JP2018192534A

JP2018192534A - 熱流方向性制御構造

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Publication number: JP2018192534A
Application number: JP2017095459A
Authority: JP
Inventors: 政宏野村; Masahiro Nomura; アヌフリエフロマン; Anufriev Roman; ラミエールエメリック; Ramiere Aymeric; メールジェレミー; Maire Jeremie
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2018-12-06

Abstract

【課題】固体中の熱伝導における熱流の方向性を制御する構造を提供する。【解決手段】固体に、最小間隔がフォノンの平均自由行程より短い所定範囲の間隔の熱流流路が形成されるように複数の空間または固体に比して熱伝導率の低い材料による複数の部材を形成する。熱流流路は、最小間隔がフォノンの平均自由行程より短い所定範囲の間隔となるから、最小間隔の部分ではフォノンどうしの衝突の前に構造に衝突する。このため、フォノンは、熱流流路に沿った方向に進むことになる。この結果、構造により固体中の熱伝導における熱流の方向性を制御することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、熱流方向性制御構造に関し、詳しくは、固体中の熱伝達における熱流の方向性を制御する熱流方向性制御構造に関する。

この種の技術における文献には、ナノスケールでの熱伝導は、マクロスケールでの古典的な拡散現象とは異なり、拡散現象と熱伝導を担うフォノンの弾道的な輸送とによる準弾道フォノン熱伝導となることが示されている（例えば、非特許文献１参照）。この文献では、フォノンの平均自由行程が系の代表的長さと同程度より長くなる系では、熱伝導は準弾道フォノン熱伝導となり、サイズ効果を反映した熱特性が観測されることを記している。

「フォノニック結晶によるフォノン輸送制御と熱電材料への応用」，野村政宏，日本金属学会誌７９，５５５−５６１（２０１５）

フォノンは、固体の材質や温度にもよるが、百ナノメートルから数百ナノメートルに亘って直線で移動することができるため、古典的な拡散現象とは異なり、エネルギーの消散なしにナノスケールの熱輸送が起こる。しかし、フォノンの方向性は混沌としているため、その指向性の制御が課題となる。

本発明の熱流制御構造は、固体中の熱伝導における熱流の方向性を制御する構造を提供することを主目的とする。

本発明の熱流方向性制御構造は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の熱流方向性制御構造は、
固体中の熱伝達における熱流の方向性を制御する熱流方向性制御構造であって、
前記固体に、最小間隔がフォノンの平均自由行程より短い所定範囲の間隔で直線上に見通せる熱流流路が形成されるように複数の空間または前記固体に比して熱伝導率の低い材料による複数の部材が形成されている、
ことを特徴とする。

この本発明の熱流方向性制御構造は、固体に複数の空間または固体に比して熱伝導率の低い材料による複数の部材を形成することにより、最小間隔がフォノンの平均自由行程より短い所定範囲の間隔の熱流流路を形成する。熱流流路は、最小間隔がフォノンの平均自由行程より短い所定範囲の間隔となるから、最小間隔の部分ではフォノンどうしの衝突の前に構造に衝突する。このため、フォノンは、熱流流路に沿った方向に進むことになる。この結果、構造により固体中の熱伝導における熱流の方向性を制御することができる。ここで、「固体」としてはシリコンの板材を用いる場合には、「所定範囲の間隔」として５０ｎｍ〜７０ｎｍの間隔を用いることができる。なお、「フォノン」は、振動を量子化した粒子を意味しており、「平均自由行程」は、他のフォノンと衝突するまでの平均移動距離を意味している。「複数の部材」は、固体に比して熱伝導率の低い材料による部材を複数の空間に充填するものも含まれる。

こうした本発明の熱流方向性制御構造において、前記熱流流路は、前記複数の空間または前記複数の部材により前記固体中に前記所定範囲の間隔で直線上に見通せる流路として形成されている、ものとしてもよい。こうすれば、直線状に集熱したり散熱したりすることができる。

また、本発明の熱流方向性制御構造において、前記熱流流路は、前記複数の空間または前記複数の部材により前記固体中に一端が最小間隔であり、他端に向けて間隔が大きくなるように形成されている、ものとしてもよい。こうすれば、一端側への集熱や他端側への散熱をより広範囲に行なうことができる。

本発明の熱流方向性制御構造において、前記固体における所定ポイントから前記熱流流路が放射状に複数形成されるように前記複数の空間または前記複数の部材が形成されている、ものとしてもよい。こうすれば、所定ポイントに効果的に集熱したり、所定ポイントから効果的に散熱したりすることができる。

本発明の熱流方向性制御構造において、前記固体における第１ポイントから第２ポイントの方向には前記熱流流路が形成されるように、且つ、前記第１ポイントから前記第２ポイントの方向とは異なる方向には前記熱流流路が形成されないように前記複数の空間または前記複数の部材が形成されている、ものとしてもよい。こうすれば、主として、第１ポイントに第２ポイントの方向から集熱したり、第１ポイントから第２ポイントの方向に散熱したりすることができる。

本発明の熱流方向性制御構造において、前記固体における第１ポイントから第２ポイントの方向には前記熱流流路が形成されないように、且つ、前記第１ポイントから前記第２ポイントの方向とは異なる方向には前記熱流流路が形成されるように前記複数の空間または前記複数の部材が形成されている、ものとしてもよい。こうすれば、第１ポイントに第２ポイントの方向とは異なる方向から集熱したり、第１ポイントから第２ポイントの方向とは異なる方向に散熱したりすることができる。こうすれば、主として、第１ポイントに第２ポイントの方向とは異なる方向から集熱したり、第１ポイントから第２ポイントの方向とは異なる方向に散熱したりすることができる。

本発明の一実施形態としての熱流方向性制御構造を適用した集熱構造２０の構成の概略を示す説明図である。図１の集熱構造２０のＡ−Ａ断面の構成を示す断面図である。図１の集熱構造２０のＢ−Ｂ断面の構成を示す断面図である。複数の熱流流路Ｆｎが上下方向に形成されるように複数の円孔Ｃｎを整列配置したシリコンフォノニックナノ構造と熱流のエネルギの変化を示す説明図である。複数の熱流流路Ｆｎが形成されないように複数の円孔Ｃｎを千鳥状に配置したシリコンフォノニックナノ構造と熱流のエネルギの変化を示す説明図である。複数の熱流流路Ｆｎが左右方向に形成されるように複数の円孔Ｃｎを整列配置すると共に複数の熱流流路Ｆｎが右端まで直線的に見通せるように複数のスリットＳｎを形成したシリコンフォノニックナノ構造（結合構造）の概略を示す説明図である。複数の熱流流路Ｆｎが左右方向に形成されるように複数の円孔Ｃｎを整列配置すると共に複数の熱流流路Ｆｎの直線上に複数のスリットＳｎを形成したシリコンフォノニックナノ構造（非結合構造）の概略を示す説明図である。結合構造および非結合構造の左側を瞬間加熱し、左側から右側に向けて熱を流した際、右端のスリットＳｎからの放熱による熱散逸時間の比率と、その温度依存性とを例示するグラフである。実施形態の集熱構造２０における熱流流路Ｆｎの幅Ｗと焦点（ポイントＰ）を原点（ｙ＝０）とし、左右方向の距離とエネルギとの関係を示すグラフである。実施形態の集熱構造２０における熱流流路Ｆｎの幅Ｗと焦点（ポイントＰ）のエネルギとの関係を示すグラフである。変形例の集熱構造１２０の構成の概略を示す説明図である。変形例の集熱構造２２０の構成の概略を示す説明図である。変形例の集熱構造３２０の構成の概略を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態としての熱流方向性制御構造を適用した集熱構造２０の構成の概略を示す説明図であり、図２は、図１の集熱構造２０のＡ−Ａ断面の構成を示す断面図であり、図３は、図１の集熱構造２０のＢ−Ｂ断面の構成を示す断面図である。

集熱構造２０は、シリコンフォノニックナノ構造として構成されており、図１〜図３に示すように、シリコン基板２２と、二酸化ケイ素により形成された橋脚部２４と、厚さが１４５ｎｍのフォノニック構造部２６と、を有する。フォノニック構造部２６には、図１に示すように、ポイントＰを中心として放射状に外周ほど直径が大きくなり直線上に整列するように複数の円孔Ｃ１〜Ｃ５が形成されている。同じ径をなす隣接する円孔（例えば円孔Ｃ３，Ｃ３）の最小間隔Ｗは、シリコンにおけるフォノンの室温における平均自由行程（１００ｎｍ程度）より短い５０ｎｍ〜７０ｎｍの範囲内の所定値（実施形態では６０ｎｍ）となるように円孔Ｃ１〜Ｃ５が形成されており、外周側からポイントＰに向けて直線上に見通せる幅Ｗの熱流流路Ｆ１〜Ｆ５が形成されている。以下、特に明示しない範囲で複数の円孔Ｃ１〜Ｃ５については複数の円孔Ｃｎと略し、複数の熱流流路Ｆ１〜Ｆ５については複数の熱流流路Ｆｎと略す。

こうして構成された実施形態の集熱構造２０は、フォノンが複数の熱流流路Ｆｎを通ってポイントＰに集中するように放射状に複数の円孔Ｃｎを配置することにより、熱に対してレンズのように作用し、複数の円孔Ｃ５の外周側からポイントＰに集熱することができる。この作用および原理について以下に説明する。

上述したように、固体中の熱伝導は、熱の運び手であるフォノンが移動する現象で、フォノンどうしが互いに衝突して輸送特性が決まる拡散現象になると考えられている。しかし、フォノンの平均自由行程程度やそれより小さな構造になると、フォノンどうしが衝突する前に構造に衝突するため、構造で熱伝導を制御できるようになると考えられる。フォノンが直線的に移動する構造を形成することにより、熱流に指向性を持たせることが可能となる。実施形態の集熱構造２０の構造は、こうした現象に基づいて構成されている。

フォノンが直線的に移動する現象については、図４および図５を用いて説明することができる。図４は、幅Ｗの複数の熱流流路Ｆｎが上下方向に形成されるように複数の円孔Ｃｎを整列配置したシリコンフォノニックナノ構造と、このシリコンフォノニックナノ構造に図中下方から熱を流したときのその上端における位置とエネルギとの関係を示す説明図である。図５は、複数の熱流流路Ｆｎが形成されないように複数の円孔Ｃｎを千鳥状に配置したシリコンフォノニックナノ構造と、このシリコンフォノニックナノ構造に図中下方から熱流（Heat flow）を作用させたときのその上端における位置とエネルギとの関係を示す説明図である。図５に示すように、複数の熱流流路Ｆｎが形成されないように複数の円孔Ｃｎを千鳥状に配置したときには、円孔Ｃｎの間でエネルギのピークは示さないが、図４に示すように、複数の熱流流路Ｆｎが上下方向に形成されるように複数の円孔Ｃｎを整列配置すると、複数の熱流流路Ｆｎの中心でエネルギの大きなピークを示すようになる。これにより、フォノンが複数の熱流流路Ｆｎを直線的に移動することが解る。

また、フォノンが室温以下の温度範囲で直線的に移動する現象を無視できない程度に顕著なことについては、図６ないし図８を用いて説明することができる。図６は、幅Ｗの複数の熱流流路Ｆｎが左右方向に形成されるように複数の円孔Ｃｎを整列配置し、複数の熱流流路Ｆｎが右端まで直線的に見通せるように複数のスリットＳｎを形成したシリコンフォノニックナノ構造（結合構造）の概略を示す説明図である。図７は、幅Ｗの複数の熱流流路Ｆｎが左右方向に形成されるように複数の円孔Ｃｎを整列配置し、複数の熱流流路Ｆｎの直線上に複数のスリットＳｎを形成したシリコンフォノニックナノ構造（非結合構造）の概略を示す説明図である。図８は、結合構造に左側から右側に向けて熱を流した際における右端のスリットＳｎからの放熱による熱散逸時間をτ_Coupledとし、非結合構造に左側から右側に向けて熱を流した際における右端のスリットＳｎからの放熱による熱散逸時間をτ_Uncoupledとしたときの結合構造の熱散逸時間τ_Coupledに対する非結合構造の熱散逸時間τ_Uncoupledと結合構造の熱散逸時間τ_Coupledとの差分の比率と温度との関係とを示すグラフである。図８に示すように、結合構造では、熱散逸時間τ_Coupledは、非結合構造の熱散逸時間τ_Uncoupledに対して室温以下の温度範囲で７％〜１５％程度短くなる。これにより、室温以下の温度範囲でフォノンが直線的に移動することが無視できない程度に顕著であり、構造により熱流の方向性をある程度制御することが可能であることが解る。

図９は、実施形態の集熱構造２０における熱流流路Ｆｎの幅Ｗと焦点（ポイントＰ）を原点（ｙ＝０）とし、左右方向の距離とエネルギとの関係を示すグラフであり、図１０は、実施形態の集熱構造２０における熱流流路Ｆｎの幅Ｗと焦点（ポイントＰ）のエネルギとの関係を示すグラフである。図９および図１０から解るように、シリコンにより構成された実施形態の集熱構造２０における熱流流路Ｆｎの幅Ｗは、５０ｎｍ未満では狭すぎて伝熱が十分ではなく、７０ｎｍを超えると広すぎて焦点（ポイントＰ）における集熱がぼやけてしまう。これらのことから、シリコンにおける熱流流路Ｆｎの幅Ｗは５０ｎｍ〜７０ｎｍが好ましく６０ｎｍが更に好ましいことが解る。シリコンにおける室温以下のフォノンの平均自由行程は、百ナノメートル〜数百ナノメートルであるから、シリコンにおける熱流流路Ｆｎの幅Ｗが５０ｎｍ〜７０ｎｍであることは、フォノンの平均自由行程より短い所定範囲となる。言い換えれば、シリコンにおいて熱流流路Ｆｎの幅Ｗを５０ｎｍ〜７０ｎｍとすることにより、構造により熱流の方向性を制御することができる。

以上説明した実施形態の集熱構造２０では、フォノンの平均自由行程より短い５０ｎｍ〜７０ｎｍの範囲内の幅Ｗの複数の熱流流路Ｆｎを複数の円孔ｎにより形成することにより、熱伝導を熱流流路に沿った方向に制御することができる。この結果、構造により固体中の熱伝導における熱流の方向性を制御することができる。しかも、外周側からポイントＰに向けて幅Ｗで直線上に見通せる複数の熱流流路ＦｎをポイントＰから放射線状に形成することにより、熱に対してレンズのように作用し、複数の円孔Ｃ５の外周側からポイントＰに集熱することができる。

実施形態の集熱構造２０では、複数の円孔Ｃ５の外周側の熱を複数の熱流流路Ｆｎを用いてポイントＰに集熱するものとしたが、ポイントＰの熱を複数の熱流流路Ｆｎを用いて複数の円孔Ｃ５の外周側に散熱するものとしてもよい。

実施形態の集熱構造２０では、複数の円孔Ｃｎによりフォノンの平均自由行程より短い５０ｎｍ〜７０ｎｍの範囲内の幅Ｗで直線上に見通せる複数の熱流流路Ｆｎを形成するものとしたが、図１１の変形例の集熱構造１２０に例示するように、複数の熱流流路Ｆｎを内周側から外周側に広くなるように形成してもよい。

実施形態の集熱構造２０では、複数の円孔Ｃｎによりフォノンの平均自由行程より短い５０ｎｍ〜７０ｎｍの範囲内の幅Ｗで直線上に見通せる複数の熱流流路ＦｎをポイントＰから放射線状に形成するものとしたが、図１２の変形例の集熱構造２２０に例示するように、ポイントＰから放射線状に熱流流路Ｆ１〜Ｆ４は形成されるが、図１の熱流流路Ｆ５に相当する熱流流路が形成されないようにするものとしてもよい。この場合、例えば、楕円孔Ｄ１１〜Ｄ１５，Ｄ２１〜Ｄ２５によりポイントＰからポイントＰｓｅｔ１の方向が見通せないようにすればよい。こうすれば、主として、ポイントＰにポイントＰｓｅｔ１の方向とは異なる方向から集熱したり、ポイントＰからポイントＰｓｅｔの方向とは異なる方向に散熱することができる。

実施形態の集熱構造２０では、複数の円孔Ｃｎによりフォノンの平均自由行程より短い５０ｎｍ〜７０ｎｍの範囲内の幅Ｗで直線上に見通せる複数の熱流流路ＦｎをポイントＰから放射線状に形成するものとしたが、図１３の変形例の集熱構造３２０に例示するように、ポイントＰからポイントＰｓｅｔ２に向かう熱流流路Ｆ１だけが形成され、図１の熱流流路Ｆ２〜Ｆ５に相当する熱流流路が形成されないようにするものとしてもよい。この場合、例えば、楕円孔Ｅ１〜Ｅ５により図１の熱流流路Ｆ２に相当する熱流流路が形成されないようにし、その左側に、複数の円孔ＣｎをポイントＰに対して千鳥状に配置すればよい。こうすれば、主として、ポイントＰにポイントＰｓｅｔ２の方向から集熱したり、ポイントＰからポイントＰｓｅｔ２の方向に散熱することができる。

実施形態や変形例の集熱構造２０，１２０，２２０，３２０では、複数の円孔Ｃｎや楕円孔Ｄｎ，Ｅｎにより複数の熱流流路Ｆｎなどを形成するものとしたが、円孔や楕円孔以外の形状の孔により熱流流路を形成するものとしてもよい。また、複数の円孔Ｃｎや楕円孔Ｄｎ，Ｅｎに代えてシリコンに比して熱伝導率が低い材料による部材を円孔や楕円孔に充填するものとしても構わない。

実施形態や変形例の集熱構造２０，１２０，２２０，３２０では、暑さが１４５ｎｍのシリコンの板材に複数の円孔Ｃｎや楕円孔Ｄｎ，Ｅｎにより複数の熱流流路Ｆｎなどを形成するものとしたが、シリコン以外の材料の板材に複数の円孔Ｃｎや楕円孔Ｄｎ，Ｅｎにより複数の熱流流路Ｆｎなどを形成するものとしたり、固体の内部に空洞な球体や楕球体などの複数の空間を形成することにより３次元的に複数の熱流流路を形成するものとしてもよい。この場合、複数の空間に代えて固体に比して熱伝導率が低い材料による部材を複数の空間に充填するものとしてもよい。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、熱流方向性制御構造の製造産業などに利用可能である。

２０，１２０，２２０，３２０集熱構造、２２シリコン基板、２４橋脚部、２６フォノニック構造部、Ｃ１〜Ｃ５，Ｃｎ円孔、Ｄ１１〜Ｄ１５，Ｄ２１〜Ｄ２２，Ｅ１〜Ｅ５楕円孔、Ｆ１〜Ｆ５，Ｆｎ熱流流路。

Claims

固体中の熱伝達における熱流の方向性を制御する熱流方向性制御構造であって、
前記固体に、最小間隔がフォノンの平均自由行程より短い所定範囲の間隔の熱流流路が形成されるように複数の空間または前記固体に比して熱伝導率の低い材料による複数の部材が形成されている、
ことを特徴とする熱流方向性制御構造。
請求項１記載の熱流方向性制御構造であって、
前記熱流流路は、前記複数の空間または前記複数の部材により前記固体中に前記所定範囲の間隔で直線上に見通せる流路として形成されている、
熱流方向性制御構造。
請求項１記載の熱流方向性制御構造であって、
前記熱流流路は、前記複数の空間または前記複数の部材により前記固体中に一端が最小間隔であり、他端に向けて間隔が大きくなるように形成されている、
熱流方向性制御構造。
請求項１ないし３のうちのいずれか１つの請求項に記載の熱流方向性制御構造であって、
前記固体における所定ポイントから前記熱流流路が放射状に複数形成されるように前記複数の空間または前記複数の部材が形成されている、
熱流方向性制御構造。
請求項１ないし３のうちのいずれか１つの請求項に記載の熱流方向性制御構造であって、
前記固体における第１ポイントから第２ポイントの方向には前記熱流流路が形成されるように、且つ、前記第１ポイントから前記第２ポイントの方向とは異なる方向には前記熱流流路が形成されないように前記複数の空間または前記複数の部材が形成されている、
熱流方向性制御構造。
請求項１ないし３のうちのいずれか１つの請求項に記載の熱流方向性制御構造であって、
前記固体における第１ポイントから第２ポイントの方向には前記熱流流路が形成されないように、且つ、前記第１ポイントから前記第２ポイントの方向とは異なる方向には前記熱流流路が形成されるように前記複数の空間または前記複数の部材が形成されている、
熱流方向性制御構造。
請求項１ないし６のうちのいずれか１つの請求項に記載の熱流方向性制御構造であって、
前記固体は、シリコンの板材であり、
前記所定範囲の間隔は、５０ｎｍ〜７０ｎｍの間隔である、
熱流方向性制御構造。