WO2015079770A1

WO2015079770A1 - 蓄熱デバイス

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Publication number: WO2015079770A1
Application number: PCT/JP2014/073902
Authority: WO
Inventors: 坂本　禎章; 宙樹坂本; 裕直小倉
Original assignee: 株式会社村田製作所; 国立大学法人千葉大学
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2015-06-04
Also published as: JPWO2015079770A1

Abstract

　電子機器において発熱部品の温度上昇を抑制するために好適に使用され得る蓄熱デバイスを提供する。蓄熱材を収容した第一室を筐体内に備える蓄熱デバイス（１０）の製造方法において、蓄熱材の粒子（２ａ）と溶媒とを含むスラリーを筐体（９）の第一室（１）内に流し込み、溶媒を除去して、蓄熱材の粒子（２ａ）を筐体（９）の第一室（１）内に残す。

Description

蓄熱デバイス

　本発明は、蓄熱デバイスに関し、特に、電子機器において発熱部品（または発熱する電子部品）の温度上昇を抑制するために好適に使用され得る蓄熱デバイスに関する。

　電子機器に内蔵されている電子部品、例えば中央処理装置（ＣＰＵ）その他の集積回路（ＩＣ）等においては、投入されたエネルギーの一部が熱に変換されて、発熱することにより失われている。そして、発熱による温度上昇が顕著になると、電子部品そのものが故障したり、周囲の他の部品に悪影響を及ぼしたりして、電子機器の寿命や信頼性を損ね得る。また、電子部品の発熱は、電子機器のユーザの使用感や安全性のうえでも好ましくない。

　かかる発熱部品の温度上昇を抑制するために、従来、冷却ファンを用いて強制対流により電子機器の外部へ熱を排気する方法や、ヒートパイプの両端をそれぞれ発熱部品およびヒートシンクまたは放熱板に接続し、ヒートパイプ内の作動液の蒸発および凝縮の潜熱を利用して熱を輸送し、ヒートシンク等から放熱する方法が知られている（例えば特許文献１を参照のこと）。これら方法は、発熱部品から直接または間接に放熱することにより、発熱部品の温度上昇を抑制するものである。

特開２００１－６８８８３号公報特開平１０－８９７９９号公報特開２００８－１１１５９２号公報

　近年、電子機器の高性能化に伴い、１つの電子機器に内蔵される発熱部品の数が増加すると共に、個々の発熱部品に投入されるエネルギー量が増大し、これらの結果、電子機器における発熱量が増大している。

　冷却ファンを用いた従来の放熱方法では、冷却ファンを駆動するために追加のエネルギーを要しており、より高い放熱能力を得るためには電子機器の電力消費量が更に増すこととなり、好ましくない。そもそも、この方法は、エネルギー損失である発熱に対して、エネルギー投入により放熱するというものであり、効率的でない。加えて、冷却ファンを設置するには比較的大きなスペースを要し、小型の電子機器には不向きである。更に、スマートフォンやタブレット型端末などでは、電子機器の筐体（外部筐体）が密閉されており、冷却ファンで気流を起こして外部へ排気することはできない。

　また、ヒートパイプを用いた従来の放熱方法では、熱を速やかに輸送することができるものの、この熱を放熱するにはヒートシンクや放熱板が必要である。ヒートシンク等を設置するには比較的大きなスペースを要し、小型の電子機器には不向きである。ヒートシンク等に代えて、電子機器の外部筐体等に熱を逃がすことも考えられ得るが、電子機器の小型薄型化により、外部筐体の表面積が減少しており、高い放熱能力を得ることはできない。加えて、電子機器の外部筐体の温度が上昇し過ぎると、ユーザの使用感や安全性のうえで好ましくない。更に、スマートフォンなどの高性能モバイル機器ではリチウムイオンバッテリの寿命低下が問題となっているところ、外部筐体に熱を逃すと、リチウムイオンバッテリの使用環境温度が高くなり、バッテリ容量の経時低下を招き得る。

　かかる状況下、個々の発熱部品の温度を測定し、温度測定値が所定の閾値を超えた場合に、発熱部品に投入するエネルギー量を制限することが行われているのが実状である。この方法は、発熱部品の発熱量自体を減少させることにより、発熱部品の温度上昇を抑制するものである。しかしながら、この方法では、発熱部品の温度上昇により、発熱部品の機能（例えばＣＰＵのパフォーマンス）が都度妨げられることとなり、電子機器の性能を犠牲にしたものである。

　本発明は、電子機器において発熱部品の温度上昇を抑制するために好適に使用され得る蓄熱デバイスを提供することを目的とする。

　本発明者らは、蓄熱材の化学反応や吸脱着現象等を利用して熱を蓄熱および移動させる技術、即ち、ヒートポンプに着目した。ヒートポンプは、現在、化学プラントや発電所における排熱利用の目的で用いられたり、家庭の給湯・暖房システムや冷凍車などに用いられている比較的大型の装置である（例えば特許文献２～３を参照のこと）。かかる従来のヒートポンプは、電子機器に比して寸法が大きすぎるため、発熱部品の温度上昇を抑制するのにそのまま適用することはできない。そして、従来のヒートポンプを単に小型化しただけでは、発熱部品の温度上昇を抑制するのに十分な冷却効率を得ることができない。本発明者らは、発熱部品の温度上昇を抑制し得る新規な手段として、ヒートポンプを利用するという独自の発想に基づいて鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。

　本発明の１つの要旨によれば、蓄熱材を収容した第一室を筐体内に備える蓄熱デバイスの製造方法であって、蓄熱材の粒子と溶媒とを含むスラリーを筐体の第一室内に流し込み、溶媒を除去して、蓄熱材の粒子を筐体の第一室内に残すことを含む製造方法が提供される。

　上記本発明の蓄熱デバイスの製造方法では、蓄熱材の粒子は、スラリーの形態で筐体の第一室内に流し込まれるので、その隅々にまで供給することができ、この結果、製造された蓄熱デバイスにおいて、筐体と蓄熱材との間での熱伝達性（または熱結合性）を高めることができ、高い冷却効率を得ることができる。かかる本発明によれば、高い冷却効率を有し、電子機器において発熱部品の温度上昇を抑制するために好適に使用され得る蓄熱デバイスが提供される。

　なお、本発明において、「冷却」とは、発熱部品等の冷却対象の物質から吸熱する（熱を奪う）ことを意味し、冷却対象の物質の温度を低下させる必要はなく、冷却対象の物質の温度上昇を、本発明の蓄熱デバイスを適用しなかった場合に比べて抑制するものであればよい。よって、本明細書において、「温度上昇の抑制」と同様の意味で、「冷却」との用語を使用することがある。

　本発明の１つの態様において、スラリーは、バインダを更に含んでいてよい。バインダは、溶媒を除去した後も蓄熱材の粒子と一緒に残存して固まり得、これら粒子間を相互に接続すると共に筐体の内壁（より詳細には第一室の内壁）に密着し得る。この結果、製造された蓄熱デバイスにおいて、蓄熱材の内部での熱伝達性および筐体と蓄熱材との間での熱伝達性をより高めることができ、より高い冷却効率を得ることができる。

　本発明において、蓄熱材は、無機化合物の水和物を含んでいてよい。かかる無機化合物の水和物は、元々、水和物の形態であってもよく、また、無機化合物が水分（例えば周囲雰囲気中に存在し得る湿気、溶剤として存在し得る水など）と反応することによって生じたものであってもよい。蓄熱材が、無機化合物の水和物を含む場合、無機化合物の水和物（またはその前駆体）が、水分と反応して蓄熱材（無機化合物の水和物）の粒子同士が（結晶成長しながら）つながって固まり得る。この結果、製造された蓄熱デバイスにおいて、蓄熱材の内部での熱伝達性をより高めることができ、より高い冷却効率を得ることができる。

　蓄熱材の粒子の平均粒径は、１～１００μｍの範囲にあってよい。このように小さい平均粒径を有する粒子は、スラリーの形態で流し込むことにより、筐体の第一室において、より細部にまで供給することができる。この結果、製造された蓄熱デバイスにおいて、筐体と蓄熱材との間での熱伝達性をより高めることができ、より高い冷却効率を得ることができる。なお、本発明において「平均粒径」は、体積基準粒度分布におけるメジアン径（Ｄ５０）を意味する。

　本発明の１つの態様において、筐体は、第一室を規定する内壁面に凹凸構造を備えていてよい。筐体の第一室の内壁面の表面積、ひいては蓄熱材と接触し得る面積が、凹凸構造により増加し、この結果、製造された蓄熱デバイスにおいて、筐体と蓄熱材との間での熱伝達性をより高めることができ、より高い冷却効率を得ることができる。

　かかる態様において、蓄熱材の粒子の平均粒径は、上記凹凸構造の隙間の１／３以下であることが好ましい。凹凸構造の隙間の１／３以下の平均粒径を有する粒子は、スラリーの形態で流し込むことにより、筐体の第一室において、凹凸構造の隙間の細部にまで供給することができる。この結果、製造された蓄熱デバイスにおいて、筐体と蓄熱材との間での熱伝達性をより高めることができ、より高い冷却効率を得ることができる。

　本発明において、蓄熱デバイスは、蓄熱材を収容した第一室を筐体内に備えるものであればよいが、蓄熱材の粒子から放出される成分を相変化させるための第二室と、該成分が第一室と第二室との間を移動可能なように第一室と第二室とを連絡する連絡部とを更に備えることが好ましい。本発明を限定する趣旨ではないが、かかる構成を有するデバイスは、いわゆるヒートポンプとして理解され得る。

　本発明のもう１つの要旨によれば、蓄熱材を収容した第一室を筐体内に備える蓄熱デバイスであって、蓄熱材の粒子から形成される塊状物が、該第一室の内壁面のうち少なくとも互いに隣接する２つの面に対して接触している蓄熱デバイスもまた提供される。かかる蓄熱デバイスは、上述した本発明の蓄熱デバイスの製造方法によって製造可能である。

　本発明によれば、蓄熱材の粒子が、スラリーの形態で筐体の第一室内に流し込まれるので、その隅々にまで供給することができて、筐体と蓄熱材との間での熱伝達性（または熱結合性）を高めることができ、よって、高い冷却効率を有し、電子機器において発熱部品の温度上昇を抑制するために好適に使用され得る蓄熱デバイスが提供される。

本発明の１つの実施形態において製造され得る蓄熱デバイスの１つの例の使用状態を示す概略模式断面図である。本発明の１つの実施形態において製造され得る蓄熱デバイスのもう１つの例の使用状態を示す概略模式断面図である。本発明のもう１つの実施形態において製造され得る蓄熱デバイスの１つの例の使用状態を示す概略模式断面図である。本発明の実施例における蓄熱デバイスの製造方法を説明する概略模式斜視図である。

　本発明の２つの実施形態における電子機器について、以下、図面を参照しながら詳述するが、本発明はこれに限定されるものではない。

（実施形態１）
　本発明において製造される蓄熱デバイスは、蓄熱材を収容した第一室を筐体内に備えるものであればよい。本実施形態の１つの例においては、図１に示すように、蓄熱デバイス１０は、蓄熱材の粒子２ａを収容した第一室１と、蓄熱材の粒子２ａから放出される成分を相変化させるための第二室３と、この成分（以下、移動性成分とも言う）が第一室１と第二室３との間を移動可能なように第一室１と第二室３とを連絡する連絡部５とを筐体９内に備えて成るものであってよい。かかる構成を有する蓄熱デバイス１０は、ヒートポンプ（後述する化学蓄熱材を使用した場合はケミカルヒートポンプ）として理解され得る。蓄熱材の示す反応／現象は、ヒートポンプ１０による熱の移動の駆動源であり、蓄熱材の粒子２ａから放出される移動性成分は、ヒートポンプ１０の作動媒体である。また、本実施形態の別の例においては、図２に示すように、蓄熱デバイス１０’は、蓄熱材の粒子２ａを収容した第一室１を筐体９内に備えて成るものであってよい。

　本実施形態の蓄熱デバイスの製造方法は、蓄熱材の粒子２ａと溶媒とを含むスラリーを調製し、これを筐体９の第一室１内に流し込み、そこから溶媒を除去して、蓄熱材の粒子２ａを筐体の第一室１内に残すことにより実施される。より詳細には以下の通りである。

　まず、筐体９を準備する。筐体９は、最終的に、少なくとも第一室１を含む密閉空間（物質の出入りのない閉じた系）を内部に形成可能であればよい。例えば、筐体９は、スラリー供給時点において、第一室１に通じる開口部を有し、あるいは筐体９が複数の部品から組み立てられる場合には、組み立て完成前の段階にあり、第一室１に通じる開口部が存在していてよい。

　また、筐体９は、少なくとも第一室１の内外で、および存在する場合には第二室３の内外で、熱の出入りが可能なように構成される。具体的には、第一室１および存在する場合には第二室３は、それぞれ少なくとも一部（図示する例では、後述する発熱部品１１および存在する場合には熱伝導性部材１３と接触して配置される壁部）が熱伝導性材料から構成され得る。熱伝導性材料は、特に限定されないが、例えば金属（銅など）、酸化物（アルミナなど）、窒化物（窒化アルミニウムなど）、カーボンなどの熱の良導体であってよい。

　筐体９の寸法は、蓄熱デバイスの用途に応じて適宜設定され得る。代表的には、第一室１および存在する場合には第二室３の高さは、それぞれ例えば０．１～１００ｍｍ、特に０．３～１０ｍｍとし得、互いに同じであっても、異なっていてもよい。また、存在する場合には連絡部５の内側寸法高さは、例えば０．１～１００ｍｍ、特に０．３～１０ｍｍとし得る。

　次に、蓄熱材の粒子と溶媒とを含むスラリーを調製する。

　蓄熱材には、化学反応や吸脱着現象等により熱を蓄熱できる限り、任意の適切な材料を使用し得る。図１に示す蓄熱デバイス１０に関し、ヒートポンプの原理上は、蓄熱材は、互いに可逆な吸熱反応／現象および発熱反応／現象を示し、これらのいずれかによって相変化可能な移動性成分を放出するものであればよいが、これに限定されない。移動性成分は、典型的には、凝縮性成分、即ち、気体状態（気相）と液体状態（液相）との間で相変化（凝縮および蒸発）可能な成分であるが、昇華性成分、即ち、気体状態（気相）と固体状態（固相）との間で相変化（昇華）可能な成分であってもよい。

　蓄熱材には、化学蓄熱材を使用することができる。本明細書において、「化学蓄熱材」とは、吸熱反応により熱を蓄熱できる物質を意味する。例えば、吸熱反応によって凝縮性成分を生じるような化学蓄熱材を使用することができる。かかる化学蓄熱材は、吸熱反応として脱水反応を示し、発熱反応として水和反応を示すものであってよく、この場合、凝縮性成分は、水である。

　より具体的には、上記の化学蓄熱材としては、無機化合物の水和物および無機水酸化物などが使用され得る。より詳細には、アルカリ土類金属化合物の水和物およびアルカリ土類金属の水酸化物、例えば硫酸カルシウムや塩化カルシウムなどの水和物、カルシウムやマグネシウムの水酸化物などが挙げられる。また、水和物を形成可能な無機化合物（これは無機化合物の水和物の前駆体として理解される）、例えば酸化カルシウムも使用可能である。

　例えば、硫酸カルシウムの半水和物は、以下の吸熱反応を示す。

　式中、Ｑ_１は、１６．７ｋＪ／ｍｏｌ程度であることが知られている。
　硫酸カルシウムの半水和物の吸熱反応は、種々の条件にもよるが、例えば約５０～１５０℃程度で進行し得る。これは可逆反応であり、上記の逆反応は、発熱反応となる。硫酸カルシウムの半水和物は固体状態（本明細書において後述する粒子の形態）であり、硫酸カルシウムは固体状態（同様の粒子の形態）であり、水は気体状態である。

　また例えば、塩化カルシウムの水和物は、以下の吸熱反応を示す。

　式中、ｎは水和する分子数、具体的には１、２、４、６であり得、Ｑ_２は、３０～５０ｋＪ／ｍｏｌ程度であることが知られている。
　塩化カルシウムの水和物の吸熱反応は、種々の条件にもよるが、例えば約３０～１５０℃程度で進行し得る。これは可逆反応であり、上記の逆反応は、発熱反応となる。塩化カルシウムの水和物は固体状態（本明細書において後述する粒子の形態）であり、塩化カルシウムは固体状態（同様の粒子の形態）であり、水は気体状態である。

　しかしながら、化学蓄熱材は、上記の例に限定されず、任意の適切な化学蓄熱材を使用してよく（例えば、アンモニアを発生し得るものであってもよい）、冷却対象に応じて（本実施形態では発熱部品１１が発する熱によって吸熱反応を示すように）適宜選択され得る。化学蓄熱材は、化学反応を利用して、大きい蓄熱容量を得ることができ、幅広い温度範囲で蓄熱が可能である。

　あるいは、化学蓄熱材以外の他の蓄熱材を使用してもよい。本発明に利用可能な他の蓄熱材としては、例えばゼオライト、シリカゲル、メソポーラスシリカおよび活性炭から成る群より選択される少なくとも１種の蓄熱材（以下、単に「ゼオライト等」とも言う）が挙げられる。かかる蓄熱材は、化学蓄熱材と比べて、取り扱いが容易であり、構成を簡素化できる（例えば、腐食防止を考慮しなくてよい）という効果を奏し得る。

　これらゼオライト等は、いずれも、例えば水を可逆的に吸着および脱着することが可能であり、水の脱着の際に吸熱現象を示す。

　式中、Ｚは、ゼオライト等の組成を代表して表したものであり、その組成に応じてｘは種々の値をとり得る。Ｑ_４は、具体的な組成にもよるが、例えば、ゼオライトで約３０～８０ｋＪ／ｍｏｌであり得る。かかる水の脱着は、種々の条件にもよるが、例えば、ゼオライトで約５０～１５０℃、シリカゲルで約５～１５０℃、メソポーラスシリカで約５～１５０℃、活性炭で約５～１５０℃で進行し得る。

　ゼオライトとは、いわゆるゼオライト構造、即ち、ＳｉＯ_４四面体およびＡｌＯ_４四面体が頂点酸素を共有し３次元に連なった網目状構造を基本骨格として有する結晶性含水アルミノケイ酸塩を言う。ゼオライトは、通常、下記の一般式で表され得る。
　（Ｍ^１，Ｍ^２ _１／２）_ｍ（Ａｌ_ｍＳｉ_ｎＯ_{２（ｍ＋ｎ）}）・ｘＨ_２Ｏ　（ｎ≧ｍ）
　Ｍ^１は、Ｌｉ^＋、Ｎａ^＋、Ｋ^＋等の１価のカチオンであり、Ｍ^２は、Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋、Ｂａ^２＋等の２価のカチオンである。

　なかでも、本発明に好適に利用され得るゼオライトとしては、Ａ型ゼオライト（ＬＴＡ）、Ｘ型ゼオライト（ＦＡＵ）、Ｙ型ゼオライト（ＦＡＵ）、ベータ型ゼオライト（ＢＥＡ）、ＡｌＰＯ-５（ＡＦＩ）などである。

　シリカゲルは、コロイド状シリカの三次元構造体であり、細孔径が数ｎｍ～数十ｎｍ、比表面積は５～１０００ｍ^２／ｇと多孔体特性を広範囲に制御できる。また、シリカゲルの一次粒子表面はシラノールに覆われており、シラノールの影響で極性分子（水など）を選択的に吸着する。

　メソポーラスシリカは、二酸化ケイ素を材質として均一で規則的な細孔を持つ物質で、細孔径は約２～１０ｎｍのものを言う。

　活性炭は、「細孔を有する多孔質の炭素質物質」で、大きな比表面積と吸着能力を持つ物質を言う。その基本骨格は炭素原子が１２０°の角度で結ばれた二次元格子の平面構造である。この二次元格子が不規則に積層して結晶格子を形成し、この結晶格子がランダムにつながったものが活性炭であり、結晶格子間の空隙が活性炭細孔であり、細孔に水が吸着する。

　これらゼオライト等は、水を十分に吸着させておくことが好ましい。溶媒に含まれる水をゼオライト等に吸着させたまま残存させても、あるいは、溶媒を除去した後に、水をゼオライト等に吸着させてもよい。

　蓄熱材には、上述した化学蓄熱材およびゼオライト等からなる群から選択される少なくとも１種を使用してよいが、無機化合物の水和物（またはその前駆体）を使用することが好ましい。無機化合物の水和物（またはその前駆体）は、水分と反応し、溶媒を除去した後に蓄熱材（無機化合物の水和物）の粒子同士が（結晶成長しながら）つながって固まり（多孔質状の成形体となり）得るので、蓄熱材の内部において、より高い熱伝達性を得ることができる。水分は、周囲雰囲気中に存在し得る湿気でもよいが、溶媒が水を含んでいることが好ましい。

　より広範な概念において、本発明に利用可能な蓄熱材は、冷却対象にもよるが、特に電子機器の発熱部品の温度上昇を抑制するためには、例えば３０～２００℃の温度で吸熱反応／現象を示すものであることが好ましく、特に４０℃以上、更に５０℃以上で、１５０℃以下、より更に１２０℃以下の温度で吸熱反応を示すものであることが好ましい。

　本発明において、蓄熱材は粒子２ａ（粒状物）の形態で準備される。蓄熱材の粒子の平均粒径（Ｄ５０）は、例えば１～１００μｍ、好ましくは１～５０μｍである。このように比較的小さい平均粒径を有する粒子は、乾燥状態では、筐体内の隅々まで十分に充填することが難しく、例えばコーナー部分などに鬆（空隙）が生じてしまう。これに対して、粒子をスラリーの形態で流し込むことにより、このように比較的小さい平均粒径を有する粒子であっても、筐体（第一室）のより細部にまで、筐体内の隅々まで十分に供給することができるので、筐体と蓄熱材との間において、より高い熱伝達性を得ることができる。

　他方、溶媒は液体状態（液状物）である。溶媒は、使用する蓄熱材に応じて適宜選択され得るが、例えば水、アルコール等の有機溶剤などを使用することができ、好ましくは水である。

　スラリーは、蓄熱材の粒子および溶媒に加えて、バインダや添加剤等を含んでいてよい。バインダとしては、例えば樹脂（ビニルアルコール系、アクリル系など）などの有機バインダ、また、例えばアルミナゾルなどの無機バインダが使用され得る。バインダを使用すると、溶媒を除去した後も蓄熱材の粒子と一緒に残存して固まり得、これら粒子間を相互に接続すると共に筐体の内壁（より詳細には第一室の内壁）に密着し得るので、蓄熱材の内部および筐体と蓄熱材との間において、より高い熱伝達性を得ることができる。添加剤としては、分散剤、粘度調製剤等が挙げられ、既知のものが使用され得る。

　これら蓄熱材の粒子、溶媒、および存在する場合にはバインダ等と混合してスラリーを調製する。混合比は、使用する蓄熱材の材料および平均粒径、溶媒の種類、バインダや添加剤等の有無などに応じて適宜選択され得るが、蓄熱材１００重量部に対して、溶媒を、例えば５０～２００重量部、好ましくは８０～１２０重量部で混合し得る。使用する場合、バインダは、蓄熱材１００重量部に対して、例えば０．５～１５重量部、好ましくは１～１０重量部で混合し得る。

　以上の通り調製したスラリーを、上述した筐体９の第一室１内に流し込む。第一室１へのスラリーの流し込みは、上述した筐体９の開口部から適宜行い得る。このとき、蓄熱材の粒子２ａは、スラリーの形態で流し込まれるので、流体のレベリング作用により、第一室１の隅々まで容易に行き渡らせることができる。かかる効果は、蓄熱材の粒子２ａの粒径が小さいほど顕著である。これに対して、蓄熱材の粒子２ａを、例えば乾燥状態のままで充填しようとすると、圧力を加える等の機械的な仕事を行っても、第一室１の隅々まで十分に充填することは難しい。

　次いで、第一室１内に流し込んだスラリーから溶媒を除去する。溶媒の除去は、例えば乾燥、減圧、加熱等による溶媒蒸発によって行い得る。

　この結果、蓄熱材の粒子２ａが筐体９の第一室１内に残ることとなる。このとき、蓄熱材が無機化合物の水和物（またはその前駆体）である場合には、蓄熱材（無機化合物の水和物）の粒子２ａ同士が（結晶成長しながら）つながって固まり得る。また、スラリーがバインダを含んでいる場合には、バインダは蓄熱材の粒子２ａと一緒に残存して固まり得、これら粒子２ａ間を相互に接続すると共に第一室１の内壁に密着し得る。

　換言すれば、第一室１おいて、蓄熱材の粒子２ａは塊状物の形態で存在し、この塊状物は、第一室１の内壁面のうち上記スラリーと接触していた領域に対して密着することとなる。かかる塊状物は、第一室の内壁面のうち少なくとも互いに隣接する２つの面に対して接触し、好ましくは、第一室１の内壁面のうち少なくとも２つ、場合により３つの面が形成する角部にまで十分に充填される。

　本発明を限定するものではないが、例えば、蓄熱材の粒子２ａの原料として硫酸カルシウム半水和物を使用した場合、水（典型的には溶媒として使用され得る）の存在下にて、下記の水和反応により硬化を起こして固まり得るので、筐体９の第一室１内において、蓄熱材の粒子２ａは硫酸カルシウム２水和物の形態で残ることとなり得る。

　その後、必要に応じて移動性成分を筐体９内に供給し（例えばゼオライト等に水を吸着させて）、筐体９を密封する。密封には、任意の適切な方法を適用してよく、例えばレーザー溶接、アーク溶接、抵抗溶接、ガス溶接、ろう付けなどの方法を利用できる。

　以上のようにして、本実施形態の蓄熱デバイス１０、１０’が製造される。

　かかる蓄熱デバイス１０、１０’は、電子機器に組み込まれて、発熱部品１１の温度上昇を抑制するために好適に利用され得る。発熱部品１１は、投入されたエネルギーの一部が熱に変換されて、発熱することにより失われる電子部品であればよい。発熱部品１１の例としては、中央処理装置（ＣＰＵ）、パワーマネージメントＩＣ（ＰＭＩＣ）、パワーアンプ（ＰＡ）、トランシーバーＩＣ、ボルテージレギュレータ（ＶＲ）などの集積回路（ＩＣ）；発光ダイオード（ＬＥＤ）、白熱電球、半導体レーザーなどの発光素子；その他、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、モーター、コイル、コンバーター、インバーターおよびコンデンサーなどが挙げられるが、これらに限定されない。発熱部品１１は、電子機器において少なくとも１つ、一般的には複数存在し得る。電子機器は、例えばスマートフォン、携帯電話、タブレット型端末、ラップトップ型パソコン、携帯型ゲーム機、携帯型音楽プレイヤー、デジタルカメラなどのモバイル型電子機器であり得るが、これらに限定されない。

　蓄熱デバイス１０は、図１に示すように、蓄熱材の粒子２ａを収容した第一室１が、筐体９の壁部を介して発熱部品１１と熱的に結合し、蓄熱材の粒子２ａから放出される移動性成分を相変化させる第二室３が、筐体９の壁部を介して熱伝導性部材１３（発熱部品１１と熱的に分離されている）と熱的に結合するようにして使用され得る。例えば、発熱部品１１に対して、第一室１の熱伝導性材料から成る部分を直接または間接的に接触させて配置してよく、熱伝導性部材１３に対して、第二室３の熱伝導性材料から成る部分を直接または間接的に接触させて配置してよい。この熱伝導性部材１３は、発熱部品１１が発熱しているときに、発熱部品１１の温度より低い温度を有するものであればよい。熱伝導性部材１３の例としては、電子機器の外部筐体、バッテリ（例えばリチウムイオンバッテリ、アルカリバッテリ、ニッケル水素バッテリなど）の外装、基板、ディスプレイなどが挙げられるが、これらに限定されない。

　蓄熱デバイス１０’は、図２に示すように、蓄熱材の粒子２ａを収容した第一室１が、筐体９の壁部を介して、発熱部品１１と熱的に結合するようにして使用され得る。例えば、発熱部品１１に対して、第一室１の熱伝導性材料から成る部分を直接または間接的に接触させて配置してよい。

　なお、本発明において、２つの部材が「熱的に結合する」とは、これら部材の間を熱が移動可能なように組み合わせることを意味する。熱的な結合は、直接または間接的な接触による熱伝導でもよいし、非接触で熱放射によるものでもよいし、熱媒または熱伝導性部材を利用したものであってもよい。２つの部材を熱的に結合させるために間接的に接触させる場合には、熱伝導性の接着剤層（例えば、金属フィラーなどで熱伝導性を高めた接着剤を用いて得られる層）や、熱伝導性材料から成る部材（例えば、金属などから成る伝熱板や、サーマルシート）等を介して接触させることが好ましい。

　蓄熱デバイス１０、１０’において、第一室１に収容された蓄熱材の粒子２ａは固体状態（固相）であり、移動性成分（典型的には凝縮性成分）を含む気相２ｂと共に存在し得る。第一室１内の圧力は、通常（発熱部品が非発熱状態であるとき）の使用温度環境下にて、吸熱反応と発熱反応の平衡圧力に実質的に等しいことが望ましい。

　蓄熱デバイス１０において、第二室３には、移動性成分が気相４ａおよび液相４ｂに含まれて存在し得る。第二室内の圧力は、使用温度環境下にて、移動性成分の飽和蒸気圧（水の場合には飽和水蒸気圧）に実質的に等しいことが望ましい。第一室１と第二室３とを連絡する連絡部５は、これらの間を移動性成分が移動可能なようになっていればよい。より詳細には、移動性成分は気体状態で移動し得、この場合、連絡部５は気体が通過し得るものであればよい。

　以下、蓄熱デバイス１０の使用方法について、例示的に、移動性成分が凝縮性成分である場合（第一室１および第二室３はそれぞれ反応室および凝縮蒸発室として理解され得る）について説明する。かかる蓄熱デバイス１０は、次の２つのモードで使用され得る。

・第１モード（蓄熱過程）
　まず、発熱部品１１にエネルギーが投入されて熱を発するようになり、発熱部品１１の温度が上昇すると、これと熱的に結合している第一室１へと熱が伝達される。具体的には、発熱部品１１が発する熱は、発熱部品１１の外表面から、例えば第一室１の熱伝導性材料から成る部分を通じて、第一室１に収容した蓄熱材へと伝導される。このようにして第一室１に熱が供給されると、第一室１内で蓄熱材の吸熱反応／現象（蓄熱）が進行して凝縮性成分を生じる（即ち、第一室内の凝縮性成分の分圧が上昇する）。この結果、発熱部品から熱が奪われ、発熱部品の温度（代表的には、発熱部品の外表面の温度、以下も同様）の上昇が抑制される。

　このようにして第一室１内で生じた凝縮性成分は、気体状態（蒸気）で第一室１から連絡部５を通って第二室３へ移動する。かかる移動は、拡散現象により自然に起り得るが、これに限定されない。

　第二室３内では、凝縮性成分が凝縮して熱（潜熱）を生じる。例えば、凝縮性成分が水の場合、以下の反応により、気体状態の水が液体状態の水に相変化する。

　式中、Ｑ_３は、２０．９ｋＪ／ｍｏｌであることが知られている。

　第二室内の温度は、生じた熱により上昇し得る。このとき、第二室内の圧力を予め（非発熱状態において、例えば熱伝導性部材１３が第二室３に熱的に結合して配置されている場合には、熱伝導性部材１３に対して適宜設定され得る温度にて）凝縮性成分の飽和蒸気圧とし、凝縮性成分を気液平衡状態にしておくと、凝縮が速やかに進行し得るので好ましい。

　そして、第二室３が熱伝導性部材１３に熱的に結合されている場合には、第二室３で生じた熱は、例えば第二室３の熱伝導性材料から成る部分を通じて、熱伝導性部材１３に伝達される。

　以上、第１モードによれば、蓄熱材の吸熱反応／現象（蓄熱）を利用して、発熱部品１１の温度上昇を抑制する（冷却する）ことができる。また、第二室３が、熱伝導性部材１３として電子機器の外部筐体に熱的に結合されている場合には、蓄熱材に蓄熱していること、および、発熱部品１１から第一室１内に入る熱よりも第二室３から熱伝導性部材１３へ出る熱を小さくできることによって、電子機器の外部筐体の温度を比較的低温に維持できる。これにより、発熱部品１１ひいては電子機器全体の温度制御が可能になる。

　なお、第二室３が熱伝導性部材１３に熱的に結合されている場合には、熱伝導性部材１３の温度を低下させることによっても、上記と同様の作用（メカニズム）が得られ、発熱部品１１から熱を奪うことができ、発熱部品１１の温度の上昇を抑制し、更には低下させることも可能である。

・第２モード（放熱過程）
　次に、例えば発熱部品１１へのエネルギー投入を減少または停止するなどして、発熱部品１１の温度が低下すると、これと熱的に結合している第一室１から発熱部品１１へと熱が伝達される。具体的には、第一室１内の系から、例えば第一室１の熱伝導性材料から成る部分を通じて、発熱部品１１へと伝導される。このようにして第一室１内の系から熱が奪われると、第一室１内で、蓄熱材の上記吸熱反応／現象と逆の発熱反応／現象（放熱）が進行して凝縮性成分を消費する（即ち、第一室内の凝縮性成分の分圧が低下する）。この結果、発熱部品１１の温度は上昇に転じることとなる。

　このようにして第一室１内で凝縮性成分が消費されると、気体状態（蒸気）の凝縮性成分が第二室３から連絡部５を通って第一室１へ移動する。かかる移動も、拡散現象により自然に起り得るが、これに限定されない。

　第二室３内では、液相の凝縮性成分が熱（潜熱）を得て蒸発する。第二室３内の温度は、熱を奪われることにより低下し得る。

　そして、第二室３が熱伝導性部材１３に熱的に結合されている場合には、熱伝導性部材１３から、例えば第二室３の熱伝導性材料から成る部分を通じて、第二室３に伝達される。換言すれば、第二室３から熱伝導性部材１３に対して、冷熱を得ることができる。

　以上、第２モードによれば、蓄熱材の発熱反応／現象（放熱）を利用して、発熱部品１１の温度低下を抑制することができる。また、第二室３が、熱伝導性部材１３として電子機器の外部筐体やバッテリの外装などに熱的に結合されている場合には、電子機器の外部筐体やバッテリの温度を低下させる（冷却する）こともできる。これにより、発熱部品１１ひいては電子機器全体の温度制御が可能になる。

　なお、第二室３が熱伝導性部材１３に熱的に結合されている場合には、熱伝導性部材１３の温度を上昇させることによっても、上記と同様の作用（メカニズム）が得られ、発熱部品１１の温度を上昇させることができる。

　本発明を限定するものではないが、例えば、蓄熱材の粒子２ａの原料として硫酸カルシウム半水和物を使用した場合には、筐体９の第一室１内において、蓄熱材の粒子２ａは硫酸カルシウム２水和物の形態で存在し得る。よって、最初（１回目）の第１モードでは、第一室に熱が供給されると、まず、下記式（Ａ）の吸熱反応が進行し、次いで下記式（Ｂ）の吸熱反応が進行して、凝縮性成分である水を生じる。

　そして、第２モードでは、第一室１内の系から熱が奪われると、上記式（Ｂ）の吸熱反応と逆の発熱反応が進行して凝縮性成分である水を消費する。このとき、通常、上記式（Ａ）の吸熱反応と逆の発熱反応は起こらない。
　従って、その後（２回目以降）の第１モードでは、（上記式（Ａ）の吸熱反応は進行せず）上記式（Ｂ）の吸熱反応が進行し、第２モードでは、上記式（Ｂ）の吸熱反応と逆の発熱反応が進行することとなる。
　上記は、蓄熱材の粒子２ａの原料として硫酸カルシウム半水和物を使用したときの例であるが、使用する蓄熱材の粒子２ａの原料および溶媒等に応じて、吸熱反応／現象および発熱反応／現象は様々であり得る。

　以上、本実施形態の蓄熱デバイス１０の使用方法について、例示的に、移動性成分が凝縮性成分である場合について説明したが、移動性成分が昇華性成分である場合も同様に理解され得る。

　また、本実施形態の蓄熱デバイス１０’についても、蓄熱デバイス１０における第一室１に関して上述したものと同様の説明が当て嵌まる。概略的には、発熱部品１１が発する熱を、発熱部品１１の外表面から、第一室１に収容した蓄熱材へ伝導し、蓄熱材が吸熱することによって、発熱部品１１の温度上昇を抑制する（冷却する）ことができる。

　上述した使用方法から理解されるように、発熱部品１１からの熱は、筐体９（より詳細にはその壁部）を通じて、第一室１内に収容された蓄熱材の粒子２ａへと伝達されて、蓄熱材の化学反応や吸脱着現象等を引き起こす。つまり、蓄熱デバイスの冷却効率に影響する因子として、筐体と蓄熱材との間での熱伝達性が挙げられる。これに対して、従来のヒートポンプは比較的大型の装置であって、筐体と蓄熱材との間での熱伝達のロスは特段問題とならず、蓄熱材の粒子（例えば半径０．１ｍｍ以上１ｃｍ以下の略球形状粒子）を筐体に単に充填するだけで十分であったものと考えられる（特許文献３の第００３２段落を参照のこと）。本実施形態の蓄熱デバイスの製造方法では、かかる従来のヒートポンプの製造方法とは異なり、蓄熱材の粒子２ａをスラリーの形態で筐体９の第一室１内に流し込んでいるので、筐体９と蓄熱材２ａとの間での熱伝達性（または熱結合性）を高めることができ、熱伝達のロスを低減して、小型のデバイスであっても、高い冷却効率を得ることができる。

　また、本実施形態により製造される蓄熱デバイス１０、１０’は、冷却ファンを用いた従来の放熱方法のように、発熱部品の温度上昇を抑制する目的で余計にエネルギー投入する必要がなく、エネルギー効率に優れる。

　また、本実施形態により製造される蓄熱デバイス１０、１０’は、冷却ファンを用いた従来の放熱方法にように、対流により放熱する（気流を起こして外部へ排気する）ものではなく、電子機器の外部筐体は密閉状態（閉じられた系）であってもよい。

（実施形態２）
　本実施形態は、上述の実施形態１の改変例であり、特に説明のない限り、実施形態１と同様の説明が当て嵌まる。

　本実施形態においては、図３に示すように、蓄熱デバイス１０’’において、筐体９’が、第一室１を規定する内壁面に凹凸構造７を備える。本実施形態の蓄熱デバイスの製造方法は、蓄熱材の粒子２ａと溶媒とを含むスラリーをかかる筐体９’の第一室１内に流し込み、そこから溶媒を除去して、蓄熱材の粒子２ａを筐体の第一室１内に残すことにより実施される。

　より詳細には、凹凸構造７は、図３に示すように、第一室１を規定する内壁面のうち、発熱部品１１と熱的に結合されている部分（熱伝導性材料から成る）から延在し、蓄熱材の粒子２ａに埋設されるように設けられることが好ましい。

　凹凸構造７は、例えば凸部および／または凹部が規則的に配置されていても、ランダムに配置されていてもよい。凹凸構造７は、任意の適切な方法により設けることができる。凹凸構造７は、熱伝導性材料から成ることが好ましく、例えば金属（銅など）、酸化物（アルミナなど）、窒化物（窒化アルミニウムなど）、カーボンなどの熱の良導体から成り得る。凹凸構造７は、例えば金属等の表面に対するディンプル加工や波状加工、切削加工、鋳型成形、溶接などにより得られたものであってよい。

　凹凸構造７の形状、寸法、配置等は適宜選択してよいが、蓄熱材の粒子２ａの平均粒径が、凹凸構造の隙間ｘの１／３以下、好ましくは１／３０～１／５となるように設計され得る（なお、添付の図面において粒子２ａは模式的に拡大して示してあり、粒子２ａと凹凸構造７の縮尺は一致していないことに留意されたい）。本発明において、「凹凸構造の隙間」とは、凹凸構造７において、第一室１内の空間に対して開口した空間部分の寸法（蓄熱材の粒子２ａが入り得る寸法）を言う。このように凹凸構造７の隙間に比して十分小さい平均粒径を有する粒子は、スラリーの形態で流し込むことにより、第一室１内の凹凸構造７の隅々まで容易に行き渡らせることができる。

　凹凸構造７の高低差ｙは、蓄熱材の粒子２ａの平均粒径の３倍以上とされ得、好ましくは蓄熱材の粒子２ａの充填高さの１／３以上、より好ましくは１／２以上、更に好ましくは２／３以上とされ得る。高低差ｙが大きいほど、蓄熱材の粒子２ａと接触し得る面積が増加するので好ましい。

　本実施形態の蓄熱デバイスの製造方法では、筐体９’の第一室１の内壁面の表面積、ひいては蓄熱材の粒子２ａと接触し得る面積が、凹凸構造７により増加した状態で、蓄熱材の粒子２ａをスラリーの形態で筐体９’の第一室１内に流し込んでいるので、筐体９’と蓄熱材２ａとの間での熱伝達性（または熱結合性）を高めることができ、高い冷却効率を得ることができる。

　以上、本発明の２つの実施形態における蓄熱デバイスの製造方法について詳述したが、本発明はかかる実施形態に限定されず、本発明の基本的概念に基づいて種々の改変が可能である。

（実施例１）
　本実施例は、上述した実施形態１（図１参照）に関するものである。

　まず、図４（ａ）を参照して、２枚の金属板４１ａ、４１ｂ（ＳＵＳ３１４製、厚さ約０．２ｍｍ）を用意した。次に、図４（ｂ）に示すように、１つの金属板４１ａに、第一室１および第二室３に対応する２つの凹部４３ａ（図示する長手方向の長さ約２０ｍｍ、幅約１０ｍｍ、深さ約０．３ｍｍ）を形成した（なお、図４（ｂ）中、便宜的に金属板４１ａの上下を反転して示す）。他方、もう１つの金属板４１ｂには、連絡部５に対応する凹部４３ｂ（図示する長手方向の長さ約３０ｍｍ、幅約５ｍｍ、深さ約０．１ｍｍ）を形成した。別途、蓄熱材として硫酸カルシウム半水和物の粉末（平均粒径Ｄ５０＝５０μｍ）と、バインダとしてビニルアルコール系樹脂と、溶媒として水とを、１００：２：１００の割合（重量基準）で混合してスラリーを調製した。次に、金属板４１ａの２つの凹部４３ａのうち第一室に対応するほう（図４（ｂ）に矢印にて示す）に、上記で調製したスラリーを流し込んだ。そして、乾燥させてスラリー中の水を除去して、第一室内に蓄熱材の成形体を形成した。その後、図４（ｃ）に示すように、これら金属板４１ａ、４１ｂを、凹部４３ａと凹部４３ｂとが一緒になって内部空間を形成するように重ね合わせ、金属板４１ａ、４１ｂの外周平坦面を互いに密接させた。そして、図４（ｄ）に示すように、重ね合わせた金属板４１ａ、４１ｂの外周部４９を、レーザー溶接にて気密封止した。以上により本実施例の蓄熱デバイスを作製した。

　また、比較例として、蓄熱材として硫酸カルシウム２水和物の粉末（平均粒径Ｄ５０＝５０μｍ）を、そのままの状態で（スラリーとせずに）第一室に対応する凹部に充填したこと以外は、上記実施例と同様にして、蓄熱デバイスを作製した。

　作製した本実施例および比較例の各蓄熱デバイスを加熱実験に付した。より詳細には、各デバイスを連絡部５に対応する凹部４３ｂで切断し、熱電対を挿入して蓄熱材の温度を測定可能にし、デバイス筐体の外表面（第一室を区画する部分の外表面）を１００℃のヒーターに接触させて加熱し、加熱開始からの蓄熱材の温度変化を測定した。その結果、蓄熱材が６０℃に達するまでの所要時間は、本実施例のデバイスでは２５秒であったのに対し、比較例のデバイスでは３５秒であった。

　蓄熱材として用いた硫酸カルシウムの水和物は６０℃未満の温度では吸熱反応を起こさないため、蓄熱材が６０℃に達するまでの所要時間を調べることにより、ヒーターからの熱の伝わり易さを判断することができ、この所要時間が短いほうが、熱がより伝わり易いと言える。本実施例のデバイスでは、比較例のデバイスよりも、速やかな温度上昇が観測された。これは、比較例のデバイスでは、蓄熱材を粉末のまま充填していることから、デバイス筐体から蓄熱材に熱が伝わりにくいのに対し、本実施例のデバイスでは、蓄熱材の粉末をスラリーの形態で流し込んでいることにより、デバイス筐体と蓄熱材との熱伝達性が向上した（熱伝達ロスが小さくなった）ことによるものと考えられる。

（実施例２）
　本実施例は、上述した実施形態２（図３参照）に関するものである。

　図４（ｂ）に示す金属板４１ａにおいて、第一室１に対応する凹部４３ａ（図示する長手方向の長さ約２０ｍｍ、幅約１０ｍｍ、深さ約０．３ｍｍ）に凹凸構造（隙間約２．０ｍｍ、高低差約０．２ｍｍ、ピッチ約３．０ｍｍ）を形成したこと以外は、実施例１と同様にして、蓄熱デバイスを作製した（なお、凹凸構造は、その凸部が、第一室１に対応する凹部４３ａの幅方向に平行なストライプ状となるように形成し、凹凸構造の隣接する２つの凸部の間およびこれらの両外端に位置する凸部と凹部４３ａの壁面との間に約２ｍｍの隙間を設けた）。

　作製した本実施例の蓄熱デバイスを、実施例１にて上述したのと同様の加熱実験に付したところ、蓄熱材が６０℃に達するまでの所要時間は、１５秒であった。

　本実施例のデバイスでは、実施例１のデバイスに比較して、より短時間での温度上昇が観測された。これは、本実施例のデバイスでは、第一室の内壁面に設けた凹凸構造により、デバイス筐体と蓄熱材との接触面積が増大して、デバイス筐体と蓄熱材との熱伝達性が更に向上した（熱伝達ロスが更に小さくなった）ことによるものと考えられる。

　なお、上記実施例１および２では、蓄熱材として硫酸カルシウム半水和物を用いた場合を示したが、塩化カルシウム水和物やゼオライトなどの蓄熱材であっても同様の効果がある。

　本発明は、例えばスマートフォン、携帯電話、タブレット型端末、ラップトップ型パソコン、携帯型ゲーム機、携帯型音楽プレイヤー、デジタルカメラなどのモバイル型電子機器において、発熱部品の温度上昇を抑制するために好適に利用され得るが、これに限定されるものではない。

　本願は、２０１３年１１月２６日付けで出願された特願２０１３－２４４１９４に基づく優先権を主張し、その記載内容の全てが、参照することにより本明細書に援用される。

　　１　第一室
　　２ａ　蓄熱材の粒子（固相）
　　２ｂ　気相（移動性成分を含む）
　　３　第二室
　　４ａ　気相（移動性成分を含む）
　　４ｂ　液相（移動性成分を含む）
　　５　連絡部
　　７　凹凸構造
　　９、９’　筐体
　　１０、１０’、１０’’　蓄熱デバイス
　　１１　発熱部品
　　１３　熱伝導性部材
　　ｘ　凹凸構造の隙間
　　ｙ　凹凸構造の高低差

Claims

　蓄熱材を収容した第一室を筐体内に備える蓄熱デバイスの製造方法であって、
　蓄熱材の粒子と溶媒とを含むスラリーを筐体の第一室内に流し込み、溶媒を除去して、蓄熱材の粒子を筐体の第一室内に残すことを含む製造方法。
　スラリーがバインダを更に含む、請求項１に記載の蓄熱デバイスの製造方法。
　蓄熱材が、無機化合物の水和物を含む、請求項１または２に記載の蓄熱デバイスの製造方法。
　蓄熱材の粒子の平均粒径が、１～１００μｍの範囲にある、請求項１～３のいずれかに記載の蓄熱デバイスの製造方法。
　筐体が、第一室を規定する内壁面に凹凸構造を備える、請求項１～４のいずれかに記載の蓄熱デバイスの製造方法。
　蓄熱材の粒子の平均粒径が、前記凹凸構造の隙間の１／３以下である、請求項５に記載の蓄熱デバイスの製造方法。
　蓄熱デバイスが、蓄熱材の粒子から放出される成分を相変化させるための第二室と、該成分が第一室と第二室との間を移動可能なように第一室と第二室とを連絡する連絡部とを更に備える、請求項１～６のいずれかに記載の蓄熱デバイスの製造方法。
　蓄熱材を収容した第一室を筐体内に備える蓄熱デバイスであって、蓄熱材の粒子から形成される塊状物が、該第一室の内壁面のうち少なくとも互いに隣接する２つの面に対して接触している、蓄熱デバイス。
　請求項１～７のいずれか１項に記載の製造方法によって得られる、請求項８に記載の蓄熱デバイス。