JP3172449U - 半導体熱交換冷気暖気生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子に直流電気を通すと両端に温度差が生じる現象を活用して、従来のエアコンの消費電力の１／１００（１割）で機能する半導体熱交換冷気暖気生成装置を提供する。
【解決手段】直流電流を流すことで吸熱側と放熱側に温度差が発生する半導体特有の物性を利用して半導体サーモモジュールに生じた低温から冷気を、高温から暖気を生成する熱交換装置を形成する。上記熱交換装置は、半導体素子２から成るサーモモジュールの吸熱側及び放熱側にそれぞれ１個のヒートシンク５計２個を設置し当該ヒートシンクの外側に２個の吸引送風機８を設置したメカニック構造体と当該メカニック構造体を収納する断熱性樹脂で製造された収納容器から構成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱帯夜や極寒の夜、エアコンの世話にならずに安眠・快眠を可能にするための冷暖房機能付寝室用天蓋及びペット用エアコンの熱源となる「半導体熱交換冷気・熱気生成装置」に関する技術。

本発明は、ベッドの周囲やペットの居住範囲を包括し、内部の９５％を機密状態にすることで外部との温度交流を遮蔽することにより内部の温度を一定に保つ天蓋（キャノピー）に関する技術。

１０数年前より通信販売でクールマットと称するゲル状マットや送風機からドライエアーをベッドマット上に送付するアイテム等が販売されている。気化熱を利用した冷却法と思われるが最初の数分は冷気を感じるが長続きしない難がある由。その他、保冷材や蓄冷材などをベッド上に直接敷き詰めたシステムもある。

本発明は、３・１１東日本大震災により壊滅状態になった東京電力福島原子力発電所事故により、日本国内の供給電力の約３０％が減少となると予想される由。今日の社会は、電気が無くては何も出来ません。すべてが電気に頼るシステムになっています。熱帯夜や極寒の中での就寝にはエアコンの存在抜きでは考えられない程に馴れ親しんでいるエアコンは、家庭用電気用品の中では消費電力が最も多い電気器具の由。当発明が解決する課題は、いかに少ない消費電量で最大の冷暖房効果を得る新技術の開発にあります。その結果、エアコンと殆ど同機能と性能を有するが消費電力量は、従来の家庭用エアコンの約１００分の１（１０％）にも満たない消費電力量の冷暖房機能付寝室用ベッド及びペット用エアコンの提供。

本発明は、機能的には従来のエアコンとおなじですが消費電力量に大きな違いがあります。家庭用エアコンは、８ＫＷｈ前後とのことですが、該「冷暖房機能付寝室用天蓋及びペット用エアコン」の消費電気量は約３６Ｗｈです。販売価格も１万数千円。
本発明である「冷暖房機能付寝室用天蓋及びペット用エアコン」は、直流電流を流すと両端（両側）に温度差が生じる半導体特有の物性を生かして開発した半導体熱交換冷気・熱気生成装置と、該半導体熱交換冷気・熱気生成装置から生成された冷気を保留してベッド周辺を冷やすための天蓋（キャノピー）から構成されている。上記「半導体熱交換冷気・熱気生成装置」は、縦横４５ｍｍ、長さ１４０ミリの長方立法体から成り、一方の端より冷気が、他方の端から熱気が放出する形態であって、
上記「天蓋」は、ベッドの上に覆い被さる状態で設置される。素材は通気性の極めて低い布製で周囲と天井は密閉縫合する。底の部分は開放されて、その中に該半導体熱交換冷気・熱気生成装置を設置するがその際、熱気は天蓋の外に放出することで天蓋内部が冷気で充填される。上述した様にエアコンの熱源を半導体に変えたことにより消費電力が大幅に減少したことで節電と言う課題を該「冷暖房機能付寝室用天蓋及びペット用エアコン」の提供により解決可能となった。

本発明の半導体熱交換冷気・熱気生成装置「ＧＺ−Ｌ１０００Ｍ」の概略は、縦横４５ｍｍ四方で長さが１４０ｍｍ、重さ１２０ｇの角筒。電気的仕様は、ＤＣ９Ｖ．４Ａである。機能は毎分３５０リットル以上の冷気（１９℃〜２３℃）が本体の片方の出口より天蓋の中に放出されます。本体の他方の出口より毎分同量の熱気（３２℃〜３８℃）が天蓋外部に放出。

本発明の天蓋は、通気性の極めて低い素材から製造されている関係で天蓋内部の温度が外部に漏れることが殆ど無いので天蓋内部の温度を常に一定に保つことが可能である。１部に通風孔を設置してあるので睡眠中に息苦しくなる懸念もありません。

本発明の熱源は、半導体素子（ペルチェ素子）であるために電極を陽極から陰極に変えるだけで冷房から暖房に変換可能。従って、同一装置でスイッチを陰極から陽極に切り替えるだけで冷房、暖房の両方が使用できます。

本発明の開発目的は、家庭内消費電力の節電に貢献することで，従来の冷暖房システム（エアコンシステム）は、コンプレッサーや室外（室内）熱交換器などの重機を必要とした。当然、何Ｋｗｈから何１０Ｋｗｈと言う電気量を必要とした。それでも原子力発電や火力発電で電気供給量が間に合っていた間は、さして問題は無かった。しかし、今回の福島原発事故により今後、原子力発電は収束する方向に行くと思います。太陽光発電、風力発電など自然エネルギー利用の方向に行く由ですが完成実行されるには２０年から３０年は要すると言われています。本発明の生み出す節電効果は、相当な額になると確信している。

病室や高齢者用寝室、新生児用寝室では従来の家庭用エアコンは、あまり使用されないと聞きました。理由は、エアコンから排出される冷気・熱気には微生物、ダニや雑菌が混入しているそうです。病院の院内感染の原因がエアコンにあるとの事でメーカーでは殺菌・除菌付きのエアコンを発売している由ですが高額のために需要は少ないとのことです。該「冷暖房機能付寝室用天蓋及びペット用エアコン」は、部屋の中の天気をクール用ヒートシンクで冷やして排出していますので大気中に浮遊している物質を取り除くことは不可能ですが家庭用エアコンのように雑菌の巣窟は持って下りません。新生児、お年寄り、病人には効果があると確信しています。

発明を実施する最良の形態

本発明は、熱帯夜や極寒の夜の就眠時に理想的な温度環境を提供する半導体熱交換冷気・熱気生成装置と周囲の温度を遮蔽して自分だけの環境を作り出すための天蓋（御簾キャノピー）に関するものである。以下、このこの好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。尚、本発明は、同一システムで冷房用と暖房用のいずれにも使用可能であるが、説明の都合上、主として冷房用に関して説明する。

実用例１

図１は、サーモモジュールの概略図である。（１）は、発熱板であり電極を陽極から陰極に替えることで低温から高温に替わる。（２）は、半導体素子（ペルチェ素子）。（３）は、電極。この電極に陽極、陰極を交互に繋ぐことで発熱版（１）の温度は、高温と低温が交互に変換する。サイズは４角（４０ｍｍ正方形）が基本だが数種ある。

図２は、ヒートシンクの概略図である。該ヒートシンクがサーモモジュールを挟んで両脇に２個設置する。（４）の部分にサーモモジュールの発熱版が接着固定される。サーモモジュールの発熱版と（４）の部分とヒートシンクを接着固定する場合、熱伝導性の非常に高い接着剤を使用することで発熱版の熱エネルギーを無駄なくヒートシンクに伝えることが要求される。（６）は、リード線収納空間。使用するヒートシンクの形状は、板状、波型、コルゲイト状そしてニードル状（剣山型）など多種あるが当半導体熱交換冷気・熱気生成装置に関してはニードル状（剣山型）ヒートシンクが望ましいが絶対ではない。

図３は、送風機の概略図である。該送風機は、一般市販の製品で可。当半導体熱交換冷気・熱気生成装置用ケーシングに収まること。風量及びパワーが当方の要求する仕様に合うことが条件である。

図４は、半導体熱交換冷気・熱気生成装置のメカ部分のみを現した概略図である。図が示すように中央にサーモモジュールを備え、両端にヒートシンクそして送風機を一直線に配列した構造。これらが樹脂製ケーシングに納まります。該ケーシングに細工が施され上蓋だけを取り外しトラブルを生じた部材を抜き取り新部材と取り替える方式を採用。所謂、カートリッジ方式によるメンテフリーとする。

図５は、冷暖房機能付天蓋の概略図である。通気性が極めて低い材質から構成され、底部だけを開放して周囲及び天井は完全縫合することで機密性を有する天蓋である。サイズは、一定で無いが通常のシングルベッドが中に納まることが必要。１部に通風用の小窓を備える。天蓋その物が簡単に折り畳みが可能として使用しない時や持ち運ぶ時には小さく折畳んで携帯可能とする。半導体熱交換冷気・熱気生成装置は、４．５ｃｍ角の長さ１２ｃｍ〜１４ｃｍの角型長方形、重量もわずか約１１０ｇと旅先でも携帯して使用できる様にしてある。

図１は、直流電流を流すことで熱エネルギーを発生するサーモモジュールの概略図である。電極（３）の陰、陽を換えることで両側の発熱版（１）の発生する温度が異なります。（２）は、半導体素子。 図２は、ヒートシンクの概略図である。ヒートシンクの放熱システムも板状やコルゲイト状など多種ありますが当ヒートシンクではニードル（針状の剣山型）を採用。サーモモジュール側（４）から得た低温（あるいは高温）はシンクの針に伝わり針自体が低温となる。この林立した低温針の間を大気が通過するため大気も冷やされ冷気となる。 図３は、送風機の概略図である。送風機は、一般市場に出ている搬送品を採用しているがサイズは当装置に合う製品を探している。パワーその他の仕様も当装置に合う様に１部改良して採用。 図４は、全部材（パーツ）は、一直線に並列に並ぶ構造にしてある。理由は、各部材が独立したカセット方式にすることでメンテフリーにしたことですケーシングの上蓋だけを外し、故障のある部材を取り出し新部材を挿入して終わります。ケーシングには各部材が簡単に納まる様に工夫が施されている。一直線にしたことで一方の出口から冷気が、逆の一方から熱気が放出されます。冷房にしたい場合は、冷気を取り入れ、熱気は外部に廃棄放出する。暖房を希望する場合は、電極を替えるだけでＯＫ。 図５は、当発明に関わる冷暖房機能付寝室用天蓋の概略図である。サイズはベッドが覆い被せる形で周囲天井が縫合され機密性を保てる様な構造。内部に冷気（あるいは暖気）を保留するために機密性が小さい素材で縫合。出入り用にファスナーによる開閉可能とする。天井の１部に通気用の小窓を設置。就眠中の息苦しさや酸欠を防ぐ意味で設置した。

１．サーモモジュールの発熱板。
２．半導体素子。
３．リード線用電極。
４．サーモモジュール発熱板とヒートシンクの接着面。
５．ヒートシンク熱交換（剣山型）ニードル。
６．リード線収納ボックス。
７．送風機ボックス。
８．送風ファン。
９．通風小窓。
１０．半導体熱交換冷気・熱気生成装置。

本考案は、油田火災や化学工揚火災そして原子力発電所事故などの場合、消防士や担当技術者は耐熱化学消火服や防護服を着用する。消火服や防護服の内部温度は、外気温に関係なく着用２０分後には４０℃近くまで温度上昇する。本考案は、温度上昇に対する熱中症対策技術分野に属する。

本考案は、半導体に直流電流を流すことで吸熱側と放熱側に温度差が生じる公知の原理からは発生した高温から暖気を、低温から冷気を効率的に熱交換する技術分野。

本考案は、従来のコンプレッサー方式による冷暖房システムに比べて規模の簡素化、消費電力の省力化、Ｃｏ２や有害ガスを出さないエコ化に関する技術分野。

一般的な高温作業現場で働く方々のための熱中症対策体温調整ジャケットの類は従来もありました。クールジャケットやホットベストと称する製品で熱源は保冷材や蓄熱材あるいは鉄粉の酸化作用の際の発熱を利用した製品、昔ながらの懐炉などもあります。業務用には、送風とエアーコンバーターによる冷気送風機などがあります。

一般家庭や事務所ではエアコン、車輌はカーエアコンが１００％普及していますが駐車中の車輌の室内温度調整は無いようです。せいぜい直射日光を遮るカーテンやブラインドだけのようです。
実用新案登録第３１２６２２４号広報

本考案は、保冷材や蓄熱材の持つ欠陥を補う意味で開発された技術で熱源に半導体熱交換から得られる低温及び高温から冷気及び暖気を生成して対象物に噴射して温度調整する半導体熱交換冷気暖気生成装置の提供。

本考案は、周囲の環境温度に応じた理想的な体感温度を得るための熱源に半導体熱交換によって得られる冷気と暖気の生成可能装置の開発。これにより従来持続時間が短時間だった保冷材などの時間的制約を解決した。電気さえあれば何時間でも何日で連続稼動が可能となった。

課題解決の手段の一つに小型軽量化の問題があった。従来の業務用冷暖房装置はコンプレッサー方式で発電機、熱交換装置などの重機や送風パイプを必要とした。本考案は、熱源に半導体熱交換システムを開発して携帯可能な小型軽量化に成功。作業者が本考案本体とバッテリーを携帯すれば航空機や艦船その他原子炉内での作業も夢ではなくなった。

携帯型最小製品「ＨＩ−Ｌ１００Ｍ」の仕様は、ＤＣ１２Ｖ，３Ａの消費電力わずか３６Ｗですが性能は、冷気は１２℃〜２５℃、暖気は３５℃〜４２℃が毎分４５０Ｌ以上噴射します。家庭用エアコンや業務用エアコンは、消費電力４００Ｗ以上なので比較も代替も出来ませんが用途を選択すれば大きな需要が期待可能。従来はＡＣ１００ＶやＡＣ２００Ｖなどの高電圧を必要としたため市場に制限があったがこの点でも解決可能となった。

本考案のエネルギー源はＤＣ１２Ｖの電気です。直流なので電極を陽極から陰極に変えるだけのワンタッチで冷房から暖房に変換可能。従って、同一装置で冷房、暖房の両方に使用できます。コンプレッサーなどの重機が不要となった。

従来の冷暖房システムは、コンプレッサー方式なので屋外での使用には発電機の他にデーゼルエンジンなど内燃エンジンを必要とした。その結果ＣＯ２や窒素化合物などの有毒排気ガスが排出したが本考案のエネルギー源は電気なので人間にも環境にも優しいクリーンで省エネ型として地球温暖化の問題の解決にも一役つくす事になった。

本考案の最大の効果は、携帯可能な小型軽量に成功した事と消費電力の省力化を達成したことです。小型軽量化と携帯可能となったので従来は難しいと思われた職場への進出が可能と期待されています。今回の東日本大震災に伴う福島原子力発電所事故により脱原発が余儀なくされた今日、節電効果を生むと思われる。

本考案は元来、火災現場やアスベスト職場などの高温環境で働く方々の耐熱消火服や防護服着用者の熱中症対策として開発しました。本年３月発生した東日本大震災に伴う東京電力福島原発事故の復旧作業者の熱中症対策に効果が期待出来ると確信。

本考案の効果のひとつに消費電力の省力化にがあります。次世代の電気自動車用のデフォルスター用熱源として米国・中国・インドの電気自動車メーカーから注目されています。車輌の窓ガラスの曇り止めの他に小型車輌や軽自動車のエアコンとして改良中。

考案を実施する最良の形態

本考案は、周囲の環境温度に応じた体感温度を提供するための冷気あるいは暖気を半導体熱交換技術から生成する装置に関するものである。以下、好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。尚、本考案は、同一システムで冷房用と暖房用のいずれにも使用可能であるが説明の都合上、主として冷房に関して説明する。

実用例１

図１は、本考案に関わる半導体熱交換冷気暖気生成装置の発熱を担う部品サーモモジュール（１）の概略図である。平面の一面が吸熱側なら他面が放熱側となる。中央にペルチェ素子（２）が内臓され、その周囲をエポキシ系樹脂で防水、防錆加工してからエネルギー増幅用アルミ板（４）に合体する。電極（３）も配線基盤に接続。

図２は、本考案に関わる半導体熱交換冷気暖気生成装置のエネルぎー増幅板（４）の概略図。発熱体であるサーモモジュール（１）がエネルギー増幅板（４）に合体する。このアルミ増幅板の両面（４）にヒートシンク（６，７）が接続する

図３は、本考案に関わる半導体熱交換冷気暖気生成装置の主要部であるメカニック構造体の概略図である。図左より放熱側吸引送風機（５）、次いで放熱側ヒートシンク（６）、中央がエネルギー増幅アルミ板（４）、次が吸熱ヒートシンク（７）、最後が吸熱側吸引送風機（８）。これら各部品は、簡単に取り外しができる様にカセット方式を採用。これにより非専門家でもメンテナンスフリーとなる。

図４は、本考案に関わる半導体熱交換冷気暖気生成装置の熱交換を担うヒートシンクの概略図である。当該ヒートシンクも吸熱側と放熱側と２個使用する。簡単に説明するとヒートシンクは、板状（９）で横に配置され上（１０）と下からはヒートシンク内には外気は流れない。外気はすべて左右から取り入れられる（→）。尚、図の背後面（１１）には熱エネルぎー増幅板（４）が接着する。ヒートシンクは自社設計のオリジナル製品とする。

図５は、本考案に関わる半導体熱交換冷気暖気生成装置の吸引型送風機（１２）の概略。市販のＤＣファンでは機能が果たせないことがテストの結果判明。独自の設計に基づくオリジナル送風機を業者に委託製造する。尚、製品の使用目的によってはＤＣファンとブロア型送風機の併用使用する事もある。

図６は、本考案に関わる半導体熱交換冷気暖気生成装置のメカニック構造体収納容器の概略図である。メカニック構造体収納容器は、本体（１４）と蓋（１３）とから構成されています。本体には外気取り入れ溝（１５）が４本あります。その内の２本の溝は、吸熱用の外気取り入れ用そして他の２本の溝は、放熱用外気取り入れ溝である。

は、直流電流を流す事で図の両面に温度差が生じる。表面（１）が吸熱側なら低温となり、当然、裏側が放熱側となり高温が発生する。サーモモジュールの概略図である。 は、サーモモジュールから生じた温度を増幅するためのエネルギー増幅アルミ板である。サーモモジュール（１）に直接ヒートシンクを接着しても問題は無いが使用目的によりエネルギー増幅アルミ板（４）を用いた方が効率が良い場合がある。増幅板もアルミ以外の金属でも良い。 は、メカニック構造体の形状を示した概要である。図左より「放熱側」吸引送風機（５）である。放熱側吸引送風機（５）が稼動すればメカニック構造体容器に備えられた放熱側外気取入溝（（１５）より吸引された外気が放熱ヒートシンク（６）を通過する際の熱交換作用で暖気となって外部に噴射される。放熱側吸引送風機（５）は、使用目的によりＤＣファンに代わりブロア型送風機に変更される場合もある。中央（４）は、サーモモジュール（１）あるいは増幅板（４）。その隣が吸熱側ヒートシンク」（７）である。そして吸熱側吸引送風機（８）が稼動すればメカニック構造体容器に備えられたで吸熱側外気取入溝（１５）より吸引された外気が吸熱ヒートシンク（７）内を通過する際、熱交換作用により冷気となって外部に噴射する。 は、吸熱側及び放熱側ヒートシンク（６）（７）の概略図である。放熱フフィン（９）は板状が主だが場合によっては針状の剣山型や波型を使用する場合もある。外気は、フィンの板の間から内部に入る構造と成っている。 は、放熱側あるいは吸熱側吸引送風機（１２）の概略である。テストの結果、市販のＤＣファンやブロア型送風機では機能が果たせない事が判明。自社設計のオリジナル製品を開発。 は、メカニック構造体の収納容器の蓋部分（１３）と本体（１４）の概略である。素材は、断熱性樹脂、本体中央の溝（１５）は、吸熱側送風機（８）あるいは放熱側送風機（５）が回転起動した際、当該溝から外気を吸引してヒートシンクにて熱交換され冷気あるいは暖気を生成する。

１．サーモモジュール本体。
２．ペルチェ素子。
３．リード線用電極。
４．熱エネルギー増幅板。
５．放熱側吸引送風機。
６．放熱側ヒートシンク。
７．吸熱側ヒートシンク。
８．吸熱側吸引送風機。
９．フィン（熱交換用ヒートシンク板）。
１０．ヒートシンク上（下）板。
１１．ヒートシンク接着面。
１２．吸引型送風機。
１３．メカニック構造体収納容器の蓋。
１４．メカニック構造体収納容器本体。
１５．大気吸込用溝。

Claims (8)

1. 半導体熱交換冷気・熱気生成装置と、該半導体熱交換冷気熱気生成装置から生成送り出される冷気を内部に留保することによりベッド周辺を冷やすことを目的とした天蓋とを備えた冷暖房機能付寝室用天蓋であって、
   前記半導体熱交換冷気・熱気生成装置は、直流電流を流すことにより両端、あるいは裏，表に温度差が生ずる半導体特有の物性を応用して得た熱エネルギーをヒートシンクと送風機とから成る熱交換装置により低熱エネルギーを冷気に変換するものであり、
   前記冷暖房機能付寝室用天蓋は、通気性ゼロに限りなく近い布製素材で構成され、周囲四方及び天井を縫合して密封状態に、底部分だけを開放した長方立方体状の天蓋で頭上に当たる当天蓋の部分に、酸欠防止及び天蓋内部の温度調整のための小窓を備えた天蓋で、前記半導体熱交換冷気・熱気生成装置を該天蓋内部に備え天蓋内部の温度調整を可能にすることを特徴とする冷暖房機能付寝室用天蓋及びペット用エアコン。
2. 前記半導体熱交換冷気・熱気生成装置は、中央に半導体素子から成るサーモモジュールを、その両側にヒートシンクでサーモモジュールを両側から挟むような形で固定することにより、直流電流を流すと片方のヒートシンクは高温に、もう一方のヒートシンクは低温になる両側２個のヒートシンクを備えていることを特徴とする冷暖房機能付寝室用天蓋及びペット用エアコン。
3. 前項記載の半導体熱交換冷気・熱気生成装置は、中央に半導体素子から成るサーモモジュール、その両側に２個のヒートシンクを備えてあり、さらに該ヒートシンクの外側に冷気及び熱気を排出するための２個の送風器を設置することで片方送風機から冷気が、もう一方の送風機から熱気が放出することを特徴とする冷暖房機能付寝室用天蓋及びペット用エアコン。
4. 前項記載の半導体熱交換冷気・熱気生成装置は、中央に半導体素子から成るサーモモジュールを、その両側に２個のヒートシンクを、さらにヒートシンクの両側に２個の送風機が一直線配列状に配置する形で構成。該冷気・熱気生成装置は長方立方体樹脂製ケーシングに納まり、該ケーシングの片方の出口より冷気が、反対側の出口より熱気が放出するがケーシングの構造上、冷気と熱気が混合することが無いことを特徴とする冷暖房機能付寝室用天蓋及びペット用エアコン。
5. 熱エネルギー源が半導体素子であるが故に直流電流の陽極、陰極を交換することで冷気と熱気が変わる。１台で電極を交換するだけで冷房にも暖房にも使用できることを特徴とする冷暖房機能付寝室用天蓋及びペット用エアコン。
6. 請求項１記載の冷暖房機能付きベッドの天蓋は、通常のベッドに覆い被さるように設置し、半導体熱交換冷気・熱気生成装置は冷気放出口は天蓋内部に、熱気は天蓋外部に放出するように備えることで天蓋内部が冷えることを特徴とする冷暖房機能付寝室用天蓋及びペット用エアコン。
7. 前項記載の天蓋の頭上付近に通気性布地による小さな小窓を備えることで酸欠防止あるいは温度調整をスムースに運ぶことを特徴とする冷暖房機能付寝室用天蓋及びペット用エアコン。
8. 請求項１記載の天蓋は、折畳み式で小型軽量に収縮して携帯可能として旅先や自宅以外の場所でも簡単に使用できることとを特徴とする冷暖房機能付寝室用天蓋及びペット用エアコン。

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