JP6874978B2 - 蓄放熱装置、電子機器、および蓄放熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、蓄放熱装置、電子機器、および蓄放熱方法に関する。

電子機器に内蔵されている電子部品は、使用時に通電すると、投入されたエネルギーの一部が熱に変換されて、発熱する。そして、発熱により電子部品の温度が上昇すると、電子部品の異常動作や故障などを生じる可能性がある。そのため、電子機器では、電子部品の動作の安定性や寿命の観点から、発熱を外部に放熱することが重要である。

特に、電子機器の高機能化、および高密度実装化に伴い、電子部品の発熱量が増大している。そのため、発熱による電子部品の異常動作や故障を防ぐためには、より効率的な放熱技術が重要となっている。そこで、電子機器の放熱方法として、蓄放熱材料を利用する方法が検討されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特許文献１では、発熱部品と放熱部材との間に潜熱蓄熱材を介在させ、発熱部品の熱量が一時的に潜熱蓄熱材に潜熱として蓄熱され、その後、潜熱蓄熱材に蓄熱された熱量を徐々に放熱部材を介して放熱する技術が提案されている。これにより、電子機器の急激な加熱を抑制している。

特許文献２では、小型のヒートパイプ内に蓄放熱材料を含めることにより、温度上昇を抑制する蓄熱デバイスが提案されている。

特許文献３では、蓄熱部の蓄熱量を検出しながら発熱部の動作を制御することで、電子機器の温度上昇を抑止する電子機器の制御方法が提案されている。

特許文献１〜３で用いられる蓄放熱材料は、ある所定の温度で相転移を生じ、その相転移時の潜熱により、電子部品から発生する熱を蓄熱している。そのため、特許文献１〜３の方法では、電子機器が相転移以上に温度上昇することを抑制する効果があるといえる。

また、蓄放熱材料を電子機器以外に、自動車に利用する方法も検討されている。自動車では、エンジンの燃焼効率の向上に伴い、燃焼熱量が減少している。特にエンジン始動時の熱量が不足する傾向にある。そこで、蓄放熱材料を用いて、熱量が余剰の際には、蓄熱し、熱が必要な時には蓄放熱材料に取り込んだ熱を放熱することで、不足する熱量を補う蓄熱システムが提案されている（例えば、特許文献４参照）。

特許第４４８５４５８号 国際公開第２０１５/０７９７７０号 特開２０１５−２９０３６号公報 特開２０１６−３１１８７号公報

しかしながら、従来の技術では、蓄放熱材料の相転移温度は、その物質の組成により決まっている。そのため、相転移温度を調整するためには、物質そのものまたは物質の化学組成を代える必要がある。また、電子機器の周辺の温度が低下した場合には、自然に熱を放出するため、所望の温度で放熱することができない。

本発明の一態様は、所望の温度で蓄放熱を容易に行うことができる蓄放熱装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様における蓄放熱装置は、熱源から熱を吸収すると共に、取り込んだ熱を外部に放出する蓄放熱部を備える蓄放熱装置において、前記蓄放熱部に電圧を印加する電圧印加部を有し、前記蓄放熱部は、金属‐絶縁体転移により、蓄熱または放熱を行う蓄放熱材料を備え、前記蓄放熱部に印加される電圧を制御して、前記蓄放熱材料が金属‐絶縁体転移を生じる相転移温度を変化させる。

本発明の一態様における電子機器は、熱源と、上記の蓄放熱装置と、を有する。

本発明の一態様における蓄放熱方法は、熱源から熱を吸収すると共に、取り込んだ熱を外部に放出する蓄放熱部を備える蓄放熱装置を用いた蓄放熱方法において、前記蓄放熱装置は、前記蓄放熱部に電圧を印加する電圧印加部を有し、前記蓄放熱部は、金属‐絶縁体転移により、蓄熱または放熱を行う蓄放熱材料を備え、前記蓄放熱部に印加する電圧を制御して、前記蓄放熱材料が金属‐絶縁体転移を生じる相転移温度を変化させる。

本発明の一態様によれば、所望の温度で蓄放熱を容易に行うことができる。

図１は、本発明の実施形態に係る蓄放熱装置を適用した電子機器の構成を示すブロック図である。 図２は、蓄放熱装置の構成の一例を示す図である。 図３は、蓄放熱部への電圧の印加前後における蓄放熱材料の温度と熱量との関係の一例を示す図である。 図４は、蓄放熱部を複数設置した場合の一例を示す図である。 図５は、複数の蓄放熱装置の状態と時間との関係を説明する図である。 図６は、蓄放熱層の示差走査熱量の測定結果を示す図である。 図７は、蓄放熱装置１の加熱時のＤＴＡの測定結果を示す図である。 図８は、蓄放熱装置１の放熱時のＤＴＡの測定結果を示す図である。

以下、本発明による実施の形態について説明する。なお、理解の容易のため、図面における各部材の縮尺は実際とは異なる場合がある。また、以下の説明において、蓄放熱装置の高さ方向の一方を上または上方といい、蓄放熱装置の高さ方向の他方を下または下方という場合がある。

＜電子機器＞
本発明の実施形態に係る蓄放熱装置を適用した電子機器について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る蓄放熱装置を適用した電子機器の構成を示すブロック図である。図１に示すように、電子機器１０は、電子部品１１、蓄放熱装置１２、および放熱部１３を有する。

電子部品１１は、電子機器１０内に設けられており、電子部品１１に通電されると発熱し、熱源となるものである。電子部品１１は、電子機器に備えられ、通電されると、発熱する電子部品であれば特に限定されない。電子部品１１としては、例えば、ＣＰＵ、ＭＰＵなどの演算装置、ガスセンサ素子や加速度センサ素子などのセンサ素子、ＩＣやＬＳＩなどの半導体集積回路素子、ＬＥＤやＰＤ、ＣＣＤなどの光半導体素子、セラミック圧電素子や水晶振動子などの圧電素子、容量素子、抵抗器などを挙げることができる。

蓄放熱装置１２は、電子部品１１および放熱部１３と熱的に接続されている。なお、本実施形態において、熱的に接続とは、蓄放熱装置１２が、電子部品１１や放熱部１３に対して、熱が移動可能な状態で接続または接触していることを意味する。熱的に接続は、例えば、蓄放熱装置１２が、電子部品１１や放熱部１３に対して、直接接触している形態、または他部材を介して間接的に接続されている形態を含む。前記他部材として、例えば、熱伝導性を有する接着剤層、または金属製の伝熱板や熱伝導シートなどの熱伝導性材料などが挙げられる。蓄放熱装置１２の構成の説明については、後述する。

放熱部１３は、外部に熱を放出する放熱層で形成されている。放熱部１３としては、例えば、カーボン、銅、またはアルミニウムなどの高い熱伝導率を有する材料を用いることができる。

（蓄放熱装置）
次に、蓄放熱装置１２の構成について説明する。図２は、蓄放熱装置１２の構成の一例を示す図である。図１および図２に示すように、蓄放熱装置１２は、蓄放熱部２１、絶縁部２２、電圧印加部２３、検出部２５、電圧発生部２６、および制御部２７を有する。

蓄放熱部２１は、電子部品１１において発生した熱を吸収する（取り込む）と共に、取り込んだ熱を外部に放出する。蓄放熱部２１は、金属‐絶縁体転移を示す蓄放熱材料を用いて形成されている。蓄放熱部２１は、金属‐絶縁体転移を生じる温度（相転移温度）よりも高温の場合には熱の吸収（蓄熱）を行い、前記相転移温度よりも低温の場合には熱の放出（放熱）を行う。

蓄放熱材料は、金属‐絶縁体転移を示す電子相転移蓄放熱材料で形成されている。電子相転移蓄放熱材料は、固体状態で相転移を行う材料である。電子相転移蓄放熱材料としては、例えば、ＶＯ₂；ＶＯ₂にＷ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｎｂ、Ｔａなどのいずれかをドープしたバナジウム酸化物；ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＬｉＶＳ₂、ＬｉＶＯ₂、ＮａＮｉＯ₂、ＲＢａＦｅ₂Ｏ₅、ＲＢａＣｏ₂Ｏ_5.5（ここで、Ｒは、Ｙ、Ｓｍ、Ｐｒ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｂなどの希土類元素）、Ｌａ_1-xＳｒ_xＭｎ_1+yＯ₃（ｘ＝０．２〜０．４、ｙ＝０．０１〜０．１）などが挙げられる。これらは、１種類を単独で使用してもよいし、２種類以上を併用してもよい。蓄放熱材料は、これらのうちの１種類以上の材料を主成分として含み、さらに他の副成分を含む混合物として用いてもよい。

蓄放熱部２１は、蓄放熱材料で形成された焼結体、または蓄放熱材料の粉末（蓄放熱材料粉末）と樹脂（バインダー）との複合材料などの形態で用いることができる。

蓄放熱部２１が蓄放熱材料の焼結体で形成される場合、蓄放熱時の熱量が低下することを抑制することができると共に、蓄熱および放熱時の熱交換を効率よく行うことができる。ただし、この場合、焼結体中に組成変動（例えば、酸素量の変化）が生じ易い物質もあるので、蓄放熱量の減少や、吸熱温度の範囲と放熱温度の範囲との差が広がる可能性がある。そのため、蓄放熱部２１が蓄放熱材料の焼結体で形成される場合には、焼結条件は、プロセス中の組成変動を抑制することができる範囲（例えば、焼結温度を低く抑えるなど）で、焼結体の密度をできる限り最大となるようにすることが好ましい。例えば、蓄放熱材料が組成変動が少なく、高い密度を有するという両方を満足するためには、低温で加圧しながら焼結することが有効である。

蓄放熱部２１が、蓄放熱材料粉末および樹脂を含む複合材料で形成される場合、樹脂中に含まれる蓄放熱材料粉末の含有率が低下すると、蓄放熱時の熱量が減少する。また、樹脂が熱伝導率の低い樹脂である場合、蓄放熱材料粉末への熱伝導率が低下するため、蓄放熱材料粉末が蓄熱および放熱を十分行えない可能性がある。そのため、蓄放熱部２１が蓄放熱材料粉末と樹脂との複合材料で形成される場合には、使用する樹脂量を低減させることが好ましい。

本実施形態では、蓄放熱部２１は、厚膜または板材の蓄放熱層で形成されている。この場合、蓄放熱部２１の平均厚さは、例えば、１０μｍ以上であることが好ましく、１００μｍ以上であることがより好ましい。上限値に関しては、実施形態に係る蓄放熱装置の用途などにより異なり、特に限定されるものではないが、例えば、５００μｍであればよい。蓄放熱部２１の平均厚さが１０μｍ以上であれば、蓄放熱部２１は蓄熱または放熱効果を有効に発揮することができる。なお、本実施形態において、蓄放熱部２１の平均厚さとは、蓄放熱部２１の厚さの平均値をいう。例えば、蓄放熱部２１の断面において、任意の場所で数カ所（例えば、６か所程度）測定した時、これらの測定箇所の厚さの平均値をいう。また、本実施形態において、厚さとは、蓄放熱部２１の接触面に対して垂直方向の層の長さをいう。

本実施形態では、蓄放熱部２１に電圧が印加されると、蓄放熱材料の相転移温度は低下する。そして、印加される電圧が大きいほど、相転移温度はより低くなる傾向にある。そのため、蓄放熱部２１に印加される電圧を制御することで、蓄放熱材料の相転移温度は、所望の温度に調整される。また、蓄放熱材料の相転移温度が調整されることで、蓄放熱材料の蓄熱温度の範囲および放熱温度の範囲も調整される。

蓄放熱部２１への電圧の印加前後における蓄放熱材料の温度と熱量との関係の一例を図３に示す。なお、図３中、縦軸は、熱量であり、正の値は放熱を示し、負の値は蓄熱を示す。横軸は、温度を示す。図３に示すように、蓄放熱部２１に電圧が印加されていない場合には、蓄放熱材料は、相転移温度αを有する。そして、蓄放熱材料は、相転移温度αよりも低温側に蓄熱した熱を放熱する温度範囲（放熱範囲）Ｔｒｄを有し、相転移温度αよりも高温側に蓄熱する温度範囲（蓄熱範囲）Ｔｓｔを有する。蓄放熱材料は、蓄熱範囲Ｔｓｔに、蓄熱が最大となる蓄熱ピーク温度Ｐ１を有し、放熱範囲Ｔｒｄに、放熱が最大となる放熱ピーク温度Ｐ２を有する。蓄放熱材料は、放熱範囲Ｔｒｄで放熱し、蓄熱範囲Ｔｓｔで蓄熱する。なお、蓄放熱材料の相転移温度α、放熱範囲Ｔｒｄ、および蓄熱範囲Ｔｓｔは、蓄放熱材料の種類、組成などにより決まる。

そして、蓄放熱部２１に電圧が印加されると、蓄放熱材料の相転移温度αは、相転移温度α'に低下する。そして、相転移温度αの低下に追従して、蓄放熱材料の蓄熱範囲Ｔｓｔは蓄熱範囲Ｔｓｔ_ｖに低下し、放熱範囲Ｔｒｄは放熱範囲Ｔｒｄ_ｖに低下する。また、蓄放熱材料の蓄熱ピーク温度Ｐ１および放熱ピーク温度Ｐ２も、蓄熱ピーク温度Ｐ１'および放熱ピーク温度Ｐ２'にそれぞれ低下する。

本実施形態では、蓄放熱部２１に印加される電圧は、０Ｖよりも大きく、５０Ｖ以下であることが好ましい。印加する電圧が０Ｖよりも大きく、５０Ｖ以下であれば、印加した電圧の大きさの分だけ、蓄放熱材料の相転移温度を低下させることができる。そのため、相転移温度の調整が行い易くなる。

絶縁部２２は、図２に示すように、蓄放熱部２１の上面の一部に接触して設けられている。絶縁部２２は、イオン液体などの電解液、無機系絶縁材料や有機系絶縁材料などで形成された固体膜などを使用することができる。

無機系絶縁材料としては、例えば、絶縁耐圧が高く、緻密な膜を形成できることが好ましい。さらには、誘電率が高いことが好ましい。無機系絶縁材料としては、例えば、ＳｉＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＨｆＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＢａＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃、ＰｂＴｉＯ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄、またはＺｒＯ₂などを挙げることができる。これら一種類を単独で使用してもよいし、二種類以上を併用してもよい。絶縁部２２は、これら一種類の単層の膜で形成されていてもよいし、これら二種類以上を含んだ混合膜で形成されていてもよいし、これら一層類の単層の膜を二種以上積層した積層膜でもよい。なお、絶縁部２２が無機系絶縁材料からなる場合、絶縁部２２の形成方法は、特に限定されるものでなく、公知の方法を用いることができる。絶縁部２２の形成方法として、例えば、ＭＯＤ法、ゾル−ゲル法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などを用いることができる。

有機系絶縁材料としては、例えば、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂、またはフッ素系樹脂などが挙げられる。なお、絶縁部２２が有機系絶縁材料からなる場合、絶縁部２２の形成方法は、特に限定されるものでなく、公知の方法を用いることができる。絶縁部２２の形成方法として、例えば、スピンコーティング法、スプレー法などを用いることができる。

絶縁部２２の厚さは、特に限定されないが、例えば、５０ｎｍ〜１０００ｎｍであることが好ましい。

電圧印加部２３は、蓄放熱部２１および電圧発生部２６と電気的に接続されている。なお、電気的に接続とは、例えば、電圧印加部２３が蓄放熱部２１や電圧発生部２６に対して、電気が移動可能な状態で接続または接触していることを意味する。電気的な接続は、例えば、電圧印加部２３が蓄放熱部２１や電圧発生部２６に対して、直接接触している場合や、他部材を介して間接的に接続している場合を含む。

電圧印加部２３は、蓄放熱部２１に電圧を印加するものである。本実施形態では、電圧印加部２３は、第１電極（ゲート電極）３１、および第２電極（負極）３２の一対の電極を備えている。電圧印加部２３を構成する第１電極３１、および第２電極３２について説明する。

第１電極３１は、蓄放熱部２１に絶縁部２２を介して設けられている。絶縁部２２を第１電極３１と蓄放熱部２１との間に設けることで、蓄放熱部２１にジュール熱が生じて発熱することを防ぐことができるので、蓄放熱部２１の温度を精度高く測定することができる。そのため、所望の温度やタイミングで、蓄放熱部２１は蓄熱または放熱を安定して行うことができる。

第１電極３１を形成する材料としては、例えば、アルミニウム、金、銀、銅、白金、シリコン、スズ酸化物、酸化インジウム、インジウムスズ酸化物、クロム、チタン、タンタル、クロム、モリブデン、またはグラファイトなどを挙げることができる。

第２電極３２は、蓄放熱部２１の上面に接触して設けられている。本実施形態では、一対の第２電極３２が、蓄放熱部２１の上面に、第１電極３１を挟んで設けられている。第２電極３２を形成する材料としては、第１電極３１と同様の材料を用いることができ、第１電極３１の材料と同じであってもよいし異なっていてもよい。第２電極３２は、異なる材料を複数積層してもよい。なお、本実施形態では、第２電極３２は蓄放熱部２１上に蓄放熱部２１と接触するように設けられているが、絶縁層を介して蓄放熱部２１上に設けられていてもよい。

なお、一対の第２電極３２は、図２に示すように、蓄放熱部２１の第１電極３１の設置面と同一面に設置しているが、絶縁部２２が第１電極３１と蓄放熱部２１との間に介在していれば、第２電極３２の位置は特に制限されない。例えば、一対の第２電極３２は、蓄放熱部２１を挟み込むように図２の上下方向に設置してもよいし、蓄放熱部２１の側面に図２の左右方向に設置してもよい。

図１に示すように、検出部２５は、蓄放熱部２１と電気的または熱的に接続されている。

検出部２５は、蓄放熱装置１２内に備えられる蓄放熱部２１の温度を測定する。検出部２５としては、例えば、熱電対センサ、焦電型赤外線センサなどの温度センサを用いることができる。また、検出部２５は、赤外線カメラなどの非接触型センサを用いることができる。さらに、検出部２５は、蓄放熱部２１の電気抵抗の変化から測定してもよい。検出部２５は、蓄放熱部２１の表面に設けてもよいし、蓄放熱部２１と非接触として蓄放熱部２１から離れた位置に設けてもよい。

電圧発生部２６は、電圧印加部２３と電気的に接続されている。電圧発生部２６は、電源と、前記電源の電圧を所定の電圧まで昇圧する電圧発生回路とを備えている。電圧発生部２６は、所定の電圧を発生させて、電圧印加部２３に出力する。前記電源は、公知の電源を使用することができる。公知の電源として、例えば、電池や、商用電源などの外部電源が挙げられる。なお、外部電源を使用する際、外部電源はコンセントなどで接続される。本実施形態では、前記電源は、電子機器１０の持ち運び性などの点から、電池を使用することが好ましい。

制御部２７は、検出部２５および電圧発生部２６と電気的に接続されている。制御部２７は、例えば、制御プログラムや各種記憶情報を格納する記憶手段と、制御プログラムに基づいて動作する演算手段とを含んでいる。制御部２７は、蓄放熱部２１に印加する電圧と、蓄放熱材料が金属‐絶縁体転移を起こす相転移温度との関係を、予め記憶手段に記憶しておく。制御部２７は、検出部２５で測定された蓄放熱部２１の温度に基づいて、電圧発生部２６に蓄放熱部２１に印加する電圧の信号を出力し、電圧発生部２６の動作を制御する。これにより、電圧発生部２６は、電圧印加部２３を介して、蓄放熱部２１に印加する電圧を制御して、蓄放熱材料の相転移温度を変化させる。この結果、相転移温度は、所望の温度に調整される。

次に、本実施形態に係る蓄放熱装置１２を用いた蓄放熱方法の一例について、図３を用いて説明する。なお、蓄放熱部２１への電圧の印加の有無や電圧の大きさなどは、制御部２７の指示に基づいて行われる。

図３に示すように、蓄放熱材料がまだ蓄熱しておらず、蓄放熱部２１に電圧を加えていない状態で、蓄放熱材料の温度を上昇させる。そして、蓄放熱材料の温度が相転移温度αに達すると、蓄放熱材料は、絶縁状態から金属状態に相転移し、蓄熱を開始する。蓄放熱材料の温度が上昇して、蓄熱ピーク温度Ｐ１で蓄熱量は最大となる。蓄放熱材料の温度がさらに上昇して、所定の温度に達すると、蓄放熱材料の蓄熱は停止する。

蓄放熱材料が蓄熱した後、蓄放熱材料を放冷などして、蓄放熱材料の温度を低下させる。蓄放熱材料の温度が相転移温度αまで下降すると、蓄放熱材料は金属状態から絶縁状態に相転移して、放熱を開始する。蓄放熱材料の温度が低下して、放熱ピーク温度Ｐ２で放熱量は最大となる。蓄放熱材料の温度がさらに低下して、所定の温度まで下降すると、蓄放熱材料は放熱を停止する。

本実施形態では、蓄放熱材料が蓄熱した後、第１電極３１および第２電極３２の間に所定の範囲内の電圧を印加する。これにより、相転移温度αは相転移温度α'に低下し、蓄熱範囲Ｔｓｔは蓄熱範囲Ｔｓｔ_ｖに低下し、放熱範囲Ｔｒｄは放熱範囲Ｔｒｄ_ｖに低下する。

そのため、蓄放熱材料の温度が蓄熱範囲Ｔｓｔ内にある場合、蓄熱範囲Ｔｓｔは蓄熱範囲Ｔｓｔ_ｖの範囲外にあるので、蓄放熱材料は新たに蓄熱しない。

その後、蓄放熱材料の温度が放熱範囲Ｔｒｄまで低下しても、放熱範囲Ｔｒｄは放熱範囲Ｔｒｄ_ｖの範囲外であるので、蓄放熱材料は放熱しない。そして、蓄放熱材料の温度が、さらに放熱範囲Ｔｒｄ_ｖまで低下すると、蓄放熱材料は放熱する。

一方、蓄放熱材料の温度が放熱範囲Ｔｒｄにある場合、蓄放熱部２１に所定の範囲内の電圧を印加することを停止する。これにより、蓄放熱材料の相転移温度α'は相転移温度αに上昇し、蓄熱範囲Ｔｓｔ_ｖは蓄熱範囲Ｔｓｔに上昇し、放熱範囲Ｔｒｄ_ｖは放熱範囲Ｔｒｄに上昇する。蓄放熱材料が放熱をする温度範囲は、放熱範囲Ｔｒｄになるため、蓄放熱材料は放熱する。

よって、蓄放熱材料の放冷時に、蓄放熱材料の温度に応じて、蓄放熱部２１に印加する電圧を制御することにより、蓄放熱材料の放熱を制御することができる。

また、蓄放熱材料が蓄熱しておらず、蓄放熱材料の温度が蓄熱範囲Ｔｓｔ_ｖ内であるとする。この場合、蓄放熱部２１に電圧を印加すると、蓄放熱材料の相転移温度αは相転移温度α'に下降する。蓄放熱材料が蓄熱する温度範囲は、蓄熱範囲Ｔｓｔ_ｖ内になるので、蓄放熱材料は蓄熱する。

よって、蓄放熱材料の蓄熱時においても、蓄放熱材料の温度に応じて、蓄放熱部２１に印加する電圧を制御することにより、蓄放熱材料の相転移温度αが低下して、蓄熱範囲Ｔｓｔも低下するので、蓄放熱材料の蓄熱も制御することができる。

このように、本実施形態に係る蓄放熱装置１２によれば、検出部２５で測定された蓄放熱材料の温度に基づき、制御部２７により、蓄放熱部２１に印加する電圧を制御している。これにより、蓄放熱部２１に用いられる蓄放熱材料の相転移温度を変化させることができるので、蓄放熱材料の蓄熱および放熱を制御することができる。よって、蓄放熱装置１２は、蓄放熱部２１において、所望の温度で蓄熱または放熱を容易に行わせることができる。

また、本実施形態に係る蓄放熱装置１２は、蓄放熱部２１上に絶縁部２２を介して第１電極３１を配置すると共に蓄放熱部２１上に第２電極３２を配置したトップゲート構造を形成している。第１電極３１は、絶縁部２２を介して蓄放熱部２１上に配置して、電極同士の電気的な接続を防いでいる。そのため、本実施形態に係る蓄放熱装置１２は、その大きさをより小型にすることができるので、電子機器１０の微少領域の熱制御を有効に行うことができる。

電子機器１０は、本実施形態に係る蓄放熱装置１２を備えることで、所望の温度で蓄放熱を行うことができるので、安定して使用することができる。電子機器としては、例えば、携帯電話、スマートフォン、タブレット、デジタルカメラ、携帯型音楽プレーヤー、または携帯型ゲーム機などが挙げられる。

なお、本実施形態では、蓄放熱部２１は一つとしているが、これに限定されるものではなく、蓄放熱部２１は複数設けられていてもよい。なお、蓄放熱装置が複数設けられる場合、本実施形態では、それぞれの蓄放熱装置同士が、熱的にも電気的にも接続されていない場合と、熱的に接続されているが、電気的に接続されていない場合との二通りがある。そのため、以下に、それぞれの場合に分けて、蓄放熱部２１が複数設けられる場合の効果について説明する。

それぞれの蓄放熱装置同士が、熱的にも電気的にも接続されていない場合について説明する。図４に、四つの蓄放熱装置１２−１〜１２−４を設置した場合の一例を示す。なお、それぞれの第１電極３１−１〜３１−４および第２電極３２−１〜３２−４への電圧の印可は、個別に制御できるようにする。また、蓄放熱部２１−１〜２１−４は、それぞれ、異なる電子部品と熱的に接続されているものとする。図４に示すように、４つの蓄放熱装置１２−１〜１２−４が、直列に設けられている。これにより、それぞれの蓄放熱部２１−１〜２１−４の第１電極３１−１〜３１−４および第２電極３２−１〜３２−４に印加する電圧を個別に制御することができる。そのため、蓄放熱部２１−１〜２１−４の動作タイミングを個別に制御することができる。よって、蓄放熱部２１−１〜２１−４は、それぞれ、熱的に接続されている電子部品の状態に応じて、個別に蓄熱または放熱を制御することができる。

なお、図４では、４つの蓄放熱装置１２−１〜１２−４が、直列に設けられている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、並列に設けられていてもよい。

次に、それぞれの蓄放熱装置同士が、熱的に接続されているが、電気的に接続されていない場合について説明する。この場合において、それぞれの蓄放熱装置１２に電圧を印加するタイミングをずらして行う方法と、それぞれの蓄放熱装置１２に電圧を印加するタイミングをずらしながら、さらに蓄放熱部２１−１〜２１−４に印加する電圧の大きさを制御する方法について説明する。

まず、それぞれの蓄放熱装置１２−１〜１２−４に電圧を印加するタイミングをずらして行う方法について説明する。この方法の場合、それぞれの蓄放熱装置１２−１〜１２−４に電圧を印加するタイミングをずらすことで、それぞれの蓄放熱装置１２−１〜１２−４ごとに蓄熱または放熱を行うができる。これにより、所望の方向に熱を輸送することができる。

例えば、図４に示すような直列に接続されている蓄放熱装置１２−１〜１２−４に電圧を印加するタイミングの一例について図５を用いて説明する。図５は、複数の蓄放熱装置の状態と時間との関係を説明する図である。なお、図５中、蓄放熱装置が、蓄熱状態である場合を「−１」、放熱状態である場合を「＋１」、いずれの状態でもない場合を「０」とする。図５に示すように、初期状態（時間ｔ０）である場合、全ての蓄放熱装置が蓄熱および放熱のいずれも行っていない状態（状態０）であるとする。

所定の時間経過後、時間ｔ１において、蓄放熱装置１２−２が蓄熱状態(−１)とする。そして、さらに所定の時間経過後、時間ｔ２において、時間ｔ１で蓄熱状態であった蓄放熱装置１２−２を放熱状態(＋１)にする。また、同時に、熱を輸送したい方向の隣接している蓄放熱装置１２−３を蓄熱状態（−１）にする。これにより、蓄放熱装置１２−２から蓄放熱装置１２−３への熱移動に伴う熱ロスを無視すれば、ほぼ蓄放熱部２１−２で蓄熱した分に相当する熱量（Ｑ）を、蓄放熱装置１２−３に輸送することができる。

そして、さらに所定の時間経過後、時間ｔ３において、時間ｔ１で蓄熱状態であった蓄放熱装置１２−３を放熱状態(＋１)にする。同時に、熱を輸送したい方向の隣接している蓄放熱装置１２−４を蓄熱状態（−１）にする。これにより、蓄放熱装置１２−３から蓄放熱装置１２−４へ熱を輸送する場合と同様、ほぼ蓄放熱部２１−３で蓄熱した分に相当する熱量（Ｑ）を、蓄放熱装置１２−４に輸送することができる。

このように、蓄放熱装置１２−１〜１２−４のいずれかで放熱された熱を、熱を輸送したい方向に隣接している蓄放熱装置１２−１〜１２−４のいずれかに蓄熱させる操作を、順次繰り返す。

よって、それぞれの蓄放熱部２１−１〜２１−４に電圧を印加するタイミングをずらして、蓄放熱装置１２−１〜１２−４にそれぞれ蓄熱または放熱を行わせることで、所望の方向に熱を輸送することができる。

例えば、高温側から低温側に向かって熱を輸送することになる場合、この方法は、蓄放熱装置１２−１〜１２−４に電子部品１１を冷却する冷却装置としての機能を発揮させることができる。

次に、それぞれの蓄放熱装置１２−１〜１２−４に電圧を印加するタイミングをずらしながら、さらに蓄放熱部２１−１〜２１−４に印加する電圧の大きさを制御する方法について説明する。この方法の場合、例えば、蓄放熱部２１−１〜２１−４に印加する電圧の大きさを制御して、蓄放熱部２１−１〜２１−４に用いられる蓄放熱材料の相転移温度を放熱する側に向かって徐々に高くなるように制御する。これにより、蓄放熱装置１２−１〜１２−４は、電子部品１１の熱を輸送するヒートパイプとしての機能を発揮させることができると共に、電子部品１１を冷却させる冷却装置としての機能を発揮させることができる。

なお、図５では、４つの蓄放熱装置１２−１〜１２−４を直列に設けて、直線状（一次元的）に熱を輸送する場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、複数の蓄放熱装置を平面的（二次元的）接続して平面状に熱輸送でもよいし、複数の蓄放熱装置を立体的（三次元的）に接続して熱輸送してもよい。

なお、本実施形態においては、蓄放熱装置１２が制御部２７を備える場合について説明したが、これに限定されるものではなく、制御部２７を備えず、検出部２５の測定結果に基づいて、電圧発生部２６を手動で制御するようにしてもよい。

以上の通り、実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更などを行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

以下、実施例および比較例を示して実施形態を更に具体的に説明するが、実施形態はこれらの実施例により限定されるものではない。

＜蓄放熱層の作製＞
二酸化バナジウム（ＶＯ₂）粉末(株式会社高純度化学研究所製)を、Φ５ｍｍのＺｒＯ₂ボールを用いた遊星ボールミルにより、４００ｒｐｍで１時間粉砕し、微粉末を得た。そして、得られた微粉末をΦ８ｍｍのダイスに入れた後、パルス通電焼結法を用いて、真空雰囲気で、１ＧＰａの加圧下で、焼結温度を５００℃として、５分間焼結した。これにより、厚さが約１ｍｍ、相対密度が９７％程度の蓄放熱材料（焼結体）からなる蓄放熱層（蓄放熱部）を得た。
（結晶性の確認）
得られた蓄放熱層の蓄放熱材料の結晶を同定するため、ＸＲＤ装置（ＲＩＮＴ２０００、リガク社製）を用いて、ＸＲＤ測定を行った。測定により得られたＸ線回折スペクトルから、蓄放熱層はＶＯ₂の単相で形成されていることが確認された。Ｘ線回折測定には、Ｘ線源としてＣｕ−Ｋα線を用いた。Ｘ線回折の測定条件は、電圧４０ｋＶ、電流２００ｍＡで、回折角（２θ）＝２０°〜８０°の範囲を、走査速度１ｄｅｇ／ｓｅｃとした。なお、ＶＯ₂の主なＸＲＤピーク（単斜晶）は、２７．９°、３７．１°、５５．３°、５５．６°、および５７．６°である。
（蓄熱および放熱特性の確認）
得られた蓄放熱層の蓄熱および放熱特性を示差走査熱量計（ＤＳＣ）により測定した。昇温時には、１分間に７℃の割合で、５０℃から８０℃まで温度を上げ（７℃／ｍｉｎ）、降温時には、１分間に７℃の割合で８０℃から５０℃まで温度を下げた（７℃／ｍｉｎ）。蓄放熱層の示差走査熱量の測定結果を図６に示す。図６に示すように、昇温時には、約６７℃に吸熱のピーク（蓄熱ピーク）が観察された。一方、降温時には、約６２℃に放熱のピーク（放熱ピーク）が観測された。

＜蓄放熱装置の作製＞
［実施例１］
得られた蓄放熱層の表面に、有機金属分解（ＭＯＤ）塗布型材料（ＢＴ−０６、成分ＢａＴｉＯ₃、株式会社高純度化学研究所製）をディップコート法により、引き上げ速度を１ｍｍ／ｓとして、塗布した。これにより、蓄放熱層の表面にＭＯＤ塗布型材料の液膜を形成した。その後、液膜が形成された蓄放熱層を、３００℃で熱処理して、蓄放熱層の表面に、ＢａＴｉＯ₃の絶縁膜を形成した。その後、絶縁膜の表面に白金からなるゲート電極および負極を形成し、銅線を銀ペーストにより両電極に接続した。これにより、蓄放熱装置１を得た。
（絶縁性の確認）
なお、絶縁膜で被覆された蓄放熱層の抵抗を確認した。その結果、絶縁膜で被覆される前の蓄放熱層の抵抗は数Ωであったが、絶縁膜で被覆された蓄放熱層の抵抗は数ＭΩ以上であることが確認された。

［実施例２］
得られた蓄放熱層の表面に、フッ素樹脂粘着テープ（アズフロンテープＡＳＦ−１１０ＦＲ、アズワン社製）により絶縁膜を形成し、さらにその絶縁膜にΦ５ｍｍの穴を形成した。穴は、蓄放熱層の表面まで貫通させた。そして、前記穴に、イオン液体（Ｎ，Ｎ−ジエチル-Ｎ−メチル-Ｎ−（２−メトキシエチル）アンモニウムビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド、関東化学社製）を、ピペットにより滴下した。その後、チタン製の金属電極により、前記穴を被覆した。このチタン製の金属電極をゲート電極とした。得られた絶縁膜の表面に白金からなる負極を形成した。その後、銅線を銀ペーストによりゲート電極および負極に接続した。これにより、蓄放熱装置２を得た。
（絶縁性の確認）
なお、絶縁膜で被覆された蓄放熱層の抵抗を確認した結果、絶縁膜で被覆された蓄放熱層の抵抗は、１０ＭΩ以上であることが確認された。

［実施例３］
得られた蓄放熱層の表面に、パルスレーザー蒸着法により、成膜時の試料温度を室温とし、５Ｐａの酸素雰囲気として、膜厚が１μｍ程度のカルシウムアルミネート（ＣａＯ・６Ａｌ₂Ｏ₃）の絶縁膜を形成した。その後、得られた絶縁膜の表面に白金からなるゲート電極および負極を形成した。その後、銅線を銀ペーストにより両電極に接続した。これにより、蓄放熱装置３を得た。
（絶縁性の確認）
なお、絶縁膜で被覆された蓄放熱層の抵抗を確認した結果、絶縁膜で被覆された蓄放熱層の抵抗は、１ＭΩ以上であることが確認された。
（結晶性の確認）
得られた絶縁膜をＸＲＤ装置（ＲＩＮＴ２０００、リガク社製）を用いて、ＸＲＤ測定を行った。測定により得られたＸ線回折スペクトルから、絶縁膜は非晶質であることが確認された。

＜評価＞
実施例１で作製した蓄放熱装置１の蓄熱特性および放熱特性を評価した。ゲート電圧は、０Ｖ、０．５Ｖ、１．０Ｖ、または１．５Ｖとして行った。ゲート電圧を０Ｖとして行った試験例を比較例１とし、ゲート電圧を０．５Ｖとして行った試験例を実施例１−１とし、ゲート電圧を１．０Ｖとして行った試験例を実施例１−２とし、ゲート電圧を１．５Ｖとして行った試験例を実施例１−３とした。
（蓄熱特性の評価）
実施例１で作製した蓄放熱装置１を示差熱分析（ＤＴＡ）装置を用いて、蓄放熱装置１の蓄熱ピーク温度を測定した。蓄放熱装置１をＤＴＡ装置内の一方のステージ上に設置し、基準物質である酸化アルミニウムをＤＴＡ装置内の他方のステージ上に設置した。その後、蓄放熱装置１および酸化アルミニウムを加熱速度８℃／分で昇温し、蓄放熱装置１の蓄放熱層および酸化アルミニウムの温度を同時に測定した。蓄放熱装置１の蓄放熱層および酸化アルミニウムの温度は、それぞれ、赤外線カメラにより測定した。蓄放熱装置１内の蓄放熱層と酸化アルミニウムとの温度差をＤＴＡ信号とし、ＤＴＡ曲線より、蓄放熱層の蓄熱ピーク温度を求めた。蓄放熱装置１の加熱時のＤＴＡの測定結果を図７に示す。
（蓄熱後の放熱特性の評価）
実施例１で作製した蓄放熱装置１をＤＴＡ装置を用いて、蓄放熱装置１の放熱ピーク温度を測定した。実施例１のＤＴＡ装置を用いて、実施例１で作製した蓄放熱装置１の蓄放熱層を予め８０℃まで昇温し、蓄放熱装置１内の蓄放熱層に蓄熱させた。その後、蓄放熱層を８０℃から自然冷却して降温させながら、蓄放熱装置１内の蓄放熱層と基準物質である酸化アルミニウムとの温度を、それぞれ測定した。蓄放熱装置１の蓄放熱層および酸化アルミニウムの温度は、それぞれ、赤外線カメラにより測定した。蓄放熱装置１内の蓄放熱層と酸化アルミニウムとの温度差をＤＴＡ信号とし、ＤＴＡ曲線より、蓄放熱層の放熱ピーク温度を求めた。蓄放熱装置１の放熱時のＤＴＡの測定結果を図８に示す。

図７および図８に示すように、蓄放熱装置１のゲート電極に印加すると、蓄放熱層の蓄熱ピーク温度および放熱ピーク温度は、低下することが確認された。また、ゲート電極に印加する電圧が大きくなるほど、蓄熱ピーク温度および放熱ピーク温度は、それぞれ、低温側へシフトすることが確認された。よって、本実施形態に係る蓄放熱装置は、蓄放熱層に印加される電圧の大きさを制御することで、転移温度を制御することができるので、蓄放熱層の蓄熱及び放熱を所定の温度で容易に行うことができるといえる。

１０ 電子機器
１１ 電子部品（熱源）
１２、１２−１〜１２−４ 蓄放熱装置
１３ 放熱部
２１、２１−１〜２１−４ 蓄放熱部
２２、２２−１〜２２−４ 絶縁部
２３ 電圧印加部
２５ 検出部
２６ 電圧発生部
２７ 制御部
３１、３１−１〜３１−４ 第１電極（ゲート電極）
３２、３２−１〜３２−４ 第２電極（負極）

Claims (8)

1. 熱源から熱を吸収すると共に、取り込んだ熱を外部に放出する蓄放熱部を備える蓄放熱装置において、
   前記蓄放熱部に電圧を印加する電圧印加部を有し、
   前記蓄放熱部は、金属‐絶縁体転移により、蓄熱または放熱を行う蓄放熱材料を備え、
   前記蓄放熱部に印加される電圧を制御して、前記蓄放熱材料が金属‐絶縁体転移を生じる相転移温度を変化させることを特徴とする蓄放熱装置。
2. 前記蓄放熱部の温度を測定する検出部と、
   前記電圧印加部に出力する電圧を発生させる電圧発生部と、
   前記蓄放熱部の温度に基づいて、前記電圧発生部の動作を制御する制御部と、
   を有する請求項１に記載の蓄放熱装置。
3. 前記蓄放熱部の一部に設けられる絶縁部を有し、
   前記電圧印加部は、前記蓄放熱部に前記絶縁部を介して設けられる第１電極と、前記蓄放熱部の一部に設けられる第２電極とを備え、
   前記蓄放熱装置は、前記蓄放熱材料、前記絶縁部、前記第１電極、および前記第２電極によりトップゲート構造を形成する請求項１または２に記載の蓄放熱装置。
4. 前記蓄放熱部に印加される電圧は、０Ｖよりも大きく、５０Ｖ以下である請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄放熱装置。
5. 前記蓄放熱部は、前記蓄放熱材料を含んで形成された蓄放熱層であり、
   前記蓄放熱部の平均厚さが、１０μｍ〜１０００μｍである請求項１〜４のいずれか一項に記載の蓄放熱装置。
6. 前記蓄放熱部、および前記蓄放熱部に熱的に接続されている前記電圧印加部が複数設けられ、
   それぞれの前記蓄放熱部に印加される電圧が個別に制御される請求項１〜５のいずれか一項に記載の蓄放熱装置。
7. 熱源と、
   請求項１〜６のいずれか一つの蓄放熱装置と、
   を有する電子機器。
8. 熱源から熱を吸収すると共に、取り込んだ熱を外部に放出する蓄放熱部を備える蓄放熱装置を用いた蓄放熱方法において、
   前記蓄放熱装置は、前記蓄放熱部に電圧を印加する電圧印加部を有し、
   前記蓄放熱部は、金属−絶縁体転移により、蓄熱または放熱を行う蓄放熱材料を備え、
   前記蓄放熱部に印加される電圧を制御して、前記蓄放熱材料が金属‐絶縁体転移を生じる相転移温度を変化させることを特徴とする蓄放熱方法。

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