JPS61255980A - 蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、塩水化物の溶解、凝固に伴う潜熱を利用した
蓄熱装置に関し、自動車用即効ヒータやその他の瞬間加
熱装置等に用いられて有効である。

〔従来の技術〕

一般に蓄熱媒体としては熱媒体となる物質の温度上昇の
みを利用した顕熱蓄熱媒体と、熱媒体となる物質の融解
、凝固等の相転移に伴う吸放熱を利用した潜熱蓄熱媒体
とが知られている。このうち後者の潜熱蓄熱媒体では狭
い温度範囲で大きな蓄熱が期待できしかも一定温度の熱
が得られる点で利点を有している。このような媒体とし
ては、パラフィン、包接水和物、塩水化物、溶融塩、金
属等の多岐にわたる媒体が研究されている。

これらの媒体のうち、特開昭５２−２７１３９号公報、
または特開昭５９−５３５７８号公報に開示されている
ように酢酸ナトリウムやチオ硫酸ナトリウムのような融
解潜熱量が大きく、しかも凝固の際著しく過冷却現象を
生じる塩水化物の利用が有望視されている。

これらの蓄熱媒体は、水化の少ない結晶相が融点以上に
加熱されると結晶の周囲に存在する水をとり込んで水化
の多いゲル相となり、このゲル相は融点以下となっても
結晶化がおこらない過冷却ゲル相として長時間保存する
ことが可能である。

そして熱を必要とするときに、この過冷却ゲル相の過冷
却状態を崩壊させ短時間に全体を結晶相にすることによ
って、凝固に伴う潜熱が（例えば、酢酸ナトリウム三水
化物の場合４０〜６０ｃａｌ／ｇ）放出される。

上記のような過冷却ゲル相の過冷却状態を崩壊させる手
段としては、特開昭５９−５３５７８号公報に、開示さ
れているようにあらかじめ形成させた蓄熱媒体の塩の結
晶核や、あるいは金属等の尖鋭物（シャープポイント）
を過冷却状態のゲル相に接触させる方法が知られている
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら上記のような従来の手段のうち、微小な結
晶核を過冷却ゲル状蓄熱媒体の表面に接触させる方法に
あっては、あらかじめ形成させておいた微小結晶核を、
例えば作動棒の先端に液面から離して保持し、結晶化を
おこしたいときに作動棒を液面方向に移動させることに
よって結晶核とゲル状蓄熱媒体とを接触させることがで
きるが、蓄熱過程において結晶核を液面から離して保持
していても、熱伝導によって結晶核近傍も融点以上とな
り、同時に水蒸気が存在すると結晶核自体もゲル化して
しまい必要なときに結晶核を保持していない場合も発生
する。また金属等の尖鋭物にあっては、その先端形状に
より結晶化がおこったりおこらなかったりすることがわ
かった。

以上のように、従来の過冷却ゲル状蓄熱媒体を刺激して
一気に結晶化をおこさせる刺激装置は、作動が不確実で
あるという問題点があった。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで上記問題点を解決するための本発明の手段とは、
蓄熱媒体の過冷却状態にあるゲル相よりなる蓄熱媒体の
界面に直接機械的振動を与えることにより過冷却ゲル相
を刺激し、結晶相への転移を誘起させる圧電素子装置を
備えるというものである。

〔作用〕

上記手段によれば、圧電素子装置が過冷却ゲル状態にあ
る蓄熱媒体の界面に直接機械的振動を与えることにより
、確実に結晶化させることが可能となる。

〔発明の効果〕

従って本発明によれば、例えば車両用の即効ヒータシス
テム等に用いられて、熱源の必要なときに確実に過冷却
蓄熱媒体の貯えている潜熱を放出させ暖房等に供するこ
とができるというすぐれた効果を有する。

〔実施例〕

以下本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。第２
図は本発明の第１の実施例であるエンジン冷却水を利用
した蓄熱式即効ヒータの構成を説明する系統図である。

１は、本発明の蓄熱装置であり、２はエンジン３のウォ
ータジャケット、４はエンジン冷却水冷却用のラジェー
タ、５はラジェータ４に強制送風するファンである。エ
ンジンウォータージャケット２とラジェータ４とはラジ
ェータ配管Ａで冷却水が図中実線矢印の向きに循環可能
なように接続されており、ウォータポンプ６によって送
水される。なお７はラジェータ４への送水を開閉切替す
るサーモスタットである。配管Ｂはエンジン冷却水を空
調用ダクト８内に収納された空調用ヒータコア９に通水
することによって暖房を行う暖房用配管でウォータポン
プ６によって実線矢印方向に循環送水される。１０は空
調装置の送風用ファンである。配管Ｃは前記暖房用配管
Ｂの往路から分岐点Ｅで分岐し、蓄熱装置１を介して配
管Ｂの帰路に合流点Ｆで合流する蓄熱装置用配管である
。

なおウォータポンプ６はエンジン３により常に駆動され
ているので、ラジェータ４、ヒータコア９、蓄熱装置１
への送水がいずれもストップされているときのためにバ
イパス配管りが設けられている。

次に蓄熱装置１の構成を説明する。１１は鉄、またはア
ルミニウムあるいは黄銅等の金属からなる円筒形容器で
、内部にはらせん状に旋回形成された温水バイブ１２が
備えられている。温水パイプ１２は容器１１と同等の材
料からなり容器１１の壁面との貫通部は溶接、ロー付は
等により気密的に接続されている。そして蓄熱装置１の
エンジン冷却水上流側（分岐点Ｅ側）の配管Ｃ上にはウ
ォータポンプ１３が蓄熱装置１に向って送水する向きに
取付けられている。そして蓄熱装置１の上流側の配管Ｃ
は温水バイブ１２の一端１２ａに接続され、下流側の配
管Ｃ′は、温水パイプ１２の他端１２ｂに接続されてい
る。そして、配管Ｃの蓄熱装置１とウォータポンプ１３
との間および配管Ｃ′には電磁弁１４および１５がそれ
ぞれ設けられている。そして、暖房用配管Ｂの分岐点Ｅ
の上流側、および合流点Ｆの下流側比は電磁弁１６．１
７が設けられている。また、暖房用配管Ｂのヒータコア
９の上流にも電磁弁１８が設けられ、図示しない車両運
転席の空調装置パネルの温度コントロールレバーに連動
して開閉されるように構成されている。

蓄熱装置１の容器１１の内壁面と温水パイプ１２の外周
面とで囲まれた空間内には、蓄熱媒体である酢酸ナトリ
ウム三水化物１９が充填されており、容器１１の内壁面
および温水バイブ１２の外周面には、この酢酸ナトリウ
ム三水化物により腐食されないように塗装、亜鉛メッキ
等により耐腐食性処理が施されている。

また容器１１の下流側の外周部には、酢酸ナトリウム三
水化物のゲル状態を二本の電極間の電気抵抗で測定する
ことによって検知するゲル状態検知センサ２０が取付け
られ、さらに容器１１の上流側の端面には、圧電素子の
伸縮に伴う振動を利用し過冷却ゲル状態から結晶化を誘
起する圧電素子装置２１が設けられている。

エンジン冷却水上流側のエンジン近傍にはエンジン冷却
水温を検知する水温センサ２２、暖房用配管Ｂ上のヒー
タコア９の上流には暖房用冷却水温検知センサ２３が設
けられている。

図示しない車両運転席の空調用パネルに設けられた即効
ヒータスイッチがＯＮされると、電磁弁１６．１７が閉
、電磁弁１４．１５が開、ウォータポンプ１３および圧
電装置２１がＯＮされることによって即効暖房が行われ
るよう構成されている。２４はエンジン冷却水温センサ
２２の検出する温度と、暖房用冷却水温センサ２３の検
出する温度とを比較し前者のほうが高くなったときに電
磁弁１６．１７を開、電磁弁１４．１５を閉、ウォータ
ポンプ１３を停止するように制御する制御回路である。

そしてまた制御回路２４はエンジン冷却水温が５８℃（
酢酸ナトリウム三水化物の融点）以上となったことをエ
ンジン冷却水温センサ２３が検知すると、その信号を受
けてウォータポンプ１３をＯＮ、電磁弁１４．１５を開
とすることによって結晶相の蓄熱媒体に熱を供給してゲ
ル相への転移を行わせ、蓄熱されるよう制御を行う。

さらにこの制御回路２４は、ゲル状態検知センサ２０が
、蓄熱媒体１９がゲル状態になったことを検知したとき
、電磁弁１４．１５を閉、ウォータポンプ１３をＯＦＦ
するよう制御する。

次に圧電素子装置２１の構造を第１図に基づいて説明す
る。同図において３０．３１は長方形平板状の圧電素子
でいずれもＰＺＴ素子（Ｐｂ　Ｚｒ　Ｏ３とＰｂ　Ｔｉ
　Ｏｓの固溶体）の両面に印刷、メッキ、蒸着等により
銀電極が形成された三層構造からなる。２枚の圧電素子
３０．３１はコバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）等の金
属よりなる短棚状の振動板３２を挟持し、容器１−１の
壁面に設けられたボス部３３に気密的に固定されている
。すなわち圧電素子３０．３１と振動板３２との間はロ
ー付け、半田付等により接合固定されており、圧電素子
３０．３１とボス部３３の内面との間は接着剤にて接着
固定されている。ここで圧電素子３０．３１はいずれも
第２図χ□方向に分極している。振動板３２の先端部は
蓄熱媒体中に浸漬されており、一方の圧電素子３０の外
側の電極には圧電素子装置２１の起動スイッチ３４　（
すなわち即効ヒータスイッチ）を介してバッテリー３５
の子端子と接続されており、他方の圧電素子３１の外側
の電極はアースされている。

次に本発明の蓄熱媒体である酢酸ナトリウム三水化物の
蓄熱原理を説明すると、酢酸ナトリウム三水化物（ＣＨ
ｌＣＯＯＮ＠　　・ｎ　Ｈｌ　Ｏｓ　１１−２．５〜３
．５）は、熱を吸収し、６５℃になるとゲル状となり、
完全にゲル状となったものは温度が低下しても（５８℃
以下になっても）結晶化（水化の少ない相への転移）せ
ずゲル状態（水化の多い相）のまま（過冷却状態）とな
っている。これを熱を放出したい時に、機械的刺激等を
加えることによって過冷却状態が一気に崩れゲル状態か
ら結晶状態に変化し、このとき４０〜６０ｃａｌ／ｇの
熱量を放出する。この時完全にゲル状態にならなくて一
部結晶状態が残されていると、その残存結晶を核として
、温度が低下していくにつれて徐々に自発的にゲル状態
が結晶化していくために過冷却が維持されず長期間の蓄
熱が不可能となる。

この時ゲル状態を保持するには結晶水の量をコントロー
ルする必要もあるが、その他に少量の添加物を入れる必
要もあり、例えば特開昭５９−５３５７８に開示されて
いるように親水性多糖類（キサンタンガム）を０．０３
〜０．１重量％を添加すると、より安定して蓄熱媒体の
結晶状態とゲル状態との不遊的相転移を起こさせること
ができる。

なお、・可逆的相転移を安定して行うには結晶水の量を
ＣＨ，Ｃ００Ｎ、１ｍ０１に対して２．５〜３．５−ｏ
ｌに必ず保つためにこの水分量の飛散防止に充分な注意
が必要であり、そのため蓄熱媒体が収納される容器の気
密度を高めることが必要である。

次に上記構成においてその作動を第２図および第３図の
フローチャートに基づいて説明する。エンジン始動時の
冷却水温が低い場合には、運転者が図示しない車両空調
装置操作パネルに設けられた即効ヒータスイッチを押す
と、電磁弁１６．１７は閉、ウォータポンプ１３がＯＮ
、電磁弁１４．１５が開（電磁弁１８は運転者がヒータ
モードに操作しているので開となっている）となり、第
２図中破線矢印のように冷却水が循環する。また、同時
に圧電素子装置２１の圧電素子３０に十の電圧が印加さ
れると、圧電素子の双極子モーメントが増加するために
圧電素子３０はその増加を妨げるよう比断面方向に縮み
、これがボアフソン比に従ってｙ方向の伸び変位となる
。一方反対側の圧電素子３１は逆向きの電界が発生する
のでｙ方向に縮むことになる。振動板３２と圧電素子３
０．３１とはロー付は又は半田付けによって接合されて
いるので振動板３２の先端は図中Ｚ方向に変位する。

この急激な変位によって、あらかじめ過冷却状態に保持
されていた蓄熱媒体の界面と振動板３２の接触部付近に
機械的振動エネルギーが原因となって結晶核が発生し、
引き続いて全体が瞬間的に結晶化する。このときの相転
移によって潜熱が放出され、この熱が温水パイプ１２を
介して冷却水に伝達されてヒータコア９に供給され車室
内に温、　　　　　風を供給する。

次にセンサ２２の検知するエンジン冷却水温が、センサ
２３の検知する暖房用冷却水温よりも高くなったときは
、制御回路２４によって電磁弁１６．１７が開、電磁弁
１４．１５が閉、ウォータポンプ１３がＯＦＦして通常
の暖房が行われる。

さらにエンジン冷却水温が５８℃（酢酸ナトリウム三水
化物の融点）よりも高くなったことを水温センサ２２が
検知すると制御回路２４によって電磁弁１４．１５が開
、ウォータポンプ１３がＯＮとなって５８℃以上になっ
たエンジン冷却水が蓄熱装置１の温水パイプ１２内を流
れ、結晶相となった蓄熱媒体１９に温水パイプ１２を介
して熱が供給され、やがてゲル相への転移がおこる。そ
してゲル状態検知センサ２０によって蓄熱媒体１９の全
体が完全にゲル相になったことを検知すると、制御回路
２４によって電磁弁１４．１５を閉、ウォータポンプ１
３をＯＦＦとし、この状態で蓄熱を行う。

次に本発明の他の実施例について説明する。圧電素子装
置２１は、第４図にその断面図を示すように段差状に屈
曲させた振動板３２の表面の一部が蓄熱媒体の液面に近
接するように配置させてもよく、この場合は、スイッチ
３４の投入によって２方向へ振動板が動き液面をたたく
ように機械的刺激を与えるためにより結晶化を誘起しや
すくなる。

また圧電素子装置２１は第５図にその断面図に示すよう
にバッテリー３５から文法発生装置３６によって交流を
発生させ、この交流電圧を振動板３２に印加するように
構成してもよい。この場合圧電素子３０．３１はいずれ
もアースされている。

このように構成することによって圧電素子３０．３１に
は交互に正負の電圧が印加されるために、交互に伸縮す
る結果振動板３２は連続して振動しつづける。従ってこ
の場合はより確実に過冷却ゲル相の結晶化を誘起できる
。

また圧電素子装置２１に用いられる圧電素子はＰＺＴの
他にもチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ２）、チタン酸バリウム
（Ｂａ　Ｔｉ　Ｏｓ　）等のセラミック素子が使用でき
る。

本発明の蓄熱装置は上記第１の実施例の車両用即効暖房
システムの他に、ウオッシャ−液やバッテリー液の急速
加熱装置や、車両のステアリングホイル部に設けられ、
運転者の手が冷たい時にホイルを握る手に向けて温風を
吹き付けるクイックヒータ等にも有効に応用可能である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の蓄熱装置の圧電素子装置の構造を説明
する断面図、第２図は本発明の蓄熱装置を応用した自動
車用空調装置の構成を説明する系統図、第３図は第１図
の自動車用空調装置の作動を説明するフローチャート、
第４図、第５図は圧電素子装置の他の実施例の構造を説
明する断面図である。 １９・・・蓄熱媒体、３０．３１・・・圧電素子、３２
・・・振動板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 水化の多いゲル相と水化の少ない結晶相との間を潜熱の
   発生吸収を伴って可逆的に相転移する塩からなる蓄熱媒
   体と、 前記蓄熱媒体の過冷却状態にあるゲル相よりなる蓄熱媒
   体の界面に直接機械的振動を与えることにより、前記過
   冷却ゲル相を刺激し、前記過冷却ゲル相の結晶相への転
   移を誘起する圧電素子装置と、 前記蓄熱媒体へ熱を供給することによって前記蓄熱媒体
   を結晶相からゲル相へ転移させる熱源とを備えたことを
   特徴とする蓄熱装置。