JP3966056B2

JP3966056B2 - Thermoelectric element and thermoelectric device provided with the thermoelectric element

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Publication number: JP3966056B2
Application number: JP2002114409A
Authority: JP
Inventors: 至洋牧野
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2002-04-17
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2022-04-17
Also published as: WO2003056639A1; JP2003258326A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電気素子及び該熱電気素子を備えた熱電気装置に関し、特に、ナノ構造体を用いたものに係る。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、熱電気素子には、例えば、ペルチェ効果を利用し、熱を電気エネルギに直接変換したり、又は電気エネルギを熱に変換するものがある。このペルチェ効果を利用した熱電気素子は、空気調和装置や発電装置などの各種の熱電気装置に用いられている。例えば、熱電気素子を用いた空気調和装置は、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける圧縮機などを設ける必要がないことから、地球環境に優しいという利点がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した熱電気素子は、電子放出の材料として最適な物質が用いられておらず、内部の抵抗が大きく、熱と電気エネルギの間の変換効率が低いという問題があった。
【０００４】
一方、上記熱電気素子には、例えば、Boralis社のクールチップがある。しかし、このクールチップは、電界放出に必要な電界を小さくするために、つまり、仕事関数を小さくするために最外殻電子のイオン化エネルギを下げるようにしている。したがって、上記クールチップは、電極材料の強度不足を招き、発熱に弱く、大電流を流すことができない可能性があるという問題があった。
【０００５】
本発明は、斯かる点に鑑みて成されたもので、熱と電気エネルギの間の変換効率が高い熱電気素子及び該熱電気素子を備えた熱電気装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
具体的に、図２に示すように、第１の発明は、互いに対向して配置された陰極（21）及び陽極（22）と、該陰極（21）及び陽極（22）の双方の対向面又は何れか一方の対向面に配置された電導性物質より成るナノ構造体（23）とを備えている。そして、上記陰極（21）と陽極（22）との間を真空に保持し、上記陰極（21）と陽極（22）との間に熱又は電気エネルギを加えて熱と電気エネルギとを変換する。
【０００７】
また、第２の発明は、上記第１の発明において、上記陰極（21）と陽極（22）との間の電圧印加により、ナノ構造体（23）を介して陰極（21）からから陽極（22）に向う電子の電界放出によって陰極（21）に冷却部を形成し、陽極（22）に加熱部を形成して電気エネルギを熱に変換する構成である。
ことを特徴とする熱電気素子。
【０００８】
また、第３の発明は、上記第１の発明において、上記陰極（21）を加熱し、陽極（22）を冷却し、ナノ構造体（23）を介して陰極（21）から陽極（22）に向う熱電子放出を生起させて熱を電気エネルギに変換する構成である。
【０００９】
また、第４の発明は、上記第１、第２又は第３の発明において、上記ナノ構造体（23）がナノチューブであって、該ナノチューブの先端が切除されて開口端（24）に構成されている。
【００１０】
また、第５の発明は、上記第１、第２又は第３の発明において、上記ナノ構造体（23）がカーボンナノチューブであって、表面修飾が施されている。
【００１１】
また、第６の発明は、空調を行う熱電気装置であって、ケーシング（11）と、該ケーシング（11）内に設けられ、熱電気素子（20）を有する熱交換手段（12）と、上記ケーシング（11）の内部に形成されて第１空気が流れる１次側の通路（15）及び第２空気が流れる２次側の通路（16）とを備えている。そして、上記熱交換手段（12）の熱電気素子（20）は、互いに対向して配置される陰極（21）及び陽極（22）と、該陰極（21）及び陽極（22）の双方の対向面又は何れか一方の対向面に配置された電導性物質より成るナノ構造体（23）とを有し、上記陰極（21）及び陽極（22）が各通路（15，16）に面して配置され、上記陰極（21）と陽極（22）との間を真空に保持し、上記陰極（21）と陽極（22）との間に所定電圧を印加し、ナノ構造体（23）を介して陰極（21）から陽極（22）に向う電子の電界放出によって陰極（21）を冷却し、陽極（22）を加熱し、１次側通路（15）の第１空気及び２次側通路（16）の第２空気を冷却又は加熱するように構成されている。
【００１２】
また、第７の発明は、空気を除湿する熱電気装置であって、ケーシング（31）と、該ケーシング（31）内に設けられ、熱電気素子（20）を有する除湿手段（32）と、上記ケーシング（31）の内部に形成されて空気が流れる空気通路（36）とを備えている。そして、上記除湿手段（32）の熱電気素子（20）は、互いに対向して配置される陰極（21）及び陽極（22）と、該陰極（21）及び陽極（22）の双方の対向面又は何れか一方の対向面に配置された電導性物質より成るナノ構造体（23）とを有し、上記陰極（21）が空気通路（36）に面して配置され、上記陰極（21）と陽極（22）との間を真空に保持し、上記陰極（21）と陽極（22）との間に所定電圧を印加し、ナノ構造体（23）を介して陰極（21）から陽極（22）に向う電子の電界放出によって陰極（21）を冷却し、陽極（22）を加熱し、空気通路（36）の空気を冷却して除湿するように構成されている。
【００１３】
また、第８の発明は、上記第７の発明において、上記熱電気素子（20）の陰極（21）で冷却された空気が流れて該空気中の臭気物質を吸着する脱臭手段（33）が設けられている。
【００１４】
また、第９の発明は、発電を行う熱電気装置であって、熱電気素子（20）を有する変換手段（45）と、該変換手段（45）の片側に配置された加熱手段（42）と、上記変換手段（45）の他の片側に配置された冷却手段（46）とを備えている。そして、上記熱電気素子（20）は、互いに対向して配置された陰極（21）及び陽極（22）と、該陰極（21）及び陽極（22）の双方の対向面又は何れか一方の対向面に配置された電導性物質より成るナノ構造体（23）とを有し、上記陰極（21）及び陽極（22）との間を真空に保持し、上記陰極（21）を加熱手段（42）によって加熱すると共に、陽極（22）を冷却手段（46）によって冷却し、陰極（21）から陽極（22）へ向かう熱電子の放出によって熱を電気エネルギに変換して負荷（47）に電力を供給するように構成されている。
【００１５】
また、第１０の発明は、発電手段（40）及び空調手段（10）とを備えた熱電気装置であって、上記発電手段（40）は、熱電気素子（20）を有する変換手段（45）と、該変換手段（45）の片側に配置された加熱手段（42）と、上記変換手段（45）の他の片側に配置された冷却手段（46）を備え、上記空調手段（10）は、熱電気素子（20）を有する熱交換手段（12）と、ケーシング（11）の内部で且つ熱交換手段（12）の片側に形成された第１空気の１次側の通路（15）と、上記ケーシング（11）の内部で且つ熱交換手段（12）の他の片側に形成された第２空気の２次側の通路（16）とを備えている。そして、上記発電手段（40）の熱電気素子（20）は、互いに対向して配置された陰極（21）及び陽極（22）と、該陰極（21）及び陽極（22）の双方の対向面又は何れか一方の対向面に配置された電導性物質より成るナノ構造体（23）とを有し、上記陰極（21）及び陽極（22）との間を真空に保持し、上記陰極（21）を加熱手段（42）によって加熱すると共に、陽極（22）を冷却手段（46）によって冷却し、陰極（21）から陽極（22）へ向かう熱電子の放出によって熱を電気エネルギに変換して空調手段（10）の熱交換手段（12）に電力を供給するように構成されている。加えて、上記空調手段（10）の熱電気素子（20）は、互いに対向して配置される陰極（21）及び陽極（22）と、該陰極（21）及び陽極（22）の双方の対向面又は何れか一方の対向面に配置された電導性物質より成るナノ構造体（23）とを有し、上記陰極（21）及び陽極（22）が各通路（15，16）に面して配置され、上記陰極（21）と陽極（22）との間を真空に保持し、上記陰極（21）と陽極（22）との間に所定電圧を印加し、ナノ構造体（23）を介して陰極（21）から陽極（22）に向う電子の電界放出によって陰極（21）を冷却し、陽極（22）を加熱し、１次側通路（15）の第１空気及び２次側通路（16）の第２空気を冷却又は加熱するように構成されている。
【００１６】
また、第１１の発明は、上記第６、第７、第９又は第１０の発明において、上記ナノ構造体（23）がナノチューブであって、該ナノチューブの先端が切除されて開口端（24）に構成されている。
【００１７】
また、第１２の発明は、上記第６、第７、第９又は第１０の発明において、上記ナノ構造体（23）がカーボンナノチューブであって、表面修飾が施されている。
【００１８】
本発明が上述したナノ構造体（23）を用いた基本原理は次の通りである。従来、例えば、蒸気圧縮式冷凍サイクルのヒートポンプ装置は、冷媒として気体又は液体を用いると共に、圧縮機を用いている。したがって、従来のヒートポンプ装置は、可動部の存在、振動、騒音、摺動部分の摩耗、圧縮機自体の発熱、圧縮機の重量及び大型化という問題を有していた。また、従来のヒートポンプ装置の効率は、カルノーサイクルの効率の３０％〜５０％であり、人工冷媒ガスを利用しているものでは地球環境を阻害するという問題があった。
【００１９】
そこで、本願発明者は、永年の研究の結果、特徴的なナノ構造を有し、電導性を有する構造材料を用い、電子の電界放出又は熱電子の放出による熱電気素子を開発したものである。
【００２０】
具体的に、ナノ構造体（23）であるカーボンナノチューブの電子放出特性の良好性は、軸方向の非常に高い電気伝導性とナノスケールの極微の直径に起因する。カーボンナノチューブは、単相及び多層を問わず、高い構造安定性を有し、鋭い先端、つまり、高いアスペクト比を有している。このことから、例えば、陰極（21）と陽極（22）との間に電界が作用すると、カーボンナノチューブの先端に電界が集中し、より低い印加電圧でもって効率的に電子がトンネリングして放出される。
【００２１】
また、上記カーボンナノチューブは、化学的に安定し、且つ高温状態においても安定し（例えば、真空中で２８００℃）、電界放出材料とし望ましい性質を有している。その上、上記カーボンナノチューブは、電流密度も多くとれるという特徴を有している。本発明は、斯かる点に着目してナノ構造体（23）を用いるようにしたものである。
【００２２】
すなわち、第２の発明では、陰極（21）と陽極（22）とを対面して配置し、高真空下において１ｖ／ｍｍ〜１０ｋｖ／ｍｍの電場、又は０．１ｖ〜１００ｖの電圧をかけると、電子がナノ構造体（23）の先端から真空中にトネンリングして放出される。この際、電子は、陰極（21）から運動エネルギを奪って陽極（22）に到達する。この結果、電子を放出する陰極（21）が冷却される一方、電子を受け取る陽極（22）が加熱される。尚、上記陰極（21）と陽極（22）との間に印加する電圧は、低いほどＣＯＰ（成績係数）がよい。
【００２３】
上記ナノ構造体（23）は、アスペクト比の高さから低電圧で効率よく電子を放出するので、より消費電力が少なく、電子クーリングが行われる。
【００２４】
また、第４の発明では、ナノ構造体（23）であるカーボンナノチューブの先端を開口端（24）にすると、エッジの部分に電界が集中することから電界放出がより良好となる。
【００２５】
また、第５の発明では、ナノ構造体（23）に表面修飾を施すと、仕事関数を減少させることができる。
【００２６】
具体的に、第６の発明は、熱電気素子（20）によって空気調和を行うものである。つまり、第１空気はケーシング（11）に吸い込まれ、１次側通路（15）を流れる。上記第１空気は、熱交換手段（12）における熱電気素子（20）の陰極（21）（冷却部）で熱交換して冷却され、冷却空気の調和空気となる。この調和空気は、１次側通路（15）流れ、室内に吹き出し、室内を冷房する。
【００２７】
また、第２空気はケーシング（11）に吸い込まれ、２次側通路（16）を流れる。そして、上記室外空気は、熱交換手段（12）における熱電気素子（20）の陽極（22）（加熱部）で熱交換して加熱され、排熱空気となる。この排熱空気は、２次側通路（16）流れ、室外に吹き出る。
【００２８】
一方、暖房運転を行う場合、熱交換手段（12）における熱電気素子（20）は、陽極（22）が１次側通路（15）に面し、熱電気素子（20）の陰極（21）が２次側通路（16）に面するように陰極（21）と陽極（22）との間に所定電圧を印加する。そして、冷房運転時とは逆に、第１空気は１次側通路（15）を流れて加熱され、加熱空気の調和空気となって室内に吹き出し、室内を暖房する。一方、第２空気は２次側通路（16）を流れて冷却され、排熱空気となって室外に吹き出る。
【００２９】
また、第７及び第８の発明では、熱電気素子（20）によって除湿を行うものである。つまり、除湿手段（32）における熱電気素子（20）は、空気通路（36）に面する陰極（21）と陽極（22）との間に所定電圧を印加する。空気はケーシング（31）に流入し、空気通路（36）を流れる。そして、上記空気は、除湿手段（32）における熱電気素子（20）の陰極（21）（冷却部）で熱交換して冷却されて除湿され、乾燥した調和空気となる。この調和空気は、脱臭手段（33）を流れ、臭気物質が吸着除去され、空気の除湿及び脱臭が行われる。
【００３０】
また、第９の発明では、熱電気素子（20）によって発電を行うものである。つまり、例えば、加熱手段（42）でガスを燃焼させる。この燃焼によって変換手段（45）における熱電気素子（20）の陰極（21）が加熱される。一方、１次側通路（15）には、冷却手段（46）によって変換手段（45）における熱電気素子（20）の陽極（22）が冷却される。上記変換手段（45）の熱電気素子（20）は、陰極（21）が所定温度以上に加熱されると、ナノ構造体（23）を介して陰極（21）から陽極（22）に向かって熱電子が放出される。この電子放出によって陰極（21）と陽極（22）との間に電位差が生じ、発電が行われる。この変換部で発生した電力が負荷（47）に供給される。
【００３１】
また、第１０の発明では、熱電気素子（20）によって発電及び空気調和を行うものである。つまり、変換手段（45）における熱電気素子（20）の陰極（21）が加熱され、陽極（22）が冷却されるので、ナノ構造体（23）を介して陰極（21）から陽極（22）に向かって放出される。この結果、陰極（21）と陽極（22）との間に電位差が生じる。
【００３２】
上記変換手段（45）における熱電気素子（20）の陽極（22）から電子が熱交換手段（12）の熱電気素子（20）の陰極（21）に流れる。この熱交換手段（12）の熱電気素子（20）には、所定電圧が印可されているので、熱電気素子（20）の陰極（21）から電界放出によって電子が陽極（22）に放出される。この結果、陰極（21）が冷却され、第１空気が冷却されて調和空気となる。この調和空気は、室内に供給される。
【００３３】
上記熱交換手段（12）の熱電気素子（20）の陽極（22）に流れた電子は、変換手段（45）における熱電気素子（20）の陰極（21）に流れ、上述の動作が繰り返される。
【００３４】
また、暖房運転を行う場合、上記変換手段（45）における熱電気素子（20）と熱交換手段（12）の熱電気素子（20）との接続を逆にすればよい。
【００３５】
【発明の効果】
したがって、本発明によれば、ナノ構造体（23）を有する電子放出型デバイスで熱電気素子（20）を構成するようにしたために、電子の散乱がなく、電気エネルギと熱とを高効率で変換することができる。
【００３６】
また、上記ナノ構造体（23）は、アスペクト比の高さから低電圧で効率よく電子を放出するので、より消費電力が少なく、電子クーリングを行うことができる。
【００３７】
また、上記ナノ構造体（23）をカーボンナノチューブで形成し、該カーボンナノチューブの先端を開口端（24）にすると、エッジの部分に電界が集中することから電界放出がより良好となる。
【００３８】
また、上記ナノ構造体（23）に表面修飾を施すと、仕事関数を減少させることができる。
【００３９】
また、上記熱電気素子（20）を設けて空気調和を行うようにすると、蒸気圧縮式冷凍サイクルを構成するものに比して冷媒及び圧縮機を設ける必要がないので、脱人工冷媒を図ることができ、地球環境に優しいものとすることができる。
【００４０】
また、振動及び騒音の低減を図ることができると共に、機械的摺動部がないので、機械的摩耗がなく、しかも、圧縮機の発熱、重量及び容積に関する制約を解消することができる。
【００４１】
また、蒸気圧縮式冷凍サイクルの効率より高効率とすることができる。
【００４２】
【発明の実施の形態１】
以下、本発明の実施形態１を図面に基づいて詳細に説明する。
【００４３】
図１に示すように、空気調和装置（10）は、熱電気素子（20）を備えた熱電気装置であって、冷房運転を行うように構成されている。
【００４４】
上記空気調和装置（10）は、ケーシング（11）と、熱交換手段である熱交換機構（12）とを備えている。上記ケーシング（11）は、前面ケース（11a）と背面ケース（11b）とを備え、上記前面ケース（11a）の内側中央部にコア（11c）が設けられている。
【００４５】
上記前面ケース（11a）には、コア（11c）の上方に位置して室内空気を吸い込む室内吸込口（13a）が形成されると共に、コア（11c）の下方に位置して調和空気を吹き出す室内吹出口（13b）が形成されている。一方、上記背面ケース（11b）には、上部に室外空気を吸い込む室外吸込口（14a）が形成されると共に、下部に排熱空気を吹き出す室外吹出口（14b）が形成されている。更に、上記背面ケース（11b）の上部及び下部には、前方に突出した突起（11d）が形成されている。
【００４６】
上記ケーシング（11）の内部には、室内吸込口（13a）と室内吹出口（13b）とを繋ぐ１次側通路（15）が形成されると共に、室外吸込口（14a）と室外吹出口（14b）とを繋ぐ２次側通路（16）が形成されている。
【００４７】
上記熱交換機構（12）は、１次側通路（15）と２次側通路（16）との区画壁を形成し、複数の熱電気素子（20）によって構成され、室内吸込口（13a）の上方から室内吹出口（13b）の下方に亘って形成されている。
【００４８】
上記１次側通路（15）には、コア（11c）に近接して室内ファン（17a）が設けられている。一方、上記２次側通路（16）には、室外吸込口（14a）に吸込ファン（17b）が、室外吹出口（14b）に吹出ファン（17c）が配置されている。
【００４９】
上記熱交換機構（12）は、複数の熱電気素子（20）が縦横に並列に配列された平板状に形成されている。上記各熱電気素子（20）は、電界放出型デバイスであって、図２に示すように、陰極（21）と陽極（22）とより成る一対の電極と、該陰極（21）と陽極（22）とにそれぞれ設けられたナノ構造体（23）とを備えている。
【００５０】
上記ナノ構造体（23）は、図３に示すように、カーボンナノチューブで構成され、陰極（21）と陽極（22）との双方の対向面に配置されている。そして、上記カーボンナノチューブは、炭素繊維より構成され、先端が切除されて先端が開口端（24）に形成されている。
【００５１】
上記ナノ構造体（23）は、直径が１ｎｍ〜４０ｎｍで、アスペクト比が１０以上になるように形成されている。したがって、上記ナノ構造体（23）は、例えば、高さが１０ｎｍに形成されている。
【００５２】
また、上記カーボンナノチューブは、単相のものであってもよく、多層のものであってもよい。しかしながら、上記カーボンナノチューブは、２層のものが好ましい。
【００５３】
上記熱電気素子（20）における陰極（21）と陽極（22）との間は、真空に保持され、該陰極（21）と陽極（22）との間に所定電圧を印加することにより、陽極（22）のナノ構造体（23）と陰極（21）のナノ構造体（23）との間に電界が生じ、電界強度が所定値以上になると陰極（21）のナノ構造体（23）から陽極（22）のナノ構造体（23）に電子が放出されて電界放出が生じる。そして、この電界放出によって上記陰極（21）が冷却部に形成され、陽極（22）が加熱部に形成されることになる。
【００５４】
上記熱交換機構（12）は、陰極（21）と陽極（22）とがそれぞれ１次側通路（15）及び２次側通路（16）に面している。つまり、例えば、冷房運転を行う場合、熱電気素子（20）の陰極（21）が１次側通路（15）に面し、熱電気素子（20）の陽極（22）が２次側通路（16）に面するように陰極（21）と陽極（22）との間に所定電圧を印加する。暖房運転を行う場合、印加電圧を逆にし、熱電気素子（20）の陽極（22）が１次側通路（15）に面し、熱電気素子（20）の陰極（21）が２次側通路（16）に面するように陰極（21）と陽極（22）との間に所定電圧を印加する。
【００５５】
また、上記熱電気素子（20）は、電場が１０ｋｖ／ｍｍ以下になるように、又は電圧が１００ｖ以下になるように設定され、電界放出電流密度が１μＡ／ｃｍ²になるように設定されている。更に、上記陰極（21）と陽極（22）との間の真空度が１０^-3Ｔｏｒｒになるように設定され、陰極（21）と陽極（22）との間の間隙が１ｍｍ以下になるように設定されている。
【００５６】
〈作用〉
次に、上述した空気調和装置（10）の空気調和動作について説明する。
【００５７】
先ず、冷房運転を行う場合、熱交換機構（12）における熱電気素子（20）は、陰極（21）が１次側通路（15）に面し、熱電気素子（20）の陽極（22）が２次側通路（16）に面するように陰極（21）と陽極（22）との間に所定電圧を印加する。この電圧の印加によって陰極（21）のナノ構造体（23）と陽極（22）のナノ構造体（23）との間に電界が生じ、陰極（21）のナノ構造体（23）から電子が陽極（22）のナノ構造体（23）に向かって放出される。この電界放出によって陰極（21）が冷却され、陽極（22）が加熱される。
【００５８】
つまり、高真空下（１０^-3Ｔｏｒｒ以下）において、対向配置された陰極（21）と陽極（22）との間に１ｖ／ｍｍ〜１０ｋｖ／ｍｍの電場、又は０．１ｖ〜１００ｖの電圧をかけると、電子がナノ構造体（23）の先端から真空中にトネンリングして放出される。この際、電子は、陰極（21）から運動エネルギを奪って陽極（22）に到達する。この結果、電子を放出する陰極（21）が冷却される一方、電子を受け取る陽極（22）が加熱される。
【００５９】
一方、室内ファン（17a）を駆動すると、室内空気が室内吸込口（13a）よりケーシング（11）に吸い込まれ、１次側通路（15）を流れる。上記室内空気は、熱交換機構（12）における熱電気素子（20）の冷却部である陰極（21）で熱交換して冷却され、冷却空気の調和空気となる。この調和空気は、１次側通路（15）流れ、室内吹出口（13b）より室内に吹き出し、室内を冷房する。
【００６０】
更に、吸込ファン（17b）及び吹出ファン（17c）を駆動すると、室外空気は室外吸込口（14a）よりケーシング（11）に吸い込まれ、２次側通路（16）を流れる。上記室外空気は、熱交換機構（12）における熱電気素子（20）の加熱部である陽極（22）で熱交換して加熱され、排熱空気となる。この排熱空気は、２次側通路（16）流れ、室外吹出口（14b）より室外に吹き出る。
【００６１】
また、暖房運転を行う場合、熱交換機構（12）における熱電気素子（20）は、陽極（22）が１次側通路（15）に面し、熱電気素子（20）の陰極（21）が２次側通路（16）に面するように陰極（21）と陽極（22）との間に所定電圧を印加する。そして、冷房運転時とは逆に、室内空気は１次側通路（15）を流れて加熱され、加熱空気の調和空気となって室内に吹き出し、室内を暖房する。一方、室外空気は２次側通路（16）を流れて冷却され、排熱空気となって室外に吹き出る。
【００６２】
〈実施形態１の効果〉
以上のように、本実施形態によれば、ナノ構造体（23）を有する電界放出型デバイスで熱電気素子（20）を構成するようにしたために、電子の散乱がなく、電気エネルギと熱とを高効率で変換することができる。
【００６３】
また、蒸気圧縮式冷凍サイクルを構成するものに比して冷媒及び圧縮機を設ける必要がないので、脱人工冷媒を図ることができ、地球環境に優しいものとすることができる。
【００６４】
また、振動及び騒音の低減を図ることができると共に、機械的摺動部がないので、機械的摩耗がなく、しかも、圧縮機の発熱、重量及び容積に関する制約を解消することができる。
【００６５】
また、蒸気圧縮式冷凍サイクルの効率より高効率とすることができる。
【００６６】
また、上記ナノ構造体（23）は、アスペクト比の高さから低電圧で効率よく電子を放出するので、より消費電力が少なく、電子クーリングが行われる。
【００６７】
また、上記ナノ構造体（23）の先端を開口端（24）にすると、エッジの部分に電界が集中することから電界放出がより良好となる。
【００６８】
−変形例１−
上記ナノ構造体（23）は、開口端（24）を有しないものであってもよく、また、上記ナノ構造体（23）は、カーボンナノチューブの代えて次のものであってもよい。
【００６９】
つまり、上記ナノ構造体（23）は、図５に示すように、炭素繊維よりなり、中実に形成されたカーボンナノファイバで構成してもよい。
【００７０】
また、ナノ構造体（23）は、図６に示すように、炭素繊維よりなり、螺旋状に形成されたカーボンナノコイルで構成してもよい。
【００７１】
また、ナノ構造体（23）は、図７に示すように、炭素繊維よりなり、コーン状に形成されたカーボンナノコーンで構成してもよい。
【００７２】
また、上記ナノ構造体（23）は、酸化物ナノチューブであってもよく、また、グラファイトナノファイバで構成してもよい。
【００７３】
また、上記ナノ構造体（23）は、表面修飾を施したもでもよく、例えば、カーボンナノチューブの表面官能基としては、−ＯＨ、ｓｐ³炭素、−ＣＯＯＨなどが有る。
【００７４】
−変形例２−
上記熱電気素子（20）は、図８及び図９に示すように、シリコン基板又はアルミ基板の陰極（21）及び陽極（22）である電極上にカーボンナノチューブを成長させるようにしてもよい。例えば、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によって陰極（21）及び陽極（22）上にカーボンナノチューブが剣山のように垂直に成長させてもよい。その際、作動時の熱応力を吸収するために、酸化シリコン（ＳiＯ2）より成る区画部（25）を電極状に形成するようにしてもよい。そして、区画内にカーボンナノチューブを成長させる。この結果、カーボンナノチューブの配向が良好に調整され、電力量の低減を図ることができる。
【００７５】
−変形例３−
上記熱電気素子（20）は、図１０及び図１１に示すように、シリコン基板又はアルミ基板の陰極（21）及び陽極（22）である電極上にカーボンナノチューブを印刷法により形成するようにしてもよい。つまり、ドラム（26）に形成したナノ構造体（23）を電極板上に固定するようにしてもよい。尚、この印刷法の場合、カーボンナノチューブの配向は調整されない。
【００７６】
【発明の実施の形態２】
以下、本発明の実施形態２を図面に基づいて詳細に説明する。
【００７７】
本実施形態は、図１２に示すように、実施形態１の空気調和装置（10）に代えて、熱電気装置である脱臭除湿装置（30）に熱電気素子（20）を用いたものである。
【００７８】
上記脱臭除湿装置（30）は、室内と押入との間の仕切部材（34）に取り付けられている。該脱臭除湿装置（30）は、ケーシング（31）と除湿手段である除湿機構（32）と脱臭手段である脱臭機構（33）とを備えている。
【００７９】
上記仕切部材（34）には、空気の流入口（34a）が形成されると共に、該流入口（34a）の上方位置に空気の流出口（34b）が形成されている。上記ケーシング（31）は、流入口（34a）と流出口（34b）とを覆うように仕切部材（34）に取り付けられている。
【００８０】
また、上記ケーシング（31）の内部には、仕切部材（34）における流入口（34a）の上辺からケーシング（31）内に延びる隔壁（35）が設けられている。該隔壁（35）の先端には、下方に向かって延びる板状の除湿機構（32）が設けられている。
【００８１】
そして、上記ケーシング（31）の内部には、空気通路（36）が形成されている。該空気通路（36）は、流入口（34a）から仕切部材（34）と除湿機構（32）との間で形成される１次側通路（36a）と、該１次側通路（36a）に連通し、ケーシング（31）と除湿機構（32）との間で形成され且つ流出口（34b）に至る２次側通路（36b）とを備えている。
【００８２】
上記除湿機構（32）は、図示しないが、実施形態１と同様な熱電気素子（20）を備え、該熱電気素子（20）は、冷却部である陰極（21）が１次側通路（36a）に面し、加熱である陽極（22）が２次側通路（36b）に面するように配置されている。そして、上記除湿機構（32）は、押入から流入する空気を１次側通路（36a）で冷却して除湿した後、この除湿された空気を２次側通路（36b）で加熱して押入に戻すように構成されている。
【００８３】
上記ケーシング（31）内の下部には、脱臭機構（33）が１次側通路（36a）に位置して配置されている。該脱臭機構（33）は、臭気物質の吸着剤である活性炭を有し、冷却された空気の流通によって臭気物質を吸着除去するように構成されている。
【００８４】
上記ケーシング（31）の下部には、開口（31a）が形成されると共に、該開口（31a）の下方には、水滴受け（31b）が設けられている。
【００８５】
〈作用〉
次に、上述した脱臭除湿装置（30）の脱臭除湿動作である空気調和動作について説明する。
【００８６】
先ず、除湿機構（32）における熱電気素子（20）は、陰極（21）が１次側通路（36a）に面し、熱電気素子（20）の陽極（22）が２次側通路（36b）に面するように陰極（21）と陽極（22）との間に所定電圧を印加する。押入空気は流入口（34a）よりケーシング（31）に流入し、１次側通路（36a）を流れる。そして、上記押入空気は、除湿機構（32）における熱電気素子（20）の冷却部である陰極（21）で熱交換して冷却されて除湿され、乾燥した調和空気となる。この調和空気は、脱臭機構（33）を流れ、臭気物質が吸着除去される。
【００８７】
その後、上記調和空気は、２次側通路（36b）を流れ、除湿機構（32）における熱電気素子（20）の加熱部である陽極（22）で熱交換して加熱され、流出口（34b）から押入に戻り、該押入の除湿及び脱臭が行われる。その他の構成、作用及び効果は実施形態１と同様である。
【００８８】
【発明の実施の形態３】
以下、本発明の実施形態３を図面に基づいて詳細に説明する。
【００８９】
本実施形態は、図１３乃至図１５に示すように、実施形態１の空気調和装置（10）に代えて、熱電気装置である発電装置（40）に熱電気素子（20）を用いたものである。
【００９０】
上記発電装置（40）は、熱電気素子（20）の熱電子放出によって発電を行うように構成されている。つまり、上記熱電気素子（20）は、実施形態１の熱電気素子（20）と同様に構成されているが、実施形態１が熱電気素子（20）の陰極（21）と陽極（22）との間に所定電圧を印加したのに代わり、熱電気素子（20）の陰極（21）を加熱し、陽極（22）を冷却するようにしたものである。上記熱電気素子（20）の陰極（21）を所定温度に加熱すると、該陰極（21）のナノ構造体（23）から電子が陽極（22）のナノ構造体（23）に向かって放出され、陰極（21）と陽極（22）との間に所定の電位差が生じ、熱が電気エネルギに直接変換されて発電が行われる。
【００９１】
上記発電装置（40）は、熱電気素子（20）の熱電気の変換機能を利用したもので、発電機構（41）と燃料部（42）とを備えている。該燃料部（42）は、ガスボンベで構成され、ガス管（42a）が接続されている。
【００９２】
上記発電機構（41）は、ケーシング（43）と加熱手段である燃焼部（44）と変換手段である変換部（45）とを備えている。該ケーシング（43）は、円筒状に形成されて一端が開口されている。
【００９３】
上記燃焼部（44）は、両端が閉鎖されると共に、多数の燃焼孔（44a）が形成された円筒状の燃焼筒で構成されている。該燃焼部（44）は、上記ケーシング（43）の中央部に、該ケーシング（43）と同心上に配置されている。そして、上記燃焼部（44）は、一端にガス管（42a）が接続されて、燃料ガスが燃料部（42）より供給されている。
【００９４】
上記変換部（45）は、実施形態１と同様な熱電気素子（20）を備え、両端が開口された円筒状に形成されている。該変換部（45）は、燃焼部（44）とケーシング（43）との間に位置し、それぞれ燃焼部（44）とケーシング（43）との間に所定の間隔が形成されている。そして、上記ケーシング（43）と変換部（45）との間は、外気が流れて冷却手段を構成する１次側通路（46）に形成されている。一方、上記変換部（45）と燃焼部（44）との間は、排気ガスが流れる２次側通路（46a）に形成されている。上記１次側通路（46）と２次側通路（46a）とは、ケーシング（43）の閉塞端側で連通している。
【００９５】
上記変換部（45）は、熱電気素子（20）の陰極（21）が２次側通路（46a）に面し、陽極（22）が１次側通路（46）に面している。そして、上記上記熱電気素子（20）の陰極（21）が燃焼部（44）のガス燃焼によって加熱され、陽極（22）が外気によって冷却される。この加熱及び冷却によって熱電気素子（20）が発電を行う。
【００９６】
一方、上記変換部（45）には、負荷（47）が配線（47a）を介して接続されている。
【００９７】
〈作用〉
次に、上述した発電装置（40）の発電動作について説明する。
【００９８】
先ず、燃料部（42）より燃料ガスを燃焼部（44）に供給し、該燃焼部（44）でガスを燃焼させる。この燃焼によって変換部（45）における熱電気素子（20）の陰極（21）が加熱される。一方、１次側通路（46）には、外気が供給されて該外気が１次側通路（46）を流れるので、変換部（45）における熱電気素子（20）の陽極（22）が冷却される。この１次側通路（46）を流れた室外空気は、２次側通路（46a）流れ、ガスの燃焼に寄与した後、排気される。
【００９９】
上記変換部（45）の熱電気素子（20）は、陰極（21）が所定温度以上に加熱されると、陰極（21）のナノ構造体（23）から陽極（22）のナノ構造体（23）に向かって熱電子が放出される。この電子放出によって陰極（21）と陽極（22）との間に電位差が生じ、発電が行われる。この変換部（45）で発生した電力が負荷（47）に供給される。
【０１００】
〈実施形態３の効果〉
以上のように、本実施形態によれば、ナノ構造体（23）を有する電子放出型デバイスで熱電気素子（20）を構成するようにしたために、電子の散乱がなく、熱と電気エネルギとを高効率で変換することができる。その他の熱電気素子（20）などの構成、作用及び効果は実施形態１と同様である。
【０１０１】
【発明の実施の形態４】
以下、本発明の実施形態４を図面に基づいて詳細に説明する。
【０１０２】
本実施形態は、図１６に示すように、実施形態１の空気調和装置（10）に代えて、熱電気装置であるガスヒートポンプ装置（50）に熱電気素子（20）を用いたものである。
【０１０３】
上記ガスヒートポンプ装置（50）は、発電手段である実施形態３の発電装置（40）と空調手段である実施形態１の空気調和装置（10）とを組み合わせたものであり、実施形態３の負荷（47）として実施形態１の熱交換機構（12）が接続されて電気回路（51）が形成されている。
【０１０４】
そして、上記実施形態１の２次側通路（16）より吹き出た排出空気が実施形態３の２次側通路（46a）に供給されている。この場合、実施形態３における１次側通路（46）を流れた空気はそのまま排出されている。
【０１０５】
したがって、本実施形態では、実施形態３の変換部（45）における熱電気素子（20）の陰極（21）が加熱され、陽極（22）が冷却されるので、陰極（21）のナノ構造体（23）から電子が陽極（22）に向かって放出される。この結果、陰極（21）と陽極（22）との間に電位差が生じる。
【０１０６】
そして、図１６の矢符で示すように、上記変換部（45）における熱電気素子（20）の陽極（22）から電子が空気調和装置（10）における熱交換機構（12）の熱電気素子（20）の陰極（21）に流れる。この空気調和装置（10）の熱電気素子（20）には、所定電圧が印可されているので、熱電気素子（20）の陰極（21）から電界放出によって電子が陽極（22）に放出される。この結果、陰極（21）が冷却され、室内空気が冷却されて調和空気となる。この調和空気は、室内に供給される。
【０１０７】
一方、上記空気調和装置（10）における熱交換機構（12）の熱電気素子（20）の陽極（22）に流れた電子は、図１６の矢符で示すように、発電装置（40）の変換部（45）における熱電気素子（20）の陰極（21）に流れ、上述の動作が繰り返される。
【０１０８】
尚、暖房運転を行う場合、上記発電装置（40）の変換部（45）における熱電気素子（20）と空気調和装置（10）における熱交換機構（12）の熱電気素子（20）との接続を逆にすればよい。その際、発電装置（40）の燃焼部（44）には、外気を供給することになる。その他の熱電気素子（20）などの構成、作用及び効果は実施形態１及び実施形態３と同様である。
【０１０９】
【発明の他の実施の形態】
上記各実施形態においては、熱電気素子（20）の陰極（21）と陽極（22）とのそれぞれにナノ構造体（23）を設けるようにしたが、本発明におけるナノ構造体（23）は、陰極（21）と陽極（22）の何れかに設けるものであってもよい。つまり、ナノ構造体（23）は、陽極（22）に対面する陰極（21）の対向面にのみ設けるものであってもよく、また、陰極（21）に対面する陽極（22）の対向面にのみ設けるものであってもよい。
【０１１０】
また、本実施形態は、空気調和装置（10）や発電装置（40）等について説明したが、本発明は、熱電気素子（20）のみであってもよく、この熱電気素子（20）は、空気調和装置（10）や発電装置（40）等に限られず、各種の装置に適用してもよいものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の空気調和装置を示す概略断面図である。
【図２】カーボンナノチューブを示す斜視図である。
【図３】先端が開口されたカーボンナノチューブを示す斜視図である。
【図４】カーボンナノファイバを示す斜視図である。
【図５】カーボンナノコイルを示す斜視図である。
【図６】カーボンナノコーンを示す斜視図である。
【図７】熱電気素子を示す斜視図である。
【図８】他の熱電気素子を示す斜視図である。
【図９】図８の熱電気素子を示す断面図である。
【図１０】他の熱電気素子の製造過程を示す概略構成図である。
【図１１】図１０に基づき製造された熱電気素子を示す斜視図である。
【図１２】本発明の実施形態２の除湿脱臭装置を示す概略断面図である。
【図１３】本発明の実施形態３の発電装置を示す概略構成図である。
【図１４】本発明の実施形態３の発電装置の横断面を示す断面図である。
【図１５】本発明の実施形態３の発電装置の縦断面を示す断面図である。
【図１６】本発明の実施形態４のガスヒートポンプ装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
10 空気調和装置（熱電気装置）
11 ケーシング
12 熱交換機構（熱交換手段）
15 １次側通路
16 ２次側通路
20 熱電気素子
21 陰極
22 陽極
23 ナノ構造体
24 開口端
30 脱臭除湿装置（熱電気装置）
31 ケーシング
32 除湿機構（除湿手段）
33 脱臭機構（脱臭手段）
36 空気通路
36a １次側通路
36b ２次側通路
40 発電装置（熱電気装置）
41 発電機構
44 燃焼部（加熱手段）
45 変換部（変換手段）
46 １次側通路（冷却手段）
46a ２次側通路
47 負荷
50 ガスヒートポンプ装置（熱電気装置）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermoelectric element and a thermoelectric device including the thermoelectric element, and particularly relates to one using a nanostructure.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, some thermoelectric elements use the Peltier effect to directly convert heat into electrical energy or convert electrical energy into heat. Thermoelectric elements using the Peltier effect are used in various thermoelectric devices such as air conditioners and power generators. For example, an air conditioner using a thermoelectric element has an advantage of being friendly to the global environment because it is not necessary to provide a compressor in a vapor compression refrigeration cycle.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the thermoelectric element described above has a problem that an optimum substance is not used as an electron emission material, the internal resistance is large, and the conversion efficiency between heat and electric energy is low.
[0004]
On the other hand, the thermoelectric element includes, for example, a cool chip manufactured by Boralis. However, this cool chip reduces the ionization energy of the outermost electrons in order to reduce the electric field required for field emission, that is, to reduce the work function. Therefore, the above-mentioned cool chip has a problem that the strength of the electrode material is insufficient, it is weak against heat generation, and there is a possibility that a large current cannot flow.
[0005]
The present invention has been made in view of such a point, and an object thereof is to provide a thermoelectric element having high conversion efficiency between heat and electric energy and a thermoelectric device including the thermoelectric element. It is.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
Specifically, as shown in FIG. 2, the first invention provides a cathode (21) and an anode (22) arranged opposite to each other, and opposing surfaces of both the cathode (21) and the anode (22). Or the nanostructure (23) which consists of an electroconductive substance arrange | positioned in any one opposing surface. Then, a vacuum is maintained between the cathode (21) and the anode (22), and heat or electric energy is applied between the cathode (21) and the anode (22) to convert heat and electric energy. .
[0007]
Further, the second invention is the method according to the first invention, wherein from the cathode (21) to the anode (21) via the nanostructure (23) by applying a voltage between the cathode (21) and the anode (22). The cooling part is formed on the cathode (21) by the field emission of electrons toward 22), and the heating part is formed on the anode (22) to convert electric energy into heat.
The thermoelectric element characterized by the above-mentioned.
[0008]
The third invention is the method of the first invention, wherein the cathode (21) is heated, the anode (22) is cooled, and the cathode (21) to the anode (22) via the nanostructure (23). In this configuration, thermionic emission toward the surface is generated to convert heat into electric energy.
[0009]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first, second or third aspect of the invention, the nanostructure (23) is a nanotube, and the tip of the nanotube is cut to form an open end (24). ing.
[0010]
According to a fifth invention, in the first, second or third invention, the nanostructure (23) is a carbon nanotube, and surface modification is applied.
[0011]
The sixth invention is a thermoelectric device that performs air conditioning, and includes a casing (11), heat exchange means (12) provided in the casing (11) and having a thermoelectric element (20), A primary-side passage (15) that is formed inside the casing (11) and through which the first air flows is provided, and a secondary-side passage (16) through which the second air flows. The thermoelectric element (20) of the heat exchanging means (12) includes a cathode (21) and an anode (22) arranged to face each other, and both the cathode (21) and the anode (22) are opposed to each other. A nanostructure (23) made of a conductive material disposed on the surface or one of the opposing surfaces, the cathode (21) and the anode (22) facing each passage (15, 16) Arranged, holding a vacuum between the cathode (21) and the anode (22), applying a predetermined voltage between the cathode (21) and the anode (22), and via the nanostructure (23) The cathode (21) is cooled by field emission of electrons from the cathode (21) to the anode (22), the anode (22) is heated, and the primary air and the secondary side passage ( The second air of 16) is configured to be cooled or heated.
[0012]
The seventh invention is a thermoelectric device for dehumidifying air, wherein the casing (31), a dehumidifying means (32) provided in the casing (31) and having a thermoelectric element (20), An air passage (36) that is formed inside the casing (31) and through which air flows. The thermoelectric element (20) of the dehumidifying means (32) includes a cathode (21) and an anode (22) arranged to face each other, and opposing surfaces of both the cathode (21) and the anode (22). Or a nanostructure (23) made of a conductive material disposed on one of the opposing surfaces, and the cathode (21) is disposed facing the air passage (36), and the cathode (21) Between the cathode (21) and the anode (22), a predetermined voltage is applied between the cathode (21) and the anode (22), and the anode (21) from the cathode (21) through the nanostructure (23) The cathode (21) is cooled by electron field emission toward 22), the anode (22) is heated, and the air in the air passage (36) is cooled and dehumidified.
[0013]
Further, an eighth invention is the above-mentioned seventh invention, wherein the deodorizing means (33) for adsorbing the odorous substance in the air flowing through the air cooled by the cathode (21) of the thermoelectric element (20) is provided. Is provided.
[0014]
The ninth invention is a thermoelectric device for generating electric power, and includes a conversion means (45) having a thermoelectric element (20), and a heating means (42) disposed on one side of the conversion means (45). And a cooling means (46) disposed on the other side of the conversion means (45). The thermoelectric element (20) includes a cathode (21) and an anode (22) arranged to face each other, and facing surfaces of both the cathode (21) and the anode (22) or any one of them. A nanostructure (23) made of a conductive material disposed on the surface, and a vacuum is maintained between the cathode (21) and the anode (22), and the cathode (21) is heated by a heating means (42 ), The anode (22) is cooled by the cooling means (46), and heat is converted into electrical energy by the discharge of thermoelectrons from the cathode (21) to the anode (22), and the load (47) is powered. Is configured to supply.
[0015]
The tenth invention is a thermoelectric device comprising a power generation means (40) and an air conditioning means (10), wherein the power generation means (40) is a conversion means (45) having a thermoelectric element (20). ), A heating means (42) disposed on one side of the conversion means (45), and a cooling means (46) disposed on the other side of the conversion means (45), the air conditioning means (10) Is a heat exchange means (12) having a thermoelectric element (20), and a primary air passage (15) formed inside the casing (11) and on one side of the heat exchange means (12). And a secondary air passage (16) formed in the casing (11) and on the other side of the heat exchange means (12). The thermoelectric element (20) of the power generation means (40) includes a cathode (21) and an anode (22) arranged to face each other, and opposing surfaces of both the cathode (21) and the anode (22). Or a nanostructure (23) made of a conductive material disposed on one of the opposing surfaces, and a vacuum is maintained between the cathode (21) and the anode (22), and the cathode (21 ) Is heated by the heating means (42), the anode (22) is cooled by the cooling means (46), and heat is converted into electric energy by the emission of thermoelectrons from the cathode (21) to the anode (22). Electricity is supplied to the heat exchange means (12) of the air conditioning means (10). In addition, the thermoelectric element (20) of the air-conditioning means (10) includes a cathode (21) and an anode (22) arranged to face each other, and both the cathode (21) and the anode (22) facing each other. A nanostructure (23) made of a conductive material disposed on the surface or one of the opposing surfaces, the cathode (21) and the anode (22) facing each passage (15, 16) Arranged, holding a vacuum between the cathode (21) and the anode (22), applying a predetermined voltage between the cathode (21) and the anode (22), and via the nanostructure (23) The cathode (21) is cooled by field emission of electrons from the cathode (21) to the anode (22), the anode (22) is heated, and the primary air and the secondary side passage ( The second air of 16) is configured to be cooled or heated.
[0016]
Further, an eleventh aspect of the invention is directed to the sixth, seventh, ninth or tenth aspect of the invention, wherein the nanostructure (23) is a nanotube, and the tip of the nanotube is cut off to open an open end (24). It is configured.
[0017]
According to a twelfth invention, in the sixth, seventh, ninth, or tenth invention, the nanostructure (23) is a carbon nanotube and is surface-modified.
[0018]
The basic principle using the nanostructure (23) described above in the present invention is as follows. Conventionally, for example, a heat pump device of a vapor compression refrigeration cycle uses a compressor as well as gas or liquid as a refrigerant. Therefore, the conventional heat pump device has problems such as presence of a movable part, vibration, noise, wear of a sliding part, heat generation of the compressor itself, weight of the compressor and an increase in size. In addition, the efficiency of the conventional heat pump device is 30% to 50% of the efficiency of the Carnot cycle, and there is a problem that the one using the artificial refrigerant gas inhibits the global environment.
[0019]
Therefore, the present inventor has developed a thermoelectric element by electron field emission or thermoelectron emission using a structural material having a characteristic nanostructure and conductivity, as a result of years of research. .
[0020]
Specifically, the good electron emission characteristics of the carbon nanotubes, which are the nanostructures (23), are attributed to extremely high electrical conductivity in the axial direction and extremely small diameters on the nanoscale. Carbon nanotubes have high structural stability regardless of single phase or multi-layer, and have a sharp tip, that is, a high aspect ratio. From this, for example, when an electric field acts between the cathode (21) and the anode (22), the electric field concentrates on the tip of the carbon nanotube, and electrons are efficiently tunneled and emitted with a lower applied voltage. The
[0021]
The carbon nanotubes are chemically stable and stable even at high temperatures (for example, 2800 ° C. in a vacuum), and have desirable properties as a field emission material. In addition, the carbon nanotube has a feature that a large current density can be obtained. In the present invention, the nanostructure (23) is used by paying attention to such a point.
[0022]
That is, in the second invention, when the cathode (21) and the anode (22) are arranged facing each other and an electric field of 1 v / mm to 10 kv / mm or a voltage of 0.1 v to 100 v is applied under high vacuum. Electrons are emitted from the tip of the nanostructure (23) by tunneling into a vacuum. At this time, electrons take kinetic energy from the cathode (21) and reach the anode (22). As a result, the cathode (21) that emits electrons is cooled, while the anode (22) that receives electrons is heated. The lower the voltage applied between the cathode (21) and the anode (22), the better the COP (coefficient of performance).
[0023]
The nanostructure (23) emits electrons efficiently at a low voltage because of its high aspect ratio, so that it consumes less power and performs electron cooling.
[0024]
In the fourth aspect of the invention, when the tip of the carbon nanotube that is the nanostructure (23) is the open end (24), the electric field is concentrated on the edge portion, so that the field emission becomes better.
[0025]
In the fifth invention, when the nanostructure (23) is surface-modified, the work function can be reduced.
[0026]
Specifically, in the sixth invention, air conditioning is performed by the thermoelectric element (20). That is, the first air is sucked into the casing (11) and flows through the primary passage (15). The first air is cooled by exchanging heat at the cathode (21) (cooling unit) of the thermoelectric element (20) in the heat exchange means (12), and becomes conditioned air of cooling air. The conditioned air flows through the primary passage (15), blows out into the room, and cools the room.
[0027]
The second air is sucked into the casing (11) and flows through the secondary passage (16). And the said outdoor air is heat-exchanged by the anode (22) (heating part) of the thermoelectric element (20) in a heat exchange means (12), and becomes exhausted hot air. This exhausted hot air flows into the secondary passage (16) and blows out to the outside.
[0028]
On the other hand, when performing the heating operation, the thermoelectric element (20) in the heat exchange means (12) has the anode (22) facing the primary passage (15) and the cathode (21) of the thermoelectric element (20). A predetermined voltage is applied between the cathode (21) and the anode (22) so as to face the secondary passage (16). Contrary to the cooling operation, the first air flows through the primary side passage (15) and is heated, blown into the room as conditioned air of the heated air, and heats the room. On the other hand, the second air flows through the secondary passage (16), is cooled, and becomes exhaust heat air and blows out of the room.
[0029]
In the seventh and eighth inventions, dehumidification is performed by the thermoelectric element (20). That is, the thermoelectric element (20) in the dehumidifying means (32) applies a predetermined voltage between the cathode (21) and the anode (22) facing the air passage (36). Air flows into the casing (31) and flows through the air passage (36). And the said air is heat-exchanged by the cathode (21) (cooling part) of the thermoelectric element (20) in a dehumidification means (32), is cooled and dehumidified, and becomes dry conditioned air. The conditioned air flows through the deodorizing means (33), the odorous substance is adsorbed and removed, and the air is dehumidified and deodorized.
[0030]
In the ninth invention, power is generated by the thermoelectric element (20). That is, for example, gas is burned by the heating means (42). This combustion heats the cathode (21) of the thermoelectric element (20) in the conversion means (45). On the other hand, the anode (22) of the thermoelectric element (20) in the conversion means (45) is cooled in the primary passage (15) by the cooling means (46). When the cathode (21) is heated to a predetermined temperature or higher, the thermoelectric element (20) of the conversion means (45) moves from the cathode (21) toward the anode (22) via the nanostructure (23). Thermal electrons are emitted. This electron emission causes a potential difference between the cathode (21) and the anode (22), and power generation is performed. The electric power generated by the conversion unit is supplied to the load (47).
[0031]
In the tenth invention, the thermoelectric element (20) performs power generation and air conditioning. That is, since the cathode (21) of the thermoelectric element (20) in the conversion means (45) is heated and the anode (22) is cooled, the cathode (21) to the anode (22 via the nanostructure (23). ). As a result, a potential difference is generated between the cathode (21) and the anode (22).
[0032]
Electrons flow from the anode (22) of the thermoelectric element (20) in the conversion means (45) to the cathode (21) of the thermoelectric element (20) of the heat exchange means (12). Since a predetermined voltage is applied to the thermoelectric element (20) of the heat exchange means (12), electrons are emitted from the cathode (21) of the thermoelectric element (20) to the anode (22) by field emission. The As a result, the cathode (21) is cooled, and the first air is cooled to become conditioned air. This conditioned air is supplied indoors.
[0033]
The electrons flowing to the anode (22) of the thermoelectric element (20) of the heat exchange means (12) flow to the cathode (21) of the thermoelectric element (20) in the conversion means (45), and the above operation is repeated. It is.
[0034]
Moreover, what is necessary is just to reverse the connection of the thermoelectric element (20) in the said conversion means (45) and the thermoelectric element (20) of a heat exchange means (12) when heating operation is performed.
[0035]
【The invention's effect】
Therefore, according to the present invention, since the thermoelectric element (20) is constituted by the electron emission type device having the nanostructure (23), there is no electron scattering, and electric energy and heat can be efficiently generated. Can be converted.
[0036]
In addition, the nanostructure (23) efficiently emits electrons at a low voltage because of its high aspect ratio, so that it can consume less power and perform electron cooling.
[0037]
Further, when the nanostructure (23) is formed of carbon nanotubes and the tip of the carbon nanotube is an open end (24), the electric field is concentrated on the edge portion, so that the field emission becomes better.
[0038]
Further, when the nanostructure (23) is subjected to surface modification, the work function can be reduced.
[0039]
Further, when the thermoelectric element (20) is provided to perform air conditioning, it is not necessary to provide a refrigerant and a compressor as compared with those constituting a vapor compression refrigeration cycle. Can be made environmentally friendly.
[0040]
Further, vibration and noise can be reduced, and since there is no mechanical sliding portion, there is no mechanical wear, and restrictions on heat generation, weight, and volume of the compressor can be eliminated.
[0041]
Also, the efficiency can be higher than that of the vapor compression refrigeration cycle.
[0042]
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiment 1
Hereinafter, Embodiment 1 of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0043]
As shown in FIG. 1, the air conditioner (10) is a thermoelectric device including a thermoelectric element (20), and is configured to perform a cooling operation.
[0044]
The air conditioner (10) includes a casing (11) and a heat exchange mechanism (12) as heat exchange means. The casing (11) includes a front case (11a) and a back case (11b), and a core (11c) is provided at an inner central portion of the front case (11a).
[0045]
The front case (11a) is formed with an indoor suction port (13a) that is located above the core (11c) and sucks room air, and is located below the core (11c) and blows out conditioned air. An air outlet (13b) is formed. On the other hand, the rear case (11b) has an outdoor suction port (14a) for sucking outdoor air at the upper part and an outdoor outlet (14b) for blowing exhaust heat air at the lower part. Further, projections (11d) projecting forward are formed on the upper and lower portions of the rear case (11b).
[0046]
In the casing (11), a primary passage (15) connecting the indoor suction port (13a) and the indoor air outlet (13b) is formed, and the outdoor air inlet (14a) and the outdoor air outlet ( 14b) is formed in the secondary passage (16).
[0047]
The heat exchange mechanism (12) forms a partition wall of the primary side passage (15) and the secondary side passage (16), and is constituted by a plurality of thermoelectric elements (20), and has an indoor suction port (13a) Is formed from above the lower part of the indoor outlet (13b).
[0048]
In the primary passage (15), an indoor fan (17a) is provided adjacent to the core (11c). On the other hand, in the secondary side passage (16), a suction fan (17b) is disposed in the outdoor suction port (14a), and a blower fan (17c) is disposed in the outdoor air outlet (14b).
[0049]
The heat exchange mechanism (12) is formed in a flat plate shape in which a plurality of thermoelectric elements (20) are arranged in parallel vertically and horizontally. Each of the thermoelectric elements (20) is a field emission type device, and, as shown in FIG. 2, a pair of electrodes comprising a cathode (21) and an anode (22), a cathode (21) and an anode ( 22) and a nanostructure (23) provided respectively.
[0050]
As shown in FIG. 3, the nanostructure (23) is composed of carbon nanotubes, and is disposed on the opposing surfaces of both the cathode (21) and the anode (22). The carbon nanotube is made of carbon fiber, the tip is cut off, and the tip is formed at the open end (24).
[0051]
The nanostructure (23) has a diameter of 1 nm to 40 nm and an aspect ratio of 10 or more. Therefore, the nanostructure (23) is formed with a height of 10 nm, for example.
[0052]
The carbon nanotubes may be single-phase or multi-layered. However, the carbon nanotubes are preferably two-layered.
[0053]
Between the cathode (21) and the anode (22) in the thermoelectric element (20), a vacuum is maintained, and by applying a predetermined voltage between the cathode (21) and the anode (22), the anode An electric field is generated between the nanostructure (23) of (22) and the nanostructure (23) of the cathode (21), and when the electric field strength exceeds a predetermined value, the nanostructure (23) of the cathode (21) Electrons are emitted into the nanostructure (23) of the anode (22) to generate field emission. The field emission forms the cathode (21) in the cooling part and the anode (22) in the heating part.
[0054]
In the heat exchange mechanism (12), the cathode (21) and the anode (22) face the primary side passage (15) and the secondary side passage (16), respectively. That is, for example, when performing a cooling operation, the cathode (21) of the thermoelectric element (20) faces the primary side passage (15), and the anode (22) of the thermoelectric element (20) becomes the secondary side passage ( A predetermined voltage is applied between the cathode (21) and the anode (22) so as to face 16). When heating operation is performed, the applied voltage is reversed, the anode (22) of the thermoelectric element (20) faces the primary passage (15), and the cathode (21) of the thermoelectric element (20) is the secondary side. A predetermined voltage is applied between the cathode (21) and the anode (22) so as to face the passage (16).
[0055]
The thermoelectric element (20) is set so that the electric field is 10 kv / mm or less, or the voltage is 100 v or less, and the field emission current density is 1 μA / cm. ² It is set to be. Furthermore, the degree of vacuum between the cathode (21) and the anode (22) is 10 ^-3 Torr is set, and the gap between the cathode (21) and the anode (22) is set to 1 mm or less.
[0056]
<Action>
Next, the air conditioning operation of the air conditioning apparatus (10) described above will be described.
[0057]
First, when performing the cooling operation, the thermoelectric element (20) in the heat exchange mechanism (12) has the cathode (21) facing the primary passage (15) and the anode (22) of the thermoelectric element (20). A predetermined voltage is applied between the cathode (21) and the anode (22) so as to face the secondary passage (16). Application of this voltage creates an electric field between the nanostructure (23) of the cathode (21) and the nanostructure (23) of the anode (22), and electrons are transferred from the nanostructure (23) of the cathode (21). It is emitted towards the nanostructure (23) of the anode (22). This field emission cools the cathode (21) and heats the anode (22).
[0058]
That is, under high vacuum (10 ^-3 Torr or less), when an electric field of 1 v / mm to 10 kv / mm or a voltage of 0.1 v to 100 v is applied between the cathode (21) and the anode (22) arranged to face each other, electrons are converted into nanostructures ( 23) Tonen ring is discharged from the tip. At this time, electrons take kinetic energy from the cathode (21) and reach the anode (22). As a result, the cathode (21) that emits electrons is cooled, while the anode (22) that receives electrons is heated.
[0059]
On the other hand, when the indoor fan (17a) is driven, room air is sucked into the casing (11) from the indoor suction port (13a) and flows through the primary passage (15). The indoor air is cooled by exchanging heat at the cathode (21), which is a cooling section of the thermoelectric element (20) in the heat exchange mechanism (12), and becomes conditioned air of the cooling air. The conditioned air flows into the primary passage (15), blows out into the room through the indoor outlet (13b), and cools the room.
[0060]
Further, when the suction fan (17b) and the blower fan (17c) are driven, outdoor air is sucked into the casing (11) from the outdoor suction port (14a) and flows through the secondary side passage (16). The outdoor air is heated by exchanging heat at the anode (22) which is the heating portion of the thermoelectric element (20) in the heat exchange mechanism (12), and becomes exhausted hot air. The exhaust air flows in the secondary passage (16) and blows out from the outdoor outlet (14b).
[0061]
When heating operation is performed, the thermoelectric element (20) in the heat exchange mechanism (12) has the anode (22) facing the primary passage (15) and the cathode (21) of the thermoelectric element (20). A predetermined voltage is applied between the cathode (21) and the anode (22) so as to face the secondary passage (16). Contrary to the cooling operation, the indoor air flows through the primary passage (15) and is heated, becomes conditioned air of the heated air, blows out into the room, and heats the room. On the other hand, the outdoor air flows through the secondary passage (16), is cooled, and is exhausted as exhaust heat air.
[0062]
<Effect of Embodiment 1>
As described above, according to the present embodiment, since the thermoelectric element (20) is configured by the field emission type device having the nanostructure (23), there is no scattering of electrons, and electric energy and heat Can be converted with high efficiency.
[0063]
Further, since it is not necessary to provide a refrigerant and a compressor as compared with those constituting a vapor compression refrigeration cycle, a de-artificial refrigerant can be achieved, and the environment can be made friendly.
[0064]
Further, vibration and noise can be reduced, and since there is no mechanical sliding portion, there is no mechanical wear, and restrictions on heat generation, weight, and volume of the compressor can be eliminated.
[0065]
Also, the efficiency can be higher than that of the vapor compression refrigeration cycle.
[0066]
The nanostructure (23) emits electrons efficiently at a low voltage because of its high aspect ratio, so that it consumes less power and performs electron cooling.
[0067]
Further, when the tip of the nanostructure (23) is the open end (24), the electric field is concentrated on the edge portion, so that the field emission becomes better.
[0068]
-Modification 1-
The nanostructure (23) may not have the open end (24), and the nanostructure (23) may be the following instead of the carbon nanotube.
[0069]
In other words, as shown in FIG. 5, the nanostructure (23) may be made of carbon fibers and may be formed of solid carbon nanofibers.
[0070]
Further, as shown in FIG. 6, the nanostructure (23) may be composed of carbon nanocoils made of carbon fiber and formed in a spiral shape.
[0071]
Further, as shown in FIG. 7, the nanostructure (23) may be made of carbon nanocones made of carbon fiber and formed in a cone shape.
[0072]
The nanostructure (23) may be an oxide nanotube or a graphite nanofiber.
[0073]
The nanostructure (23) may be surface-modified. For example, as the surface functional group of the carbon nanotube, —OH, sp ^Three There are carbon, -COOH and the like.
[0074]
-Modification 2-
As shown in FIGS. 8 and 9, the thermoelectric element (20) may be made to grow carbon nanotubes on electrodes that are a cathode (21) and an anode (22) of a silicon substrate or an aluminum substrate. For example, carbon nanotubes may be grown vertically on the cathode (21) and anode (22) like a sword mountain by microwave plasma CVD. At that time, in order to absorb thermal stress during operation, the partition part (25) made of silicon oxide (SiO2) may be formed in an electrode shape. Then, carbon nanotubes are grown in the compartment. As a result, the orientation of the carbon nanotubes is adjusted well, and the amount of electric power can be reduced.
[0075]
-Modification 3-
In the thermoelectric element (20), as shown in FIGS. 10 and 11, carbon nanotubes are formed on a silicon substrate or an aluminum substrate by forming a carbon nanotube on an electrode which is a cathode (21) and an anode (22). Also good. That is, the nanostructure (23) formed on the drum (26) may be fixed on the electrode plate. In the case of this printing method, the orientation of the carbon nanotube is not adjusted.
[0076]
Second Embodiment of the Invention
Hereinafter, Embodiment 2 of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0077]
In this embodiment, as shown in FIG. 12, a thermoelectric element (20) is used in a deodorizing and dehumidifying device (30) that is a thermoelectric device instead of the air conditioner (10) of the first embodiment. .
[0078]
The deodorizing and dehumidifying device (30) is attached to a partition member (34) between the room and the press-in. The deodorizing / dehumidifying device (30) includes a casing (31), a dehumidifying mechanism (32) as dehumidifying means, and a deodorizing mechanism (33) as deodorizing means.
[0079]
The partition member (34) has an air inlet (34a) and an air outlet (34b) at a position above the inlet (34a). The casing (31) is attached to the partition member (34) so as to cover the inlet (34a) and the outlet (34b).
[0080]
In addition, a partition wall (35) extending from the upper side of the inlet (34a) in the partition member (34) into the casing (31) is provided inside the casing (31). A plate-like dehumidifying mechanism (32) extending downward is provided at the tip of the partition wall (35).
[0081]
An air passage (36) is formed in the casing (31). The air passage (36) includes a primary side passage (36a) formed between the partition member (34) and the dehumidifying mechanism (32) from the inflow port (34a), and the primary side passage (36a). A secondary side passage (36b) is formed between the casing (31) and the dehumidifying mechanism (32) and reaches the outlet (34b).
[0082]
Although not shown, the dehumidifying mechanism (32) includes a thermoelectric element (20) similar to that of the first embodiment, and the thermoelectric element (20) has a primary passage ( It faces 36a) and is arranged so that the anode (22) for heating faces the secondary passage (36b). The dehumidifying mechanism (32) cools and dehumidifies air flowing in from the primary side passage (36a), and then heats the dehumidified air in the secondary side passage (36b) for intrusion. It is configured to return.
[0083]
A deodorizing mechanism (33) is disposed in the lower part in the casing (31) so as to be positioned in the primary passage (36a). The deodorizing mechanism (33) has activated carbon that is an adsorbent for odorous substances, and is configured to adsorb and remove the odorous substances by circulating cooled air.
[0084]
An opening (31a) is formed in the lower part of the casing (31), and a water droplet receiver (31b) is provided below the opening (31a).
[0085]
<Action>
Next, the air conditioning operation that is the deodorizing and dehumidifying operation of the deodorizing and dehumidifying device (30) described above will be described.
[0086]
First, in the thermoelectric element (20) in the dehumidifying mechanism (32), the cathode (21) faces the primary side passage (36a), and the anode (22) of the thermoelectric element (20) becomes the secondary side passage (36b). A predetermined voltage is applied between the cathode (21) and the anode (22) so as to face the surface. The forced air flows into the casing (31) from the inlet (34a) and flows through the primary passage (36a). The forced air is cooled and dehumidified by heat exchange at the cathode (21), which is a cooling part of the thermoelectric element (20) in the dehumidifying mechanism (32), and becomes dry conditioned air. This conditioned air flows through the deodorizing mechanism (33), and the odorous substances are adsorbed and removed.
[0087]
Thereafter, the conditioned air flows through the secondary side passage (36b), is heated by exchanging heat with the anode (22) which is the heating portion of the thermoelectric element (20) in the dehumidifying mechanism (32), and then flows into the outlet (34b). ) To the intrusion, and the dehumidification and deodorization of the intrusion is performed. Other configurations, operations, and effects are the same as those in the first embodiment.
[0088]
Embodiment 3 of the Invention
Hereinafter, Embodiment 3 of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0089]
In this embodiment, as shown in FIGS. 13 to 15, instead of the air conditioner (10) of Embodiment 1, a thermoelectric element (20) is used in a power generation device (40) that is a thermoelectric device. It is.
[0090]
The power generator (40) is configured to generate power by thermionic emission of the thermoelectric element (20). That is, the thermoelectric element (20) is configured in the same manner as the thermoelectric element (20) of Embodiment 1, but the cathode (21) and anode (22) of the thermoelectric element (20) according to Embodiment 1 is used. The cathode (21) of the thermoelectric element (20) is heated and the anode (22) is cooled instead of applying a predetermined voltage between the two. When the cathode (21) of the thermoelectric element (20) is heated to a predetermined temperature, electrons are emitted from the nanostructure (23) of the cathode (21) toward the nanostructure (23) of the anode (22). A predetermined potential difference is generated between the cathode (21) and the anode (22), and heat is directly converted into electric energy to generate electricity.
[0091]
The power generation device (40) utilizes the thermoelectric conversion function of the thermoelectric element (20), and includes a power generation mechanism (41) and a fuel part (42). The fuel part (42) is constituted by a gas cylinder, and a gas pipe (42a) is connected thereto.
[0092]
The power generation mechanism (41) includes a casing (43), a combustion part (44) as heating means, and a conversion part (45) as conversion means. The casing (43) is formed in a cylindrical shape and is open at one end.
[0093]
The combustion section (44) is constituted by a cylindrical combustion cylinder in which both ends are closed and a large number of combustion holes (44a) are formed. The combustion section (44) is disposed concentrically with the casing (43) at the center of the casing (43). The combustion section (44) is connected to a gas pipe (42a) at one end, and fuel gas is supplied from the fuel section (42).
[0094]
The said conversion part (45) is provided with the thermoelectric element (20) similar to Embodiment 1, and is formed in the cylindrical shape by which both ends were opened. The conversion part (45) is located between the combustion part (44) and the casing (43), and a predetermined interval is formed between the combustion part (44) and the casing (43), respectively. And between the said casing (43) and conversion part (45), it forms in the primary side channel | path (46) which external air flows and comprises a cooling means. On the other hand, between the conversion part (45) and the combustion part (44), a secondary side passage (46a) through which exhaust gas flows is formed. The primary side passage (46) and the secondary side passage (46a) communicate with each other on the closed end side of the casing (43).
[0095]
In the converter (45), the cathode (21) of the thermoelectric element (20) faces the secondary passage (46a), and the anode (22) faces the primary passage (46). And the cathode (21) of the said thermoelectric element (20) is heated by the gas combustion of a combustion part (44), and an anode (22) is cooled by external air. The thermoelectric element (20) generates power by this heating and cooling.
[0096]
On the other hand, a load (47) is connected to the converter (45) via a wiring (47a).
[0097]
<Action>
Next, the power generation operation of the power generation device (40) described above will be described.
[0098]
First, fuel gas is supplied from the fuel section (42) to the combustion section (44), and the combustion section (44) burns the gas. This combustion heats the cathode (21) of the thermoelectric element (20) in the converter (45). On the other hand, since the outside air is supplied to the primary side passage (46) and the outside air flows through the primary side passage (46), the anode (22) of the thermoelectric element (20) in the converter (45) is cooled. Is done. The outdoor air that has flowed through the primary passage (46) flows into the secondary passage (46a), contributes to gas combustion, and then exhausted.
[0099]
When the cathode (21) is heated to a predetermined temperature or higher, the thermoelectric element (20) of the converter (45) has a structure (23) of the cathode (21) to a nanostructure (22) of the anode (22). Thermionic electrons are emitted toward 23). This electron emission causes a potential difference between the cathode (21) and the anode (22), and power generation is performed. The electric power generated by the converter (45) is supplied to the load (47).
[0100]
<Effect of Embodiment 3>
As described above, according to the present embodiment, since the thermoelectric element (20) is configured by the electron emission type device having the nanostructure (23), there is no scattering of electrons, and heat and electric energy Can be converted with high efficiency. Other configurations, operations, and effects of the thermoelectric element (20) are the same as those of the first embodiment.
[0101]
Embodiment 4 of the Invention
Embodiment 4 of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
[0102]
In this embodiment, as shown in FIG. 16, a thermoelectric element (20) is used in a gas heat pump device (50), which is a thermoelectric device, instead of the air conditioner (10) of the first embodiment. .
[0103]
The gas heat pump device (50) is a combination of the power generation device (40) of the third embodiment, which is power generation means, and the air conditioner (10) of the first embodiment, which is air conditioning means. As (47), the heat exchange mechanism (12) of Embodiment 1 is connected to form an electric circuit (51).
[0104]
And the exhaust air which blown off from the secondary side channel | path (16) of the said Embodiment 1 is supplied to the secondary side channel | path (46a) of Embodiment 3. FIG. In this case, the air flowing through the primary passage (46) in the third embodiment is discharged as it is.
[0105]
Therefore, in this embodiment, the cathode (21) of the thermoelectric element (20) in the conversion unit (45) of Embodiment 3 is heated and the anode (22) is cooled, so that the nanostructure of the cathode (21) Electrons are emitted from (23) toward the anode (22). As a result, a potential difference is generated between the cathode (21) and the anode (22).
[0106]
And as shown by the arrow of FIG. 16, from the anode (22) of the thermoelectric element (20) in the said conversion part (45), an electron is a thermoelectric element of the heat exchange mechanism (12) in an air conditioning apparatus (10). It flows to the cathode (21) of (20). Since a predetermined voltage is applied to the thermoelectric element (20) of the air conditioner (10), electrons are emitted from the cathode (21) of the thermoelectric element (20) to the anode (22) by field emission. The As a result, the cathode (21) is cooled, and the indoor air is cooled to become conditioned air. This conditioned air is supplied indoors.
[0107]
On the other hand, the electrons that flowed to the anode (22) of the thermoelectric element (20) of the heat exchange mechanism (12) in the air conditioner (10), as shown by the arrows in FIG. It flows to the cathode (21) of the thermoelectric element (20) in the converter (45), and the above-described operation is repeated.
[0108]
When heating operation is performed, the thermoelectric element (20) in the conversion unit (45) of the power generation device (40) and the thermoelectric element (20) of the heat exchange mechanism (12) in the air conditioner (10) The connection should be reversed. At that time, outside air is supplied to the combustion section (44) of the power generation device (40). Other configurations, operations, and effects of the thermoelectric element (20) are the same as those of the first and third embodiments.
[0109]
Other Embodiments of the Invention
In each of the above embodiments, the nanostructure (23) is provided on each of the cathode (21) and the anode (22) of the thermoelectric element (20), but the nanostructure (23) in the present invention is Alternatively, it may be provided on either the cathode (21) or the anode (22). That is, the nanostructure (23) may be provided only on the facing surface of the cathode (21) facing the anode (22), or the facing surface of the anode (22) facing the cathode (21). It may be provided only in the case.
[0110]
Moreover, although this embodiment demonstrated the air conditioning apparatus (10), the electric power generating apparatus (40), etc., this invention may be only a thermoelectric element (20), and this thermoelectric element (20) The present invention is not limited to the air conditioner (10), the power generator (40), etc., and may be applied to various devices.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an air conditioner according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a carbon nanotube.
FIG. 3 is a perspective view showing a carbon nanotube having an open end.
FIG. 4 is a perspective view showing a carbon nanofiber.
FIG. 5 is a perspective view showing a carbon nanocoil.
FIG. 6 is a perspective view showing a carbon nanocone.
FIG. 7 is a perspective view showing a thermoelectric element.
FIG. 8 is a perspective view showing another thermoelectric element.
9 is a cross-sectional view showing the thermoelectric element of FIG. 8. FIG.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing a manufacturing process of another thermoelectric element.
11 is a perspective view showing a thermoelectric element manufactured based on FIG.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a dehumidifying and deodorizing apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 13 is a schematic configuration diagram showing a power generation device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a cross section of a power generator according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 15 is a sectional view showing a longitudinal section of a power generator according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 16 is a schematic configuration diagram showing a gas heat pump device according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Air conditioner (thermoelectric device)
11 Casing
12 Heat exchange mechanism (heat exchange means)
15 Primary passage
16 Secondary passage
20 Thermoelectric element
21 Cathode
22 Anode
23 Nanostructure
24 Open end
30 Deodorization dehumidifier (thermoelectric device)
31 Casing
32 Dehumidifying mechanism (dehumidifying means)
33 Deodorization mechanism (deodorization means)
36 Air passage
36a Primary passage
36b Secondary passage
40 Power generation equipment (thermoelectric equipment)
41 Power generation mechanism
44 Combustion section (heating means)
45 Conversion unit (conversion means)
46 Primary passage (cooling means)
46a Secondary passage
47 Load
50 Gas heat pump device (thermoelectric device)

Claims

A cathode (21) and an anode (22) arranged opposite to each other;
A nanostructure (23) made of a conductive material disposed on the opposing surfaces of either the cathode (21) and the anode (22) or on either one of the opposing surfaces;
A vacuum is maintained between the cathode (21) and the anode (22), and heat or electric energy is applied between the cathode (21) and the anode (22) to convert heat and electric energy. Characteristic thermoelectric element.

In claim 1,
By applying voltage between the cathode (21) and the anode (22), the cathode (21) is cooled by field emission of electrons from the cathode (21) to the anode (22) through the nanostructure (23). The thermoelectric device is characterized in that a heating portion is formed on the anode (22) to convert electric energy into heat.

In claim 1,
The cathode (21) is heated, the anode (22) is cooled, and thermal electrons are emitted from the cathode (21) to the anode (22) via the nanostructure (23) to convert heat into electrical energy. A thermoelectric element.

In claim 1, 2 or 3,
The nanostructure (23) is a nanotube, and a tip of the nanotube is cut off to form an open end (24).

In claim 1, 2 or 3,
The said nanostructure (23) is a carbon nanotube, Comprising: The thermoelectric element characterized by the surface modification being given.

A thermoelectric device for air conditioning,
A casing (11),
Heat exchange means (12) provided in the casing (11) and having a thermoelectric element (20);
A primary side passage (15) formed in the casing (11) through which the first air flows and a secondary side passage (16) through which the second air flows;
The thermoelectric element (20) of the heat exchanging means (12) includes a cathode (21) and an anode (22) arranged to face each other, and facing surfaces of both the cathode (21) and the anode (22) or A nanostructure (23) made of a conductive material disposed on one of the opposing surfaces, the cathode (21) and the anode (22) are disposed facing the passages (15, 16), A vacuum is maintained between the cathode (21) and the anode (22), a predetermined voltage is applied between the cathode (21) and the anode (22), and the cathode ( The cathode (21) is cooled by field emission of electrons from 21) to the anode (22), the anode (22) is heated, and the primary air in the primary side passage (15) and the secondary side passage (16) A thermoelectric device configured to cool or heat the second air.

A thermoelectric device for dehumidifying air,
A casing (31);
A dehumidifying means (32) provided in the casing (31) and having a thermoelectric element (20);
An air passage (36) formed in the casing (31) and through which air flows,
The thermoelectric element (20) of the dehumidifying means (32) includes a cathode (21) and an anode (22) arranged to face each other, and facing surfaces of both the cathode (21) and the anode (22) or any of them. A nanostructure (23) made of an electrically conductive material disposed on one of the opposing surfaces, the cathode (21) facing the air passage (36), the cathode (21) and the anode (22) is held in a vacuum, a predetermined voltage is applied between the cathode (21) and the anode (22), and the cathode (21) to the anode (22) through the nanostructure (23). Thermoelectric device characterized in that the cathode (21) is cooled by field emission of electrons toward the cathode, the anode (22) is heated, and the air in the air passage (36) is cooled and dehumidified. .

In claim 7,
A thermoelectric device comprising deodorizing means (33) for allowing air cooled by the cathode (21) of the thermoelectric element (20) to flow and adsorb odorous substances in the air.

A thermoelectric device for generating electricity,
Conversion means (45) having a thermoelectric element (20);
Heating means (42) disposed on one side of the conversion means (45);
Cooling means (46) disposed on the other side of the conversion means (45),
The thermoelectric element (20) has a cathode (21) and an anode (22) arranged to face each other, and faces or both faces of both the cathode (21) and the anode (22). A nanostructure (23) made of an electrically conductive material, and maintaining a vacuum between the cathode (21) and the anode (22), and the cathode (21) is heated by a heating means (42). While heating, the anode (22) is cooled by the cooling means (46), and heat is emitted from the cathode (21) toward the anode (22) to convert heat into electrical energy and supply power to the load (47). It is comprised so that it may do. The thermoelectric apparatus characterized by the above-mentioned.

A thermoelectric device comprising a power generation means (40) and an air conditioning means (10),
The power generation means (40) includes a conversion means (45) having a thermoelectric element (20), a heating means (42) disposed on one side of the conversion means (45), and the conversion means (45). Cooling means (46) arranged on one side of the
The air conditioning means (10) includes a heat exchanging means (12) having a thermoelectric element (20), and a primary air formed in the casing (11) and on one side of the heat exchanging means (12). A passage (15) on the side, and a passage (16) on the secondary side of the second air formed inside the casing (11) and on the other side of the heat exchange means (12),
The thermoelectric element (20) of the power generation means (40) includes a cathode (21) and an anode (22) disposed to face each other, and facing surfaces of both the cathode (21) and the anode (22) or any of them. A nanostructure (23) made of a conductive material disposed on one of the opposing surfaces, and maintaining a vacuum between the cathode (21) and the anode (22), and the cathode (21) The heating means (42) heats and the anode (22) is cooled by the cooling means (46), and heat is converted into electric energy by the discharge of thermoelectrons from the cathode (21) to the anode (22), thereby air conditioning means. Configured to supply power to the heat exchange means (12) of (10),
The thermoelectric element (20) of the air-conditioning means (10) includes a cathode (21) and an anode (22) disposed to face each other, and facing surfaces of both the cathode (21) and the anode (22) or any of them. A nanostructure (23) made of a conductive material disposed on one of the opposing surfaces, and the cathode (21) and the anode (22) are disposed facing each passage (15, 16), A vacuum is maintained between the cathode (21) and the anode (22), a predetermined voltage is applied between the cathode (21) and the anode (22), and the cathode ( The cathode (21) is cooled by field emission of electrons from 21) to the anode (22), the anode (22) is heated, and the primary air in the primary side passage (15) and the secondary side passage (16) A thermoelectric device configured to cool or heat the second air.

In claim 6, 7, 9 or 10,
The thermoelectric device, wherein the nanostructure (23) is a nanotube, and a tip of the nanotube is cut off to form an open end (24).

In claim 6, 7, 9 or 10,
The thermoelectric device, wherein the nanostructure (23) is a carbon nanotube and is surface-modified.