(57)【要約】発明は固体材料にかけて流れる気体流によるエネルギー変換のための方法に関し、ドープト半導体、黒鉛等のような固体材料にかけて流れる気体流の速度を、ゼーベック効果とベルヌーイの原理の組合せを用いて固体材料の表面に沿う気体流により固体材料に発生する電気の関数として測定する方法にも関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体の流速を、前記気体の性質または前記流速にかかわらずに決定する方法において、流速検知デバイスを気体流内に配置する工程を有してなり、前記流速検知デバイスが、前記気体流内にある角度をなして配置された少なくとも１つの導電性固体材料及び前記少なくとも１つの導電性固体材料を電気測定手段に接続する少なくとも１つの導電性素子を備え、前記少なくとも１つの固体材料にかけて流れる前記気体流が、前記固体材料にかけて発生する圧力勾配により、前記気体流の方向に沿う電流を発生させ、前記気体流の流速の関数として発生する前記電気を測定するために、前記電気エネルギーが前記気体流の外部に設けられた前記電気測定手段に前記導電性素子によって送られることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記固体材料が、高いゼーベック係数をもつ材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記固体材料が、ドープト半導体、黒鉛、単壁型カーボンナノチューブ、複壁型カーボンナノチューブ及び高いゼーベック係数をもつ金属材料からなる群から選ばれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ドープト半導体材料が、ｎ型ゲルマニウム、ｐ型ゲルマニウム、ｎ型シリコン及びｐ型シリコンからなる群から選ばれることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記金属材料が、多結晶銅、ＧａＡｓ、テルル及びセレンから選ばれることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記気体が、窒素、アルゴン、酸素、二酸化炭素及び空気からなる群から選ばれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記方法の応答時間が＜０.１秒であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
非粘性流の方向に沿って前記固体材料にかかる温度差に依存する電圧が、前記気体流によって前記固体材料に誘起されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記気体流の速度が１〜１４０ｍ/秒の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記固体材料にかけて流れる前記気体流が２０°と７０°の間の範囲の角度、好ましくは４５°の角度にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
気体の流速を、前記気体の流速または性質にかかわらずに測定するのに有用な流速検知デバイスにおいて、前記デバイスが、少なくとも１つの気体流速検知素子及び前記気体流速検知素子を電気測定手段に接続する少なくとも１つの導電性素子を備えることを特徴とする流速検知デバイス。
【請求項１２】
前記気体流速検知素子が、良好な導電率及び高いゼーベック係数もつ固体材料を有することを特徴とする請求項１１に記載の流速検知デバイス。
【請求項１３】
前記固体材料が、ドープト半導体、黒鉛、単壁型カーボンナノチューブ、複壁型カーボンナノチューブ及び高いゼーベック係数をもつ金属材料からなる群から選ばれることを特徴とする請求項１２に記載の流速検知デバイス。
【請求項１４】
前記ドープト半導体材料が、ｎ型ゲルマニウム、ｐ型ゲルマニウム、ｎ型シリコン及びｐ型シリコンからなる群から選ばれることを特徴とする請求項１３に記載の流速検知デバイス。
【請求項１５】
前記金属材料が、多結晶銅、ＧａＡｓ、テルル及びセレンから選ばれることを特徴とする請求項１３に記載の流速検知デバイス。
【請求項１６】
前記気体が、窒素、アルゴン、酸素、二酸化炭素及び空気からなる群から選ばれることを特徴とする請求項１１に記載の流速検知デバイス。
【請求項１７】
前記電気測定手段が、前記少なくとも１つの気体流速検知素子の両端にかけて発生する電流を測定するための電流計または前記少なくとも１つの気体流速検知素子の両端のそれぞれの間の電位差を測定するための電圧計を含むことを特徴とする請求項１１に記載の流速検知デバイス。
【請求項１８】
前記流速検知素子が、全てが直列または並列に接続された複数のドープト半導体を、前記複数のドープト半導体からなる列の両端のそれぞれに設けられたそれぞれの単一導電性素子とともに有することを特徴とする請求項１１に記載の流速検知デバイス。
【請求項１９】
前記複数のドープト半導体が、前記複数のドープト半導体の両端にかけて発生する電位差を測定するために、直列に接続されることを特徴とする請求項１８に記載の流速検知デバイス。
【請求項２０】
前記複数のドープト半導体が、前記それぞれの導電性素子によって前記複数のドープト半導体の両端のそれぞれに形成される２つのオーミックコンタクトの間に発生する電流の決定を可能にするために、互いに並列に接続されることを特徴とする請求項１８に記載の流速検知デバイス。
【請求項２１】
前記流速検知デバイスが、金属線によって接続された固体材料からなる複数の気体流速検知素子からなるマトリックスを備え、前記マトリックスの全体が高抵抗アンドープ半導電性基板上に設けられ、前記気体流速検知素子マトリックスが電気測定手段に接続されることを特徴とする請求項１１に記載の流速検知デバイス。
【請求項２２】
前記電気測定手段が電圧計及び電流計から選ばれることを特徴とする請求項１１に記載の流速検知デバイス。
【請求項２３】
前記マトリックスを形成する前記気体流速検知素子及び前記気体流速検知素子を接続する金属線が単一チップ上に設けられることを特徴とする請求項２１に記載の流速検知デバイス。
【請求項２４】
前記流速検知デバイスが、交互するｎ型半導体ストリップ及びｐ型半導体ストリップを備え、前記ｎ型半導体ストリップ及び前記ｐ型半導体ストリップのそれぞれが介在する薄いアンドープ半導体層によって直近のストリップから隔てられ、前記交互するｎ型半導体ストリップ及びｐ型半導体ストリップは導電性ストリップによって接続され、前記介在する薄いアンドープ半導体層をともなう前記交互するｎ型半導体ストリップ及びｐ型半導体ストリップ並びに前記導電性ストリップが半導電性基板材料上に設けられ、電気コンタクトが前記基板材料の両端のそれぞれに設けられて、電気測定手段に接続されることを特徴とする請求項１１に記載の流速検知デバイス。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの気体流速検知素子が、全てが直列または並列に接続された複数のカーボンナノチューブを、前記複数のカーボンナノチューブからなる列の両端のそれぞれに設けられたそれぞれの単一導電性素子とともに備えることを特徴とする請求項１１に記載の流速検知デバイス。
【請求項２６】
前記複数のカーボンナノチューブが、前記複数のカーボンナノチューブの両端にかけて発生する電位差の総和を測定するために、直列に接続されることを特徴とする請求項２５に記載の流速検知デバイス。
【請求項２７】
前記複数のカーボンナノチューブが、前記複数のカーボンナノチューブの両端のそれぞれに前記それぞれの導電性素子によって形成された２つのオーミックコンタクトの間に発生する電流を加え合せるために、互いに並列に接続されることを特徴とする請求項２５に記載の流速検知デバイス。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの気体流速検知素子が絶縁された基板上に設けられることを特徴とする請求項１１に記載の流速検知デバイス。
【請求項２９】
前記導電性素子が電線を含むことを特徴とする請求項１１に記載の流速検知デバイス。
【請求項３０】
前記導電性素子が電極を含むことを特徴とする請求項１１に記載の流速検知デバイス。
【請求項３１】
前記導電性素子が電極に接続された電線からなる組合せを含むことを特徴とする請求項１１に記載の流速検知デバイス。
【請求項３２】
少なくとも１つのエネルギー変換手段及び前記エネルギー変換手段を電気蓄積手段または電気使用手段に接続する少なくとも１つの導電性素子を備えたエネルギー変換デバイスを用いて電気エネルギーを発生させる方法において、前記エネルギー変換手段にかけて流れる気体流が前記気体流の方向に沿って前記エネルギー変換手段のそれぞれに発生するゼーベック電圧の発生を生じさせ、よって電気エネルギーを発生し、前記電気エネルギーが前記導電性素子を介して前記電気蓄積手段または電気使用手段に送られることを特徴とする方法。
【請求項３３】
前記エネルギー変換手段が良好な導電率及び高いゼーベック係数をもつ固体材料を有することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記固体材料が、ドープト半導体、黒鉛、単壁型カーボンナノチューブ、複壁型カーボンナノチューブ及び高いゼーベック係数をもつ金属材料からなる群から選ばれることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記ドープト半導体材料が、ｎ型ゲルマニウム、ｐ型ゲルマニウム、ｎ型シリコン及びｐ型シリコンからなる群から選ばれることを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記金属材料が、多結晶銅、ＧａＡｓ、テルル及びセレンから選ばれることを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
前記気体が、窒素、酸素、二酸化炭素、アルゴン及び空気からなる群から選ばれることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３８】
前記エネルギー変換デバイスが、全てが直列または並列に接続された複数のドープト半導体を、前記複数のドープト半導体からなる列の両端のそれぞれに設けられたそれぞれの単一導電性素子とともに備えることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３９】
前記複数のドープト半導体が直列に接続されることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記複数のドープト半導体が、前記複数のドープト半導体の両端のそれぞれにおいて前記それぞれの導電性素子によって形成される２つのオーミックコンタクトの間に発生する電流の決定を可能にするために、互いに並列に接続されることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記エネルギー変換手段が、金属線によって接続された固体材料からなる複数の気体流速検知素子からなるマトリックスを有し、前記マトリックスの全体が高抵抗アンドープ半導電性基板上に設けられ、前記半導電性基板が電気蓄積手段に接続されることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項４２】
前記マトリックスを形成する前記気体流速検知素子及び前記気体流速検知素子を接続する前記金属線が単一チップ上に設けられることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記気体流速検知素子が、交互するｎ型半導体ストリップ及びｐ型半導体ストリップを有し、前記ｎ型半導体ストリップ及び前記ｐ型半導体ストリップのそれぞれが介在する薄いアンドープ半導体層によって直近のストリップから隔てられ、前記交互するｎ型半導体ストリップ及びｐ型半導体ストリップは導電性ストリップによって接続され、前記介在するアンドープ半導体層をともなう前記交互するｎ型半導体ストリップ及びｐ型半導体ストリップ並びに前記導電性ストリップは半導電性基板材料上に設けられ、電気コンタクトが前記基板材料の両端のそれぞれに設けられ、電気蓄積手段に接続されることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項４４】
前記エネルギー変換手段が、全てが直列または並列に接続された複数のカーボンナノチューブを、前記複数のカーボンナノチューブからなる列の両端のそれぞれに設けられたそれぞれの単一導電性素子とともに備えることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項４５】
前記複数のカーボンナノチューブが直列に接続されることを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記複数のカーボンナノチューブが並列に接続されることを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
前記エネルギー変換手段が絶縁された基板上に設けられることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項４８】
前記導電性素子が電線を含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項４９】
前記導電性素子が電極を含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項５０】
前記導電性素子が電極に接続された電線からなる組合せを含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項５１】
前記電気蓄積手段が電池または蓄電池を含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項５２】
１つまたはそれより多くのエネルギー変換手段を有するエネルギー発生手段を備えたエネルギー変換デバイスにおいて、前記１つまたはそれより多くのエネルギー変換手段のそれぞれが少なくとも１つの高いゼーベック係数をもつ固体材料を有し、少なくとも１つの導電性素子が、前記エネルギー変換手段にかけて流れる気体流によって前記１つまたはそれより多くのエネルギー変換手段に発生する電気を蓄積／使用するために、前記少なくとも１つのエネルギー変換手段を電気蓄積手段または電気使用手段に接続することを特徴とするエネルギー変換デバイス。
【請求項５３】
前記固体材料が、ドープト半導体、黒鉛、単壁型カーボンナノチューブ、複壁型カーボンナノチューブ及び高いゼーベック係数をもつ金属材料からなる群から選ばれることを特徴とする請求項５２に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項５４】
前記ドープト半導体材料が、ｎ型ゲルマニウム、ｐ型ゲルマニウム、ｎ型シリコン及びｐ型シリコンからなる群から選ばれることを特徴とする請求項５３に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項５５】
前記金属材料が、多結晶銅、ＧａＡｓ、テルル及びセレンから選ばれることを特徴とする請求項５３に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項５６】
前記気体が、窒素、酸素、二酸化炭素、アルゴン及び空気からなる群から選ばれることを特徴とする請求項５２に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項５７】
前記導電性素子を介して前記１つまたはそれより多くのエネルギー変換手段に接続される、前記少なくとも１つの固体材料の両端にかけて発生する電流を測定するための電流計または前記少なくとも１つの固体材料の両端のそれぞれの間の電位差を測定するための電圧計を含む、電気測定手段が備えられることを特徴とする請求項５２に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項５８】
前記エネルギー変換手段が、全てが直列または並列に接続された複数のドープト半導体を、前記複数のドープト半導体からなる列の両端のそれぞれに設けられたそれぞれの単一導電性素子とともに有することを特徴とする請求項５２に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項５９】
前記複数のドープト半導体が、前記複数のドープト半導体の両端の間に発生する電位差を測定するために、直列に接続されることを特徴とする請求項５８に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項６０】
前記複数のドープト半導体が、前記複数のドープト半導体の両端のそれぞれにおいて前記それぞれの導電性素子によって形成される２つのオーミックコンタクトの間に発生する電流の決定を可能にするために、互いに並列に接続されることを特徴とする請求項５８に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項６１】
前記エネルギー変換デバイスが金属線で接続された固体材料を有する複数のエネルギー変換手段からなるマトリックスを備え、前記マトリックスの全体が高抵抗アンドープ半導電性基板上に設けられ、前記半導電性基板が電気蓄積手段に接続されることを特徴とする請求項５２に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項６２】
前記マトリックスを形成する前記エネルギー変換手段及び前記エネルギー変換手段を接続する前記電線が単一チップ上に設けられることを特徴とする請求項６１に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項６３】
前記エネルギー変換手段が、交互するｎ型半導体ストリップ及びｐ型半導体ストリップを有し、前記ｎ型半導体ストリップ及び前記ｐ型半導体ストリップのそれぞれが介在する薄いアンドープ半導体層によって直近のストリップから隔てられ、前記交互するｎ型半導体ストリップ及びｐ型半導体ストリップは導電性ストリップによって接続され、前記介在するアンドープ半導体層をともなう前記交互するｎ型半導体ストリップ及びｐ型半導体ストリップ並びに前記導電性ストリップは半導電性基板材料上に設けられ、電気コンタクトが前記基板材料の両端のそれぞれに設けられ、電気蓄積手段に接続されることを特徴とする請求項５２に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項６４】
前記エネルギー変換手段が、全てが直列または並列に接続された複数のカーボンナノチューブを、前記複数のカーボンナノチューブからなる列の両端のそれぞれに設けられたそれぞれの単一導電性素子とともに有することを特徴とする請求項５２に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項６５】
前記複数のカーボンナノチューブが、前記複数のカーボンナノチューブの両端の間に発生する電位差を測定するために、直列に接続されることを特徴とする請求項６４に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項６６】
前記複数のカーボンナノチューブが、前記複数のカーボンナノチューブの両端のそれぞれにおいて前記それぞれの導電性素子によって形成される２つのオーミックコンタクトの間に発生する電流の決定を可能にするために、互いに並列に接続されることを特徴とする請求項６４に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項６７】
前記エネルギー変換デバイスが絶縁された基板上に設けられることを特徴とする請求項５２に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項６８】
前記導電性素子が電線を含むことを特徴とする請求項５２に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項６９】
前記導電性素子が電極を含むことを特徴とする請求項５２に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項７０】
前記導電性素子が電極に接続された電線からなる組合せを含むことを特徴とする請求項５２に記載のエネルギー変換デバイス。
【請求項７１】
前記電気蓄積手段が電池を含むことを特徴とする請求項５２に記載のエネルギー変換デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体材料にかけて流れる気体流によるエネルギー変換のための方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、ドープト半導体、黒鉛等のような固体材料にかけて流れる気体流による電圧及び電流の発生のための方法に関する。特に、本方法は、ゼーベック効果とベルヌーイの原理の組合せを用いる、固体材料にかけて流れる気体流によるエネルギー変換のための方法にも関する。本発明は、固体材料の表面に沿う気体の流れにより固体材料に発生する電気の関数としての、気体の流れに沿う気体の速度の測定のための方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
流れの方向に沿う気体の速度の測定は、いくつかの分野において非常に重要である。例えば、流れの方向に沿う海洋または河川上の風速の正確な決定は、潮汐パターン、おこり得る天候変動等の予測に重要である。
【０００３】
風速の測定は、航空機の空気力学的設計を決定するための風洞におけるような、航空学においても重要である。風速の決定が重要な別の領域は空港であり、風速の正確な決定により飛行機の着陸及び離陸における安全因子が高まるであろう。風速の決定が重要な別の領域は、災害管理の分野である。風速の正確な決定は、台風、竜巻及び雪崩のような自然災害の発生の可能性を決定するために有用である。
【０００４】
固体材料に沿う気体の流れによって発生する電気の関数としての気体流速の決定は、さらにエネルギー変換の恩恵を有する。すなわち、気体の運動エネルギーが電気エネルギーに変換される。この現象は、医療機器、計測学、汚染検出、自動車工業、航空機及び顕微鏡検査のような領域において極めて大きな重要性を有する。
【０００５】
気体の流れに沿う気体の速度の測定についてはいくつかの方法が既知である。例えば、低速流場速度決定の一方法に、気体中に懸濁しているエーロゾル粒子を用いる粒子撮像速度測定法がある。コロイド粒子を撮像するために、流れの平断面にわたって高速電荷結合素子が備えられる。小さい種コロイド粒子がレーザ光シートを用いて照明される。電荷結合素子カメラが粒子から散乱される光を電子的に記録する。得られた画像の解析により、粒子間隔、よって、流れの経路にしたがうと仮定される、粒子の速度の決定が可能になる。
【０００６】
しかし、この方法にはいくつかの欠点がある。最も大きな欠点は、全てのコロイド粒子が流れの方向に移動するとしている前提仮定である。この仮定は、大径粒子の場合または非常に低い速度の場合には必ずしもあてはまらない。すなわち、この方法の適用は２ｃｍ/秒より大きい速度に限定される。すなわち、この方法においては、粒径が、粒子が気体の流れにしたがうことを保証するに十分に小さく、同時に、光を有効に散乱するに十分に大きいことを保証することも重要である。必要な装置（レーザ、ＣＣＤカメラ）も寸法が大きい。別の欠点は、この方法が画像解析に、したがって解析アルゴリズムに完全に依存することである。粒子撮像速度測定方法はコロイド粒子の速度を測定し、気体速度に対応する直接デジタル信号はないから、純粋な気体流速は測定できない。この方法は光学的アクセスをもたないシステムにも適していない。別の欠点はレーザ及び電荷結合素子カメラのような装置が高価なことである。
【０００７】
気体速度測定のための従来技術で既知の別の方法は、気体から散乱される光のドップラーシフトの測定を含むドップラー速度測定法である。この方法は２本のレーザビームの交点を通過するときの気体から受け取る散乱光の強度変動に依存する。入射光と散乱光の間のドップラーシフトは強度変動周波数に等しく、したがって、２本のレーザビームの面内にあり、２本のレーザビームの２等分線に垂直な、気体速度成分に比例する。しかし、この方法にもいくつかの欠点がある。この方法は粒子速度が０.１ｃｍ/秒より大きい場合に使用できる。この方法にも、複数のレーザ及びデジタルカウンタのような、大きく、高価な装置が必要である。この方法の別の重要な欠点は、単点測定に限定されることである。粒子撮像速度測定法と同様に、この方法においても、粒径が、気体の流れの経路に沿って容易に流れるに十分に小さく、一方で、雑音閾値より強い所要の信号を生じるに十分に大きいことが必要である。この方法も、測定体積における気体流経路への光学的アクセスをもたないシステムでは働かない。信号レベルは検出器の立体角に依存する。この結果、ミー散乱強度は前方でかなり高いが、移動する測定容積に位置合せされたままの前方受光系を構成することは困難である。高速度になるほど、無線周波数干渉による、雑音が大きくなり得る。やはり、ＰＩＶ（粒子撮像速度測定法）と同様に、気体速度に対応する直接デジタル信号はないから、粒子が入れられていない気体の速度を測定することはできない。この方法はコロイド粒子を含む気体だけに適し、清浄な気体には適していない。
【０００８】
特許文献１及び特許文献２には、（例えば自動車のような）物体の速度または相対速度、あるいは風の測定の場合には真の空気速度またはウインドシアのような風の勾配を決定するための、物体または風の測定のためのレーザドップラー速度計が開示されている。
【０００９】
流体の速度を測定するための別の既知の方法には、電子制御回路を用いて一定のあらかじめ定められた温度に保たれた電線または薄膜のような、電気加熱センサを用いる熱伝達変化の測定がある。この熱センサは、速度測定がなされるべき流体にさらされる。センサを流過する流体が熱センサの温度を低下させ、この温度低下は電子制御回路からの電流の増加によって補償される。すなわち、流体の流速は電子制御回路によってヒータに与えられる補償電流の関数として測定することができる。
【００１０】
しかし、この方法では、調べている流体の温度、圧力または組成における若干の変動により、読み値に誤差が生じ得る。熱センサからの比較的正確な測定を維持するためには、環境パラメータのいかなる変化に対してもセンサを定常的に較正するための複雑な補償エレクトロニクスを備えることも必要である。さらに、そのような補償エレクトロニクスでさえ、誤差を免れることはできない。このセンサは一般に、１ｃｍ/秒より大きい流体速度で使用でき、非常に低い速度では使用できない。低速度では、気体中の対流によりセンサの誤動作が生じる。
【００１１】
特許文献３には、一般に熱線風速計と呼ばれる、加熱抵抗線を用いる気体流速センサが開示されている。特許文献４には、ＩＣ製造のための微細加工技術を用いて作成される、高速応答性熱伝達検出型流速センサが開示されている。このセンサは、加熱素子から受熱（検知）素子への熱伝達の、素子間の気体流の方向を制御することによるか、またはセンサ内の流体の流れの特徴を用いることにより、効率が改善されている。
【００１２】
差圧を測定するために、統合有限流体域にわたって複数のピエゾ抵抗圧力センサ対を用いて、高粘度流体における流体流速を計算することも知られている。しかし、このデバイスは体積流量を測定し、流速は測定しない。また、この方法は小流量の測定にしか適していない。
【００１３】
流速を測定するためのまた別の方法には、タービンホイールの配列で作動する回転式流速計の使用がある。ローターホイールと別称されるタービンを通る気体の運動により、タービンが回転する。ローターホイールの回転周波数は気体の速度に依存し、電気光学系を用いるかまたはタービン羽根に埋め込まれた磁石によって発生する方形波パルスを電子的に検知することによって測定される。集成センサ装置の大きさも５０ｃｍ３程度になる。回転式流速計は気体の性質（清浄であるかまたは粒子が入っているか）にかかわらず冷却システムでの使用に適し、このセンサは気体が順方向に流れているかまたは逆方向に流れているかを判定することができる。
【００１４】
上の議論からわかるように、流速を測定するための従来技術で既知の様々な方法には様々な欠点がある。粒子撮像速度測定法及びドップラー速度測定法のいずれも光学的アクセスを必要とし、レーザを使用する。この結果、これらの測定法は、例えば生体系には適していない。装置寸法も大きく、装置を高価にしている。熱風速計は対流を最小限に抑えるために大きな気体体積を必要とし、一般に大きな速度にしか適していない。すなわち、低流速で流れる小体積の流体を含む系には適していない。回転式流速計、圧力センサ及び渦流センサは、流速を直接には測定せず、体積流量を測定する。
【００１５】
追求する別の重要な分野はエネルギー変換及び経済的で長寿命を有するエネルギー変換デバイスである。エネルギー変換デバイスが必要とされる別の分野は家庭及び工場で使用するための電気の供給についての分野である。現在、全世界での電気エネルギーに対する需要は、３つの資源である原子力、火力及び水力の内の１つで満たされている。原子力発電所には高価な安全装置及び放射能漏れの可能性を考慮した対策が必要である。火力発電所は、付随して汚染問題を生じる化石燃料を使用し、化石燃料及び石油の枯渇による供給減少の問題もある。水力発電は、大きなダムを建設しなければならず、河川またはその他のいずれかの水資源の水流量に完全に依存する。必要な装置も高価であり、大面積を占める。流速測定の様々なデバイス及び方法の内で、１つだけ、すなわち回転式流速センサだけが、タービンブレードにかけて流れる流体の作用により実際に発電することもできる。しかし、デバイスの寸法に関係する発電量のため、大規模エネルギー変換のための使用には適していない。
【００１６】
取り付けられたタービンを風の流れを利用して回転させることによって発電するための風車を備える、風力による発電も技術上既知である。しかし、この方法には大きな資本投下及び広いスペースを必要とするという欠点がある。
【００１７】
非特許文献１及び特許文献５には、単壁カーボンナノチューブにかけて流れる液体流によって流れの方向での発電がおこり、液体速度の測定に利用できることが教示されている。この開示は、１０−７〜１０−１ｍ/秒の速度範囲全体にわたって誘起電圧が流速への対数依存性を有することも教示している。これは、脈動非対称ラチェット機構による、ナノチューブを流過する液体のクーロン場のゆらぎによるナノチューブ内の自由電荷キャリアの直接強制によると考えられる。この結果、流速への誘起電圧のサブリニア依存性が生じる。しかし、この現象はナノチューブにおけるキャリアの一次元的性質に特有であり、黒鉛または半導体のようなその他の固体材料には存在しなかった。非特許文献２［２］には、流れている液体分子からナノチューブ内の音響型フォノンへの、続いてナノチューブ内で自由電荷キャリアに抗する、フォノン準運動量としての運動量の移転による電流及び電圧の発生が教示されている。この結果、誘起電流／電圧と流速の間に線形関係が生じる。
【００１８】
風及びその他の気体は豊富にあることから、必要なエネルギーの規模にかかわらず気体流をエネルギー変換に利用でき、気体の性質にかかわらず小値域の流速の測定にも利用できる、方法及びデバイスを開発することが望ましい。
【特許文献１】米国特許第３９１５５７２号明細書
【特許文献２】米国特許第６１４１０８６号明細書
【特許文献３】米国特許第６４７１４７１号明細書
【特許文献４】米国特許第６１１２５９１号明細書
【特許文献５】米国特許出願第１０/３０６８３８号明細書
【非特許文献１】ゴーシュ（Ghosh）等，Science，２００３年，第２９９巻，ｐ.１０４２
【非特許文献２】クラル（Kral）及びシャピロ（Shapiro），Phys. Rev. Lett.，２００１年，第８６巻，ｐ.１３１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明の主課題は、固体材料にかかる気体流により発生する電気の関数としての気体流の方向に沿う気体の流速を決定する方法を提供することである。
【００２０】
本発明のまた別の課題は、光学的アクセスを必要とせず、体積流量にかかわらず、低流速においても使用できる、全ての気体の流速を、それぞれの性質にかかわらずに決定する方法を提供することである。
【００２１】
本発明のまた別の課題は、決定された寸法のコロイド粒子を外部から気体内に入れる必要が全くなく、特定の流れ面または粘度における外部パラメータの変動を受け難い、流速を決定する方法を提供することである。
【００２２】
本発明の別の課題は、いかなる原子力、火力または水力資源にも依存せず、純粋に気体の流れに基づく発電方法を提供することである。
【００２３】
本発明のまた別の課題は、非常に低い流速においても高い測定確度及び短い応答時間で使用できる、気体の流速測定のための流速検知デバイスを提供することである。
【００２４】
本発明の別の課題は、構成の単純さ及び小寸法により、経済的であり、気体流にいかなる擾乱も生じさせず、したがって高い流速測定確度を保証し、周囲温度のような外部パラメータの変動の影響を受けない、流速検知デバイスを提供することである。
【００２５】
本発明の別の課題は、気体の性質（清浄であるか濁っているか、粘度が高いか低いか）にかかわらず、高い測定確度及び短い応答時間で使用できる、流速検知デバイスを提供することである。
【００２６】
本発明の別の課題は、動作のためにいかなる外部電源も必要としない流速検知デバイスを提供することである。
【００２７】
本発明の別の課題は、気体流に基づいて電気エネルギーを発生することができるエネルギー変換デバイスとして使用できる流速センサデバイスを提供することである。
【００２８】
本発明の別の課題は、構成の単純さにより経済的であり、気体流にいかなる擾乱も生じさせず、したがって高い流速測定確度を保証し、気体または周囲温度のような外部パラメータの変動の影響を受けない、エネルギー変換デバイスを提供することである。
【００２９】
本発明の別の課題は、動作のためのいかなる外部電源も必要としないエネルギー変換デバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明の上記及びその他の課題は、流速センサとしての、黒鉛、半導体、単壁または複壁カーボンナノチューブ及び本質的に導電性のその他の固体材料のような固体材料の使用を含む本発明の方法によって実現される。本発明の方法、すなわち、気体流速測定及びエネルギー変換はいずれも、固体材料の表面にかけて流れる気体流による、流れの方向に沿う、固体材料内の電流／電圧の誘起に基づく。
【００３１】
したがって、本発明は、ガス流内に流速検知デバイスを配置する工程を含む、気体の性質及び気体の流速にかかわらない気体の流速の決定のための方法を提供し、流速検知デバイスは、ガス流に対してある角度をなして配置された少なくとも１つの導電性固体材料及び少なくとも１つの導電性固体材料を電気測定手段に接続する少なくとも１つの導電性素子を備え、少なくとも１つの導電性固体材料にかけて流れる気体流が固体材料にかけて発生する圧力勾配により気体流の方向に沿う電流を発生させ、この電気エネルギーが、発生した電気を気体流の流速の関数として測定するために、気体流の外部に設けられた電気測定手段に、導電性素子によって送られる。
【００３２】
本発明の一実施形態において、固体材料は高いゼーベック係数をもつ材料を含む。
【００３３】
本発明の別の実施形態において、固体材料は、ドープト半導体、黒鉛、単壁型カーボンナノチューブ、複壁型カーボンナノチューブ及び高いゼーベック係数をもつ金属材料からなる群から選ばれる。
【００３４】
本発明の別の実施形態において、ドープト半導体材料は、ｎ型ゲルマニウム、ｐ型ゲルマニウム、ｎ型シリコン及びｐ型シリコンからなる群から選ばれる。
【００３５】
本発明の別の実施形態において、金属材料は、多結晶銅、ＧａＡｓ、テルル及びセレンから選ばれる。
【００３６】
本発明の別の実施形態において、気体は、窒素、アルゴン、酸素、二酸化炭素及び空気からなる群から選ばれる。
【００３７】
本発明の別の実施形態において、流速検知デバイスの応答時間は０.１秒より短い。
【００３８】
本発明の別の実施形態において、気体の流れにより固体材料に誘起される電圧は固体材料にかけて非粘性流の方向に沿う温度差に依存する。
【００３９】
本発明の別の実施形態において、気体速度は１〜１４０ｍ/秒の範囲にある。
【００４０】
本発明のまた別の実施形態において、固体材料にかけて流れる気体流は２０°〜７０°の範囲の角度、好ましくは４５°の角度にある。
【００４１】
本発明は、流速または気体の性質にかかわらない、気体の流速の測定に有用な流速検知デバイスも提供し、本デバイスは少なくとも１つの気体流速検知素子及び固体材料を電気測定手段に接続する少なくとも１つの導電性素子を備える。
【００４２】
本発明の一実施形態において、気体流速検知素子は良好な導電率及び高いゼーベック係数をもつ固体材料を有する。
【００４３】
本発明の別の実施形態において、固体材料は、ドープト半導体、黒鉛、単壁型カーボンナノチューブ、複壁型カーボンナノチューブ及び高いゼーベック係数をもつ金属材料からなる群から選ばれる。
【００４４】
本発明の別の実施形態において、ドープト半導体材料は、ｎ型ゲルマニウム、ｐ型ゲルマニウム、ｎ型シリコン及びｐ型シリコンから選ばれる。
【００４５】
本発明の別の実施形態において、金属材料は、多結晶銅、ＧａＡｓ、テルル及びセレンから選ばれる。
【００４６】
本発明の別の実施形態において、気体は、窒素、アルゴン、酸素、二酸化炭素及び空気からなる群から選ばれる。
【００４７】
本発明の別の実施形態において、電気測定手段は、少なくとも１つの固体材料の両端にかけて発生する電流を測定するための電流計または少なくとも１つの固体材料の両端のそれぞれの間の電位差を測定するための電圧計を含む。
【００４８】
本発明の別の実施形態において、流速検知デバイスは、全てが直列または並列に接続された複数のドープト半導体を、複数のドープト半導体からなる列の両端のそれぞれに設けられたそれぞれの単一導電性素子とともに備える。
【００４９】
本発明のまた別の実施形態において、複数のドープト半導体は、複数のドープト半導体の両端にかけて発生する電位差を測定するために、直列に接続される。
【００５０】
本発明のまた別の実施形態において、複数のドープト半導体は、複数のドープト半導体のそれぞれの端にそれぞれの導電性素子によって形成される２つのオーミックコンタクトにかけて発生する電流の決定を可能にするために、互いに並列に接続される。
【００５１】
本発明の別の実施形態において、気体流速センサは、金属線によって接続された固体材料を有する複数の気体流速検知素子からなるマトリックスを備え、マトリックス全体は高抵抗アンドープ半導電性基板上に設けられ、半導電性基板は電気測定手段に接続される。
【００５２】
本発明の別の実施形態において、電気測定手段は電圧計及び電流計から選ばれる。
【００５３】
本発明の別の実施形態において、マトリックスを形成する気体流速検知素子及び気体流速検知素子を接続する金属線は単一チップ上に設けられる。
【００５４】
本発明の別の実施形態において、気体流速センサは交互するｎ型半導体ストリップ及びｐ型半導体ストリップを有し、ｎ型半導体ストリップ及びｐ型半導体ストリップのそれぞれは介在する薄いアンドープ半導体層によって直近のストリップから隔てられ、交互するｎ型半導体ストリップ及びｐ型半導体ストリップは導電性ストリップによって接続され、介在するアンドープ半導体層をともなう交互するｎ型半導体ストリップ及びｐ型半導体ストリップ並びに導電性ストリップは半導電性基板材料上に設けられ、基板材料の両端のそれぞれに電気コンタクトが設けられて電気測定手段に接続される。
【００５５】
本発明の別の実施形態において、流速検知デバイスは全てが直列または並列に接続された複数のカーボンナノチューブを、複数のカーボンナノチューブからなる列の両端のそれぞれに設けられたそれぞれ１つの導電性素子とともに備える。
【００５６】
本発明の別の実施形態において、複数のカーボンナノチューブは、複数のカーボンナノチューブの両端にかけて発生する電位差を測定するために、直列に接続される。
【００５７】
本発明のまた別の実施形態において、複数のカーボンナノチューブは、複数のカーボンナノチューブの両端のそれぞれにそれぞれの導電性素子によって形成される２つのオーミックコンタクトにかけて発生する電流の決定を可能にするために、互いに並列に接続される。
【００５８】
本発明のまた別の実施形態において、流速検知デバイスは絶縁された基板上に設けられる。
【００５９】
本発明の一実施形態において、導電性素子は電線を含む。
【００６０】
本発明の別の実施形態において、導電性素子は電極を含む。
【００６１】
本発明のまた別の実施形態において、導電性素子は電極に接続された電線からなる組合せを含む。
【００６２】
本発明は、少なくとも１つのエネルギー変換手段及びエネルギー変換手段を電気蓄積手段または電気使用手段に接続する少なくとも１つの導電性素子を備えるエネルギー変換デバイスを用い、エネルギー変換手段にかけて流れる気体流がそれぞれのエネルギー変換手段において気体流の方向に沿って発生するゼーベック電圧を発生させ、よって電気エネルギーを発生させて、電気エネルギーを、導電性素子を介して電気蓄積手段または電気使用手段に送る方法にも関する。
【００６３】
本発明の一実施形態において、エネルギー変換手段は良好な導電率及び高いゼーベック係数をもつ固体材料を有する。
【００６４】
本発明の別の実施形態において、固体材料は、ドープト半導体、黒鉛、単壁型カーボンナノチューブ、複壁型カーボンナノチューブ及び高いゼーベック係数をもつ金属材料からなる群から選ばれる。
【００６５】
本発明の別の実施形態において、ドープト半導体材料は、ｎ型ゲルマニウム、p型ゲルマニウム、ｎ型シリコン及びｐ型シリコンからなる群から選ばれる。
【００６６】
本発明の別の実施形態において、金属材料は、多結晶銅、ＧａＡｓ、テルル及びセレンから選ばれる。
【００６７】
本発明の別の実施形態において、気体は、窒素、アルゴン、酸素、二酸化炭素及び空気からなる群から選ばれる。
【００６８】
本発明の別の実施形態において、エネルギー変換デバイスは、全てが直列または並列に接続された複数のドープト半導体を、複数のドープト半導体からなる列の両端のそれぞれに設けられたそれぞれの単一導電性素子とともに備える。
【００６９】
本発明の別の実施形態において、複数のドープト半導体は直列に接続される。
【００７０】
本発明のまた別の実施形態において、複数のドープト半導体は並列に接続される。
【００７１】
本発明の別の実施形態において、エネルギー変換デバイスは、金属線によって接続された固体材料を有する複数の気体流速検知素子からなるマトリックスを備え、マトリックス全体は高抵抗アンドープ半導電性基板上に設けられ、半導電性基板は電気蓄積手段または電気使用手段に接続される。
【００７２】
本発明の別の実施形態において、マトリックスを形成する気体流速検知素子及び気体流速検知素子を接続する金属線は単一チップ上に設けられる。
【００７３】
本発明の別の実施形態において、エネルギー変換デバイスは交互するｎ型半導体ストリップ及びｐ型半導体ストリップを有し、ｎ型半導体ストリップ及びｐ型半導体ストリップのそれぞれは介在する薄いアンドープ半導体層によって直近のストリップから隔てられ、交互するｎ型半導体ストリップ及びｐ型半導体ストリップは導電性ストリップによって接続され、介在するアンドープ半導体層をともなう交互するｎ型半導体ストリップ及びｐ型半導体ストリップ並びに導電性ストリップは半導電性基板材料上に設けられ、基板材料の両端のそれぞれに電気コンタクトが設けられて電気蓄積手段または電気使用手段に接続される。
【００７４】
本発明の別の実施形態において、エネルギー変換デバイスは、全てが直列または並列に接続された複数のカーボンナノチューブを、複数のカーボンナノチューブからなる列の両端のそれぞれに設けられたそれぞれの単一導電性素子とともに有する。
【００７５】
本発明の別の実施形態において、複数のカーボンナノチューブは直列に接続される。
【００７６】
本発明のまた別の実施形態において、複数のカーボンナノチューブは並列に接続される。
【００７７】
本発明のまた別の実施形態において、エネルギー変換デバイスは絶縁された基板上に設けられる。
【００７８】
本発明の一実施形態において、導電性素子は電線を含む。
【００７９】
本発明の別の実施形態において、導電性素子は電極を含む。
【００８０】
本発明のまた別の実施形態において、導電性素子は電極に接続された電線からなる組合せを含む。
【００８１】
本発明の別の実施形態において、エネルギー蓄積手段は電池または蓄電池を含む。
【００８２】
本発明の別の実施形態において、エネルギー変換デバイスの応答時間は０.１秒より短い。
【００８３】
本発明の別の実施形態において、気体流により固体材料に誘起される電圧は、非粘性流の方向に沿って固体材料にかかる温度差に依存する。
【００８４】
本発明のまた別の実施形態において、気体速度は１〜１４０ｍ/秒の範囲にある。
【００８５】
本発明のまた別の実施形態において、固体材料にかかる気体流は２０°〜７０°の範囲の角度にあり、好ましくは４５°の角度にある。
【００８６】
本発明は、１つまたはそれより多くのエネルギー変換手段を備え、１つまたはそれより多くのエネルギー変換手段のそれぞれは高いゼーベック係数をもつ少なくとも１つの固体材料を有し、少なくとも１つの導電性素子がエネルギー変換手段にかけて流れる気体流により１つまたはそれより多くのエネルギー変換手段に発生する電気を蓄積または使用するための電気蓄積手段または電気使用手段に少なくとも１つのエネルギー変換手段を接続する、エネルギー変換デバイスにも関する。
【００８７】
本発明の別の実施形態において、固体材料は、ドープト半導体、黒鉛、単壁型カーボンナノチューブ、複壁型カーボンナノチューブ及び高いゼーベック係数をもつ金属材料からなる群から選ばれる。
【００８８】
本発明の別の実施形態において、ドープト半導体材料は、ｎ型ゲルマニウム、ｐ型ゲルマニウム、ｎ型シリコン及びｐ型シリコンからなる群から選ばれる。
【００８９】
本発明の別の実施形態において、金属材料は、多結晶銅、ＧａＡｓ、テルル及びセレンから選ばれる。
【００９０】
本発明の別の実施形態において、気体は、窒素、アルゴン、酸素、二酸化炭素及び空気からなる群から選ばれる。
【００９１】
本発明の別の実施形態において、導電性素子を介して少なくとも１つまたはそれより多くのエネルギー変換手段に接続される、少なくとも１つまたはそれより多くの固体材料の両端にかけて発生する電流を測定するための電流計または少なくとも１つまたはそれより多くの固体材料の両端のそれぞれの間の電位差を測定するための電圧計を含む、電気測定手段が提供される。
【００９２】
本発明の別の実施形態において、エネルギー変換手段は、全てが直列または並列に接続された複数のドープト半導体を、複数のドープト半導体からなる列の両端のそれぞれに設けられたそれぞれの単一導電性素子とともに備える。
【００９３】
本発明の別の実施形態において、複数のドープト半導体は直列に接続される。
【００９４】
本発明のまた別の実施形態において、複数のドープト半導体は並列に接続される。
【００９５】
本発明の別の実施形態において、エネルギー変換デバイスは、金属線によって接続された固体材料を有する複数のエネルギー変換手段からなるマトリックスを備え、マトリックス全体は高抵抗アンドープ半導電性基板上に設けられ、半導電性基板は電気蓄積手段または電気使用手段に接続される。
【００９６】
本発明の別の実施形態において、マトリックスを形成するエネルギー変換手段及びエネルギー変換手段を接続する金属線は単一チップ上に設けられる。
【００９７】
本発明の別の実施形態において、エネルギー変換手段は交互するｎ型半導体ストリップ及びｐ型半導体ストリップを有し、ｎ型半導体ストリップ及びｐ型半導体ストリップのそれぞれは介在する薄いアンドープ半導体層によって直近のストリップから隔てられ、交互するｎ型半導体ストリップ及びｐ型半導体ストリップは導電性ストリップによって接続され、介在するアンドープ半導体層をともなう交互するｎ型半導体ストリップ及びｐ型半導体ストリップ並びに導電性ストリップは半導電性基板材料上に設けられ、基板材料の両端のそれぞれに電気コンタクトが設けられて電気蓄積手段または電気使用手段に接続される。
【００９８】
本発明の別の実施形態において、エネルギー変換手段は、全てが直列または並列に接続された複数のカーボンナノチューブを、複数のカーボンナノチューブからなる列の両端のそれぞれに設けられたそれぞれの単一導電性素子とともに有する。
【００９９】
本発明の別の実施形態において、複数のカーボンナノチューブは直列に接続される。
【０１００】
本発明のまた別の実施形態において、複数のカーボンナノチューブは並列に接続される。
【０１０１】
本発明の別の実施形態において、エネルギー変換デバイスは絶縁された基板上に設けられる。
【０１０２】
本発明の一実施形態において、導電性素子は電線を含む。
【０１０３】
本発明の別の実施形態において、導電性素子は電極を含む。
【０１０４】
本発明のまた別の実施形態において、導電性素子は電極に接続された電線からなる組合せを含む。
【０１０５】
本発明の別の実施形態において、電気蓄積手段は電池を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１０６】
上の本発明の[技術的背景]において論じたように、非特許文献１及び特許文献５は、単壁カーボンナノチューブに沿う液体流により流れの方向に電気が発生し、液体の速度の測定に利用できることを教示している。この開示は、誘起電圧が１０−７〜１０−１ｍ/秒の速度範囲全体にわたって流速への対数依存性を有することも教示している。これは、脈動非対称ラチェット機構による、ナノチューブを流過する液体のクーロン場のゆらぎによるナノチューブ内の自由電荷キャリアの直接強制によると考えられる。この結果、誘起電圧の流速へのサブリニア依存性が生じる。しかし、この現象はナノチューブ内のキャリアの一次元構造に特有であって、黒鉛または半導体のようなその他の固体材料には存在しなかった。
【０１０７】
単壁カーボンナノチューブが液体流中に流れに対して０°の角度でおかれたときには液体流がカーボンナノチューブに電気を発生させるが、流れに対するカーボンナノチューブの角度が０°のときには気体流において同様の結果を得られなかったことも示された。すなわち、ナノチューブに沿う液体流で示されるようなクーロン相互作用がナノチューブに沿う気体流の場合には支配的でないことは明らかであった。しかし、ナノチューブの角度が０°から変えられると、電圧計の端子間に電圧が誘起されたが、そのような電圧は非常に低かった。黒鉛、半導体、白金及びその他の金属材料、複壁カーボンナノチューブのようなその他の固体材料とともに気体流を用いる別の実験でも、ある場合には同じ結果が得られた。すなわち、固体材料が０°の角度にあるときには電圧が発生せず、固体材料が気体流方向に対して０°及び９０°より大きい角度にあるときには電圧が発生した。固体材料を０°より大きな角度で気体流内においたときに電圧、ある場合には高い電圧が発生することが観測されることは意外であった。このことから、電圧の発生が液体流の場合のような流体流と固体材料内の自由電荷の間のクーロン相互作用の結果ではないことが明白に確立された。別の実験により、電圧発生がベルヌーイの原理とゼーベック効果の相互作用の結果であることが確立された。気体流線に沿う圧力差が固体材料にかけて温度差を生じさせ、この温度差が続いて測定される電圧を生じさせる。電気信号はマッハ数Ｍへの二次の依存性を有していた。ここでＭ＝ｕ/ｃであり、ｕは気体速度、ｃは気体中の音速である。単壁及び複壁カーボンナノチューブ、黒鉛、ドープト半導体、高いゼーベック係数をもつ金属材料のような様々な固体にかけて流れる気体流により、緩やかな速度においてさえ、測定可能な電圧及び電流の直接発生が見られた。例えば、ゼーベック係数が０に近い白金は電圧発生を示さなかった。
【０１０８】
したがって、本発明は、様々な固体材料にかけて／わたって流れる、窒素、アルゴン、酸素、空気等のような異なるタイプの気体流による電気の発生のための方法及びデバイスを提供する。固体材料は実質的に良導電体であり、金属材料、半導体、黒鉛、ナノチューブ等のような材料から選ぶことができる。第一義的な要件は、そのような材料が高いゼーベック係数を有することである。
【０１０９】
本発明の全ての実施形態は、固体材料にかけて流れる気体流による固体材料内の電気エネルギーの誘起、すなわち固体材料内のゼーベック電圧の発生に基づく。これは、気体流の速度、あるいは、気体流の純度または濁度、測定点における気体流の体積などのと気体の性質、圧力または密度のような外部パラメータのいずれかの変動にかかわらない。
【０１１０】
ここで、本発明の例示であり、本発明を制限すると解されるべきではない、添付図面を参照して、本発明を説明する。
【０１１１】
図１Ａは本発明の方法にしたがう気体流速測定のために用いられるデバイスの略図である。図示される実施形態において、ｎ型ドープトＧｅのような単一流速検知素子１が流速検知素子１の両端に設けられた２つの金属電極２，２'の間に挟み込まれているのが示されている。金属電極２，２'は半導体１に対してオーミックコンタクトを形成する。半導体１及び半導体１に設けられた金属電極２，２'の組合せは、例えばアンドープ半導電性材料でつくられるかまたはポリテトラフルオロエチレンのようないずれかの絶縁性材料でつくられた絶縁性材料基板（図示せず）上に支持される。半導体１及び電極２，２'を載せた絶縁性基板は速度が測定されるべき気体流３の水平軸に対して４５°の角度で気体流３内におかれる。気体流はチューブ４を通る。チューブは異なる気体を異なる速度で流過させるために用いることができる。電極２，２'はリード線６，６'を介して電圧計のような電気測定手段５に接続される。電圧測定手段５はチューブ４の外部に備えられる。図１Ａにおける気体流の方向は、チューブ４を通り流速検知素子１上に続く、矢印で示される。
【０１１２】
図１Ｂは、導電性素子が明瞭に表され、気体流の水平軸に対して４５°の角度を示す本発明の流速検知デバイスの略図である。他の、２０°と７０°の間の角度も用いることができる。図１Ｂにおいて、流速検知素子１は２つの電極２，２'の間に挟み込まれ、電極２，２'は続いてリード４を介して電気測定手段３のそれぞれの端子に接続される。加速する気体流の方向は連続する矢印で示される。ｄは、気体流の方向の水平軸に対して４５°の角度にあるデバイスの活性領域を表す。図１Ｂの構成は、特定の構成及び得られた結果を説明する、以下の実施例３に用いた。
【０１１３】
図１Ｃは、ｎ型ドープＧｅが流速検知素子である、図１Ｂのデバイスを用いたときに得られた代表的な応答のグラフ表示である。
【０１１４】
図１Ｄは、デバイスの固体材料上の較正された気体流速を得るために用いられる、本発明のデバイスの一実施形態の略図である。本発明のデバイスは、その両端で２つの導電性素子２のそれぞれに接続された流速検知素子１を備え、導電性素子は続いて電圧計のような電気測定手段３の正端子及び負端子に接続される。流速検知素子１は圧縮ガスボンベのような気体源４からチューブ５を通る気体流の水平軸に対して４５°の角度に保たれる。チューブ５の流出点における流量は、チューブ５に設けられた側辺ポート６においてロータメータ７を用いて測定される流量から推定されて、測定される。
【０１１５】
本発明は、高いゼーベック係数を有する、ドープト半導体材料、黒鉛、単壁カーボンナノチューブ、複壁カーボンナノチューブ等のような固体材料にかけて流れる、アルゴン、窒素及び酸素のような気体流による、電圧の直接発生があることを初めて示す。利用される気体速度は１〜１４０ｍ/秒の範囲にあった。本発明は、電圧及び電流が流速への二次の依存性を有し、電圧の大きさ及び符号が固体材料の特性に依存することも示す。例えば、流速が１１ｍ/秒のアルゴンは、ｎ型Ｇｅでは−１６.４μＶの電圧を発生させるが、単壁カーボンナノチューブでは発生電圧は５.９μＶである。
【０１１６】
気体流による電圧発生の現象は、表面上は同様の効果、すなわち、非特許文献１[１]及び特許文献５に論じられる、カーボンナノチューブにかかる液体による電圧発生とは関係がない。これらの文献において、１０−７〜１０−１ｍ/秒の速度範囲全体にわたり誘起電圧は流速への対数依存性を有する。液体流による電圧発生は、ＳＷＮＴ（単壁カーボンナノチューブ）に現れて黒鉛には存在しないような、一次元における電荷キャリアの輸送の性質に極めて特有である。非粘性流の方向に沿って固体にかかる温度差の発生に依存する、固体における気体流誘起電圧の場合にはそうではない。これは、粘性抵抗が支配的である液体流には明らかに適用できない。液体（水）流及び気体（窒素）流によりＳＷＮＴに発生する信号を比較すれば、ｕ＝１０−２ｍ/秒（水）に対してＶ〜３ｍＶであり、ｕ＝１５ｍ/秒（窒素ガス）に対してＶ＝１５μＶであることが観測された。
【０１１７】
本発明は、発生する電気信号に基づいて気体の流速を測定するためのセンサを作成し得ることも実証する。本発明のセンサは気体流への直接電気応答を与えるアクティブセンサである。このことは、流体にさらされる、小さな電気加熱センサ（電線または薄膜）からの熱伝達における変化を測定することにより流体速度が検知される、熱風力測定法に基づく、広く用いられている気体流速センサと比較されるべきである。熱風力測定法は熱平衡式にしたがって作動し、よって、気体の温度、圧力または組成のいかなる小さな変化も誤差のある読み値を生じさせ得る。そのような効果は本発明の場合には存在しないかまたは最小限であり、存在したとしても、センサ材料における気体流誘起電圧または電流の直接発生に基づくセンサでは考慮することができる。
【０１１８】
本開示はいくつかの固体についての結果しか論じていないが、効果はそれらの材料だけに限定されない。固体の選択の指導原理は、固体の高いゼーベック係数である。したがって、セレン（Ｓ〜９００μＶ/Ｋ）、テルル（Ｓ〜５００μＶ/Ｋ）、ＧａＡｓ及び希土類遷移金属酸化物も有用である。ρ〜１０６Ω-ｃｍの低ドープ半導体の場合には、ガス流による電圧が極めて小さく、固体の比抵抗が高すぎてはならないことを示唆している。電圧及び電流の大きさは、説明するように、検知素子の直列または並列の組合せを用いることによって容易に比例増大させることができる。
【０１１９】
添付図面の図５においては、多くの気体流速検知素子５１,５１',５１'',...が金属線５２を用いてマトリックスの形態で相互接続されている。マトリックス全体は高抵抗アンドープ半導電性基板５３上に展開される。この構成はこれにかかる気体流５４によるエネルギー変換デバイスとして有用である。得られる電気信号は初めに結合され、次いで電圧計／電流計５５を用いて測定される。検知素子及び金属の接続線は単一チップ上に作成することができる。
【０１２０】
アリソン（Allison）等，Sensors and Actuators A，２００３年，第１０４巻，ｐ.３２，及びローウィ（Rowe）著，「ＣＲＣ熱電工学ハンドブック（CRC Handbook of thermoelectrics）」，（米国フロリダ州ボカレイトン（Boca Raton）），ＣＲＣプレス（CRC Press），１９９５年，にしたがい、一実施形態はｎ型及びｐ型のＳｉまたはＧｅの逆ゼーベック係数を利用する。本実施形態は、ｎ型及びｐ型の半導体ストリップ６１が交互する、図６に示される。ｎ型及びｐ型の半導体ストリップはイオン注入により作成される。アンドープ半導電性材料のストリップ６２がｎ型半導体ストリップ６１とｐ型半導体ストリップ６１の間に挟み込まれる。ｎ型及びｐ型の半導体ストリップ６１は、試料が気体流６４にさらされたときの個々のゼーベック電圧を加え合せるため、導電性材料６３によって電気的に直列に結合される。集成体全体は半導電性基板６５上に設けられ、電圧電流計６６に接続される。得られた結果は、いかなる可動部分もなしに気体流エネルギーを電気信号に直接に変換することができ、したがって、発電用途に対する大きな可能性を有することを示唆する。
【０１２１】
本発明の流速センサデバイスの別の重要な利点は、動作のためにいかなる外部電源も必要ではないことである。逆に、本発明のデバイスは電気を発生する。固体材料にかけて流れる気体の運動の結果、電流Ｉが発生する。コンタクト間の材料は抵抗Ｒを有し、よってセンサにかかる電圧Ｖの形成が可能になる。
【０１２２】
ここで本発明を、例示であり、本発明の範囲を限定すると解されるべきではない、以下の実施例を参照して説明する。
【実施例１】
【０１２３】
図１Ｄは、本発明の流速検知デバイスにおいて較正された気体流速を得るために実施例１に用いた実験構成の簡略なレイアウトを示す。気体流に沿って３×１０−３ｍ，気体流に垂直に１×１０−３ｍの大きさの流速検知デバイスを用いた。流速検知素子は、ｎ型Ｇｅ（Ｓｂドープ、ρ＝０.０１Ω-ｃｍ）、ｎ型Ｓｉ（ρ＝０.０１Ω-ｃｍ）、ｐ型Ｓｉ（ρ＝０.０１Ω-ｃｍ）、単壁カーボンナノチューブ、複壁カーボンナノチューブ、黒鉛及び多結晶銅で作成した。（図１Ｂの陰影部で示される）電気コンタクトは銀エマルションを用いて作成し、直径１２５×１０−６ｍの銅リードを有する。流速センサ素子の露出領域は銀エマルションで覆われず、気体流に沿って約２×１０−３ｍ，気体流に垂直に１×１０−３ｍになった。単壁カーボンナノチューブ、複壁カーボンナノチューブ及び黒鉛からなる検知素子は、２つの電極間に粉末を密に充填することで作成した。活性固体材料の寸法は、気体流に沿って約１×１０−３ｍ，２×１０−３ｍ幅及び２×１０−４ｍ厚とした。図１Ｃは、気体流の速度がｕ＝７ｍ/秒であり、オンとオフが切り換えられたときの、ｎ型Ｇｅ半導体ベース流速検知素子にかかる電圧を示す。
【０１２４】
ｐ型Ｓｉ，ｎ型Ｓｉ，ｎ型Ｇｅ，ＳＷＮＴ，ＭＷＮＴ（複壁カーボンナノチューブ）及び黒鉛にかけて流れる窒素流の結果が図２に示される。電圧Ｖは広い範囲のｕにわたってｕ２にしたがって変化し、図２には示されていないが、電流も同じ変化を示す。低速度においては、図２に示されるように、気体は圧縮性ではないが、図３に示されるように、ｕは（音速である）熱速度によって比例増速され、よってＶ対マッハ数Ｍの二乗のグラフを得ることができる。ここでＭ＝ｕ/ｃであり、ｃは気体の音速（３００Ｋにおいて、窒素に対してはｕ＝３５３ｍ/秒、アルゴンに対してはｕ＝３２３ｍ/秒）である。図２はＶ＝Ｄｕ２へのフィッティングを示し、ここでＤは表１に与えられるフィッティングパラメータであり、また図３の実線はＶ＝ＡＭ２へのフィッティングであり、ここでＡは同じく表１に与えられるフィッティングパラメータである。
【０１２５】
最高圧力１５０バール（１.５×１０７Ｐａ）の圧縮ボンベからの気体が、所定の圧力で直径７×１０−３ｍのチューブ内に放出される。断面積がφのチューブの末端における平均速度ｕは、測定される流量Ｑからu＝Ｑ/φによって推定される。流速センサは水平軸に対してα＝４５°の角度に保たれる。これにより最適信号が得られた。α＝０°の角度では圧力勾配がゼロであるから効果が得られず、α＝９０°の角度でも対称性のため結果が得られなかった。
【実施例２】
【０１２６】
流速センサ素子を、チューブの外側の、流出口から２×１０−２ｍの距離または１×１０−２ｍの距離に保ったことを除き、実施例１と同じ構成を繰り返して用いた。
【実施例３】
【０１２７】
勾配Ａが非常に小さい固体多結晶銅シートを当該材料としたことを除き、実施例１と同じ実験を繰り返した。
【０１２８】
得られた様々な結果の比較は、ｐ型Ｓｉ及びＳＷＮＴについての信号が、ｎ型Ｓｉ，ｎ型Ｇｅ，黒鉛及び銅についての信号とは逆極性であることを示す。ＳＷＮＴ試料は通常、自然に、ｐ型にドープされる（ホーン（Hone）等，Phys. Rev. Lett.，１９９８年，第８０巻，ｐ.１０４２ [４]，及び，コリンズ（Collins）等，Science，２０００年，第２８７巻，ｐ.１８０１ [３]）。このことは、気体流誘起電圧の極性がＳＷＮＴとｐ型Ｓｉについて同じであることを説明する。図３の挿入図は、勾配Ａ対用いた固体材料のゼーベック係数（Ｓ）のグラフを示す。係数Ａは、挿入図に勾配＝６０Ｋでフィッティングした直線によって示されるように、Ｓへの線形依存性を示す。
【実施例４】
【０１２９】
大きなＭ２値にわたりｎ型Ｇｅにかけて発生する電圧Ｖを測定するため、２つの相異なる気体、窒素及びアルゴンを用いて本発明の方法を試験した。結果を図４に示す。図４の挿入図は、Ｍ２≦０.０５（以降、領域Ｉと称する）に対して、アルゴン（図４の■）についての勾配Ａが窒素（図４の○）についての勾配Ａに比較して高いことを明瞭に示す。勾配比Ａ（アルゴン）/Ａ（窒素）＝１.２である。固体にかけて流れる気体流により誘起される電気信号の発生の背後にある機構の解析によって、２つのＭ２領域があることが確立された。
【０１３０】
気体の断熱的定常非粘性流に対し、ベルヌーイの式は流線に沿う圧力差を、マッハ数Ｍを用いて、式（１）：
【数１】
2006514278.tif 000003
【０１３１】
として与える。ここでγ＝ＣＰ/ＣＶであり、ＣＰは定圧比熱、ＣＶは定容比熱である。アルゴン及び窒素についてのγの値はそれぞれ１.６６７及び１.４０４である。式（１）において、Ｐ０は速度がゼロである流線上の点における最高圧力である。そのような点は気体が流過している流速センサ素子の表面上の前縁であり、淀み点と呼ばれる。図１Ｂに示される幾何学的配置に対し、気体流にさらされる（電極がない）試料の両端の間の圧力差は、式（２）：
【数２】
2006514278.tif 000004
【０１３２】
で与えられる。
【０１３３】
式（２）における下付き添字Ｌ及びＲは、気体が左から右に流れる場合に、デバイスの活性部分の左及び右を表す。比温度差ΔＴ/Ｔは、圧力差ΔＰ/Ｐ及び密度差Δρ/ρに、ΔＴ/Ｔ＝ΔＰ/Ｐ−Δρ/ρとして関係付けられる。Ｍ≪１の場合、気体の密度変化は無視できる。すなわち、流体は非圧縮性であり、よってΔＴ/Ｔ＝ΔＰ/Ｐである。したがって、非圧縮性流体流について、（領域Ｉと呼ばれる）Ｍ≪１に対する、距離ｄだけ隔てられた２点間の流線に沿う温度差は、式（３）：
【数３】
2006514278.tif 000005
【０１３４】
で与えられ、ここで、ΔＴ＝ＴＬ−ＴＲ＞０である。流速検知素子を流過する気体は加速流に対応する水平軸に対して角度αに保たれ、したがってＭＲ＞ＭＬである。表層流の速度の接線方向成分ｕは平坦境界に沿って測られる流線距離ｘに依存し、式（４）：
【数４】
2006514278.tif 000006
【０１３５】
で与えられる。
【０１３６】
本発明のデバイスの場合、α＝π/４であり、したがってｕ∝ｘ１/３である。非希薄気体に対し、固体表面における境界条件は気体と固体の温度が等しいことである。すなわち、気体流の流線に沿う温度差は固体に流れの方向に沿う温度差を誘起するであろう。続いてこの温度差の結果、ゼーベック効果により、式（５）：
【数５】
2006514278.tif 000007
【０１３７】
で表される、ＶＬ−ＶＲで定められる電圧差Ｖが生じる。Ｓは固体のゼーベック係数であり、ｐ型材料については、ｐ型材料が大多数であるから、正であり、ｎ型材料については負である。因子ｋは、気体と固体表面の間の特定の相互作用及び固体と気体の間の温度差の境界条件のいずれにも依存する。
【０１３８】
領域IIと呼ばれる、ある値（〜０.２）より大きいＭでは、気体の密度を考慮する必要がある。これは、式（６）：
【数６】
2006514278.tif 000008
【０１３９】
したがって、式（７）：
【数７】
2006514278.tif 000009
【０１４０】
により与えられる。これらの式を実施例１〜４で論じた実験によって検証した。式（４）から、ＭＬ２∝ｘ１２/３及びＭＲ２∝（ｘ１＋ｄ）２/３であることは明らかである。したがって、ＭＲ２−ＭＬ２∝Ｍ２であり、ここでＭは実効平均マッハ数である。したがって、式（５）及び（７）から、領域Ｉ及びIIのいずれにおいても、誘起電圧はＭ２に比例する、すなわち、Ｖ＝ＡＭ２であると予測される。これは、図２〜４に示される結果と一致する。勾配ＡはＳに線形に依存するはずであり、領域Ｉにおいては、Ａ＝ｋＴ０Ｓγ/２（式（５））である。これが、図３の挿入図において、様々な材料に対する既知のＳの値（表１）に関して観測されたＡの値（○）のグラフによって示されるような場合である。勾配のフィッティング値（＝６０Ｋ）をγ＝１.４０４及びＴ０＝３００Ｋとともに用いれば、ｋが０.２８であることがわかる。式（５）から、アルゴン流と窒素流に対する領域Ｉにおける勾配Ａの比はγ（アルゴン）/γ（窒素）＝１.２になると予測され、これは観測された比（図４の挿入図）と一致する。式（５）及び（７）は、図４の領域Ｉと領域IIにおける勾配の比がγ/（γ−１）になるはずであると示唆する。これは、アルゴン（■）についての観測値３.４４と十分よく一致する。図２の挿入図は、ｎ型Ｇｅ及び１０ｍ/秒の流速について、測定された電圧Ｖの試料長ｄへの依存性を示す。データは式Ｖ＝ａ１＋ａ２{（１＋ｄ/ｘ１）２/３−１}に極めてよくあてはまり、ここで、ａ１及びａ２はフィッティングパラメータであり、（試料の寸法から）ｘ１＝０.５ｍｍである。本機構は、式（４）から、α＝４５°に対してｕ２∝ｄ２/３であるから、ｄへの依存性を正当に評価する。したがって、Ｖ∝[（ｘ１＋ｄ）２/３−ｘ１２/３]である。α＝０°及び９０°に対しては気体流による電圧の発生が見られず、α＞９０°に対しては信号の極性の変化が見られた。この観測結果は、α＝０°ではｕＬ＝ｕＲとなり、α＝９０°では淀み点が直交し、α＜０°では減速流となることを予測する、式（４）から理解できる。提案した機構の別の帰結は、金属白金上の気体流によって発生する電圧は、白金についてはＳ〜０であるから、無視できるほど小さいはずであるということである。これが実際におこることが、実験によって示された（図２及び３の＋記号）。
【表１】
2006514278.tif 000010
【０１４１】
[参考文献]
[1] S.Ghosh, A.K.Sood and N.Kumar, Science, 299, 1042 （2003）
[2] P.Kral and Moshe Shapiro, Phys. Rev. Lett., 86, 131 （2001）
[3] P.G.Collins, K.Brandley, M.Ishigami, A.Zettl, Science, 287, 1801 
（2000）
[4] J.Hone, I.Ellwood, M.Muno, A.Mizel, M.L.Cohen, and A.Zettl, Phys. 
Rev. Lett., 80, 1042 （1998）
[5] S.C.Allison, R.L.Smith, D.H.Howard, C.Gonzalez, S.D.Collins, Sensors and Actuators A, 104, 32 （2003）
[6] D.M.Rowe, CRC Handbook of thermoelectrics, Boca Raton, FL, CRC Press, 1995
[7] R.Seshadri, H.N.Aiyer, A.Govindraj and C.N.R.Rao, Solid State Commun., 91, 194 （1994）
[8] T.Takesawa et al, Philos. Mag., 19, 623 （1969）
【図面の簡単な説明】
【０１４２】
【図１Ａ】本発明の方法に用いられる流速検知デバイスの略図である
【図１Ｂ】導電性素子が明瞭に表され、気体流の水平軸に対して４５°の角度を示す、本発明の流速検知デバイスの略図である。２０°と７０°の間の角度も用いることができる
【図１Ｃ】流速検知素子が、流速が７ｍ/秒のアルゴンガス流内のｎ型ドープＧｅである場合の、デバイスによって得られる応答の代表的応答のグラフである
【図１Ｄ】流速センサ上の較正された気体流速（ｕ）を得るための実験構成が設けられた、本発明のデバイスの別の略図である
【図２】信号Ｖの、（下から上に）ｎ-Ｓｉ（▲）、ｎ-Ｇｅ（★）、黒鉛（□）、金属Ｐｔ（＋）、ＳＷＮＴ（○）、ＭＷＮＴ（△）及びｐ-Ｓｉ（▼）についての、窒素流速依存性を示すグラフである。図２の挿入図は、ｎ-Ｇｅについて、活性長ｄの関数としてのＶの依存性を固定流速値（ｕ）に対して示す。実線は、式Ｖ＝ａ１＋ａ２{（１＋ｄ/ｘ１）２/３−１}へのフィッティングである。ここで、ａ１及びａ２はフィッティングパラメータであり、（試料寸法から）ｘ１＝０.５ｍｍである
【図３】窒素ガス流に対するＶ対マッハ数Ｍ（Ｍ＝ｕ/ｃ，ここでｃは気体中の音速である）の二乗のグラフである。データ及び記号は図２と同じである
【図４】アルゴン流（■）及び窒素流（○）に対するＶ対Ｍ２のグラフである。挿入図は領域Ｉの拡大図を示す
【図５】金属線を用いてマトリックス構成に接続され、高抵抗アンドープ半導電性基板上に設けられた、様々な気体流速センサ素子を示す本発明の一実施形態にしたがうデバイスの略図である
【図６】交互するｎ型半導体材料ストリップ及びｐ型半導体材料ストリップを介在するアンドープ半導体材料層とともに示す本発明のデバイスの別の実施形態の略図であり、交互するｎ型半導体材料ストリップ及びｐ型半導体材料ストリップは導電性ストリップにより接続され、集成体全体は電気蓄積手段または電気測定手段への接続のための２つの電気コンタクトが与えられた半導電性基板上に設けられている
【符号の説明】
【０１４３】
１    流速検知素子
２，２'    電極
３    気体流
４    チューブ
５    電気測定手段
６，６'    リード線
2006514278.tif 000011
【図１Ｂ】
2006514278.tif 000012
【図１Ｃ】
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2006514278.tif 000014
【図２】
2006514278.tif 000015
【図３】
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【図４】
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【図５】
2006514278.tif 000018
【図６】
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【国際調査報告】
2006514278.tif 000020
2006514278.tif 000021
2006514278.tif 000022
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