JP6481561B2 - 熱輸送システム - Google Patents

Description

本発明は、液体の熱輸送媒体を用いて熱輸送を行う熱輸送システムに関する。

車両等における熱輸送システムにおいては、冷却回路が備えられている場合が多い。例えば、冷却回路は、少なくとも熱源（エネルギー交換器）から熱を除去する熱輸送媒体と、熱輸送媒体の熱を系外に放出する熱交換部と、熱源から熱交換部に向けて熱輸送媒体を輸送する輸送部と、を備える。これにより、熱源からの熱が系外に向けて熱輸送されるようになっている。

特開２０１４−０２０２８０号公報

ところで、熱輸送媒体においては、寒冷時の駆動も想定して不凍機能を持たせる必要がある。一般的には、エチレングリコール水溶液を用い、熱輸送媒体に凝固点降下作用を持たせている。このエチレングリコールは、熱伝導が小さく、粘度が大きい。したがって、現行の熱輸送媒体では、不凍効果が得られるものの、熱輸送性能が犠牲になっていた。

他方、今後はエネルギー変換器の多様化が進み、更なる熱の除去が要求される。現行の熱輸送媒体が用いられる場合、熱交換器の大型化や、輸送部の駆動力の増大が想定される。この問題に対し、エチレングリコール水溶液に代わるものとして、不凍機能も奏し且つ熱輸送性能が良好な熱輸送媒体が強く要求されている。

本発明は上記点に鑑み、エチレングリコール水溶液と同等の不凍機能を奏し、且つ、エチレングリコール水溶液よりも良好な熱輸送性能を有する熱輸送媒体を用いた熱輸送システムを提供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、所定のエネルギー源を他の態様に変換すると共に、変換に伴って熱を発生するエネルギー変換部（１０）と、エネルギー変換部から発生する熱を受容する液体の熱輸送媒体（１１）と、熱輸送媒体を輸送する輸送部（１５）と、輸送部によって輸送された熱輸送媒体から熱を系外に放出する熱交換部（１３）と、を備えている。

熱輸送媒体は、少なくともＨ_２Ｏと、Ｈ_２Ｏと相溶な溶質と、を有して構成されている。そして、溶質の分子構造は、少なくともＯＨ基を２つ有し、且つ、ＯＨ基における一方のＯ原子から他方のＯ原子までの結合鎖の距離が、エチレングリコール分子における両ＯＨ基間の結合鎖に相当する距離よりも短くなっており、さらに、熱輸送媒体は、溶質の分解反応を抑制する分解抑制剤を含有し、熱輸送媒体は、溶質の分子構造が化学式（１）にて表されるように構成され、分解抑制剤がＯＨラジカル捕捉剤であるすることを特徴とする。

これによると、溶質によってＨ_２Ｏの配列が崩れるので、エチレングリコールと同等の不凍機能が得られる。また、熱輸送媒体に水と同等の熱伝導率及び粘度を持たせることができると共に、エチレングリコールと同等の凝固点を持たせることができる。したがって、エチレングリコール水溶液と同等の不凍機能を奏し、且つ、エチレングリコール水溶液よりも良好な熱輸送性能を有する熱輸送媒体を用いた熱輸送システムを提供することができる。

なお、この欄及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。

本発明の一実施形態に係る熱輸送システムの構成図である。 溶質の結合鎖を説明するための図である。 本発明品とエチレングリコール水溶液及び水との性能及び品質の比較を説明するための図である。 冷却水の凝固点と溶質の濃度との相関関係を示した図である。 分解抑制剤の効果を説明するための図である。 冷却水の温度と分解速度との相関関係を示した図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。熱輸送システムは、例えばハイブリッド自動車に搭載される。

図１に示されるように、熱輸送システムは、エネルギー変換部１０を冷却する冷却システムの冷却水１１が流通する冷却水回路１２と、車両用空調装置を構成する蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒が流通する冷媒回路２０と、を備えている。

冷却システムは、エネルギー変換部１０の冷却水をラジエータ１３にて冷却するシステムとなっている。すなわち、冷却システムは、エネルギー変換部１０からの熱を、冷却水１１を介してラジエータ１３へ輸送するシステムとなっている。

エネルギー変換部１０は、所定のエネルギー源を他の態様に変換すると共に、変換に伴って熱を発生するものである。エネルギー変換部１０は、例えばヒューエルセル、エンジン、インバータ、モータジェネレータ等である。また、所定のエネルギー源は例えば燃料や電気等であり、他の態様は例えば動力や電気等である。

ラジエータ１３は、エネルギー変換部１０の排熱と熱交換して高温となった冷却水１１と、送風ファン１４により送風された外気と熱交換させて、冷却水１１の有する熱を系外へ放出する熱交換器である。つまり、冷却水１１は、エネルギー変換部１０から発生する熱を受容する液体である。

エネルギー変換部１０とラジエータ１３は、エネルギー変換部１０とラジエータ１３との間で閉回路を形成する冷却水回路１２によって接続されている。冷却水回路１２には、冷却水１１を吸入して吐出する流体機械であるポンプ１５が設けられている。

ポンプ１５は、電動モータによって駆動される電動ポンプであり、冷却水回路１２における冷却水１１の流動を制御する流動制御手段である。つまり、ポンプ１５は冷却水回路１２に冷却水１１を輸送する役割を果たす。

そして、冷却水回路１２内の冷却水１１は、エネルギー変換部１０の冷却水出口からラジエータ１３を経由してエネルギー変換部１０の冷却水入口に循環する。したがって、ラジエータ１３は、ポンプ１５によって輸送された冷却水１１から熱を系外に放出する。

蒸気圧縮式冷凍サイクルは、空調対象空間である車室内へ送風される送風空気を冷却する機能を果たす。冷凍サイクルの冷媒回路２０には、圧縮機２１、凝縮部２２、膨張弁２３、及び蒸発部２４が設けられている。

圧縮機２１は、冷凍サイクルにおいて冷媒を吸入し、圧縮して吐出するものである。圧縮機２１は、 吐出容量が固定された固定容量型の圧縮機構を電動モータにて駆動する電動圧縮機として構成されている。

凝縮部２２は、圧縮機２１から吐出した高圧冷媒と、冷却水回路１２を流れる冷却水とを熱交換させて、高圧冷媒を凝縮させる熱交換器である。凝縮部２２は、高圧冷媒（気相冷媒）を凝縮させる際に生じる凝縮熱を冷却水に放出する。

膨張弁２３は、凝縮部２２から流出した液相冷媒を減圧膨張させる減圧手段である。蒸発部２４は、膨張弁２３で減圧膨張された低圧冷媒と送風空気とを熱交換させることによって低圧冷媒を蒸発させる熱交換器である。蒸発部２４は、低圧冷媒（液相冷媒）の蒸発により冷熱を生成し、その冷熱を送風空気に放出する。蒸発部２４で蒸発した気相冷媒は、圧縮機２１に吸入されて圧縮される。

次に、冷却水１１の具体的な構成について説明する。冷却水１１は、Ｈ_２Ｏと、Ｈ_２Ｏと相溶な溶質と、を有して構成されている。溶質は、凝固点降下剤である。溶質の分子構造は、少なくともＯＨ基を２つ有しており、例えばＨ_２Ｏ_２である。つまり、溶質の分子構造は、下記の化学式（１）にて表される。

さらに、図２に示されるように、溶質の分子構造は、ＯＨ基における一方のＯ原子から他方のＯ原子までの結合鎖の距離が、エチレングリコール分子における両ＯＨ基間の結合鎖に相当する距離よりも短くなっている。

このような分子構造によると、冷却水１１に含まれる溶質によってＨ_２Ｏの配列が崩れるので、エチレングリコール水溶液と同等の不凍機能が得られる。また、図３に示されるように、冷却水１１に水と同等の熱伝導率（λ）及び粘度（μ）を持たせることができる。さらに、エチレングリコールと同等の凝固点（Ｔｍ）を持たせることができる。

これに対し、エチレングリコール水溶液のみでは品質安定及び防錆対応可能であり、水のみでは品質安定及びコスト安である。しかしながら、エチレングリコール水溶液及び水は、それ自体が熱伝導率、粘度、及び凝固点の全ての性能を持つことができない。

ここで、上述のように溶質の結合鎖の距離を短くすると結合不安定になり、分解安定性を担保する必要がある。すなわち、冷却水１１の品質は、エチレングリコール水溶液や水に対して安定性が落ち、腐食も起こりやすい。そこで、冷却水１１に品質を担保するための対策を行うことが好ましい。

まず、エチレングリコール水溶液と同等の不凍作用を得るため、冷却水１１の溶質の濃度を調整する。図４に示されるように、エチレングリコール水溶液の場合、目標値である−３４℃の凝固点を得るためにはエチレングリコールの濃度を５０ｗｔ％以上にする必要がある。これに対し、冷却水１１の溶質としてＨ_２Ｏ_２を採用した場合、冷却水１１に対する溶質の濃度を３０ｗｔ％以上にすることでエチレングリコール水溶液と同等の不凍作用が得られる。

また、冷却水１１に溶質の分解反応を抑制するための分解抑制剤を含有させる。分解抑制剤として、例えばキレート、Ｔａイオン、有機酸等のＯＨラジカル捕捉剤が採用される。なお、ＯＨラジカル捕捉剤としてキレート、Ｔａイオン、有機酸のいずれか１つを採用しても良いし、これらの組み合わせを採用しても良い。分解抑制剤は、溶質の濃度の１／１０以下の濃度を占めるように構成される。

これにより、図５に示されるように、キレート、Ｔａイオン、有機酸等の負触媒によってエネルギーの障壁が増大するので、分解速度を略ゼロにすることができる。したがって、ＨＯ−ＯＨの不安定な結合に対して溶質が分解されにくくなる。一方、冷却水１１に重金属が含まれる場合はエネルギーの障壁が低くなり、分解速度が上がる。これにより、溶質がＨ_２ＯとＯ_２とに分解されてしまう。したがって、重金属が冷却水１１に含まれないことが望ましい。

発明者らは、Ｈ_２Ｏ_２が３０％含まれた冷却水１１を１００℃で加熱する加速試験を行った。その結果、図６に示されるように、重金属としてＡｌが含有された冷却水１１の分解速度はＡｌが含有されていないものよりも速くなった。これに対し、分解抑制剤としてキレートが４％含有された安定化処理品の分解速度はＡｌ入り及びＡｌ無しの未処理品よりも分解速度が１／２０も抑制された。このように、冷却水１１に分解抑制剤を含有させることで分解安定性を得ることができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、冷却水１１が特許請求の範囲の「熱輸送媒体」に対応し、ラジエータ１３が特許請求の範囲の「熱交換部」に対応する。また、ポンプ１５が特許請求の範囲の「輸送部」に対応する。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された熱輸送システム及び冷却水１１の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。

例えば、溶質の分子構造は、下記の化学式（２）にて表されるように構成されていても良い。

但し、化学式（２）における２つのＯＨ基を介在する「Ｘ」は、炭素、珪素、硫黄のいずれかである。これにより、「Ｘ」が介在しない構造よりも溶質の結合鎖が長くなるので結合の安定性を向上させることができる。

１０ エネルギー変換部
１１ 冷却水（熱輸送媒体）
１３ ラジエータ（熱交換部）
１５ ポンプ（輸送部）

Claims (3)

1. 所定のエネルギー源を他の態様に変換すると共に、前記変換に伴って熱を発生するエネルギー変換部（１０）と、
   前記エネルギー変換部から発生する熱を受容する液体の熱輸送媒体（１１）と、
   前記熱輸送媒体を輸送する輸送部（１５）と、
   前記輸送部によって輸送された前記熱輸送媒体から前記熱を系外に放出する熱交換部（１３）と、
   を備え、
   前記熱輸送媒体は、少なくともＨ_２Ｏと、前記Ｈ_２Ｏと相溶な溶質と、を有して構成されており、
   前記溶質の分子構造は、少なくともＯＨ基を２つ有し、且つ、前記ＯＨ基における一方のＯ原子から他方のＯ原子までの結合鎖の距離が、エチレングリコール分子における両ＯＨ基間の結合鎖に相当する距離よりも短くなっており、
   さらに、前記熱輸送媒体は、前記溶質の分解反応を抑制する分解抑制剤を含有し、
   前記熱輸送媒体は、前記溶質の分子構造が化学式（１）にて表されるように構成され、前記分解抑制剤がＯＨラジカル捕捉剤であることを特徴とする熱輸送システム。
   

   
2. 前記分解抑制剤は、前記溶質の濃度の１／１０以下の濃度を占めるように構成され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. 前記熱輸送媒体は、前記溶質の当該熱輸送媒体に対する濃度が３０ｗｔ％以上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。

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