JP2020128851A - 蓄熱体、蓄熱装置及び蓄熱暖房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固液相変化蓄熱材をケーシング材によって囲んだ蓄熱体の蓄熱性能の低下を抑えることができる蓄熱体、蓄熱装置及び蓄熱暖房装置。【解決手段】蓄熱体２は、固体固体相転移蓄熱材により形成されたケーシング材４が固液相変化蓄熱材３を包む。ケーシング材４は、固液相変化蓄熱材３の膨張あるいは収縮による応力に対して弾性変形する樹脂製基材に固体固体相転移蓄熱材が混入されていることが好ましい。また、ケーシング材４は、熱伝導性部材が混入されることが好ましい。蓄熱体２は、冷却水Ｗが流れる配管１０内に配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、固液相変化蓄熱材をケーシング材によって囲んで構成されている蓄熱体、蓄熱装置及び蓄熱暖房装置に関する。

蓄熱暖房装置では、蓄熱温度範囲で固相と液相との相変化を生じる蓄熱材（固液相変化蓄熱材）が蓄熱する潜熱を用いるものが多い。特許文献１，２では、この固液相変化蓄熱材と、顕熱を用いた固体蓄熱材とを組み合わせた蓄熱システムあるいは蓄熱暖房装置が記載されている。

特開２０１１−１４４９６１号公報 特開２０１６−０１１７８７号公報

しかしながら、固液相変化蓄熱材は、液相状態になるためケーシングが必要になる。ケーシング材は、金属や樹脂などの蓄熱性能をもたない材料であったため、このケーシング材の部分が蓄熱性能に寄与せず、ケーシング材を含む蓄熱体全体の蓄熱性能が低下するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、固液相変化蓄熱材をケーシング材によって囲んだ蓄熱体の蓄熱性能の低下を抑えることができる蓄熱体、蓄熱装置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体は、固体固体相転移蓄熱材により形成されたケーシング材が固液相変化蓄熱材を包んだことを特徴とする。

また、本発明にかかる蓄熱体は、上記の発明において、前記ケーシング材は、前記固液相変化蓄熱材の膨張あるいは収縮による応力に対して弾性変形する樹脂製基材に前記固体固体相転移蓄熱材が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体は、上記の発明において、前記ケーシング材は、熱伝導性部材が混入されることを特徴とする。

また、本発明にかかる蓄熱体は、上記の発明において、前記ケーシング材は、前記固液相変化蓄熱材及び気体を包んだことを特徴とする。

また、本発明にかかる蓄熱体は、上記の発明において、前記固液相変化蓄熱材は、過冷却解除型蓄熱材であり、前記過冷却解除型蓄熱材の液相状態を固相状態に変化させる発核部を備えることを特徴とする。

また、本発明にかかる蓄熱装置は、上記の発明のいずれか一つに記載の蓄熱体を、熱媒体が流れる流路内に配置したことを特徴とする。

また、本発明にかかる蓄熱装置は、上記の発明において、前記熱媒体は冷却水であり、
前記固体固体相転移蓄熱材及び前記固液相変化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、前記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熱媒体を送出する送出配管の一部に、上記の発明のいずれか一つに記載の蓄熱体又は上記の発明に記載の蓄熱装置を介在させたことを特徴とする。

本発明によれば、固液相変化蓄熱材をケーシング材によって囲んだ蓄熱体の蓄熱性能の低下を抑えることができる。

図１は、本発明の実施の形態である蓄熱装置の構成を模式的に示した断面図である。 図２は、蓄熱体の変形の一例を示す断面図である。 図３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４は、本発明の実施の形態の変形例１である蓄熱装置の構成を模式的に示した断面図である。 図５は、本発明の実施の形態の変形例２である蓄熱装置の構成を模式的に示した断面図である。 図６は、本発明の実施の形態の変形例３である蓄熱暖房装置の概要構成を示す模式図である。

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。

＜蓄熱装置の構成＞
図１は、本発明の実施の形態である蓄熱装置１の構成を模式的に示した断面図である。図１に示すように蓄熱装置１は、配管１０内に蓄熱体２が配置される。配管１０内には、熱媒体としての冷却水Ｗが入口配管１０ａから流入し、出口配管１０ｂから流出する。蓄熱体２は、固液相変化蓄熱材により形成されたケーシング材４が固液相変化蓄熱材３を包む。なお、配管１０及びケーシング材４は、円筒形状であるが、この形状には限らない。

固液相変化蓄熱材３は、蓄熱温度範囲で固相状態と液相状態との相変化を生じる蓄熱材である。本実施の形態では熱媒体として冷却水Ｗを用いているため、相転移温度は、所定温度から冷却水Ｗの沸点までの温度である。固液相変化蓄熱材３は、パラフィンワックス類、脂肪酸類、無機水和塩、糖類などである。冷却水Ｗが加温されて相転移温度に達すると、固液相変化蓄熱材３は、固相状態から液相状態に変化して吸熱する。また、冷却水Ｗが冷却されて相転移温度に達すると、固液相変化蓄熱材３は、液相状態から固相状態に変化して放熱する。

ケーシング材４は、固体固体相転移蓄熱材により形成されるが、固液相変化蓄熱材３の膨張あるいは収縮による応力に対して弾性変形する樹脂製基材に固体固体相転移蓄熱材が混入されていてもよい。図２に示すように、ケーシング材４に樹脂製基材が含まれると、ケーシング材４は、固液相変化蓄熱材３の膨張あるいは収縮による応力に対して弾性変形するため、蓄熱体２の耐久性が向上する。

また、ケーシング材４は、熱伝導性部材を混入してもよい。この場合、固体固体相転移蓄熱材及び熱伝導性部材は、それぞれフィラ―（充填材）として樹脂製基材内に混入される。

固体固体相転移蓄熱材は、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。そして、図３に示すように、固体固体相転移蓄熱材は、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。

固体固体相転移蓄熱材は、強相間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。

樹脂製基材は、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。

熱伝導性部材は、冷却水Ｗと、散在する固体固体相転移蓄熱材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。

本実施の形態では、固体固体相転移蓄熱材の相転移温度を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の沸点までの間であればよい。なお、相転移温度は、固体固体相転移蓄熱材、熱伝導性部材、樹脂製基材の混合比によって変化させることができる。

具体的な、樹脂製基材は、シリコーン系ポリマーアロイであり、ケーシング材４に対して７０重量％である。固体固体相転移蓄熱材は、ＶＯ_２であり、ケーシング材４に対して２５重量％である。また、熱伝導性部材は、窒化ホウ素であり、ケーシング材４に対して５重量％である。このような配合によって、ケーシング材４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、蓄熱体２、固液相変化蓄熱材３をインサート品としてインサート成形することができる。

なお固液相変化蓄熱材３とケーシング材４との体積比は、例えば９対１としている。固液相変化蓄熱材３の蓄熱密度は、例えば３００Ｊ／ｃｃであり、固体固体相転移蓄熱材に比して高いため、蓄熱体２の強度を考慮して固液相変化蓄熱材３の体積比を大きくすることが好ましい。

蓄熱装置１は、配管１０に流入する冷却水Ｗの温度が相転移温度よりも高くなる場合、固液相変化蓄熱材３及びケーシング材４内の固体固体相転移蓄熱材が冷却水Ｗから吸熱して蓄熱する。一方、配管１０に流入する冷却水Ｗの温度が相転移温度よりも低くなる場合、固液相変化蓄熱材３及びケーシング材４内の固体固体相転移蓄熱材が冷却水Ｗに放熱する。なお、固液相変化蓄熱材３と固体固体相転移蓄熱材との相転移温度は異なっていてもよい。この場合、熱伝導性部材が、冷却液と固液相変化蓄熱材との間の熱伝導性を良くすることができる。

本実施の形態では、ケーシング材４が、蓄熱密度の高い固液相変化蓄熱材３に対するケーシング機能を有するとともに、蓄熱材としての機能を有するため、蓄熱体２全体の蓄熱性能を向上させることができる。すなわち、ケーシング材も蓄熱性能を有するため、蓄熱体２全体の蓄熱密度を大きくすることができる。また、ケーシング材４は、樹脂製基材に固体固体相転移蓄熱材が混入されている弾性部材なので、固液相変化蓄熱材３の相変化に伴う体積変化に対して弾性変形するため、蓄熱体２全体の強度を維持することができる。

＜変形例１＞
図４に示すように、本変形例１の蓄熱装置１は、ケーシング材４内に固液相変化蓄熱材３のみならず、気体５を封入している。気体５は、固液相変化蓄熱材３に対して反応しない不活性ガスが好ましい。

本変形例１の構成では、ケーシング材４内に気体５を封入しているので、固液相変化蓄熱材３の膨張あるいは収縮による応力を吸収してくれるため、蓄熱体２の耐久性を向上させることができる。また、変形例１の構成では、ケーシング材４の弾性変形量を小さくすることができ、ケーシング材の材料選択範囲を広げることができる。

＜変形例２＞
図５に示すように、本変形例２の蓄熱装置１は、固液相変化蓄熱材３を過冷却解除型蓄熱材とし、過冷却解除型蓄熱材の過冷却液相状態を固相状態に変化させる発核部６を有する。発核部６は、過冷却解除型蓄熱材が過冷却液相状態の場合に、振動や衝撃などのトリガを与えて核化を促し、過冷却解除型蓄熱材を固相状態に変化させて放熱させるものである。過冷却解除型蓄熱材としては、例えば酢酸ナトリウム三水和物である。発核部６は、図示しないアクチュエータを介して過冷却液相状態の過冷却解除型蓄熱材にトリガを与える。

本変形例２の構成では、固液相変化蓄熱材３の放熱時の相転移温度を制御することができる。

＜変形例３＞
次に、変形例３の蓄熱暖房装置１０１について説明する。図６は、本変形例３の蓄熱暖房装置１０１の概要構成を示す模式図である。蓄熱暖房装置１０１は、エンジン１０３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、ハイブリッド車等に適用した一例を示すものである。

図６に示すように、蓄熱暖房装置１０１は、ラジエータ１０２、エンジン１０３、ヒータ１０４及び配管系Ｌを有する。エンジン１０３を搭載した車両は、冷却水Ｗを用いてエンジン１０３を冷却している。また、エンジン１０３を搭載した車両は、エンジン１０３の発熱により加熱された冷却水Ｗを利用して車内の暖房を行うヒータ１０４を備えている。ここで、エンジン１０３から導出される冷却水Ｗの流路を形成する配管Ｌ４（冷却水を送出する送出配管）の一部に蓄熱装置１を配置し、加熱された冷却水Ｗが蓄熱体２の相転移温度を超える場合に冷却水Ｗから吸熱することによって熱エネルギーを蓄熱体２に蓄熱し、冷却水Ｗが冷却されて蓄熱体２の相転移温度以下になった場合に、蓄熱体２に蓄熱された熱エネルギーを冷却水Ｗに放熱し、加熱された冷却水Ｗを利用して、ヒータ１０４により車内を暖める。これにより、配管Ｌ４上の蓄熱装置１は、定常運転によりエンジン１０３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１０４により車内を暖めることができる。

ラジエータ１０２は、配管Ｌ１２を介して流入した冷却水Ｗを冷却し、配管Ｌ１を介して流量流路調整弁１０５に導出する。流量流路調整弁１０５は、導入された冷却水Ｗを、配管Ｌ２を介してポンプ１０６側に導出する。流量流路調整弁１０５には、戻りの冷却水Ｗを、ラジエータ１０２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１０５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１０２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１０２によって冷却させずにそのまま冷却水Ｗをポンプ１０６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１０５は、温度に応じて、ラジエータ１０２側の配管の開度及びラジエータ１０２をバイパスする配管側の開度を調整する。また、冷却水Ｗは、熱を移動させ熱源であるエンジンを冷却するための流体である熱媒体の一例である。

ポンプ１０６は、導入された冷却水Ｗを、配管Ｌ３を介してエンジン１０３側に圧送する。エンジン１０３によって加熱された冷却水Ｗは、配管Ｌ４を介してヒータ１０４側に導出される。また、エンジン１０３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１０２側又は流量流路調整弁１０５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１０７を介して配管Ｌ７に接続される。配管Ｌ４には、蓄熱装置１が挿入される。配管Ｌ７を通る冷却水Ｗは、熱交換器であるヒータ１０４内に導入される。また、ヒータ１０４内に導入された冷却水Ｗの熱は、ヒータ１０４により熱交換されて車内に放出される。ヒータ１０４によって熱交換された後の冷却水Ｗは、配管Ｌ８、開閉弁１０８及び配管Ｌ６を介して配管Ｌ２に導出される。また、開閉弁１０７，１０８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１０４を加熱する場合には、開閉弁１０７が配管Ｌ７側を開にするとともに、開閉弁１０８が配管Ｌ８側を開にして、冷却水Ｗをヒータ１０４に導出する。一方、ヒータ１０４を加熱せずに、蓄熱装置１が蓄熱を維持する場合には、開閉弁１０７が配管Ｌ５側を開にするとともに、開閉弁１０８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１０４側に導出せずに配管Ｌ５にバイパスされる。

コントローラ１１０は、開閉弁１０７，１０８の開閉制御を行う。コントローラ１１０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１０４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１０４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１０３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１１０は、開閉弁１０７，１０８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、配管Ｌ５が設けられる場合、配管Ｌ６も、蓄熱装置１を挿入することが好ましい。これにより、さらに蓄熱量を増大させることができる。また、冷却水Ｗは、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１０４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。

本変形例３の構成では、蓄熱装置１が、定常運転によりエンジン１０３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１０３が稼動していないときに放熱してヒータ１０４により車内を暖めるようにしているので、エンジン１０３の排熱を適時に有効利用してエネルギー効率を高めることができる。

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 蓄熱装置
２ 蓄熱体
３ 固液相変化蓄熱材
４ ケーシング材
５ 気体
６ 発核部
１０，Ｌ１〜Ｌ８，Ｌ１０〜Ｌ１２ 配管
１０ａ 入口配管
１０ｂ 出口配管
１０１蓄熱暖房装置
１０２ ラジエータ
１０３ エンジン
１０４ ヒータ
１０５ 流量流路調整弁
１０６ ポンプ
１０７，１０８ 開閉弁
１１０ コントローラ
Ｌ 配管系
ＲＡ 蓄熱循環流路
ＲＢ 暖房循環流路
Ｗ 冷却水

Claims (8)

1. 固体固体相転移蓄熱材により形成されたケーシング材が固液相変化蓄熱材を包んだことを特徴とする蓄熱体。
2. 前記ケーシング材は、前記固液相変化蓄熱材の膨張あるいは収縮による応力に対して弾性変形する樹脂製基材に前記固体固体相転移蓄熱材が混入されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱体。
3. 前記ケーシング材は、熱伝導性部材が混入されることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄熱体。
4. 前記ケーシング材は、前記固液相変化蓄熱材及び気体を包んだ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体。
5. 前記固液相変化蓄熱材は、過冷却解除型蓄熱材であり、
   前記過冷却解除型蓄熱材の液相状態を固相状態に変化させる発核部を備え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体。
6. 請求項１〜５のいずれか一つに記載の蓄熱体を、熱媒体が流れる流路内に配置したことを特徴とする蓄熱装置。
7. 前記熱媒体は冷却水であり、
   前記固体固体相転移蓄熱材及び前記固液相変化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であることを特徴とする請求項６に記載の蓄熱装置。
8. 前記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熱媒体を送出する送出配管の一部に請求項６又は７に記載の蓄熱装置を介在させたことを特徴とする蓄熱暖房装置。

Images