感温係数、感温効果、感温クーラー

電熱効果とは？

電熱効果とは、印加された電界によって物質の温度が変化する現象である。外部電界の作用により分極状態が変化し、熱を吸収または放出することで熱活性を示します。電熱効果は、熱勾配や磁場による温度変化を意味する熱電効果や熱泳動効果を含む、よく知られた熱熱効果と関連しているが、異なるものである。しかし、電気熱量効果は、電界による温度操作に直接関係するものである。

強い電気熱量効果を持つ材料では、印加される電界の方向によって、印加される電界の変化が材料の温度を上げたり下げたりする。この効果の程度は、電界の単位変化あたりの温度変化を表す感温係数によって表される。

電気泳動係数

感温係数は、材料における感温効果の大きさを表す量であり、単位印加電界（Δ E）あたりの材料の温度変化（Δ T）として定義される：

感温係数 = ΔT/ΔE

また、研究や実験に参加する人数を知っておくのもよいでしょう。

感温係数が高いほど、電界印加によって材料に生じる温度変化が大きくなります。このような材料は冷却用途でより効果的に機能するため、通常、係数はケルビン毎ボルトなどの単位で表されます。

高い電気熱量係数を示す材料は、従来の冷却システムの冷媒やコンプレッサーに取って代わる可能性のある技術のひとつである固体冷却装置で利用される可能性があるため、大きな関心を集めている。エネルギー効率の高い冷却のために特に期待されているのは、健康に有害なガスや化学冷却剤を使用せずにエネルギー効率の高い冷却を実現できる、電気熱量効果である。

電熱効果と材料

強誘電体や反強誘電体など、電界印加によって分極を変化させることのできる強誘電体や反強誘電体を含むが、これらに限定されないさまざまな材料で、エレクトロカロイック効果が観察されている。このような材料は、電界にさらされると、その内部構造や双極子配向を変化させ、温度上昇を引き起こす。

エレクトロカロリック効果を示す材料として知られているものには、以下のようなものがある：

- チタン酸ジルコン酸鉛：チタン酸ジルコン酸鉛：PZTは広く研究されている強誘電体材料であり、顕著な電気泳動反応を示し、実験室での冷却用途でテストされている。

- ポリフッ化ビニリデン(PVDF)は、圧電および電気泳動特性を有する高分子材料であり、フレキシブル電気泳動デバイスへの応用も提案されている。

- チタン酸バリウム（BaTiO₃）：この伝統的な強誘電体材料は、大きな分極応答を持っており、それゆえ、電気泳動冷却に有望である。

- タンタル酸ストロンチウムビスマス：タンタル酸ストロンチウムビスマス: 電気抵抗係数が非常に高く、効率的な冷却の開発に最も有望な材料のひとつと考えられている。

これらの材料は、その電気泳動特性について広く研究されているが、性能、安定性、エネルギー効率を向上させるため、新しい化合物や複合材料が継続的に研究されている。

電気熱量式クーラー：固体冷却の未来

電熱クーラーは、環境または物体を冷却するために電熱効果を利用するデバイスの一種です。従来のほとんどの冷凍システムが、機械的なコンプレッサーを使用した気体の圧縮と膨張を含む原理に基づいて機能するのに対し、電熱式クーラーは電界の印加と除去によって冷却を生み出します。冷媒を使用せずに物質を冷却できるため、電子機器や医療機器から持続可能なエネルギーシステムまで、幅広い可能性が広がります。

電気冷却装置の動作原理

感熱式クーラーの基本的な構成要素は、通常、特に強い感熱効果を持つ材料です。一般的な動作原理は以下の通りです：

1.電界の印加：電界の印加：感熱材料に電界を印加すると、その分極が変化し、熱の放出または吸収が起こり、その結果、印加された電界の方向によって温度が変化する。

2.熱交換：次に、冷却すべき物体または空間を感熱材料と熱接触させる。電界が印加されると、対象物から熱を吸収し、その熱を周囲に放出する。

3.3.材料は、電界を反転させることにより、元の温度に戻され、連続冷却のサイクルが完了します。

電熱冷却器の用途

電熱冷却器は、コンパクトで効率的、かつエコロジカルな冷却を可能にするため、多くの分野で応用が期待されています。可能性のある用途としては、以下のようなものがあります：

- 電子機器の冷却より高性能でありながら小型の電子機器に対するニーズが高まっている。この点で、効果的な冷却ソリューションが必要となる。エレクトロカロリック・クーラーは、かさばる冷凍ユニットやファンを使わずに、電子回路に直接組み込むことができるソリッド・ステート・ソリューションを提供します。

- 医療機器極低温用途の医療機器、医薬品の保管、手術用機器には精密な温度制御が必要です。そこで、従来の冷却方法に代わるコンパクトで効率的な方法を提供できるのが、電気冷却式クーラーです。

- ポータブル冷凍：電気冷却装置は、キャンプや旅行用のクーラーなど、化学冷媒に依存しないポータブル冷凍アプリケーションに使用できます。

- 持続可能なエネルギーシステム：電熱冷却装置は、太陽光発電システムや蓄電システムでエネルギー効率の高い冷却を提供し、最適な温度条件を維持することで、バッテリーなどの蓄電デバイスの高性能を維持することができます。

感温効果と持続可能性

環境に優しい冷却方法である電気熱効果は、持続可能な冷却に大きく貢献することができる。標準的な冷却方法のほとんどは、フロンやHFCのような有害な化学冷媒をベースにしており、オゾン層の破壊や地球温暖化など、生態系にとっていくつかのデメリットがある。これに対し、電熱式クーラーはこのような化学冷媒に依存せずに作動するため、環境に優しくエネルギー効率の高い代替手段を提供する。

もうひとつの重要な帰結は、電熱材料が従来のシステムよりもエネルギー効率が高い可能性があるということだ。このプロセスにはコンプレッサーなどの機械部品が使用されないため、電気熱量効果を利用したシステムは非常に低いエネルギー消費で作動する可能性があり、その結果、工業用および商業用の冷却による二酸化炭素排出量を削減することができる。

結論

電気熱量効果は、従来の冷凍に代わる、よりエネルギー効率が高く、環境に優しく、コンパクトな代替手段を提供することで、冷却技術に革命をもたらす可能性がある。新素材の発見と電気熱量式クーラーの改良に向けた研究が進めば、この技術は家電製品から医療機器、持続可能なエネルギーシステムまで、あらゆる分野で重要な役割を果たすようになるだろう。持続可能でエネルギー効率の高い未来に向けた大きな一歩が踏み出された。詳しくはスタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。

よくある質問

1.感熱効果とは何ですか？

電場の印加に対する材料の温度変化のことです。その結果、このプロセスは、従来の冷媒や機械部品を使用しない冷却用途に使用することができます。

2.感温係数はどのように測定するのですか？

電熱係数は、材料に電界をかけ、その結果生じる温度変化を記録することで測定できます。従来はケルビン毎ボルト（K/V）の単位で表され、単位電界変化に対する温度変化を反映しています。

3.電熱効果を持つ材料にはどのようなものがありますか？

チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸バリウム(BaTiO₃)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)のような材料は、優れた電気抵抗特性を持つため、通常、研究が進められています。

4.従来の冷凍機と比較して、どのような利点がありますか？

エネルギー効率が高く、有害な化学冷媒を使用せず、可動部がないためコンパクトで信頼性が高い。また、電子機器やその他のコンパクトなシステムへの統合も容易です。

5.電気冷却器は市販されていますか？

まだ研究開発段階ですが、電子機器や医療機器を中心に、特定の用途のために活発に開発が進められています。材料や技術の改良が進めば、用途はさらに広がるでしょう。