(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象領域及び周辺領域を有する基材、並びに
前記基材に接合されており、かつ前記対象領域に隣接して配置されている導体被覆配列、
を有し、
前記導体被覆配列は、
複数の第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分、及び
複数の第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分、
を有し、
前記導体被覆配列は、第１の温度範囲において熱流を前記対象領域に向け、かつ第２の温度範囲において熱流を前記対象領域から離す、
熱スイッチ。
【請求項２】
複数の前記第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分のうちの各個別の前記第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分が、複数の前記第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分のうちの少なくとも一つの前記第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分に隣接するようにして、前記導体被覆配列が、線形帯状に配置されており、かつ
前記対象領域が、前記導体被覆配列の第１端に隣接し、かつ前記周辺領域が前記導体被覆配列の第２反対側端に隣接するようにして、前記導体被覆配列が、前記基材を二分している、
請求項１に記載の熱スイッチ。
【請求項３】
複数の前記第１の温度依存性熱伝導性導体部分が、Ａｌ２Ｏ３、サファイア、及びＢｅＯのうち少なくとも１つを含んでいる、請求項２に記載の熱スイッチ。
【請求項４】
複数の前記第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分が、ＶＯ２、ＳｍＮｉＯ３、ＴｉＯ３、遷移金属ペロブスカイト、ＺｎＢｉＴｅＳｅ、及びＦｅＳｂ２のうち少なくとも一つを含んでいる、請求項２に記載の熱スイッチ。
【請求項５】
複数の前記第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分のうちの各個別の前記第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分が、複数の前記第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分のうちの少なくとも一つの前記第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分に隣接するようにして、前記導体被覆配列が円形帯状に配置されており、かつ
前記対象領域が、前記導体被覆配列の第１端に隣接し、かつ前記周辺領域が前記導体被覆配列の第２反対側端に隣接するようにして、前記導体被覆配列は前記対象領域を取り囲んでいる、
請求項１に記載の熱スイッチ。
【請求項６】
複数の前記第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分が、前記対象領域を取り囲んでいる複数の同心円を構成しており、かつ前記第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分が、複数のスポークを構成しており、
各個別の前記スポークは、複数の前記第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分の少なくとも２つの同心円の間に延在している、
請求項５に記載の熱スイッチ。
【請求項７】
複数の前記第１の温度依存性熱伝導性導体部分が、Ａｌ２Ｏ３、サファイア、及びＢｅＯのうち少なくとも１つを含んでいる、請求項６に記載の熱スイッチ。
【請求項８】
複数の前記第２の温度依存性熱伝導性導体部分が、Ａｌ２Ｏ３、サファイア、及びＢｅＯのうち少なくとも１つを含んでいる、請求項６に記載の熱スイッチ。
【請求項９】
複数の前記第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分が、ＶＯ２、ＳｍＮｉＯ３、ＴｉＯ３、遷移金属ペロブスカイト、狭帯域半導体材料、相変化材料、ＺｎＢｉＴｅＳｅ、及びＦｅＳｂ２のうち少なくとも一つを含んでいる、請求項６に記載の熱スイッチ。
【請求項１０】
複数の前記第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分が、ＶＯ２、ＳｍＮｉＯ３、ＴｉＯ３、遷移金属ペロブスカイト、狭帯域半導体材料、相変化材料、ＺｎＢｉＴｅＳｅ、及びＦｅＳｂ２のうち少なくとも一つを含んでいる、請求項６に記載の熱スイッチ。
【請求項１１】
対象領域の材料が、周辺領域の材料と異なる、請求項１に記載の熱スイッチ。
【請求項１２】
熱スイッチであって、
前記熱スイッチが、
対象領域及び周辺領域を有する基材、
前記基材に接合されており、かつ円形帯状に配置されている導体被覆配列、
を有し、
前記導体被覆配列が、
対象領域を取り囲んでいる複数の同心円を構成している複数の低温度で作動する温度依存性の熱伝導性導体被覆部分、及び
複数のスポークを構成している複数の高温度で作動する温度依存性の熱伝導性導体被覆部分、
を有しており、
各個別の前記スポークは、複数の低温度で作動する温度依存性の熱伝導性導体被覆部分の同心円のうちの少なくとも２つの間に延在しており、
前記導体被覆配列は、第１の温度範囲において熱流を前記対象領域に向け、かつ第２の温度範囲において熱流を前記対象領域から離し、かつ
第１の温度範囲は、第２の温度範囲の第２の平均温度未満である、第１の平均温度を有する、
熱スイッチ。
【請求項１３】
複数の低温度で作動する温度依存性の熱伝導性導体被覆部分が、Ａｌ２Ｏ３、サファイア、及びＢｅＯの少なくとも一つを含んでいる、請求項１２に記載の熱スイッチ。
【請求項１４】
複数の高温度で作動する温度依存性の熱伝導性導体被覆部分が、ＶＯ２、ＳｍＮｉＯ３、ＴｉＯ３、遷移金属ペロブスカイト、狭帯域半導体材料、相変化材料、ＺｎＢｉＴｅＳｅ、及びＦｅＳｂ２のうち少なくとも一つを含んでいる、請求項１２に記載の熱スイッチ。
【請求項１５】
基材がＦＲ−４、銅、又はこれらの組み合わせのうち一つを含んでいる、請求項１２に記載の熱スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願明細書は、概して熱流の操作に関し、より詳細には基材上の能動的な熱流変化をもたらす熱スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
温度管理装置は、対象に向かうように又は対象から離れるようにして、熱流の方向を制御するように構成することができる。熱流の制御に関する現在の方法は、温度に依存しない熱伝導率を有する材料を使用している。その結果として、単独の装置を使用して動作温度に基づいて熱流の除去及び熱流の増幅の両方をもたらすことができない、受動的な熱管理装置となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、装置に適用される温度に依存して熱流の遮蔽及び熱流の増幅を含む能動的な熱流の変化をもたらすことができる温度管理装置が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一つの実施形態において、熱スイッチは、対象領域及び周辺領域を有する基材を含んでいる。導体被覆（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）配列は基材に接合されており、かつ対象領域に隣接して配置されており、この導体被覆配列は、複数の第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分、及び複数の第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分を有している。この導体被覆配列は、第１の温度範囲において熱流を対象領域に向け、第２の温度範囲において熱流を対象領域から離す。
【０００５】
もう一つの実施形態において、装置は、対象領域及び周辺領域を有する基材を有する熱スイッチを有する。導体被覆配列は、基材に接合されており、かつ対象領域に隣接して配置されており、この導体被覆配列は、複数の第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分、及び複数の第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分を有する。導体被覆配列は、第１の温度範囲において熱流を対象領域に向け、第２の温度範囲において熱流を対象領域から離す。ヒートシンクは、基材の対象領域及び／又は基材の周辺領域に熱的に接合されており、かつ熱源は、基材の対象領域及び／又は基材の周辺領域に熱的に接合されている。
【０００６】
さらにもう一つの実施形態において、熱スイッチは、対象領域及び周辺領域を有する基材、並びに基材に接合され、かつ円形帯に配置されている導体被覆配列を有する。この導体被覆配列は、対象領域の周囲を囲んでいる複数の同心円のリングを有する複数の低温で作動する温度依存性の熱伝導性導体被覆部分、及び複数のスポークを有する複数の高温で作動する温度依存性の熱伝導性導体被覆部分を含んでいる。各個別のスポークは、低温で作動する温度依存性の熱伝導性導体被覆部分の少なくとも２つの同心円のリングの間にわたって延在する。導体被覆配列は、第１の温度範囲において熱流を対象領域に向け、かつ第２の温度範囲において熱流を対象領域から離す。第１の温度範囲は第１の平均温度を有しており、これは第２の温度範囲の第２の平均温度よりも低い。
【０００７】
本願明細書において説明する実施形態によりもたらされるこれらの付加的な特徴は、図面と共に下記の詳細な記載によって、より詳細に理解することができる。
【０００８】
図面によって説明される実施形態は、本質的には概略的かつ例示であり、特許請求の範囲によって定義される本発明の主題を限定しようとするものではない。実施形態に係る下記の詳細な説明は、下記の図面と共に理解することができ、ここで図面において同等の構造は、同等の参照番号によって示している。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本願明細書において記載した一つ以上の実施形態に基づく、円形帯に配置された導体被覆配列を有する例示的な熱スイッチの平面図を、概略的に示している。
【図２】図２は、本願明細書において記載した一つ以上の実施形態に基づく、様々な材料の熱伝導率対温度を測定したグラフを、示している。
【図３】図３は、本願明細書において記載した一つ以上の実施形態に基づく、円形帯に配置された導体被覆配列を有する熱スイッチを有する例示的な電子機器の平面図を概略的に示している。
【図４】図４は、本願明細書において記載した一つ以上の実施形態に基づく、円形帯に配置された導体被覆配列を有する熱スイッチを有する例示的な電子機器の平面図を、概略的に示している。
【図５Ａ】図５Ａは、本願明細書において記載した一つ以上の実施形態に基づく、第１の温度での例示的な動作における図３の電子装置のヒートパターンの平面図を、概略的に示している。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本願明細書において記載した一つ以上の実施形態に基づく、第１の温度での例示的な動作における図３の電子装置のヒートパターンの平面図を、概略的に示している。
【図６Ａ】図６Ａは、本願明細書において記載した一つ以上の実施形態に基づく、第１の温度での例示的な動作における図４の電子装置のヒートパターンの平面図を、概略的に示している。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本願明細書において記載した一つ以上の実施形態に基づく、第１の温度で例示的な動作における図４の電子装置のヒートパターンの平面図を、概略的に表現している。
【図７】図７は、本願明細書において記載した一つ以上の実施形態に基づく、線形帯状に配置されている導体被覆配列を有する例示的な熱スイッチの平面図を、概略的に示している。
【図８】図８は、本願明細書において記載した一つ以上の実施形態に基づく、線形帯状に配置されている導体被覆配列を有する熱スイッチを含む例示的な電子装置の平面図を、概略的に示している。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本公開の実施形態は、熱流を能動的に管理するための熱スイッチである。熱スイッチは温度に依存していてよく、これにより第１の温度範囲において、この熱スイッチは対象領域に関して熱流の遮蔽をもたらし、かつ第２の温度範囲において、この熱スイッチは対象領域に関して熱流の増幅をもたらす。熱流の増幅において、この熱スイッチは熱流を対象領域に向ける。熱流の遮蔽において、この熱スイッチは熱流を対象領域から離す（例えば、熱流のいくらかを周囲の周辺領域に放出する）。この熱スイッチによる熱流の増幅又は熱流の遮蔽の動作は、基材上に配列された導体被覆配列内に配置された温度依存性の熱伝導性材料を使用することによって管理することができる。熱スイッチ及び電子装置の多様な実施形態を下記に示す。
【００１１】
ここで図１を参照すると、例示的な熱スイッチ１００の平面図が示されている。図１において示されているこの熱スイッチ１００は、公知のいかなる結合方法、例えばメタライゼーションコーティング法、サーマルスプレー法、ケミカルエッチング法、真空金属蒸着法、及び凝縮堆積法等によって基材１１０に接合される、導体被覆配列１２０を有する。この導体被覆配列１２０は、基材１１０を対象領域１１２及び周辺領域１１４に区切り、これらはそれぞれ、この導体被覆配列１２０に隣接している。この基材１１０は、一つ以上の材料、例えば、一つ以上の温度依存性の熱伝導性材料を有していてよい。例えば、対象領域１１２は、第１の材料、例えば第１の非温度依存性の熱伝導性材料を有していてよく、また周辺領域１１４は、第２の材料、例えば第２の非温度依存性の熱伝導性材料を有していてよく、これらは同じ又は異なる材料であってよい。例示的な基材の材料は、図６に関して後述するようにして、ＦＲ−４、銅、並びにＦＲ−４及び銅の組み合わせを含んでいるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態において、この基材１１０はさらに第３の材料、例えば第３の非温度依存性の熱伝導性材料を含んでいてよい。
【００１２】
さらに図１を参照すると、導体被覆配列１２０は、隣接する複数の第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分１４２、及び／又は代替的に複数の第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分１４４を有し、これらはそれぞれ温度依存性の熱伝導性材料を有している。温度依存性の熱伝導性材料は、材料に適用された温度に依存して変化する熱伝導率を有する材料である。複数の第１及び第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分１４２、１４４は、低温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料、及び高温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料を有していてよく、これにより、導体被覆配列１２０は、下記において詳述するように低温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料、及び高温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料の配列を有する。複数の第１及び第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分１４２、１４４は、薄膜材料であってよい。導体被覆配列１２０は様々なパターンに配置されていてよく、基材１１０の対象領域１１２に隣接して配置されている第１端１２６、及び基盤１１０の周辺領域１１４に隣接して配置されている第２端１２８を有していてよい。他の実施形態において、第１端１２６は周辺領域１１４に隣接しており、かつ第２端１２８は対象領域１１２に隣接している。
【００１３】
この導体被覆配列１２０は、低温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料、及び高温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料を共に有している。この低温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料は、下記の図２に関して記載したように、閾値温度範囲より高い温度のときよりも、閾値温度範囲より低い温度のときに、より高い熱伝導率を有する。この高温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料は、下記の図２に関して記載したように、閾値温度範囲より低い温度のときよりも、閾値温度範囲より高い温度のときに、より高い熱伝導率を有する。ある実施形態において、複数の第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分１４２は、低温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料を一つ有しており、かつ複数の第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分１４４は、高温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料を一つ有している。材料の反対の配列もさらに意図されている。
【００１４】
例示的な、低温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料は、Ａｌ２Ｏ３、サファイア、又はＢｅＯを含んでおり、かつ例示的な、高温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料は、ＶＯ２、ＳｍＮｉＯ３、ＴｉＯ３、遷移金属ペロブスカイト、ＺｎＢｉＴｅＳｅ、又はＦｅＳｂ２、同様に狭い禁止帯の幅を有する半導体材料、例えばＧｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５、又は相変化材料、例えばＴｉＮ、ＷＮ２、又はＣ等を含んでいる。これらの材料は、互いに関して配列されて導体被覆配列１２０を形成し、これは熱流を変化させて、第１の温度範囲において熱流の遮蔽器として動作し、かつ第２の温度範囲において熱流の増幅器として動作する。この導体被覆配列１２０は、閾値温度範囲において熱流の増幅器から熱流の遮蔽器に切り替わり、この閾値温度範囲は実質的に第１の温度範囲と第２の温度範囲の間に位置する。
【００１５】
ここで図２を参照すると、熱伝導率に対する、熱スイッチ１００の様々な実施形態において使用される材料の温度（κ／Ｔ）が示されている。この材料は、第１の非温度依存性の熱伝導率材料（曲線１５０）、第２の非温度依存性の熱伝導率材料（曲線１５４）、低温度で作動する温度依存性の熱伝導率材料（曲線１５６）、及び高温度で作動する温度依存性の熱伝導率材料（曲線１５８）を含む。
【００１６】
図２で示したように、それぞれの非温度依存性の熱伝導率材料は、温度に影響されない熱伝導率を有する。第１の非温度依存性の熱伝導率材料（曲線１５０）は、第３の非温度依存性の熱伝導率材料（曲線１５４）よりも低い熱伝導率を有する第２の非温度依存性の熱伝導率材料（曲線１５２）よりも低い熱伝導率を有する。例示的な非温度依存性の熱伝導率材料は、銅（約４００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する）、ＦＲ−４（約０．２５Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する）及び他の断熱材量又はこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。例示としてかつ限定ではなく、ＦＲ−４及び銅の組み合わせは約０．５Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。いくつかの実施形態において、第１の非温度依存性の熱伝導率材料はＦＲ−４を含み、第２の非温度依存性の熱伝導率材料は銅及びＦＲ−４を含み、第３の非温度依存性の熱伝導率材料は銅を含んでいる。他の非温度依存性の熱伝導性材料は、単独でも又は組み合わせでも、意図されていることを理解されたい。
【００１７】
さらに図２を参照すると、低い温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料（曲線１５６）は、温度が上昇するに伴い熱伝導率が低下する材料を含んでいる。例示的な低い温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料は、Ａｌ２Ｏ３（室温（ＲＴ）において３０Ｗ／ｍＫかつ１００℃において２０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する）、サファイア（ＲＴにおいて４５Ｗ／ｍＫかつ１００℃において３０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する）、ＢｅＯ（ＲＴにおいて２００Ｗ／ｍＫかつ１００℃において１００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する）、及びＳｉ（ＲＴにおいて１５０Ｗ／ｍＫかつ１００℃において１００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する）を含むが、これらに限定されない。他の低い温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料は意図されており、これは結晶質の材料を含む。理論によって限定されないが、多くの結晶性の材料は、低い温度で作動する熱依存性熱伝導性材料であり、これは高温度における３−フォノン散乱過程が原因である。さらに、閾値温度範囲において、低温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料の熱伝導率の変化率は増加してよく、これにより熱スイッチ１００の熱切替動作を容易にすることができる。
【００１８】
さらに図２を参照すると、高温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料（曲線１５８）は、温度の上昇により熱伝導性が増加する材料を含んでいてよい。例示的な、高温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料は、ＶＯ２（６７℃未満で約５Ｗ／ｍＫかつ６７℃超過で約１０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する）、遷移金属酸化物（例えば、ＰｒＣａＣｏＯ、ＳｍＣａＣｏＯ、及びＧｄＣａＣｏＯ等の遷移金属ペロブスカイトであり、これらはＲＴにおいて約１．５Ｗ／ｍＫかつ５００℃において約４Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する）、合金（例えば、ＺｎＢｉＴｅＳｅ、ＦｅＳｂ２、及び他の狭帯域半導体材料であり、これらはＲＴにおいて５Ｗ／ｍＫかつ５００℃において１５Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する）、及び相転移材料（例えば、ＴｉＮ、ＷＮ２、及びＣ等であり、これらはＲＴにおいて約４Ｗ／ｍＫかつ４００℃において約９Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する）を含むが、これらに限定されない。他の例示的な、高温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料は、ＳｍＮｉＯ３及びＴｉＯ３を含む。さらに、閾値温度範囲において、高温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料の熱伝導率の変化率は増加してよく、これにより熱スイッチ１００の熱切替機能を容易にすることができる。
【００１９】
いくつかの例において、多様な材料の熱伝導率は相関がある。例えば、熱スイッチ１００は、下記の条件を満たす熱伝導率を有する材料を含んでいてよい：κｅ２〜最大（κｌｈ）（κ０）、ここで、κｅは第１の非温度依存性の熱伝導性材料の熱伝導率であり、κｌｈは高温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料の熱伝導率であり、かつκｅは第２の非温度依存性の熱伝導性材料の熱伝導率である。一例において、κｅは周辺領域１１４の熱伝導率であり、κ０は対象領域１１２の熱伝導率であり、かつκｌｈは、図１に示される導体被覆配列の、温度により作動する温度依存性の熱伝導性部分１４２、１４４の一つの熱伝導率である。理論によって限定されないが、上記の条件を満たす熱伝導率を有する材料を使用した熱スイッチ１００は、導体被覆配列１２０の外側及び対象領域１１２の等温線が、熱流の変化によって乱されないように動作する。さらに、この条件により、導体被覆配列１２０は、能動的に管理される相対的に等温である対象領域１１２をもたらし、かつ対象領域１１２における冷却効率を増加するため又は熱エネルギー回収するために、熱流を収束することができる。
【００２０】
再び図１を参照すると、例示的な導体被覆配列１２０が円形帯１４０として配列されており、これはドーナッツ形状、リング形状、又は環形状等であってよく、これにより円形帯１４０は対象領域１２０を取り囲んでいる。この円形帯１４０は他の形状であってよく、例えば、対象領域１１２を取り囲まない円盤状、又はウェーハー状であってよい。導体被覆配列１２０は、代替的に、線形的又は任意に配列されていてもよいということを理解されたい（図７及び８参照）。
【００２１】
さらに図１を参照すると、第１の温度依存性の熱伝導性導体部分１４２は、複数の同心円のリングを構成しており、第２の温度依存性の熱伝導性部分１４４は、複数のスポークを構成している。いくつかの実施形態において、各個別のスポーク１４４は、少なくとも２つの同心円１４２にわたって延在している。例えば、各個別のスポーク１４４は、導体被覆配列１２０の第１端１２６から導体被覆配列１２０の第２端１２８にわたって延在していてよい。複数のスポーク１４４は、等しい幅及び／又は漸減した幅を有するスポーク１４４を有していてよい。例えば、個別のスポーク１４４の幅は、導体被覆配列１２０の第２端１２８の大きい幅から導体被覆配列１２０の第１端１２６の小さい幅にかけて漸減していてよい。
【００２２】
図１に示されるように、複数のスポーク１４４及び複数の同心円１４２が配列されており、これにより一つ以上の複数の同心円１４２は、複数の逐次配列されている弧１４５を含んでいる。この弧はスポーク１４４により分けられている。例えば、円周方向から見たとき、個々のスポーク１４４によって、個々の同心円１４２の各弧１４５は、この個々の同心円１４２のもう一つの隣接する弧から分けられている。他の例において、複数のスポーク１４４及び複数の同心円１４２は、重畳しているハッチパターン状に配置されていてよく、これにより一つ以上の複数のスポーク１４４が一つ以上の複数の同心円１４２の下及び／又は上に延在し、これにより各同心円１４２は連続的に対象領域１１２を取り囲む。
【００２３】
動作において、熱スイッチ１００の導体被覆配列１２０は、第１の温度範囲において対象領域１１２に熱流の増幅器をもたらし（すなわち、熱流を対象領域１１２に向ける）、第２の温度範囲において、対象領域１１２に熱流の遮蔽器をもたらす（すなわち、熱流を対象領域１１２から離す）。第１の温度範囲の平均温度は、第２の温度範囲の平均温度よりも高くても低くてもよく、下記のように、これは導体被覆配列１２０の材料の配列に依存する。さらに、閾値温度範囲において、導体被覆配列１２０は、熱流の増幅器をもたらすことから熱流の遮蔽器をもたらすこととの間で切り替わる。この切替わりは急速に、例えば摂氏１又は２度内で起こることができ、又は段階的に、例えば摂氏１０度から２０度にわたって起こることができる。閾値温度範囲は、いかなる範囲であってもよい。閾値温度範囲の平均温度はいかなる温度であってよく、例えば室温であってよい。
【００２４】
さらに、閾値温度範囲の平均温度は、第１の温度範囲の平均温度及び第２の温度範囲の平均温度の間に位置する温度を有していてよい。閾値温度範囲未満の温度において、この熱スイッチ１００は、低温度及び高温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料の配列に依存して、熱流の増幅器又は熱流の遮蔽器をもたらす。閾値温度範囲超過の温度において、この熱スイッチ１００は、低温度及び高温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料の配列に依存して、熱流の増幅器又は熱流の遮蔽器をもたらす。
【００２５】
図１において示すように、対象領域１１２は第１の測定部１６０及び第２の測定部１６２を有するように説明されている。熱スイッチ１００のいくつかの動作において、第１の測定部１６０と第２の測定部１６２は同じ温度又は異なる温度であり、すなわち、対象領域内の熱流は均一又は不均一である。対象領域の熱流の均一性は、熱スイッチ１００への熱の適用、導体被覆配列１２０の動作、及びこれらの組み合わせによって影響されうる。例えば、図３Ａ及び３Ｂに関して下記に記載したとおり、基材１１０の一方から熱を適用したとき、熱流の遮蔽動作中において第１の測定部１６０と第２の測定部１６２はほぼ等しい温度であり、かつ熱流の増幅動作中において第１の測定部１６０と第２の測定部１６２は異なる温度を有していてよい。
【００２６】
限定されない一例において、複数の同心円１４２が低い温度で動作する温度依存性の熱伝導性材料を含んでおり、かつ複数のスポーク１４４が高い温度で動作する温度依存性の熱伝導性材料を含んでいるとき、この導体被覆配列１２０は、閾値又は閾値範囲超過の温度において対象領域１１２に関して熱流の増幅器をもたらし、かつ閾値又は閾値範囲未満の温度において対象領域１１２に関して熱流の遮蔽器をもたらす。限定されないもう一つの例において、複数の同心円１４２が高い温度で動作する温度依存性の熱伝導性材料を含んでおり、かつ複数のスポーク１４４が低い温度で動作する温度依存性の熱伝導性材料を含んでいるとき、この導体被覆配列１２０は、閾値又は閾値範囲未満の温度において対象領域１１２に関して熱流の増幅器をもたらし、かつ閾値又は閾値範囲超過の温度において対象領域１１２に関して熱流の遮蔽器をもたらす。
【００２７】
ここで図３を参照すると、例示的な装置２００（例えば、電子機器）が示されている。この電子機器２００は、図１の熱スイッチ１００、ヒートシンク２１０、及び熱源２２０を有する。この電子機器２００において、熱源２２０は半導体装置であってよい。いくつかの実施形態において、この装置２００は複数のヒートシン２１０及び／又は熱源２２０を有していてよい。図３において示すように、このヒートシンク２１０及び熱源２２０は、互いに基材１１０の反対側に、基材１１０の周辺領域に熱的に接合されている。ヒートシンク２１０及び熱源２２０は、基材１１０のいずれの場所に熱的に接合されていてもよく、かついかなる態様によっても熱的に接合されていてよいことを理解されたい。動作において、この導体被覆配列１２０は、対象領域１１２に関して熱流の遮蔽器及び熱流の増幅器として動作することができる。例えば、熱源２２０が第１の温度範囲内の熱をもたらすとき、導体被覆配列１２０は、対象等域１１２に関して熱流の遮蔽器をもたらすことができ、かつ熱源２２０が第２の温度範囲内の熱をもたらすとき、導体被覆配列１２０は対象等域１１２に関して熱流の増幅器をもたらすことができる。
【００２８】
ここで図４を参照すると、図１の熱スイッチ１００の対象領域１１２内に配置されている半導体装置２４０を含んでいる、電子機器のもう一つの実施形態が示されている。動作において、下記のとおり、この実施形態においては、半導体装置２４０の温度に依存して、導体被覆配列１２０は、対象領域１１２に関して熱流の遮蔽器及び熱流の増幅器として動作する。さらに、基材１１０は、プリント基板２３０を有していてよく、かつこの半導体装置２４０は、プリント基板２３０の他の部品（例えば、プリント基板２３０の周辺領域１１４内に配置されている部品）と電気通信されていてよい。図３の電子機器２００は、さらにヒートシンク２１０を有していてよい。
【００２９】
ここで図５Ａ及び５Ｂを参照すると、電子機器２００で示した例示的な熱スイッチ１００の熱流の測定が示されている。動作において、熱は熱スイッチ１００の一方側に適用される（例えば、図３に示した熱源２２０によって）。図５Ａにおいて、熱は、熱スイッチ１００に、第１の、より低い温度、例えば３６３Ｋで適用される。この温度において、熱スイッチ１００は、対象領域１１２に関して熱流の遮蔽器として働き、これにより、第２の測定部１６２が第１の測定部１６０よりも熱源に近いにもかかわらず、対象領域１１２内の第１の測定部１６０及び第２の測定部１６２の温度を共に３３０Ｋ付近に維持する。
【００３０】
図５Ｂにおいて、熱は、第２の、より高い温度、例えば５４３Ｋで、熱スイッチ１００に適用される。この温度において、熱スイッチ１００は、対象領域１１２に関して熱流の増幅器として働き、対象領域１１２内の第１の測定部１６０の温度を約３５０Ｋに、かつ対象領域１１２の第２の測定部１６２の温度を約４５０Ｋに維持する。熱スイッチ１００が動作を切り替える閾値温度範囲は、３６３Ｋから５４３Ｋの間に位置する範囲であることを理解されたい。図５Ａ及び図５Ｂの実施形態において、同心円１４２は、低温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料を有し、かつスポーク１４４は高温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料を有する。
【００３１】
ここで図６Ａを参照すると、もう一つの熱スイッチ１００の動作が示されている。この動作において、熱は基材１１０の対象領域１１２（例えば、図３の電子機器２００）に適用される。図６Ａにおいて、約３４３Ｋの熱が対象領域１１２に適用され、かつ図６Ｂにおいて、約４１３Ｋの熱が対象領域に適用されている。図６Ａにおいて、熱スイッチ１００は対象領域１１２に関して熱流の遮蔽器として働き、対象領域１１２内の熱流を維持する。図６Ｂにおいて、熱スイッチ１００は対象領域１１２に関して熱流の増幅器として働き、これにより周囲の周辺領域１１４に熱流を放出する。図５Ａ、５Ｂ、６Ａ、及び６Ｂに示される実施形態において、熱流線の形状は、導体被覆配列１２０の形状、対象領域１１２の形状、基材１１０の接合条件、又はこれらの組み合わせに依存していてよいことを理解されたい。
【００３２】
ここで図７を参照すると、熱スイッチ３００のもう一つの実施形態が示されている。この実施形態において、導体被覆配列３２０は基材３１０に接合され、かつ基材３１０を等分する線形帯を構成し、これにより、基材３１０の対象領域３１２は導体被覆配列３２０の第１端３２６に隣接して配置され、かつ周辺領域３１４は導体被覆配列３２０の第２の、反対端３２８に隣接して配置される。いくつかの実施形態において、この導体被覆配列３２０は基材３１０の長さ又は幅を横断していてよい。他の実施形態において、導体被覆配列３２０は基材３１０にわたって延在し、かつ基材３１０の端でない部分で終了していてよい。
【００３３】
例示的な導体被覆配列３２０は、図７に示すように配列されている、複数の第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分３４２及び複数の第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分を有している。例えば、第１及び第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分３４２、３４４は、重畳しているハッチパターン、重畳していないハッチパターン、バスケットパターン、又は非平行パターン等に配置されていてよい。ある実施形態において、第１及び第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分３４２、３４４は、それぞれ低い温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料及び高い温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料のうち一つを含んでおり、これにより、図１に関する上述のとおり、材料の配列に依存して、導体被覆配列１２０は基材１１０の対象領域１１２の熱流の遮蔽器又は熱流の増幅器をもたらすことができる。
【００３４】
ここで図８を参照すると、図７の熱スイッチを含む電子機器４００の一つの実施形態が示されている。この実施形態において、電子機器４００は、周辺領域３１４に熱的に接合されているヒートシンク４１０、及び対象領域３１２に熱的に接合されている熱源４２０を有している。この実施形態において、導体被覆配列３２０は、第１の温度範囲において熱流を対象領域３１２に集中させることができ、第２の温度範囲において対象領域３１２からの熱流を遮蔽することができる。いくつかの例において、ヒートシンク４１０は、対象領域３１２に熱的に接合されていてよく、かつ熱源４２０は、周辺領域３１４に熱的に接合されていてよいことを理解されたい。さらに、図１に関する上述のとおり、材料の配列に応じて、導体被覆配列３２０は、基材３１０の対象領域３１２について熱流遮蔽器又は熱流増幅器をもたらすことができることを理解されたい。
【００３５】
本願明細書において記載した熱スイッチの実施形態は、大きさが変更可能であり、様々なサイズであってよく、かつ様々な装置に導入することができる。いくつかの実施形態において、この熱スイッチ１００はプリント基板２３０に接合されて、対象領域１１２に熱的に接合されている電熱装置又は熱ガルバニ装置の熱流を管理する。動作において、熱スイッチ１００が閾値温度範囲未満であるときに、この導体被覆配列１２０は熱流増幅器をもたらし、対象領域１１２内の熱流を集中させて電熱装置に熱エネルギーを捕えさせる。閾値温度範囲超過において、この熱スイッチ１００は熱流遮蔽器として働き、これにより熱流を放出し、これは電熱装置が過熱することを防止する。このような実施形態において、導体被覆配列１２０の材料は、閾値温度範囲が電熱装置の過熱温度未満となるように選択することができる。熱スイッチ１００に電熱装置を熱的に接合することにより、この電熱装置は、電熱装置に適用される熱エネルギーを最大化することができ、その一方、電熱装置が過熱することを防止することができる。
【００３６】
もう一つの実施形態において、熱スイッチ１００は、理論ゲート装置の部品であってよく、これにより、この熱スイッチ１００が対象領域１１２内に熱流の増幅をもたらすときに、この理論ゲート装置はこの入力を理論１として読み込み、かつこの熱スイッチ１００が対象領域１１２内に熱流の遮蔽をもたらすときに、この理論ゲート装置はこの入力を理論０又は逆として読み込む。
【００３７】
もう一つの実施形態において、図７及び８に関して上述した導体被覆配列１２０の線形帯配列は、電池に組み込むことができる。例えば、線形帯１３０に配列された導体被覆配列１２０を電池の仕切りに配置して、電池の高い温度変動を防止することができる。低い温度において、導体被覆配列１２０は熱流の遮蔽器として動作し、電池内の熱を維持することができる。高い温度において、導体被覆配列１２０は熱流の増幅器として動作し、電池内の熱を放出することができる。さらに他の実施形態において、導体被覆配列１２０は基材１１０内に延在していることができる。例えば、基材１１０は非温度依存性の熱伝導性材料のブロックであってよく、低温度で動作する温度依存性の熱伝導性材料１４２、及び高温度で動作する温度依存性の熱伝導性部分１４４は、基材１１０内に延在していてよい。この配列は、本願明細書に記載したいかなる実施形態にも組み込むことができる。上述の熱スイッチ１００の適用は、単なる説明的な例に過ぎず、適用について全てを網羅しているわけではないことを理解されたい。
【００３８】
導体被覆配列を有する熱スイッチは、基材の対象領域に能動的な熱流の変化をもたらすように構成することができることを理解されたい。導体被覆配列は、基材上に接合されている温度依存性の熱伝導性導体被覆部分、例えば低い温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料、及び高い温度で作動する温度依存性の熱伝導性材料の配列であってよい。単一の導体被覆配列は、第１の温度範囲において熱流の遮蔽器をもたらすことができ、第２の温度範囲において熱流の増幅器をもたらすことができる。この導体被覆配列は、第１及び第２の温度範囲の間に位置する閾値温度範囲内において、熱流の遮蔽器と熱流の増幅器との間で切り替えることができる。さらに、導体被覆配列の材料の配列に依存して、導体被覆配列は、高い温度又は低い温度において熱流の遮蔽器をもたらすことができ、かつ高い温度又は低い温度において熱流の増幅器をもたらすことができる。
【００３９】
ここで、本願明細書において、用語「実質的に」は、任意の定量比較、数値、測定値、又はその他の代表値固有の不確実さの本来の程度を表すために用いられてきたことに留意されたい。この用語は、発明の主題の基本的な動作に変化を生じさせることなく、記載された参照から定量的表現が変化しうる程度を表すために、さらに使用することができる。
【００４０】
本明細書において特定の実施形態が示されかつ説明されているが、請求された本発明の主題の範囲及び精神を逸脱することなく、様々な他の変形及び変更を行うことができると理解されたい。さらに、本願明細書において請求された本発明の主題の様々な態様が示されているが、これらの態様は組み合わせて使用されることを要しない。それゆえ、添付の特許請求の範囲は、本発明の主題の範囲内にあるこのような変形及び変更を全て含んでいる。
【００４１】
本発明は、さらに下記の実施形態を含んでいる。
１．対象領域及び周辺領域を有する基材、及び
前記基材に接合されており、かつ前記対象領域に隣接して配置されている導体被覆配列、
を有し、
前記導体被覆配列は、
複数の第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分、及び
複数の第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分、
を有し、
前記導体被覆配列は、第１の温度範囲において熱流を前記対象領域に向け、かつ第２の温度範囲において熱流を前記対象領域から離す、
熱スイッチ。
２．複数の前記第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分のうちの各個別の前記第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分が、複数の前記第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分のうちの少なくとも一つの前記第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分に隣接するようにして、前記導体被覆配列が、線形帯状に配置されており、かつ
前記対象領域が前記導体被覆配列の第１端に隣接し、かつ前記周辺領域が前記導体被覆配列の第２反対側端に隣接するようにして、前記導体被覆配列が、前記基材を二分している、
前記１に記載の熱スイッチ。
３．複数の前記第１の温度依存性熱伝導性導体部分が、Ａｌ２Ｏ３、サファイア、及びＢｅＯのうち少なくとも１つを含んでいる、前記２に記載の熱スイッチ。
４．複数の前記第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分が、ＶＯ２、ＳｍＮｉＯ３、ＴｉＯ３、遷移金属ペロブスカイト、ＺｎＢｉＴｅＳｅ、及びＦｅＳｂ２のうち少なくとも一つを含んでいる、前記２に記載の熱スイッチ。
５．複数の前記第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分のうちの各個別の前記第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分が、複数の前記第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分のうちの少なくとも一つの前記第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分に隣接するようにして、前記導体被覆配列が円形帯状に配置されており、かつ
前記対象領域が前記導体被覆配列の第１端に隣接し、かつ前記周辺領域が前記導体被覆配列の第２反対側端に隣接するようにして、前記導体被覆配列が、前記対象領域を取り囲んでいる、
前記１に記載の熱スイッチ。
６．複数の前記第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分が、前記対象領域を取り囲んでいる複数の同心円を構成しており、かつ前記第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分が、複数のスポークを構成しており、
各個別の前記スポークは、複数の前記第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分のうちの少なくとも２つの同心円の間に延在している、
請求項５に記載の熱スイッチ。
７．複数の前記第１の温度依存性熱伝導性導体部分が、Ａｌ２Ｏ３、サファイア、及びＢｅＯのうち少なくとも１つを含んでいる、前記６に記載の熱スイッチ。
８．複数の前記第２の温度依存性熱伝導性導体部分が、Ａｌ２Ｏ３、サファイア、及びＢｅＯのうち少なくとも１つを含んでいる、前記６に記載の熱スイッチ。
９．複数の前記第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分が、ＶＯ２、ＳｍＮｉＯ３、ＴｉＯ３、遷移金属ペロブスカイト、狭帯域半導体材料、相変化材料、ＺｎＢｉＴｅＳｅ、及びＦｅＳｂ２のうち少なくとも一つを含んでいる、前記６に記載の熱スイッチ。
１０．複数の前記第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分が、ＶＯ２、ＳｍＮｉＯ３、ＴｉＯ３、遷移金属ペロブスカイト、狭帯域半導体材料、相変化材料、ＺｎＢｉＴｅＳｅ、及びＦｅＳｂ２のうち少なくとも一つを含んでいる、前記６に記載の熱スイッチ。
１１．前記基材が、ＦＲ−４、銅、又はこれらの組み合わせを含んでいる、前記１に記載の熱スイッチ。
１２．前記対象領域の材料が、前記周辺領域の材料と異なっている、前記１に記載の熱スイッチ。
１３．対象領域及び周辺領域を有する基材、及び
前記基材に接合されており、かつ前記対象領域に隣接して配置されている導体被覆配列、
を有し、
ここで、前記導体被覆配列は、
複数の第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分、及び
複数の第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分、
を有し、
前記導体被覆配列は、第１の温度範囲において熱流を前記対象領域に向け、かつ第２の温度範囲において熱流を前記対象領域から離す、
熱スイッチ；
前記基材の前記対象領域及び／又は前記基材の前記周辺領域に熱的に接合されているヒートシンク；並びに
前記基材の前記対象領域及び／又は前記基材の前記周辺領域に熱的に接合されている熱源；
を有する装置。
１４．複数の前記第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分のうちの各個別の前記第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分が、複数の前記第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分のうちの少なくとも一つの前記第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分に隣接するようにして、前記導体被覆配列が線形帯状に配置されており、かつ
前記対象領域が前記導体被覆配列の第１端に隣接し、かつ前記周辺領域が前記導体被覆配列の第２反対側端に隣接するようにして、前記導体被覆配列が、前記基材を二分している、
前記１３に記載の装置。
１５．複数の前記第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分のうちの各個別の前記第１の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分が、複数の前記第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分のうちの少なくとも一つの前記第２の温度依存性の熱伝導性導体被覆部分に隣接するようにして、前記導体被覆配列が、円形帯状に配置されており、かつ
前記対象領域が前記導体被覆配列の第１端に隣接し、かつ前記周辺領域が前記導体被覆配列の第２反対側端に隣接するようにして、前記導体被覆配列が、前記対象領域を取り囲んでいる、
前記１３に記載の装置。
１６．基材がプリント基板であり、かつ熱源が半導体装置を含んでいる、前記１３に記載の装置。
１７．熱スイッチであって、
前記熱スイッチが、
対象領域及び周辺領域を有する基材、
前記基材に接合されており、かつ円形帯状に配置されている導体被覆配列、
を有し、
前記導体被覆配列が、
対象領域を取り囲んでいる複数の同心円を構成している複数の低温度で作動する温度依存性の熱伝導性導体被覆部分、
複数のスポークを構成している複数の高温度で作動する温度依存性の熱伝導性導体被覆部分、
を有しており、
各個別の前記スポークは、複数の低温度で作動する温度依存性の熱伝導性導体被覆部分同心円のうちの少なくとも２つの間に延在しており、
前記導体被覆配列は、第１の温度範囲において熱流を前記対象領域に向け、かつ第２の温度範囲において熱流を前記対象領域から離し、かつ
第１の温度範囲は、第２の温度範囲の第２の平均温度未満である、第１の平均温度を有する、
熱スイッチ。
１８．複数の低温度で作動する温度依存性の熱伝導性導体被覆部分が、Ａｌ２Ｏ３、サファイア、及びＢｅＯの少なくとも一つを含んでいる、前記１７に記載の熱スイッチ。
１９．複数の高温度で作動する温度依存性の熱伝導性導体被覆部分が、ＶＯ２、ＳｍＮｉＯ３、ＴｉＯ３、遷移金属ペロブスカイト、狭帯域半導体材料、相変化材料、ＺｎＢｉＴｅＳｅ、及びＦｅＳｂ２のうち少なくとも一つを含んでいる、前記１７に記載の熱スイッチ。
２０．基材がＦＲ−４、銅、又はこれらの組み合わせのうち一つを含んでいる、前記１７に記載の熱スイッチ。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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