JP4143690B2 - 冷却扇風機 - Google Patents

Description

本発明は、ペルチェ素子の機能等が最良かつ最善に発揮できるように最適な材料を選定し、かつ最適な形状としたペルチェチューブを扇風機に最適な配置となるように用いて、高温空気の冷却化の実現を図った冷却扇風機に関する。

従来の室内用の扇風機は、モーターによってファンを回転させ室内空気の対流を起こすことで放熱効果を高めるといったしくみのものがほとんどである。その他に扇風機自体に冷却効果のある装置を用いたものとしては、例えば水による気化熱を利用したもの等がある。

しかし、その場合には従来の扇風機より軽量化や小型化が難しくなり、また耐久性や利便性においてもかなり劣る装置になっている。

従来の扇風機は、ファンを回転させて室内空気の対流を起こし、その対流の速さによって高温空気の放熱効果を高めるといった冷却方法であるため、人体に触れるその速さ（風圧）には当然に限界があることから、夏期の室内における高温空気を十分に冷却しようとするには、クーラー等の強制的な冷却装置が必要であった。

そのため、扇風機の特性である心地よさや手軽さや持ち運び等の利便性が十分に活用されていなかっただけでなく、冷房範囲が大きくなるクーラー等の使用に要する電気料金等のコスト負担も重くなっていた。

また、過去全てのペルチェ素子による扇風機は、その実現のための現実的な対応が全くなかったために、同扇風機は商業的には実現していない。

本発明は、上記問題を解決するために、まずペルチェ素子の機能等が最良かつ最善となるように最適な材料を選定し、かつ円筒形に成形したペルチェチューブをファンリブ支輪体の外周円に固定して、吸熱（冷熱）を阻害しない範囲での最小電圧あるいは低電圧（以下「低電圧」とする。）で必要な冷却効果を得る扇風機を実現するものである。

そして、この外周円に沿って配置するチューブ形状こそが、冷熱を全てのファンリブ等に同時かつ均等かつ均一で連続的に拡散させて冷却効果の「ムラ」をなくし、結果として低電圧で最大の効率的な冷却を実現させ、かつ持ち運びが容易となる軽量化やコスト負担の軽減等も相まって快適な空間の現出等を図るものである。

一方、実際問題として、現実にペルチェ素子を用いた扇風機は成功しておらず、机上の空論的な存在であるため商業ベースでの市販状況はない。本発明は、単に改造や修正をしたものでなく、ペルチェ素子による冷却扇風機をおよそペルチェチューブを用いることで、実現できることを示したものである。

問題を解決するための手段

そもそもペルチェ素子は、電流を流すことで発熱と吸熱（冷熱）をさせることができるが、本発明は冷却扇風機なので、このペルチェ素子の発熱が吸熱（冷熱）を阻害しない範囲で、最良かつ最善、そして最大の冷却効果を発揮させる必要がある。

すなわち、その実現と効果の発揮のためには「ペルチェ素子による発熱が吸熱（冷熱）を阻害しないこと。」の解決が絶対条件となる。

そのための手段は二つあるが、まず「強力な排熱装置の活用」は扇風機の利便性等の特性を制限するので困難であり、結局は「ペルチェ素子に印加する電圧を下げる」方法しかない。これは、ペルチェ素子もオームの法則に従い、印加する電圧に比例した電流が流れるからであり、同素子の発熱は印加電圧の二乗に比例するからである。

具体的には、まず印加する電圧に際して、ペルチェ素子による発熱が吸熱（冷熱）を超えない範囲で吸熱（冷熱）が最良かつ最善となり、かつ最大の効果を発揮できる最良の伝導性能を持つ材料を選定する。

次にその材料で、ペルチェ素子を中央部に配置しファンリ支輪体の外周円に沿ったペルチェチューブを成形する。このチューブ形状は、低電圧で最大の冷却効果を発揮させるために冷熱の同時かつ均等かつ均一な拡散を連続的に行うためのものであり、これなくして、低電圧でのペルチェ素子による冷却扇風機は実現しない。

本発明は、上記問題を達成するために、上述の考え方に基づいて、まずペルチェチューブを製作する。

まず、最良の伝導性能を持つ材料の選定であるが、そもそも上記冷熱は、その性質から瞬時に失われやすいものであるため、周囲の高温空気を最も効率的に冷却させるためにも、銅やアルミといった熱伝導率の高い材料が必要となる。

また、低電圧であっても、吸熱（冷熱）が冷却効果を最大限に効率よく発揮できる最良の熱伝導性材料であって、かつ発熱をできる限り迅速に放熱させるための最良の熱伝導性材料であるものを使用しなければ現実的な冷却扇風機は実現しない。

但し、本発明は冷却扇風機であり、容易な持ち運び等を可能とする利便性等のための軽量化や低コスト化を実現できるものでなければならない。

これらから、熱伝導率ではダイヤモンド、銀、銅、金、アルミニウムが最良の順となるが、現実には銀、銅及びアルミニウムとなり、また軽量化に必要な比重では、銀（１０，４９０ｋｇ／立米）、銅（８，９２０ｋｇ／立米）、アルミニウム（２，７００ｋｇ／立米）とあり、アルミニウムが銀の約４分の１、銅の約３分の１となっている。

以上の結果として、ペルチェチューブに最適な材料はアルミニウムとなる。

次にペルチェチューブの形状を成形する。

まず断面形状において、ペルチェ素子による発熱の放熱処理、及び吸熱（冷熱）をより効率的に活用するには、ペルチェ素子から放熱部や冷却部までの熱伝導距離が四角形等の形状に比して短い円形が極めて有利となる。

そして、低電圧で最も効率的な冷却効果を得るためには、冷熱が瞬時に失われやすい性質を考慮すると、最短時間で冷熱をファンリブ等に伝え、しかもファンリブ全てからファン中央部に向けて、その冷熱が放射状に同時かつ均等かつ均一で連続的に拡散しなければならない。そのような作用ができる形状は、ファンリブ支輪体の外周円全ての面に接する曲線的なチューブ形状が最適となる。

すなわち、外周円にあるペルチェチューブから、冷熱ができる限り迅速にファンリブ等に同時かつ均等かつ均一に伝わり、さらにファン中心部に向かって放射状かつ連続的な拡散作用が起こることで、冷却効果の「ムラ」をなくすこととなる。

その結果、低電圧による最も効率的な冷熱が得られ、それが冷却扇風機にとって最大の冷却効果となる。

よって、発熱をできる限り迅速に放熱させつつ（但し安全面からセラミック等の耐熱措置が必要。）、冷熱をファンリブ等にできる限り迅速に伝えて最も効率的な拡散をさせるためには、角部分のない円形であって、ファンリブ支輪体の外周円から放射状かつ連続的に冷熱を拡散させられるチューブ形状が最適と考えられる。

これらを踏まえて、まずペルチェ素子を夾むようにファンリブ支輪体の外側（発熱側）にアルミ板、セラミック板及び樹脂を重ね、内側（吸熱側）にはアルミ板及び樹脂を重ねて、それらを円筒形の一つのチューブ状に形成したペルチェチューブを製作する。

次に、上記ペルチェチューブをファンリブ支輪体の外周円に固定するが、ここで吸熱側を内側としてファンリブ等に連結させた配置とすることで、冷熱が冷却部を通してファンリブを冷却することとなる。

そして、この配置によってのみ、冷熱が外周円全てから同時かつ均等かつ均一にファンリブに伝わり、ファン中央部に向けた冷熱の放射状かつ連続的な拡散ができることで冷却効果の「ムラ」がなくなり、結果として最適な冷却効果が得られる。

すなわち、低電圧によって吸熱（冷熱）を阻害しない範囲で最大の効率的な冷却効果を実現するには、このようなチューブ形状であって、かつファンリブ支輪体の外周円に配置することが必要となる。

換言すると、ペルチェチューブは低電圧で得られた最大の冷熱を同時かつ均等かつ均一に中心部に向けて放射状かつ連続的に拡散させることができることで冷却効果の「ムラ」をなくし、結果として最大限の冷却効果を発揮させることができる。

発明の効果

上述したように、「未だにペルチェ素子を用いた扇風機で成功事例がない」という事実から明らかなように、その実現には未解決の問題が多く、中でも「冷却に必要な冷熱を得ようとすると、どうしても発熱が阻害する。」という問題の解決が必須であった。

これは、ペルチェ素子による発熱が、吸熱（冷熱）を超えない範囲で冷却扇風機に必要かつ十分な冷熱を得る具体的な考えと技術がなかったことを証明している。

本発明の効果としては、まずペルチェ素子による扇風機の実現を、ペルチェチューブを考案して用いることで可能としたこと（あるいは実現の可能性を最大限に現出させたこと）である。

具体的には、ペルチェ素子の発熱が吸熱（冷熱）を超えないように最適な材料を選定し、かつ最適な円形の断面形状としたペルチェチューブを新たに考案し、それをファンリブ支輪体の外周円に配置したことで、冷熱が同支輪体に直結する全てのファンリブから同時かつ均等かつ均一にファン中心部に伝わり、結果として冷却効果の「ムラ」がなくなって低電圧による冷却扇風機が実現したことである。

そして、実際にペルチェ素子を用いた冷却扇風機の実現が可能となることで、従来はクーラー等でしか達成できなかった室内の高温空気の冷却が、本発明の冷却扇風機で現実に可能となったこと、さらに持ち運びの容易さ等の利便性の向上や室内環境の改善等を現実にしたことである。

具体的には、クーラー等よりも小型軽量であって、かつ冷却される空気が限定的となることで、個人的スペースとなる事務室内の机上や小規模空間での使用が容易となる等の使用範囲が拡大する。

また、従前ではクーラー等に拠っていたものが、本発明の扇風機で対応可能となることで、クーラー等の設備工事費や維持管理費のコストが低減されるだけでなく、消費電力の低減にも寄与することで電気代の節約効果等が見込まれる。

以下、本発明の実施例の形態を図１から図３に基づいて説明する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１から図３において、１は冷却扇風機本体で、ベース２ａ、ペルチェ用スイッチ２ｂ、支柱３，送風部４、ファンリブ（前面）５、ファンリブ（後面）６、ファンリブ支輪体７ａ、ペルチェチューブ７ｂ、ファン８、ペルチェ素子９，アルミ板１０、セラミック板１１、耐熱性樹脂１２、樹脂塗膜１３である。

ベース２ａには、ペルチェ素子９に通電するためのスイッチ２ｂを設けて、必要時のみ使用する。

ファンリブ支輪体７ａ内部に配置するペルチェチューブ７ｂは、まず内側に吸熱（冷熱）するようにペルチェ素子９の吸熱部分にアルミ板１０を重ね、ファンリブ（前面）５あるいはファンリブ（後面）６と接合させて冷却効果を直接伝えるようにする。

また、同チューブ７ｂの外側が発熱するようにペルチェ素子９の発熱部分にアルミ板１０とセラミック板１１を重ね、より放熱効果を高めるように成形する。ただし、同チューブ７ｂにおける内側（吸熱側）と外側（発熱側）の接する面は断熱施工する。

以下、上記構成の動作を説明する。まず図１から図３では、電源スイッチ２ｂによって、ファンリブ支輪体７ａ内部に配置されたペルチェチューブ７ｂのペルチェ素子９に通電されてペルチェ効果が発生する。

その際、ファンリブ支輪体７ａの内側には吸熱反応が起こり、ペルチェ素子９に接するアルミ板１０に接合されたファンリブ（前面）５あるいはファンリブ（後面）６に伝わり、その冷熱が中心部に向かって同時かつ均等かつ均一に連続的に拡散することで、その周辺空気を「ムラ」なく冷却して温度が下がる。

そして、冷却された空気がファン８によって室内に送風されることになる。

本発明の実施例の形態を示す冷却扇風機本体の断面図 同扇風機の前方から見た断面図 同扇風機の図２におけるＡ−Ａ断面図

符号の説明

１ 冷却扇風機本体
２ａ ベース
２ｂ 電源スイッチ
３ 支柱
４ 送風部
５ ファンリブ（前面）
６ ファンリブ（後面）
７ａ ファンリブ支輪体
７ｂ ペルチェチューブ
８ ファン
９ ペルチェ素子
１０ アルミ板
１１ セラミック板
１２ 耐熱性樹脂
１３ 樹脂塗膜

Claims (2)

1. ファンカバーの放射状の骨部分（以下「ファンリブ」とする。）を外周円で支えるファンリブ支輪体に、ペルチェ素子を夾むように発熱側にはアルミ板、セラミック板及び樹脂（塗膜を含む。）を重ね、吸熱側にはアルミ板及び樹脂塗膜を重ねて、それらを円筒形のチューブ状に一体的に成形したもの（以下「ペルチェチューブ」とする。）を設け、ペルチェチューブの内円側となる吸熱部分のアルミ板とファンリブを接合して、ペルチェチューブにおいて吸熱反応を起こした際の冷熱を直接ファンリブ等に伝えて、送風時の空気温度を下げるようにした冷却扇風機。
2. ペルチェ素子を、アルミ板、セラミック及び樹脂等の最良の熱伝導体及び絶縁体によって一体的に円筒形のチューブ状のものとしたことを特徴とする請求項１記載の冷却扇風機。

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