JP6390338B2

JP6390338B2 - 積層蓄熱材

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Publication number: JP6390338B2
Application number: JP2014214974A
Authority: JP
Inventors: 伸矢笠松; 欣河野; 卓哉布施
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2034-10-22
Also published as: WO2016063479A1; JP2016079352A

Description

本発明は、第１材料層と第２材料層とを有する積層蓄熱材に関する。

種々の用途において、加熱又は冷却の手段の一つとして、蓄熱材が用いられている。このような蓄熱材としては、例えば、特許文献１に示された蓄熱材が知られている。特許文献１の蓄熱材は、固体−液体相転移時に蓄放熱を行うパラフィン化合物を含む分散質が水からなる分散媒中に存在している。

特開２０１３−１２９８２８号公報

しかしながら、特許文献１の蓄熱材には以下の問題がある。
特許文献１の蓄熱材は、固体−液体相転移による相転移エンタルピーを利用して蓄熱している。蓄熱材は、相転移により液状化するため、蓄熱材を容器内に封入する必要がある。このとき、蓄熱材は、固体−液体間で相転移する際に、膨張、収縮することから、容器の破損を防止するため、容器と蓄熱材との間に空隙を形成する必要がある。この空隙が熱抵抗となり、蓄熱材における蓄放熱性能が低下するおそれがある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、性能を向上することができる積層蓄熱材を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、固体−固体相転移により蓄放熱する強相関電子材料からなる第１材料層と、
該第１材料層を形成する材料とは異なる無機材料からなり上記第１材料層と積層された第２材料層とを有しており、
上記第２材料層は、上記第１材料層と一体化されており、
上記第２材料層は、上記第１材料層の外面に積層されていることを特徴とする積層蓄熱材にある。

上記積層蓄熱材において、上記第１材料層は、上記強相関電子材料からなる。上記強相関電子材料は、固体−固体相転移による結晶構造の変化により生じる相転移エンタルピーを利用して蓄放熱する。また、このとき、スピン・軌道秩序化も同時に起こり、これによるエンタルピー変化も利用して蓄放熱する。そのため、上記強相関電子材料においては、相転移が生じても固体状態が維持されるため、固体−液体相転移によって蓄放熱する蓄熱材のように容器に封入する必要がない。そのため、上記第１材料層に直接、上記第２材料層を設けて一体化することができる。また、上記第２材料層を形成する材料の特性を上記積層蓄熱材に付与し、上記積層蓄熱材の特性を調整することができる。これにより、上記第１材料層及び上記第２材料層の特性を最大限生かすことができる。

以上のごとく、本発明によれば、積層蓄熱材の性能を向上することができる。

実施例１における、積層蓄熱材を示す説明図。二酸化バナジウムにおける、蓄熱量と温度との関係を示すグラフ。実施例１における、蓄熱システムを示す説明図。実施例２における、積層蓄熱材を示す説明図。実施例２における、積層蓄熱材の形状例を示す説明図。実施例２における、積層蓄熱材の他の形状例を示す説明図。実施例３における、積層蓄熱材の一例を示す説明図。実施例３における、積層蓄熱材の他の例を示す説明図。

上記積層蓄熱材において、上記第２材料層は上記第１材料層と相転移温度が異なる固体−固体相転移により蓄放熱する上記強相関電子材料からなることが好ましい。この場合には、上記第２材料層においても蓄放熱をすることができる。上記第１材料層と上記第２材料層とにおいては、蓄放熱する温度領域が異なる。したがって、上記積層蓄熱材においてより広い温度領域で蓄放熱を行うことができる。

また、上記第１材料層は、金属−絶縁体相転移する材料からなることが好ましい。金属−絶縁体相転移する材料においては、金属−絶縁体相転移しない材料に比べて、相転移エンタルピーが大きい。そのため、上記第１材料層における蓄熱量を増大することができる。

また、上記積層蓄熱材は、上記第１材料層の蓄放熱を行う熱交換面を有しており、上記第２材料層は、上記第１材料層に対して上記熱交換面側に配置されており、上記第２材料層の熱伝導率は、上記第１材料層の熱伝導率よりも大きいことが好ましい。この場合には、上記第２材料層を熱が効率よく伝達されるため、上記第１材料層における蓄放熱を効率よく行うことができる。

（実施例１）
上記積層蓄熱材にかかる実施例について、図１及び図２を参照して説明する。
積層蓄熱材１は、固体−固体相転移により蓄放熱する強相関電子材料からなる第１材料層１１と、第１材料層１１を形成する材料とは異なる金属からなり第１材料層１１と積層された第２材料層１２とを有する。

以下、さらに詳細に説明する。
図３に示すごとく、本例の積層蓄熱材１は、ハイブリッド自動車の走行用駆動源の１つである内燃機関２１の排熱を利用して蓄熱する蓄熱システム２に用いられる。
蓄熱システム２は、内燃機関２１の熱を、冷却水を介して積層蓄熱材１へ伝達し、その熱を積層蓄熱材１にて蓄えるよう構成されている。内燃機関２１は、燃料２２を燃焼させることで生じる熱エネルギーを動力エネルギーに変換する。このとき、熱エネルギーの一部は、排熱として、内燃機関の排ガス２３と共に排気管へと排出される。

内燃機関２１と積層蓄熱材１とは、内燃機関２１と積層蓄熱材１との間で閉回路を形成する冷却水流路２４によって接続されている。冷却水流路２４には、冷却水流路２４内に冷却水Ｇ１を循環させるポンプ２４１が設けられている。冷却水流路２４内の冷却水Ｇ１は、内燃機関の冷却水出口から蓄熱部を経由して内燃機関の冷却水入口に循環する。また、冷却水流路２４は、排気管を流通する排ガス２３と冷却水Ｇ１との間、及び積層蓄熱材１と冷却水Ｇ１との間において、熱交換を行うように配設されている。これにより、図１に示すごとく、内燃機関２１及び排ガス２３と冷却水Ｇ１との間で熱交換を行うことで冷却水Ｇ１が高温に加熱され、高温に加熱された冷却水Ｇ１と積層蓄熱材１との間で熱交換を行うことにより、積層蓄熱材１に蓄熱することができる。尚、積層蓄熱材１に蓄熱した熱は、空調空気Ｇ２の加熱等に用いることができる。

図１に示すごとく、積層蓄熱材１は、平板状の第１材料層１１と、第１材料層１１と積層された第２材料層１２とを有している。
第１材料層１１は、固体−固体相転移により蓄放熱する強相関電子材料であるＬｉＶＯ_２（三角格子バナジウム酸化物)からなる。尚、ＬｉＶＯ_２は、遷移金属としてのＶ（バナジウム）を有する遷移金属酸化物であり、相転移温度は約２０６℃である。また、ＬｉＶＯ_２は、相転移温度以上において金属相となって蓄熱し、相転移温度以下において絶縁層となって放熱する金属−絶縁体相転移材料である。
固体−固体相転移により蓄放熱する強相関電子材料は、固体−固体相転移による結晶構造の変化及びスピン・軌道秩序化により生じるエンタルピー変化を利用して蓄放熱する。

２つの第２材料層１２は、第１材料層１１と積層された内側第２材料層１２１と、内側第２材料層１２１における第１材料層１１と反対側の面に積層された外側第２材料層１２２とを有している。
内側第２材料層１２１及び外側第２材料層１２２は、いずれも固体−固体相転移により蓄放熱する強相関電子材料からなる。内側第２材料層１２１は、ＶＯ_２（二酸化バナジウム）からなり、外側第２材料層１２２は、Ｖ_２Ｏ_３（三酸化バナジウム）からなる。

尚、ＶＯ_２及びＶ_２Ｏ_３は、遷移金属としてのＶ（バナジウム）を有する遷移金属酸化物である。図２は、縦軸を蓄熱量とし、横軸を温度としたグラフであり、ＶＯ_２における蓄熱量と温度との関係を示したものである。図２に示すごとく、ＶＯ_２は、相転移温度が６５℃であり、６５℃以上において金属相となり蓄熱し、６５℃以下において絶縁層となり放熱する金属−絶縁体相転移材料である。
また、Ｖ_２Ｏ_３は、相転移温度が−１１９℃であり、相転移温度以上において金属相となり蓄熱し、相転移温度以下において絶縁層となり放熱する金属−絶縁体相転移材料である。

積層蓄熱材１における第１材料層１１と第２材料層１２との積層方向Ｘにおいて、第１材料層１１側の面は、排ガスとの間で熱交換を行う第１熱交換面１３１であり、第１熱交換面１３１と反対側の面は、空調空気との間で熱交換を行う第２熱交換面１３２である。第１材料層１１と第２材料層１２とは、第１熱交換面１３１から第２熱交換面１３２に向かうにつれて、相転移温度が小さくなるように形成されている。このように、積層蓄熱材１において、蓄熱する場合には、熱交換を行う熱交換面から反対側に向かうにつれて、相転移温度が小さくなるように第１材料層１１及び第２材料層１２を配設することが好ましい。また、積層蓄熱材１において、放熱する場合には、熱交換面から反対側に向かうにつれて、相転移温度が大きくなるように第１材料層１１及び第２材料層１２を配設することが好ましい。これにより第１熱交換面１３１から伝達される熱を第１材料層１１から第２材料層１２において効率良く蓄熱すると共に、第２熱交換面１３２から効率よく放熱することができる。

次に、本例の作用効果について説明する。
積層蓄熱材１において、第１材料層１１は、強相関電子材料からなる。強相関電子材料は、固体−固体相転移による結晶構造の変化により生じる相転移エンタルピーを利用して蓄放熱する。また、このとき、スピン・軌道秩序化も同時に起こり、これによるエンタルピー変化も利用して蓄放熱する。そのため、強相関電子材料においては、相転移が生じても固体状態が維持されるため、固体−液体相転移によって蓄放熱する蓄熱材のように容器に封入する必要がない。そのため、第１材料層１１に直接、第２材料層１２を設けて一体化することができる。また、第２材料層１２を形成する材料の特性を積層蓄熱材１に付与し、積層蓄熱材１の特性を調整することができる。これにより、第１材料層１１及び第２材料層１２の特性を最大限生かすことができる。

また、第２材料層１２は第１材料層１１と相転移温度が異なる強相関電子材料からなる。そのため、第２材料層１２においても蓄放熱をすることができる。第１材料層１１と第２材料層１２とにおいては、蓄放熱する温度領域が異なる。したがって、積層蓄熱材１においてより広い温度領域で蓄放熱を行うことができる。これにより、

また、第１材料層１１は、金属−絶縁体相転移する材料からなる。金属−絶縁体相転移する材料においては、通常の固体−固体相転移する材料に比べて、相転移エンタルピーが大きい。そのため、第１材料層１１における蓄熱量を増大することができる。

以上のごとく、本例によれば、積層蓄熱材１における性能を向上することができる。

尚、本例においては、第１材料層１１と第２材料層１２とを合計３層形成したがこれに限られるものではなく、第１材料層１１及び第２材料層１２の数を適宜設定することができる。また、本例においては、第１材料層１１及び第２材料層１２を強相関電子材料としたが、第２材料層１２を、アルミニウム、鉄などの金属によって形成してもよい。また、強相関電子材料としては、Ｖ_４Ｏ_７、Ｖ_６Ｏ_１１等の酸化バナジウムや、ＮａＮｉＯ₂、ＰｒＢａＣｏ₂Ｏ_5.5、ＤｙＢａＣｏ₂Ｏ_5.5、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄、ＨｏＢａＦｅ₂Ｏ₅、ＤｙＢａＦｅ₂Ｏ₅、ＧｄＢａＦｅ₂Ｏ₅、ＥｕＢａＦｅ₂Ｏ₅、ＳｍＢａＦｅ₂Ｏ₅、ＴｂＢａＦｅ₂Ｏ₅、ＬｉＲｈ₂Ｏ₄等を用いることができる。尚、酸化バナジウムとしては、Ｗ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏなどの金属ドープした酸化バナジウムであってもよい。また、積層蓄熱材１が蓄放熱する際に所望の熱勾配となるように相転移温度が異なる強相関電子材料を積層することが望ましい。

（実施例２）
本例は、図４に示すごとく、実施例１の積層蓄熱材１における構成を一部変更した例を示すものである。
積層蓄熱材１は、第１材料層１１と、第１材料層１１の表面を覆う第２材料層１２とを有しており、積層蓄熱材１の外表面全面を熱交換面１３として利用することができる。
第１材料層１１は、ＶＯ_２からなり、直方体形状に形成されている。
第２材料層１２は、アルミニウムからなり、第１材料層１１の外表面の全面、すなわち、直方体の第１材料層１１の６面の全面を覆っている。アルミニウムの熱伝導率は、ＶＯ_２における熱伝導率よりも大きい。
その他の構成は実施例１と同様である。尚、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

積層蓄熱材１は、第１材料層１１の蓄放熱を行う熱交換面１３を有しており、第２材料層１２は、第１材料層１１に対して熱交換面１３側に配置されており、第２材料層１２の熱伝導率は、第１材料層１１の熱伝導率よりも大きい。そのため、第１材料層１１が、第２材料層１２を介して効率良く蓄放熱することができる。

また、第２材料層１２は、少なくとも第１材料層１１が蓄放熱を行う温度域において、金属相である。金属相は、熱伝導率が高く、熱抵抗になりにくいため、第１材料層１１における蓄放熱を効率良く行うことができる。また、金属相は、延性、拡散性にすぐれており、積層蓄熱材１の強度を向上することができる。尚、金属相とは、金属−絶縁体相転移する材料における金属相だけでなく、アルミニウムや鉄等の金属についても含まれる。

また、第１材料層１１を第２材料層１２によって覆うことにより、第２材料層１２が第１材料層１１を補強し、積層蓄熱材１の強度を向上することができる。

本例の積層蓄熱材１においては、第１材料層１１と第２材料層１２とを一層ずつ形成したが、図５に示すごとく、第１材料層１１を複数形成してもよい。また、第１材料層１１は、熱交換面１３の設定により適宜変更することができる。例えば、図６に示すごとく、実施例１の積層蓄熱材１の周囲に、さらに第２材料層１２３を形成してもよい。

また、本例においては、第２材料層１２の熱伝達率を第１材料層１１の熱伝達率よりも大きくしたが、第２材料層１２の熱伝達率を第１材料層１１の熱伝達率よりも小さくしてもよい。この場合には、第１材料層１１における畜放熱を緩やかにし、畜放熱を長時間維持することができる。

（実施例３）
本例は実施例２における変形例を示すものである。
図７の積層蓄熱材１は、第１材料層１１における一面である上面と、上面と直交すると共に互いに反対向きに配置された一対の側面とが、第２材料層１２によって覆われている。この積層蓄熱材１においては、第２材料層１２が形成された範囲を熱交換面１３とする。

図８の積層蓄熱材１は、第１材料層１１における一面である上面と、上面と直交する一つの側面とが、第２材料層１２によって覆われている。この積層蓄熱材１においては、第２材料層１２が形成された範囲を熱交換面１３とする。
その他の構成は実施例２と同様である。尚、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例２において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例２と同様の構成要素等を表す。

本例においては、熱伝導性に優れた第２材料層１２を、熱交換面１３のみを覆うように形成することにより、熱交換面１３から第１材料層１１への蓄放熱を効率よく行うことができる。
また、本例においても実施例２と同様の作用効果を得ることができる。

（実施例４）
本例は、実施例１の積層蓄熱材１における構成を一部変更した例を示すものである。
本例の積層蓄熱材１において、第１材料層１１は、ＶＯ₂からなり、第２材料層１２はＶ₂Ｏ₃からなる。
その他の構成は実施例１と同様である。尚、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の積層蓄熱材１においては、第１材料層１１を形成するＶＯ₂が蓄熱を行う６０℃〜８０℃の温度域において、第２材料層１２を形成するＶ₂Ｏ₃は金属相となる。金属相は、熱伝導率が高く、熱抵抗になりにくいため、第１材料層１１における蓄熱を効率良く行うことができる。
また、本例においても実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

上記実施例１〜上記実施例３は、積層蓄熱材の一例を示すものであり、これに限るものではない。また、これら上記実施例１〜上記実施例３の積層蓄熱材の構成を組み合わせてもよい。

１積層蓄熱材
１１第１材料層
１２第２材料層

Claims

固体−固体相転移により蓄放熱する強相関電子材料からなる第１材料層（１１）と、
該第１材料層（１１）を形成する材料とは異なる無機材料からなり上記第１材料層（１１）と積層された第２材料層（１２、１２１、１２２）とを有しており、
上記第２材料層（１２、１２１、１２２）は、上記第１材料層（１１）と一体化されており、
上記第２材料層（１２、１２１、１２２）は、上記第１材料層（１１）の外面に積層されていることを特徴とする積層蓄熱材（１）。
上記第２材料層（１２、１２１、１２２）は、上記第１材料層（１１）と相転移温度が異なる固体−固体相転移により蓄放熱する上記強相関電子材料からなることを特徴とする請求項１に記載の積層蓄熱材（１）。
上記第１材料層（１１）は、金属−絶縁体相転移する材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の積層蓄熱材（１）。
上記積層蓄熱材（１）は、上記第１材料層（１１）の蓄放熱を行う熱交換面（１３、１３１、１３２）を有しており、上記第２材料層（１２、１２１、１２２）は、上記第１材料層（１１）に対して上記熱交換面（１３、１３１、１３２）側に配置されており、上記第２材料層（１２、１２１、１２２）の熱伝導率は、上記第１材料層（１１）の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層蓄熱材（１）。
上記第２材料層（１２、１２１、１２２）は、少なくとも上記第１材料層（１１）が蓄放熱を行う所定の温度域において、金属相であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の積層蓄熱材（１）。