JP2006132844A - Electronic cooling element - Google Patents

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秀和 林
Masaru Kadono
勝 かど野
Hajime Kashida
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Yoichi Tsuda
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To stabilize a cooling characteristic by a simple constitution in a cooling element using an electron tunnel effect. <P>SOLUTION: This electronic cooling element using the electron tunnel effect emits electrons into a vacuum space from a negative electrode by applying a negative voltage to the negative electrode of two metal plates facing in proximity through the vacuum space, and applying a positive voltage to a positive electrode, and traps the emitted electrons on the positive electrode side. In this case, the ductility of the negative electrode and the positive electrode is made different to provide a compact cooling device obtaining the cooling characteristic remarkably stabilized in comparison with a conventional structure and showing the same degree of performance as a compressor type. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

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。   The present invention relates to a structure of an electronic cooling element using an electron tunnel effect.

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。   At present, compressors are generally used in refrigerators and freezers. However, due to an increase in environmental protection orientation, a defluorocarbon cooling mechanism such as a Stirling engine has been demanded. On the other hand, a Peltier device is generally used as a cooling mechanism for small electronic components such as lasers.

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。   Although compressors and Stirling engines have high cooling performance, there is a disadvantage that the cooling system becomes large from the point of operation principle. On the other hand, although the Peltier element is small, it has a demerit that the cooling performance is reduced to about half compared to a compressor.

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。   In order to solve the above disadvantages, there is a demand for the development of a device that is as small as a Peltier device and that has a cooling performance similar to that of a compressor. Cooling using the electron tunnel effect is one of the candidates for such devices. An element is mentioned.

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。   Hereinafter, the structure of the cooling element using the electron tunnel effect will be described with reference to US Pat. No. 5,722,242 of Patent Document 1. As shown in FIG. 7, the cooling element includes a cathode 91 and an anode 92, a power supply 93 for supplying a current by applying a negative voltage and a positive voltage to these electrodes, and both electrodes (cathode 91 and It comprises a low work function material 94 coated on the surface of the anode 92).

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。   The cathode 91 and the anode 92 are arranged to face each other by a spacer 96 disposed between both electrodes, and a vacuum space 95 having an interval of 0.1 to 1 μm is formed between both electrodes. The low work function material 94 is a material that emits tunnel electrons and thermoelectrons 97 at an operating temperature, and a material having a work function of about 0.6 eV is used. Examples of such work functions include cesium compounds (TaCs, MoCs, CCs, NiCs, etc.), and organic compounds containing alkali metals (alkalides, electrides, etc.).

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。   With the above configuration, tunnel electrons and thermal electrons 97 supplied with thermal energy by the electrode in contact with the low work function substance 94 are emitted from the surface of the low work function substance 94 into the vacuum space 95. When a voltage is applied as shown in FIG. 9 using the power supply 93, tunnel electrons and thermoelectrons 97 are emitted from the cathode 91, move through the vacuum space 95, and are taken into the anode 92. When tunnel electrons and thermoelectrons 97 are emitted from the cathode 91, the cathode 91 is cooled because the heat of the cathode 91 is taken away. On the other hand, the temperature of the anode 92 to which the tunnel electrons having kinetic energy and the thermoelectrons 97 are supplied rises when the heat energy is supplied. In this way, the anode 92 is heated at the same time as the cathode 91 is cooled.

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。   Moreover, about the cooling system using the said electronic cooling element, it describes in patent document 2 and patent document 3, for example.

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。   The thermoelectric heat pump device described in Patent Literature 2 includes a heat pump unit, an ammeter, a thermometer, a power source, and a control unit that controls these. The heat pump unit includes a cathode and an anode, and a low work function material disposed on the opposing surfaces of these electrodes. An ammeter and a power source are provided between the cathode and the anode. The ammeter is for measuring the current flowing between the cathode and the anode. The thermometer is for measuring the temperature of the cooling medium, and is provided on the cathode side. The control means is connected to each of the ammeter, the thermometer, and the power source. In the electronic cooling system of Patent Document 2, the temperature of the cathode and the amount of current flowing between the cathode and the anode are monitored by the control means, and the voltage amount of the power supply is adjusted so as to maximize the cooling efficiency. It is.

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。   The thermoelectronic device described in Patent Document 3 includes a casing, a heat exchange mechanism installed in the casing, and a primary side passage (indoor air flow path) and a secondary side separated by the heat exchange mechanism. It consists of two passages, a passage (outside air flow path). The heat exchange mechanism has a thermoelectric element in which a space between the cathode and the anode is maintained in a vacuum state, and is disposed on both or one of the facing surfaces of the cathode and the anode. It has nanostructures made of conductive materials such as

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。
米国特許5722242号明細書(1998年3月3日公開) 特開2002−333230号公報(2002年11月22日公開) 特開2003−258326号公報(2003年9月12日公開) 国際公開第99/13562号パンフレット(1999年3月18日公開) APPLIED PHYSICS LETTERS 、Vol.78、No.17、p.2572(2001)
In the Example described in the said patent document 3, it describes that switching of cooling / heating is possible by switching the voltage applied to the said thermoelectric element. For example, when the primary side passage of the thermoelectric element is a cathode and the secondary side passage is an anode, the indoor air in the primary side passage is cooled by the thermoelectric element, so that the thermoelectric element functions as a cooler. . On the other hand, when the primary side passage is an anode and the secondary side passage is a cathode, the indoor air is heated by the electronic cooling element, so that the heat exchanger functions as a heater.
US Pat. No. 5,722,242 (published March 3, 1998) JP 2002-333230 A (published on November 22, 2002) JP 2003-258326 A (published September 12, 2003) International Publication No. 99/13562 (published March 18, 1999) APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol.78, No.17, p.2572 (2001)

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。   However, when the elements described in Patent Documents 1 to 3 are actually used, the space between the cathode and the anode is evacuated and the vacuum space is reduced in order to realize a cooling capacity comparable to that of a conventional compressor. The distance needs to be very narrow.

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。   Hereinafter, with reference to Non-Patent Document 1, the cooling function index (COP) of the electronic cooling element when the work function of the low work function material on the electron emission side is 0.6 eV and the vacuum space distance d is changed is estimated. The results are shown in FIG. This estimate is made assuming that the initial internal temperature is 52 ° C. and the internal temperature is cooled to 7 ° C.

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。   FIG. 8 shows the cooling performance index (COP) of the compressor when the interior is cooled from 52 ° C. to 7 ° C. by the compressor, that is, when the temperature difference between the initial interior temperature and the intended interior temperature is the same. = 1.0) is indicated by a broken line. As shown in the figure, in order to realize the cooling performance equivalent to that of a compressor by the electronic cooling element, it is necessary to keep the distance of the vacuum space between the anode and the cathode constituting the electronic cooling element at 5 nm or less. is there.

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。   The cooling performance index (COP) also depends on the work function of the electrode material, and tends to be higher as the work function of the low work function material on the electron emission side is lower. However, since a general low work function substance has a very high activity on the material surface, it has a high reactivity with moisture and oxygen in the atmosphere, and it is very difficult to maintain its characteristics. Therefore, when a material having a work function of about 0.6 eV as described above is used as a low work function substance on the electron emission side, it is indispensable to maintain a high degree of vacuum in the vacuum space portion of the electronic cooling element. is there.

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。   However, in the structure of the conventional cooling element shown in FIG. 7, when the vacuum space distance d of the vacuum space 95 between the cathode 91 and the anode 92 is 5 nm or less, it is greatly affected by the external atmospheric pressure. The problem of electrode deformation occurs.

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。   Further, when the conventional cooling element shown in FIG. 7 is operated, since the cathode 91 side is cooled and the anode 92 side is heated, deflection due to thermal stress occurs in each electrode, so that it is as narrow as 5 nm or less. It is very difficult to always maintain the width of the vacuum space 95.

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。   As described above, in the electronic cooling element using the electron tunnel effect, the vacuum space distance of the vacuum space 95 between the cathode 91 and the anode 92 is set to 5 nm or less in order to obtain stable cooling characteristics. is there. However, the vacuum space 95 is deformed due to the deformation of the electrodes (cathode 91 and anode 92) due to atmospheric pressure and the influence of the electrode deflection due to temperature. For this reason, the above conditions cannot be maintained, and as a result, there arises a problem that the cooling characteristics of the cooling element are remarkably deteriorated.

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。   With respect to the above problem, Patent Document 4 proposes a method of controlling a vacuum space with a mechanical piezoelectric motor or an electromagnetic actuator. In this document, as shown in FIG. 9, in addition to the cathode 111 and the anode 112 and the power source 117 in the vacuum space 114, the space gap 113 which is the distance between the cathode 111 and the anode 112 is detected (sensing). ) Sensing means 116, and an actuator 115 that drives the cathode 111 based on the detection result of the sensing means 116. However, such a configuration requires a means for feeding back the detection result of the sensing means 116 to the actuator, so that there is a problem that the cooling system becomes complicated.

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。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and its purpose is to suppress a change in the inter-electrode distance that occurs when a cooling element is operated by a simple structure. An object of the present invention is to provide an electronic cooling element that can exhibit cooling characteristics.

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。   The inventors of the present invention have studied to solve the above problems, and as a result, by using the following new means, even if the electrode is bent due to the change in temperature, the cathode plate, the positive voltage, and the anode It has been found that the vacuum gap between the plates can be maintained at a distance of, for example, 5 nm or less.

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。   That is, in order to solve the above-described problem, the electronic cooling element of the present invention includes a cathode plate that applies a negative voltage and an anode plate that applies a positive voltage, and performs cooling by the electron tunnel effect. In the above, the cathode plate and the anode plate are characterized by having different deformability with temperature change.

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。   With the above configuration, even if the electrode plate is bent due to heat generation or heat absorption in the cathode plate and the cathode plate of the electronic cooling element (hereinafter referred to as “electrode plate” unless they are distinguished from each other), The distance (vacuum gap) can be maintained at, for example, 5 nm or less. For this reason, even when the temperature of the electrode changes by performing cooling by the electron tunnel effect, the electronic cooling element having the above configuration can obtain stable cooling characteristics. In addition, it is possible to minimize the influence of heat loss generated in the electronic cooling element due to the change in the vacuum gap.

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。   That is, in the present invention, by making the deformability of the cathode plate and the anode plate different, even when the electrode plate is bent due to a change in temperature, the vacuum space between the cathode plate and the anode plate is increased. For example, since it can be controlled within a preferable range of 5 nm or less, the electron tunnel effect can be stably exhibited.

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。   In the present invention, “different deformability” means that the change in shape when the temperature is changed under the same conditions, in other words, the change in shape when the temperature is changed under different conditions is substantially the same. Say. When the electron cooling element of the present invention is cooled by the electron tunnel effect, different temperature changes occur between the cathode plate and the anode plate. When the different temperature changes occur, the cathode plate and the anode plate The vacuum space between the electrode plates can be controlled by making the deformability of the cathode plate and the anode plate different so that substantially the same shape change occurs on the facing surface. Thereby, the expression of a stable electron tunnel effect can be maintained.

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SiO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。 The shape change can be specified by a “deflection amount” that is a displacement amount from an initial state of the opposing surfaces of the cathode plate and the anode plate when a direction from the cathode plate to the anode plate is defined as a positive direction. . In the electronic cooling element of the present invention, the difference in the amount of deflection between the cathode plate and the anode plate at the temperature reached by each electrode when cooling is preferably 5 nm or less. Further, in order to maintain a vacuum gap of 5 nm, a spacer may be provided between the electrodes using SiO 2 or the like. However, in order to reduce the load on the spacer, the difference in deflection is more preferably 3.0 nm or less. preferable. For example, if the temperature of the cathode plate is 7 ° C. and the temperature of the anode plate is 52 ° C. when the electronic cooling element is cooled, the deflection amount of the cathode plate and the deflection amount of the anode plate at these temperatures. Is preferably within the above range, and more preferably the deflection amount is substantially the same.

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。   The cathode plate and the anode plate of the electronic cooling element of the present invention are provided with a dish-like portion that forms a hollow structure portion on the opposite surface to the opposed surfaces, and the pressure in the hollow structure portion is outside the electronic cooling device. It is preferable that the pressure is set to be lower than that.

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。   As described above, a hollow structure is formed on the opposite surface of the cathode plate and the anode plate, and the pressure of the vacuum space is made lower than the atmospheric pressure outside the electronic cooling element. As a result, it is possible to prevent the influence of atmospheric pressure on the opposing surfaces of the cathode plate and the anode plate that exhibit the electron tunnel effect. That is, the hollow structure portion is formed by the dish-like portion provided on the side opposite to the facing surface, and the interior thereof is maintained at a predetermined pressure, whereby the vacuum space between the cathode plate and the anode plate and the atmospheric pressure Deflection between the cathode plate and the anode plate due to the difference can be buffered by the hollow structure portion.

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。   By setting the pressure in the hollow structure portion lower than the pressure outside the electronic cooling element, it is possible to buffer the influence from the outside, but the pressure in the vacuum space between the cathode plate and the anode plate ( The degree of vacuum is preferably set substantially the same. The pressure in the hollow structure part is preferably 100 Pa or less, which is preferable as the pressure of the vacuum space, for example.

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。   In addition, the hollow structure portion may be formed so as to cover the entire surface opposite to the region where electrons are emitted and the region where the emitted electrons are trapped (captured) on the opposing surfaces of the cathode plate and the anode plate. preferable. Thereby, the influence of the atmospheric pressure on the entire facing surface can be removed.

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。   Ar can be preferably used as the vacuum sealed gas sealed between the cathode plate and the anode plate and in the hollow structure portion.

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。   In the electronic cooling element of the present invention, the cathode plate and the anode plate may be made of the same material and have different thicknesses.

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。   With the above configuration, the deformability of the cathode plate and the anode plate can be made different, so that the vacuum gap can be maintained even when a deflection occurs due to the temperature change of these electrodes. For this reason, for example, it is possible to control the vacuum gap to 5 nm or less, and it is possible to realize an electronic cooling element that stably exhibits the electron tunnel effect.

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。   In addition, the ratio between the thickness of the cathode plate and the thickness of the anode plate is such that, when cooling is performed by the electron tunnel effect, the difference in shape change due to the temperature difference between the cathode plate and the anode plate is reduced. It is preferable that they are set as follows.

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。   With the above-described configuration, the vacuum gap between the cathode plate and the anode plate can be maintained, so that an electronic cooling element that stably exhibits the electron tunnel effect can be realized. By setting the ratio between the thickness of the cathode plate and the thickness of the anode plate as described above, that is, by increasing the thickness of the anode plate in proportion to the increase in the thickness of the cathode, The shape of the vacuum space (vacuum gap) can be maintained.

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。   In the electronic cooling element of the present invention, the cathode plate and the anode plate may be made of different materials and have the same thickness.

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。   With the above configuration, even when the cathode plate and the anode plate are bent due to temperature changes, the electron tunnel effect can be stably generated in the vacuum space (vacuum gap) between the cathode plate and the anode plate. Can be maintained at such a distance. That is, when the cathode plate and the anode plate have the same thickness, by making the materials different from each other, the deformability of the two can be made different. For example, the vacuum gap can be maintained at 5 nm or less. Therefore, the electron tunnel effect of the electronic cooling element can be stably expressed.

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。
Examples of the combination of the different materials include a combination of Cu or In as the material of the cathode plate and Au as the material of the anode plate. By the above combination, it is possible to reduce the difference in deflection between the cathode plate and the anode plate due to the temperature change due to cooling. The electronic cooling element of the present invention is at least one of the cathode plate and the anode plate. However, it is a laminated structure of the first material and the second material, and the first material and the second material may have different deformability. Thus, the deformability can be easily adjusted by forming the cathode plate and / or anode plate in a laminated structure. For this reason, even when a deflection occurs in the cathode plate and the anode plate due to a temperature change, the vacuum gap between them can be controlled to a desired range. Moreover, as said laminated structure, it shall consist of a combination of Cu and Fe, for example.

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。   In the electronic cooling element of the present invention, it is preferable to form a planarizing layer having a surface roughness of 2.5 nm or less on the opposing surfaces (counter electrode surfaces) of the cathode plate and the anode plate. As a result, even when deflection occurs in the cathode plate and the anode plate due to temperature change, it is possible to more reliably realize control of the electrode gap to 5 nm or less, so that the electron tunnel effect can be expressed more stably. Become.

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。   Further, in the electronic cooling element of the present invention, a cooling effect comparable to that of a compressor can be obtained by forming a low work function material on the flattening layer formed on the opposing surfaces of the cathode plate and the anode plate. Is possible.

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。   As described above, in the electronic cooling element of the present invention, since the cathode plate and the anode plate have different deformability due to temperature change, even when electrode deflection occurs due to temperature change, the electron tunnel There is an effect that it is possible to control the distance of the vacuum space between the electrodes that exert the effect to, for example, 5 nm or less.

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。   In the electronic cooling element of the present invention, the cathode plate and the anode plate each include a dish-like portion that forms a hollow structure portion on a surface opposite to the facing surface, and the pressure in the hollow structure portion is reduced to an electron. Since the pressure is set lower than the pressure outside the cooling element, it is possible to prevent the influence of atmospheric pressure on the cathode plate and the anode plate that develop the electron tunnel effect.

〔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。
[Embodiment 1]
A first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. FIG. 1 shows the present invention using an electron tunnel effect in which the same material is used for a cathode plate and an anode plate, and the deformability of the cathode plate and the anode plate is made different by making the thicknesses of the two different. It is a block diagram which shows the outline of embodiment of an electronic cooling element.

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。   First, the schematic structure of the electronic cooling element of the present embodiment will be described with reference to FIG. Of the reference numerals assigned to the members in the figure, 11 is a cathode plate-like portion (cathode plate), 21 is an anode plate-like portion (anode plate), 13 is a planarizing material, 14 is a vacuum space, 15 is Spacer, 16 is a vacuum seal, 12 is a cathode plate-like portion, 22 is an anode plate-like portion, 17 is a cathode plate-like portion 11 and cathode plate-like portion 12, and the anode plate-like portion 21 and The hollow structure part 17 formed in the anode by the anode dish-like part 22 is shown. Reference numeral 10 denotes a cathode composed of the cathode plate portion 11 and the cathode dish portion 12, and 20 denotes an anode composed of the anode plate portion 21 and the anode dish portion 22.

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。   As the material for the cathode plate-like portion 11, the anode plate-like portion 21, the cathode plate-like portion 12, and the anode plate-like portion 22, materials having high thermal conductivity such as Cu and W are desirably used. More specifically, a material having a thermal conductivity in the range of 100 to 450 W / (m · K) is preferably used.

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。   As shown in FIG. 1, the cathode 10 and the anode 20 are provided with a hollow structure portion 17. The hollow structure portion 17 is provided to buffer stress on the cathode plate portion 11 and the anode plate portion 21 due to external force (atmospheric pressure). The hollow structure portion 17 is formed on the cathode 10 and the anode 20, respectively, on the opposite side of the region of the cathode plate-like portion 11 that emits electrons and the region of the anode plate-like portion 21 that traps (captures) the emitted electrons. It is formed so as to cover the entire surface. For this reason, since the influence on the cathode plate-like portion 11 and the anode plate-like portion 21 due to external force can be buffered by the hollow structure portion 17, the shape of the vacuum space 14 can be maintained.

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。   Here, in order to buffer the influence of the atmospheric pressure on the shape of the vacuum space 14 by the hollow structure portion 17, the inside of the hollow structure portion 17 is maintained at a pressure that can cancel the influence of the atmospheric pressure. Need to be. That is, no voltage is applied to the electronic cooling element (electronic cooling device), the cathode 10 and the anode 20 are at room temperature (the electronic cooling element is not operating), and the voltage is applied to the electronic cooling element. In any state where the temperature difference between the cathode 10 and the anode 20 is generated (the state where the electronic cooling element is operating), the hollow structure portion 17 has a pressure at which the above function can be exhibited. It is said that.

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。   By making the internal pressure less than atmospheric pressure, the hollow structure portion 17 can exhibit the above function, but the pressure in the hollow structure portion 17 should be substantially the same as the pressure in the vacuum space 14. preferable. Specifically, as described later, since the pressure (degree of vacuum) in the vacuum space 14 is preferably 100 Pa or less, the pressure in the hollow structure portion 17 is also preferably 100 Pa or less.

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。   Moreover, as shown in FIG. 1, the planarizing material 13 is formed in layers over substantially the entire surface of the cathode plate-like portion 11 and the anode plate-like portion 21 that face each other. The planarizing material 13 is formed in order to keep the shape of the vacuum space 14 between the planarizing materials 13 constant. Specific examples of the planarizing material 13 include Si and Ta. The surface roughness of the planarizing material 13 can be set as appropriate according to the width of the vacuum space 14. For example, when the width of the vacuum space 14 is 5 nm, the surface roughness of the planarizing material 13 is 2. .5 nm or less. Here, the surface roughness means the same as the surface roughness and means an average value of the size of the unevenness on the surface of the planarizing material 13.

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、SiO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。 In order to stably maintain the width of the vacuum space 14 of the electronic cooling element, that is, the narrow gap between the planarizing materials 13, spacers 15 are inserted between the planarizing materials 13. In order to maintain a narrow gap between the planarizing materials 13, it can be said that providing the physical stabilizing means such as the spacer 15 is the best countermeasure. As the spacer 15, an insulator such as SiO 2 or alumina, or a material having high electrical conductivity and low thermal conductivity such as fullerene can be used.

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。   In the electronic cooling element of the present embodiment, as shown in FIG. 1, a vacuum seal 16 is provided between the cathode 10 and the anode 20 in order to maintain the degree of vacuum in the vacuum space 14. The material of the vacuum seal 16 is preferably an insulator having a relatively low thermal conductivity, and for example, low melting glass can be used.

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。   In the electronic cooling element of the present embodiment, since the circular plates are used as the cathode plate-like portion 11 and the anode plate-like portion 21, the electronic cooling element of the present embodiment has a circular shape.

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。   When a negative potential is applied to the cathode 10 and the positive potential to the anode 20 of the electron cooling element having the above-described configuration, electrons move from the cathode plate-like portion 11 to the planarizing material 13 and pass through the vacuum space 14 to pass through the anode plate. The state portion 21 is reached. At that time, since heat is transferred by tunnel electrons or thermoelectrons passing through the vacuum space 14, the cathode plate-like portion 11 is cooled and the anode plate-like portion 21 is heated.

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。   FIG. 2 shows an enlarged cross-sectional view of a portion indicated by A in the vacuum space 14 of FIG. The schematic structure of the vacuum space 14 will be described with reference to FIG. In this figure, the same members as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, 13 is a planarizing material, 15 is a spacer, 23 is a low work function material, and 14 is a vacuum space. Thus, the layer of the low work function material 23 is formed on the surface of the planarizing material 13 in a region not in contact with the spacer 15. Since the low work function material 23 is a very thin film having a thickness of 5 nm or less, contact with the spacer 15 may cause a crack in the film of the low work function material 23 or peeling of the film. . For this reason, in the electronic cooling element of the present embodiment, the low work function material 23 is not formed at the contact portion between the planarizing material 13 and the spacer 15.

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。   Examples of the low work function material 23 include cesium compounds (TaCs, MoCs, CCs, NiCs, etc.), organic compounds containing alkali metals (alkalides, electrides, etc.), calcium compounds (WCa, CaB6, etc.), carbon nanotubes, and alkali metals. Inorganic compounds (alkalide, electride, etc.) are included. Further, the low work function material 23 may be a material in which electrons are injected into the above-described material.

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。   The degree of vacuum (pressure) of the vacuum space 14 necessary for maintaining the cooling characteristics of the electronic cooling element having the above configuration will be described. By transporting tunnel electrons or thermoelectrons from the cathode plate portion 11 to the anode plate portion 21 by the electron tunnel effect, the cathode plate portion 11 side is cooled and the anode plate portion 21 side is heated. As described above, when the pressure in the vacuum space 14 increases, the number of gas molecules existing in the vacuum space 14 increases. For this reason, since gas molecules move in addition to the thermoelectrons from the cathode plate-like portion 11 on the cooling side to the anode plate-like portion 21 on the heating side, the cooling characteristics of the electronic cooling element are impaired. The problem occurs.

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。   FIG. 3 is a graph showing the relationship between the degree of vacuum in the vacuum space 14 and the cooling amount of the electronic cooling element. The figure shows the relationship between the decrease in the degree of vacuum in the vacuum space 14 (increase in pressure) and the cooling amount when the initial value of the pressure in the vacuum space 14 is 10 Pa. From the content of the figure, when the pressure in the vacuum space 14 becomes 100 Pa, which is 10 times the initial value, the amount of decrease in the cooling amount is only 6% compared to the initial value (10 Pa: about 3.9 W). It turns out that it is. On the other hand, when the pressure in the vacuum space 14 is 1000 Pa, which is 100 times the initial value, the cooling amount is reduced by 61% compared to the initial value. Since the reduction amount with respect to the initial value of the cooling amount needs to be suppressed within 10% at most, according to FIG. 3, in order to satisfy such a condition (suppress the reduction amount within 10%), the inside of the vacuum space 14 It can be seen that the degree of vacuum should be 100 Pa or less.

〔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。
[Examples and Comparative Examples]
(About the influence of the thickness of the cathode plate-like part 11 and the anode plate-like part 21)
As for the electronic cooling element having the structure shown in FIG. 1 described above, the cathode plate-like portion 11 and the anode plate-like portion 21 have different thicknesses, and the cathode plate-like portion 11 and the anode plate-like portion. The present invention will be described in more detail with reference to a comparative example having the same thickness as 21. However, the present invention is not limited to these.

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。   In the present example and the comparative example, the following equation (1) was obtained when the amount of heat moving in the vacuum space was obtained.

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。
q = Λ × p × S × ΔT (1)
q: amount of heat transferred from the high temperature side to the low temperature side, Λ: gas free molecular conductivity (0.67 m / s · K), p: degree of vacuum between electrodes, S: vacuum partial contact electrode area, ΔT: high temperature part And the low temperature part (45 ° C. in this embodiment).

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。   The following examples and comparative examples assume the case where the internal temperature is lowered to 7 ° C. with respect to the indoor temperature of 27 ° C. Further, the volume of the indoor space that releases heat by the anode 20 is sufficiently larger than the volume of the internal space on the side cooled by the cathode 10, and the temperature change in the indoor space caused by the discharge of heat by the anode 20 can be ignored. It was supposed to be.

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。   As described above, in the electronic cooling element of the present embodiment, the end portions of the cathode plate-like portion 11 and the anode plate-like portion 21 are fixed by the vacuum seal 16. For this reason, the influence of the deflection | deviation by a thermal stress is suppressed in these edge parts. On the other hand, since the vicinity of the central part of the cathode plate-like portion 11 and the anode plate-like portion 21 is not fixed at all, it is greatly affected by deflection due to thermal stress. Therefore, in the following, the amount of deflection at the central part of the cathode plate-like portion 11 and the anode plate-like portion 21 which is considered to have the maximum deflection will be described as the amount of deflection.

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。   As shown in FIG. 1, a spacer 15 is provided near the center of the cathode plate portion 11 and the anode plate portion 21 with a planarizing material 13 interposed therebetween. Is not intended to prevent the cathode plate-like portion 11 and the anode plate-like portion 21 from being bent.

〔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。
[Example 1]
In the electronic cooling element of this example, the cathode plate-like portion 11 and the anode plate-like portion 21 constituting the cathode 10 and the anode 20 are a circular Cu plate having a thickness of 1.0 mm and a circle having a thickness of 1.19 mm. A Cu plate was used. The cathode plate-like portion 11 and the anode plate-like portion 21 were the same circular Cu plates having a diameter of 11.5 mm except that the thicknesses were different. As the cathode dish-shaped part 12 and the anode dish-shaped part 22, the petri dish-shaped thing provided with the edge part in the circular Cu board whose diameter is 11.5 mm was used, respectively. Thus, in this embodiment, the shape of the vacuum space 14 formed in each of the cathode 10 and the anode 20 is the same.

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SiOを用い、真空シール16として低融点ガラスを用いた。 As the planarizing material 13, a circular Si plate having a surface roughness of 2.5 nm or less and a thickness of 0.25 mm was used. In order to set the width of the vacuum space 14 to 5 nm, SiO 2 was used as the spacer 15 and low melting glass was used as the vacuum seal 16.

〔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。
[Comparative Example 1]
Except for the cathode plate-like portion 11 and the anode plate-like portion 21 being circular Cu plates having a thickness of 0.3 mm, the electronic cooling element of this comparative example was configured in the same manner as in Example 1 above.

〔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。
[Discussion]
Table 1 shows the results of measuring the deflection amount of the electronic cooling elements of Example 1 and Comparative Example 1 described above. The table shows that the temperature of the cathode plate-like portion 11 is 7 ° C., the temperature of the anode plate-like portion 21 is 52 ° C., and the room temperature is lowered to 7 ° C. when the room temperature is 27 ° C. The deflection amount produced in the cathode plate-like portion 11 and the anode plate-like portion 21 of Example 1 and Comparative Example 1 is shown.

Figure 2006132844
Figure 2006132844

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。   In the electronic cooling element of Comparative Example 1 in which the cathode plate-like portion 11 and the anode plate-like portion 21 having the same thickness are formed by a circular Cu plate having the same structure, the maximum deflection amount of the cathode plate-like portion 11 is 10530 nm, the anode The maximum deflection amount of the plate-like portion 21 is 80530 nm. In the examples and comparative examples, the positive direction of the deflection is defined as the direction from the cathode plate portion 11 toward the anode plate portion 21, and therefore, in the cathode plate portion 11 and the anode plate portion 21, both It can be seen that there is a deflection in the same direction.

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。   Thus, in the electronic cooling element of Comparative Example 1 having the conventional structure in which the cathode plate-like portion 11 and the anode plate-like portion 21 have the same thickness (0.3 mm), the cathode plate-like portion 11, the anode plate-like portion 21, Therefore, it is impossible to maintain the width (vacuum space distance, vacuum gap) of the vacuum space 14 at 5 nm.

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。   On the other hand, Example 1 of the present invention has a structure in which the thickness of the cathode plate-like portion 11 is 1.0 mm, the thickness of the anode plate-like portion 21 is 1.19 mm, and the deformability of both is different. The maximum amount of deflection of the electrode-like portion 11 and the anode plate-like portion 21 is the same as 2890 nm. For this reason, it is possible to suppress the influence due to the difference in deflection amount between the cathode plate-like portion 11 and the anode plate-like portion 21 due to the temperature change, and to maintain the width of the vacuum space 14 at 5 nm.

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。   In the above examples and comparative examples, the following formula (2) was used as a formula for obtaining the deflection amount w (m). In this embodiment and the comparative example, the “deflection amount” means the cathode plate-like portion 11 or the anode plate-like portion 21 before the electronic cooling element is actuated and when the internal space is actuated to a desired temperature. The amount of change in the position along the direction of the deflection amount of the side surface (opposing surface) of the vacuum space 14.

w=3×P×a×(1−ν)/(16×E×h) ・・・(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)。
w = 3 × P × a 4 × (1−ν 2 ) / (16 × E × h 3 ) (2)
Here, E is the longitudinal elastic modulus or Young's modulus (GPa), a is the electrode radius (m), ν is the Poisson's ratio, and h is the electrode thickness (m) (the cathode plate-like portion 11 for obtaining the deflection amount and Value for anode plate portion 21).

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。   Moreover, P has shown the pressure (Pa) of the vacuum space 14, and is represented by following formula (3).

P=K×E×(T2−T1)×h ・・・(3)
Kは陰極板状部11又は陽極板状部21の彎曲係数(1/℃)、Tは冷却部、及び発熱部の温度(℃)、Tは室内温度(℃)を示している。
P = K × E × (T2-T1) × h 2 (3)
K is the curvature coefficient (1 / ° C.) of the cathode plate-like portion 11 or anode plate-like portion 21, T 1 is the temperature (° C.) of the cooling portion and the heat generating portion, and T 2 is the room temperature (° C.).

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。   According to the above equation (2), the amount of deflection is inversely proportional to the cube of the electrode thickness h (m), so it may be sufficient to simply increase the thickness of the cathode plate portion 11 or the anode plate portion 21. Conceivable. However, for example, in order to make the vacuum space distance 5 nm or less while making the cathode plate-like portion 11 and the anode plate-like portion 21 the same thickness as in Comparative Example 1, the electrode thickness h is set to The thickness needs to be 2.5 mm, which is about 8 times the set thickness (0.3 mm). In this case, since the merit as a small cooling element of an electronic cooling element is lost, it is not practical.

(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。
(Optimal thickness ratio between cathode plate and anode plate)
The optimum thickness ratio between the cathode plate-like portion 11 and the anode plate-like portion 21 constituting the electronic cooling element varies depending on how many times these temperatures are set when cooling is performed. Therefore, in order to maintain the width of the vacuum space 14 when the temperature of the cathode plate-like portion 11 is 7 ° C. and the temperature of the anode plate-like portion 21 is three types (52 ° C., 39 ° C., 26 ° C.). The optimum optimum thickness of the anode plate portion 21 was determined. The temperatures of the cathode plate portion 11 and the anode plate portion 21 are measured in a non-contact manner using a radiation thermometer.

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。   In FIG. 4, the horizontal axis is defined as the thickness of the cathode plate-shaped portion 11 (cooling side), the vertical axis is defined as the thickness of the anode plate-shaped portion 21 (heat radiation side), and the temperatures of the anode plate-shaped portion 21 are the above three temperatures. In this case, it is a diagram showing a change in the optimum thickness of the anode plate portion 21 that is optimal for controlling the width of the vacuum space 14 (vacuum space distance) to 5 nm or less. As is apparent from the figure, the thickness of the cathode plate-like portion 11 and the optimum thickness of the anode plate-like portion 21 for maintaining the width of the vacuum space 14 are in a proportional relationship.

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。   It can also be seen that the optimum thickness of the anode plate portion 21 for maintaining the width of the vacuum space 14 at 5 nm or less is proportional to the temperature of the anode plate portion 21. That is, in any case where the thickness of the cathode plate-like portion 11 is 1, 2, 3, 4 and 5 nm, the optimum thickness when the temperature of the anode plate-like portion 21 is 39 ° C. and 56 ° C. is respectively When the temperature of the anode plate portion 21 is 26 ° C., it is 1.5 times and 2.0 times.

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。   On the contrary, even when the optimum thickness of the cathode plate portion 11 for maintaining the width of the vacuum space 14 is obtained while the temperature of the anode plate portion 21 is constant, the cathode plate portion 11 has the same thickness as described above. It has been confirmed that the optimum thickness is proportional to the thickness of the anode plate portion 21 and also to the temperature of the cathode plate portion 11.

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。   From the above results, the thickness of the cathode plate-like portion 11 and the anode plate-like portion 21 for maintaining the width of the vacuum space 14 is a factor related to the temperature of the cathode plate-like portion 11 and the anode plate-like portion 21. It turns out that it is prescribed.

〔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。
[Embodiment 2]
A second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the present embodiment, a description will be given of an electronic cooling element in which the cathode plate and the anode plate have the same thickness and different materials are used to make the deformability of the two different. Note that members having the same functions as those described in the above embodiment are given the same member numbers, and description thereof is omitted in this embodiment.

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。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an electronic cooling element using the electron tunnel effect of the present embodiment. First, the schematic structure of the electronic cooling element of the present embodiment will be described with reference to FIG. Of the reference numerals attached to the members in FIG. 5, 31 is a cathode plate-like portion, 41 is an anode plate-like portion, 13 is a planarizing material, 14 is a vacuum space, 15 is a spacer, 16 is a vacuum seal, 17 Indicates hollow structures provided in the cathode 30 and the anode 40. Reference numeral 30 denotes a cathode composed of a cathode plate-like portion 31 and a cathode dish-like portion 32, and 40 denotes an anode composed of an anode plate-like portion 41 and an anode dish-like portion 42, respectively.

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。   The electronic cooling element according to the present embodiment is different from the above-described first embodiment in that the deformability of the cathode 30 and the anode 40 is made different from each other by using different materials. As a combination of materials of the cathode 30 and the anode 40, for example, Cu and Au, Cu and In, and the like can be given in this order.

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。   The case where the electron cooling element of the present embodiment is driven to perform cooling by the electron tunnel effect will be described below. As in the case of the first embodiment, the pressure of the hollow structure portion 17 provided in the cathode 30 and the anode 40 is in a state where no voltage is applied to the electronic cooling element, and the voltage starts to be applied to the electronic cooling element. In the initial state, the pressure is maintained at a level that can cancel the influence of vacuum or atmospheric pressure.

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。   Here, when a negative potential is applied to the cathode 30 of the electron cooling element and a positive potential is applied to the anode 40, the electrons move from the cathode plate-like portion 31 of the cathode 30 to the planarizing material 13, pass through the vacuum space 14, and the anode The plate-like portion 41 is reached. At that time, since heat is carried by tunnel electrons or thermoelectrons passing through the vacuum space 14, the cathode plate-like portion 31 is cooled and the anode plate-like portion 41 is heated. At that time, as described in the first embodiment, in the cathode plate-like portion 31 and the anode plate-like portion 32, the deflection due to the temperature change accompanying the cooling occurs.

〔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SiO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。
[Example 2]
Except for using Cu as the material of the cathode 30, Au as the material of the anode 40, and setting the thickness of the cathode plate-like portion 31 and the anode plate-like portion 41 to 0.3 mm, Similarly, an electron whose thickness of the vacuum space 14 is controlled to 5 nm using Si having a thickness of 0.25 mm as the planarizing material 13, SiO 2 having a thickness of 5 nm as the spacer 15, and low melting point glass as the vacuum sealant. A cooling element was produced.

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。   Table 2 shows Example 2 (cathode: Cu, anode: Au) in which the materials of the cathode plate-like portion 31 and the anode plate-like portion 62 are different, and a conventional configuration (when the cathode and anode are both Cu). About the comparative example 1, the result of the deflection amount measured by the method similar to Embodiment 1 is shown. As shown in the table, in Comparative Example 1 and Example 2 which are conventional configurations, the thickness of the cathode plate portion and the anode plate portion is 0.3 mm.

Figure 2006132844
Figure 2006132844

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。 From the results shown in Table 2, the material of the anode 40 is not the same Cu (thermal expansion coefficient: 16.7E −6 / ° C., Young's modulus: 110 GPa) as the cathode 30, but Au (thermal expansion coefficient) different from the cathode 30. : 14.1E −6 / ° C., Young's modulus: 78.5 GPa), it can be seen that the difference in deflection between the cathode plate portion 31 and the anode plate portion 42 can be reduced to 2 nm. That is, when the cathode plate-like portion 31 and the anode plate-like portion 42 have the same thickness, in Example 1 of the conventional configuration in which these are formed of the same material (Cu), the difference in the deflection amount is 2000 nm. On the other hand, by forming these with different materials (Cu and Au), the difference in the amount of deflection can be reduced to 2 nm.

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。 Accordingly, by forming the cathode plate-like portion 31 and the anode plate-like portion 42 from different materials as in the present embodiment, even when a deflection occurs due to a temperature change accompanying cooling, The width (vacuum space distance) can be maintained sufficiently. In addition, when In (thermal expansion coefficient: 24.8E- 6 / ° C., Young's modulus: 10.5 GPa) is used as the material of the anode 40 instead of Au, the same as in Example 2 using Au is used. It has been confirmed that the effect is obtained.

〔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。
[Embodiment 3]
A third embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the electronic cooling element of the present embodiment, at least one of the cathode plate and the anode plate has a laminated structure of a first material and a second material having different deformability from the first material. However, this is different from the first and second embodiments. In addition, about the member of the same function as the member demonstrated in said embodiment, the same member number is attached | subjected and description is abbreviate | omitted in this Embodiment.

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。   FIG. 6 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an electronic cooling element using the electron tunnel effect of the present embodiment. First, the schematic structure of the electronic cooling element of the present embodiment will be described with reference to FIG. Of the reference numerals assigned to the members in FIG. 6, 31 is a cathode plate-like portion, 51 is an anode plate-like portion comprising a first anode plate-like portion 51A and a second anode plate-like portion 51B, 13 Is a planarizing material, 14 is a vacuum space, 15 is a spacer, 16 is a vacuum seal, and 17 is a hollow structure provided in the cathode 30 and the anode 50. Reference numeral 50 denotes an anode 50 composed of an anode plate-like portion 51 and an anode dish-like portion 52.

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。   The anode plate-like portion 51A and the anode plate-like portion 51B constituting the anode plate-like portion 51 of the anode 50 are made of different materials. Specifically, Cu, Au, Si, In, W Metals such as can be combined. By setting the film thicknesses of the anode plate-like portion 51A and the anode plate-like portion 51B in accordance with the materials used, cooling is performed by changing the deformability of the anode plate-like portion 51 and the cathode plate-like portion 31. In this case, the amount of deflection when the temperature becomes different can be made substantially the same. For this reason, in the second embodiment, the cathode plate-like portion 31 and the anode plate-like portion 41 have the same thickness, and in this order, the same effect as when these materials are combined with Cu and Au or Cu and In. Can also be obtained in the electronic cooling element of the present embodiment.

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。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims. Further, embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments are also included in the technical scope of the present invention.

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。   It is a small electronic cooling element that exhibits high cooling characteristics, and can be applied to a cooling device of a defluorocarbon cooling mechanism.

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。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an electronic cooling element using the electron tunnel effect of the present invention. 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。FIG. 2 is an enlarged sectional view of the vacuum space portion of the electronic cooling element indicated by A in FIG. 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。FIG. 3 is a graph showing the rate of decrease in the amount of cooling due to a decrease in the degree of vacuum at the vacuum gap portion in the electron cooling element using the electron tunnel effect. 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。FIG. 4 is a diagram showing the temperature change of the anode thickness for maintaining the vacuum gap in the cooling element using the electron tunnel effect. 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。FIG. 5 is a sectional view showing a schematic configuration of another embodiment of the electronic cooling element using the electron tunnel effect of the present invention. 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。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of still another embodiment of the electronic cooling element using the electron tunnel effect of the present invention. 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。FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional cooling element using the electron tunnel effect. 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。FIG. 8 is a diagram showing a change in COP (cooling performance index) value of a conventional heat pump apparatus using the electron tunnel effect. 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。FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of a cooling element using a conventional electron tunnel effect.

符号の説明Explanation of symbols

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
10, 30 Cathode 20, 40, 50 Anode 11, 31 Cathode plate part (cathode plate)
12, 32 Cathode dish-shaped part (dish-shaped part)
21, 41, 51 Cathode plate part (anode plate)
22, 42, 52 Anode dish (dish)
17 Hollow structure

Claims (10)

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。
In an electronic cooling element that has a cathode plate that applies a negative voltage and an anode plate that applies a positive voltage and performs cooling by the electron tunnel effect,
The electronic cooling element according to claim 1, wherein the cathode plate and the anode plate have different deformability with temperature change.
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。   The cathode plate and the anode plate are provided with a dish-like portion that forms a hollow structure portion on a surface opposite to the facing surface, and the pressure in the hollow structure portion is set lower than the pressure outside the electronic cooling element. The electronic cooling element according to claim 1, wherein: 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。   The electronic cooling element according to claim 2, wherein the pressure in the hollow structure portion is 100 Pa or less. 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。   3. The electronic cooling element according to claim 2, wherein Ar is sealed as a vacuum sealed gas between the cathode plate and the anode plate and in the hollow structure portion. 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。   The electronic cooling element according to claim 1 or 2, wherein the cathode plate and the anode plate are made of the same material and have different thicknesses. 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。   When cooling by the electron tunnel effect, the ratio between the thickness of the cathode plate and the thickness of the anode plate is set so that the difference in the shape changes due to the temperature difference between the cathode plate and the anode plate is reduced. The electronic cooling element according to claim 5, wherein the electronic cooling element is provided. 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。   The electronic cooling element according to claim 1, wherein the cathode plate and the anode plate are made of different materials and have the same thickness. 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。   The electronic cooling element according to claim 7, wherein the material of the cathode plate is Cu or In, and the material of the anode plate is Au. 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   At least one of the cathode plate and the anode plate has a laminated structure of a first material and a second material, and the first material and the second material have different deformability. An electronic cooling element according to claim 1 or 2, 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。   The electronic cooling element according to claim 9, wherein the laminated structure is a combination of Cu and Fe.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010245113A (en) * 2009-04-01 2010-10-28 Sanyo Electric Co Ltd Solid electrolytic capacitor

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