Yano E plus 2019年9月号(No.138)

 トピックス 

極低温冷凍機の動向
～MRI に代表されるように超伝導は身近な存在、必要な極低温を実現するために省資源、低コストの観点での需要が高い

極低温とは、一般に、絶対零度に近い低温を指すことが多いが、その温度範囲は、捉え方によって微妙に異なってくる。
例えば、通常の冷凍機が担当する低温は、せいぜい-80℃（絶対温度で約193K：Kelvin）程度とまりであるが、常温からみればはるかに低温領域である。
超伝導の世界では、一般に、液体ヘリウム（He）温度（4.2K）以下がノーマルな極低温であり、液体窒素温度（77K）は、-196℃という低温でありながら「高温」という捉え方になる。
本稿では、極低温の範囲を、やや広くとって、液体窒素以下の温度域を指して用いることにするが、関心が高いのは液体He温度以下が圧倒的に多い。それは、極低温冷凍機の主な対象となる超伝導が実用化している温度領域が、液体He温度以下が多いためである。高温超伝導は、学術的には近年目覚ましく発展してきたが、実用化という点ではまだ追いついていない。
実験室規模で極低温を得るためには、通常、80K程度なら液体窒素、10K程度なら液体水素、1K程度なら液体ヘリウム4（4He）、0.3K程度なら液体ヘリウム3（3He）などの寒剤を用いることが多い。
実験室以上の産業レベルで極低温を得るためには、極低温冷凍機の存在が欠かせない。4K程度までの冷却なら、寒剤を用いても極低温冷凍機を用いても大差ない場合もあるが、4K以下の極低温を得るためには、寒剤だけでは困難で、特殊な極低温冷凍機が欠かせない。

 内容目次 

《次世代電池シリーズ》
●次世代電池シリーズ（9）新原理/新型電池の最新動向 （3～24ページ）
～企業の独自開発による新原理/新型電池の商用化が始まりつつあり、
 2019～2020年頃から新市場が立ち上がる～

1．はじめに
1-1．新原理電池は国プロの開発事例が多い
【表1．各種の新原理電池とその特長（注目例）】
1-2．新型の高機能LIBや新構造LIBも登場
【表2．特長的な新型電池（新開発高機能LIB、新構造LIB）の注目例】
1-3．新原理電池の市場化見通し
【図・表1．新原理蓄電池のWW市場化見通し（金額ベース：218-2030年予測）】
2．注目企業・研究機関の最新動向
2-1．CONNEXX SYSTEMS請注意日本當地運費，確認後再進行下標。（コネックスシステムズ）株式会社
【図1．BIND Batteryの安全回復機能と家庭用蓄電システム（右）】
【図2．Hyper Batteryの充放電性能（入出力特性）とプロトタイプ（右）】
【図3．Shuttle Batteryの基本構造と試作セル（右）】
2-2．PJP Eye株式会社
【図4．PJP Eyeの「Laboratory6」製品の事例】
2-3．株式会社クオルテック
【図5．水系飽和電解液による新型キャパシタの充放電曲線】
2-4．株式会社リコー
【図6．デュアルイオン電池（DIB）の基本構造と動作原理】
【図7．デュアルイオン電池（DIB）の入力特性（左）とサイクル特性】
2-5．国立研究開発法人 物質・材料研究機構
【図8．グラフェンの構造と電解液イオンを吸着するグラフェンシート（右）】

《次世代市場トレンド》
●次世代先端デバイス動向(5) 強相関電子系デバイス （25～53ページ）
～僅かな磁場、温度、キャリア濃度変化等で物性が大きく変化する
 性質を利用して、新規エレクトロニクスデバイスとなる可能性あり！～

1．強相関電子系物質とは
2．強相関電子系の理論
2-1．金属と半導体
2-2．クーロン力
3．強相関電子系でデバイスをつくる
4．強相関電子系デバイスの応用可能性
4-1．トランジスター
4-2．メモリー
4-3．熱電変換デバイス
4-4．その他のデバイス
5．強相関電子系デバイスの市場規模予測
【図・表1．強相関電子系デバイスの国内およびWW市場規模予測（金額：2020-2040年予測）】
【図・表2．強相関電子系デバイスのタイプ別WW市場規模予測（金額：2020-2040年予測）】
6．強相関電子系デバイスに関連する企業・研究機関の取組動向
6-1．国立大学法人大阪大学
【図1．VO2ナノ構造体単相ドメインの相転移制御】
(1)金属/絶縁体電子相の電子状態の解明
【図2．Spring-8における光電子分光法による電子状態解明】
(2)電子相配列制御とVO2ナノ微細加工技術の確立
【図3．ナノインプリントナノ微細化法による一括大面積VO2ナノ構造体作製】
(3)強相関電子相転移を利用した新規デバイスの創製
【図4．単一電子相ドメインの電気制御と新規強相関電子相デバイス創製】
6-2．大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構（KEK）
(1)量子ビームを用いた多自由度強相関物質における動的交差相関物性の解明
(2)分子システムにおける物性制御
(3)強相関酸化物超構造を用いた新奇量子状態の観測と制御
6-3．大学共同利用機関法人自然科学研究機構分子科学研究所
【図5．（A）Mott-FETの断面図。（B）有機Mott絶縁体（厚み約500 nm）を用いた
ホールバーデバイスの光学顕微鏡像。スケールは100μm。（C）κ-Brの表面AFM像】
6-4．国立大学法人東京大学
【図6．Sr2RuO4超伝導薄膜形成に用いたMBE装置の模式図】
【図7．Sr2RuO4超伝導薄膜形成に用いたMBE装置の実物写真】
6-5．国立大学法人東北大学
(1)強相関酸化物量子井戸構造を用いた新奇量子化状態の創成
【図8．強相関酸化物量子井戸構造を用いた新奇量子化状態の創成のイメージ】
(2)酸化物ヘテロ構造を用いた新機能の開発
【図9．酸化物ヘテロ構造を用いた新機能の開発のイメージ】
(3)酸化物ナノキャパシター構造を用いたグリーンメモリーの開発
【図10．酸化物ナノキャパシター構造を用いたグリーンメモリーの開発のイメージ】
6-6．学校法人日本大学
【図11．従来の強誘電体と電子型強誘電体の電気分極模式図】
【図12．電子型強誘電体希土類フェライトRFe2O4の結晶構造】
【図13．電気測定用装置】
6-7．国立研究開発法人物質・材料研究機構（NIMS）
(1)新規イリジウム酸化物Ba2IrO4におけるJeff = 1/2スピン軌道Mott状態の発見
(2)空間反転対称性の破れた新規超伝導体SrAuSi3の発見
(3)新規マルチフェロイクス物質RMnO3
6-8．国立大学法人横浜国立大学
【図14．スピンが無秩序ながらも強い相関を保った量子スピン液体】
【図15．塩化ルテニウム結晶にみられる量子スピン液体】
6-9．国立研究開発法人理化学研究所
6-10．学校法人早稲田大学
【図16．磁気スキルミオンを発現するB20化合物の構造】
【図17．スキルミオンがトポロジカルに保護された安定性を持っていることを示す模式図】
【図18．スキルミオンレーストラックメモリーの模式図】
【図19．スキルミオンMRAMの模式図】
7．強相関電子系デバイスの将来展望

●CASEの市場動向（5）：Connected （54～64ページ）
～Connectedは基盤となる領域、新たなビジネスはここからはじまる～

1．Connectedの位置付け
1-1．国内のConnectedのこれまでの動き
1-2．利用者にとってのConnected
2．コネクテッドカー市場の注目分類
【表1．国内のコネクテッドカー市場の15分類】
2-1．Connectedとクラウドを利用したADAS
2-2．Connectedとテレマティクス自動車保険
2-3．ConnectedとOTA（通信機能を利用したソフトウエアの更新）
【表2．故障診断で用いる機器、機能】
2-4．ConnectedとV2X
3．コネクテッドカー市場規模
【図1．コネクテッドカー市場の動向】
【図2．コネクテッドカー市場の動向】

《注目市場フォーカス》
●極低温冷凍機の動向 （65～86ページ）
～MRIに代表されるように超伝導は身近な存在、必要な極低温を
 実現するために省資源、低コストの観点での需要が高い～

1．極低温と極低温冷凍機
2．極低温を得る方法
2-1．希釈冷却法
2-2．断熱消磁法
（1）常磁性塩を用いた断熱消磁法
（2）核スピンを用いた断熱消磁
3．極低温冷凍機の種類
3-1．GM冷凍機
3-2．磁気冷凍機
3-3．希釈冷凍機
3-4．パルスチューブ冷凍機
3-5．スターリング冷凍機
4．極低温冷凍機の応用分野
4-1．エネルギー
4-2．運輸
4-3．ライフサイエンス
4-4．エレクトロニクス
4-5．その他
5．極低温冷凍機の市場規模推移と予測
【図・表1．極低温冷凍機の国内およびWW市場規模推移と予測（2018-2022年予測）】
【図・表2．極低温冷凍機の需要分野別WW市場規模推移と予測（2018-2022年予測）】
6．極低温冷凍機のメーカーシェア
【図・表3．極低温冷凍機のワールドワイド市場における企業シェア（2018年）】
7．極低温冷凍機に関連する企業・研究機関の取組動向
7-1．アルバック・クライオ株式会社
7-2．国立大学法人高知大学
【図1．市販冷凍機を改造した1K冷凍機】
【図2．極低温における温度振動を1/100以下に低減する方式の模式図】
7-3．住友重機械工業株式会社
【図3．代表的な4KGM冷凍機の構成】
【図4．住友重機械工業の4KGM冷凍機シリーズ】
7-4．スラッシュ水素研究所
【図5．磁気冷凍液化法と気体圧縮液化法の違いを示した模式図】
【図6．磁気冷凍液化法と気体圧縮液化法の違いを示した模式図（温度・エントロピー線図】
【図7．スラッシュ水素を利用した高効率水素エネルギーシステム】
7-5．国立大学法人東京工業大学
(1)磁気冷凍による室温空調
(2)熱電素子の極低温応用
(3)超伝導コイル保冷システムの開発
7-6．国立大学法人東北大学
【図8．今回開発した小型の断熱消磁冷凍機（ADR）】
【図9．断熱消磁冷凍機（ADR）を用いた冷却過程】
7-7．ロックゲート株式会社
【図10．Bluefors製無冷媒希釈冷凍機XLDシリーズ】
8．極低温冷凍機の今後の見通し

《タイムリーコンパクトレポート》
●定置用蓄電池（ESS）市場 （87～91ページ）
～ESSを巡る外部環境の変化が肯定的シグナルを送る
 拡大するビジネスチャンスに関連業界が沸く～

1．市場概況
2．セグメント別動向
2-1．住宅用ESS：FIT単価の下落、電気料金の上昇等で普及は更に加速化
2-2．企業・業務用ESS：コストダウンによる経済合理性の成立で大幅な市場拡大を期待
2-3．電力系統用ESS：再エネの導入拡大に伴い、2020年以降は爆発的成長が見込まれる
3．注目トピック
3-1．経済合理性の成立はまだまだ、それでもESSは「行くしかない市場」
3-2．今後のESS市場はLiBの独壇場になる可能性高
4．将来展望
【図1．定置用蓄電池（ESS）の設置先・需要分野別市場規模推移（世界市場、容量ベース）
（数量：2017-2025年予測）