JPH0340327A - サーマルダイオード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分ｇＦ１ 本発明は熱的な差の方向により伝熱量が違うサーマルダ
イオードに関するものである。

〔従来の技術１ 従来、ダイオードとしては、電圧を印加する極性により
、電流の流れ易い順方向と電流の流れ難い逆方向の電流
特性、即ちＮ温性を呈する二端子素子が種々知られてい
る。半樺体ダイ第一部では、同種半導体のρ形とｎ形の
接触によるｐｎ接合、半導体と金属の接触によるショッ
トキー接合が主に用いられる６時折、特性の一部を強調
又は押圧する目的から、接合周辺の不純物分布に特殊な
工夫をこらす場合もある。

［発明が解決しようとする課題１ しかし従来のダイオードは、いずれも電気的盗流性を示
すダイオードであり、熱的な差の方向により伝熱量が違
うサーマルダイオードはまだ知られていない。

本発明は温度差の方向及び程度により伝熱量が異なるサ
ーマルダイオードを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明のサーマルダイオードは、熱１１ｊＧ率の比較的
大きい物質から成る第１熱伝導体と、熱膨張率の比較的
小さい物質から成る第２熟伝導体とを、両者の先端を軽
く接触させて対向配置し、両熟伝弄体の後端を、熱膨張
率及び熱伝導率の極めて小さい物質から成る枠体に固定
した構成のものである。

［作用］ 第１熟伝導体及び第２熟伝導体又はその一方の温度が低
下すると（第２図（ｄ）　）　、第１熱伝導体及び第２
熱伝導体間の接触が断たれ熱絶縁状態になる。即ち、温
度の高低により伝熱が有無となるバイメタル効果を有す
る。

また、第１熟伝導体及び第２熱伝導体又はその一方の温
度が上昇すると、第１熱伝導体と第２熱伝尋体が接触し
熟が伝わる（第２図（ｂ）（ｃ））　、この場合におい
て、熱膨張率の大きい第１熟伝導体の方が第２熱伝導体
よりも高温であると（第２図（ｂ）　）　、第２熟伝導
体が第１熱伝導体より高温の場合（第２図（Ｃ））に比
べて、第１熱伝導体から第２熟伝導体へ大量の熱が流れ
る。即ち、同じ温度差の条件でも、温度勾配の方向によ
って熱の流れ方が違ってくる。これが熱のダイオード効
果であり、本明４１［＋書で「サーマルダイオード］と
呼ぶ所以である。

［実施例］ 以下、本発明を図示の実施例に従って説明する。

第１図にサーマルダイオードの基本構成を示す。

サーマルダイオード１は、熱膨張率の比較的大きい物質
Ａから成る第１熱伝導体１０と、熱膨張率の比較的小さ
い物質Ｂから成る第２熟伝導体２０とを、両者の先端１
１．２１を軽く接触させて対向配置し、両熱伝導体１０
．２０の後端１２゜２２を、熱膨張率及び熱伝導率の極
めて小さい物ｌｔ！ＩＣから成る枠体３０に剛結合し固
定した構成を有する。上記物質Ａ、Ｂ、Ｃに利用可能な
材料の熟Ｗ張率の順位を例示すれば、次のようになる。

セルロイド〉エボナイト〉岩塩〉鉛〉ベークライト〉イ
ンジウム〉アルミニウム〉ニッケル〉銅〉スデンレス〉
ガラス まず、動作原理について説明しよう。

（１）　ＷＡ準状態 第２図（ａ）はサーマルダイオード全体が同じ温度ＴＯ
に保たれている場合であり、このとき熟成導体１０．２
０の先端１１．２１は軽く接触している状態となる。換
言すれば、第１及び第２の熟成導体１０．２０は通常こ
の第２図（ａ）の状態となるように設定されている。こ
の標準状態下では、両熱伝導体１０．２０が同じ温度に
あるため、熱の授受はない。

（２）強接触状態 第２図（ｂ）は第１熟伝導体１０が温度Ｔ１（＞Ｔｏ　
）に保たれ、第２熱伝導体２０が温度ＴＯに保たれた場
合である。このような条件下では、熱膨張率の大きい物
質Ａから成る第１熟伝導体ｌＯが標準状態〈第２図（ａ
））のときよりも熟膨張して、第１然伝導体１０と第２
熱伝導体２゜が相互に強く押し付けられる。このため、
第１熱伝導体１０から第２熟伝導体２０へ多くの熱が流
れる。

（３）弱接触状態 第２図（Ｃ）は第２熟伝導体２０が温度Ｔ１（＞’ｆ”
ｏ）に保たれ、第１熱伝導体１ｏが温度′］゛０に保た
れた場合である。このような条件下では、熱膨張率の小
さい物質Ｂがら成る第２熟伝導１水２０がｅ、準状態（
第２図（ａ））のときよりも僅かに熟膨張して、第１熟
伝Ｉｓ体１０と第２熟伝導体２０が相互に弱く押し付け
られる。このため、第２熱伝導体２０から第１熱伝導体
１０へは僅かしか熱が流れない。

（４）無接触状態 第２図（ｄ）は第２５！８伝導体２０が温度Ｔ２（＞’
Ｉ’０）に保たれ、第１熱伝導体１０が温度Ｔｏに保た
れた場合である。このような条件下では、熱ＷＥ８ｉ率
の小さい物質Ｂから成る第２熟伝導体２０が標準状態（
第２図（ａ））のときよりも僅かに熟収縮し、第１熱伝
導体１０と第２熱伝導体２０は離れてしまう、このため
第１熟伝導体１０から第２熱伝樽体２０へも又はその逆
方向にも熱が伝わらなくなる。

上記を要約するに、このサーマルダイオードは、次のよ
うな特性を有する。

バイメタルと同様に、第１熱伝導体ｌＯ及び第２熱伝導
体２０又はその一方の温度が低下すると（第２図（ｄ）
）、第１熱伝導体ｌＯ及び第２熱伝導体２０間の接触が
断たれ熱絶縁状態になる。

また、第１熟伝導体１０及び第２熱伝導体２゜又はその
一方の温度が上昇すると、第１熱伝樽体１０と第２熱伝
導＃％２０が接触し熱が伝わる（第２図（ｂ）（ｃ））
　、この場合において、熱膨張率の大きい第１熱伝導体
１０の方が第２熟伝導体２０よりら高温だと（第２図（
ｂ）　”）　、第２熱伝導体２０が第１然伝導体１０よ
り高温の場合（第２図（Ｃ））に比べて、第１熟伝導体
１０から第２熱伝導体２０へ大量の熱が流れる。即ち、
同じ温度差の条件でも、温度勾配の方向によって熱の流
れ方が違ってくる。これが熱のダイオード効果であり、
木明４ＵＩｍで「サーマルダイオード」と呼ぶ所以であ
る。

次に、上記サーマルダイオードの性能について解析して
みる。

（１）サーマルダイオードの伸び 標準状態にｍ度Ｔｏ）からのサーマルダイオードの全体
の伸びをＬ（ｒｎ）とすると、伸びＬは次式（１）で表
わされる。

Ｌ＝ｊ　Ｑα（ＴＡ−Ｔｏ　） 十ｊＯβ（ＴＢ　−Ｔｏ　）　・・・・・・（１）ここ
で １０二第１及び第２熱伝導体の長さ［ｍｌα：第１然伝
導体の熱膨張率［１／Ｋｌβ：第２熱伝導体の熱膨張率
［１／Ｋ］Ｔ＾：第１熱伝導体の温度［Ｋ］ ＴＢ：第２熱伝導体の温度［Ｋ］ 伸びＬの符号は正も負も取り得るが、第１熟伝導体１０
と第２熱伝Ｓ体２０が離れるのはＬ≦Ｏのときであるか
ら、上記（１）式においてし≦０とすれば、次式を得る
。

α 即ち、上記（２）式の等号の場合は、第４図に示す如（
ＴＡを縦軸にＴＢを横軸に収った場合に原点Ｔｏを横切
る直線となり、第４図に斜線を施した部分が第１Ｐ！Ａ
伝専体１０と第２然伝導体２０が離れている温度領域と
なる。

尚、第４図に斜線を施してない部分は熱の伝わる温度ｉ
ｌｉ域であり、上述したようにこの領域での伝熱量には
強弱が存在する。

（２）サーマルダイオードの熱透過率 サーマルダイオードの熱通過率をＫ　［Ｗ／ｒｒｌ’Ｋ
。

Ｋはゲルピン］とする。この熱通過率には、上記伸びＬ
に比例するとすれば、次式を得る。

Ｋ−ｃ　Ｌ・・・・・・　（３） ここでＣ：比例定数（Ｗ／ｍ’Ｋ） また、第１熱伝導体１０と第２熱１＝導体２０の温度差
ΔＴを ΔＴ＝ＴＡ−ＴＢ・・・・・・（４） とすれば、（１）式を代入して、 Ｋ＝ｃｊ　　　０　　　Ｅａ　　　（’ｒＡ　　　−Ｔ
ｏ）　　十　β　　（ＴＢ　　　−Ｔｏ）］＝ｃＪ、（
αΔＴ＋（α十β）　　（ＴＢ　−ＴＯ）］・・・・・
・（５） となる、従って、第２熱伝導体２０の温度ＴＢをパラメ
ータとして、熱通過率Ｋを温度差ΔＴの関数として表せ
ば、第５図のようになる。

第５図中・、曲線■（１”Ｂ　＝’ｌ”ｏ　）の場合を
例にすれば、ΔＴ＝Ｏの場合に熱通過率に＝Ｏとなって
、熟が伝わらなくなる。ＴＡが上昇すると、第１熱伝導
体１０が次第に強く押し付けられて、曲線■は直線的に
上昇する。温度差ΔＴが逆転してΔＴが負号の状態に入
ると、Ｋ＝Ｏの直線上を移行することになる。

次に、曲線■（ＴＢ　＞Ｔｏ　）の場合、つまり第２熱
伝導体２０が若干押し付けている場合には、ΔＴ＝０の
ところではＴＢもＴＡも高い温度にあることになるので
、互いに押し付は合っている状態となり、縦軸の熱通過
率にと交わることになる。

次第に１゛＾が下がって来ると、最後は両者が離れる状
態となり、この時点でに＝Ｏの直線上に移行する。よっ
て、ΔＴが負であってもある程度熱が伝わる。更にＴＢ
の温度が高くなると曲線■の上うになる。

次に、曲線■（ＴＢ　＜Ｔｏ　）の場合、つまりΔＴ＝
０のところで既に第２熟伝導体２０が少し縮まっている
場合には、′ｒ八がある程度高い温度になった時に接触
し、成る値の熱通過率Ｋを呈し始めることになる。更に
ＴＢの温度が低くなると曲線■のようになる。

このようにＴＢの温度によって、熱の伝わり方が違って
来て、いわゆるダイオードの整流性を呈する。

（３）熱伝達０性 第１熱伝導体１０から第２熱伝導体２０への伝熱量をＱ
　［Ｗ］とすると、伝熱量Ｑは次式で表わされる。

Ｑ＝に−３・ΔＴ・・・・・・（６） ここで、Ｓ：接触している伝熱面積（ｏｆ）Ｋ：熱通過
率 ΔＴ：温度差 上記（６）式で、Ｑ≧０の場合は第１熱伝導体１０から
第２熱伝導体２０の方向への伝熱、Ｑ＜Ｏの場合は第２
熱伝導体２０から第１熱伝導体１０の方向への伝熱とな
る。

伝７％　ＪＩ　Ｑを図示すると第６図のようになる。

第６図において、＋ｌｈ線■（ＴＢ　＝Ｔｏ　）が標準
的な場合である。横軸の温度（ゲルピンＫ）は温度差Δ
Ｔに比例しており、伝熱量Ｑは温度差ΔＴの二乗に比例
するため、曲線■は図のように２次式でカーブしている
。温度差ΔＴがゼロとなりΔＴ≦０の領域に入ると、Ｑ
＝Ｏの直線上を移行する。

曲線■■（’Ｔ”８　＜Ｔｏ　）の場合は、つまりΔ′
Ｆ＝０のところで既に第２熱伝導体２０が少し！１２！
まっている場合には、ＴＡがある程度高い温度になった
時に接触し、伝熱量Ｑが現れる。

曲線■（ＴＢ　＞Ｔｏ　）の場合、つまり第２熱伝導体
２０が若干押し付けている場合には、ΔＴ−〇のところ
ではＴＢもＴＡも高い温度にあることになるので、互い
に押し付は合っている状態となるが、温度差がゼロであ
るので伝熱量Ｑはゼロとなる。ＴＡとＴＢの温度差ΔＴ
が逆転し負の領域に入ると、第２熱伝導体２０が伸びて
接触しているのにＴＡの温度が低い状態にあるため、そ
れまでとは逆に第２熱伝導体２０から第１熱伝導体１０
へ熱が伝わる。更にＴＢの温度が高くなると、曲線■の
ように、逆方向に流れる伝熱量Ｑは大きくなる。そして
曲線■■いずれの場合も、最後は両熱伝導体が離れる状
態となり、この時点から伝熱量Ｑ＝０の直線上に移行す
る。

次に、上記サーマルダイオードの応用例を示す。

第７図は、サーマルダイオード１を人工衛星４０の外壁
４１の一部として設置し、熱源を有する人工衛星内部の
温度を一定に保つように装置した例である。サーマルダ
イオードｌは、第１図の場合と同様に、熱膨張率及び然
伝樽率の極めて小さい物質Ｃから成る枠体３０により、
熱膨張率の比較的大きい物質Ａから成る第１熱伝導体１
０のｔ＆端と、熱膨張率の比較的小さい物質Ｂから成る
第２熱伝導体２０の後端とを固定支持した構成であり、
第１熟伝導体１０は人工衛星４０の内部側に、第２熱伝
導体２０は宇宙空間側に配置されている。しかし、人工
衛星４０の内部から宇宙空間への熱の排出穴を可能とす
るため、枠体３０の人工衛星内部側と宇宙空間側とには
開口部が形成されている。更に宇宙空間への熱の排出を
効率よく行うため、宇宙空間側の第２熟伝導体２０には
ラジェータ３１を設けである。

人工衛星４０は太陽を向いているときく日照状態〉と太
陽を向いていないとき（日陰状態）とがある、内部に熱
源を有するため外部へ放熱して人工衛星内部の温度を一
定に保ちたい場合であっても、日照状態時には内部に熱
が入って来て欲しくないし、逆に日陰状態に入って冷え
過ぎた時にはあまり熱を捨てたくない状態が起こる。

前者の日照状態時は第６図の曲線■■に相当し、人工衛
星４０の内部での発熱が外部から受ける熟に比べて多け
れば、第６図の第１象限中の曲線■■に従って放熱が行
われるが、内部での発熱が外部から受ける熱より少なけ
れば、第６図の第３象限中の曲線■■に従って、若干の
入熱を１’Ｐうが伝熟ｊｔＱ＝ｏ上を推移して、人工衛
星４０の内部への熱の進入を阻止する。

一方、後者の日陰状態時には第６図の第１象限中の曲線
■■に従って、成る温度差になって初めて人工衛星４０
の内部での熟が外部に放熱され、外部が冷え過ぎて第６
図の第３象限に入ったときは放熱が行われなくなる。

このように、サーマルダイオードは、内部熱源を有、す
るシステムから外部へ放熱してしかも内部温度を一定に
保つために使用できる。

第８図及び第９図は、サーマルダイオード１をシステム
内の電気ヒータ３２を０Ｎ−ＯＦＦする温度センサとし
て利用し、システム内部の温度を一定に保つように装置
した開である。サーマルダイオード１の第１熱伝導体１
０及び第２熱伝導体２０は、第７図の場合と異なり、そ
の熱膨張率の比較的大きい物質Ａ及び熱膨張率の比較的
小さい物質Ｂとして、それぞれ電気伝導率の比較的良好
な金属が用いられている。この例では、第１熱伝桿体１
０は高温間に及び第２熱伝樺体２０は低温側に配置され
ている。

システム全体の温度が下がるとく第４図斜線部）サーマ
ルダイオードｌの第１及び第２熱伝導体１０．２０間が
離れてリレー３３の回路が電源３５から切離され、その
ブレーク接点３４がＯＮしてヒータ３２が電源３６に接
続される。従って、ヒータ３２によりシステムが加熱さ
れる。また、システム全体の温度が上がるとく第４図の
非斜線部）、サーマルダイオード１の第１及び第２熱伝
導体１０．２０が接触してリレー３３が入り、そのブレ
ーク接点３４がＯＦＦしてヒータ３２が切れる。かくし
て、システムの温度が一定に保たれる。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明のサーマルダイオードは、熱
膨張率の違う２つのＴｈ質を接触させたものであり、温
度の高低により伝熱が有無となるバイメタル効果と、熱
の流れる方向で伝熱量が違うダイオード効果を持つ、従
って、システムの温度保持装置の構築に有用な伝熱機器
等に利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のサーマルダイオードの原理梢成図、第
２図は動作説明図、第３図は性能評価の説明に供する図
、第４図は熟の伝わる温度領域と伝わらない温度領域を
示した図、第５図は温度差と熱通過率の関係を示した図
、第６図は温度差と伝熱量の関係を示した図、第７図は
一応用例を示した断面図、第８図及び第９図は他の応用
例を示した図である。 図中、１はサーマルダイオード、１０は第１熱伝導体、
１１は先端、１２は後端、２０は第２熱伝導体、２１は
先端、２２はｆ＆端、３０は枠体、３１はラジェータ、
３２は電気ヒータ、３３はリレー　３４はブレーク接点
、３５．３６は電源、１１０は人工衛星、４１は外壁を
示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、熱膨張率の比較的大きい物質から成る第１熱伝導体
   と、熱膨張率の比較的小さい物質から成る第２熱伝導体
   とを、両者の先端を軽く接触させて対向配置し、両熱伝
   導体の後端を、熱膨張率及び熱伝導率の極めて小さい物
   質から成る枠体に固定したことを特徴とするサーマルダ
   イオード。