JP2016001066A - 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熱輸送システムの提供。
【解決手段】熱源と、放熱部と、液体状の熱媒体が流れる熱媒体流路における熱媒体の流動を制御する流動制御手段とを備え、熱源からの熱を、熱媒体を介して放熱部へ輸送する熱輸送システムであって、熱媒体は、連続相２および分散相３を有する溶液により構成されており、連続相２を非極性分子から構成するとともに、分散相３を極性分子から構成することにより、連続相２および分散相３が互いに相溶しないように構成されており、連続相２と分散相３との界面に、非極性部位および極性部位を有する分子４を複数配列することにより、前記分散相３が連続相２内にミクロンオーダーの径を有する液滴として維持されている熱輸送システム。
【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、連続相（２）および分散相（３）を有する溶液により構成されており、連続相（２）を非極性分子から構成するとともに、分散相（３）を極性分子から構成することにより、連続相（２）および分散相（３）が互いに相溶しないように構成されており、連続相（２）と分散相（３）との界面に、非極性部位および極性部位を有する分子（４）を複数配列することにより、分散相（３）が連続相（２）内にミクロンオーダーの径を有する液滴として維持されていることを特徴とする。

これによれば、熱媒体として、分散相（３）を連続相（２）内にミクロンオーダーの径を有する微小液滴として維持させたものを用いることで、熱媒体の凍結を抑制することができる。このため、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。したがって、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実施形態における冷却水の顕微鏡写真である。 冷却水における水の割合と凝固点との関係を示す特性図である。 冷却水における水の割合と粘度との関係を示す特性図である。 冷却水における水の割合と熱伝達率比との関係を示す特性図である。 第２実施形態における冷却水の構成を説明するための説明図である。 分散相の構成と凝固点との関係を示す特性図である。 第３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。冷却水は、図２に示すように、分散相３を微小液滴化して連続相２中に浮遊させた溶液、すなわちエマルジョンにより構成されている。

連続相２は、非極性分子から構成されている。分散相３は極性分子から構成されている。このため、連続相２および分散相３は、互いに相溶しないように構成されている。そして、連続相２と分散相３との界面に、非極性部位および極性部位を有する分子からなる第１界面活性剤４を複数配列することにより、分散相３が連続相２内にミクロンオーダーの径を有する微小液滴として維持されている。また、連続相２の融点は、分散相３の融点より低い。

本実施形態では、分散相３として水が採用されており、連続相２として炭化水素が採用されている。具体的には、連続相２として、ｎ−ノナン、ｎ−デカンを採用することができる。また、第１界面活性剤４としては、下記の表１に示すようなソルビタン脂肪酸エステルを採用することができる。また、炭化水素中の水滴の径は、５０μｍ以下となっている。

なお、第１界面活性剤４としては、表１に示すソルビタン脂肪酸エステルのうちＨＬＢ値が３〜８のもの、すなわちＳｐａｎ（登録商標）４０、Ｓｐａｎ（登録商標）６０、Ｓｐａｎ（登録商標）８０を用いることが望ましい。

本実施形態では、炭化水素、水およびソルビタン脂肪酸エステルを混合した溶液をホモジナイザーにて攪拌することにより、炭化水素内にミクロンオーダーの径を有する水滴が保持されたエマルジョンを作成している。このように、炭化水素、水およびソルビタン脂肪酸エステルを混合した溶液を攪拌する装置としてホモジナイザーを採用することで、確実にエマルジョンを分散させることができる。

ここで、冷却水（エマルジョン）における水の割合（以下、水割合ともいう）と凝固点との関係を図３に示す。図３に示すように、炭化水素の炭素数が増える程、凝固点が高くなる。このため、連続相２として用いられる炭化水素としては、炭素数が１０以下のものが望ましい。

ところで、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％、すなわち冷却水中の水割合を５０％としている。

本実施形態においては、連続相２として用いられる炭化水素の炭素数を９以下とすることで、冷却水として現在一般的に使用されているＬＬＣ（水割合：５０％）よりも凝固点を低下させることができる。

また、連続相２としてｎ−ノナンやｎ−デカンを用いた場合、冷却水中の水割合が７２％より大きくなると、急激に凝固点が上昇する。したがって、冷却水中の水割合を７２％以下とすることが望ましい。

ここで、冷却水における水割合と粘度との関係を図４に示す。図４に示すように、連続相２としてｎ−ノナンやｎ−デカンを用いると、冷却水中の水割合が減少しても、冷却水の粘度はほとんど変化しない。具体的には、ｎ−ノナンやｎ−デカンは、連続相２である水の粘度に対して１．１倍以下となっている。このため、冷却水の粘度を、冷却水として現在一般的に使用されているＬＬＣ（水割合：５０％）の１／３程度まで低下させることができる。

ここで、冷却水における水割合と熱伝達率比との関係を図５に示す。なお、図５の縦軸に示す熱伝達比とは、水の熱伝達率を１として表した熱伝達率の値のことである。

図５に示すように、冷却水中の水割合が低下する程、熱伝達率が低下する。連続相２としてｎ−ノナンやｎ−デカンを用いた場合、冷却水中の水割合を２０％以上とすることで、現在一般的に使用されているＬＬＣ（水割合：５０％）と同程度以上の熱伝達率を確保することができる。さらに、冷却水中の水割合を約７２％とすることで、現在一般的に使用されているＬＬＣ（水割合：５０％）の１．６倍程度の熱伝達率を確保することができる。

また、分散相３には、水に対して溶解する金属塩（例えば、塩化カルシウム）を含有させてもよい。これにより、エマルジョン状態を安定化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、冷却水として、分散相３である水を連続相２である炭化水素内に微小液滴として保持させたものを用いている。これにより、冷却水の凍結を抑制することができる。

このため、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。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。

また、本実施形態の冷却水は、連続相２である炭化水素の融点が、分散相３である水の融点より低くなっている。このため、冷却水の温度が低下して分散相３が凍結した場合でも、連続相２は凍結しないので、冷却水の流動性を確保することができる。これにより、冷却水の温度が低下した場合であっても、エンジン冷却水ステムを機能させることが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６および図７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、冷却水が、第２界面活性剤を有して構成されている点が異なるものである。

一般的に、エンジン冷却システムを使用していると、冷却水中にゴミ等の異物が混入する可能性がある。この場合、冷却水温度が低下したときに、異物を氷核（凝固核）として凍結が発生するおそれがある。

これに対し、本実施形態の冷却水の分散相３には、図６に示すように、第１界面活性剤４とは異なる第２界面活性剤５が含まれている。第２界面活性剤５は、ヘッド（第１部位）とテール（第２部位）とを備える分子により構成されている。ヘッドは、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、分散相３である水の固液界面に選択的に近接する部位である。テールは、ヘッドに接続されるとともに、分散相３である水に対して疎となる関係（疎水性）を有する部位である。

第２界面活性剤５のヘッドとしては、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が採用されている。また、第２界面活性剤５のテールとしては、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、第２界面活性剤５としては、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）が採用されている。このとき、図７に示すように、冷却水の分散相３にＣ₁₆ＴＡＢを０．１％加えることにより、凝固点を−３７℃まで低下させることができる。

なお、第２界面活性剤５として、Ｃ₁₆ＴＡＢの他に、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。

第２界面活性剤５として上記に挙げた化合物を採用することで、冷却水の温度が低下して基準温度以下になった場合に、第２界面活性剤５のヘッドが水の固液界面に選択的に近接して吸着する。そして、水の固液界面に吸着したヘッドにより、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、疎水性を有するテールにより、水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、本実施形態のような第２界面活性剤５を冷却水の分散相３に加えることで、冷却水中に異物が混入した場合であっても、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可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図８に基づいて説明する。本第３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つの熱輸送回路を有している点が異なるものである。

図８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１０と、吸気冷却システムを構成する第２熱輸送回路２０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１０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１０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２０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２０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。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。

（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。

２ 連続相
３ 分散相
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 (11)

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、連続相（２）および分散相（３）を有する溶液により構成されており、
   前記連続相（２）を非極性分子から構成するとともに、前記分散相（３）を極性分子から構成することにより、前記連続相（２）および前記分散相（３）が互いに相溶しないように構成されており、
   前記連続相（２）と前記分散相（３）との界面に、非極性部位および極性部位を有する分子（４）を複数配列することにより、前記分散相（３）が前記連続相（２）内にミクロンオーダーの径を有する液滴として維持されていることを特徴とする熱輸送システム。
2. 前記連続相（２）の融点は、前記分散相（３）の融点より低い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（１０）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（２０）とが、互いに独立してい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. 前記分散相（３）は、水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. 前記連続相（２）は、炭化水素であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱輸送システム。
6. 前記連続相（２）の炭化水素の粘度は、前記分散相（３）の粘度に対して１．１倍以下であることを特徴とする請求項５に記載の熱輸送システム。
7. 前記連続相（２）の炭化水素は、炭素数が１０以下であることを特徴とする請求項６に記載の熱輸送システム。
8. 前記分散相（３）は、水であり、
   前記分散相（３）は、水に対して溶解する金属塩を有していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の熱輸送システム。
9. 前記熱媒体における前記分散相（３）の含有割合は、２０％以上であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の熱輸送システム。
10. 前記分散相（３）は、前記液滴の径が５０μｍ以下となるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の熱輸送システム。
11. 前記熱媒体は、さらに、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分散相（３）の固液界面に選択的に近接する第１部位と、前記第１部位に接続されるとともに前記分散相（３）に対して疎となる関係を有する第２部位とを有する分子（５）を備えることを特徴とする請求項１ないし１０に記載の熱輸送システム。