JP2002303465A

JP2002303465A - 熱電子ヒートポンプ

Info

Publication number: JP2002303465A
Application number: JP2001104106A
Authority: JP
Inventors: Yuji Mukai; 裕二向井; Yoshitaka Kawasaki; 良隆川崎
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-04-03
Filing date: 2001-04-03
Publication date: 2002-10-18

Abstract

(57)【要約】【課題】熱電子ヒートポンプは高温側の陽極２と低温
側の陰極１が対向して配置しているため、輻射熱によっ
て熱が高温側から低温側へ移動してしまい、冷却性能お
よび加熱性能が低下してしまうという課題があった。【解決手段】被冷却物と熱的に接触された陰極と、被
加熱物と熱的に接触された陽極を対向して配置し、前記
陰極と前記陽極に各々負電圧と正電圧を印加する電源を
有し、前記して対向した陰極１と陽極２の一方の面また
は両方の面に、凹部を設けることにより電極表面から輻
射熱の輻射を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電子を用いたヒ
ートポンプの性能向上に係る構成に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱電子を用いたヒートポンプの構成に関
する技術として、ジャーナル・オブ・アプライド・フィ
ジックス、７６巻７号（１９９４年）４３６２頁、およ
び米国特許５６７５９７２号公報、米国特許５９８１０
７１号公報、米国特許６０８９３１１号公報等がある。

【０００３】この従来の技術を図５を参照にしながらそ
の動作を説明する。図５は熱電子を用いたヒートポンプ
の概略構成図である。このヒートポンプは、被冷却物
（図示せず）と熱的に接触された陰極１と、被加熱物
（図示せず）と熱的に接触された陽極２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３と、両電極の表面に被覆された低仕事関数物質
４から構成されている。陰極１と陽極２はスペーサ６を
用いて真空空間５を介して対向して配置されている。低
仕事関数物質４は熱電子ヒートポンプの動作温度で熱電
子７を放出する材料であり、仕事関数が約０．３ｅＶ程
度のものが用いられる。具体的な材料としては上記米国
特許公報に、クラウンエーテルやアザクラウンとアルカ
リ金属との錯体、あるいは不純物をドーピングしたダイ
ヤモンド等が記載されている。

【０００４】低仕事関数物質４の表面からは、その接触
する電極の温度により熱エネルギーを供給された熱電子
７が真空空間５内に放出されている。電源３を用いて図
のように電圧を印加すると、陰極１表面の低仕事関数物
質４から熱電子７が放出され、真空空間５を移動して陽
極２へ取り込まれる。熱電子が放出される際には、低仕
事関数物質４の有する熱を運動エネルギーとして奪い取
って出て行くため、低仕事関数物質４およびそれに熱的
に接触した陰極１は冷却される。一方、運動エネルギー
を持った熱電子７が供給される陽極２は温度が上昇す
る。このようにして陰極１は冷却されると同時に陽極２
は加熱される。すなわち、陰極１はその周辺から冷熱８
を吸熱し、陽極２は温熱９を放熱してヒートポンプとし
て動作する。

【０００５】この熱電子ヒートポンプは機械的なコンプ
レッサーを必要としないため小型であり、フロンガス等
を使用しないため環境問題を引き起こすことがない。し
かも、ヒートポンプ効率が著しく高いという特徴を有す
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
では高温側の陽極２と低温側の陰極１が対向して配置し
ているため、陽極２から陰極１へ輻射によって熱が移動
してしまい、その分の熱を陽極２が失い逆に陰極１が加
熱され、加熱性能および冷却性能が低下してしまうとい
う課題があった。

【０００７】この状況を図６を用いて簡単に説明する。
上述の従来技術の場合、低仕事関数物質４は陽極２に接
触しているため高温状態にあり、その表面からは温度に
応じた熱輻射が放出される。この輻射熱は低温側の陰極
１へ移動し、ヒートポンプ性能を減少させる。この熱量
は例えば食品冷凍機について算出すると、陽極２を３０
℃、陰極１を−３０℃とした場合、電極面積１平方ｃｍ
あたり０．０２８Ｗになる。前述のジャーナル・オブ・
アプライド・フィジックス、７６巻７号（１９９４年）
４３６２頁に記載されている熱電子ヒートポンプのＣＯ
Ｐ計算方法に、熱輻射による熱の移動を加味した場合を
考慮し、上記温度条件のＣＯＰを算出した結果が図６で
ある。図６のグラフの横軸は低仕事関数物質４の仕事関
数値であり、図中の実線は熱輻射による熱の移動を考慮
した場合、破線は熱輻射による熱の移動が完全に抑制さ
れた場合である。図に見られるように、低仕事関数物質
４の仕事関数値が約０．２４ｅＶ以上では輻射による熱
の移動のためにＣＯＰが低下してしまう。この現象は特
に仕事関数値が０．３ｅＶ以上ではより顕著である。す
なわち、仕事関数値が０．３ｅＶ以上では熱輻射による
高温側から低温側への熱移動のために冷却性能が低下
し、ＣＯＰも大幅に低下してしまう。これは熱電子ヒー
トポンプの根本的に重要な課題である。

【０００８】また、低仕事関数物質４として仕事関数値
が約０．２４ｅＶ程度の材料を用いた場合でも、一般的
に仕事関数の値は電子放出表面の汚染や気体の吸着等に
よって敏感に増加してしまうため、長期間にわたって低
い仕事関数の表面を維持することは困難である。従って
この場合でも、熱輻射を抑制しないとヒートポンプの運
転時間に伴ってその性能が低下してしまう可能性があ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、第１の方法として、被冷却物と熱的に
接触された陰極と、被加熱物と熱的に接触された陽極を
対向して配置し、前記陰極と前記陽極に各々負電圧と正
電圧を印加する電源を有し、前記対向した陰極と陽極の
一方の面または両方の面に、複数の凹部を形成する。

【００１０】また、第２の方法として、前記凹部の開口
部の大きさを、各電極温度での輻射熱の放射強度が最大
となる輻射波長以下にする。

【００１１】また、第３の方法として、前記凹部を一辺
が５μｍ以下の矩形形状にする。

【００１２】また、第４の方法として、前記凹部を半径
が４μｍ以下の円形形状にする。

【００１３】また、第５の方法として、被冷却物と熱的
に接触された陰極と、被加熱物と熱的に接触された陽極
と、前記陰極と前記陽極の間に配置された第３の電極を
対向して配置し、前記陰極と前記陽極に各々負電圧と正
電圧を印加する電源を配置する。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明は、対向した陰極と陽極の
一方の面または両方の面に、熱輻射を抑制するための複
数の凹部を形成する、もしくは、陽極と陰極との間に第
３の電極を対向して配置することにより電極表面からの
輻射を抑制する。

【００１５】本発明の作用効果を説明する前に、先ず放
射強度を表わす図７を用いて輻射熱の特徴について説明
する。室温近傍の物質から放射される輻射熱は、図７に
実線で示すように、１０μｍ程度の最大波長を有し、波
長３μｍ程度から数十μｍに渡る広い分布を有する電磁
波である。図７には、任意の波長以下の輻射熱の積分量
の全輻射熱に対する割合も破線で示している。図７の破
線から、例えば波長１０μｍ以下の輻射熱は全体のおよ
そ３０％であることがわかる。なお、図７の特性は室温
近傍の温度の場合であるが、室温から数十℃程度異なっ
ていてもこの特性はほとんど変わらない。

【００１６】次に、導電材料からなる凹部について説明
する。この凹部は、電磁波に対する導波管として作用す
る。導波管にはその導波管の幾何学的形状によって決定
される特定の遮断波長が存在し、その遮断波長より長い
波長の電磁波は、導波管を通過することができない。こ
の様子を図８を用いて説明する。

【００１７】図８（Ａ）と図８（Ｂ）には、各々矩形導
波管１２と円形導波管１３に波長の異なる電磁波α、
β、γを入射させた場合の概念図である。図８（Ａ）に
おいて、波長の短い電磁波αと中程度の波長の電磁波β
は矩形導波管１２内に進入することができる。しかし、
波長の長い電磁波γは矩形導波管１２内に進入すること
ができず、矩形導波管１２の入り口で反射される。どの
程度の波長の電磁波が導波管内へ進入できるかは、導波
管の遮断波長によって決定される。すなわち、遮断波長
より短い波長の電磁波は導波管内へ進入できるが、それ
よりも長い波長の電磁波は導波管内へ進入できない。矩
形導波管１２の矩形形状の開口部の内法の辺長をａ、ｂ
とすると遮断波長λは次式で与えられる。

【００１８】

【数１】

【００１９】従って電極表面に開口部が矩形形状の凹部
を設けておけば、その凹部に対応する遮断波長より長い
波長の電磁波は電極から放射されない。また、凹部を形
成した電極の表面に遮断波長より長い波長の電磁波が照
射されても、その電磁波は凹部で形成される導波管内へ
進入することができないため、電極は電磁波を吸収しな
い。なお、（数１）中のｍとｎは任意の整数である。

【００２０】このように、凹部を形成した電極表面は電
磁波として放射される輻射熱の放出と吸収を抑制するた
め、高温側の陽極から低温側の陰極への熱の移動を抑
え、熱電子ヒートポンプの冷却および加熱性能を向上さ
せることができる。

【００２１】なお、矩形導波管の最も短い遮断波長は、
上式においてｍ＝ｎ＝１の場合であり、更に矩形導波管
の断面を正方形とし、その内法をａ＝ｂとすると、（数
１）から

【００２２】

【数２】

【００２３】となる。

【００２４】また、図８（Ｂ）は、円形導波管１３の場
合を示したが、この場合も波長の短い電磁波αと中程度
の波長の電磁波βは円形導波管１３内に進入することが
できるが、波長の長い電磁波γは円形導波管１３内に進
入することができずに円形導波管１３の入り口で反射さ
れる。円形導波管の最も短い遮断波長は、その内径をｄ
とすると

【００２５】

【数３】

【００２６】によって与えられる。従って電極表面に開
口部が円形形状の凹部を設けておけば、その凹部に対応
する遮断波長より長い波長の電磁波は電極から放射され
ず、また、凹部の表面に遮断波長より長い波長の電磁波
が照射されても、その電磁波は凹部で形成される導波管
内へ進入することができないため、電極は電磁波を吸収
しない。

【００２７】このように、電極表面に凹部を設けること
によって、電極間の輻射熱を抑制することができる。

【００２８】凹部の具体的な形状としては、一辺が５μ
ｍ以下で深さが２．５μｍ以上の矩形形状とする。

【００２９】（数２）から一辺が５μｍの正方形の断面
を有する導波管の遮断波長は１０μｍであると算出され
る。輻射熱は図７の実線に示した波長分布を有している
が、波長１０μｍ以下の輻射熱量の全輻射熱に対する割
合は図７の破線から約３０％程度である。すなわち、電
極の表面に一辺が５μｍ以下の矩形形状の凹部を形成す
ると、その電極面が放射および吸収する熱量を３０％以
下に抑制することができる。これにより、輻射による高
温側の陽極から低温側の陰極への熱の移動を抑え、熱電
子ヒートポンプの冷却および加熱性能を向上させること
ができる。

【００３０】なお、凹部の深さは余りにも浅いと導波管
としての作用をなさないため、少なくとも対象とする波
長の１／４程度の深さが必要である。例えば、１０μｍ
の波長を抑制する場合は、約２．５μｍ程度以上の深さ
が望ましい。

【００３１】更に、凹部の他の具体的な形状としては、
半径が４μｍ以下で深さが２μｍ以上の円形形状とす
る。

【００３２】（数３）から半径が４μｍの円形導波管の
遮断波長は約１０μｍであると算出される。上述と同様
に、波長が１０μｍ以下の輻射熱量の全輻射熱に対する
割合は３０％程度であり、電極の表面に半径が４μｍ以
下の円形形状の凹部を形成すると、その電極面が放射お
よび吸収する熱量を３０％以下に抑制することができ
る。これにより、輻射による高温側の陽極から低温側の
陰極への熱の移動を抑え、熱電子ヒートポンプの冷却お
よび加熱性能を向上させることができる。この場合の凹
部も矩形導波管の場合と同様に、約２．５μｍ程度以上
の深さが望ましい。

【００３３】図９（Ａ）に示すように、高温側平板Ｈと
低温側平板Ｌを対向して配置した場合、高温側平板Ｈか
ら低温側平板Ｌへ輻射によって伝えられる熱量ｑは

【００３４】

【数４】

【００３５】で与えられる。ここでσはステファン−ボ
ルツマン定数、Ｔは絶対温度である。一方、図９（Ｂ）
に示すように、高温側平板Ｈと低温側平板Ｌの間に平板
Ｍを配置した場合、平板Ｈから平板Ｌへ輻射によって伝
えられる熱量は、次のようにして算出される。

【００３６】平板Ｈから平板Ｍへ伝えられる熱量と平板
Ｍから平板Ｌへ伝えられる熱量は等しいため、その熱量
をｑとすると、

【００３７】

【数５】

【００３８】となる。これより、平板Ｍの温度は（数
６）となる

【００３９】

【数６】

【００４０】（数６）を用いて、平板Ｈから平板Ｌへ移
動する熱量を算出すると、

【００４１】

【数７】

【００４２】となり、平板Ｍのない場合の（数４）の半
分になる。

【００４３】そこで本発明では、被冷却物と熱的に接触
された陰極と、被加熱物と熱的に接触された陽極と、陰
極と陽極の間に配置された第３の電極を対向して配置す
る。この第３の電極により、高温側の陽極から低温側の
陰極への輻射による熱の移動が大幅に遮られ、熱電子ヒ
ートポンプの冷却および加熱性能を向上させることがで
きる。

【００４４】

【実施例】以下本発明の具体的な実施例について、図面
を参照しながら説明する。

【００４５】（実施例１）図１は、高温側の陽極２から
低温側の陰極１への輻射熱の移動を抑制し、冷却および
加熱能力を向上した本実施例における熱電子ヒートポン
プの概略構成図である。なお図１において、前述の従来
例と同一の構成要素には同じ符号を付している。

【００４６】このヒートポンプ装置が前述の従来例と異
なる点は、陽極２側の低仕事関数物質４の表面の全体に
微細な矩形形状の凹部１０を設けている点である。この
凹部１０の表面と断面の様子を各々図２（Ａ）、図２
（Ｂ）に示している。図２において、１１は矩形形状の
凹部の開口部であり一辺の長さ（図中ａ、ｂ）を５μ
ｍ、その深さ（図中ｈ）を１０μｍ、開口部１１の間隔
ｃを３μｍとしている。

【００４７】陽極２の表面から放射される輻射熱の大部
分は開口部１１から放射されるが、そのためには赤外線
である電磁波１４が開口部１１から放射されなくてはな
らない。しかし、本実施例では開口部１１の寸法を５μ
ｍとしているため、（数２）によりこの開口部１１の遮
断波長が１０μｍとなり、波長が１０μｍ以上の電磁波
を放射することができない。そのため陽極２が放射でき
る輻射熱は凹部１０を形成していない従来例の３０％程
度となり、陽極２へ移動する輻射熱量を大幅に低減でき
る。従って、陽極２からの輻射熱によって陰極１が加熱
されてしまい、その分の冷却性能および加熱性能が低下
してしまうという従来技術の課題を著しく改善すること
ができる。

【００４８】なお、本実施例において凹部１０は陽極２
の表面に設けたが、陰極１の表面に設けてもよい。この
場合は、陰極１の表面で遮断波長である１０μｍ以上の
赤外線が吸収されず反射されるため、同様の効果を得る
ことができる。また当然のことであるが、凹部１０を陽
極２と陰極１の両方の表面に設けても良い。

【００４９】また、開口部１１の配列は図２のように碁
盤目状である必要はなく、更に開口部１１の寸法ａとｂ
が同じである必要もない。

【００５０】（実施例２）本発明の第２の実施例を図３
に示す。本実施例は陽極の表面に円形形状の凹部を形成
した場合の陽極表面を図示したものである。本実施例の
熱電子ヒートポンプの全体構成は図１と同様である。本
実施例では前述の従来例および実施例と同一の構成要素
には同じ符号を付している。

【００５１】このヒートポンプ装置が上述の第１の実施
例と異なる点は、陽極２側の低仕事関数物質４の表面の
全体に設けた凹部１０の形状が円形形状である点であ
る。この凹部１０の表面と断面の様子を各々図３
（Ａ）、図３（Ｂ）に示している。図３において、１１
は円形形状の凹部の開口部であり直径（図中Ｄ）を４μ
ｍ、その深さ（図中ｈ）を１０μｍとしている。

【００５２】本実施例では開口部１１の直径を４μｍと
しているため、（数３）によりこの開口部１１の遮断波
長が１０μｍとなり、波長が１０μｍ以上の電磁波を放
射することができない。そのため陽極２が放射できる輻
射熱は凹部１０を形成していない従来例の３０％程度と
なり、陽極２へ移動する輻射熱量を大幅に低減できる。
従って、陽極２からの輻射熱によって陰極１が加熱され
てしまい、その分の冷却性能および加熱性能が低下して
しまうという従来技術の課題を著しく改善することがで
きる。

【００５３】なお、本実施例においても凹部１０は陰極
１の表面に設けてもよいし、陽極２と陰極１の両方の両
方の表面に設けても良い。

【００５４】（実施例３）本発明の第３の実施例を図４
に示す。本実施例でも前述の従来例および実施例と同一
の構成要素には同じ符号を付している。

【００５５】本実施例の特徴は、陰極１と陽極２の間に
第３電極１５を配置している点にある。第３電極１５は
その両面を陰極１や陽極２と同様な低仕事関数物質で被
覆しており、その電圧は同電圧の第１電源１６と第２電
源１７の間に接続することにより陰極１と陽極２の中間
電圧としている。

【００５６】陰極１から放出された熱電子７は、先ず第
３電極１５に入射し、次いで第３電極１５から放出され
て陽極２へ入射する。この電子の移動に関しては、第３
電極１５は単に電子の授受を行うのみであり、何ら作用
を行わない。しかし前述したように、高温側の陽極２か
ら放出された輻射熱は第３電極１５によって遮られるた
め、低温側の陰極１に入射する輻射熱は陽極２から放出
された熱量の半分程度にまで減少する。その結果、陽極
２から陰極１への輻射熱によって陰極１が加熱されてし
まい、その分の冷却性能および加熱性能が低下してしま
うという従来技術の課題を著しく改善することができ
る。

【００５７】なお、本実施例において第３電極１５の電
位は第１電源１６と第２電源１７の中間となるように両
電源を配置したが、本発明は第３電極１５の電位を何ら
規定するものではない。

【００５８】

【発明の効果】以上のように、本請求項に記載の発明に
よれば、高温側から低温側への熱の移動を防止すること
ができる。これにより、高温側の陽極から低温側の陰極
へ輻射によって熱が移動してしまい、その分の冷却性能
および加熱性能が低下してしまうという課題を解決し、
高効率な熱電子ヒートポンプが実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の形態による熱電子ヒートポン
プの概略構成図

【図２】本発明の第１実施例の形態による電極表面形状
を示す図

【図３】本発明の第２実施例の形態による電極表面形状
を示す図

【図４】本発明の第３の実施例の形態による熱電子ヒー
トポンプの概略構成図

【図５】従来の熱電子ヒートポンプの概略構成図

【図６】熱電子ヒートポンプの性能特性図

【図７】熱輻射の特性図

【図８】遮断波長の説明図

【図９】対向する平板間を輻射により伝わる熱量の説明
図

【符号の説明】

１陰極２陽極３電源４低仕事関数物質５真空空間７熱電子１０凹部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被冷却物と熱的に接触された陰極と、被
加熱物と熱的に接触された陽極を対向して配置し、前記
陰極と前記陽極に各々負電圧と正電圧を印加する電源を
有し、前記対向した陰極と陽極の一方の面または両方の
面に、複数の凹部を形成した熱電子ヒートポンプ。
【請求項２】前記凹部の開口部の大きさは、前記各電
極温度での輻射熱の放射強度が最大となる輻射波長以下
の大きさであることを特徴とする請求項１記載の熱電子
ヒートポンプ。
【請求項３】前記凹部は、一辺が５μｍ以下の矩形形
状であることを特徴とする請求項１または２記載の熱電
子ヒートポンプ。
【請求項４】前記凹部は、半径が４μｍ以下の円形形
状であることを特徴とする請求項１または２記載の熱電
子ヒートポンプ。
【請求項５】被冷却物と熱的に接触された陰極と、被
加熱物と熱的に接触された陽極と、前記陰極と前記陽極
の間に配置された第３の電極を対向して配置し、前記陰
極と前記陽極に各々負電圧と正電圧を印加する電源を有
した熱電子ヒートポンプ。