JP4856282B1

JP4856282B1 - 冷暖房装置

Info

Publication number: JP4856282B1
Application number: JP2011167847A
Authority: JP
Inventors: 隆彌渡邊
Original assignee: 隆彌渡邊
Priority date: 2011-07-30
Filing date: 2011-07-30
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2031-07-30
Also published as: JP2014029219A

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面や窓に金属とｎ型半導体からなる薄膜を積層状に成長させて、金属薄膜＋半導体薄膜＋金属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、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。本発明のトムソン素子は、透明な金属薄膜と透明でない半導体薄膜または透明でない金属薄膜と透明な半導体薄膜または透明でない金属薄膜と透明でない半導体薄膜から構成される冷暖房装置を構成できる。
【効果】
以上のとおり、本発明の冷暖房装置は、トムソン素子を形成する薄膜を多量に大面積に形
成でき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面や窓に金属と半導体からなる薄膜を積層状に成長させた金属薄膜＋半導体薄膜＋金属薄膜からなるトムソン素子を形成し、このトムソン素子に電流を流して、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。

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＝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：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］である。
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。

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という特殊な性質を有するため、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、蒸着やスパッタによる物理的成膜法により作られる。ガラス基板に酸化インジウムと酸化スズの混合物であるＩＴＯをスパッタリングや真空蒸着法などの成膜方法により作製された膜は、膜厚１８０〜３８０Åで透過率８４％であり、その時のシート抵抗は５０〜１００（Ω/ｓｑ）である。薄膜は、膜厚を２２００〜２８００Åに厚くすると透過率は０％、４〜７（Ω/ｓｑ）のシート抵抗になる。

非特許文献１の５４３頁には、熱可塑性樹脂の加熱変形温度と連続使用温度との関係が示されている。例えば、高分子膜の中でも芳香族系ポリアミドは融点３００℃以上であり延伸フィルムとして使用できる。低吸水性、寸法安定性を兼ね備えるフィルムは寸法安定性に優れ、無色で、透明性は９２％ある。この高分子膜上にトムソン効果を発現させる薄膜（透明性金属薄膜＋透明性半導体薄膜＋透明性金属薄膜）を積層状に形成後、保護膜として芳香族系ポリアミドで被覆することで、トムソン効果を発現させる薄膜を機械的衝撃から保護することができる。

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。特許文献１は、ナノ微粒子からなるトムソン素子である。特許文献２は、シリコンウエハとカーボンナノチューブからなるトムソン素子である。

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。
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面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。

特願２０１１−０８６９８３号公報特願２０１１−１１４０１３号公報

「高分子新素材便覧」、編者高分子学会、丸善株式会社、平成元年９月２０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面や窓に金属薄膜と半導体薄膜からなる薄膜を積層状に成長させて金属薄膜＋半導体薄膜＋金属薄膜からなるトムソン素子を形成し、このトムソン素子に電流を流して、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面や窓に金属とｎ型半導体からなる薄膜を積層状に成長させて、金属薄膜＋半導体薄膜＋金属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、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面や窓に金属と半導体からなる薄膜を積層状に成長させて金属薄膜＋半導体薄膜＋金属薄膜の三層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、ＤＣ電流の流れる方向で、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、薄膜技術により多量に大面積にトムソン素子を形成できることから、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面や窓に金属と半導体からなる薄膜を積層状に成長させて金属薄膜＋半導体薄膜＋金属薄膜からなるトムソン素子を形成し、このトムソン素子にＤＣ電流を流して、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、大面積に形成できる薄膜技術により、建築物や移動体車両の壁面や窓に形成した発熱・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、トムソン素子を挟み込んでいる高分子膜である。ここでは融点３００℃以上の芳香族系ポリアミドを延伸フィルムとして使用している。芳香族系ポリアミドは延伸フィルムとして優れ、低吸水性、寸法安定性を兼ね備える。このフィルムは寸法安定性に優れ、無色で、透明性は９２％ある。この高分子膜上にトムソン効果を発現させる薄膜（金属＋ｎ型半導体＋金属）を形成する。トムソン素子は、銅薄膜１０３と銅薄膜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。銅薄膜１０３と銅薄膜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、光に対して透明とみなせる。この銅薄膜１０３と銅薄膜１０５は、膜厚１８０〜３８０Åでは透過率８４％でシート抵抗は５０〜１００（Ω/ｓｑ）である。膜厚を２２００〜２８００Åに厚くすると透過率は０％、４〜７（Ω/ｓｑ）シート抵抗になる。ｎ型半導体１０４の酸化インジウムは、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という特殊な性質を有する。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。ＩＴＯは、スパッタリングや蒸着法による形成の導電膜である。膜のゼーベック係数は、−１３０[μＶ/Ｋ]である。この膜の導電性は物理的成膜法であり、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形成できる。保護膜として芳香族系ポリアミドで被覆することで、トムソン効果を発現させる薄膜を機械的衝撃から保護することができる。１０７は、ＤＣ電源であり、トムソン素子を構成する銅薄膜１０３と銅薄膜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の回路接続は、トムソン素子は吸熱１０８と発熱１０９を発現させる。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。
本発明のトムソン素子は、透明な金属薄膜と透明でない半導体薄膜または透明でない金属薄膜と透明な半導体薄膜または透明でない金属薄膜と透明でない半導体薄膜から構成される冷暖房装置を構成できることは言及するまでもない。

本発明の冷暖房装置である。熱可塑性樹脂の加熱変形温度と連続使用温度との関係を示す。

１０１建築物の窓及び移動体車両の窓
１０２ポリイミド膜
１０３銅
１０４ＩＴＯまたはＡＴＯ
１０５銅
１０６ポリイミド膜
１０７直流電源
１０８吸熱
１０９発熱
１１０室外

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、前記構造物の壁面や窓に高分子膜またはガラス基板を設置し、高分子膜またはガラス基板上に透明な金属薄膜と透明でない半導体薄膜または透明でない金属薄膜と透明な半導体薄膜または透明でない金属薄膜と透明でない半導体薄膜を用いて金属薄膜＋半導体薄膜＋金属薄膜を積層状に成長させてなるトムソン素子を形成し、さらに高分子膜またはガラス基板で被いトムソン素子間を回路配線した構造とし、前記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。