DE112016002771T5

DE112016002771T5 - Wärmetransportmedium, das ein Latentwärmespeichermaterial einschliesst, Mischung für Wärmetransport, und Wärmetransportverfahren

Info

Publication number: DE112016002771T5
Application number: DE112016002771.0T
Authority: DE
Inventors: Masao Iwaya; Tomoya Mizuta; Naotaka NISHIO; Yutaka Isobe; Masatake Kudoh; Masanori Yoshikane
Original assignee: Daicel Corp
Current assignee: Daicel Corp
Priority date: 2015-06-19
Filing date: 2016-06-13
Publication date: 2018-03-01
Also published as: US10703951B2; JP6527031B2; US20180187059A1; JP2017008180A; CN107683318A; WO2016204108A1

Abstract

Als ein Wärmetransportmedium, das mit einem Fluid transportiert werden soll, welches in einem Betriebstemperaturbereich flüssig ist, wird ein Medium verwendet, in welchem ein Latentwärmespeichermaterial in ein poröses Material eingedrungen ist, wobei das Latentwärmespeichermaterial mit dem Fluid unverträglich ist und einen Schmelzpunkt innerhalb des Betriebstemperaturbereichs aufweist, und das poröse Material ein flüssigkeitsabweisendes Verhalten gegenüber dem Fluid, eine Affinität für das Latentwärmespeichermaterial und eine Schwammhärte von nicht mehr als 50 aufweist. Dies erzielt einen stabilen Wärmetransport mit einer hohen Wärmeumwandlungseffizienz selbst durch Umwälzen des Mediums durch eine Rohrleitung über einen langen Zeitraum. Das poröse Material kann kontinuierliche Poren aufweisen. Das poröse Material kann einen Leervolumenanteil von nicht weniger als 50% aufweisen. Das poröse Material weist eine scheinbare Dichte von ungefähr 0,05 bis 0,5 g/cm3 auf. Der Anteil des Latentwärmespeichermaterials beträgt ungefähr 100 bis 5000 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile des porösen Materials. Das poröse Material kann ein wasserabweisendes lipophiles Harz enthalten. Das poröse Material kann ein Polyorganosiloxangerüst aufweisen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wärmetransportmedium (ein Wärmespeichermaterial), das ein Latentwärmespeichermaterial enthält, das für den Wärmetransport durch eine Rohrleitung (On-line-Wärmetransport) effektiv verwendbar ist, eine Mischung für den Wärmetransport, die das Medium umfasst, und ein Wärmetransportverfahren, welches das Medium verwendet.
STAND DER TECHNIK
Beim Kühlen einer Klimaanlage oder eines Wärmeverbundnetzsystems oder der Ansaugluftkühlung einer Gasturbine (einer Gasturbinenvorrichtung) wird Wärme durch Umwälzen eines Wärmetransportmediums mit einer Wärmespeichereigenschaft durch eine Rohrleitung (Rohr) transportiert. Als das Wärmetransportmedium ist Wasser oder Salzlösung zum Nutzen von fühlbarer Wärme bekannt, und Wasser wird unter dem Gesichtspunkt von niedrigen Kosten und hoher Sicherheit häufig verwendet. Für einen Transport von fühlbarer Wärme mit einem Wärmetransportmedium wie Wasser weist das Wärmetransportmedium jedoch eine kleine Wärmekapazität auf und es ist eine große Beförderungsleistung (eine große Pumpe) erforderlich, um die große Menge des Wärmetransportmediums zu befördern. In einem großflächigen Wärmeverbundnetz ist das Problem bei der Verwendung eines Transports von fühlbarer Wärme eine niedrige Energieeffizienz. Um dieses Problem zu lösen, wurde auch ein Verfahren untersucht, bei dem Latentwärme, die mit einer Phasenumwandlung eines Latentwärmespeichermaterials als das Wärmetransportmedium verbunden ist, genutzt wird. Bei dem Transport von Latentwärme mit dem Latentwärmespeichermaterial verhindert das Latentwärmespeichermaterial, welches eine große Wärmekapazität aufweist, den Temperaturabfall über lange Transportdistanzen und spart auch Beförderungsleistung ein. Leider verfestigt sich das Latentwärmespeichermaterial durch eine Phasenumwandlung, so dass eine Rohrleitung blockiert wird, und somit kann das Latentwärmespeichermaterial nicht so genutzt werden, wie es vorliegt. Um dieses Problem zu lösen, wurde ein Verfahren beschrieben, bei dem ein mikroverkapseltes Latentwärmespeichermaterial verwendet wird. Gemäß diesem Verfahren wird der Wärmetransport (Wärmeaustausch) unter Verwendung einer Latentwärme eines Latentwärmespeichermaterials und einer fühlbaren Wärme eines Fluids durchgeführt, indem das Fluid umgewälzt wird, das mit dem Latentwärmespeichermaterial gefüllte Mikrokapseln enthält.
Die japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 5-215369 ( JP-5-215369A , Patentdokument 1) offenbart ein Verfahren zum Kühlen oder Erwärmen eines Gegenstandes durch Umwälzen, in einem geschlossenen Kreislauf zwischen einer Kühlvorrichtung oder einer Heizvorrichtung und einem Wärmetauscher, eines mit der Kühlvorrichtung oder der Heizvorrichtung gekühlten oder erwärmten Wärmeübertragungsmediums, um den Wärmetauscher zu kühlen oder zu erwärmen; das Wärmeübertragungsmedium ist eine Mischung aus einer großen Zahl von Harzmikrokapseln, die ein Wärmespeichermaterial wie Paraffin enthalten, und Wasser oder Salzlösung.
WO 2015/025529 (Patentdokument 2) offenbart ein Latentwärmetransportmaterial, das in einer harten Hülle mikroverkapselt ist (oder ein in einer harten Hülle mikroverkapseltes Latentwärmetransportmaterial), als ein Wärmemedium einer Wärmetransportvorrichtung, welche Hochtemperaturabwärme rückgewinnt und die Abwärme zu einem Ort transportiert, an dem Wärme erforderlich ist; das in einer harten Hülle mikroverkapselte Latentwärmetransportmaterial umfasst ein Phasenumwandlungsmaterial, welches eine Latentwärme als Reaktion auf Temperaturänderungen absorbiert oder freisetzt, und nichtporöse hohle Siliciumdioxidpartikel, welche das Phasenumwandlungsmaterial umschließen.
Die japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2000-161082 ( JP-2000-161082A , Patentdokument 3) offenbart eine Ansaugluftkühlvorrichtung für eine Gasturbine; die Ansaugluftkühlvorrichtung umfasst eine Ansaugöffnung, einen Ansaugweg von der Ansaugöffnung zu der Gasturbine, und einen Eiswärmespeicherbehälter, der mit dem Ansaugweg gekoppelt ist, wobei der Eiswärmespeicherbehälter eine große Zahl von Wärmespeicherkapseln aufweist, die jeweils eine feste Peripherie aufweisen, sowie angeordnete Austrittslüftungsspalten, und wobei der Eiswärmespeicherbehälter so konfiguriert ist, dass wenigstens ein Teil einer Ansaugluft mit den Peripherien der Wärmespeicherkapseln über den Eiswärmespeichertank in Kontakt kommt, um den Teil der Ansaugluft zu kühlen. Dieses Dokument offenbart, dass Kapseln, die ein Wärmespeichermaterial umschließen, welches eine Fest-Flüssig-Umwandlung in einem Temperaturbereich von 0 bis 20°C durchmacht, als die Wärmespeicherkapseln verwendet werden.
Leider würden bei diesen Wärmetransportmedien, welche ein darin mikroverkapseltes Latentwärmetransportmaterial aufweisen, die Mikrokapseln bei Langzeitgebrauch oder durch eine äußere Beanspruchung (z. B. eine mechanische Beanspruchung wie eine Scherkraft beim Pumpen) zerbrochen, was zu einer Aggregation des Latentwärmespeichermaterials führt, welches sich in einer Rohrleitung im Inneren einer Kühlvorrichtung verfestigen würde und die Rohrleitung blockieren würde. Wenn die Hülle der Mikrokapseln gefestigt oder verdickt wird, um zu verhindern, dass die Mikrokapseln zerbrechen, würden die Mikrokapseln die Wärmeaustauscheffizienz verringern. Somit gibt es eine Austauschbeziehung zwischen der Wärmeumwandlungseffizienz und der Stabilität.
Die japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 4-222894 ( JP-4-222894A , Patentdokument 4) offenbart ein Medium für ein Wärmeübertragungssystem; das Medium umfasst eine kontinuierliche Phase, welche wenigstens beim Gebrauch flüssig ist, und eine dispergierte Phase mit einer mittleren Partikelgröße von 0,2 bis 50 μm, die ausschließlich aus einem Wärmespeichermaterial besteht, das einen Schmelzpunkt aufweist, der höher ist als der der kontinuierlichen Phase. Dieses Dokument offenbart das Folgende: wenn sich das Medium in einem Suspensionszustand befindet, bei dem sich die dispergierte Phase in einem festen Zustand befindet, beträgt die mittlere Partikelgröße der dispergierten Phase 0,2 bis 50 μm und somit wird das Medium übertragen, während eine ausgezeichnete Fließfähigkeit aufrechterhalten wird; und wenn die kontinuierliche Phase aus einem Poly(ethylenglycol) und/oder einem Poly(propylenglycol) gebildet wird, weist die kontinuierliche Phase eine Verdickungswirkung auf, um die Aggregation der dispergierten Phasen zu verhindern.
Das japanische Patent Nr. 3641362 ( JP-3641362 B , Patentdokument 5) offenbart ein Kältespeichermittel eines kalten Körpers, der für eine Klimaanlage (wie eine Luftkühlungsapparatur) oder eine Kühlvorrichtung für Lebensmittel oder andere Produkte verwendet werden soll; das Kältespeichermittel ist eine wässrige Lösung, die eine ein Einschlusshydrat erzeugende Substanz mit einer Konzentration enthält, die geringer ist als eine Konzentration, die einen kongruenten Schmelzpunkt eines Einschlusshydrats ergibt, und ist so konfiguriert, dass es durch Kühlen ein Einschlusshydrat erzeugt und eine Aufschlämmung ergibt.
Leider ist bei der Emulsion oder Suspension und der Aufschlämmung die dispergierte Phase in dem Fluid exponiert und kann somit aggregiert werden. Außerdem ist bei der Aufschlämmung das gelöste Latentwärmespeichermaterial im Wesentlichen ungenutzt, wodurch die Wärmeumwandlungseffizienz verringert ist.
Die japanische geprüfte Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 5-41678 ( JP-5-41678 B , Patentdokument 6) offenbart eine Wärmespeicherzusammensetzung, die ein Phasenumwandlungsmaterial und ein Trägermaterial auf Polyolefinbasis enthält, in dem das Phasenumwandlungsmaterial eingearbeitet ist; das Phasenumwandlungsmaterial ist eine Substanz, welche eine solche Verträglichkeit aufweist, dass das Phasenumwandlungsmaterial in dem Trägermaterial dispergiert ist und im Wesentlichen nicht aus dem System austritt, und das Phasenumwandlungsmaterial ist wenigstens eine Substanz, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem kristallinen geradkettigen Alkyl-Kohlenwasserstoff, einer kristallinen Fettsäure, einem kristallinem Fettsäureester, einem kristallinen alicyclischen Kohlenwasserstoff und einem kristallinen aromatischen Kohlenwasserstoff. Dieses Dokument offenbart, dass das Trägermaterial auf Polyolefinbasis vorzugsweise ein vernetztes Polyolefin ist. Dieses Dokument offenbart auch, dass die Zusammensetzung in Gips oder Beton eingearbeitet wird, um für ein Baumaterial verwendet zu werden.
Die japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift (Übersetzung der PCT-Anmeldung) Nr. 2002-523719 ( JP-2002-523719A , Patentdokument 7) offenbart einen Latentwärmekörper mit einem Latentwärmespeichermaterial auf Paraffinbasis und einem Trägermaterial mit einem Aufnahmeraum, in welchem das Latentwärmespeichermaterial auf Paraffinbasis absorbiert ist; in dem Trägermaterial ist darin ein kapillarer Aufnahmeraum für das Latentwärmespeichermaterial ausgebildet und das Trägermaterial ist eine mineralische Substanz mit einer offenen kapillaren Porenstruktur. Dieses Dokument offenbart, dass der Latentwärmekörper z. B. für ein Baumaterial (z. B. eine Wärmespeicherwand, ein Dach und ein Bodenspeicherheizsystem), eine Warmhalteplatte für Reis, einen Heizkörper, der zwischen einem blanken Boden und einer Abdeckung in einer elektrischen Bodenheizung angeordnet ist, und einen Transportbehälter zum Halten eines in dem Behälter aufbewahrten Artikels während des Transports auf einer konstanten Temperatur verwendbar ist. Dieses Dokument offenbart auch, dass das Trägermaterial mit einem Aufnahmeraum ein Gipsmaterial, ein Tonmaterial, einen Kalksandstein, eine Kieselerde, eine Holzfaser und einen Karton bzw. eine Pappe einschließt.
Die Patentdokumente 6 und 7 offenbaren jedoch nicht die Verwendung (Wärmetransport) eines Latentwärmespeichermaterials in einem Fluid. Nebenbei bemerkt haben diese Zusammensetzungen oder Latentwärmekörper keine Wiederherstellbarkeit der Form. Wenn diese Zusammensetzungen oder Latentwärmekörper als ein Wärmetransportmedium verwendet werden, kann das Wärmetransportmedium durch eine äußere Belastung zerbrochen werden, so dass das Latentwärmespeichermaterial austritt. Das ausgetretene Latentwärmespeichermaterial würde allmählich ohne erneute Absorption an dem Trägermaterial aggregieren, welches nicht in der Lage ist, seine Form wiederherzustellen, und die Aggregation würde eine Blockierung einer Rohrleitung durch Verfestigung verursachen.
LISTE DER ZITIERTEN DOKUMENTE
PATENTLITERATUR

Patentdokument 1: JP-5-215369A (Ansprüche)
Patentdokument 2: WO 2015/025529 (Ansprüche und Absatz [0047])
Patentdokument 3: JP-2000-161082 A (Anspruch 1 und Absätze [0001] und [0037])
Patentdokument 4: JP-4-222894 A (Anspruch 1 und die 2. Spalte, Zeilen 13 bis 32)
Patentdokument 5: JP-3641362 B (Anspruch 1 und Absatz [0001])
Patentdokument 6: JP-5-41678B (Anspruch 1, die B. Spalte, Zeilen 4 bis 6, die 22. Spalte, Zeilen 5 bis 14, und Beispiele)
Patentdokument 7: JP-2002-523719 A (Ansprüche und Absätze [0012] bis [0015])

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wärmetransportmedium bereitzustellen, welches einen stabilen Wärmetransport mit einer hohen Wärmeumwandlungseffizienz erzielt, selbst durch Zugeben des Wärmetransportmediums zu einem Fluid, welches in einem Betriebstemperaturbereich flüssig ist, und Umwälzen des Wärmetransportmediums durch eine Rohrleitung über einen langen Zeitraum; und eine Mischung (oder eine Mischungsflüssigkeit) für den Wärmetransport, die das Medium umfasst, und ein Wärmetransportverfahren, welches das Medium verwendet, bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Wärmetransportmedium bereitzustellen, welches einen effizienten Wärmetransport (Wärmeumwandlung) mit einer kleinen Beförderungsleistung (oder Förderleistung) selbst durch eine Rohrleitung, die entfernte Orte verbindet, erzielt; und eine Mischung (oder eine Mischungsflüssigkeit) für den Wärmetransport, die das Medium umfasst, und ein Wärmetransportverfahren, welches das Medium verwendet, bereitzustellen.
LÖSUNG DER AUFGABE
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben intensive Untersuchungen durchgeführt, um die vorstehenden Aufgaben zu lösen, und schließlich herausgefunden, dass die Verwendung des folgenden Wärmetransportmediums als ein Wärmetransportmedium, welches mit einem Fluid transportiert werden soll, welches in einem Betriebstemperaturbereich flüssig ist, einen stabilen Wärmetransport mit einer hohen Wärmeumwandlungseffizienz selbst durch Zugeben des Wärmetransportmediums zu einem Fluid, welches in einem Betriebstemperaturbereich flüssig ist, und Umwälzen des Wärmetransportmediums durch eine Rohrleitung über einen langen Zeitraum erzielt; das Wärmetransportmedium umfasst ein Latentwärmespeichermaterial, welches mit dem Fluid unverträglich ist und einen Schmelzpunkt innerhalb des Betriebstemperaturbereichs aufweist, und ein poröses Material mit einem flüssigkeitsabweisenden Verhalten gegenüber dem Fluid, einer Affinität für das Latentwärmespeichermaterial und einer Schwammhärte von nicht mehr als 50, und das Latentwärmespeichermaterial ist in das poröse Material eingedrungen (oder infiltriert). Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage der vorstehenden Befunde zustande gebracht.
Das heißt, ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Wärmetransportmedium bereit, das mit einem Fluid transportiert werden soll, welches in einem Betriebstemperaturbereich flüssig ist; das Wärmetransportmedium umfasst ein poröses Material (oder einen porösen Körper) mit Poren und ein in die Poren des porösen Materials eingedrungenes (oder infiltriertes) Latentwärmespeichermaterial, das poröse Material weist ein flüssigkeitsabweisendes Verhalten gegenüber dem Fluid, eine Affinität für das Latentwärmespeichermaterial und eine Schwammhärte von nicht mehr als 50 auf, und das Latentwärmespeichermaterial ist mit dem Fluid unverträglich und weist einen Schmelzpunkt innerhalb des Betriebstemperaturbereichs auf. Das poröse Material kann eine offenzellige Struktur aufweisen. Das poröse Material kann einen Leervolumenanteil von nicht weniger als 50% aufweisen. Das poröse Material weist eine scheinbare Dichte von ungefähr 0,05 bis 0,5 g/cm³ auf. Das poröse Material weist Makroporen mit einer mittleren Porengröße von ungefähr 0,5 bis 200 μm auf. Das poröse Material kann in einer partikulären Form mit einer mittleren Partikelgröße von 0,1 bis 50 mm (z. B. einer isotropen partikulären Form) vorliegen. Der Anteil des Latentwärmespeichermaterials beträgt ungefähr 100 bis 5000 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile des porösen Materials.
Das poröse Material kann ein wasserabstoßendes lipophiles Harz enthalten. Das poröse Material kann einen Kontaktwinkel mit Wasser von nicht weniger als 90° aufweisen und das poröse Material kann imstande sein, Tetradecan zu absorbieren (z. B. schnell zu absorbieren) und kann im Wesentlichen keinen Kontaktwinkel mit Tetradecan aufweisen. Das poröse Material kann ein Polyorganosiloxangerüst aufweisen. In dem Wärmetransportmedium, das ein solches poröse Material enthält, kann das Latentwärmespeichermaterial einen aliphatischen Kohlenwasserstoff (z. B. ein C_14-60-Alkan) umfassen, und das Fluid kann Wasser sein.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Mischung für den Wärmetransport bereit; die Mischung umfasst das Wärmetransportmedium und ein Fluid, welches in einem Betriebstemperaturbereich flüssig ist und mit dem Latentwärmespeichermaterial unverträglich ist. Der Anteil des Wärmetransportmediums beträgt ungefähr 1 bis 50 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile des Fluids.
Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Wärmetransportverfahren bereit; das Verfahren umfasst das Zugeben des Wärmetransportmediums zu einem Fluid, welches in einem Betriebstemperaturbereich flüssig ist und mit dem Latentwärmespeichermaterial unverträglich ist, und das Umwälzen des Wärmetransportmediums durch eine Rohrleitung.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird als das Wärmetransportmedium, das mit einem Fluid transportiert werden soll, welches in einem Betriebstemperaturbereich flüssig ist, das Latentwärmespeichermaterial, welches mit dem Fluid unverträglich ist und einen Schmelzpunkt innerhalb des Betriebstemperaturbereichs aufweist, in das poröse Material, das ein flüssigkeitsabweisendes Verhalten gegenüber dem Fluid, eine Affinität für das Latentwärmespeichermaterial und eine Schwammhärte von nicht mehr als 50 aufweist, eindringen gelassen. Ein solches Wärmetransportmedium erzielt einen stabilen Wärmetransport mit einer hohen Wärmeumwandlungseffizienz selbst durch Zugeben des Wärmetransportmediums zu einem Fluid, welches in einem Betriebstemperaturbereich flüssig ist, und Umwälzen des Wärmetransportmediums durch eine Rohrleitung über einen langen Zeitraum. Außerdem erzielt das Wärmetransportmedium einen effizienten Wärmetransport (Wärmeumwandlung) mit einer kleinen Beförderungsleistung selbst durch eine Rohrleitung, die entfernte Orte verbindet. Somit ist das Wärmetransportmedium auch z. B. für eine Fernheizung und -kühlung oder Kraft-Wärme-Kopplung brauchbar, welche einen Wärmetransport an einen entfernten (oder entlegenen) Ort durch eine Rohrleitung erfordert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
1 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines porösen Materials, das in den Beispielen erhalten wird.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
[Poröses Material]
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das Wärmetransportmedium ein poröses Material (oder einen porösen Körper). In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das poröse Material ein Latentwärmespeichermaterial auf, das in das poröse Material eingedrungen (oder infiltriert) ist. Das poröse Material weist eine Weichheit (oder Flexibilität) auf und in einem Fall, wo das poröse Material einer äußeren Beanspruchung unterliegt, wird die Beanspruchung durch Verformung absorbiert, welche eine Beschädigung des porösen Materials verhindert. Außerdem weist das poröse Material eine hohe Affinität für das Latentwärmespeichermaterial auf, und das Latentwärmespeichermaterial, welches durch die Verformung aus dem porösen Material austritt, wird bei der Wiederherstellung der Form des porösen Materials leicht wieder in das poröse Material absorbiert. Außerdem behalten selbst in einem Fall, wo das poröse Material durch eine hohe Scherkraft oder andere Faktoren beschädigt wird, die beschädigten Teile des porösen Materials jeweils eine Funktion bei, die der Funktion des nicht beschädigten porösen Materials im Wesentlichen äquivalent ist. Außerdem kann in einem Fall, wo das Wärmetransportmedium, welches das in dem porösen Material aufgenommene Latentwärmespeichermaterial aufweist, zu einem Fluid zugegeben (oder mit ihm vermischt wird), das mit dem Latentwärmespeichermaterial unverträglich ist, das an den Poren oder der Oberfläche des porösen Materials befestigte (oder darin eingefüllte) unverkapselte Latentwärmespeichermaterial mit dem Fluid in Kontakt gebracht werden, im Gegensatz zu Mikrokapseln, und somit weist das Wärmetransportmedium eine hohe Wärmeumwandlungseffizienz auf. Entsprechend erzielt die vorliegende Erfindung einen stabilen Wärmetransport mit einer hohen Wärmeumwandlungseffizienz selbst durch Zugeben des Wärmetransportmediums zu einem Fluid, welches in einem Betriebstemperaturbereich flüssig ist, und Umwälzen des Wärmetransportmediums durch eine Rohrleitung über einen langen Zeitraum.
Das poröse Material weist eine hohe Weichheit (oder Flexibilität) auf und weist eine Schwammhärte von nicht mehr als 50, z. B. ungefähr 0,01 bis 50, vorzugsweise ungefähr 0,1 bis 48, und mehr bevorzugt ungefähr 0,3 bis 45 (insbesondere ungefähr 0,5 bis 40) auf. Unter dem Gesichtspunkt eines stabilen Wärmetransports über einen langen Zeitraum kann das poröse Material eine Schwammhärte von z. B. ungefähr 0,1 bis 10, vorzugsweise ungefähr 0,3 bis 5 und mehr bevorzugt ungefähr 0,5 bis 3 aufweisen. Ein poröses Material mit einer übermäßig hohen Schwammhärte würde eine niedrige oder herabgesetzte Weichheit aufweisen, was einen stabilen Wärmetransport schwierig macht. Ein poröses Material mit einer übermäßig niedrigen Schwammhärte kann eine sehr niedrige mechanische Festigkeit aufweisen und kann leicht durch die Scherung einer Pumpe in Stücke gerissen werden, was einen stabilen Wärmetransport schwierig macht. In der vorliegenden Erfindung kann die Schwammhärte durch ein Schwamm-Durometer oder Härteprüfgerät (ASKER Typ E) auf der Grundlage der japanischen Industrienormen (JIS) K6253 gemessen werden.
Das poröse Material kann eine geschlossenzellige (unabhängige Poren-)Struktur aufweisen. Um die Weichheit zu verbessern und die Aufnahmefähigkeit für das Latentwärmespeichermaterial zu erhöhen, ist es bevorzugt, dass das poröse Material eine offenzellige (kontinuierliche Durchgangsloch- oder miteinander verbundene Poren-)Struktur aufweist. Der Anteil der miteinander verbundenen Poren in den Poren des porösen Materials kann nicht weniger als 50%, vorzugsweise nicht weniger als 80% und mehr bevorzugt nicht weniger als 90% (z. B. 90 bis 100%) betragen. Das poröse Material kann die offenzellige Struktur allein aufweisen.
Unter dem Gesichtspunkt einer ausgezeichneten Weichheit und einer großen Aufnahmefähigkeit für das Latentwärmespeichermaterial kann das poröse Material einen Leervolumenanteil von nicht weniger als 50%, z. B. ungefähr 50 bis 99%, vorzugsweise ungefähr 65 bis 98% (z. B. ungefähr 70 bis 95%) und mehr bevorzugt ungefähr 75 bis 90% (insbesondere ungefähr 80 bis 85%) aufweisen. Ein poröses Material mit einem übermäßig geringen Leervolumenanteil kann eine geringe Weichheit und ein geringes oder verringertes Aufnahmevermögen für das Latentwärmespeichermaterial aufweisen. Ein poröses Material mit einem übermäßig hohen Leervolumenanteil kann eine geringe oder herabgesetzte Festigkeit aufweisen. In der vorliegenden Erfindung kann der Leervolumenanteil gemäß dem volumetrischen Verfahren des Japan Concrete Institute (JCI) Testplans (JCI-Testplan: JCI-SPO2-1) bestimmt werden, speziell kann er gemäß dem in den nachstehenden Beispielen beschriebenen Verfahren gemessen werden.
Das poröse Material weist eine Luftdurchlässigkeit (oder Luftpermeabilität) von z. B. ungefähr 0 bis 100 Sekunden/100 ml, vorzugsweise ungefähr 0 bis 50 Sekunden/100 ml, und mehr bevorzugt ungefähr 0 bis 20 Sekunden/100 ml (insbesondere ungefähr 0 bis 10 Sekunden/100 ml) auf. In einem Fall, wo das poröse Material eine solche Luftdurchlässigkeit aufweist, hat das poröse Material eine offenzellige Struktur mit einer ausgezeichneten Weichheit und einem hohen Aufnahmevermögen für das Latentwärmespeichermaterial. Ein poröses Material mit einer übermäßig niedrigen Luftdurchlässigkeit kann ein verringertes Aufnahmevermögen für das Latentwärmespeichermaterial aufweisen. Ein poröses Material mit einer übermäßig hohen Luftdurchlässigkeit kann eine geringe Festigkeit aufweisen. In der vorliegenden Erfindung kann die Luftdurchlässigkeit unter Verwendung eines Probestücks mit einer mittleren Filmdicke von 1 mm gemäß JIS P8117:2009 ”Paper and board – Determination of air permeance and air resistance (medium range) – Gurley method” (”Papier und Pappe – Bestimmung der Luftdurchlässigkeit und des Luftwiderstands (mittlerer Bereich) – Gurley-Verfahren”) gemessen werden.
Das poröse Material weist eine scheinbare Dichte von z. B. ungefähr 0,05 bis 0,5 g/cm³, vorzugsweise ungefähr 0,08 bis 0,4 g/cm³ (z. B. ungefähr 0,1 bis 0,3 g/cm³) und mehr bevorzugt ungefähr 0,12 bis 0,25 g/cm³ (insbesondere ungefähr 0,15 bis 0,2 g/cm³) auf. Ein poröses Material mit einer übermäßig hohen scheinbaren Dichte kann eine geringe Weichheit und ein geringes Aufnahmevermögen für das Latentwärmespeichermaterial aufweisen. Ein poröses Material mit einer übermäßig niedrigen scheinbaren Dichte kann eine geringe Festigkeit aufweisen. In der vorliegenden Erfindung kann die scheinbare Dichte gemäß JIS Z8807:2012 ”Method of measuring density and specific gravity of solid” (”Verfahren zum Messen der Dichte und der relativen Dichte eines Festkörpers”) bestimmt werden, speziell kann sie gemäß dem in den nachstehenden Beispielen beschriebenen Verfahren gemessen werden.
Das poröse Material weist vorzugsweise Makroporen (mit einer Porengröße von nicht kleiner als 50 nm) auf, die durch die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) definiert sind. Die Makroporen haben eine mittlere Porengröße von z. B. ungefähr 0,5 bis 200 μm, vorzugsweise ungefähr 1 bis 150 μm (z. B. ungefähr 3 bis 100 μm) und mehr bevorzugt ungefähr 5 bis 80 μm (insbesondere ungefähr 10 bis 50 μm). Ein poröses Material mit Makroporen mit einer übermäßig kleinen mittleren Porengröße kann eine geringe Weichheit und ein geringes Aufnahmevermögen für das Latentwärmespeichermaterial aufweisen. Ein poröses Material mit Makroporen mit einer übermäßig großen mittleren Porengröße kann eine niedrige Festigkeit aufweisen.
Das poröse Material weist ein Gerüst mit einem mittleren Durchmesser (oder eine Trennwand mit einer mittleren Dicke) von z. B. ungefähr 0,1 bis 100 μm, vorzugsweise ungefähr 0,5 bis 50 μm (z. B. ungefähr 1 bis 30 μm) und mehr bevorzugt ungefähr 1,5 bis 10 μm (insbesondere ungefähr 2 bis 5 μm) auf. Ein poröses Material mit einer Trennwand mit einer übermäßig großen mittleren Dicke kann eine geringe Weichheit und ein geringes Aufnahmevermögen für das Latentwärmespeichermaterial aufweisen. Ein poröses Material mit einer Trennwand mit einer übermäßig kleinen mittleren Dicke kann eine geringe Festigkeit aufweisen.
Das poröse Material weist eine poröse Struktur mit den vorstehenden Merkmalen auf. Die Struktur des Gerüsts kann eine Trennwand sein, die durch zweidimensionales und dreidimensionales kontinuierliches Zusammenfügen (oder Verbinden) von Partikeln (insbesondere im Wesentlichen echt sphärischen Partikeln) gebildet ist. Jedes Partikel, aus dem die Trennwand gebildet ist, hat eine mittlere Partikelgröße von z. B. 0,5 bis 30 μm, vorzugsweise ungefähr 1 bis 20 μm (z. B. ungefähr 2 bis 15 μm) und mehr bevorzugt ungefähr 3 bis 10 μm (insbesondere ungefähr 4 bis 8 μm).
In der vorliegenden Erfindung kann die mittlere Porengröße der Makroporen des porösen Materials, die mittlere Dicke der Trennwand und jedes Partikel, aus dem die Trennwand gebildet ist, auf der Basis einer elektronenmikroskopischen Aufnahme bestimmt werden und kann speziell gemäß dem in den nachstehenden Beispielen beschriebenen Verfahren gemessen werden.
Die Form (Gesamtform) des porösen Materials ist nicht besonders auf eine spezielle Form beschränkt. Zum Beispiel kann die Form des porösen Materials entweder eine isotrope Form (wie etwa eine echt sphärische oder im Wesentlichen echt sphärische Form oder eine im Wesentlichen kubische Form) oder eine anisotrope Form (wie etwa eine plattenartige Form, eine ellipsoidische Form, eine im Wesentlichen rechteckige Prismaform, eine amorphe Form oder eine Faserform) sein. Die Form des porösen Materials ist gewöhnlich eine partikuläre (oder granuläre) Form. Im Hinblick auf eine ausgezeichnete Wärmeumwandlungseffizienz ist die isotrope Form (insbesondere eine sphärische Form, z. B. eine echt sphärische oder im Wesentlichen echt sphärische Form) bevorzugt.
Das poröse Material hat eine mittlere Partikelgröße (oder einen Durchmesser) von z. B. ungefähr 0,1 bis 50 mm, vorzugsweise ungefähr 0,2 bis 30 mm und mehr bevorzugt ungefähr 0,5 bis 20 mm (insbesondere ungefähr 1 bis 15 mm). Ein poröses Material mit einer übermäßig kleinen mittleren Partikelgröße kann eine verringerte Wärmeumwandlungseffizienz aufgrund eines herabgesetzten Aufnahmevermögens für das Latentwärmespeichermaterial aufweisen. Ein poröses Material mit einer übermäßig großen mittleren Partikelgröße kann die Beförderungsleistung erhöhen.
Das poröse Material kann ein beliebiges Material mit einem flüssigkeitsabweisenden Verhalten gegenüber dem Fluid und einer Affinität für das Latentwärmespeichermaterial sein und ist nicht auf bestimmte Materialien beschränkt. Unter dem Gesichtspunkt einer ausgezeichneten Weichheit enthält das poröse Material gewöhnlich eine Harzkomponente. Die Harzkomponente kann grob in ein ölabweisendes hydrophiles Harz und ein wasserabweisendes lipophiles Harz unterteilt werden
In das poröse Material, das das ölabweisende hydrophile Harz enthält, dringt Wasser, das imprägniert werden soll, schnell ein, und somit ist es im Wesentlichen schwierig, einen Kontaktwinkel mit Wasser zu messen. Das poröse Material hat im Wesentlichen keinen Kontaktwinkel mit Wasser. Andererseits kann das poröse Material, das das ölabweisende hydrophile Harz enthält, einen Kontaktwinkel mit einem Ölmaterial (z. B. Tetradecan), das als das Fluid verwendet werden soll, von nicht weniger als 50° (z. B. ungefähr 50 bis 150°, vorzugsweise ungefähr 60 bis 140°, und mehr bevorzugt ungefähr 90 bis 135°) aufweisen.
Das ölabweisende hydrophile Harz mit einer solchen Oberflächenbenetzbarkeit und Weichheit kann z. B. ein Polyvinylacetalharz und eine Cellulose enthalten. Das Polyvinylacetalharz kann ein Polymer sein, das einen mit einem Aldehyd (z. B. einem aliphatischen Aldehyd wie Formaldehyd, Acetaldehyd, Butyraldehyd oder Acrylaldehyd, einem aliphatischen Dialdehyd wie Glyoxal und einem aromatischen Aldehyd wie Benzaldehyd) vernetzten Polyvinylalkohol aufweist.
In das poröse Material, das das wasserabweisende lipophile Harz enthält, dringt das Latentwärmespeichermaterial, das imprägniert werden soll (z. B. Tetradecan) schnell ein und somit ist es im Wesentlichen schwierig, einen Kontaktwinkel mit dem Latentwärmespeichermaterial zu messen. Das poröse Material weist im Wesentlichen keinen Kontaktwinkel mit dem Latentwärmespeichermaterial auf. Andererseits kann das poröse Material, das das ölabweisende hydrophile Harz enthält, einen Kontaktwinkel mit Wasser, das als das Fluid verwendet werden soll, von nicht weniger als 50° (z. B. ungefähr 50 bis 150°, vorzugsweise ungefähr 60 bis 140° und mehr bevorzugt ungefähr 90 bis 135°) aufweisen.
Als das wasserabweisende lipophile Harz mit einer solchen Oberflächenbenetzbarkeit und Weichheit kann ein siliciumhaltiges Harz verwendet werden. Beispiele für das siliciumhaltige Harz können ein Harz, das ein Siliciumatom aufweist, das durch Behandeln eines Harzes, das eine funktionelle Gruppe aufweist (z. B. ein Polyvinylacetalharz und eine Cellulose, als das ölabweisende hydrophile Harz), mit einem Silankupplungsmittel eingeführt wird, ein Harz mit einem Polyorganosiloxangerüst oder andere Harze einschließen.
In der vorliegenden Erfindung kann der Kontaktwinkel als ein Winkel zwischen einer Tangente eines 1- bis 10 μl-Tröpfchens auf der Oberfläche des porösen Materials und der Oberfläche des porösen Materials unter Verwendung eines handelsüblichen Kontaktwinkelmessgeräts bestimmt werden und kann speziell gemäß dem in den nachstehenden Beispielen beschriebenen Verfahren gemessen werden.
Unter diesen Harzen ist das wasserabweisende lipophile Harz bevorzugt, da das Harz den Entwurf eines porösen Materials mit einer hohen Affinität für das Latentwärmespeichermaterial und einem hohen flüssigkeitsabweisenden Verhalten gegenüber dem Fluid erleichtert. Das Harz mit einem Polyorganosiloxangerüst (ein Siliconharz) ist besonders bevorzugt.
In dem Siliconharz kann das Polyorganosiloxangerüst (Silicongerüst) ein Gerüst sein, das wenigstens eine Einheit enthält, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer monofunktionellen M-Einheit (einer Einheit, die allgemein durch R³SiO_1/2 wiedergegeben ist), einer difunktionellen D-Einheit (einer Einheit, die allgemein durch R²SiO_2/2 wiedergegeben ist), einer trifunktionellen T-Einheit (einer Einheit, die allgemein durch RSiO_3/2 wiedergegeben ist), einer tetrafunktionellen Q-Einheit (einer Einheit, die allgemein durch SiO_4/2 wiedergegeben ist), einer penta- oder mehrfunktionellen (polyfunktionellen) Einheit (z. B. einer Einheit, die durch Kuppeln der vorstehenden Einheiten erhältlich ist, so dass sie zwei oder mehr Siliciumatome enthält).
In den Formeln der M-Einheit, der D-Einheit und der T-Einheit bedeutet die Gruppe R einen Substituenten. Der Substituent kann eine Alkylgruppe, eine Arylgruppe, eine Cycloalkylgruppe, eine Vinylgruppe, eine Mercaptoalkylgruppe oder andere Gruppen einschließen. Die Alkylgruppe kann z. B. eine C_1-12-Alkylgruppe wie Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Hexyl, Octyl oder Decyl einschließen. Die Arylgruppe kann z. B. eine C_6-20-Arylgruppe wie Phenyl, Methylphenyl (Tolyl), Dimethylphenyl (Xylyl) oder Naphthyl einschließen. Beispiele für die Cycloalkylgruppe können eine C_5-14-Cycloalkylgruppe wie Cyclopentyl, Cyclohexyl oder Methylcyclohexyl einschließen. Die Mercaptoalkylgruppe kann z. B. eine Mercapto-C_1-4-alkylgruppe wie eine Mercaptopropylgruppe einschließen. Diese Substituenten können die gleichen oder unterschiedliche Gruppen sein. Unter diesen Substituenten können Beispiele für die bevorzugte Gruppe eine C_1-3-Alkylgruppe wie eine Methylgruppe und eine C_6-12-Arylgruppe wie eine Phenylgruppe einschließen. Unter dem Gesichtspunkt der wasserabweisenden Lipophilie, leichten Lieferung des Latentwärmespeichermaterials oder anderen Gesichtspunkten ist eine C_1-2-Alkylgruppe wie die Methylgruppe besonders bevorzugt.
Das Siliconharz schließt vorzugsweise ein Harz mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur ein. Es ist bevorzugt, dass das Harz wenigstens die D-Einheit und die tri- oder mehrfunktionelle (polyfunktionelle) Einheit (z. B. die T-Einheit) unter den Einheiten, aus denen das Polyorganosiloxangerüst gebildet ist, enthält. Unter dem Gesichtspunkt einer leichten Bildung eines weichen (oder flexiblen) porösen Materials ist die Kombination aus der D-Einheit und der T-Einheit besonders bevorzugt. Das Molverhältnis der D-Einheit relativ zu der tri- oder mehrfunktionellen Einheit (insbesondere der T-Einheit) beträgt ungefähr 1/10 bis 5/1, vorzugsweise ungefähr 1/5 bis 2/1 (z. B. ungefähr 1/3 bis 1/1) und mehr bevorzugt ungefähr 1/5 bis 1,5/1 (z. B. ungefähr 1/4 bis 1,2/1) bezogen auf Erstere/Letztere. Ein übermäßig hoher Anteil der D-Einheit kann die Bildung der Netzwerkstruktur schwierig machen. Ein übermäßig niedriger Anteil der D-Einheit kann eine geringe Festigkeit des porösen Materials ergeben.
Ein poröses Material (Siliconschwamm), das aus dem Harz mit dem Polyorganosiloxangerüst gebildet ist, kann durch eine Sol-Gel-Reaktion, die mit einem herkömmlichen Phasentrennungsschritt einhergeht, hergestellt werden. Ein Siliconschwamm, der wenigstens die D-Einheit und die tri- oder mehrfunktionelle Einheit enthält (insbesondere ein Siliconschwamm, der die D-Einheit und die T-Einheit enthält) kann durch eine zweistufige Säure-Base-Reaktion unter Verwendung eines sauren Katalysators (z. B. Essigsäure) und eines basischen Katalysators (z. H. Harnstoff) als Polykondensationssteuerungsmittel in Gegenwart eines oberflächenaktiven Stoffs (z. B. eines kationischen oberflächenaktiven Stoffs wie Hexadecyltrimethylammoniumchlorid) als ein Phasentrennungssteuerungsmittel hergestellt werden. Speziell können als ein Verfahren zum Herstellen eines Siliconschwamms z. B. Herstellungsverfahren, wie sie in den japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschriften Nr. 2014-61457 und 2015-48417 beschrieben sind, verwendet werden.
Das poröse Material enthält die Harzkomponente (das ölabweisende hydrophile Harz oder das wasserabweisende lipophile Harz). Der Anteil der Harzkomponente in dem porösen Material beträgt nicht weniger als 50 Gew.-%, vorzugsweise nicht weniger als 80 Gew.-% und mehr bevorzugt nicht weniger als 90 Gew.-%. Das poröse Material kann die Harzkomponente allein enthalten.
[Latentwärmespeichermaterial]
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das Wärmetransportmedium außerdem ein Latentwärmespeichermaterial. Das Latentwärmespeichermaterial kann eine beliebige Substanz mit einem Schmelzpunkt innerhalb eines Betriebstemperaturbereichs und einer Affinität für das poröse Material sein, welche mit dem Fluid unverträglich ist, und ist nicht auf bestimmte Substanzen beschränkt. Das Latentwärmespeichermaterial kann entsprechend den Arten des porösen Materials und des Fluids ausgewählt werden.
In einem Fall, wo das poröse Material aus dem ölabweisenden hydrophilen Harz gebildet ist, kann das Latentwärmespeichermaterial z. B. Wasser, einen niederen Alkohol (z. B. einen C_1-4-Alkohol wie Methanol, Ethanol oder Isopropanol), einen mehrwertigen Alkohol (z. B. ein C_2-3-Alkandiol wie Ethylenglycol oder Propylenglycol, und ein Polyoxy-C_2-3-alkylenglycol wie Diethylenglycol), ein Keton (wie Aceton), einen cyclischen Ether (wie Dioxan oder Tetrahydrofuran) und ein Amid (wie Dimethylacetamid) einschließen. Diese Latentwärmespeichermaterialien können allein oder in Kombination verwendet werden. Außerdem können diese Latentwärmespeichermaterialien (insbesondere Wasser) ein anorganisches Salz oder ein Hydrat davon (z. B. ein Metallchlorid wie Natriumchlorid, Magnesiumchlorid oder Calciumchlorid; ein Carbonat wie Natriumcarbonat; ein Metallhydroxid wie Natriumhydroxid oder Lithiumhydroxid; ein Metallsulfat wie Natriumsulfat; ein Metallhydrogenphosphat wie Natriumhydrogenphosphat; ein Metallnitrat wie Calciumnitrat, Zinknitrat oder Nickelnitrat; ein Metallthiosulfat wie Natriumthiosulfat; ein Metallacetat wie Natriumacetat; und ein Hydrat des anorganischen Salzes wie Ammoniumalaun) enthalten. Diese anorganischen Salze oder Hydrate davon können in Kombination verwendet werden, um den Schmelzpunkt des Latentwärmespeichermaterials einzustellen. In der vorliegenden Erfindung kann das Latentwärmespeichermaterial mit einem gewünschten Schmelzpunkt entsprechend dem Betriebstemperaturbereich ausgewählt werden. Diese Latentwärmespeichermaterialien können einen Schmelzpunkt von z. B. ungefähr –50 bis 150°C, vorzugsweise ungefähr –30 bis 100°C und mehr bevorzugt ungefähr –20 bis 98°C aufweisen. Unter diesen Latentwärmespeichermaterialien ist ein Latentwärmespeichermaterial, das Wasser enthält, unter dem Gesichtspunkt der Leichtigkeit der Handhabung und anderer Merkmale bevorzugt.
Andererseits kann in einem Fall, wo das poröse Material aus dem wasserabweisenden lipophilen Harz gebildet ist, das Latentwärmespeichermaterial z. B. einen aliphatischen Kohlenwasserstoff (z. B. einen gesättigten oder ungesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoff mit 10 bis 60 Kohlenstoffatomen wie Decan, Dodecan, Tetradecan, Octadecan, Heptamethylnonan oder Tetramethylpentadecan; n-Paraffin; Isoparaffin; und ein Wachs), ein Fett und Öl (wie ein natürliches Öl oder ein Mineralöl), eine Fettsäure (z. B. eine geradkettige oder verzweigte gesättigte C_8-24-Fettsäure wie Caprylsäure, Caprinsäure, Pelargonsäure, Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Margarinsäure, Stearinsäure, Arachinsäure oder Behensäure; und eine geradkettige oder verzweigte ungesättigte C_8-24-Fettsäure wie Myristoleinsäure, Palmitoleinsäure, Petroselinsäure, Ölsäure, Vaccensäure, Linolsäure, Linolensäure, Elaeostearinsäure, Gadoleinsäure, Arachidonsäure oder Erucasäure), ein Derivat der vorstehenden Fettsäure (z. B. einen Fettsäureester, ein Fettsäureamid und einen höheren Alkohol, die jeweils der Fettsäure entsprechen), einen alicyclischen Kohlenwasserstoff (z. B. ein C_3-10-Cycloalkan wie Cyclopentan, Cyclohexan oder Cycloheptan; und ein C_4-10-Cycloalken wie Cyclopenten oder Methylcyclopenten) und einen aromatischen Kohlenwasserstoff (wie Benzol, Toluol oder Xylol) einschließen. Diese Latentwärmespeichermaterialien können allein oder in Kombination verwendet werden. In der vorliegenden Erfindung kann das Latentwärmespeichermaterial mit einem gewünschten Schmelzpunkt entsprechend dem Betriebstemperaturbereich ausgewählt werden. Diese Latentwärmespeichermaterialien können einen Schmelzpunkt von z. B. ungefähr 0 bis 100°C, vorzugsweise ungefähr 0 bis 99°C und mehr bevorzugt ungefähr 2 bis 98°C (insbesondere ungefähr 3 bis 95°C) aufweisen. Insbesondere in einem Fall, wo das Wärmetransportmedium zum Kühlen eines Wärmeverbundnetzsystems oder die Ansaugluftkühlung einer Gasturbine verwendet wird und Wasser als das Fluid verwendet wird, weist das Latentwärmespeichermaterial vorzugsweise einen Schmelzpunkt höher als 0°C auf. Zum Beispiel kann das Latentwärmespeichermaterial einen Schmelzpunkt von ungefähr 1 bis 50°C, vorzugsweise ungefähr 2 bis 30°C und mehr bevorzugt ungefähr 3 bis 20°C (insbesondere ungefähr 4 bis 10°C) aufweisen. Unter diesen Materialien ist ein aliphatischer Kohlenwasserstoff wie ein C_12-16-Alkan, z. B. Tetradecan (n-Tetradecan) unter dem Gesichtspunkt einer hohen Lipophilie und Leichtigkeit der Auslegung auf eine gewünschte Temperatur entsprechend der Kettenlänge bevorzugt.
Der Anteil des Latentwärmespeichermaterials, bezogen auf 100 Gewichtsteile des porösen Materials, beträgt z. B. ungefähr 100 bis 5000 Gewichtsteile, vorzugsweise ungefähr 150 bis 4000 Gewichtsteile und mehr bevorzugt ungefähr 200 bis 3500 Gewichtsteile (insbesondere ungefähr 250 bis 3000 Gewichtsteile). Ein übermäßig niedriger Anteil des Latentwärmespeichermaterials kann zu einer niedrigen Wärmetransporteffizienz führen. Ein übermäßig hoher Anteil des Latentwärmespeichermaterials kann zu einer Aggregation des Latentwärmespeichermaterials in dem Fluid führen aufgrund einer Überschreitung der Menge, die das poröse Material unterbringen kann.
[Mischung für den Wärmetransport und Wärmetransportverfahren]
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält eine Mischung für den Wärmetransport das Wärmetransportmedium und ein Fluid. Speziell umfasst gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Wärmetransportverfahren das Zugeben des Wärmetransportmediums zu einem Fluid, welches in einem Betriebstemperaturbereich flüssig ist und mit dem Latentwärmespeichermaterial unverträglich ist, und das Umwälzen des Wärmetransportmediums durch eine Rohrleitung. Das Vereinigen (oder Mischen) des Wärmetransportmediums mit einem Fluid, welches sich in einem Betriebstemperaturbereich in einem flüssigen Zustand befindet, ermöglicht die Umwälzung des Wärmetransportmediums durch eine Rohrleitung (Rohr) und den Wärmetransport (Wärmeaustausch) unter Verwendung der fühlbaren Wärme des Fluids zusätzlich zu der Latentwärme des Latentwärmespeichermaterials.
Das Fluid kann ein beliebiges Fluid sein, welches in einem Betriebstemperaturbereich flüssig ist und ein flüssigkeitsabweisendes Verhalten gegenüber dem porösen Material und eine Unverträglichkeit mit dem Latentwärmespeichermaterial aufweist. Als das Fluid kann ein Lösungsmittel verwendet werden, welches als ein herkömmliches Heizmedium oder Kühlmedium verwendet wird.
In einem Fall, wo das poröse Material aus dem ölabweisenden hydrophilen Harz gebildet ist, kann ein hydrophobes Lösungsmittel als das Fluid verwendet werden. Das hydrophobe Lösungsmittel kann z. B. einen aliphatischen Kohlenwasserstoff (z. B. ein C_5-20-Alkan wie Pentan, Hexan, Octan, Decan oder Dodecan), ein aliphatisches Keton (wie Methylethylketon, Methylisobutylketon oder Cyclohexanon), einen alicyclischen Kohlenwasserstoff (z. B. ein C_3-10-Cycloalkan wie Cyclopentan, Cyclohexan oder Cycloheptan; und ein C_4-10-Cycloalken wie Cyclopenten oder Methylcyclopenten) und einen aromatischen Kohlenwasserstoff (wie Benzol, Toluol oder Xylol) einschließen. Diese hydrophoben Lösungsmittel können allein oder in Kombination verwendet werden. In der vorliegenden Erfindung kann ein Lösungsmittel mit einem Schmelzpunkt, der niedriger ist als ein Betriebstemperaturbereich, aus diesen Lösungsmitteln ausgewählt werden. Unter diesen Lösungsmitteln ist ein aliphatischer Kohlenwasserstoff wie Hexan unter dem Gesichtspunkt der Leichtigkeit der Handhabung bevorzugt.
In einem Fall, wo das poröse Material aus dem wasserabweisenden lipophilen Harz gebildet ist, kann ein hydrophiles Lösungsmittel als das Fluid verwendet werden. Das hydrophile Lösungsmittel kann z. B. Wasser, einen niederen Alkohol (z. B. einen C_1-4-Alkohol wie Methanol, Ethanol oder Isopropanol), einen mehrwertigen Alkohol (z. B. ein C_2-3-Alkandiol wie Ethylenglycol oder Propylenglycol, und ein Polyoxy-C_2-3-alkylenglycol wie Diethylenglycol), ein Keton (wie Aceton), einen cyclischen Ether (wie Dioxan oder Tetrahydrofuran), und ein Amid (wie Dimethylacetamid) einschließen. Diese hydrophilen Lösungsmittel können allein oder in Kombination verwendet werden. In der vorliegenden Erfindung kann ein Lösungsmittel mit einem Schmelzpunkt, der niedriger ist als ein Betriebstemperaturbereich, aus diesen Lösungsmitteln ausgewählt werden. Unter diesen Lösungsmitteln ist Wasser unter dem Gesichtspunkt der Leichtigkeit der Handhabung bevorzugt.
Der Anteil des Wärmetransportmediums, bezogen auf 100 Gewichtsteile des Fluids, beträgt z. B. ungefähr 1 bis 50 Gewichtsteile, vorzugsweise ungefähr 2 bis 45 Gewichtsteile (z. B. ungefähr 2 bis 40 Gewichtsteile) und mehr bevorzugt ungefähr 3 bis 40 Gewichtsteile (insbesondere ungefähr 5 bis 35 Gewichtsteile). Ein übermäßig niedriger Anteil des Wärmetransportmediums kann zu einer niedrigen Wärmeumwandlungseffizienz führen. Ein übermäßig hoher Anteil des Wärmetransportmediums kann zu einer erhöhten Beförderungsleistung führen.
Das Wärmetransportmedium kann verschiedene herkömmliche Additive zusätzlich zu dem porösen Material und dem Latentwärmespeichermaterial enthalten. Beispiele für die Additive können einen Korrosionshemmer, einen oberflächenaktiven Stoff, einen Stabilisator (wie etwa ein Antioxidationsmittel oder einen Ultraviolettabsorber), einen Füllstoff, ein Farbmittel, ein antistatisches Mittel, einen Flammverzögerer, ein Schmiermittel, ein Konservierungsmittel, einen Viskositätsveränderer, ein Verdickungsmittel, ein Verlaufsmittel und ein Antischaummittel einschließen. Das Additiv kann in der Trennwand des porösen Materials enthalten sein. Der Anteil des Additivs unterliegt keiner besonderen Beschränkung auf einen speziellen Anteil und beträgt ungefähr nicht mehr als 10 Gew.-% (z. B. ungefähr 0,1 bis 10 Gew.-%) in dem porösen Material.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Mischung für den Wärmetransport z. B. in einer Klimaanlage wie einer Kühl- und Heizapparatur, einer Bodenheizung, einer Kühlvorrichtung für Lebensmittel oder andere Produkte, einem Wärmeverbundnetzsystem und einer Ansaugluftkühlung von verschiedenen Verbrennungsmotoren verwendet. Das Wärmetransportverfahren umfasst das Umwälzen des Wärmetransportmediums durch eine Rohrleitung, um Wärme zu transportieren. Zum Beispiel kann für eine Kraft-Wärme-Kopplung das Wärmetransportverfahren das Umwälzen des Wärmetransportmediums durch eine Rohrleitung (Rohr) zu einem entfernten Ort umfassen, um Wärme zu transportieren.
BEISPIELE
Die folgenden Beispiele sollen diese Erfindung ausführlicher beschreiben und sollten keinesfalls so interpretiert werden, als würden sie den Umfang der Erfindung definieren. Die Bestimmungsmethoden von Charakteristika, die in den Beispielen und Vergleichsbeispielen bewertet werden, sind nachstehend gezeigt.
[Schwammhärte]
Ein poröses Material wurde zu einem 15 mm breiten, 15 mm tiefen und 10 mm dicken Block zugeschnitten. Die Schwammhärte des Blocks wurde durch ein Schwamm-Durometer (ASKER Typ E) (”WR-207E”, hergestellt von Nishitokyo Seimitsu Co., Ltd.) gemäß JIS K6253 gemessen.
[Scheinbare Dichte von porösem Material]
Gemäß JIS Z8807:2012 ”Method of measuring density and specific gravity of solid (Verfahren zum Messen der Dichte und relativen Dichte eines Festkörpers)” wurde die scheinbare Dichte und relative Dichte durch eine geometrische Messung unter Verwendung eines digitalen Tastzirkels bestimmt.
[Leervolumenanteil von porösem Material]
Gemäß dem volumetrischen Verfahren des JCI-Testplans (JCI-Testplan: JCI-SPO2-1) wurde der Leervolumenanteil gemessen, wobei nicht Wasser, sondern Tetradecan (0,7645 g/ml) als ein Lösungsmittel verwendet wurde.
[Mittlere Porengröße von Makroporen von porösem Material, mittlere Größe (Dicke) der Trennwand, und mittlere Größe der Partikel, welche die Trennwand bilden]
Ein poröses Material wurde einer Probenstufe zur Beobachtung unterworfen und Platin wurde auf dem porösen Material abgeschieden. Es wurde ein mit einem Elektronenmikroskop (”Miniscope3000”, hergestellt von Hitachi High-Technologies Corporation) erzeugtes Bild der resultierenden Probe erhalten. Die Porengröße von Makroporen und die Dicke des Gerüsts (der Trennwand) wurden an beliebigen 10 Punkten des Bildes gemessen und die Mittelwerte wurden bestimmt. Außerdem wurde die mittlere Größe der sphärischen Partikel, welche die Trennwand bilden, unter Verwendung einer Bildverarbeitungs- und Messsoftware (Win ROOF”, hergestellt von Tech-Jam Co., Ltd.) gemessen.
[Kontaktwinkel]
Auf einem Ein-Zentimeter-Würfel-förmigen porösen Material wurde ein 5 μl-Wassertröpfchen gebildet, wobei ein Kontaktwinkelmessgerät (”DropMaster700”, hergestellt von Kyowa Interface Science Co., Ltd.) verwendet wurde. Aus den resultierenden Bilddaten des Tröpfchens wurde ein Kontaktwinkel zwischen der Oberfläche des porösen Materials und dem Wassertröpfchen durch das herkömmliche 2θ-Verfahren berechnet. Der Kontaktwinkel von Wasser wurde aus dem Mittelwert der Daten von drei Messungen (N = 3) bestimmt.
Beispiel
(Synthesebeispiel von porösem Material)
Eine wässrige 5 mM-Essigsäurelösung wurde aus Ionenaustauschwasser und Essigsäure (hergestellt von Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) hergestellt. In ein Becherglas wurden 100 ml der wässrigen Essigsäurelösung, 4 g (0,10 mol) Hexadecyltrimethylammoniumchlorid (hergestellt von Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) und 30 g (0,06 mol) Harnstoff (hergestellt von Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) gegeben und die resultierende Mischung wurde mit einem Magnetrührer bei Raumtemperatur gerührt. Nach 15 Minuten wurden 28,8 g (0,22 mol) Trimethoxy(methyl)silan (hergestellt von Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) und 19,2 g (0,16 mol) Dimethyldimethoxysilan (hergestellt von Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) zu dem Becherglas zugegeben und die resultierende Mischung wurde 30 Minuten bei Raumtemperatur gerührt und anschließend 5 Minuten in einem auf 80°C erwärmten Ölbad gerührt. Danach wurde das Rühren beendet und die Reaktion schritt bei 80°C 10 Stunden lang fort, wobei ein weißes Schwammgel erhalten wurde. Das resultierende Gel wurde mit 400 ml Methanol (hergestellt von Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) dreimal und anschließend mit 400 ml 2-Propanol (hergestellt von Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) dreimal gewaschen. Das gewaschene Gel wurde 60 Stunden in einem Abzug an der Luft getrocknet und wurde anschließend 16 Stunden in einem Ofen bei 50°C getrocknet, um 27,47 g eines porösen Materials zu erhalten.
Die Schwammhärte des resultierenden porösen Materials wurde durch 5-Punkt-Messungen ermittelt; die Messwerte waren 1,5, 0,8, 1,9, 2,0 und 0,8 und der Mittelwert der fünf Werte war 1,4. Das poröse Material wies eine scheinbare Dichte von 0,172 g/cm³ und einen Leervolumenanteil von 83% auf. Die Makroporen hatten eine Porengröße im Bereich von 2 bis 100 μm und hatten eine mittlere Porengröße von 20 μm. Die Trennwand wies eine Dicke im Bereich von 3 bis 150 μm auf und wies eine mittlere Dicke von 10 μm auf. Außerdem wies das poröse Material einen Kontaktwinkel mit Wasser von 127° auf. Das poröse Material absorbierte schnell Tetradecan und wies keinen Kontaktwinkel mit Tetradecan auf.
1 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des erhaltenen porösen Materials. Wie aus 1 hervorgeht, hatte das poröse Material eine Struktur, in welcher im Wesentlichen echt sphärische Partikel mit einer mittleren Partikelgröße von ungefähr 6 μm zweidimensional oder dreidimensional kontinuierlich zusammengefügt waren.
(Bewertung als Wärmetransportmedium)
Das resultierende poröse Material wurde zu einer Ein-Zentimeter-Würfel-förmigen Form (7,52 g) zugeschnitten und 20 g Tetradecan wurde in das würfelförmige poröse Material absorbiert. Das poröse Material mit daran absorbiertem Tetradecan wurde in einem Becherglas mit 180 g Ionenaustauschwasser schwimmen gelassen und das Wasser und das poröse Material wurden mit ungefähr 300 U/min mit einem Magnetrührer gerührt. Anschließend wurden das Wasser und das Gel (poröse Material) mit daran absorbiertem Tetradecan, welches auf dem Wasser schwamm, 3 Stunden gerührt, während sie in einem Eisbad gekühlt wurden. Zu diesem Zeitpunkt war das in das Gel imprägnierte Tetradecan vollständig koaguliert. Danach wurde das Eisbad entfernt und das Wasser und das Gel wurden bei Raumtemperatur 3 Stunden lang gerührt. Zu diesem Zeitpunkt war das in das Gel imprägnierte Tetradecan vollständig geschmolzen. Dieser Zyklus wurde als ein Zyklus angesehen und insgesamt wurden vier Zyklen durchgeführt. Nachdem die vier Zyklen durchgeführt waren, wurde das Gel mit einer Metallschablone filtriert. Anschließend wurde durch Sichtprüfung der Wasserschicht festgestellt, dass die Wasserschicht keinen auf dem Wasser schwimmenden Ölgehalt aufwies. Das heißt, das Tetradecan blieb während der Zyklen in dem porösen Material.
Beispiel 2
Das in dem Synthesebeispiel von Beispiel 1 erhaltene poröse Material wurde zu einer würfelförmigen Form (0,83 g) zugeschnitten und 2,24 g Tetradecan wurde an dem porösen Blockmaterial absorbiert. Das resultierende poröse Material wurde in einer Petrischale mit 200 g Wasser schwimmen gelassen. Das poröse Blockmaterial mit daran absorbiertem Tetradecan wurde am Boden der Petrischale mit einem Finger gequetscht, bis das poröse Blockmaterial mit einem Finger nicht weiter gedrückt werden konnte. Während dieser Zeit haftete das Tetradecan an dem porösen Material, wenngleich das absorbierte Tetradecan aus dem porösen Material austrat, und wurde nicht freigesetzt oder von dem porösen Material in Wasser abgetrennt. Wenn der Finger anschließend weggenommen wurde, nahm das poröse Material unbeschädigt schnell wieder die ursprüngliche Form an. Das ausgetretene Tetradecan wurde ebenfalls schnell wieder in das poröse Material absorbiert und der ursprüngliche Zustand, in welchem das poröse Material mit daran absorbiertem Tetradecan auf Wasser gegebenen wurde, wurde wiederhergestellt.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Wärmetransportmedium für Wärmetransportanwendungen anwendbar, in welchen das Fluid, welches das Wärmetransportmedium enthält, durch eine Rohrleitung (Rohr) umgewälzt wird, z. B. eine Klimaanlage, wie etwa eine Kühl- und Heizvorrichtung, eine Bodenheizung, eine Kühlvorrichtung für Lebensmittel oder andere Produkte, ein Wärmeverbundnetzsystem und eine Ansaugluftkühlung von verschiedenen Verbrennungsmotoren. Insbesondere erzielt das Wärmetransportmedium einen Wärmetransport mit einer hohen Wärmeumwandlungseffizienz bei einer kleinen Beförderungsleistung und es wird effektiv für eine Fernheizung oder -kühlung oder eine Kraft-Wärme-Kopplung unter Verwendung von Abwärme (eine Wärmetransportvorrichtung, welche Hochtemperaturabwärme rückgewinnt und die Abwärme zu einem entfernten (oder entlegenen) Ort transportiert, wo die Wärme erforderlich ist) eingesetzt.

Claims

Wärmetransportmedium, welches mit einem Fluid transportiert werden soll, welches in einem Betriebstemperaturbereich flüssig ist, wobei das Wärmetransportmedium umfasst: ein poröses Material mit Poren und ein Latentwärmespeichermaterial, das in die Poren des porösen Materials eingedrungen ist, wobei das poröse Material ein flüssigkeitsabweisendes Verhalten gegenüber dem Fluid, eine Affinität für das Latentwärmespeichermaterial und eine Schwammhärte von nicht mehr als 50 aufweist, und das Latentwärmespeichermaterial mit dem Fluid unverträglich ist und einen Schmelzpunkt innerhalb des Betriebstemperaturbereichs aufweist.
Wärmetransportmedium gemäß Anspruch 1, wobei das poröse Material eine offenzellige Struktur aufweist.
Wärmetransportmedium gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das poröse Material einen Leervolumenanteil von nicht weniger als 50% aufweist.
Wärmetransportmedium gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das poröse Material eine scheinbare Dichte von 0,05 bis 0,5 g/cm³ aufweist.
Wärmetransportmedium gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das poröse Material Makroporen mit einer mittleren Porengröße von 0,5 bis 200 μm aufweist.
Wärmetransportmedium gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das poröse Material in einer partikulären Form mit einer mittleren Partikelgröße von 0,1 bis 50 mm vorliegt.
Wärmetransportmedium gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Anteil des Latentwärmespeichermaterials 100 bis 5000 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile des porösen Materials, beträgt.
Wärmetransportmedium gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das poröse Material ein wasserabweisendes lipophiles Harz enthält.
Wärmetransportmedium gemäß Anspruch 8, wobei das poröse Material einen Kontaktwinkel mit Wasser von nicht weniger als 90° aufweist und das poröse Material imstande ist, Tetradecan zu absorbieren und im Wesentlichen keinen Kontaktwinkel mit Tetradecan aufweist.
Wärmetransportmedium gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das poröse Material ein Polyorganosiloxangerüst aufweist.
Wärmetransportmedium gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Latentwärmespeichermaterial einen aliphatischen Kohlenwasserstoff umfasst.
Wärmetransportmedium gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das Fluid Wasser umfasst.
Mischung für Wärmetransport, umfassend: ein Wärmetransportmedium nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und ein Fluid, welches in einem Betriebstemperaturbereich flüssig ist und mit einem Latentwärmespeichermaterial unverträglich ist.
Mischung für Wärmetransport gemäß Anspruch 13, wobei ein Anteil des Wärmetransportmediums 1 bis 50 Gewichtsteile, bezogen auf 100 Gewichtsteile des Fluids, beträgt.
Wärmetransportverfahren, umfassend: das Zugeben eines Wärmetransportmediums nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zu einem Fluid, welches in einem Betriebstemperaturbereich flüssig ist und mit einem Latentwärmespeichermaterial unverträglich ist, und das Umwälzen des Wärmetransportmediums durch eine Rohrleitung.