(57)【要約】【課題】省資源性および省エネルギー性に優れると共に冷却効率を向上できる冷房装置を提供すること。【解決手段】半導体部１１が第１電極と一体に形成され、第２電極１４とペルチェ素子２とが電気的に接続される。半導体部１１に太陽光が照射されると光電変換され、電解質内に電荷の移動が生じペルチェ素子が動作する。よって、化石燃料等の枯渇性エネルギーが消費されることを抑制できる。また、ペルチェ素子２は電解質に放熱するので、ペルチェ素子２の放熱効率を向上できる。さらに、ペルチェ素子２の放熱により電解質の温度が上がると、電解質の導電率が上昇し電流が流れ易くなるので、ペルチェ素子２の動作が活発化する。よって、放熱効率を向上させる効果に相乗して、ペルチェ素子２による冷却効率を向上できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を冷却するペルチェ素子と、
そのペルチェ素子と熱交換して前記ペルチェ素子から放熱される電解質と、
その電解質に接触し互いに離隔して配置される第１電極および第２電極と、
前記第１電極と一体に形成または前記第１電極と電気的に接続され太陽光が照射されることにより光電変換すると共に、前記ペルチェ素子に電気的に接続される半導体部と、
前記第２電極と前記ペルチェ素子とを電気的に接続することで、前記第１電極と前記第２電極との間で前記電解質内に電荷の移動を生じさせる電気回路とを備えていることを特徴とする冷房装置。
【請求項２】
前記半導体部は、可視光線を透過する一方、赤外線を吸収して光電変換するものであることを特徴とする請求項１記載の冷房装置。
【請求項３】
太陽光を透過する材料で形成された光透過面を有し前記電解質を貯留する貯留部を備え、
その貯留部は、前記光透過面を透過した太陽光が前記半導体部に照射されるように配設されており、
前記光透過面は、可視光線を透過する一方、温度の上昇に伴い前記半導体部へ赤外線を透過し難くする赤外線調光層を備えていることを特徴とする請求項２記載の冷房装置。
【請求項４】
前記電解質の熱を回収する熱回収装置、又は、前記電解質の熱を利用する系外の熱利用装置との間で前記電解質を循環する電解質循環路を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の冷房装置。
【請求項５】
太陽光を透過する材料で形成された光透過面を有し前記電解質を貯留する貯留部を備え、
その貯留部は、前記光透過面を透過した太陽光が前記半導体部に照射されるように前記半導体部と一体に設けられていることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の冷房装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷房装置に関し、特に、省資源性および省エネルギー性に優れると共に冷却効率を向上できる冷房装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ペルチェ素子を使用した冷房装置が知られている。この種の技術に関し、例えば特許文献１には、電力を供給することによってペルチェ素子を動作させ、室内を冷却する技術が開示されている。室内の冷却に伴いペルチェ素子は発熱（放熱）するので、ペルチェ素子による冷却効率を上げるためには、ペルチェ素子の放熱効率を上げる必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−９２３１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら特許文献１に開示される技術では、化石燃料等の枯渇性エネルギーを使って発電した電力をペルチェ素子に供給する場合には、省資源性や省エネルギー性に欠けるという問題点があった。また、ペルチェ素子の放熱が空冷によって行われているので放熱効率が悪く、そのために冷却効率を向上させ難いという問題点があった。
【０００５】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、省資源性および省エネルギー性に優れると共に冷却効率を向上できる冷房装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００６】
この目的を達成するために請求項１記載の冷房装置によれば、電解質に接触する第１電極および第２電極が互いに離隔して配置される。太陽光が照射されることにより光電変換する半導体部が、第１電極と一体に形成または第１電極と電気的に接続され、第２電極とペルチェ素子とが電気的に接続される。半導体部に太陽光が照射されると光電変換され、第１電極と第２電極との間で電解質内に電荷の移動が生じる。これによりペルチェ素子が動作し空気が冷却される。太陽光が照射されることにより光電変換する半導体部を使ってペルチェ素子が動作されるので、化石燃料等の枯渇性エネルギーが消費されることを抑制できる。よって、省資源性および省エネルギー性に優れる効果がある。
【０００７】
また、空気を冷却したペルチェ素子は発熱するが、ペルチェ素子と電解質とが熱交換して、ペルチェ素子は電解質に放熱する。これにより、空冷する場合と比較してペルチェ素子の放熱効率を向上させることができる。
【０００８】
さらに、ペルチェ素子からの放熱により電解質の温度が上がると、電解質における電気化学的な酸化還元反応の反応速度が大きくなるので、電解質の導電率が上昇する。その結果、回路に電流が流れ易くなるので、ペルチェ素子の動作が活発化する。従って、電解質に放熱させることによってペルチェ素子の放熱効率を向上させる効果に相乗して、ペルチェ素子による冷却効率を向上できる効果がある。
【０００９】
請求項２記載の冷房装置によれば、半導体部は、可視光線を透過する一方、太陽光エネルギーのうち４０％以上を占める赤外線（波長８００ｎｍ以上）を吸収して光電変換するものである。現在、太陽電池として多く用いられている多結晶シリコン太陽電池でも、波長１０００ｎｍ以上の赤外線を光電変換することは原理的に困難である。よって、請求項１の効果に加え、赤外線を光電変換する半導体部により、これまで活用されていなかった波長の太陽光エネルギーを活用できる効果がある。
【００１０】
また、半導体部は可視光線を透過する一方、赤外線（熱線）を吸収するので、空間への採光部（窓等）に半導体部を取り付けることにより、採光部の視界を確保しつつ空間内に侵入する赤外線（熱線）の量を抑制することができる。赤外線（熱線）による空間内の温度上昇を抑制できるので、請求項１の効果に加え、ペルチェ素子による空間内の冷却効率を向上できる効果がある。
【００１１】
請求項３記載の冷房装置によれば、太陽光を透過する材料で形成された光透過面を有する貯留部に電解質が貯留され、貯留部は、光透過面を透過した太陽光が半導体部に照射されるように配設される。ペルチェ素子が動作して電解質に放熱すると、電解質の温度が上昇し、ひいては貯留部（光透過面）の温度が上昇する。電解質の温度が上昇すると、前述のとおり電解質の導電率が上昇し、ペルチェ素子の動作が活発化する。
【００１２】
光透過面は、可視光線を透過する一方、温度の上昇に伴い半導体部へ赤外線を透過し難くする赤外線調光層を備えているので、貯留部（光透過面）の温度の上昇に伴い赤外線調光層の温度が上昇して、半導体部へ赤外線が照射され難くなる。半導体部に赤外線が照射され難くなると、半導体部による光電変換が抑制され、電荷の移動が抑制される。即ち、ペルチェ素子の動作が活発化して電解質への放熱が増えると、赤外線調光層の影響で半導体部による光電変換が抑制され、ペルチェ素子の動作が抑制される。
【００１３】
また、ペルチェ素子の動作が抑制され電解質への放熱が減り、貯留部（光透過面）の温度が低下すると、赤外線調光層の温度が低下して半導体部へ赤外線が照射され易くなるので、半導体部によって供給される電流が増加し、ペルチェ素子の動作が活発化する。以上のように、請求項２の効果に加え、赤外線調光層の温度、即ち電解質の温度によってペルチェ素子の動作を制御できる効果がある。
【００１４】
請求項４記載の冷房装置によれば、熱回収装置により電解質の熱が回収されると、回収された熱を有効利用できると共に、電解質の温度を低下させることができる。また、電解質の熱を利用する系外の熱利用装置との間で電解質循環路により電解質が循環されると、熱利用装置によって熱が有効利用されると共に、電解質の温度を低下させることができる。電解質の温度が低下すると、電解質の酸化還元反応の反応速度が小さくなり、電荷の移動が抑制される。
【００１５】
即ち、ペルチェ素子の動作が活発化して電解質への放熱が増えた場合、熱回収装置や電解質循環路によって電解質の温度を低下させることにより、電荷の移動を抑制させ、ペルチェ素子の動作を抑制させることができる。従って、請求項１から３の効果に加え、電解質の熱を有効活用しつつペルチェ素子の動作を制御できる効果がある。
【００１６】
また、ペルチェ素子が動作して電解質に放熱すると、電解質の温度が上昇する。電解質の温度が上昇するに伴い、ペルチェ素子の放熱効率が低下する。その結果、電解質における酸化還元反応の反応速度との関係にもよるが、ペルチェ素子による冷却効率が低下することがある。しかし、熱回収装置や電解質循環路により電解質の温度を低下させることができるので、ペルチェ素子の放熱効率が低下することを抑制できる。この場合には、請求項１から３の効果に加え、ペルチェ素子の冷却効率を安定して維持できる効果がある。
【００１７】
請求項５記載の冷房装置によれば、太陽光を透過する材料で形成された光透過面を有する貯留部に電解質が貯留され、貯留部は、光透過面を透過した太陽光が半導体部に照射されるように半導体部と一体に設けられている。これにより半導体部および貯留部を一体化させて、可視光線を透過するパネルにすることができる。そのパネルは可視光線を透過することから、請求項２から４のいずれかの効果に加え、半導体部および貯留部が一体となった冷却機能を有する透明な窓部材にできる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（ａ）は第１実施の形態における冷房装置に用いられる太陽電池の模式図であり、（ｂ）は図１（ａ）の矢印Ｉｂ方向から見た太陽電池の模式図である。
【図２】（ａ）は第１実施の形態における冷房装置の模式図であり、（ｂ）は第２実施の形態における冷房装置の模式図である。
【図３】（ａ）は第３実施の形態における冷房装置の模式図であり、（ｂ）は第４実施の形態における冷房装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して説明する。図１（ａ）は、第１実施の形態における冷房装置１に用いられる太陽電池１０の模式図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の矢印Ｉｂ方向から見た太陽電池１０の模式図である。
【００２０】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、太陽電池１０は、金属酸化物半導体により形成される半導体部１１と、その半導体部１１の表面に形成された増感部１２と、半導体部１１の表面に接触する電解質を貯留する貯留部１３と、半導体部１１に対向して貯留部１３内に配設された第２電極１４と、半導体部１１の背面に形成された第３電極１５とを主に備えて構成されている。なお、本実施の形態では、半導体部１１は導電性を有しているので、第２電極１４と離隔して配置された第１電極（アノード）としても機能する。半導体１１（第１電極）及び第２電極１４（カソード）は、互いに対向して貯留部１３に配置され、いずれも電解質と接触している。
【００２１】
半導体部１１は、太陽光が照射されることにより光電変換するための部材である。本実施の形態では、ＴｉＯ２の単結晶基板により半導体部１１が形成されており、太陽電池１０の基板としても機能する。しかし、これに限定されるものではなく、ＺｎＯ，ＳｎＯ２，ＺｒＯ２，Ｔａ２Ｏ５，Ｎｂ２Ｏ５，ＳｒＴｉＯ３，ＢａＴｉＯ３，ＣａＴｉＯ３，ＫＴａＯ３，ＷＯ３等の他の金属酸化物半導体、これら金属酸化物の複合系の半導体、ＴｉＯ２との複合系の半導体など種々の金属酸化物半導体を用いることができる。
【００２２】
半導体部１１は単結晶基板で形成されるものに限定されず、例えば、ガラス製等の基板の表面に成膜し焼結して製造することができる。また、フィルム等のフレキシブル基板の表面に成膜して製造することも可能である。半導体部１１を焼結により形成する場合には、スピンコート、ドクターブレード、スクリーン印刷等の湿式プロセスで基板の上に成膜することができる。スパッタリング、ＣＶＤ、蒸着等の乾式プロセスを採用することも可能であり、電着法、水熱処理法等のプロセスを採用することもできる。
【００２３】
さらに、金属酸化物半導体（半導体部１１）をナノチューブ等の中空構造や多孔体構造とすることも可能である。金属酸化物半導体をナノチューブ等の中空構造や多孔体構造とすることで半導体部１１の表面積を大きくできるので、光電変換効率を上げることができる。
【００２４】
半導体部１１は、単結晶基板により形成することで可視光線を透過するものにできる。また、ガラス基板やフィルム等の基板の表面に成膜して形成することによっても、可視光線を透過するものにできる。なお、半導体部１１は、金属酸化物半導体に限定するものではなく、シリコン系半導体、化合物半導体、有機半導体等を用いることは可能である。また、ｎ型半導体に限定するものではなく、ＧａＰ，ＮｉＯ等のｐ型半導体を採用することは当然可能である。半導体部１１にｐ型半導体を採用した場合には、半導体部１１はカソードとして機能する。
【００２５】
なお、半導体部１１において、ガラス基板やフィルム等の絶縁基板の表面に半導体層（半導体部１１）を形成する構造とする場合には、ＳｎＯ２やＩＴＯ等の導電性膜が形成されている絶縁基板上に、ＴｉＯ２等の半導体層（半導体部１１）を形成する（いわゆる光電極）。この場合は、絶縁基板上に形成されたＳｎＯ２やＩＴＯ等の導電性膜が第１電極（アノード）となる。
【００２６】
増感部１２は、特定の波長の光を吸収させるための部位であり、本実施の形態では、半導体部１１の表面に、金（Ａｕ）のナノロッドを配列したものが用いられている。ナノロッドの寸法としては短辺約１００ｎｍ、長辺約２００ｎｍ、高さ約４０ｎｍである。このナノロッドが、半導体微細加工技術により約１００ｎｍの間隔で半導体部１１の表面に配列されている。これにより波長８００ｎｍ以上の赤外線を吸収（電気エネルギーに変換）することが可能となる。赤外線の吸収は局在型プラズモン共鳴によるものであると推察している。
【００２７】
局在型プラズモン共鳴によれば、照射された波長の光の波長が共鳴条件を満たした場合、ナノロッドの中の自由電子が集団的に移動し、光のエネルギーを電磁気学的なエネルギーとして蓄える。これにより自由電子をエネルギーの高い状態にすることができ、その結果、半導体部１１により特定の波長の光が吸収され、電気エネルギーに変換される。局在型プラズモン共鳴を示す波長は、半導体部１１の表面の金（Ａｕ）の形状やサイズ等に依存するので、これらを適宜設定することにより、例えば４５０〜１３００ｎｍの極めて広い波長範囲の光を電気エネルギーに変換することが可能である。
【００２８】
増感部１２を構成し局在型プラズモン共鳴を生じさせる金属を金（Ａｕ）に限定するものではなく、局在型プラズモン共鳴を発現する銀、銅等の他の金属を採用することは当然可能である。また、金属のナノ構造の形状、サイズ、ピッチ等を限定するものでもなく、これらは、光の波長に応じて適宜設定することが可能である。
【００２９】
増感部１２は、金属のナノ構造に限定するものではなく、増感色素を採用することが可能である。増感色素としては、例えば、ルテニウム、鉄等の金属錯体；クマリン系の有機色素が挙げられる。増感色素は、化学的または物理的に半導体部１１の表面に結合される。増感色素を適宜設定することにより、種々の波長（例えば紫外線から近赤外線まで）の光エネルギーを吸収し光電変換できる半導体部１１を製造できる。
【００３０】
貯留部１３は、電解質を貯留するための部材であり、石英、ガラス等の無機材料や合成樹脂製で形成される。貯留部１３の光透過率は適宜設定することができる。本実施の形態では、半導体部１１と対向する光透過面１３ａが太陽光を透過する材料で形成されている。太陽光を透過する材料としては、例えば、石英、ガラス等の無機材料、ＰＥＴ，ＰＥ，ＰＣ等の合成樹脂を挙げることができる。
【００３１】
貯留部１３に貯留される電解質は、電気化学的な酸化還元反応を起こす物質であり、液体電解質、ゲル電解質、固体電解質を採用できる。液体電解質としては、ニトリル類等の有機溶媒にレドックス系の溶質を溶解したもの、ＫＣｌ等の電解質水溶液等を用いることができる。ゲル電解質としては高分子系、常温溶融塩等を用いることができる。固定電解質としては、例えば、ｐ型半導体であるＣｕＩ等を無水アセトニトリル等の溶媒に溶解し、増感色素を担持した多孔質ＴｉＯ２（半導体部１１）の細孔内に析出させたものが挙げられる。
【００３２】
第２電極１４は、半導体１１（第１電極）との間で電荷の移動を行うと共に、冷房装置１（後述する）と電気的に接続するための部材であり、ＩＴＯ，ＦＴＯ等の透明電極、白金、カーボン等を用いることができる。本実施の形態では、第２電極１４に透明電極を用いている。透明電極を用いることにより、半導体部１１と対向する光透過面１３ａの広い範囲に第２電極１４を配置した場合にも、太陽光が光透過面１３ａを透過するようにできる。
【００３３】
第３電極１５は、半導体部１１（第１電極）から電子を取り出すために半導体部１１（第１電極）に接続される導電性の部材であり、本実施の形態ではＩＴＯ，ＦＴＯ等の透明電極により形成されている。可視光線を透過させるためである。
【００３４】
次に図２（ａ）を参照して冷房装置１の構成について説明する。図２（ａ）は第１実施の形態における冷房装置１の模式図である。図２（ａ）に示すように冷房装置１は、太陽電池１０と、ペルチェ素子２と、ペルチェ素子２と太陽電池１０とを電気的に接続する電気回路３とを備え、太陽電池１０は窓部材として外壁１００の開口部１０１に配設されている。
【００３５】
なお、太陽電池１０において、半導体部１１と増感部１２との間には、半導体部１１と増感部１２との接合強度を確保するため、介在層１２ａが形成されている。本実施の形態では、半導体部１１（ＴｉＯ２）、増感部１２（Ａｕ）に対し、介在層１２ａ（Ｔｉ）とされている。これにより増感部１２が半導体部１１から剥離することが抑制され、耐久性を向上できる。また、半導体部１１は、１枚のＴｉＯ２単結晶基板で１つのセルを形成し、そのセルを透明なガラス基板の上に複数枚並設することにより、貯留部１３と一体にパネル化（大面積化）されている。なお、本実施の形態においては、介在層１２ａを形成しているが、半導体部１１及び増感部１２に採用する材料に応じて、必ずしも形成する必要はなく、半導体部１１上に増感部１２を直接配置してもよい。
【００３６】
ペルチェ素子２は、熱電素子の一種であり熱移動させるための素子である。ペルチェ素子２は、ｐ型半導体とｎ型半導体とを電極板（図示せず）によって交互に直列に接続し、これらの半導体の表裏に絶縁板（図示せず）を配設したものを例示できる。これら電極板の間に直流電流を流すことにより、一方の絶縁板（吸熱側）から他方の絶縁板（放熱側）に熱を移動させることができる。よって、一方の絶縁板（吸熱側）を屋内空間（図２（ａ）左側）に配設し、他方の絶縁板（放熱側）を貯留部１３内に配設することにより、屋内の熱を貯留部１３内の電解質に放熱することができる。即ち、空間内の空気が冷却される。
【００３７】
電気回路３は、半導体部１１（第１電極）及び第２電極１４と電解質との界面で電気化学的な酸化還元反応を起こさせ、半導体部１１（第１電極）と第２電極１４との間で電解質内に電荷の移動を生じさせるための回路である。電気回路３は、ペルチェ素子２と第３電極１５とを接続する配線３ａと、ペルチェ素子２と第２電極１４とを接続する配線３ｂとを備えており、半導体部１１で生じた電子をペルチェ素子２に供給することができる。
【００３８】
次に冷房装置１の動作について説明する。光透過面１３ａに太陽光Ｓが照射されると、光透過面１３ａは太陽光を透過する材料で形成されているので、貯留部１４内に太陽光Ｓが侵入する。電解質を通過した太陽光Ｓは、増感部１４（局在型プラズモン共鳴）及び半導体部１１により赤外線が吸収され電気エネルギーに変換される。
【００３９】
なお、増感部１４はナノサイズの金属微細構造によって形成されているので、可視光線は透過される。また、半導体部１１はセルがＴｉＯ２単結晶基板によって形成されると共に、第３電極１５は透明電極により形成されているので、半導体部１１及び第３電極１５は可視光線を透過する。
【００４０】
次いで、半導体部１１の光電変換により生じた電子が、第３電極１５から配線３ａを通ってペルチェ素子２に移動し、配線３ｂを通って第２電極１４に移動する。貯留部１３内の電解質で電気化学的な酸化還元反応が生じ、電解質に電荷の移動が生じる。これによりペルチェ素子２が動作し、屋内の空間（空気）が冷却される。太陽光Ｓが照射されることにより光電変換する半導体部１１によってペルチェ素子２が動作されるので、化石燃料等の枯渇性エネルギーが消費されることを抑制できる。よって冷房装置１は、省資源性および省エネルギー性に優れる。
【００４１】
また、屋内の空間を冷却したペルチェ素子２は屋内からの熱移動によって発熱するが、ペルチェ素子２と電解質とが熱交換して、ペルチェ素子２は電解質に放熱する。これにより、空冷する場合と比較してペルチェ素子２の放熱効率を向上させることができる。
【００４２】
さらに、ペルチェ素子２からの放熱により電解質の温度が上がると、電解質の酸化還元反応の反応速度が大きくなり、電解質の導電率が上昇する。その結果、電気回路３に電流が流れ易くなるので、ペルチェ素子２の動作が活発化する。従って、電解質に放熱させることによってペルチェ素子２の放熱効率を向上させる効果に相乗して、ペルチェ素子２による冷却効率を向上できる。
【００４３】
また、増感部１２が形成された半導体部１１は赤外線を吸収して光電変換するものである。しかし、普及している多結晶シリコン太陽電池では、赤外線による光電変換は原理的に困難である。従って太陽電池１０は、多結晶シリコン太陽電池ではこれまで活用されていなかった波長の太陽光エネルギーを活用できる。また、赤外線は太陽光エネルギーのうち４０％以上を占めるので、太陽電池１０の変換効率を高められる可能性がある。
【００４４】
半導体部１１は可視光線を透過する一方、赤外線（熱線）を吸収するので、開口部１０１に半導体部１１を取り付けることにより、開口部１０１の視界を確保しつつ空間内に侵入する赤外線（熱線）の量を抑制することができる。赤外線（熱線）による空間内の温度上昇を抑制できるので、ペルチェ素子２による空間内の冷却効率を向上できる。
【００４５】
また、電解質が貯留された貯留部１３の光透過面１３ａは太陽光を透過する材料で形成されており、貯留部１３は、光透過面１３ａを透過した太陽光Ｓが半導体部１１に照射されるように半導体部１１と一体に設けられている。その結果、半導体部１１及び貯留部１３を一体化させて、可視光線を透過するパネルにすることができる。そのパネルは可視光線を透過することから、半導体部１１及び貯留部１３が一体となった冷却機能を有する透明な窓部材にできる。
【００４６】
次に図２（ｂ）を参照して第２実施の形態について説明する。第２実施の形態では、赤外線調光層２１を光透過面１３ａが備える場合について説明する。なお、第１実施の形態と同一の部分については、同一の符号を付して以下の説明を省略する。図２（ｂ）は第２実施の形態における冷房装置３０の模式図である。冷房装置３０は、太陽電池２０と、ペルチェ素子２と、ペルチェ素子２と太陽電池２０とを電気的に接続する電気回路３とを備えている。
【００４７】
太陽電池２０は、貯留部１３に赤外線調光層２１を備えている。赤外線調光層２１は、セル（図示せず）に液晶組成物が注入されたものである。セル（図示せず）は、ガラス板やプラスチックフィルム等で形成された一対の透明な基板を対向させ、その基板間に、ガラス又は高分子材料からなるスペーサを介設させたものである。スペーサの厚さは２〜５０μｍ程度である。
【００４８】
液晶組成物は、低分子液晶に加えて光重合性液晶モノマーを含むものである。低分子液晶としては、室温付近、一般的に−２０〜８０℃においてカイラルネマチック相を呈し、螺旋捩れ力の温度依存性が大きなものが好適に用いられる。例えば、温度の上昇に伴い螺旋捩れ力が小さくなるものは、およそ−２０〜３０℃の温度範囲で昇温すると、ピッチ長が０．３〜０．６μｍの範囲から１．０〜２．０μｍの範囲へと変化するものが好ましい。逆に螺旋捩れ力が大きくなるものは、およそ１５〜３０℃の温度範囲で昇温すると、ピッチ長が１．５〜２．０μｍ範囲から０．３〜０．６μｍ範囲へと変化するものが好ましい。
【００４９】
光重合性液晶モノマー或いは光重合性モノマーとしては、アクリロイル基、ビニル基、エポキシ基等の汎用の光重合性基を有する高分子樹脂の前駆体であって、低分子液晶とカイラルドーパントに相溶し均一液晶を呈するものであればいずれも使用できる。しかし、液晶相の配向が乱れないにするためには、光重合性基を２個有する２官能性モノマーが好ましい。特に、低分子液晶とカイラルドーパントとの相溶性の向上およびコントラストを良好にするためには、液晶構造またはこれに類似する構造を分子構造中に含むものが好ましい。例えば、最低１個のベンゼン環をその分子構造中に含むものである。また、これらの光重合性液晶モノマー或いは光重合性モノマーは、単独あるいは多種のモノマー、オリゴマーと混同しても使用できる。また、光重合性液晶モノマーと低分子液晶は、それぞれの常光屈折率ｎｏと異常光屈折率ｎｅが、実質的に等しいものが好ましい。
【００５０】
液晶組成物は、一般に、光重合性液晶モノマーと低分子液晶の他に、カイラルドーパントを含有し光重合開始剤がドープされる。カイラルドーパントは、一般に、液晶を形成する分子構造、またはそれに類似した構造を有する低分子化合物である。カイラルドーパントとしては、分子構造中に不斉炭素を有する光学活性化合物（不斉炭素を有する低分子液晶を含む）であって、光重合性液晶モノマーと低分子液晶の混合物に相溶するものが使用される。
【００５１】
市販されているネマチック低分子液晶とカイラルドーパントを混合してもよく、このとき、カイラルネマチック相の螺旋捩れ力の温度依存性やピッチ長は、カイラルドーパントの種類や含有率を調整することにより制御可能である。例えば、ネマチック低分子液晶としてＥ７、Ｅ８、Ｅ４４、Ｅ４８、ＴＬ−２０５、ＴＬ−２１３、ＴＬ−２１５（メルク社製）等のものが好ましく使用されるが、これらに限定されるものではない。
【００５２】
カイラルドーパントの混合比は、目的とする赤外線調光層２１の螺旋ピッチにより決定される。市販されているＣＢ−１５、Ｓ（Ｒ）−８１１、Ｓ（Ｒ）−１０８２、ＺＬＩ−４５７２（４５７１）（メルク社製）、ＣＭ２１（２０）（チッソ社製）などのものが好ましく使用されるが、これらに限定されるものではない。螺旋ピッチ補償用として、２種類以上のカイラルドーパントを用いてもよい。
【００５３】
液晶組成物における各成分の組成比は、光重合性液晶モノマーと低分子液晶の合計を１００重量％として、光重合性液晶モノマーを１〜１０重量％、低分子液晶を９０〜９９重量％とし、低分子液晶に対してカイラルドーパントを１〜３０重量％とするのが好ましい。光重合性液晶モノマーを１０重量％以上にすると、液晶分子と高分子ネットワークとの相互作用が強くなりすぎるため、液晶光学材料中に低分子液晶の螺旋構造のピッチ長は温度の上昇とともに変化し難くなる。一方、光重合性液晶モノマーの量が１重量％以下になると、赤外線調光素子の初期状態の選択反射する波長が固定化し難くなる。
【００５４】
液晶組成物は、さらに、光重合性液晶モノマーに対して光重合開始剤を１〜３０重量％含有するのが好ましい。光重合開始剤としては、例えば、２，２−ジエトキシアセトフェノンなどのアセトフェノン系、ベンゾイン系、ベンゾフェノン系、チオキサンソン系、ジアゾニウム系、スルホニウム塩系、ヨードニウム塩系、セレニウム塩系等の通常の光重合剤が使用できる。光重合開始剤は、光重合性モノマーと低分子液晶の混合物に溶解、あるいは相溶するものが使用される。
【００５５】
以上のような液晶組成物は室温付近でカイラルネマチック相を呈するものであり、この液晶組成物が、等方相状態を示す温度で毛細管現象によりセルへ注入される。セルを構成する基板は、少なくとも一方の内側表面に、配向膜やラビング処理等の平行配向処理が施されている。次いで、平行配向したカイラルネマチック相状態（プレーナ分子配列）で光重合性液晶モノマーを光重合させることにより赤外線調光層２１が形成される。
【００５６】
セルに注入された液晶組成物中の液晶分子は、等方相からカイラルネマチック相となる温度まで冷却したときに螺旋配向をとり、その螺旋軸は基板に対して垂直となる。即ち、液晶分子の長軸が基板に対して均一な平行配向（プレーナ配列）が得られるため、透明状態となる。
【００５７】
この透明状態のセルに紫外線を照射し、液晶組成物の光重合性液晶モノマーを光重合させると、螺旋軸がセルの基板表面に対して垂直で螺旋状の高分子ネットワークをもつ液晶高分子複合層が形成される。液晶分子の初期の分子配列が固定化され、透明な赤外線調光層２１が得られる。
【００５８】
カイラルネマチック液晶は、選択反射という性質があり、螺旋の向き及び螺旋周期ピッチ長Ｐと平均屈折率ｎの積と等しい波長λ（λ＝ｎＰ）をもつ螺旋軸方向に平行に入射する円偏光を反射する。また、カイラルネマチック液晶の選択反射の波長幅（バンド幅）、即ち、反射スペクトル幅△λは、一般に、液晶の光学的異方性である複屈折率△ｎとピッチ長Ｐの積△ｎＰに近似できることは知られている。
【００５９】
赤外線調光層２１に用いられる液晶組成物は、低分子液晶に加えて光重合性モノマーを含むので、分子液晶と高分子ネットワークとの界面における相互作用の強さは、界面からの距離に依存する。そのため、液晶高分子複合層中では、局所的にこの相互作用の強さが異なり、それに応じて、カイラルネマチック相の螺旋ピッチ長も局所的に異なる。従って、赤外線調光層２１における選択反射のバンド幅△λは、△λ＝△ｎＰでなく、△λ＝△ｎ（Ｐ＋△Ｐ）となる。すなわち、液晶光分子複合層中の低分子液晶と高分子ネットワークとの相互作用により、温度の変化に対して、カイラルネマチック層の螺旋構造のピッチ長の分布が広がり、選択反射のバンド幅は拡大される。
【００６０】
さらに、照射する紫外線強度に勾配をつけたり、重合温度に勾配を設けたり、光重合性液晶モノマーを複数使用し、その間の反応性の差を利用して、選択反射のバンド幅△λを積極的に拡大することは可能である。
【００６１】
赤外線調光層２１は、低分子液晶または低分子液晶と共に用いるカイラルドーパントとして、螺旋捩れ力が温度に依存するものを用いている。これにより、選択反射の長波長端が長波長側に、又は、短波長端が短波長側にシフトし選択反射の波長幅（バンド幅）が広くできる。これにより、可視光線よりも長波長の光（赤外線）に対して５００ｎｍ以上の波長幅（バンド幅）、一般的には５００〜１５００ｎｍの波長幅（バンド幅）にわたり選択反射を行うことができる。
【００６２】
カイラルネマチック相では、螺旋周期ピッチ長と平均屈折率の積に等しい波長を持ち螺旋軸方向に平行に入射する円偏光だけを反射するため、太陽光線中の赤外線に対する選択反射率は、通常約５０％であるが、螺旋の向きが反対で、同じ組成の二つのセルを積み重ねてなるセルでは、カイラルネマチック相の選択反射率を９０％以上にすることもできる。従って、螺旋捩れ力が温度に依存することに基づき、可視光に対しては常に透明だが赤外線に対して低温で狭範囲を反射、そして高温で広範囲を反射するとともに、反射効率の高い、可逆的熱スイッチングを示す熱感応性赤外遮光材料を実現することが可能となる。
【００６３】
赤外線調光層２１は、以上説明したように、光重合性液晶モノマーと低分子液晶とを含む液晶組成物であって室温付近でカイラルネマチック相を呈する液晶組成物を、少なくとも一方が平行配向処理された透明な基板間に挟み、平行配向したカイラルネマチック相状態（プレーナ分子配列）で光重合性液晶モノマーを光重合させることにより形成される。この赤外線調光層２１は、可視光に対しては常に透明であり、それよりも長波長の光に対しては広い波長領域にわたり、透過−選択反射の可逆的熱スイッチングを示す。温度の上昇に伴い選択反射の長波長端が長波長側に、又は、短波長端が短波長側にシフトする性質を示し、特に、温度の上昇に伴い７５０ｎｍから２０００ｎｍの波長範囲で赤外光の選択反射が可能である。
【００６４】
冷房装置３０は、電解質が貯留された貯留部１３の光透過面１３ａは太陽光を透過する材料で形成されており、貯留部１３は、光透過面１３ａを透過した太陽光Ｓが半導体部１１に照射されるように設けられている。半導体部１１の光電変換によりペルチェ素子２が動作して電解質に放熱すると、電解質の温度が上昇する。その結果、電解質における電気化学的な酸化還元反応の反応速度が大きくなるので、電気回路３の電気抵抗が低下し、ペルチェ素子２の動作が活発化する。
【００６５】
光透過面１３ａは、可視光線を透過する一方、温度の上昇に伴い半導体部１１へ赤外線を透過し難くする赤外線調光層２１を備えているので、電解質の温度が上昇して赤外線調光層２１の温度が上昇すると、半導体部１１へ赤外線が照射され難くなる。半導体部１１に赤外線が照射され難くなると、半導体部１１による光電変換が抑制され、電荷の移動が抑制される。よって、ペルチェ素子２の動作が抑制される。
【００６６】
また、ペルチェ素子２の動作が抑制され電解質への放熱が減り、貯留部１３（光透過面１３ａ）の温度が低下し赤外線調光層２１の温度が低下すると、半導体部１１へ赤外線が照射され易くなる。その結果、半導体部１１によってペルチェ素子２へ供給される電流が増加し、ペルチェ素子２の動作が活発化する。
【００６７】
以上のように冷房装置３０は、熱感応性の赤外線調光層２１が光透過面１３ａに配設されているので、赤外線調光層２１の温度、即ち電解質の温度によってペルチェ素子２の動作を制御できる。これにより、室内空間の温度（室温）を検出する温度センサ、その温度センサにより検出された温度に基づいてペルチェ素子２の動作を制御する制御装置等を設けることなく、屋内空間の温度を制御することが可能となる。よって、温度センサや制御装置等を不要にできる機能的な窓部材（冷房装置３０）を提供できる。
【００６８】
次に図３（ａ）を参照して第３実施の形態について説明する。第２実施の形態では、光透過面１３ａに赤外線調光層２１を配設することによってペルチェ素子２の制御をする場合について説明した。これに対し第３実施の形態では、電解質の熱利用や熱回収によってペルチェ素子２の制御をする場合について説明する。なお、第１実施の形態と同一の部分については、同一の符号を付して以下の説明を省略する。図３（ａ）は第３実施の形態における冷房装置５０の模式図である。冷房装置５０は、太陽電池４０と、ペルチェ素子２と、ペルチェ素子２と太陽電池４０とを電気的に接続する電気回路３とを備えている。
【００６９】
太陽電池４０は、電解質を貯留する貯留部４１が、半導体部１１と第２電極２４とが対向する範囲に対して容積が上方に大きく拡大して形成されている。容積が拡大された貯留部４１に熱回収装置５１が配設されている。
【００７０】
熱回収装置５１は、電解質の熱を貯留部４１から外部に取り出すための装置であり、加熱部５２が貯留部４１内に配設され、加熱部５２から貯留部４１の外部に向かって低温部５３が延設されている。熱回収装置５１は、ペルチェ素子２より上方の貯留部４１に配設されているので、ペルチェ素子２の放熱を効率良く回収できる。本実施の形態では、熱回収装置５１はヒートパイプにより構成されている。
【００７１】
ヒートパイプは、密閉容器内に少量の液体（作動液）を真空封入し、内壁に毛細管構造（ウィック）を備えたものである。ヒートパイプの一部（加熱部５２）が電解質によって加熱されると、加熱部５２で作動液が蒸発し蒸発潜熱が吸収される。加熱部５２で生じた作動液の蒸気は低温部５３に移動し、低温部５３で蒸気が凝縮する。このときに蒸発潜熱が放出される。低温部５３で凝縮した作動液は毛細管現象で加熱部５２に環流される。この一連の作動液の相変化が連続的に生じ、電解質の熱が素早く低温部５３に移動する。
【００７２】
ここで、ペルチェ素子２が動作して電解質に放熱すると、電解質の温度が上昇する。電解質の温度が上昇するに伴い、ペルチェ素子２の放熱効率が低下することがある。ペルチェ素子２の放熱効率が低下すると、ひいては冷却効率も低下する。しかし、低温部５３を屋内の空間に配置することにより、屋内の空間の温度（室温）より電解液の温度が高くなると、その温度差を小さくするように電解質の熱が低温部５３に移動する。その結果、電解質の温度を低下させることができるので、ペルチェ素子２の放熱効率が低下することを抑制できる。よって、ペルチェ素子２の冷却効率を安定して維持できる。さらに、屋内の空間では低温部５３から放出された熱を利用できるので、熱の有効活用を図ることができる。
【００７３】
また、電解質の温度が低下すると、電解質における酸化還元反応の反応速度が小さくなることがある。この場合は電気回路３の電気抵抗が大きくなるので、ペルチェ素子２の放熱効率との関係にもよるが、ペルチェ素子２の動作は抑制される。従って、冷房装置５０によれば、電解質の熱を有効活用しつつペルチェ素子２の動作を制御できる。
【００７４】
次に図３（ｂ）を参照して第４実施の形態について説明する。第３実施の形態では、電解質の熱を外部に取り出すための熱回収装置５１が貯留部４１に配設される場合について説明した。これに対し第４実施の形態では、外部の熱利用装置６４との間で電解質を循環する電解質循環路６２を備える冷房装置６０について説明する。冷房装置６０では、電解質は電解質循環路６２を流動可能な液体電解質が用いられる。なお、第１実施の形態および第３実施の形態と同一の部分については、同一の符号を付して以下の説明を省略する。図３（ｂ）は第４実施の形態における冷房装置６０の模式図である。
【００７５】
冷房装置６０は、ペルチェ素子２より上方の貯留部４１に配設されると共に電解質の出し入れを行う電解質出入部６１と、その電解質出入部６１に連通する電解質循環路６２とを備えている。電解質循環路６２に循環ポンプ６３が配設され、系外の熱利用装置６４が電解質循環路６２に連通されている。循環ポンプ６３を駆動すると、貯留部４１内の電解質は電解質出入部６１から電解質循環路６２に流出し、熱利用装置６４を通って電解質循環路６２を経て、電解質出入部６１から貯留部４１に還流される。
【００７６】
ここで、ペルチェ素子２が動作して電解質に放熱すると、電解質の温度が上昇する。電解質の温度が上昇するに伴い、ペルチェ素子２の放熱効率が低下することがある。しかし、電解質循環路６２を使って電解質を熱利用装置６４との間で循環させることにより、電解質の温度を低下させることができる。これにより、ペルチェ素子２の放熱効率が低下することを抑制できる。よって、ペルチェ素子２の冷却効率を安定して維持できる。さらに、熱利用装置６４により熱の有効活用を図ることができる。
【００７７】
以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。また、上記各実施の形態で挙げた数値は一例であり、他の数値を採用することは当然可能である。例えば、上記各実施の形態で説明した形状や数値は任意に設定することができる。
【００７８】
第２実施の形態では、赤外線調光層２１は、室温付近でカイラルネマチック相を呈する液晶組成物を平行配向処理された透明な基板間に挟み、平行配向したカイラルネマチック相状態（プレーナ分子配列）で光重合性液晶モノマーを光重合させることにより形成される場合について説明した。しかし、必ずしもこれに限られるものではなく、液晶の分子配列と相転移点とを利用して赤外線を選択反射する液晶組成物を用いて赤外線調光層を形成することは当然可能である。そのような液晶組成物としては、例えば、所定の温度範囲（２８８Ｋ以上２９８Ｋ未満など）においてコレステリック−スメクチック相転移点を有するものが挙げられる。この液晶組成物によれば、温度が高くなるとコレステリック相を形成し波長７５０ｎｍ〜２０００ｎｍの光を反射する。これにより、可視光線は透過するが赤外線の透過率を軽減する。一方、温度が低くなるとコレステリック相からスメクチック相の相転移が起こり、可視光線は透過させつつ赤外線の透過率を増加させる。
【００７９】
第３実施の形態および第４実施の形態では説明を省略したが、冷房装置５０，６０において、第２実施の形態で説明した赤外線調光層２１を、貯留部４１の光透過面４１ａに配置することは当然可能である。赤外線調光層２１が光透過面４１ａに配置された場合、太陽光が照射されることによって赤外線調光層２１の温度が高くなる。赤外線調光層２１の温度が液晶組成物の相転移点の上限温度を越えると、赤外線の反射効果が低下する（赤外線を透過してしまう）ことがある。また、液晶組成物が過熱されることにより液晶組成物が劣化することがある。
【００８０】
これに対し冷房装置５０，６０によれば熱回収装置５２や電解質循環路６２を備えているので、熱回収装置５２や電解質循環路６２を動作させることによって電解質の温度を低下させることができる。その結果、太陽光が照射されて電解質や赤外線調光層２１の温度が上昇した場合に、貯留部４１（光透過面４１ａ）及び赤外線調光層２１の温度を低下させることができる。その結果、液晶組成物の温度を、相転移点の上限温度以内に抑えることが可能となる。これにより、赤外線調光層２１による赤外線反射効果を確実に得ることができる。さらに液晶組成物の過熱が防止されるので、液晶組成物の劣化を抑制できる。
【符号の説明】
【００８１】
１，３０，５０，６０  冷房装置
２                    ペルチェ素子
３                    電気回路
１１                  半導体部（第１電極）
１３，４１            貯留部
１３ａ，４１ａ        光透過面
１４                  第２電極
２１                  赤外線調光層
５１                  熱回収装置
６２                  電解質循環路
６４                  熱利用装置
【図１】
2013211965.tif 000003
【図２】
2013211965.tif 000004
【図３】
2013211965.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成24年4月5日(2012.4.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
局在型プラズモン共鳴によれば、照射された波長の光の波長が共鳴条件を満たした場合、ナノロッドの中の自由電子が集団的に移動し、光のエネルギーを電磁気学的なエネルギーとして蓄える。その結果、半導体部１１により特定の波長の光が吸収され、電気エネルギーに変換される。局在型プラズモン共鳴を示す波長は、半導体部１１の表面の金（Ａｕ）の形状やサイズ等に依存するので、これらを適宜設定することにより、例えば４５０〜１３００ｎｍの極めて広い波長範囲の光を電気エネルギーに変換することが可能である。