JP5474216B2 - 室温調節装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１及び２７の上位概念に記載の形式の、室温調節装置及び室温調節法に関する。

コンクリート天井又はコンクリート壁を有する部屋の空調に関しては、従来技術からいわゆる「コンクリートコア活性化システム」が公知である。このコンクリートコア活性化システムでは、加熱又は冷却媒体を案内する複数の導管が、コンクリート天井若しくはコンクリート壁の内部、下部又は上部に取り付けられる。壁若しくは天井のコンクリート素材に加熱若しくは冷却エネルギを蓄えて、この蓄えられた加熱若しくは冷却エネルギを後から供給することにより、部屋のエネルギ効率の良い空調が得られる。つまり、例えば夜間に冷却流体、例えば水が冷却され、コンクリートコア活性化される天井又は壁に設けられた導管を介して案内されることにより、天井若しくは壁がゆっくりと冷却される。このようにしてコンクリート天井若しくはコンクリート壁に蓄えられた冷却エネルギは、次いで特に温暖な夏期の日中に、室温低下のためにゆっくりと室内に供給され得る。

しかしながら、このような熱的に活性化可能な天井又は壁の取付けは、新築の建物に限られている。古い建物を建て直す場合には、前記のような天井又は壁のコンクリートコア活性化部を後から取り付けることはできない。コンクリート活性化部を備えた天井又は壁の場合は更に、コンクリート天井若しくは壁内に設けられた複数の導管が、例えば穿孔によって不本意に損傷される恐れがある、という欠点を有している。損傷された導管の修理は、ほぼ不可能である。それというのも、コンクリートに埋め込まれた導管に、修理のために接近することは難しいからである。導管が設けられた天井又は壁の静的状態及び安定性も、コンクリートに埋め込まれた導管によって損なわれる。更に、このようなコンクリートコア活性化システムの製作は極めて時間がかかる上に、高価である。別の欠点は、コンクリート蓄え器の素地に蓄えられた熱エネルギを、温度調節しようとする部屋に後から供給することに基づく熱的なシステムの不活性にある。

これらの欠点を取り除くために、従来技術から公知の温度調節システムは、導管が設けられていない天井又は壁に、後から配置することもできる。この公知の温度調節システムは一般に、加熱又は冷却媒体を供給することのできる複数の導管が内部に配置された天井又は壁部材を有している。これらの天井又は壁部材は、天井若しくは壁に固定される。導管を介して案内される加熱又は冷却媒体に蓄えられた熱的なエネルギは、天井若しくは壁部材のフレーム又はライニングを介して、熱輻射及び自由対流によって、温度調節しようとする室内に供給される。このようなシステムは、例えばヨーロッパ特許出願公開第１３７１９１５号明細書に記載されており、ここでは複数の相転移材料が熱蓄え器として使用されている。

前記公知の温度調節システムは、熱的なエネルギが、導管内を流れる加熱又は冷却媒体から直接に、且つ即座に、熱輻射及び対流によって室内に供給される、という欠点を有している。この温度調節システムでは更に、天井若しくは壁の表面が、天井又は壁部材によって被覆される。これにより、天井面又は壁面が、温度調節しようとする部屋から熱的に分離されるので、天井若しくは壁の素地を、夜間の蓄え器冷却（又は蓄え器加熱）のために利用することはできない。

このことから出発する本発明の課題は、蓄え器の熱的な活性化のために加熱又は冷却媒体を案内する導管を天井又は壁に設ける必要なしに、天井又は壁の素地を熱的な蓄え器として利用することができる室温調節装置及び室温調節法を提供することである。本発明の課題は更に、短い応答時間を有する、できるだけエネルギ効率の良い温度調節システムを提供することにある。更に、この温度調節システムを、古い建物の改築においても後から取り付けられるようにしたい。

これらの課題は、請求項１に記載の特徴を有する室温調節装置、並びに請求項２７に記載の特徴を有する室温調節法によって解決される。本発明による装置の有利な構成は、従属請求項２〜２６に記載されている。

本発明による室温調節装置の第１実施形態の概略的な断面図である。 本発明による温度調節装置の第２実施形態のための天井又は壁部材の概略的な断面図である。 図２に示した天井又は壁部材を備えた本発明による温度調節装置の第２実施形態の概略的な断面図である。

以下に、本発明の実施形態を図面につき詳しく説明する。

図１には、本発明による温度調節装置の第１実施形態が示されている。この温度調節装置は、コンクリート又はレンガから成る建築部材５に配置された部材１０を有している。建築部材５は、温度調節しようとする部屋Ｒの天井又は壁又は床であってよい。建築部材５は、粘土又は岩石等の、熱及び／又は冷気を蓄えられる別の従来の建築材料から構成されていてもよい。これに対応して部材１０は、建築部材５の、室内に面した表面１１に配置された天井部材、壁部材又は床部材である。建築部材５は、その大きな質量に基づいて、熱的な蓄え器を成しており、この熱的な蓄え器には、熱エネルギが（熱又は冷気の形態で）蓄えられる。

部材１０は、膨張された黒鉛を含有するか、又は完全に膨張黒鉛から成る板１である。

膨張された黒鉛（膨張黒鉛）の製作は、とりわけ米国特許第３４０４０６１号明細書から公知である。膨張された黒鉛を製作するためには、例えば黒鉛硫酸水素塩又は黒鉛硝酸塩等の黒鉛層間化合物若しくは黒鉛塩が衝撃的に加熱される。この場合に黒鉛粒子の体積は、約２００〜４００倍に増大すると同時に、嵩密度は２〜２０ｇ／ｌの値に低下する。このようにして得られた膨張黒鉛は、ワーム状若しくはアコーディオン状の複数の集合体から成っている。完全に膨張された黒鉛が、圧力の配向作用を受けて圧縮されると、黒鉛の層平面は、有利には圧力の作用方向に対して垂直に配置され、この場合、個々の集合体は互いに重なり合って噛み合う。このようにして、例えばウェブ、板又は成形体等の自立型の面状の構造体が、膨張された黒鉛から製作され得る。

このような黒鉛板又は黒鉛成形体の安定性を補強し且つ向上させるために、膨張された黒鉛は、例えば樹脂又はプラスチック、特にエラストマ又は熱硬化性樹脂等の硬化性結合剤と混合され得る。膨張された黒鉛から成る板の安定性を改善するためには特に、膨張された黒鉛の、熱可塑性プラスチック及び／又は熱硬化性プラスチックとの混合物が適しており、前記熱可塑性プラスチック及び／又は熱硬化性プラスチックは、例えば含浸によって、又は粉末法を介して、膨張された黒鉛に導入される。膨張された黒鉛と混合された結合剤の硬化が行われた後に、当該混合物から製作された黒鉛成形体又は黒鉛板は、本発明に基づき予想される用途にとって十分な安定性を有している。このようにして製作された黒鉛板は特に自立型であり、例えば接着又はねじ締結によって、天井又は壁等の建築部材に簡単に固定することができる。

純粋な膨張黒鉛は、膨張された黒鉛と結合剤とから成る混合物と同様に、極めて良好な熱伝導率を有している。膨張された黒鉛と結合剤とから成る混合物の熱伝導率は、結合剤の量が５０重量％の場合でも、使用された結合剤の種類に応じて今なお極めて高い。以下で黒鉛板について言及される限り、この板は純粋な膨張黒鉛から成るものであるか、又は膨張された黒鉛と結合剤との混合物から成るものであると理解される。

黒鉛板を、膨張された黒鉛と、相転移材料（ＰＣＭ, phase change materials）の混合物から製作することも可能である。このためには、例えばパラフィン、ワックス又は塩を基礎とする汎用の相転移材料を、黒鉛板の製作時に混合してよい。相転移材料を有するこのような黒鉛板は、本発明による温度調節システムにおいて、熱的な蓄え器として働く建築部材５以外の別の熱蓄え器（潜熱蓄え器）として使用され得る。

図１に示した黒鉛板１には、複数の導管９が埋め込まれている。これらの導管９は、有利には板１の内部で蛇行状に配置されている。導管の別の配置形式、例えば螺旋状、格子状又は屈曲状等の配置、或いは板１の縁部域のみの配置も考えられる。板１内に延在する導管９の端部は、これらの導管９を通して加熱又は冷却媒体（例えば温水又は冷水等）を案内するための供給装置に接続される。建築部材５の、部屋Ｒに面した表面１１全体に部材１０を設けるために、複数の部材１０を相前後して、若しくは相並んで位置するように配置して、表面１１に固定することもできる。この場合、各部材１０の導管９の端部は、導管回路を形成するために、隣接する部材１０の対応する端部に接続され、これにより、導管回路が加熱又は冷却媒体を案内するための供給装置と結合される。

部材１０の固定は、有利には熱伝導性の接着剤４によって行われ、この接着剤４によって、板の一方の主要面１２が建築部材５の表面１１に接着される。この接着によって、板１の主要面１２は、建築部材５によって形成される熱的な蓄え器の表面１１と面状に、且つ有利には主要面１２全体にわたって熱伝導可能に熱接触している。

板１の他方の主要面１３には、図１に示した実施形態のように、補強層６を設けることができる。この補強層６は、例えば塗壁層又は接着された硬厚紙層又は石膏ボード層であってよい。また、塗壁層と、この塗壁層に埋め込まれた、例えば網、織布、編物、ニット等の繊維材料とを組み合わせることも可能である。補強層６によって、一方では黒鉛板１の安定性が向上され、且つ他方では板１の、部屋Ｒに面した主要面１３を、見栄え良くライニングすることができる。補強層６は、特に（結合剤の添加無しで）純粋な膨張黒鉛から製作された板１に付与される。

板１内に延在する導管９は、既に黒鉛板１の製造時に入れることができる。これらの導管９は、有利には金属、例えば銅から成る管であるか、或いは例えばポリプロピレン又は架橋されたポリエチレンから成るプラスチック管である。但し、より良好な熱伝達のためには、金属から成る管が優先される。図１に示した実施形態のように、導管９は、完全に板１に埋め込まれてよい。しかしまた、導管９が板１の一方の主要面１２；１３と面一になるように、導管９を配置することも可能である。

導管９を板１に埋め込むために、板製造時に導管９を、ワーム状若しくはアコーディオン状の黒鉛集合体の堆積部分に埋設し、次いでこの組成物を公知の方法で（例えばローラ又は圧力板を用いて）プレス加工することにより、圧力作用に基づいて形状の安定した黒鉛板１を得る。板の安定性を高めるためには、既に述べた結合剤のうちの１つを製作過程において添加することができる。このようにして製作された、導管９が埋め込まれた黒鉛板１は、典型的に８〜５０ｍｍの厚さを有している。黒鉛板１の密度は、（添加された結合剤の量に応じて）通常０．０１〜０．５ｇ／ｃｍ^３である。黒鉛板１は、３〜６Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有している。

黒鉛板１の良好な熱伝導率に基づいて、導管９を通って案内される加熱又は冷却媒体に蓄えられた熱エネルギのある程度の部分は、まず最初に熱伝導によって導管９から板１の露出した主要面１３に案内され、そこから熱輻射及び自由対流によって、温度調節しようとする部屋Ｒに供給され得る。この熱供給（若しくは導管を介して冷却媒体が案内される場合は冷気供給）は極めて迅速に行われるので、部屋を極めて早く暖める（若しくは冷やす）ことが可能である。加熱又は冷却媒体に蓄えられた熱エネルギのその他の部分は、熱伝導によって導管９から熱伝導性の板１を介して、建築部材５によって形成された熱的な蓄え器に伝達される。これにより、この熱的な蓄え器が加熱される（若しくは導管を介して冷却媒体が案内された場合は冷却される）。次いで熱的な蓄え器は、このように中間蓄えされた熱的なエネルギを後から部屋に供給し、この場合、板１の良好な熱伝導率は、部屋に対する熱的なエネルギの供給が概ね損失無しで行われるために役立つ。このようにして行われる部屋Ｒの加熱（若しくは冷却）は、（数時間の）比較的長い時間にわたって行われる。したがって、本発明による温度調節システムは、温度調節しようとする部屋Ｒを所望の室温に迅速にもたらすことも、熱的な蓄え器を利用してゆっくりともたらすこともできる。つまり、例えば夏の夜間に導管９を介して冷却媒体（例えば冷水）を案内することにより、熱的な蓄え器を冷却することができる。次いで熱的な蓄え器が日中、部屋に後から冷気を供給することにより、熱的な蓄え器を部屋の冷却に利用することができる。

同様に、本発明による温度調節システムは、冬の日中、まず最初に部屋を急速に暖房するために、導管を介して加熱媒体を案内することにより加熱される。同時に、熱的な蓄え器に熱が供給される。加熱媒体の通流は、夜間は止めてもよい。それというのも、部屋を夜間に（日中の温度よりは比較的低いが）必要な高さの室温に保つためには、熱が供給された熱的な蓄え器からの熱の後からの放出で十分だからである。

図２及び図３には、本発明による温度調節システムの別の実施形態が示されている。図２及び図３において、図１と同一の又は対応する構成部材には、同じ符号が付されている。

部屋Ｒの温度を調節するための、本発明による室温調節装置の図３に示した実施形態では、天井部材１０が、コンクリート天井として形成された建築部材５に固定されている。建築部材５は、熱的な蓄え器を形成していて、蓄え器の素地として天井のコンクリート素材を有している。天井部材１０はフレーム２を有しており、このフレーム２は、建築部材５の、部屋Ｒに面した表面１１に、特にねじ締結されて固定されている。フレーム２は、一方の側（つまり上面）が開いたカセットとして形成されている。フレーム２は、有利には熱伝導性の材料、例えば金属薄板等から製作されている。フレーム２は、底板２ａと、この底板２ａに配置された、又は底板２ａと一体的に形成された４つの側壁２ｂとを有している。少なくとも底板２ａは（及び場合によっては側壁２ｂも）、孔開き板（つまり穿孔部を有する金属薄板）から形成されている。フレーム２内には、黒鉛板１が入れられている。この黒鉛板１の組成は、図１に示した実施形態の板１の組成に等しい。本実施形態でも、複数の導管９が黒鉛板１に埋め込まれていて、そこで蛇行状、格子状、螺旋状、又は屈曲状に延在している。黒鉛板１は、有利には熱伝導性の接着剤４を介して建築部材５の表面１１に面状に接着されている。これにより黒鉛板１の主要面１２は、有利にはその表面全体にわたって建築部材５の表面１１と熱接触している。但し、接着剤層４を省くこともできる（下記参照）。

フレーム２の底板２ａと黒鉛板１との間には、有利にはフリース３と黒鉛シート１５とが配置されている。フリース３は、例えばガラス繊維フリース又は炭素繊維フリースであってよい。底板２ａの穿孔部に関連して、フリース３は天井部材１０の良好な吸音を保証する。黒鉛シート１５は、膨張された黒鉛から成る薄いシートである。黒鉛シート１５の厚さは、有利には０．０５ｍｍ〜３ｍｍ、特に０．２〜３ｍｍである。

有利には、フリース３と、その上に配置された黒鉛シート１５とは、例えばカレンダ加工によって製作され得る１つの解離不能な複合体である。このような複合体は、特に有利には炭素繊維フリースと、膨張された黒鉛から成る黒鉛シート１５とから製作され得る。膨張された黒鉛から成る薄いシートを炭素繊維フリースと一緒にカレンダ加工すると、フリース表面の炭素粒子と、黒鉛シートの表面の炭素粒子とが互いに噛み合うので、炭素繊維フリース３と黒鉛シート１５との間に解離不能な強固な結合が生じる。この場合、特に有利には、穿孔された黒鉛シート１５が使用される。つまり、黒鉛シート１５の穿孔部は黒鉛シート１５のフレキシビリティーを高め、これによりシートの取扱いが簡単になる。黒鉛は脆性の材料なので、膨張された黒鉛から成る薄いシートを取り扱う際には、シートが裂断又は破断する危険が生じる。この危険は、黒鉛シート１５の穿孔部によって著しく低下され得る。

図２には、図３に示した本発明による温度調節装置の実施形態において使用可能な天井部材１０の断面図が示されている。図２から判るように、黒鉛板１の上側の主要面１２は、フレーム２の側壁２ｂの上縁部２ｃを越えて突出している。このような天井部材１０を使用する場合、建築部材５の表面１１に対する黒鉛板１の接着は省かれてよい。つまり、建築部材５に天井部材１０を固定するために、フレーム２が建築部材５にねじ締結される。建築部材５の表面１１にフレーム２をねじ締結すると、黒鉛板１は、板１の主要面１２がフレームの側壁２ｂの上縁部２ｃと面一になるまで押しつぶされる。この場合、黒鉛板１の押しつぶしは、膨張された黒鉛の変形性に基づき可能になる。前記表面１１に対して垂線方向に押しつぶされた板１の黒鉛材料は、天井部材１０を建築部材５に固定した後、有利には主要面１２全体にわたって前記表面１１と熱接触している。この場合、板１の黒鉛材料の良好な変形性に基づいて、建築部材５の表面１１の起伏及び突起も補償され得る。

建築部材５の表面１１における１つの天井部材１０の配置、又は相並んで配置された複数の天井部材の配置は、上で説明した図１の実施形態に対応する。図３に示した温度調節装置の機能形式も、図１に示した実施形態のものと同一である。

Claims (24)

1. 室温調節装置であって、該装置が、熱的な蓄え器を形成し且つ室内に面した表面（１１）を有する少なくとも１つの建築部材（５）と、該建築部材（５）に熱的に結合された複数の導管（９）とを有しており、これらの導管（９）に、加熱又は冷却媒体を供給することができるようになっている形式のものにおいて、
   導管（９）が、膨張された黒鉛を含有するか、又は膨張黒鉛から成る板（１）に埋め込まれており、該板（１）が、建築部材の室内に面した表面（１１）と面状に熱接触しており、
   板（１）が、建築部材（５）に固定されたフレーム（２）内に配置されており、
   フレームが、一方の側が開いたカセット（２）として形成されており、
   カセット（２）内に配置された板（１）が、カセット（２）を建築部材（５）に固定する前に、カセットの開いた側においてフレーム縁部（２ｃ）を越えて突出している、
   ことを特徴とする、室温調節装置。
2. 膨張された黒鉛から成る板（１）が、熱伝導性の接着剤層（４）を介して建築部材（５）の表面（１１）に固定されている、請求項１記載の装置。
3. 導管（９）が板（１）内で、蛇行状、格子状、螺旋状又は屈曲状に延びている、請求項１又は２記載の装置。
4. 板（１）が、建築部材（５）の表面（１１）と、該表面（１１）に面した主要面（１２）全体にわたって熱伝導結合している、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 板（１）の密度が０．０４〜０．１０ｇ／ｃｍ^３である^、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 板（１）が２Ｗ／ｍＫよりも高い熱伝導率を有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 板（１）が、膨張された黒鉛と結合剤、特に樹脂又はプラスチックとの混合物から製作されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 結合剤の量が５〜５０重量％であり、有利には８〜１２重量％である、請求項７記載の装置。
9. 板（１）が、膨張された黒鉛と、特に塩、ワックス又はパラフィンを基礎とした潜熱蓄え器用材料（ＰＣＭ）との混合物から製作されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
10. 建築部材（５）が、コンクリート天井又はコンクリート壁である、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 建築部材（５）の表面（１１）に、複数の導管（９）が埋め込まれた複数の板（１）が相並んで位置するように固定されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
12. 相並んで位置する板（１）の複数の導管（９）が、導管回路を形成するために互いに接続されており、該導管回路が、導管（９）を通して加熱又は冷却媒体を案内するために供給装置に結合されている、請求項１１記載の装置。
13. 板（１）の、建築部材（５）とは反対側の表面（１３）に、補強層（６）が付与されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の装置。
14. 板（１）の両表面（１２，１３）に補強層（６）が付与されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の装置。
15. フレーム（２）が、熱伝導性の材料、特に金属薄板から製作されている、請求項１記載の装置。
16. 板（１）がフレーム（２）内で接着されている、請求項１又は１５記載の装置。
17. フレーム（２）が、穿孔された底板（２ａ）を備えたカセットとして形成されている、請求項１又は１５又は１６記載の装置。
18. フレーム（２）の底板（２ａ）と板（１）との間に、フリース（３）と、穿孔された黒鉛シート（１５）とが配置されている、請求項１７記載の装置。
19. 黒鉛シート（１５）が、穿孔部を備えた、膨張された黒鉛から成るシートである、請求項１７又は１８記載の装置。
20. 穿孔された黒鉛シート（１５）が、フリース（３）と強固に結合されている、請求項１７から１９までのいずれか１項記載の装置。
21. フリース（３）が、ガラス繊維フリース又は炭素繊維フリースである、請求項１７から２０までのいずれか１項記載の装置。
22. フリース（３）が、穿孔された黒鉛シート（１５）にカレンダ加工によって結合された炭素繊維フリースである、請求項１７から２１までのいずれか１項記載の装置。
23. 内部に複数の導管（９）が埋め込まれた板（１）が自立型である、請求項１から２２までのいずれか１項記載の装置。
24. 建築部材（５）によって少なくとも一方の側を制限された部屋の室温調節法であって、建築部材（５）が、室内に面した表面（１１）を有しており、建築部材（５）の素地が、加熱又は冷却媒体を案内する複数の導管（９）と熱的に結合された、熱的な蓄え器を形成する形式のものにおいて、
    導管（９）を、膨張された黒鉛を含有するか又は膨張黒鉛から成る熱伝導性の板（１）に埋め込み、該板（１）を、建築部材（５）の室内に面した表面（１１）と面状に熱接触させ、その場合に、板（１）を、建築部材（５）に固定されたフレーム（２）内に配置し、フレームを、一方の側が開いたカセット（２）として形成し、カセット（２）内に配置された板（１）を、カセット（２）を建築部材（５）に固定する前に、カセットの開いた側においてフレーム縁部（２ｃ）を越えて突出させておき、
    これにより、加熱又は冷却媒体に蓄えられた熱エネルギの少なくとも一部を、熱伝導により導管（９）から熱伝導性の板（１）を介して中間蓄え用の熱的な蓄え器に伝達し、そこから後で部屋に供給することを特徴とする、室温調節法。

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