JP2020128171A

JP2020128171A - 蓄熱配管ホース及び蓄熱暖房装置

Info

Publication number: JP2020128171A
Application number: JP2019021878A
Authority: JP
Inventors: 泰木原; Yasushi Kihara; 勇輝岩野; Yuki Iwano; 真人反町; Masato Sorimachi; 小林　隆雄; Takao Kobayashi; 隆雄小林
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd; Furukawa Automotive Systems Inc
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd; Furukawa Automotive Systems Inc
Priority date: 2019-02-08
Filing date: 2019-02-08
Publication date: 2020-08-27

Abstract

【課題】装置を大型化することなく、伝熱効率を高めることができる蓄熱配管ホース及び蓄熱暖房装置を提供すること。【解決手段】冷却水からの吸熱及び冷却水への放熱を行う蓄熱配管ホースであって、冷却水の流路を形成し、固体固体相転移蓄熱材２３を含み可撓性及び熱伝導性を有する内側筒状部材２０と、内側筒状部材２０を包み可撓性及び内側筒状部材２０よりも低い熱伝導性を有する外側筒状部材４０と、内側筒状部材２０と外側筒状部材４０との間に設けられた補強繊維３０とを有する。固体固体相転移蓄熱材２３の相転移温度は、所定常温温度から冷却水の沸点温度までの間にある。【選択図】図３

Description

本発明は、伝熱効率を高める蓄熱配管ホース及び蓄熱暖房装置に関する。

内燃機関であるエンジンを搭載した車両は、冷却水を用いてエンジンを冷却している。また、エンジンを搭載した車両は、エンジンの発熱により加熱された冷却水を利用して車内の暖房を行うヒータを備えている。ここで、特許文献１では、固体固体相転移蓄熱材を用い、加熱された冷却水が相転移温度を超える場合に冷却水から吸熱することによって熱エネルギーを蓄熱し、冷却水が冷却されて相転移温度以下になった場合に、蓄熱された熱エネルギーを冷却水に放熱し、加熱された冷却水を利用して、ヒータにより車内を暖めている。これにより、固体固体相転移蓄熱材を有した蓄熱装置は、定常運転によりエンジンが稼動しているときに蓄熱し、アイドリングストップなどでエンジンが稼動していないときに放熱してヒータにより車内を暖めることができる。

特開２０１６−３１１８７号公報

しかしながら、固体固体相転移蓄熱材を含んだ蓄熱装置は、冷却水の配管とは別に設けられるため、冷却水を用いた蓄熱暖房装置の構成が大型化し、設計の自由度がないという課題があった。また、蓄熱装置を接続する配管は蓄熱性を有していないため、配管を流れる冷却水の熱を蓄積することができず、伝熱効率が悪いという課題もあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、装置を大型化することなく、伝熱効率を高めることができる蓄熱配管ホース及び蓄熱暖房装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる蓄熱配管ホースは、冷却熱媒体からの吸熱及び前記冷却熱媒体への放熱を行う蓄熱配管ホースであって、前記冷却熱媒体の流路を形成し、固体固体相転移蓄熱材を含み可撓性及び熱伝導性を有する内側筒状部材と、前記内側筒状部材を包み可撓性及び前記内側筒状部材よりも低い熱伝導性を有する外側筒状部材と、を備えることを特徴とする。

また、本発明にかかる蓄熱配管ホースは、上記の発明において、前記内側筒状部材と前記外側筒状部材との間に補強繊維を設けたことを特徴とする。

また、本発明にかかる蓄熱配管ホースは、上記の発明において、前記冷却熱媒体は冷却水であり、前記固体固体相転移蓄熱材の相転移温度は、所定温度から当該所定温度よりも高い前記冷却水の沸点までの間にあることを特徴とする。

また、本発明にかかる蓄熱配管ホースは、上記の発明において、前記固体固体相転移蓄熱材は、強相関電子系化合物であることを特徴とする。

また、本発明にかかる蓄熱配管ホースは、上記の発明において、前記内側筒状部材は、前記固体固体相転移蓄熱材のフィラーと前記外側筒状部材よりも熱伝導性が高い熱伝導性部材のフィラーとが樹脂製基材に混入されていることを特徴とする。

また、本発明にかかる蓄熱暖房装置は、前記冷却熱媒体の熱を利用してヒータにより移動体内を暖める蓄熱暖房装置であって、少なくとも前記移動体のエンジンから前記ヒータに前記冷却熱媒体を送出する送出配管の一部または全部は、上記の発明のいずれか一つに記載の蓄熱配管ホースであることを特徴とする。

また、本発明にかかる蓄熱暖房装置は、上記の発明において、前記送出配管と、前記ヒータから前記エンジンに前記冷却熱媒体を戻す戻り配管との間をバイパスするバイパス配管を設け、前記冷却熱媒体から前記蓄熱配管ホースに蓄熱する場合、前記冷却熱媒体を、前記バイパス配管を介して前記エンジン側に戻す蓄熱循環を行い、前記蓄熱配管ホースから前記冷却熱媒体に放熱して前記ヒータによる暖房を行う場合、前記バイパス配管を閉じて前記冷却熱媒体を前記ヒータに導入する暖房循環を行うことを特徴とする。

本発明によれば、装置を大型化することなく、伝熱効率を高めることができる。

図１は、本発明の実施の形態である蓄熱暖房装置の概要構成を示す模式図である。図２は、蓄熱配管ホースの構成を一部破断した斜視図である。図３は、蓄熱配管ホースの横断面図である。図４は、固体固体相転移蓄熱材の相転移に伴う吸熱特性及び放熱特性を示す図である。図５は、本発明の実施の形態の変形例の蓄熱配管ホースの構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。

＜装置構成＞
図１は、本発明の実施の形態である蓄熱暖房装置１の概要構成を示す模式図である。なお、蓄熱暖房装置１は、エンジン３の排熱を蓄熱して車両内を暖房する装置であり、アイドリングストップ車や、ハイブリッド車等の移動体に適用した一例を示すものである。図１に示すように、蓄熱暖房装置１は、ラジエータ２、エンジン３、ヒータ４及び配管系Ｌを有する。

ラジエータ２は、配管Ｌ１２を介して流入する冷却熱媒体としての冷却水Ｗを冷却し、配管Ｌ１を介して流量流路調整弁５に導出する。流量流路調整弁５は、導入された冷却水Ｗを、配管Ｌ２を介してポンプ６側に導出する。流量流路調整弁５には、戻りの冷却水Ｗをラジエータ２を介さずにバイパスさせる配管Ｌ１１も接続される。流量流路調整弁５は、例えば、サーモスタットバルブであり、導入された冷却水Ｗが一定温度を超える場合、配管Ｌ１側を開にし、冷却水Ｗをラジエータ２によって冷却させ、導入された冷却水Ｗが一定温度以下の場合、配管Ｌ１１側を閉にし、冷却水Ｗをラジエータ２によって冷却させずにそのまま冷却水Ｗをポンプ６側に導出し、暖機運転を行わせる。なお、厳密には、流量流路調整弁５は、温度に応じて、ラジエータ２側の配管の開度及びラジエータ２をバイパスする配管側の開度を調整する。

ポンプ６は、導入された冷却水Ｗを、配管Ｌ３を介してエンジン３側に圧送する。エンジン３によって加熱された冷却水Ｗは、配管Ｌ４を介してヒータ４側に導出される。また、エンジン３によって加熱された冷却水Ｗは、配管Ｌ４から分岐した配管Ｌ１０を介してラジエータ２側又は流量流路調整弁５側に戻される。配管Ｌ１０は、配管Ｌ１２と配管Ｌ１１とに分岐して接続される。

配管Ｌ４は、開閉弁７を介して配管Ｌ７に接続される。配管Ｌ４は、固体固体相転移蓄熱材を有した蓄熱配管ホースであり、詳細は後述する。配管Ｌ７を通る冷却水Ｗは、熱交換器であるヒータ４内に導入される。また、ヒータ４内に導入された冷却水Ｗの熱は、ヒータ４により熱交換されて車内に放出される。ヒータ４によって熱交換された後の冷却水Ｗは、配管Ｌ８、開閉弁８及び配管Ｌ６を介して配管Ｌ２に導出される。また、開閉弁７，８間には冷却水Ｗをバイパスする配管Ｌ５が設けられている。ヒータ４を加熱する場合には、開閉弁７が配管Ｌ７側を開にするとともに、開閉弁８が配管Ｌ８側を開にして、冷却水Ｗをヒータ４に導出する。一方、ヒータ４を加熱せずに、配管Ｌ４が蓄熱を維持する場合には、開閉弁７が配管Ｌ５側を開にするとともに、開閉弁８が配管Ｌ５側を開にする。こうすることにより、冷却水Ｗは、ヒータ４側に導出せずに配管Ｌ５にバイパスされる。

コントローラ１０は、開閉弁７，８の開閉制御を行う。コントローラ１０の制御により、通常暖房モードと蓄熱循環モードとの切り替えを行う。通常暖房モードでは、冷却水Ｗは、配管Ｌ５を介さず、ヒータ４を介した暖房循環流路ＲＢを流れる。蓄熱循環モードでは、冷却水は、ヒータ４を介さず、配管Ｌ５を介した蓄熱循環流路ＲＡを流れる。特に、エンジン３の暖機運転後の定常運転に移行した場合には、コントローラ１０は、開閉弁７，８の配管Ｌ５側を開にし、配管Ｌ４に対して、加熱された冷却水Ｗからの吸熱による配管Ｌ４の蓄熱を行わせる蓄熱循環モードを実行する。

なお、図１の配管Ｌ４は、必要な蓄熱量を得るために、配管長を長くし、トグロ状の蓄熱部９が形成される構成でもよい。また、配管Ｌ５及び配管Ｌ６も、固体固体相転移蓄熱材を有した蓄熱配管ホースとすることが好ましい。さらに、配管Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ７，Ｌ８，Ｌ１０，Ｌ１２も固体固体相転移蓄熱材を有した蓄熱配管ホースにしてもよい。これにより、蓄熱のための配管長を抑えることができる。また、冷却水Ｗは、冷却熱冷媒の一例であり、冷却水Ｗには凍結防止剤が含まれる場合がある。なお、凍結防止剤が含まれた冷却水Ｗは、水の沸点よりも高い沸点となる。また、ヒータ４には、図示しない送風ファンが設けられ、暖房時に、送風ファンが駆動し、車内に温風が流れる。

＜蓄熱配管ホース（配管Ｌ４）の構成＞
図２は、配管Ｌ４の構成を一部破断した斜視図である。また、図３は、配管Ｌ４の横断面図である。図２及び図３に示すように、配管Ｌ４は、内側筒状部材２０、補強繊維３０及び外側筒状部材４０を有する。内側筒状部材２０は、冷却水Ｗの流路を形成し、固体固体相転移蓄熱材２３を含み可撓性及び熱伝導性を有する。外側筒状部材４０は、内側筒状部材２０を包み可撓性を有し、かつ、内側筒状部材２０よりも低い熱伝導性を有する。

内側筒状部材２０は、樹脂製基材２１に、固体固体相転移蓄熱材２３と、外側筒状部材４０よりも熱伝導性が高い熱伝導性部材２２とが混入されている。固体固体相転移蓄熱材２３及び熱伝導性部材２２は、それぞれフィラ―（充填材）として樹脂製基材２１内に混入されている。

樹脂製基材２１は、可撓性、耐候性、耐冷却液性、耐熱性の良いポリマーアロイである。ポリマーアロイは、シリコーン、ウレタン、エポキシ、アクリル、オレフィン、フェノール、ポリイミド、ゴム素材のＥＰＤＭ、１−４トランスポリブタンジエンなどである。

固体固体相転移蓄熱材２３は、温度が相転移温度以下である場合に固体状の第１相状態に変化するとともに、温度が相転移温度を超える場合に固体状の第２相状態に変化する。その相変化にともなう転移熱である潜熱が熱エネルギーとして蓄熱される。そして、図４に示すように、固体固体相転移蓄熱材２３は、加熱される場合、相転移温度（例えば、６５℃付近）での相変化時に吸熱し、逆に、冷却される場合、相転移温度での相変化時に放熱する。例えば、エンジンの冷却は冷却水の水温が７０℃付近を維持する様に制御される。蓄熱材の相転移温度は冷却水の維持水温７０℃以下であれば潜熱による高い熱エネルギーとして蓄熱できることになる。また、蓄熱材の相転移温度を出来る限り維持水温に近い温度とした方が高い熱エネルギーを蓄えることができ、維持水温の保温効果、さらに低温冷却水への暖機効果が得られることになる。

固体固体相転移蓄熱材２３は、強相関電子系化合物であり、例えば、二酸化バナジウム（ＶＯ_２）や、ＶＯ_２に、Ｗ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｎｂ、Ｔａなどをドープしたバナジウム酸化物である。

熱伝導性部材２２は、冷却水Ｗと、散在する固体固体相転移蓄熱材２３との間の熱伝導性を確保するために設けられたものであり、例えば、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化亜鉛、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ダイヤモンドなどである。

補強繊維３０は、可撓性を有する配管Ｌ４の強度を補強するためのものであり、例えば、網状のアラミド繊維である。

本実施の形態では、固体固体相転移蓄熱材２３の相転移温度を６５℃としているが、相転移は、所定温度（例えば、４０℃）から冷却水Ｗの沸点までの間にあればよい。なお、相転移温度は、固体固体相転移蓄熱材２３、熱伝導性部材２２、樹脂製基材２１の混合比によって変化させることができる。

具体的な、樹脂製基材２１は、シリコーン系ポリマーアロイであり、内側筒状部材２０に対して７０重量％である。固体固体相転移蓄熱材２３は、ＶＯ_２であり、内側筒状部材２０に対して２５重量％である。また、熱伝導性部材２２は、窒化ホウ素であり、内側筒状部材２０に対して５重量％である。このような配合によって、内側筒状部材２０は、蓄熱密度が６５Ｊ／ｃｃ、蓄熱温度が６５℃、熱伝導率が１．６Ｗ／ｍＫ、比熱が１．４Ｊ／ｇＫ、密度が１．９ｇ／ｃｍ^３の特性を呈する。

なお、外側筒状部材４０は、内側筒状部材２０が蓄熱した熱が外部に放熱しないようにするために、低熱伝導性の可撓性材料（樹脂）によって内側筒状部材２０を覆って保温している。

また、上記の実施の形態では、内側筒状部材２０には、１つの冷却水の流路のみが形成されていたが、これに限らず、図５に示すように、内側筒状部材２０内に複数の流路を並列に形成するようにしてもよい。これによって、冷却水Ｗと固体固体相転移蓄熱材２３との間の熱伝導性をさらに良くすることができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態及び変形例について説明したが、本実施の形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１蓄熱暖房装置
２ラジエータ
３エンジン
４ヒータ
５流量流路調整弁
６ポンプ
７，８開閉弁
９蓄熱部
１０コントローラ
２０内側筒状部材
２１樹脂製基材
２２熱伝導性部材
２３固体固体相転移蓄熱材
３０補強繊維
４０外側筒状部材
Ｌ配管系
Ｌ１〜Ｌ８，Ｌ１０〜Ｌ１２配管
ＲＡ蓄熱循環流路
ＲＢ暖房循環流路
Ｗ冷却水

Claims

冷却熱媒体からの吸熱及び前記冷却熱媒体への放熱を行う蓄熱配管ホースであって、
前記冷却熱媒体の流路を形成し、固体固体相転移蓄熱材を含み可撓性及び熱伝導性を有する内側筒状部材と、
前記内側筒状部材を包み可撓性及び前記内側筒状部材よりも低い熱伝導性を有する外側筒状部材と、
を備えることを特徴とする蓄熱配管ホース。
前記内側筒状部材と前記外側筒状部材との間に補強繊維を設けたことを特徴とする請求項１に記載の蓄熱配管ホース。
前記冷却熱媒体は冷却水であり、
前記固体固体相転移蓄熱材の相転移温度は、所定温度から当該所定温度よりも高い前記冷却水の沸点までの間にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄熱配管ホース。
前記固体固体相転移蓄熱材は、強相関電子系化合物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の蓄熱配管ホース。
前記内側筒状部材は、前記固体固体相転移蓄熱材のフィラーと前記外側筒状部材よりも熱伝導性が高い熱伝導性部材のフィラーとが樹脂製基材に混入されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の蓄熱配管ホース。
前記冷却熱媒体の熱を利用してヒータにより移動体内を暖める蓄熱暖房装置であって、少なくとも前記移動体のエンジンから前記ヒータに前記冷却熱媒体を送出する送出配管の一部または全部は、請求項１〜５のいずれか一つに記載の蓄熱配管ホースであることを特徴とする蓄熱暖房装置。
前記送出配管と、前記ヒータから前記エンジンに前記冷却熱媒体を戻す戻り配管との間をバイパスするバイパス配管を設け、
前記冷却熱媒体から前記蓄熱配管ホースに蓄熱する場合、前記冷却熱媒体を、前記バイパス配管を介して前記エンジン側に戻す蓄熱循環を行い、前記蓄熱配管ホースから前記冷却熱媒体に放熱して前記ヒータによる暖房を行う場合、前記バイパス配管を閉じて前記冷却熱媒体を前記ヒータに導入する暖房循環を行うことを特徴とする請求項６に記載の蓄熱暖房装置。