JP2008116059A - 電子空調ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】ペルチェ方式の熱電半導体を使用し、大形ビル空調設備の省エネルギー化を容易に行うことができる空調装置を提供すること。
【解決手段】温度差を小さくするため、除湿を別方式で処理し、冷却のみを行う空調用の顕熱冷却専用の電子空調ユニット３を用いて大風量、小温度差のシステムを創り、この空調ユニットの熱交換器４にペルチェ方式の熱電半導体素子群を組み込んで照明器具と一体化した空調・照明ユニットとして使用することで、そのプレートフィンチューブ熱交換器のフィン側に照明器具の熱を吸収して２７℃となった室内からの還気を通過させ、チューブを２重管にしてその間隙に組み込んだ熱電半導体素子群に直流電圧を印加し、内管に冷却塔からの２８℃冷却水を通過させれば、逆流熱交換で空気と冷却水の出口、入口同志、同じく入口、出口同志では、５℃〜６℃の温度差で真夏の冷房時も運用が可能となる。
【選択図】図２

Description

除湿と冷却を別けて処理、制御する方式の空気調和設備に関する。

通常これまでの空気調和設備では一台の熱交換器と一つの温度範囲の冷熱源によって、除湿と冷却とが同時になされてきた。これによって、除湿の目的を達成するため室内空気の露点温度より数度低い温度まで空気を冷却除湿することが必要で、熱交換器における冷熱源の温度は５℃〜７℃の低温となり、除湿を除く冷却に関してはここまで低温の必要性は無いにも係わらず、熱交換器が１台であるがために、同じく５℃〜７℃の低温の冷熱源を使用しているため、著しく効率の低い空調運転を行っていた。

この在来からの空調方式を脱して、除湿と冷却を別けて制御する空調方式は、除湿に関しては在来と同様の５℃〜７℃または以下の低温の冷熱源を使用し、冷却に関しては別の熱交換器で、露点温度より高く、室温より数度低い程度に空気を冷却することで、冷却用の冷凍サイクルの効率を高めることを目的とする。

勿論、この冷却に必要な高い温度レベルの冷水を循環供給すべく、冷凍サイクルの蒸発温度を上げて冷凍機を運転すれば目的は達成されるが、本発明はこれまでは、冷凍機に替わるものとして、ペルチエ方式の熱電半導体が可動部分も無く、振動、騒音もなくコンパクトで且つメンテフリーであるため、注目されながらも、通常の冷凍機の吸熱側と排熱側との数１０℃に及ぶ温度差のままで、ペルチエ方式の熱電半導体による冷凍サイクルに使用すると、その効率が通常の冷凍機の数分の一程度に相当する極めて低い値となるが故に普及が進まず、振動と騒音を極端に嫌い、高いコンパクト性を必要とするホテル客室の冷蔵庫、半導体回路の小形冷却装置などにその使用目的が制約を受けて来た。本発明は除湿を他の低温の冷熱源で行い、冷却とを別けた空調方式と冷却塔や地中放熱などによる水冷式放熱とを組み合わせて、吸熱側と排熱側の温度差を小さくし、その効率を実用的な範疇にまで引き上げて、騒音、振動の無い、極めてコンパクトなメンテフリーの空気調和設備を創造しようとするものである。

これまでのペルチエ方式の熱電半導体では、ホテル客室用の冷蔵庫の例に見られるごとく、庫内の温度は０℃以下であるため吸熱側の温度は−５℃〜−１０℃と低く、一方、排熱側の温度は騒音を嫌って、客室内空気に自然対流で放熱を行う必要性から４０℃〜４５℃と高く、温度差は４５℃〜５５℃と大きく、冷却効率は極めて低く０．１程度であった。

一方、除湿と冷却を別けた空調では冷却に関しては室内空気と給気の温度差を極力小さくするように工夫して、室内温度２６℃に対して、給気温度を３℃低いのみの２３℃とすることは工夫をすれば可能であり、使用する冷却水の温度としては、密閉型冷却塔の性能と大きさによって、または地中放熱熱交換期などの使用により、入口温度２８℃、出口温度３１℃程度までなら低温化を図ることが可能である。

冷却水入口と空気出口の温度差は２８℃−２３℃＝５℃、冷却水出口と空気入口の温度差は３１℃−２６℃＝５℃で、何れも温度差は５℃となる。この５℃の温度差の場合、前記４５℃〜５５℃の温度差の場合の効率０．１に比較して、実に６０倍の６．０まで効率は向上することが、同半導体の商品カタログなどから読み取ることが出来る。フィン効率なども考えて、温度差が６℃になったとしても効率は５．０程度で納まり、他に補助電力を余り必要としない方式をとれば、今日の最新式のターボ冷凍機を用いた空調設備の効率より、設備全体としては２倍に近い高い効率が期待できる。

ペルチエ方式の熱電半導体の吸熱側と排熱側の温度差を小さくして、実用的な効率とするため、冷却塔の性能改善や、負荷側の循環空気の小温度差、大風量の徹底を図ることは当然であるが、本発明では、得に、除湿と冷却とを切り離し、冷却の温度レベルを大幅に高めて排熱側との温度差を小さくすると同時に、冷却を行うための空気流と冷却水の流れとの間に、どのような形状でペルチエ方式の熱電半導体を組み込むかについて、これまでに無い合理的な技術を提供するものである。

その実施方法として、先ず、除湿と冷却を切り離し、給気温度を引き上げるため、在来と比較すると３〜４倍の風量とし、ダクトによる給気を止めて、室内天井に設置する空調ユニットによる再循環方式をとり、電子空調ユニットから室内への給気温度を２３℃、室内温度を２６℃とし、蛍光灯照明器具と電子空調ユニットを一体化して、照明器具の上に接して空調ユニットのフィルターと熱交換器を配置し、照明器具を通じて室内からの還気を吸い込み、照明器具の発熱を吸収して室内温度より約１℃高くなった２７℃程度の空気を吸い込んで、熱交換器で２３℃まで冷却するようにした。

一方、冷却水は冷却塔の性能を高めるための改良を施すと同時に、大型化を図り夏季の外気湿球温度２７℃の設計条件で、電子空調ユニットへの入口で２８℃、出口で３２℃とする。地中放熱による熱交換器を用いればさらに温度範囲を低く設定できる。

ペルチエ方式の熱電半導体素子は平面寸法１．６ｍｍ角、高さ１．２ｍｍでＮ型、Ｐ型とも同型とし、外径９．５３ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ外銅管と外側に準備したフィンに拡管圧着して内径が９．３５ｍｍとなった外銅管の中に入る外径６．３５ｍｍの内銅管との隙間１．５ｍｍに熱電素子半導体と厚さ３５μｍの銅箔つきで、厚さ２５μｍのフレキシブルポリイミド樹脂膜を外管の内面と内管の外面の間に納めた。

本発明では、請求項３に述べた通りの熱交換器の構造とし、９．５３ｍｍφ×５００ｍｍの管２０本を２段に２５ｍｍピッチでアルミフィンと直交するように組み立て、４０本の管に収められた熱電半導体の回路に各１Ｖの直流電圧、４０本直列接続して４０Ｖの直流電圧を印加すると、２．５Ａの電流が生じて、入力は４０Ｖ×２．５Ａ＝１００ＶＡ＝１００Ｗの入力となり、効率は５．５で、結果としては冷却能力は５５０Ｗが得られ、２７℃で吸い込んだ空気を２３℃まで冷却して給気温度２３℃で７．３ｍ^３／ｍｉｎの空気が循環冷却される。

この様に、屋上の冷却塔、冷却水ポンプ、配管とペルチエ方式の熱電半導体素子を２重管の間隙に組み込んだ熱交換器を使用した電子空調ユニットと言う簡単な構成の空気調和設備で、屋上の冷却塔と冷却水ポンプ以外には作動部分が全く無く振動や騒音を伴わないで、しかも、現在の最新型ターボ冷凍機を使用した空気調和設備より優れた効率をもつ空気調和設備が実現できる。

本発明を実施するための天井設置型空調ユニットは次の通りの構成とする。天井面に正方形の平面を持つ照明器具を配置し、その周囲を空気吹き出しスリットで囲み、照明器具の上方に隣接して照明器具と同一寸法のフィルター、その直上に平面形状が照明器具と略同じ略正方形の熱交換器を設置し、さらにその上方に直径が熱交換器の正方形の一辺とほぼ同一で、中央に垂直軸のモーターを取り付けたモーター直結型の輻流ファン羽根車を設けて、全体を平面形状が正方形で下面開放で、天井面までの高さの側面をもつ略立方体のケーシングで囲う。

輻流ファンを回転させると、照明器具全体を通して天井下から２６℃の室内空気を吸い込み、照明器具の発熱で概ね２７℃まで温度上昇し、フィルターで濾過された後、熱交換器を下方から上方へと通過し、輻流ファンによって遠心力を受けて周囲に押し出され、ケーシングに沿って下降し、照明器具の周囲の空気吹き出しスリットから室内へ垂直に給気され、この間に熱交換器を通過するに際して、温度の低いフィン表面に接して２３℃まで冷却される。

熱交換器はプレートフィンチューブ型熱交換器で、フィンは等間隔に平行にチューブ群に直角に配置され、チューブ数は４０本、２重管として、内管は全て直列にＵベンドで接続され、フィン長さも、直交するＵベンドを含む内管の長さも、照明器具の正方形の一辺の寸法に略一致している。外管と内管の間隙にはペルチエ方式の熱電半導体素子が組み込まれて、これらの素子半導体は管の円周に沿って８個の素子が配列され、管の長手方向に電気的にＮ型素子群、Ｐ型素子群が交互に銅箔によって直列接続され、外管内側と内管外側との間隙にフレキシブルポリイミド膜を介して管とは電気的に絶縁され熱的に圧着された状態に保つ。

内管の内部に冷却塔で外気に放熱し３２℃から２８℃まで循環冷却供給される冷却水を通し、輻流ファンを運転して熱交換器のフィンに沿って室内からの空気を循環させ、直列接続された熱電半導体素子に直流電圧を印加すると熱電半導体に生じる熱移動によって、照明器具の発熱を受けて２７℃となった空気は冷却されて熱交換器を通過する間に２３℃まで冷却され、室内との間を循環して室内空気を２６℃に保ち、２８℃の冷却水は熱交換器を通過する間に３２℃まで放熱を受け止めて温度上昇して熱交換器を出て冷却塔へ循環する。出口冷却水と入口空気の温度差は３２℃−２７℃＝５℃、入口冷却水と出口空気の温度差も２８℃−２３℃＝５℃であるが、フィン効率なども配慮して、熱電半導体の両端部の温度差を５．５℃とすると、効率も５．５となり、５５０Ｗの冷却能力に対して熱電半導体の入力は５５０Ｗ÷５．５＝１００Ｗとなる。

この効率は最新型の大型ターボ冷凍機の効率６．０と比較すると僅かの差が認められるが、前者では補機として大型の冷水ポンプ、大形ファンなどが必要で、これらを加えると総合効率は２．５となり、これと比較すると本発明による空気調和設備の方が明らかに２倍に近い高効率で、空気調和設備としても、除湿は別としても、近年のビル空調では除湿負荷は全負荷の５％程度であり、９５％を占める空気冷却に関しては冷却塔と冷却水ポンプ、配管とペルチエ方式熱電半導体素子群を備えた空調ユニットのみの少数の部品構成となり極めて簡単でメンテナンスも殆ど必要が無く冷却塔、冷却水ポンプ、空調ユニットの輻流ファン以外には作動部品が無く、在来の大型冷凍機のような大型作動機器が全く無い、振動と騒音のない、理想的な空気調和設備を提供できる。

本発明による実施例について図面に沿って説明する。［図１］は請求項１並びに請求項２に関する空気調和設備全体と本発明による電子空調ユニットの関連を示す説明図であり、［図２］は本発明による電子空調ユニットの上方からの説明用鳥瞰図、［図３］は空調ユニットの下方からの鳥瞰図、［図４］は本空調ユニットに使用のプレートフィンチューブ熱交換器のチューブの内部の詳細説明図である。

図中１は請求項１の初頭に述べている本発明に必要な第１条件である除湿と冷却を別けたその除湿装置そのもので、冷凍機を備え、冷却除湿で空気から取り去った熱量を冷却塔からの冷却水によって放熱するもので、室内２に関しての除湿、加湿などの湿度調整はこの除湿装置１により全て行われ、本発明による電子空調ユニット３では除湿或いは加湿についてこの他に配慮は不必要である。

通常、快適とされるオフィスの室内２の空気条件である２５℃；５０％の空気に対する露点温度は１４℃であり、元来の空調システムでは空調機は必ず除湿を伴う必要性から、空調機の給気露点温度は必ずこの１４℃より数度℃低い１２℃〜１３℃の低温であることが条件となっており、そのために熱交換器で使用する冷熱源の温度はさらに低い、５℃〜７℃の低温が必須の条件であった。然し乍ら本発明実施の第１条件である除湿を別系統として空調を行う場合には、この電子空調ユニット３は顕熱冷却のみが目的となり、除湿性能を求められることがないので、この１４℃の露点温度に関係なく、室温より低い温度範囲であれば得に制限無く、自由な高い温度レベルの冷熱源が使用できることになる。

本発明による電子空調ユニット３内部の熱交換器４は在来のファンコイルユニット等に見られる様に単純に空気から冷水へと熱を伝えて空気を冷やすプレートフィンチューブ熱交換器ではなく、プレートフィンチューブ熱交換器のチューブを２重管にしてその外管７と内管１３との間隙に熱電半導体素子群を組み込んだもので、詳細には室内２からの循環空気の通過する熱交換器４のアルミフィン５の貫通孔６に内側から圧着した１３φの銅製の外管７に接して、フレキシブルなポリイミドの厚さ２５μｍの外側樹脂膜８とその内面に接着剤で取り付けた厚さ３５μｍ、幅７ｍｍ、間隔１ｍｍで配列されたの外側銅箔９と半田でその外側端面１０を固定した１列目の厚さ１．２ｍｍ平面寸法１．６ｍｍ角のＮ型熱電半導体素子１１が８個が環状に配列され、管の軸方向に４ｍｍのピッチで同型の２列目のＰ型熱電半導体素子１２が８個、同じ外側銅箔９に半田で固定されている。

さらに４ｍｍピッチで、同型のＮ型、Ｐ型が交互に長さ約５００ｍｍの外管７のほぼ全長に亙って６２組配列され、これら環状の半導体群の内側には１０φの銅製の内管１３が外管７と同芯に置かれ、その外側に巻かれたフレキシブルなポリイミドの厚さ２５μｍの内側樹脂膜１４があり、その外側に接着剤で取り付けた厚さ３５μｍ、間隔１ｍｍを保って幅７ｍｍの内側銅箔１５の表面に２列目の環状に並んだ８個のＰ型熱電半導体素子１２と３列目の同じく環状の８個のＮ型熱電半導体素子１１とがその内側端面１６を半田で固定されていて、同様に３列目と４列目は外側銅箔９に４列目と５列目は内側銅箔１５に、５列目と６列目は外側銅箔９にと交互に固定接続されている。

冷却塔１７から配管１８を経てポンプ１９により循環される、室温より高い２８℃の冷却水を内管１３に循環流下し、輻流ファン２０を運転して、室内２から２６℃の室温の空気を下面の照明器具２１を通し、照明器具の発熱を吸収させて２７℃に昇温した処でフィルター２２を経てアルミフィン５の間隙を通過させて、輻流ファン２０で吸い込み、加圧して、鋼板製ケーシング２３の内側にそって下方へ空気吹き出しスリット２４を経て、室内２へ給気循環させる。

ここで１列目のＮ型熱電半導体素子１１が固定されている外側銅箔９の延長部分の陰極端子２５と２１組目、４４列目のＰ型熱電半導体素子１１が固定されている内側銅箔９の延長部分の陽極端子２６に直流電圧を印加すると、熱電半導体素子の外側端面１０が冷たくなり、内側端面１６が熱くなり、外側から内側へ半導体素子を通して熱移動が生じ、その結果、そこに固定されている銅箔、樹脂膜、銅管、アルミフィンを通して、フィンに接する２７℃の空気から熱を奪って冷却し、温度の高い２８℃の冷却水に放熱する事となり、空気は出口では平均２３℃、冷却水は冷却水入口２７から３６本の内管１３を直列に流れて冷却水出口２８に達するまでに３１℃まで温度上昇する。

なお、本実施例において内管１３の外表面を略正８角形とし、外管７の内表面を円周に沿って８等分し、その中央の一部分を内管の外表面の正８角形の辺の長さに略等しい長さの線分に置き替えて輪にした形状とすると、長方体をなす半導体素子の外側端面１０と外管の内面の平面部、内側端面１６と内管外面の正８角形の面とが平行に対応するようにして拡管をすると、各部の密着度が改善されて熱伝導率が向上し、冷却効率、加熱効率ともに良好となり、エネルギー消費効率が改善される他、圧着時の半導体素子に懸かる応力が減り、素子の破損などの不良品が生じる可能性がなくなる。

本発明の実施例の通り熱電半導体素子を通常空気と水との熱交換に使用されるプレートフィンチューブ熱交換器のチューブを２重管構造としその間隙に所定の方法で配置固定して直流電圧を印加すると冷凍機として作用し、冷房が可能になる。熱電半導体素子の両端部の温度差を上の例に示すごとく平均的に５℃程度として適切な電圧を印加すると冷却熱量を電気入力で除したエネルギー消費効率は５．５程度で使用することができ、大型のターボ冷凍機に近い高いエネルギー消費効率が得られ、５％程度の除湿に関しては別途これを考えても、冷却塔と冷却水ポンプなどの他に大きい電力を消費する事がない本システムでは在来にない２倍程度の高い効率となる。

上記実施例における直流電圧の印加の極性を逆にすると、熱電半導素子の冷めたくなる側と、熱くなる側が逆転して冷却水側から、室内空気側に向けて熱が流れる事となり、冬季には室温より冷たい冷却水を熱源として室内空気を加熱するヒートポンプ暖房となる。

上述の通りの高い効率は直ちに大きな省エネルギーに繋がることは勿論で、地球環境に最も優しい空気調和設備と言う事ができ、大型冷凍機を設置するに必要となる屋内のスペースをなくし、省スペース性能の高い本発明による電子空調ユニットを使用する空気調和設備は、ビル用マルチ空調システムでは配管距離が長くなり過ぎて技術的に不可能な大規模ビル向けの空気調和システムとして大きく普及することが十分に考えられる。さらにビル用マルチ方式より１．５倍以上の高効率で運用できる本方式は、これに取って替わることも大いに考えられる。

今日、市販されている、熱電半導体素子を１００〜２００個程度集積した商品は、非常に高価な１万円以上の価格についているが、その現在の用途は、通常の温度差の冷凍機と同様の高い温度差で使用する場合には極めて効率が低いために、極く特殊な場合に限られるため、生産数が少量である事に起因している。

熱電半導体の主要原材料となるビスマス、テリリュームは前者は銅の精錬に際して発生する副産物で、後者は希土類に属するが、単価は極めて安い材料であり、大規模ビルの空気調和設備の部品として大量に生産すれば、全く問題にならない。

は本発明による電子空調ユニットを含む空気調和設備全体の説明図であり、 は本発明による電子空調ユニットの上方からの鳥瞰説明図、 は本発明による電子空調ユニットの下方からの鳥瞰説明図、 は本発明による電子空調ユニットに使用するプレートフィンチューブ式の熱交換器のチューブの部分詳細説明図である。

符号の説明

１．除湿装置
２．室内
３．電子空調ユニット
４．熱交換器
５．アルミフィン
６．貫通孔
７．外管
８．外側樹脂膜
９．外側銅箔
１０．外側端面
１１．Ｎ型熱電半導体素子
１２．Ｐ型熱電半導体素子
１３．内管
１４．内側樹脂膜
１５．内側銅箔
１６．内側端面
１７．冷却塔
１８．配管
１９．ポンプ
２０．輻流ファン
２１．照明器具
２２．フィルター
２３．鋼板製ケーシング
２４．空気吹き出しスリット
２５．陰極端子
２６．陽極端子
２７．冷却水入口
２８．冷却水出

Claims (5)

1. 冷却の制御と除湿の制御とを個別の独立した熱交換器とそれぞれに適した温度範囲の冷熱源を用いる空気調和設備の中の冷却を掌る顕熱冷却専用の空気調和機において、室温より高い温度の冷却水と、室温かこれに極めて近い温度の被冷却空気との間に介在する熱交換器に、ペルチエ方式の熱電半導体素子群を導入し、これに直流電圧を印加して生じる熱移動作用を利用して、室内との間に循環する被冷却空気を、室内空気の露点温度より高い範囲に留めて顕熱冷却を行い、奪った熱を冷却水に放熱する事を特色とする電子空調ユニット。
2. 室内空気の加熱が必要な冬季に、室温より低い温度の熱源水と被加熱空気との間にある請求項１の熱電半導体素子群に逆方向の直流電圧を印加し、逆方向の熱移動作用を使いて、循環する被加熱空気に温度の低い熱源水から熱を吸収し、より高い温度の空気を加熱する事を特色とするヒートポンプ電子空調ユニット。
3. 循環空気にフィン表面で接触するプレートフィンチューブ型熱交換器のチューブを熱伝導率の高い金属材料による同芯の２重管として、その間隙にペルチェ方式のＮ型半導体素子複数個を管の円周上に並べ、間隔を置いてＰ型半導体素子複数個を同じく円周上に、２重管の略全長に亙って交互に並べ、かつ内管の外周と外管の内周とに巻ける寸法として準備した耐熱性が高く、電気絶縁性の高いフレキシブルな樹脂膜に接着された半田メッキ仕上げを施した帯状の銅箔によって、前記、複数個のＮ型半導体素子とＰ型半導体素子を、各円周上の複数個は並列接続に、且つ、Ｎ型素子とＰ型素子は交互に直列接続となるように配置し、これらの部品相互の位置を保持するための補助材料を充填するか、または素子半導体を、予め、一方の樹脂膜上の銅箔に半田で固定するかの方策を施し、内外２枚の樹脂膜で半導体素子群が挟まれた円筒状の形状として準備し、管の外周にはフィンの貫通孔を通して略管に直角に並べて配置し、外管の内側から拡管するなどの方法で予め外管外面にフィンを固定した外管に、前記、円筒状の半導体素子群を挿入し、さらに内管を挿入して、内管の内部から拡管して、外管の内面と半導体外面樹脂膜、内管外面と内側樹脂膜内面、同樹脂膜外面上の銅箔と各素子半導体と外側樹脂膜上の銅箔が互いに圧着した状態として、低温炉で加熱し半田の融解によって銅箔と各半導体素子が電気的に接続されるようにし、且つ、内管内面とフィン貫通孔内面を通じて伝熱的に抵抗が最小限となる状態に保たれた熱交換器を構成し、内管に室温より高い温度の冷却水を通し、フィン表面に沿って室内空気を循環流通させ、直列接続されたＮ型、Ｐ型交互多数のペルチエ方式の半導体素子群に２重管の両端部から直流電圧を印加し、熱電作用により室温の空気から吸熱し、より温度の高い冷却水に放熱して循環空気を冷却し、または、より温度の低い熱源水から吸熱して循環空気を加熱する事を特色とする請求項１の電子空調ユニット。
4. 照明器具を熱交換器の下方に配置して一体化し、照明器具を通じて室内空気を吸い込み、照明器具の熱を吸収して室温よりやや高い温度となった還気を前記熱交換器を通過させてペルチエ方式の半導体に直流電圧を印加して、その熱電作用により循環空気を冷却する事を特色とする請求項１の電子空調ユニット。
5. 円周上に取り付けるペルチェ方式の半導体素子の数ｎに合わせて、内管の外面を略正ｎ角形とし、これと対応して外管の内面を正ｎ角形の各辺の一部が内管の外面のｎ角形の辺と略等しい長さにとり、円周をｎ等分した各円弧の中央に置いてその分だけ長さを減じた円弧の一部分と交互に連続して輪を成形する形状に仕上げた管を使用して請求項３と同じ状態に構成した請求項１の電子空調ユニット。

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