脱氷装置、製氷装置、氷蓄熱装置、及び脱氷方法
【課題】効率的に脱氷することができる脱氷装置を提供する。
【解決手段】氷蓄熱装置２は、製氷装置１０で製造した氷を蓄熱槽２０に貯蓄する。製氷装置１０の製氷板１１には、脱氷装置１００のアクチュエーター１１０が装着される。製氷装置１０では、製氷板１１の外側表面に薄氷が形成される。アクチュエーター１１０は、脱氷装置１００の電源から電力が供給されると駆動され、印加された電圧に応じて自ら変形を起こす。この変形によって発生した力が薄氷に作用することにより、薄氷は製氷板１１から脱落する。
【解決手段】氷蓄熱装置２は、製氷装置１０で製造した氷を蓄熱槽２０に貯蓄する。製氷装置１０の製氷板１１には、脱氷装置１００のアクチュエーター１１０が装着される。製氷装置１０では、製氷板１１の外側表面に薄氷が形成される。アクチュエーター１１０は、脱氷装置１００の電源から電力が供給されると駆動され、印加された電圧に応じて自ら変形を起こす。この変形によって発生した力が薄氷に作用することにより、薄氷は製氷板１１から脱落する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脱氷装置、製氷装置、氷蓄熱装置、及び脱氷方法に関し、特に、結氷する部材から氷を脱落させる脱氷装置及び脱氷方法、並びに、該脱氷装置を備える製氷装置、及び該製氷装置を備える氷蓄熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビル等の建物において日中に冷房を行うために、夜間の安価な電力を用いて冷熱を貯蓄することが行われている。
【０００３】
冷熱を貯蓄する蓄熱装置としては、製氷装置を用いて製造した氷を貯蓄する氷蓄熱装置がある。氷蓄熱装置用の製氷装置は、結氷する部材としての製氷板を備えている。製氷装置では、低温の冷媒を製氷板の内部に供給することにより、製氷板が冷却されている。このように冷却された製氷板の外側表面に水を供給することにより、製氷板の外側表面で水が凍結して氷が形成される（結氷）。
【０００４】
氷蓄熱装置では、製氷板から氷を脱落（脱氷）させて下方の蓄熱槽に氷を貯蓄している。製氷板の外部において機械的に脱氷を行う脱氷装置としてはワイパーが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載のワイパーは、モーターによって駆動されて、製氷板の表面を摺動することにより、製氷板に付着した氷粒を掻き落とすものである。
【特許文献１】特開平０３−２４４９８６号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記ワイパーを駆動するためには、駆動源としてのモーターが必要となる。また、モーターの駆動力でワイパーに変位（摺動）を起こさせるためには、モーターとワイパーの間に、ギアやカムなどの駆動力伝達機構を設ける必要がある。駆動力伝達機構は、モーターの駆動力の一部を消費（ロス）するため、ワイパーに伝達すべきモーターの駆動力を小さくしてしまう。つまり、駆動力伝達機構を設けると、エネルギー効率が低下することになる。
【０００６】
また、製氷板においてワイパーが脱氷可能な面積（最大面積）は、ワイパーが摺動する摺動面積にほぼ等しい。したがって、ワイパーの摺動面積以上に広い面積に亘る脱氷を行うことはできないため、脱氷効率のさらなる向上を期待することはできない。また、製氷板の表面に薄氷が形成されてからワイパーを駆動すると、ワイパーが薄氷上を摺動して脱氷することができない場合がある。
【０００７】
本発明の目的は、効率的に脱氷することができる脱氷装置及び脱氷方法を提供することにある。また、該脱氷装置を備える製氷装置、及び該製氷装置を備える氷蓄熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の脱氷装置は、結氷する部材に装着され、変形を起こすことにより前記部材から氷を脱落させることを特徴とする。
【０００９】
本発明の脱氷装置によれば、自ら変形を起こし、その変形によって発生した力は、脱氷装置に接触している氷に作用する。この結果、氷の内部には応力が発生し、氷は、部材から自然に脱落する。ここで、脱氷装置が起こすのは、変形であって、変位ではないので、脱氷装置に駆動力伝達機構を設ける必要がなく、エネルギー効率が高い。また、変形によって発生した力が氷に作用するので、変形に要した空間の広さ以上に広い体積に亘る脱氷を行うことができるため、脱氷効率が高い。
【００１０】
請求項２記載の脱氷装置は、請求項１記載の脱氷装置において、高分子材料を有するアクチュエーターを備え、当該アクチュエーターは、印加された電圧に応じて前記変形を起こすことを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の脱氷装置によれば、アクチュエーターに電圧を印加するだけでアクチュエーターを駆動する（変形させる）ことができるので、モーターや駆動力伝達機構を脱氷装置に設ける必要がなく、脱氷装置の構成を単純にすることができる。また、アクチュエーターを変形させるために、高分子材料の特性（伸縮性や膨張性）を利用することができる。
【００１２】
請求項３記載の脱氷装置は、請求項２記載の脱氷装置において、前記高分子材料は、一対の電極板間に配置されたイオン交換樹脂、電歪ポリマー、及び圧電ポリマーから選択されたいずれかの材料からなるか、又は多孔質の導電性材料からなることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の脱氷装置によれば、高分子材料が、イオン交換樹脂、導電性材料、電歪ポリマー、圧電ポリマーなどからなるので、アクチュエーターに印加された電圧（電力）の電荷を利用して、イオン交換樹脂や導電性材料に膨張変形を起こしたり、電歪ポリマーや圧電ポリマーに伸張変形を起こしたりすることができる。
【００１４】
請求項４記載の脱氷装置は、請求項２又は３記載の脱氷装置において、前記アクチュエーターと前記部材との間に配置された弾性部材を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の脱氷装置によれば、アクチュエーターと部材との間に弾性部材が配置されているので、弾性部材の弾性により、アクチュエーターの変形を妨げることが防止される。
【００１６】
請求項５記載の脱氷装置は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の脱氷装置において、可撓性のある可撓性材料により被覆されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項５記載の脱氷装置によれば、脱氷装置が変形を起こしたときに、可撓性材料も変形する。これにより、脱氷に際し、可撓性材料の変形によって発生した力も利用することができる。
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明の請求項６記載の製氷装置は、上述した脱氷装置を少なくとも１つ備えると共に、前記部材として、水を冷却して氷を製造する製氷部材を備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明の製氷装置によれば、上述した脱氷装置が奏する効果と同等の効果を奏することができる。つまり、製氷装置は、製氷部材を用いて製造した氷を製氷部材から効率的に脱落させることができる。また、製造した氷が厚くなる前に脱氷を行うことで、製氷装置の製氷効率が低下するのを防止することができる。
【００２０】
請求項７記載の製氷装置は、請求項６記載の製氷装置において、前記脱氷装置を複数備えており、当該複数の脱氷装置の各々は互いに離間した状態で前記製氷部材に装着されていることを特徴とする。
【００２１】
請求項７記載の製氷装置によれば、複数の脱氷装置を備えているので、より効率的な脱氷を行うことができる。また、複数の脱氷装置の各々が互いに離間しているので、各脱氷装置の変形によって発生した力を同じ場所の氷に作用させることができる。また、脱氷装置が離間している場所では、製氷装置と水との間に脱氷装置が介在しないので、製氷装置の製氷効率が維持される。
【００２２】
上記目的を達成するために、本発明の請求項８記載の氷蓄熱装置は、上述した製氷装置と、当該製氷装置が製造した氷を貯蓄する蓄熱槽とを備えることを特徴とする。
【００２３】
本発明の氷蓄熱装置によれば、上述した脱氷装置が奏する効果と同等の効果を奏することができる。つまり、氷蓄熱装置は、製氷部材を用いて製造した氷を製氷部材から効率的に脱落させることができると共に、製氷装置の製氷効率の低下が防止される。これにより、製氷時のエネルギー消費量を減少させることができる。
【００２４】
上記目的を達成するために、本発明の請求項９記載の脱氷方法は、結氷する部材に装着された脱氷装置に変形を起こさせることにより、前記部材から氷を脱落させることを特徴とする。
【００２５】
本発明の脱氷方法によれば、結氷する部材に装着した脱氷装置に変形を起こさせる。その変形によって発生した力は、脱氷装置に接触している氷に作用する。この結果、氷の内部には応力が発生し、氷は、部材から自然に脱落する。ここで、脱氷装置に起こさせるのは、変形であって、変位ではないので、脱氷装置に駆動力伝達機構を設ける必要がなく、エネルギー効率が高い。また、変形によって発生した力が氷に作用するので、変形に要した空間の広さ以上に広い体積に亘る脱氷を行うことができるため、脱氷効率が高い。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の脱氷装置及び脱氷方法によれば、結氷する部材に装着された脱氷装置に変形を起こさせることにより、効率的に脱氷することができる。また、これにより、脱氷効率が高い脱氷装置を備える製氷装置や、当該製氷装置を備える氷蓄熱装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る氷蓄熱装置を含む冷房システムの構成を概略的に示す模式図である。図１に示す冷房システム１は、例えば、ビル等の建物に設置される。
【００２８】
図１に示すように、冷房システム１は、氷蓄熱装置２と、冷房設備３と、熱交換器４とを備えている。氷蓄熱装置２は、建物の屋上に設置され、冷房設備３は、建物のフロアに設置され、熱交換器４は、建物内において、氷蓄熱装置２と冷房設備３の間に設置される。なお、冷房設備３は図１では１台が示されているが、冷房システム１が備える冷房装置は複数台であってもよく、この場合には、建物の各フロアに冷房装置を設置することが好ましい。
【００２９】
氷蓄熱装置２は、水を冷却して氷を製造する製氷装置１０と、氷や水を貯蓄する蓄熱槽２０とを備える。本実施の形態に係る氷蓄熱装置２は、蓄熱槽２０の上に製氷装置１０が設置された一体型氷蓄熱装置である。氷蓄熱装置２は、製氷装置１０で製造した氷を収穫して（脱落させて）、収穫した氷を水と共に蓄熱槽２０に貯蓄するハーベストタイプのものである。製氷装置１０は、製造した氷を収穫するために、後述する脱氷装置１００を備えている。
【００３０】
熱交換器４は、図１に示すように、配管５を介して氷蓄熱装置２の蓄熱槽２０と接続されており、また、配管６を介して冷房設備３に接続されている。配管５には、蓄熱槽２０に貯蓄されている水が循環しており、熱交換器４は、配管５内を流れる水を介して、蓄熱槽２０に貯蓄されている氷の潜熱（氷が水に融解するときに生じる熱）を冷熱として取り出す。また、配管６には、冷房設備３内部を通過するように水が循環しており、熱交換器４は、冷房設備３に配管６内を流れる水を介して、冷房設備３に冷熱を供給する。冷房設備３は、熱交換器４で取り出した冷熱を利用して、建物内に冷気を供給する。
【００３１】
図１の冷房システム１によれば、氷蓄熱装置２が設置された建物において、夜間に氷蓄熱装置２を稼働し昼間に冷房設備３を稼働することで、夜間に貯蓄した氷を利用した昼間の冷気供給が可能となる。これにより、建物における昼間の省電力を実現することができる。
【００３２】
図２は、図１における製氷装置１０の構成を概略的に示す側面図である。図３は、図２の製氷装置１０の下部の外観を示す斜視図である。図４は、図２の製氷装置１０の製氷板の構成及び当該製氷板に装着された脱氷装置１００の配置を示す断面図である。
【００３３】
図２に示すように、製氷装置１０は、複数（図では６枚）の製氷板１１と、製氷板１１の上端に接続された冷媒供給管１２と、製氷板１１の下端に接続された冷媒回収管１３と、給水管１４と、氷破砕装置３０とを備えている。また、図３及び図４に示すように、製氷板１１には、脱氷装置１００のアクチュエーター１１０が装着されている。アクチュエーター１１０は、後述するように、電圧が印加されると、自己変形を起こすものであり、製氷板１１上に形成された氷を脱落させるために設置されている。また、図２及び図３に示すように、製氷装置１０の下部において製氷板１１の下方には、断面Ｕ字形のトラフ（溝）１５が形成されており、氷破砕装置３０は、トラフ１５内に配設されている。
【００３４】
給水管１４は、不図示の水源から供給された水を製氷板１１に供給するための配管であり、水は配管内孔を通過する。図２に示すように、給水管１４は、製氷板１１の上方に配置されたシャワーヘッド１４ａを有する。シャワーヘッド１４ａは、製氷装置１０の稼働時に、製氷板１１の外側表面に向かって散水する。なお、給水管１４の水源は、蓄熱槽２０に貯蓄された水であることが好ましい。
【００３５】
製氷板１１は、熱伝導性のあるプレート状の部材で構成されている。具体的には、図４に示すように、アルミニウム製又はアルミニウム合金製の下地基板層１１ａと、下地基板層１１ａの外側表面を所定の厚さで被覆する熱伝導層１１ｂとから構成されている。熱伝導層１１ｂは、下地基板層１１ａよりも熱伝導性の高い材料、例えば炭素（カーボン）系材料で構成される。炭素系材料としては、例えば、炭素（グラファイト）を繊維状又はシート状に成形したものを用いることができる。熱伝導層１１ｂは、製氷装置１０の製氷効率を向上させるために設けられたものである。そのため、下地基板層１１ａを構成する材料よりも熱伝導性が高い材料であれば、カーボン系材料以外のものを用いることも可能である。
【００３６】
また、製氷板１１の下地基板層１１ａ内部には、冷媒が通過するための流路１１ｃが形成されている。
【００３７】
冷媒供給管１２は、低温の冷媒を製氷板１１内部に供給するための配管であり、配管内孔には、冷媒が充填されている。冷媒としては、ハイドロフルオロカーボン系のガス（例えば、Ｒ１３４ａ，Ｒ４０４Ａ，Ｒ４０７Ｃ）を用いることができる。また、冷媒供給管１２には、図２に示すように、圧力調整バルブ１２ａが製氷板１１近傍に設けられている。圧力調整バルブ１２ａは、製氷板１１内部に供給される冷媒の圧力や流量を調整する。
【００３８】
冷媒回収管１３は、製氷板１１内部の流路１１ｃを流れた冷媒を回収するための配管であり、冷媒は配管内孔を通過する。なお、冷媒回収管１３を用いて回収した冷媒は、図示しない凝縮器による凝縮を経て冷却されて再び冷媒供給管１２に供給される。
【００３９】
製氷板１１内部に形成されている流路１１ｃは、一端で冷媒供給管１２の内孔と連通しており、他端で冷媒回収管１３の内孔と連通している。これにより、製氷装置１０では、冷媒供給管１２を介して供給された冷媒が、製氷板１１の内部を通過して、冷媒回収管１３を介して回収される。
【００４０】
また、氷破砕装置３０は、図２及び図３に示すように、軸受けによって回転可能に支持されたスクリュー（コンベクター）３１で構成されている。スクリュー３１は、シャフト３１ａと、シャフト３１ａに立設するらせん状回転体である羽根３１ｂとを有している。スクリュー３１は、羽根３１ｂで、トラフ１５に回収された氷を細かく破砕する。
【００４１】
次に、図１の氷蓄熱装置２によって実行される氷蓄熱処理について説明する。
製氷装置１０が稼働されると、まず、冷媒供給管１２の圧力調整バルブ１２ａが開き、冷媒供給管１２から製氷板１１内部の流路１１ｃに冷媒が供給される。冷媒により、製氷板１１の内部が冷却され、熱伝導により、製氷板１１の外側表面も冷却されて低温となる。
【００４２】
このとき、給水管１４のシャワーヘッド１４ａによる散水が開始される。これにより、製氷板１１の外側表面に水膜が形成される。製氷板１１の外側表面が低温であるため、製氷板１１に形成された水膜は凍結する（結氷）。水膜の凍結が進行することによって、例えば１０分程度で、厚みが小さい板状の薄氷が製氷板１１の外側表面に形成される。なお、凍結しなかった水は、直接に、又は製氷板１１の外側表面を伝って流下し、下方のトラフ１５で回収される。
【００４３】
薄氷が形成されたタイミングで脱氷装置１００の電源がＯＮになりアクチュエーター１１０が駆動される。これにより、アクチュエーター１１０の自己変形によって発生した力が、製氷板１１で製造した薄氷に作用して、図３に示すように、薄氷は、製氷板１１から脱落する（脱氷）。脱落した氷は、トラフ１５で回収される。トラフ１５で回収された氷や水は、蓄熱槽２０に流入する。したがって、蓄熱槽２０には、氷と水が混在した状態で貯蓄されることになる。氷は、上述した氷破砕装置３０により細かく破砕されているので、配管５内を流れることができる。
【００４４】
なお、アクチュエーター１１０は、薄氷が厚くなる前に駆動される。これにより、氷が厚くなって製氷装置１０の製氷効率が悪化するのを防止することができる。言い換えると、薄氷が形成される度にアクチュエーター１１０を駆動することにより製氷効率を向上させることができ、その結果、蓄熱槽２０における氷の貯蓄量を増大させることができる。
【００４５】
次に、脱氷装置１００のアクチュエーター１１０について詳細に説明する。
本実施の形態に係る脱氷装置１００のアクチュエーター１１０は、高分子材料の特性（伸縮性や膨張性）を利用して自ら変形を起こすように構成された高分子アクチュエーターである。アクチュエーター１１０は、例えば厚さ２ｍｍのフィルム体であり、厚みが小さい。アクチュエーター１１０は、フィルム体に配線が接続された状態で、製氷板１１の表面に沿って装着される。アクチュエーター１１０には、配線を介して脱氷装置１００の電源（不図示）から電力が供給され、アクチュエーター１１０は、供給された電力に応じた電圧が印加されることで駆動されて変形を起こす。
【００４６】
大別すると、アクチュエーター１１０には、直動タイプのものと、屈曲タイプのものとの２種類がある。直動タイプのアクチュエーターは、高分子材料が起こす伸張を利用したものであり、駆動されると、フィルム体の水平面に沿う方向（製氷板１１の表面に水平な方向）に沿った直線的な動き（直動）の変形を起こす。屈曲タイプのアクチュエーターは、高分子材料が起こす膨張を利用したものであり、駆動されると、フィルム体が屈曲する動きの変形を起こす。
【００４７】
まず、第１実施例として、直動タイプの高分子アクチュエーターについて、図５乃至図７を用いて詳細に説明する。
【００４８】
図５は、図４における脱氷装置１００のアクチュエーター１１０の第１実施例の構成及びその設置例を示す断面図である。図６は、図５のアクチュエーター１１０の配置の一例を示す製氷板１１の平面図である。
【００４９】
図５に示すように、本実施例に係る脱氷装置１００のアクチュエーター１１０は、製氷板１１と平行に装着されている。製氷板１１に装着される際に、各アクチュエーター１１０は、被覆材１２０によりラミネート（被覆）される。ラミネートに用いる被覆材１２０としては、可撓性のある可撓性材料（例えば、高分子ゲル）が用いられる。
【００５０】
図５及び図６に示すように、１枚の製氷板１１に装着されているアクチュエーター１１０の数は複数であり、複数個のアクチュエーター１１０の各々は、製氷板１１上において、互いに離間した状態で装着されている。このように離間させることにより、製氷板１１と水との間にアクチュエーター１１０が介在していない場所では、製氷板１１が氷を製造する際の製氷効率が低下するのが防止される。
【００５１】
各アクチュエーター１１０は、図５に示すように、一対の電極板１１１，１１１と、一対の電極板１１１，１１１間に配置された絶縁層１１２とから構成されている。絶縁層１１２は、電極板１１１，１１１間に電流が流れないようにする絶縁体で構成されており、本実施例では、絶縁層１１２が有機物の高分子材料で構成されている。このようなアクチュエーター１１０は、絶縁層１１２に２枚の電極板１１１を接着することで容易に製造することができる。各アクチュエーター１１０の形状は、図６に示すように、正六角形である。
【００５２】
各電極板１１１は、金（Ａｕ）などの金属のプレートで構成されており、可撓性をもたない程度に厚みが大きくなるように成形されている。各電極板１１１に上記配線が接続される（図示せず）。
【００５３】
絶縁層１１２を構成する高分子材料として、誘電性のある誘電体であってゴムのように伸縮性のある弾性体である電歪ポリマー（electrostrictive polymer）又は圧電ポリマー（piezoelectric polymer）を用いる。このような電歪ポリマーには、アクリルゴム（acrylic rubber）やシリコーンゴム（silicone rubber）があり、圧電ポリマーには、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ：poly (vinylidene fluoride)）などがある。
【００５４】
高分子アクチュエーター１１０は、脱氷装置１００の電源がＯＦＦであるとき、図５に示すように、装着時の形状が維持された状態にあり、被覆材１２０の表面も平ら（フラット）である。このため、製氷板１１の表面（被覆材１２０の表面）には、広い範囲に亘って薄氷が形成される。脱氷装置１００の電源がＯＮになると、アクチュエーター１１０が自己変形した状態になり（図７参照）、アクチュエーター１１０の変形によって発生した力が製氷板１１で製造した薄氷に作用して、薄氷の剥離・破砕が発生し、その結果、薄氷は、製氷板１１からトラフ１５へと脱落する。
【００５５】
図７は、図５のアクチュエーター１１０の動作原理を説明するのに有用な図であって、製氷板１１の断面を模式的に示す図である。図７における細い矢印Ａ，Ｂは、アクチュエーター１１０の内部で発生する応力の方向を示しており、太い矢印Ｃは、被覆材１２０の内部で発生する応力の方向を示している。
【００５６】
脱氷装置１００の電源をＯＮにしてアクチュエーター１１０を駆動すると、電極板１１１，１１１間に電位差が生じる。このとき、電極板１１１，１１１間の空間には、マクスウェル（Maxwell）応力と呼ばれる力が発生する。マクスウェル応力とは、電場の方向において収縮させる力と（矢印Ａ参照）、電場の方向とは垂直な方向に伸張させる力（矢印Ｂ参照）の双方を、同時に電極板１１１，１１１間の空間に発生させる応力をいう。
【００５７】
ここで、電極板１１１，１１１間に、例えば電歪ポリマーが配置されている場合、電極板１１１，１１１間の空間に発生したマクスウェル応力により、電歪ポリマーは、電極板１１１の水平面と垂直な方向に収縮する収縮変形と、電極板１１１の水平面に水平な方向に伸張する伸張変形とを起こす。このときの変形量（変形方向における長さの変化量）は、収縮変形よりも伸張変形の方が大きい。アクチュエーター１１０の厚みが小さいためである。
【００５８】
伸張変形によって発生した力（矢印Ｂ）は、フィルム体側方にある被覆材１２０に作用する。ここで、図５及び図６に示されているように、アクチュエーター１１０の側面は、他のアクチュエーター１１０と対面しているので、他のアクチュエーター１１０が起こした伸張変形によって発生した力（矢印Ｂ）も、フィルム体側方にある被覆材１２０に作用する。この結果、２つのアクチュエーター１１０，１１０の間では、被覆材１２０を構成する可撓性材料を押し上げる応力（太い矢印Ｃ）が発生し、結果的に、被覆材１２０には、図７に示すような突条部１２１が形成されるような大きな変形が起きる。突条部１２１は、実際には、正六角形形状をなすアクチュエーター１１０の周囲に形成される。なお、図６には、このようにして突条部１２１が形成される位置が破線Ｌで示されている。
【００５９】
突条部１２１が形成されると、製氷板１１の表面に沿って平らに広く形成されている薄氷にとっては、局所的に力が作用することになるので、薄氷に亀裂（クラック）が入って、薄氷の破砕が促進される。
【００６０】
さらには、突条部１２１が形成されるとき、突条部１２１の周囲にある可撓性材料の表面部分が突条部１２１に向かって収縮する。この結果、被覆材１２０と薄氷との間でそれらの接触面に沿う方向に相対変位が生じる。これにより、被覆材１２０の表面に形成された薄氷の剥離が促進される。
【００６１】
また、電歪ポリマーや圧電ポリマーが収縮変形を起こすと、電極板１１１，１１１間の距離が短くなる。この結果、被覆材１２０と薄氷との間に間隙が形成されるような相対変位が発生する。これによっても、薄氷の剥離が促進される。
【００６２】
以上詳細に説明したように、第１実施例に係る脱氷装置１００のアクチュエーター１１０が動作すると、アクチュエーター１１０の伸張変形によって発生した力がアクチュエーター１１０近傍の薄氷に作用して、薄氷の剥離・破砕が促進される。また、アクチュエーター１１０の収縮変形によっても、薄氷の剥離が促進される。これらの結果、効率的な脱氷が実現される。
【００６３】
そして、電源をＯＦＦにすると、アクチュエーター１１０の変形が元に戻って、電歪ポリマーや圧電ポリマー及び可撓性材料は、変形前の状態（図５）に復帰する。続いて、電源をＯＮにすると、電圧の極性（プラス，マイナス）に依らず、上述した伸張変形と同様の伸張変形を起こす。したがって、電源のＯＮとＯＦＦの切り替えを繰り返す（例えば交流電源を用いる）ことにより、アクチュエーター１１０の伸張変形を繰り返すことが可能である。これにより、脱氷効率をさらに向上させることができる。
【００６４】
ここで、アクチュエーター１１０の配置について図６を用いて詳細に説明する。
上述したように、各アクチュエーター１１０の外周は、正六角形形状をなしており、複数のアクチュエーター１１０の各々は、製氷板１１上において、互いに離間した状態で製氷板１１に装着されている。
【００６５】
また、図６に示すように、１つのアクチュエーター１１０外周をなす各辺は、隣にあるアクチュエーター１１０の外周をなす辺の１辺と平行となっており、図５に示すように外周側面が対面している。このような配置を繰り返すことで、複数のアクチュエーター１１０は、図６に示すように、蜂の巣状に配置されている。このような配置を、本明細書では、「ハニカム配置」という。
【００６６】
ハニカム配置を採用することにより、２つのアクチュエーター１１０，１１０間に形成される突条部１２１（図７）が形成されやすくなる（図６の破線Ｌ参照）。また、図６に示す破線Ｌが２つのアクチュエーター１１０，１１０間の中心線を通っていることから分かるように、破線Ｌから一方のアクチュエーター１１０までの距離は、破線Ｌの交点付近を除いては変化しない。このため、双方のアクチュエーター１１０，１１０が可撓性材料に作用させる力は破線Ｌ上でほぼ等しい。この結果、破線Ｌに沿って形成される突条部１２１の高さは、大部分が同じ程度の高さである。
【００６７】
ところで、アクチュエーター１１０の形状が、例えば円形である場合にも、製氷板１１上に破線Ｌと同様の線（以下、「破断線」という）を考えることができる。しかしながら、円形のアクチュエーターをどのように配置しても、破断線から１つのアクチュエーターまでの距離は変化しており、破断線から１つのアクチュエーターまでの最短距離に該当する場所は１箇所しかない。この結果、アクチュエーターの形状が円形である場合、破断線に沿って形成される突条部１２１の高さは、アクチュエーターからの距離が最短距離の部分が最も高く、距離が遠くなるにつれて低くなる。このように突条部１２１の高さが変化すると、薄氷にクラックが入りやすい位置は、突条部１２１の高さが最も高い場所が中心となる。このため、薄氷の剥離・破砕が十分に促進されず、脱氷効率が悪い。
【００６８】
つまり、アクチュエーター１１０を製氷板１１に装着する際に、図６に示すようなハニカム配置を採用することにより、脱氷効率を向上させることができる。
【００６９】
以上詳細に説明したように、第１実施例に係る脱氷装置１００のアクチュエーター１１０によれば、アクチュエーター１１０に電力を供給することにより、アクチュエーター１１０は自己変形（主に伸張変形）を起こす。この変形によって発生した力は、薄氷に作用して、薄氷の剥離・破砕が促進される。
【００７０】
また、アクチュエーター１１０の変形によって発生した力の薄氷への伝達は、被覆材１２０を介して行われる。このとき、複数のアクチュエーター１１０を、図５や図６に示したように側面同士が対面するように配置することで、被覆材１２０に大きな変形をもたらすことができ、薄氷の剥離・破砕の促進をより効率的に行うことができる。
【００７１】
なお、第１実施例では、アクチュエーター１１０を可撓性部材でラミネートしたが、ラミネートしなくてもよい。この場合には、アクチュエーター１１０の伸張変形によって発生した力は、アクチュエーター１１０，１１０間に形成された薄氷に対して直接的に作用することになる。
【００７２】
続いて、第２実施例として、屈曲タイプの高分子アクチュエーターについて、図８乃至図１０を用いて詳細に説明する。
【００７３】
図８は、図４における脱氷装置１００のアクチュエーター１１０の第２実施例の構成及びその設置例を示す断面図である。
【００７４】
図８に示すように、本実施例に係る脱氷装置１００のアクチュエーター１１０は、製氷板１１と平行に装着されている。製氷板１１に装着される際に、各アクチュエーター１１０は、弾性部材の一例であるスプリング２２０により製氷板１１と点接続される。図８に示すように、１枚の製氷板１１に装着されているアクチュエーター１１０の数は、多数であり、複数個のアクチュエーター１１０の各々は、製氷板１１上において、互いに離間した状態で装着されている。これにより、第１実施例同様に、製氷効率の低下が防止される。
【００７５】
各アクチュエーター１１０は、図８に示すように、一対の電極板２１１，２１１と、一対の電極板２１１，２１１間に配置されたイオン伝導層２１２とから構成されている。イオン伝導層２１２は、電極板２１１，２１１間に電流が流れることを可能にするイオン伝導体で構成されており、本実施例では、イオン伝導層２１２が有機物の高分子材料で構成されている。このようなアクチュエーター１１０は、例えば厚さ１．５ｍｍのフィルム状又は薄膜状に成形したイオン伝導層２１２の２つの面に対して化学メッキを施すことで製造することができる。各アクチュエーター１１０の形状は、矩形である。
【００７６】
各電極板２１１は、金（Ａｕ）などの金属の薄膜で構成されており、可撓性をもたせるために厚みが小さくなるように成形されている。各電極板２１１に配線が接続される（図示せず）。
【００７７】
イオン伝導層２１２を構成する高分子材料として、ポリエチレン系樹脂（基本骨格）に親水性を付与すると共にイオン交換樹脂化させたもの（以下、「イオン伝導性高分子」という）を用いる。なお、ポリエチレン系樹脂に親水性を付与するためには、ポリエチレン系樹脂に、例えばカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）を導入すればよい。また、ポリエチレン系樹脂をイオン交換樹脂にするには、ポリエチレン系樹脂に、例えばスルホン基（−ＳＯ3Ｈ）を導入してプロトン（Ｈ+）を金属の陽イオンで置換すればよい。このイオン伝導性高分子は、親水性であるため、極性溶媒である水を取り込むことができ、実際に、本実施例では、水を取り込んで膨潤した状態（ゲル状態）で使用される。
【００７８】
高分子アクチュエーター１１０は、脱氷装置１００の電源がＯＦＦであるとき、図８に示すように、装着時の形状が維持された状態にある。また、スプリング２２０による点接続により、製氷板１１とアクチュエーター１１０の間には空間が形成されている。このため、製氷板１１とアクチュエーター１１０の間には、広い範囲に亘って薄氷が形成される。また、薄氷は、アクチュエーター１１０の外側表面にも形成される。脱氷装置１００の電源がＯＮになると、アクチュエーター１１０が自己変形した状態になり（図９参照）、アクチュエーター１１０の変形によって発生した力が製氷板１１で製造した薄氷に作用して、薄氷の剥離・破砕が発生し、その結果、薄氷は、製氷板１１からトラフ１５へと脱落する。
【００７９】
図９は、図８のアクチュエーター１１０の駆動状態を説明するための製氷板１１の側面図であり、図９Ａは、アクチュエーター１１０に、ある極性の電圧を印加した場合を示している。
【００８０】
脱氷装置１００の電源をＯＮにしてアクチュエーター１１０を駆動すると、一方の電極板２１１が陽極となり、他方の電極板２１１が陰極となる。図９Ａに示す例では、製氷板１１側の電極板２１１が陰極となっている。このとき、図１０を用いて後述する動作原理にしたがってアクチュエーター１１０内部に応力が発生し、その結果、アクチュエーター１１０は、製氷板１１側に向かって凸となるように屈曲変形を起こす。
【００８１】
屈曲変形によって発生した力は、アクチュエーター１１０の表面に形成されている氷に直接的に作用する。この結果、薄氷に亀裂（クラック）が入って、薄氷の破砕が促進される。また、アクチュエーター１１０が屈曲変形を起こすと、アクチュエーター１１０の表面と薄氷との間でそれらの接触面に沿う方向に相対変位が生じる。これにより、アクチュエーター１１０の表面に形成された薄氷の剥離が促進される。
【００８２】
また、アクチュエーター１１０が屈曲変形を起こす際、スプリング２２０の弾性により、アクチュエーター１１０の変形を妨げることが防止されている。このようにすることで、製氷板１１とアクチュエーター１１０の間の空間に形成された氷の破砕の促進も確実に行われる。
【００８３】
以上詳細に説明したように、本実施例に係る脱氷装置１００のアクチュエーター１１０が動作すると、アクチュエーター１１０の屈曲変形によって発生した力がアクチュエーター１１０近傍の薄氷に作用して、薄氷の剥離・破砕が促進される。この結果、効率的な脱氷が実現される。
【００８４】
そして、電源をＯＦＦにすると、アクチュエーター１１０の変形が元に戻って、アクチュエーター１１０は、変形前の状態（図８）に復帰する。続いて、電源をＯＮにすると、上述した屈曲変形と同様の屈曲変形を起こす。したがって、電源のＯＮとＯＦＦの切り替えを繰り返すことにより、アクチュエーター１１０の屈曲変形を繰り返すことが可能である。これにより、さらに脱氷効率を向上させることができる。
【００８５】
図９Ｂは、図９Ａとは逆の極性の電圧をアクチュエーター１１０に印加した場合を示している。
図９Ｂに示すように、逆の極性の電圧を印加すると、アクチュエーター１１０は、逆方向に屈曲変形を起こす。そこで、電源をＯＮにする度に、電極板２１１に印加する電圧の極性を変更する（例えば交流電源を用いる）ことで、図９Ａに示す屈曲変形と、図９Ｂに示す屈曲変形を交互に起こさせることが可能となる。これにより、アクチュエーター１１０の屈曲可能な範囲が拡大化することになるので、さらに脱氷効率を向上させることができる。
【００８６】
次に、図１０を用いて、第２実施例に係るアクチュエーター１１０の動作原理を説明する。
図１０は、図８のアクチュエーター１１０の動作原理を説明するための模式図である。
【００８７】
図１０Ａは、アクチュエーター１１０に電圧を印加する前の状態を示しており、脱氷装置１００の電源がＯＦＦである。そのため、電極板２１１に電子が供給されることはない。
このとき、イオン伝導層２１２では、電解質（イオン交換樹脂）であるイオン伝導性高分子が、取り込んだ水により電離（イオン化）した状態にある。具体的には、図１０Ａに示すように、イオン伝導性高分子は、ポリエチレン系樹脂に導入したスルホン基に由来する陰イオン２１２ａと、金属の陽イオン２１２ｂとに分離している。
【００８８】
基本骨格であるポリエチレン系樹脂の陰イオン２１２ａに比べて小型の陽イオン２１２ｂや水分子２１３は、イオン伝導層２１２内で比較的自由に移動することができる。水分子２１３の自由な移動が可能であるため、イオン伝導層２１２内における含水率には偏りがない。このような状態（図１０Ａ）にあるときには、アクチュエーター１１０には変形が起こらない。
【００８９】
図１０Ｂは、アクチュエーター１１０に電圧を印加したときの状態を示しており、脱氷装置１００の電源がＯＮである。電源をＯＮにすると、一方の電極板２１１（図では左側の電極板２１１）に電子が供給されて、その電極板２１１は陰極となる。陰極は、イオン伝導層２１２内の陽イオン２１２ｂを引き寄せる。このとき、陽イオン２１２ｂは水分子２１３を伴って陰極に向かって移動する。
【００９０】
他方の電極板２１１は、陽極となって、陰イオン２１２ａを引き寄せようとする。しかし、陰イオン２１２ａは、基本骨格を含む大型のものであるため、イオン伝導層２１２内での流動性が低く、陽極に引き寄せられにくい。
【００９１】
これらの結果、イオン伝導層２１２内において、陰極側では、水分子２１３の密度が図１０Ａに示す状態よりも高くなって、イオン伝導性高分子の含水率が上昇し、一方、陽極側では、水分子２１３の密度が低くなって、イオン伝導性高分子の含水率が低下する。つまり、図１０Ｂに示すように、イオン伝導層２１２内において、イオン伝導性高分子の含水率に偏りが生じる。
【００９２】
上述したように陰極側でイオン伝導性高分子の含水率が上昇する際、イオン伝導性高分子は、図１０Ａに示す状態よりもさらに膨潤することになる。このようにして、イオン伝導性高分子が膨潤する際にイオン伝導層２１２内に膨張圧力が生じ、その膨張圧力の大きさに応じて、陰極である電極板２１１は外側に向かって反るように伸張する変形を起こす。一方、陽極である電極板２１１は、陰極と同じ方向に反るように収縮する変形を起こす。これらの結果、アクチュエーター１１０は、図９Ａに示したような屈曲変形を起こす。
【００９３】
その後、電源がＯＦＦになると、アクチュエーター１１０の変形が元に戻って、変形前の状態（図１０Ａ，図８）に復帰する。
【００９４】
図１０Ｃは、図１０Ｂとは逆の極性の電圧をアクチュエーター１１０に印加したときの状態を示しており、脱氷装置１００の電源がＯＮである。電源をＯＮにすると、図１０Ｂを用いて説明した現象と同じ現象が陰極側（図では右側の電極板２１１）及び陽極側で起きて、アクチュエーター１１０は、図９Ｂに示したような屈曲変形を起こす。この場合にも、電源をＯＦＦにすれば、アクチュエーター１１０の変形が元に戻って、変形前の状態（図１０Ａ，図８）に復帰する。
【００９５】
以上詳細に説明したように、第２実施例に係る脱氷装置１００のアクチュエーター１１０によれば、アクチュエーター１１０に電力を供給することにより、アクチュエーター１１０は、自己変形（屈曲変形）を起こす。この変形によって発生した力は、薄氷に作用して、薄氷の剥離・破砕が促進される。
【００９６】
また、アクチュエーター１１０が、スプリング２２０などの弾性部材を介して製氷板１１と点接続されているので、アクチュエーター１１０の屈曲変形を妨げることが防止される。このようにすることで、製氷板１１とアクチュエーター１１０の間の空間に形成された氷の破砕の促進も確実に行われる。なお、弾性部材として、スプリング２２０を例示したが、これに代えてゴムなどを用いてもよい。
【００９７】
なお、上述した第２実施例では、高分子材料が起こす膨張変形を利用した屈曲タイプのアクチュエーター１１０が構成されているが、高分子材料が起こす膨張変形の伸張方向成分を抽出して利用することにより、直動タイプのアクチュエーター１１０を構成してもよい。直動タイプのアクチュエーター１１０を構成した場合には、図５に示したように、ラミネートを行うことが有効となる。
【００９８】
また、本実施例のように、屈曲タイプのアクチュエーター１１０を用いる場合には、図５に示したようなラミネートを行う必要はない。このようにラミネートを行う必要がない場合には、製氷板１１に熱伝導層１１ｂを設けなくてもよい。
【００９９】
図１０に示した例では、アクチュエーター１１０は、高分子材料が電極板２１１近傍で膨潤している。これに代えて、電極板を高分子材料で構成することにより、電極板そのものが膨潤するように構成することもできる。以下、そのようなアクチュエーター１１０を第３実施例として説明する。本実施例では、高分子材料で電極板を構成するため、高分子材料としては、導電性のあるもの（以下、「導電性高分子材料」という）が用いられる。
【０１００】
図１１は、図４に示す脱氷装置１００の第３実施例に係るアクチュエーター１１０の構成を概略的に示す断面図である。
【０１０１】
図１１に示すアクチュエーター１１０は、図８に示すアクチュエーター１１０に代えて製氷板１１に装着されるものであり、一対の電極板３１１，３１２と、一対の電極板３１１，３１２間に配置された電解液保持層３１３とから構成されている。電解液保持層３１３は、液体を吸収可能な吸収体を有し、本実施例では、その吸収体に電解液が保持されている。したがって、本実施例に係るアクチュエーターは、電解セルと同様の構成をなしている。このようなアクチュエーター１１０は、電解液を吸収した吸収体を電解液保持層３１３として、その電解液保持層３１３を２枚の電極板３１１，３１２で挟持し、所定の方法で全体を封止することで製造することができる。封止することで電極板３１１，３１２と電解液とが一体化されて電解液の漏出が防止され、これにより、アクチュエーター１１０を空中で駆動することが可能となる。
【０１０２】
電解液保持層３１３の電解液は、電極板３１１，３１２間に電流が流れることを可能にするためのものである。電解液は、嵩高いイオン（体積の大きいイオン）に電離可能な電解質を所定の溶媒に溶解させることで調製される。嵩高いイオンは、後述するようにドーパントとして機能する。
【０１０３】
一対の電極板３１１，３１２には、配線が接続される。一方の電極板３１１は、金（Ａｕ）などの金属の薄膜で構成されており、可撓性をもたせるために厚みが小さくなるように成形されている。
【０１０４】
本実施例では、もう一方の電極板３１２に、上記導電性高分子材料を用いる。導電性高分子材料としては、多孔質のもの（例えばポリアニリン）が用いられる。多孔質のものを用いることで、電解液中のドーパントを導電性高分子材料にドープ（添加）することが可能となる。
【０１０５】
図１２は、図１１のアクチュエーター１１０の動作原理を説明するのに有用な図である。なお、図１２では、電解セルを例に説明する。
【０１０６】
図１２Ａは、アクチュエーター１１０に電圧を印加する前の状態を示しており、脱氷装置１００の電源がＯＦＦである。そのため、電極板３１１又は電極板３１２に電子が供給されることはない。高分子アクチュエーター１１０は、装着時の形状が維持された状態にあり、アクチュエーター１１０には変形が起こらない。
このとき、電解液保持層３１３では、電解質が溶媒により電離（イオン化）した状態にある。図１２に示す例では、電解質は、嵩高い陰イオン３１３ａと、金属の陽イオン３１３ｂとに分離している。
【０１０７】
図１２Ｂは、アクチュエーター１１０に電圧を印加したときのアクチュエーター１１０の状態を示しており、脱氷装置１００の電源がＯＮである。電源をＯＮにすると、図１２Ｂに示す例では、電極板３１１に電子が供給されて、その電極板３１１は陰極となる。陰極は、電解液保持層３１３内の陽イオン３１３ｂを引き寄せる（図示せず）。
【０１０８】
一方、電極板３１２は、陽極となって、陰イオン３１３ａを引き寄せる。ここで、電極板３１２は、多孔質であるため、陰イオン３１３ａを内部に取り込む。つまり、電極板３１２に陰イオン３１３ａ（ドーパント）がドープされる。ドーパントとして、嵩高いものを用いているので、電極板３１２は、図１２Ａに示す状態よりもさらに膨潤する。具体的には、電極板３１２は、取り込んだ陰イオン３１３ａの体積に応じて全表面が膨張する。
【０１０９】
実際には、本実施例に係る脱氷装置１００のアクチュエーター１１０は、空気中での駆動を可能にすべく封止されているので、全表面が膨張することはなく、例えば、膨張が制限されていない中央部分（周縁部以外の部分）から膨張する。この膨張圧力の大きさに応じて、電極板３１２は外側に向かって反るように伸張する変形を起こす。一方、電極板３１１は、陰イオン３１３ａが電極板３１２に取り込まれたことに起因する電解液保持層３１３の体積減少を補うように、陽極と同じ方向に向かって収縮する変形を起こす。これらの結果、アクチュエーター１１０は、第２実施例に係るアクチュエーター１１０と同様の屈曲変形を起こす。
【０１１０】
その後、電源がＯＦＦになると、アクチュエーター１１０の変形が元に戻って、変形前の状態（図１２Ａ）に復帰する。
【０１１１】
図１２Ｃは、図１２Ｂとは逆の極性の電圧をアクチュエーター１１０に印加したときの状態を示しており、脱氷装置１００の電源がＯＮである。電源をＯＮにすると、図１２Ｂを用いて説明した現象（ドープ）と逆の現象（脱ドープ）が起きる。具体的には、電極板３１２は、取り込んでいた陰イオン３１３ａ又はその電解質を電解液保持層３１３中に陰イオン３１３ａとして放出し、その結果、収縮する。これにより、電解液保持層３１３の体積が増大して、図１１に示すような構成のアクチュエーター１１０では、陽極である電極板３１１を外側に向かって膨張させる。ただし、陽極である電極板３１１は、多孔質のものではないので、陰イオン３１３ａを内部に取り込むことはない。
【０１１２】
なお、電極板３１２が収縮した結果、図１２Ａに示した状態よりも体積が小さくなるように構成するためには、電極板３１２を製造する際に、予め多孔質の部分に電解質を取り込んでおけばよい。このように構成することで、図１１に示すアクチュエーター１１０は、図１２Ｃに示した状態にあるときに、屈曲変形を確実に起こすことができる。
【０１１３】
以上詳細に説明したように、本実施例によれば、アクチュエーター１１０に電力を供給することにより、自己変形（屈曲変形）を起こす。この変形によって発生した力は、薄氷に作用して、薄氷の剥離・破砕が促進される。
【０１１４】
なお、上述した第３実施例では、電極板そのものが膨張変形を起こすことを利用して、屈曲タイプのアクチュエーター１１０を構成しているが、膨張変形の伸張方向成分を取り出すことにより、直動タイプのアクチュエーター１１０を構成してもよい。作製したタイプに応じて、アクチュエーター１１０は製氷板１１に配置・装着される（図５，図８参照）。
【０１１５】
なお、第３実施例では、電解セルの一方の電極板に高分子材料を用いたが、双方の電極板に高分子材料を用いてもよい。この場合、一方の電極板にドープ可能な導電性材料を用い、他方の電極板に脱ドープ可能な導電性材料を用いることで、電極板間でドーパントの授受を効率的に行うことができる。
【０１１６】
以上詳細に説明したことをまとめると、本実施の形態では、脱氷装置１００のアクチュエーター１１０に電力を供給することにより、アクチュエーター１１０が自己変形（伸張変形や屈曲変形）を起こす。アクチュエーター１１０の変形によって発生した力は、製氷板が製氷した氷に作用する。これにより、製氷板に形成された薄氷の剥離や破砕が促進され、効率的な脱氷を行うことができる。また、アクチュエーター１１０が変形に要した空間の広さ以上に広い体積に亘る脱氷を行うことができる。したがって、脱氷効率が高い。
【０１１７】
また、本実施の形態によれば、アクチュエーター１１０が起こすのは、上述したように変形であって、ワイパーのような脱氷装置が起こす変位とは異なる。したがって、本実施の形態では、アクチュエーター１１０に、ワイパーのようにギアやカムなどの駆動力伝達機構を設ける必要がなく、エネルギー効率が高い。
【０１１８】
さらに、本実施の形態によれば、脱氷させるために、製氷板１１の外側で変形を起こすアクチュエーター１１０を用いているので、製氷板１１に付着した氷に製氷板１１側から熱的エネルギーを投入して氷の一部を融解させる必要がない。さらには、熱エネルギーを投入する必要がないので、無駄なエネルギー消費を削減することができて駆動電圧を小さくすることができると共に、製氷装置１０に熱エネルギーを投入することによる製氷装置１０内の温度上昇を招くことをなくして製氷効率を向上させることができる。また、熱エネルギーを投入するタイプの氷蓄熱装置では、脱氷中に製氷を行うことができず運転ロスが発生するが、本実施の形態では、製氷中に脱氷を行うことができるので、運転ロスがなく、効率的な稼働を実現させることができる。
【０１１９】
なお、製氷板側から熱エネルギーを投入するタイプの氷蓄熱装置としては、例えば、回収した冷媒が氷に対して相対的に温かいことを利用して、温かい冷媒をホットガスとして製氷板内部に供給するホットガス供給型のものが知られている。これに対して、本実施の形態では、このようなホットガスを利用する必要がないので、ホットガスを製氷板内部に供給するための配管などが不要であり、氷蓄熱装置２の構成は、ホットガス供給型の氷蓄熱装置の構成よりも単純である。
【０１２０】
なお、上述した実施の形態では、脱氷装置１００のアクチュエーター１１０の数は、複数に限られることはなく、１つであってもよい。
【０１２１】
また、脱氷装置１００のアクチュエーター１１０は、高分子材料の特性を利用した高分子アクチュエーター１１０であるとしたが、自己変形を起こすアクチュエーターであれば上述した効果を奏することができるので、高分子アクチュエーターに限られることはない。
【０１２２】
また、上述した実施の形態では、氷蓄熱装置２について説明したが、アクチュエーター１１０は製氷板１１に装着されているので、製氷装置１０のみの場合（蓄熱槽２０及び搬送装置３０がない場合）であっても同様の説明が適用される。さらには、製氷板１１以外の部材にアクチュエーター１１０を装着してもよく、例えば窓ガラスの屋外側にアクチュエーター１１０を装着することにより、窓ガラス表面に形成された氷を脱落させることができる。
【０１２３】
また、上述した実施の形態では、結氷する部材として、プレート状の製氷板１１を用いたが、結氷する部材の形状はプレート状に限られることはなく、例えば、円筒形であってもよい。上述した実施の形態で挙げたようなアクチュエーター１１０はフィルム状又は薄膜状であるため、円筒形などの部材が有する曲面にも装着することが可能である。
【０１２４】
また、上述した実施の形態では、アクチュエーター１１０を製氷板１１の表面に装着したが、これに代えて、アクチュエーター１１０の一部を製氷板１１内部に埋設してもよい。この場合、アクチュエーター１１０は、製氷板１１内部から突出した部分で脱氷を行うように構成される。
【０１２５】
また、アクチュエーター１１０の形状は、図６に示した例では、正六角形であるとしたが、三角形、正方形、又は長方形であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】本発明の実施の形態に係る氷蓄熱装置を含む冷房システムの構成を概略的に示す模式図である。
【図２】図１における製氷装置の構成を概略的に示す側面図である。
【図３】図２の製氷装置の下部の外観を示す斜視図である。
【図４】図２の製氷装置の製氷板の構成及び当該製氷板に装着された脱氷装置の配置を示す断面図である。
【図５】図４における脱氷装置のアクチュエーターの第１実施例の構成及びその設置例を示す断面図である。
【図６】図５のアクチュエーターの配置の一例を示す製氷板の平面図である。
【図７】図５のアクチュエーターの動作原理を説明するのに有用な図であって、製氷板の断面を模式的に示す図である。
【図８】図４における脱氷装置のアクチュエーターの第２実施例の構成及びその設置例を示す断面図である。
【図９】図８のアクチュエーターの駆動状態を説明するための製氷板の側面図であり、図９Ａは、アクチュエーターにある極性の電圧を印加した場合を示しており、図９Ｂは、図９Ａとは逆の極性の電圧をアクチュエーターに印加した場合を示している。
【図１０】図８のアクチュエーターの動作原理を説明するための模式図であり、図１０Ａは、アクチュエーターに電圧を印加する前の状態を示し、図１０Ｂは、アクチュエーターにある極性の電圧を印加したときの状態を示し、図１０Ｃは、図１０Ｂとは逆の極性の電圧をアクチュエーターに印加したときの状態を示している。
【図１１】図４における脱氷装置の第３実施例に係るアクチュエーターの構成を示す断面図である。
【図１２】図１１のアクチュエーターの動作原理を説明するのに有用な図であり、図１２Ａは、アクチュエーターに電圧を印加する前の状態を示し、図１２Ｂは、アクチュエーターにある極性の電圧を印加したときの状態を示し、図１２Ｃは、図１２Ｂとは逆の極性の電圧をアクチュエーターに印加したときの状態を示している。
【符号の説明】
【０１２７】
１ 冷房システム
２ 氷蓄熱装置
３ 冷房設備
４ 熱交換器
１０ 製氷装置
１１ 製氷板
２０ 蓄熱槽
１００ 脱氷装置
１１０ アクチュエーター
１２０ 被覆材
１２１ 突条部
２２０ スプリング
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脱氷装置、製氷装置、氷蓄熱装置、及び脱氷方法に関し、特に、結氷する部材から氷を脱落させる脱氷装置及び脱氷方法、並びに、該脱氷装置を備える製氷装置、及び該製氷装置を備える氷蓄熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビル等の建物において日中に冷房を行うために、夜間の安価な電力を用いて冷熱を貯蓄することが行われている。
【０００３】
冷熱を貯蓄する蓄熱装置としては、製氷装置を用いて製造した氷を貯蓄する氷蓄熱装置がある。氷蓄熱装置用の製氷装置は、結氷する部材としての製氷板を備えている。製氷装置では、低温の冷媒を製氷板の内部に供給することにより、製氷板が冷却されている。このように冷却された製氷板の外側表面に水を供給することにより、製氷板の外側表面で水が凍結して氷が形成される（結氷）。
【０００４】
氷蓄熱装置では、製氷板から氷を脱落（脱氷）させて下方の蓄熱槽に氷を貯蓄している。製氷板の外部において機械的に脱氷を行う脱氷装置としてはワイパーが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載のワイパーは、モーターによって駆動されて、製氷板の表面を摺動することにより、製氷板に付着した氷粒を掻き落とすものである。
【特許文献１】特開平０３−２４４９８６号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記ワイパーを駆動するためには、駆動源としてのモーターが必要となる。また、モーターの駆動力でワイパーに変位（摺動）を起こさせるためには、モーターとワイパーの間に、ギアやカムなどの駆動力伝達機構を設ける必要がある。駆動力伝達機構は、モーターの駆動力の一部を消費（ロス）するため、ワイパーに伝達すべきモーターの駆動力を小さくしてしまう。つまり、駆動力伝達機構を設けると、エネルギー効率が低下することになる。
【０００６】
また、製氷板においてワイパーが脱氷可能な面積（最大面積）は、ワイパーが摺動する摺動面積にほぼ等しい。したがって、ワイパーの摺動面積以上に広い面積に亘る脱氷を行うことはできないため、脱氷効率のさらなる向上を期待することはできない。また、製氷板の表面に薄氷が形成されてからワイパーを駆動すると、ワイパーが薄氷上を摺動して脱氷することができない場合がある。
【０００７】
本発明の目的は、効率的に脱氷することができる脱氷装置及び脱氷方法を提供することにある。また、該脱氷装置を備える製氷装置、及び該製氷装置を備える氷蓄熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の脱氷装置は、結氷する部材に装着され、変形を起こすことにより前記部材から氷を脱落させることを特徴とする。
【０００９】
本発明の脱氷装置によれば、自ら変形を起こし、その変形によって発生した力は、脱氷装置に接触している氷に作用する。この結果、氷の内部には応力が発生し、氷は、部材から自然に脱落する。ここで、脱氷装置が起こすのは、変形であって、変位ではないので、脱氷装置に駆動力伝達機構を設ける必要がなく、エネルギー効率が高い。また、変形によって発生した力が氷に作用するので、変形に要した空間の広さ以上に広い体積に亘る脱氷を行うことができるため、脱氷効率が高い。
【００１０】
請求項２記載の脱氷装置は、請求項１記載の脱氷装置において、高分子材料を有するアクチュエーターを備え、当該アクチュエーターは、印加された電圧に応じて前記変形を起こすことを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の脱氷装置によれば、アクチュエーターに電圧を印加するだけでアクチュエーターを駆動する（変形させる）ことができるので、モーターや駆動力伝達機構を脱氷装置に設ける必要がなく、脱氷装置の構成を単純にすることができる。また、アクチュエーターを変形させるために、高分子材料の特性（伸縮性や膨張性）を利用することができる。
【００１２】
請求項３記載の脱氷装置は、請求項２記載の脱氷装置において、前記高分子材料は、一対の電極板間に配置されたイオン交換樹脂、電歪ポリマー、及び圧電ポリマーから選択されたいずれかの材料からなるか、又は多孔質の導電性材料からなることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の脱氷装置によれば、高分子材料が、イオン交換樹脂、導電性材料、電歪ポリマー、圧電ポリマーなどからなるので、アクチュエーターに印加された電圧（電力）の電荷を利用して、イオン交換樹脂や導電性材料に膨張変形を起こしたり、電歪ポリマーや圧電ポリマーに伸張変形を起こしたりすることができる。
【００１４】
請求項４記載の脱氷装置は、請求項２又は３記載の脱氷装置において、前記アクチュエーターと前記部材との間に配置された弾性部材を備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の脱氷装置によれば、アクチュエーターと部材との間に弾性部材が配置されているので、弾性部材の弾性により、アクチュエーターの変形を妨げることが防止される。
【００１６】
請求項５記載の脱氷装置は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の脱氷装置において、可撓性のある可撓性材料により被覆されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項５記載の脱氷装置によれば、脱氷装置が変形を起こしたときに、可撓性材料も変形する。これにより、脱氷に際し、可撓性材料の変形によって発生した力も利用することができる。
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明の請求項６記載の製氷装置は、上述した脱氷装置を少なくとも１つ備えると共に、前記部材として、水を冷却して氷を製造する製氷部材を備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明の製氷装置によれば、上述した脱氷装置が奏する効果と同等の効果を奏することができる。つまり、製氷装置は、製氷部材を用いて製造した氷を製氷部材から効率的に脱落させることができる。また、製造した氷が厚くなる前に脱氷を行うことで、製氷装置の製氷効率が低下するのを防止することができる。
【００２０】
請求項７記載の製氷装置は、請求項６記載の製氷装置において、前記脱氷装置を複数備えており、当該複数の脱氷装置の各々は互いに離間した状態で前記製氷部材に装着されていることを特徴とする。
【００２１】
請求項７記載の製氷装置によれば、複数の脱氷装置を備えているので、より効率的な脱氷を行うことができる。また、複数の脱氷装置の各々が互いに離間しているので、各脱氷装置の変形によって発生した力を同じ場所の氷に作用させることができる。また、脱氷装置が離間している場所では、製氷装置と水との間に脱氷装置が介在しないので、製氷装置の製氷効率が維持される。
【００２２】
上記目的を達成するために、本発明の請求項８記載の氷蓄熱装置は、上述した製氷装置と、当該製氷装置が製造した氷を貯蓄する蓄熱槽とを備えることを特徴とする。
【００２３】
本発明の氷蓄熱装置によれば、上述した脱氷装置が奏する効果と同等の効果を奏することができる。つまり、氷蓄熱装置は、製氷部材を用いて製造した氷を製氷部材から効率的に脱落させることができると共に、製氷装置の製氷効率の低下が防止される。これにより、製氷時のエネルギー消費量を減少させることができる。
【００２４】
上記目的を達成するために、本発明の請求項９記載の脱氷方法は、結氷する部材に装着された脱氷装置に変形を起こさせることにより、前記部材から氷を脱落させることを特徴とする。
【００２５】
本発明の脱氷方法によれば、結氷する部材に装着した脱氷装置に変形を起こさせる。その変形によって発生した力は、脱氷装置に接触している氷に作用する。この結果、氷の内部には応力が発生し、氷は、部材から自然に脱落する。ここで、脱氷装置に起こさせるのは、変形であって、変位ではないので、脱氷装置に駆動力伝達機構を設ける必要がなく、エネルギー効率が高い。また、変形によって発生した力が氷に作用するので、変形に要した空間の広さ以上に広い体積に亘る脱氷を行うことができるため、脱氷効率が高い。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の脱氷装置及び脱氷方法によれば、結氷する部材に装着された脱氷装置に変形を起こさせることにより、効率的に脱氷することができる。また、これにより、脱氷効率が高い脱氷装置を備える製氷装置や、当該製氷装置を備える氷蓄熱装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る氷蓄熱装置を含む冷房システムの構成を概略的に示す模式図である。図１に示す冷房システム１は、例えば、ビル等の建物に設置される。
【００２８】
図１に示すように、冷房システム１は、氷蓄熱装置２と、冷房設備３と、熱交換器４とを備えている。氷蓄熱装置２は、建物の屋上に設置され、冷房設備３は、建物のフロアに設置され、熱交換器４は、建物内において、氷蓄熱装置２と冷房設備３の間に設置される。なお、冷房設備３は図１では１台が示されているが、冷房システム１が備える冷房装置は複数台であってもよく、この場合には、建物の各フロアに冷房装置を設置することが好ましい。
【００２９】
氷蓄熱装置２は、水を冷却して氷を製造する製氷装置１０と、氷や水を貯蓄する蓄熱槽２０とを備える。本実施の形態に係る氷蓄熱装置２は、蓄熱槽２０の上に製氷装置１０が設置された一体型氷蓄熱装置である。氷蓄熱装置２は、製氷装置１０で製造した氷を収穫して（脱落させて）、収穫した氷を水と共に蓄熱槽２０に貯蓄するハーベストタイプのものである。製氷装置１０は、製造した氷を収穫するために、後述する脱氷装置１００を備えている。
【００３０】
熱交換器４は、図１に示すように、配管５を介して氷蓄熱装置２の蓄熱槽２０と接続されており、また、配管６を介して冷房設備３に接続されている。配管５には、蓄熱槽２０に貯蓄されている水が循環しており、熱交換器４は、配管５内を流れる水を介して、蓄熱槽２０に貯蓄されている氷の潜熱（氷が水に融解するときに生じる熱）を冷熱として取り出す。また、配管６には、冷房設備３内部を通過するように水が循環しており、熱交換器４は、冷房設備３に配管６内を流れる水を介して、冷房設備３に冷熱を供給する。冷房設備３は、熱交換器４で取り出した冷熱を利用して、建物内に冷気を供給する。
【００３１】
図１の冷房システム１によれば、氷蓄熱装置２が設置された建物において、夜間に氷蓄熱装置２を稼働し昼間に冷房設備３を稼働することで、夜間に貯蓄した氷を利用した昼間の冷気供給が可能となる。これにより、建物における昼間の省電力を実現することができる。
【００３２】
図２は、図１における製氷装置１０の構成を概略的に示す側面図である。図３は、図２の製氷装置１０の下部の外観を示す斜視図である。図４は、図２の製氷装置１０の製氷板の構成及び当該製氷板に装着された脱氷装置１００の配置を示す断面図である。
【００３３】
図２に示すように、製氷装置１０は、複数（図では６枚）の製氷板１１と、製氷板１１の上端に接続された冷媒供給管１２と、製氷板１１の下端に接続された冷媒回収管１３と、給水管１４と、氷破砕装置３０とを備えている。また、図３及び図４に示すように、製氷板１１には、脱氷装置１００のアクチュエーター１１０が装着されている。アクチュエーター１１０は、後述するように、電圧が印加されると、自己変形を起こすものであり、製氷板１１上に形成された氷を脱落させるために設置されている。また、図２及び図３に示すように、製氷装置１０の下部において製氷板１１の下方には、断面Ｕ字形のトラフ（溝）１５が形成されており、氷破砕装置３０は、トラフ１５内に配設されている。
【００３４】
給水管１４は、不図示の水源から供給された水を製氷板１１に供給するための配管であり、水は配管内孔を通過する。図２に示すように、給水管１４は、製氷板１１の上方に配置されたシャワーヘッド１４ａを有する。シャワーヘッド１４ａは、製氷装置１０の稼働時に、製氷板１１の外側表面に向かって散水する。なお、給水管１４の水源は、蓄熱槽２０に貯蓄された水であることが好ましい。
【００３５】
製氷板１１は、熱伝導性のあるプレート状の部材で構成されている。具体的には、図４に示すように、アルミニウム製又はアルミニウム合金製の下地基板層１１ａと、下地基板層１１ａの外側表面を所定の厚さで被覆する熱伝導層１１ｂとから構成されている。熱伝導層１１ｂは、下地基板層１１ａよりも熱伝導性の高い材料、例えば炭素（カーボン）系材料で構成される。炭素系材料としては、例えば、炭素（グラファイト）を繊維状又はシート状に成形したものを用いることができる。熱伝導層１１ｂは、製氷装置１０の製氷効率を向上させるために設けられたものである。そのため、下地基板層１１ａを構成する材料よりも熱伝導性が高い材料であれば、カーボン系材料以外のものを用いることも可能である。
【００３６】
また、製氷板１１の下地基板層１１ａ内部には、冷媒が通過するための流路１１ｃが形成されている。
【００３７】
冷媒供給管１２は、低温の冷媒を製氷板１１内部に供給するための配管であり、配管内孔には、冷媒が充填されている。冷媒としては、ハイドロフルオロカーボン系のガス（例えば、Ｒ１３４ａ，Ｒ４０４Ａ，Ｒ４０７Ｃ）を用いることができる。また、冷媒供給管１２には、図２に示すように、圧力調整バルブ１２ａが製氷板１１近傍に設けられている。圧力調整バルブ１２ａは、製氷板１１内部に供給される冷媒の圧力や流量を調整する。
【００３８】
冷媒回収管１３は、製氷板１１内部の流路１１ｃを流れた冷媒を回収するための配管であり、冷媒は配管内孔を通過する。なお、冷媒回収管１３を用いて回収した冷媒は、図示しない凝縮器による凝縮を経て冷却されて再び冷媒供給管１２に供給される。
【００３９】
製氷板１１内部に形成されている流路１１ｃは、一端で冷媒供給管１２の内孔と連通しており、他端で冷媒回収管１３の内孔と連通している。これにより、製氷装置１０では、冷媒供給管１２を介して供給された冷媒が、製氷板１１の内部を通過して、冷媒回収管１３を介して回収される。
【００４０】
また、氷破砕装置３０は、図２及び図３に示すように、軸受けによって回転可能に支持されたスクリュー（コンベクター）３１で構成されている。スクリュー３１は、シャフト３１ａと、シャフト３１ａに立設するらせん状回転体である羽根３１ｂとを有している。スクリュー３１は、羽根３１ｂで、トラフ１５に回収された氷を細かく破砕する。
【００４１】
次に、図１の氷蓄熱装置２によって実行される氷蓄熱処理について説明する。
製氷装置１０が稼働されると、まず、冷媒供給管１２の圧力調整バルブ１２ａが開き、冷媒供給管１２から製氷板１１内部の流路１１ｃに冷媒が供給される。冷媒により、製氷板１１の内部が冷却され、熱伝導により、製氷板１１の外側表面も冷却されて低温となる。
【００４２】
このとき、給水管１４のシャワーヘッド１４ａによる散水が開始される。これにより、製氷板１１の外側表面に水膜が形成される。製氷板１１の外側表面が低温であるため、製氷板１１に形成された水膜は凍結する（結氷）。水膜の凍結が進行することによって、例えば１０分程度で、厚みが小さい板状の薄氷が製氷板１１の外側表面に形成される。なお、凍結しなかった水は、直接に、又は製氷板１１の外側表面を伝って流下し、下方のトラフ１５で回収される。
【００４３】
薄氷が形成されたタイミングで脱氷装置１００の電源がＯＮになりアクチュエーター１１０が駆動される。これにより、アクチュエーター１１０の自己変形によって発生した力が、製氷板１１で製造した薄氷に作用して、図３に示すように、薄氷は、製氷板１１から脱落する（脱氷）。脱落した氷は、トラフ１５で回収される。トラフ１５で回収された氷や水は、蓄熱槽２０に流入する。したがって、蓄熱槽２０には、氷と水が混在した状態で貯蓄されることになる。氷は、上述した氷破砕装置３０により細かく破砕されているので、配管５内を流れることができる。
【００４４】
なお、アクチュエーター１１０は、薄氷が厚くなる前に駆動される。これにより、氷が厚くなって製氷装置１０の製氷効率が悪化するのを防止することができる。言い換えると、薄氷が形成される度にアクチュエーター１１０を駆動することにより製氷効率を向上させることができ、その結果、蓄熱槽２０における氷の貯蓄量を増大させることができる。
【００４５】
次に、脱氷装置１００のアクチュエーター１１０について詳細に説明する。
本実施の形態に係る脱氷装置１００のアクチュエーター１１０は、高分子材料の特性（伸縮性や膨張性）を利用して自ら変形を起こすように構成された高分子アクチュエーターである。アクチュエーター１１０は、例えば厚さ２ｍｍのフィルム体であり、厚みが小さい。アクチュエーター１１０は、フィルム体に配線が接続された状態で、製氷板１１の表面に沿って装着される。アクチュエーター１１０には、配線を介して脱氷装置１００の電源（不図示）から電力が供給され、アクチュエーター１１０は、供給された電力に応じた電圧が印加されることで駆動されて変形を起こす。
【００４６】
大別すると、アクチュエーター１１０には、直動タイプのものと、屈曲タイプのものとの２種類がある。直動タイプのアクチュエーターは、高分子材料が起こす伸張を利用したものであり、駆動されると、フィルム体の水平面に沿う方向（製氷板１１の表面に水平な方向）に沿った直線的な動き（直動）の変形を起こす。屈曲タイプのアクチュエーターは、高分子材料が起こす膨張を利用したものであり、駆動されると、フィルム体が屈曲する動きの変形を起こす。
【００４７】
まず、第１実施例として、直動タイプの高分子アクチュエーターについて、図５乃至図７を用いて詳細に説明する。
【００４８】
図５は、図４における脱氷装置１００のアクチュエーター１１０の第１実施例の構成及びその設置例を示す断面図である。図６は、図５のアクチュエーター１１０の配置の一例を示す製氷板１１の平面図である。
【００４９】
図５に示すように、本実施例に係る脱氷装置１００のアクチュエーター１１０は、製氷板１１と平行に装着されている。製氷板１１に装着される際に、各アクチュエーター１１０は、被覆材１２０によりラミネート（被覆）される。ラミネートに用いる被覆材１２０としては、可撓性のある可撓性材料（例えば、高分子ゲル）が用いられる。
【００５０】
図５及び図６に示すように、１枚の製氷板１１に装着されているアクチュエーター１１０の数は複数であり、複数個のアクチュエーター１１０の各々は、製氷板１１上において、互いに離間した状態で装着されている。このように離間させることにより、製氷板１１と水との間にアクチュエーター１１０が介在していない場所では、製氷板１１が氷を製造する際の製氷効率が低下するのが防止される。
【００５１】
各アクチュエーター１１０は、図５に示すように、一対の電極板１１１，１１１と、一対の電極板１１１，１１１間に配置された絶縁層１１２とから構成されている。絶縁層１１２は、電極板１１１，１１１間に電流が流れないようにする絶縁体で構成されており、本実施例では、絶縁層１１２が有機物の高分子材料で構成されている。このようなアクチュエーター１１０は、絶縁層１１２に２枚の電極板１１１を接着することで容易に製造することができる。各アクチュエーター１１０の形状は、図６に示すように、正六角形である。
【００５２】
各電極板１１１は、金（Ａｕ）などの金属のプレートで構成されており、可撓性をもたない程度に厚みが大きくなるように成形されている。各電極板１１１に上記配線が接続される（図示せず）。
【００５３】
絶縁層１１２を構成する高分子材料として、誘電性のある誘電体であってゴムのように伸縮性のある弾性体である電歪ポリマー（electrostrictive polymer）又は圧電ポリマー（piezoelectric polymer）を用いる。このような電歪ポリマーには、アクリルゴム（acrylic rubber）やシリコーンゴム（silicone rubber）があり、圧電ポリマーには、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ：poly (vinylidene fluoride)）などがある。
【００５４】
高分子アクチュエーター１１０は、脱氷装置１００の電源がＯＦＦであるとき、図５に示すように、装着時の形状が維持された状態にあり、被覆材１２０の表面も平ら（フラット）である。このため、製氷板１１の表面（被覆材１２０の表面）には、広い範囲に亘って薄氷が形成される。脱氷装置１００の電源がＯＮになると、アクチュエーター１１０が自己変形した状態になり（図７参照）、アクチュエーター１１０の変形によって発生した力が製氷板１１で製造した薄氷に作用して、薄氷の剥離・破砕が発生し、その結果、薄氷は、製氷板１１からトラフ１５へと脱落する。
【００５５】
図７は、図５のアクチュエーター１１０の動作原理を説明するのに有用な図であって、製氷板１１の断面を模式的に示す図である。図７における細い矢印Ａ，Ｂは、アクチュエーター１１０の内部で発生する応力の方向を示しており、太い矢印Ｃは、被覆材１２０の内部で発生する応力の方向を示している。
【００５６】
脱氷装置１００の電源をＯＮにしてアクチュエーター１１０を駆動すると、電極板１１１，１１１間に電位差が生じる。このとき、電極板１１１，１１１間の空間には、マクスウェル（Maxwell）応力と呼ばれる力が発生する。マクスウェル応力とは、電場の方向において収縮させる力と（矢印Ａ参照）、電場の方向とは垂直な方向に伸張させる力（矢印Ｂ参照）の双方を、同時に電極板１１１，１１１間の空間に発生させる応力をいう。
【００５７】
ここで、電極板１１１，１１１間に、例えば電歪ポリマーが配置されている場合、電極板１１１，１１１間の空間に発生したマクスウェル応力により、電歪ポリマーは、電極板１１１の水平面と垂直な方向に収縮する収縮変形と、電極板１１１の水平面に水平な方向に伸張する伸張変形とを起こす。このときの変形量（変形方向における長さの変化量）は、収縮変形よりも伸張変形の方が大きい。アクチュエーター１１０の厚みが小さいためである。
【００５８】
伸張変形によって発生した力（矢印Ｂ）は、フィルム体側方にある被覆材１２０に作用する。ここで、図５及び図６に示されているように、アクチュエーター１１０の側面は、他のアクチュエーター１１０と対面しているので、他のアクチュエーター１１０が起こした伸張変形によって発生した力（矢印Ｂ）も、フィルム体側方にある被覆材１２０に作用する。この結果、２つのアクチュエーター１１０，１１０の間では、被覆材１２０を構成する可撓性材料を押し上げる応力（太い矢印Ｃ）が発生し、結果的に、被覆材１２０には、図７に示すような突条部１２１が形成されるような大きな変形が起きる。突条部１２１は、実際には、正六角形形状をなすアクチュエーター１１０の周囲に形成される。なお、図６には、このようにして突条部１２１が形成される位置が破線Ｌで示されている。
【００５９】
突条部１２１が形成されると、製氷板１１の表面に沿って平らに広く形成されている薄氷にとっては、局所的に力が作用することになるので、薄氷に亀裂（クラック）が入って、薄氷の破砕が促進される。
【００６０】
さらには、突条部１２１が形成されるとき、突条部１２１の周囲にある可撓性材料の表面部分が突条部１２１に向かって収縮する。この結果、被覆材１２０と薄氷との間でそれらの接触面に沿う方向に相対変位が生じる。これにより、被覆材１２０の表面に形成された薄氷の剥離が促進される。
【００６１】
また、電歪ポリマーや圧電ポリマーが収縮変形を起こすと、電極板１１１，１１１間の距離が短くなる。この結果、被覆材１２０と薄氷との間に間隙が形成されるような相対変位が発生する。これによっても、薄氷の剥離が促進される。
【００６２】
以上詳細に説明したように、第１実施例に係る脱氷装置１００のアクチュエーター１１０が動作すると、アクチュエーター１１０の伸張変形によって発生した力がアクチュエーター１１０近傍の薄氷に作用して、薄氷の剥離・破砕が促進される。また、アクチュエーター１１０の収縮変形によっても、薄氷の剥離が促進される。これらの結果、効率的な脱氷が実現される。
【００６３】
そして、電源をＯＦＦにすると、アクチュエーター１１０の変形が元に戻って、電歪ポリマーや圧電ポリマー及び可撓性材料は、変形前の状態（図５）に復帰する。続いて、電源をＯＮにすると、電圧の極性（プラス，マイナス）に依らず、上述した伸張変形と同様の伸張変形を起こす。したがって、電源のＯＮとＯＦＦの切り替えを繰り返す（例えば交流電源を用いる）ことにより、アクチュエーター１１０の伸張変形を繰り返すことが可能である。これにより、脱氷効率をさらに向上させることができる。
【００６４】
ここで、アクチュエーター１１０の配置について図６を用いて詳細に説明する。
上述したように、各アクチュエーター１１０の外周は、正六角形形状をなしており、複数のアクチュエーター１１０の各々は、製氷板１１上において、互いに離間した状態で製氷板１１に装着されている。
【００６５】
また、図６に示すように、１つのアクチュエーター１１０外周をなす各辺は、隣にあるアクチュエーター１１０の外周をなす辺の１辺と平行となっており、図５に示すように外周側面が対面している。このような配置を繰り返すことで、複数のアクチュエーター１１０は、図６に示すように、蜂の巣状に配置されている。このような配置を、本明細書では、「ハニカム配置」という。
【００６６】
ハニカム配置を採用することにより、２つのアクチュエーター１１０，１１０間に形成される突条部１２１（図７）が形成されやすくなる（図６の破線Ｌ参照）。また、図６に示す破線Ｌが２つのアクチュエーター１１０，１１０間の中心線を通っていることから分かるように、破線Ｌから一方のアクチュエーター１１０までの距離は、破線Ｌの交点付近を除いては変化しない。このため、双方のアクチュエーター１１０，１１０が可撓性材料に作用させる力は破線Ｌ上でほぼ等しい。この結果、破線Ｌに沿って形成される突条部１２１の高さは、大部分が同じ程度の高さである。
【００６７】
ところで、アクチュエーター１１０の形状が、例えば円形である場合にも、製氷板１１上に破線Ｌと同様の線（以下、「破断線」という）を考えることができる。しかしながら、円形のアクチュエーターをどのように配置しても、破断線から１つのアクチュエーターまでの距離は変化しており、破断線から１つのアクチュエーターまでの最短距離に該当する場所は１箇所しかない。この結果、アクチュエーターの形状が円形である場合、破断線に沿って形成される突条部１２１の高さは、アクチュエーターからの距離が最短距離の部分が最も高く、距離が遠くなるにつれて低くなる。このように突条部１２１の高さが変化すると、薄氷にクラックが入りやすい位置は、突条部１２１の高さが最も高い場所が中心となる。このため、薄氷の剥離・破砕が十分に促進されず、脱氷効率が悪い。
【００６８】
つまり、アクチュエーター１１０を製氷板１１に装着する際に、図６に示すようなハニカム配置を採用することにより、脱氷効率を向上させることができる。
【００６９】
以上詳細に説明したように、第１実施例に係る脱氷装置１００のアクチュエーター１１０によれば、アクチュエーター１１０に電力を供給することにより、アクチュエーター１１０は自己変形（主に伸張変形）を起こす。この変形によって発生した力は、薄氷に作用して、薄氷の剥離・破砕が促進される。
【００７０】
また、アクチュエーター１１０の変形によって発生した力の薄氷への伝達は、被覆材１２０を介して行われる。このとき、複数のアクチュエーター１１０を、図５や図６に示したように側面同士が対面するように配置することで、被覆材１２０に大きな変形をもたらすことができ、薄氷の剥離・破砕の促進をより効率的に行うことができる。
【００７１】
なお、第１実施例では、アクチュエーター１１０を可撓性部材でラミネートしたが、ラミネートしなくてもよい。この場合には、アクチュエーター１１０の伸張変形によって発生した力は、アクチュエーター１１０，１１０間に形成された薄氷に対して直接的に作用することになる。
【００７２】
続いて、第２実施例として、屈曲タイプの高分子アクチュエーターについて、図８乃至図１０を用いて詳細に説明する。
【００７３】
図８は、図４における脱氷装置１００のアクチュエーター１１０の第２実施例の構成及びその設置例を示す断面図である。
【００７４】
図８に示すように、本実施例に係る脱氷装置１００のアクチュエーター１１０は、製氷板１１と平行に装着されている。製氷板１１に装着される際に、各アクチュエーター１１０は、弾性部材の一例であるスプリング２２０により製氷板１１と点接続される。図８に示すように、１枚の製氷板１１に装着されているアクチュエーター１１０の数は、多数であり、複数個のアクチュエーター１１０の各々は、製氷板１１上において、互いに離間した状態で装着されている。これにより、第１実施例同様に、製氷効率の低下が防止される。
【００７５】
各アクチュエーター１１０は、図８に示すように、一対の電極板２１１，２１１と、一対の電極板２１１，２１１間に配置されたイオン伝導層２１２とから構成されている。イオン伝導層２１２は、電極板２１１，２１１間に電流が流れることを可能にするイオン伝導体で構成されており、本実施例では、イオン伝導層２１２が有機物の高分子材料で構成されている。このようなアクチュエーター１１０は、例えば厚さ１．５ｍｍのフィルム状又は薄膜状に成形したイオン伝導層２１２の２つの面に対して化学メッキを施すことで製造することができる。各アクチュエーター１１０の形状は、矩形である。
【００７６】
各電極板２１１は、金（Ａｕ）などの金属の薄膜で構成されており、可撓性をもたせるために厚みが小さくなるように成形されている。各電極板２１１に配線が接続される（図示せず）。
【００７７】
イオン伝導層２１２を構成する高分子材料として、ポリエチレン系樹脂（基本骨格）に親水性を付与すると共にイオン交換樹脂化させたもの（以下、「イオン伝導性高分子」という）を用いる。なお、ポリエチレン系樹脂に親水性を付与するためには、ポリエチレン系樹脂に、例えばカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）を導入すればよい。また、ポリエチレン系樹脂をイオン交換樹脂にするには、ポリエチレン系樹脂に、例えばスルホン基（−ＳＯ3Ｈ）を導入してプロトン（Ｈ+）を金属の陽イオンで置換すればよい。このイオン伝導性高分子は、親水性であるため、極性溶媒である水を取り込むことができ、実際に、本実施例では、水を取り込んで膨潤した状態（ゲル状態）で使用される。
【００７８】
高分子アクチュエーター１１０は、脱氷装置１００の電源がＯＦＦであるとき、図８に示すように、装着時の形状が維持された状態にある。また、スプリング２２０による点接続により、製氷板１１とアクチュエーター１１０の間には空間が形成されている。このため、製氷板１１とアクチュエーター１１０の間には、広い範囲に亘って薄氷が形成される。また、薄氷は、アクチュエーター１１０の外側表面にも形成される。脱氷装置１００の電源がＯＮになると、アクチュエーター１１０が自己変形した状態になり（図９参照）、アクチュエーター１１０の変形によって発生した力が製氷板１１で製造した薄氷に作用して、薄氷の剥離・破砕が発生し、その結果、薄氷は、製氷板１１からトラフ１５へと脱落する。
【００７９】
図９は、図８のアクチュエーター１１０の駆動状態を説明するための製氷板１１の側面図であり、図９Ａは、アクチュエーター１１０に、ある極性の電圧を印加した場合を示している。
【００８０】
脱氷装置１００の電源をＯＮにしてアクチュエーター１１０を駆動すると、一方の電極板２１１が陽極となり、他方の電極板２１１が陰極となる。図９Ａに示す例では、製氷板１１側の電極板２１１が陰極となっている。このとき、図１０を用いて後述する動作原理にしたがってアクチュエーター１１０内部に応力が発生し、その結果、アクチュエーター１１０は、製氷板１１側に向かって凸となるように屈曲変形を起こす。
【００８１】
屈曲変形によって発生した力は、アクチュエーター１１０の表面に形成されている氷に直接的に作用する。この結果、薄氷に亀裂（クラック）が入って、薄氷の破砕が促進される。また、アクチュエーター１１０が屈曲変形を起こすと、アクチュエーター１１０の表面と薄氷との間でそれらの接触面に沿う方向に相対変位が生じる。これにより、アクチュエーター１１０の表面に形成された薄氷の剥離が促進される。
【００８２】
また、アクチュエーター１１０が屈曲変形を起こす際、スプリング２２０の弾性により、アクチュエーター１１０の変形を妨げることが防止されている。このようにすることで、製氷板１１とアクチュエーター１１０の間の空間に形成された氷の破砕の促進も確実に行われる。
【００８３】
以上詳細に説明したように、本実施例に係る脱氷装置１００のアクチュエーター１１０が動作すると、アクチュエーター１１０の屈曲変形によって発生した力がアクチュエーター１１０近傍の薄氷に作用して、薄氷の剥離・破砕が促進される。この結果、効率的な脱氷が実現される。
【００８４】
そして、電源をＯＦＦにすると、アクチュエーター１１０の変形が元に戻って、アクチュエーター１１０は、変形前の状態（図８）に復帰する。続いて、電源をＯＮにすると、上述した屈曲変形と同様の屈曲変形を起こす。したがって、電源のＯＮとＯＦＦの切り替えを繰り返すことにより、アクチュエーター１１０の屈曲変形を繰り返すことが可能である。これにより、さらに脱氷効率を向上させることができる。
【００８５】
図９Ｂは、図９Ａとは逆の極性の電圧をアクチュエーター１１０に印加した場合を示している。
図９Ｂに示すように、逆の極性の電圧を印加すると、アクチュエーター１１０は、逆方向に屈曲変形を起こす。そこで、電源をＯＮにする度に、電極板２１１に印加する電圧の極性を変更する（例えば交流電源を用いる）ことで、図９Ａに示す屈曲変形と、図９Ｂに示す屈曲変形を交互に起こさせることが可能となる。これにより、アクチュエーター１１０の屈曲可能な範囲が拡大化することになるので、さらに脱氷効率を向上させることができる。
【００８６】
次に、図１０を用いて、第２実施例に係るアクチュエーター１１０の動作原理を説明する。
図１０は、図８のアクチュエーター１１０の動作原理を説明するための模式図である。
【００８７】
図１０Ａは、アクチュエーター１１０に電圧を印加する前の状態を示しており、脱氷装置１００の電源がＯＦＦである。そのため、電極板２１１に電子が供給されることはない。
このとき、イオン伝導層２１２では、電解質（イオン交換樹脂）であるイオン伝導性高分子が、取り込んだ水により電離（イオン化）した状態にある。具体的には、図１０Ａに示すように、イオン伝導性高分子は、ポリエチレン系樹脂に導入したスルホン基に由来する陰イオン２１２ａと、金属の陽イオン２１２ｂとに分離している。
【００８８】
基本骨格であるポリエチレン系樹脂の陰イオン２１２ａに比べて小型の陽イオン２１２ｂや水分子２１３は、イオン伝導層２１２内で比較的自由に移動することができる。水分子２１３の自由な移動が可能であるため、イオン伝導層２１２内における含水率には偏りがない。このような状態（図１０Ａ）にあるときには、アクチュエーター１１０には変形が起こらない。
【００８９】
図１０Ｂは、アクチュエーター１１０に電圧を印加したときの状態を示しており、脱氷装置１００の電源がＯＮである。電源をＯＮにすると、一方の電極板２１１（図では左側の電極板２１１）に電子が供給されて、その電極板２１１は陰極となる。陰極は、イオン伝導層２１２内の陽イオン２１２ｂを引き寄せる。このとき、陽イオン２１２ｂは水分子２１３を伴って陰極に向かって移動する。
【００９０】
他方の電極板２１１は、陽極となって、陰イオン２１２ａを引き寄せようとする。しかし、陰イオン２１２ａは、基本骨格を含む大型のものであるため、イオン伝導層２１２内での流動性が低く、陽極に引き寄せられにくい。
【００９１】
これらの結果、イオン伝導層２１２内において、陰極側では、水分子２１３の密度が図１０Ａに示す状態よりも高くなって、イオン伝導性高分子の含水率が上昇し、一方、陽極側では、水分子２１３の密度が低くなって、イオン伝導性高分子の含水率が低下する。つまり、図１０Ｂに示すように、イオン伝導層２１２内において、イオン伝導性高分子の含水率に偏りが生じる。
【００９２】
上述したように陰極側でイオン伝導性高分子の含水率が上昇する際、イオン伝導性高分子は、図１０Ａに示す状態よりもさらに膨潤することになる。このようにして、イオン伝導性高分子が膨潤する際にイオン伝導層２１２内に膨張圧力が生じ、その膨張圧力の大きさに応じて、陰極である電極板２１１は外側に向かって反るように伸張する変形を起こす。一方、陽極である電極板２１１は、陰極と同じ方向に反るように収縮する変形を起こす。これらの結果、アクチュエーター１１０は、図９Ａに示したような屈曲変形を起こす。
【００９３】
その後、電源がＯＦＦになると、アクチュエーター１１０の変形が元に戻って、変形前の状態（図１０Ａ，図８）に復帰する。
【００９４】
図１０Ｃは、図１０Ｂとは逆の極性の電圧をアクチュエーター１１０に印加したときの状態を示しており、脱氷装置１００の電源がＯＮである。電源をＯＮにすると、図１０Ｂを用いて説明した現象と同じ現象が陰極側（図では右側の電極板２１１）及び陽極側で起きて、アクチュエーター１１０は、図９Ｂに示したような屈曲変形を起こす。この場合にも、電源をＯＦＦにすれば、アクチュエーター１１０の変形が元に戻って、変形前の状態（図１０Ａ，図８）に復帰する。
【００９５】
以上詳細に説明したように、第２実施例に係る脱氷装置１００のアクチュエーター１１０によれば、アクチュエーター１１０に電力を供給することにより、アクチュエーター１１０は、自己変形（屈曲変形）を起こす。この変形によって発生した力は、薄氷に作用して、薄氷の剥離・破砕が促進される。
【００９６】
また、アクチュエーター１１０が、スプリング２２０などの弾性部材を介して製氷板１１と点接続されているので、アクチュエーター１１０の屈曲変形を妨げることが防止される。このようにすることで、製氷板１１とアクチュエーター１１０の間の空間に形成された氷の破砕の促進も確実に行われる。なお、弾性部材として、スプリング２２０を例示したが、これに代えてゴムなどを用いてもよい。
【００９７】
なお、上述した第２実施例では、高分子材料が起こす膨張変形を利用した屈曲タイプのアクチュエーター１１０が構成されているが、高分子材料が起こす膨張変形の伸張方向成分を抽出して利用することにより、直動タイプのアクチュエーター１１０を構成してもよい。直動タイプのアクチュエーター１１０を構成した場合には、図５に示したように、ラミネートを行うことが有効となる。
【００９８】
また、本実施例のように、屈曲タイプのアクチュエーター１１０を用いる場合には、図５に示したようなラミネートを行う必要はない。このようにラミネートを行う必要がない場合には、製氷板１１に熱伝導層１１ｂを設けなくてもよい。
【００９９】
図１０に示した例では、アクチュエーター１１０は、高分子材料が電極板２１１近傍で膨潤している。これに代えて、電極板を高分子材料で構成することにより、電極板そのものが膨潤するように構成することもできる。以下、そのようなアクチュエーター１１０を第３実施例として説明する。本実施例では、高分子材料で電極板を構成するため、高分子材料としては、導電性のあるもの（以下、「導電性高分子材料」という）が用いられる。
【０１００】
図１１は、図４に示す脱氷装置１００の第３実施例に係るアクチュエーター１１０の構成を概略的に示す断面図である。
【０１０１】
図１１に示すアクチュエーター１１０は、図８に示すアクチュエーター１１０に代えて製氷板１１に装着されるものであり、一対の電極板３１１，３１２と、一対の電極板３１１，３１２間に配置された電解液保持層３１３とから構成されている。電解液保持層３１３は、液体を吸収可能な吸収体を有し、本実施例では、その吸収体に電解液が保持されている。したがって、本実施例に係るアクチュエーターは、電解セルと同様の構成をなしている。このようなアクチュエーター１１０は、電解液を吸収した吸収体を電解液保持層３１３として、その電解液保持層３１３を２枚の電極板３１１，３１２で挟持し、所定の方法で全体を封止することで製造することができる。封止することで電極板３１１，３１２と電解液とが一体化されて電解液の漏出が防止され、これにより、アクチュエーター１１０を空中で駆動することが可能となる。
【０１０２】
電解液保持層３１３の電解液は、電極板３１１，３１２間に電流が流れることを可能にするためのものである。電解液は、嵩高いイオン（体積の大きいイオン）に電離可能な電解質を所定の溶媒に溶解させることで調製される。嵩高いイオンは、後述するようにドーパントとして機能する。
【０１０３】
一対の電極板３１１，３１２には、配線が接続される。一方の電極板３１１は、金（Ａｕ）などの金属の薄膜で構成されており、可撓性をもたせるために厚みが小さくなるように成形されている。
【０１０４】
本実施例では、もう一方の電極板３１２に、上記導電性高分子材料を用いる。導電性高分子材料としては、多孔質のもの（例えばポリアニリン）が用いられる。多孔質のものを用いることで、電解液中のドーパントを導電性高分子材料にドープ（添加）することが可能となる。
【０１０５】
図１２は、図１１のアクチュエーター１１０の動作原理を説明するのに有用な図である。なお、図１２では、電解セルを例に説明する。
【０１０６】
図１２Ａは、アクチュエーター１１０に電圧を印加する前の状態を示しており、脱氷装置１００の電源がＯＦＦである。そのため、電極板３１１又は電極板３１２に電子が供給されることはない。高分子アクチュエーター１１０は、装着時の形状が維持された状態にあり、アクチュエーター１１０には変形が起こらない。
このとき、電解液保持層３１３では、電解質が溶媒により電離（イオン化）した状態にある。図１２に示す例では、電解質は、嵩高い陰イオン３１３ａと、金属の陽イオン３１３ｂとに分離している。
【０１０７】
図１２Ｂは、アクチュエーター１１０に電圧を印加したときのアクチュエーター１１０の状態を示しており、脱氷装置１００の電源がＯＮである。電源をＯＮにすると、図１２Ｂに示す例では、電極板３１１に電子が供給されて、その電極板３１１は陰極となる。陰極は、電解液保持層３１３内の陽イオン３１３ｂを引き寄せる（図示せず）。
【０１０８】
一方、電極板３１２は、陽極となって、陰イオン３１３ａを引き寄せる。ここで、電極板３１２は、多孔質であるため、陰イオン３１３ａを内部に取り込む。つまり、電極板３１２に陰イオン３１３ａ（ドーパント）がドープされる。ドーパントとして、嵩高いものを用いているので、電極板３１２は、図１２Ａに示す状態よりもさらに膨潤する。具体的には、電極板３１２は、取り込んだ陰イオン３１３ａの体積に応じて全表面が膨張する。
【０１０９】
実際には、本実施例に係る脱氷装置１００のアクチュエーター１１０は、空気中での駆動を可能にすべく封止されているので、全表面が膨張することはなく、例えば、膨張が制限されていない中央部分（周縁部以外の部分）から膨張する。この膨張圧力の大きさに応じて、電極板３１２は外側に向かって反るように伸張する変形を起こす。一方、電極板３１１は、陰イオン３１３ａが電極板３１２に取り込まれたことに起因する電解液保持層３１３の体積減少を補うように、陽極と同じ方向に向かって収縮する変形を起こす。これらの結果、アクチュエーター１１０は、第２実施例に係るアクチュエーター１１０と同様の屈曲変形を起こす。
【０１１０】
その後、電源がＯＦＦになると、アクチュエーター１１０の変形が元に戻って、変形前の状態（図１２Ａ）に復帰する。
【０１１１】
図１２Ｃは、図１２Ｂとは逆の極性の電圧をアクチュエーター１１０に印加したときの状態を示しており、脱氷装置１００の電源がＯＮである。電源をＯＮにすると、図１２Ｂを用いて説明した現象（ドープ）と逆の現象（脱ドープ）が起きる。具体的には、電極板３１２は、取り込んでいた陰イオン３１３ａ又はその電解質を電解液保持層３１３中に陰イオン３１３ａとして放出し、その結果、収縮する。これにより、電解液保持層３１３の体積が増大して、図１１に示すような構成のアクチュエーター１１０では、陽極である電極板３１１を外側に向かって膨張させる。ただし、陽極である電極板３１１は、多孔質のものではないので、陰イオン３１３ａを内部に取り込むことはない。
【０１１２】
なお、電極板３１２が収縮した結果、図１２Ａに示した状態よりも体積が小さくなるように構成するためには、電極板３１２を製造する際に、予め多孔質の部分に電解質を取り込んでおけばよい。このように構成することで、図１１に示すアクチュエーター１１０は、図１２Ｃに示した状態にあるときに、屈曲変形を確実に起こすことができる。
【０１１３】
以上詳細に説明したように、本実施例によれば、アクチュエーター１１０に電力を供給することにより、自己変形（屈曲変形）を起こす。この変形によって発生した力は、薄氷に作用して、薄氷の剥離・破砕が促進される。
【０１１４】
なお、上述した第３実施例では、電極板そのものが膨張変形を起こすことを利用して、屈曲タイプのアクチュエーター１１０を構成しているが、膨張変形の伸張方向成分を取り出すことにより、直動タイプのアクチュエーター１１０を構成してもよい。作製したタイプに応じて、アクチュエーター１１０は製氷板１１に配置・装着される（図５，図８参照）。
【０１１５】
なお、第３実施例では、電解セルの一方の電極板に高分子材料を用いたが、双方の電極板に高分子材料を用いてもよい。この場合、一方の電極板にドープ可能な導電性材料を用い、他方の電極板に脱ドープ可能な導電性材料を用いることで、電極板間でドーパントの授受を効率的に行うことができる。
【０１１６】
以上詳細に説明したことをまとめると、本実施の形態では、脱氷装置１００のアクチュエーター１１０に電力を供給することにより、アクチュエーター１１０が自己変形（伸張変形や屈曲変形）を起こす。アクチュエーター１１０の変形によって発生した力は、製氷板が製氷した氷に作用する。これにより、製氷板に形成された薄氷の剥離や破砕が促進され、効率的な脱氷を行うことができる。また、アクチュエーター１１０が変形に要した空間の広さ以上に広い体積に亘る脱氷を行うことができる。したがって、脱氷効率が高い。
【０１１７】
また、本実施の形態によれば、アクチュエーター１１０が起こすのは、上述したように変形であって、ワイパーのような脱氷装置が起こす変位とは異なる。したがって、本実施の形態では、アクチュエーター１１０に、ワイパーのようにギアやカムなどの駆動力伝達機構を設ける必要がなく、エネルギー効率が高い。
【０１１８】
さらに、本実施の形態によれば、脱氷させるために、製氷板１１の外側で変形を起こすアクチュエーター１１０を用いているので、製氷板１１に付着した氷に製氷板１１側から熱的エネルギーを投入して氷の一部を融解させる必要がない。さらには、熱エネルギーを投入する必要がないので、無駄なエネルギー消費を削減することができて駆動電圧を小さくすることができると共に、製氷装置１０に熱エネルギーを投入することによる製氷装置１０内の温度上昇を招くことをなくして製氷効率を向上させることができる。また、熱エネルギーを投入するタイプの氷蓄熱装置では、脱氷中に製氷を行うことができず運転ロスが発生するが、本実施の形態では、製氷中に脱氷を行うことができるので、運転ロスがなく、効率的な稼働を実現させることができる。
【０１１９】
なお、製氷板側から熱エネルギーを投入するタイプの氷蓄熱装置としては、例えば、回収した冷媒が氷に対して相対的に温かいことを利用して、温かい冷媒をホットガスとして製氷板内部に供給するホットガス供給型のものが知られている。これに対して、本実施の形態では、このようなホットガスを利用する必要がないので、ホットガスを製氷板内部に供給するための配管などが不要であり、氷蓄熱装置２の構成は、ホットガス供給型の氷蓄熱装置の構成よりも単純である。
【０１２０】
なお、上述した実施の形態では、脱氷装置１００のアクチュエーター１１０の数は、複数に限られることはなく、１つであってもよい。
【０１２１】
また、脱氷装置１００のアクチュエーター１１０は、高分子材料の特性を利用した高分子アクチュエーター１１０であるとしたが、自己変形を起こすアクチュエーターであれば上述した効果を奏することができるので、高分子アクチュエーターに限られることはない。
【０１２２】
また、上述した実施の形態では、氷蓄熱装置２について説明したが、アクチュエーター１１０は製氷板１１に装着されているので、製氷装置１０のみの場合（蓄熱槽２０及び搬送装置３０がない場合）であっても同様の説明が適用される。さらには、製氷板１１以外の部材にアクチュエーター１１０を装着してもよく、例えば窓ガラスの屋外側にアクチュエーター１１０を装着することにより、窓ガラス表面に形成された氷を脱落させることができる。
【０１２３】
また、上述した実施の形態では、結氷する部材として、プレート状の製氷板１１を用いたが、結氷する部材の形状はプレート状に限られることはなく、例えば、円筒形であってもよい。上述した実施の形態で挙げたようなアクチュエーター１１０はフィルム状又は薄膜状であるため、円筒形などの部材が有する曲面にも装着することが可能である。
【０１２４】
また、上述した実施の形態では、アクチュエーター１１０を製氷板１１の表面に装着したが、これに代えて、アクチュエーター１１０の一部を製氷板１１内部に埋設してもよい。この場合、アクチュエーター１１０は、製氷板１１内部から突出した部分で脱氷を行うように構成される。
【０１２５】
また、アクチュエーター１１０の形状は、図６に示した例では、正六角形であるとしたが、三角形、正方形、又は長方形であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】本発明の実施の形態に係る氷蓄熱装置を含む冷房システムの構成を概略的に示す模式図である。
【図２】図１における製氷装置の構成を概略的に示す側面図である。
【図３】図２の製氷装置の下部の外観を示す斜視図である。
【図４】図２の製氷装置の製氷板の構成及び当該製氷板に装着された脱氷装置の配置を示す断面図である。
【図５】図４における脱氷装置のアクチュエーターの第１実施例の構成及びその設置例を示す断面図である。
【図６】図５のアクチュエーターの配置の一例を示す製氷板の平面図である。
【図７】図５のアクチュエーターの動作原理を説明するのに有用な図であって、製氷板の断面を模式的に示す図である。
【図８】図４における脱氷装置のアクチュエーターの第２実施例の構成及びその設置例を示す断面図である。
【図９】図８のアクチュエーターの駆動状態を説明するための製氷板の側面図であり、図９Ａは、アクチュエーターにある極性の電圧を印加した場合を示しており、図９Ｂは、図９Ａとは逆の極性の電圧をアクチュエーターに印加した場合を示している。
【図１０】図８のアクチュエーターの動作原理を説明するための模式図であり、図１０Ａは、アクチュエーターに電圧を印加する前の状態を示し、図１０Ｂは、アクチュエーターにある極性の電圧を印加したときの状態を示し、図１０Ｃは、図１０Ｂとは逆の極性の電圧をアクチュエーターに印加したときの状態を示している。
【図１１】図４における脱氷装置の第３実施例に係るアクチュエーターの構成を示す断面図である。
【図１２】図１１のアクチュエーターの動作原理を説明するのに有用な図であり、図１２Ａは、アクチュエーターに電圧を印加する前の状態を示し、図１２Ｂは、アクチュエーターにある極性の電圧を印加したときの状態を示し、図１２Ｃは、図１２Ｂとは逆の極性の電圧をアクチュエーターに印加したときの状態を示している。
【符号の説明】
【０１２７】
１ 冷房システム
２ 氷蓄熱装置
３ 冷房設備
４ 熱交換器
１０ 製氷装置
１１ 製氷板
２０ 蓄熱槽
１００ 脱氷装置
１１０ アクチュエーター
１２０ 被覆材
１２１ 突条部
２２０ スプリング
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結氷する部材に装着され、変形を起こすことにより前記部材から氷を脱落させることを特徴とする脱氷装置。
【請求項２】
高分子材料を有するアクチュエーターを備え、当該アクチュエーターは、印加された電圧に応じて前記変形を起こすことを特徴とする請求項１記載の脱氷装置。
【請求項３】
前記高分子材料は、一対の電極板間に配置されたイオン交換樹脂、電歪ポリマー、及び圧電ポリマーから選択されたいずれかの材料からなるか、又は多孔質の導電性材料からなることを特徴とする請求項２記載の脱氷装置。
【請求項４】
前記アクチュエーターと前記部材との間に配置された弾性部材を備えることを特徴とする請求項２又は３記載の脱氷装置。
【請求項５】
可撓性のある可撓性材料により被覆されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の脱氷装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の脱氷装置を少なくとも１つ備えると共に、前記部材として、水を冷却して氷を製造する製氷部材を備えることを特徴とする製氷装置。
【請求項７】
前記脱氷装置を複数備えており、当該複数の脱氷装置の各々は互いに離間した状態で前記製氷部材に装着されていることを特徴とする請求項６記載の製氷装置。
【請求項８】
請求項７又は８記載の製氷装置と、当該製氷装置が製造した氷を貯蓄する蓄熱槽とを備えることを特徴とする氷蓄熱装置。
【請求項９】
結氷する部材に装着された脱氷装置に変形を起こさせることにより、前記部材から氷を脱落させることを特徴とする脱氷方法。
【請求項１】
結氷する部材に装着され、変形を起こすことにより前記部材から氷を脱落させることを特徴とする脱氷装置。
【請求項２】
高分子材料を有するアクチュエーターを備え、当該アクチュエーターは、印加された電圧に応じて前記変形を起こすことを特徴とする請求項１記載の脱氷装置。
【請求項３】
前記高分子材料は、一対の電極板間に配置されたイオン交換樹脂、電歪ポリマー、及び圧電ポリマーから選択されたいずれかの材料からなるか、又は多孔質の導電性材料からなることを特徴とする請求項２記載の脱氷装置。
【請求項４】
前記アクチュエーターと前記部材との間に配置された弾性部材を備えることを特徴とする請求項２又は３記載の脱氷装置。
【請求項５】
可撓性のある可撓性材料により被覆されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の脱氷装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の脱氷装置を少なくとも１つ備えると共に、前記部材として、水を冷却して氷を製造する製氷部材を備えることを特徴とする製氷装置。
【請求項７】
前記脱氷装置を複数備えており、当該複数の脱氷装置の各々は互いに離間した状態で前記製氷部材に装着されていることを特徴とする請求項６記載の製氷装置。
【請求項８】
請求項７又は８記載の製氷装置と、当該製氷装置が製造した氷を貯蓄する蓄熱槽とを備えることを特徴とする氷蓄熱装置。
【請求項９】
結氷する部材に装着された脱氷装置に変形を起こさせることにより、前記部材から氷を脱落させることを特徴とする脱氷方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−３６４０３（Ｐ２００９−３６４０３Ａ）
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１９９４２１（Ｐ２００７−１９９４２１）
【出願日】平成１９年７月３１日（２００７．７．３１）
【出願人】（００００００５４９）株式会社大林組 (1,758)
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月３１日（２００７．７．３１）
【出願人】（００００００５４９）株式会社大林組 (1,758)
[ Back to top ]