(57)【要約】【課題】建築物や移動体車両の壁や窓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、壁や窓にカーボンナノチューブ構造体セル＋縮退半導体ウエハ＋カーボンナノチューブ構造体セルからなるトムソン素子を配置し、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する冷暖房装置で構成する。【効果】以上のとおり、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。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、縮退半導体ウエハの表裏対向面に複数個のカーボンナノチューブ構造体を成長させ、前記縮退半導体ウエハ上の表裏に成長された個々のカーボンナノチューブ構造体セルを電気的に接続してトムソン素子を構成し構造物の壁や窓の内側面に配置し、前記トムソン素子の電圧印加方向による電流の流れ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。
【請求項２】
不純物Ｂまたは不純物Ｐをキャリア濃度３×１０２５ｍ−３〜１×１０２７ｍ−３ドープした縮退半導体Ｓｉウエハであることを特徴とする請求項第１項の冷暖房装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、縮退半導体ウエハの表裏対抗面にカーボンナノチューブ構造体を成長させ、カーボンナノチューブ構造体＋縮退半導体＋カーボンナノチューブ構造体からなるトムソン素子を構成し、このトムソン素子を構造物の壁や窓の内側面に配置し、電圧印加方向による電流の流れ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に関する。
【背景技術】
【０００２】
トムソン効果やペルチェ効果やゼーベック効果等の熱電効果が顕著に表れるように縮退半導体ウエハの表裏対向面に、直径が０．４ｎｍ〜50ｎｍの銅の１０倍の高熱伝導特性を有するカーボンナノチューブ構造体を成長させ、熱と電気との間のエネルギー変換効率を高めて工業的に利用する。トムソン効果のペルチェ冷却の際の最大成績係数φ、およびゼーベック発電の際の最大発電効率ηは、次式で表せる。
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ここで、ＴＨ、ＴＬ、Ｚはそれぞれ材料の高温側温度、低温側温度、熱電材料の性能指数であり、Ｚは熱伝導率λ、導電率σ、ゼーベック係数Ｓを用いてＺ＝σＳ２／λで定義される。
図３は、非特許文献１に示された熱電材料の物性のキャリア濃度の依存性である。熱電材料の性能指数Ｚは、半導体中の不純物キャリア濃度に依存し、縮退半導体で最大値を示す。
【０００３】
縮退ｎ型半導体であるＰドープＳｉのゼーベック係数は、材料中の電子の化学ポテンシャルの温度依存性により決まる。材料内部で一定の温度勾配が発生したときに化学ポテンシャルが変化し、不純物濃度に依存する。縮退半導体ＰドープＳｉは、ゼーベック係数が不純物濃度により−２００μＶ／Ｋ〜−５００μＶ／Ｋの範囲に変化する。縮退半導体であるＢドープＳｉのゼーベック係数は、不純物濃度により＋５００μＶ／Ｋ〜＋１０００μＶ／Ｋの範囲内で変化する。
【０００４】
カーボンナノチューブの最表面炭素間でのファンデルワース引力により、数十から数百μのカーボンナノチューブ凝縮が形成される。カーボンナノチューブに高熱伝導率の付与は困難であり、カーボンナノチューブと金属の反応生成物は、不純物となってフォノン散乱を誘発する。このためカーボンナノチューブの熱伝導率が低下する。またカーボンナノチューブの凝縮体は材料欠陥となり、材料の強度・延性の低下を招くことがある。
【０００５】
非特許文献２の図３の金属＋縮退半導体＋金属の接合について考える。正孔が左から右へ移動する場合、左接合部では冷却、右接合部では発熱し、そのペルチェ係数はそれぞれπｃ、πｈである。また、一様に不純物の分布した半導体の一端が、他端より高温のとき正孔は低温側に拡散して、その両端に電位差Ｓを生じる。このような半導体の中を左から右へ正孔が移動すると、正孔は１個当たり、−ｑＳ＋２ｋΔＴのエネルギーを得る。その結果、エネルギーが結晶格子から取り去られるか、与えられることになり、冷却または加熱効果があらわれる。これがトムソン効果である。
カーボンナノチューブ構造体を金属と置き換えると、銅の熱伝導率は４００Ｗ／ｍ・Ｋであるが、カーボンナノチューブは、計算値で３０００Ｗ／ｍ・Ｋである。製造メーカは、熱伝導率の実用的値として１４００Ｗ／ｍ・Ｋを使っている。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。しかしながら冷暖房装置に使う場合、半導体キャリアの移動速度より、発生する起電力が大きいゼーベク係数のほうが望ましい。Ｓｉ半導体キャリアの正孔の移動速度は、３７０ｃｍ２Ｖ−１Ｓ−１であり、Ｓｉ半導体キャリアである電子移動速度１４５０ｃｍ２Ｖ−１Ｓ−１に比べ実用上全く問題とならない。
本発明は、太陽光発電のような太陽光を必要としない昼夜間連続運転が可能であり、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２００６１３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「熱物性ハンドブック」日本熱物性学会、養賢堂、２００８年３月２５日
【非特許文献２】上村欣一、大室雄三、田中利雄、“熱電発電・熱電冷却・太陽発電”半導体応用選書７、日刊工業新聞社、昭和４０年７月
【非特許文献３】Ｋ．Ｈａｔａ、Ｄ．Ｎ．Ｆｕｔａｂａ、Ｋ．Ｍｉｚｕｍｏ、Ｔ．Ｎａｍａｉ,Ｍ.Ｙｕｍｕｒａ ａｎｄ Ｓ.Ｉｉｊｉａ：Ｓｃｉｅｎｃｅ３０６，１３６２（２００４)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、縮退半導ウエハの表裏対向面に成長させた、カーボンナノチューブ構造体＋縮退Ｓｉウエハ＋カーボンナノチューブ構造体からなるトムソン素子を構成し、構造物の壁や窓の内側面に配置し、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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の冷暖房装置は、カーボンナノチューブを縮退半導体ウエハの表裏対向面に成長させて、カーボンナノチューブ構造体＋縮退半導体ウエハ＋カーボンナノチューブ構造体からなるトムソン素子を構成する。このトムソン素子に電流を流し、電流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できる。カーボンナノチューブの性質を利用してトムソン素子に応用する際には、高品質なカーボンナノチューブが多量に必要になる。現在主流となっているカーボンナノチューブの合成法は、アーク放電法、レーザーアブレーション（ＬＡ）法、ＣＶＤ法の３種類である。アーク放電法は、グラファイト電極をおき、その間にアーク放電を起こし、陽極の電極を蒸発させることにより単層カーボンナノチューブを合成する方法である。アーク放電法は、単層、ニ層、多層との作り分けが可能であり結晶性の良いカーボンナノチューブが得られるが、生成物中に不純物が多い。レーザーアブレーション法は、触媒金属の微粒子を混ぜ込んだグラファイトターゲットにレーザーを照射しプラズマを発生させ、このプラズマを加熱してカーボンナノチューブを合成する方法である。レーザーアブレーション法は、得られるカーボンナノチューブの結晶性は良いが、合成効率が悪い。ＣＶＤ法は電子炉を用いて８００℃から１２００℃程度まで高温にした触媒に、炭素源を通し、熱や触媒によって分解した炭素から単層カーボンナノチューブを合成する方法である。ＣＶＤ法は、カーボンナノチューブの多量合成が可能だが結晶性が悪かった。そこで非特許文献３にあるように、カーボンナノチューブを高速で量産できるスーパーグロス法が開発された。本発明は、高品質なカーボンナノチューブを縮退Ｓｉウエハ表面に大面積に渡り成長できるスーパーグロス法を使っている。本願発明は、「製造方法」の発明でなく「冷暖房装置」という「物」の発明である。カーボンナノチューブの製造方法は、合成効率が悪くても従来のＣＶＤ法やレーザーアブレーション法で十分製造可能である。
【発明の効果】
【００１０】
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、カーボンナノチューブを縮退半導体ウエハの表裏両対向面に成長させ、この成長させたカーボンナノチューブ構造体＋縮退半導体ウエハ＋カーボンナノチューブ構造体からなるトムソン素子を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、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の冷暖房装置は、カーボンナノチューブを縮退半導体に成長させた、カーボンナノチューブ構造体セル＋縮退Ｓｉウエハ＋カーボンナノチューブ構造体セルからなるトムソン素子に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、建築物や移動体車両の壁や窓に配置して発熱・吸熱セルとし、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。
【実施例１】
【００１２】
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。
縮退ｐ型半導体として、ＢをドープしたＳｉ基板１０１を８００℃近くの合成温度下で、水素還元雰囲気、水分添加酸化雰囲気でスーパーグロス法を行っている。Ｓｉ基板１０１の表面は、単層カーボンナノチューブ１０２と裏面に単層カーボンナノチューブ１０３が高密度に一斉に成長し、あたかも霜柱の成長の如く、Ｓｉ基板１０１に対して垂直に配向して成長している。カーボンナノチューブの重さ、体積から密度を求めると０．０３ｇ／ｃｍ３となる。単層カーボンナノチューブの平均サイズ直径は２．８ｎｍである。この単層カーボンナノチューブは、従来材料では到達しえない電気伝導性、熱伝導性および機械強度をもつ。縮退ｐ型Ｓｉウエハの表の面には、カーボンナノチューブ構造体セル１０５、１０６を配置する。カーボンナノチューブ構造体セル１０５、１０６は、裏面の対向する位置にカーボンナノチューブ構造体セルを配置し、電気的に直列に接続した構造のトムソン素子を構成している。一個のトムソン素子の寸法サイズは、１０ｍｍ×１２．５ｍｍである。縮退ｐ型Ｓｉのゼーベック係数は、＋７５０μＶ/Ｋである。１０４は、ＤＣ電源であり、トムソン素子を構成するカーボンナノチューブ１０２とカーボンナノチューブ１０３の間に電圧を印加して縮退ｐ型Ｓｉに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、吸熱と発熱を発現する。建築物や移動体車両の窓に配置されたトムソン素子のＤＣ電源１０４を逆にすれば、発熱と吸熱となる。建物の外の温度が６０℃の場合、建物の内部の温度を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３６ｃｍであり、直径３６０ｍｍφ、厚み１２８０μｍの縮退ｐ型Ｓｉウエハ１枚で対応できる。
【実施例２】
【００１３】
以下、本発明の他の実施例について図面を用いて詳細に説明する。
縮退ｎ型半導体として、ＰをドープしたＳｉ基板２０１を８００℃近くの合成温度下で、水素還元雰囲気、水分添加酸化雰囲気でスーパーグロス法を行っている。Ｓｉ基板２０１の表面は、単層カーボンナノチューブ２０２と裏面に単層カーボンナノチューブ２０３が高密度に一斉に成長し、あたかも霜柱の成長の如く、Ｓｉ基板２０１に対して垂直に配向して成長している。カーボンナノチューブの重さ、体積から密度を求めると０．０３ｇ／ｃｍ３となる。単層カーボンナノチューブの平均サイズ直径は２．８ｎｍである。この単層カーボンナノチューブは、従来材料では到達しえない電気伝導性、熱伝導性および機械強度をもつ。縮退ｎ型Ｓｉウエハの表の面には、カーボンナノチューブ構造体セル２０５、２０６を配置する。カーボンナノチューブ構造体セル２０５、２０６は、裏面の対向する位置にカーボンナノチューブ構造体セルを配置し、電気的に直列に接続した構造のトムソン素子を構成している。一個のトムソン素子の寸法サイズは、４．６ｍｍ×５．８ｍｍである。２０４は、ＤＣ電源であり、トムソン素子を構成するカーボンナノチューブ２０２とカーボンナノチューブ２０３の間に電圧を印加して縮退ｎ型Ｓｉにトムソン効果を起こさせる。カーボンナノチューブ構造体セル＋縮退ｎ型Ｓｉウエハ＋カーボンナノチューブ構造体セルからなるトムソン素子の場合は、縮退ｎ型Ｓｉのゼーベック係数が、−３５０μＶ/Ｋであった。図２の回路接続では、トムソン素子は、吸熱と発熱を発現する。建築物や移動体車両の窓に配置されたトムソン素子のＤＣ電源２０４を逆にすれば、発熱と吸熱となる。建物の外の温度が６０℃の場合、建物の内部の温度を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４０ｃｍであり、直径４００ｍｍφ、厚み１３３０μｍの縮退ｎ型Ｓｉウエハ１枚で対応できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の冷暖房装置である。
【図２】本発明の他の冷暖房装置である。
【図３】熱電材料の物性値のキャリア濃度依存性。
【図４】トムソン効果の動作原理である。
【符号の説明】
【００１５】
１０１        縮退ｐ型半導体ウエハ
１０２        カーボンナノチューブ
１０３        カーボンナノチューブ
１０４        ＤＣ電源
１０５        カーボンナノチューブ構造体セル
１０６        カーボンナノチューブ構造体セル
２０１        縮退ｎ型半導体ウエハ
２０２        カーボンナノチューブ
２０３        カーボンナノチューブ
２０４        ＤＣ電源
２０５        カーボンナノチューブ構造体セル
２０６        カーボンナノチューブ構造体セル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年6月22日(2011.6.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
縮退半導体であるＢドープＳｉまたは縮退半導体であるＰドープＳｉは、Ｓｉ中の不純物のキャリア濃度を３×１０２５ｍ−３〜１×１０２７ｍ−３ドープした縮退半導体Ｓｉウエハであることを特徴とする請求項１の冷暖房装置。