JP2011226233A - 熱電モジュールを用いた建築用断熱材 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱電素子を断熱材として用いることによって、断熱性能を向上させると共に、該断熱材を用いて建築物の冷暖房が併せて可能な建築用断熱材を提供する。
【解決手段】本発明の建築用断熱材２００は、建築物の壁体または底材に挿設され、複数の熱電素子を備える熱電モジュール２０２と、該熱電モジュール２０２へ電源を供給する給電モジュール２０４と、該給電モジュール２０４から該熱電モジュール２０２へ供給される電源の大きさ及び極性を制御する電源制御モジュール２０６とを含む。これによって、従来の断熱材に比べてはるかに優れた断熱性能を提供することができ、熱電素子はその大きさが非常に小さいので、従来の断熱材を用いることに比べて壁体または底材の厚さを減少させることができる。また、印加電圧の極性及び大きさを変えるだけで冷房または暖房の効果も具現化することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、建築物の断熱に関するもので、特に、熱電モジュールを用いて建築用断熱材の性能を向上させるための技術に関する。
建築物のエネルギー節約のための断熱施工は、１９７０年代初めの世界的なオイルショックにあった後から一般化されており、建築法施行規則などにおいても別途の断熱基準を規定して建築物の熱的性能の向上を試みている。
断熱とは、「熱が流れる物体の電熱抵抗を大きくして熱の流れを小さくすること」として定義することができる。これを建築分野において言えば、構造体（特に壁体）の熱貫流率を小さくすることを意味すると考えることができる。熱貫流率を小さくするためには、材料の厚さを増加させるか、または熱伝導率が小さな材料を用いなければならない。しかし、熱貫流率を減らすために材料の厚さを増加させることは、設計上の制限、コストアップなどの理由により限界があるため、一般には熱伝導率が小さな材料を用いることがより効果的である。熱伝導率が小さな材料を断熱材とし、通常熱伝導率が０．０５ｋｃａｌ／ｍｈ℃以下の材料がこれに属する。
一般的に、断熱材には、断熱コンクリートや繊維板、木毛板等の板状材料、粒状コルク、パーミキュライト、ガラス繊維、岩綿、スラグウールなどの粒状材料、アルミ箔、熱線吸収ガラス、熱線反射ガラス、複層ガラスなどが挙げられる。また、建築物の断熱材料としては、スチロール、石膏ボード、岩綿などが多用されており、木材も断熱材として利用可能である。
このような従来の断熱材は、低い熱伝導率によって室内外の熱の移動をある程度遮断することができる。しかし、該断熱材は受動的に熱を遮断するだけであり、この熱を特定な方向に移動させるのは不可能なため、該断熱材を建築物に適用しても十分な断熱性能を得るには限界がある。
本発明は上記の問題点に鑑みて成されたものであって、その目的は、熱電素子（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔ）を断熱材として用いることによって、断熱性能を向上させると共に、該断熱材を用いて建築物の冷暖房をも併せて可能な建築用断熱材を提供することにある。
上記目的を解決するために、本発明の好適な実施の形態による建築用断熱材は、建築物の壁体または底材に挿設され、複数の熱電素子を備える熱電モジュールと、前記熱電モジュールに電源を供給する給電モジュールと、前記給電モジュールから前記熱電モジュールへ供給される電源の大きさ及び極性を制御する電源制御モジュールとを含む。
ここで、前記熱電モジュールは、前記壁体または底材の外部面に取り付けられるか、または前記壁体または底材の内部面に取り付けられる。または、前記熱電モジュールは前記壁体または底材の内部に挿設されてもよい。
一方、前記建築用断熱材は、前記建築物の外部及び内部の温度を感知する温度感知モジュールをさらに含むことができる。
ここで、前記電源制御モジュールは、前記温度感知モジュールにて感知された前記建築物の外部温度が内部温度より低い場合、熱が前記壁体または底材の外部面から内部面の方へ移動するように、前記熱電モジュールへ供給される電源の極性を制御することができる。
また、前記電源制御モジュールは、前記温度感知モジュールにて感知された前記建築物の外部温度が内部温度より高い場合、熱が前記壁体または底材の内部面から外部面の方へ移動するように前記熱電モジュールへ供給される電源の極性を制御することができる。
そして、前記電源制御モジュールは、前記温度感知モジュールにて感知された前記建築物の外部温度と内部温度との差に比例して、前記熱電モジュールへ供給される電源の大きさを制御することができる。
一方、前記建築用断熱材は、前記電源制御モジュールに接続され、該熱電モジュールへ供給される電源の大きさ及び極性に対する制御値を入力する入力モジュールをさらに含むことができる。
本発明によれば、熱電素子を用いて建築物の断熱材を具現化することによって、従来の断熱材に比べてはるかに優れた断熱性能を提供することができる。
また、前記熱電素子は、その大きさが非常に小さいので、従来の断熱材を用いることに比べて、壁体または底材の厚さを減少すると共に、印加電圧の極性及び大きさを変えることだけで、断熱だけでなく冷房または暖房の効果も奏することができる。
このような熱電素子を用いた断熱及び冷暖房方式を用いることによって、別途の機械素子が必要でなくなり、騒音がなくなり、寿命が長くなり、また別途の環境汚染物質を排出しないので環境にやさしい断熱及び冷暖房を具現化することができる。
本発明の一実施形態による熱電モジュールを用いた断熱効果を説明するための図面である。 本発明の一実施形態による建築用断熱材２００の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による熱電モジュール２０２が壁体または底材に挿設される形態を示す図面である。 本発明の一実施形態による熱電モジュール２０２が壁体または底材に挿設される形態を示す図面である。 本発明の一実施形態による熱電モジュール２０２が壁体または底材に挿設される形態を示す図面である。 本発明の一実施形態による建築用断熱材２００が敷設された建築物の室外温度が室内温度より低い場合の制御方法を説明するための図面である。 本発明の一実施形態による建築用断熱材２００が敷設された建築物の室外温度が室内温度より高い場合の制御方法を説明するための図面である。
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明すると、次のとおりである。
以下、本発明の好適な実施の形態は図面を参考にして詳細に説明する。次に示される各実施の形態は当業者にとって本発明の思想が十分に伝達されることができるようにするために例として挙げられるものである。従って、本発明は以下示している各実施の形態に限定されることなく他の形態で具体化されることができる。そして、図面において、装置の大きさ及び厚さなどは便宜上誇張して表現されることができる。明細書全体にわたって同一の参照符号は同一の構成要素を示している。
本発明の技術的思想は請求の範囲により示され、以下の実施形態は本発明の技術的思想を本発明の属する技術分野において通常の知識を有する者に効率的に説明するための一手段に過ぎないものである。
図１は、本発明の一実施形態による熱電モジュールを用いた断熱効果を説明するための図面である。
熱電素子（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔ）は、Ｎタイプの半導体素子とＰタイプの半導体素子との１対を基本単位とし、該熱電素子が複数個集まり熱電モジュール（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｏｄｕｌｅ）を構成する。
同図のように、熱電素子に直流（ＤＣ）電圧を印加すると、Ｎタイプの半導体素子では電子（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ）の流れによって、Ｐタイプ半導体素子では正孔（Ｈｏｌｅ）の流れによって、熱が図面中の下から上へ移動するようになり、これにより該下の吸熱部の温度は低くなり、上の発熱部の温度は高くなる。このように、熱電素子で発熱反応及び吸熱反応が現れる理由は、金属内電子のポテンシャルエネルギーの差によって該ポテンシャルエネルギーの低い状態にある金属から高い状態にある金属へと電子が移動するためには外部からエネルギーを得なければならないので、電子の移動によって、一方では熱エネルギーを吸収し、他方では熱エネルギーを放出するためである。これをペルチェ効果（Ｐｅｌｔｉｅｒ Ｅｆｆｅｃｔ）という。このような熱電素子での吸熱または発熱の反応は、熱電素子へと流れる電流の量に比例するようになり、また、電源の極性が変われば該吸熱及び発熱の反応が逆に生じるようになる。
本発明においては、このような熱電素子の熱的ダイオード機能、即ち供給する電流の方向によって一方向にのみ熱が流れるような性質を用いて建築物に使用可能な断熱材を具現化した。
図２は、本発明の一実施形態による建築用断熱材２００の構成を示すブロック図である。
同図のように、本発明の一実施形態による建築用断熱材２００は、熱電モジュール２０２と、給電モジュール２０４と、電源制御モジュール２０６とを含み、必要によって温度感知モジュール２０８または入力モジュール２１０をさらに含んで構成できる。
熱電モジュール２０２は前述のように、複数の熱電素子（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔ）から構成され、建築物の壁体または底材に挿設される。ここで、該建築物の種類には、これに限定するものではなく、一般的な住居用住宅、業務用ビル、組立式仮設建物などが挙げられる。即ち、本発明の一実施形態による建築用断熱材２００は、壁体または底材に断熱材が挿設されるような建築物にも適用可能である。
このような熱電モジュール２０２に含まれた熱電素子の各々は、給電モジュール２０４からの給電によって熱が前記壁体または底材の外部（室外）から内部（室内）方向に、または内部から外部方向にのみ流れるようにすることによって、建築物内部の温度が一定な水準に維持されるようにする。即ち、本発明では、前述したように熱電素子の熱的ダイオード特性を用いて建築物の断熱を行うようになる。
給電モジュール２０４は、熱電モジュール２０２に電源を供給する。給電モジュール２０４は、建築物へ供給される交流（ＡＣ）電源を所定の大きさの直流（ＤＣ）電源に変換して熱電モジュール２０２へ供給するように構成される。また、該建築物に太陽電池パネルが備えられている場合、給電モジュール２０４は、該太陽電池パネルから電源を供給され、これを変換して熱電モジュール２０２へ供給することができる。このように給電モジュール２０４が、太陽光を用いて熱電モジュール２０２に電源を供給する場合には、断熱のために別途の家庭用電源を用いる必要がないので、既存の断熱材を用いることと比較して遥かに優れた断熱効果を奏すると共に、追加の費用投入を最小化することができる。
電源制御モジュール２０６は、給電モジュール２０４から熱電モジュール２０２へ供給される電源の大きさ及び極性を制御する。即ち、給電モジュール２０４は、電源制御モジュール２０６の制御によって、熱電モジュール２０２へ供給される電源の大きさ及び極性を変化させるようにする。電源制御モジュール２０６での具体的な電源制御方法については、後述することにする。
一方、前述のように、本発明の一実施形態による建築用断熱材２００は、温度感知モジュール２０８をさらに含むことができる。この温度感知モジュール２０８は、熱電モジュール２０２が備えられた建築物の外部及び内部の温度を感知し、これを電源制御モジュール２０６へ伝送する。熱電モジュール２０２が必要とする断熱機能を遂行するためには、該建築物の内外部の温度差によって熱電モジュール２０２へ供給される電流の量及び方向（極性）を可変にする必要がある。これにより、電源制御モジュール２０６は、温度感知モジュール２０８から該建築物の外部及び内部の温度情報を入力し、これにより給電モジュール２０４から出力される電流の量及び極性を変化させるようになる。
また、前記建築用断熱材２００は、入力モジュール２１０をさらに含むことができる。この入力モジュール２１０は、電源制御モジュール２０６に接続され、ユーザの入力のための入力手段（ボタンまたはダイヤル等）を備えることができる。このような入力モジュール２１０によって、ユーザは熱電モジュール２０２へ供給される電源の大きさ及び極性に対する制御値を入力することができる。入力モジュール２１０は該制御値を入力して電源制御モジュール２０６へ伝送することによって、電源制御モジュール２０６が該制御値に基づいて熱電モジュール２０２へ供給される電源の大きさ及び極性を変化させるようにすることができる。
図３ａ〜図３ｃは各々、本発明の一実施形態による熱電モジュール２０２が壁体または底材に挿設される形態を示す図面である。
図３ａは、熱電モジュール２０２が壁体または底材３００の内部面、即ち室内と接する面に断熱材として取り付けられた形態で、これを内断熱という。また、図３ｂは、熱電モジュール２０２が壁体または底材３００の内部に断熱材として挿設された形態で、これを中断熱という。図３ｃは、熱電モジュール２０２が壁体または底材３００の外部面、即ち室外と接する面に断熱材として取り付けられた形態で、これを外断熱という。
理論的に、室内外の温度が一定の状態に維持されるときの正常な熱流下では、熱電モジュール２０２がどこに位置しているかに関わらず断熱性能が同一であるとみなすことができる。ところで、内外温度が随時変化する実際の状況では、建築物構造体の蓄熱性能などによって熱電モジュール２０２の取り付け位置によって断熱効果が異なるように示される。そのため、実際に本発明の一実施形態による建築用断熱材２００を建築物に適用するときには、このような点に鑑みて、図３ａ〜図３ｃに示された実施形態のうちのいずれか一つを選択してもよい。
図４は、本発明の一実施形態による建築用断熱材２００が敷設された建築物の室外温度が室内温度より低い場合の制御方法を説明するための図面である。
例えば、冬季などのように、熱電モジュール２０２を介して外部の温度（０℃）よりも室内温度（１８℃）が高く設定される場合、電源制御モジュール２０８は熱エネルギーが壁体または底材の外部面から内部面の方へ移動するように（即ち、熱電モジュール２０２の外方から内方へ熱が移動するように）、熱電モジュール２０２へ供給される電源の極性を制御する。これにより、熱は建築物の室外から室内の方にのみ移動するようになるので、内部の温かい空気が該壁体または底材を通じて外に漏れるのを防げるようになる。
また、電源制御モジュール２０６は、温度感知モジュール２１０にて感知された前記建築物の外部温度と内部温度との差に比例して熱電モジュール２０２へ供給される電流量を増加させることができる。即ち、建築物内外部の温度差が大きいほど、外に漏れる熱エネルギーの量も増加するようになるので、これに比例して熱電モジュール２０２へ供給される電流量を増加させると、該熱の移動を相殺させることができる。また、これを応用して、温度差が同一の場合にも、熱電モジュール２０２へ供給される電流量を増加させることによって、積極的に室外から室内へ熱が移動するようにして、本発明の一実施形態による建築用断熱材２００が断熱機能だけでなく暖房機能も遂行するようにすることができる。
図５は、本発明の一実施形態による建築用断熱材２００が敷設された建築物の室外温度が室内温度より高い場合の制御方法を説明するための図面である。
例えば、夏季などのように、熱電モジュール２０２を介して外部の温度（３０℃）よりも室内温度（２０℃）が低く設定される場合、電源制御モジュール２０８は熱エネルギーが壁体または底材の内部面から外部面の方へ移動するように（即ち、熱電モジュール２０２の内側から外側へ熱が移動するように）熱電モジュール２０２へ供給される電源の極性を制御する。これにより、熱は建築物の室内から室外の方にのみ移動するようになるので、外方の暑い空気が該壁体または底材を通じて室内に入ってくるのを防げるようになる。
また、図４で説明した通り、電源制御モジュール２０６は温度感知モジュール２１０にて感知された建築物の外部温度と内部温度との差に比例して、熱電モジュール２０２へ供給される電流量を増加させることができる。即ち、建築物内外部の温度差が大きいほど、室内に流入する熱エネルギーの量も増加するようになるので、これに比例して熱電モジュール２０２へ供給される電流量を増加させると、該熱の移動を相殺させることができる。また、これを応用して、温度差が同一の場合にも、熱電モジュール２０２へ供給される電流量を増加させることによって、積極的に室内から室外へ熱が移動するようにして、本発明の一実施形態による建築用断熱材２００が断熱機能だけでなく冷房機能も遂行するようにすることができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、前記した実施の形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
２００ 建築用断熱材
２０２ 熱電モジュール
２０４ 給電モジュール
２０６ 電源制御モジュール
２０８ 温度感知モジュール
２１０ 入力モジュール

Claims (9)

  1. 建築物の壁体または底材に挿設され、複数の熱電素子を備える熱電モジュールと、
    前記熱電モジュールに電源を供給する給電モジュールと、
    前記給電モジュールから前記熱電モジュールへ供給される電源の大きさ及び極性を制御する電源制御モジュールと、
    を含む建築用断熱材。
  2. 前記熱電モジュールは、前記壁体または底材の外部面に取り付けられる請求項１に記載の建築用断熱材。
  3. 前記熱電モジュールは、前記壁体または底材の内部面に取り付けられる請求項１または２に記載の建築用断熱材。
  4. 前記熱電モジュールは、前記壁体または底材の内部に挿設される請求項１から３のうちいずれか１つに記載の建築用断熱材。
  5. 前記建築物の外部及び内部の温度を感知する温度感知モジュールを、さらに含む請求項１から４のうちいずれか１つに記載の建築用断熱材。
  6. 前記電源制御モジュールは、前記温度感知モジュールにて感知された前記建築物の外部温度が内部温度より低い場合、熱が前記壁体または底材の外部面から内部面の方へ移動するように、該熱電モジュールへ供給される電源の極性を制御する請求項５に記載の建築用断熱材。
  7. 前記電源制御モジュールは、前記温度感知モジュールにて感知された前記建築物の外部温度が内部温度より高い場合、熱が前記壁体または底材の内部面から外部面の方へ移動するように、該熱電モジュールへ供給される電源の極性を制御する請求項５または６に記載の建築用断熱材。
  8. 前記電源制御モジュールは、前記温度感知モジュールにて感知された前記建築物の外部温度と内部温度との差に比例して、前記熱電モジュールへ供給される電源の大きさを制御する請求項５から７のうちいずれか１つに記載の建築用断熱材。
  9. 前記電源制御モジュールに接続され、前記熱電モジュールへ供給される電源の大きさ及び極性に対する制御値を入力する入力モジュールを、さらに含む請求項１から８のうちいずれか１つに記載の建築用断熱材。
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