JP2005036097A

JP2005036097A - ポリマー潜熱蓄熱材及びこれを用いた蓄熱カプセル

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Publication number: JP2005036097A
Application number: JP2003273901A
Authority: JP
Inventors: Yoko Tsuchiya; 陽子土屋; Hiromi Hasegawa; 浩巳長谷川
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【課題】使用する温度域つまり融点（及び凝固点）を自由に選べ、かつ、基本的な性質が不変であり蓄熱システムの構成要素に変更を生じることなく適用可能なポリマー潜熱蓄熱材及びこれを用いた蓄熱カプセルを提供する。
【解決手段】ポリマーの重合反応過程において重合度を操作することによりその分子量を調節し、融点及び凝固点を使用される任意の蓄熱システムに適した温度に設定した当該ポリマーによってポリマー潜熱蓄熱材を構成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、ポリマー潜熱蓄熱材に関する。さらに詳述すると、本発明は冷房や給湯等の装置において利用される潜熱蓄熱材の新規な構造に関する。

既に実用化されている潜熱蓄熱材の代表例として冷房を目的に使用される水を挙げることができる。融点（及び凝固点）が約０℃である水は、その温度にて潜熱を冷熱として蓄熱することができる。

また、その他の温度域においては水ではなくその温度に見合う融点（凝固点）を有する蓄熱材が使用されている。具体例を挙げれば、例えば20℃ではカルシウム塩、50℃では硫酸塩、120℃ではエリスリトールといった具合に、目的とする温度域に応じその温度に融点（凝固点）を持つ物質が単発的にあてがわれている（非特許文献１参照）。

Fredrik Setterwall，"Annex10 - Phase Change Materials (PCM) and Chemical Reactions for Thermal Energy Storage (TES)"，8th International Conference on Thermal Energy Storage TERRASTOCK 2000 (Proceedings)，M.Benner and E.W.P.Hahne (University of Stuttgart)，2000，Volume 1，p.13〜16

しかしながら、融点及び凝固点は物質の固有値（物性）であり、物質と融点（及び凝固点）とがいわば一対一の関係となっていることから、使用目的とする温度を融点（及び凝固点）とする物質を必要に応じて探索・模索する必要があり、所望の蓄熱材を入手するまでに時間と手間を要している。

また、個々の物質はそれぞれに固有の化学的及び物理的性質を有するものであり、使用する蓄熱材に応じて蓄熱槽や配管材等、蓄熱システムの材質や構成を変更する必要がある。これらのため、使用目的に応じてシステムの構成を変えなければならない場合があり煩雑となっている。

そこで、本発明は使用する温度域、つまり融点（及び凝固点）を自由に選べ、かつ、基本的な性質が不変であり蓄熱システムの構成要素に変更を生じることなく適用可能なポリマー潜熱蓄熱材及びこれを用いた蓄熱カプセルを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明のポリマー潜熱蓄熱材は、ポリマーの重合反応過程において重合度を操作することによりその分子量を調節し、融点及び凝固点を使用される任意の蓄熱システムに適した温度に設定した当該ポリマーによって構成されていることを特徴とするものである。

炭化水素等が特定条件下で縮合重合や付加重合といった化学反応を行うことにより生成される例えば合成高分子等のポリマー（重合体）は、構成単位となるモノマー（単量体）の分子量と重合度とによってその分子量が定まる。この場合、分子量が例えば増加するに従って当該ポリマーの融解潜熱や融点（凝固点）が増加するといったように、一般にこの分子量自体はポリマーの融解潜熱等の物性に影響を与えている。本願発明者はかかる物性に着目し、繰り返し結合しているポリマーの重合度を操作することにより所望の融点（凝固点）を実現しうることを知見し、これを確認した。しかもポリマーは炭化水素等の重合体であり必要となる適当量の潜熱量を得やすく、またポリマー自体も得やすく、尚かつ基本的な性質が不変であることから潜熱蓄熱材として適当である。したがって、重合反応過程において重合度を操作し所望の融点（凝固点）を設定することにより種々の蓄熱システムに対し汎用性のある潜熱蓄熱材を創製することができる。

ここで用いられるポリマーは、請求項２に記載のように融解潜熱が大きく分子量の違いによる融点の変化が緩慢であることが好ましい。融解潜熱が大きければ蓄熱量も大きくなるため蓄熱材として好適なものとなる。また、分子量の違いによる融点変化が緩慢であれば所望の融点（及び凝固点）が得られるよう分子量調節が行いやすい。

以上のようなポリマーとしては例えば請求項３に記載のポリエチレングリコール（ＰＥＧ）が好ましい。ポリエチレングリコールはポリマーの中でも融解潜熱が大きい部類に入り、尚かつ分子量変化に伴う融点変化が比較的緩慢であるため所望の融点（及び凝固点）が得られやすい。

請求項４記載の発明の蓄熱カプセルは、潜熱蓄熱材として請求項１から３のいずれかに記載のポリマー潜熱蓄熱材を用いたものである。この場合、種々の蓄熱システムに応じて融点（及び凝固点）を自由に選んだ蓄熱カプセルを得ることができる。

しかして、請求項１記載のポリマー潜熱蓄熱材によると、ポリマーの分子量を調節することによって任意の融点及び凝固点を持つ潜熱蓄熱材を創製することが可能になる。しかもポリマーは炭化水素等の重合体であり必要となる適当量の潜熱量を得ることができ、尚かつ基本的な性質が不変である。したがって蓄熱システムの構成要素に変更を生じることなく種々のシステムに汎用性のある潜熱蓄熱材を得ることができる。この結果、これまでのように融点（凝固点)と一対一の関係となっている固有の物性の物質を所望温度に応じて一つひとつ探索・模索するようなやり方をせずとも、種々のニーズに柔軟に対応できる潜熱蓄熱材およびこれを利用した蓄熱システムを低廉に提供することが可能となる。

請求項２記載のポリマー蓄熱潜熱材によると、融解潜熱が大きいことから蓄熱量も大きくなるため蓄熱材として好適である。しかも、分子量の違いによる融点変化が緩慢であるため、所望の融点（及び凝固点）が得られるよう分子量調節が行いやすい。

請求項３記載のポリマー潜熱蓄熱材によると、ポリマーの中でも融解潜熱が大きい部類に入り、尚かつ分子量変化に伴う融点変化が比較的緩慢であるポリエチレングリコールをポリマーに用いているため所望の融点（及び凝固点）が得られるよう分子量調節が行いやすい。

さらに、潜熱蓄熱材としてポリマー潜熱蓄熱材を用いた請求項４記載の発明によると、種々の蓄熱システムに応じて融点（及び凝固点）を自由に選んだ蓄熱カプセルを得ることができる。

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１に本発明を適用した蓄熱カプセル１を示す。蓄熱カプセル１は、カプセル内に蓄熱材であるポリマー（以下「ポリマー潜熱蓄熱材」といい、符号２で示す）が封入されているもので、必要に応じ単数個あるいは複数個が蓄熱システム１２（図２参照）のブライン流路内に設置されて蓄熱システム１２における蓄熱材を形成している。

本実施形態のポリマー潜熱蓄熱材２は、ポリマーの重合反応過程において当該ポリマーの重合度を操作して分子量を調節し、分子量増減に伴い融点及び凝固点を任意の温度に設定したものである。この場合の任意の融点（及び凝固点）は使用される任意の蓄熱システム１２において所望される温度であり、例えば蓄熱システム１２が冷房システムである場合あるいは給湯システムである場合でそれぞれ適する温度が定められる。このポリマー潜熱蓄熱材２によれば、分子量が可変であることから所望される温度に応じて融点（及び凝固点）を自由に変えることが可能となる。

このポリマー潜熱蓄熱材２の融解潜熱は大きいほど好ましい。この場合、特に潜熱量の上限があるわけではないが、一つの目安を示すとすれば、水の潜熱が非常に大きいことから（335kJ/kg）この水の潜熱に近いほど望ましいといえる。

また、ポリマー潜熱蓄熱材２はその分子量の違いによる融点の変化が緩慢であることが好ましい。変化が緩慢であるほど、所望の融点（及び凝固点）が得られるように分子量調節をしやすくなる。例えば、温度変化に対して分別が可能な程度に分子量が分散していれば分離量を調節しやすくなる。

蓄熱カプセル１は潜熱蓄熱材としてこのポリマー潜熱蓄熱材２を封入しているもので（図１参照）、カプセル内の全てにポリマー潜熱蓄熱材２が充填されていても構わないが、封入されるポリマー潜熱蓄熱材２の性質に応じ、凍結時に体積膨張を示すような場合にはカプセル内に気相４を設けて膨張分を吸収できるようにしておくことが好ましい。こうした場合、気相４が膨張分を吸収する分だけカプセル（外殻）やポリマー潜熱蓄熱材２への負担が少なくなる。また、防腐剤や過冷却解除剤といった添加剤３についても同様にポリマー潜熱蓄熱材２の性質に応じて適宜添加しておくことが好ましい（図１参照）。

ポリマー潜熱蓄熱材２が封入された複数個の蓄熱カプセル１は、例えば図２に示すようなカプセル型蓄熱システム１２に適用される。この蓄熱システム１２は、これら蓄熱カプセル１が収容される蓄熱槽５、所定の温度域で熱を生成する冷凍機（あるいは加熱機）６、例えばブラインなどの熱媒体７、冷凍機６等を流れる冷媒８、熱媒体７と冷媒８との間の熱交換を行う熱交換器９、コンプレッサ１０、循環ポンプ１１などによって構成されている（図２参照）。

このようなカプセル型蓄熱システム１２においては、蓄熱時であれば、熱交換器９を介して冷却（あるいは加熱）された熱媒体７により、蓄熱槽５内に収容されている蓄熱カプセル１が冷却（あるいは加熱）される。つまり、冷凍機（あるいは加熱機）６で作り出された冷熱（あるいは温熱）はポリマー潜熱蓄熱材２の相転移を伴ってカプセル１内に蓄えられる。一方、放熱時にはポリマー潜熱蓄熱材２の相転移に伴う潜熱を利用することによって、冷熱（あるいは温熱）を取り出し、目的とする熱需要に対応することができる。

ポリマー潜熱蓄熱材２としてポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を用いた実施例を以下に示す。ＰＥＧの熱量測定の結果を図３に、また、分子量と融点との関係を図４に示す。

ここでＰＥＧの特徴について簡単に説明しておく。ＰＥＧは脂肪族鎖とエーテル結合からなるポリマーであるポリエーテル類に属する。メチレン鎖の短いポリオキシエチレン（エチレングリコール）やポリオキシテトラメチレンは融点が約70℃及び60℃の結晶性ポリマーであるが、ポリマーとしては融点が低いため構造材料としては利用されていない。ただし、ポリオキシエチレンは非イオン性界面活性剤などの用途に用いられている。ポリエーテルは、典型的な二分子求核置換反応に従って、脂肪族ジオールと脂肪族ジハライドから得られるが、この反応は副反応を併発するため、構造が明確な高分子量のポリエーテルを合成することが困難である。従って、いったん環状エーテルを合成し、これを開環重合させる方法が適している。例えばポリオキシエチレン(ポリエチレングリコール)の場合、図５に示す通り、エチレンオキシドの開環重合によって得られる。

本実施例において熱量測定は示差走査熱量計を用いて行い、分子量400、600、1000、8000の各ＰＥＧの熱量測定結果（図３参照）から、図４に示す近似曲線を得た。なお本実施例では、分子量が400（関東化学工業株式会社製、平均分子量380〜420）、600（同左、平均分子量570〜630）、1000（同左）、8000（Icn Biomedicals,Inc.製）のものについて、昇温速度を10℃/min.とし、プレ測定により大まかに融点を把握した上で、適当な温度幅で熱量測定を行った。この場合、分子量400〜1000程度のポリエチレングリコールはオリゴマーの分類になり、また、分子量8000の場合でも工業的な視点からは小さいポリマーに分類される。このオーダーのポリエチレングリコールは融点が100℃以下と、ポリマーとしてはかなり低く、蓄熱材として適当な温度レベルにあると言える。また、分子量1000、8000のものでは潜熱量は約167kJ/kg以上になり、水には及ばないまでも大きな値を示している。

測定の結果、融点及び凝固点が例えば０℃であるポリマー潜熱蓄熱材２（蓄熱カプセル１）が必要であれば、分子量500程度のＰＥＧを用いればよいことがわかった（図３、図４参照）。その時の融解潜熱は106kJ/kg程度であった。また、融点及び凝固点が50℃、あるいは100℃であるポリマー潜熱蓄熱材２の分子量はそれぞれ3800、29000となり。その時の融解潜熱は179kJ/kg、252kJ/kg程度であった。このように分子量を変えることで任意に融点及び凝固点を選ぶことができることが確認された。

なお、上述の実施例は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施例ではＰＥＧについて述べたがポリマーの具体例はこれに限られるものではない。また、本実施例では分子量の増加に伴い融解潜熱も増加するＰＥＧの例について述べたがポリマーの具体例がこのようなものに限られるわけでもない。例えば、ポリマーとしてはポリエチレン（ＰＥ）のように分子量の増加に伴い融解潜熱が逆に減少する物質が存在するが、このような物質であっても本発明におけるポリマーとしてポリマー潜熱蓄熱材及び蓄熱カプセルを構成することが可能である。要は、ポリマーの分子量（重合度）を操作することによって所望の温度（融点及び凝固点）を達成することができれば本願に係るポリマー潜熱蓄熱材に適用することが可能となる。

また、本発明の具体的な適用例としては本実施形態で説明したような冷房システムに限らず、他に融雪用や給湯用等など種々のシステムに適用することが可能である。

本発明を適用した蓄熱カプセルの構成例を示す概略図である。本発明の蓄熱カプセルを用いた蓄熱システムの一例を示す図である。異なる分子量（400、600、1000、8000）のポリエチレングリコール（ＰＥＧ）の融点と融解潜熱の関係を示す図である。ポリエチレングリコールの分子量と融点との関係を示す図である。ＰＥＧを得る方法の一例を示す図で、いったん環状エーテル（オキシラン）を合成してから開環重合させる方法を示している。

符号の説明

１蓄熱カプセル
２ポリマー潜熱蓄熱材
１２蓄熱システム

Claims

ポリマーの重合反応過程において重合度を操作することによりその分子量を調節し、融点及び凝固点を使用される任意の蓄熱システムに適した温度に設定した当該ポリマーによって構成されていることを特徴とするポリマー潜熱蓄熱材。
前記ポリマーは融解潜熱が大きく分子量の違いによる融点の変化が緩慢である請求項１に記載のポリマー潜熱蓄熱材。
前記ポリマーがポリエチレングリコールである請求項１または２に記載のポリマー潜熱蓄熱材。
潜熱蓄熱材として請求項１から３のいずれかに記載のポリマー潜熱蓄熱材を用いた蓄熱カプセル。