より効率的で、エネルギーを節約し、環境に優しく、持ち運び可能な冷却方法は、人間の絶え間ない探求の方向性です。最近、サイエンス誌のオンライン記事で、中国と米国の科学者の共同研究チームが発見した新しい柔軟な冷凍戦略「ねじり熱冷凍」について報告しました。研究チームは、繊維内部の撚りを変えることで冷却が実現できることを発見しました。この技術を応用して作られた「ツイストヒート冷凍機」も冷凍効率の向上、小型化、汎用材料への適用が期待されています。
この成果は、南開大学薬学部薬化学生物学国家重点研究室、教育省機能性高分子重点研究室のLiu Zunfeng教授のチームと、Ray H. Baugman氏のチームの共同研究によるものです。 、テキサス州立大学ダラス支部教授、および南開大学博士の楊世仙。
温度を下げてひねるだけ
国際冷凍研究所のデータによると、現在、世界のエアコンや冷蔵庫の電力消費量は世界の電力消費量の約20％を占めています。現在広く使用されている空気圧縮冷凍の原理は、一般にカルノー効率が 60% 未満であり、従来の冷凍プロセスによって放出されるガスが地球温暖化を悪化させています。人間による冷凍需要の増大に伴い、冷凍効率をさらに向上させ、コストを削減し、冷凍装置のサイズを縮小するための新しい冷凍理論とソリューションを探索することが緊急の課題となっています。
天然ゴムは伸びると発熱しますが、縮めると温度が下がります。この現象は「弾性熱冷凍」と呼ばれ、19 世紀初頭には発見されています。ただし、良好な冷却効果を得るには、ゴムをその長さの 6 ～ 7 倍にあらかじめ伸ばしてから収縮させる必要があります。つまり、冷却には大きな容積が必要になります。さらに、現在の「熱冷凍」のカルノー効率は比較的低く、通常は約 32% にすぎません。
「ねじり冷却」技術により、研究者らは繊維状ゴムエラストマーを2回引き伸ばし（100％ひずみ）、その後両端を固定し、一方の端からねじってスーパーヘリックス構造を形成した。その後、急速な撚り戻しが起こり、ゴム繊維の温度は 15.5 ℃低下しました。
この結果は、「弾性熱冷凍」技術を使用した冷却効果よりも高く、7倍に伸びたゴムが収縮して12.2℃まで冷却されます。しかし、ゴムをねじって伸ばし、同時に解放すると、「ねじり熱冷凍」により摂氏 16.4 度まで冷却される可能性があります。Liu Zunfeng氏は、同じ冷却効果の下で、「ねじり熱冷却」のゴムの体積は「弾性熱冷却」のゴムの体積のわずか3分の2であり、そのカルノー効率は67％に達し、空気の原理よりもはるかに優れていると述べた。圧縮冷凍。
釣り糸や繊維ラインも冷却可能
研究者らは、「ねじり熱冷却」材料としてのゴムにはまだ改善の余地があると紹介しています。たとえば、ゴムは柔らかい質感を持っており、大幅な冷却を実現するには多くのひねりを必要とします。熱伝導速度が遅く、繰り返しの使用や材質の耐久性などに配慮する必要があります。したがって、他の「ねじり冷凍」材料を探索することが、研究チームにとって重要な画期的な方向性となっています。
興味深いことに、「ねじり熱冷却」スキームは釣り糸や繊維ラインにも適用できることがわかりました。以前は、人々はこれらの普通の材料が冷却に使用できることを認識していませんでした」とLiu Zunfeng氏は言いました。
研究者らはまず、これらの硬質ポリマー繊維をねじってらせん構造を形成した。らせんを伸ばすと温度が上昇しますが、らせんを縮めると温度が下がります。
実験の結果、「ねじり熱冷却」技術を使用すると、ポリエチレン編組線は温度変化がほとんど観察されずに直接引き伸ばされて解放される一方で、摂氏5.1度の温度降下が生じることがわかりました。このタイプのポリエチレン繊維の「ねじり熱冷却」の原理は、伸張収縮プロセス中にらせんの内部ねじれが減少し、エネルギーの変化が生じるというものです。Liu Zunfeng 氏は、これらの比較的硬い材料はゴム繊維よりも耐久性があり、非常に短く伸ばした場合でも冷却速度はゴムの速度を上回りますと述べました。
研究者らはまた、「ねじり熱冷却」技術をニッケルチタン形状記憶合金に適用すると、強度が高く熱伝達が速くなり、冷却性能が向上し、より大きな冷却効果を得るにはねじれを少なくするだけで済むことも発見した。
たとえば、4 本のニッケル チタン合金ワイヤを撚り合わせた場合、撚りを戻した後の最大温度低下は 20.8 ℃に達し、全体の平均温度低下も 18.2 ℃ に達する可能性があります。これは、「熱冷凍」技術を使用して達成される摂氏 17.0 度の冷却よりわずかに高いです。1 回の冷凍サイクルにかかる時間はわずか約 30 秒です」と Liu Zunfeng 氏は言います。
将来的には新技術が冷蔵庫にも応用できる可能性がある
「ねじり熱冷凍」技術に基づいて、研究者らは流水を冷却できる冷蔵庫のモデルを作成した。彼らは、冷却材として 3 本のニッケル チタン合金ワイヤーを使用し、1 センチメートルあたり 0.87 回転で回転させ、摂氏 7.7 度の冷却を実現しました。
この発見は「ツイストヒート冷蔵庫」の商品化までにはまだ長い道のりがあり、チャンスと課題の両方が伴います」とレイ・ボウマン氏は述べた。Liu Zunfeng 氏は、この研究で発見された新しい冷凍技術が冷凍分野の新しい分野を拡大したと考えています。これは冷凍分野でエネルギー消費を削減する新しい方法を提供します。
「ねじり熱冷凍」のもう一つの特殊な現象は、繊維の長さ方向に沿って繊維をねじることによって生じるらせんの周期的な分布によって、繊維の異なる部分が異なる温度を示すことです。研究者らは、ニッケルチタン合金ワイヤーの表面をサーモクロミズムコーティングでコーティングし、「ねじり冷却」により色が変化するファイバーを作成した。撚りと撚り戻しのプロセス中に、繊維は可逆的な色の変化を受けます。ファイバーのねじれを遠隔光学的に測定するための新しいタイプの検出素子として使用できます。例えば、色の変化を肉眼で観察することで、遠くの物質が何回転したかを知ることができる、非常にシンプルなセンサーです。「Liu Zunfeng 氏は、「ねじり熱冷却」の原理に基づいて、一部の繊維はインテリジェントに色を変える生地にも使用できると述べました。
投稿日時: 2023 年 7 月 13 日