JP6153194B2 - 蓄熱材 - Google Patents
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Description
電子相転移を起こす物質からなる蓄熱材であって、
前記電子相転移は、電子のもつ内部自由度である、スピンの自由度と、軌道の自由度とを含む複自由度の相転移であり、
前記物質は、V(1−X)CrXO2(0<X≦0.23)である
ことを特徴とする。
・固相状態で生じる相転移であるため、蓄熱材(液体)が容器から漏れる心配が無い。
・無機塩水和物などの固体−液体相転移と異なり、相転移時の相分離や分解が生じる虞がない。
・相転移時の体積変化が固体−液体相転移に比べ小さい。
また、このような相転移を示す物質は、高い熱伝導率を有する。さらに、V(1−X)CrXO2(0<X≦0.23)における上記相転移の転移エンタルピーはH2Oの固体−液体相転移の転移エンタルピーと同等となる。それにより、蓄熱材にとって必要な要件を満たす新しいタイプの蓄熱材を提供することができる。
Cr)で置き換えることで、上記金属−絶縁体転移が2段に分離することが知られている(図1はVの一部をクロム(Cr)で置換した場合の置換量Xと相転移温度Tcの関係を示す)。ここでは、上記2段の相転移のうち、高温側の相転移を“第1相転移”と呼び、低温側の相転移を“第2相転移”と呼ぶこことする。図1に示すように、第1相転移の起こる温度(相転移温度)は、バナジウム(V)に対するクロム(Cr)の割合の増加に伴い上昇し、第2相転移の起こる温度は、バナジウム(V)に対するクロム(Cr)の割合の増加に伴い低下することが知られている。そこで、発明者らは、上述した第1相転移に着目し、VO2のVの一部をクロム(Cr)に置き換えることで、室温より高い温度で利用できる蓄熱材の開発を試みた。以下では、一例として、Vの2%,4%,6%,8%,10%,12.5%,15%,17.5%,20%,23%(モル比)をCrに置換したものについて説明する。
以下、試料(V(1−X)CrXO2)の調製(合成)方法について説明する。
合成した試料を粉砕し、シリコン製の無反射板の上に乗せ、X線回折装置(株式会社リガク製:RINT)を用いて、22℃における粉末X線回折パターンの測定を行った。測定結果の一例を図2に示す(図2において、縦軸は回折強度、横軸は回折角度(2θ)である)。なお、図2には、X=0.02,0.06,0.1,0.15,0.2,0.23のV(1−X)CrXO2に対する測定結果を例示しているが、残りの試料についても同様の測定結果が得られた。粉末X線回折パターンの測定結果から、どの試料も22℃で単斜晶系のルチル型の結晶構造を有することがわかった。また、どの試料についても不純物の混入は確認されなかった。即ち、上記合成により、目的の試料が得られたことが確認できた。
なお、非特許文献2では、図1に示すようにX=0.2までの試料しか報告されておらず、0.2より大きいXの試料は合成できないと報告されていた。しかし、上述したように、発明者らは、X=0.23までの試料の合成に成功した。従来の合成方法と今回の合成方法との明確な違いは、上記混合物の昇温方法にある。具体的には、従来はアルゴンガス中において上記混合物を昇温していたのに対し、今回は上記混合物を真空封入(具体的には、真空度が約2×10−6torrの真空封入)して昇温した。この違いにより、X=0.23までの試料(V(1−X)CrXO2)を得ることができたものと考えられる。
なお、X=0.24の試料(V0.76Cr0.24O2)の合成も試みたが、目的の試料を得ることはできなかった。そのため、Crの固溶域(置換量X)は、0<X≦0.23であると考えられる。
なお、混合物を真空封入する際の真空度は2×10−6torrより高くても低くてもよい。少なくとも、混合物を真空度が2×10−6torr程度の真空封入を行い昇温すれば、上述したように、X=0.23までの試料を合成することができる。
合成した試料について、示差走査熱量計(NETZSCH社製:DSC204F1/CP Phoenix/μ−Sensor)を用いた示差走査熱量測定により、相転移温度、及び、相転移に伴う転移エンタルピーを見積もった。昇温速度、降温速度共に10℃/minとして測定を行った。測定結果の一例を図3に示す。図3(a)は、V0.98Cr0.02O2の測定結果であり、図3(b)は、V0.9Cr0.1O2の測定結果である。図3において、縦軸は示差走査熱量、横軸は温度である。示差走査熱量は、基準物質と試料に或る熱量を与えたときの温度差、又は、両者を或る温度にするために要した熱量の差を表すものである。
最低値は23.27J/g=108J/cc(X=0.23のときの転移エンタルピー)であり、これまで蓄熱材として利用されてきた物質の転移エンタルピー(例えば、H2Oの固体−液体相転移における転移エンタルピー(306J/cc))と同等である。具体的には、各試料の転移エンタルピーの最低値は、H2Oの固体−液体相転移における転移エンタルピーの35%以上である。そのため、V(1−X)CrXO2(0<X≦0.23)が蓄熱材として実用するのに十分な機能を有することが確認された。
Claims (5)
- 電子相転移を起こす物質からなる蓄熱材であって、
前記電子相転移は、電子のもつ内部自由度である、スピンの自由度と、軌道の自由度とを含む複自由度の相転移であり、
前記物質は、V(1−X)CrXO2(0<X≦0.23)であり、
前記物質は、V 2 O 3 粉末、V 2 O 5 粉末、及び、Cr 2 O 3 粉末を、バナジウム、クロム、及び、酸素の間のモル比が所定のモル比になるように混合し、混合して得られた混合物を昇温することにより生成されるものであり、
前記物質は、前記混合物を真空封入して昇温することにより生成される
ことを特徴とする蓄熱材。 - 前記Xの値は、目的とする電子相転移の温度に応じて選択される
ことを特徴とする請求項1に記載の蓄熱材。 - 前記物質は、前記混合物を2×10−6torrの真空度の真空封入を行い昇温することにより生成される
ことを特徴とする請求項1または2に記載の蓄熱材。 - V2O3粉末、V2O5粉末、及び、Cr2O3粉末を、バナジウム、クロム、及び、酸素の間のモル比が所定のモル比になるように混合する混合ステップと、
混合して得られた混合物を真空封入して昇温することにより、V(1−X)CrXO2(0<X≦0.23)を蓄熱材として生成する生成ステップと、
を有することを特徴とする蓄熱材の生成方法。 - 前記生成ステップでは、前記混合物を2×10−6torrの真空度の真空封入を行い昇温する
ことを特徴とする請求項4に記載の蓄熱材の生成方法。
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