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

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

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 76被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、固体状態冷却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、環境持続可能性と用途別適合性に注目している。商業化を加速し、特定用途に適した応用を可能にするために、新規の環境に優しく、低コストで高性能で、作動にかかる応力が小さいカロリック材料の開発が不可欠であると指摘している。

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

• 現在の固体状態冷却技術に用いられるカロリック材料の環境持続可能性を評価すること。
• 環境基準、コスト、性能基準を満たさない既存のカロリック材料のギャップを特定すること。
• 環境影響が低く、高いカロリック性能を示し、作動にかかる応力が小さい新規「良い材料」の開発の必要性を強調すること。
• 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）といった異なるカロリック効果が、その固有の特性と刺激要因に基づき、どのように異なる用途に適合するかを評価すること。
• 開発コストを削減し、カロリック冷却システムの商業化を加速するため、目的に沿った研究開発を促進すること。

提案手法

• 環境影響と応用可能性に基づき、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）の4つのカロリック効果を比較分析すること。
• カロリック性能、環境への優しさ、コスト、および作動に要する応力（例：磁場、電場、圧力、機械的応力）といった材料特性を評価すること。
• 磁場、電場、圧力、機械的応力といった異なる刺激が、特定の冷却用途における適合性にどのように影響するかを分析すること。
• エントロピー変化、冷媒能力、作動条件下での材料安定性といった、重要な性能指標を特定すること。
• 応用用途に応じた要件と環境制約を踏まえ、最適なカロリック材料の選定フレームワークを提言するため、知見を統合すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の固体状態冷却用途において、どのカロリック効果と材料が環境持続可能性基準を満たしているか？
• RQ2 カロリック材料の固有の特性（例：カロリック性能、必要な刺激）が、特定用途への適合性にどのように影響するか？
• RQ3 広く研究されているカロリック材料が、環境影響と実用的導入の観点で直面する主な制限要因は何か？
• RQ4 新規「良い材料」の開発が、カロリック冷却技術の開発コストを低減し、商業化をどのように加速できるか？
• RQ5 用途別設計原則を応用することで、カロリック冷却システムの効率性と実現可能性をどのように向上できるか？

主な発見

• 多くの広く研究されているカロリック材料は、高いカロリック性能を示すが、環境への優しさという観点では基準を満たしていない。
• 環境持続可能性、低コスト、高いカロリック性能、低い作動応力の4つを併せ持つ新規カロリック材料の開発が、極めて重要である。
• 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）といった異なるカロリック効果は、刺激の種別と材料の固有特性の違いから、用途に応じて独自の利点を示す。
• カロリック材料の用途別適合化は、現在のところ十分に検討されておらず、性能向上と実現可能性の向上の可能性を秘めている。
• 特定用途に焦点を当てた研究開発により、開発コストを著しく削減し、カロリック冷却技術の商業化を大幅に加速できる。