JP2013077750A - 熱交換装置およびその用途 - Google Patents

Abstract

【課題】電子放出素子と被熱交換体との間にホール電極を設けることにより、ヒートシンクによらずにイオン風生成のための電界形成を行い、いかなるサイズや形状の被熱交換体に対しても高い熱交換性能が発揮される熱交換装置およびその用途を提供する。
【解決手段】
電極基板と薄膜電極とそれらの間に挟まれた電子加速層とを有する電子放出素子と、前記薄膜電極から離れて前記薄膜電極に対向し、少なくとも１つの貫通孔を有するホール電極とを備え、前記電子放出素子と前記ホール電極とを空気中に設置して、前記電極基板と前記薄膜電極との間に第１電圧を印加し、前記薄膜電極と前記ホール電極との間に第２電圧を印加したとき、前記第１電圧によって、前記電極基板で生成された電子が前記電子加速層で加速されて前記薄膜電極から空気中に放出され負イオンを生成し、前記第２電圧によって前記負イオンからなるイオン風が生成されて前記貫通孔を通過して被熱交換体へ放出されるように構成された熱交換装置。
【選択図】図１

Description

この発明は、熱交換装置およびその用途に関する。この発明の熱交換装置は、ことに冷却装置または加熱装置に利用するのに有用である。

この発明に関連する背景技術として、以下のような熱交換装置の構成の一例が提案されている。図２に示すように、この熱交換装置１ａは、被熱交換体２と接触するヒートシンク３と、ヒートシンク３と距離１００だけ離れて配置され、ヒートシンク３との間の空気中に電子を付与する電子放出素子４とを備えている。電子放出素子４は、電極基板７と、薄膜電極９と、電極基板７と薄膜電極９との間に第１電圧印加部１０により第１電圧を印加して電極基板７と薄膜電極９との間に電界を生じさせ、電極基板７で生成された電子を内部で加速させて薄膜電極９から放出させる電子加速層８とを備える。なお、電極基板７はアース６に接続されている。

薄膜電極９から放出された電子は、空気分子に衝突する。この衝突により、空気分子がイオン化されて負イオンが発生する。そして負イオンは、薄膜電極９とヒートシンク３との間に第２電圧印加部５により第２電圧を印加し、薄膜電極９とヒートシンク３との間に形成される電界に沿って移動することによりヒートシンク３に向かうイオン風２０１が生成され、そのイオン風２０１がヒートシンク３に到達することにより、ヒートシンク３の表面の空気中の分子が攪拌され、ヒートシンク３表面の空気中の分子との間の熱交換が起こり、最終的にヒートシンク３を介した被熱交換体２との熱交換が行われるようになっている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００９−２００２５２号公報

従来の熱交換装置においては、薄膜電極とヒートシンクとの間に電界形成することによりイオン風を生成するため、その電界特性は電極の一方であるヒートシンクのサイズに依存する。しかしながら、ヒートシンクのサイズによっては、強いイオン風が生成されず、高い熱交換性能を発揮できない場合がある。例えば、ヒートシンク表面の面積が対向する薄膜電極表面の面積よりも大きい場合、薄膜電極から出た電界はヒートシンクに近づくにつれ広がるため、電界に沿って生成されるイオン風の流れも拡散し、熱交換効果が低減する。一方、ヒートシンク表面の面積が薄膜電極表面の面積よりも小さい場合、薄膜電極から出た電界はヒートシンクに近づくにつれ集中するため、イオン風も集中により強まるが、その反面、ヒートシンク表面の面積が小さいため、空気中の分子との熱交換による放熱効果が低減する。また、ヒートシンクを用いずに被熱交換体を電極として電界形成した場合においても、被熱交換体のサイズや形状に依存して電界形成されるため、同様の問題が生じる。それゆえ、ヒートシンクによらずにイオン風生成のための電界形成を行い、いかなるサイズや形状の被熱交換体に対しても高い熱交換性能を発揮する熱交換装置およびその冷却装置または加熱装置への利用が求められていた。

この発明は、電極基板と薄膜電極とそれらの間に挟まれた電子加速層とを有する電子放出素子と、前記薄膜電極から離れて前記薄膜電極に対向し、少なくとも１つの貫通孔を有するホール電極とを備え、前記電子放出素子と前記ホール電極とを空気中に設置して、前記電極基板と前記薄膜電極との間に第１電圧を印加し、前記薄膜電極と前記ホール電極との間に第２電圧を印加したとき、前記第１電圧によって、前記電極基板で生成された電子が前記電子加速層で加速されて前記薄膜電極から空気中に放出され負イオンを生成し、前記第２電圧によって前記負イオンからなるイオン風が生成されて前記貫通孔を通過して被熱交換体へ放出されるように構成された熱交換装置を提供するものである。

この発明によれば、薄膜電極側とホール電極との間に電界形成することによりイオン風を生成し、ホール電極の貫通孔を通過して被熱交換体へ放出するため、ヒートシンクによらずにイオン風生成のための電界形成がなされ、いかなるサイズや形状の被熱交換体に対しても高い熱交換性能が発揮される。

この発明の第１実施形態に係る熱交換装置の構成を示す断面図である。 従来技術の熱交換装置の構成を示す断面図である。 この発明の第１実施形態に係る電子放出素子の拡大断面図である。 この発明の第１実施形態に係るホール電極およびその変形例の構成を示す斜視図である。 この発明の第２実施形態に係る熱交換装置の構成を示す断面図である。 この発明の第２実施形態に係る熱交換装置の変形例の構成を示す断面図である。 この発明の第３実施形態に係る熱交換装置およびその変形例の構成を示す断面図である。 この発明の第４実施形態に係る電子放出素子の拡大断面図である。 この発明の第５実施形態に係る熱交換装置の構成を示す断面図である。 この発明の第６実施形態に係る熱交換装置の構成を示す断面図である。 この発明の第６実施形態に係る電子放出素子を示す斜視図である。 この発明の第７実施形態に係る熱交換装置の構成を示す断面図である。 この発明の第８実施形態に係る冷却装置の構成を示す断面図である。 この発明の第９実施形態に係る加熱装置の構成を示す断面図である。

この発明は、電極基板と薄膜電極とそれらの間に挟まれた電子加速層とを有する電子放出素子と、前記薄膜電極から離れて前記薄膜電極に対向し、少なくとも１つの貫通孔を有するホール電極とを備え、前記電子放出素子と前記ホール電極とを空気中に設置して、前記電極基板と前記薄膜電極との間に第１電圧を印加し、前記薄膜電極と前記ホール電極との間に第２電圧を印加したとき、前記第１電圧によって、前記電極基板で生成された電子が前記電子加速層で加速されて前記薄膜電極から空気中に放出され負イオンを生成し、前記第２電圧によって前記負イオンを含むイオン風が生成されて前記貫通孔を通過して被熱交換体へ放出されるように構成された熱交換装置を提供するものである。

この発明による熱交換装置において、前記ホール電極は、前記薄膜電極の電子放出面のサイズよりも小さいサイズを有するように構成されたものであってもよい。
このようにすれば、薄膜電極からホール電極へ向かって集中する不平等電界が形成されるため、電界に沿って生成されたイオン風の集中によって、被熱交換体の表面において強いイオン風を発生させることができ、高い熱交換性能が実現できる。

ここで、「被熱交換体」とは、空気（イオン風）を介して熱交換をすべき対象物であり、「熱交換」には、相対的に高温の対象物から低温の空気へ熱を移動させる交換（すなわち、対象物の冷却）と、相対的に高温の空気から低温の対象物へ熱を移動させる交換（すなわち、対象物の加熱）とが含まれる。

「サイズ」とは、薄膜電極とホール電極との間に形成される電界の集中や広がりを判定するための基準となる尺度である。例えば、ホール電極が図４（Ａ）に示すようなリング状の形状を有する場合、ホール電極のサイズ１０４は、リングの外周の直径を表すものとする。また、ホール電極が図４（Ｂ）に示すような矩形状の形状を有する場合、ホール電極のサイズ１０４ａは、矩形の一辺の長さを表すものとする。同様に、ホール電極が図４（Ｃ）に示すような矩形状の形状を有する場合、ホール電極のサイズ１０４ｂは、矩形の一辺の長さを表すものとする。
また、薄膜電極についても同様に、例えば、薄膜電極が円状の形状を有する場合、薄膜電極のサイズは、円の直径（外径）を表し、薄膜電極が矩形状の形状を有する場合、薄膜電極のサイズは、矩形の一辺の長さを表すものとする。
その他、面積や対角線等、薄膜電極とホール電極との間に形成される電界の集中や広がりを判定することができる尺度であれば、薄膜電極およびホール電極のサイズとして、どのような定義を行ってもよい。

この発明による熱交換装置において、前記ホール電極は、リング状、パンチングメタル状またはメッシュ状のいずれか１つの形状を有するものであってもよい。
適切な形状のホール電極を用いて電界形成を行うことにより、発熱領域の個数や広がりに応じた適切なイオン風を生成することができるため、高い熱交換性能を実現できる。

例えば、図４（ａ）に示すように、ホール電極がリング状の形状を有する場合、薄膜電極のサイズよりもホール電極のサイズを小さくすることで、薄膜電極からホール電極へ向かうほど集中する不平等電界が形成される。それゆえ、単一の発熱領域に集中的に放出されるイオン風を生成することができ、また、ホール電極の電極部（金属部分）の面積が小さくイオン風の流れを妨げないため、一層効率的な熱交換が可能となる。リング状のホール電極は、特に単一の発熱領域に対して集中して熱交換を行う場合に有効である。

一方、発熱領域が複数存在する場合、図４（ｂ）に示すように、複数の発熱領域に対応する複数個の貫通孔を有するパンチングメタル状のホール電極を設置することで、リング状のホール電極を複数個設置する場合と比べて設置の手間が省け、また一層小さい印加電圧で高い熱交換効果が得られる。

発熱領域が多数存在する場合や発熱領域が一様に広がっている場合、図４（ｃ）に示すように、メッシュ状のホール電極を設置することで、リング状のホール電極を多数設置する場合または多数の貫通孔を有するパンチングメタル状のホール電極を設置する場合と比べて設置の手間が省け、また一層小さい印加電圧で高い熱交換効果が得られる。

この発明による熱交換装置において、前記薄膜電極と前記ホール電極との間に絶縁性の第１フードをさらに備え、前記第１フードは、前記薄膜電極から前記ホール電極に近づくに従って先細りになった内面を有するように構成されるものであってもよい。
このようにすれば、第１フードの内面でイオン風の拡散を防ぎつつ、先細りになった内面により気流を集中させることで、被熱交換体において特に発熱量が大きい領域にイオン風を集中的に送ることができ、効率よく被熱交換体と熱交換できるため、熱交換性能が向上できる。

また、第１フードは絶縁性の材料で構成されるため、誘電分極によるチャージアップが生じた場合、正極たるホール電極と反対の極性（すなわち負極）に帯電する。これはイオン風を構成する負イオンと同じ極性であるため、イオン風と第１フードとの反発が生じ、第１フードの出口付近での粘性によるイオン風の失速が緩和される。それゆえ、高い熱交換性能が可能となる。

この発明による熱交換装置において、前記ホール電極と前記被熱交換体との間に絶縁性の第２フードをさらに備え、前記第２フードは、前記ホール電極から前記被熱交換体に近づくに従って末広がりになった内面を有するように構成されるものであってもよい。
このようにすれば、第２フードの末広がりになった内面に沿ってイオン風を放出することにより、ホール電極を通り抜けた後、イオン風の圧力が急速に解放されることによってイオン風が必要以上に拡散し流速が遅くなることを抑制でき、高い熱交換効果が可能となる。

この発明による熱交換装置において、前記薄膜電極および前記ホール電極間に発生する電界の電界強度は、１ｋＶ／ｍ以上であってもよい。
このようにすれば、薄膜電極とホール電極との間に十分に強いイオン風を発生させることができるため、熱交換効果が高くなる。

この発明による熱交換装置において、前記薄膜電極と前記ホール電極との間の距離は、１０μｍ〜５０ｃｍであってもよい。
このようにすれば、薄膜電極とホール電極とを近づけることができるため、熱交換装置のサイズを小さくでき、また熱交換効果も高くなる。

この発明による熱交換装置において、前記電子加速層は、絶縁体微粒子とその隙間に点在する導電体微粒子から形成されるものであってもよい。
このようにすれば、電子加速層の少なくとも一部に粒子状の絶縁体微粒子が含まれているため、電子加速層における抵抗値の調整を行いやすくすることができる。

この発明による熱交換装置において、前記絶縁体微粒子は、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃およびＴｉＯ₂のうちの少なくとも１つか、または有機ポリマーを有するものであってもよい。
前記絶縁体微粒子が、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃およびＴｉＯ₂のうちの少なくとも１つを含んでいるか、あるいは、有機ポリマーを含んでいる場合、これら物質の絶縁性が高いことにより、前記電子加速層の抵抗値を任意の範囲に調整することが可能となる。

この発明による熱交換装置において、前記絶縁体微粒子の平均径は、１０〜１０００ｎｍであってもよい。
絶縁体微粒子の平均径を、１０〜１０００ｎｍとすることにより、絶縁体微粒子の大きさよりも小さい導電体微粒子の内部から外部へと効率よく熱伝導させて、素子内を電流が流れるときに発生するジュール熱を効率よく逃すことができ、電子放出素子が熱で破壊されることを防ぐことができる。また、電子加速層における抵抗値の調整を行いやすくすることが可能になる。

この発明による熱交換装置において、前記薄膜電極は、金、炭素、ニッケル、チタン、タングステンおよびアルミニウムのうちの少なくとも１つを有するものであってもよい。
このようにすれば、薄膜電極が、金、炭素、ニッケル、チタン、タングステンおよびアルミニウムのうちの少なくとも１つを有することによって、これら物質の仕事関数の低さから、電子加速層で加速された電子を効率よくトンネルさせ、電子放出素子外に高エネルギーの電子をより多く放出させることができる。

この発明による熱交換装置において、前記薄膜電極と前記被熱交換体との間に前記イオン風の方向を横切る方向に空気流を形成する第１ファンをさらに備えたものであってもよい。
このようにすれば、薄膜電極と被熱交換体との間の空気を交換、冷却することができるため、被熱交換体の熱交換効果を一層増大させることができる。

この発明による熱交換装置において、前記電子放出素子は、前記電極基板の表面から前記薄膜電極の表面まで貫通して空気流を通す複数の開口部を有するものであってもよい。
このようにすれば、電極基板の表面から前記薄膜電極の表面まで貫通する複数の開口部を通してイオン風発生に必要な空気を薄膜電極の表面に供給できるため、イオン風を効率的に発生させることができ、高い熱交換効果が発揮される。

この発明による熱交換装置において、前記電極基板に対向し前記電極基板から前記薄膜電極の方向に前記開口部を通過する空気流を形成する第２ファンをさらに備えたものであってもよい。
このようにすれば、第２ファンにより、複数の開口部を通して薄膜電極と被熱交換体との間の空気を交換、冷却することができるため、被熱交換体の熱交換効果を一層増大させることができる。

この発明は、前記熱交換装置と、前記ホール電極に対向し前記被熱交換体に接触するヒートシンクとを備え、前記ヒートシンクは、前記ホール電極に対向する放熱面に凹凸を有し、前記放熱面に前記ホール電極から前記イオン風が放出されるように構成された冷却装置を提供するものである。

この発明による冷却装置によれば、被冷却体としての被熱交換体にヒートシンクを接触させ、ヒートシンクと被熱交換体との間で熱交換を行う構成とすることにより、ホール電極から放出されたイオン風をヒートシンクの凹凸を有する放熱面に放出して、より多くの空気中の分子に対して熱を伝達することができるため、放熱効果が増大し、冷却効果を向上できる。また、ヒートシンクによらずイオン風生成のための電界形成を行うため、いかなるサイズや形状の被熱交換体に対しても高い冷却効果を発揮する冷却装置を実現できる。

前記熱交換装置と、前記ホール電極を前記被熱交換体よりも高温に加熱する加熱部とを備え、前記加熱部によって加熱された前記ホール電極の貫通孔に前記イオン風を通過させることにより前記被熱交換体よりも高温のイオン風を生成し、前記高温のイオン風が前記被熱交換体に放出されるように構成された加熱装置を提供するものである。

この発明による加熱装置によれば、被熱交換体よりも高温に加熱されたホール電極の貫通孔にイオン風を通過させることにより高温のイオン風を生成するため、高い加熱効果を発揮する加熱装置を実現できる。

〔第１実施形態〕
この発明の第１実施形態に係る熱交換装置について図１，図３，図４に基づいて説明すると以下の通りである。なお、以下に記述する構成は、この発明の具体的な一例に過ぎず、この発明はこれに限定されるものではない。図１は、この発明の第１実施形態に係る熱交換装置１の構成を示す断面図である。

熱交換装置１は、被熱交換体２から発する熱を外部へ放熱する装置であり、電極基板７と薄膜電極９とそれらの間に挟まれた電子加速層８とを有する電子放出素子４と、前記薄膜電極９から距離１０１、被熱交換体２から距離１０２だけ離れて前記薄膜電極９に対向し、少なくとも１つの貫通孔を有するホール電極１１とを備える。なお、電極基板７はアース６に接続されている。

図１に示すように、電子放出素子４とホール電極１１とを距離１００離れて空気中に設置し、電極基板７と薄膜電極９との間に第１電圧印加部１０により第１電圧を印加して電極基板７と薄膜電極９との間に電界を生じさせ、薄膜電極９とホール電極１１との間に第２電圧印加部５により第２電圧を印加して薄膜電極９とホール電極１１との間に電界を生じさせ、第１電圧によって、電極基板７で生成された電子が電子加速層８で加速されて薄膜電極９から空気中に放出される。

薄膜電極９から空気中に放出された電子は、空気分子に衝突・付着して、負イオンを生成し、第２電圧によって負イオンからなるイオン風２０１が生成される。イオン風２０１は、ホール電極１１の貫通孔を通過して被熱交換体２へ向けて放出される。

なお、薄膜電極９と被熱交換体２との間の距離１００、薄膜電極９とホール電極１１との間の距離１０１、およびホール電極１１と被熱交換体２との間の距離１０２は、イオン風２０１が被熱交換体２へ到達しうる距離であれば、特に制限されない。

例えば、薄膜電極９と被熱交換体２との間の距離１００は、好ましくは１００μｍ〜５０ｃｍであり、より好ましくは１００μｍ〜１０ｍｍである。また、両者の距離を５ｍｍ以上離すことで、薄膜電極９と被熱交換体２との間に被熱交換体２よりも温度の低い空気層ができるため、熱交換効果が高くなる。
また、薄膜電極９とホール電極１１との間の距離１０１は、好ましくは１０μｍ〜５０ｃｍ、より好ましくは１０μｍ〜５ｃｍである。
なお、薄膜電極９およびホール電極１１を酸化しにくい材料で構成することで、高温物体の近傍においても長時間駆動することができる。

熱交換装置１において、電極基板７は、例えば、Ｔｉ、Ｃｕ等の金属基板やＳＵＳ等の合金基板であってもよいし、ＳｉやＧｅ、ＧａＡｓ等の半導体基板であってもよい。また、例えばガラス基板のような絶縁体基板を用いるのであれば、その電子加速層８側の界面に金属などの導電性物質を電極として付着させることによって、電極基板７として用いることができる。

薄膜電極９は、電子加速層８内に第１電圧を印加して電界を生じさせるものである。そのため、電圧の印加が可能となるような材料であれば特に制限なく用いることができる。ただし、電子加速層８内で加速され高エネルギーとなった電子をなるべくエネルギーロス無く透過させて放出させるという観点から、仕事関数が低くかつ薄膜を形成することが可能な材料であれば、より高い効果が期待できる。このような材料として、例えば、金、炭素、チタン、ニッケル、タングステン、アルミニウムなどが挙げられる。

図３は、第１実施形態に係る電子放出素子４の拡大断面図である。電子加速層８は、少なくとも一部に、絶縁体物質が含まれていることが好ましい。このような構成とすることにより、電子放出素子４は、電極基板７と薄膜電極９との間に第１電圧が印加されることで、電極基板７から電子加速層８に注入された電子が電子加速層８の絶縁体物質中で加速されて弾道電子となるため、２０Ｖ程度の第１電圧の印加で電極基板７と薄膜電極９との間の電子加速層８で電子を加速し、薄膜電極９から電子を放出させることができる。

図３に示すように、第１実施形態に係る電子加速層８には、２種類の微粒子、すなわち、第１の誘電体物質が周囲に形成された導電体（例えば、金属等）からなる導電体微粒子１３と、第２の誘電体物質としての絶縁体微粒子１２とが含まれている。第１の誘電体物質は導電体微粒子１３を被膜する被膜物質であり、導電体微粒子１３は、絶縁被膜された導電体微粒子である。また、絶縁体微粒子１２は、絶縁被膜された導電体微粒子１３の平均径よりも大きい平均径を有する。

なお、電子加速層８の構成は、当該構成に限定されず、例えば、絶縁体物質が、シート状で電極基板７に積層されており、かつ、積層方向に貫通する複数の開口部を有しており、そして、この開口部には、誘電被膜された導電体微粒子１３が収容されていている、というような構成であってもよい。

ここで、絶縁被膜された導電体微粒子１３の金属種としては、弾道電子を生成するという動作原理の上ではどのような金属種でも用いることができる。ただし、大気圧動作させた時の酸化劣化を避ける目的から、酸化しにくい金属が好ましく、例えば、金、銀、白金、ニッケル、パラジウムいった材料が挙げられる。また、絶縁被膜された導電体微粒子１３の絶縁被膜としては、弾道電子を生成するという動作原理の上ではどのような絶縁被膜でも用いることができる。ただし、絶縁被膜を導電体微粒子１３の酸化被膜によって賄った場合、大気中での酸化劣化により酸化皮膜の厚さが所望の膜厚以上に厚くなってしまうおそれがあるため、大気圧動作させた時の酸化劣化を避ける目的から、有機材料による絶縁被膜が好ましく、例えば、アルコラート、脂肪酸、アルカンチオールといった材料が挙げられる。弾道電子の生成の原理については後段で詳しく記載するが、その原理に従って考えると、絶縁被膜された導電体微粒子１３の直径は１０ｎｍ以下であることが重要であり、その絶縁被膜の厚さは薄いほうが有利である。

なお、導電体微粒子１３の周囲に第１の誘電体物質が存在する構成について説明したが、導電体微粒子１３は、この構成に限定されるものではない。熱交換装置１においては、第１の誘電体物質が導電体微粒子１３の周囲に存在しない構成、または第１の誘電体物質が導電体微粒子１３の周囲に被膜せず、点在して付着した構成であってもよい。このような構成であっても、電極基板７と薄膜電極９との間（すなわち、電子加速層８）で電子を加速し、薄膜電極９から電子を放出させることができる。

絶縁体微粒子１２の材料は、絶縁性も有する材料であれば特に制限なく用いることができる。ただし、電子加速層８を構成する全材料に対する絶縁体微粒子１２の重量割合は８０〜９５％であることが望ましい。また、絶縁体微粒子１２と導電体微粒子１３との個数比は、絶縁体微粒子１２が１個に対し、導電体微粒子１３が２個から３００個程度である、すなわち、１：２〜３００であるときに、適度な抵抗率と放熱効果が得られる。また、絶縁体微粒子１２の大きさは、導電体微粒子１３に対して有意な放熱効果を得るため、導電体微粒子１３の直径よりも大きいことが好ましい。絶縁体微粒子１２の直径（平均径）は１０〜１０００ｎｍであることが好ましい。従って、絶縁体微粒子１２の材料はＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂といったものが実用的となる。この場合、粒子径の分散状態は、平均粒径に対してブロードであってもよく、例えば平均粒径５０ｎｍの微粒子は、２０〜１００ｎｍの領域にその粒子径分布を有していても問題ない。

電子加速層８は薄いほど強電界がかかるため低電圧印加で電子を加速させることが出来るが、絶縁体微粒子１２の平均径よりも薄くはならないため、その厚さは５〜１０００ｎｍであるのが好ましい。

ここで、電子加速層８に導電体微粒子１３が含まれる電子放出素子の電子放出の原理について、図３を用いて説明する。図３に示すように、電子加速層８は、その大部分が絶縁体微粒子１２で構成され、その隙間に少数の導電体微粒子１３が点在している。絶縁体微粒子１２は絶縁性であるが、その隙間に点在した導電体微粒子１３が、電荷の受け渡しを行うことで、電子加速層８は半導電性を有する。したがって、電子加速層８へ電圧を印加すると、電子加速層８に微弱な電流が流れる。電子加速層８の電圧電流特性は所謂バリスタ特性を示し、印加電圧の上昇に伴い急激に電流値を増加させる。この電流の一部は、印加電圧が形成する電子加速層８の強電界により弾道電子となり、薄膜電極９を透過あるいはその隙間を通過して電子放出素子４の外部へ放出される。

弾道電子の形成過程は、電子が電界方向に加速されつつトンネルすることによるものと考えられている。金属内における平均自由行程は１０ｎｍ以上であり、平均粒径が１０ｎｍ以下の導電体微粒子１３を用いることで、電子は、金属原子によって散乱されることなく導電体微粒子１３の導電体部分を通過し、また、高電界を有する導電体微粒子１３の絶縁被膜をトンネルし、絶縁被膜内で加速されつつ高エネルギーを得ることで、弾道電子が効率よく生成される。

なお、電子加速層８は、少なくとも一部が絶縁体微粒子１２で構成されていればよく、導電体微粒子１３を含まない構成であってもよい。このような電子加速層８としては、例えば特開２０１０−２７２２５５に記載の絶縁体微粒子と塩基性分散剤とを含む構成や、特開２０１１−００３５２１に記載の絶縁体微粒子のみを含む構成が挙げられる。この場合、例えばシリカのような絶縁材料の表面において、結晶の欠陥や表面処理が施されることにより、シリカ表面に電気抵抗が低い部分が存在し、電子が流れると考えられる。そして、シリカ表面の電子は、ホッピング伝導のような形で流れて、エネルギーが高いホットエレクトロンが形成され、薄膜電極９へ到達する。

ここで、電子放出素子４の製造方法について、その好ましい一例を以下に説明する。

まず、絶縁体微粒子１２と、導電体微粒子１３とを分散溶媒に分散させた分散液を得る。ここで、分散溶液に用いる溶媒としては、絶縁体微粒子１２と、導電体微粒子１３とを分散でき、かつ塗布後に乾燥できれば、特に制限なく用いることができる。例えば、トルエン、ベンゼン、キシレン、ヘキサン、テトラデカン等を用いることができる。また、導電体微粒子１３の分散性を向上させる目的で、事前処理としてアルコラート処理を施すとよい。

次に、絶縁体微粒子１２と、導電体微粒子１３との分散液を電極基板７上にスピンコート法を用いて塗布し、電子加速層８を形成する。スピンコート法による成膜、乾燥を複数回繰り返すことで所定の膜厚にすることができる。なお、電子加速層８は、スピンコート法以外に、例えば、滴下法、スプレーコート法等の方法でも形成することができる。

電子加速層８の形成後、電子加速層８上に薄膜電極９を成膜する。薄膜電極９の成膜には、例えば、マグネトロンスパッタ法を用いればよい。また、薄膜電極９は、例えば、インクジェット法、スピンコート法、蒸着法等を用いて成膜してもよい。

なお、電子加速層８内で加速された高エネルギーの弾道電子が薄膜電極９に到達したとき、薄膜電極９を構成する材料（例えば金）の仕事関数を超えたエネルギーを得ていると、電子は電子放出素子４の外部へ放出される。

このようにして、薄膜電極９から電子放出素子４の外部へ放出された電子は、薄膜電極９とホール電極１１との間に存在する空気中の分子と衝突を繰り返し、短時間で主に空気分子に付着（電子付着）し、負イオンを形成する。ここで、薄膜電極９とホール電極１１との間に第２電圧を印加すると、負イオンは薄膜電極９とホール電極１１との間に形成された電界（電位勾配）に沿ってホール電極１１へ向かって移動する。このとき、負イオンは、周辺の中性分子（帯電していない窒素分子および酸素分子などの空気分子）と衝突して、中性分子も電界に沿って移動することにより、電界に沿った空気の流れが生じる。この負イオンと中性分子との混合体の電界に沿った動きがイオン風２０１である。したがって、熱交換装置１では、電子放出素子４の外部空間に電位勾配を設ける（すなわち、電子放出素子４とホール電極１１との間に電界を発生させる）ことにより、イオン風２０１を発生させることができる。そして、イオン風２０１が被熱交換体２に到達することにより被熱交換体２の表面に存在する空気中の分子が攪拌・交換され、熱交換が行われる。なお、電界が強いほど、強いイオン風２０１を発生でき、効果的な熱交換が可能となる。

薄膜電極９のサイズとホール電極１１のサイズおよび電界強度により異なるが、電子付着により生成された負イオンの多くは、薄膜電極９とホール電極１１との間に形成された電界に沿ってホール電極１１へ向かって移動し、そのままホール電極１１に付着する。ホール電極１１に付着した負イオンはホール電極１１へ電子を受け渡して再び空気分子となり、ホール電極１１から脱離する。脱離した空気分子は周囲のイオン風２０１の流れに沿って移動する。ホール電極１１への電気的引力よりも負イオンの運動の慣性のほうが支配的であるか、または電場の形状の影響でホール電極１１よりも被熱交換体２のほうが負イオンが移動しやすい位置にある場合、負イオンは、ホール電極１１と衝突せずにホール電極１１を通り抜け、被熱交換体２まで移動して付着する場合がある。それゆえ、このような負イオンによる被熱交換体２の帯電を防ぐため、電圧印加に先立って、被熱交換体２をアースに接続するのが好ましい。

このように熱交換装置１において、第１電圧印加部１０の印加電圧を大きくすることにより、電子加速層８内の電流量が増加し、薄膜電極９から放出される電子量が増加する。これに伴い、気流を動かす原動力となるイオン量が増加するため、強いイオン風２０１を発生させ、熱交換量の増大が可能になる。また、このように熱交換装置１において、第２電圧印加部５の印加電圧を大きくすることにより、電界強度を増大させイオンの移動速度が速くなる。それに伴い気流の移動速度も速くなるため、強いイオン風２０１を発生させ、熱交換量の増大が可能になる。

第２電圧印加部５によりホール電極１１と電子放出素子４の薄膜電極９との間に電界を生じさせる第２電圧は、特に制限されないが、マイナスの電荷を持ったイオンを被熱交換体２に到達させる電圧であればよい。この電圧は、その下限は０Ｖよりも大きいことが好ましい。例えば、好ましくは１０Ｖ以上であり、より好ましくは１００Ｖ以上であり、特に好ましくは２００Ｖ以上である。また、印加する電圧の上限も特に制限されない。実用上、後述するような電界強度の制限を考慮すると１０ｋＶ以下であることが好ましく、より好ましくは１ｋＶ以下である。

なお、第１電圧印加部５および第２電圧印加部１０により印加される電圧は、定電圧の直流電圧に限らない。パルス状の電圧印加（パルス駆動）であってもよい。なお、パルス波形の電圧を用いた電子放出素子としては、例えば特開２０１１−１１９０７１に記載の構成が挙げられる。この明細書では、直流電圧印加の例を挙げて説明するが、パルス駆動その他の電圧印加を行ってもよい。

また、ホール電極１１と電子放出素子４の薄膜電極９との間の電界強度は、特に制限されないが、例えば１Ｖ／ｍ以上であり、より好ましくは１ｋＶ／ｍ以上である。電界強度を１ｋＶ／ｍ以上にすることで、イオンが電場により加速され移動速度が大きくなるため、イオン風２０１の気流速度が増大し、高い熱交換効果を発揮する。また電界強度の上限は、オゾンの発生を防ぐために、１０⁷Ｖ／ｍ以下であることが好ましく、より好ましく１０⁶Ｖ／ｍである。これによって、オゾンや窒素酸化物に代表される有害物質が発生しなくなる。

図４は、第１実施形態に係るホール電極およびその変形例の構成を示す斜視図である。図４（ａ）に示すように、ホール電極１１はイオン風２０１が通過するリング状の貫通孔１１ｈを有する。なお、イオン風２０１が通過する貫通孔１１ｈを有していれば、ホール電極１１の形状はリング状に限られず、パンチングメタル状のホール電極１１ａ、メッシュ状のホール電極１１ｂ、またそれ以外の形状であってよい。

リング状のホール電極１１は、被熱交換体２の発熱領域に合わせて、電子放出素子４または被熱交換体２に対して１つまたは複数個配置される。また、電極の大きさを変化させることで電界が変化し、イオン風２０１の生成に影響を及ぼす。例えば、リング状のホール電極１１において、電子放出素子４の電子放出面である薄膜電極９のサイズよりもホール電極１１のサイズを小さくすることで、薄膜電極９からホール電極１１へ向かうにつれ電界を集中する不平等電界を形成することができる。イオン風２０１は電界の流れに沿って生成されることから、ホール電極１１へ向かうにつれ集中した気流が生じ、被熱交換体２の表面において、強いイオン風２０１を生成し、効率よく被熱交換体２と熱交換することが可能となる。

図４（ａ）に示すように、ホール電極がリング状の形状を有する場合、薄膜電極９のサイズよりもリング状のホール電極１１のサイズ１０４を小さくすることで、薄膜電極９からホール電極１１へ向かうほど集中する不平等電界が形成される。それゆえ、被熱交換体の単一の発熱領域にイオン風２０１を集中的に放出することができ、また、ホール電極１１の電極部（金属部分）の面積が小さくイオン風２０１の流れを妨げないため、一層効率的な熱交換が可能となる。それゆえ、リング状のホール電極１１は、単一の発熱領域に対して集中して熱交換を行う場合に特に有効である。

一方、発熱領域が複数存在する場合、それに応じてリング状のホール電極１１を複数個設置すると、リングの個数が増えるほど１つ１つの貫通孔１１ｈに電界が集中しにくくなる。それゆえ、リング状のホール電極１１の代わりに、図４（ｂ）に示すようにパンチングメタル状のホール電極１１ａを設置することで、薄膜電極９とホール電極１１ａとの間の電界強度が一様にかかるため、リング状のホール電極１１を複数個設置する場合と比較して、設置の手間が省け、また一層小さい印加電圧で高い熱交換効果が得られる。

なお、パンチングメタル状の形状を有するホール電極１１ａを設置する場合、リング状のホール電極１１と比較して電極部の面積が大きい分、被熱交換体２へのイオン風２０１の流れを妨げるため、熱交換効率がリング状のホール電極１１と比較して小さくなる場合がある。したがって、イオン風２０１の妨げにならないように、電極部が蜂の巣状になっているなど、電極部の面積が極力小さい方が好ましい。

発熱領域が多数存在する場合や発熱領域が一様に広がっている場合、それに応じてリング状のホール電極１１のリング径を大きくすると、リングの中心部ほど薄膜電極９とリング状のホール電極１１との間の電界強度が弱まるため、リングの中心部ほどイオン風２０１も弱まる。
それゆえ、リング状のホール電極１１の代わりに、図４（ｃ）に示すようにメッシュ状のホール電極１１ｂを設置することで、薄膜電極９とホール電極１１ｂとの間の電界強度が一様にかかるため、リング状のホール電極１１を多数設置する場合と比較して、設置の手間が省け、また一層小さい印加電圧で高い熱交換効果が得られる。

なお、メッシュ状の形状を有するホール電極１１ｂを設置する場合、パンチングメタル状のホール電極１１ａと比較して電極部の面積が小さいため、イオン風２０１の流れが妨げにくくなる。しかしながら、メッシュの目開きが小さくなるのに伴い、メッシュの前後での圧力損失の増加やメッシュの目詰まりなどが発生する場合がある。その場合、メッシュの目開きや線径の最適化を行うことが好ましい。

〔第２実施形態〕
次に、この発明の第２実施形態に係る熱交換装置１ｂについて、図５に基づいて説明すると以下の通りである。
なお、第２実施形態に係る熱交換装置１ｂの基本的な駆動概念は、第１実施形態に係る熱交換装置１と同様であるので、説明を省略する。また、第１実施形態に係る熱交換装置１に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する（以下の実施形態についても同様）。

図５に示すように、ホール電極１１ｓは、薄膜電極９の電子放出面のサイズ１０３よりも小さいサイズ１０４を有する。それゆえ、ホール電極に向かうほど集中する不平等電界が形成され、電界に沿ってイオン風２０１を被熱交換体２に集中させることができるため、被熱交換体２の表面において強いイオン風２０１を生成することができ、効率的な熱交換が可能となる。

〔変形例〕
次に、この発明の第２実施形態に係る熱交換装置の変形例１ｃについて、図６に基づいて説明すると以下の通りである。熱交換装置１ｃにおいて第２実施形態に係る熱交換装置１ｂと異なる点は、ヒートシンク３がさらに設けられている点である。

図６に示すように、ホール電極１１ｓに対向するようにヒートシンク３を被熱交換体２に接触させ、ホール電極１１ｓに対向するヒートシンク３の放熱面２２にホール電極１１ｓからイオン風２０１を放出することによって、ヒートシンク３を介して間接的に被熱交換体２と熱交換を行う。

ヒートシンク３は、イオン風２０１生成のための電界形成に直接関係しないため、ヒートシンク３のサイズ１０５は、薄膜電極９のサイズ１０３およびホール電極１１ｓのサイズ１０４とは独立に設定可能である。また、薄膜電極９に対するホール電極１１ｓの相対的な位置や傾き等を制御する制御部を設けることにより、ヒートシンク３上の任意の領域にイオン風２０１を集中して放出するように制御することができるため、高い熱交換効果を実現できる。

なお、ヒートシンク３へ付着するイオン量が多い場合、ヒートシンク３がチャージアップしてしまうことがある。このような事態を避けるために、ヒートシンク３をアース６に接続することにより、ヒートシンク３のチャージアップを防ぐことが可能となる。また、ホール電極１１ｓとヒートシンク３との間に高電位差がある場合、被熱交換体２の絶縁破壊を防止すべくヒートシンク３と被熱交換体２との間に絶縁物を挿入する構成であってもよい。

〔第３実施形態〕
次に、この発明の第３実施形態に係る熱交換装置１ｄおよびその変形例１ｅについて、図７（Ａ）〜（Ｂ）に基づいて説明すると以下の通りである。

第３実施形態に係る熱交換装置１ｄにおいて、第２実施形態に係る熱交換装置１ｂと異なる点は、薄膜電極９とホール電極１１ｓとの間の部分に絶縁性の第１フード１４ａを有している点である。図７（Ａ）に示すように、第１フード１４ａは、薄膜電極９からホール電極１１ｓに近づくに従って先細りになった内面を有するように構成され、第１フード１４ａに穿った孔を通して、若しくは第１フード１４ａに沿って配線された導線を用いて、第２電圧印加部５によりホール電極１１ｓの金属部分へ電圧を印加する。第１フード１４ａに孔を穿った場合、イオン風２０１の流れが第１フード１４ａから漏れないようにするため、配線後は導線と孔との隙間を埋める。

熱交換装置１ｄは、被熱交換体２において特に発熱量が大きい部分に集中的にイオン風２０１を当て、さらにイオン風２０１の拡散を防ぎ気流を集中させることで、効率よく被熱交換体２と熱交換することが可能となる。

なお、第１フード１４ａは絶縁性の材料で構成されるため、誘電分極によるチャージアップが生じた場合、ホール電極１１ｓと反対の極性（負極）に帯電する。これはイオン風２０１を構成する負イオンと同じ極性であり、第１フード１４ａとイオン風２０１との反発が生じる。
このように第１フード１４ａとイオン風２０１の反発が生じることで、第１フード１４ａの出口付近において粘性によるイオン風２０１の失速が緩和されることが予測され、より熱交換効率の高いイオン風２０１を被熱交換体２に送ることが可能となる。さらに第１フード１４ａは絶縁性材料で構成されているため電子放出素子４や被熱交換体２に接していてもよい。電子放出素子４や被熱交換体２に接することにより、イオン風２０１の拡散を抑制することができるため、一層効率的な熱交換が可能となる。

〔変形例〕
次に、第３実施形態に係る熱交換装置の変形例１ｅについて、図７（Ｂ）を用いて説明する。
熱交換装置１ｅは、ホール電極１１ｓと被熱交換体２との間に絶縁性の第２フード１４ｂをさらに有する。図７（Ｂ）に示すように、第２フード１４ｂは、第１フード１４ａとは対称的に、ホール電極１１から被熱交換体２に近づくに従って末広がりになった内面を有するように構成され、ホール電極１１ｓにおいて一部分がくびれた形状を有する。

第２フード１４ｂの末広がりになった内面に沿ってイオン風２０１を放出することにより、ホール電極１１ｓを通り抜けた後、イオン風２０１の圧力が急速に解放されることによってイオン風２０１が必要以上に拡散し流速が遅くなることを抑制できるため、高い熱交換効果が可能となる。

また、図７（Ｃ）に示すように、ホール電極１１ｓと被熱交換体２との間に第３電圧印加部２１を接続してもよい。第３電圧の印加により、ホール電極１１ｓを介して、第２フード１４ｂの末広がりになった内面に沿ってイオン風２０１を被熱交換体２へ向けて誘導することが可能となる。

〔実施例〕
表１は、図７（Ｂ）に示すこの発明の第３実施形態に係る熱交換装置１ｅにおける冷却効果の検証実験の結果である。なお、この実験は実施の一例であって、この発明の内容を制限するものではない。

この実施例では、薄膜電極９とホール電極１１ｓとの間の電界強度を変化させたときの、被熱交換体２の冷却効果の検証を行った。具体的には、薄膜電極９とリング状のホール電極１１ｓとの間に印加する電圧を第２電圧印加部５により５０Ｖから１０００Ｖの範囲で変化させ（第１電圧印加部１０は３０Ｖで一定）、また薄膜電極９とホール電極１１ｓとの間の距離１０１を１ｃｍから５０ｃｍまで変化させることにより、電界強度を０．１ｋＶ／ｍから１００ｋＶ／ｍの範囲で変化させた。

表１において、薄膜電極９とホール電極１１ｓとの間の電界強度が０．１ｋＶ／ｍでは冷却効果の確認ができなかった。しかし、１ｋＶ／ｍ以上の電界強度では冷却効果が確認でき、また５０ｋＶ／ｍ以上の電界強度では良好な冷却効果が確認された。

〔第４実施形態〕
次に、この発明の第４実施形態に係る熱交換装置の電子放出素子４ａについて、図８に基づいて説明すると以下の通りである。

図８に示すように、電子放出素子４ａは、可撓性（フレキシブル）を有することを特徴とする。電子放出素子４ａは、フレキシブル基材１９上に形成された基板薄膜電極２０と、薄膜電極９と、それらの間に挟まれた電子加速層８とを備える。基板薄膜電極２０と薄膜電極９とは、第１電圧印加部１０に接続されている。電子放出素子４ａは、基板薄膜電極２０と薄膜電極９との間に第１電圧を印加することで、基板薄膜電極２０で生成された電子を基板薄膜電極２０と薄膜電極９との間（すなわち、電子加速層８）で加速し、薄膜電極９から電子を放出させる。

このように、電子放出素子４ａをフレキシブルな表面によって形成することにより、テレビのキャビネット部に熱交換機能を搭載することも可能であり、液晶テレビの薄型化とテレビの発熱部の熱交換とを同時に行うことができる。

〔第５実施形態〕
次に、この発明の第５実施形態に係る熱交換装置１ｆについて、図９に基づいて説明すると以下の通りである。

図９に示すように、第１ファン１７ａとエアフィルタ１８とを併用してもよい。第１ファン１７ａは、エアフィルタ１８とともに送風管１５内に設置され、エアフィルタ１８を介して空気流２０２ａを薄膜電極９と被熱交換体２との間の空気中に送風する。空気流２０２ａの送風方向は、イオン風２０１の送風方向を横切る方向である。エアフィルタ１８は、空気流２０２ａ中のダストを捕集・濾過するフィルタである。このように、第１ファン１７ａとエアフィルタ１８とを併用することで、薄膜電極９と被熱交換体２との間の部分の空気層を交換することができるため、効率よく被熱交換体２と熱交換することが可能となる。同時に、第１ファン１７ａにより供給された空気は、イオン風２０１発生のための空気の供給源となる。

〔第６実施形態〕
次に、この発明の第６実施形態に係る熱交換装置１ｇについて、図１０、図１１に基づいて説明すると以下の通りである。

熱交換装置１ｇは、複数の開口部１６ｂを有する電子放出素子４ｂを用いる以外は、第１実施形態に係る熱交換装置１と同じ構造を有する。
熱交換装置１ｇは、図１０に示すようにホール電極１１に対向する複数の開口部１６ｂを有する電子放出素子４ｂを備え、薄膜電極９ｂとホール電極１１との間に生じたイオン風２０１をホール電極１１に送りやすくするため、電極基板７の表面から開口部１６ｂを介して空気流２０２ｂを吸い込み、薄膜電極９ｂと被熱交換体２の間の部分の空気層を交換する。

図１１は、複数の開口部１６ｂからなるメッシュ構造１６を有する電子放出素子４ｂを示す斜視図である。図１１に示すように、電子放出素子４ｂの薄膜電極９ｂから放出された電子と空気中の空気分子との衝突により発生したイオン風２０１は、ホール電極１１の貫通孔１１ｈを通って被熱交換体２に到達する。一方、電子放出素子４ｂ、複数の開口部１６ｂを有しており、このようなイオン風２０１の流れによって、開口部１６ｂを介して電極基板７の表面から空気流２０２ｂが吸い込まれる。このようにして開口部１６ｂから吸い込まれた空気流２０２ｂは、開口部１６ｂを通過した後、薄膜電極９の表面から放出され、薄膜電極９ｂと被熱交換体２の間の部分の空気を交換するだけでなく、イオン風２０１発生のための空気の供給源にもなる。

〔第７実施形態〕
次に、第７実施形態に係る熱交換装置１ｈについて、図１２を用いて説明する。
図１２に示すように、電極基板７に接続した送風管１５内に電極基板７に対向し電極基板７から薄膜電極９ｂの方向に開口部１６ｂを通過する空気流を形成する第２ファン１７ｂが設置されている。このように、第２ファン１７ｂを用いることで、開口部１６ｂを通して薄膜電極９ｂと被熱交換体２の間の部分の空気層を交換することができるため、効率よく被熱交換体２と熱交換することが可能となり、またイオン風２０１発生のための空気の供給源にもなる。さらに、イオン風２０１による気流速度が不十分である場合、すなわち、薄膜電極９ｂとホール電極１１との間の電界が弱く、イオン風２０１が弱い場合であっても、空気流２０２ｂに乗ってイオン風２０１の風力が増加するため、熱交換効果を増大させることができる。

〔第８実施形態〕
（この発明の熱交換装置の冷却装置としての利用について）
この発明の第１〜第７実施形態に係る熱交換装置は、冷却装置に適用できる。このような構成の加熱装置の用途としては、液晶テレビやノートパソコン、冷蔵庫等の生活家電のような用途が挙げられる。特に、ヒートシンクによらずにイオン風発生のための電界形成を行い、いかなるサイズや形状の冷却対象に対しても高い冷却性能が発揮されるため、装置の小型化が可能になる。ここでは、図５に示される熱交換装置１ｂを冷却装置として利用した実施形態について説明する。

この発明の冷却装置の例としては、例えば、液晶テレビのキャビネット部に第２実施形態に係る熱交換装置１ｂを搭載する場合が挙げられる。この場合、被冷却体３１としての液晶テレビの発熱部に接触させたヒートシンク３ａの放熱面２２に対向するように熱交換装置１ｂを設置して、ホール電極１１ｓを介してイオン風２０１をヒートシンク３ａに放出することによって、被冷却体３１としての液晶テレビの発熱部とヒートシンク３ａとの間で熱交換することで冷却可能となる。

図１３は、この発明の第８実施形態に係る冷却装置３０１の構成を示す断面図である。冷却装置３０１は、電極基板７と薄膜電極９とそれらの間に挟まれた電子加速層８とを有する電子放出素子４と、薄膜電極９から離れて薄膜電極９に対向し、少なくとも１つの貫通孔を有するホール電極１１ｓと、ホール電極１１ｓと被冷却体３１との間に被冷却体３１に接触し、ホール電極１１ｓに対向する放熱面２２に凹凸を有するヒートシンク３ａとを備える。冷却装置３０１において、電子放出素子４は、薄膜電極９から空気中に電子を放出して、負イオンを生成し、第２電圧によって負イオンからなるイオン風２０１を生成する。イオン風２０１は、ホール電極１１ｓの貫通孔を通過してヒートシンク３ａの放熱面２２へ放出され、被冷却体３１を冷却する。

このように、被冷却体３１に放熱面２２を有するヒートシンク３ａを接触させて、ヒートシンク３ａと被冷却体３１との間で熱交換を行う構成とすることにより、ホール電極１１ｓから放出されたイオン風２０１をヒートシンク３ａの放熱面２２に放出して、より多くの空気中の分子に対して熱を伝達することができるため、放熱効果が増大し、被冷却体３１の冷却効果を向上できる。

一方、従来のファンによる送風のみでは、被冷却体３１表面の空気流の流速が０となり、最も熱を逃がしたい部分の空気が置換されず、冷却効率が悪い場合がある。しかしながら、イオン風２０１として送られる空気の中に負イオンのような荷電粒子が含まれていると、被熱冷却体３１近傍に近づいたときにイオン風２０１が電気的な力によって被冷却体３１の表面に引き寄せられるため、被冷却体３１の表面近傍においてもイオン風２０１の流速が０とはならず、被冷却体３１の表面近傍の空気を効率よく入れ替えることが可能となる。それゆえ、従来のファンによる送風と比べ、この発明に係る冷却装置３０１は、冷却効率が格段に上がる。

冷却装置３０１は、ヒートシンク３ａによらずにイオン風２０１生成のための電界形成を行うため、それによって形成された電界は、薄膜電極９のサイズ１０３とホール電極１１ｓのサイズ１０４との相対的な関係によって決まるため、ヒートシンク３ａのサイズ１０５によらず、薄膜電極９からホール電極１１ｓに向かって集中する電界形成が可能となり、強いイオン風２０１を常に生成することができる。また、薄膜電極９に対するホール電極１１ｓの相対的な位置や傾き等を制御する制御部を設けることにより、ヒートシンク３ａ上の任意の領域にイオン風２０１を集中して放出することができるため、発熱領域の変化に対応した効果的な冷却が可能となる。

〔第９実施形態〕
（この発明の熱交換装置の加熱装置としての利用について）
この発明の第１〜第７実施形態に係る熱交換装置は、冷却装置だけでなく加熱装置にも適用できる。このような構成の加熱装置の用途としては、例えば、効率よく温風を発生するファンヒーターや、焼却炉で発生し廃熱となる高温気体を熱源として暖房に利用するような廃熱利用暖房システムのような用途が挙げられる。特に、ヒートシンクによらずイオン風発生のための電界形成を行い、いかなるサイズや形状の熱源を用いても高い加熱性能を発揮されるため、装置の小型化が可能になる。

この発明の加熱装置の構成としては、例えば、効率よく熱風を発生させて低温体を加熱する構成（ｉ）および高温の空気で低温の導電固体を加熱する構成（ii）が挙げられる。

効率よく熱風を発生させて低温体を加熱する構成（Ｉ）の場合、この発明の第５実施形態に係る熱交換装置１ｆと同じ構成で、効率よく熱交換した高温の空気を送風して、加熱に利用することができる。すなわち、図９に示される熱交換装置１ｆにおいて、イオン風２０１により発熱部としての被熱交換体２の表面近傍の空気との間で熱交換を行うことで被熱交換体２を冷却する一方で、被熱交換体２の表面から熱が放出されるため、被熱交換体２の表面近傍の空気は高温になる。構成（ｉ）は、この被熱交換体２の表面近傍の高温の空気を、第１ファン１７ａに対向する位置に設置された低温体に向けて送風することにより、低温体を効率よく加熱できる。

一方、高温の空気で低温体を加熱する構成（ii）の場合、この発明の第６実施形態に係る熱交換装置１ｇと同じ構成を用いることができる。すなわち、図１０に示される熱交換装置１ｇにおいて、例えば、焼却炉で発生し廃熱となる高温気体を熱源として、電極基板７の表面から高温の空気流２０２ｂを吸い込み、薄膜電極９と被熱交換体２との間に供給する。構成（ii）は、薄膜電極９とホール電極１１との間に供給された高温の空気から生成された高温のイオン風２０１を、ホール電極１１を介して、被熱交換体２としての低温体に送風することにより、低温体を効率よく加熱できる。このように、この発明の熱交換装置を加熱装置に利用すれば、ファンを用いることなく、非常に効率のよい廃熱利用暖房システムが実現可能となる。

さらに、メッシュ状のホール電極１１ｂそのものを熱源として利用することにより、狭いスペースで効率よく熱風を発生させて低温体を加熱することもできる。ここでは、第９実施形態に係る加熱装置３０２について、図１４に基づいて説明する。

図１４は、この発明の第９実施形態に係る加熱装置の構成を示す断面図である。加熱装置３０２は、電子放出素子４と、薄膜電極９から離れて薄膜電極９に対向し、複数の貫通孔を有するメッシュ状のホール電極１１ｂとを備える。ここで（図示しない）加熱部によりホール電極１１ｂを被熱交換体２よりも高温に加熱し、複数の貫通孔１１ｈにイオン風２０１を通過させることにより、高温のイオン風が生成される。このようにして生成された高温のイオン風２０１を被熱交換体２に放出し、被熱交換体２の表面近傍の空気との間で熱交換を行うことで、効率的に被熱交換体２を加熱できる。このように、この発明の熱交換装置を加熱装置に利用することにより、狭いスペースで効率の高い加熱装置が実現可能となる。

また、薄膜電極９に対するホール電極１１ｂの相対的な位置や傾き等を制御する制御部を設けることにより、被熱交換体２上の任意の領域に高温のイオン風２０１を集中して放出されるように制御することもできるため、効果的な加熱が可能となる。なお、ホール電極１１ｂの形状はメッシュ状に限らず、イオン風２０１が貫通孔１１ｈを通過することによりホール電極１１ｂから熱を受容できるのであれば、どのような形状であってもよい。

この発明は上述した各実施形態および変形例に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、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この発明の技術的範囲に含まれる。

この発明の熱交換装置は、電極間距離を狭くしても安定的にイオン風２０１を放出することが可能であるため、装置を小型化できる。また狭いスペースで効率的に冷却することが必要であり、かつファンの風切騒音を抑制することが必要な、液晶テレビ、ノートパソコン等の冷却装置や、効率よく温風を発生するファンヒーター、焼却炉で発生し廃熱となる高温気体を熱源として暖房に利用するような廃熱利用暖房システムのような用途に利用可能である。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ：熱交換装置
２：被熱交換体
３，３ａ：ヒートシンク
４，４ａ，４ｂ：電子放出素子
５：第２電圧印加部
６：アース
７：電極基板
８：電子加速層
９，９ｂ：薄膜電極
１０：第１電圧印加部
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｓ：ホール電極
１１ｈ：貫通孔
１２：絶縁体微粒子
１３：導電体微粒子
１４ａ：第１フード
１４ｂ：第２フード
１５：送風管
１６：メッシュ構造
１６ｂ：開口部
１７ａ：第１ファン
１７ｂ：第２ファン
１８：エアフィルタ
１９：フレキシブル基材
２０：基板薄膜電極
２１：第３電圧印加部
２２：放熱面
１００：薄膜電極と被熱交換体またはヒートシンクとの間の距離
１０１：薄膜電極とホール電極との間の距離
１０２：ホール電極と被熱交換体またはヒートシンクとの間の距離
１０３：薄膜電極の電子放出面のサイズ
１０４，１０４ａ，１０４ｂ：ホール電極のサイズ
１０５：ヒートシンクのサイズ
２０１：イオン風
２０２ａ，２０２ｂ：空気流
３０１：冷却装置
３０２：加熱装置

Claims (16)

1. 電極基板と薄膜電極とそれらの間に挟まれた電子加速層とを有する電子放出素子と、
   前記薄膜電極から離れて前記薄膜電極に対向し、少なくとも１つの貫通孔を有するホール電極とを備え、
   前記電子放出素子と前記ホール電極とを空気中に設置して、前記電極基板と前記薄膜電極との間に第１電圧を印加し、前記薄膜電極と前記ホール電極との間に第２電圧を印加したとき、
   前記第１電圧によって、前記電極基板で生成された電子が前記電子加速層で加速されて前記薄膜電極から空気中に放出され負イオンを生成し、前記第２電圧によって前記負イオンを含むイオン風が生成されて前記貫通孔を通過して被熱交換体へ放出されるように構成された熱交換装置。
2. 前記ホール電極は、前記薄膜電極の電子放出面のサイズよりも小さいサイズを有するように構成された請求項１に記載の熱交換装置。
3. 前記ホール電極は、リング状、パンチングメタル状またはメッシュ状のいずれか１つの形状を有する請求項１または２に記載の熱交換装置。
4. 前記薄膜電極と前記ホール電極との間に絶縁性の第１フードをさらに備え、
   前記第１フードは、前記薄膜電極から前記ホール電極に近づくに従って先細りになった内面を有するように構成される請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱交換装置。
5. 前記ホール電極と前記被熱交換体との間に絶縁性の第２フードをさらに備え、
   前記第２フードは、前記ホール電極から前記被熱交換体に近づくに従って末広がりになった内面を有するように構成される請求項４に記載の熱交換装置。
6. 前記薄膜電極および前記ホール電極間に発生する電界の電界強度は、１ｋＶ／ｍ以上である請求項１ないし５のいずれか１つに記載の熱交換装置。
7. 前記薄膜電極と前記ホール電極との間の距離は、１０μｍ〜５０ｃｍである請求項１ないし６のいずれか１つに記載の熱交換装置。
8. 前記電子加速層は、絶縁体微粒子とその隙間に点在する導電体微粒子から形成される請求項１ないし７のいずれか１つに記載の熱交換装置。
9. 前記絶縁体微粒子は、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃およびＴｉＯ₂のうちの少なくとも１つか、または有機ポリマーを含む請求項８に記載の熱交換装置。
10. 前記絶縁体微粒子の平均径は、１０〜１０００ｎｍである請求項８または９に記載の熱交換装置。
11. 前記薄膜電極は、金、炭素、ニッケル、チタン、タングステンおよびアルミニウムのうちの少なくとも１つを有する請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の熱交換装置。
12. 前記薄膜電極と前記被熱交換体との間に前記イオン風の方向を横切る方向に空気流を形成する第１ファンをさらに備えた請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の熱交換装置。
13. 前記電子放出素子は、前記電極基板の表面から前記薄膜電極の表面まで貫通して空気流を通す複数の開口部を有する請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の熱交換装置。
14. 前記電極基板に対向し前記電極基板から前記薄膜電極の方向に前記開口部を通過する空気流を形成する第２ファンをさらに備えた請求項１３に記載の熱交換装置。
15. 請求項１ないし１４のいずれか１つに記載の熱交換装置と、前記ホール電極に対向し前記被熱交換体に接触するヒートシンクとを備え、
    前記ヒートシンクは、前記ホール電極に対向する放熱面に凹凸を有し、前記放熱面に前記ホール電極から前記イオン風が放出されるように構成された冷却装置。
16. 請求項１ないし１４のいずれか１つに記載の熱交換装置と、前記ホール電極を前記被熱交換体よりも高温に加熱する加熱部とを備え、
    前記加熱部によって加熱された前記ホール電極の貫通孔に前記イオン風を通過させることにより前記被熱交換体よりも高温のイオン風を生成し、前記高温のイオン風が前記被熱交換体に放出されるように構成された加熱装置。