JP2578988B2 - 熱電装置および熱電装置の制御方法 - Google Patents

熱電装置および熱電装置の制御方法

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JP2578988B2
JP2578988B2 JP1200588A JP20058889A JP2578988B2 JP 2578988 B2 JP2578988 B2 JP 2578988B2 JP 1200588 A JP1200588 A JP 1200588A JP 20058889 A JP20058889 A JP 20058889A JP 2578988 B2 JP2578988 B2 JP 2578988B2
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    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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  • Devices For Blowing Cold Air, Devices For Blowing Warm Air, And Means For Preventing Water Condensation In Air Conditioning Units (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はペルチェ効果を利用し、電気的に冷房もしく
は暖房を行う空調装置もしくはゼーベック効果により温
度差を用いて発電を行う発電装置に用いる熱電装置およ
び熱電装置の制御方法の関する。
従来の技術 従来、熱を電気に変換し、もしくは電気を熱に変換す
る熱電素子は、第4図の従来例に示す様に導電体である
金属板1、及び金属板2によってP型半導体4もしくは
N型の半導体3を挟み込んで基板7上に配置し、電気的
に直列もしくは並列に結合することによって構成し、両
側の金属の温度差により発電を行い端子5、6から電力
を取り出し、もしくは端子5、6から電流を通ずること
により熱電素子上下各々の面から冷却、加熱を行うもの
である。
発明が解決しようとする課題 ある空間の冷却、もしくは加熱するさい、一般にはそ
の空間は断熱壁等により外部から分離されている。しか
し、熱電素子は、発熱側と吸熱側が金属に挟まれた半導
体の両面で行われるため、熱負荷が大きくなり、広い熱
電素子表面積が要求されるようになると、熱電素子によ
る一時的な加熱冷却機能停止時に熱電素子を貫通して、
高温側から低温側に漏れ込む熱量が増大する。そのため
常に熱電素子への通電の必要性が生じ、総合的な効果低
下が起き、ランニングコストが増大する。
またこの熱電素子の発熱側と吸熱側が隣接するという
構成上の制限のために、表面積の拡大が容易でなく、熱
交換効率の低下を生じてきた。
熱電素子の吸熱量と放熱量の関係は、理論的には吸熱
量に電気入力を加えたものが放熱量となり、一般的に
は、放熱側の表面積を大きく取る必要がある。常に放熱
側と吸熱側が固定されているときには放熱側の面積を増
加させて構成すれば、伝熱的には合理的なものが作りう
るが、冷暖房を行なうエアコンのように放熱側と吸熱側
が逆転するときには、どちらの側の表面積も放熱負荷に
見合う大きさが必要となり、全体としてかさばるという
課題があった。
本発明は、これらの従来技術の課題に鑑み、設置上及
び能力上の自由度が高く、効率が高く小型化が可能な熱
電装置、および、その熱電装置を合理的に制御して、負
荷対応力を高め経済的な運転を可能とする熱電装置の制
御方法を提供することを目的とするものである。
課題を解決するための手段 本発明による熱電装置は上記の課題を解決するため
に、内部を流体が循環可能な構造体の表面に、半導体と
金属からなる複数のペルチェ素子を配置して熱電素子と
し、その熱電素子を高温雰囲気側と低温雰囲気側側に設
置し、その双方に流体を循環させて吸熱、発熱が行える
ようにする。吸熱側と発熱側が固定されている場合に
は、発熱側の熱電素子のペルチェ素子数を吸熱側より増
加させて構成する。各々雰囲気に設置した熱電素子は熱
負荷に応じて個別に制御するという手段を用いるもので
ある。
作用 上記のような構成もしくは制御方法をもちいた手段に
よって、得られる作用は次の通りである。
a)発熱用の熱電素子と吸熱用の熱電素子を分離できる
ので厚い断熱材を挟んで冷却もしくは加熱が容易に行
え、熱の漏れによる損失を少なくできる。
b)吸熱側熱電素子と発熱側熱電素子が流体通路によっ
て結ばれているだけであるため、それぞれの設置が容易
である。
c)発熱側の熱電素子を吸熱側の熱電素子よりも能力を
大きくしているため、負荷にみあった熱の授受がおこな
われ、効率の時間的な低下がない。
d)板状の熱電素子を並置し、そのあいだを気流が流動
する強制対流方式とするため、熱伝達率が大きくなり、
表面に拡大率を小さくできるため、熱電装置を小型に構
成できるだけでなく、熱電装置の効率が向上させること
ができる。
e)負荷に応じて熱電素子を別々に制御し、熱電素子の
効率が最大となるように電流を変化させて負荷への対応
を図っているため、熱電装置の効率を最大値付近に保つ
ことができる。
f)コルゲート状の金属を熱電素子間に挿入しているた
め、放熱面積が広く取れ、熱交換効率が向上する。ま
た、この形状は、圧縮力に強く、形状の変化が少ない。
実施例 以下に本発明による実施例を図面により説明する。第
1図は本発明による熱電装置の一実施例を構成図にて示
したものである。
第1図において、N型半導体8もしくはP型半導体10
と、その両側に接合された金属板9とはペルチェ素子を
形成する。この様に構成されたペルチェ素子が、熱交換
板(A)14の上面あるいは下面の両側において、図示の
様に、一方の金属板9が、熱交換板(A)14に接触して
いる。そして、熱交換板(A)14に接触する全ての金属
板9側と、交換板(A)14に接触しない全ての金属板9
側とでは、一方が吸熱を、他方が発熱を行なうように接
合されている。つまり電流を電線11に通ずることによっ
て、熱交換板(A)14に接触する金属板側は吸熱面とな
り、逆の電流を与えれば発熱面となる。この構成は、熱
電素子(B)17についても同様であるが、熱電素子
(A)16と熱電素子(B)17はその熱的な機能が逆にな
るように電流が流される。つまり、一方が外部から吸熱
作用を行うときには、もう一方が外部へ発熱作用を行う
ように電流が制御される。またこの電流値は、熱電素子
(A)16、熱電素子(B)17の素子効率が最大となるよ
うに、個別に供給され、オンオフ動作によって別々に制
御される。熱交換板(A)14、熱交換板(B)15は、内
部を流体が循環可能な構造体であり、熱交換板(A)1
4、熱交換板(B)15の内部には、ブラインがポンプ13
によって循環される。
つまり、例えば、熱電素子(A)16により周囲の熱が
吸収される場合、その熱は、熱交換板(A)14の内部を
循環するプラインに移動し、プラインの顕熱を増加さ
せ、ポンプ13によって熱交換板(B)15に運ばれる。熱
電素子(B)17ではこの時、ペルチェ素子の熱交換板
(B)15側が吸熱側になっており運びこまれたブライン
は顕熱を低下させ、外気へ放熱が行われる。つまり、熱
電素子(A)16の雰囲気から奪われた熱は、熱電素子
(B)17の外気に捨てられる。この作用は、熱電素子
(A)16と熱電素子(B)17に通ずる電流を逆転させる
ことで、熱電素子(B)17の外気から奪った熱を熱電素
子(A)16の外気に捨て去ることができる。
このような熱電装置は冷却加熱用のヒートポンプとし
て使う場合には、熱電素子の大きさを同等にして構成す
る必要があるが、単に冷却用として用いる場合には、つ
ねに放熱量の方が吸熱量より大きいため、放熱側の熱電
素子を構成するペルチェ素子の数を吸熱側のそれよりも
増加させることによって、吸熱量と発熱量のバランスを
保つ。このバランスが悪化すると、ブラインの温度が上
昇し、効率が低下するが、上記の様にして吸熱量と発熱
量比ひ対応する能力比率で熱電素子を構成することで、
効率を著しく向上させることが可能である。
そして、第1図の本発明の実施例に示すような構成を
取ることで、発熱部と吸熱部を分離できるため、その間
に断熱壁等を設ければ、加熱冷却動作停止時にも熱の低
温側から高温側への熱の漏れ込みが少なく、総合効率は
従来と比較して著しく向上する。またそれぞれの熱電素
子に素子効率が最大となるようにそれぞれ独立して電流
を流し、オンオフ制御し負荷に対応しているため、熱電
素子の動作時の効率はいつも最大値近くになり、ランニ
ングコストの低い経済的な熱電装置となる。
第2図は本発明の熱電装置の他の実施例の構成図であ
る。本実施例において、室内機18は主に、ヘッダ22と、
多数個の熱電素子を並列に並置して構成した熱電素子群
20およびファン23によって構成され、室外機19も同等の
構成をなしている。
室内機18と室外機19は各々の熱電素子群のヘッダから
ヘッダとの管21によって流体の循環可能なように接合さ
れており、内部には潜熱によって熱を運ぶ冷媒が封入さ
れている。
次に、室内を冷却する際のこの熱電装置の作用を説明
する。室内機18の熱電素子群20および室外機19の熱電素
子群24に電流を流すことによって、熱電素子群を構成す
る熱電素子の表面温度は、外気温度より、室内では低く
なり、室外では高くなって、ファン23、25によって送ら
れる空気と熱交換を行い、それぞれ空気から吸熱と放熱
を行う。この時、冷媒に接している熱交換板の壁温度
は、室内では冷媒の蒸発温度より高く、室外では冷媒の
冷却温度より低く保たれる様に制御されているため、冷
媒は室内で蒸発して潜熱を奪い室外で凝縮してその熱を
放出する。
室内を加熱する際には、室内を冷却する場合とは逆
に、冷媒に接触している熱交換板の壁温度は、室内では
冷媒の蒸発温度より低く、室外では冷媒の冷却温度より
高く保たれる様に制御されているため、冷媒は室外で蒸
発して潜熱を奪い室内で凝縮してその熱を放出する。
この熱電装置は自然循環式であるのでポンプは不要で
あるが、室内機18、室外機19の位置関係に応じて、ポン
プを設置してもよい。また、動作不要時には、管内の冷
媒の不本意な熱移動を防ぐ目的で、管路上に設けた電磁
弁26を閉じて冷媒の移動を防いでいる。この実施例で
は、室内機18、室外機19とも熱電素子群を用いる方式を
示しているが、どちらか一方の複数の熱交換板のみで構
成してもよい。
この様な熱電装置では、冬季のヒートポンプ運転時に
は、室外機19に着霜することがある。その際には、電磁
弁26を閉止することで冷媒の循環を止めた後、室外機19
の電流の向きを逆にすることにより、熱電素子群の表面
温度を上昇させて除霜を行う。
第3図は第2図の熱電素子群20の詳細斜視図である。
複数枚の熱電素子29がヘッダ22、22aに接合され、その
内部を冷媒が貫流する様に構成され、熱電素子29間に
は、放熱フィン28がコルゲート状に挿入され、伝熱面積
を拡大している。室内機18、室外機19の熱電素子群供に
ほぼ同等な構成を有している。しかし前述した様に、室
内機もしくは室外機の一方の、熱電素子29を表面にペル
チェ素子を配置していない複数の熱交換板のみに置き換
えたとしても、効率の若干の低下はあるが、目的とする
作用、効果は十分に得られる。
発明の効果 上記の詳細な説明から明らかなように、本発明は以下
の効果を奏する。
g)室内機18と室外機19をかなり離れた位置に別々に設
置することができるので、設置の自由度が大きい。
h)管21のみで、室内機18と室外機19が接続されている
ので壁27からの熱損失が小さい。
j)室内機18と室外機19を別々に制御しているので、そ
れぞれの能力を負荷に応じて変化させることができ、総
合的な効率が向上する。従って、また、ランニングコス
トが安く経済的である。
l)室外機19が着霜した際に、室外機のみの電流を反転
させて除霜できるので、室内の快適性を損なわず、かつ
除霜が速い。
m)小型の熱電装置を実現できる。
この様に、本発明は優れた効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の一実施例の熱電装置の斜視図である。
第2図は本発明の他の実施例の熱電装置の概略構成図、
第3図は第2図の熱電装置の部分詳細斜視図である。第
4図は従来の熱電装置の斜視図である。 1、9……金属版、2、3、8、10……半導体、13……
ポンプ、12、21……管、14……熱交換板、16……熱電素
子、20……熱電素子群、22……ヘッダ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中桐 康司 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−238370(JP,A) 特開 平1−154786(JP,A) 特開 平1−131836(JP,A) 特開 昭55−14417(JP,A) 実開 昭61−110838(JP,U) 実開 昭63−159657(JP,U) 実開 昭58−63792(JP,U) 特公 昭38−20660(JP,B1)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ペルチェ素子を電気的に結合して構成した
    熱電素子を吸熱すべき環境と放熱すべき環境に各々設
    け、前記熱電素子各々の放熱面もしくは吸熱面を流体が
    循環すべく構成するとともに、前記各環境に設置した熱
    電素子間を同一流体が循環する構成となし、前記熱電素
    子の内、前記放熱すべき環境に設置した前記熱電素子に
    は循環する前記流体がペルチェ素子の吸熱面に熱的に接
    する構成となし、前記吸熱すべき環境に設置した前記熱
    電素子には循環する前記流体がペルチェ素子の放熱面に
    熱的に接する構成とした熱電装置。
  2. 【請求項2】ペルチェ素子を電気的に結合して構成した
    熱電素子を吸熱すべき環境と放熱すべき環境に各々設
    け、放熱すべき環境に設けたペルチェ素子の素子数を吸
    熱すべき環境に設けたペルチェ素子の素子数より多くし
    て構成する請求項1記載の熱電装置。
  3. 【請求項3】ペルチェ素子を電気的に結合して構成した
    熱電素子を吸熱すべき環境と放熱すべき環境に各々設
    け、前記熱電素子各々の放熱面もしくは吸熱面を流体が
    循環すべく構成するとともに、前記各環境に設置した熱
    電素子間を同一流体が循環する構成となし、前記熱電素
    子の内、前記放熱すべき環境に設置した前記熱電素子に
    は循環する前記流体がペルチェ素子の吸熱面に熱的に接
    する構成となし、前記吸熱すべき環境に設置した前記熱
    電素子には循環する前記流体がペルチェ素子の放熱面に
    熱的に接する構成とした熱電装置において、前記放熱す
    べき環境に設置した前記熱電素子アレイと前記吸熱すべ
    き環境に設置した前記熱電素子アレイを前記それぞれの
    環境の負荷に応じて、個別に制御する熱電装置の制御方
    法。
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