熱の局所的かつ過渡的な逆流現象を初めて理論的に解明 産総研

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国立研究開発法人産業技術総合研究所(産総研)は2021年12月16日、同研究所の応用電気標準研究グループが、材料両端の温度差とは逆向きの熱流が局所的かつ過渡的に発生する「熱インダクタンス現象」が、条件次第で材料にかかわらず普遍的に生じることを初めて解明したと発表した。研究成果は同日出版された学術誌「Communications Physics」に掲載された。

研究グループでは、熱電効果の一種であるペルチェ効果に着目して、外部から与える交流電流による材料内部の熱の動きを熱伝導方程式で解析した。

一般的に固体材料にプラスからマイナスへ電流を流すと、ペルチェ効果によって電極と材料の界面で発熱と吸熱が生じ、材料中に温度勾配が生じる。この温度勾配を熱伝導方程式で解析したところ、電流の周波数によって大きく異なることが分かった。

例えば、試料長15mmのビスマス-テルル(Bi-Te)系熱電材料の場合、10Hz以上の交流電流を流すと、電流の向きが短い周期で交互に変わり、ペルチェ効果により生じる発熱と吸熱が相殺される。その結果、材料の内部は均一な温度分布となり熱流はほとんど生じない。ところが、約40mHzの交流電流を流すと、電流の向きの反転速度に材料の熱応答が追いつかないので、ペルチェ効果により材料両端の温度差とは逆向きの温度勾配が材料中央部に生じる。温度勾配の方向は熱が流れる方向と同じなので、この場合、材料中央部では逆向きに熱が流れる現象が見られることになり、これが熱インダクタンス現象となる。電流の方向が反転すると、熱流の方向も反転した。

熱伝導方程式の厳密解から、熱の逆流現象は試料長と熱拡散率、電流の周波数からなる無次元パラメータF が1程度のときに一般的な金属においても普遍的に生じ、熱電効果が大きい材料ほど大きな熱の逆流が生じることが理論上解明され、実際に実験でも確認できた。

熱インダクタンス現象の基礎原理が解明できたことで、熱流方向が一定となる適切な波形の電流を流すことによって熱の逆流を利用した局所的な冷却が可能になる。材料や最適な熱設計によって冷却性能を高めることも可能で、産総研では小型化や集積化が進む電子部品内の効率的な冷却など、高度な局所的熱制御技術を開発できる可能性があるとしている。また、将来的には熱のダイオード、熱のトランジスタ、熱のメモリーなどの熱制御技術と組み合わせることで、熱を効果的に用いたコンピューティングシステムの実現も期待できる。

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