WO2015033689A1 - 冷却デバイス - Google Patents

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heat
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cooling
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廣瀬　左京
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株式会社村田製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a cooling device.
  • a cooling device that combines a heat sink and a fan or Peltier element as described above makes the device relatively large and consumes power, making the device smaller and thinner, and lower power consumption (battery life). It is disadvantageous from the point of view. Therefore, development of a cooling device that can be used without a power source and is small is strongly desired.
  • a heat storage material that utilizes latent heat associated with electronic phase transition is known as a heat storage material that does not require electric power (Patent Document 2).
  • latent heat is the total amount of thermal energy required when the phase of a substance changes, and generally refers to the amount of heat absorbed and exothermed with the change of phase.
  • heat storage is to store heat, and cold insulation is to keep the temperature of the object low, and cooling means to lower the temperature of the object.
  • Such a material absorbs heat only in the vicinity of the object in contact with the object to be cooled, and it is clear that the entire cooling device cannot absorb heat and cannot fully utilize the capacity of the cooling device. It was. Therefore, although it can be used in an application in which the space insulated by the heat storage effect is kept for a long time, the temperature rises in a spike shape (steep) when sudden processing is performed like a CPU, for example. It has been found difficult to cool such things efficiently.
  • an object of the present invention is to provide a cooling device that does not require electric power and has high efficiency and a high degree of freedom in shape change.
  • the inventors of the present invention have made a cooling device formed into a sheet shape by combining a ceramic material that absorbs heat accompanying a crystal structure phase transition or a magnetic phase transition, and a resin.
  • a ceramic material that absorbs heat accompanying a crystal structure phase transition or a magnetic phase transition
  • a resin that absorbs heat accompanying a crystal structure phase transition or a magnetic phase transition
  • a sheet-like cooling device comprising a ceramic material that absorbs heat and a resin.
  • a cooling device that diffuses, is flexible, and has a high degree of freedom of shape change. Further, the resistance of the element can be increased by the resin as compared with the ceramic plate.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a cooling device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a cooling device according to another aspect of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a cooling device according to still another aspect of the present invention.
  • FIG. 4 shows the results of differential scanning calorimetry in the experimental example.
  • cooling refers to absorbing heat generated in a cooling object, diffusing and radiating heat to lower the temperature of the cooling object, and heat generated around the cooling object. It means both absorbing and preventing the object to be cooled from being heated.
  • the temperatures related to latent heat and phase transition such as “temperature indicating latent heat” and “temperature for phase transition” mean the temperature indicating latent heat at the time of temperature rise and the temperature at which the phase transition at the time of temperature rise, unless otherwise specified. To do.
  • the temperature which shows a latent heat, and the temperature which changes a phase mean substantially the same temperature.
  • the cooling device of the present invention comprises a ceramic material that absorbs heat (hereinafter also simply referred to as “ceramic material”).
  • the ceramic material absorbs heat by absorbing latent heat.
  • the latent heat means latent heat accompanying a solid-solid phase transition, such as a crystal structure phase transition or a magnetic phase transition.
  • the ceramic material constitutes a ceramic part. Using the latent heat accompanying the phase transition of the ceramic material, the heat generated in the object to be cooled or the heat generated around the object to be cooled is absorbed to cool the object to be cooled. In addition, because of its excellent thermal conductivity, heat is diffused to efficiently dissipate and cool.
  • the ceramic material is not particularly limited, for example, ceramic material described in Patent Document 2, specifically, VO 2, LiMn 2 O 4 , LiVS 2, LiVO 2, NaNiO 2, LiRh 2 O 4, V 2 O 3, V 4 O 7, V 6 O 11, Ti 4 O 7, SmBaFe 2 O 5, EuBaFe 2 O 5, GdBaFe 2 O 5, TbBaFe 2 O 5, DyBaFe 2 O 5, HoBaFe 2 O 5, YBaFe 2 O 5 , PrBaCo 2 O 5.5 , DyBaCo 2 O 5.54 , HoBaCo 2 O 5.48 , YBaCo 2 O 5.49 , A y VO 2 (wherein A is Li or Na, 0.1 ⁇ y ⁇ 2.0, preferably 0.5 ⁇ y ⁇ 1.0), V 1-x M x O 2 ( where, M is, W, Ta, Mo, N A Ru or Re, 0 ⁇ x ⁇ 0.2, preferably include 0 ⁇ x ⁇
  • the ceramic material used in the cooling device of the present invention is an oxide containing vanadium V and M (where M is at least one selected from W, Ta, Mo and Nb),
  • M is at least one selected from W, Ta, Mo and Nb
  • the molar content of M is about 0 mol parts or more and about 5 mol parts or less. Note that M is not an essential component, and the content molar part of M may be 0.
  • the ceramic material used in the cooling device of the present invention is an oxide containing A (here, A is Li or Na) and vanadium V, where V is 100 mole parts.
  • a mole content of A is from about 50 mole parts to about 100 mole parts.
  • the ceramic material used in the cooling device of the present invention has a composition formula: V 1-x M x O 2 (Wherein, M is W, Ta, Mo or Nb, 0 ⁇ x ⁇ 0.05) Or the composition formula: A y VO 2 (Wherein, A is Li or Na, 0.5 ⁇ y ⁇ 1.0)
  • V 1-x M x O 2 wherein, M is W, Ta, Mo or Nb, 0 ⁇ x ⁇ 0.05
  • a y VO 2 wherein, A is Li or Na, 0.5 ⁇ y ⁇ 1.0
  • the ceramic material used in the cooling device of the present invention has a composition formula: V 1-x W x O 2 (Where 0 ⁇ x ⁇ 0.05) The substance shown by is included as a main component.
  • the main component means a component contained in the ceramic material by 50% by mass or more, particularly 60% by mass or more, preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, and further preferably 98% by mass. For example, it means 98.0 to 99.8% by mass.
  • Other components include VO x having a different oxygen content from VO 2 .
  • the temperature at which the ceramic material undergoes phase transition is appropriately selected according to the object to be cooled, the purpose of cooling, and the like.
  • the temperature is 20 to 100 ° C., preferably 30 to 70 ° C. It is preferable to undergo phase transition.
  • the ceramic material used in the present invention preferably has a latent heat amount of 5 J / g or more, more preferably 20 J / g or more.
  • a large amount of latent heat By having a large amount of latent heat, a large cooling effect can be exhibited with a smaller volume, which is advantageous in terms of miniaturization.
  • the temperature at which the ceramic material undergoes phase transition is appropriately selected according to the object to be cooled, the purpose of cooling, and the like.
  • the phase transition should be performed at 30 to 100 ° C., preferably 40 to 60 ° C. Is preferred.
  • the ceramic material may be in the form of particles (powder).
  • the ceramic material By using the ceramic material as particles, the occurrence of cracks can be suppressed even when the phase transition is repeated, and the durability of the cooling device is enhanced.
  • the particle size of the ceramic material particles is not particularly limited.
  • the average particle size is 0.2 to 50 ⁇ m, preferably 0.5 to 50 ⁇ m.
  • Such an average particle diameter can be measured using a laser diffraction / scattering soot particle diameter / particle size distribution measuring apparatus or an electronic scanning microscope.
  • the average particle system is preferably 0.5 ⁇ m or more from the viewpoint of ease of handling, and is preferably 10 ⁇ m or less from the viewpoint of reducing the porosity between particles.
  • the cooling device of the present invention contains a resin.
  • a resin By including a resin in the cooling device, flexibility can be given and strength can be increased. Furthermore, the resistance can be increased as compared with a ceramic plate made of ceramics only.
  • the resin is not particularly limited, and examples thereof include acrylic resin, epoxy, polyester, silicon, polyurethane, polyethylene, polypropylene, polystyrene, nylon, polycarbonate, and polybutylene terephthalate.
  • the content of the resin is not particularly limited.
  • the resin content is 10 to 60 parts by volume, and 20 to 40 parts by volume with respect to a total of 100 parts by volume of the ceramic material (total with metal particles, if present). Is preferred.
  • the cooling device of the present invention has a sheet shape.
  • the sheet form means a sheet having a spread and a small thickness.
  • the sheet has a thickness of 50% or less, preferably 30% or less with respect to the maximum width of the surface. Means.
  • the cooling device of the present invention may include metal particles (for example, powder). Since the metal particles have higher thermal conductivity than the ceramic material, the heat of the object to be cooled can be efficiently transmitted to a wide area of the ceramic portion by using the metal particles.
  • a powder obtained by coating a ceramic particle with a metal using a chemical or physical method may be used.
  • the metal particles need only be in contact with the ceramic material.
  • the metal particles may be dispersed in the cooling device and may be present uniformly or non-uniformly.
  • the metal particles are not particularly limited as long as they have higher thermal conductivity than the ceramic material, and examples thereof include particles made of tin, nickel, silver, copper, aluminum, and the like. These metal particles may be used alone or in combination of two or more metal particles. Preferred metal particles are tin, silver, or copper particles.
  • the particle size of the metal particles (powder) is not particularly limited.
  • the average particle size is 0.5 to 100 ⁇ m, preferably 1 to 50 ⁇ m.
  • Such an average particle diameter can be measured using a laser diffraction / scattering soot particle diameter / particle size distribution measuring apparatus or a scanning electron microscope.
  • the average particle system is preferably 1 ⁇ m or more from the viewpoint of ease of handling, and is preferably 50 ⁇ m or less from the viewpoint of reducing the porosity between particles.
  • the mixing ratio of the ceramic material and the metal particles is not particularly limited.
  • the volume ratio is 8: 2 to 2: 8, preferably 6: 4 to 3: 7.
  • the volume ratio between the ceramic material and the metal particles can be obtained by measuring the respective weights and calculating the volume from the theoretical density.
  • the thermal conductivity inside the cooling device can be improved, and the cooling efficiency can be increased.
  • the strength of the cooling device after molding can be increased.
  • the amount of heat that can be absorbed can be increased by increasing the proportion of the ceramic material.
  • the cooling device of the present invention may have a heat conducting portion made of a material having a higher thermal conductivity than the ceramic material (hereinafter also referred to as “high heat conducting material”).
  • the heat conducting unit has a function of efficiently transferring heat generated in the object to be cooled to a wide area of the cooling device.
  • the high thermal conductivity material is not particularly limited as long as it has a higher thermal conductivity than the ceramic material, but includes metal materials, resins, nitrides such as AlN, and oxides such as Al 2 O 3 , A metal material is preferable.
  • the metal material is not particularly limited, and examples thereof include tin, nickel, copper, bismuth, silver, iron, aluminum, and alloys containing them. This metal material may be the same metal as the metal particles or may be different. A metal material may be used independently or may be used in combination of 2 or more types of metal materials.
  • the resin as the high thermal conductive material is not particularly limited, and examples thereof include a polyimide resin (for example, Kapton (registered trademark)), a high thermal conductive nylon resin, and the like. Similar effects can be obtained with graphite, graphene sheets, and the like. Similarly, similar effects can be obtained with metal foils such as Al and Cu.
  • a polyimide resin for example, Kapton (registered trademark)
  • Kapton registered trademark
  • metal foils such as Al and Cu.
  • the shape and arrangement of the high heat conduction part are not particularly limited as long as the heat generated in the object to be cooled can be transmitted to a wide area of the cooling device.
  • the high heat conduction part may be attached to one surface of the cooling device, and as shown in FIG. 2, the high heat conduction part connects the cooling device and the ceramic part. However, it may have a dish shape.
  • the cooling device may have a high thermal conductivity portion on the surface opposite to the object to be cooled. By disposing the high thermal conductivity portion on the opposite surface, heat dissipation can be assisted and cooling can be performed more efficiently.
  • the cooling device of the present invention may have elasticity.
  • the cooling device can be fixed more easily and stably by being sandwiched between other members.
  • the method for imparting elasticity to the cooling device of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a method of containing a resin.
  • the method for producing the cooling device of the present invention is not particularly limited, and can be produced by a known method, for example, by mixing a ceramic material and a resin and press-molding the obtained mixture.
  • a green sheet may be prepared from a slurry containing a ceramic material, laminated to a desired thickness, pressure-bonded, and impregnated with resin as necessary.
  • the cooling device of the present invention can be molded into a desired shape and can also be given flexibility, it can function as a cooling device and can also be used as another member such as a substrate, a case, or a cushioning material. Can be used.
  • V 2 O 3 Vanadium trioxide
  • V 2 O 5 vanadium pentoxide
  • WO 3 tungsten oxide
  • V: W: O It weighed so that it might become 0.995: 0.005: 2 (molar ratio), and it dry-mixed. Thereafter, heat treatment was performed at 1000 ° C. for 4 hours in a nitrogen / hydrogen / water atmosphere to prepare a powder of V 0.995 W 0.005 O 2 (0.5 at% W-doped VO 2 ) as a ceramic material.
  • pure water, partially stabilized zirconium (PSZ) balls, a dispersant (manufactured by San Nopco: SN5468) and the ceramic material powder obtained above are added to a polypot and pulverized and mixed for 24 hours. Thereafter, an acrylic binder, a plasticizer and an antifoaming agent were added and mixed again for 2 hours to obtain a sheet forming slurry.
  • PSZ partially stabilized zirconium
  • a sheet forming slurry was formed into a sheet to produce a green sheet, then cut into strips, and a ceramic single plate was produced by a crimping process.
  • This ceramic single plate is subjected to degreasing treatment in the atmosphere at 300 ° C., and then sintered by heat treatment at 1000 ° C. for 4 hours in a nitrogen / hydrogen / water atmosphere to obtain a size of 43 mm ⁇ 20 mm ⁇ 2 mm.
  • a ceramic single plate cooling device was fabricated.
  • the said green sheet was crimped
  • Cooling test A metal plate (about 12 ⁇ 48 mm) with a fixed resistance of 1 ⁇ was prepared as a heating element, and a K thermocouple for temperature measurement was attached to the surface of the heating element. When there was no cooling device on the top of the heating element, it was confirmed that the temperature reached about 85 ° C. 10 minutes after the 6 W power was turned on. Next, a heat conductive double-sided adhesive tape was attached to the surface of the heating element, and the flexible cooling device produced above and an alumina plate having high heat conductivity of approximately the same size were fixed and evaluated in the same manner. The results are shown in Table 1.
  • the cooling device of the present invention exhibits both excellent cooling performance and flexibility.
  • the alumina plate has excellent heat conduction, it can function as a cooling device due to the effects of heat diffusion and heat dissipation, but the cooling device of the present invention can absorb heat in addition to excellent heat diffusion and heat dissipation. Since it is possible, a more excellent cooling effect can be obtained.
  • an alumina plate is hard, flexibility cannot be obtained.
  • the sintered body of VO 2 can obtain the same cooling effect as that of the cooling device of the present invention, but is not flexible, and the element strength is easily lowered by impact or heat cycle, so that it is practically a cooling device. Difficult to use as. Further, when the resistance value of the VO2 sintered body was measured with a tester, it was 10 ⁇ or more, but in the flexible cooling device of the present invention, it was 1 M ⁇ or more, and the insulation was improved by producing a composite with a resin. It is also possible.
  • the cooling device of the present invention can be used, for example, as a cooling device for a small communication terminal in which a thermal countermeasure problem has become prominent.

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Abstract

　本発明は、電力を必要としない、高効率かつ形状変化の自由度が高い冷却デバイスを提供する。本発明の冷却デバイスは、潜熱を有するセラミックス材料と、樹脂とを含んで成り、シート状であることを特徴とする。

Description

冷却デバイス
　本発明は、冷却デバイスに関する。
　近年、小型通信機器の進歩により薄くて軽いスマートフォンやタブレット型端末が広く普及し始めている。このような機器においてもパーソナルコンピューターと同様に高性能化が進められ、それに伴いＣＰＵなどの発熱に関する問題が顕著化しており、機器の内部温度を、より高度に制御することが求められている。このような課題に対しては、従来からヒートシンクとファンまたはペルチェ素子を組み合わせた冷却装置が知られている（特許文献１を参照）。
特開２０１０－２２３４９７号公報 特開２０１０－１６３５１０号公報
　上記のようなヒートシンクとファンまたはペルチェ素子を組み合わせた冷却装置は、機器が比較的大きくなり、また、電力を消費するので、機器の小型化・薄型化、および低消費電力（バッテリーの持ち時間）の観点から不利である。したがって、無電源で使用可能で、かつ小型な冷却デバイスの開発が強く望まれている。
　一方、電力を必要としない蓄熱材として電子相転移に伴う潜熱を利用する蓄熱材が知られている（特許文献２）。ここで潜熱とは、物質の相が変化するときに必要とされる熱エネルギーの総量であり、一般的に相の変化に伴う吸発熱量の事をいう。蓄熱とはその名の通り熱を蓄えることであり、保冷とは対象物の温度を低い状態に保つことであり、冷却とは対象物の温度を下げることを意味する。本発明者の検討の結果、このような材料を用いることにより、蓄熱、保冷効果に加え、冷却したい対象物（例えば、ＣＰＵ）を冷却する効果を一応得ることができることが確認されたが、このような材料は、冷却対象物に接している近傍の部分だけで熱を吸収し、冷却デバイス全体で熱を吸収することができず冷却デバイスの能力を最大限利用できていないことが明らかになった。したがって、蓄熱効果により断熱された空間を長時間にわたって保冷する用途では使用することができるが、例えば、ＣＰＵのように、突発的な処理を行った際にスパイク状（急峻）に温度が上昇するようなものの冷却を効率よく行うことは難しいことが見出された。
　また、機器の小型化により、冷却デバイスの設置可能空間の大きさ、形状が限られてきている。したがって、このような空間を有効に利用するために、設置箇所の形状に合わせて、形状を自由に変化させ得る冷却デバイスが望まれている
　したがって、本発明の目的は、電力を必要としない、高効率かつ形状変化の自由度が高い冷却デバイスを提供することにある。
　本発明者らは、上記問題を解消すべく鋭意検討した結果、結晶構造相転移や磁気相転移等に伴う熱を吸収するセラミックス材料、および樹脂を組み合わせてシート状に成形した冷却デバイスとすることにより、上記の問題を解決できることを見出し、本発明に至った。
　本発明の要旨によれば、熱を吸収するセラミックス材料と、樹脂とを含んで成り、シート状である冷却デバイスが提供される。
　本発明によれば、結晶構造相転移や磁気相転移等に伴う潜熱を吸収するセラミックス材料と樹脂とを組み合わせてシート状に成形することにより、効率よく冷却対象物を冷却し、熱を効率よく拡散し、柔軟性を有し、形状変化の自由度が高い冷却デバイスが提供される。またセラミックス板と比較して樹脂により素子の抵抗を高くすることができる。
図１は、本発明の一の態様の冷却デバイスの概略断面図である。 図２は、本発明の別の態様の冷却デバイスの概略断面図である。 図３は、本発明のさらに別の態様の冷却デバイスの概略断面図である。 図４は、実験例における示差走査熱量測定の結果を示す。
　本明細書において、「冷却」とは、冷却対象物で生じた熱を吸収し、また熱を拡散、放熱して冷却対象物の温度を下げること、および冷却対象物の周囲で生じた熱を吸収し、冷却対象物が加熱されることを防止することの両方を意味する。
　本明細書において、「潜熱を示す温度」および「相転移する温度」といった潜熱および相転移に関する温度は、特記しない限り、それぞれ、昇温時に潜熱を示す温度および昇温時に相転移する温度を意味する。なお、潜熱を示す温度および相転移する温度は、実質的に同じ温度を意味する。
　本発明の冷却デバイスは、熱を吸収するセラミックス材料（以下、単に「セラミックス材料」ともいう）を含んで成る。このセラミックス材料の熱の吸収は、潜熱を吸収することにより為される。前記潜熱は、固体－固体の相転移、例えば結晶構造相転移や磁気相転移等に伴う潜熱を意味する。セラミックス材料は、セラミックス部を構成する。このセラミックス材料の相転移に伴う潜熱を利用し、冷却対象物で生じる熱または冷却対象物の周囲で生じる熱を吸収し、冷却対象物を冷却する。また熱伝導率が優れているため、熱を拡散させて効率よく放熱・冷却する。
　上記セラミックス材料としては、特に限定されないが、例えば特許文献２に記載のセラミックス材料、具体的には、ＶＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＶＳ２、ＬｉＶＯ２、ＮａＮｉＯ２、ＬｉＲｈ２Ｏ４、Ｖ２Ｏ３、Ｖ４Ｏ７、Ｖ６Ｏ１１、Ｔｉ４Ｏ７、ＳｍＢａＦｅ２Ｏ５、ＥｕＢａＦｅ２Ｏ５、ＧｄＢａＦｅ２Ｏ５、ＴｂＢａＦｅ２Ｏ５、ＤｙＢａＦｅ２Ｏ５、ＨｏＢａＦｅ２Ｏ５、ＹＢａＦｅ２Ｏ５、ＰｒＢａＣｏ２Ｏ５．５、ＤｙＢａＣｏ２Ｏ５．５４、ＨｏＢａＣｏ２Ｏ５．４８、ＹＢａＣｏ２Ｏ５．４９、ＡｙＶＯ２（式中、ＡはＬｉまたはＮａであり、０．１≦ｙ≦２．０、好ましくは０．５≦ｙ≦１．０）、Ｖ１－ｘＭｘＯ２（式中、Ｍは、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、ＲｕまたはＲｅであり、０≦ｘ≦０．２、好ましくは０≦ｘ≦０．０５）等が挙げられる。
　好ましい態様において、本発明の冷却デバイスに用いられるセラミックス材料は、バナジウムＶおよびＭ（ここに、Ｍは、Ｗ、Ｔａ、ＭｏおよびＮｂから選ばれる少なくとも一種である）を含む酸化物であって、ＶとＭの合計を１００モル部としたときのＭの含有モル部が約０モル部以上約５モル部以下である。なお、Ｍは必須成分ではなく、Ｍの含有モル部は０であってもよい。
　別の好ましい態様において、本発明の冷却デバイスに用いられるセラミックス材料は、Ａ（ここに、ＡはＬｉまたはＮａである）およびバナジウムＶを含む酸化物であって、Ｖを１００モル部としたときのＡの含有モル部が約５０モル部以上約１００モル部以下である。
　さらに別の好ましい態様において、本発明の冷却デバイスに用いられるセラミックス材料は、組成式：
　　　Ｖ１－ｘＭｘＯ２
（式中、Ｍは、Ｗ、Ｔａ、ＭｏまたはＮｂであり、０≦ｘ≦０．０５）
または、組成式：
　　　　ＡｙＶＯ２
　（式中、ＡはＬｉまたはＮａであり、０．５≦ｙ≦１．０）
で表される１種またはそれ以上の物質を主成分として含む。
　より好ましい態様において、本発明の冷却デバイスに用いられるセラミックス材料は、組成式：
　　　Ｖ１－ｘＷｘＯ２
（式中、０≦ｘ≦０．０５）
で示される物質を主成分として含む。
　ここで、主成分とは、セラミックス材料中に５０質量％以上含まれる成分を意味し、特に６０質量％以上、好ましくは８０質量％以上、より好ましくは９０質量％以上、さらに好ましくは９８質量％以上、例えば９８．０～９９．８質量％含むことを意味する。その他の成分としては、ＶＯ２と酸素量の異なるＶＯｘが挙げられる。
　上記セラミックス材料が相転移する温度は、冷却対象物、冷却目的などに応じて適宜選択され、例えば冷却対象物がＣＰＵである場合、昇温時、２０～１００℃、好ましくは３０～７０℃で相転移することが好ましい。
　本発明で用いられるセラミックス材料は、好ましくは５Ｊ／ｇ以上、より好ましくは２０Ｊ／ｇ以上の潜熱量を有する。大きな潜熱量を有することにより、より小さな体積で大きな冷却効果を発揮できるので、小型化の点で有利である。
　上記セラミックス材料が相転移する温度は、冷却対象物、冷却目的などに応じて適宜選択され、例えば冷却対象物がＣＰＵである場合、３０～１００℃、好ましくは４０～６０℃で相転移することが好ましい。
　好ましい態様において、上記セラミックス材料は、粒子（粉末）状であり得る。セラミックス材料を粒子として用いることにより、相転移を繰り返した場合にもクラックの発生を抑制することができ、冷却デバイスの耐久性が高くなる。
　上記セラミックス材料の粒子の粒度は、特に限定されないが、例えば平均粒子径が、０．２～５０μｍであり、好ましくは、０．５～５０μｍである。かかる平均粒子径は、レーザー回折・散乱式 粒子径・粒度分布測定装置または電子走査顕微鏡を用いて測定することができる。平均粒子系は、取り扱いの容易性の観点から、０．５μｍ以上であることが好ましく、粒子間の空隙率を小さくする観点から、１０μｍ以下であることが好ましい。
　本発明の冷却デバイスは、樹脂を含む。冷却デバイスに樹脂を含有させることにより、柔軟性を与えることができ、また、強度を高めることができる。更にはセラミックスのみで構成されるセラミックス板と比較して高抵抗化させることができる。
　上記樹脂としては、特に限定されるものではないが、例えばアクリル系樹脂、エポキシ、ポリエステル、シリコン、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ナイロン、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレート等が挙げられる。
　上記樹脂の含有量は、特に限定されないが、例えば、セラミックス材料（存在する場合には金属粒子との合計）の合計１００体積部に対して、１０～６０体積部であり、２０～４０体積部が好ましい。
　本発明の冷却デバイスは、シート状の形状を有する。本明細書において、シート状とは、面としての広がりを持ち、厚さが薄いものを意味し、例えば、面の最大幅に対して、厚みが５０％以下、好ましくは３０％以下であるものを意味する。冷却デバイスをシート状とすることにより、表面積が増加するので、吸収した熱を広範囲に拡散し、外部に放出しやすくなり、冷却対象物を効率的に冷却することができる。また、冷却デバイスの柔軟性を高めることができ、設置に関する自由度が向上する。さらに、一つのデバイスで複数の冷却対象物の冷却を行うこともできる。
　一の態様において、本発明の冷却デバイスは、金属粒子（例えば、粉末）を含んでいてもよい。この金属粒子は、上記セラミックス材料よりも熱伝導率が高いので、金属粒子を用いることにより冷却対象物の熱を効率的にセラミックス部の広範な領域に伝えることが可能になる。また、この場合、化学的、物理的手法を用いてセラミックス粒子に金属をコーティングした紛体を使用してもよい。
　上記金属粒子は、セラミックス材料と接触していればよく、例えば、冷却デバイスに分散して存在し、均一で存在しても不均一で存在してもよい。
　上記金属粒子としては、上記セラミックス材料よりも熱伝導率が高いものであれば特に限定されず、例えば、スズ、ニッケル、銀、銅およびアルミニウムなどからなる粒子が挙げられる。この金属粒子は、単独で用いてもよく、または２種以上の金属粒子を組み合わせて用いてもよい。好ましい金属粒子は、スズ、銀、または銅粒子である。
　上記金属粒子（粉末）の粒度は、特に限定されないが、例えば平均粒子径が、０．５～１００μｍであり、好ましくは、１～５０μｍである。かかる平均粒子径は、レーザー回折・散乱式 粒子径・粒度分布測定装置または走査電子顕微鏡を用いて測定することができる。平均粒子系は、取り扱いの容易性の観点から、１μｍ以上であることが好ましく、粒子間の空隙率を小さくする観点から、５０μｍ以下であることが好ましい。
　上記セラミックス材料と金属粒子の混合比は、特に限定されないが、例えば、体積比で８：２～２：８であり、好ましくは６：４～３：７である。なお、セラミックス材料と金属粒子の体積比は、それぞれの重量を測定して理論密度から体積を算出することにより得ることができる。金属粒子の割合を多くすることにより、冷却デバイス内部の熱伝導性を向上させることができ、冷却効率を高めることができる。さらに、成形後の冷却デバイスの強度を高めることができる。他方、セラミックス材料の割合を多くすることにより、吸収できる熱量を大きくすることができる。
　一の態様において、本発明の冷却デバイスは、セラミックス材料よりも高い熱伝導率を有する材料（以下、「高熱伝導材料」ともいう）から構成される熱伝導部を有していてもよい。この熱伝導部は、冷却対象物で生じた熱を効率的に冷却デバイスの広範な領域に伝える機能を有する。
　上記高熱伝導材料としては、上記セラミックス材料よりも高い熱伝導率を有する材料であれば特に限定されないが、金属材料、樹脂、ＡｌＮなどの窒化物およびＡｌ２Ｏ３などの酸化物が挙げられ、好ましくは金属材料である。
　上記金属材料としては、特に限定されないが、例えば、スズ、ニッケル、銅、ビスマス、銀、鉄およびアルミニウムまたはそれらを含む合金等が挙げられる。この金属材料は、上記金属粒子と同じ金属であっても、異なっていてもよい。金属材料は、単独で用いてもよく、または２種以上の金属材料を組み合わせて用いてもよい。
　高熱伝導材料としての樹脂は、特に限定されないが、例えばポリイミド樹脂（例えば、カプトン（登録商標）など）、高熱伝導性ナイロン樹脂等が挙げられる。またグラファイトやグラフェンシート等でも同様の効果が得られる。また同様にＡｌやＣｕなどの金属箔でも同様の効果が得られる。
　上記高熱伝導部は、冷却対象物で生じた熱を冷却デバイスの広範な領域に伝えることが可能であれば、その形状および配置は特に限定されない。例えば、図１に示されるように、高熱伝導部は、冷却デバイスの一の面に貼り付けられていてもよく、図２に示されるように、高熱伝導部は、冷却デバイスとセラミックス部を接続し、皿状の形状であってもよい。
　一の態様において、図３に示されるように、冷却デバイスは、冷却対象物と反対の面にも高熱伝導部を有していてもよい。反対の面に高熱伝導部を配置することにより、放熱を補助することができ、冷却をより効率的に行うことができる。
　好ましい態様において、本発明の冷却デバイスは弾性を有し得る。弾性を有することにより、例えば他の部材に挟むことによる冷却デバイスの固定をより容易かつ安定に行うことができる。本発明の冷却デバイスに弾性を与える方法は、特に限定されないが、例えば樹脂を含有させる方法が挙げられる。
　本発明の冷却デバイスの製造方法は、特に限定されず、公知の方法、例えば、セラミックス材料と樹脂を混合して、得られた混合物をプレス成形することにより作製することができる。別法として、セラミックス材料を含むスラリーからグリーンシートを作製して、これを所望の厚さに積層して、圧着し、必要に応じて樹脂を含浸させることにより製造してもよい。
　本発明の冷却デバイスは、所望の形状に成形することができ、さらに柔軟性を与えることもできるので、冷却デバイスとしての機能を有しつつ、基板、ケースまたは緩衝材等の他の部材としても利用することができる。
　実験例：
・焼結セラミックス冷却デバイスの作製
　セラミックス原料として、三酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ３）、五酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、および酸化タングステン（ＷＯ３）を用い、これらをＶ：Ｗ：Ｏ＝０．９９５：０．００５：２（モル比）となるように秤量し、乾式混合した。その後、窒素／水素／水雰囲気下で１０００℃、４時間熱処理し、セラミックス材料としてＶ０．９９５Ｗ０．００５Ｏ２（０．５ａｔ％ＷドープＶＯ２）の粉末を調製した。
　次に、純水、部分安定化ジルコニウム（Partial Stabilized Zirconia；ＰＳＺ）ボール、分散剤（サンノプコ製：ＳＮ５４６８）および上記で得られたセラミックス材料の粉末をポリポットに加えて、２４時間粉砕混合を行い、その後アクリル系バインダー、可塑剤および消泡剤を加え、再度２時間混合を行い、シート成形用スラリーを得た。
　次に、ドクターブレード法を使用し、シート成形用スラリーをシート成形して、グリーンシートを作製し、その後短冊カットし、圧着プロセスにより、セラミックス単板を作製した。このセラミックス単板を、３００℃大気中で脱脂処理に付し、その後窒素／水素／水雰囲気下で、１０００℃で４時間熱処理して焼結させて、４３ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍのサイズの焼結セラミックス単板の冷却デバイスを作製した。
・フレキシブルな冷却デバイスの作製
　また、前記グリーンシートを圧着し、４７ｍｍ×２４ｍｍ×２．０ｍｍに成形してフレキシブルな冷却デバイスを作製した。
・示差走査熱量測定
　上記で得られたセラミックス単板の冷却デバイスについて、示差走査熱量測定（Differential scanning calorimetry：ＤＳＣ）により、０℃→１００℃→０℃の温度掃引で、熱の出入り（吸熱および発熱）を評価した。結果を図４に示す。図４から、得られたセラミックス材料は、加温時には５０℃～６０℃付近で吸熱し、冷却時には４０～５０℃付近で放熱することが確認された。
・冷却試験
　発熱体として、１Ωの固定抵抗を貼りつけた金属板（約１２×４８ｍｍ）を用意し、発熱体表面に温度計測用のＫ熱電対を取り付けた。発熱体上部に冷却デバイスがない場合は６Ｗの電力投入後、１０分後に約８５℃に到達することを確認した。次に発熱体表面に熱伝導両面テープを張り付け、上記で作製したフレキシブル冷却デバイスおよび、それとほぼ同じ大きさの高い熱伝導を有するアルミナ板をそれぞれ固定し同様に評価した。結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１から明らかであるように、本発明の冷却デバイスは優れた冷却性能とフレキシブル性の両方を示すことが分かる。同様に、アルミナ板を用いることで、到達温度を何もない時より１０℃下げることが可能であるが、本発明の冷却デバイスより効果が小さい。これはアルミナ板は優れた熱伝導を有する為、熱拡散、放熱の効果で冷却デバイスとして機能できるが、本発明の冷却デバイスでは、優れた熱拡散、放熱性に加えて熱を吸収することが可能であるため、より優れた冷却効果を得ることができる。また、アルミナ板は硬いためフレキシブル性は得られない。またＶＯ２の焼結体でも本発明の冷却デバイスと同様の冷却効果を得ることが可能であるが、フレキシブル性が無く、また衝撃やヒートサイクルにより容易に素子強度が低下し、実用上冷却デバイスとして使用することが困難である。
また、ＶＯ２焼結体をテスターで抵抗値を測定したところ、十数Ωであったが、本発明のフレキシブル冷却デバイスでは１ＭΩ以上であり、樹脂と複合体を作製することにより絶縁性を向上させることも可能となる。
　本発明の冷却デバイスは、例えば、熱対策問題が顕著化している小型通信端末の冷却デバイスとして利用することができる。
　　１　…　冷却デバイス
　　２　…　セラミックス部
　　４　…　高熱伝導部
　　６　…　冷却対象物
　　８　…　焼結セラミックス単板
　　１０　…　ＰＴＣヒーター

Claims (7)

  1. 　熱を吸収するセラミックス材料と、樹脂とを含んで成り、シート状である冷却デバイス。
  2. 　セラミックス材料が、バナジウムＶおよびＭ（ここに、Ｍは、Ｗ、Ｔａ、ＭｏおよびＮｂから選ばれる少なくとも一種である）を含む酸化物であって、ＶとＭの合計を１００モル部としたときのＭの含有モル部が約０モル部以上約５モル部以下であることを特徴とする、請求項１に記載の冷却デバイス。
  3. 　セラミックス材料が、Ａ（ここに、ＡはＬｉまたはＮａである）およびバナジウムＶを含む酸化物であって、Ｖを１００モル部としたときのＡの含有モル部が約５０モル部以上約１００モル部以下であることを特徴とする、請求項１に記載の冷却デバイス。
  4. 　セラミックス材料が、式：
    　　　Ｖ１－ｘＭｘＯ２
    （式中、Ｍは、Ｗ、Ｔａ、ＭｏまたはＮｂであり、ｘは、０以上０．０５以下である）
    または、式：
    　　　ＡｙＶＯ２
    （式中、Ａは、ＬｉまたはＮａであり、ｙは、０．５以上１．０以下である）
    で表される１種またはそれ以上の材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の冷却デバイス。
  5. 　セラミックス材料が、粒子状であることを特徴とする、請求項１～４のいずれかに記載の冷却デバイス。
  6. 　さらに、金属粒子を含むことを特徴とする、請求項１～５のいずれかに記載の冷却デバイス。
  7. 　金属粒子が、スズ、ニッケル、銅およびアルミニウムから選択される１種またはそれ以上の金属粒子であることを特徴とする、請求項６に記載の冷却デバイス。
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