(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱せられた部品を冷却するとともに電力を生成する冷却／発電装置において、
第１の形状及び第２の形状を有する少なくとも１つの形状記憶合金部材と、
上記形状記憶合金部材に熱伝導可能な位置に設けられ、該形状記憶合金部材を冷却する熱交換器と、
上記形状記憶合金部材に伸縮自在に連結され、該形状記憶合金部材が冷却された後、該形状記憶合金部材を上記第１の形状に戻すバイアス部材と、
上記形状記憶合金部材に作用的に連結され、該形状記憶合金部材に電流を生じさせるエネルギ変換器とを備え、
上記エネルギ変換器は、上記形状記憶合金部材に磁界を印加する磁石を備えることを特徴とする冷却／発電装置。
【請求項２】
上記形状記憶合金部材は、所定の温度以上に加熱されると、ヒステリシス的に相を変化させることを特徴とする請求項１記載の冷却／発電装置。
【請求項３】
上記形状記憶合金部材は、熱により第２の形状に収縮し、熱を伝導することを特徴とする請求項１記載の冷却／発電装置。
【請求項４】
上記形状記憶合金部材は、上記熱せられた部品に隣接して配置された第１の端部と、上記熱交換器に熱伝導可能に連結された第２の端部とを有する長尺状の形状を有し、長手方向に収縮して上記第２の形状になることにより、該熱せられた部品から離れることを特徴とする請求項１記載の冷却／発電装置。
【請求項５】
上記バイアス部材は、上記第１の端部近傍に伸縮自在に連結され、上記形状記憶合金部材を第１の形状に引き戻し、該形状記憶合金部材を上記熱せられた部品に接触させる方向の力を加えるスプリングであることを特徴とする請求項４記載の冷却／発電装置。
【請求項６】
上記形状記憶合金部材は、長手方向に収縮して上記第２の形状となることにより、上記熱交換器から離れることを特徴とする請求項４記載の冷却／発電装置。
【請求項７】
上記形状記憶合金部材は、上記熱せられた部品に隣接して配置された第１の端部と、上記熱交換器に熱伝導可能に連結された第２の端部とを有する長尺状の形状を有し、長手方向に収縮して上記第２の形状になることにより、該熱交換器から離れることを特徴とする請求項１記載の冷却／発電装置。
【請求項８】
上記バイアス部材は、上記第２の端部近傍に伸縮自在に連結され、上記形状記憶合金部材を第１の形状に引き戻し、該形状記憶合金部材を上記熱交換器に接触させる方向の力を加えるスプリングであることを特徴とする請求項７記載の冷却／発電装置。
【請求項９】
上記形状記憶合金部材上には、上記エネルギ変換器を挟んで、上記熱せられた部品側に設けられた第１の電極と、上記熱交換器側に設けられた第２の電極とを有する蓄電器を備えることを特徴とする請求項１記載の冷却／発電装置。
【請求項１０】
上記形状記憶合金部材は、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔｉのうちのいずれか１つを含む合金又はこれらのうちのいくつかを組合わせた合金を材料とすることを特徴とする請求項１記載の冷却／発電装置。
【請求項１１】
上記形状記憶合金部材は、Ｎｉ−Ｔｉ、Ａｕ−Ｃｄ、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｓｉ、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ、Ｎｉ−Ａｌ、Ｍｎ−Ｃｕ、Ｆｉ−Ｍｎ−Ｓｉのうちの少なくとも１つを含む合金を材料とすることを特徴とする請求項１記載の冷却／発電装置。
【請求項１２】
上記形状記憶合金部材は、ニチノールを材料とすることを特徴とする請求項１記載の冷却／発電装置。
【請求項１３】
上記形状記憶合金部材は、銅合金を材料とすることを特徴とする請求項１記載の冷却／発電装置。
【請求項１４】
上記形状記憶合金部材は、ニッケル合金を材料とすることを特徴とする請求項１記載の冷却／発電装置。
【請求項１５】
上記形状記憶合金部材は、亜鉛合金を材料とすることを特徴とする請求項１記載の冷却／発電装置。
【請求項１６】
上記形状記憶合金部材は、Ｃｕ−Ｚｎ合金を材料とすることを特徴とする請求項１記載の冷却／発電装置。
【請求項１７】
上記少なくとも１つの形状記憶合金部材には、熱伝導可能に連結されたプレート部材を備えることを特徴とする請求項１記載の冷却／発電装置。
【請求項１８】
熱せられた部品を冷却するとともに電力を生成する冷却／発電装置において、
第１及び第２の側面を有する湾曲した形状である第１の形状を有し、所定温度以上に加熱されると、ヒステリシス的に相を変化させることにより、該第１の形状から長尺状の形状である第２の形状に変化して熱を伝導する少なくとも１つの形状記憶合金部材と、
上記形状記憶合金部材に熱伝導可能な位置に設けられ、該形状記憶合金部材を冷却する熱交換器と、
上記少なくとも１つの形状記憶合金部材に連結され、該形状記憶合金部材が冷却されると、該形状記憶合金部材を上記第１の形状に戻す力を加える少なくとも１つのバイアス部材と、
上記形状記憶合金部材に作用的に連結され、該形状記憶合金部材に電流を生じさせるエネルギ変換器とを備え、
上記エネルギ変換器は、上記形状記憶合金部材に磁界を印加する磁石を備えることを特徴とする冷却／発電装置。
【請求項１９】
上記第１の側面は、上記熱せられた部品に隣接して配設され、上記第２の側面は上記熱交換器に熱伝導可能に連結され、上記少なくとも１つの形状記憶合金部材は、上記第２の形状である長尺状の形状に収縮して、上記熱せられた部品から離れることを特徴とする請求項１８記載の冷却／発電装置。
【請求項２０】
上記バイアス部材は、上記少なくとも１つの形状記憶合金部材を湾曲した形状から長尺状の形状に引き戻すことにより、該形状記憶合金部材を上記熱せられた部品から引き離す力を該形状記憶合金部材に加える少なくとも１つのスプリングを備えることを特徴とする請求項１８記載の冷却／発電装置。
【請求項２１】
上記バイアス部材は、上記少なくとも１つの形状記憶合金部材を湾曲した形状から長尺状の形状に引き戻すことにより、該形状記憶合金部材を上記熱せられた部品から引き離す力を該形状記憶合金部材に加える少なくとも１つの圧縮部材を備えることを特徴とする請求項１８記載の冷却／発電装置。
【請求項２２】
上記形状記憶合金部材は、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔｉのうちのいずれか１つを含む合金又はこれらのうちのいくつかを組合わせた合金を材料とすることを特徴とする請求項１８記載の冷却／発電装置。
【請求項２３】
上記形状記憶合金部材は、Ｎｉ−Ｔｉ、Ａｕ−Ｃｄ、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｓｉ、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ、Ｎｉ−Ａｌ、Ｍｎ−Ｃｕ、Ｆｉ−Ｍｎ−Ｓｉのうちの少なくとも１つを含む合金を材料とすることを特徴とする請求項１８記載の冷却／発電装置。
【請求項２４】
上記形状記憶合金部材は、ニチノールを材料とすることを特徴とする請求項１８記載の冷却／発電装置。
【請求項２５】
上記形状記憶合金部材は、銅合金を材料とすることを特徴とする請求項１８記載の冷却／発電装置。
【請求項２６】
上記形状記憶合金部材は、ニッケル合金を材料とすることを特徴とする請求項１８記載の冷却／発電装置。
【請求項２７】
上記形状記憶合金部材は、Ｃｕ−Ｚｎ合金を材料とすることを特徴とする請求項１８記載の冷却／発電装置。
【請求項２８】
筐体内に設けられた電子部品の廃熱を冷却し、電力を生成する冷却／発電方法において、
第１の形状及び第２の形状を有する少なくとも１つの形状記憶合金部材を上記筐体内に配設するステップと、
上記少なくとも１つの形状記憶合金部材を所定の温度以上に加熱するステップと、
上記少なくとも１つの形状記憶合金部材を相変態させて第２の形状に変形し、該少なくとも１つの形状記憶合金部材に熱伝導可能な位置に設けられ、該形状記憶合金部材を冷却する熱交換器により熱を放出するステップと、
バイアス部材により上記少なくとも１つの形状記憶合金部材を上記第１の形状に戻す力を加えるステップと、
上記少なくとも１つ形状記憶合金部材に、該形状記憶合金部材に磁界を印加する磁石を備えるエネルギ変換器を連結し、該形状記憶合金部材に電流を生じさせるステップとを有する冷却／発電方法。
【請求項２９】
上記少なくとも１つの形状記憶合金部材をプレート部材に熱伝導可能に連結するステップを有する請求項２８記載の冷却／発電方法。
【請求項３０】
上記少なくとも１つの形状記憶合金部材は、上記電子部品に隣接して配設された第１の端部と、上記熱交換器に熱伝導可能に連結された第２の端部とを備え、収縮して第２の形状になることを特徴とする請求項２８記載の冷却／発電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱を他の形式のエネルギに変換する形状記憶合金を用いた冷却／発電装置及び冷却／発電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体又は流体の熱力学的「利用可能性」又はエネルギコンテンツは、絶対温度の上昇とともに著しく高まるため、熱源からの電力は、通常、６００℃〜８００℃の範囲に高められた温度において生成される。高温変換の分野では、システムは、通常、巨大であり、各発電ユニットは、メガワット（ＭＷ）単位の電力を生成し、１０ｍ３〜１００ｍ３の容積を占有する。また、太陽光集光により加熱された液体、地熱及び高温変換システムから排出される廃熱を利用する、１００℃〜２００℃の範囲の、より低い温度で動作する設備も開発されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
米国エネルギ研究開発庁に対して発効された米国特許第３８７８４１０号には、二相液体金属電磁流体発電機（two-phase liquid metal magnetohydrodynamicgenerator）が開示されている。米国特許第３８７８４１０号では、液体金属にガスを注入し、液体金属の密度を低減し、導管（channel）内の液体金属の変換流量を増加させている。液体金属は、熱源を通過し、これにより熱が液体金属に伝達される。しかしながら、この手法は、非効率的である。例えば、米国特許第３８７８４１０号に開示されているように、この手法は、液体金属を導管内に循環させるためにポンプを必要とする。このポンプは、装置に新たな部品を追加し、メンテナンスが必要であり、更に、電力を消費する。すなわち、米国特許第３８７８４１０号に開示された手法は、ポンピングに必要な電力を消費する。更に、ポンプは、装置に対して振動及び音響的影響を与える。
【０００４】
市場では、多くの製品が１５０℃以下の範囲の熱を発生している。例えば、コンピュータ用の中央演算処理装置（central processor unit：以下、ＣＰＵという。）を含む集積回路等、電子機器内の閉じられた空間内で密集して動作する電子部品は、熱を発生する。閉じた電子機器内で電子部品が熱により動作不良を引き起こすことを防止するために、この熱を放出する必要がある。このような閉じた電子機器としては、例えば、パーソナルコンピュータ、ラップトップコンピュータ、ディスプレイモニタ、コンピュータ周辺機器、テレビジョンセット、プロジェクタ、映写モニタ、携帯型個人情報端末（handheld personal digital assistant：ＰＤＡ）、携帯電話機、ファクシミリ、ビデオテープレコーダ、デジタルバーサタイルディスク（digital versatile disc：ＤＶＤ）プレイヤ、オーディオシステム及びこれらに類似する機器等がある。
【０００５】
これら閉じた電子機器は、この電子機器を正常に動作させ、また電子機器の寿命を長くするために、内部にある電子部品の熱管理が必要となる。例えば、パーソナルコンピュータにおいて動作する一般的なＣＰＵは、最大７０℃までは、熱による動作不良を生じないが、この一般的なＣＰＵが発生する熱は、通常、１００℃に達し、この熱のために、動作不良が生じることがある。
【０００６】
そこで、本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、他のエネルギを用いることなく、熱を発生する電子部品等の熱源を効率的に冷却するとともに発電をする冷却／発電装置、及び冷却／発電方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、低い温度範囲及び小さい温度差で熱エネルギを仕事エネルギに変換する形状記憶合金を用いた冷却／発電装置、並びに冷却／発電方法を提供する。
【０００８】
一具体例において、本発明に基づく形状記憶合金を用いた冷却／発電装置、並びに冷却／発電方法は、更なる入力エネルギを用いることなく、電子部品から発生した熱を冷却するとともに、この熱を仕事エネルギに変換する。
【０００９】
一具体例において、本発明に係る冷却／発電装置は、マルテンサイト状態に対応する第１の形状を有する形状記憶合金部材を備える。形状記憶合金部材は、所定の温度以上に加熱されると、ヒステリシス的に相を変化させ、収縮し、冷却により、オーステナイト状態に対応する第２の形状に変化する。これにより、形状記憶合金部材は、周期的に変形する。
【００１０】
一具体例においては、本発明に係る冷却／発電装置は、形状記憶合金部材に熱伝導可能に接触し、形状記憶合金部材を冷却する熱交換器を備える。更に、冷却／発電装置は、形状記憶合金部材に伸縮自在に連結され、形状記憶合金部材が冷却された後、該状記憶合金部材を第１の形状に戻すバイアス部材を備える。
【００１１】
一具体例においては、本発明に係る冷却／発電装置は、形状記憶合金部材内にエネルギを生じさせ、このエネルギを取り出して蓄電装置に供給するエネルギ変換器を備える。更に、一具体例においては、バイアス部材は、形状記憶合金部材の第１の端部近傍に伸縮自在に連結され、この形状記憶合金部材を第１の形状に引き戻し、形状記憶合金部材を電子部品に接触させる方向の力を加えるスプリングであり、熱交換器は、形状記憶合金部材の第２の端部に熱伝導可能に連結されている。
【００１２】
一具体例においては、本発明に係る冷却／発電装置は、複数の形状記憶合金部材に熱伝導可能に連結されたプレート部材を備える。この具体例では、バイアス部材は、プレート部材に連結され、プレート部材に力を加えることにより、複数の形状記憶合金部材を伸張させて第１の形状に引き戻す。
【００１３】
更に、本発明は、電子部品の廃熱を冷却するとともに、この熱から電力を生成する冷却／発電方法を提供する。
【００１４】
一具体例においては、少なくとも１つの形状記憶合金部材は、筐体内に収納され、この形状記憶合金部材の第１の端部は、電子部品に隣接して配設され、第２の端部は、熱交換器に熱伝導可能に連結される。筐体内において、形状記憶合金部材は、マルテンサイト状態に対応する第１の形状を有する。この第１の形状においては、形状記憶合金部材は、電子部品に接触している。
【００１５】
形状記憶合金部材が電子部品に接触した状態では、電子部品の熱が形状記憶合金部材に伝導される。形状記憶合金部材では、電子部品からの熱により相変態が生じる。この相変態により、形状記憶合金部材は、オーステナイト状態に対応する第２の形状となり、電子部品から受け取った熱を熱交換器に伝導する。形状記憶合金部材が熱交換器に熱を伝導すると、形状記憶合金部材は、バイアス部材により第１の形状に引き戻され、このようにして変形が周期的に繰り返される。
【００１６】
更に、少なくとも１つ形状記憶合金部材に、該形状記憶合金部材に磁界を印加する磁石を備えるエネルギ変換器を連結し、該形状記憶合金部材に電流を生じさせる。この電流は、少なくとも１つの形状記憶合金部材から取り出され、蓄電装置に供給される。
【００１７】
更に、複数の形状記憶合金部材をプレート部材に熱伝導可能に連結する。この具体例では、プレート部材は、電子部品と熱交換器との間に配設され、バイアス部材はプレート部材に連結されている。形状記憶合金部材がオーステナイト状態の第２の形状に収縮すると、プレート部材は、電子部品の方向に移動する。バイアス部材は、このプレート部材を熱交換器側に戻す力を加え、このプレート部材の移動により、複数の形状記憶合金部材は、第１の形状に引き戻される。
【００１８】
本発明は、多くの利点を有する。これらの利点は、電子部品を冷却し、電子部品から発せられた熱からエネルギを生成することに関する以下のような利点である。
【００１９】
すなわち、本発明により、更なるエネルギを必要とすることなく、電子部品から発せられた熱を、形状記憶合金部材を介して放熱器に放熱することができる。
【００２０】
更に、本発明により、更なるエネルギを必要とすることなく、電子部品から発せられた熱から発電を行うことができる。
【００２１】
更に、本発明により、更なるエネルギを必要とすることなく、電子部品から発せられた熱からエネルギを生成する方法を提供することができる。
【００２２】
更に、本発明により、更なるエネルギを必要とすることなく、電子部品から発せられた熱を、形状記憶合金部材を介して放熱器に放熱する方法を提供することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る形状記憶合金を用いた冷却／発電装置、並びに冷却／発電方法について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
上述のように、本発明は、電子部品等の熱源から、変換されていない又は残りの廃熱を効率的に伝導し、また、熱源からの廃熱を例えば仕事エネルギ等の他の形式のエネルギに変換する装置及び方法を提供する。
【００２５】
本発明では、７５℃〜１５０℃の温度範囲の廃熱を他の有用なエネルギに変換する。上述し、また、後に詳細に説明するように、本発明の原理に基づくエネルギ変換器は、例えば、体積が数ｃｍ３程度の小型な装置であり、廃熱から約１Ｗ〜１０Ｗの電力を生成する。本発明に基づいて廃熱から生成された電力は、ファンや小型冷却器（miniature refrigerator）等の冷却を目的とする他の装置の動作電力、バッテリ寿命の延長、消耗したバッテリの充電、家庭用又は業務用の配電網における消費電力の低減等のために利用される。
【００２６】
ここで、本明細書で使用する形状記憶合金という用語は、適切な温度変化によって、所定の形状又は寸法に戻る性質を有する金属合金の総称として用いる。これらの材料は、通常、比較的低い温度で塑性変形され、より高い温度に晒されることにより、塑性変形される以前の形状に戻る。加熱のみに対して形状記憶性を示す合金は、一方向性形状記憶合金と呼ばれる。一方、再冷却に対しても形状記憶性を示す合金は、二方向性形状記憶（two way shape memory）合金と呼ばれる。相当な変形から形状を復帰し、又は形状の変更に対する強い抗力を生成する比較的多くの合金が知られている。
【００２７】
低い温度におけるマルテンサイトとして知られる金属の結晶形態は、非常に強力な分子間結合を示す。高い温度におけるオーステナイトとして知られる金属の結晶形態では、分子間結合の強度が比較的弱くなる。変形の期間においては、通常、ヒステリシスが存在する。低い温度におけるマルテンサイト状態では、合金は、例えば熱導電性等の物理的特性を失うことなく、容易に変形することができる。したがって、マルテンサイト状態において、スプリング等のバイアスにより、合金を異なる形状に変形することができ、この形状は、他の力が作用するまで保持される。
【００２８】
一方、形状記憶合金の温度を転移点まで高めると、温度上昇による強力な方向性電子結合により、変位した原子が元の位置に引き戻されるため、マルテンサイト状態において変形により変位した原子は、オーステナイト状態において変形以前の位置に戻る。このように、合金のオーステナイト温度を超える十分な熱を加えると、結晶形態が直ちにオーステナイト状態に変化し、形状記憶合金は、元の形状に復帰する。このように、変形されたマルテンサイト合金は、適切な形状記憶合金及び適切な熱量により、オーステナイト相に戻り、加熱の後に自らの「記憶」に基づく形状に復帰する。
【００２９】
この相変態は、全ての形状記憶合金について同じ温度で生じるわけではなく、各形状記憶合金によって遷移温度は異なる。形状記憶合金は、遷移温度以下のマルテンサイト状態において変形し、加熱により形状記憶合金をオーステナイト状態に戻すことを交互に繰り返すことにより、繰返し変形及び形状復帰することができる。
【００３０】
図１は、本発明の原理に基づき、熱エネルギ又は廃熱を仕事エネルギに変換する形状記憶合金を用いた発電機（以下、形状記憶合金発電機という。）１０の斜視図である。図１に示すように、冷却装置としても機能する形状記憶合金発電機１０は、電子機器１２の電子部品１６に熱伝導可能に接触している。
【００３１】
電子部品１６は、電子機器１２の一部を形成する複数の電子部品１６のうちの１つであってもよい。電子部品１６は、動作時又は電力供給時に発熱するいかなる部品であってもよい。電子部品１６は、熱による動作不良を生じるまでに最大１５０℃の熱を発生する熱源であってもよい。図１に示すように、電子機器１２は、回路基板１４に取付けられていてもよく、回路基板１４は、電子部品１６に電気的に接続され、この電子部品１６を機械的に支持している。電子部品１６から発生する熱は、適切で信頼できる動作を保証するために、電子部品１６から取り除く必要がある。電子部品１６から発生した熱は、本発明に基づき、電子機器１２から取り除かれる。
【００３２】
図１は、本発明を適用した形状記憶合金発電機１０の具体例の斜視図である。形状記憶合金発電機１０は、基本的に、電子部品１６等の電子部品から発生した熱を熱交換器２８を介して外部の空気１１に放熱することによる温度差によって、形状記憶合金部材１８の相を変化させることにより動作する。電子部品１６は、図１に示すように、通常、回路基板１４に装着されている。更に、形状記憶合金部材１８の相変態により、エネルギ変換器３４を介して、形状記憶合金部材１８内部に電位差が生じる。この電位差は、更に、他の仕事のためのエネルギとして利用することができる。
【００３３】
形状記憶合金部材１８は、形状記憶合金を材料として形成されている。良好な結果が得られる形状記憶合金としては、一般的にニチノール（Nitinol）として知られるＮｉ−Ｔｉ合金等の形状記憶特性を有する合金がある。また、Ａｕ−Ｃｄ、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｓｉ、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ、Ｎｉ−Ａｌ、Ｍｎ−Ｃｕ、Ｆｉ−Ｍｎ−Ｓｉ等の合金からも良好な結果が得られる。また、形状記憶合金部材１８は、少なくともＡｌ、Ａｕ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｔｉのうちのいずれか１つを含む合金、又はこれらのうちのいずれかを組合わせた合金により形成してもよい。更に、銅合金、ニッケル合金、亜鉛合金、Ｃｕ−Ｚｎ合金を含む合金を用いても、良好な結果が得られる。
【００３４】
冷却装置としても機能する形状記憶合金発電機１０は、図２に示すように、電子部品１６から熱を受け取り、電子部品１６を冷却する少なくとも１つの形状記憶合金部材１８を備える。各形状記憶合金部材１８は、独立した１つの電子部品１６に熱伝導可能に接触していてもよい。形状記憶合金部材１８は、電子部品１６と熱交換器２８との間に配設され、この具体例では、実質的に長尺状の形状を有している。なお、形状記憶合金部材１８は、長尺状の形状以外の他のいかなる形状を有していてもよい。
【００３５】
形状記憶合金部材１８は、マルテンサイト状態において、第１の形状２０を有し、第１の形状２０では、図２に示すように、形状記憶合金部材１８は、電子部品１６に接触している。この形状記憶合金部材１８は、例えばスプリング等のバイアス部材３２によって、第１の形状に変形されている。なお、バイアス部材３２は、以下に限定されるものではないが、圧縮部材、ロッド、ギア、電磁部材等、いかなる部材であってもよい。
【００３６】
図３に示すように、形状記憶合金部材１８は、電子部品１６側の第１の端部２４と、この第１の端部２４の反対側に位置する第２の端部２６とを備える。形状記憶合金部材１８は、電子部品１６により、形状記憶合金部材１８の材料に応じて決定される所定の温度以上に温度が高められると、ヒステリシス的に相変態が生じる。この相変態により、形状記憶合金部材１８は、図３に示すように、長手方向に収縮し、オーステナイト状態に対応する第２の形状２２になる。第２の形状２２では、形状記憶合金部材１８は、電子部品１６から離れる。
【００３７】
形状記憶合金部材１８が第２の形状２２に収縮することにより、電子部品１６から形状記憶合金部材１８に伝わった電子部品１６の熱が放出される。図３に示すように、電子部品１６の反対側である形状記憶合金部材１８の第２の端部２６に熱伝導可能に連結された熱交換器２８は、放熱フィン３０を介して、空気１１に熱を放熱する。
【００３８】
形状記憶合金部材１８は、オーステナイト状態に対応する第２の形状２２においては、電子部品１６から離れているので、電子部品１６の熱は、形状記憶合金部材１８に伝導されず、したがって、形状記憶合金部材１８は冷却される。第１の端部２４近傍に伸縮自在に連結されたバイアス部材３２は、形状記憶合金部材１８を第１の形状２０に引き戻し、これにより、形状記憶合金部材１８は、電子部品１６に接触し、電子部品１６から熱を受け取る。このように、形状記憶合金部材１８が電子部品１６から熱を受け取って形状記憶合金部材１８の温度が上昇すると、形状記憶合金部材１８は、長手方向に収縮し、電子部品１６から離れ、一方、バイアス部材３２は、形状記憶合金部材１８を長手方向に伸張し、電子部品１６に接触させる。これにより、図２及び図３に示す状態が交互に繰り返され、すなわち、形状記憶合金部材１８は、往復運動するように変形を周期的に繰り返す。
【００３９】
図４及び図５は、本発明の変型例を示す図である。この変型例では、形状記憶合金部材１８は、図５に示すように、長手方向に収縮し第２の形状２２となることにより、熱交換器２８から離れる。この変型例では、バイアス部材３２は、第２の端部２６の近傍に伸縮自在に連結されており、形状記憶合金部材１８をマルテンサイト状態に対応する図４に示す第１の形状２０に引き戻すことにより形状記憶合金部材１８を熱交換器２８に接触させる。この変型例では、形状記憶合金部材１８は、電子部品１６に熱伝導可能に連結されており、熱交換器２８に隣接して配設されている。形状記憶合金部材１８は、電子部品１６から伝導された熱が放出されることにより、第２の形状２２となって熱交換器２８から離れる。また、形状記憶合金部材１８は、冷却時には、バイアス部材３２によって、第１の形状２０に引き戻されて熱交換器２８に接触される。
【００４０】
図６に示すように、複数の形状記憶合金部材１８により形状記憶合金アレー４８を形成し、この形状記憶合金アレー４８を電子部品１６に熱伝導可能に連結してもよい。
【００４１】
図７及び図８は、複数の形状記憶合金部材１８を用いた本発明の更なる具体例を示す図である。なお、複数の形状記憶合金部材１８のそれぞれを複数の電子部品１６に連結し、各形状記憶合金部材１８により各電子部品１６を冷却してもよい。これに代えて、複数の形状記憶合金部材１８を１つの電子部品１６に連結してもよい。図７に示すように、バイアス部材３２は、第１の端部２４の近傍に連結され、形状記憶合金部材１８を電子部品１６に接触させる第１の形状２０に引き戻す力を加えている。電子部品１６から形状記憶合金部材１８に熱が伝導されると、形状記憶合金部材１８は第２の形状２２となり、電子部品１６から離れる。形状記憶合金部材１８が電子部品１６から離れている間、形状記憶合金部材１８の熱は熱交換器２８を介して、空気１１に放熱される。
【００４２】
図９は、本発明の更なる具体例を示す図である。この更なる具体例においては、形状記憶合金アレー４８の各形状記憶合金部材１８は、バイアス部材３２に連結されている。この更なる具体例では、バイアス部材３２は、形状記憶合金部材１８の第１の端部２４又は第２の端部２６に伸縮自在に連結され、形状記憶合金部材１８を電子部品１６又は熱交換器２８の方向に引っ張り、第１の形状２０に引き戻す。
【００４３】
図１０及び図１１は、複数の形状記憶合金部材１８を設けた本発明の更なる具体例を示す図である。この具体例では、電子部品１６と熱交換器２８との間にプレート部材５０が配設され、プレート部材５０は、各形状記憶合金部材１８に熱伝導可能に連結されている。各形状記憶合金部材１８は、第２の端部２６において、プレート部材５０に熱伝導可能に連結されているとともに、第１の端部２４において、電子部品１６に熱伝導可能に連結されている。
【００４４】
電子部品１６から伝導された熱が放出されることにより、複数の形状記憶合金部材１８は、オーステナイト状態に相変態し、図１１に示すように、電子部品１６の方向に収縮した第２の形状２２となる。このとき、プレート部材５０は、図１１に示すように、熱交換器２８の方向に引っ張られる。冷却時において、形状記憶合金部材１８は、プレート部材５０及び熱交換器２８に伸縮自在に連結されたバイアス部材３２がプレート部材５０を熱交換器２８側に引き戻し、これにより、複数の形状記憶合金部材１８が伸長されて、図１０に示す第１の形状２０に戻る。
【００４５】
本発明の更なる具体例を図１２及び図１３に示す。この具体例においては、形状記憶合金部材１８は、図１２に示すように、第１の側面５２と第２の側面５４とを有する湾曲した形状である第１の形状２０を有する。この具体例では、第１の側面５２は、湾曲して電子部品１６に接触している。形状記憶合金部材１８が電子部品１６から熱を受け取り、所定の温度以上になると、形状記憶合金部材１８は、ヒステリシス的に相変態を起こす。これにより、形状記憶合金部材１８は、図１３に示すように収縮し、オーステナイト状態に対応する第２の形状２２となる。この第２の形状２２では、形状記憶合金部材１８は、電子部品１６から離れ、図１３に示すような長尺状の形状となる。
【００４６】
形状記憶合金部材１８が第２の形状２２となると、電子部品１６から形状記憶合金部材１８を介して伝導した熱が放出される。電子部品１６の反対側で形状記憶合金部材１８に熱伝導可能に連結された熱交換器２８は、熱を空気１１に放出する。
【００４７】
図１３に示すように、形状記憶合金部材１８は、オーステナイト状態に対応する第２の形状２２において、電子部品１６から離れるため、形状記憶合金部材１８は電子部品１６から熱を受け取らず、したがって、形状記憶合金部材１８が冷却される。形状記憶合金部材１８の第２の側面５４に伸縮自在に連結されているバイアス部材３２は、図１２に示すように、形状記憶合金部材１８をマルテンサイト状態に対応する第１の形状２０に押し戻し、これにより形状記憶合金部材１８は、再び電子部品１６に接触し、電子部品１６から熱を奪う動作を繰り返す。
【００４８】
形状記憶合金部材１８が電子部品１６から熱を受け取ると、形状記憶合金部材１８は、曲がった形状である第１の形状２０から長尺状の形状である第２の形状２２に収縮して、電子部品１６から離れる。続いて、バイアス部材３２は、形状記憶合金部材１８を曲がった形状である第１の形状２０に押し戻す。このように、図１２及び図１３に示す状態が交互に繰り返され、すなわち、形状記憶合金部材１８は、往復運動するように変形を周期的に繰り返す。
【００４９】
本発明の更なる具体例を図１４に示す。この具体例では、バイアス部材３２は、形状記憶合金部材１８を電子部品１６及び熱交換器２８の間で往復させる圧縮部材である。
【００５０】
ここで、図２に示すように、形状記憶合金発電機１０は、電子部品１６から発生した熱を電気エネルギ等のエネルギに変換する少なくとも１つのエネルギ変換器３４を備える。この具体例では、エネルギ変換器３４は、少なくとも１つの形状記憶合金部材１８の周囲に作用的に配設され、形状記憶合金部材１８に電流を発生させる。更に、形状記憶合金部材１８には、エネルギ変換器３４を挟んだ相対する側に第１の電極３８及び第２の電極４０が設けられており、これらの第１及び第２の電極３８、４０は、蓄電装置４４に電流を供給する。このように、形状記憶合金部材１８の往復運動を利用して、形状記憶合金部材１８に電流を発生させ、この電流を例えばバッテリである蓄電装置４４に供給することができる。
【００５１】
一具体例においては、エネルギ変換器３４は、磁石を備える。なお、エネルギ変換器３４は、以下に限定されるものではないが、圧電素子を含む周知のエネルギ変換素子を備えていてもよい。
【００５２】
蓄電装置４４の内部回路を図１５に示す。蓄電装置４４は、エネルギ変換器３４の正電極（図示せず）に接続される正入力端子５８と、エネルギ変換器３４の負電極（図示せず）に接続される負入力端子６０とを備える。蓄電装置４４は、エネルギ変換器３４から電圧を受け取り、保存する。蓄電装置４４は、負荷装置（図示せず）に接続され、負荷装置に電力を供給する第１及び第２の出力端子７６、７８を備える。
【００５３】
更に、蓄電装置４４は、標準的な全波整流器６６と、全波整流器６６に電気的に接続されたコンデンサ６８とを備えていてもよい。全波整流器６６は、エネルギ変換器３４から供給された非同期電流（asynchronous current）を直流電圧に変換し、この直流電圧はコンデンサ６８に蓄電される。蓄電装置４４は、更に、蓄電装置４４の第１及び第２の出力端子７６、７８間に接続され、負荷装置に供給される電流を制御する抵抗器７０を備えていてもよい。なお、蓄電装置４４は、交流電流を受け取り、交流電流を直流電流に変換し、直流電流から取り出された電圧を保存する周知のいかなる構造を有していてもよい。このように、エネルギ変換器３４は、形状記憶合金部材１８の運動エネルギを、蓄電装置４４に保存できる他のエネルギ、好ましくは電気エネルギに変換する。
【００５４】
図６、図９及び図１０に示すように、エネルギ変換器３４は、複数の形状記憶合金部材１８に連結してもよい。
【００５５】
２以上の形状記憶合金部材１８を用いる具体例では、図１６（ａ）〜（ｃ）に示すように、エネルギ変換器３４からは、時間軸に沿った電力の総和が出力される。あるエネルギ変換器３４は、対応する形状記憶合金部材１８から電流を取り出す一方で他のエネルギ変換器３４は、対応する他の形状記憶合金部材１８から電流を取り出す。これに代えて、１つのエネルギ変換器３４が複数の形状記憶合金部材１８から電流を取り出す構成としてもよい。図１６（ａ）〜（ｃ）に示すように、各形状記憶合金部材１８から取り出された電力を加算して、エネルギ変換器３４により略一定の電力を取り出すこともできる。更に、図１７（ａ）〜（ｄ）に示すように、形状記憶合金部材１８の長さ（Ｌ）の変化は、電子部品１６の温度（Ｔ）に対応するとともに、エネルギ変換器３４により取り出される電圧（Ｖ）及び電流（Ｉ）にも対応する。
【００５６】
図１８は、電子部品１６から熱を奪い、及びこの熱からエネルギを生成する手順を示すフローチャートである。実際には、少なくとも１つの形状記憶合金部材１８がコンピュータ等の閉じた電子機器１２内に設けられ、形状記憶合金部材１８の第１の端部２４が電子部品１６に隣接し、第２の端部が熱交換器２８に隣接するように配設される（ステップ１）。電子機器１２内において、形状記憶合金部材１８は、マルテンサイト状態に対応する第１の形状２０を有する。形状記憶合金部材１８は、例えば回路基板１４に固定された電子部品１６に隣接して配設される。
【００５７】
形状記憶合金部材１８は、電子部品１６に接触し、電子部品１６の熱が形状記憶合金部材１８に伝導される（ステップ２）。この電子部品１６から伝導された熱により、形状記憶合金部材１８に相変態が生じる（ステップ３）。形状記憶合金部材１８は、相変態により、オーステナイト状態に対応する第２の形状２２になり、電子部品１６から奪った熱を熱交換器２８に伝導する。熱交換器２８は、形状記憶合金部材１８より伝導された熱を放熱する（ステップ４）。形状記憶合金部材１８が冷却されると、形状記憶合金部材１８は、バイアス部材３２により、第１の形状２０に戻される（ステップ５）。少なくとも１つの形状記憶合金部材１８にはエネルギ変換器３４が接続されており、エネルギ変換器３４は、形状記憶合金部材１８に電流を発生させる（ステップ６）。少なくとも１つの形状記憶合金部材１８から取り出されたエネルギは、蓄電装置４４に供給される（ステップ７）。
【００５８】
他の具体例においては、複数の形状記憶合金部材１８にプレート部材５０が熱伝導可能に連結される（ステップ８）。この具体例では、プレート部材５０は、電子部品１６と熱交換器２８との間に配設され、バイアス部材３２は、プレート部材５０に連結される。これにより、電子部品１６からの熱伝導の間、少なくとも１つの形状記憶合金部材１８は、オーステナイト状態に相変態し、プレート部材５０を電子部品１６側引っ張りながら収縮する第２の形状２２になる。電子部品１６から伝導された熱を放出する際、バイアス部材３２は、プレート部材５０を複数の形状記憶合金部材１８とともに第１の形状２０に戻す。
【００５９】
以上、本発明の様々な具体例を用いて、本発明を詳細に説明し、本発明を実現する最良の形態を開示したが、当業者は、上述した詳細な具体例の構造及び構成を様々に変形及び変更することが可能であり、このような変形及び変更は、本発明の範囲内にある。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る冷却／発電装置は、第１の形状及び第２の形状を有する少なくとも１つの形状記憶合金部材と、形状記憶合金部材に熱伝導可能な位置に設けられ、形状記憶合金部材を冷却する熱交換器と、形状記憶合金部材に伸縮自在に連結され、形状記憶合金部材が冷却された後、形状記憶合金部材を第１の形状に戻すバイアス部材と、形状記憶合金部材に作用的に連結され、該形状記憶合金部材に電流を生じさせるエネルギ変換器とを備える。これにより、他のエネルギを必要とすることなく、熱を発生する電子部品等の熱源を効率的に冷却することができ、また、この熱を電気エネルギ等に変換することができる。
【００６１】
また、本発明に係る冷却／発電方法は、第１の形状及び第２の形状を有する少なくとも１つの形状記憶合金部材を筐体内に配設するステップと、少なくとも１つの形状記憶合金部材を所定の温度以上に加熱するステップと、少なくとも１つの形状記憶合金部材を相変態させて第２の形状に変形し、少なくとも１つの形状記憶合金部材に熱伝導可能な位置に設けられ、該形状記憶合金部材を冷却する熱交換器により熱を放出するステップと、バイアス部材により少なくとも１つの形状記憶合金部材を第１の形状に戻す力を加えるステップと、少なくとも１つ形状記憶合金部材にエネルギ変換器を連結し、形状記憶合金部材に電流を生じさせるステップとを有する。これにより、他のエネルギを必要とすることなく、熱を発生する電子部品等の熱源を効率的に冷却することができ、また、この熱を電気エネルギ等に変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を適用した冷却／発電装置の斜視図である。
【図２】  本発明を適用した冷却／発電装置の平面図である。
【図３】  図２に示す冷却／発電装置において、形状記憶合金部材の形状が変化した状態を示す平面図である。
【図４】  本発明を適用した冷却／発電装置の他の具体例を示す平面図である。
【図５】  図４に示す冷却／発電装置において、形状記憶合金部材の形状が変化した状態を示す平面図である。
【図６】  本発明を適用した冷却／発電装置の他の具体例を示す斜視図である。
【図７】  本発明を適用した冷却／発電装置の他の具体例を示す平面図である。
【図８】  図７に示す冷却／発電装置において、形状記憶合金部材の形状が変化した状態を示す平面図である。
【図９】  本発明を適用した冷却／発電装置の他の具体例を示す平面図である。
【図１０】  本発明を適用した冷却／発電装置の他の具体例を示す平面図である。
【図１１】  図１０に示す冷却／発電装置において、形状記憶合金部材の形状が変化した状態を示す平面図である。
【図１２】  本発明を適用した冷却／発電装置の他の具体例を示す平面図である。
【図１３】  図１２に示す冷却／発電装置において、形状記憶合金部材の形状が変化した状態を示す平面図である。
【図１４】  本発明を適用した冷却／発電装置の他の具体例を示す平面図である。
【図１５】  本発明を適用した蓄電装置の回路図である。
【図１６】  本発明を適用した冷却／発電装置の各形状記憶合金部材から取り出される電力及びこれらの電力の総和を示すグラフ図である。
【図１７】  本発明を適用した冷却／発電装置の形状記憶合金部材の長さ、温度、形状記憶合金部材から取り出される電圧及び電流を示すグラフ図である。
【図１８】  本発明に基づく冷却／発電方法の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０  形状記憶合金部材発電機、１２  電子機器、１４  回路基板、１６  電子機器、１８  形状記憶合金部材、２８  熱交換器、３０  放熱フィン、３２  バイアス部材
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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