[論文レビュー] Comparison of caloric effects in view of application

Zhongjian Xie, Gaël Sebald+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2016

Ferroelectric and Piezoelectric Materials参考文献 87被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、固体状冷却応用における磁気カロリック（MC）、電気カロリック（EC）、圧力カロリック（BC）、弾性カロリック（eC）効果を比較し、環境持続可能性と実用性に注目している。『良い』カロリック材料（環境に優しく、低コスト、高性能で、低応力が必要）の必要性を明らかにし、異なるカロリック効果はそれぞれ特徴的な刺激と固有の物性を持つため、応用状況に応じて適していると強調している。これにより、研究の的を絞った進展が、商業化を加速する。

ABSTRACT

In the framework of solid-state cooling technology, four kinds of caloric effects, magnetocaloric (MC), electrocaloric (EC), barocaloric (BC) and elastocaloric (eC) effects, are compared in view of environment discussion and application fields. This field is primarily developed in the intention of protecting the environment. However, some widely researched caloric materials do not meet environmental friendly criteria. Currently, new caloric materials (called "good" material) possessing the properties of friendly environment, low cost, high caloric performance and practicability (low stress) need to be found. In view of application, all current caloric effects/materials are investigated for the common objective of cooling. However, the adapted application cases for different caloric effects/materials are not considered. Due to the different stimuli and different intrinsic properties (different caloric performance for different dimensions) of caloric materials, they can exhibit unique advantage to different application cases. "Good" caloric material used for large-scale application is still less and deserve more search. Purposeful research will save the cost and accelerate the commercialization.

研究の動機と目的

• 磁気カロリック、電気カロリック、圧力カロリック、弾性カロリック効果が実世界の冷却応用に適しているかどうかを評価すること。
• 現在研究されているカロリック材料の環境的および実用的制限要因を特定すること。
• 『良い』カロリック材料の基準を定義すること：環境への配慮、低コスト、高カロリック性能、低作動応力。
• 将来的な研究を、応用に特化した材料開発に向けて導くことにより、商業化を加速すること。
• 異なるカロリック効果は、それぞれの刺激と固有の物性の違いから、異なる応用ケースに適していることを強調すること。

提案手法

• 磁場、電場、圧力、機械的応力といった刺激に基づき、磁気カロリック、電気カロリック、圧力カロリック、弾性カロリックの4つのカロリック効果を体系的に比較すること。
• エントロピー変化や冷媒能力といった材料性能指標を、さまざまな次元で評価すること。
• 各カロリック効果における環境影響、コスト、機械的応力要件を評価すること。
• 物性の内因的特徴と、それらがさまざまな次元（例：0次元、1次元、2次元、3次元）におけるカロリック性能に与える影響を分析すること。
• 刺激の種別と材料応答特性に基づいた、応用に特化した利点を特定すること。
• 既存の実験的および理論的データを用いて、4つのカロリック効果間での性能と実現可能性を比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模冷却応用において、性能、環境影響、実用性のバランスが最も優れているのは、MC、EC、BC、eCのうちどれか？
• RQ2 環境持続可能性、コスト、カロリック性能、作動に要する応力の観点から、『良い』カロリック材料とは何か？
• RQ3 カロリック材料の内因的物性は、さまざまな次元でどのように変化し、それが特定の応用への適合性にどのように影響するか？
• RQ4 現在広く研究されているカロリック材料が、なぜ環境に優しい基準を満たしていないのか。そして、代替材料として何が必要か？
• RQ5 応用に特化した材料設計は、固体状冷却技術の商業化をどのように加速できるか？

主な発見

• 磁気カロリック、電気カロリック、圧力カロリック、弾性カロリック効果は、刺激の種別と材料応答の違いから、応用状況に応じてそれぞれ独自の利点を示す。
• 広く研究されている多くのカロリック材料は、環境に優しい基準を満たしていないため、低環境影響を有する『良い』材料の探索が不可欠である。
• 自然ゴムなどの弾性カロリック材料は、低作動応力と高いカロリック性能を兼ね備えているため、特定の応用に有望である。
• カロリック材料の性能は次元性に大きく依存し、冷却システム設計の適合性に影響を与える。
• 研究コストの削減と固体状冷却技術の商業化を加速するためには、応用に特化した材料開発が不可欠である。
• 自然ゴム（NR）は、低コスト、環境への配慮、高い性能という良好な組み合わせを備えているため、弾性カロリック応用の有力候補とされている。