JP2010151136A - 熱伝導構造 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導率を大きく変化させることができ、様々な受熱面、放熱面に適用できる熱伝導構造を提供すること。
【解決手段】本発明の熱伝導構造１は、受熱面７と放熱面９との間に複数配置され、その一端を前記受熱面９及び前記放熱面７のうちの一方に常に接触させたアクチュエータ３と、前記受熱面９と前記放熱面７との間に設けられ、それらを支持する支持部材５と、を備え、前記アクチュエータ３は、その温度が所定の温度領域以上となったときは、前記一端とは異なる端部を、前記受熱面７及び前記放熱面９のうちの他方に対し非接触とし、その温度が前記温度領域未満のときは、前記異なる端部を前記他方に対し接触させることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、受熱面と放熱面との間の熱伝導を行う熱伝導構造に関する。

部材の熱伝導率を用途や環境によって大きく可変したいと言うニーズが存在するが、通常、部材の熱伝導率は、その物性値としてある一定の値を有するのみである。
これに対し、例えば、特許文献１〜４の技術は、部材の外観を変えずに熱伝導率を可変にする機構を提案している。

特開平５−２３９００号公報 特開平１１−２３６６３６号公報 特開平９−３２９２９０号公報 特開２０００−２７４９７６号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、部材全体が変形するため、受熱面や放熱面への固定方法における制約がある。また、特許文献２の技術では、用いる材料の点から、大幅な熱伝導率の変化を望めない。また、特許文献３の技術は、熱伝導率の異なる２種類の気体を用いるものであり、熱伝導率は最大でも、それらの気体の熱伝導率の範囲でしか可変できない。また、特許文献４の技術は、構成要素である流体の熱伝導率を大きく変化させることができない問題がある。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、熱伝導率を大きく変化させることができ、様々な受熱面、放熱面に適用できる熱伝導構造を提供することを目的とする。

本発明の熱伝導構造は、受熱面と、放熱面と、受熱面と放熱面との間に複数配置され、その一端を受熱面及び放熱面のうちの一方に常に接触させたアクチュエータとを備える。そのアクチュエータは、外部から与えられるエネルギーによって、その温度が所定の温度領域以上となったときは、前記一端とは異なる端部を、受熱面及び放熱面のうちの他方に対し非接触とし、その温度が温度領域未満のときは、前記異なる端部を前記他方に対し接触させ、受熱面と放熱面との間の熱伝導率を、前記非接触の状態よりも大きくする。

本発明の熱伝導構造は、受熱面と放熱面との間の熱伝導率を大きく変化させることができる。すなわち、アクチュエータの前記異なる端部を前記他方に対し接触させることにより、熱伝導率を高くすることができ、アクチュエータの前記異なる端部を、前記他方に対し非接触とすることにより、熱伝導率を低くすることができる。

本発明において、図１に示すように、アクチュエータ３の一端３ａを受熱面７及び放熱面９のうちの一方に常に接触させ、その一端３ａとは異なる端部３ｂを、受熱面及７及び放熱面９のうちの他方に接触させることができる。また、アクチュエータ３における前記異なる端部３ｂを、受熱面７及び放熱面９のうちの他方に対し非接触とすることができる。

アクチュエータ３の一端３ａを常に接触させる対象を、受熱面７とすることができる。こうすることにより、アクチュエータ３の動作を、早期に、受熱面７の温度変化に反映させることができる。また、アクチュエータ３の一端３ａを常に接触させる対象を、放熱面９とすることができる。こうすることにより、アクチュエータ３の動作のタイミングを、一端３ａを受熱面７に常に接触させる場合よりも、遅らせることができる。

本発明の熱伝導構造は、例えば、図１に示すように、受熱面７と放熱面９との間に、それらを支持する支持部材５を備える。
前記アクチュエータとしては、例えば、バイメタル及び／又は形状記憶合金を備え、外部（アクチュエータ以外の部分）から与えられる熱エネルギーに応じて動作するものが挙げられる。

また、前記アクチュエータとしては、例えば、図６に示すように、内部に気体を密封し、弾性材料からなる袋部材１２を備え、外部から与えられる熱エネルギーに応じて、前記袋部材１２が膨張／収縮することにより動作するものが挙げられる。

また、前記アクチュエータは、その温度が所定の温度領域以上のとき、前記一端とは異なる端部を、受熱面及び放熱面のうちの他方に対し非接触とし、その温度が前記温度領域未満のとき、前記異なる端部を前記他方に対し接触させる。この場合、本発明の熱伝導構造は、例えば、保温ポット等に適用することができる。すなわち、２重構造を有する保温ポットの内壁を受熱面とし、その外側にある外壁を放熱面とすれば、内壁に高温の液体が収容されているときは、熱伝導率を低くし、その液体が冷めにくくなる。

前記アクチュエータとしては、例えば、ソレノイドを備え、外部から与えられる電気エネルギーに応じて動作するものや、磁石を備え、外部から与えられる磁気エネルギーに応じて動作するものが挙げられる。

熱伝導構造の原理を表す説明図である。 熱伝導構造における受熱面又は放熱面の温度と、熱伝導率との関係を表すグラフである。 熱伝導構造１の構成を表す斜視図である。 熱伝導構造１の構成を表す側面図である。 熱伝導構造１の構成を表す側面図である。 銅板７の温度と、銅板９の温度との関係を表すグラフである。 熱伝導構造１の構成を表す側面図である。 熱伝導構造１の構成を表す側面図である。 熱伝導構造１の構成を表す側面図である。 熱伝導構造１の構成を表す側面図である。 熱伝導構造１の構成を表す側面図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（参考例１）
１．熱伝導構造１の製造方法
熱伝導構造１を製造する方法を図３及び図４に基づいて説明する。

まず、バイメタルをコの字形状に加工し、これをアクチュエータ３とした。このとき、アクチュエータ３を加熱したとき、コの字が開くように、バイメタルを加工した。アクチュエータ３のサイズは、底面2mm×2mm、高さ1mmの直方体である。アクチュエータ３は複数作成した。

また、底面2mm×2mm、高さ1.1mmのホットメルトをコートしたエポキシ樹脂を用意し、これを支持体５とした。支持体５は複数作成した。
受熱面である銅板７（100mm×100mm、0.5mm厚）の上面全体にわたって、上記のように作成しておいたアクチュエータ３を、ロウ付けにより、複数取り付けた。アクチュエータ３の配置は、銅板７の縦方向、横方向のそれぞれについて、一定の間隔をおいて複数分布するようにした。なお、図４における６はロウ材である。このとき、後に支持体５を取り付けるスペースには、ダミーとして、底面2.5mm×2.5mm、高さ1mmのエポキシ樹脂（図示略）を配置しておいた。次に、ダミーのエポキシ樹脂を除去後、そのスペースに、上記のように作成しておいた支持体５を取り付けた。

さらに、放熱面である銅板９（100mm×100mm、0.5mm厚）を、銅板７のうち、アクチュエータ３及び支持体５を取り付けた側にかぶせ、150℃の温度条件で加圧した。その結果、銅板７と銅板９とは、支持体５を介して接着された。銅板７及び銅板９の外周部はシリコーン樹脂にてシールした。図４に示すように、銅板７を加熱しないときは、アクチュエータ３の上端部３ａと、銅板９との間には、隙間である非接触部１１が生じていた。

２．熱伝導構造１の作用
次に、熱伝導構造１の作用を説明する。熱伝導構造１を、銅板７が下側となるように、ホットプレート上に置いた。その状態で加熱し、銅板７の温度を室温から２５０℃まで徐々に上昇させた。銅板７の温度が上昇してゆき、所定の温度領域以上となったとき、図５に示すように、アクチュエータ３の形状が、コの字が開くように変化し、上端部３ａが銅板９に接触した。このとき、銅板７から、アクチュエータ３を経て、銅板９に至る経路に、非接触部がない状態となった。この状態は、銅板７の温度が２５０℃に達するまで続いた。その後、ホットプレートの加熱を止め、銅板７の温度が下がってゆく過程で、所定の温度領域未満となったとき、アクチュエータ３の形状が、コの字が閉じるように変化し、再び、上端部３ａと銅板９との間に非接触部１１が生じた。

銅板７の温度が上昇している期間における銅板９の温度変化を図６に示す（実線）。また、比較例として、単なる１枚の銅板をホットプレート上で同様に加熱したときの温度変化を示す（点線）。銅板９の温度上昇は、銅板７の温度が１５０℃付近になるまでは緩やかであった。これは、アクチュエータ３の上端部３ａが銅板９に接触しておらず、銅板７から銅板９への熱伝導率が低いためである。その後、銅板７の温度が１５０℃を超えると、銅板９の温度上昇は急峻になった。これは、アクチュエータ３の上端部３ａが銅板９に接触し、銅板７から、アクチュエータ３を経て、銅板９に至る熱伝導の経路が生じたため、銅板７から銅板９への熱伝導率が高くなったためである。それに対し、比較例の銅板では、温度上昇の程度に変化は見られなかった。

３．熱伝導構造１が奏する効果
(i)熱伝導構造１は、図６に示すように、熱伝導率を大きく変化させることができる。
(ii)熱伝導構造１は、アクチュエータ３の高さ、大きさ等を調整するだけで、様々な大きさ、形状の受熱面、放熱面に適用できる。
(iii)熱伝導構造１は、その構造を簡素化できる。
(iv) 熱伝導構造１は、受熱面（銅板７）の温度が低いときは熱伝導率を低くし、受熱面の温度が高いときは熱伝導率を高くすることができる。例えば、車両のエンジンを受熱面とし、排気パイプや水冷ラジエータを放熱面とすれば、エンジンの温度が低い暖気運転中は、エンジンから熱が逃げることを防止し、エンジンの温度が上昇したときは、速やかにエンジンの熱を排気パイプや水冷ラジエータに放出することができる。
（実施例２）

本実施例２における熱伝導構造１は、基本的には前記参考例１と同様であるが、アクチュエータ３の動作において相違する。すなわち、アクチュエータ３は、加熱されないときはコの字が開いた状態にあり、上端部３ａは銅板９に接触している。一方、アクチュエータ３が加熱されたときは、コの字が閉じた状態となり、上端部３ａと銅板９との間に非接触部１１が生じる。よって、本実施例２おける熱伝導構造１は、前記参考例１とは逆に、銅板７を加熱しないときは、熱伝導率が高く、銅板７を加熱したときは、熱伝導率が低い。本実施例２におけるアクチュエータ３は、バイメタルの向き（内側と外側）を前記参考例１とは逆にすることで製造できる。

本実施例２の熱伝導構造１は、例えば、保温ポット等に適用することができる。すなわち、２重構造を有する保温ポットの内壁を受熱面とし、その外側にある外壁を放熱面とすれば、内壁に高温の液体が収容されているときは、熱伝導率を低くし、その液体が冷めにくくなる。
（参考例３）
本参考例３の熱伝導構造１は、図７に示す構造を有する。前記参考例１と同様に、銅板７と銅板９とは、支持体５を介して接着されている。アクチュエータ３は、前記参考例１と同様に、銅板７の上面全体にわたって、複数取り付けられている。

アクチュエータ３は、リン青銅筒１０と、空気入りシリコーンゴム１２とから構成される。リン青銅筒１０は、リン青銅の材質から成り、断面が楕円の筒である。リン青銅筒１０は、その側面を、銅板７にロウ付けされている。このとき、リン青銅筒１０の断面における長径方向は、銅板７、銅板９と平行となっている。

空気入りシリコーンゴム１２は、シリコーンゴムから成り、内部に空気を密封した球である。空気入りシリコーンゴム１２は、リン青銅筒１０に収容されており、その上下の端部はリン青銅筒１０の内壁に接しているが、左右の端部とリン青銅筒１０の内壁との間には隙間が生じている。

銅板７を加熱しないとき、リン青銅筒１０の上端部１０ａと、銅板９との間には隙間がある。このとき、銅板７と銅板９とは、アクチュエータ３を介して接触していない状態であるから、それらの間の熱伝導率は低い。

一方、銅板７を加熱し、空気入りシリコーンゴム１２が膨張すると、リン青銅筒１０の上端部１０ａが上方に押し上げられ、銅板９に接触する。このとき、銅板７−リン青銅筒１０−銅板９とつながる熱回路が形成され、銅板７と銅板９との間の熱伝導率が高くなる。銅板７の加熱を止め、空気入りシリコーンゴム１２が収縮すると、再び、リン青銅筒１０の上端部１０ａと、銅板９との間に隙間が生じる。

よって、本参考例３の熱伝導構造１では、外部から供給する熱エネルギーにより、アクチュエータ３を動作させ、銅板７と銅板９との間の熱伝導率を変化させることができる。
（参考例４）
本参考例４の熱伝導構造１は、図８に示す構造を有する。前記参考例１と同様に、銅板７と銅板９は、支持体５を介して接着されている。アクチュエータ３は、前記参考例１と同様に、銅板７の上面全体にわたって、複数取り付けられている。

アクチュエータ３は、鉄心１３、ソレノイド１５、及び鉄箔１７から構成される。鉄心１３の大きさは、２ｍｍφ、長さ３ｍｍであり、その一端において銅板７にロウ付けされている。鉄心１３と銅板９との間には隙間がある。ソレノイド１５は、鉄心１３に巻かれたエナメル線であり、図示しない外部電源に接続している。ソレノイド１５に電流が流れたとき、鉄心１３とソレノイド１５とは、電磁石として機能する。

鉄箔１７は、その一方の端部１７ａが支持体５と銅板９との間に挟まれることで固定されている。よって、鉄箔１７は、銅板９に常に接触している。鉄箔１７のうち、端部１７ａとは反対側の端部１７ｂは、鉄心１３と、銅板９との間に位置する。

ソレノイド１５に電流が流れず、鉄心１３とソレノイド１５とからなる電磁石が作動していないとき、鉄箔１７の端部１７ｂは、銅板９、鉄心１３のいずれにも接触していない。このとき、銅板７と銅板９とは、アクチュエータ３を介して接触していない状態であるから、それらの間の熱伝導率は低い。

一方、ソレノイド１５に電流が流れ、鉄心１３とソレノイド１５とからなる電磁石が作動したとき、鉄箔１７の端部１７ｂが磁力により引きつけられて鉄心１３と接触し、銅板７−鉄心１３−鉄箔１７−銅板９とつながる熱回路が形成され、銅板７と銅板９との間の熱伝導率が高くなる。

よって、本参考例４の熱伝導構造１では、外部から供給する電気エネルギーにより、アクチュエータ３を動作させ、銅板７と銅板９との間の熱伝導率を変化させることができる。
（参考例５）
本参考例５の熱伝導構造１は、図９に示す構造を有する。前記参考例１と同様に、銅板７と銅板９は、支持体５を介して接着されている。アクチュエータ３は、前記参考例１と同様に、銅板７の上面全体にわたって、複数取り付けられている。

アクチュエータ３は、内径２ｍｍφ、長さ２ｍｍの中空ボビン１９と、中空ボビン１９の外周に巻かれたエナメル線２１と、鉄心２３と、バネ２５とから構成される。エナメル線２１は図示しない外部電源に接続している。エナメル線２１に電流が流れたとき、中空ボビン１９とエナメル線２１とは、電磁石として機能する。バネ２５は、中空ボビン１９内に挿入され、その一端を銅板７に固定されている。また、バネ２５は、反対側の端部において鉄心２３に接続し、鉄心２３を銅板９の方向に付勢している。

エナメル線２１に電流が流れず、中空ボビン１９とエナメル線２１とからなる電磁石が作動していないとき、鉄心２３は、バネ２５の付勢力により、銅板９に接触している。このとき、銅板７−バネ２５−鉄心２３−銅板９とつながる熱回路が形成され、銅板７と銅板９との間の熱伝導率が高くなる。

一方、エナメル線２１に電流が流れ、中空ボビン１９とエナメル線２１とからなる電磁石が作動したとき、鉄心２３は中空ボビン１９の内部に引き込まれ、鉄心２３と銅板９との間には隙間が生じる。このとき、銅板７と銅板９とは、アクチュエータ３を介して接触していない状態であるから、それらの間の熱伝導率は低い。

よって、本参考例５の熱伝導構造１では、外部から供給する電気エネルギーにより、アクチュエータ３を動作させ、銅板７と銅板９との間の熱伝導率を変化させることができる。
（参考例６）
本参考例６の熱伝導構造１は、図１０に示す構造を有する。前記参考例１と同様に、銅板７と銅板９は、支持体５を介して接着されている。アクチュエータ３は、前記参考例１と同様に、銅板７の上面全体にわたって、複数取り付けられている。

アクチュエータ３は、リン青銅製のバネ板２７と、永久磁石２９とから構成される。また、銅板９の上側には、電磁石３１が取り付けられている。
バネ板２７は、略Ｚ型の形状を有し、その底面２７ａにおいて銅板７にロウ付けされている。永久磁石２９は、バネ板２７における上面２７ｂの下側に取り付けられている。

電磁石３１を作動させないとき、バネ板２７の上面２７ｂは、銅板９に接触している。このとき、銅板７−バネ板２７−銅板９とつながる熱回路が形成され、銅板７と銅板９との間の熱伝導率が高い。

一方、電磁石３１を、永久磁石２９と反発しあうように作動させると、永久磁石２９と電磁石３１間の反発力により、バネ板２７が変形し、上面２７ｂが銅板９から離れる。このとき、銅板７と銅板９とは、アクチュエータ３を介して接触していない状態であるから、それらの間の熱伝導率は低い。

よって、本参考例６の熱伝導構造１では、外部から供給する磁気エネルギーにより、アクチュエータ３を動作させ、銅板７と銅板９との間の熱伝導率を変化させることができる。
（参考例７）
本参考例７の熱伝導構造１は、図１１に示す構造を有する。前記参考例１と同様に、銅板７と銅板９は、支持体５を介して接着されている。アクチュエータ３は、前記参考例１と同様に、銅板７の上面全体にわたって、複数取り付けられている。

アクチュエータ３は、一対の鉄板３３、３５と、磁性流体３７とから構成される。また、銅板９の上側には、電磁石３９が取り付けられている。
鉄板３３は、支持体５に沿う位置において、その一端を銅板７にロウ付けされている。また、鉄板３５は、支持体５に沿う位置において、その一端を銅板９にロウ付けされている。鉄板３３と鉄板３５との間には、１ｍｍのギャップ４１が存在する。磁性流体３７は、ギャップ４１の容積以上の容積を有している。

電磁石３９を作動させないとき、磁性流体３７はギャップ４１以外の場所にあり、鉄板３３と鉄板３５とは接続されていない。このとき、銅板７と銅板９とは、アクチュエータ３を介して接触していない状態であるから、それらの間の熱伝導率は低い。

一方、電磁石３９を作動させると、磁性流体３７はギャップ４１に引き寄せられ、鉄板３３と鉄板３５との間を満たす。このとき、銅板７−鉄板３３−磁性流体３７−鉄板３５−銅板９とつながる熱回路が形成され、銅板７と銅板９との間の熱伝導率が高くなる。

よって、本参考例７の熱伝導構造１では、外部から供給する磁気エネルギーにより、アクチュエータ３を動作させ、銅板７と銅板９との間の熱伝導率を変化させることができる。

尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、前記参考例１、実施例２において、アクチュエータ３の材料として、バイメタルの代わりに、形状記憶合金を用いてもよい。

１・・・熱伝導構造、３・・・アクチュエータ、３ａ・・・上端部、５・・・支持体、
７、９・・・銅板、１０・・・リン青銅筒、１０ａ・・・上端部、
１１・・・非接触部、１２・・・空気入りシリコーンゴム、
１３、２３・・・鉄心、１５・・・ソレノイド、１７・・・鉄箔、
１７ａ、１７ｂ・・・端部、１９・・・中空ボビン、２１・・・エナメル線、
２５・・・バネ、２７・・・バネ板、２７ａ・・・底面、２７ｂ・・・上面、
２９・・・永久磁石、３１・・・電磁石、３３、３５・・・鉄板、
３７・・・磁性流体、３９・・・電磁石、４１・・・ギャップ

Claims (5)

1. 受熱面と、
   放熱面と、
   前記受熱面と前記放熱面との間に複数配置され、その一端を前記受熱面及び前記放熱面のうちの一方に常に接触させたアクチュエータと、
   前記受熱面と前記放熱面との間に設けられ、それらを支持する支持部材と、
   を備え、
   前記アクチュエータは、外部から与えられるエネルギーによって、その温度が所定の温度領域以上となったときは、前記一端とは異なる端部を、前記受熱面及び前記放熱面のうちの他方に対し非接触とし、その温度が前記温度領域未満のときは、前記異なる端部を前記他方に対し接触させ、前記受熱面と前記放熱面との間の熱伝導率を、前記非接触の状態よりも大きくすることを特徴とする熱伝導構造。
2. 前記アクチュエータは、バイメタル及び／又は形状記憶合金を備え、外部から与えられる熱エネルギーに応じて動作するものであることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導構造。
3. 前記アクチュエータは、内部に気体を密封し、弾性材料からなる袋部材を備え、外部から与えられる熱エネルギーに応じて、前記袋部材が膨張／収縮することにより動作するものであることを特徴とする請求項１に記載の熱伝導構造。
4. 前記アクチュエータは、ソレノイドを備え、外部から与えられる電気エネルギーに応じて動作するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱伝導構造。
5. 前記アクチュエータは、磁石を備え、外部から与えられる磁気エネルギーに応じて動作するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱伝導構造。