JP2018128190A - Heat storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、蓄熱および放熱可能な蓄熱装置に関する。 The present invention relates to a heat storage device capable of storing and releasing heat.
従来より、内燃機関の廃熱を蓄熱する蓄熱器において、蓄熱密度の向上させるために固液相変化材料を用いることが知られている(例えば、特許文献1参照)。蓄熱材は固液相変化を利用しているため、蓄熱材は液化時に流出しないようにケース内に封入し、ケースを介して冷却水と蓄熱材との間で熱を出し入れしている。 2. Description of the Related Art Conventionally, it is known that a solid-liquid phase change material is used to improve a heat storage density in a regenerator that stores waste heat of an internal combustion engine (see, for example, Patent Document 1). Since the heat storage material uses a solid-liquid phase change, the heat storage material is enclosed in a case so as not to flow out during liquefaction, and heat is taken in and out between the cooling water and the heat storage material through the case.
しかしながら、蓄熱器のケースは一般的に蓄熱作用を奏しない。このため、蓄熱器の蓄熱量を増大させるために、固液相変化材料を内包量を増大させる必要がある。ところが、固液相変化材料は熱伝導率が小さいため、内包量が大きくなるほど熱出力が小さくなり、蓄熱量が大きくなるほど熱出力が小さくなる。このため、蓄熱量と熱出力がトレードオフの関係となり、設計の自由度が極端に小さくなる。 However, the case of a regenerator generally does not exhibit a heat storage effect. For this reason, in order to increase the heat storage amount of the heat accumulator, it is necessary to increase the amount of inclusion of the solid-liquid phase change material. However, since the solid-liquid phase change material has a low thermal conductivity, the heat output decreases as the amount of inclusion increases, and the heat output decreases as the heat storage amount increases. For this reason, the heat storage amount and the heat output are in a trade-off relationship, and the degree of freedom in design is extremely reduced.
本発明は上記点に鑑み、蓄熱量と熱出力を両立させることが可能な蓄熱装置を提供することを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to provide a heat storage device capable of achieving both a heat storage amount and a heat output.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、熱媒体から受け取った熱を蓄熱し、蓄熱した熱を放熱可能な蓄熱装置であって、第1所定温度で固相と液相とに相変化することによって蓄熱あるいは放熱を行う内部蓄熱材(106)と、第2所定温度で固相と固相とに相変化することによって蓄熱あるいは放熱を行い、内部蓄熱材を内部に収容するように形成された外部蓄熱材(107)とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a heat storage device capable of storing heat received from a heat medium and dissipating the stored heat. The internal heat storage material (106) that stores or dissipates heat by changing the phase to the solid phase and the solid phase and the solid phase at the second predetermined temperature to store or dissipate heat and house the internal heat storage material inside And an external heat storage material (107) formed as described above.
これにより、内部蓄熱材のケースを構成する外部蓄熱材にも蓄熱機能を持たせることができ、内部蓄熱材の割合にかかわらず、蓄熱装置の蓄熱量を維持することができ、内部蓄熱材の割合を容易に変更することが可能となる。これにより、蓄熱装置の蓄熱量と熱出力のトレードオフの関係を緩和して蓄熱量と熱出力を両立させることができ、蓄熱装置の設計の自由度を大きくすることができる。 As a result, the external heat storage material constituting the case of the internal heat storage material can also have a heat storage function, and the heat storage amount of the heat storage device can be maintained regardless of the proportion of the internal heat storage material. The ratio can be easily changed. Thereby, the relationship between the heat storage amount of the heat storage device and the heat output can be relaxed to achieve both the heat storage amount and the heat output, and the degree of freedom in designing the heat storage device can be increased.
なお、上記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。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
(第1実施形態)
以下、本発明を適用した実施形態の蓄熱システムについて図を参照して説明する。図1に示すように、蓄熱システムは、エネルギー変換部10、冷熱生成部20、室内熱交換器30および放熱器40を備えて構成されている。
(First embodiment)
Hereinafter, a heat storage system according to an embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the heat storage system includes an
エネルギー変換部10は、エネルギー源を他の形態のエネルギーに変換し、エネルギーの変換と同時に熱媒体を介して熱を放出するものである。例えば車両の場合、エネルギー変換部10は車両エンジン(すなわち内燃機関)や燃料電池等である。エネルギー源は燃料であり、他の形態のエネルギーは駆動力や電力等である。熱媒体は、エンジン冷却水や排気ガス等である。本実施形態では、エネルギー変換部10は車両エンジンとし、熱媒体をエンジン冷却水としている。
The
エネルギー変換部10から放出される排熱は、第1熱媒体流路11を循環する第1熱媒体(エンジン冷却水)を介して冷熱生成部20に入力する。第1熱媒体流路11には、排熱回収器12および蓄熱ユニット100が設けられている。排熱回収器12は、エネルギー変換部10の排熱を回収するための熱交換器である。蓄熱ユニット100は、エネルギー変換部10の排熱を蓄熱するための機器である。蓄熱ユニット100は、第1熱媒体が所定温度より高い場合には、第1熱媒体の熱を蓄熱し、第1熱媒体が所定温度より低い場合には、蓄熱した熱を第1熱媒体に放熱する。蓄熱ユニット100については、後で詳細に説明する。
The exhaust heat released from the
冷熱生成部20は、エネルギー変換部10の排熱を駆動源として作動する排熱駆動装置であり、具体的にはエネルギー変換部10の排熱を利用して冷熱を生成する。冷熱生成部20として、例えば、吸着材に作動媒体を吸着及び脱離させることで冷熱を生成する吸着式冷凍機や熱音響現象を利用して熱エネルギーと音響エネルギーの間でエネルギー変換を行うことで冷熱を生成する熱音響冷凍機を用いることができる。
The cold
冷熱生成部20で生成した冷熱は、第2熱媒体流路31を循環する第2熱媒体(例えば冷却水)によって室内熱交換器30に供給される。室内熱交換器30は、冷熱生成部20で生成した冷熱を利用する装置であり、冷熱生成部20で生成した冷熱は室内冷房に用いられる。
The cold generated by the
冷熱生成部20で生成した排熱は、第3熱媒体流路41を循環する第3熱媒体(例えば冷却水)を介して放熱器40に放出される。放熱器40は、冷却水と大気とを熱交換する熱交換器であり、冷熱生成部20の排熱を大気中に排出する。
The exhaust heat generated by the cold
図2に示すように、蓄熱ユニット100は、ユニットケース101を備えている。ユニットケース101には、冷却水をユニットケース101の内部に流入させる流入口102と、ユニットケース101の内部から冷却水を流出させる流出口103が設けられている。ユニットケース101の内部は、冷却水が流通可能な内部流路104となっている。
As shown in FIG. 2, the
ユニットケース101の内部流路104には、複数個の蓄熱装置105が収納されている。本実施形態の蓄熱装置105は板状に形成されており、複数の蓄熱装置105がユニットケース101の内部流路104に並列して配置されている。蓄熱装置105は、内部流路104を流通する第1熱媒体との間で熱の授受が行われる。
A plurality of
蓄熱装置105は、内部蓄熱材106とケース部材107を備えている。内部蓄熱材106は固液相変化材料からなる蓄熱材であり、相転移温度より低温で固相となり、相転移温度より高温で液相となる材料である。内部蓄熱材106の相転移温度が本発明の「第1所定温度」に相当している。
The
本実施形態では、内部蓄熱材106としてパラフィンを用いている。パラフィンは軽量な材料であり、蓄熱装置105の軽量化に寄与する。また、パラフィンは、分子量(つまり、炭素数)に応じて融点を調整することができる。
In this embodiment, paraffin is used as the internal
ケース部材107は、内部蓄熱材106を内部に収容するように形成されている。本実施形態のケース部材107は、内部が中空の直方体形状となっている。
本実施形態のケース部材107は、蓄熱機能を有する外部蓄熱材によって構成されている。ケース部材107を構成する外部蓄熱材として、相転移温度で固相状態のまま相変化する固固相変化材料が用いられている。ケース部材107の相転移温度が本発明の「第2所定温度」に相当している。
The
本実施形態では、ケース部材107を構成する固固相変化材料として、強相関電子系材料を用いている。強相関電子系材料とは、電子間に働く有効クーロン相互作用が強い物質である。強相関電子系材料には、遷移金属酸化物、有機π電子系錯体等が含まれており、本実施形態では遷移金属酸化物を用ている。
In the present embodiment, a strongly correlated electron material is used as the solid-solid phase change material constituting the
遷移金属酸化物は、外部から熱エネルギを与えられると絶縁体から金属へ変化する性質を有する。より詳細には、遷移金属酸化物では、遷移金属原子の最外殻電子間の有効クーロン相互作用が強いため、金属絶縁体転移温度より低い温度になっていると、最外殻電子が自由に動けない状態(絶縁体)となる。そして、絶縁体となっている遷移金属酸化物が、外部から金属絶縁体転移温度度以上となるまで熱エネルギを与えられると、最外殻電子が自由に動ける状態(金属)となる。つまり、遷移金属酸化物は、相転移温度より低温では絶縁体となり、相転移温度より高温では金属となる。 The transition metal oxide has a property of changing from an insulator to a metal when heat energy is applied from the outside. More specifically, in transition metal oxides, the effective Coulomb interaction between the outermost shell electrons of the transition metal atom is strong. Therefore, when the temperature is lower than the metal-insulator transition temperature, the outermost electrons are free to move freely. It will be unable to move (insulator). When the transition metal oxide serving as an insulator is given thermal energy from the outside until the temperature exceeds the metal insulator transition temperature, the outermost shell electrons can move freely (metal). That is, the transition metal oxide becomes an insulator at a temperature lower than the phase transition temperature, and becomes a metal at a temperature higher than the phase transition temperature.
この絶縁体から金属への相転移の際に、熱エネルギが遷移金属酸化物に蓄えられる。すなわち、遷移金属酸化物は、相変化時のエンタルピー変化を利用して熱エネルギーを貯蔵できる。この際に蓄熱される熱は、例えば、水分子が互いに自由に動けない状態になっている氷(固体)が、水分子が互いに自由に動ける水(液体)に相変化する際に、蓄えられる融解潜熱に相当する熱である。一方、遷移金属酸化物が金属から絶縁体へ相転移する際には、蓄えられていた熱が放熱される。従って、遷移金属酸化物は、金属と絶縁体とに相変化することによって、蓄熱あるいは放熱を行うことができる。この相変化は、固体のままで行われる。 Thermal energy is stored in the transition metal oxide during this phase transition from insulator to metal. That is, the transition metal oxide can store thermal energy by utilizing the enthalpy change at the time of phase change. The heat stored at this time is stored when, for example, ice (solid) in which water molecules cannot move freely changes to water (liquid) in which water molecules can move freely. Heat corresponding to latent heat of fusion. On the other hand, when the transition metal oxide undergoes a phase transition from a metal to an insulator, the stored heat is dissipated. Therefore, the transition metal oxide can perform heat storage or heat dissipation by changing the phase between a metal and an insulator. This phase change takes place as a solid.
本実施形態では、ケース部材107として、遷移金属酸化物であるVO2(二酸化バナジウム)を用いている。VO2は固固相変化材料であり、相転移温度が68℃である。
In this embodiment, VO 2 (vanadium dioxide), which is a transition metal oxide, is used as the
上述したように、内部蓄熱材106の融点はパラフィンの分子量に応じて調整可能であり、内部蓄熱材106の融点はケース部材107の相転移温度と同程度であることが好ましい。内部蓄熱材106の融点とケース部材107の相転移温度は、必ずしも同一である必要はなく、異なっていてもよい。具体的には、蓄熱装置105との間で熱を授受する第1熱媒体(本実施形態ではエンジン冷却水)によって内部蓄熱材106およびケース部材107が相転移できればよく、内部蓄熱材106の融点とケース部材107の相転移温度は、エンジン冷却水の温度範囲内であればよい。
As described above, the melting point of the internal
また、ケース部材107として用いる遷移金属酸化物は、添加物を加えることで転移温度(金属と絶縁体との相転移温度)を調整することができる。添加物としては、無機材料を採用することができる。
Moreover, the transition metal oxide used as the
図4に示すように、VO2にW(タングステン)を添加することで相転移温度を低下させることができ、添加量が多いほど相転移温度を低くすることができる。また、VO2にCr(クロム)を添加することで相転移温度を上昇させることができ、添加量が多いほど相転移温度を高くすることができる。 As shown in FIG. 4, the phase transition temperature can be lowered by adding W (tungsten) to VO 2 , and the phase transition temperature can be lowered as the addition amount increases. Moreover, the phase transition temperature can be increased by adding Cr (chromium) to VO 2 , and the phase transition temperature can be increased as the addition amount increases.
図5は、本実施形態の蓄熱装置105における内部蓄熱材106の占める割合を変化させた場合の蓄熱装置105の熱容量、熱出力および重量を示している。図6は、比較例としてケース部材107としてアルミニウムを用いた蓄熱装置の熱容量、熱出力および重量を示している。
FIG. 5 shows the heat capacity, heat output, and weight of the
内部蓄熱材106の体積を増加させる場合にはケース部材107の体積を減少させ、内部蓄熱材106の体積を減少させる場合にはケース部材107の体積を増加させることで、内部蓄熱材106の割合を変化させている。ケース部材107の体積の増減は、ケース部材107の厚みを変化させることによって行う。
When the volume of the internal
図5、図6において、左側から右側に向けて蓄熱装置105における内部蓄熱材106の占める割合が高くなっている。図5、図6では、熱容量、熱出力および重量の各項目に対する設計上の目標値を破線で示しており、目標値を満たす範囲を斜線で示している。図5では、各項目で設計上の目標値を超えている範囲が重なり合う部分を交差線で示している。
5 and 6, the proportion of the internal
図5に示す本実施形態の蓄熱装置105では、内部蓄熱材106の割合にかかわらず、蓄熱量が変化しない。本実施形態の蓄熱装置105では、内部蓄熱材106の割合の増減に応じて蓄熱機能を有するケース部材107の割合が増減することで、蓄熱装置105は全体として蓄熱量が一定となる。これに対し、図6に示す比較例の蓄熱装置では、内部蓄熱材106の量に比例して蓄熱量が増加している。
In the
図5に示す本実施形態の蓄熱装置105では、内部蓄熱材106の割合が増加するにしたがって熱出力が低下している。図6に示す比較例の蓄熱装置においても、本実施形態の蓄熱装置105と同様、内部蓄熱材106の割合が増加するにしたがって熱出力が低下している。なお、本実施形態で用いているVO2よりも比較例のアルミニウムの方が熱伝導率が高いため、本実施形態の蓄熱装置105より比較例の蓄熱装置の方が若干熱出力が高くなっている。
In the
図5に示す本実施形態の蓄熱装置105では、内部蓄熱材106の割合が増加するにしたがって重量が小さくなっている。図6に示す比較例の蓄熱装置においても、本実施形態の蓄熱装置105と同様、内部蓄熱材106の割合が増加するにしたがって重量が小さくなっている。なお、本実施形態で用いているVO2よりも比較例のアルミニウムの方が軽いため、本実施形態の蓄熱装置105より比較例の蓄熱装置の方が若干軽くなっている。
In the
図6に示す比較例の蓄熱装置では、熱容量および熱出力において、設計上の目標値を超えている範囲が重なり合ってない。つまり、比較例の蓄熱装置では、設計上の目標値を満たす適切な設計範囲が得られない。 In the heat storage device of the comparative example shown in FIG. 6, the ranges that exceed the design target values do not overlap in heat capacity and heat output. That is, in the heat storage device of the comparative example, an appropriate design range that satisfies the design target value cannot be obtained.
これに対し、図5に示す本実施形態の蓄熱装置105では、内部蓄熱材106の割合にかかわらず、蓄熱量が全範囲で目標値を超えている。このため、熱容量、熱出力および重量において、設計上の目標値を超えている範囲が重なり合う部分が存在する。
On the other hand, in the
以上説明した本実施形態の蓄熱装置105では、固液相変化材料からなる内部蓄熱材106と、固固相変化材料からなるケース部材107を備えている。このため、ケース部材107にも蓄熱機能を持たせることができ、内部蓄熱材106の割合にかかわらず、蓄熱装置105の蓄熱量を維持することができ、内部蓄熱材106の割合を容易に変更することが可能となる。これにより、蓄熱装置105の蓄熱量と熱出力のトレードオフの関係を緩和して蓄熱量と熱出力を両立させることができ、蓄熱装置105の設計の自由度を大きくすることができる。
The
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本第2実施形態は、上記第1実施形態と比較して、蓄熱装置105のケース部材107の構成が異なっている。以下、上記第1実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The second embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the
図7に示すように、本第2実施形態のケース部材107は、所定の空隙を有する多孔体として構成されている。ケース部材107の空隙は、内部蓄熱材106が浸透可能であればよい。このため、ケース部材107は、少なくとも内部蓄熱材106と接する部位(つまり、内表面)が多孔体となっていればよい。ケース部材107の内部に内部蓄熱材106が浸透しやすくするために、隣り合う空隙が互いに連通していることが望ましい。
As shown in FIG. 7, the
図7に示す例では、ケース部材107の空隙率は、内部蓄熱材106と接する部位が最も高く、内部蓄熱材106から離れるにしたがって低くなっている。つまり、ケース部107の内側から外側に向かって空隙率が低くなっている。ケース部107において、第1熱媒体と接する部位(つまり、外表面)では、空隙率がゼロとなっていることが望ましい。
In the example shown in FIG. 7, the porosity of the
固液相変化材料である内部蓄熱材106は、液相から固相に相変化する際に収縮する。このとき、内部蓄熱材106とケース部材107との境界に隙間が形成される可能性がある。このような隙間は、熱媒体と内部蓄熱材106との間の熱抵抗となり、蓄熱装置105の性能低下につながる。
The internal
これに対し、本第2実施形態の蓄熱装置105では、ケース部材107が多孔体として構成されているため、液相の内部蓄熱材106がケース部材107の空隙に浸透する。このため、内部蓄熱材106が液相から固相に相変化する際に、内部蓄熱材106とケース部材107との境界に隙間が形成されることが抑制される。これにより、熱媒体と内部蓄熱材106との間の熱抵抗を抑制でき、蓄熱装置105の性能低下を抑制できる。
On the other hand, in the
内部蓄熱材106とケース部材107との境界に隙間が形成されることを効果的に抑制するために、当該隙間の大きさよりもケース部材107の空隙の大きさを小さくすることが望ましい。
In order to effectively suppress the formation of a gap at the boundary between the internal
また、ケース部材107の空隙率は、内部蓄熱材106に近い側から遠い側に向かって低くなっている。これにより、ケース部材107の空隙に浸透した内部蓄熱材106がケース部材107の外部に流出することを効果的に抑制できる。
Further, the porosity of the
また、図8に示すように、ケース部材107の外表面に内部蓄熱材106を封止するための封止層108を設けてもよい。封止層108は、ケース部材107の外表面の全体または一部に設けられていればよい。封止層108による熱抵抗をできるだけ小さくするために、封止層108は極力薄く(例えば数十μm程度)形成することが望ましい。
Further, as shown in FIG. 8, a
封止層108は、アルミニウムペーストのような金属材料やエポキシ樹脂のような樹脂材料を用いることができる。封止層108として金属材料を用いた場合には、封止層108による熱抵抗を小さくすることができる。封止層108として樹脂材料を用いた場合には、封止層108の形成を簡易に行うことができる。
For the
このように、ケース部材107の外表面に封止層108を設けることで、ケース部材107の空隙に浸透した内部蓄熱材106がケース部材107の外部に流出することを防止できる。また、封止層108によってケース部材107の外表面の平面度が向上し、ケース部材107の外部を流れる熱媒体の整流効果が得られる。
Thus, by providing the
また、ケース部材107の外表面に封止層108を設ける場合には、ケース部材107の空隙率を必ずしも内部蓄熱材106に近い側から遠い側に向かって低くする必要はない。
Further, when the
(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。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified as follows without departing from the spirit of the present invention. Further, the means disclosed in each of the above embodiments may be appropriately combined within a practicable range.
(1)上記各実施形態では、蓄熱装置105の内部蓄熱材106としてパラフィンを用いたが、これに限らず、異なる種類の固液相変化材料を用いてよい。例えば、固液相変化材料として、酢酸ナトリウム水和物や水酸化バリウム水和物といった金属塩水和物を用いることができる。
(1) In each of the above embodiments, paraffin is used as the internal
(2)上記各実施形態では、蓄熱装置105を板状に構成したが、これに限らず、蓄熱装置105を棒状(例えば円柱状)や球状のような他の形状としてもよい。蓄熱装置105の形状は、熱伝達率や圧損に基づいて決定すればよい。例えば蓄熱装置105を球状とした場合には、蓄熱ユニット100のユニットケース101での蓄熱装置105の充填率を高くすることができ、熱媒体と蓄熱装置105との間の熱伝達率を高くすることができるが、熱媒体の圧損が大きくなる。
(2) In each of the above embodiments, the
100 蓄熱装置ユニット
105 蓄熱装置
106 内部蓄熱材
107 ケース部材(外部蓄熱材)
108 封止層
100 heat
108 Sealing layer
Claims (5)
第1所定温度で固相と液相とに相変化することによって蓄熱あるいは放熱を行う内部蓄熱材(106)と、
第2所定温度で固相と固相とに相変化することによって蓄熱あるいは放熱を行い、前記内部蓄熱材を内部に収容するように形成された外部蓄熱材(107)とを備える蓄熱装置。 A heat storage device capable of storing heat received from a heat medium and dissipating the stored heat,
An internal heat storage material (106) that stores or dissipates heat by changing phase between a solid phase and a liquid phase at a first predetermined temperature;
A heat storage device comprising: an external heat storage material (107) formed so as to store or dissipate heat by changing phase between a solid phase and a solid phase at a second predetermined temperature, and to house the internal heat storage material therein.
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