JP2001098259A - 固形蓄熱材及び蓄熱式空調方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】建造物内の壁内、床下、天井裏などの居住空間
でない遊休空間に配置可能な安定な固形蓄熱材と、それ
を用いた蓄熱式空調方法を提供することにある。 【解決手段】必須成分として、蓄熱材を内包するマイク
ロカプセルとセメント及び水の混合物を、最短径が１ｍ
ｍ以上、最長径が１ｍ以下の大きさに硬化、成型せしめ
た固形蓄熱材を建造物の遊休空間内に配して蓄熱し空調
用に利用する。蓄熱材は脂肪族炭化水素化合物、及びま
たはエステル化合物、及びまたはアルコール化合物等の
融点が０〜６０℃の範囲の化合物が好ましい。マイクロ
カプセルを形成する皮膜が、尿素ホルマリン樹脂、メラ
ミンホルマリン樹脂が好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は蓄熱材を内包するマ
イクロカプセルを固形化して得られる固形蓄熱材とそれ
を用いた蓄熱式空調方法に関するものである。本発明の
固形蓄熱材はビル、家屋等の冷暖房用の蓄熱材として用
いられる。本発明による固形蓄熱材をビル、家屋などの
床下、壁内、天井内、パーティッション内部などの遊休
空間に配し、夜間の内に安価な深夜電力を利用して、冷
風または温風と直接熱交換して蓄熱しておき、昼間に冷
暖房用の熱源として利用する蓄熱式空調システムが可能
となる。

【０００２】

【従来の技術】建物の空調に利用される冷熱や温熱を夜
間に熱源機で作り、蓄熱槽に一時蓄えてから昼間に利用
する蓄熱式空調システムが昨今注目されている。このシ
ステムは、本来昼間に消費される空調用の電力を夜間に
移行することができるので、電力負荷の平準化に非常に
有効である。

【０００３】一般に蓄熱式空調システムにおける蓄熱材
として水または氷が用いられる。水は他の化合物よりも
比熱が極めて高いために、加熱または冷却することによ
り多量の熱エネルギーを顕熱として蓄えることが可能で
ある。また、水は凝固する際に、約８０kcal/kgのエネ
ルギーを蓄熱することができるため、潜熱を利用した氷
蓄熱方式の普及がめざましい。この方法では、蓄熱時に
０℃以下に冷却されたブライン（不凍液）を用いて水を
冷却することにより氷として冷熱を蓄え、放熱時に氷を
融解して冷熱を取り出す。

【０００４】氷以外の潜熱蓄熱材としては、０℃以上の
温度で相変化する潜熱蓄熱物質の融解又は凝固潜熱を利
用し、その潜熱物質を樹脂製のカプセルやコンテナー内
に封入して冷水又はブラインを用いて冷却することによ
って冷房領域の冷熱を蓄熱することができる。これら０
℃以上の温度で相変化する化合物としては、無機系の共
晶塩や各種有機化合物が知られている。これら相変化を
伴う潜熱蓄熱材は、通常球状、板状のコンテナー内に密
閉されものが蓄熱槽容器内に多数充填され静止状態で使
用される。蓄熱槽容器と蓄熱材が密閉されたコンテナー
の間には水やブラインが充填される。

【０００５】また、水や氷などを用いずに、多量のコン
クリートを有するビル建物等の生活空間に接した床材や
天井スラブのコンクリートを暖めたり冷やしたりして蓄
熱材として利用する技術（躯体蓄熱）が提案されてお
り、特別な蓄熱材や蓄熱槽を必要とせず、大がかりな工
事も必要としない利点を有する蓄熱方法として注目され
ている。しかしコンクリート自体の比熱が水に比べ極め
て小さいため、昼間に必要な冷房または暖房エネルギー
の全てを賄うまでには至らず補助的な蓄熱手法として用
いられている。

【０００６】以上のように、潜熱や顕熱の蓄熱材として
は水や氷の他に建造物自体の躯体を利用した蓄熱方法が
種々提案されているが、いずれも蓄熱密度が低かった
り、蓄熱できる温度領域が限定されるなどの課題があ
り、それらを兼ね揃えた蓄熱材及び空調方法は従来実用
化されなかった。また、潜熱蓄熱材は液体と固体に相変
化する際に蓄熱または放熱する際の熱の出入りを利用す
るため、何らかの固定化処理を施さずそのままの状態で
直接建造物内に配することは不可能であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、建造
物内の壁内、床下、天井裏などの居住空間以外の遊休空
間に配置可能な安定な固形蓄熱材と、それを用いた蓄熱
式空調方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、蓄熱材を内包するマイクロカプセルをセメント及び
水と混合して硬化させ、長さ数ミリから数十センチまで
の大きさに加工した固形蓄熱材を上記建造物中の遊休空
間に配することにより達成されうる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の固形蓄熱材につ
いて詳細に説明する。本発明の固形蓄熱材は蓄熱材を内
包するマイクロカプセルを造粒、成型することにより得
られる。一般に蓄熱材をマイクロカプセル化する方法と
しては、複合エマルジョン法によるカプセル化法（特開
昭６２−１４５２号公報）、蓄熱材粒子の表面に熱可塑
性樹脂を噴霧する方法（同６２−４５６８０号公報）、
蓄熱材粒子の表面に液中で熱可塑性樹脂を形成する方法
（同６２−１４９３３４号公報）、蓄熱材粒子の表面で
モノマーを重合させ被覆する方法（同６２−２２５２４
１号公報）、界面重縮合反応によるポリアミド皮膜マイ
クロカプセルの製法（特開平２−２５８０５２号公報）
等の方法を用いることができる。

【００１０】マイクロカプセルの皮膜膜形成材として
は、界面重合法、インサイチュー法等の手法で得られ
る、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミ
ド、ポリアクリルアミド、エチルセルロース、ポリウレ
タン、アミノプラスト樹脂、またゼラチンとカルボキシ
メチルセルロース若しくはアラビアゴムとのコアセルベ
ーション法を利用した合成あるいは天然の樹脂が用いら
れるが、本発明の如き熱的に安定な皮膜を有するマイク
ロカプセルを得るためにはインサイチュー法による尿素
ホルマリン樹脂、メラミンホルマリン樹脂が好ましい。

【００１１】マイクロカプセルの粒子径の設定は、乳化
剤の種類、界面活性剤の濃度、乳化時の乳化液の温度、
乳化比（水相と油相の体積比率）、乳化機、分散機等と
称される微粒化装置の種類や運転条件（攪拌回転数、時
間等）を変更することにより所望の値に設定することが
でき、好ましくは１〜１００μｍの範囲に設定される。

【００１２】かくして得られたマイクロカプセルは通常
水分散系のスラリー状態で得られるため固形の蓄熱材と
して得るためには何らかの固形化及び成型手段が必要と
なる。固形化の手段としては適当な糊成分（バインダー
成分）を混合した後、水分を除去することにより固化、
成型する手法が簡便な手法として挙げられるが、水分を
除去するために多大な熱エネルギーが必要なことや、物
理的強度や経年劣化、及び耐火性等の点で建造物中に使
用される際には問題があった。本発明者は、これらの問
題点を解決するためにマイクロカプセルの固形化、及び
成型を行う際にマイクロカプセルとセメントを混合する
ことにより高強度かつ難燃性で耐久性に優れる固形蓄熱
材が容易に得られることを見出し本発明に至った。

【００１３】本発明で用いられるセメントとはカルシウ
ムシリケートを基材としたセメント鉱物のことであり、
その性状や用途からポルトランドセメント、混合セメン
ト、特殊セメントに大分類される。また、硬化速度の点
から、早強セメントや超速硬化セメント等に分類され
る。また、セメントと骨材を混合しコンクリートに成型
したものの密度や材質の面から、軽量コンクリート、気
泡コンクリート、レジン混合コンクリートなど様々な形
態のコンクリートがあるが何れのコンクリートでも本発
明の効果は発揮される。

【００１４】マイクロカプセルとセメントの混合法は、
マイクロカプセルとセメントが均一に混合され、セメン
トの良好な水和のために十分な水が含まれておればマイ
クロカプセル、セメント何れも粉体でもスラリーの形態
でも構わない。本発明の固形蓄熱材中に占めるマイクロ
カプセルの重量比率は２０〜９０％、好ましくは３０〜
７０％の範囲が好ましい。固形蓄熱材としては、マイク
ロカプセルの重量比率が高いほど蓄熱容量が高まるため
好ましく、この範囲以下であると蓄熱材としての効果が
不十分である。また、この範囲以上になると固形蓄熱材
としての強度が不十分となり、輸送時や取り扱い時に破
損が生じたり成型が困難となるため好ましくない。

【００１５】本発明の固形蓄熱材中にはセメントとマイ
クロカプセルの他に必要であれば、砂、砂利等の骨材
や、混和剤と称される減水剤、遅延剤や結着剤、抗菌
剤、光触媒化合物、吸水材、強度向上材などが適宜添加
され混練りされてコンクリートスラリーが得られる。コ
ンクリートの硬化は水、蒸気中または空気中で養生され
硬化が促進される。

【００１６】本発明で用いられる蓄熱材は生活環境温度
領域において快適と感じられる範囲の熱を供給し得る化
合物を選択する必要があり、具体的には約０〜６０℃に
融点を有する蓄熱材が使用でき、具体的には、テトラデ
カン、ヘキサデカン、オクタデカン、パラフィンワック
ス等の脂肪族炭化水素化合物（パラフィン類化合物）
や、オクタン酸、デカン酸等の脂肪酸類、ラウリルアル
コール、ミリスチルアルコール等の高級アルコール類、
ミリスチン酸メチル、パルミチン酸メチル、ステアリン
酸ステアリル、等のエステル化合物、及び無機塩類など
が使用可能である。とりわけ蓄熱材としてパラフィン類
化合物、高級アルコール類、エステル化合物はそれ自体
化学的、物理的に安定な化合物であり、且つ高い蓄熱容
量を有するため好ましい蓄熱材として挙げられる。これ
らの蓄熱材中には必要に応じ過冷却防止材、比重調節
材、劣化防止剤、着色剤等を添加することができる。

【００１７】本発明の固形蓄熱材が成型される形状は、
球状、楕円形、立方体、直方体、円柱状、円錐状、桿
状、正多面体、星形、筒型等如何なる形状でも良いがそ
れらが多数個充填された場合でも、その間隙を冷風また
は温風が通過しやすく、且つ熱交換し易いようになるべ
く固形蓄熱材の表面積を大きくすることと、風の流通を
妨げない事を両立させることが必要であり、そのために
は固形蓄熱材の最短径は約１ｍｍ以上、好ましくは１０
ｍｍ以上に、最長径は約１ｍ以下、好ましくは５００ｍ
ｍ以下に留めることが好ましい。固形蓄熱材には表面積
を増すために窪みや亀裂を入れることも効果的である。
上記成型は、コンクリートスラリーが硬化される前に成
型しても良いし、硬化が完了した後に切断、破砕操作を
行い所望の形状に加工することが可能である。

【００１８】本発明で得られた固形蓄熱材は、ビル、家
屋などの建造物の床下、天井内に充填し、夜間の内に冷
凍機や加熱装置を用いて蓄熱しておき、昼間に蓄熱した
冷熱又は温熱を取り出すことにより、電力使用の平準化
がなされるばかりでなく、安価な深夜電力も利用できる
ため非常に経済的であるばかりか、地球環境温暖化防止
にも少なからず役立つものである。また、壁内やオフィ
スの間仕切りとして用いられているパーティッション内
に固形蓄熱材を充填しておくことにより、建物外部に逃
げていく熱を効果的に蓄えることが可能となり、冷暖房
に必要な経費が更に抑えられるものである。

【００１９】

【実施例】以下に本発明の実施例を示す。実施例中の部
数は固形重量部を表す。また、融点及び融解熱量は示差
熱熱量計（米国パーキンエルマー社製、ＤＳＣ−７型）
を用いて測定した。

【００２０】実施例１ メラミン粉末６．２部に３７％ホルムアルデヒド水溶液
１２部と水４０部を加え、ｐＨを８に調整した後、約７
０℃まで加熱してメラミンホルムアルデヒド初期縮合物
水溶液を得た。ｐＨを４．５に調整した１０％スチレン
無水マレイン酸共重合体のナトリウム塩水溶液１００部
中に、蓄熱材としてn-オクタデカン６０部とn-ヘキサデ
カン２０部の混合液（融点約２２℃）を激しく撹拌しな
がら添加し平均粒子径が３．５μｍになるまで乳化を行
なった。この乳化液に上記メラミン−ホルムアルデヒド
初期縮合物水溶液全量を添加し７０℃で２時間撹拌を施
した後、ｐＨを９に調整して固形分濃度４５％の蓄熱材
のマイクロカプセル分散液を得た。

【００２１】このマイクロカプセル分散液１００部とポ
ルトランドセメント４０部、及び水３０部を良く混合し
５×１０×１０ｃｍの鋳型にセメントスラリーを流し込
み空気中で１０日間硬化させて直方体の固形蓄熱材を得
た。この蓄熱材の融解熱量を示差熱熱量計で測定したと
ころ、１８ｋｃａｌ／ｋｇであった。

【００２２】実施例２ 尿素８部を含む、ｐＨを３．０に調整した５％エチレン
無水マレイン酸共重合体水溶液１００部中にミリスチン
酸メチル（融点約１８℃）８０部を激しく攪拌しながら
添加し平均粒子径が８μｍになるまで乳化を行った。こ
の乳化液に３７％ホルムアルデヒド水溶液１６部と水を
添加し６０℃で２時間攪拌を施した後、ｐＨを９に調整
して固形分濃度４０％の蓄熱材マイクロカプセル分散液
を得た。

【００２３】このマイクロカプセル分散液１００部にア
ルミナセメント９０部と水５０部を混合し、良く混練り
した後５×１０×１０００ｃｍの鋳型の中に流し込み空
気中で１日硬化させた後、更に７日間水中で硬化させて
固形蓄熱材を得た。更にこの棒状蓄熱材を破砕機で最長
系約５ｃｍ以下に細かく破砕して不定形の固形蓄熱材を
得た。この蓄熱材の融解熱量を示差熱熱量計で測定した
ところ１１ｋｃａｌ／ｋｇであった。

【００２４】実施例３ メラミン粉末６．２部に３７％ホルムアルデヒド水溶液
１２部と水４０部を加え、ｐＨを８に調整した後、約７
０℃まで加熱してメラミンホルムアルデヒド初期縮合物
水溶液を得た。ｐＨを４．５、液温６０℃に調整した１
０％スチレン無水マレイン酸共重合体のナトリウム塩水
溶液１００部中に、蓄熱材として同じく６０℃に調整し
た、ステアリルアルコール８０部（融点約５４℃）を激
しく撹拌しながら添加し平均粒子径が３０μｍになるま
で乳化を行なった。この乳化液に上記メラミン−ホルム
アルデヒド初期縮合物水溶液全量を添加し７０℃で２時
間撹拌を施した後、ｐＨを９に調整して固形分濃度４５
％の蓄熱材のマイクロカプセル分散液を得た。

【００２５】このマイクロカプセル分散液を市販のスプ
レードライ装置で乾燥させ水分約２％の粉体を得た。こ
の粉体１００部に対し、ポルトランドセメント２５部と
水７０部を混合し、良く混練りした後直径約５ｃｍの球
状に加工し空気中で７日間硬化させて球状の固形蓄熱材
を得た。この蓄熱材の融解熱量を示差熱熱量計で測定し
たところ、２８ｋｃａｌ／ｋｇであった。

【００２６】実施例４ 実施例１で得られた固形蓄熱材を、一辺２ｍの厚み約１
０ｍｍの断熱板で作製した立方体空間の床面に約１０ｋ
ｇ敷き詰めた。次にこの箱の周囲の環境温度を０〜４０
℃間を１℃／分の速度で温度を昇降させた時、立方体空
間内の温度を測定したところほぼ２０±５℃の範囲で推
移した。

【００２７】比較例１ 実施例４において、固形蓄熱材を全く入れない系におい
て同様の実験を試みたが、箱内の温度は外気環境温度と
ほぼ同様の傾向で上下した。

【００２８】

【発明の効果】実施例からも明らかなように、本発明に
より得られる固形蓄熱材は建造物内の遊休空間に配置し
冷凍機や加熱機より発せられる冷風または温風と熱交換
して多量の熱量を蓄熱し得ることにより、外部環境の温
度変化が大きくとも室内の温度の平準化が成され、快適
な気温が長時間持続可能な室内環境が得られることが予
想される。また、従来の大がかりな蓄熱槽や熱搬送体と
なる水やブラインのメンテナンスなどは一切不要であ
る。本発明の蓄熱式空調法は、夜間の安価な深夜電力を
用いて多量の冷熱や温熱を蓄えることが可能であるので
経済的にも、省資源的にも非常に優れた空調方法と成り
うるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固形蓄熱材の一般的な使われ方を
示した概略図である。矢印は風の流れを示す。

【符号の説明】

１ 冷凍機 ２ 固形蓄熱材

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 必須成分として、蓄熱材を内包するマイ
   クロカプセルとセメント及び水の混合物を、最短径が１
   ｍｍ以上、最長径が１ｍ以下の大きさに硬化、成型せし
   めた固形蓄熱材。
2. 【請求項２】 蓄熱材が脂肪族炭化水素化合物、及びま
   たはエステル化合物、及びまたはアルコール化合物から
   成り、融点が０〜６０℃である請求項１記載の固形蓄熱
   材。
3. 【請求項３】 固形蓄熱材中に占める蓄熱材を内包する
   マイクロカプセルの固形重量比率が２０〜９０％である
   請求項１記載の固形蓄熱材。
4. 【請求項４】 マイクロカプセルを形成する皮膜が、尿
   素ホルマリン樹脂、メラミンホルマリン樹脂である請求
   項１記載の固形蓄熱材。
5. 【請求項５】 固形蓄熱材を建造物内に配して、固形蓄
   熱材に直接冷風または温風を接触させて冷熱または温熱
   を蓄える蓄熱式空調方法。