カーボンナノチューブによる冷蔵庫の省エネ　なぜ省エネにつながるのか？

この記事で分かること

カーボンナノチューブによる冷蔵庫の省エネ

　山一ハガネは、その独自の表面処理技術「CAST（Carbon-nanotube Added Surface Treatment）」によって、冷蔵庫をはじめとする家電製品の省エネに革新をもたらそうとしています。

　https://www.nikkan.co.jp/articles/view/00750459

　CASTとは、カーボンナノチューブ（CNT）をアルミなどに垂直添加する表面処理技術です。この技術により、冷蔵庫の省エネ化に貢献が可能となります。

カーボンナノチューブとは何か

　カーボンナノチューブ（Carbon Nanotube: CNT）は、炭素原子だけでできたチューブ状のナノ素材です。

　1991年に日本の飯島澄男博士によって発見されました。その直径は非常に小さく、ナノメートル（10億分の1メートル）サイズですが、長さはマイクロメートルからミリメートルに及ぶこともあります。

構造

　CNTは、炭素原子が六角形に配置されたシート状のグラフェンが、円筒状に丸まったような構造をしています。この巻き方の違いによって、様々な直径や螺旋度を持つCNTが存在します。大きく分けて以下の2種類があります。

• 単層カーボンナノチューブ (SWNT: Single-Walled Nanotube): グラフェンシートが1枚で構成された筒状の構造です。直径が非常に小さく、高い純度を持ちます。
• 多層カーボンナノチューブ (MWNT: Multi-Walled Nanotube): 複数のグラフェンシートが同心円状に重なった、入れ子状の構造です。単層CNTよりも直径が大きく、機械的強度に優れ、比較的安価に製造できるため実用化が進んでいます。

特徴

　CNTは、そのユニークな構造から、驚くべき特性を数多く持っています。

• 高い機械的強度: 鋼鉄の20倍、ダイヤモンドよりも高い引っ張り強度を持つと言われています。非常に軽くて丈夫な素材です。
• 優れた電気伝導性: 銅の数百倍から1000倍もの高い電流密度を流すことができます。また、単層CNTは巻き方によって金属的性質と半導体的性質の両方を示すことがあります。
• 高い熱伝導性: 銅の10倍もの熱伝導性を持つと言われています。効率的に熱を伝えることができます。
• 軽量性: アルミニウムの約半分の密度で、非常に軽いです。
• 高い耐熱性・耐薬品性: 炭素原子の強固な結合により、化学的にも熱的にも安定しており、高温環境や薬品に対して強い耐性を示します。
• 大きな比表面積: ナノメートルサイズのチューブ状構造のため、表面積が非常に大きく、様々な物質を吸着したり、化学反応の場として利用できます。
• 柔軟性: チューブ状であるため、しなやかで弾力性があります。

応用例

　これらの優れた特性から、CNTは「夢の材料」「次世代の炭素素材」とも呼ばれ、様々な分野での応用が期待されています。

• 電子材料: 次世代の半導体材料（シリコンの代替）、高性能トランジスタ、配線材料、透明導電性フィルムなど。
• エネルギー関連: リチウムイオン電池の導電助剤（電池の性能向上）、燃料電池、キャパシタ（電極材）、太陽電池。
• 構造材料: 航空宇宙産業や自動車産業での軽量・高強度部品（燃費向上）、スポーツ用品（テニスラケット、自転車部品）。
• 医療分野: 薬物送達システム、バイオセンサー。
• その他: 放熱シート、電熱線、帯電防止樹脂、センサー、コンクリート、ゴムパッキンなど。

　山一ハガネが冷蔵庫の省エネに活用しようとしているのは、特にCNTの「熱伝達率の向上」と「濡れ性制御（撥水・親水性）」の特性であり、これが新しい省エネ技術として注目されています。

カーボンナノチューブが熱伝導に優れる理由は

　カーボンナノチューブが非常に高い熱伝導性を示す理由は、その特異な原子構造と電子的な特性にあります。

完璧な結晶構造と炭素原子の強力な共有結合

　CNTは、炭素原子がグラフェンシートのような六角形網目構造で整然と配置され、それが筒状に丸まった構造をしています。

　この構造は非常に欠陥が少なく、炭素原子間の結合（共有結合）が非常に強力です。熱は、主に原子の振動（フォノン）によって伝達されます。

　CNTのように原子が規則正しく並び、かつ強く結合している構造では、フォノンが散乱されることなく効率的に伝播し、熱エネルギーを素早く伝達できます。

電子の自由な移動（特に金属的CNTの場合）

　CNTは、その巻き方（カイラリティ）によって金属的性質を示すものと半導体的性質を示すものがあります。金属的性質を持つCNTの場合、電子が結晶中を非常に自由に移動できます。熱は、フォノンだけでなく、自由電子の運動によっても伝達されます（電子熱伝導）。CNTの非常に高い電子移動度も、熱伝導性の高さに寄与しています。

高いアスペクト比（長さと直径の比）

　CNTは、非常に細いチューブ状で、その長さは直径に比べてはるかに長いです。この形状により、熱が特定の方向に効率的に伝わりやすくなります。

　これらの要因が複合的に作用し、CNTは銅やダイヤモンドといった優れた熱伝導体よりもはるかに高い熱伝導率を示すことがあります。

熱伝導の向上が冷蔵庫の省エネにつながる理由

　冷蔵庫の基本的な仕組みは、庫内の熱を外部に排出し、庫内を冷却することであり、この熱の移動を効率的に行うことが、省エネに直結します。

冷却効率の向上

• 冷蔵庫の冷却サイクルでは、冷媒が熱交換器（蒸発器と凝縮器）を通じて熱を吸収・放出します。
• 蒸発器（庫内）: 庫内の熱を冷媒が効率よく吸収することで、庫内温度を素早く下げることができます。熱伝導率が高い材料を使うことで、熱交換が促進されます。
• 凝縮器（庫外）: 冷媒が圧縮されて高温になった熱を効率よく外部に放出することで、冷媒が液体に戻り、次の冷却サイクルに備えられます。ここでの熱放出が滞ると、冷媒の温度がなかなか下がらず、コンプレッサー（圧縮機）の負荷が増大します。

コンプレッサーの稼働時間・負荷の低減

• 熱伝導率が高い材料（例えば、CAST処理された熱交換器）を使用することで、より少ないエネルギーで同じ量の熱を移動させることができます。
• 冷却に必要な熱を効率よく排出できるようになるため、コンプレッサーが庫内を目標温度まで冷やすのに必要な稼働時間が短縮されます。
• コンプレッサーは冷蔵庫の中で最も電力を消費する部品です。その稼働時間を短縮できれば、直接的に電力消費を抑えることができます。
• また、熱交換がスムーズに行われることで、コンプレッサーが過剰に働く必要がなくなり、負荷も軽減されます。

濡れ性が省エネと関連する理由は

　　濡れ性、特に「撥水性」と「親水性」の適切な制御が冷蔵庫の省エネに繋がる主な理由は、熱交換器（蒸発器）における霜の付着を抑制し、熱交換効率を維持することにあります。

　冷蔵庫の省エネにおける濡れ性の役割を理解するために、まず冷蔵庫の冷却サイクルと霜の問題について簡単に説明します。

冷蔵庫の冷却サイクルと霜の問題

　冷蔵庫は、庫内にある「蒸発器」と呼ばれる熱交換器で、冷媒が液体から気体へと蒸発する際に、庫内の熱を奪うことで冷やします。

　この蒸発器の表面は非常に低温（通常、氷点下）になっています。

　庫内の空気には水分が含まれており、この湿った空気が蒸発器の低温表面に触れると、空気中の水蒸気が凝結・昇華して氷となり、表面に付着します。これが「霜」です。

　霜が付着すると、以下のような問題が発生します。

1. 熱交換効率の低下（最も重要）: 霜は空気を含んだ氷の層であり、非常に優れた「断熱材」として機能します。蒸発器の表面に霜の層が厚く形成されると、庫内の熱が冷媒に伝わりにくくなります。
2. 空気の流れの阻害: 霜がファンのフィンや通気口を塞ぎ、冷気の循環を妨げることがあります。
3. コンプレッサーの負荷増大: 熱交換効率が低下すると、庫内を目標温度まで冷やすためにコンプレッサーがより長く、より強く運転する必要が生じます。これは電力消費の増大に直結します。
4. 霜取り運転の必要性: 霜が一定量以上に達すると、冷蔵庫は自動的に「霜取り運転」に入ります。これは、ヒーターなどを使って霜を溶かす運転であり、この時も電力を消費します。また、霜取り運転中は一時的に冷却が停止されるため、庫内温度が上昇することもあります。

濡れ性制御が省エネに繋がる理由

　山一ハガネのCAST技術のように、熱交換器の表面の「濡れ性」を適切に制御することで、これらの霜の問題を軽減し、省エネに貢献できます。

1. 撥水性（水をはじく性質）による霜の抑制

• 水分の付着抑制: 表面が非常に撥水性の高い材料であれば、空気中の水蒸気や水滴が表面に付着しにくくなります。これにより、霜の発生自体を抑えたり、霜が小さく留まったりする効果が期待できます。
• 霜の成長抑制: 霜ができたとしても、撥水性の表面では霜が大きく成長しにくく、薄い層に留まる傾向があります。
• 霜の除去の容易化: もし霜が付着しても、表面が撥水性であれば、霜が剥がれ落ちやすくなる可能性があります。これにより、霜取り運転の頻度を減らしたり、霜取り運転の時間を短縮したりできるため、その分の電力消費を削減できます。

2. 親水性（水に馴染む性質）による霜の抑制

　一見すると撥水性とは逆の性質ですが、特定の状況下では親水性が有利に働くこともあります。例えば、霜が形成されるメカニズムを制御し、薄い水膜として存在させることで、厚い霜の層になるのを防ぐ研究もあります。ただし、冷蔵庫の霜対策としては一般的に撥水性が注目されます。

　山一ハガネのCAST技術では「濡れ性制御（撥水・親水性）」と表現されているため、表面の微細構造やエネルギーを操作することで、単に水をはじくだけでなく、霜の付着や成長のメカニズムを最適化する狙いがあると考えられます。