(57)【要約】【課題】蓄熱時における熱エネルギの質の低下を抑制できる蓄熱装置を提供する。【解決手段】温熱を蓄える蓄熱材１を収容する蓄熱部２を有する蓄熱器１０を備え、蓄熱部２の外部を流れる排気と蓄熱材１との間で熱の授受が行われるように構成されているとともに、蓄熱材１に蓄えられた温熱を排気に与える放熱モードと、排気の有する温熱または冷熱を蓄熱材１に蓄熱する蓄熱モードとを切替可能に構成された蓄熱装置において、蓄熱部２のうち、蓄熱モード時に排気の温度が予め定めた第１基準温度となる部位を第１部位２１とするとともに、蓄熱モード時に排気の温度が第１基準温度よりも低い第２基準温度となる部位を第２部位２２としたとき、蓄熱部２には、蓄熱モード時に第１部位２１の蓄熱温度が第２部位２２の蓄熱温度よりも高くなるように、複数種類の蓄熱材１が設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温熱または冷熱を蓄える蓄熱材（１）を収容する蓄熱部（２）を有する蓄熱器（１０）を備え、
前記蓄熱部（２）の外部を流れる流体と前記蓄熱材（１）との間で熱の授受が行われるように構成されているとともに、
前記蓄熱材（１）に蓄えられた温熱または冷熱を前記流体に与える放熱モードと、前記流体の有する温熱または冷熱を前記蓄熱材（１）に蓄熱する蓄熱モードとを切替可能に構成された蓄熱装置であって、
前記蓄熱部（２）のうち、前記蓄熱モード時に前記流体の温度が予め定めた第１基準温度となる部位を第１部位（２１）とするとともに、前記蓄熱モード時に前記流体の温度が前記第１基準温度よりも低い第２基準温度となる部位を第２部位（２２）としたとき、
前記蓄熱部（２）には、前記蓄熱モード時に前記第１部位（２１）の蓄熱温度が前記第２部位（２２）の蓄熱温度よりも高くなるように、複数種類の前記蓄熱材（１）が設けられていることを特徴とする蓄熱装置。
【請求項２】
前記第１部位（２１）は、前記第２部位（２２）に対して、前記蓄熱モードにおける前記流体の流れ方向の上流側に設けら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】
前記蓄熱部（２）には、前記蓄熱モードにおいて、前記流体の温度が低くなるにつれて蓄熱温度が低くなるように前記複数種類の蓄熱材（１）が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄熱装置。
【請求項４】
前記蓄熱器（１０）は、前記放熱モード時に前記蓄熱材（１）のエクセルギが高い部位から低い部位に向かって前記流体が流れるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の蓄熱装置。
【請求項５】
前記蓄熱部（２）は、前記複数種類の蓄熱材（１）のそれぞれを予め定めた基準位置に固定する固定手段（６、７）を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の蓄熱装置。
【請求項６】
前記蓄熱部（２）は、前記放熱モード時に前記蓄熱材（１）のエクセルギが低い部位ほど、前記流体との伝熱面積が大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の蓄熱装置。
【請求項７】
前記蓄熱部（２）は、流体状態の反応媒体が流入および流出可能に構成されており、
前記蓄熱材（１）は、前記反応媒体と可逆的な熱化学反応を生じさせる物質であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の蓄熱装置。
【請求項８】
前記蓄熱材（１）は、相変化により発熱または吸熱する物質であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱および放熱可能な蓄熱材を備える蓄熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両の排気管内に蓄熱材を設けることで、走行時の排熱を蓄熱し、次回始動時に蓄熱しておいた熱を放熱して触媒を加熱する蓄熱装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この蓄熱装置では、単一種類の蓄熱材が採用されており、排気管の上流の高温排気または排気管の下流の低温排気を用いて、放熱時に均一な温度の熱を発生させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１０６３５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載のような蓄熱装置では、蓄熱装置のうち排気流れの最下流側、すなわち排気温度が最も低くなる部位に合わせて蓄熱温度が設定されている。このため、排気流れの上流側では、排気が有する高温の質の高いエネルギを用いて低温の質の低いエネルギを蓄えることになり、結果的に有効利用できる熱エネルギの質を下げているという問題がある。
【０００５】
本発明は上記点に鑑みて、蓄熱時における熱エネルギの質の低下を抑制できる蓄熱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】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、温熱または冷熱を蓄える蓄熱材（１）を収容する蓄熱部（２）を有する蓄熱器（１０）を備え、蓄熱部（２）の外部を流れる流体と蓄熱材（１）との間で熱の授受が行われるように構成されているとともに、蓄熱材（１）に蓄えられた温熱または冷熱を流体に与える放熱モードと、流体の有する温熱または冷熱を蓄熱材（１）に蓄熱する蓄熱モードとを切替可能に構成された蓄熱装置において、蓄熱部（２）のうち、蓄熱モード時に流体の温度が予め定めた第１基準温度となる部位を第１部位（２１）とするとともに、蓄熱モード時に流体の温度が第１基準温度よりも低い第２基準温度となる部位を第２部位（２２）としたとき、蓄熱部（２）には、蓄熱モード時に第１部位（２１）の蓄熱温度が第２部位（２２）の蓄熱温度よりも高くなるように、複数種類の蓄熱材（１）が設けられていることを特徴としている。
【０００７】
これによれば、蓄熱部（２）に、蓄熱モード時の流体温度が高い第１部位（２１）の蓄熱温度が、蓄熱モード時の流体温度が低い第２部位（２２）の蓄熱温度よりも高くなるように、複数種類の蓄熱材（１）を設けることで、熱源（冷熱源）である流体の温度に対応した蓄熱温度の蓄熱材（１）に蓄熱することができる。このため、蓄熱材（１）にエクセルギの高い状態で蓄熱することができるので、蓄熱時における熱エネルギの質の低下を抑制することが可能となる。
【０００８】
なお、本発明における「蓄熱」とは、温熱を蓄えることのみを意味するものではなく、冷熱を蓄えることをも含む意味である。
【０００９】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態に係る蓄熱装置を示す概略斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る蓄熱装置を示す概略断面図である。
【図３】蓄熱部における排気流れ方向の位置に対する、蓄熱モード時の排気温度および蓄熱材の蓄熱温度の関係を示す特性図である。
【図４】蓄熱材の蓄熱温度と蓄熱密度との関係を示す特性図である。
【図５】蓄熱部における排気流れ方向の位置に対する、蓄熱材の蓄熱温度、第１実施形態に係る蓄熱装置における放熱モード時の排気温度、および比較例に係る蓄熱装置おける放熱モード時の排気温度の関係を示す特性図である。
【図６】第２実施形態に係る蓄熱装置を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００１２】
（第１実施形態）
第１実施形態の蓄熱装置は、車両走行時に内燃機関（エンジン）の排気が有する熱を蓄熱して、次回始動時に蓄熱された熱を排気に与えることで暖機促進に利用するものである。本実施形態の蓄熱装置は、後述する蓄熱材に蓄えられた温熱を排気（加熱対象）に与える放熱モードと、排気（熱源）の有する温熱を蓄熱材に蓄熱する蓄熱モードとを切替可能に構成されている。
【００１３】
図１および図２に示すように、蓄熱装置は、温熱を蓄える蓄熱材１を収容する蓄熱部２を有する蓄熱器１０を備えている。蓄熱器１０は、エンジンの排気が流通する排気管２０に接続されている。具体器には、蓄熱器１０は、円筒状に形成されている。蓄熱器１０と排気管２０とは、同一軸線上に配置されている。すなわち、蓄熱器１０の筒軸と排気管２０の管軸とが一致している。
【００１４】
図２に示すように、蓄熱器１０の内部には、排気が流通する排気通路４が形成されている。排気通路４は、蓄熱器１０の筒軸方向に延びているとともに、蓄熱器１０の略中央部に配置されている。排気通路４は、蓄熱器１０の筒軸方向両端部のそれぞれにおいて、排気管２０と接続されている。これにより、排気通路４は、排気管２０と連通している。
【００１５】
蓄熱部２は、蓄熱器１０のうち排気通路４の外周側に設けられている。具体的には、蓄熱部２は、排気通路４の外周を一周するように輪状（環状）に形成されている。また、蓄熱部２は、排気通路４を形成（区画）する区画壁５と蓄熱材１とが熱的に接触するように構成されている。これにより、蓄熱部２の外部を流れる排気と蓄熱材１との間で熱の授受が行われるようになっている。
【００１６】
以下、本実施形態における蓄熱部２の詳細な構成について説明する。
【００１７】
ここで、蓄熱部２における排気流れ方向の位置に対する蓄熱モード時の排気温度および蓄熱材１の蓄熱温度（蓄熱から所定時間経過後に蓄熱材１から取り出せる温度）の関係を図３に示す。なお、図３において、実線は蓄熱材１の蓄熱温度を示しており、破線は排気温度を示している。図３の破線に示すように、蓄熱モード時において、蓄熱部２では、排気の入口部２１から出口部２２に向かうにつれて排気温度が低くなっている。
【００１８】
ここで、蓄熱部２のうち、蓄熱モード時に排気温度が予め定めた第１基準温度となる部位を第１部位とするとともに、蓄熱モード時に排気温度が第１基準温度よりも低い第２基準温度となる部位を第２部位とする。図２に示すように、蓄熱部２には、蓄熱モードにおいて第１部位の蓄熱温度が第２部位の蓄熱温度よりも高くなるように、互いに蓄熱温度の異なる複数種類（本例では５種類）の蓄熱材１が設けられている。蓄熱部２において、第１部位は、第２部位よりも排気流れ上流側に位置している。本実施形態では、入口部２１が第１部位を構成しており、出口部２２が第２部位を構成している。
【００１９】
より詳細には、蓄熱部２内には、蓄熱モードにおいて、排気温度が低くなるにつれて蓄熱温度が低くなるように、複数種類の蓄熱材１が設けられている。本実施形態では、図３の実線に示すように、蓄熱モードにおいて、排気温度が低くなるにつれて、蓄熱材１の蓄熱温度が階段状に段階的に低くなっている。
【００２０】
図２に戻り、蓄熱部２には、板状に形成された複数の仕切部材６が互いに間隔を開けて配置されている。複数の仕切部材６は、それぞれ、筒軸方向に直交する方向に延びており、蓄熱部２を複数の空間に区画している。そして、この仕切部材６により区画された空間のそれぞれに、種類の異なる蓄熱材１を充填することで、複数種類の蓄熱材１のそれぞれを予め定めた基準位置に固定することができる。したがって、仕切部材６が、本発明の固定手段に相当している。本例では、仕切部材６は、金属または樹脂により構成されている。
【００２１】
蓄熱部２は、放熱モード時に蓄熱材１のエクセルギが低い部位ほど、排気との伝熱面積が大きくなるように構成されている。すなわち、蓄熱部２は、蓄熱材１の蓄熱温度が低い部位ほど、排気との伝熱面積が大きくなるように構成されている。本実施形態では、蓄熱材１の蓄熱温度が低い部位ほど、隣り合う仕切部材６同士の間隔が大きくなっている。
【００２２】
蓄熱器１０は、放熱モード時に蓄熱材１のエクセルギが高い部位から低い部位に向かって排気が流れるように構成されている。すなわち、蓄熱器１０は、放熱モード時に、蓄熱材１の蓄熱温度が高い部位から低い部位に向かって排気が流れるよう構成されている。本実施形態では、蓄熱モードおよび放熱モードにおいて、排気の流れ方向が等しくなっている。
【００２３】
ところで、蓄熱材１としては、反応媒体と可逆的な熱化学反応を生じさせる物質である吸着剤や化学蓄熱材を採用してもよいし、相変化により発熱または吸熱する物質である潜熱蓄熱材を採用してもよい。
【００２４】
吸着剤の具体例としては、ゼオライト、シリカゲル、活性炭を挙げることができる。この場合の反応媒体としては、水、エタノールを挙げることができる。
【００２５】
化学蓄熱材の具体例としては、無機金属塩を挙げることができる。この場合の反応媒体としては、水、アンモニアを挙げることができる。より詳細には、無機金属塩として、例えば酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ2）を用いるとともに、反応媒体として水（水蒸気）を用いてもよい。また、無機金属塩として、例えば塩化カルシウム、塩化ストロンチウム（ＳｒＣｌ2）を用いるとともに、反応媒体としてアンモニアを用いてもよい。
【００２６】
潜熱蓄熱材の具体例としては、塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ3）、硝酸リチウム（ＬｉＮＯ3）、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ3）等の無機金属塩、エリスリトール、スレイトール等の糖類、水酸化バリウム８水和物（Ｂａ（ＯＨ）2・８Ｈ2Ｏ）等の無機金属塩の水和物を挙げることができる。
【００２７】
ここで、蓄熱材１として吸着剤や化学蓄熱材を用いる場合、蓄熱部２は、流体状態の反応媒体が流入および流出可能に構成されている。具体的には、蓄熱部２には、蓄熱部２に充填された蓄熱材１に対し、放熱モード時に反応媒体を供給する供給通路（図示せず）と、蓄熱モード時に反応媒体を排出させる排出通路（図示せず）とが接続されている。
【００２８】
一方、蓄熱材１として潜熱蓄熱材を用いることで、蓄熱・放熱時に反応媒体の流出入を行う必要がないので、上述した供給通路や排出通路を設ける必要がない。したがって、蓄熱装置を簡素化することができる。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態では、蓄熱部２に、蓄熱モード時の排気温度が高い第１部位の蓄熱温度が、蓄熱モード時の流体温度が低い第２部位の蓄熱温度よりも高くなるように、複数種類の蓄熱材１を設けている。これによれば、熱源である排気の温度に対応した蓄熱温度の蓄熱材１に蓄熱することができるので、蓄熱材１にエクセルギの高い状態で蓄熱することができる。したがって、蓄熱時における熱エネルギの質の低下を抑制することが可能となる。
【００３０】
そして、蓄熱材１にエクセルギの高い状態で蓄熱することで、放熱モードにおいて、蓄熱材１と加熱対象である排気との温度差が大きくなり、放熱出力を増大させることができる。
【００３１】
ここで、種々の蓄熱材の蓄熱温度と蓄熱密度との関係を図４に示す。図４において、黒丸プロットが潜熱蓄熱材を示しており、それ以外のプロットが化学蓄熱材を示している。図４に示すように、蓄熱材は、蓄熱温度が高い程、蓄熱密度が大きくなる。
【００３２】
従来の蓄熱装置では、蓄熱部のうち排気温度が最も低くなる部位に合わせて蓄熱温度が設定されているため、蓄熱密度の低い蓄熱材を用いる必要があり、蓄熱装置の体格が大型化するという問題があった。
【００３３】
これに対し、本実施形態では、上述したように、熱源である排気の温度が高い部位には、蓄熱温度が高い蓄熱材１を配置しているので、蓄熱密度を大きくすることができる。これにより、蓄熱装置の小型化が可能となる、
なお、蓄熱材１として化学蓄熱材を用いることで、図４に示すように、潜熱蓄熱材より蓄熱密度を大きくすることができる。このため、蓄熱装置をより小型化することが可能となる。
【００３４】
ここで、蓄熱部２における排気流れ方向の位置に対する、蓄熱材１の蓄熱温度、本実施形態に係る蓄熱装置における放熱モード時の排気温度、および後述する比較例に係る蓄熱装置おける放熱モード時の排気温度の関係を図５に示す。図５において、実線は蓄熱材１の蓄熱温度を示しており、破線は本実施形態に係る蓄熱装置おける放熱モード時の排気温度を示しており、一点鎖線は比較例に係る蓄熱装置における放熱モード時の排気温度を示している。
【００３５】
比較例に係る蓄熱装置は、放熱モードにおける排気の流れ方向が、本実施形態に係る蓄熱装置に対して逆になっている。すなわち、比較例に係る蓄熱装置は、放熱モード時に出口部２２側から入口部２１側に向かって排気が流れるように構成されている。したがって、比較例に係る蓄熱装置は、放熱モード時に蓄熱材１のエクセルギが低い部位から高い部位に向かって排気が流れるように構成されている。このため、比較例に係る蓄熱装置では、図５の一点鎖線に示すように、放熱モードにおいて蓄熱材１と排気との温度差が小さくなる。
【００３６】
これに対し、本実施形態では、放熱モード時に蓄熱材１のエクセルギが高い部位から低い部位に向かって排気が流れるように構成されている。このため、図５の破線に示すように、放熱モードにおいて蓄熱材１と排気との温度差を最大限大きくすることができる。これにより、放熱モードにおける熱出力を増大させることが可能となる。
【００３７】
また、本実施形態では、蓄熱部２を、放熱モード時に蓄熱材１のエクセルギが低い部位ほど、排気との伝熱面積が大きくなるように構成している。これによれば、放熱モード時に排気との温度差が小さくなる部位の伝熱面積を大きくし、当該部位に配置された蓄熱材１に蓄熱されている熱を有効に取り出すことができる。
【００３８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、固定手段として接着剤７を採用した点が異なるものである。
【００３９】
図７に示すように、本実施形態では、複数種類の蓄熱材１は、接着剤７によって、排気管２０の外表面に接着されている。すなわち、接着剤７により、複数種類の蓄熱材１のそれぞれを予め定めた基準位置に固定している。したがって、本実施形態の接着剤７が本発明の固定手段に相当している。接着剤７としては、例えば、エポキシ樹脂系、アクリル樹脂系、酢酸ビニル系等を挙げることができる。本実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明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。
【００４１】
（１）上述した実施形態では、蓄熱部２内に、蓄熱モード時に排気温度が低くなるにつれて蓄熱材１の蓄熱温度が階段状に段階的に低くなるように、蓄熱材１を配置した例について説明したが、蓄熱材１の配置はこれに限定されない。例えば、蓄熱部２内に、蓄熱モード時に排気温度が低くなるにつれて蓄熱材１の蓄熱温度が連続的に（より詳細には、直線的に、または、二次曲線的に）低くなるように、蓄熱材１を配置してもよい。
【００４２】
（２）上述した実施形態では、蓄熱材１と熱の授受を行う流体として、内燃機関の排気を採用した例について説明したが、これに限らず、例えば内燃機関の冷却水を採用してもよい。
【００４３】
（３）上述した実施形態では、温熱を蓄える蓄熱材１を用いるとともに、蓄熱材１に蓄えられた温熱を排気（加熱対象）に与える放熱モードと、排気（熱源）の有する温熱を蓄熱材に蓄熱する蓄熱モードとを切替可能に構成した例について説明したが、これに限定されない。例えば、冷熱を蓄える蓄熱材１を用いるとともに、蓄熱材１に蓄えられた冷熱を冷却対象流体に与える放冷モードと、冷熱源である流体の有する冷熱を蓄熱材に蓄冷する蓄冷モードとを切替可能に構成してもよい。
【００４４】
（４）上述した第１実施形態では、仕切部材６として、金属製または樹脂製の板状部材を用いた例について説明したが、仕切部材６の材質はこれに限定されない。例えば、仕切部材６として、蓄熱材１が通り抜けないように構成された不織布を用いてもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１    蓄熱材
２    蓄熱部
１０  蓄熱器
【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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