JP4214041B2

JP4214041B2 - 飲料用保温保冷装置

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Publication number: JP4214041B2
Application number: JP2003401376A
Authority: JP
Inventors: 権治下岸; 義彦松尾; 陽一津田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2003-12-01
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2023-12-01
Also published as: JP2005164088A

Description

この発明は、例えば、家や自動車等で使用され、ジュース、お茶またはコーヒー等の入った缶あるいはペットボトル等の飲料入り容器を適度な温度に保つための飲料用保温保冷装置に関する。

従来の飲料用保温保冷装置は、図１１に示すように、飲料入り容器１００２を収納するための収納部１０３０を有する収納本体１００３と、この収納本体１００３の収納部１０３０を冷却または加熱するペルチェ素子１００１とを備え、このペルチェ素子１００１により、上記収納部１０３０に収納された上記飲料入り容器１００２を保温または保冷していた（特開平９−６１０３２号公報：特許文献１、および、特開２００１−２０８４６５号公報：特許文献２参照）。

しかしながら、上記従来の飲料用保温保冷装置では、上記ペルチェ素子１００１にて上記飲料入り容器１００２を適度な温度に保持しているので、例えば、上記ペルチェ素子１００１にて上記飲料入り容器１００２を冷却する場合、このペルチェ素子１００１の冷却効率は低く、冷却に必要な吸熱量の数倍のエネルギーを投入しなければ十分な冷却性能を得ることができなかった。

これは、上記ペルチェ素子１００１の構造が、図１２に示すように、第１の金属電極１１２１ａ、ｐ型半導体１１０６、第２の金属電極１１２１ｂ、ｎ型半導体１１０７および第３の金属電極１１２１ｃが順に電気的に直列に接続しており、上記ｐ型半導体１１０６から上記ｎ型半導体１１０７に電子が移動するように外部から電圧を加えた場合に、上記第１の金属電極１１２１ａから上記ｐ型半導体１１０６、および、上記ｎ型半導体１１０７から上記第３の金属電極１１２１ｃに電子が移動する接合面では発熱が起こり、逆に、上記ｐ型半導体１１０６から上記第２の金属電極１１２１ｂ、および、上記第２の金属電極１１２１ｂから上記ｎ型半導体１１０７に電子が移動する接合面では吸熱が起こり、上記ｐ型半導体１１０６および上記ｎ型半導体１１０７の両端に温度差が発生するペルチェ効果を応用した素子であるが、上記ｐ型半導体１１０６および上記ｎ型半導体１１０７の内部を、熱伝導による矢印１１２２にて示す熱流があるために、熱変換効率が劣り、所定の冷却能力を得ようとすると、消費電力が大きくなる課題があった。

また、ペルチェ素子は、有害物質のテルルを材料として使用しており、取扱いを誤ると環境へ悪影響を及ぼす危険性があった。
特開平９−６１０３２号公報特開２００１−２０８４６５号公報

そこで、この発明の課題は、消費電力量を大幅に低減した飲料用保温保冷装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の飲料用保温保冷装置は、
飲料入り容器を収納するための収納部を有する収納本体と、
この収納本体の収納部を冷却または加熱すると共に吸熱側と放熱側とが熱的に分離された真空ダイオード型の電子ヒートポンプ装置と
を備え、
上記電子ヒートポンプ装置は、
第１の電極基板と、
この第１の電極基板に、電気および熱が伝導可能なように、一面が連結された第１の半導体基板と、
この第１の半導体基板の他面に設けられた第１の内部電極と、
第２の電極基板と、
この第２の電極基板に、電気および熱が伝導可能なように、一面が連結された第２の半導体基板と、
この第２の半導体基板の他面に設けられた第２の内部電極と
を備え、
上記第１の内部電極と上記第２の内部電極とは、隙間をあけて対向するように配置され、
かつ、上記第１の半導体基板と上記第２の半導体基板との内の少なくとも一方には、上記第１の内部電極と上記第２の内部電極との間の上記隙間を一定に保つと共に電気的および熱的に絶縁性のスペーサ部が一体に形成されており、
さらに、上記第１の電極基板と上記第２の電極基板との間に配置されて上記第１の電極基板と上記第２の電極基板との間隔を一定に保つと共に電気的および熱的に絶縁性の間隔保持部材と、
上記第１の電極基板と上記第２の電極基板との間の真空を維持する封止部材と
を備えることを特徴としている。

ここで、上記真空ダイオード型の電子ヒートポンプ装置とは、例えば、二つの電極間をナノレベル（例えば、１ｎｍ〜１０ｎｍ）の距離に近づけて真空ギャップを形成し、電圧を印加することでエミッタ側からコレクタ側へ電子トンネル効果を利用した電子放出により、冷却および加熱を行う装置をいう。また、上記第１の電極基板および上記第２の電極基板は、電気的および熱的に伝導性を有するものである。上記第１の半導体基板および上記第２の半導体基板としては、例えば、ｎ型のＳｉ基板（ウエハ）を用いる。上記間隔保持部材としては、例えば、絶縁性のワッシャや、樹脂製のボルト等を用いる。上記封止部材としては、電気的および熱的に絶縁性であり、例えば、低融点のガラスを用いる。上記第１の内部電極は、例えば、上記第１の半導体基板の表面に、導電性材料を薄膜状に形成してなるものである。上記第２の内部電極は、例えば、上記第２の半導体基板の表面に、導電性材料を薄膜状に形成してなるものである。上記隙間は、真空状態において、エミッタ側からコレクタ側に移動する高エネルギー電子をフィルタリングする。上記半導体基板に上記スペーサ部が一体に形成されているとは、例えば、上記半導体基板がＳｉ基板である場合、この基板表面に、例えば、熱酸化を施してＳｉＯ ₂ 膜を形成し、このＳｉＯ ₂ 膜をエッチングすることで、上記スペーサ部が形成される。

この発明の飲料用保温保冷装置によれば、吸熱側と放熱側とが熱的に分離された真空ダイオード型の電子ヒートポンプ装置を備えるので、ペルチェ効果を応用しないで、ペルチェ素子の冷却加熱機構よりも消費電力を大幅に減らすことができる。また、ペルチェ素子の材料となる有害物質を使用しないので、環境にやさしいものになる。また、上記第１の半導体基板と上記第２の半導体基板との内の少なくとも一方には、上記隙間を一定に保つと共に電気的および熱的に絶縁性のスペーサ部が一体に形成されているので、部品数を減少した簡単な構成で、熱の逆流を防止しつつ、真空ギャップを所定の間隔に確保できる。具体的に述べると、エミッタとコレクタとを熱的に分離するための機構等を別途設ける必要がなくて、部品数を減少でき、小型化、軽量化およびコスト削減を図ることができる。

また、一実施形態の飲料用保温保冷装置では、上記電子ヒートポンプ装置における上記吸熱側と上記放熱側との間には、上記吸熱側と上記放熱側とを熱的に分離するための熱的に絶縁性のスペーサ部が存在している。

この一実施形態の飲料用保温保冷装置によれば、上記吸熱側と上記放熱側との間のスペーサ部にて、上記吸熱側と上記放熱側とを熱的に分離しているので、例えば、エミッタとコレクタとを熱的に分離するための機構等を別途設ける必要がなくて、小型化および軽量化を図ることができる。

また、一実施形態の飲料用保温保冷装置では、上記第１の電極基板および上記第２の電極基板は、それぞれ、中空部を有する。

ここで、上記第１の電極基板および上記第２の電極基板は、例えば、ＣｕまたはＣｕ合金からなるステムである。

この一実施形態の飲料用保温保冷装置によれば、上記第１の半導体基板、上記第２の半導体基板、上記第１の内部電極および上記第２の内部電極は、上記両方の電極基板の中空部に挟まれているので、大気圧の応力影響を受けるのは、上記両方の電極基板の最外部のみとなり、直接に、上記第１の半導体基板、上記第２の半導体基板、上記第１の内部電極および上記第２の内部電極に応力を加えることが無くなって、圧力たわみによる変形および破壊が生じない構造の電子ヒートポンプ装置が実現可能となる。

また、一実施形態の飲料用保温保冷装置では、上記第１の電極基板および上記第２の電極基板は、それぞれ、中実である。

ここで、上記第１の電極基板および上記第２の電極基板としては、例えば、タングステン、タングステンカーバイト、銅、シリコン等の材料からなる。

この一実施形態の飲料用保温保冷装置によれば、上記第１の電極基板および上記第２の電極基板は、中実であるので、この電子ヒートポンプ装置を薄く小型にできて、飲料用保温保冷装置の一層の小型化を図ることができる。

また、一実施形態の飲料用保温保冷装置では、上記第１の電極基板および上記第２の電極基板は、それぞれ、略直方体状である。

この一実施形態の飲料用保温保冷装置によれば、この電子ヒートポンプ装置を略直方体チップ形状にできて、例えば、新たな、または、既存の飲料用保温保冷装置の内部に組み込み易くなる。

また、一実施形態の飲料用保温保冷装置では、上記収納本体の収納部を冷却する状態にある上記電子ヒートポンプ装置の放熱側を冷却する冷却機構を備える。

この一実施形態の飲料用保温保冷装置によれば、上記冷却機構により上記電子ヒートポンプ装置の放熱側を冷却するので、上記電子ヒートポンプ装置の熱を外部へ強制的に排出することができて、冷却効果を向上できる。

また、一実施形態の飲料用保温保冷装置では、上記冷却機構は、上記電子ヒートポンプ装置の放熱側に熱的に接触するヒートシンクと、このヒートシンクを冷却する冷却ファンとを備える。

この一実施形態の飲料用保温保冷装置によれば、上記冷却機構は、上記ヒートシンクおよび上記冷却ファンを備えるので、簡単な構成で、確実に熱を排出できる。

また、一実施形態の飲料用保温保冷装置では、上記冷却機構は、順次環状に接続された、冷却ジャケット、リザーブタンク、ヒートシンクおよびポンプを備え、上記冷却ジャケットは、上記電子ヒートポンプ装置の放熱側に熱的に接触するように配置される。

この一実施形態の飲料用保温保冷装置によれば、上記冷却機構は、冷却ジャケット、リザーブタンク、ヒートシンクおよびポンプを備えるので、簡単な構成で、確実に熱を排出できる。また、上記冷却機構は、例えば、水冷式の冷却機構であるので、騒音の発生を防止した静かな装置になる。

また、一実施形態の飲料用保温保冷装置では、上記電子ヒートポンプ装置は、複数存在し、この複数の電子ヒートポンプ装置は、電気的に接続されて、モジュール化されている。

この一実施形態の飲料用保温保冷装置によれば、大きな容量の飲料入り容器を迅速に冷却することができる。

また、一実施形態の飲料用保温保冷装置では、上記封止部材は、上記第１の電極基板と上記第２の電極基板とに接触し、電気的および熱的に絶縁性である。なお、上記封止部材は、上記第１の電極基板と上記第２の電極基板とを封止する一つの部材であってもよく、あるいは、上記第１の電極基板と上記間隔保持部材との間を封止する部分と、上記第２の電極基板と上記間隔保持部材との間を封止する部分との別体であってもよい。

また、一実施形態の飲料用保温保冷装置では、上記第１の内部電極の仕事関数は、上記第２の内部電極の仕事関数と略等しい。

ここで、「仕事関数」とは、一般に、ある材料に何らかのエネルギー（例えば、熱や電界印加等）を与えて、その材料表面から外部のエネルギー障壁（例えば、真空）を超えて電子を取り出す場合における、その材料の電子放出能力を示す物性値であり、低い仕事関数の方が電子の放出量が多いとされる。

上記第１の内部電極および上記第２の内部電極は、導電性の複合材料からなり、例えば、Ａｇ、Ｔｉ、Ａｕ薄膜の表面を酸化セシウムが覆っている構成である。

この一実施形態の飲料用保温保冷装置によれば、上記第１の内部電極の仕事関数が、上記第２の内部電極の仕事関数と略等しいので、電流供給の方向を逆方向にすることで、熱の移動方向を容易に反転できる。

この発明の飲料用保温保冷装置によれば、吸熱側と放熱側とが熱的に分離された真空ダイオード型の電子ヒートポンプ装置を備えるので、ペルチェ素子の冷却加熱機構よりも消費電力を大幅に低減できる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、この発明の飲料用保温保冷装置の一実施形態である断面図を示している。

この飲料用保温保冷装置は、飲料入り容器２を収納するための収納部３０を有する収納本体３と、この収納本体３の収納部３０を冷却または加熱する電子ヒートポンプモジュール１とを備える。

上記飲料入り容器２としては、例えば、ジュース、お茶またはコーヒー等の飲料の入った缶あるいはペットボトル等の容器である。

上記収納本体３は、筒状の容器本体３１と、この容器本体３１の内面に取り付けられた筒状の断熱部材３２と、この断熱部材３２の内面に取り付けられた有底筒状の伝熱ケース３３とを備える。

上記容器本体３１は、樹脂等で形成され、上記断熱部材３２は、ウレタン等の断熱材で形成され、上記伝熱ケース３３は、アルミニウムやマグネシウム等の熱伝導性の良好な材質で形成される。

上記収納部３０は、上記容器本体３１の内面、上記断熱部材３２の内面および上記伝熱ケース３３の内面にて、形成される。すなわち、上記飲料入り容器２が上記収納部３０に収納された状態において、上記飲料入り容器２は、上記伝熱ケース３３の内部に収納されることになる。

上記電子ヒートポンプモジュール１は、略板状に形成され、上記電子ヒートポンプモジュール１の一面側（上面側）が、上記伝熱ケース３３の底部の外側（下側）に熱的に接触するように配置され、上記伝熱ケース３３を介して、上記伝熱ケース３３に収納されている上記飲料入り容器２を加熱または冷却する。

上記電子ヒートポンプモジュール１には、順次、切り替えスイッチ５、電源スイッチ６およびＤＣジャック７が、リード線８にて、電気的に接続されている。

上記切り替えスイッチ５は、上記電子ヒートポンプモジュール１の上記一面側を冷却または加熱に切り替える。具体的に述べると、上記切り替えスイッチ５を「保冷」にすると、上記電子ヒートポンプモジュール１の上記一面側（上面側）の温度が下がると共に上記電子ヒートポンプモジュール１の他面側（下面側）の温度が上がる。一方、上記切り替えスイッチ５を「保温」にすると、上記電子ヒートポンプモジュール１の上記一面側（上面側）の温度が上がると共に上記電子ヒートポンプモジュール１の他面側（下面側）の温度が下がる。

上記電源スイッチ６は、上記電子ヒートポンプモジュール１の電源のＯＮ／ＯＦＦを切り替える。上記ＤＣジャック７は、ＡＣアダプタや自動車のシガーソケット等に差し込まれて電源を供給する。

上記飲料用保温保冷装置の作用を説明すると、上記切り替えスイッチ５を「保冷」にした場合、上記電子ヒートポンプモジュール１の上記一面側の温度が下がって、上記電子ヒートポンプモジュール１は、上記伝熱ケース３３を介して、この伝熱ケース３３に接触している上記飲料入り容器２を冷却する。一方、上記切り替えスイッチ５を「保温」にした場合、上記電子ヒートポンプモジュール１の上記一面側の温度が上がって、上記電子ヒートポンプモジュール１は、上記伝熱ケース３３を介して、この伝熱ケース３３に接触している上記飲料入り容器２を加熱する。なお、上記伝熱ケース３３を移動する熱は、上記断熱部材３２により、上記容器本体１と遮断されており、上記飲料入り容器２を、効率的に、保温または保冷することができる。

また、上記収納本体３は、上記収納部３０と反対側に開口している開口部３４を有する。この開口部３４には、上記電子ヒートポンプモジュール１の上記他面側（下面側）に熱的に接触するように、冷却機構１０が取り付けられている。

この冷却機構１０は、上記電子ヒートポンプモジュール１の上記他面側に熱的に接触するヒートシンク１１と、このヒートシンク１１を冷却する冷却ファン１２とを備える。このヒートシンク１１は、金属等の熱伝導性の優れた材質で形成される。

この冷却機構１０の作用を説明すると、上記切り替えスイッチ５を「保冷」にして、上記電子ヒートポンプモジュール１が上記収納部３０を冷却する状態にあるとき、上記電子ヒートポンプモジュール１の上記他面側（放熱側）の熱を上記ヒートシンク１１に伝達させ、このヒートシンク１１に上記冷却ファン１２から空気を吹き付け、上記ヒートシンク１１の熱を除去して、上記電子ヒートポンプモジュール１の上記他面側（放熱側）を冷却する。したがって、上記電子ヒートポンプモジュール１の熱を外部へ強制的に排出することができて、冷却効果を向上できる。

なお、上記収納本体３の上記容器本体３１には、上記開口部３４と外部とが連通するための空気孔３４ａが設けられており、矢印に示すように、上記冷却ファン１２にて外部から吸入した空気を、上記空気孔３４ａを通して、外部へ排出することができ、上記電子ヒートポンプモジュール１の熱を確実に排出することができる。

上記電子ヒートポンプモジュール１は、図２に示すように、例えば金属等の熱伝導性に優れた材質にて形成された第１と第２の伝熱プレート４１，４２と、この第１と第２の伝熱プレート４１，４２の間に挟まれた複数の真空ダイオード型の電子ヒートポンプ装置１００とを備える。この複数の電子ヒートポンプ装置１００は、直列または並列または直並列混載に、電気的に接続されている。

このように、上記複数の電子ヒートポンプ装置１００がモジュール化されているので、大きな容量の飲料入り容器２を迅速に冷却または加熱することができる。

上記電子ヒートポンプ装置１００は、吸熱側と放熱側とが熱的に分離された構造であり、ペルチェ効果を応用しない電子ヒートポンプ機構になる。また、上記電子ヒートポンプ装置１００における上記吸熱側と上記放熱側との間には、上記吸熱側と上記放熱側とを熱的に分離するための熱的に絶縁性のスペーサ部が存在しており、例えば、エミッタとコレクタとを熱的に分離するための機構等を別途設ける必要がなくて、簡素な構成にできる。

上記電子ヒートポンプ装置１００は、略円盤形状であり、上記切り替えスイッチ５により上記電子ヒートポンプ装置１００に流れる電流の向きを切り替えることで、上記電子ヒートポンプ装置１００の一面を吸熱側にすると共に上記電子ヒートポンプ装置１００の他面を放熱側にし、または、上記電子ヒートポンプ装置１００の一面を放熱側にすると共に上記電子ヒートポンプ装置１００の他面を吸熱側にする。すなわち、上記第１の伝熱プレート４１は、上記電子ヒートポンプ装置１００の一面に熱的に接触し、上記第２の伝熱プレート４２は、上記電子ヒートポンプ装置１００の他面に熱的に接触する。

以下、上記電子ヒートポンプモジュール１（上記電子ヒートポンプ装置１００）が、上記飲料入り容器２を冷却する状態にあるものとして、説明する。

上記電子ヒートポンプ装置１００は、図３の斜視図、図４の縦断面図および図５の要部拡大図に示すように、電気的および熱的に伝導性の第１の電極基板１０３と、この第１の電極基板１０３に電気および熱が伝導可能なように一面が連結された第１の半導体基板１１０と、この第１の半導体基板１１０の他面に設けられた第１の内部電極１１１と、電気的および熱的に伝導性の第２の電極基板１０４と、この第２の電極基板１０４に電気および熱が伝導可能なように一面が連結された第２の半導体基板１２０と、この第２の半導体基板１２０の他面に設けられた第２の内部電極１２１と、上記第１の電極基板１０３と上記第２の電極基板１０４との間に配置されて上記第１の電極基板１０３と上記第２の電極基板１０４との間隔を一定に保つと共に電気的および熱的に絶縁性の間隔保持部材１０６と、上記第１の電極基板１０３と上記第２の電極基板１０４との間の真空を維持する封止部材１０７とを備える。

この場合、上記第１の半導体基板１１０および上記第１の内部電極１１１にて、電子を放出するエミッタ１０１を形成し、上記第２の半導体基板１２０および上記第２の内部電極１２１にて、電子を受け取るコレクタ１０２を形成する。

ここで、上記第１の電極基板１０３は、（図２に示す）上記第１の伝熱プレート４１に熱的に接触し、この第１の伝熱プレート４１は、（図１に示す）上記伝熱ケース３３に熱的に接触するものとする。

上記第１の電極基板１０３および上記第２の電極基板１０４は、それぞれ、中空部を有するステムであり、以下、上記第１の電極基板１０３を第１のステム１０３とよび、上記第２の電極基板１０４を第２のステム１０４とよぶ。

上記エミッタ１０１と上記コレクタ１０２とは、対向して配置され、上記エミッタ１０１と上記コレクタ１０２との間には、隙間（真空ギャップ）Ｇを有する。上記第１のステム１０３と上記第２のステム１０４とは、電源１０８に接続される。

この電子ヒートポンプ装置１００の作用を説明すると、図３と図６に示すように、上記電源１０８から上記第１のステム１０３および上記第２のステム１０４に電流を流すことで、電子が、矢印に示すように、上記エミッタ１０１から上記コレクタ１０２へ移動する。このとき、上記電子は、運動エネルギーが小さいけれども、物理的ギャップが狭いために、「電子トンネル効果」と呼ばれる現象で、上記隙間（障壁）Ｇをすり抜けて、上記コレクタ１０２側へ移動できる。また、運動エネルギー(熱エネルギー)を持った電子(障壁を移動する電子)が、上記エミッタ１０１から上記コレクタ１０２に移動することで、上記エミッタ１０１のエネルギー不足が起こり、上記エミッタ１０１側では吸熱による冷却が起こる。このような現象によって、上記エミッタ１０１側（上記第１のステム１０３）が、冷却（吸熱）側になり、上記コレクタ１０２側（上記第２のステム１０４）が、放熱（加熱）側になる。

図３、図４および図５に示すように、上記第１の内部電極１１１は、上記第１の半導体基板１１０の他面の略全体的に設けられ、上記第２の内部電極１２１は、上記第２の半導体基板１２０の他面の一部を除いた全体的に設けられる。

上記エミッタ１０１と上記コレクタ１０２とは、上記第１の内部電極１１１と上記第２の内部電極１２１とを上記隙間Ｇをあけて対向するように配置される。

上記第２の半導体基板１２０には、上記第１の内部電極１１１と上記第２の内部電極１２１との間の上記隙間Ｇを一定に保つと共に電気的および熱的に絶縁性のスペーサ部１０５が一体に形成されている。

要するに、複数の上記スペーサ部１０５は、上記第２の半導体基板１２０に一体に形成されると共に上記第１の内部電極１１１に接触し、さらに、上記複数のスペーサ部１０５は、互いに間隔をもって、上記第２の半導体基板１２０の全面に、略一様に分布して整列されており、上記第１の内部電極１１１と上記第２の内部電極１２１との間の上記隙間Ｇを一定に保ち、上記スペーサ部１０５の厚みにて、上記隙間Ｇの大きさが決定される。

具体的には、上記第１と第２の半導体基板１１０，１２０として、例えば、ｎ型のＳｉ基板（ウエハ）を用いた場合、上記第２の半導体基板１２０の表面に熱酸化を施してＳｉＯ₂膜を形成し、このＳｉＯ₂膜をエッチングして上記スペーサ部１０５が形成される。

上記第１の内部電極１１１の表面および上記第２の内部電極１２１の表面における最大高さ粗さＲｚの値は、上記第１の内部電極１１１と上記第２の内部電極１２１との間隔の最小値の１／２以下、好ましくは１／４以下である。

このように、上記最大高さ粗さＲｚの値が、上記第１の内部電極１１１と上記第２の内部電極１２１との間隔の最小値の１／２以下であるので、上記両方の内部電極１１１，１２１の表面を平滑にして、上記両方の内部電極１１１，１２１の表面の凹凸による荒れによって発生する不具合を低減する。

例えば、表面の凸部同士の対向における上記両方の内部電極１１１，１２１の接触による短絡不良を低減し、表面の凹部同士の対向における間隔（真空ギャップ）の広がりによる電子放出量の減少および冷却量の減少を低減する。

すなわち、上記最大高さ粗さＲｚの値が、上記間隔の最小値の１／２を越えると、表面の凹部同士の対向や反りによる間隔（真空ギャップ）の広がりによって、上記エミッタ１０１からの電子放出量が減少して冷却量が減少する一方、表面の凸部同士の対向によって、上記両方の内部電極１１１，１２１が接触して短絡不良が生じるおそれがある。

上記第１の内部電極１１１および上記第２の内部電極１２１は、単一金属、金属合金、金属と非金属との化合物、半導体材料および不純物ドープ半導体材料の内の何れか一つであり、上記両方の内部電極１１１，１２１の表面の平滑性と上記エミッタ１０１からの電子放出とを効果的に実現することができる。

上記第１の内部電極１１１および上記第２の内部電極１２１の内の少なくとも上記第１の内部電極１１１（エミッタ側の電極）は、セシウム（Ｃｓ）、カーボン（Ｃ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、シリコン（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、アルミ（Ａｌ）の内の少なくとも一つを含む材料からなる。

このように、少なくとも上記第１の内部電極１１１（エミッタ側の電極）が、仕事関数の低い材料からなり、上記エミッタ１０１側からの電子放出を高め、電圧印加の量を低減でき、消費電力の低減が可能となる。

上記第１の内部電極１１１（エミッタ側の電極）の仕事関数は、上記第２の内部電極１２１（コレクタ側の電極）の仕事関数と略等しいか、もしくは、上記第２の内部電極１２１（コレクタ側の電極）の仕事関数よりも低い。

このように、上記第１の内部電極１１１の仕事関数が、上記第２の内部電極１２１の仕事関数と略等しい場合、電流供給の方向を逆方向にすることで、熱の移動方向を容易に反転できる。他方、上記第１の内部電極１１１の仕事関数が、上記第２の内部電極１２１の仕事関数よりも低い場合、両方の内部電極１１１，１２１に温度差が生じたとき、上記コレクタ側の加熱による熱電子放出量を低減でき、かつ、電圧印加の量を低減できて、特に、この飲料用保温保冷装置を冷却用として使用する場合、消費電力の低減が可能となる。

上記第１のステム１０３および上記第２のステム１０４は、それぞれ、中空部１３０，１４０を有し、この両方の中空部１３０，１４０と、上記第１の内部電極１１１と上記第２の内部電極１２１との間の上記隙間Ｇとは、真空であり、上記両方の中空部１３０，１４０と上記隙間Ｇとは、上記第１のステム１０３および上記第２のステム１０４に設けられた通気孔１３２ａ，１４２ａを介して、同じ真空度である。

具体的に述べると、上記第１のステム１０３は、銅製容器体１３１と、この容器体１３１を蓋すると共に上記通気孔１３２ａが設けられた銅製平板１３２とを有する。上記容器体１３１と上記平板１３２にて囲まれた空間にて、上記中空部１３０を形成し、この中空部１３０と上記第１のステム１０３の外部とが、上記通気孔１３２ａを介して、連通する。

同様に、上記第２のステム１０４は、銅製容器体１４１と、この容器体１４１を蓋すると共に上記通気孔１４２ａが設けられた銅製平板１４２とを有し、上記容器体１４１と上記平板１４２にて上記中空部１４０を形成し、この中空部１４０と上記第２のステム１０４の外部とが、上記通気孔１４２ａを介して、連通する。

そして、上記エミッタ１０１および上記コレクタ１０２は、上記第１のステム１０３の平板１３２と上記第２のステム１０４の平板１４２とに挟まれる。

このように、上記エミッタ１０１および上記コレクタ１０２は、上記両方のステム１０３，１０４の中空部１３０，１４０に挟まれているので、大気圧の応力影響を受けるのは、上記両方のステム１０３，１０４の最外部（上記容器体１３１，１４１）のみとなり、直接に、上記エミッタ１０１および上記コレクタ１０２に応力を加えることが無くなって、圧力たわみによる変形および破壊が生じない。

上記第１のステム１０３および上記第２のステム１０４は、それぞれ、ＣｕまたはＣｕ合金からなるので、上記エミッタ１０１および上記コレクタ１０２にて生じた熱を、効果的にかつ効率的に、外部の熱伝導部へ伝えることができる。

上記間隔保持部材１０６は、上記第１のステム１０３の上記平板１３２と上記第２のステム１０４の上記平板１４２との間に介在する。上記間隔保持部材１０６は、ＳｉＯ₂を主成分する材料であり、上記エミッタ１０１および上記コレクタ１０２の熱膨張係数と同等以下である。

このように、上記間隔保持部材１０６は、上記電子ヒートポンプ装置１００の製造において、上記エミッタ１０１、上記コレクタ１０２および上記両方のステム１０３，１０４における振動および傾き等の外部応力で、上記スペーサ部１０５に急峻で致命的な破壊応力が加わらないように、上記両方のステム１０３，１０４を一定間隔に維持および応力分散する作用を有し、かつ、真空封止作業で、上記封止部材１０７が、上記第１の内部電極１１１および上記第２の内部電極１２１に至らないように保護する作用を有する。

上記封止部材１０７は、上記第１のステム１０３の外周と上記第２のステム１０４の外周とを覆うように接触し、電気的および熱的に絶縁性である。具体的には、上記封止部材１０７は、上記第１のステム１０３の上記平板１３２と上記第２のステム１０４の上記平板１４２との間に介在すると共に、上記第１のステム１０３の上記平板１３２の外周縁と上記第２のステム１０４の上記平板１４２の外周縁とを覆っている。上記封止部材１０７としては、例えば、低融点のガラスを用いる。

上記構成の電子ヒートポンプ装置１００によれば、上記第１の内部電極１１１と上記第２の内部電極１２１との間に上記隙間Ｇ（真空ギャップ）を有するので、この電子ヒートポンプ装置１００を真空ギャップダイオード構造にできて、熱の逆流を防止して、ペルチェ素子よりも消費電力を少なくできる。

また、上記第２の半導体基板１２０には、上記隙間Ｇを一定に保つと共に電気的および熱的に絶縁性の上記スペーサ部１０５が一体に形成されているので、簡単な構成で、熱の逆流を防止しつつ、真空ギャップを所定の間隔に確保できる。具体的に述べると、エミッタとコレクタとを熱的に分離するための機構等を別途設ける必要がなくて、部品数を減少でき、小型化、軽量化およびコスト削減を図ることができる。

また、上記スペーサ部１０５の厚みを調整して、上記隙間Ｇをナノレベル（例えば、１ｎｍ〜１０ｎｍ）に近づけることで、障壁高さを低減でき、上記エミッタ１０１の電子放出の効果を高めることが可能になる。

なお、図示しないが、上記電子ヒートポンプ装置１００にて上記飲料入り容器２を加熱する場合、上記第１のステム１０３および上記第２のステム１０４に逆方向の電流を流せばよい。この場合、上記第１の半導体基板１１０および上記第１の内部電極１１１にて、電子を受け取るコレクタを形成し、上記第２の半導体基板１２０および上記第２の内部電極１２１にて、電子を放出するエミッタを形成する。

上記構成の飲料用保温保冷装置によれば、吸熱側と放熱側とが熱的に分離された上記真空ダイオード型の電子ヒートポンプ装置１００を備えるので、ペルチェ素子の冷却加熱機構よりも消費電力を大幅に減らすことができ、さらに、ペルチェ素子の材料となる有害物質を使用しないので、環境にやさしいものになる。

（第２の実施形態）
次に、図７は、上記冷却機構の他の実施形態を示している。この冷却機構２０は、順次配管にて環状に接続された、冷却ジャケット２１、リザーブタンク２２、ヒートシンク２３およびポンプ２４を備え、冷凍サイクルを構成する。この冷却機構２０は、例えば、グリコール系の不凍液を冷却液としている。なお、図７中の部材において、上記第１の実施形態（図１）の符号と同一のものは、同一の構成である。

上記冷却ジャケット２１は、上記電子ヒートポンプモジュール１の上記他面側（下面側）に熱的に接触するように配置され、熱伝導性の優れた、例えばアルミニウムや銅等で形成される。

上記リザーブタンク２２は、上記冷却液の温度変化による膨張または収縮を吸収する。上記ヒートシンク２３は、金属等の熱伝導性の優れた材質で形成される。上記ポンプ２４は、上記冷凍サイクルにおいて上記冷却液を循環させる。

上記冷却機構２０の作用を説明すると、上記電子ヒートポンプモジュール１が上記収納部３０を冷却する状態にあるとき、上記電子ヒートポンプモジュール１の上記他面側（放熱側）で発生した熱を、上記冷却ジャケット２１の内部を流れている上記冷却液に伝え、この冷却液を介して、上記ヒートシンク２３に熱が循環され、このヒートシンク２３に伝わった熱は、外部（外気）へ排出される。また、上記冷却液が循環される上記配管として、例えば、銅等の熱伝導性の良好なものを使用すれば、この配管からも熱が排出される。

なお、上記ヒートシンク２３の内側に、冷却ファン等の送風装置を別途取り付けて、熱を外部へ強制的に排出するようにしてもよく、冷却効果を上げることができる。このとき、冷却ファンの回転数を落しても、同様の冷却効果が得られるため、騒音の発生を低減できる。

上記ポンプ２４は、上記冷却液を上記冷却ジャケット２１から上記ヒートシンク２３まで循環させるだけの能力があれば良いため、吐き出し圧力の低い小型で軽量のポンプを使用でき、低騒音で低振動の飲料用保温保冷装置を実現できる。

このように、上記冷却ジャケット２１から上記ヒートシンク２３まで、上記電子ヒートポンプモジュール１の放熱面の熱が、冷却液によって効率良く輸送されて排出されるため、簡単な構成で、騒音の発生を防止しつつ確実に熱を排出できる。

（第３の実施形態）
次に、図８、図９および図１０に、上記電子ヒートポンプ装置の他の実施形態を示す。この電子ヒートポンプ装置２００は、電気的および熱的に伝導性を有する略直方体状の第１の電極基板２０３と、この第１の電極基板２０３に電気および熱が伝導可能なように一面が連結された第１の半導体基板２１０と、この第１の半導体基板２１０の他面に設けられた第１の内部電極２１１と、電気的および熱的に伝導性を有する略直方体状の第２の電極基板２０４と、この第２の電極基板２０４に電気および熱が伝導可能なように一面が連結された第２の半導体基板２２０と、この第２の半導体基板２２０の他面に設けられた第２の内部電極２２１と、上記第１の電極基板２０３と上記第２の電極基板２０４との間に配置されて上記第１の電極基板２０３と上記第２の電極基板２０４との間隔を一定に保つと共に電気的および熱的に絶縁性の間隔保持部材２０６と、上記第１の電極基板２０３と上記第２の電極基板２０４との間の真空を維持する封止部材２０７とを備える。

以下、上記電子ヒートポンプ装置２００にて上記飲料入り容器２を冷却するとして、説明する。この場合、上記第１の半導体基板２１０および上記第１の内部電極２１１にて、電子を放出するエミッタ２０１を形成し、上記第２の半導体基板２２０および上記第２の内部電極２２１にて、電子を受け取るコレクタ２０２を形成する。

ここで、上記第１の電極基板２０３は、（図２に示す）上記第１の伝熱プレート４１に熱的に接触し、この第１の伝熱プレート４１は、（図１に示す）上記伝熱ケース３３に熱的に接触するものとする。

上記第１の電極基板２０３および上記第２の電極基板２０４は、それぞれ、中実である。

上記エミッタ２０１と上記コレクタ２０２とは、対向して配置され、上記エミッタ２０１と上記コレクタ２０２との間には、隙間（真空ギャップ）Ｇを有する。上記第１の電極基板２０３と上記第２の電極基板２０４とは、電源２０８に接続される。

この電子ヒートポンプ装置２００の作用を説明すると、上記電源２０８から上記第１の電極基板２０３および上記第２の電極基板２０４に電流を流すことで、上記エミッタ２０１および上記コレクタ２０２に電圧が印加されて電子が供給される。そして、上記エミッタ２０１側（上記第１の電極基板２０３）が、冷却（吸熱）側になり、上記コレクタ２０２側（上記第２の電極基板２０４）が、放熱（加熱）側になる。

上記第１の内部電極２１１は、上記第１の半導体基板２１０の他面の略全体的に設けられている。具体的に述べると、上記第１の半導体基板２１０は、導電性を得るために表面研磨されたｎ型シリコン基板であり、上記第１の内部電極２１１は、上記ｎ型シリコン基板の表面研摩された面に、セシウムが表面を被覆したＴｉ薄膜である。上記エミッタ２０１は、略直方体形状である。

上記第２の内部電極２２１は、上記第２の半導体基板２２０の他面の一部を除いた全体的に設けられる。上記第２の半導体基板２２０には、電気的および熱的に絶縁性のスペーサ部２０５が一体に形成されている。

具体的に述べると、上記第２の半導体基板２２０は、導電性を得るために表面研磨されたｎ型シリコン基板であり、このｎ型シリコン基板の表面研磨された面に、熱酸化膜を形成し、フォトエッチングによりパターニングして、正方形格子状に配置した酸化シリコンのスペーサ部２０５が形成される。このスペーサ部２０５の周囲を除いてパターニングしたＴｉ薄膜にて第２の内部電極２２１が形成される。上記コレクタ２０２は、略直方体形状であり、上記スペーサ部２０５の厚みと、Ｔｉ薄膜の上記第２の内部電極２２１の膜厚との差が、上記隙間Ｇとなる。

複数の上記スペーサ部２０５は、上記第２の半導体基板２２０に一体に形成されると共に上記第１の内部電極２１１に接触し、さらに、上記複数のスペーサ部２０５は、互いに間隔をもって、上記第２の半導体基板２２０の全面に、略一様に分布して整列されており、上記第１の内部電極２１１と上記第２の内部電極２２１との間の上記隙間Ｇを一定に保ち、上記スペーサ部２０５の厚みにて、上記隙間Ｇの大きさが決定される。

上記第１の電極基板２０３および上記第２の電極基板２０４は、上記間隔保持部材２０６が、上記第１の電極基板２０３の外周部と上記第２の電極基板２０４の外周部とに接触している状態において、外部の大気圧と内部の真空とによる圧力差から生じる圧縮応力に対して、上記第１の内部電極２１１と上記第２の内部電極２２１とが接触しないような剛性、ヤング率および厚みを有する。

具体的に述べると、上記第１の電極基板２０３および上記第２の電極基板２０４は、圧縮応力による応力変形で、上記隙間Ｇが短絡しないよう、剛性の高い材料としてタングステンからなる。なお、上記第１の電極基板２０３および上記第２の電極基板２０４の材料として、タングステン以外でもタングステンカーバイトや銅やシリコンを用いてもよく、上記第１の電極基板２０３および上記第２の電極基板２０４の厚みを調整すればよい。

このように、上記構成の飲料用保温保冷装置によれば、上記第１の電極基板２０３および上記第２の電極基板２０４は、それぞれ、中実であるので、上記電子ヒートポンプ装置２００を薄く小型にできて、飲料用保温保冷装置の一層の小型化を図ることができる。

また、上記第１の電極基板２０３および上記第２の電極基板２０４は、それぞれ、略直方体状であるので、上記電子ヒートポンプ装置２００を略直方体チップ形状にできて、例えば、新たな、または、既存の飲料用保温保冷装置の内部に組み込み易くなる。

なお、上記電子ヒートポンプ装置２００において、その他の構造および効果は、上記第１の実施形態の電子ヒートポンプ装置１００と同じであるので、その説明を省略する。

なお、図示しないが、上記電子ヒートポンプ装置２００にて上記飲料入り容器２を加熱する場合、上記第１の電極基板２０３および上記第２の電極基板２０４に逆方向の電流を流せばよい。この場合、上記第１の半導体基板２１０および上記第１の内部電極２１１にて、電子を受け取るコレクタを形成し、上記第２の半導体基板２２０および上記第２の内部電極２２１にて、電子を放出するエミッタを形成する。

なお、この発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。例えば、上記電子ヒートポンプ装置を、モジュール化せずに、単体（単一素子）にしてもよい。また、上記第１の半導体基板と上記第２の半導体基板との内の少なくとも一方に、上記スペーサ部を一体に形成すればよい。

本発明の飲料用保温保冷装置の一実施形態を示す縦断面図である。電子ヒートポンプ装置を搭載した電子ヒートポンプモジュールを示す斜視図である。電子ヒートポンプ装置を示す斜視図である。電子ヒートポンプ装置の縦断面図である。図４のＡ部拡大断面図である。電子ヒートポンプ装置の作用説明図である。本発明の飲料用保温保冷装置の他の実施形態を示す縦断面図である。他の電子ヒートポンプ装置を示す斜視図である。他の電子ヒートポンプ装置の縦断面斜視図である。他の電子ヒートポンプ装置の要部拡大断面図である。従来の飲料用保温保冷装置を示す縦断面図である。ペルチェ素子の作用説明図である。

符号の説明

１電子ヒートポンプモジュール
２飲料入り容器
３収納本体
１０冷却機構
１１ヒートシンク
１２冷却ファン
２０冷却機構
２１冷却ジャケット
２２リザーブタンク
２３ヒートシンク
２４ポンプ
３０収納部
１００，２００電子ヒートポンプ装置
１０１，２０１エミッタ
１１０，２１０第１の半導体基板
１１１，２１１第１の内部電極
１０２，２０２コレクタ
１２０，２２０第２の半導体基板
１２１，２２１第２の内部電極
１０３第１のステム（第１の電極基板）
１３０中空部
１０４第２のステム（第２の電極基板）
１４０中空部
２０３第１の電極基板
２０４第２の電極基板
１０５，２０５スペーサ部
１０６，２０６間隔保持部材
１０７，２０７封止部材
Ｇ隙間

Claims

飲料入り容器を収納するための収納部を有する収納本体と、
この収納本体の収納部を冷却または加熱すると共に吸熱側と放熱側とが熱的に分離された真空ダイオード型の電子ヒートポンプ装置と
を備え、
上記電子ヒートポンプ装置は、
第１の電極基板と、
この第１の電極基板に、電気および熱が伝導可能なように、一面が連結された第１の半導体基板と、
この第１の半導体基板の他面に設けられた第１の内部電極と、
第２の電極基板と、
この第２の電極基板に、電気および熱が伝導可能なように、一面が連結された第２の半導体基板と、
この第２の半導体基板の他面に設けられた第２の内部電極と
を備え、
上記第１の内部電極と上記第２の内部電極とは、隙間をあけて対向するように配置され、
かつ、上記第１の半導体基板と上記第２の半導体基板との内の少なくとも一方には、上記第１の内部電極と上記第２の内部電極との間の上記隙間を一定に保つと共に電気的および熱的に絶縁性のスペーサ部が一体に形成されており、
さらに、上記第１の電極基板と上記第２の電極基板との間に配置されて上記第１の電極基板と上記第２の電極基板との間隔を一定に保つと共に電気的および熱的に絶縁性の間隔保持部材と、
上記第１の電極基板と上記第２の電極基板との間の真空を維持する封止部材と
を備えることを特徴とする飲料用保温保冷装置。
請求項１に記載の飲料用保温保冷装置において、
上記電子ヒートポンプ装置における上記吸熱側と上記放熱側との間には、上記吸熱側と上記放熱側とを熱的に分離するための熱的に絶縁性のスペーサ部が存在することを特徴とする飲料用保温保冷装置。
請求項１に記載の飲料用保温保冷装置において、
上記第１の電極基板および上記第２の電極基板は、それぞれ、中空部を有することを特徴とする飲料用保温保冷装置。
請求項１に記載の飲料用保温保冷装置において、
上記第１の電極基板および上記第２の電極基板は、それぞれ、中実であることを特徴とする飲料用保温保冷装置。
請求項４に記載の飲料用保温保冷装置において、
上記第１の電極基板および上記第２の電極基板は、それぞれ、略直方体状であることを特徴とする飲料用保温保冷装置。
請求項１に記載の飲料用保温保冷装置において、
上記収納本体の収納部を冷却する状態にある上記電子ヒートポンプ装置の放熱側を冷却する冷却機構を備えることを特徴とする飲料用保温保冷装置。
請求項６に記載の飲料用保温保冷装置において、
上記冷却機構は、
上記電子ヒートポンプ装置の放熱側に熱的に接触するヒートシンクと、
このヒートシンクを冷却する冷却ファンと
を備えることを特徴とする飲料用保温保冷装置。
請求項６に記載の飲料用保温保冷装置において、
上記冷却機構は、
順次環状に接続された、冷却ジャケット、リザーブタンク、ヒートシンクおよびポンプを備え、
上記冷却ジャケットは、上記電子ヒートポンプ装置の放熱側に熱的に接触するように配置されることを特徴とする飲料用保温保冷装置。
請求項１に記載の飲料用保温保冷装置において、
上記電子ヒートポンプ装置は、複数存在し、この複数の電子ヒートポンプ装置は、電気的に接続されて、モジュール化されていることを特徴とする飲料用保温保冷装置。