JP4314307B1 - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電界集中しやすい構造に依存せず、熱交換性能の維持及び向上が可能な熱交換装置を実現する。
【解決手段】発熱体放熱装置１は、発熱体２と接触するヒートシンク３と、ヒートシンク３と離間して配され、この離間部分の空気を介してヒートシンク３へ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８との間に電圧を印加する電源１０と、電源１０による電圧印加によりその内部で電子を加速させて、薄膜電極９から放出させる電子加速層８とを備え、電子加速層８は、少なくとも一部が絶縁体で構成されている。これにより、電界集中しやすい構造に依存せず、熱交換性能の維持及び向上が可能になる。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換装置に関するものである。

従来、発熱体を冷却する手段として、回転羽式空気流発生装置（以下、ファンと記す）を用いる手段が一般的であった。しかしながら、ファンを使用して冷却する手段においては、ファン作動時の騒音が大きいという問題点があった。この問題を解決するため、ファンによる冷却に代えて、コロナ放電を利用したイオン風での冷却が考案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。このイオン風を用いることで、ファン特有の風切音がないため、騒音を低減することができる。さらには、イオン風を熱源（発熱体）にあてることで、ファンのみの冷却よりも冷却効果があることが判っている（非特許文献１）。非特許文献２には、コロナ放電を安定に発生させるために必要な条件が記載されている。

以下、ファンの気流のみによる冷却と比較した、イオン風による冷却効果について説明する。ここでは、ファンの気流のみを熱源に接触して冷却する場合と、ファンの気流及びイオン風を熱源に接触して冷却する場合とについて考える。

ファンの気流のみを熱源に接触して冷却する場合では、熱源近傍に存在する気体分子を除去することは困難である。これは、ファンの気流では表面は層流であるため、流体力学的に熱源表面の気体分子の流速が０であるためである。したがって、ファンの気流のみを熱源に接触して冷却する場合、流体力学的に、熱源近傍の気体分子は、除去されず留まったままになる。

一方、ファンの気流及びイオン風を熱源に接触して冷却する場合、電荷を有するイオンが、電気力線に沿って熱源表面近傍に到達する。そして、このイオンにより、熱源表面近傍の分子運動量の比較的大きな気体分子が攪拌される。その結果、高効率に熱源を冷却することが可能になるといわれている。この現象を利用して、現在、例えば特許文献３に開示されたイオン風冷却装置が考案されている。特許文献３では、ヒートシンクにおける冷却フィン間のワイヤ放電によりイオン風を発生させる装置が開示されている。
特開昭６０−２００２７号公報（昭和６０（1985）年２月１日公開） 特開２００６−１００７５８号公報（平成１８（2006）年４月１３日公開） 特開平９−２５２０６８号公報（平成９（1997）年９月２２日公開） Ｄａｖｉｄ Ｂ． Ｇｏ， Ｓｕｒｅｓｈ Ｖ．Ｇａｒｉｍｅｌｌａ， ａｎｄ Ｔｉｍｏｔｈｙ Ｓ． Ｆｉｓｈｅｒ， Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．， １０２， ０５３３０２（２００７） 電子写真技術の基礎と応用，電子写真学会編，コロナ社，（１９８８）ｐ．２１３

しかしながら、特許文献３に開示されたイオン風冷却装置におけるワイヤ放電（コロナ放電）には、以下の問題が生じる。

すなわち、特許文献２に記載のように、コロナ放電を安定に発生させるためには、放電電圧が６〜８ｋＶ、電極間距離が１０ｍｍ程度必要であるといわれている。それゆえ、コロナ放電を利用した冷却装置では、高電圧による危険性がある。さらには、電極間距離が大きいことにより、冷却装置が大型化するという問題がある。

冷却装置を小型化するためには、電極間距離を小さくする必要がある。しかしながら、電極間距離を小さくした（狭くした）場合、ストリーマ型コロナ放電が発生しやすくなるため、局所的に温度上昇が起きる。そして、この温度上昇は、ワイヤ電極の断線や熱源の損傷に繋がる。それゆえ、電極間距離を狭くした冷却装置は、実用性に欠ける。

また、電極間距離を変えずに冷却装置を小型化するためには、放電部（ワイヤ電極と放電用電極との組合せにより放電を行う部分）の数を減少させることが必要である。それゆえ、冷却性能の維持及び向上ができないという問題がある。

また、特許文献３に開示されたイオン風冷却装置では、ヒートシンクの冷却フィンといった電界集中しやすい構造を形成されている。このように電界集中しやすい冷却フィン間でワイヤ放電しイオン風を発生させる構成では、継続的、かつ安定なイオン風供給が困難になる。

なお、上記の問題は、イオン風により被熱体としての熱源を冷却する冷却装置に限らず、イオン風により被熱体を加温または加熱する加熱装置にも生じる問題である。すなわち、上記の問題は、イオン風を利用して、被熱体と被熱体に接触する接触部材との間の熱交換を行う熱交換装置全般に生じ得る問題である。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電界集中しやすい構造に依存せず、熱交換性能の維持及び向上が可能な熱交換装置を実現することにある。

本発明者らは、従来のワイヤ放電素子の代わりに、内部電場で電子放出可能な（外部電場を必要としない）電子放出素子を、被熱体に接触する接触部材と対向（離間）するように配置することによって、ヒートシンクのフィン等の電界集中しやすい構造が近傍に配置されていても、安定して大気中に電荷を供給しイオン風を形成することが可能であることを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明の熱交換装置は、上記の課題を解決するために、被熱体と接触する導電性の接触部材と、該接触部材と離間して配され、この離間部分の空気を介して上記接触部材へ電子を付与する電子放出素子とを備えた熱交換装置であって、上記電子放出素子は、電極基板と、薄膜電極と、電極基板と薄膜電極との間に電圧を印加する第一の電圧印加手段と、第一の電圧印加手段による電圧印加によりその内部で電子を加速させて、当該薄膜電極から放出させる電子加速層とを備え、上記電子加速層は、少なくとも一部が絶縁体で構成されていることを特徴としている。

本発明の熱交換装置は、被熱体と接触する導電性の接触部材と離間して配された電子放出素子を備えた構成である。そして、この電子放出素子は、電極基板と、薄膜電極と、電極基板と薄膜電極との間に電圧を印加する第一の電圧印加手段と、第一の電圧印加手段による電圧印加によりその内部で電子を加速させて、当該薄膜電極から放出させる電子加速層とを備え、上記電子加速層は、少なくとも一部が絶縁体で構成されている。この構成により、内部電場で電子放出可能な電子放出素子を実現することができる。すなわち、電子放出素子は、接触部材との離間部分に存在する空気を介して、接触部材へ電子を付与するようになる。この電子は、離間部分に存在する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る。そして、イオン化された空気分子が電界に沿って移動することによりイオン風が発生し、そのイオンが接触部材に到達することにより、熱源表面の空気分子が攪拌される。

このように上記の構成によれば、従来のワイヤ放電素子の代わりに、内部電場で電子放出可能な電子放出素子が、接触部材と離間するように配置された構成になっている。これにより、接触部材近傍に電界集中しやすい構造が配置されていても、電子放出素子は、安定して大気中に電子を供給し、イオン風を発生させることができる。さらには、接触部材の形状が複雑であっても、安定したイオン風供給が得られる。換言すると、本発明の熱交換装置は、従来のワイヤ放電素子といったコロナ放電によりイオン風を発生させるのではなく、内部電場で電子放出可能な電子放出素子によりイオン風を発生させている。それゆえ、従来のイオン風冷却装置のように、装置を小型化するために、放電部の数を減少させる必要がない。さらには、ワイヤ放電用電極間の距離を小さくする必要がない。したがって、上記の構成によれば、ワイヤ放電用電極間の距離等従来のコロナ放電によるイオン風冷却装置で生じていた問題を招来しない。それゆえ、例えば接触部材としてヒートシンクを用いた場合、上記の構成によれば、従来のイオン風発生装置と比較して、装置を小型化するに際し、装置サイズは同じであってもフィン数を増加できるようになり、熱交換能力を向上することができる。

以上のように、上記の構成によれば、電界集中しやすい構造に依存せず、熱交換性能の維持及び向上が可能な熱交換装置を実現することが可能になる。

本発明の熱交換装置では、上記電子加速層には、周囲に第一の誘電体物質が存在する導電体からなる導電微粒子と、上記導電微粒子の大きさより大きい第二の誘電体物質と、が含まれることが好ましい。

上記の構成によれば、電子加速層は、周囲に第一の誘電体物質が存在する導電体からなる導電微粒子集合によって、多層ＭＩＭ構造を形成し、電極基板と薄膜電極との間に電圧を印加することによって上記電子加速層を通る電子を加速し弾道電子とし、薄膜電極を通過させて電子を放出することができる。

また、上記第二の誘電体物質は、電子加速層における抵抗値を調整することができる。さらに、上記第二の誘電体物質は、電子が絶縁被膜された金属微粒子を繰り返しトンネルする過程で生じる熱などを逃がす役割を受け持つことができるため、電子放出素子が熱で破壊されるのを防ぐことができる。

本発明の熱交換装置は、上記構成を有する電子加速層を有しているため、電極間距離が狭くとも安定的に低電圧で電子を放出し空気分子がイオン化することができる。このため、上記の構成によれば、熱交換装置の小型化に繋がる。さらには、面状に電子が放出されるため、電界集中がなく、安定性に優れている。さらに電界集中がないことから、アーク放電による接触部材及び被熱体への損傷もない。

本発明の熱交換装置では、上記導電微粒子を成す導電体は、金、銀、白金、ニッケル、及びパラジウムのうちの少なくとも１つを含んでいることが好ましい。

このように、上記導電微粒子を成す導電体が、金、銀、白金、ニッケル、及びパラジウムのうちの少なくとも１つを含んでいることで、導電微粒子の、大気中の酸素による酸化などをはじめとする素子劣化を防ぐことができる。よって、電子放出素子の長寿命化を図ることができる。

本発明の熱交換装置では、上記第一の誘電体物質は、アルコラート、脂肪酸、及びアルカンチオールのうちの少なくとも１つを含んでいることが好ましい。

このように、上記第一の誘電体物質が、アルコラート、脂肪酸、及びアルカンチオールのうちの少なくとも１つを含んでいることで、導電微粒子の、大気中の酸素による酸化による、第一の誘電体物質の成長などをはじめとする素子劣化を防ぐことができる。よって、電子放出素子の長寿命化をより効果的に図ることができる。

本発明の熱交換装置では、上記第二の誘電体物質は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＴｉＯ_２のうちの少なくとも１つを含んでいる、または有機ポリマーを含んでいることが好ましい。

上記第二の誘電体物質が、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＴｉＯ_２のうちの少なくとも１つを含んでいる、あるいは、有機ポリマーを含んでいると、これら物質の絶縁性が高いことにより、上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。

本発明の熱交換装置では、上記薄膜電極は、金、炭素、ニッケル、チタン、及びアルミニウムのうちの少なくとも１つを含んでいることが好ましい。

上記導電体薄に、金、炭素、ニッケル、チタン、及びアルミニウムのうちの少なくとも１つが含まれることによって、これら物質の仕事関数の低さから、微粒子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。

本発明の熱交換装置では、上記第一の誘電体物質は、上記導電微粒子を被膜する被膜物質であり、当該被膜物質は、上記導電微粒子の平均径より小さい膜厚で被膜しており、上記第二の誘電体物質は、上記被膜物質により誘電被膜された導電微粒子の平均径より大きい平均径の微粒子であることが好ましい。この場合、記第二の誘電体物質である微粒子は、平均径が３０〜１０００ｎｍであることがなお好ましい。上記第二の誘電体物質である微粒子の平均径を３０〜１０００ｎｍとすることにより、電子が誘電被膜された導電微粒子を繰り返しトンネルする時に発生する熱を効率よく逃がすことができ、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。さらに、上記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。

本発明の熱交換装置では、上記第一の誘電体物質は、上記導電微粒子を被膜する被膜物質であり、当該被膜物質は、上記導電微粒子の平均径より小さい膜厚で皮膜しており、上記第二の誘電体物質は、シート状で上記電極基板に積層されており、かつ、積層方向に貫通する複数の開口部を有しており、上記開口部には、上記被膜物質により誘電被膜された導電微粒子が収容されていることが好ましい。

なお、上記誘電被膜された導電微粒子の平均径が１０ｎｍ以下であるのが好ましい。上記誘電被膜された導電微粒子の平均径が１０ｎｍ以下であると、この導電微粒子の平均径が導電体中での電子の平均自由行程以下となるため、電子は微粒子中を散乱されることなく通過する。その結果、弾道電子となり高いエネルギーを持つようになる。

本発明の熱交換装置では、上記電子加速層における第二の誘電体物質の割合が、重量比で８０〜９５ｗ％であることが好ましい。

上記電子加速層における第二の誘電体物質の割合が、重量比で８０〜９５ｗ％であると、上記電子加速層内の抵抗値を適度に上げることができ、大量の電子が一度に流れることで電子放出素子が破壊されるのを防ぐことができる。

本発明の熱交換装置では、上記電子加速層の層厚は、３０〜１０００ｎｍであることが好ましい。

上記電子加速層の層厚を、３０〜１０００ｎｍとすることにより、適度な回数のトンネルを繰り返させることができる。よって、さらに効率的に電子を放出させることができる。

上記熱交換装置が、被熱体としての発熱体を冷却する冷却装置であってもよい。

本発明の熱交換装置では、上記接触部材は、上記電子放出素子との対向面に凹凸部が形成されたヒートシンクであることが好ましい。また、この電子放出素子はヒートシンクの凹凸形状に沿って平行に配置されていることが望ましい。

これにより、従来のイオン風発生装置と比較して、装置を小型化するに際し、装置サイズは同じであっても凹凸部の凸部分の数を増加できるようになり、熱交換能力を向上することができる。

本発明の熱交換装置では、上記電子放出素子は、大気圧中で気流を発生させるようになっていることが好ましい。

上記の構成によれば、電子放出素子は、大気圧中で気流を発生させるようになっており、真空中で動作していない。このため、イオン風の気流速度が増加し、熱交換効果が増大する。

本発明の熱交換装置では、平面状または曲面状の基材をさらに備え、上記電子放出素子は、上記基材に形成されていることが好ましい。さらに、上記電子放出素子は、可撓性を有していることが好ましい。

上記の構成によれば、例えば、曲面状の熱交換対象の被熱体に対し、この曲面形状に沿って平行に電子放出素子を設置することが可能となる。このため、素子内の電界集中が防止でき、素子内での通電を防ぐことができる。さらには、上記の構成によれば、電子放出素子は、面状に電子を放出する。そして、電荷をもった気流（イオン風）が面状に放出されるため、熱交換効果が増加する。

本発明の熱交換装置では、上記接触部材に対向して配された羽を有し、該羽の回転により空気流を上記接触部材へ送風する回転羽式空気流発生器を備え、上記羽における接触部材と対向する面に、上記電子放出素子が設けられていることが好ましい。

上記の構成によれば、電子放出素子は、回転羽式空気流発生器の羽における接触部材と対向する面に設けられているため、電子放出素子から放出された電子の衝突により発生したイオンは、上記接触部材へ送風される空気流に乗って、接触部材に到達することになる。すなわち、イオンは、空気の流れによる抵抗がない状態で、接触部材へ到達する。このため、上記の構成によれば、風力が増加し、電荷を持った気流による熱交換効果が増加するだけでなく、装置の小型化、低消費電力化することができる。

本発明の熱交換装置では、上記電子放出素子は、メッシュ構造になっていることが好ましい。

上記の構成によれば、電極基板の後方から空気を吸い込みやすくなるため、面全体から気流を接触部材へ送りやすくなる。その結果、風量が増加し、熱交換効果が増加する。

本発明の熱交換装置では、上記接触部材と上記電子放出素子との間に電圧を印加する第二の電圧印加手段と備え、上記第二の電圧印加手段により印加される電圧が、０Ｖよりも大きく、＋１０ｋＶ以下であることが好ましい。

上記の構成によれば、上記接触部材と上記電子放出素子との間に電圧を印加する第二の電圧印加手段と備え、上記第二の電圧印加手段により印加される電圧が、０Ｖよりも大きく、＋１０ｋＶ以下である、すなわち、第二の電圧印加手段により印加される電圧が、上記第一の電圧印加手段により印加された電圧よりも大きくなっている。それゆえ、上記の構成によれば、マイナスに帯電したイオンが上記接触部材に到達することができ、発熱体の放熱を行うことができる。

本発明の熱交換装置では、上記接触部材と上記電子放出素子との間に発生する電界の電界強度が、１Ｖ／ｍ〜１０^７Ｖ／ｍであることが好ましい。

上記の構成によれば、酸素の解離エネルギーである６エレクトロンボルトよりも低いエネルギーで、上記空気分子中の酸素分子に電子を与えることができる。このため、オゾンや窒素酸化物等の有害物質の発生を防ぐことができる。つまり、大気中での電子の平均自由行程が０．１μｍであるため、例えば電界強度が１０^７Ｖ／ｍである場合、電子のエネルギーは空気分子に衝突するまでに１エレクトロンボルトになる。したがって１０^７Ｖ／ｍよりも低い電界強度にすることでオゾン、窒素酸化物の発生を防ぐことができる。

本発明の熱交換装置では、上記接触部材は、アースに接続されていることが好ましい。

これにより、被熱体が帯電することを防ぐことができる。

本発明の熱交換装置では、上記接触部材は、上記電子放出素子における薄膜電極に対し、０°〜９０°の角度で配置されていることが好ましい。

上記の構成によれば、上記接触部材は、上記電子放出素子における薄膜電極に対し、０°〜９０°の角度で配置されているので、接触部材と電子放出素子との間の電気力線を集中しなくなる。このため、電子源素子としての電子放出素子内で通電する危険性を回避することができる。

本発明の熱交換装置では、上記接触部材と上記電子放出素子との離間距離が、１００μｍ〜５０ｃｍであることが好ましい。

これにより、被熱体と接触する接触部材と電子放出素子とを近づけることができるため、熱交換効果が高くなる。また、上記電子放出素子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。

本発明の熱交換装置は、以上のように、上記電子放出素子は、電極基板と、薄膜電極と、電極基板と薄膜電極との間に電圧を印加する第一の電圧印加手段と、電圧印加手段による電圧印加によりその内部で電子を加速させて、当該薄膜電極から放出させる電子加速層とを備え、上記電子加速層は、少なくとも一部が絶縁体で構成されている構成である。

それゆえ、電界集中しやすい構造に依存せず、熱交換性能の維持及び向上が可能な熱交換装置を実現することが可能になる。

本発明の熱交換装置は、イオン風を利用して、被熱体と被熱体に接触する接触部材との間の熱交換を行う装置である。この熱交換には、相対的に温度が高い接触部材から相対的に温度が低い被熱体へ熱を移動させる加温・加熱、及び相対的に温度が高い被熱体から相対的に温度が低い接触部材へ熱を移動させる冷却が含まれる。以下の実施の形態では、主に熱交換装置として、冷却装置を例示して説明する。なお、以下の実施の形態に記載されたイオン風発生原理は、被熱体を加温・加熱する加熱装置にも適用できることはいうまでもない。

〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図１ないし図９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、本発明の具体的な一例に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。図１は、本実施形態の発熱体放熱装置（冷却装置）１の好ましい一例を示す断面図である。

発熱体放熱装置１は、発熱体２から発する熱を外部へ放熱する装置であり、ヒートシンク（接触部材）３と、電子放出素子４と、電源（第二の電圧印加手段）５とを備えている。ヒートシンク３は、導電材で構成されており、発熱体２に接触している。そして、ヒートシンク３における発熱体２側と反対側の表面３ａは、空気に接しており、その少なくとも一部の領域に複数の凸部３ｂが形成されている。また、電子放出素子４は、ヒートシンク３の表面３ａと対向して配置されている。この電子放出素子４は、ヒートシンク３の表面３ａと離間しており、この離間部の空気を介して、電子をヒートシンク３に付与する。また、ヒートシンク３と電子放出素子４とは、電源５に繋がっている。この電源５により、ヒートシンク３と電子放出素子４との間に電圧が印加されるようになっている。このとき、電子放出素子４から電子が放出される。そして、この電子が、ヒートシンク３と電子放出素子４との離間部に存在する空気分子に衝突する。この衝突により、空気分子が、イオン化される。そして、イオン化された空気分子が、図１中の矢印の方向に従って（ヒートシンク３と電子放出素子４との間の電界に沿って）移動することにより、イオン風が発生する。そして、そのイオンがヒートシンク３に到達することにより、発熱体２を介して発熱している、ヒートシンク３表面に存在する空気分子が攪拌される。また、イオンがヒートシンク３に到達するため、ヒートシンク３はチャージアップする。発熱体放熱装置１では、このチャージアップを抑制するために、アース６が接続されている。

図２は、図１に示された発熱体放熱装置１における、ヒートシンク３及び電子放出素子４の部分を拡大した要部拡大図である。同図に示されるように、電子放出素子４は、電極基板７と、電子加速層８と、薄膜電極９と、電源（第一の電圧印加手段）１０とを備えている。電子加速層８は、電極基板７と薄膜電極９とにより挟持されている。また、電源１０は、電極基板７と薄膜電極９との間に電圧を印加する。電子加速層８は、少なくとも一部が絶縁体により構成されている。電子放出素子４は、電極基板７と薄膜電極９との間に電圧が印加されることで、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。

上記のように、発熱体放熱装置１は、２つの電源５及び１０を備えており、電源１０は、電子放出素子４における電子加速層８内で電子を加速させ、薄膜電極９から電子を放出させるのに用いられる。一方、電源５は、薄膜電極９から放出された電子をヒートシンク３へ付与するのに用いられる。

ヒートシンク３と薄膜電極９との離間距離は、薄膜電極９から放出された電子をヒートシンク３へ付与することができる距離であれば、特に制限されない。例えば、離間距離は、好ましくは１００μｍ〜５０ｃｍであり、より好ましくは１００μｍ〜１０ｍｍであり、特に好ましくは１００μｍ〜１ｍｍである。

発熱体放熱装置１において、電子放出素子４の電極基板７は、例えばＳＵＳやＴｉ、Ｃｕ等の金属基板であってもよいし、例えば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内に電圧を印加させるものである。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、アルミニウムなどが挙げられる。

電子加速層８は、周囲に第一の誘電体物質が存在する導電体からなる導電微粒子と、上記導電微粒子の大きさよりも大きい第二の誘電体物質とを含んでいればよい。本実施形態では、上記第一の誘電体物質は上記導電微粒子を被膜する被膜物質であり、上記導電微粒子は、絶縁被膜された金属微粒子１２として説明する。また、本実施形態では、上記第二の誘電体物質は、絶縁被膜された金属微粒子１２の平均径よりも大きい平均径の微粒子である、絶縁体の微粒子１１として説明する。しかしながら、電子加速層８の構成は、上記したものに限定されず、例えば、上記第二の誘電体物質が、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、被膜物質により誘電被膜された導電微粒子が収容されていている、というような形態であってもよい。

図３は、発熱体放熱装置１における電子加速層８を拡大した要部拡大断面図である。同図に示されるように、電子加速層８には、第二の誘電体物質としての微粒子１１と、周囲に第一の誘電体物質が存在する導電体からなる導電微粒子としての金属微粒子１２とが含まれている。このように、電子加速層８に含まれる微粒子は、２種類存在し、１つは微粒子１１であり、もう１つは金属微粒子１２である。

ここで、絶縁被膜された金属微粒子１２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、絶縁被膜された金属微粒子１２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、絶縁被膜を金属微粒子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、絶縁被膜された金属微粒子１２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ことが言える。

絶縁体の微粒子１１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の微粒子１１の割合は８０〜９５ｗ％であることが望ましい。また、微粒子１１と金属微粒子１２との個数比は、微粒子１１が１個に対し、金属微粒子１２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、絶縁体の微粒子１１の直径は５〜１０００ｎｍであることが好ましい。従って、絶縁体の微粒子１１の材料はＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２といったものが実用的となる。あるいは有機ポリマーであってもよい。

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、絶縁体の微粒子１１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。

次に、電子放出の原理について説明する。図３に示すように、電子加速層８において、絶縁被膜された金属微粒子１１がある程度連なって接しており、その部分では絶縁体と導電体とが交互に存在している。ここに電圧が印加されると、エネルギーバンド図は、図４のようになる。

図４に示すように、電界により電極基板７から電子加速層８に入ってきた電子は、トンネルにより絶縁体へ侵入する。絶縁体内は高電界が印加されているため、電子は加速され、エネルギーを得る。絶縁体を突破した電子は次に導電体内へ侵入する。ここで、導電体は金属である。金属内における電子の平均自由行程は１０ｎｍ以上であるが、絶縁被膜された金属微粒子１１の半径は１０ｎｍ以下であるため、電子は金属原子とぶつかることなく、散乱せずに通過し、また次の絶縁体をトンネルする。これを繰り返すことにより、電子は高エネルギーを得て、弾道電子となる。最終的に電子は薄膜電極９へと到達する。このとき、電子が薄膜電極９の仕事関数以上のエネルギーを得ていると、電子は薄膜電極９を通り抜けて放出される。このような原理により、電子放出素子４は電子を放出することができる。

このように発熱体放熱装置１では、電子放出素子４が大気圧中で気流を発生させるようになっている。そして、その気流を発熱体２と接触するヒートシンク３まで電界によって送るようになっている。このように発熱体放熱装置１では、真空中で気流を発生させていないので、イオン風の気流速度が増加し、冷却効果が増大する。

また、発熱体放熱装置１におけるヒートシンク３は、少なくとも一部に凹部もしくは凸部を有している。ヒートシンクに少なくとも一部に凹部もしくは凸部が存在すると、より多くの気体分子に対して熱を伝達することができるため、放熱効果が増大する。ここで、電子放出素子４とヒートシンク３とを平行に設置することにより、電子放出素子内で電界集中せず、イオン風をヒートシンク３に伝達することが可能となる。これにより、ヒートシンク３の放熱面全体から発熱した気体分子を除去することができるため、放熱効果が増大する。

また、電源５によりヒートシンク３と電子放出素子４の薄膜電極９との間に印加される電圧は、特に制限されないが、マイナスの電荷を持ったイオンを発熱体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。

また、ヒートシンク３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、好ましくは１０Ｖ／ｍ以上であり、より好ましくは１０００Ｖ／ｍ以上である。また電界強度の上限は、オゾンの発生を防ぐために、１０^７Ｖ／ｍ以下であることが好ましく、より好ましく１０^６Ｖ／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。

本発明は、電子放出素子４から放出される気流を、発熱体２に接触するヒートシンク３に照射するのに先立って、ヒートシンク３をアースに接続することが好ましい。これによって発熱体２の帯電を防ぐことができる。

また、電子放出素子４から発生する気流と回転羽式空気流発生器１９による空気流とを組み合わせてもよいし、回転羽式空気流発生装器１９を用いなくともよい。

発熱体放熱装置１において、ヒートシンク３と電子放出素子４の薄膜電極９との対面する角度は特に制限されず、例えば、好ましくは０°〜９０°であり、より好ましくは０°〜４５°であり、特に好ましくは０°〜１０°である。これにより、ヒートシンク３と電子放出素子４との間の電気力線を集中しなくなる。このため、電子源素子としての電子放出素子４内で通電する危険性を回避することができる。

(実施例１)
実施例として、本実施形態の発熱体放熱装置において、放熱効果の検証した実験について図５及び図６を用いて説明する。なお、この実験は実施の一例であって、本発明の内容を制限するものではない。

本実施例では、図５に示された発熱体放熱装置を用いて実験を行った。熱源としての発熱体２は、スイッチのオンオフにより、発熱を切り替える構成になっており、スイッチをオフにすると、発熱がオフになる。本実施例では、温度測定端子１５による温度測定の開始と同時に、発熱体２を切断（オフ）した。

本実施例では、発熱体２を切断後、以下に示す第１及び第２の実験を行い、発熱体２の温度を経時的に測定した。両実験で、発熱体２の温度の経時的変化を比較することで、放熱効果の検証を行った。

第１の実験では、電源５に電圧を印加しない（すなわち、ヒートシンク３と電子放出素子４との間に電圧が印加されない）状態で、ファン（空気流発生装置）１４の気流のみで発熱体２を冷却した。第２の実験では、電源５に電圧を印加した状態で、ファン１４の気流及び電子放出素子４から放出されるイオン１６の組合せにより、発熱体２を冷却させた。

なお、第１及び第２の実験で用いた装置では、ファン１４の気流とイオン１６とが混合されても、気流の流量が一定になるように、送風管１３が設置されている。また、第１及び第２の実験では、流量を９Ｌ／ｍｉｎとしている。そして、第２の実験において、電圧印加時の電子放出に伴うヒートシンク３での回収電流は、１０〜１４μＡであった。

第１の実験及び第２の実験で、発熱体２の温度の経時的変化を測定した結果を図６に示す。図６に示されるように、第２の実験における発熱体２の温度は、第１の実験よりも急速に減少することがわかる。さらに、温度測定６０秒後では、第２の実験による冷却での温度減少幅は、第１の実験による冷却での温度減少幅の約７６７％になっていることが明らかになった。

〔実施の形態２〕
本発明の他の実施形態について、図７に基づいて説明すると以下の通りである。

本実施形態の発熱体放熱装置の基本的な駆動概念は、上記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。本実施形態の発熱体放熱装置において、第１の実施形態と異なる点は、電子放出素子の構成である。図７は、本実施形態の発熱体放熱装置における、電子放出素子周辺の構成を示した図である。

図７に示されるように、電子放出素子１６は、可撓性（フレキシブル）になっていることを特徴としている。電子放出素子１６は、フレキシブル基材１７と、基板薄膜電極１８と、電子加速層８と、薄膜電極９とを備えている。基板薄膜電極１８と薄膜電極１９とは、電源１０に繋がっている。電子放出素子１６は、基板薄膜電極１８と薄膜電極９との間に電圧を印加することで、基板薄膜電極１８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。

〔実施の形態３〕
本発明のさらに他の実施形態について、図８に基づいて説明すると以下の通りである。

本実施形態の発熱体放熱装置の基本的な駆動概念は、上記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。本実施形態の発熱体放熱装置において、第１の実施形態と異なる点は、回転羽式空気流発生器に電子放出素子が設けられた点である。図８は、本実施形態の発熱体放熱装置における回転羽式空気流発生器１９を示した図である。

同図に示されるように、回転羽空気流発生器１９は、羽２０を備えており、この羽２０を回転させることにより、空気流を発熱体へ送るようになっている。なお、図８では、羽２０が回転方向Ｒ（図中矢印の方向）に回転することで、紙面における裏面側から表面（手前）側へ空気流が送風されるようになっている。図８では、空気流送風方向Ｓとして示している。

そして、本実施形態の発熱体放熱装置では、回転羽空気流発生器１９における回転羽２０の表面２０ａに対向して、ヒートシンク３が配されている。このヒートシンク３は、発熱体２と接触している。

本実施形態の発熱体放熱装置では、この回転羽空気流発生器１９に、実施の形態１の電子放出素子４または実施の形態２の電子放出素子１６が備えられている。つまり、羽２０の表面２０ａに、電極基板７またはフレキシブル基材１７が設けられている。

これにより、回転羽空気流発生器１９からの空気流と、電子放出素子４（または１６）からの電荷をもった気流（イオン）とを同時に、発熱体２に装着された導電部へ送ることが可能になる。

〔実施の形態４〕
本発明のさらに他の実施形態について、図９に基づいて説明すると以下の通りである。

本実施形態の発熱体放熱装置の基本的な駆動概念は、上記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。本実施形態の発熱体放熱装置において、第１の実施形態と異なる点は、電子放出素子がメッシュ構造になっている点である。図９は、本実施形態の発熱体放熱装置における電子放出素子を示した図である。なお、図９では、紙面における裏面側から表面（手前）側へ空気流が送風されるようになっており、空気流送風方向Ｓ’として示している。

同図に示されるように、電子放出素子２１は、メッシュ状になっている。電子放出素子２１は、メッシュ基材２２を備えている。このメッシュ基材２２は、空気送風方向Ｓ’に貫通した複数の開口部２２ｂを有している。そして、本実施形態の発熱体放熱装置では、メッシュ基材２２の表面２２ａに対向して、ヒートシンク３が配されている。このヒートシンク３は、発熱体２と接触している。それゆえ、空気流送風方向Ｓ’へ送風される空気流は、開口部２２ｂを介して、ヒートシンク３へ送られる。

本実施形態の発熱体放熱装置では、このメッシュ基材２２に、実施の形態１の電子放出素子４または実施の形態２の電子放出素子１６が備えられている。つまり、メッシュ基材２２の表面２２ａに、電極基板７またはフレキシブル基材１７が設けられている。

以上のように、本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を放出することが可能であるため、冷却装置を小型化できる。

電子源素子としての電子放出素子をフレキシブルな表面や、凹凸の存在する表面に塗布法によって形成することが可能であるため、テレビのキャビネット部に冷却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冷却を同時に行うことができる。

さらに、距離を狭くしても放電を伴わないため、オゾン、窒素酸化物の発生がなく、生活家電に搭載することが可能となる。たとえば、冷蔵庫の冷媒において、自然放熱時の冷却効果を増加させることで低消費電力化、コンプレッサの小型化になる。また、図５に示したように熱源近傍の熱を急速に除去できることを利用して、エアコンや、温風器の熱源にイオン風を与えることで、急速に温風をユーザーに提供することも可能となる。同時に効率的に温風が出るためにヒータ出力を下げることによる低消費電力化も可能になる。さらには洗濯乾燥機においても濡れた衣類に急速に温風を吹き付けることが可能になるため、ヒータ出力の低下による低消費電力化、装置の小型化を行うことが可能になる。洗濯乾燥機の場合、イオンを衣類に吹き付けるために、衣類の摩擦帯電に伴う衣類の絡みを抑制し、乾燥効率を向上でき、乾燥時間の低減に繋がる。

本発明は上述した各実施形態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本発明の技術的範囲に含まれる。

本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を放出することが可能であるため、冷却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、ノートパソコンに利用可能である。

本発明の実施の一形態の熱交換装置（冷却装置）の好ましい一例を示す断面図である。 図１に示された熱交換装置における、ヒートシンク及び電子放出素子の部分を拡大した要部拡大図である。 図１に示された熱交換装置における、電子加速層を拡大した要部拡大断面図である。 図１に示された熱交換装置における、電子放出素子の微粒子層（電子加速層）のエネルギーバンドを示す図である。 実施例１で用いた発熱体放熱装置の構成を示す断面図である。 実施例１における発熱体放熱装置を用いて、冷却効果を検証した結果を示すグラフである。 本発明の実施の他の形態の熱交換装置（冷却装置）における、電子放出素子の構成を示す断面図である。 本発明の実施のさらに他の形態の熱交換装置（冷却装置）に備えられた、回転羽式空気流発生器の構成を示す平面図である。 本発明の実施の他さらにの形態の熱交換装置（冷却装置）における、電子放出素子の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１ 発熱体放熱装置（冷却装置）
２ 発熱体（被熱体）
３ ヒートシンク（接触部材）
４ 電子放出素子
５ 電源（第二の電圧印加手段）
６ アース
７ 電極基板
８ 電子加速層
９ 薄膜電極
１０ 電源（第一の電圧印加手段）
１１ 誘電体物質
１２ 誘電体物質が表面に存在する導電体からなる導電微粒子
１３ 送風管
１４ ファン
１５ 温度測定端子
１６ イオン
１７ フレキシブル基材
１８ 薄膜電極
１９ 回転羽式空気流発生器
２０ 羽
２０ａ 表面
２１ 電子放出素子
２２ メッシュ基材
２２ａ 表面

Claims (24)

1. 被熱体と接触する導電性の接触部材と、
   該接触部材と離間して配され、この離間部分の空気を介して上記接触部材へ電子を付与する電子放出素子とを備えた熱交換装置であって、
   上記電子放出素子は、
   電極基板と、薄膜電極と、電極基板と薄膜電極との間に電圧を印加する第一の電圧印加手段と、第一の電圧印加手段による電圧印加によりその内部で電子を加速させて、当該薄膜電極から放出させる電子加速層とを備え、
   上記電子加速層は、少なくとも一部が絶縁体で構成されていることを特徴とする熱交換装置。
2. 上記電子加速層には、
   周囲に第一の誘電体物質が存在する導電体からなる導電微粒子と、
   上記導電微粒子の大きさよりも大きい第二の誘電体物質と、
   が含まれることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
3. 上記導電微粒子を成す導電体は、金、銀、白金、ニッケル、及びパラジウムのうちの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項２に記載の熱交換装置。
4. 上記第一の誘電体物質は、アルコラート、脂肪酸、及びアルカンチオールのうちの少なくとも１つを含んでいること特徴とする請求項２に記載の熱交換装置。
5. 上記第二の誘電体物質は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、及びＴｉＯ_２のうちの少なくとも１つを含んでいる、または有機ポリマーを含んでいることを特徴とする請求項２〜４の何れか１項に記載の熱交換装置。
6. 上記薄膜電極は、金、炭素、ニッケル、チタン、及びアルミニウムのうちの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の熱交換装置。
7. 上記第一の誘電体物質は、上記導電微粒子を被膜する被膜物質であり、当該被膜物質は、上記導電微粒子の平均径より小さい膜厚で被膜しており、
   上記第二の誘電体物質は、上記被膜物質により誘電被膜された導電微粒子の平均径より大きい平均径の微粒子であることを特徴とする請求項２〜６の何れか１項に記載の熱交換装置。
8. 上記第一の誘電体物質は、上記導電微粒子を被膜する被膜物質であり、当該被膜物質は、上記導電微粒子の平均径より小さい膜厚で皮膜しており、
   上記第二の誘電体物質は、シート状で上記電極基板に積層されており、かつ、積層方向に貫通する複数の開口部を有しており、
   上記開口部には、上記被膜物質により誘電被膜された導電微粒子が収容されていることを特徴とする請求項２〜７の何れか１項に記載の熱交換装置。
9. 上記第二の誘電体物質である微粒子の平均径は、３０〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項７に記載の熱交換装置。
10. 上記誘電被膜された導電微粒子の平均径は、１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項７〜９の何れか１項に記載の熱交換装置。
11. 上記電子加速層における第二の誘電体物質の割合が、重量比で８０〜９５ｗ％であることを特徴とする請求項２〜１０の何れか１項に記載の熱交換装置。
12. 上記電子加速層の層厚は、３０〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項２〜１１の何れか１項に記載の熱交換装置。
13. 上記熱交換装置が、被熱体としての発熱体を冷却する冷却装置であることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の熱交換装置。
14. 上記接触部材は、上記電子放出素子との対向面に凹凸部が形成されたヒートシンクであることを特徴とする請求項１〜１３の何れか１項に記載の熱交換装置。
15. 上記電子放出素子は、大気圧中で気流を発生させるようになっていることを特徴とする請求項１〜１４の何れか１項に記載の熱交換装置。
16. 平面状または曲面状の基材をさらに備え、
    上記電子放出素子は、上記基材に形成されていることを特徴とする請求項１〜１５の何れか１項に記載の熱交換装置。
17. 上記電子放出素子は、可撓性を有していることを特徴とする請求項１〜１５の何れか１項に記載の熱交換装置。
18. 上記接触部材に対向して配された羽を有し、該羽の回転により空気流を上記接触部材へ送風する回転羽式空気流発生器を備え、
    上記羽における接触部材と対向する面に、上記電子放出素子が設けられていることを特徴とする請求項１〜１７の何れか１項に記載の熱交換装置。
19. 上記電子放出素子は、メッシュ構造になっていることを特徴とする請求項１〜１８の何れか１項に記載の熱交換装置。
20. 上記接触部材と上記電子放出素子との間に電圧を印加する第二の電圧印加手段と備え、
    上記第二の電圧印加手段により印加される電圧が、０Ｖよりも大きく、＋１０ｋＶ以下であることを特徴とする請求項１〜１９の何れか１項に記載の熱交換装置。
21. 上記接触部材と上記電子放出素子との間に発生する電界の電界強度が、１Ｖ／ｍ〜１０^７Ｖ／ｍであることを特徴とする請求項２０に記載の熱交換装置。
22. 上記接触部材は、アースに接続されていることを特徴とする請求項１〜２１の何れか１項に記載の熱交換装置。
23. 上記接触部材は、上記電子放出素子における薄膜電極に対し、０°〜９０°の角度で配置されていることを特徴とする請求項１〜２２の何れか１項に記載の熱交換装置。
24. 上記接触部材と上記電子放出素子との離間距離が、１００μｍ〜５０ｃｍであることを特徴とする請求項１〜２３の何れか１項に記載の熱交換装置。

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