(57)【要約】【課題】従来に比して優れた伝熱効率を有する蓄熱装置を提供すること。【解決手段】過冷却蓄熱材を備え、当該過冷却蓄熱材の相変化に伴って放出される潜熱によりエンジン２を加熱する蓄熱装置１であって、前記過冷却蓄熱材を収容する熱交換部１１０と、過冷却状態の過冷却蓄熱材を発核させて相変化させる発核装置１２と、を備え、前記熱交換部１１０内には、複数の細孔を有する第１の隔壁１１１及び第２の隔壁１１２と、これらの隔壁により区分けされた複数のセル１１３と、が設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
過冷却蓄熱材を備え、当該過冷却蓄熱材の相変化に伴って放出される潜熱により対象物を加熱する蓄熱装置であって、
前記過冷却蓄熱材を収容する容器と、
過冷却状態の過冷却蓄熱材を発核させて相変化させる発核装置と、を備え、
前記容器内には、複数の細孔を有する隔壁と、当該隔壁により区分けされた複数のセルと、が設けられていることを特徴とする蓄熱装置。
【請求項２】
前記隔壁として、略水平な第１の隔壁が設けられていることを特徴とする請求項１記載の蓄熱装置。
【請求項３】
前記隔壁として、前記第１の隔壁に交差する第２の隔壁がさらに設けられていることを特徴とする請求項２記載の蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱装置に関する。より詳しくは、過冷却蓄熱材を備え、この過冷却蓄熱材の相変化に伴って放出される潜熱により対象物を加熱する蓄熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、車両の走行に伴って生じた各種廃熱を蓄熱しておき、蓄熱した熱を必要に応じて放出することで内燃機関や自動変速機等の対象物を暖機する蓄熱装置が知られている。近年では、蓄熱及び放熱する熱材として過冷却蓄熱材を用いた蓄熱装置が提案されている。この蓄熱装置では、過冷却蓄熱材が過冷却状態となっているとき、即ちその温度が融点よりも低くかつ液相にあるときに、発核させることによって液相から固相へと変化させ、このときの相変化に伴って放出される潜熱を利用する。
【０００３】
ところで、過冷却蓄熱材では、発核により過冷却を解除すると、相変化に伴って体積が減少する等して変化する。すると、この体積変化が過冷却蓄熱材と伝熱部材との接触不良を引き起こし、伝熱効率が低下する、という問題があった。そこで、例えば、熱変形可能な蓄熱材収納容器と、この蓄熱材収納容器を伝熱部材に常時接触させるための付勢部材を備える蓄熱装置が開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−３３２６９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された蓄熱装置では、十分な伝熱効率が得られていないのが現状であった。さらなる伝熱効率の向上を目的としてフィン等の伝熱部材を用いた場合には、フィンが蓄熱材収納容器の熱変形を阻害し、却って伝熱効率が低下してしまう、という問題があった。
【０００６】
また、通常、過冷却蓄熱材としては酢酸ナトリウム三水和物等の針状結晶性の物質が用いられるが、このような針状結晶性物質の過冷却状態を発核により解除すると、フィン等の伝熱部材の壁面が平面である場合にはこの壁面に対して平行な針状結晶が生成する。このため、過冷却蓄熱材と伝熱部材の壁面との間に隙間が生じ、良好な伝熱効率が得られない、という問題があった。
【０００７】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来に比して優れた伝熱効率を有する蓄熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため本発明は、過冷却蓄熱材を備え、当該過冷却蓄熱材の相変化に伴って放出される潜熱により対象物（例えば、後述のエンジン２）を加熱する蓄熱装置（例えば、後述の蓄熱装置１）を提供する。本発明に係る蓄熱装置は、前記過冷却蓄熱材を収容する容器（例えば、後述の容器１１）と、過冷却状態の過冷却蓄熱材を発核させて相変化させる発核装置（例えば、後述の発核装置１２）と、を備え、前記容器内には、複数の細孔を有する隔壁（例えば、後述の第１の隔壁１１１，第２の隔壁１１２）と、当該隔壁により区分けされた複数のセル（例えば、後述のセル１１３）と、が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
本発明では、過冷却蓄熱材を収容する容器内に、複数の細孔を有する隔壁と、当該隔壁により区分けされた複数のセルと、を設けた。
本発明によれば、発核装置によって過冷却状態の過冷却蓄熱材を発核させて相変化させると、隔壁に向かって過冷却蓄熱材の針状結晶が延びて成長し、この針状結晶が隔壁内の複数の細孔を通過する。これにより、針状結晶の成長が隔壁によって阻害されるのを抑制できるため、隔壁に対して略垂直な針状結晶が生成し、隔壁と針状結晶との良好な接触状態を確保できる。従って、過冷却蓄熱材の針状結晶と隔壁との間に隙間が生じるのを抑制でき、隔壁を通じて過冷却蓄熱材の潜熱を効率良く伝熱できる。
また、過冷却状態の過冷却蓄熱材が液相と固相とに分離する場合において、本発明によれば容器内に設けられた隔壁に固相が引っ掛かる等して、固相が容器の底に沈殿して凝集するのを抑制できる。このため、本発明によれば、固相の表面積を大きくでき、固相が液相に再溶解し易くなる結果、固相の割合を低減でき、蓄熱量の減少を抑制できる。
【００１０】
この場合、前記隔壁として、略水平な第１の隔壁（例えば、後述の第１の隔壁１１１）が設けられていることが好ましい。
【００１１】
この発明では、過冷却蓄熱材を収容する容器内に、略水平な第１の隔壁を設けた。
過冷却状態における過冷却蓄熱材の固相は重力により沈降するところ、この発明によれば、略水平な第１の隔壁を備えることにより、固相は第１の隔壁上に堆積する。このため、容器の底に固相が沈殿して凝集するのを抑制できるため、過冷却蓄熱材の液相と固相の相分離を抑制でき、蓄熱量の減少を抑制できる。
【００１２】
この場合、前記隔壁として、前記第１の隔壁に交差する第２の隔壁（例えば、後述の第２の隔壁）がさらに設けられていることが好ましい。
【００１３】
この発明では、過冷却蓄熱材を収容する容器内に、第１の隔壁に交差する第２の隔壁をさらに設けた。
この発明によれば、略水平な第１の隔壁と、この第１の隔壁に交差する第２の隔壁とによって、過冷却蓄熱材を収容する容器内が格子状のセルに区分けされる。このため、これらの隔壁に対して略垂直に成長した針状結晶と各隔壁との接触面積を増大できる結果、これらの隔壁を通じて過冷却蓄熱材の潜熱をより効率良く伝熱できる。
また、この発明によれば、第１の隔壁と第２の隔壁によって容器内が格子状のセルに区分けされる結果、固相の沈殿及び凝集をさらに抑制でき、蓄熱量の減少をさらに抑制できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、従来に比して優れた伝熱効率を有する蓄熱装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る蓄熱装置の構成を示す図である。
【図２】上記実施形態に係る蓄熱装置本体の分解斜視図である。
【図３】図２における熱交換部のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図３の破線部分の拡大図である。
【図５】複数のセル内に収容された過冷却状態の過冷却蓄熱材が、固相と液相とに分離したときの様子を模式的に示す図である。
【図６】隔壁の構造と針状結晶の配向との関係を説明するための図であり、（Ａ）は隔壁に細孔が設けられていない場合の針状結晶の配向を示す図であり、（Ｂ）は図４のＢ−Ｂ線断面図であり、隔壁に細孔が設けられている場合の針状結晶の配向を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して詳しく説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態に係る蓄熱装置１の構成を示す図である。本実施形態に係る蓄熱装置１は、図示しない車両に搭載されており、この車両の走行に伴ってエンジン２で発生した廃熱を蓄熱する。また、蓄熱した熱を、エンジン２の始動時等に放熱することで、エンジン２を暖機する。
【００１８】
図１に示すように、蓄熱装置１は、蓄熱装置本体１０と、発核装置１２と、冷却水管１３と、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）」という）１４と、を備える。
【００１９】
図２は、蓄熱装置本体１０の分解斜視図である。図２に示すように、蓄熱装置本体１０は、熱交換部１１０と、一対のエンドプレート１１７，１１７と、流体導入口１１８と、流体導出口１１９と、を備える。蓄熱装置本体１０は、これらの各部材をエポキシ樹脂等の接着剤で接着することにより、一体化されている。ここで、熱交換部１１０及び一対のエンドプレート１１７，１１７は、過冷却蓄熱材を収容する容器１１を構成する。
【００２０】
図３は、図２における熱交換部１１０のＡ−Ａ線断面図である。図２及び図３に示すように、熱交換部１１０は、円筒形状のハニカム構造体である。熱交換部１１０は、第１の隔壁１１１と、第２の隔壁１１２と、複数のセル１１３と、複数の流路１１４と、外周壁１１５と、を備えている。
【００２１】
第１の隔壁１１１は、その壁面が略水平となるように所定の間隔ごとに複数設けられている。第２の隔壁１１２は、その壁面が第１の隔壁１１１に略直交するように所定の間隔ごとに複数設けられている。外周壁１１５は、第１の隔壁１１１及び第２の隔壁１１２に連結されて、熱交換部１１０の外周面を形成している。これら第１の隔壁１１１、第２の隔壁１１２及び外周壁１１５は、アルミナやＳｉＣ（シリコンカーバイド）等の多孔質の熱伝導体を押出し成形することにより、一体成形される。
【００２２】
第１の隔壁１１１、第２の隔壁１１２及び外周壁１１５は、いずれも複数の細孔を有する。細孔の大きさとしては、平均細孔径が１μｍ以上であることが好ましい。細孔の平均細孔径が１μｍ以上であれば、過冷却蓄熱材の針状結晶が細孔を通過でき、壁面に垂直な針状結晶を形成できる。
【００２３】
複数のセル１１３は、外周壁１１５の近傍を除いて直方体であり、その断面形状は略正方形である。複数のセル１１３は、熱交換部１１０の内部が、複数設けられた第１の隔壁１１１及び第２の隔壁１１２で格子状に区分けされることによって形成されている。複数のセル１１３には、後述する図示しない過冷却蓄熱材が収容されている。
【００２４】
複数の流路１１４は、互いに所定の間隔を設けて、熱交換部１１０の中心軸方向に沿って延設されている。各流路１１４には、後述する流体導入口１１８を介して導入されたエンジン２の冷却水が流通し、第１の隔壁１１１及び第２の隔壁１１２を介して、冷却水と過冷却蓄熱材との間で熱の受け渡しが行われる。各流路１１４は、第１の隔壁１１１、第２の隔壁１１２及び外周壁１１５とともに、押出し成形により一体成形され、乾燥した後に焼成することで形成される。
【００２５】
図４は、図３の破線部分の拡大図である。図４に示すように、外周壁１１５は、上述のようにして一体形成された外周壁に、エポキシ樹脂等を含浸させることにより形成されたｂ密封構造となっている。これにより、熱交換部１１０の内部に収容された過冷却蓄熱材が外部に漏れ出すのを回避できる。
【００２６】
また、図４に示すように、各流路１１４の各外周部１１６は、上述の外周壁１１５と同様に、エポキシ樹脂等を含浸させることにより形成された密封構造となっている。これにより、各流路１１４内を流通する冷却水が、セル１１３内に漏れ出すのを回避できる。
【００２７】
以上のような構成からなる熱交換部１１０は、その両端面を後述する一対のエンドプレート１１７，１１７と接着することによって密封されて、容器１１を構成する。これにより、熱交換部１１０は、過冷却蓄熱材を内部に収容可能となっている。
【００２８】
図示しない過冷却蓄熱材は、液相状態から温度を下げて、その温度が凝固点以下になっても液相のままで固化しない性質を有する潜熱蓄熱材である。本実施形態では、過冷却蓄熱材として酢酸ナトリウム三水和物を用いている。過冷却蓄熱材は、その温度が凝固点以下でありかつ液相であるとき、即ち過冷却状態にあるときに、この過冷却状態を解除し液相から固相に変化させると、この相変化に伴って潜熱を放出する。従って、この過冷却蓄熱材と熱交換可能な所定の対象物の温度が過冷却蓄熱材の温度よりも低い場合には、過冷却蓄熱材の過冷却状態を解除することにより、上記対象物を加熱することができる。なお、本明細書では、過冷却蓄熱材の過冷却状態を解除し、液相から固相へ変化させることを、発核させるという。
【００２９】
ここで、本実施形態で用いる酢酸ナトリウム三水和物のみならず、通常用いられる過冷却蓄熱材は、いずれも針状結晶性の物質である。即ち、発核によって過冷却蓄熱材の過冷却状態を解除すると、過冷却蓄熱材の針状結晶が生成する。本実施形態では、この過冷却蓄熱材の針状結晶の配向に着目し、この配向を制御することで伝熱効率を向上させるものである。
【００３０】
図５は、複数のセル１１３内に収容された過冷却状態の過冷却蓄熱材が、固相Ｓと液相Ｌとに分離したときの様子を模式的に示す図である。図５に示すように、分離した固相Ｓは、第１の隔壁１１１や第２の隔壁１１２に引っ掛かる等して、これらの隔壁により区分けされて形成された各セル１１３内に留まることとなる。このため、固相Ｓが分離して沈殿及び凝集するのが抑制される。
【００３１】
図２に戻って、一対のエンドプレート１１７，１１７は、円板状のプレートであり、その径は熱交換部１１０の径とほぼ同等である。一対のエンドプレート１１７，１１７は、それぞれ、熱交換部１１０の両端面と流体導入口１１８または流体導出口１１９との間に配置され、接着剤により接着されて一体化されている。また、一対のエンドプレート１１７，１１７には、所定の間隔ごとに複数の穴が設けられている。これら複数の穴は、熱交換部１１０に設けられた複数の流路１１４に対応する位置に設けられ、流路の一部を構成する。
【００３２】
流体導入口１１８及び流体導出口１１９は、一対のエンドプレート１１７，１１７を介して熱交換部１１０の中心軸方向の両端に接合され、冷却水管１３と熱交換部１１０とを接続する。エンジン２の冷却水は、流体導入口１１８から熱交換部１１０の内部に導入されて熱交換された後、流体導出口１１９から導出される。
【００３３】
図３に示すように、熱交換部１１０の上部には、発核装置１２が取り付けられている。発核装置１２は、過冷却蓄熱材に機械的な刺激を与えることで過冷却蓄熱材を発核させる。発核装置１２は、ピエゾ素子を有する発核装置本体１２１と、この発核装置本体１２１から下方に棒状に延びて、ピエゾ素子の振動を所定の位置に伝えるプローブ１２２と、を含んで構成される。ピエゾ素子は、後述するＥＣＵ１４に電気的に接続されており、ＥＣＵ１４からの制御信号に応じてプローブ１２２の先端を振動させて、過冷却蓄熱材に機械的刺激を与える。この構成により、発核装置１２は、ＥＣＵ１４からの制御信号に応じて動作し、過冷却状態にある過冷却蓄熱材を発核させる。
【００３４】
図１に戻って、冷却水管１３は、エンジン２の冷却水が流通する通路であり、蓄熱装置本体１０に接続されている。上述したように、冷却水管１３内の冷却水と蓄熱装置本体１０内の過冷却蓄熱材とは熱交換が可能となっており、熱交換後の冷却水はエンジン２に循環される。
【００３５】
ＥＣＵ１４は、各種入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下、「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ１４は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路と、発核装置１２に制御信号を出力する出力回路と、を備える。
【００３６】
次に、本実施形態における過冷却蓄熱材の針状結晶の配向について、隔壁の構造との関係から説明する。図６は、隔壁の構造と針状結晶の配向との関係を説明するための図であり、（Ａ）は隔壁に細孔が設けられていない場合の針状結晶の配向を示す図であり、（Ｂ）は図４のＢ−Ｂ線断面図であり、隔壁に細孔が設けられている場合の針状結晶の配向を示す図である。
【００３７】
図６（Ａ）に示すように、従来のように細孔が設けられていない隔壁Ｗ１の場合には、針状結晶Ｃ１は隔壁Ｗ１を通過できないために、隔壁Ｗ１に対して平行に延びて成長する。このため、隔壁Ｗ１と針状結晶Ｃ１との間に隙間が形成され、熱抵抗が増大して伝熱効率が低下する。
【００３８】
これに対して、図６（Ｂ）に示す通り、本実施形態のように複数の細孔が設けられた第１の隔壁１１１の場合には、針状結晶Ｃ２が細孔を通過して成長するため、第１の隔壁１１１に対して垂直な針状結晶Ｃ２が生成する。このため、第１の隔壁１１１と針状結晶Ｃ２との間に隙間が生じるのが抑制され、伝熱効率の低下が抑制される。第２の隔壁１１２についても同様である。従って、本実施形態のように複数の細孔を有する第１の隔壁１１１及び第２の隔壁１１２を設けることによって、伝熱効率が高められることが分かる。
【００３９】
次に、上記のような構成を備えた本実施形態に係る蓄熱装置１の動作について、放熱動作と蓄熱動作とに分けて説明する。
【００４０】
［放熱動作］
先ず、エンジン２の始動時に、ＥＣＵ１４からの制御信号に応じて発核装置１２が動作する。これにより、発核が過冷却蓄熱材の全体に伝播し、過冷却蓄熱材が結晶化して針状結晶が生成する。また、それに伴って潜熱が放出され、過冷却蓄熱材の温度が上昇する。
【００４１】
このとき、低温の冷却水を流体導入口１１８より熱交換部１１０に導入する。導入された冷却水が熱交換部１１０内を流通する際に、過冷却蓄熱材から熱を受け取り、高温化されて流体導出口１１９から導出される。次いで、導出された冷却水がエンジン２に供給されて熱の受け渡しが行われ、エンジン２が暖機される。
【００４２】
［蓄熱動作］
エンジン２の暖機終了後、高温化されたエンジン２の冷却水が熱交換部１１０内を流通する。このとき、放熱して針状結晶化していた過冷却蓄熱材が熱を受け取り、再び液相へと変化する。熱を十分に受け取ると、熱交換部１１０内の過冷却蓄熱材が全て液相となる。その後、エンジン２が停止すると、熱交換部１１０の温度は下がるが、過冷却蓄熱材は過冷却状態となり、次回の放熱動作まで潜熱として蓄熱する。
【００４３】
以上のような放熱動作と蓄熱動作とを繰り返すことにより、本実施形態の蓄熱装置１は、エンジン２で発生した廃熱を蓄熱するとともに、蓄熱した熱をエンジン２の始動時等に放熱し、エンジン２を暖機する。
【００４４】
本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、過冷却蓄熱材を収容する容器１１内、具体的には熱交換部１１０内に、複数の細孔を有する第１の隔壁１１１及び第２の隔壁１１２と、これらの隔壁により区分けされた複数のセル１１３と、を設けた。
本実施形態によれば、発核装置１２によって過冷却状態の過冷却蓄熱材を発核させて相変化させると、第１の隔壁１１１または第２の隔壁１１２に向かって過冷却蓄熱材の針状結晶が延びて成長し、この針状結晶が隔壁内の複数の細孔を通過する。即ち、針状結晶の成長が隔壁によって阻害されるのを抑制できるため、隔壁に対して略垂直な針状結晶が生成し、隔壁と針状結晶との良好な接触状態を確保できる。従って、過冷却蓄熱材の針状結晶と隔壁との間に隙間が生じるのを抑制でき、隔壁を通じて過冷却蓄熱材の潜熱を効率良く伝熱できる。
また、過冷却状態の過冷却蓄熱材が液相Ｌと固相Ｓとに分離する場合において、本実施形態によれば、熱交換部１１０内に設けられた第１の隔壁１１１または第２の隔壁１１２に固相Ｓが引っ掛かる等して、固相Ｓが熱交換部１１０内の底に沈殿して凝集するのを抑制できる。このため、本実施形態によれば、固相Ｓの表面積を大きくでき、固相Ｓが液相Ｌに再溶解し易くなる結果、固相Ｓの割合を低減でき、蓄熱量の減少を抑制できる。
【００４５】
また、本実施形態では、過冷却蓄熱材を収容する熱交換部１１０内に、第１の隔壁１１１を略水平に設けた。
過冷却蓄熱材の固相Ｓは重力により沈降するところ、本実施形態によれば、略水平な第１の隔壁１１１を備えることにより、固相Ｓは第１の隔壁１１１上に堆積する。このため、熱交換部１１０内の底に固相Ｓが沈殿して凝集するのを抑制できるため、過冷却蓄熱材の液相Ｌと固相Ｓの相分離を抑制でき、蓄熱量の減少を抑制できる。
【００４６】
また、本実施形態では、過冷却蓄熱材を収容する熱交換部１１０内に、第１の隔壁１１１に交差する第２の隔壁１１２をさらに設けた。
本実施形態によれば、略水平な第１の隔壁１１１と、この第１の隔壁１１１に交差する第２の隔壁１１２とによって、過冷却蓄熱材を収容する熱交換部１１０内が格子状のセル１１３に区分けされる。このため、これらの隔壁に対して略垂直に成長した針状結晶と各隔壁との接触面積を増大できる結果、これらの隔壁を通じて過冷却蓄熱材の潜熱をより効率良く伝熱できる。
また、本実施形態によれば、第１の隔壁１１１と第２の隔壁１１２によって熱交換部１１０内が格子状のセル１１３に区分けされる結果、固相Ｓの沈殿及び凝集をさらに抑制でき、蓄熱量の減少をさらに抑制できる。
【００４７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
例えば、上記実施形態では、冷却水管１３を流通するエンジン２の冷却水を、蓄熱装置１の加熱対象物としたが、これに限定されない。自動変速機の作動油等を加熱対象としてもよい。
【００４８】
また、上記実施形態では、過冷却蓄熱材として酢酸ナトリウム三水和物を用いたが、これに限定されない。例えば、Ｎａ２ＳＯ４・１０Ｈ２Ｏや、ＣａＣｌ２・６Ｈ２Ｏ等の水和塩化合物を用いてもよい。これらの過冷却蓄熱材はいずれも、針状結晶性の物質であり、上記実施形態と同様の効果が奏される。
【００４９】
また、上記実施形態では、発核装置１２として、機械的な刺激を与える構成としたが、これに限定されない。例えば、ＥＣＵ１４からの制御信号に応じて過冷却蓄熱材に電圧を印加する等して、過冷却蓄熱材に電気的な刺激を与えるように構成してもよい。あるいは、金属ばねと、この金属ばねに打撃を与えるソレノイドと、を含んで構成された発核装置を用いてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１…蓄熱装置
２…エンジン（対象物）
１０…蓄熱装置本体
１１…容器
１２…発核装置
１３…冷却水管
１４…ＥＣＵ
１１１…第１の隔壁
１１２…第２の隔壁
１１３…セル
【図１】
2012078030.tif 000003
【図２】
2012078030.tif 000004
【図３】
2012078030.tif 000005
【図４】
2012078030.tif 000006
【図５】
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【図６】
2012078030.tif 000008