JP2015092101A - 熱スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】むやみに電気的エネルギー等を消費することなく、効率良く熱の伝達を制御できる熱スイッチを提供する。【解決手段】熱スイッチ１０ａは、伝熱媒体１４と、誘電体１６と、第１電極１７と、制御部１９とを有する。伝熱媒体１４は、対向する二つの物体１１、１２の間隙１３において挿脱可能に設けられる。誘電体１６は、二つの物体１１、１２の界面または当該界面を含む平曲面の少なくとも一方に設けられる。第１電極１７は、当該誘電体１６に沿って設けられる。制御部１９は、第１電極１７および誘電体１６への電圧の印加を制御する。誘電体１６は、第１電極１７および伝熱媒体１４を絶縁する。制御部１９は、第１電極１７および誘電体１６に電圧を印加することによって、エレクトロウェッティング現象を発生させて、伝熱媒体１４の挿脱を制御し、二つの物体１１、１２間の伝熱または断熱を切り替える。【選択図】図１

Description

本発明は、熱スイッチに関する。

複数の物体間において、熱の伝達を制御する熱スイッチの技術が知られている（たとえば、特許文献１）。特許文献１記載の技術によれば、二つの物体間に配置された液体金属に磁気を印加した上で電流を流すことにより、液体金属にローレンツ力を加え、液体金属を変形させる。変形した液体金属が、二つの物体の両方に当接することにより、二つの物体間は伝熱状態となり、片方の物体のみに当接することにより、二つの物体間は断熱状態となる。したがって、特許文献１記載の技術によれば、ローレンツ力により熱の伝達を制御できる。また、特許文献１には、ローレンツ力の替わりに磁力を用いて熱の伝達を制御することも記載されている。この技術によれば、永久磁石等により磁性流体に磁気を印加することにより、磁性流体に磁力を加え、磁性流体を変形させる。これにより、上記と同様に二つの物体間での熱の伝達を制御できる。

特開２００９−２７８９７２号公報

しかしながら、上記の技術においては、液体金属を変形させるために電気的エネルギー等のエネルギーを消費してしまうという問題がある。具体的には、ローレンツ力によって液体金属変形させるためには、液体金属に磁気を印加した上で電流を流す必要があり、電気的エネルギーを消費する。また、磁力によって磁性流体を変形させるためには、モーター等の駆動力により永久磁石を移動させたり、コイルに電流を流して電磁石を磁化させたりする必要がある。したがって、ローレンツ力または磁力を用いるいずれの方法においても、熱の伝達を制御するために、電気的エネルギー等のエネルギーを消費してしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、むやみに電気的エネルギー等を消費することなく、効率良く熱の伝達を制御できる熱スイッチを提供することを目的とする。

上記目的は、下記の手段によって達成される。

熱スイッチは、伝熱媒体と、誘電体と、第１電極と、制御部とを有する。伝熱媒体は、対向する二つの物体の間隙において挿脱可能に設けられる。誘電体は、二つの物体の界面または当該界面を含む平曲面の少なくとも一方に設けられる。第１電極は、当該誘電体に沿って設けられる。制御部は、第１電極および誘電体への電圧の印加を制御する。誘電体は、第１電極および伝熱媒体を絶縁する。制御部は、第１電極および誘電体に電圧を印加することによって、エレクトロウェッティング現象を発生させて、伝熱媒体の挿脱を制御し、二つの物体間の伝熱または断熱を切り替える。

本発明の熱スイッチによれば、第１電極および誘電体に電圧を印加することによって、エレクトロウェッティング現象を発生させて、伝熱媒体の挿脱を制御し、二つの物体間の伝熱または断熱を切り替える。したがって、むやみに電気的エネルギー等を消費することなく、効率よく熱の伝達を制御できる。

第１実施形態に係る熱スイッチの概略構成を示す図である。 熱スイッチにおける誘電体の表面の概略構成を拡大して示す図である。 エレクトロウェッティングの原理を説明するための図である。 間隙における伝熱媒体の移動を説明するための図である。 第１実施形態に係る熱スイッチの動作を説明するための図である。 第２実施形態に係る熱スイッチの概略構成を示す図である。 第２実施形態に係る熱スイッチの動作を説明するための図である。 第２実施形態に係る熱スイッチの動作を説明するための図である。 第３実施形態に係る熱スイッチの概略構成を示す図である。 第４実施形態に係る熱スイッチの概略構成を示す図である。 第５実施形態に係る熱スイッチの概略構成を示す図である。 第６実施形態に係る熱スイッチの概略構成を示す図である。 熱スイッチをバッテリー装置に適用した様子を示す図である。 誘電体表面の構成パターンを示す図である。 第８実施形態に係る熱スイッチの概略構成を示す図である。 図１５に示す熱スイッチにおいて伝熱媒体が挿入された様子を示す図である。 第８実施形態に係る熱スイッチの動作概要を説明するための図である。 第８実施形態に係る熱スイッチの制御条件の一例を示す図である。 第８実施形態に係る熱スイッチの制御処理の一例を示すフローチャートである。 第８実施形態に係る熱スイッチの使用態様例を示す図である。 第８実施形態に係る熱スイッチの他の使用態様例を示す図である。 第８実施形態に係る熱スイッチのさらに他の使用態様例を示す図である。 第９実施形態に係る熱スイッチを説明するための図である。 図２３のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った部分断面図である。 図２３のＩＶ−ＩＶ線に沿った部分断面図である。 第９実施形態に係る熱スイッチの制御条件の一例を示す図である。 第９実施形態に係る熱スイッチの制御処理の一例を示すフローチャートである。 第１０実施形態に係る熱スイッチを説明するための図である。 第１０実施形態の変形例に係る熱スイッチを説明するための図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る熱スイッチの概略構成を示す図である。

図１に示すように、熱スイッチ１０ａは、熱の伝達の対象である第１物体１１および第２物体１２の間の間隙１３に挿脱される伝熱媒体１４を有する。熱スイッチ１０ａは、伝熱媒体１４が間隙１３に挿入された状態では、対向する第１物体１１および第２物体１２間において熱を伝達させ、伝熱媒体１４が間隙１３に挿入されていない状態では、第１物体１１および第２物体１２間において熱の伝達を遮断する。

熱スイッチ１０ａは、さらに、媒体収容部１５、誘電体１６、第１電極１７、第２電極１８、電圧スイッチ１９および電源Ｖを有する。媒体収容部１５は、間隙１３の一端に設けられ、伝熱媒体１４を収容する。誘電体１６は、第１物体１１と間隙１３との界面に設けられる。第１電極１７は、誘電体１６と第１物体１１との間に設けられる。第２電極１８は、媒体収容部１５に収容された伝熱媒体１４と電気的に導通可能に、媒体収容部１５に設けられる。電源Ｖは、第１電極１７および第２電極１８に接続され、それぞれに電圧を印加する。電圧スイッチ１９は、制御部として、電源Ｖの電圧の印加を制御する。

ここで、第１電極１７は、誘電体１６および第１物体１１等により、伝熱媒体１４とは電気的に絶縁されている。一方、第２電極１８は、伝熱媒体１４と電気的に導通している。したがって、電圧スイッチ１９を制御して、第１電極１７および第２電極１８に電圧を印加した場合、第１電極１７と、第２電極１８と導通する伝熱媒体１４とは、その間にある誘電体１６を介してキャパシターを形成する。

以下、熱スイッチ１０ａの各構成について詳細に説明する。

第１物体１１および第２物体１２は、熱を蓄積および放出する物体であればいかなる物体でもよい。第１電極１７は、第２電極１８および第２電極１８と導通する伝熱媒体１４とは絶縁させる必要がある。したがって、第１物体１１が導体である場合には、第１電極１７と、第２電極１８および伝熱媒体１４とが導通しないように、絶縁部材等を適宜配置する。

間隙１３は、伝熱媒体１４を挿脱可能に設けられる狭隘な通路である。間隙１３の幅は、たとえば、１〜１００μｍ程度である。

伝熱媒体１４は、たとえば、液体金属（導電性流体とも称する）であり、少なくとも本熱スイッチを使用する温度範囲において、間隙１３に挿脱可能な程度の流動性を有する。伝熱媒体１４としては、たとえば、ガリウム、インジウム、スズの共晶合金であるガリンスタンを用いることができる。ガリンスタンは、常温で液体の金属であり、ガリウム、インジウムスズの組成によって融点が異なる。たとえば、ガリウム６８．５％、インジウム２１．５％、スズ１０％のガリンスタンは、融点−１９℃、沸点１３００℃以上、比重６．４４ｇ／ｃｍ^３、粘度０．００２４Ｐａ・ｓ（ａｔ２０℃）、熱伝導率１６．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。その他にも、周知の様々な液体金属を伝熱媒体１４として用いてもよく、熱伝導率が高いものが好ましい。

媒体収容部１５は、第１電極１７および第２電極１８に電圧が印加されておらず伝熱媒体１４が間隙１３に挿入されていない状態において、伝熱媒体１４を収容する。媒体収容部１５は、たとえば、絶縁性を有する材料であるエポキシ基板、フェノール基板、ＡＢＳ樹脂基板等を用いて形成する。媒体収容部１５は、伝熱媒体１４を収容しやすいように、内壁面に、銅、ニッケル、アルミニウム等の金属膜（不図示）を形成して親液性を持たせてもよい。また、媒体収容部１５に形成した金属膜を、第２電極１８と導通するようにしてもよい。

誘電体１６は、たとえば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等、誘電体であればよく、材料は特に限定されない。誘電体１６は、第１物体１１と間隙１３との界面に設けられる。ただし、誘電体１６は、間隙１３に露出している必要はなく、表面に薄膜等が形成されてもよい。誘電体１６は、間隙１３側の表面が撥液性となるように、表面に撥液構造を有している。誘電体１６の間隙１３側の表面が撥液性となっているため、伝熱媒体１４は、電圧を印加していない状態では、媒体収容部１５内に容易に収容される。誘電体１６の表面構造（撥液構造）の詳細については、後述する。

第１電極１７および第２電極１８は、たとえば、銅、アルミニウム等であり、導電性のものであれば、特に限定されない。第１電極１７の形状は、誘電体１６の形状と同様であり、少なくとも伝熱媒体１４の挿脱を行う範囲において、誘電体１６に沿って設けられる。第２電極１８の形状は、媒体収容部１５内から伝熱媒体１４が流出して間隙１３に挿入された場合でも、伝熱媒体１４に電圧を印加できる形状であればよい。

（誘電体１６の表面構造）
図２は、熱スイッチにおける誘電体の表面の概略構成を拡大して示す図である。

図２に示すように、誘電体１６は、間隙１３側の表面に、表面エネルギーが低く形成された低表面エネルギー化処理層２０を有する。低表面エネルギー化処理層２０は、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）［テフロン（登録商標）］等の撥液性を有する材料により形成する。また、低表面エネルギー化処理層２０は、撥液性に加えて導電性を有してもよい。たとえば、低表面エネルギー化処理層２０は、導電性酸化膜（たとえばＬａＳｒＴｉＯ_３系）、導電性ガラス材（たとえばＶ−Ｆｅ−Ｂａ−Ｏ系）、導電性セラミックス（たとえばＳｉＣ系）、グラフェン等により形成してもよい。

次に、このように構成された熱スイッチ１０ａの作用を説明する。

（エレクトロウェッティングの原理）
熱スイッチ１０ａにおいては、伝熱媒体１４を、間隙１３と媒体収容部１５との間を行き来させる、すなわち、伝熱媒体１４を間隙１３に挿脱させることによって、第１物体１１および第２物体１２間の伝熱および断熱を実現している。熱スイッチ１０ａは、伝熱媒体１４を間隙１３に挿脱させるために、エレクトロウェッティング現象を利用している。エレクトロウェッティング現象による液体金属の移動自体は公知であり、たとえば、特開２００７−１０３３６３号公報等に開示されている。したがって、ここでは本実施形態の理解のために必要な原理について説明する。

図３は、エレクトロウェッティングの原理を説明するための説明図である。図３において、（Ａ）は電圧を印加した場合の様子を示し、（Ｂ）は電圧を印加していない場合の様子を示す。

エレクトロウェッティングの技術では、たとえば、電極板５００上に設けられた誘電体５１０の表面に、液体金属５２０を乗せ、電極板５００および液体金属５２０に電圧を印加することにより、誘電体５１０の表面における液体金属５２０の濡れ性を制御できる。

電極板５００と液体金属５２０との間には、誘電体５１０を介してキャパシターが形成されている。図３（Ａ）に示すように、電極板５００と液体金属５２０との間に電圧を印加すると、このキャパシターの静電エネルギーが増加して、それに相当する液体金属５２０の表面エネルギーが減少し、液体金属５２０の表面張力が低下する。これにより液体金属５２０の誘電体５１０の表面に対する接触角度θが変化する。ここで接触角度θとは、液体金属５２０が乗っている誘電体５１０の表面と液体金属５２０の表面とのなす角をいう。この接触角度θは、液体金属５２０の表面張力に応じて０°〜１８０°の範囲で変化する。

ここで、図３（Ａ）に示すように、電圧を印加した場合、接触角度θが０°から９０°までの範囲となり、液体金属５２０に対する誘電体５１０の表面の濡れ性が良い状態、すなわち親液性のある状態となる。一方、図３（Ｂ）に示すように、電圧を印加しない場合、接触角度θが９０°を超えて１８０°以下となり、液体金属５２０に対する誘電体５１０の表面の濡れ性が悪い状態、すなわち撥液性のある状態となる。このように誘電体５１０の表面に置かれた液体金属５２０の接触角度θ、すなわち液体金属５２０に対する誘電体５１０の表面の濡れ性を、電圧の印加によって変更させることがエレクトロウェッティングである。

図４は、間隙における伝熱媒体の移動を説明するための図である。図４において、（Ａ）は電圧を印加した場合の様子を示し、（Ｂ）は電圧を印加していない場合の様子を示す。

本実施形態において、伝熱媒体１４が挿脱される間隙１３を形成する第１物体１１の表面は、誘電体１６に設けられた低表面エネルギー化処理層２０である。第１電極１７および第２電極１８に電圧を印加した場合、低表面エネルギー化処理層２０は、伝熱媒体１４に対する親液性を有する。このため、図４（Ａ）に示すように、伝熱媒体１４と、低表面エネルギー化処理層２０の表面との接触角度θは、０°から９０°までの範囲となる。したがって、伝熱媒体１４の表面は、間隙１３の幅方向における中央部分が凹んだ形状となり、低表面エネルギー化処理層２０との接触部分は、中央部分よりも突出した凸形状となる。この場合、伝熱媒体１４には、低表面エネルギー化処理層２０を伝って進む力が働く。したがって、伝熱媒体１４は、毛細管現象によって、間隙１３の内部、すなわち図中右側を進む。

低表面エネルギー化処理層２０は、上述のとおり、伝熱媒体１４に対する撥液性を有する。このため、第１電極１７および第２電極１８に電圧を印加しない場合、図４（Ｂ）に示すように、伝熱媒体１４と、低表面エネルギー化処理層２０の表面との接触角度θは９０°を超える。したがって、伝熱媒体１４の表面において、間隙１３の幅方向における中央部分は、突出した形状となる。一方、伝熱媒体１４の表面と低表面エネルギー化処理層２０との接触部分は、中央部分よりも凹んだ形状となる。この場合、伝熱媒体１４には、低表面エネルギー化処理層２０を伝って進む力が働かなくなる。したがって、伝熱媒体１４は、毛細管現象によって、間隙１３の内部、すなわち図中右側を進むことはない。

図５は、第１実施形態に係る熱スイッチの動作を説明するための図である。

まず、図１に示すように、電圧スイッチ１９がＯＦＦの場合、伝熱媒体１４は、間隙１３には挿入されず、媒体収容部１５に収容される。このとき、間隙１３は、空気により満たされる。間隙１３が空気で満たされることによって、第１物体１１と第２物体１２との間は断熱状態となる。

続いて、図１に示す状態から、電圧スイッチ１９をＯＮにすると、図５に示すように、電源Ｖにより、第１電極１７および第２電極１８には、異なる電圧が印加される。ここで、第２電極１８は伝熱媒体１４と導通しているため、伝熱媒体１４には、第２電極１８と同じ電圧が印加される。その結果、第１電極１７および伝熱媒体１４には異なる電圧が印加され、第１電極１７と伝熱媒体１４との間にある誘電体１６は分極し、誘電体１６の静電エネルギーが増加する。すなわち、誘電体１６を介して第１電極１７と伝熱媒体１４とがキャパシターを形成する。これは、図３において、エレクトロウェッティングの原理を説明するために示したものと同様の構造である。

第１電極１７および第２電極１８に、異なる電圧を印加したことにより、伝熱媒体１４の表面エネルギーが減少し、それに伴い低表面エネルギー化処理層２０の表面における伝熱媒体１４の表面張力が低下し、濡れ性が良くなる。このため、伝熱媒体１４と低表面エネルギー化処理層２０の表面との接触角度θは、９０°以下となる。これにより、伝熱媒体１４自体の表面張力は低下するものの、毛細管現象により、伝熱媒体１４には、間隙１３内を媒体収容部１５から離れる方向へ進む張力が働き、伝熱媒体１４は、媒体収容部１５から間隙１３に流出する。その結果、図５に示すように、間隙１３は、伝熱媒体１４により満たされる。間隙１３が伝熱媒体１４で満たされることによって、第１物体１１と第２物体１２との間は伝熱状態となる。

このように、第１実施形態の熱スイッチ１０ａは、エレクトロウェッティングにより伝熱媒体１４が間隙１３に挿入された伝熱状態と、伝熱媒体１４が間隙１３から取り出された断熱状態とを、電圧スイッチ１９の制御により電気的に切り替えられる。

以上のように、第１実施形態の熱スイッチ１０ａによれば、第１電極１７および第２電極１８に電圧を印加することによってエレクトロウェッティング現象を発生させて、伝熱媒体１４の間隙１３への挿脱を制御し、二つの物体間の伝熱または断熱を切り替える。したがって、むやみに電気的エネルギー等を消費することなく、効率よく熱の伝達を制御できる。

また、熱スイッチ１０ａは、伝熱媒体１４を往復移動させることにより伝熱媒体１４の挿脱を行う。したがって、コンパクトな設計が可能となり、狭いスペースにも熱スイッチを導入できる。

また、熱スイッチ１０ａの誘電体１６は、電圧が印加されていない状態において伝熱媒体１４よりも表面エネルギーが低くなるように、低表面エネルギー化処理層２０が設けられている。したがって、電圧が印加されていない状態において、伝熱媒体１４は、誘電体１６が設けられた間隙１３から容易に取り出される。その結果、間隙１３には伝熱媒体１４の替わりに空気等が充填され、容易に断熱を行うことができる。

また、熱スイッチ１０ａは、エレクトロウェッティング現象により、伝熱媒体１４を狭隘な通路である間隙１３に挿入するため、伝熱媒体１４が、間隙１３内の全体に容易に充填される。これにより、間隙１３に挿入された伝熱媒体１４は、間隙１３を形成する第１物体１１および第２物体１２の界面全体に接する。その結果、熱スイッチ１０ａは、ローレンツ力や磁力によって伝熱媒体を変形させる従来の熱スイッチに比べて、熱スイッチの伝熱状態における熱抵抗を小さくできる。さらに、熱スイッチ１０ａは、間隙１３の幅を狭くできるので、熱スイッチの伝熱状態における熱抵抗をより小さくできる。

また、熱スイッチ１０ａは、間隙１３を形成する第１物体１１の界面に誘電体１６と第１電極１７とを設け、第１電極１７および伝熱媒体１４に電圧を印加するだけで実現できる。したがって、熱スイッチ１０ａは、ローレンツ力や磁力によって伝熱媒体を変形させる従来の熱スイッチにおいて必要となる磁場や電流を発生させる装置が不要であり、コンパクトな装置を実現できる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の熱スイッチについて説明する。なお、第１実施形態の熱スイッチと同様の構成については、同じ参照番号を付し、その説明を省略する。

第１実施形態では、第１物体１１と間隙１３との界面に誘電体１６を設け、電圧を印加したときに、媒体収容部１５に収容された伝熱媒体１４を間隙１３に挿入する。しかし、誘電体１６を間隙１３の外部に設け、電圧を印加したときに、間隙１３から伝熱媒体１４を取り出すようにしてもよい。第２実施形態では、誘電体１６を第１物体１１と間隙１３との界面を含む平曲面に設ける場合について説明する。

図６は、第２実施形態に係る熱スイッチの概略構成を示す図である。図６において、（Ａ）は第２実施形態に係る熱スイッチの概略構成を示し、（Ｂ）は（Ａ）に示す熱スイッチの伝熱媒体と接する面における表面エネルギーレベルを示す。

図６（Ａ）に示すように、熱スイッチ１０ｂは、熱の伝達の対象である第１物体１１および第２物体１２の間の間隙１３に挿脱される液体金属等の伝熱媒体１４を有する。熱スイッチ１０ｂは、伝熱媒体１４が間隙１３に挿入された状態では、対向する第１物体１１および第２物体１２間において熱を伝達させ、伝熱媒体１４が間隙１３に挿入されていない状態では、第１物体１１および第２物体１２間において熱の伝達を遮断する。

熱スイッチ１０ｂは、さらに、流路１３ａ、１３ｂ、誘電体１６ａ、１６ｂ、第１電極１７ａ、１７ｂ、第２電極１８ａ、１８ｂ、電圧スイッチ１９ａ、１９ｂおよび電源Ｖａ、Ｖｂを有する。流路１３ａ、１３ｂは、それぞれ間隙１３の両端に連続し、間隙１３と第１物体１１および第２物体１２との界面に連続する平曲面を形成する。流路１３ａおよび１３ｂは、それぞれの壁面に、誘電体１６ａおよび１６ｂを有する。誘電体１６ａおよび１６ｂは、流路１３ａおよび１３ｂの壁面を形成する面の反対側に、第１電極１７ａおよび１７ｂを有する。第２電極１８ａおよび１８ｂは、伝熱媒体１４と電気的に導通可能に設けられる。電源Ｖａは、第１電極１７ａおよび第２電極１８ａに電圧を印加し、電源Ｖｂは、第１電極１７ｂおよび第２電極１８ｂに電圧を印加する。電圧スイッチ１９ａおよび１９ｂは、制御部として、それぞれ電源ＶａおよびＶｂの電圧の印加を制御する。

ここで、第１電極１７ａ、１７ｂは、誘電体１６ａ、１６ｂにより、伝熱媒体１４とは電気的に絶縁されている。一方、第２電極１８ａ、１８ｂは、伝熱媒体１４と電気的に導通している。したがって、たとえば、電圧スイッチ１９ａをＯＮにして、第１電極１７ａおよび第２電極１８ａに電圧を印加した場合、第１電極１７ａと、第２電極１８ａと導通する伝熱媒体１４とは、その間にある誘電体１６ａを介してキャパシターを形成する。一方、電圧スイッチ１９ｂをＯＮにして、第１電極１７ｂおよび第２電極１８ｂに電圧を印加した場合、第１電極１７ｂと、第２電極１８ｂと導通する伝熱媒体１４とは、その間にある誘電体１６ｂを介してキャパシターを形成する。

間隙１３は、第１電極１７ａおよび第２電極１８ａ、または、第１電極１７ｂおよび第２電極１８ｂのいずれにも電圧が印加されていない状態において、伝熱媒体１４を収容する。

第１物体１１および第２物体１２と間隙１３との界面は、たとえば、銅、ニッケル、アルミニウム等の金属膜（不図示）を形成することにより、親液性となっている。一方、誘電体１６ａ、１６ｂは、第１実施形態の誘電体１６と同様に、表面が撥液性となっている。これにより、伝熱媒体１４は、電圧を印加していない状態では、間隙１３に容易に収容される。

次に、このように構成された熱スイッチ１０ｂの作用を説明する。

図７および図８は、第２実施形態に係る熱スイッチの動作を説明するための図である。図７および図８において、（Ａ）は、第２実施形態に係る熱スイッチが動作する様子を示し、（Ｂ）は（Ａ）に示す熱スイッチの伝熱媒体と接する面における表面エネルギーレベルを示す。

まず、図６（Ａ）に示すように、電圧スイッチ１９ａおよび１９ｂがＯＦＦの場合、伝熱媒体１４は、流路１３ａおよび１３ｂには移動せず、間隙１３に収容される。この伝熱媒体１４で満たされた間隙１３によって、第１物体１１と第２物体１２との間は伝熱状態となる。

このとき、図６（Ｂ）に示すように、第１物体１１および第２物体１２の間隙１３との界面における表面エネルギーは、流路１３ａおよび１３ｂの壁面を形成する誘電体１６ａおよび１６ｂの表面における表面エネルギーよりも高くなっている。

続いて、図６（Ａ）に示す状態から、電圧スイッチ１９ａをＯＮにすると、図７（Ａ）に示すように、電源Ｖにより、第１電極１７ａおよび第２電極１８ａには、異なる電圧が印加される。ここで、第２電極１８ａは伝熱媒体１４と導通しているため、伝熱媒体１４には、第２電極１８ａと同じ電圧が印加される。その結果、第１電極１７ａおよび伝熱媒体１４には異なる電圧が印加され、第１電極１７ａと伝熱媒体１４との間にある誘電体１６ａは分極し、誘電体１６ａの静電エネルギーが増加する。すなわち、誘電体１６ａを介して第１電極１７ａと伝熱媒体１４とがキャパシターを形成する。これにより、第１実施形態における伝熱媒体１４の動作と同様に、エレクトロウェッティング現象により、伝熱媒体１４は、間隙１３から流路１３ａに移動する。その結果、図７（Ａ）に示すように、流路１３ａは、伝熱媒体１４により満たされ、間隙１３は、空気により満たされる。間隙１３が空気で満たされることによって、第１物体１１と第２物体１２との間は断熱状態となる。

このとき、図７（Ｂ）に示すように、流路１３ａの壁面を形成する誘電体１６ａの表面における表面エネルギーは、第１物体１１および第２物体１２の間隙１３との界面における表面エネルギーよりも高くなっている。

続いて、図７（Ａ）に示す状態から、電圧スイッチ１９ａをＯＦＦにすると、誘電体１６ａの表面は、伝熱媒体１４に対して撥液性となる。その結果、伝熱媒体１４は、流路１３ａから間隙１３に移動し、図６（Ａ）に示す状態に戻る。

一方、図６（Ａ）に示す状態から、電圧スイッチ１９ｂをＯＮにすると、図８（Ａ）に示すように、電源Ｖｂにより、第１電極１７ｂおよび第２電極１８ｂには、異なる電圧が印加される。その結果、上記と同様に、エレクトロウェッティング現象により、伝熱媒体１４は、間隙１３から流路１３ｂに移動する。その結果、図８（Ａ）に示すように、流路１３ｂは、伝熱媒体１４により満たされ、間隙１３は、空気により満たされる。間隙１３が空気で満たされることによって、第１物体１１と第２物体１２との間は断熱状態となる。

このとき、図８（Ｂ）に示すように、流路１３ｂの壁面を形成する誘電体１６ｂの表面における表面エネルギーは、第１物体１１および第２物体１２の間隙１３との界面における表面エネルギーよりも高くなっている。

続いて、図８（Ａ）に示す状態から、電圧スイッチ１９ｂをＯＦＦにすると、誘電体１６ｂの表面は、伝熱媒体１４に対して撥液性となる。その結果、伝熱媒体１４は、流路１３ｂから間隙１３に移動し、図６（Ａ）に示す状態に戻る。

このように、第２実施形態の熱スイッチ１０ｂは、エレクトロウェッティングにより伝熱媒体１４が間隙１３に挿入された伝熱状態と、伝熱媒体１４が間隙１３から取り出された断熱状態とを、電圧スイッチ１９ａおよび１９ｂの制御により電気的に切り替えられる。

以上のように、第２実施形態の熱スイッチ１０ｂによれば、第１電極１７ａ、１７ｂおよび第２電極１８ａ、１８ｂに交互に電圧を印加することによって、伝熱媒体１４の間隙１３への挿脱を制御し、二つの物体間の伝熱または断熱を切り替える。したがって、伝熱媒体１４が二つの物体間の間隙を通過するため、伝熱媒体の移動方向において均一に二物体間の断熱および伝熱を行うことができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態の熱スイッチについて説明する。なお、第１または第２実施形態の熱スイッチと同様の構成については、同じ参照番号を付し、その説明を省略する。

第１実施形態では、伝熱媒体１４を収容する媒体収容部１５を設け、伝熱媒体１４を、間隙１３と媒体収容部１５との間で往復させる。しかし、媒体収容部１５を設けず、伝熱媒体１４が常に間隙１３内に位置するようにしてもよい。第２実施形態では、伝熱媒体１４を収容する媒体収容部１５を設けず、伝熱媒体１４を間隙１３内において一方向に移動させる場合について説明する。

図９は、第３実施形態に係る熱スイッチの概略構成を示す図である。図９において、（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ異なる電圧スイッチをＯＮにした状態を示す。

図９（Ａ）に示すように、熱スイッチ１０ｃは、熱の伝達の対象である第１物体１１および第２物体１２の間の間隙１３内を移動する液体金属等の伝熱媒体１４を有する。熱スイッチ１０ｃは、伝熱媒体１４が位置する部分では、対向する第１物体１１および第２物体１２間において熱を伝達させ、伝熱媒体１４が位置しない部分では、第１物体１１および第２物体１２間において熱の伝達を遮断する。

熱スイッチ１０ｃは、さらに、誘電体１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、第１電極１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ、１７ｆ、第２電極１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆ、電源Ｖｃ、Ｖｄ、Ｖｅ、Ｖｆおよび電圧スイッチ１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、１９ｆを有する。誘電体１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆは、第１物体１１と間隙１３との界面に、間欠的に設けられる。第１電極１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ、１７ｆは、それぞれ誘電体１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆと第１物体１１との間に設けられる。第２電極１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆは、それぞれ第１電極１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ、１７ｆに対応して、間隙１３内の伝熱媒体１４と電気的に導通可能に設けられる。第１電極１７ｃ〜１７ｆと第２電極１８ｃ〜１８ｆとは、交互に並ぶように配置し、第１電極１７ｃ〜１７ｆと第２電極１８ｃ〜１８ｆとがそれぞれ対をなすように接続する。また、電源Ｖｃ、Ｖｄ、Ｖｅ、Ｖｆは、第１電極１７ｃ〜１７ｆおよび第２電極１８ｃ〜１８ｆにそれぞれ電圧を印加する。電圧スイッチ１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、１９ｆは、制御部として、それぞれ電源Ｖｃ、Ｖｄ、Ｖｅ、Ｖｆによる電圧の印加を制御する。

ここで、第１電極１７ｃ〜１７ｆは、誘電体１６ｃ〜１６ｆおよび第１物体１１等により、伝熱媒体１４とは電気的に絶縁されている。一方、第２電極１８ｃ〜１８ｆは、伝熱媒体１４が、間隙１３内において第２電極１８ｃ〜１８ｆ上に位置するときは、伝熱媒体１４と電気的に導通可能である。

次に、このように構成された熱スイッチ１０ｃの作用を説明する。

まず、図９（Ａ）に示すように、伝熱媒体１４が誘電体１６ｄおよび第２電極１８ｄ上に位置する場合を考える。ここで、電圧スイッチ１９ｄがＯＮになっているため、第１電極１７ｄと、第２電極１８ｄと導通する伝熱媒体１４とは、その間にある誘電体１６ｄを介してキャパシターを形成する。したがって、伝熱媒体１４は、誘電体１６ｄの表面におけるエレクトロウェッティング現象により、間隙１３内を図中の矢印方向へ移動する。

続いて、伝熱媒体１４は、図９（Ｂ）に示すように、誘電体１６ｅおよび第２電極１８ｅ上まで移動する。ここで、電圧スイッチ１９ｅがＯＮになっているため、第１電極１７ｅと、第２電極１８ｅと導通する伝熱媒体１４とは、その間にある誘電体１６ｅを介してキャパシターを形成する。したがって、伝熱媒体１４は、誘電体１６ｅの表面におけるエレクトロウェッティング現象により、間隙１３内を図中の矢印方向へさらに移動する。

続いて、伝熱媒体１４は、図９（Ｃ）に示すように、誘電体１６ｆおよび第２電極１８ｆ上まで移動する。ここで、電圧スイッチ１９ｆがＯＮであるため、第１電極１７ｆと、第２電極１８ｆと導通する伝熱媒体１４とは、その間にある誘電体１６ｆを介してキャパシターを形成する。したがって、伝熱媒体１４は、誘電体１６ｆの表面におけるエレクトロウェッティング現象により、間隙１３内を図中の矢印方向へさらに移動する。

このように、第３実施形態の熱スイッチ１０ｃは、エレクトロウェッティングにより伝熱媒体１４を間隙１３内において一方向に移動させる。

以上のように、第３実施形態の熱スイッチ１０ｃによれば、電圧スイッチ１９ｃ〜１９ｆを順次制御することによって、伝熱媒体１４を間隙１３内において一方向に移動させる。したがって、伝熱媒体１４をより小さい駆動力によって移動させることができる。たとえば、間隙１３を円周状等の閉路とすることにより、伝熱媒体１４を連続的にスムーズに移動させることができる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態の熱スイッチについて説明する。なお、第１〜第３実施形態の熱スイッチと同様の構成については、同じ参照番号を付し、その説明を省略する。

第３実施形態では、複数の第１電極と複数の第２電極とを交互に並ぶように配置し、第１電極と第２電極とをそれぞれ対となるように接続する。しかし、第１電極および第２電極の配置パターンはこれに限定されない。第４実施形態では、二つの第１電極を、当該二つの第１電極の間に設けられた一つの第２電極に接続する場合について説明する。

図１０は、第４実施形態に係る熱スイッチの概略構成を示す図である。

図１０に示すように、熱スイッチ１０ｄは、熱の伝達の対象である第１物体１１および第２物体１２の間の間隙１３内を移動する液体金属等の伝熱媒体１４を有する。熱スイッチ１０ｄは、伝熱媒体１４が位置する部分では、対向する第１物体１１および第２物体１２間において熱を伝達させ、伝熱媒体１４が位置しない部分では、第１物体１１および第２物体１２間において熱の伝達を遮断する。

熱スイッチ１０ｄは、さらに、誘電体１６ｇ、１６ｈ、第１電極１７ｇ、１７ｈ、第２電極１８ｇ、電源Ｖｇ、Ｖｈおよび電圧スイッチ１９ｇ、１９ｈを有する。誘電体１６ｇおよび１６ｈは、それぞれ第１物体１１と間隙１３との界面に設けられる。第１電極１７ｇおよび１７ｈは、それぞれ誘電体１６ｇおよび１６ｈと第１物体１１との間に設けられる。第２電極１８ｇは、第１電極１７ｇおよび１７ｈの間に配置され、間隙１３内の伝熱媒体１４と電気的に導通可能に設けられる。第２電極１８ｇは、第１電極１７ｇおよび１７ｈと電気的に接続される。電源Ｖｇは、第１電極１７ｇおよび第２電極１８ｇに電圧を印加する。電源Ｖｈは、第１電極１７ｈおよび第２電極１８ｇに電圧を印加する。電圧スイッチ１９ｇおよび１９ｈは、制御部として、それぞれ電源ＶｇおよびＶｈの電圧の印加を制御する。

ここで、第１電極１７ｇ、１７ｈは、誘電体１６ｇ、１６ｈおよび第１物体１１等により、伝熱媒体１４とは電気的に絶縁されている。一方、第２電極１８ｇは、伝熱媒体１４が、間隙１３内において第２電極１８ｇ上に位置するときは、伝熱媒体１４と電気的に導通可能である。

次に、このように構成された熱スイッチ１０ｄの作用を説明する。

図１０に示すように、伝熱媒体１４は、誘電体１６ｈおよび第２電極１８ｇ上に位置している。ここで、電圧スイッチ１９ｈがＯＮになっているため、第１電極１７ｈと、第２電極１８ｇと導通する伝熱媒体１４とは、その間にある誘電体１６ｈを介してキャパシターを形成する。したがって、伝熱媒体１４は、誘電体１６ｈの表面におけるエレクトロウェッティング現象により、間隙１３内を図中の矢印方向へ移動する。図１０に示す状態で、たとえば、電圧スイッチ１９ｈをＯＦＦにして、電圧スイッチ１９ｇをＯＮにすると、第１電極１７ｇと、伝熱媒体１４とが誘電体１６ｇを介してキャパシターを形成する。したがって、伝熱媒体１４は、誘電体１６ｇの表面におけるエレクトロウェッティング現象により、間隙１３内を図中の矢印とは反対の方向に移動する。

このように、第４実施形態の熱スイッチ１０ｄによれば、エレクトロウェッティングにより、伝熱媒体１４を間隙１３内において任意の方向に移動できる。したがって、二つの物体間の任意の箇所において伝熱および断熱を制御できる。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態の熱スイッチについて説明する。なお、第１〜第４実施形態の熱スイッチと同様の構成については、同じ参照番号を付し、その説明を省略する。

第４実施形態では、第１物体１１と間隙１３との界面に、誘電体１６ｇおよび１６ｈを設けている。しかし、誘電体を間隙１３の両側に設けてもよい。第５実施形態では、第４実施形態と同様の構成に加え、第１物体１１と間隙１３との界面にも誘電体を設ける場合について説明する。

図１１は、第５実施形態に係る熱スイッチの概略構成を示す図である。

図１１に示すように、熱スイッチ１０ｅは、熱の伝達の対象である第１物体１１および第２物体１２の間の間隙１３内を移動する液体金属等の伝熱媒体１４を有する。熱スイッチ１０ｅは、伝熱媒体１４が位置する部分では、対向する第１物体１１および第２物体１２間において熱を伝達させ、伝熱媒体１４が位置しない部分では、第１物体１１および第２物体１２間において熱の伝達を遮断する。

熱スイッチ１０ｅは、第４実施形態の熱スイッチ１０ｄと同様の構成に加えて、さらに、誘電体１６ｉ、１６ｊ、第１電極１７ｉ、１７ｊ、第２電極１８ｉ、電源Ｖｉ、Ｖｊ、および電圧スイッチ１９ｉ、１９ｊを有する。誘電体１６ｉおよび１６ｊは、第２物体１２と間隙１３との界面に設けられる。第１電極１７ｉおよび１７ｊは、それぞれ誘電体１６ｉおよび１６ｊと第２物体１２との間に設けられる。第２電極１８ｉは、第１電極１７ｉおよび１７ｊの間に配置され、間隙１３内の伝熱媒体１４と電気的に導通可能に設けられる。第２電極１８ｉは、第１電極１７ｉおよび１７ｊと電気的に接続される。電源Ｖｉは、第１電極１７ｉおよび第２電極１８ｉに電圧を印加する。電源Ｖｊは、第１電極１７ｊおよび第２電極１８ｉに電圧を印加する。電圧スイッチ１９ｉおよび１９ｊは、制御部として、それぞれ電源ＶｉおよびＶｊの電圧の印加を制御する。

ここで、第１電極１７ｉ、１７ｊは、誘電体１６ｉ、１６ｊおよび第１物体１２等により、伝熱媒体１４とは電気的に絶縁されている。一方、第２電極１８ｉは、伝熱媒体１４が、間隙１３内において第２電極１８ｉ上に位置するときは、伝熱媒体１４と電気的に導通可能である。

次に、このように構成された熱スイッチ１０ｅの作用を説明する。

図１１に示すように、伝熱媒体１４は、誘電体１６ｈおよび第２電極１８ｇ上、かつ、誘電体１６ｊおよび第２電極１８ｉ上に位置している。ここで、電圧スイッチ１９ｈがＯＮになっているため、第４実施形態と同様に、第１電極１７ｈと、第２電極１８ｇと導通する伝熱媒体１４とは、その間にある誘電体１６ｈを介してキャパシターを形成する。また、電圧スイッチ１９ｊがＯＮになっているため、第１電極１７ｊと、第２電極１８ｉと導通する伝熱媒体１４とは、その間にある誘電体１６ｊを介してキャパシターを形成する。したがって、伝熱媒体１４は、誘電体１６ｈおよび誘電体１６ｊの両方の表面におけるエレクトロウェッティング現象により、間隙１３内を図中の矢印方向へ移動する。

このように、第６実施形態の熱スイッチ１０ｅによれば、間隙１３の両側に誘電体を設けることにより、伝熱媒体１４を、間隙１３内においてよりスムーズに移動させることができる。

（第６実施形態）
次に、第６実施形態の熱スイッチについて説明する。なお、第１〜第５実施形態の熱スイッチと同様の構成については、同じ参照番号を付し、その説明を省略する。

第１〜第５実施形態では、第１電極は誘電体に電圧を印加し、第２電極は伝熱媒体に電圧を印加し、伝熱媒体を介して誘電体に電圧を印加する。しかし、伝熱媒体に電圧を印加せず、誘電体に異なる電圧を印加することにより、伝熱媒体に対する誘電体の表面エネルギーを制御してもよい。第６実施形態では、第１電極および第２電極を誘電体の異なる位置に接続し、異なる電圧を印加する場合について説明する。

図１２は、第６実施形態に係る熱スイッチの概略構成を示す図である。

図１２に示すように、熱スイッチ１０ｆは、熱の伝達の対象である第１物体１１および第２物体１２の間の間隙１３内を移動する液体金属等の伝熱媒体１４を有する。熱スイッチ１０ｆは、伝熱媒体１４が位置する部分では、対向する第１物体１１および第２物体１２間において熱を伝達させ、伝熱媒体１４が位置しない部分では、第１物体１１および第２物体１２間において熱の伝達を遮断する。

熱スイッチ１０ｆは、さらに、誘電体１６ｋ、第１電極１７ｋ、電源Ｖｋおよび電圧スイッチ１９ｋを有する。誘電体１６ｋは、第１物体１１と間隙１３との界面に設けられる。第１電極１７ｋおよび第２電極１８ｋは、それぞれ誘電体１６ｋと第１物体１１との間の異なる位置に設けられる。電源Ｖｋは、第１電極１７ｋおよび第２電極１８ｋに電圧を印加する。電圧スイッチ１９ｋは、制御部として、電源Ｖｋの電圧の印加を制御する。

ここで、第１電極１７ｋおよび第２電極１８ｋは、誘電体１６ｋ等により、伝熱媒体１４とは電気的に絶縁されている。また、第１電極１７ｋと第２電極１８ｋとは、電気的に絶縁されている。

次に、このように構成された熱スイッチ１０ｆの作用を説明する。

図１２に示すように、伝熱媒体１４は、誘電体１６ｋ上に位置している。ここで、電圧スイッチ１９ｋがＯＮになっているため、第１電極１７ｋおよび第２電極１８ｋには、それぞれ異なる電圧が印加されている。したがって、誘電体１６ｋにおいて、第１電極１７ｋに当接する部分と第２電極１８ｋに当接する部分とに異なる電圧が印加され、誘電体１６ｋは分極し、誘電体１６ｋの表面において表面エネルギーに勾配が生じる。これにより、誘電体１６ｋの表面においてエレクトロウェッティング現象が発生し、伝熱媒体１４は、間隙１３内を図中の矢印方向へ移動する。

このように、第６実施形態の熱スイッチ１０ｆによれば、伝熱媒体１４に電圧を印加することなく、第１電極１７ｋおよび第２電極１８ｋを介して誘電体１６に電圧を印加することにより、伝熱媒体１４を間隙１３内において移動できる。したがって、より少ない部材および簡単な構成により熱スイッチを実現できる。

（第７実施形態）
次に、第７実施形態の熱スイッチについて説明する。第７実施形態では、第１〜第６実施形態で示した熱スイッチをバッテリー装置に適用する場合について説明する。上述した熱スイッチを、自動車や電車等の車両のバッテリー装置に適用することにより、バッテリー装置の蓄熱および放熱を制御できる。

図１３は、熱スイッチをバッテリー装置に適用した様子を示す図である。

図１３に示すように、バッテリー装置１００は、電池１１０と、熱交換器１２０と、電池１１０および熱交換器１２０の間の熱スイッチ１０とを有する。電池１１０は、第１〜第６実施形態における第１物体１１に相当する。電池１１０は、たとえば、リチウムイオン二次電池等の電池モジュールを複数積層した組電池である。熱交換器１２０は、第１〜第６実施形態における第２物体１２に相当する。熱交換器１２０は、たとえば、ヒートシンクやラジエーター等である。熱スイッチ１０は、第１〜第６実施形態のいずれかの熱スイッチであり、対向する電池１１０と熱交換機１２０との間の間隙１３に挿脱される伝熱媒体１４を有する。熱スイッチ１０の誘電体、第１電極、第２電極、電源および電圧スイッチ等の他の構成は、各実施形態の熱スイッチと同様であり、図示は省略する。

熱スイッチ１０を制御して伝熱状態にした場合、電池１１０が保持する熱は、熱スイッチ１０を介して熱交換器１２０に伝達される。これにより、熱スイッチ１０は、電池１１０の温度を下げたり、温度の上昇を抑止したりすることができる。一方、熱スイッチ１０を制御して断熱状態にした場合、電池１１０が保持する熱は、熱スイッチ１０によって、熱交換器１２０へ伝達されなくなる。これにより、熱スイッチ１０は、電池１１０の温度を上昇させたり、温度の低下を抑止したりすることができる。

（誘電体の表面構造）
上記の第１〜第７実施形態においては、誘電体の表面には低表面エネルギー化処理層２０を形成するものとして説明したが、これに限定されない。誘電体の表面は他の方法により形成されてもよい。以下では、誘電体の表面構造の変形例について説明する。

図１４は、誘電体表面の構成パターンを示す図である。図１４において、（Ａ）は多孔質構造を有する誘電体を用いるパターンを示し、（Ｂ）は潤滑物質を含有する多孔質構造を有する誘電体を用いるパターンを示す。

図１４（Ａ）に示すパターンにおいて、誘電体１６は、間隙１３側の表面に多孔質構造を有している。これにより、誘電体１６の表面は、電圧を印加していない状態で、伝熱媒体１４に対して撥液性を有する。誘電体１６の材料としては、伝熱媒体１４との親和性がないものであれば特に限定されないが、たとえば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）多孔質膜であるポアフロンメンブレン（商標：住友電工ファインポリマー株式会社）が好ましい。

このように、誘電体１６が多孔質構造を有することにより、低表面エネルギー化処理層２０を設けなくても誘電体１６の表面が撥液性を有する。したがって、より簡単な構成により熱スイッチを実現でき、製造工程も削減できる。

図１４（Ｂ）に示すパターンにおいて、誘電体１６は、間隙１３側の表面に潤滑物質２１を含有する多孔質構造（ＳＬＩＰＳ：Ｓｌｉｐｐｅｒｙ Ｌｉｑｕｉｄ−Ｉｎｆｕｓｅｄ Ｐｏｒｏｕｓ Ｓｕｒｆａｃｅｓ））を有している。これにより、誘電体１６の表面は、電圧を印加していない状態で、伝熱媒体１４に対してより強い撥液性を有する。誘電体１６の材料としては、伝熱媒体１４との親和性がないものであれば特に限定されないが、たとえば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）多孔質膜であるポアフロンメンブレン（住友電工ファインポリマー株式会社製）が好ましい。また、潤滑物質２１の材料としては、伝熱媒体１４との親和性がないものであれば特に限定されないが、たとえば、オプツールシリーズ（ダイキン工業株式会社製）が好ましい。

このように、誘電体１６が潤滑物質２１を含有する多孔質構造を有することにより、誘電体１６の表面は伝熱媒体１４に対してより強い撥液性を有する。これにより、伝熱媒体１４の移動をよりスムーズに行うことができ、熱スイッチの応答性能を高めることができる。

なお、上記の実施形態において、誘電体１６の表面は撥液性を有するものとして説明した。しかし、伝熱媒体１４は液体に限定されない。伝熱媒体１４は、たとえば、ゲル状の材料により形成されてもよい。この場合、誘電体１６の表面は、ゲル状の伝熱媒体１４とは親和性のない材料により形成される。

（第８実施形態）
第１〜第７実施形態に係る熱スイッチは、物体間において伝熱するか、あるいは断熱するかの二つの状態を切り替える。したがって、第１〜第７実施形態の熱スイッチにおいては、伝熱または断熱する際の熱伝導率を任意に変更することはできない。しかし、熱スイッチは、熱伝導率を任意に変更できるようにしてもよい。第８実施形態では、熱スイッチにおいて伝熱媒体を連続して挿脱する際に、挿脱のデューティ比を変更することによって、二つの物体間の伝熱または断熱における熱伝導率を制御する場合について説明する。

図１５は、第８実施形態に係る熱スイッチの概略構成を示す図である。図１５において、（Ａ）は熱スイッチの概略断面図を示し、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ線に沿った概略断面図を示す。図１６は、図１５に示す熱スイッチにおいて伝熱媒体が挿入された様子を示す図である。図１６において、（Ａ）は熱スイッチの概略断面図を示し、（Ｂ）は（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿った概略断面図を示す。図１７は、第８実施形態に係る熱スイッチの動作概要を説明するための図である。図１７において、（Ａ）は伝熱媒体を挿脱する際のデューティ比を変更する例を示し、（Ｂ）は伝熱媒体を挿脱する際のデューティ比と熱伝導率との関係を示す。

図１５に示すように、第８実施形態の熱スイッチ１０ｇは、第１〜第７実施形態のいずれかの熱スイッチと同様の構成を有し、対向する物体Ａおよび物体Ｂ間の間隙１３に挿脱される伝熱媒体１４を有する。物体Ａは、第１〜第７実施形態における第１物体１１または電池１１０に相当する。物体Ｂは、第１〜第７実施形態における第２物体１２または熱交換器１２０に相当する。熱スイッチ１０ｇの誘電体、第１電極、第２電極、電源および電圧スイッチ等の他の構成は、各実施形態の熱スイッチと同様であり、図示は省略する。また、熱スイッチ１０ｇは、制御部として、電圧スイッチ等の熱スイッチの各部の動作を制御するＣＰＵ（不図示）と、制御するためのプログラムや各種データを記憶する記憶部（不図示）とを有する。たとえば、制御部が電圧スイッチをＯＮにするように制御し、誘電体に電圧が印加されると、図１６に示すように、伝熱媒体１４が間隙１３に挿入される。本制御処理例の熱スイッチ１０ｇにおいては、制御部による電圧スイッチの制御により、伝熱媒体１４が連続的に挿脱される。したがって、熱スイッチ１０ｇにおいては、図１５に示す状態と、図１６に示す状態とが、周期的に繰り返される。

図１７（Ａ）に示すように、熱スイッチ１０ｇは、伝熱媒体１４を連続して挿脱する際のデューティ比を変更する。図１７（Ａ）の（ａ）〜（ｄ）において、「ＯＦＦ」は、図１５に示すように、熱スイッチ１０ｇの間隙１３に伝熱媒体１４が挿入されていない状態を示す。「ＯＮ」は、図１６に示すように、熱スイッチ１０ｇの間隙１３に伝熱媒体１４が挿入されている状態を示す。「Ｔ」は、伝熱媒体１４を連続して挿脱する際の挿脱動作の時間的な周期を示す。「τ」は、周期Ｔのうち、熱スイッチ１０ｇを「ＯＮ」の状態にする期間を示す。伝熱媒体１４を連続して挿脱する際のデューティ比Ｄは、τ／Ｔにより算出される。

図１７（Ａ）において、（ａ）は、伝熱媒体１４の挿入が行われない状態を示す。このとき、期間τ＝０であり、デューティ比Ｄ＝０である。図１７（Ａ）の（ｂ）および（ｃ）は、周期Ｔのうち期間τの間、熱スイッチ１０ｇが「ＯＮ」になることを示す。このとき、デューティ比Ｄ＝τ／Ｔである。ここで、（ｂ）よりも（ｃ）の方が、期間τの値が大きいため、デューティ比Ｄの値についても、（ｂ）よりも（ｃ）の方が大きくなる。図１７（Ａ）の（ｄ）は、伝熱媒体１４が常に挿入されている状態を示す。このとき、期間τ＝周期Ｔであり、デューティ比Ｄ＝１である。このように、熱スイッチ１０ｇは、周期Ｔに対する期間τの割合を変更することにより、デューティ比Ｄの値を任意に変更できる。

図１７（Ｂ）において、グラフ中の点（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ図１７（Ａ）の（ａ）〜（ｄ）と対応している。図１７（Ｂ）に示すように、デューティ比Ｄの値と、熱スイッチ１０ｇの熱伝導率λの値は相関関係にある。したがって、熱スイッチ１０ｇは、デューティ比Ｄの値を変更することにより、熱伝導率λの値を変更できる。すなわち、熱スイッチ１０ｇは、伝熱媒体１４を連続的に挿脱する際の周期Ｔと、周期Ｔのうち伝熱媒体１４を挿入する期間τとの比率を変更することにより、熱伝導率λを変更できる。

次に、このように構成された熱スイッチ１０ｇの制御処理について説明する。

図１８は、第８実施形態に係る熱スイッチの制御条件の一例を示す図である。図１８において、（Ａ）は熱スイッチ１０ｇの制御処理の概要を示し、（Ｂ）は各制御パラメータの制御条件を示す。（Ｃ）は要求熱伝導率λ_Ｒから要求デューティ比Ｄ_Ｒを求める様子を示す。図１９は、第８実施形態に係る熱スイッチの制御処理の一例を示すフローチャートである。本フローチャートに示される処理は、熱スイッチ１０ｇの制御部が各部を制御して実行する。

まず、熱スイッチ１０ｇの制御条件について説明する。

図１８（Ａ）に示すように、熱スイッチ１０ｇは、物体Ａと物体Ｂとの間に設けられている。物体Ａと熱スイッチ１０ｇとの界面における温度はＴ_Ａであり、物体Ｂと熱スイッチ１０ｇとの界面における温度はＴ_Ｂである。物体Ａから熱スイッチ１０ｇを介して物体Ｂに通過する熱流束はｑである。熱スイッチ１０ｇの熱伝導率はλであり、熱スイッチ１０ｇの伝熱方向における厚さはｔである。

図１８（Ｂ）に示すように、熱流束ｑおよび温度Ｔ_Ｂは、外部環境等により変化する値である。熱伝導率λは、熱スイッチ１０ｇの制御により変更可能な値である。本制御処理例において、熱スイッチ１０ｇは、熱流束ｑや温度Ｔ_Ｂが変化した場合に、温度Ｔ_Ａを一定に保つように、熱伝導率λの値を制御する。

図１８（Ｃ）に示すように、熱スイッチ１０ｇの熱伝導率λと、伝熱媒体１４を間隙１３に連続的に挿脱する際のデューティ比Ｄとは相関関係にある。熱伝導率λとデューティ比Ｄとの関係は、熱スイッチ１０ｇの記憶部に、予め記憶されている。

続いて、熱スイッチ１０ｇの制御処理の詳細について説明する。

図１９に示すように、熱スイッチ１０ｇは、目標温度Ｔ_Ａ０を取得する（ステップＳ１０１）。目標温度Ｔ_Ａ０は、温度Ｔ_Ａを制御する際の目標値であり、熱スイッチ１０ｇは、温度Ｔ_Ａを目標温度Ｔ_Ａ０に近づけるように熱伝導率λを制御する。目標温度Ｔ_Ａ０は、たとえば、制御部がユーザーからの指定を事前に受け付けて、記憶部に格納する。

続いて、熱スイッチ１０ｇは、温度Ｔ_Ａおよび温度Ｔ_Ｂを計測する（ステップＳ１０２）。具体的には、熱スイッチ１０ｇは、物体Ａと熱スイッチ１０ｇとの界面、および、物体Ｂ側と熱スイッチ１０ｇとの界面に設けた温度センサー等（不図示）により、温度Ｔ_Ａおよび温度Ｔ_Ｂを計測する。熱スイッチ１０ｇは、計測した温度Ｔ_Ａおよび温度Ｔ_Ｂの値を記憶部に格納する。

続いて、熱スイッチ１０ｇは、熱流束ｑを計測する（ステップＳ１０３）。具体的には、熱スイッチ１０ｇは、物体Ａとの界面等に熱流計（不図示）を設けて、熱スイッチ１０ｇを通過する熱流束ｑを計測する。熱スイッチ１０ｇは、計測した熱流束ｑの値を記憶部に格納する。

続いて、熱スイッチ１０ｇは、ΔＴ_Ａ＝０とするために必要となる熱伝導率である要求熱伝導率λ_Ｒの値を算出する（ステップＳ１０４）。ΔＴ_Ａは、目標温度Ｔ_Ａ０と実際の温度Ｔ_Ａとの差分である。したがって、ΔＴ_Ａ＝０となることは、温度Ｔ_Ａが目標温度Ｔ_Ａ０と等しくなることを意味する。したがって、熱スイッチ１０ｇは、下記の数式１により要求熱伝導率λ_Ｒを算出する。

λ_Ｒ＝ｑｔ／（Ｔ_Ａ０−Ｔ_Ｂ） ・・・（数式１）
続いて、熱スイッチ１０ｇは、算出した要求熱伝導率λ_Ｒの値に基づいて、要求熱伝導率λ_Ｒを実現するために必要となるデューティ比である要求デューティ比Ｄ_Ｒの値を算出する（ステップＳ１０５）。具体的には、熱スイッチ１０ｇは、ステップＳ１０４において算出した要求熱伝導率λ_Ｒの値と、予め記憶部に格納された熱伝導率λとデューティ比Ｄとの関係から、図１８（Ｃ）に示すように、要求デューティ比Ｄ_Ｒの値を算出する。熱スイッチ１０ｇは、算出した要求デューティ比Ｄ_Ｒの値を記憶部に格納する。

続いて、熱スイッチ１０ｇは、ΔＴ_Ａの絶対値が、所定の閾値ａよりも小さいか否かを判断する（ステップＳ１０６）。所定の閾値ａは、熱スイッチ１０ｇが使用される環境において、温度Ｔ_Ａを一定に制御する際に必要とされる精度に応じて適宜設定される。

ΔＴ_Ａの絶対値が、所定の閾値ａ以上である場合（ステップＳ１０６：ＮＯ）、熱スイッチ１０ｇは、温度Ｔ_Ａを目標温度Ｔ_Ａ０にさらに近づけるように制御する必要があると判断し、熱伝導率λを要求熱伝導率λ_Ｒに変更する（ステップＳ１０７）。具体的には、熱スイッチ１０ｇは、デューティ比Ｄを要求デューティ比Ｄ_Ｒに変更することにより、熱伝導率λを要求熱伝導率λ_Ｒに変更する。熱スイッチ１０ｇは、再びステップＳ１０２に戻り、ステップＳ１０２〜ステップＳ１０６の処理を実行する。

ΔＴ_Ａの絶対値が、所定の閾値ａより小さい場合（ステップＳ１０６：ＹＥＳ）、熱スイッチ１０ｇは、温度Ｔ_Ａが十分に目標温度Ｔ_Ａ０に近づいたと判断し、処理を終了する。

以上のように、第８実施形態の熱スイッチ１０ｇによれば、伝熱媒体１４を連続して挿脱する際のデューティ比Ｄを変更することによって、二つの物体間の伝熱または断熱における熱伝導率λを制御する。これにより、各種条件に応じて熱伝導率λを任意の値に変更できるため、熱スイッチを幅広い用途に柔軟に適用できる。

また、熱スイッチ１０ｇは、物体Ａの界面における温度Ｔ_Ａが一定になるように、熱伝導率λを制御する。したがって、熱スイッチ１０ｇは、物体Ａとして配置された部材の熱スイッチとの界面における温度を一定に維持できる。これにより、熱スイッチ１０ｇは、隣接する物体の温度変化を抑制しつつ、熱を移動させることができる。

また、熱スイッチ１０ｇは、物体Ｂの界面における温度Ｔ_Ｂおよび熱流束ｑの少なくとも一方が変化した場合でも、温度Ｔ_Ａが一定になるように、熱伝導率λを制御する。これにより、熱スイッチに接する一方の物体の界面における温度および熱スイッチを通過する熱流束の両方が変化する不安定な環境においても、他方の物体の界面における温度を一定に維持できる。

図１９に示す処理では、物体Ａの界面Ｔ_Ａの温度が目標温度Ｔ_Ａ０に十分近づくと、処理を終了している。しかし、図１９に示す処理を繰り返すことによって、熱スイッチ１０ｇの一方の界面の温度を一定としつつ、継続的な伝熱を達成できる。

なお、本実施形態においては、物体Ａの界面における温度Ｔ_Ａが一定となるように制御したが、これに限定されない。たとえば、物体Ｂの界面における温度Ｔ_Ｂが一定となるように制御してもよい。

（熱スイッチの使用態様例１）
上記第８実施形態の熱スイッチ１０ｇの制御処理例においては、熱流束ｑおよび温度Ｔ_Ｂの二つのパラメータが変化する環境において熱スイッチ１０ｇが使用される例を説明したが、熱スイッチ１０ｇが使用される環境はこれに限定されない。熱スイッチ１０ｇは、適用される環境に応じて、様々な態様において使用される。以下では、使用態様例１として、熱流束ｑが変化し、温度Ｔ_Ｂが一定である場合について説明する。

図２０は、第８実施形態に係る熱スイッチの使用態様例を示す図である。図２０において、（Ａ）は各制御パラメータの制御条件を示し、（Ｂ）は（Ａ）の制御条件において制御が行われる様子を示す。

本使用態様例における熱スイッチ１０ｇは、図２０（Ａ）に示すように、熱流束ｑが変化し、温度Ｔ_Ｂが一定に保たれるという使用条件下で、制御対象である温度Ｔ_Ａを一定に保つように、制御要素である熱伝導率λを制御する。

本使用態様例においては、図２０（Ｂ）の（ａ）〜（ｃ）に示すように、熱流束ｑが、外部環境等により変化し、たとえば、ｑ_ａ、ｑ_ｂ、ｑ_ｃといった値をとりうる。ここで、ｑ_ａ、ｑ_ｂ、ｑ_ｃは、ｑ_ａ＜ｑ_ｂ＜ｑ_ｃの関係が成立する値である。一方、温度Ｔ_Ｂは一定である。熱スイッチ１０ｇの熱伝導率λは、熱流束ｑの値に応じて、温度Ｔ_Ａを一定に保つように、λ_ａ、λ_ｂ、λ_ｃの各値に制御される。λ_ａ、λ_ｂ、λ_ｃは、それぞれ下記の数式２〜４により算出される。

λ_ａ＝ｑ_ａｔ／（Ｔ_Ａ−Ｔ_Ｂ） ・・・（数式２）
λ_ｂ＝ｑ_ｂｔ／（Ｔ_Ａ−Ｔ_Ｂ） ・・・（数式３）
λ_ｃ＝ｑ_ｃｔ／（Ｔ_Ａ−Ｔ_Ｂ） ・・・（数式４）
本使用態様例は、たとえば、物体Ａとしてバッテリーや電装部品、空調熱冷源等が配置されており、物体Ｂとしてヒートシンクや熱容量が大きい部材等が配置されている場合に相当する。つまり、物体Ｂは、物体Ａからの熱流束ｑの熱エネルギーの変動に関わらず、温度Ｔ_Ｂが変動しない前提である。ここで、本使用態様例の熱スイッチ１０ｇは、図１９に示す制御処理により熱伝導率λの値を適切に制御することにより、熱流束ｑが変化する場合でも、温度Ｔ_Ａを一定に保ちつつ、熱流束ｑを物体Ａ側から物体Ｂ側へ輸送できる。これにより、熱スイッチ１０ｇは、物体Ａとして配置されたバッテリーや電装部品、空調熱冷源等の温度を一定に保つことができる。

（熱スイッチの使用態様例２）
上記の使用態様例１においては、温度Ｔ_Ｂが一定であり、熱流束ｑが変化する場合の例について説明した。しかし、熱スイッチ１０ｇの使用態様例はこれに限定されない。以下では、使用態様例２として、熱流束ｑが一定であり、温度Ｔ_Ｂが変化する場合について説明する。

図２１は、第８実施形態に係る熱スイッチの他の使用態様例を示す図である。図２１において、（Ａ）は各制御パラメータの制御条件を示し、（Ｂ）は（Ａ）の制御条件において制御が行われる様子を示す。

図２１（Ａ）に示すように、本使用態様例における熱スイッチ１０ｇは、熱流束ｑが一定であり、温度Ｔ_Ｂが変化するという使用条件下で、制御対象である温度Ｔ_Ａを一定に保つように、制御要素である熱伝導率λを制御する。

図２１（Ｂ）に示すように、本使用態様例においては、温度Ｔ_Ｂが、外部環境等により変化し、たとえば、Ｔ_Ｂａ、Ｔ_Ｂｂ、Ｔ_Ｂｃといった値に変化する。一方、熱流束ｑは一定である。熱スイッチ１０ｇの熱伝導率λは、温度Ｔ_Ｂの値に応じて、温度Ｔ_Ａを一定に保つように、λ_ａ、λ_ｂ、λ_ｃの各値に制御される。λ_ａ、λ_ｂ、λ_ｃは、それぞれ下記の数式５〜７により算出される。

λ_ａ＝ｑｔ／（Ｔ_Ａ−Ｔ_Ｂａ） ・・・（数式５）
λ_ｂ＝ｑｔ／（Ｔ_Ａ−Ｔ_Ｂｂ） ・・・（数式６）
λ_ｃ＝ｑｔ／（Ｔ_Ａ−Ｔ_Ｂｃ） ・・・（数式７）
本使用態様例は、たとえば、物体Ａとして配置された部材が一定の熱流束ｑを発生し、物体Ｂとして配置された部材がヒートシンク等の部材ではなく、温度が変動する場合に相当する。本使用態様例の熱スイッチ１０ｇは、図１９に示す制御処理により熱伝導率λの値を適切に制御することにより、温度Ｔ_Ｂが変化する場合でも、温度Ｔ_Ａを一定に保ちつつ、熱流束ｑを物体Ａ側から物体Ｂ側へ輸送できる。これにより、熱スイッチ１０ｇは、物体Ａとして配置された部材の温度を一定に維持できる。

（熱スイッチの使用態様例３）
上記の使用態様例１および２においては、熱スイッチ１０ｇと物体Ａとの界面における温度Ｔ_Ａを制御対象として、熱スイッチ１０ｇ内における熱伝導を考慮して熱スイッチ１０ｇを制御する例について説明した。しかし熱スイッチ１０ｇの使用態様例はこれに限定されない。以下では、使用態様例３として、熱スイッチ１０ｇの両側に流体が存在し、流体の温度を制御対象とする場合について説明する。すなわち、熱スイッチ１０ｇ内における熱伝導に加え、熱スイッチ１０ｇとその両側に存在する流体との熱伝達も考慮して熱スイッチ１０ｇを制御する場合について説明する。

図２２は、第８実施形態に係る熱スイッチのさらに他の使用態様例を示す図である。

図２２に示すように、本使用態様例における熱スイッチ１０ｇは、その両側に、物体Ａおよび物体Ｂのかわりに、流体ＦＡおよび流体ＦＢが存在している。流体ＦＡの熱スイッチ１０ｇとの界面における温度はＴ_Ａｆであり、流体ＦＢの熱スイッチ１０ｇとの界面における温度はＴ_Ｂｆである。流体ＦＡと熱スイッチ１０ｇとの熱伝達率はｈ_Ａであり、流体ＦＢと熱スイッチ１０ｇとの熱伝達率はｈ_Ｂである。本使用態様例における熱スイッチ１０ｇは、制御対象を温度Ｔ_Ａｆとし、温度Ｔ_Ａｆを一定に保つように、制御要素である熱伝導率λを制御する。

本使用態様例においても、図１９に示す制御処理と同様の方法により、熱伝導率λの値を適切に制御することにより、温度Ｔ_Ａｆを一定に保ちつつ、熱流束ｑを輸送できる。以下、本使用態様例において、図１９に示す制御処理と異なる部分について説明する。

本使用態様例の熱スイッチ１０ｇは、図１９のステップＳ１０１の処理において、目標温度Ｔ_Ａｆ０を取得する。また、熱スイッチ１０ｇは、ステップＳ１０２の処理において、温度Ｔ_ＡｆおよびＴ_Ｂｆを計測する。さらに、熱スイッチ１０ｇは、ステップＳ１０４の処理において、要求熱伝導率λ_Ｒの算出式を下記の数式８に置き換える。

λ_Ｒ＝ｑｔ／（（Ｔ_Ａｆ０−Ｔ_Ｂｆ）−ｑ／ｈ_Ａ−ｑ／ｈ_Ｂ） ・・・（数式８）
数式８は、熱スイッチ１０ｇの熱伝導を考慮して要求熱伝導率λ_Ｒを算出する数式１に、熱スイッチ１０ｇと流体ＦＡおよび流体ＦＢ間での熱伝達を考慮するための算出式を加えたものである。数式８において、「ｑ／ｈ_Ａ」の部分は、流体ＦＡおよび熱スイッチ１０ｇ間の温度差、すなわち、Ｔ_Ａｆ０−Ｔ_Ａを示している。同様に、「ｑ／ｈ_Ｂ」の部分は、熱スイッチ１０ｇおよび流体ＦＢ間の温度差、すなわち、Ｔ_Ｂ−Ｔ_Ｂｆを示している。ｈ_Ａおよびｈ_Ｂの値は、たとえば、流体ＦＡおよび流体ＦＢの流速の計測値と、予め記憶部に記憶されたマップまたは近似式とに基づき算出される。熱スイッチ１０ｇは、ステップＳ１０４の処理において数式８を用いることにより、熱スイッチ１０ｇ内の熱伝導に加えて熱スイッチ１０ｇと流体ＦＡおよび流体ＦＢとの熱伝達も考慮して、要求熱伝導率λ_Ｒを算出できる。

続いて、熱スイッチ１０ｇは、図１９に示すステップＳ１０５以降の処理を行う。これにより、熱スイッチ１０ｇは、熱伝導に加えて熱伝達を考慮して熱伝導率λの値を適切に制御し、温度Ｔ_Ａｆ０を一定に維持できる。

本使用態様例は、たとえば、熱スイッチ１０ｇの両側にラジエーター等の冷却用の液体が流れている場合や、熱スイッチ１０ｇの両側に隙間があり空気等の流体が存在している場合等に適用できる。

（第９実施形態）
第８実施形態では、伝熱媒体１４を挿脱するデューティ比Ｄを変更することによって熱伝導率λを制御する場合について説明した。しかし、熱伝導率λを制御する方法はこれに限定されない。熱スイッチは、伝熱媒体１４を挿脱する領域の大きさを変更することによって熱伝導率λを制御してもよい。第９実施形態では、熱スイッチの間隙において伝熱媒体１４が挿入される領域が占める割合を変更することによって、二つの物体間の伝熱における熱伝導率λを制御する場合について説明する。

図２３は、第９実施形態に係る熱スイッチを説明するための図である。図２３において、（Ａ）は熱スイッチの概略構成および伝熱媒体を挿入する領域が占める割合を変更する例を示し、（Ｂ）は伝熱媒体を挿入する領域が占める割合Ｆと熱伝導率λとの関係を示す。図２４は、図２３のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った部分断面図である。図２５は、図２３のＩＶ−ＩＶ線に沿った部分断面図である。

図２３（Ａ）の（ａ）〜（ｄ）に示すように、第９実施形態の熱スイッチ１０ｈは、幅の狭い熱スイッチである熱スイッチ要素１０ｒを幅方向に複数並べて構成される。複数の熱スイッチ要素１０ｒのそれぞれは、第１〜第６実施形態のいずれかの熱スイッチと同様の構成を有する。各熱スイッチ要素１０ｒの誘電体、第１電極、第２電極、電源および電圧スイッチ等の他の構成は、各実施形態の熱スイッチと同様であり、図示は省略する。

また、図２４および図２５に示すように、各熱スイッチ要素１０ｒの間には、隔壁Ｐが設けられている。隔壁Ｐは、たとえば熱伝導率が低いセラミック等の材料から構成される。熱スイッチ１０ｈは、制御部として、複数の熱スイッチ要素１０ｒそれぞれの動作を制御するＣＰＵ（不図示）と、制御するためのプログラムや各種データを記憶する記憶部（不図示）とを有する。複数の熱スイッチ要素１０ｒは、熱スイッチ１０ｈの制御部により、それぞれ独立して制御される。

図２３（Ａ）の（ａ）〜（ｄ）に示すように、熱スイッチ１０ｈは、複数の熱スイッチ要素１０ｒのうち、間隙１３に伝熱媒体１４が挿入される熱スイッチ要素１０ｒの個数が占める割合を変更する。図２３（Ａ）の（ａ）は、全ての熱スイッチ要素１０ｒにおいて伝熱媒体１４が挿入されていないことを示す。このとき、伝熱媒体が挿入される領域が占める割合Ｆはゼロである。図１２（Ａ）の（ｂ）は、複数の熱スイッチ要素１０ｒにおいて、三つに一つの割合で伝熱媒体１４が挿入されることを示す。このとき、伝熱媒体が挿入される領域が占める割合Ｆは１／３である。図１２（Ａ）の（ｃ）は、複数の熱スイッチ要素１０ｒにおいて、三つに二つの割合で伝熱媒体１４が挿入されることを示す。このとき、伝熱媒体が挿入される領域が占める割合Ｆは２／３である。図２３（Ａ）の（ｄ）は、全ての熱スイッチ要素１０ｒにおいて伝熱媒体１４が挿入されることを示す。このとき、伝熱媒体が挿入される領域が占める割合Ｆは１である。このように、熱スイッチ１０ｈは、複数の熱スイッチ要素１０ｒのうち、間隙１３に伝熱媒体１４が挿入される熱スイッチ要素１０ｒの個数が占める割合を変更することにより、伝熱媒体が挿入される領域が占める割合Ｆを任意に変更できる。

図２３（Ｂ）において、グラフ中の点（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ図２３（Ａ）の（ａ）〜（ｄ）と対応している。図２３（Ｂ）に示すように、伝熱媒体が挿入される領域が占める割合Ｆと、熱スイッチ１０ｈの熱伝導率λの値は相関関係にある。したがって、熱スイッチ１０ｈは、伝熱媒体が挿入される領域が占める割合Ｆの値を変更することにより、熱伝導率λの値を変更できる。すなわち、熱スイッチ１０ｈは、複数の熱スイッチ要素１０ｒのうち、間隙１３に伝熱媒体１４が挿入される熱スイッチ要素１０ｒの個数が占める割合を変更することにより、熱伝導率λを変更できる。

次に、このように構成される熱スイッチ１０ｈの制御処理について説明する。

図２６は、第９実施形態に係る熱スイッチの制御条件の一例を示す図である。図２６において、（Ａ）は熱スイッチ１０ｈの制御処理の概要を示し、（Ｂ）は各制御パラメータの制御条件を示す。（Ｃ）は要求熱伝導率λ_Ｒから要求割合Ｆ_Ｒを求める様子を示す。図２７は、第９実施形態に係る熱スイッチの制御処理の一例を示すフローチャートである。本フローチャートに示される処理は、熱スイッチ１０ｈの制御部が各部を制御して実行する。

まず、熱スイッチ１０ｈの制御条件について説明する。

図２６（Ａ）に示す熱スイッチ１０ｈの制御処理の概要は、図１８（Ａ）に示す熱スイッチ１０ｇの制御処理の概要と同様であるため、その説明を省略する。

図２６（Ｂ）に示す熱スイッチ１０ｈの各制御パラメータの制御条件は、図１８（Ｂ）に示す各制御パラメータの制御条件と同様であるため、その説明を省略する。

図２６（Ｃ）に示すように、熱スイッチ１０ｈの熱伝導率λと、熱スイッチ１０ｈの間隙において伝熱媒体１４が挿入される領域が占める割合Ｆとは相関関係にある。熱伝導率λと伝熱媒体１４が挿入される領域が占める割合Ｆとの関係は、熱スイッチ１０ｈの記憶部に、予め記憶されている。

続いて、熱スイッチ１０ｈの制御処理の詳細について説明する。なお、図２７のステップＳ２０５およびステップＳ２０７以外の処理は、図１９に示す処理と同様であるため、適宜その説明を省略する。

図２７は、第９実施形態に係る熱スイッチの制御処理の一例を示すフローチャートである。本フローチャートに示される処理は、熱スイッチ１０ｈの制御部が各部を制御して実行する。なお、図２７のステップＳ２０５およびステップＳ２０７以外の処理は、図１９に示される処理と同様であるため、適宜その説明を省略する。

図２７に示すように、熱スイッチ１０ｈは、目標温度Ｔ_Ａ０を取得する（ステップＳ２０１）。

続いて、熱スイッチ１０ｈは、温度Ｔ_Ａおよび温度Ｔ_Ｂを計測する（ステップＳ２０２）。

続いて、熱スイッチ１０ｈは、熱流束ｑを計測する（ステップＳ２０３）。

続いて、熱スイッチ１０ｈは、ΔＴ_Ａ＝０とするために必要となる熱伝導率である要求熱伝導率λ_Ｒの値を、数式λ_Ｒ＝ｑｔ／（Ｔ_Ａ０−Ｔ_Ｂ）に基づいて算出する（ステップＳ２０４）。

続いて、熱スイッチ１０ｈは、算出した要求熱伝導率λ_Ｒの値に基づいて、要求熱伝導率λ_Ｒを実現するために必要となる、伝熱媒体が挿入される領域が占める割合である要求割合Ｆ_Ｒの値を算出する（ステップＳ２０５）。具体的には、熱スイッチ１０ｈは、ステップＳ２０４において算出した要求熱伝導率λ_Ｒの値と、予め記憶部に格納された熱伝導率λと伝熱媒体が挿入される領域が占める割合Ｆとの関係から、要求割合Ｆ_Ｒの値を算出する。熱スイッチ１０ｈは、算出した要求割合Ｆ_Ｒの値を記憶部に格納する。

続いて、熱スイッチ１０ｈは、ΔＴ_Ａの絶対値が、所定の閾値ａよりも小さいか否かを判断する（ステップＳ２０６）。

ΔＴ_Ａの絶対値が、所定の閾値ａ以上である場合（ステップＳ２０６：ＮＯ）、熱スイッチ１０ｈは、温度Ｔ_Ａを目標温度Ｔ_Ａ０にさらに近づけるように制御する必要があると判断し、熱伝導率λを要求熱伝導率λ_Ｒに変更する（ステップＳ２０７）。具体的には、熱スイッチ１０ｈは、伝熱媒体が挿入される領域が占める割合Ｆを要求割合Ｆ_Ｒに変更することにより、熱伝導率λを要求熱伝導率λ_Ｒに変更する。熱スイッチ１０ｈは、再びステップＳ２０２に戻り、ステップＳ２０２〜ステップＳ２０６の処理を実行する。

ΔＴ_Ａの絶対値が、所定の閾値ａより小さい場合（ステップＳ２０６：ＹＥＳ）、熱スイッチ１０ｈは、温度Ｔ_Ａが十分に目標温度Ｔ_Ａ０に近づいたと判断し、処理を終了する。

以上のように、第９実施形態の熱スイッチ１０ｈによれば、間隙１３において伝熱媒体１４が挿入される領域が占める割合を変更することによって、二つの物体間の伝熱または断熱における熱伝導率λを制御する。これにより、各種条件に応じて熱伝導率λを任意の値に変更できるため、熱スイッチを幅広い用途に柔軟に適用できる。また、複数の熱スイッチ要素を並べるという簡単な構成により熱伝導率λの制御を実現でき、熱スイッチの活用が容易となる。

なお、第９実施形態においても、第８実施形態の使用態様例１〜３と同様に熱スイッチ１０ｈを使用できる。

また、第９実施形態の熱スイッチ１０ｈにおいて、第８実施形態の熱スイッチ１０ｇのように各熱スイッチ要素１０ｒの伝熱媒体を連続して挿脱するように構成し、挿脱のデューティ比を変更してもよい。これにより、熱スイッチの熱伝導率をより細かく制御でき、熱スイッチの制御性能を高めることができる。

（第１０実施形態）
第９実施形態では、幅の狭い複数の熱スイッチ要素１０ｒを一方向に沿って並べることにより、伝熱媒体を挿脱する領域の大きさを変更する場合について説明した。しかし、伝熱媒体を挿脱する領域の大きさを変更する方法はこれに限定されない。伝熱媒体を挿脱する領域の大きさを変更する方法としては、幅の狭い複数の熱スイッチを、互いに交差する二つ方向に沿って並べてもよい。第１０実施形態では、幅の狭い複数の熱スイッチを、互いに交差する二つ方向に沿って並べて制御することにより、伝熱媒体を挿脱する領域の大きさを変更する場合について説明する。

図２８は、第１０実施形態に係る熱スイッチを説明するための図である。図２８において、（Ａ）は熱スイッチの概略構成および伝熱媒体を挿入する領域が占める割合を変更する例を示し、（Ｂ）は伝熱媒体を挿入する領域が占める割合Ｆと熱伝導率λとの関係を示す。なお、第９実施形態の熱スイッチ１０ｈと同様の構成については、その説明を省略する。

図２８（Ａ）の（ａ）〜（ｄ）に示すように、第１０実施形態の熱スイッチ１０ｉは、幅の狭い熱スイッチである熱スイッチ要素１０ｓを、互いに交差する二つの方向に沿って複数並べて構成される。複数の熱スイッチ要素１０ｓのそれぞれは、第１〜第６実施形態のいずれかの熱スイッチと同様の構成を有する。各熱スイッチ要素１０ｓの誘電体、第１電極、第２電極、電源および電圧スイッチ等の他の構成は、各実施形態の熱スイッチと同様であり、図示は省略する。

図２８（Ａ）の（ａ）〜（ｄ）に示すように、熱スイッチ１０ｉは、複数の熱スイッチ要素１０ｓのうち、間隙１３に伝熱媒体１４が挿入される熱スイッチ要素１０ｓの個数が占める割合を変更する。これにより、熱スイッチ１０ｉは、伝熱媒体が挿入される領域が占める割合Ｆを任意に変更できる。

図２８（Ｂ）において、グラフ中の点（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ図２８（Ａ）の（ａ）〜（ｄ）と対応している。図２８（Ｂ）に示すように、伝熱媒体が挿入される領域が占める割合Ｆと、熱スイッチ１０ｉの熱伝導率λの値は相関関係にある。したがって、熱スイッチ１０ｉは、伝熱媒体が挿入される領域が占める割合Ｆの値を変更することにより、熱伝導率λの値を変更できる。すなわち、熱スイッチ１０ｉは、複数の熱スイッチ要素１０ｓのうち、間隙１３に伝熱媒体１４が挿入される熱スイッチ要素１０ｓの個数が占める割合を変更することにより、熱伝導率λを変更できる。

第９実施形態の熱スイッチ１０ｉの制御処理については、第８実施形態の熱スイッチ１０ｈの制御処理と同様であるため、その説明を省略する。

なお、第１０実施形態においても、第８実施形態の使用態様例１〜３と同様に熱スイッチ１０ｉを使用できる。

また、第１０実施形態の熱スイッチ１０ｉにおいて、第８実施形態の熱スイッチ１０ｇのように、各熱スイッチ要素１０ｓの伝熱媒体を連続して挿脱するように構成し、挿脱のデューティ比を変更してもよい。これにより、熱スイッチの熱伝導率をより細かく制御でき、熱スイッチの制御性能を高めることができる。

また、第１０実施形態においては、伝熱媒体１４が挿入される熱スイッチ要素１０ｓが偏りなく均等に分散するように制御される。すなわち、熱スイッチの伝熱を行う面内の各位置において熱伝導率が均等になるように制御される。しかし、熱伝導率の制御方法はこれに限定されない。熱スイッチは、伝熱媒体１４が挿入される熱スイッチ要素１０ｓの分布に偏りをもたせるように制御してもよい。これにより、熱スイッチの伝熱を行う面内の各位置において熱伝導率が任意に制御され、所望の熱伝導率分布が実現される。以下では、伝熱媒体１４が挿入される熱スイッチ要素１０ｓの分布に偏りをもたせるように制御する変形例について説明する。

図２９は、第１０実施形態の変形例に係る熱スイッチを説明するための図である。図２９において、（Ａ）は伝熱媒体１４が挿入される熱スイッチ要素１０ｓの分布に偏りをもたせる例を示し、（Ｂ）は（Ａ）の場合における熱伝導率の分布を示す。

図２９（Ａ）に示すように、熱スイッチ１０ｉにおいては、伝熱媒体１４が挿入される熱スイッチ要素１０ｓの分布に偏りが生じるように、各熱スイッチ要素１０ｓにおける伝熱媒体１４の挿脱が制御されている。具体的には、熱スイッチ１０ｉの端部では、伝熱媒体１４が挿入されている熱スイッチ要素１０ｓの割合は少なく、熱スイッチ１０ｉの中心部では、伝熱媒体１４が挿入されている熱スイッチ要素１０ｓの割合は多くなっている。これにより、図２９（Ｂ）に示すように、熱スイッチの伝熱を行う面内の位置によって熱伝導率の値は、λ_ａ、λ_ｂ、λ_ｃと異なっており、各値はλ_ａ＜λ_ｂ＜λ_ｃという関係が成立する。これは、図２９の例において、熱スイッチ１０ｉの端部は伝熱媒体１４が挿入される熱スイッチ要素１０ｓの割合が少なく、熱スイッチ１０ｉの中心部は伝熱媒体１４が挿入される熱スイッチ要素１０ｓの割合が多いためである。

このように、伝熱媒体１４が挿入される熱スイッチ要素１０ｓの分布に偏りをもたせるように各熱スイッチ要素１０ｓを制御することにより、熱スイッチ１０ｉの伝熱を行う面内の各位置における熱伝導率を任意に制御できる。これにより、熱スイッチをより幅広い用途に柔軟に適用できる。

１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ 熱スイッチ、
１０ｒ、１０ｓ 熱スイッチ要素、
１１ 第１物体、
１２ 第２物体、
１３ 間隙、
１３ａ、１３ｂ 流路、
１４ 伝熱媒体、
１５ 媒体収容部、
１６、１６ａ〜１６ｋ 誘電体、
１７、１７ａ〜１７ｋ 第１電極、
１８、１８ａ〜１８ｋ 第２電極、
１９、１９ａ〜１９ｋ 電圧スイッチ、
２０ 低表面エネルギー化処理層、
２１ 潤滑物質、
１００ バッテリー装置、
１１０ 電池、
１２０ 熱交換器。

Claims (11)

1. 対向する二つの物体の間隙に挿脱可能に設けられる伝熱媒体と、
   前記二つの物体の界面または当該界面を含む平曲面の少なくとも一方に設けられる誘電体と、
   当該誘電体に沿って設けられた第１電極と、
   前記第１電極および前記誘電体への電圧の印加を制御する制御部と、を有し、
   前記誘電体は、前記第１電極および前記伝熱媒体を絶縁し、
   前記制御部は、前記第１電極および前記誘電体に電圧を印加することによって、エレクトロウェッティング現象を発生させて、前記伝熱媒体の挿脱を制御し、前記二つの物体間の伝熱または断熱を切り替える熱スイッチ。
2. 前記伝熱媒体に前記第１電極とは異なる電圧を印加する第２電極をさらに有し、
   前記制御部は、前記第１電極および前記第２電極による電圧の印加を制御し、前記第１電極および前記伝熱媒体を介して前記誘電体に電圧を印加することによってエレクトロウェッティング現象を発生させる請求項１に記載の熱スイッチ。
3. 前記伝熱媒体の挿脱は、前記伝熱媒体を前記間隙において一方向に移動させることにより行う請求項１または請求項２に記載の熱スイッチ。
4. 前記伝熱媒体の挿脱は、前記伝熱媒体を往復移動させることにより行う請求項１または請求項２に記載の熱スイッチ。
5. 前記制御部は、前記二つの物体のいずれか一方の物体の界面における温度が一定になるように、前記二つの物体間の伝熱または断熱における熱伝導率を制御する請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱スイッチ。
6. 前記制御部は、前記二つの物体の他方の物体の界面における温度および前記二つの物体間を移動する熱流束の少なくとも一方が変化した場合でも、前記一方の物体の界面における温度が一定になるように、前記二つの物体間の伝熱または断熱における熱伝導率を制御する請求項５に記載の熱スイッチ。
7. 前記制御部は、前記伝熱媒体を連続して挿脱する際に、当該挿脱のデューティ比を変更することによって、前記二つの物体間の伝熱または断熱における熱伝導率を制御する請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱スイッチ。
8. 前記制御部は、前記間隙において前記伝熱媒体が挿入される領域が占める割合を変更することによって、前記二つの物体間の伝熱または断熱における熱伝導率を制御する請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱スイッチ。
9. 前記誘電体は、前記制御部により電圧が印加されていない状態において前記伝熱媒体よりも表面エネルギーが低くなるように表面処理が施された請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱スイッチ。
10. 前記誘電体は、多孔質構造である請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱スイッチ。
11. 前記誘電体は、潤滑物質を含有する多孔質構造である請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱スイッチ。