JP2002013836A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 熱交換装置において、熱交換効率を高めて十
分な熱交換性能が得られるようにする。 【解決手段】 ペルチェユニット１３は、送風ファンか
らの空気に対して熱交換を行うユニット１３であって、
ペルチェモジュール２５と、吸熱ヒートシンク２６と、
放熱ヒートシンク２７とを備えている。熱交換部２５
は、吸熱面２５ａ、及び吸熱面２５ａと対向して配置さ
れた放熱面２５ｂを有し、送風ファン１２から空気が供
給されるものである。吸熱ヒートシンク２６は、熱交換
部２５の吸熱面２５ａに熱的に結合され、送風ファン１
２からの空気を冷却可能なものである。放熱ヒートシン
ク２７は、熱交換部２５の放熱面２５ｂに熱的に結合さ
れ、送風ファンからの空気を加熱可能であり吸熱ヒート
シンク２６より伝熱性能が高いものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱交換装置、特
に、送風ファンからの空気に対して熱交換を行う熱交換
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】空気調和装置に使用される熱交換装置と
して、熱電変換半導体素子であるペルチェモジュールを
使用したものが知られている。ペルチェモジュールは、
２つの熱交換面を有しており、電流の通流方向により２
つの熱交換面のいずれ一方が吸熱面となり、他方の放熱
面となる。ペルチェモジュールの熱交換面には、熱交換
のためのヒートシンクがそれぞれ熱的に結合するように
装着されている。ヒートシンクは、熱交換面と密着する
固定部と、固定部から延びるフィンとを有している。ペ
ルチェモジュールを使用した従来の熱交換装置では、２
つの熱交換面が電流の通流方向によって吸熱面又は放熱
面に変化するため、ヒートシンクのフィンの形状は同一
である。

【０００３】このような２つの熱交換面を有する熱交換
装置を用いた空気調和装置では、ペルチェモジュールに
電流を流すことによって、吸熱面での吸熱又は放熱面で
の放熱作用が生じ、送風された空気が冷却又は加熱され
る。そして冷却又は加熱された空気がトイレの使用者に
吹き出されて冷房又は暖房される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の熱交換装置
では、吸熱側と放熱側とのフィンの長さや形状が同じで
あるため、吸熱側と放熱側とでヒートシンクの熱容量や
通風抵抗が実質的に同一になる。このため、両者の熱バ
ランスを最適なものに維持しにくい。この結果、熱交換
の効率が悪化して十分な熱交換性能が得られにくい。

【０００５】本発明の別の課題は、熱交換装置におい
て、熱交換効率を高めて十分な熱交換性能が得られるよ
うにすることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る熱交換装
置（１３）は、送風ファン（１２）からの空気に対して
熱交換を行う装置（１３）であって、熱交換部（２５）
と、吸熱ヒートシンク（２６）と、放熱ヒートシンク
（２７）とを備えている。熱交換部（２５）は、吸熱面
（２５ａ）、及び吸熱面（２５ａ）と対向して配置され
た放熱面（２５ｂ）を有し、送風ファン（１２）から空
気が供給されるものである。吸熱ヒートシンク（２６）
は、熱交換部（２５）の吸熱面（２５ａ）に熱的に結合
され、送風ファン（１２）からの空気を冷却可能なもの
である。放熱ヒートシンク（２７）は、熱交換部（２
５）の放熱面（２５ｂ）に熱的に結合され、送風ファン
（１２）からの空気を加熱可能であり吸熱ヒートシンク
（２６）より伝熱性能が高いものである。

【０００７】この熱交換装置（１３）では、送風ファン
（１２）から供給された空気が両ヒートシンク（２
６），（２７）を通過すると、吸熱ヒートシンク（２
６）側では、空気から熱が奪われて空気が冷却される。
また、放熱ヒートシンク（２７）側では、空気に熱が与
えられて空気が加熱される。ここでは、放熱側の伝熱性
能が吸熱側に比べて高いので、放熱側で熱を放出しやす
くなり、両者の熱バランスを最適なものに維持しやすく
なる。したがって、熱交換効率が高くなり、十分な熱交
換性能が得られるようになる。

【０００８】請求項２に係る熱交換装置は、請求項１に
記載の装置において、吸熱ヒートシンク（２６）は、吸
熱面（２５ａ）に固定される吸熱固定部（２６ａ）と、
吸熱固定部（２６ａ）から延びる多数の吸熱フィン（２
６ｂ）とを有し、放熱ヒートシンク（２７）は、放熱面
（２５ｂ）に固定される放熱固定部（２７ａ）と、放熱
固定部（２７ａ）から延び前記吸熱フィン（２６ｂ）よ
り伝熱性能が高い多数の放熱フィン（２７ｂ）とを有す
る。この場合には、吸熱フィン（２６ｂ）より放熱フィ
ン（２７ｂ）の方が伝熱性能が高いので、両ヒートシン
ク（２６），（２７）の熱バランスを最適なものに維持
しやすくなる。

【０００９】請求項３に係る熱交換装置は、請求項２に
記載の装置において、放熱フィン（２７ｂ）は、吸熱フ
ィン（２６ｂ）より熱容量が大きい。この場合には、放
熱フィン（２７ｂ）側の熱容量が大きいので、放熱側で
効率よく放熱され、全体として熱交換効率が高くなり、
十分な熱交換性能が得られるようになる。請求項４に係
る熱交換装置は、請求項２又は３に記載の装置におい
て、放熱フィン（２７ｂ）の長さは、吸熱フィン（２６
ｂ）の長さより長い。この場合には、放熱フィン（２７
ｂ）側の長さが長いので、放熱側の熱容量が大きくな
る。

【００１０】請求項５に係る熱交換装置は、請求項４に
記載の装置において、放熱フィン（２７ｂ）の長さは、
吸熱フィン（２６ｂ）の長さの１１０％から１５０％の
範囲である。この場合には、吸熱フィン（２６ｂ）の長
さが適宜の長さになるので、両ヒートシンクの熱バラン
スが最適な状態に維持される。請求項６に係る熱交換装
置は、請求項２から５いずれかに記載の装置において、
放熱フィン（２７ｂ）は、吸熱フィン（２６ｂ）より通
風抵抗が小さい。この場合には、吸熱側が放熱側に比べ
て通風抵抗が大きいので、放熱側の通風量が増加し見掛
けの放熱量が向上する。しかも、吸熱側の通風抵抗が放
熱側に比べて大きいので、吸熱側の吹き出し量が減少
し、吸熱側で十分に冷却されかつ絞られた空気が得られ
る。

【００１１】請求項７に係る熱交換装置は、請求項６に
記載の装置において、吸熱フィン（２６ｂ）の断面形状
は矩形であり、放熱フィン（２７ｂ）の断面形状は通風
方向の幅が狭い翼形である。この場合には、空気抵抗が
大きな矩形断面と空気抵抗が小さい翼形断面とにより、
吸熱フィン（２６ｂ）と放熱フィン（２７ｂ）との通風
抵抗を大きく異ならせることができる。

【００１２】請求項８に係る熱交換装置は、請求項１か
ら７のいずれかに記載の装置において、熱交換部（２
５）は、吸熱面（２５ａ）と放熱面（２５ｂ）とを有す
る熱伝変換半導体素子からなるペルチェモジュール（２
５）である。この場合には、ペルチェモジュール（２
５）により吸熱面（２５ａ）と放熱面（２５ｂ）とを簡
素に構成できる。

【００１３】

【実施の形態】図１から図３において、本発明の一実施
形態を採用したトイレ用エアコン１０は、限定された空
間であるトイレＴＬ内の個室のパーティションや壁など
に吊り下げ可能なものであり、トイレＴＬの利用者ＵＳ
に向けて冷気を吹き出し可能である。トイレ用エアコン
１０は、トイレＴＬ内に吊り下げ可能なケーシング１１
と、ケーシング１１内に装着された送風ファン１２と、
送風ファン１２の下方に配置されたペルチェユニット
（熱交換部の一例）１３とを備えている。また、トイレ
用エアコン１０は、冷気及び暖気を吹き出すための第１
及び第２吹き出し部１４，１５と、第１吹き出し部１４
から第２吹き出し部１５に水を流し得る案内部１６を備
えている。

【００１４】ケーシング１１は、内部に空間を有する概
ね直方体形状のものであり、前面上部に空気を取り入れ
るための空気取り入れ口１１ａが形成され、前面下部に
冷気を吹き出すための第１吹き出し部１４を構成する第
１吹き出し口１４ａが形成されている。また、側面下部
に暖気を排出するための第２吹き出し部１５を構成する
第２吹き出し口１５ａが形成されている。さらに前面に
は、操作パネル２０が設けられており、操作パネル２０
には、トイレ用エアコン１０をオンオフするための電源
スイッチや、温度調節するための温調スイッチや、風量
を調整するため風量調整スイッチなどの各種の操作スイ
ッチや、それらの表示部などが設けられている。また、
操作パネル２０には、操作スイッチの操作に応じて送風
ファン１２やペルチェユニット１３を制御するためのマ
イクロコンピュータを含む制御装置が設けられている。

【００１５】送風ファン１２は、空気取り入れ口１１ａ
に対向した位置でケーシング１１内に装着されている。
送風ファン１２は回転中心側から径方向外方に空気を吐
出するシロッコファンである。送風ファン１２は、吐き
出された空気を下方に配置されたペルチェユニット１３
に送るためのケースダクト１２ａと、ケースダクト１２
ａに固定されたファンモータ１２ｂと、ファンモータ１
２ｂにより駆動される多翼型のファン１２ｃとを有して
いる。ケースダクト１２ａは、ケーシング１１に固定さ
れている。

【００１６】ペルチェユニット１３は、対向する主面に
吸熱面２５ａと放熱面２５ｂとを有するペルチェモジュ
ール２５と、吸熱面２５ａに熱的に結合された吸熱ヒー
トシンク２６と、放熱面２５ｂに熱的に結合された放熱
ヒートシンク２７とを有している。ペルチェモジュール
２５は、熱電変換半導体素子からなるモジュールであ
り、電流の通流方向によって一面（図３左側面）が吸熱
面２５ａになり、他面（図３右則面）が放熱面２５ｂに
なる。

【００１７】吸熱ヒートシンク２６及び放熱ヒートシン
ク２７は、吸熱面２５ａ及び放熱面２５ｂにそれぞれね
じ止めや接着などの適宜の固定手段により固定されてい
る。吸熱ヒートシンク２６及び放熱ヒートシンク２７
は、アルミニウム合金やマグネシウム合金や高機能グラ
ファイトなどの比較的軽量で熱伝達効率が高い材料から
形成されている。

【００１８】吸熱ヒートシンク２６は、図４及び図５
（ａ）に示すように、吸熱面２５ａに固定される吸熱固
定部２６ａと、吸熱固定部２６ａから延びる多数の吸熱
フィン２６ｂとを有している。吸熱フィン２６ｂは、断
面が略正方形の角柱状の部材であり、吸熱固定部２６ａ
と一体形成されている。吸熱フィン２６ｂの縦横の寸法
Ｈ１，Ｂ１は、たとえば、１．５ｍｍから３ｍｍ程度で
ある。吸熱フィン２６ｂピッチＰ１は、たとえば３ｍｍ
から６ｍｍ程度である。また、吸熱フィン２６ｂの長さ
Ｌ１は、たとえば２５ｍｍから３２ｍｍの範囲である。
吸熱フィン２６ｂは、縦横に整列して配置されている。

【００１９】放熱ヒートシンク２７は、図４及び図５
（ｂ）に示すように、放熱面２５ｂに固定される放熱固
定部２７ａと、放熱固定部２７ａから延びる多数の放熱
フィン２７ｂとを有している。放熱フィン２７ｂは、断
面が略翼型の板状の部材であり、放熱固定部２７ａと一
体形成されている。放熱フィン２７ｂの縦寸法Ｈ２は、
たとえば８ｍｍから１２ｍｍ程度であり、横寸法Ｂ２
は、たとえば、１．５ｍｍから３ｍｍ程度である。放熱
フィン２７ｂのピッチＰ２は、たとえば３ｍｍから６ｍ
ｍ程度である。また、放熱フィン２７ｂの長さＬ２は、
たとえば３３ｍｍから４５ｍｍの範囲であり、吸熱フィ
ン２６ｂより長い。放熱フィン２７ｂの長さは、吸熱フ
ィン２６ｂの長さの１１０％から１５０％の範囲が好ま
しい。放熱フィン２７ｂは、縦横に整列して配置されて
おらず、縦方向に千鳥足状に交互にずれて配置されてい
る。

【００２０】ここでは、放熱フィン２７ｂの方が吸熱フ
ィン２６ｂより長いので、より高い熱伝達性能が要求さ
れる発熱側の放熱ヒートシンク２７の熱容量が冷却側の
吸熱ヒートシンク２６の熱容量よりも大きくなり、吸放
熱のバランスが向上し、熱効率が高くなる。また、吸熱
フィン２６ｂを正方形断面にして放熱フィン２７ｂを翼
状断面にして両フィン２６ｂ，２７ｂの間で空気の通過
抵抗に差をつけたので、放熱フィン２７ｂ側の通過風量
が大きくなり、見掛けの放熱量が向上し、さらに吸放熱
のバランスが向上する。

【００２１】第１吹き出し部１４は、冷気を吹き出すた
めのものであり、図６に示すように、前述した第１吹き
出し口１４ａと、ペルチェユニット１３の下方前側にケ
ーシング１１の幅方向に長く形成された第１通風部１４
ｂと、第１通風部１４ｂと第１吹き出し口１４ａとの間
でケーシング１１に上下に首振り自在に装着された吹き
出しフィン１４ｃとを備えている。第１通風部１４ｂ
は、斜めに配置されたジャマ板１４ｄを有しており、こ
のジャマ板１４ｄにより送風ファン１２から吸熱フィン
２６ｂを通って冷やされた空気が第１吹き出し口１４ａ
に向けて通流方向が転換される。この第１吹き出し部１
４は、ケーシング１１の前面下部に配置されているの
で、トイレＴＬの利用者ＵＳに向けて角度を変えて冷気
を吹き出し可能である。

【００２２】第２吹き出し部１５は、前述した第２吹き
出し口１５ａと、ペルチェユニット１３の下方後側にケ
ーシング１１の幅方向に長く形成された第２通風部１５
ｂとを有している。第２通風部１５ｂは、第１通風部１
４ｂと案内部１６を除いて隔壁１７により区画されてい
る。第２吹き出し口１５ａには、排気ダクト１５ｃが取
り付けられている。排気ダクト１５ｃは、施工を容易に
するために可撓性を有する自在ダクトで構成されてい
る。排気ダクト１５ｃは、トイレＴＬ内の大便器３０に
設けられたロータンク３１の水栓３２の近傍に先端が配
置されている。排気ダクト１５ｃの先端からは放熱フィ
ン２７ｂにより暖められた温風が吹き出すので、これを
手洗い後の濡れた手の温風乾燥に用いることができる。

【００２３】案内部１６は、第１吹き出し部１４から第
２吹き出し部１５へ吸熱フィン２６ｂで結露した水を案
内するためのものである。案内部１６は、水が流れ得る
勾配１６ａを有する傾斜部１６ｂと、傾斜部１６ｂから
垂直に下方に延びる絞り部１６ｃとを有している。絞り
部１６ｃは、下方に行くにつれて開口面積が小さくなる
ものであり、第２吹き出し部１５から第１吹き出し部１
４に温風が逆流するのを防止するために設けられてい
る。このような案内部１６を設けると、結露した水が温
風が通る第２吹き出し部１５に案内されるので、そこで
蒸発して排出される。このためドレン配管を設ける必要
がなくなり、トイレ用エアコン１０の設置が容易にな
る。

【００２４】次に、本実施形態によるトイレ用エアコン
１０の動作について説明する。操作パネル２０の電源ス
イッチをオン操作すると、送風ファン１２が回りだし、
外気が吸い込まれてペルチェユニット１３に向けて吐き
出される。また、ペルチェモジュール２５に電流が流
れ、吸熱面２５ａで吸熱作用が生じ、放熱面２５ｂで放
熱作用が生じる。ペルチェモジュール２５の吸熱面２５
ａ側を通った空気は、吸熱ヒートシンク２６により冷却
され冷気となって第１吹き出し口１４ａからケーシング
１１外に吹き出される。また、ペルチェモジュール２５
の放熱面２５ｂ側を通った空気は、放熱ヒートシンク２
７により暖められ暖気となって第２吹き出し口１５ａか
ら排気ダクト１５ｃを介して水栓３２の近傍に吹き出さ
れる。このため、空調に利用しない暖気を手洗い後の温
風乾燥に有効利用できる。

【００２５】このとき、案内部１６が２つの吹き出し部
１４，１５を連結しているが、案内部１６に絞り部１６
ｃを設けたので、暖気が第２吹き出し部１５から第１吹
き出し部１４側に逆流しにくい。また、放熱ヒートシン
ク２７側が吸熱ヒートシンク２６側より空気が流れやす
くかつ長さが長く熱容量が大きい。このため、吸熱と放
熱との熱バランスが良好になり、吸熱・放熱作用が最適
な状態に維持される。この結果、少ない電力消費で効果
的に冷房を行うことができる。さらに、吸熱側では、抵
抗が大きいので通過風量が減少し、第１吹き出し部１４
から十分に冷却された空気が風量を抑えて吹き出され
る。

【００２６】そして、トイレＴＬの利用者ＵＳの頭部付
近に向けて冷気が吹き出し、部屋全体の空調がなされて
いない空間であっても局所的な空調を行うことができ
る。また、結露水を案内部１６により暖気側に案内して
蒸発させているので、結露水を排出するためのドレン配
管が不要になる。さらに、暖気を用いて温風乾燥も可能
になる。

【００２７】〔他の実施形態〕 （ａ） 前記実施形態では、熱交換部としてペルチェユ
ニット１３を例示したが、熱交換部は、対向して吸熱面
と放熱面とを有する熱交換機能を有する全てのものを用
いることができる。 （ｂ） 前記実施形態では、吸熱フィン２６ｂと放熱フ
ィン２７ｂとの長さ変えることにより熱容量を相違させ
たが、空気との接触面積を変えることにより熱容量を相
違させてもよい。

【００２８】（ｃ） 前記実施形態では、吸熱フィン２
６ｂと放熱フィン２７ｂとの断面形状を異ならせて通風
抵抗を相違させたが、断面形状を変えずにフィンの密度
を変えることにより通風抵抗を相違させてもよい。

【００２９】

【発明の効果】本発明の熱交換装置によれば、放熱側の
伝熱性能が吸熱側に比べて高いので、放熱側で熱を放出
しやすくなり、両者の熱バランスを最適なものに維持し
やすくなる。したがって、熱交換効率が高くなり、十分
な熱交換性能が得られるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を採用したトイレ用エアコ
ンの設置状態を示す図。

【図２】その透視斜視図。

【図３】図２にIII−III断面図。

【図４】ペルチェユニットの斜視部分図。

【図５】ヒートシンクのフィンの断面図。

【図６】案内部を示す図３の下部断面部分図。

【符号の説明】

１２ 送風ファン １３ ペルチェユニット ２５ ペルチェモジュール ２５ａ 吸熱面 ２５ｂ 放熱面 ２６ 吸熱ヒートシンク ２６ａ 吸熱フィン ２７ 放熱ヒートシンク ２７ａ 放熱フィン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 寺木 潤一 滋賀県草津市岡本町字大谷1000番地の２ ダイキン工業株式会社滋賀製作所内 (72)発明者 原田 浩一 滋賀県草津市岡本町字大谷1000番地の２ ダイキン工業株式会社滋賀製作所内 Ｆターム(参考） 3L050 BC05

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】送風ファン（１２）からの空気に対して熱
   交換を行う熱交換装置（１３）であって、 吸熱面（２５ａ）、及び前記吸熱面（２５ａ）と対向し
   て配置された放熱面（２５ｂ）を有し、前記送風ファン
   （１２）から空気が供給される熱交換部（２５）と、 前記熱交換部（２５）の吸熱面（２５ａ）に熱的に結合
   され、前記送風ファン（１２）からの空気を冷却可能な
   吸熱ヒートシンク（２６）と、 前記熱交換部（２５）の放熱面（２５ｂ）に熱的に結合
   され、前記送風ファン（１２）からの空気を加熱可能で
   あり前記吸熱ヒートシンク（２６）より伝熱性能が高い
   放熱ヒートシンク（２７）と、を備えた熱交換装置。
2. 【請求項２】前記吸熱ヒートシンク（２６）は、前記吸
   熱面（２５ａ）に固定される吸熱固定部（２６ａ）と、
   前記吸熱固定部（２６ａ）から延びる多数の吸熱フィン
   （２６ｂ）とを有し、 前記放熱ヒートシンク（２７）は、前記放熱面（２５
   ｂ）に固定される放熱固定部（２７ａ）と、前記放熱固
   定部（２７ａ）から延び前記吸熱フィン（２６ｂ）より
   伝熱性能が高い多数の放熱フィン（２７ｂ）とを有す
   る、請求項１に記載の熱交換装置。
3. 【請求項３】前記放熱フィン（２７ｂ）は、前記吸熱フ
   ィン（２６ｂ）より熱容量が大きい、請求項２に記載の
   熱交換装置。
4. 【請求項４】前記放熱フィン（２７ｂ）の長さは、前記
   吸熱フィン（２６ｂ）の長さより長い、請求項２又は３
   に記載の熱交換装置。
5. 【請求項５】前記放熱フィン（２７ｂ）の長さは、前記
   吸熱フィン（２６ｂ）の長さの１１０％から１５０％の
   範囲である、請求項４に記載の熱交換装置。
6. 【請求項６】前記放熱フィン（２７ｂ）は、前記吸熱フ
   ィン（２６ｂ）より通風抵抗が小さい、請求項２から５
   のいずれかに記載の熱交換装置。
7. 【請求項７】前記吸熱フィン（２６ｂ）の断面形状は矩
   形であり、前記放熱フィン（２７ｂ）の断面形状は通風
   方向の幅が狭い翼形である、請求項６に記載の熱交換装
   置。
8. 【請求項８】前記熱交換部（２５）は、前記吸熱面（２
   ５ａ）と前記放熱面（２５ｂ）とを有する熱伝変換半導
   体素子からなるペルチェモジュール（２５）である、請
   求項１から７のいずれかに記載の熱交換装置。