蓄熱單元以及蓄熱系統的製作方法

2023-06-09 22:07:42

關聯申請的相互參照

本申請基於2014年9月30日提出申請的日本專利申請2014－201437主張優先權，並通過參照而將該公開內容引入本申請。

本發明涉及蓄熱單元以及蓄熱系統。

背景技術：

以往，已知有由電子相變的物質構成的蓄熱材料(參照專利文獻1)。該蓄熱材料將伴隨著電子相變的焓變利用於蓄熱。但是，專利文獻1所記載的蓄熱材料的熱傳導率不足夠大。因此，有時不能將熱輸送介質的熱量高效地儲存於蓄熱材料。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2010－163510號公報

技術實現要素：

本發明的目的在於，提供一種能夠高效地儲存熱輸送介質的熱量的蓄熱單元以及蓄熱系統。

根據本發明的一方式，蓄熱單元具有：蓄熱部，具有包含強關聯電子體系材料的第1材料；以及熱傳導部，具有熱傳導率大於第1材料的第2材料，並與蓄熱部接觸。

本發明的蓄熱單元能夠通過具有熱傳導率大於第1材料的第2材料的熱傳導部，將熱輸送介質的熱量傳遞到蓄熱部。因此，本發明的蓄熱單元能夠高效地儲存熱輸送介質的熱量。

附圖說明

圖1是表示本發明的第1實施方式中的蓄熱單元的概略圖。

圖2是表示第1實施方式中的蓄熱單元的一個例子的概略圖。

圖3是表示第1實施方式中的蓄熱單元的一個例子的概略圖。

圖4是表示本發明的第2實施方式中的蓄熱系統的配置的概略圖。

圖5是表示第2實施方式中的蓄熱系統的立體圖。

圖6是圖5中的vi-vi剖面圖。

圖7是圖5中的vii-vii剖面圖。

圖8是圖5中的viii-viii剖面圖。

圖9是表示第2實施方式中的旋轉單元旋轉的狀態的概略圖。

圖10是表示本發明的第3實施方式中的蓄熱單元的概略圖。

具體實施方式

以下，參照附圖對用於實施本發明的多個方式進行說明。在各方式中，有時對與在先說明的方式所說明的事項對應的部分附加同一參照符號並省略重複的說明。在僅對各方式中的構成的一部分進行說明的情況下，對於構成的其他的部分能夠應用在先說明的其他方式。不僅在各實施方式明示了具體能夠進行組合的部分彼此的組合，只要組合併不特別產生妨礙，則即使未明示也能夠使實施方式彼此部分地組合。

＜第1實施方式＞

本發明的第1實施方式的蓄熱單元具有蓄熱部，該蓄熱部具有包含強關聯電子體系材料的第1材料。第1材料既可以是由強關聯電子體系材料構成的材料，也可以包含其他成分。蓄熱部也可以僅由第1材料構成。

強關聯電子體系材料是利用電子之間較強的庫倫排斥力、使電子所具有的自旋、軌道、電荷的自由度中的至少一個以上顯現化的體系。顯現化後的自旋、軌道、電荷的自由度分別表現出由於秩序－無秩序相變而引起的伴隨著狀態數的變化的較大的熵變化(顯現化的自旋·軌道·電荷的自由度的相變被稱作電子相變)。

作為強關聯電子體系材料，例如可列舉進行金屬－絕緣體相變的材料。另外，作為強關聯電子體系材料，例如可列舉過渡金屬氧化物。

作為強關聯電子體系材料的具體例，例如可列舉v(1－x)wxo2(0≤x≤0.0650)、v(1－x)taxo2(0≤x≤0.117)、v(1－x)nbxo2(0≤x≤0.115)、v(1－x)ruxo2(0≤x≤0.150)、v(1－x)moxo2(0≤x≤0.161)、v(1－x)rexo2(0≤x≤0.0964)、limn2o4、livs2、livo2、nanio2、lirh2o4、v2o3、v4o7、v6o11、ti4o7、smbafe2o5、eubafe2o5、gdbafe2o5、tbbafe2o5、dybafe2o5、hobafe2o5、ybafe2o5、prbaco2o5.5、dybaco2o5.54、hobaco2o5.48、ybaco2o5.49等。這些均為進行金屬－絕緣體相變的物質，並且是過渡金屬氧化物。

蓄熱部例如能夠通過將第1材料的粉末填充於夾具內、接下來利用熱壓、放電等離子體燒結(sps)、熱等靜壓法(hip)等方法進行燒結的方法進行製造。

本發明的蓄熱單元具備熱傳導部。熱傳導部具有熱傳導率大於第1材料的第2材料，並與蓄熱部接觸。作為第2材料，例如可列舉金屬、陶瓷等。作為金屬，例如可列舉鋁、金、銀、銅、鐵、不鏽鋼、黃銅、鈦、以及它們的合金等。熱傳導部的形狀不被特別限定。例如可以如圖1所示，熱傳導部3具有翅片形狀。熱傳導部3也可以僅由第2材料構成。

第2材料既可以由單一的成分構成，也可以包含兩個以上的成分(例如合金)。另外，熱傳導部例如可以由單一的部件構成，也可以由多個部件構成。在由多個部件構成的情況下，構成各部件的第2材料可以相同，也可以相互不同。

作為蓄熱單元的形態，例如可列舉如圖1所示那樣，使蓄熱部1與熱傳導部3一體化的形態的蓄熱單元5。另外，作為蓄熱單元的形態，例如可列舉如圖1所示那樣，用熱傳導部3從外部包覆單一的蓄熱部1的形態的蓄熱單元5。

另外，作為蓄熱單元的形態，例如可列舉如圖2、圖3所示那樣的形態的蓄熱單元5，該形態具有由蓄熱部1的多個部件和熱傳導部3的多個部件交替層疊而成的層疊構造。在圖2所示的形態的蓄熱單元5中，蓄熱部1以及熱傳導部3被分別分割為多個板狀部件，且它們交替地層疊。

另外，在圖3所示的形態的蓄熱單元5中，在蓄熱部1的一部分周期性地形成多個凹部1a，並在該多個凹部1a中分別插入多個板狀的熱傳導部3，由此成為蓄熱部1的多個凹部1a與熱傳導部3交替層疊的層疊構造。

以下說明蓄熱單元的效果。蓄熱單元通過具有熱傳導率大於第1材料的第2材料的熱傳導部，將熱輸送介質的熱量傳遞到蓄熱部。因此，蓄熱單元能夠高效地儲存熱輸送介質的熱量。

而且，在蓄熱單元具有例如圖2、圖3所示的那種蓄熱部1與熱傳導部3交替層疊而成的層疊構造的情況下，能夠高效地將熱量傳遞至蓄熱部1的內部。

另外，強關聯電子體系材料的每單位體積的蓄熱量較大。本發明的蓄熱單元中的蓄熱部由於具有包含該強關聯電子體系材料的第1材料，因此每單位體積的蓄熱量較大。

＜第2實施方式＞

本發明的蓄熱系統具備利用隔壁劃分出的第1空間以及第2空間。作為第1空間以及第2空間，例如可列舉利用沿配管的軸向延伸的隔壁將配管的內部劃分為兩個以上的空間時的各個劃分出的空間。

另外，第1空間以及第2空間可以利用隔壁將開放的空間劃分而成。第1空間與第2空間既可以被隔壁完全地隔開，也可以部分連通。

優選的是隔壁的至少一部分包含隔熱材料。在該情況下，能夠抑制第1空間與第2空間之間的熱傳導。作為隔熱材料，例如可列舉發泡樹脂、玻璃棉等。

本發明的蓄熱系統具備旋轉單元。例如，如圖6、圖8所示，旋轉單元27跨第1空間15與第2空間17而設置。即，在使用蓄熱系統時，旋轉單元的至少一部分處於第1空間側，且旋轉單元的至少一部分處於第2空間側。

旋轉單元例如如圖9所示那樣，能夠以與隔壁13平行的旋轉軸35為中心旋轉。旋轉單元例如能夠設於局部不存在隔壁13的位置。另外，也可以由隔壁13中的、被從其他部分分割出的部分構成旋轉單元27的一部分。

另外，旋轉單元27例如如圖6、圖8所示那樣，在第1空間15側和第2空間17側分別具備有著與第1實施方式的蓄熱單元5相同的構成的蓄熱單元31、33。即，旋轉單元27具備在第1空間15露出的蓄熱單元31和在第2空間17露出的蓄熱單元33。例如，若如圖9所示那樣旋轉單元27旋轉，則至此處於第1空間15側的蓄熱單元31向第2空間17側移動，並且至此處於第2空間17側的蓄熱單元33向第1空間15側移動。若旋轉單元27進一步旋轉，則至此處於第1空間15側的蓄熱單元33向第2空間17側移動，並且至此處於第2空間17側的蓄熱單元31向第1空間15側移動。

旋轉單元優選的是在第1空間側的蓄熱單元和第2空間側的蓄熱單元之間具備隔熱材料。在該情況下，能夠抑制從一方的蓄熱單元向另一方的蓄熱單元的熱傳導。作為隔熱材料，例如可列舉發泡樹脂、玻璃棉等。

旋轉單元例如能夠通過馬達、內燃機等驅動源的驅動力旋轉。旋轉單元的旋轉既可以根據來自蓄熱系統所具備的控制部、或者外部的控制部的信號來執行，也可以根據用戶的操作而執行。

蓄熱系統例如能夠具備對第1空間側的蓄熱單元的溫度、第2空間側的蓄熱單元的溫度、第1空間側的蓄熱單元與流經第1空間的熱輸送介質之間的溫度差、以及第2空間側的蓄熱單元與流經第2空間的熱輸送介質之間的溫度差中的某一個以上進行測定的測定單元。在該情況下，例如上述控制部能夠以由測定單元測定的上述的溫度或者溫度差達到基準值作為條件，輸出使旋轉單元旋轉的信號。另外，旋轉單元也可以由用戶通過人力來旋轉。另外，旋轉單元也可以每隔一定時間自動地旋轉。

基於圖4～圖9說明蓄熱系統7的具體例。如圖4所示，能量轉換器9所排出的排氣101通過蓄熱系統7內。此時，蓄熱系統7對排氣101的熱量進行存儲。

另外，能量轉換器9中的冷卻水103具有通過蓄熱系統7內的循環路徑。在冷卻水103通過蓄熱系統7內時，蓄熱系統7將至此為止存儲的熱量向冷卻水103中進行釋放，提高冷卻水103的溫度。通過提高冷卻水103的溫度，能夠順暢地進行能量轉換器9的啟動。此外，能量轉換器9例如是內燃機或者燃料電池。

蓄熱系統7如圖5所示那樣具備配管11。配管11的內部被沿配管11的軸向延伸的隔壁13上下劃分。以下，將配管11的內部中的、在圖5中將比隔壁13靠上的空間設為第1空間15，將比隔壁13靠下的空間設為第2空間17。隔壁13由隔熱材料構成。

第1空間15是排氣101的流路，第2空間17是冷卻水103的流路。此外，排氣101以及冷卻水103是熱輸送介質的一個例子。排氣101的溫度比冷卻水103的溫度更高。排氣101所流動的方向與冷卻水103所流動的方向相反。

配管11在兩個位置具備開閉門19、21。開閉門19、21是閘門式的門，並對配管11進行開閉。在開閉門19、21打開時，第1空間15以及第2空間17均開放。另一方面，在開閉門19、21關閉時，第1空間15以及第2空間17均關閉。

配管11具備將圖5中的開閉門19的跟前側和開閉門21的裡側連接的旁通部23。旁通部23的內部與配管11中的其他部分相同，被隔壁13劃分成第1空間15與第2空間17。

在開閉門19、21打開時，流經第1空間15的排氣101能夠在被開閉門19、21夾著的區域(以下，設為主流路25)和旁通部23中的任一方中流通，但主要在阻力更小的主流路25中流通。另一方面，在開閉門19、21關閉時，流經第1空間15的排氣101不在主流路25中流通，而是在旁通部23中流通。

同樣，在開閉門19、21打開時，流經第2空間17的冷卻水103主要在主流路25中流通，在開閉門19、21關閉時，不在主流路25中流通，而是在旁通部23中流通。

蓄熱系統7在配管11的主流路25內具備旋轉單元27。如圖6～圖9所示，旋轉單元27具備板狀的臺座29、設於其一方的面的蓄熱單元31、以及設於臺座29的相反的一側的面的蓄熱單元33。臺座29由隔熱材料構成。旋轉單元27跨第1空間15與第2空間17而設置。

蓄熱單元31、33分別具有板狀的蓄熱部1和板狀的熱傳導部3交替層疊而成的層疊構造。將蓄熱部1與熱傳導部3層疊的方向是平行於隔壁13的方向，並且是與排氣101以及冷卻水103的流通方向正交的方向。在以臺座29作為基準時，熱傳導部3的高度比蓄熱部1的高度更高。蓄熱部1的材質為vo2，熱傳導部3的材質是銅。

如圖7所示，隔壁13在存在旋轉單元27的部分被切割成矩形，並在此嵌入臺座29。臺座29具備在橫向(與配管11的軸向正交的方向)上貫通臺座29的旋轉軸35。旋轉軸35在臺座29的兩側通過隔壁13的內部到達配管11的外側。另外，旋轉軸35的軸向與隔壁13的面平行。旋轉單元27能夠以旋轉軸35為中心旋轉。

在通常時，如圖6、圖8所示，臺座29與隔壁13成為一個面。此時，蓄熱單元31、33中的一方處於第1空間15，另一方處於第2空間17。此時，開閉門19、21為打開的狀態。

另一方面，如圖9所示，蓄熱系統7能夠以旋轉軸35為中心使旋轉單元27旋轉。而且，能夠使至此處於第1空間15側的蓄熱單元向第2空間17側移動，並且使至此處於第2空間17側的蓄熱單元向第1空間15側移動。此時，開閉門19、21設為關閉的狀態。

蓄熱系統7通過使開閉門19、21為打開的狀態，並使排氣101流經主流路25，從而在處於第1空間15側的蓄熱單元中存儲排氣101的熱量，接下來，使開閉門19、21為關閉的狀態，然後使旋轉單元27旋轉180°。於是，至此處於第1空間15側的蓄熱單元向第2空間17移動，因此將至此為止儲蓄的熱量向冷卻水103放出。另外，在旋轉單元27的旋轉前處於第2空間17側的蓄熱單元(利用冷卻水103冷卻後的蓄熱單元)向第1空間15移動，因此將排氣101的熱量進行儲蓄。

以下說明蓄熱系統的效果。由於蓄熱系統具備上述蓄熱單元，因此起實現該蓄熱單元帶來的效果。

而且，蓄熱系統通過使旋轉單元旋轉，能夠較高地保持蓄熱單元與熱輸送介質之間的熱傳導率。以下對這一點進行說明。例如，如圖6、圖8所示，設想在第1空間15中流經高溫的熱輸送介質(例如排氣101)、在第2空間17中流經低溫的熱輸送介質(例如冷卻水103)的狀態。第1空間15側的蓄熱單元31從高溫的熱輸送介質中吸收熱量，第2空間17側的蓄熱單元向低溫的熱輸送介質釋放熱量。

隨著時間的經過，第1空間15側的蓄熱單元31的溫度上升，與高溫的熱輸送介質之間的溫度差變小。因此，第1空間15側的蓄熱單元31與高溫的熱輸送介質之間的熱流隨著時間的經過而降低。

另外，隨著時間的經過，第2空間17側的蓄熱單元33的溫度降低，與低溫的熱輸送介質之間的溫度差變小。因此，第2空間17側的蓄熱單元33與低溫的熱輸送介質之間的熱流也隨著時間的經過而降低。

蓄熱系統7如上述那樣，在第1空間15側以及第2空間17側的蓄熱單元31、33中的熱流降低時，通過使旋轉單元27旋轉，能夠使至此處於第1空間15側的蓄熱單元31向第2空間17側移動，使至此處於第2空間17側的蓄熱單元33向第1空間15側移動。

由此，由於低溫的蓄熱單元33位於第1空間15側，因此第1空間15側的蓄熱單元33與高溫的熱輸送介質之間的溫度差變大，它們之間的熱流恢復。另外，由於高溫的蓄熱單元31位於第2空間17側，因此第2空間17側的蓄熱單元31與低溫的熱輸送介質之間的溫度差變大，它們之間的熱流恢復。

通過重複以上的動作，能夠較大地保持蓄熱單元31、33與熱輸送介質之間的熱流。

＜第3實施方式＞

如圖10所示，本實施方式的蓄熱單元5具有在蓄熱部1的內部埋設有多個熱傳導部3的形態。熱傳導部3具有筆直的棒狀形狀。蓄熱部1具有立方體形狀。熱傳導部3在蓄熱部1的上表面1b以及其相反的一側的底面1c上顯露於表面。蓄熱部1以及熱傳導部3的材料能夠設為與上述第1實施方式相同。

蓄熱單元5的形態也可以是圖10所示以外的形態。例如，熱傳導部3的形狀也可以是彎曲的棒狀、之字型的棒狀等。另外，熱傳導部3的數量也可以是單數。另外，熱傳導部3也可以在蓄熱部1的表面中的一個面(例如上表面1b)上顯露、在其他表面不顯露。另外，多個熱傳導部3中的軸向也可以不相互平行。另外，蓄熱部1的形狀也可以是立方體以外的形狀(例如圓柱狀、球形狀等)。

以下說明蓄熱單元5的效果。蓄熱單元5具有熱傳導部3，該熱傳導部3具有熱傳導率比第1材料大的第2材料。該熱傳導部3的大部分埋設於蓄熱部1內，並且在蓄熱部1的表面中的至少一個面上顯露於表面。蓄熱單元5在熱傳導部3中的顯露於蓄熱部1的表面的部分接收熱輸送介質的熱量，並將該熱量通過熱傳導部3而傳遞到蓄熱部1的內部。因此，蓄熱單元5能夠高效地儲存熱輸送介質的熱量。

另外，強關聯電子體系材料的每單位體積的蓄熱量較大。蓄熱單元5中的蓄熱部1由於具有包含該強關聯電子體系材料的第1材料，因此每單位體積的蓄熱量較大。

以上，說明了本發明的實施方式，但本發明並不限定於上述實施方式，可採用各種形態。

也可以使上述實施方式中的一個構成要素所具有的功能作為多個構成要素而分散，或將多個構成要素所具有的功能統一為一個構成要素。另外，也可以將上述實施方式的構成的至少一部分替換成具有相同功能的公知的構成。另外，也可以省略上述實施方式的構成的一部分。另外，也可以將上述實施方式的構成的至少一部分相對於其他上述實施方式的構成進行附加或者替換。

除了上述蓄熱單元、蓄熱系統之外，也能夠通過蓄熱方法等各種形態實現本發明。

本發明以實施例為基準進行了敘述，但應理解為本發明不被該實施例和構造限定。本發明也包含各種變形例和等效範圍內的變形。除此之外，各種組合和形態、還有在其中僅包含一個要素、包含一個以上或一個以下要素的其他組合和形態也包含在本發明的範疇或思想範圍中。