JP7687787B2 - 相変化材料（ｐｃｍ）に基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチ - Google Patents

Description

本開示は、一般にサーマルシステムを対象とする。より具体的には、本開示は、相変化材料（ＰＣＭ）に基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチを対象とする。

熱管理は、一般的には、熱エネルギー（加熱）がデバイスまたはシステムコンポーネントの性能に悪影響を与える、または破損させる可能性がある、様々な電子デバイス、パワードシステム、及び他のデバイスまたはシステムに必要とされる、または望まれる。例えば、バッテリは、使用中に加熱を受けることが多く、熱管理は、一般的には、バッテリを所定の温度範囲内に維持するために必要とされる、または望まれる。これらの温度範囲は、バッテリの動作効率を維持する、バッテリの長期使用を確保する、またはバッテリの破損を回避するように規定されることができる。

本開示は、相変化材料（ＰＣＭ）に基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチを対象とする。

第一実施形態では、装置は、装置を通した熱エネルギーの伝達を制御するように構成された複数のサーマルアクチュエータスイッチを含み、サーマルアクチュエータスイッチは、積層構成に配置される。各サーマルアクチュエータスイッチは、第一プレート及び第二プレート、ならびに第一プレートと第二プレートとの間で可動なピストンを含む。また各サーマルアクチュエータスイッチは、（ｉ）膨張してピストンの表面を第一位置に移動させ、（ｉｉ）収縮してピストンの表面を第二位置に移動させることを可能にするように構成された相変化材料を含む。ピストンの表面は、第一プレートと熱的に接触し、第一位置及び第二位置の一方にある場合、第一プレートと第二プレートとの間の熱エネルギー伝達を増加させる。ピストンの表面は、第一プレートから離隔され、第一位置及び第二位置の他方にある場合、第一プレートと第二プレートとの間の熱エネルギー伝達を減少させる。サーマルアクチュエータスイッチの異なるものは、異なる温度で膨張するまたは収縮する異なる相変化材料を含む。

第二実施形態では、システムは、少なくとも１つの熱源、及び少なくとも１つのヒートシンクを含む。またシステムは、少なくとも１つの熱源と少なくとも１つのヒートシンクとの間の熱エネルギーの伝達を制御するように構成された複数のサーマルアクチュエータスイッチを含み、サーマルアクチュエータスイッチは、積層構成に配置される。各サーマルアクチュエータスイッチは、第一プレート及び第二プレート、ならびに第一プレートと第二プレートとの間で可動なピストンを含む。また各サーマルアクチュエータスイッチは、（ｉ）膨張してピストンの表面を第一位置に移動させ、（ｉｉ）収縮してピストンの表面を第二位置に移動させることを可能にするように構成された相変化材料を含む。ピストンの表面は、第一プレートと熱的に接触し、第一位置及び第二位置の一方にある場合、第一プレートと第二プレートとの間の熱エネルギー伝達を増加させる。ピストンの表面は、第一プレートから離隔され、第一位置及び第二位置の他方にある場合、第一プレートと第二プレートとの間の熱エネルギー伝達を減少させる。サーマルアクチュエータスイッチの異なるものは、異なる温度で膨張するまたは収縮する異なる相変化材料を含む。

第三態様では、方法は、少なくとも１つの熱源から熱エネルギーを複数のサーマルアクチュエータスイッチで受けることを含み、サーマルアクチュエータスイッチは積層構成に配置される。また方法は、サーマルアクチュエータスイッチを使用して、少なくとも１つの熱源と少なくとも１つのヒートシンクとの間の熱エネルギーの伝達を制御することとを含む。各サーマルアクチュエータスイッチは、第一プレート及び第二プレート、ならびに第一プレートと第二プレートとの間で可動なピストンを含む。また各サーマルアクチュエータスイッチは、（ｉ）膨張してピストンの表面を第一位置に移動させ、（ｉｉ）収縮してピストンの表面を第二位置に移動させることを可能にするように構成された相変化材料を含む。ピストンの表面は、第一プレートと熱的に接触し、第一位置及び第二位置の一方にある場合、第一プレートと第二プレートとの間の熱エネルギー伝達を増加させる。ピストンの表面は、第一プレートから離隔され、第一位置及び第二位置の他方にある場合、第一プレートと第二プレートとの間の熱エネルギー伝達を減少させる。サーマルアクチュエータスイッチの異なるものは、異なる温度で膨張するまたは収縮する異なる相変化材料を含む。

他の技術的特徴は、以下の図面、説明、及び特許請求の範囲から、当業者には容易に明らかであろう。

本開示をより完全に理解するために、ここでは添付図面に関連して以下の説明を参照する。

本開示による、例示的な相変化材料（ＰＣＭ）に基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチを示す。 本開示による、例示的な相変化材料（ＰＣＭ）に基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチを示す。 本開示による、例示的な相変化材料（ＰＣＭ）に基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチを示す。 本開示による、例示的な相変化材料（ＰＣＭ）に基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチを示す。 本開示による、別の例示的なＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチを示す。 本開示による、別の例示的なＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチを示す。 本開示による、さらに別の例示的なＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチを示す。 本開示による、さらに別の例示的なＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチを示す。 本開示による、ＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチの例示的な第一積層配置を示す。 本開示による、ＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチの例示的な第二積層配置を示す。 本開示による、ＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチの例示的なアレイを示す。

以下で説明される図１から図１１、及び本開示の原理を説明するために使用される種々の実施形態は、例示に過ぎず、決して本開示の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。当業者であれば、本開示の原理が、適切に配置された任意のタイプのデバイスまたはシステムに実装されることができることが理解されよう。

上述のように、熱管理は、一般的には、熱エネルギー（加熱）がデバイスまたはシステムコンポーネントの性能に悪影響を与える、または破損させる可能性がある様々な電子デバイス、パワードシステム、及び他のデバイスまたはシステムに必要とされる、または望まれる。例えば、バッテリは、使用中に加熱を受けることが多く、熱管理は、一般的には、バッテリを所定の温度範囲内に維持するために必要とされる、または望まれる。これらの温度範囲は、バッテリの動作効率を維持する、バッテリの長期使用を確保する、またはバッテリの破損を回避するように規定されることができる。

本開示は、熱管理または他の目的に使用されることができる様々なサーマルアクチュエータスイッチを提供する。サーマルアクチュエータスイッチのそれぞれはピストンを含み、このピストンを使用して、熱的接続を形成し、遮断すること、またはその他の方法で、少なくとも１つの熱源（電力散逸または加温装置など）と少なくとも１つのヒートシンク（コールドプレートなど）との間の熱エネルギー伝達を促進し、妨げることができる。各サーマルアクチュエータスイッチ内の少なくとも１つの相変化材料（ＰＣＭ）は、サーマルアクチュエータスイッチ内の局所的な加熱／冷却に基づいて相を変化させ、膨張／収縮し、サーマルアクチュエータスイッチ内でピストンを移動させることができる。場合によっては、サーマルアクチュエータスイッチ内の相変化材料が加熱されると、相変化材料は、膨張し、サーマルアクチュエータスイッチ内でピストンを移動させて、熱源（複数可）とヒートシンク（複数可）との間に熱接続を形成する（または熱接続を改善する）ことができる。サーマルアクチュエータスイッチ内の相変化材料が冷却されると、相変化材料は、収縮することができ、ばね荷重機構、磁石、またはその他の復帰機構を使用して、ピストンを押しまたは引き、熱源（複数可）とヒートシンク（複数可）との間の熱接続を遮断する（または熱接続を減少させる）ことができる。他の配置は、冷却されると膨張し、加熱されると収縮する相変化材料を有することができ、この相変化材料は、再び、ピストンを移動させて、熱接続を形成し（または改善し）、遮断する（または減少させる）ことができる。

このようにして、各サーマルアクチュエータスイッチ内の相変化材料を使用して、サーマルアクチュエータスイッチを受動的に切り替えることができる。また、各サーマルアクチュエータスイッチの作動を使用して、ピストンとサーマルアクチュエータスイッチの別のコンポーネントとの間の接触表面積を制御することができることにより、表面積を使用して、熱エネルギー伝達を容易に制御することが可能になる。いくつかの実施形態では、各サーマルアクチュエータスイッチの作動は、ピストンの運動に基づいて線形である。さらに、復帰機構の使用により、各サーマルアクチュエータスイッチを使用して、熱源（複数可）とヒートシンク（複数可）との間の熱接続を繰り返し形成しても、遮断しても（または増加させても、減少させても）よい。

加えて、複数のサーマルアクチュエータスイッチを任意の適切な直列及び／または並列配置（複数可）に使用して、少なくとも１つの熱源と少なくとも１つのヒートシンクとの間に所望の熱エネルギー伝達経路を設けてもよい。例えば、サーマルアクチュエータスイッチの並列アレイは、少なくとも１つのバッテリまたはその他の熱源（複数可）を横切って位置決めされてもよく、熱源（複数可）から離れて熱エネルギーを伝達するために使用され得る。これは、例えば、熱源（複数可）の表面（複数可）にわたる温度勾配の生成を低減させるまたは回避する際に有用であり得る。別の例として、複数のサーマルアクチュエータスイッチは直列に積層されてもよく、異なるサーマルアクチュエータスイッチは異なる温度閾値で膨張／収縮する相変化材料を有する。これにより、例えば、サーマルアクチュエータスイッチの全体的な熱伝達挙動は、特定の用途に合わせて調整されることが可能になってよい。特定の例として、これにより、積層されたサーマルアクチュエータスイッチは、異なる温度で、熱源（複数可）とヒートシンク（複数可）との間に１つ以上の熱接続を形成／遮断（または促進／抑制）することが可能になってよい。その結果、例えば、複数の積層されたサーマルアクチュエータスイッチのうちの１つは、第一熱エネルギー伝達率を可能にするために、より低い温度で、熱源（複数可）とヒートシンク（複数可）との間の熱接続を形成してもよく、または改善してもよい。積層されたサーマルアクチュエータスイッチのもう１つは、第二（より大きい）熱エネルギー伝達率を可能にするためのより高い温度で、熱源（複数可）とヒートシンク（複数可）との間に同じまたは別の熱接続を形成しても、または改善してもよい。また、直列結合した（積層された）サーマルアクチュエータスイッチの複数のセットが並列アレイに配置される場合などに、これらのアプローチの組み合わせを使用してもよい。

図１から図４は、本開示による、例示的なＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチ１００を示す。特に、図１及び図３は異なる動作配置でのサーマルアクチュエータスイッチ１００の斜視図を示し、図２及び図４は異なる動作配置でのサーマルアクチュエータスイッチ１００の断面図を示す。なお、図１及び図３でのサーマルアクチュエータスイッチ１００の特定のコンポーネントは、例示及び説明を容易にするために、透明な概略形態で示される。

図１及び図２に示されるように、サーマルアクチュエータスイッチ１００は、上部プレート１０２及び下部プレート１０４を使用して形成されるものなど、ハウジングを含んでもよく、またはハウジングに関連していてもよい。各プレート１０２及び１０４は、少なくとも１つの熱源または少なくとも１つのヒートシンクに熱的に結合されることができる構造を表す。例えば、上部プレート１０２は少なくとも１つのヒートシンクに熱的に結合されてもよく、下部プレート１０４は少なくとも１つの熱源に熱的に結合されてもよい（またはその逆も同様であってもよい）。各プレート１０２及び１０４は、１つもしくは複数の金属または高い熱伝導率を有するその他の材料（複数可）のような、任意の適切な材料（複数可）を用いて形成されてもよい。また、各プレート１０２及び１０４は、任意の適切な方法で形成されてもよい。加えて、各プレート１０２及び１０４は、任意の適切なサイズ、形状、及び寸法を有し得る。

場合によっては、プレート１０２及び１０４は、図示を容易にするために図２及び図４にのみ示される、熱絶縁材料１０６によって任意選択で分離されてもよい。熱絶縁材料１０６は、プレート１０２～１０４間の熱伝導率を低下させる、または最小にするのに役立つことができ、必要な場合または望ましい場合を除いて、プレート１０２～１０４自体の間の熱エネルギー伝達を低減させる、または最小にするのに役立つことができる。熱絶縁材料１０６は、熱絶縁性エポキシまたはその他の材料（複数可）など、任意の適切な材料（複数可）から形成されてよく、この材料を使用して、プレート１０２～１０４を、またはプレート１０２～１０４の間に位置決めされたガラス繊維ワッシャもしくはその他の構造体（複数可）を取り付けてもよい。また熱絶縁材料１０６は、任意の適切な方法で形成されてもよい。加えて、熱絶縁材料１０６は、任意の適切なサイズ、形状、及び寸法を有し得る。

ピストン基部１０８及びピストンプレート１１０によって形成されるピストンは、プレート１０２及び１０４の間に位置決めされ、可動である。例えば、上部プレート１０２はプレート１０２の側壁部の間に形成された凹部を含んでもよく、ピストンプレート１１０の少なくとも一部はこの凹部内に位置決めされ、上下に可動であることができる。同様に、下部プレート１０４はプレート１０４の側壁部の間に形成された凹部を含んでもよく、ピストン基部１０８の少なくとも一部はその凹部内に位置決めされ、上下に可動であることができる。ピストン基部１０８及びピストンプレート１１０によって形成されるピストンは、１つ以上の金属または熱伝導率の高いその他の材料（複数可）など、任意の適切な材料（複数可）を使用して形成され得る。またピストンは、任意の適切な方法で形成されてもよい。加えて、ピストンは、任意の適切なサイズ、形状、及び寸法を有し得る。

この例に示されるように、ピストン基部１０８は内部キャビティを有する環状シリンダまたはその他の構造体の形態を取ってもよく、相変化材料１１２はピストン基部１０８の内部キャビティ内に位置決めされる。この特定の例では、相変化材料１１２は、ピストンプレート１１０と、ピストン基部１０８内に突出する下部プレート１０４の一部との間に位置決めされる。これにより、相変化材料１１２は下部プレート１０４の一部に接触することができ、下部プレート１０４は相変化材料１１２の下方向運動を防止することができる。相変化材料１１２は、温度に基づいて適切な量で膨張し収縮することができる少なくとも１つの材料を表す。

相変化材料１１２をサーマルアクチュエータスイッチ１００に使用して、異なる位置の間でピストンプレート１１０を移動させると、プレート１０２及び１０４の間の熱エネルギー伝達が促進されるまたは抑制される。例えば、図１及び図２では、相変化材料１１２は収縮状態にあり、これは場合によっては、相変化材料１１２がより低い温度にある場合に起こり得る。この状態では、ピストンプレート１１０は、ピストンプレート１１０の主上面に少なくとも沿って、上部プレート１０２から離隔される。ここでは、ピストンプレート１１０の側面は、上部プレート１０２に接触しても、または接触しなくてもよい。この動作配置では、プレート１０２～１０４の間の熱エネルギー伝達を低減させる、または最小にすることができる。その結果、プレート１０２～１０４に熱的に結合されている熱源（複数可）とヒートシンク（複数可）との間の熱エネルギー伝達はほとんど存在しなくなり得る。いくつかの実施形態では、ピストンプレート１１０は、この動作配置では、プレート１０２から完全に分離されても、そのプレートに全く接触しなくてもよい。

図３及び図４では、相変化材料１１２は膨張状態にあり、これは場合によっては、相変化材料１１２がより高い温度にある場合に起こり得る。この状態では、ピストンプレート１１０は、ピストンプレート１１０の主上面に少なくとも沿って、上部プレート１０２に接触する。ここでも、ピストンプレート１１０の側面は、上部プレート１０２に接触しても、または接触しなくてもよい。この動作配置では、ピストン基部１０８及びピストンプレート１１０が両方のプレート１０２～１０４に同時に接触することで、熱エネルギーがプレート１０２～１０４の間でより高い伝導性ピストンを通して流れる経路を設けるため、プレート１０２～１０４の間の熱エネルギー伝達を増加させるまたは最大にすることができる。その結果、プレート１０２～１０４に熱的に結合されている熱源（複数可）とヒートシンク（複数可）との間の熱エネルギー伝達がはるかに高くなり得る。ここで、熱絶縁材料１０６が高い熱抵抗を生じるのに十分な厚さを有する場合などに、熱絶縁材料１０６がプレート１０２～１０４を互いから熱絶縁するのに役立つことができることに留意されたい。これにより、熱エネルギーは、プレート１０２～１０４自体の間で直接流れてアクチュエータの意図された機能を不注意に熱で（完全にまたはある程度まで）短絡させるのではなく、主にピストンを通してプレート１０２～１０４の間で伝わる。

このようにして、サーマルアクチュエータスイッチ１００は、相変化材料１１２を使用して、プレート１０２～１０４に熱で結合される熱源（複数可）とヒートシンク（複数可）との間の熱伝達を受動的に制御する。すなわち、サーマルアクチュエータスイッチ１００は、相変化材料１１２の体積膨張特性及び体積収縮特性を使用して、２つの位置の間でピストンプレート１１０を作動させることができることにより、上部プレート１０２とピストンプレート１１０との間の表面接触面積を温度に基づいて増加させ、減少させる。場合によっては、ピストンプレート１１０の運動は、熱源（複数可）から受けた、そしてヒートシンク（複数可）に受け入れられなかった熱エネルギーに基づいた相変化材料１１２の膨張及び収縮によって、ピストンプレート１１０を移動させることを意味する、完全に受動的な方法で実行されてよい。相変化材料１１２の膨張または収縮を引き起こすために、追加のヒータまたはクーラーを必要としない場合がある（ただし、他の実施形態の場合にはそうでない場合がある）。

さらにここでは、サーマルアクチュエータスイッチ１００は、熱源（複数可）とヒートシンク（複数可）との間に剛性接触を可能にし得る。場合によっては、サーマルアクチュエータスイッチ１００は、熱源（複数可）とヒートシンク（複数可）との間の全体積での剛性接触を可能にする。これは、プレート１０２～１０４が互いに固定して結合されることができることにより、場合によっては（機械的結合のためなど）、上部プレート１０２の上面に沿って、そして下部プレート１０４の底面に沿って安定した表面が大きくなることができるためである。加えて、サーマルアクチュエータスイッチ１００の設計に応じて、サーマルアクチュエータスイッチ１００は、「貫通」方向（図１～図４の垂直方向）に調整可能な熱分離、及び「面内」方向（図１～図４の水平方向）に調整可能な熱分離を設けることができる。

なお、サーマルアクチュエータスイッチ１００と共に使用される熱源（複数可）及びヒートシンク（複数可）は、熱エネルギーに適切な任意の供給源（複数可）及び供給先（複数可）を表してもよいことに留意されたい。例えば、「低温環境」のシナリオでは、少なくとも１つのヒータを使用して１つ以上のデバイスを加熱してもよい。このシナリオでは、加熱される１つ以上のデバイスは、熱源を表すことができ、ヒートシンクを表す少なくとも１つのコールドプレートを設けることができる。ここで、過剰な熱エネルギーがヒータによって１つ以上のデバイスに与えられる場合などに、１つ以上のサーマルアクチュエータスイッチ１００を使用して、１つ以上のデバイスからコールドプレート（複数可）に過剰な熱エネルギーを除去することができる。この例では、１つまたは複数のデバイスに対する構造的支持を増加させながら、または最大にしながら、限られたヒータの電力を温存してもよい（サーマルアクチュエータスイッチ１００が主に図１及び図２に示される開位置に留まり得るため）。ここでは、１つ以上のデバイスは、低温環境（例えば、宇宙用途）で使用される１つ以上のバッテリ、プロセッサ、または他のデバイスなど、加熱されるのに適した任意のデバイス（複数可）を表してもよい。場合によっては、１つ以上のサーマルアクチュエータスイッチ１００を開閉して、１つ以上のデバイスを標的動作温度の上限と下限との間に、または標的動作温度範囲内に保つのを助けることができる。

「高温環境」のシナリオでは、１つ以上のデバイスは熱を発生する場合があり、少なくとも１つのコールドプレートを使用して、１つ以上のデバイスから熱エネルギーを受け、１つ以上のデバイスを冷却することができる。このシナリオでは、１つ以上のデバイスは熱源を表すことができ、少なくとも１つのコールドプレートはヒートシンクを表すことができる。ここでは、１つ以上のサーマルアクチュエータスイッチ１００は、１つ以上のデバイスとコールドプレート（複数可）との間の熱エネルギーの伝達を促進するために使用されることができる。この例では、サーマルアクチュエータスイッチ１００が主に図３及び図４に示される閉位置に留まる場合などに、ヒートシンクへの熱エネルギー放散を最大にし得る。ここでは、１つ以上のデバイスは、１つ以上のバッテリ、プロセッサ、またはその他のデバイスのような、冷却されるのに適した任意のデバイス（複数可）を表してもよい。再度、場合によっては、１つ以上のサーマルアクチュエータスイッチ１００を開閉して、１つ以上のデバイスを標的動作温度の上限と下限との間に、または標的動作温度範囲内に維持することができる。

ここでは、相変化材料１１２が収縮すると、ピストンは、ピストンプレート１１０を上部プレート１０２から分離させるために、外部からの支援を必要とし得る。ここでは、ピストンプレート１１０を上部プレート１０２から分離させるのに必要な力を与えるのに適した任意の復帰機構を使用し得る。いくつかの実施形態では、例えば、１つ以上のばね１１４は、ピストンプレート１１０と上部プレート１０２との間に位置決めされることができる。この例では、上部プレート１０２は凹部１１６を含むが、凹部はピストンプレート１１０にも含まれてよく、またはそれに代替に含まれてよい。図１及び図２に示されるように、相変化材料１１２が収縮すると、ばね１１４は、ピストンプレート１１０を上部プレート１０２から押し放すのに役立つことができる。図３及び図４に示されるように、相変化材料１１２は、膨張すると、ばね１１４のばね力に打ち勝ち、ばね１１４を圧縮させることにより、ピストンプレート１１０を上部プレート１０２に接触させることが可能になる。

なお、１つ以上のばね１１４の使用は、ピストンプレート１１０を上部プレート１０２から遠ざけるための復帰機構の一例を表すことに留意されたい。しかしながら、他の復帰機構も可能である。例えば、少なくとも１つの磁石１１８はピストンプレート１１０内またはその上に位置決めされてもよく、少なくとも１つの磁石１１８は下部プレート１０４内またはその上の１つまたは複数の磁石１２０に吸着されても、及び／または上部プレート１０２内またはその上の１つまたは複数の磁石１２２によって反発されてもよい。これらの実施形態では、ピストンプレート１１０及び１つ以上のプレート１０２～１０４内の任意の適切な位置に、任意の適切な数の磁石を使用してもよい。磁性の使用は、ばね１１４の使用（例えば、機械的ばねに関連する潜在的なヒステリシス）に勝るいくつかの信頼性の改善を提示し得るが、ばね及び磁石の実際の信頼性は実装によって異なることができる。

サーマルアクチュエータスイッチ１００の１つ以上の例は、多数の用途での使用を見いだし得る。例えば、サーマルアクチュエータスイッチ１００は、バッテリ、プロセッサ、またはその他のコンポーネントが所定の温度で、または所定の温度範囲内に維持される必要がある、多数のデバイスに使用され得る。特定の例として、電力消費を制限することが必要であるまたは望ましい場合があり、受動設計が長期信頼性を向上させることができる、衛星、無人航空機、及びその他のシステムにサーマルアクチュエータスイッチ１００を使用し得る。他の特定の例として、サーマルアクチュエータスイッチ１００は、付加製造（additive
manufacturing：積層造形）システムなど、製造システムまたは製造メッセージシステムに使用され得る。一般に、本開示は、サーマルアクチュエータスイッチ１００の任意の特定の用途に限定されず、本開示は、サーマルアクチュエータスイッチ１００と共に使用される任意の特定のタイプの熱源（複数可）及びヒートシンク（複数可）に限定されない。

図５及び図６は、本開示による、別の例示的なＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチ５００を示す。サーマルアクチュエータスイッチ５００は、上述のサーマルアクチュエータスイッチ１００と同じ設計特性（ならびに同じ利点、利益、及び用途）の多くを有する。簡潔にするために、これらの設計特性の一部のみを以下に説明するが、上述のサーマルアクチュエータスイッチ１００の様々な設計特性、利点、利益、及び用途は、サーマルアクチュエータスイッチ５００に等しく適用可能である。

図５及び図６に示されるように、サーマルアクチュエータスイッチ５００は、上部プレート５０２及び下部プレート５０４を含み、これらは、熱絶縁材料５０６によって任意選択で分離されてもよい。ピストン基部５０８及びピストンプレート５１０によって形成されるピストンは、プレート５０２及び５０４の間に位置決めされ、可動である。例えば、上部プレート５０２はプレート５０２の側壁部の間に形成された凹部を含んでもよく、ピストン基部５０８の少なくとも一部はこの凹部内に位置決めされ、上下に可動であることができる。同様に、下部プレート５０４はプレート５０４の側壁部の間に形成された凹部を含んでもよく、ピストンプレート５１０の少なくとも一部はその凹部内に位置決めされ、上下に可動であることができる。場合によっては、ピストン基部５０８は、内部キャビティを有する環状シリンダまたはその他の構造の形態を取り得る。この例では、上部プレート５０２自体は内部キャビティを画定し、その内に相変化材料５１２が位置決めされ、上部プレート５０２の内部キャビティは（ピストンの設計に応じて）上部プレート５０２の内部キャビティ内に存在しても、またはしなくてもよい。この特定の例では、相変化材料５１２は、ピストン基部５０８と上部プレート５０２の一部との間に位置決めされる。これにより、相変化材料５１２は上部プレート５０２の一部に接触することができ、上部プレート５０２は相変化材料５１２の上方向運動を防止することができる。相変化材料５１２は、温度に基づいて適切な量で膨張し収縮することができる少なくとも１つの材料を表す。

この例では、ピストンを使用して、プレート５０２及び５０４の間の熱接続を選択的に形成し（または改善し）、遮断する（または減少させる）ことができる。より具体的には、相変化材料５１２が図５に示されるように膨張状態にあると、ピストンプレート５１０は、下部プレート５０４の１つ以上のフランジまたはその他の突出部５２４から押し放され、熱接続を低減させるまたは減少させるのを助ける。相変化材料５１２が図６に示されるように収縮状態にあると、ピストンプレート５１０は、下部プレート５０４の１つ以上のフランジまたはその他の突出部５２４に押し込まれ、熱接続を形成するまたは改善するのを助ける。しかしながら、ピストンプレート５１０が下部プレート５０４のフランジ（複数可）またはその他の突出部（複数可）５２４の上に位置決めされる場合などに、ピストンプレート５１０、及び下部プレート５０４のフランジ（複数可）またはその他の突出部（複数可）５２４の位置を逆にし得ることに留意されたい。その場合、相変化材料５１２の膨張は、ピストンプレート５１０をフランジ（複数可）またはその他の突出部（複数可）５２４に押し込むことによって熱接続を形成／改善することができ、相変化材料５１２の収縮は、ピストンプレート５１０がフランジ（複数可）またはその他の突出部（複数可）５２４から遠ざかることを可能にすることによって熱接続を遮断する／減少させることができる。

１つ以上のばね５１４を復帰機構として使用して、ピストンプレート５１０を下部プレート５０４のフランジもしくはその他の突出部５２４に押し込むのに必要な力を与えること（ここに示される配置では）、またはピストンプレート５１０を下部プレート５０４のフランジもしくはその他の突出部５２４から押し放すことができる（ピストンプレート５１０がフランジまたはその他の突出部５２４より上にある代替配置では）。しかしながら、上述の磁石１１８～１２２の少なくとも一部など、その他の復帰機構をサーマルアクチュエータスイッチ５００に使用してもよいことに留意されたい。ここでは示していないが、上述の凹部１１６と同様の方法で、ばね５１４ごとに凹部を下部プレート５０４に形成してもよい。

１つ以上のサーマルストラップ５２６は、相変化材料５１２内に任意選択で位置決めされてよく、上部プレート５０２からピストン基部５０８まで延在する可能性がある。サーマルストラップ（複数可）５２６を使用して、温度の上昇に応じてより急速に相変化材料５１２を加熱する、または温度の低下に応じてより急速に相変化材料５１２を冷却するのを支援し得ることにより、相変化材料５１２がより急速に相変化するのを支援することができる。サーマルストラップ（複数可）５２６は上部プレート５０２とピストン基部５０８との間の少量の熱エネルギー伝達を可能にしてもよいが、ピストンプレート５１０がフランジまたは突出部５２４から離隔されている間、プレート５０２及び５０４の間の熱エネルギー伝達はほとんどない場合がある。各サーマルストラップ５２６は、１つ以上の金属、熱分解性グラファイトシート、または高い熱伝導率を有するその他の材料（複数可）など、任意の適切な材料（複数可）から形成されてもよい。また各サーマルストラップ５２６は、任意の適切な方法で形成されてもよく、任意の適切なサイズ、形状、及び寸法を有してもよい。加えてここでは、単一ストラップを含む、任意の適切な数のサーマルストラップ５２６を使用し得る。

図７及び図８は、本開示による、さらに別の例示的なＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチ７００を示す。サーマルアクチュエータスイッチ７００は、上述のサーマルアクチュエータスイッチ１００及び５００と同じ設計特性（ならびに同じ利点、利益、及び用途）の多くを有する。簡潔にするために、これらの設計特性の一部のみを以下に説明するが、上述のサーマルアクチュエータスイッチ１００及び５００の様々な設計特性、利点、利益、及び用途は、サーマルアクチュエータスイッチ７００に等しく適用可能である。

図７及び図８に示されるように、サーマルアクチュエータスイッチ７００は、上部プレート７０２及び下部プレート７０４を含み、これらは、熱絶縁材料７０６によって任意選択で分離されてもよい。ピストン基部７０８及びピストンプレート７１０によって形成されるピストンは、プレート７０２及び７０４の間に位置決めされ、可動である。例えば、上部プレート７０２はプレート７０２の側壁部の間に形成された凹部を含んでもよく、ピストン基部７０８の少なくとも一部はこの凹部内に位置決めされ、上下に可動であることができる。同様に、下部プレート７０４はプレート７０４の側壁部の間に形成された凹部を含んでもよく、ピストンプレート７１０の少なくとも一部はその凹部内に位置決めされ、上下に可動であることができる。場合によっては、ピストン基部７０８は、内部キャビティを有する環状シリンダまたはその他の構造の形態を取り得る。この例では、上部プレート７０２自体は内部キャビティを画定し、その内に相変化材料７１２が位置決めされ、上部プレート７０２の内部キャビティは（ピストンの設計に応じて）上部プレート７０２の内部キャビティ内に存在しても、またはしなくてもよい。この特定の例では、相変化材料７１２は、ピストン基部７０８と上部プレート７０２の一部との間に位置決めされる。これにより、相変化材料７１２は上部プレート７０２の一部に接触することができ、上部プレート７０２は相変化材料７１２の上方向運動を防止することができる。相変化材料７１２は、温度に基づいて適切な量で膨張し収縮することができる少なくとも１つの材料を表す。

この例では、ピストンを使用して、プレート７０２及び７０４の間の熱接続を選択的に形成し（または改善し）、遮断する（または減少させる）ことができる。より具体的には、相変化材料７１２が図７に示されるように膨張状態にあると、ピストンプレート７１０は、下部プレート７０４の１つ以上のフランジまたはその他の突出部７２４から押し放され、熱接続を低減させるまたは減少させるのを助ける。相変化材料７１２が図８に示されるように収縮状態にあると、ピストンプレート７１０は、下部プレート７０４の１つ以上のフランジまたはその他の突出部７２４に押し込まれ、熱接続を形成するまたは改善するのを助ける。しかしながら、ピストンプレート７１０が下部プレート７０４のフランジ（複数可）またはその他の突出部（複数可）７２４の上に位置決めされる場合などに、ピストンプレート７１０、及び下部プレート７０４のフランジ（複数可）またはその他の突出部（複数可）７２４の位置を逆にし得ることに留意されたい。その場合、相変化材料７１２の膨張は、ピストンプレート７１０をフランジ（複数可）またはその他の突出部（複数可）７２４に押し込むことによって熱接続を形成／改善することができ、相変化材料７１２の収縮は、ピストンプレート７１０がフランジ（複数可）またはその他の突出部（複数可）７２４から遠ざかることを可能にすることによって熱接続を遮断する／減少させることができる。

１つ以上のばね７１４を復帰機構として使用して、ピストンプレート７１０を下部プレート７０４のフランジもしくはその他の突出部７２４に押し込むのに必要な力を与えること（ここに示される配置では）、またはピストンプレート７１０を下部プレート７０４のフランジもしくはその他の突出部７２４から押し放すことができる（ピストンプレート７１０がフランジまたはその他の突出部７２４より上にある代替配置では）。しかしながら、上述の磁石１１８～１２２の少なくとも一部など、その他の復帰機構をサーマルアクチュエータスイッチ７００に使用してもよいことに留意されたい。ここでは示していないが、上述の凹部１１６と同様の方法で、ばね７１４ごとに凹部を下部プレート７０４に形成してもよい。

上部プレート７０２の１つまたは複数の突出部７２６は、相変化材料７１２が位置決めされる内部キャビティ内に延出することができる。そのうえまたは代替に、ピストン基部７０８の１つまたは複数の突出部７２８は、相変化材料７１２が位置決めされる内部キャビティ内に延出することができる。場合によっては、突出部７２６及び突出部７２８の両方を、使用することができ、異なる側方向位置に交互配置する、またはその他の方法で使用することができる。突出部７２６及び７２８のいずれか一方または両方を使用して、より大きい表面積を設けることができ、この表面積を通して、熱エネルギーは相変化材料７１２、上部プレート７０２、またはピストン基部７０８に流入し、そこから流出することができる。その結果、突出部７２６及び７２８のいずれか一方または両方を使用して、温度の上昇に応じてより急速に相変化材料７１２を加熱する、または温度の低下に応じてより急速に相変化材料７１２を冷却するのを支援し得ることにより、相変化材料７１２がより急速に相変化するのを支援することができる。各突出部７２６及び７２８は、任意の適切な方法で形成され、任意の適切なサイズ、形状、及び寸法を有し得る。またここで、任意の適切な数の突出部７２６（突出部の無いものを含む）及び／または任意の適切な数の突出部７２８（突出部の無いものを含む）を使用してもよい。

実装に応じて、サーマルアクチュエータスイッチ１００、５００、７００では、様々なタイプの相変化材料１１２、５１２、７１２を使用し得る。使用され得る相変化材料の例としては、水、パラフィンワックス、塩水和物、はんだ、またはインジウム合金が挙げられる。一部の実施形態では、相変化材料は、相変化材料がより低い温度で収縮し、より高い温度で膨張するように選択される。様々な形態のパラフィンワックス、塩水和物、はんだ、及びインジウム合金は、この方法で挙動する相変化材料の例である。他の実施形態では、相変化材料は、相変化材料がより低い温度で膨張し、より高い温度で収縮するように選択される。水は、この方法で挙動する相変化材料の一例である。したがって、使用される相変化材料の選択は、（ｉ）上部プレートと下部プレートとの間の熱接続が相変化材料の膨張または収縮に応じて形成されるかどうか、または改善されるかどうか、そして（ｉｉ）上部プレートと下部プレートとの間の熱接続が相変化材料の膨張または収縮に応じて遮断されるまたは減少するかどうかに（少なくとも部分的に）依存することができる。

図１～図８は、ＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチ１００、５００、７００の例を示しているが、図１～図８に様々な変更を加えてもよい。例えば、各サーマルアクチュエータスイッチ１００、５００、７００及びそのコンポーネントのサイズ、形状、及び寸法は、必要に応じて、または要望通り変動し得る。例えば、各ピストンの形状またはアスペクト比は、移動量と力との間の所望のバランスを達成するように最適化され得る。場合によっては、ピストンプレート１１０、５１０、７１０は、ピストンプレート１１０、５１０、７１０の側部がサーマルアクチュエータスイッチ１００、５００、７００のハウジング（主に上部または下部プレート）に接触するのを絶縁するように可能な限り薄く保たれ得る。また、低熱伝導率材料は、ピストンプレート１１０、５１０、７１０と上部または下部プレートとの間の界面上に、またはそれに沿って位置決めされ得ることにより、それらの位置での熱抵抗が増加し得、摩擦が低減し得る。さらに、様々な追加の特徴は、サーマルアクチュエータスイッチ１００、５００、７００と共に使用されてもよい。特定の例として、１つ以上の熱界面材料は、熱抵抗を制限するために、ピストンプレート１１０、５１０、７１０と上部及び下部プレート１０２～１０４、５０２～５０４、７０２～７０４との間の接触界面に使用されてよい。別の特定の例として、１つ以上の熱界面材料は、熱抵抗を制限するために、サーマルアクチュエータスイッチ１００、５００、７００と熱源（複数可）／ヒートシンク（複数可）との間の接触界面に使用されてもよい。さらに別の特定の例として、熱絶縁を使用して、熱エネルギー伝達が実質的にサーマルアクチュエータスイッチ１００、５００、７００のピストンを通して起こることを確保するのに役立ち得る。加えて、サーマルアクチュエータスイッチ１００、５００、７００のハウジングが相変化材料１１２、５１２、７１２の転移温度付近で適切な応力を処理することができる場合などには、複数の相変化材料１１２、５１２、７１２は、サーマルアクチュエータスイッチ１００、５００、７００に使用されてもよい。

サーマルアクチュエータスイッチ１００、５００、７００のプレート１０２～１０４、５０２～５０４、７０２～７０４を説明するために「上部」及び「下部」が使用されるが、これは、サーマルアクチュエータスイッチ１００、５００、７００にいずれの構造上または使用上の制限も与えるものではないことに留意されたい。「上部」及び「下部」という用語は、単に便宜上、図に具体的に示されるようなプレートの位置を指すために使用される。サーマルアクチュエータスイッチ１００、５００、７００のそれぞれは、必要に応じてまたは要望通り、逆の方法で、横向きで、または任意の他の適切な向きもしくは配置で実装される、または使用されることができる。

また、図１～図８に示される特徴の任意の組み合わせを、特徴のその特異的な組み合わせが図に示されるか、上記に記載されているかどうかに関わらず、単一のサーマルアクチュエータスイッチに使用し得ることにも留意されたい。従って、例えば、サーマルアクチュエータスイッチ１００は、１つ以上のフランジまたはその他の突出部５２４もしくは７２４を有するプレート１０２または１０４を含んでもよい。また、サーマルアクチュエータスイッチ１００及び７００はサーマルストラップ５２６を含んでもよく、またはサーマルアクチュエータスイッチ１００及び５００は突出部７２６及び突出部７２８の一方または両方を含んでもよい。加えて、各サーマルアクチュエータスイッチは、図（複数可）に示される任意の適切な数の各コンポーネントを含み得る。

図９は、本開示による、ＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチの例示的な第一積層配置９００を示す。図９に示されるように、積層配置９００は、直列に熱で（そして場合によっては機械的に）結合される複数のサーマルアクチュエータスイッチ９０２～９０４を含む。各サーマルアクチュエータスイッチ９０２～９０４は、上述のサーマルアクチュエータスイッチ１００、５００、または７００の別個の例を表し得るが、各サーマルアクチュエータスイッチ９０２～９０４は、ピストンが相変化材料の膨張／収縮に基づいて移動する任意の他の適切な設計を有し得る。

いくつかの実施形態では、サーマルアクチュエータスイッチ９０２～９０４は、異なる相変化材料１１２、５１２、７１２を含む。例えば、サーマルアクチュエータスイッチ９０２は転移温度が低い１つ以上の相変化材料１１２、５１２、７１２を有してもよく、サーマルアクチュエータスイッチ９０４は転移温度が高い１つ以上の相変化材料１１２、５１２、７１２を有してもよい（またはその逆も同様であってもよい）。場合によっては、より低い転移温度は、約５℃であっても、または５℃を含む範囲内であってもよく、より高い転移温度は、約２５℃であっても、または２５℃を含む範囲内であってもよい。従って、この積層配置９００は、サーマルアクチュエータスイッチ９０２～９０４の１つがより低い温度で（例えば、その相変化材料１１２、５１２、７１２を膨張させるまたは収縮させることによって）閉じ、サーマルアクチュエータスイッチ９０２～９０４の両方がより高い温度で閉じることを可能にする。結果として、これは、「貫通」方向に調整可能な熱分離を設けるのに役立つ。

上述のサーマルアクチュエータスイッチ１００、５００、または７００と同様に、積層配置９００により、少なくとも１つの熱源９０６と少なくとも１つのヒートシンク９０８との間の熱エネルギー伝達の受動制御が可能になる。少なくとも１つの熱源９０６は任意の適切な熱エネルギー源を表し、少なくとも１つのヒートシンク９０８は熱エネルギーに適切な任意の供給先を表す。なお、少なくとも１つの熱源９０６は、１つ以上のデバイスを加熱するためにヒータ（複数可）９１０が必要とされ得る低温環境などでは、任意選択で、１つ以上のヒータ９１０を含んでもよく、またはそれらに関連していてもよい。

図１０は、本開示による、ＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチの例示的な第二積層配置１０００を示す。ここでの積層配置１０００は、積層配置９００と同様である。図１０に示されるように、積層配置１０００は、直列に熱で結合される複数のサーマルアクチュエータスイッチ１００２～１００４を含む。各サーマルアクチュエータスイッチ１００２～１００４は、上述のサーマルアクチュエータスイッチ１００、５００、または７００の別個の例を表し得るが、各サーマルアクチュエータスイッチ１００２～１００４は、ピストンが相変化材料の膨張／収縮に基づいて移動する任意の他の適切な設計を有し得る。

いくつかの実施形態では、サーマルアクチュエータスイッチ１００２～１００４は、異なる相変化材料１１２、５１２、７１２を含む。例えば、サーマルアクチュエータスイッチ１００２は転移温度が低い１つ以上の相変化材料１１２、５１２、７１２を有してもよく、サーマルアクチュエータスイッチ１００４は転移温度が高い１つ以上の相変化材料１１２、５１２、７１２を有してもよい（またはその逆も同様であってもよい）。場合によっては、より低い転移温度は、約５℃であっても、または５℃を含む範囲内であってもよく、より高い転移温度は、約２５℃であっても、または２５℃を含む範囲内であってもよい。従って、この積層配置１０００は、サーマルアクチュエータスイッチ１００２～１００４の１つがより低い温度で（例えば、その相変化材料１１２、５１２、７１２を膨張させるまたは収縮させることによって）閉じ、サーマルアクチュエータスイッチ１００２～１００４の両方がより高い温度で閉じることを可能にする。結果として、これは、「貫通」方向に調整可能な熱分離を設けるのに役立つ。

この構成では、積層配置１０００は、少なくとも１つの熱源１００６と少なくとも１つのヒートシンク１００８との間に物理的に位置決めされない。代わりに、積層配置１０００は、他の箇所に位置決めされ、熱伝導体１０１０及び１０１２を使用して、サーマルアクチュエータスイッチ１００２及び１００４を熱源（複数可）１００６及びヒートシンク（複数可）１００８に熱で結合する。各熱伝導体１０１０及び１０１２は、サーマルアクチュエータスイッチとの間で熱エネルギーを伝達するように構成された任意の適切な構造体を表す。実質的にここでは、熱伝導体１０１０及び１０１２は、積層配置１０００との間で熱エネルギーを供給するためのヒートストラップとして機能する。各熱伝導体１０１０及び１０１２は、１つ以上の金属、熱分解性グラファイトシート、または高い熱伝導率を有するその他の材料（複数可）など、任意の適切な材料（複数可）を使用して形成されてもよい。各熱伝導体１０１０及び１０１２は、任意の適切な方法で形成されてもよい。加えて、各熱伝導体１０１０及び１０１２は、任意の適切なサイズ、形状、及び寸法を有し得る。

熱絶縁材料１０１４は、任意選択で、熱伝導体１０１０及び１０１２または熱伝導体１０１０及び１０１２の一部の間に位置決めされてもよい。熱絶縁材料１０１４は、熱伝導体１０１０及び１０１２の間の直接的な熱エネルギー伝達を抑制するために、熱伝導体１０１０及び１０１２の間の熱伝導を低減させるのに役立つことができる。熱絶縁材料１０１４は、熱伝導体１０１０及び１０１２を保持するために使用される熱絶縁性エポキシもしくはその他の材料（複数可）、または熱伝導体１０１０及び１０１２の間に位置決めされたガラス繊維シートもしくはその他の構造体（複数可）など、任意の適切な材料（複数可）から形成されてもよい。また熱絶縁材料１０１４は、任意の適切な方法で形成されてもよい。加えて、熱絶縁材料１０１４は、任意の適切なサイズ、形状、及び寸法を有し得る。なお、熱伝導体１０１０及び１０１２が（図１０の実施形態に示されるように）熱絶縁材料１０１４を越えて延出する場合、熱伝導体１０１０及び１０１２は、必要または要望に応じて強化されてもよいことに留意されたい。例えば、熱絶縁材料１０１４を越えて延出する熱伝導体１０１０及び１０１２の少なくとも部分は、熱分解性グラファイトシートまたはその他の材料（複数可）を使用して形成されてもよく、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）またはその他の強化材料（複数可）を使用して強化されてもよい。

いくつかの実施形態では、ＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチの積層配置９００、１０００のそれぞれは、以下のように実装されてもよい。サーマルアクチュエータスイッチは、ヒートシンクのより近くに配置されることができ、作動する（閉じられる）と、より高い温度でスイッチによる熱エネルギー輸送が可能になる。サーマルアクチュエータスイッチは、熱源のより近くに配置されることができ、作動する（閉じられる）と、より低い温度でスイッチによる熱エネルギー輸送が可能になる。これは、より高い作動温度を有するサーマルアクチュエータスイッチが、システム全体の制御を越えるある時点で高温環境温度に「クランプ」するのを防止することを支援するために行われてもよい（ループ内に能動冷却が存在しない場合があるため）。その代わり、より高い作動温度を有するサーマルアクチュエータスイッチは（例えば、ヒータを介して）制御されることができる、より低い温度にクランプされることができる。場合によっては、２つの積層スイッチが開閉する方法は、一方のスイッチがより高い温度で膨張する相変化材料を有し、他方のスイッチがより高い温度で収縮する相変化材料を有する場合など、互いに反対であることができる。特定の実施形態では、水は、多くの他の相変化材料とは反対の方法で挙動する傾向があるため、積層スイッチの１つに使用されることができる。しかしながら、スイッチの所望の作動が達成されるように、必要に応じてまたは要望通り、スイッチの配置が調整されることができることに留意されたい。

図９及び図１０はＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチの積層配置９００、１０００の例を示しているが、図９及び図１０には様々な変更を行うことができる。例えば、ＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチの積層配置は、任意の適切な方法で使用され得る。また、ＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチの積層配置は２つより多いサーマルアクチュエータスイッチを含んでもよく、サーマルアクチュエータスイッチは異なる温度で膨張／収縮する２つより多い相変化材料を含んでも、または含まなくてもよい。

図１１は、本開示による、ＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチの例示的なアレイ１１００を示す。図１１に示されるように、アレイ１１００はアレイ素子を含み、各アレイ素子はサーマルアクチュエータスイッチ１１０２を含む。ここで見られるように、サーマルアクチュエータスイッチ１１０２は、並列に配置され、これは、サーマルアクチュエータスイッチ１１０２が少なくとも１つの熱源と少なくとも１つのヒートシンクとの間で熱エネルギーを伝達するために、それぞれ独立して使用されることができることを意味する。各サーマルアクチュエータスイッチ１１０２は、上述のサーマルアクチュエータスイッチ１００、５００、または７００の別個の例を表し得るが、各サーマルアクチュエータスイッチ１１０２は、ピストンが相変化材料の膨張／収縮に基づいて移動する任意の他の適切な設計を有し得る。いくつかの実施形態では、図１１に示されるアレイ１１００の各アレイ素子は、図９に示される配置など、複数のサーマルアクチュエータスイッチ１１０２の積層配置を含んでもよい。

サーマルアクチュエータスイッチ１１０２の並列配置の使用は、１つ以上のデバイスの温度を制御し、１つ以上のデバイスにわたる温度勾配を制御するのに役立つことができる。例えば、１つまたは複数のデバイスは、所望の温度範囲内に維持されることができ、デバイス（複数可）の１つまたは複数の表面にわたって所望の温度勾配を維持する（または所望の温度勾配範囲内の温度勾配を有する）ことができる。この例では、サーマルアクチュエータスイッチ１１０２は、一般に、ロウに配置され、これらロウは、互いに対して千鳥状に配列される（各サーマルアクチュエータスイッチ１１０２は隣接するロウ内のサーマルアクチュエータスイッチ１１０２とアライメントされないことを意味する）。このタイプの配置は、サーマルアクチュエータスイッチ１１０２間の側方向の熱伝達を低減させるまたは最小にすることを支援する際に有用である場合がある。しかしながら、アライメントされたサーマルアクチュエータスイッチ１１０２も使用し得る。

なお、ここで示されるサーマルアクチュエータスイッチ１１０２のサイズは、各ロウのサーマルアクチュエータスイッチ１１０２間の間隔、及び異なるロウのサーマルアクチュエータスイッチ１１０２間の間隔と同様に、変動することができることに留意されたい。場合によっては、サーマルアクチュエータスイッチ１１０２間の間隔は、１つ以上の熱絶縁材料などによって、少なくとも部分的に充填されることができると、これら１つ以上の熱絶縁材料は、サーマルアクチュエータスイッチ１１０２が位置決めされる位置に実質的に熱伝導を制限することを支援する。

図１１は、ＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチのアレイ１１００の一例を示しているが、図１１には様々な変更を行い得る。例えば、ＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチの並列配置は、任意の適切な方法で使用され得る。また、ＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチのアレイ１１００は、任意の適切なレイアウトで任意の適切な数のサーマルアクチュエータスイッチ１１０２を含んでもよい。

以下は、ＰＣＭに基づいた伝導性サーマルアクチュエータスイッチを実装する、またはそれらに関連する本開示の例示的な実施形態を説明する。しかしながら、他の実施形態を本開示の教示に従って使用し得る。

第一実施形態では、装置は、装置を通した熱エネルギーの伝達を制御するように構成された複数のサーマルアクチュエータスイッチを含み、サーマルアクチュエータスイッチは、積層構成に配置される。各サーマルアクチュエータスイッチは、第一プレート及び第二プレート、ならびに第一プレートと第二プレートとの間で可動なピストンを含む。また各サーマルアクチュエータスイッチは、（ｉ）膨張してピストンの表面を第一位置に移動させ、（ｉｉ）収縮してピストンの表面を第二位置に移動させることを可能にするように構成された相変化材料を含む。ピストンの表面は、第一プレートと熱的に接触し、第一位置及び第二位置の一方にある場合、第一プレートと第二プレートとの間の熱エネルギー伝達を増加させる。ピストンの表面は、第一プレートから離隔され、第一位置及び第二位置の他方にある場合、第一プレートと第二プレートとの間の熱エネルギー伝達を減少させる。サーマルアクチュエータスイッチの異なるものは、異なる温度で膨張するまたは収縮する異なる相変化材料を含む。

第二実施形態では、システムは、少なくとも１つの熱源、及び少なくとも１つのヒートシンクを含む。またシステムは、少なくとも１つの熱源と少なくとも１つのヒートシンクとの間の熱エネルギーの伝達を制御するように構成された複数のサーマルアクチュエータスイッチを含み、サーマルアクチュエータスイッチは、積層構成に配置される。各サーマルアクチュエータスイッチは、第一プレート及び第二プレート、ならびに第一プレートと第二プレートとの間で可動なピストンを含む。また各サーマルアクチュエータスイッチは、（ｉ）膨張してピストンの表面を第一位置に移動させ、（ｉｉ）収縮してピストンの表面を第二位置に移動させることを可能にするように構成された相変化材料を含む。ピストンの表面は、第一プレートと熱的に接触し、第一位置及び第二位置の一方にある場合、第一プレートと第二プレートとの間の熱エネルギー伝達を増加させる。ピストンの表面は、第一プレートから離隔され、第一位置及び第二位置の他方にある場合、第一プレートと第二プレートとの間の熱エネルギー伝達を減少させる。サーマルアクチュエータスイッチの異なるものは、異なる温度で膨張するまたは収縮する異なる相変化材料を含む。

第三態様では、方法は、少なくとも１つの熱源から熱エネルギーを複数のサーマルアクチュエータスイッチで受けることを含み、サーマルアクチュエータスイッチは積層構成に配置される。また方法は、サーマルアクチュエータスイッチを使用して、少なくとも１つの熱源と少なくとも１つのヒートシンクとの間の熱エネルギーの伝達を制御することとを含む。各サーマルアクチュエータスイッチは、第一プレート及び第二プレート、ならびに第一プレートと第二プレートとの間で可動なピストンを含む。また各サーマルアクチュエータスイッチは、（ｉ）膨張してピストンの表面を第一位置に移動させ、（ｉｉ）収縮してピストンの表面を第二位置に移動させることを可能にするように構成された相変化材料を含む。ピストンの表面は、第一プレートと熱的に接触し、第一位置及び第二位置の一方にある場合、第一プレートと第二プレートとの間の熱エネルギー伝達を増加させる。ピストンの表面は、第一プレートから離隔され、第一位置及び第二位置の他方にある場合、第一プレートと第二プレートとの間の熱エネルギー伝達を減少させる。サーマルアクチュエータスイッチの異なるものは、異なる温度で膨張するまたは収縮する異なる相変化材料を含む。

以下の特徴の任意の単一のものまたは任意の適切な組み合わせを、第一、第二、または第三実施形態と共に使用し得る。各サーマルアクチュエータスイッチは、相変化材料が収縮する場合、ピストンを移動させるように構成された復帰部を含んでもよい。各サーマルアクチュエータスイッチの復帰部は、１つ以上のばねまたは磁石を含み得る。サーマルアクチュエータスイッチは、第一及び第二サーマルアクチュエータスイッチを含み得、第一及び第二サーマルアクチュエータスイッチは、それぞれ第一及び第二相変化材料を含み得、第一相変化材料は第二相変化材料とは異なる温度で膨張しまたは収縮し得る。アレイは、複数のアレイ素子を含み得、各アレイ素子は、積層構成に２つ以上のサーマルアクチュエータスイッチを含み得る。複数のヒートストラップは、サーマルアクチュエータスイッチとの間で熱エネルギーを輸送し得る。

本特許文書全体を通して使用される特定の単語及び語句の定義を記載しておくと有利な場合がある。「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」及び「備える／含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という用語、ならびにそれらの派生語は、制限なく含むことを意味する。「または」という用語は、包括的であり、及び／またはを意味する。「に関連する（ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｗｉｔｈ）」という語句、及びその派生語は、含む、その内に含まれる、それと相互接続する、収容する、その内に収容される、それにまたはそれと接続する、それにまたはそれと結合する、それと通信可能である、それと連携する、インターリーブする、並列する、それに最も近い、それにまたはそれとバインドされる、有する、そのプロパティを有する、それにまたはそれと関係するなどを意味することがある。「のうちの少なくとも１つ」という語句は、項目のリストと共に使用される場合、リストに挙げられた項目のうちの１つまたは複数の異なる組み合せを使用してもよく、リスト内の１つの項目のみを必要とする場合があることを意味する。例えば、「Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つ」は、次の組み合わせ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ａ及びＢ、Ａ及びＣ、Ｂ及びＣ、ならびにＡ及びＢ及びＣのいずれかを含む。

本開示における説明は、いずれかの特定の要素、ステップ、または機能が特許請求の範囲内に含まれなければならない必須のまたは重要な要素であることを黙示するものとして読まれるべきではない。特許主題の範囲は、許可された特許請求の範囲によってのみ定義される。さらに、「のための手段（ｍｅａｎｓ ｆｏｒ）」または「のためのステップ（ｓｔｅｐ ｆｏｒ）」という正確な語句が特定の請求項において明示的に使用され、その後に機能を特定する分詞句が続かない限り、いずれの請求項も、添付の特許請求の範囲または請求項の要素のいずれに関しても、米国特許法第１１２条（ｆ）を行使しない。請求項内の「メカニズム」、「モジュール」、「デバイス」、「ユニット」、「コンポーネント」、「要素」、「部材」、「装置」、「マシン」、「システム」、「プロセッサ」、または「コントローラ」のような用語の使用は（限定ではないが）、請求項自体の特徴によってさらに修正されるまたは強化される、当業者に知られている構造体を指すことが理解され、それを指すことを意図したものであり、米国特許法第１１２条（ｆ）を行使することを意図したものではない。

本開示が特定の実施形態及び一般的に関連する方法を説明してきたが、これらの実施形態及び方法の代替形態及び置換形態は、当業者には明らかであろう。したがって、例示的な実施形態の上記の説明は、本開示を定義または制約するものではない。以下の特許請求の範囲によって定義されるような、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、他の変更、置換、及び代替も可能である。

Claims (20)

1. 複数のサーマルアクチュエータスイッチを含む装置であって、
   前記サーマルアクチュエータスイッチは、前記装置を通した熱エネルギーの伝達を制御するように構成され、積層構成に配置され、
   各サーマルアクチュエータスイッチは、
   第一プレート及び第二プレート、
   前記第一プレートと前記第二プレートとの間で可動なピストン、ならびに
   相変化材料であって、（ｉ）膨張して前記ピストンの表面を第一位置に移動させ、（ｉｉ）収縮して前記ピストンの前記表面を第二位置に移動させることを可能にするように構成され、前記ピストンの前記表面は、前記第一プレートに熱的に接触し、前記第一プレートと前記第二プレートとの間の熱エネルギー伝達を増加させるように構成され、前記ピストンの前記表面はまた、前記第一プレートから離隔され、前記第一プレートと前記第二プレートとの間の熱エネルギー伝達を減少させるように構成される、前記相変化材料、
   を含み、
   前記サーマルアクチュエータスイッチの異なるものは、異なる温度で膨張するまたは収縮する異なる相変化材料を含む、
   装置。
2. 各サーマルアクチュエータスイッチは、前記相変化材料が収縮する場合、前記ピストンを移動させるように構成された復帰部をさらに含む、請求項１に記載の装置。
3. 各サーマルアクチュエータスイッチの前記復帰部は１つ以上のばねを含む、請求項２に記載の装置。
4. 各サーマルアクチュエータスイッチの前記復帰部は複数の磁石を含む、請求項２に記載の装置。
5. 前記サーマルアクチュエータスイッチは、第一サーマルアクチュエータスイッチ及び第二サーマルアクチュエータスイッチを含み、
   前記第一サーマルアクチュエータスイッチ及び前記第二サーマルアクチュエータスイッチは、それぞれ第一相変化材料及び第二相変化材料を含み、
   前記第一相変化材料は、前記第二相変化材料とは異なる温度で膨張するまたは収縮するように構成される、請求項１に記載の装置。
6. アレイは複数のアレイ素子を含み、
   各アレイ素子は、前記積層構成内に２つ以上の前記サーマルアクチュエータスイッチを含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記サーマルアクチュエータスイッチとの間で熱エネルギーを輸送するように構成された複数のヒートストラップをさらに含む、請求項１に記載の装置。
8. 少なくとも一つの熱源、
   少なくとも１つのヒートシンク、及び
   前記少なくとも１つの熱源と前記少なくとも１つのヒートシンクとの間の熱エネルギーの伝達を制御するように構成された複数のサーマルアクチュエータスイッチ、
   を含むシステムであって、
   前記サーマルアクチュエータスイッチは、積層構成に配置され、
   各サーマルアクチュエータスイッチは、
   第一プレート及び第二プレート、
   前記第一プレートと前記第二プレートとの間で可動なピストン、ならびに
   相変化材料であって、（ｉ）膨張して前記ピストンの表面を第一位置に移動させ、（ｉｉ）収縮して前記ピストンの前記表面を第二位置に移動させることを可能にするように構成され、前記ピストンの前記表面は、前記第一プレートに熱的に接触し、前記第一プレートと前記第二プレートとの間の熱エネルギー伝達を増加させるように構成され、前記ピストンの前記表面はまた、前記第一プレートから離隔され、前記第一プレートと前記第二プレートとの間の熱エネルギー伝達を減少させるように構成される、前記相変化材料、
   を含み、
   前記サーマルアクチュエータスイッチの異なるものは、異なる温度で膨張するまたは収縮する異なる相変化材料を含む、
   システム。
9. 各サーマルアクチュエータスイッチは、前記相変化材料が収縮する場合、前記ピストンを移動させるように構成された復帰部をさらに含む、請求項８に記載のシステム。
10. 各サーマルアクチュエータスイッチの前記復帰部は１つ以上のばねを含む、請求項９に記載のシステム。
11. 各サーマルアクチュエータスイッチの前記復帰部は複数の磁石を含む、請求項９に記載のシステム。
12. 前記サーマルアクチュエータスイッチは、第一サーマルアクチュエータスイッチ及び第二サーマルアクチュエータスイッチを含み、
    前記第一サーマルアクチュエータスイッチ及び前記第二サーマルアクチュエータスイッチは、それぞれ第一相変化材料及び第二相変化材料を含み、
    前記第一相変化材料は、前記第二相変化材料とは異なる温度で膨張するまたは収縮するように構成される、請求項８に記載のシステム。
13. アレイは複数のアレイ素子を含み、
    各アレイ素子は、前記積層構成内に２つ以上の前記サーマルアクチュエータスイッチを含む、請求項８に記載のシステム。
14. （ｉ）前記少なくとも１つの熱源及び前記少なくとも１つのヒートシンクと、（ｉｉ）前記サーマルアクチュエータスイッチとの間で熱エネルギーを輸送するように構成された複数のヒートストラップをさらに含む、請求項８に記載のシステム。
15. 少なくとも１つの熱源から熱エネルギーを複数のサーマルアクチュエータスイッチで受けることであって、前記サーマルアクチュエータスイッチは積層構成に配置される、ことと、
    前記サーマルアクチュエータスイッチを使用して、前記少なくとも１つの熱源と前記少なくとも１つのヒートシンクとの間の前記熱エネルギーの伝達を制御することと、
    を含む方法であって、
    各サーマルアクチュエータスイッチは、
    第一プレート及び第二プレート、
    前記第一プレートと前記第二プレートとの間で可動なピストン、ならびに
    相変化材料であって、（ｉ）膨張して前記ピストンの表面を第一位置に移動させ、（ｉｉ）収縮して前記ピストンの前記表面を第二位置に移動させることを可能にするように構成され、前記ピストンの前記表面は、前記第一プレートに熱的に接触し、前記第一プレートと前記第二プレートとの間の熱エネルギー伝達を増加させるように構成され、前記ピストンの前記表面は、前記第一プレートから離隔され、前記第一プレートと前記第二プレートとの間の熱エネルギー伝達を減少させるように構成される、前記相変化材料、
    を含み、
    前記サーマルアクチュエータスイッチの異なるものは、異なる温度で膨張するまたは収縮する異なる相変化材料を含む、方法。
16. 各サーマルアクチュエータスイッチでは、前記相変化材料が収縮する場合、復帰部を使用して、前記ピストンを移動させることをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 各サーマルアクチュエータスイッチの前記復帰部は、１つ以上のばねまたは磁石を含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記サーマルアクチュエータスイッチは、第一サーマルアクチュエータスイッチ及び第二サーマルアクチュエータスイッチを含み、
    前記第一サーマルアクチュエータスイッチ及び前記第二サーマルアクチュエータスイッチは、それぞれ第一相変化材料及び第二相変化材料を含み、
    前記第一相変化材料は、前記第二相変化材料とは異なる温度で膨張するまたは収縮するように構成される、請求項１５に記載の方法。
19. アレイは複数のアレイ素子を含み、
    各アレイ素子は、前記積層構成内に２つ以上の前記サーマルアクチュエータスイッチを含む、請求項１５に記載の方法。
20. 複数のヒートストラップを使用して、（ｉ）前記少なくとも１つの熱源及び前記少なくとも１つのヒートシンクと、（ｉｉ）前記サーマルアクチュエータスイッチとの間で熱エネルギーを輸送することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。

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