JP2023004963A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】体温調整に利用可能な熱交換装置の簡素化および軽量化を実現する。
【解決手段】熱交換装置１は、液体を循環させる液体循環通路と、液体循環通路の一部が配設される熱交換パッド１０と、液体循環通路を流れる液体との間で熱交換を行う熱交換ユニット１２と、液体循環通路に配置されたポンプ１４と、液体循環通路に接続された液体注入機構１６と、を備える。液体注入機構１６は、液体循環通路への液体の注入時に外部から液体を導入する注入口と、液体循環通路への液体の注入時に外部へ空気を排出する排出口と、を含む。熱交換装置１は、液体循環通路に流体を貯留するためのタンクを有しない。
【選択図】図３

Description

本発明は、体温調整に好適な熱交換装置に関する。

地球温暖化による気温上昇に伴い、夏季の屋外での作業や空調設備のない屋内での作業が一層厳しいものとなっている。熱源が近い現場での作業は季節を問わず厳しい。このような酷暑現場での労働力確保のために熱中症対策が急務の課題となっている。

そこで近年、冷却された流体を作業者の身体近傍に流通させて体温調整を可能とする冷却ウェアの開発が進められている（例えば特許文献１参照）。具体的には、作業着の表面に広くいきわたるように冷却水の搬送路を設け、低温に保たれた冷却水を循環させる体温調整システムが提案されている。

特開２０１９－１９６５７１号公報

しかしながら、特許文献１の体温調整システムは、冷却水の温度を一定に保つための温度調整装置として圧縮機や凝縮器等を含む冷凍サイクルが設けられ、かなり大掛かりなものとなっている。さらに冷却水の搬送路に水を溜めおくタンクが設けられるため、作業者が身に着ける装置の重量が嵩む。特にこの重量が作業者の大きな負担になっている。このような問題は、高温環境下における冷却のみならず、低温環境下での保温など、体温調整可能な熱交換装置であれば同様に生じ得る。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、体温調整に利用可能な熱交換装置の簡素化および軽量化を実現することにある。

本発明のある態様の熱交換装置は、液体を循環させる液体循環通路と、液体循環通路の一部が配設される熱交換パッドと、液体循環通路を流れる液体との間で熱交換を行う熱交換ユニットと、液体循環通路に配置されたポンプと、液体循環通路に接続された液体注入機構と、を備える。液体注入機構は、液体循環通路への液体の注入時に外部から液体を導入する注入口と、液体循環通路への液体の注入時に外部へ空気を排出する排出口と、を含む。この熱交換装置は、液体循環通路に流体を貯留するためのタンクを有しない。

本発明の別の態様の熱交換装置は、液体を循環させる液体循環通路と、液体循環通路の一部が配設される吸熱パッドと、液体循環通路を流れる液体を冷却する冷却ユニットと、液体循環通路に配置されたポンプと、を備える。この熱交換装置は、液体循環通路に流体を貯留するためのタンクを有していない。冷却ユニットは、冷却素子としてペルチェ素子を含む。

本発明によれば、体温調整に利用可能な熱交換装置の簡素化および軽量化を実現できる。

熱交換装置が適用される装具を表す図である。 対象者への装具の適用例を表す図である。 熱交換装置の構成を表す図である。 熱交換パッドおよびその周辺を表す部分拡大図である。 熱交換装置における液体循環通路を表す模式図である。 熱交換ユニットの構成を表す模式図である。 ポンプの構成および動作を表す模式図である。 液体注入機構の構成を表す模式図である。 変形例に係る装具の構成を表す部分拡大図である。 対象者への装具の適用例を表す図である。 装具の熱交換領域における断熱構造を示す図である。 他の変形例に係るウェアの構成を表す図である。 ポケットの取付構造を表す図である。 熱交換パッドの構成を表す図である。 液体循環通路における冷却水の充填方法を表す図である。 冷却水の充填時および循環時における各部の機能を表す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明においては便宜上、図示の状態を基準に各構造の位置関係を表現することがある。また、以下の実施形態およびその変形例について、ほぼ同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。

本実施形態の熱交換装置はウェア又は装具（以下「装具等」ともいう）に装着され、対象者である人の体温調整に供される。この熱交換装置は、高温環境下における冷却のみならず、低温環境下での保温も可能であるが、以下では高温環境下で冷却装置として機能する場合を例に説明する。

（装具の構成）
図１は、熱交換装置が適用される装具を表す図である。
装具１００は、メッシュ構造を有する生地からなり、対象者の上半身に装着される。装具１００は、対象者の背中に直接又はインナーウェア（シャツ等）を介して装着される背当部１０２（「装着部」に対応）を有する。背当部１０２の内側面１０３に熱交換装置１の熱交換パッド１０が取り付けられる。熱交換パッド１０は、冷却水の供給により低温に保たれる（詳細後述）。

なお、熱交換パッド１０は、本実施形態ではボタンや面ファスナー等の固定手段により装具１００に着脱可能に取り付けられるが、装具１００に縫い付けられて固定されてもよい。装具１００は、熱交換パッド１０（あるいは熱交換装置１全体）を含む冷却装具として構成されてもよい。

背当部１０２の左右上端から一対のストラップ部１０４が延出している。背当部１０２の左右下端からも一対のストラップ部１０６が延出している。ストラップ部１０４の内面には面ファスナーのループ面１０８が設けられ、ストラップ部１０６の外面には面ファスナーのフック面１１０が設けられている。また、背当部１０２の中央上部には切れ目１１２が設けられており、熱交換パッド１０の液体注入機構１６（後述）を背当部１０２の外側面１１４に露出できるようにされている。

熱交換装置１にはこのほか、冷却水の温度を低温に保つための熱交換ユニット１２、冷却水の循環を促進するためのポンプ１４、熱交換ユニット１２およびポンプ１４に電力を供給するバッテリ１３等も含まれる。

図２は、対象者への装具１００の適用例を表す図である。
装具１００を対象者Ｍへ装着する際には、背当部１０２を背中に当てつつ、左右のストラップ部１０４，１０６を手前に引き出し、それぞれ面ファスナーにより上下方向に接続する。このとき、熱交換パッド１０は、背当部１０２の内側（つまり背中との対向面）に位置する。

熱交換ユニット１２およびバッテリ１３は、対象者Ｍが装着するベルトなどに取り付けるための取付部を有するが、その詳細については説明を省略する。

（熱交換装置の構成）
図３は、熱交換装置１の構成を表す図である。
熱交換装置１は、熱交換パッド１０、熱交換ユニット１２、ポンプ１４および液体注入機構１６を備える。熱交換パッド１０は、装具１００を介して人体との熱交換を行う体温調整部として機能する。熱交換パッド１０の内側面の全体にわたり、通水路２０が設けられている。通水路２０は、複数のチューブを連結して構成される（詳細後述）。

熱交換ユニット１２は、冷却水の温度を低温に保つための熱交換部として機能し、接続チューブ２２，２４を介して熱交換パッド１０と接続される。通水路２０を構成するチューブおよび接続チューブ２２，２４は、冷却水を循環させるための「液体循環通路」（後述）を構成する。

熱交換ユニット１２には、冷却後の水を導出する導出ポート２６と、熱交換パッド１０から戻ってくる水を導入する導入ポート２８が設けられている。接続チューブ２２は、その一端が導出ポート２６に接続され、他端が通水路２０の一端に接続されている。接続チューブ２４は、その一端が導入ポート２８に接続され、他端が通水路２０の他端に接続されている。熱交換ユニット１２において熱交換機能を発揮する機能部の構成については、後に詳述する。

図４は、熱交換パッド１０およびその周辺を表す部分拡大図であり、熱交換パッド１０の内側面１０５の側からみた状態を示す。
熱交換パッド１０は、平面視長方形状のシート状の部材であり、横幅方向の中心線Ｌに対して対称な形状を有する。熱交換パッド１０の内側面１０５には、横幅方向の一端側から第１チューブ３０、第２チューブ３２および第３チューブ３４が並設され、これらのチューブが通水路２０を構成している。各チューブは、可撓性を有する樹脂製のチューブであり、熱交換パッド１０の内側面１０５に貼着されている。

熱交換パッド１０の外周縁に沿って、チューブを接続するための複数の接続ポートが設けられている。すなわち、熱交換パッド１０の下端縁に沿ってポート３６～４２が配設されている。ポート３６，４２は、熱交換パッド１０の横幅方向両端部にそれぞれ位置し、ポート３８，４０は横幅方向中央寄りに位置する。熱交換パッド１０の上端縁に沿ってポート４４，４６が配設されている。ポート４４，４６は、熱交換パッド１０の横幅方向中央寄りに位置する。

第１チューブ３０は、上下に複数の折り返し部をもちつつ幅方向に延在する蛇行形状を有し、一端がポート３６に接続され、他端がポート３８に接続される。接続チューブ２２がポート３６を介して第１チューブ３０と接続される。第２チューブ３２は、一端がポート４０に接続され、他端がポート４４に接続される。第３チューブ３４は、上下に複数の折り返し部をもちつつ幅方向に延在する蛇行形状を有し、一端がポート４２に接続され、他端がポート４６に接続される。接続チューブ２４がポート４２に接続される。

ポンプ１４からは導入管５０および導出管５２が延出しており、導入管５０がポート３８に接続され、導出管５２がポート４０に接続される。すなわち、第１チューブ３０が導入管５０を介してポンプ１４の入口に接続され、ポンプ１４の出口が導出管５２を介して第２チューブ３２に接続される。導入管５０および導出管５２は、本実施形態では可撓性を有する樹脂製のチューブからなるが、金属製の配管としてもよい。

液体注入機構１６は、Ｈ状の通水管５４と、通水管５４に設けられた複数の逆止弁を備える。通水管５４は、本実施形態では可撓性を有する樹脂製のチューブからなるが、金属製の配管としてもよい。通水管５４は、互いに平行に延びる注水管５６および排水管５８と、注水管５６と排水管５８とを接続する接続管６０を含む。接続管６０は、注水管５６および排水管５８の各中間部に垂直に接続されている。

注水管５６の一端は注入口６２となっており、他端がポート４６に接続される。一方、排水管５８の一端は排出口６４となっており、他端がポート４４に接続される。第２チューブ３２は、通水管５４を介して第３チューブ３４と接続する。

注水管５６における注入口６２の近傍に逆止弁７０（「第１逆止弁」として機能する）が設けられている。排水管５８における排出口６４の近傍には逆止弁７２（「第２逆止弁」として機能する）が設けられている。接続管６０の中間部には逆止弁７４（「第３逆止弁」として機能する）が設けられている。各逆止弁の作動の詳細については後述する。

熱交換パッド１０には、通水路２０の蛇行形状により横幅方向に隣接する各通路部の間に大小のスリット７６が設けられており、ある程度の通気性が確保されている。通水路２０を構成する複数のチューブは、背当部１０２の内側面１０５から突出しており、それらのチューブが装具１００の表面に当接することとなる。

図５は、熱交換装置１における液体循環通路を表す模式図である。
熱交換装置１には、冷却水を循環させる液体循環通路１２０が形成される。この液体循環通路１２０は、熱交換ユニット１２の内部通路１２２、接続チューブ２２、第１チューブ３０、導入管５０、ポンプ１４の内部通路１２４、導出管５２、第２チューブ３２，液体注入機構１６の通水管５４、第３チューブ３４および接続チューブ２４を連通させる通路である。冷却水の循環はポンプ１４の駆動により促進され、冷却水の温度は熱交換ユニット１２における熱交換により低温に維持される。

図６は、熱交換ユニット１２の構成を表す模式図である。
熱交換ユニット１２は、熱交換器８０、ペルチェ素子８２、放熱フィン８４、ファン８６および制御部８８を有する。熱交換器８０は、上述した内部通路１２２を形成する配管９０を含む。

ペルチェ素子８２は、板状の半導体熱電素子であり、通電により一方の面（吸熱面８１）に吸熱効果を生じ、他方の面（発熱面８３）に発熱効果を生じる。本実施形態では、熱交換ユニット１２を冷却ユニットとして機能させるため、その吸熱面８１が熱交換器８０に当接し、発熱面８３が放熱フィン８４に当接する。放熱フィン８４は、ヒートシンクとして機能する。

制御部８８がペルチェ素子８２への通電制御を行うことで、ペルチェ素子８２が熱交換器８０を流れる冷却水の熱を奪い、その冷却水の温度を設定温度に保つ。このときペルチェ素子８２にて発生した熱は、放熱フィン８４を介して外気に放出される。制御部８８は、ファン８６を駆動して放熱フィン８４からの放熱を促進する。本実施形態では、配管９０および放熱フィン８４の材質として、熱伝導性に優れかつ軽量であるアルミニウム合金を採用しているが、銅その他の材質を採用することもできる。

図７は、ポンプ１４の構成および動作を表す模式図である。図７（Ａ）は１４の吸引状態を示し、図７（Ｂ）はポンプ１４の吐出状態を示す。
ポンプ１４は、いわゆるダイアフラムポンプであり、上述の内部通路１２４が形成されたボディ９１と、ボディ９１の開口端を封止するように取り付けられたダイアフラム９２と、ダイアフラム９２を駆動する駆動部９４を含む。

ボディ９１は、ダイアフラム９２が接続される本体部１３０と、導入管５０が接続される吸入管部１３２と、導出管５２が接続される吐出管部１３４を有する。本体部１３０の内方に作動室１３６が形成されている。

吸入管部１３２の内方には弁室１３８が形成され、逆止弁１４０が配設されている。弁室１３８は、縮管部１３９を介して作動室１３６と連通する。逆止弁１４０は、弁室１３８に配置された弁体１４２と、導入管５０の開口端に設けられた弁座１４４を含む。弁室１３８における縮管部１３９のやや上流側には、弁体１４２の開弁方向への変位を規制する係止部１４６が設けられている。

一方、吐出管部１３４の内方には弁室１４８が形成され、逆止弁１５０が配設されている。弁室１４８は、縮管部１４９を介して作動室１３６と連通する。逆止弁１５０は、弁室１４８に配置された弁体１５２と、縮管部１４９の開口端に設けられた弁座１５４を含む。弁室１４８における導出管５２の開口端のやや上流側には、弁体１５２の開弁方向への変位を規制する係止部１５６が設けられている。

駆動部９４は、ダイアフラム９２の中央部が固定された作動ロッド１６０と、作動ロッド１６０をダイアフラム９２の軸線方向に駆動する図示しないアクチュエータを含む。アクチュエータは例えばソレノイドであってもよいし、モータであってもよい。

図７（Ａ）に示すように、ポンプ１４の吸引作動時には、ダイアフラム９２が作動室１３６を拡大するように駆動される。そのとき生じる負圧により逆止弁１５０が閉弁状態となる一方、逆止弁１４０が全開状態となって冷却水が作動室１３６に引き込まれる。このとき、図示のように弁体１４２が係止部１４６に係止されることにより、導入管５０からの冷却水の流入が許容される（図中太線矢印参照）。

一方、図７（Ｂ）に示すように、ポンプ１４の吐出作動時には、ダイアフラム９２が作動室１３６を縮小するように駆動される。そのとき生じる圧力により逆止弁１４０が閉弁状態となる一方、逆止弁１５０が全開状態となり、作動室１３６の冷却水が導出管５２へ吐出される。このとき、図示のように弁体１５２が係止部１５６に係止されることにより、導出管５２への冷却水の流出が許容される（図中太線矢印参照）。

このようなポンプ１４の吸引作動および吐出作動が繰り返されることにより、液体循環通路１２０における冷却水の循環が促進される。また、ポンプ１４としてダイアフラムポンプを採用することで、その作動状態にかかわらず作動室１３６の容積をある程度確保できる。このため、後述する冷却水の注入時に、ポンプ１４がその注入に対する抵抗となり難い。

図８は、液体注入機構１６の構成を表す模式図である。
液体注入機構１６には上述のように、逆止弁７０（第１逆止弁）、逆止弁７２（第２逆止弁）および逆止弁７４（第３逆止弁）が設けられている。逆止弁７０および逆止弁７２は、熱交換装置１の使用に先立って液体循環通路１２０に冷却水を充填させる際に一時的に開弁する。

すなわち、熱交換装置１の軽量化を図るため、液体循環通路１２０には冷却水を貯留するためのタンクが設けられていない。このため、熱交換装置１を使用する際には、予め液体循環通路１２０に冷却水を充填しなければならない。本実施形態では、注入口６２が注入器（図示略）のシリンダを着脱可能な形状を有する。その注入器により外部から液体循環通路１２０へ流体（本実施形態では水）を注入する。この注入は手動ポンプによるものでもよいし、電動ポンプによるものでもよい。

逆止弁７０は、流体の注入圧力が第１設定圧力以上となれば開弁し、第１設定圧力未満となれば閉弁する。逆止弁７０は、注入口６２の近傍に形成された第１弁座と、第１弁座に下流側から着脱して弁部を開閉する第１弁体と、第１弁体を閉弁方向に付勢する第１スプリングを有する。第１スプリングの荷重により第１設定圧力が調整されている。逆止弁７０の開弁により液体循環通路１２０への流体の注入が可能となる。逆止弁７０の閉弁により、外部から液体循環通路１２０への空気の流入を防止できる。

逆止弁７２は、流体圧力が第２設定圧力以上となれば開弁し、第２設定圧力未満となれば閉弁する。逆止弁７２は、排出口６４の近傍に形成された第２弁座と、第２弁座に下流側から着脱して弁部を開閉する第２弁体と、第２弁体を閉弁方向に付勢する第２スプリングを有する。第２スプリングの荷重により第２設定圧力が調整されている。流体の注入時に逆止弁７０が開弁することにより、液体循環通路１２０内の空気を押し出すように排出できる。それにより、液体循環通路１２０を流体で満たすことができる。逆止弁７０，７２の閉弁により流体を液体循環通路１２０に封じ込めることができる。

逆止弁７４は、接続管６０の中間部に形成された第３弁座と、第３弁座に下流側から着脱して弁部を開閉する第３弁体を有する。逆止弁７４は、第３弁体を閉弁方向に付勢するスプリングを有しておらず、流体が液体循環通路１２０を順方向に流れる限り開弁状態を保つ。逆止弁７４を配設したことにより、流体の循環に方向性をもたせ、液体循環通路１２０に流体を充填させることができる。

ここで、逆止弁７０の開弁圧力（つまり第１設定圧力）は、ポンプ１４の吸引圧力（絶対値）よりも大きくなるように設定されている。このため、ポンプ１４が作動するごとに逆止弁７０が開弁して空気を吸引するなどを防止できる。

逆止弁７２の開弁圧力（つまり第２設定圧力）は、ポンプ１４の吐出圧力と外部からの変動圧力とを合わせた値よりも大きくなるように設定されている。ここでいう「外部からの変動圧力」は、対象者が装具１００を装着したときに熱交換パッド１０に加わる押圧力などを含み、実験等により予め適切な値が設定される。ポンプ１４の吐出圧力と吸引圧力の大きさ（絶対値）はほぼ等しい。第２設定圧力は第１設定圧力よりも大きい。

逆止弁７４の開弁圧力は、本実施形態では実質的にゼロとされ、ポンプ１４の入口と出口の圧力差を抑え、揚程への影響を緩和している。なお、変形例においては、逆止弁７４に荷重のごく小さなスプリングを設け、微小な開弁圧力（つまり第３設定圧力）を設定してもよい。ただし、第３設定圧力は第２設定圧力よりも小さくなるようにする。

以上のように各逆止弁の開弁圧力を設定することにより、液体循環通路１２０への流体の充填時や使用中における液体の漏れや空気の流入を防止できる。なお、各逆止弁を構成する部品には錆び難く、対候性の高い材質が用いられている。

以上に説明したように、本実施形態によれば、液体注入機構１６を設け、液体循環通路１２０に予め冷却水を充填可能とすることで、熱交換装置１をいわゆるタンクレスにて構成できる。このため、熱交換装置１の簡素化および軽量化を実現でき、装具等への装着が容易となる。装具等を装着する対象者への負担も軽減できる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はその特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で種々の変形が可能であることはいうまでもない。

［変形例］
図９は、変形例に係る装具２００の構成を表す部分拡大図である。
装具２００は、接続チューブ２２，２４の長さを調整するためのチューブ引き回し構造と、外気による熱交換パッド１０の温度変化を抑制するための断熱構造を有する。

図９（Ａ）に示すように、装具２００の背当部２０２（「装着部」に対応）は、熱交換パッド１０が配置される熱交換領域２１０が厚手の生地からなり、その外部領域２１２が薄手の生地からなる。熱交換領域２１０に断熱構造が形成される（詳細後述）。外部領域２１２は、メッシュ構造を有する。

熱交換領域２１０の外側面２１４には、接続チューブ２２，２４を引っ掛けるようにして固定可能な複数の固定部２２０が設けられている。固定部２２０は、左右に一対ずつ上下方向に３段設けられた面ファスナー２２０ａ～２２０ｃからなる。熱交換パッド１０の下端につながった接続チューブ２２，２４は、背当部２０２の外側面２１４に引き回され、面ファスナー２２０ａ～２２０ｃのいずれかに固定されることで、上下方向に延びる長さが調整される。

図９（Ａ）には、接続チューブ２２，２４が中段の面ファスナー２２０ｂに固定された状態が示されている。図９（Ｂ）には、接続チューブ２２，２４が下段の面ファスナー２２０ｃに固定された状態が示されている。各接続チューブは、上方の面ファスナーに固定されるほど短くなり、下方の面ファスナーに固定されるほど長くなる。なお、各チューブは面ファスナーに固定しなくてもよく、その場合に最も長くなる。

背当部２０２の上部中央には、液体注入機構１６を収容する収容部２３０が設けられている。収容部２３０は、ポケットの態様をなし、液体注入機構１６を外部に露出させないように覆うカバーとしても機能する。収容部２３０の上下方向中央部に切れ目２３２が設けられており、必要に応じて液体注入機構１６の上部（注入口６２、排出口６４）を外部に露出させることができる（図９（Ｂ）参照）。

図１０は、対象者Ｍへの装具２００の適用例を表す図である。
装具２００を対象者Ｍへ装着する際には、上述したチューブ引き回し構造により接続チューブ２２，２４の長さを適度に調整した後、背当部２０２を背中に当てつつ、左右のストラップ部１０４，１０６を接続する。本変形例では、このようなチューブ引き回し構造を設けることで、対象者の身長にかかわらず装具２００を使用できる。すなわち、装具２００をフリーサイズとして提供できる。

図１１は、装具２００の熱交換領域２１０における断熱構造を示す図である。
熱交換領域２１０においては、装具２００の生地が断熱層２４０を有し、厚みが大きくなっている。この断熱層２４０は、厚みのあるメッシュ生地２４２と、貼り合わせ生地２４４とを、両者間に空気層Ｓを形成しつつ貼り合わせて構成される。

メッシュ生地２４２は、例えばダブルラッセル構造を有するものでよい。貼り合わせ生地２４４は、例えばウレタン発泡体を芯材とし、起毛を有するものでよい。貼り合わせ生地２４４の外側面が外気に晒される。メッシュ生地２４２の内方に熱交換パッド１０が位置し、通水路２０を構成するチューブが、対象者Ｍの肌面Ｍｂに直接又はインナーウェアを介して当接する。メッシュ生地２４２そのものも空気層を有するため、空気層Ｓとともに断熱効果を発揮する。このような構成により、外気温による冷却水の温度上昇を抑制できる。

なお、本変形例では、固定部２２０を面ファスナーにて構成したが、ボタンその他の固定手段を採用してもよい。接続チューブに粘着性の生地を貼り付けてもよい。また、装具２００の外観を考慮し、面ファスナーを外側から覆うカバーを別途設けてもよい。

本変形例の断熱構造については、上記実施形態にも適用できることは言うまでもない。また、断熱構造は上記のものに限らず、外気から熱交換パッド１０への熱伝達を抑制する構造であれば採用できる。

図１２は、他の変形例に係るウェア３００の構成を表す図である。図１２（Ａ）は正面図であり、図１２（Ｂ）は背面図である。
本変形例では、ウェア３００が熱交換装置３０１を一体に備える。熱交換装置３０１は、熱交換パッド３１０および熱交換ユニット３１２を含み、ウェア３００に着脱可能に取り付けられる。ウェア３００は、本変形例ではベストの形態を有するが、シャツ、作業着、ジャケット、コートその他の形態を有してもよい。

ウェア３００は、全体的に薄手の生地からなり、左右対称な構造を有する。ウェア３００の脇身頃３０２には通気性の良いメッシュ構造の生地が採用されている。ウェア３００の前身頃３０４にはジップファスナー３１４が設けられているが、ボタンその他の開閉構造を採用してもよい。ウェア３００の裏面には、後身頃３０６の上半部から前身頃３０４の上半部にかけて熱交換パッド３１０が装着される。ウェア３００の後身頃３０６の下半部にポケット３１６が取り付けられ、熱交換ユニット３１２を収容する。なお、後身頃３０６の上半部と前身頃３０４の上半部は「装着部」に対応する。

熱交換パッド３１０の内面の全体にわたり通水路３２０が設けられている。通水路３２０は、複数のチューブを連結して構成される。熱交換ユニット３１２は、上記実施形態の熱交換ユニット１２とほぼ同様の構成を有するが、さらにポンプ３１８および内蔵型のバッテリを含む。熱交換パッド３１０と熱交換ユニット３１２とは、接続チューブ３２２，３２４を介して接続される。

図１３は、ポケット３１６の取付構造を表す図である。
ポケット３１６は、袋状の本体３１７を有し、熱交換ユニット３１２の収容部として機能する。本体３１７の表面中央には挿通孔３２６が設けられ、熱交換ユニット３１２のファン８６を露出させることができる。ポケット３１６の裏面には面ファスナーのフック面が設けられている（図示略）。

一方、ウェア３００の後身頃３０６の下半部中央には、所定幅で切り欠かれた開放部３２８が設けられる。後身頃３０６における開放部３２８の周囲には、面ファスナーのループ面が設けられている。このため、熱交換ユニット３１２を収容した状態のポケット３１６を後身頃３０６に対して容易に着脱できる。ポケット３１６を後身頃３０６に装着した際、開放部３２８はポケット３１６により覆われることとなる（図１２（Ｂ）参照）。

図１４は、熱交換パッド３１０の構成を表す図である。図１４（Ａ）は熱交換パッド３１０の構成を示し、図１４（Ｂ）は通水路３２０の構成を示す。
図１４（Ａ）に示すように、熱交換パッド３１０は、左右対称に配置される左パッド３３０Ｆおよび右パッド３３０Ｒを有する。これらを特に区別しない場合には、「パッド３３０」を総称する。各パッド３３０は、対象者の背中側に当てられる背部当接領域３３２、肩部に対応する肩部当接領域３３４、および胸部に対応する胸部当接領域３３６を有する。これらの領域のうち、背部当接領域３３２が最も広い面積を有する。

左パッド３３０Ｆの裏面に左側チューブ３４０Ｆが張り巡らされ、右パッド３３０Ｒの裏面に右側チューブ３４０Ｒが張り巡らされている。これらを特に区別しない場合には、「チューブ３４０」を総称する。各チューブ３４０は、パッド３３０の下端内側部に基端を有し、背部当接領域３３２を蛇行しながら肩部当接領域３３４を経て胸部当接領域３３６まで延びる。そして、胸部当接領域３３６の先端部で折り返し、肩部当接領域３３４を経て背部当接領域３３２の上端部に延びる。各チューブ３４０は、パッド３３０の上端内側部に先端を有する。左側チューブ３４０Ｆの先端と右側チューブ３４０Ｒの先端とは、接続チューブ３４２を介して接続される。

図１４（Ｂ）に示すように、左側チューブ３４０Ｆは、基端に接続チューブ３２２と接続する接続部３４４を有し、先端に接続チューブ３４２と接続する接続部３４６を有する。右側チューブ３４０Ｒは、基端に接続チューブ３２４と接続する接続部３４４を有し、先端に接続チューブ３４２と接続する接続部３４６を有する。各チューブ３４０は、蛇行部に複数の折り返し部３４８を有する。

各折り返し部３４８は、平面視において比較的大きな面積を有し、その領域において通水路３２０の通路断面を安定に形成するための複数の支柱３５０を有する。チューブ３４０における肩部対応領域には、胸部対応領域への往路と復路とをバイパスする複数のバイパス通路バイパ通路３５２が設けられており、チューブ３４０における流路の詰まりに対応できるようにされている。

接続チューブ３２２の接続部３４４とは反対側端部には、熱交換ユニット３１２と接続するためのカップリング３５６が設けられている。カップリング３５６は、注入口６２としても機能する。接続チューブ３２４の接続部３４４とは反対側端部には、熱交換ユニット３１２と接続するためのカップリング３５８が設けられている。接続チューブ３２４の中途には分岐路３６０が設けられ、その分岐路３６０に逆止弁７２および排出口６４が設けられる。接続チューブ３２２が「第１配管」として機能し、接続チューブ３２４が「第２配管」として機能する。カップリング３５６が「第１カップリング」として機能し、カップリング３５８が「第２カップリング」として機能する。

図１５は、液体循環通路１２０における冷却水の充填方法を表す図である。
上述した左側チューブ３４０Ｆ、右側チューブ３４０Ｒおよび接続チューブ３４２が通水路３２０を形成する。図中の矢印は、液体循環通路１２０に冷却水を充填する際の水の流れを示す。

冷却水の充填作業に際し、給水源３７０と排水受け３７２が用意される。これらは水を貯留可能なビーカーやバケツなどの容器でよい。給水源３７０には十分な量の冷却水が溜められている。排水受け３７２は空の容器でよい。そして、熱交換ユニット３１２の入口を構成するカップリング３８０に給水チューブ３７４の一端であるカップリング３７６を接続し、熱交換ユニット３１２の出口を構成するカップリング３８２に接続チューブ３２２のカップリング３５６を接続する。給水チューブ３７４は、給水工程に際して別途用意され、その他端は給水源３７０の冷却水内に配置される。接続チューブ３２４の排出口６４の下方に排水受け３７２を配置する。

この状態で熱交換ユニット３１２のポンプ３１８を駆動する。それにより、給水源３７０から冷却水が組み上げられ、接続チューブ３２２を介して左側チューブ３４０Ｆに導入される。この冷却水は、左側チューブ３４０Ｆを満たした後、接続チューブ３４２を介して右側チューブ３４０Ｒに導入される。このとき、通水路３２０内の空気が排出口６４から押し出される。冷却水は右側チューブ３４０Ｒを満たした後、排出口６４から排水受け３７２に漏れ出る。ただし、逆止弁７２が機能するため、冷却水の漏れ量は最小限に抑えられる。このようにして通水路３２０に冷却水が充填された後、ポンプ３１８の駆動を停止する。

その後、給水チューブ３７４をカップリング３８０から取り外し、カップリング３５８をカップリング３８０に接続する。それにより、液体循環通路１２０に冷却水が満たされた状態となる。各カップリングは、相手方のカップリングとの接続が外されると流路を閉じる逆止弁の機能を有するため、このような取り付け、取り外しの際の冷却水の漏れが抑制され、その充填状態を維持できる。また、排出口６４についても上述のように、逆止弁７２の機能により冷却水の漏れが防止される。

図１６は、冷却水の充填時および循環時における各部の機能を模式的に表す図である。図１６（Ａ）は充填時の状態を示し、図１６（Ｂ）は循環時の状態を示す。
図１６（Ａ）に示すように、冷却水の充填時においては、ポンプ３１８の駆動部９４が駆動されることで、ダイアフラムポンプの逆止弁１４０と逆止弁１５０とが交互に開弁して冷却水をくみ上げる。この冷却水が通水路３２０に供給される。このとき、カップリング３５８が非接続状態であるため、ポンプ３１８の吐出圧力により逆止弁７２が開弁し、排出口６４から空気が排出される。排出口６４から冷却水が排出され始めると、通水路３２０が充填状態であることが分かるため、ポンプ３１８を停止させる。それにより、ポンプ３１８の吐出圧力がなくなるため、逆止弁７２が閉じる。

図１６（Ｂ）に示すように、この状態でカップリング３５８をカップリング３８０に接続することにより、液体循環通路１２０が形成される。熱交換ユニット３１２および通水路３２０の双方に冷却水が充填されているため、液体循環通路１２０の全体として冷却水が満たされた状態となる。そして、ポンプ３１８を駆動することにより、液体循環通路１２０において冷却水を循環させることができる。このとき、ポンプ３１８の吐出圧力は冷却水の循環のために消費されるため、逆止弁７２には開弁圧を超えた圧力は作用せず、その閉弁状態を維持する。

本変形例によれば、ポンプ３１８が冷却水の充填時にも機能するため、作業性が向上する。また、上記実施形態における逆止弁７０，７４の機能をポンプ３１８の機能により代替できる。さらに、ウェア３００に着脱可能なポケット３１６に熱交換ユニット３１２を収容するため、対象者の背丈や腰位置を考慮した熱交換ユニット３１２の取り付けが必要なくなる。このため、図１０に示したようなチューブ引き回し構造も不要となる。

なお、本変形例では図１５等に示したように、接続チューブ３２４に分岐路３６０を設け、その先端に排出口６４を設ける構成を示した。他の変形例においては、分岐路３６０をなくし、カップリング３５８を排出口６４として機能させてもよい。例えば、冷却水の充填時に給水チューブ３７４のような構造の排出チューブを別途用意し、カップリング３５８に接続して冷却水を排出できるようにしてもよい。その排出チューブに逆止弁７２を設けてもよい。すなわち、カップリング３５８は、排出口６４と連通する接続チューブ３２４に設けられていればよい。

上記実施形態では、熱交換装置１を高温環境下で機能する冷却装置として構成した例を示した。すなわち、熱交換パッド１０が「吸熱パッド」として機能し、熱交換ユニット１２が「冷却ユニット」として機能する構成を例示した。

変形例においては、熱交換装置を低温環境下で機能する保温装置として構成してもよい。液体循環通路１２０には、流体として温水が循環することとなる。具体的には、図６に示したペルチェ素子８２を上下反対向きに配設することで、熱交換器８０側を発熱面８３とし、放熱フィン８４側を吸熱面８１とすることができる。それにより、配管９０を流れる温水の温度を適度に保つことができる。その熱交換装置を対象者の装具等に取り付けることにより、低温環境下での作業性を向上できる。

上記実施形態では、熱交換装置１を対象者の背中に装着させる装具１００に適用した例を示したが、装具の形態が上記のものに限られないことは言うまでもない。熱交換パッドの装着対象となる部位も背中に限らず、例えば肩や首筋など適宜設定できる。熱交換パッドをシャツなどの所望部位に着脱できるようにしてもよい。

上記実施形態では、液体循環通路１２０を循環させる流体を水としたが、クーラントその他の液体としてもよい。

上記実施形態および変形例では、熱交換素子としてペルチェ素子を例示したが、トムソン効果を発揮する素子その他の素子を採用することもできる。熱交換ユニットとして冷却効果を発揮させる場合には、冷媒を循環させる冷凍サイクルを採用することもできる。保温効果を発揮させる場合には、ヒータを採用してもよい。ただし、熱交換装置の簡素化および軽量化を同時に実現するためには、上記実施形態のような熱交換素子を採用するのが好ましい。

上記実施形態の熱交換装置１を適用したウェア又は装具は、以下のように表現できる。
対象者の体温調整が可能なウェア（又は装具）であって、
対象者の特定部位に装着される装着部と、
前記装着部において熱交換を行う熱交換装置と、
を備え、
前記熱交換装置は、
液体を循環させる液体循環通路と、
前記装着部に取り付けられ、前記液体循環通路の一部が配設される熱交換パッドと、
前記液体循環通路を流れる液体との間で熱交換を行う熱交換ユニットと、
前記液体循環通路に配置されたポンプと、
前記液体循環通路に接続された液体注入機構と、
を含み、
前記液体注入機構は、
前記液体循環通路への液体の注入時に外部から液体を導入する注入口と、
前記液体循環通路への液体の注入時に外部へ空気を排出する排出口と、
を含み、
前記液体循環通路に流体を貯留するためのタンクを有しないことを特徴とするウェア（又は装具）。

また、以下のようにも表現できる。
対象者の体温調整が可能なウェア（又は装具）であって、
対象者の特定部位に装着される装着部と、
前記装着部において熱交換を行う熱交換装置と、
を備え、
前記熱交換装置は、
液体を循環させる液体循環通路と、
前記装着部に取り付けられ、前記液体循環通路の一部が配設される吸熱パッドと、
前記液体循環通路を流れる液体を冷却する冷却ユニットと、
前記液体循環通路に配置されたポンプと、
を含み、
前記液体循環通路に流体を貯留するためのタンクを有しておらず、
前記冷却ユニットは、冷却素子としてペルチェ素子を含むことを特徴とするウェア（又は装具）。

上記変形例を適用したウェア又は装具は、以下のように表現できる。
前記装着部の内側面に前記熱交換パッドを配置し、
前記装着部の外側面に固定部を有し、
前記熱交換パッドにおける前記液体循環通路につながるチューブが、前記装着部の外側面に引き回されてその一部が前記固定部に固定されることにより、前記チューブが前記装着部から延出する長さを調整可能なチューブ引き回し構造を備えることを特徴とするウェア（又は装具）。

また、以下のようにも表現できる。
前記装着部は、前記熱交換パッドと当接する熱交換領域において、外気から前記熱交換パッドへの熱伝達を抑制する断熱構造を有することを特徴とするウェア（又は装具）。
前記断熱構造は、メッシュ生地と空気層を含む断熱構造を有するものでもよい

なお、本発明は上記実施例や変形例に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。上記実施例や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成してもよい。また、上記実施例や変形例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。

１ 熱交換装置、１０ 熱交換パッド、１２ 熱交換ユニット、１３ バッテリ、１４ ポンプ、１６ 液体注入機構、２０ 通水路、２２ 接続チューブ、２４ 接続チューブ、２６ 導出ポート、２８ 導入ポート、３０ 第１チューブ、３２ 第２チューブ、３４ 第３チューブ、３６ ポート、３８ ポート、４０ ポート、４２ ポート、４４ ポート、４６ ポート、５０ 導入管、５２ 導出管、５４ 通水管、５６ 注水管、５８ 排水管、６０ 接続管、６２ 注入口、６４ 排出口、７０ 逆止弁、７２ 逆止弁、７４ 逆止弁、７６ スリット、８０ 熱交換器、８１ 吸熱面、８２ ペルチェ素子、８３ 発熱面、８４ 放熱フィン、８６ ファン、８８ 制御部、９０ 配管、９２ ダイアフラム、９４ 駆動部、１００ 装具、１０２ 背当部、１０３ 内側面、１０４ ストラップ部、１０５ 内側面、１０６ ストラップ部、１２０ 液体循環通路、１２２ 内部通路、１２４ 内部通路、１３２ 吸入管部、１３４ 吐出管部、１３６ 作動室、１３８ 弁室、１４０ 逆止弁、１４２ 弁体、１４４ 弁座、１４６ 係止部、１４８ 弁室、１５０ 逆止弁、１５２ 弁体、１５４ 弁座、１５６ 係止部、１６０ 作動ロッド。２００ 装具、２０２ 背当部、２１０ 熱交換領域、２１２ 外部領域、２１４ 外側面、２２０ 固定部、２２０ｂ 面ファスナー、２２０ｃ 面ファスナー、２３０ 収容部、２３２ 切れ目、２４０ 断熱層、２４２ メッシュ生地、２４４ 貼り合わせ生地、Ｌ 中心線、Ｍ 対象者、Ｍｂ 肌面、Ｓ 空気層

Claims (10)

1. 液体を循環させる液体循環通路と、
   前記液体循環通路の一部が配設される熱交換パッドと、
   前記液体循環通路を流れる液体との間で熱交換を行う熱交換ユニットと、
   前記液体循環通路に配置されたポンプと、
   前記液体循環通路に接続された液体注入機構と、
   を備え、
   前記液体注入機構は、
   前記液体循環通路への液体の注入時に外部から液体を導入する注入口と、
   前記液体循環通路への液体の注入時に外部へ空気を排出する排出口と、
   を含み、
   前記液体循環通路に流体を貯留するためのタンクを有しないことを特徴とする熱交換装置。
2. 前記液体注入機構は、
   前記液体循環通路への液体注入後の注入口への液体の逆流を防止する第１逆止弁と、
   前記液体循環通路への液体注入後の排出口からの液体の排出を防止する第２逆止弁と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
3. 前記第１逆止弁および前記第２逆止弁のそれぞれの開弁圧力が、前記ポンプの吐出圧力よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換装置。
4. 前記第２逆止弁の開弁圧力が、前記第１逆止弁の開弁圧力よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換装置。
5. 前記第１逆止弁と前記第２逆止弁との間に設けられ、前記液体循環通路における流体の逆流を防止する第３逆止弁をさらに備え、
   前記第３逆止弁の開弁圧力が、前記第２逆止弁の開弁圧力よりも小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換装置。
6. 前記熱交換ユニットは、熱交換素子としてペルチェ素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
7. 液体を循環させる液体循環通路と、
   前記液体循環通路の一部が配設される吸熱パッドと、
   前記液体循環通路を流れる液体を冷却する冷却ユニットと、
   前記液体循環通路に配置されたポンプと、
   を備え、
   前記液体循環通路に流体を貯留するためのタンクを有しておらず、
   前記冷却ユニットは、冷却素子としてペルチェ素子を含むことを特徴とする熱交換装置。
8. 前記熱交換パッドがウェア又は装具に装着可能な構造を有することを特徴とする請求項１又は７に記載の熱交換装置。
9. 前記ポンプが、前記液体の注入時には前記液体注入機構の駆動部として外部から液体をくみ上げて前記液体循環通路に注入する一方、前記液体の循環時には前記液体循環通路における液体の流れを生成することを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
10. 前記液体循環通路を形成又は解除するために着脱される第１カップリングと第２カップリングを有し、
    前記第１カップリングが、前記ポンプの入口につながる第１配管に設けられ、前記注入口としても機能し、
    前記第２カップリングが、前記排出口と連通する第２配管に設けられることを特徴とする請求項９に記載の熱交換装置。

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