JP2011527516A - 熱を伝達するための方法および機器 - Google Patents
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Abstract
ヒートポンプにおいて熱を伝達するための方法および機器であって、熱エネルギーは、光または他の電磁放射を用いて、熱力学の第2法則により規定される方向と反対の方向に、放射を放出する素子（1）から放射を吸収する素子（2）に伝達され、この場合、吸収された放射のエネルギーの一部は、電気エネルギーまたは機械的エネルギーのような活用可能なエネルギー形態に再び変換される。
【選択図】図２
【選択図】図２
Description
本発明は、概して、エネルギー伝達に関する。本発明は、特に、光等の電磁放射を用いて熱エネルギーを伝達することに関する。
従来、既知の熱伝達方法は種々の冷媒（例えば、冷蔵庫における圧縮機ベースの溶剤）または電流（ペルチェ素子）を使用する。これらの溶剤の弱点として、大型であること、環境に与える悪影響および機械的ヒートポンプの可動部品の摩耗、ならびに熱電ポンプの場合では、性能係数の低いことが挙げられる。
本発明の第1の側面によると、請求項1に記載の方法が提供される。
本発明の特定の実施形態では、熱は、熱力学第2法則より決まる熱流の向きとは反対の向きに伝達されてもよい。
本発明の特定の実施形態では、光または他の電磁放射が固体ヒートポンプにおいて熱を伝達するために使用されてもよい。本発明の特定の実施形態は、小型固体ヒートポンプとしてのペルチェ素子の効用を得てもよいが、また、ペルチェ素子よりも高い性能係数を得てもよい。本発明の特定の実施形態の熱伝達方法では、光または他の電磁放射を放出する素子により放出される放射は、放射を吸収する素子に連結され、この場合、放射エネルギーの一部は、熱として放出され、別の一部は、電気エネルギーまたは機械的エネルギー等の活用可能なエネルギー形態に再び変換される。特定の実施形態では、熱は、光子を用いて放射素子から吸収素子に伝達される。放射素子から放出される放射は、例えば、半導体におけるエレクトロルミネッセンスにより生成される光であってもよい。
本発明の第2の側面によると、請求項7に記載の方法が提供される。
特定の実施形態では、機器は、光を吸収する素子に光学的に連結される光を放出する素子を備え、そのうちの放射素子は、光を放出する際に冷却し、吸収素子は、光を吸収する際に加熱する。
上述の機器は、光子を使用して、熱、つまり光子ヒートポンプを伝達する機器であってもよい。特定の実施形態に従う光子ヒートポンプは、冷却および加熱の両方の用途に適切である固体ヒートポンプである。圧縮機ベースのヒートポンプに比べてその利点は、小型であり、可動部品および冷媒を含まない。加えて、他の固体ヒートポンプよりも大きい性能係数を得てもよい。
本発明の実施形態に従う方法および機器は、例えば、冷蔵庫、加熱機器もしくは空調機器、冷凍庫、またはヒートポンプを利用する他の機器において、熱を伝達するためにも使用できる。
本発明の特定の実施形態は、発明を実施する形態および付属する特許請求の範囲に詳細に説明される。実施形態は、本発明の特定の選択された側面に関連して説明される。当業者は、典型的には任意の実施形態を本発明の同一の側面下の別の実施形態または他の実施形態と組み合わせてもよいことを理解する。また、典型的には任意の実施形態を本発明の別の側面または他の側面と単独で、または任意の他の1つまたは複数の実施形態と併せて組み合わせることもできる。
以下において、本発明の実施形態に従う、光で動作するヒートポンプの動作原理および構造の例について説明する。光の代わりに、ヒートポンプが他の電磁放射によって熱を伝達してもよいことに留意されたい。
図1では、放射を放出する素子1は、外部エネルギー源4を用いて放射3を放出する。素子1は、例えば、エレクトロルミネッセンスによって光を放出する発光ダイオードを含むことができ、外部エネルギー源4は、図1の電気回路を通して発光ダイオードに電流I0を供給する電圧源U0であることができる。放出された放射3は、放射を吸収する素子2に伝達され、この場合、放射に含まれるエネルギーの一部は、熱エネルギーとして放出され、一部は、外部要素5において、容易に活用されるエネルギー形態、例えば、電気エネルギーおよび機械的エネルギーで回収される。素子2は、例えば、電気回路を通して外部要素5に供給される電圧U1および電流I1を生成する光電池として動作する発光ダイオードであることができる。外部要素5は、受信したエネルギーを外部エネルギー源4とともに使用して、例えば、点線で示されるフィードバック回路によって、素子1において放射を放出することができるように、例えば、受信したエネルギーを保存するか、または素子2が生成した電圧を変換することができる。吸収された光子のエネルギーの再利用によって、熱を伝達する光子のエネルギーが熱エネルギーより大幅に大きくても、大きい性能係数で熱伝達が可能になる。基板および/または電気接点等の構造的に素子1に属する両方の素子と、冷却される対象物を含むことができる放射素子1の周囲の範囲6は、放射素子1と吸収素子2との間の熱伝導を低減するが、放射素子1と吸収素子2との間の電磁放射に透過的である熱的絶縁範囲8によって、素子1の周りの素子に対応する素子を含むことができる吸収素子2の周囲の範囲7から分離される。
図2は、提示された熱伝達方法を利用する機器または構造の断面の例を示す。図面を明確にするために、構造は、正確な縮尺で描かれておらず、実際は、構造の幅は、高さよりも大幅に大きい。図2では、放射素子は、断面Aの上に部分によって形成され、吸収素子は、断面Bの下の部分によって形成される。放出および吸収の両方の素子は、実際には、半導体ダイオード構造、金属接点、および鏡構造から成ることができる。
ある実施形態では、放射素子は、金属接点15a、bおよび16aならびにドープ半導体層10a（n型ドーピング）および11a（p型ドーピング）を通して活性範囲12aに注入される際に電荷キャリアが再結合によって光子が生成されるように動作する。材料が高品質である場合、放出された光子のエネルギーは、外部電源が提供するエネルギーよりも大きい。外部エネルギー源が提供しない放出された光子のエネルギーの一部は、放射素子の熱エネルギーによって提供される。ゆえに、放射素子は冷却される。
ある実施形態では、吸収素子は、光電池として動作するダイオード構造であり、この場合、放射素子が放射する光子が、極めて高い量子効率で活性領域12bに吸収される。活性領域において生成される電荷キャリアは、ドープ半導体層10b（n型ドーピング）および11b（p型ドーピング）ならびに金属接点15c、15d、および16bを通して、外部電気回路において電圧および電流を生成し、放出された光子のエネルギーの一部を電気エネルギーとして回収できるようにする。回収されないエネルギーの一部は、吸収素子において熱として放出され、これにより、吸収素子は加熱される。
前述の構造と図1の外部エネルギー源のような外部要素との接続は、接点15a〜d、16a、bを通して行われる。特定の実施形態では、図1の外部電圧源U0は、接点15a、bおよび16aを通してエネルギーを放射素子に供給し、エレクトロルミネッセンスまたは別の適用可能な機構を通して光子を生成する。外部電気回路U1は、対応するように、光子を吸収する吸収素子からエネルギーを受信し、光子の放出に再使用されるようにエネルギーを放射素子に向かって再び放出する。機器がパッケージ化される場合、図2の構造は、外部回路に接続され、堅固にカプセル化され、カプセル化の際に真空が生成される。放射素子は、機器の冷却側を形成し、吸収素子は、機器の加熱側を形成する。熱伝達をより効率的にするために、ヒートパイプ、ヒートシンク、および/またはファンのような熱伝導素子を、熱伝熱素子が機器を通して冷却対象物から加熱対象物に熱を伝達するように、冷却側および冷却する対象物と、加熱側および加熱する対象物との間に配置することができる。
図2における機器の効率的なヒートポンプとしての動作は、実施形態に応じて、極めて高い量子効率の光子放出および吸収、放出素子と吸収素子との間の小さい熱伝導、および小さい抵抗損失に基づく。これらを達成するために、以下の要因が役割を果たす。
（1）ドープ半導体層における放出された光子の吸収は、小さくあるべきである。これは、例えば、ドープ半導体層10a、bおよび11a、bをリン化インジウムから製作し、活性領域12a、bをGaAsSbまたはInGaAs、つまりInP層よりもエネルギーギャップが小さい層から製作することによって達成できる。半導体層10a、b、11a、b、および12a、bは、基板と一致する格子または疑似格子整合、すなわち、歪みが転位の形成により緩和されていない歪み構造であるべきである。活性領域12a、bの厚さは、典型的には、ほぼ光の波長であることができ、半導体層11a、bの厚さは、ほぼホールの拡散距離であることができ、半導体層10a、bの厚さは、ほぼ基板の厚さであることができ、基板材料の光損失が十分小さいという前提で、基板単独から形成されることができる。エレクトロルミネッセンスに基づく発光および吸収を可能にし、かつ活性領域のエネルギーバンドギャップがドープ半導体層のエネルギーギャップより小さい構造を製作するために使用可能である他の化合物半導体も、図2の機器の製作に使用することができる。例えば、GaAs/AIGaAs材料系を使用することが可能であるが、典型的には、基板の吸収が問題を起こさないように、完全な構造からGaAs基板を除去することが必要とされる。
（2）放射素子と吸収素子との間の光結合は、素子間の光子を高効率で輸送できるように強力であるべきであるが、同時に、素子間の熱伝導は小さくあるべきである。これは、放出素子および吸収素子が別々に製作され、例えば、小粒子13を使用してそれらをまとめて取り付けることによって互いに近接して配置されるように、例えば、図2における構造を2つの部分で製作することによって達成できる。次いで、素子間の間隙は、極めて薄く作製可能であるため、素子間の効率的な光結合が可能になるが、粒子13の小さい接触領域のために、素子間のフォノンによる熱伝導は強力に低減される。機器がパッケージ化される場合、真空も範囲14に形成可能になり、これにより、素子間の熱伝導がさらに大幅に低減される。
（3）半導体層11a、bおよび金属接点16a、bの界面RaおよびRbにおける吸収損失は、小さくあるべきである。これを達成するために、半導体と反射体または接触金属との界面間の大部分をエアギャップ17a、bとしておき、過剰な抵抗損失を引き起こさずに空気と半導体との界面からの内部全反射の部分を増加させることができる。図2の構成では、実際の電気接点は、適切な曲線因子を有する半導体の表面に製作される押出18a、bによって形成される。また、高い反射率を有する他の鏡構造も、本目的に適切である。
（4）高い外部量子効率に到達するには、典型的には、大きい内部量子効率が必要とされる。この要件は、高品質材料と高度な製作技術の利用、構造の最適化を行うことによって達成可能となる。構造の表面で発生する非放射再結合の比率は、非放射表面状態の量を低減する活性領域12a、bに近接する界面を不動態化することによって低減でき、これらの状態における再結合比率を低下させられる。
（5）構造の抵抗損失は、小いさくあるべきである。領域10a、bにおける構造に対する電気接点15a〜dは、半導体11a、bと電気接点16a、bとの間の界面によって光が効率的に反射するように、側面から範囲11a、bにおいて作製できる。構造の幅は、厚さよりも大幅に大きいため、構造における電流輸送は、接点15a、bおよび16aと接点15b、dおよび16bとの間で主に横方向である。図2に示す構造における抵抗損失は、構造の幅、半導体層10a、bおよび11a、bの厚さおよびドーピング濃度、ならびに接点突出部18a、bの曲線因子を最適化することによって影響されてもよい。
上述の本発明の特定の実施形態に従う方法を、種々の構造によって活用することができ、種々の構造の単なる例だけが上記に提示されている。他の修正は、例えば、無機半導体および上記構造以外の他の材料から作製される構造であり、この構造において、放射体および吸収体として機能する素子間で光子を輸送するために、光ファイバ、光結晶、他の導波路、またはファラデー回転に基づく光アイソレータのような非相反構成素子が使用される。さらに、製作技術における利点を得る電気集積回路または光集積回路の一部として一体型の構造であってもよい。
前述の説明は、本発明の特定の実施形態の非限定的な例を提供する。本発明が提示された詳細に制限されないこと、および本発明が他の同等の方式を使用して実装できることは、当業者にとって明らかである。本書において、用語の「備える」および「含む」は、開放的表現であり、制限することを意味しない。
提示された実施形態の特徴のうちのいくつかは、他の特徴を使用せずに利用可能である。したがって、前述の説明は、単に本発明の原理の例示であって、その限定であると考えられないものとする。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限される。
Claims (15)
- 熱を伝達するための方法であって、熱エネルギーは、生成された電磁放射（３）を用いて、放射を放出する素子（１）から放射を吸収する素子（２）に伝達され、前記熱エネルギーを媒介する前記電磁放射（３）は、エレクトロルミネッセンスにより生成され、前記吸収された放射の前記エネルギーの一部は、活用可能なエネルギー形態、例えば、電気エネルギーまたは機械的エネルギーに再び変換されることを特徴とする、方法。
- 前記吸収素子（２）において回収された前記エネルギーの一部は、電磁放射（３）を放出するために前記放射素子（１）において使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記放射素子（１）および／または前記吸収素子（２）は、発光ダイオードを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
- 非常に薄いために前記放射素子（１）と前記吸収素子（２）との間の前記放射（３）の伝達を可能にする少なくとも１つの熱絶縁材料層または真空は、前記吸収素子と前記放射素子との間で熱絶縁体（８）として使用されることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の方法。
- 前記放出素子および前記吸収素子は、小粒子（１３）によって互いに分離されていることであって、ここで
前記素子間に形成される間隙（１４）は、前記素子間の効率的な光結合が可能になるように薄くなっており、かつ、
前記小粒子（１３）の小さい接触表面によって前記素子間の前記熱伝導が低減されるように、
前記分離されていることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の方法。 - 熱は、小粒子（１３）および狭い真空によって互いに分離される２つの発光ダイオード構造（１０ａ〜１６ａ、１０ｂ〜１６ｂ）の間で伝達されることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の方法。
- 電磁放射（３）を使用することによって、放射を吸収する素子（２）にエネルギーを伝達するように構成される、放射を放出する素子（１）と、
放射を放出する前記素子（１）により放出される前記電磁放射と、前記放射により輸送される前記エネルギーとを吸収するように構成される、放射を吸収する素子（２）と、
を備える機器であって、
エレクトロルミネッセンスを使用することによって前記熱エネルギーを媒介する前記電磁放射（３）を生成し、前記放射素子（１）から前記吸収素子（２）に前記放射とともに熱エネルギーを伝達し、前記吸収された放射の前記エネルギーの一部を、活用可能なエネルギー形態、例えば、電気エネルギーまたは機械的エネルギーに再び変換するように構成される、
ことを特徴とする、機器。 - 前記機器は、前記吸収素子（２）において回収された前記エネルギーの一部を、電磁放射（３）を放出するために前記放射素子（１）において再使用するように構成されることを特徴とする、請求項７に記載の機器。
- 前記放射素子（１）および／または前記吸収素子（２）は、発光ダイオードであることを特徴とする、請求項７または８に記載の機器。
- 前記機器は、非常に薄いために前記放射素子（１）と前記吸収素子（２）との間の前記放射（３）の伝達を可能にする少なくとも１つの熱絶縁材料層または真空（８）を備えることを特徴とする、請求項７ないし９のいずれか一項に記載の機器。
- 前記放出素子および前記吸収素子は、小粒子（１３）によって互いに分離されていることであって、ここで
前記素子間に形成される間隙（１４）は、前記素子間の効率的な光結合が可能になるように薄くなっており、かつ、
前記小粒子（１３）の小さい接触表面によって前記素子間の前記熱伝導が低減されるように、
前記分離されていることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか一項に記載の機器。 - 前記機器は、小粒子（１３）および狭い真空によって互いに分離される２つの発光ダイオード構造（１０ａ〜１６ａ、１０ｂ〜１６ｂ）を備えることを特徴とする、請求項７ないし１１のいずれか一項に記載の機器。
- 半導体内への電荷キャリアの注入は、このような電気接点（１６ａ、ｂ）を通して発生し、前記半導体および接点として機能する金属は、前記接点の大部分においてエアギャップ（１７ａ、ｂ）によって分離されており、前記半導体と前記金属との間の電流輸送は、前記半導体における押出（１８ａ、ｂ）または前記間隙を横断する前記金属を通して発生することを特徴とする、請求項７ないし１２のいずれか一項に記載の機器。
- 前記機器は、電磁放射の伝達の際に、導波路、光ファイバ、またはファラデー回転に基づく光アイソレータのような非相反構成素子を使用するように構成されることを特徴とする、請求項７ないし１３のいずれか一項に記載の機器。
- 概して光学機器または電気機器の一部としての、または具体的に、電気集積回路または光学集積回路と同一の基板上で一体型であるものとしての、請求項７ないし１４のいずれか一項に記載の機器を含む光学機器または電気機器。
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