JP2014505229A - ペルチェ素子を有する気−液熱交換器を備えた室内空調装置 - Google Patents

Abstract

液体と空気の間で熱を交換するための気−液熱交換器を備えた室内空調装置は、空気用の第一の流路（２；２Ａ）と液体用の第二の流路（５）、及び少なくとも１つのペルチェ素子（１４）を含んでいる。熱交換器（１）は、液体と空気の間で受動的に熱交換が行なわれる第一の段階（１７）と、それに続く第二の段階（１８）とに分割されており、第二の段階では少なくとも１つのペルチェ素子（１４）に電流を流すと熱が液体から空気へ、又は空気から液体へポンピングされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ペルチェ素子を有する気−液熱交換器を備えた室内空調装置に関する。

用語「ペルチェ素子」は、専門分野ではしばしば用語「熱電要素」又は用語「ペルチェヒートポンプ」と同義語のように使用される。用語「ペルチェ素子」は、本明細書及び請求項においては、その内部構造が１つ又は複数の熱電要素から構成される熱電構成部品と理解するものとする。熱電要素は、特にペルチェ効果に基づいているが、例えば熱トンネル効果（英語は「ｔｈｅｒｍｏ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ」）として公知の原理のような他の電熱効果に拠ってもよい。

ペルチェ素子は、２種類の金属又は２つの半導体から成り、これらは互いに接触し、及び通常熱電対と呼ばれている。直流電流がペルチェ素子を流れると、一方の金属又は半導体が熱せられ、他方でもう一方の金属又は半導体は冷やされる。ペルチェ素子はこうして電気で駆動されるヒートポンプとして機能し、このヒートポンプは電流の助けによってペルチェ素子の一方の表面からペルチェ素子の向かい合っている表面へ、又はその逆向きに熱を伝達する、すなわち一方の表面が温められると同時に他方の表面が冷却される。

特許文献１から、複数の部屋を備えた建物の冷暖房装置が公知である。この装置は、中央暖房機と、各部屋に配置されたペルチェヒートポンプを含んでいる。このペルチェヒートポンプは熱媒体回路を介して中央暖房機に接続されている。中央暖房機は暖房出力又は冷房出力の主要部分である一方、ペルチェヒートポンプは個々の室内の温度を微調整する役割を果たす。

独国特許第ＤＥ１８１７０７７号明細書

本発明の課題は、このような冷暖房装置の効率を改善することである。

挙げられた課題は、発明に従って請求項１の特徴により解決される。

本発明の成果は、液体と空気の間で熱を交換するための気−液熱交換器を備えた室内空調装置であり、この熱交換器は空気用の第一の流路と液体用の第二の流路を有している。この熱交換器は、２つの流路が熱的に受動の隔壁によって分離されている第一段階と、それに続く、２つの流路が熱的に能動の隔壁で分離されている第２段階とを含んでいる。熱的に受動の隔壁は、熱をよく伝導する材料から成る。熱的に能動の隔壁は、少なくとも１つのペルチェ素子から成るか、又は少なくとも１つのペルチェ素子を含んでいる。ペルチェ素子は構成部品として、熱的に能動の隔壁として熱交換器内に直接取り付けられ得るよう有利に形成されている。

第一段階では、液体と空気の間で受動的に熱が交換され（熱通路として）、及び空気の温度が液体の温度と適合される。第二段階では、少なくとも１つのペルチェ素子に電流を流すことによって液体から空気へ、又はその反対方向に空気から液体へ熱がポンピングされる。ペルチェ素子は、空気を温めたい場合には熱を液体から空気へポンピングし、及び空気を冷却したい場合には熱を空気から液体へポンピングするヒートポンプとして働く。その際液体は物理的状態の変化を受けない。熱交換器は加えて電圧源及び／又は電源を備えた制御装置を含んでおり、及び少なくとも１つのペルチェ素子を通って流れる電流を生成し、それに対応して制御するよう調整されている。

用語「能動に」は、電気エネルギーが流れることによって熱が液体から空気へ、又は少なくとも１つのペルチェ素子を流れる電流がその反対方向である場合には空気から液体へポンピングされることを意味する。特に熱は、熱的に能動の隔壁の温かい側から冷たい側へ、さらにまた冷たい側から温かい側へとポンピングされ得る。それに対して用語「受動に」は、液体と空気との間の熱伝達が外部からのエネルギー流入によって促進されず、その結果熱は常に熱的に受動の隔壁の温かい側から冷たい側へ流れることを意味する。

本発明は、以下に実施例と図を使用して詳しく説明される。これらの図は模式図であり、原寸に比例していない。図中、同一の要素には、同一の符号を付している。

本発明による気−液熱交換器の異なった実施例の図である。 本発明による気−液熱交換器の異なった実施例の図である。 本発明による気−液熱交換器の異なった実施例の図である。 本発明による気−液熱交換器の異なった実施例の図である。 １つの建物の複数の部屋を暖房及び／又は冷房するためのそのような熱交換器を備えた設備の図である。 室内空調装置として形成された熱交換器の模式図である。

図１は本発明による液体と空気の間で熱を交換するための、以下では熱交換器１と呼ばれる気−液熱交換器の模式図である。この熱交換器１は、第一の流入口３と第一の流出口４を備えた空気用の第一の流路２と、第二の流入口６と第二の流出口７を備えた液体用の第二の流路５とを含んでいる。空気及び液体の流路２及び５内での好ましい流れ方向は、矢印で示されている。第一の流路２は第一のチャンバー８及びそれに続く第二のチャンバー９を含み、第二の流路５は第三のチャンバー１０及びそれに続く第四のチャンバー１１を含んでいる。第一のチャンバー８及び第三のチャンバー１０は熱的に受動の隔壁１２によって分離され、この隔壁は熱をよく伝達する材料、例えば金属から成る。第二のチャンバー９及び第四のチャンバー１１は熱的に能動の隔壁１３によって分離され、この隔壁は少なくとも１つの第一のペルチェ素子１４から成るか又は少なくとも１つのペルチェ素子１４を含んでいる。隔壁１２及び１３は、片側又は両側にフィン１５を備え得る。フィン１５は例えばプレート片、リブ、フィンガーなどとして形成されており、それによって可能な限り効率的に熱を空気又は液体に放出するか又は空気又は液体から吸収する。

熱交換器１はさらに、第一のペルチェ素子１４を通って流れる電流を制御する制御装置１６を含んでいる。この役割を果たすため、制御装置１６には図示されていない温度センサー及び／又は上位の制御装置から温度信号又は制御命令が送られる。温度センサーは例えば流入口又は流出口付近又はチャンバー内にある。

第一のチャンバー８と第三のチャンバー１０は、熱的に受動の隔壁１２及び存在する場合には付属しているフィン１５と共に、液体と空気の間の受動の熱交換のための第一の段階１７を形成する。第二のチャンバー９と第四のチャンバー１１は、熱的に能動の隔壁１３、存在する場合には付属しているフィン１５、及び制御装置１６と共に、液体から空気に、又はその逆に熱を能動にポンピングするための第二の段階１８を形成する。

図１を用いて記述されている第一段階１７の実施形態により、液体と空気の間で効率的な熱交換が行なわれる。しかし第一の段階１７は、第二の流路５内で液体の物理的状態の変化を受けることなく、液体と空気の間の熱交換に適した他の熱交換器を使用して実現されてもよい。

液体は典型的には閉じた回路内で循環し、この回路を通って液体が図示していないポンピング手段で給送され、及びこの回路には熱交換器１が接続されている。熱交換器１又は熱交換器１を備えた室内空調装置は、さらに空気を流路２を通して給送するために送風機２８を含んでよい。しかし、流路２を貫流するために自然の対流が使用されてもよい。図１でわかるように、空気と液体の流れ方向はこの例では互いに平行に同じ方向であるが、対向流式又は直交流式の実施形態も可能である。

図２は、本発明による熱交換器１の有利な実施形態を示しており、ここでは液体流路５の両側に空気流路２Ａ又は２Ｂが配置されている。空気流路２Ａ又は２Ｂは第一段階１７では熱的に受動の隔壁１２Ａ又は１２Ｂによって、及び第二段階１８では熱的に能動の隔壁１３Ａ又は１３Ｂによって液体流路５から分離されており、その際熱的に能動の隔壁１３Ａ及び１３Ｂは、前述の例のように、少なくともそれぞれ１つの第一のペルチェ素子１４Ａ又は１４Ｂから成るか又は第一のペルチェ素子１４Ａ又は１４Ｂを含んでいる。空気流路２Ａの要素の符号にはアルファベットＡが、空気流路２Ｂの要素の符号にはアルファベットＢが補われている。流入口３Ａ及び３Ｂは互いに接続されていてよく、流出口４Ａ及び４Ｂは同様に互いに接続されていてよい。しかし空気は流路２Ａ及び２Ｂ内で各管路のために異なった供給源から出されてもよく及び／又は熱交換器１から流出後に各管路のために異なった場所に運ばれてよい。制御装置１６は、隔壁１３Ａのペルチェ素子１４Ａが隔壁１３Ｂのペルチェ素子１４Ｂとは無関係に駆動されるよう、必要な場合に調整する。

図３は、本発明による熱交換器の別の一実施形態を示しており、ここでは第四のチャンバー１１のさらなる壁が熱的に能動の隔壁１９として形成されており、この隔壁は少なくとも１つの第二のペルチェ素子２０から成るか又は少なくとも１つの第二のペルチェ素子２０を含み、その際第二のペルチェ素子２０は熱交換器１の外壁２１の一部と良好に熱接触している。外壁２１は特に、例えばアルミニウムのような熱をよく伝導する材料から成る、熱交換器１のフロントプレートであり、その結果フロントプレートは第二のペルチェ素子２０と共に熱せられ、その熱は輻射熱として、熱交換器１が置かれている室内に放出され得る。外壁２１は理想的には、例えば適切な色を付けられた非金属表面のような高い放出係数を備えた表面を持っている。本例では、熱的に能動の隔壁１９はチャンバー１１の、熱的に能動の隔壁１３とは異なった側にあり、つまり２つの熱的に能動の隔壁１９及び１３は互いに向かい合っている、チャンバー１１の境界である。制御装置１６は第二のペルチェ素子２０が第一のペルチェ素子１４とは無関係に駆動されるよう有利に調整されている。

図４は、本発明による熱交換器の一実施形態を示しており、ここでは図３の場合の第四のチャンバー１１のさらなる壁とは異なって、第三のチャンバー１０のさらなる壁が熱的に能動の隔壁２２として第二のペルチェ素子２０から形成されている。図３及び図４では、対応する熱的に能動の隔壁１９又は２２と良好な熱接触にある外壁２１のその部分だけが示されている。

第四のチャンバー１１も第三のチャンバー１０も、熱交換器１又は室内空調装置の外壁と良好な熱接触にある、熱的に能動の隔壁１９及び２２によって形成することも可能である。

図５は、本発明による熱交換器１を建物２４の部屋２３の暖房及び／又は冷房のために備えた設備の図である。この設備は中央暖房機２５と、部屋２３の中に配置された、本発明による熱交換器１を少なくとも１つ備えた室内空調装置２６を含んでいる。熱交換器１は、内部で液体が循環するそれぞれ１つの供給管路及び戻り管路を備えた１つ又は複数の暖房回路２７を介して中央暖房機２５と平行に接続している。使用される液体は通常水又は水ベースの液体である。しかし他の適切な液体が使用されてよい。中央暖房機２５は液体を、決められた流れ温度まで温めるか又は冷却する。

以下では、このような熱交換器１の作動原理を説明する。第一の、受動段階１７では、常に温かい側から冷たい側へ受動の熱通路が生じることで、つまり第一のチャンバー８から熱的に受動の隔壁１２を通って第三のチャンバー１０へ、又はその逆の方向に第三のチャンバー１０から熱的に受動の隔壁１２を通って第一のチャンバー８の方へ、第一のチャンバー８を通って流れる空気が温められるか又は冷却される。第二の、能動段階１８では、後続の第二のチャンバー９を通って流れる空気が、第四のチャンバー１１を通って流れる液体を所望の出口温度になるまで同時に冷却又は加熱することで、温められるか又は冷却される。この熱伝達は、第一のペルチェ素子１４に電流が流されることで達成される。

熱交換器１は、空気を第二段階１８において第一のペルチェ素子１４を使用して露点未満に冷却することで、空気を除湿するためにも使用され得る。制御装置１６は、この場合第一のペルチェ素子１４を通って流れる電流を、空気が露点未満に冷却されるように調節するよう調整する。

本発明は以下の利点を提供する：
−液体と空気の間の熱交換が、液体の物理的状態の変化なしに、つまり液体が流路５全体で常に液状で行なわれる。
−第一段階１７において、液体の温度まで空気の温度が上昇（暖房時）又は低下（冷房時）することで効率が高められる。
−熱交換器１の第二段階１８における能動の冷却は、空気温度を露点未満に下げることで空気の除湿も可能にする。

室内空調装置２６は、実質的に熱交換器から構成されており、すなわちその使用目的に相応して格好の整った筐体が形成された場合、熱交換器は室内空調装置である。図６は、そのような熱交換器又は室内空調装置の筐体２９を模式的に示している。筐体２９はフロントプレート３０及び流入口３又は流出口４の前に配置された第一と第二の通気スリット３１又は３２を含んでいる。第一の通気スリット３１は、好ましくはフロントプレート３０の下部に配置されており、第二の通気スリット３２は好ましくは筐体２９の上部範囲に配置されている。フロントプレート３０は上述の熱交換器１のフロントプレートに相当する。

１ 熱交換器
２ 第一の流路
２Ａ 空気流路
２Ｂ 空気流路
３ 第一の流入口
３Ａ 流入口
３Ｂ 流入口
４ 第一の流出口
５ 第二の流路
６ 第二の流入口
７ 第二の流出口
８ 第一のチャンバー
９ 第二のチャンバー
１０ 第三のチャンバー
１１ 第四のチャンバー
１２ 熱的に受動の隔壁
１２Ａ 隔壁
１２Ｂ 隔壁
１３ 熱的に能動の隔壁
１３Ａ 隔壁
１３Ｂ 隔壁
１４ 第一のペルチェ素子
１４Ａ 第一のペルチェ素子
１４Ｂ 第一のペルチェ素子
１５ フィン
１６ 制御装置
１７ 第一の段階
１８ 第二の段階
１９ 熱的に能動の隔壁
２０ 第二のペルチェ素子
２１ 外壁
２２ 熱的に能動の隔壁
２３ 部屋
２４ 建物
２５ 中央暖房機
２６ 室内空調装置
２７ 暖房回路
２８ 送風機
２９ 筐体
３０ フロントプレート
３１ 第一の通気スリット
３２ 第二の通気スリット

Claims (6)

1. 空気用の第一の流路（２；２Ａ）と、液体用の第二の流路（５）を備えた、液体と空気の間で熱を交換するための気−液熱交換器を含み、その際前記第二の流路（５）が流入口（６）と流出口（７）を接続し、該流入口と流出口は外部の、熱伝達する流動媒体が通る回路に接続可能である室内空調装置であって、空気を前記第一の流路（２；２Ａ）を通って給送するための送風機（２８）と、制御装置（１６）を含む室内空調装置において、前記熱交換器（１）が、前記第一の流路（２；２Ａ）及び前記第二の流路（５）が熱的に受動の隔壁（１２；１２Ａ）によって分離された第一の段階（１７）と、前記第一の流路（２；２Ａ）と前記第二の流路（５）が熱的に能動の隔壁（１３；１３Ａ）によって分離された後続の第二の段階（１８）とを含み、その際前記熱的に能動の隔壁（１３；１３Ａ）が少なくとも１つの第一のペルチェ素子（１４）から成るか又は少なくとも１つの第一のペルチェ素子（１４）を含み、及び前記制御装置（１６）が、少なくとも１つの第一のペルチェ素子（１４）を通って流れる電流を生成し、空気を温めるべき場合に熱が液体から空気にポンピングされ及び空気を冷却するべき場合に熱が空気から液体へポンピングされるように制御するために調整されており、その際液体が物理的状態の変化を受けないことを特徴とする室内空調装置。
2. 前記第一の流路（２；２Ａ）が第一のチャンバー（８；８Ａ）及び第二のチャンバー（９；９Ａ）を備え、前記第二の流路（５）が第三のチャンバー（１０）と第四のチャンバー（１１）を備え、前記第一のチャンバー（８；８Ａ）と前記第三のチャンバー（１０）が前記熱的に受動の隔壁（１２；１２Ａ）によって分離されており、及び前記第二のチャンバー（９；９Ａ）及び前記第四のチャンバー（１１）が前記熱的に能動の隔壁（１３；１３Ａ）によって分離されていることを特徴とする、請求項１に記載の室内空調装置。
3. 空気用の第三の流路（２Ｂ）が存在し、その際前記２つの空気用の流路（２Ａ、２Ｂ）が液体用の第二の流路（５）の両側に配置されており、その際前記第三の流路（２Ｂ）が熱的に受動の隔壁（１２Ｂ）によって前記第三のチャンバー（１０）から分離されている第五のチャンバー（８Ｂ）と、熱的に能動の隔壁（１３Ｂ）によって前記第四のチャンバー（１１）から分離されている第六のチャンバー（９Ｂ）とを備えていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の室内空調装置。
4. 前記第三のチャンバー（１０）の別の壁が熱的に能動の隔壁（２２）として及び／又は前記第四のチャンバー（１１）の別の壁が熱的に能動の隔壁（１９）として形成され、該熱的に能動の隔壁が少なくとも１つの第二のペルチェ素子（２０）から成るか又は少なくとも１つの第二のペルチェ素子（２０）を含み、及び該熱的に能動の隔壁が室内空調装置の外壁（２１）の一部と良好に熱接触していることを特徴とする、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の室内空調装置。
5. 前記熱的に受動の隔壁（１２；１２Ａ）及び／又は前記熱的に能動の隔壁（１３；１３Ａ）が両側にフィン（１５）を備えていることを特徴とする、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載の室内空調装置。
6. 前記制御装置（１６）が、空気を第一のペルチェ素子（１４）を使って露点未満に冷却するように調整されていることを特徴とする、請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の室内空調装置。

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