SCOPE & ADVANCE

プラスチック冷却器〜日経サイエンス2009年1月号より

電場によって大きな温度変化を起こす材料が見つかった

 

 そこが台所であれパソコンのなかであれ,冷蔵庫などの冷却器は一般にかさばり,うるさく,電力を食う場合が多い。これに対しペンシルベニア州立大学のチームは最近,ある種のプラスチックに加えていた電圧を切ると温度が大きく下がることを発見した。12℃も冷える。この“ソリッドステート冷却技術”が実用化すれば,集積回路基板などの除熱が静かで効率的になり,コンピューターの小型化と高速化が進むだろう。

 

1桁上を行く効果

 外部から加えていた電場を取り除くと温度が下がる「電熱物質」の存在は古くから知られてきたが,温度低下幅が小さすぎて実用に耐えないか,冷却現象が起こる温度域が高すぎて使えなかった。例えば半導体チップの冷却には,通常の動作状態の温度(約85℃)から少なくとも10℃は下げる必要があると,電子産業の市場調査会社VLSIリサーチ(カリフォルニア州サンタクララ)の最高経営責任者ハチスン(G. Dan Hutcheson)はいう。通常のコンピューターは余分な熱を取り除くためにヒートシンクと放熱板,ファン,ヒートパイプを備えており,流体を用いたヒートポンプを必要とする場合もある。
 これに対し新技術がうまくいけば,在来の冷却技術より10倍以上も省エネな小型システムになるだろうと,ペンシルベニア州立大学チームを率いる電気技術者チャン(Qiming Zhang)はいう。フッ化ビニリデン共重合体(ポリフッ化ビニリデン・トリフルオロエチレン)の厚さ1μmのフィルムを55℃という比較的低い温度に置き,120ボルトの電圧をかけると,温度が10℃あまり上がることを同チームは発見した。同じ温度域における他の電熱物質(大半はセラミックス)に比べると,1桁大きな温度変化だ。
 チャンは以前,電場をかけると変形するプラスチック,いわゆる「人工筋肉」を研究していた。何年も前に「物体を冷やす最も効果的な方法の1つ,氷が解けて水になるという現象について考え始めた」という。この効果は秩序だった系(固体の氷)が乱れた系(液体の水)に変わる相転移に基づいている。研究チームはちょうどそのころ,電圧をかけると原子や分子が整列し,より秩序だった構造になる有望なポリマーをいくつか特定した。
 この電熱材料は鎖のように長い分子でできており,分子鎖の一端が正の電荷を,他端が負の電荷を持っている。これら双極性の分子鎖は通常は自由に動き,バラバラの方向を向いている。しかし「電場をかけると双極子が回転して電場の向きに沿って整列するようになる」とチャンは説明する。熱理学的にいえば,この整列によって系のエントロピーが下がるので,系は自らの温度を上げてこれを補正するのだ。電場を除くと,分子鎖の向きは再びバラバラになり,ポリマーが冷える。
 これに比べると,電熱セラミックスの微細構造は硬くて「わずかしか動けない」ので,温度変化が小さい。また,このポリマーはセラミックスの7倍の熱を吸収できる。

 

半導体チップから冷蔵庫まで

 うまくソリッドステート冷却器ができた場合,次のようなサイクルで冷やすことになる。まず,冷却対象の物体と接触していたポリマーを対象から離し,熱的に隔離する。電場をかけると,ポリマーの温度が上がる。そのポリマーをヒートシンクと一時的に熱接触させると,ポリマーの熱とエントロピーがヒートシンクにいくらか吸収される。次にポリマーをヒートシンクから分離して電場を弱めると,ポリマーの温度が下がり,再び冷却対象の物体を冷やせるようになる。
 実用的なシステムができたなら,特にコンピューター業界は大助かりだろう。シリコンチップは最高性能を発揮できる適温よりも高い温度で働いているのが実際だ,とオレゴン州ヒルズボロにあるインテルの電力・熱シニアエンジニアであるインクリー(Benson Inkley)は説明する。だから電熱プラスチックによる冷却は魅力的な可能性だ。「回路基板全体をポリマーの膜で包み込んだら“冷却毛布”になるだろう」。
 ただし,チャンはこのポリマーはまだ実用段階にはないと強調する。欠点の1つは120ボルトの電圧が必要なこと。携帯機器は数ボルトがせいぜいなので,これでは使えない。
 とはいえチャンが楽観的であることに変わりはなく,もっと大きなスケールの冷却にも応用できると感じている。そうした大型冷却器の開発は,互いに隣接する温度範囲で電熱効果を示すような物質をたくさん発見することにかかっている。そうした物質を適切に組み合わせれば,“冷却カスケード”を構成して熱を順々に奪って冷やせるだろう。
 チャンは「これは電場冷蔵庫に向けた第一歩だ」という。大きなコイルも耳障りな音をたてるコンプレッサーもない冷蔵庫。いつの日か,ピクニック用のクーラーボックスは氷を詰め込んで冷やすのではなく,スイッチをポンと押すことになるかもしれない。

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