JP2014115043A - 太陽光を用いた空調システム。 - Google Patents

Abstract

【課題】
ペルチェ冷暖房モジュールによる熱交換機の発熱面(排気面)に外気より低い温度の空気を供給して冷暖房能力を高め、任意の場所にも設置できるペルチェ冷暖房モジュールの駆動電力に太陽光による発電を用いた空調システムを提供する。
【解決手段】
太陽光を直流電流に変換する太陽光パネルを電源とし、ペルチェ冷暖房モジュールで熱交換を行うペルチェ冷暖房ユニットを設け、ペルチェ冷暖房ユニットはペルチェ冷暖房モジュールを用い給気通気路と排気通気路とを隣接して設け、ペルチェ冷暖房モジュールの吸熱面を配備した前記給気通気路には、室内からの還気を流入して前記吸熱面を通過させた後に室内に給気し、ペルチェ冷暖房モジュールの発熱面を配備した前記排気通気路には、室内の空気又は屋内の還気に適さない空気を流入して前記発熱面を通過させた後に室外に排気させる空調システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光を用いた空調システムに関し、特に、ペルチェ冷暖房モジュールの駆動電力に太陽光による発電を用いた空調システムに関する。

従来のペルチェ素子或いはペルチェ冷暖房モジュールを用いた空調装置は、ペルチェ素子或いはペルチェ冷暖房モジュールの動力源として商用電源を用いているが、ペルチェ素子のCOP（冷暖房能力／消費電力）が低いので、建築物の冷暖房に適さない。このため、空調装置としてペルチェディバイスを利用して、電源として太陽電池を用いたものも特許文献１に示すように開発されている。
この特許文献１の太陽光発電を用いた空調装置は、太陽光のエネルギーを直流電流に変換する太陽電池を設け、太陽電池から供給される直流電流によって熱交換を行なうペルチェ素子を有する空調装置を部屋側に設け、空調装置のペルチェ素子に太陽電池からの直流電流を供給して、室外の空気を直接ペルチェ素子に接触させて室内空気と室外空気との間で熱交換を行なわせ、室内の冷房あるいは暖房を行なわせるものである。

上述した公知の空調装置は、太陽電池にて生じた直流電流によって直接熱交換を行なうペルチェ素子を空調装置として用いたので、従来のように太陽電池からの直流電流を高価なインバータによって交流に変換してモータを駆動させ、フロン等の冷媒を圧縮するヒートポンプ式空調装置を用いたものと比較して、インバータにかかる費用を不要とすることができ、設備費の低減を図ることができる。また、モータ等の駆動部をなくすことができるので、故障を低減することができるとともに騒音等をなくすことができ、さらには、環境に悪影響を与えるフロン等の冷媒を不要とすることができ等の利点がある。

特開平０８−１７８３４０号公報

前記特許文献１に開示の従来のペルチェディバイスの駆動電力に太陽光発電を用いた空調システムは、外気を直接ペルチェ素子に触れさせるので、外気が暑い場合には十分な冷房が行われないと行った問題点があり、ペルチェ冷暖房モジュールを用いた暖房／冷却ユニットが設置場所も制約があるといった問題点があった。また、ペルチェディバイスは効率が低く大型の冷暖房システム化が難しく、温度制御が難しいといった問題点があった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、夏場においてもペルチェ素子或いはペルチェ冷暖房モジュールによる熱交換器の発熱側(排熱側)に外気より低い温度の空気を供給して冷房能力を高め、冬場においては、外気より高い温度の空気を供給して暖房能力を高めることができ、ペルチェ素子のペルチェ冷暖房ユニットを任意の場所にも設置できるペルチェ素子或いはペルチェ冷暖房モジュールの駆動電力に太陽光発電を用いた空調システムを提供しようとするものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、太陽光を直流電流に変換する太陽光パネルを電源とし、該電源によってペルチェ冷暖房モジュールで熱交換を行うペルチェ冷暖房ユニットを設け、該ペルチェ冷暖房ユニットはペルチェ冷暖房モジュールを用い給気通気路と排気通気路とを隣接して設け、冷房の場合は前記ペルチェ冷暖房モジュールの吸熱面を配備した前記給気通気路には、室内からの還気を流入して前記吸熱面を通過させた後に室内に給気し、前記ペルチェ冷暖房モジュールの発熱面を配備した前記排気通気路には、屋内の空気又は屋内の還気に適さない空気を流入して前記発熱面を通過させた後に室外に排気させ、暖房の場合はペルチェ冷暖房モジュールの極性を逆にして前記給気通気路を前記ペルチェ冷暖房モジュールの発熱面とすることで還気を暖めることを特徴とするペルチェ冷暖房モジュールの駆動電力に太陽光を用いた空調システムである。
請求項２の発明は、前記の屋内の還気に適さない空気として、トイレの臭気排気を用いたことを特徴とする請求項１に記載のペルチェ冷暖房モジュールの駆動電力に太陽光を用いた空調システムである。
請求項３の発明は、前記室内に給気する空気として、窓際の線状吹出口から冷気を吹き出すようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のペルチェ冷暖房モジュールの駆動電力に太陽光を用いた空調システムである。

本発明のペルチェ冷暖房モジュールの駆動電力に太陽光を用いた空調システムによれば、ペルチェ(電子)冷暖房ユニットのペルチェ冷暖房モジュールの駆動電力に太陽光発電を用いたので、日射が強い時は熱負荷が大きくなると共に太陽光発電の出力が大きくなり、熱負荷と冷房能力がほぼ同調して変化するので、日射が強い時でも外部電源を使用する必要がない。特に、窓際等のペリメータゾーンは、外気温や日射などの影響を受けて夏は冷房が必要となるが、ペルチェ冷暖房モジュールの駆動電力が日射が強いほど冷房能力が増大するので、ここ冷気をペリメータゾーンでの線状吹出口から吹き出すようにすることもできる。
また、太陽光発電の出力は一般に不安定であるが、ペルチェ冷暖房モジュールを用いたペルチェ冷暖房ユニットを用いるので、供給電力が不安定であっても電力量に応じて安定して冷熱又は温熱を発生させることができ、このことは、商用電源ではなく、自然エネルギーの太陽光発電の発生電力を用いることで、ペルチェ素子の効率が低くても、経済性の不利をカバーすることができる。
さらに、ペルチェ冷暖房モジュールに触れる空気として、夏場において室外よりも温度が低い室内の空気を供給することで冷房効率を向上し、特にトイレ等の匂いのあるトイレ排熱用空気、すなわち排気しなければならい空気をペルチェ冷暖房モジュールに利用したので、その分だけ他の空調機の負担が増すことがない。また、冬場においても、室外より暖かい室内空気を使用するので、その分だけ暖房効率も向上する。
また、ペルチェ冷暖房モジュールのペルチェ冷暖房ユニットは任意の場所にも設置できるので、天井裏や床下等の従来のデッドスペースに配置することができる。

本発明の実施例の太陽光発電を用いた空調システムの全体の概略図、 図１でのペルチェ冷暖房ユニットの平面図、 図２のペルチェ冷暖房ユニットの上流側からの側面図、 図２のペルチェ冷暖房ユニットの隔壁の側面図、 図４のペルチェ冷暖房モジュールの正面図、 図５の側面図、 図６のペルチェディバイスの断面である。

以下、本発明のペルチェ(電子)冷暖房モジュールを用いたペルチェ冷暖房ユニットの駆動電力に太陽光発電を用いた空調システムの実施例を図面に沿って説明する。

図１は、本実施例の空調システムの全体の概要を示す図で、符号１は屋上Ａ等に設置した太陽光パネル１で、日射が強い時ほど発電の出力は大きくなる。この太陽光パネル１よる電源は、室内Ｂに配置された電源制御装置２を介して、天井裏Ｃに設置した熱交換を行うペルチェ冷暖房ユニット３に接続する。
なお、本実施例の空調システムでは、太陽光パネル１の発電はペルチェ冷暖房モジュールのみに使用し、出力電圧値を監視して、送電量に応じてペルチェ冷暖房モジュールの一括してＯＮ−ＯＦＦ制御するが、ペルチェ冷暖房モジュール４の拡散ファンの運転はペルチェ冷暖房モジュールの運転に連動して行う。
図１でのペルチェ冷暖房ユニット３は、説明上、平面図であるが、３本の通気路が設けられ、中央が給気通気路３１が設けられ、その給気通気路３１の両側面にはそれぞれ排気通気路３２,３３が隣接して設けられている。
この給気通気路３１と各排気通気路３２,３３には、この両通気路の隔壁３５,３６(図２参照)を貫通して複数のペルチェ冷暖房モジュール４設ける。このペルチェ冷暖房モジュール４のヒートシンク（フィン）４１(図６参照)を給気通気路３１に配備し、室内Ｂからの還気(ＲＡ)を還気開口８の吸入口８１から給気ファン６１によって流入させ、ヒートシンク（フィン）４１及び拡散ファン４１１を通過させた後に、室内Ｂの給気開口７からに給気(ＳＡ)、窓際Ｄのペリメータゾーンには線状吹出口７１が設けられ、ペリメータゾーンを冷房(暖房)する。
なお、窓際等のペリメータゾーンは、外気温や日射などの影響を受けて、夏は冷房が必要であり冬は暖房が必要となるが、特に、夏場はペルチェ冷暖房モジュールの駆動電力が日射が強いほどそれに比例して増大し、冷房能力も増すので好都合である。

他方、ペルチェ冷暖房モジュール４のヒートシンク（フィン）４２(図６参照)を両排気通気路３２,３３に配備し、一般に涼しいが匂いのあるトイレの臭気排気の空気等の還気(ＲＡ)に適さない空気を流入させ、ヒートシンク（フィン）４２及び拡散ファン４２１を通過させた後に、排気ファン６２よって室外或いは戸外に排気(ＥＡ）させる。この、排気通気路３２,３３に流入する空気は、室内或いは屋内の空気の一部、又はトイレの空気以外の室内の空気でもよく、好ましくは、還気(ＲＡ)に適さない空気の利用でも良く、床下の空気等でもよい。
次に、ペルチェ冷暖房ユニット３を、図２から図４に沿って更に詳しく説明すると、図２は上方からの平面図、図３は還気を流入(上流)側からの側面図、図４は右側面図である。
図２で中央の通気路は、給気通気路３１で、図３に示すように、上流側には縦長の矩形で空気入口３１１と、同様に下流側には縦長の矩形で空気出口３１２が設けられている。
図２でペルチェ冷暖房ユニット３の中央の給気通気路３１を挟んで、図３の右側に排気通気路３２、左側に排気通気路３３が配置し、給気通気路３１と排気通気路３２と気密に隔てる隔壁３５と、給気通気路３１と排気通気路３３と気密に隔てる隔壁３６が設けられている。両排気通気路３２,３３の上流側にはフィルター３７,３８が設けられ、排気通気路３２の上流側には縦長の矩形で空気入口３２１と、同様に下流側には縦長の矩形で空気出口３２２が設けられ、同様に、排気通気路３３の上流側には縦長の矩形で空気入口３３１と、同様に下流側には縦長の矩形で空気出口３３２が設けられている。

次に、ペルチェ冷暖房ユニット３を説明するが、この給気通気路３１と各排気通気路３２,３３には、この両通気路の隔壁３５,３６には、図２に示すように、貫通して複数のペルチェ冷暖房モジュール４設けられるが、ペルチェ冷暖房モジュール４は、図４の右側面図に示すように、隔壁３５には上下２段に２台が並列されて計４台が配置され、図示しないが、隔壁３６には上下２段に２台が並列されて計４台が配置されている。もっとも、本実施例では各隔壁に４台が配置されているが、３台でも２台でもよく、処理能力に応じて適宜選択すればよい。なお、ペルチェ冷暖房ユニット３の底部にはドレンパン５が設けられ結露等を受け取り排水管５１より排水する。

ここでペルチェ冷暖房モジュール４の１例を、図５から図７で更に説明する。
図５はペルチェ冷暖房モジュール４の正面図で、背面図も同じであるが、ペルチェ冷暖房モジュール４を挟んだのヒートシンク（フィン）４１,４２に、それぞれ拡散ファン４１１、４２１が設けられ、図６に示すように、両ヒートシンク（フィン）４１、４２にとの間の中心部にはペルチェディバイス４４が設けられいる。
ペルチェディバイス４４は、図７に示すように、例えば、複数のペルチェ素子から構成され、複数のＮ型熱電半導体ｎ４４１とＰ型熱電半導体ｐ４４２とが交互に並べられ、それらを金属電極４４３で千鳥状に接続して両端に太陽光パネル１からの直流電源を供給する構成となっている。この接続状態では、図７で右向きの矢印に示すように、半導体中の電子やホールが熱を下側に運ぶので、左側の金属電極４４３uが冷え、右側の金属電極４４３dが加熱される。
この左側の金属電極４４３uの複数の上面を連ねて薄板状の絶縁材４４４で覆われ、その絶縁材４４４を介して冷暖房するヒートシンク（フィン）４１に熱が効率よく伝導するように密接接触するように重ねられている。また、同様に右側の金属電極４４３ｄの複数の上面を連ねて薄い絶縁材４４４で覆われ、その絶縁材４４４を介して発熱するヒートシンク（フィン）４２へ熱が効率よく伝導するように密接接触するように重ねられている。
なお、ペルチェディバイス４４の特徴として、直流電源の極性を逆にすれば、発熱側と吸熱側が入れ替わるので、給気通気路３１の空気を冷房から暖房に簡単に切り替えることが可能である。

[作動]
以上の構成であるので、太陽光パネル１で発電した電源は、電源制御装置２を介してペルチェ(電子)冷暖房ユニット３を稼働するが、電源制御装置２での「冷房／暖房」切り替え信号により、ペルチェ冷暖房モジュール４によるペルチェ冷暖房ユニット３の冷暖房切替を一括して行い、切替時はペルチェ冷暖房モジュール４への送電を一定時間、本実施例では１０分間遮断した後に切り替えを行う。
なお、「冷房／暖房」の切替は、ペルチェ冷暖房モジュールの極性を逆にするだけで良いので、コイルユニットへの冷媒の切り替えとことなって、極めて簡単である。
ペルチェ冷暖房ユニット３の運転制御は、所定電圧以上、本実施例では４８Ｖ以上の過大電圧になると、ペルチェ冷暖房ユニット３への電源供給を遮断する。これは落雷や不意の過電圧を遮断する機能を有し、所定電圧以下になった場合には、本実施例では３０Ｖの復帰電圧に降下した場合には再運転を開始する。
また、太陽光パネル１の発電出力が所定電圧以下、本実施例では４Ｖ以下になった場合もペルチェ冷暖房ユニット３への電源供給を遮断する。これは、ペルチェ冷暖房モジュール４と連動する拡散ファン４１１、４２１の発熱量がペルチェ冷暖房モジュール４の冷却能力を上回わってしまうためである。なお、運転再開時では、一定時間経過後、例えば１０分経過後に、遮断時の電圧よりも若干高い所定電圧、本実施例では５Ｖに達している場合には、運転を再開するように制御する。これは拡散ファン４１１、４２１のモータ等のスムースな初動を行うためである。

本発明の空調システムの本実施例によれば、ペルチェ冷暖房ユニットのペルチェ冷暖房モジュールの駆動電力に太陽光発電を用いたので、日射が強い時は熱負荷が大きくなると共に太陽光発電の出力が大きくなり、熱負荷と冷房能力がほぼ同調して変化するので、日射が強い時でも外部電源を使用する必要がない。特に、窓際等のペリメータゾーンは、外気温や日射などの影響を受けて夏は冷房が必要となるが、ペルチェ冷暖房モジュールの駆動電力が日射が強いほど比例して増大し、この冷気を線状吹出口７１から吹き出すので好都合である。
また、太陽光発電の出力は一般に不安定であるが、ペルチェ冷暖房モジュールを用いたペルチェ冷暖房ユニットを用いるので、供給電力が不安定であっても電力量に応じて安定して冷熱又は温熱を発生させることができる。このことは、商用電源ではなく、自然エネルギーの太陽光発電の発生電力を用いることで、ペルチェ素子の効率が低くても、経済性の不利をカバーすることができる。

さらに、ペルチェ冷暖房モジュールに触れる空気として、夏場において戸外或いは室外よりも温度が低い屋内の空気を供給したので冷房効率を向上し、特にトイレ等の匂いのあるトイレ排熱用空気、すなわち、排気しなければならない空気をペルチェ冷暖房モジュールに利用したので、その分だけ他の空調機の負担が増すことがない。
また、主に、夏場の冷却について述べたが、冬場の暖房についても、室外より暖かい室内空気を使用するので、その分だけ暖房効率も向上する。
また、ペルチェ冷暖房モジュールの冷暖房ユニットは任意の場所にも設置できるので、天井裏や床下等の従来のデッドスペースに配置することができる。
なお、本発明の特徴を損なうものでなければ、上記の実施例に限定されるものでないことは勿論である。例えば、本実施例では各隔壁に４台が配置されているが、隔壁３７に４台、隔壁３８には３台でも、また、各２台でもよく、処理能力に応じて適宜選択すればよい。

Ａ・・屋上、Ｂ・・室内(屋内)、Ｃ・・天井裏、Ｄ・・窓際
１・・太陽光パネル、
２・・電源制御装置、
３・・ペルチェ(電子)冷暖房ユニット
３１・・給気通気路、３１１・・空気入り口、３１２・・空気出口、
３２,３３・・排気通気路、３２１,３３１ ・・空気入り口、
３２２,３３２・・空気出口、
３５,３６・・隔壁、３７,３８・・フィルター、
４・・ペルチェ冷暖房モジュール、４１・・ヒートシンク（フィン）、
４１１・・拡散ファン、
４２・・ヒートシンク（フィン）、４２１・・拡散ファン、
４４・・ペルチェディバイス、４４１・・Ｎ型熱電半導体、
４４２・・Ｐ型熱電半導体、
４４３,４４３u,４４３d・・金属電極、４４４・・絶縁材、
５・・ドレンパン、５１・・排水管
６１・・給気ファン、６２・・排気ファン、
７・・ 給気開口、 ７１・・ 線状吹出口、
８・・還気開口、８１・・吸入口

Claims (3)

1. 太陽光を直流電流に変換する太陽光パネルを電源とし、
   該電源によってペルチェ冷暖房モジュールで熱交換を行うペルチェ冷暖房ユニットを設け、
   該ペルチェ冷暖房ユニットはペルチェ冷暖房モジュールを用い給気通気路と排気通気路とを隣接して設け、
   冷房の場合は前記ペルチェ冷暖房モジュールの吸熱面を配備した前記給気通気路には、室内からの還気を流入して前記吸熱面を通過させた後に室内に給気し、前記ペルチェ冷暖房モジュールの発熱面を配備した前記排気通気路には、室内の空気又は室内の還気に適さない空気を流入して前記発熱面を通過させた後に戸外に排気させ、暖房の場合はペルチェ冷暖房モジュールの極性を逆にして前記給気通気路を前記ペルチェ冷暖房モジュールの発熱面とすることで還気を暖めることを特徴とするペルチェ冷暖房モジュールの駆動電力に太陽光を用いた空調システム。
2. 前記の屋内の還気に適さない空気として、トイレの臭気排気を用いたことを特徴とする請求項１に記載のペルチェ冷暖房モジュールの駆動電力に太陽光を用いた空調システム。
3. 前記室内に給気する空気として、窓際の線状吹出口から冷気を吹き出すようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のペルチェ冷暖房モジュールの駆動電力に太陽光を用いた空調システム。

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