JPS61271381A - 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、包接木和物、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、酢酸す）　ＩＪウ
ム三水化物の場合４０〜６０ｃａｌ／ｇ　）放出される
。

そしてこのような塩水化物を蓄熱媒体として用いる場合
には、蓄熱媒体中に含まれる水分量が蓄熱媒体の単位重
量当りの発熱量や、過冷却ゲル相の安定性に大きな影響
を与えることがわかっており、最も適性な水分含量を長
期間にわたって安定して保持することが必要となる。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記のような塩水化物からなる蓄熱媒体
を蓄熱容器に収納した蓄熱装置は、容器側壁に、各種セ
ンサや、過冷却ゲル状態を刺激して結晶化を誘起する相
転移誘起手段等が容器の壁を貫通するように取付けられ
ており、またこの容器内の熱の出入に伴う圧力変化ある
いは容器自身の熱膨張等によって完全に外気から蓄熱媒
体を密封できるように設定しても１、長い間に容器内部
と大気を連通させるすき間等が形成され、そのすき間か
ら水分が飛散してしまって含水量が低下してしまうとい
う問題が発生する。例えばこの蓄熱装置を自動車等に取
付けた場合には振動も加わるために上記のような問題が
より発生しやすくなる。

（問題点を解決するための手段） そこで上記のような問題点を解消するために、本発明は
蓄熱媒体に含まれる水分量を検知する水分量検知手段と
、該蓄熱媒体中に水分を供給する水分供給装置と前記水
分量検知手段が、前記蓄熱媒体中の水分量が一定量以下
となったことを検知したとき、その信号を受けて前記水
分供給装置から前記蓄熱媒体中に水分を供給するよう制
御する制御回路とを備えるという手段を採用する。

（作用） 上記手段によれば、蓄熱媒体中の水分が飛散し水分量が
低下した場合には、水分量検知手段が水分量の不足を検
知しその信号を受けて制御回路によって水分量供給装置
から蓄熱媒体中に水分を供給するので蓄熱媒体中の水分
量を長期間に亘って常に一定に保つことができる。

（発明の効果） 従って本発明によれば、蓄熱媒体の水分量を常に一定に
保つことによって蓄熱媒体の単位重量当りの発熱量を常
に一定に保つと同時に、過冷却ゲル相を安定に保持する
ことができるために長期間に亘って安定した効率的な蓄
熱効果を有する蓄熱装置を提供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（逆方向であってもよい）。

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との間には電磁弁１
４が設けられている。

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の下流側には電磁弁１６．１７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１
８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
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相
転移誘起手段である圧電素子装置２Ｉが設けられている
。

この圧電素子装置２１の構造を第３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（ＰｂＺｒＯｌとＰ　ｂ　Ｔ　ｉ
　Ｏ３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１１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との間にはロ
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の内面との間には接着剤にて接
着されている。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
ち即効暖房ヒータスイッチ）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３工の外側の
電極はアースされている。

また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
ヒータスインチがＯＮされると、電磁弁１６．１７が閉
、電磁弁１４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１
６．１７を閉、電磁弁１４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が検知すすと、その信号を受
けてウォータポンプ１３をＯＮ１電磁弁１４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。

また容器１１の上面には本発明の水分量検知手段である
蓄熱媒体の電気伝導度の変化を利用して蓄熱媒体中の水
分量を検知する水分量検知センサ２０が設けられており
、その構造を第１図の断面図に基づいて説明する。

４０は中心部に貫通穴部４０ａを有する円筒状の容器で
、容器１１の壁面に設けられたボス部４１に気密的に嵌
挿されており、ポリフッ化ビリニデン等の樹脂よりなる
。この容器４０の貫通穴部４０ａには上部から熱電対４
２が挿入されその人口部はゴム部材等の密封栓４３によ
って取付は固定され熱電対４２の先端部は蓄・熱媒体１
９中に浸漬されている。容器４０の貫通部４０ａをとり
巻く部分は内部が中空となっており、ドーナツ型の保持
盤４４を介してコイル４５および４６が、２Ｇの間隔で
配置されている。このコイル４５．４６はドーナツ型の
鉄心４５ａ、４６ａとその回りに巻付けられたコイル導
線４５ｂ、４６ｂよりなり、コイル導線４５ｂの両端は
容器４ｏ内を通って上端面より取り出され交流発生装置
４７に接続され交流が印加されコイル４５のまわりに誘
導電界が発生するよう構成されている。一方コイル導線
４６ｂの両端は同様に容器４ｏ内を通って上端面より取
り出され、制御回路２４に接続され、また前記熱電対４
２０両ターミナルも制御１１ｆｆ回路２４に接続されて
いる。そしてコイル４５で発生させた誘導電界は、コイ
ル４５とコイル４６の間の貫通穴部４０ａ内に存在する
蓄熱媒体１９の温度および水分量によって変化する導電
率に応じてコイル４６に誘導電流を発生させる。従って
、例えば熱電対４２が蓄熱媒体の温度が８０℃に達した
時、制御回路２４がその信号を受けて交流発生装置をＯ
ＮＬコイル４５に交流を印加すると同時にコイル４６に
発生する誘導電圧から蓄熱媒体中に含まれる水分を検知
することができるよう構成されている。

この電磁誘電を利用した非接触式（腐食性を存する蓄熱
媒体と検出素子部が直接接触しない）のセンサは、蓄熱
媒体によって侵されることがないので長期間安定して使
用できるというすぐれた利点を有する。

この検知センサ２０によって酢酸ナトリウム水化物が完
全にゲル状となったときの水分量の変化による導電率の
変化を測定した結果を説明したのが第４図である。図か
られかるように、蓄熱媒体に含まれる水分量が約７３ｉ
％で極大となる曲線を描き４０〜７０ｗｔ％まではほぼ
直線的に増加する。なおこの実験は温度８０℃における
ものである。

ところで本発明者らの実験によれば、蓄熱装置に用いる
酢酸ナトリウム水化物の含水量は３９〜６０ｗｔ％の範
囲に保つのが好ましく、３９−ｔ％以上では結晶相を融
点以上に充分加熱しても、水化に用いられる水分が不足
しているために一部結晶相が残留し、吸熱を停止して除
々に温度が下がるにつれて残留していた結晶核を中心と
してゆっくり結晶化がおこり潜熱を放出してしまって蓄
熱が不可能となる。また６０−ｔ％以上では、過剰な水
分に一部の結晶が溶解するために完全な結晶化がおこら
ず発熱量が低下してしまう。

また、酢酸ナトリウム水化物においてはＣＨ：ＩＣＯＯ
Ｎ　ａ−ｎ　ＨｚＯにおいてｎ＝３すなわち水分量４０
ｗｔ％の時が最も発熱量が大きいことが知られているが
、本発明者らの実験によれば、これよりもやや水分量が
多いほうが発熱量は少し下がるものの過冷却状態が安定
して維持できることが明らかとなり、含水率は４５Ｈｔ
％程度が最も好ましい。また第５図は含水率４５ｗｔ％
における酢酸ナトリウム三水化物の完全な結晶相から一
定温度で徐々に加熱していったときの導電率を説明する
特性図で、結晶相からゲル相への転移によって導電率が
急激に増加し、例えば８０℃におけるゲル相の導電率は
１２０ｍ５／ｃｍであった。

また２５は容器１１の上流側端面に取付けられた水分供
給装置でその構造を第１図の断面図に基づいて説明する
。５０は容器１１のボス部５１に嵌挿固定され蓄熱媒体
１９中に水分を供給する樹脂製ノズルでこのノズル５０
の先端部は直径２１臘程度に設定されておりごく少量ず
つ水分が供給されるように構成されている。ノズル５０
には給水管５２が接続されこの給水管５２は第２図に示
すように電磁弁２６を介して、蓄熱装置１よりも高い位
置に設けられた貯水タンク２７に接続されており、貯水
タンク２７内には蒸留水が満たされている。電磁弁２６
は通常は閉じられており制御回路２４から信号を受ける
とその信号を受けている間開くように構成されている。

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（ＣＨ３
ＣＯＯＮ　ａ−ｎ　Ｈｚ　Ｏｌｎ　＝　２．５〜３．５
＞ハ、熱を吸収し、５８℃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。

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に断面方向に縮み、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３０，
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、この熱が温水バイブ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
、！ｌＩ？１１回路２４によって電磁弁１６゜１７が開
、電磁弁１４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の温水バイブ１２内を流れ、結
晶相となった蓄熱媒体１９に温水バイブ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。

そして水分量検知センサ２０に設けられた熱電対４２に
よって蓄熱媒体１９が例えば８０℃になったことを検知
した時、制御回路２４がその信号を受けて水分量検知セ
ンサ２０を作動させ導電率を検出し、その導電率が第５
図に示す値、すなわち１２０ｍ５／ａｍに達しない時は
、水分供給装置２５の電磁弁２６を開き、ごく微量ずつ
蓄熱媒体１９に水分を供給し続ける。そして１２０ｍ５
／Ｃｍになった時電磁弁２６が閉じられ蓄熱媒体に含ま
れる水分量は４５ｗｔ％に調節される。

また蓄熱媒体１９が８０℃になった時は蓄熱媒体１９は
完全にゲル状態となっているので、蓄熱媒体の吸熱過程
は終了しているので制御回路２４は電磁弁１４を閉じ、
ウォータポンプ１３を停止して蓄熱装置１へのエンジン
冷却水の送水は停止される。

次に本発明の他の実施例について説明する。上記実施例
においては、水分量検知センサ２０は、電磁誘導方式の
センサを用いたが、第７図に示す如く白金等の耐腐食性
金属からなる電極６０．６１を蓄熱媒体中に直接挿入し
、樹脂又はセラミック等の絶縁材４３で固定蓄熱媒体１
９の電気抵抗を直接測定するように構成してもよい。な
おこの場合熱電対４２は電極６０．６１の近傍に同様に
固定されている。

また本発明における水分量検知手段は、電気的手段によ
らず、蓄熱媒体がゲル状態となった時のレベルを精密に
計測できるフロート弐のレベルセンサーを用いそのレベ
ルが所定位置よりも低下したとき、所定レベルに達する
まで水分供給装置から水分を供給するよう構成してもよ
い。

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図は本発明の水分量検知センサおよび水分供給装置
の構造を説明する断面図、第２図は本発明の蓄熱装置１
を適用した自動車用即効暖房システムの構成を説明する
系統図、第３図は第２図における相転移誘起手段の構造
を説明する断面図、第４図は蓄熱媒体１９に含まれる水
分量の変化に伴う導電率の変化を説明する特性図、第５
図は水分量４５−ｔ％における蓄熱媒体１９の温度変化
に伴う導電率の変化を説明する特性図、第６図は制御回
路２４の制御方法を説明するフローチャート、第７図は
本発明の他の実施例の構成を説明する断面図である。 ２０・・・水分量検知センサ、２５・・・水分供給装置
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）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相転移誘起手
   段と、 前記蓄熱媒体に含まれる水分量を検知する水分量検知手
   段と、 前記蓄熱媒体中に水分を供給する水分供給装置と、 前記水分量検知手段が、前記蓄熱媒体中の水分量が一定
   量以下になったことを検知したとき、その信号を受けて
   前記水分供給装置から前記蓄熱媒体中に水分を供給する
   よう制御する制御回路と、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の結晶相からゲル相への相転
   移を行わせる熱源とを備えたことを特徴とする蓄熱装置
   。