(57)【要約】【課題】蓄熱材とオイル等の熱交換流体との効率的な熱交換を実現することのできる熱交換装置を提供することを課題とする。【解決手段】熱交換装置１は、エンジン１００に組み込まれる。熱交換装置１は、断熱素材からなる筐体２の内部にセパレートプレート３を備えている。セパレートプレート３よりも下側に下部オイル層４が形成されている。セパレートプレート３の上には蓄熱材５が載置され、蓄熱材層６が形成されている。蓄熱材５は、酢酸ナトリウム３水和物である。蓄熱材５は、容器等に封入されることなく、筐体２の上部に空間が形成されるようにそのままセパレートプレート３上に載置されている。筐体２には発核プレート１３及びこの発核プレート１３を押圧するアクチュエータ１２が装着されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に、下部熱交換流体層と、上部熱交換流体層と、前記下部熱交換流体層と前記上部熱交換流体層との間に位置する蓄熱材層とが形成される筐体と、
熱交換流体通過孔が設けられるとともに前記下部熱交換流体層と前記蓄熱材層とを区分けするセパレートプレートと、
前記下部熱交換流体層に流体を流入させる導入パイプと、
前記上部熱交換流体層から熱交換流体を排出させる排出パイプと、
前記蓄熱材層を形成する蓄熱材を発核させる発核手段と、
を備えたことを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
請求項１記載の熱交換装置において、
前記熱交換流体通過孔の総面積は、前記導入パイプの流通断面積よりも大きいことを特徴とした熱交換装置。
【請求項３】
請求項１記載の熱交換装置において、
前記熱交換流体通過孔には、上方に開弁するリードバルブが装着されたことを特徴とする熱交換装置。
【請求項４】
請求項１記載の熱交換装置において、
前記導入パイプと前記排出パイプとを接続するバイパスパイプを備え、当該バイパスパイプに開閉弁を装着したことを特徴とする熱交換装置。
【請求項５】
請求項１記載の熱交換装置において、
前記発核手段は、前記筐体の側壁に装着されるとともに、当該筐体の前記発核手段の装着箇所内側にカバーを備えたことを特徴とする熱交換装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項記載の熱交換装置を備えたことを特徴とするエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン内を循環する熱交換流体、例えば、オイルを効果的に昇温させることができる熱交換装置及びこれを備えたエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンは、暖機が完了していない状態ではフリクションが大きい等の問題があることから早期の暖機完了が求められる。特に、シリンダボアやピストン、クランクシャフト等の摺動部を有する構成要素は効率のよい運転を実現するために早期暖機完了が望まれる。通常のエンジンは筒内爆発が開始されるとシリンダブロックやシリンダヘッド等のエンジン構成要素、さらに、これらのエンジン構成要素に形成された油路中を循環するエンジンオイルが温められ、徐々に暖機が進行する。このようなエンジンの暖機を促進するものとして、例えば、特許文献１のような提案がされている。特許文献１には、過冷却現象を利用した蓄熱材の融解潜熱による発熱で、低外気温時におけるエンジン始動性を向上させるエンジンオイル加温装置が開示されている。具体的には、エンジンのエンジンオイル還流系に設けた熱伝導性を有する蓄熱材収容部と、この蓄熱材収容部内に収容され、この蓄熱材収容部へ伝わる前記エンジンオイルからの熱を、潜熱の吸収に伴う融解にしたがって蓄熱する、塩水和物よりなる蓄熱材と、前記蓄熱材収容部に設けられ、前記エンジンオイルを急速加熱させるために、前記過冷却状態の蓄熱材に対して、結晶化への転移を誘起させる機械的刺激を与える誘起器とを具備したことを特徴とするエンジンオイル加温装置が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２９６０１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されたエンジンオイル加温装置では、蓄熱材は、蓄熱材収容部に収容されている。この蓄熱材収容部は熱伝導性を有するとされてはいるものの、オイルと蓄熱材との間には蓄熱材収容部が介在することとなり、オイルと蓄熱材との効率的な熱交換には、さらなる改良の余地があった。
【０００５】
そこで、本発明は、蓄熱材とオイル等の熱交換流体との効率的な熱交換を実現することのできる熱交換装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するための、本発明の熱交換装置は、内部に、下部熱交換流体層と、上部熱交換流体層と、前記下部熱交換流体層と前記上部熱交換流体層との間に位置する蓄熱材層とが形成される筐体と、熱交換流体通過孔が設けられるとともに前記下部熱交換流体層と前記蓄熱材層とを区分けするセパレートプレートと、前記下部熱交換流体層に流体を流入させる導入パイプと、前記上部熱交換流体層から熱交換流体を排出させる排出パイプと、前記蓄熱材層を形成する蓄熱材を発核させる発核手段と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。このような構成とすることにより、下側から筐体内に導入された熱交換流体が蓄熱材中を抜けて上側へ上昇する間に蓄熱材と熱交換流体との間で直接熱交換させることができる。このような熱交換装置をエンジンの暖機促進に利用する場合、熱交換流体は、オイルとなる。オイルの早期昇温を実現することにより、シリンダボア壁等、エンジン各部を効率よく温めることができる。これによりピストンのフリクションの低減、燃費の向上を図ることができる。本発明における蓄熱材としては、過冷却状態となることができ、所定の発核条件が整うことにより発熱を伴った相変化を起こすことができるものであれば採用することができる。発核とは、過冷却状態となって液相となっている蓄熱材が潜熱を放出しつつ固相に相変化することをいう。例えば、酢酸ナトリウム３水和物（ＣＨ３ＣＯＯＮａ・３（Ｈ２Ｏ））を採用することができる。また、発核手段は、蓄熱材を発核、すなわち相変化を生じさせて潜熱を取り出すことができるものであればどのような構成のものであってもよい。例えば、蓄熱材に機械的な刺激を与えることができるものであったり、電圧を印加することができるものであったりすることができる。なお、エンジンの潤滑に用いられるオイルの比重は、酢酸ナトリウム３水和物の比重よりも小さく、酢酸ナトリウム３水和物の下側から導入されたオイルは、酢酸ナトリウム３水和物の相状態に関わらず、酢酸ナトリウム３水和物中を上昇することができる。
【０００７】
このような熱交換装置では、前記熱交換流体通過孔の総面積は、前記導入パイプの流通断面積よりも大きい構成とすることが望ましい（請求項２）。このような構成とすることにより、蓄熱材中を上昇する熱交換流体の移動速度、すなわち、上昇速度を抑制することができる。熱交換流体が上昇する速度が速いと蓄熱材を巻き上げてしまい、巻き上げられた蓄熱材が熱交換流体とともに排出パイプから排出されてしまうおそれがある。下部熱交換流体層からの出口となる熱交換流体通過孔の総面積を下部熱交換流体層へ熱交換流体を導入する導入パイプの流通断面積よりも大きくしておけば、熱交換流体の速度を低下させることができる。これにより、熱交換流体がその上昇に伴って蓄熱材を巻き上げることを抑制し、熱交換流体と蓄熱材との比重差に基づく分離作用も促進することができる。
【０００８】
このような熱交換装置における前記熱交換流体通過孔には、上方に開弁するリードバルブを装着することができる（請求項３）。本発明の熱交換装置は、筐体内部に配置したセパレートプレート上にそのまま蓄熱材を配置し、保持させる。このように蓄熱材を保持するセパレートプレートには熱交換流体通過孔が設けられている。熱交換流体通過孔には、熱交換流体が下側から上側へ流通しているため、この熱交換流体通過孔から蓄熱材が下部熱交換流体層へ落下するおそれは低いが、蓄熱材の落下を防止するためには、熱交換流体通過孔を閉塞する何らかの手段を設けておくことが望ましい。このような手段として、上方に開弁するリードバルブを装着することができる。リードバルブは熱交換流体の上昇により押し開けられ熱交換流体通過孔の流通を許容するが、蓄熱材の落下は抑制される。
【０００９】
このような熱交換装置は、前記導入パイプと前記排出パイプとを接続するバイパスパイプを備え、当該バイパスパイプに開閉弁を装着した構成とすることができる（請求項４）。このような構成とし、例えば、開閉弁をＥＣＵ（Electronic  control  unit）によって開閉制御するようにすれば、筐体内への熱交換流体の導入を回避させることができる。例えば、エンジンの暖機が完了し、蓄熱材が再び溶解して液相状態となった後は、熱交換流体であるオイルを筐体内へ導入することは不要となる。前記のようなバイパスパイプと開閉弁を設ければ、このような要請に応えることができる。
【００１０】
さらに、このような熱交換装置における前記発核手段は、前記筐体の側壁に装着されるとともに、当該筐体の前記発核手段の装着箇所内側にカバーを備えた構成とすることができる（請求項５）。蓄熱材は、電圧が印加されたり、機械的な刺激が付与されたりすることにより、電圧印加された電極の位置等、蓄熱材の発核が開始される位置（発核開始位置）で相変化が起こり、この相変化が発核開始位置から放射状に広がっていく。本発明の熱交換装置では、蓄熱材中を熱交換流体が通過するが、カバーを設けることにより、カバー内への熱交換流体の浸入を抑制し、蓄熱材がリッチの状態を維持することができる。これにより、発核、すなわち、過冷却状態の液相から固相への相変化を誘発し易くすることができる。
【００１１】
以上説明したような熱交換装置を従来あるエンジンに組み込めば、本発明のエンジンとすることができる（請求項６）。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、下側から筐体内に導入された熱交換流体が蓄熱材中を抜けて上側へ上昇する間に蓄熱材と熱交換流体との間で直接熱交換させることができるので熱交換流体の早期昇温、また、蓄熱材の早期蓄熱が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明の熱交換装置１の概略構成を示した説明図である。熱交換装置１は、図２に示すようにエンジン１００に組み込まれる。このようにエンジン１００に組み込まれた熱交換装置１では、熱交換流体はエンジン本体１０１の潤滑に供されるオイルとなる。なお、説明の都合上、エンジン本体１０１と熱交換装置１と大きさの比率は、実際のものとは異なっている。熱交換装置１の内部容積は、普通乗用車に搭載されるものでおおよそ３リットル程度である。
【００１５】
熱交換装置１は、断熱素材からなる筐体２の内部にセパレートプレート３を備えている。このセパレートプレート３よりも下側に本発明における下部熱交換流体層に相当する下部オイル層４が形成されている。セパレートプレート３の上には蓄熱材５が載置され、蓄熱材層６が形成されている。蓄熱材５は、酢酸ナトリウム３水和物である。蓄熱材５は、容器等に封入されることなく、筐体２の上部に空間が形成されるようにそのままセパレートプレート３上に載置されている。すなわち、下部オイル層４と蓄熱材層６とは、セパレートプレート３によって区分けされている。下部オイル層４中のオイル８は、蓄熱材層６中を上昇してこの空間に貯留することにより、本発明における上部熱交換流体層に相当する上部オイル層７を形成する。上部オイル層７が形成されることにより蓄熱材５の流出が抑制される。
【００１６】
図３は、断面としたセパレートプレート３の一部を拡大して示した説明図である。セパレートプレート３には、複数のオイル通過孔３ａが設けられている。これらのオイル通過孔３ａは本発明における熱交換流体流通孔に相当する。これらのオイル流通孔３ａのそれぞれには、リードバルブ９が装着されている。このリードバルブ９は、セパレートプレート３の上面側に装着されており、セパレートプレート３の下面側から上昇するオイルによって押し開けられる構成となっている。図３（ａ）は、リードバルブ９が閉じた状態を示し、（ｂ）はリードバルブ９が開いた状態を示している。このリードバルブ９が装着されていることにより、セパレートプレート３上の蓄熱材５がオイル流通孔３ａから流下することが抑制される。
【００１７】
筐体２には、下部に導入パイプ１０が接続されるとともに、上部に排出パイプ１１が装着されている。導入パイプ１０は、下部オイル層４にオイルを流入させるパイプである。この導入パイプ１０は、図２に示すようにエンジン本体１０１内のメインギャラリーへの経路から分岐した経路へ接続されている。これにより、下部オイル層４には、オイルパン１０２内のオイルがオイルポンプ１０３によって圧送される。一方、排出パイプ１１は、上部オイル層７に貯留したオイルをエンジン本体１０１側へ排出するパイプである。この排出パイプ１１は、オイルパン１０２へ接続されている。このような構成とすることにより、エンジン１００が始動しクランクシャフトによってオイルポンプ１０３が駆動されるとオイルパン１０３内のオイルは、導入パイプ１０、下部オイル層、蓄熱材層、上部オイル層、排出パイプ１１、再び、オイルパン１０３というように循環する。
【００１８】
ここで、導入パイプ１０の流通断面積Ｓｉｎは、以下のように定めている。すなわち、セパレートプレート３に形成された複数のオイル流通孔３ａの総面積が導入パイプ１０の流通断面積Ｓｉｎよりも大きくなるように設定している。蓄熱材５の比重と、オイル８の比重とを比較すると、蓄熱材５の比重が大きい。この比重差を利用してオイル８と蓄熱材５との分離を維持し、蓄熱層６中にオイル８を上昇させることができる。ところが、筐体２内でのオイル８の流通速度が高くなると、オイルが蓄熱材５を巻き上げてしまうおそれがある。そこで、下部オイル層４への流入通路となる導入パイプ１０の流通断面積Ｓｉｎよりも、下部オイル層４から流出口となるオイル流通孔３ａの総面積を大きくしておけば、蓄熱材６層へ流入するオイル８の流速を抑制することができる。このようにオイルの流速を抑制すれば、オイル８と蓄熱材５との分離状態を維持し易くなる。また、上部オイル層７が形成されていることと相俟って、蓄熱材５が排出パイプ１１から排出されてしまうことを抑制することができる。
【００１９】
筐体２の側壁には、図４に拡大して示すように、アクチュエータ１２が装着されている。筐体２の側面には、発核プレート１３が埋め込まれている。この発核プレートは、アクチュエータ１２のニードル１２ａによって押圧されることにより、弾性変形し、その機械的刺激によって、蓄熱材５の発核、すなわち、過冷却状態の液相から固相への相変化を促すものである。アクチュエータ１２は、ＥＣＵ（Electronic  control  unit）１４と電気的に接続されており、ＥＣＵ１４の指令に基づいて動作する。筐体２は、発核プレート１３が装着された箇所の内側にカバー１５を備えている。このカバー１５内はオイル８の浸入が抑制され、蓄熱材５がリッチである状態が維持される。これにより、発核を誘発し易くすることができる。なお、アクチュエータ１２、発核プレート１３、カバー１４は、本発明における発核手段を構成する。
【００２０】
以上のように構成された熱交換装置１の動作について説明する。まず、エンジン１００の始動時であるが、エンジンが冷間状態にあるときの蓄熱材５は、前回始動時に得た熱を蓄えた過冷却状態の液相となっている。この状態からエンジン１００が始動すると、これと同時にＥＣＵ１４は、アクチュエータ１２に作動指令を発する。作動指令を受けたアクチュエータ１２は、ニードル１２ａによって発核プレート１３を押圧する。これにより、蓄熱材５が発核を開始する。蓄熱材５は発核することによりその潜熱を放出する。一方、エンジン１００の始動によりオイルポンプ１０３も稼働し始める。これにより、オイルパン１０２内のオイル８が下部オイル層４へ導入される。下部オイル層４へ導入されたオイル８は、リードバルブ９を押し開け、蓄熱材層６側へ押し出される。蓄熱材層６内へ押し出されたオイル８は、蓄熱材５から熱を得て昇温する。このとき、オイル８と蓄熱材５とは直接接触する形となるので熱交換の効率が高い。オイル８はその後上部オイル層７へ上昇し、排出パイプ１１を通じて再びオイルパン１０２へ戻される。オイルパン１０２内のオイル８は、メインギャラリーへ供給されて昇温する他、このように熱交換装置１によっても温度上昇が図られるため、全体として早期の昇温を達成することができる。
【００２１】
潜熱を放出した蓄熱材５は、固相状態となるが、暖機完了後のオイル８が再び蓄熱材層６へ供給されることによりオイル８から受熱して再び溶解状態となる。このときも、オイル８と蓄熱材５とは直接接触する形となるので熱交換の効率が高い。溶解状態となった蓄熱材５はこのまま冷却されることにより、再び過冷却状態となることにより次回のエンジン１００の冷間始動に備えることができる。
【００２２】
以上説明したように、エンジン１００は、熱交換装置１を備えることにより。早期の暖機完了を達成することができ、燃費向上等の効果を得ることができる。
【実施例２】
【００２３】
次に本発明の実施例２について図５を参照しつつ説明する。実施例２のエンジン２００が備える熱交換装置５０は、導入パイプ１０と排出パイプ１１とを接続するバイパスパイプ５１を備え、このバイパスパイプ５１に開閉弁５２を装着している点で実施例１の熱交換装置１と異なっている。他の構成要件については、実施例１と同様であるので共通する構成要素については、図面中、同一の参照番号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２４】
開閉弁５２は、ＥＣＵ１４と電気的に接続されている。この開閉弁５２は、その開閉状態によってオイル８の筐体２内への流入を制御することができる。すなわち、開閉弁５２が開弁状態であり、導入パイプ１０と排出パイプ１１とが連通された状態となると、オイルポンプ１０３によって圧送されたオイル８の多くは、流通抵抗が大きい筐体２内の流通を回避する。一方、開閉弁５２が閉弁状態であり導入パイプ１０と排出パイプ１１の連通が遮断された状態となるとオイルポンプ１０３によって圧送されたオイル８は、下部オイル層４へ導入され筐体２内を流通することとなる。
【００２５】
このように開閉弁５２の開閉状態を制御することにより蓄熱材５とオイル８との熱交換が必要であるときのみオイル８を筐体２内へ導入することが可能となる。まず、ＥＣＵ１４は、エンジン２００の冷間始動時に開閉弁５２を閉弁状態とする。これにより、オイル８は、筐体２内へ導入され、蓄熱材５の潜熱によって温められる。その後、オイルは、暖機の進行とともにエンジン本体１０１から熱を得るようになり、この熱を蓄熱材５へ与えるようになる。ＥＣＵ１４は、蓄熱材５が溶解した後、開閉弁５２を開弁状態とする。これにより、オイル８は、筐体２をバイパスして循環する。この結果、オイルポンプ１０３の駆動抵抗を軽減することができる。
【００２６】
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。実施例では、熱交換流体をオイルとしているが、他の流体を用いて蓄熱材との熱交換を行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施例１の熱交換装置の概略構成を模式的に示した説明図である。
【図２】図１に示した熱交換装置を組み込んだエンジンの構成を模式的に示す説明図である。
【図３】断面としたセパレートプレートの一部を拡大して模式的に示した説明図であり、（ａ）は閉じた状態、（ｂ）は開いた状態を示す図である。
【図４】発核プレート及びアクチュエータを装着した筐体の側壁の一部を拡大して模式的に示した説明図である。
【図５】他の実施例の熱交換装置を組み込んだエンジンの構成を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００２８】
１、５０  熱交換装置
２  筐体
３  セパレートプレート
４  下部オイル層
５  蓄熱材
６  蓄熱材層
７  上部オイル層
８  オイル
９  リードバルブ
１０  導入パイプ
１１  排出パイプ
１２  アクチュエータ
１２ａ  ニードル
１３  発核プレート
１４  ＥＣＵ
５１  バイパスパイプ
５２  開閉弁
１００、２００  エンジン
１０１  エンジン本体
１０２  オイルパン
１０３  オイルポンプ
【図１】
2009103337.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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