JPH11236636A - 熱伝導率可変材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度変化に応じて熱伝導率が自動的に変化す
る熱伝導率可変材料を提供すること。 【解決手段】 第１相である母相１の中に、温度変化に
伴い母相１に対して相対的に膨張又は収縮もしくは溶融
・固化する分散粒子２、例えば、母相１より熱膨張係数
の大きい分散粒子２、を、第２相として分散させると共
に、第３相である気孔３を母相１中、分散粒子２中、母
相１と分散粒子２の界面、の少なくとも一つに配し、温
度変化に伴い母相１又は分散粒子２を相対的に体積変化
もしくは変形させることにより、気孔３を生成・閉塞、
もしくは気孔３の分散形態を変化させ、これにより、熱
伝導率を可逆的に変化させるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱伝導率可変材料
に関し、さらに詳しくは、ディーゼルエンジンやガソリ
ンエンジンに用いられるピストン、熱交換器、エキゾー
ストマニホールド、エキゾーストバルブ、ディーゼルパ
ティキュレートフィルタ、マフラー、ボイラー等に好適
な熱伝導率可変材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来一般に用いられている材料は、それ
ぞれ固有の熱伝導率を有しており、その熱伝導率の値に
応じて材料の使い分けがなされている。例えば、自動車
部品を例にとると、ピストンには、軽量で熱伝導率の高
いＡｌ合金等が用いられる。高熱伝導率が必要とされる
理由は、エンジン内の温度が高くなりすぎると、ピスト
ンの強度が低下するため、エンジン内で発生した熱を効
率よく放散させる必要があるからである。

【０００３】また、ディーゼルエンジンから排出される
微粒子を捕集するためのディーゼルパティキュレートフ
ィルタには、熱伝導率の低いコージェライト等が用いら
れる。熱伝導率が低い材料、すなわち高い断熱性を有す
る材料を用いると、排ガスの熱が貯えられ、フィルタが
高温に保たれるので、捕集した微粒子を効率よく燃焼除
去することができるからである。

【０００４】これに対し、各種の部品に用いられる材料
の中には、単に熱伝導率の大小のみならず、強度、耐熱
性、耐食性等、他の特性と両立することが要求されるも
のがある。材料の熱伝導率は、材料の微構造や、材料中
に含まれる不純物元素、気孔、結晶粒界等の格子不完全
性の影響を受けることから、このような場合には、材料
の気孔率の制御や、材料の純度の制御等により、熱伝導
率と他の特性との両立を図るのが一般的である。

【０００５】また、特開平３−１３３３１号公報には、
厚み方向に多数の貫通孔を有する低熱膨張金属板と高熱
膨張金属板とを圧接一体化し、前記貫通孔から高熱膨張
金属を低熱膨張金属板表面に露出させ、これらの金属板
の厚さ比や、主面におけるこれらの金属板の露出面積を
適宜選定することにより、熱膨張係数及び熱伝導率の異
なる材料を得る方法が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、温度が変動
する条件下で使用される部品の中には、温度によって熱
伝導率の値が変わった方が望ましい場合がある。例え
ば、ディーゼルエンジンの場合、エンジン始動時の低負
荷下においては、エンジン燃焼室の壁面の温度が低いた
めに、すすが発生しやすいという問題がある。低負荷下
において発生するすすを低減するためには、エンジン燃
焼室の壁面を遮熱し、エンジン燃焼室の壁面の温度をで
きるだけ速く、すすの発生しにくい温度まで昇温させる
必要がある。

【０００７】そのため、ピストンは、上述したように、
通常運転時においては、熱伝導率の高い材料であること
が望ましいが、エンジン燃焼室の壁面の温度がすすの発
生しにくい温度に達するまでは、その熱伝導率は、でき
るだけ低い方が望ましい。

【０００８】一方、エンジン始動時の低負荷下において
発生した多量のすすは、ディーゼルパティキュレートフ
ィルタにより捕集されることになる。しかしながら、エ
ンジン始動直後は、フィルタの温度が低いために、多量
に発生したすすを捕集することはできても燃焼させるこ
とができず、エンジン始動直後に大きな圧力損失が生ず
るという問題がある。大きな圧力損失を避けるために
は、排ガスの熱をフィルタ全体に伝え、フィルタの温度
をできるだけ速く、すすの燃焼温度まで昇温させる必要
がある。

【０００９】そのため、ディーゼルパティキュレートフ
ィルタは、上述したように、通常運転時においては、熱
伝導率の低い材料であることが望ましいが、フィルタの
温度がすすの燃焼に適した温度に達するまでは、その熱
伝導率は、できるだけ高い方が望ましい。

【００１０】しかしながら、低温時には熱伝導率が低
く、高温時には熱伝導率が高くなる材料、または、その
逆に、低温時には熱伝導率が高く、高温時には熱伝導率
が低くなるような材料、すなわち、温度に応じて熱伝導
率が自動的に、かつ可逆的に変化する材料は、これまで
開発されていなかった。

【００１１】本発明が解決しようとする課題は、任意の
温度を境として、それより低温域では高い断熱特性を有
し、それより高温域では高い熱伝導特性を有する熱伝導
率可変材料、あるいはその逆に、任意の温度を境とし
て、それより低温域では高い熱伝導特性を有し、それよ
り高温域では高い断熱特性を有する熱伝導率可変材料を
提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に係る熱伝導率可変材料は、３つの相からな
り、第１相である母相の中に第２相である分散粒子を分
散させ、第３相である気孔を母相中、分散粒子中、母相
と分散粒子の界面、の少なくとも一つに配し、温度変化
に伴って気孔の大きさが変化するよう、母相又は分散粒
子が相対的に体積変化することを要旨とするものであ
る。

【００１３】例えば、気孔を母相中に配した場合には、
気孔をできるだけ扁平な形状とし、分散粒子の熱膨張率
を母相のそれより大きく、かつ、母相の剛性（弾性率）
を小さくすることが好ましい。これにより、低温時には
気孔により熱伝導率を低く、また、高温時には分散粒子
の熱膨張により母相が弾性変形して気孔を閉塞させるこ
とにより、熱伝導率を高くすることができる。

【００１４】また、気孔を分散粒子中に配した例では、
気孔をできるだけ扁平な形状とし、分散粒子の熱膨張率
を母相のそれより大きくすることが好ましい。これによ
り、低温時には気孔により熱伝導率を低く、また、高温
時には分散粒子の膨張により気孔を閉塞させることによ
り、熱伝導率を高くすることができる。

【００１５】さらに、気孔を母相と分散粒子の界面に配
した例では、分散粒子に隣接する気孔をできるだけ扁平
な形状とし、分散粒子の熱膨張率を母相のそれより大き
く、かつ、母相又は分散粒子のいずれか一方の剛性（弾
性率）を他方より小さくすればよい。これにより、低温
時には母相と分散粒子との界面には気孔が形成されるの
で熱伝導率を低く、また、高温時には母相又は分散粒子
が弾性変形して気孔を閉塞させることにより、熱伝導率
を高くすることができる。

【００１６】逆に、温度上昇に伴い母相に対して収縮す
る分散粒子を分散させた場合には、高温時には気孔が形
成されるので熱伝導率を低く、また、低温時には母相又
は分散粒子が弾性変形し、母相中、分散粒子中又は母相
と分散粒子の界面のいずれかに配した気孔を閉塞させる
ことにより熱伝導率を高くすることができる。

【００１７】また、母相に比べて融点が低い分散粒子を
用いた場合には、気孔の形状は、扁平な形状に限らなく
てもよい。さらに、気孔の体積率が変化しない場合で
も、気孔が変形し、その分散形態が変化することによ
り、熱伝導率を可変することもできる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を詳細
に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る
熱伝導率可変材料の概略構成図、及び低温時には熱伝導
率が低く、高温時には熱伝導率が高くなる特性（以下、
「逆温度特性」という）を発現させる方法を模式的に示
したものである。

【００１９】図１において、熱伝導率可変材料４は、第
１相である母相１と、第２相である分散粒子２と、第３
相である気孔３とからなっている。母相１は、熱伝導率
可変材料４を構成する主たる材料であり、熱伝導率可変
用の分散粒子２と気孔３以外の部分を意味する。母相１
としては、単一相から成る材料のみならず、２種以上の
相又は材料が混在している材料や、大きな結晶粒が微量
の粒界相によって結合している材料等を用いてもよく、
熱伝導率可変材料４に要求される特性を考慮して種々の
材料を選択することができる。

【００２０】分散粒子２は、温度変化に応じて、母相１
に対して相対的に膨張もしくは収縮するもの、又は大変
形するものであれば良く、特に限定されるものではない
が、図１の場合、分散粒子２として、母相１の熱膨張係
数α_m より大きい熱膨張係数α_d を有する材料が用いら
れている。

【００２１】また、この場合、母相１又は分散粒子２の
いずれか一方の弾性率が他方の弾性率より小さくなるよ
うに母相１及び分散粒子２の材質を選択すると良い。こ
のような条件を満たす材質の組み合わせを選択をする
と、高温時に分散粒子２が膨張して母相１と分散粒子２
とが密着する際に、弾性率の小さい方がより大きく弾性
変形し、気孔３の閉塞が容易化するからである。

【００２２】また、温度によって軟化する第２の分散材
料を予め混合しておいてもよい。これによって、母相１
と分散粒子２の弾性率差が小さくても気孔を閉塞させる
ことが可能となる。

【００２３】分散粒子２は、熱伝導率可変材料４の主要
部分を構成する母相１の粒界に沿って３次元ネットワー
ク状に分散しており、分散粒子２と母相１との界面に
は、三日月型の気孔３が隣接して形成されている。換言
すれば、図１に示す熱伝導率可変材料４は、母相１中に
３次元ネットワーク状に分散している球形の気孔３の内
部に、気孔３より径の小さい球形の分散粒子２が入った
状態になっているものである。

【００２４】なお、図２（ａ）に示すように、気孔３が
母相１中に均一に分散している場合と、図２（ｂ）に示
すように、気孔３を不連続な３次元ネットワーク状に分
散させた場合とを比較すると、気孔率が同一の条件下で
は、後者の熱伝導率の方がはるかに低くなることが本願
発明者らによって見出されている。そのため、図１に示
すように、母相１中に分散粒子２を３次元ネットワーク
状に分散させ、母相１と分散粒子２の界面に気孔３を配
したような微構造にすれば、温度変化に伴う熱伝導率変
化巾の大きい熱伝導率可変材料４を得ることができると
いう利点がある。

【００２５】また、図１では、球形の分散粒子２に隣接
して三日月型の気孔３が形成されている構造になってい
るが、分散粒子２の形状は、球形に限られるものではな
く、扁平な形状を有する分散粒子２に、扁平な形状を有
する気孔３が隣接して形成されていても良い。要は、温
度変化に応じて、気孔３が形成・閉塞可能なものであれ
ば、分散粒子２及び気孔３の形状は特に限定されるもの
ではない。

【００２６】次に、図１を参照しながら、逆温度特性が
発現する過程について説明する。まず、低温時において
は、母相１の粒界に沿って分散している分散粒子２と母
相１との界面には、三日月型の気孔３が形成された状態
にある。気孔３内部は、真空又は焼結時のガス等で満た
されていると考えられるが、真空中又は気体の熱伝導率
は、固体である母相１又は分散粒子２と比べて、著しく
低い。そのため、低温時における材料全体の熱伝導率
は、極めて低いものとなる。

【００２７】気孔３の内部は、低熱伝導性の発現のため
には、真空であることが好ましいが、焼結時のガス等で
満たされていてもよい。この場合は、ガスの存在により
気孔を完全に閉塞させることはできないが、固体や液体
に比べ収縮が容易である。

【００２８】しかし、温度を上昇させていくと、分散粒
子２の熱膨張係数α_d は、母相１の熱膨張係数α_m より
大きいので、分散粒子２が母相１に対して膨張し、母相
１と分散粒子２の界面に形成された気孔３が次第に小さ
くなる。さらに温度を上げると、ついには、母相１と分
散粒子２が密着し、気孔３が閉塞する。これにより、高
温時においては、気孔３より熱伝導率の高い分散粒子２
を経由して熱が伝達されるので、気孔３が閉塞する温度
を境として、熱伝導率可変材料４全体の熱伝導率が急激
に大きくなるものである。

【００２９】なお、さらに温度を上げていくと、分散粒
子２はさらに膨張しようとするが、母相１により拘束さ
れているため、それ以上膨張することができず、分散粒
子２は、母相１に密着したまま、母相１から圧縮応力を
受けることになる。

【００３０】一方、高温状態から低温状態へ温度を下げ
る場合には、上述の場合とは逆に、高温時には分散粒子
２は、母相１に密着しているために熱伝導率は高い値を
示す。また、分散粒子２は、母相１から圧縮応力を受け
た状態にある。

【００３１】しかし、分散粒子２の熱膨張係数α_dは、
母相１の熱膨張係数α_mより大きいために、温度を低下
させていくと、分散粒子２が母相１から受ける圧縮応力
は次第に低下し、ついには、分散粒子２と母相１との界
面に気孔３が形成される。その結果、気孔３が形成され
る温度を境として、熱伝導率可変材料４全体の熱伝導率
が急激に低下するものである。実際に使用される部品に
おいては、温度変化に伴い、このような熱伝導率変化が
可逆的に繰り返されることになる。

【００３２】これに対し、低温時には熱伝導率が高く、
高温時には熱伝導率が低くなる特性（以下、「正温度特
性」という）を発現させる場合は、逆温度特性を有する
熱伝導率可変材料の場合とは逆に、分散粒子２の熱膨張
係数α_d を、母相１の熱膨張係数α_m より小さくすれば
よい。これにより、分散粒子２は、低温時には、母相１
に密着しているが、温度の上昇に伴い、母相１と分散粒
子２との界面に気孔３が形成されるので、低温時には熱
伝導率を高く、高温時には熱伝導率を低くすることが可
能となる。

【００３３】以上の他、温度変化に応じて、母相１に対
して膨張又は収縮する分散粒子２の具体例としては、相
変態の際に、体積変化を伴う材料が挙げられる。例え
ば、形状記憶合金の一種であるＴｉＮｉ合金は、低温相
から中間相に変態する際に体積収縮を伴うので、これを
分散粒子２として用いれば、変態点以下の温度では熱伝
導率が高くなり、変態点以上の温度では熱伝導率が低く
なる正温度特性を有する熱伝導率可変材料を得ることが
できる。

【００３４】また、分散粒子２として通常の材料を用
い、母相１として形状記憶合金を用いてもよい。変態点
を境にして実際に収縮又は膨張するのは母相１である
が、母相１の内部にある分散粒子２から見れば、相対的
には母相１に対して分散粒子２が膨張又は収縮すること
になるからである。そのため、この場合には、変態点以
下の温度では熱伝導率が低くなり、変態点以上の温度で
は熱伝導率が高くなる逆温度特性を有する熱伝導率可変
材料を得ることができる。

【００３５】また、分散粒子２は、母相１より融点が低
く、かつ、固液変態の際に体積変化を伴う材料でも良
い。例えば、Ｎａは、融点が９８℃であり、固体から液
体に状態変化する際、体積膨張を伴うので、これを分散
粒子２として用いれば、融点以下の温度では熱伝導率が
低く、融点以上の温度では熱伝導率が高くなる逆温度特
性を有する熱伝導率可変材料を得ることができる。

【００３６】さらに、分散粒子２は、インバー効果を呈
する材料でも良い。例えば、インバー合金（Ｎｉ３６％
−Ｆｅ６４％）は、キュリー点以下の温度では、熱膨張
と自発体積磁歪とが相殺され、熱膨張率がほぼ０である
のに対し、キュリー点以上の温度では、体積磁歪が消失
し、熱膨張を生ずる。そのため、これを分散粒子２とし
て用いれば、分散粒子２は、キュリー点を境として母相
１に対して膨張又は収縮することになるので、キュリー
点以下の温度では熱伝導率が低くなり、キュリー点以上
の温度では熱伝導率が高くなる逆温度特性を有する熱伝
導率可変材料を得ることができる。

【００３７】また、分散粒子２として通常の材料を用
い、母相１としてインバー合金を用いても良い。キュリ
ー点を境として、実際に膨張又は収縮するのは母相１で
あるが、母相１の内部にある分散粒子２から見れば、相
対的には母相１に対して分散粒子２が膨張又は収縮する
ことになるからである。そのため、キュリー点以下の温
度では熱伝導率が高くなり、キュリー点以上の温度では
熱伝導率が低くなる正温度特性を有する熱伝導率可変材
料を得ることができる。

【００３８】次に、本発明の第２の実施の形態に係る逆
温度特性を有する熱伝導率可変材料の構成及び動作原理
について、図３を参照しながら説明する。図３におい
て、熱伝導率可変材料４は、図１に示す熱伝導率可変材
料と同様、母相１と、分散粒子２と、気孔３ａ、３ｂ、
…とからなっている。

【００３９】本実施の形態の場合、母相１には、分散粒
子２より剛性（弾性率）の小さい材料が用いられ、分散
粒子２には、母相１より熱膨張係数の大きな材料が用い
られている。また、分散粒子２は、母相１の内部に均一
に分散している状態にある。さらに、気孔３ａ、３ｂ、
…は、母相１と分散粒子２の界面ではなく、母相１の内
部に均一に分散している状態にある。

【００４０】なお、この場合、気孔３ａ、３ｂ、…は、
できるだけ扁平な形状とした方がよい。扁平な形状の方
が、気孔３ａ、３ｂ、…の生成・閉塞が容易になるから
である。また、気孔３ａ、３ｂ、…は、分散粒子２から
離れた位置に存在していればよく、母相１中であれば特
に限定されるものではない。例えば、母相１を構成する
結晶粒の内部に孤立して存在していてもよく、あるい
は、母相１の結晶粒界や粒界相の内部に存在していても
良い。

【００４１】このような構成を有する熱伝導率可変材料
４は、図３（ａ）に示しように、低温時には、母相１中
に多数の気孔３ａ、３ｂ、…を配した状態にあるため
に、熱伝導率は低い値を示す。しかし、温度を上昇させ
ていくと、分散粒子２の熱膨張係数α_dは、母相１の熱
膨張係数α_mより大きいので、分散粒子２が母相１に対
して膨張し、母相１内部に圧縮応力を発生させるように
なる。

【００４２】この時、母相１の弾性率は、分散粒子２の
弾性率より小さいので、分散粒子２の膨張によって発生
した圧縮応力により、母相１の方が大きく弾性変形す
る。そのため、図３（ｂ）に示すように、母相１中に分
散している気孔３ａ、３ｂ、…の内、気孔３ａのように
分散粒子２から孤立しているものは、そのまま閉塞しき
れずに残るが、気孔３ｂのように分散粒子２間に存在し
ているものは、母相１の弾性変形により閉塞することに
なる。その結果、気孔３ｂが閉塞する温度を境にして、
熱伝導率は急増する。

【００４３】一方、高温状態から低温状態へ温度を下げ
る場合には、上述とは逆に、高温時には分散粒子２が膨
張して母相１を弾性変形させ、気孔３ｂが閉塞した状態
にあるために、熱伝導率は高い値を示す。しかし、温度
を下げるに伴い、分散粒子２は収縮し、やがて母相１中
に気孔３ｂが形成されると、熱伝導率は急激に低下す
る。その結果として、低温時には、熱伝導率が低く、高
温時には熱伝導率が高くなる逆温度特性を発現するもの
である。

【００４４】なお、分散粒子２として、母相１より熱膨
張係数が小さく、かつ、母相１より弾性率の大きな材料
を用いれば、低温時には熱伝導率が高く、高温時には熱
伝導率が低くなる正温度特性を有する熱伝導率可変材料
を得ることができる点は、図１に示す熱伝導率可変材料
と同様である。

【００４５】次に、本発明の第３の実施の形態に係る逆
温度特性を有する熱伝導率可変材料の構成及び動作原理
について、図４を参照しながら説明する。図４におい
て、熱伝導率可変材料４は、図１に示す熱伝導率可変材
料と同様、母相１と、分散粒子２と、気孔３ｃ、３ｄ、
…とからなっている。

【００４６】本実施の形態の場合、分散粒子２には、母
相１より熱膨張係数が大きい材料が用いられる。また、
気孔３ｃ、３ｄ、…は、母相１と分散粒子２の界面及び
母相１中には存在せず、分散粒子２中に配した状態にあ
る。

【００４７】なお、気孔３ｃ、３ｄ、…は、扁平な形状
が望ましい点は、図３の熱伝導率可変材料４と同様であ
る。また、気孔３ｃ、３ｄ、…は、分散粒子２中に配し
た状態、すなわち分散粒子２で囲まれた状態にあればよ
い。例えば、単結晶からなる分散粒子２の内部に気孔３
ｃ、３ｄ、…が孤立して存在している状態でも良く、数
個の分散粒子２からなる２次粒子の内部に気孔３ｃ、３
ｄ、…が存在している状態でも良い。

【００４８】このように構成された熱伝導率可変材料４
は、低温時には、図４（ａ）に示すように、分散粒子２
内に多数の気孔３ｃ、３ｄ、…を配した状態にあるため
に、熱伝導率は低い値を示す。しかし、温度を上昇させ
ていくと、分散粒子２の熱膨張係数α_dは、母相１の熱
膨張係数α_mより大きいので、分散粒子２が母相１に対
して膨張しようとする。

【００４９】この時、図４（ｂ）に示すように、分散粒
子２内部に存在している気孔３ｃ、３ｄ、…の内、気孔
３ｃのように比較的大きなものは、そのまま閉塞しきれ
ずに残るが、気孔３ｄのように比較的小さなものは、分
散粒子２が大きく膨張することにより閉塞する。その結
果、気孔３ｄが閉塞する温度を境に、熱伝導率は急増す
る。

【００５０】一方、高温状態から低温状態へ温度を下げ
る場合には、上述とは逆に、高温時には分散粒子２の膨
張が母相１により拘束されているために、気孔３ｄは閉
塞し、熱伝導率は高い値を示す。しかし、温度を下げる
に伴い、分散粒子２は収縮し、やがて分散粒子２内に気
孔３ｄが形成されると、熱伝導率は急激に低下する。そ
の結果として、低温時には、熱伝導率が低く、高温時に
は熱伝導率が高くなる逆温度特性を発現するものであ
る。

【００５１】なお、分散粒子２として、母相１より熱膨
張率が小さい材料を用いれば、低温時には熱伝導率が高
く、高温時には熱伝導率が低くなる正温度特性を有する
熱伝導率可変材料を得ることができる点は、図１に示す
熱伝導率可変材料と同様である。

【００５２】さらに、図５は、本発明の第４の実施の形
態に係る熱伝導率可変材料の概略構成図を示したもので
ある。図５に示す熱伝導率可変材料４は、図１に示す熱
伝導率可変材料４と同様、母相１内部に分散粒子３を分
散させると共に、母相１と分散粒子２の界面に気孔３を
配したものであるが、分散粒子２を３次元ネットワーク
状に分散させず、均一分散させた点が異なるものであ
る。

【００５３】そして、図５に示す熱伝導率可変材料によ
れば、第１の実施の形態と同様、分散粒子２として、温
度上昇に伴い母相１に対して膨張するものを用いれば逆
温度特性を発現させることができ、また、温度上昇に伴
い母相１に対して収縮するものを用いれば、正温度特性
を発現させることが可能となる。なお、図１に示すよう
に、分散粒子２及び気孔３を３次元ネットワーク状に分
散させた場合に比べて、熱伝導率変化が小さくなる点
は、上述したとおりである。

【００５４】次に、本発明に係る熱伝導率可変材料の製
造方法について説明する。本発明に係る熱伝導率可変材
料の製造方法は、原料粉末調製工程と、成形工程と、加
熱工程とからなっている。

【００５５】まず、原料粉末調整工程においては、第１
相となる母相１粒子と、母相１に対して相対的に膨張又
は収縮する分散粒子２と、必要に応じて添加されるその
他の添加物とを均一に混合することが行われる。母相１
粉末は、熱伝導率可変材料４の主要部分を構成するもの
であり、要求される特性に応じて、単一組成からなる合
金粉や、２種以上の相を含む単一粉末、あるいは組成の
異なる２種以上の混合粉末が用いられる。

【００５６】分散粒子２は、温度変化に伴い母相１に対
して相対的に膨張又は収縮することにより熱伝導率可変
特性を発現させるものであり、その発現機構に応じて種
々の粉末が用いられる。例えば、熱膨張係数差を利用し
て逆温度特性を発現させたい場合には、分散粒子２とし
て、母相１より熱膨張係数の大きな材質からなる粉末を
用いればよい。また、分散粒子２内部に配された扁平な
気孔３の生成・閉塞により熱伝導率可変特性を発現させ
たい場合には、内部に扁平な気孔３を備えた分散粒子２
粉末を予め作製し、これを母相１粉末と混合すればよ
い。

【００５７】母相１に対する分散粒子２の配合比は、任
意であり、要求される熱伝導率可変特性や、機械的性質
などのその他の要求特性を考慮して、適宜最適な値を選
択すればよい。また、分散粒子２の粒径は、分散粒子２
を均一分散させる場合には、特に考慮する必要はなく、
要求特性に応じて任意に選択すればよい。

【００５８】しかしながら、分散粒子２を母相１中に３
次元ネットワーク状に分散させる場合には、分散粒子２
の粒径は、母相１粉末の粒径の１／５以下とすることが
望ましい。分散粒子２の粒径が母相１粉末の径の１／５
を越えると、断熱状態における熱伝導率が均一分散させ
た場合と同等になり、３次元ネットワーク分散の効果が
認められなくなるからである。

【００５９】その他の添加物は、焼結時に母相１の粒成
長を抑制したり、あるいは母相１と分散粒子２との反応
を抑制する必要がある場合等、必要に応じて適宜添加す
るものである。例えば、母相１と同一組成で粒径の小さ
い粒子、あるいは、母相１よりも高融点で粒径の小さい
粒子等を添加すると、分散粒子２を３次元ネットワーク
状に分散させやすくなる場合がある。

【００６０】また、扁平な気孔３を母相１中に分散させ
たい場合には、加熱・焼成時に揮発・燃焼除去される物
質、例えば、樹脂、黒鉛などで扁平な形状のものを添加
物として原料粉末中に添加すればよい。

【００６１】さらに、分散粒子２が凝集しやすい性質を
有する場合には、凝集しにくい性質を有する添加物を原
料粉末に加えると、分散粒子２の凝集が抑制されるので
効果的である。

【００６２】混合方法は、原料粉末を均一に混合できる
ものであれば良く、特に限定されるものではない。しか
しながら、母相１中に分散粒子を３次元ネットワーク状
に分散させるには、粒径の大きい母相１粉末表面に、母
相１粉末より粒径の小さい分散粒子２を連続的又は不連
続的に存在させたような原料粉末を調整する必要があ
る。この場合には、混合方法としては、母相１粉末表面
に分散粒子２をまぶす方法、あるいは、ボールミルや旋
回流体中で混合する方法が特に好適である。

【００６３】次に、成形工程においては、上述した原料
粉末調製工程において得られた原料粉末を、所定形状に
成形することが行われる。成型方法としては、種々の方
法が用いられるが、一軸プレス成形、又はＣＩＰが好ま
しい。成形圧力は、原料粉末の組成、流動性、粒径等に
より最適値が異なるので、原料粉末に応じて、適宜、調
製すればよい。

【００６４】最後に、加熱工程においては、上述した成
形工程において得られた成形体を、所定温度に加熱する
ことが行われる。焼結方法は特に限定されるものではな
く、常圧焼結法、真空焼結法、ガス圧焼結法等の各種の
方法を用いることができる。そして、焼結温度、保持時
間、焼結雰囲気等の加熱条件を最適化すれば、母相１粉
末同士が焼結すると共に、母相１中、分散粒子２内部、
あるいは母相１と分散粒子２との界面の少なくとも一つ
に気孔３が形成され、所望の熱伝導率可変特性を備えた
熱伝導率可変材料が得られるものである。

【００６５】（実施例１）本実施例は、母相１として平
均熱膨張係数が２３．２ｘ１０^-6／Ｋであるアルミニウ
ムを、又、分散粒子２として平均熱膨張係数が３４ｘ１
０^-6／Ｋである塩化ナトリウムを用い、母相１中に分散
粒子２を３次元ネットワーク状に分散させると共に、母
相１と分散粒子２の界面に気孔３を配した熱伝導率可変
材料の熱伝導率変化を検討した例である。

【００６６】母相１原料には、アルミニウム粉末（福田
金属箔粉工業；粒径６５〜１００μｍ、以下、これを
「粉末Ａ」とする）を用いた。また、分散粒子２には、
塩化ナトリウム粉末（高純度化学製；粒径５μｍに粉砕
したもの）を用い、さらに、その他の添加物として、ア
ルミニウム粉末及び鉄粉末（いずれも高純度化学製；粒
径５μｍ）の混合粉末を用いた。

【００６７】初めに、粒径５μｍのアルミニウム粉末及
び鉄粉末、並びに塩化ナトリウム粉末からなる原料粉末
をボールミルで均一に乾式混合した（以下、これを「粉
末Ｂ」とする）。次いで、粉末Ａに対して粉末Ｂを２０
ｖｏｌ％加え、さらにボールミルで乾式混合することに
より、粉末Ａの表面に粉末Ｂが均一に被覆された状態の
粉末を調製した。得られた粉末を一軸プレス成型法によ
り成形体とし、真空加熱炉（真空理工製高温真空ｍｉｎ
ｉｖａｃ−ＩＩ）を用いて、真空中（１μＴｏｒｒ）、
５６０℃で３０ｍｉｎ焼成することにより、熱伝導率可
変材料を得た。

【００６８】得られた熱伝導率可変材料の焼結密度ρ、
比熱Ｃ、熱拡散率κを測定した。焼結密度は、アルキメ
デス法により測定し、比熱及び熱拡散率は、レーザーフ
ラッシュ法熱定数測定装置（真空理工製ＵＬＶＡＣ Ｔ
Ｃ−３０００Ｈ−ＮＣ）を用いて測定した。測定温度
は、室温、１００℃、２００℃、３００℃、４００℃及
び５００℃とした。また、測定した焼結密度ρ、比熱
Ｃ、熱拡散率κを用いて、熱伝導率λを次式により求め
た。 λ＝ρＣκ

【００６９】作製した熱伝導率可変材料の熱伝導率λの
温度依存性を図６に示す。２００℃以下の低温では、分
散粒子２が３次元ネットワーク状に分散し、かつ、母相
１と分散粒子２の界面に気孔３が生成しているために、
熱伝導率可変材料４の熱伝導率は、母相１の熱伝導率
（２４０Ｗ／（ｍ・Ｋ））の約１／５に相当する５０Ｗ
／（ｍ・Ｋ）前後の低い値を示した。

【００７０】一方、測定温度が２００℃を越えると、温
度の上昇に伴い、熱伝導率は次第に大きくなり、４００
℃以上の高温では、熱伝導率可変材料４の熱伝導率は、
母相１の熱伝導率に近い２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）に達し
た。図６より、アルミニウム中に３次元ネットワーク状
に分散している塩化ナトリウム粒子とアルミニウムの界
面に生成した気孔３は、約２００℃から閉塞が始まり、
約４００℃でほぼ完全に閉塞することがわかる。

【００７１】以上の結果から、母相１内部に母相１より
熱膨張係数の大きな分散粒子２を３次元ネットワーク状
に分散させると共に、母相１と分散粒子２の界面に気孔
３を生成させると、低温時には熱伝導率が低く、高温時
には熱伝導率が高くなる逆温度特性を有する熱伝導率可
変材料が得られることがわかった。

【００７２】以上、本発明の実施の形態について詳細に
説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々
の改変が可能である。例えば、上記実施例では、分散粒
子２として母相１より熱膨張係数の大きな材料を用いた
が、分散粒子２として母相１より熱膨張係数の小さな材
料を用いれば、上記実施例とは逆に、低温時には熱伝導
率が高く、高温時には熱伝導率が低くなる正温度特性を
有する熱伝導率可変材料を得ることができる。

【００７３】また、上記実施例では、母相１に対して分
散粒子２を膨張又は収縮させる手段として、母相１より
熱膨張率の大きな材料を分散粒子２として用いている
が、それ以外にも、相変態の際に体積変化を伴う材料
や、インバー効果を呈する材料等を用いても良い。

【００７４】さらに、第３相である気孔３は、母相１
中、分散粒子２中、又は母相１と分散粒子２の界面の少
なくとも一つに配していれば良いが、母相１と分散粒子
２との組み合わせが適切であれば、気孔３は、母相１
中、分散粒子２中及び母相１と分散粒子２の界面の内の
いずれか２つ以上の位置に同時に配していても良く、こ
れにより上記実施例と同様の効果を得ることができる。

【００７５】

【発明の効果】以上のように本発明に係る熱伝導率可変
材料によれば、第１相である母相の中に第２相である分
散粒子を分散させ、第３相である気孔を母相中、分散粒
子中、母相と分散粒子の界面、の少なくとも一つに配
し、温度変化に伴い母相又は分散粒子を相対的に体積変
化させるようにしたので、温度変化に応じて気孔が生成
・閉塞、又は分散形態が変化し、熱伝導率を可逆的に変
化させることができるという効果がある。そのため、こ
れを例えば自動車部品に応用すれば、排ガスの浄化や燃
費の向上等に寄与するものであり、産業上、その効果の
極めて大きな発明である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る熱伝導率可変
材料の概略構成図、及び熱伝導率可変特性が発現する機
構の模式図である。

【図２】図２（ａ）は、母相中に気孔が均一に分散して
いる状態を示し、図２（ｂ）は、母相中に気孔が３次元
ネットワーク状に分散している状態を示す図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態に係る熱伝導率可変
材料の概略構成図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態に係る熱伝導率可変
材料の概略構成図である。

【図５】本発明の第４の実施の形態に係る熱伝導率可変
材料の概略構成図である。

【図６】アルミニウム中に塩化ナトリウムを３次元ネッ
トワーク状に分散させた場合の温度と熱伝導率との関係
を示す図である。

【符号の説明】

１ 第１相（母相） ２ 第２相（分散粒子） ３ 第３相（気孔） ４ 熱伝導率可変材料

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ０１Ｎ 3/02 ３０１ Ｆ０１Ｎ 3/02 ３０１Ｚ 7/16 7/16 (72)発明者 中北 清己 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 神谷 信雄 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１相である母相の中に第２相である分
   散粒子を分散させ、第３相である気孔を母相中、分散粒
   子中、母相と分散粒子の界面、の少なくとも一つに配
   し、温度変化に伴って気孔の大きさが変化するよう、母
   相又は分散粒子が相対的に体積変化することを特徴とす
   る熱伝導率可変材料。