JP6309087B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、温度の変化により親水性から疎水性、疎水性から親水性へ変化する性質を有する高分子吸着材を利用した冷却装置に関する。

ゼオライト、シリカゲルなどは従来より吸湿材（除湿材）として広く知られているが、水分を吸着後、再度、水分を吸着できる状態に再生するために、ヒーターなどの高熱源を用いて２００℃以上といった非常に高い温度で加熱し、水分を除去する必要がある。すなわち、ゼオライト、シリカゲルなどの吸湿材では、一度吸湿した水分は常温下では周囲との熱交換はできず、自然乾燥などによる吸湿材の再生はできなかった。このため、古くから利用されている、夏場の打ち水により涼しくなる現象を、吸湿材で吸収した水分と外気の熱交換により再現するのは大変困難である。

たとえば特開２００８−２４９１６５号公報（特許文献１）には、吸湿剤を利用した室内調湿機に関する発明が開示されている。また、特開２００１−３３０２７３号公報（特許文献２）には、固体吸湿剤を利用した冷房システムが開示されている。しかしながら、従来の蓄熱装置、熱交換機により吸湿材の再生、空気の冷却を行なおうとする方法では、様々な装置、空路を必要とするため、大掛かりな装置が必要となってしまう。

一方、特開２００２−１２６４４２号公報（特許文献３）では、相転移温度を境として吸水特性が変化するゲルを用いて除湿・吸水するゲルシートが記載されている。

特開２００８−２４９１６５号公報 特開２００１−３３０２７３号公報 特開２００２−１２６４４２号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、大掛かりな装置を必要としない、吸湿材を利用した冷却装置を提供することである。

本発明は、空気中の水分を吸収し得る親水性の状態と、前記親水性の状態のときに吸収した水分を放出する疎水性の状態とを有し、温度の上昇により前記親水性の状態から疎水性の状態に変化し、かつ、前記温度の下降により前記疎水性の状態から前記親水性の状態に戻る性質を有する高分子吸湿材を備える冷却装置であって、前記高分子吸湿材が、温度が変化し得る環境であって、かつ、水分を含む空気に接触し得る環境下に配置されることを特徴とする。

本発明の冷却装置は、家屋の庇または屋根に設けられることが好ましく、この場合、前記庇または屋根の下側に設けられることがより好ましい。また、この場合、前記高分子吸湿材は、通気性を有し、かつ、液体を通過させない金属製の板状物に挟み込まれていることが好ましい。

また本発明の冷却装置は、テントの内側に設けられていてもよい。
また、本発明の冷却装置は、作動時に発熱する部品を冷却し得るように設けられていてもよく、この場合、前記部品はコンプレッサおよび凝縮器の少なくともいずれかであることがより好ましく、前記コンプレッサおよび凝縮器はエアコンディショナの室外機または冷蔵庫に設けられたものであることが特に好ましい。

本発明の冷却装置は、太陽電池モジュールの受光面の反対側に設けられていてもよい。

本発明によれば、大掛かりな装置を必要とすることなく、吸湿材を利用した冷却装置が実現できる。

図１（ａ）は、本発明の実施の態様１の冷却装置を模式的に示す図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の一部を拡大して示す図である。 図１に用いられる冷却装置４の好ましい一例を模式的に示す図である。 本発明の実施の態様２の冷却装置を模式的に示す図である。 本発明の実施の態様３の冷却装置を模式的に示す図である。 本発明の実施の態様４の冷却装置を模式的に示す図である。 本発明の実施の態様５の冷却装置を模式的に示す図である。 本発明の実施の態様６の冷却装置を模式的に示す図である。

本発明は、空気中の水分を吸収し得る親水性の状態と、前記親水性の状態のときに吸収（収着）した水分を放出する疎水性の状態とを有し、温度の上昇により前記親水性の状態から疎水性の状態に変化し、かつ、前記温度の下降により前記疎水性の状態から前記親水性の状態に戻る性質を有する高分子吸湿材を備える冷却装置であって、前記高分子吸湿材が、温度が変化し得る環境であって、かつ、水分を含む空気に接触し得る環境下に配置されることを特徴とする。このような本発明における高分子吸湿材は、特許文献３などにより公知のものであり、当業者であれば、たとえばポリＮ−イソプロピルアクリルアミド（ＰＮＩＰＡＭ）およびその誘導体、ポリビニルエーテルおよびその誘導体などの感温性高分子を材料として用いて所望の性質を有する高分子吸湿材を適宜調製することが可能である。

本発明の冷却装置は、ゼオライト、シリカゲルなどを利用する場合とは異なり、上述のような性質を有する高分子吸湿材を用いることで、ヒーターなどの高熱源を必要とすることなく自然乾燥で水分を除去することができる。すなわち、高分子吸湿材を親水性の状態としておけば、空気中の水分を吸収し、当該高分子吸湿材に温度の上昇による熱刺激を与え得る位置に熱源がある場合に、この温度の上昇により、熱源に近い側から、徐々に高分子吸湿材が疎水性の状態に相転移し、吸収した水分は、高分子吸湿材の熱源より遠い側に移動していく（この相転移を起こす閾値となる温度を「感温点」と呼称する）。このため、高分子吸湿材の熱源に近い側と遠い側との温度勾配によって、高分子吸湿材に、より水分を多く含んだ領域（熱源より遠い側）が作られる。この水分を多く含んだ領域にまで熱源からの熱が及ぶと、熱を吸収し、水分は気化する。この際に、周囲の熱を奪い、冷却効果が生まれる。このように、本発明の冷却装置では、従来のような大掛かりな装置を必要とすることなく、比較的簡素な構成で吸湿材を利用した冷却装置を実現することが可能となる。このような本発明の冷却装置は様々な実施態様で実現可能であり、以下、各実施態様について詳細に説明する。

（実施の態様１）
図１（ａ）は、本発明の実施の態様１の冷却装置を模式的に示す図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の一部を拡大して示す図である。図１に示す実施の態様１は、直接太陽光の照射を受ける建築物５の庇６に、本発明の冷却装置４を設けた例を示す。この場合、上述した熱源は、太陽熱となる。庇６の場合、太陽光を受けるのは上側であり、上述のような冷却効果を効率的に得る観点からは、図１に示す例のように、冷却装置４は庇６の下側に設けられることが好ましい。

夜間には、庇６には、直接太陽光が当たらないため、庇６の表面の温度は低く、感温点未満であり、冷却装置４の高分子吸湿材１は相転移を起こさず（高分子吸湿材１の全体が親水性の状態で存在）常時空気中の水分を吸収する。日中になると、庇６の表面に太陽光が直接当たる（図１（ａ）中、黒線の矢符）ことで温度が上昇する。それにより、夜間に空気中の水分を収集した高分子吸湿材１が相転移を起こし、図１（ｂ）に示すように、親水性の状態の領域２が、太陽光に近い側から疎水性の状態の領域３に変化（相変化）していく。このようにして、高分子吸湿材１の下側に、より水分を多く含んだ領域が作られ、その後水分が高分子吸湿材１から放出される。この際、図１（ａ）に白抜きの矢符で示すように、周辺の熱を奪って水分が気化するため、庇の下の温度が下がる。このように、一般的な庇は直射太陽光を防いで暑さを防止するが、機械的に直接的な熱を遮断しているだけであるのに対し、図１に示す本発明の冷却装置によれば、熱交換機や冷却機を用いないため電力を使わずに、夏場の家庭内の温度を下げることが可能となる。

ここで、図２は、図１に用いられる冷却装置４の好ましい一例について模式的に示す図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ｃ）の切断面線ＩＩｂ−ＩＩｂから見た断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）の切断面線ＩＩｃ−ＩＩｃから見た断面図である。本発明の冷却装置４において、高分子吸湿材１は、通気性を有し、かつ、液体を通過させない金属製の外郭７に収容されていることが、好ましい。ここで、「外郭」は、高分子吸湿材の周囲の少なくとも一部を囲う構造物であれば形状に特に制限はない。図２に示す例では、外郭７として格子状の枠を備える板状物が用いられ、枠間の空間に、高分子吸湿材１が収容される。外郭７は、上述のように、通気性を有し、かつ、液体を通過させないようになっており、たとえば、枠を挟む外板８に、孔径０．１〜５０μｍの範囲（好適な一例として５μｍ）の、水滴は通さず、かつ、水蒸気は通過させ得るような孔が多数形成されることで実現される。

外郭７は、金属で形成されていることが好ましく、外郭７を形成する金属材料の好適な例としては、アルミニウム、銀、銅などを挙げることができる。金属のように熱伝導性の高い材料で外郭７を形成することで、高分子吸湿材を用いることによる上述した冷却効果を効率的に得ることが可能となる。なお、外郭７は、熱伝導率が高いセラミックス系材料などで形成されていてもよい。

（実施の態様２）
図３は、本発明の実施の態様２の冷却装置を模式的に示す図である。本発明の冷却装置は、図３に示す例のように、庇と同じく太陽光の照射を受ける建築物１１の屋根１２に適用されてもよい。図３には、図１、２に示したのと同様の高分子吸湿材を用いた冷却装置４が屋根１２の下側に設けられた例を示している。庇に設けられた冷却装置について上述したのと同じ理由から、屋根に設ける場合にも、屋根の下側に冷却装置を設けることが好ましい。屋根も瓦を用いており、夏場長時間熱を加えられることで熱伝導により軒下まで熱が伝わり、不快感を感じさせるが、図３に示すように本発明の冷却装置を設けることで、電力を使わずに、夏場の家庭内の温度を下げることが可能となる。

（実施の態様３）
図４は、本発明の実施の態様３の冷却装置を模式的に示す図である。本発明の冷却装置は、図４に示す例のように、テント２１の内側に設けられてもよい。テントは太陽による光を遮ることでテント内の温度を相対的に下げることは可能であるが、自発的な冷却効果はない。テント２１の内側に上述のような高分子吸湿材を用いた冷却装置２２を設けることで、感温点未満の温度で吸湿した高分子吸湿材が、日中の高温時に加熱される際、天井側から高分子吸湿材が相変化を起こし地面側に水分を放出する。時間経過とともに高分子吸湿材全体が疎水性の状態となるため、高分子吸湿材から放出された水分が、テント２１下の熱を奪い気化することで、テント２１内の空間の温度を下げることができる。

図４に示す例のように冷却装置２２を設ける場合、テント２１を形成する布は、水滴が通らず、かつ、水蒸気は通過させ得る、孔径０．１〜５０μｍの範囲（好適な一例として５μｍ）の孔が多数形成されていることが好ましい。また、冷却装置２２は、テント２１を形成する布と同様に、孔径０．１〜５０μｍの範囲（好適な一例として５μｍ）の孔が多数形成された袋状物（たとえば、四フッ素エチレン樹脂繊維などで形成）の中に、上述した高分子吸湿材が収容されることで形成できる。

なお、図４にはテントに冷却装置を設けた例を挙げたが、同様にして、日傘、ビーチパラソルなどを含めた傘に冷却装置を設けるようにしてもよい。

（実施の態様４）
図５は、本発明の実施の態様４の冷却装置を模式的に示す図である。上述した実施の態様では、高分子吸湿材を相転移させる熱源として太陽熱を例に挙げていたが、熱源はこれに限定されるものではない。本発明の冷却装置は、作動時に発熱する部品を冷却し得るように設けられていてもよい。この場合、熱源は、部品の作動時の発熱となる。前記部品としては、コンプレッサ、凝縮器、回路基板、モータなどが挙げられ、中でもコンプレッサおよび凝縮器の少なくともいずれかが好ましい。コンプレッサおよび凝縮器が用いられた製品としてはエアコンディショナの室外機、冷蔵庫などを挙げることができるが、中でもエアコンディショナの室外機または冷蔵庫が好ましい。エアコンディショナ、冷蔵庫などの冷却機能をもつ製品はコンプレッサと熱交換機を用いて室内、庫内を冷却するが、夏場など周囲温度が高くなる環境において、発熱部を充分に放熱できずに冷却効率が低下してしまうという問題があるためである。

図５（ａ）には、エアコンディショナの室外機３１に本発明の冷却装置３２を用いた例を模式的に示しており、図５（ｂ）には、図５（ａ）に用いられた冷却装置３２の好ましい一例を示している。図５に示す室外機３１は、本発明の冷却装置３２を用いていること以外は、従来公知のエアコンディショナの室外機の構成であればよく、典型的に、筐体の中で、熱交換機３７が凝縮器（コンデンサ）３９を介してコンプレッサ３８に繋がれ、コンプレッサ３８には、作動時に発生する熱を放熱させるための基板３５および放熱板（放熱フィン）３６が取り付けられる。図５（ｂ）に示す例の冷却装置３２は、上述のような高分子吸湿材３３が、たとえば孔径０．１〜５０μｍの範囲（好適な一例として５μｍ）の孔が多数形成された多孔質部材３４で挟み込まれてなる。

図５に示す例では、放熱板３６に隣接して冷却装置３２が設けられ、熱を奪うように構成される。高分子吸湿材は感温点未満の温度で空気中の水分（湿気）を吸湿し得、また、ドレンホース４０によりドレン水から直接水を吸うことができるように実現され得る。長時間の運転時や外気温上昇により、高分子吸湿材が感温点以上になった際には、吸熱部分より相転移して水分が放出される。放出された水分が気化する際、周囲の熱を奪うことで、冷却性能が低下しがちな夏場でも効率的に使用することができる。このように、本発明の冷却装置では、高分子吸湿材の自然再生が可能なため、従来の吸湿剤のように使い切りとせずともよく、高温での再生も不要である。また、本発明の冷却装置を用いてエアコンディショナの室外機におけるコンプレッサおよび凝縮器を冷却することで、内部部品の小型化によるコストダウン、凝縮器の冷却サイクルにおける冷却効率の向上などの効果が奏される。

（実施の態様５）
図６は、本発明の実施の態様５の冷却装置を模式的に示す図である。図６には、冷蔵庫に本発明の冷却装置を用いた例を模式的に示している。図６に示す冷蔵庫は、本発明の冷却装置４６を用いていること以外は、従来公知の冷蔵庫の構成であればよく、典型的に、コンプレッサ４１、凝縮器（コンデンサ）４２およびエバポレータ４３が互いに連結され、エバポレータ４３の下側に水受皿４４、コンプレッサ４１の下側に蒸発皿４５が設けられる。図６に示す例では、凝縮器４２に隣接して、上述した高分子吸湿材を用いた冷却装置４６が設けられている。このように本発明の冷却装置により、冷却サイクルで発熱する凝縮器を放熱することで、冷却効率の向上を図ることができる。なお、図６に示す例の冷却装置は、図５（ｂ）に示したのと同様の構成のものを用いればよい。風を送り外部へ放熱するのが難しい構造の冷蔵庫であっても、たとえば霜取りで得た水や熱交換機により冷却結露した水を利用して高分子吸湿材を吸湿させ得るように冷却装置を実現するようにしてもよい。また、自己発熱により高分子吸湿材は自然に再生可能であるように実現されてもよい。

（実施の態様６）
図７は、本発明の実施の態様６の冷却装置を模式的に示す図であり、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は断面図である。本発明の冷却装置は、図７に示す例のように、太陽電池モジュールの受光面の反対側に設けられていてもよい。太陽電池は光起電力効果を利用した発電機であるが、太陽熱により表面温度が上がるにつれ、出力が低くなり発電効率が低下し、また、温度上昇による製品寿命の低下の問題もある。

図７に示す例の太陽電池モジュール５１は、本発明の冷却装置３２を用いていること以外は、従来公知の太陽電池モジュールの構成であればよい。図７に示す例では、太陽電池モジュール５１のセル間に通気口５２を設け、太陽電池のセル直下に、図５（ｂ）に示したような高分子吸湿材３３を多孔質部材３４で挟み込んでなる冷却装置３２を取り付ける。多孔質部材３４は、たとえばアルミニウムなど熱伝導率の高い材料で形成されたものであることが好ましい。

図７に示すような本発明の冷却装置３２を備える太陽電池モジュール５１において、夜間など温度が低い（感温点未満）時間帯には空気中の水分（湿気）を含んだ風が通気口５２を通り、冷却装置３２の高分子吸湿材３３が水分を吸湿する。夜間は、高分子吸湿材３３は相転移を起こさず、高分子吸湿材が親水性の状態で存在し、上記空気中の水分を吸収する。日中は、太陽電池モジュール５１の受光面に直接太陽光が当たり、熱伝導により高分子吸湿材が加熱される。これにより、温度上昇面が相変化を起こし高分子材に含まれる水が放出され、従来のように高温での加熱などの必要もなく高分子吸湿材が自動再生される。また、水分を放出する際に発生する熱移動により太陽電池モジュールの温度を下げ、発電効率、寿命の低下を軽減することが可能となる。

１ 高分子吸湿材、２ 親水性の状態の高分子吸湿材、３ 疎水性の状態の高分子吸湿材、４ 冷却装置、５ 建築物、６ 庇、７ 外郭、８ 外板、１１ 建築物、１２ 屋根、２１ テント、２２ 冷却装置、３１ エアコンディショナの室外機、３２ 冷却装置、３３ 高分子吸湿材、３４ 多孔質部材、３５ 基板、３６ 放熱板、３７ 熱交換機、３８ コンプレッサ、３９ 凝縮器、４０ ドレンホース、４１ コンプレッサ、４２ 凝縮器（コンデンサ）、４３ エバポレータ、４４ 水受皿、４５ 蒸発皿、５１ 太陽電池モジュール、５２ 通気口。

Claims (9)

1. 空気中の水分を吸収し得る親水性の状態と、前記親水性の状態のときに吸収した水分を放出する疎水性の状態とを有し、温度の上昇により前記親水性の状態から疎水性の状態に変化し、かつ、前記温度の下降により前記疎水性の状態から前記親水性の状態に戻る性質を有する高分子吸湿材を備える冷却装置であって、
   前記高分子吸湿材が、温度が変化し得る環境であって、かつ、水分を含む空気に接触し得る環境下に配置され、太陽熱を熱源とし、夜間には高分子吸湿材が空気中の水分を吸収し、日中に太陽光を受けた場合には高分子吸湿材から水が放出され、周辺の熱を奪って当該水が気化するように構成されている、冷却装置。
2. 家屋の庇または屋根に設けられる、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記庇または屋根の下側に設けられる、請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記高分子吸湿材が、通気性を有し、かつ、液体を通過させない金属製の外郭に収容されている、請求項２または３に記載の冷却装置。
5. テントの内側に設けられる、請求項１に記載の冷却装置。
6. 作動時に発熱する部品を冷却し得るように設けられる、請求項１に記載の冷却装置。
7. 前記部品がコンプレッサおよび凝縮器の少なくともいずれかである、請求項６に記載の冷却装置。
8. 前記コンプレッサおよび凝縮器が、エアコンディショナの室外機または冷蔵庫に設けられたものである、請求項７に記載の冷却装置。
9. 太陽電池モジュールの受光面の反対側に設けられる、請求項１に記載の冷却装置。

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