JP2002333230A - 熱電子ヒートポンプ装置 - Google Patents

熱電子ヒートポンプ装置

Info

Publication number
JP2002333230A
JP2002333230A JP2001136624A JP2001136624A JP2002333230A JP 2002333230 A JP2002333230 A JP 2002333230A JP 2001136624 A JP2001136624 A JP 2001136624A JP 2001136624 A JP2001136624 A JP 2001136624A JP 2002333230 A JP2002333230 A JP 2002333230A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cathode
anode
temperature
work function
heat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001136624A
Other languages
English (en)
Inventor
Yuji Mukai
裕二 向井
Yoshitaka Kawasaki
良隆 川▲さき▼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP2001136624A priority Critical patent/JP2002333230A/ja
Publication of JP2002333230A publication Critical patent/JP2002333230A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B2321/003—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects by using thermionic electron cooling effects

Landscapes

  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱電子ヒートポンプは不適切な動作電圧で運
転すると、高効率で運転することができない。 【解決手段】 被冷却物と熱的に接触する陰極１と、陰
極１と対向するように配置され、被加熱物と熱的に接触
する陽極２と、陰極１の陽極２との対向面に設けられた
低仕事関数物質４と、陽極２の陰極１との対向面に設け
られた低仕事関数物質４と、陰極１と陽極２に各々負電
圧と正電圧を印加する電源３と、冷却量を測定するため
の流量計１６、および温度計１７、１８と、陽極２と陰
極１との間を流れる電流量を測定する電流計１１と、冷
却量と電流量とに基づいて、冷却効率が最大となるよう
に電源３の印加電圧を制御する制御手段３０とを備え
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
ートポンプの構成と、その制御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号公報等に記載さ
れている技術がある。
【０００３】この従来の技術を図８を参照しながらその
動作を説明する。図８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、陰極１と陽極
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０．１〜１μｍの間隔の真空空
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以下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内に放出される。電源３を用いて図８のよ
うに電圧を印加すると、陰極１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。陰極
１から熱電子７が放出される際には、陰極１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が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はその周辺から吸熱し陽極２は放熱を行
い、この機器は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優れた特徴
を有する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、ヒ
ートポンプの性能は陰極１から陽極２へ移動する熱電子
７の量、すなわち陽極２から陰極１に流れる電流量によ
って決定される。上記従来技術の場合、この電流量は電
源３により印加される動作電圧によって調節されるが、
熱電子を利用したヒートポンプの効率は動作電圧によっ
て著しく変化する。ヒートポンプ効率すなわちＣＯＰ
は、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス，７
６巻７号（１９９４年）４３６２頁に記載された方法で
理論的に算出することができる。算出結果の一例を図９
に示す。
【０００７】図９は陽極２の温度を３０℃一定とし、陰
極１の温度を０℃から−３０℃までの１０℃間隔の各温
度に保持した場合のＣＯＰと動作電圧の関係を示したも
のである。なお、低仕事関数物質４の仕事関数は０．３
ｅＶとした。通常のフロンガスを用いる蒸気圧縮式のヒ
ートポンプの場合、３０℃と−３０℃の間で動作させた
場合のＣＯＰはおよそ２以下であり、それに比べて熱電
子方式ヒートポンプでは動作電圧を適正化することによ
り、より高い効率を得ることができる。
【０００８】ヒートポンプを低消費電力で運転するに
は、ＣＯＰが最大となる条件で動作させることが必要で
ある。図９中には陰極１の各温度、すなわち各冷却温度
における最大ＣＯＰの位置を矢印で示している。この最
大ＣＯＰ時の動作電圧が低消費電力運転の最適動作電圧
となる。しかし、図９に見られるようにＣＯＰは動作電
圧に対して鋭い極値を有しており、動作電圧が最適動作
電圧から僅か０．０１Ｖでも変化するとＣＯＰが大きく
低下してしまう。特に、動作電圧が最適動作電圧から僅
かにでも下がるとＣＯＰが０にまで急激に低下してしま
う。このように、熱電子ヒートポンプを高効率で運転す
るには動作電圧を正確に判断し調整しなければならない
という課題がある。
【０００９】また、熱電子式ヒートポンプの場合、ＣＯ
Ｐが０以下の動作電圧になると通常運転時とは逆に高温
側から低温側へ熱電子が流れてしまい、高温側の熱が大
量に低温側へ流れてしまう。そのため、ヒートポンプの
運転開始時や負荷の変動時等、動作条件が最適動作電圧
から外れてしまった場合にヒートポンプ性能が不安定に
なってしまうという課題があった。
【００１０】本発明は、上記従来の課題を考慮し、冷却
効率または加熱効率が最大となるような最適動作電圧で
の運転を可能とする熱電子ヒートポンプ装置を提供する
ことを目的とする。
【００１１】また、本発明は、高温側から低温側への熱
電子の流入を防止する熱電子ヒートポンプ装置を提供す
ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、第１の本発明（請求項１に対応）は、被冷却物と熱
的に接触する陰極と、その陰極と対向するように配置さ
れ、被加熱物と熱的に接触する陽極と、前記陰極の前記
陽極との対向面に設けられた第１低仕事関数物質と、前
記陽極の前記陰極との対向面に設けられた第２低仕事関
数物質と、前記陰極と前記陽極に各々負電圧と正電圧を
印加する電源と、冷却量または加熱量を測定する熱量測
定手段と、前記陽極と前記陰極との間を流れる電流量を
測定する電流計と、前記熱量測定手段によって測定され
た熱量と、前記電流計によって測定された電流量とに基
づいて、冷却効率または加熱効率が最大となるように前
記電源の印加電圧を制御する制御手段とを備えた熱電子
ヒートポンプ装置である。
【００１３】第２の本発明（請求項２に対応）は、被冷
却物と熱的に接触する陰極と、その陰極と対向するよう
に配置され、被加熱物と熱的に接触する陽極と、前記陰
極の前記陽極との対向面に設けられた第１低仕事関数物
質と、前記陽極の前記陰極との対向面に設けられた第２
低仕事関数物質と、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と、冷却量または加熱量を測定す
る熱量測定手段と、消費電力を測定する電力計と、前記
熱量測定手段によって測定された熱量と、前記電力計に
よって測定された消費電力とに基づいて、冷却効率また
は加熱効率が最大となるように前記電源の印加電圧を制
御する制御手段とを備えた熱電子ヒートポンプ装置であ
る。
【００１４】第１及び第２の本発明によれば、冷却効率
または加熱効率が最大となるように電源の電圧を調節す
ることにより、ヒートポンプを高い効率で動作させるこ
とができる。
【００１５】第３の本発明（請求項３に対応）は、被冷
却物と熱的に接触する陰極と、その陰極と対向するよう
に配置され、被加熱物と熱的に接触する陽極と、前記陰
極の前記陽極との対向面に設けられた第１低仕事関数物
質と、前記陽極の前記陰極との対向面に設けられた第２
低仕事関数物質と、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と、前記陰極または前記陽極と熱
交換し循環する媒体の流量を測定する流量測定手段と、
前記媒体が前記陰極または前記陽極と熱交換する前の前
記媒体の温度を測定する第１温度測定手段と、前記媒体
が前記陰極または前記陽極と熱交換し終わった後の前記
媒体の温度を測定する第２温度測定手段と、前記流量測
定手段によって測定された流量と、前記第１温度測定手
段によって測定された熱交換する前の前記媒体の温度
と、前記第２温度測定手段によって測定された熱交換し
終わった後の前記媒体の温度とに基づいて、冷却効率ま
たは加熱効率が最大となるように前記媒体の流量を制御
する制御手段とを備えた熱電子ヒートポンプ装置であ
る。
【００１６】第４の本発明（請求項４に対応）は、被冷
却物と熱的に接触する陰極と、その陰極と対向するよう
に配置され、被加熱物と熱的に接触する陽極と、前記陰
極の前記陽極との対向面に設けられた第１低仕事関数物
質と、前記陽極の前記陰極との対向面に設けられた第２
低仕事関数物質と、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と、前記陰極または前記陽極と熱
交換し循環する媒体の流量を測定する流量測定手段と、
前記媒体が前記陰極または前記陽極と熱交換する前の前
記媒体の温度を測定する第１温度測定手段と、前記媒体
が前記陰極または前記陽極と熱交換し終わった後の前記
媒体の温度を測定する第２温度測定手段と、前記媒体の
吸熱または放熱を調節する吸熱／放熱調節手段と、前記
流量測定手段によって測定された流量と、前記第１温度
測定手段によって測定された熱交換する前の前記媒体の
温度と、前記第２温度測定手段によって測定された熱交
換し終わった後の前記媒体の温度とに基づいて、冷却効
率または加熱効率が最大となるように前記吸熱／放熱調
節手段を制御する制御手段とを備えた熱電子ヒートポン
プ装置である。
【００１７】第３及び第４の本発明によれば、冷却また
は加熱能力を調節することができ、ヒートポンプを高い
効率で動作させることができる。
【００１８】第５の本発明（請求項５に対応）は、被冷
却物と熱的に接触する陰極と、その陰極と対向するよう
に配置され、被加熱物と熱的に接触する陽極と、前記陰
極の前記陽極との対向面に設けられた第１低仕事関数物
質と、前記陽極の前記陰極との対向面に設けられた第２
低仕事関数物質と、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と、電流の流れる方向を検出する
検出手段と、電流が前記陰極から前記陽極に流れた際
に、前記電源の印加電圧を大きくする制御手段とを備え
た熱電子ヒートポンプ装置である。
【００１９】第６の本発明（請求項６に対応）は、被冷
却物と熱的に接触する陰極と、その陰極と対向するよう
に配置され、被加熱物と熱的に接触する陽極と、前記陰
極の前記陽極との対向面に設けられた第１低仕事関数物
質と、前記陽極の前記陰極との対向面に設けられた第２
低仕事関数物質と、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と、前記電源の正極側から前記陽
極と前記陰極を経て前記電源の負極側へのみ電流を通過
させる電流方向規制回路とを備えた熱電子ヒートポンプ
装置である。
【００２０】第５及び第６の本発明によれば、正極から
陰極への電子の流入を防止することができ、高温側から
低温側へ熱が移動することを防止することができる。
【００２１】第７の本発明（請求項７に対応）は、被冷
却物と熱的に接触する陰極と、その陰極と対向するよう
に配置され、被加熱物と熱的に接触する陽極と、前記陰
極の前記陽極との対向面に設けられた第１低仕事関数物
質と、前記陽極の前記陰極との対向面に設けられた第２
低仕事関数物質と、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と、前記陽極と前記陰極との間を
流れる電流量を測定する電流計と、その電流計によって
測定された電流量を、前記電源が印加する印加電圧のｎ
乗で割った値が最大となるように前記電源の印加電圧を
制御する制御手段とを備えた熱電子ヒートポンプ装置で
ある。
【００２２】第７の本発明によれば、冷却量または加熱
量を測定する手段を用いることなくヒートポンプを高い
効率で動作させることができる。
【００２３】第８の本発明（請求項８に対応）は、前記
ｎの値が６から８の間のいずれかの値である第７の本発
明に記載の熱電子ヒートポンプ装置である。
【００２４】第９の本発明（請求項９に対応）は、前記
ｎの値が、前記陽極の温度と前記陰極の温度との組み合
わせにより決定される値である第７の本発明に記載の熱
電子ヒートポンプ装置である。
【００２５】第８及び第９の本発明によれば、最適動作
電圧を簡単に求めることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて、図面を参照しながら説明する。
【００２７】（実施の形態１）図１は、熱電子ヒートポ
ンプを最大の効率で動作することができる本発明の実施
の形態１における熱電子ヒートポンプ装置を冷蔵庫に適
用した場合のヒートポンプ回路の全体構成図である。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。
【００２８】この熱電子ヒートポンプ装置は陰極１から
スペーサ６までの構成要素によりヒートポンプ部８を構
成し、冷蔵庫の庫内および庫外と熱交換を行うための冷
却部９と放熱部１０を有している。また、本実施の形態
の熱電子ヒートポンプ装置には、制御手段３０が設けら
れている。ヒートポンプ部８には、電源３から陽極２を
経て陰極１に流れる電流量を測定するための電流計１１
を設けている。冷却部９は、陰極１の冷熱を冷蔵庫内の
冷却用熱交換器１２に搬送するための陰極側熱交換器１
３と、冷却媒体を循環させる配管１４と、冷却媒体用循
環ポンプ１５と、流量計１６と、陰極側熱交換器１３の
入口と出口の各々の冷却媒体の温度を測定する温度計１
７および１８と、冷却ファン１９から構成されている。
一方、放熱部１０は、陽極２の温熱を冷蔵庫外に放熱す
るための放熱用熱交換器２０に搬送するための陽極側熱
交換器２１と、熱媒体を循環させる配管２２と、熱媒体
用循環ポンプ２３と、放熱ファン２４から構成されてい
る。
【００２９】本実施の形態の熱電子ヒートポンプ装置
は、冷却部９を循環する冷媒の流量と、陰極側熱交換器
１３の出入り口の温度差を測定することができ、これら
と冷媒の熱容量を用いて冷凍能力と負荷の変動を常時測
定することができる。また、電源３の出力電圧と電流計
１１によって測定される電流量から消費電力を算出し、
冷凍能力と消費電力から運転時のＣＯＰを常時測定する
ことができる。
【００３０】そこで、制御手段３０は、電源３の電圧を
僅かに変化させることによってＣＯＰが増加するか減少
するかを判定し、最適なＣＯＰとなる動作電圧に電源３
の電圧を制御して運転する。すなわち、ＣＯＰと動作電
力の関係は図９に示したように極大値を一つだけ有する
ことを考慮して、例えば、動作電圧を増加した際にＣＯ
Ｐが増加すれば、更に動作電圧を上げ、逆にＣＯＰが減
少すれば動作電圧を下げるように、制御手段３０は制御
する。このようにして最適動作電圧を求めることによっ
て、熱電子ヒートポンプを最大の効率で動作させること
ができる。
【００３１】従来の蒸気圧縮式ヒートポンプと異なり、
熱電子ヒートポンプのＣＯＰは図９に示したように動作
電圧によって著しく変化するため、上述した動作電圧の
制御方法は熱電子ヒートポンプ装置の運転において必須
の技術である。
【００３２】なお、本実施の形態では、本発明の熱電子
ヒートポンプ装置を冷蔵庫に適用した場合について説明
したので、流量計１６や温度計１７および１８を冷却部
９側に設けて冷凍能力を測定したが、熱電子ヒートポン
プ装置を加熱に用いる場合はこれらを放熱部１０側に設
け、加熱能力を測定しながら加熱効率が最大となる動作
電圧で運転することができる。
【００３３】また、上述した実施の形態１では、電流計
１１によって電流を測定し、その電流と電源３の出力電
圧とから消費電力を算出するとしたが、電流計１１の替
わりに電力計を配置し、その電力計で直接消費電力を測
定するとしてもよい。
【００３４】また、上述した実施の形態１では、本発明
の熱電子ヒートポンプ装置の熱量測定手段の一例とし
て、流量計１６や温度計１７および１８を用いたが、流
量計１６の替わりに循環ポンプ１５を用いてもよい。そ
して、循環ポンプ１５の１ストローク当たりの吐出量と
回転数から流量を算出してもよい。また、上述した実施
の形態１では、温度計１７および１８の２個の温度計を
用いたが、温度計は２個用いる必要はなく、温度差がわ
かればよいので、温度計１７および１８の替わりに１個
の温度差計を用いてもよい。
【００３５】（実施の形態２）本発明の実施の形態２
を、上記と同じく図１を用いて説明する。
【００３６】上記実施の形態１では電源３の動作電圧を
調節することによって冷凍能力を変化させて最適効率で
の運転を可能としたが、本実施の形態では冷却媒体用循
環ポンプ１５により冷媒の循環量を調節することによっ
て最適効率での運転を可能にする。
【００３７】冷媒の循環量を増やすと冷却用熱交換器１
２および陰極側熱交換器１３内での熱伝達率が向上し、
冷凍能力が増加する。逆に、冷媒の循環量を減らすと熱
交換器内での熱伝達率が低下し、冷凍能力が減少する。
そこで、制御手段３０は、冷媒の循環量を変化させるこ
とによってＣＯＰが増加するか減少するかを判定し、最
適なＣＯＰとなる冷媒循環量に流量を制御して運転す
る。例えば、冷媒循環量を増加した際にＣＯＰが増加す
れば、更に冷媒循環量を上げ、逆にＣＯＰが減少すれば
冷媒循環量を下げるように、制御手段３０は制御する。
このようにして冷媒循環量を最適化することによって、
熱電子ヒートポンプを最大の効率で動作させることがで
きる。
【００３８】なお、放熱部１０側の放熱量の増減により
冷却量も増減する。そこで熱媒体の循環量を調節するこ
とによって冷却量を調節することも可能である。
【００３９】（実施の形態３）本発明の実施の形態３
を、上記と同じく図１を用いて説明する。
【００４０】上記実施の形態２では冷媒循環量を調節す
ることによって冷凍能力を変化させて最適効率での運転
を可能としたが、本実施の形態では冷却ファン１９の回
転数、すなわち冷却風量により冷却能力を調節すること
によって最適効率での運転を可能にする。
【００４１】冷却ファン１９の回転数を増やすと冷却用
熱交換器１２の冷凍能力が増加する。逆に、冷却ファン
１９の回転数を減らすと冷却用熱交換器１２の冷凍能力
が減少する。そこで、制御手段３０は、冷却ファン１９
の回転数を変化させることによってＣＯＰが増加するか
減少するかを判定し、最適なＣＯＰとなる回転数に冷却
ファン１９の回転数を制御して運転する。例えば、冷却
ファン１９の回転数を増加した際にＣＯＰが増加すれ
ば、更に回転数を上げ、逆にＣＯＰが減少すれば回転数
を下げるように、制御手段３０は制御する。このように
して冷却ファン１９の回転数を最適化することによっ
て、熱電子ヒートポンプを最大の効率で動作させること
ができる。
【００４２】なお、放熱部１０側の放熱量の増減により
冷却量も増減する。そこで放熱ファン２４の回転数を調
節することによって冷却量を調節することも可能であ
る。
【００４３】また、本実施の形態では、本発明の熱電子
ヒートポンプ装置の吸熱／放熱調節手段の一例として、
冷却ファン１９や放熱ファン２４を用いた。
【００４４】（実施の形態４）本発明の実施の形態４
を、上記と同じく図１を用いて説明する。
【００４５】上記３種の実施の形態では熱電子ヒートポ
ンプを最大の効率で動作させるものであったが、前述し
たように動作電圧が不適切であると高温側から低温側へ
大量の電子が移動し、その結果高温側から低温側へ大量
の熱が移動してしまう。熱電子ヒートポンプは電子によ
って熱を移動させるため、応答速度が非常に早い。その
ために動作電圧の設定を誤ると瞬時にして大量の熱が低
温側へ流れてしまう危険がある。
【００４６】そこで本実施の形態では常に電流計１１に
より電流の流れる方向を監視しておき、電流の流れが逆
方向、すなわち、陰極１側から陽極２側へ流れた瞬間
に、制御手段３０が電源３の印加電圧を高める制御を行
うものである。高める印加電圧の値は図９から、０．０
０１［Ｖ］から０．１［Ｖ］程度で良い。
【００４７】この制御を行うことにより、負荷や温度条
件の変動等によって動作電圧が不適切なものとなって
も、低温側への熱の逆流を防止することができる。
【００４８】なお、電流の方向のみを検出すればよいた
め、電流計ではなく他の検出手段を用いても良い。
【００４９】（実施の形態５）本発明の実施の形態５
を、図２を用いて説明する。
【００５０】本実施の形態においても、上述の実施の形
態と同様に、本発明の技術を冷蔵庫に適用した場合のヒ
ートポンプ装置について説明する。また、図２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。
【００５１】本実施の形態では電源３の正極側から陽極
２と陰極１を経て電源３の負極側へのみ電流を通過する
ダイオード素子２５を設けている。
【００５２】ここで、本発明の作用を説明する前に、熱
電子ヒートポンプの動作の詳細を図３を用いて説明す
る。図３は熱電子ヒートポンプの動作原理にかかわる、
陰極１と陽極２の表面に形成された低仕事関数物質４と
真空のエネルギーレベルの関係を図示したものであり、
図３の図（１）から図（４）は陰極１と陽極２の間に印
加する動作電圧を徐々に上昇した場合を表わしている。
【００５３】図３において、Ａは陽極２の表面に形成し
た低仕事関数物質４のエネルギーレベル、Ｂは陰極１の
表面に形成した低仕事関数物質４のエネルギーレベル、
ＥFAとＥFBは各々ＡとＢのフェルミエネルギーレベルで
ある。また、２６は真空のエネルギーレベルを表わして
いる。熱電子ヒートポンプは陽極２と陰極１の表面に低
仕事関数物質４を形成しそれらを真空空間５で挟んだ構
成であり、両電極間で電子の授受を行うため熱電子ヒー
トポンプのエネルギー状態は図３の様に表わすことがで
きる。
【００５４】真空のエネルギーレベル２６とフェルミエ
ネルギーの差が仕事関数であり、図３中ではφで表わし
ている。３は動作電圧を印加するための電源であり、Ｊ
AとＪBは各々ＡからＢおよびＢからＡ方向への電子の流
れである。
【００５５】図３の図（１）は熱電子ヒートポンプの動
作中に電源３の印加電圧Ｅ0を０［Ｖ］にした場合であ
る。ＡとＢには高い運動エネルギーを持った電子が存在
しており、それらのうち仕事関数φ以上のエネルギーを
持った電子のみが真空のエネルギーレベル２６を飛び越
え、熱電子として真空中へ放出される。陽極２は陰極１
に比べて高温となっているため、Ａから放出される熱電
子の量ＪA0はＢから放出される熱電子の量ＪB0より多
い。そのため、実質的には（ＪA0−ＪB0）の量の電子が
真空を介してＡからＢへ流れ、その結果ＡからＢへと熱
が移動し陰極１が加熱される。なお、電子の流れと電流
の流れは逆であるため、図（１）の回路上で電流は電源
３、陰極１、真空空間５、陽極２、電源３へと流れる。
【００５６】図３の図（２）は電源３の電圧を若干上昇
し、Ｅ1［Ｖ］を印加した場合である。Ｂのポテンシャ
ルは印加した分のポテンシャル分のｅＥ1［ｅＶ］だけ
上昇する。この場合、ＢからＡへ移動する電子の量は、
飛び越えるポテンシャル障壁はφのままであるため、図
（１）の場合と同じＪB0である。しかし、ＡからＢへ移
動する電子の量ＪA1は、飛び越えるポテンシャル障壁が
ｅＥ1［ｅＶ］だけ上昇し（φ＋ｅＥ1）となるため、図
（１）の場合に比べて減少する。従って図（１）の場合
に比べてＡからＢへの熱の移動は減少する。
【００５７】図３の図（３）は電源３の電圧を更に上昇
し、Ｅ2［Ｖ］を印加した場合である。Ｂのポテンシャ
ルは更に上昇してｅＥ2［ｅＶ］となる。この場合も、
ＢからＡへ移動する電子の量は、飛び越えるポテンシャ
ルはφのままであるため、図（１）の場合と同じＪB0で
ある。ＡからＢへ移動する電子の量ＪA2は、ポテンシャ
ル障壁が更に上昇してｅＥ2［ｅＶ］だけ上昇し（φ＋
ｅＥ2）となるため更に減少する。印加電圧がＥ2［Ｖ］
の時にＪA2とＪB0の量が等しくなったとすると、熱電子
の移動による熱の移動が無くなる。当然、電源３を流れ
る電流量も０［Ａ］となり、この時の動作電圧がヒート
ポンプとしての動作の最低限の限界電圧となる。
【００５８】図３の図（４）は電源３の電圧を更に上昇
し、Ｅ3［Ｖ］を印加した場合である。Ｂのポテンシャ
ルも更に上昇し、ｅＥ3［ｅＶ］となる。この場合も、
ＢからＡへ移動する電子の量は、図（１）の場合と同じ
ＪB0である。しかし、ＡからＢへ移動する電子の量ＪA3
は、ポテンシャル障壁が更に上昇してｅＥ3［ｅＶ］だ
け上昇し（φ＋ｅＥ3）となるため更に減少する。真空
を介して移動する電子の量は、ＪA3に比べてＪB0の方が
多くなり、Ｂの熱が熱電子の運動エネルギーとしてＡへ
移動する。すなわち熱ポンプ装置としての動作が可能と
なり、Ｂが冷却される。
【００５９】このように熱電子ヒートポンプは、動作電
圧の大きさによって電子の流れる方向が決まり、熱の移
動方向が決定される。また、動作電圧が上記限界電圧よ
り低いと熱の移動方向が逆になってしまい、冷却側が加
熱されてしまう。図９に示したＣＯＰが０となる電圧が
限界電圧であるが、陰極１が設定温度以上に過冷却され
た場合や負荷変動等により、動作電圧が限界電圧よりも
低くなってしまった場合、陰極１が陽極２から放出され
た熱電子により加熱されてしまう。
【００６０】そこで本実施の形態では電流の流れる回路
中にダイオード素子２５を設ける。これにより、動作電
圧が不適切な状態になって陽極２から陰極１へ熱電子が
流れてもダイオード素子２５によって電流の流れが遮断
されるため、陰極１へ熱電子が流れることはない。従っ
て、ダイオード素子２５等を用いて負極側へのみ電流を
通過する回路を設けるという簡単な構成によって、熱電
子ヒートポンプの熱の逆流を防止することができる。
【００６１】なお、本実施の形態では逆方向の電流を遮
断する回路としてダイオード素子２５を用いたが、この
目的に使用し得るものであれば他の回路でも良い。例え
ば、図４に図示したように、電源３の正極側から陽極２
と陰極１を経て電源３の負極側へ電流が流れる回路中
に、電流計１１と回路遮断用のスイッチ２７を設けた簡
単な回路でも良い。
【００６２】図４のヒートポンプ装置は電流計１１によ
り電流の流れる方向を検出し、逆方向に電流が流れた際
にスイッチ２７を開いて電流を遮断するものである。熱
電子ヒートポンプは運転時に比較的大きな電流が流れる
ため、ダイオード素子２５を用いる図２の実施の形態で
はコストの比較的高い大容量のダイオード素子を用いる
必要がある。しかし本実施の形態で用いる電流計１１は
電流値を正確に測定するものは必ずしも必要ではなく、
電流の流れている方向のみを判定することができるもの
であれば良く、スイッチ２７も安価であるため、低コス
トで熱電子ヒートポンプの熱の逆流を防止することがで
きる。
【００６３】なお、電流の方向のみを検出すればよいた
め、電流計ではなく他の検出手段を用いても良い。
【００６４】（実施の形態６）本発明の実施の形態６
を、図５から図７を用いて説明する。
【００６５】本実施の形態でも上述の実施の形態と同様
に、本発明の技術を冷蔵庫に適用した場合について説明
する。図５に示した本実施の形態の構成図においても、
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。
【００６６】図１に示した実施の形態１の熱電子ヒート
ポンプ装置では、最適動作電圧を求めるために先ず冷凍
能力を測定するものであった。そのため、実施の形態１
では流量計１６や温度計１７、１８が必要であったが、
図５の実施の形態６ではこれらの流量計や温度計を使用
することなく、電源３の印加電圧と電流計１１で測定さ
れる電流値のみから最適動作電圧を決定するものであ
る。
【００６７】図６に陽極２の温度を３０℃、陰極１の温
度を−３０℃とした場合のＣＯＰと電源３の動作電圧の
関係を破線で示した。また、図６の右軸には回路に流れ
る電流量Ｉと、印加電圧Ｖのｎ乗との比をとり、図中に
ｎが１から８の場合のＩ／Ｖn値を実線で示した。ま
た、黒丸印を付けた各実線の最大値と最適動作電圧を比
較すると、Ｉ／Ｖn値の最大値は最適動作電圧の近傍に
位置していることがわかる。
【００６８】そこで、制御手段３１は、ｎの値を１以上
のいずれかの値とし、ヒートポンプ動作時のＩ／Ｖn値
と、動作電圧をわずかに変化させた場合のＩ／Ｖn値と
を比較し、この値が最大となるように電源３の電圧を制
御する。そうすると、最適動作電圧に近い電圧で運転す
ることができる。
【００６９】また、図６からｎ値が増大するにつれてＩ
／Ｖn値の最大値が最適動作電圧に近づくことがわか
る。その状況をわかりやすくするため、ｎ値に対するＩ
／Ｖn値の最大値と最適動作電圧の差を図７に実線で示
した。図７から、ｎ＝６〜７程度とするとＩ／Ｖn値の
最大値となる電圧が正確に最適動作電圧と一致すること
がわかる。
【００７０】更に、図７には陽極２の温度を１００℃、
陰極１の温度を３０℃として陽極２側の高温の熱を利用
するヒートポンプとして動作させた場合の、ｎ値に対す
るＩ／Ｖn値の最大値と最適動作電圧の差の関係を破線
で示している。これより、この動作条件の場合ｎ＝６〜
８程度とするとＩ／Ｖn値の最大値となる電圧が正確に
最適動作電圧と一致することがわかる。
【００７１】このように、制御手段３１が回路に流れる
電流値と電源の印加電圧のｎ乗との比が最大となるよう
に動作電圧を制御することによって、最も高いＣＯＰで
運転することが可能となる。
【００７２】なお、上述した実施の形態では、陽極２の
温度を３０℃、陰極１の温度を−３０℃とした場合と、
陽極２の温度を１００℃、陰極１の温度を３０℃とした
場合の２例について説明したが、陽極２の温度および陰
極１の温度にかかわらず、ｎの値を６から８のいずれか
の値とし、Ｉ／Ｖn値が最大となるように電源３の電圧
を制御すると、高いＣＯＰで運転することが可能である
ことがわかっている。
【００７３】また、ｎの最適値は、陽極２の温度と陰極
１の温度との組み合わせにより決定される。しかし、図
７に示したように広い温度範囲で、おおむねｎが６から
８程度で最適値に近い値となる。
【００７４】なお、ヒートポンプは利用目的によって各
種の異なった条件で運転されるため、各機器に応じて、
電流値や電圧値を算術的に加工してそれらの比から最適
動作電圧を決定しても良い。
【００７５】
【発明の効果】以上説明したところから明らかなよう
に、本発明は、冷却効率または加熱効率が最大となるよ
うな最適動作電圧での運転を可能とする熱電子ヒートポ
ンプ装置を提供することができる。
【００７６】また、本発明は、高温側から低温側への熱
電子の流入を防止する熱電子ヒートポンプ装置を提供す
ることができる。
【００７７】前述したように、熱電子ヒートポンプの動
作電圧に対するＣＯＰは動作電圧に対して鋭い極値を有
してり、このＣＯＰ最大時の動作電圧は動作する温度条
件によって変化する。そのため、常に最適動作電圧を判
断しながら運転しないと熱が高温側から低温側へ移動し
てしまう事態に陥る。この特性は蒸気圧縮式ヒートポン
プ等他の方式とは全く異なるものであり、熱電子ヒート
ポンプを安定に動作させるためには、本発明は必要不可
欠の技術である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１から４における熱電子ヒ
ートポンプ装置の概略構成図
【図２】本発明の実施の形態５における熱電子ヒートポ
ンプ装置の概略構成図
【図３】熱電子ヒートポンプの動作原理図
【図４】本発明の実施の形態５における他の熱電子ヒー
トポンプ装置の概略構成図
【図５】本発明の実施の形態６における熱電子ヒートポ
ンプ装置の概略構成図
【図６】本発明の実施の形態６に係る熱電子ヒートポン
プ装置の動作条件の説明図
【図７】本発明の実施の形態６に係る制御方法の説明図
【図８】従来の熱電子ヒートポンプの概略構成図
【図９】熱電子ヒートポンプのＣＯＰの特性を示す図
【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 ８・・・ヒートポンプ部 ９・・・冷却部 １０・・・放熱部 １１・・・電流計 １６・・・流量計 １７・・・温度計 １８・・・温度計 ３０・・・制御手段 ３１・・・制御手段

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 被冷却物と熱的に接触する陰極と、 その陰極と対向するように配置され、被加熱物と熱的に
    接触する陽極と、 前記陰極の前記陽極との対向面に設けられた第１低仕事
    関数物質と、 前記陽極の前記陰極との対向面に設けられた第２低仕事
    関数物質と、 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
    源と、 冷却量または加熱量を測定する熱量測定手段と、 前記陽極と前記陰極との間を流れる電流量を測定する電
    流計と、 前記熱量測定手段によって測定された熱量と、前記電流
    計によって測定された電流量とに基づいて、冷却効率ま
    たは加熱効率が最大となるように前記電源の印加電圧を
    制御する制御手段とを備えた熱電子ヒートポンプ装置。
  2. 【請求項２】 被冷却物と熱的に接触する陰極と、 その陰極と対向するように配置され、被加熱物と熱的に
    接触する陽極と、 前記陰極の前記陽極との対向面に設けられた第１低仕事
    関数物質と、 前記陽極の前記陰極との対向面に設けられた第２低仕事
    関数物質と、 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
    源と、 冷却量または加熱量を測定する熱量測定手段と、 消費電力を測定する電力計と、 前記熱量測定手段によって測定された熱量と、前記電力
    計によって測定された消費電力とに基づいて、冷却効率
    または加熱効率が最大となるように前記電源の印加電圧
    を制御する制御手段とを備えた熱電子ヒートポンプ装
    置。
  3. 【請求項３】 被冷却物と熱的に接触する陰極と、 その陰極と対向するように配置され、被加熱物と熱的に
    接触する陽極と、 前記陰極の前記陽極との対向面に設けられた第１低仕事
    関数物質と、 前記陽極の前記陰極との対向面に設けられた第２低仕事
    関数物質と、 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
    源と、 前記陰極または前記陽極と熱交換し循環する媒体の流量
    を測定する流量測定手段と、 前記媒体が前記陰極または前記陽極と熱交換する前の前
    記媒体の温度を測定する第１温度測定手段と、 前記媒体が前記陰極または前記陽極と熱交換し終わった
    後の前記媒体の温度を測定する第２温度測定手段と、 前記流量測定手段によって測定された流量と、前記第１
    温度測定手段によって測定された熱交換する前の前記媒
    体の温度と、前記第２温度測定手段によって測定された
    熱交換し終わった後の前記媒体の温度とに基づいて、冷
    却効率または加熱効率が最大となるように前記媒体の流
    量を制御する制御手段とを備えた熱電子ヒートポンプ装
    置。
  4. 【請求項４】 被冷却物と熱的に接触する陰極と、 その陰極と対向するように配置され、被加熱物と熱的に
    接触する陽極と、 前記陰極の前記陽極との対向面に設けられた第１低仕事
    関数物質と、 前記陽極の前記陰極との対向面に設けられた第２低仕事
    関数物質と、 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
    源と、 前記陰極または前記陽極と熱交換し循環する媒体の流量
    を測定する流量測定手段と、 前記媒体が前記陰極または前記陽極と熱交換する前の前
    記媒体の温度を測定する第１温度測定手段と、 前記媒体が前記陰極または前記陽極と熱交換し終わった
    後の前記媒体の温度を測定する第２温度測定手段と、 前記媒体の吸熱または放熱を調節する吸熱／放熱調節手
    段と、 前記流量測定手段によって測定された流量と、前記第１
    温度測定手段によって測定された熱交換する前の前記媒
    体の温度と、前記第２温度測定手段によって測定された
    熱交換し終わった後の前記媒体の温度とに基づいて、冷
    却効率または加熱効率が最大となるように前記吸熱／放
    熱調節手段を制御する制御手段とを備えた熱電子ヒート
    ポンプ装置。
  5. 【請求項５】 被冷却物と熱的に接触する陰極と、 その陰極と対向するように配置され、被加熱物と熱的に
    接触する陽極と、 前記陰極の前記陽極との対向面に設けられた第１低仕事
    関数物質と、 前記陽極の前記陰極との対向面に設けられた第２低仕事
    関数物質と、 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
    源と、 電流の流れる方向を検出する検出手段と、 電流が前記陰極から前記陽極に流れた際に、前記電源の
    印加電圧を大きくする制御手段とを備えた熱電子ヒート
    ポンプ装置。
  6. 【請求項６】 被冷却物と熱的に接触する陰極と、 その陰極と対向するように配置され、被加熱物と熱的に
    接触する陽極と、 前記陰極の前記陽極との対向面に設けられた第１低仕事
    関数物質と、 前記陽極の前記陰極との対向面に設けられた第２低仕事
    関数物質と、 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
    源と、 前記電源の正極側から前記陽極と前記陰極を経て前記電
    源の負極側へのみ電流を通過させる電流方向規制回路と
    を備えた熱電子ヒートポンプ装置。
  7. 【請求項７】 被冷却物と熱的に接触する陰極と、 その陰極と対向するように配置され、被加熱物と熱的に
    接触する陽極と、 前記陰極の前記陽極との対向面に設けられた第１低仕事
    関数物質と、 前記陽極の前記陰極との対向面に設けられた第２低仕事
    関数物質と、 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
    源と、 前記陽極と前記陰極との間を流れる電流量を測定する電
    流計と、 その電流計によって測定された電流量を、前記電源が印
    加する印加電圧のｎ乗で割った値が最大となるように前
    記電源の印加電圧を制御する制御手段とを備えた熱電子
    ヒートポンプ装置。
  8. 【請求項８】 前記ｎの値は６から８の間のいずれかの
    値である請求項７に記載の熱電子ヒートポンプ装置。
  9. 【請求項９】 前記ｎの値は、前記陽極の温度と前記陰
    極の温度との組み合わせにより決定される値である請求
    項７に記載の熱電子ヒートポンプ装置。
JP2001136624A 2001-05-07 2001-05-07 熱電子ヒートポンプ装置 Pending JP2002333230A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001136624A JP2002333230A (ja) 2001-05-07 2001-05-07 熱電子ヒートポンプ装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001136624A JP2002333230A (ja) 2001-05-07 2001-05-07 熱電子ヒートポンプ装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2002333230A true JP2002333230A (ja) 2002-11-22

Family

ID=18983866

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2001136624A Pending JP2002333230A (ja) 2001-05-07 2001-05-07 熱電子ヒートポンプ装置

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2002333230A (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007240046A (ja) * 2006-03-07 2007-09-20 Denso Corp 空調装置
KR101216195B1 (ko) 2012-09-12 2013-01-03 (주) 블루코어컴퍼니 열전 소자를 이용한 레이저 쿨링장치
JP2019163869A (ja) * 2018-03-19 2019-09-26 三菱電機冷熱プラント株式会社 冷却装置とその制御方法および制御プログラム

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007240046A (ja) * 2006-03-07 2007-09-20 Denso Corp 空調装置
KR101216195B1 (ko) 2012-09-12 2013-01-03 (주) 블루코어컴퍼니 열전 소자를 이용한 레이저 쿨링장치
JP2019163869A (ja) * 2018-03-19 2019-09-26 三菱電機冷熱プラント株式会社 冷却装置とその制御方法および制御プログラム
JP7011766B2 (ja) 2018-03-19 2022-01-27 三菱電機冷熱プラント株式会社 冷却装置とその制御方法および制御プログラム

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5052472A (en) LSI temperature control system
Wu et al. Design and experimental study of a miniature vapor compression refrigeration system for electronics cooling
Zhang et al. A study on thermal performance of a pump-assisted loop heat pipe with ammonia as working fluid
WO2019017297A1 (ja) 相変化冷却装置および相変化冷却方法
EP1601043A2 (en) Method and apparatus for controlling cooling with coolant at a subambient pressure
WO2019181972A1 (ja) 冷却装置、制御方法および記憶媒体
JPWO2018131555A1 (ja) バルブ制御装置、冷却装置、バルブ制御方法およびプログラム記憶媒体
CN105890246A (zh) 用于冷却工作流体的适应性温度控制系统
JP2003294290A (ja) 熱源機器の台数制御装置および台数制御方法
Hong et al. An investigation on optimal external cooling condition for an ultra-thin loop thermosyphon-based thermal management system
Zhang et al. Experimental research on dynamic characteristics and control strategy of the pump-driven two-phase loop with dual evaporators
JP2002333230A (ja) 熱電子ヒートポンプ装置
US6862895B2 (en) Semiconductor cooling device and method of controlling same
US20040250558A1 (en) Semiconductor cooling device
KR101564172B1 (ko) 하이브리드 칠러
WO2019092978A1 (ja) サーモサイフォン式の温度調整装置
KR100826926B1 (ko) 수냉식 공기조화기 및 그 제어방법
JP4349851B2 (ja) 冷凍サイクル装置
JP2006038302A (ja) 冷却装置及び冷却制御方法
US20030062150A1 (en) Temperature/strain control of fatigue vulnerable devices used in electronic circuits
Yin et al. Experimental investigation on the performance of a novel single-driving integrated pump and compressor system for electronic cooling
JP2013194919A (ja) 自励振動ヒートパイプ及びプログラム
He et al. Assessment of the two-phase thermosyphon loop with high filling ratio under anti-gravity
JP2017020687A (ja) 冷凍サイクル装置
JP2015021659A (ja) 冷凍装置