JP2018080876A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放冷性能を向上させることのできる熱交換装置を提供する。
【解決手段】熱交換装置１０は、ペルチェ素子３０と、放冷部２０とを備える。ペルチェ素子３０は、電力の供給に基づき熱を吸収する吸熱面３１、及び熱を発する放熱面３２を有する。放冷部２０は、吸熱面３１に接触して設けられ、吸熱面３１の吸熱作用に基づいて冷却されるとともに、空気との熱交換により空気を冷却する。放冷部２０は、複数のチューブ２１と、中空のタンク２２，２３と、を有する。チューブ２１は、吸熱面３１に直交する方向に延びるように配置され、冷熱を蓄える蓄冷剤２５が内部に充填されるとともに、空気が外部を流れる。タンク２２，２３は、複数のチューブ２１のそれぞれの端部に接続され、複数のチューブ２１を互いに連通させる。
【選択図】図１

Description

本開示は、熱交換装置に関する。

従来、特許文献１に記載の熱交換装置がある。特許文献１に記載の熱交換装置は、ペルチェ効果を有する熱電素子と、蓄冷室と、吸熱フィンと、吸熱ファンとを備えている。蓄冷室は、熱電素子の吸熱面に接して配されている。蓄冷室の内部には水が充填されている。蓄冷室の内部に充填される水の熱が熱電素子により吸収されることにより、蓄冷室内に氷が生成される。吸熱フィンは、蓄冷室における熱電素子に接している外面とは反対側の面に接して配されている。吸熱ファンは、吸熱フィンに空気を送風する。吸熱フィンに送風される空気と、吸熱フィンとの間で熱交換が行われることにより、冷風が生成される。

特開平７−２６０１８７号公報

ところで、特許文献１に記載の熱交換装置では、蓄冷室内の水が氷に相変化する際にその体積が増加するため、蓄冷室内の内部空間は、充填される水の体積よりも大きくする必要がある。この場合、蓄冷室内に氷が生成された際に、蓄冷室内には、その内部の氷と吸熱フィンとの間に位置するように空間が形成される可能性がある。蓄冷室内の氷と吸熱フィンとの間に空間が形成された場合、蓄冷室内の氷と吸熱フィンとの間で熱交換が行われ難くなるため、熱交換装置の放冷性能が著しく低下するおそれがある。

本開示は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、放冷性能を向上させることのできる熱交換装置を提供することにある。

上記課題を解決する熱交換装置（１０）は、ペルチェ素子（３０）と、放冷部（２０）と、を備える。ペルチェ素子は、電力の供給に基づき熱を吸収する吸熱面（３１）、及び熱を発する放熱面（３２）を有する。放冷部は、吸熱面に接触して設けられ、吸熱面の吸熱作用に基づいて冷却されるとともに、被冷却流体との熱交換により被冷却流体を冷却する。放冷部は、複数のチューブ（２１）と、中空のタンク（２２，２３）と、を有する。チューブは、吸熱面に直交する方向に延びるように配置され、冷熱を蓄える蓄冷剤（２５）が内部に充填されるとともに、被冷却流体が外部を流れる。タンクは、複数のチューブのそれぞれの端部に接続され、複数のチューブを互いに連通させる。

この構成によれば、チューブ内の蓄冷剤の体積変化に対応する空間的なバッファとしてタンクの内部空間を利用することができるため、チューブの内部に蓄冷剤を十分に充填することができる。結果的に、チューブと蓄冷剤との間に空間が形成され難くなるため、チューブの外部を流れる被冷却流体と蓄冷剤との間で熱交換が行われ易くなる。よって、熱交換装置の放冷性能を向上させることができる。

なお、上記手段、及び特許請求の範囲に記載の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本開示によれば、放冷性能を向上させることのできる熱交換装置を提供できる。

図１は、実施形態の熱交換装置の断面構造を示す断面図である。 図２は、実施形態の熱交換装置の斜視構造を示す斜視図である。 図３は、他の実施形態の熱交換装置の断面構造を示す断面図である。 図４は、他の実施形態の熱交換装置の断面構造を示す断面図である。 図５は、他の実施形態の熱交換装置の断面構造を示す断面図である。 図６は、他の実施形態の熱交換装置の斜視構造を示す斜視図である。

以下、熱交換装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
図１に示されるように、本実施形態の熱交換装置１０は、放冷部２０と、ペルチェ素子３０と、放熱フィン４０とを備えている。図１において、矢印ｚ１で示される方向は鉛直方向上方を示し、矢印ｚ２で示される方向は鉛直方向下方を示している。

ペルチェ素子３０は、放冷部２０と放熱フィン４０との間に配置されている。ペルチェ素子３０は、平板状に形成されている。ペルチェ素子３０は、放冷部２０に接触する吸熱面３１と、放熱フィン４０に接触する放熱面３２とを有している。ペルチェ素子３０において、吸熱面３１は鉛直方向上方ｚ１を向いており、放熱面３２は鉛直方向下方ｚ２を向いている。ペルチェ素子３０は、電力の供給に基づいて、ペルチェ効果により吸熱面３１から熱を吸収するとともに、その吸収した熱量に応じた熱を放熱面３２に発生させる。

放熱フィン４０は、くしば状に形成されており、鉛直方向下方ｚ２に延びる複数の歯部４１を有している。隣り合う歯部４１，４１の隙間には、図示しない放熱ファンにより送風される空気が通過する。放熱フィン４０には、ペルチェ素子３０の放熱面３２に発生する熱が伝達される。放熱フィン４０は、歯部４１，４１の間を通過する空気と熱交換を行うことにより、ペルチェ素子３０の放熱面３２から伝達される熱を空気に放散する。

放冷部２０は、ペルチェ素子３０の吸熱面３１の吸熱作用に基づいて冷却される。放冷部２０は、図示しない放冷ファンにより送風される空気を被冷却流体として、この空気との熱交換により空気を冷却する。放冷部２０は、複数のチューブ２１と、第１タンク２２と、第２タンク２３と、複数のアウターフィン２４と、蓄冷剤２５とを有している。

チューブ２１は、鉛直方向上方ｚ１に延びるように、すなわちペルチェ素子３０の吸熱面３１に直交する方向に延びるように配置されている。チューブ２１は、円筒状の部材からなる。図１及び図２に示されるように、チューブ２１は、鉛直方向ｚ１，ｚ２に直交する２軸方向ｘ，ｙに等間隔に複数並べて配置されている。なお、図２では、放熱フィン４０の図示が省略されている。隣り合うチューブ２１，２１の間の隙間には、図示しない放冷ファンにより送風される空気が通過する。

図１に示されるように、第１タンク２２は、複数のチューブ２１のそれぞれの両端部のうち、ペルチェ素子３０に近い下端部２１０に設けられている。図１及び図２に示されるように、第１タンク２２は、中空箱状に形成されている。第１タンク２２において鉛直方向下方ｚ２に位置する底壁部２２０の外面は、接着剤を用いた接着等により、ペルチェ素子３０の吸熱面３１に面接触した状態で接合されている。第１タンク２２において鉛直方向上方ｚ１の上壁部２２１には、複数のチューブ２１のそれぞれの下端部２１０が接続されている。複数のチューブ２１のそれぞれの下端部２１０は、第１タンク２２の上壁部２２１を貫通して第１タンク２２の内部空間２２２に突出している。これにより、第１タンク２２の内部空間２２２は、複数のチューブ２１のそれぞれの内部通路２１２に連通されている。なお、複数のチューブ２１のそれぞれの下端部２１０は、その拡管により第１タンク２２に組み付けられるとともに、ろう付けにより第１タンク２２に接合されている。

第２タンク２３は、複数のチューブ２１のそれぞれの両端部のうち、ペルチェ素子３０から離れている上端部２１１に設けられている。図１及び図２に示されるように、第２タンク２３は、中空箱状に形成されている。第２タンク２３において鉛直方向下方ｚ２に配置される底壁部２３０の外面には、複数のチューブ２１の上端部２１１が接続されている。複数のチューブ２１のそれぞれの上端部２１１は、第２タンク２３の底壁部２３０を貫通して第２タンク２３の内部空間２３１に突出している。これにより、第２タンク２３の内部空間２３１は、複数のチューブ２１のそれぞれの内部通路２１２に連通されている。なお、複数のチューブ２１のそれぞれの上端部２１１は、その拡管により第２タンク２３に組み付けられるとともに、ろう付けにより第２タンク２３に接合されている。図２に示されるように、第２タンク２３には、チューブ２１及び第１タンク２２に蓄冷剤を充填するための充填口２３２が設けられている。

図１に示されるように、アウターフィン２４は、複数のチューブ２１のそれぞれの外面に設けられている。図２に示されるように、アウターフィン２４は、平板状に形成されている。図１に示されるように、アウターフィン２４には、複数のチューブ２１のそれぞれの位置に対応して、鉛直方向下方ｚ２に延びる円筒状の挿入部２４０が複数形成されている。複数の挿入部２４０に複数のチューブ２１がそれぞれ挿入されることにより、チューブ２１に対してアウターフィン２４が組み付けられている。アウターフィン２４及びチューブ２１は、ろう付け等により互いに接合されている。図１及び図２に示されるように、アウターフィン２４は積層配置されている。アウターフィン２４の挿入部２４０の先端部が、隣り合うアウターフィン２４に接触することにより、鉛直方向ｚ１，ｚ２に隣り合うアウターフィン２４，２４の間に隙間が形成されている。

図１に示されるように、蓄冷剤２５は、複数のチューブ２１のそれぞれの内部通路２１２、及び第１タンク２２の内部空間２２２に充填されている。蓄冷剤２５は、ペルチェ素子３０の吸熱面３１の吸熱作用に基づいて冷却されることにより、液体又はゲルから固体へと相変化する。蓄冷剤２５は、２０［℃］から６０［℃］に融点を有する素材や、水等を用いることができる。蓄冷剤２５は、固体に相変化することにより、冷熱を蓄えた状態となる。また、チューブ２１の外部を通過する空気と蓄冷剤２５との間の熱交換により蓄冷剤２５が熱を吸収して蓄冷剤２５の温度が上昇すると、蓄冷剤２５は、固体から液体又はゲルへと相変化する。

第２タンク２３の内部には、蓄冷剤２５が充填されていない空間が存在する。この空間は、蓄冷剤２５が液体又はゲルから固体へと相変化する際の蓄冷剤２５の体積変化に対応する空間的なバッファとして機能する。
なお、蓄冷剤２５は、図２に示される第２タンク２３の充填口２３２から第２タンク２３の内部空間２３１を介して複数のチューブ２１の内部通路２１２及び第１タンク２２の内部空間２２２に充填される。複数のチューブ２１の内部通路２１２及び第１タンク２２の内部空間２２２に蓄冷剤２５が充填された後、第２タンク２３の充填口２３２は閉塞される。

次に、本実施形態の熱交換装置１０の動作例について説明する。
熱交換装置１０では、ペルチェ素子３０に電力が供給されると、ペルチェ素子３０の吸熱面３１から熱が吸収される。これにより、チューブ２１及び第１タンク２２のそれぞれの熱がペルチェ素子３０の吸熱面３１から吸収されて、蓄冷剤２５が冷却される。この状態が所定時間継続されることにより、蓄冷剤２５が液体又はゲルから固体へと相変化し、蓄冷剤２５に冷熱が蓄えられた状態となる。

また、ペルチェ素子３０に電力が供給されている際、ペルチェ素子３０の吸熱面３１により吸収された熱量に応じた熱が放熱面３２に発生する。この放熱面３２に発生する熱は、放熱フィン４０に伝達される。この際、放熱ファンにより送風される空気と放熱フィン４０との間で熱交換が行われることにより、ペルチェ素子３０の放熱面３２から放熱フィン４０に伝達された熱が、放熱ファンにより送風される空気に放散される。

熱交換装置１０は、このようにして蓄冷剤２５に冷熱を蓄えた後、所定のタイミングで冷風を送風する。具体的には、熱交換装置１０は、冷風を送風する際には、放冷ファンにより放冷部２０に空気を送風する。この空気が放冷部２０のアウターフィン２４，２４間の隙間を通過する際、アウターフィン２４及びチューブ２１を介して蓄冷剤２５が空気の熱を吸収することにより、空気が冷却される。すなわち、冷風が生成される。

以上説明した本実施形態の熱交換装置１０によれば、以下の（１）〜（５）に示される作用及び効果を得ることができる。
（１）チューブ２１内の蓄冷剤２５の体積変化に対応する空間的なバッファとして第２タンク２３の内部空間２３１を利用することができるため、チューブ２１の内部に蓄冷剤２５を十分に充填することができる。結果的に、チューブ２１と蓄冷剤２５との間に空間が形成され難くなるため、チューブ２１の外部を流れる空気と蓄冷剤２５との間で熱交換が行われ易くなる。よって、熱交換装置１０の放冷性能を向上させることができる。

（２）仮に第２タンク２３が存在しない場合、チューブ２１内に空間的なバッファを形成する必要があるため、チューブ２１の全長を長くせざるを得なくなる。これは、熱交換装置１０の大型化を招く要因となる。これに対し、本実施形態の熱交換装置１０のように、チューブ２１の端部に、空間的なバッファとして機能させることの可能な第２タンク２３が設けられていれば、チューブ２１に空間的なバッファが不要な分だけチューブ２１の全長を短くすることができる。したがって、熱交換装置１０を小型化することができる。

（３）チューブ２１及びアウターフィン２４のそれぞれの構造は、汎用的な熱交換装置に搭載されるチューブ及びアウターフィンの構造と同一である。したがって、汎用的な熱交換装置に用いられるチューブ及びアウターフィンを本実施形態の熱交換装置１０に利用することが可能であるため、部品構成費を低減することができる。

（４）第２タンク２３に設けられた充填口２３２から蓄冷剤２５を供給することで、全てのチューブ２１及び第１タンク２２に蓄冷剤２５を同時に充填させることができる。これにより、複数のチューブ２１のそれぞれに蓄冷剤２５を個別に充填する作業が不要となるため、熱交換装置１０の製造工数を低減することができる。

（５）熱交換装置１０は、複数のチューブ２１の下端部２１０に接続される第１タンク２２と、複数のチューブ２１の上端部２１１に接続される第２タンク２３とを有している。これにより、チューブ２１内の蓄冷剤２５の体積変化に対応する空間的なバッファとして第２タンク２３の内部空間２３１を利用することができる。また、第１タンク２２の内部空間２２２に蓄冷剤２５が充填されることにより、ペルチェ素子３０の吸熱面３１に対する蓄冷剤２５の伝熱面積を増加させることができるため、蓄冷剤２５の蓄冷性能を向上させることができる。

なお、上記実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・図３に示されるように、熱交換装置１０は、第１タンク２２に代えて、ベース部材２６を備えるものであってもよい。ベース部材２６は、板状に形成されている。ベース部材２６において鉛直方向下方ｚ２に位置する底面２６０は、ペルチェ素子３０の吸熱面３１に接合されている。ベース部材２６において鉛直方向上方ｚ１に位置する上面２６１には、複数のチューブ２１のそれぞれの下端部２１０が接合されている。複数のチューブ２１のそれぞれの下端部２１０の開口部は、ベース部材２６により閉塞されている。このような構成であっても、上記実施形態の（１）〜（４）に示される作用及び効果を得ることが可能である。

・図４に示されるように、第１タンク２２の内部空間２２２にタンク用インナーフィン２７を設けてもよい。インナーフィン２７は、第１タンク２２の底壁部２２０の内面及び上壁部２２１の内面に接触するように波状に形成されている。このような構成によれば、ペルチェ素子３０の吸熱面３１により第１タンク２２の熱が吸収された際、第１タンク２２を介してインナーフィン２７の熱も吸収されるため、第１タンク２２の内部空間２２２に充填された蓄冷剤２５が冷却され易くなる。よって、蓄冷剤２５の蓄冷性能を向上させることができる。

・図５に示されるように、複数のチューブ２１のそれぞれの内部通路２１２にチューブ用インナーフィン２８を設けてもよい。インナーフィン２８は、第１タンク２２の底壁部２２０の内面からチューブ２１の内部通路２１２に延びるように形成されている。このような構成によれば、ペルチェ素子３０の吸熱面３１により第１タンク２２の熱が吸収された際、第１タンク２２を介してインナーフィン２８の熱も吸収されるため、チューブ２１の内部通路２１２に充填された蓄冷剤２５が冷却され易くなる。よって、蓄冷剤２５の蓄冷性能を向上させることができる。

・アウターフィン２４の形状は適宜変更可能である。例えば図６に示されるように、アウターフィン２４はコルゲートフィンであってもよい。なお、図６では、放熱フィン４０の図示が省略されている。
・上記実施形態及び変形例の熱交換装置１０は、放熱フィン４０を有していない構造であってもよい。

・上記実施形態及び変形例の熱交換装置１０により冷却される被冷却流体としては、空気に限らず、任意の流体を用いることができる。
・本開示は上記の具体例に限定されるものではない。上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素、及びその配置、条件、形状等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

１０：熱交換装置
２０：放冷部
２１：チューブ
２２：第１タンク
２３：第２タンク
２４：アウターフィン
２５：蓄冷剤
２７：タンク用インナーフィン
２８：チューブ用インナーフィン
３０：ペルチェ素子
３１：吸熱面
３２：放熱面

Claims (5)

1. 電力の供給に基づき熱を吸収する吸熱面（３１）、及び熱を発する放熱面（３２）を有するペルチェ素子（３０）と、
   前記吸熱面に接触して設けられ、前記吸熱面の吸熱作用に基づいて冷却されるとともに、被冷却流体との熱交換により前記被冷却流体を冷却する放冷部（２０）と、を備え、
   前記放冷部は、
   前記吸熱面に直交する方向に延びるように配置され、冷熱を蓄える蓄冷剤（２５）が内部に充填されるとともに、前記被冷却流体が外部を流れる複数のチューブ（２１）と、
   複数の前記チューブのそれぞれの端部に接続され、複数の前記チューブを互いに連通させる中空のタンク（２２，２３）と、を有する
   熱交換装置。
2. 前記タンクは、
   複数の前記チューブのそれぞれの両端部のうち前記ペルチェ素子に近い端部に接続される第１タンク（２２）と、
   複数の前記チューブのそれぞれの両端部のうち前記ペルチェ素子から離れている端部に接続される第２タンク（２３）と、からなる
   請求項１に記載の熱交換装置。
3. 前記第１タンクの内部に配置されるタンク用インナーフィン（２７）を更に備える
   請求項２に記載の熱交換装置。
4. 複数の前記チューブの内部にそれぞれ配置されるチューブ用インナーフィン（２８）を更に備える
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換装置。
5. 複数の前記チューブの外面に設けられるアウターフィン（２４）を更に備える
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換装置。

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