(57)【要約】      （修正有）【課題】断熱材と別に冷却装置を設ける必要がないシンプルかつコンパクトな構成の熱制御装置を実現するための熱伝導率可変材料を提供する。【解決手段】液体、並びに前記液体よりも高い熱伝導率を有し、磁場作用により磁気分極する性質を有する粒子１３、及び／又は電場作用により電気分極する性質を有する粒子が封入され、磁場及び／又は電場を印加することによって前記粒子１３の少なくとも一部が相互に接触し熱伝導率が上昇することを特徴とする、熱伝導率可変材料１１。【選択図】図２
2015089896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体、並びに前記液体よりも高い熱伝導率を有し、磁場作用により磁気分極する性質を有する粒子、及び／又は電場作用により電気分極する性質を有する粒子が封入され、
磁場及び／又は電場を印加することによって前記粒子の少なくとも一部が相互に接触し熱伝導率が上昇することを特徴とする、熱伝導率可変材料。
【請求項２】
前記液体の粘度が、１００００ｍＰａ・ｓ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の熱伝導率可変材料。
【請求項３】
前記磁場作用により磁気分極する性質を有する粒子の平均粒子径、及び前記電場作用により電気分極する性質を有する粒子の平均粒子径が、０．００１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の熱伝導率可変材料。
【請求項４】
前記磁場作用により磁気分極する性質を有する粒子、及び前記電場作用により電気分極する性質を有する粒子の前記液体における合計の含有量が、体積分率で５ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の熱伝導率可変材料。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項に記載の熱伝導率可変材料を用いた熱制御装置。
【請求項６】
請求項１〜４いずれか１項に記載の熱伝導率可変材料を用いた熱制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱伝導率可変材料、当該熱伝導率可変材料を用いた熱制御装置、及び当該熱伝導率可変材料を用いた熱制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
断熱材は多くの分野で使用されており、例えば、充電池は、その性能を十分に発揮させるための適切な温度範囲が存在するため、寒冷地等の気温の低い場所では充電池の温度を下げないために断熱材が用いられている。
【０００３】
しかし、充電池を断熱材等で覆うと、充電池を使用したときに発生した熱を放出することが出来なくなるため、充電池の温度が上昇し、その性能が低下する。
【０００４】
従来、この問題を解決するために、充電池を断熱材で覆い、充電池の温度が一定以上に達したときにファン等で冷却する熱制御装置が知られている（特許文献１）。
【０００５】
しかし、従来の熱制御装置は断熱材とは別に冷却装置を設ける必要があり、熱制御装置が大型になった。さらに、冷却装置として冷却ファン等を設けた場合は、冷却時に継続的にファンを回す電力が必要となる上、非常に複雑な配線の構成等が必要となる等の問題があった。また、冷却装置としてヒートパイプ等を備えた場合（特許文献２）も同様に、その構造は非常に複雑かつ大きくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−７６７７１号公報
【特許文献２】特開平１０−５５８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、断熱材と別に冷却装置を設ける必要がないシンプルかつコンパクトな構成の熱制御装置及び熱制御方法を実現するための材料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、液体、並びに前記液体よりも高い熱伝導率を有し、磁場作用により磁気分極する性質を有する粒子、及び／又は電場作用により電気分極する性質を有する粒子が封入され、磁場及び／又は電場を印加することによって前記粒子の少なくとも一部が相互に接触し熱伝導率が上昇することを特徴とする、熱伝導率可変材料である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の熱伝導率可変材料は、液体、並びに前記液体よりも高い熱伝導率を有し、磁場作用により磁気分極する性質を有する粒子、及び／又は電場作用により電気分極する性質を有する粒子が封入されている。本発明の熱伝導率可変材料は、磁場等を印加すると前記粒子の少なくとも一部が相互に接触し、伝熱路が確保されるため、熱伝導率を上昇させることができる。また、本発明の熱伝導率可変材料は、磁場等を印加していない状態、又は印加する磁場等が弱い状態では、前記粒子が相互に離れて伝熱路が断たれるため、熱伝導率を低下させることができる。つまり、本発明の熱伝導率可変材料は、印加する磁場等の強さによって熱伝導率が変化するため、熱制御装置の材料として使用することにより、断熱材と別個に冷却装置を設ける必要がない、シンプルかつコンパクトな構成の熱制御装置及び熱制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る熱制御装置を示す概略図
【図２】磁場印加手段によって磁気分極粒子を相互に接触させた熱制御装置を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本実施形態に係る熱伝導率可変材料は、液体、並びに前記液体よりも高い熱伝導率を有し、磁場作用により磁気分極する性質を有する粒子が封入され、磁場を印加することによって前記粒子の少なくとも一部が相互に接触し熱伝導率が上昇する。以下、磁場作用により磁気分極する性質を有する粒子を磁気分極粒子と称する。
【００１２】
（液体）
本実施形態の熱伝導率可変材料に用いる液体は、特に限定がないが、当該液体の例としては、水、水溶液（食塩水など）、コロイド溶液（牛乳、たんぱく質溶液等）、有機溶媒（エタノール、アセトン、クロロホルム、Ｎ，Ｎ―ジメチルホルムアミド等）、オイル（ポリオール、シリコンオイル、ガソリン等）、エマルジョン（マヨネーズ等）等が挙げられる。本実施形態の熱伝導率可変材料は、前記磁気分極粒子の少なくとも一部が相互に接触することにより熱伝導率が上昇し、前記磁気分極粒子の少なくとも一部が相互に離れることにより熱伝導率が低下する。従って、熱伝導率の変化率を大きくするためには、当該液体の熱伝導率が低い方が好ましい。熱伝導率が低い液体の例としてはシリコンオイルが挙げられる。
【００１３】
前記液体は、磁場等を印加していない状態等では前記粒子が相互に離れ、磁場等を印加することによって前記粒子の少なくとも一部が相互に接触するようにする観点から、粘度が１００００ｍＰａ・ｓ以下であることが好ましく、５０００ｍＰａ・ｓ以下であることがより好ましく、３０００ｍＰａ・ｓ以下であることが更に好ましい。なお、本明細書において、粘度は実施例に記載の方法により測定する。
【００１４】
（磁気分極粒子）
本実施形態の熱伝導率可変材料に用いる磁気分極粒子は、前記液体よりも高い熱伝導率を有し、磁場作用により磁気分極する性質を有していれば良い。当該磁気分極粒子の例としては、純鉄、電磁軟鉄、方向性ケイ素鋼、Ｍｎ−Ｚｎフェライト、Ｎｉ−Ｚｎフェライト、マグネタイト、コバルト、ニッケル等を含有する粒子が挙げられる。当該磁気分極粒子のその他の例として、中空粒子や、配向により高熱伝導性が促されるコンポジット系粒子も挙げられる。当該磁気分極粒子は、１種又は２種以上を用いることができる。また、磁気分極粒子は、磁場作用により磁気分極する性質を有さない粒子と組み合わせて用いても良い。
【００１５】
本実施形態の熱伝導率可変材料は、前記磁気分極粒子の少なくとも一部が相互に接触することにより熱伝導率が上昇し、前記磁気分極粒子の少なくとも一部が相互に離れることにより熱伝導率が低下する。従って、熱伝導率の変化率を大きくするためには、液体の熱伝導率と磁気分極粒子の熱伝導率の差が大きいほうが好ましい。
【００１６】
前記磁気分極粒子は、前記熱伝導率可変材料に前記液体と共に封入されていれば良いが、磁気粒子の局在化を防ぎ、前記熱伝導率可変材料の熱伝導率ムラを防ぐ観点から、前記磁気分極粒子は、前記液体に分散していることが好ましい。
【００１７】
前記磁気分極粒子の平均粒子径は、特段の制限がないが、前記液体中での分散性の観点から１ｍｍ以下であることが好ましく、０．５ｍｍ以下であることがより好ましく、０．２ｍｍ以下であることが更に好ましい。また、前記磁気分極粒子の平均粒子径は、磁場を印加して当該磁気分極粒子の少なくとも一部を相互に接触させて伝熱路を確保する観点から、０．００１ｍｍ以上であることが好ましく、０．００５ｍｍ以上であることがより好ましく、０．０１ｍｍ以上であることが更に好ましい。当該磁気分極粒子は、平均粒子径が異なる１種又は２種以上を組み合わせて用いても良い。なお、本明細書において、平均粒子径は実施例に記載の方法により測定する。
【００１８】
平均粒子径が異なる２種以上の磁気分極粒子を組み合わせて用いる場合、２種以上の磁気分極粒子のそれぞれの平均粒子径に特に限定はなく、適宜調整して用いることができる。一例としては、平均粒子径が異なる２種の磁気分極粒子を組み合わせて用いる場合、熱伝導率の変化率をより大きくする観点から、大きい方の平均粒子径と小さい方の平均粒子径の比（大きい方の平均粒子径／小さい方の平均粒子径）が２以上が好ましく、８以上がより好ましい。また、同様の観点から、大きい方の平均粒子径と小さい方の平均粒子径の比（大きい方の平均粒子径／小さい方の平均粒子径）が、４０以下が好ましく、３０以下がより好ましい。
【００１９】
平均粒子径が異なる２種の磁気分極粒子を組み合わせて用いる場合、熱伝導率の変化率をより大きくする観点から、平均粒子径が大きい方の磁気分極粒子と平均粒子径が小さい方の磁気分極粒子の体積比は、平均粒子径が大きい方の磁気分極粒子：平均粒子径が小さい方の磁気分極粒子が８０：２０〜９９：１であることが好ましく、９０：１０〜９５：５であることがより好ましい。
【００２０】
前記磁気分極粒子は、熱伝導率可変材料の熱伝導率の変化率をより大きくする観点から、前記液体に、体積分率で５ｖｏｌ％以上含有されることが好ましく、１０ｖｏｌ％以上含有されることがより好ましく、１５ｖｏｌ％以上含有されることが更に好ましい。前記液体における前記磁気分極粒子の含有量が、５ｖｏｌ％未満である場合、磁気分極粒子の量が少ないため、磁場を印加しても熱伝導率可変材料の熱伝導率の変化率が小さいか、変化しない。また、前記磁気分極粒子は、熱伝導率可変材料の熱伝導率の変化率を大きくする観点から、前記液体に、体積分率で８０ｖｏｌ％以下含有されることが好ましく、７０ｖｏｌ％以下含有されることがより好ましく、６０ｖｏｌ％以下含有されることが更に好ましく、５０ｖｏｌ％以下含有されることがより更に好ましい。前記磁気分極粒子の含有量が、８０ｖｏｌ％を超える場合、磁場を印加しない状態でも磁気分極粒子の多くが相互に接触しているため、磁場を印加しても熱伝導率可変材料の熱伝導率の変化率が小さいか、変化しない。
【００２１】
前記液体、及び前記磁気分極粒子を封入する封入材料に特に限定は無く、例えば、ポリエチレンテレフタラート樹脂、ポリスチレン樹脂等を用いることができる。
【００２２】
（熱制御装置）
本実施形態の熱制御装置は前記熱伝導率可変材料を用いる。より具体的には、本実施形態の熱制御装置は、前記液体と、前記液体よりも高い熱伝導率を有し、磁場作用により磁気分極する性質を有する粒子と、前記液体及び前記粒子を封入する封入材料と、磁場印加手段とを有し、前記磁場印加手段により磁場を印加することによって前記粒子の少なくとも一部が相互に接触し熱伝導率が上昇することを特徴とする。当該熱制御装置について、図面を参照しつつ説明する。
【００２３】
図１は、前記熱伝導率可変材料を用いた熱制御装置１の構成を示す概略図である。前記熱制御装置１は、少なくとも前記熱伝導率可変材料１１及び磁場印加手段１２を有する。熱伝導率可変材料１１は、熱制御対象物２の周囲を覆うように設けられている。
【００２４】
磁場印加手段１２は、磁場を印加することによって、前記熱伝導率可変材料１１に封入されている磁気分極粒子１３に磁場作用を与える。磁場印加手段１２は、前記磁気分極粒子１３に磁場作用を与え、前記磁気分極粒子１３の少なくとも一部を相互に接触させることができれば、公知一般の手法を用いることができる。磁場印加手段１２の一例としては電磁石が挙げられる。電磁石は、容易に磁束密度を調節することができるため好ましい。
【００２５】
図２は、磁場印加手段１２が前記磁気分極粒子１３に磁場作用を与えることにより、前記磁気分極粒子１３の少なくとも一部を相互に接触させた状態の一例を示す概略図である。図２に示すような前記磁気分極粒子１３の少なくとも一部を相互に接触させた状態では、伝熱路が確保されるために熱伝導率が高くなる。また、磁場印加手段１２によって印加される磁場の強度が弱い場合、又は磁場が印加されない場合は、図１に示すような前記磁気分極粒子１３が相互に接触していない状態に戻る。本実施形態に係る熱制御装置は、前記構成により、熱制御対象物２の熱を制御することができる。
【００２６】
なお、本実施形態では、磁気分極粒子を用い、磁場作用によって熱伝導率可変材料の熱伝導率を変化させた。しかしながら、他の実施形態では、前記液体よりも高い熱伝導率を有し、電場作用により電気分極する性質を有する粒子を用い、電場作用によって熱伝導率可変材料の熱伝導率を変化させても良い。以下、電場作用により電気分極する性質を有する粒子を電気分極粒子と称する。当該電気分極粒子の例としては、炭素粒子、金属粒子、合金粒子、金属間化合物粒子、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素等のセラミック粒子、高導電性ポリマー粒子、誘電性ポリマー粒子等が挙げられ、当該電気分極粒子は１種又は２種以上を用いることができる。また、当該電気分極粒子は、磁気分極粒子と組み合わせて用いても良い。
【実施例】
【００２７】
以下に、実施例に基づいて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。
【００２８】
（評価方法）
（平均粒子径）
島津レーザ回折式粒度分布測定装置ＳＡＬＤ２２００にて測定した。本明細書において平均粒子径は、水分散液の状態で、レーザ回折式粒度分布測定装置にて測定した粒度分布を体積基準で微粒側から積算した場合の５０％粒子径（メディアン径Ｄ５０）をいう。
【００２９】
（粘度）
ＪＩＳＺ-８８０３に従って、Ｂ型粘度計（ＴＶ−１０、東機産業社製）を用いて２５℃で測定した。
【００３０】
（熱伝導率可変材料の評価）
熱伝導率可変材料の評価は、電磁石（玉川製作所製：ＴＭ−ＹＳ４型）と熱流計（江藤電気製：Ｍ５５Ａ，２３００Ａ）、ラバーヒーター（サミコン２３０，ＳＢＸ３０３０Ｋ１Ｓ）を組み合わせた装置を用いて性能評価を行った。
【００３１】
１）熱伝導率
磁場印加前の熱伝導率は、熱伝導率可変材料の厚さ方向についてＪＩＳＡ  １４１２−２に従って熱流計法によって測定した。磁場印加時の熱伝導率は、熱伝導率可変材料の厚さ方向に前記電磁石によって７００ｍＴの磁場を印加した状態で、サンプルの厚さ方向についてＪＩＳＡ  １４１２−２に従って熱流計法によって測定した。また、磁場を印加した後、磁場を印加していない状態の熱伝導率可変材料の熱伝導率を、当該熱伝導率可変材料の厚さ方向についてＪＩＳＡ  １４１２−２に従って熱流計法によって測定した。
２）熱伝導率変化率
熱伝導率変化率は、磁場作用がない状態（磁場を印加していない状態）の熱伝導率可変材料の熱伝導率を１００％とし、磁場作用を与える（磁場を印加する）ことによる熱伝導率の変化の度合いを表す。数値が大きい方がより大きく熱伝導率が変化したことを意味する。熱伝導率変化率は、以下の式により求めた。
熱伝導率変化率（％）＝７００ｍＴの磁場を印加した状態の熱伝導率可変材料の熱伝導率／磁場作用がない状態の熱伝導率可変材料の熱伝導率×１００
【００３２】
（実施例１〜５、比較例）
表１の量の鉄粉を分散させた液体を厚み３０ｍｍの評価用治具（ポリスチレン樹脂製容器：樹脂厚１．５ｍｍ、容器厚３０ｍｍ、上面及び下面１５０ｍｍ×１５０ｍｍ）に封入し、熱伝導率可変材料を製造した。なお、比較例は液体のみである。
鉄粉及び液体は下記のものを使用した。
鉄粉：ＤＧ−ＩＰ＃８０（平均粒子径１８０μｍ：ＤＯＷＡエレクトロニクス社製）
液体：ＳＨ１９３（東レダウコーニング社製）
【００３３】
（実施例６）
液体を下記のものに変更した以外は実施例３と同様に製造した。
液体：エクセノール２２０（旭硝子社製）
【００３４】
（実施例７）
液体を下記のものに変更した以外は実施例３と同様に製造した。
液体：エクセノール８７３（旭硝子社製）
【００３５】
（実施例８）
流体を下記のものに変更した以外は実施例３と同様に製造した。
液体：ＰＯＰ３６／２８（三井化学社製）
【００３６】
（実施例９）
鉄粉を下記のものに変更した以外は実施例３と同様に製造した。
鉄粉：カルボニル鉄粉ＣＩ−ＣＳ（平均粒子径６μｍ：ＢＡＳＦ社製）
【００３７】
（実施例１０）
鉄粉を下記のものに変更した以外は実施例３と同様に製造した。
鉄粉：純鉄粉（平均粒子径５０μｍ：山陽特殊製鋼社製）
【００３８】
（実施例１１）
鉄粉を下記のものに変更した以外は実施例３と同様に製造した。
鉄粉：アトマイズ鉄粉（平均粒子径８０μｍ：和光純薬社製）
【００３９】
（実施例１２）
鉄粉を下記のものに変更した以外は実施例３と同様に製造した。
鉄粉：ＤＧ−ＩＰ＃８０とＣＩ−ＣＳの混合物（混合比（体積比）  ＤＧ−ＩＰ＃８０：ＣＩ−ＣＳ＝９９：１）
【００４０】
（実施例１３）
鉄粉を下記のものに変更した以外は実施例３と同様に製造した。
鉄粉：ＤＧ−ＩＰ＃８０とＣＩ−ＣＳの混合物（混合比（体積比）  ＤＧ−ＩＰ＃８０：ＣＩ−ＣＳ＝９５：５）
【００４１】
（実施例１４）
鉄粉を下記のものに変更した以外は実施例３と同様に製造した。
鉄粉：ＤＧ−ＩＰ＃８０とＣＩ−ＣＳの混合物（混合比（体積比）  ＤＧ−ＩＰ＃８０：ＣＩ−ＣＳ＝９０：１０）
【００４２】
（実施例１５）
鉄粉を下記のものに変更した以外は実施例３と同様に製造した。
鉄粉：ＤＧ−ＩＰ＃８０とＣＩ−ＣＳの混合物（混合比（体積比）  ＤＧ−ＩＰ＃８０：ＣＩ−ＣＳ＝８０：２０）
【００４３】
（実施例１６）
液体を下記のものに変更した以外は実施例３と同様に製造した。
液体：水
【００４４】
（実施例１７）
鉄粉を下記のものに変更した以外は実施例３と同様に製造した。
鉄粉：ＣＩ−ＳＭ（平均粒子径３μｍ：ＢＡＳＦ社製）とＣＩ−ＣＳの混合物（混合比（体積比）  ＣＩ−ＳＭ：ＣＩ−ＣＳ＝９０：１０）
【００４５】
（実施例１８）
鉄粉を下記のものに変更した以外は実施例３と同様に製造した。
鉄粉：ＣＩ−ＣＳと純鉄粉の混合物（混合比（体積比）  ＣＩ−ＣＳ：純鉄粉＝９９：１）
【００４６】
（実施例１９）
鉄粉を下記のものに変更した以外は実施例３と同様に製造した。
鉄粉：ＣＩ−ＣＳと純鉄粉の混合物（混合比（体積比）  ＣＩ−ＣＳ：純鉄粉＝９５：５）
【００４７】
（実施例２０）
鉄粉を下記のものに変更した以外は実施例３と同様に製造した。
鉄粉：ＣＩ−ＣＳと純鉄粉の混合物（混合比（体積比）  ＣＩ−ＣＳ：純鉄粉＝９０：１０）
【００４８】
（実施例２１）
鉄粉を下記のものに変更した以外は実施例３と同様に製造した。
鉄粉：ＣＩ−ＣＳと純鉄粉の混合物（混合比（体積比）  ＣＩ−ＣＳ：純鉄粉＝８０：２０）
【００４９】
前記各熱伝導率可変材料の評価結果を表１に示す。また、実施例２については、同一のサンプルについて同様の測定を２回続けて行った。当該結果を表２に示す。
【００５０】
【表１】
2015089896.tif 000003
【００５１】
【表２】
2015089896.tif 000004
【００５２】
表１に記載の結果から、本発明に係る熱伝導率可変材料は、磁場を印加することによって熱伝導率が変化することがわかる。
【００５３】
表２に記載の結果から、本発明に係る熱伝導率可変材料は、１度だけではなく、複数回にわたって熱伝導率を変化させることができることがわかる。
【００５４】
以上、本発明を詳細に説明してきたが、前記の説明はあらゆる点において本発明の一例にすぎず、その範囲を限定しようとするものではない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明に係る熱伝導率可変材料は、熱制御装置及び熱制御方法に使用することができ、例えば、自動車に搭載された充電池の温度を調節する熱制御装置及び熱制御方法に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１  熱制御装置
１１  熱伝導率可変材料
１２  磁場印加手段
１３  磁気分極粒子
２  熱制御対象物
【図１】
2015089896.tif 000005
【図２】
2015089896.tif 000006