JP7006646B2 - 冷却システムを備えた自律走行装置 - Google Patents

Description

本発明は、高温環境下で稼働することができる、冷却システムを備えた自律走行装置に関する。

所定の領域内において、任意の場所に移動しながら清掃などの仕事を実行する自律走行装置が知られており（例えば、特許文献１参照）、このような自律走行装置を利用してコークス炉頂の清掃を行うことが検討されている。しかし、コークス炉頂などのような高温環境において自律走行装置を稼動させる場合、自律走行装置が備える電子機器などの発熱体から生じる熱を外部環境に放熱することが難しく、このため電子機器が許容使用温度を超え、機器の破損につながることが問題となる。

特許文献２には、半導体素子などの発熱体から発生した熱を周囲の空気中に放熱して冷却する空冷式冷却装置として、発熱体に熱伝導的に接続された高熱伝導性の金属材料からなる放熱用の冷却体を備え、この冷却体において、発熱体から受熱する受熱部と周囲の空気中へ放熱する放熱部との間に、融点が発熱体の許容温度付近にあり、融解潜熱の大きな低融点金属からなる蓄熱体を埋め込んだ構造の冷却装置が示されている。この空冷式冷却装置では、発熱体からの熱を冷却体に埋め込まれた低融点金属の融解潜熱により蓄熱することで発熱体の冷却を行う。蓄熱体が発熱体から受熱した熱は、高熱伝導性の金属からなる冷却体を通し、外部環境との対流熱伝達により外部環境に放出する。

特開２００６－２１５８６０公報 特開２００５－９３８４８号公報

特許文献２の装置は、発熱体の熱を最終的に外部環境に排出する装置であるため、外部環境が高温であるために内部発熱を外部環境に排出できないような場合には、発熱体を適切に冷却することができない。
したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、電子機器などの発熱体を備え、高温環境（例えば、夏場で６０℃以上となるような環境）下で稼動させる自律走行装置であって、装置内部をバッテリーなどのエネルギーを利用することなく適切に冷却することができる冷却システムを備えた自律走行装置を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために検討を行い、その結果、内部に電子機器などの発熱体が収容される遮熱・断熱構造を有する筐体と、この筐体を気化熱冷却する気化熱冷却機構と、相変化により吸熱を行う相変化物質が充填され、筐体内部に設置される保冷パックを組み合せた新たな冷却システムを備えた自律走行装置を創案した。この自律走行装置の冷却システムでは、筐体、気化熱冷却機構及び保冷パックの３手段が共働し且つ互いを補完するような冷却作用が得られるため、高温環境下で稼動する自律走行装置の内部を適切に冷却することができ、電子機器などの熱による破損を防止することができる。

すなわち、上記課題解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］発熱体（x）が収容される筐体であって、外側に遮熱材（４）が配され、内側に断熱材（５）が配された複層構造を有する筐体（１）と、
該筐体（１）の外面に気化熱冷却用の液体を接触させて筐体（１）を気化熱冷却する気化熱冷却機構（２）と、
筐体（１）内部に設置される保冷パックであって、常温・常圧で液体となる相変化物質が充填され、該相変化物質が固相となる温度まで冷却された保冷パック（３）を有することを特徴とする冷却システムを備えた自律走行装置。
［2］上記［1］の自律走行装置において、筐体（１）を構成する遮熱材（４）が外面が反射面を構成する板材からなることを特徴とする冷却システムを備えた自律走行装置。

［3］上記［1］又は［2］の自律走行装置において、筐体（１）を構成する断熱材（５）が複数層からなり、各断熱材（５）間に空気層（６）が設けられていることを特徴とする冷却システムを備えた自律走行装置。
［4］上記［1］～［3］のいずれかの自律走行装置において、保冷パック（３）に充填された相変化物質が、発熱体（x）の許容環境温度未満の融解温度を有することを特徴とする冷却システムを備えた自律走行装置。
［5］上記［1］～［4］のいずれかの自律走行装置において、気化熱冷却機構（２）が、筐体（１）の外面に取り付けられ、気化熱冷却用の液体を含浸させる多孔質体（７）を有することを特徴とする冷却システムを備えた自律走行装置。

［6］上記［5］の自律走行装置において、気化熱冷却機構（２）が、気化熱冷却用の液体を多孔質体（７）に供給して含浸させる液体供給手段（８）を有することを特徴とする冷却システムを備えた自律走行装置。
［7］上記［1］～［5］のいずれかの自律走行装置において、気化熱冷却機構（２）が、筐体（１）の外面又は筐体（１）の外面に取り付けられた多孔質体（７）に気化熱冷却用の液体を噴霧する噴霧手段（９）を有することを特徴とする冷却システムを備えた自律走行装置。
［8］上記［1］～［7］のいずれかの自律走行装置において、コークス炉頂の清掃用クリーナーであり、清掃用機器が搭載されていることを特徴とする冷却システムを備えた自律走行装置。

本発明の自律走行装置が備える冷却システムは、内部に電子機器などの発熱体が収容される遮熱・断熱構造を有する筐体と、この筐体を気化熱冷却する気化熱冷却機構と、相変化により吸熱を行う相変化物質が充填され、筐体内部に設置される保冷パックという３つの手段が共働し且つ互いを補完するような冷却作用が得られるため、バッテリーなどのエネルギーを利用することなく、高温環境（例えば、夏場で６０℃以上となるような環境）下で稼動する自律走行装置の内部を適切に冷却することができ、電子機器などの熱による破損を防止することができる。

本発明の自律走行装置の一実施形態を、装置を断面した状態で模式的に示す説明図 図１の自律走行装置を構成する筐体の一部の断面図 本発明の自律走行装置の他の実施形態を、装置を断面した状態で模式的に示す説明図 実施例における実験方法を示す説明図 実施例における測温結果を示すグラフ

図１及び図２は、本発明の自律走行装置の一実施形態を模式的に示すものであり、図１は装置を断面した状態で示す説明図、図２は自律走行装置を構成する筐体の一部の断面図である。
本発明の自律走行装置が備える冷却システムは、電子機器などの発熱体xが収容される筐体１と、この筐体１を気化熱冷却する気化熱冷却機構２と、相変化により吸熱を行う相変化物質が充填され、筐体１内部に設置される保冷パック３などで構成される。なお、図１において、１１は自律走行装置の走行用の車輪である。

筐体１は、外側に遮熱材４（遮熱層）が配され、内側に断熱材５（断熱層）が配された複層構造を有しており、この構造により外部からの輻射熱の入熱と筐体内部への熱伝導を軽減させる。
遮熱材４は、外部環境からの輻射熱を遮断する役目をするものであり、外面を鏡面研磨した板材（金属板）、外面を白色塗装した板材（金属板）などのような外面が高反射率の反射面を構成する板材からなることが好ましい。その反射面の反射率は、特に０．７～１．０程度が好ましい。

断熱材５は、断熱効果を有するものであればよいが、通常、グラスウール、断熱ボードなどの１種以上で構成され、１層又は複数層設けることができる。本実施形態の断熱材５は３層からなり、且つ各断熱材５間には空気層６が設けられ、熱抵抗を高めて外部環境からの熱伝導を遮断できるようにしている。
また、本実施形態の筐体１は、外側の遮熱材４と内側の断熱材５のみで構成されているが、図２に仮想線で示すように、筐体１の本体１０（例えば金属製の本体）を遮熱材（外側）＋断熱材５（内側）の複層構造を有する遮熱・断熱層で被覆した構造としてもよい。

気化熱冷却機構２は、筐体１の外面に気化熱冷却用の液体（常温・常圧で液体となる物質）を接触させて筐体１を気化熱冷却するものである。気化熱冷却用の液体の種類は特に制限はなく、例えば、水、アルコール、それらの混合液、液体窒素などの１種以上を用いることができるが、水を用いるのが簡便で経済的である。
本実施形態の気化熱冷却機構２は、筐体１の外面（上面）に取り付けられ、気化熱冷却用の液体を含浸させる多孔質体７と、この多孔質体７に気化熱冷却用の液体を噴霧する噴霧手段９を有している。

多孔質体７は気化熱冷却用の液体（水など）を含浸させておくことができるものであればよく、例えば、ゼオライトや珪藻土からなるボード、ブロックなどで構成することができる。なお、本実施形態では、多孔質体７を筐体１の上面に設けているが、筐体１の他の面に設けてもよく、また、筐体１の上面及び側面に設けてもよい。
噴霧手段９は、液体タンク９１と、この液体タンク９１から供給される液体を噴霧するスプレーノズル９０などで構成されている。
高温環境下において噴霧手段９から噴霧された液体は、一部が多孔質体７の表面で気化し、残りが多孔質体７に含浸された後、徐々に気化する。この気化熱により筐体１が冷却される。

保冷パック３は、常温・常圧で液体となる相変化物質（相転移材料、ＰＣＭ）が充填され、この相変化物質が固相となる温度まで冷却された状態で、筐体１内部に設置される。この相変化物質は、固体から液体に相変化するときに吸熱し、融解潜熱として蓄熱することにより、発熱体xを冷却する（発熱体xの熱を吸熱する）。
発熱体xが電子機器などである場合、電子機器を保護するために許容環境温度（例えば、６０℃）がある。保冷パック３に充填される相変化物質は、この発熱体xの許容環境温度未満の融解温度を有するものであることが好ましく、特に許容環境温度よりも１０～２０℃程度低い融解温度を有するものが好ましい。相変化物質の種類は特に制限はないが、例えば、パラフィン、硫酸ナトリウム十水塩などが好ましい。
また、保冷パック３としては、異なる融解温度の相変化物質がそれぞれ充填された２種以上の保冷パックを用いることができ、これにより広い温度域での吸熱が可能となる。

保冷パック３の容器（相変化物質が充填される容器）の材質は特に制限はないが、通常、保冷パック３は電子機器などの発熱体xに接するように設けられる（発熱体xに熱伝導的に接続された状態に設けられる）ので、容器は絶縁性材料で構成することが好ましい。絶縁性材料としては、例えば、ガラスエポキシ材、テフロン基板材料（テフロンは登録商標）などが挙げられ、これらの１種以上を用いることができる。
保冷パック３（相変化物質）は体積が大きいほど冷却効果が高くなるので、本実施形態では、筐体１の床部に敷き詰めるように設置されているが、例えば、さらに、筐体１の内壁面に設置してもよい。
発熱体xは、保冷パック３に直に接する（熱伝導的に接続する）ように設けられることが好ましく、本実施形態では、発熱体xは保冷パック３の上に直に設置されている。

本発明の気化熱冷却機構２は、例えば、（i）筐体１の外面（上面）に取り付けられ、気化熱冷却用の液体を含浸させる多孔質体７のみを有するもの、（ii）この多孔質体７と、気化熱冷却用の液体を多孔質体７に供給して含浸させる液体供給手段８を有するもの、（iii）筐体１の外面に直に気化熱冷却用の液体を噴霧する噴霧手段９のみを有するもの、とすることもできる。
上記（i）の気化熱冷却機構２では、使用前に予め多孔質体７に気化熱冷却用の液体を含浸させておき、この液体が高温環境下で徐々に気化することにより、その気化熱で筐体１が冷却される。また、上記（ii）の気化熱冷却機構２では、液体タンクなどを備えた液体供給手段８から供給された液体が多孔質体７に含浸され、この液体が高温環境下で徐々に気化することにより、その気化熱で筐体１が冷却される。また、上記（iii）の気化熱冷却機構２では、噴霧手段９から筐体１の外面に直に気化熱冷却用の液体が噴霧され、この液体が高温環境下で気化することにより、その気化熱で筐体１が冷却される。

図３は、本発明の自律走行装置の他の実施形態を、装置を断面した状態で模式的に示す説明図であり、上記（i）の気化熱冷却機構２を備えた実施形態を示している。
すなわち、気化熱冷却機構２は、筐体１の外面（上面）に取り付けられ、気化熱冷却用の液体を含浸させる多孔質体７のみを有しており、この実施形態の気化熱冷却機構２では、使用前に予め多孔質体７に気化熱冷却用の液体を含浸させておく。
また、上記（ii）の気化熱冷却機構２のように、図３の仮想線で示すような液体タンク８０を備えた液体供給手段８を設け、液体供給手段８から供給される液体を多孔質体７に含浸させるようにしてもよい。

以上述べた本発明の自律走行装置が備える冷却システムでは、（i）外部からの入熱と筐体内部への熱伝導が、筐体１の遮熱・断熱構造と気化熱冷却機構２による気化熱冷却で抑えられる、（ii）発熱体xの熱が、保冷パック３に充填された相変化物質の相変化による吸熱作用と気化熱冷却機構２による気化熱冷却で吸熱される、（iii）保冷パック３の相変化物質による吸熱は、筐体内部がある温度に達してから始まるが、それまでの間は気化熱冷却機構２による気化熱冷却が吸熱を担う、という冷却作用が得られ、このように筐体１、気化熱冷却機構２及び保冷パック３という３つの手段が共働し且つ互いを補完するような冷却作用が得られるため、高温環境（例えば、夏場で６０℃以上となるような環境）下で稼動する自律走行装置の内部を適切に冷却することができる。

本発明が適用される自律走行装置としては、例えば、コークス炉頂を清掃するためのクリーナー（例えば、機械的な清掃手段や吸引式の清掃手段を有するクリーナー）などが挙げられるが、これに限らず、本発明の装置は高温環境下で稼動する種々の用途・タイプの自律走行装置に適用することができる。

本発明が備える冷却システムを組み込んだ実験装置（自律走行装置）を用い、これを実用が想定される高温環境（環境温度６０℃、地面温度１００℃）を模した実験室内に置き、実験装置を構成する筐体の内部温度の推移を調べた。
図４に実験方法を示す。耐火ボード製の実験室内の床部に板状のヒータを設置し、その上に鋼板（板厚１０ｍｍ，図示せず）を介して実験装置（自律走行装置）を置き、ヒータ（ヒータ温度１００℃）で実験装置を加熱するとともに、実験室の外側に設置された温風発生器から実験室内に温風（６０℃）を吹き込み、この温風でも実験装置を加熱した。筐体内部の温度を熱電対（図４に温度計測点を示す）で測定した。

本発明例の実験装置の仕様及び使用条件は以下の通りである。
（1）筐体１
・遮熱材：表面が鏡面研磨されたアルミ板（板厚１ｍｍ）
・断熱材：空気層（厚さ２ｍｍ）を介した２層の断熱ボード（材質：ガラス繊維＋エポキシ樹脂系バインダ、熱伝導率０．１３［Ｗ／ｍｋ］、板厚５ｍｍ）
（2）気化熱冷却機構２
・多孔質体：珪藻土ボード（厚さ１０ｍｍ）
・水供給方法：霧吹き手段（図示せず）で噴霧
・水供給量：７０ｇ／ｈ
（3）保冷パック３
・ＰＣＭ：パラフィン
・ＰＣＭ質量：０．８ｋｇ
（4）発熱体x
・発熱源：メタルクラッド抵抗器（ジュール熱による発熱）
・出力５０Ｗ

また、比較のために、上記実験装置を以下のような条件で使用し、比較例相当の実験装置とした。
比較例１：気化熱冷却機構２、保冷パック３ともに使用しない条件
比較例２：気化熱冷却機構２は使用するが、保冷パック３は使用しない条件
本実験では、筐体１の内部温度を発熱体xの許容環境温度である６０℃以下に６時間程度保持することを目標とした。

図５に、本発明例、比較例１、比較例２について、測定した筐体の内部温度の推移を示す。これによれば、比較例１の装置では、試験を開始して５０分程度で筐体内部の温度が６０℃（発熱体xの許容環境温度の上限）に達し、その後、さらに温度が上昇した。また、比較例２の装置では、試験を開始して３００分程度で筐体内部の温度が６０℃に達し、その後、さらに温度が上昇した。これに対して、本発明例の装置（本発明の冷却システムを適用した装置）では、試験を開始して３６０分経過した段階でも筐体内部の温度は６０℃に達せず、長時間にわたり高い冷却効果が維持されている。このため本発明の冷却システムを適用した装置は、高温環境下における連続稼働時間を従来装置（比較例１）よりも６倍以上延ばすことが可能である。

１ 筐体
２ 気化熱冷却機構
３ 保冷パック
４ 遮熱材
５ 断熱材
６ 空気層
７ 多孔質体
８ 液体供給手段
９ 噴霧手段
１０ 本体
１１ 車輪
８０ 液体タンク
９０ スプレーノズル
９１ 液体タンク
x 発熱体

Claims (8)

1. 発熱体（x）が収容される筐体であって、外側に遮熱材（４）が配され、内側に断熱材（５）が配された複層構造を有する筐体（１）と、
   該筐体（１）の外面に気化熱冷却用の液体を接触させて筐体（１）を気化熱冷却する気化熱冷却機構（２）と、
   筐体（１）内部に設置される保冷パックであって、常温・常圧で液体となる相変化物質が充填され、該相変化物質が固相となる温度まで冷却された保冷パック（３）を有し、
   気化熱冷却機構（２）が、筐体（１）の外面又は筐体（１）の外面に取り付けられた多孔質体（７）に気化熱冷却用の液体を噴霧する噴霧手段（９）を有することを特徴とする冷却システムを備えた自律走行装置。
2. コークス炉頂清掃用のクリーナーであり、清掃用機器が搭載されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却システムを備えた自律走行装置。
3. 発熱体（x）が収容される筐体であって、外側に遮熱材（４）が配され、内側に断熱材（５）が配された複層構造を有する筐体（１）と、
   該筐体（１）の外面に気化熱冷却用の液体を接触させて筐体（１）を気化熱冷却する気化熱冷却機構（２）と、
   筐体（１）内部に設置される保冷パックであって、常温・常圧で液体となる相変化物質が充填され、該相変化物質が固相となる温度まで冷却された保冷パック（３）を有し、
   コークス炉頂清掃用のクリーナーであり、清掃用機器が搭載されていることを特徴とする冷却システムを備えた自律走行装置。
4. 気化熱冷却機構（２）が、筐体（１）の外面に取り付けられ、気化熱冷却用の液体を含浸させる多孔質体（７）を有することを特徴とする請求項３に記載の冷却システムを備えた自律走行装置。
5. 気化熱冷却機構（２）が、気化熱冷却用の液体を多孔質体（７）に供給して含浸させる液体供給手段（８）を有することを特徴とする請求項４に記載の冷却システムを備えた自律走行装置。
6. 筐体（１）を構成する遮熱材（４）が、外面が反射面を構成する板材からなることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の冷却システムを備えた自律走行装置。
7. 筐体（１）を構成する断熱材（５）が複数層からなり、各断熱材（５）間に空気層（６）が設けられていることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の冷却システムを備えた自律走行装置。
8. 保冷パック（３）に充填された相変化物質が、発熱体（x）の許容環境温度未満の融解温度を有することを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載の冷却システムを備えた自律走行装置。

Images