WO1988004399A1 - Structure flexible de transfert thermique et procede de production - Google Patents

Description

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柔軟な熟伝達構造体およびその製造方法

技術分野

本発明は、 使用される状態に応じて比較的自由に形態 を変化させることのできる柔軟な熱伝達構造体に関する。

背景技術

従来、 ヒー 卜パイプとして知られている熟伝達構造体 は、 金属容器の中に、 作動流体を脱気しつつ封入して得 られるものであり、 U S Ρ 3 2 2 9 7 5 9号にその基本 的な構造と機能が提案されている。 該金属容器の内部は、 該作動流体の液体と、 該液体の蒸発によって生じた気体 によって満たされている。

このヒー 卜パイプは、 機能上、 蒸発部と凝縮部によつ て構成されている。 蒸発部においては、 外部から熱を加 えられると、 内包されている液体の一部が蒸発し、 作動 流体の気体となる。 このとき、 気化に伴い蒸発部周辺の 外部から熱が奪われる。 一方、 凝縮部では、 作動流体の 気体が冷却され、 凝縮して作動流体の液体に戻る。 この とき、 凝縮に伴い、 凝縮部周辺の外部に熱を放出する。 この作動流体の相変化による潜熱の吸収、 放出によって、 熱の伝達を行うものである。

さらに、 ヒー 卜パイプの内部には、 凝縮部で液化した 作動流体を、 円滑に蒸発部まで還流させるため、 金属の メッシュや焼結金属などの "ウィック材 "と呼ばれる材 料が挿入されている。 このようなヒ一 卜パイプの容器材料あるいはウイック 材としては、 外部との熟の出入りを効果的に行うために、 熟伝導率の大きい、 金属材料を使用することが常識であ つた。

しかしながら、 金属材料は熟伝導率が大きいという長 所はあるが、 基本的には剛体である。 このため、 ある程 度の曲げなどの変形は可能であるが、 ほぼ形態は固定さ れている。 また、 屈曲成形は不可能であり、 容器の形態 が固定されているため、 施工性、 設計性に、 おのずと制 約があった。 しかも、 常時、 大きな蒸気空間を持ってい るため、 体積が大きくなければならず、 不要時には邪魔 になることが多い。

また、 金属は重量があり、 かつ、 可撓性、 耐腐蝕性、 耐薬品性などの性質に劣り、 日常生活のレベルでは、 な かなか実用化されていないのが実状である _q

本発明は、 係る金属ヒー 卜パイプの欠点に鑑み、 成形 性、 可撓性、 耐腐蝕性に優れ、 しかも軽量である上に、 使用状態に応じて形態をある程度自由に変形させること ができ、 かつ、 非使用時の体積が小さくて取り扱いがよ く、 また、 作動中、 作動流体の気化に伴う蒸気圧の増加 による、 容器のふくらみを、 可能な限り小さく押さえた、 柔軟な熟伝達構造体を提供するものである。

更に、 繊維材料などの流体保持能力のある素材を装塡 せしめたことにより、 作動流体の蒸発、 還流の円滑性に も優れた、 柔軟で高性能の熱伝達構造体を提供するもの である。

発明の開示

本発明は、 作動流体と該作動流体を封入するための容 器からなる熟伝達構造体において、 非作動時には該容器 内が作動流体で充満された状態にあり、 作動時には作動 流体の気化に伴って該容器の体積が増加し、 蒸気空間が 形成されることを特徴とする熱伝達構造体に関する。

本発明による熱伝達構造体の熱伝達機構は、 従来技術 におけるヒー 卜パイプのそれと、 基本的には同じである。

これら構造体の熱伝達機構から明らかなごとく、 蒸気 空間が無ければ熱伝達は行われない。 しかし、 金属容器 のごとく、 使用されていない状態においても、 常に大き な蒸気空間を持つことは、 全く必要のないことである。 作動時に、 作動流体の気化に伴い、 蒸気空間の形成がと どこうりなく行えれば、 それで目的は達せられる。

このことは、 容器材料が柔軟であることが必須であり、 容器を構成する材料が、 高分子フィルムおよび、 又は髙 分子材料と無機物の複合されたフィルムからなるシー 卜 状物であることによって達成される。 これら材料は、 柔 钦である上に、 金属材料に比較して、 はるかに軽量であ り、 また耐腐蝕性、 耐薬品性に優れるため、 金属容器で は使用できなかった作動流体の選択も可能になり、 広範 な最適作動領域の選択が可能となる。 。

このように柔軟な容器によって構成された熱伝達構造 体は、 折り曲げることも可能であり、 使用状態に応じて 自由な形態をとらせることができる。 また、 薄いシ一卜 状であれば、 狭い空間での使用も可能である。 すなわち、 体積をかさばらせずに、 吸熟、 放熟面積を確保できる。 また、 フィルムがシー ト状であれば、 巻いたり、 折りた たんでの保管も可能である。

さらに、 本発明においては、 該容器内に、 繊維材料な どからなる素材を装塡せしめることにより、 柔軟性を損 なうことなく、 さらに効果的に熟伝達機能を発揮せしめ ることができることを見出した。 これは、 該素材が、 作 動流体を吸着又は捕瘼しゃすい性質を有することに起因 するものである。 これら素材を掙入することにより、 作 動流体の蒸発、 還流が円滑に行われる。 作動流体の動き が円滑であるため、 蒸発に際して発生する振動などが軽 減される効果も有する。 また、 作動流体の還流に当たつ ては、 容器内部に溝を形成させることによつても達成で きる。 これは、 溝の毛細管現象を利用するものである。

一方、 蒸発部の温度が、 作動流体の沸点以上である場 合には、 液体の沸騰が起こる。 一般に、 気体の体積は沸 騰した液体の体積に比較すると、 極めて大きい。 作動時、 凝縮部における放熱がスムースに行われる場合には間題 ないが、 加熟の熱量が、 放熟の熱量を大幅に上回る場合 には、 容器材料が柔軟であることより、 容器が大きく膨 れ、 破裂する危険性もある。 これを防ぐためには、 容器 の内部圧力を、 1気圧以下に調整しておくと良い。 Ί気 圧以下に調整することによって、 作動流体の沸点を下げ、 液体の沸騰が起こっても、 容器の内部圧力を 1 気圧以下 に保ち、 容器の破壊を防ぐことができる。 このことはさ らに、 蒸発部の温度が作動流体の Ί 気圧での沸点以下の 温度であっても、 作動流体の気化を起こさせ、 熟伝達機 能を発揮させることができる。

この時の容器の体積増加は、 内部を減圧しない場合に 比べると僅かであるが、 本発明の特徴である、 作動流体 の気化に伴う容器の体積の増加が起こることには変わり ない。 ただし、 減圧の程度によっては、 大気圧に大きく 打ち勝つ必要があるため、 作動流体による蒸気空間量が 小さく、 容器内部での気体の移動がスムースに行えず、 伝熱の効率が低下することがある。 これを防ぐためには、 あらかじめ、 容器内部に減圧状態にある蒸気空間を形成 せしめておくことが肝要である。 すなわち、 容器内部に 適当なスぺーサーを内包させておき、 その上で内部を減 圧することことによって、 Ί 気圧以下の蒸気空間形成せ しめるものである。 この時も、 本熱伝達構造体の非使用 時すなわち非作動時には、 容器内部の圧力はその環境温 度に従った作動流体の気体の蒸気圧が保持されているた め、 作動時には、 本発明の特徴である、 作動流体の気化 に伴い、 蒸気圧の増加によって、 容器の体積の増加が起 こることには変わりない。

本発明による熱伝達構造体は、 柔軟性に富むため、 人 体周辺の熱伝達にとって特に有効である。 人体から違和 感なく適当な放熟を行うことにより、 体温をある温度に 保ち、 周辺温度による不快感および消耗を防ぐことがで きる。

発明を実施するための最良の形態

本発明でいう密閉容器とは、 作動流体、 あるいは作動 流体を吸着または捕獲する性質を有する素材、 あるいは スぺーサーを内包するためのものであり、 密閉できれば 筒状に限らず、 任意の形態を還ぶことができる。 容器の 形態は、 図 Ί 、 2、 3に示したように偏平のチューブ形 態、 二枚のフィルムの両端を熱接着した形態、 一枚のフ イルムを折り曲げ片端を熟接着した形態など、 熟伝達構 造体が非作動時に作動流体を充満あるいは拡散しやすい 形態であればいずれであっても良い。 さらには、 パイプ、 中空繊維等の構造でも良い。 つまり、 作動流体の気化に 伴って蒸気空間が増加するものであればいずれであって も良い。 特に該容器をシー 卜状 （偏平） にすれば非常に 薄く柔軟性に富むものができるなどの利点がある。

密閉容器の内壁に溝を形成すると、 例えば密閉容器の 長手方向に細い溝が並んでいるものは、 非作動時に作動 流体が分散しやすいとともに、 作動時の作動流体の還流 も助けることができる。

本発明に適用する容器は、 長手方向に変化のあるもの、 すなわち、 断面形態や断面積に変化のある容器であって も差し支えない。

ここで密閉容器の構成材料である高分子フイルムおよ び、 又は高分子材料と無機物の複合されたフィルムから なるシー 卜状物における、 高分子フィルムあるいは高分 子材料とは、 ポリエステル、 ポリアミ ド、 ポリオレフィ ンなどのポリマ一材料のことであり、 ガスバリヤ一性と、 作動流体との適合性、 すなわち後述の作動流体に対する 非溶解性を有するものであれば適用可能である。 例えば、 ポリ ビニルアルコール系、 ポリエステル系、 ポリアミド 系などの樹脂シー 卜があげられる。 好ましくはポリ塩化 ビニリデン、 ポリ ビニルアルコール、 ナイロン、 あるい はエチレン—ビニルアルコール共重合体などガスバリヤ 一性の高分子フィルムが良い。

かかる高分子フィルム、 高分子材料は、 それぞれ単独 で適用可能であるが、 これらを 2種以上併用した複合シ 一 卜が所望のシー 卜特性すなわち、 ガスバリヤ一性と熱 接着シール性、 あるいは使用時の強度保証が得られ易く 好ましい。 例えば、 強度の高いポリエステルとガスバリ ァー性の良いポリオレフインなどの樹脂同志のラミネー 卜またはコーティングならびにそれらの併用物などの複 合シー 卜がガスバリヤ一性、 接着性、 耐久性の優れたも のとして適用できる。 さらに、 前記好ましいガスバリヤ 一性を有する高分子フィルム同志の複合シー ト、 具体的 には、 ポリ塩化ビニリデン、 ポリ ビニルアルコール、 ポ リアクリ ロニ卜リルのようなガスバリヤ一性の良いフィ ルムと、 ガスバリアー性、 接着性共に優れた高分子フィ ルム、 例えば、 エチレン一ビニルアルコール共重合体な どとの複合シー 卜が好ましく適用される。 さらに、 例え ばガスバリヤ一性の良いエチレン一ビニルアルコール共 重合体のシ一卜に接着性の容易なポリエチレン等をラミ ネー 卜したもであっても良い。

一方、 高分子材料と、 無機物とからなる複合シードは、 前記高分子フィルムからなるシートに A i 、 Ζ η θ2、 Τ i O2などの金属やセラミックなどをコーティングあるい は蒸着し、 ガスパリヤー性の機能をさらに付与したもの、 である。 かかる蒸着複合シー卜の場合には前記ガスバリ ヤー性の良好なフィルムにも当然適用できるが、 ガスバ リヤー性のやや低い高分子フイルムも適用することがで きる。 かかる高分子フィルムしては、 たとえば、 6ナイ ロン、 ポリ塩化ビニル、 高密度ポリエチレンやボリェチ レンテレフタレー 卜シー 卜があげられる。

さらに複合シー卜としては、 前記高分子フィルム同志 のラミネ一 卜等の複合の他に、 前記高分子フィルムから なるシー トと上記金属やセラミックのコーティング、 あ るいは上記蒸着したフィルムをラミネー トするなどの複 合も含まれる。

本発明でいう複合シー 卜状物とは、 板状、 フィルム状 のいずれをも包含するが、 通常フィルム状物を意味する。

また、 容器の形態が、 パイプ、 チ： L—ァ、 中空繊維の 場合であっても、 フィルム状物の項で記述した複合化の すべてが対応できる。 特にこの場合は、 高分子材料と無 機物の複合において、 無機物を、 顆粒状、 フイラ一とし て混入し、 パイプ、 チューブ、 中空繊維として、 成形、 紡糸した材料を用いることもできる。

本発明でいう作動流体とは熟を運ぶ媒体であって、 密 閉容器を構成する高分子フィルム、 高分子材料の使用可 能温度範囲内で作動するものが選択される。

かかる作動流体は、 気体一液体の相変化を惹起する媒 体であって、 たとえばァセ卜アルデヒド、 イソペンタン、 エタンチオール、 塩化イソプロピル、 ペンタン、 ギ酸メ チル、 ジェチルェ一テル、 ジクロロメタン、 ジブロモジ フル才ロメタン、 臭化工チル、 テ 卜ラメチルシラン、 卜 リクロロフル才ロメタン、 卜リフロロ酢酸無水物、 卜リ フロロ齚酸メチル、 t -ブチルァミン、 ヨウ化メチル、 硫 化ジメチル、 等の媒体があげられる。 これらはフレキシ ビリ ィティーの特に要求される人体周辺の温度環境にお いて、 作動させることがでる。 さらにメタノール、 ァセ 卜ン、 エタノール、 ギ酸ェチル、 水などの 2 0〜 Ί Ο Ο でに気体一液体の相変化を及ぼす点を持つ物質であれば 減圧下において、 低い温度でも作動させることができる。

これらの他にも二硫化炭素または水、 アセ トン、 エタ ノール、 ギ酸など上記媒体と他の媒体との混合媒体、 具 体的には、 二硫化炭素 アセ トン， 二硫化炭素ノエタノ ール， 二硫化炭素/ギ酸， 二硫化炭素 Ζギ酸ェチル， 二 硫化炭素 Ζギ酸メチル， 二硫化炭素 酢酸メチル， ニ硫 化炭素 Ζシクロペンタン， 二硫化炭素 臭化工チル， 二 硫化炭素ノ ブチルアルコール， 二硫化炭素 2 -プロパ ノール， 二硫化炭素 ペンタン， 二硫化炭素ノメタノー ル， 水 ペンタン， アセトン Zイソペンタン， アセトン, シクロペンタン， ァセ卜ン Zイソペンタン， アセトン/ シクロペンタン， ァセ卜ン/ペンタン， エタノール Zィ ソペンタン， エタノール Z塩化イソプロピル， エタノー ルノシクロペンタン， エタノール/ペンタン， ギ酸イソ ペンタン， ギ酸 Z塩化イソプロピル， ギ酸ノ臭化イソプ 口ピル， ギ酸 Z臭化工チル， ギ酸 Zペンタン， ギ酸/ョ ゥ化メチル， ギ酸ェチル イソペンタン， ギ酸ェチル 2 , 3-ジメチルブタン， ギ酸ェチル Zペンタン, ギ酸メチル Zジェチルエーテル， ギ酸メチル Zペンタン， ギ酸メチ ル Z硫化ジメチル， ジェチルエーテル Zペンタン， 1 -1 ロパノールノペンタン， メタノール Zイソペンタン， メ タノール Z塩化イソプロピル， メタノール Z塩化 t -プチ ル， メタノールノ塩化プロピル， メタノール Z臭化工チ ル， メタノール Z臭化プロピル， メタノールノペンタン 水 Z二硫化炭素ノアセ卜ン， 水 Z二硫化炭素 Zエタノー ル， エタノールノベンゼン Zヘプタン， ギ酸メチル Zジ ェチルエーテル/ペンタンなどの単体および混合物で気 体一液体の相変化をおよぼす点を 2 0〜4 5 °Cの間に持 つ物質も使用される。

ここで、 2 0〜4 5 °Cという温度範囲は、 人間の生活 環境下において体験できる温度範囲であり、 この温度範 囲で作動し熟伝達を行なう構造体は、 人体から適当な放 熟を行ない、 体温をある温度に保っための重要な因子で ある。. 一方、 容器と作動流体との関係は、 作動流体が容器材 料を浸蝕しなければ良く、 例えば、 イソペンタンが作動 流体の場合、 ポリ ビニルアルコールの容器などが望まし い。 その他にも多くの組合せがある。

容器の内部に作動流体を吸着または捕獲する性質を有 する素材、 例えば発泡体、 微多孔性素材、 繊維材料など やこれらに更に吸着性を増大させる加工剤を処理して付 与した素材などを装填せしめると、 非作動時に作動流体 が拡散しやすいとともに、 作動時の作動流体の蒸発や還 流も助けることができる。 容器の内部に装塡する繊維材 料としては編織物、 不織布などの繊維構造物や、 極細鐡 維、 多孔質繊維などの特殊繊維、 または、 衣料用の一般 繊維などである。 例えば、 マルチフィラメントを撚糸し た糸の集合体であっても良いが、 特に好ましくは、 液体 保持能力の良い不織布が望ましい。 前記繊維材料として は、 例えぱ、 ポリエステル、 ポリアミ ド、 ポリオレフィ ンなどの合成繊維であっても良い。

本発明でいうスぺーサ一とは、 密閉容器内を、 作動流 体の 1 気圧以下である蒸気空間を形成せしめるための構 造体であり、 柔軟ではあるが、 容器外圧でつぶれること がなく、 外気圧 （ 1 気圧） がかかっても蒸気空間 （減圧 状態にある空間〉 を形成することができるものが選択さ れる。 かかる空間が存在すれば、 Ί 気圧の沸点以下の温 度でも、 液体の蒸発と移動がスムース起こり、 気化熟を うばえる。 本発明のかかるスぺーサ一としては、 たとえば、 フッ 素系、 シリコン系或いは、 ポリエステル系、 ポリアミド 系、 ポリオレフイン系等のチューブ、 パイプ類、 さらに は、 前記容器内部に作動流体を吸着又は捕獲する性質を 有する素材で代用することもできる。 例えば、 合成繊維 等からなる不織布、 編み物、 ネッ 卜類、 さらには、 P V D F等耐薬品性のある多孔質類などが適用できる。

また本発明の容器の内側表面に、 凹凸形状を与えたも のでも、 スぺ一サ一として適用することもできる。

本発明において、 容器内を Ί 気圧以下にする方法とし ては、 まず容器に作動流体を投入する。 その後、 容器の 特定部分から真空ポンプを使用し、 容器内の気体を抜い て Ί 気圧以下に調整し、 適当な内圧になった時点で特定 部分を溶融接着等の方法で封止する方法が適用できる。

特定部分とは容器内圧を Ί 気圧以内にするための装置 を接続して液体を容器に入れた後で空気を抜く部分のこ とである。

適当な内圧とは、 例えば n-ペンタンの場合では Ί 気圧 で 3 6 で沸騰するが、 3 0 °Cで沸騰させるには 0 . 1 7気圧まで減圧すればよく、 人体表面温度で沸騰しても 外気圧 （ Ί気圧） のほうが強いため、 容器が大きくふく らみ、 破裂することはない。

本発明の柔軟な熟伝達素子の使用方法としては、 蒸発 部での冷却作用、 あるいは凝縮部での加熱作用を活用す るものであり、 熟をを移動させたいところでの利用が基 本である。 その応用の一つとして、 本発明の熱伝達構造 体を単独で使用するだけでなく、 蒸発部での糸状発熱体 面状発熱休、 蓄熱剤の併用、 凝縮部での冷却剤などとの 組み台わせた使用方法がある。

本発明の用途としては、 熱移動が求められるところで あればいずれであっても良いが、 例えば、 織物、 シ一 卜 べス卜、 風呂、 枕、 ヘルメ ッ 卜、 コタツ敷き、 はちまき ソファー、 車用シー 卜、 ベル卜、 胴巻き、 電子機器の冷 却、 靴、 力—ぺッ 卜、 氷のう、 手袋、 防塵服、 帽子など に付属せしめて使用されると良い。

[実施例 1 ]

本発明の実施例を第 4図に示す。 エチレンービニルァ ルコール共重合体フィルィムからなる容器 1 の内部に不 織布 2が挿入されており、 作動流体 3が容器および不織 布内に充満している。 前記の如くにしてなる構造体にお いては、 軽量で可撓性のある材料で容器が形成されてい るため、 比較的自由に形態を変化させることが可能であ り、 人体から効率よく違和感もなしに吸熱でき、 人体に 涼しいなどの感覚を与えることができる。 又、 非作動時 には大きな蒸気空間を形成していないため、 従来からの 周じ原理で熱を移動させる構造体に比べ、 非作動時の構 造体の占める体積は非常に小さいものになっている。 更 に、 揷入されている不織布のために、 蒸発や環流も円滑 なちのになつている。

[実施例 2 ] 容器材料として、 エチレン一ビニルアルコール共重合 休と、 ポリエチレンのラミネー 卜フィルムを、 又スぺー サ一として、 ポリエステル不織布、 作動流体として、 n- ペンタン （ Ί 気圧での沸点は 3 6 ^eC〉 を使用し、 容器内 圧が 4 5 O mmHgになるまで内部を減圧したのち、 容器を 密封して本発明の熱伝達構造体を作成した。

このとき 3 0 °0の環境では容器の内部体積の 3 0 %が 流体によって占められ、 残りが n-ペンタンの蒸気空間で あった。 環境が 3 CTCであるため、 容器内は Ί気圧以下 に保たれている。 この熟伝達素子を 3 5 °0の皮膚温であ る手のヒラに接触させたところ、 容器のふくらみは極僅 かであるが、 手のヒラは非常に冷たく感じた。 この時の 皮膚温は 3 2 . 2 °Cに保たれていた。

図面の簡単な説明

第 Ί 図、 第 2図、 第 3図は本発明に係る熟伝達構造体 に用いられる容器の Ί例を示す断面図、 第 4図は実施例 での熟伝達構造体の断面図である。 さらに、 第 5図は、 容器内部に、 スぺーサ一が揷入された熟伝達構造体の断 面図の例である。

Ί ： 容器材料 2 ： 不轔布 3 : 作動流体

4 ： スぺ—サ一

Claims

請求の範囲

. 作動流体と該作動流体を封入するための容器から なる熟伝達構造体において、 非作動時には該容器内が作 動流体で充満された状態にあり、 作動時には作動流体の 気化に伴って該容器の体積が増加し、 蒸気空間が形成さ れることを特徴とする柔軟な熟伝達構造体。

2 . 特許請求の範囲第 （ Ί ) 項記載の熟伝達構造体に おいて、 該容器内に該作動流体を吸着又は捕獲する性質 を有する素材を装填せしめたことを特徴とする柔軟な熱 伝達構造体。

3，. 特許請求の範囲第 （ 2 ) 項に記載の熱伝達構造体 において、 作動流体を吸着又は捕獲する性質を有する素 材が、 繊維材料であることを特徴とする柔軟な熱伝達構 造体。

4 . 特許請求の範囲第 （ 3 ) 項に記載の熟伝達構造体 において、 繊維材料が不織布であることを特徴とする柔 軟な熱伝達構造体。

5， 特許請求の範囲第 （ Ί ) 項から第 （ 4 〉 項のいず れかに記載の熟伝達構造体において、 作動流体が 2 0 - 4 0 °Cの範囲内に気体一液体の相転移点を持つことを特 徴とする柔軟な熱伝達構造体。

6 . 特許請求の範囲第 （ Ί ) 項から第 （ 5 ) 項のいず れかに記載の柔軟な熟伝達構造体において、 容器が高分 子フィルムおよび、 又は高分子材料と無機物の複合され たフィルムからなるシー 卜状物であることを特徴とする 柔軟な熟伝達構造体。

7 . 特許請求の範囲第 （ 6 ) 項に記載の熱伝達構造体 において、 高分子フィルムおよび Z又は高分子材料と無 機物の複合されたフィルムからなるシー卜状物で構成さ れた密閉容器に作動流体およびスべ一サ一が内包されて おり、 かつ該容器内部の圧力が Ί気圧以下に調整されて いることを特徴とする柔軟な熟伝達構造体。

8 . 特許請求の範囲第 （ Ί 〉 項から第 （ 7 〉 項のいず れかに記載の熟伝達構造体において、 容器の内部表面に 凹凸の溝が形成されていることを特徴とする柔軟な熟伝 達構造体。

9 . 高分子フィルムおよびノ又は高分子材料と無機物 の複合されたフィルムからなるシー卜状物で構成された 密閉容器に、 作動流体およびスぺーサーを充塡した後、 該容器内を Ί 気圧以下に減圧することを特徴とする柔软 な熟伝達構造体の製造方法。