[論文レビュー] Materials, physics, and systems for multicaloric cooling

Huilong Hou, Suxin Qian+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2021

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 281被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、複数の外部場（磁場、電場、応力など）に起因する相転移を示す多カルセオニック冷却材料およびシステムについての視点論文であり、フェロイック秩序の結合を活用して複数の刺激の連携により強化されたカルセオニック効果を実現する。本稿は、高度な材料、多カルセオニック効果の物理的メカニズム、およびシステムレベルの設計原理を統合することで、高効率かつ地球温暖化係数が低い冷却技術のためのロードマップを提示する。

ABSTRACT

The calls to minimize greenhouse gas emissions and the demands for higher energy efficiency continue to drive the research worldwide in alternative cooling and refrigeration technologies. The field of caloric cooling has undergone a series of transformations in the past several decades bolstered by the advent of new materials and devices, and these developments have helped fuel the advent of multicalorics in the past decade. Multicaloric materials systems inherently display one or more types of ferroic orders that can give rise to multiple field-induced phase transitions responsible for the caloric effects. Just as multiferroic materials possessing co-existing order parameters have unveiled a plethora of physical phenomena and applications over the years, multicaloric cooling materials have the potential to open up entirely new avenues for extracting heat and spearhead hitherto unknown technological applications. In this Perspective, we survey the emerging field of multicaloric cooling and explore the state-of-the-art caloric materials systems responsive to multiple fields. We present our visions of future applications of multicaloric and caloric cooling in general including key factors governing the overall system efficiency of the cooling devices.

研究の動機と目的

• グローバルなエネルギー効率的で環境に優れた冷却技術への需要の増大に応えること。特に、温室効果ガス排出量を最小限に抑えること。
• 磁場、電場、機械的応力など複数の外部場に応答する多カルセオニック材料を特定・分析し、強化されたカルセオニック効果を実現すること。
• 複数の調整可能な相転移を生じる、共存するフェロイック秩序（強誘電性、強磁性、強ねつ性）が材料に与える物理的メカニズムを解明すること。
• 実用的応用に適したスケーラビリティと効率性を最大化する多カルセオニックシステムの設計原理を確立すること。
• 従来の蒸気圧縮冷媒循環方式に代わる多カルセオニック冷却技術としての実現可能性を高めるための今後の研究方向性と技術的道筋を提示すること。

提案手法

• 磁気的・電気的・弾性的応答を示す多カルセオニック効果を含む、複数の刺激に反応するカルセオニック材料分野における最新の進展を体系的かつ統合的にレビュー・要約すること。
• 強誘電性、強磁性、強ねつ性といったフェロイック秩序が共存する材料を分析し、複数の外部場に起因する相転移の結合を可能にする仕組みを解明すること。
• カルセオニック応答を支配する熱力学的および運動論的要因（遷移に伴うエントロピー変化、外部場応答、ヒステリシスなど）を評価すること。
• 材料物理学とシステムレベルの工学的統合を図り、フィギュア・オブ・マリット（性能指標）とエネルギー効率を最適化する冷却性能のモデル化と最適化を実施すること。
• 複数の刺激を同時にまたは逐次的に用いた多カルセオニックサイクルの実現可能性を示すために、概念的デバイス構造を用いること。
• 多カルセオニックシステムを従来のシステムおよび単一刺激カルセオニックシステムと比較し、冷却容量およびエネルギー効率の面での優位性を強調すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多カルセオニック材料における複数の外部場誘発相転移をどのように設計すれば、エントロピー変化と冷却効率を最大化できるか？
• RQ2 異なるフェロイック秩序（例：強誘電性と強磁性）の間の結合を可能にする主な物理的メカニズムは何か？
• RQ3 多カルセオニック冷却デバイスの効率を制限する主要なシステムレベル要因は何か？ それらをどのように最適化できるか？
• RQ4 冷却出力、温度範囲、エネルギー効率の観点から、多カルセオニック材料は単一刺激カルセオニック材料と比べてどのように異なるか？
• RQ5 実用的な多カルセオニック冷却技術の導入を実現するためには、克服すべき重要な材料的およびシステム設計上の課題は何か？

主な発見

• 共存するフェロイック秩序を有する多カルセオニック材料は、さまざまな外部場に応じて複数の調整可能な相転移を示し、強化され多刺激応答性のカルセオニック効果を実現できる。
• 1つの材料系において複数の応答（例：磁場、電場、機械的応力）を統合することで、単一刺激カルセオニック材料に比べてより大きな総エントロピー変化が得られる可能性がある。
• 多フェロイック酸化物や特定のレアアース含有化合物は、複数の秩序パラメータを支持でき、強い外部場誘発相転移を示すため、有望な材料とされる。
• システムレベルのモデリングにより、多カルセオニックサイクルは従来のシステムや単一刺激カルセオニックシステムに比べ、より高いフィギュア・オブ・マリットとエネルギー効率を達成できることが示された。
• 多カルセオニックデバイスの効率は、材料のヒステリシス、熱伝導率・電気伝導率、界面工学に強く依存しており、これらを最小限に抑える必要がある。
• 本稿は、実用的多カルセオニック冷却システムの実現に向けた明確な研究開発の道筋を提示しており、材料設計、デバイス統合、システム最適化の強調がなされている。