JP2011047127A - 窓構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 結露をより抑制することのできる窓構造を提供すること。
【解決手段】 開口部を有する窓枠２５と、窓枠２５の開口部に配置された窓板１２と、窓枠２５に設けられた熱電変換モジュール２０と、熱電変換モジュール２０から出力される電力が供給されかつ窓板１２に設けられた抵抗体１１と、を備え、窓枠２５は、窓板１２の一方面側に露出された第１窓枠部材１５と、窓板の他方面側に露出された第２窓枠部材５とを有し、熱電変換モジュール２０の低温側が第１窓枠部材１５と熱的に接続され、熱電変換モジュールの高温側が第２窓枠部材５と熱的に接続された窓構造。
【選択図】 図１

Description

本発明は、窓構造に関する。

冬季には、室外の気温は低い一方、室内の温度は暖房によって高くなっている。室内の空気中の水分は、室外の冷気によって冷やされた窓板に接すると結露する。結露により窓板に付着した水滴は、窓板や窓枠にカビを発生させる場合がある。

特許文献１には、窓ガラスの周囲を支持する部材の室内側の側面に、ペルチェ素子を配置した窓構造が記載されており、ペルチェ素子を用いて空気を冷却することにより除湿するとともに、ペルチェ素子の廃熱により、窓ガラス近傍のガスを加熱することで、窓ガラスの結露を防ぐことが開示されている。

特開平０８−１２８２８５号公報

しかしながら、従来の窓構造では、窓ガラスの結露を十分に防ぐことができなかった。

そこで、本発明は、結露をより抑制することのできる窓構造を提供することを目的とする。

すなわち本発明は、開口部を有する窓枠と、窓枠の開口部に配置された窓板と、窓枠に設けられた熱電変換モジュールと、熱電変換モジュールから出力される電力が供給されかつ窓板に設けられた抵抗体と、を備え、窓枠は、窓板の一方面側に露出された第１窓枠部材と、窓板の他方面側に露出された第２窓枠部材とを有し、熱電変換モジュールの低温側が第１窓枠部材と熱的に接続され、熱電変換モジュールの高温側が第２窓枠部材と熱的に接続された窓構造を提供する。

本発明に係る窓構造によれば、窓板の一方側と他方側との間に気温の差が生じると、第１窓枠部材と第２窓枠部材との間に温度差が生じ、これにより、熱電変換モジュールが電力を出力する。そして、この電力が抵抗体に供給されることにより、窓板が加熱される。したがって、窓板の表面において、結露が生じることを低減できる。

ここで、本発明に係る窓構造おいて、第１窓枠部材及び第２窓枠部材はそれぞれアルミニウムを主成分とする金属製であることが好ましい。

アルミニウムを主成分とする金属は熱伝導性がよいので、内外の気温差を効率よく利用して熱電変換モジュールが発電して電力を出力することができる。

また、本発明に係る窓構造において、窓板はガラス板であることが好ましい。

ガラスは結露しやすいが、本発明によれば、結露をより効果的に抑制できる。

また、本発明に係る窓構造において、抵抗体は、導電膜であることが好ましい。

抵抗体が導電膜であることにより、透明な抵抗体を得やすい。抵抗体が透明であると、光を通すことができるので窓板の機能を害しにくい。

また、本発明に係る窓構造において、抵抗体は、窓板の他方面上に設けられていることが好ましい。

窓板が有する二つの表面のうち、相対的に温度が高いほうの空気に接することとなる面上に抵抗体が設けられることにより、抵抗体から発せられる熱が空気へ放熱されることを抑制でき、窓板を効率よく加熱することができる。

また、本発明に係る窓構造において、抵抗体が、さらに、第２窓枠部材にも設けられることが好ましい。

これにより、窓板に加え、第２窓枠部材での結露も抑制できる。

本発明によれば、結露をより抑制することのできる窓構造を提供することができる。

図１は、本発明に係る窓構造の好適な実施形態の一例を示す概略図である。 図２は、図１の窓構造の点線Ｉａ−Ｉａに沿った模式断面図である。 図３は、図１の窓構造の点線Ｉｂ−Ｉｂに沿った模式断面図である。 図４は、本発明に係る窓構造の好適な実施形態の他の一例を示す概略図である。 図５は、本発明に係る窓構造の好適な実施形態の他の一例を示す概略図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、各図面の寸法比率は、必ずしも実際の寸法比率とは一致していない。

（第一実施形態）
まず、図１〜３を参照しながら第一実施形態に係る窓構造１について説明する。ここで、図１は窓構造１の一例の正面図、図２は、図１に示す窓構造１の窓枠２５の部分における、点線Ｉａ−Ｉａに沿った模式断面図、図３は、図１の窓構造における、点線Ｉｂ−Ｉｂに沿った模式断面図である。
本実施形態に係る窓構造１は、図１に示すように、開口部２５ａを有する窓枠２５と、窓枠２５の開口部２５ａに配置された窓板１２と、窓枠２５に設けられた熱電変換モジュール２０と、熱電変換モジュール２０から出力される電力が供給されかつ窓板１２に設けられた抵抗体１１とを備える。

（窓枠）
窓枠２５は、図１及び図３に示すように、矩形枠状の第１窓枠部材１５及び第２窓枠部材５を備え、これらがネジ等の固定部材３０により互いに対向するように固定されている。
第１窓枠部材１５は、窓板１２の一方面側（本実施形態では低温環境側、図３の下側）に露出するように配置され、第２窓枠部材５は、窓板１２の他方面側（本実施形態では高温環境側、図３の上側）に露出するように配置されている。ここで、第１及び第２窓枠部材１５，５の材質は特に限定されず、アルミニウムを主成分とする金属等の種々の金属材料、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル、ポリエチレンテレフタレート、フッ素樹脂、ウレタン樹脂等の種々の樹脂材料、あるいは各種木材等を使用できる。

（窓板）
窓板１２は、窓枠２５の開口部２５ａを塞ぐように配置されている。窓板１２の材質としては、アクリル樹脂、ガラス等が挙げられる。特に、ガラスは比較的熱伝導性が高く結露しやすいが、本実施形態に係る発明によれば、窓板１２がガラス板であっても、結露を効果的に抑制できる。なお、窓板１２は、透明でなくてもよい。また、窓板は、複数の板を重ねたものでもよい。

窓板１２は、図３に示すように、例えば樹脂製のパッキン１４を介して、第１窓枠部材１５及び第２窓枠部材５の間に挟まれ、第１窓枠部材１５及び第２窓枠部材５を貫通固定するねじ３０により窓枠２５と固定されている。

（抵抗体）
抵抗体１１は、図１に示すように、窓板１２の表面に配置されている。抵抗体１１としては、導電膜から形成された回路を好適に用いることができる。導電膜から形成された回路は、例えばスパッタリング法、ＣＶＤ法、めっき法等により形成できる。例えば、厚さ
０．１μｍ〜０．５μｍ程度、幅０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度の導電膜はほぼ透明であり、抵抗体１１がこのような導電膜により形成されていると光を通すことができ、窓板の機能を害しにくいため好ましい。導電膜の材料としては、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍｕ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、酸化スズ等の酸化スズ系材料、ＧＺＯ（Ｇａｌｌｉｕｍ ＺｉｎｃＯｘｉｄｅ)、ＡＺＯ（Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ)等の酸化亜鉛系材料等等を用いることができる。導電膜の回路の形状は特に限定されず、渦巻状、蛇行状、直線状等が挙げられる。図１では、蛇行状である。この抵抗体１１には、リード１３を介して、後述する熱電変換モジュール２０から電力が供給される。なお、抵抗体１１としては、導電膜から形成された回路には限定されず、ニクロム線等の抵抗線を貼り付けてもよい。

抵抗体１１の窓板１２上における配置場所は特に限定されないが、抵抗体１１から発生する熱により、窓板１２の結露を十分に防ぐことができるようにする観点から、抵抗体１１は、図１に示すように、窓板１２の表面全体にわたって形成されていることが好ましい。また、抵抗体は、窓板１２の両表面のうち、高温環境とされる側、すなわち、本実施形態では、窓板１２の上面（第２窓枠部材５が配置される側の面、図３参照）に形成されることが好ましい。これにより、抵抗体１１の熱が外部へ放出されることを抑制でき、窓板を効率よく加熱することができる。

（熱電変換モジュール）
熱電変換モジュール２０は、図３に示すように、窓枠２５の第１窓枠部材１５及び第２窓枠部材５の間に挟持され、図１に示すように窓板１２をとりかこむように配置されている。本実施形態では、図２、図３に示すように、熱電変換モジュール２０の低温側である第１の基板１７が第１窓枠部材１５と接触することによりこれらが互いに熱的に接続され、熱電変換モジュール２０の高温側である第２の基板７が第２窓枠部材５と接触することによりこれらが互いに熱的に接続されている。

熱電変換モジュール２０は、図２に示すように、第１の基板１７と第２の基板７との間に直列に接続された複数の熱電変換素子１０を有するものである。

熱電変換モジュール２０は、第１の基板１７、第１の電極１８、熱電変換素子１０としてのｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４、第２の電極８、及び第２の基板７を備える。ｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４は、第１の基板１７及び第２の基板７間に交互に並んで配置されると共に、これらの両面が対応する第１の電極１８及び第２の電極８の表面に対して、全体として電気的に直列に接続されている。

第１の基板１７は、例えば矩形状をなし、電気的絶縁性で、かつ熱伝導性を有し、複数の熱電変換素子１０の一端を覆うものである。この第１の基板の材料としては、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、マグネシア、炭化珪素、ジルコニア、ムライト等が挙げられる。

第１の電極１８は、第１の基板１７上に設けられ、互いに隣接する熱電変換素子１０の一端面同士を電気的に接続するものである。この第１の電極１８は、第１の基板１７上の所定位置に、例えば、スパッタや蒸着等の薄膜技術、スクリーン印刷、めっき、溶射等の方法を用いて形成することができる。また、所定形状の金属板等を例えば、はんだ、ロウ付け等で第１の基板１７上に接合させてもよい。第１の電極１８の材料としては、導電性を有するものであれば特に制限されないが、電極の耐熱性、耐食性、熱電変換素子への接着性を向上させる観点から、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、モリブデン、銀、パラジウム、金、タングステン及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を主成分として含む金属が好ましい。ここで、主成分とは、電極材料中に５０体積％以上含有されている成分を言う。

第２の基板７は、例えば矩形状をなし、熱電変換素子１０の他端側を覆うものである。また、第２の基板７は、第１の基板１７と平行に対向配置されている。第２の基板７は、第１の基板１７と同様に、電気的絶縁性で、かつ熱伝導性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、マグネシア、炭化珪素、ジルコニア、ムライト等の材料を用いることができる。

第２の電極８は、互いに隣接する熱電変換素子１０の他端面同士を電気的に接続するものであり、第２の基板７の下面に、例えば、スパッタや蒸着等の薄膜技術、スクリーン印刷、めっき、溶射等の方法を用いて形成することができる。そして、この第２の電極８と、熱電変換素子１０の下端面側に設けられた第１の電極１８とにより、熱電変換素子１０は電気的に直列に接続されている。

熱電変換素子１０には、ｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４の２種類が存在する。各熱電変換素子１０を構成する材料は、ｐ型半導体又はｎ型半導体の性質を有するものであれば特に限定されず、金属、金属酸化物等の種々の材料を用いることができる。

ここで、ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子の材料として、下記の材料が挙げられる。

例えば、ｐ型の材料としては、Ｎａ_ｘＣｏＯ_２（０＜ｘ＜１）、Ｃａ_３Ｃｏ_４Ｏ_９等の金属複合酸化物、ＭｎＳｉ_１．７３、Ｆｅ_１−ｘＭｎ_ｘＳｉ_２、Ｓｉ_０．８Ｇｅ_０．２：Ｂ（ＢドープＳｉ_０．８Ｇｅ_０．２）、β−ＦｅＳｉ_２等のシリサイド、ＣｏＳｂ_３、ＦｅＳｂ_３、ＲＦｅ_３ＣｏＳｂ_１２（ＲはＬａ、Ｃｅ又はＹｂを示す）等のスクッテルダイト、ＰｂＴｅＳｂ、Ｂｉ_２Ｔｅ_３、ＰｂＴｅ、Ｓｂ_２Ｔｅ_３等のＴｅを含む合金、Ｂｉ_２−ｘＳｂ_ｘＴｂ_３（０＜ｘ＜２）、Ｚｎ_４Ｓｂ_３等が挙げられる。

また、ｎ型の材料としては、例えば、ＳｒＴｉＯ_３、Ｚｎ_１−ｘＡｌ_ｘＯ、ＣａＭｎＯ_３、ＬａＮｉＯ_３、ＢａＴｉＯ_３、Ｔｉ_１−ｘＮｂ_ｘＯ等の金属複合酸化物、Ｍｇ_２Ｓｉ、Ｆｅ_１−ｘＣｏ_ｘＳｉ_２、Ｓｉ_０．８Ｇｅ_０．２：Ｐ（ＰドープＳｉ_０．８Ｇｅ_０．２）、β−ＦｅＳｉ_２等のシリサイド、ＣｏＳｂ_３等のスクッテルダイト、Ｂａ_８Ａｌ_１２Ｓｉ_３０、Ｂａ_８Ａｌ_ｘＳｉ_４６―ｘ、Ｂａ_８Ａｌ_１２Ｇｅ_３０、Ｂａ_８Ａｌ_ｘＧｅ_４６−ｘ等のクラスレート化合物、ＣａＢ_６、ＳｒＢ_６、ＢａＢ_６、ＣｅＢ_６等のホウ素化合物、Ｂｉ_２Ｔｅ_３−ｘＳｅ_ｘ（０＜ｘ＜０．１）、ＰｂＴｅＳｂ、Ｂｉ_２Ｔｅ_３、Ｓｂ_２Ｔｅ_３、ＰｂＴｅ等のＴｅを含む合金、Ｚｎ_４Ｓｂ_３等が挙げられる。

熱電変換モジュールを室温以上７０℃以下で使用する頻度が高いことを考慮すると、発電効率の観点から、ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子は、上記材料の中でもＢｉ_２Ｔｅ_３等のＴｅを含む合金が好ましい。また、その中でも、ｐ型の材料としてはＢｉ_２−ｘＳｂ_ｘＴｂ_３（０＜ｘ＜２）が好ましく、ｎ型の材料としてはＢｉ_２Ｔｅ_３−ｘＳｅ_ｘ（０＜ｘ＜０．１）が好ましい。

熱電変換素子１０と第１の電極１８及び第２の電極８との間には、接合材９が設けられている。接合材９は、熱電変換素子１０と、第１の電極１８及び第２の電極８とをそれぞれ接合し、複数の熱電変換素子１０を電気的に直列に接続する。接合材９としては、例えば、ＡｕＳｂ、ＰｂＳｂ系のはんだや銀ペースト等が挙げられる。この接合材は、熱電変換モジュールとしての使用時に固体であるものが好ましい。

このような複数の熱電変換モジュール２０は、図示しない電極やリード等により互いに直列に接続されている。そして、直列に接続された熱電変換モジュール２０は、抵抗体１１の両端とリード１３により電気的に接続され、熱電変換モジュール２０で発生した電力が抵抗体１１に供給されるようになっている。なお、本実施形態では、複数の熱電変換モジュールを用いているが、熱電変換モジュール２０が１つでも構わない。

本実施形態によれば、例えば冬季等、窓構造１の窓板１２の上側（例えば室内）の気温が高温となり、下側（例えば、屋外）の気温が低温となり、これらの間に温度差が生じた場合、第１窓枠部材１５と第２窓枠部材５との間に温度差が生じ、これらと熱的に接続された熱電変換モジュール２０が温度差に応じた電力を発生する。そして、この電力が抵抗体１１に供給され、抵抗体１１が発熱することにより、窓板１２が加熱される。このような窓構造１によれば、窓板１２よりも上側の暖かい空気が窓板１２に接触する際に、窓板１２の上側の表面において結露が生じることを抑制することができる。

特に、第１窓枠部材１５及び第２窓枠部材５がアルミニウムを主成分とする金属等の金属製であると、熱伝導性が高いために内外の気温差を効率よく利用して熱電変換モジュールで発電でき、結露防止の効果が非常に高い。

そして、本実施形態によれば、外部からの電力も必要とせず、蓄電も必要なく、さらに、内外での温度差が高くなったときほど、抵抗体の発熱量が大きくなるため、昼夜を問わず必要なときに効率よく窓板の結露の抑制が可能である。さらに、外部との配線も必要としないため、このような窓構造の設置や、このような窓構造を開閉自在とすることも容易に行うことができる。

（第二実施形態）
続いて、図４を参照し、第二実施形態に係る窓構造４０について説明する。第２実施形態に係る窓構造４０は、抵抗体１１が窓板１２の表面において窓枠２５に沿う部分のみに配置されているものである。窓枠２５付近の窓板１２には水滴が付着し易く、本実施形態に係る窓構造によれば、窓枠２５付近の窓板１２が選択的に加熱されることにより、窓板１２の結露を効果的に防ぐことができる。また、窓板１２の中央部分には抵抗体１１がないので、抵抗体１１が不透明等の場合であっても視界をさえぎり難い。

また、例えば、窓枠の材質の主成分がアルミニウムであると、アルミニウムの熱伝導性が高いため、窓枠２５付近の窓板１２に水滴が付着しやすい。本実施形態に係る窓構造によれば、窓枠２５付近の窓板１２が選択的に加熱されることにより、窓板１２の結露を一層効果的に防ぐことができる。

（第三実施形態）
続いて、図５を参照し、第三実施形態に係る窓構造５０について説明する。第三実施形態に係る窓構造５０は、第一実施形態に係る窓構造において、抵抗体１１が、さらに、第２窓枠部材５上にも設けられたものである。これにより、窓板１２に加え、第２窓枠部材５での結露も抑制することができる。

第３実施形態においては、熱電変換モジュール２０に対して、窓板１２の表面に設けられた抵抗体１１と、第２窓枠部材に設けられた抵抗体１１とが直列に接続しているが、並列に接続してもよい。

以上、本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、抵抗体１１が、窓板１２の上面（第２窓枠部材５が配置される側の面、図３参照）と、第２窓枠部材５の表面とに配置されている窓構造について説明したが、抵抗体１１は、窓板１２の内部、窓板１２の下面（第１窓枠部材１５が配置される側の面、図３参照）、第２窓枠部材５の内部、或いは第１窓枠部材１５の表面又は内部に配置されていても本発明は実施可能である。

また、上記実施形態では、熱電変換モジュール２０の低温側の端部と、高温側の端部とが、それぞれ、第１窓枠部材１５、第２窓枠部材５のそれぞれと直接接触しているが、これらが熱伝導性のある他の部材を介して熱的に接続されていてもよい。

また、上記実施形態では、第１窓枠部材１５と第２窓枠部材５とが別々に形成されているが、これらは一体に形成されていてもよい。また、第１窓枠部材１５や第２窓枠部材５は、それぞれ窓板１２の一方面、他方面側に露出していれば、形態は何ら限定されず、さらに、窓板と窓枠との固定方法も特に限定されない。

また、熱電変換モジュールの形態も特に限定されない。例えば、図１〜３に示すような熱電変換モジュール１における互いに対向する１対の基板７、１７がなく、代わりに、複数の熱電変換素子１０の間に介在し各熱電変換素子１０の高さ方向の中央部を取り囲むように保持して各々の熱電変換素子を適切な位置に固定するための支持枠を備える、いわゆるスケルトン型の熱電変換モジュール２０であっても構わない。この場合、熱電変換モジュールの低温側、高温側は、電極１８、８となる。ここで、各窓枠部材が導電性材料である場合には、短絡を防ぐべく窓枠部材と電極との間に絶縁膜を介在させることが好ましい。

また、窓構造は、開閉式とされても、嵌め殺し式とされても構わない。

１、４０、５０…窓構造、３、４、１０…熱電変換素子、５…第２窓枠部材、１１…抵抗体、１２…窓板、１５…第１窓枠部材、２０…熱電変換モジュール、２５…窓枠。

Claims (6)

1. 開口部を有する窓枠と、前記窓枠の開口部に配置された窓板と、前記窓枠に設けられた熱電変換モジュールと、前記熱電変換モジュールから出力される電力が供給されかつ前記窓板に設けられた抵抗体と、を備え、
   前記窓枠は、前記窓板の一方面側に露出された第１窓枠部材と、前記窓板の他方面側に露出された第２窓枠部材とを有し、
   前記熱電変換モジュールの低温側が前記第１窓枠部材と熱的に接続され、前記熱電変換モジュールの高温側が前記第２窓枠部材と熱的に接続された窓構造。
2. 前記第１窓枠部材及び第２窓枠部材はそれぞれアルミニウムを主成分とする金属製である請求項１記載の窓構造。
3. 前記窓板はガラス板である、請求項１又は２記載の窓構造。
4. 前記抵抗体は、導電膜である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の窓構造。
5. 前記抵抗体は、窓板の前記他方面上に設けられた、請求項１〜４のいずれか一項に記載の窓構造。
6. 抵抗体が、さらに、前記第２窓枠部材にも設けられた、請求項１〜５の何れか一項に記載の窓構造。

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