JPH02504304A - 改良された蒸発特性を示す温度変化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 改良された蒸発特性を示す温度変化装置発明の背景 この発明は、温度変化装置および、特に携帯用のまたは使い捨ての、食料もしく は飲料クーラーに関するものである。

２０〜２５℃の平均的な環境温度にほとんど無期限で貯蔵できる食料および飲料 があるが、消費する直前まで冷却すべきものものある。一般に、これらの食料お よび飲料の冷却は、電気的に作動する冷蔵装置によりなされる。これらの食料お よび飲料を冷却するためのこれらの装置の使用は、必ずしも実際的なものとは限 らない。なぜならば冷蔵庫は一般に電源を必要とし、それらは常に携帯用でなく 、かつそれらは食料または飲料を即座に冷却しないからである。

要求に応じて冷却した材料を提供するもう１つの方法は、携帯用の断熱した容器 を用いるものである。しかしながら、これらの容器は単にそれらの中に入れられ た食料および飲料の前の温度を維持するよう作用するか、あるいは所望の冷却効 果を得るために氷を用いることが必要である。氷とともに用いるときには、断熱 容器は食料もしくは飲料よりも嵩高くかつ重たいものになる。さらに、多くの場 合、冷却させることが必要なときに氷は容易に得ることができない。

氷はまた独立して、食料または飲料を急速に冷却するのに用いられてきた。しか しながら、冷却のために氷を単独で使用することは、しばしば望ましいことでは ない。なぜならば氷は０℃以上で限られた時間のみしか貯蔵できないからである 。さらに、冷却することの必要なときに、氷を得ることができないかもしれない 。

食料および飲料の冷却に加えて、携帯用の冷却装置が非常に望まれるような他の 多くの用途がある。これらには、組織もしくは臓器の冷却、冷湿布の調製、およ び、外科的な手法の一部としての低温学的な破壊を含む医学的な用途、必要に応 じた冷却水または他の液体の製造、生物学的な種の保存、保護衣服の冷却を含む 工業的な用途、ならびに美容的な用途が含まれる。携帯用の冷却装置は、すべて のこれらの分野において広く用いることができるはずである。

内蔵小型化冷却装置を製造する多くの試みは、冷却蒸気を直接に大気中に放出で きるように、大気圧以上の圧力で貯蔵された冷却液体の使用によるものであった 。残念ながら、このようなシステムに利用可能な多くの冷却液体は可燃性であり 、有毒であり、環境に対し有害であるか、あるいは意図する目的に適した量では 爆発の危険があるほど高い圧力で液体の形態で存在するものである。逆に、大気 に放出させることのできる他の利用可能な冷却液体、たとえば二酸化炭素は、比 較的低い比熱であり、蒸発潜熱である。

その結果、二酸化炭素を放出する冷却装置は、携帯用装置として実際に許容され るものよりもかさばるものである。

携帯用装置において冷却効果を与える他の方法は、蒸発が起こるチャンバとは別 チャンバ中において冷却蒸気が吸収または吸着されるものである。そのようなシ ステムにおいては、密閉されたチャンバ中で減圧下に冷却液体が蒸発し、その周 囲から熱を吸収する。沸騰した液体から発生した蒸気は、連続的に第１のチャン バから除去され、その蒸気を吸収する乾燥材または吸収材を含んだ第２のチャン バに放出される。

１つのチャンバのまわりで冷却効果を生じる２つのチャンバの使用は、Ｓ　ｉ　 ｅｇｅ　ｌの米国特許第４，２５０，７２０号および、Ｃｌｅｇｈｏｒｎ等の英 国特許第２，０９５．３８６号に説明されている。これらの特許は、チューブに よって連結された２つのチャンバ装置を開示している。

Ｓｉｅｇｅｌ特許は、冷却液体として水を用いており、一方Ｃ１ｅｇｈｏｒｎ等 の特許は水に限定されていない。Ｓｉ　ｅｇｅ　１特許は、食料または飲料を冷 却するのにそのような冷却装置を用いることをもくろんでいる。

しかしながら、Ｓ　ｉ　ｅｇｅ　１特許およびＣｌｅｇｈｏｒｎ特許のどちらに おいても、冷却する対象物の温度の低下および第１のチャンバの伝熱面積の低下 の双方の結果として、急速な初期の冷却効果が徐々に緩やかになる。伝熱面積の 低下は、液体と接触している第１のチャンバの部分が液体の蒸発および液面の低 下とともに低下するという事実によるものである。さらに、これらのシステムに おいては、蒸発工程は、液体が蒸発できる表面積により限定されている。これに 加えて、このシステムでは、蒸発する液体のコントロールされない沸騰によって 、蒸発相に移る液体の量を効果的に最小にできない。

したがって、この発明の１つの目的は、液体の蒸発による潜熱の低下を緩和させ て、それによって冷却プロセスを早めるための手段を有した内蔵吸収冷却装置を 提供することにある。

この発明のもう１つの目的は、液体が蒸発する表面積を増加させることによって 蒸発プロセスを促進することにある。その結果として、同様に冷却プロセスも促 進されるであろう。

この発明のもう１つの目的は、蒸発相における液体の移動を制限することによっ て蒸発プロセスをコントロールすることにある。

他の目的は、添付した図面および以下のこの発明の詳細な説明により明らかとな ろう。

発明要約 この発明は、好ましくは２０℃で少なくとも約９ｍｍＨｇの蒸気圧を有する液体 を含んだ第１のチャンバと、その液体に対する吸収材（ｓｏｒｂｅｎｔ）を含ん だ第２のチャンバと、第１および第２のチャンバを連結する導管と、チャンバ間 の導管を通る流れを妨げるだめの導管内のバルブと、そのバルブを開く手段とを 備える小型化冷却装置である。第２のチャンバは最初減圧にされている。このた め、バルブが開いたとき、第１および第２のチャンバは連結され、これらの間の 流体の流通が可能になる。第２のチャンバは減圧にされているため、第１のチャ ンバ中の圧力は低下する。

圧力の低下が第１のチャンバ中で液体を蒸発させ、そして、液体が第１のチャン バから蒸発した液体の蒸発潜熱に等しい熱を奪うときにだけこの液体から気体へ の相変化が起こり得るので、第１のチャンバは冷却される。蒸気は導管を通って 、吸収材により吸収され吸着される第２のチャンバ中に到達する。吸収材はまた 、吸収されまたは吸着された蒸気中に含まれていた熱のすべてを吸収し、そして 吸収−吸着プロセスが化学反応を含むならば、吸収材はまた反応熱を吸収する。

好ましい態様においては、液体は水であり、第１のチャンバの内部表面は、液体 に対するウィッキング（ｖｉｃｋｉｎｇ）材料により与えられる。ウィッキング 材料は第１のチャンバの内部表面をおおい、第１のチャンバの内部を覆うことの できるようなゲル形成ポリマーおよび水ウィッキングポリマーのような、高い親 水性材料からなることが好ましい。

この発明の１つの態様においては、液体は、液体の沸騰を促進するような核剤と 混合されている。第１のチャンバからの蒸発しなかった液体が、導管を通り第２ のチャンバ中に流入するのを防ぐための相分離器は、有利には装置内に備えられ る。吸収材料は吸収剤（ａｄｓｏｒｂｅｎｔ）または吸着剤（ａｂｓｏｒｂｅｎ ｔ）であってもよく、第２のチャンバは好ましくは第１のチャンバ中の液体のす べてを本質的に吸収または吸着し得るのに十分な吸収材を含むことが好ましい。

装置全体は好ましくは使い捨てである。

使用において、蒸発プロセスは第１チヤンバ中における液面の低下をもたらすが 、好ましい態様においては、ウィッキング材料が第１のチャンバの内部表面上の 液体を保持する。これにより、液体と第１のチャンバの内部表面の間の本質的な 接触面積が維持され、第１のチャンバの有効伝熱面積の減少および結果として生 じる冷却プロセスの緩慢を排除する。

この発明は、必要に応じタイムリーに周囲の温度より、食料、飲料、または他の 材料もしくは物品を冷却し、有用な温度の変化を示し、冷却プロセスから生じた 熱を保持し、あるいは吸収材からの熱を冷却した材料に戻すのを阻止し、無制限 な期間、冷却潜在能力を失うことなく貯蔵することができ、人間の用途における 安全性の政府の基準に合致することのできる、内蔵急速冷却装置を提供するもの である。

図面の簡単な説明 図面は、この発明に従う冷却装置の模式図である。

発明の詳細な説明 第１図において、冷却装置１０は、ウィッキング材料１６により内部表面１４を 覆われた第１のチャンバ１２を有しており、好ましい態様においては、ウィッキ ング材料１６により内部表面１４はフロラキングまたはスプレーされており、第 １のチャンバ１２は冷却液体１８により満たされている。冷却装置１０はまた、 断熱材２２により囲まれた第２のチャンバ２０を含んでおり、吸収材２４により 少なくとも部分的に満たされている。ｓ２のチャンバはまた、冷却液体の蒸気の みを含む程度にまで減圧されていることが有利である。

第１および第２のチャンバ１２および２ｏは、導管２８により連結されており、 バルブ３ｏは導管２８中に介在しており、バルブ３０が開いたときにだけ導管２ ８を通るチャンバ１２および２０間の液体の流通がなされるようにされている。

バルブ３０が開かれるまでは冷却装置１０の作用は停止（すなわち系は静的であ り冷却は起こらない）状態であり、バルブ３０が開くと、導管２８は第１および 第２のチャンバ１２および２０間に流体の流通を与える。第１および第２のチャ ンバ１０および２０間のバルブ３ｏを開けると、第２のチャンバ２０が減圧にさ れているため、チャンバ１２中の圧力が低下する。バルブ３０を開けたときの第 １のチャンバ１２の圧力低下は、周囲の温度で液体１８を沸騰させ、液体／蒸気 混合物３２にする。この液体から気体への相変化は、液体１８が第１のチャンバ １２がら、蒸発した液体１８の蒸発潜熱に等しい熱を除去するときにのみ起こる 。これは、第１のチャンバ１２を冷却させる。次に、冷却された第１のチャンバ １２は、矢印３３で示すように周囲の材料から熱を奪う。

液体／蒸気混合物３２は、従来がらの液体−蒸気収集器および分離器３４を通過 し、蒸気から液体１８を分離して、分離した液体１８を液体還流ライン３８を通 り第１のチャンバに戻し、蒸気を導管２８を通して第２のチャンバ２゜に送る。

第２のチャンバに一旦入ると、蒸気は吸収材２４により吸収または吸着される。

これにより、第１のチャンバ１２内の減圧した蒸気圧が維持され、より多くの液 体１８が沸騰して蒸気となり、さらにチャンバ１２の温度を低下させる。蒸気の 連続的な除去により、液体１８の蒸気圧以下に第１のチャンバ１２内の圧力が維 持され、それによって液体１８が蒸発し吸収材２４が飽和するか、液体１８が蒸 発し切るか、あるいは液体１８の温度がその沸点以下にまで降下するまで、連続 的に液体１８が沸騰し蒸気を生じる。

蒸発プロセスの間、第１のチャンバ１２内の液面が降下する。ウィッキング材料 １６は第１のチャンバ１２の内部表面１４上の液体１８を保持し、第１のチャン バ１２の有効伝熱表面積を減少させ、それによって冷却プロセスを緩慢にさせる であろう、液体１８と内部表面１４の間の接触面積の低下を防止する。

この発明の３つの重要な成分は、蒸発する液体、吸収材、およびウィッキング材 料である。液体および吸収材は相補的でなければならず（すなわち、吸収材は液 体により生じた蒸気を吸収または吸着できるものでなければならず）、３つのこ れらの成分のすべてに対する適切な選択は、短時間に温度の有用な変化をもたら すことができ、安全性に対する政府の基準に合致し、経済的な組合わせとなるで あろう。

この発明において用いられる冷却液体は、圧力の低下が高い蒸気生成速度をもた らすように、好ましくは周囲の温度において高い蒸気圧を有するものである。２ ０℃における液体の蒸気圧は、好ましくは少なくとも約９ｍｍＨｇであり、さら に好ましくは、少なくとも約１５もしくは２０ｍｍＨｇである。さらに、（食物 製品の冷却のような成る用途では、液体が、事故か何かで、周囲に放出された場 合にも、政府の基準に合致しなければならない。この発明の種々の用途に対し適 切な特性を有する液体としては、メチルアルコールおよびエチルアルコールなど のような種々のアルコール、アセトンおよびアセトアルデヒドのようなケトンも しくはアルデヒド、水、フレオンＣ３１８，１１４，２１，１１，１１４Ｂ２． １１３および１１２などのようなフレオン類が含まれる。好ましい液体は水であ る。

さらに、冷却液体は、液体がより迅速にスムーズに蒸発するよう、かつ液体の過 冷却が起こらぬように、沸騰を促進するように液体よりも大きな蒸気圧を有する 効果的な量の混合し得る核剤と混ぜることができる。適当な核剤には、エチルア ルコール、アセトン、メチルアルコール、プロピルアルコールおよびイソブチル アルコールが含まれ、これらはすべて水と混合し得る。たとえば、核剤と適合し 得る液体との組合わせは、水中の５％エチルアルコールまたはメチルアルコール 中の５％アセトンの組合わせかもしれない。好ましくは核剤は２５℃において少 なくとも約２５ｍｍＨｇの蒸気圧を有し、さらに好ましくは少なくとも約３５ｍ ｍＨｇの蒸気圧を有する。他の方法として、化学実験の用途で用いられているよ うな従来の沸騰石のような固形の核剤を用いることもできる。

第２のチャンバ２０中に用いられる吸収物質は、好ましくは、液体により生ずる 蒸気のすべてを吸収しかつ吸着することができ、また好ましくは食料との接触が 起こるがもじれない環境における用途に対する政府の安全基準に適合するもので ある。種々の用途に適合する吸収材には、酸化バリウム、過塩素酸マグネシウム 、硫酸カルシウム、酸化カルシウム、活性化炭素、塩化カルシウム、グリセリン 、シリカゲル、アルミナゲル、水素化カルシウム、無水燐酸、燐酸、水酸化カリ ウム、硫酸、塩化リチウム、エチレングリコールおよび硫酸ナトリウムが含まれ る。

ウィッキング材料１６の選択においては、システムの条件および使用する特定の 冷却液体１８に応じて、多くの材料を選択することができる。ウィッキング材料 は、冷却液体１８に対する親和性およびウィッキング能力を本質的に有する布ま たは織物のような簡単なものでもよい。しだがっで、たとえば、冷却液体が水の 場合、また、フィルタ材料、天然セルロース、再生セルロース、セルロース誘導 体、吸取り紙または他の適当な材料からなる、布、シート、フェルトまたはフロ ラキング材料をウィッキング材料とすることができる。

最も好ましいウィッキング材料は、蒸発チャンバの内部表面をコーティングする ことのできるゲル形成ポリマーのような、非常に親水性のものである。このよう な材料として好ましくは、酢酸塩化ビニル、塩化ビニリデン、テトラフルオロエ チレン、メチルメタクリレート、ヘキサヒドロ（ｈｅｘａｎｅｄｏｉｃ　ａｃｉ ｄ）　、ジヒドＯ−２，５−フランジオン、プロペン酸（ｐｒｏｐｅｎｏｉｃ　 ａｃｉｄ）、１．３−イソベンゾフランジオン、１ｈ−ピロール−２，５−ジオ ンもしくはヘキサヒドロ−２ｈ−アゼピン−２−オンのアルキル、アリールおよ びアミノ誘導体ポリマーからなる。

ウィッキング材料はスプレー、フロック、または他の方法で第１チヤンバの内部 表面にコートもしくは塗布することができる。好ましい態様においては、ウィッ キング材料は静電的にその表面上に堆積される。他の態様においては、ウィッキ ング材料は非水系溶剤のような適当な溶剤に混合され、第１チヤンバの内部表面 にこの溶液が塗布される。

他の好ましい態様においては、ウィッキング材料は蒸発室の激しい沸騰を調整す ることができ、このため蒸気相中における液体の移動を減することができる。こ のような態様においてＮウィッキング材料は多孔性の空隙を含んだもしくはスポ ンジのような構造を形成したポリマーであり１第１チヤンバのすべてもしくは一 部を充填することができる。

断熱材２２はいかなる従来の断熱材をも用いることができるが、好ましくは低価 格のポリスチレンフオームのような高価でなく容易に形成できる材料である。

バルブは、従来から知られている種々のタイプのものを用いることができる。

この発明はまた、ここに説明した冷却装置の使用の方法をも含む。この方法は、 ここに述べたタイプの冷却装置を提供し、第１チヤンバ１２および第２チャンバ ２００間のバルブを開き、それによって、第１のチャンバ中の圧力を減少し、液 体を沸騰させ、蒸気を生成し、この蒸気を吸収材料で集め、吸収材が本質的に飽 和するか、第１のチャンバ中のもとの液体のすべてを本質的に吸収材によって集 めるかする、平衡の条件が達成されるまで、吸収材中において蒸気を集めること により第２のチャンバから蒸気を除去するステップを含んでいる。プロセスは好 ましくは、ワンショットプロセスであり、したがって、第１のチャンバ１２と第 ２のチャンバ２０を連結する導管２８内のバルブ３０の開口は好ましくは非可逆 的である。同時に、系は閉ざされた系である。言い換えれば、冷却液体は系から 逃げることなく、冷却液体もしくは吸収材を第１のチャンバ１２もしくは第２の チャンバ２０から逃す手段もない。

国際調査報告

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. １．液体を含み、該液体に対するウィッキング材料により与えられた内部表面を 有する第１のチャンバと、前記液体に対する吸収材を含んだ第２の減圧チャンバ と、前記第１および第２のチャンバを連結する導管と、前記チャンバ間の前記導 管を通る流れを妨げるための前記導管内のバルブと、 前記バルブを開き、前記第１および第２のチャンバを連結させ、前記法体を蒸発 させ、蒸気を前記導管に通して前記吸収材に導き、これによって前記液体の蒸気 により前記第１のチャンバを冷却させるアクチュエータとを備える、内蔵冷却装 置。
2. ２．前記法体に対するウィッキング材料が親水性ゲル形成ポリマーを備える、請 求項１に記載の装置。
3. ３．前記液体に対するウィッキング材料が、酢酸塩化ビニル、塩化ビニリデン、 テトラフルオロエチレン、メチルメタクリレート、ヘキサンニ酸、ジヒドロ−２ ，５−フランジオン、プロペン酸、１，３−イソベンゾフランジオン、１ｈ−ピ ロール−２，５−ジオンおよびヘキサヒドロ−２ｈ−アゼピン−２−オンからな るグループから選ばれるアルキル、アリールおよびアミノ誘導体ポリマーからな る、請求項１の装置。
4. ４．前記ウィッキング材料が多孔質の空間を含んだ構造を形成する、請求項１の 装置。
5. ５．前記多孔質の構造が本質的に前記第１のチャンバ内に満たされている、請求 項４の装置。
6. ６．前記ウィッキング材料が前記第１のチャンバの内部をおおっている、請求項 １の装置。
7. ７．前記ウィッキング材料が静電的に前記第１のチャンバの内部表面に塗布され る、請求項６の装置。
8. ８．前記液体に対する前記ウィッキング材料が、綿、天然セルロース、再生セル ロース、またはセルロース誘導体からなる、請求項１の装置。
9. ９．前記液体が２０℃で約９ｍｍＨｇ以上の蒸気圧を有する、請求項１の装置。
10. １０．前記液体が水である、請求項１の装置。
11. １１．前記第１のチャンバ中に２５℃で約２５ｍｍＨｇ以上の素気圧を有する核 剤をさらに備え、前記バルブを開いた結果として前記第１のチャンバの圧力が低 下したとき、前記チャンバの沸騰を促進する、請求項１の装置。
12. １２．前記核剤がエチルアルコール、アセトン、メチルアルコール、プロピルア ルコールまたはイソブチルアルコールである、請求項１１の装置。
13. １３．前記第２のチャンバが断熱材と接触している、請求項１の装置。
14. １４．（ａ） ｉ）法体を含んだ第１のチャンバであって、前記液体に対するウィッキング材料 により与えられた内部表面を有する第１のチャンバと、 ｉｉ）前記液体に対する吸収材を含んだ第２の減圧チャンバと、 ｉｉｉ）前記第１および第２のチャンバを連結する導管と、 ｉｖ）閉じたとき前記第１のチャンバおよび前記第２のチャンバ間の流通を妨げ る導管内のバルブと、ｖ）前記バルブを開き、前記第１および第２のチャンバを 連結するための手段 とを備える冷却装置を提供し、 （ｂ）前記バルブを開け、前記第１のチャンバおよび前記第２のチャンバ間の流 通を許し、それによって前記第１のチャンバ内の圧力を減少し、前記液体を沸騰 させ、蒸気を生成し、その蒸気を前記導管を通して前記第２のチャンバに送り、 （ｃ）前記吸収材が本質的に飽和するか、あるいは前記第１のチャンバ内にもと もと存在する液体のすべてを本質的に前記吸収材により集めるかする、平衡状態 に達するまで、前記吸収材中に蒸気を集めることによって、前記第２のチャンバ から蒸気を除去する各工程を備える冷却方法。
15. １５．前記液体に対する前記ウィッキング材料が親水性のゲル生成ポリマーであ る、請求項１４の方法。
16. １６．前記液体に対する前記ウィッキング材料が、酢酸塩化ビニル、塩化ビニリ デン、テトラフルオロエチレン、メチルメタクリレート、ヘキサンニ酸、ジヒド ロ−２，５−フランジオン、プロペン酸、１，３−イソベンゾフランジオン、１ ｈ−ピロール−２，５−ジオンおよびヘキサヒドロ−２ｈ−アゼピン−２−オン からなる群より選ばれる、アルキル、アリールおよびアミノ誘導体ポリマーから なる、請求項１４の方法。
17. １７．前記ウイッキング材料が多孔質の空間を含んだ構造を生成する、請求項１ ４の方法。
18. １８．前記多孔質構造が本質的に前記第１のチャンバ内に満たされている、請求 項１７の方法。
19. １９．前記ウィッキング材料が前記第１のチャンバの内部表面をおおっている、 請求項１４の方法。
20. ２０．前記ウィッキング材料が静電的に内部表面に塗布されている、請求項１９ の方法。
21. ２１．前記ウィッキング材料が、綿、天然セルロース、再生セルロース、または セルロース誘導体からなる、請求項１４の方法。
22. ２２．前記液体が２０℃で約９ｍｍＨｇ以上の蒸気圧を有する、請求項１４の方 法。
23. ２３．前記液体が水である、請求項１４の方法。