建物の温度を調整できる新しい3Dプリント複合材料

気候パターンの変化により、何百万人もの人々が異常気象に対して脆弱になっています。 温度変動が世界中で一般的になるにつれて、従来の電力を消費する冷暖房システムは、すでに問題を抱えている送電網の負担を軽減するために、より革新的でエネルギー効率の高い代替手段を必要としています。

テキサスA＆M大学の研究者は、よりシンプルで費用効果の高い製造プロセスを使用して建物内の周囲温度を調整できる、新しい3D印刷可能な相変化材料（PCM）複合材料を作成しました。これらの複合材料は、家の装飾として塗料や3D印刷などの建築材料に追加して、さまざまな屋内環境にシームレスに溶け込ませることができます。

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スケーラブルな方法を使用して相変化材料を建築材料に統合する機能は、より受動的な温度を生成する機会を提供し、新しい建物や既存の構造で調整するための調和のとれた化学システムを提供します。

 

暖房、換気、および空調（HVAC）システムは、住宅および商業施設で最も一般的に使用されている体温調節方法です。

 

冷媒と呼ばれる温室材料は、冷たく乾燥した空気を生成するために使用されます。 HVACシステムに関するこれらの継続的な問題は、動作に必要なエネルギーが少なく、HVACシステムに見合った温度を調整できる代替材料および技術の研究につながりました。

 

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体温調節に広く関心を集めている材料の1つは相変化材料です。これらの化合物は、周囲温度に応じて物理的状態を変化させます。

 

したがって、相変化材料が熱を蓄えると、熱を吸収すると固体から液体に変化し、熱を放出するとその逆に変化します。したがって、加熱と冷却を外部電源のみに依存するHVACシステムとは異なり、これらの材料は受動部品であり、温度を調整するために外部電源を必要としません。

 

PCM建材を製造する従来の方法では、水のカップのように、各PCM粒子の周りに個別のシェルを形成し、次にこれらの新しく包装されたPCMを建材に追加する必要があります。ただし、PCMとそのシェルと互換性のある建築材料を見つけることは常に課題でした。さらに、この従来の方法では、建築材料に組み込むことができるPCM粒子の数が減少します。

 

これらの課題を克服するために、過去の研究では、液体樹脂と混合した相変化パラフィンを使用すると、樹脂をシェルまたは建築材料として使用できることが示されています。この方法では、PCM粒子をそれぞれのポケットに固定し、相変化を安全に受けて、漏れることなく熱エネルギーを管理できるようにします。

 

研究チームは、最初に感光性液体樹脂と相変化パラフィン粉末を組み合わせて、新しい3D印刷可能インク複合材料を作成しました。これにより、PCMを含む建築材料の製造プロセスが改善され、カプセル化を含むいくつかのステップが不要になりました。

 

樹脂/ PCM混合物は柔らかく、ペースト状で、展性があるため、3D印刷には非常に適していますが、建物の構造には適していません。そのため、感光性樹脂を使用し、紫外線で硬化させて3Dプリント可能なペーストを硬化させ、実用化に適しています。

 

彼らは、樹脂に埋め込まれた相変化ワックスが紫外線の影響を受けず、印刷された構造の70％を占めることを発見しました。これは、現在業界で使用されているほとんどの入手可能な材料と比較して高い割合です。

 

彼らは、小さな家の形状モデルを3D印刷し、家がオーブンに置かれたときの温度を測定することによって、相変化複合材料の温度調節をテストしました。分析によると、従来の材料で作られたモデルと比較して、モデルの温度は、冷暖房熱サイクルの外部温度と40％異なります。

 

将来的には、研究者はパラフィン以外のさまざまな相変化材料を実験して、これらの複合材料がより広い温度範囲で動作し、特定のサイクルでより多くの熱エネルギーを管理できるようにする予定です。

 

建物の快適さを維持しながらエネルギー消費を削減する材料の可能性に興奮して、異なる溶融温度の複数のPCMを組み合わせて、4シーズン全体にわたって単一の印刷オブジェクトの各領域に正確に配布し、グローバルに役割を果たすことができます。