JP4726770B2 - 蓄熱装置 - Google Patents
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Description
この蓄熱装置は、蓄熱材に流体からの熱が十分に蓄えられ、蓄熱材が流体と同じ温度になると、その後は蓄熱材に有効に蓄熱されない。
蓄熱材に熱が十分に蓄えられた状態で、蓄熱装置の内部、すなわち蓄熱材に流体を導くことは無駄な流路抵抗になり、圧力損失を生じる虞がある。
特許文献1の蓄熱装置は、蓄熱材の体積変化を利用したもので、蓄熱材の体積変化に応じてスライダを移動させて流体の流れを切り替えるように構成されている。
蓄熱材をスライダ側の空間に逃がすことで蓄熱材の体積変化を吸収するとともに、蓄熱材の体積変化に応じてスライダを移動する。
流体を蓄熱材に導かないようにすることで、流体の流路抵抗、すなわち圧力損失を抑えることができる。
このため、スライダと本体との隙間を密閉して、蓄熱材の漏れを防止する必要があり、構成が複雑になっていた。
小径の連通孔に蓄熱材が付着すると、蓄熱材を流してスライダを円滑に移動させることは難しい。
このため、圧力損失を抑えるように流体の流れを円滑に切り替えることができない虞がある。
この流体切替弁を充填容器の弾性変形に対応させて移動することが可能になり、切替弁を熱交換流路に流体を導く位置、または熱交換流路から流体を迂回(バイパス)させる位置に配置することができる。
この蓄熱材は、熱が蓄えられて融点を超えると固体から液体に相変化して体積が増加し、蓄えた熱を放散(放熱)すると液体から固体に相変化して体積が減少する。
この性質を利用することで、流体が熱交換流路に流入する状態と、流入しない状態とに自動的に切り替えることができる。
この弾性変形に対応させて流体切替弁を、熱交換流路から流体を迂回させる位置に配置することができる。
これにより、蓄熱材に熱が蓄えられた状態において、熱交換流路に流体を導かないようにでき、流体の流路抵抗、すなわち圧力損失を抑えることができる。
この弾性変形に対応させて流体切替弁を、熱交換流路に流体を導く位置に配置することができる。
これにより、蓄熱材から熱が放散された状態において、熱交換流路に流体が導かれ、流体の熱を蓄熱材に蓄えることができる。
よって、移動体や流体切替弁を充填容器に設けた状態において、充填容器で蓄熱材を密封状態に保つことができる。
これにより、蓄熱材の漏れを防ぐ部材を新たに用意する必要がないので、構成の簡素化を図ることができる。
図1は本発明に係る蓄熱装置をエンジン冷却系に設けた状態を示す概略図である。
エンジン冷却系10は、エンジン11の水冷ジャケット12、ウォータポンプ13、ラジエータ14、およびヒータ15のコア(ヒータコア)16が第1、第2の冷却水循環路17,18に連通され、第1冷却水循環路17の途中に蓄熱装置20が設けられている。
第2冷却水循環路18にバイパス流路21が設けられ、バイパス流路21および第2冷却水循環路18の分岐部にサーモスタット22が設けられている。
第2冷却水循環路18において、流体19の温度が、予め設定された所定温度に上昇するまで、流体19はラジエータ14を迂回してバイパス流路21を流れる。
蓄熱装置20に蓄えた熱を、エンジン11の始動時に利用することで、エンジン11の一層円滑な起動や、ヒータ15の一層円滑な作動が可能になる。
よって、第2冷却水循環路18において、流体19がラジエータ14に導かれる。
蓄熱装置20に熱が十分に蓄えられたとき、蓄熱装置20の流体切替弁27(図2参照)が作動して、蓄熱装置20を迂回して流体19が循環するようにする。
以下、図2〜図8に基づいて、蓄熱装置20の構成について説明する。
蓄熱装置20は、熱交換用の蓄熱モジュール(充填容器)25と、蓄熱モジュール25に設けられた移動体26と、移動体26に設けられた流体切替弁27と、蓄熱モジュール25を収納する容器28と、容器28の下部開口28aを塞ぐ蓋部材31と、蓋部材31の外側に設けられ、流体切替弁27を収容するコネクタ32とを備える。
すなわち、蓄熱装置20は、蓄熱モジュール25が複数のプレート36で形成されたプレート式蓄熱ユニットである。
複数のプレート接合体35…を接合する手段としては、溶接、ろう付け、接着などがある。
流体開口部29は、蓄熱モジュール25の中央に形成された開口部である。
支えプレート41は、円盤状の板材で、外形がプレート接合体35より一回り小さい円形に形成され、中央に中央開口43が形成されている。
この中央供給流路42は、蓄熱モジュール25の流体開口部29に差し込まれている。
中央供給流路42の下端部には流体切替弁27が一体に形成されている。
流体切替弁27については図6〜図8で詳しく説明する。
容器28を蓄熱モジュール25に被せ、容器28の下部開口28aを蓋部材31で塞ぐことで、容器28内に蓄熱モジュール25を同軸上に収納する。
蓋部材31の外側にコネクタ32が設けられている。
コネクタ32については図6〜図8で詳しく説明する。
プレート接合体35は、一対のプレート36を表裏反転させた状態で接合されている。
以下、構成の理解を容易にするために、上側のプレート36を、表裏反転したプレート36A、下側のプレート36を、表裏反転しないプレート36Bとして説明する。
プレート36Aは、外周に形成された外周フランジ52と、中央流路口51の周縁(以下、「内周」という)に形成された内周フランジ53と、外周フランジ52および内周フランジ53間に形成された合わせ部54と、合わせ部54の外周および外周フランジ52を連結する外周壁55と、合わせ部54の内周および内周フランジ53を連結する内周壁56とを有する。
外周壁55は、複数の外周壁段部61…(図5参照)を有することで、伸縮可能な蛇腹状に形成されている。外周壁55を伸縮可能な蛇腹状に形成することで、弾性変形可能とすることができる。
よって、外周壁55および内周壁56を、簡単な構成で弾性変形可能に形成することができる。
外周壁55および内周壁56の弾性変形については図5で詳しく説明する。
これにより、プレート36Aは、合わせ部54、外周壁55、および内周壁56で充填用凹部64(図5参照)が形成される。
熱交換用凹部66…は、熱交換流路65…(図4参照)の一部を構成するために、内周フランジ53側から外周フランジ52に向けて略120°の角度で渦巻き状に形成された溝である。
なお、プレート36Bは、プレート36Aと同一部材なので同じ符号を付して説明を省略する。
蓄熱材充填空間63には、蓄熱材68が充填(封入)されている。
外周フランジ52,52同士や、内周フランジ53,53同士を接合する手段としては、溶接、ろう付け、接着などがある。
蓄熱装置20は、複数個のプレート接合体35…を同軸上に接合することで蓄熱モジュール25が形成されている。
ここで、複数個のプレート接合体35…の接合を、最上位のプレート接合体35と、最上位から2番目のプレート接合体35との接合を例に説明する。
最上位のプレート接合体35のうち下側のプレート36Bを、最上位から2番目のプレート接合体35のうち上側のプレート36Aに臨ませる。
最上位のプレート接合体35および最上位から2番目のプレート接合体35が一体に接合される。
蓄熱モジュール25は、複数の蓄熱材充填空間63を備え、複数の蓄熱材充填空間63にそれぞれ蓄熱材68が充填されている。
例えば、蓄熱材68として、水、パラフィン系のもの、酢酸ナトリウム三水塩などの塩水和物、エリスリトールなどの糖アルコール系のものが挙げられる。
本実施の形態においては、蓄熱材68として、熱が蓄えられて融点を超えると固体から液体に相変化して体積が増加し、蓄えた熱を放散すると液体から固体に相変化して体積が減少するものを例示するが、体積の増減が逆のものを使用することも可能である。
蓋部材31で容器28の下部開口28aが塞がれている。
蓋部材31の中央に中央開口31a(図2も参照)が形成されている。
コネクタ32は、蓋部材31に取付ブロック71を介して取り付けられるフランジ部72と、フランジ部72から下方に延びた筒状のコネクタ本体73と、コネクタ本体73の周壁から右側に延出された導入連結管74と、コネクタ本体73の周壁から左側に延出された導出連結管75とを有する。
収容空間77は導入連結管74に連通されるとともに、導出連結管75に連通されている。
導入連結管74および導出連結管75は、図1に示す第1冷却水循環路17に接続される。これにより、導入連結管74および導出連結管75は、第1冷却水循環路17を介してエンジン11の水冷ジャケット12(図1参照)に連結される。
支えプレート41には中央に中央開口43が形成され、中央開口43の周縁から中央供給流路42が下方に延びている。
この中央供給流路42は、上端部42bが支えプレート41の中央開口43を経て上部流体導入路83に連通され、下端部42cに流体切替弁27が一体に形成されている。
流体切替弁27を流体導入位置P1と流体迂回位置P2間で昇降自在に構成した理由は図8で詳しく説明する。
すなわち、合わせ部54,54を接合して、下側のプレート36Bの合わせ部54に形成された熱交換用凹部66…(図3参照)を上側のプレート36Aの合わせ部54で塞ぐことにより、熱交換流路65…が形成される。
さらに、蓄熱モジュール25の下部25b(すなわち、合わせ部54)に蓋部材31を接合することで、合わせ部54に形成された熱交換用凹部66…(図3参照)を蓋部材31で塞ぐことにより、熱交換流路65…が形成される。
熱交換流路65…は、内周側の端部が流体排出流路81に連通されるとともに、外周側の端部が外側流体導入路84に連通されている。
外側流体導入路84は、蓄熱モジュール25の外周25cと容器28の周壁45とで形成される流路である。
この外側流体導入路84は、上部流体導入路83に連通されている。
流体19は、蓄熱材68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)である。例えば、流体19として、エンジン冷却用の冷却水が用いられ、その他冷水や温水も用いられる。
(a)および(b)に示すように、プレート接合体35は、外周壁55、55が複数の外周壁段部61…,61…でそれぞれ形成され、内周壁56、56が複数の内周壁段部62…,62…でそれぞれ形成されている。
蓄熱材68が固体に相変化することで、蓄熱材68の体積が減少する。
よって、プレート接合体35は、外周壁55、55の外周壁段部61…,61…や内周壁56、56の内周壁段部62…,62…が弾性変形しない状態に保たれる。
この状態において、プレート36A,36Bの高さ寸法が、それぞれH1に保たれ、プレート接合体35の高さ寸法が2×H1に保たれる。
蓄熱材68が液体に相変化することで、蓄熱材68の体積が増加する。蓄熱材68の体積が増加することで、蓄熱材68でプレート36A,36Bの合わせ部54,54を矢印の如く押圧する。
この状態において、プレート36A,36Bの高さ寸法が、それぞれH2に保たれ、プレート接合体35の高さ寸法が2×H2に保たれる。
プレート接合体35の高さ寸法を変化させることで、図4に示す蓄熱モジュール25の高さ寸法を変化させることができる。
よって、蓄熱モジュール25の上部25aに支えプレート41を設けることで、中央供給流路42を介して流体切替弁27を収容空間77において昇降させることができる。
コネクタ32のコネクタ本体73内に収容空間77が形成されている。この収容空間77に流体切替弁27が昇降自在に収容される。
収容空間77には、導入連結管74および導出連結管75が連通されている。
弁本体91は、外壁91aがコネクタ本体73の内壁73bに非接触状態で、かつ、外壁91aおよび内壁73b間の隙間に流体19(図4参照)が侵入しないように形成されている。
(a)は、流体切替弁27が流体導入位置P1に配置された状態を示す。
蓄熱材68から熱が放散され、蓄熱材68が固体となり体積が減少する。よって、蓄熱モジュール25の高さ寸法が小さくなり、支えプレート41が下降して流体切替弁27が流体導入位置P1に配置される。
流体導入位置P1は、熱交換流路65…に流体19を導く位置である。
導入連結管74が、ガイド開口93の上半分およびガイド流路92を経て中央供給流路42に連通する。
導出連結管75が、ガイド凹部94の上半分を経て流体排出流路81に連通する。
蓄熱材68に熱が十分蓄えられ、蓄熱材68が液体となり体積が増加する。よって、蓄熱モジュール25の高さ寸法が大きくなり、支えプレート41が上昇して流体切替弁27が流体迂回位置P2に配置される。
流体迂回位置P2は、熱交換流路65…に対して流体19を迂回(バイパス)させる位置である。
収容空間77のうち、導入連結管74および導出連結管75の上方を流体切替弁27で塞ぐ。
導入連結管74が収容空間77を経て導出連結管75に連通する。
蓄熱材68から熱の一部が放散され、蓄熱材68の体積が(b)の状態と比較して減少する。よって、蓄熱モジュール25の高さ寸法が(b)の状態より小さくなり、支えプレート41が下降して流体切替弁27が中間位置P3に配置される。
導入連結管74の上半分が、ガイド開口93の下部およびガイド流路92を経て中央供給流路42に連通する。
導出連結管75の上半分が、ガイド凹部94の下部を経て流体排出流路81に連通する。
さらに、導入連結管74の下半分が収容空間77を経て導出連結管75の下半分に連通する。
この蓄熱モジュール25の弾性変形を利用して流体切替弁27を移動可能とすることで、図4に示すように、移動体26や流体切替弁27を蓄熱モジュール25の外部に設けることができる。
これにより、蓄熱材68の漏れを防ぐ部材を新たに用意する必要がないので、構成の簡素化を図ることができる。
このように、蓄熱モジュール25の流体開口部29を利用することで、移動体26や流体切替弁27を簡単な構成とすることができる。
加えて、図4に示すように、蓄熱モジュール25の上部25a(すなわち、合わせ部54)に支えプレート41を接合することで、合わせ部54に形成された熱交換用凹部66…(図3参照)を支えプレート41で塞ぐことができる。
このように、支えプレート41を、熱交換流路65…を形成する部材と兼用することで、部品点数を抑えて構成の簡素化をさらに図ることができる。
まず、蓄熱装置20の蓄熱材68に熱を蓄える例を図9に基づいて説明する。
図9は本発明に係る蓄熱装置に熱を蓄える例を説明する図である。
蓄熱モジュール25内の蓄熱材68から熱が放散されることで、蓄熱材68に熱エネルギーが蓄えられていない状態になる。
蓄熱材68の体積が減少した状態に保たれることで、プレート接合体35の高さ寸法が2×H1と小さくなり、蓄熱モジュール25の高さ寸法がH3と小さくなる。
導入連結管74が、ガイド開口93の上半分およびガイド流路92を経て中央供給流路42に連通する。
導出連結管75が、ガイド凹部94の上半分を経て流体排出流路81に連通する。
流体19が第1冷却水循環路17を循環することで、第1冷却水循環路17から導入連結管74まで導かれる。導入連結管74まで導かれた流体19は、ガイド開口93およびガイド流路92を経て矢印Bの如く中央供給流路42に導かれる。
外側流体導入路84の流体19は、矢印Eの如く流れて熱交換流路65…に導かれる。熱交換流路65…の流体19が矢印Fの如く流れることで、流体19と蓄熱材68との間で熱エネルギーの交換がおこなわれる。すなわち、流体19の熱が蓄熱材68に蓄えられる。
流体排出流路81の流体19は、矢印Gの如く流れてガイド凹部94に導かれる。ガイド凹部94の流体19は、導出連結管75を経て矢印Hの如く第1冷却水循環路17に導かれる。
第1冷却水循環路17に導かれた流体19は、第1冷却水循環路17を経てエンジン11の水冷ジャケット12内に戻る。
流体19の熱を蓄熱材68に十分に蓄えることで、蓄熱材68が液体となり体積が増加する。
つぎに、蓄熱装置20の蓄熱材68に熱が十分に蓄えられた例を図10に基づいて説明する。
蓄熱モジュール25内の蓄熱材68に熱エネルギーが十分に蓄えられた状態において、蓄熱材68が液体に相変化して体積が増加する。
蓄熱材68の体積が増加することで、プレート接合体35の外周壁段部61…および内周壁段部62…を弾性変形させて、プレート接合体35の高さ寸法が2×H2と大きくなる。よって、蓄熱モジュール25の高さ寸法がH4と大きくなる。
流体切替弁27が導入連結管74および導出連結管75の上方に位置して、収容空間77のうち、導入連結管74および導出連結管75の上方を流体切替弁27で塞ぐ。
導入連結管74が収容空間77を経て導出連結管75に連通する。
流体19が第1冷却水循環路17から導入連結管74まで導かれる。導入連結管74まで導かれた流体19は、収容空間77を経て矢印Iの如く導出連結管75に導かれる。
導出連結管75の流体19は、第1冷却水循環路17に導かれる。第1冷却水循環路17に導かれた流体19は、第1冷却水循環路17を経てエンジン11の水冷ジャケット12内に戻る。
これにより、蓄熱材68に熱が十分に蓄えられた状態において、熱交換流路65…に流体19を導かないようにできる。
流体19を蓄熱材68に導かないようにすることで、流体19の流路抵抗、すなわち圧力損失を抑えることができる。
つぎに、エンジン11の始動時に、蓄熱材68に蓄えた熱を利用する例を図11に基づいて説明する。
エンジン11を止めてウォータポンプ13を停止することで、流体(冷却水)19の循環が停止する。
蓄熱装置20の蓄熱材68から熱の一部が放散され、蓄熱材68の体積が図10の状態と比較して減少する。
支えプレート41が下降して流体切替弁27が、流体導入位置P1(図9参照)と流体迂回位置P2(図10参照)との中間位置P3に配置される。
なお、この状態において、蓄熱材68には十分な熱エネルギーが蓄えられている。
導出連結管75の上半分が、ガイド凹部94の下部を経て流体排出流路81に連通する。
さらに、導入連結管74の下半分が収容空間77を経て導出連結管75の下半分に連通する。
流体19が第1冷却水循環路17を循環することで、第1冷却水循環路17から導入連結管74まで導かれる。
外側流体導入路84の流体19は、矢印Mの如く流れて熱交換流路65…に導かれる。熱交換流路65…の流体19が矢印Nの如く流れることで、流体19と蓄熱材68との間で熱エネルギーの交換がおこなわれる。すなわち、蓄熱材68の熱が放散され、放散された熱で流体19が温められる。
流体排出流路81の流体19は、矢印Oの如く流れてガイド凹部94に導かれる。ガイド凹部94の流体19は、導出連結管75を経て矢印Pの如く第1冷却水循環路17に導かれる。
このように、蓄熱装置20を設けることで、エンジン11の廃熱を蓄熱材68に蓄え(回収し)、回収した熱をエンジン11の始動時に利用することができる。
例えば、外周壁55および内周壁56を断面略U字状や断面略V字状に形成し、それぞれの周壁55,56を外部に突出させたり、内部に凹ませたりすることで弾性変形可能としてもよい。
外周壁55および内周壁56を断面略U字状や断面略V字状に形成した場合でも、外周壁55および内周壁56を、簡単な構成で弾性変形可能に形成することができる。
Claims (1)
- 蓄熱材を充填する蓄熱材充填空間を備えるとともに、前記蓄熱材充填空間に隣接させて流体を導く熱交換流路を備え、前記熱交換流路に前記流体を導くことで前記蓄熱材と前記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、
前記蓄熱材充填空間を形成し、前記蓄熱材の体積変化に対応して弾性変形可能な充填容器と、
前記充填容器に設けられ、前記充填容器の弾性変形に対応して移動する移動体と、
前記移動体に設けられるとともに、前記熱交換流路の上流側に設けられた流体切替弁とを有し、
前記移動体は、前記充填容器の上部に位置する支えプレートと、この支えプレートから下方に延び、蓄熱材の流体開口部に差し込まれた中央供給流路とを備え、
前記流体切替弁は、前記中央供給流路の下端部に設けられており、前記移動体の移動に伴ってこの流体切替弁が切替可能であり、
前記切替弁は、前記熱交換流路に前記流体を導く位置、または前記熱交換流路に対して前記流体を迂回させる位置に切り替え可能な切替弁である、
ことを特徴とする蓄熱装置。
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WO2014160231A1 (en) * | 2013-03-14 | 2014-10-02 | Enerdel, Inc. | Battery system with compliant heatsink assembly |
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