全固体冷却法を用いた極低温動作ヒートポンプの基盤研究

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H00297
• 研究機関: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
• 研究代表者: 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)
• 研究分担者: 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) ; 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)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2027-03-31
• キーワード: 磁気冷凍 / 熱スイッチ / 蓄冷材 / ヒートポンプ

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

研究成果

• [国際共同研究] Institut Laue Langevin/Institut Neel CNRS(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Institut Laue Langevin/Institut Neel CNRS
• [国際共同研究] ISIS Neutron Muon Facility/University of Oxford(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: ISIS Neutron Muon Facility/University of Oxford
• [雑誌論文] Crystal electric field level scheme leading to giant magnetocaloric effect for hydrogen liquefaction (2023)
  • 著者名/発表者名: Terada Noriki、Mamiya Hiroaki、Saito Hiraku、Nakajima Taro、Yamamoto Takafumi D.、Terashima Kensei、Takeya Hiroyuki、Sakai Osamu、Itoh Shinichi、Takano Yoshihiko、Hase Masashi、Kitazawa Hideaki
  • 雑誌名: Communications Materials 巻: 4 ページ: 13- 1～13-4
  • DOI: 10.1038/s43246-023-00340-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Magnetocaloric Effect in Erbium Scandium Alloys (2022)
  • 著者名/発表者名: Mamiya Hiroaki、Terada Noriki、Hase Masashi、Tsujii Naohito、Kitazawa Hideaki
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Magnetics 巻: 58 ページ: 2500504 1～4
  • DOI: 10.1109/tmag.2021.3088116
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic refrigeration material operating at a full temperature range required for hydrogen liquefaction (2022)
  • 著者名/発表者名: Tang Xin、Sepehri-Amin H.、Terada N.、Martin-Cid A.、Kurniawan I.、Kobayashi S.、Kotani Y.、Takeya H.、Lai J.、Matsushita Y.、Ohkubo T.、Miura Y.、Nakamura T.、Hono K.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: 1817-1, 1817-8
  • DOI: 10.1038/s41467-022-29340-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Room-Temperature Type-II Multiferroic Phase Induced by Pressure in Cupric Oxide (2022)
  • 著者名/発表者名: Terada Noriki、Khalyavin Dmitry D.、Manuel Pascal、Orlandi Fabio、Ridley Christopher J.、Bull Craig L.、Ono Ryota、Solovyev Igor、Naka Takashi、Prabhakaran Dharmalingam、Boothroyd Andrew T.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 129 ページ: 217601-1~7
  • DOI: 10.1103/physrevlett.129.217601
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Machine learning assisted development of Fe2P-type magnetocaloric compounds for cryogenic applications (2022)
  • 著者名/発表者名: Lai Jiawei、Bolyachkin A.、Terada N.、Dieb S.、Tang Xin、Ohkubo T.、Sepehri-Amin H.、Hono K.
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 232 ページ: 117942-1～12
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2022.117942
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multiple magnetic transitions and complex magnetic behaviour of the perovskite manganite NdMn7O12 (2022)
  • 著者名/発表者名: Belik Alexei A.、Liu Ran、Zhang Lei、Terada Noriki、Tanaka Masahiko、Yamaura Kazunari
  • 雑誌名: Journal of Solid State Chemistry 巻: 309 ページ: 122969-1～12
  • DOI: 10.1016/j.jssc.2022.122969
  • 査読あり
• [雑誌論文] 磁気熱量効果を効率的に利用する新規磁気冷凍材料 (2022)
  • 著者名/発表者名: 間宮 広明、寺田 典樹、田村 亮
  • 雑誌名: 熱測定 巻: 49 ページ: 79～85
  • DOI: 10.11311/jscta.49.2_79
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math>-type collinear spin state in orthorhombic <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">YMnO</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math> (2022)
  • 著者名/発表者名: Terada Noriki、Nakano Tomohito、Colin Claire V.、Stunault Anne、Qureshi Navid、Ouladdiaf Bachir、Sato Hirohiko
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 144403-1~7
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.144403
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] フラストレーション系磁性体CuFeO2における磁気的相互作用の圧力変化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 寺田 典樹, Shintaro Asai, Takatsugu Masuda, Hiraku Saito, Taro Nakajima, Dmitry D. Khalyavin, Pascal Manuel, Toyotaka Osakabe
  • 学会等名: 日本中性子科学会 第22回年会
• [学会発表] Machine learning assisted development of Fe2P-type magnetocaloric compounds for cryogenic applications (2022)
  • 著者名/発表者名: BOLYACHKIN, Anton, LAI, Jiawei, DENGINA, Ekaterina, TERADA, Noriki, DIEB, Sae, TANG, Xin, OHKUBO, Tadakatsu, SEPEHRI AMIN, Hossein, HONO, Kazuhiro
  • 学会等名: 日本金属学会 2022年秋期第171回講演大会
• [学会発表] 高圧力下偏極・非偏極中性子回折実験によるマルチフェロイクスの研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 寺田 典樹
  • 学会等名: 金属材料研究所ワークショップ
  • 招待講演
• [備考] NIMS Research Directory Service SAMURAI
  • URL: https://samurai.nims.go.jp/profiles/terada_noriki/publications#article
• [備考] Research ID
  • URL: https://www.webofscience.com/wos/author/record/940845