[論文レビュー] Temperature-dependent transformation thermotics: From switchable thermal cloaks to macroscopic thermal diodes

Ying Li, Xiangying Shen+5 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2015

Thermal Radiation and Cooling Technologies被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、温度に応じて熱伝導率が変化する材料を用いて、巨視的熱制御を可能にする理論的枠組み「温度依存型変換熱力学」を提案する。温度誘発の構造的転移を利用し、形状記憶合金を用いて巨視的熱ダイオードを実験的に実現し、一方向にのみ熱を伝導する特性を示し、整流比は最大30に達した。

ABSTRACT

The macroscopic control of ubiquitous heat flow remains poorly explored due to the lack of a fundamental theoretical method. Here, by establishing temperature-dependent transformation thermotics for treating materials whose conductivity depends on temperature, we show analytical and simulation evidence for switchable thermal cloaking and a macroscopic thermal diode based on the cloaking. The latter allows heat flow in one direction but prohibits the flow in the opposite direction, which is also confirmed by our experiments. Our results suggest that the temperature-dependent transformation thermotics could be a fundamental theoretical method for achieving macroscopic heat rectification, and provide guidance both for macroscopic control of heat flow and for the design of the counterparts of switchable thermal cloaks or macroscopic thermal diodes in other fields like seismology, acoustics, electromagnetics, or matter waves.

研究の動機と目的

• 巨視的熱流動制御のための根本的理論的手法の欠如、特に非線形で温度依存性を持つ材料に対して解決を図ること。
• 従来、線形かつ温度に依存しない材料に限られていた変換熱力学を、温度に応じて熱伝導率が変化する材料へと拡張すること。
• 高温と低温で異なる機能を示す切り替え可能な熱クローキングの設計と実験的検証。
• 構造的スイッチングを用いて、均質かつ等方的材料のみで構成される巨視的熱ダイオードを実現し、一方向への熱伝導を実現すること。
• 音響、電磁気学、地震学などの他の波動現象へ一般化可能な枠組みを提供すること。

提案手法

• 温度依存性熱伝導率を含む座標変換法の一般化により、温度依存型変換熱力学の枠組みを構築し、修正された形不変熱伝導方程式を導出。
• 温度依存性を持つ内半径を有する径方向座標変換を提案し、スイッチング可能なクローキングを実現：高温時ではタイプAクローキング、低温時ではタイプBクローキング。
• 非対称なタイプAおよびタイプBクローキングを二層構造に組み合わせ、クローキング機能のスイッチングに基づく非対称な熱流動を実現する熱ダイオードを設計。
• 有効媒質理論（EMT）を用い、銅と発泡ポリスチレン（EPS）の積層複合材料を用いてデバイスを実現。形状記憶合金（SMA）アクチュエータが臨界温度で構造的転移を誘発。
• 有限要素解析を用いて、さまざまな温度バイアス下での熱クローキングおよびダイオード効果の妥当性を検証。
• SMA駆動による層構造再配置を用いた物理的実験により、中心部の絶縁状態と導電状態の間での遷移を実証。これによりダイオード特性が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 変換熱力学は、温度依存性熱伝導率を有する材料に対しても拡張可能か？
• RQ2 温度に応じて自動的に機能が変化するスイッチング可能な熱クローキングを設計可能か？
• RQ3 このようなスイッチング可能なクローキングを用いて、強い整流特性を示す巨視的熱ダイオードを構築可能か？
• RQ4 一定熱伝導率を有する材料のみを用いて、一方向への熱伝導を示す熱ダイオードを実験的に実現可能か？
• RQ5 この枠組みは、音響学や電磁気学などの他の波動系へ一般化可能か？

主な発見

• 提案された温度依存型変換熱力学は、古典的変換熱力学を非線形かつ温度依存性材料へと一般化し、新たな設計可能性を実現した。
• シミュレーションによりスイッチング可能な熱クローキングが実証された。高温時（タイプA）では機能し、低温時（タイプB）では機能を失い、温度誘発の透明化を実現した。
• 巨視的熱ダイオード設計は、与えられたパrameterセット下で最大30の熱整流比を達成し、シミュレーションおよび実験の両方で確認された。
• 実験結果から、SMAが収縮している絶縁状態では中心部に一定温度が維持され、SMAが拡張している導電状態では明確な温度勾配が観察された。これにより一方向熱伝導が確認された。
• SMA駆動による構造的転移を用いて、均質かつ等方的材料（銅とEPS）のみで構成されたダイオードが実現され、内在的な温度依存性材料を必要としなかった。
• デバイスは明確な非対称性を示した：SMAが拡張している（導電状態）と左から右への熱の流れが容易に、収縮している（絶縁状態）と熱が遮断される。これによりダイオード機能が妥当性を確認された。