JP2015222149A - 熱輸送システム - Google Patents

Abstract

【課題】液体の熱媒体を用いて熱輸送を行う熱輸送システムにおいて、熱媒体の熱物性悪化および粘度増大を抑制しつつ、熱媒体の不凍性能を充分に確保する。
【解決手段】エンジン１０１と、ラジエータ１０２と、液体状の冷却水が流れる冷却水流路１００における冷却水の流動を制御するポンプ１０３とを備え、エンジン１０１からの熱を、冷却水を介してラジエータ１０２へ輸送する熱輸送システムにおいて、冷却水は、溶媒と少なくとも１種類の溶質４０とを有する溶液により構成されており、少なくとも１種類の溶質４０は、冷却水の温度が予め定めた基準温度以下になった場合に、溶媒の固液界面５０に選択的に近接するヘッド４１と、ヘッド４１に接続されるとともに、溶媒に対して疎となる関係を有するテール４２とを備える分子により構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体の熱媒体を用いて熱輸送を行う熱輸送システムに関するものである。

車両等のエネルギ変換システムにおいては、エネルギ変換の際に熱が発生する。一般的に、このようなシステムでは、エネルギ変換の際に発生した熱を輸送して、その熱を放熱部から系外へ放熱するように構成されている。このとき、熱を輸送する熱媒体としては、液体が用いられることが多いが、この液体は不凍性を有している必要がある。

従来、凝固点降下剤であるエチレングリコールを水に対して５割程度加えた液体を熱媒体として用いることにより、不凍性を確保する手法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、熱媒体に微量の界面活性剤を混合して熱媒体の過冷却状態を維持することにより、不凍性を確保する手法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１４−０２０２８０号公報 特開２０１３−３２４５６号公報

上記特許文献１に記載の手法のように、凝固点降下現象を用いて熱媒体の不凍性能を確保する場合、目的とする凝固点が低くなる程、エチレングリコール濃度を大きくする必要がある。しかしながら、エチレングリコール濃度を大きくすると、比熱や熱伝導率等の熱物性が悪化するとともに、粘度が増大してしまう。その結果、放熱部や熱媒体配管等の体格が大きくなったり、熱媒体を流動させるための動力が大きくなったりという問題がある。

ところで、液体が冷却される過程で過冷却状態が生じている場合、この過冷却状態は準安定状態であるため、系内の熱的揺らぎに起因して氷核生成が生じる可能性が高い。この熱的揺らぎは、例えばシステムにおける機械的または熱的な外乱に基づき発生すると考えられる。

このため、上記特許文献２に記載されているように、過冷却を促進して熱媒体の不凍性能を確保する場合、外乱により過冷却状態が解除されて凍結が進行する可能性が高い。その結果、不凍性能を充分に確保できないという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、液体の熱媒体を用いて熱輸送を行う熱輸送システムにおいて、熱媒体の熱物性悪化および粘度増大を抑制しつつ、熱媒体の不凍性能を充分に確保することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、熱を発生する熱源（１０１）と、熱を放熱する放熱部（１０２）と、液体状の熱媒体が流れる熱媒体流路（１００）における熱媒体の流動を制御する流動制御手段（１０３）とを備え、熱源（１０１）からの熱を、熱媒体を介して放熱部（１０２）へ輸送する熱輸送システムにおいて、熱媒体は、溶媒と少なくとも１種類の溶質（４０）とを有する溶液により構成されており、少なくとも１種類の溶質（４０）は、熱媒体の温度が予め定めた基準温度以下になった場合に、溶媒の固液界面（５０）に選択的に近接する第１部位（４１）と、第１部位（４１）に接続されるとともに、溶媒に対して疎となる関係を有する第２部位（４２）とを備える分子により構成されていることを特徴とする。

これによれば、熱媒体の温度が低下して基準温度以下になった場合に、溶質（４０）の第１部位（４１）が溶液の固液界面に選択的に近接して吸着する。これにより、溶媒の固液界面（５０）に吸着した第１部位（４１）により、溶媒の凝固核の成長が阻害されるため、凍結の進行を抑制できる。さらに、溶媒に対して疎となる関係を有する第２部位（４２）により、溶媒が固液界面に近づくことが抑制されるので、凍結の進行をより抑制できる。

したがって、熱媒体にエチレングリコール等の凝固点降下剤を含有させなくても、熱媒体の凍結の進行を遅らせる、すなわち熱媒体の凝固点を低下させることができる。また、熱媒体の凝固点を低下させるために過冷却状態を維持する必要はないので、外乱により熱媒体の過冷却状態が解除されて凍結が進行することはない。これにより、熱媒体の熱物性悪化および粘度増大を抑制しつつ、熱媒体の不凍性能を充分に確保することが可能となる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態に係るエンジン冷却システムを示す全体構成図である。 第１実施形態における熱媒体の構成を説明するための説明図である。 熱媒体の溶質の分子量と凍結温度との関係を示す特性図である。 熱媒体の溶質の濃度と凍結温度との関係を示す特性図である。 冷却水中のエチレングリコール濃度に対する液側熱伝達率比および凍結温度の関係を示す説明図である。 第２実施形態に係るエンジン冷却システムを示す全体構成図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図５に基づいて説明する。本実施形態は、本発明に係る熱輸送システムを、ハイブリッド自動車の走行用駆動源の１つとして用いられるエンジン（内燃機関）の冷却システムに適用したものである。

図１に示すように、本実施形態のエンジン冷却システムは、エンジン１０１の冷却水をラジエータ１０２にて冷却するシステムとなっている。すなわち、本実施形態のエンジン冷却システムは、エンジン１０１からの熱を、液体状の熱媒体である冷却水を介して、ラジエータ１０２へ輸送するシステムとなっている。

エンジン１０１は、エネルギ変換により熱を発生するものであり、本発明の熱源に相当している。また、ラジエータ１０２は、エンジン１０１の排熱と熱交換して高温となった冷却水を外気と熱交換させて冷却する熱交換器であり、本発明の放熱部に相当している。

エンジン１０１とラジエータ１０２は、エンジン１０１とラジエータ１０２との間で閉回路を形成する冷却水流路１００によって接続されている。冷却水流路１００には、エンジン１０１の動力により機械的に駆動されて冷却水流路１００に冷却水を循環させるポンプ１０３が設けられている。そして、冷却水流路１００内の冷却水は、エンジン１０１の冷却水出口からラジエータ１０２を経由してエンジン１０１の冷却水入口に循環するようになっている。

冷却水流路１００は、液体状の熱媒体である冷却水が流れる流路を構成するものであり、本発明の熱媒体流路に相当している。また、ポンプ１０３は、冷却水流路１００における冷却水の流動を制御するものであり、本発明の流動制御手段に相当している。

次に、本実施形態に係るエンジン冷却システムで用いられる冷却水について説明する。本実施形態の冷却水は、溶媒と１種類の溶質４０とを有する溶液により構成されている。

図２に示すように、冷却水の溶質４０は、第１部位であるヘッド４１と、第２部位であるテール４２とを備える分子により構成されている。ヘッド４１は、冷却水の温度が予め定めた基準温度以下になった場合に、溶媒の固液界面５０に選択的に近接する部位である。テール４２は、ヘッド４１に接続されるとともに、溶媒に対して疎となる関係を有する部位である。

本実施形態では、溶媒として水が採用されている。また、溶質４０のヘッド４１として、第４級アンモニウム基、スルホ基、エステル基、カルボキシル基およびヒドロキル基のうちのいずれかが採用されている。また、溶質４０のテール４２として、複数の炭素を主鎖とするとともに、各炭素と結合される親水基が４個以下であるものが採用されている。

具体的には、本実施形態の溶質４０として、ヘッド４１がトリメチルアンモニウム基であるとともに、テール４２が炭素数１６以下の直鎖状炭化水素基である化合物を採用している。具体的には、溶質４０として、臭化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム（以下、Ｃ₁₆ＴＡＢともいう）を採用している。

なお、本実施形態の溶質４０としては、Ｃ₁₆ＴＡＢの他に、図３に示すように、ポリオキシエチレン（１０）オクチルフェニルエーテル（Ｔｒｉｔｏｎ（登録商標）Ｘ−１００）、ポリオキシエチレン（２５）オクチルドデシルエーテル（エマルゲン（登録商標）２０２５Ｇ）、オレイン酸ポリオキシエチレンソルビタン（Ｔｗｅｅｎ（登録商標）８０）、ステアリン酸ＰＥＧ−１５０、ミリスチルスルホベタイン、コール酸ナトリウムを採用することができる。溶質４０として上記に挙げた化合物を採用することで、図３に示すように、凍結温度を低下させることができる。

ところで、上記に挙げた溶質４０のうち、Ｃ₁₆ＴＡＢは親水基を有しておらず、ミリスチルスルホベタインは親水基を１個有しており、コール酸ナトリウムは親水基を３個有している。そして、図３の破線で囲まれた領域に示すように、コール酸ナトリウム、ミリスチルスルホベタイン、Ｃ₁₆ＴＡＢの順に凍結温度が低くなっている。したがって、親水基の数を減らす程、凍結温度を低下させることができる。具体的には、上述したように、溶質４０のテール４２に含まれる親水基の個数を４個以下とすることで、凍結温度を低くすることができる。

ところで、冷却水における溶質４０の濃度は、水に対する溶質４０の飽和溶解濃度よりも小さくなっている。これによれば、溶質４０が再結晶し、その結晶を核として氷が成長することを抑制できる。さらに、冷却水における溶質４０の濃度は、水に対する溶質４０の臨界ミセル濃度以下にすることで、溶質４０がミセル化し、そのミセルを核として氷が成長することを抑制できる。

図４に示すように、水に対する溶質４０の重量パーセント濃度を上昇させていくと、約０．１重量パーセント濃度までは、濃度が高くなるにつれて、凍結温度が低くなっている。しかしながら、水に対する溶質４０の重量パーセント濃度が約０．１重量パーセント濃度を超えると、凍結温度が徐々に高くなっている。したがって、本実施形態では、水に対する溶質４０の濃度を０．１重量パーセント濃度以下としている。

ここで、冷却水中のエチレングリコール濃度に対する液側熱伝達率比および凍結温度の関係を図５に示す。なお、図５の上図の縦軸に示す液側熱伝達比とは、現在一般的に使用されているＬＬＣ（エチレングリコール濃度：５０％）の液側熱伝達率比を１００％として表した液側熱伝達率の値のことである。

ＪＩＳ Ｋ ２２３４にて規定された不凍液の性能を確保するためには、凍結温度が−３４℃以下であることが必要である。このため、現在一般的に使用されているＬＬＣでは、水に対するエチレングリコール濃度を５０％としている。

図５の上図に示すように、冷却水中の水に対するエチレングリコール濃度が低くなる程、熱伝達率は向上する。しかしながら、図５の下図に示すように、冷却水中の水に対するエチレングリコール濃度が低くなる程、凍結温度が高くなってしまう。

これに対し、冷却水として、重量パーセント濃度が０．１％であるＣ₁₆ＴＡＢ水溶液を採用した場合、凍結温度は−２０℃となる。このとき、冷却水のエチレングリコール濃度は０であるため、熱伝達率を向上させることができる。

しかしながら、上述したように、ＪＩＳ Ｋ ２２３４にて規定された不凍液の性能を確保するためには、凍結温度を−３４℃以下にする必要がある。このため、本実施形態では、冷却水に、第１溶質であるＣ₁₆ＴＡＢの他に、Ｃ₁₆ＴＡＢとは異なるとともに、水と互溶することにより水の凝固点を降下させる第２溶質を加えている。第２溶質としては、アルコール類を採用することができる。本実施形態では、第２溶質として、エチレングリコールを採用している。

図５の下図に示すように、Ｃ₁₆ＴＡＢ水溶液に対してエチレングリコールを加えることで、凍結濃度を低下させることができる。具体的には、エチレングリコールの冷却水に対する濃度を、１０重量パーセント濃度以上、４０重量パーセント濃度以下とすることが望ましい。

より詳細には、本実施形態のように、冷却水として、重量パーセント濃度が０．１％であるＣ₁₆ＴＡＢ水溶液を採用した場合、エチレングリコールの重量パーセント濃度を約１８％とすることで、凍結温度を−３４℃とすることができる。このとき、熱伝達率を、現在一般的に使用されているＬＬＣに対して約４割向上させることができる。

以上説明したように、本実施形態では、冷却水の溶質４０を、冷却水温度が基準温度以下になった場合に、溶媒の固液界面５０に選択的に近接するヘッド４１と、ヘッド４１に接続されるとともに、溶媒に対して疎となる関係を有するテール４２とを備える分子により構成している。これによれば、冷却水の温度が低下して基準温度以下になった場合に、溶質４０のヘッド４１が溶液の固液界面に選択的に近接して吸着する。そして、溶媒の固液界面５０に吸着したヘッド４１により、溶媒の氷核（凝固核）の成長が阻害されるため、凍結の進行を抑制できる。さらに、溶媒に対して疎となる関係を有するテール４２により、溶媒が固液界面５０に近づくことが抑制されるので、凍結の進行をより抑制できる。

したがって、冷却水に凝固点降下剤（チレングリコール）を含有させなくても、冷却水の凍結の進行を遅らせる、すなわち冷却水の凝固点を低下させることができる。このため、冷却水の熱物性悪化および粘度増加を抑制できる。

また、本実施形態では、冷却水の凝固点を低下させるために、過冷却状態を維持する必要はない。すなわち、本実施形態の冷却水の溶質４０は、過冷却を促進させるものではなく、上述したように、氷核の成長を阻害するものである。このため、外乱により冷却水の過冷却状態が解除されて凍結が進行することはない。

以上のように、本実施形態によれば、冷却水の熱物性悪化および粘度増大を抑制しつつ、冷却水の不凍性能を充分に確保することが可能となる。

ところで、図２に示すように、本実施形態の冷却水において、溶質４０のヘッド４１が溶媒の固液界面５０に吸着した際に、テール４２はヘッド４１を基点として運動する。このとき、隣り合う溶質分子のテール４２同士が接触しないようになっている。したがって、溶質分子のテール４２の長さが長すぎると動径も大きくなり、隣り合う溶質分子同士の距離ｄが長くなるので、溶媒の氷核の成長を阻害し難くなる。これにより、冷却水の凍結の進行抑制効果が低下してしまう。

これに対し、上述したように、溶質分子のテール４２を、炭素数１６以下の直鎖状炭化水素基とすることで、テール４２の長さが長くなりすぎることを抑制できる。このため、隣り合う溶質分子同士の距離ｄを短くすることができるので、溶媒の氷核の成長を阻害し易くなり、冷却水の凍結の進行を確実に抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、熱輸送システムが、互いに独立した２つの熱輸送回路１、２を有している点が異なるものである。

図６に示すように、本実施形態の熱輸送システムは、上記第１実施形態に係るエンジン冷却システムに加えて、エンジンの吸気を冷却する吸気冷却システムを備えている。具体的には、本実施形態の熱輸送システムは、エンジン冷却システムを構成する第１熱輸送回路１と、吸気冷却システムを構成する第２熱輸送回路２とを備えている。

上記第１実施形態において説明したように、第１熱輸送回路１には、エンジン１０１、ラジエータ１０２および第１ポンプ１０３が設けられている。第１熱輸送回路１は、エンジン１０１からの熱を、第１冷却水流路１００を流通する第１冷却水を介して、ラジエータ１０２へ輸送するように構成されている。

第２熱輸送回路２は、インタークーラ２０１、チラー２０２および第２ポンプ２０３が設けられている。インタークーラ２０１は、エンジンの吸気と第２冷却水流路２００を流れる第２冷却水とを熱交換させて吸気を冷却する熱交換器である。チラー２０２は、第２冷却水と外気とを熱交換させて第２冷却水を冷却する熱交換器である。第２ポンプ２０３は、第２冷却水流路２００における第２冷却水の流動を制御するものである。そして、第２熱輸送回路２は、インタークーラ２０１からの熱を、第２冷却水流路２００を流通する第２冷却水を介して、チラー２０２へ輸送するように構成されている。

本実施形態では、第１冷却水および第２冷却水として、上記第１実施形態において説明した「冷却水」を採用している。このため、本実施形態においても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

（１）上記実施形態では、熱源としてエンジン１０１を採用した例について説明したが、熱源はこれに限定されない。例えば、熱源として、燃料電池、バッテリ、インバータ等を採用してもよい。

（２）上記実施形態では、放熱部としてラジエータ１０２を採用した例について説明したが、これに限定されない。例えば、放熱部として、冷却水と空調空気との間で熱交換を行うことにより空調空気を加熱するヒータコアを採用してもよい。

４０ 溶質
４１ ヘッド（第１部位）
４２ テール（第２部位）
５０ 固液界面
１００ 冷却水流路（熱媒体流路）
１０１ エンジン（熱源）
１０２ ラジエータ（放熱部）
１０３ ポンプ（流動制御手段）

Claims (10)

1. 熱を発生する熱源（１０１）と、
   熱を放熱する放熱部（１０２）と、
   液体状の熱媒体が流れる熱媒体流路（１００）における前記熱媒体の流動を制御する流動制御手段（１０３）とを備え、
   前記熱源（１０１）からの熱を、前記熱媒体を介して前記放熱部（１０２）へ輸送する熱輸送システムであって、
   前記熱媒体は、溶媒と少なくとも１種類の溶質（４０）とを有する溶液により構成されており、
   前記少なくとも１種類の溶質（４０）は、
   前記熱媒体の温度が予め定めた基準温度以下になった場合に、前記溶媒の固液界面（５０）に選択的に近接する第１部位（４１）と、
   前記第１部位（４１）に接続されるとともに、前記溶媒に対して疎となる関係を有する第２部位（４２）とを備える分子により構成されていることを特徴とする熱輸送システム。
2. 前記熱源（１０１、２０１）、前記放熱部（１０２、２０２）および前記流動制御手段（１０３、２０３）は、少なくとも２つずつ設けられており、
   第１の前記熱源（１０１）、第１の前記放熱部（１０２）および第１の前記流動制御手段（１０３）とを有する第１熱輸送回路（１）と、第２の前記熱源（２０１）、第２の前記放熱部（２０２）および第２の前記流動制御手段（２０３）とを有する第２熱輸送回路（２）とが、互いに独立していることを特徴とする請求項１に記載の熱輸送システム。
3. 前記溶媒は水であり、
   前記溶質（４０）の前記第１部位（４１）は、第４級アンモニウム基、スルホ基、エステル基、カルボキシル基およびヒドロキル基のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の熱輸送システム。
4. 前記溶媒は水であり、
   前記溶質（４０）の前記第２部位（４２）は、複数の炭素を主鎖とするとともに、各前記炭素と結合される親水基が４個以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱輸送システム。
5. 前記熱媒体における前記溶質（４０）の濃度は、前記溶液に対する前記溶質（４０）の飽和溶解濃度よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱輸送システム。
6. 前記熱媒体における前記溶質（４０）の濃度は、前記溶液に対する前記溶質（４０）の臨界ミセル濃度以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱輸送システム。
7. 前記熱媒体は、
   前記第１部位（４１）および前記第２部位（４２）を備える分子により構成されている第１溶質（４０）と、
   前記第１溶質とは異なるとともに、前記溶媒と互溶することにより前記溶媒の凝固点を降下させる第２溶質とを有していることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の熱輸送システム。
8. 前記溶媒は水であり、
   前記第２溶質はアルコール類であることを特徴とする請求項７に記載の熱輸送システム。
9. 前記第１溶質（４０）は、前記水に対する濃度が０．１重量パーセント濃度以下であり、
   前記第２溶質は、前記溶液に対する濃度が１０重量パーセント濃度以上、４０重量パーセント濃度以下であることを特徴とする請求項８に記載の熱輸送システム。
10. 前記第１溶質（４０）において、前記第１部位（４１）はトリメチルアンモニウム基であるとともに、前記第２部位（４２）は炭素数１６以下の直鎖状炭化水素基であり、
    前記第２溶質は、エチレングリコールであること特徴とする請求項９に記載の熱輸送システム。

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