JP6733570B2

JP6733570B2 - 蓄熱装置

Info

Publication number: JP6733570B2
Application number: JP2017021202A
Authority: JP
Inventors: 卓哉布施; 桑山　和利; 和利桑山; 克哉小牧; 伸矢笠松; 淳一成瀬
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-02-08
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2020-08-05
Anticipated expiration: 2037-02-08
Also published as: WO2018147064A1; JP2018128190A

Description

本発明は、蓄熱および放熱可能な蓄熱装置に関する。

従来より、内燃機関の廃熱を蓄熱する蓄熱器において、蓄熱密度の向上させるために固液相変化材料を用いることが知られている（例えば、特許文献１参照）。蓄熱材は固液相変化を利用しているため、蓄熱材は液化時に流出しないようにケース内に封入し、ケースを介して冷却水と蓄熱材との間で熱を出し入れしている。

特開平６−１１２８６号公報

しかしながら、蓄熱器のケースは一般的に蓄熱作用を奏しない。このため、蓄熱器の蓄熱量を増大させるために、固液相変化材料を内包量を増大させる必要がある。ところが、固液相変化材料は熱伝導率が小さいため、内包量が大きくなるほど熱出力が小さくなり、蓄熱量が大きくなるほど熱出力が小さくなる。このため、蓄熱量と熱出力がトレードオフの関係となり、設計の自由度が極端に小さくなる。

本発明は上記点に鑑み、蓄熱量と熱出力を両立させることが可能な蓄熱装置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、熱媒体から受け取った熱を蓄熱し、蓄熱した熱を放熱可能な蓄熱装置であって、第１所定温度で固相と液相とに相変化することによって蓄熱あるいは放熱を行う内部蓄熱材（１０６）と、第２所定温度で固相と固相とに相変化することによって蓄熱あるいは放熱を行い、内部蓄熱材を内部に収容するように形成された外部蓄熱材（１０７）とを備え、外部蓄熱材は所定の空隙を有しており、空隙に液相の内部蓄熱材が浸透可能であることを特徴とする。

これにより、内部蓄熱材のケースを構成する外部蓄熱材にも蓄熱機能を持たせることができ、内部蓄熱材の割合にかかわらず、蓄熱装置の蓄熱量を維持することができ、内部蓄熱材の割合を容易に変更することが可能となる。これにより、蓄熱装置の蓄熱量と熱出力のトレードオフの関係を緩和して蓄熱量と熱出力を両立させることができ、蓄熱装置の設計の自由度を大きくすることができる。

なお、上記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。

本発明の第１実施形態に係る蓄熱システムの構成を示した図である。蓄熱ユニットを示した図である。蓄熱装置を示した図である。ＶＯ₂の相転移温度を示すグラフである。第１実施形態の蓄熱装置の蓄熱量、熱出力および重量の関係を示すグラフである。比較例の蓄熱装置の蓄熱量、熱出力および重量の関係を示すグラフである。第２実施形態の蓄熱装置を示した図である。第２実施形態の蓄熱装置を示した図である。

（第１実施形態）
以下、本発明を適用した実施形態の蓄熱システムについて図を参照して説明する。図１に示すように、蓄熱システムは、エネルギー変換部１０、冷熱生成部２０、室内熱交換器３０および放熱器４０を備えて構成されている。

エネルギー変換部１０は、エネルギー源を他の形態のエネルギーに変換し、エネルギーの変換と同時に熱媒体を介して熱を放出するものである。例えば車両の場合、エネルギー変換部１０は車両エンジン（すなわち内燃機関）や燃料電池等である。エネルギー源は燃料であり、他の形態のエネルギーは駆動力や電力等である。熱媒体は、エンジン冷却水や排気ガス等である。本実施形態では、エネルギー変換部１０は車両エンジンとし、熱媒体をエンジン冷却水としている。

エネルギー変換部１０から放出される排熱は、第１熱媒体流路１１を循環する第１熱媒体（エンジン冷却水）を介して冷熱生成部２０に入力する。第１熱媒体流路１１には、排熱回収器１２および蓄熱ユニット１００が設けられている。排熱回収器１２は、エネルギー変換部１０の排熱を回収するための熱交換器である。蓄熱ユニット１００は、エネルギー変換部１０の排熱を蓄熱するための機器である。蓄熱ユニット１００は、第１熱媒体が所定温度より高い場合には、第１熱媒体の熱を蓄熱し、第１熱媒体が所定温度より低い場合には、蓄熱した熱を第１熱媒体に放熱する。蓄熱ユニット１００については、後で詳細に説明する。

冷熱生成部２０は、エネルギー変換部１０の排熱を駆動源として作動する排熱駆動装置であり、具体的にはエネルギー変換部１０の排熱を利用して冷熱を生成する。冷熱生成部２０として、例えば、吸着材に作動媒体を吸着及び脱離させることで冷熱を生成する吸着式冷凍機や熱音響現象を利用して熱エネルギーと音響エネルギーの間でエネルギー変換を行うことで冷熱を生成する熱音響冷凍機を用いることができる。

冷熱生成部２０で生成した冷熱は、第２熱媒体流路３１を循環する第２熱媒体（例えば冷却水）によって室内熱交換器３０に供給される。室内熱交換器３０は、冷熱生成部２０で生成した冷熱を利用する装置であり、冷熱生成部２０で生成した冷熱は室内冷房に用いられる。

冷熱生成部２０で生成した排熱は、第３熱媒体流路４１を循環する第３熱媒体（例えば冷却水）を介して放熱器４０に放出される。放熱器４０は、冷却水と大気とを熱交換する熱交換器であり、冷熱生成部２０の排熱を大気中に排出する。

図２に示すように、蓄熱ユニット１００は、ユニットケース１０１を備えている。ユニットケース１０１には、冷却水をユニットケース１０１の内部に流入させる流入口１０２と、ユニットケース１０１の内部から冷却水を流出させる流出口１０３が設けられている。ユニットケース１０１の内部は、冷却水が流通可能な内部流路１０４となっている。

ユニットケース１０１の内部流路１０４には、複数個の蓄熱装置１０５が収納されている。本実施形態の蓄熱装置１０５は板状に形成されており、複数の蓄熱装置１０５がユニットケース１０１の内部流路１０４に並列して配置されている。蓄熱装置１０５は、内部流路１０４を流通する第１熱媒体との間で熱の授受が行われる。

蓄熱装置１０５は、内部蓄熱材１０６とケース部材１０７を備えている。内部蓄熱材１０６は固液相変化材料からなる蓄熱材であり、相転移温度より低温で固相となり、相転移温度より高温で液相となる材料である。内部蓄熱材１０６の相転移温度が本発明の「第１所定温度」に相当している。

本実施形態では、内部蓄熱材１０６としてパラフィンを用いている。パラフィンは軽量な材料であり、蓄熱装置１０５の軽量化に寄与する。また、パラフィンは、分子量（つまり、炭素数）に応じて融点を調整することができる。

ケース部材１０７は、内部蓄熱材１０６を内部に収容するように形成されている。本実施形態のケース部材１０７は、内部が中空の直方体形状となっている。

本実施形態のケース部材１０７は、蓄熱機能を有する外部蓄熱材によって構成されている。ケース部材１０７を構成する外部蓄熱材として、相転移温度で固相状態のまま相変化する固固相変化材料が用いられている。ケース部材１０７の相転移温度が本発明の「第２所定温度」に相当している。

本実施形態では、ケース部材１０７を構成する固固相変化材料として、強相関電子系材料を用いている。強相関電子系材料とは、電子間に働く有効クーロン相互作用が強い物質である。強相関電子系材料には、遷移金属酸化物、有機π電子系錯体等が含まれており、本実施形態では遷移金属酸化物を用ている。

遷移金属酸化物は、外部から熱エネルギを与えられると絶縁体から金属へ変化する性質を有する。より詳細には、遷移金属酸化物では、遷移金属原子の最外殻電子間の有効クーロン相互作用が強いため、金属絶縁体転移温度より低い温度になっていると、最外殻電子が自由に動けない状態（絶縁体）となる。そして、絶縁体となっている遷移金属酸化物が、外部から金属絶縁体転移温度以上となるまで熱エネルギを与えられると、最外殻電子が自由に動ける状態（金属）となる。つまり、遷移金属酸化物は、相転移温度より低温では絶縁体となり、相転移温度より高温では金属となる。

この絶縁体から金属への相転移の際に、熱エネルギが遷移金属酸化物に蓄えられる。すなわち、遷移金属酸化物は、相変化時のエンタルピー変化を利用して熱エネルギーを貯蔵できる。この際に蓄熱される熱は、例えば、水分子が互いに自由に動けない状態になっている氷（固体）が、水分子が互いに自由に動ける水（液体）に相変化する際に、蓄えられる融解潜熱に相当する熱である。一方、遷移金属酸化物が金属から絶縁体へ相転移する際には、蓄えられていた熱が放熱される。従って、遷移金属酸化物は、金属と絶縁体とに相変化することによって、蓄熱あるいは放熱を行うことができる。この相変化は、固体のままで行われる。

本実施形態では、ケース部材１０７として、遷移金属酸化物であるＶＯ₂（二酸化バナジウム）を用いている。ＶＯ₂は固固相変化材料であり、相転移温度が６８℃である。

上述したように、内部蓄熱材１０６の融点はパラフィンの分子量に応じて調整可能であり、内部蓄熱材１０６の融点はケース部材１０７の相転移温度と同程度であることが好ましい。内部蓄熱材１０６の融点とケース部材１０７の相転移温度は、必ずしも同一である必要はなく、異なっていてもよい。具体的には、蓄熱装置１０５との間で熱を授受する第１熱媒体（本実施形態ではエンジン冷却水）によって内部蓄熱材１０６およびケース部材１０７が相転移できればよく、内部蓄熱材１０６の融点とケース部材１０７の相転移温度は、エンジン冷却水の温度範囲内であればよい。

また、ケース部材１０７として用いる遷移金属酸化物は、添加物を加えることで転移温度（金属と絶縁体との相転移温度）を調整することができる。添加物としては、無機材料を採用することができる。

図４に示すように、ＶＯ₂にＷ（タングステン）を添加することで相転移温度を低下させることができ、添加量が多いほど相転移温度を低くすることができる。また、ＶＯ₂にＣｒ（クロム）を添加することで相転移温度を上昇させることができ、添加量が多いほど相転移温度を高くすることができる。

図５は、本実施形態の蓄熱装置１０５における内部蓄熱材１０６の占める割合を変化させた場合の蓄熱装置１０５の熱容量、熱出力および重量を示している。図６は、比較例としてケース部材１０７としてアルミニウムを用いた蓄熱装置の熱容量、熱出力および重量を示している。

内部蓄熱材１０６の体積を増加させる場合にはケース部材１０７の体積を減少させ、内部蓄熱材１０６の体積を減少させる場合にはケース部材１０７の体積を増加させることで、内部蓄熱材１０６の割合を変化させている。ケース部材１０７の体積の増減は、ケース部材１０７の厚みを変化させることによって行う。

図５、図６において、左側から右側に向けて蓄熱装置１０５における内部蓄熱材１０６の占める割合が高くなっている。図５、図６では、熱容量、熱出力および重量の各項目に対する設計上の目標値を破線で示しており、目標値を満たす範囲を斜線で示している。図５では、各項目で設計上の目標値を超えている範囲が重なり合う部分を交差線で示している。

図５に示す本実施形態の蓄熱装置１０５では、内部蓄熱材１０６の割合にかかわらず、蓄熱量が変化しない。本実施形態の蓄熱装置１０５では、内部蓄熱材１０６の割合の増減に応じて蓄熱機能を有するケース部材１０７の割合が増減することで、蓄熱装置１０５は全体として蓄熱量が一定となる。これに対し、図６に示す比較例の蓄熱装置では、内部蓄熱材１０６の量に比例して蓄熱量が増加している。

図５に示す本実施形態の蓄熱装置１０５では、内部蓄熱材１０６の割合が増加するにしたがって熱出力が低下している。図６に示す比較例の蓄熱装置においても、本実施形態の蓄熱装置１０５と同様、内部蓄熱材１０６の割合が増加するにしたがって熱出力が低下している。なお、本実施形態で用いているＶＯ₂よりも比較例のアルミニウムの方が熱伝導率が高いため、本実施形態の蓄熱装置１０５より比較例の蓄熱装置の方が若干熱出力が高くなっている。

図５に示す本実施形態の蓄熱装置１０５では、内部蓄熱材１０６の割合が増加するにしたがって重量が小さくなっている。図６に示す比較例の蓄熱装置においても、本実施形態の蓄熱装置１０５と同様、内部蓄熱材１０６の割合が増加するにしたがって重量が小さくなっている。なお、本実施形態で用いているＶＯ₂よりも比較例のアルミニウムの方が軽いため、本実施形態の蓄熱装置１０５より比較例の蓄熱装置の方が若干軽くなっている。

図６に示す比較例の蓄熱装置では、熱容量および熱出力において、設計上の目標値を超えている範囲が重なり合ってない。つまり、比較例の蓄熱装置では、設計上の目標値を満たす適切な設計範囲が得られない。

これに対し、図５に示す本実施形態の蓄熱装置１０５では、内部蓄熱材１０６の割合にかかわらず、蓄熱量が全範囲で目標値を超えている。このため、熱容量、熱出力および重量において、設計上の目標値を超えている範囲が重なり合う部分が存在する。

以上説明した本実施形態の蓄熱装置１０５では、固液相変化材料からなる内部蓄熱材１０６と、固固相変化材料からなるケース部材１０７を備えている。このため、ケース部材１０７にも蓄熱機能を持たせることができ、内部蓄熱材１０６の割合にかかわらず、蓄熱装置１０５の蓄熱量を維持することができ、内部蓄熱材１０６の割合を容易に変更することが可能となる。これにより、蓄熱装置１０５の蓄熱量と熱出力のトレードオフの関係を緩和して蓄熱量と熱出力を両立させることができ、蓄熱装置１０５の設計の自由度を大きくすることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、蓄熱装置１０５のケース部材１０７の構成が異なっている。以下、上記第１実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

図７に示すように、本第２実施形態のケース部材１０７は、所定の空隙を有する多孔体として構成されている。ケース部材１０７の空隙は、内部蓄熱材１０６が浸透可能であればよい。このため、ケース部材１０７は、少なくとも内部蓄熱材１０６と接する部位（つまり、内表面）が多孔体となっていればよい。ケース部材１０７の内部に内部蓄熱材１０６が浸透しやすくするために、隣り合う空隙が互いに連通していることが望ましい。

図７に示す例では、ケース部材１０７の空隙率は、内部蓄熱材１０６と接する部位が最も高く、内部蓄熱材１０６から離れるにしたがって低くなっている。つまり、ケース部材１０７の内側から外側に向かって空隙率が低くなっている。ケース部材１０７において、第１熱媒体と接する部位（つまり、外表面）では、空隙率がゼロとなっていることが望ましい。

固液相変化材料である内部蓄熱材１０６は、液相から固相に相変化する際に収縮する。このとき、内部蓄熱材１０６とケース部材１０７との境界に隙間が形成される可能性がある。このような隙間は、熱媒体と内部蓄熱材１０６との間の熱抵抗となり、蓄熱装置１０５の性能低下につながる。

これに対し、本第２実施形態の蓄熱装置１０５では、ケース部材１０７が多孔体として構成されているため、液相の内部蓄熱材１０６がケース部材１０７の空隙に浸透する。このため、内部蓄熱材１０６が液相から固相に相変化する際に、内部蓄熱材１０６とケース部材１０７との境界に隙間が形成されることが抑制される。これにより、熱媒体と内部蓄熱材１０６との間の熱抵抗を抑制でき、蓄熱装置１０５の性能低下を抑制できる。

内部蓄熱材１０６とケース部材１０７との境界に隙間が形成されることを効果的に抑制するために、当該隙間の大きさよりもケース部材１０７の空隙の大きさを小さくすることが望ましい。

また、ケース部材１０７の空隙率は、内部蓄熱材１０６に近い側から遠い側に向かって低くなっている。これにより、ケース部材１０７の空隙に浸透した内部蓄熱材１０６がケース部材１０７の外部に流出することを効果的に抑制できる。

また、図８に示すように、ケース部材１０７の外表面に内部蓄熱材１０６を封止するための封止層１０８を設けてもよい。封止層１０８は、ケース部材１０７の外表面の全体または一部に設けられていればよい。封止層１０８による熱抵抗をできるだけ小さくするために、封止層１０８は極力薄く（例えば数十μｍ程度）形成することが望ましい。

封止層１０８は、アルミニウムペーストのような金属材料やエポキシ樹脂のような樹脂材料を用いることができる。封止層１０８として金属材料を用いた場合には、封止層１０８による熱抵抗を小さくすることができる。封止層１０８として樹脂材料を用いた場合には、封止層１０８の形成を簡易に行うことができる。

このように、ケース部材１０７の外表面に封止層１０８を設けることで、ケース部材１０７の空隙に浸透した内部蓄熱材１０６がケース部材１０７の外部に流出することを防止できる。また、封止層１０８によってケース部材１０７の外表面の平面度が向上し、ケース部材１０７の外部を流れる熱媒体の整流効果が得られる。

また、ケース部材１０７の外表面に封止層１０８を設ける場合には、ケース部材１０７の空隙率を必ずしも内部蓄熱材１０６に近い側から遠い側に向かって低くする必要はない。

（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、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。

（１）上記各実施形態では、蓄熱装置１０５の内部蓄熱材１０６としてパラフィンを用いたが、これに限らず、異なる種類の固液相変化材料を用いてよい。例えば、固液相変化材料として、酢酸ナトリウム水和物や水酸化バリウム水和物といった金属塩水和物を用いることができる。

（２）上記各実施形態では、蓄熱装置１０５を板状に構成したが、これに限らず、蓄熱装置１０５を棒状（例えば円柱状）や球状のような他の形状としてもよい。蓄熱装置１０５の形状は、熱伝達率や圧損に基づいて決定すればよい。例えば蓄熱装置１０５を球状とした場合には、蓄熱ユニット１００のユニットケース１０１での蓄熱装置１０５の充填率を高くすることができ、熱媒体と蓄熱装置１０５との間の熱伝達率を高くすることができるが、熱媒体の圧損が大きくなる。

１００蓄熱ユニット
１０５蓄熱装置
１０６内部蓄熱材
１０７ケース部材（外部蓄熱材）
１０８封止層

Claims

熱媒体から受け取った熱を蓄熱し、蓄熱した熱を放熱可能な蓄熱装置であって、
第１所定温度で固相と液相とに相変化することによって蓄熱あるいは放熱を行う内部蓄熱材（１０６）と、
第２所定温度で固相と固相とに相変化することによって蓄熱あるいは放熱を行い、前記内部蓄熱材を内部に収容するように形成された外部蓄熱材（１０７）とを備え、
前記外部蓄熱材は所定の空隙を有しており、前記空隙に液相の前記内部蓄熱材が浸透可能である蓄熱装置。
前記外部蓄熱材は、金属と絶縁体とに相変化することによって蓄熱あるいは放熱を行う強相関電子系材料である請求項１に記載の蓄熱装置。
前記外部蓄熱材は、前記内部蓄熱材に近い側から遠い側に向かって空隙率が小さくなっている請求項１または２に記載の蓄熱装置。
前記外部蓄熱材は、外表面の少なくとも一部に前記内部蓄熱材を封止するための封止層（１０８）が設けられている請求項１ないし３のいずれか１つに記載の蓄熱装置。