JP2005344993A

JP2005344993A - 冷却装置

Info

Publication number: JP2005344993A
Application number: JP2004164345A
Authority: JP
Inventors: Korehiro Odo; 維大大堂; Tetsuya Matsuura; 哲哉松浦; Junji Matsushima; 潤治松島
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】吸熱ヒートシンク（吸熱側熱交換器）(42)と放熱ヒートシンク（放熱側熱交換器）(43)の間に複数のペルチェ効果素子(44)を縦横に配列した冷却装置において、各ペルチェ効果素子(44)への印加電圧を最適化し、装置の効率を高める。
【解決手段】複数のペルチェ効果素子(44)に対し、流体の流れ方向に交差する列ごとにペルチェ効果素子(44)をグループ化し、それぞれのグループに対して最適な電圧を印加する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ペルチェ効果素子を用いた冷却装置に関し、特に、吸熱側熱交換器と放熱側熱交換器の間に複数のペルチェ効果素子を配列した構成の冷却装置に関するものである。

従来より、この種の冷却装置として、特許文献１には、吸熱ヒートシンク（吸熱側熱交換器）と放熱ヒートシンク（放熱側熱交換器）の間に２つのペルチェ効果素子を並べて配置したものが記載されている。この冷却装置では、ペルチェ効果素子に電圧を印加することによって、吸熱ヒートシンク側を流れる第１流体から吸熱し、その熱を放熱ヒートシンク側を流れる第２流体に放出することで、第１流体を冷却することができる。

この種の冷却装置において、比較的大きな冷却能力を要する場合、用いるペルチェ効果素子の枚数が多くなる。例えば、図７にはペルチェ効果素子(101) を９枚用いた冷却装置（ペルチェモジュール）(100) を示している。この例では、吸熱ヒートシンク(102) と放熱ヒートシンク(103) の間に９枚のペルチェ効果素子(101) が３列・３行に配列されている。
特開２００２−７６９３４号公報

ところで、上記構成において、ペルチェ効果素子(101) の両面の温度差は、流体の流れ方向に沿って変化する。これに対して、ペルチェ効果素子(101) は、両面の温度差に応じて、最も効率よく動作させるための印加電圧値が異なる。しかし、従来のこの種の冷却装置では、すべてのペルチェ効果素子(101) に同じ電圧を印加しているため、比較的効率の低いペルチェ効果素子(101) が存在し、装置全体としての効率に関して問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みて創案されたものであり、その目的は、吸熱ヒートシンク（吸熱側熱交換器）と放熱ヒートシンク（放熱側熱交換器）の間に複数のペルチェ効果素子を配列した冷却装置において、各ペルチェ効果素子への印加電圧を最適化し、装置の効率を高めることである。

本発明は、複数のペルチェ効果素子(44)を縦横に配列するとともに、流体の流れ方向に交差する列ごとにペルチェ効果素子(44)をグループ化し、それぞれのグループに対して最適な電圧を印加するようにしたものである。

具体的に、第１の発明は、複数のペルチェ効果素子(44)と、該ペルチェ効果素子(44)の吸熱面に配置された吸熱側熱交換器(42)と、該ペルチェ効果素子(44)の放熱面に配置された放熱側熱交換器(43)とを備え、第１流体が流れる第１流体通路(27)に吸熱側熱交換器(42)が配置され、第２流体が流れる第２流体通路(28)に放熱側熱交換器(43)が配置された冷却装置を前提としている。

そして、この冷却装置は、複数のペルチェ効果素子(44)が縦横に配列されるとともに、上記流体通路(27,28) における流体の流れ方向に交差する列ごとにペルチェ効果素子(44)をグループ化して印加電圧を制御する制御手段(50)を備えていることを特徴としている。

この第１の発明では、各ペルチェ効果素子(44)に電圧を印加することにより、各ペルチェ効果素子(44)は、その吸熱面において、第１流体通路(27)を流れる第１流体から吸熱側熱交換器(42)を介して吸熱する一方、その放熱面において、第２流体通路(28)を流れる第２流体へ放熱側熱交換器(43)を介して放熱する。その結果、第１流体が冷却され、第２流体が加熱される。

この発明では、縦横に配列されたペルチェ効果素子(44)が流体の流れ方向に交差する列ごとにグループ化されて、このグループごとに電圧が制御される。したがって、流体の流れ方向に沿って変化するペルチェ効果素子(44)の両面の温度差に応じて、最適な電圧を印加することができる。

第２の発明は、第１の発明の冷却装置において、流体の流れ方向に交差する列ごとにペルチェ効果素子(44)の両面の温度差を検出する温度差検出手段(51)を備え、制御手段(50)が、上記列ごとの温度差に基づいて各ペルチェ効果素子(44)への印加電圧を制御するように構成されていることを特徴としている。

この第２の発明では、温度差検出手段(51)によって、流体の流れ方向に交差する列ごとにペルチェ効果素子(44)の両面の温度差が検出され、この温度差に基づいて各ペルチェ効果素子(44)への印加電圧が制御される。したがって、流体の流れ方向に沿って変化するペルチェ効果素子(44)の両面の温度差に応じて、最適な電圧を確実に印加することができる。

第３の発明は、第２の発明の冷却装置において、吸熱側熱交換器(42)と放熱側熱交換器(43)が、少なくとも流体の流れ方向に交差する列ごとに分割されていることを特徴としている。

第４の発明は、第２の発明の冷却装置において、吸熱側熱交換器(42)と放熱側熱交換器(43)が、ペルチェ効果素子(44)ごとに分割されていることを特徴としている。

この第３，第４の発明では、吸熱側熱交換器(42)と放熱側熱交換器(43)を分割したことによって、流体の流れ方向に交差する列ごとにペルチェ効果素子(44)の両面の温度が安定する。そのため、上記列ごとの温度差に基づいて各ペルチェ効果素子(44)への印加電圧を正確に制御することが可能となる。

上記第１の発明によれば、縦横に配列されたペルチェ効果素子(44)を流体の流れ方向に交差する列ごとにグループ化して、このグループごとに電圧を制御することによって、流体の流れ方向に沿って変化するペルチェ効果素子(44)の両面の温度差に応じて、各ペルチェ効果素子(44)に最適な電圧を印加することができるので、効率が低いペルチェ効果素子(44)が存在するのを防止し、装置全体としての効率を高められる。

上記第２の発明によれば、流体の流れ方向に交差する列ごとにペルチェ効果素子(44)の両面の温度差を検出する温度差検出手段(51)を設け、上記列ごとの温度差に基づいて各ペルチェ効果素子(44)への印加電圧を制御するようにしたことによって、流体の流れ方向に沿って変化するペルチェ効果素子(44)の両面の温度差に応じて、各ペルチェ効果素子(44)に最適な電圧を確実に印加できるようにしているので、効率が低いペルチェ効果素子(44)が存在するのを確実に防止し、装置全体としての効率をより確実に高められる。

上記第３の発明によれば、吸熱側熱交換器(42)と放熱側熱交換器(43)を少なくとも流体の流れ方向に交差する列ごとに分割するようにしたことによって、流体の流れ方向に交差する列ごとにペルチェ効果素子(44)の両面の温度が安定する（異なる列間で熱伝達しない）ようにしているので、上記列ごとの温度差に基づいて各ペルチェ効果素子(44)への印加電圧を正確に制御することが可能となり、効率が低いペルチェ効果素子(44)が存在するのを確実に防止して、装置全体としての効率をより確実に高められる。

上記第４の発明によれば、吸熱側熱交換器(42)と放熱側熱交換器(43)をペルチェ効果素子(44)ごとに分割するようにしたことによって、流体の流れ方向に交差する列ごとにペルチェ効果素子(44)の両面の温度が安定するようにしているので、上記列ごとの温度差に基づいて各ペルチェ効果素子(44)への印加電圧を正確に制御することが可能となり、効率が低いペルチェ効果素子(44)が存在するのを確実に防止して、装置全体としての効率をより確実に高められる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

この実施形態は、本発明の冷却装置を睡眠カプセルに適用したものである。

図１に示すように、睡眠カプセル(10)は、カプセル本体(11)と、このカプセル本体(11)の上方を覆う覆い部材(12)とを備えている。そして、カプセル本体(11)と覆い部材(12)との間に、ユーザーが仮眠等を行い得る空間（睡眠室(13)）が区画形成されている。

覆い部材(12)は、幌状に形成されたもので、カプセル本体(11)の頭部側へ折り畳めるように形成されている。また、この睡眠カプセル(10)は、睡眠室(13)の空気調和を行う空調手段として、頭部空調ユニット(20)と足部空調ユニット(30)とを備え、頭部空調ユニット(20)に本発明の冷却装置(40)（図２参照）が備えられている。

上記カプセル本体(11)は、床台(14)と、該床台(14)の上面前端に設けられた空気流出入ボックス(15)と、床台(14)の上面における前部両側部に設けられた補助側板(16)とを備えている。そして、上記床台(14)の上部は、就寝者の睡眠用のベッド(17)として形成されている。なお、本実施形態では、就寝者の頭部側を前側とし、就寝者の足部側を後側としている。

上記頭部空調ユニット(20)は、空気流出入ボックス(15)と連結されている。この頭部空調ユニット(20)は、図２に示すように、直方体状のケーシング(21)内に、１つのシロッコファン(22A) と、２つのペルチェモジュール(45)（冷却装置(40)）と、２つの軸流ファン(22B) とを備えている。上記ケーシング(21)には、２つの冷却側吸込口(23)と、１つの冷却側吹出口(24)と、２つの放熱側吸込口(25)と、２つの放熱側吹出口(26)とが形成されている。

上記冷却側吸込口(23)は、空気流出入ボックス(15)の頭部側吸込口(18)と連通し、冷却側吹出口(24)は空気流出入ボックス(15)の頭部側吹出口(19)と連通している。この頭部側吹出口(19)と頭部側吸込口(18)とは、互いに近傍に位置し、頭部側吸込口(18)が頭部側吹出口(19)の真直下方に位置している。このことにより、頭部側吹出口(19)と頭部側吸込口(18)との間でショートサーキットを生ずる空気流れが形成され、主として就寝者の頭部側の空気調和が行われる。

一方、放熱側吸込口(25)と放熱側吹出口(26)は、図示していないが、睡眠カプセル(10)が設置される室内空間に開放され、室内空気が流れるように構成されている。

上記シロッコファン(22A) はケーシング(21)の中央部に配置され、各ペルチェモジュール(45)はその両側に配置されている。ペルチェモジュール(45)は、図３に示すように、仕切板(41)を挟んで片側に配置された吸熱ヒートシンク（吸熱側熱交換器）(42)と、その反対側に配置された放熱ヒートシンク（放熱側熱交換器）(43)とを備えている。そして、吸熱ヒートシンク(42)は、第１流体としての吸熱側空気（睡眠カプセル(10)内の空気）が流れる第１空気通路（第１流体通路）(27)に配置され、放熱ヒートシンク(43)は、第２流体としての放熱側空気（睡眠カプセル(10)が設置される室内の空気）が流れる第２空気通路（第２流体通路）(28)に配置されている。両空気通路(27,28) は、ペルチェモジュール(45)の仕切板(41)と、ケーシング(21)内の仕切板(29)によってケーシング(21)内に区画され、空気が上記ヒートシンク(42,43) を上方から下方へ通過するように構成されている。

仕切板を除いた状態でペルチェモジュール(45)を示す斜視図である図４に示すように、両ヒートシンク(42,43) の間にはペルチェ効果素子(44)が配設されている。上記吸熱ヒートシンク(42)は該ペルチェ効果素子(44)の吸熱面側に配置され、放熱ヒートシンク(43)は該ペルチェ効果素子(44)の放熱面側に配置されている。上記ペルチェ効果素子(44)は、空気の流れ方向に対して縦横に、３列・３行に配列されている。そして、吸熱ヒートシンク(42)及び放熱ヒートシンク(43)は、それぞれ、ペルチェ効果素子(44)ごとに９つに分割されている。なお、上記構成において、ペルチェ効果素子(44)は、必ずしも空気の流れ方向に対して正方形の配列である必要はなく、複数行で複数列に配列されていればよい。

足部空調ユニット(30)についての詳細な説明は省略するが、該足部空調ユニット(30)の足部側吹出口(31)および足部側吸込口(32)は、ベッド(17)の後端部の両側部に位置し、上方に向かって開口している。この足部側吹出口(31)と足部側吸込口(32)とは、互いに近傍に並んで位置している。そして、上記足部側吹出口(31)と足部側吸込口(32)との間でショートサーキットを生ずる空気流れを形成し、主として就寝者の足部側の空気調和を行う。

頭部空調ユニット(20)と足部空調ユニット(30)は、頭部側および足部側の空気温度の設定値と、図示しない温度センサによる頭部側及び足部側の検出温度とに基づいて運転制御される。具体的には、上記頭部側および足部側の空気温度の設定値は、予め、頭部側が初期の所定温度に設定される一方、足部側が該頭部側の初期の所定温度よりも高い初期の所定温度に設定されている。すなわち、上記頭部側および足部側の初期の所定温度は、睡眠室(13)において温度が就寝者の頭部で最も低く、足部にいくに従って徐々に高くなる「頭寒足熱」の温度分布となるように設定されている。

上記冷却装置(40)は、図５に示すように、上記空気通路(27,28) における空気の流れ方向に交差する列ごとにペルチェ効果素子(44)を３つのグループ(G1〜G3)にグループ化して印加電圧を制御するように、制御手段であるコントローラ(50)を備えている。また、上記冷却装置(40)は、流体の流れ方向に交差する列ごとにペルチェ効果素子(44)の両面の温度差を検出する温度差検出手段としての熱電対(51)と、ペルチェ効果素子(44)に対して上記列ごとに電圧を印加する電源(52)とを備えている。そして、上記コントローラ(50)は、上記列ごとの上記温度差に基づいて各ペルチェ効果素子(44)への印加電圧を制御するように構成されている。

−運転動作−
次に、上述した睡眠カプセル(10)の動作について説明する。

まず、上記ベッド(17)には、仮眠等を行うユーザーが睡眠室(13)に入り、頭部側で折り畳まれている覆い部材(12)を足部側に回動して展開し、就寝する。

次に、上記頭部空調ユニット(20)では、シロッコファン(22A) を駆動することによって頭部側吸込口(18)から空気流出入ボックス(15)に流入した睡眠カプセル(10)内の空気が、頭部空調ユニット(20)のケーシング(21)における冷却側吸込口(23)から該ケーシング(21)内に流入する。この空気は、ペルチェモジュール(45)の吸熱ヒートシンク(42)を通過して冷却された後、上記シロッコファン(22A) により、上記ケーシング(21)の冷却側吹出口(24)と空気流出入ボックス(15)の頭部側吹出口(19)を通過して睡眠カプセル(10)内に吹き出される。頭部側吹出口(19)から吹き出された冷たい空気はすぐに頭部側吸込口(18)から空気流出入ボックス(15)内に吸い込まれ、頭部側吹出口(19)と頭部側吸込口(18)との間にショートサーキット領域が形成される。このことにより、就寝者の頭部側の空気調和が行われる。

また、この頭部空調ユニット(20)では、軸流ファン(22B) を駆動することによって、上記睡眠カプセル(10)が設置されている室内の空気が放熱側吸込口(25)からケーシング(21)内に吸い込まれ、放熱ヒートシンク(43)を通過する。その際、睡眠カプセル(10)内の空気からペルチェ効果素子(44)に奪われた熱が該室内空気に放出される。そして、この室内空気は、放熱側吹出口(26)から室内へ放出される。

一方、足部側では、足部空調ユニット(30)の足部側吹出口(31)から吹き出された暖かい空気がすぐに足部側吸込口(32)に吸い込まれ、上記足部側吹出口(31)と足部側吸込口(32)との間にショートサーキット領域が形成される。これにより、就寝者の足部側の空気調和が行われる。

以上のように、この実施形態では、上記冷却装置(40)の各ペルチェ効果素子(44)に電圧を印加することにより、各ペルチェ効果素子(44)は、その吸熱面において、第１流体である睡眠カプセル(10)内の空気から吸熱ヒートシンク(42)を介して吸熱する一方、その放熱面において、第２流体である室内空気へ放熱ヒートシンク(43)を介して放熱する。その結果、第１流体が冷却される。

上述したように、ペルチェ効果素子(44)の両面の温度差は、流体の流れ方向に沿って変化する。これに対して、ペルチェ効果素子(44)は、両面の温度差に応じて、最も効率よく動作させるための印加電圧値が異なる。しかし、従来のこの種の冷却装置では、すべてのペルチェ効果素子(44)に同じ電圧を印加しているため、比較的効率の低いペルチェ効果素子(44)が存在し、装置全体としての効率に関して問題があった。

これに対して、この実施形態では、縦横に配列されたペルチェ効果素子(44)が流体の流れ方向に交差する列ごとにグループ化されて、このグループ(G1〜G3)ごとに電圧が制御される。具体的には、図６の制御フローのステップST１，ステップST２に示すように、流体の流れ方向に交差する列ごとに設けられた熱電対(51)によってペルチェ効果素子(44)の両面の温度差が温度(T1〜T6)に基づいて上記列ごとに検出され、その列ごとの温度差に基づいて各ペルチェ効果素子(44)への印加電圧(V1〜V3)）が制御される。したがって、各ペルチェ効果素子(44)の両面の温度差が流体の流れ方向に沿って変化するのに対して、各ペルチェ効果素子(44)に最適な電圧を印加することができる。

−実施形態の効果−
本実施形態によれば、縦横に配列されたペルチェ効果素子(44)を流体の流れ方向に交差する列ごとにグループ化し、このグループ(G1〜G3)ごとに電圧を制御することによって、流体の流れ方向に沿って変化するペルチェ効果素子(44)の両面の温度差に応じて、各ペルチェ効果素子(44)に最適な電圧を印加することができるので、すべてのペルチェ効果素子(44)の効率を高めることで、装置全体としての効率を高められる。

また、吸熱ヒートシンク(42)と放熱ヒートシンク(43)をペルチェ効果素子(44)ごとに分割するようにしたことによって、流体の流れ方向に交差する列ごとにペルチェ効果素子(44)の両面の温度が安定する（異なる列間で熱伝達しない）。そのため、上記列ごとの温度差に基づいて各ペルチェ効果素子(44)への印加電圧を正確に制御することが可能となり、効率が低いペルチェ効果素子(44)が存在するのを確実に防止して、装置全体としての効率をより確実に高められる。

さらに、本実施形態によれば、複数のペルチェ効果素子(44)を有する冷却装置(40)において、吸熱ヒートシンク(42)と放熱ヒートシンク(43)をペルチェ効果素子(44)ごとに複数に分割しているので、ペルチェ効果素子(44)の枚数が多い場合であっても、吸熱側と放熱側の各ヒートシンク(42,43) の１つずつが大型化してしまうことを防止できる。ここで、各ヒートシンク(42,43) が大型化すると、各ヒートシンク(42,43) におけるペルチェ効果素子(44)との接触面の平面度が低下し、反りが大きくなるが、この実施形態によれば上記の反りが大きくなることを防止できる。したがって、ペルチェ効果素子(44)と各ヒートシンク(42,43) との接触状態を良好に保つことが可能になり、装置の効率を高められる。

また、吸熱ヒートシンク(42)と放熱ヒートシンク(43)を分割せずに大型のものを使用すると、該ヒートシンク(42,43) の有するフィンが上流側から下流側まで一体となり、下流側の流体の流れが層流になる。そのため、ペルチェ効果素子(44)と流体との熱交換が効率の悪い層流伝達で行われ、熱伝達効率が低下する。しかし、この実施形態では、吸熱ヒートシンク(42)と放熱ヒートシンク(43)のそれぞれを分割し、間隔をあけて配置しているため、下流側の流体流れが乱流になり、熱交換が効率よく行われるので、その点でも装置の効率を高められる。

《その他の実施形態》
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

例えば、上記実施形態では、吸熱ヒートシンク(42)及び放熱ヒートシンク(43)を、ペルチェ効果素子(44)ごとに分割するようにしているが、空気の流れ方向に直交する列ごとに分割したり、空気の流れ方向とは関係なく、単に複数個に分割するように形成してもよい。要するに、本発明では、流体通路(27,28) における流体の流れ方向に交差する列ごとにペルチェ効果素子(44)をグループ化して印加電圧を制御するようにしていればよい。

以上説明したように、本発明は、吸熱ヒートシンク（吸熱側熱交換器）と放熱ヒートシンク（放熱側熱交換器）との間に複数のペルチェ効果素子を配列した構成の冷却装置について有用である。

実施形態に係る睡眠カプセルの斜視図である。頭部空調ユニットの内部構造図である。ペルチェモジュールの斜視図である。仕切板を除いた状態でのペルチェモジュールの斜視図である。ペルチェモジュールと電源及びコントローラの接続状態を示すブロック図である。ペルチェモジュールの制御を示すフローチャートである。従来のペルチェモジュールの分解斜視図である。

符号の説明

(10) 睡眠カプセル
(20) 頭部空調ユニット
(27) 第１空気通路（第１流体通路）
(28) 第２空気通路（第２流体通路）
(30) 足部空調ユニット
(40) 冷却装置
(42) 吸熱ヒートシンク（吸熱側熱交換器）
(43) 放熱ヒートシンク（放熱側熱交換器）
(44) ペルチェ効果素子
(45) ペルチェモジュール
(50) コントローラ（制御手段）
(51) 熱電対（温度差検出手段）

Claims

複数のペルチェ効果素子(44)と、該ペルチェ効果素子(44)の吸熱面に配置された吸熱側熱交換器(42)と、該ペルチェ効果素子(44)の放熱面に配置された放熱側熱交換器(43)とを備え、
第１流体が流れる第１流体通路(27)に吸熱側熱交換器(42)が配置され、第２流体が流れる第２流体通路(28)に放熱側熱交換器(43)が配置された冷却装置であって、
複数のペルチェ効果素子(44)が縦横に配列され、
上記流体通路(27,28) における流体の流れ方向に交差する列ごとにペルチェ効果素子(44)をグループ化して印加電圧を制御する制御手段(50)を備えていることを特徴とする冷却装置。
請求項１に記載の冷却装置において、
流体の流れ方向に交差する列ごとにペルチェ効果素子(44)の両面の温度差を検出する温度差検出手段(51)を備え、
制御手段(50)は、上記列ごとの温度差に基づいて各ペルチェ効果素子(44)への印加電圧を制御するように構成されていることを特徴とする冷却装置。
請求項１または２に記載の冷却装置において、
吸熱側熱交換器(42)と放熱側熱交換器(43)は、少なくとも流体の流れ方向に交差する列ごとに分割されていることを特徴とする冷却装置。
請求項１または２に記載の冷却装置において、
吸熱側熱交換器(42)と放熱側熱交換器(43)は、ペルチェ効果素子(44)ごとに分割されていることを特徴とする冷却装置。