(57)【要約】【課題】  潜熱物質を利用して効率よく高温対象物を冷却する高温域冷却装置を提供する。【解決手段】  冷却対象の高温物と熱交換する第１熱交換器１と低熱源となる低温流体と熱交換する第２熱交換器２とこの第１と第２の熱交換器を熱媒が循環するための循環管路と熱媒ポンプ３とで形成される配管系を備え、熱媒として、第２熱交換器２中で固体化し第１熱交換器１中で液化する相転移無機物を少なくとも一部が溶解しない状態で溶媒に含有し熱媒としての作動温度範囲内に潜熱吸収領域を有する溶液を使用する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却する高温物と熱交換する第１熱交換器と低温流体と熱交換する第２熱交換器と該第１と第２の熱交換器を熱媒が循環するための循環管路と熱媒ポンプとで形成される配管系を備え、該熱媒として前記第２熱交換器中で固体化し前記第１熱交換器中で液化する相転移無機物を少なくとも一部が溶解しない状態で溶媒に含有した溶液を使用したことを特徴とする高温域冷却装置。
【請求項２】
前記第１熱交換器がエンジン壁であり、前記第２熱交換器がラジエータであることを特徴とする請求項１記載の高温域冷却装置。
【請求項３】
前記第２交換器中の前記熱媒が通過する配管の少なくとも一部に該熱媒流の直進を妨げる機構が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の高温域冷却装置。
【請求項４】
前記熱媒の直進を妨げる機構が配管中に挿入されたねじりテープであることを特徴とする請求項３記載の高温域冷却装置。
【請求項５】
前記相転移無機物は、該熱媒中にあるときの相転移点が６０℃から１２０℃の間にあることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の高温域冷却装置。
【請求項６】
前記熱媒が、該溶媒の流動抵抗を低減させる抵抗低減剤を含有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の高温域冷却装置。
【請求項７】
前記熱媒が、相転移無機物として無機水和物、相転移無機物を溶解しない状態で含有する溶媒として水と前記無機水和物に対する溶解度が水より小さいアルコールの混合液からなることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の高温域冷却装置。
【請求項８】
前記無機水和物が硫酸アルミニウム十四〜十八水和物（Ａｌ２（ＳＯ４）３・１４〜１８Ｈ２Ｏ）であり、前記アルコールがエチレングリコールであることを特徴とする請求項７記載の高温域冷却装置。
【請求項９】
前記無機水和物が１価の陽イオンと３価の陽イオンとの硫酸塩複塩（ミョウバン）であり、前記アルコールがエチレングリコールであることを特徴とする請求項７記載の高温域冷却装置。
【請求項１０】
前記ミョウバンが硫酸カリウムアルミニウム十二水和物（ＫＡｌ（ＳＯ４）２・１２Ｈ２Ｏ）、硫酸アルミニウムアンモニウム十二水和物（Ａｌ（ＮＨ４）（ＳＯ４）２・１２Ｈ２Ｏ）、鉄ミョウバン六水和物（Ｆｅ（ＮＨ４）（ＳＯ４）２・６Ｈ２Ｏ）のいずれかであり、前記溶媒の水とエチレングリコールの重量割合が２：８から７：３の範囲にあることを特徴とする請求項８記載の高温域冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種エンジンなど高温の対象を対象として、固体液体間相変化の潜熱を利用する熱媒を用いて高効率な熱輸送を行うようにした高温域冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温物体の冷却や、恒温槽や倉庫などの温度制御では、熱媒を使って高温熱源と低温熱源の間で熱を輸送する必要がある。このとき、使用する熱媒の熱輸送能力が大きい程、熱媒輸送量が少なくなる。所定の流量に必要とされるポンプ動力は流量の３乗にほぼ比例するので、熱媒輸送量を減少させて熱媒ポンプの動力を抑制することにより、経済的な運転が可能になる。
【０００３】
図８は、エンジンの冷却装置の代表的な例を示すブロック図である。図に示すように、水を熱媒として、ポンプにより高温熱源となるエンジンと低温熱源となるラジエータの間で熱媒を循環させ、エンジンで吸収した熱をラジエータで水と空気の間の熱交換を行うことによって、エンジンで発生する熱を大気に放出してエンジンを冷却する。ラジエータには外気をフィンに吹き付ける冷却ファンが付いている。
図中、エンジンとラジエータの位置で点線で示した線は、それぞれの位置で熱交換することにより熱媒の温度がほぼ直線的に変化することを模式的に示したものである。
【０００４】
熱媒はエンジンで昇温し、ラジエータに送られて空冷で冷却し、再びエンジンに送られる。エンジンの負荷状態は大きく変動するので、エンジンの作動効率を確保するため、冷却液は適正温度を正確に保持させる必要がある。このため、熱媒の循環路にサーモスタットが設置されていて、熱媒の温度が変化するとバルブが作動してラジエータをバイパスする熱媒量を制御して、冷却液温度を適正に調整する。リザーバータンクは熱媒から発生する蒸散ガスを逃がして、ポンプの吸入側で発生しやすいキャビテーションを防ぐ役割を果たす。水温センサはエンジン側出口における熱媒温度を測定することにより冷却系の異常を監視する。
【０００５】
このように、自動車用エンジン、自動２輪車用エンジン、船舶用エンジン、発電機用エンジンなどの高温発熱体の冷却を目的とするときは、大量の熱を短時間で除去しなければならないので、水を主体とした大きな比熱を持つ熱媒を使用して熱輸送量の増大を図り、また熱媒輸送量の削減とポンプ動力の抑制を図っている。しかし、水の顕熱は４．２ｋＪ／ｋｇでしかなく、熱媒輸送量ひいては搬送動力の抑制には限界がある。
【０００６】
これに対して、近年、顕熱より圧倒的に大きな潜熱に注目して、潜熱を有する物質（以下、本明細書において潜熱物質と呼ぶ）を懸濁させたスラリーの開発がなされている。
相転移の潜熱は水の顕熱より数１０倍にもなるので、潜熱物質を使えば効率よい熱輸送が可能になる。蓄熱材として潜熱物質を利用することは周知であるが、蓄熱材自体が流動する必要はないので、各種の潜熱物質を使用することができる。
これに対して、潜熱を利用して高温熱源と低温熱源の間で大きな熱量を輸送する熱媒は、高温熱源と低温熱源で熱交換するときに相転移を行う必要がある。したがって、低温側熱交換器において潜熱物質が固体化し固体のまま高温側熱交換器まで移動させるため、流動が可能でなければならない。そこで、低温熱源から高温熱源に輸送されるときの熱媒は、低温熱源により固化した潜熱物質を搬送するスラリーの形態であることが望ましい。
【０００７】
このような潜熱輸送用スラリーとして、氷水スラリーがよく研究されている。氷水スラリーは氷の潜熱を利用して熱輸送を行うため、低コストで大量の熱を輸送することができるが、氷塊により配管が閉塞され易いばかりでなく、冷熱輸送にしか利用できないなどの問題がある。
また、相転移点がより高温域にある潜熱物質を熱媒中に懸濁しスラリー化して利用することによって、より高温の対象まで適用範囲を広げることができる。熱媒に懸濁する潜熱物質として、パラフィン、ハイドレート、水和物、及びこれらをマイクロカプセル化したものなどがあり、相転移点に従って利用対象を選択することが好ましい。
【０００８】
たとえば、特許文献１には、冷房用サイクルに有機系水和物を懸濁させた水和物スラリーを利用し、暖房用サイクルに無機系水和物スラリーを利用した空調設備が開示されている。開示された空調設備では、暖房用に、たとえば、５０〜６０℃に融点を持つ熱媒として、酢酸ナトリウム３水和物をイオン交換水に４４．４ｗｔ％含有させた水溶液を採用し、５４℃付近で水和物粒子が生成することを確認している。
【０００９】
有機系水和物は、水分子がかご状に配置されるところから包接型水和物とも呼ばれ、比較的潜熱が大きく、安定で過冷却も小さいため効果的であるが、一般に高価であり、また相転移点が低く高温熱源に適用しにくい。
無機系水和物は、結晶内に結晶水として水分子を取り込んだ物質であり、安価で高い潜熱を有するものがあり、高温の熱機器や熱機関に適用されることが多い。しかし、熱機関などの作動時におけるような高温の領域では溶媒に対する溶解度が比較的高いため、水和物が溶媒に溶解して相転移点より低温になっても凝固せず、潜熱を吸収しない場合も出現する。
【００１０】
潜熱物質の相転移を利用するには、熱媒が高温熱源から熱吸収するときにも潜熱物質が固体状態で存在するようにする必要がある。また、熱媒中に含まれる固体状態の潜熱物質は粒子状にして溶媒に懸濁し易くし容易に運搬できることが好ましい。
【特許文献１】特開２００５−０２９５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、潜熱物質を利用して効率よく高温対象物を冷却する高温域冷却装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明の高温域冷却装置は、冷却対象の高温物と熱交換する第１熱交換器と低熱源となる低温流体と熱交換する第２熱交換器とこの第１と第２の熱交換器を熱媒が循環するための循環管路と熱媒ポンプとで形成される配管系を備え、熱媒として第２熱交換器中で固体化し第１熱交換器中で液化する相転移無機物を少なくとも一部が溶解しない状態で溶媒に含有した溶液を使用したことを特徴とする。
【００１３】
本発明の冷却装置では、相転移無機物の潜熱を利用して冷却するので、熱媒の流通量が小さくてもよく、熱媒ポンプの輸送動力を低減することができる。また、熱媒の実質的な相転移点は第１熱交換器の出口温度と第２熱交換器の出口温度の中間にあり、熱交換器内で相変化している間は熱媒の温度が変化せず温度差が維持されるので、熱交換の能率が向上して、冷却装置の効率が向上する。
【００１４】
低温側の第２熱交換器で固化した相転移無機物すなわち潜熱物質は、溶媒中に粒子状に含有され熱媒スラリーとなる。溶媒スラリーは、高温側の第１熱交換器に搬送されて高温対象物から熱を吸収する。熱媒中の潜熱物質は、潜熱分の熱を奪って液化する。
第１熱交換器で液化した潜熱物質を含む熱媒は、第２熱交換器に搬送されて、外気などの低温流体と熱交換して放熱する。熱媒中に含有された潜熱物質は冷却されて粒子状に固化し、熱媒はスラリー化する。こうして高温対象物の熱を放出させて冷却する。
【００１５】
なお、冷却対象物はエンジンであって、第１熱交換器がエンジン壁、第２熱交換器がラジエータであってもよい。
第２熱交換器は、少なくとも一部の配管に熱媒流の直進を妨げるねじりテープなどの機構を設けることが好ましい。
【００１６】
本発明の高温域冷却装置に用いる熱媒は、実質的な相転移点が６０℃から１２０℃の範囲に存在するものであることが好ましい。特に、ラジエータ冷却式エンジンを対象とするときは、７０〜９０℃の範囲にあるものが選択される。
また、熱媒には流動抵抗を低減する抵抗低減剤を含有させることが好ましい。
なお、一部が溶解しない状態で潜熱物質である相転移無機物を含んだ熱媒は、純粋な相転移無機物の相転移点より低い温度に実質的な潜熱吸収領域を有することが観測されている。
ミョウバンに対するエチレングリコールなど相転移無機物を溶かしにくいアルコールを水に加えた溶液を溶媒として用いて相当量の相転移無機物を加えると、高温側の第１熱交換器中でも相転移無機物が溶解しないで残るようにすることができる。
【００１７】
潜熱物質としてミョウバン（１価の陽イオンと３価の陽イオンとの硫酸塩複塩）、特に硫酸カリウムアルミニウム十二水和物（カリウムミョウバン：ＫＡｌ（ＳＯ４）２・１２Ｈ２Ｏ）を用い、溶媒の水とエチレングリコールの割合が３：７から７：３の範囲にあるものでは、実質的な相転移点が７０℃から８５℃の間になり、熱媒の実質的な潜熱が１０ｋＪ／ｋｇから３５ｋＪ／ｋｇ程度になるので、水の顕熱を利用する場合に対して数分の１の熱媒流量で足りることになる。
また、ミョウバンとして、硫酸アルミニウムアンモニウム十二水和物（Ａｌ（ＮＨ４）（ＳＯ４）２・１２Ｈ２Ｏ）や鉄ミョウバン六水和物（Ｆｅ（ＮＨ４）（ＳＯ４）２・６Ｈ２Ｏ）を用いても良い。
なお、ミョウバンの代りに硫酸アルミニウム十四〜十八水和物（Ａｌ２（ＳＯ４）３・１４〜１８Ｈ２Ｏ）を用いることもできる。
【００１８】
したがって、熱媒ポンプの輸送能力も数分の１で足り、冷却装置の小型化が可能である。
また、熱交換器内で固化または液化している間は熱媒の温度があまり変化せず、熱源との温度差が維持されるので、冷却装置の効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係る冷却装置の例を示すブロック図、図２は本発明の冷却装置に使用する低温側熱交換器の例を示す斜視図、図３は熱交換器の構造を説明する一部切り欠き斜視図、図４は熱媒に対する潜熱物質の溶解度を説明する線図、図５は熱媒の潜熱を測定した線図、図６は熱交換器内における熱媒の温度変化を説明する線図、図７は潜熱物質の含有量と必要流量およびポンプ動力の関係を示す線図、図８は従来の冷却装置のブロック図である。
【００２０】
本実施例の高温域冷却装置は、本発明をエンジン冷却装置に適用した例であって、図８に示した従来の冷却装置と構成上に変更はないが、熱媒が潜熱物質を溶解しない状態で含有するものであって、特にポンプの容量が小さく装置が経済的であるところに差異がある。
冷却装置は、高温熱源となるエンジンに高温側熱交換器１を設け、低温側熱交換器２となるラジエータを配置して、両熱交換器を配管で接続してポンプ３で熱媒を循環させ、エンジンから吸収した熱をラジエータで大気中に放出することによりエンジンを冷却する。ラジエータには冷却ファン４が付いている。
【００２１】
熱媒は高温側熱交換器１でエンジンの熱を吸収して昇温し、低温側熱交換器２で冷却し、再び高温側熱交換器１に送られる。熱媒の温度を適正に保持するため、熱媒循環路にサーモスタットバルブ５が設置されていて、熱媒温度に基づいて低温側熱交換器２をバイパスする熱媒量を制御する。低温側熱交換器２にはリザーバータンク６が設けられ熱媒から発生する蒸散ガスを逃がして、ポンプ３のキャビテーションを防ぐ。水温センサ７は高温側熱交換器１の出口における熱媒温度を測定して冷却系の異常を監視する。
【００２２】
本実施例では、潜熱物質として無機水和物を選択し、この無機水和物が溶解しにくいアルコールを所定の割合で水に混合して溶媒とし、この溶媒に、循環路中の高温部分でも一部が溶解しきれずに残るだけの量の無機水和物を混入した溶液を熱媒として使用する。
すると、低温側熱交換器２であるラジエータに高温状態で供給される熱媒は、大気との間で熱交換して冷却される。ラジエータ内の熱媒は、冷却されて温度が低下するが、相転移点に達すると潜熱物質が析出し粒子状に凝固して相変換が終了するまで相転移温度を維持し、その後さらに冷却して低温状態でラジエータの出口から排出される。
熱媒の温度変化を図中の熱交換器２の位置に点線９で模式的に示した。
相転移中、熱媒温度が変化しないので、外気温度との温度差が大きいまま維持され、冷却効率が向上する。
【００２３】
ラジエータで冷却された熱媒は、ポンプ３によりエンジンに設けられた高温側熱交換器１に供給される。高温側熱交換器１では、熱媒がエンジンの熱を吸収して昇温し、相転移点に達すると粒子状の潜熱物質が溶融して液化し相変換が終了するまで相転移温度を維持する。その後さらに加熱され高温状態で高温側熱交換器１の出口から排出される。
エンジン部における熱媒の温度変化を図中の熱交換器１の位置に点線８で模式的に示した。
潜熱は顕熱と比較して大きいので、本実施例で使用する熱媒は、同じ熱量を収受するために必要とされる量が少ない。したがって、熱媒ポンプ３の容量も小さくてすむ。
また、顕熱による冷却媒体を使うときには媒体温度が吸熱にしたがって上昇して発熱体との温度差が小さくなることと比較すると、本実施例の熱媒は熱交換器１内で潜熱を吸収する間ほぼ同じ温度を維持するので、冷却効率が高い。
【００２４】
なお、熱媒が冷却されると、無機水和物が析出してくるため、熱媒の粘度が大きくなるので、熱媒の流動速度が低下して輸送が困難になるおそれがある。このため、抵抗低減剤として界面活性剤を添加することが好ましい。
カチオン系の抵抗低減剤として、塩化ベヘニルトリメチルアンモニウム（商品名 Arqurdo2/80）２０００ｐｐｍに対イオンとしてサリチル酸ナトリウム１２００ｐｐｍを加えたものが高い効果を有する。なお、カチオン系抵抗低減剤は、サリチル酸ナトリウムとあわせて２０００ｐｐｍ以上添加することにより、潜熱物質が析出した粒子の粒度を小さくする作用もあらわし、熱交換性能を向上させるので、さらに小型化した熱交換装置を可能にする。
【００２５】
図２は本実施例で使用されるラジエータの例を示す斜視図、図３はその部分を拡大して示す一部切り欠き図である。
比較的粘度の高い熱媒を少量循環させるため、熱交換器内部の流速が小さくなり熱通過係数が小さくなる。そこで、図２に例示した熱交換器１０は、図３に示すように、高温媒体と低温媒体が相互に異なった側の流路壁と接触する部分で、熱媒通路が円形断面を有する部分１１にねじりテープ１２を挿入して使用することが好ましい。
【００２６】
ねじりテープ１２が挿入されることによって、小流量でも壁面近くの流速を上げ管内の流れを乱して、伝熱性能を向上させることができる。また、たとえばミョウバンの比重は１.７５であるのに対してエチレングリコールは１．１２程度であるので、ねじりテープ１２で生ずる遠心力によって潜熱物質の粒子を壁面近くに集めて、潜熱利用した熱交換が管壁付近で効果的に行われれるようになる。
【００２７】
ラジエータの出口にエンジン側熱交換器から熱媒を導入できるサーモスタットバルブが設置されていて、熱媒温度が変化するとラジエータをバイパスする熱媒量を制御して、冷却液温度を適正に調整する。また、ラジエータにはリザーバータンクが設けられていて、ポンプで発生するキャビテーションを防ぎ、エンジン側出口に設けられた水温センサが熱媒温度を測定して冷却系の異常を監視する。
【００２８】
本実施例の冷却装置に用いる熱媒は、水にエチレングリコールを混ぜた溶液にカリウムミョウバンを作動温度範囲では一部が溶解しないだけの量を混ぜて、抵抗低減剤を添加したもので、純粋なミョウバンの相転移点より低温の領域に実質的な潜熱発現領域を持ち、ミョウバンが析出するときに粒子状になる特徴を有する。
カリウムミョウバン（ＫＡｌ（ＳＯ４）２・１２Ｈ２Ｏ）は、相転移点が９２．５℃度であり２３８ｋＪ／ｋｇの潜熱を吸収する。エチレングリコールはカリウムミョウバンを溶かしにくいアルコールである。
【００２９】
図４は、水とエチレングリコールの混合溶液に対するカリウムミョウバンの溶解度を測定した結果を示すグラフである。
溶媒が１００％の水であるときには高温域で非常に高い溶解度を示し、カリウムミョウバンの相転移点付近では溶解度が２５０ｇ／１００ｇとなる。一方、常温では溶解度が約１０ｇ／１００ｇである。このため、相転移点付近で２０％の潜熱輸送粒子を存在させるためには、溶媒１００ｇに対して３２０ｇのカリウムミョウバンを混入する必要があるが、この溶液は常温では３１０ｇの固体分が析出することになる。この状態では、潜熱輸送用媒体として用いることができない。
【００３０】
これに対して、ミョウバン難溶性のエチレングリコールを混合した溶媒では、溶解度はエチレングリコールの混合割合にほぼ比例して著しく低下する。
そこで、エチレングリコールと水を異なる割合で混合した溶媒に、潜熱吸収領域で約２０ｗｔ％の固形分が残る程度にカリウムミョウバンを添加した熱媒について、潜熱を測定した。図５に示差走査熱量計により測定して得たＤＳＣ曲線を示す。なお、参考のため、図にはカリウムミョウバンの粉末のＤＳＣ曲線も示した。
【００３１】
図から、粉末状の純粋なミョウバンでは狭い温度範囲で潜熱吸収を行うのに対して、混合溶液中では６０℃から８５℃の比較的広い温度範囲で潜熱吸収を行うことが分かる。ＤＳＣ曲線を積分して得た熱媒の潜熱は、１０から３５ｋＪ／ｋｇ程度になり、水の顕熱である４．２ｋＪ／ｋｇと比較すると数倍になる。なお、純水ミョウバンの潜熱は２２９ｋＪ／ｋｇとなり、ほぼ文献値と一致した。
さらに、溶媒中のエチレングリコールの濃度が８０ｗｔ％以上ではＤＳＣ曲線が図の横軸上に重なって、潜熱が現れないことが分かる。これは水分子の割合が減少して水和物が形成されないためである。
このように、水に難溶性溶媒を所定の割合混合したものに適当量の無機水和物を添加した熱媒を使用することで潜熱を利用した熱輸送が可能になる。
【００３２】
なお、図示しないが、相転移点のピークが１１３℃と実測される硫酸アルミニウム十四〜十八水和物をエチレングリコールを加えた水溶液に加えて、示差走査熱量計で潜熱測定した結果から、熱媒の潜熱吸収が６０℃から９０℃の範囲に現れることが分かった。
また、相転移点９２．５℃の硫酸アルミニウムアンモニウム十二水和物をエチレングリコール水溶液に加えて潜熱測定した結果から、熱媒の潜熱吸収領域が６０℃から９０℃の辺りにあることが分かった。
さらに、相転移点が１０８〜１１７℃の鉄ミョウバン六水和物（Ｆｅ（ＮＨ４）（ＳＯ４）２・６Ｈ２Ｏ）のアルコール水溶液も十分利用できることが分かった。なお、これらの水和物では、カリウムミョウバンの潜熱吸収量が最も大きく、冷却効果が大きい。
【００３３】
熱媒の流動性は析出した無機水和物の形状に左右されるが、カチオン系抵抗低減剤を熱媒に対して２０００ｗｔｐｐｍ以上添加すれば、潜熱物質の粒度を小さくすることができることが分かっている。
本実施例においては、潜熱物質としてカリウムミョウバンを使い、塩化ベヘニルトリメチルアンモニウム（商品名 Arqurdo2/80）２０００ｗｔｐｐｍに対イオンとしてサリチル酸ナトリウム１２００ｗｔｐｐｍを加えた抵抗低減剤を添加した溶媒を使って、潜熱物質が析出したときに形成される粒子の径が０．２ｍｍ程度に調整されることを確認している。
【００３４】
また、潜熱物質の粒度は熱媒が配管系を循環する間にも大きく変化しない。
潜熱物質の粒子は十分小さいので溶媒により容易に搬送され、熱媒スラリーは細い流路内にも万遍なく潜熱物質を配給するので、性能を保持したままさらに小型の熱交換器を利用することができる。
溶解しきれない潜熱物質を含有する熱媒を用いることによって、例えば、並流型熱交換器における媒体の温度変化は、図６に示すようになる。
すなわち、高温側熱媒が潜熱物質を含む循環液で、低温側熱媒が空気や冷却水等の冷却流体であるとすると、熱交換器に流入した高温Ｔｈ０の循環液は、低温Ｔ１の冷却流体に冷やされて相転移点Ｔｈｓまで温度降下する。このとき、冷却流体の温度はＴ１になっている。
【００３５】
循環液の温度Ｔｈが相転移点まで達した後は、循環液中に溶解していない潜熱物質が析出し切るまで温度は変化しない。潜熱物質を析出するときに潜熱に相当する大きな熱量が放出されるので、冷却流体の温度Ｔは急激に上昇する。潜熱物質の析出が完了すると、循環液は既にかなりぬるくなった温度Ｔ２の冷却流体に冷却されて降温し、温度Ｔｈ３になって熱交換器から放出される。熱交換器から放出される温度Ｔｈ３まで冷却された熱媒は、析出した潜熱物質の微粒子を含むスラリーになっている。熱交換器から排出される冷却流体は温度Ｔ３になっている。
【００３６】
他の形式の熱交換器であっても、熱媒温度の変化状況はほぼ同じである。
潜熱物質の特性を有効に利用して熱媒循環量をできるだけ少なくするためには、相転移点より低温の冷却流体を用いる必要があり、熱媒と冷却流体との温度差が大きい程有効である。
しかし、熱媒の循環量が余り小さくなると、熱交換器の壁を流れる流速が小さくなり、熱通過係数Ｋが小さくなり熱伝達効率が低下する。また、流速を上げるため管径を小さくすれば伝熱面積が小さくなって同様に効率が低下する。
【００３７】
そこで、図３に示すように、直管部にねじりテープ１２を挿入することにより、壁面近くの熱媒流速を上昇させ、熱媒の流れを乱して伝熱性能を向上させる。また、ねじりテープ１２を挿入すると熱媒が螺旋状に流れて遠心力が生じるので、相転移に関与する潜熱物質の比重が溶媒より重いことを利用して、遠心力により潜熱物質を管壁に押し付けるようにして、管壁付近における潜熱利用を促進して効率を向上させることができる。ちなみに、水の比重が１でエチレングリコールの比重が１．１２程度であるのに対して、ミョウバンの比重はそれより大きく、例えばカリウムミョウバンでは１．７５程度である。
【００３８】
なお、上の説明は低温側熱交換器内の温度変化に関するものであるが、高温側熱交換器に当たるエンジンの冷却通路で循環液が吸熱する場合も、熱の出入りが逆になる以外はほぼ同じ機構に基づくので、循環液の温度変化が昇温過程であること以外はほぼ同様になる。
【００３９】
このような温度過程を実現するためには、潜熱物質を含有した熱媒の実質的な潜熱発現領域が、高温側熱交換器と低温側熱交換器のいずれにおいても、入口温度と出口温度の間になければならない。
したがって、熱媒の作動温度範囲を通常のエンジン冷却装置の４０℃から９５℃とすれば、熱媒の実質的な潜熱吸収領域は、たとえば６０℃から９０℃の範囲にあることが好ましい。
【００４０】
図７は、本発明の熱媒を使用したときに、潜熱物質の水和物が不溶解状態で含有される量に対して、熱媒の流量とポンプ動力をプロットしたグラフである。グラフは、１００ｐｓのエンジンに対して冷却水の出入り口の温度差が５℃になる条件の下で算定したものである。
本発明の熱媒は熱輸送量が極めて大きいため、必要量が劇的に減少するので、負荷の３乗に比例するとされるポンプ動力はさらに劇的に減少する。
たとえば、水和物含有量が２０ｗｔ％では、必要流量が約１／３に減少し、ポンプ動力が１／２０に減少する。
このように、本発明の冷却装置は、極めて動力効率がよく、ポンプの小型化が可能である。
【００４１】
なお、ミョウバンとは、ＭａＭｃ（ＳＯ４）２・１２Ｈ２Ｏ（ここで、Ｍａは１価の金属（すなわちアルカリ金属）、Ｍｃは３価の金属）で表わされる複塩の水和物を言う。ミョウバンの溶解度は、アルカリ金属のナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムと原子番号が増加する順に等比級数的に減少する。この傾向は、３価の金属が他のもの、たとえば鉄、クロム、バナジウム。マンガン等に変っても同じである。
溶解度が小さければ、添加すべき水和物の量が少なくても済むので、潜熱の大きさも勘案して、１価の金属と３価の金属の適当な組み合わせを選択することが好ましい。
【００４２】
なお、水と混合するアルコールはエチレングリコールに限らず、潜熱物質が溶け難く熱に安定なものであれば十分である。
また、抵抗低減剤は塩化オレイルビスヒドロキシエチルメチルアンモニウムなどのカチオン系界面活性剤に限られず、熱媒の組成に従って公知のものから適当なものを選択することができることはいうまでもない。
【００４３】
本発明の高温域冷却装置は、自動車用エンジン、自動二輪車用エンジン、船舶用エンジン、発電機用エンジンなどの高温発熱体に対して、少量の熱媒を循環して効果的に冷却することができる。熱媒循環量が小さいので、熱媒ポンプも小型になりポンプ動力も節約できて効率的な冷却が可能である。本実施例の高温域冷却装置は、エンジン以外の高温対象物に適用できることはいうまでもない。
また、逆に、床暖房などの加熱用途にも用いて同様の効果があることもいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る高温域冷却装置の例を示すブロック図である。
【図２】本実施例の冷却装置に使用する低温側熱交換器の例を示す斜視図である。
【図３】本実施例に使用する熱交換器の構造を説明する一部切り欠き斜視図である。
【図４】本実施例の熱媒に対する潜熱物質の溶解度を説明する線図である。
【図５】本実施例の熱媒の潜熱を測定した線図である。
【図６】本実施例の熱交換器内における熱媒の温度変化を説明する線図である。
【図７】本実施例の潜熱物質の含有量と必要流量およびポンプ動力の関係を示す線図である。
【図８】従来のエンジン冷却装置のブロック図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  高温側熱交換器
２  低温側熱交換器
３  ポンプ
４  冷却ファン
５  サーモスタットバルブ
６  リザーバータンク
７  水温センサ
８  熱交換器１における熱媒の温度変化
９  熱交換器２における熱媒の温度変化
１０  熱交換器
１１  熱媒通路が円形断面を有する部分
１２  ねじりテープ
【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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