JP2016125699A - 恒温容器およびその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱材が過度に機能することで、対象物の温度が許容限界温度を超えてオーバーシュートするのを防止できる恒温容器およびその作製方法を提供する。【解決手段】許容限界温度が設定された対象物の温度を維持する温度維持層１３０および温度維持層１３０と熱交換する熱交換層１２０を設計し、その設計では、温度維持層１３０の温度が初期設定温度から許容限界温度に至るための第１の熱量が、熱交換層１２０の温度が初期設定温度から許容限界温度に至るまでの第２の熱量以上になるように算出するステップと、少なくとも２層以上の蓄熱層の温度をそれぞれ初期温度に維持するステップと、外部に面した外側断熱層１１０の内側に、外側断熱層側に熱交換層１２０を配置し、対象物側に温度維持層１３０を配置することで２層以上の蓄熱層を設けるステップと、を行なう。【選択図】図１

Description

本発明は、対象物の温度を維持する恒温容器およびその作製方法に関する。

従来、品質保持のために温度管理を要する商品等が輸送される際には、商品に応じた温度範囲に管理されている。例えば、管理温度に冷却された蓄冷材を恒温ボックスに配置し、その恒温ボックスに商品を収容することで、商品の保冷が可能になる。

特許文献１は、長時間にわたって食品や薬品等を保温又は保冷可能な恒温ボックスを開示している。この恒温ボックスは、内箱が、外箱内に設けられ、第１蓄冷材が内箱の外周部に配置されている。そして、第１蓄冷材の外周部には、第２蓄冷材が配置され、外気の温度が所定の範囲内の温度よりも高いか低いかに応じて第１蓄冷材と第２蓄冷材の互いに対する温度の高低が決められている。

特開平９−６８３７６号公報

しかしながら、上記のような複数温度帯の蓄熱材を用いた恒温ボックスにおいては、例えば対象物を保冷しようとする場合、外側に配置した温度の低い蓄熱材の量が多すぎると、対象物の温度が下限温度よりも低くなるおそれがある。一方、対象物を保温しようとする場合には、外側に配置した温度の高い蓄熱材の量が多すぎると、対象物の温度が上限温度よりも高くなるおそれがある。

これらは、内側に配置した蓄熱材の初期設定温度と庫内限界温度から求まる顕熱量と外側に配置した蓄熱材の初期設定温度と庫内限界温度から求まる顕熱量の比較設計不足により庫内温度がオーバーシュート（限界温度突破）することに起因する。図１９（ａ）、（ｂ）のグラフは、それぞれ対象物の温度が下方または上方にオーバーシュートしたときの温度変化を示している。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、蓄熱材が過度に機能することで、対象物の温度が許容限界温度を超えてオーバーシュートするのを防止できる恒温容器およびその作製方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の恒温容器の作製方法は、対象物の温度を維持する恒温容器の作製方法であって、少なくとも２層以上の蓄熱層として、許容限界温度が設定された対象物の温度を維持する温度維持層および前記温度維持層と熱交換する熱交換層を設計し、前記設計では、前記温度維持層の温度が初期設定温度から許容限界温度に至るための第１の熱量が、前記熱交換層の温度が初期設定温度から許容限界温度に至るまでの第２の熱量以上になるように算出するステップと、前記少なくとも２層以上の蓄熱層の温度をそれぞれ初期温度に維持するステップと、外部に面した外側断熱層の内側に、前記外側断熱層側に前記熱交換層を配置し、前記対象物側に前記温度維持層を配置することで前記２層以上の蓄熱層を設けるステップと、を行なうことを特徴としている。

このように熱交換層および温度維持層が設計されていることで、作製された恒温容器は、対象物の温度が許容限界温度を超えてオーバーシュートするのを防止できる。その一方で、高い温度維持効果が得られるように熱交換層および温度維持層が設計された恒温容器を作製できる。

（２）また、本発明の恒温容器の作製方法は、前記第１の熱量として、初期設定温度と前記許容限界温度との温度差に対応する前記温度維持層の顕熱量を含め、前記第２の熱量として、初期設定温度と前記許容限界温度との温度差に対応する前記熱交換層の顕熱量を含めることを特徴としている。これにより、対象物の温度が許容限界温度を超えてオーバーシュートするのを防止できる。

（３）また、本発明の恒温容器の作製方法は、前記第１の熱量として、さらに前記熱交換層が初期設定温度から前記許容限界温度になるまで外気との間で交換する熱量を含めることを特徴としている。これにより、外気との交換熱量を考慮して高い温度維持効果が得られ、かつ対象物の温度のオーバーシュートを防止可能な恒温容器を作製できる。

（４）また、本発明の恒温容器の作製方法は、前記第１の熱量として、前記温度維持層が初期設定温度から前記許容限界温度になるまで前記対象物との間で交換する熱量を含めることを特徴としている。これにより、対象物との交換熱量を考慮して高い温度維持効果が得られ、かつ対象物の温度のオーバーシュートを防止可能な恒温容器を作製できる。

（５）また、本発明の恒温容器の作製方法は、前記温度維持層の内側に内部空間に面して設けられた内側断熱層を設けるステップを更に行ない、前記第１の熱量として、前記温度維持層が初期設定温度から前記許容限界温度になるまで前記内側断熱層との間で交換する熱量を含めることを特徴としている。これにより、内側断熱層を設けることで、対象物の温度維持について、更に厳密な管理のできる熱交換層および温度維持層の設計が可能となる。

（６）また、本発明の恒温容器の作製方法は、前記熱交換層と前記温度維持層との間に１以上の中間断熱層を設けるステップを更に行ない、前記第１の熱量として、前記温度維持層が初期設定温度から前記許容限界温度になるまで前記中間断熱層との間で交換する熱量および前記熱交換層が初期設定温度から前記許容限界温度になるまで前記中間断熱層との間で交換する熱量を含めることを特徴としている。これにより、中間断熱層を設けることで、対象物の温度維持について、更に厳密な管理のできる熱交換層および温度維持層の設計が可能となる。

（７）また、本発明の恒温容器の作製方法は、前記熱交換層を形成する蓄熱材および前記温度維持層を形成する蓄熱材は、複数の層を形成し、前記複数の層それぞれの層内の前記蓄熱材のいずれかの隙間の位置のうち一か所以上が隣り合う他の層内の前記蓄熱材の隙間の位置と一致しないようにずらして配置することを特徴としている。これにより、蓄熱材の隙間から熱が漏れるのを防止できる。

（８）また、本発明の恒温容器の作製方法は、前記許容限界温度は、許容される最低の温度であり、前記熱交換層の初期温度は、前記許容限界温度より低く、前記温度維持層の初期温度は、前記許容限界温度より高く設定され、前記対象物の冷蔵のために用いられることを特徴としている。これにより、電力を利用せずに、例えば食材や飲料等の対象物を適切な温度で冷蔵した状態で維持することができる。

（９）また、本発明の恒温容器の作製方法は、前記許容限界温度は、許容される最高の温度であり、前記熱交換層の初期温度は、前記許容限界温度より高く、前記温度維持層の初期温度は、前記許容限界温度より低く設定され、前記対象物の保温のために用いられることを特徴としている。これにより、対象物を適切な温度で保温した状態で維持することができる。

（１０）また、本発明の恒温容器は、対象物の温度を維持する恒温容器であって、外部空間に面して設けられた外側断熱層と、少なくとも２層以上の蓄熱層を備え、前記２層以上の蓄熱層には、前記断熱層の内側に設けられた熱交換層と、前記熱交換層の内側に設けられ、許容限界温度が設定された対象物を収容する内部空間の温度を維持する温度維持層と、を含み、前記熱交換層および前記温度維持層は、前記温度維持層の温度が初期設定温度から許容限界温度に至るための第１の熱量が、前記熱交換層の温度が初期設定温度から許容限界温度に至るまでの第２の熱量以上になるように算出されていることを特徴としている。これにより、対象物の温度が許容限界温度を超えてオーバーシュートするのを防止できる。

本発明によれば、恒温容器において蓄熱材が過度に機能することで、対象物の温度が許容限界温度を超えてオーバーシュートするのを防止できる。

第１の実施形態の恒温容器を示す断面図である。 代表的な各蓄熱材の相転移温度を示す表である。 蓄熱材に用いられる各成分の相転移温度を示す表である。 蓄熱材に用いられる各成分の相転移温度を示す表である。 蓄熱材に用いられる各成分の相転移温度を示す表である。 蓄熱材に用いられる各成分の相転移温度を示す表である。 恒温容器を作製する一工程を示す斜視図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）それぞれ第２の実施形態の恒温容器の例を示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）それぞれ第３の実施形態の恒温容器の例を示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）それぞれ第３の実施形態の恒温容器の例を示す断面図である。 実施例１の結果を示すグラフである。 実施例２のシミュレーション結果を示すグラフである。 実施例２の条件における比較例のシミュレーション結果を示すグラフである。 実施例３のシミュレーション結果を示すグラフである。 実施例４のシミュレーション結果を示すグラフである。 実施例５のシミュレーション結果を示すグラフである。 実施例６のシミュレーション結果を示すグラフである。 実施例７のシミュレーション結果を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）それぞれ対象物の温度がオーバーシュートしたときの温度変化を示すグラフである。

次に、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。

［第１の実施形態］
（恒温容器の構成）
図１は、第１の実施形態の恒温容器１００を示す断面図である。恒温容器１００は、外側断熱層１１０、熱交換層１２０および温度維持層１３０を備え、中央に形成された内部空間Ｓ０に温度維持の対象物を収容することで、対象物の温度を維持するために用いられる。対象物は、許容限界温度が設定されている。

外側断熱層１１０は、外部空間に面して設けられており、熱交換層１２０が外気と直接に熱交換し難いように、互いを断熱している。断熱材の材料は、輸送ボックス、建築、冷蔵庫等に一般的に用いられる材料であればよく、例えば、真空断熱材、ウレタンフォーム、ポリエチレンフォーム、ユリアフォーム、セルロースファイバー、セラミックファイバー、グラスウール、ロックウールなどが望ましい。その他、熱伝導率が０．０６Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であれば、上記の材料以外であってもよい。

熱交換層１２０は、第１の蓄熱材で形成され、断熱層の内側に設けられている。熱交換層１２０は、冷却または加熱のために温度維持の対象物の許容限界温度を超えた初期温度に設定される。また、第１の蓄熱材の相転移温度は、そのような初期温度に近い方が好ましい。

温度維持層１３０は、第２の蓄熱材で形成され、熱交換層１２０の内側に設けられ、温度維持の対象物の許容限界温度範囲内に初期温度が設定される。温度維持層１３０は、熱交換層１２０と熱交換しつつ、対象物を収容する内部空間Ｓ０の温度を維持する。第２の蓄熱材は対象物を管理したい狙いの温度に相転移温度を有するものが好ましい。

なお、図１では、熱交換層１２０および温度維持層１３０がそれぞれ連続した一体の層として表示されているが、実際には必ずしも一体である必要はない。図８についても同様である。

（蓄熱材の材料）
熱交換層１２０および温度維持層１３０には、求められる機能に応じてそれぞれに適した蓄熱材を用いてもよいし、互いに同じ蓄熱材を用いてもよい。図２は、代表的な各蓄熱材の相転移温度を示す表である。例えば、温度維持層１３０には、対象物の管理温度範囲に相転移温度を有する蓄熱材を用い、熱交換層１２０には、冷蔵用であれば温度維持層１３０より低い相転移温度を有する蓄熱材、保温用であれば温度維持層１３０より高い相転移温度を有する蓄熱材を用いることができる。

図３〜６は、蓄熱材に用いられる各成分の相転移温度を示す表である。蓄熱材は、図２に示すような代表的なものに限らず、管理温度に応じた成分の組合せで設計されたものであってもよい。

（対象物の許容限界温度）
温度維持の対象物には、電気的な温度制御に適さず、一定量に対して個別に管理が必要になるものが好ましく、輸送物が適している。輸送時に恒温容器を用いることで、それぞれの許容限界温度の範囲を有する対象物を個別の温度管理が可能な恒温容器に収容し、輸送先まで温度管理することができる。

そのような輸送物には、生鮮食品、乳製品、飲料、医療用の臓器などが挙げられる。生鮮食品の鮮度を保持するためには、輸送時の厳密な温度管理が有効であり、さらに野菜や果物はその種類ごと、肉や魚にもそれぞれ最適な温度帯がある。例えば、野菜では、ほうれん草は０〜５℃、レタスは０〜４℃、インゲンは２〜８℃、トマト(完熟)は４〜８℃、が最適とされている。

果物では、イチゴは−１〜２℃、バナナは１２〜１３℃、桃は０〜７℃、アンズは０〜３℃、スイカは２〜４℃、サクランボは０〜４℃、マンゴーは７〜１０℃が最適とされ、肉（非冷凍）であれば０〜５℃、魚（非冷凍）は−７〜０℃の温度管理が必要とされる。

また、生鮮食品に限らず、乳製品であれば０〜４℃、ワインや日本酒（冷酒）であれば４〜１５℃での輸送が品質劣化を防ぐために必要である。さらに、医療関係であれば、さらに厳密な温度管理による輸送が必須であり、たとえば臓器は１〜４℃、血液（非凍結）であれば２〜６℃、薬やワクチンであれば、０〜１０℃、さらに厳密に２〜８℃の温度管理が必要な場合がある。

これらの温度帯を必要とするものに共通するのは、温度管理の下限域、または上限域を超えてしまうと品質が劣化し、飲食物は商品にならず損失を生み、医療関係では人の生命にかかわる問題になることである。例えば、温度管理の下限を超えて凍結するのは防がなくてはならない。

一方、冷凍食品や凍結保存している薬やワクチンの場合は、上限温度のみが問題であり、冷凍食品では一般に−１８℃以下、後者は−２０℃以下であることが必要とされることが多い。薬の例では、凍結保存されている倉庫から手術室まで一時たりとも−２０℃を超えてはならないものもある。

（熱交換層および温度維持層の設計）
熱交換層１２０および温度維持層１３０のそれぞれの量は、それぞれの蓄熱材の機能により対象物の温度がオーバーシュートしないように設計（調節、決定）されている。以下、それぞれの方法について説明する。

（１）熱交換層および温度維持層のみを考慮した場合
熱交換層１２０および温度維持層１３０の量は、初期設定温度Ｔｉｎと許容限界温度Ｔｍｉｎとの温度差に対応する温度維持層１３０の顕熱量Ｃｉｎ・Ｍｉｎ（Ｔｉｎ−Ｔｍｉｎ）が、初期設定温度Ｔｏｕｔと許容限界温度Ｔｍｉｎとの温度差に対応する熱交換層１２０の顕熱量Ｃｏｕｔ・Ｍｏｕｔ（Ｔｍｉｎ−Ｔｏｕｔ）以上になるように設計されている。

なお、対象物との熱交換量は、温度維持層１３０の温度が対象物の温度よりも低くなる場合には、最も内側に配置された温度維持層１３０が熱交換層１２０を通して対象物から吸熱する熱量、逆に温度維持層１３０の温度が対象物の温度よりも高くなる場合には、放熱する熱量である。

例えば、外気温に対して対象物を低温に維持したい場合には、初期設定温度Ｔｉｎと許容限界温度Ｔｍｉｎとの温度差に対応する温度維持層１３０の顕熱量Ｃｉｎ・Ｍｉｎ（Ｔｉｎ−Ｔｍｉｎ）、熱交換層１２０が初期設定温度Ｔｏｕｔから許容限界温度Ｔｍｉｎになるまで外気との間で交換する熱量および温度維持層１３０が初期設定温度Ｔｏｕｔから許容限界温度Ｔｍｉｎになるまで対象物との間で交換する熱量の和が、初期設定温度Ｔｏｕｔと許容限界温度Ｔｍｉｎとの温度差に対応する熱交換層１２０の顕熱量Ｃｏｕｔ・Ｍｏｕｔ（Ｔｍｉｎ−Ｔｏｕｔ）以上になるように設計される。

ここで、Ｃｉｎは、温度維持層を構成する蓄熱材の比熱を表し、Ｃｏｕｔは、熱交換層を構成する蓄熱材の比熱を表している。また、初期設定温度とは、対象物の温度維持のために蓄熱材を断熱性容器内に配置するときの温度をいう。Ｍｉｎは、温度維持層の重量、Ｍｏｕｔは、熱交換層の重量を表す。

（２）外気との熱交換を考慮した場合
熱交換層１２０および温度維持層１３０の量は、初期設定温度Ｔｉｎと許容限界温度Ｔｍｉｎとの温度差に対応する温度維持層１３０の顕熱量Ｃｉｎ・Ｍｉｎ（Ｔｉｎ−Ｔｍｉｎ）および熱交換層１２０が初期設定温度Ｔｏｕｔから許容限界温度Ｔｍｉｎになるまで外気との間で交換する熱量の和が、初期設定温度Ｔｏｕｔと許容限界温度Ｔｍｉｎとの温度差に対応する熱交換層１２０の顕熱量Ｃｏｕｔ・Ｍｏｕｔ（Ｔｍｉｎ−Ｔｏｕｔ）以上になるように設計されていることが好ましい。

これにより、外気との交換熱量も考慮したときの、オーバーシュートを防ぐとともに、高い効果が得られる量に熱交換層１２０および温度維持層１３０が設計された恒温容器を構成できる。

（３）外気、対象物との熱交換を考慮した場合
外気、対象物との熱交換を考慮し、熱交換層１２０および温度維持層１３０のそれぞれの量を設計することができる。外気との熱交換量は、外気温度が熱交換層１２０の温度よりも高い場合には、熱交換層１２０が外側断熱層１１０を通して外気から吸熱する量である。外気温度が熱交換層１２０の温度よりも低い場合には、外気へ放熱する量である。

このように熱交換層１２０および温度維持層１３０が設計されていることで、恒温容器１００の機能により対象物の温度が許容限界温度Ｔｍｉｎを超えてオーバーシュートするのを防止できる。その結果、外気や対象物との交換熱量も考慮したときの、オーバーシュートを防ぐとともに、高い効果が得られる量に熱交換層１２０および温度維持層１３０が設計された恒温容器１００を構成できる。

以上の（１）〜（３）の各条件は、温度維持層の温度が初期設定温度から許容限界温度に至るための第１の熱量が、熱交換層の温度が初期設定温度から許容限界温度に至るまでの第２の熱量以上になると表現することができる。

このように、熱交換層１２０と温度維持層１３０との間の熱交換を考慮して設計されているため、そのような考慮がない場合より、熱交換層１２０を増やす設計を行なうことができ、かつ対象物の温度のオーバーシュートを防止できる。なお、本来の恒温容器として熱交換層１２０の冷却または加熱の機能を確保することを考慮すると、（熱交換層１２０の重量）／（温度維持層１３０の重量）が１／５以上であることが好ましい。

（保冷または保温）
上記のように、対象物を外気温より低温で維持する場合（保冷）には、許容限界温度は、許容される最低の温度Ｔｍｉｎとなる。また、熱交換層１２０の初期設定温度Ｔｏｕｔは、許容限界温度Ｔｍｉｎより低く、温度維持層１３０の初期設定温度Ｔｉｎは、許容限界温度Ｔｍｉｎより高く設定され、恒温容器１００は、対象物の冷蔵のために用いられる。これにより、電力を利用せずに、例えば食材や飲料等の対象物を適切な温度で冷蔵した状態で維持することができる。

一方、対象物を外気温より高温で維持する場合（保温）には、許容限界温度は、許容される最高の温度Ｔｍａｘとなる。そして、熱交換層１２０の初期設定温度Ｔｏｕｔは、許容限界温度Ｔｍａｘより高く、温度維持層１３０の初期設定温度Ｔｉｎは、許容限界温度Ｔｍａｘより低く設定され、対象物の保温のために用いられる。これにより、対象物を管理すべき温度で保温して維持できる。

なお、上記の例では、蓄熱材を用いる熱交換層１２０および温度維持層１３０には、それぞれ１種類ずつ合わせて２種類の蓄熱材が用いられているが、いずれか単一の層に複数種類の蓄熱材を用い、合わせて３種類以上の蓄熱材を用いてもよい。

（恒温容器の作製方法）
上記のように構成された恒温容器１００の作製方法を説明する。図７は、恒温容器１００を作製する一工程を示す斜視図である。まず、熱交換層１２０および温度維持層１３０の温度をそれぞれ初期設定温度に調整する。そして、図７に示すように、外側断熱層１１０を構成する断熱容器１１０ａの内側に、熱交換層１２０を設ける。そして、熱交換層１２０の内側に、温度維持層を重ねて設ける。なお、断熱容器１１０ａは、側面の壁部だけでなく、底部、蓋部も断熱層となっており、蓋を閉じることで内部は隙間なく断熱層に覆われる構造を有する。

対象物を内部空間に収容する。熱交換層１２０は、例えば蓄熱材をパックに封入した本体部１２０ａとその温度を表示する温度タグ１２０ｂとで構成されている。温度維持層１３０も同様の構成とすることができる。なお、温度タグ１２０ｂは、必ずしも必要ない。

このとき、外気、対象物との熱交換を考慮し、熱交換層１２０および温度維持層１３０のそれぞれの量を設計できる。例えば、外気温に対して対象物を低温に維持する場合には、初期設定温度Ｔｉｎと許容限界温度Ｔｍｉｎとの温度差に対応する温度維持層１３０の顕熱量Ｃｉｎ・Ｍｉｎ（Ｔｉｎ−Ｔｍｉｎ）、熱交換層１２０が初期設定温度Ｔｏｕｔから許容限界温度Ｔｍｉｎになるまで外気との間で交換する熱量および温度維持層１３０が初期設定温度Ｔｏｕｔから許容限界温度Ｔｍｉｎになるまで対象物との間で交換する熱量の和が、初期設定温度Ｔｏｕｔと許容限界温度Ｔｍｉｎとの温度差に対応する熱交換層１２０の顕熱量Ｃｏｕｔ・Ｍｏｕｔ（Ｔｍｉｎ−Ｔｏｕｔ）以上になるように設計する。これにより、対象物の温度が許容限界温度Ｔｍｉｎを超えてオーバーシュートするのを防止できる。

［第２の実施形態］
上記の実施形態では、温度維持層１３０の内側に内部空間Ｓ０が設けられているが、温度維持層１３０の内側には、内側断熱層が設けられ、内側断熱層が内部空間Ｓ０に面していてもよい。図８（ａ）は、内側断熱層２４１を有する恒温容器２０１の例を示す断面図である。

恒温容器２０１は、外側断熱層１１０、熱交換層１２０、温度維持層１３０および内側断熱層２４１を備え、中央に内部空間Ｓ０が形成されている。内側断熱層２４１は、温度維持層１３０の内側に内部空間に面して設けられており、対象物と蓄熱材とが直接に熱交換しないように熱の移動を緩和している。内側断熱層２４１を設けることで、対象物の温度のオーバーシュートを防止する温度維持について、更に厳密な熱交換層１２０および温度維持層１３０の設計が可能となる。

なお、内側断熱層２４１を設ける場合には、第１の熱量として、温度維持層１３０が初期設定温度から許容限界温度になるまで内側断熱層２４１との間で交換する熱量を含めて、熱交換層１２０および温度維持層１３０の量を設計することができる。

上記の例では、温度維持層１３０の内側に内側断熱層２４１が設けられているが、熱交換層１２０と温度維持層１３０との間に１以上の中間断熱層２４２を設けてもよい。中間断熱層２４２を設けることで、対象物の温度維持について、更に厳密な熱交換層１２０および温度維持層１３０の設計が可能となる。

中間断熱層２４２を設ける場合に、第１の熱量として、温度維持層１３０が初期設定温度から許容限界温度になるまで中間断熱層２４２との間で交換する熱量および熱交換層１２０が初期設定温度から許容限界温度になるまで中間断熱層２４２との間で交換する熱量を含めて、熱交換層１２０および温度維持層１３０の量を設計することができる。

図８（ｂ）は、中間断熱層２４２を有する恒温容器２０２の例を示す断面図である。また、図８（ｃ）は、内側断熱層２４１および中間断熱層２４２を有する恒温容器２０３の例を示す断面図である。なお、中間断熱層２４２は、複数設けられていても良く、互いに素材や厚さが同じである必要はない。

［第３の実施形態］
上記の実施形態では、熱交換層と温度維持層を構成する蓄熱材の配置までは特定されていないが、効果的な配置となるようにそれらを特定してもよい。図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）および図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ効果的に蓄熱材を配置した恒温容器３０１〜３０７の例を示す断面図である。以下の例に示すように、熱交換層を形成する蓄熱材および温度維持層を形成する蓄熱材は、複数の層を形成し、複数の層それぞれの層内の蓄熱材のいずれかの隙間の位置のうち一か所以上が隣り合う他の層内の蓄熱材の隙間の位置と一致しないようにずらして配置されていることが好ましい。すなわち隣り合う層間の蓄熱材同士の隙間のうち少なくとも一組は層厚み方向に位置が重ならない。隣り合う層内の蓄熱材の隙間の位置のうちすべてが、隣り合う他の層内の蓄熱材の隙間の位置と一致しないことがさらに好ましい。

恒温容器３０１では、熱交換層３２１が、４つの蓄熱材で隙間なく連続して構成され、外側断熱層１１０の内隅部は、それぞれ４つの蓄熱材で覆われるように配置されている。また、温度維持層３３１は、４つの蓄熱材で隙間なく連続して構成され、それぞれの蓄熱材は、外側に配置された蓄熱材と隙間の位置が一致しないようにずらして配置されている。これにより、蓄熱材の隙間から熱が漏れるのを防止している。なお、熱交換層３２１および温度維持層３３１のそれぞれを構成する蓄熱材の全量は、それぞれの蓄熱材の機能により対象物の温度がオーバーシュートしないように設計されている。

恒温容器３０２では、熱交換層３２２が、８つの蓄熱材で隙間なく連続して構成され、外側断熱層１１０の内隅部は、それぞれ４つの蓄熱材で覆われるように配置されている。また、温度維持層３３２は、一体の蓄熱材で隙間なく構成されている。熱交換層３２２および温度維持層３３２のそれぞれを構成する蓄熱材の全量は、それぞれの蓄熱材の機能により対象物の温度がオーバーシュートしないように設計されている。

恒温容器３０３では、熱交換層３２２が、８つの蓄熱材で隙間なく連続して構成され、外側断熱層１１０の内隅部は、それぞれ４つの蓄熱材で覆われるように配置されている。また、温度維持層３３３は、６つの蓄熱材で隙間なく連続して構成され、それぞれの蓄熱材は、外側に配置された熱交換層３２２の蓄熱材と隙間の位置が一致しないようにずらして配置されている。熱交換層３２２および温度維持層３３３のそれぞれを構成する蓄熱材の全量は、それぞれの蓄熱材の機能により対象物の温度がオーバーシュートしないように設計されている。

恒温容器３０４では、熱交換層３２１が、４つの蓄熱材で隙間なく連続して構成され、外側断熱層１１０の内隅部は、それぞれ４つの蓄熱材で覆われるように配置されている。また、温度維持層３３４は、８つの蓄熱材で隙間なく連続して構成され、それぞれの蓄熱材は、外側に配置された熱交換層３２２の蓄熱材と隙間の位置が一致しないようにずらして配置されている。熱交換層３２１および温度維持層３３４のそれぞれを構成する蓄熱材の全量は、それぞれの蓄熱材の機能により対象物の温度がオーバーシュートしないように設計されている。

恒温容器３０５では、熱交換層３２１が、４つの蓄熱材で隙間なく連続して構成され、外側断熱層１１０の内隅部は、それぞれ４つの蓄熱材で覆われるように配置されている。また、温度維持層３３３は、４つの蓄熱材で隙間なく連続して構成され、それぞれの蓄熱材は、外側に配置された熱交換層３２１の蓄熱材と隙間の位置が一致しないようにずらして配置されている。熱交換層３２１および温度維持層３３３のそれぞれを構成する蓄熱材の全量は、それぞれの蓄熱材の機能により対象物の温度がオーバーシュートしないように設計されている。

恒温容器３０６では、熱交換層３２１が、４つの蓄熱材で隙間なく連続して構成され、外側断熱層１１０の内隅部は、それぞれ４つの蓄熱材で覆われるように配置されている。また、温度維持層３３４は、８つの蓄熱材で隙間なく連続して構成され、それぞれの蓄熱材は、外側に配置された熱交換層３２１の蓄熱材と隙間の位置が一致しないようにずらして配置されている。熱交換層３２１および温度維持層３３４のそれぞれを構成する蓄熱材の全量は、それぞれの蓄熱材の機能により対象物の温度がオーバーシュートしないように設計されている。

恒温容器３０７では、熱交換層３２２が、６つの蓄熱材で隙間なく連続して構成され、外側断熱層１１０の内隅部は、それぞれ４つの蓄熱材で覆われるように配置されている。また、温度維持層３３７は、２つの蓄熱材で隙間なく連続して構成され、それぞれの蓄熱材は、外側に配置された熱交換層３２２の蓄熱材と隙間の位置が一致しないようにずらして配置されている。熱交換層３２２および温度維持層３３７のそれぞれを構成する蓄熱材の全量は、それぞれの蓄熱材の機能により対象物の温度がオーバーシュートしないように設計されている。

このように、本実施形態では、外側の蓄熱材は少なくとも１ヶ所以上の外側断熱層の隅部に配置され、それより内側の蓄熱材は一つ外側に配置された蓄熱材と隙間のうち一か所以上の位置が一致しないようにずらして配置させている。

［実施例１］
一例として保管対象物の許容温度範囲を０〜１５℃として９０時間以上保温することを目的とした恒温容器を作製し、機能を検証した。まず、以下の工程により、蓄熱材を準備した。

第１の蓄熱材（熱交換層用）として、水ゲル蓄熱材（融解温度：０℃）を用いた。撹拌中の水にゲル化剤としてアガロースを１．５％添加し、カルボキシメチルセルロースを３．０％添加した。得られた混合液は、５分以上、煮沸した。そして、煮沸された混合液をパックに封入し、２５℃になるまで静置した。静置された混合液は、冷凍庫（−１８℃）で凍結させた。

第２の蓄熱材（温度維持層用）としては、ＴＢＡＢ（テトラブチルアンモニウムブロミド、融解温度：１２℃）を用いた。１０〜１２℃で相転移温度を示すＴＢＡＢ４０％溶液を調整した。この溶液を撹拌しながら、ゲル化剤としてアガロースを１．５％添加し、カルボキシメチルセルロースを３．０％添加した。このようにして、得られた溶液を５分以上、煮沸した。煮沸後の溶液をパックに封入し、２５℃になるまで静置した。静置後、得られた溶液を冷凍庫（−１８℃）で凍結させた。凍結後、冷蔵庫（５℃）に入れ、凍結状態で５℃まで加熱した。

なお、第２の蓄熱材の比熱（顕熱）を２．２２ｋＪ／ｋｇ・Ｋ、搭載量を１２．２ｋｇとし、初期設定温度は５℃（冷蔵庫内温度）とした。また、第１の蓄熱材（氷）の比熱は２．０９ｋＪ／ｋｇ・Ｋ、初期設定温度を−１８℃とし、第１の蓄熱材の搭載可能な最大重量ｍａｘを計算した。このようにして得られたｍａｘにより、第２の蓄熱材の搭載重量を３．２ｋｇとした。

断熱層として５６０×３９０×４００ｍｍの真空断熱材が用いられている容器を採用した。外気温度条件は、例えば、日本から中国へ空輸すると仮定し恒温槽内で（１）３０℃で２７時間、（２）５℃で３時間、（３）２８℃で６０時間、合計で９０時間、静置した。

図１１は、実施例１の結果を示すグラフである。図１１に示すように、一旦は第１の蓄熱材の影響を受け、内部空間の温度が低下するものの、許容下限温度に達することなく、提案する恒温容器は目標である０℃〜１５℃の範囲内で９０時間以上保持可能であった。このように、設計時に各蓄熱材の顕熱量を比較し、第１の蓄熱材（水ゲル）の搭載量を決定したことにより、保管の対象物の温度がオーバーシュートせず、恒温容器の恒温性能を確保できることが実証できた。

［実施例２］
次に、熱交換層と外気との熱交換を考慮した場合のシミュレーションを行なった。外部温度を３０℃と設定し、断熱層の初期設定温度を５℃、温度維持層の初期設定温度を５℃、熱交換層の初期設定温度を−１８℃に設定した。内部空間の許容温度範囲を下限０℃、上限１５℃で特定した。内部空間の温度は、その中心位置の温度を用いた。

（１）オーバーシュートしない場合のシミュレーション結果
搭載した温度維持層の重量を熱交換層の５倍として計算した。また、熱交換層および温度維持層の比熱は同じと仮定した。その結果、内部空間の温度の低下は低くても０℃までであった。図１２は、実施例２のシミュレーション結果を示すグラフである。

図１２に示す結果により、初期設定温度と許容限界温度との温度差に対応する温度維持層の顕熱量および熱交換層が初期設定温度から許容限界温度になるまで外気との間で交換する熱量の和が初期設定温度と許容限界温度との温度差に対応する熱交換層の顕熱量以上であるという関係が成り立つように温度維持層および熱交換層を設計すれば、対象物の温度のオーバーシュートを防止できることが実証された。

（２）オーバーシュートする場合のシミュレーション結果
熱交換層および温度維持層として搭載するそれぞれ蓄熱材の重量を同量とし、いずれの蓄熱材の比熱も同じと仮定した。熱交換層および温度維持層の比熱をいずれもＣとし、各重量をＭとすると、温度維持層の顕熱量は、５ＣＭ＝（５℃(初期設定温度)−０℃(下限温度)）×ＣＭとなり、熱交換層の顕熱量１８ＣＭ＝（０℃(下限温度)−(−１８℃)(初期設定温度)）×ＣＭとなる。

そして、熱交換層と外気の交換熱量≦１８ＣＭ−５ＣＭであるため、内部空間の温度はオーバーシュートした。図１３は、このような実施例２の条件における比較例のシミュレーション結果を示すグラフである。このように、熱交換層の搭載量が過剰な場合、温度と時間において、どの程度オーバーシュートするかも予測可能となる。

［実施例３］
本実施例では、熱交換層の重量Ｍ_１と温度維持層の重量Ｍ_２の重量比Ｍ_１：Ｍ_２＝１：３の条件でシミュレーションを行なった。実施例１にならって顕熱量を比較すると、初期設定温度と許容限界温度との温度差に対応する温度維持層の顕熱量は、５ＣＭ_２＝（５℃（初期設定温度）−０℃（下限温度））×ＣＭ_２となり、初期設定温度と許容限界温度との温度差に対応する熱交換層の顕熱量は、１８ＣＭ_１＝（０℃（下限温度）−（−１８℃）（初期設定温度））×ＣＭ_１となる。

オーバーシュートしない条件は、初期設定温度と許容限界温度との温度差に対応する温度維持層の顕熱量≧初期設定温度と許容限界温度との温度差に対応する熱交換層の顕熱量であり、本実施例では、５ＣＭ_２≧１８ＣＭ_１となることから温度維持層と熱交換層の重量の関係はＭ_２＞３．６Ｍ_１となる必要がある。

逆にいえば、Ｍ_２≦３．６Ｍ_１の場合には、実施例１の設計では、オーバーシュートすることになる。したがって、本実施例の重量比条件（Ｍ_１：Ｍ_２＝１：３）ではオーバーシュートすることになる。しかし、実際には熱交換層の顕熱は全て温度維持層を冷やすために費やされるのではなく、断熱層を介して外部の熱を吸収することで温度維持層を冷やすための顕熱が消費される。

よって、熱交換層と温度維持層の重量比がＭ_１：Ｍ_２＝１：３であっても図１４に示すように内部空間の温度はオーバーシュートしなかった。なお、図１４は、実施例３のシミュレーション結果を示すグラフである。このように、熱交換層と外気の交換熱量を考慮することで、実施例１に比べて、より多くの熱交換層を搭載することが可能となる。

以上のように本実施例では、外気との交換熱量を考慮しない実施例１では対象物の温度がオーバーシュートする結果となるが、外気との交換熱量を考慮する場合に対象物の温度がオーバーシュートしないような熱交換層の搭載量を設計できる。すなわち、熱交換層の搭載量を根拠に基づいて増やすことが可能となる。

外部温度を３０℃に設定し、断熱性容器の初期設定温度を５℃、温度維持層の初期設定温度を５℃、熱交換層の初期設定温度を−１８℃に設定した。内部空間の許容温度範囲を下限０℃、上限１５℃と特定した。内部空間の温度は、その中心位置の温度を用いた。熱交換層および温度維持層の蓄熱材の重量比がＭ_１：Ｍ_２＝１：３のときに、内部空間の温度がオーバーシュートしないことを確認できた。

［実施例４］
次に、内側断熱層を有する場合のシミュレーションを行なった。内側断熱層を追加することで、実施例２と比較して、どの程度オーバーシュートが抑えられるかを検証した。

外部温度を３０℃に設定し、外側断熱層の初期設定温度を５℃、温度維持層の初期設定温度を５℃、熱交換層の初期設定温度を−１８℃に設定した。内部空間の許容温度範囲を下限０℃、上限１５℃で特定した。内部空間の温度は、その中心位置の温度を用いた。

熱交換層および温度維持層の蓄熱材の重量比がＭ_１：Ｍ_２＝１：１．５のときに、内側断熱層なしの場合には、内部空間の温度が大きくオーバーシュートし、マイナス２℃まで低下した。内側断熱層ありの場合には、内部空間の温度は−０．５℃までの低下にとどまり、内部空間の温度のオーバーシュートが軽減されることを確認できた。図１５は、実施例４のシミュレーション結果を示すグラフである。このように、内側断熱層は熱交換層と内部空間との熱のやり取りを緩和させるため、温度の急激な変化を軽減する効果がある。

［実施例５］
内側断熱層を考慮しない場合に、対象物の温度がオーバーシュートする結果が得られるが、内側断熱層を考慮すれば、オーバーシュートしないような熱交換層の搭載量を設計できる。すなわち、内側断熱層を考慮することで、更に厳密に蓄熱材量を設計できる。

外部温度を３０℃に設定し、断熱性容器の初期設定温度を５℃、温度維持層の初期設定温度を５℃、熱交換層の初期設定温度を−１８℃に設定した。内部空間の許容温度範囲を下限０℃、上限１５℃で特定した。内部空間の温度は、その中心位置の温度を用いた。

熱交換層および温度維持層の蓄熱材の重量比がＭ_１：Ｍ_２＝１：２のときに、内側断熱層なしの場合には、内部空間の温度がオーバーシュートし、マイナス−０．５℃まで低下した。内側断熱層ありの場合には、内部空間の温度はオーバーシュートせず、０℃までの低下にとどまることを確認できた。図１６は、実施例５のシミュレーション結果を示すグラフである。内側断熱層を考慮することで、内側断熱層がない場合、または内側断熱層があっても考慮せずに蓄熱材の量を設計する実施例２と比較して、より多くの熱交換層を搭載可能となる。

［実施例６］
温度維持層と熱交換層の間に中間断熱層がある場合についてシミュレーションを行なった。一例として実施例２および実施例１の設計方法では対象物の温度は、オーバーシュートするが、本実施例ではオーバーシュートしない場合を検証した。

外部温度を３０℃に設定し、断熱性容器の初期設定温度を５℃、温度維持層の初期設定温度を５℃、熱交換層の初期設定温度を−１８℃に設定した。内部空間の許容温度範囲を下限０℃、上限１５℃で特定した。内部空間の温度は、その中心位置の温度を用いた。

このような条件で、内側断熱層および中間断熱層を設け、その効果を考慮した場合には、熱交換層および温度維持層の蓄熱材の重量比がＭ_１：Ｍ_２＝１．５：１のときでも、対象物の温度がオーバーシュートしないことを確認できた。中間断熱層を考慮することで熱交換層の蓄熱材の量が温度維持層の蓄熱材の量よりも多くても、オーバーシュートを抑制する設計が可能となる。なお、Ｍ_２＝０．６７Ｍ_１＜３．６Ｍ_１なので実施例１の設計条件では、上記の構造ではオーバーシュートすることになる。

図１７は、実施例６のシミュレーション結果を示すグラフである。内側断熱層および中間断熱層のいずれも考慮しない場合、または実施例２のように内側断熱層のみを考慮し中間断熱層を考慮しない設計の場合もグラフのようにオーバーシュートする。しかし、本実施例のように、中間断熱層を構成に追加し、温度維持層と熱交換層の熱のやり取りを考慮することでオーバーシュートしないことが分かる。その結果、より多くの熱交換層を搭載可能となる。ただし、中間断熱層無しで内側断熱層のみ設ける場合であっても、その断熱性が高ければ上記と同様に、熱交換層が温度維持層よりも多くてもオーバーシュートを抑制することは可能である。

［実施例７］
中間断熱層が無く、厚い内側断熱層がある場合についてシミュレーションを行なった。一例として、実施例６における中間断熱層および内側断熱層のいずれも無い場合、中間断熱層が無く、内側断熱層がある場合の設計方法では、対象物の温度はオーバーシュートするが、中間断熱層が無くても実施例６における厚さの３倍の厚さの内側断熱層を設けた場合にはオーバーシュートしないことを検証した。

外部温度を３０℃に設定し、断熱性容器の初期設定温度を５℃、温度維持層の初期設定温度を５℃、熱交換層の初期設定温度を−１８℃に設定した。内部空間の許容温度範囲を下限０℃、上限１５℃で特定した。内部空間の温度は、その中心位置の温度を用いた。

このような条件で、実施例６における厚さの３倍の厚さの内側断熱層を設け、その効果を考慮した場合には、熱交換層および温度維持層の蓄熱材の重量比がＭ_１：Ｍ_２＝１．５：１のときでも、対象物の温度がオーバーシュートしないことを確認できた。

図１８は、実施例７のシミュレーション結果を示すグラフである。内側断熱層および中間断熱層のいずれも考慮しない場合、または実施例６における厚さで内側断熱層のみを考慮した設計の場合のいずれもグラフのようにオーバーシュートする。しかし、本実施例のように、実施例６での内側断熱層の３倍の厚さの内側断熱層を考慮することでオーバーシュートしないことが分かる。

このように、中間断熱層および内側断熱層のうち内側断熱層のみであっても、本実施例のように断熱材の厚さを厚くするか、あるいは同じ厚さであっても断熱性の高い（熱伝導率の低い）断熱材を採用することで熱交換層の方が温度維持層よりも多くても、オーバーシュートを抑制することが可能となる。

１００、２０１〜２０３、３０１〜３０７ 恒温容器
１１０ 外側断熱層
１２０ 熱交換層
１３０ 温度維持層
Ｓ０ 内部空間
１１０ａ 断熱容器
１２０ａ 本体部
１２０ｂ 温度タグ
２０１〜２０３ 恒温容器
２４１ 内側断熱層
２４２ 中間断熱層
３０１〜３０７ 恒温容器
３２１、３２２ 熱交換層
３３１、３３２、３３３、３３４、３３７ 温度維持層

Claims (10)

1. 対象物の温度を維持する恒温容器の作製方法であって、
   少なくとも２層以上の蓄熱層として、許容限界温度が設定された対象物の温度を維持する温度維持層および前記温度維持層と熱交換する熱交換層を設計し、前記設計では、前記温度維持層の温度が初期設定温度から許容限界温度に至るための第１の熱量が、前記熱交換層の温度が初期設定温度から許容限界温度に至るまでの第２の熱量以上になるように算出するステップと、
   前記少なくとも２層以上の蓄熱層の温度をそれぞれ初期温度に維持するステップと、
   外部に面した外側断熱層の内側に、前記外側断熱層側に前記熱交換層を配置し、前記対象物側に前記温度維持層を配置することで前記２層以上の蓄熱層を設けるステップと、を行なうことを特徴とする恒温容器の作製方法。
2. 前記第１の熱量として、初期設定温度と前記許容限界温度との温度差に対応する前記温度維持層の顕熱量を含め、
   前記第２の熱量として、初期設定温度と前記許容限界温度との温度差に対応する前記熱交換層の顕熱量を含めることを特徴とする請求項１記載の恒温容器の作製方法。
3. 前記第１の熱量として、さらに前記熱交換層が初期設定温度から前記許容限界温度になるまで外気との間で交換する熱量を含めることを特徴とする請求項２記載の恒温容器の作製方法。
4. 前記第１の熱量として、前記温度維持層が初期設定温度から前記許容限界温度になるまで前記対象物との間で交換する熱量を含めることを特徴とする請求項３記載の恒温容器の作製方法。
5. 前記温度維持層の内側に内部空間に面して設けられた内側断熱層を設けるステップを更に行ない、
   前記第１の熱量として、前記温度維持層が初期設定温度から前記許容限界温度になるまで前記内側断熱層との間で交換する熱量を含めることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の恒温容器の作製方法。
6. 前記熱交換層と前記温度維持層との間に１以上の中間断熱層を設けるステップを更に行ない、
   前記第１の熱量として、前記温度維持層が初期設定温度から前記許容限界温度になるまで前記中間断熱層との間で交換する熱量および前記熱交換層が初期設定温度から前記許容限界温度になるまで前記中間断熱層との間で交換する熱量を含めることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の恒温容器の作製方法。
7. 前記熱交換層を形成する蓄熱材および前記温度維持層を形成する蓄熱材は、複数の層を形成し、前記複数の層それぞれの層内の前記蓄熱材のいずれかの隙間の位置のうち一か所以上が隣り合う他の層内の前記蓄熱材の隙間の位置と一致しないようにずらして配置することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の恒温容器の作製方法。
8. 前記許容限界温度は、許容される最低の温度であり、
   前記熱交換層の初期温度は、前記許容限界温度より低く、前記温度維持層の初期温度は、前記許容限界温度より高く設定され、
   前記対象物の冷蔵のために用いられることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の恒温容器の作製方法。
9. 前記許容限界温度は、許容される最高の温度であり、
   前記熱交換層の初期温度は、前記許容限界温度より高く、前記温度維持層の初期温度は、前記許容限界温度より低く設定され、
   前記対象物の保温のために用いられることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の恒温容器の作製方法。
10. 対象物の温度を維持する恒温容器であって、
    外部空間に面して設けられた外側断熱層と、
    少なくとも２層以上の蓄熱層を備え、
    前記２層以上の蓄熱層には、前記断熱層の内側に設けられた熱交換層と、
    前記熱交換層の内側に設けられ、許容限界温度が設定された対象物を収容する内部空間の温度を維持する温度維持層と、を含み、
    前記熱交換層および前記温度維持層は、前記温度維持層の温度が初期設定温度から許容限界温度に至るための第１の熱量が、前記熱交換層の温度が初期設定温度から許容限界温度に至るまでの第２の熱量以上になるように算出されていることを特徴とする恒温容器。

Images