JP4390205B2 - 蓄熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、蓄熱材と熱交換流体との間で熱エネルギーの交換をする形式の蓄熱装置に関する。

近年、蓄熱材に蓄えられた熱エネルギーを冷却水等の熱交換流体に付与することで、エネルギーの有効利用を図るようにした、蓄熱装置の開発が進められている。例えば、エンジンにおいては、駆動中に多くの廃熱を発生させる一方で、始動時には熱量を付与することで起動が円滑になることから、駆動中の廃熱を蓄熱して始動時のウォームアップに使用するように蓄熱装置が設けられたものがある。このような蓄熱装置としては各種知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−９７８９４公報

特許文献１に示す従来の蓄熱装置を、次の図１２に基づいて説明する。
図１２は従来の蓄熱装置の概要図である。従来の蓄熱装置２００は、蓄熱モジュール２０１の下端を底板２０２で塞ぎ、蓄熱モジュール２０１の上端を蓋板２０３で塞いだものである。蓄熱モジュール２０１は、蓄熱材を充填する複数の蓄熱材充填空間２０４と、この蓄熱材充填空間２０４に隣接して流体Ｆｕを通す流体通路２０５とを備える。

蓄熱材充填空間２０４及び流体通路２０５は、蓄熱モジュール２０１の上下方向の中心線Ｌｍを基準とした渦巻き状空間であり、上下貫通している。これらの蓄熱材充填空間２０４の渦巻きの間に流体通路２０５の渦巻きが介在することになる。流体通路２０５の巻き始め端２０５ａは、蓄熱モジュール２０１の中心にある。流体通路２０５の巻き終わり端２０５ｂは、蓄熱モジュール２０１の外壁部２０６近傍にある。このような蓄熱モジュール２０１は、中心線Ｌｍに沿った断面形状が一様である。

蓋板２０３は、巻き始め端２０５ａに連通する導入口２０７及び巻き終わり端２０５ｂに連通する導出口２０８を備える。
なお、２１１は蓄熱材充填空間２０４を形成する蓄熱材充填空間形成部、２１２は流体通路２０５を形成する流体通路形成部、２１３〜２１５は蓄熱材充填空間形成部２１１及び流体通路形成部２１２を形成するための壁部、２１６は断熱空間形成部、２１７・・・は補強リブ、２１８は底板２０２の合わせ面２０２ａに形成した合わせ凹部である。

導入口２１３から導入された流体Ｆｕは、流体通路２０５の中央部にある巻き始め端２０５ａに流れ、流体通路２０５内を渦巻きに沿って径外方に移動し、巻き終わり端２０５ｂを経て導出口２０８から外部に導出される。
このようにして、流体Ｆｕは流体通路２０５を通過しつつ、蓄熱材充填空間２０４内の蓄熱材と熱エネルギーの交換をすることになる。

ところで、蓄熱材と流体Ｆｕとの間で熱エネルギーの交換をする熱交換効率を高めるには、（１）流体通路２０５の通路幅を狭くするとともに、（２）蓄熱材充填空間２０４と流体通路２０５との間の壁（通路間の壁）の厚みを薄くすることが好ましい。
上述のように、蓄熱モジュール２０１は、中心線Ｌｍに沿った断面形状が一様なので、製造コストを低減するために、一般的にはアルミニウム合金や合成樹脂の押出し成型によって成形されることになる。しかし、蓄熱モジュール２０１の断面形状は極めて複雑である。このような蓄熱モジュール２０１を押出し成型によって低コストで成形する場合に、流体通路２０５の通路幅を狭くするとともに通路間の壁を薄くするには限界がある。

さらには、蓄熱モジュール２０１は押出し成形品であるから、その下端並びに上端を、底板２０２や蓋板２０３で塞ぐ必要がある。しかし、蓄熱材充填空間２０４や流体通路２０５は渦巻き状である。このような渦巻きの上下端を、全て完全に密封することは容易でない。蓄熱材充填空間２０４と流体通路２０５との間を確実に密封するには、改良の余地がある。

本発明は、（１）蓄熱装置の低コスト化を図りつつ、蓄熱材と流体との間での熱交換効率を一層高めるとともに、（２）蓄熱材充填空間と流体通路との間の密封性を高めた技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、蓄熱材を充填する蓄熱材充填空間とこの蓄熱材充填空間に隣接して流体を通す流体通路とを設けた蓄熱モジュールを備え、蓄熱材と流体との間で熱エネルギーを交換する蓄熱装置において、
蓄熱モジュールを、積層した複数のエレメントで構成し、
これらの各エレメントが、互いに凹凸が面対称である第１のプレートと第２のプレートとを重ね合わせることで、凹部同士並びに凸部同士を互いに向かい合わせて接合した構成であり、
第１・第２プレートの凹部同士を合わせることで第１の空間部を構成し、
積層された各エレメント間における凹部同士並びに凸部同士を互いに向かい合わせて接合し、各エレメント間における凹部同士を合わせることで第２の空間部を構成し、
第１の空間部に対して第２の空間部を非連通とし、
第１の空間部又は第２の空間部を前記蓄熱材充填空間とし、
第２の空間部又は第１の空間部を前記流体通路としたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、流体通路が、各エレメント毎に連通するとともに蓄熱モジュールの上下方向の中心を基準とした渦巻き状空間であることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、蓄熱モジュールは複数個であり、これら複数個の蓄熱モジュールをセパレータ板を介して積層し、
このセパレータ板が、隣接し合う蓄熱モジュールにおける各渦巻き状空間の、巻き始め端同士又は巻き終わり端同士を連通する連通孔を備えたことを特徴とする。

請求項１に係る発明では、互いに凹凸が面対称である第１のプレートと第２のプレートとを重ね合わせるとともに、凹部同士並びに凸部同士を互いに向かい合わせて接合することで、エレメントを構成することができる。複数のエレメントを積層した構成は、蓄熱モジュールとなる。

第１・第２プレートの凹部同士を合わせることで、第１の空間部が構成される。また、積層された各エレメント間における凹部同士並びに凸部同士を互いに向かい合わせて接合し、各エレメント間における凹部同士を合わせることで、第２の空間部が構成される。第１の空間部と第２の空間部とは千鳥状に交互に配列し、互いに非連通である。第１の空間部又は第２の空間部を蓄熱材充填空間とし、第２の空間部又は第１の空間部を流体通路とすることができる。

例えば、プレス成型によって第１・第２のプレートに凹凸を形成し、これら第１・第２のプレートを重ね合わせてエレメントを生産することができる。このように、凹凸を有する第１・第２のプレートによって構成された、複数のエレメントを積層することで、容易に蓄熱モジュールを構成することができる。

しかも、単にプレートに凹凸を形成するのであるから、低コストで容易に、流体通路の通路幅を狭くできる。また、蓄熱材充填空間と流体通路との間の壁（通路間の壁）の厚みは、第１・第２のプレートの１枚の板厚に相当するので、極めて薄い。通路幅を狭くでき且つ通路間の壁を薄くできるので、蓄熱材充填空間に充填された蓄熱材と、流体通路を流れる流体との間で、熱エネルギーの交換をする熱交換効率を一層高めることができる。また、通路間の壁を薄くできるので、蓄熱装置の小型化及び軽量化を図ることができる。

さらには、通路間の壁はプレート１枚だけであるから、均一な厚みである。この結果、蓄熱材充填空間に充填された蓄熱材と、流体通路を流れる流体との間で、熱エネルギーの交換を均一に行うことができるので、熱交換効率をより一層高めることができる。

さらには、第１・第２プレートの凹部同士を合わせることで、第１の空間部を構成するとともに、積層された各エレメント間における凹部同士を合わせることで、第２の空間部を構成し、これらの互いに非連通である第１・第２空間部によって、蓄熱材充填空間及び流体通路を構成したので、蓄熱材充填空間及び流体通路を密封するために、蓄熱モジュールの両端を蓋等で塞ぐ必要はない。しかも、蓄熱材充填空間と流体通路との間を確実に分離して、密封性をより高めることができる。

請求項２に係る発明では、流体通路を、各エレメント毎に連通するとともに蓄熱モジュールの上下方向の中心を基準とした渦巻き状空間としたので、プレス成型等により第１・第２のプレートに形成する凹凸を渦巻き状とし、第１・第２のプレートを重ね合わせてエレメントを構成し、複数のエレメントを積層して蓄熱モジュールを構成することで、蓄熱モジュールに渦巻き状の蓄熱材充填空間並びに流体通路を容易に設けることができる。しかも、渦巻き状であるから、蓄熱材充填空間と流体通路との間の伝熱面積を確保するのに、小型の蓄熱モジュールですむ。従って、蓄熱装置の小型化を図ることができる。

請求項３に係る発明では、蓄熱モジュールを複数個設け、これら複数個の蓄熱モジュールをセパレータ板を介して積層し、このセパレータ板に、隣接し合う蓄熱モジュールにおける各渦巻き状空間の、巻き始め端同士又は巻き終わり端同士を連通する連通孔を備えたものである。
従って、最初の蓄熱モジュールにおける各流体通路の巻き始め端に流体が導入された場合には、流体は、流体通路内を渦巻きに沿って径外方へ移動して、巻き終わり端に至り、セパレータ板の連通孔を介して、隣接する次の蓄熱モジュールにおける各流体通路に流れる。このようにして、複数個の蓄熱モジュールにおける各流体通路まで流れ、最後の蓄熱モジュールの巻き始め端又は巻き終わり端から導出される。
又は、１個の蓄熱モジュールにおける各流体通路の巻き終わり端に流体が導入された場合には、流体は逆方向へ流れて、最後の蓄熱モジュールの巻き始め端又は巻き終わり端から導出される。
このように、流体は渦巻き状の流体通路を通過しつつ、蓄熱材充填空間内の蓄熱材と熱エネルギーの交換を、効率良く行うことができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係る蓄熱装置の縦断面図、図２は図１の２−２線断面図、図３は本発明に係る蓄熱装置の分解図である。
図１〜図３に示すように、蓄熱装置１０は、偶数個（例えば２個）の蓄熱モジュール２０，２０をセパレータ板５０を介して上下に重ね合わせ、最下層の蓄熱モジュール２０の下面を底板６０で塞ぐとともに、最上層の蓄熱モジュール２０の上面を蓋板７０で塞いだ構成である。
以下、最下層の蓄熱モジュール２０のことを「下の蓄熱モジュール２０」と言い、最上層の蓄熱モジュール２０のことを「上の蓄熱モジュール２０」と言う。

上下２個の蓄熱モジュール２０，２０は互いに同一構成の部材であって、概ね角柱状又は円柱状を呈し、互いに同心ＣＬ上で積層することになる。このような蓄熱モジュール２０は、蓄熱材Ｓｈを充填する複数の蓄熱材充填空間２１・・・と、流体Ｆｕを通す複数の流体通路２２・・・とを、一体に備える。

さらに蓄熱装置１０は、上下の蓄熱モジュール２０，２０における一端、すなわち、底板６０側又は蓋板７０側に、流体通路２２・・・の導入口８４ｂ及び導出口８５ａを一体的に集合したコネクタ８０を備えたことを特徴とする。このように、コネクタ８０は、偶数個の蓄熱モジュール２０，２０の下部に、且つ、これらの蓄熱モジュール２０，２０の中心ＣＬ上に配置したものである。コネクタ８０の詳細については後述する。

蓄熱材Ｓｈは、液体から固体に相変化を伴う材料（潜熱蓄熱材）であり、具体的にはパラフィン系のもの、エリスリトール、キシリトール、ソルビトール等の糖アルコール系のもの、硝酸マグネシウム６水和物等の塩水和物等からなる。
流体Ｆｕは、蓄熱材Ｓｈと互いに熱交換し得る液体、すなわち熱交換流体（冷媒、熱媒）であって、例えばエンジン冷却用の冷却水である。流体Ｆｕには冷水や温水も含む。

ところで、上下の蓄熱モジュール２０，２０は、積層した複数のエレメント３０・・・からなる。これらのエレメント３０・・・について、以下に説明する。
図４は本発明に係るエレメントの斜視図、図５は本発明に係るエレメントにおける第１のプレートの平面図である。

図４及び図５に示すように、１個のエレメント３０は、互いに凹凸が面対称である第１のプレート３１Ａと第２のプレート３１Ｂとを重ね合わせることで、複数の凹部３２・・・同士並びに複数の凸部３３・・・同士を互いに向かい合わせて、上下の凸部３３・・・，３３・・・同士及び外周部分のフランジ３４，３４同士を接合した構成である。
第１・第２のプレート３１Ａ，３１Ｂは、平面視略正六角形の平板であり、蓄熱モジュール２０（図３参照）における上下方向の中心ＣＬ上に貫通した、１個の液通過孔３５を有している。このような第１・第２のプレート３１Ａ，３１Ｂは、例えばアルミニウム合金等の金属製板材のプレス成形品である。液通過孔３５は、蓄熱モジュール２０の液通過孔３５でもある。

図４においては、下側の第１のプレート３１Ａと上側の第２のプレート３１Ｂとを互いに向かい合わせにした状態を示す。
このように互いに向かい合わせにした第１・第２のプレート３１Ａ，３１Ｂを重ねて接合することで、１個のエレメント３０を得ることができる。

図６（ａ），（ｂ）は本発明に係るエレメントの構成図（その１）であり、図５の６−６線方向の断面構成を示す。
図６（ａ）は、上記図４と同様に、下側の第１のプレート３１Ａと上側の第２のプレート３１Ｂとを互いに向かい合わせにした状態を示す。
下側の第１のプレート３１Ａは、水平な上側の板面３１ａ（第２のプレート３１Ｂと対向する面３１ａ）から下方へ窪んだ凹部３２と、板面３１ａと面一である底３３ａを有する凸部３３と、板面３１ａと面一である外周部分のフランジ３４とを一体に形成した部材である。

凹部３２と凸部３３とは、第１のプレート３１Ａの径方向（図６の左右方向）に交互に配列したものであり、略直角四辺形状の断面を呈する。さらに凹部３２の底３２ａ及び凸部３３底３３ａは、第１のプレート３１Ａの板面３１ａに平行な平坦な面である。それぞれの凹部３２・・・の底３２ａ・・・には、上下貫通した（すなわち、板厚方向に貫通した）蓄熱材通過孔３６・・・を有する。蓄熱材通過孔３６は、蓄熱モジュール２０（図３参照）の蓄熱材通過孔３６でもある。

上述のように、上側の第２のプレート３１Ｂは、下側の第１のプレート３１Ａに対して面対称の部材であるから、第１のプレート３１Ａを逆向きに配置する他には全く同一の構成である。

第１のプレート３１Ａに第２のプレート３１Ｂを重ね合わせることで、複数の凹部３２・・・同士並びに複数の凸部３３・・・同士を互いに向かい合わせ、凸部３３，３３の底３３ａ，３３ａ同士を重ね合わせた構成を図６（ｂ）に示す。この状態においては、第１・第２のプレート３１Ａ，３１Ｂの外周部分のフランジ３４，３４同士も重ね合わせた状態になる。

この状態において、凸部３３，３３の底３３ａ，３３ａ同士及びフランジ３４，３４同士を接合することで、１個のエレメント３０を構成することができる。なお、接合としては溶接、ロウ付け、接着等がある。この結果、第１のプレート３１Ａの凹部３２と第２のプレート３１Ｂの凹部３２とで区切られた内部の空間部２１が形成される。この空間部２１のことを「第１の空間部２１」と言うことにする。

ところで、当然のことではあるが、図６（ｂ）に示すようにエレメント３０全体の外観形状を見たときには、第１・第２のプレート３１Ａ，３１Ｂの単品を見たときに対して、凹凸形状が反転する。すなわち、プレート３１Ａ，３１Ｂにおける凹部３２の裏側の部分４１は突出し、プレート３１Ａ，３１Ｂにおける凸部３３の裏側の部分４２は窪む。
凹部３２の裏側の部分４１は、エレメント３０における凸部４１であると、言うことができる（以下、「エレメントの凸部４１」と言う。）。また、凸部３３の裏側の部分４２は、エレメント３０における凹部４２であると、言うことができる（以下、「エレメントの凹部４２」と言う。）。

図７は本発明に係るエレメントの構成図（その２）であり、上記図６（ｂ）で得られたエレメント３０を２個積層した構成を示す。
この状態では、エレメントの凸部４１，４１同士並びにエレメントの凹部４２，４２同士が互いに向かい合わせになる。複数のエレメント３０，３０を積層し、エレメントの凸部４１，４１における底同士（すなわち、凹部３２，３２の底３２ａ，３２ａ同士）を接合することで、蓄熱モジュール２０を構成することができる。なお、接合としては溶接、ロウ付け、接着等がある。
この結果、下側のエレメントの凹部４２と上側のエレメントの凹部４２とで区切られた内部の空間部２２が形成される。この空間部２２のことを「第２の空間部２２」と言うことにする。

図６（ａ）に示すように、第１・第２のプレート３１Ａ，３１Ｂにおいて、凹部３２と凸部３３とが径方向に交互に配列されているので、図７に示す第１の空間部２１・・・と第２の空間部２２・・・とは、千鳥状に交互に配列することになる。また、第１の空間部２１と第２の空間部２２とは互いに区切られた構成なので、互いに非連通である。さらにまた、第１の空間部２１と第２の空間部２２との間の壁２３（通路間の壁２３）の厚みは、第１・第２のプレート３１Ａ，３１Ｂの１枚の板厚に相当するので、極めて薄い。

第１の空間部２１は、蓄熱モジュール２０における蓄熱材充填空間の役割を果たす。一方、第２の空間部２２は、蓄熱モジュール２０における流体通路の役割を果たす。
以下、説明に応じて適宜、第１の空間部２１のことを「蓄熱材充填空間２１」と言う。第２の空間部２２のことを「流体通路２２」と言う。流体通路２２は、蓄熱材充填空間２１に隣接し、蓄熱材充填空間２１よりも幅狭の空間である。
通路間の壁２３は、蓄熱材充填空間２１と流体通路２２との間で熱交換をする、伝熱板の役割をも果たす。

ここで、図４及び図５に戻り、第１・第２のプレート３１Ａ，３１Ｂの全体構成について説明する。図４及び図５に示すように、第１・第２のプレート３１Ａ，３１Ｂにおいて、それぞれ複数（例えば６個）の凹部３２・・・並びに凸部３３・・・は、中心ＣＬを基準として、液通過孔３５の周囲に図反時計回りの渦巻き状に形成したものである。

第１のプレート３１Ａにおいて、（１）凹部３２の巻き始め端は液通過孔３５の近傍に等ピッチで配列し、（２）渦巻き状の凹部３２の巻き終わり端は第１のプレート３１Ａの外周部分で各コーナに配列し、しかも、環状凹部３７によって互いに繋がっている。凹部３２の内方端から外方端までの渦巻き角度は略２１０°である。

さらに下側の第１のプレート３１Ａにおいて、（１）渦巻き状の凸部３３の巻き始め端３３ｂ、すなわち内方端３３ｂは液通過孔３５の近傍に等ピッチで配列し、（２）渦巻き状の凸部３３の巻き終わり端３３ｃ、すなわち外方端３３ｃは第１のプレート３１Ａの外周部分で各コーナに配列している。凸部３３の内方端３３ｂから外方端３３ｃまでの渦巻き角度は２４０°である。外方端３３ｃは、上下貫通した円形状の貫通孔である。

図４に示すように、第２のプレート３１Ｂを第１のプレート３１Ａとは反対側から（すなわち裏側から）見たときに、エレメントの凹部４２は液通過孔３５に連なっている。第１のプレート３１Ａについても同様である。
この結果、図４及び図７に示すように、エレメントの凹部４２，４２（凸部３３，３３の裏側）同士で形成された流体通路２２の内方端は、液通過孔３５に連なることになる。すなわち、流体通路２２の内方端は、凸部３３，３３の内方端３３ｂ，３３ｂの裏側同士で形成される。

以下、凸部３３の内方端３３ｂのことを流体通路２２の内方端３３ｂと言換えて説明する。同様に、凸部３３の外方端３３ｃのことを流体通路２２の外方端３３ｃと言換えて説明する。
以上の説明から明らかなように、流体通路２２・・・は、蓄熱モジュール２０の中心ＣＬを基準とした、多重の渦巻き状空間である。図６（ｂ）に示す、蓄熱材充填空間２１・・・についても同様である。

このように、複数の蓄熱材充填空間２１・・・及び複数の流体通路２２・・・は、蓄熱モジュール２０の中心ＣＬの周囲に、等ピッチで互いに１個ずつ交互に配列したものである。蓄熱材充填空間２１・・・及び流体通路２２・・・の渦巻き方向は、図４において全て左巻き（図反時計回りの巻き）である。
蓄熱材充填空間２１・・・及び流体通路２２・・・の渦巻き形状は、インボリュート曲線状である。インボリュート曲線であるから、どの巻き部分でも概ね同じ間隔の渦巻き形状にすることができる。

以上の説明から明らかな如く、図１及び図３に示すように上下２個の蓄熱モジュール２０，２０は、それぞれ複数（例えば１４個）のエレメント３０・・・を積層して接合することにより構成することができる。

次に、蓄熱装置１０における他の部材について、図１及び図３に基づき説明する。
底板６０は、下の蓄熱モジュール２０に外周の輪郭を合わせた平板であり、中心ＣＬに１個の流体出口６１を有する。流体出口６１は円形状の貫通孔である。

セパレータ板５０は、蓄熱モジュール２０に外周の輪郭を合わせた平板であり、中心ＣＬに開けた１個の第１中間連通孔５１と、外周近傍に開けた複数の第２中間連通孔５２・・・と、中間に開けた複数の第３中間連通孔５３・・・とを有する。

複数の第２中間連通孔５２・・・は、上下の蓄熱モジュール２０，２０における流体通路２２・・・，２２・・・の外方端３３ｃ・・・，３３ｃ・・・の位置に合わせて、中心ＣＬの周囲に等ピッチで貫通した貫通孔である。このような第２中間連通孔５２・・・は、上下隣接し合う蓄熱モジュール２０，２０間の流体通路２２・・・，２２・・・における、外方端３３ｃ・・・，３３ｃ・・・同士を連通させる役割を果たす（図２も参照）。

複数の第３中間連通孔５３・・・は、上下の蓄熱材充填空間２１・・・，２１・・・における各蓄熱材通過孔３６・・・の位置に合わせて貫通した、貫通孔である。このような第３中間連通孔５３・・・は、上下隣接し合う蓄熱モジュール２０，２０間の上下の蓄熱材充填空間２１・・・，２１・・・同士を連通させる役割を果たす。

図２及び図３に示すように、蓋板７０は、最上層の蓄熱モジュール２０に外周の輪郭を合わせた平板であり、複数の充填孔７１・・・を有する。
複数の充填孔７１・・・は、蓄熱モジュール２０における蓄熱材通過孔３６・・・の位置に合わせて貫通した、貫通孔である。１個の充填孔７１から全ての蓄熱材充填空間２１・・・に蓄熱材Ｓｈを充填した後に、各充填孔７１・・・をプラグ７２・・・で塞ぐことになる。

セパレータ板５０、底板６０及び蓋板７０は、アルミニウム合金等の金属品や樹脂成形品等からなる。
上下の蓄熱モジュール２０，２０、セパレータ板５０、底板６０及び蓋板７０の各合わせ面は、ロウ付け、溶接、接着等によって、互いにシールを施すとともに互いに一体的に組付けることができる。また、パッキンの封入によってシールを施してもよい。

図１及び図３に示すように、コネクタ８０は、Ｔ字状管８１と仕切板８２と連通管８３とからなる。なお、理解を容易にするために、図３ではＴ字状管８１を左右に切断して表した。
Ｔ字状管８１は、上下に長い直管部８４と、直管部８４の長手中間部から横向きに延びる分岐部８５とを、一体に形成したＴ字状のジョイントである。

直管部８４は大径のパイプからなり、最下層の蓄熱モジュール２０の一端に接続するための一方の開口８４ａにフランジ８６を有するとともに、他方の開口８４ｂを小径に形成したものである。
このように、直管部８４の一方の開口８４ａは、最下層の蓄熱モジュール２０の一端に接続するとともに、流体出口６１に連通するモジュール接続口（以下「モジュール接続口８４ａ」と言う。）である。モジュール接続口８４ａの内径は、蓄熱モジュール２０の液通過孔３５の径と概ね同じである。

底板６０にフランジ８６を重ねてボルト止めすることで、最下層の蓄熱モジュール２０の下面にコネクタ８０を取付けることができる。この結果、モジュール接続口８４ａは、流体出口６１に連通する。
直管部８４の他方の開口８４ｂは導入口（以下「導入口８４ｂ」と言う。）である。分岐部８５は、直管部８４から枝分かれした小径のパイプからなる。分岐部８５の開口８５ａは導出口（以下「導出口８５ａ」と言う。）である。

仕切板８２は、直管部８４の中に嵌合することで、直管部８４の長手途中を仕切る円盤である。直管部８４の中を仕切ることで、モジュール接続口８４ａ並びに導出口８５ａに対して導入口８４ｂを仕切ることができる。モジュール接続口８４ａに対して導出口８５ａは連通したままである。

この仕切板８２は、直管部８４の中で導入口８４ｂに連通する連通管８３を設けたものである。より具体的に述べると、連通管８３は、仕切板８２からモジュール接続口８４ａ側へ延びた、互いに平行な小径のパイプである。
連通管８３は、その一端部を導入口８４ｂに連通し、他端部をモジュール接続口８４ａよりも蓄熱モジュール２０側へ突出し、その突出端がセパレータ板５０の第１中間連通孔５１に嵌合することで、最上層の蓄熱モジュール２０の液通過孔３５に対して導入口８４ｂを連通している。

このようなコネクタ８０は、図１に示すように、導入口８４ｂ及び導出口８５ａを例えばエンジン９５の水冷ジャケットにホース９６，９７にて接続したものである。

次に、上記構成の蓄熱装置１０の作用について図１、図２、図８及び図９に基づき説明する。
図８は本発明に係る上の蓄熱モジュールの作用図であり、上の蓄熱モジュール２０を上から見た断面構成を示す。図９は本発明に係る下の蓄熱モジュールの作用図であり、下の蓄熱モジュール２０を上から見た断面構成を示す。

先ず、図１に示すように、エンジン９５を冷却した高温の流体Ｆｕは、（１）水冷ジャケットからホース９６を介して導入口８４ｂに入り、連通管８３を通って、上の蓄熱モジュール２０の液通過孔３５に流れる。
（２）さらに流体Ｆｕは、図２及び図８に示すように、上の蓄熱モジュール２０における全ての内方端３３ｂ・・・に入り、流体通路２２・・・内を渦巻きに沿って径外方へ移動し、外方端３３ｃ・・・へ流れる。
（３）さらに流体Ｆｕは、上の蓄熱モジュール２０における外方端３３ｃ・・・から、セパレータ板５０（図２参照）の第２中間連通孔５２・・・を通って、下の蓄熱モジュール２０における外方端３３ｃ・・・へ流れる。
（４）さらに流体Ｆｕは、図１及び図９に示すように、下の蓄熱モジュール２０における全ての流体通路２２・・・内を渦巻きに沿って径内方へ移動し、内方端３３ｂ・・・から液通過孔３５へ流れる。
（５）さらに流体Ｆｕは、液通過孔３５から流体出口６１及び導出口８５ａの経路を通り、導出口８５ａからホース９７を介してエンジン９５の水冷ジャケットに戻る。

このようにして、上下の蓄熱モジュール２０，２０において、複数の蓄熱材充填空間２１・・・，２１・・・に充填された蓄熱材Ｓｈと、第１・第２流体通路２２・・・，２２・・・を流れる流体Ｆｕとの間で、熱交換をすることができる。

なお、図１〜図９に示す蓄熱モジュール２０の数量は偶数であればよく、例えば図１０及び図１１に示すように４個にすることも可能である。
図１０は本発明に係る蓄熱装置（変形例）の縦断面図、図１１は図１０の１１−１１線断面図である。図１０及び図１１に示すように、変形例の蓄熱装置１００は、４個の蓄熱モジュール２０・・・（２０Ａ〜２０Ｄ）を３個のセパレータ板５０・・・（５０Ａ〜５０Ｃ）を介して上下に重ね合わせ、最下層の蓄熱モジュール２０Ａの下面を底板６０で塞ぐとともに、最上層の蓄熱モジュール２０Ｄの上面を蓋板７０で塞いだ構成である。

なお、上記構成の蓄熱装置１０と同様の構成については同一符号を付し、その説明を省略する。変形例の蓄熱装置１００における蓄熱モジュール２０・・・は、それぞれ７個のエレメント３０・・・を積層して接合することにより構成したものである。
以下、４個の蓄熱モジュール２０・・・のことを、下から上へ順に第１蓄熱モジュール２０Ａ、第２蓄熱モジュール２０Ｂ、第３蓄熱モジュール２０Ｃ、第４蓄熱モジュール２０Ｄと呼ぶことにする。
また、３個のセパレータ板５０・・・のことを、下から上へ順に第１セパレータ板５０Ａ、第２セパレータ板５０Ｂ、第３セパレータ板５０Ｃと呼ぶことにする。

変形例におけるコネクタ８０の連通管８３は、その一端部を導入口８４ｂに連通し、他端部をモジュール接続口８４ａよりも蓄熱モジュール２０・・・側へ突出し、その突出端が第３セパレータ板５０Ｃの第１中間連通孔５１に嵌合することで、最上層の第４蓄熱モジュール２０Ｄの液通過孔３５に対して導入口８４ｂを連通している。

ところで、各セパレータ板５０Ａ〜５０Ｃの構成は、上記図１〜図９に示すセパレータ板５０と基本的に同じである。
第１セパレータ板５０Ａは、第１中間連通孔５１に連通管８３を密封しつつ嵌合又はシール部材を介して嵌合することで、第１蓄熱モジュール２０Ａの液通過孔３５と第２蓄熱モジュール２０Ｂの液通過孔３５との間を密封するようにした構成である。
第２セパレータ板５０Ｂは、第１中間連通孔５１の径を連通管８３よりも大きくすることで、第２蓄熱モジュール２０Ｂの液通過孔３５と第３蓄熱モジュール２０Ｃの液通過孔３５との間を流体Ｆｕが通過可能にした構成である。さらに第２セパレータ板５０Ｂは、第１セパレータ板５０Ａのような第２中間連通孔５２・・・を有していない。
第３セパレータ板５０Ｃは、上記図１〜図９に示すセパレータ板５０と完全に同じ構成である。

次に、上記構成の変形例の蓄熱装置１００の作用を説明する。
図１０に示すエンジン９５を冷却した高温の流体Ｆｕは、水冷ジャケットからホース９６→導入口８４ｂ→連通管８３→第４蓄熱モジュール２０Ｄの液通過孔３５→図１１に示す第４蓄熱モジュール２０Ｄの外方端３３ｃ・・・→第３セパレータ板５０Ｃの第２中間連通孔５２・・・→第３蓄熱モジュール２０Ｃの外方端３３ｃ・・・→第３蓄熱モジュール２０Ｃの液通過孔３５→第２セパレータ板５０Ｂの第１中間連通孔５１→第２蓄熱モジュール２０Ｂの液通過孔３５→第２蓄熱モジュール２０Ｂの外方端３３ｃ・・・→第１セパレータ板５０Ａの第２中間連通孔５２・・・→第１蓄熱モジュール２０Ａの外方端３３ｃ・・・→第１蓄熱モジュール２０Ａの液通過孔３５→底板６０の流体出口６１→図１０に示す導出口８５ａ→ホース９７の経路を流れて、エンジン９５の水冷ジャケットに戻る。

このようにして、蓄熱モジュール２０Ａ〜２０Ｄにおいて、各蓄熱材充填空間２１・・・に充填された蓄熱材Ｓｈと、各流体通路２２・・・を流れる流体Ｆｕとの間で、熱交換をすることができる。

ここで、以上の構成・作用をまとめる。
上記実施例及び変形例によれば、図４に示すように、互いに凹凸が面対称である第１のプレート３１Ａと第２のプレート３１Ｂとを重ね合わせるとともに、凹部３２同士並びに凸部３３同士を互いに向かい合わせて接合することで、エレメント３０を構成することができる。複数のエレメント３０・・・を積層した構成は、蓄熱モジュール２０（図１参照）となる。

図６に示す第１・第２のプレート３１Ａ，３１Ｂの凹部３２，３２同士を合わせることで、第１の空間部２１が構成される。また、積層された各エレメント３０，３０間における凹部４２，４２同士並びに凸部４１，４１同士を互いに向かい合わせて接合し、図７に示す各エレメント３０，３０間における凹部４２，４２同士を合わせることで、第２の空間部２２が構成される。第１の空間部２１と第２の空間部２２とは千鳥状に交互に配列し、互いに非連通である。第１の空間部２１又は第２の空間部２２を蓄熱材充填空間とし、第２の空間部２２又は第１の空間部２１を流体通路とすることができる。

例えば、プレス成型によって第１・第２のプレート３１Ａ，３１Ｂに凹凸を形成し、これら第１・第２のプレート３１Ａ，３１Ｂを重ね合わせてエレメント３０を生産することができる。このように、凹凸を有する第１・第２のプレート３１Ａ，３１Ｂによって構成された、複数のエレメント３０・・・を積層することで、容易に蓄熱モジュール２０（図１参照）を構成することができる。

しかも、単にプレート（板材）に凹凸を形成するのであるから、低コストで容易に、流体通路２２の通路幅を狭くできる。また、蓄熱材充填空間２１と流体通路２２との間の壁２３（通路間の壁２３）の厚みは、第１・第２のプレート３１Ａ，３１Ｂの１枚の板厚に相当するので、極めて薄い。通路幅を狭くでき且つ通路間の壁２３を薄くできるので、蓄熱材充填空間２１・・・に充填された蓄熱材Ｓｈ（図１参照）と、流体通路２２・・・を流れる流体Ｆｕ（図１参照）との間で、熱エネルギーの交換をする熱交換効率を一層高めることができる。また、通路間の壁２３を薄くできるので、蓄熱装置１０（図１参照）の小型化及び軽量化を図ることができる。

さらには、通路間の壁２３はプレート１枚だけであるから、均一な厚みである。この結果、蓄熱材充填空間２１に充填された蓄熱材Ｓｈと、流体通路２２を流れる流体Ｆｕとの間で、熱エネルギーの交換を均一に行うことができるので、熱交換効率をより一層高めることができる。

さらには、第１・第２のプレート３１Ａ，３１Ｂの凹部３２・・・同士を合わせることで、第１の空間部２１を構成するとともに、積層された各エレメント３０・・・間における凹部４２・・・同士を合わせることで、第２の空間部２２・・・を構成し、これらの互いに非連通である第１・第２空間部２１・・・，２２・・・によって、蓄熱材充填空間２１・・・及び流体通路２２・・・を構成したので、蓄熱材充填空間２１・・・及び流体通路２２・・・を密封するために、蓄熱モジュール２０の両端を蓋等で塞ぐ必要はない。しかも、蓄熱材充填空間２１・・・と流体通路２２・・・との間を確実に分離して、密封性をより高めることができる。

さらには、図２及び図３に示すように、偶数個の蓄熱モジュール２０・・・をセパレータ板５０・・・を介して同心ＣＬ上に積層し、各エレメント３０・・・毎に連通された流体通路２２・・・を、蓄熱モジュール２０の上下方向の中心ＣＬを基準とした渦巻き状の空間に形成し、この渦巻き状空間の巻き始め端及び巻き終わり端を、互いに隣接したエレメント３０，３０同士でそれぞれ連通することによって、各蓄熱モジュール２０・・・毎に連通させ、セパレータ板５０・・・には、隣接し合う蓄熱モジュール２０・・・における各渦巻き状空間の、巻き始め端同士又は巻き終わり端同士を連通する第２中間連通孔（連通孔）５２・・・を備え、最上層又は最下層の蓄熱モジュール２０における各渦巻き状空間の巻き始め端を、導入口８４ｂに連通させ、また、最下層又は最上層の蓄熱モジュール２０における各渦巻き状空間の巻き終わり端を、導出口８５ａに連通させたものである。

このため、図４に示すようにプレス成型等で第１・第２のプレート３１Ａ，３１Ｂに形成する凹凸を渦巻き状とし、第１・第２のプレート３１Ａ，３１Ｂを重ね合わせてエレメント３０を構成し、さらに図２及び図３に示すように、複数のエレメント３０・・・を積層して蓄熱モジュール２０を構成することで、蓄熱モジュール２０に渦巻き状の蓄熱材充填空間２１・・・並びに流体通路２２・・・を容易に設けることができる。しかも、渦巻き状であるから、各蓄熱材充填空間２１・・・と各流体通路２２・・・との間の伝熱面積を確保するのに、小型の蓄熱モジュール２０ですむ。従って、蓄熱装置１０の小型化を図ることができる。

図１及び図２に示すように、導入口８４ｂから導入された流体Ｆｕは、最上層又は最下層の蓄熱モジュール２０における各流体通路２２・・・の巻き始め端に流れ、流体通路２２内を渦巻きに沿って径外方に移動して、巻き終わり端に至り、セパレータ板５０の連通孔５２・・・を介して隣接する次の蓄熱モジュール２０における各流体通路２２・・・に流れる。このようにして、最下層又は最上層の蓄熱モジュール２０における各流体通路２２・・・まで流れ、その渦巻き状空間の巻き始め端を経て導出口８５ａから外部に導出される。そして、流体Ｆｕは流体通路２２・・・を通過しつつ、蓄熱材充填空間２１・・・内の蓄熱材Ｓｈと熱エネルギーの交換を、効率良く行うことができる。
以上の作用、効果については、変形例の蓄熱装置１００についても同様である。

なお、本発明は実施の形態では、蓄熱装置１０，１００を配置する向きは任意である。蓄熱装置１０，１００の用途や他の装置とのレイアウト等に合わせて、上下左右自由である。すなわち、蓄熱装置１０，１００は偶数の蓄熱モジュール２０，２０を上下に積層した構成に限定されるものではなく、例えば、横に積層した構成であってもよい。
また、蓄熱装置１０，１００は、第１の空間部２１又は第２の空間部２２を蓄熱材充填空間とし、第２の空間部２２又は第１の空間部２１を流体通路とした構成であればよい。
また、蓄熱モジュール２０，２０は樹脂成形品としてもよい。

また、互いに重ね合わせた第１・第２のプレート３１Ａ，３１Ｂの周囲を接合し、その後に第１・第２のプレート３１Ａ，３１Ｂをブロー成形用金型にセットし、第１・第２のプレート３１Ａ，３１Ｂ間に高圧空気を吹き込む、いわゆるブロー成形をすることによって、エレメント３０を生産することができる。

本発明の蓄熱装置１０，１００は、蓄熱材Ｓｈと熱交換流体Ｆｕとの間で熱エネルギーの交換をする形式の装置であるから、エンジン９５の廃熱を回収するとともに、この回収された廃熱を利用してエンジン９５の始動時のウォームアップに使用する装置に好適である。

本発明に係る蓄熱装置の縦断面図である。 図１の２−２線断面図である。 本発明に係る蓄熱装置の分解図である。 本発明に係るエレメントの斜視図である。 本発明に係るエレメントにおける第１のプレートの平面図である。 本発明に係るエレメントの構成図（その１）である。 本発明に係るエレメントの構成図（その２）である。 本発明に係る上の蓄熱モジュールの作用図である。 本発明に係る下の蓄熱モジュールの作用図である。 本発明に係る蓄熱装置（変形例）の縦断面図である。 図１０の１１−１１線断面図である。 従来の蓄熱装置の概要図である。

符号の説明

１０，１００…蓄熱装置、２０，２０Ａ〜２０Ｄ…蓄熱モジュール、２１…蓄熱材充填空間（第１の空間部）、２２…流体通路（第２の空間部）、３０…エレメント、３１Ａ…第１のプレート、３１Ｂ…第２のプレート、３２…凹部、３３…凸部、３３ｂ…渦巻き状空間の巻き始め端、３３ｃ…渦巻き状空間の巻き終わり端、４１…エレメントの凸部、４２…エレメントの凹部、５０，５０Ａ〜５０Ｃ…セパレータ板、５２…連通孔、８４ｂ…導入口、８５ａ…導出口、Ｆｕ…流体、Ｓｈ…蓄熱材。

Claims (3)

1. 蓄熱材を充填する蓄熱材充填空間とこの蓄熱材充填空間に隣接して流体を通す流体通路とを設けた蓄熱モジュールを備え、蓄熱材と流体との間で熱エネルギーを交換する蓄熱装置において、
   前記蓄熱モジュールは、積層した複数のエレメントからなり、
   これらの各エレメントは、互いに凹凸が面対称である第１のプレートと第２のプレートとを重ね合わせることで、凹部同士並びに凸部同士を互いに向かい合わせて接合した構成であり、
   前記第１・第２プレートの凹部同士を合わせることで第１の空間部を構成し、
   積層された各エレメント間における凹部同士並びに凸部同士を互いに向かい合わせて接合し、各エレメント間における凹部同士を合わせることで第２の空間部を構成し、
   前記第１の空間部に対して前記第２の空間部を非連通とし、
   前記第１の空間部又は前記第２の空間部を前記蓄熱材充填空間とし、
   前記第２の空間部又は前記第１の空間部を前記流体通路としたことを特徴とする蓄熱装置。
2. 前記流体通路は、前記各エレメント毎に連通するとともに前記蓄熱モジュールの上下方向の中心を基準とした渦巻き状空間であることを特徴とした請求項１記載の蓄熱装置。
3. 前記蓄熱モジュールは複数個であり、これら複数個の蓄熱モジュールをセパレータ板を介して積層し、
   このセパレータ板は、前記隣接し合う蓄熱モジュールにおける各渦巻き状空間の、巻き始め端同士又は巻き終わり端同士を連通する連通孔を備えたことを特徴とする請求項２記載の蓄熱装置。
   

Images