JP7782765B1 - Heat absorbing material, heat spreader and heat sink - Google Patents
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Abstract
無機材料と相転移材料とを含む吸熱材料であって、上記無機材料は、内部に気孔を有する多孔質体からなり、上記多孔質体の気孔率は、10%以上95%以下であり、上記多孔質体の平均気孔径は、50μm以上5000μm以下であり、上記相転移材料は、上記気孔の内部に収容されていて、上記無機材料の組成は、上記相転移材料の組成と異なり、上記無機材料の熱浸透率biに対する上記吸熱材料の熱浸透率beの比be/biは、上記相転移材料の転移温度において、1より大きい、吸熱材料。 A heat-absorbing material comprising an inorganic material and a phase-transition material, wherein the inorganic material is a porous body having pores therein, the porosity of the porous body is 10% or more and 95% or less, the average pore diameter of the porous body is 50 μm or more and 5000 μm or less, the phase-transition material is accommodated inside the pores, the composition of the inorganic material is different from the composition of the phase-transition material, and a ratio b e /b i of the thermal effusivity b e of the heat-absorbing material to the thermal effusivity b i of the inorganic material is greater than 1 at the transition temperature of the phase-transition material.
Description
本開示は、吸熱材料、ヒートスプレッダ及びヒートシンクに関する。本出願は、2024年7月16日に出願した日本特許出願である特願2024-113337号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。 This disclosure relates to heat-absorbing materials, heat spreaders, and heat sinks. This application claims priority to Japanese Patent Application No. 2024-113337, filed July 16, 2024. The entire contents of this Japanese patent application are incorporated herein by reference.
従来、蓄熱材としてはパラフィン、糖アルコール等が用いられ、これらの蓄熱材の相転移による潜熱、吸熱及び放熱が利用されてきた。これらの蓄熱材が固体から液体への相転移をする際に蓄熱又は吸熱させ、液体から固体への相転移時に放熱する。この相転移による蓄熱若しくは吸熱又は放熱は、繰り返し行うことができる。このような蓄熱材を利用した蓄熱体は、バッテリーの過熱防止(特に、EVの高速充電時の過熱防止)等の用途で用いられている。 Traditionally, heat storage materials such as paraffin and sugar alcohols have been used, and the latent heat, heat absorption, and heat release due to the phase transition of these heat storage materials have been utilized. These heat storage materials store or absorb heat when they undergo a phase transition from solid to liquid, and release heat when they undergo a phase transition from liquid to solid. This heat storage, absorption, or release due to phase transition can be repeated. Heat storage bodies using such heat storage materials are used in applications such as preventing battery overheating (particularly preventing overheating during high-speed charging of EVs).
例えば、特開2020-193238号公報(特許文献1)では、多孔質樹脂材料と、前記多孔質樹脂材料の気孔の少なくとも一部に含まれる蓄熱物質とからなる蓄熱体であって、前記多孔質樹脂材料が熱伝導率0.3W/(m・K)を超える高熱伝導性樹脂であり、前記蓄熱物質が相転移により蓄熱及び放熱を行う相転移物質を含むことを特徴とする蓄熱体、が開示されている。 For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-193238 (Patent Document 1) discloses a heat storage body comprising a porous resin material and a heat storage substance contained in at least some of the pores of the porous resin material, wherein the porous resin material is a high thermal conductivity resin having a thermal conductivity of more than 0.3 W/(m·K), and the heat storage substance contains a phase transition material that stores and releases heat through a phase transition.
本開示の一態様に係る吸熱材料は、無機材料と相転移材料とを含む吸熱材料であって、
上記無機材料は、内部に気孔を有する多孔質体からなり、
上記多孔質体の気孔率は、10%以上95%以下であり、
上記多孔質体の平均気孔径は、50μm以上5000μm以下であり、
上記相転移材料は、上記気孔の内部に収容されていて、
上記無機材料の組成は、上記相転移材料の組成と異なり、
上記無機材料の熱浸透率biに対する上記吸熱材料の熱浸透率beの比be/biは、上記相転移材料の転移温度において、1より大きい。
A heat-absorbing material according to one embodiment of the present disclosure is a heat-absorbing material including an inorganic material and a phase-transition material,
The inorganic material is a porous body having pores therein,
The porosity of the porous body is 10% or more and 95% or less,
The average pore diameter of the porous body is 50 μm or more and 5000 μm or less,
the phase change material is contained within the pores;
the composition of the inorganic material is different from the composition of the phase-change material;
The ratio b e /b i of the thermal effusivity b e of the endothermic material to the thermal effusivity b i of the inorganic material is greater than 1 at the transition temperature of the phase transition material.
特許文献1に記載の蓄熱体は母材として多孔質樹脂材料が用いられているため熱伝導率が低く、吸熱材料の吸熱効率、すなわち熱浸透率に改善の余地があった。 The heat storage material described in Patent Document 1 uses a porous resin material as the base material, which means that it has low thermal conductivity, and there was room for improvement in the heat absorption efficiency of the heat absorption material, i.e., its thermal effusivity.
本開示は上記事情に鑑みてなされたものであり、熱浸透率に優れる吸熱材料を提供することを目的とする。 This disclosure has been made in consideration of the above circumstances and aims to provide an endothermic material with excellent thermal effusivity.
本開示によれば、熱浸透率に優れる吸熱材料を提供することが可能になる。 This disclosure makes it possible to provide an endothermic material with excellent thermal effusivity.
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
[1]本開示の一態様に係る吸熱材料は、無機材料と相転移材料とを含む吸熱材料であって、
上記無機材料は、内部に気孔を有する多孔質体からなり、
上記多孔質体の気孔率は、10%以上95%以下であり、
上記多孔質体の平均気孔径は、50μm以上5000μm以下であり、
上記相転移材料は、上記気孔の内部に収容されていて、
上記無機材料の組成は、上記相転移材料の組成と異なり、
上記無機材料の熱浸透率biに対する上記吸熱材料の熱浸透率beの比be/biは、上記相転移材料の転移温度において、1より大きい。
First, embodiments of the present disclosure will be listed and described.
[1] An endothermic material according to one embodiment of the present disclosure is an endothermic material including an inorganic material and a phase transition material,
The inorganic material is a porous body having pores therein,
The porosity of the porous body is 10% or more and 95% or less,
The average pore diameter of the porous body is 50 μm or more and 5000 μm or less,
the phase change material is contained within the pores;
the composition of the inorganic material is different from the composition of the phase-change material;
The ratio b e /b i of the thermal effusivity b e of the endothermic material to the thermal effusivity b i of the inorganic material is greater than 1 at the transition temperature of the phase transition material.
無機材料は、熱伝導率が高く熱源の熱が素早く伝わるが、比熱が小さい傾向があるため吸熱量が小さい。一方で、相転移材料は相転移する際(例えば、融解する際)、熱源から転移熱(例えば、融解熱)を吸熱する。この転移熱は無機材料の比熱と比較して遙かに大きな値をとるが、相転移材料は無機材料と比較して熱伝導率が著しく低い。そのため、熱源との接触面近傍でしか当該相転移材料の相転移が生じず吸熱効率が非常に低い傾向がある。しかしながら、これら両者が混ざった状態であると、上記無機材料によって効率よく熱が上記相転移材料に拡散し、高効率に熱源から転移熱を吸熱することが可能となる。すなわち、上述のような特徴を有する吸熱材料は、熱浸透率に優れるものとなる。 Inorganic materials have high thermal conductivity and transfer heat from a heat source quickly, but tend to have low specific heats and therefore little heat absorption. On the other hand, when a phase-change material undergoes a phase transition (e.g., melting), it absorbs heat of transition (e.g., heat of fusion) from the heat source. This heat of transition is much greater than the specific heat of the inorganic material, but the thermal conductivity of the phase-change material is significantly lower than that of inorganic materials. As a result, the phase transition of the phase-change material only occurs near the contact surface with the heat source, resulting in very low heat absorption efficiency. However, when these two materials are mixed, the inorganic material efficiently diffuses heat into the phase-change material, allowing it to efficiently absorb the heat of transition from the heat source. In other words, heat-absorbing materials with the characteristics described above have excellent thermal effusivity.
[2]上記[1]に記載の吸熱材料において、上記無機材料は、金属または無機化合物であってもよい。このように規定することで熱源からの熱伝導性に優れる吸熱材料となる。[2] In the endothermic material described in [1] above, the inorganic material may be a metal or an inorganic compound. This provides an endothermic material with excellent thermal conductivity from a heat source.
[3]上記[2]に記載の吸熱材料において、上記無機材料は、上記無機化合物であり、
上記無機化合物は、セラミックであってもよい。このように規定することで熱源からの熱伝導性に加えて、電気絶縁性に優れる吸熱材料となる。
[3] In the endothermic material according to [2] above, the inorganic material is the inorganic compound,
The inorganic compound may be a ceramic, which provides a heat-absorbing material that is excellent in electrical insulation as well as in thermal conductivity from a heat source.
[4]上記[1]から[3]のいずれかに記載の吸熱材料において、上記相転移材料は、有機化合物、無機化合物、または金属であり、
上記無機化合物は、無機塩およびセラミックを含んでもよい。このように規定することで吸熱量に優れる吸熱材料となる。
[4] In the endothermic material according to any one of [1] to [3] above, the phase transition material is an organic compound, an inorganic compound, or a metal;
The inorganic compound may include an inorganic salt and a ceramic. By specifying it in this way, the heat absorbing material has excellent heat absorption capacity.
[5]上記[4]に記載の吸熱材料において、上記相転移材料は、パラフィン、脂肪酸、エステル、アルコール、水和塩、形状記憶合金、金属酸化物、または前記無機材料の転移温度よりも低い転移温度の金属であってもよい。このように規定することで吸熱量に優れる吸熱材料となる。[5] In the endothermic material described in [4] above, the phase transition material may be paraffin, fatty acid, ester, alcohol, hydrated salt, shape memory alloy, metal oxide, or metal with a transition temperature lower than that of the inorganic material. By specifying it in this way, the endothermic material has excellent heat absorption capacity.
[6]上記[1]から[5]のいずれかに記載の吸熱材料において、上記相転移材料相転移材料は、―90℃以上280℃以下であってもよい。このように規定することで更に吸熱量に優れる吸熱材料となる。[6] In the endothermic material described in any one of [1] to [5] above, the phase transition material may have a temperature range of -90°C or higher and 280°C or lower. By specifying it in this way, the endothermic material will have even greater heat absorption capacity.
[7]上記[1]から[6]のいずれかに記載の吸熱材料において、上記多孔質体の平均窓径は200μm未満であり、
上記平均気孔径に対する上記平均窓径の比が0.02以上0.4以下であってもよい。このように規定することで熱浸透率および熱伝導率が高く吸熱効率に優れる吸熱材料となる。
[7] In the endothermic material according to any one of [1] to [6] above, the average window diameter of the porous body is less than 200 μm,
The ratio of the average window diameter to the average pore diameter may be 0.02 or more and 0.4 or less. By specifying it in this way, the heat absorbing material has high thermal effusivity and thermal conductivity and is excellent in heat absorbing efficiency.
[8]上記[1]から[7]のいずれかに記載の吸熱材料において、上記多孔質体の骨格における結晶粒径は、2.0μm以上50.0μm以下であってもよい。このように規定することで熱浸透率および熱伝導率が高く吸熱効率に優れる吸熱材料となる。[8] In the endothermic material described in any one of [1] to [7] above, the crystal grain size in the skeleton of the porous body may be 2.0 μm or more and 50.0 μm or less. By specifying it in this way, the endothermic material has high thermal effusivity and thermal conductivity and excellent heat absorption efficiency.
[9]上記[1]から[8]のいずれかに記載の吸熱材料において、上記無機材料と上記相転移材料との間に被膜がさらに設けられていて、
上記被膜の組成は、上記無機材料の組成および上記相転移材料の組成と異なっていてもよい。このように規定することで吸熱効率および繰り返し耐久性に優れる吸熱材料となる。
[9] The endothermic material according to any one of [1] to [8] above, further comprising a coating between the inorganic material and the phase transition material,
The composition of the coating may be different from the composition of the inorganic material and the composition of the phase transition material, thereby providing a heat absorbing material with excellent heat absorbing efficiency and durability against repeated use.
[10]上記[9]に記載の吸熱材料において、上記被膜は、酸化被膜、不動態被膜又は化成被膜を含んでいてもよい。このように規定することで吸熱効率および繰り返し耐久性に優れる吸熱材料となる。[10] In the endothermic material described in [9] above, the coating may include an oxide coating, a passivation coating, or a chemical conversion coating. This provides an endothermic material with excellent endothermic efficiency and durability during repeated use.
[11]上記[9]または[10]に記載の吸熱材料において、上記被膜の厚みは、100nm以上5000nm以下であってもよい。このように規定することで吸熱効率および繰り返し耐久性に優れる吸熱材料となる。[11] In the endothermic material described in [9] or [10] above, the thickness of the coating may be 100 nm or more and 5000 nm or less. This provides an endothermic material with excellent endothermic efficiency and durability against repeated use.
[12]上記[1]から[11]のいずれかに記載の吸熱材料において、上記吸熱材料の熱伝導率は、1W・m-1K-1以上360W・m-1K-1以下であってもよい。このように規定することで熱浸透率が高く吸熱効率に優れる吸熱材料となる。 [12] In the endothermic material according to any one of [1] to [11] above, the thermal conductivity of the endothermic material may be 1 W·m −1 K −1 or more and 360 W·m −1 K −1 or less. By specifying it in this way, the endothermic material has a high thermal effusivity and excellent heat absorption efficiency.
[13]上記[1]から[12]のいずれかに記載の吸熱材料において、上記吸熱材料は、上記多孔質体の外表面を被覆する金属膜、有機化合物膜またはこれらの複合膜をさらに含んでもよい。このように規定することで相転移材料の漏出を完全に防止することができる。また、相転移材料に発火性がある場合には、相転移材料が直接熱源に接触して発火することを回避できる吸熱材料となる。[13] In the heat-absorbing material described in any one of [1] to [12] above, the heat-absorbing material may further include a metal film, an organic compound film, or a composite film thereof that coats the outer surface of the porous body. This specification completely prevents leakage of the phase-change material. Furthermore, if the phase-change material is flammable, the heat-absorbing material can prevent the phase-change material from igniting due to direct contact with a heat source.
[14]本開示の一態様に係るヒートスプレッダは、上記[1]から[13]のいずれかに記載の吸熱材料からなるヒートスプレッダである。このようにすることで熱浸透率に優れるヒートスプレッダとなる。[14] A heat spreader according to one aspect of the present disclosure is a heat spreader made of the heat-absorbing material described in any one of [1] to [13] above. This results in a heat spreader with excellent thermal effusivity.
[15]上記[14]に記載のヒートスプレッダにおいて、上記相転移材料は、パラフィン、脂肪酸、エステル、アルコール、水和塩、または上記無機材料の融点よりも低融点の金属であり、
上記吸熱材料は、上記多孔質体の外表面を被覆する金属膜、有機化合物膜またはこれらの複合膜をさらに含んでもよい。このようにすることで相転移材料の漏出を完全に防止することができるヒートスプレッダとなる。
[15] In the heat spreader according to the above [14], the phase transition material is paraffin, a fatty acid, an ester, an alcohol, a hydrated salt, or a metal having a melting point lower than that of the inorganic material;
The heat-absorbing material may further include a metal film, an organic compound film, or a composite film thereof, which coats the outer surface of the porous body, thereby providing a heat spreader that can completely prevent leakage of the phase change material.
[16]本開示の一態様に係るヒートシンクは、上記[1]から[13]のいずれかに記載の吸熱材料からなるヒートシンクである。このようにすることで熱浸透率に優れるヒートシンクとなる。[16] A heat sink according to one aspect of the present disclosure is a heat sink made of the heat-absorbing material described in any one of [1] to [13] above. This results in a heat sink with excellent thermal effusivity.
[17]上記[16]に記載のヒートシンクにおいて、上記相転移材料は、形状記憶合金または金属酸化物であってもよい。このようにすることで吸熱量に優れるヒートシンクとなる。[17] In the heat sink described in [16] above, the phase transition material may be a shape memory alloy or a metal oxide. This results in a heat sink with excellent heat absorption capacity.
[18]上記[16]に記載のヒートシンクにおいて、上記相転移材料は、パラフィン、脂肪酸、エステル、アルコール、水和塩、または上記無機材料の転移温度よりも低い転移温度の金属であり、
上記吸熱材料は、上記多孔質体の外表面を被覆する金属膜、有機化合物膜またはこれらの複合膜をさらに含んでもよい。このようにすることで相転移材料の漏出を完全に防止することができるヒートシンクとなる。
[18] In the heat sink according to [16] above, the phase transition material is paraffin, a fatty acid, an ester, an alcohol, a hydrated salt, or a metal having a transition temperature lower than that of the inorganic material;
The heat-absorbing material may further include a metal film, an organic compound film, or a composite film thereof, which coats the outer surface of the porous body, thereby providing a heat sink that can completely prevent leakage of the phase change material.
以下、本開示の一実施形態(以下「本実施形態」と記す。)について説明する。ただし、本実施形態はこれに限定されるものではない。本明細書において「A~Z」という形式の表記は、範囲の上限下限(すなわちA以上Z以下)を意味し、Aにおいて単位の記載がなく、Zにおいてのみ単位が記載されている場合、Aの単位とZの単位とは同じである。 One embodiment of the present disclosure (hereinafter referred to as "this embodiment") will be described below. However, this embodiment is not limited to this. In this specification, notations in the format "A-Z" refer to the upper and lower limits of a range (i.e., A or greater and Z or less). When no unit is specified for A and a unit is specified only for Z, the units of A and Z are the same.
≪吸熱材料≫
本実施形態に係る吸熱材料は、無機材料と相転移材料とを含む吸熱材料であって、
上記無機材料は、内部に気孔を有する多孔質体からなり、
上記多孔質体の気孔率は、10%以上95%以下であり、
上記多孔質体の平均気孔径は、50μm以上5000μm以下であり、
上記相転移材料は、上記気孔の内部に収容されていて、
上記無機材料の組成は、上記相転移材料の組成と異なり、
上記無機材料の熱浸透率biに対する上記吸熱材料の熱浸透率beの比be/biは、上記相転移材料の転移温度において、1より大きい。
<Heat-absorbing materials>
The heat-absorbing material according to this embodiment is a heat-absorbing material including an inorganic material and a phase-transition material,
The inorganic material is a porous body having pores therein,
The porosity of the porous body is 10% or more and 95% or less,
The average pore diameter of the porous body is 50 μm or more and 5000 μm or less,
the phase change material is contained within the pores;
the composition of the inorganic material is different from the composition of the phase-change material;
The ratio b e /b i of the thermal effusivity b e of the endothermic material to the thermal effusivity b i of the inorganic material is greater than 1 at the transition temperature of the phase transition material.
<無機材料>
本実施形態において「無機材料」とは、金属または無機化合物からなる材料を意味する。上記無機材料は、金属または無機化合物であってもよい。本実施形態の一側面において、上記無機材料は水和塩を含まなくてもよい。上記無機材料の組成は、後述する相転移材料の組成と異なる。
<Inorganic materials>
In this embodiment, the term "inorganic material" refers to a material made of a metal or an inorganic compound. The inorganic material may be a metal or an inorganic compound. In one aspect of this embodiment, the inorganic material may not contain a hydrated salt. The composition of the inorganic material is different from the composition of the phase-change material described below.
上記金属としては、特に制限されないが、例えば、アルミニウム、銅、鉄、チタン、および銀が挙げられる。上記金属は、単体金属であってもよし、合金(例えば、真鍮、ステンレス等)であってもよい。 The above metals are not particularly limited, but examples include aluminum, copper, iron, titanium, and silver. The above metals may be elemental metals or alloys (e.g., brass, stainless steel, etc.).
上記無機化合物としては、特に制限されないが、例えば、セラミックが挙げられる。上記セラミックとしては、例えば、アルミナ、炭化ケイ素、窒化アルミニウム等が挙げられる。本実施形態の一側面において、上記無機材料は、上記無機化合物であり、上記無機化合物は、セラミックであってもよい。無機材料がセラミックであることで、吸熱材料の絶縁性を確保しやすくなる。また、セラミックの熱伝導率が高いほど、無機材料の熱浸透率を高くしやすい傾向がある。 The inorganic compound is not particularly limited, but examples thereof include ceramics. Examples of the ceramic include alumina, silicon carbide, and aluminum nitride. In one aspect of this embodiment, the inorganic material is the inorganic compound, and the inorganic compound may be ceramic. When the inorganic material is ceramic, it becomes easier to ensure the insulating properties of the heat-absorbing material. Furthermore, the higher the thermal conductivity of the ceramic, the easier it tends to be to increase the thermal effusivity of the inorganic material.
本実施形態において、上記無機材料の熱浸透率biは、4.8kJ/(m2s1/2K)以上42.3kJ/(m2s1/2K)以下であってもよいし、6.4kJ/(m2s1/2K)以上37.2kJ/(m2s1/2K)以下であってもよい。上記無機材料の熱浸透率biおよび後述する相転移材料の熱浸透率boは、以下の式1で求めることが可能である。式1中、λは熱伝導率(W・m-1K-1)を示し、ρは密度(g/cm3)を示し、Cは無機材料の比熱(J/(g・K))または相転移材料の相転移の潜熱から求められる等価比熱(J/(g・K))を示す。
(熱浸透率)=(λ・ρ・C)1/2 (式1)
In this embodiment, the thermal effusivity b i of the inorganic material may be 4.8 kJ/(m 2 s 1/2 K) or more and 42.3 kJ/(m 2 s 1/2 K) or less, or 6.4 kJ/(m 2 s 1/2 K) or more and 37.2 kJ/(m 2 s 1/2 K) or less. The thermal effusivity b i of the inorganic material and the thermal effusivity b o of the phase change material described later can be calculated using the following formula 1. In formula 1, λ represents thermal conductivity (W·m −1 K −1 ), ρ represents density (g/cm 3 ), and C represents the specific heat (J/(g·K)) of the inorganic material or the equivalent specific heat (J/(g·K)) calculated from the latent heat of phase transition of the phase change material.
(Thermal effusivity) = (λ・ρ・C) 1/2 (Formula 1)
本実施形態において、上記無機材料の構造は、多孔質体構造である。 In this embodiment, the structure of the above inorganic material is a porous structure.
本実施形態の一側面において、上記無機材料は、内部に気孔を有する多孔質体からなる。なお、上記多孔質体は、「内部に気孔が形成されている」と把握することもできる。本実施形態において「気孔」とは、多孔質体の内部に形成されている3次元的な空洞と把握することができる。多孔質体とすることで、後述する相転移材料との接触面積を広くすることができ、ひいては効率よく熱を無機材料から相転移材料へ伝えることができる。In one aspect of this embodiment, the inorganic material is a porous body having pores therein. The porous body can also be understood as having pores formed therein. In this embodiment, the "pores" can be understood as three-dimensional cavities formed inside the porous body. By forming the inorganic material into a porous body, the contact area with the phase-change material described below can be increased, thereby enabling efficient heat transfer from the inorganic material to the phase-change material.
多孔質体は、その少なくとも一部が相互に連通した構造であると把握することもできる。この構造を持つことで、無機材料内部の熱伝導が促進されやすく、ひいては効率よく熱を無機材料から相転移材料へ伝えることができる。連通とは吸熱材料のある二点間の無機材料が連続していることを言う。この二点間の距離は例えば0.5mm以上であり、吸熱材料のサイズと同じであることが望ましい。無機材料が連通した構造であるかどうかは、X線CTスキャン法やシリアルセクショニング法により判定できる。すべての無機材料が連通せず遊離した状態にある場合、当該無機材料は多孔質ではない。無機材料の少なくとも一部が連通する状態にある場合、当該無機材料は多孔質である。 A porous material can also be understood as having a structure in which at least a portion of the inorganic material is interconnected. This structure facilitates thermal conduction within the inorganic material, thereby enabling efficient transfer of heat from the inorganic material to the phase change material. Interconnectedness refers to the continuity of the inorganic material between two points on the heat-absorbing material. The distance between these two points is, for example, 0.5 mm or more, and is preferably the same as the size of the heat-absorbing material. Whether an inorganic material has an interconnected structure can be determined using X-ray CT scanning or serial sectioning. If all of the inorganic material is not interconnected and is in a free state, the inorganic material is not porous. If at least a portion of the inorganic material is interconnected, the inorganic material is porous.
上記多孔質体の気孔率は、10%以上95%以下であり、10%以上85%以下であってもよいし、10%以上84%以下であってもよい。 The porosity of the porous body is 10% or more and 95% or less, or may be 10% or more and 85% or less, or may be 10% or more and 84% or less.
上記多孔質体の気孔率は、以下の式Aから求められる。
気孔率(%)=[1-{M/(V×d)}]×100 (式A)
M:多孔質体の質量[g]
V:多孔質体における外観の形状の体積[cm3]
d:多孔質体を構成する物質自体の密度[g/cm3]。
The porosity of the porous body can be calculated from the following formula A.
Porosity (%) = [1 - {M / (V × d)}] × 100 (Equation A)
M: Mass of porous body [g]
V: Volume of the external shape of the porous body [cm 3 ]
d: density of the material constituting the porous body [g/cm 3 ].
上記多孔質体の平均気孔径は、50μm以上5000μm以下であり、50μm以上4500μm以下であってもよい。上記多孔質体の平均気孔径が50μm未満である場合は、多孔質体の強度が下がり、保形がしにくくなる傾向がある。また当該平均気孔径が5000μmを超える場合は、毛細管力が下がる傾向がある。その結果、気孔内に収容されている相転移材料が融解した際に、多孔質体の外部へ当該相転移材料が漏出しやすくなる傾向がある。さらに、当該平均気孔径が5000μmを超える場合は、多孔質体の機械的強度がバラつきやすくなる傾向(強度分布の標準偏差が大きくなる傾向)がある。その結果、吸熱材料の強度がバラつきやすくなる傾向がある。 The average pore diameter of the porous body is 50 μm or more and 5,000 μm or less, and may be 50 μm or more and 4,500 μm or less. If the average pore diameter of the porous body is less than 50 μm, the strength of the porous body tends to decrease and shape retention tends to be difficult. Furthermore, if the average pore diameter exceeds 5,000 μm, the capillary force tends to decrease. As a result, when the phase change material contained in the pores melts, the phase change material tends to leak out of the porous body. Furthermore, if the average pore diameter exceeds 5,000 μm, the mechanical strength of the porous body tends to vary (the standard deviation of the strength distribution tends to increase). As a result, the strength of the endothermic material tends to vary.
多孔質体の平均気孔径は、次の方法により求めることができる。すなわち、まずSEMで気孔が少なくとも5個入るように測定視野を設定し上記多孔質体の外観を撮影する。次に、当該視野内で観察される気孔のサイズを等面積円相当径として算出し、観察された各気孔のサイズの平均値を平均気孔径とする。The average pore diameter of a porous body can be determined by the following method. First, a measurement field of view is set using an SEM so that at least five pores are included, and the appearance of the porous body is photographed. Next, the size of the pores observed within the field of view is calculated as the equivalent diameter of a circle with an equal area, and the average value of the sizes of the observed pores is taken as the average pore diameter.
本実施形態の一側面において、上記多孔質体の気孔率は、10%以上95%以下であり、かつ上記多孔質体の平均気孔径は、50μm以上420μm以下であってもよい。上記多孔質体の気孔率は、10%以上95%以下であり、かつ上記多孔質体の平均気孔径は、50μm以上400μm以下であってもよい。上記多孔質体の気孔率は、10%以上85%以下であり、かつ上記多孔質体の平均気孔径は、50μm以上5000μm以下であってもよい。上記多孔質体の気孔率は、10%以上85%以下であり、かつ上記多孔質体の平均気孔径は、50μm以上420μm以下であってもよい。本実施形態の他の側面において、上記多孔質体の気孔率は、15%以上85%以下であり、かつ上記多孔質体の平均気孔径は、50μm以上400μm以下であってもよい。In one aspect of this embodiment, the porosity of the porous body may be 10% or more and 95% or less, and the average pore diameter of the porous body may be 50 μm or more and 420 μm or less. The porosity of the porous body may be 10% or more and 95% or less, and the average pore diameter of the porous body may be 50 μm or more and 400 μm or less. The porosity of the porous body may be 10% or more and 85% or less, and the average pore diameter of the porous body may be 50 μm or more and 5000 μm or less. The porosity of the porous body may be 10% or more and 85% or less, and the average pore diameter of the porous body may be 50 μm or more and 420 μm or less. In another aspect of this embodiment, the porosity of the porous body may be 15% or more and 85% or less, and the average pore diameter of the porous body may be 50 μm or more and 400 μm or less.
本実施形態において、多孔質体の平均窓径は200μm未満であってもよい。本実施形態において、多孔質体の連続気孔とは、当該多孔質体の気孔同士が連通することで形成される二次元的な孔を意味する。多孔質体の窓径とは、当該多孔質体の連続気孔に内接する仮想上の円の直径を意味する(図5~図7)。多孔質体の表面を観察し、連続気孔を20個観察したときの平均値が平均窓径である。この窓径はSEM観察のほか、X線CTスキャンデータから再構成された多孔質体の三次元像や、シリアルセクショニング法により得られた多孔質体の三次元像の連続気孔の大きさから求めてもよい。 In this embodiment, the average window diameter of the porous body may be less than 200 μm. In this embodiment, the continuous pores of the porous body refer to two-dimensional pores formed by the interconnection of pores in the porous body. The window diameter of the porous body refers to the diameter of an imaginary circle inscribed in the continuous pores of the porous body (Figures 5 to 7). The average window diameter is determined by observing the surface of the porous body and averaging 20 continuous pores. This window diameter may be determined not only by SEM observation, but also from the size of the continuous pores in a three-dimensional image of the porous body reconstructed from X-ray CT scan data or a three-dimensional image of the porous body obtained by serial sectioning.
粉末X(粒子が粗大)と粉末Y(粒子が微細)とを混合して成形および焼結した場合、得られた焼結体では、粉末Xの粒子同士が接触している箇所が存在する(図6)、この焼結体に所定の処理を施すことによって、粉末Xに由来する焼結体の部分を除去すると粉末Yに由来する焼結体からなる多孔質体となる。このとき、図6における「粉末Xの粒子同士が接触している箇所」は、連続気孔となっている(図6、7)。粉末X及び粉末Yを十分に混合し、得られた混合粉末に適度に高い圧力を負荷することにより、空隙を形成することなく密にそれぞれの粉末が行き渡るため、出来上がった多孔質体における窓径は小さくなりやすい(図7)。これは本開示における無機材料、及び当該無機材料の製造方法に特有のものである。平均窓径が小さいほど多孔質体の連通骨格1個あたりの断面積は大きくなりやすい(図8)。その結果、連通骨格の熱抵抗が小さくなりやすい。したがって、多孔質体の窓径が小さいほどその熱伝導率は高くなる。粉末成形の圧力を適正な範囲内で低くすると粉末間の弾塑性変形が小さくなり接触面積が減少するため窓径は小さくなりやすい。粉末X及び粉末Yそれぞれの粒子径の比が大きいほど、粉末X(粗大粉末)の間隙にまで粉末Y(微細粉末)が行き渡りやすくなるため窓径は小さくなりやすい。一方、樹脂製の多孔質骨格に金属をメッキ、真空蒸着、スパッタリングする製造方法によって製造された多孔質体の窓径は、本実施形態に係る無機材料に比べて大きくなりやすい。また樹脂製の多孔質骨格に金属粉末ペーストを含浸して焼結する製造方法によって製造された多孔質体の窓径は、本実施形態に係る無機材料に比べて大きくなりやすい。また一般的に「ルース粉焼結」と呼ばれるような金属粉末を成形せず焼結する製造方法によって製造された多孔質体の窓径は、本実施形態に係る無機材料に比べて大きくなりやすい。When powder X (coarse particles) and powder Y (fine particles) are mixed, molded, and sintered, the resulting sintered body contains areas where the particles of powder X contact each other (Figure 6). By subjecting this sintered body to a specific process and removing the areas of the sintered body derived from powder X, a porous body consisting of the sintered body derived from powder Y is obtained. In this case, the "areas where the particles of powder X contact each other" in Figure 6 become interconnected pores (Figures 6 and 7). By thoroughly mixing powder X and powder Y and applying a moderately high pressure to the resulting mixed powder, the powders are densely packed without forming voids, which tends to result in a small window diameter in the resulting porous body (Figure 7). This is unique to the inorganic materials and manufacturing methods of these inorganic materials disclosed herein. The smaller the average window diameter, the larger the cross-sectional area per interconnected skeleton of the porous body (Figure 8). As a result, the thermal resistance of the interconnected skeleton tends to be low. Therefore, the smaller the window diameter of a porous body, the higher its thermal conductivity. When the powder molding pressure is reduced within an appropriate range, the elastic-plastic deformation between the powders is reduced, reducing the contact area and therefore the window diameter. The larger the ratio of the particle sizes of Powder X and Powder Y, the more easily Powder Y (fine powder) penetrates into the gaps between Powder X (coarse powder), resulting in a smaller window diameter. On the other hand, the window diameter of a porous body manufactured by a manufacturing method in which a metal is plated, vacuum deposited, or sputtered onto a resin porous skeleton is likely to be larger than that of the inorganic material according to this embodiment. Furthermore, the window diameter of a porous body manufactured by a manufacturing method in which a metal powder paste is impregnated into a resin porous skeleton and sintered is likely to be larger than that of the inorganic material according to this embodiment. Furthermore, the window diameter of a porous body manufactured by a manufacturing method in which metal powder is sintered without being molded, commonly known as "loose powder sintering," is likely to be larger than that of the inorganic material according to this embodiment.
平均窓径が200μm未満であれば多孔質体の熱伝導率を高くしやすい。また平均窓径が200μm未満であれば毛細管力を高くしやすい。その結果、気孔内に収容されている相転移材料が融解した際に漏出するのを抑止しやすくなる。平均窓径の下限は特に定めないが、平均窓径が大きいほど冷間成形の加圧力を高めることができ、成形体の機械的強度を高くできる。その結果、製造時の成形体のハンドリングが容易になり、製造コストを低減できる。平均窓径の下限は例えば1μm以上であれば製造が容易となる。平均窓径の下限は5μm以上であってもよいし、10μm以上であってもよい。本実施形態の一側面において、平均窓径は、1μm以上200μm未満であってもよいし、1μm以上195μm以下であってもよいし、5μm以上195μm以下であってもよいし、10μm以上195μm以下であってもよいし、14μm以上180μm以下であってもよい。 When the average window diameter is less than 200 μm, the thermal conductivity of the porous body is easily increased. Furthermore, when the average window diameter is less than 200 μm, the capillary force is easily increased. As a result, leakage of the phase-change material contained in the pores during melting is more easily prevented. While there is no particular lower limit for the average window diameter, a larger average window diameter allows for a higher cold-forming pressure and therefore higher mechanical strength of the molded body. As a result, handling of the molded body during manufacturing is easier and manufacturing costs can be reduced. For example, a lower limit of the average window diameter of 1 μm or more facilitates manufacturing. The lower limit of the average window diameter may be 5 μm or more, or 10 μm or more. In one aspect of this embodiment, the average window diameter may be 1 μm or more but less than 200 μm, 1 μm or more but 195 μm or less, 5 μm or more but 195 μm or less, 10 μm or more but 14 μm or more but 180 μm or less.
平均気孔径に対する平均窓径の比(平均窓径/平均気孔径)は0.02以上0.4以下であってもよいし、0.04以上0.29以下であってもよい。比が0.02以上であれば、成形体強度が過度に低くなることを抑制できる。比が0.4以下であれば多孔質体の熱伝導率を高くしやすい。本実施形態の一側面において、上記多孔質体の平均窓径は200μm未満であり、上記平均気孔径に対する上記平均窓径の比が0.02以上0.4以下であってもよい。 The ratio of the average window diameter to the average pore diameter (average window diameter/average pore diameter) may be 0.02 or more and 0.4 or less, or 0.04 or more and 0.29 or less. A ratio of 0.02 or more can prevent the strength of the molded body from becoming excessively low. A ratio of 0.4 or less can easily increase the thermal conductivity of the porous body. In one aspect of this embodiment, the average window diameter of the porous body may be less than 200 μm, and the ratio of the average window diameter to the average pore diameter may be 0.02 or more and 0.4 or less.
本実施形態において、多孔質体の骨格における結晶粒径は2.0μm以上50.0μm以下であってもよいし、2.1μm以上3.5μm以下であってもよい。ここで「多孔質体の骨格」とは、多孔質体の実体部分を意味する。多孔質体の骨格は、金属または無機化合物から構成されていると把握することもできる。上記結晶粒径は、例えば多孔質体を樹脂埋め、鏡面研磨後、日本電子株式会社製クロスセクションポリッシャにより仕上げ加工してFE-SEMを用いてEBSD観察することにより求められる。傾角5°以上の粒界を結晶粒界と見なして面積加重平均結晶粒径を求めればよい。結晶粒径が2.0μm以上であれば、結晶粒界に起因する熱抵抗を低く抑制できるため、多孔質体の熱伝導率を高くしやすい。結晶粒径が50.0μm以下であれば、多孔質体の機械的強度を高くしやすい。In this embodiment, the crystal grain size in the skeleton of the porous body may be 2.0 μm or more and 50.0 μm or less, or 2.1 μm or more and 3.5 μm or less. Here, "skeleton of the porous body" refers to the substantial portion of the porous body. The skeleton of the porous body can also be understood to be composed of a metal or inorganic compound. The crystal grain size can be determined, for example, by embedding the porous body in resin, mirror-polishing it, finishing it with a cross-section polisher manufactured by JEOL Ltd., and then observing it with FE-SEM using EBSD. The area-weighted average crystal grain size can be calculated by regarding grain boundaries with an inclination angle of 5° or more as crystal grain boundaries. A crystal grain size of 2.0 μm or more can reduce the thermal resistance due to the crystal grain boundaries, thereby increasing the thermal conductivity of the porous body. A crystal grain size of 50.0 μm or less can increase the mechanical strength of the porous body.
金属粉末を成形することにより導入される格子ひずみは、焼結中の結晶粒界移動の駆動力となるためその結晶粒は成長しやすい。そのため金属粉末を成形および焼結する製造方法を用いると、多孔質体の骨格における結晶粒径を2.0μm以上50.0μm以下にしやすくなる。一方、樹脂製の多孔質体の骨格に金属をメッキ、真空蒸着、スパッタリングする方法の場合、結晶粒が成長しづらいため、結晶粒径は過度に微細になりやすい。また樹脂製の多孔質体の骨格に金属粉末ペーストを含浸して焼結する方法の場合、格子ひずみが導入されず結晶粒移動が生じにくいため結晶粒径は微細になりやすい。また一般的に「ルース粉焼結」と呼ばれるような金属粉末を成形せず焼結する方法の場合も、格子ひずみが導入されず結晶粒移動が生じにくいため結晶粒径は微細になりやすい。焼結温度を高く、焼結時間を長くすることにより結晶粒径を粗大化できるが、製造コストは高くなりやすい。Lattice strain introduced by compacting metal powder acts as a driving force for grain boundary migration during sintering, facilitating grain growth. Therefore, using a manufacturing method that compacts and sinters metal powder makes it easy to achieve a grain size of 2.0 μm or more and 50.0 μm or less in the porous body skeleton. On the other hand, methods that involve plating, vacuum deposition, or sputtering metal onto a resin porous body skeleton tend to result in excessively fine grain size because grain growth is difficult. Furthermore, methods that involve impregnating a resin porous body skeleton with a metal powder paste and sintering the skeleton tend to result in fine grain size because lattice strain is not introduced and grain migration is difficult. Furthermore, methods that involve sintering metal powder without compacting, commonly known as "loose powder sintering," also tend to result in fine grain size because lattice strain is not introduced and grain migration is difficult. While it is possible to increase the grain size by increasing the sintering temperature and prolonging the sintering time, this tends to increase manufacturing costs.
本実施形態の一側面において、上記無機材料の外観の形状は、特に制限されず、例えば、直方体状、平板状、柱状、円錐状、円筒状、三角錐状等が挙げられる。In one aspect of this embodiment, the external shape of the inorganic material is not particularly limited, and examples include rectangular parallelepiped, plate-like, columnar, conical, cylindrical, triangular pyramidal, etc.
<相転移材料>
本実施形態において「相転移材料」とは、転移温度に達した際、ある相から別の相へ変化する材料を意味する。本実施形態の一側面において、「相転移材料」は、融点に達した際、固体から液体になる材料が含まれる。本実施形態の一側面において、上記相転移材料における相転移は、融解(固体から液体への転移)以外でもよく、たとえば結晶相転移、マルテンサイト変態、規則-不規則変態、絶縁体-金属相転移、およびガラス転移等であってもよい。上記相転移材料の転移温度は、―90℃以上280℃以下であってもよいし、―90℃以上170℃以下であってもよいし、―87℃以上166℃以下であってもよい。本実施形態の一側面において、上記相転移材料の融点は、―90℃以上170℃以下であってもよいし、―87℃以上166℃以下であってもよい。上記相転移材料は、転移温度付近で潜熱を奪い(例えば、融点付近で融解熱を奪い)、熱源の昇温を抑制できる。すなわち、上記相転移材料の転移温度(例えば、融点)を上述の温度範囲とすることによって、その温度範囲において上記吸熱材料は好適に吸熱できる。上記相転移材料は、有機化合物、無機化合物、または金属であり、上記無機化合物は、無機塩(例えば、水和塩)およびセラミックを含んでもよい。本実施形態の一側面において、上記相転移材料は、パラフィン、脂肪酸、エステル、アルコール、または水和塩であってもよい。
<Phase transition materials>
In this embodiment, the term "phase change material" refers to a material that changes from one phase to another when it reaches a transition temperature. In one aspect of this embodiment, the term "phase change material" includes a material that changes from a solid to a liquid when it reaches its melting point. In one aspect of this embodiment, the phase change in the phase change material may be other than melting (a transition from solid to liquid), and may be, for example, a crystalline phase transition, a martensitic transformation, an order-disorder transformation, an insulator-metal phase transition, or a glass transition. The phase change temperature of the phase change material may be −90°C or higher and 280°C or lower, −90°C or higher and 170°C or lower, or −87°C or higher and 166°C or lower. In one aspect of this embodiment, the melting point of the phase change material may be −90°C or higher and 170°C or lower, or −87°C or higher and 166°C or lower. The phase change material absorbs latent heat near the transition temperature (e.g., absorbs heat of fusion near the melting point), thereby suppressing the temperature rise of the heat source. In other words, by setting the transition temperature (e.g., melting point) of the phase-change material within the above-mentioned temperature range, the heat-absorbing material can effectively absorb heat within that temperature range. The phase-change material may be an organic compound, an inorganic compound, or a metal, and the inorganic compound may include an inorganic salt (e.g., a hydrated salt) and a ceramic. In one aspect of this embodiment, the phase-change material may be paraffin, a fatty acid, an ester, an alcohol, or a hydrated salt.
上記パラフィンとしては、特に制限されないが、例えば、オクタデカン、テトラデカン、テトラコサン等が挙げられる。 The above-mentioned paraffins are not particularly limited, but examples include octadecane, tetradecane, tetracosane, etc.
上記脂肪酸としては、特に制限されないが、例えば、金属石けん(脂肪酸の金属塩)、パルチミン酸、ステアリン酸、リノール酸等が挙げられる。 The above fatty acids are not particularly limited, but examples include metal soaps (metal salts of fatty acids), palmitic acid, stearic acid, linoleic acid, etc.
上記エステルとしては、特に制限されないが、例えば、酢酸エチル、ミリスチン酸セチル、ベヘニン酸ベヘニル等が挙げられる。 The above esters are not particularly limited, but examples include ethyl acetate, cetyl myristate, behenyl behenate, etc.
上記アルコールとしては、特に制限されないが、例えば、エリスリトール、ソルビトール、スレイトール、マンニトール、キシリトール等が挙げられる。 The above alcohols are not particularly limited, but examples include erythritol, sorbitol, threitol, mannitol, xylitol, etc.
上記水和塩としては、特に制限されないが、例えば、塩化カルシウム六水和物、硫酸ナトリウム十水和物、酢酸ナトリウム三水和物、カリウムミョウバン、アンモニウムミョウバン等が挙げられる。 The above-mentioned hydrated salts are not particularly limited, but examples include calcium chloride hexahydrate, sodium sulfate decahydrate, sodium acetate trihydrate, potassium alum, ammonium alum, etc.
相転移材料は、上述したものの他に、例えば金属(低融点金属、形状記憶合金)、セラミック(金属酸化物)であってもよい。すなわち、上記相転移材料は、パラフィン、脂肪酸、エステル、アルコール、水和塩、形状記憶合金、金属酸化物、または上記無機材料の転移温度よりも低い転移温度の金属であってもよい。「無機材料の転移温度よりも低い転移温度の金属」としては、上記無機材料の融点よりも低い融点の金属が挙げられる。低融点金属は、例えばSn,Bi等の純金属、並びに、Sn-Pb合金、Sn-Ag-Cu合金、およびSn-Bi合金等の合金が挙げられる。形状記憶合金は、例えばNi-Ti合金、Cu-Zn-Al合金が挙げられる。金属酸化物は、例えば二酸化バナジウム(VO2)、および五酸化三チタン(Ti3O5)が挙げられる。 In addition to the above, the phase-change material may be, for example, a metal (low-melting-point metal, shape-memory alloy) or a ceramic (metal oxide). That is, the phase-change material may be paraffin, fatty acid, ester, alcohol, hydrated salt, shape-memory alloy, metal oxide, or a metal with a transition temperature lower than that of the inorganic material. Examples of "metals with a transition temperature lower than that of the inorganic material" include metals with a melting point lower than that of the inorganic material. Examples of low-melting-point metals include pure metals such as Sn and Bi, as well as alloys such as Sn—Pb alloy, Sn—Ag—Cu alloy, and Sn—Bi alloy. Examples of shape-memory alloys include Ni—Ti alloy and Cu—Zn—Al alloy. Examples of metal oxides include vanadium dioxide (VO 2 ) and trititanium pentoxide (Ti 3 O 5 ).
本実施形態において、上記相転移材料の熱浸透率boは、4.7kJ/(m2s1/2K)以上8.2kJ/(m2s1/2K)以下であってもよいし、5.1kJ/(m2s1/2K)以上7.2kJ/(m2s1/2K)以下であってもよい。相転移材料の熱浸透率boは、上記式1で求めることが可能である。このとき、相転移材料の相転移の潜熱から求められる等価比熱(J/(g・K))は、以下の式4で求めることが可能である。式4中、Lは相転移の潜熱(J/g)を示す。また、ΔTは相転移が「0より大きい有限の温度範囲」で生じると見なした場合の相転移温度範囲を示す。本実施形態において、ΔTは1Kと定義する。これによって、相転移点における相転移材料の等価比熱を比較しやすくなる。
(等価比熱)=L/ΔT (式4)
In this embodiment, the thermal effusivity b o of the phase change material may be 4.7 kJ/(m 2 s 1/2 K) or more and 8.2 kJ/(m 2 s 1/2 K) or less, or 5.1 kJ/(m 2 s 1/2 K) or more and 7.2 kJ/(m 2 s 1/2 K) or less. The thermal effusivity b o of the phase change material can be calculated using the above formula 1. In this case, the equivalent specific heat (J/(g·K)) calculated from the latent heat of phase transition of the phase change material can be calculated using the following formula 4. In formula 4, L represents the latent heat of phase transition (J/g). ΔT represents the phase transition temperature range when the phase transition is considered to occur in a "finite temperature range greater than 0." In this embodiment, ΔT is defined as 1 K. This makes it easier to compare the equivalent specific heats of phase change materials at their phase transition points.
(Equivalent specific heat) = L / ΔT (Equation 4)
本実施形態の一側面において、上記無機材料と上記相転移材料との間に被膜がさらに設けられていていてもよい。上記被膜の組成は、上記無機材料の組成および上記相転移材料の組成と異なっていてもよい。当該被膜が存在することにより、吸熱材料を製造するための高温加熱や吸熱材料を使用するときの高温環境において上記無機材料と相転移材料との界面における化学反応が抑えられ、吸熱効率や繰り返し耐久性が向上しやすい。被膜は例えば酸化被膜、不動態被膜、または化成被膜を含んでいてもよい。In one aspect of this embodiment, a coating may be further provided between the inorganic material and the phase-change material. The composition of the coating may be different from the composition of the inorganic material and the composition of the phase-change material. The presence of this coating suppresses chemical reactions at the interface between the inorganic material and the phase-change material during high-temperature heating to produce the endothermic material or during high-temperature environments when using the endothermic material, thereby improving endothermic efficiency and repeated use durability. The coating may include, for example, an oxide coating, a passivation coating, or a chemical conversion coating.
被膜の厚みは例えば100nm以上5000nm以下であってもよい。100nm以上であれば上述した界面における化学反応を抑止しやすい。5000nm以下であれば無機材料と相転移材料との界面熱抵抗が小さくなりやすい。上記被膜の厚みは、以下の方法で求めることが可能である。まず、吸熱材料から集束イオンビーム加工(FIB加工)によって薄片を切り出す。その後、切り出した薄片の切断面を透過型電子顕微鏡(TEM)で観察し、少なくとも5箇所において被膜の厚みを求める。求められた被膜の厚みの平均値を上記被膜の厚みとする。また被膜が厚い場合(200nm以上である場合)には、以下の方法で求めることが可能である。まず、吸熱材料を樹脂埋めし、吸熱材料の表面を鏡面研磨する。その後、日本電子株式会社製のクロスセクションポリッシャによって当該表面を仕上げ加工する。仕上げ加工した表面を電界放出形走査電子顕微鏡(FE-SEM)で観察し、少なくとも5箇所において被膜の厚みを求める。求められた被膜の厚みの平均値を上記被膜の厚みとする。相転移材料が金属である場合、この当該被膜はより功を奏しやすい。酸化被膜や不動態被膜を形成するには、無機材料または相転移材料を酸化性雰囲気中(例えば大気中)または溶液中(例えば水中)に暴露する方法が挙げられる。被膜の形成反応を促進するため高温保持してもよい。化成被膜を形成するには、無機材料や相転移材料を化成反応液に浸漬する方法が挙げられる。The thickness of the coating may be, for example, between 100 nm and 5000 nm. A thickness of 100 nm or greater tends to suppress the chemical reaction at the interface described above. A thickness of 5000 nm or less tends to reduce the interfacial thermal resistance between the inorganic material and the phase-change material. The thickness of the coating can be determined using the following method. First, a thin piece is cut out of the heat-absorbing material using focused ion beam processing (FIB processing). Then, the cut surface of the cut piece is observed using a transmission electron microscope (TEM) to determine the thickness of the coating at at least five locations. The average of the determined thicknesses of the coating is used as the thickness of the coating. Furthermore, if the coating is thick (200 nm or greater), it can be determined using the following method. First, the heat-absorbing material is embedded in resin, and the surface of the heat-absorbing material is mirror-polished. Then, the surface is finished using a cross-section polisher manufactured by JEOL Ltd. The finished surface is observed using a field-emission scanning electron microscope (FE-SEM) to determine the thickness of the coating at at least five locations. The average of the determined coating thicknesses is used as the coating thickness. This coating is more effective when the phase-change material is a metal. Oxide and passive coatings can be formed by exposing the inorganic material or phase-change material to an oxidizing atmosphere (e.g., air) or a solution (e.g., water). High temperatures may be maintained to accelerate the coating formation reaction. Chemical conversion coatings can be formed by immersing the inorganic material or phase-change material in a chemical conversion reaction solution.
<吸熱材料の熱浸透率>
上記無機材料の熱浸透率biに対する上記吸熱材料の熱浸透率beの比be/biは、上記相転移材料の転移温度(例えば、融点)において、1より大きい。熱浸透率は蓄熱効率の指標である。ここで、「相転移材料の転移温度」とは、上記相転移材料がある相から別の相へ変化しうる温度の領域を意味する。「相転移材料の融点」とは、上記相転移材料が固体から液体へ相変化しうる温度の領域を意味する。
<Thermal effusivity of heat-absorbing materials>
The ratio b e / b i of the thermal effusivity b e of the heat-absorbing material to the thermal effusivity b i of the inorganic material is greater than 1 at the transition temperature (e.g., melting point) of the phase-transition material. The thermal effusivity is an indicator of heat storage efficiency. Here, the "transition temperature of a phase-transition material" refers to the temperature range in which the phase-transition material can change from one phase to another. The "melting point of a phase-transition material" refers to the temperature range in which the phase-transition material can change from a solid to a liquid.
本実施形態の一側面において、上記比be/biは、上記相転移材料の転移温度(例えば、融点)において、1より大きく6.0以下であってもよいし、1より大きく5.5以下であってもよい。本実施形態の他の側面において、上記比be/biは、上記相転移材料の転移温度(例えば、融点)において、1.1以上6.0以下であってもよいし、1.1以上5.5以下であってもよい。 In one aspect of this embodiment, the ratio b e /b i may be greater than 1 and less than 6.0, or greater than 1 and less than 5.5, at the transition temperature (e.g., melting point) of the phase-change material. In another aspect of this embodiment, the ratio b e /b i may be greater than 1.1 and less than 6.0, or greater than 1.1 and less than 5.5, at the transition temperature (e.g., melting point) of the phase-change material.
上記相転移材料がパラフィンである場合、上記パラフィンの融点は、―30℃以上80℃以下であってもよいし、―26℃以上75℃以下であってもよい。 If the phase change material is paraffin, the melting point of the paraffin may be -30°C or higher and 80°C or lower, or -26°C or higher and 75°C or lower.
本実施形態において、上記吸熱材料の熱浸透率beは、以下の式2で求めることが可能である。式2中、λeは吸熱材料の熱伝導率(W・m-1K-1)を示し、ρeは吸熱材料の密度(g/cm3)を示し、Ceは吸熱材料の等価比熱(J/(g・K))を示す。当該吸熱材料の等価比熱Ceは、以下の式3で求めることが可能である。式3中、εは無機材料の気孔率(%)を示し、C1は無機材料の比熱(J/(g・K))を示し、C2は相転移材料の相転移の潜熱から求められる等価比熱(J/(g・K))を示す。
be=(λe・ρe・Ce)1/2 (式2)
Ce=(1-ε)・C1+ε・C2 (式3)
In this embodiment, the thermal effusivity b e of the heat-absorbing material can be calculated by the following formula 2. In formula 2, λ e represents the thermal conductivity (W·m −1 K −1 ) of the heat-absorbing material, ρ e represents the density (g/cm 3 ) of the heat-absorbing material, and C e represents the equivalent specific heat (J/(g·K)) of the heat-absorbing material. The equivalent specific heat C e of the heat-absorbing material can be calculated by the following formula 3. In formula 3, ε represents the porosity (%) of the inorganic material, C1 represents the specific heat (J/(g·K)) of the inorganic material, and C2 represents the equivalent specific heat (J/(g·K)) calculated from the latent heat of phase transition of the phase-transition material.
b e = (λ e・ρ e・C e ) 1/2 (Formula 2)
C e = (1-ε)・C1+ε・C2 (Formula 3)
吸熱材料の熱浸透率は例えば50kJ/(m2s1/2K)以上、30kJ/(m2s1/2K)以上、20kJ/(m2s1/2K)以上、10kJ/(m2s1/2K)以上である。熱浸透率が高いほど蓄熱効率が高くなる。その上限は特に定めないが、無機材料と相転移材料の組み合わせにより例えば200kJ/(m2s1/2K)以下、180kJ/(m2s1/2K)以下、160kJ/(m2s1/2K)以下、100kJ/(m2s1/2K)以下になることが考えられる。 The thermal effusivity of the heat-absorbing material is, for example, 50 kJ/(m 2 s 1/2 K) or more, 30 kJ/(m 2 s 1/2 K) or more, 20 kJ/(m 2 s 1/2 K) or more, or 10 kJ/(m 2 s 1/2 K) or more. The higher the thermal effusivity, the higher the heat storage efficiency. There is no particular upper limit, but depending on the combination of inorganic material and phase transition material, it is possible to achieve, for example, 200 kJ/(m 2 s 1/2 K) or less, 180 kJ/(m 2 s 1/2 K) or less, 160 kJ/(m 2 s 1/2 K) or less, or 100 kJ/(m 2 s 1/2 K) or less.
吸熱材料の熱伝導率が高いと、熱源の熱を吸熱材料に蓄積しつつ他の部品に伝導しやすくなるため、例えば熱源の過度な温度上昇を抑制しやすくなる。この用途の場合、熱伝導率は高いほど好ましい。吸熱材料の熱伝導率は例えば1W・m-1K-1以上、3W・m-1K-1以上、8W・m-1K-1以上、12W・m-1K-1以上であってもよい。蓄積した熱を再利用する場合、熱伝導率が過度に高いと、蓄積した熱が散逸されやすくなり熱の再利用を阻害しやすくなる。この場合、吸熱材料の熱伝導率は例えば360W・m-1K-1以下、90W・m-1K-1以下、80W・m-1K-1以下、70W・m-1K-1以下であってもよい。 When the thermal conductivity of a heat-absorbing material is high, heat from the heat source can be easily accumulated in the heat-absorbing material and transferred to other components, making it easier to prevent excessive temperature rise in the heat source. In this application, the higher the thermal conductivity, the more preferable. The thermal conductivity of the heat-absorbing material may be, for example, 1 W·m - 1K -1 or more, 3 W·m - 1K- 1 or more, 8 W·m - 1K -1 or more, or 12 W·m - 1K -1 or more. When reusing accumulated heat, excessively high thermal conductivity makes the accumulated heat more likely to dissipate, which tends to hinder heat reuse. In this case, the thermal conductivity of the heat-absorbing material may be, for example, 360 W·m - 1K -1 or less, 90 W·m - 1K -1 or less, 80 W·m - 1K-1 or less, or 70 W·m - 1K -1 or less.
本実施形態の一側面において、上記吸熱材料の熱伝導率は、1W・m-1K-1以上360W・m-1K-1以下であってもよいし、3W・m-1K-1以上90W・m-1K-1以下であってもよいし、8W・m-1K-1以上80W・m-1K-1以下であってもよいし、12W・m-1K-1以上70W・m-1K-1以下であってもよい。 In one aspect of this embodiment, the thermal conductivity of the heat-absorbing material may be 1 W·m −1 K −1 or more and 360 W·m −1 K −1 or less, 3 W·m −1 K −1 or more and 90 W·m −1 K −1 or less, 8 W·m −1 K −1 or more and 80 W·m −1 K −1 or less, or 12 W·m −1 K −1 or more and 70 W·m −1 K −1 or less.
<吸熱材料の構造>
本実施形態の一側面において、上記無機材料は、内部に気孔を有する多孔質体からなり、上記相転移材料は、上記気孔の内部に収容されている。このとき、上記相転移材料は、上記多孔質体が有する気孔のうち、少なくとも一部の気孔の内部に収容されていてもよいし、全ての気孔の内部に収容されていてもよい。
<Structure of heat-absorbing material>
In one aspect of this embodiment, the inorganic material is a porous body having pores therein, and the phase change material is contained within the pores, and the phase change material may be contained within at least some of the pores of the porous body, or may be contained within all of the pores.
本実施形態の他の側面において、高い熱浸透率を達成する観点からは、上記相転移材料は上記多孔質体の気孔内に密に充填されていてもよい。 In another aspect of this embodiment, in order to achieve a high thermal effusivity, the phase change material may be densely packed within the pores of the porous body.
本実施形態の他の側面において、上記吸熱材料は、上記多孔質体の外表面を被覆する金属膜、有機化合物膜またはこれらの複合膜をさらに含んでもよい。上記多孔質体の外表面を金属膜、有機化合物膜またはこれらの複合膜で被覆することによって、上記相転移材料が漏出することを防止できる。In another aspect of this embodiment, the heat-absorbing material may further include a metal film, an organic compound film, or a composite film thereof that coats the outer surface of the porous body. By coating the outer surface of the porous body with a metal film, an organic compound film, or a composite film thereof, leakage of the phase-change material can be prevented.
上記金属膜を構成する金属は、特に制限されず、例えば、アルミニウム、銅、鉄、チタン、および銀が挙げられる。上記金属膜を構成する金属は、単体金属であってもよし、合金(例えば、真鍮、ステンレス等)であってもよい。金属膜は、例えば金属箔または金属板が挙げられる。なお、本実施形態では、便宜上板状の金属も「金属膜」として取り扱うものとする。上記金属板は、溶接やろう付け・はんだ付けした容器であってもよいし、薄板成形した缶のようなシームレス容器であってもよい。金属容器であれば吸熱材料の機械的強度を高くできる。上記金属膜の厚みは、特に制限されないが例えば、10μm以上500μm以下であってもよい。 The metal constituting the metal film is not particularly limited, and examples thereof include aluminum, copper, iron, titanium, and silver. The metal constituting the metal film may be a single metal or an alloy (e.g., brass, stainless steel, etc.). Examples of the metal film include metal foil or metal plate. Note that in this embodiment, for convenience, plate-shaped metal will also be treated as a "metal film." The metal plate may be a welded, brazed, or soldered container, or a seamless container such as a thin-plate molded can. A metal container can increase the mechanical strength of the heat-absorbing material. The thickness of the metal film is not particularly limited, and may be, for example, 10 μm or more and 500 μm or less.
有機化合物膜としては、例えばポリエチレン、ナイロン、もしくはポリエチレンテレフタレートからなるフィルム、または、エポキシ樹脂もしくはシリコーン樹脂からなる樹脂被膜が挙げられる。有機化合物膜であれば吸熱材料を軽量化できる。上記有機化合物膜の厚みは、特に制限されないが例えば、10μm以上500μm以下であってもよい。 Examples of organic compound films include films made of polyethylene, nylon, or polyethylene terephthalate, or resin coatings made of epoxy resin or silicone resin. Organic compound films can reduce the weight of the heat-absorbing material. The thickness of the organic compound film is not particularly limited, but may be, for example, 10 μm or more and 500 μm or less.
本実施形態の他の側面において、有機化合物および金属からなる複合膜であってもよい。複合膜としては、例えばアルミニウムを中間に含む樹脂-アルミニウムラミネートフィルムが挙げられる。これらのフィルムには接着層をさらに備えてもよく、例えば加熱接着することにより吸熱材料を低コストに被覆することができる。上記複合膜の厚みは、特に制限されないが例えば、10μm以上500μm以下であってもよい。 In another aspect of this embodiment, the composite film may be a composite film made of an organic compound and a metal. Examples of composite films include resin-aluminum laminate films containing aluminum as an intermediate. These films may further include an adhesive layer, which can be applied to the heat-absorbing material at low cost by, for example, heat bonding. The thickness of the composite film is not particularly limited, but may be, for example, 10 μm or more and 500 μm or less.
≪ヒートスプレッダ≫
本実施形態に係るヒートスプレッダは、上記吸熱材料からなるヒートスプレッダである。上記ヒートスプレッダにおいて、上記相転移材料は、パラフィン、脂肪酸、エステル、アルコール、水和塩、または上記無機材料の融点よりも低融点の金属であり、上記吸熱材料は、上記多孔質体の外表面を被覆する金属膜、有機化合物膜またはこれらの複合膜をさらに含んでもよい。上記ヒートスプレッダの形状は、特に制限無く、公知の形状を採用できる。
<Heat spreader>
The heat spreader according to this embodiment is a heat spreader made of the above-described heat-absorbing material. In the heat spreader, the phase-change material is paraffin, a fatty acid, an ester, an alcohol, a hydrated salt, or a metal having a melting point lower than that of the inorganic material. The heat-absorbing material may further include a metal film, an organic compound film, or a composite film thereof, which coats the outer surface of the porous body. The shape of the heat spreader is not particularly limited and may be any known shape.
≪ヒートシンク≫
本実施形態に係るヒートシンクは、上記吸熱材料からなるヒートシンクである。本実施形態の一側面において、上記ヒートシンクにおいて、上記相転移材料は、形状記憶合金または金属酸化物であってもよい。本実施形態の他の側面において、上記ヒートシンクにおいて、上記相転移材料は、パラフィン、脂肪酸、エステル、アルコール、水和塩、または上記無機材料の転移温度よりも低い転移温度の金属であり、上記吸熱材料は、上記多孔質体の外表面を被覆する金属膜、有機化合物膜またはこれらの複合膜をさらに含んでもよい。上記ヒートシンクの形状は、特に制限無く、公知の形状を採用できる。上記ヒートシンクは、放熱フィンであってもよい。
Heat sink
The heat sink according to this embodiment is a heat sink made of the heat-absorbing material. In one aspect of this embodiment, the phase-change material in the heat sink may be a shape-memory alloy or a metal oxide. In another aspect of this embodiment, the phase-change material in the heat sink may be paraffin, a fatty acid, an ester, an alcohol, a hydrated salt, or a metal having a transition temperature lower than the transition temperature of the inorganic material, and the heat-absorbing material may further include a metal film, an organic compound film, or a composite film thereof, which coats the outer surface of the porous body. The shape of the heat sink is not particularly limited, and any known shape may be adopted. The heat sink may be a heat dissipation fin.
≪吸熱材料の製造方法(1)≫
本実施形態に係る吸熱材料の第一の製造方法は、
多孔質体である無機材料を準備する工程と、
上記多孔質体における気孔の内部に相転移材料を収容する工程と、を備える。
<Method for producing endothermic material (1)>
The first method for producing the endothermic material according to this embodiment is
A step of preparing a porous inorganic material;
and placing a phase change material inside the pores of the porous body.
(多孔質体である無機材料を準備する工程)
上記多孔質体である無機材料は、例えば、以下の手順で金属粉末と塩化ナトリウム粉末とから製造してもよい。まず、金属粉末と塩化ナトリウム粉末とを所定の割合で混合して混合粉末を得る。次に、グラファイト製の型に上記混合粉末を加えて、ハンドプレスで予備成形を行う。その後、所定の温度、圧力(例えば、570℃、30MPa)において、真空プレス機を行い、成形体を得る。得られた成形体を、水が入った水槽に移して成形体内の塩化ナトリウムを除去し、多孔質体を得る。本実施形態の一側面において、上記金属粉末にかえてセラミックの粉末を用いてもよい。
(Step of preparing a porous inorganic material)
The porous inorganic material may be manufactured from metal powder and sodium chloride powder, for example, by the following procedure. First, the metal powder and sodium chloride powder are mixed in a predetermined ratio to obtain a mixed powder. Next, the mixed powder is added to a graphite mold and preformed using a hand press. Thereafter, a molded body is obtained by using a vacuum press at a predetermined temperature and pressure (e.g., 570°C, 30 MPa). The obtained molded body is transferred to a water tank containing water to remove the sodium chloride from the molded body, thereby obtaining a porous body. In one aspect of this embodiment, ceramic powder may be used instead of the metal powder.
上述した金属粉末と塩化ナトリウム粉末との混合割合は、目的とする多孔質体の気孔率に応じて、変化させればよい。 The mixing ratio of the above-mentioned metal powder and sodium chloride powder can be changed depending on the porosity of the desired porous body.
上記金属粉末の粒子サイズは、特に制限なく、1μm以上200μm以下であってもよいし、2μm以上180μm以下であってもよい。 The particle size of the above metal powder is not particularly limited and may be 1 μm or more and 200 μm or less, or 2 μm or more and 180 μm or less.
上記塩化ナトリウム粉末の粒子サイズは、目的とする多孔質体の平均気孔径に応じて、変化させればよい。例えば、上記塩化ナトリウム粉末の粒子サイズは、50μm以上5000μm以下であってもよいし、50μm以上4500μm以下であってもよい。本実施形態の一側面において、上記塩化ナトリウム粉末は、金属粉末と混合する前に、篩にかけて分級してもよい。The particle size of the sodium chloride powder may be varied depending on the average pore diameter of the desired porous body. For example, the particle size of the sodium chloride powder may be 50 μm or more and 5000 μm or less, or 50 μm or more and 4500 μm or less. In one aspect of this embodiment, the sodium chloride powder may be sieved to classify it before being mixed with the metal powder.
(多孔質体における気孔の内部に相転移材料を収容する工程)
上記多孔質体における気孔の内部に相転移材料を収容する方法としては、特に制限されないが、例えば、液体状態の相転移材料に上記多孔質体を浸漬してもよい。無機材料が多孔質体であることで、毛管現象によって多孔質体の内部に上記相転移材料が浸透できる。
(Step of containing a phase change material inside the pores of the porous body)
The method for filling the pores of the porous body with the phase change material is not particularly limited, but for example, the porous body may be immersed in the liquid phase change material, which allows the phase change material to permeate the porous body by capillary action.
上記相転移材料が常温で固体である場合。当該相転移材料の融点よりも5℃以上高い温度において、液体状態の当該相転移材料に上記多孔質体を浸漬してもよい。 If the phase change material is a solid at room temperature, the porous body may be immersed in the phase change material in a liquid state at a temperature at least 5°C higher than the melting point of the phase change material.
(その他の工程)
上記吸熱材料の製造方法において、上述した2つの工程以外に他の工程を更に備えていてもよい。当該他の工程としては、例えば、上記相転移材料が収容されている上記多孔質体の外表面に金属膜を被覆する工程等が挙げられる。
(Other processes)
The method for producing the endothermic material may further include other steps in addition to the two steps described above, such as coating the outer surface of the porous body containing the phase change material with a metal film.
≪吸熱材料の製造方法(2)≫
本実施形態に係る吸熱材料の第二の製造方法は、
無機材料の原料粉末および相転移材料の原料粉末を混合して、混合粉末を得る工程と、
上記混合粉末を成形および焼結して、吸熱材料を得る工程と、を備える。
<Method for producing endothermic material (2)>
The second method for producing the endothermic material according to this embodiment is as follows:
mixing a raw powder of an inorganic material and a raw powder of a phase change material to obtain a mixed powder;
and a step of molding and sintering the mixed powder to obtain an endothermic material.
(混合粉末を得る工程)
本工程では、無機材料の原料粉末および相転移材料の原料粉末を混合して、混合粉末を得る。無機材料の原料粉末および相転移材料の原料粉末の混合割合は、目的とする多孔質体の気孔率に応じて、変化させればよい。
(Step of obtaining mixed powder)
In this step, the raw powder of the inorganic material and the raw powder of the phase change material are mixed to obtain a mixed powder. The mixing ratio of the raw powder of the inorganic material and the raw powder of the phase change material can be changed depending on the porosity of the desired porous body.
無機材料の原料粉末としては、例えば、金属粉末、セラミックの粉末等が挙げられる。無機材料の原料粉末の粒子サイズは、特に制限なく、1μm以上200μm以下であってもよいし、2μm以上180μm以下であってもよい。 Examples of inorganic raw material powders include metal powders and ceramic powders. The particle size of the inorganic raw material powders is not particularly limited and may be 1 μm or more and 200 μm or less, or 2 μm or more and 180 μm or less.
相転移材料の原料粉末としては、例えば、金属粉末(低融点金属、形状記憶合金)、セラミックの粉末、水和塩の粉末等が挙げられる。相転移材料の原料粉末の粒子サイズは、目的とする多孔質体の平均気孔径に応じて、変化させればよい。例えば、上記相転移材料の原料粉末の粒子サイズは、50μm以上5000μm以下であってもよいし、50μm以上4500μm以下であってもよい。本実施形態の一側面において、上記相転移材料の原料粉末は、無機材料の原料粉末と混合する前に、篩にかけて分級してもよい。 Examples of raw powders of phase change materials include metal powders (low-melting-point metals, shape-memory alloys), ceramic powders, and hydrated salt powders. The particle size of the raw powders of phase change materials can be varied depending on the average pore size of the desired porous body. For example, the particle size of the raw powders of phase change materials may be 50 μm or more and 5000 μm or less, or 50 μm or more and 4500 μm or less. In one aspect of this embodiment, the raw powders of phase change materials may be sieved and classified before being mixed with the raw powders of inorganic materials.
(吸熱材料を得る工程)
本工程では、上記混合粉末を成形および焼結して、吸熱材料を得る。例えば、前工程で得られた混合粉末をグラファイト製の型に加えて、ハンドプレスで予備成形を行う。その後、所定の温度、圧力(例えば、570℃、30MPa)において、真空プレス機を行い、成形体を得る。得られた成形体を所定の温度、時間(例えば、800℃、2時間)保持して焼結する。以上の工程によって、吸熱材料を得ることができる。このとき無機材料の原料粉末と相転移材料の原料粉末とのいずれかが溶融して液化してもよい。
(Step of obtaining endothermic material)
In this process, the mixed powder is molded and sintered to obtain an endothermic material. For example, the mixed powder obtained in the previous process is placed in a graphite mold and preformed using a hand press. A vacuum press is then used to obtain a molded body at a predetermined temperature and pressure (e.g., 570°C, 30 MPa). The resulting molded body is then sintered at a predetermined temperature and time (e.g., 800°C, 2 hours). The endothermic material can be obtained through these processes. At this time, either the raw powder of the inorganic material or the raw powder of the phase transition material may melt and become liquid.
≪吸熱材料のその他の製造方法≫
本実施形態の他の側面において、多孔質体である相転移材料を準備し、その気孔の内部に無機材料を収容する工程を備えた製造方法によって吸熱材料を製造してもよい。この場合、相転移材料の気孔は開気孔であり、そこに収容される無機材料は連通した構造を取りうる。すなわち無機材料も多孔質体となる。無機材料を相転移材料の気孔に収容するには、例えば無機材料を融解させ毛細管力によって自発的に浸透させる方法が挙げられる。
<Other manufacturing methods for endothermic materials>
In another aspect of this embodiment, the endothermic material may be manufactured by a manufacturing method including a step of preparing a porous phase-change material and placing an inorganic material inside the pores of the porous phase-change material. In this case, the pores of the phase-change material are open pores, and the inorganic material placed therein may have a interconnected structure. In other words, the inorganic material also becomes porous. For example, one method for placing the inorganic material in the pores of the phase-change material is to melt the inorganic material and allow it to spontaneously infiltrate due to capillary force.
以上の説明は、以下に付記する特徴を含む。
(付記1)
無機材料と相転移材料とを含む吸熱材料であって、
前記無機材料は、内部に気孔を有する多孔質体からなり、
前記相転移材料は、前記気孔の内部に収容されていて、
前記無機材料の熱浸透率biに対する前記吸熱材料の熱浸透率beの比be/biは、前記相転移材料の融点において、1より大きい、吸熱材料。
(付記2)
前記無機材料は、金属である、付記1に記載の吸熱材料。
(付記3)
前記相転移材料は、パラフィン、脂肪酸、エステル、アルコール、または水和塩である、付記1または付記2に記載の吸熱材料。
(付記4)
前記相転移材料の融点は、―90℃以上170℃以下である、付記1から付記3のいずれかに記載の吸熱材料。
(付記5)
前記多孔質体の気孔率は、10%以上85%以下であり、
前記多孔質体の平均気孔径は、50μm以上5000μm以下である、付記1から付記4のいずれかに記載の吸熱材料。
(付記6)
前記吸熱材料は、前記多孔質体の外表面を被覆する金属膜をさらに含む、付記1から付記5のいずれかに記載の吸熱材料。
The above description includes the following additional features.
(Appendix 1)
A heat-absorbing material comprising an inorganic material and a phase-transition material,
the inorganic material is a porous body having pores therein,
the phase change material is contained within the pores;
An endothermic material, wherein a ratio b e /b i of the thermal effusivity b e of the endothermic material to the thermal effusivity b i of the inorganic material is greater than 1 at the melting point of the phase change material.
(Appendix 2)
2. The heat-absorbing material according to claim 1, wherein the inorganic material is a metal.
(Appendix 3)
3. The endothermic material of claim 1 or claim 2, wherein the phase change material is a paraffin, a fatty acid, an ester, an alcohol, or a hydrated salt.
(Appendix 4)
4. The endothermic material according to claim 1, wherein the melting point of the phase transition material is −90° C. or higher and 170° C. or lower.
(Appendix 5)
The porosity of the porous body is 10% or more and 85% or less,
5. The endothermic material according to claim 1, wherein the porous body has an average pore diameter of 50 μm or more and 5,000 μm or less.
(Appendix 6)
6. The heat absorbing material according to claim 1, further comprising a metal film covering an outer surface of the porous body.
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below using examples, but the present invention is not limited to these examples.
<実験1>
<吸熱材料の作製>
(1.塩化ナトリウム粉末の分級)
塩化ナトリウム粉末(ナイカイ塩業株式会社製、製品名:ナクルフォー-UM-45)を~75μmの篩にかけ分級した。
<Experiment 1>
<Preparation of heat-absorbing material>
1. Classification of Sodium Chloride Powder
Sodium chloride powder (manufactured by Naikai Salt Industry Co., Ltd., product name: Nakulfor-UM-45) was classified through a sieve of up to 75 μm.
(2.原料粉末の秤量、および混合)
純アルミニウム粉末(東洋アルミニウム株式会社製、製品名:TAP-10C)を、9.7g(以下、「A粉」と表記する。)と4.9g(以下、「B粉」と表記する。)それぞれ秤量した。また、分級後の上記塩化ナトリウム粉末を11.7g(以下、「C粉」と表記する。)秤量した。
(2. Weighing and mixing raw material powders)
9.7 g (hereinafter referred to as "Powder A") and 4.9 g (hereinafter referred to as "Powder B") of pure aluminum powder (manufactured by Toyo Aluminum K.K., product name: TAP-10C) were weighed out. In addition, 11.7 g (hereinafter referred to as "Powder C") of the above sodium chloride powder after classification was weighed out.
上述のA粉とC粉とをガラス容器に投入し、以下の条件でボールミルにより5分間混合した。
(ボールミルの条件)
回転速度:120rpm
The above-mentioned powders A and C were placed in a glass container and mixed for 5 minutes in a ball mill under the following conditions.
(Ball mill conditions)
Rotation speed: 120 rpm
(3.成形体の作製)
30mm×30mm×20mmのグラファイト製型に上記B粉を投入し、ハンドプレスによって5MPaで予備成形をした。その後ボールミルで粉砕した混合粉を、上記グラファイト製型に投入し、再度ハンドプレスで予備成形を行った。
(3. Preparation of molded body)
The powder B was placed in a graphite mold measuring 30 mm × 30 mm × 20 mm and preformed by hand pressing at 5 MPa. The mixed powder was then pulverized in a ball mill and placed in the graphite mold, and preformed again by hand pressing.
570℃で8分間、30MPaの加圧をかけながら放電プラズマ焼結を行い、成形体を得た。 Spark plasma sintering was performed at 570°C for 8 minutes under a pressure of 30 MPa to obtain a green body.
(4.成形体の洗浄、塩抜き)
上記成型体を5Lの水道水が入った水槽に投入し、8時間静置した。次に、水槽から上記成形体を取り出し、200℃に加熱したホットプレートに接触させ、残留した塩化ナトリウム粉末を排出した。その後、超音波洗浄機で10分間、上記成形体を洗浄後、乾燥させることで、30mm×30mm×12mmt(10mmtが気孔率60%の多孔質体部分、2mmtがバルク部分(金属膜))の多孔質体(無機材料)を得た。
(4. Cleaning and desalting of molded body)
The molded body was placed in a water tank containing 5 L of tap water and allowed to stand for 8 hours. Next, the molded body was removed from the water tank and placed on a hot plate heated to 200 ° C. to remove the remaining sodium chloride powder. The molded body was then washed in an ultrasonic cleaner for 10 minutes and dried to obtain a porous body (inorganic material) measuring 30 mm × 30 mm × 12 mm (10 mm = porous body portion with a porosity of 60%, 2 mm = bulk portion (metal film)).
(5.相転移材料の含浸)
ステンレス容器に、上記多孔質体とパラフィンC(林純薬工業株式会社製、製品名:パラフィン(48-50)(研究実験用))(融点:48~50℃、10g)とを投入した。上記ステンレス容器を真空炉に設置した。上記真空炉内の温度を70℃にして1時間加熱することで、溶融したパラフィンCを上記多孔質体に含浸させ(図1参照)、吸熱材料(試料7)を得た。
5. Impregnation of Phase Change Material
The porous body and 10 g of paraffin C (manufactured by Hayashi Pure Chemical Industries, Ltd., product name: Paraffin (48-50) (for research and experiment use)) (melting point: 48-50°C) were placed in a stainless steel container. The stainless steel container was placed in a vacuum furnace. The temperature inside the vacuum furnace was set to 70°C and heated for 1 hour, thereby impregnating the porous body with molten paraffin C (see Figure 1), and an endothermic material (sample 7) was obtained.
(6.その他の吸熱材料の作製)
無機材料の材質をアルミニウム以外の金属、又はセラミック(金属酸化物)で多孔質体を作製するときは、純アルミニウム粉末に代えて以下の金属粉末またはセラミック粉末を用いた。
銅粉末:株式会社高純度化学研究所製
鉄粉末:株式会社高純度化学研究所製
チタン粉末:株式会社高純度化学研究所製
銀粉末:株式会社高純度化学研究所製
酸化アルミニウム粉末:株式会社高純度化学研究所製
(6. Preparation of other endothermic materials)
When a porous body was prepared using a metal other than aluminum or ceramic (metal oxide) as the inorganic material, the following metal powder or ceramic powder was used instead of pure aluminum powder.
Copper powder: Manufactured by High Pure Chemical Laboratory Co., Ltd. Iron powder: Manufactured by High Pure Chemical Laboratory Co., Ltd. Titanium powder: Manufactured by High Pure Chemical Laboratory Co., Ltd. Silver powder: Manufactured by High Pure Chemical Laboratory Co., Ltd. Aluminum oxide powder: Manufactured by High Pure Chemical Laboratory Co., Ltd.
また、気孔率を変化させた多孔質体を作製するときは、表3に示される気孔率となるようにA粉とC粉との混合比率を変えて作製した。平均気孔径を変化させた多孔質体を作製するときは、表3に示される平均気孔径となるように塩化ナトリウム粉末をステンレス製の篩により分級することで、作製した。各金属およびセラミックの熱伝導率、密度、比熱、熱浸透率を表1に示す。 When producing porous bodies with varying porosity, the mixing ratio of powder A and powder C was changed to achieve the porosity shown in Table 3. When producing porous bodies with varying average pore diameters, sodium chloride powder was classified using a stainless steel sieve to achieve the average pore diameter shown in Table 3. The thermal conductivity, density, specific heat, and thermal effusivity of each metal and ceramic are shown in Table 1.
相転移材料としてパラフィンC以外のものを用いるときは、以下のパラフィン、エステル、金属酸化物、形状記憶合金または低融点金属を用いた。各相転移材料、熱伝導率、密度、融解熱、熱浸透率を表2に示す。
パラフィンA:東京化成工業株式会社製、製品名:テトラデカン
パラフィンB:東京化成工業株式会社製、製品名:オクタデカン
エステルD :日油株式会社製、製品名:WEP-5
VO2 :株式会社高純度化学研究所製、製品名: Smartec HS 70
NiTi :アーク溶解および粉砕加工により得た内製品
Bi :株式会社高純度化学研究所製、製品名:BIE06GB
When a phase change material other than paraffin C was used, the following paraffins, esters, metal oxides, shape memory alloys, or low-melting-point metals were used. The thermal conductivity, density, heat of fusion, and thermal effusivity of each phase change material are shown in Table 2.
Paraffin A: manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., product name: tetradecane Paraffin B: manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd., product name: octadecane Ester D: manufactured by NOF Corporation, product name: WEP-5
VO2 : High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd., product name: Smartec HS 70
NiTi: In-house product obtained by arc melting and crushing Bi: Manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd., product name: BIE06GB
以上より、試料2から試料8、試料10から試料21の吸熱材料を作製した。なお、試料1としては、アルミニウムのブロック(30mm×30mm×12mmt)を用いた。試料9は、アルミニウム製の容器(30mm×30mm×12mmt)にパラフィンC(林純薬工業株式会社製、製品名:パラフィン(48-50)(研究実験用))(研究実験用 融点:48~50℃、9.5g)を充填したものを用いた。 From the above, endothermic materials Samples 2 to 8 and Samples 10 to 21 were prepared. Sample 1 was an aluminum block (30 mm x 30 mm x 12 mm thick). Sample 9 was prepared by filling an aluminum container (30 mm x 30 mm x 12 mm thick) with paraffin C (Hayashi Pure Chemical Industries, Ltd., product name: Paraffin (48-50) (for research and experiment use)) (for research and experiment use, melting point: 48-50°C, 9.5 g).
<吸熱材料の評価>
以下の方法で、吸熱材料の評価を行った。30mm×70mm×2mmtのアルミ板に試料を接触させ、押さえ板によりしっかり密着させた(図2参照)。上記アルミ板をラバーヒータ(8W)で加熱し、試料端部から5mmの箇所(測温点)の温度をK熱電対によりモニタした。試料1、試料7および試料9をモニタした結果を図3に示す。
<Evaluation of heat-absorbing materials>
The endothermic materials were evaluated using the following method. A sample was placed in contact with an aluminum plate measuring 30 mm x 70 mm x 2 mm thick and firmly attached with a pressure plate (see Figure 2). The aluminum plate was heated with a rubber heater (8 W), and the temperature at a point 5 mm from the end of the sample (temperature measurement point) was monitored with a K-type thermocouple. The monitoring results for Samples 1, 7, and 9 are shown in Figure 3.
図3の結果から、無機材料と相転移材料とで構成されている吸熱材料(試料7)は、パラフィンCの融点付近(約50℃から55℃)において、昇温が抑制されていることが分かった。すなわち、上記試料7は、上記無機材料のみ(試料1)および上記相転移材料のみ(試料9)よりも、吸熱作用が高く昇温を抑制できることが分かった。 The results in Figure 3 show that the endothermic material (Sample 7) composed of an inorganic material and a phase transition material suppresses temperature rise near the melting point of paraffin C (approximately 50°C to 55°C). In other words, Sample 7 has a stronger endothermic effect and is able to suppress temperature rise than samples composed of only the inorganic material (Sample 1) and only the phase transition material (Sample 9).
また、以下の方法で、各パラメータを測定し、上記式2および上記式3に基づいて吸熱材料の熱浸透率beを求めた。また、比be/biを求めた。結果を表3および図4に示す。
(各パラメータの測定方法)
吸熱材料の熱伝導率λe:レーザフラッシュ法によって測定した。
吸熱材料の密度ρe:吸熱材料の質量および体積を求めて、算出した。
無機材料である多孔質体の気孔率ε:上記式Aに基づいて算出した。
無機材料の比熱C1:示差走査熱量計により測定した。
相転移材料の融解熱C2:示差走査熱量計により測定した。
Furthermore, the various parameters were measured using the following methods, and the thermal effusivity b e of the endothermic material was calculated based on the above formulas 2 and 3. The ratio b e /b i was also calculated. The results are shown in Table 3 and Figure 4.
(Method of measuring each parameter)
Thermal conductivity λ e of heat-absorbing material: Measured by the laser flash method.
Density ρ e of endothermic material: Calculated by determining the mass and volume of the endothermic material.
Porosity ε of inorganic porous body: Calculated based on the above formula A.
Specific heat capacity C1 of inorganic material: Measured by a differential scanning calorimeter.
Heat of fusion of phase change material C2: Measured by differential scanning calorimetry.
表3及び図4の結果から、無機材料と相転移材料とで構成されている吸熱材料は、上記無機材料および上記相転移材料よりも、熱浸透率が高く、吸熱材料として優れていることが分かった。 The results in Table 3 and Figure 4 show that endothermic materials composed of inorganic materials and phase change materials have a higher thermal effusivity than the above inorganic materials and the above phase change materials, making them superior as endothermic materials.
<実験2>
<吸熱材料の作製>
表4-1および表4-2における試料31から試料34および試料47から試料52の吸熱材料は、実験1の<吸熱材料の作製>と同様の手順で作製した。
<Experiment 2>
<Preparation of heat-absorbing material>
The endothermic materials of Samples 31 to 34 and Samples 47 to 52 in Tables 4-1 and 4-2 were prepared in the same manner as in Experiment 1 <Preparation of Endothermic Material>.
表4-1および表4-2における試料35および試料36の吸熱材料は、以下のようにして作製した。まず、アルミニウム粉末とニチノール粉末をガラス容器に投入し、ボールミルにより5分間120rpmで混合して、混合物を得た。このときニチノール粉末の組成はNi50原子%、Ti50原子%であり、平均粒径は110μmであった。またニチノール粉末の転移温度は70℃である。得られた混合物を実験1の(3.成形体の作製)と同様の工程により焼結した。ただし、実験1の(3.成形体の作製)におけるB粉の投入に相当する作業は省略した。 The endothermic materials of Samples 35 and 36 in Tables 4-1 and 4-2 were prepared as follows. First, aluminum powder and nitinol powder were placed in a glass container and mixed in a ball mill at 120 rpm for 5 minutes to obtain a mixture. The composition of the nitinol powder was 50 atomic % Ni and 50 atomic % Ti, with an average particle size of 110 μm. The transition temperature of the nitinol powder was 70°C. The resulting mixture was sintered using the same process as in Experiment 1 (3. Preparation of a molded body). However, the step of adding powder B in Experiment 1 (3. Preparation of a molded body) was omitted.
表4-1および表4-2における試料37および試料38の吸熱材料は、以下のようにして作製した。まず、銅粉末とニチノール粉末をガラス容器に投入し、ボールミルにより5分間120rpmで混合して、混合物を得た。このときニチノール粉末の組成はNi50原子%、Ti50原子%であり、平均粒径は110μmであった。また、ニチノール粉末の転移温度は70℃である。得られた混合物を実験1の(3.成形体の作製)と同様の工程により焼結した。ただし、実験1の(3.成形体の作製)におけるB粉の投入に相当する作業は省略し、放電プラズマ焼結の温度は700℃に変更した。 The endothermic materials for Samples 37 and 38 in Tables 4-1 and 4-2 were prepared as follows. First, copper powder and nitinol powder were placed in a glass container and mixed in a ball mill at 120 rpm for 5 minutes to obtain a mixture. The composition of the nitinol powder was 50 atomic % Ni and 50 atomic % Ti, with an average particle size of 110 μm. The transition temperature of the nitinol powder was 70°C. The resulting mixture was sintered using the same process as in Experiment 1 (3. Preparation of a molded body). However, the step corresponding to adding powder B in Experiment 1 (3. Preparation of a molded body) was omitted, and the spark plasma sintering temperature was changed to 700°C.
表4-1および表4-2における試料39から試料42の吸熱材料は、以下のようにして作製した。原料に銅粉末または銀粉末を用いたこと、および放電プラズマ焼結の温度を700℃としたこと以外は、実験1と同様の方法で多孔質体(無機材料)を得た。次に、ステンレス容器に得られた多孔質体とビスマスとを投入し、真空炉内で280℃で1時間加熱することで、溶融したビスマスを多孔質体に含浸させて吸熱材料を得た。 The endothermic materials of Samples 39 to 42 in Tables 4-1 and 4-2 were prepared as follows. A porous body (inorganic material) was obtained in the same manner as in Experiment 1, except that copper powder or silver powder was used as the raw material and the spark plasma sintering temperature was set to 700°C. Next, the obtained porous body and bismuth were placed in a stainless steel container and heated in a vacuum furnace at 280°C for 1 hour, thereby impregnating the porous body with molten bismuth and obtaining an endothermic material.
表4-1および表4-2における試料43および試料44の吸熱材料は、以下のようにして作製した。まず、銅粉末と二酸化バナジウム粉末をガラス容器に投入し、ボールミルにより5分間120rpmで混合して、混合物を得た。二酸化バナジウム粉末の相転移点は70℃である。得られた混合物を実験1の(3.成形体の作製)と同様の工程により焼結した。ただし、実験1の(3.成形体の作製)におけるB粉の投入に相当する作業は省略し、放電プラズマ焼結の温度は700℃に変更した。 The endothermic materials of Samples 43 and 44 in Tables 4-1 and 4-2 were prepared as follows. First, copper powder and vanadium dioxide powder were placed in a glass container and mixed in a ball mill at 120 rpm for 5 minutes to obtain a mixture. The phase transition point of vanadium dioxide powder is 70°C. The resulting mixture was sintered using the same process as in Experiment 1 (3. Preparation of a molded body). However, the step corresponding to adding powder B in Experiment 1 (3. Preparation of a molded body) was omitted, and the spark plasma sintering temperature was changed to 700°C.
表4-1および表4-2における試料45および試料46の吸熱材料は、以下のようにして作製した。まず、アルミナ粉末とPMMA(ポリメタクリル酸メチル)粉末を混合してエタノールを少量加えて更に混合して、混合物を得た。得られた混合物を、30mm×30mm×20mmのダイス鋼製型に投入して、圧力5MPaで一軸成形後、続いて圧力100MPaでCIP成形して成形体を作製した。得られた成形体を1350℃、3時間焼成してPMMAを除去することでアルミナの多孔質体を得た。その後、実験1の(5.相転移材料の含浸)と同様の方法によりパラフィンCを含浸した。 The endothermic materials for Samples 45 and 46 in Tables 4-1 and 4-2 were prepared as follows. First, alumina powder and PMMA (polymethyl methacrylate) powder were mixed, and a small amount of ethanol was added and further mixed to obtain a mixture. The resulting mixture was placed in a 30 mm x 30 mm x 20 mm steel die mold and uniaxially pressed at a pressure of 5 MPa, followed by CIP pressing at a pressure of 100 MPa to produce a compact. The resulting compact was fired at 1350°C for 3 hours to remove the PMMA, yielding a porous alumina body. It was then impregnated with paraffin C using the same method as in Experiment 1 (5. Impregnation of Phase Change Material).
<吸熱材料の評価>
実験1と同様の方法を用いて、吸熱材料の評価を行った。結果を表4-1および表4-2に示す。
<Evaluation of heat-absorbing materials>
The endothermic material was evaluated using the same method as in Experiment 1. The results are shown in Tables 4-1 and 4-2.
さらに以下の方法によって各吸熱材料の吸熱性能を評価した。実験1と同様の試験装置(図2参照)を使用し、吸熱材料、および無機材料のバルク体単体の温度をモニタした。吸熱材料が転移温度に到達してから50秒後の吸熱材料の温度が無機材料バルク体単体に比べて低い場合を良好、同じ温度以上の場合を不良と判定した。結果を表4-2に示す。 The endothermic performance of each endothermic material was also evaluated using the following method. Using the same test equipment as in Experiment 1 (see Figure 2), the temperatures of the endothermic material and the bulk inorganic material alone were monitored. If the temperature of the endothermic material 50 seconds after it reached its transition temperature was lower than that of the bulk inorganic material alone, it was judged as good, and if it was the same temperature or higher, it was judged as bad. The results are shown in Table 4-2.
表4-1および表4-2の結果から、試料31から試料49、試料51、および試料52の吸熱材料は、熱浸透率の比be/biが、相転移材料の転移温度において、1より大きく、吸熱性能が良好であることが確認された。 The results in Tables 4-1 and 4-2 confirm that the endothermic materials of Samples 31 to 49, Sample 51, and Sample 52 have a thermal effusivity ratio b e /b i greater than 1 at the transition temperature of the phase transition material, and have good endothermic performance.
<実験3>
<吸熱材料の作製>
表5-1から表5-3における試料38aから試料38e、および試料36aから試料36cの吸熱材料は、それぞれ実験2の試料38、および試料36と同様の方法によって作製した。ただし、一部の原料粉末は、表5-1または表5-2に記載されている前処理方法によって、酸化被膜を形成させた粉末を用いた。上述したFIBによる薄片加工およびTEMによる観察、またはFE-SEM観察によって酸化被膜の厚みを計測した。
<Experiment 3>
<Preparation of heat-absorbing material>
The endothermic materials of Samples 38a to 38e and Samples 36a to 36c in Tables 5-1 to 5-3 were prepared by the same methods as Sample 38 and Sample 36 in Experiment 2, respectively. However, some of the raw material powders used had oxide films formed thereon by the pretreatment methods described in Tables 5-1 or 5-2. The thickness of the oxide films was measured by the above-mentioned FIB thin section processing and TEM observation, or FE-SEM observation.
<吸熱材料の評価>
実験1と同様の方法を用いて、吸熱材料の評価を行った。結果を表5-1から表5-3に示す。
<Evaluation of heat-absorbing materials>
The endothermic material was evaluated using the same method as in Experiment 1. The results are shown in Tables 5-1 to 5-3.
さらに以下の方法によって各吸熱材料の繰り返し吸熱性能を評価した。同一の吸熱材料を2個作製し、その一方をサーマルショック試験機に投入して0℃および100℃をそれぞれ1時間保持する繰り返し吸熱サイクルを100回繰り返した。実験1と同様の試験装置(図2参照)を使用し、繰り返し吸熱サイクルが0回の吸熱材料および100回の吸熱材料それぞれの温度をモニタした。各吸熱材料が転移温度に到達してから50秒後の温度を比較し、繰り返し吸熱サイクルが100回の吸熱材料の温度が、繰り返し吸熱サイクルが0回の吸熱材料の温度より3Kを超えない場合を良好、超えた場合を不良と評価した。結果を表5-3に示す。 Furthermore, the repeated endothermic performance of each endothermic material was evaluated using the following method. Two identical endothermic materials were prepared, and one was placed in a thermal shock tester and subjected to 100 repeated endothermic cycles, with temperatures held at 0°C and 100°C for one hour each. Using the same test equipment as in Experiment 1 (see Figure 2), the temperatures of the endothermic material that had undergone 0 repeated endothermic cycles and the endothermic material that had undergone 100 repeated endothermic cycles were monitored. The temperatures 50 seconds after each endothermic material reached its transition temperature were compared, and the endothermic material that had undergone 100 repeated endothermic cycles was evaluated as good if its temperature did not exceed 3 K above the temperature of the endothermic material that had undergone 0 repeated endothermic cycles, and as poor if it exceeded that temperature. The results are shown in Table 5-3.
表5-3の結果から、酸化被膜(被膜)が存在して、その厚みが100nm以上5000nm以下である場合、繰り返し吸熱性能は良好であった。 The results in Table 5-3 show that when an oxide film (coating) was present and its thickness was 100 nm or more and 5000 nm or less, the repeated heat absorption performance was good.
<実験4>
<吸熱材料の作製>
表6-1および表6-2における試料47aから試料47dの吸熱材料は、実験2の試料47と同様の方法によって作製した。なお、試料47bから試料47dの吸熱材料については、表6-2に記載されている外装(外表面を被覆する金属膜、有機化合物膜または複合膜)を施した(図9および10)。
<Experiment 4>
<Preparation of heat-absorbing material>
The endothermic materials of Samples 47a to 47d in Tables 6-1 and 6-2 were prepared by the same method as Sample 47 in Experiment 2. The endothermic materials of Samples 47b to 47d were provided with an exterior coating (a metal film, an organic compound film, or a composite film that covers the outer surface) shown in Table 6-2 (FIGS. 9 and 10).
<吸熱材料の評価>
実験1と同様の方法を用いて、吸熱材料の評価を行った。結果を表6-1および表6-2に示す。
<Evaluation of heat-absorbing materials>
The endothermic material was evaluated using the same method as in Experiment 1. The results are shown in Tables 6-1 and 6-2.
さらに以下の方法によって各吸熱材料の耐漏洩性能を評価した。まず各吸熱材料の質量を測定した。実験1と同様の試験装置(図2参照)を使用し、吸熱材料の温度をモニタした。吸熱材料が転移温度に到達してから50秒後に室温まで冷却した。吸熱材料の質量を再度測定し、温度上昇前の質量と比べた比率が99%以上である場合を良好、99%未満である場合を不良と評価した。結果を表6-2に示す。 The leak resistance of each endothermic material was also evaluated using the following method. First, the mass of each endothermic material was measured. The temperature of the endothermic material was monitored using the same test equipment as in Experiment 1 (see Figure 2). 50 seconds after the endothermic material reached its transition temperature, it was cooled to room temperature. The mass of the endothermic material was measured again, and a ratio of 99% or more compared to the mass before the temperature increase was evaluated as good, and a ratio of less than 99% was evaluated as poor. The results are shown in Table 6-2.
表6-2の結果から外装を含む吸熱材料は、耐漏洩性能が良好であった。 The results in Table 6-2 show that the endothermic material, including the outer casing, had good leak resistance.
<実験5>
<吸熱材料の作製>
表7-1および表7-2における試料51aおよび試料51bの吸熱材料は、実験2の試料51と同様の方法によって作製した。試料51bの吸熱材料は、平均気孔径を大きくしている。
<Experiment 5>
<Preparation of heat-absorbing material>
The endothermic materials of Samples 51a and 51b in Tables 7-1 and 7-2 were prepared in the same manner as Sample 51 in Experiment 2. The endothermic material of Sample 51b had a larger average pore diameter.
<吸熱材料の評価>
実験1と同様の方法を用いて、吸熱材料の評価を行った。結果を表7-1および表7-2に示す。
<Evaluation of heat-absorbing materials>
The endothermic material was evaluated using the same method as in Experiment 1. The results are shown in Tables 7-1 and 7-2.
さらに以下の方法によって各吸熱材料の機械的強度を評価した。まず、オートグラフに平行な二面からなる圧縮用治具を取り付けて吸熱材料に加圧し、荷重-変位線図を取得した。この試験を10回繰り返して平均値、および標準偏差を求めた。変動係数(標準偏差/平均値)が5%以下である場合を良好、5%超である場合を不良と評価した。結果を表7-1に示す。 The mechanical strength of each endothermic material was also evaluated using the following method. First, a compression tool consisting of two parallel surfaces was attached to the autograph and pressure was applied to the endothermic material to obtain a load-displacement diagram. This test was repeated 10 times to determine the average value and standard deviation. A coefficient of variation (standard deviation/average value) of 5% or less was rated as good, and a coefficient of variation of more than 5% was rated as poor. The results are shown in Table 7-1.
表7-2の結果から平均気孔径が5000μm以下である場合、機械的強度が良好であった。 The results in Table 7-2 show that when the average pore diameter was 5000 μm or less, the mechanical strength was good.
<実験6>
<吸熱材料の作製>
表8-1および表8-2における試料53aから試料53d、ならびに試料54aおよび試料54bの吸熱材料は、それぞれ実験2の試料53、および試料54と同様の方法によって作製した。ただし、一部の吸熱材料について以下の点を変更して作製した。
試料53a:放電プラズマ焼結の圧力を15MPaに変更して作製した。
試料53c:放電プラズマ焼結の温度、時間をそれぞれ520℃および5分間に変更して作製した。
試料53d:特開2011-225950号公報(特許文献2)に記載の方法により、三次元網目状構造を有するアルミニウム製の金属多孔体を製造し、無機材料とした。当該金属多孔体における気孔率は95%(金属率は5%)、気孔径は0.55mm、アルミニウム純度は99.9質量%になるようにした。
試料54b:アルミニウム粉末を金型内に流し入れ、冷間成形することなく水素雰囲気中で655℃で2時間加熱し得られた焼結体を無機材料とした。これはいわゆる「ルース粉焼結」製法により得た多孔質体である。
<Experiment 6>
<Preparation of heat-absorbing material>
The endothermic materials of Samples 53a to 53d and Samples 54a and 54b in Tables 8-1 and 8-2 were prepared by the same methods as Samples 53 and 54 in Experiment 2. However, some of the endothermic materials were prepared with the following changes.
Sample 53a: Produced by changing the pressure of spark plasma sintering to 15 MPa.
Sample 53c: The temperature and time of spark plasma sintering were changed to 520°C and 5 minutes, respectively.
Sample 53d: A porous aluminum body having a three-dimensional network structure was produced as an inorganic material by the method described in JP 2011-225950 A. The porous aluminum body had a porosity of 95% (metallic content of 5%), a pore diameter of 0.55 mm, and an aluminum purity of 99.9% by mass.
Sample 54b: Aluminum powder was poured into a mold and heated at 655°C for 2 hours in a hydrogen atmosphere without cold compacting. This sintered body was used as an inorganic material. This is a porous body obtained by the so-called "loose powder sintering" manufacturing method.
<吸熱材料の評価>
実験1と同様の方法を用いて、吸熱材料の評価を行った。結果を表8-1および表8-2に示す。
<Evaluation of heat-absorbing materials>
The endothermic material was evaluated using the same method as in Experiment 1. The results are shown in Tables 8-1 and 8-2.
表8-1および表8-2から以下のことが分かった。試料53aの平均窓径は試料53bよりも小さかった。これは放電プラズマ焼結の圧力が低かったためである。その結果連通する多孔質体骨格1個あたりの断面積が相対的に増大したため、吸熱材料の熱伝導率が高くなった。 The following was learned from Tables 8-1 and 8-2: The average window diameter of sample 53a was smaller than that of sample 53b. This was because the spark plasma sintering pressure was lower. As a result, the cross-sectional area per interconnected porous skeleton increased relatively, resulting in a higher thermal conductivity of the heat-absorbing material.
試料53bの結晶粒径は試料53cよりも大きかった。これは放電プラズマ焼結の温度が高く、時間が長かったためである。その結果連通する多孔質体骨格における結晶粒界に由来する熱抵抗が低減し、吸熱材料の熱伝導率が高くなった。 The grain size of sample 53b was larger than that of sample 53c. This was due to the higher temperature and longer duration of spark plasma sintering. As a result, the thermal resistance due to the grain boundaries in the interconnected porous skeleton was reduced, and the thermal conductivity of the heat-absorbing material was increased.
試料53aから試料53cの吸熱材の熱伝導率は試料53dより高かった。これは前者の多孔質体の結晶粒径がより粗大であり、また平均窓径がより小さかったためである。その結果、試料53aから試料53cの吸熱材料の熱浸透率の比be/biは高くなり、良好な吸熱性能を示した。 The thermal conductivity of the endothermic materials of Samples 53a to 53c was higher than that of Sample 53d. This was because the crystal grain size of the former porous body was coarser and the average window diameter was smaller. As a result, the thermal effusivity ratio b e /b i of the endothermic materials of Samples 53a to 53c was higher, indicating good endothermic performance.
試料54aの吸熱材料の熱伝導率は試料54bより高かった。これは前者の多孔質体の平均窓径がより小さく、また平均窓径/平均気孔径の比が小さかったためである。その結果、試料54aの吸熱材料の熱浸透率の比be/biは高くなり、良好な吸熱性能を示した。 The thermal conductivity of the endothermic material of sample 54a was higher than that of sample 54b. This was due to the smaller average window diameter of the porous body of the former and the smaller ratio of average window diameter to average pore diameter. As a result, the thermal effusivity ratio b e /b i of the endothermic material of sample 54a was higher, indicating good endothermic performance.
以上のように本発明の実施形態及び実施例について説明を行なったが、上述の各実施形態及び各実施例の構成を適宜組み合わせたり、様々に変形することも当初から予定している。 Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, it is originally intended that the configurations of the above-mentioned embodiments and examples may be appropriately combined or modified in various ways.
今回開示された実施の形態及び実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態及び実施例ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。The embodiments and examples disclosed herein are illustrative in all respects and should not be considered limiting. The scope of the present invention is indicated by the claims, not by the embodiments and examples described above, and is intended to include meanings equivalent to the claims and all modifications within the scope of the claims.
Claims (21)
前記無機材料は、内部に気孔を有する多孔質体からなり、
前記多孔質体の気孔率は、10%以上95%以下であり、
前記多孔質体の平均気孔径は、50μm以上5000μm以下であり、
前記相転移材料は、前記気孔の内部に収容されていて、
前記無機材料の組成は、前記相転移材料の組成と異なり、
前記無機材料の熱浸透率biに対する前記吸熱材料の熱浸透率beの比be/biは、前記相転移材料の転移温度において、1より大きく、
前記無機材料と前記相転移材料との間に被膜がさらに設けられていて、
前記被膜の組成は、前記無機材料の組成および前記相転移材料の組成と異なり、
前記被膜は、酸化被膜、不動態被膜又は化成被膜を含む、吸熱材料。 A heat-absorbing material comprising an inorganic material and a phase-transition material,
the inorganic material is a porous body having pores therein,
The porosity of the porous body is 10% or more and 95% or less,
The average pore diameter of the porous body is 50 μm or more and 5000 μm or less,
the phase change material is contained within the pores;
the composition of the inorganic material is different from the composition of the phase-change material;
a ratio b e / b i of the thermal effusivity b e of the endothermic material to the thermal effusivity b i of the inorganic material is greater than 1 at the transition temperature of the phase-transition material;
a coating is further provided between the inorganic material and the phase-change material;
the composition of the coating is different from the composition of the inorganic material and the composition of the phase-change material;
The coating is an endothermic material, and includes an oxide coating, a passivation coating, or a chemical conversion coating .
前記無機材料は、内部に気孔を有する多孔質体からなり、the inorganic material is a porous body having pores therein,
前記多孔質体の気孔率は、10%以上95%以下であり、The porosity of the porous body is 10% or more and 95% or less,
前記多孔質体の平均気孔径は、50μm以上5000μm以下であり、The average pore diameter of the porous body is 50 μm or more and 5000 μm or less,
前記相転移材料は、前記気孔の内部に収容されていて、the phase change material is contained within the pores;
前記無機材料の組成は、前記相転移材料の組成と異なり、the composition of the inorganic material is different from the composition of the phase-change material;
前記無機材料の熱浸透率bThe thermal effusivity b of the inorganic material ii に対する前記吸熱材料の熱浸透率bThe thermal effusivity b of the heat-absorbing material ee の比bThe ratio b ee /b/b ii は、前記相転移材料の転移温度において、1より大きく、is greater than 1 at the transition temperature of the phase-change material,
前記相転移材料は、形状記憶合金、金属酸化物、または前記無機材料の転移温度よりも低い転移温度の金属である、吸熱材料。The endothermic material, wherein the phase change material is a shape memory alloy, a metal oxide, or a metal with a transition temperature lower than the transition temperature of the inorganic material.
前記無機化合物は、セラミックである、請求項3に記載の吸熱材料。 the inorganic material is the inorganic compound,
The heat-absorbing material according to claim 3 , wherein the inorganic compound is a ceramic.
前記無機化合物は、無機塩およびセラミックを含む、請求項1に記載の吸熱材料。 the phase-change material is an organic compound, an inorganic compound, or a metal;
The heat-absorbing material of claim 1 , wherein the inorganic compound comprises an inorganic salt and a ceramic.
前記平均気孔径に対する前記平均窓径の比が0.02以上0.4以下である、請求項1または請求項2に記載の吸熱材料。 The porous body has an average window diameter of less than 200 μm,
3. The heat absorbing material according to claim 1 , wherein a ratio of the average window diameter to the average pore diameter is 0.02 or more and 0.4 or less.
前記被膜の組成は、前記無機材料の組成および前記相転移材料の組成と異なる、請求項2に記載の吸熱材料。 a coating is further provided between the inorganic material and the phase-change material;
The heat-absorbing material of claim 2 , wherein the composition of the coating is different from the composition of the inorganic material and the composition of the phase-change material.
前記相転移材料は、パラフィン、脂肪酸、エステル、アルコール、水和塩、または前記無機材料の融点よりも低融点の金属であり、
前記吸熱材料は、前記多孔質体の外表面を被覆する金属膜、有機化合物膜またはこれらの複合膜をさらに含む、ヒートスプレッダ。 A heat spreader made of the heat absorbing material according to claim 1,
the phase-change material is paraffin, a fatty acid, an ester, an alcohol, a hydrated salt, or a metal having a melting point lower than that of the inorganic material;
The heat spreader , wherein the heat absorbing material further includes a metal film, an organic compound film, or a composite film thereof that covers the outer surface of the porous body.
前記相転移材料は、前記無機材料の融点よりも低融点の金属であり、the phase-transition material is a metal having a melting point lower than that of the inorganic material;
前記吸熱材料は、前記多孔質体の外表面を被覆する金属膜、有機化合物膜またはこれらの複合膜をさらに含む、ヒートスプレッダ。The heat spreader, wherein the heat absorbing material further includes a metal film, an organic compound film, or a composite film thereof that covers the outer surface of the porous body.
前記相転移材料は、パラフィン、脂肪酸、エステル、アルコール、水和塩、または前記無機材料の転移温度よりも低い転移温度の金属であり、
前記吸熱材料は、前記多孔質体の外表面を被覆する金属膜、有機化合物膜またはこれらの複合膜をさらに含む、ヒートシンク。 A heat sink made of the heat absorbing material of claim 1,
the phase change material is a paraffin, a fatty acid, an ester, an alcohol, a hydrated salt, or a metal with a transition temperature lower than the transition temperature of the inorganic material;
The heat sink , wherein the heat absorbing material further includes a metal film, an organic compound film, or a composite film thereof that coats the outer surface of the porous body.
前記相転移材料は、前記無機材料の転移温度よりも低い転移温度の金属であり、the phase-change material is a metal having a transition temperature lower than the transition temperature of the inorganic material;
前記吸熱材料は、前記多孔質体の外表面を被覆する金属膜、有機化合物膜またはこれらの複合膜をさらに含む、ヒートシンク。The heat sink, wherein the heat absorbing material further includes a metal film, an organic compound film, or a composite film thereof that coats the outer surface of the porous body.
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