(57)【要約】【課題】簡易な構成で、排気ガスの排熱を伝熱効率良く利用することができる熱交換構造体及び蓄熱暖房装置を提供すること。【解決手段】エンジンの排気管Ｌ２１を流れる排気ガスＧから吸熱した熱を冷却水Ｗに放熱する熱交換構造体１１であって、排気管Ｌ２１の一部に沿って冷却水Ｗの流路を形成する配管Ｌ１１と、排気管Ｌ２１と配管Ｌ１１とを包み固体固体相転移蓄熱材２１が充填された蓄熱部と、を備える。蓄熱部の放熱によって加熱された冷却水Ｗは、後席ヒータを加熱する。蓄熱部に導入される排気管Ｌ２１は、蓄熱部に導入される前の排気管Ｌ２０の分岐配管である。蓄熱部は、蓄熱容器２０内に固体固体相転移蓄熱材２１と伝熱媒体２２とが充填される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体のエンジンの排気管を流れる排気ガスから吸熱した熱を冷却熱媒体に放熱する熱交換構造体であって、
前記排気管の一部に沿って前記冷却熱媒体の流路を形成する配管と、
前記排気管と前記配管とを包み固体固体相転移蓄熱材が充填された蓄熱部と、
を備えることを特徴とする熱交換構造体。
【請求項２】
前記蓄熱部に導入される前記排気管は、前記蓄熱部に導入される前の前記排気管の一部を分岐した分岐配管であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換構造体。
【請求項３】
前記蓄熱部は、蓄熱容器内に前記固体固体相転移蓄熱材と伝熱媒体とが充填されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換構造体。
【請求項４】
前記伝熱媒体は、液状又はグリス状であることを特徴とする請求項３に記載の熱交換構造体。
【請求項５】
前記冷却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であ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熱交換構造体。
【請求項６】
前記固体固体相転移蓄熱材は、強相関電子系化合物で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熱交換構造体。
【請求項７】
前記排気管及び前記配管は、前記排気管が前記配管の内部に設けられた二重配管構造であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の熱交換構造体。
【請求項８】
前記排気管及び前記配管は、各側面が当接していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の熱交換構造体。
【請求項９】
前記排気管を流れる排気ガスから吸熱した熱が冷却熱媒体によって受熱され、この受熱された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、
前記排気管に、請求項１〜７のいずれか一つに記載の熱交換構造体を設けたことを特徴とする蓄熱暖房装置。
【請求項１０】
前記冷却熱媒体は、エンジンを冷却する冷却水であり、
前記配管は、前記エンジンの冷却水を導入することを特徴とする請求項９に記載の蓄熱暖房装置。
【請求項１１】
前記ヒータは、前記移動体の後席側に設けられていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の蓄熱暖房装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスの排熱を伝熱効率良く利用する熱交換構造体及び蓄熱暖房装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関であるエンジンを搭載した車両は、冷却水を用いてエンジンを冷却している。また、エンジンを搭載した車両は、エンジンの発熱により加熱された冷却水を利用して車内の暖房を行うヒータを備えている。ここで、特許文献１では、固体固体相転移蓄熱材を用い、加熱された冷却水が相転移温度を超える場合に冷却水から吸熱することによって熱エネルギーを蓄熱し、冷却水が冷却されて相転移温度以下になった場合に、蓄熱された熱エネルギーを冷却水に放熱し、加熱された冷却水を利用して、ヒータにより車内を暖めている。これにより、固体固体相転移蓄熱材を有した蓄熱装置は、定常運転によりエンジン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により車内を暖めることができる。なお、特許文献１には、排気管の排熱を蓄熱し、この蓄熱された熱の放熱によって加熱された冷却水をエンジン側に戻す蓄熱部が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−３１１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、特許文献１に記載されている排気ガスの熱をさらに有効利用する技術が求められている。
【０００５】
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、排気ガスの排熱をさらに伝熱効率良く利用することができる熱交換構造体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】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる熱交換構造体は、移動体のエンジンの排気管を流れる排気ガスから吸熱した熱を冷却熱媒体に放熱する熱交換構造体であって、前記排気管の一部に沿って前記冷却熱媒体の流路を形成する配管と、前記排気管と前記配管とを包み固体固体相転移蓄熱材が充填された蓄熱部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明にかかる熱交換構造体は、上記の発明において、前記蓄熱部に導入される前記排気管は、前記蓄熱部に導入される前の前記排気管の一部を分岐した分岐配管であることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明にかかる熱交換構造体は、上記の発明において、前記蓄熱部は、蓄熱容器内に前記固体固体相転移蓄熱材と伝熱媒体とが充填されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明にかかる熱交換構造体は、上記の発明において、前記伝熱媒体は、液状又はグリス状であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる熱交換構造体は、上記の発明において、前記冷却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であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明にかかる熱交換構造体は、上記の発明において、前記固体固体相転移蓄熱材は、強相関電子系化合物であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかる熱交換構造体は、上記の発明において、前記排気管及び前記配管は、前記排気管が前記配管の内部に設けられた二重配管構造であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明にかかる熱交換構造体は、上記の発明において、前記排気管及び前記配管は、各側面が当接していることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明にかかる蓄熱暖房装置は、前記排気管を流れる排気ガスから吸熱した熱が冷却熱媒体によって受熱され、この受熱された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、前記排気管に、上記の発明のいずれか一つに記載の熱交換構造体を設けたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明にかかる蓄熱暖房装置は、上記の発明において、前記冷却熱媒体は、エンジンを冷却する冷却水であり、前記配管は、前記エンジンの冷却水を導入することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明にかかる蓄熱暖房装置は、上記の発明において、前記ヒータは、前記移動体の後席側に設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、簡易な構成で、排気ガスの排熱を伝熱効率良く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態である蓄熱暖房装置を含むシステムの概要構成を示す模式図である。
【図２】図２は、排気管に対する熱交換構造体の配置の一例を示す図である。
【図３】図３は、熱交換構造体の構成を示す透視図である。
【図４】図４は、熱交換構造体の横断面図である。
【図５】図５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６】図６は、変形例１の熱交換構造体の構成を示す透視図である。
【図７】図７は、変形例１の熱交換構造体の横断面図である。
【図８】図８は、変形例２の熱交換構造体の構成を示す透視図である。
【図９】図９は、変形例２の熱交換構造体の横断面図である。
【図１０】図１０は、変形例３の蓄熱暖房装置を含むシステムの構成を示す模式図である。
【図１１】図１１は、排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust  Gas  Recirculation）システムのＥＧＲクーラーに適用した変形例４の熱交換構造体の一例を示す横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。なお、以下では、座席を暖めるシートヒータに利用される例について説明する。近年では、車両の後部座席等にヒータを設けるようになっており、その需要も増大している。そこで、エンジンによって加熱された冷却水を、後部座席側に配置されたヒータに供給することが考えられる。しかしながら、エンジンから後部座席側のヒータまでの間に、冷却水の配管を設けることは装置構成が大きくなり、しかも、配管長が長くなるため、伝熱効率が悪いという課題があった。本発明によれば、例えば、後部座席などのヒートシータに排気ガスの排熱を伝熱効率良く利用することができる。なお、本発明は、シートヒータに限られず、車内暖房などに利用されてもよい。
【００２０】
＜装置構成＞
図１は、本発明の実施の形態である蓄熱暖房装置１０を含むシステムの概要構成を示す模式図である。なお、本システムは、エンジン３の排熱を利用し車両内の前部座席側の前席ヒータ４を加熱する暖房装置１と、排気ガスＧの排熱を利用し後部座席側に後席ヒータ１４を加熱する蓄熱暖房装置１０とが車両に搭載されている。
【００２１】
＜暖房装置１の構成＞
図１に示すように、暖房装置１は、冷却熱媒体である冷却水Ｗによってエンジン３を冷却し、加熱された冷却水Ｗをラジエータ２によって冷却するとともに、エンジン３によって加熱された冷却水Ｗを前席ヒータ４に導入して前席ヒータ４を加熱する。配管系Ｌは、これらエンジン冷却と前席ヒータ加熱との２系統の配管系を有する。
【００２２】
ポンプ６は、冷却水Ｗをエンジン３側に圧送するポンプである。ポンプ６は、ラジエータ２によって冷却された冷却水Ｗ及び前席ヒータ４によって熱交換されて冷却された冷却水Ｗが導入される。流量流路調整弁５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、ラジエータ２側の配管を開にし、冷却水Ｗをラジエータ２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、ラジエータ２をバイパスする配管側を閉にし、そのまま冷却水Ｗをポンプ６側に導出して、暖機運転を行わせる。なお、厳密には、流量流路調整弁５は、温度に応じて、ラジエータ２側の配管の開度及びラジエータ２をバイパスする配管側の開度を調整する。
【００２３】
＜蓄熱暖房装置１０の構成＞
エンジン３の排気ガスを排出する排気管Ｌ２０は、車両の下部に這いまわされ、車両の後部まで延びている。蓄熱暖房装置１０は、排気管Ｌ２０の後部側、例えばマフラーの近くに熱交換構造体１１を配置する。ポンプ１２は、冷却水Ｗを熱交換構造体１１に圧送する。熱交換構造体１１は、排気管Ｌ２０及び冷却水Ｗを包み、固体固体相転移蓄熱材が充填された蓄熱部を有する。熱交換構造体１１は、排気管Ｌ２０から排気ガスＧの排熱を蓄熱し、蓄熱した熱エネルギーを冷却水Ｗに放熱する。熱交換構造体１１に蓄熱機能をもたせているのは、アイドリングストップ車や、ハイブリッド車等においてエンジン３が停止し、排気ガスの排熱量が小さくなって冷却水Ｗの温度が低くなった場合、熱交換構造体１１に蓄熱された熱を放熱することによって冷却水Ｗを加熱し、この加熱した冷却水Ｗによって後席ヒータ１４を加熱するためである。
【００２４】
配管系Ｌ１０は、配管Ｌ１１，Ｌ１２を有する。放熱された熱を受熱した冷却水Ｗは加熱される。この加熱された冷却水Ｗは、配管Ｌ１１を介して後席ヒータ１４側に導出される。後席ヒータ１４に導入された冷却水Ｗは、後席ヒータ１４との熱交換によって冷却され、配管Ｌ１２を介してポンプ１２に戻される。
【００２５】
＜熱交換構造体の配置＞
図２に示すように、熱交換構造体１１には、排気管Ｌ２０を通る排気ガスＧの一部を分岐した分岐配管である排気管Ｌ２１を有する。この排気管Ｌ２１への排気ガスＧの流量は、排気管Ｌ２０内に設けられた流量調整弁１３によって調整される。
【００２６】
＜熱交換構造体の構成＞
図３は、熱交換構造体１１の構成を示す透視図である。また、図４は、熱交換構造体１１の横断面図である。図３及び図４に示すように、熱交換構造体１１は、蓄熱容器２０内を貫通し、冷却水Ｗを通す配管Ｌ１１と、排気ガスＧを通す排気管Ｌ２１とが配置される。そして、蓄熱容器２０内には、配管Ｌ１１と排気管Ｌ２１とを包む固体固体相転移蓄熱材２１が充填される。また、蓄熱容器２０内には、固体固体相転移蓄熱材２１間の間隙を埋める伝熱媒体２２が充填されてもよい。固体固体相転移蓄熱材２１は、粒状、顆粒状、あるいは焼結体の形態である。伝熱媒体２２は、配管Ｌ１１及び排気管Ｌ２１と、固体固体相転移蓄熱材２１との間の伝熱効率を良くする高熱伝導率を有したグリス状又は液状のものである。伝熱媒体２２は、例えばシリコーングリスやモリブデングリスである。
【００２７】
固体固体相転移蓄熱材２１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５に示すように、固体固体相転移蓄熱材２１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。
【００２８】
固体固体相転移蓄熱材２１は、強相関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。
【００２９】
なお、伝熱媒体２２がグリス状である場合、グリス内に、熱伝導部材のフィラ―を含めても良い。熱伝導性部材としては、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。
【００３０】
本実施の形態では、固体固体相転移蓄熱材２１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く、例えば９０℃であってもよい。なお、相転移温度は、固体固体相転移蓄熱材２１のドープ材の混合比によって変化させることができる。
【００３１】
具体的な、固体固体相転移蓄熱材２１は、ＶＯ２であり、蓄熱容器２０に対して５０重量％である。また、伝熱媒体２２に含まれる熱伝導性部材は、窒化ホウ素であり、蓄熱容器２０に対して２０重量％である。さらに、伝熱媒体２２は、シリコーン系のグリスであり、蓄熱容器２０に対して３０重量％である。このような配合によって、蓄熱容器２０は、蓄熱密度が１１０Ｊ／ｃｃ、蓄熱温度が９０℃、熱伝導率が２．８Ｗ／ｍＫ、比熱が２．２Ｊ／ｇＫ、密度が３．２ｇ／ｃｍ３の特性を呈する。
【００３２】
＜変形例１＞
図６は、変形例１の熱交換構造体１１の構成を示す透視図である。また、図７は、変形例１の熱交換構造体１１の横断面図である。図６及び図７に示すように、本変形例１では、排気管Ｌ２１が配管Ｌ１１内に設けられた二重配管構造としている。これにより、変形例１の熱交換構造体１１は、蓄熱機能を有するとともに、排気管Ｌ２１と配管Ｌ１１との熱交換を直接に行うことができる。
【００３３】
＜変形例２＞
図８は、変形例２の熱交換構造体１１の構成を示す透視図である。また、図９は、変形例２の熱交換構造体１１の横断面図である。図８及び図９に示すように、本変形例２では、排気管Ｌ２１と配管Ｌ１１との側面が当接した構造としている。これにより、変形例２の熱交換構造体１１は、簡易な構造で、蓄熱機能を有するとともに、排気管Ｌ２１と配管Ｌ１１との熱交換効率を高めることができる。
【００３４】
＜変形例３＞
図１０は、変形例３の蓄熱暖房装置１０ａを含むシステムの構成を示す模式図である。図１０に示すように、変形例３の蓄熱暖房装置１０ａは、配管系Ｌ１０に対応する配管系Ｌ１０ａが開閉弁１５を介して配管系Ｌに接続される。すなわち、図１に示した蓄熱暖房装置１０は、配管系Ｌ１０が暖房装置１の配管系Ｌから独立し、車内で２つの配管系を設けていたが、図１０に示した蓄熱暖房装置１０ａは、暖房装置１の配管系Ｌに接続され、車内で１つの配管系とする構成としている。
【００３５】
１つの配管系の中には、ポンプ６，１２などのウォーターポンプのほか、図示しない水位計付きのリザーバタンクや、流量流路調整弁５などの流量流路切替電磁バルブといった電動部品を設ける必要がある。したがって、図１に示した暖房装置１と蓄熱暖房装置１０とを有した車両には、２セットの電動部品設ける必要があるが、図１０に示した暖房装置１と蓄熱暖房装置１０ａとを有した車両には、１セットの電動部品のみで済むことになる。
【００３６】
この結果、配管の配索性と暖気速度とを重視する場合には、図１に示した蓄熱暖房装置１０を採用し、配索性や暖気速度は、図１に示した蓄熱暖房装置１０に比して落ちるが電動部品のコストダウン、特にポンプ数の削減を重視する場合には、図１０に示した蓄熱暖房装置１０ａの構成を採用することが好ましい。
【００３７】
＜変形例４＞
図１１は、排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust  Gas  Recirculation）システムのＥＧＲクーラーに適用した変形例４の熱交換構造体３１の一例を示す横断面図である。熱交換構造体３１は、ＥＧＲクーラーの配管Ｌ３０内に、排気ガスＧを通し、乱流化する複数の排気管Ｌ３１が配置される。排気管Ｌ３１と配管Ｌ３０との間の流路は、冷却水Ｗが通る。したがって、変形例１の二重管構造に近似したものとなっている。蓄熱容器２０には、排気管Ｌ３１及び配管Ｌ３０が貫通し、配管Ｌ３０を包むように、固体固体相転移蓄熱材２１が充填される。また、蓄熱容器２０内には、固体固体相転移蓄熱材２１間の間隙を埋める伝熱媒体２２が充填されてもよい。固体固体相転移蓄熱材２１及び伝熱媒体２２は、上記の実施の形態及び変形例１〜３と同じである。また、配管Ｌ３０内を通る冷却水Ｗは、後席ヒータ１４を加熱するが、前席ヒータ４を加熱するようにしてもよい。
【００３８】
変形例４では、ＥＧＲクーラーに再循環する排気ガスＧの熱をも蓄熱し、蓄熱した熱を車内暖房に用いることができるので、さらに排気ガスＧの有効利用を増大させることができる。
【００３９】
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】
【００４０】
１  暖房装置
２  ラジエータ
３  エンジン
４  前席ヒータ
５  流量流路調整弁
６，１２  ポンプ
１０，１０ａ  蓄熱暖房装置
１１，３１  熱交換構造体
１３  流量調整弁
１４  後席ヒータ
１５  開閉弁
２０  蓄熱容器
２１  固体固体相転移蓄熱材
２２  伝熱媒体
Ｇ  排気ガス
Ｌ，Ｌ１０配管系
Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ３０  配管
Ｌ２０，Ｌ２１，Ｌ３１  排気管
Ｗ  冷却水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2020128841.tif 000012
【図１１】
2020128841.tif 000013