[論文レビュー] Thermal-null medium (TNM) : a novel material to achieve feasible thermodynamics devices beyond conventional challenges

Hooman Barati Sedeh, Mohammad Hosein Fakheri+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Thermal Radiation and Cooling Technologies参考文献 40被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、変換熱力学を用いて実現可能な熱的デバイスを可能にする均質的かつ等方的な材料、すなわち熱的ゼロ媒体（TNM）を提案する。従来の非均質的かつ異方的な熱伝導率とは異なり、TNMは異なる形状に対しても一貫した性能を維持し、再設定可能な熱的クローキング、集束器、屈折デバイスを再計算なしに実現可能である。

ABSTRACT

Recently, heat manipulation has gained the attention of scientific community due to its several applications. In this letter, based on transformation thermodynamic (TT) methodology, a novel material, which is called thermal-null medium (TNM), is proposed that enables us to design various thermal functionalities such as thermal bending devices, arbitrary shape heat concentrators and omnidirectional thermal cloaks. In contrary to the conventional TT-based conductivities, which are inhomogeneous and anisotropic, TNMs are homogeneous and easy to realize. In addition, the attained TNMs are independent of the device shape. That is if the geometry of the desired device is changed, there is no need to recalculate the necessitating conductivities. This feature of TNM will make it suitable for scenarios where re-configurability is of utmost importance. Several numerical simulations are carried out to demonstrate the TNM capability and its applications in directional bending devices, heat concentrators and thermal cloaks. The proposed TNM could open a new avenue for potential applications in solar thermal panels and thermal-electric devices.

研究の動機と目的

• 従来の変換熱力学（TT）が非均質的かつ異方的な熱伝導率テンソルを必要とするという制限を克服すること。
• 均質的かつ等方的であるがために、製造と実装が簡素化される新規材料「熱的ゼロ媒体（TNM）」の開発。
• 材料特性とデバイス形状を分離することで、同じTNMが異なる形状で機能可能となるように、デバイスの再構成可能性を実現すること。
• TNMを用いた設計により、熱的クローキング、屈折、集束といった実用的熱的機能を実証すること。
• 太陽熱パネルや熱電エネルギー変換デバイスへの応用における新たな道筋を開くこと。

提案手法

• 目的の熱的機能を実現するための必要熱伝導率テンソルを、変換熱力学（TT）を用いて導出する。
• 熱的ゼロ媒体（TNM）と呼ばれる新しい材料クラスを導入し、変換領域における有効熱伝導率テンソルがゼロである特徴を有する。
• TNMは本質的に均質的かつ等方的であり、複雑な空間的変動を持つ熱伝導率プロファイルの必要がなくなる。
• TNMの特性がデバイス形状に依存しないため、幾何学的再配置に対しても熱的応答が不変であることを保証する。
• 有限要素法を用いた数値シミュレーションにより、屈折デバイス、集束器、全方向クローキングにおける熱的性能を検証する。
• 熱拡散と電磁波方程式の数学的同等性を活用し、熱的メタマテリアルの設計を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 変換熱力学を用いて、複雑な熱的機能を実現可能な均質的かつ等方的熱的材料を設計可能か？
• RQ2 材料パrameterを再計算することなく、異なる幾何形状に対しても熱的デバイス性能を維持できるか？
• RQ3 TNMは、クローキングや集束器などの再構成可能な熱的デバイスをどの程度実現可能にするか？
• RQ4 TNMは太陽熱パネルや熱電エネルギー変換システムにどのような実用的影響を及ぼすか？
• RQ5 材料の実現可能性と実装性という観点から、TNMは従来のTTベースの設計を上回る性能を発揮できるか？

主な発見

• 提案された熱的ゼロ媒体（TNM）は均質的かつ等方的であり、従来のTTベースの異方的かつ非均質的材料と比較して、製造がはるかに簡素化される。
• TNMを用いたデバイスは、幾何学的再配置に関わらず一貫した熱的性能を維持し、熱伝導率テンソルの再計算が不要となる。
• 数値シミュレーションにより、TNMベースの熱的屈折デバイス、熱集束器、全方向熱的クローキングの正常作動が確認された。
• TNMアプローチにより、太陽熱パネルや熱電変換デバイスへの応用を念頭に置いた実用的実現可能性を持つ熱的デバイスの設計が可能となった。
• TNMがデバイス形状に依存しないことから、再構成可能な熱的システムに極めて適している。
• 本手法により、設計が容易かつ製造が容易な材料を用いて、複雑な熱的機能を実現するための実用的道筋が示された。