CN103370866B - 致动器、微型泵以及电子设备 - Google Patents

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Abstract

致动器包括：第一部件，其包含起磁机构，至少被加热到第一温度；第二部件，其与上述第一部件对置配置；感温磁性体，其位于上述第一部件与第二部件之间，在与上述第一部件接触的第一位置和与上述第二部件接触的第二位置之间位移，并具有比上述第一温度低且比上述第二部件的温度高的居里温度；以及复原机构，其使上述感温磁性体从上述第一位置恢复到上述第二位置。

Description

致动器、微型泵以及电子设备
技术领域
本发明涉及致动器、使用了致动器的微型泵(micro pump)以及电子设备。
背景技术
近年来，LSI的微型化、高集成化不断发展，产生发热量增大的问题。作为对策，通过降低电源电压来缓和因大型化引起的发热量的研发进展很快。但另一方面，在以低电压进行动作的电路中需要将晶体管的阈值电压设定得低，使漏电流增大，通过低电压化来降低发热量已经到达了极限。在这样的背景下，希望获得能够对在每1cm2为100W这一反应堆中排列的极高密度的作为热源的LSI进行高效冷却的低成本的冷却系统。另外，除了CPU等进行信号处理的半导体元件之外，在半导体激光器、照明用发光二极管中也同样希望获得低成本的冷却系统。
替代现有的空气冷却风扇的高效冷却方法之一是水冷却系统。在水冷却系统中，使冷媒(冷却水)在被称为水套(冷水垫)的封闭型散热器中流动来进行冷却。使用泵来进行冷媒的循环。但是，由于泵在成本方面及其本身的电力消耗方面是以往没有的追加结构部件，所以引入较晚。另外，如果将冷水垫微型化来制作高效的水套，则由于水路的压力损失增加，所以导致泵进行的机械作功量增加而使耗电量增大。泵的大型化导致成本增加，耗电量的增加导致排出热量的增加。
可考虑的有效方法是使用辅助泵。以往提出了基于压电隔膜的泵(例如参照专利文献1)。图1表示了现有的基于压电隔膜的微型泵的构造。该泵具有面向压力室(腔室)1050的由压电板构成的隔膜1010。压电板(隔膜)1010的上部电极1011和下部电极1013分别与上部布线1021和下部布线1023连接，通过电压的施加使隔膜1010上下运动。在这样的结构中，为了使泵进行机械作功而需要向其供给电力。然而，压电致动器的动作电压很高，伴随着驱动电路中的电能。另外，由于位移量小，所以具有难以增加泵的流量这一缺点。
另一方面，公知有一种利用了具有居里点的感温磁性体的开关(例如参照专利文献2以及专利文献3)。通过将固定的感温磁性体加热到超过居里温度的温度来使产生磁场的变化，使其作为开关进行动作。然而，当达到高温时，开关会保持连通而无法进行通断的切换。
专利文献1：日本特开平6－288355
专利文献2：日本特开2003－109458
专利文献3：日本实开平5－83989
发明内容
鉴于上述问题点，本发明的课题在于，提供不通过电能而通过热能独立驱动辅助泵等的致动器的结构、使用了致动器的微型泵以及电子设备。
在第一观点中，微致动器包括：第一部件，其包含起磁机构，至少被加热到第一温度；第二部件，其与上述第一部件对置配置；感温磁性体，其位于上述第一部件与第二部件之间，在与上述第一部件接触的第一位置和与上述第二部件接触的第二位置之间位移，并具有比上述第一温度低且比上述第二部件的温度高的居里温度；以及复原机构，其使上述感温磁性体从上述第一位置恢复到上述第二位置。
在第二观点中，提供一种使用了上述微致动器的泵。微型泵包含：上述的致动器；在上述致动器的上述第一部件与上述第二部件之间形成流路的腔室；以及与上述致动器的感温磁性体连结，在上述腔室内位移的隔膜，在上述感温磁性体从上述第二位置向上述第一位置移动时，上述隔膜增大上述腔室内的压力，在上述感温磁性体从上述第一位置向上述第二位置移动时，上述隔膜减少上述腔室内的压力。
在第三观点中，提供一种电子设备。电子设备包含：上述的微型泵；与上述微型泵中使用的上述致动器的上述第一部件接触而配置的电子部件；以及与上述微型泵连接，使流体循环的循环系统。
根据上述的结构，能够实现即使不供给电能，也能够利用来自电子部件等发热体的热量来自律地动作的致动器。
附图说明
图1是表示使用了压电隔膜的现有的微型泵构造的图。
图2是作为实施例1中的致动器的一个例子，表示利用了磁性体的居里点的微型泵的结构的图。
图3A是表示磁性体的温度特性的图。
图3B是用于说明实施例1的微型泵的动作原理的图。
图3C是用于说明实施例1的微型泵的动作原理的图。
图4A是表示图2的微型泵的排出循环的图。
图4B是表示图2的微型泵的流入循环的图。
图5A是作为实施例2的致动器的一个例子，利用了磁性体的居里点的致动器的翘板(seesaw)机构的俯视图。
图5B是图5A的A－A'剖视图。
图5C是图5A的B－B'剖视图。
图6是表示图5C的翘板机构的开关动作的图。
图7A是表示翘板机构向微型泵的应用例的俯视图。
图7B是表示翘板机构向微型泵的应用例的A－A'剖视图。
图8是用于说明具有感温磁性体的微型泵的动作原理的图。
图9A是用于说明具有感温磁性体的微型泵的动作原理的图。
图9B是用于说明具有感温磁性体的微型泵的动作原理的图。
图10是表示实施例3中的利用了感温磁性体的翘板机构的微型泵的结构例的图。
图11是图10的A－A'剖视图。
图12A是微型泵的中间部件所采用的第一基板的制造工序图。
图12B是微型泵的中间部件所采用的第一基板的制造工序图。
图12C是微型泵的中间部件所采用的第一基板的制造工序图。
图13A是微型泵的中间部件所采用的第二基板的制造工序图。
图13B是微型泵的中间部件所采用的第二基板的制造工序图。
图14是第一基板与第二基板的接合工序图。
图15是使高温侧的第一部件和低温侧的第二部件与中间部件组合的工序图。
图16是表示图7的翘板机构的变形例的图。
图17是用于说明图16的翘板机构的开关动作的图。
图18是表示图7的翘板机构的又一变形例的图。
图19A是表示实施例1或者实施例2的微型泵的使用形态的例子的图。
图19B是表示实施例1或者实施例2的微型泵的使用形态的例子的图。
具体实施方式
参照附图，对本发明的具体实施方式进行说明。在以下的实施例中，对能够利用磁性体的居里点来进行自律的驱动的致动器的结构和动作进行说明。作为致动器的一个例子，以自律动作的微型泵、热压致动器或者温控开关为例来进行说明。
在这些例子中，都将配置于高温侧的强磁性体(例如固定磁铁)、和具有比使用该强磁性体的加热环境温度低的居里温度的感温磁性体组合使用。由于因感温磁性体的温度引起的导磁率变化，在固定磁铁与感温磁性体之间会产生吸引力或吸引力消失。利用该现象，将感温磁性体作为在与高温侧部件接触的第一位置、和与低温侧部件接触的第二位置之间自律位移的可动磁性体来使用。感温磁性体反复进行高温侧的吸热和低温侧的散热。
以下，对具体的结构和动作详细进行说明。
实施例1
图2作为实施例1中的致动器的一个例子，表示了微型泵10的简要结构。图2(A)是微型泵10的俯视图，图2(B)是A－A'剖视图。
微型泵10具有被加热至第一温度的高温侧部件(第一部件)21、与高温侧部件21对置的低温侧部件(第二部件)11、以及配置在高温侧部件21与低温侧部件11之间的中间部件3。中间部件3包含：具有比第一温度低的居里温度并在高温侧部件21与低温侧部件11之间位移的感温磁性体(可动磁性体)13、和使该可动磁性体13恢复至规定的位置复原机构，例如弹性隔膜(隔膜)12。
高温侧部件21在与可动磁性体13接触的第一面21a具有起磁机构(磁通产生回路)25，该起磁机构25包含比第一温度高的居里温度的固定磁铁23。将可动磁性体13与高温侧的第一面21a接触的位置设为第一位置。低温侧部件11具有与第一面21a对置的第二面11a。将可动磁性体13与低温侧部件11的第二面11a接触的位置设为第二位置。隔膜12被安装于可动磁性体13，如图2(B)的虚线假想线所示，随着可动磁性体13的移动，在腔室26内隔膜12在第一位置与第二位置之间位移。由此，使腔室26内产生压力变化。
微型泵10还具有向腔室26内导入流体(未图示)的入口31、从腔室26排出流体的出口32、以及阻止流体的逆流的入口阀14和出口阀15。如虚线假想线所示，入口阀14和出口阀15根据隔膜12的动作进行开闭。
图2的状态表示了微型泵10的初始状态。因此，入口阀14和出口阀15双方关闭。另外，可动磁性体13位于与低温侧部件11相接的第二位置，隔膜12不产生变形。在该例中，初始位置与低温侧的第二位置一致。在实际使用中，高温侧部件21的底面被配置成与LSI芯片、半导体封装等发热体相接。低温侧部件11可以被配置成例如与水套等散热机构(未图示)相接，也可以在低温侧部件11的内部形成供冷媒通过的微通道(未图示)。
可动磁性体13是具有比发热体的加热温度低的居里点的感温磁性体，例如可以使用CrO(居里温度：386K)、MnAs(318K)、Gd(292K)等。由于可动磁性体13的居里温度比加热环境温度低，所以其导磁率以居里温度为界限而大幅变化，产生自发磁化力的消失与表现。
被配置于高温侧的固定磁铁23是具有比发热体的加热温度高的居里温度的强磁性体。因此，即使在高温侧部件21受到发热体的热而被加热到第一温度的情况下，其导磁率也不变化，不会丧失作为强磁性的性质。可以利用一对芯部件24a、24b夹持固定磁铁23来作为产生磁通的起磁机构(磁通产生回路)25。
居里温度根据磁性材料的组成而变化。例如，对于单一元素而言，铁Fe表示770℃前后的值，而镍Ni为364℃，钆Gd为20℃，差异很大。另外，在铁素体那样的氧化物磁性体中，通过改变要构成的金属氧化物的组成，也能够得到相同程度的范围的居里温度。例如，在添加了镍Ni和锌Zn的铁素体中，能够具有室温附近的居里温度。
在图2的微型泵中，将可动磁性体13的居里温度设定为比发热体的加热环境温度低且比室温高的温度范围，例如50℃。另一方面，将固定磁铁23的居里温度设定为比加热环境温度足够高的温度、例如800℃。
图3A～图3C是对磁性体的居里点的利用进行说明的图。在图3A中，横轴为温度，纵轴为磁性体的相对导磁率[μs]。在低于居里点(Tc)的温度下，磁性体具有高的相对导磁率，具有强磁性的性质。如果温度上升而超过居里温度(Tc)，则相对导磁率显著降低。该情况下，当不存在外部磁场时几乎不磁化，即使被施加磁场，也只是在其方向较弱地磁化(顺磁性)。
如上所述，由于居里温度根据材料的组成而不同，所以在实施例中，选择比加热温度(第一温度)足够高的居里点的强磁性材料作为高温侧的固定磁铁23。选择具有比第一温度低且比室温稍高的居里点的强磁性材料作为可动磁性体13。
图3B是表示各温度下的可动磁性体13的位移量x[mm]与作用于可动磁性体13的磁力[N]的关系的图。图的A点表示在图3C中可动磁性体13位于与低温侧部件11相接的第二位置的状态，即位移x＝0mm的初始位置。B点表示可动磁性体13移动到与高温侧的固定磁铁23接触的第一位置的状态，在该例中表示位移x＝1mm的位置。将可动磁性体13被固定磁铁23吸引的方向设为正方向，将隔膜12所具有的复原力作用的方向设为负方向。
在图中，实线是室温～30℃下作用于可动磁性体13的磁场的力，单点划线是80℃时作用于可动磁性体13的磁场的力。如图中的虚线所示，隔膜12的复原力被设定为位于室温下作用的磁力(实线)与加热温度下作用的磁力(单点划线)之间。在比居里温度低的温度下，可动磁性体13表现出强磁性，如图3C所示，通过由固定磁铁23产生的磁场的作用，可动磁性体13被向固定磁铁23侧吸附。随着位移量x增加，即随着接近于固定磁铁23(B点)，作用于可动磁性体13的磁场的力(实线)剧增。由于此时的力比隔膜12的复原力大，所以可动磁性体13克服复原力而向与固定磁性体23接触的位置(B点)位移。
如果可动磁性体13与高温侧的固定磁铁23相接，导磁率因受热而降低，则作为磁性体的性质消失。此时，作用于与固定磁铁23相接的第一位置(B点)的可动磁性体13的磁场的力(单点划线)比图中的虚线所表示的隔膜12的复原力小。因此，可动磁性体13基于隔膜12的复原力而向初始位置、即与低温侧部件11接触的第二位置(A点)恢复。
图4A和图4B是用于对基于图3的原理的微型泵10的动作顺序进行说明的图。首先，在图4A中，向腔室26内导入冷媒(未图示)，在CPU等未图示的发热体上配置高温侧部件21。在未图示的发热体刚刚开始动作之后，微型泵10的环境温度接近于室温。因此，可动磁性体13受到高温侧的固定磁铁23的磁场的影响而克服隔膜12的复原力向与固定磁铁23相接的第一位置位移。由此，与可动磁性体13粘合的隔膜12落入到腔室26内，腔室26的内压增大。结果，出口阀15朝上方打开而排出冷媒。在排出后腔室26内的压力恢复，出口阀15关闭。此时，入口阀14保持关闭。
如果高温侧部件21被来自发热体的热加热，则被固定磁铁23吸附的可动磁性体13经由高温侧部件21也被加热。在可动磁性体13的温度超过居里温度时成为顺磁性，与固定磁铁23之间的吸引力消失。该情况下，隔膜12的弹性变形所产生的复原力比吸引力大。结果，如图4B所示，可动磁性体13恢复到与低温侧部件11相接的第二位置。由于隔膜12的恢复，腔室26的内压减小。结果，入口阀14向腔室26侧打开而流入冷媒。
可动磁性体13在低温侧与冷媒接触而散热，变为比居里温度低的温度。这样，消失的自发磁化力恢复，固定磁铁23所产生的磁场的吸引力大于隔膜12的复原力。可动磁性体13再次被向高温侧吸引，成为图4A的状态。同时，隔膜12落入到腔室26内，腔室26内的冷媒被从出口阀15排出。通过反复进行这一系列的动作，能够将高温侧的热量输送至低温侧。这样来对高温侧进行冷却。
作为优选的实施例，使用铝镍钴磁体(Alcomax)作为固定磁铁23，使用居里温度被设定为50℃的Ni-Zn铁素体作为可动磁性体13。该铁素体的温度特性与图3A所示的情况相同。在室温附近表现出约2000的相对导磁率，但如果温度上升则相对导磁率从50℃前后开始大幅度降低，在约80℃时降低为1。
在这样的系统中，室温下固定磁铁23对于可动磁性体13的最大吸引力为5N，在分离1mm的初始位置，作用有0.5N的吸引力。如果达到80℃，则最大吸引力低于1N，在分离1mm的初始位置，作用有0.1N的吸引力(参照图3B)。
这里，将隔膜12设计如下。即，设计成在低温侧0.4N的复原力作用于可动磁性体13(图3C的A点的状态)，在高温侧1.1N的复原力作用于可动磁性体13(图3C的B点的状态)。这一设定通过利用隔膜12的初始变形和复原力能够容易实现。
通过这样设计，室温20℃下在低温侧A点从固定磁铁23作用的吸引力(0.5N)与隔膜12的复原力(0.4N)的关系为0.5N＞0.4N，可动磁性体13被从低温侧向高温侧吸引(图3B的实线)。在高温侧B点成为5N＞1.1N，可动磁性体吸附于高温侧B点(图3B的虚线)。
如果低温侧为室温或者被冷媒冷却，则可动磁性体13和隔膜12散热而温度降低。如果降低到30℃，则再次向A点变化，成为0.5N＞0.4N这一力关系。结果，可动磁性体13离开低温侧而被吸附于高温侧B点。
在为了冷却CPU等半导体元件而进行图4A、图4B的循环的情况下，如果形成了有效面积为400mm2、深度为1mm的腔室26，则能够期待通过一次动作(图4A的排出和图4B的流入)来流出0.4ml左右体积的流体。
另外，如果将可动磁性体13形成为面积为100mm2、厚度为0.2mm的铁素体，则热容量为0.08J/℃左右。如果含有接触热阻的总热阻为0.5K·W，则温度变化的时间常数与其相乘，能够在40ms瞬时完成吸热或者散热。实际的动作由于流体的粘性阻力而受到制约，但如果进行25Hz的动作，则可期待获得10ml/s的流量，从而能够输送100W量级的热量。
实施例2
图5A、图5B以及图5C表示利用了磁性体的居里点的致动器的结构。在实施例1中，利用了弹性隔膜12的复原力作为使可动磁性体13复原到原来位置的机构，但在实施例2中，利用翘板机构50作为位置复原机构，来进行可动磁性体的位置切换。这样的致动器可以作为热压致动器、温控开关而使用。
图5A是实施例2的翘板机构50的俯视图，图5B是图5A的A－A'剖视图，图5C是图5A的B－B'剖视图。如图5A～图5C所示，翘板机构50具有如下结构：将具有比加热环境温度低的居里温度的一对感温磁性体53－1、53－2配置于刚体(支承连杆)58的两端并以旋转轴心57支承。由此，能够将感温磁性体53－1、53－1作为可动磁性体53－1、53－2使用。
对高温侧部件61配置有分别与可动磁性体53－1、53－2对应的固定磁铁63－1、63－2。固定磁铁63－1、63－2的居里温度比使用高温侧部件61的加热环境温度(第一温度)高。例如，使用具有800℃的居里温度的组成的强磁性体。可以由各个固定磁铁63－1、63－2、和芯部件64a、64b构成起磁机构65。另一方面，可动磁性体53－1、53－2的居里温度比加热环境温度(第一温度)低、比室温高。例如，使用具有50℃的居里温度的Ni－Zn添加铁素体。
翘板机构50在被加热到第一温度的高温侧部件61、与作为散热侧的低温侧部件51之间作为中间层3而配置，与高温侧和低温侧绝热。构成翘板机构50的一对可动磁性体53－1、53－2也相互绝热。因此，可动磁性体53－1与固定磁铁63－1的组、以及可动磁性体53－2与固定磁铁63－2的组被收纳于相互独立的腔室66－1、66－2内。腔室66－1、66－2可以由隔热材料的外壳72形成。
图6是用于说明翘板机构50的开关动作的图。为了便于图示，省略了将可动磁性部件53－1与固定磁铁63－1的组、以及可动磁性部件53－2与固定磁铁63－2的组相互绝热的腔室壁。
如果在初始状态下高温侧与低温侧处于相同的室温状态，则一对可动磁性体的任意一方(例如可动磁性体53－1)被吸附于固定磁铁(例如固定磁铁63－1)，另一方与低温侧相接。此时，作用于与高温侧接触的可动磁性体53－1的吸引力比作用于与低温侧接触的可动磁性体53－2的吸引力足够大。因此，绕旋转轴心57的扭矩作用于保持初始状态的方向。
在动作时，高温侧部件61被配置在任意的发热体上而被加热到第一温度。如果将图6(A)的状态设为初始状态，则伴随着高温侧部件61的吸热作用，被固定磁铁63－1吸附的可动磁性体53－1的温度上升。如果可动磁性体53－1被加热而超过其居里温度，则自发磁化力显著减弱。另一方面，在初始状态下位于低温侧的另一方可动磁性体53－2在低于居里温度的室温下保持自发磁化力。因此，受到对应的固定磁铁63－2的磁力的作用，朝向高温侧的扭矩TQ1成为优势。而且，可动磁性体53－2被高温侧的固定磁铁53－2吸引。作为反射的效果，成为顺磁性的一方的可动磁性体53－1受到朝向散热侧的扭矩TQ2而绕旋转轴心57向低温侧转动。结果，移至图6(B)所示的状态。在图6(B)的状态下，移动到低温侧的可动磁性体53－1从高温侧受到的力最小。相反，移动到高温侧的可动磁性体53－2从高温侧受到的力最大，接触状态稳定。
移动到低温侧的可动磁性体53－1通过散热而温度下降，若低于居里温度则恢复自发磁化力。另外，移动到高温侧的可动磁性体53－2的温度上升，超过居里温度而丧失自发磁化力。这样，力的大小关系反转，接触状态反转，从而返回到图6(A)的状态。
这样，通过利用居里温度，将由翘板机构50产生的扭矩作为可动磁性体53－1、53－2的位置复原机构使用，由此一对可动磁性体53－1、53－2能够以彼此相反的关系反复吸热和散热。此外，虽然希望在高温侧与低温侧使接触热阻相等，但也可以使可动磁性体53－1、53－2与低温侧部件51－1、51－2接触时的从可动磁性体观察的热阻比与高温侧部件61－1、61－2接触时的从可动磁性体观察的热阻小。
反复吸热和散热的一系列动作只是将高温侧的热量向低温侧输送，即对高温侧进行冷却。因此，能够将这样的翘板机构50应用于微型泵那样的冷却构造。
图7A以及图7B表示将翘板机构50应用于微型泵70的例子。图7A为俯视图，图7B为图7A的A－A'剖视图。微型泵70包括：图5A－图5C所示的翘板机构50、与可动磁性体53－1和固定磁铁63－1的组、可动磁性体53－2和固定磁铁63－2的组分别对应的腔室66－1、66－2、以及根据翘板机构50的动作而使腔室内的压力变化的作为压力变化机构的隔膜52－1、52－2。
将两个腔室66－1、66－2设在隔着旋转轴心57的位置。如图7B所示，在各个腔室中具有高温侧部件61、和用于设置冷却部的低温侧部件51。在高温部与低温部之间都具有绝热的中间层3。隔膜52－1以面向腔室66－1的方式被设置于中间层3。
对各腔室66－1、66－2连接有导入冷媒等流体的入口71－1、71－2、以及排出流体的出口72－1、72－2，并分别设置有控制流体相对于腔室66－1、66－2流入与排出的入口阀54－1、54－2以及出口阀55－1、55－2。
在微型泵70中，如参照图5A－图5C所说明那样，当在一个腔室66－1中可动磁性体53－1与对应的固定磁铁63－1接触时，隔膜52－1对腔室66－1内进行压迫而排出流体。此时，在另一个腔室66－2中，由于可动磁性体53－2与低温侧部件51接触而将隔膜52保持于初始位置，所以流入流体。
作为优选的实施例，使用铝镍钴磁体(Alcomax)作为在高温侧部件61中所用的固定磁铁63－1、63－2，使用居里温度被设定为50℃的Ni－Zn铁素体作为可动磁性体53－1、53－2。该铁素体在室温附近表现出约2000的相对导磁率，如果温度上升，则相对导磁率从50℃前后开始急剧降低，在约80℃时降低为1。
可动磁性体53－1、53－2由长度为45mm的支承连杆58支承，按照能够在支承连杆58的中间点旋转的方式设置支点(旋转轴心)57。在室温20℃下，高温侧的固定磁铁63的最大吸引力、即可动磁性体53接触时的吸引力为5N，在可动磁性体53分离0.8mm的情况下作用的吸引力为1.1N。如果达到80℃，则固定磁铁63与可动磁性体53之间的最大吸引力低于1N，在分离0.8mm的位置，作用有0.1N的吸引力。
图8、图9A以及图9B是用于说明图7A、图7B所示的微型泵70的动作原理的图。在图8中，实线表示室温～30℃的范围内的作用于翘板机构50的一方的可动磁性体53－1的磁场的力，虚线表示作用于另一方的可动磁性体53－2的磁场的力。单点划线表示温度为80℃时作用于翘板机构50的一方的可动磁性体53－1的磁场的力，虚线表示作用于另一方的可动磁性体53－2的磁场的力。
参照图8以及图9A，A点表示一方的可动磁性体53－1与低温侧部件51接触的状态(位移x＝0mm)，C点表示另一方的可动磁性体53－2与高温侧的固定磁铁63－1接触的状态。参照图8以及图9B，B点表示翘板动作、使一方的可动磁性体53－1朝高温侧移动+0.8mm而与固定磁铁63－1接触的状态，D点表示翘板动作、使另一方的可动磁性体53－1朝低温侧移动－0.8mm而与低温侧部件51接触的状态。
在图8的曲线图中，对实线(室温20℃)而言，在与低温侧相接的A点，作用于一方的可动磁性体53－1的吸引力为1.1N，在与高温侧相接的C点，作用于另一方的可动磁性体53－2的吸引力为5N。如果连杆(刚体)58的长度为45mm，则作用于各个可动磁性体53－1、53－2的扭矩的大小关系为：1.1(N)×22.5(mm)＜5(N)×22.5(mm)，由于翘板机构50产生绕图9A的支点(旋转轴心)57右转(顺时针)的扭矩，所以可动磁性体53－1在A点与低温侧接触而稳定，可动磁性体53－2在C点与高温侧接触而稳定。
在高温侧的温度为80℃，可动磁性体53－2温度上升而达到80℃的情况下，在超过居里温度的时刻变化为顺磁性，作用于可动磁性体53－2的磁场的力变化为C'点，吸引力降低为1N。由于作用于与低温侧接触的A点的吸引力为1.1N，所以扭矩的大小关系为：1.1(N)×22.5(mm)＞1(N)×22.5(mm)，力的方向反转。由于翘板机构50产生绕旋转轴左转(逆时针)的扭矩，所以一方的可动磁性体53－1从A点(位移x＝0mm)向B点(位移x＝0.8mm)移动。基于其反射的效果，另一方的可动磁性体53－2开始从C'点向D'点移动。由于在它们之间力之差越来越大，所以到达B点和D'点。此时，由于在B点为5N，在D'点为0.5N，所以扭矩的大小关系为：5(N)×22.5(mm)＞0.5N×22.5(mm)。由于翘板机构50产生绕支点(旋转轴心)57左转的扭矩，所以在B点和D'稳定。
如果位于冷却侧的可动磁性体53－2散热而变为30℃以下，则恢复导磁率而变化为D点，作用于可动磁性体53－2的吸引力为1.1N。另一方面，位于高温侧的可动磁性体53－1温度上升，在80℃时变为B'点，吸引力为1N。因此，扭矩的大小关系为：1(N)×22.5(mm)＜1.1(N)×22.5(mm)，力的方向反转。由于翘板机构50产生绕旋转轴右转(顺时针)的扭矩，所以可动磁性体53－1从B'点向A'点移动。另一方的可动磁性体53－2开始从D点向C点移动。由于在它们之间力之差越来越大，所以到达A'点和C点。此时，由于A'点为0.5N，C点为5N，所以扭矩的大小关系为：0.5(N)×22.5(mm)＜5N×22.5(mm)，翘板机构产生绕旋转轴右转的扭矩。由此返回到图9A的状态，在A'点和C点稳定。
能够自律地继续以上的循环而动作。此时，如图7A以及图7B所示，如果在高温侧形成腔室66－1、66－2室并导入流体，则在从A点向B点移动时腔室66－1的压力上升，出口侧的止回阀打开，能够排出流体。另外，从在B点向A点移动时腔室66－1的压力减少，入口侧的止回阀打开，能够使流体流入腔室。
在上述的例子中，虽然在翘板机构50的中点设置旋转轴57，作用于左右的磁性体53－1、53－2的磁吸引力的特性相同，但也可以利用杠杆的原理而设计成力与旋转半径之积大体相同。在哪种情况下，都能够通过热能而非电能来使微型泵自律地动作。
这样，在实施例2中，利用在设有支点的翘板机构上安装的多个可动磁性体的导磁率的温度变化，将固定磁铁与可动磁性体之间的吸引力以及从另一可动磁性体经由翘板机构传递的作用力作为动力。
对泵设置低温侧(冷却侧)与高温侧(发热源)的界面，可动磁性体53－1、53－2与低温侧隔热、与高温侧隔热。如果一方的可动磁性体53－1由于吸引力而与设置于高温侧的固定磁铁63－1接触则温度上升，可动磁性体53－1的导磁率降低、吸附力降低。基于翘板机构50的另一方的可动磁性体53－2所产生的吸附力，复原力作用于一方的可动磁性体53－1，如果该复原力超过降低了的吸附力，则一方的可动磁性体53－1从高温侧脱离而恢复到低温侧，与低温侧接触并散热。
如后所述，这样的微型泵能够作为若需要强力冷却则自动动作的辅助泵而使用。由此，可减少主泵的电力、使主泵本身的缩减或者低等级化而降低成本。另外，通过在冷却水路内产生最大压力损失的水套附近设置微型泵，能够降低水路配管的水压来减小产生漏水事故的风险。
实施例3
图10是表示利用了翘板机构的另一微型泵80的结构的图。在图10的例子中，翘板机构50A通过利用一对连杆58构成支承连杆58，该支承连杆58构成翘板，并利用扭簧(扭杆)82－3对两根连杆58支承支点来形成旋转轴57。该结构能够减少轴承的摩擦。由于该情况下的扭转弹簧的复原力起到使翘板机构50A返回中点的力，所以与各状态下作用的磁力相比需要设计得足够小，或不破坏上述的力关系地恰当设计。
另外，也可以利用扭杆82－1、82－2将一对可动磁性体53－1、53－2悬挂于翘板机构50A的连杆58来具有第二旋转轴。这样，在可动磁性体53－1、53－2与高温部、低温部接触时，按照接触面积增加的方式自匹配变形，结果能够减小与高温部、低温部的接触热阻。这样的翘板机构50A的动作与图9A以及图9B所示的动作相同。
在图10的微型泵80中，与一对可动磁性体53－1、53－2对应地在高温侧配置固定磁铁63－1、63－2。另外，与可动磁性体53－1、53－2对应地使用圆形的隔膜52－1、52－2，进行对应的腔室66－1、66－2内部的压力控制。对腔室66－1设置入口阀54－1和出口阀55－1，根据隔膜52－1的动作来导入、排出流体(冷媒等)。同样，对腔室66－2设置入口阀54－2和出口阀55－2，根据隔膜52－2的动作来导入、排出流体。
图11是图10的微型泵80的A－A'剖视图。该剖视图表示了从图10的入口阀54－1通过可动磁性体53－1和支承可动磁性体53－1的扭杆82－1而到支承连杆58和旋转轴57的扭杆82－3的部分的剖面构造。
参照图10以及图11，微型泵80具有：高温侧部件61，其具有作为起磁机构的磁铁63－1(63－2)；低温侧部件51，其与高温侧部件对置并具有散热作用；感温磁性体53－1(53－2)，其位于高温侧部件61与低温侧部件51之间，在与高热侧部件61接触的第一位置和与低温侧部件51接触的第二位置之间位移；以及翘板机构50A，其使感温磁性体53－1(53－2)恢复到原来位置。高温侧部件61至少被加热到作为冷却对象的发热体的温度。感温磁性体53－1(53－2)具有比加热环境温度低的居里温度。微型泵80还具有在高温侧构成流路的腔室66－1(66－2)、和控制腔室66内的压力的隔膜52－1(52－2)，隔膜52－1根据可动磁性体53－1的动作在腔室66内位移。
作为一个例子，在对CPU等发热部件(电子部件)进行冷却的情况下，若形成直径为20mm、深度为0.8mm的腔室66－1、66－2，则可以期待通过一次动作使0.25ml左右体积的流体流出。
另外，如果可动磁性体53－1、53－2是面积为100mm2、厚度为0.2mm的铁素体，则热容量为0.08J/℃左右。如果包含接触热阻的总热阻为0.5K/W，则温度变化的时间常数与其相乘，能够在40ms瞬时完成吸热或者散热。实际的动作因流体的粘性阻力而受到制约，但如果进行25Hz的动作，则可期待获得6.25ml/s的流量，能够输送100W量级的热量。
图12A～图15是制作图11所示的微型泵80的制造工序图。首先，如图12A～图12C所示那样制作微型泵80的中间部件3所采用的第一基板。如图12A所示，对SOI基板的支承层(单晶Si：厚度为525um)103涂覆抗蚀剂104并图案化，通过深扩散(RIE(Reactive Ion Etching)：反应离子刻蚀)将硅103蚀刻去除。并且，通过RIE将中间氧化膜102(SiO2：厚度为1μm)除去来形成孔。然后，除去抗蚀剂104。
如图12B所示，将形成的孔作为烧结模具而埋入磁性体粉。例如，将直径为数10nm左右的铁素体、氧化锰、氧化锌、氧化铜的粉末以一定比率混合，通过由载流气体喷射的气溶胶沉积法进行埋入。或者也可以利用由水、有机成分构成的粘合液将粉末接合，通过热压法、纳米压印法进行埋入。然后，通过在1000℃左右的高温下进行热处理使粉体陶瓷化，来形成可动磁性体53。对SOI基板的设备层(单晶Si：厚度3um)101涂覆抗蚀剂106并图案化，来对硅101和硅氧化膜102进行蚀刻。
如图12C所示，将抗蚀剂106除去。由此，阀部分54与隔膜部分52形成为一体。此外，虽然没有图示，但出口阀55也同时一体形成。再次对支承层103侧涂覆抗蚀剂108并图案化，来对硅103的规定的位置进行蚀刻而形成开口109，然后除去抗蚀剂108。由此，形成第一基板100。
接下来，制作中间部件3所采用的第二基板。如图13A所示，使用另一硅片(单晶Si：厚度为525um)201，涂覆抗蚀剂202并图案化，将硅201半蚀刻10μm左右。由此，在规定的位置形成凹部203。
接下来，如图13B所示，除去抗蚀剂202，再次涂覆抗蚀剂204并图案化，对硅201进行深扩散来将规定的位置205除去从而加工成所希望的形状。除去抗蚀剂204，完成第二基板200。由此，形成具有连杆58、扭杆(扭簧)82－1、82－2(未图示)、82－3的第二基板200。
接下来，如图14所示，将第一基板200接合到第一基板100上。例如将清洁表面彼此直接接合并进行1000℃的接合退火，从而能够实现稳固的接合。
在图15中，准备另外制作的铜板，例如厚度为1mm且一部分被蚀刻0.5mm的铜板。向该铜板版上分配100um的环氧树脂粘合剂301并在200℃下烘烤而粘合在铜板上。该部分成为低温侧部件2。在同样另外准备的铜板61例如厚度为1mm的铜板61上粘合永久磁铁63－1、63－2(未图示)，并用环氧树脂固定。在冲切作为腔室框架的厚度为0.8mm的硅薄膜之后将其安装到环氧树脂上。该部分成为高温侧部件1。夹着中间部件3使高温侧部件1与低温侧部件2对置而组合，通过切出各泵芯片，完成了具有图11所示的翘板机构50A的微型泵80。
图16表示了作为实施例3的变形例的翘板机构50B。在该例子中，将支承连杆98形成为双层构造，设置两个中点处的旋转轴97a。另外，对一对可动磁性体53－1、53－2的每一个分别设置两个旋转轴97b、97c。这样，由于可动磁性体53－1、53－2平行地上下动，所以能够减小与高温部、低温部的接触热阻。对该情况进行说明。
图17是表示图16的翘板机构50B的开关动作的图。在图17(A)中，在室温(初始状态)下，可动磁性体53－1、53－2双方具有自发磁化力，但由于从固定磁铁63－1作用于可动磁性体53－1的力比从固定磁铁63－2作用于可动磁性体53－2的力大，所以在该状态下稳定。
在动作时，如果高温侧部件61受到发热体(未图示)的热而被加热，则可动磁性体53－1经由高温侧部件61也被加热。此时，由于可动磁性体53－1被两个旋转轴97b保持，所以不是局部而是整个面与高温侧部件61－1接触。同样，由于可动磁性体53－2也被两个旋转轴97c保持，所以不是局部而是整个面与低温侧部件51－2接触。因此，热传导的效率很高。
如果可动磁性体53－1被加热到超过其居里温度，则丧失自发磁化力，来自固定磁铁63－1的吸引力降低。另一方面，由于可动磁性体53－2与低温侧整个面接触，所以保持自发磁化力，从固定磁铁63－2作用于可动磁性体53－2的吸引力超过作用于可动磁性体53－1的吸引力。结果如图17(B)所示，可动磁性体53－2与高温侧部件61接触。作为翘板机构50B的反射性效果，可动磁性体53－1与低温侧部件51－1接触。由于可动磁性体53－1、53－2的每一个分别被两个旋转轴97b、97c保持为能够旋转，所以能够在与高温侧部件61－1、61－2接触的第一位置和与低温侧部件51－1、51－2接触的第二位置之间并行移动而以整个面接触。
图18是表示作为实施例3的又一变形例的翘板机构50C、50D的图。在图18(A)中，通过将圆柱的固定磁铁63－1和环绕固定磁铁63－1的环状芯材64埋入高温部件61，来构成起磁回路75－1。同样，通过埋入圆柱的固定磁铁63－2和环绕固定磁铁63－2的环状的芯材64，来构成起磁回路75－2。在这样的结构中，能够进行与图17相同的动作。
在图18(B)中，通过在环形磁铁93－1、93－2内分别配置铁心螺线管线圈94－1、94－2而构成起磁回路。此时，成为磁电路内产生的磁通贯通那样的线圈配置。在翘板机构50D因温差而开始动作时，由于贯通线圈94－1、94－2的磁通密度增减，所以在线圈94－1、94－2的两端产生电动势。能够将该电动势作为电力来利用。或者，在处于热源不进行足够发热的空闲状态的情况下，通过以在与永久磁铁93－1、93－2所产生的磁通相反的方向产生磁通的方式使线圈94－1、94－2流过电流，也能够提供电力来使微动机构动作。
图19A以及图19B是作为微型泵的使用形态例的电子设备的图。在这些例子中，微型泵310作为电子设备300A、300B的一部分被使用。即，与电子部件一同被配置在PC框体、服务器机架等框体301内，用于发热体的冷却。微型泵310可以是实施例1～3中任意一个微型泵。
在图19A的电子设备300A中，微型泵310作为主泵而使用。在单机PC等中为单CPU的情况下，可以将微型泵310作为主泵使用。该情况下，微型泵310根据CPU350的使用率而自律地动作，即使不供给电力也能够增加冷却流量。
当如图19B的电子设备300B那样，在机架式服务器等中对多个CPU310(为了图示方便仅图示一个CPU)进行冷却时，追加主泵330，将微型泵310作为副泵(辅助泵)使用。该情况下微型泵310也能够根据CPU350的使用率自律地动作来增加冷却量。通过该结构，能够减少主泵330的电力。
在图19A、图19B中，如果微型泵310利用热源(CPU350等电子部件)与水套(或者微通道散热器)340的温差动作，则冷媒流体如图中箭头所示那样循环。
在图19A的情况下，从微型泵310的出口315排出的冷媒流体通过热交换器或者散热器320与电风扇321、储备罐325而进入水套340。冷媒接受通过微型泵310传递来的热量，进入微型泵310的入口314。然后，基于热源350与水套340的温差而从出口排出。热交换器320是使从热源接受的热量向次级侧冷媒移动的装置，在次级侧冷媒为空气时，热交换器320为散热器。
在图19B的情况下，从主泵330排出的冷媒流体经由储备罐325进入水套340，接受通过微型泵310传递来的热量，进入微型泵310的入口314。如果微型泵利用热源350与水套340的温差动作，则流体从出口315排出，通过热交换器320在主泵330中循环。
在没有微型泵的情况下，主泵330必须考虑在水套340、往复的配管以及热交换器320之间的全部压力损失对流体进行加压、循环。因此，需要生成高的压力。另外，从主泵330到水套340之间的配管为高的正压，连接部需要高的可靠性。也可以考虑控制流体的流量来减少泵的耗电量、或者增高排出的流体的温度来提高热交换器320的交换率，但由于伴随热量从水套340向热源350的逆流的风险提高，需要高度的泵控制，所以无法实现。
根据本实施方式，微型泵310能够实现从水套340吸出流体的功能。在微型泵310动作时，主泵330只要生成涵盖从主泵330到水套340的流路、和水套340的压力损失的一部分的压力即可。如果如此使微型泵310作为辅助泵发挥功能，则由于压力的上升点被分散到整体，所以对于流体的循环系统而言成为提高可靠性的机构。通过将微型泵310配置于冷却水路内产生最大压力损失的水套340的附近，能够降低水路配管的水压，减轻漏水事故所带来的风险。
在微型泵310不动作时，主泵330需要涵盖整个流路的压力损失，若简单地估计，则流量降低到1/2～1/3左右。然而，此时由于热源350的发热少，是本来发热就少的时候，所以反倒是希望降低冷却能力。并且，在微型泵310中热量从热源350向水套340单向移动而没有逆流。即，与以往相比能够减少泵的耗电量。
如以上说明那样，在任意一个实施例中，都以可动磁性体的居里温度前后的磁力变化为动力，使设置于低温侧(冷却侧)与高温侧(发热源)的界面的可动磁性体在与高温侧接触的第一位置、和与低温侧接触的第二位置之间位移。另外，通过设置使因导磁率的变化而位置移动的可动磁性体恢复到原来位置的复原机构，能够实现往复运动，作为没有电力供给而动作的泵或者开关发挥功能。
在作为泵使用时，对可动磁性体安装隔膜，与可动磁性体的动作配合来使隔膜在泵腔室内上下动。在如实施例2、3那样使用翘板机构作为位置复原机构的情况下，一方的可动磁性体吸附于高温侧而使对应的腔室的压力增加，另一方的可动磁性体与低温侧接触，在对应的腔室内产生负压。通过该结构，能够高效地冷却循环。
另外，可以适当组合上述实施例1～3的结构。例如，在实施例1、实施例2中可以采用将高温侧的固定磁铁设为环形磁铁，并在环形内配置铁心螺线管线圈的结构。
工业上的可利用性
除了开关、致动器之外，还能够应用于其他发热体的冷却，尤其应用于将电子部件进行了封装后的电子设备的冷却。
附图标记说明：3…中间层；10、70、80、310…致动器(微型泵)；11、51…低温侧部件(第二部件)；12、52、52－1、52－2…弹性膜或者隔膜(复原机构)；13、53、53－1、53－2…可动磁性体(感温磁性体)；14、54－1、54－2…入口阀；15、55－1、55－2…出口阀；21、61…高温侧部件(第一部件)；23、63－1、63－2…固定磁铁(起磁机构)；25、65…起磁回路(起磁机构)；26、66－1、66－1…腔室；50、50A、50B、50C、50D…翘板机构(复原机构)；57、97、97a…旋转轴心；58、98…支承连杆；300A、300B…电子设备；330…主泵；340…水套(散热机构)；350…CPU(发热体)。

Claims (18)

1.一种致动器，其特征在于，包括：
第一部件，其包含起磁机构，至少被加热到第一温度；
第二部件，其与所述第一部件对置配置；
感温磁性体，其位于所述第一部件与第二部件之间，在与所述第一部件接触的第一位置和与所述第二部件接触的第二位置之间位移，并具有比所述第一温度低且比所述第二部件的温度高的居里温度；以及
复原机构，其使所述感温磁性体从所述第一位置恢复到所述第二位置，
所述复原机构是与所述感温磁性体连结的弹性膜。
2.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，
所述复原机构的复原力比所述第一位置处的所述起磁机构与所述感温磁性体之间的吸引力大。
3.根据权利要求2所述的致动器，其特征在于，
所述复原机构的复原力比所述第二位置处的所述起磁机构与所述感温磁性体之间的吸引力小。
4.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，
所述起磁机构包含具有比所述第一温度高的居里温度的强磁性体。
5.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于，
所述起磁机构是固定磁铁。
6.一种致动器，其特征在于，包括：
第一部件，其包含起磁机构，至少被加热到第一温度；
第二部件，其与所述第一部件对置配置；
感温磁性体，其位于所述第一部件与第二部件之间，在与所述第一部件接触的第一位置和与所述第二部件接触的第二位置之间位移，并具有比所述第一温度低且比所述第二部件的温度高的居里温度；以及
复原机构，其使所述感温磁性体从所述第一位置恢复到所述第二位置，
所述致动器具有一对所述感温磁性体和一对所述起磁机构，
所述复原机构是翘板机构，该翘板机构具有在两端配置了所述一对感温磁性体的支承连杆、和将所述支承连杆支承为能够转动的支点，
所述致动器还具有与所述一对感温磁性体分别连接的一对隔膜。
7.根据权利要求6所述的致动器，其特征在于，
所述翘板机构还具有旋转轴，该旋转轴将所述感温磁性体的每一个保持为相对于与所述支承连杆的对应的端部能够旋转。
8.根据权利要求6所述的致动器，其特征在于，
所述一对感温磁性体的每一个在所述第一位置与所述第二位置之间并行移动。
9.根据权利要求6所述的致动器，其特征在于，
当所述一对感温磁性体的一方在所述第一位置与所述第一部件接触时，所述一对感温磁性体的另一方在所述第二位置与所述第二部件接触。
10.根据权利要求6所述的致动器，其特征在于，
所述支承连杆包含两根连杆，所述一对感温磁性体的每一个被架设在所述两根连杆之间。
11.根据权利要求10所述的致动器，其特征在于，
所述致动器还包含将所述感温磁性体的每一个架设于所述连杆的扭杆。
12.一种致动器，其特征在于，包括：
第一部件，其包含起磁机构，至少被加热到第一温度；
第二部件，其与所述第一部件对置配置；
感温磁性体，其位于所述第一部件与第二部件之间，在与所述第一部件接触的第一位置和与所述第二部件接触的第二位置之间位移，并具有比所述第一温度低且比所述第二部件的温度高的居里温度；以及
复原机构，其使所述感温磁性体从所述第一位置恢复到所述第二位置，
所述起磁机构包含环形磁铁和配置在所述环形磁铁内的线圈。
13.根据权利要求12所述的致动器，其特征在于，
贯通所述线圈的磁通根据在所述第一位置与第二位置之间移动的所述感温磁性体的移动而增减。
14.一种微型泵，其特征在于，包含：
致动器，该致动器包括：第一部件，其包含起磁机构，至少被加热到第一温度；第二部件，其与所述第一部件对置配置；感温磁性体，其位于所述第一部件与第二部件之间，在与所述第一部件接触的第一位置和与所述第二部件接触的第二位置之间位移，并具有比所述第一温度低且比所述第二部件的温度高的居里温度；以及复原机构，其使所述感温磁性体从所述第一位置恢复到所述第二位置；
在所述致动器的所述第一部件与所述第二部件之间形成流路的腔室；以及
与所述致动器的感温磁性体连结，在所述腔室内位移的隔膜，
当所述感温磁性体从所述第二位置向所述第一位置移动时，所述隔膜增大所述腔室内的压力，当所述感温磁性体从所述第一位置向所述第二位置移动时，所述隔膜减少所述腔室内的压力。
15.根据权利要求14所述的微型泵，其特征在于，
所述微型泵还具有将流体导入所述腔室内的第一阀、和从所述腔室排出所述流体的第二阀，
所述第一阀、所述第二阀以及所述隔膜形成为一体。
16.根据权利要求15所述的微型泵，其特征在于，
所述隔膜的至少一部分为半导体材料。
17.一种电子设备，其特征在于，包含：
权利要求14所述的微型泵；
与所述微型泵中使用的所述致动器的所述第一部件接触而配置的电子部件；以及
与所述微型泵连接，使流体循环的循环系统。
18.根据权利要求17所述的电子设备，其特征在于，
所述电子设备还包含与所述循环系连接的主泵。
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