極限までシンプルかつ軽量に設計された体温制御テクノロジー

地球温暖化による気温上昇に伴い、夏季の猛暑や酷暑は異常気象ではなく日常的なリスクとなりました。屋外での建設作業や、空調設備を持たない屋内での作業は年々厳しさを増しており、熱中症対策は労働者の安全確保において避けて通れない課題です。

こうした過酷な環境下で活動するため、作業着の内部に冷却水を循環させて体温を調整する「水冷式」の冷却ウェアが開発されてきました。従来のシステムは、冷却水の温度を一定に保つために圧縮機などを含む大掛かりな冷凍サイクルを必要とするものが多く存在します。さらに、システム内に冷却水を溜めておくための「水タンク」を必ず設ける必要があり、結果として作業者が身に着ける装置全体の重量が嵩み、身体的な負担が大きくなってしまうという問題がありました。

日本シグマックス株式会社が取得した特許（特許第7576853号）は、この重量増加の要因を取り除くアプローチを示しています。

本特許のシステムは、熱交換ユニットに小型の半導体熱電素子（ペルチェ素子）を採用し、重い圧縮機を不要にしています。さらに最大の特長として、外部から冷却水を充填するための独自の液体注入機構と逆止弁を組み合わせることで、水を溜めるタンクを持たない「タンクレス」の密閉循環回路を実現しました。これにより、ウェア全体の圧倒的な簡素化と軽量化を達成しています。

本特許に示された、水漏れを防ぎつつタンクを排除する具体的なメカニズムについて、詳説していきます。

ペルチェ素子とタンクレス水冷で体温制御するウェア

地球温暖化による気温上昇に伴い、夏季の猛暑や酷暑はもはや異常気象ではなく、日常的なリスクとなっています。屋外での建設作業や、空調設備のない屋内での作業などは一層厳しさを増しており、熱中症対策による安全確保と労働力維持は急務の課題です。

このような過酷な環境下で活動するため、作業者の身体の近くに冷却された流体を循環させて体温を調整する冷却ウェアの開発が進められています。今回は、大掛かりな冷却装置や重い水タンクを排除し、極めて軽量かつシンプルな構造で体温調整を可能にする日本シグマックス株式会社の特許（特許第7576853号）について解説します。

１．背景と課題

従来の冷却ウェアには、作業着の表面に広く行き渡るように冷却水の搬送路を設け、低く保たれた冷却水を循環させる体温調整システムが提案されてきました。

しかし、このようなシステムは、冷却水の温度を一定に保つための温度調整装置として、圧縮機や凝縮器などを含む大掛かりな「冷凍サイクル」を必要とする場合が多かったのです。さらに、冷却水を溜めておくための「タンク」が設けられるため、作業者が身に着ける装置の重量が嵩んでしまい、この重量増加が作業者にとって大きな負担になるという問題がありました。

また、こうした課題は高温環境下での冷却にとどまらず、低温環境下で保温を行う体温調整可能な熱交換装置であれば、同様に生じうる問題といえます。

どんな発明？

２−１．発明の目的

本発明は上記の課題に鑑み、体温調整に利用可能な熱交換装置の簡素化および軽量化を実現することを目的としています。

２−２. 発明の詳細

本発明は、熱交換ユニットに小型のペルチェ素子を採用し、独自の液体注入機構を設けることで、水を貯留するタンクを持たない（タンクレス）熱交換ウェアを提供します。

システム全体とウェアの構造

図1および図2は、熱交換装置1が適用されたメッシュ構造の装具100を示しています。対象者の背中に当たる背当部102の内側面に、冷却水が通る熱交換パッド10が取り付けられます。

図１・図２

図3、４に示すように、熱交換装置1は、熱交換パッド10、冷却水の温度を低温に保つ熱交換ユニット12、水を循環させるポンプ14、そして液体注入機構16を備えています。これらが接続チューブを介して繋がれ、一つの液体循環通路を形成しています。

図３・図４

ペルチェ素子による熱交換

図6は、熱交換ユニット12の構成を示しています。冷却素子として、通電により一方の面が吸熱し、他方の面が発熱する板状の半導体熱電素子「ペルチェ素子82」を採用しています。冷却ユニットとして機能させる場合、吸熱面81が配管90（熱交換器80）に当接して冷却水から熱を奪います。このとき発生した熱は、発熱面83から放熱フィン84へ伝わり、ファン86によって外気へ放出されます。圧縮機を伴う冷凍サイクルを使用しないため、装置の大幅な小型化が可能になります。

図６

タンクレスを実現する液体注入機構と逆止弁

本発明の最大の特徴は、液体循環通路120に流体を貯留するための「タンク」を有しない点にあります。したがって、使用前には外部から通路内に冷却水を充填する必要があります。

図8は液体注入機構16の構成を示しており、注入口62の近傍に逆止弁70（第1逆止弁）、排出口64の近傍に逆止弁72（第2逆止弁）が設けられています。

図８

図15および図16(A)に示すように、充填時には給水源370からポンプを駆動して水を組み上げます。水が通路内に導入されると、内部の空気が排出口64から押し出されます。

図１５・図１６

水が完全に充填された後、ポンプを停止して注入口側を接続し直すことで、閉じた循環回路が形成されます（図16(B)）。

このとき、排出口側の逆止弁72の「開弁圧力」は、ポンプ14の吐出圧力と、着用者が動いた際などに加わる外部からの変動圧力を合わせた値よりも大きく設定されています。そのため、システムの使用中に水が漏れ出したり、空気が流入したりすることなく、安定して冷却水を循環させることができます。

３．ここがポイント！

本特許発明の最大のポイントは、冷却ウェアにおける重量増の最大の要因となっていた「冷却水タンク」を完全に排除した点にあります。

外部から水を充填するための独自の液体注入機構と、ポンプの作動圧や着用者の動きによる圧力変動では決して開かないように設定された逆止弁を組み合わせることで、水漏れを防ぎつつタンクレスの密閉循環回路を実現しています。

また、熱交換ユニットに小型のペルチェ素子を利用することで重い圧縮機も不要としており、装置全体の圧倒的な簡素化と軽量化を達成し、作業者の身体的負担を劇的に軽減しています。

４．未来予想

猛暑の定常化により、熱中症対策は特定の現場作業員だけでなく、一般の人々にとっても重要な課題となっています。

このタンクレスで軽量化された熱交換ウェアは、重い装備が敬遠されるスポーツウェアや、日常的なアウトドア向けジャケットなどへも応用しやすいと考えられます。さらに、ペルチェ素子の通電方向を逆にして吸熱面と発熱面を反転させれば、温水を循環させる保温ウェアとしてもそのまま機能します。

季節や環境を問わず、軽量なウェア一つで人間の体温を最適にコントロールできる次世代のウェアラブルデバイスとして、幅広い分野への普及が期待されます。

５．特許情報

いつものハンディファンを空調服に。市販品を活用するリュック型の冷却ギア

地球温暖化の影響により、夏の猛暑は年々厳しさを増しています。連日のように気温が35度を超える環境下での屋外作業や活動において、熱中症対策は人命に関わる課題です。

体温の上昇を抑える手段として、作業着に小型ファンを取り付けて外気を送り込む空調服が広く普及しています。

しかし、従来の空調服は空気を逃がさない特殊な生地で作られた専用の衣服を使用する必要があります。ファンやバッテリーも専用品となるため、導入コストが高く、洗濯のたびに機材を取り外す手間がかかるという問題がありました。また、夏場に一般的な通気性の良いTシャツやポロシャツの上からでは、十分な冷却効果が得られません。

アイトス株式会社が取得した特許（特許第6963802号）は、こうした専用機材への依存をなくすシステムを提案しています。

本特許の送風装置は、日常的に使われる市販の「携帯式扇風機（ハンディファン）」を冷却源として活用します。携帯扇風機を収納する縦長のバッグ部とベスト型の本体を組み合わせ、既存の服の上からリュックサックのように背負う構造を採用しています。これにより、専用の衣服を用意する必要がなくなり、洗濯時の負担や導入コストを大幅に抑えることができます。

市販のファンを利用しつつ、首筋へ効率よく風を届けるために背中に空間を作る独自のベルト構造などについて詳説していきます。

ハンディファンを利用するリュック型送風装置

地球温暖化の影響により、夏の猛暑は年々厳しさを増しています。連日のように気温が35度を超える酷暑日が続き、屋外での作業や活動において熱中症対策は人命に関わる切実な課題となっています。特に建設現場や農作業、あるいは空調設備のない環境で働く人々にとって、体温の上昇を効果的に抑える工夫は欠かせません。

こうした過酷な環境を乗り切るため、作業着に小型ファンを取り付けて外気を送り込む「空調服」が広く普及してきました。しかし、専用の衣服やバッテリーが必要となり、導入コストや日々のメンテナンスの負担が大きいという側面もあります。

今回取り上げるのは、多くの人が日常的に持ち歩いている市販の「携帯式扇風機（ハンディファン）」を冷却源として活用し、既存の服の上から背負うだけで手軽に涼を得られる、アイトス株式会社の特許（特許第6963802号）です。

１．背景と課題

これまで、衣服の腰部などに送風機を取り付けて外気を導入し、首元や袖口から空気を排出する空調服が提案されてきました。しかし、これらの製品は空気を逃がさない特殊な生地で作られた専用の衣服を使用する必要があります。ファンやバッテリーも専用品となるため、導入コストが高くなり、軽作業などの幅広い現場で導入するには利用者の負担が大きいという課題がありました。

また、専用の服を直接着用するため、着用するたびに洗濯が必要です。洗濯のたびにファンやバッテリー、配線を取り外す手間がかかり、洗濯中は装置を使用できないという不便さもあります。さらに、夏場に一般的な通気性の良いTシャツやポロシャツの上からでは十分な効果が得られないという問題も抱えていました。

既存の服に依存しないベスト形式の冷却具も存在しますが、構造が複雑で脱着が難しく、やはり専用の機材を必要とします。利用者の負担を十分に減らし、安価に導入できる仕組みが求められていました。

どんな発明？

２−１．発明の目的

本発明は上記の課題に鑑み、専用の衣服や高価な専用ファン・バッテリーを必要とせず、圧倒的な低コストで運用できるリュックサック形式の人体用送風装置を提供することを目的としています。身近な携帯扇風機を利用することで、取り扱いを簡便にしつつ、利用者の着心地を損なわない構造を実現します。

２−２. 発明の詳細

本発明の送風装置は、携帯式扇風機を収納する「送風バッグ」と、それを背負うための「本体」で構成されます。

装置の全体構造と送風バッグ

図1は、リュックサック型の送風装置の全体を示しています。携帯式扇風機（1）を収納する縦長のバッグ部（2）と、背負うためのベスト型本体（3）が組み合わされています。

図１

図6を見ると、バッグ部（2）はファスナー（10）で左右に開閉できる構造になっています。右側部分（11）には、市販の携帯式扇風機（1）を差し込んで固定する専用ポケット（13）と、モバイルバッテリーなどの給電装置（14）を収納するポケット（15）が設けられています。左側部分（17）の内部（19）には、小型の保冷剤（18）を収納できるスペースが確保されています。

図６

図4および図5に示されるように、バッグ部の上部にはメッシュ素材を用いた外気取入口（20）と送風口（21）が設けられ、内部の扇風機がここから空気を取り込んで排出する仕組みです。

図４

図５

ベスト型本体への取り付けと位置調整

図2および図3は、ベスト型本体（3）の構造を示しています。後身頃部（4）と左右の肩ベルト（5）、下端連出部（6）からなり、通気性の良いメッシュ素材で作られています。後身頃部（4）の下部には、送風バッグを取り付けるためのスナップ式係合具（8a）が上下多段に配置されています。 これにより、図7のように利用者が背負った際、送風バッグ（2）の送風口（21）がちょうど首筋の部分に当たるよう、使用者の体格に合わせてバッグの取り付け高さを柔軟に変更できます。

図２

図３

背中に空間を作るベルト構造

図10のように、一般的なリュックサック（40）にファンを取り付けただけでは、バッグが背中に密着してしまい、風の通り道が塞がれて冷却効率が著しく低下します。

図１０

これを解決するため、本特許では図8および図9に示すように、送風バッグ（2）の送風口付近から斜め外向きに延出するベルト（26）を設け、それをベスト型本体の肩ベルト（5）にバックル（27）で連結しています。この構造により、送風バッグの上部が背中から離れて空間が形成され、送風口（21）が肩よりも上に持ち上げられます。排出された空気が人体によって塞がれることなく背中や首元にスムーズに流れるため、涼しさを感じやすい部位を効率よく冷却できます。

図８

図９

３．ここがポイント！

本特許発明の最大の特長は、高価な専用機材をなくし、市販のハンディファンやモバイルバッテリーをそのまま冷却装置の心臓部として利用できる点です。専用部品への依存をなくすことで、装置の導入コストを大幅に抑えています。

さらに、装置全体がリュックサックのように服の上から背負う形態であるため、Tシャツなど普段の服を着用したまま使用できます。衣服の洗濯のたびにファンを取り外す手間がかからず、複数の作業員で一つの送風装置を共有しやすいことも大きな利点です。バッグ内に保冷剤を併用すれば、外気温よりも低い冷風を送ることができ、猛暑の中でも確実な冷却効果を得られます。

４．未来予想

猛暑日の増加に伴い、熱中症対策は特定の現場作業員だけでなく、あらゆる屋外活動において必須の備えとなっています。

本特許に示されたような「市販のアイテムを組み合わせて高度な機能を実現する」アプローチは、低コストで汎用性が高いため、建設や農業の現場のみならず、夏のキャンプや野外フェスティバル、スポーツ観戦などの日常的なレジャー用途にも広く浸透していく可能性が考えられます。

今後は、さらにデザイン性を高めたモデルや、子どもや高齢者でも負担なく背負える軽量モデルが登場することで、過酷な夏を安全に過ごすための新しいスタンダードな装備として定着していくかもしれません。

５．特許情報

ぬるくなったらコンビニへ。市販の冷凍ペットボトルがそのまま使える現場の熱中症対策

世界的な気候変動により、夏の気温が体温を超える日が珍しくなくなりました。猛暑日や酷暑日が日常化する中、屋外の建設現場やイベント会場での活動において、熱中症対策は人命に関わる課題となっています。

高温環境下での作業向けには、服に小型ファンを取り付けて外気を送り込む「空調衣服」が広く普及しています。これは汗の気化熱を利用して体を冷やす仕組みですが、外気温が35度を超えるような過酷な環境では、熱風をそのまま服の中に吸い込むことになり、冷却効果が著しく低下してしまいます。

より確実に体を直接冷やす手段として、服の内部にチューブを張り巡らせて冷水を循環させる「水冷式」の衣服も存在しますが、単に氷水を循環させるだけの単純な構造では、体温と外気温の影響で水がすぐに温まってしまいます。冷たさを長く維持するために熱交換器などの専用装置を搭載すれば、製造コストが跳ね上がり、装置が重くかさばるため作業着としての動きやすさも損なわれます。

山真製鋸株式会社が取得した特許（第7273426号）は、この課題に対する実用的な解を示しています。

この特許システムは、高価で重い装置を使わず、身近にある「凍らせたペットボトル」を冷却材として利用し、衣服内に冷水を循環させます。単にペットボトルを水に浸すのではなく、ボトルの表面に水滴を伝わせて水を冷やす物理的な工夫を採用することで、氷の消費を抑え、冷却効果を長時間維持することに成功しています。

軽量で動きやすさを保ちながら猛暑に対抗する冷却メカニズムについて、解説していきます。

凍ったペットボトルの氷で冷たさを持続させる冷却衣服

世界的な気候変動の影響により、夏の平均気温は上昇を続けています。猛暑日や酷暑日と呼ばれる日が日常化し、屋外での活動には常に熱中症の危険が伴うようになりました。このような過酷な環境下で安全に活動するためには、外気に頼らず体を直接冷やす技術が不可欠です。

今回紹介する山真製鋸株式会社による特許（第7273426号）は、どこにでもある「凍らせたペットボトル」を冷却材として用い、衣服内に冷水を循環させることで長時間の冷却効果を実現する、ありそうでなかったシステムです。

１．背景と課題

高温環境下での作業向けには、ファンを取り付けて服の中に外気を送り込む「空調衣服」が広く利用されてきました。これは汗の気化熱を利用する仕組みですが、外気温が体温に近い猛暑の中では結局「熱風」を吸い込むことになってしまい、冷却効果には限界があります。

より高い冷却効果を得るため、衣服内にチューブを張り巡らせて冷水を循環させる水冷式の衣服も提案されています。しかし、単純に水を循環させるだけの構造では、体温や外気温によって水がすぐに温まってしまいます。熱交換器などを搭載すれば冷たさを維持できますが、製造コストが跳ね上がるうえに重く嵩張り、作業着としての動きやすさが損なわれてしまうという課題がありました。

どんな発明？

２−１．発明の目的

本発明の目的は、高価で重い熱交換器を使わず、軽量で動きやすさを保ちながら、快適な冷却効果を長時間にわたって維持できる冷却流体循環方式の衣服を提供することです。

２−２. 発明の詳細

本システムは、ベスト型の衣服に這わせたチューブと、冷却源となる凍らせたペットボトルを利用して水を循環させます。以下、図面を用いつつその構造を解説していきます。

チューブの配置とシステム構成

図1および図2は、冷却ベスト（1）の外側と内側を示しています。衣服本体の内側には可撓性チューブ（67）が蛇行状に配置されており、背中だけでなく胸元まで冷水が行き渡ります。背中のポケット内には、水を入れるための平袋状の収容部（55）と水を循環させるための小型ポンプ（69）が収められています。

図１・図２

また、図6に示すように、胸側のポケットにはコントローラ（71）が収納されており、これを操作して水の循環を制御します。

図６

冷却メカニズムと氷の延命

図7に示すように、背中の収容部（55）に、飲料を凍らせたペットボトル（P）を立てた状態で収納します。

図７・図８

図8は、収容部内部での冷却の仕組みを表しています。ポンプの力でチューブから収容部の上部に送り込まれた水（W）は、水滴（D）となってペットボトル（P）の表面に当たり、滑り落ちます。この水滴が滑り落ちる過程で氷（K）から熱を奪って冷やされ、底に溜まった冷水が再びチューブへ送られます。このように、ペットボトルを水に完全に浸すのではなく、表面に水滴を這わせる構造にすることで、氷が溶ける速度を遅らせ、冷却効果を長持ちさせることができるのです。

間欠運転による冷感の維持

冷水が常に循環していると、皮膚の感覚が慣れてしまい冷たさを感じにくくなります。コントローラには、ポンプを一定間隔でオンオフする間欠運転モードが備わっています。水がぬるくなった頃に再び冷たい水が流れ込むため、断続的に冷たさを感じることができます。また、ポンプを止めている間は水滴がペットボトルに当たらないため、氷の消費をさらに抑えるように設計されています。

３．ここがポイント！

本特許発明の一番のポイントは、身近な「凍らせたペットボトル」を冷却材として最大限に活用する物理的な工夫といえるでしょう。単に氷水に浸すのではなく、ペットボトルの表面に水滴を伝わせる構造を採用することで、氷の寿命を大幅に延ばしている点は、まさに「ありそうでなかった」ポイントといえます。

また、溶け終わった後のペットボトルの飲料はそのまま水分補給に利用できます。コンビニエンスストアなどで冷凍ペットボトルを購入して入れ替えれば、即座に冷却効果を復活させられる点も非常に実用的です。

４．未来予想

猛暑が定常化する中、熱中症対策は建設現場などの屋外作業員だけでなく、一般の人々にとっても重要な課題となっています。本特許に示されたような、軽量で安価に製造でき、冷却効果が持続するウェアは、特殊な作業着の枠組みを超えて広く普及していくと考えられます。

専用の保冷剤や重いバッテリーを必要としない、どこでも手に入る冷凍ペットボトルを使うというシンプルな運用方法は、夏のキャンプ、野外フェスティバル、スポーツ観戦といった日常的なレジャー用途にも最適であり、私たちの夏の過ごし方をより快適で安全なものに変えていくと期待されます。

５．特許情報