JPH10220910A - 熱可逆サーモサイフォンおよびそれを組み込む空気調和機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】サーモサイフォンを熱可逆のものとし、サーモ
サイフォンを空気調和機など冷却作用と加熱作用両方の
機能を発揮する製品に活用できるようにした、熱可逆サ
ーモサイフォンおよびそれを組み込む空気調和機を提供
する。 【解決手段】ペルチェ素子１と、このペルチェ素子１に
接触する熱交換部３を構成するサーモサイフォン容器７
と、この容器７の横側から水平方向に対称に２本上下に
接続したプレートフィンチューブの外部流体との熱交換
部６とからなり、サーモサイフォン容器７およびプレー
トフィンチューブの２つの熱交換部を循環する作動流体
の封入量を調整して、作動流体が前記２つの熱交換部の
いずれにおいても常に気相部１１と液相部１２に分割さ
れるように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱可逆サーモサイ
フォンおよびそれを組み込む空気調和機に係り、サーモ
サイフォン形熱交換器に蒸発器と凝縮器の両者の機能を
発揮させるようにした熱可逆サーモサイフォンおよびそ
れを組み込む空気調和機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、サーモサイフォン形熱交換器を利
用した空気調和機としては、例えば、特開平５−２４３
４３８号公報記載のものが知られている。当該公報記載
の電子機器の冷却装置は、サーモモジュールの熱電冷却
素子に対し所定の方向に電流を流すと、ペルチェ効果に
よって電子デバイスの発生熱がサーモモジュールの吸熱
部に吸熱されるとともに、その熱はサーモモジュールの
放熱部よりヒートパイプの蒸発部に伝熱され、さらにヒ
ートパイプに封入した作動液の凝縮／蒸発サイクルによ
りケース外に突き出したヒートパイプの凝縮部に移行し
て外気中に熱放散されるものである。

【０００３】このように、従来、ペルチェ素子を活用し
て空調する場合に、放熱効率を向上するために上記のご
とくサーモサイフォン形熱交換器を活用しているものが
あった。しかし、これら従来の技術は、冷却機能のみを
目的としたものであり、サーモサイフォン形熱交換器に
関しては凝縮器としての機能のみを発揮するものになっ
ていた。

【０００４】また、本発明に関連する他の先行技術とし
ては、例えば、特開平６−２４９４６１号公報、特開平
５−１７２４２６号公報記載のものが挙げられる。前者
の特開平６−２４９４６１号公報には、住宅にビルトイ
ンし室内外機を一体化した熱交換換気機能付き空気調和
機が開示されており、ヒートパイプ換気熱交換器の通風
路が給気通風路と排気通風路とに２分割されている。し
かし、この空気調和機は、ペルチェ素子を活用したもの
ではない。

【０００５】また、後者の特開平５−１７２４２６号公
報には、ペルチェ効果素子への供給電圧制御とファンの
回転数制御を行うものが開示されており、冷房運転時の
結露対策に有効なものであるが、冷房，暖房両運転に有
効なものではなかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術は、冷却と
加熱両方の機能を発揮するために、サーモサイフォン形
熱交換器を、蒸発器と凝縮器の両方の機能を持ち、かつ
それらの性能を向上させるように工夫したものではなか
った。また、サーモサイフォン形熱交換器の沸騰特性を
向上させるためにサーモサイフォン容器内部の構造を工
夫しているものではなかった。

【０００７】本発明は、上記従来技術の問題点を解決す
るためになされたもので、サーモサイフォンを熱可逆の
ものとし、サーモサイフォンを空気調和機など冷却作用
と加熱作用両方の機能を発揮する製品に活用できるよう
にした、熱可逆サーモサイフォンおよびそれを組み込む
空気調和機を提供することを目的とする。また、本発明
の他の目的（第二の目的）は、サーモサイフォン内の沸
騰特性を向上することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る熱可逆サーモサイフォンの基本的な構
成は、発熱機能と吸熱機能の両者を有する素子に接触す
る熱交換部および外部流体との熱交換部を備え、前記２
つの熱交換部を循環する作動流体が前記２つの熱交換部
のいずれにおいても常に気相部と液相部に分割されるよ
うに構成したものである。

【０００９】また、上記目的を達成するために、本発明
に係る熱可逆サーモサイフォンの具体的な構成は、ペル
チェ素子と、このペルチェ素子に接触する熱交換部を構
成する容器と、この容器の横側から水平方向に対称に２
本上下に接続したプレートフィンチューブの外部流体と
の熱交換部とからなり、前記ペルチェ素子に接触する容
器およびプレートフィンチューブの２つの熱交換部を循
環する作動流体の封入量を調整して、当該作動流体が前
記２つの熱交換部のいずれにおいても常に気相部と液相
部に分割されるように構成したものである。

【００１０】さらに、上記目的を達成するために、本発
明に係る熱可逆サーモサイフォンを組み込む空気調和機
の構成は、室内空気の吸込口および送風口、室内熱交換
器、室内送風機を備えた室内側送風機構と、室外空気の
吸込口および送風口、室外熱交換器、室外送風機を備え
た室外側送風機構とを一体のケースに組み込んでなる空
気調和機において、ペルチェ素子と、このペルチェ素子
の一面に接触する熱交換部を構成する容器と、この容器
の横側から水平方向に対称に２本上下に接続したプレー
トフィンチューブの外部流体との熱交換部とからなるサ
ーモサイフォンユニットを前記ケース内に備え、前記サ
ーモサイフォンユニットのペルチェ素子の他の面に接触
する室内空気との熱交換部を室内熱交換器として室内空
気の流通路に位置させ、前記サーモサイフォンユニット
のプレートフィンチューブを室外熱交換器として室外空
気の流通路に位置させ、前記ペルチェ素子に接触する容
器およびプレートフィンチューブの２つの熱交換部を循
環する作動流体の封入量を調整して、当該作動流体が前
記２つの熱交換部のいずれにおいても常に気相部と液相
部に分割されるように構成したものである。

【００１１】また、上記第二の目的を達成するために、
本発明に係る熱可逆サーモサイフォンの構成は、ペルチ
ェ素子に接触する熱交換部を構成する容器の内壁面に金
属網目状構造体を設けたものである。さらに、上記第二
の目的を達成するために、本発明に係る熱可逆サーモサ
イフォンを組み込む空気調和機の構成は、ペルチェ素子
に接触する熱交換部を構成する容器の内壁面に金属網目
状構造体を設けたものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
ないし図５を参照して説明する。 〔実施の形態 １〕まず、本発明の一実施形態に係る熱
可逆サーモサイフォンユニットについて図１を参照して
説明する。図１は、本発明の一実施形態を示す熱可逆サ
ーモサイフォンユニットの断面図である。

【００１３】図１において、１はペルチェ素子で、この
ペルチェ素子１は、発熱機能と吸熱機能の両方を発揮す
る素子である。２はサーモサイフォン、３は、サーモサ
イフォン２における前記ペルチェ素子１との熱交換部、
４は、プレートフィンチューブを構成するＵ字状のパイ
プ、５は、プレートフィンチューブを構成する伝熱フィ
ン、６は、サーモサイフォン２におけるプレートフィン
チューブを構成する外部流体との熱交換部、７は、サー
モサイフォン２の容器（以下サーモサイフォン容器とい
う）、１１は、サーモサイフォン２内の作動流体の気相
部、１２は、サーモサイフォン２内の作動流体の液相部
である。

【００１４】図１に示すサーモサイフォンユニットで
は、発熱機能と吸熱機能の両方を発揮する素子としてペ
ルチェ素子１を用い、ペルチェ素子１とサーモサイフォ
ン２内のペルチェ素子との熱交換部３を接触させ、ペル
チェ素子１からサーモサイフォン２への伝熱を可能にし
ている。また、外部流体との熱交換部６は、サーモサイ
フォン容器７に容器の横側から水平方向に対称に２本上
下に接続されＵ字状を形成するパイプ４を、伝熱フィン
５がクロスした形態のプレートフィンチューブであり、
このプレートフィンチューブによって外部流体からサー
モサイフォン２内への伝熱を可能にしてしる。

【００１５】本実施の形態における構造の特徴は、外部
流体との熱交換部６がサーモサイフォン容器７の横側か
ら対称的に２本上下に分かれて挿入されＵ字状のプレー
トフィンチューブを形成している点であり、これにより
作動流体の封入量を調節すれば、サーモサイフォン容器
３内およびプレートフィンチューブを形成した外部流体
との熱交換部６内が、いずれも作動流体の気相部１１と
液相部１２の２相域に分割されるようになる。

【００１６】一般に、従来のサーモサイフォンでは、サ
ーモサイフォン容器が液相部に、また外部流体との熱交
換部内が気相部になるように設置されていた。しかし、
これはサーモサイフォン容器を沸騰部、外部流体との熱
交換部を凝縮器とし、サーモサイフォンを放熱器として
機能させる場合しか活用できないものであった。これに
対し、本実施形態の例では、サーモサイフォン２は放熱
器として機能するだけでなく、ペルチェ素子１が吸熱す
る場合の吸熱器としての機能も発揮するものである。

【００１７】その理由は次のとおりである。サーモサイ
フォン容器７にも気相部１１があり、外部流体との熱交
換部６内にも液相部１２があるため、ペルチェ素子１が
サーモサイフォン２に対して吸熱の運転をした場合、サ
ーモサイフォン２全体は低温となり、外部流体との熱交
換部６は外部流体から熱を取ってパイプ４内の液相部１
２の作動流体が蒸発してサーモサイフォン容器７へ移動
する。そこで、サーモサイフォン容器７へ移動した作動
流体はペルチェ素子１の吸熱により冷却され凝縮する。

【００１８】この作動が連続するとサーモサイフォン容
器７内の液相部１２の量が増加するため、その液が外部
流体との熱交換部６の液相部１２へ移動する。この作動
はペルチェ素子１のサーモサイフォン２に対する吸熱が
ある限り連続する。したがって、サーモサイフォン２は
吸熱器としての機能を発揮するようになる。以上が熱可
逆サーモサイフォンとしての本実施形態の説明である。

【００１９】〔実施の形態 ２〕次に、第二の目的、す
なわち、サーモサイフォン２内の液冷媒の沸騰特性を向
上させるための実施形態を説明する。図２は、銅網目状
構造体を設けた熱可逆サーモサイフォンユニットの要部
断面図、図３は、沸騰を促進する伝熱面の表面構造を示
す説明図、図４は、銅網目状構造体の断面構造を示す説
明図である。図２において、図１と同一符号のものは
〔実施の形態 １〕における熱可逆サーモサイフォンユ
ニットと同等部を示す。

【００２０】図２に示す熱可逆サーモサイフォンユニッ
トは、ペルチェ素子１との熱交換部３の内壁面に銅網目
状構造体２０を設置したものである。図１に示すサーモ
サイフォン２をペルチェ素子１の放熱特性を向上するた
めに活用した場合、ペルチェ素子との熱交換部３内の液
冷媒が沸騰するときの特性は内壁面の表面構造に影響さ
れる。

【００２１】内壁面の表面構造としては、図３に示され
るように、伝熱面３ａに微小な凹み３ｂを多数設け、微
小な気泡核１１ａが発生しやすい構造にすることが沸騰
を促進しやすくするものである。本実施の形態では、図
２に示す如くペルチェ素子との熱交換部３の内壁面に銅
網目状構造体２０を設置することにより液冷媒の沸騰特
性が向上することを確認した。

【００２２】銅網目状構造体２０の断面構造を図４に示
す。図４に示す如く、銅網目状構造体２０には金属骨格
２０ｂとともに微細な空孔２０ａが無数に存在する。こ
の銅網目状構造体２０にはペルチェ素子との熱交換部３
内の液冷媒を図２に示す液面より上側に銅網目状構造体
２０に沿って吸い上げるウィック機能がある。特に、サ
ーモサイフォン容器７内が気相部１１と液相部１２に分
割される熱可逆サーモサイフォンにおいては、気相部１
１でも沸騰機能を発揮させるという目的もあり、それに
より熱可逆サーモサイフォンでも沸騰量を確保できるよ
うになる。そして、さらに沸騰量が増加することによる
作動流体の循環を促進する効果も出るようになる。

【００２３】〔実施の形態 ３〕次に、熱可逆サーモサ
イフォンを空気調和機に適用した場合の実施形態を図５
を参照して説明する。図５は、本発明の他の実施形態を
示す熱可逆サーモサイフォンを適用した空気調和機の断
面図である。図中、図１と同一符号のものは、〔実施の
形態 １〕で説明した熱可逆サーモサイフォンと同等部
分を示す。

【００２４】図５において、８は、空気調和機本体を構
成するケース、９は室内送風機、１０は室外送風機、１
３は室内空気の吸込口、１４は、空調空気を室内へ送風
する送風口、１５は室外空気の吸込口、１６は、室外空
気の送風口である。２Ａは、ケース８内に組み込まれた
サーモサイフォンユニット、１７は、室外空気との熱交
換部、１８は、室内空気との熱交換部で、この室内空気
との熱交換部１８は、ペルチェ素子１がサーモサイフォ
ンユニット２Ａと接触する面と反対側の面に接触し、伝
熱フィン１９を備えている。

【００２５】図５に示す空気調和機は、ペルチェ素子１
の両側に、室内空気との熱交換器１８とサーモサイフォ
ンユニツト２Ａにおける熱交換部３とを接触させ空調の
ための伝熱部を構成している。すなわち、室内空気との
熱交換は室内送風機９が室内空気との熱交換部１８の伝
熱フィン１９に室内空気を通すことにより行い、室外空
気との熱交換は室外送風機１０が室外空気との熱交換部
１７の伝熱フィン５に室外空気を通すことにより行う。

【００２６】一般に、従来のサーモサイフォンにおいて
は、冷媒を重力作用により循環させるために、沸騰部と
して機能するペルチェ素子との熱交換部を下側に、凝縮
部として機能する室外空気との熱交換部を上側に配置さ
せるものとなっていた。このサーモサイフォンをペルチ
ェ素子を使用する空気調和機に適用する場合、冷房運転
をするときはサーモサイフォンの室外空気との熱交換部
を放熱側に位置させれば従来の構成で空調が可能にな
る。しかし、暖房運転をするときは従来の構成では沸騰
部となるべき室外空気との熱交換部には液相の冷媒がな
く沸騰現象が生じないため、空気調和機としての機能を
発揮しなくなる。

【００２７】そこで、図５に示す実施形態の空気調和機
のごとく、サーモサイフォン２Ａの室外空気との熱交換
部１７が、サーモサイフォン容器７の横側から２本上下
に分かれて挿入されＵ字状のプレートフィンチューブを
形成しており、作動流体の封入量を調節して、サーモサ
イフォン容器３内およびプレートフィンチューブを形成
した室外空気との熱交換部１７内が、いずれも気相部１
１と液相部１２の２相域に分割されるようにする。

【００２８】しかして、前記室内空気との熱交換部１８
は、室内熱交換器として吸込口１３から送風口１４に至
る室内空気の流通路中に位置させ、前記プレートフィン
チューブを形成した室外空気との熱交換部１７は、室外
熱交換器として吸込口１５から送風口１６に至る室外空
気の流通路中に位置させている。

【００２９】上述の構成により、冷房運転時には、サー
モサイフォン２Ａのペルチェ素子との熱交換部３の液冷
媒はペルチェ素子１の放熱により沸騰し、沸騰したガス
冷媒は室外空気との熱交換部１７へ移動して該室外空気
との熱交換部１７で室外空気に放熱することにより凝縮
し、液冷媒となりペルチェ素子との熱交換部３へ移動す
る。

【００３０】同様にして暖房運転時には、室外空気との
熱交換部１７の液冷媒が室外空気により加熱され沸騰
し、沸騰したガス冷媒はペルチェ素子との熱交換部３へ
移動し、ペルチェ素子１により冷却され、凝縮して液冷
媒となり室外空気との熱交換部１７へ移動する。この冷
媒の循環により冷房運転時のペルチェ素子１からの室外
空気への放熱および暖房運転時の室外空気からのペルチ
ェ素子１への熱供給が可能になり、連続的な冷房運転お
よび暖房運転が可能になる。

【００３１】本実施の形態によれば、サーモサイフォン
２Ａが放熱と吸熱の両方の機能を発揮するようになり、
ペルチェ素子１を活用した空気調和機において、サーモ
サイフォン２Ａを使用した場合に冷房と暖房の両方で効
率が良い運転が可能になる。また、サーモサイフォン２
Ａのペルチェ素子との熱交換部３を構成するサーモサイ
フォン容器７の内壁面に、図２に示すごとく銅網目状構
造体２０を設ければ、銅網目状構造体２０の効果により
サーモサイフォン２Ａ内における液冷媒の沸騰特性が向
上し、前述した熱可逆サーモサイフォン２Ａでは銅網目
状構造体２０のウィック機能により気相部１２での沸騰
も可能になる。

【００３２】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、サーモサイフォンを熱可逆のものとし、サーモサ
イフォンを空気調和機など冷却作用と加熱作用両方の機
能を発揮する製品に活用できるようにした、熱可逆サー
モサイフォンおよびそれを組み込む空気調和機を提供す
ることができる。また、本発明によれば、サーモサイフ
ォン内の沸騰特性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す熱可逆サーモサイフ
ォンユニットの断面図である。

【図２】銅網目状構造体を設けた熱可逆サーモサイフォ
ンユニットの要部断面図である。

【図３】沸騰を促進する伝熱面の表面構造を示す説明図
である。

【図４】銅網目状構造体の断面構造を示す説明図であ
る。

【図５】本発明の他の実施形態を示す熱可逆サーモサイ
フォンを適用した空気調和機の断面図である。

【符号の説明】

１…ペルチェ素子、２…サーモサイフォン、２Ａ…サー
モサイフォンユニツト、３…ペルチェ素子との熱交換
部、４…パイプ、５…伝熱フィン、６…外部流体との熱
交換部、７…サーモサイフォン容器、８…ケース、９…
室内送風機、１０…室外送風機、１１…気相部、１２…
液相部、１３，１５…吸込口、１４，１６…送風口、１
７…室外空気との熱交換部、１８…室内空気との熱交換
部、１９…伝熱フィン、２０…銅網目状構造体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 牟田 信次 福岡県福岡市南区塩原二丁目１番47号 九 州電力株式会社総合研究所内 (72)発明者 有馬 繁治 福岡県福岡市南区塩原二丁目１番47号 九 州電力株式会社総合研究所内 (72)発明者 田代 哲 福岡県福岡市南区塩原二丁目１番47号 九 州電力株式会社総合研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発熱機能と吸熱機能の両者を有する素子
   に接触する熱交換部および外部流体との熱交換部を備
   え、前記２つの熱交換部を循環する作動流体が前記２つ
   の熱交換部のいずれにおいても常に気相部と液相部に分
   割されるように構成したことを特徴とする熱可逆サーモ
   サイフォン。
2. 【請求項２】 発熱機能と吸熱機能の両者を有する素子
   に接触している熱交換部の内壁面に金属網目状構造体を
   設けたことを特徴とする請求項１記載の熱可逆サーモサ
   イフォン。
3. 【請求項３】 ペルチェ素子と、このペルチェ素子に接
   触する熱交換部を構成する容器と、この容器の横側から
   水平方向に対称に２本上下に接続したプレートフィンチ
   ューブの外部流体との熱交換部とからなり、 前記ペルチェ素子に接触する容器およびプレートフィン
   チューブの２つの熱交換部を循環する作動流体の封入量
   を調整して、当該作動流体が前記２つの熱交換部のいず
   れにおいても常に気相部と液相部に分割されるように構
   成したことを特徴とする熱可逆サーモサイフォン。
4. 【請求項４】 ペルチェ素子に接触する熱交換部を構成
   する容器の内壁面に金属網目状構造体を設けたことを特
   徴とする請求項３記載の熱可逆サーモサイフォン。
5. 【請求項５】 室内空気の吸込口および送風口、室内熱
   交換器、室内送風機を備えた室内側送風機構と、室外空
   気の吸込口および送風口、室外熱交換器、室外送風機を
   備えた室外側送風機構とを一体のケースに組み込んでな
   る空気調和機において、 ペルチェ素子と、このペルチェ素子の一面に接触する熱
   交換部を構成する容器と、この容器の横側から水平方向
   に対称に２本上下に接続したプレートフィンチューブの
   外部流体との熱交換部とからなるサーモサイフォンユニ
   ットを前記ケース内に備え、 前記サーモサイフォンユニットのペルチェ素子の他の面
   に接触する室内空気との熱交換部を室内熱交換器として
   室内空気の流通路に位置させ、 前記サーモサイフォンユニットのプレートフィンチュー
   ブを室外熱交換器として室外空気の流通路に位置させ、 前記ペルチェ素子に接触する容器およびプレートフィン
   チューブの２つの熱交換部を循環する作動流体の封入量
   を調整して、当該作動流体が前記２つの熱交換部のいず
   れにおいても常に気相部と液相部に分割されるように構
   成したことを特徴とする熱可逆サーモサイフォンを組み
   込む空気調和機。
6. 【請求項６】 ペルチェ素子に接触する熱交換部を構成
   する容器の内壁面に金属網目状構造体を設けたことを特
   徴とする請求項５記載の熱可逆サーモサイフォンを組み
   込む空気調和機。