JP2014165355A

JP2014165355A - 冷風発生装置

Info

Publication number: JP2014165355A
Application number: JP2013035443A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Higashida; 隆亮東田; Hisashi Kano; 久詞加納
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2013-02-26
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2014-09-08
Anticipated expiration: 2033-02-26
Also published as: JP5982647B2

Abstract

【課題】信頼性が高く、効率のよい冷風発生装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、筐体と、前記筐体内の底部に載置された断熱材と、冷却フィンと放熱フィンとに挟持され、前記冷却フィンを前記底部に向けて前記筐体内に配置されたペルチェモジュールと、前記冷却フィンの側面から前記筐体の内壁方向に突出する突出部と、前記内壁から延出する仕切り板と、前記突出部よりも下方の第１領域に気体を導入する送風機と、前記筐体内から前記気体を排出する排出口と、を備え、前記仕切り板は、前記突出部の上方に間隙を設けて配置される、ことを特徴とする冷風発生装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ペルチェモジュールを用いた冷風発生装置に関するものである。

空気を冷却する装置としてペルチェモジュールを用いた電子式クーラーが知られている（例えば特許文献１）。

特許文献１に記載の電子式クーラーを図７を用いて説明する。ペルチェモジュール１０１に電力を供給した際に、吸熱する側に冷却フィン１０７、放熱する側に放熱フィン１１０が配置されている。そして、冷却したい気体の流路中に冷却フィン１０７が配置されている。この冷却フィン１０７に気体が接することで、その気体の熱が奪われ、冷風となる。気体から奪った熱は放熱フィン１１０から放熱される。ここでは、気体の流路を形成する仕切り板１０４に放熱フィン１１０がボルトで固定されている。

特開２０１２−１９５５６７号公報

しかしながら、上記従来の技術では、気体が冷却フィン１０７に接する際に、その風圧で、冷却フィン１０７とペルチェモジュール１０１の界面に力が加わるため、界面の接合強度が低下する可能性があり信頼性に課題を有している。信頼性を低下させないためには冷却フィン１０７を仕切り板１０４に固定するのが有効とも考えられる。しかし、図７に記載の方法で冷却フィン１０７を固定すると、放熱フィン１１０からの熱が仕切り板１０４を介して冷却フィン１０７へ流れ込み、ペルチェモジュール１０１に電力を供給しても、冷却フィン１０７を速やかに冷却することが出来ない場合があった。このため、信頼性を向上させようとして冷却フィン１０７を仕切り板１０４に固定すると、冷却の効率が低下する課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、冷却フィンへの熱の流れ込みを抑制し、信頼性が高く、効率のよい冷風発生装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の冷風発生装置は、筐体と、前記筐体内の底部に載置された断熱材と、冷却フィンと放熱フィンとに挟持され、前記冷却フィンを前記底部に向けて前記筐体内に配置されたペルチェモジュールと、前記冷却フィンの側面から前記筐体の内壁方向に突出する突出部と、前記内壁から延出する仕切り板と、前記突出部よりも下方の第１領域に気体を導入する送風機と、前記筐体内から前記気体を排出する排出口と、を備え、前記仕切り板は、前記突出部の上方に間隙を設けて配置される、ことを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、信頼性が高く高効率な冷風発生装置を得られる。

本発明の実施の形態１における初期状態の冷風発生装置の断面模式図本発明の実施の形態１における動作状態の冷風発生装置の断面模式図本発明の実施の形態１における冷風発生装置の断面模式図本発明の実施の形態１の変形例における冷風発生装置の断面模式図本発明の実施の形態１の他の変形例における冷風発生装置の断面模式図本発明の実施の形態１における突出部の模式図従来の冷風発生装置の断面模式図

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における冷風発生装置の模式図である。

図１の冷風発生装置１００は、ペルチェ素子から構成されるペルチェモジュール１０１と、ペルチェモジュール１０１に電力を供給する電源線１０２と、これらを囲う筐体１０３とを備える。筐体１０３の底面を含む内壁面には、断熱材１０６が配置される。断熱材１０６は、発泡スチロール、発泡ウレタンなどの樹脂で構成されており、断熱材１０６単体では強度が小さいために、ＳＵＳ等の金属からなる筐体１０３が採用されている。

ペルチェモジュール１０１には、放熱側に放熱フィン１１０が、吸熱側に冷却フィン１０７が配置され、冷却フィン１０７の側面には突出部１０９が形成されている。冷却フィン１０７と放熱フィン１１０とには熱伝導率の高い材料が採用され、ここではＳＵＳを用いる。なお、ここでは、冷却のためのフィン状の薄板と、このフィン状の薄板を固定するベースとを合わせて冷却フィン１０７とし、図１では冷却フィン１０７のベースの側面から突出部１０９が突出している状態を示す。

筐体１０３の内部は、冷却フィン１０７側（第１領域１２１）と放熱フィン１１０側（第２領域１２２）に、仕切り板１０４及び突出部１０９によって区画されている。仕切り板１０４は位置決めピン１０５などの機械的方法によって筐体１０３の側壁に接続されている。筐体１０３と仕切り板１０４には、熱伝導率は高いが強度を確保できるＳＵＳや他の金属部材が採用される。

冷却フィン１０７と放熱フィン１１０とに挟持されるペルチェモジュール１０１は、筐体１０３内に固定されておらず、自重で断熱材１０６上に静止している。この場合、冷却フィン１０７は、下端で断熱材１０６と接触し、上端でペルチェモジュール１０１と接触し、その他の部材とは非接触な状態にある。この状態でペルチェモジュール１０１に電力を供給すると、速やかに冷却フィン１０７を冷却することができる。断熱材１０６から冷却フィン１０７への熱の流入はほとんど生じず、また、周囲の部材からの熱の流入もないからである。

風路１０８は、冷却を目的とする気体の流路であり、筐体１０３、仕切り板１０４、冷却フィン１０７、突出部１０９により形成される。この風路１０８をｚ軸方向に流れた気体が冷却フィン１０７に接触することで冷却される。

一方で、気体が冷却フィン１０７に接触する際に、その風圧で、冷却フィン１０７とペルチェモジュール１０１の界面に力が加わることがあり、界面の接合強度が低下する可能性、すなわち、信頼性に課題を有している。しかしながら、冷却フィン１０７を常に固定していると、当該固定位置から熱の流入が生じ、ペルチェモジュール１０１に電力を供給した際の冷却応答性（電力を供給してから所望の温度まで冷却するのに要する時間）が悪化する。

このため、本実施の形態では、ペルチェモジュール１０１に電力の供給を開始する前の状態（初期状態）では、冷却フィン１０７を固定せず、所望の温度に冷却された冷却フィン１０７に気体を当てる状態（動作状態）では、冷却フィン１０７を固定する機能を、冷風発生装置１００に備える。

具体的には、突出部１０９が、その役割を担う。突出部１０９は、冷却フィン１０７の両側面から突出して形成されている。この場合、突出部１０９の先端は、仕切り板１０４の先端より筐体１０３の内壁（内側壁）側に位置する。また、仕切り板１０４は、突出部１０９の上方に間隙を設けて配置される。図１の状態（初期状態）において、突出部１０９は、仕切り板１０４、筐体１０３、断熱材１０６と非接触であり、冷却フィン１０７は固定されていない。一方、動作状態においては、突出部１０９が仕切り板１０４と接触することで冷却フィン１０７を固定する。この状態は、初期状態において突出部１０９と仕切り板１０４との間に設けた間隙に流れる空気の風圧を利用して、冷却フィン１０７全体を浮上させることで実現する。言い換えると、後述するポンプ３０８（送風機）から気体が導入されない状態では、突出部１０９よりも上方の第２領域１２２と第１領域１２１とが間隙を介して連通しており、ポンプ３０８から気体が導入された状態では、当該気体の圧力で突出部１０９が上昇することにより間隙が閉塞されて第１領域１２１と第２領域１２２とが独立する。

これらの機能により、冷却応答性を向上させつつ、冷却フィン１０７とペルチェモジュール１０１との界面との接合強度の信頼性を確保できる。更に、動作状態においては、仕切り板１０４と突出部１０９との間隙がなくなり、気体のリークを抑えることができる。突出部１０９の詳細は後述する。

なお、一例として、筐体１０３の幅（ｘ軸方向の長さ）を１００ｍｍ、高さ（ｙ軸方向の長さ）を６５ｍｍ、奥行き（ｚ軸方向の長さ）を１８０ｍｍとする。また、一例として、冷却フィン１０７の幅を６８ｍｍ、高さを２５ｍｍ、奥行きを１５０ｍｍとし、放熱フィン１１０の寸法を冷却フィン１０７と等しくする。また、一例として、ペルチェモジュール１０１を一辺が４０ｍｍの正方形とし、厚み（ｙ軸方向の長さ）を５ｍｍとする。

なお、ペルチェモジュール１０１に電力を供給する電源線１０２は、初期状態において仕切り板１０４より上側に配置されている。この配置によって、冷却フィン１０７が上下動したときに発生する力で電源線１０２とペルチェモジュール１０１との接合部分に発生する繰り返し応力を抑制でき、信頼性を確保できる。

ここで、図２に、動作状態の模式図、すなわち、冷却フィン１０７が浮上（ｙ軸方向に移動）した状態を示す。冷却フィン１０７が浮上した場合にＡ部に示すように断熱材１０６と電源線１０２が接触しないように突出部１０９の厚さ、仕切り板１０４の位置を設定すると、電源線１０２の断線を防止できる。

ここで、風路１０８を説明するために、図２におけるＢ−Ｂ部の断面図を図３に示す。図３において風路１０８は、流路拡大部３０２、熱交換部３０３、流路縮小部３０４から構成される。流路拡大部３０２によって導入口３０１から導入された気体の速度が減速され、熱交換部３０３を通過する際に速度が遅くなるので冷却フィン１０７で気体を冷却する時間を長くできる。

流路縮小部３０４は、その先に存在する排出口３０５との間をつなぐことで冷却された気体を圧縮する。これにより、気体の圧力が上昇し、この圧力が、冷却フィン１０７を押し上げる力として作用する。この力が冷却フィン１０７を上下させるのに寄与する。

送風機の一例であるポンプ３０８は、配管３０９を介して導入口３０１から、風路１０８に気体を送るための機構である。排出口３０５から、風速が２ｍ／ｓ以上かつ７ｍ／ｓ以下の気体を排出させるように、導入口３０１及び流路拡大部３０２及び熱交換部３０３及び流路縮小部３０４及び排出口３０５の形状、並びに、ポンプ３０８の出力を調節すると、冷却フィン１０７を浮上できることが見出されている。浮上させるのに充分な風圧が冷却フィン１０７に加わるからである。送風機の他の例として、ファンを採用しても良い。

なお、導入口３０１および排出口３０５の内径を一例として５ｍｍとし、流路拡大部３０２と流路縮小部３０４のｚ軸方向の長さを１５ｍｍ、熱交換部３０３のｚ軸方向の長さを１５０ｍｍとする。

ここで、図４に、実施の形態１おける冷風発生装置の変形例を示す。

図４において、突出部１０９と仕切り板１０４の間に断熱材１０６を配置しても良い。ただし、断熱材１０６は、強度が低く、冷却フィン１０７を固定するのに不向きなため、信頼性の観点から突出部１０９と仕切り板１０４の間に断熱材１０６が存在しない方が好適である。

ここで、図５に、実施の形態１における冷風発生装置の他の変形例を示す。図５において、フィン保持部５０１によって冷却フィン１０７が固定される。このようにフィン保持部５０１を形成する場合には冷却フィン１０７の重みによる断熱材１０６の厚みの減少の影響が少なくなるため仕切り板１０４と電源線１０２との間の高さの変動による断線の危険性を減少させることが出来る。

ここで、実施の形態１における突出部１０９の形状について詳述する。図６は突出部１０９の近傍（図１の左側に位置する突出部１０９の近傍）を模式的に示したものである。簡単のため、放熱フィン１１０を省略している。突出部１０９は、その先端（最も筐体１０３側に位置し、かつ、仕切り板１０４側の部位）に、閉塞材６０１が備わる。この閉塞材６０１により、冷却フィン１０７を浮上させ、更に、冷却フィン１０７の位置を固定する。

閉塞材６０１の作用を説明する。風路１０８を流れる気体の一部が閉塞材６０１と仕切り板１０４との間隙６１０に流入する。間隙６１０は、風路１０８に比べて狭小のため、間隙６１０に流入する気体の速度は上昇する。間隙６１０を抜けると、空間が下方（ｙ軸方向）に広がり、この空間の広がりによって気体の回りこみが発生する。これら一連の気体の流れを流線６０３として示す。この流線６０３を流れる気体により浮力発生域６０２で、突出部１０９を浮上させる浮力が発生する。このような浮力が、冷却フィン１０７の両側に設けられた突出部１０９でそれぞれ発生し、その浮力によって冷却フィン１０７が浮上する。こうして、冷却フィン１０７が持ち上がり、更に、突出部１０９の閉塞材６０１が仕切り板１０４と密着（間隙６１０を閉塞）することで、冷却フィン１０７の位置を固定する。

ここで、各構成の詳細を説明する。

突出部１０９の幅（ｘ軸方向の長さ）は冷却フィン１０７の幅の０．１倍以上でなければ充分な浮力を得られない。一方で、突出部１０９の幅を０．３倍よりも長くすると、突出部１０９と冷却フィン１０７との接続部分にかかる力が大きくなり過ぎるため強度不足となる。これらの観点から、突出部１０９の幅は冷却フィン１０７の幅の０．１倍以上０．３倍以下が望ましい。本実施の形態では幅が１０ｍｍの突出部１０９を採用する。

閉塞材６０１は、上記の浮力を効率良く得るために、上側に向かって縮径する形状、具体的には、頂角が仕切り板１０４側に位置する三角形状が好ましい。また、閉塞材６０１の先端から仕切り板１０４までの距離（間隙６１０）は、浮力を得る観点から、１ｍｍ以上１０ｍｍ未満とする。本実施の形態では５ｍｍを採用する。

また、浮力を発生させるのに重要な気体の回り込みを滑らかに発生させるため、三角形状の閉塞材６０１の頂角は６０〜９０度が好ましく、最も滑らかに気体の回り込みを発生し得る９０度が最適であり、本実施の形態でも９０度を採用する。

また、閉塞材６０１は弾性体、具体的にはゴムで形成するのが好ましい。仕切り板１０４との接触時に、弾性体が変形して、より強固に冷却フィン１０７を固定でき、更に、空気のリークを防止できる。

三角形状の閉塞材６０１の斜辺のうち、冷却フィン１０７側の斜辺である減圧発生部６０５の形状は、浮力発生域６０２に対して突形状でなければよく、凹形状が最も望ましい。間隙６１０を抜けた空気の回り込みを加速させてより大きな浮力を発生させるためである。

冷却フィン１０７と突出部１０９は一体形成されていても良い。これにより冷却フィン１０７と突出部１０９との接合の信頼性を確保できる。

係る構成の冷風発生装置１００により、信頼性が高く高効率な冷風発生装置を実現できる。具体的には、従来の冷風発生装置（図７）に比べ、２倍の効率、２倍の寿命を実験的に達成している。

なお、突出部１０９を弾性体で形成することで、動作状態において、突出部１０９自体を変形させて冷却フィン１０７の位置を固定することも可能である。しかしながら冷却フィン１０７を固定する作用が弱いため、突出部１０９はＳＵＳ等の強度の高い材料で、冷却フィン１０７に固定されている状態が最も望ましい。

また、風路１０８の間隔を気体の進行方向に沿って縮径させることで気体の圧力を増大させ、冷却フィン１０７を浮上させる力を増強することも可能である。

本発明の冷風発生装置は、電子クーラーとして様々な用途に応用できる。

１００冷風発生装置
１０１ペルチェモジュール
１０２電源線
１０３筐体
１０４仕切り板
１０５位置決めピン
１０６断熱材
１０７冷却フィン
１０８風路
１０９突出部
１１０放熱フィン
１２１第１領域
１２２第２領域
３０１導入口
３０２流路拡大部
３０３熱交換部
３０４流路縮小部
３０５排出口
３０８ポンプ
３０９配管
５０１フィン保持部
６０１閉塞材
６０２浮力発生域
６０３流線
６０５減圧発生部

Claims

筐体と、
前記筐体内の底部に載置された断熱材と、
冷却フィンと放熱フィンとに挟持され、前記冷却フィンを前記底部に向けて前記筐体内に配置されたペルチェモジュールと、
前記冷却フィンの側面から前記筐体の内壁方向に突出する突出部と、
前記内壁から延出する仕切り板と、
前記突出部よりも下方の第１領域に気体を導入する送風機と、
前記筐体内から前記気体を排出する排出口と、を備え、
前記仕切り板は、前記突出部の上方に間隙を設けて配置される、ことを特徴とする冷風発生装置。
前記送風機から前記気体が導入されない状態では、前記突出部よりも上方の第２領域と前記第１領域とが前記間隙を介して連通しており、前記送風機から前記気体が導入された状態では、当該気体の圧力で前記突出部が上昇することにより前記間隙が閉塞されて前記第１領域と前記第２領域とが独立する、冷風発生装置。
前記突出部の上側に閉塞材が設けられ、
前記送風機から前記気体が導入された状態で、前記間隙が前記閉塞材で閉塞される請求項１又は２に記載の冷風発生装置。
前記閉塞材は、弾性体で構成されている請求項３に記載の冷風発生装置。
前記閉塞材は、前記仕切り板の方向に向かって縮径する形状である請求項３又は４に記載の冷風発生装置。
前記閉塞材は、頂角が９０度の三角形状である請求項５に記載の冷風発生装置。
前記閉塞材と前記仕切り板との距離は１ｍｍ以上かつ１０ｍｍ以下である請求項３〜６のいずれかに記載の冷風発生装置。
前記第１領域における前記気体の進行方向と直交する断面の面積が前記排出口における前記気体の進行方向と直交する断面の面積よりも大である請求項１〜７のいずれかに記載の冷風発生装置。
前記排出口から排出される前記気体の風速が２ｍ／ｓ以上かつ７ｍ／ｓである請求項８に記載の冷風発生装置。
前記送風機から導入される気体の圧力で前記突出部と前記冷却フィンとが一体となって上昇する請求項１〜９のいずれかに記載の冷風発生装置。