JP2008267622A - 蓄熱暖房器 - Google Patents

Abstract

【課題】 安価な夜間電力と比べ割高な昼間の電力を使用せず運転可能とし、さらに停電時でも運転可能となる蓄熱暖房器を提供する。
【解決手段】 蓄熱暖房器は、発熱体と、前記発熱体により加熱されて蓄熱可能な蓄熱体と、前記発熱体と前記蓄熱体を囲む断熱材を備え、さらに温度差により発電する熱電発電素子を備えることで、制御装置、送風装置、蒸気発生器など蓄熱暖房器の運転に付随して必要となる電気部品に、当該素子の発電により生じた電気を供給する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、発熱体の発熱により蓄熱体を加熱して蓄熱体に熱を蓄え、この熱を放出することで外気を暖めて暖房を行う蓄熱暖房器に関するものである。

従来、深夜電力などの安価な電力を利用して電気ヒータの発熱により蓄熱レンガを加熱して蓄熱レンガに熱を蓄え、この熱により外気を暖めて、温風を吹き出す蓄熱暖房器が知られている（例えば、特許文献１）。
図１は、従来の蓄熱暖房器の概略構成図である。蓄熱暖房器１は、電気ヒータ２と、電気ヒータ２の発熱により加熱されて蓄熱可能な蓄熱レンガ３と、蓄熱レンガの周囲に配置される断熱材４とを備え、蓄熱レンガと断熱材との間に通風路５が形成されている。この蓄熱暖房器１では、取込口６からファン７により通風路５に送り込まれた外気（冷風）を、通風路５を通過させる間に蓄熱レンガ３と接触させることで暖め、温度調整機９で外気と混合し設定した温度で温風を吹出口８より送り出す。
この蓄熱暖房器によれば、安価な夜間電力を利用して蓄熱レンガを加熱することができ、昼間の運転時には夜間に蓄熱した熱エネルギーを利用し低コストで暖房することができる。
特開２００５−２４２１３号公報

しかし、安価な夜間電力を使えない昼間に蓄熱暖房器を運転する場合、熱源については夜間の安価な電力を利用して蓄熱した蓄熱レンガの熱エネルギーを利用できるものの、温度調節機等の制御装置や送風するためのファン等の送風装置については、別途昼間の電力を利用して駆動させる必要があり、夜間の安価な電力のみを有効利用して運転できていないという問題がある。

また、たとえ夜間に蓄熱を行えたとしても、停電が発生した場合には運転ができないという問題もある。

本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、昼間に運転をする場合であっても、夜間電力を有効に利用し、さらに停電時でも運転することのできる蓄熱暖房器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、第１発明に係る蓄熱暖房器は、発熱体と、前記発熱体により加熱されて蓄熱可能な蓄熱体と、前記発熱体と前記蓄熱体を囲む断熱材を備える蓄熱暖房器であって、温度差により発電する熱電発電素子を備えることを特徴とする。

当該熱電発電素子は熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換することができる。従ってこの熱電発電素子を蓄熱暖房器に内蔵させると、夜間電力を利用して蓄熱レンガに蓄熱した熱エネルギーを使って電気エネルギーを得ることができる。この熱電発電素子を使って生成した電気エネルギーを使えば、昼間の電力を使用することなく、夜間電力のみで温度調節機や送風装置等を駆動させることで運転が可能な蓄熱暖房器を提供することができる。

また、第２発明に係る蓄熱暖房器は、第１発明において、さらに前記熱電発電素子の少なくとも一部が、前記断熱材の表面又は内部に設けられていることを特徴とする。

熱電発電素子による発電は、高温部分と低温部分の温度差に起因して電気を発生するため、熱電発電素子の一方の面を蓄熱体側にし、他方の面を外部側に向け、できるだけ温度差をつける方が発電量は多くなる。このため蓄熱体を囲う断熱材の表面又は内部に当該熱電発電素子が設けられていることが望ましい。これにより効率的に熱電発電素子は発電し、蓄熱暖房器を運転するための実用的な電気エネルギーを得ることができ得る。

また、第３発明に係る蓄熱暖房器は、第１発明及び第２発明において、前記熱電発電素子が、前記蓄熱体全体の高さに対し、上面を基準面とし下面方向に３分の１から３分の２の範囲の位置に設置されていることを特徴とする。

温められた蓄熱体の上面は断熱材及びケースを介して外気にされされるとともに下面は床面に設置されるため冷却されて温度が低くなる一方、中央部では冷却されにくく保温効果が高いため上部及び下部より温度が高くなり温度差がつきやすく、熱電発電素子の発電効率を更に向上することができる。

また、第４発明に係る蓄熱暖房器は、第１発明乃至第３発明において、さらに制御装置及び送風装置の少なくとも１つを備え、前記熱電発電素子により発電した電気によって、前記制御装置及び送風装置の少なくとも１つを駆動することを特徴とする。

熱電発電素子により発電した電気エネルギーにより、温度制御機等の制御装置及びファン等の送風装置を駆動することで、昼間の電力を使用することなく、運転可能な蓄熱暖房器を提供することができる。

また、第５発明に係る蓄熱暖房器は、第１発明乃至第４発明において、さらに蒸気発生器を備え、前記熱電発電素子により発電した電気によって、前記蒸気発生器を駆動することを特徴とする。

蒸気発生器は、例えば電気ヒータで水を加熱することで水蒸気を室内に放出する加湿器である。熱電発電素子により発電した電気を用いて電気ヒータで加熱し、水蒸気を発生することで、昼間の電力を使用することなく、蒸気発生器も同時に駆動可能とする蓄熱暖房器を提供することができる。

また、第６発明に係る蓄熱暖房器は、第１発明乃至第５発明において、前記熱電発電素子により発電した電気を蓄える二次電池を備えることを特徴とする。

二次電池は熱電発電素子により発電された電気エネルギーを充電することができるため、これを内蔵すれば、例えば瞬時に蒸気発生器の電気ヒータを加熱したい場合など、内蔵の熱電発電素子の発電力以上の電気エネルギーが必要な場合に二次電池から電気を取り出して使うことができ、また電気エネルギーが余れば充電して電気量を補充することができる蓄熱暖房器を提供することができる。

本発明によれば、熱電発電素子を内蔵することで夜間の安価な電力を用いて蓄熱した熱エネルギーを用いて発電を行え、夜間の電力を有効に利用して運転することが可能な蓄熱暖房器を提供することができる。これにより、安価な夜間電力をより有効に活用できるとともに、一旦蓄熱さえできれば、停電時にも蓄熱暖房器を運転することが可能となる。

以下、本発明をより詳しく説明する。
本発明に係る蓄熱暖房器は、発熱体と、発熱体の発熱により加熱されて熱を蓄える蓄熱体と、保温するために蓄熱体を囲う断熱材と、さらに熱電発電素子を備える。

ここで、蓄熱暖房器における発熱体としては、通電により発熱する電気ヒータが挙げられる。具体的には、ニッケル合金からなるシーズヒータ等が挙げられる。また、蓄熱体としては、例えば、マグネシア、酸化鉄、かんらん岩などの、熱伝導率が高く蓄熱能力が高い材料から形成されるものが挙げられる。また、蓄熱体自体に外気を通過させることが可能な通気路を備えると、外気との接触面積を増加させることができるため、蓄熱体の内部から均一に熱を取り出すことができ、熱効率を高めることができる。更に、蓄熱体の熱を外部に漏らさないように蓄熱体と外部とを遮断するための断熱材を具える。特に、蓄熱体の外周を囲むように断熱材を配置すると、断熱効果を高めることができる。断熱材としては、例えば、シリカ・アルミナ系断熱材などが挙げられる。断熱材を具える場合、断熱材で囲まれる空間は、外気が蓄熱体と接触可能な空間、即ち、通風路となる。上記発熱体、蓄熱体、及び断熱材は、上記例示に限らずいずれも公知のものを使用してもよい。

また、本発明の蓄熱暖房器は、ファンなどの送風装置を備えて、温風の送り出しを強制的に行う構成としてもよいし、自然対流により温風の送り出しを行う構成としてもよい。その他、本発明蓄熱暖房器は、吹出口から吹き出す温風の温度調整機構を備えることが好ましい。具体的には、例えば、蓄熱体に接触させる外気の量と、蓄熱体に接触させずそのまま吹出口に送る外気の量との割合を調節可能な構成や、温められた高温の気体を通風路から送り出す量を調節可能な構成が挙げられる。このような調整機構は、例えば、バイメタルから構成されるものが挙げられる。

一方、熱電発電素子は、熱を電気に変換する原理を利用して発電する半導体を使用しており、当該素子の上面と下面に温度差が生じると、それぞれプラス極、マイナス極となり、この電位差により発電を行うものである。具体的には、Ｐ型半導体とＮ型半導体の組み合わせにより構成されており、ゼーベック効果を利用したものである。これらの材料としては、ビスマス・テルル化合物、鉛・テルル合金、シリコン・ゲルマニウム合金、コバルト・アンチモン化合物、亜鉛・アンチモン化合物、セラミックス等が用いられている。例えば、（株）東芝製の熱電発電素子では大きさ１４．４ｃｍ^２の素子で１５Ｗの発電が可能な素子が実現されている。従って、一般に制御装置であれば数Ｗ、ファンなどの通風機では１０Ｗ程度であれば駆動できるため、本素子１つで十分な発電量がまかなえる。また、蒸気発生器については電気ヒータ等を使用するため数十Ｗ必要となるが、当該素子を複数個設けることで、駆動することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例により説明する。尚、実施例は本発明の範囲を限定するものではない。

（実施の形態１）
図２は本発明の実施の形態１に係る蓄熱暖房器の概略の構成を示す断面模式図である。本例に示す蓄熱暖房器１は、電気ヒータ２と、電気ヒータ２にて加熱された蓄熱可能な蓄熱レンガ３と、蓄熱レンガの外周を取り囲むように配置される断熱材４と、温度差により発電する熱電発電素子１３とを備える。この蓄熱暖房器１は、蓄熱レンガ２と断熱材４の間に通風路５を形成し、取入口６からファン７によって外気をこの通風路５に送り、外気が通風路５を通過する際、蓄熱レンガ３に接触させて熱交換を行うことで外気を暖めて熱風とし、通風路５から出た熱風を強制的に吹出口８から吹き出す。
また、本例に示す蓄熱暖房器は制御装置を備えており、例えば所定の温度を設定するとその表示をすると共に、温度調節機９により設定した温度を有する温風を吹き出すように制御している。

図３は熱電発電素子の構成を示す断面模式図であり、Ｐ型半導体１４とＮ型半導体１５が電極１８を介して接合され、さらに熱吸収用プレート１６と放熱用プレート１７が電極１８に接合されている。熱電発電素子は、必要な電気エネルギーを発生させるのに十分な数だけ、直接又は並列に接続すればよい。発電は熱吸収用プレート１６と放熱用プレート１７の温度差を確保することが必要であり、このためには熱吸収用プレート１６を蓄熱レンガ３周辺の受熱に適した位置に設置するとともに、放熱用プレート１７からの放熱を大きくする必要がある。図４は図３に示す熱電発電素子の放熱用プレート１７にヒートシンクを接合した場合の斜視図である。図４に示すように、放熱用プレート１７にヒートシンク２０が接合されることで、より効率的に温度差を確保することが可能となる。

そこで、熱電発電素子１３を、図２に示すように蓄熱レンガを囲む断熱材３の内部に設けると、当該素子の蓄熱レンガ側表面は高温であるのに対し、断熱材４表面側は相対的に低温となる。これに温度差が得られるため、温度調節機や温風を吹き出すファンを駆動するのに必要な電力を得ることができ、夜間電力を有効に利用して蓄熱暖房器を運転することができる。さらに、停電時でも同様に運転することができ得る。

また、上記以外にも表示用ランプやその他の電気部品についても、当該素子により発電した電気を利用できることは言うまでもない。

（実施の形態２）
図５は実施の形態１に係る更に別の実施例であり、本発明の実施の形態２に係る蓄熱暖房器の概略を示す断面模式図である。熱電発電素子１３は蓄熱レンガの上面Ａから蓄熱レンガの下面Ｂ方向に向かって３分の１から３分の２の範囲内の位置Ｌに設置されている。図６は実線が蓄熱暖房器内部の蓄熱レンガ３側面の温度分布（高温側）を、破線が断熱材４側面で外ケース１１側の温度分布（低温側）を示したグラフであり、横軸には温度、縦軸は蓄熱レンガ下面Ｂから上面Ａまでの高さ方向の位置を示している。これより中央部で高温部と低温部での温度差が最も大きく、より効率的に発電できることがわかる。従って、蓄熱レンガ３の上面から下面に向かって３分の１から３分の２の範囲内の位置に熱電発電素子１３を設置することが好ましい。

（実施の形態３）
図７はさらに別の実施例であり、本発明の実施の形態３に係る蓄熱暖房器の概略を示す断面模式図である。蒸気発生器２１が備えられており、蒸気発生器２１の容器内部には水が入れられ、電気ヒータ等により加熱を行うことで水蒸気を発生し、暖房中における空気の乾燥を緩和するため加湿を行うことができる。
熱電発電素子により発生した電気を用いることで、夜間電力を有効に利用して蒸気発生器を駆動し、加湿を行うことができる。

（実施の形態４）
図８は実施の形態１に係る更に別の実施例であり、本発明の実施形態４に係る蓄熱暖房器の概略を示す断面模式図である。二次電池２２が備えられており、熱電発電素子で発電した余分な電気エネルギーを二次電池に充電させておくことができる。これにより、蒸気発生器２１の電気ヒータ等の加熱に必要な電気エネルギーが発電のみでは不足する場合に二次電池２２から供給することができ、さらに蓄熱レンガ３の温度が低下し、十分な発電量が得られない場合にも制御装置等へ電力を供給することで蓄熱暖房器の運転を継続することができる。

上記において、本発明の実施の形態及び実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態及び実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

従来の蓄熱暖房器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１に係る蓄熱暖房器の構成の概略を示す断面模式図である。 熱電発電素子の構成を示す断面模式図である。 熱電発電素子の外観を示す斜視図である。 実施の形態２に係る蓄熱暖房器の構成の概略を示す断面模式図である。 蓄熱暖房器内部の温度分布を示すグラフである。 実施の形態３に係る蓄熱暖房器の構成の概略を示す断面模式図である。 実施の形態４に係る蓄熱暖房器の構成をの概略を示す断面模式図である。

符号の説明

１ 蓄熱暖房器
２ 電気ヒータ
３ 蓄熱レンガ
４ 断熱材
５ 通風路
６ 取入口
７ ファン
８ 吹出口
９ 温度調節機
１０ 操作パネル
１１ 外ケース
１２ 空気層
１３ 熱電発電素子
１４ Ｐ型半導体
１５ Ｎ型半導体
１６ 熱吸収用プレート
１７ 放熱用プレート
１８ 電極
１９ 熱電発電素子
２０ ヒートシンク
２１ 蒸気発生器
２２ 二次電池
２３ 電気配線
Ａ 蓄熱レンガの上面
Ｂ 蓄熱レンガの下面
Ｌ 蓄熱レンガの上面と下面間の距離

Claims (6)

1. 発熱体と、前記発熱体により加熱されて蓄熱可能な蓄熱体と、前記発熱体と前記蓄熱体を囲む断熱材を備える蓄熱暖房器であって、
   温度差により発電する熱電発電素子を備えることを特徴とする、蓄熱暖房器。
2. 請求項１に記載の蓄熱暖房器であって、
   前記熱電発電素子の少なくとも一部が、前記断熱材の表面又は内部に設けられていることを特徴とする、蓄熱暖房器。
3. 請求項１又は２に記載の蓄熱暖房器であって、
   前記熱電発電素子は、前記蓄熱体全体の高さに対し、上面を基準面とし下面方向に３分の１から３分の２の範囲の位置に設置されていることを特徴とする、蓄熱暖房器。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の蓄熱暖房器であって、
   さらに制御装置及び送風装置の少なくとも１つを備え、
   前記熱電発電素子により発電した電気によって、前記制御装置及び送風装置の少なくとも１つを駆動することを特徴とする、蓄熱暖房器。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の蓄熱暖房器であって、
   さらに蒸気発生器を備え、
   前記熱電発電素子により発電した電気によって、前記蒸気発生器を駆動することを特徴とする、蓄熱暖房器。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の蓄熱暖房器であって、
   さらに前記熱電発電素子により発電した電気を蓄える二次電池を備えることを特徴とする、蓄熱暖房器。

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