JP2018192534A - Heat flow direction control structure - Google Patents
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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１PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a structure for controlling the direction of heat flow in heat conduction in a solid. SOLUTION: A plurality of members made of a plurality of spaces or a material having a low thermal conductivity as compared with a solid so that a heat flow path having a predetermined range of intervals having a minimum interval shorter than the mean free path of phonons is formed in the solid. To form. Since the minimum interval of the heat flow path is a predetermined range shorter than the mean free path of phonons, the minimum interval portion collides with the structure before the collision between phonons. Therefore, the phonon travels in the direction along the heat flow path. As a result, the structure can control the direction of heat flow in heat conduction in a solid. [Selection diagram] Fig. 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。 The present invention relates to a heat flow direction control structure, and more particularly to a heat flow direction control structure that controls the direction of heat flow in heat transfer in a solid.
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。 In the literature of this kind of technology, the heat conduction at the nanoscale is different from the classical diffusion phenomenon at the macroscale, and the quasi-ballistic phonon heat conduction by the ballistic transport of the phonon responsible for the diffusion phenomenon and heat conduction. (For example, see Non-Patent Document 1). This document states that in systems where the mean free path of phonons is longer than the typical length of the system, heat conduction becomes quasi-ballistic phonon heat conduction, and thermal characteristics reflecting the size effect are observed. .
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。 Phonons can move linearly from one hundred nanometers to several hundred nanometers, depending on the material and temperature of the solid. Heat transport occurs. However, since the directionality of phonons is chaotic, control of the directivity becomes a problem.
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。 The main object of the heat flow control structure of the present invention is to provide a structure for controlling the direction of heat flow in heat conduction in a solid.
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。 The heat flow directionality control structure of the present invention adopts the following means in order to achieve the main object described above.
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。
The heat flow direction control structure of the present invention is
A heat flow direction control structure for controlling the direction of heat flow in heat transfer in a solid,
A plurality of spaces or a plurality of materials made of a material having a lower thermal conductivity than that of the solid are formed in the solid so that a heat flow channel that can be seen in a straight line at a predetermined range of intervals shorter than the mean free path of the phonons is formed in the solid. The member of is formed,
It is characterized by that.
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。 In the heat flow direction control structure of the present invention, a plurality of spaces or a plurality of members made of a material having a lower thermal conductivity than a solid are formed in a solid, whereby a predetermined interval is shorter than a mean free path of phonons. The heat flow channel with the interval of is formed. The heat flow path has a predetermined interval shorter than the mean free path of the phonons in the heat flow channel, and therefore collides with the structure before the phonons collide at the minimum interval. For this reason, the phonon travels in a direction along the heat flow channel. As a result, the direction of the heat flow in the heat conduction in the solid can be controlled by the structure. Here, when a silicon plate material is used as the “solid”, an interval of 50 nm to 70 nm can be used as the “predetermined range interval”. “Phonon” means a particle whose vibration is quantized, and “mean free path” means an average moving distance until it collides with another phonon. The “plurality of members” includes those in which a plurality of spaces are filled with members made of a material having a lower thermal conductivity than solids.
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。 In such a heat flow direction control structure of the present invention, the heat flow channel is formed as a channel that can be seen in a straight line in the solid at intervals of the predetermined range by the plurality of spaces or the plurality of members. It is good. By doing so, it is possible to collect heat in a straight line or to dissipate heat.
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。 Further, in the heat flow direction control structure of the present invention, the heat flow channel is configured such that one end is a minimum interval in the solid by the plurality of spaces or the plurality of members, and the interval increases toward the other end. It may be formed. In this way, heat collection to one end side and heat dissipation to the other end side can be performed in a wider range.
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。 In the heat flow direction control structure of the present invention, the plurality of spaces or the plurality of members may be formed such that a plurality of the heat flow passages are radially formed from a predetermined point in the solid. If it carries out like this, it can heat-collect effectively to a predetermined point, or can be effectively dissipated from a predetermined point.
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。 In the heat flow directionality control structure of the present invention, the heat flow channel is formed in the direction from the first point to the second point in the solid, and the direction from the first point to the second point is The plurality of spaces or the plurality of members may be formed so that the heat flow channel is not formed in different directions. In this way, heat can be collected mainly from the direction of the second point to the first point, or can be dissipated from the first point to the direction of the second point.
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。 In the heat flow directionality control structure of the present invention, the heat flow channel is not formed in the direction from the first point to the second point in the solid, and is different from the direction from the first point to the second point. The plurality of spaces or the plurality of members may be formed so that the heat flow channel is formed in a direction. By so doing, heat can be collected at the first point from a direction different from the direction of the second point, or can be dissipated in a direction different from the direction of the second point from the first point. In this way, heat can be collected mainly from the direction different from the direction of the second point to the first point, or can be dispersed in a direction different from the direction of the second point from the first point.
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。 Next, the form for implementing this invention is demonstrated using an Example. FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of a configuration of a heat collection structure 20 to which a heat flow direction control structure as an embodiment of the present invention is applied, and FIG. 2 is an AA view of the heat collection structure 20 of FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a cross section, and FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a BB cross section of the heat collecting structure 20 of FIG.
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。 The heat collection structure 20 is configured as a silicon phononic nanostructure, and as shown in FIGS. 1 to 3, a silicon substrate 22, a bridge pier 24 formed of silicon dioxide, and a phononic structure having a thickness of 145 nm. Part 26. As shown in FIG. 1, a plurality of circular holes C1 to C5 are formed in the phononic structure portion 26 so as to radially increase from the point P toward the outer periphery and to be aligned on a straight line. The minimum interval W between adjacent circular holes having the same diameter (for example, circular holes C3 and C3) is a predetermined value within a range of 50 nm to 70 nm (in the embodiment, shorter than the mean free path (about 100 nm) of phonons in silicon at room temperature). 60 nm), the circular holes C1 to C5 are formed, and the heat flow channels F1 to F5 having a width W that can be seen in a straight line from the outer peripheral side toward the point P are formed. Hereinafter, unless otherwise specified, the plurality of circular holes C1 to C5 are abbreviated as a plurality of circular holes Cn, and the plurality of heat flow channels F1 to F5 are abbreviated as a plurality of heat flow channels Fn.
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。 The heat collecting structure 20 of the embodiment thus configured has a plurality of circular holes Cn arranged radially so that phonons are concentrated at the point P through the plurality of heat flow passages Fn, so that the lens can be protected against heat. Thus, heat can be collected at the point P from the outer peripheral side of the plurality of circular holes C5. This operation and principle will be described below.
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。 As described above, heat conduction in a solid is a phenomenon in which phonons as heat carriers move, and is considered to be a diffusion phenomenon in which phonons collide with each other to determine transport properties. However, if the phonon has a mean free path or smaller structure, the structure will be able to control heat conduction because the structure collides with the structure before the phonons collide. By forming a structure in which phonons move linearly, it becomes possible to give directivity to heat flow. The structure of the heat collection structure 20 of the embodiment is configured based on such a phenomenon.
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。 The phenomenon in which the phonon moves linearly can be described with reference to FIGS. FIG. 4 shows a silicon phononic nanostructure in which a plurality of circular holes Cn are arranged so that a plurality of heat flow channels Fn having a width W are formed in the vertical direction, and the silicon phononic nanostructure is heated from below in the figure. It is explanatory drawing which shows the relationship between the position in the upper end when flowing, and energy. FIG. 5 shows a silicon phononic nanostructure in which a plurality of circular holes Cn are arranged in a staggered manner so that a plurality of heat flow channels Fn are not formed, and a heat flow (heat flow) from the bottom in the figure to this silicon phononic nanostructure. It is explanatory drawing which shows the relationship between the position in the upper end when it is made to act, and energy. As shown in FIG. 5, when a plurality of circular holes Cn are arranged in a staggered manner so that the plurality of heat flow channels Fn are not formed, no energy peak is shown between the circular holes Cn, but as shown in FIG. In addition, when the plurality of circular holes Cn are arranged so that the plurality of heat flow channels Fn are formed in the vertical direction, a large energy peak is exhibited at the center of the plurality of heat flow channels Fn. Thereby, it turns out that a phonon linearly moves the some heat flow path Fn.
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τCoupled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τUncoupledとしたときの結合構造の熱散逸時間τCoupledに対する非結合構造の熱散逸時間τUncoupledと結合構造の熱散逸時間τCoupled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τCoupledは、非結合構造の熱散逸時間τUncoupled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。 Further, the fact that the phenomenon that the phonon moves linearly in a temperature range below room temperature cannot be ignored can be explained with reference to FIGS. FIG. 6 shows a plurality of slits so that a plurality of circular holes Cn are aligned so that a plurality of heat flow channels Fn having a width W are formed in the left-right direction, and the plurality of heat flow channels Fn can be seen linearly to the right end. It is explanatory drawing which shows the outline of the silicon phononic nanostructure (bonding structure) which formed Sn. FIG. 7 shows silicon in which a plurality of circular holes Cn are arranged so that a plurality of heat flow channels Fn having a width W are formed in the left-right direction, and a plurality of slits Sn are formed on a straight line of the plurality of heat flow channels Fn. It is explanatory drawing which shows the outline of a phononic nanostructure (non-bonded structure). In FIG. 8, when heat flows from the left side to the right side in the coupled structure, the heat dissipation time due to heat radiation from the slit Sn at the right end is τ Coupled, and when heat is flowed from the left side to the right side in the non-coupled structure in the difference between the non-binding thermal dissipation time tau coupled heat dissipation time tau uncoupled with the bond structure of structure for heat dissipation time tau coupled bonding structure when the heat dissipation time was tau uncoupled by heat radiation from the right edge of the slit Sn It is a graph which shows the relationship between a ratio and temperature. As shown in FIG. 8, in the coupled structure, the heat dissipation time τ Coupled is shortened by about 7% to 15% in the temperature range below room temperature with respect to the heat dissipation time τ Uncoupled of the non-coupled structure. As a result, it is obvious that phonons move linearly in a temperature range below room temperature to a degree that cannot be ignored, and the direction of heat flow can be controlled to some extent by the structure.
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。 FIG. 9 is a graph showing the relationship between the distance in the left-right direction and energy, with the width W and the focal point (point P) of the heat flow passage Fn in the heat collecting structure 20 of the embodiment as the origin (y = 0). 10 is a graph showing the relationship between the width W of the heat flow passage Fn and the energy of the focal point (point P) in the heat collecting structure 20 of the embodiment. As can be seen from FIGS. 9 and 10, the width W of the heat flow channel Fn in the heat collecting structure 20 of the embodiment made of silicon is too narrow if it is less than 50 nm, and heat transfer is not sufficient, and if it exceeds 70 nm, it is wide. Thus, the heat collection at the focal point (point P) is blurred. From these, it is understood that the width W of the heat flow channel Fn in silicon is preferably 50 nm to 70 nm, and more preferably 60 nm. Since the average free path of phonons at room temperature or less in silicon is 100 nanometers to several hundred nanometers, the width W of the heat flow channel Fn in silicon is 50 nm to 70 nm, which is shorter than the average free path of phonons. It becomes a range. In other words, by setting the width W of the heat flow channel Fn to 50 nm to 70 nm in silicon, the direction of heat flow can be controlled by the structure.
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。 In the heat collecting structure 20 of the embodiment described above, heat conduction is achieved by forming a plurality of heat flow channels Fn having a width W within a range of 50 nm to 70 nm shorter than the mean free path of phonons by a plurality of circular holes n. The direction along the heat flow channel can be controlled. As a result, the direction of the heat flow in the heat conduction in the solid can be controlled by the structure. In addition, by forming a plurality of heat flow passages Fn that can be seen linearly with a width W from the outer peripheral side toward the point P, a radial shape is formed from the point P to act like a lens, and a plurality of circular holes. Heat can be collected at the point P from the outer peripheral side of C5.
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。 In the heat collection structure 20 of the embodiment, the heat on the outer peripheral side of the plurality of circular holes C5 is collected at the point P using the plurality of heat flow channels Fn, but the heat at the point P is collected by the plurality of heat flow channels. It is good also as what dissipates heat to the outer peripheral side of the some circular hole C5 using Fn.
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。 In the heat collecting structure 20 of the embodiment, the plurality of circular holes Cn form a plurality of heat flow passages Fn that can be seen in a straight line with a width W within a range of 50 nm to 70 nm shorter than the mean free path of phonons. As illustrated in the heat collecting structure 120 of the modified example of FIG. 11, a plurality of heat flow channels Fn may be formed so as to widen from the inner peripheral side to the outer peripheral side.
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。 In the heat collecting structure 20 of the embodiment, a plurality of heat flow channels Fn that can be seen in a straight line with a width W within a range of 50 nm to 70 nm shorter than the mean free path of phonons are formed radially from the point P by the plurality of circular holes Cn. However, as exemplified in the heat collecting structure 220 of the modification of FIG. 12, the heat flow channels F1 to F4 are formed radially from the point P, but correspond to the heat flow channel F5 of FIG. It is good also as what prevents a heat flow path from being formed. In this case, for example, the direction from the point P to the point Pset1 may not be seen by the elliptical holes D11 to D15 and D21 to D25. In this way, heat can be collected mainly at the point P from a direction different from the direction of the point Pset1, or can be diffused in a direction different from the direction of the point P to the point Pset.
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。 In the heat collecting structure 20 of the embodiment, a plurality of heat flow channels Fn that can be seen in a straight line with a width W within a range of 50 nm to 70 nm shorter than the mean free path of phonons are formed radially from the point P by the plurality of circular holes Cn. However, as illustrated in the heat collecting structure 320 of the modified example of FIG. 13, only the heat flow channel F1 from the point P toward the point Pset2 is formed, and corresponds to the heat flow channels F2 to F5 of FIG. It is good also as what prevents a heat flow path from being formed. In this case, for example, the elliptical holes E1 to E5 are prevented from forming a heat flow channel corresponding to the heat flow channel F2 in FIG. 1, and a plurality of circular holes Cn are arranged in a staggered manner with respect to the point P on the left side thereof. That's fine. In this way, heat can be collected mainly at the point P from the direction of the point Pset2 or can be diffused from the point P to the direction of the point Pset2.
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。 In the heat collection structures 20, 120, 220, and 320 of the embodiments and modifications, the plurality of circular holes Cn and the elliptical holes Dn and En form the plurality of heat flow channels Fn. The heat flow channel may be formed by a hole having a shape other than the above. Further, instead of the plurality of circular holes Cn and the elliptical holes Dn and En, a member made of a material having a thermal conductivity lower than that of silicon may be filled in the circular holes or the elliptical holes.
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。 In the heat collecting structures 20, 120, 220, and 320 of the embodiment and the modified examples, a plurality of heat flow channels Fn and the like are formed by a plurality of circular holes Cn and elliptic holes Dn, En on a silicon plate having a heat of 145 nm. However, a plurality of circular holes Cn and elliptical holes Dn and En are formed in a plate material other than silicon, and a plurality of spheres and ellipsoids hollow inside a solid are used. A plurality of heat flow channels may be formed three-dimensionally by forming the space. In this case, instead of the plurality of spaces, a member made of a material having a lower thermal conductivity than that of the solid may be filled into the plurality of spaces.
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。 As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated using the Example, this invention is not limited at all to such an Example, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it is with various forms. Of course, it can be implemented.
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。 The present invention can be used in the manufacturing industry of a heat flow direction control structure.
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。 20, 120, 220, 320 heat collecting structure, 22 silicon substrate, 24 bridge pier, 26 phononic structure, C1-C5, Cn circular hole, D11-D15, D21-D22, E1-E5 elliptical hole, F1-F5 Fn Heat flow channel.
Claims (7)
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。 A heat flow direction control structure for controlling the direction of heat flow in heat transfer in a solid,
A plurality of spaces or a plurality of members made of a material having a lower thermal conductivity than the solid are formed in the solid so that a heat flow passage having a predetermined range of intervals shorter than the mean free path of phonons is formed in the solid. Being
A heat flow direction control structure characterized by the above.
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。 The heat flow directionality control structure according to claim 1,
The heat flow channel is formed as a channel that can be seen in a straight line at intervals of the predetermined range in the solid by the plurality of spaces or the plurality of members.
Heat flow direction control structure.
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。 The heat flow directionality control structure according to claim 1,
The heat flow channel is formed such that one end is the minimum interval in the solid by the plurality of spaces or the plurality of members, and the interval increases toward the other end.
Heat flow direction control structure.
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。 The heat flow direction control structure according to any one of claims 1 to 3,
The plurality of spaces or the plurality of members are formed such that a plurality of the heat flow passages are radially formed from a predetermined point in the solid,
Heat flow direction control structure.
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。 The heat flow direction control structure according to any one of claims 1 to 3,
The heat flow channel is formed in the direction from the first point to the second point in the solid, and the heat flow channel is formed in a direction different from the direction from the first point to the second point. The plurality of spaces or the plurality of members are formed so as not to be
Heat flow direction control structure.
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。 The heat flow direction control structure according to any one of claims 1 to 3,
The heat flow channel is not formed in the direction from the first point to the second point in the solid, and the heat flow channel is formed in a direction different from the direction from the first point to the second point. The plurality of spaces or the plurality of members are formed so that,
Heat flow direction control structure.
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。 A heat flow direction control structure according to any one of claims 1 to 6,
The solid is a silicon plate,
The interval of the predetermined range is an interval of 50 nm to 70 nm.
Heat flow direction control structure.
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