JP2005344946A - 蓄熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ヒートパイプと蓄熱タンクを備えた蓄熱システムにおいて、ヒートパイプの放熱部と蓄熱タンクとの好適な配置を実現し、蓄熱タンクの蓄熱性能を向上させることを課題とする。
【解決手段】本発明は、蓄熱タンク（８）の下部（８１）を上部（８０）に比べて径小に形成するとともに、ヒートパイプ（１３）の放熱部（１４）を蓄熱タンク（８）の下部（８１）に配置することにより、蓄熱タンク（８）からの放熱量を低減させることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の排熱を回収して蓄熱するシステムに関する。

近年、車両などに搭載される内燃機関では、ヒートパイプと蓄熱タンクを利用して内燃機関の排熱を回収及び蓄熱し、蓄熱された熱エネルギを内燃機関等の暖機に利用する技術が提案されている（たとえば、特許文献１を参照）。
実開昭６３−９０２３号公報 実開平２−７６５１１号公報

ところで、上記したような従来の技術では、ヒートパイプの放熱部と蓄熱タンクとの好適な配置については言及されていない。特に、内燃機関の運転停止中に放熱部の温度が入熱部より高くなると蓄熱タンク内の熱がヒートパイプを介して放熱される可能性があるが、その対策については何ら記載されていない。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヒートパイプと蓄熱タンクを備えた蓄熱システムにおいて、ヒートパイプの放熱部と蓄熱タンクとの好適な配置を実現し、蓄熱タンクの蓄熱性能を向上させる点にある。

本発明は上記した課題を解決するために以下のような手段を採用した。すなわち、本発明の特徴は、熱を蓄える蓄熱タンクと、内燃機関の排熱を入熱部で受けて前記蓄熱タンク内の放熱部へ伝導するヒートパイプとを備えた蓄熱システムにおいて、前記放熱部が前記蓄熱タンク内の下部に配置される点にある。

内燃機関の運転停止中は該内燃機関から熱が排出されないため、入熱部の温度が低下する。これに対し放熱部は蓄熱タンク内に蓄えられた熱により温度低下が抑制される。その結果、入熱部の温度が放熱部の温度より低くなる場合がある。

入熱部の温度が放熱部の温度より低くなった場合は、入熱部と放熱部の作用が逆転するため、蓄熱タンク内の熱がヒートパイプを介して放熱される。特に自励振動式のヒートパイプが用いられた場合は、入熱部と放熱部の位置関係に関わらず熱伝導を行うことができるため、入熱部の温度が放熱部の温度より低くなると蓄熱タンク内の熱が放熱され易い。その際の放熱量は、入熱部と放熱部の温度差が大きくなるほど多くなる。

一方、蓄熱タンク内の熱は対流によって該蓄熱タンク内の上部に集まるため、下部に蓄えられる熱量が上部に蓄えられる熱量に比べて少なくなる。すなわち、蓄熱タンク内において上部の温度は下部の温度より高くなる。蓄熱タンク内の上部が下部より高温になった状況下では、熱の対流が発生し難くなるため、上部の熱が下部へ移動し難くい。

従って、ヒートパイプの放熱部が蓄熱タンク内の下部に配置されると、入熱部の温度が放熱部の温度より低くなった場合に両者の温度差を最小限に抑えることができるとともに、蓄熱タンク内の上部に蓄えられた多量の熱が放熱部へ伝わり難くなる。

この結果、内燃機関の運転停止中等に蓄熱タンク内からヒートパイプを介して放出され
る熱量を少なくすることができる。

本発明において、蓄熱タンクの下部は上部に比して容積が小さくされるようにしてもよい。

蓄熱タンク下部の容積が蓄熱タンク上部より小さくされると、蓄熱タンク全体の蓄熱量に対する蓄熱タンク下部の蓄熱量が少なくなるため、入熱部の温度が放熱部の温度より低くなった場合の放熱量を少なくし易く、更に蓄熱タンク上部において多量の熱を蓄えておくことが可能となる。

尚、蓄熱タンク下部の容積を上部に比して小さくする方法としては、例えば、蓄熱タンク下部の径を上部に比して小さくする方法を例示することができる。

また、内燃機関から蓄熱タンク内を経由して内燃機関へ帰還する熱媒体通路を更に備え、蓄熱タンク内に蓄えられた熱が熱媒体を介して内燃機関に伝達されるようにしてもよい。

その際、蓄熱タンク内に位置する熱媒体通路は、蓄熱タンク外に位置する熱媒体通路に比して、単位長さ当たりの表面積が大きくされるようにしてもよい。

蓄熱タンク内において熱媒体通路の表面積が拡大されると、蓄熱タンク内の熱が熱媒体通路内の熱媒体へ伝達され易くなる。逆に、蓄熱タンク外において熱媒体通路の表面積が小さくされると、熱媒体通路内の熱媒体からの放熱量を少なくすることができる。

尚、蓄熱タンク内に位置する熱媒体通路の単位長さ当たりの表面積を大きくする方法としては、熱媒体通路の表面に枝状の部材を突設する方法、熱媒体通路の表面に凹凸を設ける方法などを例示することができる。

本発明に係る蓄熱システムは、ヒートパイプの放熱部を蓄熱タンク内の下部に配置することにより、蓄熱タンクの蓄熱性能を向上させることができる。

以下、本発明に係る蓄熱システムの具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る蓄熱システムを適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図１において内燃機関１は、シリンダヘッド２とシリンダブロック３を備えている。

シリンダヘッド２には冷却水通路４が形成されている。シリンダブロック３にはウォータジャケット５が形成されている。冷却水通路４とウォータジャケット５は内燃機関１の内部において相互に連通している。

シリンダヘッド２にはエキゾーストマニフォルド６が接続され、エキゾーストマニフォルド６は排気浄化触媒７に接続されている。

内燃機関１には、前記冷却水通路４と前記ウォータジャケット５とを連通する冷却水管１０が接続されている。この冷却水管１０は本発明に係る熱媒体通路に相当する。

冷却水管１０とウォータジャケット５との連結部にはサーモスタット１１が介設されて
いる。冷却水管１０の途中には、蓄熱タンク８と電動ウォータポンプ１２が設けられている。尚、本実施例では蓄熱タンク８が電動ウォータポンプ１２より冷却水通路４側に配置されている。

冷却水通路４と前記蓄熱タンク８の間に位置する冷却水管１０には三方切換弁１６が配置されている。尚、以下では三方切換弁１６より冷却水通路４側に位置する冷却水管１０を第１冷却水管１０ａと称し、三方切換弁１６よりサーモスタット１１側に位置する冷却水管１０を第２冷却水管１０ｂと称する。

三方切換弁１６には、前記した第１冷却水管１０ａ及び第２冷却水管１０ｂに加え、第１のヒータ用冷却水管１７が接続されている。第１のヒータ用冷却水管１７は車室内用ヒータのヒータコア１８と接続されている。ヒータコア１８には第２のヒータ用冷却水管１９が接続されている。第２のヒータ用冷却水管１９は、サーモスタット１１と電動ウォータポンプ１２の間に位置する冷却水管１０と接続されている。

次に、蓄熱タンク８の構成について図２に基づいて説明する。蓄熱タンク８は、タンク本体８０と口筒部８１を備え、これらタンク本体８０及び口筒部８１の内部に蓄熱材９が充填されている。

口筒部８１の内径はタンク本体８０より径小に形成されることにより、該口筒部８１の容積がタンク本体８０の容積より十分に小さくされている。

タンク本体８０及び口筒部８１には、前述した第２冷却水管１０ｂが挿管され、蓄熱材９と第２冷却水管１０ｂ内の冷却水との間で熱交換が行われるようになっている。

タンク本体８０内に位置する第２冷却水管１０ｂの表面には、枝状部材１００が突設されている。この枝状部材１００によってタンク本体８０内に位置する第２冷却水管１０ｂの単位長さ当たりの表面積は、タンク本体８０外に位置する第２冷却水管１０ｂより大きくなっている。

尚、前記枝状部材は１００は、熱伝導率が高い部材であればよく、例えば、炭素繊維などを例示することができる。

また、口筒部８１には、ヒートパイプ１３の放熱部１４が配置されている。ヒートパイプ１３の入熱部１５は図１に示すようにエキゾーストマニフォルド６内に配置されている。

このように構成された蓄熱タンク８は、口筒部８１がタンク本体８０より下方に位置するよう配置されるものとする。

以下、本実施例の作用・効果について述べる。先ず、内燃機関１が暖機完了後の運転状態にあるとき或いは高負荷運転状態にあるときには、第２冷却水管１０ｂを閉塞し且つ第１冷却水管１０ａと第１のヒータ用冷却水管１７を導通させるように三方切換弁１６が動作し、電動ウォータポンプ１２が作動を停止する。

この場合、内燃機関１の熱を受けて高温となった冷却水がウォータジャケット５からサーモスタット１１を介して第２冷却水管１０ｂへ流入する。第２冷却水管１０ｂへ流入した冷却水は、第２のヒータ用冷却水管１９を介してヒータコア１８へ導かれる。ヒータコア１８へ導かれた冷却水は、車室内暖房用の空気との間で熱交換される。

ヒータコア１８において車室内暖房用空気と熱交換された後の冷却水は、第１のヒータ用冷却水管１７及び三方切換弁１６を介して第１冷却水管１０ａへ導かれる。第１冷却水管１０ａへ流入した冷却水は、内燃機関１の冷却水通路４へ流入する。

一方、エキゾーストマニフォルド６内は、内燃機関１からの排出される排気の熱によって高温となる。エキゾーストマニフォルド６内が高温になると、エキゾーストマニフォルド６内の熱が入熱部１５に伝達される。

入熱部１５に伝達された熱は、ヒートパイプ１３内の作動液を蒸発させる。蒸発した作動液は、ヒートパイプ１３内を速やかに移動して放熱部１４に到達する。

放熱部１４へ移動した作動液は、該作動液の熱を放出して凝集する。放熱部１４において凝集した作動液は再び入熱部１５へ移動する。

放熱部１４において作動液から放出された熱は、口筒部８１内に位置する蓄熱材９へ伝達される。口筒部８１内の蓄熱材９へ伝達された熱は、対流によってタンク本体８０内へ移動する。

上記したような作動液の作動及び蓄熱材９の対流が繰り返されると、排気の熱が蓄熱タンク８の上部から下部へ順次蓄えられるようになる。

次に、内燃機関１の始動直前には、第１のヒータ用冷却水管１７を閉塞し且つ第１冷却水管１０ａと第２冷却水管１０ｂを導通させるように三方切換弁１６が動作し、電動ウォータポンプ１２が作動する。

この場合、電動ウォータポンプ１２の作動によって、電動ウォータポンプ１２から第２冷却水管１０ｂ、蓄熱タンク８、第２冷却水管１０ｂ、三方切換弁１６、第１冷却水管１０ａ、冷却水通路４、ウォータジャケット５、サーモスタット１１、第２冷却水管１０ｂを順次経由して電動ウォータポンプ１２へ帰還する冷却水の流れが発生する。

上記したような冷却水の流れが発生すると、蓄熱タンク８において蓄熱材９から受熱した冷却水が冷却水通路４へ流入することになるため、シリンダヘッド２が予熱される。シリンダヘッド２が予熱されると、吸気ポートや燃焼室の雰囲気温度が上昇する。その結果、内燃機関１の始動時及び始動直後において燃料霧化の促進、壁面付着燃料量の減少、燃料着火性の向上などが図られる。

尚、蓄熱タンク８内の第２冷却水管１０ｂは、枝状部材１００によって表面積が大きくなっているため、蓄熱タンク８内の熱を受け易い。また、蓄熱タンク８内において冷却水管１０ｂから離間した箇所に蓄えられた熱も枝状部材１００を介することによって第２冷却水管１０ｂへ伝達され易くなっている。

図３は、蓄熱タンク８へ一定温度（常温）の冷却水を流入させたときに蓄熱タンク８から流出する冷却水の温度（流出冷却水温度）を示している。図３中の実線は枝状部材を備えた蓄熱タンクの流出冷却水温度を示し、図３中の点線は枝状部材を備えていない蓄熱タンクの流出冷却水温度を示している。

図３からも明らかなように、枝状部材を備えた蓄熱タンクの流出冷却水温度は、枝状部材を備えていない蓄熱タンクの流出冷却水温度より高くなる。従って、蓄熱タンク８内に蓄えられた熱が短時間でシリンダヘッド２へ伝達されるようになり、予熱処理に要する時間を短縮することができる。

次に、内燃機関１の運転が停止されると、エキゾーストマニフォルド６内の温度が徐々に低下していき、最終的には外気温と同程度まで低下する。一方、蓄熱タンク８内の蓄熱材９は該蓄熱タンク８の保温効果により高温に保たれる。

このため、内燃機関１の運転停止中には、ヒートパイプ１３の入熱部１５が放熱部１４より低温となり、入熱部１５と放熱部１４の作用が逆転する場合がある。入熱部１５と放熱部１４の作用が逆転すると、蓄熱タンク８内の熱がヒートパイプ１３を介して不要に放熱され、蓄熱タンク８の蓄熱量が減少する。その際の放熱量は、入熱部１５と放熱部１４の温度差が大きくなるほど多くなる。

ところで、本実施例では口筒部８１がタンク本体８０より下方に位置するため、口筒部８１内の熱が対流によってタンク本体８０内へ移動する。その結果、口筒部８１の蓄熱量はタンク本体８０の蓄熱量より少なくなる。更に、口筒部８１の容積がタンク本体８０の容積に比して小さいため、口筒部８１内に蓄えられる熱量は一層少なくなる。

従って、ヒートパイプ１３の放熱部１４が蓄熱タンク８下部の口筒部８１内に配置されると、入熱部１５の温度が放熱部１４より低くなった場合の両者の温度差が最小限に抑えられる。更に、口筒部８１がタンク本体８０より下方に配置された状態でタンク本体８０内の温度が口筒部８１内の温度より高くなると熱の対流が発生し難いため、タンク本体８０に蓄えられた多量の熱が口筒部８１（放熱部１４）へ伝わり難くなる。

この結果、内燃機関の運転停止中等に入熱部１５の温度が放熱部１４より低くなっても、蓄熱タンク８からヒートパイプ１３を介して放熱される熱量を最小限に抑えることが可能となり、蓄熱タンク８の蓄熱性能が向上する。

尚、本実施例では専用の蓄熱材を備えた蓄熱システムを例に挙げて説明したが、図４に示すように冷却水９０が蓄熱材を兼用する蓄熱システムにも本発明を適用することは可能である。

実施例における蓄熱システムの概略構成を示す図 蓄熱タンクの内部構成を示す図 蓄熱タンクの流出冷却水温度を測定した結果を示す図 蓄熱タンクの他の実施例を示す図

符号の説明

１・・・・・内燃機関
８・・・・・蓄熱タンク
９・・・・・蓄熱材
１０・・・・冷却水管
１３・・・・ヒートパイプ
１４・・・・放熱部
１５・・・・入熱部
８０・・・・タンク本体
８１・・・・口筒部
１００・・・枝状部材

Claims (4)

1. 熱を蓄える蓄熱タンクと、内燃機関の排熱を入熱部で受けて前記蓄熱タンク内の放熱部へ伝導するヒートパイプとを備えた蓄熱システムにおいて、
   前記放熱部が前記蓄熱タンク内の下部に配置されることを特徴とする蓄熱システム。
2. 請求項１において、前記蓄熱タンクの下部は上部に比して容積が小さくされることを特徴とする蓄熱システム。
3. 請求項１又は２において、前記内燃機関から前記蓄熱タンク内を経由して前記内燃機関へ帰還する熱媒体通路を更に備えることを特徴とする蓄熱システム。
4. 請求項３において、前記蓄熱タンク内に位置する熱媒体通路は、前記蓄熱タンク外に位置する熱媒体通路に比して、単位長さ当たりの表面積が大きくされることを特徴とする蓄熱システム。

Images