(57)【要約】【課題】  電子トンネル効果を用いた冷却素子において、冷却特性の安定化を、簡単な構成により実現する。【解決手段】  本発明の電子冷却素子は、真空空間を介して近接対向させた２枚の金属板の陰極に負電圧、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、陰極と陽極との変形能を異ならせることにより、従来構造に比べ飛躍的に安定した冷却特性を実現し、コンプレッサー式と同程度の性能を示しかつ、コンパクトな冷却装置を実現することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負電圧を印加する陰極板と正電圧を印加する陽極板とを備えている、電子トンネル効果によって冷却を行う電子冷却素子において、
前記陰極板と前記陽極板とは、温度変化に伴う変形能が異なるものであることを特徴とする電子冷却素子。
【請求項２】
前記陰極板及び陽極板は、これらの対向面とは反対面に、中空構造部を形成する皿状部を備えており、当該中空構造部内の圧力が電子冷却素子外部の圧力よりも低く設定されていることを特徴とする請求項１に記載の電子冷却素子。
【請求項３】
前記中空構造部内の圧力が１００Ｐａ以下であることを特徴とする請求項２に記載の電子冷却素子。
【請求項４】
前記陰極板と陽極板との間、及び前記中空構造部内には、真空封入ガスとして、Ａｒが封入されていることを特徴とする請求項２に記載の電子冷却素子。
【請求項５】
前記陰極板と前記陽極板とが、同一の材料からなり、厚みが異なるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子冷却素子。
【請求項６】
電子トンネル効果によって冷却を行う場合に、前記陰極板と陽極板とに生じる温度の差による、これらの形状変化の差が少なくなるように、陰極板の厚みと陽極板の厚みとの比が設定されていることを特徴とする請求項５に記載の電子冷却素子。
【請求項７】
前記陰極板と前記陽極板とが、異なる材料からなり、厚みが同じであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子冷却素子。
【請求項８】
前記陰極板の材料がＣｕ又はＩｎであり、前記陽極板の材料がＡｕであることを特徴とする、請求項７に記載の電子冷却素子。
【請求項９】
前記陰極板及び陽極板のうち、少なくとも一方が、第１の材料と第２の材料との積層構造であって、第１の材料と第２の材料とは変形能の異なるものであることを特徴とする請求項１又は２に電子冷却素子
【請求項１０】
前記積層構造がＣｕとＦｅとの組み合わせよりなることを特徴とする請求項９に記載の電子冷却素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子トンネル効果を用いた電子冷却素子の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、環境保護志向の高まりから、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。一方、レーザーなどの小型電子部品の冷却機構としては、ペルチェ素子が一般的に用いられている。
【０００３】
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。
【０００４】
上記デメリットを解決すべく、ペルチェ素子並みに小型であり、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、このような素子の候補の一つとして、電子トンネル効果を用いた冷却素子が挙げられる。
【０００５】
以下、電子トンネル効果を用いた冷却素子の構造について、特許文献１の米国特許５７２２２４２号明細書を挙げて説明する。この冷却素子は、図７に示すように、陰極９１及び陽極９２と、これらの電極に各々負電圧と正電圧とを印加して電流を供給するための電源９３と、両電極（陰極９１及び陽極９２）の表面に被覆された低仕事関数物質９４で構成される。
【０００６】
陰極９１と陽極９２とは、両電極の間に配されたスペーサ９６により、対向配置されており、両電極の間には、０．１〜１μｍの間隔の真空空間９５が形成されている。低仕事関数物質９４は、動作温度でトンネル電子及び熱電子９７を放出する材料であり、仕事関数が約０．６ｅＶであるものが用いられる。このような仕事関数例えばセシウム化合物（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）が挙げられる。
【０００７】
上記構成により、低仕事関数物質９４の表面から、当該低仕事関数物質９４が接触している電極により熱エネルギーを供給されたトンネル電子、及び熱電子９７が真空空間９５内に放出される。電源９３を用いて図９に示すようにして電圧を印加すると、陰極９１からトンネル電子、及び熱電子９７が放出され、真空空間９５を移動して陽極９２へ取り込まれる。陰極９１からトンネル電子、及び熱電子９７が放出される際には、陰極９１の有する熱が奪われるから、陰極９１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、及び熱電子９７が供給される陽極９２は、熱エネルギーが供給されることにより温度が上昇する。このようにして、陰極９１が冷却されると同時に陽極９２が加熱されるというものである。
【０００８】
また、前記電子冷却素子を用いた冷却システムについては、例えば、特許文献２や、特許文献３に記載されている。
【０００９】
特許文献２に記載の熱電子ヒートポンプ装置は、ヒートポンプ部、電流計、温度計、及び電源と、これらを制御する制御手段とからなる。ヒートポンプ部は、陰極及び陽極、並びに、これら各電極の対向面に配置された低仕事関数材料を備えている。そして、陰極と陽極との間には、電流計及び電源が設けられている。電流計は、陰極と陽極との間に流れる電流を計測するためのものである。温度計は、冷却媒体の温度を測定するためのものであり、陰極側に設けられている。制御手段は、上記電流計、上記温度計、及び上記電源のそれぞれと接続されている。特許文献２の電子冷却システムは、前記制御手段により、陰極の温度と、陰極と陽極との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。
【００１０】
また、特許文献３に記載の熱電子装置は、ケーシングと、ケーシング内に設置された熱交換機構と、前記熱交換機構により隔てられた、１次側通路（室内空気流路）と２次側通路（外気流路）との、２つの通路からなる。前記熱交換機構は、陰極と陽極の間が真空状態に保持された熱電気素子を有しており、これら陰極と陽極とのうち、双方または何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を備えている。
【００１１】
上記特許文献３に記載されている実施例では、上記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／暖房の切り替えが可能であると記載されている。例えば、熱電気素子の１次側通路を陰極、２次側通路を陽極とした場合、１次側通路の室内空気は熱電気素子により冷却されるため、該熱電気素子は冷房器として機能する。一方、１次側通路を陽極、２次側通路を陰極とした場合、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。
【特許文献１】米国特許５７２２２４２号明細書（１９９８年３月３日公開）
【特許文献２】特開２００２−３３３２３０号公報（２００２年１１月２２日公開）
【特許文献３】特開２００３−２５８３２６号公報（２００３年９月１２日公開）
【特許文献４】国際公開第９９／１３５６２号パンフレット（１９９９年３月１８日公開）
【非特許文献１】APPLIED PHYSICS LETTERS 、Vol.78、No.17、p.2572(2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記特許文献１〜３に記載されている素子を実際に用いた場合、従来のコンプレッサーに匹敵する冷却能力を実現するためには、陰極と陽極間の空間を真空にし、かつ真空空間の距離を非常に狭くする必要がある。
【００１３】
以下、非特許文献１を参考として、電子放出側の低仕事関数物質の仕事関数を０．６ｅＶとし、真空空間距離ｄを変化させたときの、電子冷却素子の冷却性能指数（ＣＯＰ）を見積もった結果を図８に示す。この見積もりは、初期庫内温度を５２℃とし、庫内温度を７℃に冷却する場合を想定して行ったものである。
【００１４】
図８には、コンプレッサーにより庫内を５２℃から７℃にまで冷却した場合、すなわち初期庫内温度と目的とする庫内温度との温度差が同一である場合におけるコンプレッサーの冷却性能指数（ＣＯＰ＝１．０）を破線で示している。同図に示すように、電子冷却素子によって、コンプレッサーと同等の冷却性能を実現するためには、当該電子冷却素子を構成する陽極と陰極との間の真空空間の距離を５ｎｍ以下に保つ必要がある。
【００１５】
前記冷却性能指数（ＣＯＰ）は、電極材料の仕事関数にも依存しており、電子放出側の低仕事関数物質の仕事関数が低いほど、高くなる傾向にある。しかしながら、一般的な低仕事関数物質は、材料表面の活性が非常に高いので、大気中の水分や酸素との反応性も高いものとなり、その特性を維持することが非常に困難である。よって、上記のような仕事関数が０．６ｅＶ程度である材料を電子放出側の低仕事関数物質として用いる場合には、電子冷却素子の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。
【００１６】
ところが、図７に示した従来の冷却素子の構造では、陰極９１と陽極９２との間の真空空間９５の真空空間距離ｄを５ｎｍ以下とした場合、外部の大気圧の影響を大きく受けることにより、電極が変形するという問題が発生する。
【００１７】
さらに、図７に示した従来の冷却素子を動作させた場合、陰極９１側が冷却され、陽極９２側が加熱されるため、各電極で熱応力によるたわみが発生することとなるから、５ｎｍ以下という狭い真空空間９５の幅を常に維持することは、非常に困難である。
【００１８】
前述したとおり、電子トンネル効果を用いた電子冷却素子においては、陰極９１と陽極９２との間の真空空間９５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。しかしながら、大気圧による電極（陰極９１と陽極９２）の変形と、温度による電極たわみとの影響によって真空空間９５が変形してしまう。このため、上記の条件を維持できなくなり、この結果、冷却素子の冷却特性が著しく低下してしまうという問題が発生する。
【００１９】
上記の問題に対し、特許文献４において、真空空間を機械式圧電モーターや電磁アクチュエータで制御する方法が提案されている。同文献では、図９に示すように、真空空間１１４中の陰極１１１と陽極１１２と、電源１１７とに加えて、陰極１１１と陽極１１２と距離である空間ギャップ１１３を、高精度で検知（センシング）するセンシング手段１１６と、センシング手段１１６の検知結果に基づいて、陰極１１１を駆動するアクチュエータ１１５とを備えている。しかしながら、このような構成では、センシング手段１１６の検知結果をアクチュエータにフィードバックする手段が必要となるから、冷却システムが複雑なものになってしまうという問題がある。
【００２０】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷却素子を動作させた場合に生じる電極間距離の変化を、簡単な構造により抑制することが可能であり、高い冷却特性を発揮することができる電子冷却素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の発明者は、上記の問題を解決するために検討した結果、以下の新たな手段を用いることにより、前記温度の変化によって電極にたわみが発生しても、陰極板と正電圧と陽極板との間の真空ギャップを、例えば５ｎｍ以下といった距離に維持することができることを見出した。
【００２２】
すなわち、本発明の電子冷却素子は、上記の課題を解決するために、負電圧を印加する陰極板と正電圧を印加する陽極板とを備えている、電子トンネル効果によって冷却を行う電子冷却素子において、前記陰極板と前記陽極板とは、温度変化に伴う変形能が異なるものであることを特徴としている。
【００２３】
上記の構成により、電子冷却素子の陰極板及び正極板（以下、これらを区別しない場合「電極板」という。）おいて、発熱、吸熱による電極板のたわみが発生しても、これら電極板の間の距離（真空ギャップ）を、例えば５ｎｍ以下に維持することができる。このため、電子トンネル効果による冷却を行うことにより、電極の温度が変化した場合にも、上記の構成を備えている電子冷却素子によれば、安定した冷却特性を得ることができる。また、真空ギャップの変化に起因して、電子冷却素子に発生する熱損失の影響も最小限にとどめることが可能である。
【００２４】
すなわち、本発明では、前記陰極板と陽極板との変形能を異ならせることにより、温度の変化により各電極板にたわみが発生した場合にも、陰極板と陽極板との間の真空空間を、例えば５ｎｍ以下といった好ましい範囲に制御することが可能であるから、安定して電子トンネル効果を発現させることができる。
【００２５】
本発明において「変形能が異なる」とは、同じ条件で温度を変化させた場合における形状変化が異なること、換言すれば、異なる条件で温度を変化させた場合おける形状変化が略同じになることをいう。本発明の電子冷却素子は、電子トンネル効果によって冷却を行うと、前記陰極板と陽極板とにおいて、異なる温度変化を生じるが、当該異なる温度変化が生じた場合に、陰極板と陽極板との対向面において略同様の形状変化が生じるように、陰極板と陽極板との変形能を異ならせることにより、電極板間の真空空間を制御することができる。これにより、安定な電子トンネル効果の発現を維持することができる。
【００２６】
前記の形状変化は、陰極板から陽極板へ向かう方向を正方向と定義した場合の、陰極板及び陽極板の対向面の初期状態からの変位量である「たわみ量」により特定することができる。本発明の電子冷却素子では、冷却を行った場合に各電極が到達する温度における、陰極板と陽極板とのたわみ量の差が、５ｎｍ以下であることが好ましい。さらに、５ｎｍの真空ギャップを維持するため、電極間にＳｉＯ２などでスペーサを設ける場合があるが、スペーサへの負荷を軽減する意味で上記たわみ量の差は３．０ｎｍ以下であることがより好ましい。例えば、電子冷却素子が、冷却を行う状態において、陰極板の温度が７℃、陽極板の温度が５２℃となる構成であれば、これら温度における、陰極板のたわみ量と陽極板のたわみ量との差を上記の範囲内とすることが好ましく、たわみ量が略同一であることがさらに好ましい。
【００２７】
本発明の電子冷却素子の前記陰極板及び陽極板は、これらの対向面とは反対面に、中空構造部を形成する皿状部を備えており、当該中空構造部内の圧力が電子冷却素子外部の圧力よりも低く設定されているものであることが好ましい。
【００２８】
上記のように、陰極板及び陽極板の対向面とは反対面に、中空構造部を形成し、当該中空構造部を前記真空空間の圧力を、電子冷却素子外部の大気圧よりも低くすることにより、電子トンネル効果を発現させる陰極板及び陽極板の対向面への大気圧の影響を防ぐことが可能となる。すなわち、当該対向面とは反対側に設けた皿状部により中空構造部を形成し、その内部を所定の圧力に保つことにより、陰極板と陽極板との間の真空空間と大気圧の圧力差に起因する陰極板と陽極板とのたわみを、中空構造部によって緩衝することができる。
【００２９】
前記中空構造部内の圧力を、電子冷却素子外部の圧力よりも低く設定することにより、外部からの影響を緩衝することが可能であるが、陰極板と陽極板との間の真空空間の圧力（真空度）と略同じに設定されることが好ましい。前記中空構造部内の圧力は、例えば、当該真空空間の圧力として好ましい１００Ｐａ以下とすることが好ましい。
【００３０】
また、陰極板と陽極板との対向面において、電子を放出する領域、及び放出された電子をトラップ（捕捉）する領域の反対面全体を覆うように、中空構造部が形成されていることが好ましい。これにより、上記対向面全体への大気圧の影響を取り除くことができる。
【００３１】
前記陰極板と陽極板との間、及び前記中空構造部内に封入される真空封入ガスとしては、Ａｒを好ましく用いることができる。
【００３２】
本発明の電子冷却素子は、前記陰極板と前記陽極板とが、同一の材料からなり、厚みが異なるものとしてもよい。
【００３３】
上記の構成により、前記陰極板と陽極板との変形能を異ならせることができるから、これら電極の温度変化に伴いたわみが発生した場合にも、真空ギャップを維持することができる。このため、例えば、真空ギャップを５ｎｍ以下に制御することが可能であり、電子トンネル効果を安定して発現する電子冷却素子を実現することができる。
【００３４】
また、陰極板の厚みと陽極板の厚みとの比は、電子トンネル効果によって冷却を行う場合に、前記陰極板と陽極板とに生じるの温度の差による、これらの形状変化の差が少なくなるように設定されていることが好ましい。
【００３５】
上記の構成により、陰極板と陽極板との間の真空ギャップを維持することができるので、安定して電子トンネル効果を発現する電子冷却素子を実現することができる。陰極板の厚みと陽極板の厚みとの比を上記のように設定すること、すなわち、前記陽極板の厚みを前記陰極の厚みの増加に比例して増加させることにより、陰極板と陽極板との間の真空空間の形状（真空ギャップ）を維持することができる。
【００３６】
本発明の電子冷却素子は、前記陰極板と前記陽極板とが、異なる材料からなり、厚みが同じであるものであっても良い。
【００３７】
上記の構成により、温度変化によって、陰極板及び陽極板にたわみが発生した場合にも、陰極板と陽極板との間の真空空間（真空ギャップ）を、安定して電子トンネル効果を発現させることができる距離に維持することができる。すなわち、前記陰極板及び陽極板を同じ厚みとした場合、その材料を異ならせることによって、両者の変形能を異なるものとすることができるから、例えば５ｎｍ以下に真空ギャップを維持することが可能となるから、電子冷却素子の電子トンネル効果を安定して発現させることができる。
【００３８】
上記異なる材料の組み合わせとしては、前記陰極板の材料としてのＣｕ又はＩｎと、前記陽極板の材料としてのＡｕとの組み合わせが挙げられる。上記の組み合わせにより、冷却による陰極板と陽極板との温度変化による両者のたわみ量の差を小さくすることが可能である
本発明の電子冷却素子は、前記陰極板及び陽極板のうち、少なくとも一方が、第１の材料と第２の材料との積層構造であって、第１の材料と第２の材料とは変形能の異なるものであってもよい。このように、前記陰極板及び／又は陽極板を積層構造とすることにより、変形能を容易に調整することできる。このため、温度変化によって、陰極板及び陽極板にたわみが発生した場合にも、これら間の真空ギャップを所望の範囲に制御することが可能となる。また、前記積層構造としては、例えば、ＣｕとＦｅとの組み合わせよりなるものとすることができる。
【００３９】
また、本発明の電子冷却素子においては、前記陰極板及び陽極板の対向面（対抗電極面）に、表面粗さが２．５ｎｍ以下の平坦化層を形成することが好ましい。これにより、温度変化によって陰極板及び陽極板にたわみが発生した場合にも、電極ギャップを５ｎｍ以下に制御することをより確実に実現できるから、電子トンネル効果をより安定に発現させることが可能となる。
【００４０】
また、本発明の電子冷却素子においては、前記陰極板、陽極板の対向面に形成した平坦化層の上に、低仕事関数材料を形成することにより、コンプレッサーと同程度の冷却効果を得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明の電子冷却素子は、以上のように、前記陰極板と前記陽極板とは、温度変化に伴う変形能が異なる構成であるから、温度変化によって電極たわみが発生した場合にも、電子トンネル効果を発現させる電極間の真空空間の距離を、例えば５ｎｍ以下に制御することが可能となるという効果を奏する。
【００４２】
また、本発明の電子冷却素子は、前記陰極板及び陽極板は、これらの対向面とは反対面に中空構造部を形成する皿状部を備えており、当該中空構造部内の圧力が、電子冷却素子外部の圧力よりも低く設定されている構成であるから、電子トンネル効果を発現させる前記陰極板及び陽極板への、大気圧の影響を防ぐことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
〔実施の形態１〕
本発明による第１の実施の形態を、図１を用いて詳細に説明する。図１は、陰極板と陽極板とに同一の材料を用い、両者の厚みを異ならせることにより、陰極板と陽極板との変形能とを異ならせた、電子トンネル効果を用いた本発明の電子冷却素子の実施形態の概略を示す構成図である。
【００４４】
まず、図１を参照して、本実施の形態の電子冷却素子の概略構造を説明する。同図において各部材に付している参照番号のうち、１１は陰極板状部（陰極板）、２１は陽極板状部（陽極板）、１３は平坦化材料、１４は真空空間、１５はスペーサ、１６は真空シール、１２は陰極皿状部、２２は陽極皿状部を示しており、１７は、陰極板状部１１及び陰極皿状部１２とによって陰極に、陽極板状部２１及び陽極皿状部２２によって陽極に、それぞれに形成された中空構造部１７を示している。また、１０は陰極板状部１１と陰極皿状部１２とからなる陰極を、２０は陽極板状部２１と陽極皿状部２２とからなる陽極を、それぞれ示している。
【００４５】
陰極板状部１１、陽極板状部２１、陰極皿状部１２及び陽極皿状部２２の材料としては、Ｃｕ、Ｗなどの熱伝導性の高い材料が望ましく用いられる。より具体的には、熱伝導率が１００〜４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲内である材料が好ましく用いられる。
【００４６】
図１に示すように、陰極１０及び陽極２０には、中空構造部１７が設けられている。この中空構造部１７は、外力（大気圧）による陰極板状部１１及び陽極板状部２１への応力を緩衝するために設けられているものである。中空構造部１７は、陰極１０及び陽極２０のそれぞれに、陰極板状部１１の電子を放出する領域、及び当該放出された電子をトラップ（捕捉）する陽極板状部２１の領域の、反対側の面全体を覆うように形成されている。このため、外力による陰極板状部１１及び陽極板状部２１への影響を、中空構造部１７によって緩衝することができるから、真空空間１４の形状を維持することができる。
【００４７】
ここで、大気圧が真空空間１４の形状に及ぼす影響を、中空構造部１７によって緩衝するためには、当該中空構造部１７の内部は、大気圧の影響を打ち消すことができる程度の圧力に保持されている必要がある。すなわち、電子冷却素子（電子冷却デバイス）に電圧が印加されておらず、陰極１０及び陽極２０が室温である状態（電子冷却素子が作動していない状態）、及び、電子冷却素子に電圧が印加されており、陰極１０と陽極２０との温度に差が生じている状態（電子冷却素子が作動している状態）の何れにおいても、中空構造部１７は、上記の機能を発揮できる程度の圧力とされている。
【００４８】
内部の圧力を大気圧未満とすることにより、中空構造部１７は上記の機能を発揮することができるものの、中空構造部１７内の圧力は真空空間１４内の圧力と略同じ圧力であることが好ましい。具体的には、後述するように、真空空間１４の圧力（真空度）は１００Ｐａ以下であることが好ましいから、中空構造部１７内の圧力も同様に１００Ｐａ以下であることが好ましい。
【００４９】
また、図１に示すように、陰極板状部１１及び陽極板状部２１の対向する面の略全面にわたって平坦化材料１３が層状に形成されている。平坦化材料１３は、当該平坦化材料１３の間の真空空間１４の形状を一定に保つために形成されたものである。平坦化材料１３の具体的な材料としては、ＳｉやＴａなどが挙げられる。平坦化材料１３の面粗度は真空空間１４の幅に応じて適宜設定することができるが、例えば、真空空間１４の幅を５ｎｍとする場合には、平坦化材料１３の面粗度を２．５ｎｍ以下とすればよい。ここで面粗度とは、表面粗さと同じ意味であり、平坦化材料１３面における凹凸の大きさの平均値のことをいう。
【００５０】
電子冷却素子の真空空間１４の幅、すなわち平坦化材料１３の間の狭いギャップを安定して維持するために、平坦化材料１３の間にスペーサ１５を挿入している。平坦化材料１３の間の狭いギャップを維持するためには、スペーサ１５のような物理的な安定化手段を設けることが最も善い対策であるといえる。前記スペーサ１５としては、ＳｉＯ２やアルミナなどの絶縁体、もしくは、フラーレンなどのように電気伝導性は高く熱伝導率が低い材料を用いることができる。
【００５１】
本実施の形態の電子冷却素子には、図１に示したとおり、真空空間１４の真空度を維持するため、陰極１０と陽極２０との間に真空シール１６を設けている。当該真空シール１６の材料としては、絶縁体であって熱伝導率の比較的低いものが好ましく、例えば、低融点ガラスを用いることができる。
【００５２】
本実施の形態の電子冷却素子では、陰極板状部１１及び陽極板状部２１として、円形板を用いているから、本実施の形態の電子冷却素子は円形形状のものとなる。
【００５３】
上記した構成からなる電子冷却素子の陰極１０に負電位を、陽極２０に正電位を印加すると、電子は陰極板状部１１から平坦化材料１３に移動し、真空空間１４を通過して陽極板状部２１に到達する。その際、真空空間１４を通過するトンネル電子若しくは熱電子により、熱が運搬されるため、陰極板状部１１は冷却され、陽極板状部２１は加熱されることとなる。
【００５４】
図１の真空空間１４のＡで示した部分を拡大した断面図を図２に示す。図２を参照して、真空空間１４の概略構造を説明する。同図では図１と同じ部材には同じ参照番号付しており、１３は平坦化材料、１５はスペーサ、２３は低仕事関数材料、１４は真空空間を示している。このように、平坦化材料１３の表面には、スペーサ１５と接していない領域に、低仕事関数材料２３の層が形成されている。低仕事関数材料２３は、その厚みが５ｎｍ以下の非常に薄い膜であるため、スペーサ１５と接触することによって、低仕事関数材料２３の膜に亀裂が入ったり膜剥がれが起こったりする恐れがある。このような理由から、本実施の形態の電子冷却素子では、平坦化材料１３とスペーサ１５との接触部には低仕事関数材料２３を形成していない。
【００５５】
低仕事関数材料２３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、低仕事関数材料２３は、上記した材料に電子を注入した材料であっても良い。
【００５６】
上記の構成からなる電子冷却素子について、冷却特性を維持するために必要な、真空空間１４の真空度（圧力）について説明する。電子トンネル効果により陰極板状部１１から陽極板状部２１に、トンネル電子若しくは熱電子が運搬されることで、陰極板状部１１側が冷却され、陽極板状部２１側が加熱されることは、前述したとおりであるが、真空空間１４内の圧力が高くなると、真空空間１４中に存在する気体分子数が増えることとなる。このため、冷却側である陰極板状部１１から、加熱側である陽極板状部２１に、熱電子に加えて気体分子が移動することとなるために、電子冷却素子の冷却特性が損なわれるという問題が発生する。
【００５７】
図３は、真空空間１４の真空度と電子冷却素子の冷却量との関係を示すグラフである。同図には、真空空間１４内の圧力の初期値を１０Ｐａとした場合の、真空空間１４の真空度の低下（圧力の増大）と冷却量との関係を示している。同図の内容から、真空空間１４内の圧力が、初期値の１０倍の１００Ｐａとなった場合における冷却量の減少量は、初期値（１０Ｐａ：約３．９Ｗ）に比べて、わずか６％であることが分かる。これに対し、真空空間１４内の圧力が、初期値の１００倍の１０００Ｐａになると、冷却量は初期値に比べて６１％も減少する。冷却量の初期値に対する減少量はせいぜい１０％以内に抑える必要があるから、図３によれば、このような条件を満たす（減少量を１０％以内に抑える）には、真空空間１４内の真空度を１００Ｐａ以下とすれば良いことが分かる。
【００５８】
〔実施例及び比較例〕
（陰極板状部１１と陽極板状部２１の厚みの影響について）
上記説明した図１に示す構成からなる電子冷却素子について、陰極板状部１１と陽極板状部２１との厚みを異ならせた本発明の実施例と、陰極板状部１１と陽極板状部２１との厚みを同じにした比較例とにより、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらにより何ら限定されるものではない。
【００５９】
本実施例及び比較例においては、真空空間中を移動する熱量を求める際には下記の式（１）を求めた。
【００６０】
ｑ＝Λ×ｐ×Ｓ×△Ｔ  ・・・（１）
ｑ：高温側から低温側への移動熱量、Λ：気体の自由分子伝導率（０．６７ｍ／ｓ・Ｋ）、ｐ：電極間真空度、Ｓ：真空部分接触電極面積、△Ｔ：高温部と低温部との温度差（本実施例では４５℃）である。
【００６１】
以下の実施例及び比較例は、室内温度２７℃に対し、庫内温度を７℃まで下げた場合を想定したものである。また、陰極１０により冷却する側の庫内空間の容積に対して、陽極２０により熱を放出する室内空間の容積は十分に大きく、陽極２０による熱の放出によって生じる室内空間の温度変化は無視できるものとした。
【００６２】
上記説明したとおり、本実施の形態の電子冷却素子は、陰極板状部１１及び陽極板状部２１の端部が真空シール１６により固定されている。このため、これらの端部では、熱応力によるたわみの影響が抑えられている。一方、陰極板状部１１及び陽極板状部２１の中央部付近は全く固定されていないから、熱応力によるたわみの影響を大きく受けることとなる。そこで、以下においては、たわみが最大になると考えられる、陰極板状部１１と陽極板状部２１の中心部におけるたわみ量を、これらのたわみ量として説明する。
【００６３】
なお、図１に示すように、陰極板状部１１及び陽極板状部２１の中心部付近には、平坦化材料１３を介してスペーサ１５が設けられているが、スペーサ１５は、真空空間１４の幅を規定するものであり、陰極板状部１１及び陽極板状部２１のたわみを防止できるものではない。
【００６４】
〔実施例１〕
本実施例の電子冷却素子においては、陰極１０及び陽極２０を構成する、陰極板状部１１及び陽極板状部２１として、厚みが１．０ｍｍの円形Ｃｕ板、及び厚みが１．１９ｍｍの円形Ｃｕ板を用いた。陰極板状部１１と陽極板状部２１とには、上記厚みが異なる以外は同じ、直径が１１．５ｍｍの円形Ｃｕ板を用いた。陰極皿状部１２及び陽極皿状部２２としては、何れも、直径が１１．５ｍｍの円形Ｃｕ板に縁部が設けられたシャーレ形状のものを用いた。このように、本実施例では、陰極１０と陽極２０とのそれぞれに形成されている真空空間１４の形状は同じである。
【００６５】
平坦化材料１３としては、面粗度が２．５ｎｍ以下であって、厚さ０．２５ｍｍの円形Ｓｉ板を用いた。真空空間１４の幅を５ｎｍとするために、スペーサ１５としてＳｉＯ２を用い、真空シール１６として低融点ガラスを用いた。
【００６６】
〔比較例１〕
陰極板状部１１及び陽極板状部２１を、厚みが０．３ｍｍの円形Ｃｕ板とした以外は、上記実施例１と同様の構成として本比較例の電子冷却素子とした。
【００６７】
〔考察〕
上記の実施例１及び比較例１の電子冷却素子について、たわみ量を測定した結果を表１に示す。同表は、陰極板状部１１の温度を７℃とし、陽極板状部２１の温度を５２℃とすることにより、室内温度２７℃の場合に、庫内温度を７℃まで下げた場合に、実施例１及び比較例１の陰極板状部１１及び陽極板状部２１に生じるたわみ量を示している。
【００６８】
【表１】
2006132844.tif 000003
【００６９】
従来の構造である、陰極板状部１１及び陽極板状部２１とを同じ厚みの円形Ｃｕ板により形成した比較例１の電子冷却素子における、陰極板状部１１の最大たわみ量は１０５３０ｎｍ、陽極板状部２１の最大たわみ量は８０５３０ｎｍである。上記実施例及び比較例では、上記たわみ量の正方向を陰極板状部１１から陽極板状部２１へ向かう方向と定義しているから、陰極板状部１１及び陽極板状部２１では、両方とも同じ方向へたわみが生じていることが分かる。
【００７０】
このように、陰極板状部１１及び陽極板状部２１を、同じ厚み（０．３ｍｍ）とした従来構造の比較例１の電子冷却素子では、陰極板状部１１と陽極板状部２１とのたわみ量の差が最大で２０００ｎｍに及ぶから、真空空間１４の幅（真空空間距離、真空ギャップ）を５ｎｍに維持することは不可能である。
【００７１】
一方、本発明の実施例１は、陰極板状部１１の厚みを１．０ｍｍ、陽極板状部２１の厚みを１．１９ｍｍとし、両者の変形能を異ならせた構造であるから、陰極板状部１１と陽極板状部２１の最大たわみ量が、何れも２８９０ｎｍと同じになる。このため、温度変化に伴う、陰極板状部１１と陽極板状部２１とたわみ量の差による影響を抑制して、真空空間１４の幅への５ｎｍに維持することが可能となる。
【００７２】
なお、上記実施例及び比較例において、たわみ量ｗ（ｍ）を求める式としては、下記の式（２）を用いた。なお、本実施例及び比較例において「たわみ量」とは、電子冷却素子を作動させる前と、作動させ庫内空間を所望の温度とした時点における、陰極板状部１１又は陽極板状部２１の真空空間１４側面（対向面）の上記たわみ量の方向に沿った位置の変化量をいう。
【００７３】
ｗ＝３×Ｐ×ａ４×（１−ν２）／（１６×Ｅ×ｈ３）  ・・・（２）
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）を示している（たわみ量を求める陰極板状部１１及び陽極板状部２１についての値）。
【００７４】
また、Ｐは真空空間１４の圧力（Ｐａ）を示しており、下記の式（３）で表される。
【００７５】
Ｐ＝Ｋ×Ｅ×（Ｔ２−Ｔ１）×ｈ２  ・・・（３）
Ｋは陰極板状部１１又は陽極板状部２１の彎曲係数（1／℃）、Ｔ１は冷却部、及び発熱部の温度（℃）、Ｔ２は室内温度（℃）を示している。
【００７６】
なお、上記の式（２）よれば、たわみ量は、電極厚みｈ（ｍ）の３乗に逆比例するから、単に、陰極板状部１１又は陽極板状部２１の厚みを増やせば良いとも考えられる。しかしながら、例えば、比較例１のように、陰極板状部１１と陽極板状部２１とを同じ厚みにしつつ、真空空間距離を５ｎｍ以下にするためには、電極厚みｈを、比較例１において設定されている厚み（０．３ｍｍ）の約８倍の２．５ｍｍとする必要がある。この場合、電子冷却素子の小型冷却素子としてのメリットがなくなってしまうため実用的でない。
【００７７】
（陰極板状部と陽極板状部との最適な厚みの比率）
電子冷却素子を構成する陰極板状部１１と陽極板状部２１との最適な厚みの比率は、冷却を行う際における、これらの温度を何度に設定するかにより異なる。そこで、陰極板状部１１の温度を７℃とし、陽極板状部２１の温度を３種類（５２℃、３９℃、２６℃）とした場合に、前記真空空間１４の幅を維持するために最適な、陽極板状部２１の最適厚みを求めた。なお、陰極板状部１１及び陽極板状部２１の温度は、放射温度計を用い、非接触で測定したものである。
【００７８】
図４は、横軸を陰極板状部１１（冷却側）厚み、縦軸を陽極板状部２１（放熱側）厚みと定義し、陽極板状部２１の温度を上記した３つの温度とする場合に、真空空間１４の幅（真空空間距離）を５ｎｍ以下に制御するために最適な、陽極板状部２１の最適厚みの変化を示した図である。同図から明らかなように、陰極板状部１１の厚みと、真空空間１４の幅を維持するための陽極板状部２１の最適厚みとは比例関係にある。
【００７９】
また、真空空間１４の幅を５ｎｍ以下に維持するための、陽極板状部２１の最適厚みは、陽極板状部２１の温度とも比例関係にあることが分かる。すなわち、陰極板状部１１の厚みを１、２、３、４、及び５ｎｍとした場合の何れにおいても、陽極板状部２１の温度を３９℃、５６℃とした場合の最適厚みは、それぞれ、陽極板状部２１の温度を２６℃とした場合の、１．５倍、２．０倍となっている。
【００８０】
逆に、陽極板状部２１の温度を一定として、真空空間１４の幅を維持するための陰極板状部１１の最適厚みを求めても、上述した場合と同様に、陰極板状部１１の最適厚みは陽極板状部２１の厚みに比例し、かつ陰極板状部１１の温度にも比例することを確認している。
【００８１】
以上の結果から、真空空間１４の幅を維持するための、陰極板状部１１、及び陽極板状部２１の厚みは、陰極板状部１１及び陽極板状部２１の温度に関係する因子で規定されていることが分かる。
【００８２】
〔実施の形態２〕
本発明の第２の実施の形態について、図を用いて詳細に説明する。本実施の形態においては、陰極板と陽極板とを同じ厚みとして、異なる材料を用いることにより、両者の変形能を異ならせた電子冷却素子について説明する。なお、上記の実施の形態において説明した部材と同じ機能の部材については、同じ部材番号を付し、本実施の形態では説明を省略する。
【００８３】
図５は、本実施の形態の電子トンネル効果を用いた電子冷却素子の概略構成を示す断面図である。まず、同図を参照して、本実施の形態の電子冷却素子の概略構造を説明する。図５において各部材に付している参照番号のうち、３１は陰極板状部、４１は陽極板状部、１３は平坦化材料、１４は真空空間、１５はスペーサ、１６は真空シール、１７は陰極３０及び陽極４０に設けられた中空構造部を示している。また、３０は陰極板状部３１と陰極皿状部３２とからなる陰極を、４０は陽極板状部４１と陽極皿状部４２とからなる陽極を、それぞれ示している。
【００８４】
本実施の形態の電子冷却素子は、陰極３０と陽極４０とを、異なる材料により構成することによって両者の変形能を異ならせている点が、上述した実施の形態１と相違する点である。陰極３０と陽極４０との材料の組み合わせとしては、この順に、例えば、ＣｕとＡｕ、ＣｕとＩｎ、などが挙げられる。
【００８５】
本実施の形態の電子冷却素子駆動させて、電子トンネル効果によって冷却を行う場合について、以下に記載する。陰極３０、陽極４０内に設けられた中空構造部１７の圧力は、実施の形態１の場合と同様に、電子冷却素子に電圧が印加されていない状態、及び電子冷却素子に電圧を印加し始めた初期状態において、真空若しくは大気圧の影響を打ち消すことができる程度の圧力に保持されている。
【００８６】
ここで、電子冷却素子の陰極３０に負電位を、陽極４０に正電位を印加すると、電子は陰極３０の陰極板状部３１から平坦化材料１３に移動し、真空空間１４を通過して陽極板状部４１に到達する。その際、真空空間１４を通過するトンネル電子、若しくは熱電子により熱が運搬されるため、陰極板状部３１は冷却され、陽極板状部４１は加熱される。その際、実施の形態１で説明したように、陰極板状部３１と陽極皿状部３２において、冷却に伴う温度変化によるたわみが発生する。
【００８７】
〔実施例２〕
陰極３０の材料としてＣｕを用い、陽極４０の材料としてＡｕを用い、陰極板状部３１及び陽極板状部４１の厚みを０．３ｍｍとした点以外は、上記実施例１の電子冷却素子と同様にして、平坦化材料１３として厚み０．２５ｍｍのＳｉを、スペーサ１５として厚み５ｎｍのＳｉＯ２を、真空シール材として低融点ガラスを、それぞれ用い、真空空間１４の幅を５ｎｍに制御した電子冷却素子を作製した。
【００８８】
表２に、陰極板状部３１と陽極板状部６２との材料を異ならせた実施例２（陰極：Ｃｕ、陽極：Ａｕ）と、従来の構成（陰極、陽極ともＣｕの場合）である比較例１とについて、実施の形態１と同様の方法により測定したたわみ量の結果を示す。同表に示すように、従来の構成である比較例１、及び実施例２は、何れも、陰極板状部及び陽極板状部の厚みが０．３ｍｍである。
【００８９】
【表２】
2006132844.tif 000004
【００９０】
表２に示した結果から、陽極４０の材料を、陰極３０と同じＣｕ（熱膨張係数：１６．７Ｅ−６／℃、ヤング率：１１０ＧＰａ）ではなく、陰極３０とは異なるＡｕ（熱膨張係数：１４．１Ｅ−６／℃、ヤング率：７８．５ＧＰａ）として形成することにより、陰極板状部３１と陽極板状部４２とのたわみ量の差を２ｎｍまで小さくできることが分かる。すなわち、陰極板状部３１と陽極板状部４２との厚みを同じにした場合に、これらを同じ材料（Ｃｕ）で形成した従来構成の実施例１では、上記たわみ量の差が２０００ｎｍであったのに対し、これらを異なる材料（ＣｕとＡｕ）で形成することにより、たわみ量の差を２ｎｍまで低減することができる。
【００９１】
したがって、本実施例のように、陰極板状部３１と陽極板状部４２とを、異なる材料で形成することにより、冷却に伴う温度変化によってたわみが発生した場合でも、５ｎｍの真空空間１４の幅（真空空間距離）を充分に維持することができる。なお、陽極４０の材料として、Ａｕの代わりにＩｎ（熱膨張係数：２４．８Ｅ−６／℃、ヤング率：１０．５ＧＰａ）を用いた場合も、Ａｕを用いた上記実施例２と同様の効果が得られることを確認している。
【００９２】
〔実施の形態３〕
本発明の第３の実施の形態について、図を用いて詳細に説明する。本実施の形態の電子冷却素子は、陰極板と陽極板とのうち、少なくとも一方を第１の材料と当該第１の材料とは変形能の異なる第２の材料との積層構造にしている点において、上記実施の形態１及び２とは異なっている。なお、上記の実施の形態において説明した部材と同じ機能の部材については、同じ部材番号を付して、本実施の形態では説明を省略する。
【００９３】
図６は、本実施の形態の電子トンネル効果を用いた電子冷却素子の概略構成を示す断面図である。まず、同図を参照して、本実施の形態の電子冷却素子の概略構造を説明する。図６において各部材に付している参照番号のうち、３１は陰極板状部、５１は第１の陽極板状部５１Ａと第２の陽極板状部５１Ｂとからなる陽極板状部、１３は平坦化材料、１４は真空空間、１５はスペーサ、１６は真空シール、１７は陰極３０と陽極５０とに設けられた中空構造部を示している。また、５０は陽極板状部５１と陽極皿状部５２とからなる陽極５０を示している。
【００９４】
陽極５０の陽極板状部５１を構成する、陽極板状部５１Ａと陽極板状部５１Ｂとは、異なる材料により構成されたものであり、具体的には、Ｃｕ、Ａｕ、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｗなどの金属を組み合わせることができる。陽極板状部５１Ａと陽極板状部５１Ｂとの膜厚を、用いられる材料に応じて設定することにより、陽極板状部５１と陰極板状部３１の変形能を異ならせて、冷却を行う際に異なる温度となった場合におけるたわみ量を同程度とすることができる。このため、上記実施の形態２において陰極板状部３１と陽極板状部４１を同じ厚みとし、この順に、これらの材料をＣｕとＡｕ、或いはＣｕとＩｎとの組み合わせとした場合と同様の効果を、本実施の形態の電子冷却素子においても得ることができる。
【００９５】
なお、今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。また、異なる実施形態に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。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
高い冷却特性を発揮する小型の電子冷却素子であり、脱フロン冷却機構の冷却装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】図１は、本発明の電子トンネル効果を用いた電子冷却素子の概略構成を示した断面図である。
【図２】図２は、図１にＡで示した電子冷却素子真空空間部分を拡大した断面図である。
【図３】図３は、電子トンネル効果を用いた電子冷却素子における、真空ギャップ部分の真空度低下による冷却量の低下率を示したグラフである。
【図４】図４は、電子トンネル効果を用いた冷却素子における、真空ギャップを維持するための、陽極厚みの温度変化を示した図である。
【図５】図５は、本発明の電子トンネル効果を用いた電子冷却素子における他の実施の形態の概略構成を示した断面図である。
【図６】図６は、本発明の電子トンネル効果を用いた電子冷却素子におけるさらに他の実施の形態の概略構成を示した断面図である。
【図７】図７は、電子トンネル効果を用いた従来の冷却素子の概略構成を示した図である。
【図８】図８は、電子トンネル効果を用いた従来のヒートポンプ装置のＣＯＰ（冷却性能指数）値の変化を示した図である。
【図９】図９は、従来の電子トンネル効果を用いた冷却素子の概略構成を示した図である。
【符号の説明】
【００９８】
１０，３０  陰極
２０，４０，５０  陽極
１１，３１  陰極板状部（陰極板）
１２，３２  陰極皿状部（皿状部）
２１，４１，５１  陰極板状部（陽極板）
２２，４２，５２  陽極皿状部（皿状部）
１７  中空構造部
【図１】
2006132844.tif 000005
【図２】
2006132844.tif 000006
【図３】
2006132844.tif 000007
【図４】
2006132844.tif 000008
【図５】
2006132844.tif 000009
【図６】
2006132844.tif 000010
【図７】
2006132844.tif 000011
【図８】
2006132844.tif 000012
【図９】
2006132844.tif 000013