Basic research for low-temperature heat pump by using all solid state cooling method
Project/Area Number |
22H00297
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Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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Allocation Type | Single-year Grants |
Section | 一般 |
Review Section |
Medium-sized Section 29:Applied condensed matter physics and related fields
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Research Institution | National Institute for Materials Science |
Principal Investigator |
寺田 典樹 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究センター, 主席研究員 (60442993)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
齋藤 明子 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究センター, 主席研究員 (20426612)
間宮 広明 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究センター, 主席研究員 (30354351)
小林 悟 岩手大学, 理工学部, 教授 (30396410)
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Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2027-03-31
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Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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Budget Amount *help |
¥42,380,000 (Direct Cost: ¥32,600,000、Indirect Cost: ¥9,780,000)
Fiscal Year 2024: ¥13,780,000 (Direct Cost: ¥10,600,000、Indirect Cost: ¥3,180,000)
Fiscal Year 2023: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2022: ¥13,390,000 (Direct Cost: ¥10,300,000、Indirect Cost: ¥3,090,000)
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Keywords | 磁気冷凍 / 熱スイッチ / 蓄冷材 / ヒートポンプ |
Outline of Research at the Start |
本研究は、極低温磁気冷凍技術において、低温領域で初めて発現する量子物性現象を積極的に利用することに主眼を置き、そこに潜む極低温冷却技術の根幹を成す特異な物性現象の機構解明を行い、得られた知見を冷却技術に応用するものである。我々が極低温物性 の知見をもとに独自に見出した弱磁場高応答性磁性体、純金属多結晶固体熱スイッチと巨 大磁気比熱蓄冷物質を組み込んだ、これまでに無い動作原理を利用した全固体冷却法によ る極低温度動作ヒートポンプの研究開発を行う。弱磁場変化と固体熱スイッチを利用した全固体極低温用ヒートポンプによる、新しい冷却法を開 発することで量子コンピュータ社会や水素社会の基盤を整える。
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Outline of Annual Research Achievements |
極低温磁気冷凍技術において、低温領域で初めて発現する量子物性現象を積極的に用いることによって、これまでに無い動作原理を利用した全固体冷却法による極低温度動作ヒートポンプの研究開発を行い、極低温度における冷却技術の技術革新を起こすものである。全固体冷却法は、(1)磁気冷凍材料(弱磁場高応答性磁性体)、(2)熱スイッチ(純金属多結晶固体熱スイッチ)、(3)蓄冷材(巨大磁気比熱蓄冷物質)の3つの要素によって構成されている。全体期間5年の間に、それぞれの要素に対して特性を最大化し、それらを統合した冷却システムを開発する計画である。本年度は、高真空高温炉(最高温度2000°C、到達真空度10^-4 Pa)を導入した。数10Kでの温度領域における熱スイッチ材料候補として期待しているタングステン純金属多結晶体をはじめとする純金属材料の高真空中高温アニール専用として使用する。本年度はこれまでタンスステン材料において2200℃までのアニール試験(業者委託を含む)を行い、熱伝導率比100倍(20 K, 5 T)をこえる熱スイッチ性能が確認された。これは、これまでの20倍に比べてアニール温度を最適化することによって、熱スイッチ性能が飛躍的向上することが初めて見出された。また、最適化された熱スイッチを用いた全固体冷却方の暫定的な冷却試験も行い、次年度以降に予定している本格的な冷却試験への足がかりを得ることができた。また、磁気冷凍材料HoB2の巨大磁気熱量効果発現の起源を中性子非弾性散乱と平均場計算によって、磁気熱量効果の発現における結晶場分裂が担う役割を解明し、磁気冷凍材料探索の新しい指針を提唱した。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度である本年度は新たに高速磁場変化による全固体冷却システムの試験装置の設計、導入を行い、熱スイッチ性能の飛躍的な向上や、磁気冷凍材料の巨大磁気熱量効果の起源の解明に成功した。おおむね順調に進展していると考えられる。
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Strategy for Future Research Activity |
2022年度に研究課題の研究費により高速磁場変化機構を備えた全固体冷却法の冷却試験機を導入した。この冷却試験機は、室温ボアマグネットにGM冷凍機を直接抜き差しすることによって、GM冷凍機内に置かれた冷却素子を極低温度に保ちつつ磁場のON/OFFに伴う熱量測定が行えるものであり、本研究を推進する上で不可欠な装置である。しかしながら、この装置は同種のものが商用的にあるものではなく、本研究において新しく設計したものであり、今後予期せぬ熱流入の軽減や、磁場変化による誘導電流による冷却素子の発熱などの問題を1つ1つ解決する必要がある。2023年度は2022年度に導入された高速磁場変化機構を備えた全固体冷却法の冷却試験機の改造、最適化を行う。それにより、平行して行なっていく予定の磁気冷凍材料、熱スイッチ、蓄冷材の候補物質の選定や最適化、性能の最大化と合わせて、本研究の目的である全固体冷却法の基盤技術の開発を推進する予定である。
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Report
(2 results)
Research Products
(15 results)
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[Journal Article] Crystal electric field level scheme leading to giant magnetocaloric effect for hydrogen liquefaction2023
Author(s)
Noriki Terada, Hiroaki Mamiya, Hiraku Saito, Taro Nakajima, Takafumi D. Yamamoto, Kensei Terashima, Hiroyuki Takeya, Osamu Sakai, Shinichi Itoh, Yoshihiko Takano, Masashi Hase, and Hideaki Kitazawa
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Journal Title
Communications Materials
Volume: 4
Issue: 1
Pages: 13-13
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] Machine learning assisted development of Fe2P-type magnetocaloric compounds for cryogenic applications2022
Author(s)
BOLYACHKIN, Anton, LAI, Jiawei, DENGINA, Ekaterina, TERADA, Noriki, DIEB, Sae, TANG, Xin, OHKUBO, Tadakatsu, SEPEHRI AMIN, Hossein, HONO, Kazuhiro
Organizer
日本金属学会 2022年秋期第171回講演大会
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