JP2002241749A - 蓄熱方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】蓄熱材粒子が分散されて成る蓄熱材分散液が高
温状態で用いられた場合、更に開放系で高温に曝されて
も濃度変化が少なく安定な熱特性を供給し続けることが
可能な潜熱蓄熱方法を提供する。 【解決手段】蓄熱材分散液の上層界面を、水分を透過し
にくい隔壁層で被覆する。隔壁層としては直径１ｍｍ〜
１５０ｍｍ以下の複数の中空ボールを分散液界面に敷き
詰めることが好ましく、中空ボールの中には蓄熱材を封
入することも可能である。蓄熱材分散液としては水中油
滴型のエマルジョンや蓄熱材を内包したマイクロカプセ
ルが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は蓄熱材分散液を用い
た蓄熱方法に関するものであり、更に詳しくは、本発明
の蓄熱材を用いた蓄熱方法は水を用いた同容量の蓄熱槽
と比較して２倍以上の蓄熱能力を有し、深夜電力や自然
界の未利用エネルギーを有効に利用した低温から高温に
至る広い温度域で高密度の蓄熱が可能となる。

【０００２】

【従来の技術】従来より深夜電力や海水、河川水、地熱
などの自然界における未利用エネルギーを有効利用した
蓄熱方法として水蓄熱システムがある。水蓄熱システム
は蓄熱材である水自身が安価であること、建屋の構造上
必要となる二重スラブを利用できるという経済的な面、
及び蓄熱材としての水の安定性、取り扱い易さなどから
空調用として最も普及したシステムである。更に水は比
熱が高いことと、そのまま熱搬送流体として使用できる
ことも普及の大きな理由として挙げられる。

【０００３】従来の蓄熱方法で利用される蓄熱材として
水が一般的であるが、潜熱蓄熱材を微小滴状に分散した
エマルジョン、又はマイクロカプセル等の蓄熱材分散液
を蓄熱材として利用する蓄熱法が知られている。これら
水分散系の蓄熱材は見掛け状蓄熱材の相変化に拘わらず
常に液体として取り扱うことができるため潜熱を流体と
して搬送できる点や、微小滴状であるため蓄熱材と水と
の接触表面積が非常に大きくなるため従来より知られて
いるｃｍオーダーの不動型蓄熱球体を用いた蓄熱方法に
比べ極めて高い伝熱性能が得られるという利点が得られ
る。

【０００４】これら水や蓄熱材分散液を用いた蓄熱方法
で蓄熱温度が冷房用の比較的低温で用いられる場合には
長期間の使用においても蓄熱材の組成に変化は少ない
が、水や分散液を暖房用の熱媒体として約３０℃以上の
高温で用いる場合がある。このような場合、通常の水蓄
熱であれば蒸発があっても適宜水を補給すれば何ら問題
は生じない。

【０００５】しかし、蓄熱材分散液の場合、温度が高く
なり蒸発量が著しく多くなったり、あるいは補給する水
の量を誤ったり、更に水補給を長期間怠った際には問題
が生じる。即ち水の蒸発量を正確に把握しないと蓄熱材
の濃度に変化が生じ冷暖房能力の変化や、液粘度が上昇
するため熱交換時の伝熱特性に変化が生じる。これらの
弊害は開放形の蓄熱槽の場合に顕著であるが、何ら蒸発
に対する対策を取らなければ蓄熱材の固形物のみが蓄熱
槽内部に貼り付いてしまい最悪蓄熱槽の機能は全く果た
さなくなる状態に陥る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は蓄熱材
として蓄熱材粒子が分散されて成る蓄熱材分散液が高温
状態で用いられた場合、更に蒸発した水が環流されるこ
とのない開放系で高温に曝されても濃度変化が少なく安
定な熱特性を供給し続けることが可能な蓄熱方法を提供
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題は、蓄熱材分散
液の上層界面を、実質的に水分を透過しない材料で被覆
して水分の隔壁層を形成することにより達成される。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の蓄熱方法につい
て詳細に説明する。本発明の蓄熱材分散液とは、実質的
に水に不溶性で常温で液体または個体の蓄熱材を水中に
微小滴状に分散させた乳化液、または分散液を意味する
が、蓄熱材の周囲を水及び蓄熱材に不溶性の樹脂皮膜で
覆ったマイクロカプセル分散液が好ましい。マイクロカ
プセル化処理を施していない分散液でも本発明の効果は
有効であるが、長時間の蓄熱と放熱を繰り返すうちに粒
子同士が凝集してきて水と蓄熱材が完全に分離してしま
うことがある。

【０００９】本発明で用いられる蓄熱材分散液、とりわ
け空調用蓄熱材として蓄熱槽に充填されて使用される分
散液は通常水分散系で用いられることが多いので、本発
明における隔壁層は水の蒸発を抑えることが可能で分散
液界面に浮遊して物理的、化学的に安定な材料であれば
使用可能である。具体的には合成樹脂、金属等の素材で
シート状のもの、あるいは塊状のものを複数個浮遊させて
隔壁層を形成させても良い。またシリコーンオイル等の
比重が蓄熱材分散液よりも小さい不燃性の高沸点液体で
表面を覆うことも可能であるが、本発明の如き限られた
容積の蓄熱槽内で簡便に水分の蒸発を防ぐことが可能な
材料としては中空の球体を界面付近に敷き詰めることが
効果的であることが見出された。

【００１０】球体の直径は１〜１５０ｍｍ、好ましくは
１〜５０ｍｍであることが好ましく、この中空ボールを
分散液界面が目視できなくなる程度まで充填することに
より水分の蒸発が著しく抑制されることが見出され、そ
の上部から水や蓄熱材分散液が流入しても蓄熱材分散液
との均一混合に対し何ら支障を及ぼすものでなかった。
この直径以下であると液界面に安定に浮きにくくなり、
またこの直径より大きいと空隙が大きくなり蒸発抑制効
果に劣る結果となり好ましくない。

【００１１】中空ボールの中に比重が蓄熱材分散液より
も小さい蓄熱材、即ち蓄熱材分散液に浮く性質の蓄熱材
を充填した球体を浮かべてもその蒸発防止機能は全く損
なわれることはなく、蓄熱量の増大や異なった温度域の
複数の潜熱蓄熱も可能となるものであり、より好ましい
態様である。中空ボールの中に充填される蓄熱材は、蓄
熱材分散液中の蓄熱材と同一のものでも良いし、全く異
なる融点の蓄熱材を入れても構わない。中空ボール中へ
の蓄熱材の充填方法は中空ボールに小孔をあけ、シリン
ジ状のノズルで封入する等の手法が用いられる。

【００１２】蓄熱材分散液の製法は界面活性剤を溶解し
た水溶液中に液状の蓄熱材を添加して機械的なシェアを
加えて所望の粒子径まで乳化、分散が施される。本発明
の蓄熱材粒子の平均粒子系は０．５〜３０μｍ、好まし
くは１〜２０μｍに設定することが好ましい。蓄熱材の
粒子径の制御は、分散剤の種類と濃度、分散工程時の温
度と時間、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運転条件（攪拌回転
数、時間等）等の因子で調節される。

【００１３】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。

【００１４】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、本発明の如き比較的高融点の蓄熱材を内包する
マイクロカプセルの場合にはインサイチュー法によるメ
ラミンホルマリン樹脂が特に好ましい。

【００１５】蓄熱材分散液の具体的な固形分濃度として
１０〜６０％(w/w)の範囲が適当であり、好ましくは３
０〜５０％(w/w)の範囲に設定される。本発明で使用さ
れる分散剤は水溶性、油溶性何れでも使用可能であるが
好ましくは水溶性のアニオン性を示す界面活性剤、及び
保護コロイド分散剤が使用され、具体的には次の分散剤
が挙げられる。

【００１６】脂肪酸石鹸、金属石鹸、アルキル硫酸エス
テル塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸エス
テル塩、アルキルベンゼンスルフォン酸塩、ジアルキル
スルフォコハク酸塩、ポリ（メタ）アクリル酸、スチレ
ン無水マレイン酸共重合体加水分解物、α−アルキルス
チレン無水マレイン酸共重合体加水分解物、メチルビニ
ルエーテル無水マレイン酸共重合体加水分解物、ビニル
トルエン無水マレイン酸共重合体加水分解物、スチレン
ベンジルメタクリレート無水マレイン酸共重合体加水分
解物、エチレン無水マレイン酸共重合体加水分解物、イ
ソブチレン無水マレイン酸共重合体加水分解物、酢酸ビ
ニル無水マレイン酸共重合体加水分解物、酢酸ビニルク
ロトン酸共重合体、（メタ）アクリル酸（メタ）アクリ
ル酸エステル共重合体、スチレン（メタ）アクリル酸
（メタ）アクリル酸エステル共重合体、ポリスチレンス
ルフォン酸、カルボキシメチルセルロース、アルギン
酸、ポリビニルアルコール、カルボキシ変性ポリビニル
アルコール、スルフォン化変性ポリビニルアルコール、
及びポリビニルリン酸等、及びそのアルカリ金属または
アンモニウム塩が挙げられる。

【００１７】本発明で用いられる蓄熱材としては、脂肪
族炭化水素化合物（パラフィン類化合物）や、ラウリン
酸、ステアリン酸等の高級脂肪酸類、ラウリルアルコー
ル、ステアリ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、ステアリン酸メ
チル、ステアリン酸ステアリル、フタル酸ジステアリル
等のエステル化合物、及び無機塩類などの融解熱量が約
８０ｋＪ／ｋｇ以上の化合物が使用可能であるが、融解
時と凝固時の密度差が比較的大きい脂肪族炭化水素化合
物は蓄熱容量も大きいため好ましい蓄熱材として挙げら
れる。更に本発明において好ましいマイクロカプセル化
法であるインサイチュー法のメラミンホルマリン樹脂、
尿素ホルマリン樹脂と組み合わせることにより緻密性の
高い高強度のマイクロカプセルが得られるため好ましい
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、劣化防止剤等を添加す
ることができる。

【００１８】かくして得られた蓄熱材分散液は蓄熱槽に
充填されるが、分散液のｐＨがあまりに酸性またはアル
カリ性であると蓄熱槽や金属配管の腐食が生じたり、人
体に付着した場合など安全性に問題があるためｐＨは４
〜１１の範囲、好ましくは６〜１０の範囲に設定され
る。本発明の蓄熱材分散液には、必要に応じ水処理剤、
ｐＨ緩衝剤、粘度調整剤、防腐剤等が蓄熱材分散剤に悪
影響がない範囲で添加される。

【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、融点及び耐熱性の評価は
示差走査熱量計（ＤＳＣ）及び熱重量分析装置（ＴＧ
Ａ）を用い、いずれも米国パーキンエルマー社製、ＤＳ
Ｃ−７型を用いて測定した値を示す。

【００２０】実施例１ メラミン粉末７部に３７％ホルムアルデヒド水溶液１
３．５部と水３０部を加え、ｐＨを８に調整した後、約
７０℃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-テトラデカン３０部とn-ペンタ
デカン５０部の混合液（融点７℃、融解熱量１５５ｋＪ
／ｋｇ）を激しく撹拌しながら添加し平均粒子径が５．
０μｍ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、固形分濃度４０％、
ｐＨを９に調製して融解熱量５４ｋＪ／ｋｇの温度成層
型蓄熱材マイクロカプセル分散液を得た。

【００２１】この蓄熱材マイクロカプセル分散液１０ｋ
ｇを１５リットル容量のステンレスタンク容器に入れ、
直径１０ｍｍのポリエチレン製中空ボールを蓄熱材分散
液の液界面が見えなくなるまで充填した。この容器を６
０℃雰囲気下で保存したところ中空ボールを使用しない
場合に比べて水分の蒸発による減少率は極めて小さかっ
た。

【００２２】実施例２ ｐＨを７．０、温度を６０℃に調整した５％濃度のポリ
スチレンスルフォン酸ナトリウム水溶液中１００部中
に、蓄熱材として融点４７℃のパラフィンワックス６０
部を添加し平均粒径が１．０μｍになるまで乳化を行な
い、濃度４０％、融解熱量５９ｋＪ／ｋｇの蓄熱材分散
液を得た。この分散液１０ｋｇを１５リットル容量のス
テンレス容器にいれ、実施例１と同様の中空ボールの中
にn-ペンタデカンを注射器で封入した蓄熱材ボールを蓄
熱材分散液の液界面が見えなくなるまで充填した。この
蓄熱材分散液は、４７℃付近の暖房用温熱のみならず、
冷房領域の冷熱も蓄熱し得ることが確認できた。

【００２３】

【発明の効果】実施例からも明らかなように、本発明の
蓄熱方法を用いることにより如何なる温度条件下で用い
られても水分の蒸発が効果的に抑制されるために、蓄熱
性能が常に安定した状態で発揮しうる冷暖房両方に使用
可能な蓄熱材分散液と成り得る。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蓄熱材分散液の上層界面を、実質的に水
   分を透過しない材料で被覆した蓄熱材分散液を用いた蓄
   熱方法。
2. 【請求項２】 実質的に水分を透過しない材料が、直径
   １ｍｍ〜１５０ｍｍの中空ボールである請求項１記載の
   蓄熱方法。
3. 【請求項３】 中空ボール内に融解時の比重が、蓄熱材
   分散液よりも小さい蓄熱材を封入した請求項２記載の蓄
   熱方法。
4. 【請求項４】 蓄熱材分散液が蓄熱材を内包したマイク
   ロカプセルである請求項１記載の蓄熱方法。