WO2017029897A1 - 熱輸送システム - Google Patents

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卓哉 布施
暢 川口
孟 眞貝
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株式会社デンソー
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    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P2003/001—Cooling liquid

Definitions

  • the present disclosure relates to a heat transport system that performs heat transport using a liquid heat transport medium.
  • a heat transport system in a vehicle or the like is provided with a cooling circuit.
  • the cooling circuit includes a heat transport medium that removes heat from at least a heat source (energy exchanger), a heat exchange unit that discharges heat from the heat transport medium to the outside of the system, and a heat transport medium from the heat source toward the heat exchange unit.
  • a transport section for transporting the vehicle As a result, heat from the heat source is transported toward the outside of the system.
  • the heat transport system of the present disclosure includes an energy conversion unit, a heat transport medium, a transport unit, and a heat exchange unit.
  • the energy conversion unit converts a predetermined energy source into another mode and generates heat along with the conversion.
  • the heat transport medium is a liquid that receives heat generated from the energy conversion unit.
  • the transport unit transports a heat transport medium.
  • the heat exchange unit releases heat from the heat transport medium transported by the transport unit to the outside of the system.
  • the heat transport medium has at least H 2 O and a solute compatible with H 2 O.
  • the molecular structure of the solute has at least two OH groups, and the bond chain distance from one O atom to the other O atom in the two OH groups is the bond between the two OH groups in the ethylene glycol molecule. It is shorter than the distance corresponding to the chain.
  • the heat transport medium can have the same thermal conductivity and viscosity as water, and can have the same freezing point as ethylene glycol. Therefore, it is possible to provide a heat transport system using a heat transport medium that has the same antifreezing property as an ethylene glycol aqueous solution and that has better heat transport performance than an ethylene glycol aqueous solution.
  • the heat transport system is mounted on, for example, a hybrid vehicle.
  • the heat transport system includes a cooling water circuit 12 through which a cooling water 11 of a cooling system that cools an energy conversion unit 10 circulates, and a refrigerant of a vapor compression refrigeration cycle that constitutes a vehicle air conditioner. And a refrigerant circuit 20 that circulates.
  • the cooling system is a system in which the cooling water of the energy conversion unit 10 is cooled by the radiator 13. That is, the cooling system is a system that transports heat from the energy conversion unit 10 to the radiator 13 via the cooling water 11.
  • the energy conversion unit 10 converts a predetermined energy source into another mode and generates heat along with the conversion.
  • the energy conversion unit 10 is, for example, a fuel cell, an engine, an inverter, a motor generator, or the like.
  • the predetermined energy source is, for example, fuel or electricity, and other aspects are, for example, power or electricity.
  • the radiator 13 exchanges heat with the cooling water 11 heated to high temperature by exchanging heat with the exhaust heat of the energy conversion unit 10 and the outside air blown by the blower fan 14 to release the heat of the cooling water 11 to the outside of the system.
  • Heat exchanger That is, the cooling water 11 is a liquid that receives heat generated from the energy conversion unit 10.
  • the energy conversion unit 10 and the radiator 13 are connected by a cooling water circuit 12 that forms a closed circuit between the energy conversion unit 10 and the radiator 13.
  • the cooling water circuit 12 is provided with a pump 15 that is a fluid machine that sucks and discharges the cooling water 11.
  • the pump 15 is an electric pump driven by an electric motor, and is a flow control unit that controls the flow of the cooling water 11 in the cooling water circuit 12. That is, the pump 15 transports the cooling water 11 to the cooling water circuit 12.
  • the cooling water 11 in the cooling water circuit 12 circulates from the cooling water outlet of the energy converting unit 10 to the cooling water inlet of the energy converting unit 10 via the radiator 13. Therefore, the radiator 13 releases heat from the cooling water 11 transported by the pump 15 to the outside of the system.
  • the vapor compression refrigeration cycle cools the air blown into the passenger compartment, which is the air-conditioning target space.
  • the refrigerant circuit 20 of the refrigeration cycle is provided with a compressor 21, a condensing unit 22, an expansion valve 23, and an evaporation unit 24.
  • Compressor 21 sucks, compresses and discharges refrigerant in the refrigeration cycle.
  • the compressor 21 is configured as an electric compressor that drives a fixed capacity type compression mechanism with a fixed soot discharge capacity by an electric motor.
  • the condensing unit 22 is a heat exchanger that condenses the high-pressure refrigerant by exchanging heat between the high-pressure refrigerant discharged from the compressor 21 and the cooling water flowing through the cooling water circuit 12.
  • the condensing unit 22 releases the condensation heat generated when condensing the high-pressure refrigerant (gas phase refrigerant) to the cooling water.
  • the expansion valve 23 is a decompression unit that decompresses and expands the liquid-phase refrigerant that has flowed out of the condensation unit 22.
  • the evaporator 24 is a heat exchanger that evaporates the low-pressure refrigerant by exchanging heat between the low-pressure refrigerant decompressed and expanded by the expansion valve 23 and the air.
  • the evaporation unit 24 generates cold heat by evaporation of the low-pressure refrigerant (liquid phase refrigerant), and releases the cold heat to the air blown into the vehicle interior.
  • the gas-phase refrigerant evaporated in the evaporation unit 24 is sucked into the compressor 21 and compressed.
  • the cooling water 11 has H 2 O and a solute compatible with H 2 O.
  • the solute is a freezing point depressant.
  • the molecular structure of the solute has at least two OH groups, such as H 2 O 2 . That is, the molecular structure of the solute is represented by the following chemical formula (1).
  • the molecular structure of the solute is such that the bond chain distance from one O atom to the other O atom of the two OH groups is the bond between the two OH groups in the ethylene glycol molecule. It is shorter than the distance corresponding to the chain.
  • the H 2 O arrangement is disrupted by the solute contained in the cooling water 11, so that the same antifreezing property (antifreezing function) as that of the aqueous ethylene glycol solution can be obtained.
  • the cooling water 11 can have a thermal conductivity ( ⁇ ) and a viscosity ( ⁇ ) equivalent to water. Further, the cooling water 11 can have a freezing point (Tm) equivalent to ethylene glycol.
  • the ethylene glycol aqueous solution can secure stable quality in itself and can cope with rust prevention, and water can secure stable quality at low cost in itself.
  • each aqueous ethylene glycol solution and water cannot itself have all the performance of thermal conductivity, viscosity, and freezing point.
  • the bond becomes unstable and it is necessary to ensure the decomposition stability. That is, the cooling water 11 is less stable with respect to the ethylene glycol aqueous solution and water, and corrosion is likely to occur. Therefore, it is preferable to take measures to ensure the quality of the cooling water 11.
  • the concentration of the solute in the cooling water 11 is adjusted. As shown in FIG. 4, in the case of an ethylene glycol aqueous solution, the concentration of ethylene glycol needs to be 50 wt% or more in order to obtain a target freezing point of ⁇ 34 ° C. On the other hand, when H 2 O 2 is adopted as the solute of the cooling water 11, the antifreeze equivalent to the ethylene glycol aqueous solution can be obtained by setting the concentration of the solute with respect to the cooling water 11 to 30 wt% or more.
  • the cooling water 11 contains a decomposition inhibitor for suppressing the decomposition reaction of the solute.
  • a decomposition inhibitor for example, OH radical scavengers such as chelates, Ta ions, and organic acids are employed.
  • the OH radical scavenger any one of chelates, Ta ions, and organic acids may be employed, or a combination thereof may be employed.
  • the decomposition inhibitor is configured to occupy a concentration of 1/10 or less of the concentration of the solute.
  • the energy barrier is increased by a negative catalyst such as a chelate, Ta ion, or organic acid, so that the decomposition rate can be made substantially zero. Therefore, the solute becomes difficult to be decomposed with respect to the unstable bond of HO—OH.
  • the cooling water 11 contains heavy metal, the energy barrier is lowered and the decomposition rate is increased. Thus, the solute from being decomposed into between H 2 O and O 2. Therefore, it is desirable that no heavy metal is contained in the cooling water 11.
  • the inventors of the present disclosure conducted an accelerated test in which the cooling water 11 containing 30% of H 2 O 2 was heated at 100 ° C. As a result, as shown in FIG. 6, the decomposition rate of the cooling water 11 containing Al as a heavy metal was faster than that of the water containing no Al. On the other hand, the degradation rate of the stabilized product containing 4% of the chelate as a degradation inhibitor was suppressed to 1/20 that of the untreated product with and without Al. Thus, decomposition stability can be obtained by making the cooling water 11 contain a decomposition inhibitor.
  • cooling water 11, the radiator 13, and the pump 15 respectively correspond to the “heat transport medium”, “heat exchange section”, and “transport section” in the scope of the present disclosure.
  • the molecular structure of the solute may be configured as represented by the following chemical formula (2).
  • “X” interposing two OH groups is any of carbon, silicon, and sulfur.

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Abstract

熱輸送システムは、エネルギー変換部（１０）、熱輸送媒体（１１）、輸送部（１５）、および熱交換部（１３）を備える。エネルギー変換部は、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。熱輸送媒体は、エネルギー変換部から発生する熱を受容する液体である。輸送部は、熱輸送媒体を輸送する。熱交換部は、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。熱輸送媒体は、少なくともＨ２Ｏと、Ｈ２Ｏと相溶な溶質と、を有している。溶質の分子構造は、少なくとも２つのＯＨ基を有し、且つ、２つの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２つのＯＨ基間の結合鎖に相当する距離よりも短くなっている。

Description

熱輸送システム 関連出願の相互参照
　本出願は、当該開示内容が参照によって本出願に組み込まれた、２０１５年８月１９日に出願された日本特許出願２０１５－１６１６１８号を基にしている。
　本開示は、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性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。そこで、エチレングリコール水溶液に代わる熱輸送媒体として、不凍性を有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。
　本開示は上記点に鑑み、エチレングリコール水溶液と同等の不凍性を有し、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。
　本開示の熱輸送システムは、エネルギー変換部、熱輸送媒体、輸送部、および熱交換部を備える。エネルギー変換部は、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。熱輸送媒体は、エネルギー変換部から発生する熱を受容する液体である。輸送部は、熱輸送媒体を輸送する。熱交換部は、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。
　熱輸送媒体は、少なくともＨ２Ｏと、Ｈ２Ｏと相溶な溶質と、を有している。溶質の分子構造は、少なくとも２つのＯＨ基を有し、且つ、２つの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２つのＯＨ基間の結合鎖に相当する距離よりも短くなっている。
　これによると、溶質によってＨ２Ｏの配列が崩れるので、エチレングリコールと同等の不凍性が得られる。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性を有し、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。
　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。
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。 一実施形態の冷却水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。
　以下に、図面を参照しながら本開示を実施するための複数の実施形態を説明する。各実施形態において先行する実施形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した実施形態と同様とする。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
　以下、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、例えばフューエルセル、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部である。つまり、ポンプ１５は冷却水回路１２に冷却水１１を輸送する。
　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空気（送風空気）を冷却する。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部である。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発生し、その冷熱を車室内へ送風される空気に放出する。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、Ｈ２Ｏと、Ｈ２Ｏと相溶な溶質と、を有している。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Ｈ２Ｏ２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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
 　さらに、図２に示されるように、溶質の分子構造は、２つのＯＨ基のうち一方の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２つの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Ｈ２Ｏ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性（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、冷却水１１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は、それ自体において安定した品質を確保できるとともに防錆対応が可能であり、水は、それ自体において低コストで安定した品質を確保することができる。しかしながら、エチレングリコール水溶液及び水はそれぞれ、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が不安定になり、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Ｈ２Ｏ２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性が得られる。
　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Ｈ２ＯとＯ２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。
　本開示の発明者らは、Ｈ２Ｏ２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、冷却水１１、ラジエータ１３，ポンプ１５がそれぞれ、本開示の範囲の「熱輸送媒体」、「熱交換部」、「輸送部」に対応する。
　（他の実施形態）
　以上、本開示の好ましい実施形態について説明したが、本開示は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本開示の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本開示の範囲は、本開示における記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。
　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、本開示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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
 　化学式（２）において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。

 

Claims (6)

  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Ｈ２Ｏと、前記Ｈ２Ｏと相溶な溶質と、を有しており、
    　前記溶質の分子構造は、少なくとも２つのＯＨ基を有し、且つ、前記２つの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２つのＯＨ基間の結合鎖に相当する距離よりも短くなっている熱輸送システム。
  2. 　前記溶質の分子構造は、化学式（１）または化学式（２）にて表され、
    　前記化学式（２）において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請求項１に記載の熱輸送システム。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
  3. 　前記溶質の前記熱輸送媒体に対する濃度が３０ｗｔ％以上である請求項１または２に記載の熱輸送システム。
  4. 　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する請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱輸送システム。
  5. 　前記溶質の分子構造が化学式（１）にて表され、
    　前記分解抑制剤がＯＨラジカル捕捉剤である請求項４に記載の熱輸送システム。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
  6. 　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請求項５に記載の熱輸送システム。

     
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