東北大学大学院工学研究科の新津甲大博士(現・京都大学材料工学専攻)らの研究グループは、銅を主成分とする超弾性合金を用いて、極低温環境での超弾性効果による大きな冷却効果の実現に成功した。

 近年、超弾性に伴う熱の移動を活用した新しい冷却現象(弾性熱量効果)が、フロンガスを用いた従来の冷却手法に代わる技術として注目を集めている。弾性熱量効果とは、応力の印加・除荷に応じて結晶構造や磁気構造が変化する変態において、変態前後でのエントロピーの差に相当する発熱や吸熱が起こる効果のこと。「大きく変形させてもその力を除くと元の形に戻る」超弾性特性を持つ形状記憶合金を断熱環境下で変形させれば、この効果を利用した冷却が可能となる。

 しかし、一般に材料は低温になるほど固くなり、伸縮性を失ってしまう。そのため、低温時には変形に際し摩擦熱を生じることになり、弾性熱量効果をもってしても優れた冷却効果を得ることは困難とされてきた。

 これに対し、本研究グループは、4.2Kまでの極低温域まで約7%もの伸縮が可能なCn-Al-Mn合金を開発した。今回、この超弾性合金の伸縮時に得られる弾性熱量効果を評価したところ、22Kまで冷却効果が得られることがわかった。これまで報告されていた超弾性合金における弾性熱量効果発現の最低温度は210Kであったことから、応用可能な温度幅を実に188Kも低温側に拡大させる成果となった。

 この成果により、超弾性合金の極低温域におけるアクチュエータや冷却ユニットとしての応用や、超伝導・液化ガス・宇宙工学分野での応用が期待できるという。

論文情報:【NPG Asia Materials】Cryogenic superelasticity with large elastocaloric effect

東北大学

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大学ジャーナルオンライン編集部

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