(57)【要約】  温度によって伝熱性能を変化させることができる簡易な構造の熱スイッチ、それを備えた温度調整構造、およびバッテリーパックを提供する。熱スイッチ１は、熱を受け取る第１保護層２と、第１保護層２上に接合され、温度が変化すると、放射率が変化する放射層４と、放射層４と間隙５を有した状態で、放射層４に対向して配置され、放射層４から熱を受け取る第２保護層３と、を備える。放射層４は、温度が変化することにより、放射率が変化するため、温度が上昇した場合に放射率が高くなる熱スイッチ１においては、温度が低い場合は、第１保護層２からの熱を第２保護層３へ伝えにくく、温度が高くなると、第１保護層２からの熱を第２保護層３へ伝えやすくなる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱を受け取る第１保護層と、
前記第１保護層上に接合され、温度が変化すると、放射率が変化する放射層と、
前記放射層と間隙を有した状態で、前記放射層に対向して配置され、前記放射層から熱を受け取る第２保護層と、
を備える熱スイッチ。
【請求項２】
前記放射層は、温度が上昇するまたは下降すると放射率が０．２以上変化する請求項１に記載の熱スイッチ。
【請求項３】
前記放射層は、段差状に放射率が変化する請求項１または２に記載の熱スイッチ。
【請求項４】
前記放射層は、放射率可変素子、Ｍｏｔｔ絶縁体、金属−半導体相転移材料、金属−絶縁体相転移材料のいずれかによって形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱スイッチ。
【請求項５】
前記放射層は、ペロブスカイト型酸化物によって形成されている請求項４に記載の熱スイッチ。
【請求項６】
前記第１保護層、または前記第２保護層は、酸化物、窒化物、炭化物からなるセラミックス、及び金属からなる群から選ばれるいずれかによって形成されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱スイッチ。
【請求項７】
前記放射層と前記第２保護層と間隙は、１ｎｍ以上１ｍｍ以下である請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱スイッチ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱スイッチを、熱を発生する熱発生源の周囲に備え、
第１温度とそれより高温または低温の第２温度とで放熱状態を変化させることにより、前記熱発生源からの前記熱による温度を調整する温度調整構造。
【請求項９】
請求項８に記載の温度調整構造を有するバッテリーパック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
温度によって伝熱性能が変化する熱スイッチ、それを備えた温度調整構造、およびバッテリーパックに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年ＣＯ２の排出規制、エネルギー問題などから熱エネルギーの有効利用が求められている。熱は必要とされる場合と不要とされる場合がある。例えば、ＥＶに搭載される電池バッテリーパックは、電池の温度が低いと抵抗が高くなるため、温度が低い場合は断熱性が求められ、温度が高すぎると電解液の分解による発火が懸念されるため、温度が高い場合は放熱性が求められる。したがって熱の流れを制御する技術があれば熱の有効利用に繋がると考えられる。【０００３】
このような技術としては、電極に挟まれた転移体にエネルギー（磁場、電場、光など）を印加することにより熱伝導率をスイッチする素子（特許文献１）、基材１とカーボンナノチューブ層を有した基材２が接触する接続状態、接触しない非接続状態を切り替えるスイッチ（特許文献２）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００４／０６８６０４号
【特許文献２】国際公開第２０１２／１４０９２７号
【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、特許文献１では、エネルギーを印加してスイッチを行うため電極や配線などが必要である。また、特許文献２では、熱伝導率が変化するもの自体の他に部品が必要であり、接触状態を変化させるためにアクチュエータを備える。したがってスイッチが大型化したり、耐熱性などの観点から搭載場所が制限されたりする。また複雑な形状のものを作製することは難しい。【０００６】
本発明の課題は、温度によって伝熱性能を変化させることができる簡易な構造の熱スイッチ、それを備えた温度調整構造、およびバッテリーパックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、温度が変化すると、放射率が変化する放射層を有する構造の熱スイッチとすることにより、上記課題を解決できることを見出した。すなわち、本発明によれば、以下の熱スイッチ、それを備えた温度調整構造、およびバッテリーパックが提供される。【０００８】
［１］  熱を受け取る第１保護層と、前記第１保護層上に接合され、温度が変化すると、放射率が変化する放射層と、前記放射層と間隙を有した状態で、前記放射層に対向して配置され、前記放射層から熱を受け取る第２保護層と、を備える熱スイッチ。【０００９】
［２］  前記放射層は、温度が上昇するまたは下降すると放射率が０．２以上変化する前記［１］に記載の熱スイッチ。【００１０】
［３］  前記放射層は、段差状に放射率が変化する前記［１］または［２］に記載の熱スイッチ。【００１１】
［４］  前記放射層は、放射率可変素子、Ｍｏｔｔ絶縁体、金属−半導体相転移材料、金属−絶縁体相転移材料のいずれかによって形成されている前記［１］〜［３］のいずれかに記載の熱スイッチ。【００１２】
［５］  前記放射層は、ペロブスカイト型酸化物によって形成されている前記［４］に記載の熱スイッチ。【００１３】
［６］  前記第１保護層、または前記第２保護層は、酸化物、窒化物、炭化物からなるセラミックス、及び金属からなる群から選ばれるいずれかによって形成されている前記［１］〜［５］のいずれかに記載の熱スイッチ。【００１４】
［７］  前記放射層と前記第２保護層と間隙は、１ｎｍ以上１ｍｍ以下である前記［１］〜［６］のいずれかに記載の熱スイッチ。【００１５】
［８］  前記［１］〜［７］のいずれかに記載の熱スイッチを、熱を発生する熱発生源の周囲に備え、第１温度とそれより高温または低温の第２温度とで放熱状態を変化させることにより、前記熱発生源からの前記熱による温度を調整する温度調整構造。【００１６】
［９］  前記［８］に記載の温度調整構造を有するバッテリーパック。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の熱スイッチは、低温時は伝熱性能が低く断熱効果を有し、高温時は伝熱性能が高くなり放熱効果を有する熱スイッチとして動作する。あるいは、その逆に、低温時は伝熱性能が高く放熱効果を有し、高温時は伝熱性能が低く断熱効果を有する熱スイッチとして動作する。【００１８】
また、周囲の温度変化により伝熱性能が変化するので、自ら伝熱性能のＯＮ（伝熱性能が高い）、ＯＦＦ（伝熱性能が低い）が切り替わる自立的な熱スイッチとなる。このため駆動部などの部品が必要なく、小型化できる。また搭載性が高く、形状の自由度が高い。この熱スイッチを備えた温度調整構造を有するもの、例えば、バッテリーパックは、内部の熱を有効利用し、そのものの機能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】熱スイッチの断面を示す模式図である。
【図２】放射層の放射率を示す図である。
【図３Ａ】間隙の形成方法の一実施形態を示す模式図である。
【図３Ｂ】間隙の形成方法の他の実施形態を示す模式図である。
【図４】熱スイッチを備えたバッテリーパックの一実施形態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００２１】
（熱スイッチ）
図１に熱スイッチ１の断面の一実施形態を示す。図１の左側の図は、温度が低い場合、右側の図は、温度が高い場合の放射率を模式的に示す。熱スイッチ１は、熱を受け取る第１保護層２と、第１保護層２上に接合され、温度が変化すると、放射率が変化する放射層４と、放射層４と間隙５を有した状態で、放射層４に対向して配置され、放射層４から熱を受け取る第２保護層３と、を備える。放射層４は、温度が変化することにより、放射率が変化するため、温度が上昇した場合に放射率が高くなる熱スイッチ１では、温度が低い場合は、第１保護層２からの熱を第２保護層３へ伝えにくく、温度が高くなると、第１保護層２からの熱を第２保護層３へ伝えやすくなる。つまり、周囲の温度変化により可逆的に放射率が変化するため、熱スイッチ１は、温度によって熱の伝えやすさ、すなわち伝熱性能が変化する。熱スイッチ１は、駆動部などの部品が必要ないため、小型化できる。したがって搭載性が高く、形状の自由度も高い。
【００２２】
図２に放射層４の放射率の温度依存性を示す。図２に示すように、放射層４の放射率が温度によって変化することにより、熱スイッチ１全体の伝熱性能が急激に、かつ可逆的に変化し、熱スイッチ１は、温度によって動作が切り替わるスイッチとして機能する。放射層４の放射率は、温度によって段差状に変化することが好ましい。放射層４は、第１温度から第２温度へ温度が上昇（または下降）すると、放射率が０．２以上変化することが好ましい。すなわち、放射率が上昇（または下降）する直前の第１温度における放射率と上昇（または下降）直後の第２温度における放射率の差が０．２以上、より好ましくは０．３以上、さらに好ましくは０．４以上変化することが好ましい。このように変化することにより、スイッチとしての機能を十分に発揮させることができる。
【００２３】
第１温度と第２温度は、特に限定されるものではないが、熱スイッチ１を備えた温度調整構造を有するものにおいて、放熱状態を変化させて温度を調整することにより、温度調整構造を有するものの機能を向上させることができるように第１温度と第２温度との間で放射率が急激に変化することが好ましい。スイッチとして機能させるためには、第１温度と第２温度との温度差が小さいことが好ましく、温度差は、０．１〜１００℃であることが好ましく、０．１〜５０℃であることがより好ましい。温度が上昇した場合に放射率が高くなる熱スイッチ１においては、第１温度以下では、放射率が低いため熱スイッチ１全体の伝熱性能は低く、ＯＦＦの状態と言える。一方、第２温度以上では、放射率が高いため熱スイッチ１全体の伝熱性能が高く、ＯＮの状態と言える。例えば、後述するバッテリーパックの外周部に熱スイッチ１を備える場合は、第１温度が−１０〜２０℃、第２温度が３０〜６０℃であるような放射層４を有することが好ましい。
【００２４】
放射層４は、放射率可変素子、Ｍｏｔｔ絶縁体、金属−半導体相転移材料、金属−絶縁体相転移材料などが用いられる。これらは主として遷移金属の酸化物から構成され、ペロブスカイト構造を有するものが特に望ましい。
【００２５】
遷移金属の酸化物としては、ＲｅＮｉＯ３（Ｒｅは希土類元素）、Ｍ１（１−（ｘ＋ｙ））Ｍ２ｘＭ３ｙＭｎＯ３（Ｍ１はＬａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｉｎ、ＮｄまたはＳｍ、Ｍ２はアルカリ土類金属、Ｍ３はＭ２と同一ではないアルカリ土類金属、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）、Ｌａ１−ｘ−ｙＳｒｘＣａｙＭｎＯ３（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）、Ｃａ２Ｒｕ１−ｘＭｘＯ４（ＭはＭｎまたはＦｅ、０≦ｘ≦１）、ＶＯ２等が挙げられる。
【００２６】
遷移金属の酸化物はある特定の温度領域を境に放射率が変化する材料である。温度領域の温度やその温度幅は用途によって適切なものを選択する必要があるが、温度の幅は１００℃以下であることが好ましい。例えばバッテリーパック部材に用いる場合には、温度領域は０℃〜５０℃が好ましい。また、放射率の変化幅も用途によって適切なものを選択する必要があるが、放射率の変化の幅は０．２以上であることが好ましい。例えばバッテリーパックに用いる場合には、放射率が０．３から０．７に変化し、放射率の変化の幅が０．４であることが好ましい。
【００２７】
放射層４の厚さは特に制限されないが、製造しやすさや耐久性、コストの観点から、１０ｎｍ〜１０ｍｍの範囲とすることが好ましい。
【００２８】
第１保護層２、または第２保護層３は、物理的ダメージ、化学的ダメージから放射層４を保護する機能を有する。物理的ダメージとは、非定常な熱履歴がかかるところで使用する際の熱衝撃や、稼働部で使用する際の摺動によるダメージ等を指す。また、化学的なダメージとは、酸化性雰囲気や腐食性ガスの存在下で使用する際の腐食や劣化を指す。第１保護層２と放射層４とは接合され、放射層４と第２保護層３とは、間隙５が設けられている。第２保護層３は、放射層４から放射された熱エネルギーを受け取り、反対側の面から放出する役割を有する。第１保護層２、または第２保護層３は、金属、セラミックス（酸化物、窒化物、炭化物など）によって形成することができる。具体的には、例えば、Ａｌ，Ｔｉ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｗ，Ａｕ，Ｐｔおよびこれらの合金など、ステンレス、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２、Ｙ２Ｏ３、サイアロン、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮからなる群から選ばれるいずれかによって形成することができる。第１保護層２、または第２保護層３は、高熱伝導率な材料であることが好ましい。熱伝導率が高いほど、スイッチＯＦＦ時、ＯＮ時のみかけの熱伝導率の変化が大きくなる。
【００２９】
放射層４と第２保護層３と間隙５は、１ｎｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、１ｎｍ以上１００μｍ以下、さらに好ましくは、１ｎｍ以上５０μｍ以下である。この範囲にすることにより、より効果的にスイッチとしての機能を発揮させることができる。間隙５は真空が好ましいが、空気などの気体で満たされていてもよい。間隙５の設け方は、特に限定されないが、例えば、図３Ａ、および図３Ｂに示すように、断熱材８で層を固定することもできる。あるいは、間隙５に透明（特に遠赤外〜近赤外領域において）で多孔質な断熱材を存在させて固定することもできる。間隙５を設けることで、伝導伝熱の寄与を排除し、ふく射伝熱を支配的とし、放射率変化によるスイッチＯＦＦ／ＯＮ時の伝熱の変化を大きくすることができる。
【００３０】
（温度調整構造）
本発明の熱スイッチ１を、熱を発生する熱発生源の周囲に備えた温度調整構造について説明する。本明細書において、温度調整構造とは、熱発生源から熱を有効利用しつつ、温度を調整する機能を有する構造をいう。熱を発生する熱発生源とは、熱を発生するもののことをいい、特に限定されるものではない。本発明の温度調整構造は、第１温度とそれより高温または低温の第２温度とで放熱状態を変化させることにより、熱発生源の熱による温度を調整して、温度調整構造を備えたものの性能を向上させることができる。具体的には、熱発生源の例としては、バッテリーパック、モーター、ＣＰＵ、制御回路、エンジン、ブレーキ、ギアボックスなどが挙げられる。これらの周囲に熱スイッチ１を備えた構造が、温度調整構造である。熱発生源を太陽光とした場合には、建材、窓、サッシに熱スイッチ１を備えることにより、室内の温度調整構造とすることができる。
【００３１】
図４に熱スイッチ１を備えたバッテリーパック３０の一実施形態を示す。バッテリーパック３０は、熱発生源である。バッテリーパック３０は、複数の電池を含み、それらを電気的に接続してケース３１内に収容している。図４に示すように、バッテリーパック３０の外周部、すなわちケース３１に、熱スイッチ１が備えられている。
【００３２】
バッテリーパック３０は、始動時には、低温であるため電池抵抗が高い。したがって、できるだけバッテリーパック３０の内部の熱を放熱しないことが好ましい。一方、暖気完了後は、バッテリーパック３０の内部の温度が高すぎると電解液分解による発火の懸念がある。したがって、バッテリーパック３０の内部の熱を積極的に放熱することが好ましい。図４に示すように、熱スイッチ１をバッテリーパック３０の外周部に備えることにより、始動時には放熱しにくく、熱を有効に用いることができる。また、暖気完了後は、放射率が高くなるため、バッテリーパック３０内部の熱を積極的に放熱することができる。
【００３３】
（熱スイッチの製造方法）
第１保護層２や第２保護層３を金属で作製する場合、鋳造、プレス成形などで作製することができる。次に、放射層４となる材料をテープ成形、プレス成形などによって成形後、焼成して放射層４を作製する。そして、サーマルグリースなど熱抵抗の小さい接着層を塗布し、第１保護層２、放射層４を圧着し、さらに第２保護層３を備えて熱スイッチ１とする。
【００３４】
第１保護層２や第２保護層３をセラミックスで作製する場合、保護層となる材料をプレス成形、押出し成形などによる成形後、焼成して保護層を作製することができる。次に、塗布、射出等により、例えば、第１保護層２上に厚膜を形成し、焼成して放射層４を作製する。これに、第２保護層３を備えて、熱スイッチ１とする。なお、熱スイッチ１の製造方法は、これらの方法に限定されるものではない。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。【００３６】
（実施例）
放射層４としてペロブスカイト型マンガン酸化物（Ｌａ０．７Ｓｒ０．２Ｃａ０．１ＭｎＯ３）を用いた。この放射率は０℃で０．４、５０℃で０．６であった。このペロブスカイト型マンガン酸化物（Ｌａ０．７Ｓｒ０．２Ｃａ０．１ＭｎＯ３）（放射層４）の粉末を用いて、アルミニウム（第１保護層２）を基板としてＡＤ（エアロゾルデポジション）法により厚さ１μｍの放射層４を形成した。放射層４に相対するようにアルミニウム（第２保護層３）を間隙５を１００μｍ空けて設置した熱スイッチ１を用意した。部材（熱スイッチ１）全体としての熱の伝わり方を熱流計を用いて評価した。アルミニウム（第１保護層２）の片側を加熱し、０℃にした場合と５０℃にした場合において、もう片側のアルミニウム（第２保護層３）に取り付けた熱流センサーを通過する熱流量を計測した。【００３７】
熱スイッチ１がＯＦＦの状態すなわち０℃での熱流量を１００とすると、熱スイッチ１がＯＮの状態すなわち５０℃での熱流量は１２５であり、スイッチとして機能することが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の熱スイッチは、温度によって熱の伝えやすさが変化するスイッチとして利用することができる。例えば、熱スイッチをバッテリーパック等に備えることにより、これらの内部の熱を有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１：熱スイッチ、２：第１保護層、３：第２保護層、４：放射層、５：間隙、８：断熱材、３０：バッテリーパック、３１：ケース。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【国際調査報告】
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