ナノ細孔をもつスポンジを利用した自然冷媒で動作する高効率ヒートポンプを提案――孔の変形による気液相転移を利用 東北大など

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ナノスポンジを利用したヒートポンプの原理の模式図

東北大学は2019年6月18日、日産自動車、信州大学、京都大学、岡山大学と共同で、自然冷媒を用いた新しいヒートポンプの原理を発表した。

ヒートポンプは、外部からエネルギーを与えることで温度を制御するシステムで、空調や冷蔵庫などに利用されている。しかし、その冷媒である代替フロンの地球温暖化係数は二酸化炭素に比べて約1000倍と非常に大きく、自然冷媒への切り替えが急務となっていた。

従来のヒートポンプの概要図

そこで、研究グループは今回、柔軟に変形するナノ多孔体「ナノスポンジ」に着目した。ナノスポンジに液体状態の冷媒を含ませてから変形させると、冷媒が蒸発し気体となって放出されて、気化熱により冷却されることを発見。反対に、ナノスポンジを復元させると、気体が液体となって取り込まれ発熱することを発見した。

(左)ナノ細孔による分子の吸着(右)普通のスポンジとナノスポンジを変形させたときの違い

凝縮器と蒸発器を必要とする従来とは異なり、応力による気液相転移を利用するため、冷媒には水やアルコールなどの環境に優しい物質を利用可能。また、ナノスポンジは何度でも繰り返し利用できる上、必要な動力もそれほど大きくないため、エネルギー効率の高いヒートポンプの設計が可能になるという。

研究グループは、今回提案する新型のシステムが、自然冷媒を利用した高効率なヒートポンプ開発に繋がり、今後の大きな波及効果が期待されるとしている。

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