(57)【要約】【課題】電磁エネルギーを印加する必要がなく、かつ、曲面を有する等、設計自由度の高い熱伝導率可変素子を提供する。【解決手段】特定の温度に熱伝導率の臨界点を有する熱伝導率可変素子であって、金属Ｍ１と非金属Ｇとの第１化合物を含有する第１層と、金属Ｍ２を含有する第２層と、を備え、前記第１層と前記第２層が、交互に、一組以上積層されており、金属Ｍ１と非金属Ｇとの第１化合物の標準生成自由エネルギーをΔＧ１°、金属Ｍ２と非金属Ｇとの第２化合物の標準生成自由エネルギーをΔＧ２°としたとき、前記特定の温度で、ΔＧ１°とΔＧ２°の大小関係が逆転する、熱伝導率可変素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の温度に熱伝導率の臨界点を有する熱伝導率可変素子であって、
金属Ｍ１と非金属Ｇとの第１化合物を含有する第１層と、
金属Ｍ２を含有する第２層と、
を備え、
前記第１層と前記第２層が、交互に、一組以上積層されており、
金属Ｍ１と非金属Ｇとの第１化合物の標準生成自由エネルギーをΔＧ１°、金属Ｍ２と非金属Ｇとの第２化合物の標準生成自由エネルギーをΔＧ２°としたとき、前記特定の温度で、ΔＧ１°とΔＧ２°の大小関係が逆転する、
熱伝導率可変素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱伝導率可変素子に関する。本発明は、特に、特定の温度に熱伝導率の臨界点を有する熱伝導率可変素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱エネルギーの有効利用の観点から、保温が必要なときには断熱材として機能し、冷却が必要なときには放熱材として機能する、熱の流れを制御することができる素子が注目されている。
【０００３】
このような素子として、例えば、特許文献１には、電極に挟まれた転移体に、磁場及び電場等の電磁エネルギーを印加することによって、電極間の熱伝導率が変化する素子が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、対向する保護層の間に熱膨張部材を備え、常温時には保護層と熱膨張部材との間に隙間があり、高温時には熱膨張部材が膨張して、保護層と熱膨張部材との間に隙間がなくなる素子が開示されている。特許文献２に開示された素子は、保護層と熱膨張部材との間の隙間の有無によって、伝熱性能が変化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００４／０６８６０４号
【特許文献２】国際公開第２０１４／１５６９９１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示された素子については、エネルギーを印加するための機構が必要であるため、素子を小型化することが困難であった。また、電磁エネルギーを印加するため、素子を形成する場所に制限があった。
【０００７】
特許文献２に開示された素子については、常温時に保護層と熱膨張部材との間に隙間が必要であるため、曲面を有する素子を形成することができない等、素子の設計自由度が低かった。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明は、電磁エネルギーを印加する必要がなく、かつ、曲面を有する等、設計自由度の高い熱伝導率可変素子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】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成すべく、鋭意検討を重ね、本発明を完成させた。その要旨は、次のとおりである。
〈１〉特定の温度に熱伝導率の臨界点を有する熱伝導率可変素子であって、
金属Ｍ１と非金属Ｇとの第１化合物を含有する第１層と、
金属Ｍ２を含有する第２層と、
を備え、
前記第１層と前記第２層が、交互に、一組以上積層されており、
金属Ｍ１と非金属Ｇとの第１化合物の標準生成自由エネルギーをΔＧ１°、金属Ｍ２と非金属Ｇとの第２化合物の標準生成自由エネルギーをΔＧ２°としたとき、前記特定の温度で、ΔＧ１°とΔＧ２°の大小関係が逆転する、
熱伝導率可変素子。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電磁エネルギーを印加する必要がなく、かつ、曲面を有する等、設計自由度の高い熱伝導率可変素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る熱伝導率可変素子の実施形態の一例を示す、縦断面模式図である。
【図２】本発明に係る熱伝導率可変素子の実施形態の別の例を示す、縦断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る熱伝導率可変素子の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明を限定するものではない。
【００１３】
本発明の熱伝導率可変素子は、特定の温度に熱伝導率の臨界点を有する。特定の温度に熱伝導率の臨界点を有するとは、特定の温度で、素子の熱伝導率が、非連続的に変化することをいう。このような臨界点は、次のような構成要素によって得られる。
【００１４】
図１は、本発明に係る熱伝導率可変素子の実施形態の一例を示す、縦断面模式図である。熱伝導率可変素子１００は、第１層１と第２層５を備える。
【００１５】
（第１層）
第１層１は、金属Ｍ１と非金属Ｇとの第１化合物を含有する。第１層１は、本発明の効果を損なわない範囲で、第１化合物以外の金属、合金、及び化合物等を含有してもよい。第１層１における第１化合物の含有率については、９０質量％以上であることが好ましい。９５質量％以上であることがより好ましい。
【００１６】
（第２層）
第２層５は、金属Ｍ２を含有する。Ｍ１とＭ２は、異なる金属である。第２層５は本発明の効果を損なわない範囲で、金属Ｍ２以外の金属、合金、及び化合物等を含有してもよい。第２層５における金属Ｍ２の含有率については、９０質量％以上であることが好ましい。９５質量％以上であることがより好ましい。
【００１７】
（第１層と第２層の状態）
第１層１と第２層５は、交互に、一組以上積層されている。図１に示した実施形態の熱伝導率可変素子１００については、第１層１と第２層５が、交互に、四組積層されている。第１層１と第２層５の積層数は、一組以上であればよく、四組に限られない。
【００１８】
第１層１と第２層５の形状は、第１層１と第２層５それぞれを隙間なく積層することが好ましく、例えば、第１層１と第２層５は、それぞれ、曲面で接していてもよい。
【００１９】
また、第１層１及び第２層５の厚さは、特に制限されないが、１ｎｍ〜９μｍであることが好ましい。厚さが１ｎｍ以上であれば、第１層１及び第２層５が、層としての形態を保つことができる。一方、厚さが９μｍ以下であれば、特定の温度を境に、第１層１及び第２層５それぞれが、速やかに第１’層５１及び第２’層５５へ変化できる。この変化については、後ほど詳述する。
【００２０】
（金属Ｍ１、金属Ｍ２、及び非金属Ｇの組合わせ）
金属Ｍ１、金属Ｍ２、及び非金属Ｇの組合わせは、次の関係を満たせば、特に制限はない。
【００２１】
金属Ｍ１と非金属Ｇとの第１化合物の標準生成自由エネルギーをΔＧ１°とする。また、金属Ｍ２と非金属Ｇとの第２化合物の標準生成自由エネルギーをΔＧ２°とする。
【００２２】
特定の温度で、ΔＧ１°とΔＧ２°の大小関係は逆転する。このようなΔＧ１°及びΔＧ２°となる、金属Ｍ１、金属Ｍ２、及び非金属Ｇの組合わせが選択される。なお、特定の温度は、熱伝導率可変素子１００の熱伝導率が、非連続的に変化する温度（臨界点）である。
【００２３】
物質は、標準生成自由エネルギ−が小さい状態になろうとする。標準生成自由エネルギーが小さいほど、物質は、より安定になるためである。本発明の熱伝導率可変素子１００は、物質のこのような性質を利用している。
【００２４】
本発明の熱伝導率可変素子１００においては、素子１００が特定の温度未満では、ΔＧ１°＜ΔＧ２°であり、素子１００が特定の温度以上ではΔＧ１°≧ΔＧ２°であるように、金属Ｍ１、金属Ｍ２、及び非金属Ｇは選択される。すなわち、特定の温度で、ΔＧ１°とΔＧ２°の大小関係が逆転するような、金属Ｍ１、金属Ｍ２、及び非金属Ｇが選択される。
【００２５】
この選択により、熱伝導率可変素子１００が特定の温度未満では、第１層１は、金属Ｍ１と非金属Ｇとの第１化合物を含有し、第２層５は、金属Ｍ２を含有する。これは、特定の温度未満では、第２化合物よりも、第１化合物及び金属Ｍ２の方が、より安定しているためである。
【００２６】
一方、熱伝導率可変素子１００が特定の温度以上になると、第１層１は、金属Ｍ１を含有する第１’層５１になり、第２層５は、金属Ｍ２と非金属Ｇとの第２化合物を含有する第２’層５５になる。これは、特定の温度以上では、第１化合物よりも、金属Ｍ１及び第２化合物の方が、より安定しているためである。
【００２７】
特定の温度を境とする反応は、可逆的であるため、熱伝導率可変素子１００が特定の温度未満になると、第１’層５１は、金属Ｍ１と非金属Ｇとの第１化合物を含有する第１層１に戻り、第２’層５５は、金属Ｍ２を含有する第２層５に戻る。
【００２８】
このように、熱伝導率可変素子１００は、磁場及び電場等の電磁エネルギーを印加することなく、第１層１及び第２層５を第１’層５１及び第２’層５５に、可逆的に変化させることができる。
【００２９】
熱伝導率可変素子１００が特定の温度未満のとき、熱伝導率可変素子１００の熱伝導率κ＜Ｔは、次のように表される。なお、特定の温度はＴ℃とする。
κ＜Ｔ＝（第１化合物の熱伝導率）×（第１層１の体積率）
＋（金属Ｍ２の熱伝導率）×（第２層５の体積率）
【００３０】
なお、第１層１の体積率は、第１層１と第２層５の体積の合計に対する、第１層１の体積の割合である。図１に示した実施形態の場合、第１層１の体積率は、４つの第１層１と４つの第２層５の体積の合計に対する、４つの第１層１の体積の割合である。第２層５についても、同様である。
【００３１】
一方、熱伝導率可変素子１００が特定の温度以上のとき、熱伝導率可変素子１００の熱伝導率κ≧Ｔは、次のように表される。なお、特定の温度はＴ℃とする。
κ≧Ｔ＝（金属Ｍ１の熱伝導率）×（第１’層５１の体積率）
＋（第２化合物の熱伝導率）×（第２’層５５の体積率）
【００３２】
なお、第１’層５１の体積率は、第１’層１と第２’層５５の体積の合計に対する、第１’層５１の体積の割合である。図１に示した実施形態の場合、第１’層５１の体積率は、４つの第１’層５１と４つの第２’層５５の体積の合計に対する、４つの第１’層５１の体積の割合である。第２’層５５についても、同様である。
【００３３】
熱伝導率可変素子１００の熱伝導率は、特定の温度を境にして、可逆的に、κ＜Ｔからκ≧Ｔに変化する。κ＜Ｔ及びκ≧Ｔは、上記の式によって表される値であるため、κ＜Ｔからκ≧Ｔへの変化は、非連続的である。
【００３４】
また、熱伝導率のκ＜Ｔからκ≧Ｔへの可逆的かつ非連続的変化は、第１層１及び第２層５並びに第１’層５１及び第２’層５５の接触及び／又は分離を伴わないため、曲面を有する素子も実現可能で、設計自由度が高い。
【００３５】
これまで説明してきた熱伝導率の変化が得られる、金属Ｍ１、金属Ｍ２、及び非金属Ｇの組合わせとしては、例えば、次の表１に示される組合わせが挙げられる。
【００３６】
【表１】
2017135279.tif 000003
【００３７】
これらの組合せにより、熱伝導率可変素子１００の熱伝導率が、特定の温度を境にして、可逆的かつ非連続的に変化する理由を、表１の組合せ例１について、金属酸化物のエネルギーポテンシャルから説明する。
【００３８】
ここで、次の２つの反応式に注目する。
４Ｆｅ３Ｏ４＋Ｏ２←→６Ｆｅ２Ｏ３        ・・・（１）
４Ｃｕ＋Ｏ２←→２Ｃｕ２Ｏ              ・・・（２）
【００３９】
（１）の反応式の系において、Ｆｅ（金属Ｍ１）とＯ（非金属元素Ｇ）の第１化合物（Ｆｅ２Ｏ３）の標準生成自由エネルギーΔＧ１°は、温度（℃）に依存する。また、（２）の反応式の系において、Ｃｕ（金属Ｍ２）とＯ（非金属元素Ｇ）の第２化合物（Ｃｕ２Ｏ）の標準生成自由エネルギーΔＧ２°は、温度（℃）に依存する。
【００４０】
そして、７００℃未満では、ΔＧ１°＜ΔＧ２°であり、７００℃以上では、ΔＧ１°≧ΔＧ２°である。
【００４１】
したがって、温度が７００℃未満のとき、（１）の反応式の系では、右側の物質、すなわちＦｅ２Ｏ３が安定であり、（２）の反応式の系では、左側の物質、すなわちＣｕが安定である。一方、温度が７００℃以上のとき、（１）の反応式の系では、左側の物質、すなわちＦｅ３Ｏ４が安定であり、（２）の反応式の系では、右側の物質、すなわちＣｕ２Ｏが安定である。
【００４２】
図１を用いて、さらに説明すると、第１層１及び第２層５は、それぞれ、７００℃未満で安定な、Ｆｅ２Ｏ３及びＣｕを含有する。一方、第１’層５１及び第２’層は、それぞれ、７００℃以上で安定な、Ｆｅ３Ｏ４及びＣｕ２Ｏを含有する。そして、７００℃を境に、第１層及び第２層それぞれは、可逆的に第１’層及び第２’層に変化する。
【００４３】
これまで、表１の組合せ例１について説明したが、組合せ例２及び３についても、金属酸化物のエネルギーポテンシャルから、同様に説明することができる。また、組合せ例４〜７については、金属硫化物のエネルギーポテンシャルから、同様の説明をすることができる。
【００４４】
（本発明に係る熱伝導率可変素子の別の実施形態）
図２は、本発明に係る熱伝導率可変素子の実施形態の別の例を示す、縦断面模式図である。ここでは、図１に示した熱伝導率可変素子１００と異なる部分についてのみ説明する。
【００４５】
図２に示したように、熱伝導率可変素子１００の外周は、外殻１０で包囲されていてもよい。外殻１０は、熱伝導率可変素子１００の使用温度範囲内で安定な物質を含有する。このような物質（以下、「安定物質」ともいう。）としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が挙げられる。外殻１０における、安定物質の含有量は、９０質量％以上であることが好ましく、９５質量％以上であることがより好ましい。
【００４６】
また、金属酸化物のエネルギーポテンシャルから考えると、少なくとも０〜２４００℃の範囲で、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、及びＣｏの酸化物の標準生成自由エネルギーそれぞれよりも、アルミナの標準生成自由エネルギーは小さい。すなわち、少なくとも０〜２４００℃の範囲で、アルミナは、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、及びＣｏの酸化物よりも安定である。したがって、外殻１０のための安定物質として、アルミナを使用することができる。
【００４７】
（本発明の熱伝導率可変素子の製造方法）
本発明の熱伝導率可変素子の製造方法は、これまで説明してきた熱伝導率可変素子の構成要素を満たせば、特に制限されない。
【００４８】
例えば、金属Ｍ１と非金属Ｇとの第１化合物のシート材と、金属Ｍ２のシート材とを、交互に積層しつつ、圧着する方法が挙げられる。あるいは、基材に、第１化合物の薄膜と、金属Ｍ２の薄膜とを、スパッタリング等によって、交互に成膜することが挙げられる。
【００４９】
第１層１と第２層５の交互積層体の外周に、アルミナ等の外殻１０の原材料を、スパッタリング等によって形成してもよい。
【実施例】
【００５０】
以下、本発明を実施例により、さらに具体的に説明する。なお、本発明は、これらに限定されるものではない。
【００５１】
（熱伝導率可変素子の作製）
図１に示した熱伝導率可変素子１００を作製した。金属Ｍ１、非金属Ｇ、及び金属Ｍ２は、表１の組合せ例１を採用した。すなわち、第１層１がＦｅ２Ｏ３であり、第２層５がＣｕである熱伝導率可変素子１００を作製した。
【００５２】
この熱伝導率可変素子１００の内部では、上述した（１）及び（２）の反応が起こる。これらの反応式からＯ２を消去して整理すると、次のようになる。
６Ｆｅ２Ｏ３＋４Ｃｕ←→４Ｆｅ３Ｏ４＋２Ｃｕ２Ｏ
【００５３】
上の反応式において、左辺は熱伝導率可変素子１００が７００℃未満の状態を示し、右辺は熱伝導率可変素子１００が７００℃未満の状態を示す。第１層１と第２層５が過不足なく反応して第１’層５１及び第２’層５５となるには、Ｆｅ２Ｏ３が６モルに対して、Ｃｕが４モル必要である。このとき、各層の分子量及び密度から、各層の体積率を算出し、さらに、κ＜７００℃及びκ≧７００℃を算出した。
【００５４】
結果を表２に示す。表２において、Ｆｅ２Ｏ３及びＦｅ３Ｏ４の熱伝導率は、文献（秋山友宏他、「緻密な酸化鉄成型体の熱伝導率」、鉄と鋼、１９９１−０２）から引用し、Ｃｕ及びＣｕ２Ｏの熱伝導率は、文献（日本熱物性学会、「熱物性ハンドブック」）から引用した。
【００５５】
【表２】
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【００５６】
表２から分かるように、この熱伝導率可変素子１００は、７００℃を境に、熱伝導率が約１／１０になることを確認できた。
【００５７】
以上の結果から、本発明の効果を確認できた。
【符号の説明】
【００５８】
１    第１層
５    第２層
１０    外殻
５１    第１’層
５５    第２’層
１００    熱伝導率可変素子
【図１】
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【図２】
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