JP2011178867A - 蓄熱部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】宇宙機に適用可能で、軽量且つ、安価な蓄熱部材を提供することを目的とする。
【解決手段】蓄熱部材は、多数のセルを有するハニカム構造体３を備え、各セル内に、蓄熱材が内包されたカプセルと、熱伝導フィラーと、が充填されてなる。ハニカム構造体３に蓄熱材が内包されたカプセルと熱伝導フィラーとを充填させることによって、蓄熱部材が厚い場合であっても熱伝導性の良い、軽量且つ、安価な蓄熱部材とすることができる。また、蓄熱部材は、蓄熱材が内包されたカプセルと熱伝導フィラーとを混合させた原料２を、ハニカム構造体３のセル開口部の少なくとも一方の面を覆うように接触配置させ、４ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下の圧力で一軸加圧成形することよって、セル内に、原料２を充填して製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄熱部材に関し、特に、宇宙機に搭載された機器の熱制御のための蓄熱部材及びその製造方法に関する。

人口衛星やロケット等の宇宙機では、内部に設置された電子機器が発する熱を制御するため、電子機器と構造体との間に蓄熱部材を設置して、電子機器からの熱を吸収させる。蓄熱部材としては、従来、金属筺体の中に蓄熱材を充填したものが使用されている。

住宅分野などでは、カプセル化させた蓄熱材を壁材や天井材などへ適用させ、蓄熱効果を持続させる試みがなされている（特許文献１参照）。

特開２００１−３４８５６６号公報（請求項１、段落［０００５］

従来から宇宙機で用いられている蓄熱部材は、金属筺体を使用するため、機器の形状に合わせて筺体を設計する必要がある。従って、機器に対して１点１様の筺体仕様が必要となり、製造コストが高くなる。筺体内部には、蓄熱材間の熱伝導性を得るために熱伝導フィンを数ｍｍ間隔で取り付けなければならず、更に製造コストが高くなる。

宇宙機に適用される部材は、真空環境に曝される。従って、従来使用されている金属筺体は、内圧に耐え得るような構造としなくてはならず、質量が重くなる。

一方、住宅用の蓄熱部材として、カプセル化させた蓄熱材をハニカムに充填した部材が知られている。上記ハニカムを用いた部材は、軽量であり、かつ、簡便に製造することができる。しかしながら、蓄熱部材の厚さを厚くすると、発熱体から遠い部分に位置する蓄熱部材まで熱が伝達し難くなるため、蓄熱効果が低下するという問題が生じる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、宇宙機に適用可能で、軽量且つ、安価な蓄熱部材を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、多数のセルを有するハニカム構造体を備え、各前記セル内に、蓄熱材が内包されたカプセルと、熱伝導フィラーと、が充填される蓄熱部材を提供する。

本発明によれば、カプセル化した蓄熱材を適用することで、金属筺体を不要とすることができるため、蓄熱部材を軽量化することができる。
ハニカム構造体は、簡易な工具により形状を変化させ得るため、機器に合わせて容易に蓄熱部材の形状を変更することが可能となり、製造コストを低減することができる。
熱伝導フィラーは、バインダーであるとともに、カプセル化された蓄熱材間の熱伝導性を向上させる役割を担う。熱伝導フィラーを含有させることで、蓄熱部材の厚さが厚くなった場合であっても、蓄熱部材の厚さ方向に均一に熱を分散させることが可能となる。

上記発明において、前記蓄熱材が内包されたカプセルの前記セル内への充填率が６５％以上９０％以下であることが好ましい。
蓄熱部材は、蓄熱材を多く含む方が、より蓄熱効果が高くなる。一方、蓄熱材が内包されたカプセルを充填しすぎると、カプセルが破壊されて、蓄熱材が露出する。それによって、蓄熱部材周辺が汚染される等の問題が生じる。蓄熱材が内包されたカプセルの前記セル内への充填率を上記範囲内とすることで、カプセルをあまり破壊させずに、より多くの蓄熱材を充填することができる。充填率は７４％がより好ましい。そうすることで、カプセルを破壊させずに蓄熱材を最密充填することが可能となる。

上記発明において、前記蓄熱材が内包されたカプセル１００重量部に対して、前記熱伝導フィラーが１０重量部以上４５重量部以下の割合で含有されることが好ましい。
熱伝導フィラーが上記割合で配合されることによって、蓄熱部材の熱伝導性を向上させることができる。熱伝導フィラーの含有量が少ないと、蓄熱材が内包されたカプセルと混合した際の熱伝導フィラーの混合均一性が低下する。そのため、熱伝導フィラーは、蓄熱材が内包されたカプセル１００重量部に対して２０重量部以上４５重量部以下の割合で含有されることが好ましく、２５重量部以上４５重量部以下の割合で含有されることが更に好ましい。

本発明によれば、蓄熱材が内包されたカプセルと熱伝導フィラーとを混合させた原料を、ハニカム構造体のセル開口部の少なくとも一方の面を覆うように接触配置させ、４ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下の圧力で加圧成形することよって、前記セル内に、前記原料を充填する蓄熱部材の製造方法を提供する。

上記範囲の圧力で加圧成形することによって、蓄熱材が内包されたカプセルをあまり破壊せずにセル内に充填することができる。成形時の圧力は、４ＭＰａ以上６ＭＰａ以下が更に好ましい。それによって、蓄熱材が内包されたカプセルを破壊させずにセル内に充填することが可能となる。

本発明によれば、ハニカム構造体に蓄熱材が内包されたカプセルと熱伝導フィラーとを充填させることによって、蓄熱部材が厚い場合であっても熱伝導性の良い、軽量且つ、安価な蓄熱部材とすることができる。

蓄熱部材の製造方法の手順を説明するための工程図である。 試験体Ａにおける、成形圧力と蓄熱カプセル充填率との関係を示すグラフである。 試験体Ｂにおける、成形圧力と蓄熱カプセル充填率との関係を示すグラフである。 試験体Ａ及び試験体Ｂの走査型電子顕微鏡写真である。 試験体ＡＦにおける、熱伝導フィラー含有量と蓄熱カプセル充填率との関係を示すグラフである。 試験体ＢＦにおける、熱伝導フィラー含有量と蓄熱カプセル充填率との関係を示すグラフである。 試験体ＡＦの熱伝導フィラー含有量と熱伝導率との関係を示すグラフである。 試験体ＢＦの熱伝導フィラー含有量と熱伝導率との関係を示すグラフである。 温度分布測定装置の概略図である。 蓄熱部材の温度変化を示すグラフである。

以下に、本発明に係る蓄熱部材の一実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る蓄熱部材は、ハニカム構造体のセル内に、蓄熱材が内包されたカプセルと、熱伝導フィラーとが充填された構成となっている。

ハニカム構造体は、開孔を有するセル壁からなる構造体である。ハニカム構造体の材質、厚さ、サイズ、セル形状、及びセル径などは適宜選択される。ハニカム構造体は、軽量で、熱伝導性が良く、簡易な工具により形状を変化させ得るものであれば良く、更に壊れにくいことが好ましい。本実施形態おけるハニカム構造体は、アルミニウムを主とする金属からなる。なお、ハニカム構造体は、ステンレスなどを主としても良い。

蓄熱材は、相転移にともなう潜熱を利用して蓄熱できる化合物を主とする。蓄熱材の融解熱量は、１００ｋＪ／ｋｇ〜２００ｋＪ／ｋｇ程度であることが好ましい。本実施形態における蓄熱材は、パラフィン系の化合物を主とするが、ステアリン酸、セチルアルコール、または水などであっても良い。
カプセルの膜材は、天然または合成の樹脂とする。本実施形態におけるカプセルの膜材は、メラミン系の樹脂とする。
蓄熱材が内包されたカプセル（以降、「蓄熱カプセル」と称する。）の融点や粒径などは、適宜設定される。蓄熱カプセルの融点は、０℃〜６０℃程度が好ましい。蓄熱カプセルの粒径は、５〜５０μｍ程度が好ましい。

熱伝導フィラーは、熱伝導性の物質と接合剤を含む。熱伝導フィラーの熱伝導率は５Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度が好ましい。例えば、熱伝導性の物質１００体積％に対して、接合剤５体積％以上５０体積％以下、好ましくは１０体積％以上４０体積％以下であればよい。熱伝導性の物質としては、例えば、カーボンなどの炭素材料や、銀や銅といった金属が挙げられ、接合剤としては、コロイダルシリカや珪酸ソーダ、セメントといった無機バインダーや、エポキシ樹脂やフェノール樹脂といった熱硬化性樹脂が挙げられる。

蓄熱部材の蓄熱カプセル充填率は、６５％以上９０％以下、好ましくは７０％以上７８％以下とする。

次に、本実施形態に係る蓄熱部材の製造方法を説明する。
蓄熱カプセルは、公知の技術によって蓄熱材をカプセルに内包させて作製すれば良い。
蓄熱カプセル１００重量部に対して、熱伝導フィラーが１０重量部以上４５重量部以下の割合となるよう両者を配合し、混合させたものを原料とする。混合は、カプセルが破壊されないよう緩やかに実施するのが好ましい。

図１に、蓄熱部材の製造方法の手順を説明するための工程図を示す。まず、所定の金型１に原料２の半量を投入する（図１（ａ））。次に、図１（ｂ）に示すように、投入した原料２の上に、ハニカム構造体３を配置し、その上から残りの原料２を投入する（図１（ｃ））。
次に、一軸方向に加圧することで、ハニカム構造体３のセル内に、原料２を充填させる（図１（ｄ））。加圧は、４ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下で行う。
なお、原料２の充填は二軸方向に加圧することで行なってもよい。

原料を充填させたハニカム構造体を脱型し（図１（ｅ））、３０℃で１５時間静置して硬化させたものを蓄熱部材とする（図１（ｆ））。硬化条件は、上記に限定されず、充填させた原料が硬化する条件であれば良い。例えば、６０℃で２時間静置しても良い。

なお、蓄熱部材は、必要に応じて表面研削や表面コーティングが施されても良い。
こうした表面コーティングによると、万が一、カプセルが壊れてしまった場合であっても、カプセルに内包された蓄熱材が蓄熱部材の外に漏れ出すことを確実に防ぐことができる。また、蓄熱部材を所望の大きさに切り出したりするために切断しても保形性を確保することができる。
こうした表面コーティングは、少なくともセル開口部を覆っていればよく、蓄熱部材全体を覆っていてもよい。
こうした表面コーティングの材質は、特に制限はないが、例えば、珪酸ソーダやリン酸アルミニウムといったセラミックス、シリコーンゴム、ＰＴＦＥやＰＦＡといったフッ素系樹脂、アルミニウムやステンレスといった金属が挙げられる。こうした表面コーティングは公知の技術で形成されればよい。
また、表面コーティングの厚さは、特に制限はないが、例えば１０〜３００μｍ、好ましくは５０〜２００μｍであればよい。

以下に、蓄熱部材の構成及び製造方法に関する数値限定の根拠を説明する。
ハニカム構造体としては、アルミニウムハニカム（日本軽金属（株）、セル径：３．２ｍｍ、箔厚み：２５μｍ、サイズ：１００ｍｍ×１００ｍｍ×５ｍｍ、２．５ｇ）を用いた。
蓄熱カプセルは、パラフィン系の化合物がメラミン樹脂からなるカプセルに内包された融点の異なる２種類の蓄熱カプセル（商品名：ＦＰ−３９、ＦＰ−９）を三菱製紙（株）から入手した。融点が３９℃の蓄熱カプセルを蓄熱カプセルＡ、融点が９℃の蓄熱カプセルを蓄熱カプセルＢとした。蓄熱カプセルＡ及び蓄熱カプセルＢは、融解熱量がそれぞれ１８０ｋＪ／ｋｇ及び１３８ｋＪ／ｋｇであり、粒径が共に５〜５０μｍである。
熱伝導フィラーは、熱伝導率が１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）となるようにエポキシ樹脂とカーボンとを配合させたもの（商品名：ＳＳＴ１−８０−Ｃ）を薩摩総研（株）から入手した。

蓄熱カプセル及び熱伝導フィラーの真密度を空気比較式比重計にて計測した。蓄熱カプセルＡ及び蓄熱カプセルＢの真密度は、それぞれ０．８９９ｇ／ｃｍ^３及び０．８３９ｇ／ｃｍ^３であった。熱伝導フィラーの真密度は、１．２９１ｇ／ｃｍ^３であった。

（成形圧力の検討）
試験体Ａ：蓄熱カプセルＡを原料とした。原料の半量を金型（内寸：１００ｍｍ×１００ｍｍ）に投入し、その上アルミニウムハニカムを載せ、その上から更に残りの蓄熱カプセルＡを投入した。プレス圧力を３ＭＰａ〜１０ＭＰａとし、それぞれの圧力で１分間、一軸加圧成形した。脱型後、３０℃で１５時間硬化させて試験体Ａを作製した。
試験体Ｂ：蓄熱カプセルＢを原料とし、上記試験体Ａと同様の方法で試験体Ｂを作製した。

試験体Ａ及び試験体Ｂにおける蓄熱カプセル充填率を以下の式から算出した。
蓄熱カプセル充填率（％）＝{（試験体重量−アルミハニカム重量）／蓄熱カプセル真密度／（試験体体積−アルミハニカム体積）}×１００
試験体重量は、作製した試験体重量の計測値である。試験体体積は、ハニカムの見掛体積とする。

上記結果を図２（試験体Ａ）及び図３（試験体Ｂ）に示す。同図において、横軸は成形圧力、縦軸は蓄熱カプセル充填率である。図２及び図３によれば、試験体Ａ及び試験体Ｂのいずれの試験体においても、成形圧力の上昇にともない、蓄熱カプセル充填率は増加した。試験体Ａ及び試験体Ｂの蓄熱カプセル充填率は、６５％〜９０％の範囲内とすることができた。
本発明者らは、別の試験において、蓄熱カプセル充填率が７４％であるとき、蓄熱カプセルがハニカムのセル内に最密充填されることを確認している。これを上記結果と照らし合わせると、成形圧力は４ＭＰａ以上とすることがより好ましいといえる。

次に、４ＭＰａ、５ＭＰａ、６ＭＰａ、７ＭＰａでそれぞれ一軸加圧成形した後の試験体Ａ及び試験体Ｂを走査型電子顕微鏡にて観察した。
上記結果を図４に示す。図４によれば、成形圧力が６ＭＰａ以下では、成形時の加圧によりカプセルが破壊されないことがわかった。一方、成形圧力が７ＭＰａでは、試験体Ａ及び試験体Ｂにおいて破壊されたカプセルが観察された。上記結果から、成形圧力は、６ＭＰａ以下であることがより好ましいといえる。

（熱伝導フィラー含有量）
試験体ＡＦ：蓄熱カプセルＡが１００重量部に対して、熱伝導フィラーを０〜４５重量部の範囲で含有させたものを原料とし、成形圧力を６ＭＰａとした以外は、試験体Ａと同様の方法で試験体ＡＦを作製した。
試験体ＢＦ：蓄熱カプセルＢが１００重量部に対して、熱伝導フィラーを０〜４５重量部の範囲で含有させたものを原料とした以外は、試験体ＡＦと同様の方法で試験体ＢＦを作製した。

試験体ＡＦ及び試験体ＢＦにおける蓄熱カプセル充填率を以下の式から算出した。
蓄熱カプセル充填率（％）＝{（試験体重量−アルミハニカム重量）×蓄熱カプセル配合量／（蓄熱カプセル配合量＋熱伝導フィラー配合量）／蓄熱カプセル真密度／（試験体体積−アルミハニカム体積）}×１００

上記結果を図５（試験体ＡＦ）及び図６（試験体ＢＦ）に示す。同図において、横軸は熱伝導フィラー含有量、縦軸は蓄熱カプセル充填率である。図５及び図６によれば、試験体ＡＦ及び試験体ＢＦのいずれの試験体においても、熱伝導フィラー含有量の増加にともない、蓄熱カプセル充填率は減少する傾向を示した。しかしながら、蓄熱カプセルＡ１００重量部に対する熱伝導フィラー含有量が４５重量部であった場合でも、蓄熱カプセル充填率は７０％以上となることが確認された。一方、試験体ＡＦ及び試験体ＢＦの作成時において、熱伝導フィラー含有量がそれぞれ２５重量部及び２０重量部以下であったとき、エポキシ樹脂量が不足し、均一な混合ができずに、フィラー塊が試験体内に残存してしまうという問題が生じた。上記結果から、蓄熱カプセル１００重量部に対して熱伝導フィラー含有量が２５重量部以上とすれば、より良好な成形性を得られることがわかった。

次に、試験体ＡＦ及び試験体ＢＦの熱伝導率を２０℃で測定した。（熱流計法、ＪＩＳ−Ａ１４１２準拠）。計測には英弘精機（株）製のオートラムダ ＨＣ−１１０を用い、試験片のサイズはΦ６０ｍｍとした。

上記結果を図７（試験体ＡＦ）及び図８（試験体ＢＦ）に示す。同図において、横軸は蓄熱カプセル１００重量部に対する熱伝導フィラー含有量、縦軸は熱伝導率である。
図７及び図８によれば、蓄熱カプセル１００重量部に対して１０重量部以上の熱伝導フィラーを含有させたときの試験体ＡＦ及び試験体ＢＦの熱伝導率は、０．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上となり、熱伝導フィラー含有量が０重量部の試験体と比べて熱伝導率は向上した。試験体ＡＦでは、蓄熱カプセル１００重量部に対する熱伝導フィラーの含有量が３４重量部であったとき、熱伝導率が最も高い値（０．６２Ｗ／（ｍ・Ｋ））となった。

上記結果から、蓄熱カプセル１００重量部に対する熱伝導フィラー含有量は、１０重量部以上とすると熱伝導率向上効果が得られ、２５重量部以上とすると良好な成形性が得られることがわかった。一方、含有量が多くなりすぎると蓄熱カプセル充填率が低下していく。蓄熱カプセルがハニカムのセル内に最密充填される蓄熱カプセル充填率が７４％であることを考慮すると、蓄熱カプセル１００重量部に対する熱伝導フィラー含有量は、４５重量部以下とすることが好ましい。

（蓄熱部材の温度分布）
試験体ＡＦのうち、蓄熱カプセル１００重量部に対する熱伝導フィラー含有量が、０重量部または３４重量部の試験体を２枚重ねたものをそれぞれ蓄熱部材ＡＦ０、蓄熱部材ＡＦ３４として用いた。

蓄熱部材の温度分布の測定方法を説明する。
図９に、温度分布測定装置の概略図を示す。はじめに、蓄熱部材の所定位置（ＣＨ１〜ＣＨ９）に熱電対を取り付けた。ＣＨ１、ＣＨ４、及びＣＨ７は蓄熱部材の面中心に取り付けた。蓄熱部材は、アルミスペーサー（１００ｍｍ×１００ｍｍ×３．６ｍｍ）を介して、熱源であるシリコンラバーヒーター（スリーハイ製、１００ｍｍ×１００ｍｍ×１．５ｍｍ、１２５Ω）の両面に積層させて固定した。
次に、積層固定した蓄熱部材を、断熱材（ウレタンフォーム材、厚さ６０ｍｍ、熱伝導率：０．０４１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）（２５℃））で囲み、５℃に設定した恒温槽（ヤマト科学、ＩＥ２１）に設置した。
積層固定した蓄熱部材の温度が安定したことを確認した後、ヒーター出力（２０Ｗ）を開始し、蓄熱部材の所定位置での温度変化を測定した。

図１０に、蓄熱部材のＣＨ１、ＣＨ４及びＣＨ７における温度変化を示す。（ａ）は蓄熱部材ＡＦ０、（ｂ）は蓄熱部材ＡＦ３４である。同図において、横軸は加熱時間、横軸は温度である。
図１０によれば、いずれの蓄熱部材でも、熱源から離れるほど、低温となる傾向をしめしてはいるが、蓄熱部材ＡＦ０と比較して蓄熱部材ＡＦ３４の温度分布範囲は狭かった。すなわち、蓄熱部材ＡＦ３４では、熱が均一に分散されていた。これは、熱伝導フィラーが含有されたことによって、熱に対する感度が向上したためであると考えられる。

１ 金型
２ 原料
３ ハニカム構造体

Claims (4)

1. 多数のセルを有するハニカム構造体を備え、
   各前記セル内に、蓄熱材が内包されたカプセルと、熱伝導フィラーと、が充填されてなる蓄熱部材。
2. 前記蓄熱材が内包されたカプセルの前記セル内への充填率が６５％以上９０％以下である請求項１に記載の蓄熱部材。
3. 前記蓄熱材が内包されたカプセル１００重量部に対して、前記熱伝導フィラーが１０重量部以上４５重量部以下の割合で含有される請求項１に記載の蓄熱部材。
4. 蓄熱材が内包されたカプセルと熱伝導フィラーとを混合させた原料を、ハニカム構造体のセル開口部の少なくとも一方の面を覆うように接触配置させ、４ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下の圧力で加圧成形することよって、前記セル内に、前記原料を充填する蓄熱部材の製造方法。

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