JP2013185728A

JP2013185728A - 熱流制御デバイス

Info

Publication number: JP2013185728A
Application number: JP2012049921A
Authority: JP
Inventors: Toshimi Fukui; 俊巳福井
Original assignee: Kansai Research Institute KRI Inc
Current assignee: Kansai Research Institute KRI Inc
Priority date: 2012-03-07
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2013-09-19

Abstract

【課題】微小領域での熱流の制御が可能な熱スイッチなどに適用出来る小型化可能で簡便な熱流制御が可能なデバイスを提供することにある。
【解決手段】電場を印加することが可能な対向する電極間に熱伝導性を有する粒子を分散媒中に分散させた電気レオロジー流体を充填することにより構成され、電極間に電場を印加することにより電気レオロジー流体を熱流制御層として機能させることにより、目的とする小型化可能で簡便な熱流制御が可能な熱流制御デバイスとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気レオロジー流体を用いた熱流制御デバイスに関する。より詳しくは、電場印加により、熱流の伝達量（熱伝達率）を制御可能な熱流制御デバイスに関する。

従来、発熱体を冷却などの熱流を制御する技術として、冷媒を発熱体に接触させて循環させたり、ファンを回して空冷したり、コンプレッサー方式で冷却する方法が用いられている。これらの方法は、熱流制御が難しい、熱回収効率が悪い、また、騒音が発生する等のデメリットがある。また、局部の冷却や急速冷却を必要とするときに使えないケースがある。

稼動部のないデバイスとしてヒートパイプがあり、その熱輸送は、ヒートパイプの蒸発部（加熱される側、即ち被放熱対象側である）と凝縮部との温度差により進行する。一方、ヒートパイプの蒸発部と凝縮部の温度差により作動が開始されてしまうと都合が悪い場合、コンダクタンスが可変である可変コンダクタンスヒートパイプが、特許文献１に開示されている。しかし、これらのデバイスは小型化が難しくその適用範囲が制限されている。

特許文献２には、（１）ソリッドステート・タイプで小型化が可能、（２）直流電流を流すだけで可動部分がないため取り扱いが簡単で騒音、振動がない、（３）±０．１℃の精度で高精度の温度コントロールが可能、（４）信頼性が高く密封部品としてノーメンテナンスで使用可能などの特徴を有するペルチェモジュールを用いた熱流制御方法が開示されている。しかし、この場合もそのサイズは厚みとして数ｍｍ程度が必要であり、小型化に限界がある。

一方、非特許文献1には、ｔｈｅｒｍａｌｄｉｏｄｅの概念が報告されている。ｔｈｅｒｍａｌｄｉｏｄｅは、種類の異なる1 次元非線形格子を繋げた系において、両端に異なる温度の熱源をつけることで接合系に温度勾配を与える。同じ温度差で向きを反転させた場合、界面熱抵抗は温度勾配の向きに依存して異なる値を持ち、結果として熱流も非対称性を持ち、系は熱流に対してダイオード効果を示すことが予測されている。しかし、現実的な系としての作成が困難であり、非特許文献２にカーボンナノチューブを用いた実験が報告されているのみである。

特開平10-122775号公報特開2007-17804号公報

小串典子他、数理解析研究所講究録、1539巻2007年139-148 C. W. Chang, D. Okawa, A. Majundar, and Z.Zettl, Science, 314, 1121 (2006).

微小領域での熱流の制御が可能な熱スイッチなどに適用出来る小型化可能で簡便な熱流制御が可能なデバイスを提供することにある。

熱伝導性を有する粒子を分散媒中に分散させた電気レオロジー流体が対向する電極間に挟み込まれることにより構成され、電極間に電場を印加することにより電気レオロジー流体を熱流制御層として機能させることにより、目的とする小型化可能で簡便な熱流制御が可能な熱流制御デバイスになることを見出し、以下に示す発明を完成させた。

［１］電場を印加することが可能な対向する電極間に熱伝導性を有する粒子を分散媒中に分散させた電気レオロジー流体を充填したことを特徴とする熱流制御デバイス。
［２］前記電気レオロジー流体を構成する粒子が金属、セラミックス、炭素材料及びダイヤモンドのいずれかの１以上であることを特徴とする前記［１］に記載の熱流制御デバイス。
［３］前記電気レオロジー流体を構成する分散媒がシリコーン系オイルであることを特徴とする前記［１］又は［２］に記載の熱流制御デバイス。
［４］前記電気レオロジー流体に接する前記電極表面が、電気絶縁性の高熱伝導膜で被覆されていることを特徴とする前記［１］〜［３］のいずれかに記載の熱流制御デバイス。

本発明によれば、微小領域での熱流の制御が可能な熱スイッチなどに適用出来る小型化された熱流制御デバイスが形成可能である。また、本発明の熱流制御デバイスは、電圧駆動のシステムであり、電流密度を非常に小さくできるため低消費電力で駆動可能なシステムとなり得る。

本発明の熱流制御デバイスの概念図本発明の熱流制御デバイス主要部を模式的に示す概略平面図及び断面図本発明の熱流制御デバイス主要部を模式的に示す概略断面図実施例に用いた評価用セルの主要部を模式的に示す概略断面図

本発明の熱流制御デバイスは、電場を印加することが可能な対向する電極間に熱伝導性を有する粒子を分散媒中に分散させた電気レオロジー流体を充填したもので、電極間に電場を印加することにより電気レオロジー流体を熱流制御層として機能させることを特徴としている。

本発明の電気レオロジー流体（以下、適宜「ＥＲ流体」と略称する。）は、電気絶縁性液体の分散媒の中に、固体微粒子を分散させた懸濁液である。この懸濁液は電場のかからない状態では流動性の高い液体であるが、電場をかけると高粘度の粘稠な物質に変化する。そして、この変化が可逆的で、迅速に起こるという特性を持っている。

本発明では、電気レオロジー特性を有する流体（ＥＲ流体）を熱流制御デバイスに適用し、電場の有無により図１に概念的に示した鎖状構造の形成により熱伝導率を変化させることが可能となる熱流制御デバイスを提供する。

前記ＥＲ流体を構成する粒子は、高い熱伝導率を有する粒子が用いられる。ＥＲ流体を構成することが可能な微粒子であり、高い熱伝導率を有するものであれば特に限定されないが、金属、セラミックス、炭素材料、又はダイヤモンドが好ましく用いられる。

高い熱伝導率を有する金属としては、Ａｕ（３２０Ｗ／ｍＫ）、Ａｇ（４２０Ｗ／ｍＫ）、Ｃｕ（３９８Ｗ／ｍＫ）、Ｓｉ（１６８Ｗ／ｍＫ）、Ａｌ（２３６Ｗ／ｍＫ）、Ｆｅ（８６Ｗ／ｍＫ）、Ｇｅ（６０Ｗ／ｍＫ）などが用いられる。

セラミックス粒子としては、ＳｉＣ（４１０Ｗ／ｍＫ）、ＡｌＮ（２００Ｗ／ｍＫ）、Ｓｉ３Ｎ４（２００Ｗ／ｍＫ）、ＴｉＣ（４０Ｗ／ｍＫ）などが用いられる。

炭素材料としては、黒鉛、グラフェン（〜５０００Ｗ／ｍＫ）、カーボンナノチューブ（〜３５００Ｗ／ｍＫ）、ダイヤモンド（〜２０００Ｗ／ｍＫ）などが用いられる。

ＥＲ流体に用いられる粒子の粒径は、用いられる粒子の種類により選定されるものであり、分散媒中で安定な分散状態が確保可能であり、電極間に電場を印加した場合に目的とする熱伝導率の変化を発現可能であれば特に限定されないが、１０ｎｍ〜５０μｍであることが好ましい。

本発明を構成するＥＲ流体の分散媒は、電気絶縁性を有する液体で、熱流制御デバイスを使用する温度範囲において液体であり、熱伝導性が分散粒子に比べ小さければ特に限定されず、従来のＥＲ流体に使用されている媒体のいずれもが使用可能である。すなわち、電気絶縁性および電気絶縁破壊強度が高く、化学的にも安定で、かつ前記粒子を安定に分散させ得るものであればいずれの媒体も使用可能である。

その例としては、水、塩化ジフェニル、セバチン酸ブチル、芳香族ポリカルボン酸高級アルコールエステル、ハロフェニルアルキルエーテル、トランス油、塩化パラフィン、フタル酸エステル、脂肪族ジカルボン酸エステル、フッ素系オイル、フロリナート、シリコーンオイル、フッ素変成シリコーンオイル等またそれらの混合物を挙げることができるが、好ましくは、１００℃以上の温度や０℃以下の温度で安定に使用可能なシリコーンオイル、フッ素変成シリコーンオイル等のシリコーン系オイルである。

また、上記ＥＲ流体には、前記粒子の分散性を向上させ、または流体組成物の電圧印加時の粒子配列状態を調節する等の目的で、前記の粒子以外の他の成分を添加することもできる。それらの例としては、高分子分散剤、界面活性剤、高分子増粘剤、消泡剤、酸化防止剤等を挙げることができる。またこのＥＲ流体には、目的とする特性が損なわれない範囲内で、例えば塩化ジフェニル、トランス油等の電気絶縁性油中にセルロース、でんぷん、大豆カゼイン、ポリスチレン系イオン交換樹脂、ポリアクリル酸塩架橋物、アジリジン化合物の重合体またはその架橋物等の固体粒子を分散させてなる従来のＥＲ流体を混合して使用することもできる。

本発明を構成するＥＲ流体は、通常のＥＲ流体が目的とする大きな粘度特性の変化による動力伝達素子や制動素子を目的とするのもではなく、電場印加時に図１に概念的に示した鎖状構造が形成可能であれば良く、又、初期状態での流動性が必要ないため、粒子添加比率は通常のＥＲ流体より大きな範囲で設定することが出来る。粒子添加比率は、５〜８０容積％が良い。５容積％より小さくなると鎖状構造の形成が困難となり、目的とする熱伝達特性の向上が発現しない。上限は限定されないが、８０容積％を超えると分散液の作成が困難となるため８０容積％で十分である。より好ましくは、５〜５０容積％である。

本発明の熱流制御デバイスに於いて、電極間での鎖状構造の形成のために十分な電気絶縁性を確保する必要がある。従って、高い電気伝導率を有する粒子を用いる場合、電極間での電気絶縁性を確保するためにＥＲ流体に接する電極表面を電気絶縁性の高熱伝導膜で被覆する。

また、電極のＥＲ流体と接する反対側の伝熱面も電極と直接接触すると問題がある場合は、電気絶縁性の高熱伝導膜で電極表面を被覆しても良い。あるいは、電極に接触させる熱媒体側に絶縁処置を施しても良い。

電気絶縁性の高熱伝導膜として、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ダイヤモンドなどを主成分とする膜が用いられる。膜厚は、目的とする電気絶縁性能が確保可能であれば特に限定されないが、５ｎｍ〜１μｍが好ましい。
電気絶縁性の高熱伝導膜は、ＣＶＤ、ＰＶＤ、スパッタ等の気相法や液相法などの一般に公知の手法で電極表面に形成される。

本発明の熱流制御デバイスの構成する電極間の距離は、ＥＲ流体として使用される粒子径により異なるためその下限は特に限定されないが、粒子径の５倍以上が好ましく、本発明で想定する最小粒径１０ｎｍの粒子を用いた場合、５０ｎｍ以上であることが好ましい。そして、電極間の距離は、１ｍｍを上限とする。１ｍｍを越えると鎖状構造を形成するための電場強度が高くなるため好ましくない。また、熱流制御デバイスとしての熱伝達効率を高くするためにも電極間距離が１ｍｍを越えることは好ましくない。

熱流制御デバイスの熱伝達面の形状及び面積は特に限定されない。目的とする用途に応じて形状及びサイズを決定する。

熱流制御デバイスのオンオフに必要な電界強度は、一般的なＥＲ流体と同レベルで駆動させ、１０ｋＶ／ｍｍを上限とする範囲で設定される。

次に、図２及び図３により熱流制御デバイスのより具体的な構成の一例を説明する。図２には、電熱面がほぼ正方形である熱流制御デバイス主要部の概略平面図とその一部断面図が模式的に示されている。図３は、図２の一点鎖線に沿った部分の断面図を示している。

本発明の熱流制御デバイスは、図３の断面図に示すように２枚の電極２が絶縁性パッキン７を挟んで組み立てられ、電極間の空間部にＥＲ流体５（図２では断面図で電極に隠れている点線の内側部分）が封入されている。そして、電極２と絶縁性パッキン７の外側は、シール材６（図２で斜線を引いた部分）でシールされている。両側の電極には導線（図示せず）が接続されており、導線はスイッチを介して電源に接続されており、スイッチがＯＮになったときに電圧がかかるようになっている。

ＥＲ流体は、図１に示すように分散媒３中に高熱伝導率粒子４を分散させたもので、電極に電圧が印加されていないときは、個々の粒子が分散媒中に離れて分散しており熱伝導性を示さないが、両端の電極に電圧が印加されると個々の粒子が鎖状構造を形成し、高い熱伝導性を示し、電極間の熱移動が促進される。電圧の印加により熱伝導率が高くなる理由は、電圧の印加により図１に示すように電極の垂直方向に高熱伝導率粒子４が鎖状構造を形成するためであろうと推察される。

本発明の熱流制御デバイスは、必要に応じて高温から低温への熱移動（冷却）又は低温から高温への熱移動（加温）を促進することが可能な装置として用いることができる。

＜ＥＲ流体の作成＞
２０容積％となるように秤量したナノダイアモンド（Carbodeon製、商品名uDiamond：Molto）を変性シリコーンオイル（信越化学製、Ｘ−２２−４９５２）に加えた後、ジルコニアボールを用いペイントシェーカで１時間処理することでダイヤモンドのシリコーンオイルに分散液を作成した。このように作製したＥＲ流体をＥＲ１とする。

２０容積％となるように秤量したＳｉＣ（昭和電工製、ＤＵＡ−２、平均粒径０．６μｍ）を変性シリコーンオイル（信越化学製、Ｘ−２２−４９５２）に加えた後、ジルコニアボールを用いペイントシェーカで１時間処理することでダイヤモンドのシリコーンオイルに分散液を作成した。このように作製したＥＲ流体をＥＲ２とする。

２０容積％となるように秤量したアトマイズアルミ粉末（ミナルコ製、＃１０００Ｆ）を変性シリコーンオイル（信越化学製、Ｘ−２２−４９５２）に加えた後、乳鉢で１０分間混練することでダイヤモンドのシリコーンオイルに分散液を作成した。このように作製したＥＲ流体をＥＲ３とする。

２０容積％となるように秤量したアトマイズ銅粉末（三井金属製、MA-C025K、平均粒径２．４μｍ）を変性シリコーンオイル（信越化学製、Ｘ−２２−４９５２）に加えた後、乳鉢で１０分間混練することでダイヤモンドのシリコーンオイルに分散液を作成した。このように作製したＥＲ流体をＥＲ４とする。

＜熱流制御特性の評価＞
熱水流による加熱用水路を設置したＣｕ電極上に０．５ｍｍ厚みのポリテトラフルオロエチレン製の絶縁性パッキンを設置し、パッキングの中央部の空間（２０ｘ２０ｘ０．５ｍｍ）にＥＲ流体を入れ、反対側の電極を被せた後、エポキシ封止剤で周囲を封止し評価用セルとした。ただし、ＥＲ流体としてＥＲ３及びＥＲ４を用いる場合、ＥＲ流体に接する側にＣＶＤ法よりＡｌＮ層（膜厚５０ｎｍ）を形成したＣｕ電極を使用して評価用セルを組み立てた。
図４に、この評価用セル主要部の概略断面図を模式的に示す。
片側電極側に設置した加熱用水路８に８０℃の温水を流し、反対側の電極部上部の温度変化を熱伝対９により測定することで熱流制御特性を評価した。
ＥＲ１〜４のサンプルにおいて、電界を付与しない場合、全てのセルにおいて８０℃の温水を流し始めて１０秒以内での反対電極上での明確な温度上昇は認められなかった。
一方、印加電圧５ｋＶで電界を付与した場合は、セルの加熱用水路８に温水を流し始めて電極部上部の温度が２５℃から４０℃に上昇するのに、ＥＲ１で４秒、ＥＲ２で５秒、ＥＲ３で８秒、ＥＲ４で７秒であった。
このように、上記評価の結果では、ER流体の種類によらず10秒以内での反対電極上の温度上昇が確認された。

本発明の熱流制御デバイは、より小型化が求められる微小領域での熱流の制御が可能な熱スイッチとして利用可能である。

１熱流制御デバイスの主要部
２電極
３高熱伝導率粒子
４分散媒
５ＥＲ流体
６シール材
７断熱性パッキン
８加温用水路
９熱伝対

Claims

電場を印加することが可能な対向する電極間に熱伝導性を有する粒子を分散媒中に分散させた電気レオロジー流体を充填したことを特徴とする熱流制御デバイス。
前記電気レオロジー流体を構成する粒子が金属、セラミックス、炭素材料及びダイヤモンドのいずれかの１以上であることを特徴とする請求項１に記載の熱流制御デバイス。
前記電気レオロジー流体を構成する分散媒がシリコーン系オイルであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱流制御デバイス。
前記電気レオロジー流体に接する前記電極表面が、電気絶縁性の高熱伝導膜で被覆されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱流制御デバイス。