新しい弾性熱量冷却システムは商業利用の可能性を示す

金属管の束の張力が解放されるときに熱を吸収する弾性熱冷却システムが、米国と中国の研究者チームによって開発された。 メリーランド大学の竹内一郎氏が率いるこのチームの計画は、他のカロリー物質と同等の冷却性能を達成し、そう遠くない将来に商業利用への道を開く可能性がある。

従来の冷凍システムでは通常、大気中に放出されると強力な温室効果をもたらすガスが使用されています。 その結果、研究者はカロリー物質に基づいた代替固体冷凍技術を開発しています。 これらの材料は、外部の磁場や電場にさらされると、あるいは機械的応力や圧力に反応して温度変化を受けます。 有害な化学物質を避けるだけでなく、カロリー物質をベースにした冷却システムは、既存の冷蔵庫よりもエネルギー効率が高い可能性があります。

これまでのところ、この研究は主に磁気熱量材料に焦点を当ててきましたが、最近では弾性熱量材料が商業用熱量冷却のさらに有望な候補として浮上しています。 これらの材料の中には、弾性が高く、製造が容易な合金ニッケルチタン (NiTi) があります。

竹内氏のチームが10年以上前に初めて示したように、この合金の細いワイヤーは張力がかかると大量の熱を放出し、張力が解放されると熱を吸収することができる。 「約 12 年前、NiTi が大きな温度範囲を表示できることを実験的に発見しました。それは手で感じることができます」と竹内氏は思い出します。 「当時、私たちはすぐに入手できるNiTiワイヤーに張力を加えることでこれを実証しました。 これが私たちが弾性熱量デバイスの作成を始めた方法です。」

その後、研究者らは商業的に有用な冷却アプリケーションの開発に取り組み始めました。 しかし、弾性熱量冷却を大規模に実装することは、重大な技術的課題であることが判明しました。 主な問題は、張力と解放の繰り返しにより NiTi ワイヤが損傷し、実際の寿命が制限されることです。

この課題に対処するために、竹内氏のチームは、NiTi チューブの束を通して水をポンプで送り込む新しい熱交換システムを開発しました。 「エンジニアリング上のさまざまな課題を克服するには長い時間がかかりましたが、最近のデモンストレーションでは、10 年前に思い描いていたものをデモンストレーションすることができました。 私たちは水を熱交換流体として使用しており、水を冷やして冷凍や空調に使用することができます」と竹内氏は説明します。

チームは、アプローチの成功を評価するために 2 つの数値を使用しました。 1 つ目は「供給冷却能力」で、熱除去率を表します。 2 つ目は「温度スパン」で、システムの両端の水の温度差を表します。 「これら 2 つの重要な数値について、それぞれ 260 W と 22.5 K を達成することができました」と竹内氏は言います。 研究者らは、熱交換システムのバルブの動作シーケンスを調整するだけで、これらの各値を順番に最大化しました。

これらの最新の結果は、弾性熱量材料が磁気熱量材料の冷却性能にどのように追いついているかを示す一例であり、すぐに商用冷却システムの実現可能な候補となる可能性があります。

電界誘起ひずみによってソリッドステート冷却が実現

しかし、竹内氏は、弾性熱量材料の実用化には、より先進的な材料の開発が必要となる可能性が高く、実用化にはまだ時間がかかる可能性があることを認めている。 「NiTi に必要な高い応力は依然として問題ですが、はるかに小さな応力で弾性熱量効果を示すことが知られている他の超弾性材料などの材料が登場予定です」と彼は言います。

「これらの材料は開発が遅れており、まだ市販されていませんが、これらの材料をさらに開発し、低応力冷却システムに実装することは、非常にエキサイティングな見通しであると私たちは信じています。」 竹内氏のチームはすでにコンパクトな弾性熱量ワインクーラーの計画を立てており、これらの材料が入手でき次第、成功したプロトタイプを実証したいと考えている。