JP6418713B2 - 熱輸送システム - Google Patents

Description

本発明は、液体の熱媒体を用いて熱輸送を行う熱輸送システムに関するものである。

車両等のエネルギ変換システムにおいては、エネルギ変換の際に熱が発生する。一般的に、このようなシステムでは、エネルギ変換の際に発生した熱を輸送して、その熱を放熱部から系外へ放熱するように構成されている。このとき、熱を輸送する熱媒体としては、液体が用いられることが多いが、この液体は不凍性を有している必要がある。

従来、凝固点降下剤であるエチレングリコールを水に対して５割程度加えた液体を熱媒体として用いることにより、不凍性を確保する手法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、熱媒体に微量の界面活性剤を混合して熱媒体の過冷却状態を維持することにより、不凍性を確保する手法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１４−０２０２８０号公報 特開２０１３−３２４５６号公報

上記特許文献１に記載の手法のように、凝固点降下現象を用いて熱媒体の不凍性能を確保する場合、目的とする凝固点が低くなる程、エチレングリコール濃度を大きくする必要がある。しかしながら、エチレングリコール濃度を大きくすると、比熱や熱伝導率等の熱物性が悪化するとともに、粘度が増大してしまう。その結果、放熱部や熱媒体配管等の体格が大きくなったり、熱媒体を流動させるための動力が大きくなったりという問題がある。

ところで、液体が冷却される過程で過冷却状態が生じている場合、この過冷却状態は準安定状態であるため、系内の熱的揺らぎに起因して氷核生成が生じる可能性が高い。この熱的揺らぎは、例えばシステムにおける機械的または熱的な外乱に基づき発生すると考えられる。

このため、上記特許文献２に記載されているように、過冷却を促進して熱媒体の不凍性能を確保する場合、外乱により過冷却状態が解除されて凍結が進行する可能性が高い。その結果、不凍性能を充分に確保できないという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、液体の熱媒体を用いて熱輸送を行う熱輸送システムにおいて、熱媒体の熱物性悪化および粘度増大を抑制しつつ、熱媒体の不凍性能を充分に確保することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、熱を発生する熱源（１０１）と、熱を放出する放熱部（１０２）とを備え、熱源（１０１）からの熱を、熱媒体を介して放熱部（１０２）へ輸送する熱輸送システムにおいて、熱媒体は、溶媒と少なくとも１種類の溶質（４０）とを有する溶液により構成されており、溶質（４０）は、熱媒体の温度が予め定めた基準温度以下になった場合に、溶媒の固液界面（５０）に選択的に近接して
吸着する第１部位（４１）と、第１部位（４１）に接続されるとともに、溶媒に対して疎となる関係を有する第２部位（４２）とを備える分子により構成されており、溶質（４０）は、第１部位（４１）が固液界面（５０）に吸着した後に、第２部位（４２）が固液界面（５０）に吸着するように構成されており、さらに、溶質（４０）は、溶媒の固液界面（５０）に吸着した第１部位（４１）および第２部位（４２）によって溶媒の固液界面（５０）が被覆されることにより、溶媒の凝固核の成長を阻害するように構成されていることを特徴とする。

これによれば、熱媒体の温度が低下して基準温度以下になった場合に、溶質（４０）の第１部位（４１）が溶媒の固液界面（５０）に選択的に近接して吸着した後、第２部位（４２）が溶媒の固液界面（５０）に吸着する。このため、溶媒の固液界面（５０）に吸着した第１部位（４１）および第２部位（４２）により、溶媒の固液界面（５０）が被覆される。これにより、溶媒の凝固核の成長が阻害されるので、凍結の進行を抑制できる。

したがって、熱媒体にエチレングリコール等の凝固点降下剤を含有させなくても、熱媒体の凍結の進行を遅らせる、すなわち熱媒体の凝固点を低下させることができる。また、熱媒体の凝固点を低下させるために過冷却状態を維持する必要はないので、外乱により熱媒体の過冷却状態が解除されて凍結が進行することはない。これにより、熱媒体の熱物性悪化および粘度増大を抑制しつつ、熱媒体の不凍性能を充分に確保することが可能となる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の実施形態に係るエンジン冷却システムを示す全体構成図である。 本発明の実施形態における冷却水の分子動力学計算のスナップショットを示す図である。 ＣＴＡＢにおける主鎖の分岐の態様と水の結晶成長速度との関係を示す特性図である。 溶質としてＣＴＡＢを採用した場合における、テールの炭素数と水の結晶成長速度との関係を示す特性図である。 Ｃ₁₆ＴＡＢに付加したヒドロキシル基の個数と水の結晶成長速度との関係を示す特性図である。 ＣＴＡＢ分子１１２００個に対する水分子の個数と水の結晶成長速度との関係を示す特性図である。

以下、本発明の一実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態は、本発明に係る熱輸送システムを、ハイブリッド自動車の走行用駆動源の１つとして用いられるエンジン（内燃機関）の冷却システムに適用したものである。

図１に示すように、本実施形態のエンジン冷却システムは、エンジン１０１の冷却水をラジエータ１０２にて冷却するシステムとなっている。すなわち、本実施形態のエンジン冷却システムは、エンジン１０１からの熱を、液体状の熱媒体である冷却水を介して、ラジエータ１０２へ輸送するシステムとなっている。

エンジン１０１は、エネルギ変換により熱を発生するものであり、本発明の熱源に相当している。また、ラジエータ１０２は、エンジン１０１の排熱と熱交換して高温となった冷却水を外気と熱交換させて冷却する熱交換器であり、本発明の放熱部に相当している。

エンジン１０１とラジエータ１０２は、エンジン１０１とラジエータ１０２との間で閉回路を形成する冷却水流路１００によって接続されている。冷却水流路１００には、エンジン１０１の動力により機械的に駆動されて冷却水流路１００に冷却水を循環させるポンプ１０３が設けられている。そして、冷却水流路１００内の冷却水は、エンジン１０１の冷却水出口からラジエータ１０２を経由してエンジン１０１の冷却水入口に循環するようになっている。

冷却水流路１００は、液体状の熱媒体である冷却水が流れる流路を構成するものであり、本発明の熱媒体流路に相当している。また、ポンプ１０３は、冷却水流路１００における冷却水の流動を制御する流動制御手段である。

次に、本実施形態に係るエンジン冷却システムで用いられる冷却水について説明する。本実施形態の冷却水は、溶媒と１種類の溶質４０とを有する溶液により構成されている。

図２に示すように、冷却水の溶質４０は、第１部位であるヘッド４１と、第２部位であるテール４２とを備える分子により構成されている。ヘッド４１は、冷却水の温度が予め定めた基準温度以下になった場合に、溶媒の固液界面５０に選択的に近接して固液界面５０に吸着する部位である。テール４２は、ヘッド４１に接続されるとともに、溶媒に対して疎となる関係を有する部位である。

溶質４０は、ヘッド４１が固液界面５０に吸着した後に、テール４２が固液界面５０に吸着するように構成されている。また、溶質４０は、ヘッド４１の親水性がテール４２の親水性よりも大きくなるように構成されている。

本実施形態では、溶媒として水が採用されている。また、溶質４０のヘッド４１として、第４級アンモニウム基、スルホ基、エステル基、カルボキシル基およびヒドロキル基のうちのいずれかが採用されている。また、テール４２として、炭化水素基を主鎖とするとともに、主鎖の炭素に少なくとも１つの親水基が結合している化合物が採用されている。

具体的には、本実施形態の溶質４０として、ヘッド４１がトリメチルアンモニウム基であるとともに、テール４２が炭化水素基である化合物（以下、ＣＴＡＢともいう）を採用している。具体的には、溶質４０として、臭化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム（以下、Ｃ₁₆ＴＡＢともいう）を採用している。また、テール４２の主鎖の炭素に結合している少なくとも１つの親水基として、ヒドロキシル基を採用している。

なお、本実施形態の溶質４０としては、Ｃ₁₆ＴＡＢの他に、ポリオキシエチレン（１０）オクチルフェニルエーテル（Ｔｒｉｔｏｎ（登録商標）Ｘ−１００）、ポリオキシエチレン（２５）オクチルドデシルエーテル（エマルゲン（登録商標）２０２５Ｇ）、オレイン酸ポリオキシエチレンソルビタン（Ｔｗｅｅｎ（登録商標）８０）、ステアリン酸ＰＥＧ−１５０、ミリスチルスルホベタイン、コール酸ナトリウムを採用することができる。

以上説明したように、本実施形態では、冷却水の溶質４０を、冷却水の温度が基準温度以下になった場合に、溶媒である水の固液界面５０に選択的に近接して吸着するヘッド４１と、ヘッド４１に接続されるとともに、水に対して疎となる関係を有するテール４２とを備える分子により構成している。さらに、本実施形態では、冷却水の溶質４０を、ヘッド４１が固液界面５０に吸着した後に、テール４２が固液界面５０に吸着するように構成している。

これによれば、冷却水の温度の温度が低下して基準温度以下になった場合に、溶質４０のヘッド４１が水の固液界面５０に選択的に近接して吸着した後、テール４２が固液界面５０に吸着する。このため、水の固液界面５０に吸着したヘッド４１およびテール４２、すなわち溶質４０の分子全体により、水の固液界面５０が被覆される。これにより、水の凝固核の成長が阻害されるので、凍結の進行を抑制できる。

したがって、冷却水にエチレングリコール等の凝固点降下剤を含有させなくても、冷却水の凍結の進行を遅らせる、すなわち冷却水の凝固点を低下させることができる。また、冷却水の凝固点を低下させるために過冷却状態を維持する必要はないので、外乱により冷却水の過冷却状態が解除されて凍結が進行することはない。これにより、冷却水の熱物性悪化および粘度増大を抑制しつつ、冷却水の不凍性能を充分に確保することが可能となる。

ここで、溶質４０の分子のヘッド４１が水の固液界面５０に吸着するメカニズムを説明する。冷却水の溶媒である水は液相状態（水）と固相状態（氷）とで誘電率等の物性が異なるため、水の固液界面５０は不安定な状態となっている。このとき、固液界面５０に他の物質が吸着することで、固液界面５０は安定な状態となる。このため、溶質４０の分子のヘッド４１が固液界面５０に吸着する。

また、本実施形態では、冷却水の溶質４０を、ヘッド４１の親水性がテール４２の親水性よりも大きい分子により構成している。すなわち、溶質４０の分子のヘッド４１に親水性を持たせている。これによれば、溶質４０の分子のヘッド４１が氷側（図２の左側）に向けて移動し易くなるので、溶質４０の分子を固液界面５０に近接し易くすることができる。さらに、溶質４０の水に対する溶解度を高くすることができるので、凍結の進行を確実に抑制することができる。

ここで、ＣＴＡＢにおける主鎖の分岐の態様と水（溶媒）の結晶成長速度との関係を図３に示す。

図３に示すように、ＣＴＡＢのテール４２の炭化水素基が直鎖状である場合、 ＣＴＡＢのテール４２の炭化水素基が分岐している場合と比較して、水の結晶成長速度が遅くなる、すなわち凍結が進行し難くなる。これは、ＣＴＡＢのテール４２の炭化水素基が直鎖状である場合、ＣＴＡＢのテール４２の炭化水素基が分岐している場合と比較して、テール４２による固液界面５０の被覆面積が大きくなるためであると考えられる。したがって、溶質４０のテール４２の炭化水素基は、直鎖であることが望ましい。

ここで、溶質４０としてテール４２が直鎖状炭化水素基である化合物（具体的にはＣＴＡＢ）を採用した場合における、テール４２の炭素数と水（溶媒）の結晶成長速度との関係を図４に示す。

ＣＴＡＢの水に対する濃度が同一の場合、テール４２の炭素数を増加させるほど、溶質４０の分子が固液界面５０に吸着した際の１分子当たりの被覆面積が大きくなる。したがって、図４に示すように、ＣＴＡＢの水に対する濃度が同一の場合、テール４２の炭素数を増加させるほど、水の結晶成長速度が遅くなり、凍結が進行し難くなる。

本実施形態のように、熱輸送システムの熱媒体を車両の冷却水に適用する場合、結晶成長速度が０．０３ｎｍ／ｎｓ以下であることが望ましい。このため、図４に示すように、テール４２が直鎖状炭化水素基である溶質４０において、テール４２の炭素数を１２以上とすることで、結晶成長速度を０．０３ｎｍ／ｎｓ以下とすることができる。

一方、テール４２が直鎖状炭化水素基である溶質４０において、テール４２の炭素数を２２より多くすると、溶質４０が水にほとんど溶解しなくなる。溶質４０が水に溶解しない場合、水が凍結し始めても溶質４０の分子が固液界面５０近傍に存在しなくなり、凍結の進行を抑制することができなくなる。したがって、テール４２が直鎖状炭化水素基である溶質４０においては、テール４２の炭素数を２２以下とすることが望ましい。

ここで、Ｃ₁₆ＴＡＢに付加したヒドロキシル基の個数、すなわちＣ₁₆ＴＡＢのテール４２の炭素に結合しているヒドロキシル基の個数と水（溶媒）の結晶成長速度との関係を図５に示す。

図５に示すように、Ｃ₁₆ＴＡＢのテール４２の炭素に親水基であるヒドロキシル基を２個以上結合させることで、テール４２が固液界面５０に近づく速さが速くなるので、テール４２が固液界面５０に吸着し易くなる。

具体的には、テール４２の炭素に結合しているヒドロキシル基の個数を２個または３個とすることで、テール４２の炭素にヒドロキシル基が結合していない場合と比較して、水の結晶成長速度を遅くして凍結の進行を抑制することができる。換言すると、Ｃ₁₆ＴＡＢの１分子当たりのヒドロキシル基の個数を２個または３個とすることで、Ｃ₁₆ＴＡＢの１分子当たりのヒドロキシル基の個数が０個である場合と比較して、水の結晶成長速度を遅くして凍結の進行を抑制することができる。

ここで、溶媒（水）の分子１１２００個に対する溶質４０（ＣＴＡＢ）の分子の個数と水の結晶成長速度との関係を図６に示す。

図６に示すように、水分子１１２００個に対するＣＴＡＢ分子の個数を２個以上１６個以下とすることで、水の結晶成長速度を遅くして凍結の進行を抑制することができる。さらに、水分子１１２００個に対するＣＴＡＢ分子の個数を４個以上１６個以下とすることで、水の結晶成長速度をより遅くして凍結の進行を確実に抑制することができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、例えば以下のように種々変形可能である。

（１）上記実施形態では、熱源としてエンジン１０１を採用した例について説明したが、熱源はこれに限定されない。例えば、熱源として、燃料電池、バッテリ、インバータ等を採用してもよい。

（２）上記実施形態では、放熱部としてラジエータ１０２を採用した例について説明したが、これに限定されない。例えば、放熱部として、冷却水と空調空気との間で熱交換を行うことにより空調空気を加熱するヒータコアを採用してもよい。

（３）上記実施形態では、冷却水を、溶媒と１種類の溶質４０とを有する溶液により構成した例について説明したが、冷却水はこれに限定されない。例えば、冷却水を、溶媒と２種類以上の溶質とを有する溶液により構成してもよい。

４０ 溶質
４１ ヘッド（第１部位）
４２ テール（第２部位）
５０ 固液界面
１００ 冷却水流路（熱媒体流路）
１０１ エンジン（熱源）
１０２ ラジエータ（放熱部）

Claims (10)

1. 熱を発生する熱源（１０１）と、
   熱を放出する放熱部（１０２）とを備え、
   前記熱源（１０１）からの熱を、前記熱媒体を介して前記放熱部（１０２）へ輸送する熱輸送システムであって、
   前記熱媒体は、溶媒と少なくとも１種類の溶質（４０）とを有する溶液により構成されており、
   前記溶質（４０）は、
   前記熱媒体の温度が予め定めた基準温度以下になった場合に、前記溶媒の固液界面（５０）に選択的に近接して吸着する第１部位（４１）と、
   前記第１部位（４１）に接続されるとともに、前記溶媒に対して疎となる関係を有する第２部位（４２）とを備える分子により構成されており、
   前記溶質（４０）は、前記第１部位（４１）が前記固液界面（５０）に吸着した後に、前記第２部位（４２）が前記固液界面（５０）に吸着するように構成されており、
   さらに、前記溶質（４０）は、前記溶媒の固液界面（５０）に吸着した前記第１部位（４１）および前記第２部位（４２）によって前記溶媒の固液界面（５０）が被覆されることにより、前記溶媒の凝固核の成長を阻害するように構成されていることを特徴とする熱輸送システム。
2. 前記溶媒は水であり、
   前記溶質（４０）は、前記第１部位（４１）の親水性が前記第２部位（４２）の親水性よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱輸送システム。
3. 前記溶質（４０）の前記第１部位（４１）は、第４級アンモニウム基、スルホ基、エステル基、カルボキシル基およびヒドロキル基のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の熱輸送システム。
4. 前記溶質（４０）の前記第２部位（４２）は、炭化水素基を主鎖とするように構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の熱輸送システム。
5. 前記炭化水素基が直鎖であることを特徴とする請求項４に記載の熱輸送システム。
6. 前記炭化水素基の炭素数が１２以上であることを特徴とする請求項５に記載の熱輸送システム。
7. 前記炭化水素基の炭素数が２２以下であることを特徴とする請求項６に記載の熱輸送システム。
8. 前記主鎖の炭素には、少なくとも１つの親水基が結合していることを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１つに記載の熱輸送システム。
9. 前記親水基がヒドロキシル基であり、
   前記溶質（４０）の１分子当たりのヒドロキシル基の個数が、２個または３個であることを特徴とする請求項８に記載の熱輸送システム。
10. 前記熱媒体は、前記溶媒の分子１１２００個に対して、前記溶質（４０）の分子が２個以上１６個以下となるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の熱輸送システム。