(57)【要約】【課題】ペルチェ素子（ペルチェ効果素子）を複数設ける場合に、そのレイアウトを工夫して、温度制御ユニット（熱制御装置）の単位実装面積当たりの熱量輸送能力の低下を回避する。【解決手段】第一の面が吸熱面１１ａ〜１６ａであり第二の面が放熱面１１ｂ〜１６ｂであるペルチェ効果素子を有するペルチェモジュール１１〜１６が面方向に対して直交方向に沿って複数配置され、吸熱面１１ａ〜１６ａ相互の対向面間に吸熱流路２１，２２が配置され、放熱面１１ｂ〜１６ｂ相互の対向面間に放熱流路３１，３３が配置され、吸熱流路２１，２２が吸熱流路用連結部４０に接続され、放熱流路３１，３３が放熱流路用連結部５０に接続されている。【選択図】図１
2020200980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の面が吸熱面であり第二の面が放熱面であるペルチェ効果素子が面方向に対して直交方向に沿って複数配置され、
前記吸熱面相互の対向面間に吸熱流路が配置され、前記放熱面相互の対向面間に放熱流路が配置されている熱制御装置。
【請求項２】
前記吸熱流路を相互に連結する吸熱流路用連結部と、
前記放熱流路を相互に連結する放熱流路用連結部と、
を備える請求項１記載の熱制御装置。
【請求項３】
前記吸熱流路及び前記放熱流路は、少なくとも一部がベイパーチャンバーで構成される、請求項１記載の熱制御装置。
【請求項４】
請求項１記載の熱制御装置と、
前記熱制御装置によって吸熱された冷却対象からの熱を排出する排熱装置と、
を含む冷却システム。
【請求項５】
請求項１記載の熱制御装置と、
前記熱制御装置に対して熱を供給する熱源と、
を含む加熱システム。
【請求項６】
請求項１記載の熱制御装置を含む電化製品。
【請求項７】
空調機、冷蔵庫、温水器、冷水器のいずれかである、請求項６記載の電化製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱制御装置、冷却システム、加熱システム、及び、電化製品に関し、特に、空調機、冷蔵庫、温水器、冷水器などの家電に設けることができる、熱制御装置、冷却システム、加熱システム、及び、電化製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、建築物の温度制御空間内の温度を適切な温度に維持でき、複雑な構成でなく、施工に時間と手間がかかることもなく、コストも低減でき、しかも、冷暖房効率に優れ、メンテナンス性にも優れた温度制御ユニットが開示されている。この温度制御ユニットは、一方の面が被放熱体に接触するように配置されるベイパーチャンバーと、ベイパーチャンバーの他方の面に接触するように配置されたペルチェ素子と、ペルチェ素子のベイパーチャンバーと反対側の面に接触するように配置された放熱板部とを備える。
【特許文献１】特開２０１７−２０３６０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、非常に高い熱量の輸送能力が必要な場合にはペルチェ素子数を多くする必要があるが、この場合、ペルチェ素子は、通常、平面的に配置される。そうすると、実装面積を多く必要とするとともに、端部に位置するペルチェ素子による熱量の輸送能力は相対的に低いため、単位実装面積当たりの熱量輸送能力の向上は限定的である。
【０００４】
そこで、本発明は、ペルチェ素子（ペルチェ効果素子）を複数設ける場合に、そのレイアウトを工夫して、温度制御ユニット（熱制御装置）の単位実装面積当たりの熱量輸送能力の低下を回避することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の熱制御装置は、
第一の面が吸熱面であり第二の面が放熱面であるペルチェ効果素子が面方向に対して直交方向に沿って複数配置され、
前記吸熱面相互の対向面間に吸熱流路が配置され、前記放熱面相互の対向面間に放熱流路が配置されている。
【０００６】
このように、本発明の熱制御装置は、ペルチェ効果素子を、構造的に積層しており、かつ、熱的に並列に配置しているため、実装面積を少なく抑えつつ、端部に位置するペルチェ素子による熱量の輸送能力を相対的に高めて、単位実装面積当たりの熱量輸送能力の向上させている。
【０００７】
なお、前記吸熱流路を相互に連結する吸熱流路用連結部と、前記放熱流路を相互に連結する放熱流路用連結部と、を備えることもできる。
【０００８】
また、前記吸熱流路及び前記放熱流路は、少なくとも一部がベイパーチャンバーで構成されてもよい。
【０００９】
本発明の冷却システムは、
上記熱制御装置と、
前記熱制御装置によって吸熱された冷却対象からの熱を排出する排熱装置と、
を含む。
【００１０】
本発明の加熱システムは、
上記熱制御装置と、
前記熱制御装置に対して熱を供給する熱源と、
を含む。
【００１１】
さらに、本発明の電化製品は、上記熱制御装置を含む。電化システムとしては、空調機、冷蔵庫、温水器、冷水器などを挙げることができる。
【発明の実施の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において同様の部分には同一の符号を付している。
【００１３】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１の熱制御装置１００の模式的な構成図である。図１には、以下説明する、ペルチェモジュール１１〜１６と、吸熱流路２１，２２と、放熱流路３１，３２と、吸熱流路用連結部４０と、放熱流路用連結部５０と、を示しており、熱制御装置１００の概形は略直方体形状である。
【００１４】
図２は、図１に示す熱制御装置１００の分解図であり、図１に示す各部位の詳細説明図である。図２には、図１に示した各部位に加えて、以下説明する、吸熱面（第一の面）１１ａ〜１６ａと、放熱面（第二の面）１１ｂ〜１６ｂと、一端側２１ａと、他端側２１ｂと、基端部２１ｃと、を示している。
【００１５】
図１に示すように、ペルチェモジュール１１〜１６は、それぞれ、平板状をしている。ペルチェモジュール１１〜１６は、例えば、長さ２ｍｍ〜３ｍｍ×幅２ｍｍ〜３ｍｍ×厚さ２ｍｍ〜３ｍｍ程度の大きさの幾つかのペルチェ効果素子をセラミックス板によって挟み込むことによって構成している。
【００１６】
ペルチェモジュール１１〜１６自体の大きさは、例えば、長さ４ｃｍ程度×幅３ｃｍ程度×厚さ３ｍｍ程度とすればよい。ペルチェモジュール１１〜１６には、ペルチェ効果素子に電流を印加するための配線１１ｃ〜１６ｃが接続されている。
【００１７】
なお、図１には、６本の配線１１ｃ〜１６ｃが示されているが、図面奥側にも各配線１１ｃ〜１６ｃに対応する配線がある。すなわち、ペルチェモジュール１１〜１６には、それぞれ、２つずつ配線が接続されている。
【００１８】
図２に示すように、ペルチェモジュール１１〜１６は、吸熱面（第一の面）１１ａ〜１６ａと、放熱面（第二の面）１１ｂ〜１６ｂとを備えている。ペルチェモジュール１１〜１６は、面方向に対して直交方向に沿って複数配置されている。
【００１９】
ペルチェモジュール１１，１３，１５は、図１の右手前側に吸熱面１１ａ，１３ａ，１５ａが向く態様で配置されている。ペルチェモジュール１２，１４，１６は、図１の右手前側に放熱面１２ｂ，１４ｂ，１６ｂが向く態様で配置されている。すなわち、本実施形態では、偶数番目に位置する各ペルチェモジュールと奇数番目に位置する各ペルチェモジュールとの例えば吸熱面が、相互に逆向きになるように配置している。
【００２０】
図１に示すように、吸熱流路２１，２２及び放熱流路３１，３２は、いずれも例えばコ字状をしている。なお、当該形状は例示であり、例えば、端部がもう一つ増えたＥ字状とすることもできるし、更に端部を増やした形状とすることもできる。ペルチェモジュール１１〜１６と吸熱流路２１，２２又は放熱流路３１，３２とは、例えば、高熱伝導性を有する接着剤等によって接続してもよいし、ペルチェモジュール１１〜１６を吸熱流路２１，２２又は放熱流路３１，３２間に圧入することで接続してもよい。
【００２１】
図２に示すように、吸熱流路２１，２２及び放熱流路３１，３２は、 吸熱流路２１を例に説明すると、相互に並行面となる一端側２１ａと他端側２１ｂとが、これらに直交面となる基端部２１ｃによって連結された形状となる。
【００２２】
この場合、一端側２１ａ及び他端側２１ｂは、例えば、ペルチェモジュール１１等の長さの１．２倍〜１．５倍程度の長さで、ペルチェモジュール１１等の幅の０．７倍〜１．２倍程度の幅で、ペルチェモジュール１１等の厚さの０．６倍〜０．８倍程度の厚さとしている。基端部２１ｃの内周側の長さは、ペルチェモジュール１１の２枚分の厚さと一端側２１ａの厚さとの総和とほぼ同じである。
【００２３】
吸熱流路２１は、吸熱面１１ａ，１２ａ相互の対向面間に一端側２１ａが位置し、吸熱面１３ａ，１４ａ相互の対向面間に他端側２１ｂが位置するように配置される。
【００２４】
吸熱流路２２は、吸熱面１５ａ，１６ａ相互の対向面間に一端側２２ａが位置し、他端側２２ｂは開放状態となるように配置される。
【００２５】
放熱流路３１は、一端側３１ａの外周側の面が開放状態となり、一端側３１ａの内周側の面が放熱面１１ｂと対向し、他端側３１ｂの内周側の面が放熱面１２ｂと対向し，他端側３１ｂの外周側の面が放熱面１３ｂと対向するように配置される。
【００２６】
放熱流路３２は、一端側３２ａの外周側の面が放熱面１４ｂと対向し、一端側３２ａの内周側の面が放熱面１５ｂと対向し、他端側３２ｂの内周側の面が放熱面１６ｂと対向し，他端側３２ｂの外周側の面が開放状態となるように配置される。
【００２７】
図１に示すように、吸熱流路用連結部４０は、吸熱流路２１，２２の基端部２１ｃ，２２ｃを相互に連結する。放熱流路用連結部５０は、放熱流路３１，３２の基端部３１ｃ，３２ｃを相互に連結する。吸熱流路用連結部４０及び放熱流路用連結部５０の大きさは、基端部２１ｃ，２２ｃ，３１ｃ，３２ｃの大きさに対応している。
【００２８】
吸熱流路２１，２２及び放熱流路３１，３２と、吸熱流路用連結部４０及び放熱流路用連結部５０とは、銅、ステンレス、チタンなどのように熱伝導が高い材料で製造するとよい。吸熱流路用連結部４０側を例に説明すると、吸熱流路用連結部４０と吸熱流路２１，２２との連結は高熱伝導性を有する接着剤等によって実現してもよいし、更には、これらは各々別パーツではなく一体化したものを用いてもよい。さらに、伝熱効率を高めるために、これらの材料を筐体とするベイパーチャンバーを採用することもできる。ベイパーチャンバーを採用する場合には、内壁に対して、所望のウィックを形成するとよい。
【００２９】
なお、図１には、６つのペルチェモジュール１１〜１６を備えた熱制御装置１００を例示しているが、ペルチェモジュールの数はこれより多くても少なくてもよい。そして、ペルチェモジュールの数に応じて、吸熱流路及び放熱流路の数３１，３２と、吸熱流路用連結部４０及び放熱流路用連結部５０の大きさと、を適宜決定すればよい。
【００３０】
（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２の熱制御装置１００の模式的な構成図であり、図１に対応するものである。図４は、図３に示す熱制御装置１００の分解図であり、図２に対応するものである。実施形態１では、偶数番目に位置する各ペルチェモジュールと奇数番目に位置する各ペルチェモジュールとが、相互に逆向きとなるように配置していたが、本実施形態では、全てのペルチェモジュールの例えば吸熱面が、同じ向きになるように配置している。
【００３１】
本実施形態の熱制御装置１００は、実施形態１の熱制御装置１００に比して、サイズが若干大型化するか、これを回避するために、図３，図４に示すようにペルチェモジュールの数を減らす必要がある。それでも、立体的な熱制御装置１００を実現できるという利点があることには変わりがない。
【００３２】
（実施形態３）
図５は、本発明の実施形態３の熱制御装置１００の模式的な構成図であり、図１に対応するものである。図５に示す熱制御装置１００は、概形が略立方体形状となるようにレイアウトされている点で、図１に示す概形が略直方体形状である熱制御装置１００とは相違する。
【００３３】
具体的な相違点としては、第一に、図１に示す熱制御装置１００は、吸熱流路２１，２２と放熱流路３１，３２とは同一平面状に配置されているが、図５に示す熱制御装置１００は、これらに対応する、吸熱流路２３と吸熱流路２４とが直交関係となり、放熱流路３３と放熱流路３４とが直交関係となる点が挙げられる。
【００３４】
第二に、吸熱流路用連結部４０及び放熱流路用連結部５０の形状が、やや丸みを帯びた角部４０Ａ及び角部５０Ａを有する略Ｌ字状とされている点が相違する。なお、吸熱流路用連結部４０と放熱流路用連結部５０とは、熱制御装置１００の中心点を中心に点対称となるように配置されている。
【００３５】
第三に、図１に示す熱制御装置１００では、吸熱流路用連結部４０及び放熱流路用連結部５０には、それぞれ、吸熱流路２１，２２及び放熱流路３１，３２がいずれも基端部２１ｃ，２２ｃ及び基端部３１ｃ，３２ｄで連結されるが、図５に示す熱制御装置１００では、吸熱流路用連結部４０及び放熱流路用連結部５０には、吸熱流路２３及び放熱流路３３については基端部２３ｃ，３３ｃで連結されるが、吸熱流路２４及び放熱流路３４については一端部２４ａ，３４ａで連結される点が相違する。
【００３６】
図５に示す熱制御装置１００は、例えば、吸熱流路２１，２２及び放熱流路３１，３２をベイパーチャンバーで構成する場合、ベイパーチャンバーの曲げ加工には限界があるので、許容できる曲げ半径が大きい場合に好適である。
【００３７】
（実施形態４）
図６は、本発明の実施形態４の熱制御装置１００の模式的な構成図であり、図５に対応するものである。図６に示す熱制御装置１００は、図５に示す熱制御装置１００と同様の構成であるが、吸熱流路用連結部４０及び放熱流路用連結部５０の角部の形状が相違する。
【００３８】
熱制御装置１００のサイズが相対的に大きい場合には、図５に示す熱制御装置１００のように、吸熱流路用連結部４０及び放熱流路用連結部５０の角部４０Ａ，５０Ａの形状を丸めることができる。一方、熱制御装置１００のサイズが相対的に小さい場合には、角部４０Ａ，５０Ａの加工が困難な場合もあるので、図６に示すように面取りしたような形態の角部４０Ｂ，５０Ｂを有する略Ｌ字状の吸熱流路用連結部４０及び放熱流路用連結部５０を用いることが好適である。
【００３９】
（実施形態５）
図７は、本発明の実施形態５の熱制御装置１００の模式的な構成図であり、図１に対応するものである。図７（ａ）には熱制御装置１００の全体的な斜視図を示し、図７（ｂ）には放熱流路用連結部５０の端面位置での熱制御装置１００の断面図を示し、図７（ｃ）には吸熱流路用連結部４０と放熱流路用連結部５０との間に位置するペルチェ効果素子１０の拡大図を示している。
【００４０】
図７（ａ）に示すように、本実施形態の熱制御装置１００は、概形が略円筒状をしている。吸熱流路用連結部４０及び放熱流路用連結部５０の形状は、いずれも渦巻き状をしている点で、図１に示す熱制御装置１００とは概形が大きく相違する。
【００４１】
また、図７（ｂ）に示すように、熱制御装置１００は、ペルチェモジュール１１〜１６に代えて、モジュール化していない、Ｎ型半導体素子ＮとＰ型半導体素子Ｐとを含むペルチェ効果素子１０と、Ｎ型半導体素子ＮとＰ型半導体素子Ｐとを接続する銅などからなる接続部２０とを採用している点で、図１に示す熱制御装置１００とは相違する。Ｎ型半導体素子Ｎ及びＰ型半導体素子Ｐは、それぞれ、例えば、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ程度の直方体或いは立方体形状又はこれらに対応する大きさの円柱状或いは角柱状のものとすればよい。
【００４２】
なお、図７（ａ）には、複数のペルチェ効果素子１０が、熱制御装置１００の軸心から円周方向に対して、４等分するように相互に直交する４方向に配列されている状態を示しているが、配列数が４列であることは例示であり、これは、例えば、６列でもよいし８列でもよい。さらには、配列自体も必須ではなく、例えば、適宜、ペルチェ効果素子１０を配置してもよい。
【００４３】
ペルチェ効果素子１０は、図７（ｂ）に示すように、円周方向に沿った方向にも、円筒方向に沿った方向にも、Ｎ型半導体素子ＮとＰ型半導体素子Ｐとが交互に配列されるようにしているが、これに限定されるものではない。ただし、図７（ｂ）に示すように配列すると、全体的に均一な温度制御が可能となる。
【００４４】
また、本実施形態において初めてペルチェ効果素子を用いた熱制御装置１００について説明したが、実施形態１〜４の熱制御装置１００においても、ペルチェモジュール１１〜１６等を用いることは必須ではない。これらに代えて、実施形態１〜４の熱制御装置１００においても、ペルチェ効果素子１０を用いることも可能である。
【００４５】
吸熱流路用連結部４０及び放熱流路用連結部５０について補足説明をすると、これらは平板を丸める加工を施すことによって形成すればよい。また、吸熱流路用連結部４０及び放熱流路用連結部５０には、ペルチェ効果素子１０が配置されていない位置などに、空気の通路となる貫通孔を形成してもよい。
【００４６】
（実施形態６）
図８は、本発明の実施形態６の熱制御装置１００の模式的な構成図であり、図６に対応するものである。図８に示す熱制御装置１００は、四隅に開口部が形成された一対の支持板６１，６２と、支持板６１，６２間の距離を規定するために当該各開口部に位置合わせされる円筒状の４つのスペーサ６３と、当該各開口部及び各スペーサ６３内に通される４本のボルト６４と、各ボルト６４の両端に連結される８つのナット６５と、を有する。
【００４７】
図６に示す熱制御装置１００の場合には、接着剤又は圧入などによって相互の部材を接続していたが、図８に示す熱制御装置１００の場合には、支持板６１，６２等を用いて相互の部材を接続している。こうすると、所望の接着剤の選定する必要がなくなるし、圧入よりも確実な部材間の接続が可能となる。なお、図５に示す熱制御装置１００の場合にも、図８に示すように、支持板６１，６２等を用いて相互の部材を接続してもよい。
【００４８】
（実施形態７）
図９は、図１等に示す熱制御装置１００を備える冷蔵庫１０００の側面方向から見た模式的な構成を示すブロック図である。図９には、熱制御装置１００の他に、熱制御装置１００によって室内が冷蔵される冷蔵室２００と、熱制御装置１００によって吸熱された冷蔵室２００からの熱を冷蔵室２００の外で排出する排熱装置３００と、を示している。
【００４９】
熱制御装置１００は、冷蔵庫１０００内の通常、冷蔵室２００の大きさと熱制御装置１００の大きさとは、トレードオフの関係にある。つまり、熱制御装置１００を小型化できれば、冷蔵室２００の大きさは増加する。冷蔵庫１０００は、小型の熱制御装置１００を備えるため、相対的に大きなサイズの冷蔵室２００とすることができる。
【００５０】
（実施形態８）
図１０は、図１等に示す熱制御装置１００を備える温水器２０００の模式的な内部構成を示すブロック図である。図１０には、熱制御装置１００の他に、熱制御装置１００に対して熱を供給する熱源４００と、熱制御装置１００によって加熱される水が通る蛇行状の流路５００と、を示している。
【００５１】
温水器２０００は、通常、流路５００が配置されている領域に熱制御装置１００も配置される。したがって、熱制御装置１００を小型化できれば、温水器２０００自体も小型化できるという利点がある。
【００５２】
（実施形態９）
図１１は、図１等に示す熱制御装置１００を備える空気調和機の室内機３０００の模式的な内部構成を示すブロック図である。図１１に示す室内機３０００は、熱交換器３１１０及びファン３１２０などが配置される処理室３１００と、ファン３１２０の回転などを制御する制御箱３２１０などが配置される制御室３２００とを備えている。
【００５３】
制御箱３２１０には、ＣＰＵ、コンデンサ、リレー、スイッチングトランスなど回路素子３２３０が搭載された基板３２２０が設けられる。基板３２２０における回路素子３２３０に対応する位置に、熱制御装置１００を設けている。こうすると、熱源となる回路素子３２３０を効率よく冷却することが可能となる。
【００５４】
すなわち、回路素子３２３０は、基板３２２０に対して全面的に配置されているわけではなく、部分的に配置されているため、基板３２２０を全体的に冷却するよりも、ピンポイントで熱源となる回路素子３２３０を冷却すると冷却効果が高まる。本実施形態の場合には、このような対応が可能となる。
【００５５】
本実施形態では、熱制御装置１００を備える電化製品の例として、図９に示す冷蔵庫１０００と、図１０に示す温水器と、図１１に示す空気調和機の室内機３０００といった家電製品を挙げたが、これらの他にも、サーバコンピュータ、冷水器などの電化製品といった、温度調整が必要な機器であれば、どのようなものであっても適用することができる。
【００５６】
また、ペルチェ素子は、既知のように、電圧を印加することで、その表裏面間に温度差を発生させることができるが、これとは反対に表裏面に温度差を付与することで発電することができる。そのため、本実施形態の熱制御装置１００は、発電機としても用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態１の熱制御装置１００の模式的な構成図である。
【図２】図１に示す熱制御装置１００の分解図である。
【図３】本発明の実施形態２の熱制御装置１００の模式的な構成図である。
【図４】図３に示す熱制御装置１００の分解図である。
【図５】本発明の実施形態３の熱制御装置１００の模式的な構成図である。
【図６】本発明の実施形態４の熱制御装置１００の模式的な構成図である。
【図７】本発明の実施形態５の熱制御装置１００の模式的な構成図である。
【図８】本発明の実施形態６の熱制御装置１００の模式的な構成図である。
【図９】図１に示す熱制御装置１００を備える冷蔵庫１０００の側面方向から見た模式的な構成を示すブロック図である。
【図１０】図１に示す熱制御装置１００を備える温水器２０００の模式的な内部構成を示すブロック図である。
【図１１】図１等に示す熱制御装置１００を備える空気調和機の室内機３０００の模式的な内部構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５８】
１１〜１６  ペルチェモジュール
１１ａ〜１６ａ  吸熱面（第一の面）
１１ｂ〜１６ｂ  放熱面（第二の面）
２１，２２  吸熱流路
２１ａ  一端側
２１ｂ  他端側
２１ｃ  基端部
３１，３２  放熱流路
４０  吸熱流路用連結部
５０  放熱流路用連結部
１００  熱制御装置
２００  冷却室
３００  排熱装置
４００  熱源
５００  流路
１０００  冷蔵庫
２０００  温水器
３０００  室内機
３１００  処理室
３１１０  熱交換器
３１２０  ファン
３２００  制御室
３２１０  制御箱
３２２０  基板
３２３０  回路素子
【図１】
2020200980.tif 000003
【図２】
2020200980.tif 000004
【図３】
2020200980.tif 000005
【図４】
2020200980.tif 000006
【図５】
2020200980.tif 000007
【図６】
2020200980.tif 000008
【図７】
2020200980.tif 000009
【図８】
2020200980.tif 000010
【図９】
2020200980.tif 000011
【図１０】
2020200980.tif 000012
【図１１】
2020200980.tif 000013