热电变换元件及其制造方法、使用该热电变换元件的冷却装置以及该冷却装置的控制方法制造方法及图纸

一种热电变换元件，具有：利用热和电场作用发射电子的发射极（１）；与发射极（１）相对配置的、收集从发射极（１）发射的电子的集电极（２）；作为从发射极（１）发射的电子的移动区域的、由发射极（１）和集电极（２）夹着的电子传送层（３），电子传送层（３）是作为气相和固相混合构造的多孔质体，构成多孔质体的所述固相整体由电绝缘体材料构成，向集电极（２）施加比向发射极（１）施加的电位还高的电位，从发射极（１）放出的电子，在气相中移动。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种使用热电子和电场发射电子来实现冷却作用的固体型热电变换元件，特别是涉及一种具有由多孔质构造形成的电子传送层的热电变换元件、其制造方法、使用该热电变换元件的冷却装置以及该冷却装置的控制方法，该多孔质构造混合了利用由电的非传导性绝缘材料形成的微小粒了所构成的固相和气相。
技术介绍
关于使用由利用热或电场作用可容易地发射电子的发射材料所进行的电子发射现象，来实现冷却作用的热电变换元件，例如在应用物理杂志76卷7号(1994年)4362页(下面记为文献1)、应用物理78卷17号(2001年)2572页(下面记为文献2)、美国专利第5,675,972号(下面记为文献3)中公开。图4(a)是表示上述文献1～3中所公开的现有的热电变换元件的基本构造的截面图(现有例子1)。一边参照图4(a)一边说明热电变换元件的基本动作原理。图4(a)所示的热电变换元件具有为了与被冷却物(未图示)之间交换热而连接(下面记为“热连接”)的发射极(emitter)1；与被加热物(未图示)热连接的集电极(collector)2；以及用于向这些电极间施加电压的电源4。发射极1和集电极2夹着使用隔板(spacer)11等形成的微小间隙相对配置，发射极1和集电极2之间形成为真空空间10(气相)。如果向该元件的集电极2上施加正电压，向发射极1上施加负电压，发射极1的表面就变为容易向真空空间10中发射电子的状态，即如果是低功函数状态，在一定阈值以上通过热作用和电场作用放出电子5。放出的电子5将真空空间10作为电子移动路径，从发射极1向集电极2移动。此时，由发射极1放出的电子5由集电极2获得，并保持着在发射极1内部保有的能量。即经过真空中的微小间隙在相对的发射极1-集电极2之间移动电子5，由此能够将发射极1的热量向集电极2传送。由此冷却发射极1和与其热连接的物体。另一方面，提供了保持能量的电子5的集电极2和与其热连接的物体被加热。如果总结以上的动作，则为向热电变换元件施加电压、从发射极1放出电子，由此通过吸热作用冷却发射极1的周边，通过放热作用加热集电极2的周边。为了有效地使这样的热电变换元件动作，如何容易地放出电子5是重要的，为此，需要形成低功函数的发射极材料和形成微小间隙构造。此外，使用同样原理的其它热电变换元件的构成，在美国专利第4019113号(下面记为文献4)中公开。图4(b)表示了文献4中所记载的热电变换元件的构成(现有例子2)。该热电变换元件不使用真空空间(气相)作为电子移动路径，而为使用薄膜12(固相)的固体型。而且，在图4(b)中，对于同图4(a)所示的热电变换元件(现有例子1)相同的构成元件，赋予相同的符号。这种情况下，动作原理本身与所述构成相同，但以提高从发射极1的电子发射效率为目的，作为发射电子的空间使用薄膜12(固相)这点与现有例子不同。此外，该固体型热电变换元件的改进型，在美国专利第6489704号(下面记为文献5)、日本专利申请公开公表特表2002-540636号(下面记为文献6)中所公开。图4(c)中表示了这些固体型热电变换元件的概略构成(现有例子3)。这里，对于同图4(a)所示的热电变换元件(现有例子1)相同的构成要素赋予相同的符号。在现有例子3的热电变换元件中，与现有例子1、2的热电变换元件不同，对成为电子移动路径的固相13部分和气相14部分进行分离，试图改善元件性能。使用这些热电变换元件的冷却装置，与现有的机械式压缩方式相比，具有这样的特征，即没有可动部分而变为小型，且不需要氟利昂气体等冷却介质。此外，也提高了理论上的冷却效率，所以考虑为一种理想的冷却装置。但是，文献3所公开的现有例子1的热电变换元件中，象图4(a)所示那样，需要制造真空空间10的微小间隙，为了维持稳定的热电变换特性，需要使用隔板11等高精度地制造间隔非常小的间隙(大概是10～500nm左右)，同时，需要将该空间维持为高真空。即，现有构造的热电变换元件，具有这样的问题大面积且高精度地制造非常狭窄间隔的真空间隙是困难的。另外，在文献4所公开的现有例子2的热电变换元件中，象图4(b)所示那样，电子移动区域从真空(气相)变为薄膜(固相)，解决了现有例子1的一部分问题，然而由于被冷却的发射极1和被加热的集电极2通过固相区域(薄膜12)连接，所以，显著地受到从高温部(集电极2)向低温部(发射极1)的热传导的影响。即，为了维持有效的热电变换特性，希望极力地防止从高温部侧向低温部侧流动热，但是在现有例子2的构成中，电子移动区域是薄膜的叠层构造，所以，具有从高温侧向低温侧的热传导导致的损失(热流出)加大这样的问题。另外，在文献5所公开的现有例子3的热电变换元件中，象图4(c)所示那样，空间地分离由固相13形成的电子移动区域和由气相14形成的热传导抑制区域，解决了一部分现有例子2的问题，然而考虑到由于是通过细微接触点向固相13注入电子的构造，所以也加大了能量损失。即，在现有例子3的热电变换元件中，关于细微间隙形成和抑制热传导是有效果的，然而由于是通过利用细微接触点的固相13的电子传导，所以具有不是非常有效率的问题。本专利技术涉及的文献一览应用物理杂志(Journal of Applied Physics)76卷7号(1994年)4362页应用物理通信(Applied Physics Letter)78卷17号(2001年)2572页美国专利第5,675,972号说明书美国专利第4,019,113号说明书美国专利第6,489,704号说明书日本专利申请公开公表特表2002-540636号公报说明书国际公开第01/71759号小册子(pamphlet)(在该文献中，公开了顺序叠加发射极、将Si阳极氧化形成的多孔质体、荧光体以及阳极的显示装置)。
技术实现思路
本专利技术是为了解决上述问题作出的，其目的在于，提供一种兼顾有效地电子移动和抑制热传导，且容易形成微小间隙的热电变换元件。实现上述目的的专利技术的热电变换元件的特征在于，具有利用热和电场作用放射电子的发射极；与所述发射极相对配置的、收集从所述发射极发射的电子的集电极；作为从所述发射极发射的电子的移动区域的、由所述发射极和集电极夹着的电子传送层，所述电子传送层是气相和固相混合构造的多孔质体，构成所述多孔质体的所述固相整体由电绝缘体材料构成，向所述集电极施加比向所述发射极施加的电位还高的电位，由此，从所述发射极放出的电子，在所述气相中移动。实现上述目的的本专利技术的热电变换元件的制造方法中，该热电变换元件具有利用热和电场作用放射电子的发射极；与所述发射极相对配置的、收集从所述发射极发射的电子的集电极；作为从所述发射极发射的电子的移动区域的、由所述发射极和集电极夹着的电子传送层，所述电子传送层是作为气相和固相混合构造的多孔质体，构成所述多孔质体的所述固相整体由电非传导性绝缘体材料构成，向所述集电极施加比向所述发射极施加的电位还高的电位，从所述发射极放出的电子在所述气相中移动，该热电变换元件的制造方法包括使用溶胶凝胶反应来形成所述多孔质体的步骤。实现上述目的的使用本专利技术的第一热电变换元件的冷却装置，其特征在于，包括热电变换元件和电源，该热电变换元件具有利用热和电场作用发射电子的发射极；与所述发射极相对配置的收本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电变换元件，具有：利用热和电场作用发射电子的发射极；与所述发射极相对配置的、收集从所述发射极发射的电子的集电极；以及作为从所述发射极发射的电子的移动区域的、由所述发射极和集电极夹着的电子传送层，所述电子 传送层是作为气相和固相混合构造的多孔质体，构成所述多孔质体的所述固相整体由电绝缘体材料构成，向所述集电极施加比向所述发射极施加的电位还高的电位，由此，从所述发射极放出的电子，在所述气相中移动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：出口正洋，田尾本昭，尾崎丰一，柴田元司，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]