JP4708355B2 - 太陽電池により、アクティブ熱制御をし、自律発電する衣料 - Google Patents

Description

この開発に関しての特許が多く存在する。衣料に熱電効果を使った加熱方法について関連するいくつかの文献には、国際公開第０３／０５９０９９号パンフレット、欧州特許第１１９７７２２号明細書、米国特許出願公開第２００１／０４７９９２号明細書、米国特許第５８９３９９１号明細書、米国特許第５６４３４８０号明細書、欧州特許第０２８７２９４号明細書、米国特許第４７０５９３５号明細書、仏国特許発明第２５７７３９０号明細書、米国特許出願公開第２００３／００６２２９号明細書、および米国特許第４４０４４６０号明細書があり、固体と液体燃料について述べているＦＲ２７５２３６３号明細書、太陽アレイについて記述しているＦＲ２５７７１１６号明細書、“小”樹枝状（ｍｉｃｒｏｄｅｎｄｒｉｔｉｃ）太陽熱集熱器を利用する米国特許第４５３９７１４号明細書などがある。その他、衣料の冷却プロセスに関しての文献があり、独国特許発明第１９７５５１８１号明細書、独国特許発明第１９７４９４３６号明細書はフレキシブル・ストライプについて述べている。そして、適切な素材を含む英国特許第２３５２３８５号明細書、米国特許第６１２５６４５号明細書、米国特許第５２８９６９５号明細書、および米国特許第５１１１６６８号明細書がある。国際公開第０２／０６７７０７号パンフレット、米国特許第６２５７０１１号明細書、仏国特許発明第２７１９８９２号明細書、そして米国特許第５２１７４０８１号明細書は、送風機による強制換気を記述している。米国特許第５４３８７０７号明細書は送風機と圧縮空気を利用している。米国特許第６１３４７１４号明細書、米国特許出願公開第２００２／０７３４８１号明細書、米国特許出願公開第２００２／０６９４４８号明細書、仏国特許発明第ＦＲ２７５６７０９号明細書、米国特許第５４１５２２２号明細書、そして米国特許第３７３６７６４号明細書は液冷媒を使用する。米国特許第５７５５１１０号明細書と独国特許発明第２００１１３３１号明細書は熱交換装置について触れており、米国特許第５３８６８２３号明細書は、通気性保温スーツについて説明している。さらに、独国特許発明第１９７４５８８９号明細書は、ペルチエ電池と冷却、温熱のマトリクス抵抗を含んでおり、米国特許第５６０３６４８号明細書は付属品つき安全チョッキ（ｓａｆｅ−ｖｅｓｔ）を明記している。

この発明は、アパレル部門、つまり、インリジェント・ウェア（ｉ−ｗｅａｒ）として知られている開発部門に含まれる。この発明は、普通の天候条件だけでなく、厳しい環境でも対応できる、衣類における自動温度調節をするシステムや方法に関する。さらにこれは、これらの衣類に電気を供給する特殊な方法にも関連している。

この発明は、アクティブ熱制御力を持ち、太陽電池で自律機能する衣料についてであり、これは普通の天候条件だけでなく、厳しい環境向けにもデザインされている。ここで「自律」と称するのは、電気のプラグや電力線などはいらず、携帯ができ、衣料そのものが電力を起こして機能することを保障しているからである。さらに、「アクティブ熱制御」というのは、衣類内で熱と冷気を両方生じさせ、外部の状況や使い手の必要性によって、衣料の内部の温度をコントロールすることができる、という意味である。

現在のところ、衣類の温度調節をできるいくつかの方法があるが、それらは二つのカテゴリーに分けることができる。温熱方法と、冷却方法である。しかし、この二つのカテゴリーを同時に持ち合わすものは、非常に少ない。

ａ）温熱する衣料
一般的に、衣料の中に温熱するシステムが埋め込まれている場合、衣料に熱を与えるため、熱電効果を使っている。電池や電力線を使った電流が、衣料に埋めこまれている抵抗器で熱に変わるものは、主にジャケットや毛布がある。この技術は、国際公開第０３／０５９０９９号パンフレット、欧州特許第１１９７７２２号明細書、米国特許出願公開第２００１／０４７９９２号明細書、独国特許発明第１９８３５９８４号明細書、米国特許第５８９３９９１号明細書、米国特許第５６４３８０号明細書、欧州特許第０２８７２９４号明細書、米国特許第４７０５９３５号明細書、仏国特許発明第２５７７３９０号明細書、米国特許出願公開第２００３／００６２２９号明細書、そして米国特許第４４０４４６０号明細書にある。上記の多くのものは、特殊な素材や幾何学を使用し、生じさせた熱を保つ方法を含んでいる。仏国特許発明第２７５２３６３号明細書は、エンジンに使用する固形と液体燃料で温める方法を述べている。米国特許第６４３９９４２号明細書と仏国特許発明２５７７１１６号明細書は、太陽電池による電力抵抗器で温熱する衣類を記述している。米国特許第４５３９７１４号明細書や、これに含まれるその他の特許では、衣料を率直に温める“小”樹枝状（ｍｉｃｒｏｄｅｎｄｒｉｔｉｃ）太陽熱集熱器の使用について登録している。

ｂ）冷却する衣料
すでに特許を取っている冷却する機能のある衣料は、冷感を出すために様々な技術を結合させている。それには形状、生地、特殊素材、自然又は強制換気、冷却液体や蒸発作用などがある。独国特許発明第１９７５５１８１号明細書と独国特許発明第１９７４９４３６号明細書は自然換気をさせるフレキシブル・ストライプとの取り合わせを述べている。適切な素材での冷却、汗の除去、そして蒸発については、英国特許第２３５２３８５号明細書、米国特許第６１２５６４５号明細書、米国特許第５２８９６９５号明細書、そして米国特許第５１１１６６８号明細書で記述されている。一方、国際公開第２０／６７７０７号パンフレット、米国特許第６２５７０１１号明細書、および米国特許第５２１７４０８号明細書では強制換気の方法で登録しており、これは、電池や電力線に直接差し込むことで起動する小送風機を使用している。米国特許第５４３８７０７号明細書は、圧縮空気での冷却と送風機を同時に使用している。米国特許第６１３４７１４号明細書、米国特許出願公開第２００２／０７３４８１号明細書、米国特許出願公開第２００２／０６９４４８号明細書、仏国特許第２７５６７０９号明細書、米国特許第５４１５２２２号明細書、米国特許第５２６３３３６号明細書、そして米国特許第３７３６７６４号明細書は、衣料に埋め込まれたパイプの中に冷媒を使うシステムを記述しており、これは蒸発による冷却方法である。米国特許第５７５５１１０号明細書は熱を吸収する特殊素材を使う方法を明記しており、独国特許発明第２００１１３３１号明細書は、必要性により、熱を蓄えたり逃したりできる特殊な性質を持った繊維の生地の使用を述べている。最後に、米国特許第５３８６８２３号明細書は、マスク付の換気性スーツに関してだが、これは携帯性には優れていない冷却機器につながる。

ｃ）温熱と冷却システムをもつ衣料
冷却と温熱のシステムと方法に関する特許やその他の記録は数多くあるが、我々の知識の範囲内では、そのどちらもの技術を一つの衣料に持ち合わせるものは、一つだけである。独国特許発明第１９７４５８８９号明細書は、冷却のためにペルチエ素子を、温熱のために、電力線や摩擦車、発電機や電池で動かすプロペラなどの電源に繋げられた、マトリクス抵抗を示している。

ｄ）その他の出願
多くの記録が、温熱や冷却の製品について言及しているが、いくつかの衣料が、その他の目的のための付属品を含んでいる。米国特許第５６０３６４８号明細書は、発熱電池で起動する抵抗器や太陽電池によって働く工学繊維とＬＥＤ、その他の信号機能やサバイバル装置付属品を持つ安全チョッキを記述している。この成果は、救助活動やその他の危険な仕事には、特に役立つものである。

ｅ）自律発電
市場に出ている多くの自律システムは、熱か冷却のどちらかを発生させるだけであり、同じ衣料に埋め込んで、その両方の結果は出さない。ほとんどのこのシステムのものは、電力線に常につながれたものか、そうでなくても、多少の自律電力を起こす電池を持つ小型の衣類系商品があるくらいだろう。このように、電力線につながれている方法は、携帯できず、電池も低い自律力しか持っていない。すなわち、自律発電する衣料は、大きく重い電池を取り付けるか、非常に電力が低い電池が必要になる。これは、特に、熱の効率が低い冷却などの、熱制御ユニットの使用を妨げることになる。
いくつかの小型衣類は、抵抗器に電力を送り込むために太陽電池や電気収集器を使っているが、それは衣料を温熱するために使われている。

ｆ）自動温度制御
衣料の内部の温度を調節する方法はいくつかあるが、そのほとんどが、受動的方法を取っている。フレキシブル・ストライプを適応させるような、温熱と冷却の流れをコントロールする仕組みもいくつかあるが、もっとも一般的な方法は、熱と冷気を常に解放するやり方である。しかしながら、より効果がある方法は、サーモスタットを用いることで、これは、熱と冷機の流れをコントロールするための温度装置をオンにしたりオフにしたりして温度を加減するものである。現在の時点では、これらの調節装置は、熱源をオンかオフにスイッチを変えるだけなので、複雑な演算法は必要としていない。しかし、このアクティブ温度制御のシステムの開発により、衣類の中の熱と冷気のより効果的な操作が可能になる。

ｇ）結論
現在、衣料における温熱や冷却に関する解明や方法は数多くあり、それは多数の特許やその他の公開物を見ても、明らかである。しかし、これらの解明は、いくつかの共通した弱みがある。
衣料内の、温度調節における、もっとも重要な制約は、発電にある。なぜなら、ある程度の量の電力があるシステムのものは携帯できないし、自律性のシステムのものであっても、生じさせる電力はむしろ小さいからである。
多くの市場に出ているシステムは、冷却か温熱機能を持っているが、一つの衣料の中にそのどちらもの機能の提供はしておらず、それは主に電力の制限のせいである。
衣料に冷却と温熱の両方の機能を含むには、さらに効果的な温度調節の管理が必要である。
これまでに登録された全てのシステムと方法は、以下の特徴を同時には供給していない。それは、自律発電、自動温度制御、冷却と温熱サイクル、そして携帯性である。

この発明では、携帯性と自律性の両方の制限を減らし、同じ一つの衣類の中で、温熱と冷却の温度サイクルを使用可能にする。この発明での主要な目標の一つは、これらの制限を、大幅に重量を増やすことなしに、解決することである。さらに、この開発で、より効果的な温度配分と電源の管理方法を予期している。

衣類に関する標準的な出願は、次のようなものを含む： 太陽電池、電池、冷却装置、温熱装置、アクティブ温度制御機、配線グリッド、および補助装置。

太陽電池は、フレキシブルな基板で組み立てられており、特殊なフィルターや光学要素も含まれる。太陽電池は、プラスティックのカバーに埋め込まれた２枚の薄い金属性ホイルに挟まった、高価ではないシリコンのビードで作られた、フレキシブル基板を用いる。この金属製シートは、素材を強くすると同時に、電気接点ともなる。さらに、この最大の光と電気効率を与える波長は、様々な異なる放射源に適するように、効果的に変化させることもできる。それゆえに、太陽放射だけでなく、蛍光性のランプや炎など、その他の源（ｓｏｕｒｃｅ）も、使うことができるのである。

衣料における電池の使用は、電力を蓄えるためだけでなく、電力過度が太陽電池に起こった場合に、電力安定を供給する上でも便利である。新しい技術は、非常に薄いフレキシブル電池を発達させ、それを並行に配置させることによって、その電力を２００Ｗｈ／ｋｇ以上に増加させることができる。さらに、薄い電池は簡単に形を変えることができるので、衣料内の重さの配置調節が可能になり、フレキシブルな基板は人間にあった形にもすることができる。

冷却のために使用されるデバイスは、様々な技術を用いている。ペルチエ電池は、２種類の異種な金属でできており、直流電圧の閉路への適応は、２種類の金属の接合点での温度の変化を上昇させることができる。ペルチエ電池は、動くパーツをもたず、重さは軽く、あらゆる方向に使うことができる。さらに、積み重ねることによって、さらに温度の範囲を広げることができるかもしれない。ミニチュア化した成績係数（ＣＯＰ）が「〜４」の圧縮冷却機は利用可能である。従って、蒸気圧縮サイクルは、衣料に冷却過程を与え、非常に効果的な方法である。加えて、薄いフレキシブルなパイプを使用することで、衣料のあらゆる部分に熱の流れを配置することができる。

衣料に熱を与えるもっとも効果的な方法は、抵抗器を使うことで、電気エネルギーを熱に変えることである。配線、柔軟性の高さ、そして電気抵抗器の軽さが、衣料の内部に熱を生じさせる、より適切な要素になる。

衣料内のより適切な熱制御は、アクティブ装置により行うことができる。その主な理由としては、オン／オフのシステムは、冷却と温熱のサイクルを両方使う複雑なシステムでは、効果的ではないからである。さらに、この文書で提案しているアクティブ熱制御は、人間の活動、外部の環境、そしてあらかじめ調節された状況でも使える。ゆえに、熱制御器に、精密な演算法を使用することができる。

配線は、重要なポイントである。たとえ太陽電池、電池、抵抗器、そしてパイプが高いフレキシブル製を持っていても、人間の間接部分など、衣料の接合には、重圧や耐え具合などを、研究することが必要である。

衣料内でいくらかの電力が使用できるために、ラップトップ、携帯電話、音声読み取り機、そしてその他の低い電力を使う電化製品用の補助プラグも取り付けることができる。

この発明は、太陽電池により、アクティブ熱制御し、自律発電する衣料についてである。

基本的な構成では、このシステムは、一枚、または数枚の衣料、太陽電池１、電池２、抵抗回路３、冷却機４、そして自動熱制御機６を含む。このシステムは、衣料の温熱と冷却に使われる、抵抗、冷却機と、ペルチエ電池５も含む。ペルチエ電池は、電池の中で流れの方向を変えることによって熱を発生させたり取り除いたりできるので、衣料はより多彩な目的で使われることができる。太陽電池は、電磁放射を電化製品に使われる電力に変えることができる。抵抗器と冷却パイプ７の配置は、衣料内の熱を生み出したり取り除いたりし、人間の必要性に応じて調節できる。熱ユニットの使用は、代謝活動、天候条件、呼吸可能な素材の性質、あらかじめ使い手によって設定された数値など、衣料内の温度を選ばれた範囲内で保つことを確実にする。さらに、ある特定の演算方で、熱制御機を分析し、衣料内の温熱と冷却をすることができる。この電池は、このシステムでは二つの目的を持っている。一つは、電気製品内に強い変動がある場合、電力消費を安定させること、そして二つ目は、放射レベルが低い、又はない時のために、電力を蓄えたり、余分な電力を供給したりすることである。

ａ）太陽電池
太陽電池は放射を吸収し、電力に変え、これが装置に送られる。発電電力もまた、電池に蓄積することができる。太陽電池は衣料の外側につく能動層であり、柔軟性があり、長時間曲げ伸ばしをしても耐えられるものでなければいけない。さらに太陽電池は、良質の配線をもたなければならない。
太陽電池は、外気での変質を避けるために、光学の外層で覆われていなければならない。その層は、薄く、柔軟性があり、放射が透けて見えるものである。
太陽電池の全体の発電電力は、熱電器に十分な電力を供給するため、１０％以上になるであろう。この数値は、フレキシブル太陽電池にとって、最先端の効率となる。
太陽電池は、使用できる面を最大にするために、衣料の外層を可能な限り、広く覆う。しかしながら、肩、ひじ、ひざなどの関節部分は太陽電池を痛める恐れがあるので、衣料の、頻繁に曲げ伸ばしをされる場所は、太陽電池で覆わない。特殊配線が、全ての装置の電力配置と信号制御を供給する電力母線コネクタと、全体のグリッドの太陽電池を総合接続するのに使用される。

ｂ）電池
電池は太陽電池や電力線によって供給された電力を蓄える。電池の主な役割は、電力の蓄積と、電力の安定である。
この電池は、薄く、軽く、柔軟性があり、再充電ができ、時間が経っても曲げ伸ばしに負担がかかりにくいものではなくてはいけない。この最新のフレキシブル電池は、最高２００Ｗｈ／ｋｇで、最低３時間の温熱、冷却が自律してできる。この電池層は、衣料の中に埋め込まれ、曲げ伸ばしの能力の程度は太陽電池と同じである。電池は、全ての装置の電力配置と信号制御を供給する電力母体コネクタにつなげられる。

ｃ）温熱回路
この衣料は、熱を供給する二つの異なったシステムを持っている。抵抗器の使用は、衣類を温熱する最も効果的な方法である。二つ目のシステムは、ペルチエ電池である。
抵抗器は、薄く、柔軟性があり、軽くなければならない。さらに、時間が経っても曲げ伸ばしの負担がかかりにくく、良質な配線コネクタを持たなければならない。衣料内に、適切な熱が送られるために、この配線グリッドと抵抗配置が選ばれた。そして、必要性に応じたバランスで配置を行うことができるように、いくつかの抵抗器セクタは熱をそれぞれ独立的に供給することができる。例えば、この技術で、胸、腕、足の熱の配分を差別化できる。抵抗器層は、この衣料に埋め込まれ、また布地自体にも直接入れ込むことができる。
ペルチエ電池は、温熱と冷却両方に用いられ、衣料にも埋め込んで使用できる。この性質は、衣料の高い熱慣性が問題の場所に、役立つ。しかし、ペルチエ電池は抵抗器より重さがあるため、衣料に適切な重さのバランスで配置される。
抵抗器とペルチエ電池は、全ての装置の電力配置と信号制御を供給する、電力母体コネクタにつなげられる。

ｄ）冷却回路
高いＣＯＰを持つミニチュア化した冷却回路は、衣料に冷却システムを与える適切な方法である。薄くて柔軟なパイプの使用で、衣料の内部の効果的な温度配置ができる。異なる大きさのパイプとその配置で、パイプの中に異なる液体を流し、バルブを使用することで、その場に応じた冷却配置ができる。
冷却回路システムは、全ての装置への信号制御と電力配置を供給する電気母体コネクタにつながれる。

ｅ）温度制御
今までに、衣料の温度制御に使われていたシンプルなサーモスタット装置は、オン・オフだけの簡単な制御であったため、さらに進歩したシステムの使用には、便利ではあるが、不十分であった。したがって、プログラム可能なマイクロ制御機が使われる。温度管理には、センサー信号や、セッティングする使用者、フィードバックの状態、装置の性能のモニターチェックなどの、重要な入力を含む。
衣料の温度、外部の環境、使い手の体温をモニターチェックする温度センサー（例：熱伝対）の使用により、有効な情報が得られる。
人体における熱の流れの生成と分配を記述したモデルが含まれる。熱の流動レベルは、体を動かす活動、天候などの、生理学上パラメーターをもとに機能する。
センサー、装置の状態、活動、天候、そしてあらかじめセットされた条件などの全ての情報を処理するために、特殊な演算方（アルゴリズム）が使われる。この演算方は、衣料内の温度の測定と分析、温熱と冷却機の制御、セットされた快適な温度状態の維持をするマイクロ制御機に使われる。このマイクロ制御機は、全ての装置と付属品を管理し、電力配置、衣料を調節する信号を供給する電気母体コネクタにつなげられる。

ｆ）その他の適用
衣料に用いられる電力は、その他の目的にも使われる。特に、ラップトップ、読み取り機、位置方式、携帯電話、デジタルカメラ、信号、警報装置などの小型電気製品用である。このような小型電気製品は、全ての装置に電力を配置する電流母体コネクタにつなげられる。

ｇ）結論
この発明は、以下の独特な特徴がある。
１、衣料における、冷却と温熱回路、自動熱制御を含む。
２、太陽電池は、冷却と温熱装置に使われる。
３、衣料は太陽電池以外にも、火炎放射などの、その他の分光源でも使用可能である。

現在までに特許を取得した方法では、次の特徴を同時に供給することができない： 自律電力、自動温度制御、冷却と温熱回路、および携帯性。現在入手可能な冷却衣料は、電力を供給するために太陽電池を使用していない。この温熱のために太陽電池を使う二つの入手可能なシステムは、太陽放射のみを使用している。現在温度制御をする全ての方法は、温熱か冷却機のどちらかだけを用いており、同じ衣類にその両方を持ち合わせているものはない。

温熱と冷却アクティブ温度制御を同時に行うこの発明は、様々な天候条件に対応し、またジャケットやユニフォーム（図１、図２参照）などの、異なったタイプの衣類にも使用できる。この方法は、太陽放射がない場合も、ランプなどの人工的照明があれば働く。特に有効的なのは、火炎放射でも電力に変わることであり、これは消防士のスーツを冷却するのに使用できる。

衣類には、外部の天候条件のモニター・センサー、交信、測位装置、発光、発音する信号機を取り付けることができる。このようなタイプのセンサーや機械は、砂漠や極地、山などの、厳しい状況や人のほとんど住んでいない地域などでは重要になる。

この発明のもう一つの適応は、太陽電池の使用で、ラップトップや携帯電話、オーディオなどの小型携帯電気器具を使える電力も供給できることである。

電力、熱伝、冷却そして全体のシステムを制御する、いくつかのユニットが備わっている衣料を示す図である。 表面に太陽電池がついているユニフォームのサンプルを示す図である。

Claims (10)

1. 太陽電池を動力とし、アクティブ熱制御を行う自律衣料であって、
   発電のための太陽電池（１）と、
   電力を蓄えるための電池（２）と、
   前記自律衣料の温熱のための抵抗器（３）と、
   前記自律衣料の冷却のためのパイプ（７）に接続された冷却機（４）と、
   前記自律衣料の温熱および冷却のために使用可能なペルチエ電池（５）と、
   熱センサーと、
   前記熱センサーで測定した温度に基づいて温熱および冷却の自動制御を行うマイクロ制御機（６）と、
   外部に電源を供給するための補助プラグと、
   前記太陽電池（１）、前記電池（２）、前記抵抗器（３）、前記冷却機（４）、前記ペルチエ電池（５）、前記熱センサー、前記マイクロ制御機、および前記補助プラグが接続される電気バスコネクタと
   を有する自律衣料。
2. 前記太陽電池が衣料の外部に取り付けられており、且つ光学要素、保護層、および太陽スペクトルやその他のものに最適化されたフィルターを含む請求項１に記載の自律衣料。
3. 前記電池が衣料に埋め込まれている請求項１に記載の自律衣料。
4. 一組の前記抵抗器が、熱送達のため、衣料に分布され、埋め込まれている請求項１に記載の自律衣料。
5. 前記ペルチエ電池が、温熱と冷却のため、衣料に分布され、埋め込まれている請求項１に記載の自律衣料。
6. 前記パイプが、冷却送達のため、衣料に分布されている請求項１の自律衣料。
7. 前記電気バスコネクタに繋げられた、発光および発音信号装置、および位置確認システムのうちの少なくとも一つの機構を含むことを特徴とする請求項１に記載の自律衣料。
8. 衣料のアクティブ熱制御のために、前記電気バスコネクタを通してすべての電気装置にマイクロ制御機が接続されることを特徴とする請求項１に記載の自律衣料。
9. 前記マイクロ制御機が、熱パラメーターの制御のための、データとソフトウェアを表示する手段を含む請求項１および請求項８に記載の自律衣料。
10. 請求項１に記載の自律衣料であって、火炎放射を電力に変えるようになっているアクティブ熱制御と太陽電池とを備え、例えば消防士の制服のために特に開発された自律衣料。

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