JP2014105988A - ヒートパイプを用いた住宅の空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地中熱を利用した従来の送風形地中熱交換器は、地中の湿気や粉塵などをそのまま室内にとりこんでしまうため、それらを除去する対策が必要となる。また、従来の冷風扇機の場合、室内に湿気をとりこむので運転中に相対湿度が高くなり、水が蒸発できなくなって冷風感が消滅する。また室内に蒸発した水の湿気をとりこむことになるため、室内のカビや雑菌の発生のもととなり不衛生である。
【解決手段】ヒートパイプを用いて、地中熱を採熱することによる室内冷房あるいは水の蒸発熱を利用した室内冷却をおこなうことにより、汚れた外気や湿気が室内に導入することがなく、衛生的な空調を行うことができる。
【選択図】図５

Description

この発明は住宅の冷暖房に関し、詳細にはヒートパイプを用いて地中熱あるいは滴下水の蒸発熱によって室内の空気をそれぞれ加熱あるいは冷却をおこない、光熱費を低減する省エネルギー形空調装置を提供する。

現在、住宅の暖房に利用されている主なものとして石油、ガス、電気を用いたストーブ、冷房に利用されているものではエアコンが挙げられる。

石油およびガスを燃料とするストーブの場合は燃料費が比較的安価で大きな発熱量が得られる。エアコンの場合は電気を用いたストーブに比べて暖房能力に対する投入電気エネルギーの割合を小さくでき、１台のみで冷房と暖房が可能で、冷暖房の切り替えが容易であることが挙げられるが、屋外機を設置する必要があり、所要の設置スペースを必要とする。ところで、これらの冷暖房装置は、いずれも多くのエネルギーを消費するので、自然熱源として地中熱を利用した空調機構や、水の蒸発熱を利用して空気を冷却する冷風扇機と称する冷房装置などの省エネルギー型のものも使用されている。

従来例１
地中熱交換器を利用した空調機構の例を図１に示す。これは先端が封止され、他端が開放された外管に、両端が開放された内管を遊嵌せしめた二重管構造からなる地中熱交換器であって、上記外管の先端を下にして地下に埋入したものであって、上記外管および内管の隙間に空気（外気）を流して地熱と熱交換させた後、空気を上記外管の底に貯留させた水に衝突させて、空気中の粉塵や化学物質を除去した後、上記内管の中を通って空気をＵターンさせる機構の地中熱交換器を利用した空調機構である。

従来例２
また、図２に、従来の水蒸発冷却を利用した冷風扇機の構造を示す。この装置は、冷風扇機本体内にある水フィルタの下部が底部に収納された水タンク内に入り込み、上記フィルタがエンドレスベルト状で複数の軸に巻きかけられて上下に移動するようになっており、水にぬれた上記フィルタ面を通過するように室内空気を送風する送風手段を有する冷風扇機である。この冷風扇機は、ファンによって空気取入口から空気が取り込まれ、水フィルタを通過するとフィルタ中に含まれている水が蒸発し、フィルタ面が蒸発熱を奪われて冷却され、このフィルタ面を通過した空気が冷却されることにより室内の冷房をおこなうものである。

特開２００７−３０３６９３号公報 実開平２−１０３６１２号公報

上記従来例１の空調機構では、外気を熱交換器の下部に滞留させた水に衝突させることにより、外気中の花粉や黄砂などの粉塵やシックハウス症候群の原因となる揮発性有機化合物を除去して室内に導入する空調機構であり、従来例２は水を含むフィルタに空気を通過させて室内の冷房を行うものであるが、いずれも室内に湿気を含んだ空気をとりこむため、室内の湿度が上昇してカビや雑菌の発生原因となり、室内の衛生環境が悪化するという問題点がある。

上記従来例２の冷風扇機では水フィルタを通過した空気は水分を多く含むので、冷風扇機の運転に伴い、室内空気の湿度が上昇し、この室内空気が再度水フィルタを通過する際の水の蒸発量が低下してゆくため、冷風感が消滅してゆき、冷房能力が徐々に低下してくるという問題点がある。

発明の目的

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものである。また、この発明では、熱輸送のための動力源が不要なヒートパイプを用いることで電力量を低減させて省エネ化をはかる空調機構を得ることを目的としている。

課題を解決するための手段

ヒートパイプを用いた暖房方式を図３に示す。これはヒートパイプの片側（下部側）を地中に埋設し、反対側（上部側）を住宅の壁内に、あるいは壁面に沿わせて取り付けたものである。一般に、地中数メートル以下では地中温度は年間ほぼ一定であり、およそその地区の年間平均温度に等しくなる。したがって、冬季には地中温度が外気温度より高くなるので、ヒートパイプにより地中熱を室内の空気に熱輸送させることで、室内の暖房が可能となる。

ヒートパイプを用いた冷房方式を図４に示す。これはヒートパイプの片側を室外側に設置し、住宅の壁面を貫通して反対側を室内側に設置したものであり、室外側のヒートパイプ表面に所定量の水を滴下し、室外空気を通風してヒートパイプ表面に付着した水を蒸発させる。この蒸発熱によりヒートパイプ表面温度が低くなるので、室内側のヒートパイプ部分に室内空気を通風させることで、室内の冷房が可能となる。

発明の効果

従来例１との比較
従来例１に示される地熱利用送風形は外気の湿気や、地中の湿気をそのまま室内にとりこんでしまう。また、十分にとりきれない外気中の粉塵や化学物質が室内に直接導入されることになる。本発明によるヒートパイプ式では地下の熱だけを直接室内に導入できるので、外気の汚れや湿気を直接室内にとり入れることがなく衛生的である。
また、従来例１では地中からの採熱が空気を介して行われるので、地下土壌から空気への熱伝達率が低い。このため、地下土壌の保有する熱を効率よく取り出すには、伝熱面積を確保するために比較的大きな直径（３００ｍｍ程度）の孔を掘削して外気を送風させる必要があるので、大きな掘削スペースを必要とする。これに対して、本発明では、ヒートパイプを直接地中に埋設して土壌が直接ヒートパイプ表面に接触するようにするので、小径の孔（数十ｍｍ程度）を掘削してヒートパイプを挿入することで地中の熱を効率よく採熱することが可能になり、掘削スペースを小さくできる。
また、従来例１は外気を地中に導入して地中熱で加熱する方式であるので、外気温が低い場合は外気を室内空気まで温度上昇させる分だけ室内暖房に利用できる熱エネルギーが奪われるので、地中からの採熱量に比べて室内の暖房に使用できる熱量が低くなる。これに対して、本発明では、地中熱を直接室内に導入するので、地中熱を室内の暖房用熱エネルギーにそのまま利用でき、暖房に対する熱エネルギーの利用効率が大幅に向上する。

従来例２との比較
従来例２に示す冷風扇機（水の蒸発熱を利用した冷房機）の場合は、室内に湿気がとりこまれるため運転を続けるとともに室内の湿気が上昇して水が蒸発しなくなり、冷却能力が低下して冷風感が消滅してゆく。
また、室内に湿気がとりこまれるため、カビや雑菌の発生の原因となるが、本発明のヒートパイプ式では、壁面部分で室外部と室内部が仕切られており、蒸発は室外部分のみで行われるので、蒸発した水分が室内にとりこまれることなく室内が連続的に冷却される。したがって室内の湿度上昇に伴う冷風感の消滅がなく、室内を衛生的に冷却することができる。

実施の形態１（暖房）
以下、この発明の実施の形態１を図３に基づいて説明する。図において１は住宅で住宅１の壁２の内部にヒートパイプ４の上部側が配置され、下部側が地下土壌３に埋設されている。簡単のため、図３ではヒートパイプ４を１本で示しているが、一般には複数本のヒートパイプが壁２に沿って地中３に埋設される。５は作動液、６は蒸気、７は凝縮液、８は地中からヒートパイプに流入する熱流を示している。１２はヒートパイプ４の上部側に設けられたフィンで、このフィン１２に流入する入口空気９はフィン１２によって加熱されて出口空気１０となり、ファン１３によって室内を循環する。

次に動作について説明する。上記のように構成された実施の形態１において地下土壌３に埋設されたヒートパイプ４は地下土壌３により加熱されるとヒートパイプ内部に充填された作動液５が蒸発し、蒸気６となって上部側に移動する。この上部側でファン１３により導入される室内空気９により冷却されると、蒸気６は凝縮液化し、凝縮潜熱をヒートパイプに装着されたフィン１２を経由して室内空気９に放出して室内空気９を加熱する。
凝縮液化した作動液７はもとの加熱部 （地中部）に還流し、これらの動作をくりかえして地中熱が連続的に室内に輸送される。

なお、この図ではヒートパイプ３は壁２の内部に設置された例を示しているが、ヒートパイプ３は壁２の外側で壁面に沿って配置されていても良く、上部側が室内に、下部側が地中に配置されていれば良い。また、上記実施例では、ヒートパイプ３の上部側にファン１３を設けたものについて示したが、フィン１２から自然対流により室内空気９を加熱するようにフィンを設計することで、ファン１３を省略した構成としても良い。

上記の実施例において、地下土壌温度が室内空気温度より低い場合には、地下土壌から室内空気に熱輸送されるが、室内の所定暖房熱負荷に対して十分な土壌の熱容量を確保するため、ヒートパイプはある程度の深さに埋設しておくことが必要で、通常は地下１０ｍ程度の深さに埋設される。ヒートパイプと地下に掘削された穴との間の隙間は、土壌で埋め戻すことにより、ヒートパイプと地下土壌面とが直接接触し、熱伝導性を高められるので、ヒートパイプの直径は数十ミリ程度のもので良く、地中掘削する場合コストも比較的安価となる。

このように、地中熱を熱源としているので、室温を地中温度より高く保つような暖房は行えないが、冬季において夜間睡眠時および明け方など、暖房用器具を使用することが少ない時間帯で室内温度が極端に低下しないようなソフトな暖房を行うことができる。このように、夜間の省エネを計りながら、睡眠時および起床時のヒートショックを抑えることができるという利点を有する。

実施の形態２（冷房）
次に冷房の場合を、図４に基づいて説明する。図において住宅の壁２を貫通してヒートパイプ４を室内側が下になるように傾斜をつけて設置している。５は作動液、６は蒸気、７は凝縮液、９はヒートパイプ４の室内側に設けられたフィン１２に流入する入口空気、１０はフィン１２により冷却されて室内側に流出する出口空気、１１はヒートパイプ４の室外側の表面に滴下される水、１３は室内空気をヒートパイプ４のフィン１２に送風するための内部ファン、１４はヒートパイプ４の外表面に滴下された水１１を効率よく蒸発させるための外部ファンを示す。

次に動作について説明する。上記のように構成された実施の形態２において室内の熱により、４のヒートパイプが加熱されるとヒートパイプ内部に充填された作動液５が蒸発して蒸気６が発生し、ヒートパイプの他端側すなわち壁の外側へと移動する。この外部側においてヒートパイプ４の外表面には滴下装置（図示せず）により水１１が所定量滴下される。これによりパイプ４の外表面には水１１の薄膜が形成され、この水膜はファン１４の通風によって蒸発し、このときにヒートパイプ４の外表面から蒸発熱を奪ってヒートパイプ４を冷却するので、ヒートパイプ内部の蒸気６は凝縮液化して凝縮液７となり、元の室内側に戻り、再び蒸発する。このようにして室内の熱を室外に放出して室内を冷却する。

従来例１を示す縦断面図である。 従来例２を示す縦断面図である。 この発明の実施の形態１を示す縦断面図である。 この発明の実施の形態２を示す縦断面図である。 実施の形態１と実施の形態２を組み合わせた形態を示す縦断面図である。

１ 住宅
２ 壁
３ 地面
４ ヒートパイプ
５ 作動液
６ 蒸気
７ 凝縮液
８ 地中熱
９ 入口空気
１０ 出口空気
１１ ヒートパイプに滴下される水
１２ フィン
１３ 室内用ファン
１４ 室外用ファン
（図５においてａは暖房、ｂは冷房を表す）

Claims (3)

1. 地中熱を熱源とし、ヒートパイプの下部側を地中に、上部側を住宅の壁面内あるいは壁面に沿わせて配置して住宅の室内を暖房することを特徴とする空調装置
2. ヒートパイプの一端側を外部に、他端側を室内側に配置して、外部に配置されたヒートパイプ表面に水の滴下機構を設け、水滴の蒸発熱を利用して住宅の室内を冷房する空調装置
3. 前期請求項１および請求項２の暖房装置および冷房装置を備えたることを特徴とする空調装置

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