JP2006316117A - 熱搬送媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】 界面活性剤分子の配管などへの吸着を少なくし、水性溶液中の界面活性剤の濃度低下を抑えることができる熱搬送媒体を提供すること。
【解決手段】 熱供給側システム及び熱利用側システムを通る循環経路を通して循環される熱搬送媒体。水性液体に界面活性剤及び金属被膜剤が添加され、金属被膜剤がシリコーン系オイル化合物である。このシリコーン系オイル化合物は水性液体に２〜２０ｐｐｍ添加される。このようにシリコーン系オイル化合物を添加すると、シリコーン系オイル化合物が界面活性剤よりも優先的に配管や熱交換器などの金属表面に吸着してその被膜を形成し、これにより、界面活性剤の金属表面への吸着が少なくなり、水性液体中（液相中）の界面活性剤の濃度の低下を抑制することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、冷暖房システムなどに用いられる熱搬送媒体、特に流動抵抗低減効果の持続性が高い熱搬送媒体に関する。

例えば、地域冷暖房システムにおいては、熱供給側システムと熱利用側システムとが、配管などで構成される循環流路を介して接続され、これら循環流路を通して熱搬送媒体が循環される。このような地域冷暖房システムでは、熱供給側システムから熱利用側システム、例えばビルなどに設置される空調システムまで熱搬送媒体である液体（例えば、水）を循環させるための配管は、その長さが数ｋｍ以上になることがあり、このような場合、熱搬送媒体の液体搬送動力はかなり大きく、地域冷暖房システムのランニングコストの約６０〜７０％程度であるとも言われている。

そこで、この液体搬送動力を低減させる有効な方法として、粘弾性を示す界面活性剤水溶液を熱搬送媒体として用い、熱搬送媒体の流動摩擦抵抗を著しく低減させる方法が提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。これは、循環流路を規定する配管内を流動する液体、例えば水に特定の第四級アンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物からなる界面活性剤を例えば数１０〜数１００００ｐｐｍ溶解させると、界面活性剤が水中で、疎水基部を中心に親水基部を外周部に配置したミセルを形成し、このミセルが棒状の形態をなして高次に絡まって粘弾性を示すことに起因するためであると言われている。

特公平３−７６３６０号公報 特公平４−６２３１号公報 特公平５−４７５３４号公報 特開平８−３１１４３１号公報

このような効果を示す界面活性剤の濃度には特定の範囲があることが知られている。この界面活性剤を用いて常に所望の摩擦低減効果を得るためには、配管内の界面活性剤濃度を常に効果の得られる所定範囲内に保つ必要がある。しかしながら、界面活性剤の分子は、配管や熱交換器などの機器材料である金属に吸着しやすいという特性を持っている。それ故に、初期に投入した液体中の界面活性剤の濃度は金属への吸着により、経時的に減少する傾向にあり、長期間にわたって熱搬送システムを運転すると、液相中の界面活性剤の濃度が低下し、界面活性剤による摩擦低減効果が減少する。このように摩擦低減効果が減少した場合、界面活性剤水溶液を搬送するポンプ動力が一定であるとすると、摩擦低減効果の減少により圧力損失が増大し、その結果、配管内を流れる界面活性剤水溶液の流量が減少することになる。このように流量が減少すると、熱利用側システムでの熱量の不足が発生するので、鬼面活性剤水溶液を搬送するための送給ポンプの動力を増加しなければならない。また、常に摩擦低減効果を維持しながら熱搬送システムを省エネルギー運転するためには、水性溶液中の界面活性剤の濃度が低下する度に界面活性剤を添加しなければならないが、これは手間がかかり、運転効率も悪くなる。

本発明の目的は、界面活性剤分子の配管などへの吸着を少なくし、水性溶液中の界面活性剤の濃度低下を抑えることができる熱搬送媒体を提供することである。

本発明者は、摩擦低減効果を有する界面活性剤を含む水性溶液を熱搬送媒体に使用する場合に、この水性溶液中にシリコーン系オイルを添加すると、水性溶液中の界面活性剤濃度が減少せず、長期にわたって摩擦低減効果を持続させることができ、上述した目的が達成できることを見出した。

即ち、本発明の請求項１に記載の熱搬送媒体は、熱供給側システム及び熱利用側システムを通る循環経路を通して循環される熱搬送媒体であって、水性液体に界面活性剤及び金属被膜剤が添加され、前記金属被膜剤がシリコーン系オイル化合物であることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の熱搬送媒体は、前記シリコーン系オイル化合物が水性液体に２〜２０ｐｐｍ添加されていることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の熱搬送媒体によれば、水性液体に界面活性剤及び金属被膜剤が添加されているので、金属被膜剤が配管などの表面に吸着し、これによって、界面活性剤の配管などへの吸着を抑えることができる。一般に、水性液体に摩擦低減効果を有する界面活性剤を添加した熱搬送媒体を使用する場合、界面活性剤が配管や熱交換器などの金属表面に吸着し、かかる吸着によって、水性液体中（液相中）の界面活性剤の濃度が低下し、この濃度低下に起因して摩擦低減効果が減少する。これに対して、水性液体に界面活性剤に加えて金属被膜剤としてのシリコーン系オイル化合物を添加した場合、シリコーン系オイル化合物が、界面活性剤よりも優先的に配管や熱交換器などの金属表面に吸着してその被膜を形成し、かかるシリコーン系オイル化合物の被膜によって界面活性剤が金属表面に吸着するサイトを少なくし、これにより水性液体中（液相中）の界面活性剤の濃度の低下を抑制し、摩擦低減効果が経時的に減少することを防止することができる。また、金属被膜剤としてのシリコーン系オイル化合物は、配管や熱交換器などの金属表面に吸着し易く、一旦吸着するとその表面から剥離し難いという性質を有するので、界面活性剤の金属表面への吸着を抑え、長期にわたって界面活性剤の濃度低下を抑制することができる。尚、低温度条件下においても凍結なく使用可能なようにするために、界面活性剤及びシリコーン系オイル化合物を添加した水性液体に更に不凍剤を添加することもできる。

また、本発明の請求項２に記載の熱搬送媒体によれば、シリコーン系オイル化合物が水性液体に２〜２０ｐｐｍ添加されているので、配管や熱交換器などの金属表面に被膜を形成して界面活性剤の吸着を長期にわたって抑えることができる。

以下、添付図面を参照して更に説明する。図１は、本発明に従う熱搬送媒体を適用した熱搬送システムを簡略的に示す概略図である。
図１において、この熱搬送システムは、例えば、熱搬送媒体に熱を供給する熱供給側システム２と、熱搬送媒体の熱を利用する熱利用側システム４と、熱供給側システム２と熱利用側システム４との間で熱搬送媒体を循環させるための配管６，８とを備え、一方の配管６が熱供給側システム２から熱利用側システム４に熱搬送媒体を送給する送給流路を規定し、他方の配管８が熱利用側システム４から熱供給側システム２に熱搬送媒体を戻す戻し流路を規定し、これら配管６，８が熱搬送媒体を循環するための循環流路を規定する。図示の形態では、配管８（戻し流路）には熱搬送媒体を循環させるための循環ポンプ１２が配設され、配管６（送給流路）には熱搬送媒体の流量を計測するための電磁流量計１２が配設されている。

このような熱搬送システムにおいては、熱供給側システム２にて温熱（又は冷熱）が生成され、循環ポンプ１２の作用により熱搬送媒体が配管６（送給流路）を通して送給されることによって、熱供給側システム２にて生成された温熱（又は冷熱）が熱利用側システム４に送給され、この熱利用側システム４にて温熱（又は冷熱）が例えば暖房（又は冷房）に利用される。そして、熱利用された後の熱搬送媒体が配管８（戻し流路）を通して熱供給側システム２に戻され、このように熱搬送媒体が循環されることによって、温熱（又は冷熱）が熱供給側システム２から熱利用側システムに搬送される。

このような熱搬送システムに用いられる熱搬送媒体は、水性液体に界面活性剤及び金属被膜剤を添加したものが用いられる。水性液体とは水又は水を主成分とする液体である。水性液体としての水に界面活性剤としてステアリルトリメチルアンモニウムクロライドとサリチル酸ナトリウムを１：１．５のモル比で混合させたものを使用し、その水溶液中の界面活性剤の濃度と摩擦低減率との関係を調べると、図２に示す通りの結果が得られる。この図２の摩擦低減率とは、同じ直管配管内を同じ流速条件下で、界面活性剤が添加されたものを流したときの圧力損失値（計測した圧力損失値）に対する界面活性剤を添加したものを流したときの圧力損失値（計測した圧力損失値）の低減割合を示す値であり、この値（摩擦低減率）が大きいほど摩擦低減効果が大きいことを示す。図２の測定結果を得たときの圧力損失計測条件は、使用配管：サイズ５０Ａの炭素鋼鋼管、熱搬送媒体流速：２ｍ／ｓである。このような計測条件において、界面活性剤の濃度が０〜５００ｐｐｍの濃度範囲であるときには、熱搬送媒体の摩擦低減率は、添加される界面活性剤の濃度に比例的に増加するが、界面活性剤の濃度が５００ｐｐｍ以上の濃度範囲であるときには、熱搬送媒体の摩擦低減率は、添加される界面活性剤の濃度にほとんど関係なくほぼ一定になることが観察された。このことから、摩擦低減効果を発現させるためには、界面活性剤の濃度を５００ｐｐｍ以上の範囲に維持する必要があることが分かる。

摩擦低減効果を発揮するために水性液体に添加される界面活性剤の種類については、特に制限されるものではなく、例えば、セチルトリメチルアンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物、ステアリルトリメチルアンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物、ドデシルトリメチルアンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物、ヘキシルトリメチルアンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物、ヘプチルトリメチルアンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物、オレイルビス（ヒドロキシエチル）メチルアンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物、オレイルヒドロキシエチルジメチルアンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物、オレイルトリヒドロキシエチルアンモニウム塩とサリチル酸塩の混合物などがある。

水性液体（例えば水）に添加される界面活性剤の濃度は、図２から理解されるように、３００〜４０００ｐｐｍであるのが好ましく、特に５００〜２５００ｐｐｍであるのがより好ましい。界面活性剤の濃度が３００ｐｐｍより少ないと、界面活性剤による充分な摩擦低減効果が発現せず、またその濃度が４０００ｐｐｍより多くても摩擦低減効果はある一定の値以上には増加せず、経済的に無駄となる。

また、界面活性剤の濃度低下を防止するために水性液体に添加される金属被膜剤はシリコーン系オイル化合物が用いられ、このシリコーン系オイル化合物の種類については、特に制限されるものではないが、例えば、ジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル、メチルハイドロジェンシリコーンオイル、ジフェニルシリコンオイルなどから選ぶことができる。このようなシリコーン系オイル化合物は、循環流路（送給流路及び戻し流路）を規定する配管や熱交換器などの金属材料の表面に吸着し易く、また金属材料に吸着した後はその表面から剥離し難い特性を有している。このシリコーン系オイル化合物は、界面活性剤よりも先に優先的に金属材料に吸着してその表面に被膜層を形成し、この被膜層によって界面活性剤の配管などの金属材料への吸着を抑制する。

水性液体に添加されるシリコーン系オイル化合物の濃度は、２〜２０ｐｐｍであるのが望ましい。このシリコーン系オイル化合物の濃度が２ｐｐｍより少なくすると、配管や熱交換器などの金属材料の表面への吸着量が少なく、それ故に、界面活性剤の金属表面への吸着を抑制する効果（即ち、水溶液中の界面活性剤の濃度減少を抑制する効果）が低くなり、またシリコーン系オイル化合物の濃度が２０ｐｐｍより多くなると、シリコーン系オイル化合物による界面活性剤の金属表面への吸着を抑制する効果（即ち、水溶液中の界面活性剤の濃度減少を抑制する効果）は変わらないが、添加量が過剰となって経済的に無駄となる。

熱搬送媒体の寒冷地での使用が可能なように、水性液体中に更に不凍剤を添加することができる。水性液体（例えば、水）に添加される不凍剤の種類についても特に制限はなく、エチレングリコール、プロピレングリコールなどのグリコールや、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコールから選ばれた少なくとも１種類以上の化合物を用いることができ、これらの中でもプロピレンアルコールが特に好ましい。水性液体に添加される不凍剤の濃度は、５〜４０重量％であるのが好ましく、７〜３０重量％であるのが特に好ましい。不凍剤の濃度が５重量％より少なくなると、不凍剤としての充分な効果が得られず、熱搬送媒体の凝固温度が高くなり、低温への使用可能な温度域が小さくなり、また不凍剤の濃度が４０重量％を超えると、熱搬送媒体の使用温度域がより低温まで拡張できるが、粘性が大きくなって流動が困難となるため好ましくない。

このような熱搬送媒体を用いて熱（温熱又は冷熱）の搬送を行うと、熱搬送媒体中に金属被膜剤としてのシリコーン系オイル化合物が含まれているので、配管、熱交換器などの金属材料の表面にシリコーン系オイル化合物が吸着し、かかる吸着によって界面活性剤の金属材料表面への吸着が抑制され、熱搬送媒体（界面活性剤水溶液）中の界面活性剤の濃度の低下を防止することができる。その結果、界面活性剤水溶液を熱搬送媒体として用いても界面活性剤による摩擦低減効果を長期にわたって維持することができ、循環ポンプ１０の動力削減効果を長期的に持続して保つことができる。

〔実施例及び比較例〕
本発明の摩擦低減維持の効果を確認するために、熱搬送媒体を循環するための模擬循環ラインを製作して次の通りの実験を行った。模擬循環ラインは、配管サイズ５０Ａの炭素鋼鋼管（ＳＧＰ黒管）を用いた密閉系ループラインで構成し、その循環ライン長は３０ｍであった。この模擬循環ラインに熱搬送媒体を循環させる循環ポンプとして片渦巻式ポンプ（三和ハイドロテック株式会社製、形式ＭＰＬ−８５１５）を配設するとともに、熱搬送媒体の流量を計測するための電磁流量計（株式会社日立製作所製、形式ＦＭＲ１０４Ｗ−４０）を配設した。

実施例の熱搬送媒体としては、水性液体としての水に、界面活性剤（摩擦低減剤）としてのステアリルトリメチルアンモニウムクロライドとサリチル酸ナトリウムをモル比１：１．５で混合させた化合物、金属被膜剤としてのジメチルシリコーンオイル（信越化学工業株式会社製）、更に不凍剤としてのプロピレングリコールをそれぞれ５００ｐｐｍ、１０ｐｐｍ、１０重量％の濃度で溶解させた水溶液（以下、「摩擦抵抗低減水溶液」ともいう）を用いた。片渦巻式ポンプの動力は定格（６０ｋＨｚ）で７．５ｋＷであり、インバータ制御を行うことによりポンプ動力の調整を行った。

模擬実験においては、３０℃の摩擦抵抗低減水溶液の流量を片渦巻式ポンプの定格流量値（２５０ｄｍ^３／ｍｉｎ）で一定になるように、この片渦巻式ポンプの動力をインバータ制御した。一般に、ポンプ動力はインバータ周波数の３乗に比例するので、ポンプ動力低減率（Ｐ）は、
Ｐ＝｛１−〔（インバータ周波数）／６０〕^３｝×１００ ・・・（１）
で求められる。この式（１）を用いて算出したポンプ動力低減率の経時変化を、図３において丸印で示した。図３において、カッコ内の数字はポンプ動力低減率（Ｐ）を算出したときの界面活性剤の濃度で、ポンプ動力低減率（Ｐ）のプロットの近傍に示した。この界面活性剤の濃度は、摩擦低減剤水溶液をサンプリングし、サンプリングした液中の界面活性剤の濃度を液体クロマトグラフィーにて求めた。

比較例として、実施例における熱搬送媒体に金属被膜剤としてのジメチルシリコーンオイルを添加しない以外は同じ成分の熱搬送媒体（ジメチルシリコーンオイルを含まないもの）を用い、実施例と同じ模擬循環ラインで、全く同一の条件でポンプ動力削減率の評価を行った。この評価実験の結果を図３において四角印で示した。

図３から明らかなように、実施例では模擬実験開始から１００日経過後もポンプ動力削減率および摩擦抵抗低減水溶液中の界面活性剤の濃度がほぼ同じであるのに対し、比較例では、模擬実験開始から１０日経過した時点でポンプ動力削減率が急激に低下し、それに対応して摩擦抵抗低減水溶液中の界面活性剤の濃度も低下した。

以上の結果から、摩擦低減効果を有する界面活性剤を添加した熱搬送媒体に金属被膜剤を添加することによって、水溶液中（液相中）に存在する界面活性剤の濃度をほぼ一定に保つことができ、それに対応してポンプ動力削減効果もほぼ一定に維持することができることが確認できた。

本発明に従う熱搬送媒体を適用する熱搬送システムの一例を示す槻略図。 熱搬送媒体中の界面活性剤の濃度と摩擦低減率との関係を示す図。 実施例および比較例におけるポンプ動力削減効果の経時変化を示す図。

符号の説明

２ 熱供給側システム
４ 熱利用側システム
６，８ 配管
１０ 循環ポンプ

Claims (2)

1. 熱供給側システム及び熱利用側システムを通る循環経路を通して循環される熱搬送媒体であって、水性液体に界面活性剤及び金属被膜剤が添加され、前記金属被膜剤がシリコーン系オイル化合物であることを特徴とする熱搬送媒体。
2. 前記シリコーン系オイル化合物が水性液体に２〜２０ｐｐｍ添加されていることを特徴とする請求項１に記載の熱搬送媒体。

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