoren zijn geïntegreerd in het koellichaam / souRCE de kerntemperatuur van de blokken meten. Een drukbelasting cel voor het meten van de contactkracht tussen de SMA en de warmtebron / sink geïntegreerd in warmtetransport mechanisme en niet zichtbaar in dit schema.

De testopstelling zorgt voor het onderzoek van de verschillende lichtmetalen composities en steekproefomvang, alsmede geometrieën (linten, draden). Bovendien is de installatie maakt het mogelijk uitgebreide onderzoeken elastocaloric materialen en koeling processen. De hiervoor beschreven proeven kunnen worden uitgevoerd en de uitvoering wordt beschreven stap voor stap in het protocol deel van dit manuscript.

Materiaal stabilisatie:

Stabiel materiaalgedrag is belangrijk voor het gebruik van elastocaloric materialen in koelsystemen. Hiertoe wordt een werkwijze mechanische stabilisatie toegepast. Tijdens deze procedure gaat het materiaal mechanisch laden en lossen cycli en voert een fasetransformatie van austeniet tot martensiet. Het materiaal stabilisatie vertoont een sterke tarief afhankelijkheid. Hoge beladingspercentages leidt tot een temperatuurverandering van het materiaal, dat wordt veroorzaakt door de latente warmte van de fasetransformatie. Deze temperatuurverandering heeft dezelfde invloed op het materiaal stabilisatie, evenals mechanische trainingscycli bij verschillende temperaturen 12-15. Naast de bekende mechanische 13 en 16 calorische stabilisatie kan een thermische stabilisatie materiaal worden waargenomen met de ontworpen installatie door toepassing van thermografie 17.

Materiaal karakterisering:

Na een eerste trainingsprocedure mechanische, het materiaal toont stabiele mechanische, thermische en calorische gedrag waardoor de elastocaloric materiaaleigenschappen worden gekarakteriseerd. Daarom wordt mechanisch fietsen op verschillende snelheden dat uitgevoerd, in tegenstelling tot de trainingsprocedure de elastocaloric karakterisering omvat een holding fase na het laden en lossen. Gedurende de vasthoudfase de SMA spanning blijft constant tot een temperatuur opnieuw is bereikt. Dergelijke experimenten is nodig om de laagst bereikbare temperatuur na het lossen vanaf omgevingstemperatuur niveau, evenals de materiaalefficiëntie bepalen. Percentage afhankelijke vorming van plaatselijke temperatuurpieken kan worden waargenomen met hogere tarieven leidt tot een steeds homogene temperatuurverdeling. Bovendien, door het verhogen van de mate van spanning de temperatuurverandering even stijgt tot adiabatische omstandigheden worden bereikt. Het materiaal efficiëntie kan worden bepaald door de vereiste mechanische werk, gebaseerd op een kracht-verplaatsing diagram van een adiabatische experiment, evenals de absorbeerbare hitte, gebaseerd op de gemiddelde temperatuurverandering van het materiaal bij het lossen en de warmtecapaciteit van het monster .

elastocaloric koelproces:

Het onderzoek naar het koelrendement van SMA onder procesomstandigheden vereist de warmteoverdracht tussen de SMA koelmedium en een warmtebron, en een koellichaam. Daartoe de SMA in contact met een solid-state warmtebron (volgende adiabatische lossen) en een koellichaam (adiabatische volgende lading). De efficiëntie van het proces sterk afhankelijk van de procesbeheersing en de thermische randvoorwaarden. De uitgebreid onderzoek van het koelproces vereist een variatie van de regelparameters om de meest efficiënte procescontrole bepalen. De individuele invloed van de parameters (contacttijd, SMA stam, SMA strain rate, contact fase (contact tijdens het laden / lossen fase of na) en contact kracht) over het proces prestaties moet worden onderzocht. Bovendien is de invloed van de veranderende thermische randvoorwaarde door steeds koelcycli moetin aanmerking genomen.

Modelvalidatie:

De ontwikkeling van een thermomechanisch materiaal model, kunnen reproduceren de mechanische en thermische materiaalgedrag tijdens koelcyclus is cruciaal voor de ontwikkeling van een nieuwe koeltechniek. Het model zorgt voor materiaal en procesoptimalisatie door verminderde experimentele en materiële ontwikkeling inspanning. De validatie vereist een eerste isotherm trekproef van een gestabiliseerd materiaal om de vereiste mechanische materiaalinput genereren (elasticiteitsmodulus van het austeniet en martensiet fase, de breedte van de mechanische hysteresis en de transformatie stam). De validatie van het model plaatsvindt op basis van trekproeven met verschillende snelheden. De vereiste calorische invoergegevens voor het model kan worden bepaald door differentiële scanning calorimetrie (DSC) na de mechanische experimenten. De DSC-metingen moeten worden uitgevoerd after de mechanische test om de calorische materiaaleigenschappen van een gestabiliseerde monster te meten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Monstervoorbereiding

  1. Meet de SMA lint met calipers en bepalen de dwarsdoorsnede van het monster.
  2. Bereid het monster voor IR metingen door bekleden van het lint met een dunne laag van hoge emissiviteit (ε = 0,96) verf.
    Let op: De verf is geklasseerd als irriterend. Handschoenen, een veiligheidsbril en de bescherming van de mond moet tijdens de verwerking van de verf worden gedragen.

2. Materiaal Stabilization (Training)

Opmerking: Initial mechanische fietsen leidt tot een mechanische en thermische materiaal stabilisatie. Het onderzoek naar de stabilisatie-effect en de training procedure zelf, vereist het gebruik van de actuator en de sensoren gemonteerd in het bovenste niveau van de beproevingsinrichting en de infraroodcamera.

  1. Start motor controller-programma en controleer de geladen instellingen. Wijzig de instellingen om de positie mode en commando mode. Controleer of de motor is in actieve modus.
  2. Set de beoogde positie in de motor controller programma 0 urn en klik op de "operatie mogelijk te maken" knop - op deze positie is de afstand tussen de klemmen is 90 mm.
  3. Het monster tussen klemmen van de experimentele opstelling en het gebruik van een speciaal ontworpen uitlijning hulpmiddel om het monster af te stemmen.
  4. Draai klemmen met behulp van een montage steun om buigbelasting op load cell en monster te voorkomen. Gebruik een momentsleutel voor het aanhalen van de schroeven te zorgen voor een reproduceerbare klemkracht (aandraaimoment: 20 Nm).
  5. Controleer de huidige motor positie en zorg ervoor dat de motor bij de start positie (0 pm).
  6. Start de IR camera software en laadt de kalibratie voor een 50 mm lens in combinatie met een close-up lens. Kies een beeldformaat van 1280 x 100 pixels en een temperatuurbereik van -20 ° C tot 50 ° C. Plaats de camera met de motorfocus eenheid en bevestig het gehele monster in het gezichtsveld van de camera.
    Opmerking: De IR camera, in combinawerking met de gekozen lenzenstelsel, heeft een brandpuntsafstand (f) van 50 mm, een diafragma van f / 2 en minimaal pixelgrootte van 60 micrometer op een werkafstand van 200 mm.
  7. Open het programma ter bestrijding van training en materiaal karakterisering en stel de regelparameters (verplaatsing, snelheid, met de tijd, maximale en minimale kracht, aantal cycli en de camera frame rate).
    1. Stel de startpositie (0 pm) en kies de gewenste positie (4500 pm) zodat het materiaal ondergaat een complete fase transformatie.
    2. Stel de lineaire snelheid directe aandrijving (snelheidslading / lossen) om de gewenste reksnelheid voldoen. Selecteer een stam tarief van 5 x 10 -4 sec -1 (actuator snelheid van 45 pm / sec) voor het koelen van procesgerelateerde training.
      1. Bepaal de lineaire snelheid directe aandrijving (v) op basis van de gekozen reksnelheid ( epsilon ) En de initiële monsterlengte (l 0) van 90 mm ​​(v = <img alt = "epsilon" src = "/ files / ftp_upload / 53626 / epsilon.jpg" /> ∙ l 0)
    3. Stel het bedrijf tijd om 0 sec.
    4. Stel het aantal cycli tot 1 voor de eerste cyclus met een nieuw monster.
    5. Stel de sample-specifieke minimale en maximale kracht niveau drukbelasting en treksterkte overbelasting (minimale belasting 1 MPa, maximale belasting 800 MPa) te vermijden.
    6. Kies een IR camera overname van 50 msec / frame (20 frames per seconde).
    7. Klik op de startknop om de instellingen te laden.
  8. Open de IR camera software, kies een bestandsnaam en toewijzen 5000 frames.
    1. Overschakelen van interne naar externe trigger bron en start de data-acquisitie-modus.
  9. Open het besturingsprogramma en druk op de start experiment knop.
  10. data visualisatie
    1. Zodra het experiment is voltooid, laadt u de gegevens in de data processing software en te visualiseren in termen van kracht / verplaatsing, struk / stam, kracht / tijd en plaats / tijd diagrammen.
    2. Laad de IR gegevens in de IR-camera en de software tijdsopgeloste temperatuurprofielen evalueren. Definieer een meetgebied waarin het oppervlak van de SMA lint bedekt en plot de gemiddelde maximale en minimale temperatuur van het monster versus de tijd.
  11. Herhaal stap 2,6 tot 2,9 totdat het materiaal toont stabiel mechanisch gedrag en de startpositie te compenseren overblijvende stammen passen.
    1. Na de eerste 10 cycli, verhoging van het aantal cycli per experiment 10 en de procedure voor experimenten totdat stabiele materiaalgedrag wordt bereikt.

3. materiaalkarakterisering

Opmerking: Het materiaalkarakterisatie vereist het gebruik van de actuator en de sensoren gemonteerd in het bovenste niveau van de beproevingsinrichting en de infraroodcamera. Tijdens de kwalificatie procedure het monster wordt geladen en gelost op verschillende snelheden tijdens het uitvoereneen holding periode na het laden en lossen.

  1. Als de SMA lint is afgespannen en het besturingssysteem van de testopstelling is uitgeschakeld na de training, herhaalt u de stappen 2,1-2,6 en opnieuw klem het monster. Als dit niet het geval is, gaat u als volgt.
  2. Open het programma ter bestrijding van training en materiaal karakterisering en stel de regelparameters (verplaatsing, snelheid, met de tijd, het aantal cycli en camera frame rate).
    1. Stel de start positie, zodat het monster onder nul belasting en stel de gewenste positie gelijk aan de positie van het doel van de training (4500 pm).
    2. Stel de lineaire snelheid directe aandrijving (snelheidslading / lossen) om de gewenste reksnelheid voldoen. Kies een vervormingssnelheid van 1 x 10 sec -1 -1 (actuator snelheid van 9000 um / sec) wat leidt tot een adiabatische fasentransformatie voor monsters met een doorsnede van 0,75 mm x 1,4 mm of groter.
    3. Stel de holding tijd tot 180 sec, wat voldoende is voor het monster naar de oorspronkelijke temperatuurniveau bereiken.
      Opmerking: De verblijftijd heeft na het experiment worden geverifieerd door eerst een thermische equilibratie tijdconstante (τ) en een verblijfstijd kleiner dan 4 x τ moet worden verhoogd voordat de volgende typering experiment begint.
    4. Stel het aantal cycli tot 1.
    5. Stel de sample-specifieke minimale en maximale kracht niveau drukbelasting en treksterkte overbelasting (minimale belasting 1 MPa, maximale belasting 800 MPa) te vermijden.
    6. Kies een IR camera overname tarief van 5 msec / frame (200 frames per seconde).
    7. Klik op de startknop om de instellingen te laden.
  3. Open de IR camera software, kies een bestandsnaam en toewijzen 80.000 frames.
    1. Overschakelen van interne naar externe trigger bron en start de data-acquisitie-modus.
  4. Open het besturingsprogramma en druk op de start experiment knop.
  5. Laad de IR gegevens in hetIR-camera software. Plot gemiddelde maximale en minimale sample temperaturen tegen de tijd. Exporteer de gegevens en het berekenen van de thermische equilibratie tijd constant met de data processing software 10,11.
  6. Pas de verblijftijd, indien nodig, op basis van de berekende thermische tijdconstante evenwicht.
  7. Herhaal stap 3,2-3,5 en variëren van de reksnelheid van 5 x 10 sec -1 -5 tot 1 x 10 sec -1 -1, alsmede de spanning van 2% tot een maximale rek van 5% (maximale rek is gelijk aan de maximale rek tijdens de training).
  8. Onderzoek van de lokale temperatuur pieken:
    Opmerking: Het materiaal toont een frequentieafhankelijke lokalisatie effect van de elastocaloric effect. Zorgvuldige studie van deze effecten vereist een hoge speciale resolutie van de SMA temperatuur profiel. Hiertoe wordt de lens van de IR camera moet worden vervangen door een microscoop lens. De microscoop lens heeft een opening van 3,0, een vergroting van 1X en een pixelgrootte van 15urn op een werkafstand van 195 mm.
    1. Schakel het licht uit, verwijder alle warmtebronnen uit het gezichtsveld van de IR-camera en verander de lens.
    2. Wijzig de camera kalibratie-instellingen en binnen het temperatuurbereik van 20 ° C tot 50 ° C en een beeldgrootte van 500 x 250 pixels te laden een microscoop lens kalibratie. Gebruik de motor nadruk eenheid om het monster te richten.
    3. Voer een trekproef bij een vervormingssnelheid van 1 x 10 sec -1 -1 (9000 um / sec), volg de stappen in punt 2 beschreven: Materiaal stabilisatie.
  9. data Visualization
    1. Laad de mechanische gegevens in de data processing software en te visualiseren in termen van kracht / verplaatsing, spanning / rek, kracht / tijd en plaats / tijd diagrammen.
    2. Laad de IR gegevens in de IR-camera en de software tijdsopgeloste temperatuurprofielen evalueren. Definieer een meetgebied waarin het oppervlak van de SMA lint bedekt en plot van de gemiddelde maximalemale en minimale temperatuur van het monster ten opzichte van de tijd.

4. Elastocaloric koelproces

Opmerking: Het onderzoek elastocaloric koeling vereist het gebruik van actuatoren en sensoren in de bovenste en onderste niveau van de installatie en de infraroodcamera. Deze experimenten omvatten een variant van de controleparameters om het proces te optimaliseren.

  1. Als de SMA lint is afgespannen en de testopstelling is uitgeschakeld na de materiaalkarakterisering Herhaal stap 2,1-2,5 en opnieuw klem het monster. Als dit niet het geval is, gaat u als volgt.
  2. Start de IR-camera software en de kalibratie voor de 50 mm lens met een close-up lens te laden. Kies een beeldformaat van 1280 x 1024 pixels en een temperatuurbereik van -20 ° C tot 50 ° C. Plaats de camera met de motorfocus apparaat en controleer of het gehele monster in het gezichtsveld van de camera.
    Opmerking: De IR-camera in combinatie met de gekozen lenssysteem heeft een brandpuntsafstand (f) van 50 mm, een diafragma van f / 2 en minimaal pixelgrootte van 60 micrometer op een werkafstand van 200 mm.
  3. Open het programma ter bestrijding van elastocaloric koeling processen en stel de regelparameters (verplaatsing van lineaire direct drive één (bovenste verdieping), snelheid van lineaire direct drive een en twee, contacttijd, maximale en minimale kracht, contact fase, aantal cycli en de camera frame rate).
    1. Stel de startpositie van de lineaire aandrijving voor SMA laden en lossen, zodat het monster onder nullast en stel de doelpositie gelijk aan de doelpositie van de training (4500 pm).
    2. Stel de velocity (snelheid laden / lossen) van de lineaire aandrijving voor het laden en lossen van de SMA een stam van 1 x 10 sec -1 -1 (9000 um / sec) te voldoen. Stel de snelheid van de lineaire directe aandrijving in het lagere niveau van de installatie tot 100mm / sec.
    3. Stel de contacttijd tot 6 sec.
      Opmerking: De contacttijd bepaalt de duur van de warmteoverdracht en kan worden ingesteld op een waarde boven 10 msec.
    4. Kies het contact na het laden / lossen modus.
      NB: Het contact fase invloeden of het laden en lossen is adiabatische (contact na het laden / lossen) of in combinatie met een warmte-overdracht naar de heat sink / source (contact tijdens het laden / lossen).
    5. Stel het aantal cycli tot 40.
    6. Stel de sample-specifieke minimale en maximale kracht niveau drukbelasting en treksterkte overbelasting (minimale belasting 1 MPa, maximale belasting 800 MPa) te vermijden.
    7. Kies een IR camera overname van 20 msec / frame (50 frames per seconde). Klik op de startknop om de instellingen te laden.
  4. Open de IR camera software, kies een bestandsnaam en toewijzen 50.000 frames. Overschakelen van interne naar externe trigger bron en start de data-acquisitie-modus.
  5. Open de controle progrben en druk op de start experiment knop.
  6. data visualisatie
    1. Zodra het experiment is voltooid load de gegevens in de data processing software en visualiseren van de volgende gegevens: kracht / verplaatsing, spanning / rek, temperatuur / tijd (temperatuur van het koellichaam / source), kracht / tijd, contact kracht / tijd en positie van de lineaire actuators / tijd.
    2. Laad de IR gegevens in de IR-camera en de software tijdsopgeloste temperatuurprofielen evalueren. Definieer drie meetgebieden waarbij het oppervlak van de SMA steekproef en het oppervlak van het koellichaam en de warmtebron dekken. Exporteer de tijd opgelost gemiddelde, maximum en minimum temperatuur gegevens van de gedefinieerde meting gebieden en uploaden deze in de data processing software.
    3. Visualiseer de IR data in een temperatuur / tijd-diagram.
  7. Herhaal het experiment onder variatie van de parameters: spanning, contacttijd en contact fase.

5. Model Validation

  1. Voer een isotherme trekproef bij een vervormingssnelheid van 5 x 10 -5 sec -1 en een stam van 5%, gaat door het uitvoeren van de stappen in hoofdstuk 2 beschreven.
  2. Zodra het experiment is voltooid, plaatst de gegevens in het data processing software en breng de spanning / rek metingen. Bereken de elastische modulus van het austeniet en martensiet fase, de transformatie stam en de breedte van de hysterese. De hiervoor genoemde data functie als mechanisch invoergegevens voor het model 7.
  3. Voer verder trekproeven op rek tarieven van 1 x 10 -4 sec -1, 5 x 10 -4 sec -1, 1 x 10 -3 sec -1, 5 x 10 -3 -1, 1 x 10 -2 sec -1, 5 x 10 -2 sec -1, 1 x 10 sec -1 -1 tot validatie van gegevens voor het model te genereren.
  4. Als de experimenten zijn voltooid neemt het monster uit het testsysteem en het uitvoeren van een differentiële scanning calorimetrische metingen (DSC) 18 aan de calorische materiaaleigenschappen (latente warmte van de fase transformatie en soortelijke warmte van het materiaal) van het gestabiliseerde materiaal te bepalen.
    Opmerking: De DSC-metingen bieden calorie-invoergegevens voor de thermo-mechanisch gekoppeld model.
  5. Start de simulatie van de trekproeven in stap 5.3 beschreven.
    1. Implementeer aangepaste model voor vormgeheugenlegeringen in commercieel verkrijgbaar eindige elementen software:
      1. Selecteer Geometry knooppunt en kies Interval 1D draad geometrie tekenen.
      2. Selecteer Parameters knooppunt naar model parameters geïdentificeerd uit mechanische proeven in ste definiërenp 5.2.
      3. Klik met de rechtermuisknop definities knooppunt en selecteer Variabelen Variabelen een knooppunt te maken. Selecteer Variabelen knooppunt en definiëren algoritme voor het bepalen van de overgang waarschijnlijkheden afgeleid van statistische thermodynamica 19.
      4. Selecteer Voeg Natuurkunde en voeg Coefficient Form PDE of General Vorm PDE te definiëren set van één-dimensionale partiële differentiaalvergelijkingen beschrijven van het gedrag van superelastische Shape Memory Alloy, bestaande uit de stationaire momentum balans, het evenwicht van de interne energiemarkt en kinetische vergelijkingen van fase transformatie 20 .
    2. Selecteer Initiële waarden subknooppunt de begintemperatuur van de draad ingesteld op de omgevingstemperatuur.
      1. Selecteer Dirichlet randvoorwaarde voor mechanische randvoorwaarden voor het toepassen van een stam volgens de experimentele procedure in deel 2 beschreven voorschrijven, voor de stam-tarieven in step 5,3, beperken de verplaatsing van het ene uiteinde van de draad en het voorschrijven van de verplaatsing van het andere uiteinde.
      2. Selecteer Dirichlet randvoorwaarde thermische randvoorwaarden constante temperatuur door de massale klemmen op de magere draadinstallatie.
        Opmerking: Standaard instellingen van de eindige elementen programmapakket niet tot een convergerende oplossing.
      3. Kies een sub-knooppunten van Solver Configuration standaard instellingen (bijvoorbeeld absolute en relatieve toleranties en demping van de niet-lineaire, iteratieve Newton-Raphson solver) te wijzigen en klik op "Compute" naar solver draaien.
  6. Gegevensanalyse
    1. Laad de experimentele en simulatieresultaten in de gegevensanalyse software en breng de mechanische en thermische data.
    2. Vergelijk de experimentele en simulatieresultaten, respectieve mechanische (spanning / rek respons) en thermische (speciale opgelost temperatuur evolutie van demonster) materiaal gedrag.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Materiaal stabilisatie (Training):

Figuur 9 toont een spanning / rek diagram van 50 trainingscycli. Het onderzochte monster een Ni-Ti lint met een doorsnede van A = 1,45 mm 2. De toegepaste vervormingssnelheid van 1 x 10 sec -1 -3 leidt tot een gemiddelde temperatuurstijging van AT = 12,2 K. De temperatuurtoename een significante invloed op het stabilisatie-effect 12- 14; Naast de mechanische stabilisatie, kan een thermische stabilisatie ook worden waargenomen. Film 1 toont de temperatuurverdeling op het monster tijdens de eerste drie opleidingscycli, de framesnelheid wordt vijfmaal zoveel als de real tijdmeting. Het experiment werd gestopt na elke cyclus en hernieuwd zodra het monster bereikt omgevingstemperatuur. Een homogenisering van de elastocaloric effectwaargenomen maar de intensiteit van de pieken temperatuur neemt af met toenemend aantal cycli.

figuur 9

Figuur 9. mechanische stabilisatie van een binaire Ni-Ti lint tijdens de training. Spanning / rek diagram van 50 trainingscycli bij een vervormingssnelheid van 1 x 10 -3 -1 sec.

Materiaal karakterisering:

De resultaten van een elastocaloric materiaalkarakterisatie van een NiTiCuV lint (A = 1,07 mm 2) getoond in figuur 10. De spanning / rek diagram in figuur 10 (a) toont dat het verhogen vervormingssnelheden leiden tot toenemende hysteresisbreedte 7, 12, 21 . Deze correlatie is het gevolg of de temperatuurverandering tijdens de faseovergang, die ook in de AT-reksnelheid is afgebeeld (Figuur 10 (b)). Bovendien heeft het diagram dat ten vervormingssnelheden hoger dan 5 x 10 -2 -1 sec is er geen verdere toename van de temperatuurverandering. De stagnatie van de temperatuurverandering aangeeft dat de adiabatische limiet wordt bereikt, die ook kan worden afgeleid uit de stagnatie van de temperatuurgebonden spanningsverhoging (weergegeven in de spanning-rek diagram). Bovendien is de kleine afwijking tussen de gemiddelde en maximale temperatuursverandering bij hoge blijkt dat het materiaal transformeert bijna homogeen. De vergelijking van de IR-video's die tijdens de experimenten uitgevoerd bij een reksnelheid van 1 x 10 -3 sec -1 (zie Movie 2 (belasting) en Movie 3 (lossen)) en een reksnelheid van 1 x 10 -1 sec -1 (zie Movie 4 (laden, 10 keer langzamer) En Movie 5 (uitladen 10 keer langzamer)) toont de homogenisering van de elastocaloric effect door het verhogen van belasting tarieven.

Op basis van de materiaalkarakterisatie, kan de efficiëntie van het materiaal bepaald. Het werk van een adiabatische laden en lossen cyclus bij een reksnelheid van 1 x 10 sec -1 -1 is gelijk aan de gebieden in de kracht-vervorming diagram in figuur 11. Het rode gebied toont de niet-recupereerbare werk van de hysteresis die in aanmerking wordt genomen voor de bepaling van de prestatiecoëfficiënt (COP) van het materiaal. De warmte wordt berekend op basis van de gemiddelde negatieve temperatuurverandering van 20 K en de warmtecapaciteit van het monster, terwijl de warmtecapaciteit kan worden bepaald door het nemen van de soortelijke warmte goed (cp = 0,46 J / (kg K)), de dichtheid (ρ = 7,340 kg / cm 3) en het volume van het monster. De resulterende COP 7 is de quotient van de opgenomen warmte en mechanische werk. Een grafische methode om de efficiëntie van elastocaloric koelprocessen basis van de thermodynamische analyse van koelcycli wordt beschreven in Schmidt c.s. bepalen. 22

Figuur 1o

Figuur 10. Materiaal karakterisering. Rate-afhankelijke spanning / rek diagram (a) en AT / reksnelheid diagram dat minimum, maximum en gemiddelde SMA temperatuurverandering (b) van een NiTiCuV lint. De stam werd gedurende 150 seconden na het laden en lossen constant gehouden.

figuur 11
Figuur 11. Work. Diagram kracht / vervorming van een NiTiCuV lint (A = 1,07 mm 2) dijdens een adiabatische laad- en ontlaadcyclus. De doorbuiging werd gedurende 150 seconden na het laden en lossen constant gehouden. Het werk is gelijk aan de gebieden die in het schema, terwijl het werk bij het lossen zou kunnen worden hersteld.

Koelproces:

De krachtafbuigingsverhouding diagram in figuur 12 (a) toont de mechanische eigenschappen van de eerder gekarakteriseerde NiTiCuV monster gedurende 40 koelcycli. De contacttijd tussen de SMA en de warmtebron / wastafel was ingesteld op 6 seconden en de druk werd ingesteld op 1 x 10 sec -1 -1. De temperatuur-tijd diagram in figuur 12 (b) toont de temperatuurstijging van het koellichaam en de temperatuur daling van de warmtebron tijdens de 40 koeling cycli, die de thermische randvoorwaarden van het proces verandert. Bovendien is de invloed van de begrenzing caarden om de mechanische en thermische materiaalgedrag kan worden waargenomen. De video IR (film 6) laat zien dat door het verhogen van het aantal cycli de minimale en maximale temperatuursverandering van het materiaal afneemt Dit blijkt ook uit de afname van de hysteresisbreedte (zie figuur 12 (a)). Na de eerste cyclus, een niet-homogene temperatuur profiel ontstaat omdat de heatsink / bron heeft geen contact met de hele SMA lint (zie Movie 6). De significante verschillende temperatuurprofiel van de SMA na de eerste cyclus leidt tot een lagere omzetting spanning in de tweede cyclus (zie figuur 12 (a)). De COP van de werkwijze sterk afhankelijk van de temperatuur van het koelelement en de warmtebron zoals getoond in figuur 13. De toenemende temperatuurverschil tussen het koelelement en warmtebron leidt tot een afnemende COP, die gerelateerd is aan de dalende temperatuurverschil tussen de warmtebron en the SMA. De COP is berekend op basis van het niet nuttig werk (zie figuur 10) en de opgenomen warmte tijdens contact tussen de SMA en de warmtebron. De opgenomen warmte wordt bepaald door rekening te houden met de warmtecapaciteit van de SMA en de gemiddelde temperatuurverandering van de SMA tijdens contact met de warmtebron. Het koelvermogen per oppervlakte-eenheid van het proces een vervangingsschema trend (zie Figuur 14). Het koelvermogen per eenheid oppervlakte kan worden berekend op basis van de opgenomen warmte per cyclus, de cyclustijd van 13,1 sec en het oppervlak van het monster in contact met de warmtebron (8,4 x 10 -6 m 2). Dit voorbeeld van een SMA gebaseerd koelproces blijkt dat het materiaal toont een ander gedrag onder procesomstandigheden vergeleken met materiaalkarakterisering. De warmteoverdracht en de procesbesturing beïnvloeden de koelprestatie van het materiaal en zijn voor de validatie van elastis rekening worden gehoudenocaloric materialen.

figuur 12
Figuur 12. afkoelproces. Diagram kracht / vervorming (a) en de temperatuur / tijdgrafiek (b) van een 40 cyclus koelproces met NiTiCuV monster (A = 1,07 mm 2) en een contacttijd van 6 sec.

figuur 13
Figuur 13. COP van het koelproces. Steeds koelcycli leidt tot een afnemende COP en een toenemend temperatuurverschil tussen het koelelement en warmtebron.

figuur 14
Figuur 14. koelvermogen van het proces. Steeds koelcycli leidt tot een afname van de cooleng vermogen per oppervlakte-eenheid en een toenemende temperatuurverschil tussen heatsink en warmtebron.

Modelvalidatie:

Figuur 15 (zie ook Film 7) toont de vergelijking tussen experiment en simulatie van een trekproef uitgevoerd bij een vervormingssnelheid van 1 x 10 -3 -1 sec. Het vergelijkende monster een Ni-Ti draad met een diameter van 0,6 mm en een inspanlengte van 90 mm. De onderliggende model van de simulatie is een modificatie van de thermomechanisch Müller-Achenbach-Seelecke (MAS) model 23, 24, 19. Het model is uitgebreid om de simulatie van gelokaliseerde faseovergang en inhomogene temperatuurverdeling. De vergelijking tussen de experimentele resultaten (zie Film 7 (a)) en de simulatie (zie Movie 7 (b)) Laat zien dat het model in staat is de mechanische reproduceren en het thermisch materiaalgedrag. De gesimuleerde temperatuur velden tonen gelokaliseerde temperatuur pieken en de intensiteit van de pieken vertonen een goede correlatie met het experiment. Bovendien is de timing van de formatie temperatuurpiek en de resulterende spanning afname weerspiegelt goede overeenkomst. Het toegepaste model benadering is niet beperkt tot de simulatie van het materiaalgedrag bij trekbelasting, een buigbelasting worden gesimuleerd 25. De fysiek gemotiveerd model zorgt voor een gedetailleerde analyse van de onderliggende mechanismen en ondersteunt proces en materiaal optimalisatie door het verminderen van experimentele en materiële ontwikkeling inspanning.

figuur 15
Figuur 15. Vergelijking tussen experiment (a) en simulatie (b) de resultaten van een Ni-Ti draad met een diameter van 0,6 mm (A = 0,2734 mm2). De validatieproef is een trekproef bij een vervormingssnelheid van 1 x 10 -3 -1 sec.

Figuur 1
Figuur 1 (Film). Adiabatische faseovergang van een SMA monster. De adiabatische exotherme fase transformatie van austeniet naar martensiet verhoogt de SMA temperatuur en de endotherme omzetting van martensiet naar austeniet leidt tot een aanzienlijke daling temperatuur. (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden deze film)

Figuur 2
Figuur 2 (Film). Elastocaloric koeling cyclus. De warmte-overdracht tussen de warmtebron en de SMA vinden plaats op een laag niveau temperatuur. In de volgende fase,de SMA is in een contact-vrije staat en de snelle (adiabatische) loading verhoogt de SMA temperatuur. De daaropvolgende warmteoverdracht tussen de hete SMA en het koellichaam vinden plaats bij constante spanning van de SMA. Na voltooiing van de warmteoverdracht, snelle adiabatische lossing leidt tot een aanzienlijke daling van de temperatuur SMA. (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden deze film)

figuur 3
Figuur 3 (Film). 3D-assemblage-animatie. De animatie toont de belangrijkste componenten in het bovenste niveau van de testopstelling. (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden deze film)

figuur 4
Figuur 4 (Film). 3D-animatie van de testopstelling. te downloaden deze film)

figuur 6
Figuur 6 (Film). 3D-assemblage-animatie. De animatie toont de belangrijkste componenten in het lagere niveau van de testopstelling. (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden deze film)

Figuur 8
Figuur 8 (Film). 3D-animatie van de testopstelling. De animatie toont een elastocaloric koelcyclus. (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden deze film)

film 1 Film 1. IR filmpje van de eerste drie opleidingscycli van een Ni-Ti lint bij een vervormingssnelheid van 1 x 10 -3 sec -1 (5x afspeelsnelheid). De IR film in stijgende homogenisering effect van het effect van het verhogen elastocaloric aantal training cycli. (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden )

Movie 2
Film 2. Mechanische belasting van een NiTiCuV lint bij een vervormingssnelheid van 1 x 10 -3 sec -1 (IR films, 1x afspeelsnelheid). De IR film toont een inhomogene temperatuurverdeling op het oppervlak SMA. (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden )


Film 3. mechanische lossen van een NiTiCuV lint bij een vervormingssnelheid van 1 x 10 -3 sec -1 (IR film; 1x afspeelsnelheid). De IR film toont een inhomogene temperatuurverdeling op het oppervlak SMA. (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden )

Movie 4
Movie 4. mechanisch laden van een NiTiCuV lint (A = 1,07 mm 2) bij een reksnelheid van 1 x 10 sec -1 -1 (IR-film, 10x langzamer afspelen tarief). De IR film toont een homogene temperatuurverdeling op de SMA oppervlak. (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden )

page = "1"> Movie 5
Movie 5. Mechanisch lossen van een NiTiCuV lint aan een stam snelheid van 1 x 10 sec -1 -1 (IR-film, 10x langzamer afspelen tarief). De IR film toont een homogene temperatuurverdeling op het SMA oppervlak. (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden )

Movie 6
Movie 6. IR film met een 40 cyclus koelproces. De contacttijd tussen NiTiCuV monster en heatsink / source is ingesteld op 6 sec. De film toont de cycli: 1, 2, 11, 12, 21, 22, 31, 32 en 40. (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden )

g "/>
Film 7. Vergelijking tussen experiment en simulatieresultaten van een Ni-Ti draad met een diameter van 0,6 mm (A = 0,2734 mm 2). De validatieproef is een trekproef bij een vervormingssnelheid van 1 x 10 -3 -1 sec. Het model kan de mechanische en thermische materiaalgedrag reproduceren en maakt een voorspelling van temperatuur fronten verschijnen bij mechanische fietsen. (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden )

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De gepresenteerde wetenschappelijke proefopstelling stelt uitgebreid onderzoek van elastocaloric materialen en koeling processen door het uitvoeren van de in de sectie protocol beschreven experimenten. Nauwkeurige uitlijning van de monster voor klemming is cruciaal voor alle experimenten. Slechte uitlijning kan mogelijk leiden tot vroege materiaal falen. Bovendien is de maximale aangebrachte spanning invloed van betekenis heeft op de levensduur materiaal, terwijl de gewenste spanning bereikt een complete faseovergang afhankelijk van de legering samenstelling. De transformatie stam van de onderzochte NiTiCuV legering (zie figuur 10) aanzienlijk lager dan de transformatie stam van de Ni-Ti-legering in figuur 9 en figuur 13. Daartoe aanvankelijke tests om de transformatie stam moeten worden uitgevoerd voor het identificeren nieuwe legeringen.

De ontwikkelingsbehoeften voor het testen platform waren de onafhankelijke controle van proces parameters en het toezicht op de thermische en mechanische gedrag van de interactie proces componenten (SMA monster, warmtebron en koellichaam) gedurende alle fasen cyclus. Daarom is het koellichaam en de warmtebron werden gemonteerd naast elkaar waardoor gelijktijdige, thermografische metingen van de SMA monster en de warmtebron / sink gedurende alle processtappen. De inhomogene temperatuurverdeling op de SMA lint, alsmede de invloed van de temperatuurontwikkeling van het koelelement en de warmtebron op de SMA gedrag (zie Figuur 10 en Film 6) tonen de noodzaak voor het onderzoeken van de thermografische proces. Het temperatuurprofiel en inhomogene warmtewisseling niet alleen invloed op de efficiëntie van het proces; het materiaal levensduur wordt ook beïnvloed door het temperatuurprofiel. Hoge temperaturen bij mechanische fietsen tot een significante toename van de functionele en structurele vermoeiing van het materiaal 12- 14 6 cycli uit te voeren. Om het temperatuurprofiel van het materiaal door middel van thermografie bepalen inleidende experimenten toonden aan dat een homogene, hoge emissiviteit coëfficiënt van het materiaal vereist. Het materiaal coating (hoge emissiviteit lak) verschaft een reproduceerbaar stralingsvermogen coëfficiënt, onafhankelijk van de samenstelling van de legering en de toegepaste oppervlaktebehandeling van de monsters. Het onderzoek van de temperatuurverdeling op een SMA lint met een lengte van 90 mm bij een resolutie van ongeveer 80 um / pixel totale monsterlengte bedekken met 1280 pixels. Dit beperkt de minimumsteekproef breedte 240 urn zodat ten minste één pixel IR altijd volledig bedekt door het monster. Kleinere monsters kunnen worden onderzocht met de IR-camera in combinatie met de microscoop lens, als de meting van het temperatuurprofielvan het volledige monster niet vereist. De microscoop lens een resolutie van 15 um / pixel en maakt onderzoek van monsters met een breedte van 45 urn.

De ontworpen wetenschappelijke testopstelling stelt verder het onderzoek van geavanceerde elastocaloric koeling cycli. Niet-adiabatische laden van de SMA in contact met het koellichaam kan tijdens het proces, waardoor de efficiëntie door vermindering van de hysteresisbreedte verhoogt de maximale SMA te verlagen. Bovendien zou een lagere maximale SMA temperaturen potentieel verhoging van het materiaal leven.

De resultaten van het wetenschappelijk testopstelling representatieve resultaten toonden aan dat het testen platform zorgt voor het onderzoek van verschillende legeringen met verschillende afmetingen en form factors. De maximale doorsnede van de monsters is beperkt tot 1,8 mm2. De beperking is gebaseerd op de maximale continue kracht van de lineaire directe aandrijving van 1200 N. De steekproef afmetingen inflbeïnvloeden het procesbesturingssysteem, terwijl de rek snelheid waarmee de monsters transformeren adiabatisch voornamelijk beïnvloed door het oppervlak doorsnede ratio. Bovendien, de contacttijd tussen de SMA en de warmtebron / sink moet worden aangepast aan de monsterafmetingen om de efficiency en / of koelvermogen te optimaliseren. Een groot oppervlak dwarsdoorsnede verhouding vermindert de cyclustijd en de tegenoverliggende verhouding leidt tot langzamere processen. De keuze van de monstergrootte, evenals de monstergeometrie definieert de werkfrequentie van een toekomstige elastocaloric koelinrichting en moet worden aangepast aan de toepassingseisen.

Het optimaliseren van elastocaloric koelproces is vereist om een ​​nieuwe milieuvriendelijke koeltechniek met een concurrerend alternatief voor de conventionele dampcompressie gebaseerde proces kan worden vastgesteld. De wetenschappelijke gemaakt testopstelling en de ontwikkeling van nieuwe legeringen zoals NiTiCu 26 en NiTiCUV zijn eerste stappen in de ontwikkeling van een efficiënte koeling apparaat. Om de beste kennis van de auteurs, deze wetenschappelijke instelling is het eerste systeem dat het onderzoek naar de elastocaloric eigenschappen van een SMA tijdens de solid-state-based koeling processen mogelijk maakt door het bewaken van de temperatuur van de SMA en de warmtebron / sink tijdens alle processtappen . Een ongecompliceerd modificatie van de warmtebron / sink en klemmen maakt het onderzoek van de geleidende warmteoverdracht van de SMA met andere vormfactoren als een rooster en pijpen. Echter, de wetenschappelijke testopstelling is ontwikkeld vanuit een wetenschappelijke point-of-view, en biedt de mogelijkheid om uitgebreide materiaal en proces onderzoeken voor proces- en materiële optimalisaties in plaats van de prestaties van high-systeem. Verdere stappen vereist om de resultaten verkregen met de wetenschappelijke testopstelling voor het ontwerp van een elastocaloric koelinrichting overdragen. In dit verband heeft de ontwikkelde thermomechanisch model steunt het ontwikkelingsproces simuleert het koelproces op het apparaat niveau.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgements

De auteurs willen graag de steun van de prioritaire programma DFG erkennen 1599 "Caloric effecten in Ferroïsche materialen: Nieuwe concepten voor koeling" (Projecten: 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats