エネルギー
さようなら、冷媒！固体冷却に関する新たな洞察が、電子機器の熱要件へのアプローチを覆す可能性
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冷媒は、現代の技術世界を定義する最も重要な要素の一つです。冷媒のおかげで、食品を保存したり、別の場所へ輸送したり、腐りやすいものを長期間にわたって消費できるようにすることが可能になっています。
冷媒製品の市場は成長しており、今後も拡大し続けると市場予測は示しています。入手可能なデータによると、世界の冷媒製品の総価値は2022年に200億5千万米ドルで、2030年までに367億7千万米ドルにまで増加し、8年間で1.8倍以上になる可能性があります。
しかし、冷媒市場の成長は業界が停滞していることを示すものではありません。実際、売上の増加と市場拡大はイノベーションを妨げるものではなく、むしろこの成長は新技術や新アプローチの開発を促進します。米エネルギー省オークリッジ国立研究所が主導した最近の研究は、固体冷却の実現に役立つ新たな科学的理解をもたらしました。
次のセクションでは、この現象をより深く理解するために掘り下げていきます。
固体冷却の変革的パラダイム
研究チームの主な成果は、原子スケールの熱運動に関する科学の知識ギャップを埋めたことです。より実用的なレベルでは、研究の成功は材料とデバイスに対する深い理解に基づいています。
この場合の材料は、ニッケル・コバルト・マンガン・インジウム磁性形状記憶合金で、温度を上げるか磁場を加えることで相変態させ、変形後に元の形状に戻すことができます。
一方、デバイスは原子スケールで材料を検査できる一連の中性子散乱装置で構成されています。
材料が固体冷却の最適候補として浮上した経緯
実験により、ニッケル・コバルト・マンガン・インジウム磁性形状記憶合金は、温度上昇または磁場の適用によって相変態させることができることが示されました。
磁場にさらされると、材料は構造的かつ磁気的な相変態を起こし、簡単に言えば熱を吸収・放出します。この効果は固体冷却現象の核心であり、言い換えれば固体冷却はこの効果を利用して冷却を実現します。
この冷却メカニズムでは、材料はフェロイック・ガラス状態と呼ばれる状態を取得し、熱の蓄積と放出能力が向上します。
実験の背後にある科学を詳述する中で、ORNLの中性子・X線散乱グループの上級研究員であるマイケル・マンレーは次のように述べました。
“中性子散乱は、系の無秩序により形成される局所的なマグノン‑フォノンハイブリッドモードに含まれる熱によって、磁性形状記憶合金の冷却能力が3倍になることを示しています。この発見は、社会的ニーズに応える固体冷却用のより優れた材料を作る道筋を示しています。”
放射冷却が気候変動対策にどのように役立つかを知るには、ここをクリックしてください。
マグノン‑フォノンハイブリッドモード
マグノンとフォノンはそれぞれスピン波と振動とも呼ばれます。これらは材料中で対になり、原子の無秩序な配列に分布する小領域で同期したダンスのように存在します。マグノン‑フォノンハイブリッドモードの領域的な挙動パターンは、材料の熱特性に重要な影響を与えます。
これらのハイブリッドモードとその動きの意味を説明しながら、マンレーはさらに次のように述べました。
“長距離および短距離の相互作用は局所的な振動とスピン波として現れ、つまり小領域に閉じ込められます。これは、これらの追加の局所振動状態が熱を蓄えるため重要です。磁場を変化させると、熱が放出される別の相変態が引き起こされます。”
総じて、実験は磁性形状記憶合金の機能を適切に制御すれば、熱スポンジとなり、従来の冷媒や機械部品を必要とせずに効率的な固体冷却を実現できることを示し、固体冷却研究の新たなフロンティアを切り開きました。
この研究は確かに画期的ですが、固体冷却が最近の現象ではないことを常に念頭に置く必要があります。理論的には、フランスの物理学者ジャン・シャルル・アタナーズ・ペルティエがペルティエ効果を発見した1834年からこの現象は存在しています。
次のセクションでは、ペルティエ効果とそれを利用した熱電クーラーの現象を簡単に見ていきます。
固体冷却と熱電クーラーの起源
科学的には、ペルティエ効果は「一定温度に保たれ、電流が流れる導体が熱電流を生成する現象。この熱電流は電流によって生じた熱を運び去るのに役立つ」と定義されています。
言い換えれば、ペルティエ効果は、二つの材料を接続する接合部を通る電流が、接合部で熱を放出または吸収し、二材料の化学ポテンシャルの差を均衡させる現象です。
ペルティエ効果は、ペルティエクーラーとして知られる電子冷蔵庫の構築に役立ちます。ペルティエデバイスは熱電クーラーとも呼ばれ、ビスマス・テルルイドで構成された半導体材料のアレイを直列に接続し、二つのセラミック板の間に挟んだ構造になっています。
直流電流を熱電クーラー（TEC）に流すと、半導体材料中の電子は熱側から冷側へ移動し、熱を運び、装置の一側が冷却され、もう一側が加熱されます。
科学界が依然として固体冷却の現象について議論し、探求に関心を持ち続けている理由は、多くの利点と実生活への応用があるからです。これらの利点と応用については、今後のセクションで詳しく見ていきます。
固体冷却の多くの利点と応用
固体冷却は、電力を冷却エネルギーに変換する割合が高いため、従来の冷凍システムよりもエネルギー効率が高くなる可能性があります。
また、太陽光パネルを含む再生可能エネルギー源との統合性も高く、低炭素フットプリントであるだけでなく、オゾン層破壊にも寄与せず、したがって冷媒や他の液体ベースの冷却技術よりも環境に優しいです。
固体冷却は信頼性と耐久性の面でも高得点です。可動部品や循環流体がないため、機械的故障が少なく、メンテナンスも少なくて済みます。多くの家庭用機器が固体冷却技術を活用できます。
具体的な例としては、冷蔵庫、エアコン、ワインクーラーなどがあります。電気自動車やハイブリッド車でバッテリーやその他部品を冷却するために固体冷却を利用する議論が高まっており、性能向上や航続距離の延長に寄与する可能性があります。
固体冷却メカニズムは、現代車両の代替キャビン冷却システムとしても適していると考えられています。ある科学的研究では、固体冷却を利用した自動車用エアコンシステムの実現可能性が検討されました。その結果、小型で柔軟な熱電（TE）冷却デバイスを適用することで、効率的な自動車エアコンシステムの可能性が広がることが示されました。
この研究では、キャビン内に均一な気流を提供し、人間の快適性を向上させるために構築された局所的な熱電冷却の速度と温度プロファイルも調査されました。この配置を従来の冷凍システムと比較したところ、人間の快適性に関してほぼ9％の改善が得られました。
固体冷却の多くの利点と応用は、企業が固体冷却技術や手法への研究とリソース投資を促しています。
以下のセクションでは、そうした企業とそれぞれの具体的なソリューションについて議論します。
#1. CUI Devices
CUI Devicesは、さまざまなペルティエデバイスで知られています。単段ペルティエモジュール、マルチステージペルティエモジュール、ペルティエ冷却ユニットのポートフォリオを提供しています。
例えば、CPM-2F 6.0アンペアのペルティエ冷却ユニットは、防水性と熱応力吸収のために強化されたシール構造を備えています。簡単に取り付けられ、高密度・高出力の産業用途や冷凍のニーズに理想的に対応します。
同社はさらに、CPM-2C と CPM-2H の2つのバリエーションを持ち、それぞれ7アンペアと8.5アンペアのスケールで最適なサービスを提供しています。
この分野におけるCUI Devicesの全体的な製品ラインナップを見ると、単段およびマルチステージのペルティエモジュールとペルティエ冷却ユニットがあり、サイズは3.4〜70 mm、プロファイルは最小1.95 mm、電流定格は0.7〜20 A、温度差は70〜105°Cです。同社は製品の信頼性向上、優れた性能、サイクル寿命の延長を誇っています。
CUI Devicesは米国オレゴン州トゥアラティンに本社を置く電子部品メーカーで、インターコネクト、オーディオ、熱管理、モーション、センサーソリューションを提供しています。2023年10月、同社の熱管理部門は、潜在的なホットスポットの特定、エアフローの最適化、顧客の特定ニーズに合わせた効果的な冷却システム設計を行う熱設計サービスを開始しました。
#2. Coherent Corp
Coherent Corp (COHR ) の冷却システムは、標準およびカスタマイズされたフォーマットを含む幅広い産業・通信ソリューションを提供し、すべて効率的なTECデバイスをベースにした共通の「Core」を中心に構築されています。TECデバイスに加えて、このコアはヒート/コールドシンク、サーミスタ/RTD、配線ハーネスも統合しています。
Coherentの最もよく知られた固体冷却技術製品の一つに、Climatherm（CTA）空気対空冷却システムがあります。同社の固体TEC冷却技術に基づき、このソリューションは軽量でコンパクトなパッケージで最大250Wの冷却能力を提供し、顧客の電子機器を過酷な環境から保護します。
この製品のクーラーはRoHS EU準拠のコンパクトで軽量な設計で、高効率な熱伝達を実現します。典型的な用途は、電子エンクロージャの冷却、食品・飲料の保存、バッテリーキャビネットの冷却、実験機器などです。
COHR 価格チャート
最新の財務記録によると、同社は2023年6月30日で終了した会計年度の年間売上高が5.16億米ドルであることを記録しました。これは、前年度の2022年6月30日で終了した会計年度の3.317億米ドルから大幅に増加しています。
固体冷却の未来
控えめに言っても、固体冷却の未来は疑いなく有望です。世界中の科学界と商業技術コミュニティは、これが地球温暖化や気候変動の課題に正面から取り組む可能性があることを認識しています。
経験豊富で確立された企業に加えて、Phononicのような革新的な企業が登場しています。彼らの固体冷却、冷凍、HVACイノベーションは、自然に存在するCO2と混合した水だけを使用し、GWPがわずか1で業界で最も低いGWP評価を実現しています。ここでGWPは地球温暖化係数（Global Warming Potential）を指します。
Phononicは、同社の固体設計が温室効果ガス排出削減の新たなエキサイティングな方法となり、国連の気候目標を支援し、市場の厳しい性能要求に応える可能性があると考えています。
しかし、将来的に電子機器の熱需要に効率的に対応するためには、固体冷却が克服すべき課題があります。まず、熱電材料のコストが従来の冷却システムに比べて著しく高くなる可能性があるため、手頃な価格にする必要があります。研究者は代替材料やよりコスト効果の高い製造プロセスの探索に、より積極的かつ迅速に取り組む必要があります。
固体冷却を核にした生産規模の拡大も、熱電材料が特定の用途で従来の蒸気圧縮システムに遅れを取っているため、効率性の課題に直面します。科学者は熱電材料の効率を向上させる方法を見つけるため、より徹底的なテストを実施しなければなりません。
最後に、固体冷却システムは熱電クーラーの熱側で発生する熱を効率的に放散できるよう、熱管理プロファイルを改善する必要があります。これはシステムの最適な性能を維持するために重要です。
世界的に、研究者は固体冷却の利点を認識しており、新素材や性能向上技術の研究を進めています。近い将来、産業および商業のユースケースで固体冷却の採用がさらに拡大することが期待されます。
