JPH06108043A - 蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 蓄えた熱を急速に放熱し易く、且つ放熱が長
時間持続する蓄熱装置を提供する。 【構成】 総体的に蓄熱量があまり大きくないが蓄えた
熱を短時間に放熱し易い第１の蓄熱材５ａを充填した蓄
熱容器６と、総体的蓄熱量が大きいが、蓄えた熱を短時
間には放熱し難い第２の蓄熱材５ｂを充填した６とをケ
ーシング４内に保持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、蓄熱材の相変化を利用
して熱エネルギーの回収及び放出を行うようにした蓄熱
装置に関し、特に内燃機関の予熱や車両の暖房等に使用
して好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、自動車のエンジンからの熱エ
ネルギーを集めてためておき、この熱エネルギーを後
日、エンジン始動するときに取り出すという、いわゆる
ヒートバッテリーと呼ばれる蓄熱装置が知られている。

【０００３】従来の蓄熱装置は、蓄熱材としての水酸化
バリウムとエンジンの冷却水とが熱交換できる構造のも
のである。例えば、冷却水の温度が蓄熱材の温度よりも
高い場合、冷却水の熱によって蓄熱材を暖め、それが触
解温度（７８℃）に達すると、蓄熱材は液化し、熱エネ
ルギーは潜熱として蓄えられる。一方、冷却水の温度が
蓄熱材より低いと、潜熱が冷却水に伝わり、蓄熱材は凝
固する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の蓄熱装
置を寒冷期におけるエンジン始動時の急速暖房に使用し
ようとすると、ヒーターより暖かい空気が出てくるまで
にかなりの時間がかかるという問題がある。

【０００５】本発明はこのような事情に鑑み、蓄えた熱
を急速に放熱し易く、且つ放熱が長時間持続する蓄熱装
置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明に係る蓄熱装置は、蓄熱材が封入されている蓄熱容器
をケーシング内に保持して該蓄熱容器の周囲を熱媒体通
路とするか、又は蓄熱材が封入されているケーシング内
に熱媒体通路を設けてあり、該熱媒体通路に熱媒体を流
通させることにより該熱媒体と蓄熱材との熱交換を行う
蓄熱装置において、上記蓄熱材として、総体的蓄熱量が
あまり大きくないが、蓄えた熱を短時間に放熱し易い第
１の蓄熱材と、総体的蓄熱量が大きいが、蓄えた熱を短
時間には放熱し難い第２の蓄熱材とを用いてあることを
特徴とする。

【０００７】

【作用】前記構成の蓄熱装置は、蓄熱材より温度が高い
熱媒体が熱媒体通路内に流通すると、当該蓄熱材に熱が
蓄えられる。一方、蓄熱後、蓄熱材より温度が低い熱媒
体が熱媒体通路内に流通すると、蓄熱材が放熱する。こ
の際、第１の蓄熱材に蓄えられた熱から放熱され、ま
た、第１の蓄熱材からの放熱がなくなった後も第２の蓄
熱材から放熱される。

【０００８】

【実施例】以下、本発明による蓄熱装置を実施例に基づ
いて説明する。

【０００９】本実施例に係る蓄熱装置１の内部構造を図
１及び図２に示す。即ち、入口部２と出口部３とが両端
側に形成された円筒状をなす筺体４内には、蓄熱材５が
それぞれ密封状態で充填された複数の蓄熱容器６と、こ
れら蓄熱容器６を一定間隔で保持して上記入口部２及び
出口部３に連通する熱媒体通路７を形成する複数のセパ
レータ８とが交互に緊密に収納されている。ここで、筺
体４は熱媒体と接触した状態で耐久性があり且つ断熱性
の良好なもの、例えば、セラミックスファイバ,シリカ,
ガラスファイバなどの断熱材を用いたもの、あるいは
銅，アルミニウム，ステンレス製として内部を真空とし
た断熱構造のものを用いるのがよい。また、蓄熱容器６
は、熱媒体及び蓄熱材５と接触した状態で耐久性があり
且つ比較的熱伝導性の高い材質、例えば銅製のものを用
いるのがよい。

【００１０】本実施例の蓄熱装置１では、約半数の蓄熱
容器６には第１の蓄熱材５ａが、残りの蓄熱容器６には
第２の蓄熱材５ｂが充填されている。ここで、第１の蓄
熱材５ａは、総体的蓄熱量があまり大きくないが、蓄え
た熱を短時間に放熱し易いものであり、第２の蓄熱材５
ｂは総体的蓄熱量が大きいが、蓄えた熱を短時間には放
熱し難いものである。第１の蓄熱材５ａとしては、ナフ
タリン及びそのメチル化物,ヒドロキシ化物,ニトロ化
物,カルボキシ化物などのナフタリン誘導体の他に、ス
テアリン酸や水酸化ストロンチウムなどを例示でき、第
２の蓄熱材５ｂとしては水酸化バリウム,アラキジン酸,
ヘキサトリアコンタン,パルミチン酸などを例示でき
る。なお、ここで例示した蓄熱材５ａ,５ｂは全て融点
が７０〜８０℃程度であり、エンジン冷却水系の蓄熱装
置に用いて好適なものである。

【００１１】このような構成の蓄熱装置１を車両に搭載
される暖房装置に応用した一実施例のシステム概念を図
３に示す。即ち、エンジン１１に形成された図示しない
水ジャケット内に両端が連通する冷却水循環通路１２の
途中には、エンジン１１のクランク軸１３の回転に連動
して駆動する水ポンプ１４が介装され、又、この水ポン
プ１４の上流側でエンジン１１よりも下流側に位置する
冷却水循環通路１２の途中には、三方電磁弁１５が介装
されており、この三方電磁弁１５とエンジン１１との間
の冷却水循環通路１２と、当該三方電磁弁１５と水ポン
プ１４との間の冷却水循環通路１２とは、途中にラジエ
ータ１６を介装した冷却用バイパス通路１７を介して短
絡状態となっている。

【００１２】この冷却用バイパス通路１７の上流端と冷
却水循環通路１２との接続部分には、サーモスタット弁
１８が介装されている。このサーモスタット弁１８は、
冷却水循環通路１２内を流れる冷却水の水温が例えば８
０℃未満の場合、冷却用バイパス通路１７を図示しない
サーモスタットの働きで自動的に閉じ、冷却水がラジエ
ータ１６側へ流れないようにする一方、この冷却水の水
温が例えば８０℃以上になった場合、前記サーモスタッ
トの働きで自動的に冷却用バイパス通路１７を開き、エ
ンジン１１側からの冷却水の一部をラジエータ１６側へ
導くようになっている。

【００１３】又、前記ラジエータ１６には、冷却用電動
ファン１９が付設されており、冷却水循環通路１２内を
流れる冷却水の水温が例えば１００℃未満の場合には、
この冷却用電動ファン１９を停止して車両の走行に伴っ
てラジエータ１６を通過する風により、ラジエータ１６
内を流れる冷却水の自然冷却を行う一方、この冷却水の
水温が例えば１００℃以上になった場合には、冷却用電
動ファン１９が作動してラジエータ１６内を流れる冷却
水の強制冷却を行うようになっている。

【００１４】このため、本実施例ではエンジン１１とサ
ーモスタット弁１８との間の冷却水循環通路１２の途中
に、この冷却水循環通路１２内を流れる冷却水の水温を
検出する水温センサ２０を組み込み、この水温センサ２
０からの検出信号が前記冷却用電動ファン１９及び三方
電磁弁１５の作動をそれぞれ制御する電子制御ユニット
２１に出力されるようになっている。

【００１５】一方、図示しない車室内に臨む空気導入口
を有する図示しない空気導入ダクト内には、電子制御ユ
ニット２１によって作動を制御される送風用電動ファン
２２が組み込まれており、この空気導入ダクトと前記車
室内に臨む図示しない送風口を有する送風ダクトとは、
放熱器２３を介して接続している。

【００１６】又、上記送風用電動ファン２２は、図示し
ない車室内に設けられた暖房用スイッチ２４のオン信号
に連動して作動し、空気導入口から空気導入ダクトを介
して吸い込んだ車室内の空気を、放熱器２３を通して上
述した送風ダクトから再び車室内に吹き込むようになっ
ている。この暖房用スイッチ２４には、前記電子制御ユ
ニット２１が接続し、当該暖房用スイッチ２４のオン／
オフ信号が、電子制御ユニット２１に出力されるように
なっている。

【００１７】前記放熱器２３に形成された冷却水の図示
しない出入口に両端が連通する暖房用循環通路２５の途
中には、電子制御ユニット２１からの指令に基づいて作
動を制御される暖房用電動ポンプ２６が介装されてい
る。そして、この暖房用電動ポンプ２６の下流側で前記
放熱器２３よりも上流側に位置する暖房用循環通路２５
と前記三方電磁弁１５とは、冷却水導入通路２７を介し
て連通し得るようになっている。同様に、暖房用電動ポ
ンプ２６の上流側で前記放熱器２３よりも下流側に位置
する暖房用循環通路２５と、前記冷却用バイパス通路１
７の下流端と冷却水循環通路１２との接続部分の上流側
で前記三方電磁弁１５よりも下流側に位置する冷却水循
環通路１２とは、途中に電磁開閉弁２８が介装された冷
却水戻り通路２９を介して連通し得るようになってい
る。

【００１８】前記三方電磁弁１５は、サーモスタット弁
１８側から冷却水循環通路１２を介してこの三方電磁弁
１５へ流入する冷却水の流出方向を、当該三方電磁弁１
５よりも下流側の冷却水循環通路１２側へ流したり、或
いは冷却水導入通路２７から暖房用循環通路２５側へ流
したりするのを電子制御ユニット２１からの指令に基づ
いて切り換えるものである。

【００１９】前述した蓄熱装置１は、前記冷却水導入通
路２７と暖房用循環通路２５との接続部分の下流側で前
記放熱器２３よりも上流側に位置する暖房用循環通路２
５の途中に介装され、エンジン１１から冷却水循環通路
１２及び冷却水導入通路２７を介して暖房用循環通路２
５に送り込まれる冷却水の熱エネルギーを蓄え得るよう
にしている。この蓄熱装置１の上流側で前記冷却水導入
通路２７と暖房用循環通路２５との接続部分よりも下流
側の暖房用循環通路２５の途中と、当該蓄熱装置１の下
流側で前記放熱器２３よりも上流側の暖房用循環通路２
５の途中とには、それぞれこれら暖房用循環通路２５を
開閉し得る電磁開閉弁３０,３１が介装されている。

【００２０】これら電磁開閉弁２８,３０,３１は、上述
した冷却用電動ファン１９や暖房用電動ポンプ２６,送
風用電動ファン２２等と共に電子制御ユニット２１から
の指令に基づいて作動がそれぞれ制御されるようになっ
ている。

【００２１】なお、本実施例では暖房用電動ポンプ２６
の上流側で冷却水戻り通路２９と暖房用循環通路２５と
の接続部分よりも下流側に位置する暖房用循環通路２５
の途中に背圧弁３２を介装し、電磁開閉弁２８を開いて
放熱器２３から暖房用循環通路２５,冷却水戻り通路２
９を介して冷却水循環通路１２へ冷却水を流す場合、こ
の冷却水の一部が暖房用電動ポンプ２６側へ流れるのを
未然に防止するようになっている。

【００２２】従って、図示しないイグニッションキース
イッチを操作してエンジン１１を冷態始動する際、暖房
用スイッチ２４がオフ状態の場合には、蓄熱装置１に蓄
えられた熱エネルギーを冷却水の加熱に利用できるの
で、電子制御ユニット２１は三方電磁弁１５を操作して
この三方電磁弁１５からの冷却水の流出方向を冷却水導
入通路２７側に切り換え、更に電磁開閉弁２８,３０,３
１を全て開放状態にする一方、送風用電動ファン２２や
暖房用電動ポンプ２６の作動を冷却用電動ファン１９と
共に停止状態に保つ。

【００２３】これにより、水ポンプ１４からの冷却水は
冷却水循環通路１２側からサーモスタット弁１８,三方
電磁弁１５,冷却水導入通路２７を介して暖房用循環通
路２５側に流れ、更に電磁弁３０,蓄熱装置１,電磁弁３
１,放熱器２３,冷却水戻り通路２９を介して再び冷却水
循環通路１２から水ポンプ１４へと循環するようになっ
ている。この間に、熱エネルギーが蓄えられた蓄熱装置
１の蓄熱材５と当該蓄熱装置１を通過する冷却水との間
で熱交換が行われ、冷却水の水温が迅速に上昇するた
め、エンジン１１の暖機に要する時間を大幅に短縮する
ことができる。又、この暖機運転に伴ってエンジン１１
から排出される排気ガス中に占める有害成分の量を著し
く少なくすることができる。

【００２４】なお、エンジン１１の暖機中に蓄熱材５と
蓄熱装置１を通過する冷却水とが熱的な平衡状態に近づ
くと、エンジン１１で発生した熱が蓄熱装置１に奪われ
てエンジン１１の暖機が遅れてしまう可能性がある。そ
こで、本実施例では水温センサ２０により検出される冷
却水の水温上昇率が予め設定した割合以下になったこと
を電子制御ユニット２１が検出すると、この電子制御ユ
ニット２１は三方電磁弁１５を操作してこの三方電磁弁
１５からの冷却水の流出方向を冷却水循環通路１２側に
切り換えると共に電磁開閉弁２８を塞ぎ、水ポンプ１４
からの冷却水を冷却水循環通路１２内で循環させる。

【００２５】そして、エンジン１１の暖機が終了して水
温センサ２０により検出される冷却水の水温が予め設定
した値、例えば６０℃を越えた場合には、再び三方電磁
弁１５からの冷却水の流出方向を冷却水導入通路２７側
に切り換えると共に電磁開閉弁２８を開放状態にし、エ
ンジン１１の始動直後と同様に冷却水を流してエンジン
１１で発生した熱エネルギーを蓄熱装置１の蓄熱材５に
蓄える。このような状態から冷却水の水温が上昇する
と、サーモスタット弁１８が開いてエンジン１１からの
冷却水の一部がラジエータ１６側に導かれ、冷却水の冷
却が開始される。そして、更に冷却水の水温が上昇して
例えば１００℃以上になったことを水温センサ２０が検
出すると、電子制御ユニット２１からの指令に基づいて
冷却用電動ファン１９が回転し始め、冷却水の強制冷却
が行われる。

【００２６】エンジン１１を冷態始動する際に暖房用ス
イッチ２４がオン状態となっている場合には、蓄熱装置
１に蓄えられた熱エネルギーを暖房用に使用するため、
電子制御ユニット２１は三方電磁弁１５を操作してこの
三方電磁弁１５からの冷却水の流出方向を冷却水循環通
路１２側に切り換える一方、電磁開閉弁２８を塞ぐと共
に電磁開閉弁３０,３１を開放状態にし、送風用電動フ
ァン２２や暖房用電動ポンプ２６を作動作動させる。こ
の場合、冷却用電動ファン１９は当然のことながら停止
状態となる。

【００２７】これにより、水ポンプ１４からの冷却水は
冷却水循環通路１２内を循環する従来と同様の暖機操作
となる。又、暖房用電動ポンプ２６の作動により暖房用
循環通路２５内の冷却水もこの暖房用循環通路２５内を
循環し、この間に、熱エネルギーが蓄えられた蓄熱装置
１の蓄熱材５と当該蓄熱装置１を通過する暖房用循環通
路２５内の冷却水との間で熱交換が行われ、これにより
加熱された冷却水と送風用電動ファン２２により放熱器
２３を通過する空気との間で熱交換が行われ、この空気
が急速に温められて車室内に温風が吹き出される。

【００２８】なお、蓄熱材５と蓄熱装置１を通過する冷
却水とが熱的な平衡状態に近づくと、車室内に吹き出さ
れる温風の温度が吹き出し初期よりも低下し、乗員が肌
寒く感じてしまう虞がある。そこで、本実施例ではエン
ジン１１を始動してから予め設定した所定時間、例えば
３分間経過した場合、電子制御ユニット２１が三方電磁
弁１５を操作してこの三方電磁弁１５からの冷却水の流
出方向を冷却水導入通路２７側に切り換えると共に電磁
開閉弁２８を開放状態にし、更に暖房用電動ポンプ２６
の運転を停止してエンジン１１により加熱された冷却水
を放熱器２３側に導き、暖房のための熱源を従来のもの
と同様に確保する。

【００２９】次に、本発明の蓄熱装置について、車両に
搭載した場合と同様な環境での試験を実施例した結果を
説明する。図４はその試験装置を概念的に示したもので
あり、図３と同一活用を示す部材に同一符号を付して重
複する説明は省略する。なお、本試験装置では電動ポン
プ２６の上流側で放熱器２３の下流側の暖房用循環通路
２５には実際の冷却水量を想定した液だめ３３と流量計
３４とが介装されている。

【００３０】セラミックスファイバ製の筺体４内に下記
に示す各種蓄熱材５を充填した蓄熱装置１を用い、当該
蓄熱装置１に十分蓄熱した。そして、系全体を−２０℃
で１時間保持した後の吹き出し温度を測定したところ、
図５に示す結果が得られた。なお、冷却水量を１５リッ
トルとし、１５リットル／分の流量で流した。また、ブ
ロワ２４としては一般自動車用の暖房用に使っているも
のを用い、風量はHigh位置（１３．２Ｖ，６．５Ａ）で
試験した。図５の試験例１はナフタリンと水酸化バリウ
ムとを１：１で混合したもの、試験例２はナフタリンと
水酸化バリウムとを１：３で混合したものであり、両方
共２０秒程度で３０℃を越えてそれ以降３０℃以上を保
つことができた。比較のため水酸化バリウムのみのもの
（比較例１）及びナフタリンのみのもの（比較例２）に
ついても同様に試験したが、図５に示すように、比較例
１では３０℃を保つようになるのは２分以降であり、ま
た、比較例２では２０〜４０秒後位の間は３０℃以上を
保つもののそれ以降は３０℃以上を保持することはでき
なかった。

【００３１】以上の結果から、総体的に蓄熱量があまり
大きくないが、蓄えた熱を短時間に放熱し易い第１の蓄
熱材と、総体的に蓄熱量が大きいが、蓄えた熱と短時間
には放熱し難い第２の蓄熱材とをハイブリットすること
により、寒冷期におけるエンジン始動時の急速暖房に使
用して好適な特性を得ることができることが、明らかで
ある。第１及び第２の蓄熱材をハイブリット化する方法
としては、両者を上記実施例のように別々の蓄熱容器６
に入れて筺体４内に一緒に保持してもよいし、試験例の
ように両方の蓄熱材を混合して蓄熱容器６に充填しても
よい。また、第１及び第２蓄熱材を別々の蓄熱容器に充
填した場合には、各々の容器の材質や形状を変えること
によってハイブリット化したときの特性をさらに向上さ
せることができる。

【００３２】また、蓄熱材として水酸化ストロンチウム
を単独で用い、上述したものと同様の試験装置を用いて
２０℃で１８時間放置後の吹き出し温度を測定した結果
を図６に示す。この結果により、水酸化ストロンチウム
は放熱性の良好な蓄熱材であることが明らかである。し
たがって、ナフタリンの代りに水酸化ストロンチウムを
用いても同様の効果が得られることは明らかである。

【００３３】一方、蓄熱装置の構造、材質等は特に限定
されるものではない。図７には他の実施例に係る蓄熱装
置４１を示す。同図に示すように、この蓄熱装置４１
は、入口部４２と出口部４３とが両端側に形成された円
筒状をなす筺体４４をアウタシェル４４ａ及びインナシ
ェル４４ｂからなり間を真空状態とした真空二重構造と
し、この中に蓄熱材４５が密封状態で充填された円筒状
の蓄熱容器４６を格子状の固定ホルダ４７，４８で一定
間隔をおいて固定したものである。蓄熱容器４６は熱伝
導性のよい銅製とし、図８に示すようなスウェッジロッ
ク機構により密封製を保つようにした。すなわち、容器
本体４６ａに雌ねじ部４６ｂを有するねじ受け部４６ｃ
を設けると共に、蓋４６ｄに雌ねじ部４６ｂと噛み合う
雄ねじ部４６ｅを設け、一方、蓋４６ｄの先端部内周面
を内側に向って径が漸小するテーパ部４６ｆを設けると
共にねじ受け部４６ｃ内にテーパ部４６ｆと相対向する
テーパ部４６ｇを有するリング４６ｈを挿入し、前記雌
ねじ部４６ｂと前記雄ねじ部４６ｅとを噛み合せること
により密封性を保つようにした。なお蓄熱した状態で蓄
熱装置を長時間放置する場合、筺体の断熱性が重要であ
り、例えば本実施例のような真空二重構造が特に有効で
ある。

【００３４】上記実施例の蓄熱装置４１の蓄熱容器４６
内に、ナフタリンと水酸化バリウムとを１：３で混合し
た充填材を充填し、蓄熱したものを、−２０℃で１８時
間放置した後、上記試験例と同様な評価試験を行ったと
ころ、図９の結果が得られた。同図の結果に示すよう
に、このように厳しい条件下で長時間放置した後におい
ても、３分間程度まで３０℃以上の吹き出し温度を維持
することができ、実用性の高いことが確認できた。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る蓄熱
装置は、特性の異なる蓄熱材を用いることにより、耐熱
性が良好で且つ持続性があるという特性を有するので、
特に寒冷地でのエンジン始動時の暖房用として好適なも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例に係る蓄熱装置を破断状態で示す斜視
図である。

【図２】図１の蓄熱装置の断面図である。

【図３】本発明による蓄熱装置を車両に搭載される暖房
装置に応用した一実施例のシステム概念図である。

【図４】評価試験装置の説明図である。

【図５】試験結果を示すグラフである。

【図６】試験結果を示すグラフである。

【図７】他の実施例に係る蓄熱装置を示す説明図であ
る。

【図８】蓄熱容器の一例を示す断面図である。

【図９】試験結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１，４１ 蓄熱装置 ２，４２ 入口部 ３，４３ 出口部 ４，４４ 筺体 ５，４５ 蓄熱材 ６，４６ 蓄熱容器 ７ 熱媒体通路 ８ セパレータ １１ エンジン １２ 冷却水循環通路 １３ クランク軸 １４ 水ポンプ １５ 三方電磁弁 １６ ラジエータ １７ 冷却水用バイパス通路 １８ サーモスタット弁 １９ 冷却用電動ファン ２０ 水温センサ ２１ 電子制御ユニット ２２ 送風用電動ファン ２３ 放熱器 ２４ 暖房用スイッチ ２５ 暖房用循環通路 ２６ 暖房用電動ポンプ ２７ 冷却水導入通路 ２８ 電磁開閉弁 ２９ 冷却水戻り通路 ３０，３１ 電磁開閉弁 ３２ 背圧弁

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ２８Ｄ 20/00 Ｅ (72)発明者 田中 隆司 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動車 工業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蓄熱材が封入されている蓄熱容器をケー
   シング内に保持して該蓄熱容器の周囲を熱媒体通路とす
   るか、又は蓄熱材が封入されているケーシング内に熱媒
   体通路を設けてあり、該熱媒体通路に熱媒体を流通させ
   ることにより該熱媒体と蓄熱材との熱交換を行う蓄熱装
   置において、上記蓄熱材として、総体的蓄熱量があまり
   大きくないが、蓄えた熱を短時間に放熱し易い第１の蓄
   熱材と、総体的蓄熱量が大きいが、蓄えた熱を短時間に
   は放熱し難い第２の蓄熱材とを用いてあることを特徴と
   する蓄熱装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、第１の蓄熱材がナフ
   タリン又はその誘導体であり、第２の蓄熱材が水酸化バ
   リウムであることを特徴とする蓄熱装置。
3. 【請求項３】 請求項１において、第１の蓄熱材が水酸
   化ストロンチウムであり、第２の蓄熱材が水酸化バリウ
   ムであることを特徴とする蓄熱装置。