JP7058793B1 - 空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空調装置のエネルギー効率を高める。【解決手段】実施形態に係る空調装置は、第１ペルチェ素子と電源と第２ペルチェ素子と帰還回路とを備える。第１ペルチェ素子は、一対の電極間に電圧が印加されると一方の面と他方の面との間に温度差を発生する。電源は、第１ペルチェ素子の一対の電極間に電圧を印加する。第２ペルチェ素子は、一方の面が第１ペルチェ素子の一方の面もしくは他方の面に接して設けられ、一方の面と他方の面との間に温度差が発生することで、一対の電極間に電圧を発生する。帰還回路は、第２ペルチェ素子の一対の電極間に発生した電圧を電源に帰還する。【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、空調装置に関する。

ペルチェ素子を利用した空調装置がある。例えば、特許文献１に記載されたペット用冷房器は、ペルチェ素子の温度の低い側の吸熱面をペットをのせる板に接触させることでペットをのせる板を冷却し、ペルチェ素子の温度の高い側の放熱面を放熱板に接触させることでペルチェ素子の熱を放熱している。

特開２０１８－１７４８９７号公報

特許文献１に記載されたペット用冷房器では、ペルチェ素子から放熱された熱は、放熱板を介して空気中に放熱され、再利用されることはない。このように、従来のペルチェ素子を利用した空調装置では放熱された熱を再利用していないので、エネルギー効率を改善する余地がある。

本発明は、上述の事情の下になされたもので、空調装置のエネルギー効率を高めることを課題とする。

上記課題を解決するために、実施形態に係る空調装置は、第１ペルチェ素子と電源と第２ペルチェ素子と帰還回路とを備える。第１ペルチェ素子は、一対の電極間に電圧が印加されると一方の面と他方の面との間に温度差を発生する。電源は、第１ペルチェ素子の一対の電極間に電圧を印加する。第２ペルチェ素子は、一方の面が前記第１ペルチェ素子の前記一方の面もしくは前記他方の面に接して設けられ、一方の面と他方の面との間に温度差が発生することで、一対の電極間に電圧を発生し、前記第１ペルチェ素子から発せられた熱エネルギーを電力に変換する。帰還回路は、第２ペルチェ素子が変換した電力を電源に帰還する。

実施形態に係る空調装置の構成図である。 実施形態に係る複数のペルチェ素子の配置について説明するための図である。 実施形態に係る電源の構成図である。 実施形態に係る放熱フィンの斜視図である。 実施形態に係る空調装置の電源系の回路図である。

以下、実施形態に係る空調装置について、図を参照して説明する。説明にあたっては、相互に直行するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなるＸＹＺ座標系を適宜用いる。

図１は、実施形態に係る空調装置１の構成図である。空調装置１は、第１ペルチェ素子１１，第２ペルチェ素子１２、電源２０、放熱フィン３０、送風機５０、筐体７０を有する。また、第２ペルチェ素子１２と電源２０との間に帰還回路が設けられている（図１では図示略）。

図２は、第１ペルチェ素子１１と第２ペルチェ素子１２の配置について説明するための図である。図２に示されるように、第１ペルチェ素子１１と第２ペルチェ素子１２とは、接触するように配置されている。具体的には、第２ペルチェ素子１２は、＋Ｚ側の表面１２Ｈが第１ペルチェ素子１１の－Ｚ側の裏面１１Ｌに接して配置される。第１ペルチェ素子１１と第２ペルチェ素子１２とを、熱伝導性のある接着剤で固定してもよい。

第１ペルチェ素子１１は、一対の電極間に電圧を印加されると＋Ｚ側の表面１１Ｈと－Ｚ側の裏面１１Ｌとの間に温度差を発生する。第１ペルチェ素子１１の寸法は、暖房もしくは冷房能力に応じて決められる。ここでは、第１ペルチェ素子１１の表面１１Ｈの温度が裏面１１Ｌの温度よりも高くなるように、第１ペルチェ素子１１の一対の電極間に電圧が印加されているものとする。つまり、第１ペルチェ素子１１の表面１１Ｈは放熱面であり、裏面１１Ｌは吸熱面である。

第２ペルチェ素子１２は、＋Ｚ側の表面１２Ｈが第１ペルチェ素子１１の裏面１１Ｌに接して設けられている。第２ペルチェ素子１２の表面１２Ｈが第１ペルチェ素子１１の裏面１１Ｌにより冷却されることで、第２ペルチェ素子１２の＋Ｚ側の表面１２Ｈと－Ｚ側の裏面１２Ｌとの間に温度差が発生する。第２ペルチェ素子１２は、＋Ｚ側の表面１２Ｈと－Ｚ側の裏面１２Ｌとの間に温度差が発生することで、一対の電極間に電圧を発生する。第２ペルチェ素子１２の寸法は、第１ペルチェ素子の寸法と同程度である。

図１に示す電源２０は、第１ペルチェ素子１１の一対の電極間に電圧を印加する。図３に、電源２０の構成図を示す。電源２０は、内部に蓄電素子である蓄電池２１，ダイオード２２及びダイオード２３を有する。ダイオード２２及びダイオード２３は、電流方向を制限するための電流方向制限素子である。電源２０は、端子２０ａ、２０ｂ、２０ｃを有する。蓄電池２１は、端子２０ａと２０ｂを介して、第１ペルチェ素子１１に電力を供給する。また、蓄電池２１は、端子２０ｃと２０ｂを介して、第２ペルチェ素子１２によって充電される。

図１に示す放熱フィン３０は、第１ペルチェ素子１１から発せられる熱を放熱するための部品である。放熱フィン３０は、放熱フィン３０の－Ｚ側の面が第１ペルチェ素子１１の＋Ｚ側の表面１１Ｈに接して設けられる。放熱フィン３０は、熱伝導性のある接着剤で第１ペルチェ素子１１に固定されてもよい。放熱フィン３０のＸＹ面の寸法は、第１ペルチェ素子１１のＸＹ面の寸法に応じて決められる。放熱フィン３０のＺ方向の寸法は、第１ペルチェ素子１１から放出される熱量に応じて決められる。

図４は、放熱フィン３０の斜視図である。放熱フィン３０は、複数のフィン３２、３３，３４，３５，３６，３７と、ベース３１とで構成されている。フィン３２、３３，３４，３５，３６，３７は、ベース３１に固定されている。フィン３２、３３，３４，３５，３６，３７それぞれの間に開口４１が形成されている。開口４１は、送風機５０により供給される空気の送風方向の上流から下流に向う空気の流路を形成している。フィン３２、３３，３４，３５，３６，３７の－Ｘ側（空気の送風方向の上流側）の端部には、空気の流路の断面積を広げるようにテーパ面４３が形成されている。

図１に示す送風機５０は、風によって放熱フィン３０に空気を供給する。送風機５０は、例えば、直流モータで動作するファンである。送風機５０は、放熱フィン３０の－Ｘ側に配置されている。

筐体７０は、第２ペルチェ素子１２、電源２０、送風機５０を固定するための部材である。筐体７０は、平板であってもよいし、第１ペルチェ素子１１、第２ペルチェ素子１２，電源２０，放熱フィン３０、送風機５０を収容するケースであってもよい。放熱フィン３０は、放熱フィン３０の重量が第１ペルチェ素子１１に加わらないように、筐体７０に固定されていてもよい。

図５は、空調装置１の電源系の回路図である。電源２０の正極側の端子２０ａは第１ペルチェ素子１１の一方の端子１１ａに接続され、電源２０の負極側の端子２０ｂは第１ペルチェ素子１１の他方の端子１１ｂに接続されている。第１ペルチェ素子１１は、端子１１ａ側を正極とする電圧を印加されることで、図２に示す表面１１Ｈの温度が裏面１１Ｌの温度よりも高くなるものとする。つまり、第１ペルチェ素子１１の表面１１Ｈは放熱面となり、裏面１１Ｌは吸熱面となる。

第２ペルチェ素子１２の一方の端子１２ａは帰還回路８１を介して電源２０の端子２０ｃに接続され、第２ペルチェ素子１２の他方の端子１２ｂは帰還回路８２を介して電源２０の端子２０ｂに接続されている。帰還回路８１には、電流方向を制限するダイオード６１が設けられ、帰還回路８２には、電流方向を制限するダイオード６２が設けられている。ここでは、第２ペルチェ素子１２の表面１２Ｈと裏面１２Ｌとの間に温度差が発生することで、第２ペルチェ素子１２の一対の電極（端子１２ａと端子１２ｂ）間に電位差が発生したときに、電位の高い方の電極を端子１２ａ、低い方の電極を端子１２ｂとする。

次に、空調装置１の動作について説明する。第１ペルチェ素子１１は、電源２０から直流電流を供給され、＋Ｚ側の表面１１Ｈの温度が－Ｚ側の裏面１１Ｌの温度に対して上昇する。第１ペルチェ素子１１の＋Ｚ側の面から放熱された熱は放熱フィン３０に伝搬し、放熱フィン３０から放熱される。送風機５０は、電源２０から電力を供給され、放熱フィン３０に向かって送風する。

放熱フィン３０の開口４１の－Ｘ側には、送風機５０により新たな空気が順次供給される。第１ペルチェ素子１１が放熱した熱により温度が上昇した放熱フィン３０は、新たな空気を加熱し、加熱された空気は開口４１の＋Ｘ側からから順次排出される。この動作を継続することで、空調装置１は、周囲の温度を上昇させる。

第１ペルチェ素子１１の－Ｚ側の裏面１１Ｌの温度は、＋Ｚ側の温度に対して低温になる。第１ペルチェ素子１１の吸熱面となった－Ｚ側の裏面１１Ｌに接している第２ペルチェ素子１２の＋Ｚ側の表面１２Ｈは冷却され、第２ペルチェ素子１２の表面１２Ｈと裏面１２Ｌとの間に温度差が発生する。これにより、第２ペルチェ素子１２は、端子１２aと端子１２ｂとの間に、端子１２a側を正極とする電圧を発生する。第２ペルチェ素子１２は、帰還回路８１，８２を介して、電源２０の蓄電池２１を充電する。

なお、電源２０の蓄電池２１の電圧が第２ペルチェ素子１２の端子１２aと端子１２ｂとの間に発生した電圧よりも高い場合、ダイオード６１，６２および電源２０内のダイオード２３により電流の方向が制限されるので、蓄電池２１から第２ペルチェ素子１２に電力が供給されることはない。

以上に説明したように、実施形態に係る空調装置１は、一方の面が第１ペルチェ素子１１に接して設けられ、一方の面と他方の面との間に温度差が発生することで、一対の電極間に電圧を発生する第２ペルチェ素子１２と、第２ペルチェ素子１２の一対の電極間に発生した電圧を電源２０に帰還する帰還回路８１，８２を備える。実施形態に係る空調装置１は、第１ペルチェ素子１１から発せられる熱エネルギーを第２ペルチェ素子１２により電力に変換して電源２０に帰還することで、空調装置のエネルギー効率を高めることができる。

また、実施形態に係る空調装置１は、帰還回路８１に電流方向制限手段であるダイオード６１を有し、帰還回路８２に電流方向制限手段であるダイオード６２を有し、さらに、電源２０内に電流方向制限素子であるダイオード２２，２３を有する。実施形態に係る空調装置１は、電流方向制限手段および電流制限素子を有することで、電源２０から第２ペルチェ素子１２に電力が供給されることを抑制できる。

上記の説明では、第１ペルチェ素子１１の＋Ｚ側の面の温度が－Ｚ側の面の温度より高くなる場合について説明したが、第１ペルチェ素子１１に印加する電圧を逆極性にすることにより、第１ペルチェ素子１１の＋Ｚ側の面の温度を－Ｚ側の面の温度より低くすることもできる。この場合、放熱フィン３０は、第１ペルチェ素子１１から冷温を伝搬し、空気を冷却する。なお、第１ペルチェ素子１１に印加する電圧を逆極性にする場合、第２ペルチェ素子１２に発生する電圧の電位の高い方の端子が電源２０の端子２０ｃに接続されるように接続を変更する。

また、上記の説明では、帰還回路８１にダイオード６１を有し、帰還回路８２にダイオード６２を有する場合について説明したが、帰還回路８１もしくは８２のいづれか一方にダイオードを備えていればよい。また、上記の説明では、電源２０内にダイオード２２，２３を備え、帰還回路にもダオードを備える場合について説明したが、電源内もしくは帰還回路の何れか一方にダイオードを有していればよい。また、電源２０内のダイオード２２を省略することもできる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施しうるものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…空調装置
１１…第１ペルチェ素子
１２…第２ペルチェ素子
２０…電源
２１…蓄電池
２２、２３…ダイオード（電流制限素子）
３０…放熱フィン
３１…ベース
３２～３７…フィン
４１…開口
４３…テーパ面
５０…送風機
６１，６２…ダイオード（電流制限手段）
８１，８２…帰還回路

Claims (5)

1. 一対の電極間に電圧が印加されると一方の面と他方の面との間に温度差を発生する第１ペルチェ素子と、
   前記第１ペルチェ素子の前記一対の電極間に電圧を印加する電源と、
   一方の面が前記第１ペルチェ素子の前記一方の面もしくは前記他方の面に接して設けられ、一方の面と他方の面との間に温度差が発生することで、一対の電極間に電圧を発生し、前記第１ペルチェ素子から発せられた熱エネルギーを電力に変換する第２ペルチェ素子と、
   前記第２ペルチェ素子が変換した電力を前記電源に帰還する帰還回路と、
   を備える空調装置。
2. 前記帰還回路は、
   前記第２ペルチェ素子の前記一対の電極間に発生する電圧の電位が高い方の電極を前記電源の正極側に接続し、
   前記第２ペルチェ素子の前記一対の電極間に発生する電圧の電位が低い方の電極を前記電源の負極側に接続する、請求項１に記載の空調装置。
3. 前記帰還回路に電流方向制限手段を有する、請求項１または２に記載の空調装置。
4. 前記電源は、蓄電素子と電流方向制限素子を備え、
   前記電流方向制限素子は、前記蓄電素子から前記第１ペルチェ素子に流れる電流の方向、および、前記第２ペルチェ素子から前記蓄電素子に流れる電流の方向を制限する、請求項１から３の何れか一項に記載の空調装置。
5. 前記第１ペルチェ素子から発せられる熱を放熱する放熱フィンと、
   前記放熱フィンに空気を供給する送風機と、
   を更に備える請求項１から４の何れか一項に記載の空調装置。

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