JP2016069609A

JP2016069609A - 蓄熱部材

Info

Publication number: JP2016069609A
Application number: JP2014203832A
Authority: JP
Inventors: 淳史鳥井; Junji Torii
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2014-10-02
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2016-05-09
Anticipated expiration: 2034-10-02
Also published as: JP6339473B2

Abstract

【課題】自動車等に搭載されている空調装置が定常運転でない場合に空調装置の運転に要するエネルギーを補助するための空調温度調整用の蓄熱部材を提供する。
【解決手段】蓄熱部材１０は、流体の流路となる複数のセル３が多孔質の隔壁４によって区画形成されたハニカム構造体１として、電子相転移により熱の授受が発生する固体材料により形成されている。電子相転移により熱の授受が発生する固体材料としては、強相関電子系遷移金属化合物が挙げられ、具体的には、ＶＯ_２が挙げられる。蓄熱部材１０を自動車等に搭載されている空調装置の空気流路に配置して空調温度調整に用いることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等に搭載されている空調装置が定常運転でない場合に空調装置の運転に要するエネルギーを補助するための空調温度調整用の蓄熱部材に関する。

自動車等に搭載されている空調装置が定常運転でない場合に、蓄熱材を利用して温度調整をし、迅速に適温としたり、冷暖房コストを低減したりすることが望まれている。ここで自動車等に搭載されている空調装置が定常運転でない場合とは、自動車のコールドスタート時、アイドリングストップ時に動作している空調装置の状態を言う。

相変態を原理とする従来の蓄熱材（パラフィン等）は液体になるため何らかの容器に封入が必要であり、コストアップの要因となっていた。また、従来の蓄熱材は熱の出入りに容器が介在し、容器と蓄熱材との界面が存在するため、熱の出入りを原理的に妨げる要因を含んでいた。さらに従来の蓄熱材は、熱の出入りを妨げる要因を含むため、所定の性能を得ようとすると蓄熱材が大きくなり、コストアップや必要スペースの増大を招いていた。

一方、固体−液体の相転移を利用せず、電子相転移を利用する蓄熱材として、特許文献１が知られている。

特開２０１０−１６３５１０号公報

しかしながら、特許文献１には、蓄熱材をどのような形態にすることにより利用できるかは開示されていない。

本発明の課題は、自動車等に搭載されている空調装置が定常運転でない場合に空調装置の運転に要するエネルギーを補助するための空調温度調整用の蓄熱部材を提供することである。

本発明者は、流体の流路となる複数のセルが多孔質の隔壁によって区画形成されたハニカム構造体として、電子相転移により熱の授受が発生する固体材料により蓄熱部材を形成することにより、上記課題を解決しうることを見出した。すなわち、本発明によれば、以下の蓄熱部材が提供される。

［１］流体の流路となる複数のセルが多孔質の隔壁によって区画形成されたハニカム構造体として、電子相転移により熱の授受が発生する固体材料により形成された空気温度調節用の蓄熱部材。

［２］前記固体材料の主成分が強相関電子系遷移金属化合物である前記［１］に記載の蓄熱部材。

［３］前記固体材料の主成分がＶＯ_２である前記［１］または［２］に記載の蓄熱部材。

［４］前記ＶＯ_２のＶの一部を金属元素で置換した前記［３］に記載の蓄熱部材。

［５］前記ＶＯ_２のＶの一部を、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、及びＩｒからなる群から選択される少なくとも１つの金属元素で置換した前記［３］または［４］に記載の蓄熱部材。

流体の流路となる複数のセルが多孔質の隔壁によって区画形成されたハニカム構造体として、電子相転移により熱の授受が発生する固体材料により蓄熱部材を形成することにより、単位容量当たりの潜熱が大きく、コンパクトな蓄熱部材とすることができる。また、蓄熱部材の容器への封入が不要となるため、熱を有効に利用でき、製造コストを削減することもできる。

本発明の蓄熱部材の一実施形態を示す斜視図である。本発明の蓄熱部材を備えた空気流路の一実施形態を示す模式図である。本発明の蓄熱部材を備えた空調装置の吹き出し空気温度を示すグラフである。本発明の蓄熱部材を備えた空調装置の吹き出し空気温度を示す他のグラフである。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

図１に本発明の蓄熱部材１０を示す。本発明の空気温度調節用の蓄熱部材１０は、流体の流路となる複数のセルが多孔質の隔壁によって区画形成されたハニカム構造体として、電子相転移により熱の授受が発生する固体材料により形成されている。

電子相転移により熱の授受が発生する固体材料としては、強相関電子系遷移金属化合物が挙げられる。すなわち、蓄熱部材１０を形成する固体材料の主成分は強相関電子系遷移金属化合物であることが好ましい。本明細書において主成分とは、５０質量％以上含まれることをいう。電子相転移により発生する熱とは、電子のスピン・軌道・電荷の変化に伴い出入りする熱である。強相関電子系遷移金属化合物は、遷移金属元素を含んだ化合物であり、閉殻となっていないｄ電子を有し、電子のスピン・軌道・電荷の自由度が顕在化しており、これらの変化に伴って熱が出入りする。すなわち、強相関電子系遷移金属化合物等の電子相転移により熱の授受が発生する固体材料は、単位容量当たりの潜熱が大きく、潜熱蓄熱材として利用することができる。

強相関電子系遷移金属化合物等の電子相転移により熱の授受が発生する固体材料を潜熱蓄熱材として利用すると次のような利点がある。熱伝導率が高く、熱応答性がよい。また、体積膨張や収縮が小さいため材料自体を成形して使っても形状を維持できる。さらに、熱安定性がよく、安全性も高く、繰り返し使用できる。

強相関電子系遷移金属化合物としては、ＶＯ_２が挙げられ、蓄熱部材１０を形成する固体材料の主成分はＶＯ_２であることが好ましい。本明細書において主成分とは、５０質量％以上含まれることをいう。ＶＯ_２は、ルチル型構造を持つ酸化物であり、６９℃で金属−絶縁体転移を示し、相転移の起こる温度範囲も狭い。また、金属−絶縁体転移は、スピンと軌道の自由度の相転移であり、この転移エンタルピーは大きく、２３７Ｊ／ｃｃである。したがって、ＶＯ_２は、蓄熱部材１０として好ましい。

さらに、ＶＯ_２のＶの一部を金属元素で置換することも好ましい。具体的には、ＶＯ_２のＶの一部を、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、及びＩｒからなる群から選択される少なくとも１つの金属元素で置換することも好ましい。ＶＯ_２のＶの一部を上記の金属元素で置換すると、電子相転移の相転移温度を調整することができる。すなわち、蓄熱は、相転移温度付近で行われるため、置換量を調整することによって転移温度を調整し、所望の温度で蓄熱をすることができる。例えば、ＶＯ_２のＶ（バナジウム）の一部をＷ（タングステン）で置き換えると、金属−絶縁体転移の起こる相転移温度を低下させることができる。置換量が多くなると、相転移温度が低下する。

本発明の蓄熱部材１０は、上記の固体材料により、ハニカム構造体１として形成されたものである。図１に、ハニカム構造体１の模式図を示す。ハニカム構造体１は、上記の固体材料で柱状に形成され、軸方向の第一の端面２（２ａ）から第二の端面２（２ｂ）まで貫通する流体の流路を有するものである。ハニカム構造体１は、隔壁４を有し、隔壁４によって、流体の流路となる多数のセル３が区画形成されている。隔壁４を有することにより、ハニカム構造体１の内部を流通する流体からの熱を効率よく集熱し、あるいは、流体へ熱を効率よく放熱することができる。

ハニカム構造体１が上記の固体材料を主成分とすることにより、隔壁４や外周壁７の集熱、放熱効率が高まり、その結果として、隔壁４や外周壁７を介在させた蓄熱を効率良く行わせることができる。なお、本明細書にいう固体材料を主成分とするとは、固体材料を５０質量％以上含むことをいう。

ハニカム構造体１の外形は、円柱状に限らず、軸（長手）方向に垂直な断面が楕円形であってもよい。また、ハニカム構造体１の外形は、角柱状、すなわち、軸（長手）方向に垂直な断面が、四角形、またはその他の多角形であってもよい。

ハニカム構造体１のセル３の軸方向に垂直な断面のセル形状としては、円形、楕円形、三角形、四角形、六角形その他の多角形等の中から、あるいはそれらの形状を複合して所望の形状を適宜選択すればよい。

ハニカム構造体１のセル密度（即ち、単位断面積当たりのセルの数）については特に制限はなく、目的に応じて適宜設計すればよいが、４〜２０００セル／平方インチ（０．６〜３２０セル／ｃｍ^２）の範囲であることが好ましい。セル密度を２５セル／平方インチ以上とすることにより、隔壁４の強度、ひいてはハニカム構造体１自体の強度及び有効ＧＳＡ（幾何学的表面積）を十分なものとすることができる。また、２０００セル／平方インチ以下とすることにより、熱媒体が流れる際の圧力損失が大きくなることを防止することができる。

ハニカム構造体１のセル３の隔壁４の厚さ（壁厚）についても、目的に応じて適宜設計すればよく、特に制限はない。壁厚を０．１〜１ｍｍとすることが好ましく、０．２〜０．６ｍｍとすることが更に好ましい。壁厚を０．１ｍｍ以上とすることにより、機械的強度を十分なものとし、衝撃や熱応力によって破損することを防止することができる。また、１ｍｍ以下とすることにより、流体の圧力損失が大きくなったり、蓄熱効率が低下するといった不具合を防止することができる。

ハニカム構造体１の気孔率は、１０％以下であることが好ましく、５％以下がより好ましく、３％以下がさらに好ましい。気孔率を１０％以下とすることにより、蓄熱効率を向上させることができる。

ハニカム構造体１のセル３の隔壁４の密度は、０．５〜５ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。０．５ｇ／ｃｍ^３以上とすることにより、隔壁４を十分な強度とし、第一流体が流路内を通り抜ける際に圧力により隔壁４が破損することを防止することができる。また、５ｇ／ｃｍ^３以下とすることにより、ハニカム構造体１を軽量化することができる。上記の範囲の密度とすることにより、ハニカム構造体１を強固なものとすることができ、熱伝導率を向上させる効果も得られる。

次に、ハニカム構造体１の製造方法を説明する。まず、固体材料を形成するための原料を含む坏土を作成する。例えば、ＶＯ_２のＶの一部をＷ（タングステン）で置換した固体材料を主成分とするハニカム構造体１を製造する場合を例として説明する。まず、Ｖ_２Ｏ_３粉末、Ｖ_２Ｏ_５粉末、ＷＯ_３粉末を所定のモル比となるように混合し、真空中で１０００℃まで昇温し、４８時間保持することにより、Ｖ_{（１−ｘ）}Ｗ_ｘＯ_２（０≦ｘ≦０．０６５０）の粉末を得ることができる。そして、所定量のＶ_{（１−ｘ）}Ｗ_ｘＯ_２の粉末、バインダー、水又は有機溶媒を混練し坏土とし、成形して所望形状のハニカム成形体を得る。次にハニカム成形体を乾燥、焼成することによって、隔壁４によってガスの流路となる複数のセル３が区画形成されたハニカム構造体１を得ることができる。

上記のようにして形成したハニカム構造体１が蓄熱部材１０であるため、容器封入が不要であり、コストアップの一要因を排除できる。また、容器封入しないことにより、熱の出入りがスムーズになり、熱伝達を促進できる。さらに、コンパクトなハニカム構造体１であることから、スペースを取らず、圧力損失も低くでき、空調の空気流路の一部に設置することも容易である。

図２に本発明の蓄熱部材１０を備えた空気流路２０の一実施形態を示す。図２は、空調装置の空気流路２０を示し、図の左側から右側へ暖められた、または冷やされた空気が流通し、図の右側から室内等に吹き出す。空気流路２０には、本発明のハニカム構造体１として固体材料により形成された蓄熱部材１０が備えられている。また、蓄熱部材１０の外周側には、断熱材２１が備えられ、蓄熱部材１０の入口及び出口には、開閉可能に断熱リッド２２が備えられている。外周側に断熱材２１を備えることにより、蓄熱部材１０の外周壁７からの熱流出を防ぐことができる。

図３Ａに、本発明の蓄熱部材１０を備えた自動車等に搭載されている空調装置の吹き出し空気温度を示す。図３Ａは、暖房のコールドスタート時の吹き出し空気温度を示す。空気流路２０に蓄熱部材１０を備えると、初期の吹き出し空気温度が蓄熱部材１０がない場合に比べ高くなる。

図３Ｂに、本発明の蓄熱部材１０を備えた自動車等に搭載されている空調装置の吹き出し空気温度の他の例を示す。図３Ｂは、冷房のアイドリングストップ、または出力調整時の吹き出し空気温度を示す。空気流路２０に蓄熱部材１０を備えると、図のＡ点においてアイドリングストップ、または出力調整を行った場合でも吹き出し空気温度が蓄熱部材１０がない場合に比べ上がりにくくなる。

本発明の蓄熱部材１０は、冷房用、暖房用として使用することができる。また、転移温度の異なるものを２つ配置することにより、冷暖房装置の冷房及び暖房に対応させることもできる。さらに、冷房用のものであっても、潜熱蓄熱で暖房用やデフロスタ用にも用いることもでき、暖房用のものであっても、顕熱蓄熱で冷房用として用いることもできる。

本発明の蓄熱部材は、自動車等に搭載されている空調装置の空気流路に配置し、空気温度調節用として用いることができる。またビル空調用の熱交換フィンの霜取り時に、蓄積した熱を利用して霜取り時に要するパワーを補助することが考えられる。

１：ハニカム構造体、２，２ａ，２ｂ：端面、３：セル、４：隔壁、７：外周壁、１０：蓄熱部材、２０：空気流路、２１：断熱材、２２：断熱リッド。

Claims

流体の流路となる複数のセルが多孔質の隔壁によって区画形成されたハニカム構造体として、電子相転移により熱の授受が発生する固体材料により形成された空気温度調節用の蓄熱部材。
前記固体材料の主成分が強相関電子系遷移金属化合物である請求項１に記載の蓄熱部材。
前記固体材料の主成分がＶＯ_２である請求項１または２に記載の蓄熱部材。
前記ＶＯ_２のＶの一部を金属元素で置換した請求項３に記載の蓄熱部材。
前記ＶＯ_２のＶの一部を、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、及びＩｒからなる群から選択される少なくとも１つの金属元素で置換した請求項３または４に記載の蓄熱部材。