JP2016023878A - Air conditioner - Google Patents

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秀和 高橋
村上 亮
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an air conditioner which uses a calorific material for generating and absorbing heat by applying and removing a warp without using a large-scale magnetic circuit, and is small in size and light in weight.SOLUTION: An air conditioner has: a heat generation unit 110 in which a plurality of heat generation members 110A to 110F for generating and absorbing heat by being applied with heat and removed in the warp are arranged at intervals; a low-temperature side heat exchanging part 120; a high-temperature side heat exchanging part 130; a heat conductive unit 140 in which heat switches 140A to 140G are arranged between and among the heat generation members, the low-temperature heat exchanging part, and the high-temperature side heat exchanging part; a warp control part 150 which applies the warp to the heat generation members, and activates the heat generation members; a heat switch drive part 160 which activates the heat switches; and a drive control part 170 which makes heat conductive between the low-temperature side heat exchanging part and the high-temperature side heat exchanging part by controlling the operation timing of the warp control part and the heat switch control part.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、冷暖房装置に係り、特に、歪みを印加することによって、発熱及び吸熱する熱量材料を用いた冷暖房装置に関する。   The present invention relates to an air conditioner, and more particularly, to an air conditioner using a calorific material that generates and absorbs heat by applying a strain.

従来用いられている室温域の冷凍機、たとえば、冷蔵庫、冷凍庫、エアコンなどの冷凍機の大半は、フロンガスや代替フロンガスなどの気体冷媒の相変化を利用している。最近では、フロンガスの排出に伴うオゾン層破壊の問題が露呈し、さらに、代替フロンガスの排出に伴う地球温暖化への影響も懸念されている。このため、フロンガスや代替フロンガスなどの気体冷媒を用いた冷凍機に代わる、クリーンでかつ熱輸送能力の高い、革新的な冷凍機の開発が強く望まれている。   Most of the refrigerators in the room temperature range conventionally used, for example, refrigerators such as a refrigerator, a freezer, and an air conditioner, use a phase change of a gaseous refrigerant such as chlorofluorocarbon gas or alternative chlorofluorocarbon gas. Recently, the problem of ozone depletion due to the emission of chlorofluorocarbons has been exposed, and there is also concern about the impact on global warming caused by the emission of alternative chlorofluorocarbons. For this reason, there is a strong demand for the development of an innovative refrigerator that is clean and has a high heat transport capability, replacing the refrigerator that uses a gaseous refrigerant such as CFC and CFC.

このような背景から、最近になって注目されるようになった冷凍技術が磁気冷凍技術である。磁性体の中には、その磁性体に印加する磁界の大きさが変化すると、その変化に応じて自身の温度を変化させる、いわゆる磁気熱量効果を発現するものがある。この磁気熱量効果を発現する磁性体を利用して熱を輸送する冷凍技術が磁気冷凍技術である。   Against this background, the refrigeration technology that has recently attracted attention is the magnetic refrigeration technology. Some magnetic materials exhibit a so-called magnetocaloric effect that changes their temperature according to the change of the magnitude of the magnetic field applied to the magnetic material. A refrigeration technique that transports heat using a magnetic material that exhibits this magnetocaloric effect is a magnetic refrigeration technique.

磁気冷凍技術を応用した冷凍機としては、たとえば、下記特許文献1に記載されているような、固体物質の熱伝導を利用して、熱を輸送する磁気冷凍機がある。   As a refrigerator using the magnetic refrigeration technology, for example, there is a magnetic refrigerator that transports heat by utilizing the heat conduction of a solid substance as described in Patent Document 1 below.

しかし、磁気冷凍機の場合、磁場が弱いと磁性体の十分な温度変化が得られない。磁性体を効果的に発熱・吸熱させるためには、強い磁場を形成する必要がある。このために、希少な金属を用いた非常に磁力の強い高価な磁石を用いなければならなくなる。   However, in the case of a magnetic refrigerator, if the magnetic field is weak, a sufficient temperature change of the magnetic material cannot be obtained. In order to effectively generate and absorb heat from a magnetic material, it is necessary to form a strong magnetic field. For this reason, it is necessary to use an expensive magnet with a very strong magnetic force using a rare metal.

また、強い磁場を形成するためには大きな磁気回路を必要とするので、冷凍機の体積が大きくなり、また、重量も重くなる。具体的には、磁気冷凍機の磁気回路の体積と重量は磁気冷凍機全体の半分以上の体積と重量となる。   In addition, since a large magnetic circuit is required to form a strong magnetic field, the volume of the refrigerator increases and the weight also increases. Specifically, the volume and weight of the magnetic circuit of the magnetic refrigerator are more than half the volume and weight of the entire magnetic refrigerator.

磁気回路を用いた冷凍機の場合、磁気回路を小型化することはできないので、冷凍機の小型化、軽量化は非常に困難である。冷凍機の小型化、軽量化に寄与する技術として、下記引用文献2に記載されているような技術がある。   In the case of a refrigerator using a magnetic circuit, the magnetic circuit cannot be reduced in size, so it is very difficult to reduce the size and weight of the refrigerator. As a technique that contributes to a reduction in size and weight of the refrigerator, there is a technique described in the following cited document 2.

特許文献2には、圧電材料を電極として機能する磁気熱量材料で挟み、磁気熱量材料に電圧を印加して圧電材料の結晶格子定数を変え、それに追随して磁気熱量材料の結晶格子定数を変化させ、磁気熱量材料の磁化特性を変えて磁気熱量材料を発熱・吸熱させることが記載されている。   In Patent Document 2, a piezoelectric material is sandwiched between magnetocaloric materials functioning as electrodes, a voltage is applied to the magnetocaloric material to change the crystal lattice constant of the piezoelectric material, and the crystal lattice constant of the magnetocaloric material is changed accordingly. In other words, the magnetocaloric material generates heat and absorbs heat by changing the magnetization characteristics of the magnetocaloric material.

特開2007−147209号公報JP 2007-147209 A 米国特許出願公開第2014/0007592号明細書US Patent Application Publication No. 2014/0007592

しかし、引用文献2に記載された技術の場合、磁気熱量材料を電極としても使用するため、非導電性の磁気熱量材料を用いることができない。   However, in the case of the technique described in the cited document 2, since a magnetocaloric material is also used as an electrode, a non-conductive magnetocaloric material cannot be used.

磁気熱量材料の中には、非導電性であっても、歪を印加、除去することによって発熱及び吸熱するものが存在する。また、電場を印加、除去することによって発熱及び吸熱する電気熱量効果を発現する電気熱量材料の中にも、歪を印加、除去することによって発熱及び吸熱するものが存在する。発明者は、これらの熱量材料に歪を加えて発熱及び吸熱させれば冷暖房装置の小型化ができるのではないかと考えた。   Some magnetocaloric materials generate heat and absorb heat by applying and removing strain even if they are non-conductive. Some electrocaloric materials exhibiting an effect of generating and absorbing heat by applying and removing an electric field also generate and absorb heat by applying and removing strain. The inventor thought that the air-conditioning apparatus could be reduced in size by applying strain to these calorimetric materials to generate heat and absorb heat.

本発明は、以上のような従来の問題点の解消、及び、発明者の着想に基づいて成されたものであり、大きな磁気回路を用いず、歪を印加、除去することによって、発熱及び吸熱する熱量材料を用いた、小型で軽量の冷暖房装置の提供を目的とする。   The present invention has been made on the basis of the solution of the conventional problems as described above and the inventor's idea, and generates and generates heat and heat by applying and removing strain without using a large magnetic circuit. An object of the present invention is to provide a small and lightweight air-conditioning apparatus using a calorific material.

上記目的を達成するための本発明に係る冷暖房装置は、熱生成ユニット、低温側熱交換部、高温側熱交換部、熱伝導ユニット、歪制御部、熱スイッチ駆動部及び駆動制御部を有する。   In order to achieve the above object, an air conditioning apparatus according to the present invention includes a heat generation unit, a low temperature side heat exchange unit, a high temperature side heat exchange unit, a heat conduction unit, a strain control unit, a thermal switch drive unit, and a drive control unit.

熱生成ユニットには、歪の印加、除去によって発熱及び吸熱する熱生成部材が複数間隔を設けて配置してある。低温側熱交換部は熱生成ユニットの一端に位置する熱生成部材と間隔を設けて隣り合っている。高温側熱交換部は熱生成ユニットの他端に位置する熱生成部材と間隔を設けて隣り合っている。熱伝導ユニットには、熱生成ユニット内で隣り合う熱生成部材同士の間、熱生成ユニットの一端に位置する熱生成部材と低温側熱交換部との間及び熱生成ユニットの他端に位置する熱生成部材と高温側熱交換部との間に、熱スイッチを配置してある。歪制御部は熱生成部材に歪を印加して熱生成部材を活性化させる。熱スイッチ駆動部は熱スイッチを活性化させる。駆動制御部は電圧印加部及び熱スイッチ駆動部の作動タイミングを制御することにより低温側熱交換部と高温側熱交換部との間で熱を伝導させる。   In the heat generation unit, heat generation members that generate heat and absorb heat by applying and removing strain are arranged at a plurality of intervals. The low temperature side heat exchange part is adjacent to the heat generating member located at one end of the heat generating unit with a gap. The high temperature side heat exchange part is adjacent to the heat generating member located at the other end of the heat generating unit with a gap. The heat conduction unit is located between adjacent heat generation members in the heat generation unit, between the heat generation member located at one end of the heat generation unit and the low temperature side heat exchange unit, and at the other end of the heat generation unit. A thermal switch is disposed between the heat generating member and the high temperature side heat exchange section. The strain control unit applies strain to the heat generating member to activate the heat generating member. The thermal switch driver activates the thermal switch. The drive control unit conducts heat between the low temperature side heat exchange unit and the high temperature side heat exchange unit by controlling the operation timing of the voltage application unit and the thermal switch drive unit.

以上のように構成された本発明に係る冷暖房装置は、低温側熱交換部と高温側熱交換部との間に、歪の印加、除去によって発熱及び吸熱する複数の熱生成部材を有する熱生成ユニットを配置し、熱生成ユニットの熱を熱伝導ユニットによって低温側熱交換部と高温側熱交換部との間で伝導させるようにしたので、小型で軽量の冷暖房装置を提供できる。   The air conditioning apparatus according to the present invention configured as described above has a plurality of heat generation members that generate and absorb heat by applying and removing strain between the low temperature side heat exchange unit and the high temperature side heat exchange unit. Since the units are arranged and the heat of the heat generation unit is conducted between the low temperature side heat exchange part and the high temperature side heat exchange part by the heat conduction unit, a small and lightweight air conditioning apparatus can be provided.

実施形態1に係る冷暖房装置の構成図である。It is a block diagram of the air conditioning apparatus which concerns on Embodiment 1. FIG. 図1に示す冷暖房装置の動作説明に供する図である。It is a figure with which it uses for operation | movement description of the air conditioning apparatus shown in FIG. 図1に示す冷暖房装置の動作説明に供する図である。It is a figure with which it uses for operation | movement description of the air conditioning apparatus shown in FIG. 図1に示す冷暖房装置の動作説明に供する図である。It is a figure with which it uses for operation | movement description of the air conditioning apparatus shown in FIG. 図1に示す冷暖房装置の動作説明に供する図である。It is a figure with which it uses for operation | movement description of the air conditioning apparatus shown in FIG. 図1に示す冷暖房装置の動作説明に供する図である。It is a figure with which it uses for operation | movement description of the air conditioning apparatus shown in FIG. 実施形態1に係る冷暖房装置の効果を示すグラフである。It is a graph which shows the effect of the air conditioning apparatus concerning Embodiment 1. 実施形態1に係る熱生成部材の断面図である。2 is a cross-sectional view of a heat generating member according to Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係る熱量材料に印加する応力の説明図である。It is explanatory drawing of the stress applied to the calorie | heat amount material which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係る熱量材料の発熱原理の説明図である。It is explanatory drawing of the heat_generation | fever principle of the calorie | heat amount material which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態1の変形例1に係る熱生成部材の断面図である。It is sectional drawing of the heat generation member which concerns on the modification 1 of Embodiment 1. FIG. 実施形態1の変形例2に係る熱生成部材の断面図である。It is sectional drawing of the heat generation member which concerns on the modification 2 of Embodiment 1. FIG. 実施形態2に係る冷暖房装置の構成図である。It is a block diagram of the air conditioning apparatus which concerns on Embodiment 2. FIG. 実施形態2に係る熱生成部材の断面図である。It is sectional drawing of the heat generation member which concerns on Embodiment 2. FIG. 実施形態2に係る熱量材料の発熱原理の説明図である。It is explanatory drawing of the heat_generation | fever principle of the calorie | heat amount material which concerns on Embodiment 2. FIG. 図14に示す熱生成部材と熱スイッチとの接続構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the connection structure of the heat generating member and thermal switch shown in FIG. 実施形態2の変形例1に係る熱生成部材の断面図である。It is sectional drawing of the heat generation member which concerns on the modification 1 of Embodiment 2. FIG. 実施形態2の変形例2に係る熱生成部材の断面図である。It is sectional drawing of the heat generation member which concerns on the modification 2 of Embodiment 2. FIG. 実施形態2の変形例3に係る熱生成部材の断面図である。It is sectional drawing of the heat generation member which concerns on the modification 3 of Embodiment 2. FIG. 実施形態3に係る冷暖房装置の構成図である。It is a block diagram of the air conditioning apparatus which concerns on Embodiment 3. 実施形態3に係る熱生成部材の断面図である。It is sectional drawing of the heat generation member which concerns on Embodiment 3. FIG. 実施形態3に係る熱量材料の発熱原理の説明図である。It is explanatory drawing of the heat_generation | fever principle of the calorie | heat amount material which concerns on Embodiment 3. FIG. 実施形態3の変形例1に係る熱生成部材の断面図である。It is sectional drawing of the heat generation member which concerns on the modification 1 of Embodiment 3. FIG. 実施形態3の変形例2に係る熱生成部材の断面図である。It is sectional drawing of the heat generation member which concerns on the modification 2 of Embodiment 3. FIG. 実施形態3の変形例3に係る熱生成部材の断面図である。It is sectional drawing of the heat generation member which concerns on the modification 3 of Embodiment 3. FIG. 図24に示す熱生成部材と熱スイッチとの接続構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the connection structure of the heat generating member and thermal switch shown in FIG. 熱スイッチの形態1を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the form 1 of a thermal switch. 熱スイッチの形態2を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the form 2 of a thermal switch. 熱スイッチの形態3を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the form 3 of a thermal switch. 熱スイッチの形態4を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the form 4 of a thermal switch. 熱スイッチの形態5を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the form 5 of a thermal switch. 熱スイッチの形態6を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the form 6 of a thermal switch. 熱スイッチの形態7を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the form 7 of a thermal switch. 熱スイッチの形態8における熱スイッチの構成を説明するための熱スイッチ部分の断面図である。It is sectional drawing of the heat switch part for demonstrating the structure of the heat switch in the form 8 of a heat switch. 熱スイッチの形態8における熱スイッチの構成を説明するための熱スイッチ部分の平面図(図34の矢視Aの図)である。It is a top view (figure of the arrow A of FIG. 34) of the heat switch part for demonstrating the structure of the heat switch in the form 8 of a heat switch. 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。It is explanatory drawing for demonstrating the principle of electrowetting. 隙間における液体金属の移動を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the movement of the liquid metal in a clearance gap. 熱スイッチの形態9における熱スイッチの構成を説明するための熱スイッチ部分の断面図である。It is sectional drawing of the heat switch part for demonstrating the structure of the heat switch in the form 9 of a heat switch. 熱スイッチの形態9における熱スイッチの構成を説明するための熱スイッチ部分の平面図(図34と同様の矢視Aの図)である。It is a top view (figure of the arrow A similar to FIG. 34) of the thermal switch part for demonstrating the structure of the thermal switch in the form 9 of a thermal switch.

以下に、本発明に係る冷暖房装置の実施形態を、〔実施形態1〕から〔実施形態3〕に分けて説明する。まず、図面を参照しながら実施形態1に係る冷暖房装置の構成を説明する。   Below, the embodiment of the air-conditioning apparatus concerning the present invention is divided into [Embodiment 1] to [Embodiment 3], and is explained. First, the structure of the air conditioning apparatus which concerns on Embodiment 1 is demonstrated, referring drawings.

〔実施形態1〕
(冷暖房装置の構成)
図1は、実施形態1に係る冷暖房装置の構成図である。実施形態1に係る冷暖房装置100は、熱生成ユニット110、低温側熱交換部120、高温側熱交換部130、熱伝導ユニット140、歪制御部150、熱スイッチ駆動部160及び駆動制御部170を有する。
Embodiment 1
(Configuration of air conditioning unit)
FIG. 1 is a configuration diagram of an air conditioning apparatus according to the first embodiment. The air conditioning apparatus 100 according to the first embodiment includes a heat generation unit 110, a low temperature side heat exchange unit 120, a high temperature side heat exchange unit 130, a heat conduction unit 140, a strain control unit 150, a thermal switch drive unit 160, and a drive control unit 170. Have.

熱生成ユニット110は、間隔を設けて配置された複数の熱生成部材110A−110Fを有する。熱生成部材110A−110Fは、それぞれ歪を印加、除去する歪印加部112A−112Fと、歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する熱量材料114A−114Fとから構成される。たとえば、熱生成部材110Aは、熱量材料114Aと、熱量材料114Aの一方側に位置し熱量材料114Aに歪を印加・除去する歪印加部112Aと、から構成される。その他の熱生成部材110B、110C、110D、110E、110Fの構成も熱生成部材110Aの構成と同一である。   The heat generation unit 110 includes a plurality of heat generation members 110A to 110F that are arranged at intervals. Each of the heat generating members 110A-110F includes a strain applying unit 112A-112F that applies and removes strain, and a calorie material 114A-114F that generates heat and absorbs heat when strain is applied and removed. For example, the heat generation member 110A includes a heat quantity material 114A and a strain application unit 112A that is located on one side of the heat quantity material 114A and applies and removes strain to the heat quantity material 114A. The configurations of the other heat generating members 110B, 110C, 110D, 110E, and 110F are the same as the configuration of the heat generating member 110A.

実施形態1における、歪印加部112A−112Fは、熱量材料114A−114Fに対して、この熱量材料の結晶格子定数が機械的に変化するように圧縮応力または引張応力を加える部位である。   In the first embodiment, the strain applying sections 112A to 112F are portions that apply compressive stress or tensile stress to the caloric material 114A to 114F so that the crystal lattice constant of the caloric material changes mechanically.

歪印加部112A−112Fは、具体的には、熱量材料114A−114Fに直接的に応力を加える(押したり、引いたり、曲げたり、衝撃を加えたりする)ことができる、たとえばアクチュエータ、衝撃付加機構である。   Specifically, the strain applying units 112A-112F can directly apply stress (push, pull, bend, apply an impact) to the calorie material 114A-114F, for example, an actuator, an impact application, etc. Mechanism.

実施形態1では、熱量材料114A−114Fとして、歪を印加すると発熱し、歪を除去すると吸熱する特性の材料を用いる。なお、これとは逆に、歪を印加すると吸熱し、歪を除去すると発熱する特性の材料を用いても良い。実施形態1では、歪を印加すると5℃温度が上昇し、歪を除去すると5℃温度が下降する特性を持っている熱量材料を用いる。   In the first embodiment, as the calorie material 114A-114F, a material that generates heat when strain is applied and absorbs heat when strain is removed is used. On the contrary, a material that absorbs heat when strain is applied and generates heat when strain is removed may be used. In the first embodiment, a calorimetric material having a characteristic that the temperature increases by 5 ° C. when strain is applied and decreases by 5 ° C. when strain is removed is used.

熱量材料としては、歪を印加、除去することによって、磁気モーメントの分布が変化して磁化が変化する磁気熱量材料、または、双極子モーメントの分布が変化して分極が変化する電気熱量材料、のいずれかを用いることができる。   As a calorific material, a magnetocaloric material in which the distribution of magnetic moment changes and magnetization changes by applying and removing strain, or an electrocaloric material in which the polarization changes by changing the distribution of dipole moments. Either can be used.

磁気熱量材料としては、LaSrMnOまたはLaSrCoOの材料を用いることが好ましい。また、電気熱量材料としては、Pb(Mg1/3Nb2/3)0(PMN)、Pb(Mg1/3Nb2/3)0−PbTiO(PMN−PT)、Pb(Sc1/2Nb1/2)O(PSN)、PbSc1/2Ta1/2O(PST)のいずれかの材料を用いることが好ましい。 As the magnetocaloric material, it is preferable to use a material of LaSrMnO 3 or LaSrCoO 3 . Further, as the electrocaloric material, Pb (Mg1 / 3Nb2 / 3) 0 3 (PMN), Pb (Mg1 / 3Nb2 / 3) 0 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), Pb (Sc1 / 2Nb1 / 2) O 3 (PSN) or PbSc1 / 2Ta1 / 2O 3 (PST) is preferably used.

低温側熱交換部120は、熱生成ユニット110の一端に位置する熱生成部材110Aと間隔を設けて隣り合っている。また、高温側熱交換部130は、熱生成ユニット110の一端に位置する熱生成部材110Fと間隔を設けて隣り合っている。   The low temperature side heat exchanging unit 120 is adjacent to the heat generating member 110 </ b> A located at one end of the heat generating unit 110 with a gap. The high temperature side heat exchanging unit 130 is adjacent to the heat generating member 110 </ b> F located at one end of the heat generating unit 110 with a gap.

熱伝導ユニット140は、熱生成ユニット110内で隣り合う熱生成部材110A−110F同士の間、熱生成ユニット110の一端に位置する熱生成部材110Aと低温側熱交換部120との間及び熱生成ユニット110の他端に位置する熱生成部材110Fと高温側熱交換部130との間に配置した熱スイッチ140A−140Gを有する。   The heat conduction unit 140 is between the heat generation members 110A-110F adjacent in the heat generation unit 110, between the heat generation member 110A located at one end of the heat generation unit 110 and the low temperature side heat exchange unit 120, and heat generation. Thermal switches 140 </ b> A- 140 </ b> G disposed between the heat generation member 110 </ b> F located at the other end of the unit 110 and the high temperature side heat exchange unit 130 are included.

熱スイッチ140A−140Gは、たとえば、電界、磁場を印加することで熱伝導率が大きく変化する材料やデバイス、また、電気濡れ効果で液体金属の出し入れによる熱伝導率を変化させるものなどを用いることができる。実施形態1で用いる熱スイッチ140A−140Gは、電圧を印加すると、熱抵抗が極端に低下して、熱生成部材110A−110F同士の間で熱を移動させることができ、また、熱生成部材110Aと低温側熱交換部120との間及び熱生成部材110Fと高温側熱交換部130との間で熱を移動させることができる。なお、本発明の冷暖房装置で用いることができる熱スイッチの具体的な構成については後述する。   For the thermal switches 140A-140G, for example, a material or a device whose thermal conductivity is greatly changed by applying an electric field or a magnetic field, or a material that changes the thermal conductivity by taking in and out of a liquid metal due to an electric wetting effect, etc. Can do. When the voltage is applied to the thermal switches 140A to 140G used in the first embodiment, the thermal resistance is extremely reduced, and heat can be transferred between the heat generating members 110A to 110F. Also, the heat generating member 110A. The heat can be transferred between the heat generation member 110F and the high temperature side heat exchange unit 130. In addition, the specific structure of the thermal switch which can be used with the air conditioning apparatus of this invention is mentioned later.

歪制御部150は、熱生成部材110A−110Fに歪を印加して熱生成部材110A−110Fを活性化させる。具体的には、歪制御部150は、熱生成ユニット110の歪印加部112A−112Fを選択的に作動させて熱量材料114A−114Fを歪ませる。実施形態1では、熱量材料114A−114Fに歪が印加されると熱量材料114A−114Fが活性化されて発熱する。   The strain controller 150 applies strain to the heat generating members 110A-110F to activate the heat generating members 110A-110F. Specifically, the strain control unit 150 selectively activates the strain applying units 112A-112F of the heat generation unit 110 to distort the caloric material 114A-114F. In the first embodiment, when strain is applied to the calorie material 114A-114F, the calorie material 114A-114F is activated and generates heat.

熱スイッチ駆動部160は、熱伝導ユニット140の熱スイッチ140A−140Gに選択的に電圧を印加して熱スイッチ140A−140Gを活性化させる。実施形態1では、熱スイッチ140A−140Gが活性化されると活性化された熱スイッチ140A−140Gの熱抵抗が低下する。なお、磁場を印加することで熱伝導率が大きく変化する材料やデバイスを熱スイッチとして用いるときには、熱スイッチ駆動部160は、磁場を印加して熱スイッチを活性化させる。また、電気濡れ効果で液体金属の出し入れによる熱伝導率を変化させるタイプの熱スイッチを用いるときには、熱スイッチ駆動部160は、電圧を印加して熱スイッチを活性化させる。   The thermal switch driver 160 selectively applies a voltage to the thermal switches 140A-140G of the thermal conduction unit 140 to activate the thermal switches 140A-140G. In the first embodiment, when the thermal switch 140A-140G is activated, the thermal resistance of the activated thermal switch 140A-140G decreases. When a material or device whose thermal conductivity changes greatly by applying a magnetic field is used as a thermal switch, the thermal switch driving unit 160 activates the thermal switch by applying a magnetic field. In addition, when using a thermal switch of a type that changes the thermal conductivity by taking in and out of the liquid metal due to the electric wetting effect, the thermal switch driving unit 160 applies a voltage to activate the thermal switch.

駆動制御部170は、歪制御部150による各歪印加部112A−112Fの作動タイミング及び熱スイッチ駆動部160による各熱スイッチ140A−140Gへの電圧の印加タイミングをそれぞれ制御することにより低温側熱交換部120と高温側熱交換部130との間で熱を伝導させる。   The drive control unit 170 controls the low-temperature side heat exchange by controlling the operation timing of the strain application units 112A-112F by the strain control unit 150 and the application timing of the voltages to the thermal switches 140A-140G by the thermal switch drive unit 160, respectively. Heat is conducted between the part 120 and the high temperature side heat exchange part 130.

(冷暖房装置の動作)
図2から図6は、図1に示す冷暖房装置100の動作説明に供する図である。まず、歪制御部150、熱スイッチ駆動部160及び駆動制御部170の基本的な動作を説明する。
(Operation of air conditioner)
2-6 is a figure with which it uses for operation | movement description of the air conditioning apparatus 100 shown in FIG. First, basic operations of the strain controller 150, the thermal switch driver 160, and the drive controller 170 will be described.

歪制御部150は、熱量材料114A、114C、114Eに歪を印加する歪印加部112A、112C、112Eを同時に作動させる。このときには、歪制御部150は、熱量材料114B、114D、114Fに歪を印加する歪印加部112B、112D、112Fは作動させない。また、歪制御部150は、熱量材料114B、114D、114Fに歪を印加する歪印加部112B、112D、112Fを同時に作動させる。このときには、歪制御部150は、熱量材料114A、114C、114Eに歪を印加する歪印加部112A、112C、112Eは作動させない。つまり、歪制御部150は、歪印加部112A、112C、112Eのグループと歪印加部112B、112D、112Fのグループの2つのグループを交互に作動させる。   The strain controller 150 simultaneously operates the strain applying units 112A, 112C, and 112E that apply strain to the calorie materials 114A, 114C, and 114E. At this time, the strain control unit 150 does not operate the strain applying units 112B, 112D, and 112F that apply strain to the heat quantity materials 114B, 114D, and 114F. In addition, the strain controller 150 simultaneously operates the strain applying units 112B, 112D, and 112F that apply strain to the calorie materials 114B, 114D, and 114F. At this time, the strain control unit 150 does not operate the strain applying units 112A, 112C, and 112E that apply strain to the calorie materials 114A, 114C, and 114E. That is, the strain controller 150 alternately operates two groups of the strain applying units 112A, 112C, and 112E and the strain applying units 112B, 112D, and 112F.

熱スイッチ駆動部160は、熱スイッチ140A、140C、140E、140Gに同時に電圧を印加する。このときには、熱スイッチ駆動部160は、熱スイッチ140B、140D、140Fには電圧を印加しない。また、熱スイッチ駆動部160は、熱スイッチ140B、140D、140Fに同時に電圧を印加する。このときには、熱スイッチ駆動部160は、熱スイッチ140A、140C、140E、140Gには電圧を印加しない。つまり、熱スイッチ駆動部160は、熱スイッチ140A、140C、140E、140Gのグループと熱スイッチ140B、140D、140Fのグループの2つのグループに交互に電圧を印加する。   The thermal switch driver 160 applies a voltage to the thermal switches 140A, 140C, 140E, and 140G at the same time. At this time, the thermal switch driving unit 160 does not apply a voltage to the thermal switches 140B, 140D, and 140F. The thermal switch driving unit 160 applies a voltage to the thermal switches 140B, 140D, and 140F at the same time. At this time, the thermal switch driver 160 does not apply a voltage to the thermal switches 140A, 140C, 140E, and 140G. That is, the thermal switch driving unit 160 alternately applies a voltage to the two groups of the thermal switches 140A, 140C, 140E, and 140G and the thermal switches 140B, 140D, and 140F.

駆動制御部170は、歪制御部150が歪印加部112A、112C、112Eのグループを作動させるタイミングと、熱スイッチ駆動部160が熱スイッチ140B、140D、140Fのグループに電圧を印加するタイミングとを同期させる。また、駆動制御部170は、歪制御部150が歪印加部112B、112D、112Fのグループを作動させるタイミングと、熱スイッチ駆動部160が熱スイッチ140A、140C、140E、140Gのグループに電圧を印加するタイミングとを同期させる。   The drive control unit 170 has a timing at which the strain control unit 150 operates the group of the strain application units 112A, 112C, and 112E and a timing at which the thermal switch drive unit 160 applies a voltage to the group of the thermal switches 140B, 140D, and 140F. Synchronize. In addition, the drive control unit 170 applies a voltage to the timing when the strain control unit 150 operates the group of the strain application units 112B, 112D, and 112F, and the thermal switch drive unit 160 applies the voltage to the group of the thermal switches 140A, 140C, 140E, and 140G. Synchronize with the timing.

次に、冷暖房装置100の全体的な動作を説明する。まず、図2に示すように、初期の状態では全ての熱生成部材110A−110F、低温側熱交換部120及び高温側熱交換部130の温度が、たとえば室温の20℃になっている。   Next, the overall operation of the air conditioning apparatus 100 will be described. First, as shown in FIG. 2, in the initial state, the temperatures of all the heat generating members 110 </ b> A to 110 </ b> F, the low temperature side heat exchange unit 120, and the high temperature side heat exchange unit 130 are, for example, 20 ° C., which is room temperature.

次に、図3に示すように、歪制御部150が歪印加部112B、112D、112Fのグループを作動(歪印加部を実線で表示)し、熱スイッチ駆動部160が熱スイッチ140A、140C、140E、140Gのグループに電圧を印加(熱スイッチを実線で表示)する。   Next, as shown in FIG. 3, the strain controller 150 operates the group of the strain applying units 112B, 112D, and 112F (the strain applying unit is indicated by a solid line), and the thermal switch driving unit 160 includes the thermal switches 140A, 140C, A voltage is applied to the groups 140E and 140G (a thermal switch is indicated by a solid line).

図3の状態では、歪を印加しない熱量材料114A、114C、114Eの温度が20℃から5℃下がって15℃に低下し、歪を印加した熱量材料114B、114D、114Fの温度が20℃から5℃上がって25℃に上昇する。図3の状態では、熱スイッチ140A、140C、140E、140Gが活性化されているので、熱スイッチ140A、140C、140E、140Gを介して温度の高い方から温度の低い方に熱が移動する。つまり、低温熱交換部120から熱量材料114Aに、熱量材料114Bから114Cに、熱量材料114Dから114Eに、熱量材料114Fから高温側熱交換部130にそれぞれ熱が移動する。   In the state of FIG. 3, the temperature of the calorie materials 114A, 114C, and 114E to which no strain is applied decreases from 20 ° C. to 5 ° C. and decreases to 15 ° C., and the temperature of the calorie materials 114B, 114D, and 114F to which strain is applied is from 20 ° C. Increase by 5 ° C to 25 ° C. In the state of FIG. 3, since the thermal switches 140A, 140C, 140E, and 140G are activated, heat moves from the higher temperature to the lower temperature via the thermal switches 140A, 140C, 140E, and 140G. That is, heat is transferred from the low temperature heat exchange unit 120 to the heat quantity material 114A, from the heat quantity material 114B to 114C, from the heat quantity material 114D to 114E, and from the heat quantity material 114F to the high temperature side heat exchange part 130.

図3の矢印のように熱が移動すると、図4に示すように、熱生成ユニット110の一端に位置する熱量材料114Aと低温側熱交換部120の温度が18℃になり、熱生成ユニット110の他端に位置する熱量材料114Fと高温側熱交換部130の温度が22℃になる。熱量材料114B−114Eの温度は熱の移動により20℃になる。   When the heat moves as indicated by the arrows in FIG. 3, the temperature of the calorie material 114 </ b> A located at one end of the heat generation unit 110 and the low temperature side heat exchange unit 120 becomes 18 ° C. as shown in FIG. The temperature of the calorie material 114F and the high temperature side heat exchanging unit 130 located at the other end of the heat exchanger is 22 ° C. The temperature of the calorimetric material 114B-114E becomes 20 ° C. due to the movement of heat.

次に、図5に示すように、歪制御部150が歪印加部112A、112C、112Eのグループを作動(歪印加部を実線で表示)し、熱スイッチ駆動部160が熱スイッチ140B、140D、140Fのグループに電圧を印加(熱スイッチを実線で表示)する。   Next, as shown in FIG. 5, the strain control unit 150 operates the group of the strain applying units 112A, 112C, and 112E (the strain applying unit is indicated by a solid line), and the thermal switch driving unit 160 includes the thermal switches 140B, 140D, A voltage is applied to the 140F group (a thermal switch is indicated by a solid line).

図5の状態では、歪を印加しない熱量材料114B、114Dの温度が5℃下がって15℃に、熱量材料114Fの温度が5℃下がって17℃に、歪を印加した熱量材料114Aの温度が5℃上がって23℃に、114C、114Eの温度が5℃上がって25℃になる。図5の状態では、熱スイッチ140B、140D、140Fが活性化されているので、熱スイッチ140B、140D、140Fを介して温度の高い方から温度の低い方に熱が移動する。つまり、熱量材料114Aから114Bに、熱量材料114Cから114Dに、熱量材料114Eから114Fにそれぞれ熱が移動する。   In the state of FIG. 5, the temperature of the calorie material 114B, 114D to which no strain is applied is lowered by 5 ° C. to 15 ° C., the temperature of the calorie material 114F is lowered by 5 ° C. to 17 ° C., and the temperature of the calorie material 114A to which the strain is applied is The temperature of 114C and 114E rises by 5 ° C to 25 ° C. In the state of FIG. 5, since the thermal switches 140B, 140D, and 140F are activated, heat moves from the higher temperature to the lower temperature via the thermal switches 140B, 140D, and 140F. That is, heat is transferred from the calorie materials 114A to 114B, from the calorie materials 114C to 114D, and from the calorie materials 114E to 114F.

図5の矢印のように熱が移動すると、図6に示すように、熱生成ユニット110の熱量材料114Aと114Bの温度が19℃になり、低温側熱交換部120の温度が18℃になる。また、熱生成ユニット110の熱量材料114Eと114Fの温度が21℃になり、高温側熱交換部130の温度が22℃になる。熱量材料114C、114Dの温度は20℃になる。   When the heat moves as shown by the arrows in FIG. 5, the temperature of the calorie materials 114A and 114B of the heat generation unit 110 becomes 19 ° C., and the temperature of the low-temperature side heat exchange unit 120 becomes 18 ° C., as shown in FIG. . Moreover, the temperature of the calorie materials 114E and 114F of the heat generating unit 110 is 21 ° C., and the temperature of the high temperature side heat exchanging unit 130 is 22 ° C. The temperature of the calorie materials 114C and 114D is 20 ° C.

以上のように、駆動制御部170が歪制御部150の作動タイミング及び熱スイッチ駆動部160の電圧の印加タイミングを一定の周期で繰り返し制御することによって、熱生成ユニット110により生成された熱が低温側熱交換部120から高温側熱交換部130に移動する。   As described above, the drive control unit 170 repeatedly controls the operation timing of the strain control unit 150 and the voltage application timing of the thermal switch drive unit 160 at a constant period, so that the heat generated by the heat generation unit 110 is low temperature. It moves from the side heat exchange part 120 to the high temperature side heat exchange part 130.

図7は、実施形態1に係る冷暖房装置の効果を示すグラフである。図7のグラフに示すように、冷暖房装置100が動作を開始した後の比較的初期時には、低温側熱交換部120と高温側熱交換部130との間の温度差は小さい。しかし、時間が経過するにしたがって低温側熱交換部120と高温側熱交換部130との間の温度差が次第に大きくなっていく。最終的には、長時間経過後の直線で示すように、低温側熱交換部120と高温側熱交換部130との間の温度差が最大になる。この状態で、低温側熱交換部120の熱を利用して、たとえば室内の温度を下げることができ、高温側熱交換部130の熱を利用して、たとえば室内の温度を上げることができる。   FIG. 7 is a graph showing the effect of the air conditioning apparatus according to the first embodiment. As shown in the graph of FIG. 7, the temperature difference between the low-temperature side heat exchange unit 120 and the high-temperature side heat exchange unit 130 is small at a relatively initial time after the air-conditioning apparatus 100 starts operating. However, the temperature difference between the low temperature side heat exchange unit 120 and the high temperature side heat exchange unit 130 gradually increases as time passes. Ultimately, the temperature difference between the low temperature side heat exchange section 120 and the high temperature side heat exchange section 130 becomes the maximum, as shown by the straight line after a long time has passed. In this state, for example, the temperature of the room can be lowered using the heat of the low-temperature side heat exchange unit 120, and the temperature of the room can be raised, for example, using the heat of the high-temperature side heat exchange unit 130.

以上が、実施形態1に係る冷暖房装置100の構成と動作である。実施形態1に係る熱生成部材110A−110Fは、熱量材料114A−114Fが生成する熱を最大限に利用するために、その構造に工夫を凝らしている。また、熱量材料114A−114Fから効率的に熱が移動するように、熱生成部材110A−110Fと熱スイッチ140A−140Gの接続構造に工夫を凝らしている。以下に、実施形態1に係る冷暖房装置100が用いる熱生成部材110A−110Fの構成について詳細に説明する。   The above is the configuration and operation of the air conditioning apparatus 100 according to the first embodiment. The heat generating members 110A-110F according to the first embodiment are devised in order to make maximum use of the heat generated by the calorie materials 114A-114F. Further, the connection structure between the heat generating members 110A-110F and the heat switches 140A-140G is devised so that heat is efficiently transferred from the calorie materials 114A-114F. Below, the structure of the heat generation member 110A-110F which the air conditioning apparatus 100 which concerns on Embodiment 1 uses is demonstrated in detail.

(熱生成部材の構成)
次に、実施形態1に係る熱生成部材の構成を詳細に説明する。図8は、実施形態1に係る熱生成部材の断面図である。
(Configuration of heat generating member)
Next, the configuration of the heat generating member according to Embodiment 1 will be described in detail. FIG. 8 is a cross-sectional view of the heat generating member according to the first embodiment.

実施形態1に係る熱生成部材110Aは、歪の印加、除去によって発熱及び吸熱する。熱生成部材110Aは、歪変化部112Aが熱量材料114Aの一方側に位置する構造を有する。なお、図1に示す熱生成部材110B−110Fの構造も熱生成部材110Aの構造と同一である。   The heat generating member 110A according to the first embodiment generates heat and absorbs heat by applying and removing strain. The heat generating member 110A has a structure in which the strain changing portion 112A is located on one side of the caloric material 114A. The structure of the heat generating members 110B-110F shown in FIG. 1 is the same as the structure of the heat generating member 110A.

歪印加部112Aは、熱量材料114Aの結晶格子定数が変化するように、熱量材料114Aに対して、直接的に、圧縮応力または引張応力という機械的な歪を与える。   The strain applying unit 112A directly applies mechanical strain such as compressive stress or tensile stress to the calorie material 114A so that the crystal lattice constant of the calorie material 114A changes.

熱量材料114Aは、図9に示すように、外部から圧力(圧縮応力)や張力(引張応力)という歪を与えられると発熱及び吸熱する。熱量材料114Aは、電気熱量材料または磁気熱量材料であっても良く、その他、歪を与えられると発熱及び吸熱する材料であればどのような材料を用いても良い。   As shown in FIG. 9, the calorific material 114 </ b> A generates heat and absorbs heat when a strain such as pressure (compression stress) or tension (tensile stress) is applied from the outside. The caloric material 114A may be an electrocaloric material or a magnetocaloric material, and any other material that generates heat and absorbs heat when subjected to strain may be used.

実施形態1に係る熱量材料は、図10に示すように、歪を印加することによって熱材料結晶構造の磁気モーメントの分布が変化する磁気熱量材料または熱材料結晶構造の双極子モーメントの分布が変化して分極が変化する電気熱量材料である。   As shown in FIG. 10, the calorific material according to the first embodiment changes the magnetic moment distribution of the thermal material crystal structure or the dipole moment distribution of the thermal material crystal structure by applying strain. Thus, it is an electrocaloric material whose polarization changes.

図10に示すように、熱量材料114Aが磁気熱量材料の場合、歪を与える(実施形態1では、磁気熱量材料の3つの結晶軸の長さの少なくとも1つを大きくするように、歪を与える)と磁気熱量材料の結晶格子定数(3つの結晶軸の長さ)が変化し、磁気熱量材料の結晶構造の磁気モーメント分布が変化する。その結果、磁気熱量材料のキュリー点の温度が高くなる。そして、磁化が大きくなるので、磁気エントロピーが減少する。その結果、磁気熱量材料は、発熱する。逆に歪を取ると磁気熱量材料の結晶格子定数は、元に戻り、磁気熱量材料の結晶構造の磁気モーメント分布が変化する。磁気熱量材料のキュリー点の温度は、もとに戻る。磁化が減少するので、磁気エントロピーが増加する。その結果、磁気熱量材料は、吸熱する。   As shown in FIG. 10, when the caloric material 114A is a magnetocaloric material, strain is applied (in the first embodiment, strain is applied so that at least one of the lengths of the three crystal axes of the magnetocaloric material is increased. ) And the crystal lattice constant (length of three crystal axes) of the magnetocaloric material change, and the magnetic moment distribution of the crystal structure of the magnetocaloric material changes. As a result, the temperature of the Curie point of the magnetocaloric material is increased. And since magnetization becomes large, magnetic entropy decreases. As a result, the magnetocaloric material generates heat. Conversely, when the strain is removed, the crystal lattice constant of the magnetocaloric material returns to the original, and the magnetic moment distribution of the crystal structure of the magnetocaloric material changes. The temperature at the Curie point of the magnetocaloric material is restored. As the magnetization decreases, the magnetic entropy increases. As a result, the magnetocaloric material absorbs heat.

また、図10に示すように、熱量材料114Aが電気熱量材料の場合、歪を与える(実施形態1では、電気熱量材料の3つの結晶軸の長さの少なくとも1つを大きくするように、歪を与える)と電気熱量材料の結晶格子定数が変化し、電気熱量材料の結晶構造の双極子モーメント分布が変化する。その結果、電気熱量材料のキュリー点の温度が高くなる。そして、分極が大きくなるので、双極子エントロピーが減少する。その結果、電気熱量材料は、発熱する。逆に歪を取ると電気熱量材料の結晶格子定数は、元に戻り、電気熱量材料の結晶構造の双極子モーメント分布が変化する。電気熱量材料のキュリー点の温度は、もとに戻る。分極が減少するので、双極子エントロピーが増加する。その結果、電気熱量材料は、吸熱する。   Further, as shown in FIG. 10, when the caloric material 114A is an electrocaloric material, strain is applied (in the first embodiment, the strain is applied so that at least one of the lengths of the three crystal axes of the electrocaloric material is increased. The crystal lattice constant of the electrocaloric material changes, and the dipole moment distribution of the crystal structure of the electrocaloric material changes. As a result, the temperature of the Curie point of the electrocaloric material is increased. And since polarization becomes large, dipole entropy decreases. As a result, the electrocaloric material generates heat. Conversely, when the strain is removed, the crystal lattice constant of the electrocaloric material returns to the original, and the dipole moment distribution of the crystal structure of the electrocaloric material changes. The temperature at the Curie point of the electrocaloric material is restored. As the polarization decreases, the dipole entropy increases. As a result, the electrocaloric material absorbs heat.

このように、歪変化部112Aが熱量材料114Aの一方側に位置する構造とすることによって、熱生成部材110Aの構造が単純になり、熱生成部材110Aの製造がしやすくなる。   As described above, by adopting a structure in which the strain changing portion 112A is positioned on one side of the calorie material 114A, the structure of the heat generating member 110A is simplified, and the heat generating member 110A is easily manufactured.

また、歪印加部112Aは、熱量材料114Aに対して直接的に機械的な歪を与えることができるので、熱生成部材110Aが小型化できる。   Further, since the strain applying unit 112A can directly apply mechanical strain to the calorie material 114A, the heat generating member 110A can be downsized.

さらに、熱量材料114Aは、歪を印加した後のキュリー点の温度が歪を印加する前のキュリー点の温度よりも高くなる材料を用いているので、歪を印加、除去するだけで、熱量材料114Aを発熱、吸熱させることができる。   Furthermore, since the calorie material 114A uses a material in which the temperature of the Curie point after applying the strain is higher than the temperature of the Curie point before applying the strain, the calorie material can be obtained simply by applying and removing the strain. 114A can generate heat and absorb heat.

(熱生成部材の構成の変形例1)
図11は、実施形態1の変形例1に係る熱生成部材の断面図である。変形例1に係る熱生成部材110Aは、図8に示す熱生成部材110Aを断熱する機能を備える。すなわち、歪印加部112Aと熱量材料114Aとの間に断熱作用を持つ断熱絶縁材料116Aを備える。
(Variation 1 of the configuration of the heat generating member)
FIG. 11 is a cross-sectional view of a heat generation member according to Modification 1 of Embodiment 1. 110 A of heat generation members which concern on the modification 1 are equipped with the function which insulates 110 A of heat generation members shown in FIG. That is, a heat insulating and insulating material 116A having a heat insulating action is provided between the strain applying unit 112A and the calorie material 114A.

断熱絶縁材料116Aは、たとえば、グラスウールで構成する。しかし、ウレタンフォーム、フェノールフォーム、ポリスチレンフォーム等の断熱性材料を使用しても良い。断熱絶縁材料116Aが形成する断熱層は、1つの材料で単層構造としても良く、複数の材料を用いて複層構造としても良い。   The heat insulating and insulating material 116A is made of, for example, glass wool. However, a heat insulating material such as urethane foam, phenol foam or polystyrene foam may be used. The heat insulating layer formed by the heat insulating insulating material 116A may have a single layer structure using one material, or may have a multilayer structure using a plurality of materials.

歪印加部112Aと熱量材料114Aとの間に断熱絶縁材料116Aを配置すると、熱量材料114Aで生成された熱が外部に放熱されるのを防止することができ、熱生成部材110Aからの熱を無駄なく利用することができる。   By disposing the heat insulating insulating material 116A between the strain applying section 112A and the calorie material 114A, it is possible to prevent the heat generated by the calorie material 114A from being radiated to the outside, and the heat from the heat generation member 110A can be reduced. It can be used without waste.

(熱生成部材の構成の変形例2)
図12は、実施形態1の変形例2に係る熱生成部材の断面図である。変形例2に係る熱生成部材110Aは、図8に示す熱生成部材110Aの熱伝導性を改善する。
(Modification 2 of the structure of the heat generating member)
FIG. 12 is a cross-sectional view of the heat generating member according to the second modification of the first embodiment. The heat generating member 110A according to Modification 2 improves the thermal conductivity of the heat generating member 110A shown in FIG.

実施形態1の変形例2に係る熱生成部材110Aは、熱量材料114A内で当該熱量材料114Aに直接接触する熱伝導部材118Aを備える。すなわち、2つの熱量材料114Aによって熱伝導部材118Aを挟んでいる。   110 A of heat generation members which concern on the modification 2 of Embodiment 1 are provided with the heat conductive member 118A which contacts the said heat quantity material 114A directly in the heat quantity material 114A. That is, the heat conducting member 118A is sandwiched between the two heat quantity materials 114A.

なお、熱伝導部材118Aの材料としては、アルミニウム、銅、カーボンナノチューブ、グラフェンなどを用いる。   Note that aluminum, copper, carbon nanotubes, graphene, or the like is used as the material of the heat conducting member 118A.

この場合の熱伝導部材118Aの厚みはできるだけ薄くすることが望ましい。熱量材料114Aの体積が減少すると得られる熱量が少なくなるからである。   In this case, it is desirable to make the thickness of the heat conducting member 118A as thin as possible. This is because the amount of heat obtained is reduced when the volume of the calorie material 114A is reduced.

熱伝導部材118Aを熱量材料114A内に埋設させるように設けると、熱量材料114Aが生成した熱を熱伝導部材118Aが効率的に吸収し、速やかに取り出すことができる。したがって、熱量材料114Aが生成した熱及び熱伝導部材118Aが吸収した熱を外部に逃がすことなく、効率的に用いることができる。   When the heat conducting member 118A is provided so as to be embedded in the caloric material 114A, the heat conducting member 118A efficiently absorbs the heat generated by the caloric material 114A and can be quickly taken out. Therefore, the heat generated by the calorie material 114A and the heat absorbed by the heat conducting member 118A can be efficiently used without escaping to the outside.

以上のように、実施形態1に係る冷暖房装置100は、熱生成部材110A−110Fが以上のような構成を有しているので、熱量材料114A−114Fが生成した熱を熱スイッチ140A−140Gに無駄なく効率的に伝達させることができる。その結果、熱量材料114A−114Fが生成する熱を最大限に引き出すことが可能となる。したがって、冷暖房装置の小型化及び軽量化に寄与する。   As described above, in the air conditioning apparatus 100 according to the first embodiment, since the heat generating members 110A-110F have the above-described configuration, the heat generated by the calorie material 114A-114F is transferred to the heat switches 140A-140G. It can be transmitted efficiently without waste. As a result, it is possible to extract the heat generated by the calorie material 114A-114F to the maximum extent. Therefore, it contributes to the reduction in size and weight of the air conditioning unit.

〔実施形態2〕
(冷暖房装置の構成)
図13は、実施形態2に係る冷暖房装置の構成図である。実施形態2に係る冷暖房装置200は、熱生成ユニット210、低温側熱交換部220、高温側熱交換部230、熱伝導ユニット240、歪制御部250、熱スイッチ駆動部260及び駆動制御部270を有する。
[Embodiment 2]
(Configuration of air conditioning unit)
FIG. 13 is a configuration diagram of an air conditioning apparatus according to the second embodiment. The air conditioning apparatus 200 according to the second embodiment includes a heat generation unit 210, a low temperature side heat exchange unit 220, a high temperature side heat exchange unit 230, a heat conduction unit 240, a strain control unit 250, a heat switch drive unit 260, and a drive control unit 270. Have.

実施形態2の低温側熱交換部220、高温側熱交換部230、熱伝導ユニット240、熱スイッチ駆動部260は、実施形態1の低温側熱交換部120、高温側熱交換部130、熱伝導ユニット140、熱スイッチ駆動部160と同一である。次に、実施形態1とは異なる熱生成ユニット210、歪制御部250、駆動制御部270について説明する。   The low temperature side heat exchange unit 220, the high temperature side heat exchange unit 230, the heat conduction unit 240, and the heat switch driving unit 260 of the second embodiment are the same as the low temperature side heat exchange unit 120, the high temperature side heat exchange unit 130, and the heat conduction of the first embodiment. The unit 140 and the thermal switch driving unit 160 are the same. Next, the heat generation unit 210, the strain control unit 250, and the drive control unit 270 that are different from the first embodiment will be described.

熱生成ユニット210は、間隔を設けて配置された複数の熱生成部材210A−210Fを有する。熱生成部材210A−210Fは、電圧が印加される電極212A−212F、電場が印加されると結晶構造が変化して歪む材料及び歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する熱量材料を積層した、積層体214A−214Fとから構成される。たとえば、熱生成部材210Aは、積層体214Aと、積層体214Aの両側に位置し積層体214Aに電圧を印加する電極212Aと、から構成される。その他の熱生成部材210B、210C、210D、210E、210Fの構成も熱生成部材210Aの構成と同一である。   The heat generation unit 210 has a plurality of heat generation members 210A-210F arranged at intervals. The heat generating members 210A-210F are formed by laminating electrodes 212A-212F to which a voltage is applied, a material that changes its crystal structure when an electric field is applied, and a calorific material that generates heat and absorbs heat when strain is applied and removed. And the laminated body 214A-214F. For example, the heat generating member 210A includes a stacked body 214A and electrodes 212A that are located on both sides of the stacked body 214A and apply a voltage to the stacked body 214A. The other heat generating members 210B, 210C, 210D, 210E, and 210F have the same configuration as the heat generating member 210A.

電極212A−212Fは、電圧が印加されると、積層体214A−214Fに電場を印加する。   When a voltage is applied, the electrodes 212A to 212F apply an electric field to the stacked bodies 214A to 214F.

積層体214A−214Fは、電圧を印加すると発熱し、電圧を除去すると吸熱する特性の積層体を用いる。なお、これとは逆に、電圧を印加すると吸熱し、電圧を除去すると発熱する特性の積層体を用いても良い。実施形態2では、電圧を印加すると5℃温度が上昇し、電圧を除去すると5℃温度が下降する特性を持っている積層体を用いる。   As the stacked bodies 214A to 214F, a stacked body that generates heat when a voltage is applied and absorbs heat when a voltage is removed is used. On the other hand, a laminate that absorbs heat when voltage is applied and generates heat when voltage is removed may be used. In the second embodiment, a laminated body having a characteristic that the temperature increases by 5 ° C. when a voltage is applied and decreases by 5 ° C. when the voltage is removed is used.

電場が印加されると結晶構造が変化して歪む材料は圧電材料である。圧電材料としては、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)セラミックスを用いる。圧電材料を用いると、電圧を印加、除去するだけで、熱量材料を発熱、吸熱させることができる。   A material that changes its crystal structure and distorts when an electric field is applied is a piezoelectric material. As the piezoelectric material, PZT (lead zirconate titanate) ceramics is used. When a piezoelectric material is used, the calorific material can be heated and absorbed by simply applying and removing voltage.

歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する熱量材料としては、電場が印加されると結晶構造が変化して歪む材料に追随して結晶構造が変化し、磁気モーメントの分布が変化して磁化が変化する磁気熱量材料または双極子モーメントの分布が変化して分極が変化する電気熱量材料、のいずれかを用いることができる。   As a calorific material that generates heat and absorbs heat when strain is applied and removed, the crystal structure changes when an electric field is applied, the crystal structure changes following the strained material, and the distribution of the magnetic moment changes and magnetization Either a magnetocaloric material that changes or an electrocaloric material whose polarization changes as the distribution of dipole moments changes can be used.

磁気熱量材料としては、LaSrMnOまたはLaSrCoOの材料を用いることが好ましい。また、電気熱量材料としては、Pb(Mg1/3Nb2/3)0(PMN)、Pb(Mg1/3Nb2/3)0−PbTiO(PMN−PT)、Pb(Sc1/2Nb1/2)O(PSN)、PbSc1/2Ta1/2O(PST)のいずれかの材料を用いることが好ましい。 As the magnetocaloric material, it is preferable to use a material of LaSrMnO 3 or LaSrCoO 3 . Further, as the electrocaloric material, Pb (Mg1 / 3Nb2 / 3) 0 3 (PMN), Pb (Mg1 / 3Nb2 / 3) 0 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), Pb (Sc1 / 2Nb1 / 2) O 3 (PSN) or PbSc1 / 2Ta1 / 2O 3 (PST) is preferably used.

歪制御部250は、熱生成部材210A−210Fの電極212A−212Fに選択的に電圧を印加して熱生成部材210A−210Fを活性化させ、活性化させた熱生成部材を発熱させる。   The strain controller 250 selectively applies a voltage to the electrodes 212A to 212F of the heat generating members 210A to 210F to activate the heat generating members 210A to 210F, and causes the activated heat generating members to generate heat.

駆動制御部270は、歪制御部250による各電極212A−212Fへの電圧の印加タイミング及び熱スイッチ駆動部260による各熱スイッチ240A−240Gへの電圧の印加タイミングをそれぞれ制御することにより低温側熱交換部220と高温側熱交換部230との間で熱を伝導させる。   The drive controller 270 controls the low temperature side heat by controlling the voltage application timing to the electrodes 212A-212F by the strain controller 250 and the voltage application timing to the heat switches 240A-240G by the thermal switch driver 260, respectively. Heat is conducted between the exchange unit 220 and the high temperature side heat exchange unit 230.

(冷暖房装置の動作)
まず、歪制御部250、熱スイッチ駆動部260及び駆動制御部270の基本的な動作を説明する。
(Operation of air conditioner)
First, basic operations of the strain controller 250, the thermal switch driver 260, and the drive controller 270 will be described.

歪制御部250は、積層体214A、214C、214Eを発熱させるため電極212A、212C、212Eに同時に電圧を印加する。このときには、歪制御部250は、電極212B、212D、212Fには電圧を印加しない。また、歪制御部250は、積層体214B、214D、214Fを発熱させるため電極212B、212D、212Fに同時に電圧を印加する。このときには、歪制御部250は、電極212A、212C、212Eには電圧を印加しない。つまり、歪制御部250は、電極212A、212C、212Eのグループと電極212B、212D、212Fのグループの2つのグループに交互に電圧を印加する。   The strain controller 250 simultaneously applies a voltage to the electrodes 212A, 212C, and 212E in order to cause the stacked bodies 214A, 214C, and 214E to generate heat. At this time, the strain controller 250 does not apply a voltage to the electrodes 212B, 212D, and 212F. In addition, the strain controller 250 applies a voltage to the electrodes 212B, 212D, and 212F at the same time in order to generate heat in the stacked bodies 214B, 214D, and 214F. At this time, the strain controller 250 does not apply a voltage to the electrodes 212A, 212C, and 212E. That is, the strain controller 250 alternately applies a voltage to the two groups of the electrodes 212A, 212C, and 212E and the electrodes 212B, 212D, and 212F.

熱スイッチ駆動部260は、熱スイッチ240A、240C、240E、240Gに同時に電圧を印加する。このときには、熱スイッチ駆動部260は、熱スイッチ240B、240D、240Fには電圧を印加しない。また、熱スイッチ駆動部260は、熱スイッチ240B、240D、240Fに同時に電圧を印加する。このときには、熱スイッチ駆動部260は、熱スイッチ240A、240C、240E、240Gには電圧を印加しない。つまり、熱スイッチ駆動部260は、熱スイッチ240A、240C、240E、240Gのグループと熱スイッチ240B、240D、240Fのグループの2つのグループに交互に電圧を印加する。   The thermal switch drive unit 260 applies a voltage to the thermal switches 240A, 240C, 240E, and 240G at the same time. At this time, the thermal switch drive unit 260 does not apply a voltage to the thermal switches 240B, 240D, and 240F. Further, the thermal switch driving unit 260 applies a voltage to the thermal switches 240B, 240D, and 240F at the same time. At this time, the thermal switch drive unit 260 does not apply a voltage to the thermal switches 240A, 240C, 240E, and 240G. That is, the thermal switch driving unit 260 alternately applies voltages to the two groups of the thermal switches 240A, 240C, 240E, and 240G and the thermal switches 240B, 240D, and 240F.

駆動制御部270は、歪制御部250が電極212A、212C、212Eのグループに電圧を印加するタイミングと、熱スイッチ駆動部260が熱スイッチ240B、240D、240Fのグループに電圧を印加するタイミングとを同期させる。また、駆動制御部270は、歪制御部250が電極212B、212D、212Fのグループに電圧を印加するタイミングと、熱スイッチ駆動部260が熱スイッチ240A、240C、240E、240Gのグループに電圧を印加するタイミングとを同期させる。   The drive control unit 270 has a timing at which the strain control unit 250 applies a voltage to the group of electrodes 212A, 212C, and 212E, and a timing at which the thermal switch drive unit 260 applies a voltage to the group of the thermal switches 240B, 240D, and 240F. Synchronize. In addition, the drive control unit 270 applies the voltage to the group of the electrodes 212B, 212D, and 212F by the strain control unit 250, and applies the voltage to the group of the thermal switches 240A, 240C, 240E, and 240G. Synchronize with the timing.

なお、冷暖房装置200の全体的な動作は、実施形態1の冷暖房装置100の全体的な動作と同一であり、実施形態1の図2から図7を用いて説明した通りである。   The overall operation of the cooling / heating apparatus 200 is the same as the overall operation of the cooling / heating apparatus 100 of the first embodiment, as described with reference to FIGS. 2 to 7 of the first embodiment.

以上が、実施形態2に係る冷暖房装置200の構成と動作である。実施形態2に係る熱生成部材210A−210Fは、積層体214A−214Fが生成する熱を最大限に利用するために、実施形態1と同様に、その構造に工夫を凝らしている。また、積層体214A−214Fから効率的に熱が移動するように、熱生成部材210A−210Fと熱スイッチ240A−240Gの接続構造に工夫を凝らしている。以下に、実施形態2に係る冷暖房装置200が用いる熱生成部材210A−210Fの構成について詳細に説明する。   The above is the configuration and operation of the air conditioning apparatus 200 according to the second embodiment. The heat generating members 210A to 210F according to the second embodiment are devised in the structure as in the first embodiment in order to make maximum use of the heat generated by the stacked bodies 214A to 214F. Further, the connection structure between the heat generation members 210A-210F and the heat switches 240A-240G is devised so that heat efficiently moves from the stacked body 214A-214F. Below, the structure of the heat generation member 210A-210F which the air conditioning apparatus 200 which concerns on Embodiment 2 uses is demonstrated in detail.

(熱生成部材の構成)
次に、実施形態2に係る熱生成部材の構成を詳細に説明する。図14は、実施形態2に係る熱生成部材の断面図である。
(Configuration of heat generating member)
Next, the configuration of the heat generating member according to the second embodiment will be described in detail. FIG. 14 is a cross-sectional view of the heat generating member according to the second embodiment.

実施形態2に係る熱生成部材210Aは、電圧が印加される電極212Aと、電場が印加されると結晶構造が変化して歪む圧電材料213A及び歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する熱量材料215Aを積層した積層体214a、214bと、を交互に積層した構造を有する。電極212Aと積層体214a、214bを交互に積層すると、効率的に発熱できる。   The heat generating member 210A according to the second embodiment includes an electrode 212A to which a voltage is applied, a piezoelectric material 213A that is distorted by changing the crystal structure when an electric field is applied, and a heat amount that generates and absorbs heat when strain is applied and removed. It has a structure in which stacked bodies 214a and 214b in which the material 215A is stacked are alternately stacked. When the electrodes 212A and the stacked bodies 214a and 214b are alternately stacked, heat can be generated efficiently.

図14に示すように、実施形態2に係る熱生成部材210Aは、電極212A、積層体214a、電極212A、積層体214b、電極212Aが積層されて構成される。積層体214a及び214bは、圧電材料213A及び熱量材料215Aが積層されて構成される。なお、図13に示す熱生成部材210B−210Fの構造も熱生成部材210Aの構造と同一である。   As shown in FIG. 14, the heat generating member 210A according to the second embodiment is configured by stacking an electrode 212A, a stacked body 214a, an electrode 212A, a stacked body 214b, and an electrode 212A. The stacked bodies 214a and 214b are configured by stacking a piezoelectric material 213A and a calorific material 215A. The structure of the heat generating member 210B-210F shown in FIG. 13 is the same as the structure of the heat generating member 210A.

圧電材料213Aは、熱量材料215Aの結晶格子定数が変化するように、熱量材料215Aに対して、間接的に、圧縮応力または引張応力という機械的な歪を与える。   The piezoelectric material 213A indirectly applies mechanical strain such as compressive stress or tensile stress to the caloric material 215A so that the crystal lattice constant of the caloric material 215A changes.

熱量材料215Aは、図15に示すように、圧電材料213Aから圧力(圧縮応力)や張力(引張応力)という歪を与えられると発熱及び吸熱する。熱量材料215Aは、電気熱量材料または磁気熱量材料であっても良く、その他、歪を与えられると発熱及び吸熱する材料であればどのような材料を用いても良い。   As shown in FIG. 15, the calorific material 215A generates heat and absorbs heat when a strain such as pressure (compression stress) and tension (tensile stress) is applied from the piezoelectric material 213A. The caloric material 215A may be an electrocaloric material or a magnetocaloric material, and any other material that generates heat and absorbs heat when subjected to strain may be used.

実施形態2に係る熱量材料215Aは、図15に示すように、歪を印加することによって熱材料結晶構造の磁気モーメントの分布が変化する磁気熱量材料または熱材料結晶構造の双極子モーメントの分布が変化して分極が変化する電気熱量材料である。   As shown in FIG. 15, the calorific material 215 </ b> A according to the second embodiment has a magnetocaloric material or a dipole moment distribution of the thermal material crystal structure in which the distribution of the magnetic moment of the thermal material crystal structure is changed by applying a strain. It is an electrocaloric material whose polarization changes and changes.

図15に示すように、熱量材料215Aが磁気熱量材料の場合、歪を与える(実施形態2では、磁気熱量材料の3つの結晶軸の長さの少なくとも1つを大きくするように、歪を与える)と磁気熱量材料の結晶格子定数が変化し、磁気熱量材料の結晶構造の磁気モーメント分布が変化する。その結果、磁気熱量材料のキュリー点の温度が高くなる。そして、磁化が大きくなるので、磁気エントロピーが減少する。その結果、磁気熱量材料は、発熱する。逆に歪を取ると磁気熱量材料の結晶格子定数は、元に戻り、磁気熱量材料の結晶構造の磁気モーメント分布が変化する。磁気熱量材料のキュリー点の温度は、もとに戻る。磁化が減少するので、磁気エントロピーが増加する。その結果、磁気熱量材料は、吸熱する。   As shown in FIG. 15, when the caloric material 215A is a magnetocaloric material, strain is applied (in the second embodiment, strain is applied so as to increase at least one of the lengths of the three crystal axes of the magnetocaloric material. ) And the crystal lattice constant of the magnetocaloric material change, and the magnetic moment distribution of the crystal structure of the magnetocaloric material changes. As a result, the temperature of the Curie point of the magnetocaloric material is increased. And since magnetization becomes large, magnetic entropy decreases. As a result, the magnetocaloric material generates heat. Conversely, when the strain is removed, the crystal lattice constant of the magnetocaloric material returns to the original, and the magnetic moment distribution of the crystal structure of the magnetocaloric material changes. The temperature at the Curie point of the magnetocaloric material is restored. As the magnetization decreases, the magnetic entropy increases. As a result, the magnetocaloric material absorbs heat.

また、図15に示すように、熱量材料215Aが電気熱量材料の場合、歪を与える(実施形態2では、電気熱量材料の3つの結晶軸の長さの少なくとも1つを大きくするように、歪を与える)と電気熱量材料の結晶格子定数が変化し、電気熱量材料の結晶構造の双極子モーメント分布が変化する。その結果、電気熱量材料のキュリー点の温度が高くなる。そして、分極が大きくなるので、双極子エントロピーが減少する。その結果、電気熱量材料は、発熱する。逆に歪を取ると電気熱量材料の結晶格子定数は、元に戻り、電気熱量材料の結晶構造の双極子モーメント分布が変化する。電気熱量材料のキュリー点の温度は、もとに戻る。分極が減少するので、双極子エントロピーが増加する。その結果、電気熱量材料は、吸熱する。   Further, as shown in FIG. 15, when the caloric material 215A is an electrocaloric material, strain is applied (in the second embodiment, the strain is applied so that at least one of the lengths of the three crystal axes of the electrocaloric material is increased. The crystal lattice constant of the electrocaloric material changes, and the dipole moment distribution of the crystal structure of the electrocaloric material changes. As a result, the temperature of the Curie point of the electrocaloric material is increased. And since polarization becomes large, dipole entropy decreases. As a result, the electrocaloric material generates heat. Conversely, when the strain is removed, the crystal lattice constant of the electrocaloric material returns to the original, and the dipole moment distribution of the crystal structure of the electrocaloric material changes. The temperature at the Curie point of the electrocaloric material is restored. As the polarization decreases, the dipole entropy increases. As a result, the electrocaloric material absorbs heat.

このように、電極212Aに電圧を印加して圧電材料213Aを歪ませ、生じた歪によって熱量材料215Aを発熱させているので、熱生成部材210Aの構造が単純になる。   As described above, the piezoelectric material 213A is distorted by applying a voltage to the electrode 212A, and the calorific material 215A is caused to generate heat by the generated strain, so that the structure of the heat generating member 210A becomes simple.

また、熱量材料215Aは、歪を印加した後のキュリー点の温度が歪を印加する前のキュリー点の温度よりも高くなる材料を用いているので、電極212Aに電圧を印加、除去するだけで、熱量材料215Aを発熱、吸熱させることができる。   The calorie material 215A is made of a material in which the temperature of the Curie point after applying the strain is higher than the temperature of the Curie point before applying the strain, so that only the voltage is applied to and removed from the electrode 212A. The calorific material 215A can generate heat and absorb heat.

図16は、図14に示す熱生成部材と熱スイッチとの接続構造を示す斜視図である。   FIG. 16 is a perspective view showing a connection structure between the heat generating member and the thermal switch shown in FIG.

熱生成部材と熱スイッチとの接続構造を、熱生成部材210B、熱スイッチ240B、240Cを例示して説明する。   A connection structure between the heat generation member and the heat switch will be described by exemplifying the heat generation member 210B and the heat switches 240B and 240C.

図16に示す熱生成部材210Bの構成は、図14に示す熱生成部材210Aの構成と同一である。熱生成部材210Bを熱スイッチ240B及び240Cと接続するとき、熱生成部材210Bの電極212Bを図示のように上下方向に位置させる。熱生成部材210Bの電極212Bをこのように位置させて、熱生成部材210Bを熱スイッチ240B及び240Cで両側から挟み込む。つまり、熱スイッチ240B、240Cは、電極212Bが配置されていない、歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する熱量材料215Bと電場が印加されると結晶構造が変化する圧電材料213Bとを積層した材料の対向する面に配置される。   The configuration of the heat generating member 210B shown in FIG. 16 is the same as the configuration of the heat generating member 210A shown in FIG. When the heat generating member 210B is connected to the thermal switches 240B and 240C, the electrode 212B of the heat generating member 210B is positioned in the vertical direction as illustrated. The electrode 212B of the heat generating member 210B is positioned in this way, and the heat generating member 210B is sandwiched from both sides by the heat switches 240B and 240C. That is, the thermal switches 240B and 240C are formed by laminating the calorific material 215B that does not have the electrode 212B, generates heat and absorbs heat when strain is applied and removed, and the piezoelectric material 213B that changes crystal structure when an electric field is applied. Placed on opposite sides of the material.

熱生成部材210Bと熱スイッチ240B及び240Cとの接続構造を上記のようにすることによって、熱量材料215Bで生成された熱が、電極212Bに邪魔されることなく熱スイッチ240B及び240Cに効率的に伝達される。   By making the connection structure between the heat generating member 210B and the heat switches 240B and 240C as described above, the heat generated by the calorie material 215B is efficiently transferred to the heat switches 240B and 240C without being obstructed by the electrode 212B. Communicated.

なお、熱生成部材210Aと熱スイッチ240A、240Bとの接続構造、熱生成部材210C−210Eと熱スイッチ240C−240Fとの接続構造、熱生成部材210Fと熱スイッチ240F、240Gとの接続構造も熱生成部材210Bと熱スイッチ240B及び240Cとの接続構造と同一である。   The connection structure between the heat generation member 210A and the heat switches 240A and 240B, the connection structure between the heat generation members 210C-210E and the heat switches 240C-240F, and the connection structure between the heat generation member 210F and the heat switches 240F and 240G are also heat. The connection structure between the generating member 210B and the thermal switches 240B and 240C is the same.

以上のように、熱生成部材を図16に示すように隣り合う熱スイッチと接続することによって、熱量材料で生じた熱を効果的に伝達できる。したがって、冷暖房装置の小型化及び軽量化に寄与する。   As described above, by connecting the heat generating member to the adjacent thermal switch as shown in FIG. 16, the heat generated by the calorific material can be effectively transferred. Therefore, it contributes to the reduction in size and weight of the air conditioning unit.

(熱生成部材の構成の変形例1)
図17は、実施形態2の変形例1に係る熱生成部材の断面図である。変形例1に係る熱生成部材210Aは、図14に示す熱生成部材210Aを断熱する機能を備える。すなわち、熱生成部材210Aの両端に位置する2つの電極212Aの内の少なくとも1つの電極212Aの外表面に断熱絶縁材料216Aが配置されている。変形例1では、2つの電極212Aの外表面に断熱絶縁材料216Aを配置している。
(Variation 1 of the configuration of the heat generating member)
FIG. 17 is a cross-sectional view of a heat generating member according to Modification 1 of Embodiment 2. The heat generating member 210A according to Modification 1 has a function of insulating the heat generating member 210A shown in FIG. That is, the heat insulating insulating material 216A is disposed on the outer surface of at least one of the two electrodes 212A located at both ends of the heat generating member 210A. In the first modification, the heat insulating and insulating material 216A is disposed on the outer surfaces of the two electrodes 212A.

断熱絶縁材料216Aは、たとえば、グラスウールで構成する。しかし、ウレタンフォーム、フェノールフォーム、ポリスチレンフォーム等の断熱性材料を使用しても良い。断熱絶縁材料216Aが形成する断熱層は、1つの材料で単層構造としても良く、複数の材料を用いて複層構造としても良い。   The heat insulating and insulating material 216A is made of glass wool, for example. However, a heat insulating material such as urethane foam, phenol foam or polystyrene foam may be used. The heat insulating layer formed by the heat insulating insulating material 216A may have a single layer structure using one material, or may have a multilayer structure using a plurality of materials.

2つの電極212Aの外表面に断熱絶縁材料216Aを配置すると、熱量材料215Aで生成された熱が電極212Aから外部に放熱されるのを防止することができ、熱生成部材210Aの熱を無駄なく利用することができる。   By disposing the heat insulating insulating material 216A on the outer surfaces of the two electrodes 212A, it is possible to prevent the heat generated by the calorie material 215A from being radiated to the outside from the electrode 212A, and the heat of the heat generating member 210A can be used without waste. Can be used.

(熱生成部材の構成の変形例2)
図18は、実施形態2の変形例2に係る熱生成部材の断面図である。変形例2に係る熱生成部材210Aは、図14に示す熱生成部材210Aを内側で断熱する機能を備える。すなわち、熱生成部材210Aの電極212Aの内の少なくとも1つの電極212Aと、歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する熱量材料215Aと、の間に、断熱絶縁材料216Aを配置している。変形例2では、2つの電極212Aの内側に断熱絶縁材料216Aを配置している。
(Modification 2 of the structure of the heat generating member)
FIG. 18 is a cross-sectional view of a heat generating member according to Modification 2 of Embodiment 2. The heat generation member 210A according to Modification 2 has a function of thermally insulating the heat generation member 210A illustrated in FIG. That is, the heat insulating insulating material 216A is disposed between at least one electrode 212A of the electrodes 212A of the heat generating member 210A and the calorie material 215A that generates heat and absorbs heat when strain is applied and removed. In the second modification, the heat insulating and insulating material 216A is disposed inside the two electrodes 212A.

断熱絶縁材料216Aは、実施形態2の変形例1に係る熱生成部材210Aと同一である。   The heat insulating and insulating material 216A is the same as the heat generating member 210A according to the first modification of the second embodiment.

電極212Aと熱量材料215Aとの間に断熱絶縁材料216Aを配置すると、熱量材料215Aで生成された熱が電極212Aに伝わる前に断熱でき、熱生成部材210Aの熱を無駄なく利用することができる。   When the heat insulating insulating material 216A is disposed between the electrode 212A and the calorie material 215A, heat generated by the calorie material 215A can be insulated before being transmitted to the electrode 212A, and the heat of the heat generating member 210A can be used without waste. .

(熱生成部材の構成の変形例3)
図19は、実施形態2の変形例3に係る熱生成部材の断面図である。変形例3に係る熱生成部材210Aは、図14に示す熱生成部材210Aの熱伝導性を改善する。
(Modification 3 of the structure of the heat generating member)
FIG. 19 is a cross-sectional view of a heat generating member according to Modification 3 of Embodiment 2. The heat generating member 210A according to Modification 3 improves the thermal conductivity of the heat generating member 210A shown in FIG.

実施形態2の変形例3に係る熱生成部材210Aは、電極212Aと、歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する熱量材料215Aと、の間に熱伝導部材218Aを配置している。   In the heat generating member 210A according to the third modification of the second embodiment, a heat conducting member 218A is disposed between the electrode 212A and a calorie material 215A that generates and absorbs heat when strain is applied and removed.

なお、熱伝導部材218Aの材料としては、アルミニウム、銅、カーボンナノチューブ、グラフェンなどを用いる。   Note that aluminum, copper, carbon nanotubes, graphene, or the like is used as the material of the heat conducting member 218A.

この場合の熱伝導部材218Aの厚みはできるだけ薄くすることが望ましい。熱量材料214Aの体積が減少すると得られる熱量が少なくなるからである。   In this case, it is desirable to make the thickness of the heat conducting member 218A as thin as possible. This is because the amount of heat obtained is reduced when the volume of the calorie material 214A is reduced.

熱伝導部材218Aを電極212Aと熱量材料215Aとの間に直接接するように設けると、熱量材料215Aが生成した熱を熱伝導部材218Aが効率的に吸収し、吸収した熱を速やかに取り出すことができる。したがって、熱量材料215Aが生成した熱及び熱伝導部材218Aが吸収した熱を外部に逃がすことなく、効率的に用いることができる。熱伝導部材218Aを電極212Aと熱量材料215Aとの間に設けるのは、下記の理由からである。すなわち、熱量材料215Aと圧電材料213Aを、一体に張り合わせていないと、熱量材料は、発熱、吸熱しない。そのため、熱伝導部材218Aは、圧電材料213Aがついていない熱量材料215Aの表面の外側にある必要がある。   When the heat conducting member 218A is provided so as to be in direct contact between the electrode 212A and the caloric material 215A, the heat conducting member 218A efficiently absorbs the heat generated by the caloric material 215A and can quickly take out the absorbed heat. it can. Therefore, the heat generated by the calorie material 215A and the heat absorbed by the heat conducting member 218A can be efficiently used without escaping to the outside. The reason why the heat conducting member 218A is provided between the electrode 212A and the calorie material 215A is as follows. That is, unless the calorific material 215A and the piezoelectric material 213A are bonded together, the calorific material does not generate heat or absorb heat. Therefore, the heat conducting member 218A needs to be outside the surface of the calorie material 215A without the piezoelectric material 213A.

以上のように、実施形態2に係る冷暖房装置200は、熱生成部材210A−210Fが以上のような構成を有しているので、電極212Aに電圧を印加するだけで、熱量材料215A−215Fが発熱する。また、生成した熱を熱スイッチ240A−240Gに無駄なく効率的に伝達させることができる。その結果、熱量材料215A−215Fが生成する熱を最大限に引き出すことが可能となる。したがって、冷暖房装置200の小型化及び軽量化に寄与する。   As described above, since the heat generating member 210A-210F has the above-described configuration in the cooling / heating device 200 according to the second embodiment, the calorific material 215A-215F can be obtained simply by applying a voltage to the electrode 212A. Fever. Further, the generated heat can be efficiently transmitted to the thermal switches 240A-240G without waste. As a result, it is possible to extract the heat generated by the calorie material 215A-215F to the maximum extent. Therefore, it contributes to the reduction in size and weight of the air conditioning apparatus 200.

〔実施形態3〕
(冷暖房装置の構成)
図20は、実施形態3に係る冷暖房装置の構成図である。実施形態3に係る冷暖房装置300は、熱生成ユニット310、低温側熱交換部320、高温側熱交換部330、熱伝導ユニット340、歪制御部350、熱スイッチ駆動部360及び駆動制御部370を有する。
[Embodiment 3]
(Configuration of air conditioning unit)
FIG. 20 is a configuration diagram of an air conditioning apparatus according to the third embodiment. The air conditioning apparatus 300 according to the third embodiment includes a heat generation unit 310, a low temperature side heat exchange unit 320, a high temperature side heat exchange unit 330, a heat conduction unit 340, a strain control unit 350, a thermal switch drive unit 360, and a drive control unit 370. Have.

実施形態2の低温側熱交換部320、高温側熱交換部330、熱伝導ユニット340、熱スイッチ駆動部360は、実施形態1の低温側熱交換部120、高温側熱交換部130、熱伝導ユニット140、熱スイッチ駆動部160と同一である。次に、実施形態1とは異なる熱生成ユニット310、歪制御部350、駆動制御部370について説明する。   The low temperature side heat exchange unit 320, the high temperature side heat exchange unit 330, the heat conduction unit 340, and the heat switch drive unit 360 of the second embodiment are the same as the low temperature side heat exchange unit 120, the high temperature side heat exchange unit 130, and the heat conduction of the first embodiment. The unit 140 and the thermal switch driving unit 160 are the same. Next, the heat generation unit 310, the strain control unit 350, and the drive control unit 370 that are different from the first embodiment will be described.

熱生成ユニット310は、間隔を設けて配置された複数の熱生成部材310A−310Fを有する。熱生成部材310A−310Fは、磁場を印加する磁石312A−312C、磁場が印加されると結晶構造が変化して歪む材料及び歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する熱量材料を積層した、積層体314A−314Fとから構成される。たとえば、熱生成部材310Aは、積層体314Aと、積層体314Aの両側に位置し積層体314Aに磁場を印加する磁石312Aと、から構成される。その他の熱生成部材310B、310C、310D、310E、310Fの構成も熱生成部材310Aの構成と同一である。   The heat generation unit 310 includes a plurality of heat generation members 310A-310F arranged at intervals. The heat generating members 310A to 310F are laminated with magnets 312A to 312C for applying a magnetic field, a material that changes its crystal structure when a magnetic field is applied, and a heat quantity material that generates and absorbs heat when strain is applied and removed. It is comprised from laminated body 314A-314F. For example, the heat generating member 310A includes a stacked body 314A and magnets 312A that are located on both sides of the stacked body 314A and apply a magnetic field to the stacked body 314A. The other heat generating members 310B, 310C, 310D, 310E, and 310F have the same configuration as the heat generating member 310A.

磁石312A−312Cは、それぞれ隣接する熱生成部材310A−310Fに交互に磁場を印加する。具体的には、磁石312A、312B、32Cは、まず、同期させて、積層体314A、314C、314Eに磁場を印加し、次に、同期させて、積層体314B、314D、314Fに磁場を印加する。再び、積層体314A、314C、314Eに磁場を印加し、さらに、積層体314B、314D、314Fに磁場を印加する。磁石312Aは、積層体314A、312Bに交互に磁場を印加し、磁石312Bは、積層体314C、312Dに交互に磁場を印加し、磁石312Cは、積層体314E、312Fに交互に磁場を印加する。   Magnets 312A to 312C alternately apply a magnetic field to adjacent heat generating members 310A to 310F. Specifically, the magnets 312A, 312B, and 32C first apply a magnetic field to the stacked bodies 314A, 314C, and 314E in synchronization, and then apply a magnetic field to the stacked bodies 314B, 314D, and 314F in synchronization. To do. Again, a magnetic field is applied to the stacked bodies 314A, 314C, and 314E, and a magnetic field is applied to the stacked bodies 314B, 314D, and 314F. The magnet 312A alternately applies a magnetic field to the stacked bodies 314A and 312B, the magnet 312B alternately applies a magnetic field to the stacked bodies 314C and 312D, and the magnet 312C alternately applies a magnetic field to the stacked bodies 314E and 312F. .

積層体314A−314Fは、磁場を印加すると発熱し、磁場を除去すると吸熱する特性の積層体を用いる。なお、これとは逆に、磁場を印加すると吸熱し、磁場を除去すると発熱する特性の積層体を用いても良い。実施形態3では、磁場を印加すると5℃温度が上昇し、磁場を除去すると5℃温度が下降する特性を持っている積層体を用いる。   As the stacked bodies 314A to 314F, a stacked body that generates heat when a magnetic field is applied and absorbs heat when the magnetic field is removed is used. On the contrary, a laminated body that absorbs heat when a magnetic field is applied and generates heat when the magnetic field is removed may be used. In the third embodiment, a laminated body having a characteristic that the temperature increases by 5 ° C. when a magnetic field is applied and the temperature decreases by 5 ° C. when the magnetic field is removed is used.

磁場が印加されると結晶構造が変化して歪む材料は磁歪材料である。磁歪材料としては、Terfenol−D/Galfenol(超磁歪材料)を用いる。磁歪材料を用いると、磁場を印加、除去するだけで、熱量材料を発熱、吸熱させることができる。   A material that changes its crystal structure and distorts when a magnetic field is applied is a magnetostrictive material. As the magnetostrictive material, Terfenol-D / Galfenol (giant magnetostrictive material) is used. When a magnetostrictive material is used, the calorific material can be heated and absorbed by simply applying and removing a magnetic field.

歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する熱量材料としては、磁場が印加されると結晶構造が変化して歪む材料に追随して結晶構造が変化し、磁気モーメントの分布が変化して磁化が変化する磁気熱量材料または双極子モーメントの分布が変化して分極が変化する電気熱量材料、のいずれかを用いることができる。本実施形態の場合、積層体314A−314Fに磁場を印加するので、熱量材料として磁気熱量材料を用いると、歪による発熱及び吸熱と磁場による発熱及び吸熱との両方の熱量効果を併用できる。   As a calorific material that generates and absorbs heat when strain is applied and removed, the crystal structure changes when a magnetic field is applied, the crystal structure changes following the distorted material, and the distribution of magnetic moment changes to magnetize. Either a magnetocaloric material that changes or an electrocaloric material whose polarization changes as the distribution of dipole moments changes can be used. In the case of this embodiment, since a magnetic field is applied to the stacked bodies 314A to 314F, when a magnetocaloric material is used as the caloric material, it is possible to use both the calorific effects of both heat generation and heat absorption due to strain and heat generation and heat absorption due to the magnetic field.

磁気熱量材料としては、LaSrMnOまたはLaSrCoOの材料を用いることが好ましい。また、電気熱量材料としては、Pb(Mg1/3Nb2/3)0(PMN)、Pb(Mg1/3Nb2/3)0−PbTiO(PMN−PT)、Pb(Sc1/2Nb1/2)O(PSN)、PbSc1/2Ta1/2O(PST)のいずれかの材料を用いることが好ましい。 As the magnetocaloric material, it is preferable to use a material of LaSrMnO 3 or LaSrCoO 3 . Further, as the electrocaloric material, Pb (Mg1 / 3Nb2 / 3) 0 3 (PMN), Pb (Mg1 / 3Nb2 / 3) 0 3 -PbTiO 3 (PMN-PT), Pb (Sc1 / 2Nb1 / 2) O 3 (PSN) or PbSc1 / 2Ta1 / 2O 3 (PST) is preferably used.

歪制御部350は、熱生成部材310A−310Fに磁石312A−312Cを選択的に作用させて、熱生成部材310A−310Fを活性化させ、活性化させた熱生成部材を発熱させる。磁石312A−312Cが永久磁石又は電磁石で構成され隣り合う熱生成部材310A−310Fに対して移動可能に構成されている場合には、歪制御部350は、磁石312A−312Cを往復移動させる。   The strain controller 350 causes the magnets 312A to 312C to selectively act on the heat generating members 310A to 310F to activate the heat generating members 310A to 310F and cause the activated heat generating members to generate heat. When the magnets 312A-312C are composed of permanent magnets or electromagnets and are configured to be movable with respect to the adjacent heat generating members 310A-310F, the strain control unit 350 reciprocates the magnets 312A-312C.

駆動制御部370は、歪制御部350による各磁石312A−312Cの移動タイミング及び熱スイッチ駆動部360による各熱スイッチ340A−340Gへの電圧の印加タイミングをそれぞれ制御することにより低温側熱交換部320と高温側熱交換部330との間で熱を伝導させる。   The drive control unit 370 controls the movement timing of the magnets 312A-312C by the strain control unit 350 and the voltage application timing to the thermal switches 340A-340G by the thermal switch drive unit 360, respectively, thereby controlling the low temperature side heat exchange unit 320. Heat is conducted between the high-temperature side heat exchanging unit 330 and the high-temperature side heat exchange unit 330.

(冷暖房装置の動作)
まず、歪制御部350、熱スイッチ駆動部360及び駆動制御部370の基本的な動作を説明する。
(Operation of air conditioner)
First, basic operations of the strain controller 350, the thermal switch driver 360, and the drive controller 370 will be described.

歪制御部350は、積層体314A、314C、314Eを発熱させるため磁石312A、312B、312Cを同時に積層体314A、314C、314Eに位置させる。次に、歪制御部350は、積層体314B、314D、314Fを発熱させるため磁石312A、312B、312Cを同時に移動させて積層体314B、314D、314Fに位置させる。つまり、歪制御部350は、磁石312A、312B、312Cを同時に積層体314A、314C、314Eに位置させる態様と、磁石312A、312B、312Cを同時に積層体314B、314D、314Fに位置させる態様と、2つの態様を実現する。   The strain controller 350 simultaneously positions the magnets 312A, 312B, and 312C on the stacked bodies 314A, 314C, and 314E in order to cause the stacked bodies 314A, 314C, and 314E to generate heat. Next, the strain controller 350 simultaneously moves the magnets 312A, 312B, and 312C to position the stacked bodies 314B, 314D, and 314F in order to cause the stacked bodies 314B, 314D, and 314F to generate heat. That is, the strain control unit 350 has an aspect in which the magnets 312A, 312B, and 312C are simultaneously positioned in the stacked bodies 314A, 314C, and 314E, and an aspect in which the magnets 312A, 312B, and 312C are simultaneously positioned in the stacked bodies 314B, 314D, and 314F, Two aspects are realized.

熱スイッチ駆動部360は、熱スイッチ340A、340C、340E、340Gに同時に電圧を印加する。このときには、熱スイッチ駆動部360は、熱スイッチ340B、340D、340Fには電圧を印加しない。また、熱スイッチ駆動部360は、熱スイッチ340B、340D、340Fに同時に電圧を印加する。このときには、熱スイッチ駆動部360は、熱スイッチ340A、340C、340E、340Gには電圧を印加しない。つまり、熱スイッチ駆動部360は、熱スイッチ340A、340C、340E、340Gのグループと熱スイッチ340B、340D、340Fのグループの2つのグループに交互に電圧を印加する。   The thermal switch driving unit 360 applies a voltage to the thermal switches 340A, 340C, 340E, and 340G at the same time. At this time, the thermal switch driving unit 360 does not apply a voltage to the thermal switches 340B, 340D, and 340F. Further, the thermal switch driving unit 360 applies a voltage to the thermal switches 340B, 340D, and 340F at the same time. At this time, the thermal switch driving unit 360 does not apply a voltage to the thermal switches 340A, 340C, 340E, and 340G. That is, the thermal switch driver 360 alternately applies voltages to the two groups of the thermal switches 340A, 340C, 340E, and 340G and the thermal switches 340B, 340D, and 340F.

駆動制御部370は、歪制御部350が磁石312A、312C、312Eを同時に積層体314A、314C、314Eに位置させるタイミングと、熱スイッチ駆動部360が熱スイッチ340B、340D、340Fのグループに電圧を印加するタイミングとを同期させる。また、駆動制御部370は、歪制御部350が磁石312A、312C、312Eを同時に積層体314B、314D、314Fに位置させるタイミングと、熱スイッチ駆動部360が熱スイッチ340A、340C、340E、340Gのグループに電圧を印加するタイミングとを同期させる。   The drive control unit 370 has a timing at which the strain control unit 350 simultaneously positions the magnets 312A, 312C, and 312E on the stacked bodies 314A, 314C, and 314E, and the thermal switch drive unit 360 applies a voltage to the groups of thermal switches 340B, 340D, and 340F. The application timing is synchronized. Further, the drive control unit 370 includes a timing at which the strain control unit 350 simultaneously positions the magnets 312A, 312C, and 312E on the stacked bodies 314B, 314D, and 314F, and the thermal switch drive unit 360 includes the thermal switches 340A, 340C, 340E, and 340G. Synchronize the timing to apply voltage to the group.

なお、冷暖房装置300の全体的な動作は、実施形態1の冷暖房装置100の全体的な動作と同一であり、実施形態1の図2から図7を用いて説明した通りである。   The overall operation of the cooling / heating apparatus 300 is the same as the overall operation of the cooling / heating apparatus 100 of the first embodiment, as described with reference to FIGS. 2 to 7 of the first embodiment.

以上が、実施形態3に係る冷暖房装置300の構成と動作である。実施形態3に係る熱生成部材310A−310Fは、積層体314A−314Fが生成する熱を最大限に利用するために、実施形態1、2と同様に、その構造に工夫を凝らしている。また、積層体314A−314Fから効率的に熱が移動するように、熱生成部材310A−310Fと熱スイッチ340A−340Gの接続構造に工夫を凝らしている。以下に、実施形態3に係る冷暖房装置300が用いる熱生成部材310A−310Fの構成について詳細に説明する。   The above is the configuration and operation of the air conditioning apparatus 300 according to the third embodiment. The heat generating members 310A to 310F according to the third embodiment are devised in the structure as in the first and second embodiments in order to make maximum use of the heat generated by the stacked bodies 314A to 314F. In addition, the connection structure between the heat generation members 310A to 310F and the heat switches 340A to 340G is devised so that heat is efficiently transferred from the stacked bodies 314A to 314F. Below, the structure of the heat generation member 310A-310F which the air conditioning apparatus 300 which concerns on Embodiment 3 uses is demonstrated in detail.

(熱生成部材の構成)
次に、実施形態3に係る熱生成部材の構成を詳細に説明する。図21は、実施形態3に係る熱生成部材の断面図である。
(Configuration of heat generating member)
Next, the structure of the heat generating member according to Embodiment 3 will be described in detail. FIG. 21 is a cross-sectional view of the heat generating member according to the third embodiment.

実施形態3に係る熱生成部材310Aは、磁場を印加する磁石312Aと、磁場が印加されると結晶構造が変化して歪む磁歪材料313A及び歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する熱量材料315Aを積層した積層体314Aを有する。   The heat generating member 310A according to the third embodiment includes a magnet 312A that applies a magnetic field, a magnetostrictive material 313A that changes its crystal structure when the magnetic field is applied, and a heat quantity material that generates and absorbs heat when strain is applied and removed. A stacked body 314A in which 315A is stacked is provided.

図21に示すように、実施形態3に係る熱生成部材310Aは、積層体314Aの両側から磁石312Aを挟むように構成される。積層体314Aは、磁歪材料313A及び熱量材料315Aが積層されて構成される。なお、図20に示す熱生成部材310B−310Fの構造も熱生成部材310Aの構造と同一である。   As shown in FIG. 21, the heat generating member 310A according to the third embodiment is configured to sandwich the magnet 312A from both sides of the multilayer body 314A. The laminated body 314A is configured by laminating a magnetostrictive material 313A and a calorific material 315A. Note that the structure of the heat generating member 310B-310F shown in FIG. 20 is the same as the structure of the heat generating member 310A.

磁歪材料313Aは、熱量材料315Aの結晶格子定数が変化するように、熱量材料315Aに対して、間接的に、圧縮応力または引張応力という機械的な歪を与える。   The magnetostrictive material 313A indirectly applies mechanical strain such as compressive stress or tensile stress to the caloric material 315A so that the crystal lattice constant of the caloric material 315A changes.

熱量材料315Aは、図22に示すように、磁歪材料313Aから圧力(圧縮応力)や張力(引張応力)という歪を与えられると発熱及び吸熱する。熱量材料315Aは、電気熱量材料または磁気熱量材料であっても良く、その他、歪を与えられると発熱及び吸熱する材料であればどのような材料を用いても良い。   As shown in FIG. 22, the calorific material 315A generates heat and absorbs heat when a strain such as pressure (compressive stress) and tension (tensile stress) is applied from the magnetostrictive material 313A. The caloric material 315A may be an electrocaloric material or a magnetocaloric material, and any other material that generates heat and absorbs heat when subjected to strain may be used.

実施形態3に係る熱量材料315Aは、図22に示すように、歪を印加することによって熱材料結晶構造の磁気モーメントの分布が変化する磁気熱量材料または熱材料結晶構造の双極子モーメントの分布が変化して分極が変化する電気熱量材料である。   As shown in FIG. 22, the calorific material 315A according to the third embodiment has a magnetocaloric material or a dipole moment distribution of the thermal material crystal structure in which the magnetic moment distribution of the thermal material crystal structure is changed by applying a strain. It is an electrocaloric material whose polarization changes and changes.

図22に示すように、熱量材料315Aが磁気熱量材料の場合、歪を与える(実施形態3では、磁気熱量材料の3つの結晶軸の長さの少なくとも1つを大きくするように、歪を与える)と磁気熱量材料の結晶格子定数が変化し、磁気熱量材料の結晶構造の磁気モーメント分布が変化する。その結果、磁気熱量材料のキュリー点の温度が高くなる。そして、磁化が大きくなるので、磁気エントロピーが減少する。その結果、磁気熱量材料は、発熱する。逆に歪を取ると磁気熱量材料の結晶格子定数は、元に戻り、磁気熱量材料の結晶構造の磁気モーメント分布が変化する。磁気熱量材料のキュリー点の温度は、もとに戻る。磁化が減少するので、磁気エントロピーが増加する。その結果、磁気熱量材料は、吸熱する。   As shown in FIG. 22, when the caloric material 315A is a magnetocaloric material, strain is applied (in the third embodiment, strain is applied so that at least one of the lengths of the three crystal axes of the magnetocaloric material is increased. ) And the crystal lattice constant of the magnetocaloric material change, and the magnetic moment distribution of the crystal structure of the magnetocaloric material changes. As a result, the temperature of the Curie point of the magnetocaloric material is increased. And since magnetization becomes large, magnetic entropy decreases. As a result, the magnetocaloric material generates heat. Conversely, when the strain is removed, the crystal lattice constant of the magnetocaloric material returns to the original, and the magnetic moment distribution of the crystal structure of the magnetocaloric material changes. The temperature at the Curie point of the magnetocaloric material is restored. As the magnetization decreases, the magnetic entropy increases. As a result, the magnetocaloric material absorbs heat.

また、図22に示すように、熱量材料315Aが電気熱量材料の場合、歪を与える(実施形態3では、電気熱量材料の3つの結晶軸の長さの少なくとも1つを大きくするように、歪を与える)と電気熱量材料の結晶格子定数が変化し、電気熱量材料の結晶構造の双極子モーメント分布が変化する。その結果、電気熱量材料のキュリー点の温度が高くなる。そして、分極が大きくなるので、双極子エントロピーが減少する。その結果、電気熱量材料は、発熱する。逆に歪を取ると電気熱量材料の結晶格子定数は、元に戻り、電気熱量材料の結晶構造の双極子モーメント分布が変化する。電気熱量材料のキュリー点の温度は、もとに戻る。分極が減少するので、双極子エントロピーが増加する。その結果、電気熱量材料は、吸熱する。   Further, as shown in FIG. 22, when the caloric material 315A is an electrocaloric material, strain is applied (in the third embodiment, the strain is applied so that at least one of the lengths of the three crystal axes of the electrocaloric material is increased. The crystal lattice constant of the electrocaloric material changes, and the dipole moment distribution of the crystal structure of the electrocaloric material changes. As a result, the temperature of the Curie point of the electrocaloric material is increased. And since polarization becomes large, dipole entropy decreases. As a result, the electrocaloric material generates heat. Conversely, when the strain is removed, the crystal lattice constant of the electrocaloric material returns to the original, and the dipole moment distribution of the crystal structure of the electrocaloric material changes. The temperature at the Curie point of the electrocaloric material is restored. As the polarization decreases, the dipole entropy increases. As a result, the electrocaloric material absorbs heat.

このように、磁石312Aが磁場を印加して磁歪材料313Aを歪ませ、生じた歪によって熱量材料315Aを発熱させているので、熱生成部材310Aの構造が単純になる。   In this way, the magnet 312A applies a magnetic field to distort the magnetostrictive material 313A, and the caloric material 315A generates heat due to the generated strain, so the structure of the heat generating member 310A becomes simple.

また、熱量材料315Aは、歪を印加した後のキュリー点の温度が歪を印加する前のキュリー点の温度よりも高くなる材料を用いているので、磁石312Aが磁場を印加、除去するだけで、熱量材料315Aを発熱、吸熱させることができる。   In addition, since the calorimetric material 315A uses a material in which the temperature of the Curie point after applying the strain is higher than the temperature of the Curie point before applying the strain, the magnet 312A only applies and removes the magnetic field. The calorific material 315A can generate heat and absorb heat.

(熱生成部材の構成の変形例1)
図23は、実施形態3の変形例1に係る熱生成部材の断面図である。変形例1に係る熱生成部材310Aは、図21に示す熱生成部材310Aを断熱する機能を備える。すなわち、歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する熱量材料315Aの磁石312Aに対向する外表面に断熱絶縁材料316Aを配置している。
(Variation 1 of the configuration of the heat generating member)
FIG. 23 is a cross-sectional view of a heat generating member according to Modification 1 of Embodiment 3. The heat generating member 310A according to Modification 1 has a function of insulating the heat generating member 310A shown in FIG. In other words, the heat insulating and insulating material 316A is disposed on the outer surface of the calorie material 315A that generates and absorbs heat when the strain is applied and removed, facing the magnet 312A.

断熱絶縁材料316Aは、たとえば、グラスウールで構成する。しかし、ウレタンフォーム、フェノールフォーム、ポリスチレンフォーム等の断熱性材料を使用しても良い。断熱絶縁材料216Aが形成する断熱層は、1つの材料で単層構造としても良く、複数の材料を用いて複層構造としても良い。   The heat insulating insulating material 316A is made of glass wool, for example. However, a heat insulating material such as urethane foam, phenol foam or polystyrene foam may be used. The heat insulating layer formed by the heat insulating insulating material 216A may have a single layer structure using one material, or may have a multilayer structure using a plurality of materials.

熱量材料315Aの磁石312Aに対向する外表面に断熱絶縁材料316Aを配置すると、熱量材料315Aで生成された熱が外部に放熱されるのを防止することができ、熱生成部材310Aの熱を無駄なく利用することができる。   When the heat insulating material 316A is disposed on the outer surface of the calorie material 315A facing the magnet 312A, the heat generated by the calorie material 315A can be prevented from being radiated to the outside, and the heat of the heat generating member 310A is wasted. It can be used without.

(熱生成部材の構成の変形例2)
図24は、実施形態3の変形例2に係る熱生成部材の断面図である。変形例2に係る熱生成部材310Aは、図21に示す熱生成部材310Aの熱伝導性を改善する。
(Modification 2 of the structure of the heat generating member)
FIG. 24 is a cross-sectional view of a heat generating member according to Modification 2 of Embodiment 3. The heat generating member 310A according to Modification 2 improves the thermal conductivity of the heat generating member 310A shown in FIG.

実施形態3の変形例2に係る熱生成部材310Aは、歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する熱量材料315Aの磁石312Aに対向する外表面に熱伝導部材318Aを配置している。   In the heat generating member 310A according to the second modification of the third embodiment, the heat conducting member 318A is disposed on the outer surface facing the magnet 312A of the calorie material 315A that generates and absorbs heat when strain is applied and removed.

なお、熱伝導部材318Aの材料としては、アルミニウム、銅、カーボンナノチューブ、グラフェンなどを用いる。   Note that aluminum, copper, carbon nanotubes, graphene, or the like is used as the material of the heat conducting member 318A.

熱量材料315Aの磁石312Aに対向する外表面に、熱伝導部材318Aを直接接するように設けると、熱量材料315Aが生成した熱を熱伝導部材318Aが効率的に吸収し、吸収した熱を速やかに取り出すことができる。したがって、熱量材料315Aが生成した熱及び熱伝導部材318Aが吸収した熱を外部に逃がすことなく、効率的に用いることができる。熱伝導部材318Aを熱量材料315Aに直接接するように設けるのは、下記の理由からである。すなわち、熱量材料315Aと磁歪材料313Aを、一体に張り合わせていないと、熱量材料は、発熱、吸熱しない。そのため、熱伝導部材318Aは、磁歪材料313Aがついていない熱量材料315Aの表面の外側にある必要がある。   When the heat conducting member 318A is provided directly on the outer surface of the calorie material 315A facing the magnet 312A, the heat conducting member 318A efficiently absorbs the heat generated by the calorie material 315A, and the absorbed heat is quickly absorbed. It can be taken out. Therefore, the heat generated by the calorie material 315A and the heat absorbed by the heat conducting member 318A can be efficiently used without escaping to the outside. The reason why the heat conducting member 318A is provided so as to be in direct contact with the calorie material 315A is as follows. That is, unless the caloric material 315A and the magnetostrictive material 313A are bonded together, the caloric material does not generate heat or absorb heat. Therefore, the heat conducting member 318A needs to be outside the surface of the calorie material 315A without the magnetostrictive material 313A.

(熱生成部材の構成の変形例3)
図25は、実施形態3の変形例3に係る熱生成部材の断面図である。変形例3に係る熱生成部材310Aは、図21に示す熱生成部材310Aを積層方向に複数配置して、発熱量を増加させる。
(Modification 3 of the structure of the heat generating member)
FIG. 25 is a cross-sectional view of a heat generating member according to Modification 3 of Embodiment 3. The heat generating member 310A according to Modification 3 has a plurality of heat generating members 310A illustrated in FIG. 21 arranged in the stacking direction to increase the amount of heat generated.

図25に示す熱生成部材310Aは、磁石312A、熱量材料315A及び磁歪材料313Aからなる積層体314A、磁石312A、熱量材料315A及び磁歪材料313Aからなる積層体314A、磁石312Aが順に積層されている。   In the heat generating member 310A shown in FIG. 25, a magnet 312A, a laminate 314A composed of a caloric material 315A and a magnetostrictive material 313A, a magnet 312A, a laminate 314A composed of a caloric material 315A and a magnetostrictive material 313A, and a magnet 312A are sequentially laminated. .

熱量材料315A及び磁歪材料313Aからなる積層体314Aが複数設けられていると、熱生成部材310Aの発熱量を増加させることができる。   When a plurality of laminated bodies 314A made of the caloric material 315A and the magnetostrictive material 313A are provided, the heat generation amount of the heat generating member 310A can be increased.

図26は、図24に示す熱生成部材と熱スイッチとの接続構造を示す斜視図である。   FIG. 26 is a perspective view showing a connection structure between the heat generating member and the thermal switch shown in FIG.

熱生成部材と熱スイッチとの接続構造を、熱生成部材310B、熱スイッチ340B、340Cを例示して説明する。   The connection structure between the heat generation member and the heat switch will be described by exemplifying the heat generation member 310B and the heat switches 340B and 340C.

図26に示す熱生成部材310Bの構成は、図24に示す熱生成部材310Aの構成と同一である。熱生成部材310Bを熱スイッチ340B及び340Cと接続するとき、熱生成部材310Bの磁石312Bを図示のように上下方向に位置させる。熱生成部材310Bの熱伝導部材318Aを磁石312B側に位置させて、熱生成部材310Bを熱スイッチ340B及び340Cで両側から挟み込む。つまり、熱スイッチ340B、340Cは、磁石312Bが配置されていない、熱伝導部材318B、歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する熱量材料315B及び磁場が印加されると結晶構造が変化する磁歪材料313Bを積層した積層体の対向する面に配置される。   The configuration of the heat generating member 310B shown in FIG. 26 is the same as the configuration of the heat generating member 310A shown in FIG. When the heat generating member 310B is connected to the heat switches 340B and 340C, the magnet 312B of the heat generating member 310B is positioned in the vertical direction as illustrated. The heat conducting member 318A of the heat generating member 310B is positioned on the magnet 312B side, and the heat generating member 310B is sandwiched from both sides by the heat switches 340B and 340C. In other words, the thermal switches 340B and 340C are configured such that the magnet 312B is not disposed, the heat conducting member 318B, the calorific material 315B that generates heat and absorbs heat when strain is applied and removed, and the magnetostriction whose crystal structure changes when a magnetic field is applied. It arrange | positions on the surface which the laminated body which laminated | stacked material 313B opposes.

熱生成部材310Bと熱スイッチ340B及び340Cとの接続構造を上記のようにすることによって、熱量材料315Bで生成された熱が、熱伝導部材318Bを介して熱スイッチ340B及び340Cに効率的に伝達される。   By making the connection structure between the heat generating member 310B and the heat switches 340B and 340C as described above, the heat generated by the calorie material 315B is efficiently transferred to the heat switches 340B and 340C via the heat conducting member 318B. Is done.

なお、熱生成部材310Aと熱スイッチ340A、340Bとの接続構造、熱生成部材310C−310Eと熱スイッチ340C−340Fとの接続構造、熱生成部材310Fと熱スイッチ340F、340Gとの接続構造も熱生成部材310Bと熱スイッチ340B及び340Cとの接続構造と同一である。   The connection structure between the heat generation member 310A and the heat switches 340A and 340B, the connection structure between the heat generation members 310C-310E and the heat switches 340C-340F, and the connection structure between the heat generation member 310F and the heat switches 340F and 340G are also heat. The connection structure between the generation member 310B and the thermal switches 340B and 340C is the same.

以上のように、熱生成部材を図26に示すように隣り合う熱スイッチと接続することによって、熱量材料で生じた熱を効果的に伝達できる。したがって、冷暖房装置の小型化及び軽量化に寄与する。   As described above, by connecting the heat generating member to adjacent heat switches as shown in FIG. 26, heat generated by the calorific material can be effectively transferred. Therefore, it contributes to the reduction in size and weight of the air conditioning unit.

実施形態3に係る冷暖房装置300は、熱生成部材310A−310Fが以上のような構成を有しているので、磁石312Aで磁場を印加するだけで、熱量材料315Aが発熱する。また、生成した熱を熱スイッチ340A−340Gに無駄なく効率的に伝達させることができる。その結果、熱量材料315Aが生成する熱を最大限に引き出すことが可能となる。したがって、冷暖房装置300の小型化及び軽量化に寄与する。   In the air conditioning apparatus 300 according to the third embodiment, since the heat generating members 310A to 310F have the above-described configuration, the calorific material 315A generates heat only by applying a magnetic field with the magnet 312A. Further, the generated heat can be efficiently transmitted to the thermal switches 340A-340G without waste. As a result, the heat generated by the calorie material 315A can be extracted to the maximum. Therefore, it contributes to the reduction in size and weight of the air conditioning apparatus 300.

実施形態1から3では、電圧を印加すると熱抵抗が低下するタイプの熱スイッチを例示したが、熱スイッチとしては、下記に示すような様々なタイプのものを使用することができる。   In the first to third embodiments, a thermal switch whose thermal resistance is reduced when a voltage is applied is exemplified, but various types of thermal switches as described below can be used.

図27から図39は、本発明に係る冷暖房装置に用いることができる様々な熱スイッチの形態を示す。熱スイッチは、たとえば、電気、磁場を印加することで熱伝導率が大きく変化する材料やデバイス、また、電気濡れ効果で液体金属の出し入れによる熱伝導率を変化させるものなどがある。   27 to 39 show various thermal switch modes that can be used in the cooling and heating apparatus according to the present invention. Thermal switches include, for example, materials and devices whose thermal conductivity changes greatly by applying electricity and a magnetic field, and those that change the thermal conductivity by taking in and out a liquid metal due to the electric wetting effect.

<熱スイッチの形態1>
図27は熱スイッチの形態1を説明するための説明図である。図27に示す熱スイッチは、磁場を印加することで熱伝導率が大きく変化する材料を用いている。
<Thermal switch form 1>
FIG. 27 is an explanatory diagram for explaining the first form of the thermal switch. The thermal switch shown in FIG. 27 uses a material whose thermal conductivity changes greatly when a magnetic field is applied.

図27に示すように、熱生成部材110Aの対向する両面に熱スイッチ140Aと140Bが配置されている。熱スイッチ140A、140Bは、熱生成部材110Aの対向する両面に接合または接着によって一体化する。熱生成部材110Aの両隣には低温側熱交換部120と熱生成部材110Bが存在する。熱スイッチ140Aは低温側熱交換部120と熱生成部材110Aに接合または接着され、熱スイッチ140Bは熱生成部材110Aと熱生成部材110Bに接合または接着される。したがって、低温側熱交換部120、熱スイッチ140A、熱生成部材110A、熱スイッチ140B、熱生成部材110Bは一体化する。   As shown in FIG. 27, thermal switches 140A and 140B are arranged on opposite surfaces of the heat generating member 110A. The thermal switches 140A and 140B are integrated by bonding or adhesion to both opposing surfaces of the heat generating member 110A. The low temperature side heat exchange part 120 and the heat generating member 110B exist on both sides of the heat generating member 110A. The thermal switch 140A is bonded or bonded to the low temperature side heat exchanging portion 120 and the heat generating member 110A, and the thermal switch 140B is bonded or bonded to the heat generating member 110A and the heat generating member 110B. Therefore, the low temperature side heat exchange part 120, the heat switch 140A, the heat generation member 110A, the heat switch 140B, and the heat generation member 110B are integrated.

熱スイッチ140Aと140Bは、9テスラ程度の磁気が印加されると、印加される前よりも熱伝導率が大きくなる。熱伝導率の大きさの変化は、100倍から3000倍の範囲である。したがって、熱スイッチ140Aと140Bは、磁気が印加されなければ熱伝導率は極めて小さくなり、接続されている低温側熱交換部120、熱生成部材110A、熱生成部材110Bの間では熱を伝導しない。一方、熱スイッチ140Aと140Bは、磁気が印加されると熱伝導率は極めて大きくなり、接続されている低温側熱交換部120、熱生成部材110A、熱生成部材110Bの間で熱が伝導する。   When the magnetic switches of about 9 Tesla are applied to the thermal switches 140A and 140B, the thermal conductivity becomes larger than before the application. The change in the magnitude of the thermal conductivity ranges from 100 times to 3000 times. Accordingly, the thermal switches 140A and 140B have extremely low thermal conductivity unless magnetism is applied, and do not conduct heat between the low temperature side heat exchange unit 120, the heat generating member 110A, and the heat generating member 110B that are connected. . On the other hand, when the magnetism is applied to the thermal switches 140A and 140B, the thermal conductivity becomes extremely large, and heat is conducted among the low temperature side heat exchange unit 120, the heat generating member 110A, and the heat generating member 110B that are connected. .

図27に示すように、熱スイッチ140Aと140Bは、磁気の印加、除去によって絶縁体、金属に相転移する転移体を含む。転移体は、少なくとも1種類以上の電荷整列絶縁体を含む。したがって、転移体に磁気を印加すると金属に相転移して熱伝導率が相対的に大きくなる。また、転移体から磁気を除去すると絶縁体に相転移して熱伝導率が相対的に小さくなる。   As shown in FIG. 27, the thermal switches 140A and 140B include a transition body that undergoes a phase transition to an insulator and a metal by applying and removing magnetism. The transition body includes at least one or more types of charge alignment insulators. Therefore, when magnetism is applied to the transition body, the phase transition to the metal occurs and the thermal conductivity becomes relatively large. Further, when magnetism is removed from the transition body, the phase transition to an insulator causes a relatively small thermal conductivity.

図27の場合、熱スイッチ140Aには永久磁石2による磁気が印加されていないので、熱スイッチ140Aは絶縁体としての性質を持ち、伝導電子が流れ難くなって、低温側熱交換部120と熱生成部材110Aとの間では熱が伝導しない。一方、熱スイッチ140Bには、永久磁石2によって磁気が印加されているので、熱スイッチ140Bは金属としての性質を持ち、伝導電子が流れやすくなって、熱生成部材110Aと熱生成部材110Bとの間で熱が伝導する。一般的に固体の熱伝導は、フォノンおよび伝導電子が担っていることが知られている。すなわち、ここでは伝導電子の流れを磁気によって制御している。   In the case of FIG. 27, since the magnetism by the permanent magnet 2 is not applied to the thermal switch 140A, the thermal switch 140A has a property as an insulator, and it becomes difficult for conduction electrons to flow. Heat is not conducted between the generating member 110A. On the other hand, since magnetism is applied to the thermal switch 140B by the permanent magnet 2, the thermal switch 140B has a property as a metal, and conduction electrons easily flow, so that the heat generating member 110A and the heat generating member 110B Heat is conducted between them. In general, it is known that phonons and conduction electrons are responsible for heat conduction of solids. That is, here, the flow of conduction electrons is controlled by magnetism.

<熱スイッチの形態2>
図28は熱スイッチの形態2を説明するための説明図である。
<Thermal switch form 2>
FIG. 28 is an explanatory diagram for explaining a second embodiment of the thermal switch.

熱スイッチの形態2に係る熱スイッチ140Bは、熱生成部材110Aと110Bに取り付ける電極31A、31Bと、電極31A、31Bの間に取り付ける金属/絶縁相転移体32とによって構成される。電極31Aの一方の面は熱生成部材110Aの一方の面に接合または接着によって取り付ける。電極31Bの一方の面は熱生成部材110Bの一方の面に接合または接着によって取り付ける。同様に、金属/絶縁相転移体32の両面は電極31Aと電極31Bの他方の面に接合または接着によって取り付ける。したがって、熱生成部材110A、熱スイッチ140B、熱生成部材110Bは一体化される。   The thermal switch 140B according to the thermal switch form 2 includes electrodes 31A and 31B attached to the heat generating members 110A and 110B, and a metal / insulating phase transition body 32 attached between the electrodes 31A and 31B. One surface of the electrode 31A is attached to one surface of the heat generating member 110A by bonding or adhesion. One surface of the electrode 31B is attached to one surface of the heat generating member 110B by bonding or adhesion. Similarly, both surfaces of the metal / insulating phase transition body 32 are attached to the other surfaces of the electrode 31A and the electrode 31B by bonding or adhesion. Therefore, the heat generating member 110A, the heat switch 140B, and the heat generating member 110B are integrated.

電極31A、31Bは導電性の良好なアルミニウムや銅などの金属(金属単体または合金でも良い)を用いる。熱生成部材110A、110Bの間では電極31Aと31Bを介して熱が伝導するので、電極31Aと31Bは熱伝導率のより大きい金属を用いることが好ましい。   The electrodes 31A and 31B are made of metal (such as a simple metal or an alloy) such as aluminum or copper having good conductivity. Since heat is conducted between the heat generating members 110A and 110B via the electrodes 31A and 31B, it is preferable to use a metal having a higher thermal conductivity for the electrodes 31A and 31B.

電極31A、31Bを熱生成部材110A、110Bおよび金属/絶縁相転移体32に接着する接着剤は、熱伝導率の大きいものを用いる。たとえば、接着剤に金属粉を接着性が妨げられない程度に混ぜ込んだ熱伝導性を改善した接着剤を用いる。   As the adhesive for bonding the electrodes 31A and 31B to the heat generating members 110A and 110B and the metal / insulating phase transition body 32, an adhesive having a high thermal conductivity is used. For example, an adhesive having improved thermal conductivity in which metal powder is mixed with the adhesive to such an extent that adhesion is not hindered is used.

金属/絶縁相転移体32は、電圧を印加すると絶縁体から金属に相転移し、熱伝導率が大きくなり、逆に、電圧を遮断すると金属から絶縁体に相転移し、熱伝導率が小さくなる性質を持つものである。金属と絶縁体の相互間の相転移を示す絶縁体は、無機酸化物モット絶縁体または有機モット絶縁体がある。   When a voltage is applied to the metal / insulating phase transition body 32, the phase transition from the insulator to the metal increases, and the thermal conductivity increases. Conversely, when the voltage is cut off, the phase transition from the metal to the insulator causes a small thermal conductivity. It has the property which becomes. An insulator exhibiting a phase transition between a metal and an insulator is an inorganic oxide mott insulator or an organic mott insulator.

無機酸化物モット絶縁体は少なくとも遷移金属元素を含む。モット絶縁体としては、LaTiO、SrRuO、BEDT−TTF(TCNQ)が知られている。金属と絶縁体の相互間の相転移が可能なデバイスとして現在知られているものは、ZnO単結晶薄膜電気二重層FET、TMTSF/TCNQ積層型FET素子がある。熱は、熱電子および格子結晶によって移送することができる。ZnO単結晶薄膜電気二重層FETおよびTMTSF/TCNQ積層型FET素子は、電圧を印加すると熱電子が活発に移動するようになる性質を利用する。ここでは、金属/絶縁相転移体32に、少なくとも遷移金属元素を含む無機酸化物モット絶縁体、有機モット絶縁体、ZnO単結晶薄膜電気二重層FET、TMTSF/TCNQ積層型FET素子など、電圧の印加除去によって熱伝導率が大きく変化するものを用いる。 The inorganic oxide Mott insulator includes at least a transition metal element. As the Mott insulator, LaTiO 3 , SrRuO 4 , and BEDT-TTF (TCNQ) are known. Currently known devices capable of phase transition between metal and insulator include a ZnO single crystal thin film electric double layer FET and a TMTSF / TCNQ stacked FET element. Heat can be transferred by thermionic and lattice crystals. The ZnO single crystal thin film electric double layer FET and the TMTSF / TCNQ stacked FET element utilize the property that the thermal electrons move actively when a voltage is applied. Here, the metal / insulating phase transition body 32 includes an inorganic oxide mott insulator containing at least a transition metal element, an organic mott insulator, a ZnO single crystal thin film electric double layer FET, a TMTSF / TCNQ stacked FET element, etc. A material whose thermal conductivity changes greatly by application removal is used.

図28に示すように、電極31Aと31Bとの間に直流電圧Vを印加すると、金属/絶縁相転移体32の熱伝導率が相対的に大きくなって、熱生成部材110Aと110Bとの間で熱の移動が起こる。一方、電極31Aと31Bとの間の直流電圧Vを除去すると、金属/絶縁相転移体32の熱伝導率が相対的に小さくなって、熱生成部材110Aと110Bとの間の熱の移動が阻止される。したがって、熱スイッチ130は、電圧の印加、除去によって熱の移動を制御する熱スイッチとなる。   As shown in FIG. 28, when a DC voltage V is applied between the electrodes 31A and 31B, the thermal conductivity of the metal / insulating phase transition body 32 becomes relatively large, so that the heat generation members 110A and 110B Heat transfer occurs. On the other hand, when the DC voltage V between the electrodes 31A and 31B is removed, the thermal conductivity of the metal / insulating phase transition body 32 becomes relatively small, and the heat transfer between the heat generating members 110A and 110B is reduced. Be blocked. Therefore, the thermal switch 130 is a thermal switch that controls the movement of heat by applying and removing voltage.

<熱スイッチの形態3>
図29は熱スイッチの形態3を説明するための説明図である。
<Thermal switch form 3>
FIG. 29 is an explanatory diagram for explaining a third embodiment of the thermal switch.

熱スイッチの形態3に係る熱スイッチ140Bは、熱スイッチの形態2で説明した熱スイッチ140B(図20)に、さらに補助電極33A、33Bを追加している。その他の構成および動作は熱スイッチの形態2と同様である。   In the thermal switch 140B according to the thermal switch mode 3, auxiliary electrodes 33A and 33B are further added to the thermal switch 140B (FIG. 20) described in the thermal switch mode 2. Other configurations and operations are the same as those of the thermal switch mode 2.

補助電極33Aと33Bは、金属/絶縁相転移体32に接合または接着によって取り付ける。補助電極33Aと33Bは熱伝導性を考慮しなくても良い。また補助電極33Aと33Bを金属/絶縁相転移体32に接着する接着剤も熱伝導性を考慮しなくても良い。補助電極33Aと33Bと接着剤には、熱電子が通過しないからである。   The auxiliary electrodes 33A and 33B are attached to the metal / insulating phase transition body 32 by bonding or adhesion. The auxiliary electrodes 33A and 33B need not take thermal conductivity into consideration. Further, the adhesive for adhering the auxiliary electrodes 33A and 33B to the metal / insulating phase transition body 32 need not take thermal conductivity into consideration. This is because thermoelectrons do not pass through the auxiliary electrodes 33A and 33B and the adhesive.

補助電極33Aと33Bは、電極31Aと31Bに対して、直交方向に電圧を印加する。補助電極33Aと33Bとの間に直流電圧を印加すると、金属/絶縁相転移体32内の電子の分布が補助電極33Aと33Bの方向に偏る。このため、熱生成部材110Aと110Bとの間を移動する熱電子の抵抗が減少し、熱電子が移動しやすくなる。つまり、補助電極33Aと33Bを設けることで、金属/絶縁相転移体32の熱伝導率をより大きくすることができる。   The auxiliary electrodes 33A and 33B apply a voltage in the orthogonal direction to the electrodes 31A and 31B. When a DC voltage is applied between the auxiliary electrodes 33A and 33B, the distribution of electrons in the metal / insulating phase transition body 32 is biased toward the auxiliary electrodes 33A and 33B. For this reason, the resistance of the thermoelectrons moving between the heat generating members 110A and 110B is reduced, and the thermoelectrons easily move. That is, by providing the auxiliary electrodes 33A and 33B, the thermal conductivity of the metal / insulating phase transition body 32 can be further increased.

<熱スイッチの形態4>
図30は熱スイッチの形態4を説明するための説明図である。
<Thermal switch form 4>
FIG. 30 is an explanatory diagram for explaining a fourth embodiment of the thermal switch.

熱スイッチの形態4に係る熱スイッチ140Bは、電極31Aと31Bを、金属/絶縁相転移体32と熱生成部材110A、110Bとの間には設けずに、金属/絶縁相転移体32内を移動する熱電子の移動方向に対して直交する方向から電圧が印加できるように設ける。その他の構成および動作は熱スイッチの形態2と同様である。   The thermal switch 140B according to the thermal switch mode 4 includes the electrodes 31A and 31B provided between the metal / insulating phase transition body 32 and the heat generating members 110A and 110B, and the inside of the metal / insulating phase transition body 32. It is provided so that a voltage can be applied from a direction orthogonal to the moving direction of the moving thermoelectrons. Other configurations and operations are the same as those of the thermal switch mode 2.

したがって、金属/絶縁相転移体32は、熱生成部材110Aと110Bに直接取り付ける。金属/絶縁相転移体32と熱生成部材110A、110Bとは、接合または接着剤で取り付ける。このときに用いる接着剤は、熱伝導性の大きいものを用いる。   Therefore, the metal / insulating phase transition body 32 is directly attached to the heat generating members 110A and 110B. The metal / insulating phase transition body 32 and the heat generating members 110A and 110B are attached by bonding or an adhesive. The adhesive used at this time has a high thermal conductivity.

電極31Aと31Bは、金属/絶縁相転移体32に接合または接着によって取り付ける。電極31Aと31Bは熱伝導性を考慮しなくても良い。また電極31Aと31Bを金属/絶縁相転移体32に接着する接着剤も熱伝導性を考慮しなくても良い。電極31Aと31Bと接着剤には、熱電子が通過しないからである。   The electrodes 31A and 31B are attached to the metal / insulating phase transition body 32 by bonding or adhesion. The electrodes 31A and 31B do not have to consider thermal conductivity. Further, the adhesive for adhering the electrodes 31A and 31B to the metal / insulating phase transition body 32 need not take thermal conductivity into consideration. This is because thermoelectrons do not pass through the electrodes 31A and 31B and the adhesive.

電極31Aと31Bは、金属/絶縁相転移体32内を移動する熱電子の移動方向に対して、直交方向に電圧を印加する。電極31Aと31Bとの間に直流電圧を印加すると、金属/絶縁相転移体32内の電子の分布が電極31Aと31Bの方向に偏って相転移する。このため、熱生成部材110Aと110Bとの間を移動する熱電子の抵抗が減少し、熱電子が移動しやすくなる。   The electrodes 31 </ b> A and 31 </ b> B apply a voltage in a direction orthogonal to the moving direction of the thermoelectrons moving in the metal / insulating phase transition body 32. When a DC voltage is applied between the electrodes 31A and 31B, the distribution of electrons in the metal / insulating phase transition body 32 is shifted in the direction of the electrodes 31A and 31B. For this reason, the resistance of the thermoelectrons moving between the heat generating members 110A and 110B is reduced, and the thermoelectrons easily move.

熱スイッチの形態2、3の場合には、熱電子の通過方向に電極31A、31Bが存在するので、熱電子にとっては電極31A、31Bが障害物となる。このため、電極31A、31Bの存在は熱伝導率を小さくする方向に働く。熱スイッチの形態4の場合には、金属/絶縁相転移体32を熱生成部材110Aと110Bに直接取り付けるので、電極31A、31Bの存在は熱伝導率を下げる方向には働かない。したがって、本実施形態に係る熱スイッチ30の熱伝導率は、熱スイッチの形態2、3の場合と比較して、大きくなる。   In the case of the thermal switch modes 2 and 3, since the electrodes 31A and 31B exist in the direction of the passage of the thermoelectrons, the electrodes 31A and 31B become obstacles for the thermoelectrons. For this reason, the presence of the electrodes 31A and 31B works in the direction of decreasing the thermal conductivity. In the case of the thermal switch form 4, since the metal / insulating phase transition body 32 is directly attached to the heat generating members 110A and 110B, the presence of the electrodes 31A and 31B does not work in the direction of lowering the thermal conductivity. Therefore, the thermal conductivity of the thermal switch 30 according to the present embodiment is larger than in the case of the thermal switch modes 2 and 3.

<熱スイッチの形態5>
図31は熱スイッチの形態5を説明するための説明図である。
<Thermal switch form 5>
FIG. 31 is an explanatory diagram for explaining a thermal switch mode 5. FIG.

熱スイッチの形態5に係る熱スイッチ140Bは、金属/絶縁相転移体(32)を熱生成部材110Aと110Bに直接取り付け、熱生成部材110Aと110Bに直流電圧を印加できるようにしたものである。金属/絶縁相転移体と熱生成部材110A、110Bとは接合または接着剤で取り付ける。接着剤は熱伝導率の大きいものを用いる。その他の構成および動作は熱スイッチの形態2と同様である。   The thermal switch 140B according to the thermal switch mode 5 is configured such that a metal / insulating phase transition body (32) is directly attached to the heat generating members 110A and 110B so that a DC voltage can be applied to the heat generating members 110A and 110B. . The metal / insulating phase transition body and the heat generating members 110A and 110B are attached by bonding or an adhesive. An adhesive having a high thermal conductivity is used. Other configurations and operations are the same as those of the thermal switch mode 2.

熱生成部材110Aと110Bを電極の代わりに用いると、構造が単純化され、また、部品点数の減少と製造工程の簡略化が図れる。また、熱スイッチの形態4の場合と同様に、熱スイッチ140A、140Bの熱伝導率は、熱スイッチの形態2、3の場合と比較して、大きくなる。   When the heat generating members 110A and 110B are used instead of electrodes, the structure is simplified, and the number of parts can be reduced and the manufacturing process can be simplified. Similarly to the case of the thermal switch form 4, the thermal conductivity of the thermal switches 140A and 140B is larger than that of the thermal switch forms 2 and 3.

<熱スイッチの形態6>
図32は熱スイッチの形態6を説明するための説明図である。
<Thermal switch form 6>
FIG. 32 is an explanatory diagram for explaining a sixth embodiment of the thermal switch.

熱スイッチの形態6は、熱スイッチ140Bに絶縁体34を追加している。具体的には、図32に示すように、熱電子の移動を妨げる絶縁体34を電極31Aと金属/絶縁相転移体32との間に設けている。図32では、図28の構成に絶縁体34を追加しているが、図29〜31の構成に対して絶縁体34を追加しても良い。その他の構成および動作は熱スイッチの形態2と同様である。   In the thermal switch mode 6, an insulator 34 is added to the thermal switch 140B. Specifically, as shown in FIG. 32, an insulator 34 that prevents the movement of thermoelectrons is provided between the electrode 31 </ b> A and the metal / insulating phase transition body 32. In FIG. 32, the insulator 34 is added to the configuration of FIG. 28, but the insulator 34 may be added to the configuration of FIGS. Other configurations and operations are the same as those of the thermal switch mode 2.

絶縁体34は、熱電子以外の電子の移動を阻止するために設ける。電極31Aと31Bとの間に直流電圧を印加すると、電極31Aと31Bとの間に電流が流れるが、本来移動してほしい熱電子に加え、熱輸送に関与しない電子を過剰に移動させてしまう可能性がある。この熱輸送に関与しない電子の過剰の移動を防ぐために、絶縁体34を金属/絶縁相転移体32に取り付けることによって、金属/絶縁相転移体32の熱伝導率の低下を防止できる。   The insulator 34 is provided to prevent the movement of electrons other than thermal electrons. When a DC voltage is applied between the electrodes 31A and 31B, a current flows between the electrodes 31A and 31B, but in addition to the thermoelectrons that are originally desired to move, electrons that are not involved in heat transport are excessively moved. there is a possibility. In order to prevent the excessive movement of electrons not involved in the heat transport, by attaching the insulator 34 to the metal / insulating phase transition body 32, it is possible to prevent a decrease in the thermal conductivity of the metal / insulating phase transition body 32.

<熱スイッチの形態7>
図33は熱スイッチの形態7を説明するための説明図である。
<Thermal switch form 7>
FIG. 33 is an explanatory diagram for explaining a thermal switch according to a seventh embodiment.

熱スイッチの形態7は、熱スイッチの形態4に係る図30の熱スイッチ140Bに分極体35を追加している。具体的には、電極31Aと金属/絶縁相転移体32との間に熱電子の移動を促す分極体35を配置する。分極体35は、誘電体およびイオン性液体のうちの少なくとも1種類以上から形成する。その他の構成および動作は熱スイッチの形態4と同様である。   In the thermal switch mode 7, the polarization body 35 is added to the thermal switch 140 </ b> B of FIG. 30 according to the thermal switch mode 4. Specifically, a polarizing body 35 that promotes the movement of thermoelectrons is disposed between the electrode 31 </ b> A and the metal / insulating phase transition body 32. The polarizing body 35 is formed from at least one of a dielectric and an ionic liquid. Other configurations and operations are the same as those of the thermal switch mode 4.

分極体35は、金属/絶縁相転移体32内を移動する電子を取り出したり、金属/絶縁相転移体32内に電子を注入したりする。このため、金属/絶縁相転移体32内の電子の分布状態が変化して、熱電子が流れやすくなる。分極体35を配置することで、金属/絶縁相転移体32の熱伝導率をより大きくすることができる。   The polarizing body 35 takes out electrons moving in the metal / insulating phase transition body 32 and injects electrons into the metal / insulating phase transition body 32. For this reason, the distribution state of the electrons in the metal / insulating phase transition body 32 changes, and thermal electrons easily flow. By disposing the polarization body 35, the thermal conductivity of the metal / insulating phase transition body 32 can be further increased.

熱スイッチの形態2〜7のように、電圧の印加、除去によって熱伝導率が変化する熱スイッチ140Bを用いると、隣接する磁性体との熱伝導を、電圧の印加、除去だけで断続させることができる。したがって、熱スイッチ自身を移動させて、熱交換器と磁性体の間、磁性体同士の間を挿脱させる必要がなくなるため、熱スイッチの耐久性が向上し、同時に信頼性も向上する。   When the thermal switch 140B whose thermal conductivity is changed by applying and removing voltage as in the forms 2 to 7 of the thermal switch, the heat conduction with the adjacent magnetic body is intermittently applied only by applying and removing the voltage. Can do. Therefore, it is not necessary to move the thermal switch itself to insert / remove between the heat exchanger and the magnetic body, and between the magnetic bodies, so that the durability of the thermal switch is improved and at the same time the reliability is improved.

<熱スイッチの形態8>
図34は熱スイッチの形態8における熱スイッチの構成を説明するための熱スイッチ部分の断面図である。図35は熱スイッチの形態8における熱スイッチの構成を説明するための熱スイッチ部分の平面図(図34の矢視Aの図)である。
<Thermal switch form 8>
FIG. 34 is a cross-sectional view of the thermal switch portion for explaining the configuration of the thermal switch in the eighth form of thermal switch. FIG. 35 is a plan view of the thermal switch portion for explaining the configuration of the thermal switch in the thermal switch mode 8 (the view taken along arrow A in FIG. 34).

本形態の熱スイッチは、電気濡れ(エレクトロウェッティング)効果を利用したものである。ここでは、熱生成部材110Aと110Bとの間に設けられた熱スイッチ140Bを例に説明する。   The thermal switch of this embodiment uses an electric wetting (electrowetting) effect. Here, a thermal switch 140B provided between the heat generating members 110A and 110B will be described as an example.

熱スイッチ140Bは、熱生成部材110Aに接する第1電極構造体71と、熱生成部材110Bに接する第2電極構造体81と、第1電極構造体71および第2電極構造体81の間の隙間90と、この隙間90に出し入れされる液体金属95とを有する。また、隙間90の一端には、液体金属95を収容する液溜まり77を有する。なお、隙間90において、液溜まり77を設けた一端の反対側の端部は開放端92となっている。   The thermal switch 140B includes a first electrode structure 71 in contact with the heat generation member 110A, a second electrode structure 81 in contact with the heat generation member 110B, and a gap between the first electrode structure 71 and the second electrode structure 81. 90 and a liquid metal 95 that is taken in and out of the gap 90. In addition, a liquid reservoir 77 that stores the liquid metal 95 is provided at one end of the gap 90. In the gap 90, the end opposite to the one end where the liquid reservoir 77 is provided is an open end 92.

第1電極構造体71と第2電極構造体81は、同じ構造を有していて、隙間90を中心線とする対称構造である。第1電極構造体71は、熱生成部材110A側から順に、第1電極72、誘電体73、第2電極74、撥液コート層75を有する。第2電極構造体81も同様に、熱生成部材110B側から順に、第1電極72、誘電体73、第2電極74、および撥液コート層75を有する。つまり、隙間90を中心としてみれば、第1電極構造体71も第2電極構造体81も、隙間90側から順に撥液コート層75、第2電極74、誘電体73、第1電極72となるように配置されている。   The first electrode structure 71 and the second electrode structure 81 have the same structure and are symmetrical structures with the gap 90 as the center line. The first electrode structure 71 includes a first electrode 72, a dielectric 73, a second electrode 74, and a liquid repellent coating layer 75 in this order from the heat generating member 110A side. Similarly, the second electrode structure 81 includes a first electrode 72, a dielectric 73, a second electrode 74, and a liquid repellent coating layer 75 in order from the heat generating member 110B side. That is, when the gap 90 is taken as the center, both the first electrode structure 71 and the second electrode structure 81 have the liquid repellent coating layer 75, the second electrode 74, the dielectric 73, and the first electrode 72 in order from the gap 90 side. It is arranged to be.

熱生成部材全体の下部には、下部基板76を有する。この下部基板76内に、隙間90に連通した液溜まり77を有している。   A lower substrate 76 is provided below the entire heat generating member. The lower substrate 76 has a liquid reservoir 77 communicating with the gap 90.

第2電極74は、液溜まり77内部にまで入っていて、液体金属95と電気的に導通することができるようになっている。一方、第1電極72は液溜まり77からは絶縁されている。すなわち、第1電極72は液体金属95と絶縁されているのである。   The second electrode 74 extends into the liquid reservoir 77 and can be electrically connected to the liquid metal 95. On the other hand, the first electrode 72 is insulated from the liquid reservoir 77. That is, the first electrode 72 is insulated from the liquid metal 95.

これにより、第1電極72と第2電極74は、その間にある誘電体73を介したキャパシター構造となっていて、これがそのまま液体金属95と第1電極72のキャパシターとして作用することになる(詳細後述)。   As a result, the first electrode 72 and the second electrode 74 have a capacitor structure with the dielectric 73 between them, and this acts as a capacitor for the liquid metal 95 and the first electrode 72 (details). Later).

第1電極構造体71と第2電極構造体81の上部には、それぞれ第1および第2電極72、74から導かれた配線が形成される上部基板40を有する。上部基板40は、第1電極構造体71側と第2電極構造体81側とで、隙間90の延長によって分離、絶縁され、第1電極構造体71および第2電極構造体81と同様に隙間90によって対称な同じ構造である。上部基板40は、それぞれ第1電極72からの第1配線41と、第2電極74からの第2配線42が絶縁層43によって絶縁されている。第1および第2配線41および42は、この熱スイッチ140Bを制御するための制御装置(不図示)に接続されている。そして制御装置が、磁気の移動に同期して、この熱スイッチ140Bによる熱伝達状態と断熱状態を切り替えている。   Above the first electrode structure 71 and the second electrode structure 81, there is an upper substrate 40 on which wirings led from the first and second electrodes 72 and 74 are formed. The upper substrate 40 is separated and insulated by extending the gap 90 on the first electrode structure 71 side and the second electrode structure 81 side, and the gap is the same as the first electrode structure 71 and the second electrode structure 81. 90 is the same structure symmetrical. In the upper substrate 40, the first wiring 41 from the first electrode 72 and the second wiring 42 from the second electrode 74 are insulated by the insulating layer 43. The first and second wirings 41 and 42 are connected to a control device (not shown) for controlling the thermal switch 140B. The control device switches between the heat transfer state and the heat insulation state by the heat switch 140B in synchronization with the magnetic movement.

以下さらにこの熱スイッチ140B各部を詳細に説明する。   Hereinafter, each part of the thermal switch 140B will be described in detail.

第1電極72および第2電極74は、たとえば、銅、アルミニウムなど、導電性のものであれば、特に限定されない。第1電極72および第2電極74の形状はともに同じであり、隙間90の大きさ(隙間の間隔を除く)と一致する電極板となっている。   The first electrode 72 and the second electrode 74 are not particularly limited as long as they are conductive, such as copper and aluminum. The shapes of the first electrode 72 and the second electrode 74 are the same, and are electrode plates that match the size of the gap 90 (excluding the gap interval).

誘電体73は、第1電極72と第2電極74の間にあって、たとえば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜など、誘電体73であれば特に限定されない。誘電体73の形状は第1電極72および第2電極74と同じ大きさであり、第1電極72と第2電極74が短絡しない形状となっている。   The dielectric 73 is not particularly limited as long as it is between the first electrode 72 and the second electrode 74 and is a dielectric 73 such as a silicon oxide film or a silicon nitride film. The shape of the dielectric 73 is the same size as the first electrode 72 and the second electrode 74, and the first electrode 72 and the second electrode 74 are not short-circuited.

撥液コート層75は、液体金属95に対して撥液性を有する。また、撥液コート層75は、導電性であることが好ましい。このような撥液コート層75に用いる材料とは、たとえば、導電性酸化膜、導電性ガラス材、導電性セラミックス材、グラフェンなどが好ましい。   The liquid repellent coating layer 75 has liquid repellency with respect to the liquid metal 95. The liquid repellent coating layer 75 is preferably conductive. The material used for such a liquid repellent coating layer 75 is preferably, for example, a conductive oxide film, a conductive glass material, a conductive ceramic material, or graphene.

このように、撥液コート層75が液体金属95に対して撥液性となっていることで、電気を印加していない状態では、液体金属95が容易に液溜まり77内に収納されるようになる。また、導電性を有することで、第2電極74に流した電気を液体金属95に直接流すことができて効率がよい。また、第2電極74に電気を流して液体金属95を第1電極構造体71と第2電極構造体81の間の隙間90に充填する際に、液溜まり77内を空にできるので、液体金属95使用量を少なくすることができる。   As described above, since the liquid repellent coating layer 75 is liquid repellent with respect to the liquid metal 95, the liquid metal 95 can be easily stored in the liquid reservoir 77 when no electricity is applied. become. Further, by having conductivity, electricity that has flowed to the second electrode 74 can be directly flowed to the liquid metal 95, which is efficient. Further, when the liquid metal 95 is filled in the gap 90 between the first electrode structure 71 and the second electrode structure 81 by supplying electricity to the second electrode 74, the liquid reservoir 77 can be emptied, so that the liquid The amount of metal 95 used can be reduced.

なお、液溜まり77内に常に液体金属95の一部が残留して、第2電極74から液体金属95に電気を流すことができれば、撥液コート層75は撥液性を有するだけで、導電性のないものであってもよい。また、第2電極74の隙間90側の表面に極薄いシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの絶縁性の撥液性部材を形成してもよい。極薄いシリコン酸化膜やシリコン窒化膜であれば、これらが介在していても第2電極74に電気を流したときにトンネル効果によって、液体金属95に電気を流すことができる。   If a part of the liquid metal 95 always remains in the liquid reservoir 77 and electricity can flow from the second electrode 74 to the liquid metal 95, the liquid repellent coating layer 75 only has liquid repellency and is conductive. It may be non-sexual. Further, an insulating liquid repellent member such as an extremely thin silicon oxide film or silicon nitride film may be formed on the surface of the second electrode 74 on the gap 90 side. If an extremely thin silicon oxide film or silicon nitride film is present, electricity can be passed to the liquid metal 95 by the tunnel effect when electricity is passed to the second electrode 74 even if they are present.

このような部材によって構成される撥液コート層75の形状は第2電極74を覆う大きさである。   The shape of the liquid repellent coating layer 75 constituted by such a member is large enough to cover the second electrode 74.

さらに、第2電極74自体を導電性で、かつ、その表面が撥液性となる部材を用いてもよい。つまり第2電極74自体を導電性酸化膜、導電性ガラス材、導電性セラミックス材、グラフェンなどによって形成するのである。この場合、第2電極74の隙間側表面に、撥液コート層を設ける必要がなくなる。   Furthermore, the second electrode 74 itself may be a conductive member and the surface thereof may be liquid repellent. That is, the second electrode 74 itself is formed of a conductive oxide film, a conductive glass material, a conductive ceramic material, graphene, or the like. In this case, it is not necessary to provide a liquid repellent coating layer on the gap side surface of the second electrode 74.

下部基板76は、少なくとも第1および第2電極72、74との間で絶縁されているものであればよい。たとえば、全体が絶縁性を有する材料として、エポキシ基板、フェノール基板、ABS樹脂基板などが用いられる。そして、これら基板に液溜まり77を設ける。この場合、液体金属95を液溜まり77内に収納しやすいように、液溜まり内壁面を親液性にする。親液性を持たせるためには、液溜まり壁面に金属膜79(たとえば銅、ニッケル、アルミニウムなどの金属膜)を形成することが好ましい。   The lower substrate 76 only needs to be insulated from at least the first and second electrodes 72 and 74. For example, an epoxy substrate, a phenol substrate, an ABS resin substrate, or the like is used as a material having insulation properties as a whole. A liquid reservoir 77 is provided on these substrates. In this case, the inner wall surface of the liquid reservoir is made lyophilic so that the liquid metal 95 can be easily stored in the liquid reservoir 77. In order to impart lyophilicity, it is preferable to form a metal film 79 (for example, a metal film of copper, nickel, aluminum, etc.) on the liquid reservoir wall surface.

また、下部基板76としては、たとえばシリコン基板を用いることもできる。シリコン基板を用いた場合、まず液溜まり77の形成後、液溜まり77内部の壁面表面を含めて、すべての表面をシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などにより絶縁層(不図示)を形成する。そして、液溜まり77内に親液性を持たせるために金属膜79(たとえば銅、ニッケル、アルミニウムなどの金属膜、さらにシリコン基板とした場合は導電性を付与したポリシリコンなどでもよい)を形成することが好ましい。   As the lower substrate 76, for example, a silicon substrate can be used. When a silicon substrate is used, first, after forming the liquid reservoir 77, an insulating layer (not shown) is formed on the entire surface including the wall surface inside the liquid reservoir 77 with a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like. Then, a metal film 79 (for example, a metal film such as copper, nickel, aluminum or the like, or polysilicon provided with conductivity in the case of a silicon substrate) may be formed to make the liquid reservoir 77 lyophilic. It is preferable to do.

液溜まり77内に形成した金属膜79は第2電極74と導通するようにしてもよい。   The metal film 79 formed in the liquid reservoir 77 may be electrically connected to the second electrode 74.

なお、液溜まり77内の金属膜79はなくてもよい。上述したとおり、液溜まり77内の金属膜79は、液溜まり77内壁面を親液性にすることで液体金属95が下がったときに、液体金属95が液溜まり77内に収納されやすくするためのものである。このため、液溜まり77の大きさが十分に大きく、液溜まり77内壁面が親液性でなくても液体金属95の収納がスムーズにゆく場合には金属膜79はなくてもよい。   Note that the metal film 79 in the liquid reservoir 77 may be omitted. As described above, the metal film 79 in the liquid reservoir 77 makes the liquid metal 95 easily stored in the liquid reservoir 77 when the liquid metal 95 is lowered by making the inner wall surface of the liquid reservoir 77 lyophilic. belongs to. For this reason, the metal film 79 may be omitted when the size of the liquid reservoir 77 is sufficiently large and the liquid metal 95 can be stored smoothly even if the inner wall surface of the liquid reservoir 77 is not lyophilic.

さらに、下部基板76の液溜まり77には、液体金属95が漏れ出ない程度の空気穴93が設けられている(空気穴93の機能については後述)。   Furthermore, an air hole 93 is provided in the liquid reservoir 77 of the lower substrate 76 so that the liquid metal 95 does not leak out (the function of the air hole 93 will be described later).

上部基板40は、第1電極構造体71側と第2電極構造体81側で同じ構成であり、第1電極72と電気的に接続された第1配線41と、第2電極74と電気的に接続された第2配線42と、これらを絶縁分離する絶縁層43を有する。また、すでに説明したように、第1電極構造体71側と第2電極構造体81側は隙間90によって絶縁、分離されているため、当然に上部基板40も第1電極構造体71側と第2電極構造体81側でそれぞれ分離して同じ構成となるように設けられている。また、各第2配線42の隙間90に面した部分は、撥液コート層75が形成されている。また、隙間90部分は、上から見ると、図35に示すように、撥液コート層75が隙間90を取り囲むように形成されており、隙間90の側面部分75aから液体金属95が漏れないようになっている。なお、隙間90の側面部分75aには、図示しないが、撥液コート層75の外側に、隙間の側面部分(または熱生成部材110Aの側面を含めた側面全体)を覆う構造体(不図示)があってもよい。このような構造体は、たとえば樹脂やセラミックなど非磁性、非導電性の部材が好ましい。   The upper substrate 40 has the same configuration on the first electrode structure 71 side and the second electrode structure 81 side, and the first wiring 41 electrically connected to the first electrode 72 and the second electrode 74 are electrically connected. And a second wiring 42 connected to each other and an insulating layer 43 for insulating and separating them. Further, as described above, the first electrode structure 71 side and the second electrode structure 81 side are insulated and separated by the gap 90, so that the upper substrate 40 is naturally separated from the first electrode structure 71 side by the first electrode structure 71 side. The two electrode structures 81 are provided so as to be separated and have the same configuration. Further, a liquid repellent coating layer 75 is formed on the portion of each second wiring 42 facing the gap 90. Further, when viewed from above, the gap 90 portion is formed so that the liquid repellent coating layer 75 surrounds the gap 90 as shown in FIG. 35 so that the liquid metal 95 does not leak from the side surface portion 75a of the gap 90. It has become. Although not shown in the side surface portion 75a of the gap 90, a structure (not shown) covers the side surface portion of the gap (or the entire side surface including the side surface of the heat generating member 110A) outside the liquid repellent coating layer 75. There may be. Such a structure is preferably a non-magnetic, non-conductive member such as resin or ceramic.

上部基板40で配線が対向した部分(図34中の丸で囲った部分)は、開放端92となっていて、液体金属95の移動によって隙間90内の圧力が上ったり下がったりしないようになっている。このため液体金属95は、スムーズに隙間90内を移動できる。   The portion of the upper substrate 40 facing the wiring (the circled portion in FIG. 34) is an open end 92 so that the pressure in the gap 90 does not increase or decrease due to the movement of the liquid metal 95. It has become. For this reason, the liquid metal 95 can move in the gap 90 smoothly.

上部基板40に用いられる配線41、42は、第1および第2電極72および74と同じく、銅、アルミニウムなどである。一方、絶縁層43は、少なくとも誘電体73よりも誘電率の低い絶縁体(絶縁材)が好ましい。   Similar to the first and second electrodes 72 and 74, the wirings 41 and 42 used for the upper substrate 40 are made of copper, aluminum, or the like. On the other hand, the insulating layer 43 is preferably an insulator (insulating material) having a dielectric constant lower than that of the dielectric 73 at least.

配線41、42は、第1および第2電極72および74に対して電圧を印加するための配線である。このため配線が対向した部分(図34中の丸で囲った開放端92近傍部分)でも、第1および第2電極72および74と同じ電圧がかかる。そうすると、上部基板40の絶縁層113として誘電率の高い材料が用いられていると、この部分でも液体金属95と配線42との間がキャパシター構造となってしまう。そうすると液体金属95が上昇してきたときに、その勢いで、丸で囲んだ部分からさらに上にまで液体金属95が来て、吐出してしまう虞がある。これを防ぐために、この配線42同士が隙間90を介して向き合う部分では、誘電率が低い絶縁材を用いることで、液体金属95がこの配線42同士が対向する部分の隙間90に入ってくるのを防止している。   The wirings 41 and 42 are wirings for applying a voltage to the first and second electrodes 72 and 74. For this reason, the same voltage as that of the first and second electrodes 72 and 74 is applied to the portion where the wiring is opposed (the portion near the open end 92 surrounded by a circle in FIG. 34). Then, if a material having a high dielectric constant is used for the insulating layer 113 of the upper substrate 40, a capacitor structure is formed between the liquid metal 95 and the wiring 42 even in this portion. Then, when the liquid metal 95 rises, there is a possibility that the liquid metal 95 may come from the circled portion to the upper side and be ejected. In order to prevent this, in a portion where the wirings 42 face each other through the gap 90, the liquid metal 95 enters the gap 90 where the wirings 42 face each other by using an insulating material having a low dielectric constant. Is preventing.

具体的には、たとえば、半導体装置において使用されている、いわゆるLow−k材料を使用することができる。たとえばシリコン酸化物にフッ素や炭素を添加したもの、有機ポリマーなどがある。そのほか、第1および第2電極72、74の間に用いた誘電体73よりも誘電率が低い材料であればよい。これらLow−k材料であってもよい。これらのLow−k材料は、SiO2の比誘電率4.2〜4.0に対して、比誘電率3.0以下であることが知られている。   Specifically, for example, a so-called Low-k material used in a semiconductor device can be used. For example, silicon oxide added with fluorine or carbon, organic polymer, and the like. In addition, any material having a lower dielectric constant than the dielectric 73 used between the first and second electrodes 72 and 74 may be used. These Low-k materials may be used. These Low-k materials are known to have a relative dielectric constant of 3.0 or less with respect to a relative dielectric constant of 4.2 to 4.0 of SiO2.

なお、絶縁体である絶縁層43を配置する開放端92近傍部分は、配線42および43が絶縁される厚みであるが、たとえば隙間上端から誘電体73の厚み程度の厚さ分もあれば、液体金属95が上がってきたときに上端から吐出することはない。   The portion near the open end 92 where the insulating layer 43 that is an insulator is disposed has a thickness at which the wirings 42 and 43 are insulated. For example, if there is a thickness about the thickness of the dielectric 73 from the upper end of the gap, When the liquid metal 95 rises, it is not discharged from the upper end.

そして、液体金属95(導電性流体と称されることもある)は、少なくともこの冷暖房装置が使用される温度範囲において液体の金属である。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/cm3、粘度:0.0024Pa・s(at20℃)、熱伝導率:16.5W/(m・K)である。そのほかにも、周知の様々な液体金属95を用いてもよく、熱伝達率が高いものが好ましい。   The liquid metal 95 (sometimes referred to as a conductive fluid) is a liquid metal at least in a temperature range in which the air conditioner is used. For example, galinstan which is a eutectic alloy of gallium, indium and tin can be used. Galinstan is a metal that is liquid at room temperature and has a different melting point depending on the composition of gallium, indium, and tin. For example, a galinstan of 68.5% gallium, 21.5% indium and 10% tin has a melting point: −19 ° C., a boiling point: 1300 ° C. or more, a specific gravity: 6.44 g / cm 3, and a viscosity: 0.0024 Pa · s (at 20 ° C) and thermal conductivity: 16.5 W / (m · K). In addition, various known liquid metals 95 may be used, and those having a high heat transfer coefficient are preferable.

次に、このように構成された熱スイッチ140Bの作用を説明する。   Next, the operation of the thus configured thermal switch 140B will be described.

本形態の熱スイッチ140Bにおいては、熱スイッチ部としての機能を隙間90と液溜まり77の間を行き来する液体金属95により行っている。そして、液体金属95を隙間90と液溜まり77の間を行き来させるためには、エレクトロウェッティングを用いている。エレクトロウェッティングによる液体金属95の移動自体には、公知であり、たとえば、特開2007−103363号公報などに開示されるので、ここでは本形態の理解のために必要な原理について説明する。   In the thermal switch 140 </ b> B of this embodiment, the function as the thermal switch unit is performed by the liquid metal 95 that moves back and forth between the gap 90 and the liquid reservoir 77. In order to move the liquid metal 95 back and forth between the gap 90 and the liquid reservoir 77, electrowetting is used. The movement of the liquid metal 95 by electrowetting is known per se and is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-103363. Therefore, the principle necessary for understanding this embodiment will be described here.

図36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。   FIG. 36 is an explanatory diagram for explaining the principle of electrowetting.

エレクトロウェッティングは、電極板400上に設けられた誘電体401の表面に液体金属95(ここでは液滴として示した)を乗せ、電極板400と液体金属95の間に電圧を印加することで、誘電体表面における液体金属95との濡れ性を制御する技術である。   In electrowetting, a liquid metal 95 (shown as a droplet here) is placed on the surface of a dielectric 401 provided on the electrode plate 400, and a voltage is applied between the electrode plate 400 and the liquid metal 95. This is a technique for controlling the wettability with the liquid metal 95 on the dielectric surface.

電極板400と液体金属95との間は誘電体401を介してキャパシターが形成されている。図36Aに示すように、電極板400と液体金属95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変化(増加)して、それに相当する液体金属95の表面エネルギーが減少し、液体金属95の表面張力が低下する。これにより液体金属95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95が乗っている誘電体401の表面における液体金属表面とのなす角をいう。この接触角度θは、液体金属95の表面張力に応じて0°〜180°の範囲で変化する。   A capacitor is formed between the electrode plate 400 and the liquid metal 95 via a dielectric 401. As shown in FIG. 36A, when a voltage is applied between the electrode plate 400 and the liquid metal 95, the electrostatic energy of the capacitor changes (increases), and the corresponding surface energy of the liquid metal 95 decreases, The surface tension of the liquid metal 95 is lowered. As a result, the contact angle θ with respect to the surface of the liquid metal 95 changes. Here, the contact angle θ refers to an angle between the surface of the dielectric 401 on which the liquid metal 95 is placed and the surface of the liquid metal. This contact angle θ varies in the range of 0 ° to 180 ° according to the surface tension of the liquid metal 95.

ここで図36Aに示すように(電圧印加時)、接触角度θが、0°から90°までは、液体金属95に対する表面の濡れ性がよい状態、すなわち親液性のある状態である。一方、図36Bに示すように(電圧印加無しのとき)、接触角度θは、90°を超えて180°であり、これが濡れ性の悪い状態、すなわち撥液性の状態である。このように誘電体表面に置いた液体金属95の接触角度θを、電圧の印加によって変更できるのがエレクトロウェッティングである。   Here, as shown in FIG. 36A (when voltage is applied), when the contact angle θ is from 0 ° to 90 °, the surface has good wettability with respect to the liquid metal 95, that is, a lyophilic state. On the other hand, as shown in FIG. 36B (when no voltage is applied), the contact angle θ exceeds 90 ° and is 180 °, which is a state of poor wettability, that is, a liquid repellent state. Electrowetting can change the contact angle θ of the liquid metal 95 placed on the dielectric surface in this way by applying a voltage.

図37は隙間における液体金属の移動を説明するための説明図で、隙間における液体金属部分の拡大図である。   FIG. 37 is an explanatory diagram for explaining the movement of the liquid metal in the gap, and is an enlarged view of the liquid metal portion in the gap.

本形態では、液体金属95が移動する表面は、熱生成部材110Aと110Bの間の隙間90に対向するように設けられた撥液コート層75である。この撥液コート層75は、すでに説明したとおり、液体金属95に対する撥液性を有する。このため、第1および第2電極72、74の間に電圧を印加しなければ、図37Aに示すように、液体金属95は、撥液コート層75の表面においてその接触角度は90°以上となって撥液性(疎液性ともいう)となっている。   In this embodiment, the surface on which the liquid metal 95 moves is a liquid repellent coating layer 75 provided so as to face the gap 90 between the heat generating members 110A and 110B. The liquid repellent coating layer 75 has liquid repellency with respect to the liquid metal 95 as described above. Therefore, if no voltage is applied between the first and second electrodes 72 and 74, the liquid metal 95 has a contact angle of 90 ° or more on the surface of the liquid repellent coating layer 75 as shown in FIG. 37A. It becomes liquid repellency (also called lyophobic).

このように液体の接触面(撥液コート層75の表面)と接触角度が90°以上となることで、図37Aに示したように、液体金属95の液面は、中央部分が凸となって、液体金属95の撥液コート層75表面との接触部分が下がった状態になる。このため液体金属95が撥液コート層75表面を伝って行く力が働かなくなり、液体金属95が毛細管現象によって上昇してしまうことはない。   In this way, the contact angle with the liquid contact surface (the surface of the liquid repellent coating layer 75) is 90 ° or more, so that the liquid metal 95 has a convex central portion as shown in FIG. 37A. Thus, the contact portion of the liquid metal 95 with the surface of the liquid repellent coating layer 75 is lowered. For this reason, the force that the liquid metal 95 travels along the surface of the liquid repellent coating layer 75 does not work, and the liquid metal 95 does not rise by capillary action.

この状態は、熱スイッチ全体としては図34に示した状態であり、液体金属95は、液溜まり77内にあって、隙間90は空気により満たされている。したがって、この空気で満たされた隙間90によって熱生成部材110Aと110Bの間は断熱状態となる。   This state is the state shown in FIG. 34 for the entire thermal switch. The liquid metal 95 is in the liquid reservoir 77, and the gap 90 is filled with air. Accordingly, the heat generating members 110A and 110B are thermally insulated by the gap 90 filled with air.

一方、熱生成部材110Aと110Bのそれぞれにある第1電極72と第2電極74の間に電圧を印加すると、第1電極72と第2電極74の間にある誘電体73が分極して静電エネルギーが変化(増加)する。このとき第2電極74と液体金属95とは電気的導通がとられているため、結果的に、液体金属95と第1電極72とが誘電体73を介してキャパシター構造となっている。この構造はエレクトロウェッティングの原理を説明した図22の電極板400と誘電体401を介した液体金属95とによるキャパシター構造と同様の構造ということである。   On the other hand, when a voltage is applied between the first electrode 72 and the second electrode 74 in each of the heat generating members 110A and 110B, the dielectric 73 between the first electrode 72 and the second electrode 74 is polarized and statically applied. Electric energy changes (increases). At this time, since the second electrode 74 and the liquid metal 95 are electrically connected, the liquid metal 95 and the first electrode 72 have a capacitor structure via the dielectric 73 as a result. This structure is the same structure as the capacitor structure of the electrode plate 400 in FIG. 22 and the liquid metal 95 through the dielectric 401 explaining the principle of electrowetting.

このため、第1電極72と第2電極74の間に電圧を印加したことで、液体金属95の表面エネルギーが増加して、それに伴い撥液コート層75(誘電膜)表面における液体金属95の表面張力が減少し、濡れ性がよくなる。そうすると、図37Bに示すように、撥液コート層75表面に接している液体金属95表面の接触角度θが90°以下になる。これにより、液体金属95自体の表面張力は失われるものの、隙間90を登ってゆく張力が働くことになる。図37Bにおけるhがもとの液面に位置(図37A)からの上昇量である。なお、図37においてdは隙間の間隔である。   Therefore, by applying a voltage between the first electrode 72 and the second electrode 74, the surface energy of the liquid metal 95 is increased, and accordingly, the liquid metal 95 on the surface of the liquid repellent coating layer 75 (dielectric film) is increased. Surface tension is reduced and wettability is improved. Then, as shown in FIG. 37B, the contact angle θ of the surface of the liquid metal 95 in contact with the surface of the liquid repellent coating layer 75 becomes 90 ° or less. As a result, the surface tension of the liquid metal 95 itself is lost, but the tension that climbs up the gap 90 works. In FIG. 37B, h is the amount of rise from the position (FIG. 37A) on the original liquid level. In FIG. 37, d is the gap interval.

図38は、図34と同じ部分の断面図であり、液体金属95が隙間90を上がってきた状態、すなわち熱伝達状態を示している。   FIG. 38 is a cross-sectional view of the same portion as FIG. 34 and shows a state in which the liquid metal 95 has gone up through the gap 90, that is, a heat transfer state.

図示するように、液体金属95は隙間90の頂上である上部基板40の位置まで到達する。上部基板40の隙間部分ではすでに説明したように、上部基板40の第1配線111と第2配線42の間には誘電体が存在しない(または誘電率が低い)。このため、この部分での静電エネルギーはほとんど変化しないため、上昇した液体金属95の濡れ性はよくならないので、これ以上液体金属95が上昇することはない。   As illustrated, the liquid metal 95 reaches the position of the upper substrate 40 that is the top of the gap 90. As already described, in the gap portion of the upper substrate 40, there is no dielectric between the first wiring 111 and the second wiring 42 of the upper substrate 40 (or the dielectric constant is low). For this reason, since the electrostatic energy in this portion hardly changes, the wettability of the raised liquid metal 95 does not improve, so the liquid metal 95 does not rise any further.

そして、液体金属95が上昇したことにより、隙間90は液体金属95で満たされて熱生成部材110Aと110B間の熱の伝達が起きて熱伝達状態になる。   Then, as the liquid metal 95 rises, the gap 90 is filled with the liquid metal 95, and heat transfer occurs between the heat generating members 110A and 110B, resulting in a heat transfer state.

このようにして本形態の熱スイッチ140Bでは、エレクトロウェッティングにより熱スイッチ140Bに設けた隙間90に液体金属95が充填された熱伝達状態と、隙間90から液体金属95を排除した断熱状態を、電気的に制御することができるのである。   Thus, in the thermal switch 140B of this embodiment, the heat transfer state in which the liquid metal 95 is filled in the gap 90 provided in the thermal switch 140B by electrowetting and the heat insulation state in which the liquid metal 95 is excluded from the gap 90 are It can be controlled electrically.

熱スイッチ140Bを構成する各部の好ましいサイズは、ガリンスタンを液体金属95として用いた場合、隙間90の間隔が10μm〜50μmが好ましいものとなる。下限値を10としたのは、この程度の隙間90をあけることで、液体金属95が下がって隙間90内に空気が入ったときに十分な断熱性を有するようにするためである。一方、上限の50μmは、液体金属95が上がって隙間90を満たした場合の熱伝達性能を保つためである。   The preferable size of each part constituting the thermal switch 140B is such that when the gallinstan is used as the liquid metal 95, the gap 90 is preferably 10 μm to 50 μm. The reason why the lower limit value is set to 10 is to provide sufficient heat insulation when the liquid metal 95 is lowered and air enters the gap 90 by opening the gap 90 of this level. On the other hand, the upper limit of 50 μm is for maintaining the heat transfer performance when the liquid metal 95 rises and fills the gap 90.

なお、図38に示したように、液体金属95が隙間90を上昇すると液溜まり77内から液体金属95が出てゆくことになる。このとき、仮に液溜まり77が密閉状態だと、液溜まり77内部が負圧(真空)になるため液体金属95が液溜まり77から隙間90に出て行きづらくなる。そこで、本形態では、液溜まり77の下部端に空気穴93を設けたのである。空気穴93の大きさは液体金属95が漏れ出ない程度でかつ空気の流入、流出が起こる程度の大きさとする。なお、空気穴93の位置は、液溜まり77の下部端以外であってもよく、液体金属95が液溜まり77から隙間90に出て行きやすくなるように配置されていればよい。   As shown in FIG. 38, when the liquid metal 95 rises through the gap 90, the liquid metal 95 comes out from the liquid pool 77. At this time, if the liquid reservoir 77 is hermetically sealed, the inside of the liquid reservoir 77 becomes a negative pressure (vacuum), so that the liquid metal 95 is difficult to go out of the liquid reservoir 77 into the gap 90. Therefore, in this embodiment, the air hole 93 is provided at the lower end of the liquid reservoir 77. The size of the air hole 93 is set such that the liquid metal 95 does not leak and the inflow and outflow of air occur. The position of the air hole 93 may be other than the lower end of the liquid reservoir 77, and the air hole 93 may be arranged so that the liquid metal 95 can easily go out from the liquid reservoir 77 into the gap 90.

ここで、本形態においては、隙間90を介して対向する第1および第2電極構造体71および81は、それぞれ第1電極72と第2電極74を、誘電体73を介して平行に設けている。このうち、エレクトロウェッティングの作用しているのは、第1電極72、液体金属95、およびその間の誘電体73によって構成されるキャパシターである。このため、エレクトロウェッティングの原理としては、液体金属95に電圧を印加することができれば、第2電極74はなくてもよい。たとえば、下部基板を通して、液体金属と電気的に接続される電極を設けるなどである。この場合、第2電極は隙間内に存在しないので、隙間の対向する面は誘電体となり、液体金属に対して撥液性があるので、撥液コート層もなくてよい。   Here, in the present embodiment, the first and second electrode structures 71 and 81 facing each other with the gap 90 are provided with the first electrode 72 and the second electrode 74 in parallel via the dielectric 73, respectively. Yes. Among these, the electrowetting function is a capacitor constituted by the first electrode 72, the liquid metal 95, and the dielectric 73 therebetween. For this reason, as a principle of electrowetting, the second electrode 74 may be omitted as long as a voltage can be applied to the liquid metal 95. For example, an electrode electrically connected to the liquid metal is provided through the lower substrate. In this case, since the second electrode does not exist in the gap, the opposing surface of the gap becomes a dielectric and has liquid repellency with respect to the liquid metal.

ただし、このようにした場合(第2電極を省略した場合)、キャパシター構造としては、第1電極72の対向電極となる液体金属95が移動するため、電極面積が増減することになる。このため、エレクトロウェッティング作用を起こさせる誘電体での静電エネルギーも増減してしまうことになる。したがって、同じ電圧を印加していても液体金属の上昇量によってエレクトロウェッティング作用により液体金属を移動させる力が変わって、液体金属の上昇速度が変化するおそれがある。   However, when this is done (when the second electrode is omitted), the electrode area increases or decreases in the capacitor structure because the liquid metal 95 that is the counter electrode of the first electrode 72 moves. For this reason, the electrostatic energy in the dielectric material that causes the electrowetting action also increases or decreases. Therefore, even if the same voltage is applied, the force for moving the liquid metal by the electrowetting action varies depending on the amount of rise of the liquid metal, and the rise speed of the liquid metal may change.

本形態では、第1電極72と第2電極74を、誘電体73を介して平行に設けているので、第1電極72と第2電極74によるキャパシターの大きさは、液体金属95の移動によって変化しない。したがって、同じ電圧の印加でも、液体金属の移動によって液体金属の移動速度が変化したりせず安定的に熱伝達と断熱を切り替えることができる。なお、第2電極を省略した場合でも、液体金属の移動速度が若干不安定になるおそれはあるものの、第2電極を設けた場合と同様に、熱伝達と断熱の切り替えは可能である。   In this embodiment, since the first electrode 72 and the second electrode 74 are provided in parallel via the dielectric 73, the size of the capacitor by the first electrode 72 and the second electrode 74 is determined by the movement of the liquid metal 95. It does not change. Therefore, even when the same voltage is applied, the transfer speed of the liquid metal is not changed by the movement of the liquid metal, and the heat transfer and the heat insulation can be switched stably. Even when the second electrode is omitted, although the moving speed of the liquid metal may be slightly unstable, switching between heat transfer and heat insulation is possible as in the case where the second electrode is provided.

<熱スイッチ部の形態9>
図39は熱スイッチの形態9における熱スイッチ140Bの構成を説明するための平面図であって、図34中の矢視Aに相当する方向から見た図である。
<Thermal switch section 9>
FIG. 39 is a plan view for explaining the configuration of the thermal switch 140B in the ninth form of the thermal switch, as viewed from the direction corresponding to the arrow A in FIG.

本形態の熱スイッチ140Bもまた、電気濡れ(エレクトロウェッティング)効果を利用したものである。したがって、熱スイッチ部の形態8の変形例となる。   The thermal switch 140B of this embodiment also uses an electric wetting (electrowetting) effect. Therefore, this is a modification of the thermal switch section 8.

熱スイッチ部の形態9は、熱スイッチ140Bの隙間90に第1電極構造体71側と第2電極構造体81側のそれぞれの壁面、すなわち撥液コート層75の表面にブレード82を配置したものである。このブレード82は、下部基板76の液溜まり77から上部基板100方向に垂直に延びており、第1電極構造体71側のブレード82と第2電極構造体81側のブレード82は互い接触しない幅となっている。ブレード82自体は、たとえば撥液コート層75の材料をそのままブレード82の構造となるように形成するとよい。そのほかの構成は、熱スイッチ部の形態8と同じである。   In the ninth form of the thermal switch portion, the blades 82 are arranged on the wall surfaces of the first electrode structure 71 side and the second electrode structure 81 side in the gap 90 of the thermal switch 140B, that is, the surface of the liquid repellent coating layer 75. It is. The blade 82 extends vertically from the liquid reservoir 77 of the lower substrate 76 in the direction of the upper substrate 100, and the width of the blade 82 on the first electrode structure 71 side and the blade 82 on the second electrode structure 81 side is not in contact with each other. It has become. The blade 82 itself may be formed, for example, using the material of the liquid repellent coating layer 75 as it is to have the structure of the blade 82. Other configurations are the same as those of the thermal switch unit 8.

このようにすることで、液体金属95と第1電極構造体71の壁面および第2電極構造体81の壁面との接触表面積が大きくなって熱伝達効率が良くなる。また、第1電極構造体71側のブレード82と第2電極構造体81側のブレード82との間で隙間dBが形成されるため、このブレード82間の隙間dBでもブレード壁面に液体金属95の表面張力が働き、いっそう液体金属95が上昇しやすくなる(電圧印加時)。ブレード82間の隙間dBもすでに説明したとおり、10μm〜50μm程度が好ましい。   By doing in this way, the contact surface area with the liquid metal 95, the wall surface of the 1st electrode structure 71, and the wall surface of the 2nd electrode structure 81 becomes large, and heat transfer efficiency improves. In addition, since a gap dB is formed between the blade 82 on the first electrode structure 71 side and the blade 82 on the second electrode structure 81 side, the liquid metal 95 is also formed on the blade wall surface even in the gap dB between the blades 82. The surface tension works and the liquid metal 95 is more likely to rise (when voltage is applied). As described above, the gap dB between the blades 82 is preferably about 10 μm to 50 μm.

本実施形態で好ましく適用し得る熱スイッチ部の形態を説明したが、本発明はこれらの熱スイッチ部の形態に限定されない。   Although the form of the thermal switch part which can be preferably applied in this embodiment was demonstrated, this invention is not limited to the form of these thermal switch parts.

以上説明してきたように、本発明によれば、低温側熱交換部と高温側熱交換部との間に、歪の印加、除去によって発熱及び吸熱する複数の熱生成部材を有する熱生成ユニットを配置し、熱生成ユニットの熱を熱伝導ユニットによって低温側熱交換部と高温側熱交換部との間で伝導させるようにしたので、小型で軽量の冷暖房装置を提供できる。   As described above, according to the present invention, a heat generation unit having a plurality of heat generation members that generate and absorb heat by applying and removing strain between a low temperature side heat exchange unit and a high temperature side heat exchange unit. Since it arrange | positions and the heat of the heat generation unit was conducted between the low temperature side heat exchange part and the high temperature side heat exchange part by the heat conduction unit, a small and lightweight air conditioner can be provided.

100、200、300 冷暖房装置、
110、210、310 熱生成ユニット、
110A−110F、210A−210F、310A−310F 熱生成部材、
112A−112F 歪印加部、
114A−114F、215A、315A 熱量材料、
116A、216A、316A 断熱絶縁材料、
118A、218A、318A 熱伝導部材、
120、220、320 低温側熱交換部、
130、230、330 高温側熱交換部、
140、240、430 熱伝導ユニット、
140A−140G、240A−240G、340A−340G 熱スイッチ、
150、250、350 歪制御部、
160、260、360 熱スイッチ駆動部、
170、270、370 駆動制御部、
212A−212F 電極、
214A−214F、314A−314F 積層体、
213A 圧電材料、
313A 磁歪材料、
321A、312B、312C 磁石。
100, 200, 300 Air conditioner,
110, 210, 310 heat generation unit,
110A-110F, 210A-210F, 310A-310F heat generating member,
112A-112F strain applying section,
114A-114F, 215A, 315A calorimetric material,
116A, 216A, 316A thermal insulation insulating material,
118A, 218A, 318A heat conduction member,
120, 220, 320 Low temperature side heat exchange section,
130, 230, 330 High-temperature side heat exchange section,
140, 240, 430 heat conduction unit,
140A-140G, 240A-240G, 340A-340G thermal switch,
150, 250, 350 Strain control unit,
160, 260, 360 thermal switch drive,
170, 270, 370 drive control unit,
212A-212F electrodes,
214A-214F, 314A-314F laminate,
213A piezoelectric material,
313A magnetostrictive material,
321A, 312B, 312C Magnets.

Claims (20)

歪の印加、除去によって発熱及び吸熱する熱生成部材を複数間隔を設けて配置した熱生成ユニットと、
前記熱生成ユニットの一端に位置する熱生成部材と間隔を設けて隣り合う低温側熱交換部と、
前記熱生成ユニットの他端に位置する熱生成部材と間隔を設けて隣り合う高温側熱交換部と、
前記熱生成ユニット内で隣り合う熱生成部材同士の間、前記熱生成ユニットの一端に位置する熱生成部材と前記低温側熱交換部との間及び前記熱生成ユニットの他端に位置する熱生成部材と前記高温側熱交換部との間に熱スイッチを配置した熱伝導ユニットと、
前記熱生成部材に歪を印加して前記熱生成部材を活性化させる歪制御部と、
前記熱スイッチを活性化させる熱スイッチ駆動部と、
前記歪制御部及び前記熱スイッチ駆動部の作動タイミングを制御することにより前記低温側熱交換部と前記高温側熱交換部との間で熱を伝導させる駆動制御部と、
を有することを特徴とする冷暖房装置。
A heat generating unit in which heat generating members that generate heat and absorb heat by applying and removing strain are arranged at a plurality of intervals;
A low-temperature side heat exchanging section adjacent to the heat generation member located at one end of the heat generation unit with a gap therebetween;
A high temperature side heat exchanging part adjacent to the heat generating member located at the other end of the heat generating unit with a gap therebetween;
Heat generation between adjacent heat generation members in the heat generation unit, between a heat generation member located at one end of the heat generation unit and the low temperature side heat exchange unit, and at the other end of the heat generation unit A heat conduction unit in which a thermal switch is disposed between the member and the high temperature side heat exchange unit;
A strain controller that applies strain to the heat generating member to activate the heat generating member;
A thermal switch driving unit for activating the thermal switch;
A drive control unit for conducting heat between the low temperature side heat exchange unit and the high temperature side heat exchange unit by controlling the operation timing of the strain control unit and the thermal switch drive unit;
The air-conditioning apparatus characterized by having.
前記熱生成部材は、
歪を印加、除去する歪印加部と、
前記歪印加部によって歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する熱量材料と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の冷暖房装置。
The heat generating member is
A strain applying section for applying and removing strain;
A calorific material that generates heat and absorbs heat when strain is applied and removed by the strain applying section;
The air conditioning apparatus according to claim 1, comprising:
前記歪印加部は、
前記熱量材料に対して、当該熱量材料の結晶格子定数が機械的に変化するように圧縮応力または引張応力を加える部位であることを特徴とする請求項2に記載の冷暖暖房装置。
The strain applying unit is
The heating / cooling / heating device according to claim 2, wherein the heating / heating device is a portion to which a compressive stress or a tensile stress is applied to the calorific material so that a crystal lattice constant of the calorific material changes mechanically.
前記熱量材料は、
歪を印加することによって、磁気モーメントの分布が変化して磁化が変化する磁気熱量材料または双極子モーメントの分布が変化して分極が変化する電気熱量材料であることを特徴とする請求項2または3に記載の冷暖房装置。
The calorimetric material is
3. A magnetocaloric material in which the distribution of magnetic moment is changed by applying strain to change the magnetization, or an electrocaloric material in which the polarization is changed by changing the distribution of dipole moment. 3. The air conditioning apparatus according to 3.
前記熱生成部材は、
前記歪印加部と前記熱量材料との間に断熱作用を持つ断熱絶縁材料を備えることを特徴とする請求項2から4のいずれかに記載の冷暖房装置。
The heat generating member is
The air conditioning apparatus according to any one of claims 2 to 4, further comprising a heat insulating material having a heat insulating effect between the strain applying unit and the calorific material.
前記熱生成部材は、
前記熱量材料内で当該熱量材料に直接接触する熱伝導部材を備えることを特徴とする請求項2から5のいずれかに記載の冷暖房装置。
The heat generating member is
The air conditioning apparatus according to any one of claims 2 to 5, further comprising a heat conduction member that directly contacts the calorific material in the caloric material.
前記熱生成部材は、
電圧が印加される電極と、電場が印加されると結晶構造が変化して歪む材料及び歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する材料とを積層した積層体と、を交互に積層した構造を有することを特徴とする請求項1に記載の冷暖房装置。
The heat generating member is
A structure in which an electrode to which a voltage is applied, and a laminate in which a crystal structure changes when an electric field is applied and a material that generates heat and absorbs heat when strain is applied and removed are laminated. The air conditioning apparatus according to claim 1, comprising:
前記歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する材料は、
前記電場が印加されると結晶構造が変化して歪む材料に追随して結晶構造が変化し、磁気モーメントの分布が変化して磁化が変化する磁気熱量材料または双極子モーメントの分布が変化して分極が変化する電気熱量材料であることを特徴とする請求項7に記載の冷暖房装置。
When the strain is applied and removed, the material that generates heat and absorbs heat is
When the electric field is applied, the crystal structure changes to follow the distorted material, the crystal structure changes, the magnetic moment distribution changes, the magnetization changes, and the magnetocaloric material or dipole moment distribution changes. The air-conditioning apparatus according to claim 7, wherein the air-conditioning apparatus is an electrocaloric material whose polarization changes.
電場が印加されると結晶構造が変化して歪む材料は圧電材料であることを特徴とする請求項7または8に記載の冷暖房装置。   9. The air conditioning apparatus according to claim 7, wherein the material whose crystal structure changes and is distorted when an electric field is applied is a piezoelectric material. 前記熱スイッチは、前記熱生成部材の、
前記電極が配置されていない、歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する材料と電場が印加されると結晶構造が変化する材料とを積層した材料の対向する面に配置されることを特徴とする請求項7から9のいずれかに記載の冷暖房装置。
The thermal switch is the heat generating member,
The electrode is not disposed, and is disposed on opposing surfaces of a material in which a material that generates and absorbs heat when strain is applied and removed and a material that changes a crystal structure when an electric field is applied are stacked. The air conditioner according to any one of claims 7 to 9.
前記熱生成部材は、
前記熱生成部材の両端に位置する2つの電極の内の少なくとも1つの電極の外表面に断熱絶縁材料が配置されていることを特徴とする請求項7から10のいずれかに記載の冷暖房装置。
The heat generating member is
The air conditioning apparatus according to any one of claims 7 to 10, wherein a heat insulating insulating material is disposed on an outer surface of at least one of the two electrodes located at both ends of the heat generating member.
前記熱生成部材は、
前記熱生成部材の電極の内の少なくとも1つの電極と、歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する熱量材料と、の間に、断熱絶縁材料が配置されていることを特徴とする請求項7から11のいずれかに記載の冷暖房装置。
The heat generating member is
The heat insulating insulating material is disposed between at least one of the electrodes of the heat generating member and a calorific material that generates heat and absorbs heat when strain is applied and removed. The air conditioning apparatus in any one of 7 to 11.
前記熱生成部材は、
歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する熱量材料の前記電極に対向する外表面に熱伝導部材を配置したことを特徴とする請求項7から12のいずれかに記載の冷暖房装置。
The heat generating member is
The air conditioning apparatus according to any one of claims 7 to 12, wherein a heat conducting member is disposed on an outer surface facing the electrode of a calorific material that generates and absorbs heat when strain is applied and removed.
前記熱生成部材は、
磁場を印加する磁石と、
磁場が印加されると結晶構造が変化して歪む材料及び歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する材料とを積層した積層体と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の冷暖房装置。
The heat generating member is
A magnet for applying a magnetic field;
A laminate in which a material that distorts by changing the crystal structure when a magnetic field is applied and a material that generates heat and absorbs heat when strain is applied and removed; and
The air conditioning apparatus according to claim 1, comprising:
前記歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する材料は、
前記磁場が印加されると結晶構造が変化して歪む材料に追随して結晶構造が変化し、磁気モーメントの分布が変化して磁化が変化する磁気熱量材料または双極子モーメントの分布が変化して分極が変化する電気熱量材料であることを特徴とする請求項14に記載の冷暖房装置。
When the strain is applied and removed, the material that generates heat and absorbs heat is
When the magnetic field is applied, the crystal structure changes following the distorted material, the crystal structure changes, the magnetic moment distribution changes, and the magnetocaloric material or the dipole moment distribution changes. The air-conditioning apparatus according to claim 14, wherein the air-conditioning apparatus is an electrocaloric material whose polarization changes.
前記磁場が印加されると結晶構造が変化して歪む材料は、磁歪材料であることを特徴とする請求項14または15に記載の冷暖房装置。   The air conditioning apparatus according to claim 14 or 15, wherein the material that is distorted by changing the crystal structure when the magnetic field is applied is a magnetostrictive material. 前記熱生成部材は、
前記歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する材料の前記磁石に対向する外表面に断熱絶縁材料が配置されていることを特徴とする請求項14から16のいずれかに記載の冷暖房装置。
The heat generating member is
The air-conditioning / heating apparatus according to any one of claims 14 to 16, wherein a heat insulating insulating material is disposed on an outer surface of the material that generates and absorbs heat when the strain is applied and removed.
前記熱生成部材は、
歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する熱量材料の前記磁石に対向する外表面に熱伝導部材を配置したことを特徴とする請求項14から17のいずれかに記載の冷暖房装置。
The heat generating member is
The air conditioning apparatus according to any one of claims 14 to 17, wherein a heat conducting member is disposed on an outer surface facing the magnet of a calorific material that generates and absorbs heat when strain is applied and removed.
請求項14から18のいずれか記載の熱生成部材を積層方向に複数配置したことを特徴とする冷暖房装置。   An air conditioner comprising a plurality of heat generating members according to any one of claims 14 to 18 arranged in a stacking direction. 前記熱スイッチは、前記熱生成部材の、
前記磁石が配置されていない、歪が印加、除去されると発熱及び吸熱する材料と磁場が印加されると結晶構造が変化する材料とを積層した材料の対向する面に配置されることを特徴とする請求項14から19のいずれかに記載の冷暖房装置。
The thermal switch is the heat generating member,
The magnet is not disposed, and is disposed on an opposing surface of a material in which a material that generates and absorbs heat when strain is applied and removed and a material in which a crystal structure changes when a magnetic field is applied are stacked. The air conditioner according to any one of claims 14 to 19.
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