JP2016069554A - 蓄熱ユニット及び蓄熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱輸送媒体の熱を効率よく蓄えることができる蓄熱ユニット及び蓄熱システムを提供すること。
【解決手段】強相関電子系材料を含む第１の材料から成る蓄熱部（１）と、前記第１の材料より熱伝導率が大きい第２の材料から成り、前記蓄熱部と接触する熱伝導部（３）と、を有することを特徴とする蓄熱ユニット（５）。蓄熱ユニットは、前記蓄熱部と、前記熱伝導部とが、交互に積層された積層構造を有することが好ましい。前記強相関電子系材料としては、例えば、金属−絶縁体相転移するもの、遷移金属酸化物等が挙げられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蓄熱ユニット及び蓄熱システムに関する。

従来、電子相転移する物質から成る蓄熱材料が知られている（特許文献１参照）。この蓄熱材料は、電子相転移にともなうエンタルピー変化を蓄熱に利用する。

特開２０１０−１６３５１０号公報

特許文献１記載の蓄熱材料は、熱伝導率が十分に大きくない。そのため、熱輸送媒体の熱を蓄熱材料に効率よく蓄えることができなかった。本発明は、こうした問題にかんがみてなされたものであり、熱輸送媒体の熱を効率よく蓄えることができる蓄熱ユニット及び蓄熱システムを提供することを目的とする。

本発明の蓄熱ユニットは、強相関電子系材料を含む第１の材料から成る蓄熱部と、第１の材料より熱伝導率が大きい第２の材料から成り、蓄熱部と接触する熱伝導部と、を有することを特徴とする。

本発明の蓄熱ユニットは、第１の材料より熱伝導率が大きい第２の材料から成る熱伝導部を通して、熱輸送媒体の熱を蓄熱部に伝えることができる。そのため、本発明の蓄熱ユニットは、熱輸送媒体の熱を効率よく蓄えることができる。

蓄熱ユニット５の構成を表す説明図である。 蓄熱ユニット５の構成を表す説明図である。 蓄熱ユニット５の構成を表す説明図である。 蓄熱システム７の構成を表す説明図である。 蓄熱システム７の構成を表す斜視図である。 図５におけるVI-VI断面での断面図である。 図５におけるVII-VII断面での断面図である。 図５におけるVIII-VIII断面での断面図である。 回転ユニット２７が回転する態様を表す説明図である。 蓄熱ユニット５の構成を表す斜視図である。

本発明の実施形態を説明する。
＜第１の実施形態＞
１．蓄熱ユニット
（１−１）蓄熱部
本発明の蓄熱システムは、強相関電子系材料を含む第１の材料から成る蓄熱部を有する。第１の材料は、強相関電子系材料から成る材料であってもよいし、さらに他の成分を含んでいてもよい。

強相関電子系材料は、電子間の強いクーロン反発力により、電子が持つスピン・軌道・電荷の自由度のうち少なくとも一つ以上が顕在化した系である。顕在化したスピン・軌道・電荷の自由度は、それぞれ、秩序−無秩序相転移によって状態数の変化に伴う大きなエントロピー変化を示す（顕在化したスピン・軌道・電荷の自由度の相転移は、電子相転移と呼ばれる）。

強相関電子系材料としては、例えば、金属−絶縁体相転移するものが挙げられる。また、強相関電子系材料としては、例えば、遷移金属酸化物が挙げられる。
強相関電子系材料の具体例としては、例えば、Ｖ_{（１−Ｘ）}Ｗ_ＸＯ_２（０≦Ｘ≦０．０６５０）、Ｖ_{（１−Ｘ）}Ｔａ_ＸＯ_２（０≦Ｘ≦０．１１７）、Ｖ_{（１−Ｘ）}Ｎｂ_ＸＯ_２（０≦Ｘ≦０．１１５）、Ｖ_{（１−Ｘ）}Ｒｕ_ＸＯ_２（０≦Ｘ≦０．１５０）、Ｖ_{（１−Ｘ）}Ｍｏ_ＸＯ_２（０≦Ｘ≦０．１６１）、Ｖ_{（１−Ｘ）}Ｒｅ_ＸＯ_２（０≦Ｘ≦０．０９６４）、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＶＳ_２、ＬｉＶＯ_２、ＮａＮｉＯ_２、ＬｉＲｈ_２Ｏ_４、Ｖ_２Ｏ_３、Ｖ_４Ｏ_７、Ｖ_６Ｏ_１１、Ｔｉ_４Ｏ_７、ＳｍＢａＦｅ_２Ｏ_５、ＥｕＢａＦｅ_２Ｏ_５、ＧｄＢａＦｅ_２Ｏ_５、ＴｂＢａＦｅ_２Ｏ_５、ＤｙＢａＦｅ_２Ｏ_５、ＨｏＢａＦｅ_２Ｏ_５、ＹＢａＦｅ_２Ｏ_５、ＰｒＢａＣｏ_２Ｏ_５．５、ＤｙＢａＣｏ_２Ｏ_５．５４、ＨｏＢａＣｏ_２Ｏ_５．４８、ＹＢａＣｏ_２Ｏ_５．４９等が挙げられる。これらはいずれも、金属−絶縁体相転移するものであり、遷移金属酸化物である。

蓄熱部は、例えば、第１の材料の粉末を治具内に充填し、次に、ホットプレス、放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）等の手法で焼結する方法で製造できる。

（１−２）熱伝導部
本発明の蓄熱ユニットは、熱伝導部を備える。熱伝導部は、第１の材料より熱伝導率が大きい第２の材料から成り、蓄熱部と接触する。第２の材料としては、例えば、金属、セラミクス等が挙げられる。金属としては、例えば、アルミ、金、銀、銅、鉄、ステンレス、真鍮、チタン、及びそれらの合金等が挙げられる。熱伝導部の形状は特に限定されない。例えば図１に示すように、熱伝導部３は、フィン形状を有していてもよい。

第２の材料は、単一の成分から成るものであってもよいし、２以上の成分を含むもの（例えば合金）であってもよい。また、熱伝導部は、例えば、単一の部品から成るものであってもよいし、複数の部品から成るものであってもよい。複数の部品から成るものである場合、各部品を構成する第２の材料は同一であってもよいし、互いに異なるものであってもよい。

（１−３）蓄熱ユニットの形態
蓄熱ユニットの形態としては、例えば、図１に示すように、蓄熱部１と熱伝導部３とを一体化した形態の蓄熱ユニット５が挙げられる。また、蓄熱ユニットの形態としては、例えば、図１に示すように、単一の蓄熱部１を熱伝導部３で外包する形態の蓄熱ユニット５が挙げられる。

また、蓄熱ユニットの形態としては、例えば、図２、図３に示すように、蓄熱部１と、熱伝導部３とが、交互に積層された積層構造を有する形態の蓄熱ユニット５が挙げられる。図２に示す形態の蓄熱ユニット５では、蓄熱部１及び熱伝導部３はそれぞれ複数の板状部材に分割され、それらが交互に積層されている。

また、図３に示す形態の蓄熱ユニット５では、蓄熱部１の一部に、凹部１Ａが周期的に複数形成され、その複数の凹部１Ａにそれぞれ板状の熱伝導部３が挿入されることで、蓄熱部１と熱伝導部３とが、交互に積層された積層構造となっている。

（１−４）蓄熱ユニットの効果
蓄熱ユニットは、第１の材料より熱伝導率が大きい第２の材料から成る熱伝導部を通して、熱輸送媒体の熱を蓄熱部に伝える。そのため、蓄熱ユニットは、熱輸送媒体の熱を効率よく蓄えることができる。

さらに、蓄熱ユニットが、例えば図２、図３に示すような、蓄熱部１と熱伝導部３とが交互に積層された積層構造を有する場合は、蓄熱部１の内部まで熱を効率的に伝えることができる。

また、強相関電子系材料は単位体積当りの蓄熱量が大きい。本発明の蓄熱ユニットにおける蓄熱部は、その強相関電子系材料を含む第１の材料から成るため、単位体積当りの蓄熱量が大きい。
＜第２の実施形態＞
２．蓄熱システム
（２−１）第１の空間及び第２の空間
本発明の蓄熱システムは、隔壁により区切られた第１の空間及び第２の空間を備える。第１の空間及び第２の空間としては、例えば、配管の内部を、配管の軸方向に沿って延びる隔壁によって２以上の空間に区切った場合における個々の区切られた空間が挙げられる。

また、第１の空間及び第２の空間は、開放された空間を隔壁によって区切ったものであってもよい。第１の空間と第２の空間とは、隔壁によって完全に隔てられていてもよいし、部分的に連通していてもよい。

隔壁の少なくとも一部は断熱材を含んでいることが好ましい。この場合、第１の空間と第２の空間との間の熱伝導を抑制することができる。断熱材としては、例えば、発泡樹脂、グラスウール等が挙げられる。

（２−２）回転ユニット
本発明の蓄熱システムは回転ユニットを備える。例えば、図６、図８に示すように、回転ユニット２７は、第１の空間１５と第２の空間１７とに跨って設けられる。すなわち、蓄熱システムの使用時において、回転ユニットの少なくとも一部は第１の空間側にあり、回転ユニットの少なくとも一部は第２の空間側にある。

回転ユニットは、例えば、図９に示すように、隔壁１３に平行な回転軸３５を中心として回転可能である。回転ユニットは、例えば、隔壁１３が部分的に存在しない場所に設けることができる。また、隔壁１３のうち、他の部分から分割された部分が、回転ユニット２７の一部を構成してもよい。

また、回転ユニット２７は、例えば、図６、図８に示すように、第１の空間１５側と、第２の空間１７側とにそれぞれ、上述した蓄熱ユニット３１、３３を備える。例えば、図９に示すように、回転ユニット２７が回転すると、それまで第１の空間１５側にあった蓄熱ユニットが第２の空間１７側に移動するとともに、それまで第２の空間１７側にあった蓄熱ユニットが第１の空間１５側に移動する。

回転ユニットは、第１の空間側の蓄熱ユニットと、第２の空間側の蓄熱ユニットとの間に断熱材を備えることが好ましい。この場合、一方の蓄熱ユニットから他方の蓄熱ユニットへの熱伝導を抑制することができる。断熱材としては、例えば、発泡樹脂、グラスウール等が挙げられる。

回転ユニットは、例えば、モータ、内燃機関等の駆動源の駆動力により回転することができる。回転ユニットの回転は、蓄熱システムが備える制御部、又は外部の制御部からの信号に応じて実行されてもよいし、ユーザの操作に応じて実行されてもよい。

蓄熱システムは、例えば、第１の空間側の蓄熱ユニットの温度、第２の空間側の蓄熱ユニットの温度、第１の空間側の蓄熱ユニットと第１の空間を流れる熱輸送媒体との温度差、及び第２の空間側の蓄熱ユニットと第２の空間を流れる熱輸送媒体との温度差のうちのいずれか１以上を測定する測定ユニットを備えることができる。この場合、例えば、上述した制御部は、測定ユニットで測定した、上記の温度又は温度差が基準値に達したことを条件として、回転ユニットを回転させる信号を出力することができる。また、回転ユニットは、ユーザが人力で回転させてもよい。また、回転ユニットは、一定時間ごとに自動的に回転してもよい。

（２−３）蓄熱システムの具体例
蓄熱システム７の具体例を図４〜図９に基づき説明する。図４に示すように、エネルギ変換器９が排出した排ガス１０１は、蓄熱システム７内を通過する。このとき、蓄熱システム７は、排ガス１０１の熱を蓄積する。

また、エネルギ変換器９における冷却水１０３は、蓄熱システム７内を通過する循環経路を有する。冷却水１０３が蓄熱システム７内を通過するとき、蓄熱システム７は、それまで蓄積していた熱を冷却水１０３に放出し、冷却水１０３の温度を上げる。冷却水１０３の温度を上げることで、エネルギ変換器９の始動をスムーズに行うことができる。なお、エネルギ変換器９は、例えば、内燃機関、又は燃料電池である。

蓄熱システム７は、図５に示すように、配管１１を備える。配管１１の内部は、配管１１の軸方向に沿って延びる隔壁１３により、上下に区切られている。以下では、配管１１の内部のうち、図５において隔壁１３より上の空間を第１の空間１５とし、隔壁１３より下の空間を第２の空間１７とする。隔壁１３は断熱材から成る。

第１の空間１５は、排ガス１０１の流路であり、第２の空間１７は、冷却水１０３の流路である。なお、排ガス１０１及び冷却水１０３は、熱輸送媒体の一例である。排ガス１０１の温度は、冷却水１０３の温度より高い。排ガス１０１が流れる方向と、冷却水１０３が流れる方向とは、反対である。

配管１１は、２箇所において、開閉扉１９、２１を備えている。開閉扉１９、２１は、シャッター式の扉であって、配管１１を開閉する。開閉扉１９、２１が開のとき、第１の空間１５及び第２の空間１７はいずれも開放される。一方、開閉扉１９、２１が閉のとき、第１の空間１５及び第２の空間１７はいずれも閉じられる。

配管１１は、図５における開閉扉１９の手前側と、開閉扉２１の奥側とを接続するバイパス部２３を備えている。バイパス部２３の内部は、配管１１における他の部分と同様に、隔壁１３により、第１の空間１５と第２の空間１７とに区切られている。

開閉扉１９、２１が開のとき、第１の空間１５を流れる排ガス１０１は、開閉扉１９、２１に挟まれた領域（以下、主流路２５とする）と、バイパス部２３とのうちのどちらも流通可能であるが、主として、より抵抗が小さい主流路２５を流通する。一方、開閉扉１９、２１が閉のとき、第１の空間１５を流れる排ガス１０１は、主流路２５を流通せず、バイパス部２３を流通する。

同様に、開閉扉１９、２１が開のとき、第２の空間１７を流れる冷却水１０３は、主として、主流路２５を流通し、開閉扉１９、２１が閉のときは、主流路２５を流通せず、バイパス部２３を流通する。

蓄熱システム７は、配管１１の主流路２５内に、回転ユニット２７を備える。図６〜図９に示すように、回転ユニット２７は、板状の台座２９と、その一方の面に設けられた蓄熱ユニット３１と、台座２９の反対側の面に設けられた蓄熱ユニット３３とを備える。台座２９は断熱材から成る。回転ユニット２７は、第１の空間１５と第２の空間１７とに跨って設けられる。

蓄熱ユニット３１、３３は、それぞれ、板状の蓄熱部１と、板状の熱伝導部３とが、交互に積層された積層構造を有する。蓄熱部１と熱伝導部３とを積層する方向は、隔壁１３と平行な方向であって、排ガス１０１及び冷却水１０３の流通方向とは直交する方向である。台座２９を基準としたとき、熱伝導部３の高さは、蓄熱部１の高さより大きい。蓄熱部１の材質はVO₂であり、熱伝導部３の材質は銅である。

図７に示すように、隔壁１３は、回転ユニット２７が存在する部分において矩形に切り欠かれており、そこに台座２９がはめ込まれている。台座２９は、それを横方向（配管１１の軸方向と直交する方向）に貫通する回転軸３５を備えている。回転軸３５は、台座２９の両側において、隔壁１３の内部を通り、配管１１の外側にまで達している。また、回転軸３５の軸方向は、隔壁１３の面と平行である。回転ユニット２７は、回転軸３５を中心として回転可能である。

通常時は、図６、図８に示すように、台座２９と隔壁１３とは面一となっている。このとき、蓄熱ユニット３１、３３のうち、一方は第１の空間１５にあり、他方は第２の空間１７にある。このとき、開閉扉１９、２１は開の状態である。

一方、蓄熱システム７は、図９に示すように、回転軸３５を中心として回転ユニット２７を回転させることができる。そして、それまで第１の空間１５側にあった蓄熱ユニットを第２の空間１７側に移動させるとともに、それまで第２の空間１７側にあった蓄熱ユニットを第１の空間１５側に移動させることができる。このとき、開閉扉１９、２１は閉の状態としておく。

蓄熱システム７は、開閉扉１９、２１を開の状態とし、主流路２５に排ガス１０１を流すことで、第１の空間１５側にある蓄熱ユニットに排ガス１０１の熱を蓄積し、次に、開閉扉１９、２１を閉の状態としてから、回転ユニット２７を１８０°回転させる。すると、それまで第１の空間１５側にあった蓄熱ユニットは第２の空間１７に移動し、そこで、それまで蓄熱していた熱を冷却水１０３に放出する。また、回転ユニット２７の回転前には第２の空間１７側にあった蓄熱ユニット（冷却水１０３により冷却されていた蓄熱ユニット）は第１の空間１５に移動し、そこで排ガス１０１の熱を蓄熱する。

（２−４）蓄熱システムの効果
蓄熱システムは、上述した蓄熱ユニットを備えるので、その蓄熱ユニットによる効果を奏する。

さらに、蓄熱システムは、回転ユニットを回転させることにより、蓄熱ユニットと熱輸送媒体との間の熱伝導率を高く保つことができる。このことを以下で説明する。
例えば、図６、図８に示すように、第１の空間１５に高温の熱輸送媒体（例えば排ガス１０１）を流し、第２の空間１７に低温の熱輸送媒体（例えば冷却水１０３）を流している状態を想定する。第１の空間１５側の蓄熱ユニット３１は高温の熱輸送媒体から熱を吸収し、第２の空間１７側の蓄熱ユニットは低温の熱輸送媒体へ熱を放出する。

時間の経過とともに、第１の空間１５側の蓄熱ユニット３１の温度は上昇し、高温の熱輸送媒体との温度差は小さくなる。そのため、第１の空間１５側の蓄熱ユニット３１と高温の熱輸送媒体との間の熱流は、時間の経過とともに低下する。

また、時間の経過とともに、第２の空間１７側の蓄熱ユニット３３の温度は低下し、低温の熱輸送媒体との温度差は小さくなる。そのため、第２の空間１７側の蓄熱ユニット３３と低温の熱輸送媒体との間の熱流も、時間の経過とともに低下する。

蓄熱システム７は、上記のように、第１の空間１５側及び第２の空間１７側の蓄熱ユニット３１、３３における熱流が低下したとき、回転ユニット２７を回転させることにより、それまで第１の空間１５側にあった蓄熱ユニット３１を第２の空間１７側に移動させ、それまで第２の空間１７側にあった蓄熱ユニット３３を第１の空間１５側に移動させることができる。

こうすることにより、第１の空間１５側には低温の蓄熱ユニット３３が位置するので、第１の空間１５側の蓄熱ユニット３３と高温の熱輸送媒体との間の温度差が大きくなり、それらの間の熱流が回復する。また、第２の空間１７側には高温の蓄熱ユニット３１が位置するので、第２の空間１７側の蓄熱ユニット３１と低温の熱輸送媒体との間の温度差が大きくなり、それらの間の熱流が回復する。

以上の動作を繰り返すことで、蓄熱ユニット３１、３３と熱輸送媒体との間の熱流を大きく保つことができる。
＜第３の実施形態＞
（３−１）蓄熱ユニット５の形態
本実施形態の蓄熱ユニット５は、図１０に示すように、蓄熱部１の内部に、熱伝導部３が複数埋設された形態を有する。熱伝導部３は真っ直ぐな棒状の形状を有する。蓄熱部１は直方体形状を有する。熱伝導部３は、蓄熱部１の上面１Ｂ及びその反対側の底面１Ｃにおいて、表面に現れている。蓄熱部１及び熱伝導部３の材料は、前記第１の実施形態と同様とすることができる。

（３−２）蓄熱ユニット５の変形例
蓄熱ユニット５の形態は、図１０に示すもの以外であってもよい。例えば、熱伝導部３の形状は、湾曲した棒状、ジグザグ型の棒状等であってもよい。また、熱伝導部３の数は単数であってもよい。また、熱伝導部３は、蓄熱部１の表面のうち、１面（例えば上面１Ｂ）において現れ、他の表面では現れていなくてもよい。また、複数の熱伝導部３における軸方向は、互いに非平行であってもよい。また、蓄熱部１の形状は直方体以外の形状(例えば、円柱状、球形状等)であってもよい。

（３−３）蓄熱ユニット５の効果
蓄熱ユニット５は、第１の材料より熱伝導率が大きい第２の材料から成る熱伝導部３を有する。その熱伝導部３は、その大部分が蓄熱部１内に埋設されているとともに、蓄熱部１の表面のうち少なくとも１面において表面に現れている。蓄熱ユニット５は、熱伝導部３のうち、蓄熱部１の表面に現れている部分において熱輸送媒体の熱を受け取り、その熱を、熱伝導部３を通して、蓄熱部１の内部に伝える。そのため、蓄熱ユニット５は、熱輸送媒体の熱を効率よく蓄えることができる。

また、強相関電子系材料は単位体積当りの蓄熱量が大きい。蓄熱ユニット５における蓄熱部１は、その強相関電子系材料を含む第１の材料から成るため、単位体積当りの蓄熱量が大きい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得る。
（１）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。
(２)上述した蓄熱ユニット、蓄熱システムの他、蓄熱方法等、種々の形態で本発明を実現することもできる。

１…蓄熱部、１Ａ…凹部、３…熱伝導部、５、３１、３３…蓄熱ユニット、７…蓄熱システム、９…エネルギ変換器、１１…配管、１３…隔壁、１５…第１の空間、１７…第２の空間、１９、２１…開閉扉、２３…バイパス部、２５…主流路、２７…回転ユニット、２９…台座、３５…回転軸、１０１…排ガス、１０３…冷却水

Claims (6)

1. 強相関電子系材料を含む第１の材料から成る蓄熱部（１）と、
   前記第１の材料より熱伝導率が大きい第２の材料から成り、前記蓄熱部と接触する熱伝導部（３）と、
   を有することを特徴とする蓄熱ユニット（５）。
2. 請求項１に記載の蓄熱ユニットであって、
   前記蓄熱部と、前記熱伝導部とが、交互に積層された積層構造を有することを特徴とする蓄熱ユニット。
3. 請求項１又は２に記載の蓄熱ユニットであって、
   前記強相関電子系材料が、金属−絶縁体相転移するものであることを特徴とする蓄熱ユニット。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄熱ユニットであって、
   前記強相関電子系材料が、遷移金属酸化物であることを特徴とする蓄熱ユニット。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄熱ユニットであって、
   前記第２の材料が、金属又はセラミクスであることを特徴とする蓄熱ユニット。
6. 隔壁（１３）により区切られた第１の空間（１５）及び第２の空間（１７）と、
   前記第１の空間と前記第２の空間とに跨って設けられ、前記隔壁に平行な回転軸（３５）を中心として回転可能な回転ユニット（２７）と、
   を備え、
   前記回転ユニットは、前記第１の空間側と、前記第２の空間側とにそれぞれ請求項１〜５のいずれか１項に記載の蓄熱ユニットを備えることを特徴とする蓄熱システム（７）。