JP2007212014A - 潜熱蓄熱装置及びエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】冷間時のエンジン始動に際し、より早期にエンジンを昇温させ、暖機を完了することができる潜熱蓄熱装置を提供することを課題とする。
【解決手段】潜熱蓄熱装置（１）は、シリンダボア壁（５）とシリンダブロック外壁（６）との間に形成されたウォータージャケット（７）内に容器（８）を収容する。容器（８）内には潜熱蓄熱剤（９）が封入されている。また、容器（８）の内部はパンチングメタル（１３）によってシリンダボア壁（５）に近い室（８ａ）とシリンダボア壁（５）に遠い室（８ｂ）とに分離されている。室（８ａ）には、スチールウール（１４）が容器（８）のシリンダボア壁側内壁面（８ａ１）に接触するように収容されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、加温対象物を効果的に温める、例えば、エンジンを効果的に暖機することができる潜熱蓄熱装置に関する。

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。従来、このようなエンジンの早期暖機完了を達成すべく、シリンダを囲むように形成した蓄熱剤収納室に、潜熱型蓄熱材（蓄熱剤）を収納したエンジンの急速暖機装置が提案されている（特許文献１）。このような急速暖機装置は、エンジンの冷間始動時に、過冷却状態となっている蓄熱剤に対して電圧印加し、これにより相変化を開始させて潜熱を発生させるように構成されている。

特開平１１−１８２３９３号公報

以上説明したような特許文献１記載のエンジンの急速暖機装置は、電圧印加された電極の位置等、蓄熱剤の発核が促される位置（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。相変化が起きた箇所では発熱がある。このため、急速暖機装置は、エンジンの冷間始動直後に直接シリンダ周辺を局部的に昇温することができる。

ところで、エンジンの暖機の際、フリクションの低減等の要請から早期昇温が要求されるのはシリンダボア壁である。その一方で、シリンダブロックの外部方向に位置するシリンダブロック外壁は積極的に昇温するメリットは特には認められない。

しかし、特許文献１の急速暖機装置では、蓄熱材収納室のシリンダボア側だけでなくシリンダブロック外壁側にも均等に熱を伝達してしまう。すなわち、本来、昇温の必要のないシリンダブロック外壁にも熱を奪われてしまっており、シリンダボア壁の効率的な昇温の妨げになっていると考えられる。

そこで、本発明は、潜熱蓄熱材（蓄熱剤）による熱をできるだけ効率的にシリンダブロック壁（加温対象物）に伝達し、迅速にシリンダ周辺を温め、エンジンの早期暖機を達成するための潜熱蓄熱装置の提供を課題とする。

かかる課題を解決するための、本発明の潜熱蓄熱装置は、加温対象物の近傍に配置される潜熱蓄熱装置であって、発核装置により発核する潜熱蓄熱剤が封入された容器と、当該容器に封入された伝熱体と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。本発明の潜熱蓄熱装置により加温する対象、すなわち加温対象物は、どのようなものであってもよい。容器をシリンダブロックのシリンダ周辺に形成されたウォータージャケット内に収容し、加温対象物を、前記ウォータージャケットを形成するシリンダボア壁とすることもできる（請求項８）。

本発明は、潜熱蓄熱剤による熱を加温対象物に効率よく伝達すべく、容器内に伝熱体を備えている。この伝熱体は、潜熱蓄熱剤よりも熱伝導率が高い材質を選定する。これにより、潜熱蓄熱剤の熱の多くは伝熱体を通じて加温対象物へ伝達することができる。ここで、伝熱体は、加温対象物へ伝える熱量を多くすべく、容器の加温対象物内壁側に寄せて容器内に収容され、好ましくは加温対象物側内壁面に接触した状態で容器内に収容される（請求項２）。

このような伝熱体は、金属繊維からなる構成とすることができる（請求項３）。例えば、金属繊維からなるスチールウールを採用することができる。このように伝熱体を金属繊維からなる構成とする場合は、前記容器内を前記加温対象物に近い室と遠い室とに分離する分離手段を備え、前記加温対象物に近い室に前記金属繊維からなる伝熱体を収容した構成とすることができる（請求項４）。このような構成とすることにより、金属繊維が容器内で散乱することを防止し、伝熱体を容器の加温対象物側へ寄せた状態とすることができる。また、伝熱体が容器の加温対象物側内壁に接触した状態を維持することができる。

他の伝熱体としては、内部フィンを採用することができる（請求項５）。この内部フィンとは、容器内に設置されるもので、フィンの基端部を容器の加温対象物側内壁に接触させた状態で取り付けられる。このような構成とすることにより、潜熱蓄熱剤の熱を効率よく加温対象物側へ伝えることができる。

以上のような潜熱蓄熱装置では、前記容器の前記加温対象物と対向する外壁面に外部フィンを設けた構成とすることができる（請求項６）。本発明の潜熱蓄熱装置は、容器を加温対象物の近傍に配置して使用するものである。ここで、容器は、加温対象物に接触していてもよいし、加温対象物との間に僅かに隙間を設けて配置してもよい。例えば、容器をシリンダブロックに設けたウォータージャケット内に収容してシリンダボア壁を温めようとする場合、冷却水の通路を確保するためにシリンダボア壁と容器とを僅かに離して配置することがある。このような場合であっても、外部フィンを設けた構成とすれば外部フィンを介して潜熱蓄熱剤の熱を加温対象物であるシリンダボア壁に伝達することができる。

なお、本発明における潜熱蓄熱剤としては、過冷却状態となることができ、所定の発核条件、すなわち、過冷却状態からの相変化を開始する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。例えば、酢酸ナトリウム３水和物を採用することができる。また、本発明における発核装置は、容器内で過冷却状態となっている潜熱蓄熱剤の相変化を促すことができる装置であれば、どのような装置であってもよい。例えば、電圧を印加する仕組みのものでもよいし、板体の弾性を利用する仕組みのものであってもよい。

以上説明したような潜熱蓄熱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９）。

本発明によれば、潜熱蓄熱剤による熱を容器内に配置した伝熱体により、容器の加温対象物側内壁へ伝えるようにしたので、加温対象物を早期に加温することができる。本発明の潜熱蓄熱装置をエンジンのウォータージャケット内に装着するようにすれば、エンジンの早期暖機完了、ひいてはフリクションの低減、燃費の向上を図ることができる。

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。

図１は、本発明の潜熱蓄熱装置１を装着したエンジン２のシリンダブロック３部分を拡大した断面図である。シリンダブロック３にはシリンダ４の周辺にシリンダボア壁５とシリンダブロック外壁６との間にウォータージャケット７が形成されている。このウォータージャケット７内には容器８が収容されている。この容器８には潜熱蓄熱剤９が封入されている。すなわち、本実施例における加温対象物はシリンダボア壁５である。

シリンダブロック外壁６には発核装置１０が取り付けられている。発核装置１０は、先端が容器８内に露出し、容器８内に装着された図示しない発核トリガーを作動させて潜熱蓄熱剤９を発核させ、発熱させる。発核装置１０は、ＥＣＵ１１と接続されており、ＥＣＵ１１からの発核指令により発核動作をする。潜熱蓄熱剤９は、酢酸ナトリウム３水和物である。酢酸ナトリウム３水和物は、融点がおよそ５８℃であり、−２０℃〜−３０℃程度まで過冷却状態を維持することができる。この潜熱をエンジン２の加温、暖機に利用することができる。このような潜熱蓄熱剤９は、エンジン始動前（冷間時）は過冷却状態となっている。図示しないイグニッションのＯＮ信号に基づきＥＣＵ１１が発核装置１０に発核指令を送ると、発核装置１０が作動して潜熱蓄熱剤９が発核する。発核により相変化を起こす潜熱蓄熱剤９は潜熱を放出する。

容器８の内部は板状のパンチングメタル１３によってシリンダボア壁５に近い室８ａとシリンダボア壁５に遠い室８ｂとに分離されている。パンチングメタル１３は、本発明における分離手段に相当するものである。室８ａには、スチールウール１４が収容されている。このスチールウール１４は、金属繊維であり、本発明における伝熱体に相当するものである。スチールウール１４は、容器８のシリンダボア壁側内壁面８ａ１に接触するように収容されている。このシリンダボア壁側内壁８ａ１は本発明における加温対象物側内壁に相当する。

容器８は、シリンダボア壁５側に位置決めステー１５を備え、シリンダブロック外壁６側に位置決めステー１６を備えている。これにより、容器８は、ウォータージャケット７内に安定した状態で収容されている。また、位置決めステー１５が存在することにより、ボア側隙間が形成されている。さらに、位置決めステー１６が存在することにより外側隙間が形成されている。ボア側隙間と、外側隙間には冷却水が流通できるので、エンジン２の高回転、高負荷時であってもシリンダブロック２を冷却することができる。

以上のような潜熱蓄熱装置１の動作を、容器８内に伝熱体であるスチールウール１４を収容していない図２に示した潜熱蓄熱装置２０と比較しつつ説明する。

冷間始動時に、イグニションのＯＮ信号を受信したＥＣＵ１１は、発核装置１０に対し発核指令を発する。発核装置１０が作動すると潜熱蓄熱剤９が発核し、相変化を起こすことによって発熱する。このとき、潜熱蓄熱剤９の容量が同量であれば、潜熱蓄熱装置１と潜熱蓄熱装置２０の熱容量はほぼ同一となる。

しかし、潜熱蓄熱剤９の熱伝導率はそれ程高くない。このため、潜熱蓄熱剤９は、図２中参照番号９ａを付して示した潜熱蓄熱剤９の中央部で発生した潜熱を容器８まで短時間で伝熱することができないと考えられる。また、図２に示した潜熱蓄熱装置２０では、図２中、矢示２１で示したようにシリンダボア壁５側と、シリンダブロック外壁６側へほぼ同等の熱伝達を行ってしまう。特に、潜熱蓄熱剤９の中央部９ａよりもシリンダブロック外壁６側の領域で発生した潜熱はシリンダブロック外壁６側へ伝わってしまう。以上の理由から、図２に示した潜熱蓄熱装置２０は、シリンダボア壁５を効率よく加温する構成とはなっていない。

これに対し、本実施例の潜熱蓄熱装置１では、熱伝導率の高いスチールウール１４が潜熱蓄熱剤９の中央部９ａで発生した潜熱を容器８まで伝熱する。しかも、スチールウール１４は容器８のシリンダボア壁側内壁面８ａ１に接触していることから、スチールウール１４は潜熱蓄熱剤９が発生する潜熱の大部分をシリンダボア壁内壁面８ａ１へ伝熱することができる。すなわち、図１中、伝熱量の相違を示すべく大きさの異なる矢示１７、矢示１８で示したように潜熱蓄熱剤９による潜熱の多くをシリンダボア壁内壁面８ａ１へ伝熱することができる。これにより、暖機時に加温することが求められるシリンダボア側壁５を効率よく加温することができる。

なお、潜熱蓄熱剤９は、発核することにより固相に相変化するが、エンジン２の燃焼熱等を受けることにより再び液相へ相変化する。液相に相変化した潜熱蓄熱剤９はエンジン２が停止し、冷却されることによって再び過冷却状態となって次回の発核に備えることとなる。

次に、本発明の実施例２について、図３を参照しつつ説明する。実施例１の潜熱蓄熱装置１が容器８内をパンチングメタル１３で分離し、シリンダボア壁５に近い室８ａにスチールウール１４を収容した構成となっているのに対し、実施例２の潜熱蓄熱装置３０では、容器８内に内部フィン３１を備えた構成となっている。内部フィン３１は、基端部３１ａをシリンダボア壁側内壁面８ａ１に接触させた状態で取り付けられている。また、先端部３１ｂは、シリンダブロック外壁側内壁面８ｂ１と離間した状態となっている。これにより熱伝達率の低い潜熱蓄熱剤９がシリンダブロック外壁側内壁面８ｂ１と内部フィン３１の先端部３１ｂとの間に介在することになる。従って、シリンダブロック外壁側内壁面８ｂ１への伝熱が抑制される。

さらに、実施例２の潜熱蓄熱装置３０では、容器８のシリンダボア壁５と対向する外壁面８ａ２に外部フィン３２を設けた構成となっている。この外部フィン３２は、実施例１における位置決めステー１５と同等の役割も果たすものである。

なお、他の構成要素については実施例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。

以上のように構成される潜熱蓄熱装置３０は、実施例１の潜熱蓄熱装置１とほぼ同様の動作、熱伝達を実現することができる。ただし、外部フィン３２を備えていることから、冷却水の流路を確保しつつ潜熱蓄熱剤９の潜熱をより積極的にシリンダボア壁５へ伝熱することができる。

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１の潜熱蓄熱装置を装着したエンジンのシリンダブロック部分を拡大した断面図である。 比較例の潜熱蓄熱装置を装着したエンジンのシリンダブロック部分を拡大した断面図である。 実施例２の潜熱蓄熱装置を装着したエンジンのシリンダブロック部分を拡大した断面図である。

符号の説明

１、２０、３０ 潜熱蓄熱装置
２ エンジン
３ シリンダブロック
４ シリンダ
５ シリンダボア壁
６ シリンダブロック外壁
７ ウォータージャケット
８ 容器
８ａ１ シリンダボア壁側内壁面
８ａ２ シリンダボア壁側外壁面
９ 潜熱蓄熱剤
１０ 発核装置
１１ ＥＣＵ
１３ パンチングメタル
１４ スチールウール
１５、１６ 位置決めステー
３１ 内部フィン
３２ 外部フィン

Claims (9)

1. 加温対象物の近傍に配置される潜熱蓄熱装置であって、
   発核装置により発核する潜熱蓄熱剤が封入された容器と、
   当該容器に封入された伝熱体と、
   を備えたことを特徴とする潜熱蓄熱装置。
2. 請求項１記載の潜熱蓄熱装置において、
   前記伝熱体は、前記加温対象物側内壁面に接触していることを特徴とした潜熱蓄熱装置。
3. 請求項１記載の潜熱蓄熱装置において、
   前記伝熱体は、金属繊維からなることを特徴とした潜熱蓄熱装置。
4. 請求項３記載の潜熱蓄熱装置において、
   前記容器内を前記加温対象物に近い室と遠い室とに分離する分離手段を備え、前記加温対象物に近い室に前記金属繊維からなる伝熱体を収容したことを特徴とする潜熱蓄熱装置。
5. 請求項１記載の潜熱蓄熱装置において、
   前記伝熱体は、内部フィンとしたことを特徴とする潜熱蓄熱装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項記載の潜熱蓄熱装置において、
   前記容器の前記加温対象物と対向する外壁面に外部フィンを設けたことを特徴とする潜熱蓄熱装置。
7. 請求項６記載の潜熱蓄熱装置において、
   前記外部フィンを前記加温対象物に対する前記容器の位置決めステーとしたことを特徴とする潜熱蓄熱装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項記載の潜熱蓄熱装置において、
   前記容器は、シリンダブロックのシリンダ周辺に形成されたウォータージャケット内に収容され、
   前記加温対象物を、前記ウォータージャケットを形成するシリンダボア壁としたことを特徴とする潜熱蓄熱装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項記載の潜熱蓄熱装置を組み込んだことを特徴とするエンジン。
   

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