JP2005139311A

JP2005139311A - 恒温冷媒材

Info

Publication number: JP2005139311A
Application number: JP2003377709A
Authority: JP
Inventors: Seiji Ichihara; 清二市原
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2005-06-02

Abstract

【課題】吸熱媒体として硫酸ナトリウム結晶の溶解、再結晶の可逆的変態時の熱交換作用を利用した従来の恒温冷媒材では冷媒材内に均一分布しづらい上に再結晶時の尖鋭状結晶化や結晶の大型化の影響で熱循環サイクルの効率が低くなり冷却効率が悪い上に応用実用化がしづらいという問題がある。
【解決手段】硫酸ナトリウム、モンモリロナイト粘土等スメクタイト、及び水を適量比混合させ、さらにミルド状炭素ピッチ系炭素繊維を約５重量％から２５重量％分散添加する事により小型化、狭間構造にも対応する上に、飛躍的な熱交換効率を有し長時間冷却効果を持続する恒温冷媒材を得る事が出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は予め冷媒材を冷却する事無く、外部発熱体等からの熱量を冷媒構成物質の可逆的変化により一定温度を長時間保つ恒温冷媒材に関するものである。

従来、外部発熱体に対して冷媒材として高分子性ポリマー又は吸水性高分子ゲルなどと呼ばれる吸水性樹脂（hydro-gel polymer）を用いた保冷剤が良く知られている。また、冷媒物質の結晶が外部からの熱量を吸収し溶解、熱環流を生じて表面で放熱して再結晶する冷媒材であるリン酸ナトリウムや硫酸ナトリウムを用いた恒温冷媒がある。（例えば、特許文献１、及び２参照）。
実開昭５８−１９６６６７号公報実開平６−５２８１５号公報

しかし、一般に前者の吸水性樹脂を用いたゲル状冷媒材は該吸水性樹脂の自重の数百〜数千倍の重量の水を吸水しゲル化保持する特性を利用しており、基本的には保持した水の熱容量、潜熱を冷却に用いる為、予め氷、ドライアイス、冷蔵庫等の冷凍環境で冷却する必要がある。また、自身に保持した水の熱容量に依存しており、長時間冷媒として使用したい場合には冷凍状態にまで冷却する必要があり、冷媒材自体が氷温状態になる為、被冷却物の温度を細胞破壊などの問題により極端に下げたくない場合や人体に直接使用する場合などでは冷媒材と被冷媒物の間に適当な温度調節材を介在させる必要がある。

また、後者の如き恒温冷媒材では硫酸ナトリウムの放熱再結晶時に尖鋭状結晶化や結晶の大型化の影響で、融解しにくくなると共に冷媒材内に均一分布しづらい為に冷却効率が低く、物理的にも流動性が乏しい事により熱交換サイクルが巧みに働かずに、実用応用化がしづらいという問題が有る。
特に小型化、狭間構造化の妨げとなっていると共に尖鋭状結晶化などの結晶形状により容器材質、袋材質にも耐久強度が必要となり、これも吸熱、放熱の妨げとなる。

そこで、本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたものであり、予め冷凍環境で冷却する必要が無い恒温冷媒材であって、しかも結晶の微細化と冷媒内に容易に分散分布する熱伝導媒体の添加により熱交換サイクルを飛躍的に効率化した利便性に優れた冷媒材を提供できるようにすることを目的とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る本発明は、吸熱媒体としての硫酸ナトリウムと膨潤性粘土鉱物の一種であるスメクタイト（Smectite）を主成分とし、適量の水を添加・混合する事により
前記硫酸ナトリウムの結晶を微細化すると共に適度なチキソトロピー性を持たせ、さらに冷媒材の熱交換サイクル効率化のためにミルド状（微細長）炭素ピッチ系炭素繊維を分散添加した事を特徴としている。

また、請求項２に係る本発明は、前記恒温冷媒材において、前記ミルド状炭素ピッチ系炭素繊維の添加量が約５重量％から２５重量％の範囲であって、かつ該添加炭素ピッチ系炭素繊維の長さが数百μmから数mmの範囲である事が好ましい。

かかる発明によれば、本恒温冷媒中に分散させた微細化した硫酸ナトリウムの結晶が外部発熱体よりの放熱を結晶溶解時に大量に吸収し、放熱後に再結晶する効率的な熱循環サイクルが構成される。さらに前記硫酸ナトリウムが放熱後再結晶する際には、混合したスメクタイト懸濁液が該結晶の大型化を阻止する方向で働く。また、同時に分散添加されたミルド状炭素ピッチ系炭素繊維も該冷媒材中に分散分布しており、この炭素繊維の高い熱伝導性が熱伝導部位の拡大を促し、飛躍的な熱循環サイクルの効率化に寄与する事になる。したがって、予め冷却する必要の無い小型化、狭間構造にも対応した恒温冷媒材が供給出来、利便性、応用性の向上を実現する事が出来る。

本発明における吸熱媒体としての硫酸ナトリウム（NaSO₄・ｎH₂Ｏ）は水を加える事によりNa₂SO₄・10H₂Oとして使用する。
このNa₂SO₄・10H₂Oは十水塩又はグラバー塩（Glauber Salt）と呼ばれ、過飽和溶液を作る性質が有ると共に約３２℃前後の温度で下記の可逆的変態を繰り返す。
（化１）
Na₂SO₄・10H₂O ⇔ Na₂SO₄
＋ 10H₂O
具体的には３２．３８℃以下の温度で十水塩の結晶が溶液中に析出し、該温度以上では溶解して無水の硫酸ソーダと水に分解する。注目すべきはこの溶解に際して５８．３Kcal／Kgにも及ぶ大量の融解熱を吸収する特性であり、本恒温冷媒ではこの吸熱作用を利用している。

また、本恒温冷媒のもう一方の構成要素であるスメクタイト（Smectite）は薄板状八面体結晶構造を持つ膨潤性粘土鉱物の一種でモンモリロナイト(Montmorilonite)、バイデライト（Beidelite）、ノントロナイト（Nontronite）等が知られており、数百m²／gの活性表面積を持っていると同時にこの表面は高い極性の為、自重の何倍の水を吸収し保持する膨潤性を有している。これら硫酸ナトリウム、モンモリロナイト粘土等スメクタイト、及び水を適量比混合させる事により、前記スメクタイトが吸水膨潤しコロイド性を発現させる事による適度なチキソトロピー性（揺変性）を持った懸濁液が得られると共に十水塩の飽和溶液が拡散される。また、同時に軟質容体や狭間容体に封入利用した際に効果的となる柔軟性や流動性も合わせ持たせる事が出来る。

さらに冷媒材中に熱伝導率の高い材料を添加する事により飛躍的に恒温冷媒材の熱交換効率を上げる事が可能である。この際、添加物として銅、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属微細粒等の添加使用も考えられるが、前期スメクタイト懸濁液に対する該金属微粒等の比重の問題及び、熱伝導率−形状（大きさ）の調整が容易でなく、冷却のための熱循環サイクル効率化の為に均一に拡散分布させる事が困難である。さらには、冷媒材内で添加材の耐食性、化学的安定性の問題も生じるために冷媒材の経時的変質をも招く事となる。

そこで、本発明では軽量で耐食性、化学的安定性に優れ、形状加工も容易で比較的安価な高熱伝導率材料であるミルド状（微細長）炭素ピッチ系炭素繊維を添加使用する事によりスメクタイト懸濁液中で容易に拡散分布し、経時的変化も生じない耐久性を得られる。該ミルド状（微細長）ピッチ系炭素繊維は前記高熱伝導率で知られる金属の銅、アルミニウム等と比較しても数十から数百W/(m・K)に及ぶ同等以上の伝導率特性を持っており、本使用条件では最適な添加材と言え、飛躍的な熱交換効率を得る事が出来る。そして実際の添加量としては約５重量％から２５重量％分散添加させる事が好ましい。

以下、本発明の冷却原理を図１を参照して、
また、本発明の恒温冷媒材を含む冷媒パラメーターによる温度特性概略グラフ図２を参照して説明する。図１にその概略を示すように約３２℃以下で恒温冷媒材１（容器、容体は図示せず）は適度なチキソトロピー性を有した懸濁液２中に十水塩（Na₂SO₄・10H₂O）３が微小結晶状態で分散析出しているが、外部発熱体（図示せず）からの熱が吸熱された場合、該十水塩の結晶が融解熱として吸収し溶解、冷媒材表層にて放熱して再結晶化するという吸熱−放熱の熱循環を硫酸ナトリウムの可逆的変態の形で繰り返す事により、また、十水塩結晶の融解熱量が非常に大きい事により長時間約３２℃近傍の温度を保ち続ける。さらに前記硫酸ナトリウムが再結晶する際には、混合したスメクタイト懸濁液の適度なチキソトロピー性と前記熱循環による流動性が該結晶同士の接触結合による結晶大型化を妨げる方向に働く。

前記適度なチキソトロピー性と流動性を阻害しない範囲（約５重量％から２５重量％）で添加された高熱伝導率材料であるミルド状（微細長）ピッチ系炭素繊維４は吸熱、放熱の双方で熱伝導部位の拡大を促し、熱交換効率を促進させる。具体的には「ドナカーボ・Ｓ」（大阪ガスケミカル（株））や「ダイアリード」（三菱化学産資（株））のミルド状炭素繊維（繊維径十数μm、長さ数百μmから数mm）などの添加が良好な特性を示す。

図２はそれぞれ同量の水５、炭素繊維無添加の恒温冷媒材６、炭素繊維５％添加の恒温冷媒材７、炭素繊維２０％添加の恒温冷媒材８を軟質樹脂袋に封入した物（図示せず）に対して直近に３８℃に制御した外部発熱体を配置、水及び各冷媒材の温度を経時測定した特性のグラフの概略であり、被測定物（該水及び各冷媒材）の初期温度は２０℃、測定環境は２５℃の解放環境である。図２から判るように水５は外部発熱体からの吸熱と共に温度が上昇し、約３時間程度で該発熱体設定温度に収束するのに対し、恒温冷媒材６は約３２℃で上昇が止まり、一定時間安定保持する。これらに対し、炭素繊維５％添加の恒温冷媒材７では初期温度上昇が添加しない物６より急峻であるが、本恒温冷媒材の閾値と言える約３２℃に達するまでに時間を要し、炭素繊維２０％添加の恒温冷媒材７ではさらに温度上昇が緩やかとなり、恒温冷媒材の冷却特性として優れた特性を示す。

これらの冷媒材の温度特性を示すグラフ６、７，８から、適量のミルド状（微細長）ピッチ系炭素繊維４の分散添加により外部発熱体近傍の吸熱した部位から周辺の部位への熱量伝達が該ミルド状ピッチ系炭素繊維４の高熱伝導率特性により促進され、吸熱―放熱の熱循環サイクルを効率化する事が容易に考えられ、結果的に本恒温冷媒材の冷却特性を飛躍的に高める事が可能となる。さらに分散添加されるピッチ系炭素繊維がミルド状（微細長）であるため冷媒材の流動性を阻害する事もなく、小型化、狭間構造にも対応出来る。

実際の使用に際しては上記のような軟質性樹脂で形成された容体に封入しても良く、したがって、医療用として氷嚢代用品や冷湿布代用品に、また、寝具、輸送、機器の冷却にとその応用範囲は広く、特に人体に直接接触使用する場合には刺激の少ない冷却効果を長時間得る事が出来る。また、容体も上記の様な袋状軟質樹脂に限らず、吸熱、放熱の伝導と水密性が考慮されれば形状、材質は問わない。

本発明の恒温冷媒材の冷却原理説明概略図である。冷媒による温度特性概略グラフである。

符号の説明

１本発明の恒温冷媒材
２スメクタイト懸濁液
３硫酸ナトリウム（十水塩）結晶
４ミルド状ピッチ系炭素繊維
５水
６炭素繊維無添加の冷媒材
７炭素繊維５％添加の冷媒材
８炭素繊維２０％添加の冷媒材

Claims

吸熱媒体としての硫酸ナトリウムと膨潤性粘土鉱物の一種であるスメクタイ（Smectite）を主成分とし、適量の水を添加・混合する事により
該硫酸ナトリウムの結晶を微細化すると共に適度なチキソトロピー性を持たせた冷媒材において、さらに冷媒材の熱交換サイクル効率化のためにミルド状（微細長）炭素ピッチ系炭素繊維を分散添加した事を特徴とする恒温冷媒材。
前記恒温冷媒材において、前記ミルド（微細長）状炭素ピッチ系炭素繊維の添加量が約５重量％から２５重量％の範囲であって、かつ添加した該ミルド状（微細長）炭素ピッチ系炭素繊維の長さが数百μmから数mmの範囲である事を特徴とする請求項１記載の恒温冷媒材。