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WO2022044835A1 - 熱量効果素子、伝熱装置、半導体製造装置及び熱量効果素子の制御方法 - Google Patents

熱量効果素子、伝熱装置、半導体製造装置及び熱量効果素子の制御方法 Download PDF

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Publication number
WO2022044835A1
WO2022044835A1 PCT/JP2021/029761 JP2021029761W WO2022044835A1 WO 2022044835 A1 WO2022044835 A1 WO 2022044835A1 JP 2021029761 W JP2021029761 W JP 2021029761W WO 2022044835 A1 WO2022044835 A1 WO 2022044835A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
switch
electrode
effect element
wall portion
calorific value
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/029761
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
浩二 秋山
洋之 永井
光秋 岩下
博一 上田
Original Assignee
東京エレクトロン株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 東京エレクトロン株式会社 filed Critical 東京エレクトロン株式会社
Priority to US17/907,699 priority Critical patent/US20230135523A1/en
Priority to CN202180032593.8A priority patent/CN115485866A/zh
Priority to KR1020237008800A priority patent/KR20230056705A/ko
Publication of WO2022044835A1 publication Critical patent/WO2022044835A1/ja

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N15/00—Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B49/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one thermoelectric or thermomagnetic element covered by groups H10N10/00 - H10N15/00
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B2321/001—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects by using electro-caloric effects
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]

Definitions

  • the present disclosure relates to a heat quantity effect element, a heat transfer device, a semiconductor manufacturing device, and a control method for the heat quantity effect element.
  • Non-Patent Document 1 a calorific value effect element using a ferroelectric material has been proposed.
  • the present disclosure provides a method for controlling a heat quantity effect element, a heat transfer device, a semiconductor manufacturing device, and a heat quantity effect element that can improve the efficiency of heat conduction.
  • the calorific value effect element includes a container provided with a first wall portion, an ionic liquid contained in the container, a first electrode provided on the outer surface of the first wall portion, and the ionic liquid. It has a movable electrode provided so as to be movable inside.
  • the efficiency of heat conduction can be improved.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a calorific value effect element according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a movable electrode.
  • FIG. 3 is a diagram showing the thermodynamic cycle of an ionic liquid.
  • FIG. 4 is a diagram (No. 1) showing the operation of the calorific value effect element according to the first embodiment during cooling.
  • FIG. 5 is a diagram (No. 2) showing the operation of the calorific value effect element according to the first embodiment during cooling.
  • FIG. 6 is a diagram (No. 3) showing the operation of the calorific value effect element according to the first embodiment during cooling.
  • FIG. 7 is a diagram (No. 4) showing the operation of the calorific value effect element according to the first embodiment during cooling.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a calorific value effect element according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a movable electrode.
  • FIG. 3 is a diagram showing the thermodynamic
  • FIG. 8 is a diagram (No. 5) showing the operation of the calorific value effect element according to the first embodiment during cooling.
  • FIG. 9 is a diagram (No. 6) showing the operation of the calorific value effect element according to the first embodiment during cooling.
  • FIG. 10 is a diagram (No. 7) showing the operation of the calorific value effect element according to the first embodiment during cooling.
  • FIG. 11 is a diagram (No. 1) showing the operation of the heat quantity effect element according to the first embodiment at the time of temperature control.
  • FIG. 12 is a diagram (No. 2) showing the operation of the heat quantity effect element according to the first embodiment at the time of temperature control.
  • FIG. 13 is a diagram (No. 1) showing the operation of the heat quantity effect element according to the second embodiment during heating.
  • FIG. 14 is a diagram (No. 2) showing the operation of the heat quantity effect element according to the second embodiment during heating.
  • FIG. 15 is a diagram (No. 3) showing the operation of the heat quantity effect element according to the second embodiment during heating.
  • FIG. 16 is a diagram (No. 4) showing the operation of the heat quantity effect element according to the second embodiment during heating.
  • FIG. 17 is a diagram (No. 5) showing the operation of the heat quantity effect element according to the second embodiment during heating.
  • FIG. 18 is a diagram (No. 6) showing the operation of the heat quantity effect element according to the second embodiment during heating.
  • FIG. 19 is a diagram (No. 7) showing the operation of the heat quantity effect element according to the second embodiment during heating.
  • FIG. 20 is a diagram (No. 2) showing the operation of the heat quantity effect element according to the second embodiment during heating.
  • FIG. 15 is a diagram (No. 3) showing the operation of the heat quantity effect element according to the second embodiment during heating.
  • FIG. 16 is a diagram (
  • FIG. 21 is a diagram (No. 2) showing the operation of the heat quantity effect element according to the second embodiment at the time of temperature control.
  • FIG. 22 is a diagram showing an example of a usage pattern of the heat quantity effect element.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a calorific value effect element according to the first embodiment.
  • the calorific value effect element 1 includes a container 10, a first electrode 21, a second electrode 22, a first insulating film 23, a second insulating film 24, and ions. It has a liquid 50, a movable electrode 40, a first spacer 31, and a second spacer 32.
  • the container 10 includes a first wall portion 11 and a second wall portion 12 facing the first wall portion 11.
  • the container 10 is, for example, an insulated container.
  • the container 10 is preferably flexible.
  • the shape of the container 10 is not limited, but is, for example, a plate shape or a film shape. That is, the area of the first wall portion 11 and the second wall portion 12 is significantly larger than the distance between the first wall portion 11 and the second wall portion 12.
  • the first electrode 21 is provided on the outer surface of the first wall portion 11.
  • the second electrode 22 is provided on the outer surface of the second wall portion 12.
  • the first electrode 21 and the second electrode 22 contain a conductive oxide such as indium tin oxide (ITO).
  • ITO indium tin oxide
  • the first electrode 21 and the second electrode 22 are arranged in parallel with each other.
  • the distance between the first electrode 21 and the second electrode 22 is, for example, 100 ⁇ m or less.
  • the first insulating film 23 is provided between the first wall portion 11 and the first electrode 21.
  • the second insulating film 24 is provided between the second wall portion 12 and the second electrode 22.
  • the first insulating film 23 and the second insulating film 24 are, for example, silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon nitride (SiN), zirconium oxide (ZrO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ).
  • the ionic liquid 50 is housed in the container 10.
  • the ionic liquid 50 is a liquid composed of cations and anions and contains a cation-anion pair. This cation-anion pair is oriented in a disorderly manner when no electric field is applied between the first electrode 21 and the second electrode 22, and an electric field is applied between the first electrode 21 and the second electrode 22. When it is, it is oriented in the direction corresponding to the direction of the electric field.
  • the entropy when the orientation is disordered is larger than the entropy when the orientation is aligned, and the temperature when the orientation is disordered is lower than the temperature when the orientation is aligned. Therefore, the ionic liquid 50 exhibits a calorific value effect similar to the ferroelectric substance.
  • the movable electrode 40 is provided so as to be movable in the ionic liquid 50.
  • the movable electrode 40 is a plate-shaped electrode provided in the ionic liquid 50 in parallel with the first electrode 21 and the second electrode 22.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a movable electrode.
  • the movable electrode 40 includes a conductive base material 41.
  • the base material 41 is plate-shaped.
  • a plurality of openings 41A are formed in the base material 41.
  • An insulating film 42 that covers the surface of the base material 41 is formed.
  • the insulating film 42 also covers the inner wall surface of the opening 41A.
  • the movable electrode 40 has an opening 40A having an insulating film 42 as a side wall inside the opening 41A.
  • the insulating film 42 contains, for example, silicon oxide, aluminum oxide, silicon nitride, zirconium oxide, hafnium oxide, titanium oxide, strontium titanate, barium titanate, lead zirconate
  • the first spacer 31 is provided on the inner surface of the first wall portion 11 and prevents the movable electrode 40 from coming into contact with the first wall portion 11.
  • the second spacer 32 is provided on the inner surface of the second wall portion 12 and prevents the movable electrode 40 from coming into contact with the second wall portion 12.
  • the first spacer 31 and the second spacer 32 are composed of, for example, an insulator. In the first embodiment, the first spacer 31 is higher than the second spacer 32.
  • the calorific value effect element 1 is used by being connected to a DC power supply 60.
  • the negative electrode of the power supply 60 is connected to the ground terminal GND via the switch SW1.
  • a node is provided between the negative electrode of the power supply 60 and the switch SW1, and the switch SW2 for switching the connection destination of this node between the first electrode 21 and the second electrode 22 is provided.
  • the positive electrode of the power supply 60 is connected to the base material 41 of the movable electrode 40.
  • the positive electrode of the power supply 60 is connected to the first electrode 21 via the switch SW3, and is connected to the second electrode 22 via the switch SW4.
  • FIG. 3 is a diagram showing the thermodynamic cycle of the ionic liquid 50.
  • the left side of FIG. 3 shows the relationship between the entropy S and the temperature T, and the right side shows the relationship between the electric field strength E and the temperature T.
  • the electric field strength E is 0, the entropy S is S 1 , and the temperature T is T 1 .
  • the orientation of the cation-anion pair is disordered.
  • the orientation of the cation-anion pair changes with the passage of time so that the electric field strength E aligns with the direction of the electric field of E 1 , and the third state 103 is reached. Transition. During the transition from the second state 102 to the third state 103, the entropy S drops from S 1 to S 3 and the temperature T drops from T 2 to T 3 . The decrease in the temperature of the ionic liquid 50 means that the heat held in the ionic liquid 50 is released.
  • the orientation of the cation-anion pair becomes disordered with the passage of time, and the state changes to the first state 101.
  • the entropy S rises from S 3 to S 1 and the temperature T rises from T 4 to T 1 .
  • An increase in the temperature of the ionic liquid 50 means that external heat is absorbed by the ionic liquid 50.
  • the ionic liquid 50 has such characteristics.
  • the calorific value effect element 1 according to the first embodiment operates as follows by utilizing such characteristics.
  • 4 to 10 are views showing the operation of the heat quantity effect element 1 according to the first embodiment during cooling. This operation is realized by, for example, a control mechanism such as a computer executing a control program.
  • the arrows in the ionic liquid 50 indicate the orientation of the cation-anion pair.
  • a heat source 72 to be cooled is provided on the second electrode 22 side, and a heat sink 71 is provided on the first electrode 21 side.
  • the switches SW1 and SW3 are closed, and the switches SW2 and SW4 are opened. Since the same potential is applied to the first electrode 21 and the movable electrode 40, the electric field strength E between the first electrode 21 and the movable electrode 40 is 0. Further, a repulsive force acts between the first electrode 21 and the movable electrode 40, and the movable electrode 40 approaches the second electrode 22 and stops in contact with the second spacer 32. The potential of the second electrode 22 is floating, and no electric field is applied between the second electrode 22 and the movable electrode 40.
  • the entire ionic liquid 50 is in the first state 101. That is, the entropy S is S 1 and the temperature T is T 1 .
  • the switches SW1, SW3 and SW4 are opened, and the switch SW2 is connected to the first electrode 21 side. Since the voltage of the power supply 60 is applied between the first electrode 21 and the movable electrode 40, an electric field having an electric field strength E of E1 is applied between the first electrode 21 and the movable electrode 40. Further, an attractive force acts between the first electrode 21 and the movable electrode 40, and the movable electrode 40 approaches the first electrode 21 and stops in contact with the first spacer 31. At this time, the ionic liquid 50 is stirred through the opening 40A.
  • the heat transferred from the heat source 72 to the ionic liquid 50 is transferred from the ionic liquid 50 to the heat sink 71, and is discharged from the heat sink 71 to the outside.
  • the first portion 51 between the movable electrode 40 and the first electrode 21 of the ionic liquid 50 is in the second state 102. That is, the entropy S remains S 1 , and the temperature T has risen to T 2 .
  • the second portion 52 between the movable electrode 40 and the second electrode 22 of the ionic liquid 50 remains in the first state 101.
  • the orientation of the cation-anion pair in the first portion 51 is such that the electric field strength E is E1. It changes so that it aligns in the direction. That is, the first portion 51 changes from the second state 102 to the third state 103. At this time, the entropy S decreases from S 1 to S 3 , and the temperature T decreases from T 2 to T 3 . Therefore, heat is released from the first portion 51 to the heat sink 71. Further, the second portion 52 remains in the first state 101, but as the temperature of the first portion 51 decreases, the temperature difference between the first portion 51 and the heat source 72 increases, and the second portion The heat of the heat source 72 is transferred to the first portion 51 through 52.
  • the orientation of the cation-anion pair is aligned in one direction in the first portion 51, and the first portion 51 reaches the third state 103.
  • the entropy S reaches S 3 and the temperature T reaches T 3 .
  • the second portion 52 remains in the first state 101, but as the temperature of the first portion 51 decreases, the temperature difference between the first portion 51 and the heat source 72 increases, and the temperature difference increases through the second portion 52. The heat of the heat source 72 is transferred to the first portion 51.
  • the switch SW1 is closed and the switches SW2, SW3 and SW4 are opened. Since the potentials of the first electrode 21, the second electrode 22, and the movable electrode 40 are floating, the electric field strength E of the electric field between the first electrode 21 and the movable electrode 40 is also the same as that of the second electrode 22 and the movable electrode 40. The electric field strength E between them is also 0.
  • the first portion 51 is in the fourth state 104. That is , the entropy S remains at S3, and the temperature T drops to T4 .
  • the second portion 52 remains in the first state 101, but the heat of the heat source 72 is transferred to the first portion 51 through the second portion 52.
  • the first portion 51 absorbs heat from the second portion 52 with the passage of time, and the cation in the first portion 51. -The orientation of the anion pair changes randomly. That is, the first portion 51 changes from the fourth state 104 to the first state 101. At this time, the entropy S rises from S 3 to S 1 , and the temperature T rises from T 4 to T 1 . The second portion 52 remains in the first state 101, but since the first portion 51 absorbs heat, it absorbs heat from the heat source 72.
  • the orientation of the cation-anion pair becomes disordered in the first portion 51, and the first portion 51 reaches the first state 101.
  • the entropy S reaches S 1 and the temperature T reaches T 1 .
  • the second portion 52 remains in the first state 101, but the heat of the heat source 72 is transferred to the first portion 51 through the second portion 52.
  • the switches SW1 and SW3 are closed, and the switches SW2 and SW4 are opened. Since the same potential is applied to the first electrode 21 and the movable electrode 40, the electric field strength E between the first electrode 21 and the movable electrode 40 is 0. Further, a repulsive force acts between the first electrode 21 and the movable electrode 40, and the movable electrode 40 approaches the second electrode 22 and stops in contact with the second spacer 32. At this time, the ionic liquid 50 is stirred through the opening 40A. Therefore, the heat transferred from the heat source 72 to the ionic liquid 50 is transferred from the ionic liquid 50 to the heat sink 71, and is discharged from the heat sink 71 to the outside. In this way, the state returned to the state shown in FIG.
  • the specific heat of the ionic liquid 50 is smaller than the specific heat of the ferroelectric substance, heat is transferred through the ionic liquid 50 itself in addition to the heat capacity effect. Therefore, heat can be transferred with high efficiency and the heat source 72 can be cooled with high efficiency.
  • the movable electrode can move in the ionic liquid 50 having fluidity, heat can be transferred even if the movable electrode 40 is not deformed. Therefore, even if the shape of the heat quantity effect element 1 is complicated, it is easy to obtain excellent heat transfer efficiency.
  • the size of the heat quantity effect element 1 can be diversified. For example, it may be a size suitable for cooling a smartphone, or may be a size suitable for heating and cooling a building.
  • the heat quantity effect element 1 flexible, it becomes easy to adhere to the heat source 72, and it becomes possible to transfer heat with higher efficiency.
  • the calorific value effect element 1 can be used not only for simple cooling but also for cooling while controlling the temperature.
  • 11 to 12 are diagrams showing the operation of the heat quantity effect element 1 according to the first embodiment at the time of temperature control. This operation is also realized by, for example, a control mechanism such as a computer executing a control program.
  • the arrows in the ionic liquid 50 indicate the orientation of the cation-anion pair.
  • the switch SW1 is closed, the switches SW3 and SW4 are opened, and the switch SW2 is connected to the second electrode 22 side. Since the voltage of the power supply 60 is applied between the second electrode 22 and the movable electrode 40, an electric field having an electric field strength E of E1 is applied between the second electrode 22 and the movable electrode 40, and the second portion 52. At, the temperature T rises to T 2 . Further, an attractive force acts between the second electrode 22 and the movable electrode 40, and the movable electrode 40 approaches the second electrode 22 and stops in contact with the second spacer 32. When the states of the switches SW1 to SW4 shown in FIG. 11 are maintained, the orientation of the cation-anion pair changes in the second portion 52 so that the electric field strength E is aligned with the direction of the electric field of E1 with the passage of time. ..
  • the switches SW1 and SW4 are closed, and the switches SW2 and SW3 are opened. Since the same potential is applied to the second electrode 22 and the movable electrode 40, the electric field strength E between the second electrode 22 and the movable electrode 40 is 0. Further, a repulsive force acts between the second electrode 22 and the movable electrode 40, and the movable electrode 40 approaches the first electrode 21 and stops in contact with the first spacer 31. At this time, the ionic liquid 50 is stirred through the opening 40A.
  • the temperature can be controlled by using the heat quantity effect element 1.
  • the second embodiment relates to a calorific value effect device suitable for heating.
  • 13 to 19 are views showing the operation of the heat quantity effect element 2 according to the second embodiment during heating. This operation is also realized by, for example, a control mechanism such as a computer executing a control program.
  • the arrows in the ionic liquid 50 indicate the orientation of the cation-anion pair.
  • a heat sink 71 to be heated is provided on the second electrode 22 side
  • a heat source 72 is provided on the first electrode 21 side.
  • the second spacer 32 is higher than the first spacer 31.
  • Other configurations are the same as those of the calorific value effect element 1 according to the first embodiment.
  • switches SW1 and SW4 are closed, and switches SW2 and SW3 are opened. Since the same potential is applied to the second electrode 22 and the movable electrode 40, the electric field strength E between the second electrode 22 and the movable electrode 40 is 0. Further, a repulsive force acts between the second electrode 22 and the movable electrode 40, and the movable electrode 40 approaches the first electrode 21 and stops in contact with the first spacer 31. The potential of the first electrode 21 is floating, and no electric field is applied between the first electrode 21 and the movable electrode 40. In FIG. 13, the entire ionic liquid 50 is in the first state 101. That is, the entropy S is S 1 and the temperature T is T 1 .
  • the switches SW1, SW3 and SW4 are opened, and the switch SW2 is connected to the second electrode 22 side. Since the voltage of the power supply 60 is applied between the second electrode 22 and the movable electrode 40, an electric field having an electric field strength E of E1 is applied between the second electrode 22 and the movable electrode 40. Further, an attractive force acts between the second electrode 22 and the movable electrode 40, and the movable electrode 40 approaches the second electrode 22 and stops in contact with the second spacer 32. At this time, the ionic liquid 50 is stirred through the opening 40A. Therefore, the heat transferred from the heat source 72 to the ionic liquid 50 is transferred from the ionic liquid 50 to the heat sink 71 and supplied to the heat sink 71.
  • the second portion 52 between the movable electrode 40 and the second electrode 22 of the ionic liquid 50 is in the second state 102. That is, the entropy S remains S 1 , and the temperature T has risen to T 2 . On the other hand, the first portion 51 between the movable electrode 40 and the first electrode 21 of the ionic liquid 50 remains in the first state 101.
  • the orientation of the cation-anion pair in the second portion 52 with the passage of time is that the electric field strength E is the electric field of E1. It changes so that it aligns in the direction. That is, the second portion 52 changes from the second state 102 to the third state 103. At this time, the entropy S decreases from S 1 to S 3 , and the temperature T decreases from T 2 to T 3 . Therefore, heat is supplied to the heat sink 71 from the second portion 52. Further, the first portion 51 remains in the first state 101, but as the temperature of the second portion 52 decreases, the temperature difference between the second portion 52 and the heat source 72 increases, and the first portion The heat of the heat source 72 is transferred to the second portion 52 through 51.
  • the orientation of the cation-anion pair is aligned in one direction in the second portion 52, and the second portion 52 reaches the fourth state 104.
  • the entropy S reaches S 3 and the temperature T reaches T 3 .
  • the first portion 51 remains in the first state 101, but as the temperature of the second portion 52 decreases, the temperature difference between the second portion 52 and the heat source 72 increases, and the temperature difference increases through the first portion 51.
  • the heat of the heat source 72 is transferred to the second part 52.
  • the switch SW1 is closed and the switches SW2, SW3 and SW4 are opened. Since the potentials of the first electrode 21, the second electrode 22, and the movable electrode 40 are floating, the electric field strength E of the electric field between the first electrode 21 and the movable electrode 40 is also the same as that of the second electrode 22 and the movable electrode 40. The electric field strength E between them is also 0.
  • the second portion 52 is in the fourth state 104. That is , the entropy S remains at S3, and the temperature T drops to T4 .
  • the first portion 51 remains in the first state 101, but the heat of the heat source 72 is transferred to the second portion 52 through the first portion 51.
  • the second portion 52 absorbs heat from the first portion 51 with the passage of time, and the cation in the second portion 52. -The orientation of the anion pair changes randomly. That is, the second portion 52 changes from the fourth state 104 to the first state 101. At this time, the entropy S rises from S 3 to S 1 , and the temperature T rises from T 4 to T 1 . The first portion 51 remains in the first state 101, but since the second portion 52 absorbs heat, it absorbs heat from the heat source 72.
  • the orientation of the cation-anion pair becomes disordered in the second portion 52, and the second portion 52 reaches the first state 101.
  • the entropy S reaches S 1 and the temperature T reaches T 1 .
  • the first portion 51 remains in the first state 101, but the heat of the heat source 72 is transferred to the second portion 52 through the first portion 51.
  • switches SW1 and SW4 are closed, and switches SW2 and SW3 are opened. Since the same potential is applied to the second electrode 22 and the movable electrode 40, the electric field strength E between the second electrode 22 and the movable electrode 40 is 0. Further, a repulsive force acts between the second electrode 22 and the movable electrode 40, and the movable electrode 40 approaches the first electrode 21 and stops in contact with the first spacer 31. At this time, the ionic liquid 50 is stirred through the opening 40A. Therefore, the heat transferred from the heat source 72 to the ionic liquid 50 is transferred from the ionic liquid 50 to the heat sink 71. In this way, the state returned to the state shown in FIG.
  • the heat sink 71 can be heated with high efficiency.
  • the calorific value effect element 2 can be used not only for simple heating but also for heating while controlling the temperature.
  • 20 to 21 are diagrams showing the operation of the heat quantity effect element 2 according to the second embodiment at the time of temperature control. This operation is also realized by, for example, a control mechanism such as a computer executing a control program.
  • the arrows in the ionic liquid 50 indicate the orientation of the cation-anion pair.
  • the switch SW1 is closed, the switches SW3 and SW4 are opened, and the switch SW2 is connected to the first electrode 21 side. Since the voltage of the power supply 60 is applied between the first electrode 21 and the movable electrode 40, an electric field having an electric field strength E of E1 is applied between the second electrode 22 and the movable electrode 40, and the first portion 51 At, the temperature T rises to T 2 . Further, an attractive force acts between the first electrode 21 and the movable electrode 40, and the movable electrode 40 approaches the first electrode 21 and stops in contact with the first spacer 31. When the states of the switches SW1 to SW4 shown in FIG. 20 are maintained, the orientation of the cation-anion pair in the first portion 51 changes with the passage of time so that the electric field strength E is aligned with the direction of the electric field of E1. ..
  • switches SW1 and SW3 are closed, and switches SW2 and SW4 are opened. Since the same potential is applied to the first electrode 21 and the movable electrode 40, the electric field strength E between the first electrode 21 and the movable electrode 40 is 0. Further, a repulsive force acts between the first electrode 21 and the movable electrode 40, and the movable electrode 40 approaches the second electrode 22 and stops in contact with the second spacer 32. At this time, the ionic liquid 50 is stirred through the opening 40A.
  • the temperature can be controlled by using the heat quantity effect element 2.
  • two heat quantity effect elements 1 may be provided in series between the heat sink 71 and the heat source 72. That is, a heat transfer device having two heat quantity effect elements 1 stacked on each other may be configured. In this heat transfer device, the first wall portion 11 of one container 10 and the second wall portion 12 of the other container 10 face each other between two heat quantity effect elements 1 adjacent to each other in the stacking direction. .. In this case, the efficiency of heat conduction can be further improved by shifting the operation cycle between the two heat quantity effect elements 1 by half a cycle.
  • Three or more heat quantity effect elements 1 may be provided in series between the heat sink 71 and the heat source 72.
  • two or more heat quantity effect elements 2 may be provided in series between the heat sink 71 and the heat source 72.
  • a plurality of heat quantity effect elements 1 or 2 may be provided in parallel between the heat sink 71 and the heat source 72. In this case, heat conduction can be performed in a wide range by synchronizing the operation cycles of the heat quantity effect elements 1 or 2.
  • the shapes of the first electrode and the second electrode are not limited.
  • the first electrode and the second electrode may have a tube shape.
  • one is an outer pipe and the other is an inner pipe, and the heat exchange fluid can flow through the inner pipe.
  • the calorific value effect element according to the present disclosure can be used in a semiconductor manufacturing apparatus.
  • a heat quantity effect element can be provided on the wafer chuck of the semiconductor manufacturing apparatus to adjust the temperature of the wafer held by the wafer chuck. It may be used for adjusting the temperature of the transfer device that conveys the wafer. It may be used for adjusting the temperature of a chemical solution or the like used for etching. It may be used for adjusting the temperature of the gas used for processing the wafer.
  • the calorific value effect element according to the present disclosure can also be used for cooling electronic devices such as smartphones and tablet terminals. It can also be used for heating and cooling of buildings such as houses and buildings.

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Abstract

熱量効果素子は、第１壁部と、前記第１壁部に対向する第２壁部とを備えた容器と、前記容器に収容されたイオン液体と、前記第１壁部の外面に設けられた第１電極と、前記イオン液体中に移動可能に設けられた可動電極と、を有する。

Description

熱量効果素子、伝熱装置、半導体製造装置及び熱量効果素子の制御方法
　本開示は、熱量効果素子、伝熱装置、半導体製造装置及び熱量効果素子の制御方法に関する。
　冷却装置として、強誘電体材料を用いた熱量効果素子が提案されている（非特許文献１）。
Ma等, Science 357, 1130-1134 (2017)
　本開示は、熱伝導の効率を向上することができる熱量効果素子、伝熱装置、半導体製造装置及び熱量効果素子の制御方法を提供する。
　本開示の一態様による熱量効果素子は、第１壁部を備えた容器と、前記容器に収容されたイオン液体と、前記第１壁部の外面に設けられた第１電極と、前記イオン液体中に移動可能に設けられた可動電極と、を有する。
　本開示によれば、熱伝導の効率を向上することができる。
図１は、第１実施形態に係る熱量効果素子を示す模式図である。 図２は、可動電極を示す断面図である。 図３は、イオン液体の熱力学的サイクルを示す図である。 図４は、第１実施形態に係る熱量効果素子の冷却時の動作を示す図（その１）である。 図５は、第１実施形態に係る熱量効果素子の冷却時の動作を示す図（その２）である。 図６は、第１実施形態に係る熱量効果素子の冷却時の動作を示す図（その３）である。 図７は、第１実施形態に係る熱量効果素子の冷却時の動作を示す図（その４）である。 図８は、第１実施形態に係る熱量効果素子の冷却時の動作を示す図（その５）である。 図９は、第１実施形態に係る熱量効果素子の冷却時の動作を示す図（その６）である。 図１０は、第１実施形態に係る熱量効果素子の冷却時の動作を示す図（その７）である。 図１１は、第１実施形態に係る熱量効果素子の温調時の動作を示す図（その１）である。 図１２は、第１実施形態に係る熱量効果素子の温調時の動作を示す図（その２）である。 図１３は、第２実施形態に係る熱量効果素子の加熱時の動作を示す図（その１）である。 図１４は、第２実施形態に係る熱量効果素子の加熱時の動作を示す図（その２）である。 図１５は、第２実施形態に係る熱量効果素子の加熱時の動作を示す図（その３）である。 図１６は、第２実施形態に係る熱量効果素子の加熱時の動作を示す図（その４）である。 図１７は、第２実施形態に係る熱量効果素子の加熱時の動作を示す図（その５）である。 図１８は、第２実施形態に係る熱量効果素子の加熱時の動作を示す図（その６）である。 図１９は、第２実施形態に係る熱量効果素子の加熱時の動作を示す図（その７）である。 図２０は、第２実施形態に係る熱量効果素子の温調時の動作を示す図（その１）である。 図２１は、第２実施形態に係る熱量効果素子の温調時の動作を示す図（その２）である。 図２２は、熱量効果素子の使用形態の一例を示す図である。
　以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。
　（第１実施形態）
　第１実施形態は、冷却に好適な熱量効果素子に関する。図１は、第１実施形態に係る熱量効果素子を示す模式図である。
　第１実施形態に係る熱量効果素子１は、図１に示すように、容器１０と、第１電極２１と、第２電極２２と、第１絶縁膜２３と、第２絶縁膜２４と、イオン液体５０と、可動電極４０と、第１スペーサ３１と、第２スペーサ３２とを有する。
　容器１０は、第１壁部１１と、第１壁部１１に対向する第２壁部１２とを備える。容器１０は、例えば絶縁容器である。容器１０は可撓性を備えていることが好ましい。容器１０の形状は限定されないが、例えば板状又は膜状である。すなわち、第１壁部１１及び第２壁部１２の面積が、第１壁部１１と第２壁部１２との間の距離に比べて著しく大きい。
　第１電極２１は第１壁部１１の外面に設けられている。第２電極２２は第２壁部１２の外面に設けられている。第１電極２１及び第２電極２２は、例えば酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の導電性酸化物を含む。第１電極２１及び第２電極２２は、互いに平行に配置されている。第１電極２１と第２電極２２との間の距離は、例えば１００μｍ以下である。
　第１絶縁膜２３は第１壁部１１と第１電極２１との間に設けられている。第２絶縁膜２４は第２壁部１２と第２電極２２との間に設けられている。第１絶縁膜２３及び第２絶縁膜２４は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、チタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）、チタン酸バリウム（ＢＴＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）又は銅チタン酸カルシウム（ＣＣＴＯ）を含む。
　イオン液体５０は容器１０に収容されている。イオン液体５０は、カチオン及びアニオンから構成された液体であり、カチオン－アニオン対を含む。このカチオン－アニオン対は、第１電極２１と第２電極２２との間に電界が印加されていない時は、無秩序に配向し、第１電極２１と第２電極２２との間に電界が印加されている時は、電界の向きに応じた方向に配向する。配向が無秩序の時のエントロピーは、配向が揃っている時のエントロピーよりも大きく、配向が無秩序の時の温度は、配向が揃っている時の温度よりも低い。従って、イオン液体５０は強誘電体と同様に熱量効果を呈する。
　可動電極４０はイオン液体５０中に移動可能に設けられている。可動電極４０は、イオン液体５０中に第１電極２１及び第２電極２２に平行に設けられた板状の電極である。図２は、可動電極を示す断面図である。図２に示すように、可動電極４０は、導電性の基材４１を含む。基材４１は板状である。基材４１に複数の開口４１Ａが形成されている。基材４１の表面を覆う絶縁膜４２が形成されている。絶縁膜４２は開口４１Ａの内壁面も覆う。可動電極４０は、開口４１Ａの内側に絶縁膜４２を側壁にした開口４０Ａを有する。絶縁膜４２は、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化チタン、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛又は銅チタン酸カルシウムを含む。
　第１スペーサ３１は第１壁部１１の内面に設けられており、可動電極４０の第１壁部１１への接触を妨げる。第２スペーサ３２は第２壁部１２の内面に設けられており、可動電極４０の第２壁部１２への接触を妨げる。第１スペーサ３１及び第２スペーサ３２は、例えば絶縁体から構成される。第１実施形態では、第１スペーサ３１が第２スペーサ３２よりも高い。
　図１に示すように、熱量効果素子１は直流の電源６０に接続されて用いられる。電源６０の負極はスイッチＳＷ１を介して接地端子ＧＮＤに接続される。電源６０の負極とスイッチＳＷ１との間にノードが設けられ、このノードの接続先を第１電極２１と第２電極２２との間で切り替えるスイッチＳＷ２が設けられる。電源６０の正極は可動電極４０の基材４１に接続される。電源６０の正極はスイッチＳＷ３を介して第１電極２１に接続され、スイッチＳＷ４を介して第２電極２２に接続される。
　ここで、イオン液体５０の特性について説明する。図３は、イオン液体５０の熱力学的サイクルを示す図である。図３中の左側には、エントロピーＳと温度Ｔとの関係を示し、右側には電界強度Ｅと温度Ｔとの関係を示す。
　第１状態１０１では、電界が印加されておらず、電界強度Ｅが０、エントロピーＳがＳ１、温度ＴがＴ１であるとする。第１状態１０１では、カチオン－アニオン対の配向が無秩序である。
　その後、電界強度ＥがＥ１の電界が印加されると、第２状態１０２に遷移する。電界強度ＥがＥ１となると、温度Ｔが速やかに温度Ｔ２に上昇するが、カチオン－アニオン対の配向は無秩序のままであり、エントロピーＳはＳ１のままである。
　電界強度ＥがＥ１の電界の印加が維持されると、時間の経過とともに、カチオン－アニオン対の配向は電界強度ＥがＥ１の電界の向きに揃うように変化し、第３状態１０３に遷移する。第２状態１０２から第３状態１０３へと変化している間に、エントロピーＳがＳ１からＳ３に低下し、温度ＴがＴ２からＴ３に低下する。イオン液体５０の温度の低下は、イオン液体５０に保持されていた熱が放出されることを意味する。
　その後、電界の印加が停止されると、第４状態１０４に遷移する。電界強度Ｅが０となると、温度Ｔが速やかに温度Ｔ４に低下するが、カチオン－アニオン対の配向は揃ったままであり、エントロピーＳはＳ３のままである。
　電界の印加が停止された状態が維持されると、時間の経過とともに、カチオン－アニオン対の配向は無秩序になり、第１状態１０１に遷移する。第４状態１０４から第１状態１０１へと変化している間に、エントロピーＳがＳ３からＳ１に上昇し、温度ＴがＴ４からＴ１に上昇する。イオン液体５０の温度の上昇は、外部の熱がイオン液体５０に吸収されることを意味する。
　イオン液体５０はこのような特性を有する。
　そして、第１実施形態に係る熱量効果素子１は、このような特性を利用して、下記のように動作する。図４～図１０は、第１実施形態に係る熱量効果素子１の冷却時の動作を示す図である。この動作は、例えばコンピュータ等の制御機構が制御プログラムを実行することにより実現される。図４～図１０において、イオン液体５０中の矢印は、カチオン－アニオン対の配向を示す。図４～図１０に示すように、第２電極２２側に冷却対象のヒートソース７２が設けられ、第１電極２１側にヒートシンク７１が設けられる。
　まず、図４に示すように、スイッチＳＷ１及びＳＷ３が閉とされ、スイッチＳＷ２及びＳＷ４が開とされる。第１電極２１及び可動電極４０に同一の電位が印加されるため、第１電極２１と可動電極４０との間の電界の電界強度Ｅは０である。また、第１電極２１と可動電極４０との間に斥力が作用し、可動電極４０は第２電極２２に近づき、第２スペーサ３２に接して停止する。第２電極２２の電位はフローティングであり、第２電極２２と可動電極４０との間にも電界は印加されない。図４において、イオン液体５０の全体が、第１状態１０１にある。すなわち、エントロピーＳがＳ１、温度ＴがＴ１である。
　その後、図５に示すように、スイッチＳＷ１、ＳＷ３及びＳＷ４が開とされ、スイッチＳＷ２が第１電極２１側に接続される。第１電極２１と可動電極４０との間に電源６０の電圧が印加されるため、第１電極２１と可動電極４０との間に電界強度ＥがＥ１の電界が印加される。また、第１電極２１と可動電極４０との間に引力が作用し、可動電極４０は第１電極２１に近づき、第１スペーサ３１に接して停止する。この時、開口４０Ａを通じてイオン液体５０が撹拌される。このため、ヒートソース７２からイオン液体５０に伝わっていた熱が、イオン液体５０からヒートシンク７１に伝わり、ヒートシンク７１から外部へ放出される。イオン液体５０の可動電極４０と第１電極２１との間の第１部分５１は、第２状態１０２にある。すなわち、エントロピーＳはＳ１のままであり、温度ＴがＴ２に上昇している。一方、イオン液体５０の可動電極４０と第２電極２２との間の第２部分５２は、第１状態１０１のままである。
　図５に示すスイッチＳＷ１～ＳＷ４の状態が維持されると、図６に示すように、時間の経過とともに、第１部分５１において、カチオン－アニオン対の配向は電界強度ＥがＥ１の電界の向きに揃うように変化していく。すなわち、第１部分５１は、第２状態１０２から第３状態１０３へと変化していく。この時、エントロピーＳがＳ１からＳ３に低下し、温度ＴがＴ２からＴ３に低下していく。このため、第１部分５１から熱がヒートシンク７１に放出されていく。また、第２部分５２は第１状態１０１のままであるが、第１部分５１の温度の低下に伴って、第１部分５１とヒートソース７２との間の温度差が大きくなり、第２部分５２を通じてヒートソース７２の熱が第１部分５１に伝わっていく。
　更に時間が経過すると、図７に示すように、第１部分５１においてカチオン－アニオン対の配向が一方向に揃い、第１部分５１は第３状態１０３に至る。第１部分５１において、エントロピーＳはＳ３に到達し、温度ＴはＴ３に到達する。第２部分５２は第１状態１０１のままであるが、第１部分５１の温度の低下に伴って、第１部分５１とヒートソース７２との間の温度差が大きくなり、第２部分５２を通じてヒートソース７２の熱が第１部分５１に伝わっていく。
　その後、図８に示すように、スイッチＳＷ１が閉とされ、スイッチＳＷ２、ＳＷ３及びＳＷ４が開とされる。第１電極２１、第２電極２２及び可動電極４０の各電位がフローティングとなるため、第１電極２１と可動電極４０との間の電界の電界強度Ｅも、第２電極２２と可動電極４０との間の電界強度Ｅも０である。第１部分５１は、第４状態１０４にある。すなわち、エントロピーＳはＳ３のままであり、温度ＴがＴ４に低下している。第２部分５２は第１状態１０１のままであるが、第２部分５２を通じてヒートソース７２の熱が第１部分５１に伝わっていく。
　図８に示すスイッチＳＷ１～ＳＷ４の状態が維持されると、図９に示すように、時間の経過とともに、第１部分５１は第２部分５２から熱を吸収し、第１部分５１において、カチオン－アニオン対の配向が無秩序に変化していく。すなわち、第１部分５１は、第４状態１０４から第１状態１０１へと変化していく。この時、エントロピーＳがＳ３からＳ１に上昇し、温度ＴがＴ４からＴ１に上昇していく。第２部分５２は第１状態１０１のままであるが、第１部分５１に熱を吸収されるため、ヒートソース７２から熱を吸収する。
　更に時間が経過すると、第１部分５１においてカチオン－アニオン対の配向が無秩序になり、第１部分５１は第１状態１０１に至る。第１部分５１において、エントロピーＳはＳ１に到達し、温度ＴはＴ１に到達する。第２部分５２は第１状態１０１のままであるが、第２部分５２を通じてヒートソース７２の熱が第１部分５１に伝わっていく。
　その後、図１０に示すように、スイッチＳＷ１及びＳＷ３が閉とされ、スイッチＳＷ２及びＳＷ４が開とされる。第１電極２１及び可動電極４０に同一の電位が印加されるため、第１電極２１と可動電極４０との間の電界の電界強度Ｅは０である。また、第１電極２１と可動電極４０との間に斥力が作用し、可動電極４０は第２電極２２に近づき、第２スペーサ３２に接して停止する。この時、開口４０Ａを通じてイオン液体５０が撹拌される。このため、ヒートソース７２からイオン液体５０に伝わっていた熱が、イオン液体５０からヒートシンク７１に伝わり、ヒートシンク７１から外部へ放出される。このようにして、図４に示す状態に戻る。
　そして、これらのサイクルが繰り返されることにより、ヒートソース７２で生じた熱が熱量効果素子１によりヒートシンク７１に伝達される。
　第１実施形態によれば、イオン液体５０の比熱が強誘電体の比熱よりも小さいため、熱量効果に加えてイオン液体５０自体を介して熱が伝達される。このため、高効率で熱を伝達し、ヒートソース７２を高効率で冷却することができる。
　また、流動性を有するイオン液体５０中を可動電極が移動できれば、可動電極４０が変形せずとも熱の伝達が行われる。従って、熱量効果素子１の形状を複雑にしても優れた熱伝達効率を得やすい。また、熱量効果素子１のサイズも多様化できる。例えば、スマートフォンの冷却に好適なサイズとしてもよく、建築物の冷暖房に好適なサイズとしてもよい。
　更に、熱量効果素子１に可撓性を持たせることで、ヒートソース７２に密着させやすく、更に高効率で熱を伝達することが可能となる。
　なお、熱量効果素子１は、単純な冷却だけでなく、温調を行いながらの冷却にも用いることができる。図１１～図１２は、第１実施形態に係る熱量効果素子１の温調時の動作を示す図である。この動作も、例えばコンピュータ等の制御機構が制御プログラムを実行することにより実現される。図１１～図１２において、イオン液体５０中の矢印は、カチオン－アニオン対の配向を示す。
　まず、図１１に示すように、スイッチＳＷ１が閉とされ、スイッチＳＷ３及びＳＷ４が開とされ、スイッチＳＷ２が第２電極２２側に接続される。第２電極２２と可動電極４０との間に電源６０の電圧が印加されるため、第２電極２２と可動電極４０との間に電界強度ＥがＥ１の電界が印加され、第２部分５２において、温度ＴがＴ２に上昇する。また、第２電極２２と可動電極４０との間に引力が作用し、可動電極４０は第２電極２２に近づき、第２スペーサ３２に接して停止する。図１１に示すスイッチＳＷ１～ＳＷ４の状態が維持されると、時間の経過とともに、第２部分５２において、カチオン－アニオン対の配向は電界強度ＥがＥ１の電界の向きに揃うように変化する。
　その後、図１２に示すように、スイッチＳＷ１及びＳＷ４が閉とされ、スイッチＳＷ２及びＳＷ３が開とされる。第２電極２２及び可動電極４０に同一の電位が印加されるため、第２電極２２と可動電極４０との間の電界の電界強度Ｅは０である。また、第２電極２２と可動電極４０との間に斥力が作用し、可動電極４０は第１電極２１に近づき、第１スペーサ３１に接して停止する。この時、開口４０Ａを通じてイオン液体５０が撹拌される。
　このように、熱量効果素子１を用いて温調を行うことができる。
　（第２実施形態）
　第２実施形態は、加熱に好適な熱量効果素子に関する。図１３～図１９は、第２実施形態に係る熱量効果素子２の加熱時の動作を示す図である。この動作も、例えばコンピュータ等の制御機構が制御プログラムを実行することにより実現される。図１３～図１９において、イオン液体５０中の矢印は、カチオン－アニオン対の配向を示す。図１３～図１９に示すように、第２電極２２側に加熱対象のヒートシンク７１が設けられ、第１電極２１側にヒートソース７２が設けられる。なお、第２実施形態に係る熱量効果素子２では、第２スペーサ３２が第１スペーサ３１よりも高い。他の構成は第１実施形態に係る熱量効果素子１と同様である。
　まず、図１３に示すように、スイッチＳＷ１及びＳＷ４が閉とされ、スイッチＳＷ２及びＳＷ３が開とされる。第２電極２２及び可動電極４０に同一の電位が印加されるため、第２電極２２と可動電極４０との間の電界の電界強度Ｅは０である。また、第２電極２２と可動電極４０との間に斥力が作用し、可動電極４０は第１電極２１に近づき、第１スペーサ３１に接して停止する。第１電極２１の電位はフローティングであり、第１電極２１と可動電極４０との間にも電界は印加されない。図１３において、イオン液体５０の全体が、第１状態１０１にある。すなわち、エントロピーＳがＳ１、温度ＴがＴ１である。
　その後、図１４に示すように、スイッチＳＷ１、ＳＷ３及びＳＷ４が開とされ、スイッチＳＷ２が第２電極２２側に接続される。第２電極２２と可動電極４０との間に電源６０の電圧が印加されるため、第２電極２２と可動電極４０との間に電界強度ＥがＥ１の電界が印加される。また、第２電極２２と可動電極４０との間に引力が作用し、可動電極４０は第２電極２２に近づき、第２スペーサ３２に接して停止する。この時、開口４０Ａを通じてイオン液体５０が撹拌される。このため、ヒートソース７２からイオン液体５０に伝わっていた熱が、イオン液体５０からヒートシンク７１に伝わり、ヒートシンク７１に供給される。イオン液体５０の可動電極４０と第２電極２２との間の第２部分５２は、第２状態１０２にある。すなわち、エントロピーＳはＳ１のままであり、温度ＴがＴ２に上昇している。一方、イオン液体５０の可動電極４０と第１電極２１との間の第１部分５１は、第１状態１０１のままである。
　図１４に示すスイッチＳＷ１～ＳＷ４の状態が維持されると、図１５に示すように、時間の経過とともに、第２部分５２において、カチオン－アニオン対の配向は電界強度ＥがＥ１の電界の向きに揃うように変化していく。すなわち、第２部分５２は、第２状態１０２から第３状態１０３へと変化していく。この時、エントロピーＳがＳ１からＳ３に低下し、温度ＴがＴ２からＴ３に低下していく。このため、第２部分５２から熱がヒートシンク７１に供給されていく。また、第１部分５１は第１状態１０１のままであるが、第２部分５２の温度の低下に伴って、第２部分５２とヒートソース７２との間の温度差が大きくなり、第１部分５１を通じてヒートソース７２の熱が第２部分５２に伝わっていく。
　更に時間が経過すると、図１６に示すように、第２部分５２においてカチオン－アニオン対の配向が一方向に揃い、第２部分５２は第４状態１０４に至る。第２部分５２において、エントロピーＳはＳ３に到達し、温度ＴはＴ３に到達する。第１部分５１は第１状態１０１のままであるが、第２部分５２の温度の低下に伴って、第２部分５２とヒートソース７２との間の温度差が大きくなり、第１部分５１を通じてヒートソース７２の熱が第２部分５２に伝わっていく。
　その後、図１７に示すように、スイッチＳＷ１が閉とされ、スイッチＳＷ２、ＳＷ３及びＳＷ４が開とされる。第１電極２１、第２電極２２及び可動電極４０の各電位がフローティングとなるため、第１電極２１と可動電極４０との間の電界の電界強度Ｅも、第２電極２２と可動電極４０との間の電界強度Ｅも０である。第２部分５２は、第４状態１０４にある。すなわち、エントロピーＳはＳ３のままであり、温度ＴがＴ４に低下している。第１部分５１は第１状態１０１のままであるが、第１部分５１を通じてヒートソース７２の熱が第２部分５２に伝わっていく。
　図１７に示すスイッチＳＷ１～ＳＷ４の状態が維持されると、図１８に示すように、時間の経過とともに、第２部分５２は第１部分５１から熱を吸収し、第２部分５２において、カチオン－アニオン対の配向が無秩序に変化していく。すなわち、第２部分５２は、第４状態１０４から第１状態１０１へと変化していく。この時、エントロピーＳがＳ３からＳ１に上昇し、温度ＴがＴ４からＴ１に上昇していく。第１部分５１は第１状態１０１のままであるが、第２部分５２に熱を吸収されるため、ヒートソース７２から熱を吸収する。
　更に時間が経過すると、第２部分５２においてカチオン－アニオン対の配向が無秩序になり、第２部分５２は第１状態１０１に至る。第２部分５２において、エントロピーＳはＳ１に到達し、温度ＴはＴ１に到達する。第１部分５１は第１状態１０１のままであるが、第１部分５１を通じてヒートソース７２の熱が第２部分５２に伝わっていく。
　その後、図１９に示すように、スイッチＳＷ１及びＳＷ４が閉とされ、スイッチＳＷ２及びＳＷ３が開とされる。第２電極２２及び可動電極４０に同一の電位が印加されるため、第２電極２２と可動電極４０との間の電界の電界強度Ｅは０である。また、第２電極２２と可動電極４０との間に斥力が作用し、可動電極４０は第１電極２１に近づき、第１スペーサ３１に接して停止する。この時、開口４０Ａを通じてイオン液体５０が撹拌される。このため、ヒートソース７２からイオン液体５０に伝わっていた熱が、イオン液体５０からヒートシンク７１に伝わる。このようにして、図１３に示す状態に戻る。
　そして、これらのサイクルが繰り返されることにより、ヒートソース７２で吸収した熱が熱量効果素子１によりヒートシンク７１に供給される。
　第２実施形態によれば、ヒートシンク７１を高効率で加熱することができる。
　なお、熱量効果素子２は、単純な加熱だけでなく、温調を行いながらの加熱にも用いることができる。図２０～図２１は、第２実施形態に係る熱量効果素子２の温調時の動作を示す図である。この動作も、例えばコンピュータ等の制御機構が制御プログラムを実行することにより実現される。図２０～図２１において、イオン液体５０中の矢印は、カチオン－アニオン対の配向を示す。
　まず、図２０に示すように、スイッチＳＷ１が閉とされ、スイッチＳＷ３及びＳＷ４が開とされ、スイッチＳＷ２が第１電極２１側に接続される。第１電極２１と可動電極４０との間に電源６０の電圧が印加されるため、第２電極２２と可動電極４０との間に電界強度ＥがＥ１の電界が印加され、第１部分５１において、温度ＴがＴ２に上昇する。また、第１電極２１と可動電極４０との間に引力が作用し、可動電極４０は第１電極２１に近づき、第１スペーサ３１に接して停止する。図２０に示すスイッチＳＷ１～ＳＷ４の状態が維持されると、時間の経過とともに、第１部分５１において、カチオン－アニオン対の配向は電界強度ＥがＥ１の電界の向きに揃うように変化する。
　その後、図２１に示すように、スイッチＳＷ１及びＳＷ３が閉とされ、スイッチＳＷ２及びＳＷ４が開とされる。第１電極２１及び可動電極４０に同一の電位が印加されるため、第１電極２１と可動電極４０との間の電界の電界強度Ｅは０である。また、第１電極２１と可動電極４０との間に斥力が作用し、可動電極４０は第２電極２２に近づき、第２スペーサ３２に接して停止する。この時、開口４０Ａを通じてイオン液体５０が撹拌される。
　このように、熱量効果素子２を用いて温調を行うことができる。
　なお、図２２に示すように、ヒートシンク７１とヒートソース７２との間に２個の熱量効果素子１が直列に設けられていてもよい。すなわち、互いに積層された２個の熱量効果素子１を有する伝熱装置が構成されていてもよい。この伝熱装置では、積層方向で隣り合う２個の熱量効果素子１の間で、一方の容器１０の第１壁部１１と、他方の容器１０の第２壁部１２とが対向している。この場合、２個の熱量効果素子１の間で動作サイクルを半周期ずらすことで、熱伝導の効率を更に向上することができる。ヒートシンク７１とヒートソース７２との間に３個以上の熱量効果素子１が直列に設けられていてもよい。同様に、ヒートシンク７１とヒートソース７２との間に２個以上の熱量効果素子２が直列に設けられていてもよい。
　また、ヒートシンク７１とヒートソース７２との間に複数の熱量効果素子１又は２が並列に設けられていてもよい。この場合、各熱量効果素子１又は２の動作サイクルを同期させることで、広範囲で熱伝導を行うことができる。
　本開示において、第１電極、第２電極の形状は限定されない。例えば、第１電極及び第２電極が管形状を有していてもよい。この場合、例えば、一方を外管、他方を内管とし、内管内に熱交換流体を通流させることができる。
　本開示に係る熱量効果素子は、半導体製造装置に用いることができる。例えば、半導体製造装置のウェハチャックに熱量効果素子を設け、ウェハチャックに保持されるウェハの温度の調整を行うことができる。ウェハを搬送する搬送装置の温度の調整に用いてもよい。エッチングに用いる薬液等の温度の調整に用いてもよい。ウェハの処理に用いるガスの温度の調整に用いてもよい。
　本開示に係る熱量効果素子は、スマートフォン、タブレット端末等の電子機器の冷却に用いることもできる。住宅及びビル等の建築物の冷暖房に用いることもできる。
　以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
　本願は、日本特許庁に２０２０年８月２６日に出願された基礎出願２０２０－１４２６６１号の優先権を主張するものであり、その全内容を参照によりここに援用する。
　１、２　熱量効果素子
　１０　容器
　１１、１２　壁部
　２１、２２　電極
　２３、２４　絶縁膜
　３１、３２　スペーサ
　４０　可動電極
　４０Ａ　開口
　４１　基材
　４１Ａ　開口
　４２　絶縁膜
　５０　イオン液体
　７１　ヒートシンク
　７２　ヒートソース

Claims (17)

  1. 　第１壁部と、前記第１壁部に対向する第２壁部とを備えた容器と、
    　前記容器に収容されたイオン液体と、
    　前記第１壁部の外面に設けられた第１電極と、
    　前記イオン液体中に移動可能に設けられた可動電極と、
    　を有する、熱量効果素子。
  2. 　前記第２壁部の外面に設けられた第２電極を有する、請求項１に記載の熱量効果素子。
  3. 　基準電位に一端が接続された第１スイッチと、
    　前記第１スイッチの他端に一端が接続され、他端の接続先が前記第１電極と、第２電極と、フローティングとの間で切り替えられる第２スイッチと、
    　前記第１スイッチの他端及び前記第２スイッチの一端に一端が接続され、前記可動電極に他端が接続された電源と、
    　前記電源の他端と前記第１電極との間に接続された第３スイッチと、
    　前記電源の他端と前記第２電極との間に接続された第４スイッチと、
    　前記第２スイッチの他端が前記第１電極に接続されているときは、前記第３スイッチを開とし、前記第２スイッチの他端が前記第２電極に接続されているときには、前記第４スイッチを開とする制御機構と、
    　を有する請求項２に記載の熱量効果素子。
  4. 　前記容器は絶縁容器である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱量効果素子。
  5. 　前記第１電極は導電性酸化物を含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱量効果素子。
  6. 　前記第１壁部と前記第１電極との間に設けられた第１絶縁膜を有する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱量効果素子。
  7. 　前記第１絶縁膜は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化チタン、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛又は銅チタン酸カルシウムを含む、請求項６に記載の熱量効果素子。
  8. 　前記可動電極は前記第１電極に平行に配置されている、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱量効果素子。
  9. 　前記第２電極は導電性酸化物を含む、請求項２又は３に記載の熱量効果素子。
  10. 　前記第２壁部と前記第２電極との間に設けられた第２絶縁膜を有する、請求項２、３又は９に記載の熱量効果素子。
  11. 　前記第２絶縁膜は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化チタン、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛又は銅チタン酸カルシウムを含む、請求項１０に記載の熱量効果素子。
  12. 　前記第２電極は前記第１電極に平行に配置されている、請求項２、３、９、１０又は１１に記載の熱量効果素子。
  13. 　前記第１電極と前記第２電極のとの間の距離は１００μｍ以下である、請求項２、３、９、１０、１１又は１２に記載の熱量効果素子。
  14. 　互いに積層された請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の熱量効果素子を複数有し、
    　積層方向で隣り合う前記熱量効果素子の間で、一方の前記容器の前記第１壁部と、他方の前記容器の前記第２壁部とが対向している伝熱装置。
  15. 　請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の熱量効果素子又は請求項１４に記載の伝熱装置を含む、半導体製造装置。
  16. 　第１壁部と、前記第１壁部に対向する第２壁部とを備えた容器と、
    　前記容器に収容されたイオン液体と、
    　前記第１壁部の外面に設けられた第１電極と、
    　前記第２壁部の外面に設けられた第２電極と、
    　前記イオン液体中に移動可能に設けられた可動電極と、
    　基準電位に一端が接続された第１スイッチと、
    　前記第１スイッチの他端に一端が接続され、他端の接続先が前記第１電極と、第２電極と、フローティングとの間で切り替えられる第２スイッチと、
    　前記第１スイッチの他端及び前記第２スイッチの一端に一端が接続され、前記可動電極に他端が接続された電源と、
    　前記電源の他端と前記第１電極との間に接続された第３スイッチと、
    　前記電源の他端と前記第２電極との間に接続された第４スイッチと、
    　を備えた熱量効果素子の制御方法であって、
    　前記第１壁部側を前記第２壁部側よりも低温とし、
    　前記イオン液体の温度を第１温度とし、前記第１スイッチ及び前記第３スイッチを閉とし、前記第２スイッチをフローティングとし、前記第４スイッチを開とする工程と、
    　前記第１スイッチ、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを開とし、前記第２スイッチの前記他端の接続先を前記第１電極とする工程と、
    　前記第１スイッチ、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチが開、前記第２スイッチの前記他端の接続先が前記第１電極の状態を維持する工程と、
    　前記第１スイッチを閉とし、前記第２スイッチをフローティングとし、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを開とする工程と、
    　前記第１スイッチが閉、前記第２スイッチがフローティング、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチが開の状態を維持する工程と、
    　を有する熱量効果素子の制御方法。
  17. 　第１壁部と、前記第１壁部に対向する第２壁部とを備えた容器と、
    　前記容器に収容されたイオン液体と、
    　前記第１壁部の外面に設けられた第１電極と、
    　前記第２壁部の外面に設けられた第２電極と、
    　前記イオン液体中に移動可能に設けられた可動電極と、
    　基準電位に一端が接続された第１スイッチと、
    　前記第１スイッチの他端に一端が接続され、他端の接続先が前記第１電極と、第２電極と、フローティングとの間で切り替えられる第２スイッチと、
    　前記第１スイッチの他端及び前記第２スイッチの一端に一端が接続され、前記可動電極に他端が接続された電源と、
    　前記電源の他端と前記第１電極との間に接続された第３スイッチと、
    　前記電源の他端と前記第２電極との間に接続された第４スイッチと、
    　を備えた熱量効果素子の制御方法であって、
    　前記第１壁部側を前記第２壁部側よりも高温とし、
    　前記イオン液体の温度を第１温度とし、前記第１スイッチ及び前記第４スイッチを閉とし、前記第２スイッチをフローティングとし、前記第３スイッチを開とする工程と、
    　前記第１スイッチ、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを開とし、前記第２スイッチの前記他端の接続先を前記第２電極とする工程と、
    　前記第１スイッチ、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチが開、前記第２スイッチの前記他端の接続先が前記第２電極の状態を維持する工程と、
    　前記第１スイッチを閉とし、前記第２スイッチをフローティングとし、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチを開とする工程と、
    　前記第１スイッチが閉、前記第２スイッチがフローティング、前記第３スイッチ及び前記第４スイッチが開の状態を維持する工程と、
    　を有する熱量効果素子の制御方法。
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