JP2022038470A - 熱交換装置及び熱交換用具 - Google Patents

Abstract

【課題】使用感を向上できる、熱交換装置及び熱交換用具を、提供する。【解決手段】本発明の熱交換装置１は、熱交換素子２１を含み、電気部品からなる、熱交換ユニット３と、熱交換ユニットを内部に保持する、保持部材４と、保持部材の上に積層された、熱伝導部材５と、を備えた、熱交換装置であって、熱伝導部材を構成する熱伝導部材用材料の熱伝導率は、保持部材を構成する保持部材用材料の熱伝導率以上であり、保持部材用材料の硬さと熱伝導部材用材料の硬さとは、熱交換ユニットの硬さ未満であり、熱伝導部材用材料の硬さは、保持部材用材料の硬さ以下であり、熱交換装置の積層方向における熱交換素子の位置での積層方向に垂直な方向における保持部材の最大断面積は、積層方向に垂直な方向における熱交換素子の最大断面積の４．８倍以上である。【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換装置及び熱交換用具に関する。

従来、熱交換素子（例えば、ペルチェ素子）を備えた熱交換装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０２０－９７７９９号公報

しかしながら、従来の熱交換装置においては、使用感に関し、向上の余地があった。

本発明は、使用感を向上できる、熱交換装置及び熱交換用具を、提供することを目的とする。

本発明の熱交換装置は、
熱交換素子を含み、電気部品からなる、熱交換ユニットと、
前記熱交換ユニットを内部に保持する、保持部材と、
前記保持部材の上に積層された、熱伝導部材と、
を備えた、熱交換装置であって、
前記熱伝導部材を構成する熱伝導部材用材料の熱伝導率は、前記保持部材を構成する保持部材用材料の熱伝導率以上であり、
前記保持部材用材料の硬さと前記熱伝導部材用材料の硬さとは、前記熱交換ユニットの硬さ未満であり、
前記熱伝導部材用材料の硬さは、前記保持部材用材料の硬さ以下であり、
前記熱交換装置の積層方向における前記熱交換素子の位置での前記積層方向に垂直な方向における前記保持部材の最大断面積は、前記積層方向に垂直な方向における前記熱交換素子の最大断面積の４．８倍以上である。

本発明の熱交換装置において、
前記保持部材は、それぞれ前記保持部材用材料からなる２層以上の保持部材層が積層されてなるものでもよい。

本発明の熱交換装置において、
前記熱伝導部材は、それぞれ前記熱伝導部材用材料からなる２層以上の熱伝導部材層が積層されてなるものでもよい。

本発明の熱交換装置において、
前記熱交換ユニットは、少なくとも１つのファンを含むと、好適である。

本発明の熱交換装置において、
前記熱伝導部材用材料は、熱伝導材料と高分子材料とを含むと、好適である。

本発明の熱交換装置において、
前記熱伝導部材用材料は、発泡体であると、好適である。

本発明の熱交換装置において、
前記熱交換素子は、ペルチェ素子であってもよい。

本発明の熱交換装置において、
前記熱交換素子は、ヒーターであってもよい。

本発明の熱交換装置において、
前記熱伝導部材は、前記熱伝導部材を前記積層方向に貫通する貫通穴を有しており、
前記熱交換素子の少なくとも一部は、前記貫通穴に面していると、好適である。

本発明の熱交換用具は、
上記の熱交換装置と、
人体に対して使用されるように構成された用品と、
を備えた、熱交換用具であって、
前記熱交換用具は、前記熱伝導部材における前記保持部材とは反対側の面が前記人体に向けられた状態で使用されるように構成されている。

本発明の熱交換用具において、
前記用品は、衣服又は帽子であってもよい。

本発明の熱交換用具において、
前記用品は、椅子又は寝具であってもよい。

本発明によれば、使用感を向上できる、熱交換装置及び熱交換用具を、提供することができる。

本発明の一実施形態に係る熱交換装置を示す、斜視図である。 図１の本体部を、図１のＡ－Ａ線に沿った断面により示す、Ａ－Ａ断面図である。 図２の本体部を、熱交換ユニットを取り外した状態で示す、断面図である。 本発明の一変形例に係る熱交換装置を示す、平面図である。 本発明の一実施形態に係る熱交換用具を説明するための図面である。 本発明の他の実施形態に係る熱交換用具を説明するための図面である。 本発明のさらに他の実施形態に係る熱交換用具を説明するための図面である。 保持性能実験１に用いた保持部材及び熱伝導部材からなる２層構造を説明するための図面である。

本発明の熱交換装置及び熱交換用具は、人体を冷却又は加熱するために好適に利用できるものである。
以下、本発明に係る、熱交換装置及び熱交換用具の実施形態について、図面を参照しながら例示説明する。
各図において共通する構成要素には同一の符号を付している。

図１～図３は、本発明の一実施形態に係る熱交換装置１を説明するための図面である。本実施形態の熱交換装置１は、１つ又は複数（図１～図３の例では、１つ）の熱交換素子２１と、コントローラ２２と、１つ又は複数（図１～図３の例では、１つ）のファン２３と、バッテリー２４と、スイッチ２５と、保持部材４と、熱伝導部材５と、を備えている。本実施形態において、１つ又は複数の熱交換素子２１と、コントローラ２２と、１つ又は複数のファン２３とは、熱交換ユニット３を構成している。熱交換ユニット３は、少なくとも１つ又は複数の熱交換素子２１を含み、１つ又は複数の電気部品からなるものである。保持部材４は、熱交換ユニット３を内部に保持するように構成されている。熱伝導部材５は、保持部材４の上に積層されている。熱交換ユニット３と保持部材４と熱伝導部材５とは、本体部１Ｂを構成している。
熱交換装置１が備える各電気部品（本実施形態では、熱交換素子２１、コントローラ２２、ファン２３、バッテリー２４、及び、スイッチ２５）どうしは、配線２６等を介して、互いに電気的に接続されている。

本明細書では、保持部材４と熱伝導部材５とが互いに積層される方向を、単に「積層方向（ＬＤ）」という。

熱交換素子２１は、熱交換素子２１に電流が流されることによって、自身の温度が下がる冷却機能、又は、自身の温度が上がる加熱機能を、発揮するように構成された、電気部品である。熱交換素子２１は、例えば、ペルチェ素子又はヒーターから構成される。
熱交換素子２１がペルチェ素子から構成される場合、熱交換素子２１は、熱交換素子２１に所定方向に電流が流されることによって冷却機能を発揮する一方、熱交換素子２１に当該所定方向とは逆方向に電流が流されることによって加熱機能を発揮するように、構成される。熱交換素子２１がペルチェ素子から構成される場合、冷却と加熱との両方が可能であるという利点がある。
熱交換素子２１がヒーターから構成される場合、熱交換素子２１は、熱交換素子２１に電流が流されることによって加熱機能を発揮するように、構成される。熱交換素子２１がヒーターから構成される場合、熱交換素子２１がペルチェ素子から構成される場合に比べて、コストを低減できるという利点がある。
なお、熱交換素子２１は、冷却機能のみを発揮できるように構成されたものであってもよい。
熱交換ユニット３は、熱交換素子２１を、１つのみ含んでもよいし、複数含んでもよい。

コントローラ２２は、ユーザによるスイッチ２５の操作に応じて、熱交換素子２１やファン２３を制御するように構成されている。コントローラ２２は、例えばＣＰＵ又はＭＰＵから構成される。

バッテリー２４は、熱交換装置１が備える他の電気部品（本実施形態では、熱交換素子２１、コントローラ２２、ファン２３、スイッチ２５、及び、配線２６）に対して電力を供給するように構成されている。

スイッチ２５は、熱交換素子２１やファン２３の起動及び停止を切り替えるように構成されている。熱交換素子２１がペルチェ素子から構成される場合、スイッチ２５は、熱交換素子２１へ流れる電流の方向も切り替えられるように構成されると、好適である。また、スイッチ２５は、熱交換素子２１へ流れる電流の大きさの調節、ひいては熱交換素子２１の温度調節もできるように構成されると、好適である。

熱交換ユニット３は、熱交換装置１が備える電気部品（本実施形態では、熱交換素子２１、コントローラ２２、ファン２３、バッテリー２４、スイッチ２５、及び、配線２６）のうち、保持部材４の内部に保持される電気部品から構成される。熱交換ユニット３は、少なくとも熱交換素子２１を備える。熱交換ユニット３は、熱交換素子２１のみを含んでもよいし、あるいは、熱交換素子２１に加えて、熱交換装置１が備える他の電気部品（本実施形態では、コントローラ２２、ファン２３、バッテリー２４、スイッチ２５、及び、配線２６）のうち任意の１つ又は複数を含んでもよい。
熱交換ユニット３は、コントローラ２２を含んでいると、好適である。ただし、熱交換ユニット３は、コントローラ２２を含んでいなくてもよい。すなわち、熱交換装置１は、コントローラ２２を、本体部１Ｂの外部に備えてもよい。
熱交換ユニット３は、少なくとも１つのファン２３を含んでいると、好適である。ただし、熱交換ユニット３は、ファン２３を含んでいなくてもよい。その場合、熱交換装置１は、１つ又は複数のファン２３を、本体部１Ｂの外部に備えてもよいし、あるいは、ファン２３を備えていなくてもよい。
バッテリー２４は発熱するため、熱交換ユニット３は、バッテリー２４を含んでいないと、好適である。すなわち、熱交換装置１は、バッテリー２４を、本体部１Ｂの外部に備えると、好適である。これにより、バッテリー２４の発熱が熱交換装置１の本体部１Ｂの冷却又は加熱機能に影響を与えるのを防止できる。ただし、熱交換ユニット３は、バッテリー２４を含んでもよい。
ユーザの操作性向上の観点から、熱交換ユニット３は、スイッチ２５を含んでいないと、好適である。すなわち、熱交換装置１は、スイッチ２５を、本体部１Ｂの外部に備えていると、好適である。ただし、熱交換ユニット３は、スイッチ２５を含んでもよい。
図１～図３に示す本実施形態では、熱交換ユニット３は、熱交換素子２１、コントローラ２２、ファン２３、及び、これらを電気的に接続する配線２６（図示せず）を含んでいる。

保持部材４及び熱伝導部材５は、それぞれ、図１～図３に示すように、帯状に構成されていると、好適である。

図２及び図３に示すように、保持部材４は、熱交換ユニット３を保持するための収容穴４１を有している。熱交換ユニット３は、収容穴４１の内部に収容されることで、保持部材４によって保持される。
保持部材４は、収容穴４１を複数有してもよい。その場合、例えば、各収容穴４１には、別々の熱交換素子２１が収容されてもよい。この場合、各収容穴４１には、別々のファン２３も収容されると、好適である。

熱交換ユニット３が収容穴４１の内部に収容されていない状態（図３）における収容穴４１の容積は、熱交換ユニット３の容積よりも小さいと、好適である。この場合、保持部材４が、より効果的に、熱交換ユニット３を保持できる。ただし、熱交換ユニット３が収容穴４１の内部に収容されていない状態（図３）における収容穴４１の容積は、熱交換ユニット３の容積以上であってもよい。
収容穴４１は、図２及び図３の例のように、保持部材４を積層方向ＬＤに貫通していると、好適である。ただし、収容穴４１は、保持部材４を積層方向ＬＤに貫通していなくてもよい。その場合、収容穴４１は、保持部材４における熱伝導部材５側の面４２と保持部材４における熱伝導部材５とは反対側の面４３とのいずれか一方のみに開口していてもよいし、あるいは、保持部材４における熱伝導部材５側の面４２と保持部材４における熱伝導部材５とは反対側の面４３とのいずれにも開口していなくてもよい。

熱交換ユニット３は、保持部材４によって脱着可能に保持されていると、好適である。言い換えれば、熱交換装置１は、熱交換ユニット３を収容穴４１から取り出したり収容穴４１に収容したりすることが可能にされていると、好適である。これにより、ユーザは、熱交換装置１の本体部１Ｂのうち熱交換ユニット３以外の部分（保持部材４及び熱伝導部材５）を洗浄することができる。
ただし、熱交換ユニット３は、保持部材４によって脱着できないように保持されていてもよい。その場合、熱交換ユニット３は、防水機能を有していると、好適である。それにより、ユーザは、熱交換装置１の本体部１Ｂを丸ごと洗浄することができる。

保持部材４は、保持部材４における熱伝導部材５とは反対側の面４３に開口するとともに収容穴４１に連通する第１スリット（図示せず）を有してもよい。第１スリットは、保持部材４に外力が加わっていない自然状態では閉じているが、ユーザによって広げられることによって開くように構成される。これにより、仮に、収容穴４１における熱伝導部材５とは反対側の開放端面４１ａが熱交換ユニット３を通すことができないほど小さいか、あるいは、収容穴４１が保持部材４における熱伝導部材５とは反対側の面４３に開口していない場合であっても、ユーザは、保持部材４における熱伝導部材５とは反対側から第１スリットを開口することにより、熱交換ユニット３を収容穴４１から取り出したり収容穴４１に収容したりすることが可能になる。

熱伝導部材５は、熱伝導部材５における保持部材４とは反対側の面５３に開口するとともに保持部材４の収容穴４１に連通する第２スリット（図示せず）を有してもよい。第２スリットは、熱伝導部材５に外力が加わっていない自然状態では閉じているが、ユーザによって広げられることによって開くように構成される。これにより、ユーザは、熱伝導部材５における保持部材４とは反対側から第２スリットを開口することにより、熱交換ユニット３を収容穴４１から取り出したり収容穴４１に収容したりすることが可能になる。

保持部材４における熱伝導部材５側の面４２と熱伝導部材５における保持部材４側の面５２とは、接着剤６（図２～図３）によって接着されていると、好適である。
ただし、保持部材４と熱伝導部材５とは、接着剤６による固定以外の任意の方法で、互いに固定されていてもよい。例えば、保持部材４における熱伝導部材５側の面４２と熱伝導部材５における保持部材４側の面５２とは、融着により互いに固定されていてもよい。あるいは、保持部材４と熱伝導部材５とは、保持部材４の外周面と熱伝導部材５の外周面とに共通のテープが貼られることによって、互いに固定されていてもよい。
あるいは、保持部材４と熱伝導部材５とは、互いに脱着可能に固定されていてもよい。例えば、保持部材４における熱伝導部材５側の面４２と熱伝導部材５における保持部材４側の面５２とは、面ファスナにより互いに脱着可能に固定されていてもよい。これにより、ユーザは、熱伝導部材５を保持部材４から脱着させて洗浄したり別の熱伝導部材５と交換したりすることができる。

熱交換装置１の本体部１Ｂは、例えば、熱伝導部材５における保持部材４とは反対側の面５３が人体に向けられた状態（具体的には、衣服を介して又は介さずに人体に対して接触した状態）で使用される。
例えば、本体部１Ｂは、熱伝導部材５における保持部材４とは反対側の面５３が人体に向けられた状態で、衣服のポケットに入れられて使用されてもよい。
あるいは、本体部１Ｂは、熱伝導部材５における保持部材４とは反対側の面５３が人体に向けられた状態で使用されるように構成された用品、例えば、衣服（腹巻、肌着等）、帽子等として構成されてもよい。
あるいは、図５～図７を参照しつつ後述するように、本体部１Ｂは、人体に対して使用されるように構成された用品８に取り付けられていてもよい。
また、熱交換装置１の本体部１Ｂは、例えば、犬や猫等の動物に対して使用されてもよく、その場合、熱伝導部材５における保持部材４とは反対側の面５３が動物の体に向けられた状態で使用される。

保持部材４は、保持部材用材料（以下、「保持部材用材料Ａ」と表記する。）から構成されている。
保持部材用材料Ａは、発泡体であると、好適であるが、発泡体でなくてもよい。
熱伝導部材５は、熱伝導部材用材料（以下、「熱伝導部材用材料Ｂ」と表記する。）から構成されている。
熱伝導部材用材料Ｂは、発泡体であると、好適であるが、発泡体でなくてもよい。

本明細書で説明する各実施形態において、熱伝導部材用材料Ｂの熱伝導率は、保持部材用材料Ａの熱伝導率以上である。
このように、本明細書で説明する各実施形態においては、熱交換素子２１を内部に保持する保持部材４の上には熱伝導部材５が積層されており、熱伝導部材５は、比較的高い熱伝導率を有する。これにより、熱交換素子２１の温度、ひいては、熱交換素子２１の冷却機能又は加熱機能を、熱伝導部材５の全体にわたって効率的に拡散させることができる。よって、熱伝導部材５における保持部材４とは反対側の面５３がユーザの人体に対して衣服を介して又は介さずに接触されたときに、ユーザの人体を、当該面５３の全体で、効果的に、冷却又は加熱することができる。すなわち、熱交換素子２１を小さくしたり個数を少なくしたりしても、人体を、広い範囲で冷却又は加熱することができる。ひいては、人体の局所的な冷却又は加熱を回避できる。また、熱交換素子２１を小さくしたり個数を少なくしたりすることができるので、軽量化、消費電力の低減、及び、コストの低減が、可能になる。
同様の観点から、熱伝導部材用材料Ｂの熱伝導率は、保持部材用材料Ａの熱伝導率よりも高いと、好適である。
ここで、保持部材用材料Ａの熱伝導率と熱伝導部材用材料Ｂの熱伝導率とは、それぞれ保持部材用材料Ａ及び熱伝導部材用材料Ｂの３次元構造も考慮した熱伝導率を指すものとする。例えば、保持部材用材料Ａ又は熱伝導部材用材料Ｂが発泡体である場合、保持部材用材料Ａ又は熱伝導部材用材料Ｂの熱伝導率は、保持部材用材料Ａ又は熱伝導部材用材料Ｂである発泡体としての熱伝導率を指すものであり、その場合、原材料が同じであっても、発泡率、セル孔の大きさ、セル膜の有無等によって、当該熱伝導率は変わり得る。
なお、本明細書において、ある材料（例えば、保持部材用材料Ａ又は熱伝導部材用材料Ｂ）の「熱伝導率」は、中央部分に縦Ｋｃｍ×横Ｋｃｍの正方形の穴をあけた縦３Ｋｃｍ横３Ｋｃｍ×厚さ１ｃｍの発泡スチロールの中央部分に当該材料からなる縦Ｋｃｍ×横Ｋｃｍ×厚さ１ｃｍかつ初期温度２５℃のサンプルをセットし、このサンプルの厚さ方向の一方側の面に、縦Ｋｃｍ×横Ｋｃｍ×厚さ１ｃｍかつ６０℃の金属板を当ててから６０秒後における、当該サンプルの厚さ方向の他方側の面の温度によって評価するものとし、当該温度が高いほど当該熱伝導率が高いと評価するものとする。ここで、Ｋ＝５であるが、当該サンプルの採取等が困難な場合は、Ｋ＜５としてもよい。また、保持部材用材料Ａの熱伝導率と熱伝導部材用材料Ｂの熱伝導率とを比較するにあたっては、保持部材用材料Ａと熱伝導部材用材料Ｂとで、Ｋの値（ひいては、発泡スチロール、サンプル、及び金属板の寸法）を同じにするものとする。

本明細書で説明する各実施形態において、保持部材用材料Ａの硬さと熱伝導部材用材料Ｂの硬さとは、熱交換ユニット３の硬さ（具体的には、熱交換ユニット３を構成する各電気部品のそれぞれの硬さ）未満である。また、本明細書で説明する各実施形態において、熱伝導部材用材料Ｂの硬さは、保持部材用材料Ａの硬さ以下である。
これにより、比較的硬い熱交換ユニット３が、比較的柔らかい熱伝導部材５及び保持部材４によって包まれることとなる。よって、熱伝導部材５における保持部材４とは反対側の面５３がユーザの人体に対して衣服を介して又は介さずに接触されたときに、ユーザが感じる触感を柔らかくすることができ、また、当該面５３をユーザの人体に沿って密着させることができるので、ユーザの使用感を向上できる。また、保持部材用材料Ａの硬さを熱伝導部材用材料Ｂの硬さ以上とすることで、保持部材４が熱交換ユニット３をより確実に保持することができ、熱交換ユニット３が保持部材４から外れて落下するのをより効果的に抑制できる。
同様の観点から、熱伝導部材用材料Ｂの硬さは、保持部材用材料Ａの硬さ未満であると、好適である。
ここで、保持部材用材料Ａの硬さと熱伝導部材用材料Ｂの硬さとは、それぞれ保持部材用材料Ａ及び熱伝導部材用材料Ｂの３次元構造も考慮した硬さを指すものとする。例えば、保持部材用材料Ａ又は熱伝導部材用材料Ｂが発泡体である場合、保持部材用材料Ａ又は熱伝導部材用材料Ｂの硬さは、保持部材用材料Ａ又は熱伝導部材用材料Ｂである発泡体としての硬さを指すものであり、その場合、原材料が同じであっても、発泡率、セル孔の大きさ、セル膜の有無等によって、当該硬さは変わり得る。
なお、本明細書において、ある材料（例えば、保持部材用材料Ａ又は熱伝導部材用材料Ｂ）の「硬さ」は、当該材料からなる縦Ｐｃｍ×横Ｐｃｍ×厚さ１ｃｍのサンプルを厚さ方向に１％圧縮させる（１％圧縮歪みを生じさせる）のに必要な力によって評価するものとし、当該力が大きいほど当該硬さが高い（硬い）と評価するものとする。ここで、Ｐ＝５であるが、当該サンプルの採取等が困難な場合は、Ｐ＜５としてもよい。また、保持部材用材料Ａの硬さと熱伝導部材用材料Ｂの硬さとを比較するにあたっては、保持部材用材料Ａと熱伝導部材用材料Ｂとで、Ｐの値（ひいては、サンプルの寸法）を同じにするものとする。

また、本明細書で説明する各実施形態においては、熱交換装置１の本体部１Ｂは、熱交換ユニット３以外の部分が、保持部材４と熱伝導部材５との積層構造からなるので、上述のように本体部１Ｂのうち熱交換ユニット３以外の部分を比較的柔らかく構成しつつも、仮に熱交換ユニット３以外の部分が保持部材４の１層のみ（単層構造）からなる場合に比べて、保持部材４が熱交換ユニット３をより確実に保持することができ、熱交換ユニット３が保持部材４から外れて落下するのをより効果的に抑制できる。この効果は、保持部材４を構成する保持部材用材料Ａと熱伝導部材５を構成する熱伝導部材用材料Ｂとが異なる場合に限られず、両者が同じ場合でも得られる。つまり、熱交換ユニット３以外の部分を、単層構造ではなく、積層構造にすることで、保持部材４による熱交換ユニット３の保持性能が向上する。これは、積層構造においては、層間に界面が存在することで、制振性能ひいては保持性能が向上するためであると考えられる。
なお、このことは、本発明の発明者らが新たに見出したことである。また、このことは、後に説明する保持性能実験１の結果により示される。

また、本明細書で説明する各実施形態において、積層方向ＬＤにおける熱交換素子２１の位置での積層方向ＬＤに垂直な方向ＥＤにおける保持部材４の最大断面積は、積層方向ＬＤに垂直な方向ＥＤにおける熱交換素子２１の最大断面積の４．８倍以上である。
これにより、上述のように本体部１Ｂのうち熱交換ユニット３以外の部分を比較的柔らかく構成しつつも、保持部材４が熱交換ユニット３をより確実に保持することができ、熱交換ユニット３が保持部材４から外れて落下するのをより効果的に抑制できる。
同様の観点から、積層方向ＬＤにおける熱交換素子２１の位置での積層方向ＬＤに垂直な方向ＥＤにおける保持部材４の最大断面積は、積層方向ＬＤに垂直な方向ＥＤにおける熱交換素子２１の最大断面積の７．３倍以上であると好適であり、１０．３倍以上であるとより好適である。
なお、このことは、本発明の発明者らが新たに見出したことである。また、このことは、後に説明する保持性能実験２の結果により示される。
ここで、積層方向ＬＤに垂直な方向ＥＤにおける「最大断面積」とは、積層方向ＬＤに垂直な方向ＥＤにおける断面積が最大となる積層方向ＬＤ位置での当該断面積を指す。

軽量化、消費電力の低減、及び、コストの低減の観点から、熱交換素子２１は、最も長い辺の長さが、３０ｃｍ未満であると好適であり、１０ｃｍ未満であるとより好適であり、５ｃｍ未満であるとさらに好適である。
一方、十分な熱交換効率を確保する観点から、熱交換素子２１は、最も長い辺の長さが、１ｍｍ以上であると好適である。

保持部材用材料Ａは、単一の材料であってもよいし、複数の材料を含むものであってもよい。
保持部材用材料Ａは、高分子材料を含むと、好適である。当該高分子材料としては、例えば、エラストマー、ゴム、シリコンゴム、樹脂（ポリウレタン等）が好適である。保持部材用材料Ａは、高分子材料のみを含んでいてもよい。保持部材用材料Ａは、高分子材料に加えて又は代えて、金属及びセラミックスのうち少なくとも一方を含んでもよい。保持部材用材料Ａは、可撓性を有すると、好適である。保持部材用材料Ａは、任意の材料からなる繊維やフィラーを、含んでもよいし、含んでいなくてもよい。
保持部材用材料Ａは、発泡体（例えば、ポリウレタンフォーム）であると、好適である。当該発泡体は、可撓性を有すると、好適である。当該発泡体は、気泡どうしが連通した連通気泡型であってもよいし、気泡どうしが連通していない独立気泡型であってもよい。ただし、保持部材用材料Ａは、発泡体でなくてもよい。
保持部材用材料Ａは、織物又は編物であってもよい。
保持部材用材料Ａは、金属箔、樹脂板、又は樹脂フィルムであってもよい。

図示は省略するが、保持部材４は、それぞれ保持部材用材料Ａからなる２層以上の保持部材層が積層されてなるものでもよい。この場合、保持部材４が積層構造からなることで、仮に保持部材４が単層構造からなる場合（図２）に比べて、保持部材４による熱交換ユニット３の保持性能を向上できる。この場合、各保持部材層を構成する保持部材用材料Ａどうしは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
保持部材４を構成する２層以上の保持部材層のうち一部（１層又は複数層）の保持部材層を構成する保持部材用材料Ａを、金属箔、樹脂板、樹脂フィルムのうちいずれか１つとし、当該２層以上の保持部材層のうち残りの保持部材層を構成する保持部材用材料Ａを、高分子材料を含むとともに可撓性を有するものとしてもよい。この場合、保持部材４による熱交換ユニット３の保持性能を向上できる。
保持部材４を構成する保持部材層の総数は、製造容易性の観点から、４層以下であると好適であるが、５層以上であってもよい。

熱伝導部材用材料Ｂは、単一の材料であってもよいし、複数の材料を含むものであってもよい。
熱伝導部材用材料Ｂは、高分子材料を含むと、好適である。当該高分子材料としては、例えば、エラストマー、ゴム、シリコンゴム、樹脂（ポリウレタン等）が好適である。熱伝導部材用材料Ｂは、高分子材料のみを含んでいてもよい。熱伝導部材用材料Ｂは、高分子材料に加えて又は代えて、金属及びセラミックスのうち少なくとも一方を含んでもよい。熱伝導部材用材料Ｂは、可撓性を有すると、好適である。熱伝導部材用材料Ｂは、任意の材料からなる繊維やフィラーを、含んでもよいし、含んでいなくてもよい。
熱伝導部材用材料Ｂは、保持部材用材料Ａと異なっていてもよいし、保持部材用材料Ａと同じでもよい。
熱伝導部材用材料Ｂは、高分子材料に加えて、熱伝導材料を含むと、好適である。これにより、熱伝導部材用材料Ｂの熱伝導率を高めることができる。当該熱伝導材料としては、金属、カーボン、熱伝導性セラミックス（炭化ケイ素、窒化ホウ素等）等が好適である。
熱伝導部材用材料Ｂは、発泡体（例えば、ポリウレタンフォーム）であると、好適である。この場合、空気の対流効果による伝熱を利用できるので、熱伝導部材５の熱伝導性能を向上できるとともに、ユーザの使用感を向上できる。
発泡体として、ポリウレタンフォームのように製造時に発泡させて製造された発泡体や、不織布のように繊維を絡み合わせて空隙を形成させたものや、絡み合わせた繊維を加熱したり、放射線を当て架橋点を持たせたもの、あるいは繊維の織物を重ね合わせて空隙を形成したものまで本発明では発泡体として扱う。すなわち、連続した空隙を有する構造の材料をその製造法に関わらずすべて発泡体として扱う。
発泡反応を用いず連続した空隙構造を有する材料として、すでに述べた不織布の積層体や、織物の積層体、カルファイバー（パネフリ工業（株）の商品名）と呼ばれるクッション材、綿などが例示される。
当該発泡体は、可撓性を有すると、好適である。空気の対流効果を得る観点や使用感を向上させる観点等から、当該発泡体は、気泡どうしが連通した連通気泡型であると好適である。空気の対流効果を得る観点から、当該発泡体は、気泡の直径の平均値が、０．５μｍ以上であると好適である。また、十分な強度を確保する観点から、当該発泡体は、気泡の直径の平均値が、１ｃｍ以下であると好適である。ただし、熱伝導部材用材料Ｂは、発泡体でなくてもよい。
熱伝導部材用材料Ｂは、織物又は編物であってもよい。この場合、空気の対流効果による伝熱を利用できるので、熱伝導部材５の熱伝導性能を向上できるとともに、ユーザの使用感を向上できる。空気の対流効果を得る観点から、当該織物又は編物は、開孔の直径の平均値が、０．５μｍ以上であると好適である。また、十分な強度を確保する観点から、当該織物又は編物は、開孔の直径の平均値が、１ｃｍ以下であると好適である
熱伝導部材用材料Ｂは、金属箔であってもよい。

図示は省略するが、熱伝導部材５は、それぞれ熱伝導部材用材料Ｂからなる２層以上の熱伝導部材層が積層されてなるものでもよい。この場合、各熱伝導部材層を構成する熱伝導部材用材料Ｂどうしは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
熱伝導部材５を構成する２層以上の熱伝導部材層のうち一部（１層又は複数層）の熱伝導部材層を構成する熱伝導部材用材料Ｂを、金属箔とし、当該２層以上の熱伝導部材層のうち残りの熱伝導部材層を構成する熱伝導部材用材料Ｂを、高分子材料を含むとともに可撓性を有するものとしてもよい。
熱伝導部材５を構成する熱伝導部材層の総数は、柔らかさの確保の観点から、４層以下であると好適であるが、５層以上であってもよい。

図１～図３の例のように、保持部材４の収容穴４１は、保持部材４における熱伝導部材５側の面４２に開口し、また、熱交換素子２１は、熱交換素子２１における熱伝導部材５側の面が保持部材４における熱伝導部材５側の面４２とほぼ面一になるように、収容穴４１内に配置されると、好適である。これにより、熱交換素子２１と熱伝導部材５との間に保持部材４が介在するのを回避でき、ひいては、熱交換素子２１による冷却機能又は加熱機能を、より効率的に熱伝導部材５に伝導することができる。ただし、熱交換素子２１における熱伝導部材５側の面は、保持部材４における熱伝導部材５側の面４２よりも、熱伝導部材５とは反対側へ離れた位置に配置されてもよい。また、熱交換素子２１と熱伝導部材５との間には、保持部材４が介在していてもよい。また、熱交換素子２１における熱伝導部材５側の面は、保持部材４における熱伝導部材５側の面４２よりも、熱伝導部材５側へ離れた位置に配置されてもよい。
また、図１～図３の例のように、熱交換素子２１は、熱交換素子２１の少なくとも一部が熱伝導部材５に接触するように、収容穴４１内に配置されると、好適である。これにより、熱交換素子２１による冷却機能又は加熱機能を、より効率的に熱伝導部材５に伝導することができる。ただし、熱交換素子２１は、熱伝導部材５に接触しないように、収容穴４１内に配置されてもよい。

熱交換ユニット３は、図１～図２の例のように、少なくとも１つのファン２３を含むと、好適である。
ファン２３は、図１～図２の例のように、熱交換素子２１に対して、熱伝導部材５とは反対側に配置されると、好適である。この場合、図１～図２の例のように、ファン２３と熱交換素子２１とは、積層方向ＬＤの投影面において互いに重複するように配置されると、好適である。このように配置されることで、ファン２３は、熱交換素子２１を効果的に冷却することができる。この場合、図１～図２の例のように、積層方向ＬＤにおける熱交換素子２１とファン２３との間には、熱交換ユニット３における他の電気部品（図１～図２の例では、コントローラ２２）が配置されてもよい。この場合、図１～図２の例のように、ファン２３と当該他の電気部品とは、積層方向ＬＤの投影面において互いに重複するように配置されると、好適である。これにより、ファン２３は、当該他の電気部品をも効果的に冷却することができる。
ただし、ファン２３と熱交換ユニット３におけるその他の電気部品（熱交換素子２１、コントローラ２２等）との位置関係は、任意でよい。例えば、図４に示す変形例のように、ファン２３と熱交換ユニット３におけるその他の電気部品（図４の例では、コントローラ２２）とは、積層方向ＬＤの投影面において互いに重複しないように配置されてもよい。
図１～図２の例のように、保持部材４の収容穴４１は、保持部材４における熱伝導部材５とは反対側の面４３に開口しており、ファン２３は、外部に露出するように収容穴４１内に配置されると、好適である。これにより、ファン２３の送風機能を向上できる。
熱交換素子２１が冷却機能を発揮する場合、ファン２３は、熱交換素子２１とは反対側（すなわち、熱伝導部材５とは反対側）に向かって送風するようにされていると、好適である。すなわち、熱交換素子２１およびその他の電気部品の作動により生じる余分な熱を、熱交換装置１の外部へ向かうファン２３の送風により、外部へ放出するように構成されていると、好適である。一方、熱交換素子２１が加熱機能を発揮する場合、ファン２３は、熱交換素子２１側（すなわち、熱伝導部材５側）に向かって送風するようにされていると、好適である。すなわち、熱交換素子２１が発生させる熱を、加熱対象である例えば人体へ向かうファン２３の送風により、加熱対象へより効果的に伝達するように構成されていると、好適である。
熱交換ユニット３は、ファン２３を複数含んでいてもよい。例えば、熱交換ユニット３が複数の熱交換素子２１を含む場合、熱交換ユニット３は、熱交換素子２１毎にファン２３を１つずつ含んでもよい。

図１～図３の例において、熱伝導部材５は、熱伝導部材５を積層方向ＬＤに貫通する貫通穴５１を有している。この貫通穴５１は、熱交換素子２１が冷却機能を発揮する場合に特に好適なものであるが、熱交換素子２１が加熱機能を発揮する場合に存在していてもよい。すなわち、この貫通穴５１は、熱交換素子２１が、ペルチェ素子であるか、あるいは、冷却機能のみを発揮するように構成されている場合に、特に好適なものである。熱交換素子２１がヒーターである場合は、熱伝導部材５は、貫通穴５１を有しないのが好適であるが、貫通穴５１を有してもよい。
この貫通穴５１により、ユーザの人体の体温による対流が促進されるので、熱交換素子２１による冷却機能が熱伝導部材５の全体にわたってより効果的に拡散され、ひいては、局部的な冷却を効果的に回避できる。
熱伝導部材５は、貫通穴５１を、１つのみ有してもよいし、あるいは、複数有してもよい。
貫通穴５１の中心軸線は、任意の方向及び形状に沿って延在していてよく、例えば、図１～図３の例のように積層方向ＬＤに対し平行であってもよいし、あるいは、積層方向ＬＤに対して直線状に傾斜していてもよいし、あるいは、湾曲線状若しくはジグザグ状に延在していてもよい。
図１～図２の例のように、熱交換素子２１の少なくとも一部は、貫通穴５１に面していると、好適である。これにより、ユーザの人体の体温による対流がさらに促進されるので、熱交換素子２１による冷却機能が熱伝導部材５の全体にわたってさらに効果的に拡散され、ひいては、局部的な冷却をさらに効果的に回避できる。ただし、熱交換素子２１の全部が貫通穴５１に面していなくてもよい。
図１～図２の例のように、熱交換素子２１の少なくとも一部は、貫通穴５１における保持部材４とは反対側の開放端面５１ａと、いかなる部材をも介さずに、積層方向ＬＤに対向していると、好適である。これにより、ユーザの人体の体温による対流がさらに促進されるので、熱交換素子２１による冷却機能が熱伝導部材５の全体にわたってさらに効果的に拡散され、ひいては、局部的な冷却をさらに効果的に回避できる。ただし、熱交換素子２１及び貫通穴５１は、この構成とされていなくてもよい。

つぎに、図５～図７を参照しつつ、本発明の熱交換用具の様々な実施形態について説明する。本発明の各実施形態に係る熱交換用具７は、上述した本発明の任意の実施形態に係る熱交換装置１と、人体に対して使用されるように構成された用品８と、を備える。熱交換用具７は、熱交換装置１の熱伝導部材５における保持部材４とは反対側の面５３が人体に向けられた状態で使用されるように構成されている。熱交換装置１の本体部１Ｂは、保持部材４における熱伝導部材５とは反対側の面４３が、用品８に、脱着できないように又は脱着可能に、固定されることで、用品８に取り付けられていると、好適である。保持部材４における熱伝導部材５とは反対側の面４３を用品８に固定する方法としては、例えば、縫い付け、接着剤による接着、融着、面ファスナによる固定等が挙げられる。
用品８は、衣服を介して又は介さずに人体に対して接触した状態で使用されるように構成されていると、好適である。用品８としては、例えば、衣服、帽子、椅子、又は寝具が好適であるが、それ以外であってもよい。
図５の例では、用品８が、衣服であり、より具体的には上半身用衣服（トップス）である。図５（ａ）は、熱交換用具７を前側から見た様子を示しており、図５（ｂ）は、熱交換用具７を後側から見た様子を示している。熱交換装置１の本体部１Ｂは、上半身用衣服８のうち、ユーザの背中に当てられるように構成された部分（後身頃）における、ユーザ側の面に、取り付けられている。ただし、熱交換装置１の本体部１Ｂは、上半身用衣服８のうち、任意の部分に取り付けられてよい。
図６の例では、用品８が、衣服であり、より具体的には腹巻である。図６（ａ）は、熱交換用具７をユーザの胴体の周りに巻いた様子を示しており、図６（ｂ）は、図６（ａ）の状態から熱交換用具７を開いて熱交換用具７の一部をユーザの胴体から離した様子を示している。熱交換装置１の本体部１Ｂは、腹巻８における、ユーザ側の面に、取り付けられている。この場合、熱交換素子２１は、ヒーターであると好適である。
図７の例では、用品８が、椅子であり、より具体的にはベビーカーである。熱交換装置１の本体部１Ｂは、ベビーカー８のうち、ユーザの背中及び頭部を支持するように構成された部分（背もたれ）における、ユーザ側の面に、取り付けられている。ただし、熱交換装置１の本体部１Ｂは、ベビーカー８のうち、ユーザの臀部及び脚部を支持するように構成された部分（座部）に取り付けられてもよい。
図５及び図６に示すように、熱交換装置１の本体部１Ｂの熱交換ユニット３がファン２３を含む場合、用品８は、ファン２３と対向する位置に、貫通穴８ａを有していると、好適である。これにより、ファン２３を外部に露出させることができ、ファン２３の送風機能を向上できる。ただし、用品８は、ファン２３と対向する位置に、貫通穴８ａを有していなくてもよく、ひいては、ファン２３を外部に露出させなくてもよい。

本発明の熱交換装置１における保持部材４による熱交換ユニット３の保持性能を確認するために、保持性能実験１及び保持性能実験２を行ったので、説明する。

〔保持性能実験１〕
熱交換装置１の本体部１Ｂの実施例１～３、比較例１～３を試作した。本体部１Ｂのうち熱交換ユニット３以外の部分は、表１に示すように構成した。
実施例１～３、比較例１においては、本体部１Ｂのうち熱交換ユニット３以外の部分を、図８に示すように、保持部材４及び熱伝導部材５どうしを接着剤（アロンアルファ（登録商標））で接着させてなる２層構造で構成し、保持部材４及び熱伝導部材５のそれぞれの寸法を、縦70mm×横140mm×厚さ20mmとした。図８（ａ）は、本体部１Ｂのうち熱交換ユニット３以外の部分を示す側面図であり、図８（ｂ）は、本体部１Ｂのうち熱交換ユニット３以外の部分を示す平面図である。保持部材４は、保持部材４を貫通する収容穴４１を有し、熱伝導部材５は、貫通穴５１を有していた。収容穴４１及び貫通穴５１は、いずれも、直径が23mmだった。収容穴４１及び貫通穴５１は、積層方向ＬＤの投影面において互いに同一の位置にあり、互いに連通していた。
比較例２～３においては、本体部１Ｂのうち熱交換ユニット３以外の部分を、保持部材４のみの１層構造で構成し、保持部材４の寸法を、縦70mm×横140mm×厚さ40mmとした。保持部材４は、保持部材４を貫通する収容穴４１を有していた。収容穴４１は、直径が23mmだった。
各例において、保持部材４の収容穴４１における積層方向ＬＤの中央に、熱交換素子２１のみを含む熱交換ユニット３に見立てた１０円玉を、積層方向ＬＤに対して垂直な方向ＥＤに平行になるように収容し、本体部１Ｂを得た。１０円玉は、直径が23.5mmだった。
各例において、保持部材４、熱伝導部材５を構成する材料としては、表１に示すように、発泡体１又は発泡体２を用いた。発泡体１及び発泡体２は、原材料が同じポリウレタンであり、密度のみが異なっていた。上述のように「硬さ」を評価したところ、発泡体２の硬さは、発泡体１の硬さ未満だった。発泡体１は、比重が0.274であり、JIS K 6400:1997に従って測定したときの硬さが46kgf／314cm²であった。発泡体２は、比重が0.025であり、JIS K 6400:1997に従って測定したときの硬さが7kgf／314cm²であった。発泡体１の硬さと発泡体２の硬さとは、熱交換ユニット３に見立てた１０円玉の硬さ未満だった。発泡体２の熱伝導率は、発泡体１の熱伝導率よりも高かった。
保持性能実験１においては、各例の本体部１Ｂを、図８（ａ）のように保持部材４が熱伝導部材５に対して上側になるように手に持った状態で、高さ１ｍから自由落下させ、その後、１０円玉が依然として保持部材４内に保持されているか、あるいは、１０円玉が保持部材４から外れて落下したか、を確認した。これを、実施例１～３及び比較例１～３のそれぞれにおいて、１０回×５セット繰り返した。その結果を表１に示す。表１の「落下セット数」は、５セットのうち何セットにおいて、１０円玉が保持部材４から外れて落下したかを示している。

表１の結果からわかるように、実施例１～３は、比較例１～３よりも、落下セット数が少なく、保持部材４による熱交換ユニット３の保持性能が高いことが確認できた。

〔保持性能実験２〕
熱交換装置１の本体部１Ｂの実施例４～６、比較例４を試作した。各例において、本体部１Ｂのうち熱交換ユニット３以外の部分は、保持部材４及び熱伝導部材５の寸法を表２に示すとおりにしたこと以外は、保持性能実験１で用いた実施例１と同様に構成した。
各例において、保持部材４の収容穴４１における積層方向ＬＤの中央に、熱交換素子２１に見立てた１０円玉を、積層方向ＬＤに対して垂直な方向ＥＤに平行になるように収容し、本体部１Ｂを得た。１０円玉は、直径が23.5mmだった。
表２において、「保持部材４の断面積Ｃ」は、積層方向ＬＤにおける熱交換素子２１の位置での積層方向ＬＤに垂直な方向ＥＤにおける保持部材４の最大断面積（収容穴４１の断面積を除いている。）を指している。表２において、「１０円玉（熱交換素子２１を想定）の断面積Ｄ」は、積層方向ＬＤに垂直な方向ＥＤにおける熱交換素子２１（実際には熱交換素子２１に見立てた１０円玉）の最大断面積に相当する。Ｃ／Ｄの値は、表２に示すとおりであった。
保持性能実験２は、保持性能実験１と同様に行った。その結果を表２に示す。表２の「落下セット数」は、５セットのうち何セットにおいて、１０円玉が保持部材４から外れて落下したかを示している。

表２の結果からわかるように、実施例４～６は、比較例４よりも、落下セット数が少なく、保持部材４による熱交換ユニット３の保持性能が高いことが確認できた。

本発明の熱交換装置及び熱交換用具は、人体を冷却又は加熱するために好適に利用できるものである。

１ 熱交換装置
１Ｂ 本体部
２１ 熱交換素子
２２ コントローラ
２３ ファン
２４ バッテリー
２５ スイッチ
２６ 配線
３ 熱交換ユニット
４ 保持部材
４１ 収容穴
４１ａ 収容穴における熱伝導部材とは反対側の開放端面
４２ 保持部材における熱伝導部材側の面
４３ 保持部材における熱伝導部材とは反対側の面
５ 熱伝導部材
５１ 貫通穴
５１ａ 貫通穴における保持部材とは反対側の開放端面
５２ 熱伝導部材における保持部材側の面
５３ 熱伝導部材における保持部材とは反対側の面
６ 接着剤
７ 熱交換用具
８ 用品
８ａ 貫通穴
ＬＤ 積層方向
ＥＤ 積層方向に垂直な方向

Claims (12)

1. 熱交換素子を含み、電気部品からなる、熱交換ユニットと、
   前記熱交換ユニットを内部に保持する、保持部材と、
   前記保持部材の上に積層された、熱伝導部材と、
   を備えた、熱交換装置であって、
   前記熱伝導部材を構成する熱伝導部材用材料の熱伝導率は、前記保持部材を構成する保持部材用材料の熱伝導率以上であり、
   前記保持部材用材料の硬さと前記熱伝導部材用材料の硬さとは、前記熱交換ユニットの硬さ未満であり、
   前記熱伝導部材用材料の硬さは、前記保持部材用材料の硬さ以下であり、
   前記熱交換装置の積層方向における前記熱交換素子の位置での前記積層方向に垂直な方向における前記保持部材の最大断面積は、前記積層方向に垂直な方向における前記熱交換素子の最大断面積の４．８倍以上である、熱交換装置。
2. 前記保持部材は、それぞれ前記保持部材用材料からなる２層以上の保持部材層が積層されてなる、請求項１に記載の熱交換装置。
3. 前記熱伝導部材は、それぞれ前記熱伝導部材用材料からなる２層以上の熱伝導部材層が積層されてなる、請求項１又は２に記載の熱交換装置。
4. 前記熱交換ユニットは、少なくとも１つのファンを含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の熱交換装置。
5. 前記熱伝導部材用材料は、熱伝導材料と高分子材料とを含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の熱交換装置。
6. 前記熱伝導部材用材料は、発泡体である、請求項１～５のいずれか一項に記載の熱交換装置。
7. 前記熱交換素子は、ペルチェ素子である、請求項１～６のいずれか一項に記載の熱交換装置。
8. 前記熱交換素子は、ヒーターである、請求項１～６のいずれか一項に記載の熱交換装置。
9. 前記熱伝導部材は、前記熱伝導部材を前記積層方向に貫通する貫通穴を有しており、
   前記熱交換素子の少なくとも一部は、前記貫通穴に面している、請求項１～８のいずれか一項に記載の熱交換装置。
10. 請求項１～９のいずれか一項に記載の熱交換装置と、
    人体に対して使用されるように構成された用品と、
    を備えた、熱交換用具であって、
    前記熱交換用具は、前記熱伝導部材における前記保持部材とは反対側の面が前記人体に向けられた状態で使用されるように構成されている、熱交換用具。
11. 前記用品は、衣服又は帽子である、請求項１０に記載の熱交換用具。
12. 前記用品は、椅子又は寝具である、請求項１０に記載の熱交換用具。

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