JP2003519769A

JP2003519769A - 冷却装置

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Publication number: JP2003519769A
Application number: JP2001549975A
Authority: JP
Inventors: ズートフ・ブルクハルト
Original assignee: プファンネンベルク・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング
Priority date: 1999-12-29
Filing date: 2000-12-23
Publication date: 2003-06-24
Also published as: DE19963571A1; ATE268891T1; US6644036B2; WO2001050074A1; EP1242772B1; DK1242772T3; US20030029172A1; AU2843401A; EP1242772A1; DE20000749U1; TR200402252T4; DE50006773D1

Abstract

(57)【要約】本発明は新規な冷却システム（１００）に関する。この冷却システムの場合には、排出すべき廃熱が先ず最初に電子放出層（１５）から吸収される。熱は電子放出層の表面から電子（１３）を放出することになる。この場合、放出層に向き合わせて正の電位が加えられた吸引電極（１０）によって電子が吸引される。電子（１３）によって運ばれた熱エネルギーによって、電子放出層（１５）から吸引電極（１０）への熱伝達が行われる。電子流の強さは電子放出層と吸引電極の間に配置された格子（１２）のバイアス電圧によって制御可能である。電子放出層（１５）の表面は好ましくはバリウムまたはセシウムのようなアルカリ土類金属によって形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】適用分野本発明は、冷却装置、物体を冷却するための方法並びに特に開閉装置（スイッ
チングカップボード）に適した冷却システムに関する。

【０００２】技術水準熱とは、不規則な原子運動または分子運動の形で存在するエネルギーであると
理解される。熱力学第二法則に基づいてシステムのエントロピー（無秩序）が増
大するかまたはそのままであるので、或るタイプのエネルギーを他のタイプのエ
ネルギーに実際に変換する際必ず熱が発生する。この熱エネルギーは変換された
有効エネルギーから失われる。従って、この“廃熱”をできるだけ少なくするか
あるいは全く発生させないようにする努力がなされる。廃熱を回避するためのこ
のような努力にはしかし、物理的または熱力学的な法則に基づいて、理論的に限
界があり、この限界を上回ることはできない。従って、多くの実際のプロセスに
おいて、システムの機能を保証するために、廃熱をできるだけ効率的に排出すべ
きである。

【０００３】廃熱を発生するプロセスの重要な例は、電子技術的な設備、開閉装置、電気的
な回路またはマイクロ電子部品で発生するような電気的なプロセスである。この
ようなシステムの内部には、導電線で運ばれる電子の摩擦プロセスのために、抵
抗Ｒと電流の二乗Ｉ²に比例する損失出力が生ずる。この損失出力は廃熱の形態
で発生する。その際、この廃熱は、冒頭に述べたように、原子と分子の運動エネ
ルギーの増大または固体格子内の振幅の増大を生じることになる。

【０００４】物体を冷却するためにいろいろな方法が知られている。この方法は基本的には
、冷たい物体（ヒートシンク）が温かい物体（熱源）に接続され、それによって
平行状態をとる熱力学的な傾向に基づいて、熱エネルギーが熱源からヒートシン
クに流れるという原理に基づいている。その際、熱エネルギーの伝達は一方では
熱伝導で生じる。この熱伝導の場合、顕微鏡的なレベルで、原子または分子の運
動エネルギーが衝突プロセスによって或る小部分から他の小部分に伝達される。
熱伝導による熱エネルギーの伝達速度は、熱伝達に寄与する接触面積、材料特有
の熱伝導率λおよび熱源とヒートシンクの間の温度勾配（間隔あたりの温度差）
に比例する。

【０００５】廃熱を運ぶための他のメカニズムは対流である。この場合、廃熱は先ず最初に
例えば冷却液またはガスのような可動の媒体に伝達され、そしてこの冷却媒体の
物質によって搬出される。この搬出の速度は冷却媒体の運動速度によって決まり
、従って比較的に高い値を達成することができる。

【０００６】廃熱を放散するための他のメカニズムは、電磁的な熱輻射の形態の熱エネルギ
ーの輻射にある。この場合、熱エネルギーの搬送速度は光速である。熱放散はス
テファン・ボルツマンの法則に従って、輻射表面積と温度差の４乗に比例する。
すなわち、特に熱源とヒートシンクの間の温度差が大きい場合、輻射によって高
い熱放散速度が達成可能である。

【０００７】例えば開閉装置の電子部品で発生するような廃熱を排出する際に、廃熱を発生
場所から外に迅速かつ確実に案内することが重要である。そうしないと、電子部
品が過熱されて破壊されることになる。従って、例えば換気装置が使用される。
この換気装置の場合には、強いファンが冷却空気を部品の表面に沿って吹き付け
、それによって対流によって熱の迅速な排出を行う。更に、例えばマイクロプロ
セッサのような冷却すべき部品に、金属製の大きな面積の冷却体を取付けること
が知られている。この冷却体は発生場所から損失熱を迅速に運び、対流冷却部に
伝導することが知られている。上記の解決策の場合、機械的に動く部品によって
膨大な構造的コストが必要であり、この部品が大きく摩耗するという欠点がある
。更に、このような装置の効率は往々にして良くない。冷却システムは環境を脅
かす物質を使用している。

【０００８】課題、解決策、効果本発明の課題は、環境にやさしく、低コストで、摩耗が少なく、保守整備がで
きるだけ不要で、そして構造的に簡単である新しい冷却装置を提供することであ
る。冷却装置は更に、低い温度、特に−８０°Ｃまで冷却出力を有すると共に高
い効率を保証すべきであり、いろいろな技術的な一般条件に適合可能であるべき
である。冷却装置は更に、バッテリまたはアキュムレータによってできるだけ自
動的に運転可能であるべきである。

【０００９】この課題は請求項１記載の特徴を有する冷却装置によって解決される。

【００１０】本発明による冷却装置は冷却すべき物体に取付けられる電子放出層と、この電
子放出層に対して間隔をおいて配置された吸引電極と、マイナス極が電子放出層
に接続され、プラス極が吸引電極に接続された電源を備えている。

【００１１】冷却装置は排出すべき廃熱を電子によって運ぶ。電子は通常は、所定の原子ま
たは分子の場合化学的な条件によって固体内で結び合っている。しかし、特に金
属のような多くの固体の場合には、量子力学的レベル重ね合わせに基づいて、（
エネルギー的な）伝導帯が生じる。この伝導帯では価電子が固体内で自由に移動
可能である。このような価電子はその運動エネルギーによって熱エネルギーも搬
送し、更に電源が固体に接続されるときには、電流の担体である。価電子の運動
空間は実質的に固体の内部に制限される。固体内で電子はいわゆるポテンシャル
井戸内にある。電子は、固体の表面のポテンシャル段に打ち勝つことができる大
きさの運動エネルギーを有するときにのみ、ポテンシャル井戸から外に出ること
ができる。固体の最も上側の価電子帯の電子のために必要である、固体から出る
ためのエネルギーは、活性化エネルギーと呼ばれ、材料定数である。固体内での
熱エネルギーの静的な分布に基づいて常に若干の電子が、活性化エネルギーより
も多い非常に多くのエネルギーを有するので、常に若干の電子が固体から出るこ
とができる。すなわち、このような固体は表面のすぐ近くにおいて“電子雲”に
よって取り囲まれている。自由になる電子の流れの量は、いわゆるリチャードソ
ン効果方程式によって行われる。約２０°Ｃの温度のときに、自由になる電子は
約３５００ｍ／ｓの速度で進む。

【００１２】本発明は、廃熱を排出するために、自由になるこの効果を利用する。この目的
を達成するために、冷却すべき物体に連結された電子放出層が設けられる。電子
放出層は場合によっては、冷却すべき物体の一部として形成してもよい。電子放
出層は先ず最初に、例えば熱伝導によって冷却すべき物体から廃熱を吸収する。
この熱エネルギーは特に電子放出層の価電子に蓄えられる。これによって、高い
エネルギーの電子が割合が上昇する。このエネルギーは活性化エネルギーに打ち
勝ち、それによって電子放出層から出ることができる。その際、出る電子は電子
放出層からその固有の運動エネルギーを一緒に運ぶ。換言すると、電子はこの層
から熱エネルギーを奪う。しかし、他の手段なしでは、電子雲と電子放出層が迅
速に平衡状態になる。すなわち、単位時間あたり、電子雲から電子放出層に戻る
電子と同じ量の電子が電子放出層から出る。それによって、熱エネルギーの正味
排出は起こらない。この平衡を中断するためおよび電子放出層からの熱エネルギ
ー排出を連続的に行うために、本発明では、吸引電極が電子放出層から間隔をお
いて設けられている。吸引電極（アノード）と電子放出層（カソード）の間に電
圧を加えることによって、両電極の間に電位降下が生じる。この電位降下は出た
電子を吸引電極の方に引き寄せる。そこで、電子は吸引電極の固体材料内に受け
られ、電源の方に案内される。それによって、電子は電子放出層の周りの電子雲
から連続的に除去されるので、電子放出層からエネルギーに富む電子が効果的に
流出する。その際、既に述べたように、電子は非常に速い速度、例えば３５００
ｍ／ｓで移動するので、電源の極に従ってカソードとして形成された電子放出層
から、アノードとして形成された吸引電極へのきわめて迅速な熱輸送が生じる。

【００１３】本発明による冷却装置の利点は、廃熱の効果的で迅速な輸送にある。この輸送
はコストのかかる構造的な手段なしにおよび動く機械的部品を使用せずに行われ
るので、冷却ユニットの摩耗が生じない。更に、装置は長い時間、例えば１０年
間保守整備せずに運転可能である。本発明による冷却装置の他の利点は、全く騒
音なしに作動し、冷却要素のための付加的なスペースを必要としない。

【００１４】本発明の実施形では、電子放出層と吸引電極の間に格子が設けられ、この格子
が好ましくは調節可能な電源に接続されている。このような格子によって、電子
放出層と吸引電極の間の電位コースを変更することができ、好みによって調節可
能である。それによって、電子放出層から吸引電極へのエネルギーに富む電子の
流れを調節することができる。そのために、格子には、電子放出層に比べて負の
電圧がかけられる。この電圧は電子放出層の周りの電子雲の電子に反発するよう
に作用する。従って、格子は電子放出層と吸引電極の間の電位のコースを制御す
る。電子の流れは、冷却室内での水の生成を抑制するために、クーロンの力によ
って制御される。それによって更に、冷却出力を技術的な要求に対応して可変に
することができる。１つの格子の代わりに、複式格子を使用することができ、そ
れによって制御が改善される。従って、格子は、その負の電圧によって調節可能
な程度に、吸引電極（アノード）の正の電圧の通過を防止する。その際、格子自
体の電力消費は発生しない。これにより、冷却装置の冷却出力をその要求に正確
に適合されることができる。特に、冷却プロセスの開始時に、高すぎる冷却出力
が発生することを防止することができる。この高すぎる冷却出力は、冷却すべき
物体または電子放出層を氷結させることになる。

【００１５】本発明の他の実施形では、電子放出層の表面がアルカリ土類金属、好ましくは
セシウムまたはバリウムまたはエレクトリドまたはこれらの混合物を含んでいる
かあるいはこれらの物質からなっている。アルカリ土類金属の場合、活性化エネ
ルギーが比較的に小さいので、熱輸送のため電子を自由にするために、わずかな
電子ボルトで充分である。エレクトリドは、価電子をきわめてゆるく結ぶ特別な
塩である。これは更に、熱を輸送する電子を容易に供するために寄与する。

【００１６】更に、上記の物質は好ましくは、タングステン（Ｗ）を含かまたはタングステ
ンからなる層の上に配置されている。アルカリ土類金属とタングステンまたは類
似の元素との組み合わせにより、活性化エネルギーが更に低下し、それによって
熱輸送のために必要な電子が容易に流出する。

【００１７】本発明の他の実施形では、電子放出層の表面が表面成形部、例えば三次元構造
を有している。この表面成形部は好ましくは凹部（隆起、条溝、溝）を形成する
ことによって生じる。しかし、電子放出層とその周囲の間の接触面の大きさを同
大するための表面構造の他のあらゆる形状を用いてもよい。それによって、流出
する電子の率が高まる。表面成形部を有する電子放出層と同様に、吸引電極の表
面は電子放出層寄りの側に成形部を備えることができる。

【００１８】好ましくは電子放出層と吸引電極の間に真空が発生させられる。この真空によ
り、電子が進む自由経路長さの充分な大きさが保証されるので、電子はガス原子
またはガス分子に衝突せずに電子放出層から吸引電極に飛ぶことができる。従っ
て、このような真空は熱伝達速度および熱伝達効率を大幅に増大させるために寄
与する。

【００１９】本発明による冷却装置の他の実施形では、冷却装置が電子放出層の表面の範囲
内に磁界を発生するための装置を備えている。このような磁界は熱伝達を生じる
電子の運動に対して能動的におよび案内するように作用する。ローレンツの力に
基づいて、電子は磁界内で磁力線の周りを円軌道またはらせん軌道に沿って移動
する。磁場が電子放出層の表面に対して垂直に向けられている場合、この磁場に
より、表面に対して接線方向に向いた電子の運動成分が円状軌道運動に方向を変
えられる。これに対して、電子放出層の表面に対して垂直な（すなわち磁界の方
向の）電子の運動は磁界によって影響を受けない。これにより、電子放出層から
出る電子は表面の上方で受けられて保持され、しかしそれによって、表面に対し
て垂直なその運動、従って吸引電極の方への運動は悪影響を受けることがない。
磁界によって更に、例えばバリウムのような元素の排出エネルギーを若干の電子
ボルトだけ低減することができるので、１．０ｅＶよりも低い排出エネルギーを
得ることができる。

【００２０】本発明の他の実施形では、電子放出層がβ崩壊（βエミッタ）を受ける放射性
元素を含んでいる。β崩壊によって、電子が自然に遊離するので、電子放出層で
は、低い温度に基づいて充分に多くの熱活性電子が存在しないときにも、熱輸送
用の電子が供される。これによって、吸引電極の加速電圧が不足している場合に
も、安全冷却を実現することができる。

【００２１】電子放出層は薄層フィルムとして高伝導材料、好ましくは金上に形成可能であ
る。このような電気および熱伝導性材料は、電子放出層内で廃熱を良好に搬送す
る。

【００２２】吸引電極の他の実施形では、吸引電極が例えば、高温の電子放出層からの電子
流出を可能にし、カソードからアノードへの距離を最短にするエッジのような突
起を有することができる。

【００２３】本発明は更に、物体を冷却するための方法に関する。この方法は、物体に電子
放出層と、この電子放出層に対して間隔をおいて吸引電極とが配置されているこ
とと、吸引電極に対してマイナスの電位が電子放出層に供給されることを特徴と
する。すなわち、電子放出層はカソードとして、吸引電極はアノードとして運転
される。本発明による方法によって、冷却装置に関連して上述したように、冷却
作用が生じる。この冷却作用の場合、電子が電子放出層から吸引電極に熱エネル
ギーを運ぶ。その際、電子放出層の表面特性は正である。すなわち、“高温の”
電子がしばしば表面にとどまり、固体の内部に対する表面の結合強さが低下する
ので、この電子が表面から出て、吸引電極の方に移動することは容易である。固
体から出る際に、電子はその運動エネルギーを個々の熱エネルギーとして運ぶ。
これにより、電子放出層の温度が低下することになる。電子によって輸送された
エネルギーはアノードに達する。アノードはゆっくり過熱される。従って通常は
、アノード（吸引電極）を他の方法（慣用の方法でもよい）で冷却する必要があ
る。その際、例えばマイクロプロセッサまたは電子回路のような危険な部品から
熱を迅速にかつ効率的に搬出することが重要である。それによって、あまり危険
でない条件で、吸引電極から更に分配および排出することができる。吸引電極は
特に別個のペルチェ効果または熱音響効果によって冷却可能である。

【００２４】その際、電子放出層から吸引電極への電子の流れは電位によって制御される。
この電位は電子放出層と吸引電極の間に配置された格子によって加えられる。こ
のような電位によって、電子放出層から吸引電極への電子の流れの強さが電力を
用いずに制御可能である。それによって、状況に応じた手動のまたは自動的な制
御のために利用可能な他の自由度が得られる。

【００２５】本発明は更に、二次冷却、特に対流冷却（例えば空気または水による）の形態
の二次冷却を含む冷却システムに関する。この冷却システムは冷却すべき物体に
取付けられる上記種類の冷却装置を含み、この冷却装置の吸引電極が二次冷却に
よって冷却されることを特徴とする。このような冷却システムは例えば電気的な
部品の開閉装置（スイッチングカップボード）において使用可能である。この制
御キュービクル内では、電流に基づいて損失熱が多く発生する。この損失熱は部
品を保護するためにできるだけ早く発生場所から排出すべきである。しかし、冷
却システムは、他の熱発生器、例えば発光器でも有利に使用可能である。

【００２６】本発明の他の有利な実施の形態は他の請求項に記載してある。

【００２７】次に、図によって本発明を例示的に説明する。

【００２８】発明の詳細な説明および発明を実施するための最良の方法図１は本発明による冷却装置１００の機能原理を概略的に示している。冷却す
べき物体（図示していない）で生じる廃熱は、電子放出層１５によって吸収され
る。その際、熱エネルギーは特に、材料の電子によって吸収される。それによっ
て、若干の電子は、電子放出層１５の表面から出るために充分に高いエネルギー
を受け取る。この電子は電荷雲として電子放出層１５の表面を取り囲む。本発明
に従い、電子放出層１５の表面に対して間隔をおいて、吸引電極１０が配置され
、負電位（カソード）が電源、例えばバッテリ１６を介して電子放出層１５に供
給され、正電位（アノード）が吸引電極１０に供給される。この電位差によって
、電子１３は電子放出層１５の周辺の電荷雲から吸引電極１０の方に吸引される
。その際、電子は毎回、その運動エネルギーとポテンシャルエネルギーによって
、電子放出層の熱エネルギーの一部を吸引電極１０の方に運ぶ。この熱は吸引電
極１０から二次冷却手段（図示していない）を経て排出される。それによって、
電子放出層１５から吸引電極への電子１３の流れは、熱輸送をもたらす。この熱
輸送は、機械的な可動部品なしに、ひいては摩耗および騒音なしに、かつ高い効
率および高速で生じる。電子１３の電流は必要に応じて、電子放出層１５と吸引
電極１０との間に配置された格子１２または複式格子を介して制御可能である。
この格子には、（電子放出層１５に対して）負の電位を供給可能である。

【００２９】アノード１０に達する熱はこのアノードを加熱する。この熱は、もともと存在
する損失熱に加えて更に、放射によって先ず最初にカソードを活性化する。それ
によって、爆発的な冷却を生じる激しい電子放出が開始される。この過程は、格
子１２における負のバイアス電圧が冷却出力を低下させるために電子流を絞るこ
とにより、この格子を介して制御可能である。

【００３０】更に、溜まった熱は電気エネルギーに変換可能である。これは例えばバリウム
のシンチレーションとガラスガイドの形態で行われる。この場合、光はそれを電
気エネルギーに変換するフォトセルに案内される。この電気エネルギーは貯蔵可
能であり、例えばペルチェ素子によって冷気に効果的に変換される。

【００３１】本発明による冷却装置の他の利点は、冷却装置が環境に有害な物質を使用する
必要がなく、−８０°Ｃまでの冷却能力があり、バッテリによる運転に適し、そ
していろいろな技術的所与にフレキシブルに適合可能であることにある。本発明
の装置は概算では、ワットあたり約０．９８ドルのコストで運転可能である。冷
却出力は平方センチメートルあたり約４ワットであり、材料コストはワットあた
り約０．３キログラムである。本発明による冷却方法の場合、騒音は発生しない
。冷却セルは技術的な要求に合わせることができる。すなわち、複数のセルを１
つのブロックにまとめることができる。装置は軽量であると共にコンパクトであ
る。温度調節の正確さが保証され、所望な冷却出力を迅速にかつ慣性作用なしに
達成可能である。

【００３２】電子放出層１５と吸引電極１０の間の空間には好ましくは真空が存在する。こ
の真空を達成するためには、適当な真空技術が必要である。

【００３３】本発明の他の実施の形態の場合、電子の放出を光によって補助することができ
る。そのために、アルカリ土類金属のほかに、感光ドープ剤を層に組み込まなけ
ればならない。その際、フォトダイオードは冷却装置への高速電子のライン輸送
を開始することができる。

【００３４】更に、複合構造のフィルムを用いることができる。このようなフィルムは冷却
すべき熱空間に対する適合が制限されない。真空隙間は小型の厚いガラスセルに
よって実現可能である。このガラスセルは鋳込まれた導線を有する。

【００３５】電子放出層１５およびまたは吸引電極１０は構造を有する表面１４を備えてい
る。この表面の三次元的な形状は有効表面積を増大させ、それによって材料の内
部からの電子の放出作用を高めることになる。構造を有するカソード表面の形状
は特に蒸発マトリックスによって行うことができる。

【００３６】同様に、吸引電極１０の表面も吸引成形部１１を備えている。この成形部は、
電子放出層１５からの電子の吸引を補助するように選択すべきである。

【００３７】吸引電極１０は電子１３によって伝達された熱を吸収する。従って、吸引電極
１０の通常の冷却が行われる。その際特に、エネルギー変換素子を使用すること
ができる。このエネルギー変換素子は、物理的法則に基づいて可能であるかぎり
、吸引電極１０の熱エネルギーを例えば電気エネルギーのような利用可能なエネ
ルギーに変換する。

【００３８】電子放出層上の熱活性層は好ましくはバリウムまたはセシウムのようなアルカ
リ土類元素を含んでいる。アルカリ土類金属がすべて水や酸素に対してきわめて
攻撃的に反応するので、この層を製造する際には、或る程度の技術的コストが必
要である。

【００３９】図２には、具体的な冷却装置の構造が概略的に示してある。反応室２３内には
、熱場２５を発生する熱源２６が設けられている。反応室は特に開閉装置である
。廃熱は先ず最初に、集熱面２４によって吸収される。この集熱面は電子放出層
としての働きをし、電子を吸引電極に放出する。その際、吸引電極は熱伝導体２
２と閉鎖可能な真空筒２１を介して反応室２３に接続されている。真空室は更に
ゴムシール２０によってシールされている。装置のヘッドには高電圧部分１９と
、ライトガイド１７に接続する接続ブロック１８とが設けられている。ライトガ
イドはフォトセルに通じ、このフォトセルは付加的な冷却のためにペルチェ素子
に電流を供する。

【００４０】このような冷却セルを構成するための代表的な要素は、電圧源６Ｖと、配線と
、ポテンショメータと、２個のスイッチ（電圧スイッチ、格子制御用スイッチ）
と、電極と、コーティングと、アノード用熱放散薄板と、固有の冷却セルの絶縁
体と、固有の冷却室用のカソード側における適応接続部、貯蔵のためあるいは電
気エネルギーを冷気に変換するためのアノード電流の変換ユニットと、制御電極
用の制御回路と、冷却活動のための光学式ディスプレイユニットと、温度測定器
である。

【００４１】図３には考えられる層構造が示してある。この層構造の場合には、いろいろな
熱作用層が広い温度範囲にわたって作用し得るサンドイッチ状組み合わせとして
配置されている。セル壁部２７にはアノードとしての吸引電極１０と制御格子１
２が設けられている。更に、電子放出層としてＣｓ電極２８とＢａ電極２９が設
けられている。装置の熱底部は３０で示してある。コーティング２９は普通の冷
却段のために利用可能である。すなわち、１２０°Ｃ乃至室温までの温度のため
に使用可能である。第２のコーティング２８はセシウムの電子放出によって温度
を更に低下させるために供される。

【００４２】次に、図４〜６を参照して、本発明による冷却システムの冷却出力について説
明する。

【００４３】図４は、損失温度Ｔ_v（横軸）に依存して、タングステン上にバリウム製電子
放出層を備えた冷却システムの冷却電流を示している。明瞭に判るように、冷却
電流（ｍＡ、縦軸）は温度の二乗で上昇する。すなわち、加熱が増すにつれて冷
却装置自体が活性化する。左側の曲線は温度の高さに依存して、単位時間内に相
対冷却速度を示し、６０°Ｃ以上で急激に上昇している。

【００４４】図５は、タングステン上のセシウムの活性層に関する類似の図示を含んでいる
。直線の冷却曲線が明確に示すように、マイナスの温度レベルにおいて広い範囲
が検出される。これは、マイナス温度の場合にも冷却可能であることを意味して
いる。他の曲線は温度値あたりの冷却出力を示している。タングステン上のセシ
ウムの場合、この冷却出力の上昇係数は１よりも大きい。これは、温度の上昇に
つれて冷却作用が指数関数的に増大することを意味する。タングステン上のバリ
ウム（図４）と比較して、冷却出力は３倍だけが敏感であり、それによって出力
が増大する。

【００４５】アノードの吸引電圧が零になるときあるいはアノードの通過がもはや生じない
ほど、負の格子バイアス電圧が高いときに、冷却装置を停止することができる。
制御格子の電位が零になるときに、電子の熱輸送は大きく増大し、強い冷却作用
を開始する。これが氷結を生じ得るので、制御は常に、温度制御の調節可能な電
子的制限値から出発すべきである。

【００４６】図６には、Ｃｓの自由電子の冷却流とそれによって運ばれるエネルギーとに対
する制御の作用が示してある。放出率εは金の値によって定められている。とい
うのはＣｓが類似の見かけを有するからである。放射エネルギー（縦軸、単位Ｗ
／ｍ²sr）が温度（横軸）と共に放物線状に上昇することが明らかである。従っ
て、エネルギー伝達は温度の上昇と共に変化し得る。この場合、温度単位あたり
のスペクトル放射は電子のエネルギー輸送にほぼ比例する（第１の微分の曲線）
。温度値あたりのカソード側のスペクトル冷却の変化は、吸収エネルギーが多け
れば多いほど大きくなる（第２の微分の曲線）。

【００４７】自由になる電子のために大きな表面積が供されると、放出過程にとって有利で
ある。冷却作用は表面積の増大と共に高まる。この場合、１〜２μｍの高さの尖
端部または湾曲部がエッジを生じるように、構造を形成することができる。それ
によって、放出作業が数オーダーだけ低減される。活性層の分極化ベースとして
タングステンを使用する場合、約０．３ｅＶが必要である。この場合、バリウム
の使用は電子放出のためにそれだけで２．５２ｅＶを必要とする。Ｃｓを使用す
る場合単独で、１．９４ｅＶを必要とし、ベースのタングステンと関連して０．
００１ｅＶが必要である。

【００４８】電子放出層１５の表面は、表面積を拡大するためおよび電子放出層からの電子
の放出を容易にするために、表面成形部を備えている。その際、電子放出層１５
のこの表面成形部は、隆起形成された尖端部状の突起あるいはリング状の凸部１
５′ａとリング状の凹部１５′ａを有するクレータ状のプロフィル１５′からな
っている。この場合、リング状の凸部１５′ａとリング状の凹部１５′ｂの間の
接続エッジで、エッジ効果が引き起こされ、エッジ１５′ｃにおいて電子放出が
増大する（図７）。表面成形部は電子放出層１５の表面に隆起形成された、ピラ
ミッド状の成形体の尖端部からなっていてもよい。尖端部によって形成された表
面によって同様に、エッジ効果が引き起こされる。このエッジ効果は電子放出エ
ネルギーを２ｅＶ程度だけ低減する。このように形成された表面構造は適切な金
属成分からなる薄いフィルムによって被覆することができる。

【００４９】電極放出層１５が表面成形部を備えることができるように、吸引電極１０の表
面も対応する表面成形部を備えることができる（図８）。吸引電極１０は電子放
出層１５と類似の表面構造を備えている。吸引電極体は構造を形成するためにコ
ーティング可能である。電子放出を増大するために、エッジ形成部を設けること
が重要である。その際、電子放出層と吸引電極１０は向き合った表面に形成され
た同じ表面構造を有する（図８）。その際、アノードとしての吸引電極１０は、
高温カソード（電子放出層）からの強い電子放出を可能にするためおよびカソー
ドからアノードへの最も短い経路を可能にするために、特別な吸引エッジ形成部
を備えている。吸引電極１０の構造表面は図８において１４で示してあり、エッ
ジ形成部は１４′ｃで示してある。吸引電極の構造表面には、電子放出層１５の
同じ表面構造１５ａが向き合っており、そのエッジは図８において１５′ｃで示
してある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の機能原理を概略的に示す図である。

【図２】本発明による冷却システムを示す図である。

【図３】冷却システムの特別な層構造を示す図である。

【図４】損失温度に依存して、タングステン上にバリウムを有する冷却装置の冷却電流
を示す図である。

【図５】損失温度に依存して、タングステン上にセシウムを有する冷却装置の冷却電流
を示す図である。

【図６】温度差に依存してカソード側の電子流の放射エネルギーを示す図である。

【図７】表面成形部を有する電子放出層の表面を概略的に示す図である。

【図８】向き合う表面成形部を有する吸引電極と電子放出層の側面図である。

【符号の説明】

１００冷却装置１０吸引電極（アノード）１１吸引成形部１２制御格子１３電子１４構造表面１４′ エッジ１５電子放出層（カソード）１５′ クレータ状プロフィル１５′ａリング状凸部１５′ｂリング状凹部１５′ｃエッジ１５ａ構造表面１６バッテリ１７ライトガイド１８接続ブロック１９高電圧部分２０ゴムシール２１真空短管２２熱ガイド２３反応室２４集熱面２５熱場２６熱源２７セル壁２８セシウム電極２９バリウム電極３０熱底部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷却すべき物体に取付けられる電子放出層（１５）と、この
電子放出層に対して間隔をおいて配置された吸引電極（１０）と、マイナス極が
電子放出層に接続され、プラス極が吸引電極に接続された電源（１６）を含んで
いる冷却装置（１００）。
【請求項２】電子放出層（１５）と吸引電極（１０）の間に少なくとも１
個の格子（１２）が設けられ、この格子が好ましくは調節可能な電源に接続され
ていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】電子放出層（１５）の表面がエレクトリドまたはアルカリ土
類金属、好ましくはセシウムまたはバリウムを含んでいることを特徴とする請求
項１または２記載の冷却装置。
【請求項４】電子放出層（１５）の表面がタングステンを含む層の上に配
置されていることを特徴とする請求項３記載の冷却装置。
【請求項５】電子放出層（１５）の表面が表面積を増大するためおよび電
子放出層（１５）からの電子放出を容易にするために、表面成形部を備えている
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の冷却装置。
【請求項６】電子放出層（１５）の表面が、好ましくは凹部およびまたは
凸部を形成することによって三次元構造（１４）を有していることを特徴とする
請求項５記載の冷却装置。
【請求項７】電子放出層（１５）の表面成形部が隆起形成された尖端部状
の突起あるいはリング状の凸部（１５′ａ）とリング状の凹部（１５′ｂ）を有
するクレータ状のプロフィル（１５′）からなり、エッジ（１５′ｃ）を形成す
る、リング状の凸部（１５′ａ）とリング状の凹部（１５′ｂ）との接続部で、
エッジ効果が引き起こされ、それによってエッジ（１５′ｃ）において電子放出
が増大することを特徴とする請求項５または６記載の冷却装置。
【請求項８】電子放出層（１５）と吸引電極（１０）の間が真空であるこ
とを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の冷却装置。
【請求項９】冷却装置が電子放出層（１５）の表面の範囲内に磁界を発生
するための装置を備えていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記
載の冷却装置。
【請求項１０】電子放出層（１５）がβ崩壊する放射性元素を含んでいる
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の冷却装置。
【請求項１１】電子放出層（１５）が薄層フィルムとして高伝導材料、好
ましくは金上に形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つ
に記載の冷却装置。
【請求項１２】吸引電極（１０）が電子放出層（１５）に対応して、表面
積を増大しかつ電子放出層（１５）からの電子の放出を容易にするための表面成
形部を備えていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の冷却
装置。
【請求項１３】吸引電極（１０）が電子放出層（１５）からの電子の放出
を容易にする突起（１１）を備えていることを特徴とする請求項１２記載の冷却
装置。
【請求項１４】電子放出層（１５）と、この電子放出層に対して離して吸
引電極（１０）が物体に配置されていることと、吸引電極（１０）に対してマイ
ナスの電位が電子放出層（１５）に供給されることを特徴とする物体を冷却する
ための方法。
【請求項１５】電子放出層（１５）と吸引電極（１０）の間に格子（１２
）が配置されていることと、電子放出層から吸引電極への電子（１３）の流れが
格子に供給される電位によって制御されることを特徴とする請求項１４記載の方
法。
【請求項１６】請求項１〜１３のいずれか一つに記載の冷却すべき物体に
取付けられる冷却装置（１００）を含み、この冷却装置の吸引電極（１０）が二
次冷却によって冷却されることを特徴とする二次冷却、特に対流冷却の形態の二
次冷却を含む冷却システム。