CN106164613A - 热输送系统 - Google Patents

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CN106164613A CN201580019401.4A CN201580019401A CN106164613A CN 106164613 A CN106164613 A CN 106164613A CN 201580019401 A CN201580019401 A CN 201580019401A CN 106164613 A CN106164613 A CN 106164613A
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金子卓
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Abstract

本发明提供一种热输送系统，其具备热源(101、201)、散热部(102、202)、对液体状的热介质所流通的热介质流路(100)中的热介质的流动进行控制的流动控制部(103、203)。来自热源(101)的热通过热介质被输送给散热部(102)。热介质为具有溶剂及至少1种的溶质(40)的溶液。至少1种的溶质(40)由分子构成，该分子具备在热介质的温度达到预定的基准温度以下时选择性地接近溶剂的固液界面(50)的第1部位(41)和与第1部位(41)连接、且相对于溶剂为疏液性的第2部位(42)。

Description

热输送系统
本申请以2014年5月23日提出的日本专利申请第2014-106783号为基础，通过参照将其公开内容引入本申请。
技术领域
本公开涉及使用液体的热介质进行热输送的热输送系统。
背景技术
在车辆等的能量变换系统中，在能量变换时产生热。一般来讲，在这样的系统中，以对能量变换时产生的热进行输送、将该热从散热部向体系外散热的方式构成。此时，作为输送热的热介质，多采用液体，该液体具有不冻性是必要的。
以往，公开了通过使用相对于水加入5成左右的凝固点抑制剂即乙二醇的液体作为热介质，从而确保不冻性的方法(例如参照专利文献1)。此外，公开了通过在热介质中混合微量的表面活性剂来维持热介质的过冷却状态，从而确保不冻性的方法(例如参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2014-020280号公报
专利文献2:日本特开2013-032456号公报
发明内容
根据本公开的发明者们的研究，在如专利文献1所述的方法那样，利用凝固点下降现象确保热介质的不冻性时，作为目的的凝固点越低，越需要提高乙二醇浓度。但是，如果提高乙二醇浓度，则比热及热传导率等热物性恶化，同时粘度增大。其结果是，有散热部及热介质配管等的体积增大、或用于使热介质流动所需的动力增大的顾虑。
可是，在液体被冷却的过程中产生过冷却状态的情况下，由于该过冷却状态为亚稳定状态，所以发生因体系内的热的波动而生成冰核的可能性高。认为该热的波动，例如是基于系统中的机械的或热的干扰而发生的。
因此，如专利文献2所述的那样，在通过促进过冷却来确保热介质的不冻性时，通过干扰解除过冷却状态而使冻结进展的可能性高。其结果是，有不能充分确保不冻性的顾虑。
本公开鉴于上述问题，提出了一种在采用液体的热介质进行热输送的热输送系统中，能够一边抑制热介质的热物性恶化及粘度增大、一边充分确保热介质的不冻性的热输送系统。
本公开的热输送系统具备产生热的热源、散热的散热部、和对液体状的热介质所流通的热介质流路中的热介质的流动进行控制的流动控制部。将来自热源的热通过热介质输送给散热部。热介质为具有溶剂及至少1种溶质的溶液。至少1种溶质由下述分子构成，所述分子具备：第1部位，其在热介质的温度达到预定的基准温度以下时选择性地接近溶剂的固液界面；第2部位，其与第1部位连接，并且相对于溶剂为疏液性。
据此，在热介质的温度降低达到基准温度以下时，溶质的第1部位选择性接近地吸附在溶液的固液界面。由此，通过吸附在溶剂的固液界面上的第1部位阻碍溶剂的凝固核的生长，从而能够抑制冻结的进展。进而，通过相对于溶剂为疏液性的第2部位，由于可抑制溶剂靠近固液界面，所以能够进一步抑制冻结的进展。
所以，即使热介质中不含乙二醇等凝固点降低剂，也能延迟热介质的冻结的进展，即，能够降低热介质的凝固点。此外，由于不需要为了降低热介质的凝固点而维持过冷却状态，所以不会因干扰而解除热介质的过冷却状态、使冻结进展。由此，可在抑制热介质的热物性恶化及粘度增大的同时，充分确保热介质的不冻性。
附图说明
图1是表示第1实施方式涉及的发动机冷却系统的整体构成图。
图2是用于说明第1实施方式中的热介质的构成的说明图。
图3是表示热介质的溶质的分子量与冻结温度的关系的曲线图。
图4是表示热介质的溶质的浓度与冻结温度的关系的曲线图。
图5是表示相对于冷却水中的乙二醇浓度的液侧热传递率比及冻结温度的关系的曲线图。
图6是表示第2实施方式涉及的发动机冷却系统的整体构成图。
具体实施方式
以下，基于附图对本公开的实施方式进行说明。再者，在以下的各实施方式彼此中，对于彼此相同或均等的部分，附图中赋予同一符号。
(第1实施方式)
参照图1～图5对第1实施方式进行说明。本实施方式是将本公开涉及的热输送系统适用于用作混合动力汽车的行驶用驱动源之一的发动机(内燃机)的冷却系统的实施方式。
如图1所示的那样，本实施方式的发动机冷却系统为通过散热器102对发动机101的冷却水进行冷却的系统。也就是说，本实施方式的发动机冷却系统是将来自发动机101的热通过液体状的热介质即冷却水输送给散热器102的系统。
发动机101是通过能量变换而产生热的热源。此外，散热器102是使通过与发动机101的废热进行热交换而达到高温的冷却水通过与外气进行热交换进行冷却的热交换器，换句话讲，为散热部。
发动机101和散热器102通过在发动机101与散热器102之间形成闭路的冷却水流路100而连接。在冷却水流路100中设有泵103，该泵103由发动机101的动力机械地驱动，使冷却水在冷却水流路100中循环。然后，冷却水流路100内的冷却水从发动机101的冷却水出口经由散热器102而循环至发动机101的冷却水入口。
冷却水流路100为构成液体状的热介质即冷却水流通的流路的热介质流路。此外，泵103是对冷却水流路100中的冷却水的流动进行控制的流动控制部。
接着，对本实施方式涉及的发动机冷却系统中所用的冷却水进行说明。本实施方式的冷却水为具有溶剂和至少1种溶质40的溶液。
如图2所示的那样，冷却水的溶质40由具备第1部位即头部41和第2部位即尾部42的分子构成。头部41为在冷却水的温度达到预定的基准温度以下时选择性地接近溶剂的固液界面50的部位。尾部42是与头部41连接、且相对于溶剂为疏液性的部位。
本实施方式中，使用水作为溶剂。此外，作为溶质40的头部41，可使用季铵基、磺基、酯基、羧基及羟基中的任一种。此外，溶质40的尾部42具有由多个碳构成的主链。与构成主链的各碳结合的亲水基为4个以下。
具体地讲，作为本实施方式的溶质40，使用头部41为三甲基铵基、且尾部42为碳原子数为16以下的直链状烃基的化合物。具体地讲，作为溶质40，使用十六烷基三甲基溴化铵(以下也称为C16TAB)。
再者，作为本实施方式的溶质40，除C16TAB以外，如图3所示的那样，还可使用聚氧乙烯(10)辛基苯基醚(Triton(注册商标)X-100)、聚氧乙烯(25)辛基十二烷基醚(EMULGEN(注册商标)2025G)、油酸聚氧乙烯山梨糖醇酐(Tween(注册商标)80)、硬脂酸PEG-150、十四烷基磺基甜菜碱、胆酸钠。通过使用上述化合物作为溶质40，如图3所示的那样，能够降低冻结温度。
另外，溶质40中，C16TAB不具有亲水基，十四烷基磺基甜菜碱具有1个亲水基，胆酸钠具有3个亲水基。另外，如由图3的虚线围成的区域所示的那样，冻结温度以胆酸钠、十四烷基磺基甜菜碱、C16TAB的顺序降低。所以，越减小亲水基的个数，越能使冻结温度降低。具体地讲，如上所述，通过将含在溶质40的尾部42中的亲水基的个数设定为4个以下，能够降低冻结温度。
另外，冷却水中的溶质40的浓度小于溶质40相对于水的饱和溶解浓度。由此，能够抑制溶质40发生再结晶，冰以该结晶为晶核而生长。另外，通过将冷却水中的溶质40的浓度设定在溶质40相对于水的临界胶束浓度以下，能够抑制溶质40发生胶束化，冰以该胶束为核而生长。
如图4所示的那样，如果使相对于水的溶质40的重量百分比浓度上升，则直到约0.1重量百分比浓度为止，随着浓度提高，冻结温度降低。但是，如果相对于水的溶质40的重量百分比浓度超过约0.1重量百分比浓度，则冻结温度缓慢升高。所以，在本实施方式中，将溶质40相对于水的浓度设定为0.1重量百分比浓度以下。
这里，图5中示出了相对于冷却水中的乙二醇浓度的液侧热传递率比及冻结温度的关系。再者，所谓图5的上图的纵轴所示的液侧热传递比，是将现在通常所使用的LLC(乙二醇浓度：50％)的液侧热传递率比作为100％而表示的液侧热传递率的值。
为了确保JIS K 2234中规定的不冻液的性能，冻结温度为－34℃以下是必要的。因此，在现在通常所使用的LLC中，将相对于水的乙二醇浓度设定为50％。
如图5的上图所示的那样，冷却水中的相对于水的乙二醇浓度越低，热传递率越提高。但是，如图5的下图所示的那样，冷却水中的相对于水的乙二醇浓度越低，冻结温度越高。
与此相对照，在使用重量百分比浓度为0.1％的C16TAB水溶液作为冷却水时，冻结温度达到－20℃。此时，由于冷却水的乙二醇浓度为0，因此能够提高热传递率。
但是，如上所述，为了确保JIS K 2234中规定的不冻液的性能，有必要将冻结温度设定在－34℃以下。因此，本实施方式中，在冷却水中，除了第1溶质即C16TAB以外，还加入与C16TAB不同的、且通过与水互溶而使水的凝固点下降的第2溶质。作为第2溶质，可使用醇类。本实施方式中，作为第2溶质，使用乙二醇。
如图5的下图所示的那样，通过在C16TAB水溶液中加入乙二醇，能够降低冻结浓度。具体地讲，优选将乙二醇的相对于冷却水的浓度规定为10重量百分比浓度以上且40重量百分比浓度以下。
更详细地讲，在如本实施方式这样使用重量百分比浓度为0.1％的C16TAB水溶液作为冷却水时，通过将乙二醇的重量百分比浓度设定为大约18％，能够使冻结温度为－34℃。此时，相对于现在通常使用的LLC，能够将热传递率提高大约4成。
如以上说明的那样，本实施方式中，冷却水的溶质40具有具备头部41和尾部42的分子。头部41在冷却水温度达到基准温度以下时，选择性地接近溶剂的固液界面50。尾部42与头部41连接，并且相对于溶剂为疏液性(具有疏溶剂性)。据此，在冷却水的温度降低而达到基准温度以下时，溶质40的头部41选择性接近地吸附在溶液的固液界面。然后，通过吸附在溶剂的固液界面50上的头部41，阻碍溶剂的冰核(凝固核)的生长，因此能够抑制冻结的进展。另外，通过相对于溶剂为疏液性的尾部42，能够抑制溶剂靠近固液界面50，所以能够进一步抑制冻结的进展。
所以，即使冷却水中不含凝固点降低剂(乙二醇)，也能使冷却水的冻结的进展延迟，也就是说，能够降低冷却水的凝固点。因此，能够抑制冷却水的热物性恶化及粘度增加。
此外，本实施方式中，为了降低冷却水的凝固点，不需要维持过冷却状态。也就是说，本实施方式的冷却水的溶质40不是促进过冷却，而是如上所述阻碍冰核生长。因此，不会因干扰而解除冷却水的过冷却状态从而使冻结进展。
如以上所述，根据本实施方式，可抑制冷却水的热物性恶化及粘度增大，同时可充分确保冷却水的不冻性。
可是，如图2所示的那样，在本实施方式的冷却水中，在溶质40的头部41吸附在溶剂的固液界面50上时，尾部42以头部41为基点运动。此时，相邻的溶质分子的尾部42彼此不接触。所以，如果溶质分子的尾部42的长度过长，则矢径增大，相邻的溶质分子彼此的距离d变长。其结果是，难以阻碍溶剂的冰核的生长，使抑制冷却水的冻结进展的效果下降。
对此，如上所述，通过将溶质分子的尾部42设定为碳原子数为16以下的直链状烃基，能够抑制尾部42的长度过长。因此，能够缩短相邻的溶质分子彼此的距离d，所以容易阻碍溶剂的冰核的生长，能够确实地抑制冷却水的冻结的进展。
(第2实施方式)
接着，基于图6对第2实施方式进行说明。该第2实施方式与第1实施方式相比，不同之处在于热输送系统具有相互独立的两个热输送线路1、2。
如图6所示的那样，本实施方式的热输送系统中，除了第1实施方式涉及的发动机冷却系统以外，还具备对发动机的吸气进行冷却的吸气冷却系统。具体地讲，本实施方式的热输送系统具备构成发动机冷却系统的第1热输送线路1、和构成吸气冷却系统的第2热输送线路2。
如第1实施方式中所说明的那样，在第1热输送线路1中设有发动机101、散热器102及第1泵103。第1热输送线路1以将来自发动机101的热通过在第1冷却水流路100中流通的第1冷却水输送给散热器102的方式构成。
第2热输送线路2中设有中间冷却器201、冷机202及第2泵203。中间冷却器201是通过使发动机的吸气与在第2冷却水流路200中流动的第2冷却水热交换而对吸气进行冷却的热交换器。冷机202是通过使第2冷却水与外气热交换而对第2冷却水进行冷却的热交换器。第2泵203是控制第2冷却水流路200中的第2冷却水的流动的泵。而且，第2热输送线路2以将来自中间冷却器201的热通过在第2冷却水流路200中流通的第2冷却水输送给冷机202的方式构成。
本实施方式中，作为第1冷却水及第2冷却水，采用在第1实施方式中说明的“冷却水”。因此，在本实施方式中，也可得到与第1实施方式同样的效果。
(其它实施方式)
本公开并不限定于上述的实施方式，可在不脱离本公开的主旨的范围内，按以下进行多种变形。
(1)上述实施方式中，说明了采用发动机101作为热源的例子，但热源并不局限于此。例如，作为热源也可以采用燃料电池、电池、变换器等。
(2)上述实施方式中，说明了采用散热器102作为散热部的例子，但并不局限于此。例如，作为散热部，也可以采用通过在冷却水与空气调节空气之间进行热交换而对空气调节空气进行加热的加热芯。

Claims (10)

1.一种热输送系统，其具备：
产生热的热源(101、201)、
对热进行散热的散热部(102、202)、
流动控制部(103、203)，其对液体状的热介质所流通的热介质流路(100)中的所述热介质的流动进行控制；
来自所述热源(101)的热通过所述热介质被输送给所述散热部(102)；
所述热介质由具有溶剂及至少1种溶质(40)的溶液构成；
所述至少1种溶质(40)由下述分子构成，
所述分子具备：
第1部位(41)，其在所述热介质的温度达到预定的基准温度以下时，选择性地接近所述溶剂的固液界面(50)，
第2部位(42)，其与所述第1部位(41)连接，并且相对于所述溶剂为疏液性。
2.根据权利要求1所述的热输送系统，其中，
所述热源(101、201)至少具有第1热源(101)及第2热源(201)这两个热源；
所述散热部(102、202)至少具有第1散热部(102)及第2散热部(202)这两个散热部；
所述流动控制部(103、203)至少具有第1流动控制部(103)及第2流动控制部(203)这两个流动控制部；
具有所述第1热源(101)、所述第1散热部(102)及所述第1流动控制部(103)的第1热输送线路(1)和具有所述第2热源(201)、所述第2散热部(202)及所述第2流动控制部(203)的第2热输送线路(2)彼此独立。
3.根据权利要求1或2所述的热输送系统，其中，
所述溶剂为水；
所述溶质(40)的所述第1部位(41)为季铵基、磺基、酯基、羧基及羟基中的任一种。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的热输送系统，其中，
所述溶剂为水；
所述溶质(40)的所述第2部位(42)具有由多个碳构成的主链，与各个所述多个碳结合的亲水基为4个以下。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的热输送系统，其中，所述热介质中的所述溶质(40)的浓度小于所述溶质(40)相对于所述溶液的饱和溶解浓度。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的热输送系统，其中，所述热介质中的所述溶质(40)的浓度为所述溶质(40)相对于所述溶液的临界胶束浓度以下。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的热输送系统，其中，
所述热介质具有：
第1溶质(40)，其由具备所述第1部位(41)及所述第2部位(42)的分子构成，
第2溶质，其与所述第1溶质不同，且通过与所述溶剂互溶而使所述溶剂的凝固点下降。
8.根据权利要求7所述的热输送系统，其中，
所述溶剂为水；
所述第2溶质为醇类。
9.根据权利要求8所述的热输送系统，其中，
所述第1溶质(40)相对于所述水的浓度为0.1重量百分比浓度以下；
所述第2溶质相对于所述溶液的浓度为10重量百分比浓度以上且40重量百分比浓度以下。
10.根据权利要求9所述的热输送系统，其中，
所述第1溶质(40)的所述第1部位(41)为三甲基铵基；
所述第1溶质(40)的所述第2部位(42)为碳原子数为16以下的直链状烃基；
所述第2溶质为乙二醇。
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