JP2003269874A - 熱交換器および熱交換方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 筐体内を冷却するための従来の熱交換器は高
効率で熱交換できず、また、屋外での使用時に水等が進
入してしまっていた。 【解決手段】 筐体内部において伝熱流体を相互に隔絶
した流路を形成し、所定方向への対向流と当該対向流に
直交する直交流を生成して熱交換を行う。従って、筐体
外部から内部への水の進入を確実に防止することができ
る。また、筐体外部にはペルチエ素子が配設されるとと
もに当該ペルチエ素子は筐体外部に配設されたソーラー
パネルからの電力供給を受けて駆動される。従って、ペ
ルチエ素子にて冷却された空気と筐体内部で暖められた
空気とによって熱交換をさせることができ、高効率で熱
交換させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱交換器および熱
交換方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】工場等において、ＮＣやロボットアーム
等の制御電装機器等は筐体内に収められることが多い。
これらの制御電装機器等はその制御対象の駆動とともに
発熱するので筐体内の熱を効率的に廃熱する必要があ
り、従来から種々の熱交換器が使用されている。低コス
トで種々の筐体に取り付けることが可能な熱交換器とし
て、箱形の熱交換器が知られている。この熱交換器は上
記制御電装機器等が収容される筐体の一面に取り付けら
れるようになっており、吸込ファンを介して当該箱内に
上記筐体内の気体を取り込んで箱内を循環させた後に再
び筐体内に排出し、筐体外部の気体を取り込んで箱内を
循環させた後に再び筐体外に排出するようになってい
る。熱交換器を形成する箱は、その中央に配置された放
熱フィンで仕切られており、上記筐体内の気体と筐体外
部の気体と当該放熱フィンの両側で互いに行き来するこ
となく逆向きに流れる。従って、両者の熱は放熱フィン
を介して伝導し、筐体内の熱が筐体外へと伝達される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の箱形の
熱交換器においては放熱フィンの加工に手間がかかり、
また、筐体内への水の進入を確実に防止することができ
なかった。すなわち、上述の放熱フィンにおいては、低
コスト化のために部品を一体としておらず、また、溶接
加工をしないで筐体内外を隔絶させるため、放熱フィン
にシール加工を施していた。従って、シール加工の確実
性を上げる程加工に手間がかかり、また、シールの程度
や経時変化によって筐体外から雨水が浸入することがあ
り、屋外で使用する場合には特に念入りなシールが必要
となっていた。さらに、隔絶された流体が放熱フィンを
介して熱交換をする必要があり、熱交換の効率が低かっ
た。本発明は、上記課題にかんがみてなされたもので、
低コストかつ少ない工数で構成可能であるとともに屋外
でも使用可能あり、さらに高効率で熱交換可能な熱交換
器および熱交換方法を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１にかかる発明は、発熱体を収容する筐体の
内外の熱を交換する熱交換器であって、熱伝導体である
とともに上記筐体の外面の一方側と他方側とを連通させ
る複数の流路を形成する第１熱交換フィンと、熱伝導体
であるとともに上記筐体の内部空間内で連通した流路を
形成する第２熱交換フィンと、熱伝導体であるとともに
上記第１熱交換フィンと第２熱交換フィンとが形成する
流路内の伝熱流体を相互に隔絶しこれらの流路を交差さ
せながら積層させる板状隔絶部材と、上記第１熱交換フ
ィンが形成する所定の流路にて伝熱流体の流れを所定方
向に促進するとともに他の流路にて伝熱流体の流れを対
向方向に促進する第１促流ファンと、上記第２熱交換フ
ィンが形成する流路内で伝熱流体の流れを一方向に促進
する第２促流ファンとを具備する構成としてある。

【０００５】上記のように構成した請求項１にかかる発
明において、第１熱交換フィンと第２熱交換フィンとは
板状隔絶部材によって積層されており、各フィンは伝熱
流体の流路を形成している。第１熱交換フィンは発熱体
を収容する筐体の外面の一方側と他方側とを連通させる
伝熱流体の複数の流路を形成しており、第２熱交換フィ
ンは筐体内部で連通した伝熱流体の流路を形成している
とともに両流路は交差している。

【０００６】第１熱交換フィンが形成する流路は上記筐
体の外面の一方側と他方側とを連通させており、第１促
流ファンにて伝熱流体が送られるので、筐体外部の伝熱
流体は当該流路を流れる。また、当該第１熱交換フィン
が形成する流路では、筐体の一方の外面から他方の外面
への流れを形成しつつもその流路は２系統である。すな
わち、複数の流路は上記筐体側面を連通するように配向
しているが、ある流路では一方に向けて伝熱流体が流
れ、他の流路ではこの流れに対向するように伝熱流体が
流れる。第２熱交換フィンが形成する流路は上記筐体の
内部空間内で連通しているので、筐体内部の伝熱流体は
当該流路を流れる。各フィンは熱伝導体であるととも
に、熱伝導体の板状隔絶部材にて伝熱流体が隔絶されて
いるので、伝熱流体が混合することなく各流路を流れる
ことによってフィンおよび板状隔絶部材を介した熱交換
がなされ、筐体内の熱を筐体外へ排出することができ
る。

【０００７】また、各流路内の伝熱流体が混合しないの
で、屋外での使用時に外部から筐体内への水の進入等を
確実に防止することができる。両流路が板状隔絶部材に
よって相互に隔絶されていることにより、流路相互のシ
ール作用は当該板状隔絶部材で担うことができ、各フィ
ン自体に慎重なシールを施す必要がなくなって、シール
工数を減らすことができる。むろん、フィン自体に溶接
等を施す必要がなく低コストで構成可能である。

【０００８】さらに、第１熱交換フィンが形成する複数
の流路では伝熱流体が対向方向に流れるので、各流路に
おいて熱勾配が逆向きになり、第１，第２熱交換フィン
および板状隔絶部材からなる積層体全体で一方向への熱
勾配を発生することを防止して効率的に熱交換を行うこ
とができる。すなわち、第１熱交換フィンが形成する流
路内を伝熱流体が流れると、熱交換によって流路入り口
側から出口側に向けて熱勾配が生じるので、当該伝熱流
体の流れ方向が一方向のみであると第１，第２熱交換フ
ィンおよび板状隔絶部材からなる積層体全体でも一方向
への熱勾配が生じる。しかし、所定方向に配向する複数
の流路であってもその中を流れる伝熱流体が互いに逆向
きに流れると、熱勾配が逆向きになり第１，第２熱交換
フィンおよび板状隔絶部材からなる積層体全体では熱勾
配が略一様になる。従って、効率的に熱交換可能であ
る。

【０００９】ここで、上記発熱体は種々のものが想定さ
れ、上述のＮＣやロボットアーム等の制御電装機器等な
ど筐体内に配設されるとともに発熱を行う種々のものが
該当する。伝熱流体は熱量を有するとともに上記各フィ
ンと相互に熱量の授受を行い得る流体であれば良く、上
記制御電装機器等の筐体に使用するような場合は筐体内
外の空気が当該伝熱流体に該当する。むろん、空気等の
気体に限定されることはなく液体であっても良く、冷却
水を使用した熱交換器において伝熱流体は当該冷却水に
なるし、他にもオイル等を使用可能である。さらに、第
１，第２熱交換フィンが形成する流路で相互に伝熱流体
が異なっても良い。

【００１０】第１，第２熱交換フィンおよび板状隔絶部
材は、伝熱流体の流路を形成するとともに当該伝熱流体
を介して熱交換可能であれば良く、素材は熱伝導体であ
る。板状隔絶部材は流路を隔絶することによって流路壁
の一部にもなり得る。ここで、熱伝導率は特に限定され
ないが、少なくとも伝熱流体の熱を授受することにより
筐体内外で熱交換可能な程度の熱伝導率を有していれば
よい。筐体内の発熱体からの発熱量や望まれる単位時間
の交換熱量等に基づいて好ましい素材を決定すれば良
く、熱交換可能な範囲で他の観点、例えば、加工の容易
性や素材コスト等から好ましい素材を選択することがで
きる。

【００１１】また、各フィンにおいては伝熱流体の流路
を形成すればよいが、熱交換器の性能向上のためには当
該流路の表面積が大きい方が好ましい。また、流路とし
ては流れ方向に太さの変化や屈曲等が存在しない単純な
経路が好ましい。このような、フィン構造はいわゆるハ
ニカム構造によって構成することができる。第１熱交換
フィンは複数の流路を確保するために少なくとも２層、
第２熱交換フィンは少なくとも１層の積層になっていれ
ばよいが、むろん流路の表面積を確保するためには多数
のフィンが積層されている方が好ましい。積層する順番
としては第１，第２熱交換フィンが交互である態様が好
ましいが、第１熱交換フィンを２層，第２熱交換フィン
を２層の順で積層する構成等も採用可能である。

【００１２】両フィンが形成する流路は交差していれば
良く、直交を含む種々の交差が該当する。むろん、交差
すると言ってもフィンおよび板状隔絶部材を介して熱交
換させるため、両流路が連通した構成とはしておらず、
この意味でフィンの交差は平面交差ではなく立体交差で
ある。第１熱交換フィンが形成し、伝熱流体が対向方向
に流れる各流路も互いに連通しておらず、それぞれの流
路内の伝熱流体は略平行対向流であればよい。また、第
１熱交換フィンが形成する流路は筐体の外面の一方側と
他方側とを連通させていればよいので、筐体外部にて屈
曲していたり、伝熱流体の流れ方向が共通の流路同士が
連通していても良い。

【００１３】また、請求項２にかかる発明は、上記第１
熱交換フィンが形成し、伝熱流体が対向方向に流れる流
路の間には給電によって低温部と高温部とを生じる熱電
変換素子が介在されており、上記伝熱流体の吸入側に上
記熱電変換素子の低温部が配設され上記伝熱流体の排出
側に上記熱電変換素子の高温部が配設される構成として
ある。すなわち、外部から第１熱交換フィンが形成する
流路に吸入される伝熱流体は熱電変換素子の低温部で冷
却され、第１および第２熱交換フィンが形成する流路内
に流れる伝熱流体の温度差が上昇し、交換可能な熱量が
多くなる。従って、非常に高い効率で熱交換可能な熱交
換器を提供することができる。

【００１４】ここで、熱電変換素子は給電によって低温
部と高温部とを生じる素子であれば良く、例えば、ペル
チエ素子等によって構成可能である。また、上記第１熱
交換フィンでは伝熱流体が一方に流れる流路と対向方向
に流れる流路とを形成すればよいが、ペルチエ素子の数
を極力少なくするためには、伝熱流体が一方に流れる流
路をひとまとまりにして対向方向に流れる流路をひとま
とまりにし、各まとまりの間にペルチエ素子を介在させ
るのが好ましい。尚、熱電変換素子では通常低温部の反
対側が高温部となるが、高温部は伝熱流体の排出側に配
設されるので熱交換に影響を与えない。

【００１５】さらに、請求項３にかかる発明では、上記
筐体の所定外面には光電変換素子が配設されており、同
光電変換素子が生成した起電力を上記熱電変換素子に供
給する構成としてある。すなわち、光電変換素子によれ
ば筐体外の光源からの照射光にて電力を発生させること
ができ、蓄電池や電源等を用いることなく熱電変換素子
を駆動することができる。従って、特に屋外にて上記筐
体および熱交換器を使用する際に好適である。

【００１６】また、光電変換素子によれば、インバータ
回路等複雑な回路を構成することなく熱電変換素子に供
給する電力を生成することができ、非常に簡易な構成に
よって実現可能であるし、屋外で無料の太陽光を使用す
ると昼間の日差しの下で最も冷却要求が高い日中に熱電
変換素子に多くの電力を供給することができ、熱交換効
率を向上させることができる。

【００１７】さらに、請求項４にかかる発明では、上記
光電変換素子は、上記筐体外から当該筐体に対して照射
される光を遮るように配設されている構成としてある。
すなわち、筐体に対して光が照射されると筐体表面が暖
められるので、筐体外の光源も筐体における熱の発生源
となりうる。しかし、この光を遮ることによって筐体に
対して直接照射する光量を低減させ、筐体表面の温度上
昇を抑えることができるとともに、その光エネルギーを
さらに熱電変換素子での冷却に使用することができ、非
常に効果的に筐体内の冷却効率を高めることができる。

【００１８】さらに、請求項５にかかる発明では、上記
第１熱交換フィンおよび第２熱交換フィンと板状隔絶部
材とからなる積層体は、上記筐体の上部に配設されてい
る構成としてある。すなわち、筐体内の高温の伝導流体
は対流によって筐体内上方に移動するので、筐体上部に
上記第１熱交換フィンおよび第２熱交換フィンと板状隔
絶部材とからなる積層体を配設することによって、熱交
換すべき高温の伝導流体を効率的に当該積層体内に取り
込むことができる。

【００１９】さらに、請求項６にかかる発明では、上記
第１熱交換フィンが形成する流路は上記筐体の対向する
側面同士を連通するとともに上記筐体内部で当該側面に
対して略直角に配向されつつ上記筐体外部で当該側面に
対して略平行に配向されて下方に向けて開口し当該開口
と筐体外面との間に上記熱電変換素子が配設されてお
り、上記第２熱交換フィンが形成する流路は上記筐体の
底面に対して略直角に配向される構成としてある。

【００２０】すなわち、第１熱交換フィンが形成する複
数の流路内で伝熱流体は対向流であるとともに第２熱交
換フィンが形成する流路内の伝熱流体と略直交するよう
になっている。さらに、第１熱交換フィンが形成する流
路の開口は下方を向いているので筐体および熱交換器を
屋外で使用しても、雨等の水が流路に進入しづらく確実
に防水を行うことができる。また、熱電変換素子は筐体
外面と第１熱交換フィンが形成する流路との間に配設さ
れているので、着脱が容易となって交換等のメンテナン
スが容易になるとともに、当該熱電変換素子への給電の
ための配線が容易である。

【００２１】さらに、請求項７にかかる発明では、上記
筐体内部において、上記第１熱交換フィンおよび第２熱
交換フィンと板状隔絶部材とからなる積層体の下方には
当該積層体からの落下液体受けとなる防滴パンが配設さ
れている構成としてある。すなわち、上記積層体ではそ
の内部を流れる伝熱流体が熱交換を行うので、低温度部
分周辺における筐体内部の水分が水滴となって積層体に
付着することがある。この水滴がある程度の量になると
積層体から離れて筐体内に落下することが考えられる
が、筐体内には電機部品等を配設するので水分にさらさ
ないことが好ましい。そこで、本発明のように積層体の
下方に防滴パンを配設することによって、筐体内の電機
部品等に水が付着することを防止することができる。

【００２２】さらに、請求項８にかかる発明では、上記
防滴パンは底面の一部に縁が略垂設した開口部を有する
略皿形状に形成されており当該縁の周りの底面上に上記
落下液体を蓄積可能であり、上記第２促流ファンは上記
開口部下方に配設されるとともに当該開口部を通じて防
滴パンの上方に促流を送る構成としてある。すなわち、
防滴パンと第２促流ファンとの双方を上記積層体の下方
に配設する場合、両者が近傍に配設されるが、本構成に
より両者の機能を損なわず、両者を干渉させることなく
積層体の下方に配設することができる。

【００２３】このように、伝熱流体を流路内で対向流お
よびクロスフローとし、筐体内外の熱を交換する手法は
必ずしも実体のある装置に限られる必要はなくその方法
としても機能し、請求項９は係る発明は方法に対応した
構成としてある。すなわち、必ずしも実体のある装置に
限らず、その方法としても有効であることに相違はな
い。むろん、請求項２〜請求項８に対応した方法を構成
することもできる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように請求項１および請求
項９にかかる発明によれば、効率的に熱交換可能な熱交
換器および熱交換方法を提供することができる。また、
請求項２にかかる発明によれば、非常に高い効率で熱交
換可能である。さらに、請求項３にかかる発明によれ
ば、低コストかつ高効率で、特に屋外にて使用して好適
な構成を提供することができる。さらに、請求項４にか
かる発明によれば、非常に効果的に筐体内の冷却効率を
高めることができる。

【００２５】さらに、請求項５にかかる発明によれば、
熱交換すべき高温の伝導流体を効率的に当該積層体内に
取り込むことができる。さらに、請求項６にかかる発明
によれば、雨等の水が流路に進入することを確実に防止
し、熱電変換素子交換等のメンテナンスが容易になると
ともに、当該熱電変換素子への給電のための配線が容易
になる。さらに、請求項７にかかる発明によれば、筐体
内の電機部品等に水が付着することを防止することがで
きる。さらに、請求項８にかかる発明によれば、防滴パ
ンと促流ファンとの機能を損なわず、両者を干渉させる
ことなく積層体の下方に配設することができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】ここでは、下記の順序に従って本
発明の実施の形態について説明する。 （１）熱交換器の構成： （２）積層体の構成： （３）ダクトの構成： （４）本発明の動作：

【００２７】（１）熱交換器の構成：図１は、本発明に
かかる熱交換器を示す概略斜視図である。同図において
は、紙面に示すように紙面上下方向を筐体の上下方向，
紙面左右方向を筐体の左右方向、両方向に直交する奥行
き方向を紙面に示すように前後方向として説明する。筐
体１０は６面が略平行の中空略直方体であり、内部空間
に熱交換器の構成部品と各種制御電装機器等を配設可能
である。すなわち、筐体１０は各種制御電装機器等を内
部に収容可能に構成されており、その一面には図示しな
いヒンジによって開閉可能な開閉扉１１が備えられてい
る。制御電装機器等は工場等における各種機器を駆動制
御するために使用され、工場で発生する油や切り粉等が
制御電装機器等に付着することを防止するため、通常の
駆動制御時に上記開閉扉１１は閉じられている。

【００２８】開閉扉１１が閉じられた状態で制御電装機
器等を機能させると当該制御電装機器等は発熱し、筐体
１０の内部に熱量がこもることになる。そこで、本実施
形態においては筐体１０の上部に熱交換器２０を配設し
て、筐体１０の内外で熱を交換するように構成してあ
る。熱交換器２０は、筐体１０の内部に配設された積層
体３０と筐体１０の外部に配設されたダクト４０および
ソーラーパネル５０を備えている。ソーラーパネル５０
は複数の太陽電池セルを備えており、各太陽電池セルに
光が照射することによって得られる電力を外部に供給可
能である。

【００２９】ソーラーパネル５０が生成する電力はケー
ブル５１を介して外部に供給されており、同ケーブル５
１は上記ダクト４０内に配設された図示しないペルチエ
素子に接続されている。従って、同ソーラーパネル５０
が生成する電力によってペルチエ素子に低温部および高
温部を発生させ、当該低温部によってダクト４０内に供
給される空気を冷却することができる。ダクト４０は、
空気の流路を形成するとともに促流ファンによって外気
を取り込んで積層体３０に送るとともに積層体３０から
排出される空気を外部に排出する。

【００３０】積層体３０は、上記ダクト４０から送り込
まれる空気およびダクト４０へ排出する空気の流路を形
成しており、さらに筐体１０の内部空気の流路も形成し
ている。筐体１０の内部空気は促流ファンによって当該
流路を介して循環するようになっている。積層体３０に
おいて各流路は熱伝導体であるとともに各流路の空気を
互いに隔絶させつつ送るようになっており、外部から取
り込まれた空気と筐体１０の内部の空気とで熱交換がな
される。従って、本実施形態における伝熱流体は筐体１
０の内外の空気である。

【００３１】尚、上記ソーラーパネル５０は筐体１０の
上面を覆うように配設されている。従って、筐体１０を
屋外で使用したときに、太陽からの光が最も効率的に照
射される筐体１０の上面に光が直接的に照射することを
防止することができる。従って、太陽光が筐体１０の表
面を暖める効果を低減することができ、しかもそのエネ
ルギーをペルチエ素子の駆動に使用してより冷却効果を
高めることができるようになっている。

【００３２】（２）積層体の構成：本実施形態における
積層体３０によれば、筐体１０の外部空気と内部空気と
を互いに隔絶しつつ熱交換を行わせることができ、この
ため筐体１０の外部から水分等が筐体１０に進入するこ
とを防止することができ、本発明に係る熱交換器は屋外
で使用する筐体１０に対して適用して好適である。以
下、積層体３０の構造について詳細に説明する。

【００３３】図２は積層体３０を模式的に示す斜視図で
あり、図３は積層体３０の一部を抜き出して示す拡大斜
視断面図である。積層体３０は図３に示すように筐体１
０の左右方向に連通した流路３１と筐体１０の上下方向
に連通した流路３２を備えており、これらの流路３１，
３２を積層するようにして形成されている。従って、流
路３１では筐体１０の左右方向に空気を流し、流路３２
では筐体１０の上下方向に空気を流すことができる。

【００３４】本実施形態において流路３１，３２の壁面
は熱伝導体であり流路３１，３２は相互に連結されてい
ない。また、流路３１は筐体１０の外面と連結して筐体
１０の外部に開口しており、この流路３１を流れる空気
が筐体１０の内部空気と混合することはない。また、紙
面上下方向に開口部を有する流路３２は筐体１０の空間
内部で連通しており、この流路３２を流れる空気が筐体
１０の外部空気と混合することはない。従って、各流路
３１を流れる内部空気と流路３２を流れる外部空気とを
相互に隔絶することができる。

【００３５】流路３１，３２のそれぞれには断面波状に
一体成形されたフィン３１ａ，３２ａが配設されてい
る。これらのフィン３１ａ，３２ａはその波状部位で各
流路３１，３２における伝熱流体の流れを阻害しないよ
うに配向されている。各フィン３１ａ，３２ａも熱伝導
体で構成されており、その屈曲部等の各所が流路３１，
３２の壁面に当接するようになっている。従って、流路
３１，３２を流れる空気が互いに熱交換することができ
る。

【００３６】フィン３１ａ，３２ａは波状であることに
より、流路内での空気の流れを確保したまま流路内の表
面積を増大させることができ、高効率に熱交換すること
ができる。また、流路３１，３２の連通方向は互いに略
直交しており、上記フィン３１ａ，３２ａの配向方向も
互いに略直交している。以上のように本実施形態では、
フィン３１ａが上記第１熱交換フィンの一部を構成し、
フィン３２ａが上記第２熱交換フィンを構成し、流路３
１，３２の壁面を構成する熱伝導体が上記板状隔絶部材
を構成する。

【００３７】本実施形態においては、図２，図４に示す
ように積層体３０の略中央部に促流ファン３３ａ，３３
ｂが配設され、積層体３０の下方に促流ファン３４ａ，
３４ｂが配設されている。促流ファン３３ａ，３３ｂお
よび促流ファン３４ａ，３４ｂの内部に配設されたファ
ンは図示しない電源から電力の供給を受けて回転し、上
記流路３１，３２内の気流を促進するようになってい
る。促流ファン３３ａ，３３ｂは筐体１０の外部の空気
を流路３１内に流すように気流を促進しており、それぞ
れによって促進する気流は互いに逆向きである。

【００３８】すなわち、積層体３０の前後方向中央は熱
伝導体によって形成された板状隔絶部材３５によって仕
切られており、促流ファン３３ａ，３３ｂが促進する気
流が互いに影響を及ぼさないようになっている。また、
積層体３０の左右に配設された流路３１の中央には促流
ファン３３ａ，３３ｂが介在しているものの、流路３１
は左右方向に連通しているので流路３１内の空気は促流
ファン３３ａ，３３ｂを通して自由に流れることが可能
であり、ファンの回転によって積層体３０の全体を通し
て左右に空気が流れる。このように、流路３１内の空気
は左右方向に対して自由に流れ、上下，前後方向には流
れず、仕切板の前部の流路３１と後部の流路３１とでは
気流の方向が略逆向きである。

【００３９】図２に示す左右方向の矢印は各流路３１内
の気流方向を示している。このように、促流ファン３３
ａ，３３ｂが上記第１促流ファンを構成する。尚、促流
ファン３３ａ，３３ｂは流路３１内の伝熱流体の流れを
促進することができればよいので、むろん、積層体３０
の中央部に配設されることが必須ではなく、積層体３０
の左右端部に配設したり、ダクト４０内に配設したりす
ることができる。また、促流ファン３３ａ，３３ｂの数
も各流路に一つであることが必須ではなく、複数個にし
ても良い。

【００４０】一方、積層体３０の下方に配設される促流
ファン３４ａ，３４ｂは上記流路３２内の気流を促進す
るためのファンである。同促流ファン３４ａ，３４ｂ
は、積層体３０からの水滴を蓄積する防滴パン３６の下
方に配設されており、防滴パン３６での蓄水を阻害する
ことなく気流を促進するようになっている。防滴パン３
６は、図４に示すように積層体３０の下部に取り付けら
れる部材であり、底面３６ａと当該底面の外周で上方に
垂設した外周部３６ｂとを備える略皿形状の部材であ
る。

【００４１】底面３６ａの中央においては上方に向けて
開口した開口部３６ｃが設けられており、同開口部３６
ｃの周縁は防滴パン３６の底面から上方に向けて垂設し
ている。従って、防滴パン３６において外周部３６ｂと
開口部３６ｃとの間に形成されるドーナツ状の空間に水
を蓄積することができる。積層体３０においては流路３
１，３２内の気流によって熱交換を行うので、低温とな
る部分が生じ、当該低温部分の周囲の水分が水滴となっ
て積層体３０に付着することがある。

【００４２】水滴がある程度の量になると積層体３０の
下方に落下するが、積層体３０の下方には上記防滴パン
３６が配設されているので、水滴は防滴パン３６の底面
３６ａ上、上記ドーナツ上の空間に蓄積され、防滴パン
３６の下方に水分が落下することを防止することができ
る。従って、筐体１０内に配設される制御電装機器等に
水分が付着することを防止することができる。

【００４３】促流ファン３４ａ，３４ｂこの防滴パン３
６の直下に配設されており、ファンの回転によって促進
される気流は上記開口部３６ｃを介して積層体３０内の
流路３２を流れるようになっている。これら促流ファン
３４ａ，３４ｂは筐体１０内で上方に向かって気流を促
進するよう回転する。従って、流路３２を流れる気流
は、上記図２に示すように上方に向けた気流である。
尚、積層体３０は筐体１０の上部に配設されており、高
温の気体は対流によって筐体１０の上方に移動するの
で、対流と促流ファン３４ａ，３４ｂとの双方により高
温の気体を効率的に流路３２に供給することができる。

【００４４】以上のように、本実施形態では流路３２内
で筐体１０内部の空気を下方から上方に流し、流路３１
内で筐体１０外部の空気を左右方向に流すことによって
いわゆるクロスフロー型の熱交換を実現しているととも
に、流路３１内の空気を対向流とすることで熱交換の効
率をより向上している。図５，図６は熱交換の効率が向
上する様子を説明する説明図である。これらの図におい
ては、横軸に積層体３０の左右方向の位置を示し、縦軸
に温度を示している。グラフ上の線は流路３１，３２の
気流温度の位置変化を相対的に示している。

【００４５】図５は、本発明とは異なり、流路３１内の
空気を右から左の一方向のみに流した場合の気流温度を
示している。ここで、筐体１０の内部の空気温が熱交換
器運転前に左右方向に一様であるとすると、流路３２に
は左右方向に温度勾配のない空気が導入される。従っ
て、流路３２への導入空気温（図５に示す流路３２ｉ
ｎ）は図５に示すグラフ上で横軸に略平行の直線とな
る。一方、流路３１に筐体１０の外気が冷却されつつ導
入されると、導入空気温は上記流路３２への導入空気温
より低く、流路３１内で右から左に移動するとともに熱
交換を行って徐々に温度が上昇する（図５に示す流路３
１）。

【００４６】流路３２内の空気も上昇とともに熱交換を
行うが、流路３１内の空気温が右から左に向けて上昇す
ることから、導入時に位置によって温度変化の無かった
導入気体が流路３２通過するに従って右から左へ高くな
り、流路３２からの排出時には図５の流路３２ｏｕｔに
示すような温度勾配を有する。ここで、熱量は流路３２
内の空気から流路３１内への空気へ移動するため、流路
３２内の空気温は流路３１内の空気温より低くなること
はなく、図５に示す流路３１内の空気温より高いままで
ある。

【００４７】このように、温度勾配が生じている状態で
熱交換器の運転を続けると、積層体３０の右側では常に
新しい空気が導入されることから温度が低いものの、左
側では徐々に温度が上昇する。また、流路３２から排出
される空気に温度勾配が生じていることから、筐体１０
内にも温度勾配が生じ、流路３２に導入される空気温に
おいても積層体３０の左側が高くなるような温度勾配が
生じる。従って、積層体３０の左側ではさらに温度が上
昇しやすくなる。この結果、積層体３０の左側において
徐々に熱交換効率が下がってしまう。

【００４８】しかし、本発明においては、上述のように
流路３１内の空気が右から左に流れるとともに左から右
にも流れる。図６は、本実施形態のように流路３１内で
気体を対向方向に流した場合の気流温度を示している。
ここでも筐体１０の内部の空気温が熱交換器運転前に左
右方向に一様であるとする（図６の流路３２ｉｎ）。流
路３１に筐体１０の外気が冷却されつつ導入されると、
流路３１内での空気の移動に伴って温度が上昇するが、
流路３１では互いに逆向きに流れる気流が存在するた
め、右から左に温度上昇する空気と左から右に温度上昇
する空気とが存在する（図６の流路３１）。

【００４９】流路３２内の空気が上昇とともに熱交換を
行うと、局部的には流路３１内の空気の温度勾配に影響
を受けて温度勾配を生じうるが、全体としてみれば、左
右に低温部分が存在する本実施形態においては積層体３
０の左右で効果的に熱交換を行わせることができ、流路
３２から排出される空気に温度勾配が生じにくい。従っ
て、筐体１０内部の気体に温度勾配が生じにくく、流路
３２に導入される空気にも温度勾配が生じにくい。従っ
て、筐体１０の内部を均一かつ効果的に冷却することが
できる。

【００５０】（３）ダクトの構成：本実施形態において
は、上述のように流路内の気流方向によって効果的に熱
交換させる構成に加え、ダクト４０にペルチエ素子を配
設してさらに効果的に熱交換を行わせるようにしてあ
る。図７は、ダクト４０の透視斜視図である。ダクト４
０は、筐体１０の側面両側に配設されており、上記流路
３１の開口部を覆うように取り付けられている。ダクト
４０の外面は屈曲しつつ下方に配向されており、下部お
よび流路３１に対面する部位が開口している。

【００５１】ダクト４０の下部には熱伝導体によって形
成されたハニカム４１ａ，４１ｂが取り付けられている
とともに、前後方向の略中央に仕切板４２が配設されて
いる。図８は、ハニカム４１ａの拡大斜視図である。ハ
ニカム４１ｂも同様の構造である。ハニカム４１ａは上
下方向に開口するとともに連通した複数の流路４１ａ１
と当該流路内に配設された断面波状のフィン４１ａ２と
を備えている。流路４１ａ１は、上記積層体３０の流路
３１に導入される空気または流路３１から排出される空
気の流路となっており、上記フィン４１ａ２はその波状
部位で各流路４１ａ１における空気の流れを阻害しない
ように配向されている。

【００５２】従って、フィン４１ａ２は流路３１内を流
れる空気に対してほとんど負荷を与えることが無い。ま
た、上記促流ファン３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂの
運転音が外部に漏れにくくなり、静音効果を奏してい
る。以上のように、本実施形態においてはハニカム４１
ａ，４１ｂ内のフィンが形成する流路は流路３１と連通
し、筐体外面の一方側と他方側とを連通させているの
で、ハニカム４１ａ，４１ｂ内のフィンも上記第１熱交
換フィンの一部を構成すると言える。むろん、ハニカム
４１ａ，４１ｂ内のフィンと上記フィン３１ａ，３２ａ
とが連結されていても良い。フィン４１ａ２は熱伝導体
であるので、流路４１ａ１を流れる空気は流路４１ａ１
の壁面を介して仕切板４２に配設されたペルチエ素子４
３と熱交換をすることができる。

【００５３】ペルチエ素子４３は仕切板４２の下部に組
み込まれており、仕切板４２の一方の面に低温部，他方
の面に高温部が配向するようにしてある。同ペルチエ素
子４３に対しては上述のようにソーラーパネル５０から
電力を供給可能であるので、ソーラーパネル５０の駆動
とともにペルチエ素子４３の両面に温度差が生じる。本
実施形態においては、図７に示すように外気吸入側に配
設されたハニカム４１ｂに低温側、外気排出側に配設さ
れたハニカム４１ａに高温側が配向されている。

【００５４】図９は、かかる構成によって熱交換効率が
向上する様子を説明する説明図である。同図においては
ダクト４０の側面図を示すとともにペルチエ素子４３を
拡大して示している。ペルチエ素子４３は、電力の供給
とともに一方の面を低温にし、他方の面を高温にする素
子であり、本実施形態において、電力の供給とともに筐
体の前方側を低温にし、後方側を高温にする。上述の促
流ファン３３ａによってダクト４０の前方からは外気が
吸入され、ダクト４０の後方からは空気が排出されるの
で、吸入される外気はハニカム４１ｂの流路を介してペ
ルチエ素子４３の低温部と熱交換し、冷却されて上記積
層体３０の流路に導入される。

【００５５】すなわち、吸入前に熱量Ｑを有していた外
気はハニカム４１ｂの流路を通過した後には熱量Ｑ−Δ
Ｑ（ΔＱ＞０）となっている。この結果、積層体３０内
に対して熱量Ｑを有する外気をそのままで導入するより
もはるかに熱交換効率を向上させることができる。ダク
ト４０から排出される空気においてはハニカム４１ａを
通過する前後で熱量がＱ’からＱ’＋ΔＱ’（ΔＱ’＞
０）に増大するが、熱量増大後の気体は外部に排出され
るので、筐体１０に対する熱交換に影響を及ぼすことは
ない。

【００５６】（４）本発明の動作：次に、上記構成にお
ける本発明の動作を説明する。筐体１０には発熱源とな
りうる制御電装機器等が配設され、開閉扉１１を閉めた
状態で制御電装機器等による制御対象の駆動等が行われ
る。制御電装機器等の使用を続けると、筐体１０内部の
空気が暖められる。筐体１０では、図示しない電源から
の電源供給を受けて上記促流ファン３３ａ，３３ｂ，３
４ａ，３４ｂが駆動され、また、ソーラーパネル５０が
外部光の照射を受けることによって電力を生成し、ケー
ブル５１を介してペルチエ素子４３に電力を供給するこ
とによってペルチエ素子４３の両面を低温部および高温
部にする。

【００５７】上記促流ファン３３ａ，３３ｂの駆動によ
って、上記流路３１内の気流が促進され、ダクト４０か
ら外気が取り込まれるとともに流路３１を通過して再び
外部に排出される。上述のように筐体１０の前方に配設
された流路３１内で気流は左から右に流れ、筐体１０の
後方に配設された流路３１内で気流は右から左に流れ
る。一方、筐体１０内部の空気は制御電装機器等の発熱
によって暖められ、対流によって上昇する。さらに、上
記促流ファン３４ａ，３４ｂの駆動によって上記流路３
２内の気流が促進され、暖められた空気は流路３２の下
方から上方に抜ける。

【００５８】このように、積層体３０内の流路３１，３
２では空気が所定方向に流れており、両流路内の空気は
熱伝導体によって構成される流路３１，３２の壁面やフ
ィン３１ａ，３２ａを介して熱交換を行う。従って、流
路３２内の空気から流路３１内の空気へと熱が伝達さ
れ、流路３１内の空気が外部へ排出される。この結果、
筐体１０内部の熱が外部に放出される。

【００５９】このように、本発明においては、筐体内部
において伝熱流体を相互に隔絶した流路を形成し、所定
方向への対向流と当該対向流に直交する直交流を生成し
て熱交換を行う。従って、筐体外部から内部への水の進
入を確実に防止することができる。また、筐体外部には
ペルチエ素子が配設されるとともに当該ペルチエ素子は
筐体外部に配設されたソーラーパネルからの電力供給を
受けて駆動される。従って、ペルチエ素子にて冷却され
た空気と筐体内部で暖められた空気とによって熱交換を
させることができ、高効率で熱交換させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる熱交換器を示す概略斜視図であ
る。

【図２】積層体を模式的に示す斜視図である。

【図３】積層体の一部を抜き出して示す拡大斜視断面図
である。

【図４】積層体下方に配設された促流ファンの説明図で
ある。

【図５】熱交換の効率が向上する様子を説明する説明図
である。

【図６】熱交換の効率が向上する様子を説明する説明図
である。

【図７】ダクトの透視斜視図である。

【図８】ハニカムの拡大斜視図である。

【図９】熱交換の効率が向上する様子を説明する説明図
である。

【符号の説明】

１０…筐体 １１…開閉扉 ２０…熱交換器 ３０…積層体 ３１，３２…流路 ３１ａ，３２ａ…フィン ３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ…促流ファン ３５…板状隔絶部材 ３６…防滴パン ３６ａ…底面 ３６ｂ…外周部 ３６ｃ…開口部 ４０…ダクト ４１ａ，４１ｂ…ハニカム ４１ａ１…流路 ４１ａ２…フィン ４２…仕切板 ４３…ペルチエ素子 ５０…ソーラーパネル ５１…ケーブル

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発熱体を収容する筐体の内外の熱を交換
   する熱交換器であって、 熱伝導体であるとともに上記筐体の外面の一方側と他方
   側とを連通させる複数の流路を形成する第１熱交換フィ
   ンと、 熱伝導体であるとともに上記筐体の内部空間内で連通し
   た流路を形成する第２熱交換フィンと、 熱伝導体であるとともに上記第１熱交換フィンと第２熱
   交換フィンとが形成する流路内の伝熱流体を相互に隔絶
   しこれらの流路を交差させながら積層させる板状隔絶部
   材と、 上記第１熱交換フィンが形成する所定の流路にて伝熱流
   体の流れを所定方向に促進するとともに他の流路にて伝
   熱流体の流れを対向方向に促進する第１促流ファンと、 上記第２熱交換フィンが形成する流路内で伝熱流体の流
   れを一方向に促進する第２促流ファンとを具備すること
   を特徴とする熱交換器。
2. 【請求項２】 上記第１熱交換フィンが形成し、伝熱流
   体が対向方向に流れる流路の間には給電によって低温部
   と高温部とを生じる熱電変換素子が介在されており、上
   記伝熱流体の吸入側に上記熱電変換素子の低温部が配設
   され上記伝熱流体の排出側に上記熱電変換素子の高温部
   が配設されることを特徴とする上記請求項１に記載の熱
   交換器。
3. 【請求項３】 上記筐体の所定外面には光電変換素子が
   配設されており、同光電変換素子が生成した起電力を上
   記熱電変換素子に供給することを特徴とする上記請求項
   ２に記載の熱交換器。
4. 【請求項４】 上記光電変換素子は、上記筐体外から当
   該筐体に対して照射される光を遮るように配設されてい
   ることを特徴とする上記請求項３に記載の熱交換器。
5. 【請求項５】 上記第１熱交換フィンおよび第２熱交換
   フィンと板状隔絶部材とからなる積層体は、上記筐体の
   上部に配設されていることを特徴とする上記請求項１〜
   請求項４のいずれかに記載の熱交換器。
6. 【請求項６】 上記第１熱交換フィンが形成する流路は
   上記筐体の対向する側面同士を連通するとともに上記筐
   体内部で当該側面に対して略直角に配向されつつ上記筐
   体外部で当該側面に対して略平行に配向されて下方に向
   けて開口し当該開口と筐体外面との間に上記熱電変換素
   子が配設されており、上記第２熱交換フィンが形成する
   流路は上記筐体の底面に対して略直角に配向されること
   を特徴とする上記請求項２〜請求項５のいずれかに記載
   の熱交換器。
7. 【請求項７】 上記筐体内部において、上記第１熱交換
   フィンおよび第２熱交換フィンと板状隔絶部材とからな
   る積層体の下方には当該積層体からの落下液体受けとな
   る防滴パンが配設されていることを特徴とする上記請求
   項１〜請求項６のいずれかに記載の熱交換器。
8. 【請求項８】 上記防滴パンは底面の一部に縁が略垂設
   した開口部を有する略皿形状に形成されており当該縁の
   周りの底面上に上記落下液体を蓄積可能であり、上記第
   ２促流ファンは上記開口部下方に配設されるとともに当
   該開口部を通じて防滴パンの上方に促流を送ることを特
   徴とする上記請求項１〜請求項７のいずれかに記載の熱
   交換器。
9. 【請求項９】 熱伝導体である第１熱交換フィンにて発
   熱体を収容する筐体の外面の一方側と他方側とを連通さ
   せる複数の流路を形成し、熱伝導体である第２熱交換フ
   ィンにて上記筐体の内部空間内で連通した流路を形成
   し、熱伝導体である板状隔絶部材にて上記第１熱交換フ
   ィンと第２熱交換フィンとが形成する流路内の伝熱流体
   を相互に隔絶しこれらの流路を交差させながら積層した
   積層体によって上記筐体の内外の熱を交換する熱交換方
   法であって、 第１促流ファンによって上記第１熱交換フィンが形成す
   る所定の流路にて伝熱流体の流れを所定方向に促進する
   とともに他の流路にて伝熱流体の流れを対向方向に促進
   しつつ、第２促流ファンによって上記第２熱交換フィン
   が形成する流路内で伝熱流体の流れを一方向に促進する
   ことによって上記筐体内の伝熱流体と筐体外から取り込
   んだ伝熱流体との熱を交換することを特徴とする熱交換
   方法。