JP2006300403A - 熱交換を利用する加熱冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低温機器など、吸熱時に放出される熱は大気に廃熱として放出され、ヒートポンプによる高温機器ならばその時の吸熱も大気に放出され、どちらか、片方しか活用されていない。その結果、使わない反対側のエネルギーを大気に廃棄し、エネルギー効率が悪い。
【解決手段】 ヒートポンプやペルチエ素子等の吸熱と発熱を同時に伴う素子や機器に関して、その吸熱と発熱両方を例えば加温部と冷蔵部を別々の空間に形成し、かつ同時に使う様、機器を一体化あるいはシステム化して、機器からの廃熱を減少させるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヒートポンプやペルチエ素子からなるサーモモジュール等の吸熱と発熱を同時に伴う素子や機器に関して、その吸熱と発熱両方を同時に使う様、機器を一体化あるいはシステム化して、機器からの廃熱を減少させ、機器本体のエネルギー消費の削減とCO2放出の低減を図るのみならず、その機器やシステムの置かれる空間の冷暖房のエネルギー負荷を大幅に低減する。

現在、地球温暖化に代表されるエネルギー消費の増加が世界中の問題になっている。ところが身辺を見るとまだまだ一つ一つの機器が、低温機器なら、吸熱時に放出される熱は大気に廃熱として放出され、ヒートポンプによる高温機器ならば、その時の吸熱も大気に放出され、どちらか、片方しか活用されていない。（例えば、特許文献１乃至３参照）

その結果、ヒートポンプなどでは、ポンプ駆動の発熱に加え、その両端の吸熱と発熱のどちらか一方のみが利用されるのみで、使わない反対側のエネルギーを大気に廃棄し、これも地球温暖化などの一つの要因となっている。
特開平５−２３号 特開平１１−６３８１８号 特開平１１−２７６３５８号

本発明は、上記の問題点を解決し、温熱、吸熱機器の大気へのエネルギー散逸を最小減に抑えるもので、もって、地球上のエネルギー消費の削減とCO2放出の低減に寄与するものである。

本発明は、ヒートポンプやペルチエ素子などの様に熱交換をもたらす機器において、その吸熱部と発熱部の両方を一つの機器あるいは一つのシステムの中で同時に利用する事で、エネルギー損失を最小限に抑える小型機器を提供することにある。

本発明によれば、実験研究機器としてよく用いられるフリーザーと器具乾燥機、あるいは、ロータリーエバポレーターのように、その機器自体の中に、加熱部と蒸気冷却凝結部を持っているもの、そして家庭では、冷蔵庫と食器乾燥機などの様に、従来別々の機器として、熱交換機の機能の片方のみ利用され、エネルギーが有効に活用されなかったものが、一つの熱交換システムの吸熱部と発熱部を同時にそれぞれの目的に活用することで、エネルギーの有効利用が図られる。

以下、本発明の実施の形態を図１から図３に基づいて説明する。

図１は、その一例を示している。これは、下部に冷蔵庫あるいはフリーザー１が設置され、熱的に断熱されて上部には、加温部２（ここでは、実験器具乾燥庫として利用）が、一体となった機器である。コンプレッサー３により、高圧に吐出される冷媒（例えば、代替えフロンや二酸化炭素あるいはアンモニアガス、あるいはブタン、メタン、窒素、ヘリウムなどのガス）の気化熱により吸熱サイドのパイプ４が下部の吸熱部に設置され、これを断熱的な筐体７で囲むことにより、冷蔵庫あるいはフリーザーが形成されている。冷媒は、ここで、吸熱し、パイプ５は、そのまま上部２の中に配管され、ここで、熱を放出する。ここでは、実験器具用網棚６が形成されており、ここで放出される熱で乾燥される。これらの空間を一体の断熱筐体７に設置され、加熱部２と冷却部１の間は断熱材２９で、熱的に遮断されている。このシステムを一定温度に設定するには、補助ヒーター２８の設置も可能であるし、加熱の温部度が上がりすぎる場合は、上部にもうけた開閉窓２６を窓開閉駆動部２７で動かし、熱を大気に逃がし、温度を調節することもできる。それを制御する為に、制御部２３がもうけられ、これは、コンプレッサー３と加熱補助ヒーター２８、開閉窓駆動部２７、そして、加熱部槽２の温度センサー２４と冷却部槽１の温度センサー２５と結合されている。これにより、例えば、コンプレッサー３を冷却優先で駆動し、冷却部１に張り巡らされた冷却管４により吸熱し、下部の冷蔵庫ないしフリーザーを所定の温度で温度センサー２５によりモニターし維持しながら、そこで吸収した熱を、上部の加熱部２に張り巡らされた冷媒循環パイプ５から放出させ、その温度を加熱部温度センサー２４で検知し、温度が低い様であれば、補助ヒーター２８で、加温することができるようにしてある。加温部２の温度が設定以上に上がった場合は、開閉窓２６を開けることで、熱を大気に逃がしてやることもできる。それらをコンプレッサー３も含め、制御部２３で最適に制御し、もっとも省エネルギーで効果的な運転を達成する。調節機構を上部の加温部を中心に設置したが、これを冷却部あるいは両方に設置しても良い。冷却部１は、冷蔵庫、低温庫、フリーザー、極低温フリーザーなど様々な存在様式が考えられ、加温部２は、研究室ならばガラス器具など、家庭なら食器などの乾燥機としてあるいは、孵卵器、細胞インキュベーターなどが考えられる。

この様な、加温と吸熱装置の一体化は、家庭用の冷蔵庫と食器乾燥機でも同様に可能であり、また、実験機器の中で、極低温フリーザーの様に、ヒートポンプをカスケードにつなぎ、発熱も大きなものは、放熱部が、更に高温な加熱装置としても活用できる。

図２は、温浴をペルチエ素子を用いて形成したもので、浴槽外板８で形成された浴槽１０は、底部に加温用のペルチエ素子９と補助ヒーター１５が結合されている。ペルチエ素子９は、水槽に、加温部が向き電圧負荷とともに加温し、逆サイドでは吸熱する。その吸熱部には、ウオーターパイプ１１が配され、ここを通る間に、水あるいは冷媒は熱を奪われ、低温となって水流ポンプ１２で外部に供給される。

図２の温浴槽を使って形成した、省エネ型ロータリーエバポレーターのシステム図が図３である。ここでは、図２の温浴槽に、上下摺動台２２を利用して、試料溶液の入ったナシ型フラスコ１７を温浴までつけ、加温し、更に内部が低真空になるよう真空栓２０を開けると、沸点降下により、試料溶液中の溶媒が沸騰し蒸気となる。沸騰が穏やかにかつまんべんなく進むように、ナシ型フラスコ１７は回転する様に回転グリップ１８とフラスコ回転軸受け１９に結合している。その溶媒蒸気を、蒸気冷却トラップ１６で、再度液体に凝結させ、トラップ溶媒捕集フラスコ２１に捕捉する。その際、冷却トラップ内部に流す低温冷媒は、図２の温浴槽８の冷却水を、そのアウトレット１３とインレット１４にチューブで蒸気冷却トラップ１６とつなぎ、供給することができる。

この様に、ヒートポンプの吸熱部と発熱部、あるいはペルチエ素子の吸熱部と発熱部という、いわば、熱の分極化を起こす機器や素子の両側を一体の機器として同時に利用することで、エネルギーの効率的な利用が可能となり、機器の大気へのエネルギー散逸を最小減に抑えるもので、もって、地球上のエネルギー消費の削減とCO2放出の低減に寄与することができる。

本発明の基本的な構成1例であり、下部に冷蔵庫ないしフリーザーであり、コンプレッサーから吐出される液化あるいは高圧冷媒により下部は低温庫となり、上部は、器具乾燥機として、下部で吸熱した熱を放出し、器具の乾燥庫として一体にした場合を示した図である。 ペルチエ素子を使った温浴槽の一例で、水槽面には素子の発熱面が当たり、水槽を加熱する、同時に、素子の反対側は吸熱面であるが、ここには、ウオーターパイプが引かれ、冷却された水などの冷媒が、水流ポンプを介して外部の冷却トラップなどに送られる。 図２の温浴槽と下部から出される冷却水を使って、ロータリーエバポレーターを駆動している図。

符号の説明

１ 冷蔵部ないしはフリーザー部
２ 器具乾燥庫として利用している加温部
３ コンプレッサー
４ 冷却パイプ
５ 放熱パイプ
６ 器具用網棚
７ 冷却・加温一体型機器の筐体部
８ 温浴槽外板
９ ペルチエ素子
１０ 温浴槽
１１ ウオーターパイプ
１２ 水流ポンプ
１３ 冷却水アウトレット
１４ 冷却水インレット
１５ 補助ヒーター
１６ 蒸気冷却トラップ
１７ ナシ型フラスコ（試料溶液加温用）
１８ 回転グリップ
１９ フラスコ回転軸受け
２０ 真空栓
２１ トラップ溶媒捕集フラスコ
２２ 上下摺動架台
２３ 制御部
２４ 加熱部温度センサー
２５ 冷却部温度センサー
２６ 開閉窓
２７ 窓開閉駆動部
２８ 補助ヒーター
２９ 断熱材

Claims (4)

1. 吸熱部と放熱部とを有するヒートポンプもしくはサーモモジュールを備え、該吸熱部が第一の対象物を冷却する冷却装置として構成されるとともに、該放熱部が第一の対象と異なる第二の対象物を加熱する加熱装置として構成され、ヒートポンプもしくはサーモモジュールの作動により、冷却装置と加熱装置の両方が同時に機能するように構成されたことを特徴とする熱交換を利用する加熱冷却装置。
2. 放熱部が配置された加熱装置に、放熱部による第ニの対象物の加熱に加え、第ニ対象物を更に加熱できる加熱手段が設けられたことを特徴とする請求項１記載の熱交換を利用する加熱冷却装置。
3. 加熱手段が電気発熱体を備え発熱体の熱による第ニ対象物の加熱であるとともに、冷却装置もしくは加熱装置には、吸熱部もしくは放熱部による冷却もしく加熱作用を修正する修正手段を設けたことを特徴とする請求項２記載の熱交換を利用する加熱冷却装置。
4. 冷却装置が内部に被冷却物を収容する保冷もしくは冷蔵庫として形成され、加熱装置が内部に被加熱物を収容する乾燥、保温もしくは加熱庫として形成されていることを特徴とする請求項1乃至３記載の熱交換を利用する加熱冷却装置。
   
   
   

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