JP2021060011A

JP2021060011A - 送風装置

Info

Publication number: JP2021060011A
Application number: JP2019184998A
Authority: JP
Inventors: 健一田島; Kenichi Tajima
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2019-10-08
Filing date: 2019-10-08
Publication date: 2021-04-15
Anticipated expiration: 2039-10-08
Also published as: JP7417398B2

Abstract

【課題】小型化が可能で静音動作が可能な送風装置を提供する。【解決手段】送風装置１００は、圧電ポンプ１と、熱電素子５０と、圧電ポンプ１および熱電素子５０を収納する筐体２０と、を備える。筐体２０は、熱電素子５０によって加熱または冷却された流体を吹き出す吹出口２１を有する。また、筐体２０は、熱電素子５０によって冷却または加熱された流体を排気する排気口２２を有していてもよい。【選択図】図１

Description

本開示は、送風装置に関する。

冷風または温風を生成して、対象物に吹き付け、対象物を冷却または加熱する送風装置が知られている。送風装置は、冷風または温風を空間に放出して、空間内の雰囲気温度を降温または昇温させることもできる。

例えば、特許文献１に記載の熱交換装置は、外形が円板状または円柱状であって、中央部分から軸線方向に沿って空気を取り込み、装置内部で熱交換し、インペラ（羽根車）の回転によって、半径方向に空気を吹き出すように構成されている。

特表２０１０−５３４８２１号公報

特許文献１記載の熱交換装置は、空気の取り込みおよび吹き出しのために装置周辺に十分な空間が必要となる。また、モータを用いてインペラを回転させる必要があるなど装置が大型化するとともに、動作による騒音も大きくなる。そこで、小型化が可能で静音動作が可能な送風装置が求められていた。

本開示の送風装置は、圧電ポンプと、
熱電素子と、
前記圧電ポンプおよび前記熱電素子を収納する筐体であって、前記熱電素子によって加熱または冷却された流体を吹き出す吹出口を有する筐体と、を備える。

本開示の送風装置によれば、圧電ポンプと熱電素子を用いることで、小型化および静音動作が可能となる。

第１実施形態の送風装置の構成を示す模式的な断面図である。第１実施形態の変形例を示す模式的な断面図である。熱電素子の構成を示す模式的な断面図である。圧電ポンプの動作状態を示す概略断面図である。第１実施形態の他の変形例を示す模式的な断面図である。第２実施形態の送風装置の構成を示す模式的な断面図である。

以下、添付図面を参照して、送風装置の例を詳細に説明する。なお、以下に示す開示の一例によってこの発明が限定されるものではない。図１は、第１実施形態の送風装置の構成を示す模式的な断面図である。図２は、第１実施形態の変形例を示す模式的な断面図である。図３は、熱電素子の構成を示す模式的な断面図であり、図４は、圧電ポンプの動作状態を示す概略断面図である。

送風装置１００は、圧電ポンプ１と、熱電素子５０と、圧電ポンプ１および熱電素子５０を収納する筐体２０と、を備える。筐体２０は、熱電素子５０によって加熱または冷却された流体を吹き出す吹出口２１を有する。また、筐体２０は、熱電素子５０によって冷却または加熱された流体を排気する排気口２２を有していてもよい。送風装置１００から吹き出される流体は、特に限定されない。流体としては、例えば空気や、芳香剤、除菌剤または抗菌剤などを含む機能性流体であってもよい。以下では、空気を流体の一例として説明する。

本実施形態の送風装置１００は、熱電素子５０として、ペルチェ素子を用いている。熱電素子５０は、第１支持基板５２の内面と第２支持基板５３の内面との間に複数の半導体素子５１が挟持されており、複数配列されている。第１支持基板５２は、内面に第１電極５２ａが設けられ、第２支持基板５３は、内面に第２電極５３ａが設けられる。半導体素子５１は、第１電極５２ａと第２電極５３ａとに電気的に接続されている。

第１支持基板５２は、内面に第１電極５２ａが設けられることから、少なくとも上面側の表層は絶縁材料で構成される。第２支持基板５３は、内面に第２電極５３ａが設けられることから、少なくとも内面側の表層は絶縁材料で構成される。第１支持基板５２および第２支持基板５３としては、例えば、アルミナフィラーを添加して成るエポキシ樹脂板または酸化アルミニウム質焼結体あるいは窒化アルミニウム質焼結体等のセラミック板を用いることができる。また、第１支持基板５２および第２支持基板５３の他の例としては、銅板、銀板または銀−パラジウム板の電極側面に、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アルミナセラミックスまたは窒化アルミニウムセラミックス等から成る絶縁層を設けた支持基板を用いることができる。

複数の半導体素子５１は、ｐ型素子およびｎ型素子を含み、ペルチェ効果によって温度調節を行なうことができる。半導体素子５１は、一定の間隔で縦横の並びに複数配列され、第１電極５２ａおよび第２電極５３ａとはんだで接合されている。具体的には、ｐ型素子およびｎ型素子が隣接して交互に配置され、例えば第１電極５２ａおよび第２電極５３ａとはんだを介して直列に電気的に接続され、全ての半導体素子５１が直列に接続されている。

半導体素子５１は、Ａ_２Ｂ_３型結晶（ＡはＢｉおよび／またはＳｂ、ＢはＴｅおよび／またはＳｅ）からなる材料、好ましくはＢｉ（ビスマス）およびＴｅ（テルル）系の材料で本体部が構成されている。具体的には、ｐ型素子は、例えば、Ｂｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｔｅ_３（テルル化アンチモン）との固溶体からなる材料で構成される。また、ｎ型素子は、例えば、Ｂｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＢｉ_２Ｓｅ_３（セレン化ビスマス）との固溶体からなる材料で構成される。

半導体素子５１の形状は、例えば円柱状、四角柱状、多角柱状等にすることができる。特に、半導体素子５１の形状を円柱状にすることにより、使用時のヒートサイクル下において半導体素子５１に生じる熱応力の影響を低減できる。

第１支持基板５２と第２支持基板５３との間に配置された複数の半導体素子５１の周囲には、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂などの樹脂からなるシール材を設けてもよい。外周側は第１支持基板５２と第２支持基板５３との間の温度差による変形が大きいが、第１支持基板５２と第２支持基板５３の間における外周側に配置された複数の半導体素子５１の隙間を埋めるようにシール材を設けることで、これが補強材となって、半導体素子５１と第１電極５２ａとの間の剥離、および半導体素子５１と第２電極５３ａとの間の剥離を抑制できる。

熱電素子５０は、上記のような構成であり、通電によって、半導体素子５１を介して第１支持基板５２と第２支持基板５３との間で熱を移動させ、第１支持基板５２の外面（第１面）５２０と第２支持基板５３の外面（第２面）５３０との間で温度差を生じさせる。なお、熱電素子５０は、通電によって、第１面５２０が相対的に高温となり、第２面５３０が相対的に低温となる第１通電状態と、通電によって、第１面５２０が相対的に低温となり、第２面５３０が相対的に高温となる第２通電状態と、を切り替え可能である。

送風装置１００は、熱電素子５０が、第１通電状態のときには、圧電ポンプ１から吐出された空気が、第１面５２０に接触することによって、加熱された空気を吹出口２１から吹き出すことができる。また、熱電素子５０が、第２通電状態のときには、圧電ポンプ１から吐出された空気が、第１面５２０に接触することによって、冷却された空気を吹出口２１から吹き出すことができる。このような本開示の送風装置１００によれば、圧電ポンプ１と熱電素子５０を用いることで、小型化および静音動作が可能となる。送風装置１００は、自動車または電車等の車両に設置されたシート（座席）内部に設けることにより、シートクーラーとして使うことができる。この場合においては、例えば、着席した人の頭部に接する部位（ヘッドレスト）または背もたれに設けられていてもよい。この場合は、特に温度を感じやすい人の頭部または首周りに、静音で送風できるので、車両による快適な移動を実現することができる。

本実施形態では、圧電ポンプ１は、吐出した空気が、熱電素子５０の第１面５２０および第２面５３０のそれぞれに接触するように配置されている。吹出口２１は、第１面５２０に接触した空気を吹き出すように構成される。

図１に示すように、圧電ポンプ１が空気を吐出する吐出方向と、熱電素子５０の第１面５２０および第２面５３０の面方向に平行で、圧電ポンプ１の吐出位置は、熱電素子５０の厚さの中央位置となっている。圧電ポンプ１と熱電素子５０とをこのような位置関係とし、圧電ポンプ１から吐出された空気は、熱電素子５０の第１面５２０および第２面５３０の両方に接触する。本実施形態では、第１面５２０に接触した空気が吹出口２１から吹き出すように、筐体２０が構成されており、第２面５３０に接触した空気が排気口２２から排気されるように、筐体２０が構成されている。熱電素子５０の第１面５２０、第２面５３０に空気を接触させることで、各面における熱交換が促進され、第１支持基板５２と第２支持基板５３との間での熱移動が促進されて、第１面５２０、第２面５３０を、さらに高温または低温とすることができる。また、必要な冷風または温風を吹出口２１から吹き出すようにし、不要な温風または冷風は、排気口２２から排気することができる。

筐体２０は、その内部に、圧電ポンプ１から吐出された空気を、第１面５２０および第２面５３０にそれぞれ案内する案内部材２３を有していてもよい。熱電素子５０の側方から圧電ポンプ１の吐出空気を流そうとすると、熱電素子５０の側面に空気が衝突して、流れが妨げられたり、流れ方向が変化して、第１面５２０および第２面５３０に空気が十分に接触しないおそれがある。案内部材２３は、たとえば、圧電ポンプ１の吐出方向前方にあって、第１面５２０へと連なる斜面と、第２面５３０へと連なる斜面とを有する。圧電ポンプ１の吐出空気は、案内部材２３によって分流されて、それぞれ斜面に沿って第１面５２０および第２面５３０にまで空気を流すことができる。

筐体２０には、例えば、第１面５２０に接触後の空気と、第２面５３０に接触後の空気とが混合しないように、仕切壁２４を設けていてもよい。案内部材２３および仕切壁２４は、熱電素子５０と当接していてもよい。当接していることで、熱電素子５０の第１面５２０および第２面５３０と、案内部材２３および仕切壁２４との間に間隙が無いので、間隙に空気が流れ込むことで流れが乱れたり、冷風と温風とが混合したりしてしまうことを抑制することができる。なお、案内部材２３および仕切壁２４が、熱電素子５０と当接することで、熱電素子５０から筐体２０へ熱が逃げるおそれ、筐体２０から熱電素子５０へ熱が流入するおそれがある。このような熱電素子５０と筐体２０との間の伝熱を抑制するために、案内部材２３および仕切壁２４と、熱電素子５０との当接部分には、断熱部材を設けてもよい。

ここで、圧電ポンプ１について説明する。圧電ポンプ１は、貫通孔１０ａを有する圧電素子１０と、貫通孔１０ａの一方の開口を覆う第１の弾性板１１と、貫通孔１０ａの他方の開口を覆う第２の弾性板１２と、を備える。第１の弾性板１１は、圧電素子１０の貫通孔１０ａに連通する連通孔１１ａを有する。

圧電素子１０は、例えば、貫通孔１０ａを有する圧電体と、圧電体の対向する一対の主面にそれぞれ設けられた表面電極とを備えるものである。圧電素子１０を構成する圧電体としては、チタン酸ジルコン酸鉛系、チタン酸バリウム系、ニオブ酸カリウム／ナトリウム系などの圧電セラミックス、水晶、タンタル酸リチウムなどの圧電単結晶を用いることができる。圧電素子１０を構成する表面電極としては、銀、ニッケル、銅、銀−パラジウムなどを用いることができる。

圧電素子１０は、貫通孔１０ａを有するものであれば、形状は特に限定されない。圧電素子１０は、板状であってもよく、柱状であってもよく、板状であれば、円板状、多角板状などであってもよく、柱状であれば、円柱状、多角柱状などであってもよい。貫通孔１０ａの位置も特に限定されず、板状および柱状のいずれでも、例えば、圧電体の中心軸線と同軸位置に設けられる。本実施形態では、圧電素子１０は、円板状であり、貫通孔１０ａは、圧電体の中心軸線と同軸に設けられる。

圧電素子１０は、一方の面および他方の面に設けられた表面電極がそれぞれの面に面方向に広がる一つの表面電極（一対の表面電極）を有する他励振型の圧電素子であってもよい。

また圧電素子１０は、一方の面に設けられた表面電極が、主表面電極および該主表面電極と分離された副表面電極とを含むいわゆる自励振型の圧電素子であってもよい。このような構成とすることで、例えば、複数の圧電ポンプ１を利用する際に、それぞれの圧電ポンプ１ごとに最適駆動周波数を調整できるため、圧電ポンプ１の空気流量の個体差を抑制できる。加えて、例えば−２０℃〜＋８０℃といった環境温度変化に伴う空気流量の変化も抑制できる。

第１の弾性板１１は、弾性変形可能な材料からなり、貫通孔１０ａの一方の開口を覆うものであれば、形状は特に限定されない。同様に、第２の弾性板１２は、弾性変形可能な材料からなり、貫通孔１０ａの他方の開口を覆うものであれば、形状は特に限定されない。第１の弾性板１１には、圧電素子１０の貫通孔１０ａに連通する連通孔１１ａが設けられている。

第１の弾性板１１および第２の弾性板１２は、弾性変形することで、圧電素子１０の変形（振動）に追従することができる。例えば、圧電素子１０が、半径方向に伸びる変形をしたとき、第１の弾性板１１および第２の弾性板１２も同様に半径方向に伸びるように弾性変形すればよい。または、圧電素子１０が、半径方向に縮む変形をしたとき、第１の弾性板１１および第２の弾性板１２も同様に半径方向に縮むように弾性変形すればよい。ここで、圧電素子１０が、半径方向に縮む変形をしたとき、圧電素子１０は厚み方向に伸びる変形をしており、また、圧電素子１０が、半径方向に伸びる変形をしたとき、圧電素子１０は厚み方向に縮む変形をしていてもよい。

圧電素子１０に電圧を印加することによって、圧電素子１０が変形し、図２（ａ）の状態から図２（ｂ）の状態への変化と、図２（ｂ）の状態から図２（ａ）の状態への変化と、を繰り返す。圧電素子１０と第１の弾性板１１と第２の弾性板１２とで囲まれた内部空間の容積が変化することで、連通孔１１ａを介して内部空間への空気の吸い込みと吐き出しが繰り返され、ポンプとして機能する。

図２に示す例では、図２（ａ）の状態（第１状態）に比べて図２（ｂ）の状態（第２状態）は、圧電素子１０が半径方向外方に延びるように変形することで、内部空間の容積が大きくなる。第１状態から第２状態への変形によって、空気が外部から吸い込まれる。また、第２状態から第１状態への変形によって、内部空間の容積が小さくなり、空気が外部に吐き出される。

第１の弾性板１１および第２の弾性板１２の材料としては、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、黄銅、４２アロイなどの金属材料、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、液晶ポリマーなどの樹脂材料を用いることができる。４２アロイを用いると、圧電素子１０との熱膨張差を低減できるため、環境温度変化に伴う空気流量の変化の抑制に特に有効である。

第１の弾性板１１および第２の弾性板の厚みは、圧電素子１０の変形に追従可能であればよく、例えば５０〜５００μｍの厚みとされる。第１の弾性板１１に設けられる連通孔１１ａは、本実施形態のように１つであってもよく、複数であってもよい。

筐体２０は、圧電ポンプ１の前面に、圧電ポンプ１を配置する領域と熱電素子５０を配置する領域とを仕切る仕切壁２６を有していてもよい。仕切壁２６の中央には、圧電ポンプ１の連通孔１１ａに対応する位置に透過孔２６ａが設けられている。また、筐体２０は、圧電ポンプ１を挟んで仕切壁２６の反対側の外壁に、外部と連通して外部から筐体２０内に空気を取り込むための取込口２５を有していてもよい。圧電ポンプ１の動作により、取込口２５から取り込まれた空気が、圧電ポンプ１の側方から仕切壁２６に沿って流入し、圧電ポンプ１内に取り込まれる。取り込まれた空気は、圧電ポンプ１から吐出され、仕切壁２６の透過孔２６ａを通って熱電素子５０に向かって流れる。仕切壁２６は、圧電ポンプ１に取り込まれる空気の流路を構成するとともに、取り込まれる空気と、圧電ポンプ１から吐出された空気と、が混合することを抑制している。

図２に示す変形例では、送風装置１００Ａが備える圧電ポンプ１Ａの構成が、図１に示す例の圧電ポンプ１と異なっていること以外は、送風装置１００と同じである。変形例で用いられる圧電ポンプ１Ａは、第１の弾性板１１および第２の弾性板１２と、これらの間に所望の間隔を設けるように支持する枠体１３と、貫通孔１０ａを有する圧電素子１０と、を有している。圧電素子１０は、第１の弾性板１１の連通孔１１ａよりも大きな開口の貫通孔１０ａを有し、第１の弾性板１１に垂直な方向から見たときに連通孔１１ａが貫通孔１０ａの内側に位置するように第１の弾性板１１の外面に取り付けられている。圧電ポンプ１Ａは、圧電素子１０の変位に伴って、第１の弾性板１１が振動し、第１の弾性板１１の振動に伴って、第２の弾性板１２が振動し、ポンプとして動作する。

図５に示す他の変形例では、送風装置１００Ｂが、２つの圧電ポンプ１を備えており、図１に示す例の送風装置１００が、１つの圧電ポンプ１を備える点で異なっている。本例の送風装置１００Ｂは、２つの圧電ポンプ１を備え、一方の圧電ポンプ１から吐出された空気を第１面５２０に接触させ、他方の圧電ポンプ１から吐出された空気を第２面５３０に接触させている。一方の圧電ポンプ１から吐出された空気の流路と、他方の圧電ポンプ１から吐出された空気の流路とは、筐体２０内で分離されており、これらが混合することはないように構成されている。本例のように、冷却側と加熱側とで異なる圧電ポンプを用いることにより、例えば、冷却側と加熱側とで吐出流量を変えることなどが可能となり、熱電素子５０表面での熱交換を制御して、吹き出される空気の温度制御を容易にすることができる。

次に、第２実施形態について説明する。図４は、第２実施形態の送風装置の構成を示す模式的な断面図である。本実施形態の送風装置２００は、２つの圧電ポンプ（第１圧電ポンプ１Ｒおよび第２圧電ポンプ１Ｆ）を備えており、熱電素子と２つの圧電ポンプの位置関係なども第１実施形態とは異なっている。なお、本実施形態において、第１実施形態と同じ構成については、同じ参照符号を付して説明を省略する。

第１圧電ポンプ１Ｒは、吐出した空気が、熱電素子５０の第１面５２０に接触するように配置されている。例えば、第１圧電ポンプ１Ｒは、その空気吐出方向が、第１面５２０と直交するように配置されている。また、第２圧電ポンプ１Ｆは、熱電素子５０の第２面５３０に接触するように配置されている。例えば、第２圧電ポンプ１Ｆは、その第２の弾性板１２が第２面５３０に当接されて配置されている。これにより、ガス流路を冷却（加熱）する場合と比べて、直接ポンプ室を冷却（加熱）できるため、熱交換の効率を高めることができる。筐体２０は、吹出口２１が、第２圧電ポンプ１Ｆから吐出された空気を吹き出すように構成される。例えば、筐体２０内において、第２圧電ポンプ１Ｆの第１の弾性板１１の連通孔１１ａの軸線と、吹出口２１の軸線とが一致するように、第２圧電ポンプ１Ｆが配置されている。

本実施形態において、熱電素子５０は、第１実施形態と同様に、通電によって、第１面５２０が相対的に高温となり、第２面５３０が相対的に低温となる第１通電状態と、通電によって、第１面５２０が相対的に低温となり、第２面５３０が相対的に高温となる第２通電状態と、を切り替え可能である。

例えば、第１通電状態では、第２面５３０が低温となり、第２面５３０に接触した第２圧電ポンプ１Ｆは、圧電素子１０の貫通孔１０ａ内の空気が冷却され、冷風が第２圧電ポンプ１Ｆから吐出され、送風装置１００Ａの吹出口２１からは、冷風が吹き出される。一方、第１圧電ポンプ１Ｒが吐出した空気は、熱電素子５０の第１面に接触して加熱され、温風として、排気口２２から排気される。第２通電状態では、第１通電状態とは、逆に送風装置１００Ａの吹出口２１からは、温風が吹き出され、排気口２２からは冷風が排気される。

本実施形態も第１実施形態と同様に、筐体２０には、例えば、第１圧電ポンプ１Ｒから吐出された空気と、第２圧電ポンプ１Ｆから吐出された空気とが混合しないように、仕切壁２４を設けていてもよい。仕切壁２４は、例えば、熱電素子５０の第１面５２０と当接していてもよい。当接していることで、熱電素子５０の第１面５２０と、仕切壁２４との間に間隙が無いので、間隙に空気が流れ込むことで冷風と温風とが混合したりしてしまうことを抑制することができる。なお、熱電素子５０と筐体２０との間の伝熱を抑制するために、仕切壁２４と、熱電素子５０との当接部分には、断熱部材を設けてもよい。

第１実施形態および第２実施形態において、熱電素子５０の第１面５２０および第２面５３０の表面が、凹凸または複数の突起など有していてもよい。第１面５２０および第２面５３０は、吹き付けられた流体との接触面積を大きくすることができ流体を効率よく加熱または冷却することができる。圧電ポンプの構成については、圧電ポンプ１（１Ｆ，１Ｒ）の構成と圧電ポンプ１Ａの構成の２種類がある。これら２種類の圧電ポンプは、置換可能であり、本願の送風装置において、いずれの種類の圧電ポンプを用いてもよい。

１，１Ａ圧電ポンプ
１Ｒ第１圧電ポンプ
１Ｆ第２圧電ポンプ
１０圧電素子
１０ａ貫通孔
１１第１の弾性板
１１ａ連通孔
１２第２の弾性板
１３枠体
２０筐体
２１吹出口
２２排気口
２３案内部材
２４，２６仕切壁
２５取込口
５０熱電素子
５１半導体素子
５２第１支持基板
５２ａ第１電極
５３第２支持基板
５３ａ第２電極
１００，２００送風装置
１００Ａ，１００Ｂ送風装置
５２０第１面
５３０第２面

Claims

圧電ポンプと、
熱電素子と、
前記圧電ポンプおよび前記熱電素子を収納する筐体であって、前記熱電素子によって加熱または冷却された流体を吹き出す吹出口を有する筐体と、を備える送風装置。
前記熱電素子は、第１面および前記第１面と反対側の第２面を有するペルチェ素子であり、
前記圧電ポンプは、吐出した流体が、前記第１面および前記第２面のそれぞれに接触するように配置されており、
前記吹出口は、前記第１面に接触した流体または前記第２面に接触した流体のいずれか一方を吹き出すように構成される、請求項１記載の送風装置。
前記圧電ポンプは、第１圧電ポンプと第２圧電ポンプとを含み、
前記熱電素子は、第１面および前記第１面と反対側の第２面を有するペルチェ素子であり、
前記第１圧電ポンプは、吐出した流体が、前記第１面に接触するように配置されており、
前記第２圧電ポンプは、前記第２面に接触するように配置されており、
前記吹出口は、前記第２圧電ポンプから吐出された流体を吹き出すように構成される、請求項１記載の送風装置。
前記ペルチェ素子は、通電によって、前記第１面が相対的に高温となり、前記第２面が相対的に低温となる第１通電状態と、通電によって、前記第１面が相対的に低温となり、前記第２面が相対的に高温となる第２通電状態と、を切り替え可能である、請求項２または３記載の送風装置。