【技術書籍】サーマルマネジメント材料技術

サーマルマネジメント材料技術

～自動車・住宅での熱マネジメントから、断熱材・遮熱材・熱伝導・排熱利用技術まで～
～「熱」に関わる課題を、製品開発・材料技術で対処する！～

あらゆる熱マネジメント／サーマルマネジメント材料技術
～研究開発、実用展開、今後の可能性、最新動向を総合解説～
 

藤村 俊夫　愛知工業大学 ［元・トヨタ自動車(株)］

吉村 和記　(国研)産業技術総合研究所

栗原 潤一　(株)ミサワホーム総合研究所

阿多 誠介　(国研)産業技術総合研究所

前田 慎一　レム・ラボ

森 豊森　豊技術士事務所

依田 智　(国研)産業技術総合研究所

原 潤一郎　元・カルソニックカンセイ(株)

福島 学　(国研)産業技術総合研究所

早川 純　(株)日立製作所

吉澤 友一　(国研)産業技術総合研究所

田窪 千咲紀　(株)日立製作所

松岡 鮎美　美濃窯業(株)

飯塚 亜紀子　(株)日立製作所

尾関 文仁　美濃窯業(株)

藤居 達郎　(株)日立製作所

橋本 和也　美濃窯業(株)

岩室 憲幸　筑波大学

熊澤 猛　美濃窯業(株)

大村 高弘　国立和歌山工業高等専門学校

萩原 伸治　(一財)建材試験センター

【監修者より：発刊にあたって】
　熱エネルギーの有効利用は古くからの課題であるが、近年はさらなる省エネルギー推進のため、より低密度で分散した状態にある熱エネルギーを有効に利用するための技術が求められている。住宅、ビル、自動車、家電、電子機器などの分野では、様々な場面での熱の出入りを把握し、制御し、最適化しようとするサーマルマネジメントの技術開発が盛んである。従来の高密度、集中型の熱利用技術とは異なり、このような低密度、分散型のサーマルマネジメントにおいては、システム、デバイスもさることながら、断熱、遮熱、放熱、熱電変換といった熱の出入りを制御する材料の重要性が相対的に高まっている。

　本書は、このような熱に関する機能を持つ材料、“サーマルマネジメント材料”にフォーカスを当てた、おそらく初の技術書籍である。サーマルマネジメント材料の機能そのものは定性的に理解しやすい。一方、その性能を定量的に評価しようとすると、しばしば技術的な困難に直面する。なんとなく効果がありそうだ、という程度の認識で導入されるケースも多くあると聞く。結果として有効性に疑問のあるような材料も数多く社会に出回っているのが実状である。サーマルマネジメント材料の開発に関わる研究者、技術者の知見を、ユーザーと広く共有することの必要性を常々感じており、僭越ながら本書の企画に際して監修をお受けした次第である。

　監修にあたっては、最新の材料開発のトレンドを紹介するだけでなく、サーマルマネジメント材料の役割、特徴、機能を正しく評価し、理解するための役割を果たせるような内容とすることを心がけた。それぞれの分野で先端を走る研究者、技術者の方からも趣旨にご賛同いただき、基礎から詳しく解説をしていただくことができた。また、自動車、住宅等の最先端の情報も網羅することができ、読み応えのある内容となったものと自負している。ご多忙の中、時間を掛けて内容を吟味の上執筆をいただいた著者の方々には心から御礼を申し上げる。
　本書が、意図通り、サーマルマネジメント材料を使ってみよう、という方々にとって、それを正しく理解し、選択し、利用するための一助となれば幸いである。
 

第1章 熱マネジメント技術の現状とこれから求められる材料技術
　第1節 次世代自動車における熱マネージメント技術と今後求められる材料技術    

　　はじめに
　　1.　今後のCO2規制強化
　　2.　CO2目標達成に向けてのシナリオ
　　3.　エンジン車，次世代車の熱マネージメントの狙い
　　4.　熱エネルギーの回収効率
　　5.　エンジン搭載車の熱損失の詳細と改善手法
　　　5.1　エンジンの熱効率
　　　5.2　エンジン車の熱収支
　　　5.3　エンジン搭載車の熱マネージメント
　　　　5.3.1　Reduce
　　　　　5.3.1.1　シリンダライナーの断熱
　　　　　5.3.1.2　ピストン頂面断熱
　　　　　5.3.1.3　エンジン外周の断熱/遮熱
　　　　5.3.2　Reuse
　　　　　5.3.2.1　エンジン内熱輸送
　　　　　5.3.2.2　早期暖気と暖房活用
　　　　　5.3.2.3　蓄熱システム
　　　　5.3.3　Recycle
　　　　　5.3.3.1　ぺルチェ素子による熱電変換
　　　　　5.3.3.2　ランキンサイクル
　　6.　電動車の熱損失の詳細と課題
　　　6.1　電動システムの効率
　　　6.2　EVとガソリン車のエネルギー消費比較
　　　6.3　電動車（EV）での熱マネージメント
　　　　6.3.1　Reduce
　　　　6.3.2　Reuse（暖房）
　　　　　6.3.2.1　EVの暖房システム
　　　　　6.3.2.2　高効率暖房システム
　　7.　今後の自動車の熱マネージメント

　第2節　住宅におけるサーマルマネージメント技術と今後求められる材料技術
　　はじめに
　　1.　住宅におけるサーマルマネージメント技術の目的・背景
　　　1.1　省エネルギー
　　　1.2　健康維持
　　　1.3　耐久維持
　　2.　住宅におけるサーマルマネージメント技術の現状
　　　2.1　省エネルギー
　　　2.2　健康維持
　　　2.3　耐久維持
　　3.　住宅におけるサーマルマネージメント技術の今後の期待
　　　3.1　省エネルギー
　　　3.2　健康維持
　　　3.3　耐久維持
　　まとめ

第2章　断熱材からみた熱マネジメント材料技術
　第1節　断熱材を視点とした戸建て住宅の熱マネジメント
　　1.　どうして断熱材は必要なのか
　　2.　断熱材にはどんなものがあるか
　　3.　どのように断熱材を評価するのか
　　4.　断熱材はどれくらい使われているのか
　　5.　住宅分野でどんな部位に断熱材は使われているのか
　　6.　戸建て住宅分野の熱マネジメント技術
　　　6.1　新築住宅と既存住宅の違い
　　　6.2　断熱材を視点とした熱マネジメントの注意点
　　　6.3　今後の展望

　第2節　シリカエアロゲルおよび新規エアロゲルによる断熱材料技術
　　はじめに
　　1.　シリカエアロゲルの概要
　　　1.1　シリカエアロゲルとは
　　　1.2　作成プロセス
　　　1.3　構造
　　　1.4　物性と用途
　　2.　断熱材としての特徴と形態，用途
　　　2.1　ナノ多孔質構造による断熱
　　　2.2　断熱性能と特徴
　　　2.3　種々の形状と用途
　　　　2.3.1　モノリス（成形体）
　　　　2.3.2　ペレットまたは粉末
　　　　2.3.3　複合材料
　　3.　技術的課題と開発動向
　　　3.1　社会実装に向けての課題
　　　3.2　窓用の光透過性断熱材
　　　3.3　ポリマーナノファイバーエアロゲル
　　おわりに

　第3節　セラミックス材料による断熱制御と熱マネジメント技術
　　はじめに
　　1.　セラミックス断熱材の現状と問題点
　　　1.1　高温領域での断熱の必要性
　　　1.2　セラミックス断熱材とその製法
　　　1.3　セラミックス断熱材における課題
　　　1.4　凍結鋳込み成形法による多孔体作製
　　2.　ゲル化凍結法により開発した断熱材
　　　2.1　開発断熱材の気孔率と組織
　　　2.2　開発断熱材の熱伝導率と強度について
　　　2.3　開発断熱材を設置した焼成炉の消費電力について
　　おわりに

第3章　遮熱材料による熱マネジメント
　第1節　コーティング，フィルム，遮熱塗料による熱マネジメントと熱性能の試験/ 評価
　　はじめに
　　1.　熱性能における試験規格の状況
　　2.　熱性能の評価概要
　　3.　コーティング・フィルムの試験・評価
　　　3.1　日射透過率・日射反射率
　　　3.2　放射率
　　　3.3　日射熱取得率（日射遮蔽係数）
　　　3.4　熱貫流率
　　4.　遮熱塗料（高日射反射率）の試験・評価
　　　4.1　日射反射率
　　　4.2　放射率
　　5.　建物に適用した際の事例（シミュレーションによる熱負荷計算）
　　おわりに

　第2節　サーマルマネージメントとしての遮熱材料・遮熱技術
　　1.　断熱と遮熱
　　2.　窓ガラスの断熱性能
　　3.　窓ガラスの遮熱性能
　　4.　熱貫流率と日射熱取得率の実測
　　5.　断熱・遮熱と冷暖房負荷
　　6.　遮熱効果の方角依存性
　　7.　ひさしの効果

第4章　カーボンナノチューブの放熱特性とサーマルマネジメント材料への展開
　1.　カーボンナノチューブの特性
　2.　CNTの熱伝導性
　3.　実際のCNTの熱伝導率
　4.　CNT/CFハイブリッド材料
　5.　熱伝導材料開発に向けたCNTの分散処理
　6.　今後の展開
　まとめ

第5章　排熱利用，自動車用熱交換器，熱電変換、パワーデバイスにおけるサーマルマネジメント技術
　第1節　熱利用技術と中低温排熱利用技術（バイナリー発電技術）
　　1.　熱利用技術について
　　2.　バイナリーサイクルについて
　　　2.1　ランキンサイクルとバイナリーサイクル
　　　2.2　バイナリーサイクルとは
　　　2.3　バイナリーサイクルの歴史
　　　2.4　地熱発電の主要分類
　　　2.5　バイナリーサイクルの特徴
　　　2.6　カルノーサイクルとカルノー効率
　　　2.7　バイナリーサイクルの作動流体
　　　2.8　作動流体に求められる要件
　　　2.9　バイナリー発電の性能
　　3.　バイナリー発電の現状
　　　3.1　全体的にみた現状
　　　3.2　排熱回収バイナリー発電の現状
　　4.　国内におけるバイナリー発電の現状
　　　4.1　国内のバイナリー発電設備の全体像
　　　4.2　国内のバイナリー発電設備の仕様と特徴
　　　4.3　国内のバイナリー発電設備の実施例（地熱・温泉発電）
　　　4.4　国内のバイナリー発電設備の実施例（工場排熱発電，バイオマス発電等）
　　5.　海外のバイナリー発電設備
　　　5.1　海外のバイナリー発電の状況
　　　5.2　海外のバイナリー発電の実施例

　第2節 自動車用熱交換器技術

　　1. ガソリンエンジン用EGRクーラ
　　2. インタクーラ（CAC)
　　3. 水冷コンデンサ
　　4. “2-Layer”
　　5. “SLIM cool”
　　6. 低温ラジエータ
　　7. オイルウォーマ

　第3節　サーマルマネージメントとしての熱電変換材料と熱電変換素子
　　　　　－低温排温水からの発電技術の紹介－
　　はじめに
　　1.　熱電変換素子の熱設計
　　　1.1　熱設計モデル
　　　1.2　低熱抵抗流路の検討
　　　1.3　熱電変換モジュール
　　　1.4　熱電変換モジュールの出力電圧予測
　　2.　コージェネ排温水からの熱電変換モジュール発電結果
　　　2.1　装置の構成
　　　2.2　熱電変換モジュールの発電特性
　　3.　熱電変換モジュールの出力電力
　　　3.1　出力電力計算式の導出
　　　3.2　熱電変換モジュールの出力電力及び熱電変換素子の最適高さの検討
　　まとめ

　第4節　次世代パワー半導体デバイスとサーマルマネジメント材料技術
　　はじめに
　　1.　シリコンMOSFETならびにIGBTのさらなる進展
　　2.　SiC半導体材料ならびにSiCデバイス・プロセス技術の特徴
　　　2.1　結晶成長とウェハ加工プロセス
　　　2.2　SiCユニポーラデバイスとSiCバイポーラデバイス
　　　2.3　SiCショットキーバリアダイオード（SiC-SBD）
　　　2.4　SiC-MOSFET
　　　2.5　SiCパワー半導体デバイスの素子作成プロセスの特徴
　　　2.6　SiCデバイスの実装技術
　　まとめ

第6章　断熱材料/熱伝導性材料の評価技術
　はじめに
　1.　断熱材の熱伝導率測定方法
　　1.1　保護熱板法（GHP法）
　　　1.1.1　測定原理
　　　1.1.2　測定誤差低減方法
　　1.2　熱流計法
　　1.3　非定常熱線法
　　1.4　周期加熱法
　　1.5　各種測定方法による測定例とその比較
　　　1.5.1　GHP法と周期加熱法による測定
　　　1.5.2　GHP法，非定常熱線法，周期加熱法による測定
　　　1.5.3　異なる測定方法の比較
　2.　新しい断熱性能評価方法
　　2.1　評価装置
　　2.2　測定原理
　　2.3　測定例と誤差解析
　おわりに