(57)【要約】【課題】正の電気熱量効果と負の電気熱量効果が共存する材料系において、より大きな電気熱量効果が得られる方法の提供。【解決手段】負の電気熱量効果を示す材料を用いた熱マネジメント方法であって、少なくとも２つの電極と、電極の間に位置する負の電気熱量効果を示す材料から構成される絶縁部とを有して成る熱マネジメント素子に、電気熱量効果を示す材料が負の電気熱量効果を示す電場Ｅ１と、電気熱量効果を示す材料が正の電気熱量効果を示す電場Ｅ２を、交互に印加することを含む、熱マネジメント方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負の電気熱量効果を示す材料を用いた熱マネジメント方法であって、
少なくとも２つの電極と、電極の間に位置する負の電気熱量効果を示す材料から構成される絶縁部とを有して成る熱マネジメント素子に、電気熱量効果を示す材料が負の電気熱量効果を示す電場Ｅ１と、電気熱量効果を示す材料が正の電気熱量効果を示す電場Ｅ２を、交互に印加することを含む、熱マネジメント方法。
【請求項２】
Ｅ１が、電気熱量効果を示す材料が最大の負の電気熱量効果を示す電場Ｅ１ｍａｘである、請求項１に記載の熱マネジメント方法。
【請求項３】
Ｅ２が、絶縁部が絶縁破壊を生じない最大の電場Ｅ２ｍａｘである、請求項１または２に記載の熱マネジメント方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱マネジメント方法、特に負の電気熱量効果を示す材料を用いた熱マネジメント方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、熱マネジメントシステム、特に冷却システムには、気体冷媒を用いるシステムが主流である。このようなシステムに代わる熱マネジメントシステムとして、強誘電体または反強誘電体に電場を印加した際のエントロピー変化を利用した吸発熱現象である電気熱量効果（Electrocaloric effect：ＥＣＥ）を用いる固体冷却システムが検討されている。
【０００３】
通常の電気熱量効果（以下、「正の電気熱量効果」ともいう）では、電場印加時に材料の温度が上がり、電場除去時に温度が下がる。しかしながら、一部の反強誘電体では、正の電気熱量効果とは逆に、電場印加時に温度が低下し、電場除去時に温度が上昇する負の電気熱量効果が観測される。
【０００４】
例えば、非特許文献１は、負の電気熱量効果を示す材料として、（Ｐｂ０．９７Ｌａ０．０２）（Ｚｒ０．６６Ｓｎ０．２３Ｔｉ０．１１）Ｏ３の単結晶を開示している。非特許文献１では、Ｐ−Ｅヒステリシスの温度依存性の測定から間接的に電気熱量効果による温度変化ΔＴを計算するＩｎｄｉｒｅｃｔ ＥＣ測定法と呼ばれる手法を用いて、上記の単結晶が正の電気熱量効果と負の電気熱量効果が共存する材料であることを示している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Fangping Zhuo et al., Applied Physics Letters 108, 082904 (2016)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者は、上記のような正の電気熱量効果と負の電気熱量効果が共存する材料系について検討したところ、このような材料系では、正の電気熱量効果と負の電気熱量効果は打ち消しあい、材料系全体としての総合的な電気熱量効果は低下してしまうことに気付いた。
【０００７】
本発明は、正の電気熱量効果と負の電気熱量効果が共存する材料系において、より大きな電気熱量効果を得る方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、特定の電場印加方法を用いれば、負の電気熱量効果を示す材料系においても材料系全体としての電気熱量効果を最大限に得ることができることを見出し、本発明に至った。具体的には、電気熱量効果を示す材料に、まず負の電気熱量効果を示す電場を印加し、次いで、正の電気熱量効果を示す電場を印加し、次いで、最初の負の電気熱量効果を示す電場を印加した状態に戻す。このサイクルを繰り返すことにより、正の電気熱量効果と負の電気熱量効果が互いに効果を打ち消し合うことを抑制することができる。
【０００９】
本発明の第１の要旨によれば、負の電気熱量効果を示す材料を用いた熱マネジメント方法であって、少なくとも２つの電極と、電極の間に位置する負の電気熱量効果を示す材料から構成される絶縁部とを有して成る熱マネジメント素子に、電気熱量効果を示す材料が負の電気熱量効果を示す電場Ｅ１と、電気熱量効果を示す材料が正の電気熱量効果を示す電場Ｅ２を、交互に印加することを含む、熱マネジメント方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、負の電気熱量効果を示す材料に、電気熱量効果を示す材料が負の電気熱量効果を示す電場Ｅ１と、電気熱量効果を示す材料が正の電気熱量効果を示す電場Ｅ２を交互に印加することにより、より大きな電気熱量効果を得ることができる。これにより、より効果的な熱マネジメントが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明に用いられる熱マネジメント素子の概略断面図である。
【図２】図２は、本発明に用いられる別の熱マネジメント素子の概略断面図である。
【図３】図３は、実施例における熱マネジメント素子とモノポーラ電源を含む回路を説明するための回路図である。
【図４】図４は、実施例において熱マネジメント素子に印加する電場印加プロファイルである。
【図５】図５は、実施例の熱マネジメント素子のΔＴの変化を示す。
【図６】図６は、比較例において熱マネジメント素子に印加する電場印加プロファイルである。
【図７】図７は、比較例の熱マネジメント素子のΔＴの変化を示す。
【図８】図８は、正の電気熱量効果と負の電気熱量効果が共存する材料におけるΔＴ（材料の温度変化）の印加電場依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の熱マネジメント方法について説明する。
【００１３】
「電気熱量効果」とは、特定の材料に電場を印加した場合に、その材料の温度が変化する効果を意味する。かかる温度変化は、電場により材料の双極子の配向が変化することにより生じる。電場を印加してない場合と比較して、電場の印加により材料のエントロピーが増大して、温度が下がる、即ち吸熱する効果を「負の電気熱量効果」という。また、電場の印加により材料のエントロピーが減少して、材料の温度が上がる、即ち放熱する効果を「正の電気熱量効果」という。
【００１４】
本発明の熱マネジメント方法では、少なくとも２つの電極と、電極の間に位置する、負の電気熱量効果を示す材料から構成される絶縁部とを有して成る熱マネジメント素子が用いられる。
【００１５】
上記負の電気熱量効果を示す材料とは、一定の向きの電場を印加した場合に、電場の大きさに応じて、ある大きさの電場では吸熱し、別の大きさの電場では発熱する材料、典型的には、低電場では吸熱し、高電場では発熱する材料を意味する。典型的な、負の電気熱量効果を示す材料の、ΔＴ（材料の温度変化）の印加電場依存性図を図８に示す。
【００１６】
上記絶縁部は、負の電気熱量効果を示す材料から構成される。
【００１７】
上記負の電気熱量効果を示す材料としては、例えば、ＰｂＺｒＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｓｎ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３等の反強誘電体セラミックス、ＰＶＤＦ／ＴｒＦＥコポリマー等の有機性反強誘電体、イミダゾール化合物等のプロトン移動型反強誘電体が挙げられる。
【００１８】
上記絶縁部の形状は、特に限定されず、例えばシート状、ブロック状、その他種々の形状に成形することができる。好ましくは、絶縁部はシート状またはブロック状である。
【００１９】
上記絶縁部は、上記負の電気熱量効果を示す材料を成形することにより得られる。成形方法は、特に限定されず、圧縮、焼結等を用いることができる。また、樹脂またはガラス等のバインダーと混合して成形してもよい。
【００２０】
上記絶縁部は、少なくとも２つの電極を有する。これらの電極に電圧を印加することにより、電場が形成される。
【００２１】
上記電極を構成する材料としては、特に限定されないが、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ、またはこれらの合金（例えば、Ａｇ−Ｐｄ等）が挙げられる。中でも、Ｐｔ、Ａｇ、ＰｄまたはＡｇ−Ｐｄが好ましい。
【００２２】
上記電極の形成方法は、特に限定されず、めっき、蒸着、金属ペーストの焼き付け等を用いることができる。
【００２３】
本発明に用いられる熱マネジメント素子は、少なくとも２つの電極と、これらの電極の間に位置する絶縁部を有していれば、その構成および形状は、特に限定されない。
【００２４】
例えば、図１に示すような熱マネジメント素子１ａとすることができる。熱マネジメント素子１ａは、一対の電極２，４と、該一対の電極の間に位置する絶縁部６とを有して成る。電極２，４間に電圧が印加されると、絶縁部６に電場が印加される。その結果、絶縁部６は、電気熱量効果を示す。
【００２５】
また、図２に示すような熱マネジメント素子１ｂとすることができる。熱マネジメント素子１ｂにおいて、複数の内部電極１２ａ，１２ｂと、複数の絶縁部１４が交互に積層されている。内部電極１２ａおよび１２ｂは、それぞれ、熱マネジメント素子１ｂの端面に配置される外部電極１６ａおよび１６ｂに、電気的に接続されている。外部電極１６ａおよび１６ｂから電圧を印加すると、内部電極１２ａおよび１２ｂ間に電場が印加される。その結果、絶縁部１４は、電気熱量効果を示す。
【００２６】
上記の熱マネジメント素子は、典型的には、モノポーラ電源を含む回路に接続される。
【００２７】
本発明の方法は、熱マネジメント素子の絶縁部への電場の印加方法を特徴とする。以下、電場の印加方法は、下記（１）〜（４）の工程を含む。
【００２８】
（１）  絶縁部に、電気熱量効果を示す材料が負の電気熱量効果を示す電場Ｅ１を印加する。
（２）  絶縁部に電場Ｅ１が印加された状態から、電気熱量効果を示す材料が正の電気熱量効果を示す電場Ｅ２が印加された状態とする。
（３）  絶縁部に電場Ｅ２が印加された状態から、電気熱量効果を示す材料が負の電気熱量効果を示す電場Ｅ１が印加された状態とする。
（４）  上記の工程（２）および工程（３）を繰り返す。
【００２９】
電場Ｅ１は、負の電気熱量効果を示す材料（以下、単に「電気熱量効果材料」ともいう）が負の電気熱量効果を示す電場であれば特に限定されない。例えば、図８において、Ｅ１は、ΔＴが０未満となる電場である。
【００３０】
好ましくは、Ｅ１は、電気熱量効果材料が最大の負の電気熱量効果を示す電場以上の高電場（以下、「Ｅ１’」ともいう）であり得る。より好ましくは、Ｅ１は、電気熱量効果材料が最大の負の電気熱量効果を示す電場（以下、「Ｅ１ｍａｘ」ともいう）であり得る。ここに、「電気熱量効果を示す材料が最大の負の電気熱量効果を示す電場」とは、ΔＴが負側に最大となる電場である。また、「電気熱量効果を示す材料が最大の負の電気熱量効果を示す電場以上の高電場」とは、上記Ｅ１ｍａｘ以上の高電場であって、負の電気熱量効果を示す電場である。例えば、図８において、Ｅ１ｍａｘは、ΔＴが極小値となる電場である。Ｅ１’は、ΔＴが０未満となる電場であって、ΔＴが極小値となる電場以上の電場である。
【００３１】
絶縁部に電場Ｅ１が印加された状態において、絶縁部を構成する電気熱量効果材料は、電場を印加していない状態と比較して、エントロピーが増大している。特に、印加する電場がＥ１ｍａｘである場合に、電気熱量効果材料のエントロピーは最大となる。
【００３２】
電場Ｅ２は、電気熱量効果材料が正の電気熱量効果を示す電場であれば特に限定されない。例えば、図８において、Ｅ２は、ΔＴが０より大きい値となる電場である。
【００３３】
好ましくは、Ｅ２は、絶縁部が絶縁破壊を生じない最大の電圧により与えられる電場（以下、「Ｅ２ｍａｘ」ともいう）であり得る。
【００３４】
絶縁部に電場Ｅ２が印加された状態において、絶縁部を構成する電気熱量効果材料は、電場を印加していない状態と比較して、エントロピーが減少している。特に、印加する電場がＥ２ｍａｘである場合に、電気熱量効果材料のエントロピーはより小さくなる。
【００３５】
上記工程（１）において、絶縁部に電場Ｅ１を印加することにより、絶縁部に電場Ｅ１が印加された状態が得られる。上記したように、この状態においては、絶縁部を構成する電気熱量効果材料は、電場が印加されていない状態と比較して、エントロピーが増大している。
【００３６】
次いで、工程（２）において、この状態から、絶縁部に印加する電場をＥ１からＥ２に変更することにより、絶縁部に電場Ｅ２が印加された状態が得られる。
【００３７】
上記したように、電場Ｅ２が印加された状態においては、絶縁部を構成する電気熱量効果材料は、電場が印加されていない状態と比較して、エントロピーが減少している。即ち、絶縁部に電場Ｅ１が印加された状態から、絶縁部に電場Ｅ２が印加された状態とすることにより、電場が印加されていない状態よりもエントロピーが大きい状態から、電場が印加されていない状態のエントロピーを越えて、電場が印加されていない状態よりもエントロピーが小さい状態となっている。従って、電場Ｅ１が印加された状態のエントロピーをＥｎ１、電場Ｅ２が印加された状態のエントロピーをＥｎ２、電場が印加されていない状態のエントロピーをＥｎ０とすると、Ｅｎ１＞Ｅｎ０＞Ｅｎ２となる。即ち、工程（２）におけるエントロピーの減少量は、Ｅｎ１−Ｅｎ２となる。これは、電場が印加されていない状態からＥ２を印加する従来の方法によるエントロピーの減少量、Ｅｎ０−Ｅｎ２よりも大きくなる。即ち、本発明のマネジメント方法を用いることにより、従来の熱マネジメント方法よりも、より大きな熱を放出することが可能になる。
【００３８】
次いで、工程（３）において、絶縁部に電場Ｅ２が印加された状態から、絶縁部に印加する電場をＥ２からＥ１に変更することにより、絶縁部に電場Ｅ１が印加された状態が得られる。
【００３９】
この工程において、絶縁部を構成する電気熱量効果材料のエントロピーは、Ｅｎ２からＥｎ０を越えて増大し、Ｅｎ１となる。即ち、工程（３）におけるエントロピーの増加量は、Ｅｎ１−Ｅｎ２となる。これは、Ｅ２を印加した状態から電場を除去する従来の方法によるエントロピーの増加量、Ｅｎ０−Ｅｎ２よりも大きくなる。即ち、本発明のマネジメント方法を用いることにより、従来の熱マネジメント方法よりも、より大きな熱を吸収することが可能になる。
【００４０】
次いで、工程（３）と工程（２）を繰り返すことにより（工程（４））、従来の方法よりも大きな熱を放出および吸収することができる。
【００４１】
好ましい態様において、Ｅ１はＥ１’である。Ｅ１をＥ１’とすることにより、Ｅ２との電場の大きさの差が小さくなり、電場の制御が容易になる。また、Ｅ１’からＥ２、またはＥ２からＥ１’への電場の変化において、電気熱量効果材料が、ΔＴが負側に極大となる状態（極大のエントロピーとなる状態）、即ち、電気熱量効果材料の双極子が最も乱れた状態を経由しないことから、安定した電気熱量効果を示すことができる。
【００４２】
より好ましい態様において、Ｅ１はＥ１ｍａｘである。Ｅ１をＥ１ｍａｘとすることにより、工程（２）の状態のエントロピーがより大きくなり、工程（２）と工程（３）の間のエントロピーの差がより大きくなる。これにより、より効率的な熱マネジメントが可能になる。
【００４３】
好ましい態様において、Ｅ２はＥ２ｍａｘである。Ｅ２をＥ２ｍａｘとすることにより、工程（３）の状態のエントロピーがより小さくなり、工程（２）と工程（３）の間のエントロピーの差がより大きくなる。これにより、より効率的な熱マネジメントが可能になる。
【００４４】
さらに好ましい態様において、Ｅ１がＥ１ｍａｘであり、かつ、Ｅ２がＥ２ｍａｘである。Ｅ１をＥ１ｍａｘとすることによって、工程（２）の状態のエントロピーがより大きくなり、Ｅ２をＥ２ｍａｘとすることによって、工程（３）の状態のエントロピーがより小さくなり、工程（２）と工程（３）の間のエントロピーの差がより大きくなる。これにより、より効率的な熱マネジメントが可能になる。
【００４５】
本発明の熱マネジメント方法を用いることにより、効率的な熱搬送デバイス、特に冷却デバイスを得ることができる。
【００４６】
従って、本発明は、本発明の熱マネジメント方法を利用した熱搬送デバイスをも提供する。
【００４７】
さらに、本発明は、本発明の熱搬送デバイスを有して成る電子部品、ならびに本発明の熱搬送デバイスまたは電子部品を有して成る電子機器をも提供する。
【００４８】
電子部品としては、特に限定するものではないが、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）、ハードディスク（ＨＤＤ）、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、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などの熱源となり得る部品、および、その他の部品、例えば、リチウムイオンバッテリー、基板、ヒートシンク、筐体等の電子機器に一般的に用いられる部品が挙げられる。
【００４９】
電子機器としては、特に限定するものではないが、例えば、携帯電話、スマートフォン、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、タブレット型端末、ハードディスクドライブ、データサーバー等が挙げられる。
【実施例】
【００５０】
実施例
電気熱量効果材料素子としてＰｂ０．９９［（Ｚｒ０．５Ｓｎ０．５）０．９７Ｔｉ０．０３］０．９８Ｎｂ０．０２Ｏ３セラミックを用い、電極材料としてＰｔを用いた、積層型熱マネジメント素子を準備した。
【００５１】
上記で得られた積層型熱マネジメント素子と、モノポーラ電源を直列に接続し、図３に示すような回路を得た。この回路を用いて、積層型熱マネジメント素子の電極に電圧を印加することにより、電場Ｅ１とＥ２とが交互に印加される矩形波状の電場印加プロファイル（図４）により、積層型熱マネジメント素子に電場を印加した。尚、電場はＥ１＝１０ＭＶ／ｍ（電圧３００Ｖ）、Ｅ２＝２０ＭＶ／ｍ（電圧６００Ｖ）である。
【００５２】
電場を変化させた時の積層型熱マネジメント素子の温度を、φ＝０．５ｍｍの極細熱電対とデジタルマルチメータを用いて連続的に読み取ることにより、電気熱量効果による温度変化ΔＴを測定した。結果を図５に示す。
【００５３】
比較例
Ｅ１に対応する電場を０ＭＶ／ｍ（電圧０Ｖ）としたこと以外は、上記実施例と同様の操作により、電気熱量効果による温度変化ΔＴを測定した。電場印加プロファイルを図６に、結果を図７に示す。
【００５４】
図５および図７から、１０ＭＶ／ｍ−２０ＭＶ／ｍサイクルで電場を印加する実施例は、０ＭＶ／ｍ−２０ＭＶ／ｍサイクルで電場を印加する比較例よりも、ΔＴが大きくなることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の熱マネジメント方法は、種々の電子機器、例えば、熱対策問題が顕著化している携帯電話などの小型電子機器の熱マネジメントデバイス、特に冷却デバイスにおいて好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１ａ，１ｂ…熱搬送デバイス
２，４…電極
６…誘電体部
１２ａ，１２ｂ…内部電極
１４…誘電体層
１６ａ，１６ｂ…外部電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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