JP2012510555A - 相転移物質、その製造方法及び相転移物質を用いたモジュールの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、相転移物質、この製造方法及びこれを用いたモジュールの製造方法を開示する。
【解決手段】前記相転移物質は、配位結合を形成する金属及び前記金属を溶解できる溶媒を含むことを特徴とし、前記相転移物質の製造方法は、金属を真空状態に置いて空気中の水分と酸素を除去する段階（Ｓ１段階）と、前記金属を粉末又は薄片で準備し、非活性気体雰囲気で一面が開封された容器に前記金属を注入し、前記一面に溶媒を注入でき、真空状態にできる連結装置を繋ぐ段階（Ｓ２段階）と、前記連結装置により真空状態を一定時間維持した後に周辺温度を前記溶媒の沸点または凝固点に維持して温度平衡状態を誘導し、前記連結装置を介して前記溶媒を注入する段階（Ｓ３段階）と、前記容器内の金属と溶媒を均一に混合して溶液を製造する段階（Ｓ４段階）と、前記容器を−１０〜１０℃で保管し前記溶液を膨張させて前記連結装置により流出させる段階（Ｓ５段階）を含むことを特徴とし、前記モジュールの製造方法は、前記相転移物質を用いることを特徴とする。前記相転移物質とこれを用いて製造されるモジュールは、熱により損失されるエネルギーを電気エネルギーに変換して高効率的に電気エネルギーを生産でき、さらにはコンピュータのような電子機器装置で発生する熱を効果的に放出することができる。
【選択図】図３
【解決手段】前記相転移物質は、配位結合を形成する金属及び前記金属を溶解できる溶媒を含むことを特徴とし、前記相転移物質の製造方法は、金属を真空状態に置いて空気中の水分と酸素を除去する段階（Ｓ１段階）と、前記金属を粉末又は薄片で準備し、非活性気体雰囲気で一面が開封された容器に前記金属を注入し、前記一面に溶媒を注入でき、真空状態にできる連結装置を繋ぐ段階（Ｓ２段階）と、前記連結装置により真空状態を一定時間維持した後に周辺温度を前記溶媒の沸点または凝固点に維持して温度平衡状態を誘導し、前記連結装置を介して前記溶媒を注入する段階（Ｓ３段階）と、前記容器内の金属と溶媒を均一に混合して溶液を製造する段階（Ｓ４段階）と、前記容器を−１０〜１０℃で保管し前記溶液を膨張させて前記連結装置により流出させる段階（Ｓ５段階）を含むことを特徴とし、前記モジュールの製造方法は、前記相転移物質を用いることを特徴とする。前記相転移物質とこれを用いて製造されるモジュールは、熱により損失されるエネルギーを電気エネルギーに変換して高効率的に電気エネルギーを生産でき、さらにはコンピュータのような電子機器装置で発生する熱を効果的に放出することができる。
【選択図】図３
Description
本発明は、相転移物質、その製造方法及び相転移物質を用いたモジュールの製造方法に関するものであり、より詳しくは、熱として損失されるエネルギーを電気エネルギーに変換して高効率的に電気エネルギーを生産することができ、さらに、コンピュータのような電子機器装置で発生する熱を効果的に放出させることができる相転移物質、その製造方法及びそれを用いたモジュールの製造方法に関する。
従来の熱発電システムは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する技術であって、サーモエレクトリックパワージェネレーション（Thermoelectric Power Generation：ＴＰＧ）と呼ばれる。熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる特性を示す多様な熱電物質に対して長年研究が行われている。
このような分野において、現在まで開発された最も効率的なシステムは、接合半導体（ｎ型−ｐ型半導体接合）を用いた熱電発電システムである。この熱電発電システムは、効率的な面で略１５％の出力を得ることができ商品化されているが、効率性が非常に低い。
上記表１を参照すると、多様なエネルギー変換器による変換効率が確認できる。
一方、熱電物質の特性は、次のゼーベック係数（Seebeck coefficient）を含んだ性能指数（Figure of Merit）の形態で表現できるが、これを下記の数式１、２によって定義する。
上の数式２に示した性能指数は、ｘ−ｙ座標で示すことができ、図１に示した。図１は、熱伝達物質の特性である性能指数のグラフである。
これを参照すると、ゼーベック係数の単位は通常、μＶ／Ｋであり、１ケルビン（Ｋ）当りに作られる電圧の量で表現される。最大１２００μＶ／Ｋを表す物質を使用するものがあるが、例えば、ケイ素−ケイ素ゲルマニウム量子井戸熱電物質（Si/SiGe Quantum Well Thermoelectric materials）がこれに該当する。
このような物質が用いられる場合、１０ケルビンの温度差に対して約０．０１２Ｖ程度の電圧差を生じ、これに該当する性能指数は約４．４程度であることが知られている。
一方、熱電発電システムの原理は、温度差によって電子密度の変化が誘導され電圧が生成される現象を利用するものである。つまり、温度変化による自由電子が発生し、このような自由電子の分布によって部位別に密度の差が発生するため、結果的に電位が生成されるのである。
前述の接合半導体に対して、図２を参照して詳しい原理をみることができる。図２を参照すると、外部の熱吸収部（Absorbed Heat）で熱を吸収すると同時に、外部の熱放出部（Released Heat）に熱を放出する。このような温度差によってｎ型半導体では熱吸収部から熱放出部へ自由電子の移動（Electron Flow）が起き、ｐ型半導体では熱吸収部から熱放出部へ正孔の移動（Hole Flow）が起きる。
よって、このようなｎ型半導体とｐ型半導体を複数個で交互に電気的な回路を構成すると、その両端では電位の差が発生することになる。
しかし、前記のｎ型−ｐ型半導体接合は１５％以上の変換効率を生むことができず、通常使用が予想される常温程度の温度差で得られる電圧の差は微弱である。逆に作業現場で使用できる一定電圧を得るために数十から数百ケルビンの温度差を必要とするという短所がある。
また、前記のｎ型−ｐ型半導体接合は、実際に使用できる物質が非常に制約されている。このような物質は体積が大きく、かつ重量も重く、様々な用途に利用するのは困難であった。
さらに、稼動中に多量の熱が発生するので効率が低減され、高い電力生産用にこのような物質を使用するのは困難である。
近年、超高密度集積回路を用いたコンピュータシステムが開発され、商業的にコンピュータ自体のエネルギー効率的な面で集積回路が作り出す熱を分散することができる素材の開発が要求され続けている。このような分野でも前述の熱電物質の特徴を逆に利用して、電圧を印加することによりシステムを冷却させることができる原理を利用して熱源を分散させる技術も併せて集中的に研究されている。
上述の熱分散が必要な分野において、テーマは大きく二つに分けられる。一つは熱電物質を利用する方式と、他に多重相転移（multi-phase transition：ＭＰＴ）を行うことができる物質の相転移時に生じる潜熱（Latent Heat）を利用して熱を吸収する方式がある。
上記の熱分散システムでは、熱電現象を利用するペルチェ現象（Peltier effect）の応用に基づいて、コンピュータの中央処理装置（ＣＰＵ）から直接熱源を冷却させる特性を利用する。しかし、外部に連結されている反対部分には熱力学的第２法則によってより多量の熱が生成され、結果的には熱源の位置を外に出すことになる。
このような場合、熱伝達物質の特性によって冷却の特性が決定される。接触（contact）方式で熱を引き出す場合、厚さ５ｍｍのペルチェ素子を重複して連結することにより熱を冷却させることになり、システムの重さと体積が非常に大きくなるという深刻な短所がある。システムの冷却限界を超えると十分な作動が行われず、周辺の温度がより高くなるという問題点を有している。
よって、熱分散システムで多重相転移物質を利用して熱源を分散させる方法については、物質自体が有している潜熱の大きさと種類（相の多重性）により熱を吸収する特性を有する新たな物質を開発する必要性が要求されている。
本発明が解決しようとする第一の技術的課題は、熱として損失されるエネルギーを電気エネルギーに変換して高効率的に電気エネルギーを生産することができ、さらには、コンピュータのような電子機器装置から発生する熱を効果的に放出させることができる相転移物質を提供することである。
本発明が解決しようとする第二の課題は、熱として損失されるエネルギーを電気エネルギーに変換して高効率的に電気エネルギーを生産することができ、さらには、コンピュータのような電子機器装置から発生する熱を効果的に放出させることができる相転移物質の製造方法を提供することである。
本発明が解決しようとする第三の技術的課題は、熱として損失されるエネルギーを電気エネルギーに変換して高効率的に電気エネルギーを生産することができ、さらには、コンピュータのような電子機器装置で発生する熱を効果的に放出させることができる相転移物質を用いたモジュール（module）を提供することである。
本発明は、上述の第一の技術的課題を解決するために、配位結合が可能な金属及び前記金属を溶解できる溶媒を含むことを特徴とする相転移物質を提供する。
本発明の一実施例によると、前記溶媒は、次式１により表される可逆的多段階相転位（Reversible Multi-step phase-transitions）特性を有することができる。
＜式１＞
[M(R)n]+a(s)+ae−(Ｒ溶液中) ⇔ [M(R)n−a](s)+aR(g) −Qn(J)
（Ｍ：金属、Ｒ：溶媒、ｎ＝１，２，…，６、ａ＝１，２，…，６、そしてＱｎ（Ｊ）：ｎ番目相転移段階の潜熱量）
本発明の別の実施例によると、前記金属と溶媒の比率は、１：０．１〜１：６であり得る。
＜式１＞
[M(R)n]+a(s)+ae−(Ｒ溶液中) ⇔ [M(R)n−a](s)+aR(g) −Qn(J)
（Ｍ：金属、Ｒ：溶媒、ｎ＝１，２，…，６、ａ＝１，２，…，６、そしてＱｎ（Ｊ）：ｎ番目相転移段階の潜熱量）
本発明の別の実施例によると、前記金属と溶媒の比率は、１：０．１〜１：６であり得る。
本発明のまた別の実施例によると、前記金属は、リチウム、バリウム、ホウ素、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、カリウム、カルシウム、スカンジウム、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、セレニウム、ルビジウム、ストロンチウム、イットリウム、ニオビウム、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、インジウム、テルリウム、セシウム、ランタン系金属及びアクチニウム系金属からなる群から選ばれる少なくとも一つであり得る。
本発明のまた別の実施例によると、前記溶媒は、アンモニア、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、メラミン又は主鎖（Main Chain）の長さが炭素数４以下のアミン類及びその塩類、フェニルグループを含むアミン類及びその塩類、ポリエチレンアミンを含むアミドが主鎖に含まれた高分子、またはアミンが主鎖に連結されたポリアミン類であり得る。
本発明のまた別の実施例によると、前記溶媒はジメチルジステアリルアンモニウム（dimethyldistearylammonium）、トリメチルテトラデシルアンモニウム（trimethyltetradecyl ammonium）、トリメチルヘキサデシルアンモニウム（trimethylhexadecyl ammonium）、トリメチルオクタデシルアンモニウム（trimethyloctadecyl ammonium）、ベンジルトリメチルアンモニウム（benzyltrimethyl ammonium）、ベンジルトリエチルアンモニウム（benzyltriethyl ammonium）、フェニルトリメチルアンモニウム（phenyltrimethyl ammonium）及び芳香族４級アンモニウム、陽イオン性界面活性剤及び陽イオン性高分子からなる群から選ばれた少なくとも一つであり得る。
本発明は、上述の第二の課題を解決するために、
金属を真空状態に置いて空気中の水分と酸素を除去する段階（Ｓ１段階）と、前記金属を粉末又は薄片で準備し、非活性気体雰囲気で一面が開封された容器に前記金属を注入し、前記一面に溶媒を注入でき、真空状態にできる連結装置を繋ぐ段階（Ｓ２段階）と、前記連結装置により真空状態を一定時間維持した後に周辺温度を前記溶媒の沸点または凝固点に維持して温度平衡状態を誘導し、前記連結装置を介して前記溶媒を注入する段階（Ｓ３段階）と、前記容器内の金属と溶媒を均一に混合して溶液を製造する段階（Ｓ４段階）と、前記容器を−１０〜１０℃で保管し前記溶液を膨張させて前記連結装置により流出させる段階（Ｓ５段階）を含むことを特徴とする相転移物質の製造方法を提供する。
金属を真空状態に置いて空気中の水分と酸素を除去する段階（Ｓ１段階）と、前記金属を粉末又は薄片で準備し、非活性気体雰囲気で一面が開封された容器に前記金属を注入し、前記一面に溶媒を注入でき、真空状態にできる連結装置を繋ぐ段階（Ｓ２段階）と、前記連結装置により真空状態を一定時間維持した後に周辺温度を前記溶媒の沸点または凝固点に維持して温度平衡状態を誘導し、前記連結装置を介して前記溶媒を注入する段階（Ｓ３段階）と、前記容器内の金属と溶媒を均一に混合して溶液を製造する段階（Ｓ４段階）と、前記容器を−１０〜１０℃で保管し前記溶液を膨張させて前記連結装置により流出させる段階（Ｓ５段階）を含むことを特徴とする相転移物質の製造方法を提供する。
本発明の一実施例によると、前記Ｓ５段階で前記溶液の色が濃い藍色になるように前記Ｓ３段階から繰り返す段階をさらに含むことができる。
本発明の他の実施例によると、前記溶媒は次式１により表される可逆的多段階相転移（Reversible Multi-step phase-transitions）特性を有することができる。
＜式１＞
[M(R)n]+a(s)+ae−(Ｒ溶液中) ⇔ [M(R)n−a](s)+aR(g) −Qn(J)
（Ｍ：金属、Ｒ：溶媒、ｎ＝１，２，…，６、ａ＝１，２，…，６、そしてＱｎ（Ｊ）：ｎ番目相転移段階の潜熱量）
本発明のまた別の実施例によると、前記金属と溶媒の比率は、１：０．１〜１：６であり得る。
＜式１＞
[M(R)n]+a(s)+ae−(Ｒ溶液中) ⇔ [M(R)n−a](s)+aR(g) −Qn(J)
（Ｍ：金属、Ｒ：溶媒、ｎ＝１，２，…，６、ａ＝１，２，…，６、そしてＱｎ（Ｊ）：ｎ番目相転移段階の潜熱量）
本発明のまた別の実施例によると、前記金属と溶媒の比率は、１：０．１〜１：６であり得る。
本発明のまた別の実施例によると、前記金属は、リチウム、バリウム、ホウ素、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、カリウム、カルシウム、スカンジウム、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、セレニウム、ルビジウム、ストロンチウム、イットリウム、ニオビウム、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、インジウム、テルリウム、セシウム、ランタン系金属及びアクチニウム系金属からなる群から選ばれる少なくとも一つであり得る。
本発明のまた別の実施例によると、前記溶媒は、アンモニア、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、メラミン又は主鎖（Main chain）の長さが炭素数４以下のアミン類及びその塩類、フェニルグループを含むアミン類及びその塩類、ポリエチレンアミンを含むアミドが主鎖に含まれた高分子またはアミンが主鎖に連結されたポリアミン類であり得る。
本発明のまた別の実施例によると、前記溶媒はジメチルジステアリルアンモニウム（dimethyldistearylammonium）、トリメチルテトラデシルアンモニウム（trimethyltetradecyl ammonium）、トリメチルヘキサデシルアンモニウム（trimethylhexadecyl ammonium）、トリメチルオクタデシルアンモニウム（trimethyloctadecyl ammonium）、ベンジルトリメチルアンモニウム（benzyltrimethyl ammonium）、ベンジルトリエチルアンモニウム（benzyltriethyl ammonium）、フェニルトリメチルアンモニウム（phenyltrimethyl ammonium）及び芳香族４級アンモニウム、陽イオン性界面活性剤及び陽イオン性高分子からなる群から選ばれた少なくとも一つであり得る。
本発明の上述の第三の技術的課題を解決するために、
金属を真空状態に置いて空気中の水分と酸素を除去する段階（Ｓ６段階）と、前記金属を粉末又は薄片で準備し、非活性気体雰囲気で一面が開封された第１容器と第２容器に前記金属をそれぞれ注入し、それぞれの一面に溶媒を注入でき、真空状態にできる第１連結装置及び第２連結装置をそれぞれ繋げる段階（Ｓ７段階）と、前記第１、２連結装置により真空状態を一定時間維持した後に周辺温度を前記溶媒の沸点または凝固点に維持して温度平衡状態を誘導し、前記第１、２連結装置を介して前記溶媒を注入する段階（Ｓ８段階）と、前記第１、２容器内の金属と溶媒を均一に混合して溶液を製造する段階（Ｓ９段階）と、前記第１、２容器を−１０〜１０℃で保管して前記溶液を膨張させ、前記連結装置により流出させる段階（Ｓ１０段階）と、前記第１、２容器を常温で結合するがその間に絶縁体を挿入する段階（Ｓ１１段階）；を含むことを特徴とする相転移物質を用いたモジュール（module）の製造方法を提供する。
金属を真空状態に置いて空気中の水分と酸素を除去する段階（Ｓ６段階）と、前記金属を粉末又は薄片で準備し、非活性気体雰囲気で一面が開封された第１容器と第２容器に前記金属をそれぞれ注入し、それぞれの一面に溶媒を注入でき、真空状態にできる第１連結装置及び第２連結装置をそれぞれ繋げる段階（Ｓ７段階）と、前記第１、２連結装置により真空状態を一定時間維持した後に周辺温度を前記溶媒の沸点または凝固点に維持して温度平衡状態を誘導し、前記第１、２連結装置を介して前記溶媒を注入する段階（Ｓ８段階）と、前記第１、２容器内の金属と溶媒を均一に混合して溶液を製造する段階（Ｓ９段階）と、前記第１、２容器を−１０〜１０℃で保管して前記溶液を膨張させ、前記連結装置により流出させる段階（Ｓ１０段階）と、前記第１、２容器を常温で結合するがその間に絶縁体を挿入する段階（Ｓ１１段階）；を含むことを特徴とする相転移物質を用いたモジュール（module）の製造方法を提供する。
本発明の一実施例によると、前記Ｓ１０段階で前記溶液の色が濃い藍色になるように前記Ｓ８段階から繰り返す段階をさらに含むことができる。
本発明の他の実施例によると、前記溶媒は次式１により表される可逆的多段階相転移（Reversible Multi-step phase-transitions）特性を有することができる。
＜式１＞
[M(R)n]+a(s)+ae−(Ｒ溶液中) ⇔ [M(R)n−a](s)+aR(g) −Qn(J)
（Ｍ：金属、Ｒ：溶媒、ｎ＝１，２，…，６、ａ＝１，２，…，６、そしてＱｎ（Ｊ）：ｎ番目相転移段階の潜熱量）
本発明のまた別の実施例によると、前記金属と溶媒の比率は、１：０．１〜１：６であり得る。
＜式１＞
[M(R)n]+a(s)+ae−(Ｒ溶液中) ⇔ [M(R)n−a](s)+aR(g) −Qn(J)
（Ｍ：金属、Ｒ：溶媒、ｎ＝１，２，…，６、ａ＝１，２，…，６、そしてＱｎ（Ｊ）：ｎ番目相転移段階の潜熱量）
本発明のまた別の実施例によると、前記金属と溶媒の比率は、１：０．１〜１：６であり得る。
本発明のまた別の実施例によると、前記金属は、リチウム、バリウム、ホウ素、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、カリウム、カルシウム、スカンジウム、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、セレニウム、ルビジウム、ストロンチウム、イットリウム、ニオビウム、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、インジウム、テルリウム、セシウム、ランタン系金属及びアクチニウム系金属からなる群から選ばれる少なくとも一つであり得る。
本発明のまた別の実施例によると、前記溶媒は、アンモニア、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、メラミン又は主鎖（Main chain）の長さが炭素数４以下のアミン類及びその塩類、フェニルグループを含むアミン類及びその塩類、ポリエチレンアミンを含むアミドが主鎖に含まれた高分子またはアミンが主鎖に連結されたポリアミン類であり得る。
本発明のまた別の実施例によると、前記溶媒はジメチルジステアリルアンモニウム（dimethyldistearylammonium）、トリメチルテトラデシルアンモニウム（trimethyltetradecyl ammonium）、トリメチルヘキサデシルアンモニウム（trimethylhexadecyl ammonium）、トリメチルオクタデシルアンモニウム（trimethyloctadecyl ammonium）、ベンジルトリメチルアンモニウム（benzyltrimethyl ammonium）、ベンジルトリエチルアンモニウム（benzyltriethyl ammonium）、フェニルトリメチルアンモニウム（phenyltrimethyl ammonium）及び芳香族４級アンモニウム、陽イオン性界面活性剤及び陽イオン性高分子からなる群から選ばれた少なくとも一つであり得る。
以上の通り、本発明の相転移物質、相転移物質の製造方法及び相転移物質を用いたモジュールの製造方法によれば、熱として損失されるエネルギーを電気エネルギーに変換して高効率的に電気エネルギーを生産でき、さらには、コンピュータのような電子機器装置から発生する熱を効果的に放出することができる。
以下、本発明の内容をより詳しく説明する。
明細書では、本発明の理解を助けるために好ましい実施例を提示するが、これは本発明をより理解し易くするために提供するに過ぎなく、これによって本発明の内容が限定されたり制限されると解釈してはならなく、添付の図面は理解の便宜のために誇張される場合があるため、同様にこれによって本発明が制限されてはならない。
本発明の相転移物質は、配位結合が可能な金属と前記金属を溶解できる溶媒を含むことを特徴とするが、前記金属は周期律表上１族（アルカリ金属）、２族（アルカリ土類金属）、３族、転移金属（transition）、ランタニド系金属（lanthanide）、アクチニド系金属（actinide）であり得、前記溶媒は前記金属と配位結合が可能な溶媒である。このような溶媒は、構造的には金属に配位結合する形態を有し、このような配位結合が溶媒の濃度と周辺の温度、圧力のような環境によってその配位数が変わることにより、多様な相転移や配位結合数が変化する現象を表す。
また、前記溶媒は沸点が低いため容易に気化でき、可逆的多段階相転移（Reversible Multi-step phase-transitions）特性を有し得るが、これを下記式１に表す。
＜式１＞
[M(R)n]+a(s)+ae−(Ｒ溶液中) ⇔ [M(R)n−a](s)+aR(g) −Qn(J)
（Ｍ：金属、Ｒ：溶媒、ｎ＝１，２，…，６、ａ＝１，２，…，６、そしてＱｎ（Ｊ）：ｎ番目相転移段階の潜熱量）
前記の可逆的多段階相転移特性は、図３によって説明できる。図３は、本発明の相転移物質の相転移グラフである。
＜式１＞
[M(R)n]+a(s)+ae−(Ｒ溶液中) ⇔ [M(R)n−a](s)+aR(g) −Qn(J)
（Ｍ：金属、Ｒ：溶媒、ｎ＝１，２，…，６、ａ＝１，２，…，６、そしてＱｎ（Ｊ）：ｎ番目相転移段階の潜熱量）
前記の可逆的多段階相転移特性は、図３によって説明できる。図３は、本発明の相転移物質の相転移グラフである。
図３を参照すると、ｙ軸は温度（Ｋ）を表し、ｘ軸は濃度を表す。ＭＰＭは金属のモルパーセント（Mole Percent of Metal）の略字である。図３のグラフは、前記金属がアンモニアを含むアミン類に溶解されたことを表す。
ここで、濃度が約１４．３の場合は［Ｍ（Ｒ）６］に該当し、濃度が２０， ３３及び１００の場合はそれぞれ［Ｍ（Ｒ）４］、［Ｍ（Ｒ）２］、［Ｍ］に該当することが分かる。
前記溶媒（Ｒ）の濃度が濃い場合、例えばＭＰＭが２０以上の場合、通常、低い温度、例えば−３５℃では［Ｍ（Ｒ）６］が存在するが、温度が高くなるほど配位結合数が減少して前記金属の酸化状態が変化する。このような酸化状態変化に影響を与える要因は通常、前記金属と溶媒間濃度、温度、内部圧力のような環境条件であり得る。このような環境条件によって一定の配位数を有する安定した結合相（Phase）が存在することが分かる。
ここで、多数の配位結合された状態である［Ｍ（Ｒ）６］に対してより詳しく説明すると、温度の上昇により配位結合が途切れ、気化される溶媒（Ｒ）の量が増加して分圧が増加する特性が図４及び５から分かる。
図４は本発明の相転移物質の金属別蒸気圧を表したグラフであり、図５は本発明の相転移物質のリチウムとアンモニアとメチルアミンとの溶液に対する蒸気圧を表したグラフである。
上述の通り、気化される溶媒の、多数の配位結合された状態である［Ｍ（Ｒ）６］に対する電位変化は、下記の表２に表す。
前記表２に見られるものとは異なり、配位数が４である場合、物質の特性上、略常温（２０℃）で安定した結合を成す。この状態では電位差が０に近いが、４以下の場合も少量（＋δ）の電位変化が伴い得る。
一方、前記金属と溶媒の比率は、１：０．１〜１：６であり得るが、前記比率が１：０．１未満だと、前記金属は約１０００℃で非常に不安定になり、励起状態のように存在し得る。前記比率が１：６を超えると、相以外の溶媒が反応に関与せず、液体あるいは気体の状態で存在するため、電極生成に障害が生じ得る。また、高圧が生成されて安定したシステムの運用を阻害し得る。
ここで、前記金属は、リチウム、バリウム、ホウ素、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、カリウム、カルシウム、スカンジウム、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、セレニウム、ルビジウム、ストロンチウム、イットリウム、ニオビウム、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、インジウム、テルリウム、セシウム、ランタン系金属及びアクチニウム系金属からなる群から選ばれる少なくとも一つであり得る。
また、前記溶媒は、アンモニア、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、メラミン又は主鎖（Main chain）の長さが炭素数４以下のアミン類及びその塩類、フェニルグループを含むアミン類及びその塩類、ポリエチレンアミンを含むアミドが主鎖に含まれた高分子またはアミンが主鎖に連結されたポリアミン類であり得、ジメチルジステアリルアンモニウム（dimethyldistearylammonium）、トリメチルテトラデシルアンモニウム（trimethyltetradecyl ammonium）、トリメチルヘキサデシルアンモニウム（trimethylhexadecyl ammonium）、トリメチルオクタデシルアンモニウム（trimethyloctadecyl ammonium）、ベンジルトリメチルアンモニウム（benzyltrimethyl ammonium）、ベンジルトリエチルアンモニウム（benzyltriethyl ammonium）、フェニルトリメチルアンモニウム（phenyltrimethyl ammonium）及び芳香族４級アンモニウム、陽イオン性界面活性剤及び陽イオン性高分子からなる群から選ばれた少なくとも一つであり得る。
本発明の相転移物質の製造方法は、金属を真空状態に置いて空気中の水分と酸素を除去する段階（Ｓ１段階）と、前記金属を粉末又は薄片で準備し、非活性気体雰囲気で一面が開封された容器に前記金属を注入し、前記一面に溶媒を注入でき、真空状態にできる連結装置を繋ぐ段階（Ｓ２段階）と、前記連結装置により真空状態を一定時間維持した後に周辺温度を前記溶媒の沸点または凝固点に維持して温度平衡状態を誘導し、前記連結装置を介して前記溶媒を注入する段階（Ｓ３段階）と、前記容器内の金属と溶媒を均一に混合して溶液を製造する段階（Ｓ４段階）と、前記容器を−１０〜１０℃で保管して前記溶液を膨張させ前記連結装置により流出させる段階（Ｓ５段階）を含む。
先ず、Ｓ１段階を見ると、Ｓ１段階は前記金属を真空状態に置いて空気中の水分と酸素のような異物質を除去する。そして、ヘキサンのような物質を利用して前記金属を活性化（Activation）させることもできる。
ここで、前記真空状態は、１０−５〜１０−７Ｔｏｒｒに維持することが好ましく、もし１０−５Ｔｏｒｒ未満だと不純物が残存して変化効率が減少し得、逆に１０−７Ｔｏｒｒを超えると過度なエネルギーの使用により製造費用が増加し得る。
前記溶媒は、式１により表される可逆的多段階相転移（Reversible Multi-step phase-transitions）特性を有し得る。これは前述の式１と同一または類似するためここでの説明は省略する。これは、下記の内容についても同一に適用する。
また、前記金属と溶媒の比率は１：０．１〜１：６であり得、前記金属は、リチウム、バリウム、ホウ素、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、カリウム、カルシウム、スカンジウム、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、セレニウム、ルビジウム、ストロンチウム、イットリウム、ニオビウム、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、インジウム、テルリウム、セシウム、ランタン系金属及びアクチニウム系金属からなる群から選ばれる少なくとも一つであり得る。
さらに、前記溶媒は、アンモニア、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、メラミン又は主鎖（Main chain）の長さが炭素数４以下のアミン類及びその塩類、フェニルグループを含むアミン類及びその塩類、ポリエチレンアミンを含むアミドが主鎖に含まれた高分子またはアミンが主鎖に連結されたポリアミン類であり得、前記溶媒は、ジメチルジステアリルアンモニウム（dimethyldistearylammonium）、トリメチルテトラデシルアンモニウム（trimethyltetradecyl ammonium）、トリメチルヘキサデシルアンモニウム（trimethylhexadecyl ammonium）、トリメチルオクタデシルアンモニウム（trimethyloctadecyl ammonium）、ベンジルトリメチルアンモニウム（benzyltrimethyl ammonium）、ベンジルトリエチルアンモニウム（benzyltriethyl ammonium）、フェニルトリメチルアンモニウム（phenyltrimethyl ammonium）及び芳香族４級アンモニウム、陽イオン性界面活性剤及び陽イオン性高分子からなる群から選ばれた少なくとも一つであり得る。
次に、Ｓ２段階は、前記金属を粉末又は薄片で準備し、非活性気体雰囲気で一面が開封された容器に前記金属を注入し、前記一面に溶媒を注入でき、真空状態にできる連結装置を繋ぐ段階である。前記金属を粉末や薄片にして反応面積を増加させ、前記締結装置は、パイプ形態のＴ字形状で３つの面に連結部位が備えられており、第１面は前記容器に連結され、第２面は溶媒供給源に連結され、第３面は真空ポンプに連結できる。
また、前記容器は一面を除いた全ての面が閉鎖されているが、例えばシリンダー状に備えることができる。
次に、Ｓ３段階は、前記連結装置により真空状態を一定時間維持した後、周辺温度を前記溶媒の沸点または凝固点に維持して温度平衡状態を誘導し、前記連結装置により前記溶媒を注入する段階である。
ここで、前記維持温度を溶媒の沸点または凝固点に維持した状態で、もし前記維持温度を各有機溶媒の沸点以上に維持すると金属を溶解し難いという問題が生じ得、逆に凝固点以下になると溶媒が凍ってしまい溶解を試料の合成が行われないという問題が生じ得る。
また、前記の一定時間は２０分〜２時間だが、もし２０分未満だと溶媒と金属間の十分な溶解反応が起こらず不均一な試料が作られ得、逆に２時間を超えると本段階の工程時間が長くなり全体的な製造費用が増加し得る。
次に、Ｓ４段階は、前記容器内の金属と溶媒を均一に混合して溶液を製造する段階であり、このときの温度は前記溶媒の沸点または凝固点程度に維持される状態である。
次に、Ｓ５段階は、前記容器を−１０〜１０℃で保管し、前記溶液を膨張させ前記連結装置により流出させる段階であり、前記金属と溶媒による溶液の周辺温度が上昇することにより、溶液の体積が増加して前記連結装置により溶液が外部に流出することになる。
ここで、外部に流出した溶液を肉眼で確認すると、色が透明又は無色の場合と、濃い藍色の場合がある。濃い藍色が［Ｍ（Ｒ）６］２＋の典型的な色であるため、色が透明又は無色の場合は上述のＳ３段階から繰り返して前記の溶液の色が濃い藍色になるようにする。
また、このような電位差の特性を有する相転移物質は、絶縁状態で密封された後、両端に導体からなる電極を有する回路を構成すると、熱電システムに応用できる。これに対する詳細な説明は後述する。
さらに、このような状態で化学式構造は［Ｍ（Ｒ）６］＋２（ｓ）と［Ｍ（Ｒ）４］（ｓ）が一定の比率で共存し、この比率は、密封作業を行ったときの周辺温度によって下記表３で見られるように、平均値であるｎを有する。
即ち、電位差を有する２状態が共存して熱力学的に平衡状態を維持することが分かる。
一方、本発明の相転移物質を用いたモジュール（module）の製造方法は、金属を真空状態に置いて空気中の水分と酸素を除去する段階（Ｓ６段階）と、前記金属を粉末又は薄片で準備し、非活性気体雰囲気で一面が開封された第１容器と第２容器に前記金属をそれぞれ注入し、それぞれの一面に溶媒を注入でき、真空状態にできる第１連結装置及び第２連結装置をそれぞれ繋げる段階（Ｓ７段階）と、前記第１、２連結装置により真空状態を一定時間維持した後に周辺温度を前記溶媒の沸点または凝固点に維持して温度平衡状態を誘導し、前記第１、２連結装置を介して前記溶媒を注入する段階（Ｓ８段階）と、前記第１、２容器内の金属と溶媒を均一に混合して溶液を製造する段階（Ｓ９段階）と、前記第１、２容器を−１０〜１０℃で保管して前記溶液を膨張させ、前記連結装置により流出させる段階（Ｓ１０段階）と、前記第１、２容器を常温で結合するがその間に絶縁体を挿入する段階（Ｓ１１段階）；を含むことができる。
先ず、Ｓ６段階は、上述のＳ１段階の内容と同一または類似するため、ここでの説明は省略する。
次に、Ｓ７段階は、前記金属を粉末や薄片で準備して非活性気体雰囲気で一面が開封された第１容器と第２容器にそれぞれ注入し、それぞれの一面に溶媒を注入でき、真空状態にできる第１連結装置及び第２連結装置をそれぞれ繋ぐ段階である。容器及び連結装置をそれぞれ２個ずつ使用している点を除いては、Ｓ２段階と類似するため、詳細な説明は省略する。
次に、Ｓ８段階は、前記第１、２連結装置により真空状態を一定時間維持した後に周辺温度を前記溶媒の沸点または凝固点に維持して温度平衡状態を誘導し、前記第１、２連結装置により前記溶媒を注入する段階である。上述のＳ３段階と類似するため、説明は省略する。
次に、Ｓ９段階は、前記第１、２容器内の金属と溶媒を均一に混合して溶液を製造する段階である。上述のＳ４段階と類似するため、説明は省略する。
次に、Ｓ１０段階は、前記第１、２容器を−１０〜１０℃で保管して前記溶液を膨張させ、前記連結装置により流出させる段階である。上述のＳ５段階と類似するため、説明は省略する。
次に、Ｓ１１段階は、前記第１、２容器を常温で結合するがその間に絶縁体を挿入する段階である。絶縁体は石英（quartz）を使用できる。
また、前記Ｓ１０段階で、前記溶液の色が濃い藍色になるように前記Ｓ８段階から繰り返す段階をさらに含むことができる。
ここで、前記金属としてリチウムを用いて溶液を製造する場合の特性を下記表４に表す。
上記表４のように、温度と濃度によって反応エンタルピーが吸熱反応あるいは発熱反応の特性を示し、常温に近くなるほどこのような特性はより鮮明に表れることが分かる。
即ち、前記金属の濃度が高いほど発熱反応の特性を表し、薄い濃度の領域で［Ｍ（Ｒ）６］＋２（ｓ）と［Ｍ（Ｒ）４］（ｓ）の場合は、吸熱反応の特性を表すため、温度差による電位差が生成される反応が行われるほど、外部の熱エネルギーを吸収しながら反応が行われることが分かる。
また、このような特性によって温度が高い熱源部位は、吸熱反応の特性が表れると共に、電位差が生成される純反応方向に行われ続け、前記熱源部位の反対部分は末端から気化されたＲ（ｇ）によって分圧が増加し、結局、ルシャトリエの原理によって逆方向への反応が行われてより大きい電位差が得られ、発熱反応を起こして熱源で発生する熱を放出させるようになる。
即ち、温度差が発生すると、高い温度部分で電圧を発生し、周辺の熱を吸収しながら、溶媒（Ｒ）が気化する。それにより分圧が増加して反対方向では逆方向に結合反応が起こると共に、周辺熱を放出し、反対電圧が生成することになる。これは、図６と図７により表す。
図６は、常温での本発明の相転移物質が温度差が１０℃の場合に生成される電圧を時間帯別に測定したグラフであり、図７は常温での本発明の相転移物質の温度差がなくなる場合に消滅される電圧を時間帯別に測定したグラフである。
図６及び７を参照すると、常温での温度差によって急激な電圧の上昇を表し、比例関係が維持され、線は一定の電圧に収束し、逆に常温での温度差をなくす場合は、熱的平衡状態に到達するまで一定の傾きの下降グラフを形成し、線はその後０（zero）に近い一定の電圧に収束することが分かる。
Claims (20)
- 配位結合を形成する金属及び前記金属を溶解できる溶媒を含むことを特徴とする相転移物質。
- 前記溶媒は、次式１により表される可逆的多段階相転移特性を有することを特徴とする請求項１に記載の相転移物質。
＜式１＞
[M(R)n]+a(s)+ae−(Ｒ溶液中) ⇔ [M(R)n−a](s)+aR(g) −Qn(J)
（Ｍ：金属、Ｒ：溶媒、ｎ＝１，２，…，６、ａ＝１，２，…，６、そしてＱｎ（Ｊ）：ｎ番目相転移段階の潜熱量） - 前記金属と溶媒の比率は、１：０．１〜１：６であることを特徴とする請求項２に記載の相転移物質。
- 前記金属は、リチウム、バリウム、ホウ素、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、カリウム、カルシウム、スカンジウム、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、セレニウム、ルビジウム、ストロンチウム、イットリウム、ニオビウム、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、インジウム、テルリウム、セシウム、ランタン系金属及びアクチニウム系金属からなる群から選ばれる少なくとも一つであることを特徴とする請求項１に記載の相転移物質。
- 前記溶媒は、アンモニア、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、メラミン又は主鎖の長さが炭素数４以下のアミン類及びその塩類、フェニルグループを含むアミン類及びその塩類、ポリエチレンアミンを含むアミドが主鎖に含まれた高分子、またはアミンが主鎖に連結されたポリアミン類であることを特徴とする請求項１に記載の相転移物質。
- 前記溶媒は、ジメチルジステアリルアンモニウム、トリメチルテトラデシルアンモニウム、トリメチルヘキサデシルアンモニウム、トリメチルオクタデシルアンモニウム、ベンジルトリメチルアンモニウム、ベンジルトリエチルアンモニウム、フェニルトリメチルアンモニウム及び芳香族４級アンモニウム、陽イオン性界面活性剤及び陽イオン性高分子からなる群から選ばれた少なくとも一つであることを特徴とする 請求項１に記載の相転移物質。
- 金属を真空状態に置いて空気中の水分と酸素を除去する段階（Ｓ１段階）；
前記金属を粉末又は薄片で準備し、非活性気体雰囲気で一面が開封された容器に前記金属を注入し、前記一面に溶媒を注入でき、真空状態にできる連結装置を繋ぐ段階（Ｓ２段階）；
前記連結装置により真空状態を一定時間維持した後に周辺温度を前記溶媒の沸点または凝固点に維持して温度平衡状態を誘導し、前記連結装置を介して前記溶媒を注入する段階（Ｓ３段階）；
前記容器内の金属と溶媒を均一に混合して溶液を製造する段階（Ｓ４段階）；
前記容器を−１０〜１０℃で保管し前記溶液を膨張させて前記連結装置により流出させる段階（Ｓ５段階）；を含むことを特徴とする相転移物質の製造方法。 - 前記Ｓ５段階は、前記溶液の色が濃い藍色になるように前記Ｓ３段階から繰り返す段階をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の相転移物質の製造方法。
- 前記溶媒は次式１により表される可逆的多段階相転移特性を有することを特徴とする請求項７に記載の相転移物質の製造方法。
＜式１＞
[M(R)n]+a(s)+ae−(Ｒ溶液中) ⇔ [M(R)n−a](s)+aR(g) −Qn(J)
（Ｍ：金属、Ｒ：溶媒、ｎ＝１，２，…，６、ａ＝１，２，…，６、そしてＱｎ（Ｊ）：ｎ番目相転移段階の潜熱量） - 前記金属と溶媒の比率は、１：０．１〜１：６であることを特徴とする請求項９に記載の相転移物質の製造方法。
- 前記金属は、リチウム、バリウム、ホウ素、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、カリウム、カルシウム、スカンジウム、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、セレニウム、ルビジウム、ストロンチウム、イットリウム、ニオビウム、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、インジウム、テルリウム、セシウム、ランタン系金属及びアクチニウム系金属からなる群から選ばれる少なくとも一つであることを特徴とする請求項７に記載の相転移物質の製造方法。
- 前記溶媒は、アンモニア、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、メラミン又は主鎖の長さが炭素数４以下のアミン類及びその塩類、フェニルグループを含むアミン類及びその塩類、ポリエチレンアミンを含むアミドが主鎖に含まれた高分子またはアミンが主鎖に連結されたポリアミン類であることを特徴とする請求項７に記載の相転移物質の製造方法。
- 前記溶媒は、ジメチルジステアリルアンモニウム、トリメチルテトラデシルアンモニウム、トリメチルヘキサデシルアンモニウム、トリメチルオクタデシルアンモニウム、ベンジルトリメチルアンモニウム、ベンジルトリエチルアンモニウム、フェニルトリメチルアンモニウム及び芳香族４級アンモニウム、陽イオン性界面活性剤及び陽イオン性高分子からなる群から選ばれた少なくとも一つであることを特徴とする請求項７に記載の相転移物質。
- 金属を真空状態に置いて空気中の水分と酸素を除去する段階（Ｓ１段階）
前記金属を粉末又は薄片で準備し、非活性気体雰囲気で一面が開封された第１容器と第２容器に前記金属をそれぞれ注入し、それぞれの一面に溶媒を注入でき、真空状態にできる第１連結装置及び第２連結装置をそれぞれ繋げる段階（Ｓ２段階）；
前記第１、２連結装置により真空状態を一定時間維持した後に周辺温度を前記溶媒の沸点または凝固点に維持して温度平衡状態を誘導し、前記第１、２連結装置を介して前記溶媒を注入する段階（Ｓ３段階）；
前記第１、２容器内の金属と溶媒を均一に混合して溶液を製造する段階（Ｓ４段階）；
前記第１、２容器を−１０〜１０℃で保管して前記溶液を膨張させ、前記連結装置により流出させる段階（Ｓ５段階）；
前記第１、２容器を常温で結合するがその間に絶縁体を挿入する段階（Ｓ６段階）；を含むことを特徴とする相転移物質を用いたモジュールの製造方法。 - 前記Ｓ５段階は、前記溶液の色が濃い藍色になるように前記Ｓ３段階から繰り返す段階をさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の相転移物質を用いたモジュールの製造方法。
- 前記溶媒は、次式１により表される可逆的多段階相転移特性を有することを特徴とする請求項１４に記載の相転移物質を用いたモジュールの製造方法。
＜式１＞
[M(R)n]+a(s)+ae−(Ｒ溶液中)⇔ [M(R)n−a](s)+aR(g) −Qn(J)
（Ｍ：金属、Ｒ：溶媒、ｎ＝１，２，…，６、ａ＝１，２，…，６、そしてＱｎ（Ｊ）：ｎ番目相転移段階の潜熱量） - 前記金属と溶媒の比率は、１：０．１〜１：６であることを特徴とする請求項１６に記載の相転移物質を用いたモジュールの製造方法。
- 前記金属は、リチウム、バリウム、ホウ素、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、カリウム、カルシウム、スカンジウム、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、セレニウム、ルビジウム、ストロンチウム、イットリウム、ニオビウム、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、インジウム、テルリウム、セシウム、ランタン系金属及びアクチニウム系金属からなる群から選ばれる少なくとも一つであることを特徴とする請求項１４に記載の相転移物質を用いたモジュールの製造方法。
- 前記溶媒は、アンモニア、エチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、メラミン又は主鎖の長さが炭素数４以下のアミン類及びその塩類、フェニルグループを含むアミン類及びその塩類、ポリエチレンアミンを含むアミドが主鎖に含まれた高分子またはアミンが主鎖に連結されたポリアミン類であることを特徴とする請求項１４に記載の相転移物質を用いたモジュールの製造方法。
- 前記溶媒はジメチルジステアリルアンモニウム、トリメチルテトラデシルアンモニウム、トリメチルヘキサデシルアンモニウム、トリメチルオクタデシルアンモニウム、ベンジルトリメチルアンモニウム、ベンジルトリエチルアンモニウム、フェニルトリメチルアンモニウム及び芳香族４級アンモニウム、陽イオン性界面活性剤及び陽イオン性高分子からなる群から選ばれた少なくとも一つであることを特徴とする請求項１４に記載の相転移物質を用いたモジュールの製造方法。
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