JPH06117787A

JPH06117787A - 蓄熱装置

Info

Publication number: JPH06117787A
Application number: JP4265950A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kondo; 武司近藤; Masaji Tanaka; 正司田中; Yoichi Taniguchi; 庸一谷口; Takashi Tanaka; 隆司田中
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1992-10-05
Filing date: 1992-10-05
Publication date: 1994-04-28

Abstract

(57)【要約】【目的】断熱構造を簡略化できる蓄熱装置を提供す
る。【構成】蓄熱材５が封入されている蓄熱容器６をケー
シング４内に保持してあり、上記蓄熱容器に接触させる
ことにより蓄熱材と熱交換を行う熱媒体を上記ケーシン
グ内に流通させる蓄熱装置において、上記蓄熱材５が過
冷却性能を有するものとして酢酸ナトリウムを用いると
共に、当該蓄熱材５の過冷却性能を解除する解除手段
（電圧印加）を設けてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、蓄熱材の相変化を利用
して熱エネルギーの回収及び放出を行うようにした蓄熱
装置に関し、特に内燃機関の予熱や車両の暖房等に使用
して好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、自動車のエンジンからの熱エ
ネルギーを集めてためておき、この熱エネルギーを後
日、エンジン始動するときに取り出すという、いわゆる
ヒートバッテリーと呼ばれる蓄熱装置が知られている。

【０００３】従来の蓄熱装置は、蓄熱材としての水酸化
バリウムとエンジンの冷却水とが熱交換できる構造のも
のである。例えば、冷却水の温度が蓄熱材の温度よりも
高い場合、冷却水の熱によって蓄熱材を暖め、それが触
解温度（７８℃）に達すると、蓄熱材は液化し、熱エネ
ルギーは潜熱として蓄えられる。一方、冷却水の温度が
蓄熱材より低いと、潜熱が冷却水に伝わり、蓄熱材は凝
固する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の蓄熱装
置において用いられる蓄熱材としての水酸化バリウム等
では、単位あたりの蓄熱量が大きく有効であるものの、
蓄熱を保持するには断熱構造に依存しており、断熱が完
全でない場合には、熱の逃げが生じ、保温に限界があ
り、問題がある。

【０００５】本発明はこのような事情に鑑み、断熱構造
を簡略化できる蓄熱装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明に係る蓄熱装置は、蓄熱材が封入されている蓄熱容器
をケーシング内に保持してあり、上記蓄熱容器に接触さ
せることにより蓄熱材と熱交換を行う熱媒体を上記ケー
シング内に流通させる蓄熱装置において、上記蓄熱材が
過冷却性能を有するものであると共に、当該蓄熱材の過
冷却性能を解除する解除手段を設けてなることを特徴と
する。

【０００７】

【作用】前記構成の蓄熱装置は、蓄熱材かつ過冷却性を
有するので、液体が凝固点以下の温度になっても固化し
ないで溶液状態のままでいる。そして、この過冷却状態
を解除するための金属摩擦，電圧印加等を施すことによ
り、平衡状態に戻って固化する際に自ら発熱し、低い熱
媒体を温め、寒い朝でも暖かい温風をすぐ吹き出すこと
ができる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明による蓄熱装置を実施例に基づ
いて説明する。

【０００９】本実施例に係る蓄熱装置１の内部構造を図
１及びその要部拡大図を図３に示す。即ち、入口部２と
出口部３とが両端側に形成された円筒状をなす筺体４内
には、蓄熱材５がそれぞれ密封状態で充填された複数の
蓄熱容器６と、これら蓄熱容器６を一定間隔で保持して
上記入口部２及び出口部３に連通する熱媒体通路７を形
成する複数のセパレータ８とが交互に緊密に収納されて
いる。ここで、筺体４は熱媒体と接触した状態で耐久性
があり且つ断熱性の良好なもの、例えば、セラミックス
ファイバ,シリカ,ガラスファイバなどの断熱材を用いた
もの、あるいは銅，アルミニウム，ステンレス製として
内部を真空とした断熱構造のものを用いるのがよい。ま
た、蓄熱容器６は、熱媒体及び蓄熱材５と接触した状態
で耐久性があり且つ比較的熱伝導性の高い材質、例えば
銅製のものを用いるのがよい。

【００１０】本実施例の蓄熱装置１では、蓄熱容器６に
充填される蓄熱材５が過冷却性を有するので、液体が凝
固点以下の温度になっても固化しないで溶液状態のまま
でいる。そして、この過冷却状態を解除するための金属
摩擦，電圧印加等を施すことにより、平衡状態に戻って
固化する際に自ら発熱し、低い熱媒体を温め、例えば酢
酸ナトリウムを例示することができる。

【００１１】この酢酸ナトリウムは、図２（Ａ）に示す
ように、その冷却時に結晶核生成エネルギーＥａ′が大
きいと、当該冷却時にはＥａ′を得ることができず、溶
液は常温で溶液のままである過冷却状態を保つこととな
る。

【００１２】そして、この過冷却状態を解除するため、
例えば電圧の印加，微振動及び超音波を付与する金属片
を挿入する等を施すことにより、金属結晶の転位が起こ
り、ここで酢酸ナトリウム分子同士が吸着し易くなる。
この吸着した酢酸ナトリウム分子は図２（Ｂ）に示すよ
うに、結晶核生成エネルギーＥａ”が小さく（ポテンシ
ャルエネルギー障壁が小）なるので、結晶化のためのエ
ネルギー障壁をクリアすることができ、一気に安定な固
体状態となる。このとき発熱が起り、その結果熱媒体と
の熱交換により媒体を暖めることができる。

【００１３】従って、結晶核生成エネルギーを小さくす
る方法であれば、何れの方法でも過冷却状態（準安定状
態）から安定状態である固化することが可能となる。

【００１４】上記過冷却性能を有する蓄熱材としては、
代表的なものとして酢酸ナトリウムを例に挙げて説明し
たが、この他には水和塩化合物（化学式としてＭｘ・ｎ
Ｈ₂Ｏ（ｎ：整数）で表わされるもの）を挙げることが
でき、Ｎａ₂ＳＯ₄・１０Ｈ₂Ｏ，ＣａＣｌ₂・６Ｈ₂Ｏを
例示することができるが、本発明ではこれらに限定され
るものではない。

【００１５】蓄熱容器６内に充填された蓄熱材５を発核
（発熱）させるためには、例えば図３に示すように、蓄
熱容器６の一端部に電極９（正極９ａ：銀合金，銀，
鉛；負極９ｂ：銀合金等種類はいずれでもよい）を設
け、直流約１２Ｖ程度の電圧を印加する過冷却解除スイ
ッチ１０を用い、そのＯＮ−ＯＦＦにより行うようにす
ればよい。

【００１６】このような構成の蓄熱装置１を車両に搭載
される暖房装置に応用した一実施例のシステム概念を、
その主要部の外観を図４に示す。即ち、エンジン１１に
形成された図示しない水ジャケット内に両端が連通する
冷却水循環通路１２の途中には、エンジン１１のクラン
ク軸１３の回転に連動して駆動する水ポンプ１４が介装
され、又、この水ポンプ１４の上流側でエンジン１１よ
りも下流側に位置する冷却水循環通路１２の途中には、
三方電磁弁１５が介装されており、この三方電磁弁１５
とエンジン１１との間の冷却水循環通路１２と、当該三
方電磁弁１５と水ポンプ１４との間の冷却水循環通路１
２とは、途中にラジエータ１６を介装した冷却用バイパ
ス通路１７を介して短絡状態となっている。

【００１７】この冷却用バイパス通路１７の上流端と冷
却水循環通路１２との接続部分には、サーモスタット弁
１８が介装されている。このサーモスタット弁１８は、
冷却水循環通路１２内を流れる冷却水の水温が例えば８
０℃未満の場合、冷却用バイパス通路１７を図示しない
サーモスタットの働きで自動的に閉じ、冷却水がラジエ
ータ１６側へ流れないようにする一方、この冷却水の水
温が例えば８０℃以上になった場合、前記サーモスタッ
トの働きで自動的に冷却用バイパス通路１７を開き、エ
ンジン１１側からの冷却水の一部をラジエータ１６側へ
導くようになっている。

【００１８】又、前記ラジエータ１６には、冷却用電動
ファン１９が付設されており、冷却水循環通路１２内を
流れる冷却水の水温が例えば１００℃未満の場合には、
この冷却用電動ファン１９を停止して車両の走行に伴っ
てラジエータ１６を通過する風により、ラジエータ１６
内を流れる冷却水の自然冷却を行う一方、この冷却水の
水温が例えば１００℃以上になった場合には、冷却用電
動ファン１９が作動してラジエータ１６内を流れる冷却
水の強制冷却を行うようになっている。

【００１９】このため、本実施例ではエンジン１１とサ
ーモスタット弁１８との間の冷却水循環通路１２の途中
に、この冷却水循環通路１２内を流れる冷却水の水温を
検出する水温センサ２０を組み込み、この水温センサ２
０からの検出信号が前記冷却用電動ファン１９及び三方
電磁弁１５の作動をそれぞれ制御する電子制御ユニット
２１に出力されるようになっている。

【００２０】一方、図４に示すように、図示しない車室
内に臨む空気導入口を有する空気導入ダクト内には、電
子制御ユニット２１によって作動を制御される送風用電
動ファン２２が組み込まれており、この空気導入ダクト
と前記車室内に臨む図示しない送風口を有する送風ダク
トとは、放熱器２３を介して接続している。

【００２１】又、上記送風用電動ファン２２は、図示し
ない車室内に設けられた暖房用スイッチ２４のオン信号
に連動して作動し、空気導入口から空気導入ダクトを介
して吸い込んだ車室内の空気を、放熱器２３を通して上
述した送風ダクトから再び車室内に吹き込むようになっ
ている。この暖房用スイッチ２４には、前記電子制御ユ
ニット２１が接続し、当該暖房用スイッチ２４のオン／
オフ信号が、電子制御ユニット２１に出力されるように
なっている。

【００２２】前記放熱器２３に形成された冷却水の図示
しない出入口に両端が連通する暖房用循環通路２５の途
中には、電子制御ユニット２１からの指令に基づいて作
動を制御される暖房用電動ポンプ２６が介装されてい
る。そして、この暖房用電動ポンプ２６の下流側で前記
放熱器２３よりも上流側に位置する暖房用循環通路２５
と前記三方電磁弁１５とは、冷却水導入通路２７を介し
て連通し得るようになっている。同様に、暖房用電動ポ
ンプ２６の上流側で前記放熱器２３よりも下流側に位置
する暖房用循環通路２５と、前記冷却用バイパス通路１
７の下流端と冷却水循環通路１２との接続部分の上流側
で前記三方電磁弁１５よりも下流側に位置する冷却水循
環通路１２とは、途中に電磁開閉弁２８が介装された冷
却水戻り通路２９を介して連通し得るようになってい
る。

【００２３】前記三方電磁弁１５は、サーモスタット弁
１８側から冷却水循環通路１２を介してこの三方電磁弁
１５へ流入する冷却水の流出方向を、当該三方電磁弁１
５よりも下流側の冷却水循環通路１２側へ流したり、或
いは冷却水導入通路２７から暖房用循環通路２５側へ流
したりするのを電子制御ユニット２１からの指令に基づ
いて切り換えるものである。

【００２４】前述した蓄熱材５として酢酸ナトリウムを
用いた蓄熱装置１は、前記冷却水導入通路２７と暖房用
循環通路２５との接続部分の下流側で前記放熱器２３よ
りも上流側に位置する暖房用循環通路２５の途中に介装
され、エンジン１１から冷却水循環通路１２及び冷却水
導入通路２７を介して暖房用循環通路２５に送り込まれ
る冷却水の熱エネルギーを蓄え得るようにしている。こ
の蓄熱装置１の上流側で前記冷却水導入通路２７と暖房
用循環通路２５との接続部分よりも下流側の暖房用循環
通路２５の途中と、当該蓄熱装置１の下流側で前記放熱
器２３よりも上流側の暖房用循環通路２５の途中とに
は、それぞれこれら暖房用循環通路２５を開閉し得る電
磁開閉弁３０,３１が介装されている。

【００２５】これら電磁開閉弁２８,３０,３１は、上述
した冷却用電動ファン１９や暖房用電動ポンプ２６,送
風用電動ファン２２等と共に電子制御ユニット２１から
の指令に基づいて作動がそれぞれ制御されるようになっ
ている。また、電子制御ユニット２１は図示しないイグ
ニッションキースイッチがＯＮになった場合に過冷却解
除スイッチ１０をＯＮにする制御や、さらに暖房用スイ
ッチがＯＮになった場合に当該過冷却解除スイッチ１０
をＯＮにする制御をするようにしている。

【００２６】なお、本実施例では暖房用電動ポンプ２６
の上流側で冷却水戻り通路２９と暖房用循環通路２５と
の接続部分よりも下流側に位置する暖房用循環通路２５
の途中に背圧弁３２を介装し、電磁開閉弁２８を開いて
放熱器２３から暖房用循環通路２５,冷却水戻り通路２
９を介して冷却水循環通路１２へ冷却水を流す場合、こ
の冷却水の一部が暖房用電動ポンプ２６側へ流れるのを
未然に防止するようになっている。

【００２７】従って、図示しないイグニッションキース
イッチを操作してエンジン１１を冷態始動する際にはイ
グニッションキースイッチをＯＮにすると同時に電子制
御ユニット２１を介して過冷却解除スイッチ１０をＯＮ
として、発熱させる。このとき、暖房用スイッチ２４が
オフ状態の場合には、蓄熱装置１に蓄えられた熱エネル
ギーを冷却水の加熱に利用できるので、電子制御ユニッ
ト２１は三方電磁弁１５を操作してこの三方電磁弁１５
からの冷却水の流出方向を冷却水導入通路２７側に切り
換え、更に電磁開閉弁２８,３０,３１を全て開放状態に
する一方、送風用電動ファン２２や暖房用電動ポンプ２
６の作動を冷却用電動ファン１９と共に停止状態に保
つ。

【００２８】これにより、水ポンプ１４からの冷却水は
冷却水循環通路１２側からサーモスタット弁１８,三方
電磁弁１５,冷却水導入通路２７を介して暖房用循環通
路２５側に流れ、更に電磁弁３０,蓄熱装置１,電磁弁３
１,放熱器２３,冷却水戻り通路２９を介して再び冷却水
循環通路１２から水ポンプ１４へと循環するようになっ
ている。この間に、熱エネルギーが蓄えられた蓄熱装置
１の蓄熱材５と当該蓄熱装置１を通過する冷却水との間
で熱交換が行われ、冷却水の水温が迅速に上昇するた
め、エンジン１１の暖機に要する時間を大幅に短縮する
ことができる。又、この暖機運転に伴ってエンジン１１
から排出される排気ガス中に占める有害成分の量を著し
く少なくすることができる。

【００２９】なお、エンジン１１の暖機中に蓄熱材５と
蓄熱装置１を通過する冷却水とが熱的な平衡状態に近づ
くと、エンジン１１で発生した熱が蓄熱装置１に奪われ
てエンジン１１の暖機が遅れてしまう可能性がある。そ
こで、本実施例では水温センサ２０により検出される冷
却水の水温上昇率が予め設定した割合以下になったこと
を電子制御ユニット２１が検出すると、この電子制御ユ
ニット２１は三方電磁弁１５を操作してこの三方電磁弁
１５からの冷却水の流出方向を冷却水循環通路１２側に
切り換えると共に電磁開閉弁２８を塞ぎ、水ポンプ１４
からの冷却水を冷却水循環通路１２内で循環させる。

【００３０】そして、エンジン１１の暖機が終了して水
温センサ２０により検出される冷却水の水温が予め設定
した値、例えば６０℃を越えた場合には、再び三方電磁
弁１５からの冷却水の流出方向を冷却水導入通路２７側
に切り換えると共に電磁開閉弁２８を開放状態にし、エ
ンジン１１の始動直後と同様に冷却水を流してエンジン
１１で発生した熱エネルギーを蓄熱装置１の蓄熱材５に
蓄え、再び過冷却状態にする。このような状態から冷却
水の水温が上昇すると、サーモスタット弁１８が開いて
エンジン１１からの冷却水の一部がラジエータ１６側に
導かれ、冷却水の冷却が開始される。そして、更に冷却
水の水温が上昇して例えば１００℃以上になったことを
水温センサ２０が検出すると、電子制御ユニット２１か
らの指令に基づいて冷却用電動ファン１９が回転し始
め、冷却水の強制冷却が行われる。

【００３１】エンジン１１を冷態始動する際に暖房用ス
イッチ２４がオン状態となっている場合には、蓄熱装置
１に蓄えられた熱エネルギーを暖房用に使用するため、
電子制御ユニット２１を介して過冷却解除スイッチ１０
をＯＮとして発熱させておき、電子制御ユニット２１は
三方電磁弁１５を操作してこの三方電磁弁１５からの冷
却水の流出方向を冷却水循環通路１２側に切り換える一
方、電磁開閉弁２８を塞ぐと共に電磁開閉弁３０,３１
を開放状態にし、送風用電動ファン２２や暖房用電動ポ
ンプ２６を作動作動させる。この場合、冷却用電動ファ
ン１９は当然のことながら停止状態となる。

【００３２】これにより、水ポンプ１４からの冷却水は
冷却水循環通路１２内を循環する従来と同様の暖機操作
となる。又、暖房用電動ポンプ２６の作動により暖房用
循環通路２５内の冷却水もこの暖房用循環通路２５内を
循環し、この間に、熱エネルギーが蓄えられた蓄熱装置
１の蓄熱材５と当該蓄熱装置１を通過する暖房用循環通
路２５内の冷却水との間で熱交換が行われ、これにより
加熱された冷却水と送風用電動ファン２２により放熱器
２３を通過する空気との間で熱交換が行われ、この空気
が急速に温められて車室内に温風が吹き出される。

【００３３】なお、蓄熱材５と蓄熱装置１を通過する冷
却水とが熱的な平衡状態に近づくと、車室内に吹き出さ
れる温風の温度が吹き出し初期よりも低下し、乗員が肌
寒く感じてしまう虞がある。そこで、本実施例ではエン
ジン１１を始動してから予め設定した所定時間、例えば
３分間経過した場合、電子制御ユニット２１が三方電磁
弁１５を操作してこの三方電磁弁１５からの冷却水の流
出方向を冷却水導入通路２７側に切り換えると共に電磁
開閉弁２８を開放状態にし、更に暖房用電動ポンプ２６
の運転を停止してエンジン１１により加熱された冷却水
を放熱器２３側に導き、暖房のための熱源を従来のもの
と同様に確保する。

【００３４】次に、本発明の蓄熱装置について、車両に
搭載した場合と同様な環境での試験を実施例した結果を
説明する。図５はその試験装置を概念的に示したもので
あり、同一活用を示す部材に同一符号を付して重複する
説明は省略する。なお、本試験装置では電動ポンプ２６
の上流側で放熱器２３の下流側の暖房用循環通路２５に
は実際の冷却水量を想定した液だめ３３と流量計３４と
が介装されている。

【００３５】蓄熱材として酢酸ナトリウムを用いた蓄熱
装置１を用い、当該蓄熱装置１に十分蓄熱した。そし
て、系全体を−２０℃で１時間保持した後の吹き出し温
度を測定した。

【００３６】蓄熱材として酢酸ナトリウムを用いたもの
は、従来の水酸化バリウムを用いて保温を十分に施した
場合に比べ、放熱器２３から吹出す熱風の温度が高かっ
た。

【００３７】一方、蓄熱装置の構造、材質等は特に限定
されるものではない。図６には他の実施例に係る蓄熱装
置４１を示す。同図に示すように、この蓄熱装置４１
は、入口部４２と出口部４３とが両端側に形成された円
筒状をなす筺体とし、この中に蓄熱材（酢酸ナトリウム
等）４５が密封状態で充填された円筒状の蓄熱容器４６
を格子状の固定ホルダ４７，４８で一定間隔をおいて固
定したものである。蓄熱容器４６は熱伝導性のよい銅製
とし、図７に示すようなスウェッジロック機構により密
封製を保つようにした。すなわち、容器本体４６ａに雌
ねじ部４６ｂを有するねじ受け部４６ｃを設けると共
に、蓋４６ｄに雌ねじ部４６ｂと噛み合う雄ねじ部４６
ｅを設け、一方、蓋４６ｄの先端部内周面を内側に向っ
て径が衝小するテーパ部４６ｆを設けると共にねじ受け
部４６ｃ内にテーパ部４６ｆと相対向するテーパ部４６
ｇを有するリング４６ｈを挿入し、前記雌ねじ部４６ｂ
と前記雄ねじ部４６ｅとを噛み合せることにより密封性
を保つようにした。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る蓄熱
装置は、蓄熱材として過冷却性を有するものを用い、こ
の過冷却現象を利用することで任意に発熱させることが
できる。また過冷却解除手段によって解除しない限り、
自ら発熱することがないので従来のような断熱構造とせ
ず簡略化でき、特に寒冷地でのエンジン始動時の暖房用
として好適なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例に係る蓄熱装置を破断状態で示す概略
図である。

【図２】過冷却状態を説明するグラフである。

【図３】蓄熱容器の一例を示す断面図である。

【図４】その主要部の外観斜視図である。

【図５】評価試験装置の説明図である。

【図６】他の実施例に係る蓄熱装置を示す説明図であ
る。

【図７】他の蓄熱容器の一例を示す断面図である。

【符号の説明】

１，４１蓄熱装置２，４２入口部３，４３出口部４，４４筺体５，４５蓄熱材６，４６蓄熱容器７熱媒体通路８セパレータ９電極１０過冷却解除手段１１エンジン１２冷却水循環通路１３クランク軸１４水ポンプ１５三方電磁弁１６ラジエータ１７冷却水用バイパス通路１８サーモスタット弁１９冷却用電動ファン２０水温センサ２１電子制御ユニット２２送風用電動ファン２３放熱器２４暖房用スイッチ２５暖房用循環通路２６暖房用電動ポンプ２７冷却水導入通路２８電磁開閉弁２９冷却水戻り通路３０，３１電磁開閉弁３２背圧弁３３液だめ３４流量計

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中隆司東京都港区芝五丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】蓄熱材が封入されている蓄熱容器をケー
シング内に保持してあり、上記蓄熱容器に接触させるこ
とにより蓄熱材と熱交換を行う熱媒体を上記ケーシング
内に流通させる蓄熱装置において、上記蓄熱材が過冷却
性能を有するものであると共に、当該蓄熱材の過冷却性
能を解除する解除手段を設けてなることを特徴とする蓄
熱装置。