(57)【要約】  本発明は、バナジウムおよびリチウムを含む複合酸化物であって、バナジウムとリチウムのモル比が、１００：７０〜９８の範囲にあることを特徴とする複合酸化物を主成分とするセラミック材料を提供する。本発明のセラミック材料は、安定した吸発熱特性を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バナジウムおよびリチウムを含む複合酸化物であって、バナジウムとリチウムのモル比が、１００：７０〜９８の範囲にあることを特徴とする複合酸化物を主成分とするセラミック材料。
【請求項２】
バナジウム、リチウム、および遷移金属を含む複合酸化物であって、
バナジウムと他の原子のモル比が、９９５：５〜８５０：１５０の範囲にあり、
バナジウムおよび他の原子の合計とリチウムのモル比が、１００：７０〜１１０の範囲にある
ことを特徴とする複合酸化物を主成分とするセラミック材料。
【請求項３】
下記式：
ＬｉｘＶ１−ｙＭｙＯ２
［式中、
Ｍは、遷移金属であり；
ｙおよびｘは、下記（ａ）または（ｂ）のいずれかを満たす：
（ａ）ｙ＝０、かつ、０．７０≦ｘ≦０．９８、または
（ｂ）０．００５≦ｙ≦０．１５、かつ、０．７０≦ｘ≦１．１］
で表される複合酸化物を主成分とするセラミック材料。
【請求項４】
複合酸化物が、さらにチタン（Ｔｉ）を含み、チタンの含有モル部が、バナジウム、チタンおよび他の遷移金属の合計１００モル部に対して、２モル部以上３０モル部以下であることを特徴とする、請求項２または３に記載のセラミック材料。
【請求項５】
遷移金属が、チタン、コバルト、鉄およびニッケルから選択される少なくとも１種の金属である、請求項２〜４のいずれかに記載のセラミック材料。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のセラミック材料を含んで成る冷却デバイス。
【請求項７】
請求項６に記載の冷却デバイスを有して成る電子部品。
【請求項８】
請求項６に記載の冷却デバイスまたは請求項７に記載の電子部品を有して成る電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バナジウム含有セラミック材料および冷却デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器の性能向上を背景に、熱源となるＣＰＵ（中央処理装置）、パワーアンプ、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、ＩＣ（集積回路）、ボルテージレギュレータなどの電子部品の数が増加し、投入されるエネルギーの増加も重なって、発熱の問題が顕著化している。この熱により、電池の容量が劣化したり、構成する電子機器の信頼性に深刻な影響を与えたりする問題がある。したがって、機器の内部の温度を、より高度に制御することが求められている。【０００３】
上記のような熱源から生じた熱の制御は、既存の熱マネジメントソリューションである冷却ファン、ヒートパイプ、ヒートシンク、サーマルシート、ペルチェ素子などにより行われており、例えば、特許文献１には、ヒートシンクとファンまたはペルチェ素子を組み合わせた冷却装置が記載されている（特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２２３４９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のようなヒートシンクとファンまたはペルチェ素子を組み合わせた冷却装置は、構造が比較的複雑であることに加え、機器が大きくなり、小型化の観点から好ましくない。さらには、電力を消費するので、低消費電力の観点からも不利である。【０００６】
そこで、本発明者は、結晶構造相転移や磁気相転移等に伴い熱を吸収するセラミック材料を、電子機器の熱源付近に配置することにより、無電源で使用可能な冷却デバイスとすることを検討した。このようなセラミック材料として、二酸化バナジウム（ＶＯ２）、リチウムバナジウム複合酸化物（ＬｉＶＯ２）を検討した。しかしながら、ＶＯ２は７０℃以下で潜熱を示し、即ち、吸熱効果を７０℃以下でしか発揮できないことから、高温となり得る環境下での使用、例えばエンジンルームまたはパワーデバイスにおける使用には適さない。一方、ＬｉＶＯ２は、約２００℃でＶＯ２と同等の潜熱を示すが、繰り返しの使用により潜熱量、潜熱を示す温度が変化し、安定した吸発熱特性を得ることができないという問題があることがわかった。また、ＬｉＶＯ２は、潜熱を示す温度を制御することができず、約７０〜２００℃の温度領域で吸熱を示す冷却デバイスを提供することができなかった。【０００７】
したがって、本発明の目的は、安定した吸発熱特性を有する、バナジウムおよびリチウムを含む複合酸化物を主成分とするセラミック材料を提供することにある。また、別の目的は、７０〜２３０℃の温度範囲で潜熱を示すバナジウムおよびリチウムを含む複合酸化物を主成分とするセラミック材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記問題を解消すべく鋭意検討した結果、リチウムバナジウム複合酸化物において、リチウムとバナジウムのモル比を所定の範囲内に調節することにより、あるいは、チタン、コバルト、鉄およびニッケルから選択される少なくとも１種の原子を所定の割合でドープし、さらにバナジウムとこの原子のモル比、ならびに、この原子およびバナジウムの合計とリチウムのモル比を、所定の範囲内に調節することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明に至った。【０００９】
本発明の第１の要旨によれば、バナジウムおよびリチウムを含む複合酸化物であって、バナジウムとリチウムのモル比が、１００：７０〜９８の範囲にあることを特徴とする複合酸化物を主成分とするセラミック材料が提供される。【００１０】
本発明の第２の要旨によれば、バナジウム；リチウム；ならびに、チタン、コバルト、鉄およびニッケルから選択される少なくとも１種の他の原子を含む複合酸化物であって、
バナジウムと他の原子のモル比が、９９５：５〜８５０：１５０の範囲にあり、
バナジウムおよび他の原子の合計とリチウムのモル比が、１００：７０〜１１０の範囲にある
ことを特徴とする複合酸化物を主成分とするセラミック材料が提供される。【００１１】
本発明の第３の要旨によれば、下記式：
ＬｉｘＶ１−ｙＭｙＯ２
［式中、
Ｍは、Ｔｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉから選択される少なくとも１種の原子であり；
ｙおよびｘは、下記（ａ）または（ｂ）のいずれかを満たす：
（ａ）ｙ＝０、かつ、０．７０≦ｘ≦０．９８、または
（ｂ）０．００５≦ｙ≦０．１５、かつ、０．７０≦ｘ≦１．１］
で表される酸化物を主成分とするセラミック材料が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、リチウムバナジウム複合酸化物において、バナジウムとリチウムのモル比を１００：７０〜９８の範囲にすることにより、繰り返し使用しても吸発熱特性が実質的に変化しないセラミックを提供することができる。また、リチウムバナジウム複合酸化物において、Ｔｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉから選択される少なくとも１種の他の原子をドープし、バナジウムと他の原子のモル比を、９９５：５〜８５０：１５０の範囲にし、バナジウムおよび他の原子の合計とリチウムのモル比を、１００：７０〜１１０の範囲にすることにより、７０〜２００℃の範囲の所望の温度で潜熱を示し、かつ、繰り返し使用しても吸発熱特性が実質的に変化しないセラミックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、試料番号１の粉末のＤＳＣ測定結果（１回目）を示す。
【図２】図２は、試料番号２の粉末のＤＳＣ測定結果（１回目および２回目）を示す。
【図３】図３は、試料番号１０の粉末のＤＳＣ測定結果（１回目および２回目）を示す。
【図４】図４は、試料番号２４の粉末のＤＳＣ測定結果（１回目および２回目）を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明のセラミック材料は、バナジウムおよびリチウムを含む複合酸化物（以下、「リチウムバナジウム複合酸化物」ともいう）を主成分とする。この複合酸化物は、他の原子によりドープされていてもよい。
【００１５】
ここに、主成分とは、セラミック材料中に５０質量％以上含まれる成分を意味し、特に６０質量％以上、好ましくは８０質量％以上、より好ましくは９０質量％以上、さらに好ましくは９８質量％以上、例えば９８．０〜９９．８質量％含まれる成分を意味する。
【００１６】
上記セラミック材料は、好ましくは５Ｊ／ｇ以上、より好ましくは２０Ｊ／ｇ以上、さらに好ましくはより好ましくは４０Ｊ／ｇ以上の潜熱量を有する。このように大きな潜熱量を有することにより、より小さな体積で大きな冷却効果を発揮できるので、小型化の点で有利である。ここに、「潜熱」とは、物質の相が変化するときに必要とされる熱エネルギーの総量であり、本明細書においては、固体−固体の相転移、例えば電気・磁気・構造相転移に伴う吸発熱量の事をいう。
【００１７】
本発明の第１の要旨において、リチウムバナジウム複合酸化物に含まれるバナジウム（Ｖ）とリチウム（Ｌｉ）のモル比は、１００：７０〜９８の範囲にある。Ｌｉ／Ｖ比を、０．９８以下とすることにより、吸発熱の安定性を向上させることができる。また、Ｌｉ／Ｖ比を０．７０以上とすることにより、異相の生成を抑制することができる。
【００１８】
本発明の第２の要旨において、リチウムバナジウム複合酸化物は、遷移金属、例えば、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）およびニッケル（Ｎｉ）から選択される少なくとも１種の他の原子によりドープされている。Ｔｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉから選択される少なくとも１種の他の原子をドープすることにより、吸発熱の安定性を向上させることができる。
【００１９】
この要旨において、バナジウムと、Ｔｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉから選択される少なくとも１種の他の原子（以下、「他の原子」または「ドープ原子」ともいう）のモル比は、９９５：５〜８５０：１５０である。即ち、バナジウムとドープ原子の合計に対するドープ原子のモル比は、０．００５〜０．１５である。このモル比を０．００５以上とすることにより、吸発熱の安定性を向上させることができる。また、モル比を０．１５以下とすることにより、異相の生成を抑制することができる。
【００２０】
この要旨において、バナジウムおよびドープ原子の合計とリチウムのモル比は、１００：７０〜１１０の範囲にある。バナジウムおよびドープ原子の合計とリチウムのモル比を、上記範囲とすることにより、異相の生成を抑制することができる。
【００２１】
本発明の第３の要旨において、複合酸化物は、下記式：
ＬｉｘＶ１−ｙＭｙＯ２
［式中、
Ｍは、Ｔｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉから選択される少なくとも１種の原子であり；
ｙおよびｘは、下記（ａ）または（ｂ）のいずれかを満たす：
（ａ）ｙ＝０、かつ、０．７０≦ｘ≦０．９８、または
（ｂ）０．００５≦ｙ≦０．１５、かつ、０．７０≦ｘ≦１．１］
で表される。
【００２２】
上記条件（ａ）を満たすことにより、吸発熱の安定性を向上させることができる。また、上記条件（ｂ）を満たすことにより、吸発熱の安定性を向上させることができ、さらにｙの値を変えることによって、潜熱を示す温度を調節することができる。
【００２３】
一の態様において、本発明の複合酸化物は、チタン（Ｔｉ）を含む。チタンの含有モル部は、バナジウム、チタンおよび他の遷移金属の合計１００モル部に対して、２モル部以上３０モル部以下であることが好ましく、５モル部以上１０モル部以下であることがより好ましい。このような範囲でチタンを含むことにより、本発明のセラミック材料の耐湿性が向上する。
【００２４】
上記した本発明のセラミック材料の形状は、特に限定されず、粒状、シート状、ブロック状、その他種々の形状であり得る。
【００２５】
上記した本発明のセラミック材料は、繰り返し吸発熱しても、その潜熱量、潜熱を示す温度が実質的に変化しない。また、ドープする原子の種類およびその量を調節することにより、潜熱を示す温度を広範囲で、例えば７０〜２３０℃の範囲で調節することができる。このようなセラミック材料は、蓄熱、冷却および保温デバイスとして好適に用いることができる。
【００２６】
従って、本発明は、上記したセラミック材料を含んで成る冷却デバイスをも提供する。
【００２７】
本発明の冷却デバイスの形状は、特に限定されず、任意の形状とすることができる。
【００２８】
一の態様において、本発明の冷却デバイスは、ブロック状であり得る。ブロック状とすることにより、全体の体積が大きくなり、より多くの熱を吸収することができる。また、別の態様において、本発明の冷却デバイスは、シート状であり得る。シート状とすることにより、表面積が増加するので、吸収した熱を外部に放出しやすくなる。
【００２９】
本発明の冷却デバイスは、他の部材、例えば冷却デバイスを保護する保護カバー、伝熱性を高めるための金属等の熱伝導性部、絶縁性を確保するための絶縁性シート、電子機器に設置するための部材（例えば、粘着シート、ピン、爪等）などを有していてもよい。
【００３０】
また、本発明は、本発明の冷却デバイスを有する電子部品および電子機器をも提供する。
【００３１】
電子部品としては、特に限定するものではないが、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）、パワーマネージメントＩＣ（ＰＭＩＣ）、パワーアンプ（ＰＡ）、トランシーバーＩＣ、ボルテージレギュレータ（ＶＲ）などの集積回路（ＩＣ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、白熱電球、半導体レーザーなどの発光素子、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などの熱源となり得る部品、および、その他の部品、例えば、リチウムイオンバッテリー、基板、ヒートシンク、筐体等の電子機器に一般的に用いられる部品が挙げられる。
【００３２】
電子機器としては、特に限定するものではないが、例えば、携帯電話、スマートフォン、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、タブレット型端末、ハードディスクドライブ等が挙げられる。
【実施例】
【００３３】
実施例
・複合酸化物の作製
出発原料として、三酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ３）、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）、三酸化チタン（Ｔｉ２Ｏ３）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化コバルト（Ｃｏ３Ｏ４）および酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）を準備した。これを表１に示す組成となるように秤量した。なお、表中、＊が付された試料番号は、比較例である。【００３４】
【表１】
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【００３５】
秤量した混合物を、エタノールを加えて混合した。その後、窒素（２０Ｌ）／水素（９０ｃｃ）のガスフロー中で、９５０℃１２時間熱処理して、試料番号１〜３４のＬｉｘＶ１−ｙＭｙＯ２（粉末状）を得た。【００３６】
試験例
（粉末Ｘ線回折測定）
上記で作製した試料番号１〜３４の粉末について、Ｘ線回折測定（ＸＲＤ）を用いて結晶性を評価した。試料番号１のＬｉＶＯ２と同じ結晶構造物質が９０％以上であった試料を「○」とし、９０％未満であった資料を「×」とした。【００３７】
（示差走査熱量測定）
上記で作製した試料番号１〜３４の内、結晶性判定が「○」であって試料粉末について、示差走査熱量測定（ＤＳＣ：Differential scanning calorimetry）を行い、吸発熱開始温度、吸発熱量を測定した。ＤＳＣ測定は、窒素雰囲気中、１０Ｋ／ｍｉｎの昇温速度で、０℃→３５０℃→０℃→３５０℃→０℃のヒートサイクルを２回行った。【００３８】
なお、図１に、試料番号１の１回目の測定結果を示し、図２に、試料番号２の１回目および２回目の測定結果を示す。また、本発明の実施例を代表して、図３に、試料番号１０の１回目および２回目の測定結果を吸熱部分を拡大して示し、図４に、試料番号２４の１回目および２回目の測定結果を吸熱部分を拡大して示す。なお、図３および図４において、比較を容易にするために、１回目および２回目のグラフを上下にずらして示す（下：１回目、上：２回目）。【００３９】
また、吸発熱特性を以下のように評価した。下記式のいずれかを満たすものを吸発熱が不安定であるとして「×」とし、それ以外を「○」とした。
Ｑ１ｓｔ−Ｑ２ｎｄ＞８Ｊ／ｇ
｜Ｔ１ｓｔ−Ｔ２ｎｄ｜＞５Ｋ
（式中、Ｑ１ｓｔおよびＱ２ｎｄは、それぞれ、昇温１回目および２回目の吸熱量を示し、
Ｔ１ｓｔおよびＴ２ｎｄは、それぞれ、昇温１回目および２回目の吸熱開始温度を示す。）【００４０】
以下に、上記の試験結果をまとめて示す。なお、吸熱量および吸熱開始温度は、２回の平均値である。
【表２】
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【００４１】
図１および図２に示されるように、試料番号１および２のＬｉＶＯ２粉末は、同じ条件で作製したのにもかかわらず、その吸発熱特性は大きく異なっている。【００４２】
試料番号１のＬｉＶＯ２は、ＸＲＤからは単相のＬｉＶＯ２が得られているのにもかかわらず、昇温時の吸熱シグナルが１つのシグナルではなく３つのシグナルが合成されたものであった。一方、降温時の発熱シグナルは比較的シャープなものであった。また、試料番号２のＬｉＶＯ２は、試料番号１と異なり吸発熱シグナルはともにシャープであった。これらの結果から、ＬｉＶＯ２が比較的不安定で再現よく同じ特性を得ることが困難であることが示唆される。【００４３】
また、図２に示されるように、試料番号２のＬｉＶＯ２は１回目、２回目の測定で吸熱発熱開始温度がシフトし、また吸発熱シグナルの大きさが変化しており、吸発熱量が１回目、２回目で変化していることが示された。この結果から、ＬｉＶＯ２は、吸発熱特性の安定性が低く、吸熱毎にその特性が変化し、再現よく同じ特性を得ることが困難であることが示唆される。【００４４】
以上の結果から、従来から知られるＬｉＶＯ２をＶＯ２と同様に大量に生産して、冷却材として応用することは安定性の面で難しいと考えられる。【００４５】
また、表１の試料番号３〜２０の結果から、Ｔｉ、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉ等の遷移金属を、Ｖと遷移金属の合計に対して０．５〜１５モル％添加した場合、４０Ｊ／ｇを超える良好な吸熱量を示すことが確認された。また、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉを添加した場合には、添加量に伴い吸熱開始温度が低温度側に制御できることが確認された。特に、ＣｏおよびＦｅはその温度シフトの効果が大きく、Ｃｏが１５モル％添加された試料番号１１の試料では、吸熱開始温度を８８℃まで低減できることが確認された。【００４６】
また、図３の結果から、１回目および２回目で、吸熱開始温度および吸熱量がほとんど変化しておらず、吸発熱安定性が改善されることが確認された。【００４７】
上記の結果から、本発明によれば、リチウムバナジウム複合酸化物は、７０〜２３０℃の範囲で、吸発熱開始温度を制御することができ、ＶＯ２のカバーできない７０℃以上の温度域で蓄熱、冷却、保温の効果を実現することができる。【００４８】
本発明はいかなる理論によっても拘束されないが、この理由は以下のように考えられる。吸発熱特性が安定化された理由の１つとしては、ＬｉＶＯ２中のＶはＶ３＋であり、大気中で加熱された場合、より安定なＶ３＋→Ｖ４＋→Ｖ５＋と価数が変化している可能性が考えられる。また、他の理由としては、ＬｉＶＯ２では、Ｌｉが結晶格子内に入り難く、不安定な状態である可能性が考えられる。一方、バナジウム（Ｖ）サイトに、比較的安定な他元素（遷移金属）を添加することで、ＬｉＶＯ２構造が安定化された可能性が考えられる。また、吸発熱温度がＦｅ、ＣｏまたはＮｉ添加で制御できた理由としては、Ｖ３＋のサイトが低価数のＦｅ２＋、Ｃｏ２＋またはＮｉ２＋により置換され、価数バランスが崩れることで電子相関が低下し、電子相転移温度が低下したものと考えられる。よって、Ｖ３＋と同じ価数のＴｉ３＋をＴｉ２Ｏ３として添加した試料では、吸発熱特性の安定性を改善できる効果は得られるものの、価数バランスは変化しないことから添加量を増やしても吸熱開始温度がほとんど変化しなかったものと推察される。【００４９】
また、表１の試料番号２３〜２６および図４の結果から、他の原子をドープしていないＬｉＶＯ２であっても、Ｌｉ／Ｖ比を０．７〜０．９８に制御することにより、吸発熱特性の安定性を改善できることが確認された。【００５０】
本発明はいかなる理論によっても拘束されないが、この理由は以下のように考えられる。Ｌｉ／Ｖ比を小さくすることによりＬｉが欠損した相が生じ、このような相ではＬｉがＶＯ２層間に入りやすくなり、未反応のＬｉＣＯ３、Ｌｉ２Ｏなどの量が低下したため、吸発熱特性の安定性が改善された可能性が考えられる。一方で、Ｌｉ／Ｖ比を０．７０未満にすると、Ｖ２Ｏ３等の異相が生成することが確認された。なお、表１の試料番号２７〜３４に示されるように、遷移金属がドープされた場合は、Ｌｉ／Ｖ比の許容範囲は大きくなる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の冷却デバイスは、例えば、種々の電子機器における冷却デバイスとして利用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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2015198771.tif 000010
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