JP2015089430A - エアー駆動式人体冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】電源を必要とせず、高温環境中で作業を行う作業者の人体を効率よく、しかも安全に冷却することができるエアー駆動式人体冷却システムを提供する。【解決手段】作業者が着用する冷却ベスト２と冷却装置本体１との間で冷却水を循環させて作業者の人体を冷却するシステムである。圧縮空気をボルテックスチューブ１４に供給して得られた冷気を水槽１１に吹き込んで水温を低下させ、得られた冷却水をエアー駆動式ポンプ１２により冷却ベスト２に給水する。圧縮空気を動力源とするので安全であり、しかも効率のよい人体冷却が可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、高温環境中で働く作業者を高熱から保護するための用いられるエアー駆動式人体冷却システムに関するものである。

高温環境中で作業を行う作業者を熱中症などから守るために、作業者が着用する作業服の内部に冷却空気を供給する人体冷却システムが知られている。しかし溶接作業等によって発生した火花が作業服に着火したような場合には、作業服に供給される空気によって燃焼が促進され、火傷を負う可能性があるという問題があった。

また特許文献１に示されるように、冷却された液媒体を作業服に循環させて人体冷却を行うシステムも提案されている。しかしこの特許文献１のシステムではペルチェ素子やポンプを用いて冷却された液媒体を循環させているために電源が必要となり、例えば炉体内部のような高温の作業現場で使用するためには電線を引き込まねばならず、もし電線の被覆が損傷したような場合には、感電の危険があった。

なお、ペルチェ素子やポンプは外部に設置し、冷却された液媒体を耐熱性のホースを用いて遠方から循環させることも考えられるが、その場合には循環の途中で液媒体の温度が上昇して冷却効果が低下するおそれがあるうえ、ホースが長くなると圧損が大きくなって液媒体の流量が低下するため、やはり十分な冷却効果を得られないという問題があった。強力なポンプで液媒体を多量に供給すれば、遠方からでも十分な人体冷却が可能になるが、多量の液媒体を冷却するための大型冷凍機や貯留タンクが必要となり、このような大型装置は可搬性に劣るため、固定された作業環境で用いることが出来ても、工場内を広域に移動しながらの作業には不向きである。

このほか、保冷剤を作業服に装着する方法もあるが、その冷却効果は短時間で失われるため、作業時間が長くなる場合には実用的ではない。

特開２００６−６１４４０号公報

従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、電源を必要とせず、高温環境中で作業を行う作業者の人体を効率よく、しかも安全に冷却することができる、コンパクトなエアー駆動式人体冷却システムを提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明のエアー駆動式人体冷却システムは、作業者が着用する冷却ベストと冷却装置本体との間で冷却水を循環させて作業者の人体を冷却するシステムであって、前記冷却装置本体は、水槽の内部に冷気を吹き込むボルテックスチューブと、得られた冷却水を冷却ベストに給水するエアー駆動式ポンプとを備えたものであることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、水槽はボルテックスチューブにより得られた冷気を吹き込むバブリング手段を備えたものであることを特徴とするものである。

請求項３の発明は請求項２の発明において、バブリング手段を、水槽上部の冷却水流入口と水槽下部の流出口の中間に配置したことを特徴とするものである。

請求項４の発明は請求項１の発明において、冷却ベストは冷却水が循環する横行チューブを備えたものであることを特徴とするものである。

請求項５の発明は請求項１の発明において、冷却ベストに冷却水の逆流を防止する逆止弁を設けたことを特徴とするものである。

請求項６の発明は請求項１の発明において、ボルテックスチューブを冷却装置本体の筐体の外部に配置したことを特徴とするものである。

請求項７の発明は請求項１の発明において、１台の冷却装置本体から、複数の冷却ベストに対して冷却水を給水することを特徴とするものである。

本発明のシステムによれば、冷却水をボルテックスチューブにより作り、エアー駆動式ポンプにより作業者が着用する冷却ベストに給水する。このため圧縮空気源さえあれば電源は不要であり、炉体内部のような高熱環境中で作業を行う場合にも感電の危険がない。また冷却ベストに供給されるのは冷却水であるから、万一作業服に着火したような場合にも安全である。

請求項２の発明のように、ボルテックスチューブにより得られた冷気をバブリング手段を通じて水槽に吹き込む構造とすれば、冷気と水との接触面積が大きくなるので、効率よく冷却水を得ることができる。このとき請求項３の発明のように、バブリング手段を水槽上部の冷却水流入口と水槽下部の流出口の中間に配置すれば、冷却水は水槽の上部から下部へ流れ、冷気は水槽の中段から上部へと流れることで、効率的な対向流式の熱交換器の構造となり、流出する冷却水の温度を極力低下させることができる。また流出する冷却水に冷気の気泡が随伴されることがないので、冷却水の流路に気泡が付着して冷却水の循環を妨げることがない。

請求項４の発明のように、冷却ベストを冷却水が循環する横行チューブを備えたものとしておけば、作業中に前屈みになる場合にもチューブが折れて冷却水の循環が妨げられることが少ない。また請求項５の発明のように、冷却ベストに冷却水の漏れを防止する逆止弁を設けておけば、給水用のホースを着脱するような場合にも水漏れのおそれがない。

請求項６の発明のように、ボルテックスチューブを冷却装置本体の筐体の外部に配置しておけば、ボルテックスチューブによって冷気と分離された暖気が冷却装置本体の筐体内部を加熱することがない。

請求項７の発明のように、１台の冷却装置本体から複数の冷却ベストに対して冷却水を給水するようにすれば、１台の冷却装置によって複数の作業者の人体を冷却することができる。

本発明のシステム全体の説明図である。 本発明に用いられるボルテックスチューブの説明図である。 冷却装置本体の断面図である。 水槽とバブリング装置の説明図である。 冷却ベストの説明図である。 冷却ベストの説明図である。 複数の冷却ベストに対して冷却水を給水するシステムの説明図である。 複数の冷却ベストに対して冷却水を給水するシステムの説明図である。 冷却効果を示すグラフである。

以下に本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明のシステム全体の説明図であり、１は冷却装置本体、２は作業者が着用する冷却ベストである。以下に詳細に説明するように、冷却装置本体１と冷却ベスト２との間は一対のホース３により連結されており、冷却水を循環させて作業者の人体を冷却できるようになっている。ホース３はその内部を流れる冷却水の水温上昇を抑制できるよう、耐熱断熱構造としておくものとする。一対のホース３は冷却ベスト２への給水ホースと排水ホースの２本からなり、分離したホースとすることも出来るが、作業者がホースを引き回す際に不便とならないよう、給水ホースと排水ホースの間に十分な断熱材の厚みをもって抱き合わせ接合した１本のホースとすることが望ましい。この実施形態では冷却媒体を最も入手が容易な水としたが、不凍液を混合したり、万一冷却ベストやホースから漏れ出しても人体や周囲環境に害のない別の冷媒に置き換えることも可能である。

冷却装置本体１の筐体１０は断熱材で囲まれた断熱構造となっており、その内部には水槽１１とエアー駆動式ポンプ１２と減圧弁１３とが設けられている。また筐体１０の外部には、ボルテックスチューブ１４が配置されている。１５は圧縮空気導入口であり、減圧弁１３に０.２〜１ＭＰａの圧縮空気を供給している。このような圧力の圧縮空気は工場内に広く配管されていることが普通であるから、多くの場合、冷却装置本体１の近傍の圧縮空気配管から容易に取り込むことができる。

減圧弁１３で適宜の設定圧力（例えば０.２−０.３ＭＰａ）に減圧された圧縮空気の一部はエアー駆動式ポンプ１２に動力源として供給され、残部はボルテックスチューブ１４に供給される。

ボルテックスチューブ１４自体は古くから公知のものであり、図２に示すようにノズル１６から本体１７の内部に接線方向に圧縮空気を供給し、冷気と暖気を分離させる装置である。ノズル１６から本体１７の内部に吹き込まれた圧縮空気は断熱膨張し、超音速あるいは亜音速の旋回流を発生させる。旋回流の外周部のエンタルピーは増加する一方、中心部のエンタルピーは低下するため冷気と暖気が分離され、暖気はチューブ１８の先端から図２の右方向に排出され、中心部の冷気は本体１７側から排出される。暖気は雰囲気中に放出され、冷気は水槽１１に供給される。なお１９は暖気の流量調節弁である。冷気の温度は運転条件によるが、０℃前後とすることも容易であるが、冷却水が氷結して循環が妨げられないよう、減圧弁１３で適宜の設定圧力に調整する。この実施形態ではボルテックスチューブ１４を冷却装置本体１の筐体１０の外部に配置し、ボルテックスチューブ１４から排出される５０−７０℃の暖気が冷却装置本体１の筐体内部を加熱することを防止している。

水槽１１は図３に示すように上部に流入口２２，底部に流出口２３，中段に圧縮空気供給口２９を備えている。水槽１１の内部には図４に示すようなバブリング手段２０が設けられており、ボルテックスチューブ１４から圧縮空気供給口２９を通じて供給される冷気を水中に吹き込む。バブリング手段２０から吹き込まれた冷気は気泡となって浮上するが、その間に気泡の表面で熱交換が行われ水温を低下させる。気泡の全表面積は非常に大きいため、効率的に水温を低下させ低温の冷却水を得ることができる。例えば水槽１１の容量を４リットルとした場合、０.２ＭＰａの圧縮空気源を使用すれば、３５℃の水を１時間で７℃にまで冷却することができ、０.３ＭＰａの圧縮空気源を使用すれば、３５℃の水を１時間で５℃以下にまで冷却することができた。このように冷気や冷却水の到達温度レベルには問題がないが、水槽やホース、冷却ベスト内に滞留した水を短時間に冷却することが難しいので、冷却開始時に水槽１１に氷を入れ、氷水をシステム全体に循環させて一気に滞留水の温度を下げるのが効果的であり、この方法であれば循環開始から５分以内に所定の冷却水温度に調整できる。

バブリング手段２０の構造は特に限定されるものではないが、例えば図４に示すように渦巻き状のチューブに多数の散気孔２１を形成したものを用いることができる。さらにバブリング手段２０の上部に適宜の厚みのスチールウールを配置して気泡の分散と小径化を図ることが有効である。なおバブリング手段２０は水槽１１の底部付近に配置しておくことが好ましい。水槽底部から浮上する気泡を極力長い時間冷却水と接触させて熱交換させるためである。しかし、気泡の一部が流出口２３から流出して冷却ベスト２の横行チューブ２４に到達すると、細い横行チューブ内に気泡が付着して冷却水の循環を妨げる場合があるため、本実施例ではバブリング手段２０を流出口２３より３０ｍｍ高い位置に配置して気泡の流出を防止している。冷却ベスト２からの冷却水は水槽１１に流入口２２を通じて流入し、流出口２３からエアー駆動式ポンプ１２に送り出される。なお水槽１１は断熱構造とし、冷却装置本体１を５０℃以上の高温環境中に設置した場合にも冷却水の温度を低温に維持できるようにしておく。水槽１１の上部には直径１２ｍｍほどの冷気の排出口を設け、その中にスチールウールが詰めてある。このスチールウールで冷気に随伴された水滴の飛散を防止するとともに、万一水槽１１が横転した場合でも一気に冷却水がこぼれないようにしている。

エアー駆動式ポンプ１２は減圧弁１３から供給される圧縮空気を動力源として駆動され、水槽１１から冷却水を吸引してホース３に吐出する。このように本発明では冷却水の循環を電力を使用せずに行なうので、使用場所に電線を引き込む必要がない。なお冷却ベスト２が１枚の場合には、毎分０．３５リットル以上の吐出が可能なエアー駆動式ポンプ１２を用いることが望ましい。冷却水の循環量を多くして冷却効果を上げることも可能であるが、溶接作業中に火花が作業服の隙間から飛び込んで横行チューブに孔が空く可能性があり、その場合に多量の冷却水が漏洩すると感電に至る可能性があるため、少量の水が徐々に漏洩して肌が濡れる感覚で作業者が気付き、別の冷却ベストに着替えられるよう、循環水量を少なめに抑える設計にしている。

ホース３を通じて冷却水が供給される冷却ベスト２には、図５に示されるように冷却水が循環する横行チューブ２４が取付けられている。この実施形態では冷却水はまず継手２７でベストの左右に分割されて首部２５に供給され、その後に胴体部２６を流れて継手２８で合流して排出される。人体の首部には脳に血液を供給する動脈があるため、この部分を冷却することが重要であるうえ、首部２５を冷却することは胴体部２６を冷却するよりも優れた冷却感を得ることができる。横行チューブ２４とすることにより、前屈みで作業する場合にもチューブが折れて冷却水の循環が妨げられることが少ない。

図６に冷却ベスト２の他の実施形態を示す。図６の冷却ベスト２は、図５の着丈を約200mm短くし、横行チューブ２４を狭い間隔で増設することで、脇・胸・肩の冷却を強化したものである。この実施形態では、ベストの生地を綿から合繊のメッシュ素材に変更するとともに、胸・背・肩部に大きな切り抜きを設けることで通気性を向上し、作業員の装着感を改善したものである。また、付属の面ファスナーによって横行チューブ２４の肌への密着度を変更することで、作業員の冷却感を調整できる。

なお図５、図６に示される３０は逆止弁付きのカプラー継手および循環水量調整弁であり、冷却ベスト２とは別にベルトで腰に装着する構造となっている。逆止弁付きのカブラー継手３０により、一対のホース３と横行チューブ２４を簡便に分離・接続でき、分離する際にも逆止弁の機能によってホース側からも横行チューブ側からも冷却水が漏れることを防止している。また給水側ホースに設置する循環水量調整弁は、作業者ごとに個々人の体感温度に合った循環水量に調節するための装備であり、同時にフローモニターによって冷却ベストに確実に給水されていることが確認できる。冷却ベスト２における横行チューブ２４の配置は図５、図６に限定されるものではなく、様々な変更が可能であり、極端な場合には首部だけを冷却する構造としてもよい。人体を冷却するには、体表近くに太い血管のある首、わきの下、ももの付け根などを冷却することが効果的であるから、袖を伸ばして脇の下を集中して冷却する形のベストや、ももの付け根を冷却するパンツ型の構造も有効であり、それらを全て組合わせて全身を覆う構造としても良い。いずれの場合でも体を曲げて出来るしわと平行になるように横行チューブ２４を配置すると良い。

本発明のエアー駆動式人体冷却システムは、冷却装置本体１と冷却ベスト２とを１対１で使用することができるのみならず、図７、図８に示すように、１台の冷却装置本体１から複数の冷却ベスト２に対して冷却水を給水することもできる。図７は給水用のホース３の途中から分岐ホース４を分岐させ、複数の冷却ベスト２に給水する構造である。この給水構造は、比較的広範囲に作業員が分散配置される作業場において使用し、エアー駆動式ポンプ１２の吐出水量が比較的小さい場合でも適用できるが、エアー駆動式ポンプ１２から遠い作業員の冷却ベストの水温が高くなる欠点がある。図８は給水用のヘッダ５と排水用のヘッダ６とをそれぞれ設け、複数の冷却ベスト２に給水する構造である。この給水構造では図７のような欠点はないが、水槽１１の容量を２０リットルとし、エアー駆動式ポンプ１２を毎分１．７５リットル以上の吐出が可能な大容量ポンプとし、各冷却ベスト２に十分な給水ができるようにする必要がある。それぞれの冷却ベストにはこのような給水構造は、ホースをつなぐ延長継手や分岐継手によって自在に変更が可能であり、作業者の配置や作業の動きに合わせて最短の給水路長になるように調整する。また冷却装置本体１は５人用で約３０ｋｇの重量となるので、装置下部に設置したキャスターで自在に作業場を移動できる構造としてある。

上記した本発明のエアー駆動式人体冷却システムを、室温５０℃の環境中で作業する作業員の冷却に適用したところ、図９に示すように冷却ベスト２の内部温度を２５℃に維持することができた。この場合の圧縮空気源の圧力は０.２ＭＰａ、流量は毎分６５リットルであり、給水流量は毎分０．３５リットルである。

以上に説明したように、本発明によれば電源を必要とせず、高温環境中で作業を行う作業者の人体を効率よく、しかも安全に冷却することができるので、高温環境中で働く作業者を高熱から保護することができる。

１ 冷却装置本体
２ 冷却ベスト
３ ホース
４ 分岐ホース
５ 給水用のヘッダ
６ 排水用のヘッダ
１０ 筐体
１１ 水槽
１２ エアー駆動式ポンプ
１３ 減圧弁
１４ ボルテックスチューブ
１５ 圧縮空気導入口
１６ ノズル
１７ 本体
１８ チューブ
１９ 流量調節弁
２０ バブリング手段
２１ 散気孔
２２ 流入口
２３ 流出口
２４ 横行チューブ
２５ 首部
２６ 胴体部
２７ 継手
２８ 継手
２９ 圧縮空気供給口
３０ 逆止弁および循環水量調整弁

Claims (7)

1. 作業者が着用する冷却ベストと冷却装置本体との間で冷却水を循環させて作業者の人体を冷却するシステムであって、前記冷却装置本体は、水槽の内部に冷気を吹き込むボルテックスチューブと、得られた冷却水を冷却ベストに給水するエアー駆動式ポンプとを備えたものであることを特徴とするエアー駆動式人体冷却システム。
2. 前記水槽は、ボルテックスチューブにより得られた冷気を吹き込むバブリング手段を備えたものであることを特徴とする請求項１記載のエアー駆動式人体冷却システム。
3. 前記バブリング手段を、水槽上部の冷却水流入口と水槽下部の流出口の中間に配置したことを特徴とする請求項２記載のエアー駆動式人体冷却システム。
4. 前記冷却ベストは冷却水が循環する横行チューブを備えたものであることを特徴とする請求項１記載のエアー駆動式人体冷却システム。
5. 前記冷却ベストに、冷却水の逆流を防止する逆止弁を設けたことを特徴とする請求項１記載のエアー駆動式人体冷却システム。
6. 前記ボルテックスチューブを、冷却装置本体の筐体の外部に配置したことを特徴とする請求項１記載のエアー駆動式人体冷却システム。
7. １台の冷却装置本体から、複数の冷却ベストに対して冷却水を給水することを特徴とする請求項１記載のエアー駆動式人体冷却システム。