(57)【要約】【課題】簡易な構成で、熱交換特性及び蓄熱性能の双方を良好に維持することができる蓄熱装置及び蓄熱暖房装置を提供すること。【解決手段】冷却水Ｗの流路を形成する配管１０と、配管１０に比して高弾性の固体固体相転移蓄熱材で形成され、冷却水Ｗの流路３が複数形成された蓄熱体２と、を備え、蓄熱体２は、配管１０内に圧入される。配管１０は、蓄熱体２が内挿される内壁部分に蓄熱体２が係合する凹部１１が形成されている。また、蓄熱体２は、樹脂製基材に固体固体相転移蓄熱材が混入されている。また、蓄熱体２は、熱伝導性部材が混入されている。【選択図】図１
2020128852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体の流路を形成する配管と、
前記配管に比して高弾性の固体固体相転移蓄熱材で形成され、前記熱媒体の流路が複数形成された蓄熱体と、
を備え、前記蓄熱体は、前記配管内に圧入されることを特徴とする蓄熱装置。
【請求項２】
前記配管は、前記蓄熱体が内挿される内壁部分に前記蓄熱体が係合する凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置。
【請求項３】
前記蓄熱体の端部は、少なくとも前記蓄熱体の端部に当接する接続配管が前記配管の両端部側から内挿されることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置。
【請求項４】
前記蓄熱体は、樹脂製基材に固体固体相転移蓄熱材が混入されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の蓄熱装置。
【請求項５】
前記蓄熱体は、熱伝導性部材が混入されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の蓄熱装置。
【請求項６】
前記熱媒体は冷却水であり、
前記固体固体相転移蓄熱材の相転移温度は、所定温度から当該所定温度よりも高い前記冷却水の沸点までの間にあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の蓄熱装置。
【請求項７】
前記熱媒体の熱を利用してヒータにより移動体内を暖める蓄熱暖房装置であって、
少なくとも前記移動体のエンジンから前記ヒータに前記熱媒体を送出する送出配管の一部に、請求項１〜６のいずれか一つに記載の蓄熱装置を介在させたことを特徴とする蓄熱暖房装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換特性及び蓄熱性能を有する蓄熱装置及び蓄熱暖房装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄熱暖房装置では、蓄熱温度範囲で固相と液相との相変化を生じる蓄熱材（固液相変化蓄熱材）が蓄熱する潜熱を用いるものが多い。特許文献１，２では、この固液相変化蓄熱材と、顕熱を用いた固体蓄熱材とを組み合わせた蓄熱システムあるいは蓄熱暖房装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１４４９６１号公報
【特許文献２】特開２０１６−０１１７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、固液相変化蓄熱材は、液相状態になるため固液相変化蓄熱材を包むケーシングが必要となる。一方、固液相変化蓄熱材との熱交換特性を向上させるためには、固液相変化蓄熱材の表面積を大きくする必要があり、例えば、固液相変化蓄熱材を貫通する多数の流路を形成しなくてはならない。
【０００５】
このケーシングの必要性と熱交換特性の向上とを両立しようとすると、固液相変化蓄熱材の構成が複雑になるとともに、固液相変化蓄熱材の容積が減少するため、蓄熱性能が低下するという問題があった。特に、ケーシングの構成が複雑になると、ケーシングによる固液相変化蓄熱材が液相状態になった場合におけるシールの確保が難しくなる。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で、熱交換特性及び蓄熱性能の双方を良好に維持することができる蓄熱装置及び蓄熱暖房装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる蓄熱装置は、熱媒体の流路を形成する配管と、前記配管に比して高弾性の固体固体相転移蓄熱材で形成され、前記熱媒体の流路が複数形成された蓄熱体と、を備え、前記蓄熱体は、前記配管内に圧入されることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明にかかる蓄熱装置は、上記の発明において、前記配管は、前記蓄熱体が内挿される内壁部分に前記蓄熱体が係合する凹部が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明にかかる蓄熱装置は、上記の発明において、前記蓄熱体の端部は、少なくとも前記蓄熱体の端部に当接する接続配管が前記配管の両端部側から内挿されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる蓄熱装置は、上記の発明において、前記蓄熱体は、樹脂製基材に固体固体相転移蓄熱材が混入されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる蓄熱装置は、上記の発明において、前記蓄熱体は、熱伝導性部材が混入されることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる蓄熱装置は、上記の発明において、前記熱媒体は冷却水であり、前記固体固体相転移蓄熱材の相転移温度は、所定温度から当該所定温度よりも高い前記冷却水の沸点までの間にあることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明にかかる蓄熱暖房装置は、前記熱媒体の熱を利用してヒータにより移動体内を暖める蓄熱暖房装置であって、少なくとも前記移動体のエンジンから前記ヒータに前記熱媒体を送出する送出配管の一部に、上記の発明のいずれか一つに記載の蓄熱装置を介在させたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、簡易な構成で、熱交換特性及び蓄熱性能の双方を良好に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態である蓄熱装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図２】図２は、図１に示した蓄熱装置のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図３は、固体固体相転移蓄熱材の相転移に伴う吸熱特性及び放熱特性を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態の変形例１の蓄熱装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図５】図５は、本変形例２の蓄熱暖房装置の概要構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
【００１７】
＜蓄熱装置の構成＞
図１は、本発明の実施の形態である蓄熱装置１の構成を模式的に示した断面図である。また、図２は、図１に示した蓄熱装置１のＡ−Ａ線断面図である。図１及び図２に示すように蓄熱装置１は、配管１０内に蓄熱体２が配置される。配管１０内には、熱媒体としての冷却水Ｗの流路を形成し、冷却水Ｗが入口配管１０ａから流入し、出口配管１０ｂから流出する。蓄熱体２には、配管１０に比して高弾性の固体固体相転移蓄熱材で形成され、冷却水Ｗの流路が複数形成される。ここで、配管１０は円筒状であり、蓄熱体２は、円柱状であり、内部に複数の流路３が形成される。流路３は円筒状空間である。なお、配管１０及び蓄熱体２の形状はこれに限らず、配管１０が筒状、蓄熱体２が筒体であればよい。
【００１８】
蓄熱体２は、配管１０内に圧入される。配管１０は、蓄熱体２が内挿される内壁部分に蓄熱体２の円筒側面が係合する凹部１１が形成されている。蓄熱体２は、配管１０に比して高弾性であるため、圧入時に蓄熱体２側が弾性変形して配管１０内に容易に内挿される。なお、凹部１１は、設けなくてもよく、圧入のみによって蓄熱体２を配管１０内に固定配置してもよい。
【００１９】
蓄熱体２は、固体固体相転移蓄熱材のみよって形成してもよいが、弾性変形する樹脂製基材に固体固体相転移蓄熱材が混入される。
【００２０】
また、蓄熱体２は、熱伝導性部材が混入されてもよい。この場合、固体固体相転移蓄熱材及び熱伝導性部材は、それぞれフィラ―（充填材）として樹脂製基材内に混入される。
【００２１】
固体固体相転移蓄熱材は、温度が相転移温度以下である場合に固体状の第１相状態に変化するとともに、温度が相転移温度を超える場合に固体状の第２相状態に変化する。そして、図３に示すように、固体固体相転移蓄熱材は、加熱される場合、相転移温度（例えば、６５℃付近）での相変化時に吸熱し、逆に、冷却される場合、相転移温度での相変化時に放熱する。
【００２２】
固体固体相転移蓄熱材は、強相間電子系化合物であり、例えば、二酸化バナジウム（ＶＯ２）や、ＶＯ２に、Ｗ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｎｂ、Ｔａなどをドープしたバナジウム酸化物である。
【００２３】
樹脂製基材は、耐候性、耐冷却液性、耐熱性の良いポリマーアロイである。ポリマーアロイは、シリコーン、ウレタン、エポキシ、アクリル、オレフィン、フェノール、ポリイミド、ゴム素材のＥＰＤＭ、１−４トランスポリブタンジエンなどである。
【００２４】
熱伝導性部材は、冷却水Ｗと、散在する固体固体相転移蓄熱材との間の熱伝導性を確保するために設けられたものであり、例えば、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化亜鉛、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ダイヤモンドなどである。
【００２５】
本実施の形態では、固体固体相転移蓄熱材の相転移温度を６５℃としているが、相転移は、所定温度、例えば４０℃から冷却水Ｗの沸点までの間であればよい。なお、相転移温度は、固体固体相転移蓄熱材、熱伝導性部材、樹脂製基材の混合比によって変化させることができる。
【００２６】
具体的な、樹脂製基材は、シリコーン系ポリマーアロイであり、蓄熱体２に対して７０重量％である。固体固体相転移蓄熱材は、ＶＯ２であり、蓄熱体２に対して２５重量％である。また、熱伝導性部材は、窒化ホウ素であり、蓄熱体２に対して５重量％である。このような配合によって、蓄熱体２は、蓄熱密度が６５Ｊ／ｃｃ、蓄熱温度が６５℃、熱伝導率が１．６Ｗ／ｍＫ、比熱が１．４Ｊ／ｇＫ、密度が１．９ｇ／ｃｍ３の特性を呈する。
【００２７】
蓄熱装置１は、配管１０に流入する冷却水Ｗの温度が相転移温度よりも高くなる場合、蓄熱体２内の固体固体相転移蓄熱材が冷却水Ｗから吸熱して蓄熱する。一方、配管１０に流入する冷却水Ｗの温度が相転移温度よりも低くなる場合、蓄熱体２内の固体固体相転移蓄熱材が冷却水Ｗに放熱する。
【００２８】
本実施の形態では、複数の流路が形成された蓄熱体２は、固体固体相転移蓄熱材による蓄熱性能の有し、固体固体相転移蓄熱材が樹脂製基材内に混入されているので射出成形等によって容易に製造することができ、固液相変化蓄熱材を用いる場合におけるシール性能を持たせる必要がない。また、蓄熱体２は、配管１０に比して高弾性であるため、配管１０に対する蓄熱体２の取付が容易であり、蓄熱装置１の製造も容易になる。
【００２９】
＜変形例１＞
図４は、変形例１による蓄熱装置１の構成を模式的に示した断面図である。図４に示すように、本変形例の蓄熱装置１は、蓄熱体２の端部が、少なくとも蓄熱体２の端部に当接する接続配管３０，３１が配管２０の両端部側から内挿される。すなわち、配管２０は、内壁に凹部１１を設けず、蓄熱体２が配置されない端部２０ａ，２０ｂの内径を蓄熱体２の外径よりも大きくし、この端部２０ａ，２０ｂにそれぞれ、接続配管３０，３１の端部が蓄熱体２の端部に当接するように内挿入される。
【００３０】
これにより、配管２０内の蓄熱体２の配置位置は、接続配管３０，３１によって固定される。なお、図４では、端部２０ａ，２０ｂの内径を蓄熱体２の外径よりも大きくしていたが、端部２０ａ，２０ｂの内径を蓄熱体２の外径と同じにしてもよい。すなわち、配管２０の内径を全て同一にしてもよい。この場合であっても、接続配管３０，３１の端部は、蓄熱体２の端部に当接する必要がある。
【００３１】
本変形例１の構成では、配管１０に対する蓄熱体２の圧入ではなく、単なる内挿を行い、接続配管３０，３１で蓄熱体２の配置位置を位置決めして固定するようにしているので、蓄熱装置１の製造が容易になる。
【００３２】
＜変形例２＞
次に、変形例２の蓄熱暖房装置１０１について説明する。図５は、本変形例２の蓄熱暖房装置１０１の概要構成を示す模式図である。蓄熱暖房装置１０１は、エンジン１０３の排熱を蓄熱して車両内を暖房する装置であり、アイドリングストップ車や、ハイブリッド車等に適用した一例を示すものである。
【００３３】
図５に示すように、蓄熱暖房装置１０１は、ラジエータ１０２、エンジン１０３、ヒータ１０４及び配管系Ｌを有する。エンジン１０３を搭載した車両は、冷却水Ｗを用いてエンジン１０３を冷却している。また、エンジン１０３を搭載した車両は、エンジン１０３の発熱により加熱された冷却水Ｗを利用して車内の暖房を行うヒータ１０４を備えている。ここで、エンジン１０３から導出される冷却水Ｗの流路を形成する配管Ｌ４（冷却水Ｗを送出する送出配管）の一部に蓄熱装置１を配置し、加熱された冷却水Ｗが蓄熱体２の相転移温度を超える場合に冷却水Ｗから吸熱することによって熱エネルギーを蓄熱体２に蓄熱し、冷却水Ｗが冷却されて蓄熱体２の相転移温度以下になった場合に、蓄熱体２に蓄熱された熱エネルギーを冷却水Ｗに放熱し、加熱された冷却水Ｗを利用して、ヒータ１０４により車内を暖める。これにより、配管Ｌ４上の蓄熱装置１は、定常運転によりエンジン１０３が稼動しているときに蓄熱し、アイドリングストップなどでエンジンが稼動していないときに放熱してヒータ１０４により車内を暖めることができる。
【００３４】
ラジエータ１０２は、配管Ｌ１２を介して流入した冷却水Ｗを冷却し、配管Ｌ１を介して流量流路調整弁１０５に導出する。流量流路調整弁１０５は、導入された冷却水Ｗを、配管Ｌ２を介してポンプ１０６側に導出する。流量流路調整弁１０５には、戻りの冷却水Ｗをラジエータ１０２を介さずにバイパスさせる配管Ｌ１１も接続される。流量流路調整弁１０５は、例えば、サーモスタットバルブであり、導入された冷却水Ｗが一定温度を超える場合、配管Ｌ１側を開にし、冷却水Ｗをラジエータ１０２によって冷却させ、導入された冷却水Ｗが一定温度以下の場合、配管Ｌ１１側を閉にし、冷却水Ｗをラジエータ１０２によって冷却させずにそのまま冷却水Ｗをポンプ１０６側に導出し、暖機運転を行わせる。なお、厳密には、流量流路調整弁１０５は、温度に応じて、ラジエータ１０２側の配管の開度及びラジエータ１０２をバイパスする配管側の開度を調整する。また、冷却水Ｗは、熱を移動させ熱源であるエンジンを冷却するための流体である熱媒体の一例である。
【００３５】
ポンプ１０６は、導入された冷却水Ｗを、配管Ｌ３を介してエンジン１０３側に圧送する。エンジン１０３によって加熱された冷却水Ｗは、配管Ｌ４を介してヒータ１０４側に導出される。また、エンジン１０３によって加熱された冷却水Ｗは、配管Ｌ４から分岐した配管Ｌ１０を介してラジエータ１０２側又は流量流路調整弁１０５側に戻される。配管Ｌ１０は、配管Ｌ１２と配管Ｌ１１とに分岐して接続される。
【００３６】
配管Ｌ４は、開閉弁１０７を介して配管Ｌ７に接続される。配管Ｌ４には、蓄熱装置１が挿入される。配管Ｌ７を通る冷却水Ｗは、熱交換器であるヒータ１０４内に導入される。また、ヒータ１０４内に導入された冷却水Ｗの熱は、ヒータ１０４により熱交換されて車内に放出される。ヒータ１０４によって熱交換された後の冷却水Ｗは、配管Ｌ８、開閉弁１０８及び配管Ｌ６を介して配管Ｌ２に導出される。また、開閉弁１０７，１０８間には冷却水Ｗをバイパスする配管Ｌ５が設けられている。ヒータ１０４を加熱する場合には、開閉弁１０７が配管Ｌ７側を開にするとともに、開閉弁１０８が配管Ｌ８側を開にして、冷却水Ｗをヒータ１０４に導出する。一方、ヒータ１０４を加熱せずに、蓄熱装置１が蓄熱を維持する場合には、開閉弁１０７が配管Ｌ５側を開にするとともに、開閉弁１０８が配管Ｌ５側を開にする。こうすることにより、冷却水Ｗは、ヒータ１０４側に導出せずに配管Ｌ５にバイパスされる。
【００３７】
コントローラ１１０は、開閉弁１０７，１０８の開閉制御を行う。コントローラ１１０の制御により、通常暖房モードと蓄熱循環モードとの切り替えを行う。通常暖房モードでは、冷却水Ｗは、配管Ｌ５を介さず、ヒータ１０４を介した暖房循環流路ＲＢを流れる。蓄熱循環モードでは、冷却水は、ヒータ１０４を介さず、配管Ｌ５を介した蓄熱循環流路ＲＡを流れる。特に、エンジン１０３の暖機運転後の定常運転に移行した場合には、コントローラ１１０は、開閉弁１０７，１０８の配管Ｌ５側を開にし、配管Ｌ４に対して、加熱された冷却水Ｗからの吸熱による配管Ｌ４の蓄熱を行わせる蓄熱循環モードを実行する。
【００３８】
なお、配管Ｌ５が設けられる場合、配管Ｌ６も、蓄熱装置１を挿入することが好ましい。これにより、さらに蓄熱量を増大させることができる。また、冷却水Ｗは、熱冷媒の一例であり、冷却水Ｗには凍結防止剤が含まれる場合がある。なお、凍結防止剤が含まれた冷却水Ｗは、水の沸点よりも高い沸点となる。また、ヒータ１０４には、図示しない送風ファンが設けられ、暖房時に、送風ファンが駆動し、車内に温風が流れる。
【００３９】
本変形例２の構成では、蓄熱装置１が、定常運転によりエンジン１０３が稼動しているときに蓄熱し、アイドリングストップなどでエンジン１０３が稼動していないときに放熱してヒータ１０４により車内を暖めるようにしているので、エンジン１０３の排熱を適時に有効利用してエネルギー効率を高めることができる。
【００４０】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態及び変形例について説明したが、本実施の形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００４１】
１  蓄熱装置
２  蓄熱体
３  流路
１０，２０，Ｌ１〜Ｌ８，Ｌ１０〜Ｌ１２  配管
１０ａ  入口配管
１０ｂ出口配管
１１  凹部
２０ａ，２０ｂ  端部
３０，３１  接続配管
１０１  蓄熱暖房装置
１０２  ラジエータ
１０３  エンジン
１０４  ヒータ
１０５  流量流路調整弁
１０６  ポンプ
１０７，１０８  開閉弁
１１０  コントローラ
Ｌ  配管系
ＲＡ  蓄熱循環流路
ＲＢ  暖房循環流路
Ｗ  冷却水
【図１】
2020128852.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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