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JP7673438B2 - Heat Flow Switching Device - Google Patents
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JP7673438B2 JP2021040875A JP2021040875A JP7673438B2 JP 7673438 B2 JP7673438 B2 JP 7673438B2 JP 2021040875 A JP2021040875 A JP 2021040875A JP 2021040875 A JP2021040875 A JP 2021040875A JP 7673438 B2 JP7673438 B2 JP 7673438B2
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Description

本発明は、制御対象物の温度変化に応じて、熱流制御素子の熱伝導率を変化させて熱流を能動的に制御可能な熱流スイッチング装置に関する。 The present invention relates to a heat flow switching device that can actively control heat flow by changing the thermal conductivity of a heat flow control element in response to temperature changes in an object to be controlled.

従来、熱伝導率を変化させる熱スイッチとして、例えば特許文献1には、熱膨張率の異なる2つの熱伝導体を軽く接触させて温度勾配の方向によって熱の流れ方が異なるサーマルダイオードが記載されている。また、特許文献2にも、熱膨張による物理的熱接触を使った熱スイッチである放熱装置が記載されている。 As a conventional thermal switch that changes thermal conductivity, for example, Patent Document 1 describes a thermal diode in which two thermal conductors with different thermal expansion coefficients are lightly brought into contact with each other, and the way heat flows varies depending on the direction of the temperature gradient. Patent Document 2 also describes a heat dissipation device that is a thermal switch that uses physical thermal contact due to thermal expansion.

また、特許文献3には、化合物に電圧を印加させることで起こる可逆的な酸化還元反応により熱伝導率が変化する熱伝導可変デバイスが記載されている。
さらに、非特許文献1には、ポリイミドテープを2枚のAg0.6Se0.4で挟み込んで電場を印加することで熱伝導度を変化させる熱流スイッチング装置が提案されている。
Furthermore, Patent Document 3 describes a variable thermal conductivity device in which the thermal conductivity changes due to a reversible oxidation-reduction reaction that occurs when a voltage is applied to a compound.
Furthermore, Non-Patent Document 1 proposes a heat flow switching device in which a polyimide tape is sandwiched between two sheets of Ag 2 S 0.6 Se 0.4 and an electric field is applied to change the thermal conductivity.

特許第2781892号公報Patent No. 2781892 特許第5402346号公報Patent No. 5402346 特開2016-216688号公報JP 2016-216688 A

松永卓也、他4名、「バイアス電圧で動作する熱流スイッチング素子の作製」、第15回日本熱電学会学術講演会、2018年9月13日Takuya Matsunaga and 4 others, "Fabrication of a heat flow switching element operated by bias voltage," 15th Annual Meeting of the Thermoelectric Society of Japan, September 13, 2018

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
上記特許文献及び非特許文献に記載の技術では、熱膨張による物理的熱接触、化学反応である酸化還元反応又は材料界面に熱伝導可能な電荷を生成することで、熱伝導を変化させている。
このように熱伝導率を変化させることができる素子について、制御対象物の温度変化に応じて、熱伝導を制御し、高温側から低温側へ流れる熱輸送を能動的に制御することが求められている。
The above conventional techniques still have the following problems.
In the techniques described in the above patent documents and non-patent documents, thermal conductivity is changed by physical thermal contact due to thermal expansion, by a redox reaction which is a chemical reaction, or by generating a thermally conductive charge at a material interface.
For elements that can change the thermal conductivity in this way, there is a demand for controlling thermal conduction in response to temperature changes in the controlled object, and actively controlling heat transport from the high temperature side to the low temperature side.

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、制御対象物の温度の変化に応じて、熱伝導率を変化させることが可能な熱流スイッチング装置を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned problems, and aims to provide a heat flow switching device that can change the thermal conductivity in response to changes in the temperature of the controlled object.

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第1の発明に係る熱流スイッチング装置は、熱伝導率を変化させて熱流を制御する熱流制御素子部と、制御対象物又は前記熱流制御素子部の温度を検出する感温素子部と、前記感温素子部の出力に応じて前記熱流制御素子部を制御する制御部とを備えていることを特徴とする。 The present invention employs the following configuration to solve the above problems. That is, the heat flow switching device according to the first invention is characterized by comprising a heat flow control element section that controls heat flow by changing thermal conductivity, a temperature sensor section that detects the temperature of a controlled object or the heat flow control element section, and a control section that controls the heat flow control element section in response to the output of the temperature sensor section.

この熱流スイッチング装置では、制御対象物又は熱流制御素子部の温度の変化を検知した感温素子部の出力に応じて熱流制御素子部を制御する制御部を備えているので、感温素子部によって制御対象物又は熱流制御素子部の温度を直接モニタリングしながら制御部により感温素子部で検出した温度に応じて熱流制御素子部の熱伝導率を変化させることで、熱流を能動的に制御し、放熱や断熱等の温度調整を高精度に行うことができる。
なお、熱流制御素子部は、制御対象物に直接又は他の部材を介して接合又は接触させて使用されるため、感温素子部が熱流制御素子部の温度を検出する場合、熱流制御素子部の温度として間接的に制御対象物の温度も検出することになるので、制御対象物と熱流制御素子部との状態が反映された温度を検出することになる。
This heat flow switching device is equipped with a control unit that controls the heat flow control element unit in accordance with the output of a temperature sensor that detects a change in the temperature of the controlled object or the heat flow control element unit. Therefore, the temperature of the controlled object or the heat flow control element unit is directly monitored by the temperature sensor, while the control unit changes the thermal conductivity of the heat flow control element unit in accordance with the temperature detected by the temperature sensor, thereby actively controlling the heat flow and enabling temperature adjustments such as heat dissipation and insulation to be performed with high precision.
In addition, since the heat flow control element unit is used by being joined or contacted to the controlled object directly or via other members, when the temperature sensor unit detects the temperature of the heat flow control element unit, it also indirectly detects the temperature of the controlled object as the temperature of the heat flow control element unit, and therefore detects a temperature that reflects the state of the controlled object and the heat flow control element unit.

第2の発明に係る熱流スイッチング装置は、第1の発明において、前記熱流制御素子部が、N型半導体層と、前記N型半導体層上に積層された絶縁体層と、前記絶縁体層上に積層されたP型半導体層とを備えていることを特徴とする。
すなわち、この熱流スイッチング装置では、熱流制御素子部が、N型半導体層と、N型半導体層上に積層された絶縁体層と、絶縁体層上に積層されたP型半導体層とを備えているので、P型半導体層とN型半導体層とに電圧を印加すると、P型半導体層及びN型半導体層と絶縁体層との主に界面に電荷が誘起され、この電荷が熱を運ぶことで熱伝導率が変化するので、電気的に熱流制御素子部の熱伝導率を変化させることが可能になる。特に、N型半導体層と絶縁体層との界面及びその近傍と、P型半導体層と絶縁体層との界面及びその近傍との両方で、外部電圧(熱流制御素子部への入力電圧)により誘起された電荷が生成されるため、生成される電荷量が多く、熱伝導率の大きな変化と高い熱応答性とを得ることができる。また、化学反応機構を用いない、電気的・物理的に熱伝導率を変化させる機構であるので、熱伝導が変化した状態に直ちに移行でき、良好な熱応答性を得ることができる。
また、外部電圧(熱流制御素子部への入力電圧)の大きさに乗じて、界面に誘起される電荷量が変化するので、外部電圧(熱流制御素子部への入力電圧)を調整することで、熱伝導率を調整することが可能となるので、熱流制御素子部を介して、熱流を能動的に制御可能となる。
なお、絶縁体層が絶縁体であり、電圧印加に伴う電流が発生しないため、ジュール熱は生じない。そのため、自己発熱することなく、熱流を能動的に制御可能となる。
The heat flow switching device according to the second invention is characterized in that, in the first invention, the heat flow control element portion comprises an N-type semiconductor layer, an insulator layer stacked on the N-type semiconductor layer, and a P-type semiconductor layer stacked on the insulator layer.
That is, in this heat flow switching device, the heat flow control element part includes an N-type semiconductor layer, an insulator layer laminated on the N-type semiconductor layer, and a P-type semiconductor layer laminated on the insulator layer, so that when a voltage is applied to the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer, charges are induced mainly at the interface between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer and the insulator layer, and the thermal conductivity changes as the charges carry heat, so that it is possible to electrically change the thermal conductivity of the heat flow control element part. In particular, charges induced by an external voltage (input voltage to the heat flow control element part) are generated both at the interface between the N-type semiconductor layer and the insulator layer and its vicinity, and at the interface between the P-type semiconductor layer and the insulator layer and its vicinity, so that a large amount of charges is generated, and a large change in thermal conductivity and high thermal responsiveness can be obtained. In addition, since it is a mechanism that changes thermal conductivity electrically and physically without using a chemical reaction mechanism, it is possible to immediately transition to a state where thermal conductivity has changed, and good thermal responsiveness can be obtained.
In addition, since the amount of charge induced at the interface changes depending on the magnitude of the external voltage (input voltage to the heat flow control element unit), it is possible to adjust the thermal conductivity by adjusting the external voltage (input voltage to the heat flow control element unit), making it possible to actively control the heat flow via the heat flow control element unit.
In addition, since the insulator layer is an insulator and no current is generated when a voltage is applied, no Joule heat is generated, making it possible to actively control the heat flow without self-heating.

第3の発明に係る熱流スイッチング装置は、第1又は第2の発明において、前記感温素子部が、NTCサーミスタであることを特徴とする。
すなわち、この熱流スイッチング装置では、感温素子部が、NTCサーミスタであるので、負の温度特性を示し、温度の上昇により電気抵抗値が連続的に減少することで、NTCサーミスタ素子と抵抗分割するための抵抗体素子が組み込まれた電気回路において、NTCサーミスタの特性として温度が上がるほど出力電圧が漸次下がることから、この出力変化に応じて制御部が熱流制御素子部への入力電圧等を調整し、熱伝導率を徐々に加減させることができる。NTCサーミスタから出力される電圧が、温度に対して連続的に変化するので、熱流制御素子部への入力電圧も温度に対して連続的に変化することができ、高精度な熱伝導チューニングが可能になり、制御対象物の温度を高精度に調整することが可能となる。
A heat flow switching device according to a third invention is the heat flow switching device according to the first or second invention, characterized in that the temperature sensing element portion is an NTC thermistor.
That is, in this heat flow switching device, since the temperature sensing element is an NTC thermistor, it exhibits negative temperature characteristics and the electrical resistance value decreases continuously with an increase in temperature, so that in an electric circuit incorporating an NTC thermistor element and a resistor element for resistance division, the output voltage gradually decreases as the temperature increases as a characteristic of the NTC thermistor, so that the control unit can adjust the input voltage to the heat flow control element in response to this output change, gradually increasing or decreasing the thermal conductivity. Since the voltage output from the NTC thermistor changes continuously with temperature, the input voltage to the heat flow control element can also change continuously with temperature, enabling highly accurate thermal conduction tuning and enabling the temperature of the controlled object to be adjusted with high accuracy.

第4の発明に係る熱流スイッチング装置は、第1又は第2の発明において、前記感温素子部が、PTCサーミスタであることを特徴とする。
すなわち、この熱流スイッチング装置では、感温素子部が、PTCサーミスタであるので、正の温度特性を示し、一定の温度未満になると、温度の上昇に伴って電気抵抗値が急激に大きくなることで、PTCサーミスタ素子と抵抗分割するための抵抗体素子が組み込まれた電気回路において、PTCサーミスタの特性として一定の温度未満になると出力電圧が急激に下降することから、この出力の急激な変化に応じて、制御部が熱流制御素子部の熱伝導率を急激に変化させることができる。PTCサーミスタから出力される電圧が、ある温度を境に、温度に対して急激に変化するので、熱流制御素子部への入力電圧も急激に変化させることができ、熱伝導率を急激に変化させることができる。そのため、一定の温度を境に、高温側から低温側へ流れる熱輸送状態を急変させ、熱流スイッチとして機能させることが可能になる。
A fourth aspect of the present invention is the heat flow switching device according to the first or second aspect of the present invention, characterized in that the temperature sensitive element portion is a PTC thermistor.
That is, in this heat flow switching device, the temperature-sensitive element is a PTC thermistor, which exhibits a positive temperature characteristic, and when the temperature falls below a certain temperature, the electrical resistance value increases rapidly as the temperature rises, and in an electric circuit incorporating a PTC thermistor element and a resistor element for resistance division, the output voltage drops rapidly when the temperature falls below a certain temperature as a characteristic of the PTC thermistor, so that the control unit can rapidly change the thermal conductivity of the heat flow control element in response to this rapid change in output. Since the voltage output from the PTC thermistor changes rapidly with respect to temperature at a certain temperature, the input voltage to the heat flow control element can also be rapidly changed, and the thermal conductivity can be rapidly changed. Therefore, the state of heat transport flowing from the high temperature side to the low temperature side is rapidly changed at a certain temperature, making it possible to function as a heat flow switch.

第5の発明に係る熱流スイッチング装置は、第1又は第2の発明において、前記感温素子部が、CTRサーミスタであることを特徴とする。
すなわち、この熱流スイッチング装置では、感温素子部が、CTRサーミスタであるので、一定の温度を超えると、温度の上昇に伴って電気抵抗値が急激に減少するので、CTRサーミスタ素子と抵抗分割するための抵抗体素子が組み込まれた電気回路において、CTRサーミスタの特性として一定の温度以上になると出力電圧が急激に下降することから、この出力の急激な変化に応じて制御部が熱流制御素子部の熱伝導率を急激に増加させることができる。CTRサーミスタから出力される電圧が、ある温度を境に、温度に対して急激に変化するので、熱流制御素子部への入力電圧も急激に変化させることができ、熱伝導率を急激に変化させることができる。そのため、一定の温度を境に、高温側から低温側へ流れる熱輸送状態を急変させ、熱流スイッチとして機能させることが可能になる。
A heat flow switching device according to a fifth aspect of the present invention is the heat flow switching device according to the first or second aspect of the present invention, characterized in that the temperature sensing element portion is a CTR thermistor.
That is, in this heat flow switching device, since the temperature-sensitive element is a CTR thermistor, when a certain temperature is exceeded, the electrical resistance value decreases rapidly as the temperature rises, and therefore, in an electric circuit incorporating a CTR thermistor element and a resistor element for resistance division, the output voltage drops rapidly when the temperature exceeds a certain temperature as a characteristic of the CTR thermistor, and the control unit can rapidly increase the thermal conductivity of the heat flow control element in response to this rapid change in output. Since the voltage output from the CTR thermistor changes rapidly with respect to temperature at a certain temperature, the input voltage to the heat flow control element can also be rapidly changed, and the thermal conductivity can be rapidly changed. Therefore, the state of heat transport flowing from the high temperature side to the low temperature side is rapidly changed at a certain temperature, making it possible to function as a heat flow switch.

第6の発明に係る熱流スイッチング装置は、第1から第5の発明のいずれかにおいて、前記感温素子部が、サーミスタ材料で形成された薄膜サーミスタ部と、前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に対向して形成された一対の対向電極とを備え、前記薄膜サーミスタ部が、前記熱流制御素子部に積層されていることを特徴とする。
すなわち、この熱流スイッチング装置では、薄膜サーミスタ部が、熱流制御素子部に積層されているので、薄膜サーミスタ部が熱流制御素子部に面接触することで、熱抵抗が下がり、高精度に温度検出が可能になると共に薄型化を図ることができる。
The heat flow switching device of the sixth invention is characterized in that, in any of the first to fifth inventions, the temperature sensing element portion comprises a thin film thermistor portion formed of a thermistor material and a pair of opposing electrodes formed opposite at least one of the top and bottom of the thin film thermistor portion, and the thin film thermistor portion is laminated on the heat flow control element portion.
That is, in this heat flow switching device, the thin-film thermistor portion is laminated on the heat flow control element portion, and as the thin-film thermistor portion comes into surface contact with the heat flow control element portion, the thermal resistance is reduced, making it possible to detect temperature with high accuracy while also achieving a thin device.

第7の発明に係る熱流スイッチング装置は、第1から第6の発明のいずれかにおいて、前記熱流制御素子部に接合され熱流の方向及び熱流束の少なくとも一方を検出可能な熱流センサ部を備え、前記制御部が、前記熱流センサ部で検出した熱流の方向及び熱流束の少なくとも一方に応じて前記熱流制御素子部を制御することを特徴とする。
すなわち、この熱流スイッチング装置では、熱流制御素子部に接合され熱流の方向、熱流束(熱流密度)を出力電圧として検出可能な熱流センサ部を備え、制御部が、熱流センサ部で検出した熱流の方向、熱流束に応じて熱流制御素子部を制御するので、熱流センサ部により熱流の方向、熱流束を確認しながら熱伝導率を制御することができる。熱流センサは、出力電圧の符号により、熱流の方向を検知することができる。熱流センサから出力される電圧が、熱流に対して連続的に変化するので、熱流制御素子部への入力電圧も熱流に対して連続的に変化することができ、連続的に熱流制御が可能となる。したがって、熱流スイッチング装置と熱接触している物体から入出力される熱流束及び熱流の方向が時間変化しても、その時々の熱伝導の状態に応じて、非常に高い熱応答性をもった熱流スイッチングが可能となり、制御対象物の熱輸送状態を高精度に調整することが可能となる。
The heat flow switching device of the seventh invention, in any of the first to sixth inventions, is characterized in that it is provided with a heat flow sensor unit joined to the heat flow control element unit and capable of detecting at least one of the direction of heat flow and heat flux, and the control unit controls the heat flow control element unit in accordance with at least one of the direction of heat flow and heat flux detected by the heat flow sensor unit.
That is, in this heat flow switching device, a heat flow sensor unit is attached to the heat flow control element unit and capable of detecting the direction of heat flow and heat flux (heat flow density) as an output voltage, and the control unit controls the heat flow control element unit according to the direction of heat flow and heat flux detected by the heat flow sensor unit, so that the thermal conductivity can be controlled while checking the direction of heat flow and heat flux by the heat flow sensor unit. The heat flow sensor can detect the direction of heat flow based on the sign of the output voltage. Since the voltage output from the heat flow sensor changes continuously with respect to the heat flow, the input voltage to the heat flow control element unit can also change continuously with respect to the heat flow, making it possible to continuously control the heat flow. Therefore, even if the direction of the heat flux and heat flow input/output from an object in thermal contact with the heat flow switching device changes over time, heat flow switching with extremely high thermal responsiveness is possible according to the state of heat conduction at each time, and it becomes possible to adjust the heat transport state of the controlled object with high precision.

第8の発明に係る熱流スイッチング装置は、第1から第7の発明のいずれかにおいて、前記感温素子部と前記熱流制御素子部とが互いに接合されて一体化していることを特徴とする。
すなわち、この熱流スイッチング装置では、感温素子部と熱流制御素子部とが互いに接合されて一体化しているので、感温素子部が熱流制御素子部の温度を検出する時間応答性が速くなるとともに、全体として小型化することが可能になると共に制御対象物への取り付け作業等が容易となる。
The heat flow switching device according to an eighth invention is any of the first to seventh inventions, characterized in that the temperature sensing element portion and the heat flow control element portion are joined to each other and integrated.
In other words, in this heat flow switching device, the temperature sensing element section and the heat flow control element section are joined together and integrated, thereby increasing the time response of the temperature sensing element section to detect the temperature of the heat flow control element section, making it possible to reduce the overall size and facilitating installation work on the object to be controlled.

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る熱流スイッチング装置によれば、制御対象物又は熱流制御素子部の温度変化を検知した感温素子部の出力に応じて熱流制御素子部を制御する制御部を備えているので、感温素子部によって制御対象物又は熱流制御素子部の温度を直接モニタリングしながら制御部により感温素子部で検出した温度に応じて熱流制御素子部の熱伝導率を変化させることで、放熱や断熱等の温度調整を高精度に行うことができる。
したがって、本発明の熱流スイッチング装置では、周辺の熱環境制御により、よりシビアな温度調整を行ったり、熱がこもって排出できない環境等が時々刻々と変化する環境において、断熱と放熱とを適宜切り換えたりすることが可能になる。
According to the present invention, the following effects are obtained.
In other words, the heat flow switching device of the present invention is equipped with a control unit that controls the heat flow control element unit in accordance with the output of the temperature sensing element unit that detects a temperature change in the controlled object or the heat flow control element unit, and therefore, by directly monitoring the temperature of the controlled object or the heat flow control element unit using the temperature sensing element unit while changing the thermal conductivity of the heat flow control element unit in accordance with the temperature detected by the temperature sensing element unit using the control unit, it is possible to perform temperature adjustments such as heat dissipation and insulation with high precision.
Therefore, the heat flow switching device of the present invention makes it possible to perform more precise temperature adjustment by controlling the surrounding thermal environment, and to appropriately switch between insulation and heat dissipation in an environment that changes from moment to moment, such as an environment where heat builds up and cannot be discharged.

本発明に係る熱流スイッチング装置の第1実施形態を示す概略的な斜視図である。1 is a schematic perspective view showing a first embodiment of a thermal flow switching device according to the present invention; 第1実施形態において、熱流スイッチング装置を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a heat flow switching device in a first embodiment. 第1実施形態において、感温素子部を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing a temperature sensing element unit in the first embodiment. 第1実施形態において、熱流制御素子部の原理を説明するための概念図である。4 is a conceptual diagram for explaining the principle of a heat flow control element portion in the first embodiment. FIG. 第1実施形態において、熱流スイッチング装置の電気回路及び熱回路を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing an electric circuit and a thermal circuit of the heat flow switching device in the first embodiment. 第1実施形態において、NTCサーミスタを採用した感温素子部の温度-出力電圧の関係を示すグラフ(a)と、この場合の一例として、熱流制御素子部への入力電圧-熱流制御素子部の熱伝導率の関係を示すグラフ(b)である。Graph (a) shows the relationship between temperature and output voltage of a temperature-sensing element unit that employs an NTC thermistor in the first embodiment, and graph (b) shows the relationship between the input voltage to the heat flow control element unit and the thermal conductivity of the heat flow control element unit, as an example of this case. 第1実施形態において、CTRサーミスタを採用した感温素子部の温度-出力電圧の関係を示すグラフ(a)と、PTCサーミスタを採用した感温素子部の温度-出力電圧の関係を示すグラフ(b)と、これらの場合の一例として、熱流制御素子部への入力電圧-熱流制御素子部の熱伝導率の関係を示すグラフ(c)である。In the first embodiment, graph (a) shows the relationship between temperature and output voltage of a temperature-sensing element unit that uses a CTR thermistor, graph (b) shows the relationship between temperature and output voltage of a temperature-sensing element unit that uses a PTC thermistor, and, as an example of these cases, graph (c) shows the relationship between the input voltage to the heat flow control element unit and the thermal conductivity of the heat flow control element unit. 本発明に係る熱流スイッチング装置の第2実施形態を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a second embodiment of a thermal flow switching device according to the present invention. 第2実施形態において、上面の保護膜を除いた状態の熱流センサ部を示す平面図である。FIG. 11 is a plan view showing a heat flow sensor unit with a protective film on the upper surface removed in the second embodiment. 第2実施形態において、熱流センサ部の熱流束に応じた出力電圧を示すグラフである。10 is a graph showing an output voltage according to a heat flux of a heat flow sensor unit in the second embodiment.

以下、本発明に係る熱流スイッチング装置における第1実施形態を、図1から図7を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している。 The first embodiment of the heat flow switching device according to the present invention will be described below with reference to Figures 1 to 7. Note that in the drawings used in the following description, the scale has been appropriately changed as necessary to make each part recognizable or easily recognizable.

本実施形態の熱流スイッチング装置1は、図1及び図2に示すように、熱伝導率を変化させて熱流を制御する熱流制御素子部10と、制御対象物又は熱流制御素子部10の温度を検出する感温素子部11Aと、感温素子部11Aの出力に応じて熱流制御素子部10を制御する制御部Cとを備えている。
上記熱流制御素子部10は、N型半導体層3と、N型半導体層3上に積層された絶縁体層4と、絶縁体層4上に積層されたP型半導体層5とを備えている。
上記感温素子部11Aと熱流制御素子部10とは互いに接合されて一体化されている。
As shown in Figures 1 and 2, the heat flow switching device 1 of this embodiment comprises a heat flow control element unit 10 that controls heat flow by changing thermal conductivity, a temperature sensing element unit 11A that detects the temperature of the controlled object or the heat flow control element unit 10, and a control unit C that controls the heat flow control element unit 10 in accordance with the output of the temperature sensing element unit 11A.
The heat flow control element section 10 includes an N-type semiconductor layer 3 , an insulator layer 4 laminated on the N-type semiconductor layer 3 , and a P-type semiconductor layer 5 laminated on the insulator layer 4 .
The temperature sensitive element section 11A and the heat flow control element section 10 are joined together and integrated.

上記感温素子部11Aは、NTCサーミスタ,PTCサーミスタ又はCTRサーミスタである。
上記感温素子部11Aは、図2及び図3に示すように、サーミスタ材料で形成された薄膜サーミスタ部11aと、薄膜サーミスタ部11aの上及び下の少なくとも一方に対向して形成された一対の対向電極11bとを備えている。なお、薄膜サーミスタ部11a及び対向電極11bの上には、絶縁性の保護膜11cが積層されている。
なお、本実施形態では、図3に示すように、一対の対向電極11bが、薄膜サーミスタ部11aの上に対向配置されている。なお、一対の対向電極11bには、一対のリード線8aが接続されている。
The temperature sensitive element 11A is an NTC thermistor, a PTC thermistor or a CTR thermistor.
2 and 3, the temperature sensing element 11A includes a thin film thermistor portion 11a made of a thermistor material, and a pair of counter electrodes 11b formed opposite at least one of the upper and lower portions of the thin film thermistor portion 11a. An insulating protective film 11c is laminated on the thin film thermistor portion 11a and the counter electrodes 11b.
In this embodiment, a pair of counter electrodes 11b are disposed on the thin film thermistor portion 11a so as to face each other, as shown in Fig. 3. A pair of lead wires 8a are connected to the pair of counter electrodes 11b.

上記薄膜サーミスタ部11aは、熱流制御素子部10の下部に積層されている。
本実施形態では、感温素子部11Aが、熱流制御素子部10の低温側に設けられている。
すなわち、本実施形態では、熱流方向が積層方向に設定されており、感温素子部11Aが、熱流制御素子部10の下部に設けられている。
The thin film thermistor section 11 a is laminated on the lower part of the heat flow control element section 10 .
In this embodiment, the temperature sensitive element portion 11A is provided on the low temperature side of the heat flow control element portion 10.
That is, in this embodiment, the heat flow direction is set to the stacking direction, and the temperature sensing element section 11A is provided below the heat flow control element section 10.

本実施形態の熱流スイッチング装置1では、図2に示すように、熱流制御素子部10の最上部に設けられた上部高熱伝導部18と、熱流制御素子部10の最下部に設けられた下部高熱伝導部2(基材)と、N型半導体層3,絶縁体層4及びP型半導体層5の外周縁を覆って設けられた外周断熱部19とを備えている。
上記上部高熱伝導部18及び下部高熱伝導部2は、外周断熱部19よりも熱伝導性の高い材料で形成されている。
感温素子部11Aは、下部高熱伝導部2上に形成されていると共に保護膜11cを挟んで感温素子部11A上に熱流制御素子部10が形成されることで、保護膜11cを介して熱流制御素子部10に接合されている。
As shown in FIG. 2 , the heat flow switching device 1 of this embodiment includes an upper high thermal conductivity section 18 provided at the top of the heat flow control element section 10, a lower high thermal conductivity section 2 (substrate) provided at the bottom of the heat flow control element section 10, and a peripheral insulation section 19 provided to cover the peripheral edges of the N-type semiconductor layer 3, the insulator layer 4, and the P-type semiconductor layer 5.
The upper highly thermally conductive portion 18 and the lower highly thermally conductive portion 2 are formed of a material having a higher thermal conductivity than the peripheral insulation portion 19 .
The temperature-sensing element portion 11A is formed on the lower high thermal conductivity portion 2, and the heat flow control element portion 10 is formed on the temperature-sensing element portion 11A with a protective film 11c in between, so that the temperature-sensing element portion 11A is joined to the heat flow control element portion 10 via the protective film 11c.

さらに、本実施形態の熱流スイッチング装置1は、N型半導体層3に接続されたN側電極6と、P型半導体層5に接続されたP側電極7とを備えている。
これらの成膜方法は、スパッタリング法、分子線エピタキシー法(MBE法)等、各種成膜手法が採用される。
なお、N型半導体層3及びP型半導体層5に直接電圧を印加可能な場合は、N側電極6及びP側電極7が不要である。
Furthermore, the heat flow switching device 1 of this embodiment includes an N-side electrode 6 connected to the N-type semiconductor layer 3 , and a P-side electrode 7 connected to the P-type semiconductor layer 5 .
As the film formation method, various film formation techniques such as a sputtering method, a molecular beam epitaxy method (MBE method) and the like are adopted.
When a voltage can be applied directly to the N-type semiconductor layer 3 and the P-type semiconductor layer 5, the N-side electrode 6 and the P-side electrode 7 are not necessary.

また、N側電極6及びP側電極7には、それぞれリード線6a,7aが接続されている。
上記N側電極6及びP側電極7には、制御部C内の外部電源(図示略)が接続され、熱流制御素子部10に電圧が印加される。
上記下部高熱伝導部2は、絶縁性の基材であって、この基材(下部高熱伝導部2)上に、下部の感温素子部11A及び熱流制御素子部10が、この順で積層されている。
Further, lead wires 6a and 7a are connected to the N-side electrode 6 and the P-side electrode 7, respectively.
An external power source (not shown) in the control unit C is connected to the N-side electrode 6 and the P-side electrode 7 , and a voltage is applied to the heat flow control element unit 10 .
The above-mentioned lower highly thermally conductive portion 2 is an insulating base material, and the lower temperature sensitive element portion 11A and the heat flow control element portion 10 are laminated in this order on this base material (lower highly thermally conductive portion 2).

上部高熱伝導部18は、例えばシリコン系樹脂(シリコーン)等の高熱伝導材料で形成されていると共に、基材である下部高熱伝導部2は、例えばアルミナ等で形成された高熱伝導基板が採用される。
また、上記外周断熱部19は、エポキシ樹脂等の低熱伝導材料で形成されている。
外周断熱部19は、最上部の絶縁体層4の部分を露出させた状態でその周りを覆っており、上部高熱伝導部18は、露出した最上部の絶縁体層4に接触するように上部に形成されている。
なお、外周断熱部19は、各層の外周に配されリード線6a,7aに接続されたN側電極6及びP側電極7も覆って形成されている。
The upper highly thermally conductive portion 18 is formed from a highly thermally conductive material such as silicon-based resin (silicone), and the lower highly thermally conductive portion 2, which is the base material, is a highly thermally conductive substrate formed from, for example, alumina.
The outer peripheral heat insulating portion 19 is made of a low thermal conductive material such as epoxy resin.
The peripheral insulation section 19 covers the periphery of the uppermost insulating layer 4 while leaving the uppermost insulating layer 4 exposed, and the upper high thermal conductivity section 18 is formed on the upper part so as to contact the exposed uppermost insulating layer 4.
The peripheral heat insulating portion 19 is also formed to cover the N-side electrode 6 and the P-side electrode 7 which are disposed on the outer periphery of each layer and connected to the lead wires 6a and 7a.

熱流制御素子部10は、N型半導体層3とP型半導体層5とが絶縁体層4を挟んで交互に複数積層されている。
すなわち、下部の感温素子部11A上に絶縁体層4をまず成膜し、その上にN型半導体層3とP型半導体層5とを、間に絶縁体層4を介在させながらこの順で繰り返し積層し、3層のN型半導体層3と3層のP型半導体層5と7層の絶縁体層4との積層体を構成している。
The heat flow control element section 10 is formed by stacking a plurality of N-type semiconductor layers 3 and P-type semiconductor layers 5 alternately with an insulating layer 4 interposed therebetween.
That is, an insulator layer 4 is first formed on the lower thermosensitive element portion 11A, and then N-type semiconductor layers 3 and P-type semiconductor layers 5 are repeatedly laminated on top of the insulator layer 4 in this order with the insulator layer 4 interposed therebetween to form a laminate of three N-type semiconductor layers 3, three P-type semiconductor layers 5, and seven insulator layers 4.

各N型半導体層3は、それぞれ基端部に設けられたN側連結部3aに接続され、さらにN側連結部3aの一部にN側電極6が形成されている。また、各P型半導体層5は、それぞれ基端部に設けられたP側連結部5aに接続され、さらにP側連結部5aの一部にP側電極7が形成されている。
上記各層は、メタルマスクを用いてパターン形成されている。なお、メタルマスクの位置をずらして成膜することで、N型半導体層3とP型半導体層5と絶縁体層4を複数積層している。
Each N-type semiconductor layer 3 is connected to an N-side connector 3a provided at the base end, and an N-side electrode 6 is formed on a part of the N-side connector 3a. Each P-type semiconductor layer 5 is connected to a P-side connector 5a provided at the base end, and a P-side electrode 7 is formed on a part of the P-side connector 5a.
Each of the above layers is patterned using a metal mask. The N-type semiconductor layer 3, the P-type semiconductor layer 5, and the insulating layer 4 are laminated in multiple layers by forming the layers while shifting the position of the metal mask.

N型半導体層3及びP型半導体層5は、厚さ1μm未満の薄膜で形成されている。特に、絶縁体層4との界面及びその近傍に生成される電荷eは、5~10nmの厚さ範囲で主に溜まるため、N型半導体層3及びP型半導体層5は、100nm以下の膜厚で形成されることがより好ましい。なお、N型半導体層3及びP型半導体層5は、5nm以上の膜厚が好ましい。 The N-type semiconductor layer 3 and the P-type semiconductor layer 5 are formed as thin films with a thickness of less than 1 μm. In particular, the charge e generated at the interface with the insulator layer 4 and in its vicinity mainly accumulates in a thickness range of 5 to 10 nm, so it is more preferable that the N-type semiconductor layer 3 and the P-type semiconductor layer 5 are formed with a film thickness of 100 nm or less. It is preferable that the N-type semiconductor layer 3 and the P-type semiconductor layer 5 have a film thickness of 5 nm or more.

また、絶縁体層4は、40nm以上の膜厚が好ましく、絶縁破壊が生じない厚さに設定される。なお、絶縁体層4は、厚すぎると電荷eを運び難くなるため、1μm未満の膜厚とすることが好ましい。なお、図4中の、N型半導体層3と絶縁体層4との界面及びその近傍に生成される電荷eの種類は、電子であり、白丸で表記されている。また、P型半導体層5と絶縁体層4との界面及びその近傍に生成される電荷eの種類は、正孔であり、黒丸で表記されている(正孔は、半導体の価電子帯の電子の不足によってできた孔であり、相対的に正の電荷を持っているように見える。)。 The insulator layer 4 is preferably 40 nm or more thick, and is set to a thickness that does not cause dielectric breakdown. If the insulator layer 4 is too thick, it becomes difficult to transport the charge e, so it is preferable that the thickness is less than 1 μm. In FIG. 4, the type of charge e generated at the interface between the N-type semiconductor layer 3 and the insulator layer 4 and in the vicinity thereof is an electron, and is represented by a white circle. The type of charge e generated at the interface between the P-type semiconductor layer 5 and the insulator layer 4 and in the vicinity thereof is a hole, and is represented by a black circle (a hole is a hole created by a shortage of electrons in the valence band of a semiconductor, and appears to have a relatively positive charge).

N型半導体層3及びP型半導体層5は、低い格子熱伝導を持つ縮退半導体材料が好ましく、例えばSiGe等の熱電材料、CrN等の窒化物半導体、VO等の酸化物半導体などが採用可能である。なお、N型,P型の導電性は、半導体材料にN型,P型のドーパントを添加すること等で設定している。 The N-type semiconductor layer 3 and the P-type semiconductor layer 5 are preferably made of a degenerate semiconductor material having low lattice thermal conductivity, and examples of the material that can be used include a thermoelectric material such as SiGe, a nitride semiconductor such as CrN, and an oxide semiconductor such as VO2 . The N-type and P-type electrical conductivity are set by adding N-type and P-type dopants to the semiconductor material, for example.

絶縁体層4は、熱伝導率が小さい絶縁性材料であることが好ましく、SiO等の絶縁体、HfO,BiFeO等の誘電体、ポリイミド(PI)等の有機材料などが採用可能である。特に、誘電率の高い誘電体材料が好ましい。
上記N側電極6及び上記P側電極7は、例えばMo,Al等の金属で形成される。
The insulator layer 4 is preferably an insulating material with low thermal conductivity, and may be an insulator such as SiO2 , a dielectric such as HfO2 or BiFeO3 , or an organic material such as polyimide (PI). In particular, a dielectric material with a high dielectric constant is preferable.
The N-side electrode 6 and the P-side electrode 7 are made of a metal such as Mo or Al.

本実施形態の熱流スイッチング装置1は、図4に示すように、熱流制御素子部10への電場(電圧)印加により、N型半導体層3と絶縁体層4との界面及びその近傍に熱伝導可能な電荷eを生成することで、生成した電荷eが熱を運んで熱伝導率が変化する。
なお、熱伝導率は以下の式で得られる。
熱伝導率=格子熱伝導率+電子熱伝導率
As shown in FIG. 4, in the heat flow switching device 1 of this embodiment, by applying an electric field (voltage) to the heat flow control element section 10, thermally conductive charges e are generated at the interface between the N-type semiconductor layer 3 and the insulator layer 4 and in the vicinity thereof, and the generated charges e carry heat and change the thermal conductivity.
The thermal conductivity is calculated using the following formula:
Thermal conductivity = lattice thermal conductivity + electronic thermal conductivity

この2種類の熱伝導率のうち、電場(電圧)印加により生成した電荷量に応じて変化するのは、電子熱伝導率である。したがって、本実施形態において、より大きな熱伝導率変化を得るには、格子熱伝導率が小さい材料が適している。したがって、N型半導体層3,絶縁体層4及びP型半導体層5のいずれにおいても、格子熱伝導率が小さい、すなわち熱伝導率が小さい材料が選択される。 Of these two types of thermal conductivity, it is the electronic thermal conductivity that changes according to the amount of charge generated by the application of an electric field (voltage). Therefore, in this embodiment, a material with a small lattice thermal conductivity is suitable for achieving a larger change in thermal conductivity. Therefore, for all of the N-type semiconductor layer 3, the insulator layer 4, and the P-type semiconductor layer 5, a material with a small lattice thermal conductivity, i.e., a small thermal conductivity, is selected.

本実施形態の各層を構成する材料の熱伝導率は、5W/mK以下、より好ましくは1W/mK以下の低いものであることが良く、上述した材料が採用可能である。
また、上記電子熱伝導率は、印加する外部電場(電圧)に応じて生成される電荷eの量に応じて増大する。
なお、N型半導体層3及びP型半導体層5と絶縁体層4との界面で電荷eが生成されることから、界面の総面積を増やすことで、生成する電荷eの量も増やすことができる。
The thermal conductivity of the material constituting each layer of this embodiment is preferably low, 5 W/mK or less, and more preferably 1 W/mK or less, and the materials described above can be used.
Moreover, the electronic thermal conductivity increases according to the amount of electric charge e generated in response to an applied external electric field (voltage).
In addition, since electric charge e is generated at the interfaces between the N-type semiconductor layer 3 and the P-type semiconductor layer 5 and the insulator layer 4, the amount of electric charge e generated can be increased by increasing the total area of the interfaces.

上記熱伝導率の測定方法は、例えば基板上に形成された薄膜試料をパルスレーザーで瞬間的に加熱し、薄膜内部への熱拡散による表面温度の低下速度あるいは表面温度の上昇速度を測定することにより、薄膜の膜圧方向の熱拡散率又は熱浸透率を求める方法であるパルス光加熱サーモリフレクタンス法により行う。なお、上記パルス光加熱サーモリフレクタンス法のうち、熱拡散を直接測定する方法(裏面加熱/表面測温(RF)方式)では、パルスレーザーが透過可能な透明基板を用いる必要があるため、透明基板でない場合は、熱浸透率を測定し、熱伝導率に換算する方式である表面加熱/測温(FF)方式で熱伝導率を測定する。なお、この測定には、金属膜が必要であり、Mo,Al等が採用される。 The thermal conductivity is measured, for example, by the pulsed light heating thermoreflectance method, which involves instantaneously heating a thin film sample formed on a substrate with a pulsed laser and measuring the rate at which the surface temperature drops or rises due to thermal diffusion into the thin film to determine the thermal diffusivity or thermal effusivity of the thin film in the thickness direction. Among the pulsed light heating thermoreflectance methods, the method of directly measuring thermal diffusivity (rear heating/surface temperature measurement (RF) method) requires the use of a transparent substrate through which the pulsed laser can pass. If the substrate is not transparent, the thermal conductivity is measured by the surface heating/temperature measurement (FF) method, which measures the thermal effusivity and converts it into thermal conductivity. Note that a metal film is required for this measurement, and Mo, Al, etc. are used.

上記感温素子部11Aは、図3に示すように、一対の対向電極11bが、互いに対向方向に突出した複数の櫛部11dを有した櫛形とされ、一方の対向電極11bの櫛部11dと他方の対向電極11bの櫛部11dとが、交互に並んで配されている。
対向電極11bは、例えばCr膜の単層や、Cr膜とAu膜との積層金属膜等の種々の金属膜が採用可能である。
As shown in Figure 3, the temperature sensing element unit 11A has a pair of opposing electrodes 11b each having a comb shape with a plurality of comb portions 11d protruding in opposing directions, and the comb portions 11d of one opposing electrode 11b and the comb portions 11d of the other opposing electrode 11b are arranged alternately.
The counter electrode 11b may be made of various metal films, such as a single layer of Cr film or a laminated metal film of Cr film and Au film.

なお、薄膜サーミスタ部11aとしては、一般的に、NTCサーミスタ(負の温度特性を示し、温度の上昇により電気抵抗値が指数関数的に減少する素子)が採用されるが、異常温度検知を素早く検出するため、PTCサーミスタ(正の温度特性を示し、温度の上昇により電気抵抗値が増加する素子、または正の温度特性を示し、ある温度を超えると、温度の上昇に伴って電気抵抗値が急激に大きくなる素子)、CTRサーミスタ(負の温度係数を持つところはNTCサーミスタと同様だが、ある温度範囲を超えると急激に電気抵抗値が減少する素子)が採用される。 For the thin-film thermistor section 11a, an NTC thermistor (an element that exhibits negative temperature characteristics and whose electrical resistance decreases exponentially with increasing temperature) is generally used, but in order to quickly detect abnormal temperatures, a PTC thermistor (an element that exhibits positive temperature characteristics and whose electrical resistance increases with increasing temperature, or an element that exhibits positive temperature characteristics and whose electrical resistance increases rapidly with increasing temperature above a certain temperature) or a CTR thermistor (similar to an NTC thermistor in that it has a negative temperature coefficient, but whose electrical resistance decreases rapidly above a certain temperature range) is used.

上記NTCサーミスタ材料としては、一般的には酸化物材料が知られ、例えば、スピネル型結晶構造をもつ(Mn,Co,Ni)や、ペロブスカイト型結晶構造をもつ(La,Ca)(Cr,Mn)Oのような酸化物が用いられるが、本実施形態における薄膜サーミスタ部11aとしては、一般式:M(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。0.70≦y/(x+y)≦0.98、0.4≦z≦0.5、x+y+z=1)で示され、六方晶系のウルツ鉱型の単相である金属窒化物からなる材料が好ましい。本実施形態では、薄膜サーミスタ部11aとして、一般式:TiAl(但し、0.70≦y/(x+y)≦0.98、0.4≦z≦0.5、x+y+z=1)で示され、六方晶系のウルツ鉱型の単相である金属窒化物を採用している。
上記薄膜サーミスタ部11aは、例えばTi-Al-Nの場合、Ti-Al合金スパッタリングターゲットを用いて窒素含有雰囲気中で反応性スパッタを行って成膜する。
As the NTC thermistor material, oxide materials are generally known, such as (Mn,Co,Ni )3O4 having a spinel crystal structure and (La,Ca)(Cr,Mn) O3 having a perovskite crystal structure. However, as the thin film thermistor portion 11a in this embodiment, a material made of a metal nitride having a hexagonal wurtzite type single phase and represented by the general formula: MxAyNz (wherein M is at least one of Ti, V, Cr , Mn, Fe, Co, Ni and Cu, and A is Al or (Al and Si), 0.70≦y/(x+y)≦0.98, 0.4≦z≦0.5, x+y+z=1) is preferred. In this embodiment, the thin-film thermistor portion 11a is made of a metal nitride having a hexagonal wurtzite single phase and represented by the general formula Ti x Al y N z (where 0.70≦y/(x+y)≦0.98, 0.4≦z≦0.5, and x+y+z=1).
In the case of Ti--Al--N, the thin film thermistor portion 11a is formed by reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere using a Ti--Al alloy sputtering target.

ウルツ鉱型の結晶構造は、六方晶系の空間群P6mc(No.186)であり、MとAとは同じ原子サイトに属し(MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)、いわゆる固溶状態にある。ウルツ鉱型は、(M,A)N四面体の頂点連結構造をとり、(M,A)サイトの最近接サイトがN(窒素)であり、(M,A)は窒素4配位をとる。 The wurtzite crystal structure is in the hexagonal space group P63mc (No. 186), with M and A belonging to the same atomic site (M represents at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu, and A represents Al or (Al and Si)), and is in a so-called solid solution state. The wurtzite structure has a vertex-connected structure of an (M,A) N4 tetrahedron, with N (nitrogen) being the nearest site to the (M,A) site, and (M,A) having nitrogen 4 coordination.

なお、Ti以外に、V(バナジウム)、Cr(クロム)、Mn(マンガン)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)が同様に上記結晶構造においてTiと同じ原子サイトに存在することができ、Mの元素となり得る。有効イオン半径は、原子間の距離を把握することによく使われる物性値であり、特によく知られているShannonのイオン半径の文献値を用いると、論理的にもウルツ鉱型のM(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)が得られると推測できる。
以下の表1にAl,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Siの各イオン種における有効イオン半径を示す(参照論文 R.D.Shannon, Acta Crystallogr., Sect.A, 32, 751(1976))。
In addition to Ti, V (vanadium), Cr (chromium), Mn (manganese), Fe (iron), Co (cobalt), Ni (nickel), and Cu (copper) can also exist at the same atomic site as Ti in the above crystal structure, and can be the element M. The effective ionic radius is a physical property value that is often used to grasp the distance between atoms, and when using the literature value of the particularly well-known Shannon ionic radius, it can be theoretically inferred that a wurtzite type M x A y N z (wherein M represents at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu, and A represents Al or (Al and Si)) can be obtained.
The effective ionic radii of each ion species of Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and Si are shown in Table 1 below (see RD Shannon, Acta Crystallogr., Sect. A, 32, 751 (1976)).

なお、Ti-Al-Nは、ウルツ鉱型の結晶構造をもつ窒化物絶縁体であるAl-NのAlサイトをTiで部分置換することにより、キャリアドーピングし、電気伝導が増加することで、サーミスタ特性が得られるものであるが、V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuは、Tiと同じ3d遷移金属元素に属することから、ウルツ鉱型のM(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)において、サーミスタ特性が得ることが可能である。 In addition, Ti-Al-N is a nitride insulator having a wurtzite crystal structure, and the Al site of Al-N is partially substituted with Ti to perform carrier doping, thereby increasing electrical conductivity, thereby obtaining thermistor characteristics. However, since V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu belong to the same 3d transition metal element as Ti, it is possible to obtain thermistor characteristics in the wurtzite M x A y N z (wherein M represents at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu, and A represents Al or (Al and Si)).

上記薄膜サーミスタ部11aには、上述したように、NTCサーミスタ,PTCサーミスタ,CTRサーミスタ又は種々のサーミスタ材料が適用され、一般的には、負の温度特性を示し、温度の上昇により電気抵抗値が連続的に減少するNTCサーミスタが採用される。なお、薄膜サーミスタ部11aとして、ある温度を超えると、温度の上昇に伴って電気抵抗値が急激に大きくなるPTCサーミスタ、又はある温度を超えると、温度の上昇に伴って電気抵抗値が急激に小さくなるCTRサーミスタを用いると、制御対象物の異常温度をより素早く検知することが可能となる。
上記PTCサーミスタ材料としては、正の温度特性を示し、ある温度を超えると、温度の上昇に伴って電気抵抗値が急激に大きくなる材料が採用され、例えば、BaTiO、SrTiO、および、それら材料系にPb等の金属元素を微量部分置換した系や、導電性ポリマー(ポリマー中に導電性粒子を分散させたもので、ポリマーが溶融することで導電性粉末の接触が絶たれ電気抵抗が増大する)などが採用される。
上記CTRサーミスタ材料としては、ある温度を超えると、温度の上昇に伴って電気抵抗値が急激に減少する金属絶縁体転移材料が採用され、例えば、VO、および、その材料系に金属元素を微量部分置換した系などが採用される。
上記PTCサーミスタ材料,CTRサーミスタ材料からなる薄膜作製は、スパッタリング法,ゾルゲル法,印刷法など、種々の成膜手法が適用される。
As described above, an NTC thermistor, a PTC thermistor, a CTR thermistor or various thermistor materials are applied to the thin film thermistor portion 11a, and generally, an NTC thermistor that shows a negative temperature characteristic and whose electrical resistance value decreases continuously with an increase in temperature is adopted. Note that, if a PTC thermistor whose electrical resistance value increases rapidly with an increase in temperature when a certain temperature is exceeded or a CTR thermistor whose electrical resistance value decreases rapidly with an increase in temperature when a certain temperature is exceeded is used as the thin film thermistor portion 11a, it becomes possible to more quickly detect an abnormal temperature of the controlled object.
The PTC thermistor material used is one that exhibits positive temperature characteristics and whose electrical resistance increases rapidly as the temperature rises above a certain temperature. Examples of such materials include BaTiO3 , SrTiO3 , and materials in which trace amounts of metallic elements such as Pb are substituted into these materials, as well as conductive polymers (polymers in which conductive particles are dispersed; when the polymer melts, the conductive powder is no longer in contact and the electrical resistance increases).
As the CTR thermistor material, a metal-insulator transition material is used, whose electrical resistance value decreases rapidly as the temperature increases above a certain temperature. For example, VO2 and systems in which this material is partially substituted with trace amounts of metal elements are used.
Thin films made of the above PTC thermistor material and CTR thermistor material can be produced by various film-forming techniques such as sputtering, sol-gel method, and printing method.

Figure 0007673438000001
Figure 0007673438000001

本実施形態では、例えば図5に示すように、熱流制御素子部10が高温物体Hに接触状態で配され、感温素子部11Aが低温物体Lに接触状態で配されている場合、高温物体Hと低温物体Lの間に温度差が生じるので、高温物体Hから低温物体Lに向けて熱流が生じる。このとき、感温素子部11Aで検出した温度に応じて制御部Cが熱流制御素子部10の熱伝導率を変化させる。なお、高温物体Hを冷却することが目的の場合、高温物体Hが制御対象物となり、低温物体Lを加熱することが目的の場合、低温物体Lが制御対象物となる。熱交換を主要目的とする場合等、双方が制御対象物となる場合もある。
上記制御部Cは、感温素子部11Aからの出力電圧Voutに基づいて変換器C1により、熱流制御素子部10を制御するために出力電圧Voutを入力電圧Vinに変換し、これを熱流制御素子部10に印加することで、熱流制御素子部10の熱伝導率を変化させる。すなわち、感温素子部11Aからの出力電圧Voutに応じて、熱流制御素子部10の熱伝導率を変化させることが可能となる。この際の熱回路HCとしては、熱源である高温物体Hからの熱が、熱流制御素子部10の熱伝導率に応じた可変熱抵抗R1により感温素子部11A及び低温物体Lに伝達される。
In this embodiment, for example as shown in Fig. 5, when the heat flow control element unit 10 is arranged in contact with a high-temperature object H and the temperature sensing element unit 11A is arranged in contact with a low-temperature object L, a temperature difference occurs between the high-temperature object H and the low-temperature object L, and a heat flow occurs from the high-temperature object H to the low-temperature object L. At this time, the control unit C changes the thermal conductivity of the heat flow control element unit 10 according to the temperature detected by the temperature sensing element unit 11A. Note that when the purpose is to cool the high-temperature object H, the high-temperature object H becomes the controlled object, and when the purpose is to heat the low-temperature object L, the low-temperature object L becomes the controlled object. There are also cases where both become controlled objects, such as when the main purpose is heat exchange.
The control unit C converts the output voltage Vout from the temperature sensing element unit 11A to an input voltage Vin based on the output voltage Vout from the temperature sensing element unit 11A using a converter C1 in order to control the heat flow control element unit 10, and applies this to the heat flow control element unit 10 to change the thermal conductivity of the heat flow control element unit 10. In other words, it is possible to change the thermal conductivity of the heat flow control element unit 10 according to the output voltage Vout from the temperature sensing element unit 11A. In this case, the thermal circuit HC transfers heat from the high-temperature object H, which is a heat source, to the temperature sensing element unit 11A and the low-temperature object L through a variable thermal resistor R1 according to the thermal conductivity of the heat flow control element unit 10.

このとき、感温素子部11Aでの温度が変化するが、この温度変化は、感温素子部11Aで変化した抵抗R2に応じた出力電圧Voutとして制御部Cに再び入力され、変換器C1を介して出力電圧Voutに応じた制御用の入力電圧Vinとして熱流制御素子部10へ再び出力される。このように制御部Cは、感温素子部11Aの検出温度に応じて繰り返し熱流制御素子部10の熱伝導率を調整する。すなわち、感温素子部11Aでは、入力される熱に応じて電圧が出力され、これに応じて制御部Cを介して熱流制御素子部10に制御用の電圧が入力され、この入力電圧に応じた熱伝導率によって熱が低温物体L側に出力される。 At this time, the temperature in the temperature sensor unit 11A changes, and this temperature change is input again to the control unit C as an output voltage Vout according to the changed resistance R2 in the temperature sensor unit 11A, and is output again to the heat flow control element unit 10 via the converter C1 as a control input voltage Vin according to the output voltage Vout. In this way, the control unit C repeatedly adjusts the thermal conductivity of the heat flow control element unit 10 according to the detected temperature of the temperature sensor unit 11A. That is, the temperature sensor unit 11A outputs a voltage according to the input heat, and in response to this, a control voltage is input to the heat flow control element unit 10 via the control unit C, and heat is output to the low-temperature object L with a thermal conductivity according to this input voltage.

上記感温素子部11Aが、NTCサーミスタである場合、図6の(a)に示すように、感温素子部11Aの出力電圧は、温度の上昇に応じて徐々に下がる特性を有している。この場合、制御部Cにより、例えば図6の(b)に示すように、感温素子部11Aの出力電圧の低下に応じて熱流制御素子部10の入力電圧を上げるように設定する。
NTCサーミスタからの出力電圧が、温度に対して連続的に変化するので、熱流制御素子部10への入力電圧も温度に対して連続的に変化することができ、熱流制御素子部10の熱伝導率を連続的に増減させることができる。また、感温素子部11Aの出力電圧の微調整されることで、高精度な熱伝導チューニングが可能となり、制御対象物の温度を高精度に調整することが可能となる。
When the temperature sensing element 11A is an NTC thermistor, the output voltage of the temperature sensing element 11A has a characteristic of gradually decreasing with increasing temperature, as shown in Fig. 6(a). In this case, the control unit C sets the input voltage of the heat flow control element 10 to increase with decreasing output voltage of the temperature sensing element 11A, as shown in Fig. 6(b).
Since the output voltage from the NTC thermistor changes continuously with temperature, the input voltage to the heat flow control element section 10 can also change continuously with temperature, and it is possible to continuously increase or decrease the thermal conductivity of the heat flow control element section 10. Furthermore, by finely adjusting the output voltage of the temperature sensing element section 11A, highly accurate thermal conductivity tuning is possible, making it possible to adjust the temperature of the controlled object with high accuracy.

上記感温素子部11Aが、CTRサーミスタである場合、図7の(a)に示すように、感温素子部11Aの出力電圧は、ある温度以上になると急激に下がる特性を有している。この場合、制御部Cにより、感温素子部11Aの出力電圧の急激な低下に応じて、例えば図7の(c)に示すように、熱流制御素子部10の入力電圧を急激に上げるように設定する。
CTRサーミスタからの出力電圧が、ある温度を境に、温度に対して急激に変化するので、熱流制御素子部10への入力電圧も急激に変化させることができ、熱伝導率を急激に変化させることができる。そのため、ある温度を境に、熱流制御素子部10の熱伝導率を急激に増減させることができる。例えば、一定の温度以上で、熱流制御素子部10の熱伝導率を急激に増加させ、放熱スイッチとして機能させることが可能になる。
When the temperature sensor 11A is a CTR thermistor, the output voltage of the temperature sensor 11A drops suddenly when the temperature exceeds a certain level, as shown in Fig. 7(a). In this case, the control unit C sets the input voltage of the heat flow control element 10 to rise suddenly, as shown in Fig. 7(c), in response to the sudden drop in the output voltage of the temperature sensor 11A.
Since the output voltage from the CTR thermistor changes rapidly with temperature above a certain temperature, the input voltage to the heat flow control element section 10 can also be changed rapidly, and the thermal conductivity can be changed rapidly. Therefore, the thermal conductivity of the heat flow control element section 10 can be increased or decreased rapidly above a certain temperature. For example, the thermal conductivity of the heat flow control element section 10 can be increased rapidly above a certain temperature, allowing it to function as a heat dissipation switch.

また、感温素子部11Aが、PTCサーミスタである場合、図7の(b)に示すように、感温素子部11Aの出力電圧は、ある温度未満になると急激に下がる特性を有している。この場合、制御部Cにより、感温素子部11Aの出力電圧の急激な低下に応じて、例えば図7の(c)に示すように、熱流制御素子部10の入力電圧を急激に下げるように設定する。
PTCサーミスタからの出力電圧が、ある温度を境に、温度に対して急激に変化するので、熱流制御素子部10への入力電圧も急激に変化させることができ、熱伝導率を急激に変化させることができる。そのため、ある温度を境に、熱流制御素子部10の熱伝導率を急激に増減させることができる。例えば、一定の温度未満で、熱流制御素子部10の熱伝導率を急激に減少させ、断熱スイッチとして機能させることが可能になる。
Furthermore, when the temperature sensing element 11A is a PTC thermistor, the output voltage of the temperature sensing element 11A has the characteristic of dropping rapidly below a certain temperature, as shown in Fig. 7(b). In this case, the control unit C sets the input voltage of the heat flow control element 10 to drop rapidly, for example, as shown in Fig. 7(c), in response to the sudden drop in the output voltage of the temperature sensing element 11A.
Since the output voltage from the PTC thermistor changes rapidly with temperature above a certain temperature, the input voltage to the heat flow control element section 10 can also be changed rapidly, and the thermal conductivity can be changed rapidly. Therefore, the thermal conductivity of the heat flow control element section 10 can be increased or decreased rapidly above a certain temperature. For example, it becomes possible to rapidly decrease the thermal conductivity of the heat flow control element section 10 below a certain temperature, and have it function as a thermal insulation switch.

このように本実施形態の熱流スイッチング装置1では、感温素子部11Aの出力に応じて熱流制御素子部10を制御する制御部Cを備えているので、感温素子部11Aによって温度を直接モニタリングしながら制御部Cにより感温素子部11Aで検出した温度に応じて熱流制御素子部10の熱伝導率を変化させることで、熱流を能動的に制御し、放熱や断熱等の温度調整を高精度に行うことができる。言い換えると、本実施形態の熱流スイッチング装置1では、制御部Cが感温素子部11Aの出力を増幅または反転増幅させた信号を用いて、熱流制御素子部10を制御している。 In this way, the heat flow switching device 1 of this embodiment is equipped with a control unit C that controls the heat flow control element unit 10 in response to the output of the temperature sensing element unit 11A, so that the heat flow can be actively controlled by directly monitoring the temperature with the temperature sensing element unit 11A while the control unit C changes the thermal conductivity of the heat flow control element unit 10 in response to the temperature detected by the temperature sensing element unit 11A, thereby enabling highly accurate temperature adjustment such as heat dissipation and insulation. In other words, in the heat flow switching device 1 of this embodiment, the control unit C controls the heat flow control element unit 10 using a signal obtained by amplifying or inverting and amplifying the output of the temperature sensing element unit 11A.

また、熱流制御素子部10が、N型半導体層3と、N型半導体層3上に積層された絶縁体層4と、絶縁体層4上に積層されたP型半導体層5とを備えているので、P型半導体層5とN型半導体層3とに電圧を印加すると、P型半導体層5及びN型半導体層3と絶縁体層4との主に界面に電荷eが誘起され、この電荷eが熱を運ぶことで熱伝導率が変化する。 In addition, since the heat flow control element unit 10 includes an N-type semiconductor layer 3, an insulator layer 4 laminated on the N-type semiconductor layer 3, and a P-type semiconductor layer 5 laminated on the insulator layer 4, when a voltage is applied to the P-type semiconductor layer 5 and the N-type semiconductor layer 3, an electric charge e is induced mainly at the interface between the P-type semiconductor layer 5 and the N-type semiconductor layer 3 and the insulator layer 4, and this electric charge e carries heat, causing a change in thermal conductivity.

特に、N型半導体層3と絶縁体層4との界面及びその近傍と、P型半導体層5と絶縁体層4との界面及びその近傍との両方で、外部電圧(熱流制御素子部10への入力電圧)により誘起された電荷eが生成されるため、生成される電荷量が多く、熱伝導率の大きな変化と高い熱応答性とを得ることができる。また、化学反応機構を用いない、物理的に熱伝導率を変化させる機構であるので、熱伝導が変化した状態に直ちに移行でき、良好な熱応答性を得ることができる。
また、外部電圧(熱流制御素子部10への入力電圧)の大きさに乗じて、界面に誘起される電荷量が変化するので、外部電圧(入力電圧)を調整することで、熱伝導率を調整することが可能となるので、熱流制御素子部10を介して、熱流を能動的に制御可能となる。
In particular, since electric charge e induced by an external voltage (input voltage to the heat flow control element section 10) is generated both at and near the interface between the N-type semiconductor layer 3 and the insulator layer 4, and at and near the interface between the P-type semiconductor layer 5 and the insulator layer 4, a large amount of electric charge is generated, and a large change in thermal conductivity and high thermal responsiveness can be obtained. In addition, since this is a mechanism that physically changes the thermal conductivity without using a chemical reaction mechanism, it is possible to immediately transition to a state where the thermal conductivity has changed, and good thermal responsiveness can be obtained.
In addition, since the amount of charge induced at the interface changes depending on the magnitude of the external voltage (input voltage to the heat flow control element unit 10), it is possible to adjust the thermal conductivity by adjusting the external voltage (input voltage), making it possible to actively control the heat flow via the heat flow control element unit 10.

さらに、N型半導体層3とP型半導体層5とが絶縁体層4を挟んで交互に複数積層されているので、N型半導体層3及びP型半導体層5と絶縁体層4との界面が複数形成されることで多くの電荷eが誘起され、熱伝導率を大きく変化させることができる。
なお、基材である下部高熱伝導部2が絶縁体であり、電圧印加に伴う電流が発生しないため、ジュール熱は生じない。そのため、自己発熱することなく、熱流を能動的に制御可能となる。
Furthermore, since the N-type semiconductor layers 3 and the P-type semiconductor layers 5 are alternately stacked with the insulator layer 4 in between, multiple interfaces are formed between the N-type semiconductor layers 3 and the P-type semiconductor layers 5 and the insulator layer 4, and a large number of electric charges e are induced, thereby making it possible to greatly change the thermal conductivity.
In addition, since the highly thermally conductive lower portion 2, which is the base material, is an insulator and no current is generated when a voltage is applied, no Joule heat is generated. Therefore, it is possible to actively control the heat flow without self-heating.

また、薄膜サーミスタ部11aが、熱流制御素子部10に積層されているので、薄膜サーミスタ部11aが熱流制御素子部10に面接触することで、熱抵抗が下がり、高精度に温度検出が可能になると共に薄型化を図ることができる。 In addition, since the thin-film thermistor section 11a is laminated on the heat flow control element section 10, the thin-film thermistor section 11a comes into surface contact with the heat flow control element section 10, lowering the thermal resistance, enabling highly accurate temperature detection while also enabling a thinner device.

また、感温素子部11Aが、NTCサーミスタである場合、NTCサーミスタの特性として温度が上がるほど出力電圧が漸次下がることから、この出力変化に応じて制御部Cが熱流制御素子部10への入力電圧を調整し、熱伝導率を徐々に加減させることができ、高精度な熱伝導チューニングが可能になることで、制御対象物の温度を高精度に調整することが可能となる。
また、感温素子部11Aが、PTCサーミスタである場合、PTCサーミスタの特性として一定の温度未満になると出力電圧が急激に下降することから、この出力の急激な減少に応じて制御部Cが熱流制御素子部10の熱伝導率を急激に減少させて、一定の温度を境に、高温側から低温側へ流れる熱輸送状態を急変させ、熱流スイッチとして機能させることが可能になる。例えば、ある温度以上にて断熱スイッチとして機能させることが可能になる。
また、感温素子部11Aが、CTRサーミスタである場合、CTRサーミスタの特性として一定の温度以上になると出力電圧が急激に下降することから、この出力の急激な減少に応じて制御部Cが熱流制御素子部10の熱伝導率を急激に増加させて、一定の温度を境に、高温側から低温側へ流れる熱輸送状態を急変させ、熱流スイッチとして機能させることが可能になる。例えば、ある温度以上にて放熱スイッチとして機能させることが可能になる。
さらに、感温素子部11Aと熱流制御素子部10とが互いに接合されて一体化しているので、感温素子部11Aが熱流制御素子部10の温度を検出する時間応答性が速くなるとともに、全体として小型化することが可能になると共に制御対象物への取り付け作業等が容易となる。
Furthermore, when the temperature-sensing element unit 11A is an NTC thermistor, a characteristic of an NTC thermistor is that the output voltage gradually decreases as the temperature increases, and therefore the control unit C can adjust the input voltage to the heat flow control element unit 10 in response to this change in output, gradually increasing or decreasing the thermal conductivity, enabling high-precision thermal conductivity tuning and making it possible to adjust the temperature of the controlled object with high precision.
Furthermore, if the temperature-sensing element 11A is a PTC thermistor, the output voltage drops suddenly when the temperature falls below a certain level, and the control unit C responds to this sudden drop in output by suddenly decreasing the thermal conductivity of the heat flow control element 10, causing a sudden change in the state of heat transport from the high temperature side to the low temperature side at a certain temperature, thereby enabling the element to function as a heat flow switch. For example, the element can function as an insulating switch above a certain temperature.
Furthermore, when the temperature-sensing element 11A is a CTR thermistor, the output voltage drops suddenly when the temperature exceeds a certain level, and the control unit C responds to this sudden drop in output by suddenly increasing the thermal conductivity of the heat flow control element 10, causing a sudden change in the state of heat transport from the high temperature side to the low temperature side at a certain temperature, thereby enabling the element to function as a heat flow switch. For example, the element can function as a heat dissipation switch at a certain temperature or higher.
Furthermore, since the temperature-sensing element section 11A and the heat flow control element section 10 are joined together and integrated, the time response of the temperature-sensing element section 11A to detect the temperature of the heat flow control element section 10 is faster, the overall size can be reduced, and installation work on the object to be controlled is made easier.

なお、感温素子部11Aを、熱流制御素子部10の高温側と低温側との両方にそれぞれ設けても構わない。この場合、高温側と低温側との両方で検出された温度に応じた外部電圧(入力電圧)により、熱流制御素子部10で熱流を調整することが可能なので、熱流スイッチング装置1と熱接触している物体の温度が時間変化しても、その時々の熱伝導の状態に応じて、非常に高い熱応答性をもった熱流スイッチングが可能となる。 Thermosensitive element unit 11A may be provided on both the high temperature side and the low temperature side of the heat flow control element unit 10. In this case, the heat flow can be adjusted by the heat flow control element unit 10 using an external voltage (input voltage) that corresponds to the temperatures detected on both the high temperature side and the low temperature side. Therefore, even if the temperature of the object in thermal contact with the heat flow switching device 1 changes over time, heat flow switching with extremely high thermal responsiveness is possible according to the state of thermal conduction at each time.

次に、本発明に係る熱流スイッチング装置の第2実施形態について、図8から図10を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。 Next, a second embodiment of the heat flow switching device according to the present invention will be described below with reference to Figures 8 to 10. In the following description of the embodiment, the same components as those described in the above embodiment are given the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

第2実施形態と第1実施形態との異なる点は、第1実施形態では、熱流制御素子部10の上部には上部高熱伝導部18が形成されているだけであるのに対し、第2実施形態の熱流スイッチング装置21では、図8及び図9に示すように、熱流制御素子部10の上に熱流の方向及び熱流束(熱流密度)の少なくとも一方を検出可能な熱流センサ部22が設けられている点である。
すなわち、第2実施形態の熱流スイッチング装置21は、熱流制御素子部10に接合され熱流の方向及び熱流束の少なくとも一方を検出可能な熱流センサ部22を備え、制御部Cが、熱流センサ部22で検出した熱流の方向及び熱流束の少なくとも一方に応じて熱流制御素子部10を制御する。
The difference between the second embodiment and the first embodiment is that in the first embodiment, only an upper high thermal conductivity section 18 is formed on the upper part of the heat flow control element section 10, whereas in the heat flow switching device 21 of the second embodiment, as shown in Figures 8 and 9, a heat flow sensor section 22 capable of detecting at least one of the direction of heat flow and heat flux (heat flow density) is provided on the heat flow control element section 10.
That is, the heat flow switching device 21 of the second embodiment is provided with a heat flow sensor unit 22 joined to the heat flow control element unit 10 and capable of detecting at least one of the direction of heat flow and heat flux, and a control unit C controls the heat flow control element unit 10 in accordance with at least one of the direction of heat flow and heat flux detected by the heat flow sensor unit 22.

上記熱流センサ部22は、同一方向に延在していると共に熱流制御素子部10の平面方向に互いに平行に並んでいる異常ネルンスト効果が得られる複数の異常ネルンスト材料膜22aと、複数の異常ネルンスト材料膜22aを電気的に直列に接続する接続配線22bとを備えている。
直列接続された異常ネルンスト材料膜22aの両端には、それぞれ電極配線22cが接続されている。
上記接続配線22b及び電極配線22cは、起電力が小さいAu膜が好ましいが、Cr膜とAu膜との積層金属膜等も採用可能である。
The heat flow sensor section 22 includes a plurality of anomalous Nernst material films 22a that provide the anomalous Nernst effect and that extend in the same direction and are arranged parallel to each other in the planar direction of the heat flow control element section 10, and connection wiring 22b that electrically connects the plurality of anomalous Nernst material films 22a in series.
Electrode wiring 22c is connected to both ends of the series-connected anomalous Nernst material films 22a.
The connection wiring 22b and the electrode wiring 22c are preferably made of an Au film having a small electromotive force, but a laminated metal film of a Cr film and an Au film may also be used.

上記異常ネルンスト材料膜22aは、熱流制御素子部10上に積層されている。
すなわち、熱流制御素子部10の上部に形成された上部高熱伝導部18上に異常ネルンスト材料膜22aと接続配線22bと電極配線22cとが成膜されている。
複数の異常ネルンスト材料膜22aは、図9に示すように、厚さ方向の熱流に対して発生する電圧方向に対して互いに平行に配列された帯状又は線状に形成されている。
なお、直列接続される異常ネルンスト材料膜22aの数や長さを増やすことで、得られる電圧も大きくできる。
The anomalous Nernst material film 22 a is laminated on the heat flow control element section 10 .
That is, an anomalous Nernst material film 22 a , a connection wiring 22 b and an electrode wiring 22 c are formed on an upper high thermal conductive portion 18 formed on an upper portion of the heat flow control element portion 10 .
As shown in FIG. 9, the plurality of anomalous Nernst material films 22a are formed in strip or line shapes arranged parallel to one another in the direction of a voltage generated in response to a heat flow in the thickness direction.
It should be noted that the obtainable voltage can be increased by increasing the number and length of the anomalous Nernst material films 22a connected in series.

上記異常ネルンスト材料膜22aは、Fe-Al,Fe-Pt,Co-Pt等の材料や、CoMnGa,CoMnAl,CoMnSi等のホイスラー系合金材料等の自発磁化が大きい強磁性体材料や、MnSn等の反強磁性材料などが採用可能である。
上記異常ネルンスト材料膜形成工程では、例えばFe-Al合金スパッタリングターゲットを用いてスパッタを行って異常ネルンスト材料膜22aを成膜する。
The anomalous Nernst material film 22a can be made of materials such as Fe--Al, Fe--Pt, Co--Pt, ferromagnetic materials with large spontaneous magnetization such as Heusler alloy materials such as Co2MnGa , Co2MnAl , Co2MnSi , and antiferromagnetic materials such as Mn2Sn .
In the anomalous Nernst material film forming step, for example, an Fe--Al alloy sputtering target is used to perform sputtering to form the anomalous Nernst material film 22a.

第2実施形態では、図8に示すように、制御部Cと熱流センサ部22とが接続されている。制御部Cは、感温素子部11Aだけでなく熱流センサ部22からの出力電圧に応じて、熱流制御素子部10への入力電圧を制御する。すなわち、図10に示すように、熱流センサ部22は、熱流方向に応じて出力電圧の符号が正負で反転する特性を有している。例えば、制御部Cは、熱流センサ部22の出力電圧がプラスである場合、熱流制御素子部10に入力電圧を印加して熱伝導率を上げるが、熱流センサ部22の出力電圧がマイナスである場合、熱流方向が逆になったと判断して、熱流制御素子部10に入力電圧を印加せず、低い熱伝導率のままとする制御を行う。 In the second embodiment, as shown in FIG. 8, the control unit C and the heat flow sensor unit 22 are connected. The control unit C controls the input voltage to the heat flow control element unit 10 according to the output voltage from the heat flow sensor unit 22 as well as the temperature sensor unit 11A. That is, as shown in FIG. 10, the heat flow sensor unit 22 has a characteristic in which the sign of the output voltage is inverted between positive and negative depending on the heat flow direction. For example, when the output voltage of the heat flow sensor unit 22 is positive, the control unit C applies an input voltage to the heat flow control element unit 10 to increase the thermal conductivity, but when the output voltage of the heat flow sensor unit 22 is negative, it determines that the heat flow direction has been reversed, and performs control not to apply an input voltage to the heat flow control element unit 10 and to maintain a low thermal conductivity.

このように第2実施形態の熱流スイッチング装置21では、熱流制御素子部10に接合され熱流の方向及び熱流束の少なくとも一方を検出可能な熱流センサ部22を備えているので、熱流センサ部22により熱流の方向及び熱流束の少なくとも一方を確認しながら熱伝導率を制御することができる。したがって、熱流スイッチング装置21と熱接触している物体から入出力される熱流束が時間変化しても、その時々の熱伝導の状態に応じて、非常に高い熱応答性をもった熱流スイッチングが可能となる。 In this way, the heat flow switching device 21 of the second embodiment is equipped with a heat flow sensor unit 22 that is joined to the heat flow control element unit 10 and can detect at least one of the heat flow direction and heat flux, so that the thermal conductivity can be controlled while checking at least one of the heat flow direction and heat flux using the heat flow sensor unit 22. Therefore, even if the heat flux input/output from an object in thermal contact with the heat flow switching device 21 changes over time, heat flow switching with extremely high thermal responsiveness is possible according to the state of thermal conduction at each time.

また、異常ネルンスト材料膜22aが、熱流制御素子部10上に積層されているので、異常ネルンスト材料膜22aが熱流制御素子部10に面接触することで、熱抵抗が下がり、高精度に熱流の方向を検出可能になると共に薄型化を図ることができる。
特に、熱流の方向に対して直交する方向に電圧が生じる複数の異常ネルンスト材料膜22aを平面方向に並べて電気的に直列に接続していることで、多くの配線数で異常ネルンスト材料膜22aを並べることで、厚さを増やさずに電圧を増幅することができる。
In addition, since the anomalous Nernst material film 22a is laminated on the heat flow control element section 10, the anomalous Nernst material film 22a comes into surface contact with the heat flow control element section 10, thereby reducing the thermal resistance, making it possible to detect the direction of heat flow with high accuracy and achieving a thinner device.
In particular, by arranging a plurality of anomalous Nernst material films 22a in a planar direction, in which a voltage is generated in a direction perpendicular to the direction of heat flow, and electrically connecting them in series, the voltage can be amplified without increasing the thickness by arranging the anomalous Nernst material films 22a with a large number of wirings.

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。 The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

例えば、熱抵抗を下げるために薄膜サーミスタ部を備えた感温素子部を採用することが好ましいが、熱電対,測温抵抗体,チップサーミスタ等を備えた感温素子部を採用しても構わない。また、薄膜サーミスタ部としては、各種金属酸化物材料や各種金属窒化物材料が採用可能である。また、感温素子部は、制御対象物又は熱流制御素子部と非接触として、赤外線センサ等で温度を検出してもよい。 For example, it is preferable to employ a temperature-sensing element having a thin-film thermistor portion to reduce thermal resistance, but a temperature-sensing element having a thermocouple, a resistance temperature detector, a chip thermistor, or the like may also be employed. In addition, various metal oxide materials and various metal nitride materials can be employed as the thin-film thermistor portion. In addition, the temperature-sensing element may be in non-contact with the controlled object or the heat flow control element portion, and may detect the temperature using an infrared sensor or the like.

さらに、熱流制御素子部としては、熱伝導率が変化するものであれば、既知の他の方式のものを採用しても構わない。
例えば、磁場に応じて熱伝導率が変化する熱流制御素子部を採用しても構わない。すなわち、磁場の印加および除去によって温度変化が生じる磁気熱量材料(例えば、特許第5966740号公報記載のFeRh合金、Co-Mn-Si-Ge系、Ni-Mn-Sn系等の磁気熱量材料など)を用いた熱流制御素子部などを採用しても構わない。この場合、感温素子部の出力に応じて制御部により熱流制御素子部の磁気熱量材料に印加する磁場を変えることで、熱伝導率を制御することができる。
Furthermore, the heat flow control element may be of any other known type, provided that the thermal conductivity is variable.
For example, a heat flow control element unit whose thermal conductivity changes according to a magnetic field may be used. That is, a heat flow control element unit using a magnetocaloric material whose temperature changes when a magnetic field is applied and removed (for example, a magnetocaloric material such as an FeRh alloy, Co-Mn-Si-Ge, or Ni-Mn-Sn alloy as described in Japanese Patent No. 5966740) may be used. In this case, the thermal conductivity can be controlled by changing the magnetic field applied to the magnetocaloric material of the heat flow control element unit by the control unit according to the output of the temperature sensing element unit.

また、化学反応により、熱伝導率が変化する熱流制御素子部を採用しても構わない。この場合、感温素子部の出力に応じて制御部により熱流制御素子部の化学反応を促進させ、熱伝導率を制御することができる。
また、熱膨張など機械的熱接触により、熱伝導率が変化する熱流制御素子部を採用しても構わない。この場合、感温素子部の出力に応じて制御部により熱流制御素子部の機械的熱接触の度合いを制御することで、熱伝導率を制御することができる。
In addition, a heat flow control element whose thermal conductivity changes due to a chemical reaction may be used. In this case, the control unit can promote the chemical reaction of the heat flow control element in response to the output of the temperature sensing element to control the thermal conductivity.
Also, a heat flow control element part whose thermal conductivity changes due to mechanical thermal contact such as thermal expansion may be used. In this case, the thermal conductivity can be controlled by controlling the degree of mechanical thermal contact of the heat flow control element part by the control part according to the output of the temperature sensing element part.

1,21…熱流スイッチング装置、3…N型半導体層、4…絶縁体層、5…P型半導体層、6…N側電極、7…P側電極、10…熱流制御素子部、11A…感温素子部、22…熱流センサ部、C…制御部 1, 21...heat flow switching device, 3...n-type semiconductor layer, 4...insulator layer, 5...p-type semiconductor layer, 6...n-side electrode, 7...p-side electrode, 10...heat flow control element section, 11A...temperature sensing element section, 22...heat flow sensor section, C...control section

Claims (8)

入力電圧を調整することで誘起する電荷量を変化させ熱伝導率を変化させて熱流を制御する熱流制御素子部と、
制御対象物又は前記熱流制御素子部の温度を検出する感温素子部と、
前記感温素子部の出力に応じて前記熱流制御素子部を制御する制御部とを備えていることを特徴とする熱流スイッチング装置。
a heat flow control element unit that controls a heat flow by changing a thermal conductivity by changing an amount of induced electric charge by adjusting an input voltage ;
A temperature sensor unit for detecting a temperature of a controlled object or the heat flow control element unit;
a control unit for controlling the heat flow control element unit in response to an output from the temperature sensing element unit.
請求項1に記載の熱流スイッチング装置において、
前記熱流制御素子部が、N型半導体層と、
前記N型半導体層上に積層された絶縁体層と、
前記絶縁体層上に積層されたP型半導体層とを備え
前記絶縁体層を挟んだ前記N型半導体層と前記P型半導体層との間に前記入力電圧を印加することを特徴とする熱流スイッチング装置。
2. The thermal flow switching device of claim 1,
The heat flow control element portion includes an N-type semiconductor layer,
an insulator layer laminated on the N-type semiconductor layer;
a P-type semiconductor layer laminated on the insulator layer ,
A heat flow switching device, comprising : a first insulating layer and a second insulating layer, the first insulating layer being electrically connected to the first insulating layer and the second insulating layer being electrically connected to the first insulating layer .
請求項1又は2に記載の熱流スイッチング装置において、
前記感温素子部が、NTCサーミスタであることを特徴とする熱流スイッチング装置。
3. The thermal flow switching device according to claim 1,
13. A heat flow switching device, wherein the temperature sensitive element is an NTC thermistor.
請求項1又は2に記載の熱流スイッチング装置において、
前記感温素子部が、PTCサーミスタであることを特徴とする熱流スイッチング装置。
3. The thermal flow switching device according to claim 1,
13. A heat flow switching device, wherein the temperature sensitive element is a PTC thermistor.
請求項1又は2に記載の熱流スイッチング装置において、
前記感温素子部が、CTRサーミスタであることを特徴とする熱流スイッチング装置。
3. The thermal flow switching device according to claim 1,
13. A heat flow switching device, wherein the temperature sensitive element is a CTR thermistor.
請求項1から5のいずれか一項に記載の熱流スイッチング装置において、
前記感温素子部が、サーミスタ材料で形成された薄膜サーミスタ部と、
前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に対向して形成された一対の対向電極とを備え、
前記薄膜サーミスタ部が、前記熱流制御素子部に積層されていることを特徴とする熱流スイッチング装置。
6. The thermal flow switching device according to claim 1,
The temperature sensitive element portion is a thin film thermistor portion formed of a thermistor material;
a pair of counter electrodes formed opposite to each other on at least one of the upper and lower sides of the thin film thermistor portion,
A heat flow switching device, wherein the thin film thermistor portion is laminated on the heat flow control element portion.
請求項1から6のいずれか一項に記載の熱流スイッチング装置において、
前記熱流制御素子部に接合され熱流の方向及び熱流束の少なくとも一方を検出可能な熱流センサ部を備え、
前記制御部が、前記熱流センサ部で検出した熱流の方向及び熱流束の少なくとも一方に応じて前記熱流制御素子部を制御することを特徴とする熱流スイッチング装置。
7. The thermal flow switching device according to claim 1,
a heat flow sensor unit joined to the heat flow control element unit and capable of detecting at least one of a direction of a heat flow and a heat flux;
A heat flow switching device, characterized in that the control unit controls the heat flow control element unit in response to at least one of the direction of heat flow and the heat flux detected by the heat flow sensor unit.
請求項1から7のいずれか一項に記載の熱流スイッチング装置において、
前記感温素子部と前記熱流制御素子部とが互いに接合されて一体化していることを特徴とする熱流スイッチング装置。
8. The thermal flow switching device according to claim 1,
A heat flow switching device, characterized in that the temperature sensing element portion and the heat flow control element portion are joined together and integrated.
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