JP5857208B2 - 蓄熱ユニット及びそれを用いた蓄熱モジュール - Google Patents

Description

本開示は、蓄熱ユニット及びそれを用いた蓄熱モジュールに関する。

従来、水化の多いゲル相と、水化の少ない結晶相との間を潜熱の発生、吸収を伴って可逆的に相転移する塩水和物からなる蓄熱媒体と、蓄熱媒体に混合された金属伝熱材とを含む蓄熱材を用いる蓄熱装置があった（例えば、特許文献１を参照）。

特開平０７−３３１２３３号公報

本開示の一態様は、放熱性能を向上させることが可能な、蓄熱ユニット及びそれを用いた蓄熱モジュールを提供する。

本開示の一態様に係る蓄熱ユニットは、上流から下流に向かって流れる熱媒体に浸される蓄熱ユニットであって、液相と固相との間を潜熱の発生又は吸収を伴って可逆的に相転移する蓄熱材と、蓄熱材と接するように配置され、蓄熱材と接する接触面の蓄熱材に対する濡れ性は、熱媒体の下流側の方が上流側よりも高く、蓄熱材よりも熱伝導率が高い熱伝導材とを備える。

本開示の一態様によれば、放熱性能を向上させることができる。

図１は、第１の実施形態に係る蓄熱ユニットを示す斜視図である。 図２は、比較例に係る蓄熱ユニットの過冷却の蓄熱材に生じる生成核を示す模式的な平面図である。 図３は、第１の実施形態に係る蓄熱ユニットの過冷却の蓄熱材に生じる生成核を示す模式的な平面図である。 図４（ａ）は、第１の実施形態に係る蓄熱ユニットと熱媒体の流れとの関係を示す模式的な斜視図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示される熱伝導材の側面図、及び熱伝導材の濡れ角と厚さ方向の位置との関係を示す図である。 図５（ａ）は、第１の実施形態に係る蓄熱ユニットと熱媒体の流れとの関係を示す模式的な斜視図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示される熱伝導材の側面図、及び熱伝導材の濡れ角と熱媒体の流れる方向の位置との関係を示す図である。 図６（ａ）は、第１の実施形態に係る蓄熱ユニットと熱媒体の流れとの関係を示す模式的な斜視図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示される熱伝導材の側面図、熱媒体の流れる方向と任意の方向とが成す角度φを示す図、及び熱伝導材の濡れ角と角度φとの関係を示す図である。 図７は、熱伝導材の接触面付近における蓄熱材の固相の生成核の生成頻度と、熱伝導材の濡れ角との関係を示す図である。 図８は、第１の実施形態に係る蓄熱ユニットの他の形態を示す斜視図である。 図９は、第２の実施形態に係る蓄熱ユニットを示す斜視図である。 図１０は、第２の実施形態の一変形例に係る蓄熱ユニットを示す斜視図である。 図１１は、第３の実施形態に係る蓄熱ユニットを示す斜視図である。 図１２（ａ）は、第３の実施形態に係る蓄熱ユニットを構成するサブユニットを示す斜視図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＸＩＩｂ−ＸＩＩｂ線における断面図である。図１２（ｃ）は、図１２（ａ）のＸＩＩｃ−ＸＩＩｃ線における断面図である。 図１３は、第４の実施形態に係る蓄熱モジュールを示す斜視図である。 図１４は、第４の実施形態に係る蓄熱モジュールを構成する蓄熱ユニットを示す斜視図である。 図１５は、第４の実施形態に係る蓄熱モジュールを構成する蓄熱ユニットの他の形態を示す斜視図である。 図１６は、第４の実施形態に係る蓄熱モジュールを用いた応用例を示すブロック図である。

本開示の一態様に係る蓄熱ユニットは、上流から下流に向かって流れる熱媒体に浸される蓄熱ユニットであって、液相と固相との間を潜熱の発生又は吸収を伴って可逆的に相転移する蓄熱材と、蓄熱材と接するように配置され、蓄熱材と接する接触面の蓄熱材に対する濡れ性は、熱媒体の下流側の方が上流側よりも高く、蓄熱材よりも熱伝導率が高い熱伝導材とを備える。

本開示の一態様に係る蓄熱ユニットにおいて、熱伝導材は、熱媒体が流れる方向と垂直な方向の長さに比して、熱媒体が流れる方向の長さが長くてもよい。

本開示の一態様に係る蓄熱ユニットにおいて、蓄熱材は板状であり、熱伝導材は、蓄熱材の平面に垂直な方向に配置されていてもよい。

本開示の一態様に係る蓄熱ユニットにおいて、蓄熱材を封止する封止材をさらに備えてもよい。

この場合、熱伝導材は、封止材の内部に固定的に配置されてもよい。

熱伝導材は、熱媒体が流れる方向と垂直な方向の両端において封止材と熱的に結合し、両端間で互いに対向する１対の接触面において蓄熱材と接触してもよい。

封止材は、熱伝導材と一体に形成されていてもよい。

封止材は、金属、グラファイト又はセラミックにより構成されてもよい。

本開示の一態様に係る蓄熱ユニットにおいて、熱伝導材における蓄熱材と接する接触面の蓄熱材に対する濡れ性は、接触面の短手方向の中央部の方が両端部よりも高くてもよい。

本開示の一態様に係る蓄熱ユニットにおいて、熱伝導材における蓄熱材と接する接触面の蓄熱材に対する濡れ性は、熱媒体の流れる方向と比べて、熱媒体の流れる方向と直交する方向の方が高くてもよい。

本開示の一態様に係る蓄熱ユニットにおいて、蓄熱ユニットは、互いに隣接する複数のサブユニットを備え、複数のサブユニットのそれぞれは、蓄熱材と、蓄熱材を封止する熱伝導材とから構成されてもよい。

本開示の一態様に係る蓄熱ユニットにおいて、熱伝導材は、金属、グラファイト又はセラミックにより構成されてもよい。

本開示の一態様に係る蓄熱ユニットにおいて、熱伝導材の接触面の少なくとも一部に、ナノ構造体を形成する処理、プラズマ処理若しくは酸化処理による表面処理、又は接触面に樹脂材を固着させる表面処理が施されていてもよい。

本開示の一態様に係る蓄熱ユニットにおいて、蓄熱材よりも熱伝導率が高い材料により構成され、熱媒体が流れる方向と交差する方向に延びる少なくとも１つの仕切り板をさらに備え、蓄熱材は仕切り板によって分割されていてもよい。

この場合、仕切り板には、開口部が形成されていてもよい。

仕切り板は、複数設けられており、複数の仕切り板の間の間隔は、熱媒体の上流側と比べて下流側の方が小さくてもよい。仕切り板によって分割される蓄熱材の各領域は、熱媒体の下流側の領域の方が、上流側の領域よりも小さくてもよい。

本開示の一態様に係る蓄熱モジュールは、上記のいずれかの蓄熱ユニットと、蓄積ユニットを内部に保持する筐体とを備え、筐体には、流入口及び流出口が設けられ、流入口から熱媒体が流入し、流出口から熱媒体が流出してもよい。この場合、筐体には、複数の板状の蓄熱ユニットが、互いに間隔を置き且つ積層されて収容されてもよい。

本開示のその他の態様に係る蓄熱ユニットは、上流から下流に向かって流れる熱媒体に浸される蓄熱ユニットであって、液相と固相との間を潜熱の発生又は吸収を伴って可逆的に相転移する蓄熱材と、蓄熱材に接するように配置され、蓄熱材に接する接触面の蓄熱材に対する濡れ性は、接触面の短手方向の中央部の方が両端部よりも高く、蓄熱材よりも熱伝導率が高い熱伝導材とを備えていてもよい。

本開示のその他の態様に係る蓄熱ユニットは、上流から下流に向かって流れる熱媒体に浸される蓄熱ユニットであって、液相と固相との間を潜熱の発生又は吸収を伴って可逆的に相転移する蓄熱材と、蓄熱材に接するように配置され、蓄熱材に接する接触面の蓄熱材に対する濡れ性は、熱媒体の流れる方向と比べて、熱媒体の流れる方向と直交する方向の方が高く、蓄熱材よりも熱伝導率が高い熱伝導材とを備えていてもよい。

（第１の実施形態）
［蓄熱ユニット１００の全体構成］
以下、第１の実施形態に係る蓄熱ユニットについて図１を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る蓄熱ユニット１００は、板状の蓄熱材１０と、板状の複数の熱伝導材２０とを有している。複数の熱伝導材２０は、蓄熱材１０を複数の板状に分割している。各熱伝導材２０は、蓄熱材１０の側面と接するように配置されている。蓄熱材１０は、液相と固相との間を潜熱の発生又は吸収を伴って可逆的に相転移する材料である。蓄熱材１０には、例えば、酢酸ナトリウム、硫酸ナトリウム又はチオ硫酸ナトリウム等の水和物を用いることができる。なお、液相は、水化の多いゲル相を含み、固相は、水化の少ない結晶相を含む。

熱伝導材２０は、蓄熱材１０よりも熱伝導率が高い材料であればよい。熱伝導材２０には、例えば、鉄、アルミニウム、ステンレス、銅、グラファイト又はセラミック等を用いることができる。

図２は、比較例に係る蓄熱ユニットの模式的な平面図である。蓄熱材１０が過冷却の液相状態にある場合、蓄熱材１０は、機械的な振動又は急激な温度変化等によって、固相に相転移する。相転移の過渡期に、固相の生成核１０ａが生じる。

図３は、本実施形態に係る蓄熱ユニット１００の模式的な平面図である。図３に示すように、本実施形態に係る蓄熱ユニット１００には、蓄熱材１０と接する複数の熱伝導材２０を設けている。また、熱伝導材２０は、蓄熱材１０と接する接触面の蓄熱材１０に対する濡れ性が高められている。これにより、過渡期に生じる固相の生成核１０ａの発生頻度（発生確率）を高くすることができる。その結果、蓄熱材１０が凝固しやすくなるので、蓄熱ユニット１００における放熱性を向上させることができる。なお、熱伝導材２０の接触面の濡れ性が均一に高められている場合、蓄熱材１０は全体が均一に凝固しやすくなる。

蓄熱ユニット１００は、例えば、後述する封止材によって封止され、熱媒体に浸される。この場合、熱伝導材２０は、封止材の内部に固定的に配置されていてもよい。熱伝導材２０は、熱媒体が流れる方向と垂直な方向の両端において封止材と熱的に結合し、両端間で互いに対向する１対の接触面において蓄熱材１０と接触する。例えば、熱伝導材２０が、蓄熱ユニット１００の厚さ方向に上端部及び下端部を有する板状部材である場合、その上端部および下端部が封止材と熱的に結合しており、かつ、その板状部材を構成する１対の主面が両隣の蓄熱材１０と接する接触面を有していてもよい。
熱伝導材２０は、例えば、熱媒体が流れる方向と垂直な方向の長さに比して、熱媒体が流れる方向の長さが長くなるように配置される。
［熱伝導材２０の濡れ性に関する第１の例］

以下、図４（ａ）及び図４（ｂ）を参照しながら、熱伝導材２０の濡れ性に関する第１の例について説明する。

図４（ａ）は、蓄熱ユニット１００に対する熱媒体の流れる方向を示している。図４（ａ）は、熱媒体が、熱伝導材２０で分割された複数の板状の蓄熱材１０の長手方向に流れる様子を表している。熱媒体は、加熱対象となる液体等である。この場合、各蓄熱材１０の上部及び下部からの熱媒体への放熱量が、中央部からの熱媒体への放熱量よりも多くなる。言い換えれば、各蓄熱材１０の中央部からの放熱量がその上部及び下部からの放熱量よりも少ないため、各蓄熱材１０の中央部の熱は熱媒体に伝わりにくい。これは、蓄熱材１０の上部及び下部で発生する潜熱が、蓄熱材１０の中央部から外部への放熱を妨げるような温度勾配を形成するためである。

蓄熱ユニット１００は、各蓄熱材１０の中央部の熱を熱媒体に伝わり易くするために、熱伝導材２０を各蓄熱材１０と接するように配置している。

第１の例では、熱伝導材２０の上記効果に加え、下記の特徴によって、さらなる放熱性の向上を実現する。なお、本開示において「熱伝導材の濡れ性」とは、特に断りの無い限り、熱伝導材の接触面（熱伝導材のうち蓄熱材と接する接触面）が有する、蓄熱材に対する濡れ性を意味する。
図４（ｂ）の側面図に示すように、板状の熱伝導材２０における蓄熱材１０と接する接触面の蓄熱材１０に対する濡れ性は、接触面における長手方向に垂直な方向（短手方向）の上端部２０ａ及び下端部２０ａと比べて中央部２０ｂの方が高い。ここで、熱伝導材２０と蓄熱材１０との接触角である濡れ角θ（°）が小さいほど、熱伝導材２０の濡れ性が高い。

熱伝導材２０のうち蓄熱材１０と接する接触面の中央部２０ｂにおける蓄熱材１０に対する濡れ性が、上端部２０ａ及び下端部２０ａよりも高くなることから、熱伝導材２０の接触面の中央部２０ｂ付近における蓄熱材１０の固相の核の生成頻度が、熱伝導材２０の側面の上端部２０ａ及び下端部２０ａ付近における核の生成頻度よりも高くなる。
これにより、凝固反応の初期において、蓄熱材１０の中央部の凝固が優先的に促進され、蓄熱材１０の中央部に潜熱が発生する。その潜熱は、中央部から外部に向かって放熱しやすい温度勾配を形成し、これによって放熱が効率的に促進される。そして、凝固反応が蓄熱材１０の中央部から上部及び下部へと順次発生する。

このように、蓄熱材１０と接する中央部２０ｂの蓄熱材１０に対する表面の濡れ性を向上させた熱伝導材２０を、蓄熱材１０の内部に均一に配置することにより、蓄熱材１０における熱伝導材２０の中央部の領域での固相の核の生成頻度が高くなる。このため、蓄熱材１０の中央部の凝固を促進できるので、全体として凝固反応が促進されて、潜熱の発生速度を高めることが可能となる。その上、蓄熱材１０の凝固時に発生した潜熱を、複数の熱伝導材２０によって速やかに熱媒体に伝熱することができる。すなわち、単位時間当たりの放熱レートを増大させることが可能となる。従って、放熱性能を向上させることができる。
また、蓄熱ユニット１００は、ヒーター又は攪拌器等を備えない場合であっても、放熱性能を向上できる。これにより、蓄熱ユニットの小型化が可能となる。

なお、熱伝導材２０における濡れ性は、蓄熱材１０との接触面にナノ構造体を形成するか、接触面にプラズマ処理又は酸化処理等による表面処理を施すことによって変化させることができる。
例えば、熱伝導材２０の接触面にナノ構造体を形成することによって、接触面の表面積を大きくした場合、接触面の濡れ性が高くなる。例えば、熱伝導材２０の接触面に表面処理を施して、接触面の表面粗さを大きくした場合、接触面の濡れ性が高くなる。なお、ナノ構造体を形成する領域または表面処理を施す領域は、熱伝導材２０の接触面の一部の領域であってもよいし、全領域であってもよい。

例えば、接触面にナノ構造体を形成するには、リソグラフィやエッチングを用いればよい。

また、プラズマ処理は、熱伝導材２０の接触面を酸素プラズマ又は窒素プラズマ等に曝す処理を行えばよい。また、酸化処理は、熱伝導材２０の基材が金属の場合は、酸性のガス又は酸性の溶液により、熱伝導材２０の接触面を選択的に酸化すればよい。

また、熱伝導材２０における濡れ性は、蓄熱材１０との接触面に、フッ素樹脂又はシリコーン樹脂等の樹脂材をコーティング又は固着させる等の表面処理を施すことによっても変化させることができる。

なお、濡れ性は、熱伝導材２０の基材に対して所定の処理を施すことによって、熱伝導材２０の基材の基本性能よりも高くする方向に変化させてもよく、また、低くする方向に変化させてもよい。例えば、非常に濡れ性が高い熱伝導材２０の一部の領域に対してフッ素樹脂材をコーティングすることにより、当領域の濡れ性を低くしてもよい。

また、図４（ｂ）のように、濡れ性が変化する領域では、濡れ性を徐々に変化させてもよく、また、段階的（ステップ状）に変化させてもよい。

なお、濡れ角の数値範囲の一例は後述する。
［熱伝導材２０の濡れ性に関する第２の例］

以下、図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照しながら、熱伝導材２０の濡れ性に関する第２の例について説明する。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、第２の例においては、熱伝導材２０における蓄熱材１０と接する接触面の蓄熱材１０に対する濡れ性を、熱媒体の上流側の端部と比べて下流側の端部の方を高くする。

ここで、熱媒体は、上流側を通過する際に蓄熱材１０から熱伝導材２０を介して受け取った熱により、下流側ではその温度が上昇している。従って、蓄熱材１０の下流側は、熱媒体との温度差が小さく、すなわち温度勾配が緩やかになっている。そのため、蓄熱材１０の下流側部分は放熱しにくい。

従って、第２の例では、熱伝導材２０の蓄熱材１０との接触面の濡れ性を、熱媒体の上流側よりも下流側を高くする。

このようにすると、熱伝導材２０における蓄熱材１０と接する下流側部分の濡れ性がその上流側部分よりも高くなるので、熱伝導材２０の接触面の下流側部分付近の蓄熱材１０における固相の核の生成頻度が、上流側部分付近の蓄熱材１０における核の生成頻度よりも高くなる。
これにより、蓄熱材１０の下流側部分において、凝固反応が促進され、単位時間当たりに発生する潜熱の量が大きくなる。そのため、熱媒体の温度が高い下流側においても、熱媒体と蓄熱材１０との間の温度差を大きくすることができる。

従って、蓄熱材１０の凝固時に蓄熱材１０の下流側部分において発生した潜熱も、速やかに熱媒体に伝熱することができる。すなわち、単位時間当たりの放熱レートを増大させることが可能となる。従って、熱性能を向上させることができる。
また、蓄熱ユニット１００は、ヒーター又は攪拌器等を備えない場合であっても、放熱性能を向上できる。これにより、蓄熱ユニットの小型化が可能となる。
なお、濡れ性が変化する領域では、濡れ性を徐々に変化させてもよく、また、段階的（ステップ状）に変化させてもよい。
［熱伝導材２０の濡れ性に関する第３の例］

以下、図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照しながら、熱伝導材２０の濡れ性に関する第３の例について説明する。

図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、第３の例においては、熱伝導材２０における蓄熱材１０と接する接触面の蓄熱材１０に対する濡れ性を、熱媒体の流れる方向の濡れ性よりも、厚さ方向の濡れ性が高くなるようにする。

例えば、熱媒体の流れる方向に対する角度φ（°）が９０°の偶数倍となる方向（０°、１８０°）は、濡れ性の指標となる濡れ角θ（°）を大きく、すなわち濡れ性を小さくする。また、角度φ（°）が９０°の奇数倍となる方向（９０°、２７０°）は、濡れ角を小さく、すなわち濡れ性を大きくする。

このようにすると、熱伝導材２０における蓄熱材１０と接する領域の濡れ性が、熱媒体の流れる方向と直交する方向、すなわち、熱伝導材２０の厚さ方向において高くなる。また、熱媒体の流れる方向、すなわち、熱伝導材２０の長手方向において濡れ性が低くなる。したがって、熱伝導材２０の接触面の厚さ方向における固相の核の生成頻度は、長手方向における生成頻度よりも高くなる。その結果、厚さ方向の凝固反応速度を加速できるため全体として凝固反応を促進し、潜熱の発生速度を高めることが可能となる。

従って、蓄熱材１０の凝固時に蓄熱材１０の中央部分で発生した潜熱を、速やかに熱媒体に伝熱することができる。すなわち、単位時間当たりの放熱レートを増大させることが可能となる。従って、放熱性能を向上させることができる。
また、蓄熱ユニット１００は、ヒーター又は攪拌器等を備えない場合であっても、放熱性能を向上できる。これにより、蓄熱ユニットの小型化が可能となる。

なお、第２の例及び第３の例においても、熱伝導材２０の接触面の濡れ性を変化させるには、第１の例で上述した方法を採ることができる。

また、濡れ性が変化する領域では、濡れ性を徐々に変化させてもよく、また、段階的（ステップ状）に変化させてもよい。
なお、熱伝導材２０の濡れ性は、第１の例、第２の例、及び第３の例を任意に組み合わせることができる。例えば、熱伝導材２０は、熱伝導材２０の厚さ方向の位置に対して第１の例で説明された濡れ性の高低が設けられるとともに、熱伝導材２０の熱媒体が流れる方向の位置に対して第２の例で説明された濡れ性の高低が設けられていてもよい。例えば、熱伝導材２０は、熱伝導材２０の厚さ方向の位置に対して第１の例で説明された濡れ性の高低が設けられるとともに、熱伝導材２０の各位置において第３の例で説明された濡れ性の高低の方向依存性を有していてもよい。
［濡れ角の数値範囲の一例］

図７は、核の生成頻度の濡れ角θの依存性を示す関数とそのグラフを示す。母相が液相である蓄熱材１０は、熱伝導材２０の付近で固相の核を生成することによって、固相へと変化する。関数ｆ（θ）は、固相の核の生成頻度Ｉ（生成確率）を決定するパラメータの１つであり、ｆ（θ）の値が大きいほど、核の生成頻度が小さくなる。

従って、濡れ性を良好にするために、濡れ角θの範囲として、０°以上且つ２５°以下の値を用いることができる。これにより、核生成頻度Ｉが０．７を超える。

図８に、蓄熱ユニット１００の他の形態として、蓄熱ユニット１００が封止材３０によって上下から一体に封止された蓄熱ユニット１００Ａを示す。

このように、封止材３０を設けることにより、蓄熱材１０の粘度を低くすることが可能となり、その扱いが容易となる。

封止材３０における蓄熱材１０と接する接触面の蓄熱材１０に対する濡れ性は、熱媒体の上流側の端部と比べて下流側の端部の方を高くしてもよい。

ここで、熱媒体は、上流側を通過する際に蓄熱材１０から封止材３０を介して受け取った熱により、下流側ではその温度が既に上昇している。従って、蓄熱材１０の下流側は、熱媒体との温度差が小さく、すなわち温度勾配が緩やかになっている。そのため、蓄熱材１０の下流側部分は放熱しにくい。

従って、熱伝導材２０の第２の例と同様に、封止材３０の蓄熱材１０との接触面の濡れ性は、熱媒体の上流側よりも下流側を高くしてもよい。

このようにすると、封止材３０における蓄熱材１０と接する下流側部分の濡れ性がその上流側部分よりも高くなるので、封止材３０の接触面の下流側部分付近の蓄熱材１０における固相の核の生成頻度が、上流側部分付近の蓄熱材１０における核の生成頻度よりも高くなる。

これにより、蓄熱材１０の凝固時に蓄熱材１０の下流側部分において発生した潜熱も、速やかに熱媒体に伝熱することができる。すなわち、単位時間当たりの放熱レートを増大させることが可能となる。従って、放熱性能を向上させることができる。
また、蓄熱ユニット１００は、ヒーター又は攪拌器等を備えない場合であっても、放熱性能を向上できる。これにより、蓄熱ユニットの小型化が可能となる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態に係る蓄熱ユニットについて図９を参照しながら説明する。

図９に示すように、本実施形態に係る蓄熱ユニット１００Ｂは、複数の仕切り用熱伝導材２１が設けられている。仕切り用熱伝導材２１は、蓄熱材１０の長手方向（熱媒体の流れる方向）に延びる各熱伝導材２０と交差する方向に配置されている。仕切り用熱伝導材２１は、各熱伝導材２０の位置決めと熱伝導の役割を担っている。仕切り用熱伝導材２１には、開口部２１ａが設けられていてもよい。仕切り用熱伝導材２１に開口部２１ａを設けると、蓄熱材１０の上流側から凝固（結晶化）が始まった場合に、上流側から下流側へ進行する結晶化を阻害することが無くなる。その結果、下流側の凝固が速まることにより、単位時間当たりの放熱レートを増大させることが可能となる。

仕切り用熱伝導材２１には、蓄熱材１０よりも熱伝導率が高い材料、例えば上述した金属等を用いることができる。仕切り用熱伝導材２１には、熱伝導材２０と同一の材料を用いることができるし、熱伝導材２０と異なる材料を用いることができる。

また、仕切り用熱伝導材２１の形状は、図９に示すような板状だけでなく、ワイヤ状の形状であってもよい。

このように、第２の実施形態によると、蓄熱材１０の凝固時に発生した潜熱を、複数の熱伝導材２０及び複数の仕切り用熱伝導材２１によって熱媒体に速やかに伝熱することができる。すなわち、単位時間当たりの放熱レートを増大させることが可能となる。従って、小型化を可能としながら、放熱性能を向上させることができる。

なお、各熱伝導材２０における蓄熱材１０と接する接触面には、図４から図６に示したような、濡れ性を選択的に向上させる構成を付加してもよい。この場合、熱伝導材２０のうち濡れ性を向上させた領域の付近、及び仕切り用熱伝導材２１のうち濡れ性を向上させた領域の付近において、蓄熱材１０の固相の核の生成頻度が高くなる。そのため、蓄熱材１０の凝固が速まることにより、放熱性能をさらに向上することができる。

（第２の実施形態の一変形例）
以下、図１０を参照しながら、本実施形態の一変形例について説明する。

図１０に示すように、本変形例に係る蓄熱ユニット１００Ｃは、複数の仕切り用熱伝導材２１の間の間隔が、熱媒体の上流側と比べて下流側の方を小さくしている。すなわち、仕切り用熱伝導材２１によって分割される蓄熱材１０の各領域は、熱媒体の下流側の領域の方が、上流側の領域よりも小さくなっている。

このようにすると、蓄熱材１０の凝固時に、蓄熱材１０の下流側部分において発生した潜熱も、速やかに熱媒体に伝熱することができる。すなわち、単位時間当たりの放熱レートを増大させることが可能となる。従って、小型化を可能としながら、放熱性能を向上させることができる。

なお、各熱伝導材２０における蓄熱材１０と接する接触面には、図４及び図６に示したような、濡れ性を選択的に向上させる構成を付加してもよい。この場合、熱伝導材２０のうち濡れ性を向上させた領域の付近、及び仕切り用熱伝導材２１のうち濡れ性を向上させた領域の付近において、蓄熱材１０の固相の核の生成頻度が高くなる。そのため、蓄熱材１０の凝固が速まることにより、放熱性能をさらに向上することができる。

また、第２の実施形態に係る蓄熱ユニット１００Ｂ及びその変形例に係る蓄熱ユニット１００Ｃにおいても、図８に示したように、その上面及び下面が封止材３０によって封止されていてもよい。

（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態に係る蓄熱ユニットについて図１１を参照しながら説明する。

図１１に示すように、本実施形態に係る蓄熱ユニット１００Ｄは、複数の短冊状の熱伝導材２２を有する。熱伝導材２２の長手方向の側面は、隣り合う他の熱伝導材２２の長手方向の側面と固着されている。熱伝導材２２の内部には、蓄熱材１０が封止されている。熱伝導材２２同士の固着には、熱伝導性が良好な固着方法、例えば、熱伝導性接着剤による接着固定、又は溶接等を用いることができる。

図１２（ａ）は、サブユニットを構成する１つの熱伝導材２２の斜視図である。図１２（ｂ）は幅方向（長手方向に垂直な方向）の断面であり、図１２（ｃ）は長手方向の断面である。図１２（ｂ）及び（ｃ）に示すように、蓄熱材１０は、中空の熱伝導材２２の内部に封止されている。

すなわち、各熱伝導材２２は蓄熱材１０を封止する封止材として用いられる。そして、熱伝導材２２と蓄熱材１０とがサブユニットを構成する。各サブユニットは隣接して一体となり、蓄熱ユニット１００Ｄを構成する。この蓄熱ユニット１００Ｄは、例えば、熱媒体に浸される。蓄熱ユニット１００Ｄの各サブユニットは、例えば、熱媒体が流れる方向と垂直な方向の長さに比して、熱媒体が流れる方向の長さが長くなるように配置される。

図１２（ａ）に示す、蓄熱材１０が封止された１つの熱伝導材２２を作製する方法の一例を説明する。まず、短冊状で中空の熱伝導材２２を用意し、熱伝導材２２の一方の端部を、熱伝導材２２と同一又は同等の材料を固着して密閉する。熱伝導材２２が金属の場合は、熱伝導材２２の一方の端部を圧着により密閉することも可能である。その後、開放状態にある熱伝導材２２の他方の端部から、液相状態にある蓄熱材１０を流し込む。その後、熱伝導材２２の他方の端部を、一方の端部と同様にして密閉する。

また、図１２（ｂ）に示した熱伝導材２２の内側面２２ａは、蓄熱材１０との接触面である。熱伝導材２２の内側面２２ａに対して、図４〜図６に示したような、濡れ性を選択的に向上させる構成が付加されてもよい。図１２（ｃ）に示した熱伝導材２２の内側上下面２２ｂは、蓄熱材１０との接触面である。熱伝導材２２の内側上下面２２ｂにおける蓄熱材１０に対する濡れ性は、熱媒体の上流側の端部と比べて下流側の端部の方が高くてもよい。

第３の実施形態によると、蓄熱材１０を封止した短冊状の熱伝導材２２を均等に配置することにより、熱伝導材２２の付近の領域における蓄熱材１０の固相の核の生成頻度が高くなる。そのため、蓄熱材１０の全体が均一に凝固する。その上、蓄熱材１０の凝固時に発生した潜熱を、複数の熱伝導材２２によって速やかに熱媒体に伝熱することができる。すなわち、短時間当たりの放熱レートを増大させることが可能となる。従って、小型化を可能としながら、放熱性能を向上させることができる。

また、本実施形態に係る蓄熱ユニット１００Ｄは、内部に蓄熱材１０を封止した複数の短冊状の熱伝導材２２を、熱伝導材２２の幅方向で互いが隣り合うように順次固着することによって、複数の熱伝導材２２を連結できる。そのため、用途に応じて、１ユニット当たりの熱容量を容易に設定することができる。

なお、図１０に示した第２の実施形態と同様に、サブユニットには、少なくとも１つの仕切り用熱伝導材２１を設けてもよい。また、仕切り用熱伝導材２１には、開口部２１ａを設けてもよい。

また、図１１に示した第２の実施形態の一変形例と同様に、サブユニットに複数の仕切り用熱伝導材２１を設ける場合には、複数の仕切り用熱伝導材２１の間の間隔を、熱媒体の上流側と比べて下流側が小さくなるようにしてもよい。

（第４の実施形態）
以下、第４の実施形態に係る蓄熱モジュールについて図１３を参照しながら説明する。

図１３に示すように、本実施形態に係る蓄熱モジュール２００は、例えば、互いに間隔をあけて上下方向に積層された複数の蓄熱ユニット１００Ａと、複数の蓄熱ユニット１００Ａを収容する直方体状の筐体５１と、脱着可能であって、且つ装着時に筐体５１を密閉可能な蓋体５２とから構成されている。

例えば、蓋体５２の右下の角部には、熱媒体が流入する流入口５２ａが設けられ、筐体５１における蓋体５２と対向する側面（後面）の対角位置には、熱媒体が流出する流出口５１ａが設けられている。

なお、流入口５２ａは、必ずしも蓋体５２に設ける必要はなく、筐体５１の側面における流出口５１ａとの距離が遠くなる位置に設けてもよい。

また、流入口５２ａが筐体５１に設けられてもよく、流出口５１ａが蓋体５２又は筐体５１の蓋体５２に近い位置に設けられてもよい。

筐体５１及び蓋体５２には、熱媒体の熱が奪われないように、熱伝導性が低い材料、例えば樹脂材を用いることができる。また、筐体５１及び蓋体５２に金属等の熱伝導性が高い材料を用いる場合には、筐体５１及び蓋体５２の内壁面、並びに筐体５１及び蓋体５２の外壁面の少なくとも一方に断熱材を設けてもよい。これにより、筐体５１及び蓋体５２の保温性が向上する。

図１４は、複数の蓄熱ユニット１００Ａの一構成例である。図１４に示すように、所定の数の複数の蓄熱ユニット１００Ａが、スペーサ（図示せず）を介して上下方向に積層されている。

また、図１５は、複数の蓄熱ユニット１００Ａの他の構成例である。図１５に示すように、所定の数の複数の蓄熱ユニット１００Ａが、保持可能な保持部材５３によって保持され、互いに間隔をあけて上下方向に積層されている。保持部材５３は、金属又は樹脂材により構成することができる。

なお、本実施形態に係る蓄熱モジュール２００に用いる蓄熱ユニットは、蓄熱ユニット１００Ａに限られず、蓄熱ユニット１００、１００Ｂ、１００Ｃ又は１００Ｄであってもよい。

（応用例）
以下、第４の実施形態に係る蓄熱モジュールの応用例について図１６を参照しながら説明する。

図１６に示すように、本応用例では、第３の実施形態に係る蓄熱モジュール２００を、例えば、エンジンを搭載した車両における迅速な暖機及び迅速な暖房に用いている。この場合の熱媒体は、水又は不凍液（エチレングリコールの水溶液）である。

タンク２０１に収容されている熱媒体（以下、冷却液と呼ぶ。）は、例えば電動ポンプ２０２により、蓄熱モジュール２００を介して又は迂回して車室内熱交換器２０３に流入する。車室内熱交換器２０３から流出した冷却液は、ラジエータ２０４を介して又は迂回してエンジン２０５の外部に流入し、その後、タンク２０１に戻る。

外気温と同程度の温度状態にあるエンジン２０５を始動すると、電動ポンプ２０２によって、タンク２０１内の冷却液が蓄熱モジュール２００、車室内熱交換器２０３及びエンジン２０５を介して循環する。このとき、エンジン２０５によって暖められた冷却液は、その熱を蓄熱モジュール２００内の複数の蓄熱材１０に伝える。冷却水の温度上昇は、過冷却の液相状態にある蓄熱材１０の中に多数の固相の生成核を生成させ、蓄熱材１０を凝固させる。これにより、蓄熱材１０が潜熱を速やかに冷却水に放出することにより、冷却液の温度は所定の温度に近づく。潜熱を放出し終わった蓄熱材１０は、エンジン２０５によって暖められた冷却液が、蓄熱材１０の凝固温度を超えると、液相に戻る。

なお、本応用例では、蓄熱材１０に固相の核を生成させるトリガを、エンジン２０５の始動後の冷却水の急激な温度上昇としたが、これに限られず、エンジン２０５の始動時の機械的振動をトリガとすることができる。

また、蓄熱モジュール２００は、生成核を生じさせる補機として、以下のような発核装置を備えてもよい。例えば、振動発生装置、超音波照射装置、又は電圧の印加装置等を用いてもよい。

また、上記のような発核装置を用いる場合には、エンジン２０５を搭載しない車両、例えば電気自動車にも、本実施形態に係る蓄熱モジュール２００を搭載することができる。

本開示に係る蓄熱ユニット及びそれを用いた蓄熱モジュールは、例えば、車両等に用いることができる。

１０ 蓄熱材
１０ａ 生成核
２０ 熱伝導材
２０ａ 上端部、下端部
２０ｂ 中央部
２１ 仕切り用熱伝導材
２１ａ 開口部
２２ 熱伝導材
２２ａ 内側面
２２ｂ 内側上下面
３０ 封止材
５１ 筐体
５１ａ 流出口
５２ 蓋体
５２ａ 流入口
５３ 保持部材
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ 蓄熱ユニット
２００ 蓄熱モジュール
２０１ タンク
２０２ 電動ポンプ
２０３ 車室内熱交換器
２０４ ラジエータ
２０５ エンジン

Claims (19)

1. 上流から下流に向かって流れる熱媒体に浸される蓄熱ユニットであって、
   液相と固相との間を潜熱の発生又は吸収を伴って可逆的に相転移する蓄熱材と、
   前記蓄熱材と接するように配置され、前記蓄熱材と接する接触面の前記蓄熱材に対する濡れ性は、前記熱媒体の下流側の方が上流側よりも高く、前記蓄熱材よりも熱伝導率が高い熱伝導材とを備える、蓄熱ユニット。
2. 前記熱伝導材は、前記熱媒体が流れる方向と垂直な方向の長さに比して、前記熱媒体が流れる方向の長さが長い、請求項１に記載の蓄熱ユニット。
3. 前記蓄熱材は板状であり、
   前記熱伝導材は、前記蓄熱材の平面に垂直な方向に配置された、請求項１又は２に記載の蓄熱ユニット。
4. 前記蓄熱材を封止する封止材をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の蓄熱ユニット。
5. 前記熱伝導材は、前記封止材の内部に固定的に配置される、請求項４に記載の蓄熱ユニット。
6. 前記熱伝導材は、前記熱媒体が流れる方向と垂直な方向の両端において前記封止材と熱的に結合し、前記両端間で互いに対向する１対の接触面において前記蓄熱材と接触する、請求項４に記載の蓄熱ユニット。
7. 前記熱伝導材における前記蓄熱材と接する接触面の前記蓄熱材に対する濡れ性は、前記接触面の短手方向の中央部の方が両端部よりも高い、請求項１から６のいずれか１項に記載の蓄熱ユニット。
8. 前記熱伝導材における前記蓄熱材と接する接触面の前記蓄熱材に対する濡れ性は、前記熱媒体の流れる方向と比べて、該熱媒体の流れる方向と直交する方向の方が高い、請求項１から７のいずれか1項に記載の蓄熱ユニット。
9. 前記封止材は、前記熱伝導材と一体に形成された、請求項２から８のいずれか１項に記載の蓄熱ユニット。
10. 前記蓄熱ユニットは、互いに隣接する複数のサブユニットを備え、
    前記複数のサブユニットのそれぞれは、前記蓄熱材と、前記蓄熱材を封止する前記熱伝導材とから構成される、請求項１に記載の蓄熱ユニット。
11. 前記熱伝導材は、金属、グラファイト又はセラミックにより構成された、請求項１から１０のいずれか１項に記載の蓄熱ユニット。
12. 前記封止材は、金属、グラファイト又はセラミックにより構成された、請求項４から６のいずれか１項に記載の蓄熱ユニット。
13. 前記熱伝導材の前記接触面の少なくとも一部に、ナノ構造体を形成する処理、プラズマ処理若しくは酸化処理による表面処理、又は前記接触面に樹脂材を固着させる表面処理が施されている、請求項１から１２のいずれか１項に記載の蓄熱ユニット。
14. 該蓄熱材よりも熱伝導率が高い材料により構成され、前記熱媒体が流れる方向と交差する方向に延びる少なくとも１つの仕切り板をさらに備え、
    前記蓄熱材は前記仕切り板によって分割される、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の蓄熱ユニット。
15. 前記仕切り板には、開口部が形成されている、請求項１４に記載の蓄熱ユニット。
16. 前記仕切り板は、複数設けられており、
    前記複数の仕切り板の間の間隔は、前記熱媒体の上流側と比べて下流側の方が小さい、請求項１４又は１５に記載の蓄熱ユニット。
17. 前記仕切り板によって分割される前記蓄熱材の各領域は、前記熱媒体の下流側の領域の方が、上流側の領域よりも小さい、請求項１４又は１５に記載の蓄熱ユニット。
18. 請求項１から１７のいずれか１項に記載の蓄熱ユニットと、
    前記蓄熱ユニットを内部に保持する筐体とを備え、
    前記筐体には、流入口及び流出口が設けられ、前記流入口から前記熱媒体が流入し、前記流出口から前記熱媒体が流出する、蓄熱モジュール。
    
    
19. 前記筐体には、複数の板状の蓄熱ユニットが、互いに間隔を置き且つ積層されて収容された、請求項１８に記載の蓄熱モジュール。

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