(57)【要約】  良好な熱伝導率を有し、かつ少なくとも１つの相変化物質（ＰＣＭ）を含む材料で作られたエンベロープによって区切られた複数の個別のセル（１０２、２０２）を有する構造（Ｓ１）を備える熱吸収デバイスであって、前記セル（１０２、２０２）は、端面から一枚一枚積み重ねられて、構造（Ｓ１）が少なくとも熱流束（ＦＴ）の方向に延在するようにし、前記流束は２つの顕著な周期的熱イベントから成り、前記構造（Ｓ１）は２つの異なるセルのサイズ（１０２、２０２）を有する。セル（１０２、２０２）のサイズは熱流束の熱イベントの周波数に応じて決定され、各サイズのセル（１０２、２０２）の数の分布は各イベントの振幅に応じて決定される。
2014506729.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の個別のセル（２、１０２、２０２、３０２）を有する構造（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ３’）を備える熱吸収デバイスであって、各セル（２、１０２、２０２、３０２）は、良好な熱伝導率を有し、かつ少なくとも１つの相変化物質（ＰＣＭ）を含む材料で作られたエンベロープによって区切られ、前記構造は、吸収される熱流束（ＦＴ）を放出する面と接触することが意図された第１端面（１）を備え、前記熱流束（ＦＴ）は、異なる振幅および異なる周波数の少なくとも２つの熱イベントで構成され、前記セル（２、１０２、２０２、３０２）は、前記端面から一枚一枚積み重ねられて前記構造（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ３’）が少なくとも前記熱流束（ＦＴ）の方向に延在するようにし、前記セル（２、１０２、２０２、３０２）はそれらのエンベロープによって互いに接触し、前記構造（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ３’）は、少なくとも１つのセルの第１サイズと１つのセルの第２サイズとを備え、各セル（１０２、２０２、３０２）における相変化物質の量はそのサイズに比例し、前記セルの第１サイズは第１のイベントの周波数に応じて決定され、前記セルの第２サイズは第２のイベントの周波数に応じて決定され、前記第１サイズのセルの数および前記第２サイズのセルの数の分布は、前記第１および第２のイベントの振幅に応じて決定され、前記セルの第１サイズおよび前記セルの第２サイズは、前記第１のイベントの周波数および前記第２のイベントの周波数がそれぞれ減少するときに増加し、前記第１サイズのセルの数および前記第２サイズのセルの数は、前記第１のイベントの振幅および前記第２のイベントの振幅がそれぞれ増加するときに増加する、熱吸収デバイス。
【請求項２】
前記第２のイベントの周波数は前記第１のイベントの周波数より小さく、前記セルの第２サイズは前記セルの第１サイズより大きく、前記第１サイズのセル（２０２、３０２）は前記第１端面（１）側に位置している、請求項１に記載の熱吸収デバイス。
【請求項３】
前記セル（３０２、２０２、１０２）のサイズは、前記第１端面から前記熱流束の方向において増加する、請求項１または２に記載の熱吸収デバイス。
【請求項４】
前記セル（２、１０２、２０２、３０２）は、前記相の変化を有する物質が１つのセルから次のセルへと通過するのを可能にするために相互接続される、請求項１から３の何れか１項に記載の熱吸収デバイス。
【請求項５】
前記セルは前記熱流束（ＦＴ）の方向において相互接続される、請求項４に記載の熱吸収デバイス。
【請求項６】
前記セル（１０２、２０２、３０２）の間の前記熱流束の方向において、前記第１端面（１）から延在する少なくとも１つの好ましい熱伝導路（８）を含む、請求項１から５の何れか１項に記載の熱吸収デバイス。
【請求項７】
前記構造（Ｓ２、Ｓ３’）において規則的に分配された幾つかの好ましい伝導路（８）を含む、請求項６に記載の熱吸収デバイス。
【請求項８】
前記少なくとも１つの好ましい伝導路（８）のサイズが、前記セルのサイズの２０％から１００％を示す、請求項６または７に記載の熱吸収デバイス。
【請求項９】
前記少なくとも１つの好ましい伝導路（８）は、前記セル（１０２、２０２、３０２）の間に位置され、かつ前記熱流束の方向において延在する熱伝導材料の部分によって形成される、請求項６または７に記載の熱吸収デバイス。
【請求項１０】
前記熱伝導材料の部分は前記セルの壁と同一の材料であり、たとえば銅またはマルエージング鋼で作られる、請求項９に記載の熱吸収デバイス。
【請求項１１】
前記熱伝導材料の部分および前記部分と接触する前記セルのエンベロープが、すべて一片である、請求項９または１０に記載の熱吸収デバイス。
【請求項１２】
前記相変化物質に蓄積される潜熱を抽出するための手段（９）を含む、請求項１から１１の何れか１項に記載の熱吸収デバイス。
【請求項１３】
前記潜熱を抽出するための手段（９）が前記セルの間の少なくとも１つのチャネルを含み、クーラントを循環させる、請求項１２に記載の熱吸収デバイス。
【請求項１４】
前記クーラントの循環が、熱イベントの発生に応じて制御される、請求項１３に記載の熱吸収デバイス。
【請求項１５】
前記積み重ねの側縁を熱的に絶縁するための手段（５）を含む、請求項１から１４の何れか１項に記載の熱吸収デバイス。
【請求項１６】
実装された前記少なくとも１つの相変化物質は、５０℃と３５０℃との間に含まれる相変化温度を有する、請求項１から１５の何れか１項に記載の熱吸収デバイス。
【請求項１７】
平行６面体形状のセル（１０２、２０２、３０２）の３つのサイズを含み、各サイズの前記セルは層に配置され、前記セルは各層の間で相互接続されている、請求項１から１６の何れか１項に記載の熱吸収デバイス。
【請求項１８】
熱源により放出される期間（Ｔ）の熱流束（ＦＴ）を吸収するように意図された、請求項１から１７の何れか１項に記載の熱吸収デバイスを形成する方法であって、
ａ）たとえばシヌソイダル関数などの周期関数の次数ｎの制限された発生を前記期間（Ｔ）の熱流束を代表する関数から計算するステップであって、それぞれが周波数（ｎ／Ｔ）の個別の熱源に対応する、ステップと、
ｂ）振幅の合計が前記熱流束の最大振幅の所定の百分率より大きい、たとえばシヌソイダル関数などの周期関数を選択するステップと、
ｃ）前記選択された関数の周波数に応じて前記セルのサイズを決定するステップであって、前記セルのサイズは前記選択された関数の周波数が減少するときに増加する、ステップと、
ｄ）前記選択された関数の振幅に応じて各サイズのセルの数の分布を決定するステップであって、前記各サイズのセルの数は前記選択された関数の振幅が増加するときに増加する、ステップと、
ｅ）前記サイズおよび数がステップｃ）およびｄ）の間に決定されたものに対応するセルを備えたデバイスを形成するステップと、
を含む、方法。
【請求項１９】
前記所定の百分率が６０から９８％の間に含まれる、請求項１８に記載の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相変化物質を有する熱吸収デバイスに関し、特に、エレクトロニクス、マイクロエレクトロニクスおよびパワーエレクトロニクスの分野におけるシステムによって放出される熱の吸収に適合される。
【背景技術】
【０００２】
電子部品は、多数の熱流束の放出の源であり、それらの動作状態に応じて、これらは二者択一的に変動および／または定常であることができる。動作が制御できない任意のケースでは、これらの熱流束の結果は、それらの正常な動作温度と比較して、瞬間的（ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ）かつ瞬時（ｍｏｍｅｎｔａｒｙ）の正の温度差をもたらすことがある。任意のケースでは、この温度差は、部品にダメージまたは効率損失をもたらすことがある。
【０００３】
それ故に、電子部品の正確な動作を確保するために、熱の計画的排出が必要とされる。
【０００４】
熱流束は、その使用に応じて、電子システムの動作の間、さまざまなピークの振幅および期間、並びに異なった外観の周波数を有する。
【０００５】
部品により放出される熱を連続的に排出することを可能にするラジエータタイプのデバイスは存在するが、それらは、ランダムな熱流束が放出されるときに常に反応できるわけではない。部品の一面に接触するクーラントを循環する回路もまた、熱交換により熱を抽出するために存在する。これらの回路は大きく（ｂｕｌｋｙ）、流体を循環する手段を必要とする。さらに、前述のように、それらはランダムに放出される熱量を常に吸収できるわけではない。あるいは、それはそして、これらの熱流束放出ピークを吸収できる回路の寸法を超える（ｏｖｅｒ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）必要がある。
【０００６】
さらに、これらのシステムは、温度差が出現する速度よりも速い速度（または周波数）で応答することができない。
【０００７】
光起電性パネルにより放出される熱を吸収するためにパラフィンなどの相変化物質を実装するシステムもまた存在する。そのシステムは、太陽放射を受け取る面とは反対のパネル面上に配置され、前記面と垂直なフィンを含むことができ、相変化物質はインターフィン空間に配置される。パネルにより放出される熱は、相変化物質に伝播される；パネルの温度がその物質の相変化温度よりも高いとき、それは、光起電性パネルにより放出される熱を吸収することによって溶解し始める。
【０００８】
しかしながら、熱吸収の量は、パネルと接触して設けられる（ｆｏｕｎｄ）相変化物質の量によって制限される。
【０００９】
加えて、相変化物質は熱伝導性が乏しいため、厚さの大きい相変化物質を有するシステムを形成することは想定され得ない。
【００１０】
さらに、厚さの大きい物質は、温度差が出現する速度に適合する反応速度を提供しない。加えて、再度システムがこの熱を吸収できるようにするために、相変化物質により蓄積される熱は抽出される必要がある。それにもかかわらず、大きい厚さの物質のケースでは、この抽出は容易ではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
それ故に、本発明の目的は、動作に多数の変動状態を与える熱源によって放出される熱流束を吸収することができる最適化された熱吸収デバイスを提供することであり、変動状態は同時であるか、または時間とともに交互であるか、であることができる。
【００１２】
前述の目的は、相変化物質を含む複数の積層されたセルを備えるデバイスによって達成され、その構造は幾つかのセルサイズを備え、これらのセルサイズはピークをそれらの出現周波数に応じて最も良く吸収するように決定され、セルの数はピークの相対振幅に応じて決定される。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によると、複数のセルが実装され、そのサイズは、相変化の反応速度論に適合させるためのパラメータである。実際に、大きなセルに含まれる相変化物質は、より小さなセルに含まれるよりも長い時間をかけて完全に溶解する。それ故に、短い寿命を有するピーク（高く関連した変動体制周波数（ｈｉｇｈ  ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ  ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ  ｒｅｇｉｍｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ））に対して、小さなサイズのセルは熱を効率的に吸収する。
【００１４】
言い換えると、そのシステムは、吸収される熱流束の周波数特性に応じて形成される。それは、熱伝導体および相変化物質から成る複数のセルを含み、その各領域は特に所定の周波数の熱ピークを吸収するように適合される。各サイズは、熱流束の異なる出現周波数に可能な限り良好に応答するように選択される。
【００１５】
特定の有利な方法では、その構造はまた、熱をその構造内で均一に分配し、全てのセルによってその吸収を可能にするように、熱流束の方向に延びる好ましい熱伝導路を備える。したがって、その低い熱伝導率にもかかわらず、熱を抽出するために、所定の厚さにわたる多量の相変化物質を含むことができる。
【００１６】
そのセルは、３次元構造を形成する。
【００１７】
好ましくは、そのセルは相互接続され、それらの充填率は、相変化物質が溶解するときにそれが拡がることを可能にするユニティより小さい。
【００１８】
非常に有利な方法では、クーラントを循環するためのチャネルがセルの間に形成され、各セルによって吸収された熱を抽出する。
【００１９】
そして本発明の主題は、複数の個別セルを有する構造を備える熱吸収デバイスであって、各セルは、良好な熱伝導率を有し、かつ少なくとも１つの相変化物質を含む材料で作られたエンベロープによって区切られ、前記構造は吸収される熱流束を放出する面と接触することが意図される第１端面を備え、前記熱流束は、異なる振幅および異なる周波数の少なくとも２つの熱イベントから構成され、前記セルは前記端面から一枚一枚積み重ねられて前記構造が少なくとも熱流束の方向に延在するようにし、前記セルはそれらのエンベロープによって互いに接触し、前記構造は少なくとも１つのセルの第１サイズと１つのセルの第２サイズとを備え、各セルにおける相変化物質の量はそのサイズに比例し、前記セルの第１サイズは第１イベントの周波数に応じて決定され、セルの第２サイズは第２イベントの周波数に応じて決定され、第１サイズのセルの数および第２サイズのセルの数の分布は、第１および第２イベントの振幅に応じて決定される。第１イベントの周波数と第２イベントの周波数がそれぞれ減少するとき、セルの第１サイズおよびセルの第２サイズは増加し、第１イベントの振幅と第２イベントの振幅がそれぞれ増加するとき、第１サイズのセルおよび第２サイズのセルの数は増加する。
【００２０】
好ましくは、第２イベントの周波数が第１イベントよりも低いとき、セルの第２サイズはセルの第１サイズより大きくなり、第１サイズのセルは第１端面側に位置する。
【００２１】
有利には、セルのサイズは第１端面からの熱流束の方向において増加する。
【００２２】
特に興味深い方法では、セルは相互接続され、１つのセルから次のセルへの相変化物質の通過が可能になる。セルはそして、好ましくは熱流束の方向において相互接続される。
【００２３】
特に有利な実施形態では、熱吸収デバイスはまた、セルの間の熱流束の方向において第１端面から延在する少なくとも１つの好ましい熱伝導路を含む。熱吸収デバイスは、その構造において規則的に分配された幾つかの好ましい伝導路を含むことがある。
【００２４】
たとえば、少なくとも１つの好ましい伝導路は、セルの間に位置し、熱流束の方向において延在する熱伝導材料の部分によって形成される。熱伝導材料の部分は好ましくは、セルの壁と同一の材料、たとえば銅またはマルエージング鋼（Ｍａｒａｇｉｎｇ  ｓｔｅｅｌ）で作られる。熱伝導材料の部分および前記部分と接触するセルのエンベロープは、すべて一片であり得る。
【００２５】
熱吸収デバイスはまた、相変化物質に蓄積された潜在的な熱を抽出する手段を含むことができる。それはまた、セルの間に少なくとも１つのチャネルを含むことができ、クーラントを循環する。有利には、クーラントの循環は熱イベントの発生に応じて制御される。
【００２６】
熱吸収デバイスは好ましくは、積み重ねの側縁を熱的に絶縁する手段を含む。
【００２７】
たとえば、実装された少なくとも１つの相変化物質は、５０℃と３５０℃との間に含まれる相変化温度を有する。
【００２８】
好ましい実施形態では、熱吸収デバイスは平行６面体形状のセルの３つのサイズを含み、各サイズのセルは層に配置され、セルは各層の間で相互接続される。
【００２９】
本発明の主題はまた、熱源により放出される周期的な熱流束を吸収するように意図された本発明による熱吸収デバイスを形成する方法であり、以下のステップ：
−たとえばシヌソイダル関数などの周期関数の次数ｎの制限された発生（ｌｉｍｉｔｅｄ  ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）を前記周期的な熱流束を代表する関数から計算するステップであって、それぞれが所定の周波数を有する個別の熱源に対応する、ステップ；
−振幅の合計が熱流束の最大振幅の所定の百分率より大きい、たとえばシヌソイダル関数などの周期関数を選択するステップであって、所定の百分率がたとえば６０から９８％の間に含まれる、ステップ；
−選択された関数の周波数に応じてセルのサイズを決定するステップであって、セルのサイズは選択された関数の周波数が減少するときに増加する、ステップ；
−選択された関数の振幅に応じて各サイズのセルの数の分布を決定するステップであって、各サイズのセルの数は選択された関数の振幅が増加するときに増加する、ステップ；
−そのサイズおよび数が先行する２つのステップの間に決定されたものに対応するセルを備えたデバイスを形成するステップ；
を含む。
【００３０】
本発明は、以下に続く説明および添付図面を用いることによってより良く理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】熱吸収構造の実施例の概略断面図である。
【図２】熱吸収構造の別の実施例である。
【図３】熱吸収構造の別の実施例である。
【図４】図３の構造の実際の実施例の斜視図である。
【図５】熱流束の周波数に応じて、異なる相変化物質および異なるエンベロープ材料の熱浸透の深さの変化を示すグラフである。
【図６Ａ】熱流束の代表例の代表的な関数のグラフである。
【図６Ｂ】図６Ａの関数の１１のシヌソイダル関数における代表的な制限された発生のグラフである。
【図６Ｃ】図６Ｂのシヌソイダル関数の代表的な振幅のグラフである。
【図７Ａ】熱流束の代表例の別の代表的な関数のグラフである。
【図７Ｂ】図７Ａの関数の１１のシヌソイダル関数の代表的な制限された発生のグラフである。
【図７Ｃ】図７Ｂのシヌソイダル関数の代表的な振幅のグラフである。
【図８Ａ】異なるタイムスケールでの、図４の構造が特に適合される代表的な熱流束の信号を示すグラフである。
【図８Ｂ】異なるタイムスケールでの、図４の構造が特に適合される代表的な熱流束の信号を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１では、本発明による熱吸収構造Ｓ１の例を見ることができる。
【００３３】
構造Ｓ１は、熱を抽出することが望ましいシステム５の表面４と接触することが意図された端面１を含む。たとえば、このシステムは電気部品である。
【００３４】
本発明では、相変化物質は以後ＰＣＭと示される。相変化物質は、熱的相変化物質、つまり所定の温度で物理的状態を変化できるものを意味するとされる。たとえば、ＰＣＭは、その温度が上昇してそれがその材料の溶解温度または蒸発温度に到達するときに溶解し、かつ、固体状態から液体状態、または液体状態から気体状態を通過し、その温度が低下してそれがその材料の固化温度または凝縮温度に到達するときに、固化または液化する。
【００３５】
好ましくは、実装されるＰＣＭの相変化温度は、５０℃と３５０℃との間に含まれ、それにより吸収構造をマイクロエレクトロニクス、エレクトロニクスおよびパワーエレクトロニクスの分野に応用することが可能になる。
【００３６】
このインターバルに対応する相変化物質は有機物であり得、たとえば商用的に利用可能なパラフィン、たとえば硝酸マグネシウム六水和物、水酸化ナトリウム一水和物、ＭｇＣｌ２＊６Ｈ２Ｏなどの含水塩、ＬｉＮＯ３、ＮａＮＯ３、ＫＮＯ３、ＮａＮＯ３−ＫＮＯ３などの塩であり得る。
【００３７】
構造Ｓ１は、互いに接触する複数のセル２を含む。各セル２は、エンベロープ６と、（概略的に示された）エンベロープ６に配置されたＰＣＭと、を含む。エンベロープ６は熱伝導物質で作られ、好ましくは良好な熱伝導率を提供する銅およびマルエージング（Ｍａｒａｇｉｎｅ  ｓｔｅｅｌ）などの金属物質で作られる。本発明において良好な熱伝導率は、１Ｗ／Ｋ／ｍより大きい、好ましくは５０Ｗ／Ｋ／ｍより大きい、より好ましくは１００Ｗ／Ｋ／ｍより大きい熱伝導率を意味するとされる。
【００３８】
示された例において、各セル２は６面体の形状を有し、故にその構造はハニカム型である。この形状は、制限しない如何なる場合においても、たとえば環状または任意のセクションを有するシリンダー形セル、平行６面体セル、あるいは任意の他の多面体の形状が想定され得る。
【００３９】
セルの内部空間が相変化の間のＰＣＭの体積変化を調整するのに十分である場合、エンベロープは密封方法にて閉じられ得る。
【００４０】
エンベロープは、図１におけるエンベロープの点線によって概略的な方法で表されているように、有利には開いていることがある。セルは相互接続されており、ＰＣＭはそして、１つのセルから隣接するセルへと通過することがあり、それは体積変化の調整を確保する。開いたセルを有するという事実はまた、エンベロープをＰＣＭで充填するのに有利である。セルがすべてではないがグループで相互接続され得る構造は、本発明の範囲を超えるものではない。
【００４１】
好ましくは、セルは熱流束の方向において相互接続される。
【００４２】
好ましくは、構造はすべて一片で形成され、２つの隣接するセルの側壁は共通である。構造はまた、前壁および裏壁（図示されていない）を含み、たとえば追加のプレートによって形成された図１に示されたセルを閉じる。構造Ｓ１はそして、それが密封されたアセンブリを形成するようにされる。
【００４３】
構造Ｓ１において、セル２は、システムの面４に沿うＸ軸およびＸ軸と垂直であるＹ軸に実質的に沿って延びる２次元構造を形成する。
【００４４】
セルはそして、実質的に一枚一枚積層されたラインの形態で配置される。３次元構造では、セルは実質的に層に分配される。
【００４５】
面４はＹ軸の方向においてＦＴで示される矢印によって象徴される熱流束を放出し、構造Ｓ１が吸収しようと意図するのはこの流束ＦＴである。
【００４６】
好ましくは、構造Ｓ１は、Ｙ軸に沿って熱流束を導くために、側面熱絶縁手段７を含む。熱絶縁手段５はたとえば、構造の外側面に添加された熱絶縁材料によって、または空の領域によって形成される。
【００４７】
図１に見られ得るように、構造Ｓ２は２つの異なるサイズのセル、第１サイズを有するセル１０２および第２サイズを有するセル２０２を含む。第１サイズは第２サイズより大きい。
【００４８】
“サイズ”はセルの体積を意味するとされる。さらに、セルに含まれるＰＣＭの量は、そのサイズに比例する。したがって、大きなサイズのセルは小さなサイズのセルよりも、より多くのＰＣＭを含む。したがって、以下の記述では、“セルのサイズ”および“ＰＣＭの量”または“ＰＣＭの体積”との表現が常に使用される。
【００４９】
好ましくは、液体状態（固体−液体相変化の場合は、拡張した（ｄｉｌａｔｅｄ）状態）におけるＰＣＭの体積は、システムの充填及びその効率性を最適化するために、セルの体積に可能な限り近い。好ましくは、典型的に５％と２０％との間に含まれる固体−液体膨張率を考慮すると、固体状態であるＰＣＭは故に、セルの８０％から９５％を充填する。
【００５０】
示された例および好ましい方法では、小さいサイズのセル２０２が熱放出面４の側面に位置し、大きなサイズのセル１０２がセル２０２上に積層されたこの面から出来る限り遠くに位置する。
【００５１】
一方、小さなサイズのセルは、各セルに少量で含まれるＰＣＭがより急速に溶解することで高周波数のピークの吸収に適合されるため、この構成は有利である。さらに、高周波数のピークによって放出される熱は、その構造内に「より薄く」浸透するが、それは、それらの持続時間がより短いからである。小さなセルがその面４に可能な限り近く位置することが、故に好ましい。
【００５２】
構造Ｓ１の動作が、ここで説明される。
【００５３】
面４は、構造Ｓ１が吸収する必要がある熱流束を放出する。熱は、放出面４と直接接触するセル２のエンベロープ６において循環しようとし、良好なあるいは非常に良好な熱伝導率を有するエンベロープの材料の媒介物を介して、またＰＣＭを介して、全体の構造の至るところで拡散しようとする。温度の上昇により、セルに含まれるＰＣＭは、固体状態から液体状態、または液体状態から気体状態の何れかを通過して、相を変化する。この相の変化は、各セルで潜熱の形態で蓄積される熱エネルギーを吸収する。
【００５４】
吸収された熱は次いで排除され、つまり、構造が冷却され、再度デバイスが新たな熱流束を吸収できるようにする。この冷却により、ＰＣＭは再度相を変化し、液体状態から固体状態、または気体状態から液体状態を通過する。たとえば、この冷却は、構造内または構造のまわりで、液体または気体のクーラントを循環することによって得られる。
【００５５】
さらに、高周波数のピークによって放出される、つまり短い持続時間の間に放出される熱が小さなセルによって吸収され、それらが含み、それらの中において少容量で設けられているＰＣＭは急速に溶解する。潜熱の形態での熱の蓄積が急速に発生する。熱は故に、急速に吸収される。
【００５６】
ピークが低周波数を有し、つまりそれらが長期間にわたり熱を放出するとき、一定量のＰＣＭを含む大きなサイズのセルは急速には溶解せず、この熱を潜熱の形態で蓄積する。
【００５７】
その構造は、熱放出イベントの流束および異なる周波数に応じて、２つを超えるサイズのセルを備えることができる。
【００５８】
図２では、熱吸収構造Ｓ２の別の実施例を見ることができる。
【００５９】
構造Ｓ２は、構造Ｓ１のように、異なるサイズのセルを備える。
【００６０】
それはさらに、特に有利な方法で、構造Ｓ２内で吸収される熱の分配をさらに改善するために、少なくとも１つの好ましい熱伝導路８を備える。
【００６１】
それを通って熱流束ＦＴが優先的に循環する好ましい熱伝導路８は、実質的に流速ＦＴの方向に配向される。路８は熱伝導材料で作られた領域によって形成され、その厚さは、これらの領域を介した熱流束の通過を支持する（ｆａｖｏｕｒ）ように、エンベロープの厚さよりも大きい。好ましくは、均一な熱伝導率を確保するために、それはエンベロープを形成するのと同一の材料である。エンベロープに近い熱伝導率を有する別の材料が選択され得る。
【００６２】
路８は、より良い厚さの部分を含むエンベロープによって直接、または、エンベロープとの徹底的な（ｉｎｔｉｍａｔｅ）接触を確保するように選択された形状を有する、エンベロープ間に挿入されたエレメントによって、形成され得る。
【００６３】
構造Ｓ１の動作がここで説明される。ＰＣＭはエンベロープの材料より非常に小さい低熱伝導率を提供することが思い出される。
【００６４】
面４は、構造Ｓ２が吸収する必要がある熱を放出する。熱エネルギーは、面４と直接接触するセル２のエンベロープにおいて循環する。加えて、熱は優先的に、路８をたどる。この熱は次いで、矢印によって象徴されるように、セルにおいて横方向に分配される。吸収されるエネルギーが次いで、可能な限りセルの近くで、実質的に均一な方法で供給される。したがって、すべてのセルが均一な方法で、熱エネルギーの吸収に関与する。
【００６５】
温度の上昇により、セルに含まれるＰＣＭは、固体状態から液体状態、または液体状態から気体状態の何れかを通過して、相を変化する。この相の変化は、各セルで潜熱の形態で蓄積される熱エネルギーを吸収する。
【００６６】
吸収された熱は次いで排除され、つまり、構造が冷却され、ＰＣＭは再度相を変化し、かつ、液体状態から固体状態、または気体状態から液体状態を通過する。たとえば、この冷却は、構造のまわりで、液体または気体のクーラントを循環することによって得られる。
【００６７】
したがって、多数の積層されたセルが、ＰＣＭの低熱伝導率が不利になり、かつ、構造Ｓ２内に鋭い温度勾配の出現を生じることなく、使用され、故に熱蓄積量を増加する。
【００６８】
たとえば、セルのサイズは、１μｍと１ｃｍとの間に含まれる。エンベロープの厚さは、セルのサイズの１％から２０％を示す。路の厚さは、セルのサイズの２０％から１００％を示す。好ましい導電路の厚さがセルのサイズの１００％を示す場合には、セルのラインの位置が伝導路を作り出すのに使用される。
【００６９】
熱路８は、吸収される熱の量に応じて、構造で分配される。好ましくは、それらは、構造内における熱の可能な限り均一な分配を確保するために、規則的な方法で分配される。
【００７０】
図３には、ＰＣＭによって吸収される熱を抽出するための熱吸収構造Ｓ３の統合手段の別の実施例を見ることができる。その構造は図１に類似し、クーラントを循環するためにチャネル９を追加で含む。
【００７１】
示された例では、チャネル９は、Ｘ軸と実質的に平行するセル間に延在する。しかしながら、この実施形態は、どんな場合にも制限的ではない。変形例として、チャネル９は、Ｘ軸およびＹ軸と直角に配向され得る。
【００７２】
示された例では、チャネル９は、セル間のクリアランスによって形成される。変形例として、これらのチャネル９は、セルを除去することによって形成され得る。
【００７３】
チャネル９におけるクーラントの循環は、連続的に、または熱ピークの検出が続く在庫調整のニーズ（ｔｈｅ  ｄｅｓｔｏｃｋｉｎｇ  ｎｅｅｄｓ）に応じて、の何れかによって、起こることがある。たとえば、水または油がクーラントとして使用される。
【００７４】
チャネル９において循環した後のクーラントは、たとえば外部環境とその熱を交換する。
【００７５】
図４では、構造Ｓ３と類似の熱交換構造Ｓ３’の実際の実施例の斜視図の断面を見ることができる。
【００７６】
例えば、図４の構造Ｓ３’は、レーザー核融合によって形成される。
【００７７】
この構造はケーシング１２を含み、３つの異なるサイズの相互接続セル１０２、２０２、３０２が形成される。セルは平行６面体の長方形の形状を有し、それらの長さは実質的に平行である。見ることができるように、セル１０２、２０２、３０２は、それらのサイズに応じて、層によって分配される。端面１が図４に表された底部に位置されることを考慮することによって、より小さなサイズのセル３０２が端面１側にあり、そして中間サイズのセル２０２が最も小さなサイズのセル上に位置し、最終的に大きなサイズのセル１０２が中間サイズのセル２０２上に位置する。
【００７８】
示されるように、その構造は、熱流束ＦＴが優先的に小さなサイズのセル３０２側に適用されるように配向される。
【００７９】
クーラントを循環するためのチャネルは、セルのブロックＢ１、Ｂ２、Ｂ３間に延在し、リヤ・コネクタ１０によって平行に供給される。さらに、チャネル９の壁は、構造Ｓ３’内で好ましい熱伝導路８を形成し、それはセル１０２，２０２，３０２の壁によって引き延ばされる。
【００８０】
横方向において、構造Ｓ３’は、その構造の全体の高さにわたって延在する空洞（ｈｏｌｌｏｗｉｎｇｓ）７’によって、熱的に絶縁される。
【００８１】
セルのＰＣＭでの充填は、たとえば大きなサイズのセル１０２で起こり、ＰＣＭが中間サイズのセル２０２および小さなサイズのセル３０２内に注がれる。カバー（図示せず）が次いで、ケーシングに固定され、セルを密封する。
【００８２】
例えば、最も小さなセル３０２は、長さ０．４ｍｍの側部を有し、中間サイズのセル２０２は、長さ１．５ｍｍの側部を有し、大きなサイズのセル３０２は、長さ５ｍｍの側部を有する。ＰＣＭの体積は、最も小さなセル３０２に対しては０．０８ｍｍ３から０．０９６ｍｍ３；中間サイズのセル２０２に対しては４．２４ｍｍ３から５ｍｍ３、大きなサイズのセル３０２に対しては１５７ｍｍ３から１８６ｍｍ３である。
【００８３】
セルがシリンダーである場合、チャネルは、セル間で自由に残された空間によって、直接区切られ得る。
【００８４】
一意的な数値例として、セル、並びに幾つかのＰＣＭおよび熱伝導材料に対する好ましい伝導路の寸法がここで計算される。
【００８５】
構造の外部からＰＣＭへの熱の移動は、２つのルートに沿って起こる：セルのエンベロープとＰＣＭとの間の、セルのスケールでの第１のルート、並びに、好ましい伝導路における構造のスケールでの第２のルート。
【００８６】
セルのスケールで、熱の移動の反応速度論はそして、セルのエンベロープにおける温度条件およびＰＣＭの物理的特性によって決まる。
【００８７】
ｓ（ｔ）で示される相変化フロントの位置は、以下の式によってモデル化され得る：
【００８８】
【数１】
2014506729.tif 000003
【００８９】
ここで、
−ｓ（ｔ）は、時間ｔでの相変化フロント（または熱浸透の深さ）の位置であり、
−λは、ＰＣＭの熱伝導率（Ｗ／ｋ．ｍ）であり、
−ΔＴは、エンベロープと変形を経るＰＣＭ材料との間の温度差であり、
−Ｌは、ＰＣＭの相変化の潜熱（Ｊ／ｍ３）である。
【００９０】
したがって、所定のＰＣＭ材料に対して、時間（または周波数）および空間（セルの体積）占有を規定することができ、相変化は完了し、結果として、熱蓄積は最適である。
【００９１】
塩および塩化合物タイプの４つの異なるＰＣＭに対して計算が実施され、それらの物理的特性が以下の表１においてグループ化される。
【００９２】
【表１】
2014506729.tif 000004
【００９３】
第２欄は、固体／液体相変化温度を提供する。
【００９４】
図５では、熱流束の周波数（Ｈｚ）に応じて、上記のＰＣＭに対して、熱浸透の深さ（メートル）の変化を見ることができる。計算に対して、ΔＴは１０°Ｃに等しく選択された。
【００９５】
以下の表２では、異なるＰＣＭに対する相変化フロントの位置の値がグループ化される。
【００９６】
【表２】
2014506729.tif 000005
【００９７】
１００秒（０．０１Ｈｚ）の熱応力に対して、ＮａＮＯ３−ＫＮＯ３タイプのＰＣＭにおける蓄積は、セル寸法が２．８ｍｍ程度である場合に最適となる。
【００９８】
ここで問題となっているその寸法は、Ｘ軸に沿った寸法であるが、それは、図１及び２で図式化されているように、Ｘ軸に沿って熱が分散されるからである。図４のように、正方形断面のセルの場合、その正方形の側部上の寸法である。
【００９９】
１０秒（０．１Ｈｚ）の熱応力に対して、ＮａＮＯ３−ＫＮＯ３タイプのＰＣＭにおける蓄積は、セル寸法が０．９ｍｍ程度である場合に最適となる。
【０１００】
結果として、本発明により、異なるセルのサイズは、熱源の動作の複数の変動状態に応じて寸法が決定され得、変動状態は同時であるか、または時間とともに交互であるか、であることができる。
【０１０１】
好ましい伝導路の最適な長さがここで計算される。構造のスケールで、熱の移動の熱路は、好ましくはセルのエンベロープの材料である好ましい伝導路の材料における熱の伝導の路である。移動の反応速度論はそして、熱の付随的フロー、アーキテクチャ、および導電材料の物理的特性によって決まる。統計的に、熱浸透の平均深さは、以下のように規定され得る：
【０１０２】
【数２】
2014506729.tif 000006
【０１０３】
ここで、
Ｄ：材料の熱拡散（ｍ２／ｓ）
ω：熱信号の周波数
である。
【０１０４】
銅およびマルエージング鋼の例が選択されて好ましい伝導路が形成され、その物理的特性が以下の表３でグループ化される。
【０１０５】
【表３】
2014506729.tif 000007
【０１０６】
図５では、周波数に応じた、エンベロープ材料における熱浸透を見ることができる。
【０１０７】
以下の表４では、マルエージング鋼及び銅に対する熱浸透フロントの位置の値がグループ化される。
【０１０８】
【表４】
2014506729.tif 000008
【０１０９】
１００秒（０．０１Ｈｚ）の熱応力に対して、マルエージング鋼および銅における熱の浸透深さはそれぞれ、９．９および４８．５ｍｍ程度である。
【０１１０】
１０秒（０．１Ｈｚ）の熱応力に対して、マルエージング鋼および銅における熱の浸透深さはそれぞれ、３１．３ｍｍおよび１５３．５ｍｍ程度である。
【０１１１】
結果として、最大蓄積効率を得るために、好ましい熱伝導路の長さ、故に実質的に蓄積デバイスの高さは、これらの値の下で選択される。
【０１１２】
好ましくは、好ましい熱伝導路の幅は、エンベロープの厚さとセルの幅との間に含まれる。
【０１１３】
所定の熱流束の信号に応じた熱吸収構造におけるセルの異なるサイズ、およびそれらの百分率を決定する方法が、ここで説明される。
【０１１４】
図６Ａに示されるような期間Ｔの二乗関数である熱源が、ここで考慮される。
【０１１５】
第１ステップの間、これは、シヌソイダル関数のｎ次の制限された発生によって表され、それぞれ周波数ｎ／Ｔの個別の熱源に対応する。図６Ｂは、この関数の１１次の制限された発生を提供する。その振幅がＩからＶＩで表された最大であるシヌソイダル関数を見ることができ、それぞれが熱源の周期的な熱イベントを代表する。
【０１１６】
図６Ｃでは、これらの信号のそれぞれの熱振幅を見ることができる。
【０１１７】
以下のステップの間、最も高い振幅を有する信号が選択される。たとえば、周波数ｆ１、ｆ３およびｆ５を有する信号が選択され、他の信号は非常に低い振幅を有する。
【０１１８】
有利には、振幅の合計が熱流束の最大振幅の６０％から９８％の間を示す信号が選択される。
【０１１９】
周波数ｆ１、ｆ３およびｆ５が分かっていると、式（ｉ）により前で説明されたように、かつ信号の振幅と合計の振幅との間の比率に応じて、セルのサイズを決定することでき、各サイズのセルの割合が決定される。
【０１２０】
３つの異なるサイズのセルを有する構造が次いで得られる。表５では、セルの寸法およびそれらの分布がグループ化される。セルのサイズは、ＮａＮＯ３−ＫＮＯ３をＰＣＭとして考慮することによって判断されている。
【０１２１】
【表５】
2014506729.tif 000009
【０１２２】
図７Ａから７Ｃでは、熱源を代表する二乗関数の発生の別の例を見ることができ、振幅が最大であるシヌソイダル関数はＩ’からＶＩ’で表される。この場合、ＶＩ’によってマークされた１１次の信号の振幅は３３である。その構造は次いで、４つのセルのサイズを有して形成され得るか、またはそして、Ｖ’でマークされた５次の信号は、もはや考慮に入れられない。
【０１２３】
図８Ａおよび８Ｂでは、図４の構造が特に適合される代表的な熱流束の信号を見ることができ、２つの図解の間ではタイムスケールのみが異なる。
【０１２４】
図４では、３つのサイズのセルは、同一の体積分率、つまり３３％を有する。
【０１２５】
以下の表６では、周波数に応じてセルのサイズがグループ化される。
【０１２６】
【表６】
2014506729.tif 000010
【０１２７】
セルの数およびサイズを決定した後、本発明による熱吸収デバイスを製造することができる。
【０１２８】
たとえば熱源に関するセルのサイズおよび／または位置に応じて、異なるＰＣＭを構造に有することが想定され得る。
【０１２９】
本発明は故に、特に多数の動作条件を有するシステム、具体的には熱流束が部品の動作によって決まるエレクトロニクス、マイクロエレクトロニクスおよびパワーエレクトロニクス分野のシステムに適合された熱吸収デバイスを提供する。さらに、本発明による吸収デバイスは、各システムの熱流束のプロファイルに応じて、具体的に形成され得る。
【符号の説明】
【０１３０】
１    端面
２    セル
４    面
５    システム
６    エンベロープ
７    側面熱絶縁手段
７’    空洞
８    熱伝導路
９    チャネル
１０    リヤ・コネクタ
１２    ケーシング
１０２、２０２、３０２    セル
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３    セルのブロック
ＦＴ    熱流束
【図１】
2014506729.tif 000011
【図２】
2014506729.tif 000012
【図３】
2014506729.tif 000013
【図４】
2014506729.tif 000014
【図６Ａ】
2014506729.tif 000015
【図６Ｂ】
2014506729.tif 000016
【図６Ｃ】
2014506729.tif 000017
【図７Ａ】
2014506729.tif 000018
【図７Ｂ】
2014506729.tif 000019
【図７Ｃ】
2014506729.tif 000020
【図５】
2014506729.tif 000021
【図８Ａ】
2014506729.tif 000022
【図８Ｂ】
2014506729.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成25年10月2日(2013.10.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の個別のセル（２、１０２、２０２、３０２）を有する構造（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ３’）を備える熱吸収デバイスであって、各セル（２、１０２、２０２、３０２）は、良好な熱伝導率を有し、かつ少なくとも１つの相変化物質（ＰＣＭ）を含む材料で作られたエンベロープによって区切られ、前記構造は、吸収される熱流束（ＦＴ）を放出する面と接触することが意図された第１端面（１）を備え、前記熱流束（ＦＴ）は、異なる振幅および異なる周波数の少なくとも２つの熱イベントで構成され、前記セル（２、１０２、２０２、３０２）は、前記端面から一枚一枚積み重ねられて前記構造（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ３’）が少なくとも前記熱流束（ＦＴ）の方向に延在するようにし、前記セル（２、１０２、２０２、３０２）はそれらのエンベロープによって互いに接触し、前記構造（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ３’）は、少なくとも１つのセルの第１サイズと１つのセルの第２サイズとを備え、各セル（１０２、２０２、３０２）における相変化物質の量はそのサイズに比例し、前記セルの第１サイズは第１のイベントの周波数に応じて決定され、前記セルの第２サイズは第２のイベントの周波数に応じて決定され、前記第１サイズのセルの数および前記第２サイズのセルの数の分布は、前記第１および第２のイベントの振幅に応じて決定され、前記セルの第１サイズおよび前記セルの第２サイズは、前記第１のイベントの周波数および前記第２のイベントの周波数がそれぞれ減少するときに増加し、前記第１サイズのセルの数および前記第２サイズのセルの数は、前記第１のイベントの振幅および前記第２のイベントの振幅がそれぞれ増加するときに増加する、熱吸収デバイス。
【請求項２】
前記第２のイベントの周波数は前記第１のイベントの周波数より小さく、前記セルの第２サイズは前記セルの第１サイズより大きく、前記第１サイズのセル（２０２、３０２）は前記第１端面（１）側に位置している、請求項１に記載の熱吸収デバイス。
【請求項３】
前記セル（３０２、２０２、１０２）のサイズは、前記第１端面から前記熱流束の方向において増加する、請求項１または２に記載の熱吸収デバイス。
【請求項４】
前記セル（２、１０２、２０２、３０２）は、前記相の変化を有する物質が１つのセルから次のセルへと通過するのを可能にするために相互接続される、請求項１から３の何れか１項に記載の熱吸収デバイス。
【請求項５】
前記セルは前記熱流束（ＦＴ）の方向において相互接続される、請求項４に記載の熱吸収デバイス。
【請求項６】
前記セル（１０２、２０２、３０２）の間の前記熱流束の方向において、前記第１端面（１）から延在する少なくとも１つの好ましい熱伝導路（８）を含む、請求項１から５の何れか１項に記載の熱吸収デバイス。
【請求項７】
前記構造（Ｓ２、Ｓ３’）において規則的に分配された幾つかの好ましい伝導路（８）を含む、請求項６に記載の熱吸収デバイス。
【請求項８】
前記少なくとも１つの好ましい伝導路（８）のサイズが、前記セルのサイズの２０％から１００％を示す、請求項６または７に記載の熱吸収デバイス。
【請求項９】
前記少なくとも１つの好ましい伝導路（８）は、前記セル（１０２、２０２、３０２）の間に位置され、かつ前記熱流束の方向において延在する熱伝導材料の部分によって形成される、請求項６または７に記載の熱吸収デバイス。
【請求項１０】
前記熱伝導材料の部分は前記セルの壁と同一の材料である、請求項９に記載の熱吸収デバイス。
【請求項１１】
前記熱伝導材料の部分および前記部分と接触する前記セルのエンベロープが、すべて一片である、請求項９または１０に記載の熱吸収デバイス。
【請求項１２】
前記相変化物質に蓄積される潜熱を抽出するための手段（９）を含む、請求項１から１１の何れか１項に記載の熱吸収デバイス。
【請求項１３】
前記潜熱を抽出するための手段（９）が前記セルの間の少なくとも１つのチャネルを含み、その中でクーラントが循環する、請求項１２に記載の熱吸収デバイス。
【請求項１４】
前記クーラントの循環が、熱イベントの発生に応じて制御される、請求項１３に記載の熱吸収デバイス。
【請求項１５】
前記積み重ねの側縁を熱的に絶縁するための手段（５）を含む、請求項１から１４の何れか１項に記載の熱吸収デバイス。
【請求項１６】
実装された前記少なくとも１つの相変化物質は、５０℃と３５０℃との間に含まれる相変化温度を有する、請求項１から１５の何れか１項に記載の熱吸収デバイス。
【請求項１７】
平行６面体形状のセル（１０２、２０２、３０２）の３つのサイズを含み、各サイズの前記セルは層に配置され、前記セルは各層の間で相互接続されている、請求項１から１６の何れか１項に記載の熱吸収デバイス。
【請求項１８】
熱源により放出される期間（Ｔ）の熱流束（ＦＴ）を吸収するように意図された、請求項１から１７の何れか１項に記載の熱吸収デバイスを形成する方法であって、
ａ）周期関数の次数ｎの制限された発生を前記期間（Ｔ）の熱流束を代表する関数から計算するステップであって、それぞれが周波数（ｎ／Ｔ）の個別の熱源に対応する、ステップと、
ｂ）振幅の合計が前記熱流束の最大振幅の所定の百分率より大きい周期関数を選択するステップと、
ｃ）前記選択された関数の周波数に応じて前記セルのサイズを決定するステップであって、前記セルのサイズは前記選択された関数の周波数が減少するときに増加する、ステップと、
ｄ）前記選択された関数の振幅に応じて各サイズのセルの数の分布を決定するステップであって、前記各サイズのセルの数は前記選択された関数の振幅が増加するときに増加する、ステップと、
ｅ）前記サイズおよび数がステップｃ）およびｄ）の間に決定されたものに対応するセルを備えたデバイスを形成するステップと、
を含む、方法。
【請求項１９】
前記所定の百分率が６０％から９８％の間に含まれる、請求項１８に記載の方法。
【国際調査報告】
2014506729.tif 000024
2014506729.tif 000025
2014506729.tif 000026
2014506729.tif 000027