JP6702286B2 - 熱伝導装置 - Google Patents

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Description

本発明は、熱源の熱を伝導する熱伝導装置に関する。
従来より、温度調整された熱媒体が流通する金属配管やペルチェ素子等を熱源(温熱源あるいは冷熱源)として用い、熱伝導によって人体から熱を奪ったり、人体に熱を与える熱伝導装置が知られている。
このような熱伝導装置では、熱源の表面に人体や衣服と接触面を直接形成すると、装置が大型化したり剛直になる傾向がある。このため、熱源に接続した熱伝導(熱伝達)部材によって人体と接触する温調面を形成する場合があるが、熱源からの距離に伴う熱抵抗増大や、途中からの熱の出入りにより、熱源から近い部分に比べ遠い部分の温度調整が困難となり、温調面全体では均一な温度調整が困難である。
そこで、温調面全体での均一な温度調整を目的として、特許文献1では、接触面の周縁に沿って熱媒体が流通するパイプを配置し、パイプに複数の熱伝導部材を接続する熱伝導装置が提案されている。さらに、特許文献1の熱伝導装置では、温調面全体のより均一な温度調整のために、人体との温調面と熱伝導材料の間にアルミニウム板等の金属板を均熱板として挿入している。
特開2013−19645号公報
しかしながら、特許文献1の熱伝導装置では、個々の熱伝導材料の長さ方向において、熱源からの距離の増加に伴って熱抵抗が増大すると共に、熱源に近い部分において熱伝導材料に流入する熱が、熱源に遠い部分との熱の輸送に影響することで、熱伝導材料の熱源付近ともう一方の端付近では温度勾配を生じ、温調面全体での均一な温度調整を充分に行うことができない。また、接触面と熱伝導材料の間に均熱板として金属板を設置しても、接触面での均熱性を十分に発現させるためには一定以上の厚みが必要となり、熱源からの熱を人体に効率よく熱伝導させるには不十分であった。
本発明は上記点に鑑み、温調面全体における均一な温度調整を可能とする熱伝導装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、温熱または冷熱の少なくともいずれかを発生する熱源部(10)と、複数の温調部(11a)に区画され、前記複数の温調部の少なくとも一部が前記熱源部から離れて配置されている温調面(11)と、前記熱源部と前記複数の温調部との間を熱伝導可能に接続する複数の熱伝導部(12)とを備え、前記複数の温調部は、前記熱源部からの距離に応じて区画されていることを特徴としている。
これにより、熱源部(10)の熱によって複数に区画された温調部(11a)を直接加熱あるいは冷却することができる。このため、熱源部(10)から遠くに配置された温調部(11a)においても、熱源部(10)の近くに配置された温調部(11a)と同じように加熱あるいは冷却することができ、温調面(11)全体を均一な温度に調整することができる。
また、請求項29に記載の発明では、複数の熱伝導部は積層されており、積層された複数の熱伝導部の一部に熱源部が接続し、積層された複数の熱伝導部の間には、複数の熱伝導部が積層された方向における熱抵抗を調整可能な積層部材(21)が配置されていることを特徴としている。
また、請求項31に記載の発明では、熱源部は、熱媒体が流通可能であり、熱媒体が外部で受け取った温熱または冷熱の少なくともいずれかを発生させ、複数の熱伝導部に熱媒体が直接接触することを特徴としている。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
第1実施形態の熱伝導装置を示す斜視図である。 第1実施形態の熱伝導装置における熱の流れを示す断面図である。 温調面の表面温度と、温調面の熱源部からの距離との関係を示す図である。 温調面の表面温度と、温調面の熱源部からの距離との関係を示す図である。 第2実施形態の熱伝導装置の断面図である。 第3実施形態の熱伝導装置の断面図である。 第4実施形態の熱伝導装置の断面図である。 第5実施形態の熱伝導装置に熱スイッチを設けた構成を示すブロック図である。 第5実施形態の熱伝導装置に熱スイッチを設けた構成を示すブロック図である。 第6実施形態の熱伝導装置の斜視図である。 第6実施形態の熱伝導装置の断面図である。 第7実施形態の熱伝導装置の斜視図である。 第7実施形態の熱伝導シートの平面図である。 第8実施形態の熱伝導装置の断面図である。
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態を図に基づいて説明する。本実施形態の熱伝導装置1は、パネル状の冷暖房装置であり、例えば車両用温調シートに適用可能である。
図1に示すように、本実施形態の熱伝導装置1は、熱源部10を備えている。熱源部10は、温熱を供給する温熱源または冷熱を供給する冷熱源の少なくともいずれかとして機能する。
本実施形態の熱源部10は、温度調整された冷却水が流通する冷却水通路として構成されている。図1に示す例では、熱源部10の内部を紙面奥行き方向に冷却水が流れるようになっている。
冷却水は、図示しない発熱機器の温熱あるいは図示しない冷却機器の冷熱を受け取る熱媒体である。発熱機器は、作動中に温熱を発生する機器であり、例えば内燃機関、水冷インタークーラ、インバータ等を例示できる。冷却機器は、作動中に冷熱を発生する機器であり、例えば冷凍サイクルのチラー等を例示できる。
熱伝導装置1は、温調面11を備えている。温調面11は、少なくとも一部が熱源部10から離れるように配置されている。温調面11は、人体と接触する接触面を構成している。
温調面11は、複数の温調部11aに区画されており、熱源部10と個々の温調部11aは、熱抵抗調整部14を介して熱伝導シート12によって熱的に接続されている。熱伝導シート12の他端側は、上述した温調部11aに接続されている。なお、熱伝導シート12が本発明の熱伝導部に対応している。各温調部11aそれぞれが熱源部10に接続されていることで、何れの温調部11aにおいても直接熱源部10の熱を伝導させることできるため、均一な温度調整が可能である。複数の温調部11aは、熱源部10からの距離に応じて区画されていることで、より均一な温度調整が可能となる。ここでの均一な温度調整とは、人体が接触した際に不快感や違和感を感じることなく温熱もしくは冷熱を感じ取ることができる温度に調整することである。均一な温度調整によって、温調面11における温度分布を、高い区画の温度と低い区画の温度との差が20℃以内、より望ましくは、10℃以内、さらに5℃以内にすることで、人体が違和感なく、快適に感じ取ることができる。
本実施形態では、熱伝導シート12および温調部11aは一体化しており、熱伝導シート12の一部が温調部11aを構成している。このため、熱伝導シート12および温調部11aは同一材料から構成されているが、熱伝導シート12と温調部11aを構成する材料が必ずしも同一でなくても良い。また、温調面11の熱を人体とやり取りする際に、十分な熱量や人体が感じ取る温冷感を確保することができるならば、温調面11を布地等で覆うことで、人体が触れた際の快適性を向上させることが可能である。また、温調面11の表面を保護用のシート部材で被覆してもよい。
複数の温調部11aは、熱源部10からの距離に応じて区画されていることで、より均一な温度調整が可能となる。図1に示す例では、複数の温調部11aが、熱源部10からの距離が異なる方向(つまり、図1の左右方向)に沿って、5つに区画されている。熱伝導シート12は、熱源部10からの距離に応じて区画された複数の温調部11aに対応して設けられている。熱源部10から遠ざかるほど熱伝導シート12の長さが長くなり、熱伝導シート12に起因する熱抵抗が大きくなり、温調部11aに熱が伝わりにくくなる。複数の温調部11aを熱源部10からの距離に応じて区画することで、熱源部10から熱の伝わりやすい近い温調部11a、及び熱源部10から熱の伝わりにくい遠い温調部11aへの熱の伝わりを調整でき、温調面11全体において均一な温度調節が可能となる。なお、図1に示す例では、熱源部10からの距離が異なる方向に沿って区画された温調部11aは、さらに熱源部10からの距離が異なる方向と直交する方向(つまり、図1の奥行き方向)に沿って、3つに区画されているが、複数の温調部11aは、熱源部10からの距離が異なる方向と直交する方向においては必ずしも区画する必要はない。
複数の熱伝導シート12は、温調部11aと熱源部10との間の距離に応じて長さが異なっている。図1に示す例では、上方に設けられた熱伝導シート12が短く、下方に設けられた熱伝導シート12が長くなっている。そのため、各温調部11aに対して、同じ材質、幅、厚みの材料を熱伝導シート12として用いた場合、熱伝導シート12の長さの違いに由来する、熱源部10までの熱抵抗の違いが温調部11a間で生じる。この熱伝導シート12に起因する熱抵抗の違いを調整し、熱源部10までの熱抵抗を同一にすることで、温調面11全体で、より均一な温度調節が可能である。
本実施形態では、熱伝導シート12の長さの違いに由来する熱抵抗を調整するために、熱源部10と熱伝導シート12の間に熱抵抗調整部14が設けられている。熱抵抗調整部14は、熱源部10と複数の温調部11aとの間の熱抵抗を調整する機能を備えている。
熱抵抗調整部14は、熱源部10と温調部11aとの距離に応じて、換言すれば、熱伝導シート12の長さに応じて、熱源部10と温調部11aとの間の熱抵抗を調整している。熱伝導シート12が長いほど、熱伝導シート12に基づく熱抵抗が大きくなり、熱伝導シート12が短いほど、熱伝導シート12に基づく熱抵抗が小さくなる。このため、熱抵抗調整部14は、熱源部10と長い熱伝導シート12が接続する温調部11aとの間の熱抵抗をなるべく増加させないようにしつつ、熱源部10と短い熱伝導シート12が接続する温調部11aとの間の熱抵抗が大きくなるように調整している。具体的には、熱源部10と各熱伝導シート12との間の熱抵抗は、熱源部10と熱伝導シート12の間の熱抵抗調整部14の長さを変更することで調整可能となっている。ここでは、熱伝導シート12が長いほど、熱抵抗調整部14における熱伝導シート12と熱源部10の間の左右方向の長さを短くし、熱伝導シート12が短いほど、熱抵抗調整部14における熱伝導シート12と熱源部10の間の左右方向の長さを長くしている。
これにより、熱源部10と各温調部11aとの間の熱抵抗を均一化することができ、温調面11に生じる温度分布を低減することが可能となる。
また、本実施形態では、熱抵抗調整部14は熱源部10と熱伝導シート12との間に設置されているが、熱伝導シート12の中間部や人体との接触部である温調部11aに設置することも可能である。
熱抵抗調整部14は、低熱抵抗部材によって構成することで熱源部10と温調部11aとの間の熱抵抗を精度よく調整することが可能である。高熱抵抗部材により熱抵抗を調整する場合、小さな寸法で配置したとしても熱抵抗は大きくなりがちであり、非常に高い寸法精度での加工が要求される。これに対し、低熱抵抗部材を用いた場合、同量の熱抵抗の補正に際して、大きな寸法で配置することが可能となり、必要とされる加工精度を抑制できる。低熱抵抗部材としては、グラファイト、あるいはアルミニウム、銅、銀、金、チタンなどの各種金属材料など、高い熱伝導性の材料が挙げられる。また、チタンを用いることで、耐腐食性を向上させることも可能である。一方、樹脂などの低い熱伝導性の材料であっても、厚みなどの寸法が高い精度で制御されているフィルムやテープなどを低熱抵抗部材として用いることも可能である。この場合は、接着性や粘着性を有するものを用いることで、熱抵抗調整部14に接合部材としての機能を持たせることも可能である。
熱源部10と各温調部11aの間の熱抵抗を調整する方法としては、上述の熱抵抗調整部14の設置による方法のみならず、熱伝導シートの厚みや形状、熱伝導率を調整することで、実施可能である。具体的には、熱源部10から近い温調部11aとを接続する熱伝導シート12と熱源部10の間の熱抵抗を調整するために、熱伝導シートの熱伝導率が低い材料を用いる、熱伝導シートの厚みを小さくする、幅を狭くしたり、二次元もしくは三次元での形状を与えることによる熱抵抗の調整が可能である。
熱伝導シート12は積層されていることで、コンパクトな形状に形成することができ、狭い場所への設置も可能となる。
熱伝導シート12は、シート状の高熱伝導材料によって構成されている。高熱伝導材料としては、炭素材料の他、金属材料を用いることが可能である。炭素材料としてはグラファイトシートの他、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェン、ダイヤモンドなどを用いたシートを利用することが可能である。金属としては、金、銀、アルミニウム、銅などの金属単体及びこれらの金属の合金を用いることが可能である。
さらに、熱伝導シート12は、シート面に直交する方向(図中で上下方向)に比べ、シート面に平行な方向(図中で左右方向および奥行方向)に熱を伝えやすい、異方性熱伝導材料を用いることで、上下方向からの影響を低減し、温調面11aと熱源10との間の熱伝導をより良好に行うことが可能となる。熱伝導率の異方性の程度としては、シート面に平行な方向の熱伝導率がシート面に直交する方向の熱伝導率に比べ、10倍以上、より好ましくは100倍以上である。なお、熱伝導シート12は、シート面に平行な方向、すなわち熱源部10と温調部11aとを接続する方向の熱伝導性が、少なくとも1つの他の方向の熱伝導性よりも高くなっていればよい。
このような高熱伝導材料としては、グラフィニティ(カネカ製)や、PGSグラファイトシート(パナソニック製)、GD−AGS(ガードネック製)などのグラファイトシートが挙げられる。なお、本実施形態においては、高熱伝導材料としてカネカ製グラフィニティ(厚み40μm)を用いている。本実施形態で用いるカネカ製グラフィニティは、シート面に平行な方向の熱伝導率が1500W/mKであり、シート面に直交する方向の熱伝導率が5W/mKとなっており、平行な方向の熱伝導率は直交する方向の熱伝導率に比べ、300倍となっている。
1枚のグラファイトシートを1枚の熱伝導シート12として用いてもよく、複数枚のグラファイトシートを重ね合わせて1枚の熱伝導シート12として用いてもよい。複数枚のグラファイトシートを重ね合わせて1枚の熱伝導シート12として用いた場合には、熱伝導シート12の伝熱性を向上させることができる。
複数の熱伝導シート12は、積層されている。隣り合う熱伝導シート12の間には、断熱シート13が配置され、交互に積層されている。断熱シート13は、熱伝導シート12を被覆している。断熱シート13は、シート状の断熱性材料であり、例えば発泡ウレタン、発泡オレフィン、発泡アクリルなどの発泡樹脂、グラスウール、あるいはシリカウール等のセラミック繊維を用いることができる。本実施形態では、断熱シート13として、ニチアス社製マリンテックスクロス(厚み0.18mm)またはイノアック製LZ−2000(厚み0.9mm)を用いている。なお、断熱シート13が本発明の断熱部に相当している。
断熱シート13によって、それぞれの熱伝導シート12の間では熱が伝わりにくくなっている。このため、上述のように熱伝導シート12によって熱源部10の温熱あるいは冷熱を温調部11aに直接伝導することが可能である効果だけでなく、接触する物体(例えば人体)の温度が各温調部11aで異なる場合においても、他の温調部11aの温度変化に影響されにくく、所望する温度調整が可能となる。
図1、図2に示すように、熱伝導シート12および断熱シート13は、これらの厚みに対応して1箇所あるいは複数箇所で屈曲している。これにより、本実施形態では、複数の温調部11aが同一平面上に位置している。
熱伝導シート12および断熱シート13の構成材料として、柔軟性を有する材料を用いることで、曲げたりひねったりすることができると共に、曲面を形成することが可能となる。柔軟性のある熱伝導シート12の材料としては、グラファイトシートなどの炭素材料の他、金属製の板を薄くした状態で用いることができる。また、柔軟性のある断熱シート13の材料としては、上述した発泡樹脂、グラスウール、あるいはシリカウール等のセラミック繊維等を用いることが可能である。
熱源部10および熱抵抗調整部14は、筐体15に収容されている。筐体15の周囲は、熱源断熱部16によって覆われている。筐体15は、例えば熱抵抗調整部14と同様の材料を用いることができる。筐体15と熱抵抗調整部14を同一材料によって構成する場合には、筐体15と熱抵抗調整部14を一体的に形成してもよい。
熱源断熱部16は、断熱シート13と同様の材料を用いることができる。熱源断熱部16によって、熱源部10および熱抵抗調整部14から外部に熱が放出されることを抑制でき、熱源部10から温調部11aに輸送可能な熱量を増大させることができる。この熱源断熱部16は、熱源部10の熱を十分に温調部11に輸送することが可能な場合は必ずしも必要としない。
複数の熱伝導シート12と複数の断熱シート13を積層する際に、シート12、13同士を接着剤等によって接着することができる。この場合、各シート12、13を全面に渡って接着してもよく、各シート12、13を一部で接着するようにしてもよい。
各シート12、13を一部で接着する場合には、例えば各シート12、13における筐体15の内部に収容された部分を接着し、各シート12、13における筐体15の外部に存在する部分は接着しないようにすればよい。各シート12、13を一部で接着する場合には、各シート12、13を全面に渡って接着する場合に比べ、複数の熱伝導シート12および複数の断熱シート13からなる積層体に柔軟性を持たせることができる。
図2は、熱源部10から冷熱を供給し、人体が温調面11に接触した際に冷却する場合の熱の流れを示している。図2に示す例では、熱源部10からの距離に応じて温調面11を3つの温調部11aに区画した例を示している。図2に示すように、人体の熱は温調部11aから熱伝導シート12を介して熱源部10に移動する。これにより、熱源部10の冷熱によって温調部11aに接する人体が冷やされる。
図3は、温調面11の表面温度と、温調面11の熱源部10からの距離との関係を示している。図3に示す例は、熱源部10の温度を5℃、外気温を26℃としている。図3では、温調面11が複数に分割されていない構成を比較例として示している。
図3に示すように、温調面11が一体的に構成された比較例では、温調面11の表面温度の上昇度合いが高く、熱源部11に近い部位から急速に外気温に近づいている。これに対し、温調面11が複数の温調部11aに分割された本実施形態では、温調面11の表面温度が緩やかに上昇している。このため、本実施形態では、熱源部11からある程度離れた部位においても、温調面11の表面温度が低い状態を維持している。つまり、本実施形態では、熱源部10の冷熱を熱源部10から離れた場所まで効果的に輸送することが可能となっている。
図4は、温調面11の途中で人体が接触した場合において、温調面11の表面温度と、温調面11の熱源部10からの距離との関係を示している。図4に示す例では、熱源部10から3cm離れた位置で人体が温調面11に接触しているものとする。図4に示す例においても、熱源部10の温度を5℃、外気温を26℃とし、温調面11が複数に分割されていない構成を比較例として示している。
図4に示すように、温調面11が一体的に構成された比較例では、人体の接触部位よりも熱源部10から遠い部位で、温調面11の表面温度が急激に上昇している。つまり、比較例では、温調面11の途中で接触した人体に熱源部10の冷熱を伝えることができるものの、熱源部10から人体が触れた部位よりも遠い部位では、人体の熱による影響を受け、熱源部10の冷熱が輸送されにくくなっている。従って、温調面11に一定以上の面積の人体が同時に接触した場合には、熱源近くで温調面11に接触している人体部分は温熱ないし冷熱を感じることができるものの、そこでの熱の出入りにより、熱源から離れた温調面11で接触している人体部分は温熱ないし冷熱を十分に感じることができない場合がある。
これに対し、本実施形態では、温調面11を構成する複数の温調部11aと熱源部10がそれぞれ独立して熱伝導シート12で接続されていることから、温調面11の一部に人体が接触した場合にも、温調面11の他の部分は影響を受けにくい。このため、本実施形態では、人体の接触部位よりも熱源部10から遠い部位においても、温調面11の表面温度が低い状態を維持している。つまり、本実施形態では、温調面11の途中で接触した人体に冷熱を伝えることができ、さらに熱源部10から人体が触れた部位よりも遠い場所にも、熱源部10の冷熱が効果的に輸送される。この結果、温調面11の途中で発生した外乱要因に影響されることなく、温調面11を均一に温度調整することができる。
以上説明した本実施形態によれば、温調面11を熱源部10からの距離に応じて複数の温調部11aに区画し、それぞれの温調部11aと熱源部10を熱伝導シート12で接続している。これにより、熱源部10からの距離に関わらず、熱源部10の熱によって温調部11aを直接加熱あるいは冷却することができる。このため、熱源部10から遠くに配置された温調部11aにおいても、熱源部10の近くに配置された温調部11aと同じように加熱あるいは冷却することができ、温調面11全体を均一な温度に調整することができる。
また、本実施形態の構成によれば、例えば温調面11の途中で人体が接触し、温調面11と外部との間で熱が授受されるような熱的な外乱が発生した場合にも、外乱による影響を抑制し、温調面11を均一に温度調整することが可能となる。
また、本実施形態では、上記した通り、熱伝導シート12に柔軟性を有する材料を用いているので、人体と接触する場合にも、適切な曲面を形成することができ、快適性を損なうことがない。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。上記第1実施形態では、熱抵抗調整部14によって熱源部10と温調部11aとの間の熱抵抗を調整するように構成したが、本第2実施形態では、複数の熱伝導シート12の形状や材質を異ならせることで、熱源部10と温調部11aとの間の熱抵抗を調整している。
図5は、複数の熱伝導シート12の厚さを異ならせた例を示している。図5に示すように、複数の熱伝導シート12の厚さを異ならせる場合には、熱伝導シート12を厚くすることで熱抵抗を小さくでき、熱伝導シート12を薄くすることで熱抵抗を大きくできる。
また、図示を省略しているが、複数の熱伝導シート12の幅を異ならせたり、複数の熱伝導シート12の材質を異ならせてもよい。複数の熱伝導シート12の幅を異ならせる場合には、熱伝導シート12の幅を広くすることで熱抵抗を小さくでき、熱伝導シート12の幅を狭くすることで熱抵抗を大きくできる。また、複数の熱伝導シート12の材質を異ならせる場合には、熱伝導率が大きい材料を用いることで熱抵抗を小さくでき、熱伝導率が大きい材料を用いることで熱抵抗を大きくできる。
本第2実施形態では、熱伝導シート12自体で熱源部10と温調部11aとの間の熱抵抗を均一に調整しているため、熱抵抗調整部14による熱抵抗の調整は必要なく、熱抵抗調整部14を設置する必要はない。このため、熱源部10と熱伝導シート12との間で直接熱交換させることが可能となる。
本第2実施形態のように熱伝導シート12自体で熱源部10と温調部11aとの間の熱抵抗を均一に調整する場合には、熱伝導シート12が熱抵抗調整部14と同様の機能を果たしている。もちろん、熱伝導シート12による熱抵抗の調整と、熱抵抗調整部14による熱抵抗の調整を併用し、温調面11を均一な温度に調整する機能を互いに補完させても良い。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について説明する。上記第1実施形態では、熱抵抗調整部14によって熱源部10と温調部11aとの間の熱抵抗を調整するように構成したが、本第3実施形態では、熱源部10と温調部11aとの間の熱抵抗に応じて温調部11aを調整するようにしている。例えば、熱源部10と温調部11aとの間の熱抵抗に応じて温調部11aの面積を調整すればよい。
図6は、熱源部10と温調部11aとの間の熱抵抗に応じて温調部11aの面積を調整した例を示している。図6に示すように、熱源部10と温調部11aとの間の熱抵抗が大きい場合には、温調部11aの面積を小さくし、熱源部10と温調部11aとの間の熱抵抗が小さい場合に温調部11aの面積を大きくすればよい。具体的には、熱源部10から距離が遠い温調部11aは面積を小さくし、熱源部10から距離が近い温調部11aは面積を大きくすればよい。
温調部11aの面積を変える手段としては、図6に示すように熱源部10からの距離が異なる方向(図6の左右方向)の距離を調整したり、あるいは熱源部10からの距離が異なる方向に垂直な方向(図6の紙面奥行方向)の距離を調節することで可能である。
これらの場合、上記第2実施形態と同様、温調部11a自体で熱源部10と温調部11aとの間の熱抵抗を均一に調整しているため、熱抵抗調整部14による熱抵抗の調整は必要なく、熱抵抗調整部14を設置する必要はない。このため、熱源部10と熱伝導シート12との間で直接熱交換させることが可能となる。
本第3実施形態のように温調部11a自体で熱源部10と温調部11aとの間の熱抵抗を均一に調整する場合には、熱伝導シート12が熱抵抗調整部14と同様の機能を果たしている。もちろん、上記第2実施形態と同様に、温調部11aによる熱抵抗の調整と、熱抵抗調整部14による熱抵抗の調整を併用し、温調面11を均一な温度に調整する機能を互いに補完させても良い。
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態について説明する。上記第1実施形態では、熱伝導シート12や断熱シート13を屈曲させることで隣接する温調部11aを同一平面上に配置したが、本第4実施形態では、熱伝導シート11aや断熱シート13を平面状で用いている。
図7に示すように、熱伝導シート11aや断熱シート13を平面状で用いた場合には、隣接する温調部11a同士に段差が生じる。このように、本第4実施形態の構成では、隣接する温調部11a同士に段差が生じるが、熱伝導シート11aや断熱シート13が十分に薄ければ、隣接する温調部11a同士に段差が生じても、人体が接触した際に段差を感知することなく、温調面11を平面もしくは曲面として感じ取ることが可能である。また、熱伝導装置1の用途によっては、人体が温調部11aの間に生じた段差を感知しても、問題ない場合もある。
(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態について説明する。本第5実施形態では、上記各実施形態の構成において、熱源部10と温調部11aの間の熱伝導経路を接続および切断可能としている。例えば、熱伝導シート12を分割可能な構成とし、熱伝導シート12を接続状態および分割状態に機械的に切り替えることで、熱源部10と温調部11aの間の熱伝導経路を接続および切断可能とすることができる。これにより、熱源部10と温調部11aとの間の熱伝導のオン/オフ制御を行うことができる。
具体的には、図8、図9に示すように、熱源部10と熱伝導シート12の間に、熱の伝達を制御する熱スイッチ17を挿入すれば良い。熱スイッチ17は、熱源部10と熱伝導シート12との間で伝熱状態または断熱状態を切り替えることができるスイッチである。このような熱スイッチ17を用いることで、熱源部10から熱伝導シート12への不要な熱移動を抑制でき、あるいは、熱源部10から熱伝導シート12に伝達される熱をより急峻に変化させることができる。
熱スイッチ17としては公知の構成を用いることができ、例えば国際公開第2014/156991号や特開2015−092101号公報に記載された熱スイッチを用いることが可能である。
図8は、熱源部10と熱伝導シート12の間に熱スイッチ17を設けた例を示している。熱源部10から熱伝導シート12への熱の伝達が不要な場合に、熱スイッチ17で伝熱経路を遮断することで、不必要な熱移動を抑制することができる。
図9は、2つの熱源部10a、10bを設けた例を示している。例えば第1熱源部10aを温熱源とし、第2熱源部10bを冷熱源とすることができる。第1熱源部10aと熱伝導シート12の間には、第1熱スイッチ17aが設けられ、第2熱源部10bと熱伝導シート12の間には、第2熱スイッチ17bが設けられている。図9の構成によれば、2つの熱スイッチ17a、17bを切り替えることで、熱伝導シート12に接続される熱源部10a、10bを切り替えることができ、温調面11の急激な温度変化を可能とすることができる。
図8、図9に示す各構成要素間の接合は、ロウ付け、はんだ付け、ネジ止めなど良好な熱接続が可能な手法を用いることができる。また、各構成要素間をヒートパイプで結合しても良い。さらに図9の第1熱源部10a(温熱源)はペルチェ素子で構成することも可能である。その場合は、第1熱源部10aを電気的に制御すればよく、第1熱スイッチ17aは不要となる。
(第6実施形態)
次に、本発明の第6実施形態について説明する。本第6実施形態では、上記第1実施形態に対して、熱伝導シート12および熱抵抗調整部14の構成が異なっている。
上記第1実施形態では、熱抵抗調整部14を熱源部10と熱伝導シート12の間に設置しているが、本第6実施形態では、熱伝導シート12を複数に分割し、分割した熱伝導シート12同士の間に熱抵抗調整部14を設置している。このため、本第6実施形態では、熱源部10と熱伝導シート12とが直接接触しており、熱源部10と熱伝導シート12との間で直接熱交換させることが可能となる。
図10に示すように、本第6実施形態では、複数の熱伝導シート12に対応して複数の熱抵抗調整部14が設けられている。図10に示す例では、熱伝導シート12を2つに分割し、その間に熱抵抗調整部14を配置している。つまり、分割された熱伝導シート12の間では、熱抵抗調整部14を介して熱が伝わる。熱抵抗調整部14は、熱伝導シート12よりも熱伝導率が低い材料を用いている。本第6実施形態では、複数の熱抵抗調整部14の大きさは、それぞれ同一となっている。
図11は、熱伝導装置1を上方からみて熱伝導シート12の位置の断面を示している。図11に示すように、本第6実施形態の熱抵抗調整部14は、複数の調整部14a、14bを含んでいる。複数の調整部14a、14bは、それぞれ熱伝導率が異なる材料から構成されている。
本第6実施形態では、第1調整部14aとしてTIM(Thermal Interface Material)材を用い、第2調整部14bとしてPET樹脂を用いている。TIM材の熱伝導率は10W/mK程度であり、PET樹脂の熱伝導率は0.1W/mK程度である。
第1調整部14aを構成するTIM材は、接着性を有するペースト状の材料であり、分割された熱伝導シート12の隙間に充填しやすく、熱伝導シート12と熱抵抗調整部14との間に隙間が形成されることを抑制できる。また、TIM材は、柔軟性を有していることから、柔軟性を有する熱伝導シート12と相まって、人体と接触する場合にも、適切な曲面を形成することができ、快適性を損なうことがない。
熱抵抗調整部14では、第1調整部14aと第2調整部14bの割合を調整することで熱伝導率を調整できる。具体的には、第1調整部14aの割合を多くすることで熱伝導率を高くでき、第2調整部14bの割合を多くすることで熱伝導率を低くすることができる。本第6実施形態では、熱伝導シート12が長いほど、熱抵抗調整部14における第1調整部14aの割合を多くし、熱伝導率を高くしている。また、熱伝導シート12が短いほど、熱抵抗調整部14における第2調整部14bの割合を多くし、熱伝導率を低くしている。
本第6実施形態では、筐体15を非金属材料であるアクリル樹脂によって構成している。筐体15には、外部から冷却水を熱源部10に流入させる流入口18と、熱源部10から外部に冷却水を流出させる流出口19が設けられている。また、筐体15および熱伝導シート12は、粘着材あるいは接着剤によって接合している。
図11の破線で示すように、断熱シート13には溝部13aが設けられている。断熱シート13の溝部13aが設けられた部位は、断熱シート13の両側に設けられた熱伝導シート12で挟まれた空洞となっている。溝部13aは、略コの字形状となっており、熱源部10と連通している。このため、溝部13aには、熱源部10の冷却水が流通可能となっている。これにより、熱源部10と熱伝導シート12との接触面積を大きくすることができる。
以上説明した本第6実施形態によれば、熱伝導シート12を複数に分割し、分割した熱伝導シート12の間に熱抵抗調整部14を設置している。このような構成によっても、複数の熱伝導シート12の長さの違いに由来する熱抵抗を調整することができる。これにより、熱源部10と各温調部11aとの間の熱抵抗を均一化することができ、温調面11に生じる温度分布を低減することが可能となる。
また、本第6実施形態では、熱抵抗調整部14を異なる材料からなる複数の調整部14a、14bから構成し、調整部14a、14bの割合を異ならせることで、熱抵抗調整部14の熱抵抗を調整することができる。なお、本第6実施形態の構成において、熱抵抗調整部14を1種類の材料から構成してもよい。熱抵抗調整部14を1種類の材料から構成する場合には、熱抵抗調整部14の大きさや形状を異ならせることで、熱抵抗調整部14の熱抵抗を調整することができる。例えば、複数の熱伝導シート12において、分割された熱伝導シート12に挟まれた熱抵抗調整部14の幅を異ならせることで、熱抵抗調整部14の熱抵抗を調整することができる。
また、本第6実施形態では、熱源部10と熱伝導シート12とを直接接触させている。このため、熱源部10と熱伝導シート12との間で直接熱交換させることが可能となり、熱源部10の熱を熱伝導シート12に効率よく伝えることができる。
また、本第6実施形態では、断熱シート13に熱源部10と連通する溝部13aを設けている。これにより、熱源部10と熱伝導シート12との接触面積を大きくすることができ、熱源部10と熱伝導シート12との間の熱交換を効果的に行わせることが可能となる。
また、断熱シート13に設けられた溝部13aの大きさを異ならせることで、熱源部10と熱伝導シート12との接触面積を調整し、熱源部10から熱伝導シート12への伝熱量を調整してもよい。具体的には、断熱シート13の溝部13aを大きくすることで、熱源部10から熱伝導シート12への伝熱量を大きくでき、断熱シート13の溝部13aを小さくすることで、熱源部10から熱伝導シート12への伝熱量を小さくできる。このため、熱伝導シート12が長いほど、断熱シート13の溝部13aを大きくし、熱伝導シート12が短いほど、断熱シート13の溝部13aを小さくすればよい。
また、本第6実施形態では、筐体15を非金属材料によって構成している。これにより、以下の効果を得ることができる。
上記第1実施形態の構成において、熱抵抗調整部14および筐体15が金属材料によって一体的に形成される場合には、熱抵抗調整部14および筐体15と、熱伝導シート12は熱伝導率が高い銀ペースト等で接合される。この場合、接合に加熱プロセスが必要であり、さらに金属材料からなる熱抵抗調整部14および筐体15と、グラファイトシートからなる熱伝導シート12は剥がれやすい。
これに対し、本第6実施形態では、熱源部10と熱伝導シート12が直接接触していることから、筐体15と熱伝導シート12の接合に銀ペースト等を用いる必要がなく、粘着材や接着剤で筐体15と熱伝導シート12を接合できる。このため、筐体15と熱伝導シート12の接合に加熱プロセスが不要であり、かつ、筐体15と熱伝導シート12が剥がれにくくすることができる。
また、筐体15を非金属材料であるアクリル樹脂とすることで、熱伝導装置1を軽量化することができる。
(第7実施形態)
次に、本発明の第7実施形態について説明する。本第7実施形態では、複数の熱伝導シート12の形状を異ならせることで、熱源部10と温調部11aとの間の熱抵抗を調整している。
図12、図13に示すように、本第7実施形態では、複数の熱伝導シート12のうち少なくとも一部の熱伝導シート12に切り欠き部12aが設けられている。本第7実施形態では、熱伝導シート12に設けられた切り欠き部12aによって、熱伝導シート12の熱抵抗を調整している。このため、本第7実施形態では、熱抵抗調整部14が設けられていない。
図13に示すように、熱伝導装置1に設けられた5枚の熱伝導シート12のうち、長手方向長さが最も長い熱伝導シート12を除く4枚の熱伝導シート12に切り欠き部12aが形成されている。熱伝導シート12における切り欠き部12aが設けられた部位では、熱伝導シート12の幅方向長さが短くなっている。ここで、熱伝導シート12の長手方向とは、熱伝導シート12における熱源部10と温調面11を結ぶ方向(図13の左右方向)である。また、熱伝導シート12の幅方向とは、熱伝導シート12における熱源部10と温調面11を結ぶ方向に直交する方向(図13の上下方向)である。
切り欠き部12aが設けられた熱伝導シート12の熱抵抗Rは、以下の数式1で算出することができる。
Figure 0006702286
ここで、λは熱伝導シート12の熱伝導率であり、dは熱伝導シート12の厚みであり、Wは熱伝導シート12の幅方向長さであり、W1は切り欠き部12aが設けられた部位における熱伝導シート12の幅方向長さであり、Lは熱伝導シート12全体の長手方向長さであり、L1は熱伝導シート12の長手方向における切り欠き部12aの長さである。
数式1から、熱伝導シート12の長手方向における切り欠き部12aの長さおよび熱伝導シート12の幅方向における切り欠き部12aの長さの少なくとも一方を調整することで、熱伝導シート12の熱抵抗Rを調整することが可能となる。
図13に示す例では、複数の熱伝導シート12において、熱伝導シート12の長手方向における切り欠き部12aの長さは同一となっており、熱伝導シート12の幅方向における切り欠き部12aの長さが異なっている。具体的には、熱伝導シート12の長手方向長さが短い場合には、熱伝導シート12の幅方向における切り欠き部12aの長さを長くしている。また、熱伝導シート12の長手方向長さが長い場合には、熱伝導シート12の幅方向における切り欠き部12aの長さを短くし、あるいは切り欠き部12aを設けないようにしている。これにより、長さが異なる複数の熱伝導シート12で、熱抵抗を均一に調整することができる。
以上説明した本第7実施形態によれば、複数の熱伝導シート12に切り欠き部12aを設け、切り欠き部12aを大きさを調整することで、熱伝導シート12の熱抵抗を調整している。これにより、複数の熱伝導シート12の形状を異ならせることで、熱源部10と温調部11aとの間の熱抵抗を調整することができる。
また、本第7実施形態の構成において、複数の熱伝導シート12において、熱伝導シート12の幅方向における切り欠き部12aの長さが異なるようにしたが、熱伝導シート12の長手方向における切り欠き部12aの長さが異なるようにしてもよい。
また、本第7実施形態では、熱伝導シート12に切り欠き部12aを形成することで熱伝導シート12の熱抵抗を調整したが、切り欠き部12aと同時にあるいは単独で、熱伝導シート12の一部を切断した切れ込み部を設けてもよい。熱伝導シート12に形成された切れ込み部の長さを異ならせることで、熱伝導シート12の熱抵抗を調整できる。具体的には、切れ込み部を長くすることで熱抵抗を大きくすることができ、切れ込み部を短くすることで熱抵抗を小さくすることができる。
(第8実施形態)
次に、本発明の第8実施形態について説明する。上記各実施形態では、複数の熱伝導シート12のすべてが直接あるいは熱抵抗調整部14を介して熱源部10に接続するように構成したが、本第8実施形態では、複数の熱伝導シート12の一部が熱源部10に接続している。
図14に示すように、本第8実施形態では、積層された複数の熱伝導シート12の一部に接触するように熱源部10を配置している。図14に示す例では、熱源部10は、複数の熱伝導シート12の最も外側に位置する熱伝導シート12に接触している。熱源部10は、複数の熱伝導シート12のうち最も長い熱伝導シート12に接触している。熱源部10が設けられた熱伝導シート12は、熱源部10とともに、外側断熱シート20によって覆われている。
本第8実施形態では、熱源部10として温熱源であるペルチェ素子を用いている。このため、熱伝導シート12を介して温調面11に温熱が供給される。
熱伝導装置1は、上記第1実施形態と同様、熱伝導シート12と断熱シート13が交互に積層されている。本第8実施形態では、シート積層方向(つまり、図14の上下方向)からみて熱源部10に対応する部位には、断熱シート13に代えて、熱伝導シート12の間に伝熱性を有する積層部材21が設けられている。シート積層方向からみて熱源部10に対応する部位では、積層された熱伝導シート12の間で積層部材21を介してシート積層方向に熱の輸送が可能となっている。
本第8実施形態の積層部材21は、接着性を有している。粘着性の積層部材21を用いることで、隣接する熱伝導シート12を接合することができ、複数の熱伝導シート12を積層された状態で接合することができる。積層部材21としては、カプトン(デュポン社の登録商標)フィルムのような接着テープを好適に用いることができる。
本第8実施形態の積層部材21は、シート積層方向における熱抵抗を調整可能となっている。例えば、複数の積層部材21の形状あるいは材料を異ならせることで、それぞれの積層部材21の熱抵抗を調整することができる。
以上説明した本第8実施形態によれば、積層された複数の熱伝導シート12の一部が熱源部10に接続した構成において、熱源部10に対応する部位に伝熱性を有する積層部材21を設けている。これにより、熱源部10の熱をシート積層方向に伝えることができ、熱源部10から離れた熱伝導シート12にも熱源部10の熱を伝えることができる。
また、本第8実施形態では、積層部材21の熱抵抗を調整可能としているので、シート積層方向において、熱伝導シート12の間の熱抵抗を調整することができる。これにより、熱源部10と複数の温調部11aとの間の熱抵抗を均一とすることができ、複数の温調部11aを均一に温調することができる。
(他の実施形態)
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。
(1)上記各実施形態では、本発明の熱伝導装置を車両用温調シートに適用した例について説明したが、これに限らず、異なる用途に用いることができる。例えば、本発明の熱伝導装置を、ステアリングヒータのような人体に直接熱伝導する装置に適用してもよく、あるいはサイドパネル空調や駐車時に床下から車室内の熱を放出する床下放熱器のような輻射や対流を利用する装置に適用してもよい。
(2)上記各実施形態では、熱源部10を熱媒体が流通する冷却水通路として構成したが、これに限らず、熱源部10にヒータやペルチェ素子を設けたり、熱源部10に発熱機器や冷却機器の表面ないし内部を直接接触させることで、熱源部10で温熱または冷熱を直接発生させるようにしてもよい。
(3)上記各実施形態では、熱伝導シート12の一部が温調部11aを構成するようにしたが、これに限らず、熱伝導シート12と温調部11aを別部材として構成してもよい。
(4)上記第1実施形態では、熱源部10と複数の熱伝導シート12の間に1つの熱抵抗調整部14を配置するように構成したが、これに限らず、複数の熱伝導シート12に対応して複数の熱抵抗調整部14を設け、個々の熱抵抗調整部14を熱源部10と各熱伝導シート12との間に配置してもよい。この場合、複数の熱抵抗調整部14のそれぞれで熱抵抗を調整すればよい。複数の熱抵抗調整部14は、例えば形状や材質を異ならせることで熱抵抗を調整することができる。また、1つの熱抵抗調整部14を熱伝導率が異なる複数種類の材料から構成することで、熱抵抗を調整してもよい。
10 熱源部
11 温調面
11a 温調部
12 熱伝導シート(熱伝導部)
12a 切り欠き部
13 断熱シート(断熱部)
14 熱抵抗調整部
17 熱スイッチ
21 積層部材

Claims (31)

  1. 温熱または冷熱の少なくともいずれかを発生する熱源部(10)と、
    複数の温調部(11a)に区画され、前記複数の温調部の少なくとも一部が前記熱源部から離れて配置されている温調面(11)と、
    前記熱源部と前記複数の温調部との間を熱伝導可能に接続する複数の熱伝導部(12)とを備え
    前記複数の温調部は、前記熱源部からの距離に応じて区画されている熱伝導装置。
  2. 前記熱源部と前記複数の温調部のそれぞれとの間の熱抵抗は、均一となっている請求項に記載の熱伝導装置。
  3. 前記熱源部と前記複数の温調部のそれぞれとの間の熱抵抗を調整する熱抵抗調整部(14)を備える請求項に記載の熱伝導装置。
  4. 前記熱抵抗調整部は、低熱抵抗材料からなる請求項に記載の熱伝導装置。
  5. 前記熱抵抗調整部は、金属からなる請求項3または4に記載の熱伝導装置。
  6. 前記熱抵抗調整部は、耐腐食性を有する請求項3ないし5のいずれか1つに記載の熱伝導装置。
  7. 前記熱抵抗調整部は、チタンからなる請求項に記載の熱伝導装置。
  8. 前記熱抵抗調整部は、フィルムまたはテープからなる請求項3または4に記載の熱伝導装置。
  9. 前記熱抵抗調整部は、前記熱源部と前記熱伝導部の間に配置されている請求項3ないし8のいずれか1つに記載の熱伝導装置。
  10. 前記熱伝導部は複数に分割されており、
    前記熱抵抗調整部は、分割された前記熱伝導部の間に配置されている請求項3ないし8のいずれか1つに記載の熱伝導装置。
  11. 前記熱抵抗調整部は、熱伝導率が異なる複数種類の材料を含んでいる請求項3ないし10のいずれか1つに記載の熱伝導装置。
  12. 前記複数の熱伝導部は、形状あるいは材質の少なくともいずれかを異ならせることで、それぞれの熱抵抗を調整している請求項2ないし11のいずれか1つに記載の熱伝導装置。
  13. 前記複数の熱伝導部は、少なくとも一部に切れ込み又は切り欠きが形成されることで、それぞれの熱抵抗を調整している請求項12に記載の熱伝導装置。
  14. 前記複数の温調部は、前記熱源部からの熱抵抗に応じて大きさが調整されている請求項1ないし13のいずれか1つに記載の熱伝導装置。
  15. 前記複数の温調部は、前記熱源部からの熱抵抗に応じて面積が調整されている請求項14に記載の熱伝導装置。
  16. 前記複数の熱伝導部は積層されている請求項1ないし15のいずれか1つに記載の熱伝導装置。
  17. 前記積層された複数の熱伝導部の一部に前記熱源部が接続し、
    前記積層された複数の熱伝導部の間には、前記複数の熱伝導部が積層された方向における熱抵抗を調整可能な積層部材(21)が配置されている請求項16に記載の熱伝導装置。
  18. 前記積層部材は、隣接する前記熱伝導部を接合している請求項17に記載の熱伝導装置。
  19. 前記熱伝導部は、前記熱源部と前記温調部とを接続する方向の熱伝導性が少なくとも1つの他の方向の熱伝導性よりも高くなっている請求項1ないし18のいずれか1つに記載の熱伝導装置。
  20. 前記熱伝導部は、前記熱源部と前記温調部とを接続する方向の熱伝導性が少なくとも1つの他の方向の熱伝導性の100倍以上である請求項19に記載の熱伝導装置。
  21. 前記熱伝導部は、グラファイトシートである請求項20に記載の熱伝導装置。
  22. 前記熱伝導部を被覆する断熱部(13)を備える請求項1ないし21のいずれか1つに記載の熱伝導装置。
  23. 前記熱伝導部および前記断熱部は積層されている請求項22に記載の熱伝導装置。
  24. 前記熱源部は、熱媒体が流通可能であり、前記熱媒体が外部で受け取った温熱または冷熱の少なくともいずれかを発生させる請求項1ないし23のいずれか1つに記載の熱伝導装置。
  25. 前記複数の熱伝導部に前記熱媒体が直接接触する請求項24に記載の熱伝導装置。
  26. 前記熱源部は、内部で温熱または冷熱の少なくともいずれかを発生させる請求項1ないし25のいずれか1つに記載の熱伝導装置。
  27. 前記熱伝導部は、一端側が前記熱源部に接続されており、他端側の一部が前記温調部を構成している請求項1ないし26のいずれか1つに記載の熱伝導装置。
  28. 前記熱伝導部と前記熱源部との間に設けられた熱スイッチ(17)を備える請求項1ないし27のいずれか1つに記載の熱伝導装置。
  29. 温熱または冷熱の少なくともいずれかを発生する熱源部(10)と、
    複数の温調部(11a)に区画され、前記複数の温調部の少なくとも一部が前記熱源部から離れて配置されている温調面(11)と、
    前記熱源部と前記複数の温調部との間を熱伝導可能に接続する複数の熱伝導部(12)とを備え
    前記複数の熱伝導部は積層されており、
    前記積層された複数の熱伝導部の一部に前記熱源部が接続し、
    前記積層された複数の熱伝導部の間には、前記複数の熱伝導部が積層された方向における熱抵抗を調整可能な積層部材(21)が配置されている熱伝導装置。
  30. 前記積層部材は、隣接する前記熱伝導部を接合している請求項29に記載の熱伝導装置。
  31. 温熱または冷熱の少なくともいずれかを発生する熱源部(10)と、
    複数の温調部(11a)に区画され、前記複数の温調部の少なくとも一部が前記熱源部から離れて配置されている温調面(11)と、
    前記熱源部と前記複数の温調部との間を熱伝導可能に接続する複数の熱伝導部(12)とを備え
    前記熱源部は、熱媒体が流通可能であり、前記熱媒体が外部で受け取った温熱または冷熱の少なくともいずれかを発生させ、
    前記複数の熱伝導部に前記熱媒体が直接接触する熱伝導装置。
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