JP2012197978A - ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ペルチェ素子から離れた場所にある室内を効率良く温度調節する。
【解決手段】ヒートポンプシステム１は、室外１ｂに設置されるペルチェユニット１０と、室外１ｂに設置され室外用配管１７，１８にてペルチェユニット１０と接続されて室外１ｂの空気と熱交換する室外熱交換ユニット１２と、室内１ａに設けられ室内用配管１９によってペルチェユニット１０と接続されて室内１ａの空気と熱交換する室内熱交換ユニット１３を有する。ペルチェユニット１０は、第一と第二熱面を備えるペルチェ素子２と、第一熱面と当接する第一基板３と、第二熱面と当接する第二基板４と、第一基板３を覆い第一流路を形成し室外用配管１７，１８によって室外熱交換ユニット１２に接続される金属製の金属ケース６と、第二基板４を覆い第二流路を形成し室内用配管１９によって室内熱交換ユニット１３に接続される樹脂製の樹脂ケース７を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ペルチェ素子を利用するヒートポンプシステムに関する。

特許文献１に記載の装置は、ペルチェ素子と、ペルチェ素子の一端部に当接される金属板と、金属板に取付けられる装置本体と、金属板と協働して装置本体を覆うケーシングと、ペルチェ素子の他端部に当接されるヒートシンクと、ヒートシンクを覆うダクトを有する。ペルチェ素子は、電流を流すことで金属板側が吸熱部になり、ヒートシンク側が放熱部になる。ペルチェ素子の吸熱部は、金属板を介して装置本体から熱を吸収して装置本体を冷却する。ペルチェ素子の放熱部は、ヒートシンクを介してダクトを流れる空気に熱を放出する。

特開２００９−３６８５２号公報

しかしペルチェ素子を利用してペルチェ素子から離れた場所にある室内を効率良く温度調節したいという要望がある。

前記課題を解決するために本発明は、室外に設置されるペルチェユニットと、室外に設置されかつ室外用配管によってペルチェユニットと環状に接続されて室外の空気と熱交換する室外熱交換ユニットと、室内に設けられかつ室内用配管によってペルチェユニットと環状に接続されて室内の空気と熱交換する室内熱交換ユニットを有する。ペルチェユニットは、第一熱面と第二熱面を備えかつ熱面の一つが吸熱部で熱面の他の一つが放熱部になるペルチェ素子と、第一熱面と当接する第一基板と、第二熱面と当接する第二基板と、第一基板を覆い第一基板との間に第一流路を形成して第一流路が室外用配管によって室外熱交換ユニットに環状に接続される金属製の金属ケースと、第二基板を覆い第二基板との間に第二流路を形成して第二流路が室内用配管によって室内熱交換ユニットに環状に接続される樹脂製の樹脂ケースを有する。

したがって金属ケースは、金属製であるために熱伝導率が高く、樹脂ケースは、樹脂製であるために熱伝導率が低い。そのためペルチェ素子による熱ポンプの効率が向上する。例えば、暖房のためにペルチェ素子に電流を供給してペルチェ素子の第一基板側を吸熱部とし、第二基板側を放熱部にする。ペルチェ素子の吸熱部が第一基板を介して金属ケースの第一流路内の室外用熱媒体から熱を吸収する。室外用熱媒体は、金属ケースを介して室外の空気から熱を吸収する。そのため室外の空気の熱を利用して、ペルチェ素子による熱ポンプの性能が向上する。一方、ペルチェ素子の放熱部は、第二基板を介して樹脂ケースの第二流路内の室内用熱媒体に温熱を供給する。室内用熱媒体に供給された温熱は、樹脂ケースによって室外の空気へ放出され難い。例えば金属製のケースに比べて放出される熱量が少ない。そのため室内熱交換ユニットに供給され得る熱量が多くなり、暖房効率が向上する。

冷房のためにペルチェ素子に電流を供給してペルチェ素子の第一基板側を放熱部とし、第一基板側を吸熱部にする。ペルチェ素子の放熱部が第一基板を介して金属ケースの第一流路内の室外用熱媒体に温熱を放出する。室外用熱媒体は、金属ケースを介して室外の空気に温熱を放出する。そのため室外の空気に熱を放出することで、ペルチェ素子による熱ポンプの性能が向上する。一方、ペルチェ素子の吸熱部は、第二基板を介して樹脂ケースの第二流路内の室内用熱媒体から熱を吸収することで、室内用熱媒体に冷熱を供給する。室内用熱媒体に供給された冷熱は、樹脂ケースによって室外の空気へ放出され難い。例えば金属製のケースに比べて放出される冷熱量が少ない。そのため室内熱交換ユニットに供給され得る冷熱量が多くなり、冷房効率が向上する。

ヒートポンプシステムの構成図である。 ペルチェユニットの斜視図である。 ペルチェユニットの分解斜視図である。 ペルチェモジュールの分解斜視図である。 ペルチェモジュールの斜視図である。 図２のVI―VI線断面矢視図である。

本発明の一つの実施の形態を図１〜６にしたがって説明する。ヒートポンプシステム１は、図１に示すように車両に設けられる。車両は、ヒートポンプシステム１によって暖められる部屋（乗員室）１ｃを有する。ヒートポンプシステム１は、ペルチェユニット１０と室外熱交換ユニット１２と室内熱交換ユニット１３を有する。

室外熱交換ユニット（ラジエタ）１２は、図１に示すように部屋１ｃの外である室外１ｂに設置される。室外熱交換ユニット１２は、室外用配管１７によって車両のエンジン１４と環状に接続される。室外用配管１７の途中にはポンプ１５が設けられる。ポンプ１５は、エンジン１４と室外熱交換ユニット１２の間において室外用熱媒体（クーラント液）を循環させる。室外用熱媒体は、エンジン１４から熱（温熱）を受けて、室外熱交換ユニット１２から室外１ｂの空気に熱を放出する。

ペルチェユニット１０は、図１に示すように室外１ｂに設置される。ペルチェユニット１０は、室外用配管１７に接続された室外用配管１８によって室外熱交換ユニット１２と環状に接続され、かつエンジン１４と並列に室外熱交換ユニット１２に接続される。室外用熱媒体は、室外用配管１７，１８を経由してペルチェユニット１０から吸熱されて冷却される。したがって室外用熱媒体は、室外熱交換ユニット１２のみならずペルチェユニット１０によっても冷却される。

ペルチェユニット１０は、図１に示すように室内用配管１９によって室内熱交換ユニット１３と環状に接続される。室内用配管１９の途中にはポンプ１６が設けられる。ポンプ１６は、ペルチェユニット１０と室内熱交換ユニット１３の間において室内用熱媒体（クーラント液）を循環させる。室内用熱媒体は、ペルチェユニット１０から温熱を受けて、室内熱交換ユニット１３から室内１ａの空気に熱を放出する。これにより室内熱交換ユニット１３が室内１ａの空気を暖める。

ペルチェユニット１０は、図２，３に示すように金属ケース６と樹脂ケース７とペルチェモジュール１０ａを有する。金属ケース６は、熱伝導率の高い金属製であり、例えばアルミニウム、ステンレス鋼、鉄、銅等によって形成される。樹脂ケース７は、熱伝導率の低い樹脂製である。金属ケース６と樹脂ケース７は、板状のケース本体６ａ，７ａと筒状の導入管６ｂ，７ｂと筒状の吐出管６ｃ，７ｃを有する。

ケース本体６ａ，７ａは、図３に示すように周壁部６ａ１，７ａ１と仕切部６ａ２，７ａ２を有する。周壁部６ａ１，７ａ１は、ケース本体６ａ，７ａの外周に沿って外周縁近傍において厚み方向に突出する。周壁部７ａ１の外周部には、周壁部７ａ１から厚み方向にさらに突出する外壁部７ａ４が形成される。

仕切部６ａ２，７ａ２は、図３に示すようにケース本体６ａ，７ａの短手中心領域において長手方向に延出しかつ厚み方向に突出する。周壁部６ａ１，７ａ１と仕切部６ａ２，７ａ２によって第一と第二流路６ａ３，７ａ３が形成される。第一と第二流路６ａ３，７ａ３は、ケース本体６ａ，７ａの表面においてＵ字状に延出する。

導入管６ｂ，７ｂと吐出管６ｃ，７ｃは、図２，３に示すようにケース本体６ａ，７ａから厚み方向に延出する。導入管６ｂ，７ｂと吐出管６ｃ，７ｃは、ケース本体６ａ，７ａの一端側に並設される。導入管６ｂ，７ｂには、第一と第二流路６ａ３，７ａ３の一端部と連通する導入路６ｂ１，７ｂ１が形成される。吐出管６ｃ，７ｃには、第一と第二流路６ａ３，７ａ３の他端部と連通する吐出路６ｃ１，７ｃ１が形成される。

樹脂ケース７は、図２に示すようにコネクタ部７ｇを一体に有する。コネクタ部７ｇは、筒状であってケース本体７ａから側方に突出する。コネクタ部７ｇには、コンバータ１１のコネクタ部が接続される。

コンバータ（発熱体）１１は、図２，６に示すようにコンバータ本体１１ｂとケース１１ａを有する。コンバータ本体１１ｂは、車両に搭載されたバッテリから供給された電圧を所定の電圧に変換し、コネクタ部７ｇを経由してペルチェモジュール１０ａに電流を供給する。ケース１１ａは、熱伝導率が高い金属製であって、例えばアルミニウム、ステンレス鋼、鉄、銅等によって形成される。ケース１１ａは、ケース本体１１ａ２とフランジ１１ａ１を一体に有する。

ケース本体１１ａ２には、図６に示すようにコンバータ本体１１ｂが収納される。コンバータ本体１１ｂは、ボルト２６によってケース本体１１ａ２に対して位置調整可能に取付けられる。フランジ１１ａ１は、ケース本体１１ａ２の外周縁から外方に張出し、金属ケース６の表面にボルト２５によって取付けられる。コンバータ本体１１ｂは、グリス２９を介して金属ケース６に熱伝導可能に当接される。

金属ケース６と樹脂ケース７は、図２，３に示すように複数の連結部６ｄ，７ｄを有する。連結部６ｄは、円筒状であってケース本体６ａの側面に形成される。連結部７ｄは、円筒状であって外壁部７ａ４の側面に形成される。図６に示すように樹脂ケース７の外壁部７ａ４の内側に金属ケース６の周壁部６ａ１を挿入することで、連結部６ｄ，７ｄが当接する。連結部６ｄ，７ｄは、ボルト２０によって締結される。

ペルチェモジュール１０ａは、図４に示すようにペルチェ素子２と第一と第二基板３，４と第一と第二フィン８，９を有する。ペルチェ素子２は、異なる金属、導体または半導体から構成される。ペルチェ素子２は、直流電流が供給されることでペルチェ効果を奏する。ペルチェ素子２は、一対の熱面を有し、熱面の一つが吸熱部となって吸熱し、他の熱面が放熱部となって放熱する。ペルチェ素子２は、第一と第二基板３，４に対して平面上において縦方向に複数列、横方向に複数列設けられる。

ペルチェモジュール１０ａは、図３，４に示すように小さい複数（例えば１０枚）の第一基板３と、大きい一枚の第二基板４を有する。第一基板３と第二基板４には、図６に示すように配線３ａ，４ａが印刷される。配線３ａ，４ａには、半田によってペルチェ素子２が接続される。配線３ａ，４ａは、協働して複数のペルチェ素子２を直列に接続する。したがって電流は、ペルチェ素子２を介して第一と第二基板３，４間を交互に流れる。

各第一基板３には、図３に示すように各一つの第一フィン８が設けられる。第二基板４には、図５に示すように二個の第二フィン９が設けられる。第一と第二フィン８，９は、第一と第二基板３，４からペルチェ素子２と反対方向に突出する。第一と第二フィン８，９は、図６に示すように板状でかつジグザグ形状であって、第一と第二流路６ａ３，７ａ３内に設置される。第一と第二フィン８，９のジグザグ間に隙間８ａ，９ａが形成される。隙間８ａ，９ａは、第一と第二流路６ａ３，７ａ３を遮断しないように第一と第二流路６ａ３，７ａ３の長手方向に広がる。第一基板３と第二基板４は、枠体５によって相対的に位置が決定される。

枠体５は、図４，６に示すように熱伝導率の低い樹脂製であって、枠本体５ａと張出部５ｂを一体に有する。枠本体５ａには、複数の穴５ｃが形成され、各穴５ｃに第二基板４が設置される。枠本体５ａは、各第一基板３の外周縁に沿って延出し、第一基板３の枠体５に対する位置を決定する。

張出部５ｂは、図６に示すように枠本体５ａから第一と第二基板３，４の間に張出す。張出部５ｂは、第一と第二基板３，４の厚み方向の距離を決定する。張出部５ｂは、第一と第二基板３，４が近接する距離を規制して、ペルチェ素子２が潰れることを抑制する。張出部５ｂは、第二基板４の外周全周に沿って延出する。張出部５ｂと第一基板３の間は、これらの間に設けられた液状ガスケット２１によってシールされる。

第二基板４と樹脂ケース７は、図６に示すようにこれらの間に設けられた液状ガスケット２２によってシールされる。枠体５と金属ケース６は、これらの間に設けられた液状ガスケット２３によってシールされる。樹脂ケース７と金属ケース６は、これらの間に設けられた液状ガスケット２４によってシールされる。

ペルチェユニット１０を作成する場合は、図６に示すように樹脂ケース７の外壁部７ａ４の内側にペルチェモジュール１０ａを設置する。樹脂ケース７の外壁部７ａ４の内側に金属ケース６を挿入する。当接した連結部６ｄ，７ｄをボルト２０によって締結する。金属ケース６に対してコンバータ１１をボルト２５によって取付ける。

ヒートポンプシステム１を作成する場合は、図２に示すペルチェユニット１０の導入管６ｂと吐出管６ｃに対して図１に示す室外用配管１８を接続する。導入管７ｂと吐出管７ｃに対して室内用配管１９を接続する。図２に示すコネクタ部７ｇとコンバータ１１を電気的に接続し、コンバータ１１からの電流を図４に示すペルチェ素子２に供給する。ペルチェ素子２は、第一基板３側の端部において吸熱して、第二基板４側の端部において放熱する。

ペルチェ素子２は、図６に示すように第一基板３と第一フィン８を介して第一流路６ａ３内を流れる室外用熱媒体２７から熱を吸収する。室外用熱媒体２７は、冷却されて室外１ｂの空気よりも温度が低くなる。室外用熱媒体２７は、金属ケース６を介して室外１ｂの空気から吸熱し、かつ発熱するコンバータ１１からも吸熱する。ペルチェ素子２は、第二基板４と第二フィン９を介して第二流路７ａ３内を流れる室内用熱媒体２８に温熱を供給する。室内用熱媒体２８は、温熱を図１に示す室内熱交換ユニット１３に運ぶ。

以上のようにヒートポンプシステム１は、図１に示すように室外１ｂに設置されるペルチェユニット１０と、室外１ｂに設置されかつ室外用配管１７，１８によってペルチェユニット１０と環状に接続されて室外１ｂの空気と熱交換する室外熱交換ユニット１２と、室内１ａに設けられかつ室内用配管１９によってペルチェユニット１０と環状に接続されて室内１ａの空気と熱交換する室内熱交換ユニット１３を有する。

ペルチェユニット１０は、図１，６に示すように第一熱面と第二熱面を備えかつ熱面の一つが吸熱部で熱面の他の一つが放熱部になるペルチェ素子２と、第一熱面と当接する第一基板３と、第二熱面と当接する第二基板４と、第一基板３を覆い第一基板３との間に第一流路６ａ３を形成して第一流路６ａ３が室外用配管１７，１８によって環状に室外熱交換ユニット１２に接続される金属製の金属ケース６と、第二基板４を覆い第二基板４との間に第二流路７ａ３を形成し第二流路７ａ３が室内用配管１９によって室内熱交換ユニット１３に環状に接続される樹脂製の樹脂ケース７を有する。

したがって金属ケース６は、金属製であるために熱伝導率が高く、樹脂ケース７は、樹脂製であるために熱伝導率が低い。そのためペルチェ素子２による熱ポンプの効率が向上する。すなわち暖房のためにペルチェ素子２に電流を供給してペルチェ素子２の第一基板３側を吸熱部とし、第二基板４側を放熱部にする。ペルチェ素子２の吸熱部が第一基板３を介して金属ケース６の第一流路６ａ３内の室外用熱媒体２７から熱を吸収する。室外用熱媒体２７は、金属ケース６を介して室外１ｂの空気から熱を吸収する。そのため室外１ｂの空気の熱を利用して、ペルチェ素子２による熱ポンプの性能が向上する。一方、ペルチェ素子２の放熱部は、第二基板４を介して樹脂ケース７の第二流路７ａ３内の室内用熱媒体２８に温熱を供給する。室内用熱媒体２８に供給された温熱は、樹脂ケース７によって室外１ｂの空気へ放出され難い。例えば金属製のケースに比べて放出される熱量が少ない。そのため室内熱交換ユニット１３に供給され得る熱量が多くなり、暖房効率が向上する。

ヒートポンプシステム１は、図６に示すように金属ケース６に熱交換可能に取付けられる発熱体（コンバータ１１）を有する。ペルチェ素子２の第一基板３側が吸熱部になるようにペルチェ素子２に電流が供給される。したがってペルチェ素子２の吸熱部は、金属ケース６を介して室外１ｂの空気のみならず発熱体（コンバータ１１）からも熱を吸収し得る。そのため発熱体の排熱を利用することでペルチェ素子２による熱ポンプの性能が向上する。一方、発熱体（コンバータ１１）は、金属ケース６を介してペルチェ素子２によって冷却され得る。

本発明は、上記実施の形態に限定されない。例えばヒートポンプシステム１は、図１に示すように車両の部屋１ｃの暖房に使用されても良いし、冷房に使用されても良い。例えばペルチェ素子２に電流を供給して、ペルチェ素子２の第一基板３側を放熱部とし、第二基板４側を吸熱部にする。

ペルチェ素子２の放熱部が第一基板３を介して金属ケース６の第一流路６ａ３内の室外用熱媒体２７に温熱を放出する。室外用熱媒体２７は、金属ケース６を介して室外１ｂの空気に温熱を放出する。そのため室外１ｂの空気に熱を放出することで、ペルチェ素子２による熱ポンプの性能が向上する。一方、ペルチェ素子２の吸熱部は、第二基板４を介して樹脂ケース７の第二流路７ａ３内の室内用熱媒体２８から熱を吸収することで、室内用熱媒体２８に冷熱を供給する。室内用熱媒体２８に供給された冷熱は、樹脂ケース７によって室外１ｂの空気に放出され難い。例えば金属製のケースに比べて放出される冷熱量が少ない。そのため室内熱交換ユニット１３に供給され得る冷熱量が多くなり、冷房効率が向上する。

ヒートポンプシステム１は、車両の部屋１ｃの冷暖房に使用されても良いし、トラック荷室（部屋）の室内の冷暖房、機器を収納する部屋の室内の冷暖房に使用されても良い。

金属ケース６と樹脂ケース７に供給される熱媒体は、液体でも良いし気体でも良い。

ヒートポンプシステム１は、図１に示すエンジン１４を有していても良いし、有していなくても良い。

ヒートポンプシステム１は、コンバータ１１に代えて発熱体として例えばインバータ、モータ、バッテリ等の電気機器、あるいはエンジン等の熱機関を有していても良い。

ヒートポンプシステム１は、プラグインハイブリッド車に設けられても良いし、電気自動車に設けられても良いし、エンジン車に設けられても良い。

１…ヒートポンプシステム
１ａ…室内
１ｂ…室外
２…ペルチェ素子
３…第一基板
４…第二基板
５…枠体
６…金属ケース
６ａ３…第一流路
７…樹脂ケース
７ａ３…第二流路
８…第一フィン
９…第二フィン
１０…ペルチェユニット
１０ａ…ペルチェモジュール
１１…コンバータ（発熱体）
１２…室外熱交換ユニット
１３…室内熱交換ユニット
１４…エンジン
１７，１８…室外用配管
１９…室内用配管
２７…室外用熱媒体
２８…室内用熱媒体

Claims (2)

1. ヒートポンプシステムであって、
   室外に設置されるペルチェユニットと、前記室外に設置されかつ室外用配管によって前記ペルチェユニットと環状に接続されて前記室外の空気と熱交換する室外熱交換ユニットと、室内に設けられかつ室内用配管によって前記ペルチェユニットと環状に接続されて前記室内の空気と熱交換する室内熱交換ユニットを有し、
   前記ペルチェユニットは、第一熱面と第二熱面を備えかつ前記熱面の一つが吸熱部で前記熱面の他の一つが放熱部になるペルチェ素子と、前記第一熱面と当接する第一基板と、前記第二熱面と当接する第二基板と、前記第一基板を覆い前記第一基板との間に第一流路を形成して前記第一流路が前記室外用配管によって前記室外熱交換ユニットに環状に接続される金属製の金属ケースと、前記第二基板を覆い前記第二基板との間に第二流路を形成して前記第二流路が前記室内用配管によって前記室内熱交換ユニットに環状に接続される樹脂製の樹脂ケースを有するヒートポンプシステム。
2. 請求項１に記載のヒートポンプシステムであって、
   前記金属ケースに熱交換可能に取付けられる発熱体を有し、
   前記ペルチェ素子の前記第一基板側が前記吸熱部になるように前記ペルチェ素子に電流が供給されるヒートポンプシステム。

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