物理

Nov 09, 2023

加えられた電気力、磁気力、または機械力に反応して冷却する材料を使用する冷凍システムは、ほとんどの家庭や工場で見られる温室効果ガスを漏らす冷凍システムに代わる、環境に優しい代替手段を提供します（特集：21世紀の冷却の熱意を参照）。 今回、研究者らは、これらのいわゆる「カロリー冷却」システムの 1 つについて、費用対効果が高く、スケーラブルなバージョンを実証しました [1]。 機械的な力に反応する材料を使用する彼らのアプローチは、磁場に依存する方法によって設定された性能記録を超えています。 研究者らは、彼らの技術は製造と運用のコストもはるかに低く、1年以内に商業利用の準備が整う可能性があると述べている。

磁気ベースの冷却システムは、1998 年に内容物を 1500 時間冷たく保つ室温に近い温度のシステムをデモンストレーションし、初期の頃から有名になりました [2]。 このシステムでは、磁場が磁気熱量材料に印加され、材料内の不対スピンが整列することで失われたエントロピーが原子の振動によって補償されるため、温度が上昇します。 磁場をオフにするとその増加は逆転し、その材料が家庭用冷蔵庫の冷却コイルで使用できる冷媒として機能することが可能になりました。 しかし、磁気熱量効果を引き起こすには強力な（> 1 テスラ）磁場が必要であり、これを提供できるのは希土類合金を含む高価な永久磁石だけです。

別のアプローチは、弾性熱量材料を使用することです。 このような材料は、材料の相を部分的に変化させるのに十分な大きさの機械的力を受けると、エントロピー誘起の温度変化を受けます。 2012年、メリーランド大学の竹内一郎氏は、市販のニッケルとチタン（NiTi）製のワイヤーを伸ばすと、そのような変化が起こり、その温度上昇は手で感じられるほど大きいことを発見した。 その後、彼は NiTi チューブを圧縮すると温度低下が発生することを発見し、2016 年にその効果を利用して初期の電気熱量冷却システムを開発しました。 「私たちは約 10 年前に、圧縮モードで NiTi チューブを使用する（低電力冷却）システムの作成を開始しました」と竹内氏は言います。

現在、メリーランド大学の竹内氏とラインハルト・レーダーマッハー氏が率いるチームは、弾性熱量冷却を温室効果ガスフリーの冷凍競争の最前線にもたらした。 2016 年のデモと新しいデモの間には、いくつかのエンジニアリング上の課題があり、流体の回収率が向上し、摩擦による熱損失が減少し、より高密度のチューブの束が得られました。 新しいデバイスでは、熱交換流体である水が、市販の NiTi チューブの 2 つの束の中を流れます。 2 つのバンドルはアクチュエータを介して接続されており、一方のバンドルがもう一方のバンドルを降ろすときに負荷が加えられ、それによって冷凍を駆動する圧縮サイクルが生成されます。 このシステムは、サイクル中にシステムを流れる水の量に応じて、2 つの異なるモードで動作できます。 1 つのモードは冷却能力を最適化し、もう 1 つのモードは温度範囲を最適化します。 チームは、2016 年の計画では 4.7 K であったシステムを 22.5 K 冷却できることを実証しました。

それでも、チームの計算では、より効率的なアクチュエータを使用することで、システム全体の効率が 6 倍向上する可能性があることが示されています。 さらに、研究者らは、NiTiを、より小さな応力下で同様の弾性熱量温度変化を示す既知の銅ベースの材料に切り替えることで効率を改善できると考えている。 このような材料は現在市販されていませんが、竹内氏は低応力冷却システムにそれらを実装することに興奮していると述べています。

竹内氏と彼のチームから得られたデータは「非常に印象的です」と、ドイツのフラウンホーファー物理測定技術研究所で熱エネルギー変換器を研究しているキリアン・バルトロメ氏は言う。 同氏は、実証済みの弾性熱量システムのほぼすべてが、冷凍装置での使用のために製造も最適化もされていないNiTiを使用していること、つまりシステムの性能を向上させる「大きな可能性」がまだあることを意味すると指摘している。 竹内氏は、彼と彼の同僚たちが、1 年以内にこの技術を商用化できるほどシステムのパフォーマンスを向上させることができると信じています。 彼が最初に思い描いた用途は、コンパクトなワインクーラーです。

–レイチェル・バーコウィッツ

Rachel Berkowitz は、カナダのバンクーバーに拠点を置く Physics Magazine の特派員編集者です。

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