JP6543867B1 - 家屋内発電装置および家屋の空調装置 - Google Patents

家屋内発電装置および家屋の空調装置 Download PDF

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【課題】温度差が生じる状況を安定的に維持することを可能として、室内と屋外との温度差を利用した家屋内発電装置と、この家屋内発電装置を用いた家屋の空調装置を提供する。【解決手段】家屋内には、家屋内の空気を家屋の上部に送り込む送風機1が設けられており、送風機1によって家屋の上部に送り込まれた空気は、屋根2の直下に沿って形成された屋根直下流路3を通って、屋根2の下端部4まで送られる。屋根直下流路3の下端側下部に位置する閉空間5には、熱電変換素子6が取り付けられている。熱電変換素子6は、その一方が閉空間5側に位置し、その他方が屋外7に接するように配置されている。閉空間5の内部には保温壁が形成されている。【選択図】図1

Description

本発明は、温度差発電を利用した家屋内発電装置と、この家屋内発電装置を用いた家屋の空調装置に関する。
近年、夏季における猛暑傾向が顕著となっており、室内での熱中症の発症が社会問題となっている。特に、老人はエアコンからの冷風を好まない場合が多く、自然の風の流れを室内で有効に循環させることができれば、極めて効果的である。
また、電気代節約のためにエアコンを使用しないことによる熱中症の発症も数多く報告されており、通常使用される商用電力を用いずに、簡便で安価な手法で空調設備が確保されることが求められている。
室内の温度管理に関して、建築構造物外皮が発する輻射熱エネルギーを適時に回収して温度管理する制御装置に関する技術が、特許文献1に記載されている。
特開2013−104626号公報
家屋内での発電を行う一つの方法として、室内と屋外との温度差を利用した温度差発電が挙げられる。この温度差発電を行うにあたっては、温度差が生じる状況を安定的に維持することが必要である。
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、温度差が生じる状況を安定的に維持することを可能として、室内と屋外との温度差を利用した家屋内発電装置と、この家屋内発電装置を用いた家屋の空調装置を提供することを目的とする。
以上の課題を解決するために、本発明の家屋内発電装置は、家屋内の空気を家屋の上部に送り込む送風機と、送風機によって家屋の上部に送り込まれた空気を屋根直下に沿って屋根の下端部まで送る屋根直下流路と、屋根直下流路の下端側下部に位置する閉空間に設けられた熱電変換素子とを備え、熱電変換素子は、その一方が前記閉空間側に位置し、その他方が屋外に接するように配置されて、前記閉空間と屋外との温度差により温度差発電を行うことを特徴とする。
家屋内の空気は、屋根直下に沿って屋根の下端部まで送る屋根直下流路を通過する際に、高温状態となっている屋根からの熱を受けて温度が上昇し、この温度上昇した空気が、屋根直下流路の下端側下部に位置する閉空間に送られる。そのため、閉空間内の空気と、屋外の空気との間に温度差が生じ、熱電変換素子によって温度差発電を行うことができる。
本発明の家屋内発電装置においては、前記閉空間の内部には保温壁が形成されており、前記熱電変換素子は、その一方が前記保温壁の内側に位置し、その他方が前記保温壁の外側に位置するように配置されている構成とすることができる。
閉空間の内部には保温壁が形成されていることにより、閉空間内の空気を高温で維持することができ、閉空間内の空気と、屋外の空気との間に温度差が生じる状況を安定的に維持することができる。
本発明の家屋内発電装置においては、前記閉空間の下側を仕切る仕切り板に、前記閉空間内の空気を排出する排出口が設けられており、前記排出口は、開閉自在な構造である構成とすることができる。
閉空間内は通常は密閉されているが、密閉されているままでは、屋根によって熱せられた空気が屋根直下流路を通って閉空間内に供給されなくなるため、屋根による加熱の効果が得られにくくなる。そのため、適宜排出口を開けて、屋根によって熱せられた空気の供給を促進することにより、温度差発電の効率を向上することができる。
本発明の家屋内発電装置においては、前記屋根を構成する屋根材と、前記屋根直下流路を構成する気流誘導材との間で熱伝導を行う熱伝導棒を備え、熱伝導棒は、棒状の本体部と、本体部の両端に設けられた大径部とによって構成され、熱伝導棒の屋根材側の先端部は、屋根材表面に露出せずに屋根材内部に埋め込まれている構成とすることができる。
熱伝導棒によって、屋根材に蓄積された熱が屋根直下流路に伝達されるため、屋根直下流路を通過する空気を高温に維持することができ、閉空間内を高温にして、温度差を形成しやすくなる。また、熱伝導棒は、本体部の両端に設けられた大径部を有しているため、屋根材との接触面積と、気流誘導材との接触面積とを大きくすることができ、熱伝導性能を高めることができる。さらに、熱伝導棒の屋根材側の先端部は、屋根材表面に露出せずに屋根材内部に埋め込まれているため、熱伝導棒の形成が雨漏りを誘発することを防止できる。
本発明の家屋内発電装置においては、前記熱伝導棒は、前記屋根材に接する側と前記気流誘導材に接する側とに分割されて、前記屋根材の下側に設けられた屋根裏材を通過する部位に形成された空気層によって連結されている構成とすることができる。
熱伝導棒の重要な機能は、屋根を構成する屋根材と、屋根直下流路を構成する気流誘導材との間で熱伝導を行うことにあるが、屋根材と気流誘導材との間には、通常木製の屋根裏材が存在しており、屋根裏材を通過する部位も熱伝導性の高い材質で形成されていると、熱が屋根裏材に伝達されてしまい、気流誘導材に熱が効果的に伝達されなくなる。そのため、屋根裏材を通過する部位に、断熱性の高い空気層を形成することにより、屋根裏材への熱伝導を抑制し、気流誘導材に熱が効果的に伝達されるようにすることができる。
本発明の家屋内発電装置においては、前記熱電変換素子には、閉空間側と屋外側のいずれにも金属製の柱状体からなるヒートシンクが取り付けられている構成とすることができる。
ヒートシンクにより、放熱、吸熱の効果が高まるため、熱電変換素子に対して、温度差を安定的に維持することができる。
本発明の家屋内発電装置においては、前記ヒートシンクの柱状体は、長手方向に対して垂直な断面において、放射状に形成された複数の突起を有している構成とすることができる。
放射状に形成された複数の突起を有していることにより、空気と接する表面積を広くすることができ、ヒートシンクによる放熱、吸熱をより促進することができる。
本発明の家屋の空調装置は、本発明の家屋内発電装置によって得られる電力によって、家屋内の空気を循環させて空調を行うことを特徴とする。
家屋内発電装置によって得られる電力を用いて、家屋内の送風機を動かして、家屋内の空気を循環させることにより、他の電源に依存しない自立型の空調装置を実現することができる。
本発明によると、温度差が生じる状況を安定的に維持することを可能として、室内と屋外との温度差を利用した家屋内発電装置と、この家屋内発電装置を用いた家屋の空調装置を実現することができる。
本発明の実施形態に係る家屋内発電装置と、家屋の空調装置の構成を示す図である。 屋根直下流路の下端側下部に位置する閉空間の詳細を示す図である。 屋根と屋根直下流路との間の熱伝導構造を示す図である。 熱電変換素子の詳細を示す図である。
以下に、本発明の家屋内発電装置と、家屋の空調装置について、その実施形態に基づいて説明する。
図1に、本発明の実施形態に係る家屋内発電装置と、家屋の空調装置の構成を示す。
家屋内には、家屋内の空気を家屋の上部に送り込む送風機1が設けられており、送風機1によって家屋の上部に送り込まれた空気は、屋根2の直下に沿って形成された屋根直下流路3を通って、屋根2の下端部4まで送られる。屋根直下流路3の下端側下部に位置する閉空間5には、熱電変換素子6が取り付けられている。熱電変換素子6は、その一方が閉空間5側に位置し、その他方が屋外7に接するように配置されている。熱電変換素子6として、ペルチェ素子等を用いることができる。
家屋内の空気は、屋根2の直下に沿って屋根2の下端部4まで送る屋根直下流路3を通過する際に、高温状態となっている屋根2からの熱を受けて温度が上昇し、この温度上昇した空気が、閉空間5への入り口に設けられた流入口11を介して、屋根直下流路3の下端側下部に位置する閉空間5に送られるため、閉空間5内の空気と、屋外7の空気との間に温度差が生じ、熱電変換素子6によって温度差発電を行うことができる。
図2に、屋根直下流路3の下端側下部に位置する閉空間5の詳細を示す。
閉空間5の内部には保温壁8が形成されており、熱電変換素子6は、その一方が保温壁8の内側に位置し、その他方が保温壁8の外側に位置するように配置されている。閉空間5の内部に保温壁8が形成されていることにより、閉空間5内の空気を高温で維持することができ、閉空間5内の空気と、屋外7の空気との間に温度差が生じる状況を安定的に維持することができる。
閉空間5の下側を仕切る仕切り板9に、閉空間5内の空気を排出する排出口10が設けられており、排出口10は、開閉自在な構造となっている。閉空間5内は通常は密閉されているが、密閉されているままでは、屋根2によって熱せられた空気が屋根直下流路3を通って閉空間5内に供給されなくなるため、屋根2による加熱の効果が得られにくくなる。そのため、適宜排出口10を開けて、屋根2によって熱せられた空気の供給を促進することにより、温度差発電の効率を向上することができる。
図3に、屋根と屋根直下流路との間の熱伝導構造を示す。図3(a)は、屋根と屋根直下流路を横方向から見た図であり、図3(b)は、屋根の上方から見た説明図である。
屋根2を構成する屋根材21と、屋根直下流路3を構成する気流誘導材22との間で熱伝導を行う熱伝導棒23を備えており、熱伝導棒23は、棒状の本体部24と、本体部24の両端に設けられた大径部25a、25bとによって構成されている。大径部25a、25bは、本体部24よりも径が大きくなるように形成されている。熱伝導棒23の屋根材21側の先端部26aは、屋根材21の表面に露出せずに、屋根材21内部に埋め込まれている。また、熱伝導棒23の気流誘導材22側の大径部25bは、気流誘導材22に直接接着されている。屋根材21は、瓦、コロニアル等によって形成されており、太陽光からの熱を吸収しやすくなっている。熱伝導棒23は、熱伝導率の高い金属によって形成されている。大径部25a、25bの形状は四角形に限定されず、状況に応じて適宜選択できる。
熱伝導棒23によって、屋根材21に蓄積された熱が屋根直下流路3に伝達されるため、屋根直下流路3を通過する空気を高温に維持することができ、閉空間5内を高温にして、温度差を形成しやすくなる。また、熱伝導棒23は、本体部24の両端に設けられた大径部25a、25bを有しているため、屋根材21との接触面積と、気流誘導材22との接触面積とを大きくすることができ、熱伝導性能を高めることができる。さらに、熱伝導棒23の屋根材21側の先端部26aは、屋根材21の表面に露出せずに、屋根材21内部に埋め込まれているため、熱伝導棒23を設置することによる雨漏りの誘発を防止できる。
熱伝導棒23は、屋根材21に接する側の先端部26aから気流誘導材22に接する側の先端部26bまで、金属によって一体として成形することもできるが、図3に示すように、屋根材21の下側に設けられた屋根裏材27を通過する部位に形成された空気層28によって連結されるようにすることもできる。この場合には、熱伝導棒23は、屋根材21に接する側と気流誘導材22に接する側とに分割されて、空気層28に連結される構造となる。空気層28は、この部分を中空にすることによって容易に形成できる。
熱伝導棒23の重要な機能は、屋根2を構成する屋根材21と、屋根直下流路3を構成する気流誘導材22との間で熱伝導を行うことにあるが、屋根材21と気流誘導材22との間には、通常木製の屋根裏材27が存在しており、屋根裏材27を通過する部位も熱伝導性の高い材質で形成されていると、熱が屋根裏材27に伝達されてしまい、気流誘導材22に熱が効果的に伝達されなくなる。そのため、屋根裏材27を通過する部位に、断熱性の高い空気層28を形成することにより、屋根裏材27への熱伝導を抑制し、気流誘導材22に熱が効果的に伝達されるようにすることができる。断熱性を高めるために、屋根裏材27との境界部位に、断熱材を設置することもできる。屋根材21と屋根裏材27との間には、ゴム等によって形成された防水シート29が設置されている。上述した構造の熱伝導棒23は、既設の屋根に後付けで取り付けることもできる他、予め屋根に組み込んだものを設置することもできる。
図4に、熱電変換素子の詳細を示す。図4(a)は、熱電変換素子を横方向から見た図であり、図4(b)は、熱電変換素子の上方から見た説明図である。
図2を用いて説明したように、閉空間5の内部に保温壁8が形成されており、熱電変換素子6は、その一方が保温壁8の内側に位置し、その他方が保温壁8の外側に位置するように配置されている。保温壁8の下側を仕切る仕切り板9に、保温壁8内の空気を排出する排出口10が設けられており、排出口10は、保温壁8内の圧力によって開閉する開閉自在な構造となっている。
熱電変換素子6には、閉空間5側と屋外7側のいずれにも、金属製の柱状体30からなるヒートシンク31が取り付けられている。ヒートシンク31により、放熱、吸熱の効果が高まるため、熱電変換素子6に対して、温度差を安定的に維持することができる。
図4(b)に示すヒートシンク31の柱状体30は、長手方向に対して垂直な断面32が四角形状であるが、他の形状とすることもできる。図4(c)、図4(d)、図4(e)、図4(f)に、ヒートシンク31の柱状体30の他の形状の具体的な例を示す。
図4(c)に示すものは、長手方向に対して垂直な断面32が円形状であり、図4(d)に示すものは、長手方向に対して垂直な断面32が長方形状である。また、図4(e)、図4(f)に示すものは、長手方向に対して垂直な断面32において、放射状に形成された複数の突起33を有している構造となっている。このうち、図4(e)は、長手方向に対して垂直な断面32が多角形のものに対して、複数の突起33を放射状に形成したものであり、図4(f)は、長手方向に対して垂直な断面32が円形のものに対して、複数の突起33を放射状に形成したものである。
このような放射状に形成された複数の突起33を有していることにより、空気と接する表面積を広くすることができ、ヒートシンク31による放熱、吸熱をより促進することができる。
上述した家屋内発電装置によって得られる電力は、電気設備の電源として利用できる他、家屋内に設置された送風機1の電源として使用すると、他の電源を用いずに、家屋内の送風機1を動かして、家屋内の空気を循環させることができ、自立型の空調装置として機能させることができる。なお、図1においては、送風機1を代表して1機のみを表記しているが、必要に応じて家屋内に送風機1を複数設置して、家屋内の空気が効率的に循環するようにすることができる。
なお、以上の説明においては、夏季において、屋根が高温となる状況を前提として説明したが、冬季においては、屋根が低温となるため、熱伝導の方向を逆転させることによって温度差を作り出し、温度差発電を行うことができる。
本発明は、温度差が生じる状況を安定的に維持することを可能として、室内と屋外との温度差を利用した家屋内発電装置と、この家屋内発電装置を用いた家屋の空調装置として、広く利用することができる。
1 送風機
2 屋根
3 屋根直下流路
4 下端部
5 閉空間
6 熱電変換素子
7 屋外
8 保温壁
9 仕切り板
10 排出口
11 流入口
21 屋根材
22 気流誘導材
23 熱伝導棒
24 本体部
25a、25b 大径部
26a、26b 先端部
27 屋根裏材
28 空気層
29 防水シート
30 柱状体
31 ヒートシンク
32 断面
33 突起

Claims (7)

  1. 家屋内の空気を家屋の上部に送り込む送風機と、送風機によって家屋の上部に送り込まれた空気を屋根直下に沿って屋根の下端部まで送る屋根直下流路と、屋根直下流路の下端側下部に位置する閉空間に設けられた熱電変換素子とを備え、
    熱電変換素子は、その一面が前記閉空間側に位置し、その反対側の面が屋外に接するように配置されて、前記閉空間と屋外との温度差により温度差発電を行う家屋内発電装置であって、前記閉空間の下側を仕切る仕切り板に、前記閉空間内の空気を排出する排出口が設けられており、前記排出口は、開閉自在な構造であることを特徴とする家屋内発電装置。
  2. 前記閉空間の内部には保温壁が形成されており、前記熱電変換素子は、その一面が前記保温壁の内側に位置し、その反対側の面が前記保温壁の外側に位置するように配置されていることを特徴とする請求項1記載の家屋内発電装置。
  3. 前記屋根を構成する屋根材と、前記屋根直下流路を構成する気流誘導材との間で熱伝導を行う熱伝導棒を備え、熱伝導棒は、棒状の本体部と、本体部の両端に設けられた大径部とによって構成され、熱伝導棒の屋根材側の先端部は、屋根材表面に露出せずに屋根材内部に埋め込まれていることを特徴とする請求項1または2記載の家屋内発電装置。
  4. 前記熱伝導棒は、前記屋根材に接する側と前記気流誘導材に接する側とに分割されて、前記屋根材の下側に設けられた屋根裏材を通過する部位に形成された空気層によって連結されていることを特徴とする請求項記載の家屋内発電装置。
  5. 前記熱電変換素子には、閉空間側と屋外側のいずれにも金属製の柱状体からなるヒートシンクが取り付けられていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の家屋内発電装置。
  6. 前記ヒートシンクの柱状体は、長手方向に対して垂直な断面において、放射状に形成された複数の突起を有していることを特徴とする請求項記載の家屋内発電装置。
  7. 請求項1から6のいずれかに記載の家屋内発電装置によって得られる電力によって、家屋内の空気を循環させて空調を行うことを特徴とする家屋の空調装置。
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