JP6278021B2

JP6278021B2 - 蓄熱装置及びその装置を用いる方法

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Publication number: JP6278021B2
Application number: JP2015200894A
Authority: JP
Inventors: 良央大橋; 真祈渡辺
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-10-09
Filing date: 2015-10-09
Publication date: 2018-02-14
Anticipated expiration: 2035-10-09
Also published as: RU2641871C1; JP2017072334A; US10077948B2; US20170102191A1

Description

本発明は、蓄熱装置及びその装置を用いる方法に関する。本発明は、特に、蓄熱溶液が液相のまま吸熱及び放熱をする蓄熱装置及びその装置を用いる方法に関する。

従来より、蓄熱装置が利用されている。従来の蓄熱装置としては、潜熱蓄熱装置と化学蓄熱装置が代表的である。

潜熱蓄熱装置は、相変化の際に発生する熱を利用する。例えば、液体の凝固の際に発生する凝固潜熱を利用する。蓄熱材料としては、パラフィン及び金属塩等が挙げられる。

化学蓄熱装置は、化学反応の際に発生する熱を利用する。例えば、酸化物と水蒸気の水酸化物生成反応の際に発生する熱を利用する。蓄熱材料としては、酸化物、水和物、及び炭酸塩等が挙げられる。

化学蓄熱装置としては、例えば、特許文献１に、水和反応と脱水反応とを可逆的に行うことが可能な化学蓄熱物質を用いた装置が開示されている。

特許文献１に開示された装置は、化学蓄熱物質の水和反応に使用される水蒸気を生成し、かつ、水和した化学蓄熱物質の脱水反応によって生成した水蒸気を凝集する気化凝縮器を必要としていた。

化学蓄熱装置に類似する蓄熱装置としては、例えば、特許文献２に開示される、２種類の溶液を混合したときに発生する混合熱を利用する蓄熱装置がある。この蓄熱装置においては、放熱後の混合溶液を分離して放熱可能な状態に戻すために、混合溶液を分留している。

特開２０１４−１８１８７９号公報特開平１０−３２５６１７号公報

特許文献１に開示された蓄熱装置では、水を気化凝集する機器が、特許文献２に開示された蓄熱装置では、混合溶液を気化分留する機器が必要であった。

すなわち、特許文献１及び２のいずれに開示された蓄熱装置も、放熱可能な状態に戻す際に、気化と凝集又は気化と分留が必要であるため、装置が大型化するという課題を、本発明者らは見出した。

本発明は、上記課題を解決し、放熱可能な状態に戻すための気化凝集器又は気化分留器を不要とした蓄熱装置及びその装置を用いる方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意検討を重ね、本発明を完成させた。本発明の要旨は、次のとおりである。
〈１〉第１槽と、
前記第１槽よりも上方に設置されている第２槽と、
一端が前記第１槽の上部に、他端が前記第２槽の下部に連結されている開閉弁と、
前記第１槽及び前記第２槽に格納されている蓄熱溶液と、
を備え、
前記蓄熱溶液は、下限臨界溶液温度以上で、熱を吸収しつつ第１液と前記第１液よりも密度の小さい第２液とに分離し、下限臨界溶液温度未満で、熱を放出しつつ前記第１液と前記第２液が混合する性質を有し、
前記蓄熱溶液が、前記第１液と前記第２液に分離されたとき、前記第１槽に前記第１液が格納され、かつ、前記第２槽に前記第２液が格納される、
蓄熱装置。
〈２〉前記蓄熱溶液において、前記第１液がテトラｎ−ブチルホスホニウムトリフルオロメタンスルホニルロイシン水溶液、前記第２液が水である、〈１〉項に記載の蓄熱装置。
〈３〉前記第１槽の内部及び前記第２槽の内部の少なくともいずれかに、熱媒体を充填した放熱配管が設置されている、〈１〉又は〈２〉項に記載の蓄熱装置。
〈４〉前記第１槽の内部及び前記第２槽の内部の少なくともいずれかに、熱媒体を充填した吸熱配管が設置されている、〈１〉〜〈３〉のいずれか１項に記載の蓄熱装置。
〈５〉前記放熱配管がハイブリッド自動車のバッテリーに連結されている、〈３〉又は〈４〉項に記載の蓄熱装置。
〈６〉前記吸熱配管がハイブリッド自動車の内燃機関に連結されている、〈４〉項に記載の蓄熱装置。
〈７〉〈１〉〜〈６〉項のいずれか１項に記載の蓄熱装置を用いる、次のａ）及びｂ）を含む、方法：
ａ）下限臨界溶液温度以上で、前記開閉弁を開放して、前記第１液を前記第１槽に格納し、前記第２液を前記第２槽に格納した後、前記開閉弁を閉鎖して、蓄熱状態を維持すること；及び
ｂ）下限臨界溶液温度未満で、前記開閉弁を開放して、前記蓄熱状態を解いて放熱を開始すること。

本発明によれば、放熱可能な状態に戻すための気化凝集器又は気化分留器を不要とした蓄熱装置及びその装置を用いる方法を提供することができる。

本発明の蓄熱装置の実施形態の一例を示す模式図である。本発明の蓄熱装置の別の実施形態を示す模式図である。蓄熱されるときの開閉弁の操作の概略を示す模式図である。蓄熱状態の維持が解かれて、放熱が開始されるときの開閉弁の操作の概略を示す模式図である。第１槽と第２槽に放熱配管が設置されている本発明の蓄熱装置の一例を示す模式図である。第１槽と第２槽に放熱配管と吸熱配管が設置されている本発明の蓄熱装置の一例を示す模式図である。本発明の蓄熱装置をハイブリッド自動車に適用した一例を示す模式図である。テトラｎ−ブチルホスホニウムトリフルオロメタンスルホニルロイシン水溶液と水との混合について、混合温度と発熱量の関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る蓄熱装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明を限定するものではない。

図１は、本発明の蓄熱装置の実施形態の一例を示す模式図である。図１中、符号１００は、蓄熱装置を示す。

本発明の蓄熱装置１００は、第１槽１０と、第２槽２０と、開閉弁３０と、蓄熱溶液４０と、を備える。

（第１槽）
本発明の蓄熱装置１００は、第１槽１０を有する。第１槽１０には、後述する蓄熱溶液４０が格納される。第１槽１０の材質は、蓄熱溶液４０で腐食することがなければ、特に制限はない。第１槽１０の体積については後述する。

（第２槽）
第２槽２０は、重力方向で、第１槽１０よりも、上方に設置されている。これにより、蓄熱溶液４０が２液に分離されたとき、密度の大きい液体が第１槽１０に、密度の小さい液体が第２槽２０に格納される。このことは、後ほど詳述する。第２槽２０の材質については、第１槽１０と同様である。第２槽２０の体積については後述する。

（開閉弁）
開閉弁３０は、一端３１が第１槽１０の上部１１に、他端３２が第２槽２０の下部２１に連結されている。開閉弁３０の操作については後述する。

上部１１は第１槽１０の上端１２の近傍を含む。同様に、下部２１は第２槽２０の下端２２の近傍を含む。図２は、本発明の蓄熱装置の別の実施形態を示す模式図である。図２に示したように、開閉弁３０の一端３１は上端１２の近傍である上部１１に連結されていてもよい。同様に、開閉弁３０の他端３２は下端２２の近傍である下部２１に連結されていてもよい。

（蓄熱溶液）
蓄熱溶液４０は、第１槽１０及び第２槽２０に格納されている。蓄熱溶液４０は、下限臨界溶液温度以上で、熱を吸収しつつ第１液と第２液に分離し、下限臨界溶液温度未満で、熱を放出しつつ第１液と第２液が混合する性質を有しており、かつ、第１液の密度は、第２液の密度より大きければ、特に制限はない。

蓄熱溶液４０は、下限臨界溶液温度（ＬＣＳＴ：ＬｏｗｅｒＣｒｉｔｉｃａｌＳｏｌｕｔｉｏｎＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を境に、異なる状態を有する。

下限臨界溶液温度以上では、蓄熱溶液４０は、第１液と第２液に分離し、第１液と第２液は互いに混ざり合わない。そして、第１液の方が第２液よりも密度が大きいため、第１液の層の上に第２液の層が形成される。

一方、下限臨界溶液温度未満では、蓄熱溶液４０は、第１液と第２液が互いに混合する。下限臨界溶液温度以上で、密度の違いにより、第１液の層の上に第２液の層が形成されていても、下限臨界溶液温度未満になれば、この混合が発生する。

この下限臨界溶液温度を境とした蓄熱溶液４０の状態変化に際し、熱の放出と吸収が起こる。すなわち、下限臨界溶液温度以上で、蓄熱溶液４０が混合状態になっていると、蓄熱溶液４０は、熱を吸収しながら第１液と第２液に分離する。そして、蓄熱溶液４０は、蓄熱状態に達する。一方、第１液と第２液が分離して、蓄熱溶液４０が蓄熱状態になっているとき、蓄熱溶液４０が下限臨界溶液温度未満になると、蓄熱溶液４０は、熱を放出しながら第１液と第２液が混合する。なお、本明細書等では、蓄熱状態とは、蓄熱溶液４０が、第１液と第２液とに分離した状態のことをいうものとする。

これまでに説明したような蓄熱溶液４０は、蓄熱状態で、表１に示す第１液と第２液の組合せが挙げられる。なお、表１中の「％」は質量％を意味する。

蓄熱状態である蓄熱溶液４０について、熱を放出しながら第１液と第２液が混合するには、第１液と第２液が下限臨界溶液温度未満になっているだけでは不十分である。すなわち、分離している第１液と第２液とが、互いに接して、相互に物質移動できる状態になっている必要がある。

逆に、蓄熱状態である蓄熱溶液４０が、下限臨界溶液温度未満になったときでも、第１液と第２液が混合せず、その結果、放熱が開始されないようにするには、分離している第１液と第２液とが、互いに接することなく、相互に物質移動できない状態であればよい。

本発明の蓄熱装置１００では、第１槽１０及び第２槽２０と第１液及び第２液との関係を次のようにすることで、蓄熱溶液４０が、吸熱又は放熱できるようにする。

（第１槽及び第２槽と第１液及び第２液との関係）
第１槽１０及び第２槽２０と第１液及び第２液との関係は、蓄熱溶液４０が、第１液と第２液に分離されたとき、すなわち、蓄熱溶液４０が蓄熱状態であるときを基にして決められる。

上述したように、第１液の密度は、第２液の密度より大きい。したがって、蓄熱溶液４０が蓄熱状態であるとき、開閉弁３０が開放されている状態では、第１槽１０に第１液が格納され、かつ、第２槽２０に第２液が格納される。

このようにすることで、蓄熱溶液４０が下限臨界溶液温度未満になった場合でも、開閉弁３０を閉鎖すれば、第１液と第２液は混ざり合わず、その結果、放熱が開始されることはない。一方、開閉弁３０を開放すれば、第１液と第２液とが開閉弁３０を介して自由に移動し、放熱が開始される。

蓄熱溶液４０が蓄熱状態であるとき、第１槽１０に第１液が格納され、第２槽２０に第２液が格納されていれば、開閉弁３０を閉鎖した後、蓄熱溶液４０が下限臨界溶液温度以上になっても、放熱が開始されることはない。ここで、第１槽１０に第１液が格納されているとは、第１槽１０の内部に第２液が存在しないか、又は、放熱に影響しない程度に少量の第２液が存在することを意味する。また、第２槽２０に第２液が格納されているとは、第２槽２０の内部に第１液が存在しないか、又は、放熱に影響しない程度に少量の第１液が存在することを意味する。

蓄熱溶液４０が蓄熱状態であるとき、第２槽２０の内部で、第２液の上方が空間になっていてもよい。このような空間があっても、下限臨界溶液温度未満で開閉弁３０を開放したときに、第１液と第２液との混合に影響を与えない。

（蓄熱装置を用いた方法）
本発明の蓄熱装置１００を用いる方法は、開閉弁３０を操作して行われる。開閉弁３０の操作を図面を用いて説明する。図３は、蓄熱されるときの開閉弁３０の操作の概略を示す模式図である。図４は、蓄熱状態の維持が解かれて、放熱が開始されるときの開閉弁３０の操作の概略を示す模式図である。

図３に示したように、下限臨界溶液温度以上で、開閉弁３０を開放すると、第１液と第２液が混合している（混ざり合っている）状態の蓄熱溶液４０は、吸熱して、第１液と第２液に分離する。そして、密度の大きい第１液は第１槽１０へ格納され、密度の小さい第２液は第２槽２０へ格納される。このとき、開閉弁３０を閉鎖することにより、蓄熱溶液４０が下限臨界溶液温度未満になっても、第１液と第２液は混合せず、放熱は開始されない。すなわち、開閉弁３０を閉鎖することにより、蓄熱状態を維持することができる。

図４に示したように、蓄熱溶液４０が下限臨界溶液温度未満であっても、開閉弁３０の閉鎖によって、第１液と第２液は混合できず、蓄熱状態が維持されている。しかし、開閉弁３０を開放することにより、第１液と第２液が混合し、放熱が開始される。すなわち、下限臨界溶液未満で、開閉弁を開放することにより、蓄熱状態を解いて放熱を開始することができる。

本発明の蓄熱装置１００には、次に説明する構成が加えられていてもよい。

（放熱配管）
第１槽１０の内部及び第２槽２０の内部の少なくともいずれかに、熱媒体を充填した放熱配管が設置されていてもよい。図５は、第１槽と第２槽に放熱配管が設置されている本発明の蓄熱装置の一例を示す模式図である。

図５に示した例では、第１槽１０の内部には放熱配管５１が設置されており、第２槽２０の内部には放熱配管５２が設置されている。放熱配管５１が、第１槽１０のどこに設置されるかは、特に制限はない。放熱配管５２についても同様である。

放熱配管５１、５２の内部には、熱媒体（図示しない）が充填されている。熱媒体としては、加熱用の熱媒体であれば、特に制限はない。例えば、水、シリコーン油、及びビフェニルとフェニルエーテルの混合物が挙げられる。

図５に示したように、放熱配管５１の一部は、第１槽１０の外部へ延在されている。そして、第１槽１０の外部にある放熱配管５１は、加熱対象（図示しない）に連結される。放熱配管５２についても同様である。これにより、蓄熱装置１００から離れた位置にある加熱対象を加熱することができる。加熱対象としては、ハイブリッド自動車のバッテリー等が挙げられる。

（吸熱配管）
第１槽１０の内部及び第２槽２０の内部の少なくともいずれかに、熱媒体を充填した吸熱配管が設置されていてもよい。図６は、第１槽と第２槽に放熱配管と吸熱配管が設置されている本発明の蓄熱装置の一例を示す模式図である。

図６に示した例では、第１槽１０の内部には吸熱配管６１が設置されており、第２槽２０の内部には吸熱配管６２が設置されている。吸熱配管６１が、第１槽１０のどこに設置されるかは、特に制限はない。吸熱配管６２についても同様である。この例では、放熱配管５１、５２も設置されているが、吸熱配管６１、６２のみが設置されていてもよい。

吸熱配管６１、６２の内部には、熱媒体（図示しない）が充填されている。熱媒体としては、加熱用の熱媒体であれば、特に制限はない。例えば、水、シリコーン油、及びビフェニルとフェニルエーテルの混合物が挙げられる。

図６に示したように、吸熱配管６１の一部は、第１槽１０の外部へ延在されている。そして、第１槽１０の外部にある吸熱配管６１は、熱源（図示しない）に連結される。吸熱配管６２についても同様である。これにより、蓄熱装置１００から離れた位置にある熱源から吸熱することができる。熱源としては、ハイブリッド自動車の内燃機関等が挙げられる。

図７は、本発明の蓄熱装置１００をハイブリッド自動車に適用した一例を示す模式図である。符号２００は、ハイブリッド自動車を示す。

ハイブリッド自動車２００は、内燃機関８０、バッテリー９０、及び本発明の蓄熱装置１００を備える。

放熱配管５１、５２は、バッテリー９０に連結され、吸熱配管６１、６２は、内燃機関８０に連結されている。

ハイブリッド自動車２００が、例えば、寒冷地で始動される場合、開閉弁３０を開放することによって、放熱配管５１、５２を介して、バッテリー９０が暖機される。そして、ハイブリッド自動車２００が、内燃機関８０によって走行している間に、蓄熱装置１００は、吸熱配管６１、６２を介して蓄熱される。走行中に開閉弁３０を閉鎖しておけば、次に寒冷地で始動するときに、蓄熱装置１００でバッテリ−９０を暖機することができる。

以下、本発明を実施例により、さらに具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例で用いた条件に限定されるものではない。

（実施例）
第１液として、テトラｎ−ブチルホスホニウムトリフルオロメタンスルホニルロイシン水溶液（以下、「ロイシン水溶液」と略して記す。）を準備した。第２液として水を準備した。

ロイシン水溶液の密度は、１．０４ｇ／ｃｍ^３であった。水の密度は、１．００ｇ／ｃｍ^３であった。また、ロイシン水溶液と水の下限臨界溶液温度は、２２℃である。

２０℃で、ロイシン水溶液１ｃｍ^３と水１ｃｍ^３を１つの容器に入れたところ、両液は相互に混ざり合い、混合溶液となった。

この混合溶液を、図１に示した蓄熱装置１００の第１槽１０及び第２槽２０に入れた。第１槽１０及び第２槽２０の体積は、それぞれ、１ｃｍ^３及び１ｃｍ^３であった。

混合溶液の入った蓄熱装置１００を、混合溶液の温度が８０℃になるまで加熱した。加熱の際には、開閉弁３０は開放しておいた。

混合溶液の温度が２２℃以上になると、混合溶液はロイシン水溶液と水に分離した。密度が１．０４ｇ／ｃｍ^３であるロイシン水溶液は、第２槽２０よりも下方に設置されている第１槽１０に格納された。一方、密度が１．００ｇ／ｃｍ^３である水は、第１槽よりも上方に設置されている第２槽２０に格納された。この分離状態は、ロイシン水溶液と水が８０℃になるまで同じであった。

ロイシン水溶液が第１槽１０に、水が第２槽２０に格納されている状態で、開閉弁３０を閉鎖した。そして、ロイシン水溶液と水が２０℃以下になるまで、蓄熱装置１００を冷却した。

冷却後、開閉弁３０を開放すると、ロイシン水溶液と水が混ざり合って、再び混合溶液となり、この混合溶液が放熱していることを確認した。

また、ロイシン水溶液と水との混合熱を、熱分析装置を用いて測定した。熱分析装置は、ＴＡＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製のＴＡＭ−ＩＩＩを用いた。

測定結果を図８に示す。図８は、ロイシン水溶液と水との混合について、混合温度と発熱量の関係を示すグラフである。

図８から分かるように、下限臨界溶液温度未満で、ロイシン水溶液と水を混合すると、その混合溶液は発熱する。そして、混合温度が低いほど発熱量が多いことも、併せて確認できた。

（参考例１）
２５℃で、ロイシン水溶液１ｃｍ^３と水１ｃｍ^３を蓄熱装置１００に入れ、開閉弁３０を開放したまま、第１槽１０及び第２槽２０の中にある溶液の温度を２５℃に保ち、１０時間放置した。第１槽１０及び第２槽２０の体積は、それぞれ、１ｃｍ^３及び１ｃｍ^３であった。

ロイシン水溶液は第１槽に、水は第２槽に格納された状態で、互いに分離したままで、混ざり合わないことを確認した。これにより、水とロイシン水溶液の組み合わせで下限臨界溶液温度以上を維持すると、分離状態が保たれることが確認できた。

（参考例２）
第１液として水を準備した。第２液としてエタノールを準備した。水の密度は、１．００ｇ／ｃｍ^３であった。エタノールの密度は、０．７８９ｇ／ｃｍ^３であった。

２０℃で、水１ｃｍ^３とエタノール１ｃｍ^３を混合したところ、両液は相互に混ざり合い、混合溶液となった。

混合溶液の温度が上昇しても、混合溶液が、水とエタノールに分離することはなかった。そして、この混合溶液は、８０℃で沸騰した。これにより、水とエタノールの組合せでは、下限臨界溶液温度はないことが分かった。

以上の結果から、本発明の効果を確認できた。

１０第１槽
１１上部
１２上端
２０第２槽
２１下部
２２下端
３０開閉弁
３１一端
３２他端
４０蓄熱溶液
５１、５２放熱配管
６１、６２吸熱配管
８０内燃機関
９０バッテリー
１００蓄熱装置
２００ハイブリッド自動車

Claims

第１槽と、
前記第１槽よりも上方に設置されている第２槽と、
一端が前記第１槽の上部に、他端が前記第２槽の下部に連結されている開閉弁と、
前記第１槽及び前記第２槽に格納されている蓄熱溶液と、
を備え、
前記蓄熱溶液は、下限臨界溶液温度以上で、熱を吸収しつつ第１液と前記第１液よりも密度の小さい第２液とに分離し、下限臨界溶液温度未満で、熱を放出しつつ前記第１液と前記第２液が混合する性質を有し、
前記蓄熱溶液が、前記第１液と前記第２液に分離されたとき、前記第１槽に前記第１液が格納され、かつ、前記第２槽に前記第２液が格納される、
蓄熱装置。
前記蓄熱溶液において、前記第１液がテトラｎ−ブチルホスホニウムトリフルオロメタンスルホニルロイシン水溶液、前記第２液が水である、請求項１に記載の蓄熱装置。
前記第１槽の内部及び前記第２槽の内部の少なくともいずれかに、熱媒体を充填した放熱配管が設置されている、請求項１又は２に記載の蓄熱装置。
前記第１槽の内部及び前記第２槽の内部の少なくともいずれかに、熱媒体を充填した吸熱配管が設置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄熱装置。
前記放熱配管がハイブリッド自動車のバッテリーに連結されている、請求項３又は４に記載の蓄熱装置。
前記吸熱配管がハイブリッド自動車の内燃機関に連結されている、請求項４に記載の蓄熱装置。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の蓄熱装置を用いる、次のａ）及びｂ）を含む、方法：
ａ）下限臨界溶液温度以上で、前記開閉弁を開放して、前記第１液を前記第１槽に格納し、前記第２液を前記第２槽に格納した後、前記開閉弁を閉鎖して、蓄熱状態を維持すること；及び
ｂ）下限臨界溶液温度未満で、前記開閉弁を開放して、前記蓄熱状態を解いて放熱を開始すること。