電気熱量効果

電気熱量効果とは、印加電界下で物質が可逆的な温度変化を示す現象です。

電気熱量効果（ECE）は誘電体材料で観察される現象であり、印加電界下での双極子の整列と再配列により、可逆的な温度/エントロピー変化が発生します。電界が印加されると、誘電体材料内の双極子が整列し、双極子エントロピーの減少と熱の放出につながり、温度上昇を引き起こします。 ^[1]逆に、電界が除去されると、双極子はより無秩序な状態に戻り、材料が周囲から熱を吸収し、温度が低下します。この効果は、ポータブルデバイス、マイクロエレクトロニクス、分散熱管理など、従来の冷却方法が効率が悪かったり実用的でなかったりする分野で、固体冷却アプリケーションでの使用が検討されています。^[2]

電気熱量効果は、多くの場合、焦電効果の物理的な逆であると考えられています。電気熱量効果は、 2 つの異なる導体の電気接合部に電流を流すと温度差が生じる熱電効果(具体的にはペルチェ効果) と混同しないでください。

2006年以前に観測された電気熱量効果（ECE）は比較的小さく、典型的には200℃以上の温度で約2.5K、室温で約2Kの温度変化を生じました。1989年に研究されたタンタル酸スカンジウム鉛（PST）^[3]では、2.5Kの温度変化が見られました。

2006年、研究者らは350nmの薄膜PbZr₀.₉₅Ti₀.₀₅O₃（PZT）に巨大な電気熱量効果を発見し、220℃付近で12Kの顕著な温度変化を生み出した。^{[ 4]}このデバイス構造は、はるかに厚い基板の上の薄膜（PZT）で構成されていたが、12Kという数字は薄膜の冷却のみを表している。このようなデバイスの正味の冷却は、それが取り付けられている基板の熱容量のため、12Kよりも低くなる。この効果、特にキュリー温度のような相転移付近で強い効果は、バルク材料におけるこれまでの結果をはるかに上回っていた。この研究は、薄膜の固体冷却の可能性を強調し、材料のさらなる改良が実際の用途を向上できることを示唆した。

2008年、研究者らは室温付近で強誘電性ポリマーの巨大な電気熱量効果を発見しました。^[5]ポリ(フッ化ビニリデン-トリフルオロエチレン)共重合体[P(VDF-TrFE)]は、約70℃の強誘電-常誘電転移付近で、12℃を超える断熱温度変化と55 J/kgKを超えるエントロピー変化を示しました。共重合体にクロロフルオロエチレン(CFE)を組み込むことで、室温で初めて巨大なECEが達成され、日常生活の冷却用途にECEを適用する可能性が実証されました。電気熱量P(VDF-TrFE-CFE)ターポリマーは商品化されており、アルケマから入手できます。市販のECポリマーの大きなECEにより、EC冷却技術の世界的な研究開発が可能になりました。

2019年の研究では、鉛スカンジウムタンタル酸（PST）セラミックの積層コンデンサ（MLC）に大きな電気熱量効果が実証されました。 ^[6]これらの材料は、室温近くで最大5.5Kの温度変化を達成しました。この研究は、PST MLCが効率的でコンパクトな冷却アプリケーションに潜在的可能性を秘めていることを強調し、磁気熱量システムの代替手段を提供します。

EC冷却デバイスの場合、高いECEを生成しながら信頼性の高いECデバイス動作を実現するには、デバイス内のEC材料に印加される電界が誘電破壊電界よりもはるかに低くなければなりません。一般に、印加電界は誘電破壊の25%未満である必要があります。この課題に対処するために、2021年に研究者らは、50 MV / mの低電界下で7.5 Kの温度変化のEC温度変化を達成した高エントロピーポリマーを開発しました。^[7] P（VD​​F-TrFE-CFE）三元共重合体を二重結合で修飾することにより、双極子エントロピーを高め、相転移のエネルギー障壁を低減しました。このクラスのポリマーは優れた耐久性も示し、100万サイクル以上にわたって性能を維持しました。

2023年、研究者らはジメチルヘキシンジオール（DMHD）を導入して蒸発させることで、サブナノメートル規模の細孔を持つ新しい強誘電体ポリマーを開発しました。 ^[8]このプロセスにより、電気熱量効果（ECE）が大幅に向上し、低電界下で20Kを超える温度変化が達成されました。この研究は、電気熱量材料における界面工学の可能性を強調しており、エネルギー効率の高い固体冷却への有望な用途を示しています。

電気熱量（EC）デバイスは、電界が物質に可逆的な温度変化を引き起こす電気熱量効果を利用します。EC冷却サイクルは、従来の冷却に似ていますが有害な冷媒を使用せず、電界によって駆動される加熱フェーズと冷却フェーズが含まれます。これらのサイクルはエネルギー効率が高く環境に優しいため、ECデバイスはポータブル、局所的、分散型の冷却に最適です。^{[9] [10]}

EC効果は、電界を加えたり除去したりしたときに誘電体の温度が変化するため、コンパクトな冷却ソリューションに適しています。2013年には、ECポリマーフィルムを使用したチップスケールの固体冷却システムが実証され、プロトタイプのEC振動冷凍（ECOR）デバイスを通じて室温近くの6Kの温度範囲が達成されました。^[11]

2015年に、アクティブ電気熱量再生器（AER）の活性材料としてバルクリラクサー強誘電体セラミックス、具体的には[Pb（Mg _1/3 Nb _2/3）O ₃ ] _0.9 [PbTiO ₃ ] _{0.1 （PMN-10PT）を使用した小規模電気熱量（EC）冷却装置が開発されました。} ^[12]この装置は、流体フローシステムと制御された電界を採用することで、再生器全体でかなりの温度範囲を実現しました。実験結果では、50 kV/cmの印加電界下で最大3.3 Kの温度範囲が実証されました。さらに、シミュレーションでは、再生器流体として脱イオン水を使用し、再生器の長さを延長するなどの設計の最適化により、最大14 Kの温度範囲が達成できる可能性があることが示されました。

ほとんどの熱量冷却装置は、熱量材料の断熱温度変化よりも大きな温度範囲を達成するために再生サイクルに依存しています。しかし、外部再生器を使用すると、これらの装置の全体的な効率が低下する可能性があります。2017年に、研究者は外部再生器なしで動作する再生電気熱量冷却装置を実証しました。^[13]この装置では、市販の多層セラミック素子が使用されました。16.6 MV/mの電界下で、これらの素子は0.9 Kの温度範囲を達成しました。

2017年に研究者らは、ECポリマーフィルムと静電駆動を統合したコンパクトで柔軟な電気熱量冷却装置を設計しました。^[14]この装置は、 13の性能係数（COP）と2.8 W/gの比冷却力を実証しました。この研究は、特にウェアラブルデバイスやポータブルデバイスにおける、コンパクトで効率的な冷却アプリケーションにおけるEC冷却技術の可能性を強調しています。

2018年、ユナイテッドテクノロジーズリサーチセンター（UTRC）の研究者らは、ECポリマーフィルムを使用した直接空気冷却とデバイスエンジニアリングの革新を活用し、ECデバイスの冷却効率と性能を大幅に向上させた直接空気電気熱量ヒートポンプを実証しました。^[15]

2020年に研究者らはアクティブEC再生器を実証しました。この革新的技術には、有限要素モデリングによって最適化され、絶縁性と熱伝達を強化した鉛スカンジウムタンタル酸（PST）多層コンデンサを使用した平行板設計が含まれていました。^[16]プロトタイプは13Kの温度範囲を達成し、高効率冷却アプリケーションにおけるEC材料の可能性を実証しました。

2020年に行われた電気熱量装置に関する研究は、全固体冷却システムの設計と性能の向上に大きな進歩をもたらしました。^[17]この研究では、多層セラミックPSTコンデンサ（MLCC）をベースにしたスケーラブルで高性能なEC冷却システムが導入されました。モジュール式の自己再生アーキテクチャを活用し、材料特性とデバイスエンジニアリングの両方を強化することで、システムは5.2°Cの温度範囲と135mW/cm²の最大熱流束を達成しました。

2020年の大きな進歩は、カスケード電気熱量装置の開発です。これは、相乗的に動作する複数のECポリマー要素を統合することで温度範囲を拡大します。^[18]この装置は、無負荷状態で8.7 Kの温度範囲を達成しました。また、この装置は、温度上昇2.7 Kで9.0、温度上昇ゼロで10.4の性能係数（COP）を達成しています。

2023年、研究者らはPST積層コンデンサを使用したECデバイスを開発し、無負荷状態で最大20.9Kの温度範囲と中程度の電界下で4.2Wの冷却能力を達成しました。^{[19]エネルギー回収を考慮した場合の}性能係数（COP）はカルノー効率の最大64％に達し、この設計はEC技術を従来の蒸気圧縮冷却システムに代わる現実的なものにするための大きな一歩となります。

2023年の研究では、フレキシブルな有機太陽電池モジュールとECポリマーモジュールを統合することで、太陽光のみを使用して体温を調節できる効率的で自立型のウェアラブルシステムが実証されました。^[20] ECポリマーP（VDF-TrFE-CFE）をベースにしたECデバイスは、高効率、低エネルギー消費、双方向の温度調節を提供し、ウェアラブルアプリケーションに適しています。これらのイノベーションは、極地や宇宙旅行などの厳しい環境下で実用的な終日温度調節ソリューションへの道を開きます。

2023年と2024年には、研究者らが電気熱量効果と電歪効果を組み合わせた自己振動型ポリマー冷蔵庫^{[21] [22]}を開発しました。アクセサリが不要なこれらのデバイスは、6.5W/gを超える高い冷却電力密度と58を超えるピーク性能係数（COP）を実証しています。これらの進歩は、外部アクチュエータを必要とせずに効率的で局所的な熱管理ソリューションを提供するEC技術の可能性を浮き彫りにしています。

• 弾性熱量効果
• 磁気熱量効果

• Scott, JF (2011). 「電気熱量材料」. Annual Review of Materials Research . 41 : 229–240 . Bibcode :2011AnRMS..41..229S. doi :10.1146/annurev-matsci-062910-100341.