JP2014029892A

JP2014029892A - 冷暖房装置

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Publication number: JP2014029892A
Application number: JP2011086983A
Authority: JP
Inventors: Takaya Watanabe; 隆彌渡邊
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2031-04-11
Also published as: JP4782897B1

Abstract

【課題】建築物や移動体車両の壁や窓の内側面にトムソン素子を配置する。
【解決手段】建築物や移動体車両の壁や窓に生じる放射や輻射による熱を利用した冷暖房装置において、壁や窓の内側面に透明性金属として銅超微粒子とｎ型半導体として酸化スズまたは酸化インジウムからなる超微粒子を堆積させる。金属＋ｎ型半導体＋金属からなるトムソン素子をポリマーフィルム内に少なくとも1個以上配置し、トムソン素子の電圧印加方向による電流の流れの方向で熱電能（ゼーベック係数）の差による吸熱あるいは発熱を発現させる。
【効果】短時間でかつ製造コストも劇的に低減できるので、その工業的価値は極めて高い。
【選択図】図１

Description

本発明は、建築物や移動体車両の壁や窓に生じる放射や輻射による熱を利用した冷暖房装置において、建築物や移動体車両の壁や窓の内側面に透明性金属と透明性ｎ型半導体からなる超微粒子を分散堆積させて積層させた金属＋ｎ型半導体＋金属からなるサンドイッチ構造のペルチェ素子に電流を流して、熱電能（ゼーベック係数）の差による吸熱あるいは発熱を発現させるようにした冷暖房システムに関する。

ペルチェ素子の特性の中でもっとも重要な冷却量は、一般的に次式で表される。
冷却量＝ペルチェ効果−ジュール熱−熱伝導損失
ここで、Ｑ：冷却量［Ｗ］、α：ペルチェ素子のゼーベック係数［Ｖ／Ｋ］、Ｔ_c低温側表面温度［Ｋ］、Ｉ：電流値［Ａ］、Ｒ：内部抵抗[Ω]、Ｋ：ペルチェ素子の熱通過率［Ｗ／ｍ²Ｋ］、Ｓ：ペルチェ素子の表面積［ｍ²］、ΔＴ：ペルチェ素子両面の温度差［Ｋ］
したがって、ペルチェ素子の能力を効率良く取り出すためには、ジュール熱の発生を極力抑えるような使い方をすることと、ペルチェ素子両面の温度差を極力少なくすることである。

酸化スズ、酸化インジウムは、ｎ型半導体で高い導電性を持っており、かつ可視光領域の吸収が少ないため、透明帯電防止膜や透明電極として用いられている。導電性を改善するため、酸化スズにはアンチモンを、酸化インジウムにはスズをドープする。前者をＡＴＯ（アンチモン・ティン・オキサイド）、後者をＩＴＯ（インジウム・ティン・オキサイド）という。透明導電膜は、一般に、物理的成膜法により作られるが、超微粒子の場合は、高分子バインダーに分散し、塗布することにより成膜する。その場合、ＡＴＯは、１０^５〜１０^１０Ω／□、ＩＴＯは、１０^２〜１０^５Ω／□の表面抵抗の導電膜を得ることができる。超微粒子は、粒径が１０ｎｍ〜１ｎｍで、超微粒子分散系の性質である活発なブラウン運動による拡散沈着が生じる。この膜の導電性は物理的成膜法に比べて劣るが、波長３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの可視光透過率が高く透明性には優れている。

熱エネルギーは、熱の移動に伴う３つの移動形態がある。１つめは「熱伝導」である。熱エネルギーは微視的に見ると、物質を構成する個々の分子の運動である。この運動が次々に隣の分子に伝搬されていくのが、熱伝導による伝熱である。熱伝導による熱の伝わりやすさは、物質固有の値の熱伝導率で表される。２つめは「対流」である。固体内の分子はその位置を変えることができないため、「熱伝導」により徐々に熱エネルギーが伝搬されるが、流体内の分子は自由に動き回ることができる。このため、熱エネルギーを持った分子が移動することによって、熱を伝えることができる。対流による固体面と流体の間の熱交換を対流熱伝達と呼ぶ。３つめは「熱放射」（輻射）である。これは熱伝導や対流と大きく異なり、電磁波による熱エネルギーの放出である。絶対零度の物体以外、何等かの熱エネルギーを熱放射している。

電流を流すと熱を吸収する。そんな便利な冷却部品がペルチェ素子（電子冷却素子）である。金属とｎ型半導体の接合について考えると、接合前は金属とｎ型半導体のフェルミ準位は異なるが、接合による電子の移動（拡散）によりフェルミ準位が一致する。この電子移動により金属とｎ型半導体からなる系の電子のエネルギー分布が均一になる。次にｎ型半導体の両側を金属により接合し、エネルギー帯に外部から電圧印加により金属とｎ型半導体からなる回路に電流を流すと、接合部の一部に吸熱が、そして他方には発熱が生じる。金属のマイナス電極から半導体の伝導帯に電子が移動する際、フェルミ準位とｎ型半導体の伝導帯のエネルギーレベルの差に相当するエネルギーを吸収するため、吸熱が生じる。反対にｎ型半導体の伝導帯にある電子がプラス電極の金属の伝導帯に移る場合は発熱する。なおｐ型半導体は、キャリアが正孔であるため、ｎ型半導体に比べ応答速度は遅い。
具体例として、非特許文献２のペルチェモジュールの特性例を図２に示す。
このペルチェ素子を用いた電子冷却システムは、建築物や移動体車両の壁や窓に生じる放射や輻射による熱を利用した冷暖房システムに活用できる。
また本発明は、２０１１年３月１１日に東北地方大震災で被災し、逼迫したこれからの日本の電力環境を根源から救うシステムと成りうる。

特開平８−２９２３０９号公報特許第４３３８９５６号公報

三浦良一「トムソン効果を利用した電氣接點の温度分布」北海道大學工學部彙報１９５１−１１−１５国峰尚樹「電子機器の熱流体解析入門」日刊工業新聞社２００９年９月３０日

建築物や移動体車両の壁や窓に生じる放射や輻射による熱を利用した冷暖房装置において、建築物や移動体車両の壁や窓の内側面に透明性金属と透明性ｎ型半導体からなる超微粒子を分散堆積させて積層させた金属＋ｎ型半導体＋金属からなるサンドイッチ構造のペルチェ素子に電流を流して、熱電能（ゼーベック係数）の差による吸熱あるいは発熱を発現させるようにした冷暖房システムに関する。

本発明の冷暖房装置は、建築物や移動体車両の壁や窓の内側面に透明性金属と透明性ｎ型半導体からなる超微粒子を分散させ、透明性金属と透明性ｎ型半導体含有薄膜のコート液とし、超微粒子を積層状に堆積させた薄膜とする金属＋ｎ型半導体＋金属からなるサンドイッチ構造の薄膜からなるペルチェ素子を構成し、このペルチェ素子に電流を流し、熱電能（ゼーベック係数）の差による吸熱あるいは発熱を発現させたものである。本発明は、夏場は建築物や移動体車両の吸熱現象を利用して冷房用とし、冬場は発熱現象を利用した暖房システムを構築する。

以上説明したように本発明の冷暖房装置は、建築物や移動体車両の壁や窓に生じる放射や輻射による熱を利用した冷暖房装置において、建築物や移動体車両の壁や窓の内側面に透明性金属と透明性ｎ型半導体からなる超微粒子を積層状に分散堆積させ接合し、この接合させた金属＋ｎ型半導体＋金属からなるサンドイッチ構造のペルチェ素子をＤＣ電流の流れる方向で、熱電能（ゼーベック係数）の差による吸熱あるいは発熱を発現させるようにした冷暖房システムである。本発明の冷暖房装置は、短時間でかつ製造コストも劇的に低減できるので、その工業的価値は極めて高い。

本発明の冷暖房装置は、建築物や移動体車両の壁や窓の内側面に透明性金属と透明性ｎ型半導体からなる超微粒子を積層状に堆積させ接合させた金属＋ｎ型半導体＋金属からなるサンドイッチ構造のペルチェ素子にＤＣ電流を流して、熱電能（ゼーベック係数）の差による吸熱あるいは発熱を発現させるようにしたペルチェ素子を利用するもので、大面積に形成するプリンテッド・エレクトロニクスにより、建築物や移動体車両の壁や窓の内側面に印刷した発熱・吸熱セルで、夏場は吸熱現象を利用する冷房用、冬場は発熱現象を利用した暖房システムを構築できる。

以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の冷暖房装置の断面図である。１０１は、建築物や移動体車両の窓である。１０２と１０６は、ペルチェ素子を挟み込んでいるラミネートである。ペルチェ素子は、ペルチェ効果を発生させる銅超微粒子１０３と銅超微粒子１０５でｎ型半導体１０４を挟んだサンドイッチ構造を形成している。銅超微粒子１０３と銅超微粒子１０５は、波長３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの可視光線で透過率が９０％以上あることから、光に対してほぼ透明とみなせる。この銅超微粒子１０３と銅超微粒子１０５は、シート抵抗値が０．２Ω／□以下である。ｎ型半導体１０４の酸化インジウムは、ｎ型半導体で高い導電性を持っており、かつ可視光領域の吸収も少ない。導電性を改善するため、酸化インジウムにはスズをドープし、ＩＴＯ（インジウム・ティン・オキサイド）としている。この超微粒子は、高分子バインダーに分散、塗布することにより成膜している。ＩＴＯは、１０^２〜１０^５Ω／□の表面抵抗の導電膜である。膜の熱電能は−１３０[μＶ/Ｋ]である。この膜の導電性は物理的成膜法に比べて劣るが、可視光透過率が高く透明性に優れ、比較的低コストで大面積に塗布できる。１０７は、ＤＣ電源であり、ペルチェ素子を構成する銅超微粒子１０３と銅超微粒子１０５の間に電圧を印加してペルチェ効果を起こさせる。図１の回路接続では、ペルチェ素子は、吸熱１０８と発熱１０９を発現する。建築物や移動体車両の窓の内側面に配置されたペルチェ素子のＤＣ電源１０７を逆にすれば、発熱１０８と吸熱１０９となる。室外１１０の温度が６０℃の場合、室内の温度が２０℃の温度差にするには、ペルチェ素子にジュール熱損失＋熱伝導損失を含めて、５Ｗの熱量を供給できれば良い。このときのペルチェ素子の長さは、約１ｍになる。

本発明の冷暖房装置である。従来のペルチェモジュールの特性例である。

１０１建築物及び移動体車両の窓
１０２ラミネート膜
１０３銅
１０４ＩＴＯまたはＡＴＯ
１０５銅
１０６ラミネート膜
１０７直流電源
１０８吸熱
１０９発熱
１１０室外

本発明は、建築物や移動体車両の壁や窓に生じる放射や輻射による熱を利用した冷暖房装置において、建築物や移動体車両の壁や窓の内側面に透明性金属と透明性ｎ型半導体からなる超微粒子を分散堆積させて積層させた金属＋ｎ型半導体＋金属からなるサンドイッチ構造のトムソン素子に電流を流して、熱電能（ゼーベック係数）の差による吸熱あるいは発熱を発現させるようにした冷暖房システムに関する。

トムソン素子の特性の中でもっとも重要な冷却量は、一般的に次式で表される。
冷却量＝トムソン効果−ジュール熱−熱伝導損失
ここで、Ｑ：冷却量［Ｗ］、α：トムソン素子のゼーベック係数［Ｖ／Ｋ］、Ｔ_c低温側表面温度［Ｋ］、Ｉ：電流値［Ａ］、Ｒ：内部抵抗[Ω]、Ｋ：トムソン素子の熱通過率［Ｗ／ｍ²Ｋ］、Ｓ：トムソン素子の表面積［ｍ²］、ΔＴ：トムソン素子両面の温度差［Ｋ］
したがって、トムソン素子の能力を効率良く取り出すためには、ジュール熱の発生を極力抑えるような使い方をすることと、トムソン素子両面の温度差を極力少なくすることである。

電流を流すと熱を吸収する。そんな便利な冷却部品がトムソン素子（電子冷却素子）である。金属とｎ型半導体の接合について考えると、接合前は金属とｎ型半導体のフェルミ準位は異なるが、接合による電子の移動（拡散）によりフェルミ準位が一致する。この電子移動により金属とｎ型半導体からなる系の電子のエネルギー分布が均一になる。次にｎ型半導体の両側を金属により接合し、エネルギー帯に外部から電圧印加により金属とｎ型半導体からなる回路に電流を流すと、接合部の一部に吸熱が、そして他方には発熱が生じる。金属のマイナス電極から半導体の伝導帯に電子が移動する際、フェルミ準位とｎ型半導体の伝導帯のエネルギーレベルの差に相当するエネルギーを吸収するため、吸熱が生じる。反対にｎ型半導体の伝導帯にある電子がプラス電極の金属の伝導帯に移る場合は発熱する。なおｐ型半導体は、キャリアが正孔であるため、ｎ型半導体に比べ応答速度は遅い。
具体例として、非特許文献２のペルチェモジュールの特性例を図２に示す。
このトムソン素子を用いた電子冷却システムは、建築物や移動体車両の壁や窓に生じる放射や輻射による熱を利用した冷暖房システムに活用できる。
また本発明は、２０１１年３月１１日に東北地方大震災で被災し、逼迫したこれからの日本の電力環境を根源から救うシステムと成りうる。

建築物や移動体車両の壁や窓に生じる放射や輻射による熱を利用した冷暖房装置において、建築物や移動体車両の壁や窓の内側面に透明性金属と透明性ｎ型半導体からなる超微粒子を分散堆積させて積層させた金属＋ｎ型半導体＋金属からなるサンドイッチ構造のトムソン素子に電流を流して、熱電能（ゼーベック係数）の差による吸熱あるいは発熱を発現させるようにした冷暖房システムに関する。

本発明の冷暖房装置は、建築物や移動体車両の壁や窓の内側面に透明性金属と透明性ｎ型半導体からなる超微粒子を分散させ、透明性金属と透明性ｎ型半導体含有薄膜のコート液とし、超微粒子を積層状に堆積させた薄膜とする金属＋ｎ型半導体＋金属からなるサンドイッチ構造の薄膜からなるトムソン素子を構成し、このトムソン素子に電流を流し、熱電能（ゼーベック係数）の差による吸熱あるいは発熱を発現させたものである。本発明は、夏場は建築物や移動体車両の吸熱現象を利用して冷房用とし、冬場は発熱現象を利用した暖房システムを構築する。

以上説明したように本発明の冷暖房装置は、建築物や移動体車両の壁や窓に生じる放射や輻射による熱を利用した冷暖房装置において、建築物や移動体車両の壁や窓の内側面に透明性金属と透明性ｎ型半導体からなる超微粒子を積層状に分散堆積させ接合し、この接合させた金属＋ｎ型半導体＋金属からなるサンドイッチ構造のトムソン素子をＤＣ電流の流れる方向で、熱電能（ゼーベック係数）の差による吸熱あるいは発熱を発現させるようにした冷暖房システムである。本発明の冷暖房装置は、短時間でかつ製造コストも劇的に低減できるので、その工業的価値は極めて高い。

本発明の冷暖房装置は、建築物や移動体車両の壁や窓の内側面に透明性金属と透明性ｎ型半導体からなる超微粒子を積層状に堆積させ接合させた金属＋ｎ型半導体＋金属からなるサンドイッチ構造のトムソン素子にＤＣ電流を流して、熱電能（ゼーベック係数）の差による吸熱あるいは発熱を発現させるようにしたトムソン素子を利用するもので、大面積に形成するプリンテッド・エレクトロニクスにより、建築物や移動体車両の壁や窓の内側面に印刷した発熱・吸熱セルで、夏場は吸熱現象を利用する冷房用、冬場は発熱現象を利用した暖房システムを構築できる。

以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の冷暖房装置の断面図である。１０１は、建築物や移動体車両の窓である。１０２と１０６は、ペルチェ素子を挟み込んでいるラミネートである。トムソン素子は、トムソン効果を発生させる銅超微粒子１０３と銅超微粒子１０５でｎ型半導体１０４を挟んだサンドイッチ構造を形成している。銅超微粒子１０３と銅超微粒子１０５は、波長３８０ｎｍ〜７８０ｎｍの可視光線で透過率が９０％以上あることから、光に対してほぼ透明とみなせる。この銅超微粒子１０３と銅超微粒子１０５は、シート抵抗値が０．２Ω／□以下である。ｎ型半導体１０４の酸化インジウムは、ｎ型半導体で高い導電性を持っており、かつ可視光領域の吸収も少ない。導電性を改善するため、酸化インジウムにはスズをドープし、ＩＴＯ（インジウム・ティン・オキサイド）としている。この超微粒子は、高分子バインダーに分散、塗布することにより成膜している。ＩＴＯは、１０^２〜１０^５Ω／□の表面抵抗の導電膜である。膜の熱電能は−１３０[μＶ/Ｋ]である。この膜の導電性は物理的成膜法に比べて劣るが、可視光透過率が高く透明性に優れ、比較的低コストで大面積に塗布できる。１０７は、ＤＣ電源であり、トムソン素子を構成する銅超微粒子１０３と銅超微粒子１０５の間に電圧を印加してトムソン効果を起こさせる。図１の回路接続では、トムソン素子は、吸熱１０８と発熱１０９を発現する。建築物や移動体車両の窓の内側面に配置されたトムソン素子のＤＣ電源１０７を逆にすれば、発熱１０８と吸熱１０９となる。室外１１０の温度が６０℃の場合、室内の温度が２０℃の温度差にするには、トムソン素子にジュール熱損失＋熱伝導損失を含めて、５Ｗの熱量を供給できれば良い。このときのトムソン素子の長さは、約１ｍになる。

Claims

建築物や移動体車両の壁や窓に生じる放射や輻射による熱を利用した冷暖房装置において、前記構造物の壁や窓の内側面に透明性金属として銅超微粒子とｎ型半導体として酸化スズまたは酸化インジウムからなる超微粒子を堆積させ、金属＋ｎ型半導体＋金属からなるペルチェ素子をポリマーフィルム内に少なくとも1個以上配置し各々のペルチェ素子を回路配線してラミネート構造とし、前記ペルチェ素子の電圧印加方向による電流の流れの方向で熱電能（ゼーベック係数）の差による吸熱あるいは発熱を発現させるようにしたことを特徴とする冷暖房装置。