中国の研究者は、電場を使用して複合材料に歪みを加えると、大きな可逆的な熱量効果が誘発されることを示しました。 磁場なしでカロリー効果を高めるこの新しい方法は、固体冷却の新しい道を切り開き、よりエネルギー効率が高く軽量な冷蔵庫につながる可能性があります。
国際冷凍協会は、次のように推定しています。 視聴者の３８%が 世界中で使用されている全電力の XNUMX つは、従来の冷蔵庫やエアコンで使用されている技術である蒸気圧縮冷凍に費やされています。 さらに、これらのシステムで使用される冷媒は強力な温室効果ガスです。 地球温暖化に大きく貢献. その結果、科学者はより環境に優しい冷凍システムを開発しようとしています。
冷却システムも完全なソリッドステート システムから作成できますが、現在のところ、ほとんどの主流アプリケーションで蒸気圧縮と競合することはできません。 今日、ほとんどの市販のソリッドステート冷却システムはペルチェ効果を使用していますが、これは高コストと低効率に悩まされている熱電プロセスです。
外部フィールド
カロリー材料に基づくソリッドステート冷却システムは、高い冷凍効率と温室効果ガス排出ゼロの両方を提供し、蒸気圧縮技術に取って代わる有望な候補として浮上しています。 これらのシステムは、冷媒として固体材料を使用しており、外部場 (電気、磁気、歪み、または圧力) を受けると、熱量効果と呼ばれる温度変化が発生します。
これまでのところ、固体熱冷却システムに関するほとんどの研究は、磁気冷媒に焦点を当ててきました。 しかし、実用的な冷媒は、室温付近でかなりの熱量効果を示さなければならず、そのような材料は一般的に見つけるのが困難です。 可能性のある材料の XNUMX つは Mn です3SnC は、2 T を超える磁場にさらされると、大きな熱量効果を示します。しかし、このような高磁場を使用するには、高価でかさばる磁石を使用する必要があり、実用的ではありません。
今、 ペン・ウー 上海工科大学、上海マイクロシステム情報技術研究所、中国科学院大学、北京交通大学の同僚らは、Mn3チタン酸ジルコン酸鉛 (PZT) の圧電層を含む SnC 層。
磁石の廃止
で説明されている一連の実験では、 アクタマテリアリア, チームは、磁場を必要とせずに可逆的なカロリー効果を観察しました。 達成された断熱温度変化は、Mn で測定された約 XNUMX 倍でした。33 T 磁場の存在下での SnC。
熱量効果は、逆圧電効果を介して PZT に歪みを誘発する材料に電界を印加することによって観察されました。 ひずみは PZT 層から Mn 層に伝達されます。3Mnの磁気秩序の変化をもたらすSnC層3SnC。 これにより、材料の温度が最大 0.57 K 低下します。 電場が取り除かれると、温度は同じ値だけ上昇します。
ウーは言う 物理学の世界 このアイデアは、作動に圧電材料を使用することが多い微小電気機械システム (MEMS) から得たものです。 ウー氏によると、電場を介した歪みを使用することで、高価で大型の磁石が不要になり、より効率的で持続可能な冷凍システムを構築できる可能性があります。
挑戦的な測定
カロリー効果は、温度の断熱変化または等温エントロピー変化のいずれかを推定することによって測定されます。 産業と研究の両方で、温度変化が好ましい方法です。 これは純粋なバルク材料の単純な実験ですが、電界にさらされるデバイスベースの複合材料に対して行うことは非常に困難です。
「巨大な弾性熱量効果」はより良い冷蔵庫につながる可能性がある
測定を行うために、Wu と同僚は、Mn に取り付けられた熱電対プローブを備えたシステムを使用しました。3磁場と温度が正確に制御された断熱環境のSnC表面。
測定システムの精度を評価するために、研究者は 275 ～ 290 K の温度範囲でいくつかの磁気熱量効果測定を実行しました。0.03 K までの温度変化を監視できたため、システムの高分解能温度容量が検証されました。
Wu 氏は、PZT に電圧を印加しながら断熱温度測定を行うという課題を考えると、チームの研究は温度変化を直接測定するブレークスルーであると考えています。 彼は、「温度測定のこのアプローチは、他の熱電子デバイスに役立つ可能性があります」と付け加えています。 しかし、Wu は次のように強調しています。 熱損失を引き起こす可能性があるため、熱測定にはさらなる改善が必要です。」
興味深く、説明のつかない
チームはまた、温度測定中にいくつかの非常に興味深い予期しない現象を観察しました。 「正または負の電界を印加しても、Mn の表面温度は3SnC は常に減少します」とウーは言います。 研究者はまた、複合材料に磁場をかけると、Mn の表面温度が3SnC は上昇しますが、電界を印加すると逆になり、温度が低下します。 Wu 氏は、チームはこれらの観察結果をまだ理解していないと述べています。
研究者は現在、Mn の対照的な挙動の背後にある基礎となる物理学を研究することを目指しています。3磁場および電場下のSnC/PZT。 温度測定システムをさらに改善するために、彼らは熱損失の問題も解決しようとしています。
