JP2005101191A - Thermoelectric conversion type cooling apparatus and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、熱電変換型冷却装置およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a thermoelectric conversion cooling device and a method for manufacturing the same.
従来、熱電変換素子を用いた熱電変換型冷却装置がある。ここで、熱電変換素子とは、金属または半導体などの導電性材料２枚（一方をコレクタ、他方をエミッタと呼ぶ）が対向して配置されたものであって、コレクタ、エミッタ間に電位差が与えられると、電子をエミッタからコレクタに放出することで、エミッタからコレクタに熱を移動させるものである。 Conventionally, there is a thermoelectric conversion type cooling device using a thermoelectric conversion element. Here, the thermoelectric conversion element is an element in which two conductive materials such as metal or semiconductor (one is called a collector and the other is called an emitter) are arranged to face each other, and a potential difference is given between the collector and the emitter. When this is done, electrons are released from the emitter to the collector, thereby transferring heat from the emitter to the collector.
このときの電子放出の概念を図７に示す。図７中の縦軸はエネルギー、Ｎ（Ｅ）はエミッタ中の電子分布であり、Ｎ（Ｅ）が右側に位置する程、電子の数が多いことを示している。また、図７中のＥＦはフェルミ準位、ＥＶは真空のエネルギー準位、Φはエミッタ材料の仕事関数である。図７に示されるＮ（Ｅ）中のフェルミ準位レベルＥＦより上の電子はエミッタの温度よりも高エネルギーすなわち高温の電子である。これらの電子を電界によって引き抜くことでエミッタからコレクタに熱を移動させることができる。 The concept of electron emission at this time is shown in FIG. The vertical axis in FIG. 7 is energy, N (E) is the electron distribution in the emitter, and the more N (E) is located on the right side, the greater the number of electrons. Also, E F in FIG. 7 the Fermi level, the E V vacuum energy level, [Phi is the work function of the emitter material. Electronic above the Fermi level level E F in N (E) as shown in FIG. 7 is a high-energy or high-temperature electrons than the temperature of the emitter. By extracting these electrons by an electric field, heat can be transferred from the emitter to the collector.
このエミッタからコレクタへの電子の放出には、図７に示すように、熱電子やトンネル電子としての放出がある。熱電子として放出されるのは、Ｎ（Ｅ）中のＥＶよりも上に位置する電子であり、この電子は、コレクタ、エミッタ間に電位差が僅かでもあればエミッタとコレクタとの間の真空中を移動する。一方、トンネル電子として放出されるのは、Ｎ（Ｅ）中のＥＦとＥＶとの間に位置する電子である。この現象は、コレクタ、エミッタ間に電位差を与えたとき、真空中のエネルギー準位が図中、実線で示すように斜めに曲がる、すなわち、バンドベンディングしたことで、エミッタとコレクタ間のエネルギポテンシャルが実効的に狭くなり、ＥＦとＥＶとの間に位置する電子がエミッタとコレクタとの間の真空中を移動可能となったために発生する現象である。 The emission of electrons from the emitter to the collector includes emission as thermal electrons or tunnel electrons as shown in FIG. Being released as heat electrons N is an electron located above the E V in (E), the electron collector, the vacuum between the emitter and the collector if the potential difference between the emitter even slightly Move in. On the other hand, being discharged as a tunnel electron is an electron that is located between the E F and E V in N (E). In this phenomenon, when a potential difference is applied between the collector and the emitter, the energy level in vacuum bends diagonally as shown by the solid line in the figure, that is, band bending causes the energy potential between the emitter and the collector to increase. effectively narrowed, is a phenomenon that occurs because of a movable vacuum between the electron emitter and collector located between E F and E V.
熱電変換型冷却装置は、この熱電変換素子のコレクタ側にヒートシンク、熱交換器等を配置し、エミッタ側に冷却対象物を配置したものであり、熱電変換素子により、冷却対象物を冷却するものである。 The thermoelectric conversion type cooling device is such that a heat sink, a heat exchanger, etc. are arranged on the collector side of this thermoelectric conversion element, and an object to be cooled is arranged on the emitter side, and the object to be cooled is cooled by the thermoelectric conversion element. It is.
熱電変換型冷却装置を、実際に使用する場合、冷却装置自身が必要とする仕事量（電圧×電流）に対して得られる冷却能力が高いこと、すなわち、高効率であることが要求される。上記したように電子をトンネル電流として放出させる場合、エミッタとコレクタとの間隔が小さい程、印加電圧は小さくて済む。したがって、高効率とするためには、エミッタとコレクタとの間隔を小さくする方法が考えられる。 When the thermoelectric cooling device is actually used, it is required that the cooling capacity obtained with respect to the work (voltage × current) required by the cooling device itself is high, that is, high efficiency. As described above, when electrons are emitted as a tunnel current, the applied voltage is smaller as the distance between the emitter and the collector is smaller. Therefore, in order to achieve high efficiency, a method of reducing the distance between the emitter and the collector can be considered.
しかし、高効率とするためには、エミッタとコレクタとの間隔をナノメートルスケール（具体的には、１０ｎｍ程度）にする必要がある。どんなに平坦な表面でも数ｎｍ程度の凹凸や、長周期では数１００ｎｍ程度以上のうねりを持っている。例えば、最も平坦な表面であると考えられる超ＬＳＩ用のシリコンウェハでも、表面の長周期のうねりは５００ｎｍ程度である。したがって、例えば、１ｃｍ２の面積を持つ２枚の金属または半導体の板を、単に対向して配置させるだけでは、エミッタとコレクタとの間隔をナノメートルスケールとすることは困難であり、エミッタとコレクタとの間隔がナノメートルスケールよりも大きな熱電変換型冷却装置しか得られなかった。 However, in order to achieve high efficiency, the distance between the emitter and the collector needs to be on a nanometer scale (specifically, about 10 nm). No matter how flat the surface is, it has irregularities of about several nanometers and undulations of several hundred nanometers or more in a long period. For example, even in a VLSI silicon wafer that is considered to be the flattest surface, the long-period waviness of the surface is about 500 nm. Therefore, for example, it is difficult to set the distance between the emitter and the collector to a nanometer scale simply by arranging two metal or semiconductor plates having an area of 1 cm 2 so as to face each other. Only a thermoelectric conversion type cooling device with a distance larger than the nanometer scale was obtained.
そこで、従来では、例えば、シリコン基板上に多層の金属膜を形成し、この最上部に厚さ数１００μｍの膜を例えばメッキによって形成し、全体を冷却した際の熱膨張係数差に起因する歪によって、この膜を基板から剥離する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。 Therefore, conventionally, for example, a multilayer metal film is formed on a silicon substrate, a film having a thickness of several hundreds μm is formed on the uppermost part by, for example, plating, and distortion caused by a difference in thermal expansion coefficient when the whole is cooled is used. Has proposed a method of peeling the film from the substrate (see, for example, Patent Document 1).
この方法は、凹凸やうねりが転写された対向電極を得ることができるという点で、異なる２枚の基板を対向させるよりも間隔の制御に適しているとされている。
しかしながら、上記した方法では、冷却して剥離した基板を室温に戻した際、または、両基板に温度差が生じる実際の使用状態においては、熱膨張係数の差によって両者の表面形状は変化してしまう。すなわち、転写された凹凸の位置がずれてしまうため、結局完全に平行な対向平面を得ることはできないと考えられる。このため、コレクタ、エミッタの間隔をナノメートルスケール、特に、必要とされる１０ｎｍ程度にすることが困難であり、高効率な冷却装置を提供することが困難であると考えられる。 However, in the above-described method, when the cooled and peeled substrates are returned to room temperature, or in an actual use state in which a temperature difference occurs between the two substrates, the surface shapes of both change due to the difference in thermal expansion coefficient. End up. That is, since the position of the transferred unevenness is shifted, it is considered that a completely parallel opposing plane cannot be obtained after all. For this reason, it is difficult to make the space | interval of a collector and an emitter into a nanometer scale, especially about 10 nm required, and it is thought that it is difficult to provide a highly efficient cooling device.
また、冷却装置として高効率を得るためには印加する電圧は小さくてはならない。すなわち、電子の放出しやすい材料をエミッタとして選ぶことが必要である。図７に示すように、ＥＶが小さければ、熱電子として放出される電子の数は増加する。ＥＶは、エミッタの仕事関数（Φ）によって決まることから、電子を放出させやすくするためには、Φが小さな材料、例えば、０．７ｅＶ以下の材料を選定する必要である。 Moreover, in order to obtain high efficiency as a cooling device, the applied voltage must be small. That is, it is necessary to select a material that easily emits electrons as the emitter. As shown in FIG. 7, the smaller the E V, the number of electrons emitted as a thermal electrons is increased. E V, since determined by the emitter work function ([Phi), in order to facilitate to release electrons, [Phi small materials, for example, it is necessary to select the following materials 0.7 eV.
しかしながら、仕事関数が０．７ｅＶ以下という材料は容易には得ることができない。例えば、負性電子親和力を持つダイヤモンドなどはその候補であるが、一方で電気抵抗が高いためにエミッタ中を電流が流れる際のジュール熱による発熱または損失による効率低下、冷却パワーの低下を招くという欠点を有する。 However, a material having a work function of 0.7 eV or less cannot be easily obtained. For example, diamond having a negative electron affinity is a candidate, but on the other hand, because of its high electrical resistance, it leads to a decrease in efficiency due to heat generation or loss due to Joule heat when current flows in the emitter, and a decrease in cooling power. Has drawbacks.
本発明は、上記点に鑑み、エミッタおよびコレクタとして用いる導電性材料の表面に凹凸やうねりがあっても、従来よりも高効率である熱電変換型冷却装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above points, the present invention has an object to provide a thermoelectric conversion type cooling device and a method for manufacturing the same that are more efficient than conventional methods even when the surface of the conductive material used as the emitter and collector has irregularities and undulations. And
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、エミッタ（１）におけるコレクタ（２）と対向する面（１ａ）の表面に、複数の凸部（７）を有しており、凸部（７）は、エミッタ（１）とコレクタ（２）との間に電位差が与えられたとき、その先端で電界集中が発生する形状であることを特徴としている。
In order to achieve the above object, the invention according to
これにより、エミッタとコレクタとの間に電位差を与えたとき、エミッタの表面上にある凸部の先端で電界集中が発生するため、その部分における真空でのエネルギー準位を、本発明のような形状の凸部を有しておらず、本発明とエミッタとコレクタとの間隔が同じである従来の熱電変換型冷却装置と比較して、大きく曲げることができる。したがって、トンネル電子が超えなければならないポテンシャルの幅を従来より狭くすることができるので、従来よりもエミッタからの電子放出能を高めることができる。 As a result, when a potential difference is applied between the emitter and the collector, an electric field concentration occurs at the tip of the convex portion on the surface of the emitter, so that the energy level in a vacuum at that portion is changed as in the present invention. Compared to the conventional thermoelectric conversion type cooling device that does not have a convex portion and has the same distance between the emitter and the collector of the present invention, it can be bent greatly. Therefore, the potential width that must be exceeded by the tunnel electrons can be made narrower than before, so that the electron emission ability from the emitter can be enhanced more than before.
この結果、表面に凹凸やうねりがある導電性材料をエミッタおよびコレクタとして用いても、従来の熱電変換型冷却装置と比較して、高効率である熱電変換型冷却装置を提供することができる。 As a result, even when a conductive material having irregularities and undulations on the surface is used as the emitter and collector, it is possible to provide a thermoelectric conversion type cooling device that is more efficient than conventional thermoelectric conversion type cooling devices.
また、本発明では、上記したように電子放出能が従来よりも高くなっている。このため、エミッタ自身の電子放出能からみた実効的な仕事関数は小さくなっている。したがって、本発明によれば、仕事関数の低い材料を用いることなく高効率な熱電変換装置を提供することができる。 Moreover, in this invention, as above-mentioned, the electron emission ability is higher than before. For this reason, the effective work function viewed from the electron emission ability of the emitter itself is small. Therefore, according to the present invention, a highly efficient thermoelectric conversion device can be provided without using a material having a low work function.
上記した先端で電界集中が発生する形状は、例えば、請求項２に示すように、短辺に対する長辺の比が１００以上であり、短辺の長さが１ｎｍ以上３０ｎｍ以下である形状とすることができる。 The shape where the electric field concentration occurs at the tip is, for example, a shape in which the ratio of the long side to the short side is 100 or more and the length of the short side is 1 nm or more and 30 nm or less. be able to.
また、凸部として、より具体的には、請求項３に示すように、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバ、グラファイトナノファイバなどと呼ばれるカーボンナノ材料（７）を用いることができる。
More specifically, as the convex portion, as shown in
また、請求項４に示すように、エミッタ（１）とコレクタ（２）とをスペーサ（３）を介して対向して配置させることができる。 In addition, as shown in claim 4, the emitter (1) and the collector (2) can be arranged to face each other via the spacer (3).
スペーサは、電子および熱の伝導を遮断するために、導電率および熱伝導率の低い材料により構成されていることが好ましい。また、同様の観点より、スペーサは、請求項５に示すように、スペーサ（３）は、λ×Ｓ×ΔＴ／Ｄ＜（冷却装置の出力の１０％）という関係式を満たす形状であることが好ましい。
The spacer is preferably made of a material having low conductivity and low thermal conductivity in order to block conduction of electrons and heat. From the same viewpoint, as shown in
請求項６に記載の発明では、エミッタ（１）およびコレクタ（２）は、内部が真空である容器（４）内に配置されており、エミッタ（１）およびコレクタ（２）は、容器（４）と接触していることを特徴としている。
In the invention described in
容器と、エミッタおよびコレクタとが離れている場合、真空中では熱伝導が悪いため、エミッタおよびコレクタと容器の外部との間での熱交換の効率が低くなってしまう。 When the container is separated from the emitter and the collector, heat conduction is poor in a vacuum, so that the efficiency of heat exchange between the emitter and the collector and the outside of the container becomes low.
これに対して、本発明では、エミッタおよびコレクタは、容器と接触しているため、エミッタおよびコレクタが容器と離れている場合と比較して、エミッタおよびコレクタと容器の外部との間での熱交換の効率を高くすることができる。 On the other hand, in the present invention, since the emitter and the collector are in contact with the container, the heat between the emitter and the collector and the outside of the container is compared with the case where the emitter and the collector are separated from the container. Exchange efficiency can be increased.
請求項７に記載の発明では、容器（４）は、エミッタ（１）と接触している第１の接触部（４ｂ）と、コレクタ（２）と接触している第２の接触部（４ａ）と、第１の接触部（４ｂ）および第２の接触部（４ａ）とに接続されている側壁部（４ｃ）とを有し、第１の接触部（４ｂ）および第２の接触部（４ａ）は、側壁部（４ｃ）よりも熱伝導率が高い材料により構成されていることを特徴としている。
In the invention according to
このような構造の容器を用いることで、全て同一の材料により構成された容器を用いる場合と比較して、エミッタおよびコレクタの冷却および放熱の効率を高める、もしくは、コレクタからエミッタへの熱伝導を抑制することができる。 By using a container having such a structure, the efficiency of cooling and radiating the emitter and the collector is increased or heat conduction from the collector to the emitter is improved as compared with the case where a container made of the same material is used. Can be suppressed.
また、請求項８に示すように、エミッタ（１）とコレクタ（２）との間の空間をスペーサ（３ｄ）により囲み、スペーサ（３ｄ）によりエミッタ（１）とコレクタ（２）との間を真空の状態で封止することもできる。
Further, as shown in
請求項９に記載の発明では、導電性基板の表面に、エミッタ（１）とコレクタ（２）との間に電位差が与えられたとき、その先端で電界集中が発生する形状の凸部（７）を形成することで、エミッタ（１）を形成する工程と、コレクタ（２）を形成する工程と、エミッタ（１）における凸部（７）が形成された面（１ａ）をコレクタ（２）に向けて、エミッタ（１）とコレクタ（２）とを対向して配置させる工程とを有することを特徴としている。 According to the ninth aspect of the invention, when a potential difference is applied between the emitter (1) and the collector (2) on the surface of the conductive substrate, the convex portion (7 ), The step of forming the emitter (1), the step of forming the collector (2), and the surface (1a) on which the convex portion (7) of the emitter (1) is formed is used as the collector (2). A step of arranging the emitter (1) and the collector (2) so as to face each other.
本発明によれば、請求項１に記載の熱電変換型冷却装置を製造することができる。
例えば、請求項１０に示すように、短辺に対する長辺の比が１００以上であり、短辺の長さが１ｎｍ以上３０ｎｍ以下である形状の凸部を形成することもできる。また、請求項１１に示すように、カーボンナノ材料を用いて凸部を形成することもできる。
According to the present invention, the thermoelectric conversion cooling device according to
For example, as shown in claim 10, a convex portion having a shape in which the ratio of the long side to the short side is 100 or more and the length of the short side is 1 nm or more and 30 nm or less can be formed. Moreover, as shown in
具体的には、請求項１２に示すように、サイズおよび物性が制御され、カーボンナノ材料成長の触媒として機能する原子からなる集合体を導電性基板の表面に固定し、集合体を触媒として用いて、導電性基板の表面にカーボンナノ材料を形成することでエミッタ（１）を形成することができる。
Specifically, as shown in
より具体的には、請求項１３に示すように、集合体を複数形成し、複数の集合体の中から、所望のサイズおよび物性の集合体を抽出した後、抽出された集合体を導電性基板に固定することができる。
More specifically, as shown in
この方法によれば、カーボンナノ材料の成長に対して最適となるように、集合体のサイズおよび物性を制御することで、結晶性が高いカーボンナノ材料をエミッタ用導電性基板上に形成することができる。 According to this method, a carbon nanomaterial having high crystallinity is formed on a conductive substrate for an emitter by controlling the size and physical properties of the aggregate so as to be optimal for the growth of the carbon nanomaterial. Can do.
また、他の方法としては、請求項１４に示すように、 カーボンナノ材料成長の触媒として機能する原子（１１）または原子からなる集合体（１１）を備えるミセルもしくはデンドリマー（１２）を形成し、ミセルもしくはデンドリマー（１２）を導電性基板に固定する。その後、導電性基板上にカーボンナノ材料（７）を形成することでエミッタを形成する方法を採用することもできる。 Further, as another method, as shown in claim 14, a micelle or a dendrimer (12) provided with an atom (11) or an assembly (11) composed of atoms that functions as a catalyst for carbon nanomaterial growth is formed, A micelle or dendrimer (12) is fixed to a conductive substrate. Thereafter, a method of forming an emitter by forming a carbon nanomaterial (7) on a conductive substrate can be employed.
この方法によれば、垂直方向での配向性が高いカーボンナノ材料が、高密度に配置されたエミッタ用導電性基板を形成することができる。 According to this method, it is possible to form an emitter conductive substrate in which carbon nanomaterials having high orientation in the vertical direction are arranged at high density.
また、エミッタとコレクタとを対向して配置させる工程では、請求項１５に示すように、スペーサ（３）を介して、エミッタ（１）とコレクタ（２）とを対向して配置させることができる。 Further, in the step of arranging the emitter and the collector to face each other, as shown in claim 15, the emitter (1) and the collector (2) can be arranged to face each other via a spacer (3). .
これにより、エミッタ用導電性基板とコレクタ用導電性基板とを容易に所定間隔で対向配置させることができる。 Thereby, the conductive substrate for emitter and the conductive substrate for collector can be easily arranged to face each other at a predetermined interval.
請求項１６に記載の発明では、コレクタ（２）を形成する工程と、エミッタ（１）とコレクタ（２）とを対向して配置させる工程との間に、コレクタ（２）の表面にスペーサ（３）を設ける工程を有することを特徴としている。 In the invention described in claim 16, a spacer (2) is formed on the surface of the collector (2) between the step of forming the collector (2) and the step of arranging the emitter (1) and the collector (2) to face each other. 3) is provided.
これにより、エミッタとの接合において、アライメントや特殊な接着手段を用いることなく、コレクタとエミッタとを向かい合わせることができる。 As a result, the collector and the emitter can be opposed to each other without using alignment or special bonding means in joining the emitter.
また、請求項１７に示すように、コレクタ（２）の表面にスペーサ（３）を設ける工程では、λ×Ｓ×ΔＴ／Ｄ＜（冷却装置の出力の１０％）を満たすように、スペーサを配置することが好ましい。 Further, as shown in claim 17, in the step of providing the spacer (3) on the surface of the collector (2), the spacer is provided so as to satisfy λ × S × ΔT / D <(10% of the output of the cooling device). It is preferable to arrange.
また、請求項１８に示すように、上面（４ａ）、下面（４ｂ）、および側壁部（４ｃ）とを有する容器（４）を用意し、エミッタ（１）におけるコレクタ（２）に対向する面（１ａ）と反対側の面（１ｂ）に下面（４ｂ）を接触させ、コレクタ（２）におけるエミッタ（１）に対向する面（２ａ）と反対側の面（２ｂ）に上面（４ａ）を接触させて、エミッタ（１）およびコレクタ（２）を容器（４）の内部に配置し、容器（４）により、エミッタ（１）およびコレクタ（２）を真空の状態で封止することができる。 Further, as shown in claim 18, a container (4) having an upper surface (4a), a lower surface (4b), and a side wall (4c) is prepared, and the surface of the emitter (1) facing the collector (2) The lower surface (4b) is brought into contact with the surface (1b) opposite to (1a), and the upper surface (4a) is disposed on the surface (2b) opposite to the surface (2a) facing the emitter (1) in the collector (2). The emitter (1) and the collector (2) are placed inside the container (4) in contact, and the emitter (1) and the collector (2) can be sealed in a vacuum state by the container (4). .
また、請求項１９に示すように、上面（４ａ）および下面（４ｂ）が側壁部（４ｃ）よりも熱伝導率が高い材料により構成されている容器（４）を用いることができる。 Moreover, as shown in Claim 19, the upper surface (4a) and the lower surface (4b) can use the container (4) comprised with the material whose heat conductivity is higher than a side wall part (4c).
請求項１８、１９に記載の発明により、それぞれ、請求項６、７に記載の熱電変換型冷却装置を製造することができる。
According to the invention described in claims 18 and 19, the thermoelectric conversion type cooling device described in
また、請求項２０に示すように、コレクタ（２）の表面にスペーサ（３）を設ける工程では、コレクタ（２）の内周を囲むように、スペーサ（３）を配置し、 エミッタ（１）とコレクタ（２）とを対向して配置させる工程では、真空中でエミッタ（１）とコレクタ（２）とを向かい合わせることで、エミッタ（１）におけるコレクタ（２）に対向している面（１ａ）と、コレクタ（２）におけるエミッタ（１）に対向している面（２ａ）と、スペーサ（３）とにより、エミッタ（１）とコレクタ（２）との間の空間を真空の状態で封止することができる。 Further, as shown in claim 20, in the step of providing the spacer (3) on the surface of the collector (2), the spacer (3) is disposed so as to surround the inner periphery of the collector (2), and the emitter (1) And the collector (2) are arranged to face each other, the emitter (1) and the collector (2) face each other in a vacuum so that the surface of the emitter (1) facing the collector (2) ( 1a), the surface (2a) of the collector (2) facing the emitter (1), and the spacer (3), the space between the emitter (1) and the collector (2) is in a vacuum state. It can be sealed.
これにより、エミッタおよびコレクタを容器に入れ、容器の内部を真空にした構造の熱電変換型冷却装置を製造する場合と比較して、熱電変換型冷却装置の構造を簡略化し、製造コストを低減させることができる。 As a result, the structure of the thermoelectric conversion cooling device is simplified and the manufacturing cost is reduced as compared with the case of manufacturing a thermoelectric conversion cooling device having a structure in which the emitter and collector are placed in a container and the inside of the container is evacuated. be able to.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
（第１実施形態）
図１に本発明の第１実施形態における熱電変換型冷却装置の断面図を示す。また、図２（ａ）に図１中のエミッタ１およびコレクタ２の拡大図を示し、図２（ｂ）にコレクタ２に設置されたスペーサ３の平面レイアウトを示す。なお、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるコレクタ２を図の下側から見たときの図であり、図中ではエミッタを省略している。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a thermoelectric conversion cooling device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2A shows an enlarged view of the
本実施形態の熱電変換型冷却装置は、図１に示すように、容器４の内部に、エミッタ１とコレクタ２とが、スペーサ３を介して、対向して配置され、容器４の外部であって、エミッタ１、コレクタ２の近傍に、熱交換器５、６がそれぞれ配置された構成となっている。
As shown in FIG. 1, in the thermoelectric conversion type cooling device of this embodiment, an
この熱電変換型冷却装置は、エミッタ１側の熱交換器５により、気体から熱を奪い、コレクタ２側の熱交換器６により、コレクタ２が有する熱を放出させることで、エミッタ近傍に位置する気体を冷却することができるようになっている。なお、この熱電変換型冷却装置における冷却のしくみは、背景技術の欄で説明した冷却のしくみと同じである。
This thermoelectric conversion type cooling device is located near the emitter by removing heat from the gas by the
エミッタ１は、例えば、１辺が１ｃｍである略四角形の板状であり、金属や半導体等の導電性材料により構成されている。また、図１、図２（ａ）に示すように、エミッタ１の表面のうち、コレクタ２と対向している面１ａにカーボンナノチューブ７が固定されている。カーボンナノチューブ７は、エミッタ１の表面のうち、エミッタ１から電子を放出させる領域の全面に配置されている。
The
カーボンナノチューブ７は、エミッタ１の表面に高密度に配置されており、エミッタ１の表面に対して垂直方向に配向している。なお、カーボンナノチューブ７とエミッタ１の表面とがなす角度は、必ずしも垂直である必要はなく、後に説明するが、エミッタ１の表面において、カーボンナノチューブ７の先端で電界集中が発生する角度であれば良い。
The
カーボンナノチューブ７は、直径が１ｎｍ程度から数十（２０〜３０）ｎｍ程度の円筒状の物質である。本実施形態のカーボンナノチューブ７は、例えば、直径が１０ｎｍ程度、長さが１μｍ程度であり、直径（短辺）に対する長さ（長辺）の比、すなわち、アスペクト比は１００である。
The
コレクタ２は、エミッタ１と同様の形状で、例えば、１辺が１ｃｍである略四角形の板状となっており、シリコンウェハにより構成されている。このシリコンウェハは、例えば、Ｓｂが高濃度にドープされており、エミッタ１と対向している面２ａの反対側である裏面２ｂに図示しない電極が形成されている。なお、コレクタ２の構成材料は、シリコンウェハに限らず、他の半導体材料や金属等の導電性材料でも良い。また、電極は裏面２ｂに限らず、エミッタ１と対向している面２ａに形成されていても良い。
The
エミッタ１とコレクタ２の間隔８は、例えば１μｍとなっている。これにより、エミッタ１およびコレクタ２の表面に数ｎｍ程度の凹凸や、長周期で数１００ｎｍ程度以上のうねりを持っていても、エミッタ１とコレクタ２との接触の危険性を回避することができる。
An
また、エミッタ１およびコレクタ２のそれぞれが有する電極と、図示しない電源と電気的に接続されており、エミッタ１とコレクタ２との間に電位差を与えることができるようになっている。
Further, the electrodes included in each of the
スペーサ３は、コレクタ２のエミッタ１と対向する面２ａに、適当な間隔をあけて、複数設けられている。本実施形態では、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、９つのスペーサ３がコレクタ２の表面上に配置されている。１つのスペーサ３は、略四角柱形状であり、底面は一辺３ａが１μｍの略正方形であり、高さ３ｂが１μｍである。スペーサ３は、導電率および熱伝導率の低い材料により構成されている。これは、スペーサ３は、エミッタ１とコレクタ２とを適当な間隔を置いて保持固定する役割を持つが、同時にエミッタ１からコレクタ２に移動した熱を、逆にコレクタ２からエミッタ１へ伝導する媒体となるため、できるだけ電子および熱の伝導を遮断することが必要だからである。導電率および熱伝導率の低い材料として、例えば、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）や、樹脂を用いることができる。
A plurality of
スペーサ３のサイズおよびスペーサ３同士の間隔は、上記した理由により、熱伝導を極力抑えるように設計されている。ここで、スペーサ３を介して移動する熱量（Ｑ’）は、１つのスペーサの底面積およびスペーサの本数から決まる総面積（Ｓ）と、高さ（Ｄ）と、スペーサ材料の熱伝導率（λ）の関数であり、以下の式により表すことができる。
The size of the
Ｑ’＝λ×Ｓ×ΔＴ／Ｄ
λ：熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））
Ｓ：スペーサの底面積の総和（ｃｍ２）
ΔＴ： エミッタとコレクタの温度差（Ｋ）
Ｄ： エミッターコレクタ間隔（ｃｍ）
冷却装置の出力（冷却能力）Ｑを１０Ｗ／ｃｍ２に設定すると、上記のＱ’はこれよりも十分小さいことが望ましく、例えば、Ｑの１％、すなわち、０．１Ｗ／ｃｍ２より小さくする必要がある。
Q ′ = λ × S × ΔT / D
λ: thermal conductivity (W / (m · K))
S: Sum of the bottom areas of the spacers (cm 2 )
ΔT: Temperature difference between emitter and collector (K)
D: Emitter-collector spacing (cm)
When the output (cooling capacity) Q of the cooling device is set to 10 W / cm 2 , the above Q ′ is desirably sufficiently smaller than this, for example, 1% of Q, that is, smaller than 0.1 W / cm 2 There is a need.
ここで、冷却器の使用条件として、例えば３０℃の外気温に対する２５℃の冷房温度とすると、ΔＴ＝５（Ｋ）となる。また、Ｄ＝１（μｍ）とする。 Here, if the use condition of the cooler is, for example, a cooling temperature of 25 ° C. with respect to an outside temperature of 30 ° C., ΔT = 5 (K). Further, D = 1 (μm).
したがって、スペーサ材料として、ＳｉＯ２を用いた場合では、λ＝２Ｗ／ｍＫであるため、Ｑ’＝２（Ｗ／ｍＫ）×Ｓ（ｃｍ２）×５（Ｋ）／０．０００００１（ｍ）＜０．１（Ｗ／ｃｍ２）を満たす条件はＳ＜１／１００００（ｃｍ２）となる。 Therefore, when SiO 2 is used as the spacer material, since λ = 2 W / mK, Q ′ = 2 (W / mK) × S (cm 2 ) × 5 (K) /0.000001 (m) The condition satisfying <0.1 (W / cm 2 ) is S <1/10000 (cm 2 ).
この結果、例えば、エミッタおよびコレクタの面積が１ｃｍ２である場合、スペーサ同士の間隔３ｃは１００μｍ、スペーサの底面の一辺３ａは１μｍである。
As a result, for example, when the area of the emitter and the collector is 1 cm 2 , the
また、スペーサ材料として、樹脂材料（λ＝０．２Ｗ／ｍＫ）とした場合、同様な計算により、Ｓ＜１／１０００（ｃｍ２）となる。この結果、この場合、スペーサ同士の間隔３ｃは１００μｍ、スペーサの底面の一辺３ａは３μｍである。なお、ここではＱ’をＱの１％よりも小さくする場合を例として説明したが、Ｑ’は、Ｑの大きさに対して無視できる大きさであれば良く、具体的には、Ｑの１０％よりも小さければ良い。
When the spacer material is a resin material (λ = 0.2 W / mK), S <1/1000 (cm 2 ) is obtained by the same calculation. As a result, in this case, the
容器４は、例えば、略直方体形状であり、図１に示すように、上面４ａと、下面４ｂと、側壁部としての側面４ｃとを有している。また、容器４は密閉されており、容器４の内部は真空となっている。本明細書中の真空とは、完全な真空を意味するのではなく、技術上可能なレベルの真空を意味する。
The container 4 has, for example, a substantially rectangular parallelepiped shape, and has an
そして、上面４ａはコレクタ２の裏面と接触しており、下面４ｂはエミッタ１の裏面と接触している。上面４ａが第２の接触部に相当し、下面４ｂが第１の接触部に相当する。
The
ここで、容器４と熱電変換素子（エミッタ１およびコレクタ２）とが離れていると、真空中の熱伝導が悪いため、熱交換の効率が悪くなる。すなわち、エミッタ側の温度低下を冷却対象物に伝える冷却能率が低くなると同時に、コレクタ側の温度上昇を抑えるための放熱能力も下がり、冷却素子としての性能が劣化する。
Here, if the container 4 and the thermoelectric conversion elements (
したがって、本実施形態では、上面４ａがコレクタ２と接触し、下面４ｂがエミッタ１と接触していることから、エミッタ１側での冷却能率と、コレクタ２側での放熱能率とが、容器４と熱電変換素子（エミッタ１およびコレクタ２）とが離れている場合と比較して、高くなっている。
Therefore, in this embodiment, since the
また、容器４は、エミッタ１での冷却とコレクタ２での放熱とが効率良く行われるように、上面４ａおよび下面４ｂが側面４ｃよりも熱伝導率の高い材料、例えば、金属により構成されている。一方、側面４ｃは、真空容器を介してコレクタ２側からエミッタ１側への熱伝導を抑制するために、上面４ａ、下面４ｂよりも熱伝導率の低い材料、例えば、ガラスまたは樹脂により構成されている。
Further, the container 4 is made of a material having a higher thermal conductivity than the
これにより、本実施形態では、全て同一の材料により構成された容器を用いる場合と比較して、エミッタ１の冷却効率およびコレクタ２の放熱の効率を高めることができ、コレクタ２からエミッタ１への熱伝導を抑制することができる。
As a result, in this embodiment, the cooling efficiency of the
熱交換器５および熱交換器６は、一方の流体を他方の流体で加熱あるいは冷却することを目的とするものであり、一般的な構造の熱交換器である。熱交換器５は容器４の下面４ｂに、熱交換器６は容器４の上面４ａに設置されており、熱交換器５および熱交換器６は容器４の下面４ｂ、上面４ａにそれぞれ接触している。なお、熱交換器の代わりにヒートシンク等を用いることもできる。
The
本実施形態では、このようにエミッタ１側に設置された熱交換器５により、熱交換器５に接する気体を冷却することができるようになっている。また、熱交換器６をコレクタ２側に設置することで、コレクタ２が有する熱を外部に放出しやすくなっている。したがって、この冷却装置は、コレクタ２側の熱交換器６を備えていない場合と比較して、冷却効率が高くなっている。
In the present embodiment, the gas in contact with the
ここで、代表的なグラファイトナノファイバを用いた本発明者の実験によれば、１ｍｍの間隔で１ｋＶの電圧印加で電子を放出することがわかっている。したがって、以上説明した構成の熱電変換型冷却装置は、１μｍの間隔であれば１Ｖ印加で電子放出すると推測される。本実施形態の冷却装置は、１Ａ／ｃｍ２程度以上の電流を流すものであり、冷却効率１０Ｗ／ｃｍ２を実現することができるものである。 Here, according to an experiment of the present inventor using a typical graphite nanofiber, it is known that electrons are emitted by applying a voltage of 1 kV at intervals of 1 mm. Therefore, it is presumed that the thermoelectric conversion type cooling device having the above-described configuration emits electrons when 1 V is applied if the interval is 1 μm. The cooling device according to the present embodiment allows a current of about 1 A / cm 2 or more to flow, and can achieve a cooling efficiency of 10 W / cm 2 .
次にこの熱電変換型冷却装置の製造方法を説明する。 Next, the manufacturing method of this thermoelectric conversion type cooling device will be described.
まず、エミッタ１を形成する工程を行う。この工程は導電性基板に触媒を固定する工程と、この触媒を用いて導電性基板にカーボンナノチューブ７を形成する工程とを有する。
First, a step of forming the
導電性基板に触媒を固定する工程では、図示しないが触媒材料のバルク材に真空中でレーザーを照射し、これを蒸発させる。蒸発した金属原子をＨｅガスなどで真空中を輸送し、原子同士の数個から数百個からなる集合体（クラスター）を形成する。そして、クラスターの混合体の中から任意のサイズ、物性のものを、例えば、四重極質量分離器や、飛行時間型質量分離器によって抽出する。抽出したクラスターを導電性基板上に付着させる。 In the step of fixing the catalyst to the conductive substrate, although not shown, the bulk material of the catalyst material is irradiated with laser in vacuum to evaporate it. The evaporated metal atoms are transported in a vacuum with He gas or the like to form an aggregate (cluster) consisting of several to several hundred atoms. Then, an arbitrary size and physical property is extracted from the cluster mixture by, for example, a quadrupole mass separator or a time-of-flight mass separator. The extracted cluster is deposited on the conductive substrate.
導電性基板にカーボンナノチューブ７を形成する工程では、クラスターを触媒としてＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によりカーボンナノチューブ７を成長させる。このようにして、エミッタ１を形成する。その後、エミッタ１の裏面に電極を形成する。
In the step of forming the
なお、エミッタ１を形成するときでは、導電性基板の全面一様をエミッタ１として用いるため、エミッタ１をマトリックス状（導電性基板上に複数のエミッタを配置した状態）に形成する必要はない。したがって、本実施形態では、エミッタをマトリックス状にする際に必要となる超微細化効用のフォトリソグラフィ装置や電子線描画装置などを使わずに簡便に、エミッタ１を形成することができる。
Note that when the
次に、コレクタ２を形成する工程を行う。この工程では、コレクタ２用の導電性基板として、Ｓｂが高濃度にドープされたシリコンウェハを用意する。そして、シリコンウェハの裏面にＡｕＳｂ合金を蒸着することでオーミック電極を形成する。
Next, a process of forming the
続いて、スペーサ３を形成する工程を行う。この工程では、コレクタ２用の導電性基板の表面上に、ＣＶＤ法や熱酸化法等の膜厚制御性の高い成膜方法により、ＳｉＯ２膜、樹脂膜等を成膜する。
Subsequently, a step of forming the
その後、フォトリソグラフィ等を用いた適当なパターニング方法により、不要な部分をエッチングによって除去する。このようにして、コレクタ２の表面上に、コレクタ２に固定されたスペーサ３を形成する。
Thereafter, unnecessary portions are removed by etching by an appropriate patterning method using photolithography or the like. In this way, the
このとき、上記したように、Ｑ’＝λ×Ｓ×ΔＴ／Ｄ＜０．１という式を満たすように、
スペーサ同士の間隔３ｃや、１つのスペーサにおける底面の一辺３ａを設定する。
At this time, as described above, so as to satisfy the expression Q ′ = λ × S × ΔT / D <0.1,
An
続いて、エミッタ１およびコレクタ２を用意し、エミッタ１とコレクタ２とを対向して配置させる工程を行う。この工程では、スペーサ３が固定されている面２ａを下にして、コレクタ２をエミッタ１上に置く。
Subsequently, the step of preparing the
このとき、スペーサ３は、エミッタ１表面のカーボンナノチューブ７を押しつぶす格好となる。本実施形態では、エミッタ１とコレクタ２との間に電気的な接続は必要なく、むしろ熱伝導を避けるためには接触面積を小さくすることが望ましい。このため、特許文献１に記載された従来方法のように間隔を一定に制御するためのアクチュエータ等の特別なアライメントおよび接続のための処理は必要ない。したがって、本実施形態では、エミッタ１とコレクタ２とを対向して配置させるとき、エミッタ１の上にコレクタ２を置き、自重もしくは適当なおもりで抑える程度でよい。なお、エミッタ１とコレクタ２は、冷却装置の使用の際、電圧を印加すると静電引力によって固定される。
At this time, the
続いて、エミッタ１の電極およびコレクタ２の電極と電源とを電気的に接続させる工程を行った後、エミッタ１およびコレクタ２を容器４により封止する工程を行う。容器４により、封止する工程では、上面４ａ、下面４ｂ、および側壁部４ｃとを有する容器４を用意する。そして、エミッタ１におけるコレクタに対向する面１ａと反対側の面１ｂに下面４ｂを接触させ、コレクタ２におけるエミッタ１に対向する面２ａと反対側の面２ｂに上面４ａを接触させて、エミッタ１およびコレクタ２を容器の内部に配置し、エミッタ１およびコレクタ２を容器により、真空の状態で封止する。
Subsequently, after the step of electrically connecting the electrode of the
続いて、容器４の下面４ｂに熱交換器５を設置し、上面４ａに熱交換器６を設置する工程を行う。このようにして、熱電変換型冷却装置を製造することができる。
Then, the process of installing the
以上説明したように、本実施形態の熱電変換型冷却装置は、エミッタ１の表面のうち、コレクタ２と対向している面１ａに、その面に対して垂直方向に配向しているカーボンナノチューブ７が配置されている。ここで、図３にエミッタ１とコレクタ２との間に電位差を与えたときの等電位分布を示す。カーボンナノチューブ７は、アスペクト比が１００であるため、図３に示すように、エミッタ１とコレクタ２との間に電位差を与えたとき、カーボンナノチューブ７の先端で電界集中する。なお、カーボンナノチューブ７の先端への電界の大きさは先端の曲率半径の二乗に反比例する。
As described above, the thermoelectric conversion type cooling device of the present embodiment has the
このため、エミッタ１とコレクタ２との間のうち、カーボンナノチューブ７が存在する部分に、カーボンナノチューブ７が存在しない部分と比較して、高電界がかかる。これにより、図４に示すように、エミッタ１とコレクタ２との間の真空でのエネルギー準位９は大きく曲がる（バンドベンディング）。このバンドベンディングは、エミッタ１とコレクタ２との間隔と、エミッタ１およびコレクタ２に対する印加電圧が本実施形態と同じであって、エミッタ１の表面にカーボンナノチューブ７が配置されていない従来の冷却装置と比較して、大きい。
For this reason, a high electric field is applied between the
この結果、トンネル電子が超えなければならないポテンシャルの幅は、上記した従来の冷却装置と比較して、非常に狭くなる。したがって、トンネル距離が上記した従来の冷却装置と比較して、著しく小さくなり、電子は放出されやすくなっている。このため、従来の冷却装置と比較して、小さな印加電圧でエミッタ１からコレクタ２に向けてトンネル電子を放出させることができる。
As a result, the width of the potential that the tunnel electrons must exceed is very narrow compared to the conventional cooling device described above. Therefore, the tunnel distance is significantly smaller than that of the conventional cooling device described above, and electrons are easily emitted. Therefore, tunnel electrons can be emitted from the
このことから、本実施形態によれば、表面に凹凸やうねりがある導電性材料をエミッタ１およびコレクタ２として用いて熱電変換素子を構成しても、本実施形態とエミッタ１とコレクタ２の間隔が同じである従来の熱電変換型冷却装置と比較して、高効率である熱電変換型冷却装置を提供することができる。
Therefore, according to the present embodiment, even if a thermoelectric conversion element is configured using a conductive material having irregularities and undulations on the surface as the
また、上記背景技術の欄にて説明したように、熱電変換型冷却装置では、小さな印加電圧で大きな電界が真空中に印加できるようにするために、エミッタとコレクタとの間隔を狭くして、ギャップ幅ｄ（図７参照）を小さくする必要であった。 Also, as explained in the background section above, in the thermoelectric conversion type cooling device, in order to be able to apply a large electric field in a vacuum with a small applied voltage, the interval between the emitter and the collector is narrowed, It was necessary to reduce the gap width d (see FIG. 7).
これに対して、本実施形態の熱電変換型冷却装置は、上記したように、エミッタ１とコレクタ２との間に電位差を与えたとき、カーボンナノチューブ７の先端で電界集中するため、小さな印加電圧で、エミッタ１とコレクタ２の間に、局所的に高電界をかけることができるようになっている。
In contrast, the thermoelectric conversion type cooling device of the present embodiment concentrates the electric field at the tip of the
このため、本実施形態によれば、背景技術の欄で説明したように、エミッタとコレクタ間の間隔をナノメートルスケールにしなくても、高効率な熱電変換型冷却装置を提供することができる。 For this reason, according to the present embodiment, as described in the background art section, a highly efficient thermoelectric conversion cooling device can be provided without the interval between the emitter and the collector being set to the nanometer scale.
また、本実施形態で用いているカーボンナノチューブ７自身の仕事関数は４〜５ｅＶと高いものである。発明が解決する課題の欄で説明したように、冷却装置として高効率を得るためには、仕事関数が小さな材料を用いる必要がある。
Moreover, the work function of the
しかし、カーボンナノチューブ７は、上記したように電界集中する形状であることから、電子が放出されやすい。このため、カーボンナノチューブ７の電子放出能からみた実効的な仕事関数は小さくなっている。したがって、本実施形態によれば、仕事関数の低い材料を用いることなく高効率な熱電変換装置を提供することができる。
However, since the
また、本実施形態では、エミッタ１を形成する工程で、カーボンナノチューブ７の成長の触媒として機能する原子からなるクラスターの中から、所望のサイズおよび物性のクラスターを抽出し、その抽出されたクラスターを導電性基板に固定する。そして、そのクラスターを触媒として用いて、導電性基板の表面にカーボンナノ材料を形成することでエミッタを形成している。
In the present embodiment, in the step of forming the
これにより、クラスターとして、サイズも物性もカーボンナノチューブの成長に対して最適条件のもののみを抽出することで、結晶性の良いカーボンナノチューブを高純度に形成することができる。 As a result, by extracting only clusters having the optimum size and physical properties for the growth of carbon nanotubes, carbon nanotubes with good crystallinity can be formed with high purity.
また、このようにしてエミッタ１を形成することで、カーボンナノチューブ７を、高密度で、エミッタ１表面に対して垂直方向に配向させることができる。このようにカーボンナノチューブ７を高密度とすることで大きな電流を流すことができ、カーボンナノチューブ７を垂直方向に配置させることで、電界集中を発生しやすくし、エミッタ１の電子放出能力を高めることができる。
Further, by forming the
また、本実施形態では、エミッタ１とコレクタ２とを対向して配置させる工程で、エミッタ１の上に、スペーサ３が固定されたコレクタ２を置くことで、エミッタ１とコレクタ２とを対向させている。
In this embodiment, in the step of arranging the
本実施形態では、上記したように、エミッタ１とコレクタ２との間隔をナノメートルスケールとする必要がないため、エミッタ１とコレクタ２とを対向させるときに、スペーサ３を用いることができる。
In the present embodiment, as described above, since it is not necessary to set the distance between the
このようにスペーサ３を用いることができるので、本実施形態では、特許文献１に記載の従来技術と比較して、エミッタ１とコレクタ２とを所定間隔で対向配置させることができる。
Since the
また、コレクタ２にスペーサ３を設けていることから、エミッタとの接合において、アライメントや特殊な接着手段を用いることなく、コレクタとエミッタとを向かい合わせることができる。
Further, since the
（第２実施形態）
第１実施形態では、エミッタ１を形成する工程において、所望のサイズおよび物性のクラスターを抽出し、その抽出されたクラスターを導電性基板に固定し、そのクラスターを触媒として用いて、導電性基板の表面にカーボンナノチューブ７を形成する場合を例として説明したが、本実施形態の方法によってカーボンナノチューブ７を形成することもできる。なお、本実施形態は、カーボンナノチューブ７の製造方法が異なるだけで、他の製造工程は第１実施形態と同じである。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, in the step of forming the
図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に本実施形態におけるカーボンナノチューブ７を形成する方法を示す。まず、図５（ａ）に示すように、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどカーボンナノチューブ７の成長の触媒として機能する原子またはクラスター１１を核とした数ｎｍから数１０ｎｍ程度の径を持つミセルもしくはデンドリマー１２を形成する。
FIGS. 5A, 5B, and 5C show a method of forming the
そして、図５（ｂ）に示すように、複数のミセル等１２を適当な溶媒（例えば水）中に放つ。これにより、複数のミセル等１２が溶媒表面で自己組織化し、複数のミセル１２が規則的に配列した単層膜（自己組織化膜）１３が形成される。続いて、この単層膜１３を導電性基板上にすくい取り、乾燥させ、この単層膜を導電性基板の表面上に固定する。このようにして、導電性基板上に触媒を規則的に配列させる。
Then, as shown in FIG. 5B, a plurality of
次に、図５（ｃ）に示す工程で、表面上に触媒が配列された導電性基板上に、ＣＶＤ法によってカーボンナノチューブ７を成長させる。このようにして、カーボンナノチューブ７が表面上に配置されたエミッタ１を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 5C, the
本実施形態では、図５（ｂ）に示す工程で、ミセル１２等を自己組織化させることで、触媒を規則的に、かつ、高密度に配置させることができる。この結果、図５（ｃ）に示す工程で、導電性基板の表面に対して垂直な方向への配向性が高いカーボンナノチューブ７を導電性基板上に形成することができる。
In the present embodiment, the catalyst can be regularly and densely arranged by self-organizing the
これにより、高密度で、垂直方向の配向性が高いカーボンナノチューブ７を表面に有するエミッタ１を形成することができる。
Thereby, it is possible to form the
（第３実施形態）
第１、第２実施形態では、容器４により、エミッタ１およびコレクタ２を真空状態で封止する場合を例として説明したが、本実施形態のように、容器４を用いずに、エミッタ１およびコレクタ２との間の空間を真空状態とすることもできる。
(Third embodiment)
In the first and second embodiments, the case where the
図６（ａ）に本実施形態における熱電変換型冷却装置の断面図を示し、図６（ｂ）に図６（ａ）中のコレクタ２に設置されたスペーサ３の平面レイアウト図を示す。なお、図６（ｂ）は、図６（ａ）中のコレクタ２を図の下側から見たときの図である。また、図６では、図１、２と同様の構造部に、図１、２の構成部と同一の符号を付している。
FIG. 6A shows a cross-sectional view of the thermoelectric conversion cooling device in the present embodiment, and FIG. 6B shows a plan layout diagram of the
本実施形態では、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、スペーサ３が、エミッタ１とコレクタ２との間で電子を移動させる空間を囲むように、コレクタ２の外周部に配置されている。そして、エミッタ１のコレクタ２に対向している面１ａと、コレクタ２のエミッタ１に対向している面２ａと、スペーサ３ｄとにより、エミッタ１とコレクタ２との間の空間が真空の状態で封止されている。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 6A and 6B, the
次に、このような構成の熱電変換型冷却装置の製造方法を説明する。第１実施形態におけるコレクタ２にスペーサ３を形成する工程を以下のように変更する。図６（ｂ）に示すように、コレクタ２の内周を囲むような形状のスペーサ３ｄと、所定の間隔で配置された四角柱形状のスペーサ３ｅとをコレクタ２の表面上に形成する。
Next, the manufacturing method of the thermoelectric conversion type cooling device having such a configuration will be described. The process of forming the
このとき、本実施形態においても、上記したように、Ｑ’＝λ×Ｓ×ΔＴ／Ｄ＜０．１という式を満たすように、スペーサ同士の間隔３ｃや、１つのスペーサにおける底面の一辺３ａを設定する。
At this time, also in the present embodiment, as described above, the
そして、第１実施形態と同様に、エミッタ１とコレクタ２とを対向して配置させる工程を行う。ただし、本実施形態では、真空中でエミッタ１とコレクタ２とを向かい合わせる。このようにして、エミッタ１のコレクタ２に対向している面と、コレクタ２のエミッタ１に対向している面と、スペーサ３とにより、エミッタ１とコレクタ２との間の空間を真空の状態で封止することができる。
Then, similarly to the first embodiment, a step of arranging the
その後、エミッタ１、コレクタ２にそれぞれ、直接、熱交換器５、熱交換器６を設置することで、熱電変換型冷却装置を製造することができる。
Then, the thermoelectric conversion type cooling device can be manufactured by installing the
本実施形態では、このように、スペーサ３によりエミッタ１とコレクタ２との間の空間を真空状態で封止している。
In the present embodiment, the space between the
これにより、第１実施形のように、エミッタ１およびコレクタ２を容器４に入れ、容器４の内部を真空にした構造の熱電変換型冷却装置を製造する場合と比較して、熱電変換型冷却装置の構造を簡略化し、製造コストを低減させることができる。
（他の実施形態）
上記した各実施形態では、エミッタ１の表面にカーボンナノチューブ７を形成する場合を例として説明したが、カーボンナノチューブ７に限らず、アスペクト比が１００以上であって、短辺が１〜３０ｎｍ程度であるグラファイトナノファイバ等のカーボンナノ材料を形成することもできる。
Thus, as in the first embodiment, the thermoelectric conversion cooling is performed as compared with the case of manufacturing the thermoelectric conversion cooling device having the structure in which the
(Other embodiments)
In each of the above embodiments, the case where the
また、カーボンナノ材料に限らず、他の導電性材料を用いて、電界集中がおきる形状である凸部をエミッタ１の表面に形成することもできる。すなわち、アスペクト比が１００以上であって、短辺が１〜３０ｎｍ程度である凸部をエミッタ１の表面に形成することもできる。
Further, not only the carbon nanomaterial but also another conductive material can be used to form a convex portion having a shape in which electric field concentration occurs on the surface of the
また、上記した各実施形態では、エミッタ１とコレクタ２の間隔が１〜３μｍである場合を例として説明したが、エミッタ１とコレクタ２の間隔をナノメートルスケールにする技術があれば、その技術を用いてナノメートルスケールにしても良い。この場合であっても、本発明と同様の効果を有する。
In each of the above-described embodiments, the case where the distance between the
また、上記した各実施形態では、エミッタ１側に熱交換器５を配置する場合を例として説明したが、固体や液体を冷却する場合は、熱交換器５を用いずに、エミッタ１に対して被冷却物質を直接接触させることもできる。
In each of the above embodiments, the case where the
１…エミッタ、２…コレクタ、３…スペーサ、４…容器、
５、６…熱交換器、７…カーボンナノチューブ、
１１…原子またはクラスター、１２…ミセルまたはデンドリマー。
1 ... Emitter, 2 ... Collector, 3 ... Spacer, 4 ... Container,
5, 6 ... heat exchanger, 7 ... carbon nanotube,
11 ... atoms or clusters, 12 ... micelles or dendrimers.
Claims (20)
前記エミッタ（１）における前記コレクタ（２）と対向する面（１ａ）の表面に、複数の凸部（７）を有しており、前記凸部（７）は、前記エミッタ（１）と前記コレクタ（２）との間に電位差が与えられたとき、その先端で電界集中が発生する形状であることを特徴とする熱電変換型冷却装置。 An emitter (1) and a collector (2) are arranged to face each other, and a potential difference is applied between the emitter (1) and the collector (2) to heat the emitter (1) to the collector (2). In a thermoelectric conversion type cooling device using a thermoelectric conversion element that emits
The emitter (1) has a plurality of convex portions (7) on the surface of the surface (1a) facing the collector (2), and the convex portion (7) includes the emitter (1) and the emitter (1). A thermoelectric conversion type cooling device having a shape in which electric field concentration occurs at the tip of the collector when a potential difference is applied to the collector (2).
（数１）λ×Ｓ×ΔＴ／Ｄ＜（冷却装置の出力の１０％）
を満たす形状であることを特徴とする請求項４に記載の熱電変換型冷却装置。 The thermal conductivity (unit: W / (m · K)) of the spacer (3) is λ, the sum of the bottom areas of the spacer (3) (unit: cm 2 ) is S, the emitter (1) and the collector When the temperature difference (unit: K) of (2) is ΔT and the distance (unit: cm) between the emitter (1) and the collector (2) is D, the spacer (3) ,
(Expression 1) λ × S × ΔT / D <(10% of the output of the cooling device)
The thermoelectric conversion cooling device according to claim 4, wherein the thermoelectric conversion cooling device has a shape satisfying the above requirement.
導電性基板の表面に、前記エミッタ（１）と前記コレクタ（２）との間に電位差が与えられたとき、その先端で電界集中が発生する形状の凸部（７）を形成することで、前記エミッタ（１）を形成する工程と、
コレクタ（２）を形成する工程と、
前記エミッタ（１）における前記凸部（７）が形成された面（１ａ）を前記コレクタ（２）に向けて、前記エミッタ（１）と前記コレクタ（２）とを対向して配置させる工程とを有することを特徴とする熱電変換型冷却装置の製造方法。 An emitter (1) and a collector (2) are arranged to face each other, and a potential difference is applied between the emitter (1) and the collector (2) to heat the emitter (1) to the collector (2). In the manufacturing method of the thermoelectric conversion type cooling device using the thermoelectric conversion element that discharges
On the surface of the conductive substrate, when a potential difference is applied between the emitter (1) and the collector (2), a convex portion (7) having a shape in which electric field concentration occurs at the tip thereof is formed. Forming the emitter (1);
Forming a collector (2);
Placing the emitter (1) and the collector (2) facing each other with the surface (1a) of the emitter (1) on which the convex portion (7) is formed facing the collector (2); The manufacturing method of the thermoelectric conversion type cooling device characterized by having.
サイズおよび物性が制御され、カーボンナノ材料成長の触媒として機能する原子からなる集合体を導電性基板の表面に固定する工程と、
前記集合体を触媒として用いて、前記導電性基板の表面にカーボンナノ材料を形成することでエミッタ（１）を形成する工程とを有することを特徴とする請求項１１に記載の熱電変換型冷却装置の製造方法。 The step of forming the emitter (1) includes:
Fixing an assembly of atoms whose size and physical properties are controlled and functioning as a catalyst for carbon nanomaterial growth to the surface of the conductive substrate;
The thermoelectric conversion cooling according to claim 11, further comprising a step of forming an emitter (1) by forming a carbon nanomaterial on a surface of the conductive substrate using the aggregate as a catalyst. Device manufacturing method.
前記集合体を複数形成する工程と、
複数の前記集合体の中から、所望のサイズおよび物性の前記集合体を抽出する工程と、
前記抽出された集合体を前記導電性基板に固定する工程とを有することを特徴とする請求項１２に記載の熱電変換型冷却装置の製造方法。 The step of fixing the assembly to the conductive substrate includes:
Forming a plurality of the aggregates;
Extracting the aggregate having a desired size and physical properties from the plurality of aggregates;
The method for manufacturing a thermoelectric conversion cooling device according to claim 12, further comprising a step of fixing the extracted aggregate to the conductive substrate.
カーボンナノ材料成長の触媒として機能する原子（１１）または前記原子からなる集合体（１１）を備えるミセルもしくはデンドリマー（１２）を形成する工程と、
前記ミセルもしくはデンドリマー（１２）を導電性基板に固定する工程と、
前記導電性基板上にカーボンナノ材料（７）を形成することで前記エミッタを形成する工程とを有することを特徴とする請求項１１に記載の熱電変換型冷却装置の製造方法。 The step of forming the emitter (1) includes:
Forming a micelle or dendrimer (12) comprising an atom (11) functioning as a catalyst for carbon nanomaterial growth or an aggregate (11) comprising said atom;
Fixing the micelle or dendrimer (12) to a conductive substrate;
The method of manufacturing a thermoelectric conversion cooling device according to claim 11, further comprising: forming the emitter by forming a carbon nanomaterial (7) on the conductive substrate.
スペーサ（３）の熱伝導率（単位：Ｗ／（ｍ・Ｋ））をλとし、スペーサ（３）の底面積の総和（単位：ｃｍ２）をＳとし、前記エミッタ（１）と前記コレクタ（２）の温度差（単位：Ｋ）をΔＴとし、前記エミッタ（１）と前記コレクタ（２）の間隔（単位：ｃｍ）をＤとしたとき、次の数１、
（数１）λ×Ｓ×ΔＴ／Ｄ＜（冷却装置の出力の１０％）
を満たすように、前記スペーサ（３）を設けることを特徴とする請求項１６に記載の熱電変換型冷却装置の製造方法。 In the step of providing the spacer (3) on the surface of the collector (2),
The thermal conductivity (unit: W / (m · K)) of the spacer (3) is λ, the sum of the bottom areas (unit: cm 2 ) of the spacer (3) is S, the emitter (1) and the collector When the temperature difference (unit: K) of (2) is ΔT and the distance (unit: cm) between the emitter (1) and the collector (2) is D,
(Expression 1) λ × S × ΔT / D <(10% of the output of the cooling device)
The method of manufacturing a thermoelectric conversion cooling device according to claim 16, wherein the spacer (3) is provided so as to satisfy
前記エミッタ（１）と前記コレクタ（２）とを対向して配置させる工程では、真空中で前記エミッタ（１）と前記コレクタ（２）とを向かい合わせることで、前記エミッタ（１）における前記コレクタ（２）に対向している面（１ａ）と、前記コレクタ（２）における前記エミッタ（１）に対向している面（２ａ）と、前記スペーサ（３）とにより、前記エミッタ（１）と前記コレクタ（２）との間の空間を真空の状態で封止することを特徴とする請求項１６または１７に記載の熱電変換型冷却装置の製造方法。
In the step of providing the spacer (3) on the surface of the collector (2), the spacer (3) is disposed so as to surround the inner periphery of the collector (2),
In the step of disposing the emitter (1) and the collector (2) to face each other, the emitter (1) and the collector (2) face each other in a vacuum so that the collector in the emitter (1) The surface (1a) facing (2), the surface (2a) facing the emitter (1) in the collector (2), and the spacer (3) make the emitter (1) The method for manufacturing a thermoelectric conversion cooling device according to claim 16 or 17, wherein a space between the collector (2) is sealed in a vacuum state.
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|---|---|---|---|
| JP2003331714A JP2005101191A (en) | 2003-09-24 | 2003-09-24 | Thermoelectric conversion type cooling apparatus and manufacturing method thereof |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100795375B1 (en) | 2006-08-04 | 2008-01-17 | (주) 코네스코퍼레이션 | Apparatus for enhancing heat transfer by attached nano tube |
| JP2010532717A (en) * | 2007-06-20 | 2010-10-14 | ニユージヤージイ・インスチチユート・オブ・テクノロジー | Nanotube device and manufacturing method |
| JP4791611B1 (en) * | 2011-05-20 | 2011-10-12 | 隆彌 渡邊 | Air conditioning |
| WO2012140800A1 (en) * | 2011-04-11 | 2012-10-18 | Watanabe Takaya | Cooling and heating device |
-
2003
- 2003-09-24 JP JP2003331714A patent/JP2005101191A/en not_active Withdrawn
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| JP2010532717A (en) * | 2007-06-20 | 2010-10-14 | ニユージヤージイ・インスチチユート・オブ・テクノロジー | Nanotube device and manufacturing method |
| WO2012140800A1 (en) * | 2011-04-11 | 2012-10-18 | Watanabe Takaya | Cooling and heating device |
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