(57)【要約】【課題】電子部品、光部品などのための冷却装置、もしくは冷蔵庫、冷凍庫、クーラー、エアコンなどの冷却機器に使用される、高い効率を達成することができる熱電子ヒートポンプ及びそれを用いた熱電子ヒートポンプモジュールを実現すること。【解決手段】カソード電極１１とアノード電極１２間にバイアス電圧を印加して、カソード電極１１から電子を放出させることにより、カソード電極１２を冷却する熱電子ヒートポンプにおいて、カソード電極１１の実効仕事関数が０．７ｅＶ以下であるとともに、前記カソード電極と前記アノード電極の間隔、及び／または前記バイアス電圧が、所望の冷却能力において、単位消費電力あたりの冷却能力が最大化される範囲に設定されていることを特徴とする熱電子ヒートポンプとする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード電極とアノード電極間にバイアス電圧を印加して、カソード電極から電子を放出させることにより、カソード電極を冷却する熱電子ヒートポンプであって、前記カソード電極の実効仕事関数が０．７ｅＶ以下であるとともに、前記カソード電極と前記アノード電極の間隔、及び／または前記バイアス電圧が、所望の冷却能力において単位消費電力あたりの冷却能力が最大化される範囲に設定されていることを特徴とする熱電子ヒートポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載の熱電子ヒートポンプ、前記カソード電極と前記アノード電極の間隔を制御する電極間隔制御手段、及び／または、前記バイアス電圧を制御する電圧制御手段を備え、前記電極間隔制御手段及び前記電圧制御手段による制御が、所望の冷却能力において単位消費電力あたりの冷却能力が最大化される範囲で行なわれるように成したことを特徴とする熱電子ヒートポンプモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品、光部品などのための冷却装置、もしくは冷蔵庫、冷凍庫、クーラー、エアコンなどの冷却機器に使用される、高効率の熱電子ヒートポンプ（熱電子冷却素子）及び熱電子ヒートポンプモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常の冷蔵庫、冷凍庫、クーラー、エアコンなどの冷却機器に使用されているコンプレッサー式の冷却器や、電子部品、光部品の冷却装置として使用されているペルチェ素子（熱電素子）に替わるものとして、熱電子ヒートポンプ（Ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ）が知られている。熱電子ヒートポンプは、コンプレッサーのように騒音や振動を発生しない、フロンなどの有害冷媒を使用しない、小型化できるなどの特徴を持っている。また、ペルチェ素子よりも高い冷却性能を持つことが期待されている。
【０００３】
冷却素子の性能を表すためには、一般に、冷却能力（素子単位面積あたりの吸熱量（Ｗ／ｃｍ２））、成績係数（ＣＯＰ）（単位消費電力あたりの冷却能力＝冷却能力／消費電力）の２つのパラメーターが使用される。これらは独立ではなく、冷却能力を変化させるとＣＯＰも変化する。また、性能指数（ＺＴ）やペルチェ係数なども使用されることがある。必要な冷却能力は用途によって異なるため、実際に使用する冷却能力においてＣＯＰが最大になることが望ましい。
【０００４】
熱電子ヒートポンプは、図１に示すように、カソード電極１１とアノード電極１２を対向させ、電極間を真空に保つかガスを封入した構成である。この電極間にバイアス電圧を印加すると、カソード電極から電子が放出されアノード側へ移動する。この放出される電子が、カソード電極内の電子の平均よりも高いエネルギーを持つ場合、カソード側は統計的に冷却される。電子はバイアス電圧による電場中を移動するため、電場からのエネルギーも得た上でアノード側に突入し、アノード電極は加熱されることとなる。このように、熱電子ヒートポンプでは、電子の流れが電力を消費しながら熱を運ぶという、いわゆるヒートポンプとしての動作を行う。これを逆に動作させた場合は、温度差によって発電を行う熱電子発電となり、原子力電池として人工衛星などで使用されている。
【０００５】
カソード電極から電子が放出される機構として、リチャードソン放出（Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）とトンネル効果が挙げられる（非特許文献１を参照）。非特許文献１によると、リチャードソン放出による電流密度ＪＲｉｃｈａｒｄｓｏｎと、運搬される熱流密度ＱＲｉｃｈａｒｄｓｏｎは、
【０００６】
【数１】
2004150741.tif 000003
【０００７】
・・・式（１）
のように表されることが示されている。ここで、ｅは電子の素電荷、ｍは電子の質量、ｋＢはボルツマン定数、Ｔはカソードの温度、Ｖｍａｘはバイアス電圧によるポテンシャルの最大値である。また、トンネル効果による電流ＪＴｕｎｎｅｌと熱流ＱＴｕｎｎｅｌは、
【０００８】
【数２】
2004150741.tif 000004
【０００９】
・・・式（２）
となる。ここで、ＥＦは電極のフェルミエネルギー、Ｖ（ｘ）はバイアス電圧による電極間のポテンシャル分布、ｘ１、ｘ２は、電子のエネルギーＥｘがポテンシャルＶ（ｘ）と等しくなる点の座標ｘ（カソード電極の表面を原点とする）である。Ｎ（Ｅｘ）はカソード中の電子のエネルギー分布関数、Ｄ（Ｅｘ）はトンネル確率を表している。電極間のポテンシャル分布Ｖ（ｘ）は、イメージチャージ効果を考慮すると、
【００１０】
【数３】
2004150741.tif 000005
【００１１】
・・・式（３）
のように表される。ここで、φは電極の仕事関数、Ｖｂｉａｓはバイアス電圧、ｄは電極間隔、Ｖｉｍａｇｅはイメージチャージによるポテンシャル低下分である。前述のように、ｘはカソード電極からアノード電極へ向かう座標で、カソード電極表面をｘ＝０、アノード電極表面をｘ＝ｄとしている。
【００１２】
熱電子ヒートポンプにバイアス電圧を印加すると、式（１）、式（２）で示された電流が流れ、同時に熱が移動する。また、アノード電極からカソード電極へも、同様の式で表される逆電流、逆熱流が発生するが、バイアス電圧に逆らって電子が移動する必要があるため、その値は小さくなる。ただし、冷却素子では、カソード電極の温度（ＴＣＯＬＤ）よりもアノード電極の温度（ＴＨＯＴ）の方が高く、これは逆電流、逆熱流を増加させる効果がある。これらのことを考慮して、結局、カソード電極からアノード電極への正味の電流密度Ｊ、熱流密度Ｑは、カソードからアノード方向（正方向）をＦｏｒｗａｒｄ、アノードからカソード方向（逆方向）をＢａｃｋｗａｒｄと記すと、
【００１３】
【数４】
2004150741.tif 000006
【００１４】
・・・式（４）
と表される。Ｑは素子単位面積あたりの吸熱量（冷却能力）であり、素子単位面積あたりの消費電力Ｐ及びＣＯＰは、
【００１５】
【数５】
2004150741.tif 000007
【００１６】
・・・式（５）
となる。また、アノード電極での単位面積あたりの発熱量はＱ＋Ｐである。
【００１７】
前述した式から、熱電子ヒートポンプの特性を決定する設計パラメーターは、表１のように表されることが分かる。
【００１８】
【表１】
2004150741.tif 000008
【００１９】
【特許文献１】
米国特許６０８９３１１号明細書
【特許文献２】
米国特許５６７５９７２号明細書
【非特許文献１】
Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  ｃｏｍｂｉｎｅｄ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇａｎｄ  ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｉｎ  ｖａｃｕｕｍ：  Ｕｓｅ  ｏｆ  ｎａｎｏｍｅｔｅｒ  ｓｃａｌｅ  ｄｅｓｉｇｎ（Ｙ．  Ｈｉｓｈｉｎｉｍａ  ｅｔ  ａｌ．，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．  ７８，  Ｎｏ．  １７，  ｐｐ２５７２−２５７４，  ２００１）
【非特許文献２】
Ａ  Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ  ｏｆ  Ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ  ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ａｎｄ  ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ  ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒｓ（Ｇ．Ｓ．  Ｎｏｌａｓ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，  Ｖｏｌ．  ８５，  Ｎｏ．  ８，  ｐｐ４０６６−４０７０，  １９９９）
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
実際のアプリケーションでは、動作パラメーターである温度が規定された状態で、機器としての冷却能力が要求されている場合が多い。例えば、エアコン、クーラーでは、外気温と室内温の温度差がたかだか数Ｋ（ケルビン）であり、冷却素子部での温度差は１０Ｋ程度となる。この時、数ｋＷの冷却能力が要求される。これに対して、冷凍庫、冷蔵庫などでは、５０Ｋ以上の温度差で数１０Ｗの冷却能力が必要である。そして、機器としての効率を決定するのはＣＯＰである。つまり、冷却素子では、使用される機器として必要な冷却能力、温度で最もＣＯＰが高くなるように、設計パラメーターを最適化する必要がある。従来のクーラー、冷蔵庫で一般的な各特性を表２に示す。
【００２１】
【表２】
2004150741.tif 000009
【００２２】
ところが、これまでの熱電子ヒートポンプでは、前述のような観点からの最適化が行われていなかった。例えば、前述のＨｉｓｈｉｎｉｍａらの文献で示されているパラメーターでは、トンネル効果を利用して大きな冷却能力が発揮できるが、ＣＯＰは小さいものにとどまっていた。また、非特許文献２では、シミュレーションにトンネル効果が考慮されておらず、電極間隔を狭くした場合の特性を求めることができない。また、Ｂｏｒｅａｌｉｓ社による一連の特許文献（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）でも、具体的なパラメーターや最適化の方法や構成については何ら開示されていない。
【００２３】
そこで本発明は、高い効率を達成することが可能な画期的な熱電子ヒートポンプ及びそれを用いた熱電子ヒートポンプモジュールを提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の熱電子ヒートポンプは、カソード電極とアノード電極間にバイアス電圧を印加して、カソード電極から電子を放出させることにより、カソード電極を冷却する熱電子ヒートポンプであって、前記カソード電極の実効仕事関数が０．７ｅＶ以下であるとともに、前記カソード電極と前記アノード電極の間隔、及び／または前記バイアス電圧が、所望の冷却能力において単位消費電力あたりの冷却能力が最大化される範囲に設定されていることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の熱電子ヒートポンプモジュールは、上記熱電子ヒートポンプ、前記カソード電極と前記アノード電極の間隔を制御する電極間隔制御手段、及び／または、前記バイアス電圧を制御する電圧制御手段を備え、前記電極間隔制御手段及び前記電圧制御手段による制御が、所望の冷却能力において単位消費電力あたりの冷却能力が最大化される範囲で行なわれるように成したことを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の熱電子ヒートポンプを図面に基づいて詳説する。なお、同一構成要素については同一符号を付すものとし、その説明を省略する。また、素子特性のシミュレーションには、上述の式（１）〜（５）を使用して行なった。
【００２７】
図１に基本的な熱電子ヒートポンプの構造を示す。カソード電極１１とアノード電極１２を一定の間隔を保つように対向させ、この電極間を真空に保つか適当な不活性ガス等の気体を封入した構成とする。この電極間にバイアス電圧を印加すると、カソード電極１１から電子が放出されアノード電極１２側へ移動する。この放出される電子が、カソード電極１１内の電子の平均よりも高いエネルギーを持つ場合、カソード電極１１側は統計的に冷却される。電子はバイアス電圧による電場中を移動するため、電場からのエネルギーも得た上でアノード電極１２側に突入し、アノード電極１２は加熱されることとなる。このように、熱電子ヒートポンプでは、電子の流れが電力を消費しながら熱を運ぶという、いわゆるヒートポンプとしての動作を行う。
【００２８】
一般的な動作では、バイアス電圧を大きくするほど電流が多く流れ、冷却能力が大きくなる。ところがその場合、電子がバイアス電圧による電場から受ける仕事も大きくなり、消費電力が増加することになる。冷却能力の増加と消費電力の増加の関係は比例関係ではなく、消費電力が増加するほどには冷却能力は増加しない。つまり、大きな冷却能力を得ようとするほど、消費電力はより大きくなり、成績係数ＣＯＰは低下する。この現象は、電極間隔が狭く、バイアス電圧が大きいとき、つまり、上述した式（２）で表されるトンネル効果が大きいほど顕著になる。このため、必要な冷却能力を最大の効率で達成するため、素子のパラメーターの最適化が必要となる。
【００２９】
図２（ａ）、（ｂ）に、上述した式（１）〜（５）に従って計算したシミュレーション結果の一例を示す。この例は、カソード電極の温度をＴＣＯＬＤ＝２９０Ｋ、アノード電極の温度をＴＨＯＴ＝３００Ｋ、電極の仕事関数を０．５ｅＶとしたときの、素子単位面積当たりの（ａ）冷却能力及び（ｂ）ＣＯＰを、電極間隔と印加したバイアス電圧についてプロットしたものである。前述の温度差は、クーラーとして使用する場合に相当する（表２を参照）。また、電極間隔（横軸）、バイアス電圧（縦軸）は対数表示にしてある。図から分かるように、バイアス電圧を高くするほど、また、電極間隔を小さくするほど冷却能力は大きくなる。これに対して、ＣＯＰは、バイアス電圧が小さい場合には大きくなるが、電極間隔を小さくしすぎた場合にはかえって低下することが分かる。
【００３０】
この状況をさらに詳細に示すために、図３に冷却能力とＣＯＰのバイアス電圧依存性のシミュレーション結果を示す。図２の例と同様に、カソード電極の温度をＴＣＯＬＤ＝２９０Ｋ、アノード電極の温度をＴＨＯＴ＝３００Ｋ、電極の仕事関数を０．５ｅＶとしている。また、電極間隔は０．１、０．０１、０．０３μｍについて計算している。この結果は、図２のグラフにおける縦方向の断面に相当している。図から、バイアス電圧の上昇に伴って、冷却能力は大きくなっている様子が分かる。また、あまりバイアス電圧を大きくしすぎると、冷却能力の低下が起こることが明らかになっている。これは、上述した非特許文献１にも示されていることである。ところが、ＣＯＰに注目すると、冷却能力が小さいときに最大値を示しており、以後、バイアス電圧を大きくすると急速に小さくなっていくことが分かる。ＣＯＰは、冷却能力のみを考慮するアプリケーション、例えば、低温実験装置などでは大きな問題ではないが、クーラー、冷蔵庫、電子部品用冷却装置など、実用的なアプリケーションでは大きな問題になる。このため、冷却能力のみではなく、ＣＯＰについても注目して素子の最適化を行う必要がある。
【００３１】
図４には、冷却能力とＣＯＰの電極間隔依存性のシミュレーション結果を示した。図２、３の例と同様に、カソード電極の温度をＴＣＯＬＤ＝２９０Ｋ、アノード電極の温度をＴＨＯＴ＝３００Ｋ、電極の仕事関数を０．５ｅＶとしている。また、バイアス電圧は０．０８、０．０４、０．０２Ｖについて計算している。この結果は、図２のグラフにおける横方向の断面に相当している。図から分かるように、電極間隔を大きくするほど、冷却能力は低下し、ＣＯＰは大きくなる。また、電極間隔を小さくしすぎた場合、冷却能力はかえって低下することも分かる。図３、４の結果から分かることは、冷却能力とＣＯＰは一般にトレードオフの関係にあり、その関係は、仕事関数、電極間隔、バイアス電圧によって最適化できるということである。
【００３２】
表２に前述したように、通常のアプリケーションでは、ある冷却能力の場合の効率が問題となる。従って、熱電子ヒートポンプの最適化は、冷却能力一定の条件で、ＣＯＰを最大化するようなパラメーターを見つけることに還元される。このような考えに基づいてシミュレーションを行った結果の一例を図５（ａ）から（ｄ）に示す。前述の例と同様に、カソード電極の温度をＴＣＯＬＤ＝２９０Ｋ、アノード電極の温度をＴＨＯＴ＝３００Ｋ、電極の仕事関数を０．５ｅＶとしている。この例では、冷却能力を（ａ）１０Ｗ／ｃｍ２、（ｂ）２０Ｗ／ｃｍ２、（ｃ）５０Ｗ／ｃｍ２、（ｄ）１００Ｗ／ｃｍ２という一定値に固定し、その時の、ＣＯＰとバイアス電圧の電極間隔依存性を計算したものである。図から分かるように、それぞれの冷却能力に対して、ＣＯＰを最大とする電極間隔が存在する。電極間隔、バイアス電圧をこのシミュレーション結果で示された値に設定することで、設計パラメーターは最適化され、適切な冷却能力と高いＣＯＰを持つ熱電子ヒートポンプが実現できる。
【００３３】
前述した例は、電極の仕事関数が０．５ｅＶの場合である。ところが、前述の最適値な設計パラメーターや冷却能力、ＣＯＰ値は、仕事関数によって変化する。一般に仕事関数が小さいほど、高い冷却能力とＣＯＰを持つ素子となる。しかし、仕事関数は、電極の材料や表面処理、表面形状によって決定される定数であり、むやみに小さくすることはできない。電極の耐久性や価格などを考えると、できるだけ大きな仕事関数を持つ、一般的な材料が有効である。
【００３４】
熱電子ヒートポンプの性能の、仕事関数依存性を調べるために、図５に示したＣＯＰ値の最大値及びその時の電極間隔をシミュレーションによって計算したものを図６（ａ）（ｂ）に示す。計算は、カソード電極の温度をＴＣＯＬＤ＝２９０Ｋ、アノード電極の温度をＴＨＯＴ＝３００Ｋ、冷却能力を１０Ｗ／ｃｍ２として行った。この冷却能力の値は、クーラーとして使用する場合の最低条件であり（表２参照）、これよりも大きな冷却能力を出すためには、さらにＣＯＰを犠牲にする必要がある。このため、この計算結果は、熱電子ヒートポンプをクーラーとして使用する場合の最低条件となっている。図６（ａ）はＣＯＰの最大値とその時の電極間隔の、仕事関数依存性である。図から分かるように、仕事関数が０．７ｅＶを超える場合、ＣＯＰは２以下となり、従来品であるコンプレッサーの効率よりも小さくなってしまうことが分かる。また、図６（ｂ）には、ＣＯＰ＞２となる電極間隔の範囲が示されている。この図でも、仕事関数が０．７ｅＶ以上であることが素子としての最低条件であることが分かる。また、仕事関数が小さくなるほど、高いＣＯＰが実現でき、さらに、高いＣＯＰを持つ電極間隔の範囲が広がることが分かる。
【００３５】
図７（ａ）（ｂ）には、図６で示した計算と同じものを、カソード電極の温度をＴＣＯＬＤ＝２５０Ｋ、アノード電極の温度をＴＨＯＴ＝３０８Ｋ、冷却能力を１Ｗ／ｃｍ２の場合について行ったものである。この値は、表２で示されている、冷蔵庫として使用する事を考慮した条件である。この場合でも、図６の結果と同様に、仕事関数が０．７ｅＶ以下の時に、実用的なＣＯＰ値、電極間隔の範囲を持つことが分かる。
【００３６】
本発明の熱電子ヒートポンプは、カソード電極の実効仕事関数が０．７ｅＶ以下であることを特徴とするものである。この場合、前述したように、クーラーや冷蔵庫などの実用アプリケーションで、適切な冷却能力とＣＯＰを達成することができる。電極の仕事関数は、従来品よりも高いＣＯＰを、余裕をもって達成するという観点から、０．６５ｅＶ以下がより望ましく、さらに望ましくは０．４ｅＶ以下とする。
【００３７】
また、カソード電極とアノード電極の間隔を、ある一定の冷却能力においてＣＯＰ（成績係数）が最大化される付近（図６（ａ）、７（ａ）のＣＯＰのピーク値を達成する電極間隔）に設定することにより、高いＣＯＰを持つ熱電子ヒートポンプを実現することができる。またその場合、同時にバイアス電圧も精密に制御することが望ましい。
【００３８】
ところで、実際のアプリケーションでは、状況に応じてさまざまな冷却能力を必要とする場合がある。例えば、クーラーでは、部屋の温度が所望の温度よりもかなり高い場合、大きな冷却能力で一気に冷却し、その後部屋の温度が安定すると、比較的低い冷却能力で継続的に運転するという動作を行うことがある。このような場合、前述の最適なパラメーターを常に維持するために、平均冷却能力が所望の値となるよう、熱電子ヒートポンプをＯＮ／ＯＦＦして運転（断続運転）することとなる。このような運転方法は、素子に熱サイクルの負担をかけることによって耐久性を損なうばかりでなく、電極温度の不安定化によって、効率を大きく減ずることとなる。この問題を解決するために、電極間隔とバイアス電圧を、必要な冷却能力に応じて、常に適切な値に制御することが有効である。
【００３９】
図５の例で示されているように、ＣＯＰのピーク値を達成する電極間隔とバイアス電圧値は冷却能力によって変化する。この変化に対応するように電極間隔とバイアス電圧を制御することにより、広い冷却能力範囲にわたって高いＣＯＰを持つ熱電子ヒートポンプを実現することができる。バイアス電圧の制御は、外部電子回路によって行うことが容易であり、電極間隔の制御は、圧電素子や機械制御によって行うことができる。重要なことは、その時に必要な冷却能力を、最も高いＣＯＰで達成できるように、常にバイアス電圧と電極間隔を制御することである。
【００４０】
前述したように、電極の仕事関数は、素子の耐久性や冷却能力を損なわないかぎり、できるだけ小さいほうが望ましい。通常の金属材料は、半導体に比べて高い電気導電率を持っているため、電極で発生するジュール熱による損失を小さく押さえることができるが、その仕事関数は、一般的に１ｅＶと大きい。この問題を解決するために、表面にコーティングを行って低仕事関数化した金属材料を用いることが望ましい。具体的には、Ｃｓなどの低仕事関数金属や、ダイヤモンド、カーボン（Ｃ６０、カーボンナノチューブを含む）などの低仕事関数材料によるコーティング、ＢａＴｉＯ３のような半導体薄膜層を形成する事が挙げられる。
【００４１】
また、電極表面の微小な凹凸を設けることも、実効仕事関数を低下させる効果がある。これは、フィールドエミッション効果によるものである。この場合、素子の実効表面積が低下するので、仕事関数の低下と、達成できる冷却能力をよく考慮して、フィールドエミッション効果の割合を決定する必要がある。前述したカーボンナノチューブは、電極の低仕事関数化と、フィールドエミッションの両方の効果を持つので、非常に有用な材料である。
【００４２】
また、上述したように、冷却能力に応じて電極間隔とバイアス電圧を制御できるようにしたほうが、より高性能の熱電子ヒートポンプを実現できる。このため、熱電子ヒートポンプに、電極間隔、及び／またはバイアス電圧を、所望の冷却能力において成績係数が最大化される付近に制御する機構を設けて熱電子ヒートポンプモジュールを構成することが望ましい。すなわち、上述した熱電子ヒートポンプ、カソード電極とアノード電極の間隔を制御する電極間隔制御手段、及び／または、バイアス電圧を制御する電圧制御手段を備え、電極間隔制御手段及び電圧制御手段による制御が、所望の冷却能力において単位消費電力あたりの冷却能力が最大化される範囲で行なわれるように成した熱電子ヒートポンプモジュールとするとよい。
【００４３】
具体的には、図８に示すように、冷却能力に応じてカソード電極１１，アノード電極１２の間隔、バイアス電圧を制御する指令を出すコンピュータ２１、コンピューター２１からの指令に基づいたバイアス電圧を印加すると同時に、その電流値をコンピューター２１にフィードバックする電源２２、コンピューター２１からの指令に基づいて電極の間隔を制御する圧電コントローラー２４、電極の間隔を検出し、その間隔をフィードバック信号としてコンピューター２１および圧電コントローラー２４に送る間隔センサー２３、電極の温度をコンピューター２１にフィードバックする温度センサー２５を装備し、電極間隔およびバイアス電圧が常に最適な値に制御される仕組みを装備することが望ましい。このような熱電子ヒートポンプモジュールを採用することにより、高性能の電子冷却モジュールを実現できる。
【００４４】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の熱電子ヒートポンプによれば、カソード電極の実効仕事関数が０．７ｅＶ以下であることを特徴としているため、実用的な冷却能力を、高い効率で達成することができる。
【００４５】
また、実際のアプリケーションで必要な冷却能力において高い効率を持つようカソード電極とアノード電極の間隔を設計するので、非常に高効率な熱電子ヒートポンプが実現できる。
【００４６】
また、実際のアプリケーションで必要な冷却能力において高い効率を持つようにバイアス電圧を設定するので、非常に高効率な熱電子ヒートポンプが実現できる。
【００４７】
また、カソード電極とアノード電極の間隔、及び／または前記バイアス電圧を、所望の冷却能力において成績係数が最大化される付近に制御することを特徴としている。このため、実際のアプリケーションで冷却能力を変化させて使用する場合でも、常に高い効率を維持することができる。
【００４８】
また、例えば表面にコーティングを行って低仕事関数化した金属材料を用いたことを特徴としている。このため、ジュール熱による損失が小さい上に、高効率の熱電子ヒートポンプを実現できる。
【００４９】
また、例えばカソード電極材料として、表面に微小な凹凸を作ることにより実効仕事関数を低下させたものを使用していることを特徴としている。このため、熱電子ヒートポンプをより低い電圧で動作させることができ、高効率の素子を実現できる。
【００５０】
本発明の熱電子ヒートポンプモジュールによれば、カソード電極の実効仕事関数が０．７ｅＶ以下であることを特徴とする熱電子ヒートポンプを用いているので、実用的な冷却能力において、高い効率を持つ電子冷却モジュールを得ることができる。
【００５１】
また、実際のアプリケーションで必要な冷却能力において高い効率を持つようカソード電極とアノード電極の間隔を設計した熱電子ヒートポンプを用いるので、実用的で高効率な熱電子ヒートポンプモジュールが実現できる。
【００５２】
また、実際のアプリケーションで必要な冷却能力において高い効率を持つようにバイアス電圧を設定した熱電子ヒートポンプを用いるので、実用的で高効率な熱電子ヒートポンプモジュールが実現できる。
【００５３】
さらに、カソード電極とアノード電極の間隔、及び／または前記バイアス電圧を、所望の冷却能力において成績係数が最大化される付近に制御する機構を設けたことを特徴としている。このため、実際のアプリケーションで冷却能力を変化させて使用する場合でも、常に高い効率を維持することができる熱電子ヒートポンプモジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来品及び本発明に係る熱電子ヒートポンプを模式的に説明する斜視図である。
【図２】熱電子ヒートポンプの特性の、バイアス電圧及び電極間隔依存性をシミュレーションした結果の一例であり、（ａ）は冷却能力、（ｂ）はＣＯＰについて示した図である。
【図３】熱電子ヒートポンプの冷却能力、ＣＯＰのバイアス電圧依存性をシミュレーションした結果の一例である。
【図４】熱電子ヒートポンプの冷却能力、ＣＯＰの電極間隔依存性をシミュレーションした結果の一例である。
【図５】本発明にかかわる熱電子ヒートポンプの、冷却能力を一定とした場合のＣＯＰの電極間隔依存性をシミュレーションした結果の一例であり、カソード電極の温度をＴＣＯＬＤ＝２９０Ｋ、アノード電極の温度をＴＨＯＴ＝３００Ｋ、仕事関数を０．５ｅＶとし、（ａ）冷却能力＝１０Ｗ／ｃｍ２、（ｂ）冷却能力＝２０Ｗ／ｃｍ２、（ｃ）冷却能力＝５０Ｗ／ｃｍ２、（ｄ）冷却能力＝１００Ｗ／ｃｍ２とした場合の図である。
【図６】本発明にかかわる熱電子ヒートポンプの、カソード電極の温度をＴＣＯＬＤ＝２９０Ｋ、アノード電極の温度をＴＨＯＴ＝３００Ｋ、冷却能力を１０Ｗ／ｃｍ２のとした時の、最大ＣＯＰ値を達成する電極間隔をシミュレーションした結果の一例であり、（ａ）ＣＯＰの最大値とその時の電極間隔、（ｂ）ＣＯＰ＞２．０となる電極間隔の範囲を示した図である。
【図７】本発明にかかわる熱電子ヒートポンプの、カソード電極の温度をＴＣＯＬＤ＝２５０Ｋ、アノード電極の温度をＴＨＯＴ＝３０８Ｋ、冷却能力を１Ｗ／ｃｍ２のとした時の、最大ＣＯＰ値を達成する電極間隔をシミュレーションした結果の一例であり、（ａ）ＣＯＰの最大値とその時の電極間隔、（ｂ）ＣＯＰ＞０．７となる電極間隔の範囲を示した図である。
【図８】本発明に係る電子冷却モジュールの構成を模式的に説明するブロック構成図である。
【符号の説明】
１１：カソード電極
１２：アノード電極
２１：コンピュータ
２２：電源
２３：間隔センサー
２４：圧電コントローラー
２５：温度センサー
【図１】
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【図２】
2004150741.tif 000011
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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