(57)【要約】【課題】  構造を複雑化することなく、従来の熱電素子と比較して飛躍的に安定した冷却および／または加熱特性を示す熱電素子およびそれを備えた熱電装置を提供する。【解決手段】  冷却装置（熱電装置）１０に備えられた冷却素子（熱電素子）１は、所定の内圧を有する中空部１２・１３が設けられた陰極２と陽極３とを備えており、冷却装置１０は、中空部１２・１３の内圧を調節する加減圧ポンプ１１を備えており、定常状態における中空部１３の内圧を、真空空間５の内圧よりも高くなるよう調節している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極と陽極とが真空空間を介して対向配置され、陰極に負電圧を印加し、陽極に正電圧を印加することによって、上記陰極から上記陽極へと電子を移動させて、陰極を冷却し、陽極を加熱する熱電素子であって、
所定の内圧を有する中空部を備えた機構部材が、上記陰極および陽極の対向側とは反対側に、該陰極および陽極とそれぞれ一体的に設けられていることを特徴とする熱電素子。
【請求項２】
上記陰極の一部分および陽極の一部分が、上記機構部材を兼ねていることを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
【請求項３】
陰極および陽極に電圧が印加されていない非定常状態における上記中空部の内圧が、上記真空空間の内圧と一致するように調整されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
【請求項４】
請求項１ないし３に記載の熱電素子を備えた熱電装置であって、
上記中空部の内圧を調節する調節手段を備えていることを特徴とする熱電装置。
【請求項５】
上記調節手段は、陰極のたわみ量と陽極のたわみ量との差がなくなるように中空部の内圧を調節するようになっており、
さらに、上記中空部の内圧を計測する内圧計測手段と、
上記陰極および陽極の温度を測定する温度計測手段と、
上記内圧計測手段および温度計測手段の計測結果に基づいて、上記調節手段を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする請求項４に記載の熱電装置。
【請求項６】
上記調節手段は、陰極の中空部の内圧と、陽極の中空部の内圧とを、それぞれ独立して調節するようになっていることを特徴とする請求項４に記載の熱電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電素子およびそれを備えた熱電装置に関し、詳細には、電子トンネル効果を用いて一方から他方へと熱を移動させることによって、冷却および／または加熱を行う熱電素子およびそれを備えた熱電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱電素子は、一方の電極から他方の電極へと熱を移動させることによって、一方の電極を冷却し、他方の電極を加熱することができる。このような性質を有する熱電素子は、小型冷蔵庫やレーザ発信器の冷却装置の電子冷却素子として利用されている。
【０００３】
現在、冷蔵庫、冷凍庫においては、コンプレッサーが一般的に用いられているが、環境志向の高まりから、スターリングエンジンなどの脱フロン冷却機構が求められてきているため、レーザなどの小型電子部品の冷却機構には、上記電子冷却素子であるペルチェ素子が一般的に用いられている。
【０００４】
コンプレッサーやスターリングエンジンは、高冷却性能を有するものの、動作原理の点から冷却システムが大きくなってしまうというデメリットがある。一方、ペルチェ素子は小型ではあるものの、コンプレッサーなどに比べ冷却性能が半分程度に低下してしまうといったデメリットがある。
【０００５】
上記デメリットを解決すべく、ペルチェ素子並みに小型、かつコンプレッサー並みの冷却性能を有する素子の開発が求められており、候補の一つとして、電子トンネル効果を用いた冷却素子が挙げられている。
【０００６】
このような冷却素子（熱電素子）としては、ペルチェ素子、電子トンネル効果を用いた電子冷却素子がある。以下、各素子について簡単に説明する。
【０００７】
ペルチェ素子は、図７に示すように、金属５０とＮ型半導体（陽極）５１、Ｐ型半導体（陰極）５２とを組み合わせ、Ｎ型半導体側を正電位、Ｐ型半導体側を負電位にすることにより、金属５０が冷却されるというものである。
【０００８】
一般にペルチェ素子の冷却性能指数（ＣＯＰ）は、以下の式で与えられる。
【０００９】
ＣＯＰ＝（αｐ−αｎ）２÷｛√（ρｐｋｐ）＋√（ρｎｋｎ）｝  …（１）
ここで、αは半導体の熱起電能、ρは半導体の比抵抗、ｋは半導体の熱伝導率を示す。また、添字ｐ、ｎはそれぞれＰ型、Ｎ型であることを意味している。上記ＣＯＰの値が大きいほど冷却能力は高く、高効率の冷却素子を得ることができる。
【００１０】
また、電子トンネル効果とは、真空もしくは絶縁体を隔てた対向する２つの電極間を電子が移動する現象であり、より詳しくは、真空空間に形成されたエネルギー障壁を、所望のエネルギーをもった電子が通過することによって起こる現象である。このような現象を利用して冷却を行う素子が、電子トンネル効果を用いた冷却素子である。
【００１１】
電子トンネル効果を利用したヒートポンプに関する文献として、特許文献１がある。このヒートポンプは図８に示すように、陰極７１および陽極７２と、これらの電極に各々負電圧と正電圧を印加して電流を供給するための電源７３と、両電極の表面に被覆された低仕事関数材料７４とで構成される。陰極７１と陽極７２はスペーサー７６を用い、０．１〜１μｍの間隔の真空空間７５を介して、対向配置されている。低仕事関数材料７４は、動作温度でトンネル電子７７および熱電子７７を放出する材料であり、仕事関数が約０．３ｅＶ以下のものが用いられる。上記構成により、低仕事関数材料７４の表面から、その接触する電極の温度によりエネルギーを供給されたトンネル電子・熱電子７７が真空空間７５内に放出される。
【００１２】
電源７３を用いて図８に示すように電圧を印加すると、陰極７１からトンネル電子・熱電子７７が放出され、真空空間７５を移動して陽極７２へ取り込まれる。陰極７１からトンネル電子７７、および熱電子７７が放出される際には、陰極７１の有する熱は冷却される。一方、運動エネルギーをもったトンネル電子７７、および熱電子７７が供給される陽極７２は温度が上昇する。このようにして陰極７１が冷却されると同時に陽極７２は加熱されるというものである。
【００１３】
また、以上のような電子冷却素子（熱電素子）を備えた熱電装置について、特許文献２および特許文献３に記載がある。
【００１４】
特許文献２に記載の熱電子ヒートポンプ装置は、電子冷却素子部、電流計、温度計、電源と、それらを制御する制御手段からなる。電子冷却素子部は陰極、陽極からなり、各電極の対向面に低仕事関数材料が配置されている。電流計、電源は陰極と陽極の間に設けられ、電流計は陰極と陽極間の電流を計測するためのものである。温度計は陰極側に設けられ、素子の冷却量を測定するためのものである。また、制御手段は、電流計、温度計、電源と接続している。制御手段により、陰極の温度と、陰極と陽極間を流れる電流量をモニターし、冷却効率が最大となるように電源の電圧量を調整するというものである。
【００１５】
一方、特許文献３に記載の熱電気装置は、ケーシングと、ケーシング内に設置された熱交換機構と、熱交換機構により隔てられた２つの流路、外気流路と室内空気流路からなる。熱交換機構は、陰極と陽極の間が真空状態に保持された熱電気素子からなり、該陰極、陽極の双方、またはいずれか一方の対向面に配置された、カーボンナノチューブなどの電導性物質からなるナノ構造体で形成される。
【００１６】
特許文献３に開示された実施例では、該熱電気素子に印加される電圧を切り替えることにより、冷房／暖房の切替が可能であると記載されている。例えば、室内空気流路側を陰極、外気流路側を陽極とした場合、室内空気は該電子冷却素子により冷却されるため、該熱交換器は冷房器として機能する。一方、室内空気流路側を陽極、外気流路側を陰極とした場合、室内空気は該電子冷却素子により加熱されるため、該熱交換器は暖房器として機能することもできる。
【特許文献１】米国特許第５７２２２４２号明細書（登録日：１９９８年３月３日）
【特許文献２】特開２００２−３３３２３０号公報（公開日：２００２年１１月２２日）
【特許文献３】特開２００３−２５８３２６号公報（公開日：２００３年９月１２日）
【非特許文献１】ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ、Ｖｏｌ．７８、Ｎｏ．１７、２５７２頁、２００１年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述したペルチェ素子は、コンプレッサーに比べコンパクトな設計が実現でき、またＣＯ２などの老廃物を出さないため、小型冷蔵庫やレーザ発信器の冷却など、幅広い用途で実用化されている。しかしながら、従来のコンプレッサーやファンに比べ、冷却能力が極端に低いため、高コストとなってしまう。例えば、容量６０Ｌの冷蔵庫において、庫内温度を５７℃から５℃に冷却する場合の冷却性能指数（ＣＯＰ）を計算すると、コンプレッサー式では約１．２であるのに対し、ペルチェ式では約０．６である。
【００１８】
ペルチェ素子の冷却能力が低い原因の一つとして、熱のやり取りを行う電極（Ｎ型半導体、Ｐ型半導体）同士が導体で接続されているため、熱の逆流が起こってしまうことが挙げられる。
【００１９】
これに対して、電子トンネル効果を用いた冷却素子（以下、電子トンネル効果素子と呼ぶ）では、熱のやり取りを行う電極の間を絶縁体、若しくは真空にすることで、熱の逆流を防ぎ、ペルチェ素子に比べ、冷却能力を高くすることが可能である。
【００２０】
特許文献１に記載の電子トンネル効果を利用した電子トンネル効果素子（文献では、ヒートポンプ）の場合には、熱のやり取りを行う電極間が真空であり、かつ電極の温度制御を行う必要がないため、ペルチェ素子に比べ、高い冷却効率を実現できる。
【００２１】
しかしながら、従来のコンプレッサーに匹敵する程度の冷却能力を実現するためには、電極間を真空にして、かつ、真空空間における電極間の距離を非常に狭くする必要がある。
【００２２】
以下、非特許文献１をもとに、電極間の真空空間、および電極材料の仕事関数を見積もる。
【００２３】
非特許文献１によると、冷却性能指数（ＣＯＰ）は、トンネル電子により運ばれる熱量（以下、Ｑｔｕｎとする）、熱電子により運ばれる熱量（以下、ＱＲとする）、真空空間を移動するトンネル電子数（以下、Ｊｔｕｎとする）、真空空間を移動する熱電子数（以下、ＪＲとする）、および対向電極間に印加する電圧（以下、Ｖｂｉａｓとする）を用いて、
ＣＯＰ＝（Ｑｔｕｎ＋ＱＲ）÷｛（Ｊｔｕｎ＋ＪＲ）×Ｖｂｉａｓ｝  …（２）
とあらわされる。
【００２４】
ここで、ＪｔｕｎおよびＪＲは、さらに、
Ｊｔｕｎ＝Ｎ（Ｅｘ）×Ｄ（Ｅｘ、Ｖｘ）  …（３）
ＪＲ＝α×Ｔ２×ｅｘｐ（−β／Ｔ）  …（４）
とあらわされる。
【００２５】
上式中のＮ（Ｅｘ）はエネルギーＥｘをもつ電子数、Ｄ（Ｅｘ、Ｖｘ）はエネルギーＥｘ、ポテンシャルエネルギーＶｘを持つ電子の状態密度、Ｔは温度、α、βは定数である。さらに、Ｑｔｕｎ、ＱＲとＪｔｕｎ、ＪＲは、
Ｑｔｕｎ＝∫（ｋＢ×Ｔ＋Ｅｘ）×Ｊｔｕｎ（Ｅｘ）ｄＥｘ  …（５）
ＱＲ＝（γ＋η×Ｔ）×ＪＲ  …（６）
の関係にある。
【００２６】
なお、Ｑｔｕｎの積分範囲は−∞〜ｑＶｍａｘであり、γ、ηは定数である。上式において、ＱＲは温度Ｔのみの関数であるのに対し、Ｑｔｕｎは温度Ｔ、電子エネルギーＥｘ、ポテンシャルエネルギーＶｘの関数である。ここで、Ｖｘは、
Ｖｘ∝φ／ｑ−Ｖｂｉａｓ×ｘ／ｄ  …（７）
とあらわされる。
【００２７】
なお、φは対向電極の仕事関数、ｄは真空空間距離を表している。上式より、冷却能力を高めるためには、仕事関数φを出来るだけ低くするとともに、真空空間距離ｄを出来るだけ狭くする必要がある。
【００２８】
図９に、電子放出側仕事関数を０．６ｅＶとし、真空空間距離ｄを変化させたときの、冷却性能指数（ＣＯＰ）変化を示す。初期庫内温度は５２℃であり、庫内を７℃に冷却する場合の結果である。同図には、同一温度差におけるコンプレッサー、およびペルチェ素子の冷却性能指数も追記しているが、コンプレッサーと同等の冷却性能を実現するためには、真空空間距離ｄを５ｎｍ以下に保つ必要がある。
【００２９】
上述したように、仕事関数が低いほどＣＯＰが高くなる傾向にある。しかしながら、一般的な低仕事関数では、材料表面が非常に活性であるため、大気中の水分や酸素と反応性が高く、特性維持が非常に困難である。
【００３０】
すなわち、上記のような仕事関数０．６ｅＶ程度の材料を用いる場合には、真空空間部分の真空度を高く維持することが必要不可欠である。
【００３１】
ところが、図８にあるような従来のヒートポンプ構造では、大気圧の影響を大きく受け、電極が変形するという問題が生じ、さらに、陽極と陰極で熱応力によるたわみが発生するという問題も生じる。
【００３２】
電子トンネル効果を用いた電子冷却素子においては、上述したように、陰極、陽極間の真空空間距離を５ｎｍ以下とすることが、安定した冷却特性を得るための条件であるにもかかわらず、このような大気圧による電極の変形と、温度による電極たわみとの影響で、５ｎｍという狭い真空空間を維持することが困難である。そのため、従来の構造では、冷却特性が著しく低下してしまう。
【００３３】
なお、特許ＷＯ９９／１３５６２には、図１０に示すように、電極１０１・１０２の間の真空空間１０３を電磁アクチュエーター１２０等で制御する方法が提案されているが、空間ギャップを高精度でセンシングする手段と、それをフィードバックする手段が必要であり、複雑な冷却システムになってしまうという課題があった。
【００３４】
そこで本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、構造を複雑化することなく、従来の熱電素子と比較して飛躍的に安定した冷却および／または加熱特性を示す熱電素子およびそれを備えた熱電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
本発明に係る表示装置は、上述した課題を解決するために、陰極と陽極とが真空空間を介して対向配置され、陰極に負電圧を印加し、陽極に正電圧を印加することによって、上記陰極から上記陽極へと電子を移動させて、陰極を冷却し、陽極を加熱する熱電素子であって、所定の内圧を有する中空部を備えた機構部材が、上記陰極および陽極の対向側とは反対側に、該陰極および陽極とそれぞれ一体的に設けられていることを特徴としている。
【００３６】
本発明の熱電素子は、陰極に負電圧を印加するとともに陽極に正電圧を印加することによって、上記陰極から放出された電子を、上記真空空間を通過させて上記陽極へと移動させる、いわゆる「電子トンネル効果」を用いて、冷却および／または加熱を行うものである。
【００３７】
この電子トンネル効果を用いた熱電素子においては、上述のように、上記陰極と陽極との真空空間距離をできるだけ狭く、具体的には５ｎｍ以下とすることによって、その冷却・加熱効率を向上させることができる。
【００３８】
本発明の熱電素子は、機構部材が、陰極および陽極の対向側とは反対側に陰極および陽極とそれぞれ一体的に構成されている。そのため、熱電素子の外部の大気圧が陽極および陰極に直接影響することはない。
【００３９】
すなわち、機構部材には、中空部が設けられており、該中空部は、所定の内圧を有しているため、例えば、その内圧が、真空空間の内圧と一致するように調整されていれば、外部からの大気圧の影響は、機構部材における中空部と外部との境界部に及ぶのみであって、電子トンネル効果に寄与する陰極および陽極は、真空空間と、真空空間の内圧と一致した内圧を有する中空部との間に保持されていることから、大気圧による影響を受けず、したがって変形することはない。よって、陽極および陰極の変形を抑制することができるため、本発明の熱電素子のように、冷却・加熱効率を向上させるために陰極と陽極との真空空間距離をできるだけ狭くする構成とした場合であっても、陽極および陰極の大気圧による変形を抑制することができ、大気圧による陰極と陽極との真空空間距離の変動を無くすことができる。
【００４０】
また、例えば、中空部の内圧を、上述したような熱応力によるたわみを抑制するような圧力とすれば、問題となっていた熱応力による陰極および陽極のたわみを抑制することができる。よって、上記の構成とすれば、本発明の熱電素子は、熱応力による陰極および陽極のたわみによる真空空間距離の変動を無くすことができる。
【００４１】
したがって、冷却・加熱効率を向上させるために、陰極と陽極との真空空間距離をできるだけ狭くする構成とした場合であっても、大気圧による電極部材の変形、熱応力による電極部材のたわみによって生じる陰極と陽極との真空空間距離の変動はなくなり、所望の真空空間距離（５ｎｍ以下）とすることができる。
【００４２】
以上により、本発明の熱電素子は、所定の内圧を有する中空部を備えた機構部材を備えるという比較的簡易な構成によって、冷却効率や加熱効率を向上させ、かつ冷却および／または加熱特性を安定させることができる。
【００４３】
ところで、本発明の熱電素子は、陰極側が冷却され、陽極側が加熱されるため、対象物の冷却および加熱という２つの目的に利用することができる。つまり、本発明の熱電素子は、その陰極側の機能を利用すれば冷却素子となり、その陽極側の機能を利用すれば加熱素子となる。例えば、本発明に係る熱電素子を冷却装置の冷却素子として用いれば、従来のコンプレッサー式の冷却装置と同程度の性能を有し、かつ、よりコンパクトな装置を実現することができる。
【００４４】
また、本発明に係る熱電素子は、上記陰極の一部分および陽極の一部分が、上記機構部材を兼ねていることが好ましい。
【００４５】
上記の構成とすることにより、本発明に係る熱電素子は、上記陰極および陽極の内部に中空部が設けられた構成となっている。
【００４６】
これにより、陰極および陽極における電子トンネル効果に寄与する部分に効果的に中空部の内圧が直接加えられることになり、より正確に陰極および陽極の変形やたわみを抑制することができる。
【００４７】
また、本発明の熱電素子は、上記陰極および陽極の内部に中空部を設けることによって、陰極および陽極の大気圧による変形や、熱応力によるたわみを抑制し、これらが原因となって生じる真空空間距離の変動を無くすことができることから、熱電素子自体を大型化することなく、冷却および／または加熱特性を安定させ、冷却効率や加熱効率を向上させた熱電素子を実現することができる。
【００４８】
本発明に係る熱電装置は、上述した課題を解決するために、上記熱電素子を備えた熱電装置であって、上記中空部の内圧を調節する調節手段を備えていることを特徴としている。
【００４９】
これにより、例えば、上述したように、中空部の内圧を、陰極および陽極に電圧が印加されていない非定常状態における上記真空空間の内圧と一致するように調整している場合、調節手段によってその内圧が変動しないように調節し、所望の内圧に維持することができる。
【００５０】
また、調節手段を設けていれば、例えば、非定常状態の場合と、陰極および陽極に電圧が印加されている定常状態の場合とで、中空部の内圧を変化させることができる。
【００５１】
また、本発明に係る熱電装置は、上記調節手段は、陰極のたわみ量と陽極のたわみ量との差がなくなるように中空部の内圧を調節するようになっており、さらに、上記中空部の内圧を計測する内圧計測手段と、上記陰極および陽極の温度を測定する温度計測手段と、上記内圧計測手段および温度計測手段の計測結果に基づいて、上記調節手段を制御する制御手段とを備えていることが好ましい。
【００５２】
具体的には、本発明の熱電素子は、上記陰極および陽極に電圧を印加すると、上記陰極から放出された電子を、上記真空空間を通過させて上記陽極へと移動させ、上記陰極を冷却し、上記陽極を加熱する。すなわち、電圧を印加し始めてしばらくすると、陰極と陽極とは温度が異なってくる。電極部材は、上述したように、熱応力によるたわみが生じる。たわみの大きさ（以下、たわみ量とする）は、温度に依存しており、温度が高いほどたわみが大きくなる。すなわち、本発明の熱電素子のように、上記陰極を冷却し、上記陽極を加熱する構成では、陰極および陽極のたわみの大きさは異なってくる。
【００５３】
したがって、本発明の熱電素子は、調節手段を設けることにより、陰極および陽極のそれぞれのたわみに対応して各中空部の内圧を変化させることができ、たわみが原因による真空空間距離の変動を抑制することができる。
【００５４】
すなわち、本発明の熱電素子は、非定常状態の場合は、陰極側の中空部の内圧および陽極側の中空部の内圧はともに、真空空間の内圧と一致するように調節され、定常状態になると、陽極側の中空部の内圧は、真空空間の内圧よりも高くなるように、陰極側の中空部の内圧は、非定常状態の内圧のままになるように調節されることが好ましい。
【００５５】
これにより、陰極と陽極とのたわみの大きさが均等もしくは実質的に均等になる。したがって、上記陰極を冷却し、上記陽極を加熱することによって生じる真空空間距離の変動を効果的に抑制することができる。
【００５６】
また、上記の構成とすれば、上記気圧計測手段および温度計測手段の計測結果に基づいて、正確に中空部の内圧を調節することができる。これにより、例えば、熱電装置自体が振動するような環境下に設置された場合や、冷却および／または加熱する対象物の温度が変化するような場合であっても、気圧計測手段および温度計測手段を備えることによって、中空部の内圧を適宜調節し、上述したような陰極および陽極への影響を確実に抑えることができる。そのため、陰極と陽極との間の真空空間距離の変動を引き起こすことはない。
【００５７】
したがって、本発明の熱電装置は、冷却効率または加熱効率の向上を、真空空間距離を狭くすることによって実現しようとする場合であっても、安定した冷却および／または加熱特性を備えることができる。
【００５８】
したがって、本発明の熱電装置は、冷却効率や加熱効率を向上させるために上記陰極と陽極とによって形成される真空空間距離を狭く設定した熱電素子を備えた場合であっても、安定した冷却および／または加熱特性を備えることができる。
【発明の効果】
【００５９】
本発明に係る表示装置は、以上のように、陰極と陽極とが真空空間を介して対向配置され、陰極に負電圧を印加し、陽極に正電圧を印加することによって、上記陰極から上記陽極へと電子を移動させて、陰極を冷却し、陽極を加熱する熱電素子であって、所定の内圧を有する中空部を備えた機構部材が、上記陰極および陽極の対向側とは反対側に、該陰極および陽極とそれぞれ一体的に設けられていることを特徴としている。
【００６０】
上記の構成とすることにより、冷却・加熱効率を向上させるために、陰極と陽極との真空空間距離をできるだけ狭くする構成とした場合であっても、大気圧による電極部材の変形、熱応力による電極部材のたわみによって生じる陰極と陽極との真空空間距離の変動はなくなり、所望の真空空間距離（５ｎｍ以下）とすることができる。
【００６１】
これにより、本発明の熱電素子は、所定の内圧を有する中空部を備えた機構部材を備えるという比較的簡易な構成によって、冷却効率や加熱効率を向上させ、かつ冷却および／または加熱特性を安定させることができる。
【００６２】
したがって、例えば、本発明に係る熱電素子を冷却装置の冷却素子として用いれば、従来のコンプレッサー式の冷却装置と同程度の性能を有し、かつ、よりコンパクトな装置を実現することができる。
【００６３】
また、本発明に係る熱電装置は、上述した課題を解決するために、上記熱電素子を備えた熱電装置であって、上記中空部の内圧を調節する調節手段を備えていることを特徴としている。
【００６４】
上記の構成とすれば、調節手段を設けることにより、陰極および陽極のそれぞれのたわみに対応して各中空部の内圧を変化させることができ、真空空間距離の変動を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６５】
〔実施の形態１〕
本発明の第１の実施形態について図１ないし図４に基づいて説明すると以下の通りである。本実施の形態では、本発明に係る熱電素子の一例として、小型冷蔵庫やレーザ発信器の冷却装置に内蔵される冷却素子を挙げて説明する。図１は、本実施の形態の冷却素子（熱電素子）１の構成を示す断面図である。
【００６６】
本実施の形態にかかる冷却素子１は、「電子トンネル効果」を利用したものであるため、ここでは先ず、この電子トンネル効果について詳述する。
【００６７】
「電子トンネル効果」とは、真空もしくは絶縁体を隔てた対向する２つの電極間を電子が移動する現象である。より詳しくは、真空空間に形成されたエネルギー障壁を、所望のエネルギーを持った電子が通過するという効果である。このエネルギー障壁の高さは、電手を放出する陰極側の金属の仕事関数に依存している。つまり、陰極側の電極材料の仕事関数が低いほど、真空空間に形成されるエネルギー障壁は低くなる。
【００６８】
ところで、陰極側から放出される電子は、高いエネルギーを有する熱電子、中程度のエネルギーを有するトンネル電子、低いエネルギーを有する逆流電子という３種類の電子に分類される。これら３種類の電子のうち、熱電子はエネルギー障壁を飛び越えて陽極に到達することができる。また、トンネル電子の一部もエネルギー障壁を通過して陽極に到達することができる。それゆえ、熱電素子の冷却および／または加熱特性に影響を与えるのは、熱電子およびトンネル電子の数である。
【００６９】
熱電子数およびトンネル電子数を増加させる手段としては、（１）真空空間の距離を狭める、（２）陰極に低仕事関数材料を用いる、（３）バイアス電圧を高くする、という３つの方法が考えられた。しかしながら、上記（１）の手段は、真空空間距離を維持することが難しいという問題点を有している。また、上記（２）の手段は、用いる材料に依存するが、本技術分野において一般的に用いられる低仕事関数材料は大気中で非常に不安定であるため、利用可能な低仕事関数材料が制限されるという問題点が存在する。また、上記（３）の手段は、消費電力が増加してしまうという問題点を有している。
【００７０】
そこで、上記（１）の手段に基づいて、真空空間距離を狭く構成した場合であっても、簡易な構成によってその距離を維持することができれば、熱電子数およびトンネル電子数を増加させることができるとともに、安定した冷却および／または加熱特性を備えることができるのではないかと考えた。
【００７１】
そこで、本実施の形態の冷却素子１は、陰極２および陽極３にそれぞれ所定の内圧を有する中空部１２・１３を設ける。これにより、陰極２および陽極３が大気圧の影響を受けて変形したり、電圧を印加して陰極２および陽極３に生じる温度変動に起因する熱応力によるたわみが生じた場合であっても、真空空間距離の変動をなくし、熱電素子の真空空間距離の距離を所望の距離に維持することができる。そのため、本実施の形態の冷却素子１は、図１に示すように、陰極２と、陽極３と、電源４とを主な構成部材として有している。また、陰極２と陽極３は、互いの板面を対向させて配置されており、対向している陰極２と陽極３との間には、真空空間５が形成されている。
【００７２】
なお、本実施の形態の冷却素子１は、円盤形状を有している。しかしながら、本発明はこの形状に限定されるものではない。
【００７３】
また、真空空間５を形成している陰極２および陽極３の対向面の端部には、真空シール６が設けられており、これによって、真空空間５は密閉され真空状態が保たれている。シール材としては、絶縁体であり熱伝導率の比較的低い、低融点ガラスなどが適している。
【００７４】
なお、ここで「真空状態」とは、通常、電子トンネル効果を用いた熱電素子を構成する場合に形成される真空空間における気圧の状態を表すものであり、完全に真空となっている状態だけではなく、真空に近い状態のことも含んでいる。
【００７５】
上記陰極２および陽極３は、銅、タングステンなどの熱伝導性の高い材料が望ましく、例えば、厚み５ｍｍの銅を用いることができる。陰極２は電源４から負電圧が印加され、陽極３は電源４から正電圧が印加される。
【００７６】
また、本実施の形態の冷却素子１には、陰極２および陽極３の対向面に、それぞれ３ｅＶ以下の仕事関数を有する低仕事関数材料からなる層７・７が電子放出材料として形成されている。低仕事関数材料からなる層７に含まれる低仕事関数材料としては、セシウム化合物（ＴａＣｓ、ＭｏＣｓ、ＣＣｓ、ＮｉＣｓなど）、アルカリ金属を含む有機化合物（アルカライド、エレクトライドなど）、カルシウム化合物（ＷＣａ、ＣａＢ６など）、カーボンナノチューブ、アルカリ金属を含む無機化合物（アルカライド、エレクトライドなど）が挙げられる。また、上記材料に電子を注入した材料であっても良い。
【００７７】
さらに、陰極２には、対向側とは反対側に中空部１２が設けられており、陽極３にも同じく、対向側とは反対側に中空部１３が設けられている。なお、本実施の形態における冷却素子１は、図１に示すように、中空部１２・１３が陰極２および陽極３の内部にそれぞれ設けられた構成となっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、陰極２および陽極３の対向側とは反対側に、それぞれ中空部１２・１３を備えた機構部材を陰極２および陽極３と一体的に備えた構成であってもよい。
【００７８】
本実施の形態の冷却素子１は、電子トンネル効果を用いており、陰極２および陽極３に電圧を印加して、上記陰極２から放出された電子を、上記真空空間５を通過させて陽極３へと移動させ、陰極２を冷却し、陽極３を加熱する構成となっている。すなわち、電圧を印加し始めてしばらくすると、陰極２と陽極３とは温度が異なってくる。そこで、陰極２と陽極３には、大気圧の影響を大きく受けて電極が変形するという問題を有するとともに、熱応力による「たわみ」が生じるという問題が生じる。これらの問題は、真空空間５内における上記陰極２と陽極３との真空空間距離を変動させてしまい、特に、上述したように、真空空間距離を狭く設定することにより冷却効率の向上を図ろうとする冷却素子１では、安定した冷却特性を得ることができない。
【００７９】
そこで、真空空間距離を狭く設定した場合であっても、その距離が変動しないように、所定の内圧を有する上記中空部１２・１３が設けられている。
【００８０】
以下に、中空部１２・１３の内圧について、陰極２・陽極３の大気圧による変形および、熱応力によるたわみに基づいて、具体的に説明する。なお、図１に示すように、陰極２・陽極３はともに、その端部は真空シール６により固定されている。そのため、陰極２・陽極３の端部では、大気圧による変形や、熱応力によるたわみを抑えることができる。しかしながら、端部以外の領域では変形やたわみが生じ、陰極２と陽極３の中央付近では、変形やたわみが特に大きくなる。そこで、以下の説明では、陰極２・陽極３の変形やたわみが最大となる、陰極２・陽極３の中央付近での変形およびたわみについて説明する。
【００８１】
まず、陰極２および陽極３に電圧が印加されていない非定常状態の場合について考える。なお、ここで、非定常状態とは、陰極２および陽極３に電圧が印加され、電子が陰極２から陽極３に安定して放出されている状態を定常状態とした場合、この定常状態以外の状態を表し、陰極２および陽極３に電圧が印加されていない状態と、電圧が印加された直後の状態とが非定常状態に相当する。
【００８２】
冷却素子１が非定常状態である場合、中空部１２・１３の内圧は、陰極２および陽極３の電子トンネル効果に寄与する部分２ａ・３ａに、すなわち陰極２および陽極３における対向側に、大気圧が影響しない程度の圧力を有していればよい。このように構成することにより、外部からの大気圧の影響は、陰極２および陽極３における中空部１２・１３と外部との境界部が変形するのみであって、電子トンネル効果に寄与する部分２ａ・３ａには、大気圧の影響が及ばない。特に、中空部１２・１３の内圧を、真空空間の内圧と一致するように調整しておくことにより、陰極２および陽極３の電子トンネル効果に寄与する部分２ａ・３ａには、外部圧力がかからない。このため、陰極２および陽極３の電子トンネル効果に寄与する部分の変形をより厳密に抑制することができる。
【００８３】
したがって、陰極２および陽極３に電圧が印加されていない非定常状態の場合は、中空部１２・１３の内圧を、真空空間の内圧と一致するように調整しておくことがより好ましい。
【００８４】
これにより、非定常状態において、大気圧が原因による真空空間の距離の変動を抑制することができる。
【００８５】
次に、定常状態における陰極２および陽極３のたわみについて説明する。
【００８６】
陰極２および陽極３は、非定常状態から定常状態に移行すると、温度が変化する。そのため、陰極２および陽極３には、熱応力によるたわみが生じる。具体的には、陰極２および陽極３において、熱応力によるたわみは、陰極２および陽極３の電子トンネル効果に寄与する部分２ａ・３ａに生じるが、以下の説明では、陰極２および陽極３のたわみとして説明する。たわみの大きさ、すなわち「たわみ量ｗ（ｍ）」は、以下の式（８）に基づいて求めることができる。
【００８７】
ｗ＝３×Ｐ×ａ４×（１−ν２）／（１６×Ｅ×ｈ３）  …（８）
ここで、Ｅは、縦弾性率、若しくはヤング率（ＧＰａ）、ａは電極半径（ｍ）、νはポアソン比、ｈは電極厚み（ｍ）、Ｐは電極の中空部の内圧（Ｐａ）を示している。また、Ｐは、以下の式（９）にて表すことできる。
【００８８】
Ｐ＝Ｋ×Ｅ×（Ｔ２−Ｔ１）×ｈ２  …（９）
ここで、Ｋは平板型の彎曲係数（１／℃）、Ｔ１は陰極または陽極の電極温度（℃）、Ｔ２は冷却する対象物（例えば、空気）の温度（℃）を示している。
【００８９】
したがって、上記の式（８）および式（９）より、陰極２および陽極３におけるたわみ量ｗ（ｍ）は、電極温度（Ｔ１）と、冷却する対象物（例えば、空気。以下、対象物とする）の温度（Ｔ２）との差に依存していることがわかる。すなわち、電極温度と対象物との差が大きいほど、電極に生じるたわみ量も大きくなる。
【００９０】
そこで、定常状態において、例えば、陽極３の温度と、対象物の温度との差のほうが、陰極２の温度と、対象物の温度との差よりも大きい場合、陽極３のたわみ量は、陰極２のたわみ量よりも大きくなる。
【００９１】
具体的には、図１に示した陰極２に負電圧を印加すると、陰極２は真空空間５側へたわみ、陽極３に正電圧を印加すると、陽極３は真空空間５側とは反対側へそれぞれたわむ。
【００９２】
陰極２と陽極３のたわみ量に差がなければ、定常状態になった場合であっても、結果的に真空空間の距離は、非定常状態のときと変わらない。ところが、上述したように、陰極２と陽極３とのたわみ量ｗに差があり、陽極３のたわみ量ｗが、陰極２のたわみ量ｗよりも大きいと、所定の距離（５ｎｍ以下）であった真空空間の距離が、陰極２および陽極３に電圧を印加して定常状態となると、距離が変動することになる。
【００９３】
そこで、このように、陰極２と陽極３とのたわみ量ｗに差がある場合、陽極３に設けられた中空部１３の内圧と、陰極２に設けられた中空部１２の内圧とに差をつけることが好ましい。具体的には、陽極３のたわみ量ｗが、陰極２のたわみ量ｗよりも大きい場合は、定常状態における、陽極３に設けられた中空部１３の内圧は、陰極２に設けられた中空部１２の内圧よりも高い気圧を有していることが好ましい。これにより、中空部１３の内圧を中空部１２の内圧と同じ圧力とした場合と比較して、陽極３に生じるたわみ量ｗは変化する。すなわち、陽極３に生じるたわみ量ｗは小さくなる。
【００９４】
したがって、陽極３のたわみ量ｗと、陰極２のたわみ量ｗとの差はなくなり、陰極２および陽極３にそれぞれ電圧を印加した場合であっても、無印加時において設定した真空空間５の距離に変動は生じず、所定の距離を常に維持することができる。
【００９５】
すなわち、陽極３に設けられた中空部１３の内圧は、陰極２に設けられた中空部１２の内圧よりも高い気圧を有していることが好ましい。詳細については、以下の実施例にて説明するが、例えば、陰極２に設けられた中空部１２の内圧が真空空間５の内圧と一致するように調整されている場合、陽極３に設けられた中空部１３の内圧を、例えば、約０．９気圧に調整しておくことができる。
【００９６】
以上のように、本実施の形態における冷却素子１を用いれば、中空部１２・１３を備えることにより、上述したように、陰極２および陽極３の、大気圧による変形や、温度によるたわみが発生した場合であっても、真空空間５の距離を常に維持することができる。
【００９７】
したがって、真空空間５の距離を５ｎｍ以下と短く構成した場合であっても、真空空間５の距離に変動を生じさせることはなく、冷却特性を向上させることができ、かつ、安定した冷却機能を備えた冷却素子１を提供することができる。
【００９８】
次に、以上のような構成を備えた冷却装置１０（熱電装置）について図２に基づいて説明する。
【００９９】
上記冷却素子１は、上述したように、例えば、陽極３に設けた中空部１３の内圧が、非定常状態と定常状態とで異なることが好ましい。そのため、本実施の形態の冷却装置１０は、この内圧を調節するための加減圧ポンプ１１（調節手段）を備えている。上述した一例は、陽極３に設けた中空部１３の内圧が非定常状態と定常状態とで異なる場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。したがって、本実施の形態の冷却装置１０は、図２に示すように、陰極２に設けた中空部１２の内圧を調節することができる加減圧ポンプ１１も備えている。
【０１００】
さらに、冷却装置１０は、図２に示すように、圧力計１４（内圧計測手段）と、温度計１５（温度計測手段）と、制御装置１６（制御手段）とを備えている。
【０１０１】
上記圧力計１４は、上記陰極２および陽極３内に設けられた中空部１２・１３の圧力を測定する。また、上記温度計１５は、上記陰極２および陽極３の温度を測定する。
【０１０２】
上述したように、冷却素子１は、非定常状態から定常状態に移行すると、陰極２および陽極３に温度変化が起こる。そのため、陰極２および陽極３には、熱応力によるたわみが生じる。このような冷却素子１を備えた冷却装置１０では、冷却素子１の陰極２および陽極３の温度が静的に変化する場合、すなわち、陰極２および陽極３の温度が設定温度と一致する場合のみならず、実際は冷却装置１０全体が振動したり、冷却対象物の温度が変化したりする場合がある。このような場合には、冷却素子１の陰極２および陽極３の温度も動的に変化する。すなわち、陰極２および陽極３の温度と設定温度とが一致しない場合がある。
【０１０３】
そこで、本実施の形態の冷却装置１０は、圧力計１４および温度計１５によって、中空部１２・１３の内圧および陰極２および陽極３の温度を測定し、その測定結果に基づいて、加減圧ポンプ１１を動作させる制御装置１６を備えている。圧力計１４によって測定された中空部１２・１３の内圧のデータおよび、温度計１５によって測定された陰極２および陽極３の温度のデータを受けて、制御装置１６は、加減圧ポンプ１１を動作させて中空部１２・１３の内圧を調節する。
【０１０４】
具体的には、温度（電極温度および対象物温度）とたわみとの関係、中空部の内圧とたわみとの関係については、上記の式（８）および式（９）より求めることができる。したがって、温度（電極温度および対象物温度）および中空部の内圧を監視データとして用いることで、陰極２および陽極３のたわみを制御することができる。なお、冷却対象物温度を測定する温度計は、図示を省略する。本実施の形態では、上記陰極２、上記陽極３の温度データから、上記陽極３の中空部の内圧を制御する場合について説明する。
【０１０５】
まず、陰極２、陽極３の温度データおよび、対象物の温度データを取得し、式（８）および式（９）を用いて、これらの温度データから、陰極２および陽極３それぞれのたわみ量ｗを見積もる。
【０１０６】
図３は、陰極２および陽極３における設定温度との温度差（℃）と、陰極２と陽極３とのたわみ量ｗの差（ｎｍ）についての関係を示したグラフである。
【０１０７】
図３によれば、陰極２および陽極３がともに、設定温度からの温度差が１℃上昇した場合には、たわみ量の差は１２ｎｍであると見積もることができる。
【０１０８】
次に、陽極３の中空部１３の内圧を変化させた場合、式（８）から陽極３のたわみ量ｗを見積もることができるので、図４に示すように、陰極２と陽極３の温度差（℃）と、陰極と陽極３とのたわみ量の差を０ｎｍとするために陽極３の中空部１３の内圧との関係を見積もることができる。
【０１０９】
図４によれば、例えば、設定温度と陰極２および陽極３の温度に温度差がない場合に、中空部１３の内圧を０．９気圧とすることによってたわみ量の差を０ｎｍとすることができた場合であっても、陰極２および陽極３がともに設定温度からの温度差が１℃上昇していれば、たわみ量の差を０ｎｍとするために中空部１３の内圧は、０．９気圧よりも０．２気圧増加した１．１気圧とする必要がある。この結果に基づいて、上記制御装置１６は、上記加減圧ポンプ１１を駆動させ、陰極２と陽極３とのたわみ量の差が０ｎｍとなるように、上記陽極３の中空部１３の内圧を制御する。
【０１１０】
このように、本実施の形態の冷却装置１０は、圧力計１４と温度計１５と制御装置１６とを設けることにより、圧力計１４からの圧力データと温度計１５の温度データをもとに、上記加減圧ポンプ１１を駆動させ、上記陽極３の中空部１３の内圧を調節することによって、冷却素子１の真空空間５の距離の変動は生じない。
【０１１１】
したがって、本実施の形態の冷却装置１０は、冷却効率を向上させるために冷却素子１の真空空間５の距離を狭くした場合であっても、真空空間５の距離を所望の距離に維持することができるため、安定した冷却特性を備えることが可能となる。
【０１１２】
なお、図２に図示していないが、陰極２および陽極３と、加減圧ポンプ１１との間には電磁弁を設けており、必要に応じて、電磁弁の開閉を行う。
【０１１３】
また、陰極２および陽極３の中空部１２・１３に充填する材料としては、特に限定されるものではない。例えば、熱膨張率の高い気体や、陽極３の中空部１３内に蒸気圧の高い液体を封入して、陰極２および陽極３が温度変化した際に各電極に応力を発生させることも考えられる。
〔実施の形態２〕
本発明に係る他の実施の形態について、図５に基づいて説明すれば、以下の通りである。本実施の形態では、上記実施の形態１との相違点について説明するため、説明の便宜上、実施の形態１で説明した部材と同様の機能を有する部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１１４】
図５は、本実施の形態における冷却素子２０の構成を示す断面図である。
【０１１５】
上記実施の形態１における冷却素子１は、真空空間５における陰極２と陽極３との間には、低仕事関数材料からなる層７・７のみが備えられた構成となっている。これに対して、本実施の形態の冷却素子２０は、真空空間５における陰極２と陽極３との間に、さらに、平坦化材料２１とスペーサー２２とを備えている。
【０１１６】
図６は、図５の破線Ａで囲んだ部分を拡大した冷却素子２０の部分断面図である。
【０１１７】
図６に示すように、強平坦化材料２１とスペーサー２２との接触部には、低仕事関数材料からなる層２３を形成していない。これは、低仕事関数材料からなる層２３が５ｎｍ未満の非常に薄い膜であるため、スペーサー２２と接触させることで膜に亀裂が入ったり、膜剥がれが起こったりすることを防止するためである。低仕事関数材料からなる層２３に含まれる低仕事関数材料としては、上記実施の形態１と同じく、セシウム化合物（ＴａＣｓ、ＭｏＣｓ、ＣＣｓ、ＮｉＣｓなど）、アルカリ金属を含む有機化合物（アルカライド、エレクトライドなど）、カルシウム化合物（ＷＣａ、ＣａＢ６など）、カーボンナノチューブ、アルカリ金属を含む無機化合物（アルカライド、エレクトライドなど）が挙げられる。また、上記材料に電子を注入した材料であっても良い。
【０１１８】
上記スペーサー２２の材料としては、絶縁体であり、かつ熱伝導率の低い材料が望まれる。このスペーサーの具体的な材料としては、絶縁材料であるＳｉＯ２やアルミナなどが考えられる。また、電気伝導性があり熱伝導しにくい材料としてフラーレンがあるが、このような材料をスペーサーとして用いてもよい。
【０１１９】
上記平坦化材料２１は、全電極面に渡って真空空間５を一定に保つためのものであり、材質としては、ＳｉやＴａなどが挙げられることができ、例えば、厚さ０．２５ｍｍのＳｉを用いることができる。
【０１２０】
以上の構成とすることにより、冷却素子２０は、スペーサー２２を備えていることにより、上記実施の形態１の構成と比較して、真空空間５における陰極２と陽極３との距離をより正確に維持することができる。
【０１２１】
また、平坦化材料２１を設けていることにより、上記実施の形態１の構成と比較して、陰極２と陽極３との対向面に部分的に生じるたわみを確実に抑制し、陰極２と陽極３との距離を電極全面にわたって均一にすることができる。
【０１２２】
また、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【０１２３】
また、本発明は、以下の構成とすることもできる。
【０１２４】
２枚の金属板を真空空間を介して近接対向させ、陰極に負電圧を、陽極に正電圧を印加して前記陰極から真空空間中に電子を放出し、前記放出した電子を前記陽極側でトラップする電子トンネル効果を用いた電子冷却素子において、前記陰極、陽極を中空構造とし、前記陰極、陽極の中空構造内を所定の圧力に保つことを特徴とする、電子冷却素子。
【０１２５】
この場合、さらに、上記電子冷却素子において、前記電子冷却素子の非動作時、若しくは動作開始時に、前記陰極、陽極の中空構造内圧力を、前記陰極、陽極のうち電子トンネル効果に寄与する部分に応力がかからない程度の真空度とすることを特徴とする、電子冷却素子。
【０１２６】
また、上記電子冷却素子において、前記電子冷却素子の非動作時、若しくは動作開始時に前記陰極、陽極の中空構造内圧力を、前記陰極、陽極間の真空空間の真空度と同程度とすることを特徴とする、電子冷却素子。
【０１２７】
また、上記電子冷却素子において、前記陽極の中空構造内圧力のみを可変させることを特徴とする、電子冷却素子。
【０１２８】
また、上記電子冷却素子周辺に、前記陰極、陽極の中空構造内の真空度を計測するための計測手段と、上記陰極、陽極の温度を計測するための温度計と、上記陰極、陽極の中空構造内の圧力を最適値に制御するための制御手段を兼ね備えた冷却システム。
〔実施例〕
以下の説明は、本発明の冷却装置について説明する。
【０１２９】
本実施例では、上記実施の形態２中の図５と同じ冷却素子２０の構成を備えた冷却装置について説明する。
【０１３０】
本実施例の冷却素子について説明すれば以下の通りである。
【０１３１】
本実施例では、図５に示した冷却素子２０の構成において、陽極３および陰極２には、厚み５ｍｍのＣｕを用い、平坦化材料２１には、厚さ０．２５ｍｍのＳｉを用い、スペーサーには、ＳｉＯ２を用い、低仕事関数材料からなる層２３に含まれる低仕事関数材料には、セシウム化合物（ＣｓＯ）を用いた。
【０１３２】
非定常状態における中空部１２・１３の内圧を、真空空間５の内圧と一致するように０．００１気圧に調整した。
【０１３３】
次に、陽極３および陰極２に０．６Ｖの電圧を印加した定常状態では、中空部１３の内圧を、０．９気圧となるように調節した。この調節は、冷却素子２０を備えた冷却装置に設けた加減圧ポンプ（実施の形態１では図２の加減圧ポンプ１１）によって行った。
【０１３４】
室内温度を２７℃とし、庫内（室内）温度を７℃に設定した。なお、本実施例では、冷却素子２０自体の温度は静的に変化するため、陽極３および陰極２の温度は、設定温度と一致している。
〔比較例〕
上記実施例と同じ構成の冷却素子２０を用い、中空部１２・１３の内圧を、非定常状態と定常状態とで変化させず、常時、中空部１２・１３の内圧を、真空空間５の内圧と一致するように０．００１気圧に調整した。
【０１３５】
室内温度を２７℃とし、庫内（室内）温度を７℃に設定した。なお、本比較例においても、上記実施例と同様、冷却素子２０自体の温度は静的に変化するため、陽極３および陰極２の温度は、設定温度と一致している。
【０１３６】
以下の表は、定常状態における上記実施例および比較例における陰極２および陽極３のたわみ量ｗおよび、陰極２と陽極３とのたわみ量ｗの差を計測した結果である。
【０１３７】
【表１】
2006135074.tif 000003
【０１３８】
なお、陰極２・陽極３はともに、その端部は、図５に示すように、真空シール６により固定されている。そのため、陰極２・陽極３の端部では、大気圧による変形や、熱応力によるたわみを抑えることができる。しかしながら、端部以外の領域では変形やたわみが生じ、陰極２と陽極３の中央付近では、変形やたわみが特に大きくなる。そこで、以下のたわみ量の計測は、陰極２・陽極３の変形やたわみが最大となる、陰極２・陽極３の中央付近での計測結果である。
【０１３９】
上記の表によると、比較例における冷却素子の陰極２のたわみ量ｗは−２４９ｎｍ、陽極３のたわみ量は３１１ｎｍであった。
【０１４０】
一方、実施例における冷却素子の陰極２のたわみ量ｗは−２４９ｎｍ、陽極３のたわみ量は２４９ｎｍであった。
【０１４１】
なお、ここで、このたわみ量ｗは、正方向を、各電極内に設けた中空部から、真空空間５へ向かう方向、つまり陰極２と陽極３との対向面側方向へのたわみと定義し、負方向を、真空空間５から各電極内に設けた中空部へ向かう方向、つまり陰極２および陽極３の対向面側とは反対側方向へのたわみと定義している。すなわち、陰極２は陽極３との対向面側へ、陽極３は陰極２との対向面と反対側へそれぞれたわんでいることになる。
【０１４２】
その結果、比較例においては、陰極２と陽極３とのたわみ量の差が６０ｎｍとなったが、実施例における冷却素子では、陰極２と陽極３とのたわみ量の差はなかった。すなわち、陰極２と陽極３とのたわみ量の差が６０ｎｍに及んだ比較例の構成では、５ｎｍの真空空間を維持することができなかった。
【０１４３】
一方、実施例における冷却素子は、陰極２と陽極３とのたわみ量に差がなかったので、定常状態においても、初期に規定していた５ｎｍの真空空間を維持することができた。
【０１４４】
これにより、非定常状態において、真空空間５の内圧と一致するように調整していた中空部１３の内圧を、定常状態において、０．９気圧となるように調節する本発明の冷却素子は、中空部１３の内圧を調整するという比較的簡易な構成によって、冷却効率や加熱効率を向上させるために、５ｎｍという狭い真空空間距離を設定した場合であっても、冷却特性を安定させることができた。
【産業上の利用可能性】
【０１４５】
本発明の熱電素子は、従来の熱電素子と比較してコンパクトな構造でありながら、高い冷却特性を有しているため、熱電装置に有効に利用することができる。また、本発明の熱電素子は、一体で冷却および加熱の両方の機能を備えていることから、加熱・冷却装置の熱電素子として利用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１４６】
【図１】本発明の一実施の形態を示すものであって、電子トンネル効果を用いた冷却素子の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態を示すものであって、図１に示した電子トンネル効果を用いた冷却素子を備えた冷却装置の構成を示す部分断面図である。
【図３】陰極および陽極における設定温度との温度差（℃）と、陰極と陽極とのたわみ量ｗの差（ｎｍ）についての関係を示したグラフである。
【図４】陰極と陽極における設定温度との温度差（℃）と、陰極と陽極とのたわみ量の差を０ｎｍとするための陽極の中空部の内圧との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の他の実施の形態を示すものであって、電子トンネル効果を用いた冷却素子の構成を示す断面図である。
【図６】図５に示す冷却素子の真空空間部分を拡大した断面図である。
【図７】従来の冷却素子の一例であるペルチェ素子の構造を示す模式図である。
【図８】従来の電子トンネル効果を用いた冷却素子の構成を示した断面図である。
【図９】従来の電子トンネル効果を用いた冷却素子のＣＯＰ値の変化を示したグラフである。
【図１０】従来の電子トンネル効果を用いた他の冷却素子の構成を示した模式図である。
【符号の説明】
【０１４７】
１，２０        冷却素子（熱電素子）
２              陰極
２ａ          陰極の電子トンネル効果に寄与する部分
３              陽極
３ａ          陽極の電子トンネル効果に寄与する部分
４              電源
５              真空空間
６              真空シール
７，２３        低仕事関数材料からなる層
１０              冷却装置（熱電装置）
１１              加減圧ポンプ（調節手段）
１２              （陰極側の）中空部
１３              （陽極側の）中空部
１４              圧力計（内圧計測手段）
１５              温度計（温度計測手段）
１６              制御装置（制御手段）
２１              平坦化材料
２２              スペーサー
【図１】
2006135074.tif 000004
【図２】
2006135074.tif 000005
【図３】
2006135074.tif 000006
【図４】
2006135074.tif 000007
【図５】
2006135074.tif 000008
【図６】
2006135074.tif 000009
【図７】
2006135074.tif 000010
【図８】
2006135074.tif 000011
【図９】
2006135074.tif 000012
【図１０】
2006135074.tif 000013