JPWO2016152688A1 - 放熱調整構造、バッテリーパック、及び流体流通装置 - Google Patents

Abstract

熱発生源からの放熱を調整することができる放熱調整構造を提供する。熱スイッチ１２は、室温における熱抵抗が１．０×１０−５（ｍ２・Ｋ）／Ｗより大きく、かつ１００℃における熱抵抗が室温における熱抵抗の２／３以下である第一材料によって形成されている。熱スイッチ１２を、熱を発生する熱発生源の周囲に備えることにより、放熱調整構造１１を形成する。熱スイッチ１２の熱伝導が温度によって変化することにより、熱発生源からの放熱を調整する。

Description

本発明は、放熱を調整することができる放熱調整構造に関する。また、その放熱調整構造を備えるバッテリーパック、及び流体流通装置に関する。

近年ＣＯ_２の排出規制、エネルギー問題などから熱エネルギーの有効利用が求められている。熱を発生する装置において、熱が必要とされる場合と熱が不要とされる場合がある。例えば、ＥＶに搭載されるバッテリーパックでは、電池の温度が低くなると、抵抗が高くなるため、低温時には断熱性が求められる。その一方でバッテリーパックは、温度が高すぎると電解液の分解による発火が懸念されるため、高温時には放熱性が求められる。従って、同じ箇所で熱の流れを制御する技術が、熱の有効利用に繋がると考えられる。

このような技術としては、電極に挟まれた転移体にエネルギー（磁場、電場、光、熱など）を印加することで電子相転移を伴う熱伝導率を切り替える素子（特許文献１）、基材とカーボンナノチューブ層を有した基材とが接触する接続状態及び接触しない非接続状態を切り替えるスイッチ（特許文献２）が開示されている。

国際公開第２００４／０６８６０４号 国際公開第２０１２／１４０９２７号

しかしながら、特許文献１では、エネルギーを印加してスイッチの切り替えを行うため電極や配線等が必要である。また、特許文献２では、スイッチの接続状態を変化させるためにアクチュエータ等が必要である。このように、特許文献１及び特許文献２に記載のスイッチには、熱伝導率が変化するもの自体の他に、部品が必要となる。従って、スイッチが大型化したり、耐熱性などの観点から搭載場所が制限されたりする。さらに、複雑な形状のものを作製することは難しい。

本発明の課題は、熱発生源からの放熱を調整することができる放熱調整構造を提供することにある。また、その放熱調整構造を備えるバッテリーパック、及び流体流通装置を提供する。

本発明者らは、室温における熱抵抗が１．０×１０^−５（ｍ^２・Ｋ）／Ｗより大きく、かつ１００℃における熱抵抗が室温における熱抵抗の２／３以下である第一材料によって形成された熱スイッチを、熱を発生する熱発生源の周囲に備え、熱スイッチの熱伝導が温度によって変化することにより、熱発生源からの放熱を調整する放熱調整構造とすることにより、上記課題を解決することを見出した。上記課題を解決するため、本発明によれば、以下の放熱調整構造、それを備えるバッテリーパック、及び流体流通装置が提供される。

［１］ 室温における熱抵抗が１．０×１０^−５（ｍ^２・Ｋ）／Ｗより大きく、かつ１００℃における熱抵抗が室温における熱抵抗の２／３以下である第一材料によって形成された熱スイッチを、熱を発生する熱発生源の周囲に備え、前記熱スイッチの熱伝導が温度によって変化することにより、前記熱発生源からの放熱を調整する放熱調整構造。

［２］ 前記熱スイッチの体積比熱が１０００ｋＪ／ｍ^３Ｋより小さい前記［１］に記載の放熱調整構造。

［３］ 前記熱スイッチの厚みが２０ｍｍ以下である前記［１］または［２］に記載の放熱調整構造。

［４］ 前記熱スイッチの前記第一材料は、酸化物、窒化物、炭化物、炭素同素体、放射率可変素子、Ｍｏｔｔ絶縁体、金属−半導体相転移材料、及び金属−絶縁体相転移材料からなる群から選択されるいずれかによって形成されている前記［１］〜［３］のいずれかに記載の放熱調整構造。

［５］ 前記熱スイッチの前記第一材料は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＶＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ダイヤモンド、グラフェン、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー、及びコージェライトからなる群から選択される１種類以上を含む前記［４］に記載の放熱調整構造。

［６］ 前記熱スイッチは、前記第一材料からなる主層と第二材料である樹脂からなる樹脂層とを含む複合構造である前記［１］〜［５］のいずれかに記載の放熱調整構造。

［７］ 前記熱発生源の表面部と、前記主層との間に前記樹脂層が備えられている前記［６］に記載の放熱調整構造。

［８］ 前記樹脂層の厚みが１ｍｍ以下である前記［７］に記載の放熱調整構造。

［９］ 前記熱スイッチの前記熱発生源とは反対の表面に凹凸が形成されている前記［１］〜［８］のいずれかに記載の放熱調整構造。

［１０］ 前記熱発生源からの熱を前記熱スイッチを介して受熱する受熱体が流体であり、その流速が０．１ｍ／ｓ以上１０ｍ／ｓである前記［１］〜［９］のいずれかに記載の放熱調整構造。

［１１］ 前記［１］〜［１０］のいずれかに記載の放熱調整構造を備えたバッテリーパック。

［１２］ 前記［１］〜［１０］のいずれかに記載の放熱調整構造を備えた流体が流通する流体流通装置。

本発明の放熱調整構造は、室温における熱抵抗が１．０×１０^−５（ｍ^２・Ｋ）／Ｗより大きく、かつ１００℃における熱抵抗が室温における熱抵抗の２／３以下である第一材料によって形成された熱スイッチを、熱を発生する熱発生源の周囲に備えている。その熱スイッチは、室温における熱抵抗が１．０×１０^−５（ｍ^２・Ｋ）／Ｗより大きく、かつ１００℃における熱抵抗が室温における熱抵抗の２／３以下である第一材料によって形成されているため、低温時は熱伝導率が低く断熱し、高温時は熱伝導率が高く放熱する熱スイッチとして動作する。このように、熱スイッチの熱伝導が温度によって変化することにより、本発明の放熱調整構造は、熱発生源からの放熱を調整することができる。また、本発明で用いる熱スイッチは、周囲の温度変化により熱伝導率が変化するので、自立的な熱スイッチとなる。このため、駆動部などの部品の必要がなく、小型化でき、形状の自由度が高い。

本発明の実施形態１の一例を示す模式的断面図である。 本発明の実施形態２の一例を示す模式的断面図である。 本発明の実施形態２の他の一例を示す模式的断面図である。 第一材料の一例を示す模式図である。 第一材料の他の一例を示す模式図である。 主層と樹脂層とを含む複合構造の実施形態を示す模式的断面図である。 実施例１の結果を示す図であり、放電特性を示すグラフである。 実施例１の結果を示す図であり、電池表面温度を示すグラフである。 実施例２の評価装置を示す模式図である。 実施例２の結果を示す図であり、オイル温度を示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

（放熱調整構造）
本発明の放熱調整構造１１は、熱スイッチ１２を、熱を発生する熱発生源の周囲に備えたものである。熱スイッチ１２は、室温における熱抵抗が１．０×１０^−５（ｍ^２・Ｋ）／Ｗより大きく、かつ１００℃における熱抵抗が室温における熱抵抗の２／３以下である第一材料によって形成されている。熱スイッチ１２の熱抵抗が温度によって変化する、つまり熱伝導が温度によって変化することにより、熱発生源からの放熱を調整することが可能である。なお、本明細書において、室温とは、２５℃のことを意味する。

（実施形態１）
図１は、本発明の放熱調整構造１１の実施形態１を示す模式的断面図である。実施形態１は、熱スイッチ１２を含む放熱調整構造１１を備えたバッテリーパック２１である。バッテリーパック２１の周囲に熱スイッチ１２を備えることにより、放熱調整構造１１が設けられている。バッテリーパック２１は熱発生源である。バッテリーパック２１は複数の電池を含み、それらを電気的に接続してケース２２内に収容している。図１に示すように、バッテリーパック２１の周囲、すなわちケース２２の表面に、熱スイッチ１２を備えている。なお、図１の左側の図は、低温時にある放熱調整構造１１を示す。図１の右側の図は、左側の図よりも高温時にある放熱調整構造１１を示す。

バッテリーパック２１は、始動時には低温であるため、電気抵抗が高い。したがって、バッテリーパック２１の内部の熱をできるだけ放熱しないようにすることが好ましい。一方、バッテリーパック２１は、暖機完了後にはその内部の温度が高くなり、電解液分解による発火の懸念がある。したがって、バッテリーパック２１の内部の熱を放熱することが好ましい。

図１の左側の図に示す通り、熱スイッチ１２を含む放熱調整構造１１を備えたバッテリーパック２１は、始動時には熱スイッチ１２の熱抵抗が高く、断熱する。このため、電池反応による発熱を逃さず、早期に温度上昇し、適温に保持することができる。

一方、図１の右側の図に示す通り、熱スイッチ１２を含む放熱調整構造１１を備えたバッテリーパック２１は、バッテリーパック２１の暖機完了後には、バッテリーパック２１の内部温度が上昇するため、熱スイッチ１２の熱抵抗が低くなり、放熱する。このために、バッテリーパック２１の内部の熱を積極的に外部に放出して、適温に保持することができる。バッテリーパック２１の内部の熱を適温に保持すると、電解液の分解や燃焼を抑制することができる。

熱スイッチ１２を含む放熱調整構造１１を備えたバッテリーパック２１としては、リチウムイオン電池を含むバッテリーパック２１を挙げることができる。リチウムイオン電池は低温時において、充電する際にデンドライト成長しやすく、デンドライトがセパレータを破壊する恐れがある。このデンドライト成長による破壊を抑制するためには、低温時は充放電電流を大きくすることができない。一方、リチウムイオン電池は高温時において、劣化が進んでしまう。そこで、リチウムイオン電池に本発明の放熱調整構造１１を適用すると、放熱調整構造１１は低温時に断熱し、高温時に放熱するために、リチウムイオン電池の充放電電流を大きくしつつ、劣化を抑制することができる。

（実施形態２）
実施形態２は、熱スイッチ１２を含む放熱調整構造１１を備えた、流体が流通する流体流通装置である。流体が流通する流体流通装置としては、流体を流通させるポンプ、流路、流体が流通する熱交換器など、内部に流体が流れる装置を示す。また、流体としては、エンジンオイル、ギアオイルなどの油、水、エチレングリコール、エチレングリコールと水の混合溶液、空気などが挙げられる。流体は、熱発生源からの熱を熱スイッチ１２を介して受熱する受熱体である。

熱発生源からの熱を熱スイッチ１２を介して受熱する受熱体が流体である場合に、受熱体の流速は、０．１ｍ／ｓ以上１０ｍ／ｓ以下であることが好ましい。受熱体の流速が０．１ｍ／ｓ未満であると、受熱体の熱伝達率が小さくなり放熱性能が不十分となることがある。また流速が１０ｍ／ｓより大きいと、その流速を得るために必要なエネルギーが大きすぎたり、装置が大きすぎたりして好ましくないことがある。

図２は、熱スイッチ１２を含む放熱調整構造１１を備えたエンジンオイルの配管３２を示す。エンジンオイルの配管３２は熱発生源である。図２の左側の図は、低温時にある熱スイッチ１２を含む放熱調整構造１１を備えたエンジンオイルの配管３２を示す。図２の右側の図は、左側の図よりも高温時にある熱スイッチ１２を含む放熱調整構造１１を備えたエンジンオイルの配管３２を示す。

図２に示すように、エンジン３１はエンジン本体の下方にオイル・パン３３が備えられている。そして、エンジン３１にはエンジンオイルを配管３２等のエンジン３１の各部を潤滑させるためのオイル・ポンプ３５が設けられている。このオイル・ポンプ３５は、エンジンオイル中に設けられたオイル・ストレーナ３４によってエンジンオイルを吸引する。エンジンオイルは配管３２を通って、オイル・クーラー３６、オイル・フィルタ３７、オイル・ギャラリ３８を経て、エンジン３１各部を潤滑した後に、オイル・パン３３に戻る。

本発明の放熱調整構造１１は、エンジンオイルの流通する部分であればいずれの場所でも設置できる。特に、放熱しやすいオイル・クーラー３６、オイル・パン３３、オイル・ギャラリ３８からオイル・パン３３への配管３２、オイル・クーラー３６からオイル・フィルタ３７への配管３２、オイル・フィルタ３７からオイル・ギャラリ３８への配管３２に設置されることが好ましい。

エンジンオイルは低温時においてその粘性が高く、それがエンジン始動直後の燃費悪化の一因となっている。このため、低温時にはエンジンオイルの熱をできるだけ放熱しないようにすることが好ましい。一方、高温状態（例えば１２０℃）が長時間続くと、エンジンオイルが劣化してしまい、寿命が短くなってしまう。このため、高温時にはエンジンオイルの熱を放熱することが好ましい。

図２の左側の図に示す通り、本発明の放熱調整構造１１を備えたエンジンオイルの配管３２は、エンジン始動時には、エンジンオイルの配管３２の周囲に備えられた熱スイッチ１２の熱抵抗が高く、断熱する。このため、エンジンオイルの温度を早期に上昇させ、低温からの暖機時間を短くすることができる。更には、適温のエンジンオイルを冷めにくくすることができる。よって、エンジンオイルの粘性が低くなり、エンジンオイルと配管３２との摩擦が低減する。その結果、燃費を向上させることができる。

図２の右側の図に示す通り、本発明の放熱調整構造１１を備えたエンジンオイルの配管３２は、高温時には、エンジンオイルの配管３２の周囲に備えられた熱スイッチ１２の熱抵抗が低く、放熱する。このため、配管３２内の温度を適温に保持することができる。その結果、エンジンオイルの劣化を防止することができる。さらに、高温のエンジンオイルによる焼き付きも防止することができる。

図３は、本発明の放熱調整構造１１の実施形態２の他の一例を示す模式的断面図である。放熱調整構造１１を備えた流体が流通する流体流通装置として、トランスミッション５１が挙げられる。トランスミッション５１は熱発生源である。トランスミッション５１の周囲、すなわち外表面に熱スイッチ１２を備えて放熱調整構造１１が設けられている。図３の左側の図は、低温時にある放熱調整構造１１を備えたトランスミッション５１を示す。図３の右側の図は、左側の図よりも高温時にある放熱調整構造１１を備えたトランスミッション５１を示す。

図３の左側の図に示す通り、本発明の放熱調整構造１１を備えたトランスミッション５１は、低温時には、熱スイッチ１２の熱抵抗が高く、断熱する。このため、トランスミッションフルード（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｆｌｕｉｄ）の温度を早期に上昇させることができる。よって、粘性が低くなり、摩擦を低減することができる。

図３の右側の図に示す通り、本発明の放熱調整構造１１を備えたトランスミッション５１は、高温時には、熱スイッチ１２の熱抵抗が低く、放熱する。このため、トランスミッションフルードの温度を適温に保持することができる。その結果、トランスミッションフルードの劣化を防止することができる。さらに、高温のトランスミッションフルードによる焼き付きも防止することができる。

（熱スイッチの第一材料）
実施形態１、及び実施形態２に示した放熱調整構造１１を形成するための熱スイッチ１２は、室温における熱抵抗が１．０×１０^−５（ｍ^２・Ｋ）／Ｗより大きく、かつ１００℃における熱抵抗が室温における熱抵抗の２／３以下である第一材料によって形成されたものである。なお、第一材料は、より好ましくは１００℃における熱抵抗が室温における熱抵抗の１／２以下であり、更に好ましくは、１／３以下である。１００℃における熱抵抗が室温における熱抵抗の２／３以下であることにより、熱発生源からの放熱性と断熱性を調整することができる。熱スイッチ１２を備えない従来製品（例えば、バッテリーパックやエンジンオイルの配管）は、過熱による故障を防止するために、放熱性が確保されていることが多い。このため低温時には、温まりにくく、電池の充放電特性が低下したり、燃費が悪化したりする原因になる。このため、第一材料の室温における熱抵抗は、熱スイッチ１２を備えない従来製品を構成するアルミ、ステンレスなどの金属よりも大きいことが好ましい。したがって、室温における熱抵抗の値は、１．０×１０^−５（ｍ^２・Ｋ）／Ｗより大きいことが好ましい。

熱スイッチ１２が機能を発揮するためには、熱スイッチ１２自身の温度が周囲の環境に追従して低温、高温になる必要がある。そのためには、熱容量が小さくなることが好ましく（熱容量［ｋＪ／Ｋ］＝体積比熱［ｋＪ／ｍ^３・Ｋ］×体積［ｍ^３］）、体積が小さいことが重要である。熱スイッチ１２の厚みが薄いと、体積が小さくなり、熱容量も小さくなる。そうすると熱スイッチ１２自身が熱しやすく、冷めやすくなる。熱発生源の温度変化に対して、熱スイッチ１２自身も温度変化しやすくなり、熱伝導率も変化する。そこで、熱発生源の周囲に備えた熱スイッチ１２の厚みは２０ｍｍ以下であることが好ましい。より好ましくはその厚みが１０ｍｍ以下、さらに好ましくはその厚みが５ｍｍ以下である。熱スイッチ１２の厚みが２０ｍｍ以下であることにより熱スイッチ材料の体積が大きくなりすぎないので、熱発生源の温度変化に対する熱スイッチ１２の応答性が良くなる。

熱スイッチ１２が機能を発揮するためには、熱容量が小さくなることが好ましく、体積比熱が小さいことも重要である。そこで、熱スイッチ１２の体積比熱は、１０００ｋＪ／ｍ^３Ｋより小さいことが好ましい。体積比熱が１０００ｋＪ／ｍ^３Ｋ以上であると熱容量が大きくなり、熱スイッチ１２自身の温度変化が緩慢になり、低温、高温での機能（低温断熱、高温放熱）が十分に発揮されにくくなることがある。一方、体積比熱が小さいことには問題は無く、体積比熱が小さいほど熱スイッチの温度変化速度が速く、熱スイッチの機能が十分発揮される。

熱スイッチ１２の第一材料は、室温における熱抵抗が１．０×１０^−５（ｍ^２・Ｋ）／Ｗより大きく、かつ１００℃における熱抵抗が室温における熱抵抗の２／３以下のものである。さらに、このような物性を示すものであるとともに、酸化物、窒化物、炭化物、炭素同素体、放射率可変素子、Ｍｏｔｔ絶縁体、金属−半導体相転移材料、及び金属−絶縁体相転移材料からなる群から選択されるいずれかであることが好ましい。

その中でも、熱スイッチ１２の第一材料は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＶＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ダイヤモンド、グラフェン、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー、及びコージェライトからなる群から選択される１種類以上を含むことが好ましい。また、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４のいずれかを含むことがより好ましい。ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４のような高熱伝導なものを含むと、放熱状態と断熱状態の熱伝導率の差がより大きくなる。

熱スイッチ１２の第一材料が、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４といったセラミックス材料１を含むとき、セラミックス材料１はナノ粒子２から構成され、細孔表面積、細孔容積、平均細孔径が３．５＜（細孔表面積×平均細孔径／細孔容積）を満たし、熱伝導率が室温から１００℃にかけて単調増加することが好ましい。単調増加とは、室温から１００℃の間で、温度が上がれば、熱伝導率が増加することを意味し、温度が上がったにもかかわらず熱伝導率が減少するという領域がないということである。また、熱伝導率は、室温で２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが好ましく、１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることがより好ましい。なお、熱抵抗＝試料の厚み／熱伝導率である。

熱伝導は、フォノン及び伝導電子が担っているが、セラミックス材料１ではフォノンが支配的であり、気孔と粒子の界面は、粒子と粒子の界面よりもフォノンを散乱しやすい。本発明の熱スイッチ１２として用いることができるセラミックス材料１は、ナノ粒子２から構成され、細孔表面積、細孔容積、平均細孔径が３．５＜（細孔表面積×平均細孔径／細孔容積）を満たすことが好ましい。この条件を満たすと気孔の形状が、閉気孔に近い形状でもなく、球でもない。このため、気孔とナノ粒子の界面が多い。したがって、低温時の熱伝導率がより一層低くなりやすいため、熱伝導率の温度に対する変化率が向上する。なお、平均細孔径、細孔表面積及び細孔容積は水銀圧入法を用いて計測することができる。

また、３．５＜（細孔表面積×平均細孔径／細孔容積）を満たすセラミックス材料１を構成するナノ粒子２の粒径は、１０〜５００ｎｍであることが好ましく、１０〜３００ｎｍがより好ましく、１０〜２００ｎｍが更に好ましい。１０ｎｍより小さいと凝集しやすく、均一な焼結体が得られないことがある。特に、１ｎｍより小さいと、ナノ粒子２が非常に凝縮しやすくなるため、分散することが困難であり、均一な焼結体を得ることが難しい。また、５００ｎｍより大きいと、長い自由行程のフォノンが散乱され難くなる。

３．５＜（細孔表面積×平均細孔径／細孔容積）を満たすセラミックス材料１は、ナノ粒子２が結合して三次元網目状骨格構造を形成していることが好ましい。図４に示すように、ナノ粒子２は数珠繋ぎになった構造をしていることが好ましい。三次元網目状骨格構造を形成していることにより、粒子と気孔の界面が多くなる。

このようなナノ粒子２により構成されるセラミックス材料１の骨格の太さＬ_Ａはナノ粒子１〜１０個分であることが好ましい。なお、骨格の太さＬ_Ａとは、１０箇所測定した平均の値とする。骨格の太さＬ_Ａがナノ粒子１〜１０個分であることにより、低温では熱伝導を抑制し（断熱状態）、高温では熱伝導をほとんど抑制しない（放熱状態）セラミックスを製造できる。

また、骨格の太さＬ_Ａは、ナノ粒子２の結合部のネック太さＬ_Ｂに関連する。ネックとは、ナノ粒子２間の接触部のことである。ネック太さＬ_Ｂとは、接触部の長さであり、例えば、図４に示す部分の太さである。セラミックス材料１を形成するナノ粒子２の結合部のネック太さＬ_Ｂは５〜３００ｎｍであることが好ましい。より好ましくは５〜１００ｎｍであり、さらに好ましくは５〜５０ｎｍである。ネック太さＬ_Ｂが５ｎｍ以上であることにより、強度を保つことができる。また、３００ｎｍ以下であることにより、長い自由行程のフォノンが散乱されやすくなる。

さらに、３．５＜（細孔表面積×平均細孔径／細孔容積）を満たすセラミックス材料１の気孔率が５〜７０％であることが好ましい。より好ましくは１５〜６５％であり、さらに好ましくは３５〜６５％である。気孔率が５％以上であることにより、気孔３と粒子の界面が多くなるためフォノンを散乱しやすくなる。また、気孔率が７０％以下であることにより、強度を保つことができる。また、平均細孔径は１０〜１０００ｎｍであることが好ましい。より好ましくは１０〜５００ｎｍであり、更に好ましくは２０〜３００ｎｍである。平均細孔径が１０ｎｍ以上であることにより、熱伝導率が小さくなりすぎない。平均細孔径が１０００ｎｍ以下であることにより、強度を高くすることができる。

図５に、３．５＜（細孔表面積×平均細孔径／細孔容積）を満たし、ナノ粒子２の表面に異種材料４が存在し、ナノ粒子２同士が結合して構成されたセラミックス材料１を示す。図５のセラミックス材料１は、異種材料４がナノ粒子２の表面（ナノ粒子２とナノ粒子２の界面、気孔３とナノ粒子２の界面）を覆っている複合材料である。

異種材料４が存在することにより、ナノ粒子２とナノ粒子２の界面に異相が存在する。異相が存在する界面では、異相が存在しない界面よりもフォノンを散乱しやすい。このために、低温時の熱伝導率が低くなり、熱伝導率の温度に対する変化率が向上する。

また、異種材料４はナノ粒子２の表面を１０％以上覆っていることが好ましい。１０％以上覆われていれば、フォノンを散乱しやすくなる。

異種材料４はＯ、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、ＳｉおよびＹからなる群から選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましい。これらの異種材料４はフォノンが担う熱伝導の割合が高いために好ましい。

以上の３．５＜（細孔表面積×平均細孔径／細孔容積）を満たすセラミックス材料１の製造方法としては、例えば原料である前記ナノ粒子２を有機溶媒を用いて解砕し、乾燥後にプレス成形し、Ａｒ雰囲気または真空中で焼成温度１０００〜２０００℃、焼成圧力０〜８０ＭＰａ、焼成時間１〜３６０分の焼成条件で作製することができる。

（熱スイッチの第二材料）
本発明の放熱調整構造１１における熱スイッチ１２は、第一材料からなる主層１３と第二材料である樹脂からなる樹脂層１４とを含む複合構造であることが好ましい。図６に、主層１３と樹脂層１４とを含む複合構造の実施形態を示す。複合構造である熱スイッチ１２は、熱発生源の表面部１５と、主層１３との間に樹脂層１４が備えられていることが好ましい。樹脂層１４を備えると、主層１３と表面部１５の接着性が良くなる。これにより、主層１３と表面部１５の間の熱抵抗を小さくしたり、主層１３と表面部１５の剥がれを抑制したりできる。

樹脂層１４の厚みは１ｍｍ以下であることが好ましい。より好ましくは０．５ｍｍ以下であり、更に好ましくは０．３ｍｍ以下である。樹脂層１４の厚みが１ｍｍ以下であることにより、樹脂層１４の熱容量が大きくなりすぎない。これにより、熱スイッチ１２の熱抵抗が低いときには放熱性能を損なわず、熱抵抗が高いときには断熱性能を損なわない。

また、第二材料は、エチレンプロピレンジエンモノマー共重合体（ＥＰＤＭ）、エチレンプロピレン共重合体、ポリイミド、ポリアミドイミド、シリコーン、フッ素エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン、熱硬化性ポリイミド、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ酢酸ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）樹脂、アクリルニトリルスチレン（ＡＳ）樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド、ナイロン、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、環状ポリオレフィン、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフロロエチレン、ポリスルホン、ポリエーテルサルフォン、非晶ポリアリレート、液晶ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン、熱可塑性ポリイミド、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、メチルメタクリレートスチレン（ＭＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）から選ばれる材料であることが好ましい。

なお、熱スイッチ１２の熱発生源とは反対の表面に凹凸が形成されていることが好ましい。凹凸は、熱スイッチ１２自身の表面に形成されていても良いし、熱スイッチ１２の表面に凹凸のある金属などを備えることにより、形成していても良い。例えば、図６では、主層１３の外表面１３ｓに凹凸が形成されていても良いし、主層１３の外表面１３ｓに、表面に凹凸のある金属を備えていても良い。熱スイッチ１２の熱発生源とは反対の表面に凹凸が形成されていることにより、表面積が大きくなり放熱性が良くなったり、放熱時に強制対流を発生させた場合の熱伝達をあげることができる。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

［試験１］
（熱スイッチ）
（実施例１）
熱スイッチ１２として炭化ケイ素の多結晶体を用いた。熱スイッチ１２の厚みは０．１ｍｍであった。この多結晶体の熱伝導率を測定したところ、室温（２５℃）では２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、１００℃では７Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、熱抵抗は室温で５×１０^−５（ｍ^２・Ｋ）／Ｗ、１００℃では１．４×１０^−５（ｍ^２・Ｋ）／Ｗであった。なお、熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））＝熱拡散率×比熱×密度である。この式において、「熱拡散率」は、レーザーフラッシュ法により測定した。また、「比熱」は、示差走査熱量測定により測定した。「密度」は、アルキメデス法で測定した。また、熱抵抗＝熱スイッチ１２の厚み／熱伝導率である。アルキメデス法によって測定した密度と示差走査熱量測定によって測定した比熱の値から体積比熱を算出すると９８０ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）であった。

（比較例１〜３）
同様にして、比較例１〜３の試料を作製した。作製した熱スイッチの値を表１に示す。

（評価方法）
リチウムイオン電池（定格容量１８００ｍＡｈ）に接着剤を用いて熱スイッチ１２を貼り付け、放電特性、７．２Ａでの急速充電時の電池表面温度を測定した。熱スイッチ１２の熱発生源とは反対の表面に凹凸は形成しなかった。また、熱スイッチ１２を備えていないリチウムイオン電池も同様に測定した。雰囲気温度が−１０℃、流速３ｍ／ｓにおける放電特性の測定結果を図７に示す。また、電池表面の初期温度が３０℃の時から、７．２Ａで急速放電した時の、電池表面温度の温度変化の測定結果を図８に示す。なお、図７，図８において、実施例１が熱スイッチあり、比較例７が熱スイッチなしである。また、比較例１をａ、比較例２をｂ、比較例３をｃとして表した。

（評価結果）
図７に示すように、リチウムイオン電池の周囲に熱スイッチ１２を備えた場合、取り出せる電圧が約０．１Ｖ高くなった。また、７．２Ａで急速放電したときの熱スイッチ１２を備えた場合と備えていない場合の電池表面温度を比較した（図８）。熱スイッチ１２を備えた場合と備えていない場合の表面温度８０℃以上での温度差は３℃以下しかなかった。よって、熱スイッチ１２を備えても、放熱性は悪化しなかった。

さらに、図７に示すように、リチウムイオン電池の周囲にａ（比較例１）、ｂ（比較例２）、ｃ（比較例３）の試料を備えた場合、ａでは断熱性が向上したため取り出せる電圧が約０．１２Ｖ高くなったが、ｂ、ｃでは断熱性が良くないため取り出せる電圧に変化はなかった。また、７．２Ａで急速放電したときのａ、ｂ、ｃを備えた場合と備えていない場合の電池表面温度を比較した（図８）。ｂを備えた場合と熱スイッチを備えていない場合の表面温度８０℃以上での温度差は、最大２℃しか変わらず、放熱性の悪化はみられなかった。一方、ａ、ｃを備えた場合には熱スイッチを備えていない場合と比べて、それぞれ最大８℃、６℃高くなっており、ａ、ｃを備えると、放熱性が悪化したといえる。

以上より、実施例１，比較例１の試料は、室温（２５℃）における熱抵抗が１．０×１０^−５（ｍ^２・Ｋ）／Ｗより大きく、断熱性が良好であった。（１００℃における熱抵抗）／（室温における熱抵抗）は、実施例１，比較例２は、２／３以下であり、温度が上昇したとき、熱抵抗が下がり、放熱性に優れていた。したがって、室温における熱抵抗が１．０×１０^−５（ｍ^２・Ｋ）／Ｗより大きく、（１００℃における熱抵抗）／（室温における熱抵抗）が、２／３以下である実施例１は、断熱性と放熱性に優れており、これを備えたリチウムイオン電池は、性能が向上した。

［試験２］
（熱スイッチ）
（実施例２）
熱スイッチ１２として炭化ケイ素の多結晶体を用いた。熱スイッチ１２の厚みは０．１ｍｍであった。この多結晶体の熱伝導率を測定したところ、室温（２５℃）では２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、１００℃では７Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、熱抵抗は室温で５×１０^−５（ｍ^２・Ｋ）／Ｗ、１００℃では１．４×１０^−５（ｍ^２・Ｋ）／Ｗであった。アルキメデス法によって測定した密度と示差走査熱量測定によって測定した比熱の値から体積比熱を算出すると９７０ｋＪ／（ｍ^３・Ｋ）であった。

（比較例４〜６）
同様にして、比較例４〜６の試料を作製した。作製した熱スイッチの値を表１に示す。なお、比較例４〜６の試料は、比較例１〜３の試料と同じである。

（評価装置）
図９に示す評価装置を作製した。この評価装置は、オイルが円筒型ヒーター６１、チューブ６２、クーラー６８、ポンプ６３、流量計６５を循環するものである。円筒型ヒーター６１を直流電源で通電して発熱させることでオイルが温まり、円筒型ヒーター６１通過後のオイルの温度を熱電対６７で計測する。

（評価方法）
円筒型ヒーター６１の外周に接着剤を用いて熱スイッチ１２を貼り付けた。熱スイッチ１２の熱発生源とは反対の表面には凹凸を形成しなかった。ヒーターを２００Ｗで発熱させ、流速５ｍ／ｓでオイルを流したときのオイルの温度が、１００℃になるまでの時間（温度上昇速度）を測定した。また、オイルの温度が１００℃を超えてからの温度上昇速度も測定した。同様にして、熱スイッチ１２を備えていない評価装置についても測定した。測定結果を図１０に示す。なお、図１０において、実施例２が熱スイッチあり、比較例８が熱スイッチなしである。また、比較例４をｄ、比較例５をｅ、比較例６をｆとして表した。

（評価結果）
熱スイッチ１２で覆った場合、オイル温度が６０℃までの温度上昇速度は１．５℃／秒であり、熱スイッチ１２で覆っていない場合の温度上昇速度である１．０℃／秒よりも速くなった（熱スイッチ１２による断熱性の効果）。また、オイルの温度が１００℃を超えてからの温度上昇速度は熱スイッチ１２で覆った場合は１．０℃／秒、熱スイッチ１２で覆っていない場合は０．９８℃／秒であり、同程度であった（熱スイッチ１２の放熱性の効果）。

ｄ（比較例４）の試料で覆った場合、オイル温度が６０℃までの温度上昇速度は１．４℃／秒であり、ｄを備えていない場合の温度上昇速度である１．０℃／秒よりも速くなった（ｄによる断熱性の効果）。ｅ（比較例５）、ｆ（比較例６）の試料を備えた場合の温度上昇速度は１．０℃／秒であり、ｅ、ｆによる断熱効果はみられなかった。また、オイルの温度が１００℃を超えてからの温度上昇速度はｅの試料で覆った場合は１．０℃／秒であり、ｅを備えていない場合の温度上昇速度０．９８℃／秒と同程度であった（ｅの放熱性の効果）。ｄ、ｆの試料を備えた場合の温度上昇速度は１．４℃／秒であり、ｅ、ｆにより放熱性が悪化したといえる。

以上より、実施例２，比較例４の試料は、室温（２５℃）における熱抵抗が１．０×１０^−５（ｍ^２・Ｋ）／Ｗより大きく、断熱性が良好であった。（１００℃における熱抵抗）／（室温における熱抵抗）は、実施例２，比較例５は、２／３以下であり、温度が上昇したとき、熱抵抗が下がり、放熱性に優れていた。したがって、室温における熱抵抗が１．０×１０^−５（ｍ^２・Ｋ）／Ｗより大きく、（１００℃における熱抵抗）／（室温における熱抵抗）が、２／３以下である実施例２は、断熱性と放熱性に優れており、これを備えたヒーターは、性能が向上した。

本発明の放熱調整構造は、内部に熱を持つ装置のための、装置内部の温度調整を行う構造として利用することができる。

１：セラミックス材料、２：ナノ粒子、３：気孔、４：異種材料、１１：放熱調整構造、１２：熱スイッチ、１３：主層、１３ｓ：外表面、１４：樹脂層、１５：表面部、２１：バッテリーパック、２２：ケース、３１：エンジン、３２：配管、３３：オイル・パン、３４：オイル・ストレーナ、３５：オイル・ポンプ、３６：オイル・クーラー、３７：オイル・フィルタ、３８：オイル・ギャラリ、５１：トランスミッション、６１：円筒型ヒーター、６２：チューブ、６３：ポンプ、６５：流量計、６６：直流電流、６７：熱電対、６８：クーラー。

Claims (12)

1. 室温における熱抵抗が１．０×１０^−５（ｍ^２・Ｋ）／Ｗより大きく、かつ１００℃における熱抵抗が室温における熱抵抗の２／３以下である第一材料によって形成された熱スイッチを、熱を発生する熱発生源の周囲に備え、前記熱スイッチの熱伝導が温度によって変化することにより、前記熱発生源からの放熱を調整する放熱調整構造。
2. 前記熱スイッチの体積比熱が１０００ｋＪ／ｍ^３Ｋより小さい請求項１に記載の放熱調整構造。
3. 前記熱スイッチの厚みが２０ｍｍ以下である請求項１または２に記載の放熱調整構造。
4. 前記熱スイッチの前記第一材料は、酸化物、窒化物、炭化物、炭素同素体、放射率可変素子、Ｍｏｔｔ絶縁体、金属−半導体相転移材料、及び金属−絶縁体相転移材料からなる群から選択されるいずれかによって形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の放熱調整構造。
5. 前記熱スイッチの前記第一材料は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＶＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ダイヤモンド、グラフェン、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー、及びコージェライトからなる群から選択される１種類以上を含む請求項４に記載の放熱調整構造。
6. 前記熱スイッチは、前記第一材料からなる主層と第二材料である樹脂からなる樹脂層とを含む複合構造である請求項１〜５のいずれか１項に記載の放熱調整構造。
7. 前記熱発生源の表面部と、前記主層との間に前記樹脂層が備えられている請求項６に記載の放熱調整構造。
8. 前記樹脂層の厚みが１ｍｍ以下である請求項７に記載の放熱調整構造。
9. 前記熱スイッチの前記熱発生源とは反対の表面に凹凸が形成されている請求項１〜８のいずれか１項に記載の放熱調整構造。
10. 前記熱発生源からの熱を前記熱スイッチを介して受熱する受熱体が流体であり、その流速が０．１ｍ／ｓ以上１０ｍ／ｓである請求項１〜９のいずれか１項に記載の放熱調整構造。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の放熱調整構造を備えたバッテリーパック。
12. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の放熱調整構造を備えた流体が流通する流体流通装置。

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