WO2018147064A1 - 蓄熱装置 - Google Patents

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WO2018147064A1
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heat storage
heat
storage material
storage device
internal
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PCT/JP2018/001847
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卓哉 布施
桑山　和利
克哉 小牧
伸矢 笠松
淳一 成瀬
Original Assignee
株式会社デンソー
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/02—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • This disclosure relates to a heat storage device capable of storing and releasing heat.
  • a solid-liquid phase change material is used to improve a heat storage density in a regenerator that stores waste heat of an internal combustion engine (see, for example, Patent Document 1). Since the heat storage material uses a solid-liquid phase change, the heat storage material is enclosed in a case so as not to flow out during liquefaction, and heat is taken in and out between the cooling water and the heat storage material through the case.
  • This disclosure aims to provide a heat storage device capable of achieving both a heat storage amount and a heat output.
  • the heat storage device stores heat received from the heat medium and dissipates the stored heat.
  • the heat storage device includes an internal heat storage material and an external heat storage material.
  • the internal heat storage material performs heat storage or heat dissipation by changing phase between a solid phase and a liquid phase at a first predetermined temperature.
  • the external heat storage material performs heat storage or heat dissipation by changing between a solid phase and a solid phase at the second predetermined temperature, and accommodates the internal heat storage material therein.
  • the external heat storage material constituting the case of the internal heat storage material can also have a heat storage function, and the heat storage amount of the heat storage device can be maintained regardless of the proportion of the internal heat storage material.
  • the ratio can be easily changed.
  • the heat storage system includes an energy conversion unit 10, a cold heat generation unit 20, an indoor heat exchanger 30, and a radiator 40.
  • the energy conversion unit 10 converts the energy source into another form of energy and releases heat through the heat medium simultaneously with the energy conversion.
  • the energy conversion unit 10 is a vehicle engine (that is, an internal combustion engine), a fuel cell, or the like.
  • the energy source is fuel, and other forms of energy are driving force, electric power, and the like.
  • the heat medium is engine coolant, exhaust gas, or the like.
  • the energy conversion unit 10 is a vehicle engine, and the heat medium is engine cooling water.
  • Exhaust heat released from the energy conversion unit 10 is input to the cold heat generation unit 20 via the first heat medium (engine cooling water) circulating through the first heat medium flow path 11.
  • An exhaust heat recovery device 12 and a heat storage unit 100 are provided in the first heat medium flow path 11.
  • the exhaust heat recovery device 12 is a heat exchanger for recovering the exhaust heat of the energy conversion unit 10.
  • the heat storage unit 100 is a device for storing the exhaust heat of the energy conversion unit 10.
  • the heat storage unit 100 stores the heat of the first heat medium when the first heat medium is higher than a predetermined temperature, and stores the heat stored in the first heat medium when the first heat medium is lower than the predetermined temperature. Dissipate heat.
  • the heat storage unit 100 will be described later in detail.
  • the cold heat generation unit 20 is an exhaust heat driving device that operates using the exhaust heat of the energy conversion unit 10 as a drive source, and specifically generates cold using the exhaust heat of the energy conversion unit 10.
  • an energy conversion is performed between thermal energy and acoustic energy using an adsorption refrigerator that generates cold by adsorbing and desorbing a working medium to an adsorbent or a thermoacoustic phenomenon.
  • a thermoacoustic refrigerator that generates cold heat can be used.
  • the cold generated by the cold heat generator 20 is supplied to the indoor heat exchanger 30 by the second heat medium (for example, cooling water) circulating through the second heat medium flow path 31.
  • the indoor heat exchanger 30 is a device that uses the cold generated by the cold heat generator 20, and the cold generated by the cold generator 20 is used for indoor cooling.
  • the exhaust heat generated by the cold heat generation unit 20 is released to the radiator 40 via a third heat medium (for example, cooling water) circulating in the third heat medium flow path 41.
  • the radiator 40 is a heat exchanger that exchanges heat between the cooling water and the atmosphere, and discharges the exhaust heat of the cold heat generation unit 20 into the atmosphere.
  • the heat storage unit 100 includes a unit case 101.
  • the unit case 101 is provided with an inlet 102 through which cooling water flows into the unit case 101 and an outlet 103 through which cooling water flows out of the unit case 101.
  • Inside the unit case 101 is an internal flow path 104 through which cooling water can flow.
  • a plurality of heat storage devices 105 are housed in the internal flow path 104 of the unit case 101.
  • the heat storage device 105 of this embodiment is formed in a plate shape, and a plurality of heat storage devices 105 are arranged in parallel to the internal flow path 104 of the unit case 101.
  • the heat storage device 105 exchanges heat with the first heat medium flowing through the internal flow path 104.
  • the heat storage device 105 includes an internal heat storage material 106 and a case member 107.
  • the internal heat storage material 106 is a heat storage material made of a solid-liquid phase change material, and is a material that becomes a solid phase at a temperature lower than the phase transition temperature and becomes a liquid phase at a temperature higher than the phase transition temperature.
  • the phase transition temperature of the internal heat storage material 106 corresponds to the “first predetermined temperature” of the present disclosure.
  • paraffin is used as the internal heat storage material 106.
  • Paraffin is a lightweight material and contributes to weight reduction of the heat storage device 105.
  • the melting point of paraffin can be adjusted according to the molecular weight (that is, the number of carbon atoms).
  • the case member 107 is formed so as to accommodate the internal heat storage material 106 therein.
  • the case member 107 of the present embodiment has a rectangular parallelepiped shape with a hollow interior.
  • the case member 107 of the present embodiment is composed of an external heat storage material having a heat storage function.
  • an external heat storage material constituting the case member 107 a solid-solid phase change material that undergoes a phase change in a solid state at a phase transition temperature is used.
  • the phase transition temperature of the case member 107 corresponds to the “second predetermined temperature” of the present disclosure.
  • a strongly correlated electron material is used as the solid-solid phase change material constituting the case member 107.
  • a strongly correlated electron material is a substance having a strong effective Coulomb interaction between electrons.
  • the strongly correlated electron material includes a transition metal oxide, an organic ⁇ electron complex, and the like, and in this embodiment, a transition metal oxide is used.
  • Transition metal oxide has the property of changing from an insulator to a metal when heat energy is applied from the outside. More specifically, in transition metal oxides, the effective Coulomb interaction between the outermost shell electrons of the transition metal atom is strong. Therefore, when the temperature is lower than the metal-insulator transition temperature, the outermost electrons are free to move freely. It will be unable to move (insulator). When the transition metal oxide serving as an insulator is given thermal energy from the outside until the temperature exceeds the metal insulator transition temperature, the outermost shell electrons can move freely (metal). That is, the transition metal oxide becomes an insulator at a temperature lower than the phase transition temperature, and becomes a metal at a temperature higher than the phase transition temperature.
  • the transition metal oxide can store thermal energy by utilizing the enthalpy change at the time of phase change.
  • the heat stored at this time is stored when, for example, ice (solid) in which water molecules cannot move freely changes to water (liquid) in which water molecules can move freely. Heat corresponding to latent heat of fusion.
  • the transition metal oxide undergoes a phase transition from a metal to an insulator, the stored heat is dissipated. Therefore, the transition metal oxide can perform heat storage or heat dissipation by changing the phase between a metal and an insulator. This phase change takes place as a solid.
  • VO2 vanadium dioxide
  • VO2 is a solid-solid phase change material and has a phase transition temperature of 68 ° C.
  • the melting point of the internal heat storage material 106 can be adjusted according to the molecular weight of paraffin, and the melting point of the internal heat storage material 106 is preferably approximately the same as the phase transition temperature of the case member 107.
  • the melting point of the internal heat storage material 106 and the phase transition temperature of the case member 107 are not necessarily the same and may be different. Specifically, the internal heat storage material 106 and the case member 107 need only be capable of phase transition by the first heat medium (in this embodiment, engine cooling water) that transfers heat to and from the heat storage device 105, and the melting point of the internal heat storage material 106 is sufficient.
  • the phase transition temperature of the case member 107 may be within the temperature range of the engine cooling water.
  • the transition metal oxide used as the case member 107 can adjust the transition temperature (phase transition temperature between the metal and the insulator) by adding an additive.
  • An inorganic material can be employed as the additive.
  • the phase transition temperature can be lowered by adding W (tungsten) to VO2, and the phase transition temperature can be lowered as the addition amount increases.
  • the phase transition temperature can be increased by adding Cr (chromium) to VO2, and the phase transition temperature can be increased as the addition amount increases.
  • FIG. 5 shows the heat capacity, heat output, and weight of the heat storage device 105 when the proportion of the internal heat storage material 106 in the heat storage device 105 of this embodiment is changed.
  • FIG. 6 shows the heat capacity, heat output, and weight of a heat storage device using aluminum as the case member 107 as a comparative example.
  • the volume of the internal heat storage material 106 When the volume of the internal heat storage material 106 is increased, the volume of the case heat storage material 106 is decreased. When the volume of the internal heat storage material 106 is decreased, the volume of the case heat storage material 106 is increased. Is changing. The volume of the case member 107 is increased or decreased by changing the thickness of the case member 107.
  • the proportion of the internal heat storage material 106 in the heat storage device 105 increases from the left to the right.
  • design target values for the items of heat capacity, heat output, and weight are indicated by broken lines, and ranges satisfying the target values are indicated by oblique lines.
  • portions where the ranges exceeding the design target values for each item overlap are indicated by cross lines.
  • the amount of stored heat does not change regardless of the proportion of the internal heat storage material 106.
  • the heat storage device 105 of the present embodiment the heat storage device 105 has a constant heat storage amount as a whole by increasing or decreasing the ratio of the case member 107 having a heat storage function in accordance with the increase or decrease of the ratio of the internal heat storage material 106.
  • the heat storage amount increases in proportion to the amount of the internal heat storage material 106.
  • the heat output decreases as the ratio of the internal heat storage material 106 increases. Also in the heat storage device of the comparative example shown in FIG. 6, the heat output decreases as the ratio of the internal heat storage material 106 increases as in the heat storage device 105 of the present embodiment. In addition, since the heat conductivity of aluminum of the comparative example is higher than that of VO2 used in this embodiment, the heat output of the heat storage device of the comparative example is slightly higher than the heat storage device 105 of this embodiment. .
  • the weight decreases as the proportion of the internal heat storage material 106 increases. Also in the heat storage device of the comparative example shown in FIG. 6, as the heat storage device 105 of this embodiment, the weight decreases as the proportion of the internal heat storage material 106 increases. Since the comparative aluminum is lighter than the VO2 used in the present embodiment, the comparative heat storage device is slightly lighter than the heat storage device 105 of the present embodiment.
  • the ranges exceeding the design target values are not overlapped in heat capacity and heat output. That is, in the heat storage device of the comparative example, an appropriate design range that satisfies the design target value cannot be obtained.
  • the heat storage amount exceeds the target value in the entire range regardless of the ratio of the internal heat storage material 106. For this reason, in the heat capacity, the heat output, and the weight, there are portions where ranges that exceed the design target values overlap.
  • the heat storage device 105 of the present embodiment described above includes an internal heat storage material 106 made of a solid-liquid phase change material and a case member 107 made of a solid-solid phase change material.
  • the case member 107 can also have a heat storage function, the heat storage amount of the heat storage device 105 can be maintained regardless of the ratio of the internal heat storage material 106, and the ratio of the internal heat storage material 106 can be easily changed. It becomes possible to do. Thereby, the relationship between the heat storage amount of the heat storage device 105 and the heat output can be relaxed to achieve both the heat storage amount and the heat output, and the degree of freedom in designing the heat storage device 105 can be increased.
  • the second embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the case member 107 of the heat storage device 105.
  • description of the same parts as those in the first embodiment will be omitted, and only different parts will be described.
  • the case member 107 of the second embodiment is configured as a porous body having a predetermined gap.
  • the gap of the case member 107 only needs to allow the internal heat storage material 106 to permeate.
  • the case member 107 should just be a porous body at least the site
  • FIG. In order to facilitate the penetration of the internal heat storage material 106 into the case member 107, it is desirable that adjacent gaps communicate with each other.
  • the porosity of the case member 107 is highest at the portion in contact with the internal heat storage material 106, and decreases as the distance from the internal heat storage material 106 increases. That is, the porosity decreases from the inside to the outside of the case portion 107. In the case portion 107, it is desirable that the porosity is zero at a portion in contact with the first heat medium (that is, the outer surface).
  • the internal heat storage material 106 which is a solid-liquid phase change material, contracts when the phase changes from the liquid phase to the solid phase.
  • a gap may be formed at the boundary between the internal heat storage material 106 and the case member 107. Such a gap serves as a thermal resistance between the heat medium and the internal heat storage material 106, leading to a decrease in performance of the heat storage device 105.
  • the case member 107 is configured as a porous body, the liquid phase internal heat storage material 106 penetrates into the gap of the case member 107. For this reason, when the internal heat storage material 106 changes from a liquid phase to a solid phase, the formation of a gap at the boundary between the internal heat storage material 106 and the case member 107 is suppressed. Thereby, the thermal resistance between the heat medium and the internal heat storage material 106 can be suppressed, and the performance degradation of the heat storage device 105 can be suppressed.
  • the porosity of the case member 107 decreases from the side closer to the internal heat storage material 106 toward the side farther from the side. Thereby, it is possible to effectively suppress the internal heat storage material 106 that has penetrated into the gap of the case member 107 from flowing out of the case member 107.
  • a sealing layer 108 for sealing the internal heat storage material 106 may be provided on the outer surface of the case member 107.
  • the sealing layer 108 may be provided on the whole or a part of the outer surface of the case member 107.
  • a metal material such as an aluminum paste or a resin material such as an epoxy resin can be used.
  • a resin material such as an epoxy resin
  • the thermal resistance due to the sealing layer 108 can be reduced.
  • the sealing layer 108 can be easily formed.
  • the sealing layer 108 on the outer surface of the case member 107, it is possible to prevent the internal heat storage material 106 that has penetrated into the gap of the case member 107 from flowing out of the case member 107. Further, the flatness of the outer surface of the case member 107 is improved by the sealing layer 108, and a rectifying effect of the heat medium flowing outside the case member 107 is obtained.
  • the porosity of the case member 107 does not necessarily need to be decreased from the side closer to the internal heat storage material 106 toward the side farther.
  • paraffin is used as the internal heat storage material 106 of the heat storage device 105.
  • the present invention is not limited to this, and different types of solid-liquid phase change materials may be used.
  • a metal salt hydrate such as sodium acetate hydrate or barium hydroxide hydrate can be used as the solid-liquid phase change material.
  • the heat storage device 105 is configured in a plate shape, but is not limited thereto, and the heat storage device 105 may have another shape such as a rod shape (for example, a column shape) or a spherical shape.
  • the shape of the heat storage device 105 may be determined based on the heat transfer coefficient and the pressure loss. For example, when the heat storage device 105 is spherical, the filling rate of the heat storage device 105 in the unit case 101 of the heat storage unit 100 can be increased, and the heat transfer rate between the heat medium and the heat storage device 105 is increased. However, the pressure loss of the heat medium increases.

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Abstract

蓄熱装置は、熱媒体から受け取った熱を蓄熱し、蓄熱した熱を放熱する。蓄熱装置は、内部蓄熱材（１０６）と、外部蓄熱材（１０７）とを備える。内部蓄熱材は、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。外部蓄熱材は、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。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る。これによれば、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。

Description

蓄熱装置 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１７年２月８日に出願された日本特許出願番号２０１７－２１２０２号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
　本開示は、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、蓄熱密度を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おそれがある。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おそれがある。
　本開示は、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。
　本開示の一態様による蓄熱装置は、熱媒体から受け取った熱を蓄熱し、蓄熱した熱を放熱する。蓄熱装置は、内部蓄熱材と、外部蓄熱材とを備える。内部蓄熱材は、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。外部蓄熱材は、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。
　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。
本開示の第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。 本開示の第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。
　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形態を説明する。各形態において先行する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他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士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、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
　（第１実施形態）
　以下、本開示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の相転移温度が本開示の「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の相転移温度が本開示の「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いている。
　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、本開示の第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。
　本開示は上述の実施形態に限定されることなく、本開示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。
　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。
　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。
　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態が本開示に示されているが、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims (5)

  1. 　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）とを備える蓄熱装置。
  2. 　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。
  3. 　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請求項１または２に記載の蓄熱装置。
  4. 　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３に記載の蓄熱装置。
  5. 　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３または４に記載の蓄熱装置。
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