JP2014073200A - 冷却装置及び冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで携帯性に優れ、低コストで実現可能な携帯型冷却装置を提供する。
【解決手段】本発明は、熱伝導性を有する板状部材と、前記板状部材の表面と接するように設けられた板状の素子であって、電流を流すことによって一方の面が吸熱し他方の面が発熱する素子と、前記素子の前記板状部材と対向する面と反対側の面に接するように設けられた放熱部と、前記放熱部の前記素子と接する面と反対側に設けられ、前記放熱部に対して送風を行う送風部と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷却装置及び冷却方法に関する。

空調設備等の無い環境下で活動する人間（作業者）の体温を適当に調整するため、作業者毎に個別に用いられる携帯型の冷暖房装置がある。特に、近年では、高温の室内や炎天下で作業を行なう際に作業者が熱中症になるのを防止するための携帯型冷却装置が注目されている。

例えば特許文献１には、密閉された容器内で循環路中を循環する液媒体に対してペルチェ素子を用いて放熱あるいは吸熱を行ない、当該液媒体を利用して熱交換を行なうことで体温を調節する局部冷暖房装置が記載されている。

特開２００６−６１４４０号公報

特許文献１に記載の局部冷暖房装置では、循環する液媒体の温度を制御することによって、所望の温度にて冷房効果（暖房効果）を持続させることができる。しかし、このような局部冷暖房装置では、液媒体を循環させるために循環装置や循環路を設ける必要があるため、装置をコンパクトに構成することが難しく、作業者にとって携帯性の面で問題があった。また、液媒体を循環させるための構成等が複雑になりやすく、十分な性能を有する局部冷暖房装置を低コストで実現することが難しかった。

本発明は、コンパクトで携帯性に優れ、低コストで実現可能な携帯型冷却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の主たる発明は、熱伝導性を有する板状部材と、前記板状部材の表面と接するように設けられた板状の素子であって、電流を流すことによって一方の面が吸熱し他方の面が発熱する素子と、前記素子の前記板状部材と対向する面と反対側の面に接するように設けられた放熱部と、前記放熱部の前記素子と接する面と反対側に設けられ、前記放熱部に対して送風を行う送風部と、を備えることを特徴とする冷却装置である。

本発明の他の特徴については、後述する明細書及び図面の記載により明らかにする。

本発明によれば、コンパクトで携帯性に優れ、低コストで実現可能な携帯型冷却装置を実現することができる。

第１実施形態の冷却装置１の全体形状を表す斜視図である。 第１実施形態の冷却装置１の分解状態を表す斜視図である。 冷却装置１を身体に装着した際の状態について説明する図である。 図４Ａは、冷却装置１を表面側から見た場合の平面図である。図４Ｂは、冷却装置１を裏面側から見た場合の平面図である。 冷却装置１における熱電素子２０の配置を説明する図である。 冷却装置１を動作させたときの熱の流れについて説明する図である。 比較例の冷却装置５について説明する図である。 第２実施形態の冷却装置１の概略図である。 第３実施形態の冷却装置１の概略図である。 第３実施形態の冷却装置１について放熱部３０の配置と送風部４０による空気の流れについて説明する図である。 第３実施形態の変形例における冷却装置１の概略図である。 第３実施形態の変形例の冷却装置１について放熱部３０の配置と送風部４０による空気の流れについて説明する図である。 第４実施形態の変形例における冷却装置１の概略図である。 第５実施形態の冷却装置１の概略図である。 第６実施形態の冷却装置１の概略図である。 第６実施形態の冷却装置１において、放熱部３０と送風部４０とが一体的に構成された場合の例について示す図である。

後述する明細書及び図面の記載から、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

熱伝導性を有する板状部材と、前記板状部材の表面と接するように設けられた板状の素子であって、電流を流すことによって一方の面が吸熱し他方の面が発熱する素子と、前記素子の前記板状部材と対向する面と反対側の面に接するように設けられた放熱部と、前記放熱部の前記素子と接する面と反対側に設けられ、前記放熱部に対して送風を行う送風部と、を備えることを特徴とする冷却装置。
これにより、コンパクトで携帯性に優れ、低コストで実現可能な携帯型冷却装置を提供することができる。

かかる冷却装置であって、前記素子及び前記放熱部をそれぞれ複数備え、複数の前記放熱部にまたがるようにして前記送風部が配置され、前記送風部が複数の前記放熱部に対して送風を行なうことが望ましい。
このような冷却装置によれば、効率よく冷却を行なうことができる。

かかる冷却装置であって、前記放熱部の前記素子と接する面と反対側に複数の放熱フィンが並列に設けられ、前記複数の放熱フィンが並ぶ方向が前記送風部を中心とした放射方向となるように、前記放熱部が設けられることが望ましい。
このような冷却装置によれば、送風部から送風される空気がスムーズに流れやすくなり、放熱効率を高くすることができる。

かかる冷却装置であって、４つの前記放熱部が前記板状部材の表面と接するように十字型に配置され、４つの前記放熱部の中心の位置に前記放熱部が配置されることが望ましい。
このような冷却装置によれば、効率よく冷却を行なうことができる。

かかる冷却装置であって、４つの前記放熱部が前記板状部材の表面と接するように十字型に配置され、４つの前記放熱部の中心の位置に前記放熱部が配置されることが望ましい。
このような冷却装置によれば、より効率よく冷却を行なうことができる。

かかる冷却装置であって、記素子と前記放熱部と前記送風部との組が少なくとも１つ以上設けられ、前記送風部が同じ組に属する前記放熱部に対して送風を行なうことが望ましい。
このような冷却装置によれば、送風部と放熱部とが１対１で対応するため、より確実に放熱を行いやすくなり、安全性が高くなる。

かかる冷却装置であって、前記素子と前記放熱部と前記送風部との組が少なくとも１つ以上設けられた矩形状の前記板状部材を複数有し、矩形状の前記板状部材の外縁部のうち少なくとも一辺が、他の前記板状部材の外縁部と所定の間隔を有するように接続され、矩形状の前記板状部材の外縁部のうち他の前記板状部材の外縁部と接続されない部分は、前記板状部材の外縁部と他の前記板状部材の外縁部との間に前記間隔よりも広い間隔を有することが望ましい。
このような冷却装置によれば、冷却対象物（例えば人間の身体）が動く場合であっても、その動きに追随して複数の板状部材がそれぞれ動き、当該冷却対象物との接触面積を大きく保つことができる。したがって、冷却効率をより高くすることができる。

＝＝＝第１実施形態＝＝＝
＜冷却装置の概要＞
はじめに、本実施形態の冷却装置の概要について説明する。図１は、第１実施形態の冷却装置１の全体形状を表す斜視図である。図２は、第１実施形態の冷却装置１の分解状態を表す斜視図である。図３は、冷却装置１を身体に装着した際の状態について説明する図である。また、説明のため、図１に示すような座標軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を設定する。

冷却装置１は背中に装着することで、装着した人（以下、使用者とも呼ぶ）の背中を冷却する装置である。冷却装置１は板状部材１０と、熱電素子２０（図２参照）と、放熱部３０と、送風部４０と、電源６０（図３参照）とを備える。各部の機能及び構成については後で説明するが、本実施形態の冷却装置１では、熱電素子２０及び放熱部３０をＸ軸及びＹ軸方向にそれぞれ２つずつ有する。言い換えると、４組の熱電素子２０及び放熱部３０が十字型に配置される。そして、板状部材１０と熱電素子２０と放熱部３０と送風部４０とがＺ軸方向に積層状に構成される。

冷却装置１を背中に装着する際には、カバー２及び装着ベルト３が用いられる。カバー２は冷却装置１全体を覆う外装であり、板状部材１０に取り付けられ固定される。冷却装置１の全体をカバー２によって覆うことにより、使用者が放熱部３０等の発熱部位に直接触れることを抑制する。また、図２に示されるようにカバー２には通気孔２ｈａ及び２ｈｂが設けられる。通気孔２ｈａはカバー２の外部の空気を内部に取り込むための吸気孔であり、通気孔２ｈｂはカバー２の内部の空気を外部に放出するためのスリット状の排気孔である。冷却装置１を使用する際の空気の流れ（カバー２の内部における気体の流れ）については後で説明する。なお、各通気孔の形状は図の例に限られるものではない。

ベルト３は板状部材１０のベルト取付溝１２に取り付けられ、不図示の長さ調節機構を有する。使用者が冷却装置１を背中に装着する際には、図３のようにベルト３を肩にかけ、ベルトの長さを調節することで、冷却装置１の板状部材１０を背中側に密着させる。

なお、図３において電源６０は外部ユニットとして使用者の腰の辺に装着されているが、電源６０を内部ユニットとしてカバー２の内部に収納する構造とすることもできる。

＜各構成の説明＞
図４Ａは、冷却装置１を表面側から見た場合の平面図であり、図４Ｂは、冷却装置１を裏面側から見た場合の平面図である。図５は、冷却装置１における熱電素子２０の配置を説明する図である。なお、「表面」とは、図１で冷却装置１をＺ軸上方側から下方側に見たときに視認される面のことであり、「裏面」とは、図１で冷却装置１をＺ軸下方側から上方側に見たときに視認される面のことである。

（板状部材１０）
板状部材１０は熱伝導性を有する板状の部材であり、熱電素子２０によって冷却されることで、使用者の背中に装着された際に背中を冷却する。すなわち熱電素子２０と使用者の背中との間で板状部材１０を介して熱交換が行なわれる。本実施形態で、板状部材１０はアルミニウム等の熱伝導率の高い金属で形成された略長方形状の部材である。アルミ板は熱伝導率が高く、軽量で加工が容易である。また材料コストも安いため、コンパクトで低コストな冷却装置の実現に適している。さらに、腐食等しにくいため人体に直接接触する場合でも安全であり、人体用冷却装置に適している。もちろん、板状部材１０としてアルミ板以外の部材（例えば銅板等）を使用することも可能である。また、アルミ板と同等の熱伝導性を有する部材であれば金属でなくてもよく、例えば、熱伝導性の高いプラスチックや樹脂等を使用することも可能である。

板状部材１０の表面側には熱電素子２０、放熱部３０、送風部４０が設けられる（図２及び図４Ａ参照）。一方、板状部材１０の裏面側には何も設けられず（ただし、放熱部３０を固定するためのネジ等は設けられる）、基本的に平滑な面となる（図４Ｂ参照）。

熱伝導率の高い金属を用いることによって板面全体が平均的に冷却されるため、この平滑な面全体を使用者の背中にフィットさせることにより（図３参照）、広範囲にわたって背中を冷却することができる。なお、図４Ｂの破線で示される領域は、表面側において放熱部３０が固定される位置を表している。

板状部材１０の大きさや形状は任意であるが、熱電素子２０による冷却能力や使用者の身体のサイズ（例えば、大人用、子供用等）に応じて決定される。本実施形態の板状部材１０長方形で、長手方向（図１でＹ軸方向）の長さが２５０ｍｍ程度であり、幅方向（図１でＸ軸方向）の長さが２００ｍｍ程度である。また、板状部材１０の裏面側は使用者の背中にフィットしやすいように人体に合わせてカーブしていてもよく、板状部材１０は必ずしも平板である必要は無い。

また、板状部材１０の４隅には、ベルト３を取り付けるためのベルト取付溝１２がそれぞれ設けられる。また、板状部材１０には放熱部３０を固定するための複数のネジ孔１３が設けられる（図４Ａ及び図４Ｂ参照）。

本実施形態では、安全のため板状部材１０の外縁部が枠体１５によって囲まれている（図２参照）。枠体１５はシリコンや樹脂等で形成される柔軟性のある部材であり、冷却装置１を身体に装着する際に板状部材１０の外縁部が身体（背中）と直接接触することを抑制しつつ、板状部材１０を衝撃から保護する。

（熱電素子２０）
熱電素子２０は、電流を流すことによって一方の面が吸熱し他方の面が発熱する薄板状の素子である。本実施形態で、熱電素子２０は板状部材１０の表面と接するように設けられる。そして、熱電素子２０の板状部材１０と対向する側の面（裏面側）から吸熱し、反対側の面（表面側）を発熱させることによって板状部材１０を冷却する。熱電素子２０としては、例えばペルチェ素子が用いられる。ペルチェ素子は、供給電力の大きさに応じてある程度の温度管理が可能であるため、冷却のしすぎなどを抑制しやすい。本実施形態のペルチェ素子は４０ｍｍ×４０ｍｍ程度の正方形であるが、素子の大きさは供給電力に応じて変更可能である。すなわち、供給電力が大きければその分大きなペルチェ素子を用いることが可能であり、より大きな冷却効果を得ることができる。

なお、熱電素子２０と板状部材１０との間にはシリコングリス等を塗布することにより、両者の間に隙間が生じないようにしている。これにより、熱電素子２０と板状部材１０との間の熱伝導率をできるだけ高く保つことができる。

第１実施形態では、図５のように４つの熱電素子２０が十字型に配列され、それぞれの熱電素子２０は直列に接続されている。電源６０から熱電素子２０に直流電流を供給することによって４つの熱電素子２０の同一平面側（板状部材１０と対向する側の面）から吸熱が行われる。

なお、熱電素子２０は電流を流す向きを逆にすることにより、吸熱面側と発熱面側とを入れ替えることができる。すなわち、板状部材１０と対向する面を発熱させることにより、冷却装置ではなくヒーターとして使用することも可能である。

各熱電素子２０の周囲にはそれぞれ断熱材２５が設けられる（図２及び図５参照）。熱電素子２０は上下（Ｚ軸方向）を板状部材１０及び放熱部３０によって挟まれ、周囲（ＸＹ平面）を断熱材２５によって囲まれることで周囲の空気との接触面積が小さくなっている。これにより、熱電素子２０と空気との間で熱交換が行われるのが抑制され、無駄な熱損失を抑えることで冷却装置１の冷却効率を高めることができる。なお、図５の破線部分は放熱部３０の外形を表している。また、断熱材２５は放熱部３０と板状部材１０との間の緩衝材としての機能も有する。本実施形態において、放熱部３０は図２に示されるようにネジによって板状部材１０に固定される。したがって、緩衝部材として断熱材２５を設けることによって、ネジを締める際に放熱部３０と板状部材１０との間に挟まれた熱電素子２０に大きな負荷がかからないようにしている。

（放熱部３０）
放熱部３０は熱電素子２０の発熱側の面から発生した熱を空気中に拡散させて熱電素子２０を冷却するための部材である。本実施形態では、１つの熱電素子２０に対して１つの放熱部３０が設けられる。したがって、図２に示されるように冷却装置１では４つの放熱部３０が十字型に配置される。

放熱部３０としては、例えば市販のヒートシンクを用いることができる。本実施形態の放熱部３０はベース板３１及び複数の放熱フィン３２によって構成される。ベース板３１は、熱電素子２０の板状部材１０と対向する側の面と反対側の面（つまり、熱電素子２０のＺ軸方向上側の発熱面）に取り付けられる。なお、ベース板３１と熱電素子２０との間にも上述のシリコングリスを塗布しておくことが望ましい。放熱フィン３２は複数の板状部材が並列に並んで構成されたものであり、全体の表面積を大きくして空気中に熱を拡散させやすくする。本実施形態では送風部４０から送風される空気の流れを考慮して、図１に示されるように、放熱フィン３２の向きがＸＹ平面上で中心（送風部４０が配置される位置）から外側に向かうように放熱部３０が配置される。冷却装置を動作させる際の空気の流れについては、後で説明する。

十分な放熱性能を確保するために、放熱部３０のベース板３１の大きさは少なくとも熱電素子２０よりも大きくなるようにする。本実施形態の放熱部３０はベース板の大きさが６０ｍｍ×６０ｍｍ程度であり、熱電素子２０（４０ｍｍ×４０ｍｍ）よりも大きなサイズのものを選択している。また、ベース板３１のサイズを大きくすることによって、ベース板３１と板状部材１０との間に熱電素子２０（及び断熱材２５）を挟み込み、熱電素子２０を安定して保持することができる。

上述のような板状の放熱フィン３２を有するヒートシンクは安価であり、当該ヒートシンクを用いることで装置全体のコストを低く抑えることが可能となる。一方、放熱フィン３２は板状の部材ではなく、棒状の部材が剣山のように複数設けられる形状であってもよい。この場合、送風部４０から送風される空気の流れ方向に関わらず放熱部３０の配置を決定することができるため、設計の自由度が高くなる。

（送風部４０）
送風部４０は、ファンを有する送風機であり、放熱部３０に送風を行なうことで放熱フィン３２と空気との間で熱交換を促進させ、空気中に熱を放出させやすくする。図３に示されるように、本実施形態の冷却装置１ではカバー２を取り付けて使用することを想定しているが、その場合、熱電素子２０から発生した熱は冷却装置１とカバー２との間の空間に篭もりやすい。そこで、送風部４０によって強制的に空気を移動させることで、カバー２の内部の空間に熱が篭もらないようにしている。

送風部４０は放熱部３０（放熱フィン３２）のＺ軸方向上方に設けられる。すなわち、送風部４０は放熱部３０に対して熱電素子２０と反対側に設けられる。第１実施形態の冷却装置１では、十字型に配置された４つの放熱部３０の中央上部に１つの送風部４０が設けられ、Ｚ軸方向の上側から下側に空気が流れるように配置される。そして、送風部４０は４つの放熱部３０にまたがるようにして配置されるため、１つの送風部４０が４つの放熱部３０に送風を行なうことができる。

送風部４０を駆動させる電源は、熱電素子２０と共通の電源６０を用いてもよいし、別途他の電源を確保するのであってもよい。

＜電源６０＞
電源６０は、熱電素子２０に電流を供給する。また、上述のように送風部４０を駆動させるための電力を供給してもよい。本実施形態の電源６０は２０Ｗ程度の電力を供給可能な小型バッテリーであり、携帯電話用のバッテリー等を転用することも可能である。小型であるため、図３のように使用者の腰の辺りに装着した場合でも使用者の動作の妨げとはなりにくい。また、軽量であるので、予備のバッテリーを持ち歩く場合でも大きな負担にはなりにくい。

電源６０の別の形態として、太陽光パネルを用いる方法もある。例えば、カバー２の表面に太陽光パネルを取り付けるようにすれば、日中の屋外作業の際に発電をしながら冷却装置１を使用すること等も可能になるため、特に有効である。さらに、太陽光パネルによって生成される電力を蓄えることが可能な電池を備えていてもよい。

＜冷却装置１の動作について＞
冷却装置１の使用時における基本的な動作について説明する。図６は冷却装置１を動作させたときの熱の流れについて説明する図である。

まず、熱電素子２０を介した熱の流れについて説明する。熱電素子２０に電流を流すと、上述したように板状部材１０と接する側の面が吸熱し、反対側の面（放熱部３０と接する側の面）が発熱する。したがって、板状部材１０が人体（図６のＡ−Ａ断面図において斜線部で表される）に装着されている場合、人体から発生した熱は図中の実線矢印で示されるように、低温側の板状部材１０に移動（熱伝導）し、さらに熱電素子２０を介して放熱部３０に移動（熱伝導）する。これにより、放熱部３０には熱が蓄えられる。

次に、送風部４０による空気の流れについて説明する。送風部４０を駆動させると、Ｚ軸方向上側から吸い込まれた（吸気）空気が、Ｚ軸方向の下側に移動する。送風部４０の下側に移動した空気は、ＸＹ平面上で十字型に設けられた４つの放熱部３０を通過して、図の破線矢印で示されるように横方向に排出される（排気）。放熱部３０は放熱フィン３２が各々空気の流れ方向に沿うように（すなわち、中心側から外側に向かうように）設置されているため、排気される空気は放熱フィン３２に導かれてスムーズに流れる。そのため、放熱部３０に蓄えられた熱は、空気中に効率よく放出される。

熱電素子２０の放熱部３０と接する側の面（発熱面）が、送風部４０から送風される空気によって適切に冷却されるので、熱電素子２０と人体との間で連続的に熱交換を行なうことができる。なお、熱電素子２０の放熱部３０と接する側の面（発熱面）の冷却が不十分である場合には、当該面における温度が上昇し、板状部材１０と接する側の面（吸熱面）の温度も上昇することから、冷却装置として十分な機能を発揮できなくなるおそれがある。

特に冷却装置１にカバー２を取り付けて使用する場合、上述のような空気の流れが妨げられないように十分に留意する必要がある。例えば、カバー２に設けられる通気孔２ｈａ（吸気側）及び通気孔２ｈｂ（排気側）が塞がれると、送風部４０による空気の流れが妨げられて放熱が十分に行えなくなる。したがって、冷却装置１の動作中にこれらの通気孔が塞がれないよう、十分注意する必要がある。

＜比較例＞
ここで、冷却装置１の放熱部３０（及び熱電素子２０）と送風部２０との位置関係を変更した場合の影響について比較例を用いて説明する。図７は、比較例の冷却装置５について説明する図である。なお、比較例の冷却装置５では、各部の構成自体（例えば板状部材１０や熱電素子２０等）は第１実施形態の冷却装置１と同様であり、各部の配置のみが異なる。

比較例の冷却装置５では、熱電素子２０（図７では不図示）及び放熱部３０が、板状部材１０の表面に（ＸＹ平面上に）格子状に配置され、それらの中央部分に送風部４０が配置される。

このような冷却装置５を動作させる場合、送風部４０から送風される空気は図７の破線矢印で示されるように送風部４０を中心として、ＸＹ平面上で放射状に移動する。これに対して、放熱部３０が格子状に配置され、隣り合う放熱部３０同士の間隔が広くなっているため、各々の放熱部３０に対して十分な量の空気が流れにくくなっている。さらに、放熱フィン３２の向きが空気の移動方向と異なるため余計に空気が流れにくくなり、冷却装置５では熱電素子２０から発生した熱を空気中に拡散させにくい。

一方、第１実施形態の冷却装置１では、送風部４０を取り囲むように放熱部３０（熱電素子２０）が配置され、放熱部３０同士の隙間も狭いため、各々の放熱部３０に対して空気が流れやすくなっている。また、図６で説明したように、各放熱部３０について放熱フィン３２が空気の流れ方向と平行に配置されるため、空気の流れがスムーズになり、熱電素子２０から発生した熱を効率よく空気中に拡散させることができる。

また、送風部４０の周囲を取り囲むようにして複数の放熱部３０を配置することにより、高い放熱効率を維持しつつ一つの送風部４０で複数の放熱部３０に対して冷却用の空気を送風することが可能である。これにより、構成部品の数量（特に放熱部４０の数量）を少なくすることができるため、冷却装置１を小型化し、また、軽量化することができる。

第１実施形態の冷却装置１と比較例の冷却装置５とでは熱電素子２０の数量及び大きさ、供給電力が同じであるため、装置全体としての吸熱量は同等のはずである。しかし、冷却装置５では放熱効率が悪いため、冷却性能を十分に発揮することが難しい。一方、冷却装置１では放熱部３０を適切に配置することによって効率よく放熱を行うことができる。これにより、熱電素子２０の発熱側の温度をより低く保つことができるため、結果として冷却装置５よりも冷却装置１のように各部を配置した方が冷却性能を高くすることができる。

＜第１実施形態の効果＞
第１実施形態では、板状部材１０と熱電素子２０と放熱部３０と送風部４０とが積層状に構成され、全体として小型で薄い冷却装置を実現することができる。そして、各構成の配置（特に送風部４０と放熱部３０との位置関係）を工夫することによって放熱効率を向上させることで、小型でありながら十分な冷却性能を有する冷却装置を提供することが可能である。

また、冷却媒体として水等を用いる必要がないため装置全体が軽量であり、バッテリーを含めて携帯性に優れた冷却装置であるといえる。また、放熱部３０や送風部４０等の各構成部品には市販品を転用することができるため、低コストで実現可能である。

さらに、本実施形態の冷却装置は使用環境による制限が少ない。例えば、放射能汚染環境下で作業を行なう場合、使用者は防護服の上から当該冷却装置を装着すればよい。そのような環境化で冷却装置を使用する場合、放熱部３０を冷却するために放射能に汚染された空気が送風されることになるが、当該汚染空気は人体（使用者）に接触しないため、冷却装置を安全に使用することが可能である。

＝＝＝第２実施形態＝＝＝
第２実施形態の冷却装置１では、放熱部３０のそれぞれに対して個別に送風部４０が設けられる。言い換えると、熱電素子２０と放熱部３０と送風部４０とが組になっていて、当該組が１つ以上設けられる。図８は、第２実施形態の冷却装置１の概略図である。

第２実施形態において、板状部材１０、熱電素子２０、及び放熱部３０の構成と配置は第１実施形態とほぼ同様である。すなわち、板状部材１０の上に（ＸＹ平面上に）４つの熱電素子２０及び放熱部３０が十字型に配置される。そして、４つの放熱部３０のＺ軸方向上方にはそれぞれ放熱部４０が設けられる。

本実施形態では、放熱部３０に対して同じ組に属する送風部４０が送風を行なう。すなわち、放熱部３０と送風部４０とが１対１で対応しているため、放熱部３０に対してより確実に空気を流しやすくなり、放熱性能が向上する。また、放熱部３０の配置や放熱フィン３２の方向に関わらずに安定して放熱を行うことができるため、設計の自由度がより高くなる。例えば、図８では放熱部３０（熱電素子２０）が十字型に配置されているが、図７のように放熱部３０（熱電素子２０）が格子状に配置される場合であっても上述の比較例のように放熱性能が悪化することはない。

一方、第２実施形態では送風部４０の設置個数が増加するため、冷却装置全体の重量や製造コストが増加する可能性がある。しかし、より確実に放熱を行いやすくなるため、装置としての安全性は高くなる。特に、冷却装置１は人体に装着して使用されることから、高い安全性を確保することが重要である。

なお、送風部４０の１台あたりの送風量は第１実施形態の送風部４０よりも少なくすることができるので、送風部４０自体も第１実施形態の送風部４０よりも小型のものを使用することができる。

＝＝＝第３実施形態＝＝＝
第３実施形態では、放熱部３０（熱電素子２０）の位置をずらすことによって第１実施形態よりもさらに小型化された冷却装置について説明する。図９は、第３実施形態の冷却装置１の概略図である。図１０は、第３実施形態の冷却装置１について放熱部３０の配置と送風部４０による空気の流れについて説明する図である。

第３実施形態における冷却装置１の基本的な構成は第１実施形態とほぼ同様であるが、板状部材１０の大きさ及び、放熱部３０（熱電素子２０）の配置が異なる。具体的には、板状部材１０の幅方向（Ｘ方向）の長さを第１実施形態よりも短くすることで、装置全体の幅を小さくしている。そして、板状部材１０の幅方向長さの短縮に伴い、放熱部３０（熱電素子２０）の配置も変更される。図９及び図１０で右側に位置する放熱部を３０ａ、下側に位置する放熱部を３０ｂ、左側に位置する放熱部を３０ｃ、上側に位置する放熱部を３０ｄとすると、第３実施形態ではＸ軸方向に並ぶ放熱部３０ａ及び放熱部３０ｃがそれぞれ中心方向にずれて配置される。これは、板状部材１０の幅方向（Ｘ軸方向）長さが短縮されたことによって、Ｘ軸方向におけるスペースが狭くなったためである。その結果、図１０に示されるように放熱部３０ａ及び３０ｃの一部が、放熱部３０ｂ及び３０ｄとＸ軸方向で重なる構成となる。

第３実施形態の冷却装置１を動作させる際の送風部４０による空気の流れは、基本的に第１実施形態と同様である。すなわち、送風部４０のＺ軸方向上側から吸気され、ＸＹ平面の中央部から外側に向かって放射状に排気される。そして、放熱部３０ａ〜３０ｄのそれぞれについて放熱フィン３２に沿って空気が流れる際に放熱フィン３２と空気との間で熱交換が行われ、空気中に熱が拡散されて冷却装置１の外部に排出される（図１０の破線矢印参照）。

第３実施形態では、板状部材１０を小さくすることにより、冷却装置１をよりコンパクトに構成することができる。その際、放熱部３０等の構成物を変更する必要は無く、設置位置を変えるだけで対応することが可能なため、コスト面でも優れている。

＜変形例＞
第３実施形態の冷却装置１を動作させる際には、放熱部３０ｂ及び３０ｄの両端部（図１０の斜線で表される領域）の空気流入口が放熱部３０ａ及び３０ｃの端部によって塞がれるため、斜線で表される領域には送風部４０から送風される空気が流れにくい。したがって、当該斜線部では熱交換が十分に行なわれず、冷却性能が悪化するおそれがある。そこで、第３実施形態の変形例として、送風部４０を複数有する形態について説明する。図１１は、第３実施形態の変形例における冷却装置１の概略図である。図１２は、第３実施形態の変形例の冷却装置１について放熱部３０の配置と送風部４０による空気の流れについて説明する図である。

図１１に示されるように、変形例ではＹ軸方向に並ぶ送風部４０ａ及び送風部４０ｂの２台の送風部が設けられる。それ以外の構成は第３実施形態の冷却装置１と同様である。送風部４０が複数設けられることによって放熱部３０に空気が供給されやすくなり、放熱性能がより高くなる。

変形例の冷却装置１を動作させると、図１２の破線矢印で示さされるように、Ｙ軸方向上側の送風部４０ａが放熱部３０ｄ及び、放熱部３０ａ、３０ｃのＹ軸方向上側半分に送風する。同様に、Ｙ軸方向下側の送風部４０ｂが放熱部３０ｂ及び、放熱部３０ａ、３０ｃのＹ軸方向下側半分に送風する。各送風部が送風を行なうべき放熱部を分担することによって、放熱部３０ａ〜３０ｄの各々に対して安定して送風することができる。また、送風部４０ａは放熱部３０ａ及び３０ｃと放熱部３０ｄとの間をまたぐように設置されるため、放熱部３０ｄの両端部（図１２の斜線部の領域）にも空気が流れ、冷却効率が低下することを抑制することができる。同様に、送風部４０ｂが放熱部３０ａ及び３０ｃと放熱部３０ｂとの間をまたぐように設置されるため、放熱部３０ｂの両端部（図１２の斜線部の領域）にも空気が流れ、冷却効率低下が抑制される。

＝＝＝第４実施形態＝＝＝
上述の各実施形態で説明した冷却装置では、送風部４０から送風されて放熱部３０を通過した後の空気はそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向へ排気される。しかし、冷却装置の使用用途や条件によっては、空気を排気することが可能な方向が制限される場合も考えられる。そこで、第４実施形態では、排気方向が制限される場合の一例として、放熱部から排気される空気の方向をＹ軸方向に限定した冷却装置について説明する。

図１３は、第４実施形態の冷却装置１の概略図である。第４実施形態の冷却装置１では、板状部材１０、熱電素子２０、放熱部３０、及び送風部４０の各機器の構成は第１実施形態とほぼ同様である。一方、各機器の配置は第１実施形態と異なり、また、第４実施形態の冷却装置１には空気の流れ方向を制限するため制限板５０が備えられる。

第４実施形態において熱電素子２０及び放熱部３０は、板状部材１０上のＸＹ平面において格子状に配置される。図１３において、右上に位置する放熱部を３０ａ、右下に位置する放熱部を３０ｂ、左上に位置する放熱部を３０ｃ、左下に位置する放熱部を３０ｄとする。このとき、放熱部３０ａ〜３０ｄにおいて、放熱フィン３２がＹ軸方向に沿って並ぶようにそれぞれ配置される。そして、放熱部３０ａと放熱部３０ｂとの間の位置に送風部４０ａが設けられ、放熱部３０ｃと放熱部３０ｄとの間の位置に送風部４０ｂが設けられる。つまり、第４実施形態においては、送風部４０ａが放熱部３０ａ及び放熱部３０ｂに送風を行ない、送風部４０ｂが放熱部３０ｃ及び放熱部３０ｄに送風を行なう。

また、放熱部３０ａと放熱部３０ｂとの間から空気がＸ軸方向に移動するのを抑制するために、図１３に示されるような制限板５０が設けられる。当該制限板５０と板状部材１０と送風部４０とによって囲まれる空間によってＹ軸方向に沿った空気の流路を形成し（図１３のＢ−Ｂ断面図参照）、送風部４０から送風された空気がＸ軸方向に流れるのを抑制しつつ、Ｙ軸方向に限定して送風することができる。

第４実施形態の冷却装置１の使用時には、送風部４０ａの上部（Ｚ軸方向の上方）から吸引された空気が送風部４０ａの下部（Ｚ軸方向の下方）へと導かれる。そして、制限板５０によって移動方向がＹ軸方向に制限されることにより、Ｙ軸方向の上下に空気が移動する。Ｙ軸方向上側に配置された放熱部３０ａ、及びＹ軸方向下側に配置された放熱部３０ｂを空気が通過することで、放熱部３０と空気との間で熱交換が行なわれ、空気中に熱が拡散する。放熱された後の空気は冷却装置１のＹ軸方向の上下から外側に排気される。送風部４０ｂについても同様である。

なお、上述の例ではＹ軸方向に空気が流れる装置について説明したが、放熱部３０の配置及び放熱フィン３２の方向を調整することにより、Ｙ軸方向以外の方向に空気が流れるようにすることも可能である。これにより、所望の方向について排気を行うことが可能な冷却装置が実現される。

＝＝＝第５実施形態＝＝＝
第５実施形態では、放熱部３０と送風部４０とが一体的に構成された冷却装置について説明する。

図１４は、第５実施形態の冷却装置１の概略図である。第５実施形態の冷却装置１では、板状部材１０、熱電素子２０（図１４では不図示）、の構成及び配置は第２実施形態とほぼ同様である。一方、放熱部３０及び送風部４０の構成が第２実施形態（第１実施形態）と異なる。

第５実施形態の放熱部３０は円形であり、複数の放熱フィン３１が中心から外周に向かって放射状に配置されている。そして、送風部４０は、ファンの回転軸が放熱部３０の中心部に一致するように配置されている。これにより、送風部４０によって送風される冷却用空気は、放熱部３０の中央部から外周部に向かってほぼ一様に流れ、熱電素子２０から放熱部３０に溜まった熱をより効率的に拡散させる。また、図１４では、板状部材１０に対して熱電素子２０、放熱部３０及び送風部４０が格子状に配置されているが、本実施形態においてこれらの配置は、自在に変更可能である。上述のように、放熱部３０と送風部４０とが一体的に構成され、両者の位置関係があらかじめ決定されているため、板状部材１０上での配置に関わらず、安定した冷却性能を得ることができる。

本実施形態では、放熱部３０の放熱フィン３１の形状が特殊であるため、第２実施形態における放熱部３０と比較してコストが高くなりやすい。しかし、放熱部３０及び送風部４０を一体化してコンパクトな構成としたことにより、設計の自由度が高くなり、装置をより小型化することが可能になる。また、送風部４０自体を小型のものにしても十分な方熱効率を得ることができるため、結果的に放熱部３０及び送風部４０の合計重量を軽くすることができる。したがって、冷却装置全体としての重量を軽くすることもできる。

＝＝＝第６実施形態＝＝＝
第６実施形態では、板状部材１０が１枚の板ではなく、複数の板によって構成される冷却装置について説明する。

図１５は、第６実施形態の冷却装置１の概略図である。図１５において、熱電素子２０、放熱部３０及び送風部４０の構成及び配置は第２実施形態とほぼ同様である。一方、板状部材１０の構成が第２実施形態（第１実施形態）と異なる。

第６実施形態の冷却装置では、板状部材１０が４枚の熱交換板１０Ａ〜１０Ｄによって構成される。熱交換板１０Ａ〜１０Ｄはそれぞれほぼ同じ大きさ（実際には多少大きさが異なる）の矩形状の平板であり、第２実施形態の板状部材１０と同等の材質（アルミ板等）で形成される。熱交換板１０Ａ〜１０Ｄにはそれぞれ熱電素子２０、放熱部３０及び送風部４０が少なくとも一組ずつ設けられ、熱交換板１０Ａ〜１０Ｄの各々が単独で小型の冷却装置として機能することができる。すなわち、本実施形態では、各々の熱交換板が板状部材１０であるといえる。そして、熱交換板の外縁部のうち少なくとも一辺が、他の熱交換板の外縁部と所定の間隔を有するように接続される。図１５では、４枚の熱交換板が３つの接続部材１７によって互いに接続され、全体として１つの冷却装置を構成している。

接続部材１７は、例えば、蝶番のような構造を有する部材である。図１５のＣ−Ｃ断面図に示されるように熱交換板１０Ａ及び１０Ｂは接続部材１７の中央部に設けられる軸１７ａを回転中心としてＸＺ平面上で回転可能に接続されている。熱交換板１０Ａの外縁部と１０Ｂの外縁部との間には間隔ａが設けられている（図１５参照）。適当な間隔を設けることにより、回転の際に熱交換板１０Ａの外縁部と熱交換板１０Ｂの外縁部とが干渉して動作の妨げになるようなことを抑制している。また、接続部材１７は、図１５のＣ−Ｃ断面においてＸ軸方向に弾性力を有することが望ましい。

同様に、熱交換板１０Ａと熱交換板１０Ｃとは接続部材１７によって軸１７ａを回転中心としてＹＺ平面上で回転可能に接続されている。そして、熱交換板１０Ａと熱交換板１０Ｃとの間には適当な間隔ａが設けられている。また、熱交換板１０Ｂと熱交換板１０Ｄとは接続部材１７によって軸１７ａを回転中心としてＹＺ平面上で回転可能に接続され、両者の間には間隔ａが設けられている。

一方、熱交換板１０Ｃと熱交換板１０Ｄとの間には接続部材１７が設けられない。つまり、熱交換板１０Ｃと熱交換板１０Ｄとは接続されておらず、両者は互いに独立して可動する。また、図１５に示されるように、熱交換板１０Ｃと熱交換板１０Ｄとの間には間隔ａよりも広い間隔ｂが設けられる。言い換えると、ある熱交換板の外縁部と他の熱交換板の外縁部とが接続されない部分には、熱交換板の外縁部と他の熱交換板の外縁部とが接続される部分よりも広い間隔が設けられる。熱交換板同士が接続されていない部分では、当該熱交換板が動作する際に、互いに接触しやすくなる。しかし、両者の間隔をなるべく広く設けることにより、熱交換板同士（つまり熱交換板１０Ｃ及び熱交換板１０Ｄ）が独立して動作する場合であっても両者が接触しにくいようにしている。

なお、本実施形態においても、第５実施形態で説明したように放熱部３０と送風部４０とが一体的に構成されたものを用いてもよい。図１６は、第６実施形態の冷却装置１において、放熱部３０と送風部４０とが一体的に構成された場合の例について示す図である。この場合も、上述の例と同様、熱交換板１０Ａ〜１０Ｄがそれぞれ板状部材１０として機能し、熱交換板の各々が単独で小型の冷却装置として機能することができる。

本実施形態の冷却装置では、熱交換板（板状部材）同士が動作可能に接続されているため、冷却対象（例えば、人間の背中）に対してそれぞれの熱交換板の裏面側をフィットさせやすくなっている。つまり、複数の熱交換板（板状部材）の各々が身体の動きに従って独立して動くことができるため、各々の熱交換板（板状部材）と身体との接触面積を常に大きく保ち、冷却効率を高めることができる。特に、作業中や運動中に冷却装置を使用する場合には、複数の熱交換板が背中の動きに追随して動くことにより、それぞれの熱交換板を常に背中にフィットさせることができるため、動作中の人間の体勢に関わらず効率よく背中を冷却することが可能である。

なお、上述の例では４枚の矩形状熱交板によって板状部材１０の全体が構成される例について説明したが、熱交換板の数は４枚には限られない。例えば、２枚または３枚の熱交換板が直列に接続される形態であってもよいし、それ以上の数の熱交換板を有する構造であってもよい。

＝＝＝その他の実施形態＝＝＝
上述の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更・改良され得ると共に、本発明には、その等価物が含まれることは言うまでもない。

＜熱電素子２０について＞
上述の各実施形態では、熱電素子２０としてペルチェ素子を用いる例について説明されていたが、この例には限られない。熱電素子２０は電流を流すことによって一方の面が吸熱し、他方の面が発熱するものであれば他の素子を利用することも可能である。

＜温度調整機構について＞
上述の各実施形態において、温度センサー等を設けることにより、冷却時における板状部材１０の温度、及び、放熱時における放熱部３０の温度を監視するようにしてもよい。本実施形態の冷却装置は人体に装着して使用することが想定されるため、より高い安全性が求められる。例えば、板状部材１０の温度が低すぎる場合、使用者の健康を害するおそれがある。また、放熱部３０の温度が高すぎる場合、熱電素子２０の設計上冷却効果が得られず、かえって体温の上昇を招くおそれもある。そこで、これらの温度を監視して、温度範囲が異常値を示す場合には、熱電素子２０への電力供給を強制的にストップする等の制限をかけておくとよい。また、サーモスタット等を用いることによってそれらの機器が常に設計温度範囲となるように温度調整を行なうことが可能な機構としてもよい。

＜カバー２の構成について＞
上述の各実施形態では、カバー２が冷却装置の全体を覆う構成であったが、この例には限られず、カバー２が冷却装置を部分的に覆う構成としてもよい。例えば、放熱部３０がカバーの外側に露出する構成として冷却装置の内部に熱が篭もりにくい構造とすることもできる。また、カバー２の全体がメッシュ状の部材で形成され、防水機能を維持しつつ熱を拡散させることができるような構造であってもよい。

＜冷却装置の使用態様について＞
上述の各実施形態では、使用者が冷却装置を背中に背負う構成について説明されていたが、この限りではない。例えば、冷却装置がバックパックと一体的に構成され、バックパックの背面側が冷却されるような構造としてもよい。この場合、使用者がバックパックを背負うことによって背中が冷却されるので、冷却装置としての機能とバックパックとしての機能を同時に実現することができる。

１ 冷却装置、
２ カバー、２ｈａ 通気孔、２ｈｂ 通気孔、
３ ベルト、
５ 冷却装置（比較例）、
１０ 板状部材、１０Ａ〜１０Ｄ 熱交換板、１２ 取付溝、１３ ネジ孔、
１５ 枠体、１７ 接続部、１７ａ 軸、
２０ 熱電素子、２５ 断熱材、
３０ 放熱部、３０ａ〜３０ｄ 放熱部、３１ ベース板、３２ 放熱フィン、
４０ 送風部、４０ａ〜４０ｂ 送風部、
５０ 制限板、
６０ 電源

Claims (8)

1. 熱伝導性を有する板状部材と、
   前記板状部材の表面と接するように設けられた板状の素子であって、電流を流すことによって一方の面が吸熱し他方の面が発熱する素子と、
   前記素子の前記板状部材と対向する面と反対側の面に接するように設けられた放熱部と、
   前記放熱部の前記素子と接する面と反対側に設けられ、前記放熱部に対して送風を行う送風部と、
   を備えることを特徴とする冷却装置。
2. 請求項１に記載の冷却装置であって、
   前記素子及び前記放熱部をそれぞれ複数備え、
   複数の前記放熱部にまたがるようにして前記送風部が配置され、
   前記送風部が複数の前記放熱部に対して送風を行なう、ことを特徴とする冷却装置。
3. 請求項１または２に記載の冷却装置であって、
   前記放熱部の前記素子と接する面と反対側に複数の放熱フィンが並列に設けられ、
   前記複数の放熱フィンが並ぶ方向が前記送風部を中心とした放射方向となるように、前記放熱部が設けられる、ことを特徴とする冷却装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の冷却装置であって、
   ４つの前記放熱部が前記板状部材の表面と接するように十字型に配置され、
   ４つの前記放熱部の中心の位置に前記放熱部が配置される、ことを特徴とする冷却装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の冷却装置であって、
   ４つの前記放熱部が前記板状部材の表面と接するように十字型に配置され、
   ４つの前記放熱部の中心の位置に複数の前記放熱部が配置される、ことを特徴とする冷却装置。
6. 請求項１に記載の冷却装置であって、
   前記素子と前記放熱部と前記送風部との組が少なくとも１つ以上設けられ、
   前記送風部が同じ組に属する前記放熱部に対して送風を行なう、ことを特徴とする冷却装置。
7. 請求項６に記載の冷却装置であって、
   前記素子と前記放熱部と前記送風部との組が少なくとも１つ以上設けられた矩形状の前記板状部材を複数有し、
   矩形状の前記板状部材の外縁部のうち少なくとも一辺が、他の前記板状部材の外縁部と所定の間隔を有するように接続され、
   矩形状の前記板状部材の外縁部のうち他の前記板状部材の外縁部と接続されない部分は、前記板状部材の外縁部と他の前記板状部材の外縁部との間に前記間隔よりも広い間隔を有する、ことを特徴とする冷却装置。
8. 熱伝導性を有する板状部材の表面と接するように設けられた板状の素子であって、電流を流すことによって一方の面が吸熱し他方の面が発熱する素子に電流を流すことと、
   前記素子の前記板状部材と対向する面と反対側の面に接するように設けられた放熱部に対して、前記放熱部の前記素子と接する面と反対側に設けられた送風部から送風を行うことと、を有する冷却方法。

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