JP2002088351A - 潜熱蓄熱材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、離水現象が生じることなく、また
過冷却も抑制されるとともに、潜熱蓄熱量が２００Ｊ／
ｇ近くもある硫酸ナトリウム・１０水和物系の潜熱蓄熱
材を提供することを目的とする。 【解決手段】 上記課題は、硫酸ナトリウム・１０水和
物、ホウ酸ナトリウム、及び吸水性樹脂を含む潜熱蓄熱
材、特に、吸水性樹脂として、グラフト重合型澱粉系樹
脂、あるいはポリアクリル酸塩系樹脂を用いて、吸水性
樹脂の量を硫酸ナトリウム・１０水和物１００重量部に
対して２．５〜１０重量部とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷房設備に使用さ
れる冷房システムにおける２５℃〜３５℃の温度領域に
おける潜熱蓄熱材であって、硫酸ナトリウム・１０水和
物を蓄冷媒体（主剤）とする潜熱蓄熱材に関する。さら
に詳しくは、硫酸ナトリウム・１０水和物にホウ酸ナト
リウム、吸水性樹脂が含まれている潜熱蓄熱材に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】冷暖房および夏場の電力のピークを緩和
すべく余剰電力の利用を目的として電力エネルギーの効
率的分散貯蔵法が、種々検討、開発されている。例え
ば、熱媒体となる物質の融解、凝固などの相変化に伴う
吸収熱を利用した潜熱蓄熱材の開発もそのひとつであ
る。蓄熱材とは、熱または冷熱を物質内に蓄積し必要時
に有効に熱の出入りを利用する材料である。特に、主に
物質の相変化に伴う発熱／吸熱反応を利用したものを潜
熱蓄熱材、さらに特に予め冷熱を蓄熱し必要時に放冷す
る場合を潜熱蓄冷材と呼ぶが、蓄熱材、蓄冷材の明確な
区別はない。潜熱蓄熱材のうち、無機塩、無機水和塩な
どの無機物系材料を蓄冷媒体としたものは、有機物系材
料に比べて熱伝導率が大きい、潜熱量が大きい、体積変
化が小さい、不燃性であるなどの利点があり、なかでも
硫酸ナトリウム・１０水和物は、さらに毒性がなく、低
反応性、入手容易、安価、適度な溶解度があり、共晶温
度が冷凍食品保存温度に近いという利点もある。従っ
て、硫酸ナトリウム・１０水和物を利用した蓄熱材は、
取り扱いが容易であり、住宅やビルの冷房システムなど
に好適に使用することができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】

【従来の技術】アルカリ金属塩化物の水溶液から析出す
る共晶は、一般に低共融点を有する。例えば、硫酸ナト
リウムと水との共晶のそれは、３２℃である。したがっ
て、アルカリ金属塩化物の水溶液は、かかる低共融点を
有する共晶を析出する故に蓄冷材として頗る有用であ
る。アルカリ金属塩化物に限らず、無機塩の水溶液自体
を蓄冷材として使用することは、それを収納する容器が
破損した場合に該水溶液が流出して周囲を汚染する問
題、吸熱と放熱との繰り返しの間に無機塩が部分的に析
出する問題などがある。析出した無機塩は、収納容器の
底に沈殿して該水溶液の上部と下部とでは無機塩の濃度
差が生じ易くなって蓄冷温度の制御が困難となる。かか
る問題を回避するために、吸水性樹脂を添加して無機塩
水溶液をゲル化し、かくして得られたゲル化物を蓄熱材
として使用している。

【０００４】無機塩水溶液の吸水性樹脂によるゲル化の
機構は、吸水性樹脂が多数の編み目を形成し、個々の網
目内に無機塩水溶液が閉じ込められるためと考えられて
いる。ゲル化物は流動性に乏しいので、たとえ収納容器
が破損してもゲル化物が流出しにくいので周囲を汚染す
る問題は少ない。またゲル化物中にあっては、個々の網
目内で無機塩が析出しても析出した無機塩は、それぞれ
の網目内に留まるので収納容器の底に沈殿することはな
く、しかして上記した水溶液の上部と下部とでの無機塩
の濃度差が生じる問題はなくなる。

【０００５】ところが、硫酸ナトリウム・１０水和物に
吸水性樹脂に添加してゲル化した蓄熱材は、ゲル化した
当初は均一にゲル化して問題はないが、吸熱、放熱を繰
り返すと、次第にゲル化した硫酸ナトリウム・１０水和
物から、水溶液が滲み出す、いわゆる離水現象が生じる
問題があった。 この現象を防ぐためには、吸水性樹脂
を大量使用する必要があるが、吸水性樹脂の大量使用は
該水溶液の量を相対的に減少せしめることになって、蓄
熱能の低減につながる問題があった。

【０００６】本発明の目的は、上記離水現象が生じるこ
とない、過冷却現象が抑制された潜熱蓄熱量が２００Ｊ
／ｇ以上の硫酸ナトリウム・１０水和物系の潜熱蓄熱材
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような状況下、本発
明者らが種々検討した結果、硫酸ナトリウム・１０水和
物に吸水性樹脂、特に、グラフト重合型澱粉系樹脂やポ
リアクリル酸塩系樹脂からなるからなる吸水性樹脂を用
いた場合には、ホウ酸ナトリウムを添加すると離水現象
が低減するとともに、過冷却現象が抑制され、加えて潜
熱蓄熱量が２００Ｊ／ｇ以上になるという新知見を見出
し、本発明を完成させた。すなわち、本発明は、（１）
硫酸ナトリウム・１０水和物、ホウ酸ナトリウム、及び
吸水性樹脂を含む潜熱蓄熱材、（２）硫酸ナトリウム水
溶液、ホウ酸ナトリウム、及び吸水性樹脂を含む潜熱蓄
熱材、（３）ホウ酸ナトリウムの量が、硫酸ナトリウム
・１０水和物１００重量部に対して０．１〜１０重量部
である（１）記載の潜熱蓄熱材、（４）ホウ酸ナトリウ
ムの量が、硫酸ナトリウム水溶液１００重量部に対して
０．１〜１０重量部である（２）記載の潜熱蓄熱材、
（５）吸水性樹脂が、グラフト重合型澱粉系樹脂、ポリ
アクリル酸塩系樹脂からなる群から選ばれた少なくとも
一種である（１） 、（２）に記載の潜熱蓄熱材、
（６）吸水性樹脂が、硫酸ナトリウム・１０水和物また
は硫酸ナトリウム水溶液１００重量部に対して２．５〜
１０重量部である（１）〜（５）のいずれかに記載の潜
熱蓄熱材に関する。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明で使用する蓄冷媒体は、硫
酸ナトリウム・１０水和物または硫酸ナトリウム水溶液
である。硫酸ナトリウム・１０水和塩を用いる場合は加
温して融解させ、硫酸ナトリウム水溶液の場合の濃度は
水溶液を形成する限り特に限定されない。なかでも３０
〜４０重量％が好ましく、より好ましくは３３〜３７重
量％である。硫酸ナトリウムが３０〜４０重量％である
と、凝固および融解時の温度差が小さくなり、蓄冷・放
冷温度が一定に近くなり、蓄熱材として望ましいものと
なる。硫酸ナトリウムの純度は特に限定されないが、通
常９９％以上が好ましく用いられる。

【０００９】本発明で使用されるホウ酸ナトリウムは、
ホウ砂（ホウ酸ナトリウム１０水和塩）、無水ホウ酸ナ
トリウム、ホウ酸ナトリウム２水和塩、ホウ酸ナトリウ
ム４水和塩、ホウ酸ナトリウム５水和塩などがあり、な
かでもホウ砂が好ましい。ホウ酸ナトリウムの使用量
は、硫酸ナトリウム・１０水和物１００重量部に対して
０．５〜１０重量部、好ましくは１〜５重量部である。
上記使用量が０．５重量部未満の場合、期待する過冷却
防止効果が得られず、一方１０重量部を超えると、潜熱
量が低下し、かつ溶液の残渣が認められ、均一性が損な
われる場合がある。

【００１０】吸水性樹脂としては、樹脂内部の高イオン
濃度に基づく浸透圧により吸水機能を示し且つ三次元の
分子構造を有する種々の化学種系のもの、例えば、グラ
フト重合型澱粉系樹脂、カルボキシメチル化型澱粉系樹
脂、グラフト重合型セルロース系樹脂、カルボキシメチ
ル化型セルロース系樹脂などの澱粉・セルロース系樹脂
類、ポリアクリル酸塩系樹脂、ポリアクリルアミド系樹
脂、ポリオキシエチレン系樹脂、イソプレンマレイン酸
系樹脂などの合成系樹脂類などが用いられる。吸水性樹
脂は、１種または２種以上で用いられる。上記の各種吸
水性樹脂のうち、グラフト重合型澱粉系樹脂やポリアク
リル酸塩系樹脂が耐離水性の点から特に好ましい。

【００１１】吸水性樹脂の使用量は、硫酸ナトリウム・
１０水和物または硫酸ナトリウム水溶液１００重量部に
対して２．５〜１０重量部、 好ましくは３〜５重量部
である。上記使用量が２．５重量部未満の場合、期待す
る離水現象が発生し、形状保持性が損なわれ、一方１０
重量部を超えると、潜熱量が低下し、かつ溶液中に吸水
性樹脂の不溶解残渣が発生し、均一性が損なわれる場合
がある。特に、本発明の蓄熱材の蓄熱能の観点から必要
なゲル化が達成し得る限り最小使用量とすることが好ま
しい。

【００１２】本発明では、必須成分の他に本発明の潜熱
蓄熱材に加えてもよい成分として、アタパルジャイ粘
土、ゼラチン、寒天、シリカゲルなどの増粘剤などが挙
げられる。

【００１３】また本発明の潜熱蓄熱材は、好ましくは４
０℃〜２０℃、さらに好ましくは３５℃〜２５℃の温度
範囲で相転移現象の生じるものが潜熱蓄熱量の点からよ
り効率的である。

【００１４】蓄熱材の製造法は特に限定されないが、例
えば、硫酸ナトリウム・１０水和塩を用いる場合は加温
して融解させ硫酸ナトリウム水溶液とする、あるいは、
容器に入れた純水またはイオン交換水に、硫酸ナトリウ
ムを徐々に攪拌しながら所定量まで投入し、十分混合し
硫酸ナトリウム水溶液した後、ホウ酸ナトリウムを徐々
に攪拌しながら所定量まで投入し、十分混合し、他の添
加剤もこれと同時またはこの後で添加し、攪拌・混合す
る方法、吸水性樹脂の上に硫酸ナトリウム、ホウ酸ナト
リウムなどを予め混合した水溶液を注ぎ込む方法などが
ある。なお、硫酸ナトリウム、ホウ酸ナトリウムおよび
他の添加剤の投入順序は任意であり、かつ溶解を促進す
るために５０℃程度まで加熱することも可能である。ま
た、硫酸ナトリウム、ホウ酸ナトリウム、吸水性樹脂を
混合した後、該混合物を純水またはイオン交換水に投入
してもよい。

【００１５】蓄熱材の形態も特に限定されないが、通常
は、上記した蓄熱材を耐蝕性のある金属や無機材料、お
よび／またはポリエチレンを初めとするプラスチックな
どの有機材料によって包装する形態となる。また形状と
しては、塊状、板状、シート状などが挙げられる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
る。ただし本発明は以下の実施例に限定されるものでは
ない。

【００１７】［実施例１］硫酸ナトリウム・１０水和物
を用い、それを６０℃に加熱融解して硫酸ナトリウム水
溶液とし、該水溶液１００ｇあたり３ｇのホウ砂（ホウ
酸ナトリウム１０水和塩）を添加し、さらに、該水溶液
１００ｇあたり３．０ｇの吸水性樹脂（ポリアクリル酸
塩系樹脂）を添加混合してゲル化物としての蓄熱材を得
た。この蓄熱材の３５℃〜２５℃における潜熱量を１サ
イクル目、２サイクル目の夫々について測定した。結
果、１サイクル目が２１７Ｊ／ｇ、２サイクル目が２１
４Ｊ／ｇとなり、また離水現象も生じなかった。

【００１８】［実施例２］実施例１の吸水性樹脂の量を
１ｇとした以外は実施例１と同様にして、この蓄熱材の
３５℃〜２５℃における潜熱量を１サイクル目、２サイ
クル目の夫々について測定した。結果、１サイクル目が
２０５Ｊ／ｇ、２サイクル目が１９８Ｊ／ｇとなり、ま
た離水現象も生じなかった。

【００１９】［実施例３］実施例１の吸水性樹脂の量を
５ｇとした以外は実施例１と同様にして、この蓄熱材の
３５℃〜２５℃における潜熱量を１サイクル目、２サイ
クル目の夫々について測定した。結果、１サイクル目が
２１２Ｊ／ｇ、２サイクル目が２１０Ｊ／ｇとなり、ま
た離水現象も生じなかった。

【００２０】［実施例４］実施例１のホウ砂（ホウ酸ナ
トリウム１０水和塩）の量を２ｇとした以外は実施例１
と同様にして、この蓄熱材の３５℃〜２５℃における潜
熱量を１サイクル目、２サイクル目の夫々について測定
した。結果、１サイクル目が１８９Ｊ／ｇ、２サイクル
目が１８９Ｊ／ｇとなり、また離水現象も生じなかっ
た。

【００２１】［実施例５］実施例１のホウ砂（ホウ酸ナ
トリウム１０水和塩）の量を５ｇとした以外は実施例１
と同様にして、この蓄熱材の３５℃〜２５℃における潜
熱量を１サイクル目、２サイクル目の夫々について測定
した。結果、１サイクル目が２１２Ｊ／ｇ、２サイクル
目が２１３Ｊ／ｇとなり、また離水現象も生じなかっ
た。

【００２２】［比較例１］実施例１のホウ砂（ホウ酸ナ
トリウム１０水和塩）に代えて炭酸ナトリウムとした以
外は実施例１と同様にして、この蓄熱材の３５℃〜２５
℃における潜熱量を１サイクル目、２サイクル目の夫々
について測定した。結果、１サイクル目が１３０Ｊ／
ｇ、２サイクル目が１２６Ｊ／ｇとなった。また離水現
象も観察された。

【００２３】［比較例２］実施例１の硫酸ナトリウム・
１０水和物に代えて硝酸カリウム水溶液とした以外は実
施例１と同様にして、この蓄熱材の３５℃〜２５℃にお
ける潜熱量を１サイクル目、２サイクル目の夫々につい
て測定した。結果、１サイクル目が１１２Ｊ／ｇ、２サ
イクル目が１１６Ｊ／ｇとなった。離水現象は生じなか
った。

【００２４】以上の実施例および比較例の結果から、本
発明の潜熱蓄熱材は、離水現象が生じることなく、また
過冷却も抑制されるとともに、潜熱蓄熱量が２００Ｊ／
ｇ近くもある硫酸ナトリウム・10水和物系の潜熱蓄熱材
とすることができる。よって、蓄熱温度が低くかつ融解
潜熱が大きいので蓄熱能力が大きく、しかも非流動性で
あるのでそれを収納する容器の破損があっても流出並び
にそれによる周囲環境を汚染する問題がない。したがっ
て本発明は、暖房設備に使用される暖房システム（例え
ば床暖房等）における２５℃〜３５℃の温度領域におけ
る潜熱蓄熱材の蓄熱材として好適である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ０８Ｌ 101/12 Ｃ０８Ｌ 101/12

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】硫酸ナトリウム・１０水和物、ホウ酸ナト
   リウム、及び吸水性樹脂を含む潜熱蓄熱材。
2. 【請求項２】硫酸ナトリウム水溶液、ホウ酸ナトリウ
   ム、及び吸水性樹脂を含む潜熱蓄熱材。
3. 【請求項３】ホウ酸ナトリウムの量が、硫酸ナトリウム
   ・１０水和物１００重量部に対して０．１〜１０重量部
   である請求項１記載の潜熱蓄熱材。
4. 【請求項４】ホウ酸ナトリウムの量が、硫酸ナトリウム
   水溶液１００重量部に対して０．１〜１０重量部である
   請求項２記載の潜熱蓄熱材。
5. 【請求項５】 吸水性樹脂が、グラフト重合型澱粉系樹
   脂、ポリアクリル酸塩系樹脂からなる群から選ばれた少
   なくとも一種である請求項１ 、または請求項２に記載
   の潜熱蓄熱材。
6. 【請求項６】 吸水性樹脂が、硫酸ナトリウム・１０水
   和物または硫酸ナトリウム水溶液１００重量部に対して
   ２．５〜１０重量部である請求項１〜請求項５のいずれ
   かに記載の潜熱蓄熱材。