JP5987699B2

JP5987699B2 - 電気レオロジーゲル、および熱伝導率可変成形体

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Publication number: JP5987699B2
Application number: JP2013003927A
Authority: JP
Inventors: 宏治櫻井; 秀伸安齊; 藤詞郎青山; 康弘柿沼
Original assignee: Fujikura Kasei Co Ltd
Current assignee: Fujikura Kasei Co Ltd
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2033-01-11
Also published as: JP2014133852A

Description

本発明は、工作機械、半導体製造装置、宇宙船用機器等の放熱が必要な装置に使用する放熱装置に好適な電気レオロジーゲル、および熱伝導率可変成形体に関する。

工作機械、半導体製造装置、宇宙船用機器等の装置において、外部から影響を受ける装置や部材（放熱対象部材）の温度を調節するには、サーモスタット等によって感知した温度を基に、放熱装置等を用いてこれら放熱対象部材の温度を調整する必要がある。放熱装置には、通常、熱伝導性に優れる材料が用いられる。

熱伝導性に優れる材料を用いた装置としては、例えば、２枚の板状の熱伝導性素材と、気体量を制御する機構（気体吸着材およびヒーター）と、熱伝導性素材を互いに離す方向に力を加えるバネとを外被材で被って密閉してなり、外被材で形成される閉空間内の気体量に応じて内外圧力差で厚みが変化する板状の熱伝導率可変板が提案されている（特許文献１参照）。該熱伝導率可変板は、蓄冷材と被冷却物が収容される庫内との間に設けられる。そして、蓄冷材を冷却して冷気を蓄える場合には、熱伝導率可変板の熱伝導率を低くすることにより庫内の温度が低下しすぎるのを防止する。一方、被冷却物を冷却する場合には、熱伝導率可変板の熱伝導率を大きくすることにより蓄冷材の冷気を大量に庫内に伝達でき、急速冷却が可能となる。

特開２０１０−２５５１１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の熱伝導率可変板は、気体吸着材、ヒータ、バネ等を備える必要があり、構造が複雑になりやすかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、構造が複雑にならずに、電気的に熱伝導率を変化させることができる電気レオロジーゲル、および熱伝導率可変成形体の提供を目的とする。

本発明者らは鋭意検討した結果、電圧を印加することで表面の粘着性が変化する電気レオロジーゲル（以下、「ＥＲゲル」ともいう。）に着目した。ＥＲゲルは、電圧制御で固定力を変化させることができ、電圧の変化に対する応答性に優れる。そこで、ＥＲゲルに熱伝導性に優れるフィラーを配合したものを用いることで、構造が単純な熱伝導率可変成形体が得られるとの着想に基づき、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は以下の態様を有する。
［１］ゲル骨格中に保持される電気絶縁性媒体に、電気レオロジー粒子と、熱伝導率が１５Ｗ／（ｍ・ｋ）以上であり、かつ電気伝導率が１×１０^２Ｓ／ｍ未満であるフィラーとが分散した電気レオロジーゲルであって、
前記フィラーの含有割合が、電気レオロジーゲルの構成材料（ただしフィラーを除く）の合計１００質量部に対して５質量部以上である、電気レオロジーゲル。
［２］シート状の前記［１］に記載の電気レオロジーゲルが１対の電極に挟まれた、熱伝導率可変成形体。
［３］電極基板上に正極と負極とが形成された電極板上に、シート状の前記［１］に記載の電気レオロジーゲルが積層した、熱伝導率可変成形体。

本発明によれば、構造が複雑にならずに、電気的に熱伝導率を変化させることができる電気レオロジーゲル、および熱伝導率可変成形体を提供できる。

本発明の熱伝導率可変成形体の一例を模式的に示す断面図である。図１に示す熱伝導率可変成形体に電圧を印加した状態を示す断面図である。図１に示す熱伝導率可変成形体の使用例を模式的に示す断面図である。本発明の熱伝導率可変成形体の他の例を模式的に示す断面図である。図４に示す熱伝導率可変成形体の電極板の一例を示す平面図である。実施例で用いたＥＲゲルの熱伝導率を測定する装置の概略構成図である。

以下、本発明について詳細に説明する。
［電気レオロジーゲル］
本発明の電気レオロジーゲル（以下、「ＥＲゲル」ともいう。）は、ゲル骨格中に保持される電気絶縁性媒体に、電気レオロジー粒子とフィラーとが分散したものである。

＜ゲル骨格を形成する物質＞
ゲル骨格を形成する物質としては、例えば、ポリシロキサン架橋体、ポリウレタン変性エポキシ樹脂架橋体、アクリル変性エポキシ樹脂架橋体、アクリル酸エステル系ポリマー架橋体、ポリスチレン系架橋体、ポリウレタン系架橋体、スチレン・ブタジエンゴム架橋体、ブタジエンゴム、イソプレンゴム等が挙げられる。これらの中では、特に電気絶縁性が優れ、化学的安定性が高く、その骨格内に電気絶縁性媒体を多量に保持可能であるポリシロキサン架橋体が好ましい。
ポリシロキサン架橋体としては、シリコーンオリゴマー（主剤）と不飽和基含有化合物（架橋剤）とのヒドロシリル化反応生成物が、製造の容易性から好ましい。

ここで、ポリシロキサン架橋体を構成するシリコーンオリゴマーとは、例えばシロキサン鎖のケイ素原子に結合した水素原子を持つジアルキルポリシロキサン（すなわち、ヒドロシリル基を有するシリコーンオリゴマー）であって、例えば下記式（１）で示される化合物が例示できる。

式（１）中、各Ｒ^１は互いに独立して置換もしくは無置換の炭素数１〜１８のアルキル基、炭素数７〜２１のアラルキル基、または、置換もしくは無置換の炭素数６〜２０のアリール基を示す。ｎ_１は０〜５００の整数である。

Ｒ^１で示されるアルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、オクチル基、ドデシル基等の無置換のアルキル基；トリフルオロプロピル基、クロロプロピル基等のハロゲン化アルキル基；２−シアノエチル基等のシアノアルキル基などが挙げられる。アラルキル基としては、例えば、ベンジル基、フェネチル基などが挙げられ、アリール基としては、例えば、フェニル基、トルイル基、ナフチル基などが挙げられる。
これらの中では、Ｒ^１はいずれもメチル基であることが好ましい。
また、ｎ_１は１０〜２００であることが好ましい。
前記式（１）で示される化合物のなかでも、特に好ましくは、下記式（１−１）の化合物である。

ポリシロキサン架橋体を構成する架橋剤としては、シリコーンオリゴマーとヒドロシリル化反応し、ポリシロキサン架橋体を合成可能なものであれば制限はないが、例えば下記式（２）で示される不飽和基を３つ以上含有する化合物が挙げられる。

式（２）中、Ｒ^２は水素原子、置換もしくは無置換の炭素数１〜１８のアルキル基、または、置換もしくは無置換の炭素数６〜２０のアリール基を示し、好ましくは水素原子またはメチル基である。
Ｒ^３は炭素数１〜１８のアルキレン基、炭素数７〜２１のアリールアルキレン基の他、ヘテロ原子数１〜６で炭素数１〜１２のヘテロ原子含有アルキレン基、または直接結合を示し、好ましくは、メチレン基や、ヘテロ原子数１〜６で炭素数１〜１２のヘテロ原子含有アルキレン基（アルキレン基中の炭素原子の一部がＯ、Ｓ、Ｎなどで置き換えられたもの）である−ＣＨ_２Ｏ−、−ＣＨ_２ＯＣＨ_２−、−ＣＨ_２ＯＣＨ_２ＣＨ_２−、−ＣＨ_２ＯＣＨ_２ＣＨ_２ＯＣＨ_２−が例示できる。

このような架橋剤の具体例を以下に示す。

ヒドロシリル化反応は、反応速度の温度依存性が大きいことから、シリコーンオリゴマーと架橋剤とを室温以下で混合し、その後加熱して反応を進行させることが好ましい。これはヒドロシリル化反応の大きな利点であって、これらを適度な粘性で混合し、成形した後加熱すれば、一挙に所望の形状の重合物が得られる。この場合の加熱温度としては、５０〜１５０℃が好ましく、６０〜１２０℃がより好ましい。

ヒドロシリル化反応を行う際には、触媒（ヒドロシリル化触媒）を使用することが好ましい。触媒としては、例えば白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、およびこれらの化合物などが挙げられる。これら触媒は、１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
これらの中では、特に白金または白金化合物が適していて、具体例としては、白金、塩化白金酸の他、アルミナ、シリカ、カーボンブラックなどの担体に固体白金を担持させたもの、白金−ビニルシロキサン錯体、白金−ホスフィン錯体、白金−ホスファイト錯体、白金アルコラート触媒が挙げられる。白金触媒の場合は、白金として、通常、シリコーンオリゴマーと架橋剤の合計１００質量部に対して、０．０００１〜０．０５質量部配合されるのが好ましい。

なお、ヒドロシリル化の進行が早すぎると、得られるＥＲゲルの初期粘度が高くなることがあるので、そのような場合には、硬化遅延剤を添加して初期粘度を調整してもよい。
硬化遅延剤としては、オルガノリン化合物、ベンゾトリアゾール化合物、ニトリル化合物、ハロゲン化炭素化合物、アセチレン化合物、スルホキシド化合物、アミン化合物、マレイン酸エステルが挙げられる。これら硬化遅延剤は、１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
これらの中でも、アセチレン化合物、ニトリル化合物、マレイン酸エステルが好ましい。硬化遅延剤を添加する場合、シリコーンオリゴマーと架橋剤の合計１００質量部に対して、０．０００１〜１．０質量部配合されるのが好ましい。

また、ヒドロシリル化反応が進行して得られるポリシロキサン架橋体の架橋密度は、上記式（１）で示されるシリコーンオリゴマーの分子量によりある程度決定されるが、シリコーンオリゴマーと架橋剤とは、下記数式（３）に従っている。この場合、特に、下記数式（３）の下限値が０．８で上限値が１．２である場合に、ＥＲゲル成形体として適した架橋密度が得られる。
なお、下記数式（３）において、化合物（１）とはシリコーンオリゴマーであり、化合物（２）とは架橋剤である。

たとえばゲル骨格を形成する物質がポリシロキサン架橋体である場合、ＥＲゲル中のポリシロキサン架橋体の含有割合は、ＥＲゲルの構成材料（ただし後述のフィラーを除く）の合計を１００質量％とした場合、５〜６０質量％が好ましく、１０〜５０質量％がより好ましい。ポリシロキサン架橋体の含有割合が上記範囲の下限値以上であると、後述する電気レオロジー粒子やフィラーを良好に保持できる網目構造が得られやすく、十分な強度を持ったＥＲゲルが得らやすい。一方、ポリシロキサン架橋体の含有割合が上記範囲の上限値以下であると、相対的に電気レオロジー粒子の良好な含有量を確保することができ、十分な電気レオロジー効果（ＥＲ効果）が得られやすい。

＜電気絶縁性媒体＞
電気絶縁性媒体としては、例えばシリコーンオイル、プロセスオイル、塩化ジフェニル、トランスオイル等が挙げられる。
電気絶縁性媒体は、絶縁破壊電圧、体積抵抗率などの電気的特性、経時安定性、難反応性などの化学的特性、熱伝導性に優れるフィラーとの流動性、分散性などのレオロジー特性等を総合的に加味して選定される。これらのなかでは、絶縁破壊電圧、体積抵抗率などの電気的特性に優れ、物理的、化学的に安定なため、長期に渡って安定した電気特性を発揮することができ、かつ、難燃性にも優れていることから、シリコーンオイルが好ましい。
さらに、後述するＥＲゲルの製造方法において、電気レオロジー粒子、フィラー、およびゲル骨格を形成するための主剤（例えばシリコーンオリゴマーなど）を含み、架橋剤を含まないＥＲゲルベースに電気絶縁性媒体を含有させることにより、該ＥＲゲルベースと架橋剤を混合し、反応させ硬化させてＥＲゲルを形成する工程における加工性、潤滑性およびＥＲゲル中のフィラーの分散性が向上し、得られるゲル骨格の機械的特性および熱伝導特性が向上する。

シリコーンオイルとしては、例えばジメチルシリコーンオイル、フッ素変性シリコーンオイル、フェニル変性シリコーンオイルが挙げられる。これらシリコーンオイルは、１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
フッ素変性シリコーンオイルとしては、例えばトリフルオロプロピル基（ＣＦ_３Ｃ_２Ｈ_４−）を有するポリシロキサン、ノナフルオロヘキシル基（Ｃ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_４−）を有するポリシロキサン、環状型ポリシロキサン化合物などが挙げられる。

プロセスオイルは、市販品を適宜用いることができる。絶縁破壊電圧、体積抵抗率などの電気的特性に優れ、物理的、化学的に安定性が高いものが好ましい。特に耐光性が良好であり、有害性成分の含有量が低い点で、パラフィン系オイル、ナフテン系オイルが好ましい。これらプロセスオイルは、１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
プロセスオイルの動粘度は特に制限されないが、４０℃において１０〜１０００ｍｍ^２／ｓが好ましく、２０〜５００ｍｍ^２／ｓがより好ましい。プロセスオイルの動粘度が上記範囲の下限値以上であると、沸点が高いためＥＲゲルの成形中に蒸発しにくく良好な成形安定性が得られやすい。一方、プロセスオイルの動粘度が上記範囲の上限値以下であると、ＥＲゲルの形成工程において硬化前の組成物の粘度が高くなりすぎず、良好な成形性が得られ、成形物に気泡痕が発生しにくい。

ＥＲゲル中の電気絶縁性媒体の含有割合は、ＥＲゲルの構成材料（ただし後述のフィラーを除く）の合計を１００質量％とした場合、５〜４０質量％が好ましく、１０〜３０質量％がより好ましい。電気絶縁性媒体の含有割合が上記範囲の下限値以上であると、ＥＲゲルの柔軟性向上効果が良好に得られやすく、良好な耐擦傷性が得られやすい。一方、電気絶縁性媒体の含有割合が上記範囲の上限値以下であると、ＥＲゲルの強度が適度に維持され、使用時の剪断応力でＥＲゲルが破壊されるのを防止できる。また、ＥＲゲルから電気絶縁性媒体が滲出しにくい。電気絶縁性媒体が滲出すると保持対象物の汚染や、保持対象物の滑落が生じるおそれがある。

＜電気レオロジー粒子＞
電気レオロジー粒子（以下、「ＥＲ粒子」ともいう。）としては、ゲル中に分散された状態で電界を印加するとゲル表面の粘着性が変化する電気レオロジー効果（ＥＲ効果）を発現可能なものであれば特に制限されず、公知のＥＲ粒子を適宜用いることができる。例えばシリカゲル、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などの、粒子の表面に水を吸着保有する固体粒子や、表面を絶縁処理したカーボン粒子などがある。
その他には、有機高分子化合物からなる芯体と、電気半導体性無機物粒子からなる表層とから形成された有機・無機複合粒子、または、有機・無機複合粒子の表層に親和性表面処理が施され、電気絶縁性媒体との親和性が高められている親和性有機・無機複合粒子も使用可能であり、これらを使用すると安定したＥＲ効果を発現し、保存安定性にも優れたＥＲゲルが得られる。これら有機・無機複合粒子および親和性有機・無機複合粒子の詳細および製造方法は、例えば、特開２００１−０２６７９３号公報、特開平１０−１２１０８４号公報、特開平０９−０７９４０４号公報などに記載されている。
また、無機物微粒子からなる芯体と、電気半導体性無機物からなる表層とから形成された無機複合粒子も使用できる。該無機複合粒子の詳細および製造方法は特開２０１１−４６７８５号公報に記載されている。

ＥＲ粒子の平均粒径は０．１〜１００μｍの範囲が好ましく、１〜５０μｍの範囲がより好ましい。ＥＲ粒子の平均粒径が上記範囲の下限値以上であると、印加する電圧が低くても優れた保持力が得られやすくなる。一方、ＥＲ粒子の平均粒径が上記範囲の上記範囲の上限値以下であると、平滑で強度が良好なＥＲゲルが得られやすい。
ＥＲ粒子の平均粒径測定方法としては、粒度分布測定装置を用い、１００μｍアパーチャーを使用し体積平均粒子径を測定する方法を用いることができる。

ＥＲゲル中のＥＲ粒子の含有割合は、ＥＲゲルの構成材料（ただし後述のフィラーを除く）の合計を１００質量％とした場合、３５〜９０質量％が好ましく、４５〜８５質量％がより好ましい。ＥＲ粒子の含有割合が上記範囲の下限値以上であると、十分なＥＲ効果が得られやすい。一方、ＥＲ粒子の含有割合が上記範囲の上限値以下であると、ＥＲゲルが硬くなりすぎず、電極との良好な密着性が得られやすい。

＜フィラー＞
フィラーの熱伝導率は１５Ｗ／（ｍ・ｋ）以上であり、２０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上が好ましい。フィラーの熱伝導率が上記下限値以上であると、後述する熱伝導率可変成形体に用い、電圧を印加したときに、十分な熱伝導性（熱伝導率の上昇）が得られる。フィラーの熱伝導率の上限値については特に制限されない。
フィラーの熱伝導率は、レーザーパルス光を用いるレーザーフラッシュ法によって算出できる。

フィラーの電気伝導率は１×１０^２Ｓ／ｍ未満であり、１×１０^−６Ｓ／ｍ以下が好ましい。フィラーの電気伝導率が上記上限値を超えると、後述する熱伝導率可変成形体に用い、電圧を印加したときに電極間の絶縁性が低下し、ＥＲ効果の発現の妨げとなる。その結果、電極とＥＲゲルとの密着性が低下し、フィラーの効果（すなわち、良好な熱伝導性）が得られなくなる。フィラーの電気伝導率の下限値については特に制限されない。

フィラーの電気伝導率は、以下の測定方法により求められる。
フィラー０．５ｇを、錠剤成型用冶具（φ＝１０ｍｍ、高さ２５ｍｍ）に入れ、常温かつ減圧下、油圧手動ポンプ（理研計器株式会社製、「Ｐ−１Ｂ」）を使用し、当該フィラーに１０ＭＰａの圧力を１０秒間加えて円板状の試料を成形する。
この試料の厚さ（前記高さ方向の長さ）と、円板状の試料における２平面間の電気抵抗値（Ω）とを計測し、下記数式（４）から電気伝導率を算出する。
電気伝導率［Ｓ／ｍ］＝電気抵抗値の逆数×試料の厚さ／試料断面（円形）の面積・・・（４）

このようなフィラーとしては、炭化ケイ素、酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ダイヤモンド、炭素粉、炭素繊維粉、カーボンナノチューブなどが挙げられる。これらフィラーは、１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

フィラーの平均粒径は０．２〜２０μｍの範囲が好ましく、０．５〜１０μｍの範囲がより好ましい。フィラーの平均粒径が上記範囲の下限値以上であると、ＥＲゲル内でのフィラーの分散コントロールが容易となる。一方、フィラーの平均粒径が上記範囲の上限値以下であると、フィラー粒子によるＥＲ効果発現の障害が起こりにくくなる。
フィラーの平均粒径は、ＥＲ粒子の平均粒径の測定方法と同様の方法により求められる。

ＥＲゲル中のフィラーの含有割合は、ＥＲゲルの構成材料（ただしフィラーを除く）の合計１００質量部に対して、５質量部以上であり、１０質量部以上が好ましい。フィラーの含有割合が上記範囲の下限値以上であると、後述する熱伝導率可変成形体に用い、電圧を印加したときに、十分な熱伝導性が得られる。フィラーの含有割合の上限値については、ＥＲゲルの硬度が上昇するのを抑制でき、電圧を印加したときに電極とＥＲゲルとの密着性を維持でき、フィラーの効果（すなわち、良好な熱伝導性）が得られやすくなる点で、４５質量部以下が好ましく、３０質量部以下がより好ましい。

＜その他の成分＞
ＥＲゲルに、塗料業界で一般的に用いられている種々の配合剤を、必要に応じて適宜、慣用量で加えることができる。配合剤の具体例としては、粘度を調整するための稀釈剤または増粘剤、顔料または染料等の着色剤、充填剤（ただし、前記フィラーを除く）、酸化防止剤、紫外線吸収剤等である。

＜ＥＲゲルの製造方法＞
ＥＲゲルの製造方法としては、特に限定されるものではなく、公知の方法を用いることができる。以下に、ＥＲゲルの製造方法の一例を示す。
まず、ＥＲ粒子およびフィラーと、必要に応じて配合剤とを電気絶縁性媒体に分散し、そこへゲル骨格を形成するための主剤（シリコーンオリゴマー）と架橋剤を添加し、均一化して混合物（Ｉ）を得る。次いで、該混合物（Ｉ）に触媒を添加し、均一化して混合物（II）を調製する。その後、該混合物（II）を型に流し入れて電圧を印加し、さらにシリコーンオリゴマーを硬化させる。なお、シリコーンオリゴマーの硬化後に電気絶縁性媒体の一部を除去してもよい。

以上により、ゲル骨格中に電気絶縁性媒体が保持され、該電気絶縁性媒体にＥＲ粒子およびフィラーが分散したＥＲゲルが得られる。

［熱伝導率可変成形体］
＜第一の実施形態＞
本発明の第一の実施形態の熱伝導率可変成形体は、図１に示すように、シート状の本発明のＥＲゲル１０が、正極２１および負極２２からなる１対の電極２０に挟まれて構成されている。
なお、本発明において、「熱伝導率可変」とは、必要に応じ、温度制御の対象とする部材と、冷却源もしくは加熱源との間に流れる、単位面積、単位時間当たりの熱量（熱伝導率）を変化させられることを意味する。
また、図１に示す熱伝導率可変成形体１は電圧を印加する前の状態であり、ＥＲゲル１０と電極２０との間には隙間が形成されている。
また、後述する図２〜５において、図１と同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略する。

ＥＲゲル１０は、ゲル骨格中に電気絶縁性媒体１１が保持され、該電気絶縁性媒体１１にＥＲ粒子１２およびフィラー１３が分散しているので、ＥＲ粒子１２およびフィラー１３が沈降しにくい。
ＥＲゲル１０の厚さは、０．３〜３．０ｍｍが好ましい。ＥＲゲル１０の厚さが上記範囲の下限値以上であると、耐久性が得られる。一方、ＥＲゲル１０の厚さが上記範囲の上限値以下であると、熱伝導率可変成形体１に電圧を印加したときに、熱伝導性が損なわれにくい。

正極２１および負極２２としては、熱伝導性に優れるものであれば特に制限されず、各種金属やグラファイトなどを用いることができる。なかでも、低コストであり、熱伝導性と電気伝導性とのバランスに優れる点で、アルミニウムや銅が適している。

熱伝導率可変成形体１は、上述した混合物（II）をシート状の型内で硬化させてシート状のＥＲゲル１０を製造し、正極２１、ＥＲゲル１０、負極２２の順で積層することで製造できる。
また、型内に正極２１を配し、該正極２１上に上述した混合物（II）を流し入れて硬化させ、正極２１とシート状のＥＲゲル１０を一体成形した後、ＥＲゲル１０上に負極２２を積層することでも製造できる。
なお、上記の製造過程において、正極２１と負極２２とを入れ替えてもよい。

スイッチ３１を入れて電源３２から熱伝導率可変成形体１に電圧を印加すると、図２に示すように、ＥＲゲル１０の表面近傍付近のＥＲ粒子１２の周辺に存在する、フィラー１３が分散した電気絶縁性媒体１１が、ＥＲゲル１０の表面近傍付近のＥＲ粒子１２間の谷を埋めるようにせり上がろうとする力が発現する。その結果、フィラー１３が分散した電気絶縁性媒体１１によりＥＲゲル１０の表面近傍付近のＥＲ粒子１２間の谷が埋まり、ＥＲゲル１０と電極２０との接触界面での密着性が高まり、電極２０がＥＲゲル１０に粘着固定される（ＥＲ効果の発現）。ＥＲゲル１０には、上述した熱伝導率が１５Ｗ／（ｍ・ｋ）以上であり、かつ電気伝導率が１×１０^２Ｓ／ｍ未満であるフィラー１３が配合されている。よって、ＥＲゲル１０と電極２０との密着性が高まると、熱が一方の電極（例えば負極２２）側からＥＲゲル１０を通って、他方の電極（例えば正極２１）側へと伝わりやすくなり、熱伝導性が発現される。

このように、本発明のＥＲゲルおよび本実施形態の熱伝導率可変成形体１は、電圧を印加すると、図２に示すように、ＥＲ効果によりＥＲゲル１０と電極２０との密着性が高まり、優れた熱伝導性を発現する。一方、スイッチ３１を切って電源３２から熱伝導率可変成形体１への電圧の印加を停止すると、図１に示すように、固定状態が解除される。その結果、熱が一方の電極（例えば負極２２）側から他方の電極（例えば正極２１）側へと伝わりにくくなり、熱伝導性が低くなる。
よって、本発明のＥＲゲルおよび本実施形態の熱伝導率可変成形体１によれば、電圧のＯＮ・ＯＦＦという簡単な操作により、電気的に熱伝導率を変化させることができる。しかも、気体吸着材やバネ等を用いることなく熱伝導率を変化させることができるので、構造が複雑になりにくい。特に、ＥＲゲル中の電気絶縁性媒体の含有割合を増やしたり、ＥＲゲルの架橋度合を変化させてＥＲゲルの柔軟性を高めたりすると、電圧を印加したときに熱伝導性がより向上する。

本実施形態の熱伝導率可変成形体１は、電気的に熱伝導率を変化させることができるので、工作機械、半導体製造装置、宇宙船用機器等の放熱が必要な装置や部材（以下、これらを総称して「放熱対象部材」）という。）に使用する放熱装置として好適である。
例えば、図３に示すように、放熱対象部材４０に本実施形態の熱伝導率可変成形体１の一方の電極（例えば負極２２）を接触させておく。そして、放熱対象部材４０に接続されたサーモスタット４１により放熱対象部材４０の温度を感知する。サーモスタット４１の設定温度よりも温度が高い場合には、サーモスタット４１と連動したスイッチ３１が入り、電源３２から熱伝導率可変成形体１に電圧が印加される。このとき、正極２１に取り付けられたヒートシンク４２と、ヒートシンク４２の下方に設置されたファン４３とが稼働する。すると、電極がＥＲゲル１０に粘着固定され、電極とＥＲゲル１０との密着性が高まる。その結果、放熱対象部材４０の熱が一方の電極（例えば負極２２）側からＥＲゲル１０を通って、他方の電極（例えば正極２１）側へと伝わり、ヒートシンク４２およびファン４３を介して放熱対象部材４０の熱を放出する。放熱対象部材４０の温度がサーモスタット４１の設定温度以下となれば、スイッチ３１が切られ、熱伝導率可変成形体１への電圧の印加、およびヒートシンク４２とファン４３の稼働が停止される。電圧の印加が停止すると固定状態が解除され、放熱が止まる。なお、図３においては、ＥＲゲル１０中のＥＲ粒子、およびフィラーを省略している。

＜第二の実施形態＞
本発明の第二の実施形態の熱伝導率可変成形体は、図４に示すように、電極基板５１上に正極５２と負極５３とが形成された電極板５０上に、シート状の本発明のＥＲゲル１０が積層して構成されている。また、この例の熱伝導率可変成形体２は、ＥＲゲル１０上に基材６０がさらに積層している。
図４に示す熱伝導率可変成形体２のＥＲゲル１０は、第一の実施形態の熱伝導率可変成形体のＥＲゲルと同様である。なお、図４においては、ＥＲゲル１０中のＥＲ粒子、およびフィラーを省略している。

電極板５０の電極基板５１を構成する材料としては、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート等の樹脂フィルム；ガラス；エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の樹脂板；アルミナ等のセラミック；などの公知の絶縁材料を適宜使用することができる。
正極５２および負極５３の形状は特に限定されないが、図５に示す櫛歯形状の他、渦巻形状や魚骨形状などが挙げられる。電極基板５１上に正極５２および負極５３を形成する方法は、エッチング、印刷、蒸着等公知の方法を使用できる。

基材６０としては、熱伝導率が１５Ｗ／（ｍ・ｋ）以上のものが好ましい。このような基材６０としては、アルミナ板、金属板などが挙げられる。また、基材６０としては、絶縁材料からなるものでもよい。これらの中でも電圧を印加したときのＥＲゲル１０との密着性に優れる点で、導電材料である金属板が好ましい。
基材６０の厚さは、０．３〜１０ｍｍが好ましい。基材６０の厚さが上記範囲の下限値以上であると、耐久性が得られる。一方、基材６０の厚さが上記範囲の上限値以下であると、熱伝導率可変成形体２に電圧を印加したときに、熱伝導性が損なわれにくい。
なお、基材６０は、それ自体が放熱対象部材であってもよい。機械加工ワーク、シリコンウエハ、ＭＥＭＳなどの対象物の加工、可動に伴う発熱を除去したいもので、電圧印加時にＥＲゲルに密着するものであれば、放熱対象部材になり得る。基材６０自体が放熱対象部材である場合、基材６０自体の熱伝導率や厚さは特に限定されない。

熱伝導率可変成形体２は、上述した混合物（II）をシート状の型内で硬化させてシート状のＥＲゲルを製造し、電極板５０、ＥＲゲル１０、基材６０の順で積層することで製造できる。
また、型内に電極板５０を配し、該電極板５０上に上述した混合物（II）を流し入れて硬化させ、電極板５０とシート状のＥＲゲル１０を一体成形した後、ＥＲゲル１０上に基材６０を積層することでも製造できる。
また、例えば型内に基材６０を配し、該基材６０上に上述した混合物（II）を流し入れて硬化させ、基材６０とシート状のＥＲゲル１０を一体成形した後、ＥＲゲル１０上に電極板５０を積層することでも製造できる。
さらに、本実施形態においては、電極板５０のＥＲゲル１０と接している側とは反対側の面に放熱対象部材を配置してもよい。その場合、基材６０がヒートシンクの役割を果たすことになる。

スイッチ（図示略）を入れて電源（図示略）から熱伝導率可変成形体２に電圧を印加すると、ＥＲゲル１０のＥＲ効果により電極板５０がＥＲゲル１０に粘着固定される。また、電圧を印加することで基材６０もＥＲゲル１０に粘着固定される。ＥＲゲル１０には、上述した熱伝導率が１５Ｗ／（ｍ・ｋ）以上であり、かつ電気伝導率が１×１０^２Ｓ／ｍ未満であるフィラーが配合されている。よって、ＥＲゲル１０と電極板５０との接触界面、およびＥＲゲル１０と基材６０との接触界面での密着性が高まると、熱が基材６０側からＥＲゲル１０を通って、電極板５０側へと伝わりやすくなり、熱伝導性が発現される。

このように、本発明のＥＲゲルおよび本実施形態の熱伝導率可変成形体２は、電圧を印加するとＥＲ効果によりＥＲゲル１０と電極板５０との密着性、およびＥＲゲル１０と基材６０との密着性が高まり、優れた熱伝導性を発現する。一方、スイッチを切って電源から熱伝導率可変成形体２への電圧の印加を停止すると固定状態が解除される。その結果、熱が基材６０側からＥＲゲル１０を通って、電極板５０側へと伝わりにくくなり、熱伝導性が低くなる。
よって、本発明のＥＲゲルおよび本実施形態の熱伝導率可変成形体２によれば、電圧のＯＮ・ＯＦＦという簡単な操作により、電気的に熱伝導率を変化させることができる。しかも、気体吸着材やバネ等を用いることなく熱伝導率を変化させることができるので、構造が複雑になりにくい。

本実施形態の熱伝導率可変成形体２は、電気的に熱伝導率を変化させることができるので、工作機械、半導体製造装置、宇宙船用機器等の放熱が必要な装置に使用する放熱装置として好適である。
例えば、第一の実施形態と同様にして、放熱対象部材（図示略）に本実施形態の熱伝導率可変成形体２の基材６０を接触させておく。そして、放熱が必要と判断されたときにはスイッチが入って電源から熱伝導率可変成形体２に電圧が印加される。このとき、電極板５０に取り付けられたヒートシンク（図示略）と、ヒートシンクの下方に設置されたファン（図示略）とが稼働する。すると、電極板５０および基材６０がＥＲゲル１０に粘着固定され、各接触界面での密着性が高まる。その結果、放熱対象部材の熱が基材６０側からＥＲゲル１０を通って、電極板５０側へと伝わり、ヒートシンクおよびファンを介して放熱対象部材の熱を放出する。放熱が不要と判断されれば、スイッチが切られ、熱伝導率可変成形体２への電圧の印加、およびヒートシンクとファンの稼働が停止される。電圧の印加が停止すると固定状態が解除され、放熱が止まる。

なお、本実施形態の熱伝導率可変成形体は図４に示すものに限定されない。図４に示す熱伝導率可変成形体２は、ＥＲゲル１０上に基材６０が積層して構成されているが、基材６０はなくてもよい。熱伝導率可変成形体が基材を備えていない場合、放熱が必要な装置等に熱伝導率可変成形体のＥＲゲルを接触させて使用すればよい。そして、放熱が必要となったときには熱伝導率可変成形体に電圧を印加すると、電極板がＥＲゲルに粘着固定され、装置の熱がＥＲゲル側から電極板側へと伝わり、熱を放出できる。

以下、本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
以下の例で使用した各原料は以下の通りである。

＜製造例１：ＥＲ粒子の製造＞
アンチモンドーピング酸化錫（石原産業株式会社製、「ＳＮ−１００Ｐ」、電気伝導率：１．０×１０^−２Ｓ／ｍ）２２．５ｇと、水酸化チタン（石原産業株式会社製、一般名：含水チタン、Ｃ−ＩＩ、電気伝導率：９．１×１０^−８Ｓ／ｍ）７．５ｇと、破砕アルミナ（住友化学工業株式会社製「ＡＬ−３２Ｂ」）１９０ｇの混合物に対して、ボールミルにて１００時間の粉砕処理（複合化前処理）を行った。
次いで、当該複合化前処理後の混合物に対して、ジェット気流処理機（株式会社奈良機械製作所製、「ハイブリダイザー」）を用い、周速７５ｍ／秒で３００秒間のジェット気流処理を行い、平均粒径５μｍのＥＲ粒子（無機複合粒子）を得た。
ＥＲ粒子の平均粒径は、粒度分布測定装置（ベックマン・コールター株式会社製、「コールターカウンターＭｕｌｔｉｓｉｚｅｒ２」）を用い、１００μｍアパーチャーを使用し体積平均粒子径を測定して求めた。

［実施例１］
＜ＥＲゲルの製造＞
まず、前記製造例１で得たＥＲ粒子を５０．０質量部と、フィラーとして酸化アルミニウム（昭和電工株式会社製、「ホワイトモランダム＃３０００」、熱伝導率：２１Ｗ／（ｍ・ｋ）、電気伝導率：１×１０^−１５Ｓ／ｍ、平均粒径５μｍ）５質量部とを、電気絶縁性媒体としてジメチルシリコーンオイル（東レ・ダウコーニング株式会社製、「ＳＨ−２００」、室温（２５℃）における粘度が１００ｍｍ^２／ｓ、比重が０．９７／２５℃、屈折率が１．４０２／２５℃である。）３３．９質量部中に均一に分散した。そこへ、ゲル骨格を形成するための主剤として上記式（１−１）で示される化合物１５．０３質量部と、架橋剤として上記式（２−１）で示される化合物０．９７質量部と、白金触媒０．１質量部とを添加し、これらをプロペラミキサーで均一に混合し、混合物を得た。
なお、白金触媒としては、白金濃度が１２．０質量％である白金ジビニルテトラメチルジシロキサン錯体を、ジメチルシリコーンオイル（東レ・ダウコーニング株式会社製、「ＳＨ−２００」、室温（２５℃）における粘度が１００ｍｍ^２／ｓ、比重が０．９７／２５℃、屈折率が１．４０２／２５℃である。）で、白金濃度が０．３質量％となるように希釈したものを用いた。

ポリフッ化エチレン樹脂系スペーサーを用いて上下を電気的に絶縁した一対の硬化時電界印加用の電極（ＳＵＳ板）の間に、前記混合物を流し入れた。該一対の電極間の距離は０．５ｍｍである。
この状態で、一対の電極に０．５ｋＶ／ｍｍの電圧を印加しつつ、熱成形プレス（北川精機株式会社製、「ＫＶＨＣ」）を用いて、１００℃で２５分間加圧加熱処理することによって混合物をシート状に硬化させ、シート状のＥＲゲル（ＥＲゲルシート）を得た。得られたＥＲゲルシートの厚さは０．５ｍｍであった。

＜評価＞
縦７０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ１５ｍｍ、重さ１３０ｇのアルミニウムブロックの片側表面に凹部を形成し、該凹部に熱電対を配置したものを２つ用意し、これらを電極として用いた。
まず、縦７０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板の上下を前記アルミニウムブロックの電極で挟み、試験片とし、アルミニウム板の熱量を以下のようにして求めた。なお、アルミニウム板の厚さ方向を上下方向とする。

アルミニウム板の熱量は、図６に示す測定装置１００を用いた。
試験片７０Ａの上側電極７１上に０．８Ｗ／ｃｍ、質量７００ｇのヒータ８１を配置した。次いで、上側電極７１に取り付けた熱電対７１ａと下側電極７２に取り付けた熱電対７２ａとを、ＰＣ収集レコーダ８２を介してＰＣ８３に繋ぎ、上側電極７１と下側電極７２の温度を測定できるようにした。
下側電極７２に取り付けられたヒートシンク４２と、ヒートシンク４２の下方に設置されたファン４３とを稼働させ、ヒータ８１にて試験片７０Ａを６０分間加熱し、加熱直後の上側電極７１と下側電極７２の温度を測定した。下記数式（５Ａ）から、アルミニウム板７３Ａの熱量を求めた。なお、アルミニウム板の熱伝導率を２３７Ｗ／（ｍ・ｋ）とする。
Ｑ＝λＡ（Ｔ_１−Ｔ_２）／ｄ・・・（５Ａ）
式（５Ａ）中、Ｑはアルミニウム板の熱量［Ｗ］であり、λはアルミニウム板の熱伝導率［Ｗ／（ｍ・ｋ）］であり、Ａはアルミニウム板の縦断面積（伝熱面積）［ｍ^２］であり、Ｔ_１は上側電極の温度［Ｋ］であり、Ｔ_２は下側電極の温度［Ｋ］であり、ｄはアルミニウム板の厚さ［ｍ］である。

次に、アルミニウム板７３Ａに代えて、縦７０ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのＥＲゲルシート７３Ｂを前記アルミニウムブロックの電極で挟み、試験片７０Ｂとした。
図６に示す測定装置１００を用い、試験片７０Ｂの上側電極７１上に０．８Ｗ／ｃｍ、質量７００ｇのヒータ８１を配置した。次いで、上側電極７１に取り付けた熱電対７１ａと下側電極７２に取り付けた熱電対７２ａを、ＰＣ収集レコーダ８２を介してＰＣ８３に繋ぎ、上側電極７１と下側電極７２の温度を測定できるようにした。
下側電極７２に取り付けられたヒートシンク４２と、ヒートシンク４２の下方に設置されたファン４３とを稼働させ、高圧電源８４から上側電極７１と下側電極７２に０．４ｋＶ、０．８ｋＶ、１．２ｋＶの電圧をそれぞれ印加しながら、ヒータ８１にて試験片７０Ｂを６０分間加熱し、加熱直後の上側電極７１と下側電極７２の温度を測定した。先に求めたアルミニウム板の熱量および下記数式（５Ｂ）から、各電圧を印加したときのＥＲゲルシート７３Ｂの熱伝導率を求めた。同様に、電圧を印加する前のＥＲゲルシート７３Ｂの熱伝導率も求めた。これらの結果を表１に示す。
Ｑ＝λ’Ａ’（Ｔ_１−Ｔ_２）／ｄ’ ・・・（５Ｂ）
式（５Ｂ）中、Ｑはアルミニウム板の熱量［Ｗ］であり、λ’はＥＲゲルシートの熱伝導率［Ｗ／（ｍ・ｋ）］であり、Ａ’はＥＲゲルシートの縦断面積（伝熱面積）［ｍ^２］であり、Ｔ_１は上側電極の温度［Ｋ］であり、Ｔ_２は下側電極の温度［Ｋ］であり、ｄ’はＥＲゲルシートの厚さ［ｍ］である。

また、ＥＲゲルシート７３Ｂの熱伝導率の結果から、下記数式（６）より熱伝導率の上昇率を求めた。結果を表１に示す。
熱伝導率の上昇率［％］＝｛（電圧印加印加時の熱伝導率−電圧印加前の熱伝導率）／電圧印加前の熱伝導率｝×１００・・・（６）

［実施例２〜１５、比較例１〜６］
フィラーの種類および配合量を表１〜３に示すように変更した以外は、実施例１と同様にしてＥＲゲルシートを製造し、評価した。結果を表１〜３に示す。

表１〜３中の略号は下記化合物を示す。
「アルミナ＃３０００」：酸化アルミニウム（昭和電工株式会社製、「ホワイトモランダム＃３０００」、熱伝導率：２１Ｗ／（ｍ・ｋ）、電気伝導率：１×１０^−１５Ｓ／ｍ、平均粒径５μｍ）、
「炭化ケイ素＃３０００」：炭化ケイ素（昭和電工株式会社製、「グリーンデンシック＃３０００」、熱伝導率：１８０Ｗ／（ｍ・ｋ）、電気伝導率：８×１０^−８Ｓ／ｍ、平均粒径４μｍ）、
「炭化ケイ素＃８０００」：炭化ケイ素（昭和電工株式会社製、「グリーンデンシック＃８０００」、熱伝導率：１９０Ｗ／（ｍ・ｋ）、電気伝導率：３×１０^−８Ｓ／ｍ、平均粒径１．２μｍ）、
「ＦＸ−３５」：カーボンブラック（電気化学工業株式会社製、「デンカブラックＦＸ−３５」、熱伝導率：２３０Ｗ／（ｍ・ｋ）、電気伝導率：２×１０^２Ｓ／ｍ、平均一次粒径２３ｎｍ）。

表１〜２から明らかなように、熱伝導率が１５Ｗ／（ｍ・ｋ）以上であり、かつ電気伝導率が１×１０^２Ｓ／ｍ未満であるフィラーを、電気レオロジーゲルの構成材料（ただしフィラーを除く）の合計１００質量部に対して５質量部以上含有する実施例１〜１５のＥＲゲルシートは、電圧を印加すると、印加前に比べて熱伝導率が上昇した。特に電圧を１．２ｋＶ印加すると、電圧の印加前に比べて熱伝導率の上昇率が１０％以上と高かった。
一方、熱伝導率が１５Ｗ／（ｍ・ｋ）以上であり、かつ電気伝導率が１×１０^２Ｓ／ｍ未満であるフィラーを含有するものの、その含有割合が電気レオロジーゲルの構成材料（ただしフィラーを除く）の合計１００質量部に対して５質量部未満である比較例１〜３のＥＲゲルシート、およびフィラーを含有しない比較例６のＥＲゲルシートは、電圧を印加しても熱伝導率の上昇率が実施例１〜１５に比べて低かった。
熱伝導率が２３０Ｗ／（ｍ・ｋ）であり、かつ電気伝導率が２×１０^２Ｓ／ｍであるフィラーを、電気レオロジーゲルの構成材料（ただしフィラーを除く）の合計１００質量部に対して１０質量部、または２０質量部含有する比較例４、５のＥＲゲルシートは、電圧を印加しても熱伝導率の上昇率が実施例２、４、９、１１、１５、１７に比べて低かった。

１熱伝導率可変成形体
２熱伝導率可変成形体
１０電気レオロジーゲル（ＥＲゲル）
１１電気絶縁性媒体
１２電気レオロジー粒子（ＥＲ粒子）
１３フィラー
２０電極
２１正極
２２負極
５０電極板
５１電極基板
５２正極
５３負極
６０基材
７１上側電極
７２下側電極
７３ＢＥＲゲルシート

Claims

ゲル骨格中に保持される電気絶縁性媒体に、電気レオロジー粒子と、熱伝導率が１５Ｗ／（ｍ・ｋ）以上であり、かつ電気伝導率が１×１０^２Ｓ／ｍ未満であるフィラーとが分散した電気レオロジーゲルであって、
前記フィラーの含有割合が、電気レオロジーゲルの構成材料（ただしフィラーを除く）の合計１００質量部に対して５質量部以上である、電気レオロジーゲル。
シート状の請求項１に記載の電気レオロジーゲルが１対の電極に挟まれた、熱伝導率可変成形体。
電極基板上に正極と負極とが形成された電極板上に、シート状の請求項１に記載の電気レオロジーゲルが積層した、熱伝導率可変成形体。