JP2009019857A - 冷熱蓄熱用マイクロカプセルとこれを用いた氷蓄熱空調システム - Google Patents

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Abstract

【課題】消費電力量の大幅な低減と冷凍機の運転効率の向上を図り得る新規な蓄熱方式の氷蓄熱空調システムを提供する。
【解決手段】冷凍機2による熱交換部5が配置した氷蓄熱槽1内の水W中に、相変化温度が3〜10℃である冷熱媒体を全体の70重量%以上を占める割合で内包する平均粒径0.2〜2mmの冷熱蓄熱用マイクロカプセルMLを浸漬する。
【選択図】図1

Description

本発明は、冷熱エネルギーを潜熱として貯蔵し得る冷熱蓄熱用マイクロカプセルと、このマイクロカプセルを氷と共に冷熱エネルギーの蓄熱材として利用する氷蓄熱空調システムに関する。
近年、氷の潜熱を冷熱エネルギーの蓄熱に利用し、電力消費の少ない夜間の余剰電力を用いて製氷し、その氷から昼間の冷房に要する冷熱エネルギーを引き出す氷蓄熱空調システムが脚光を浴びている。このような氷蓄熱空調システムは、消費者側にとって安価な夜間電力の利用で冷房コストを低減できると共に、空調設備の小型化を図れる一方、電力供給側にとって夏期の冷房に伴う昼間に偏った電力需要を平準化し、もって夏期用としての電力プラントを抑制できるという利点がある。
しかして、氷蓄熱空調システムにおける蓄熱方式としては、氷蓄熱槽の水中に配置した冷凍機側の熱交換部の表面で固体氷(ソリッドアイス)を生成させるスタティック方式(例えば特許文献1,2)と、熱交換器や製氷機で生成させた流動性を持つ氷を蓄熱槽へ移動させるダイナミック方式(例えば特許文献3,4)とがあるが、特に前者のスタティック方式は装置構成的に簡素で且つ運転制御が容易であるために普及型になりつつある。
特開2001−280651号公報 特開2004−301467公報 特開平6−221626号公報 特開平11−141928号公報
しかしながら、従来の氷蓄熱空調システムでは、冷熱蓄熱時の製氷に安価な夜間電力を利用できるものの、充分な蓄熱を行うためには消費電力量が大きくなり、しかも氷の熱伝導率が低く、氷自体が厚みを増すことで熱抵抗体となるから、とりわけスタティック方式においては着氷量の増加と共に伝熱特性が悪化し、冷凍機の運転効率が低下するという問題があった。
本発明は、上述の情況に鑑み、氷蓄熱空調システム用として好適な冷熱蓄熱用マイクロカプセルを提供すると共に、該冷熱蓄熱用マイクロカプセルの利用によって消費電力量の大幅な低減と冷凍機の運転効率の向上を図り得る新規な蓄熱方式の氷蓄熱空調システムを提案するものである。
上記目的を達成するために、請求項1の発明に係る冷熱蓄熱用マイクロカプセルは、相変化温度が3〜10℃である冷熱媒体をマイクロカプセル全体の70重量%以上を占める割合で内包する、平均粒径0.2〜2mmのものであることを特徴としている。
また、この請求項1の冷熱蓄熱用マイクロカプセルの好適態様として、請求項2の発明は冷熱媒体が融点3〜10℃の有機化合物からなる構成を、請求項3の発明は冷熱媒体がテトラデカンである構成を、それぞれ採用している。
一方、請求項4の発明に係る氷蓄熱空調システムは、冷凍機による熱交換部が配置した氷蓄熱槽内の水中に、請求項1〜3のいずれかに記載の冷熱蓄熱用マイクロカプセルが浸漬されてなるものとしている。
そして、請求項4の氷蓄熱空調システムの好適態様として、請求項5の発明は冷熱蓄熱用マイクロカプセルが水透過性の容器又は袋に収容されてなる構成を、請求項6の発明は氷蓄熱槽の水/冷熱蓄熱用マイクロカプセルの重量比が1/0.3〜1/1の範囲にある構成を、それぞれ採用している。
請求項1の発明に係る冷熱蓄熱用マイクロカプセルは、内包する冷熱媒体の相変化温度が3〜10℃であるため、その相変化の潜熱を氷蓄熱空調システムにおける冷熱蓄熱つまり冷熱エネルギーの貯蔵に好適に利用できる上、マイクロカプセルとして比較的に大きい粒度を有することから、水透過性の容器や袋に収容した形で逸散の懸念なく氷蓄熱空調システムの蓄熱材の水中に浸漬できると共に取扱性もよく、またマイクロカプセル中に占める冷熱媒体の比率が大きいために高い蓄熱効率及び容積効率が得られる。
そして、このような冷熱蓄熱用マイクロカプセルの冷熱媒体として、請求項2の発明のように融点3〜10℃の有機化合物を用いれば、固液の相変化による確実な蓄熱・放熱作用が得られることに加え、蓄熱材として逆カルノーサイクルの成績係数が水に比べて格段に大きくなり、それだけ冷熱蓄熱に要する電力が少なくて済む。更に、該冷熱媒体として請求項3の発明のようにテトラデカンを用いれば、その化学的安定性がよいことに加え、蒸気圧が低く、固液の相変化に伴う体積変動も小さいため、マイクロカプセルとして強度及び耐久性を充分に確保できると共に、より安定した蓄熱・放熱作用が得られる。
一方、請求項4の発明に係る氷蓄熱空調システムでは、冷凍機による熱交換部が配置した氷蓄熱槽内の水中に上記の冷熱蓄熱用マイクロカプセルを浸漬するため、0℃近傍での水−氷の相変化による蓄熱作用と、該マイクロカプセルの冷熱媒体の相変化によるより高い温度での蓄熱作用とが得られ、もってヒートポンプ内部を流れる作動流体のサイクル温度差を縮小して成績係数を高めることができるから、水(氷)のみを蓄熱材とする場合に比較して冷熱蓄熱に要する消費電力を大幅に低減できると共に、冷凍機の運転効率も向上し、それだけシステムの稼働コストが削減される。また、冷熱蓄熱用マイクロカプセルを氷蓄熱槽内に収容するから、該マイクロカプセル専用の蓄熱槽を必要とせず、それだけ設備コストの負担が少なくて済む。
そして、請求項5の発明によれば、冷熱蓄熱用マイクロカプセルを水透過性の容器又は袋に収容するから、氷蓄熱槽内の余剰空間を利用して、当該マイクロカプセルを散逸しない状態で水中に浸漬できると共に、まとまった量の該マイクロカプセルを容器や袋に収容した状態で容易に取り扱える。
また、請求項6の発明によれば、氷蓄熱槽の水と冷熱蓄熱用マイクロカプセルの比率を特定範囲に設定するから、水の相変化による蓄熱作用と、該マイクロカプセルの冷熱媒体の相変化による蓄熱作用とのバランスがよく、氷蓄熱空調システムとして高い蓄熱効率が得られる。
本発明の冷熱蓄熱用マイクロカプセルは、既述のように、相変化温度が3〜10℃である冷熱媒体をマイクロカプセル全体の70重量%以上を占める割合で内包し、平均粒径が0.2〜2mmの範囲にあることを特徴としており、その相変化の潜熱を氷蓄熱空調システムにおける冷熱エネルギーの貯蔵に好適に利用できるものである。
しかるに、上記冷熱媒体の相変化温度が3℃未満の場合は氷蓄熱空調システムの蓄熱材として利用した場合の蓄熱効率が低下する一方、該相変化温度が10℃を越える場合は冷房用としての冷熱蓄熱が困難になる。また、冷熱媒体がマイクロカプセル全体の70重量%未満では、蓄熱に寄与しない成分が多くなるから、蓄熱効率及び容積効率が不十分になる。更に、該マイクロカプセルの平均粒径が0.2mm未満では、水透過性の容器や袋に逸散しない状態で収容することが困難になり、逆に該平均粒径が2mmを越えるものでは、単位重量当たりの表面積が小さくなるため、伝熱速度の低下によって相変化の応答性が悪化する。
ここで、相変化温度が3〜10℃である冷熱媒体としては、特に制約はないが、単独使用では融点3〜10℃の有機化合物が好適である。そして、このような有機化合物の好適な具体例としては、例えばテトラデカン(融点5.5℃)、ペンタデカン(融点10℃)、リシノール酸(融点5.5℃)等が挙げられる。
また、他の冷熱媒体としては、上記した融点3〜10℃の有機化合物の他に、個々の融点が3〜10℃から外れる有機化合物であっても、混合物としての凝固開始温度の如き相変化温度が3〜10℃になる複数種の組合せも採用可能である。このような混合物として相変化温度が適合する冷熱媒体については、例えば本発明者らに係る特開2003−138249号公報において潜熱蓄熱材組成物として多くの具体例が開示されている。
なお、冷熱媒体には、相変化時の過冷却を抑えるために過冷却防止剤として界面活性剤を添加したり、酸化劣化を防止するために酸化防止剤を添加してもよい。
このような冷熱蓄熱用マイクロカプセルを得るための手段は、特に限定されず、既存の種々のマイクロカプセル製造方法を採用でき、これら各種方法においてカプセルの内包物に前記の相変化温度が3〜10℃である冷熱媒体を選択すると共に、当該冷熱媒体の含有割合とマイクロカプセルの粒度が前記規定範囲となり得るような条件を選択あるいは設定すればよい。
本発明の氷蓄熱空調システムは、冷凍機による熱交換部が配置した氷蓄熱槽内の水中に、上記の冷熱蓄熱用マイクロカプセルが浸漬されてなるものである。図1にスタティック方式による該氷蓄熱空調システムの構成例を模式的に示す。
図1において、1は蓄熱材としての水Wを収容した氷蓄熱槽、2は冷凍機、3は空調機器、4は熱交換器であり、氷蓄熱槽1内には冷凍機の冷媒を循環させる管路の一部をなすコイル状冷却管5が配設されている。また、熱交換器4は、内部に氷蓄熱槽1内の水を作用流体として循環させる配管7の熱交換部7aが配置し、該熱交換部7aを介して当該作用流体と空調機器3からの熱交換媒体(冷媒又はエアー)との熱交換を行うようになっている。そして、氷蓄熱槽1の水中には網籠8が浸漬されており、この網籠8内に冷熱蓄熱用マイクロカプセルMC…が収容されている。なお、網籠8は、水Wを自由に流通させるが、冷熱蓄熱用マイクロカプセルMC…の外部への流出を阻止する網目粗さに設定されている。
この氷蓄熱空調システムでは、夜間において、安価な夜間電力を利用して冷凍機2を稼働することにより、氷蓄熱槽1内の水Wをコイル状冷却管5内の冷媒との熱交換で冷却して該冷却管5の周りに管状に氷を生成させるが、その氷生成の前段階の冷却過程で冷熱蓄熱用マイクロカプセルMC…に内包されている冷熱媒体を相変化(通常は凝固)させるから、その冷熱媒体の潜熱と水Wの潜熱によって冷熱エネルギーを貯蔵することになる。そして、昼間の冷房のために空調機器3を稼働させる際には、冷熱媒体の逆方向への相変化と解氷によって放出される冷熱エネルギーが熱交換器4での熱交換によって空調機器3の熱交換媒体に付与され、もって昼間には少ない電力消費で大きな冷房作用が得られる。
しかも、この氷蓄熱空調システムによれば、水Wによる蓄熱に要する電力に対して、冷熱蓄熱用マイクロカプセルMCによる同じ量の蓄熱に要する電力は半分程度でよいから、総消費電力量が大幅に低減し、システムの運転コストを大きく削減できる利点がある。
すなわち、例えば蓄熱材の液体状態の温度を40℃としたとき、該蓄熱材が水Wである場合の逆カルノーサイクル(ヒートポンプ)の成績係数η=TL/(TH−TL)は、254/(313−254)≒4.3であるのに対し、冷熱蓄熱用マイクロカプセルMCの成績係数ηは278/(313−278)≒8.2と約2倍であり、同じ量の冷熱エネルギーの蓄積に要する電力は冷熱蓄熱用マイクロカプセルMCでは蓄熱材を水Wとする場合の約半分で済むことになる。
そして、例えば水量35トンの中規模氷蓄熱槽において、10トンの氷が生成する場合(製氷率約30%)の蓄熱量は、氷蓄熱量=320kJ/kgであるから、10×103 ×320=3.20GJとなる。これに対し、該氷蓄熱槽に例えば12トンの冷熱蓄熱用マイクロカプセルを加えて同じ蓄熱量を得るためには、該マイクロカプセル全量の凝固と水4トンの氷結(−19℃)を行う必要があるが、その氷による蓄熱量は4×103 ×320=1.28GJ、マイクロカプセル蓄熱量=200kJ/kg×0.8(実容積率)=160kJ/kgとして、マイクロカプセルによる蓄熱量は12×103 ×160=1.92GJとなる。しかるに、前記のように、冷熱蓄熱用マイクロカプセルによる蓄熱に要する電力は氷の約半分になるから、前者の10トンの氷結に対して、後者の4トンの氷結とマイクロカプセル12トンの凝固による消費電力は、(1.28+1.92×0.5)/3.20≒0.7、つまり30%の削減となる。
氷蓄熱槽1の水Wと冷熱蓄熱用マイクロカプセルMCとの比率は、前者/後者の重量比で1/0.3〜1/1程度とするのがよい。すなわち、この比率範囲に設定すれば、水Wの相変化による蓄熱作用と、該マイクロカプセルMCの冷熱媒体の相変化による蓄熱作用とのバランスがよく、氷蓄熱空調システムとして高い蓄熱効率が得られる。
そして、この氷蓄熱空調システムでは、冷熱蓄熱用マイクロカプセルMCを氷蓄熱槽1内に収容するから、該マイクロカプセルMC専用の蓄熱槽を別途に必要とせず、それだけ設備コストの負担が少なくて済む。
また、冷熱蓄熱用マイクロカプセルMCを氷蓄熱槽1内の水中に浸漬させる手段として、図1では網籠8を用いているが、他の種々の水透過性の容器や袋を使用できる。そして、このように容器や袋を使用すれば、氷蓄熱槽1内の余剰空間を利用して当該マイクロカプセルMCを散逸しない状態で水中に浸漬できることに加え、まとまった量の該マイクロカプセルMCを容易に取り扱えるという利点もある。
なお、図1で示す氷蓄熱空調システムでは氷蓄熱槽1と空調機器3との間に熱交換器4を介在させているが、空調機器3の熱交換媒体と氷蓄熱槽1内の水Wとの間で直接に熱交換を行うようにしてもよい。また、氷蓄熱槽1内に配置する冷凍機2側の熱交換部は、例示したような内部に冷媒を通すコイル状冷却管5に限らず、熱伝導性のよい金属の棒材や板材で形成して、これらの氷蓄熱槽1外への導出部を冷凍機2によって冷却する構成としてもよい。
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。なお、以下において%とあるは、いずれも重量%(w/w)を意味する。
実施例1
外水相には、蒸留水90%、分散安定剤としてゼラチン及び第三リン酸カルシウム10%スラリーをそれぞれ0.9%、9%の割合で混合したものを300g用意した。また有機相は、カプセル外殻壁材であるジイソシアン酸トリレンとイソシアン酸フェニルをそれぞれ0.02845モル、芯物質の冷熱媒体であるテトラデカンを68%、界面活性剤としてソルビタンモノオレエートを3%の割合で27g用意した。そして、140rpmで攪拌している前記の外水相に前記の有機相を加え、室温にて10分間攪拌してO/Wエマルジョンを調製したのち、攪拌しながら60℃にて2時間、70℃にて3時間保持して界面反応させることより、テトラデカン内包ポリウレア膜マイクロカプセルを生成させ、1Mの塩酸水溶液にて洗浄後に桐山ロートにて濾過し、蒸留水で洗浄した上で該マイクロカプセルを回収した。得られたマイクロカプセルを走査型電子顕微鏡で観察したところ、粒子径は550〜700μmであった。
実施例2
外水相には、蒸留水90%、分散安定剤としてゼラチン及び第三リン酸カルシウム10%スラリーをそれぞれ0.9%、9%の割合で混合したものを300g用意した。また有機相には、カプセル外殻壁材であるトリメタクリル酸2−エチル−2−ヒドロキシメチル−1,3−プロパンジオールを29%、重合開始剤として2,2−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)を0.3%、芯物質の冷熱媒体であるテトラデカンを68%、界面活性剤としてソルビタンモノオレエートを2.9%の割合で15.5g用意した。そして、200rpmで攪拌している前記の外水相に前記の有機相を加え、室温にて30分間攪拌してO/Wエマルジョンを調製したのち、攪拌しながら60℃にて2時間、80℃にて3時間保持して重合させることより、テトラデカン内包TRIM膜マイクロカプセルを生成させ、1Mの塩酸水溶液にて洗浄後に桐山ロートにて濾過し、蒸留水で洗浄した上で該マイクロカプセルを回収した。得られたマイクロカプセルを走査型電子顕微鏡で観察したところ、粒子径は0.5〜1mmであった。
実施例3
外水相には分散安定剤としてゼラチン1%を含有する水溶液を300g用意した。また有機相には、カプセル外殻壁材であるジイソシアン酸トリレンとイソシアン酸フェニルをそれぞれ0.0256モル、トリメタクリル酸2−エチル−2−ヒドロキシメチル−1,3−プロパンジオールを24%、芯物質の冷熱媒体であるテトラデカンを48%、界面活性剤としてソルビタンモノオレエートを2.9%、重合開始剤として2,2−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)を0.1%、2,2−アゾビス(イソブチロニトリル)を0.1の割合で31g用意した。そして、140rpmで攪拌している前記の外水相に前記の有機相を加え、室温にて10分間攪拌してO/Wエマルジョンを調製したのち、攪拌しながら60℃にて2時間、80℃にて3時間保持して重合させることより、テトラデカン内包TRIM架橋膜マイクロカプセルを生成させ、桐山ロートにて濾過し、蒸留水で洗浄した上で該マイクロカプセルを回収した。得られたマイクロカプセルを走査型電子顕微鏡で観察したところ、粒子径は200〜500μmであった。
実施例4
氷蓄熱空調システム実証試験機を試作し、これを用いて以下の冷熱蓄熱試験を行った。この試験機は、圧縮機及び膨張弁を備えた冷凍機と、それからの冷媒配管に接続するコイル状冷却管を内部に配置した容量100Lの氷蓄熱槽とから成り立っており、冷凍機からの冷媒をコイル状冷却管を通して循環させることにより、氷蓄熱槽内の水を冷却すると共に、その冷却の進行によってコイル状冷却管の周りに氷が管状に付着形成されてゆき、この氷によって冷熱エネルギーが蓄えられるようになっている。
試験は、まず氷蓄熱槽内の水温を20℃に設定した上で冷凍機を稼働し、氷蓄熱槽内をコイル状冷却管の周りに充分に氷が付着する0℃付近まで冷却し、それまでに要した冷凍機の電力(w)を記録する。次に、投入式ヒーターを用いて氷蓄熱槽内を加温し、水温が元の20℃に戻るまでの供給熱量(q)を測定する。この供給熱量が蓄熱量に相当し、該蓄熱量(q)と消費電力(w)との比q/wが成績係数COPとなる。そして、この場合、q=16.59MJ、w=15.09MJであり、成績係数COP=1.10という値が得られた。
次に、前記実施例1で得られたテトラデカン内包ポリウレア膜マイクロカプセル34kgを3個のナイロン製網籠に分けて収容し、これら網籠を氷蓄熱槽の水中に浸漬した状態で前記同様の試験を行ったところ、成績係数COP=1.32であった。従って、蓄熱材に冷熱蓄熱用マイクロカプセルを使用することで、成績係数COPが約20%上昇したことになり、本発明の作用効果が実証された。
本発明の氷蓄熱空調システムの一構成例を示す模式図である。
符号の説明
1 氷蓄熱槽
2 冷凍機
3 空調機器
4 熱交換器
5 コイル状冷却管(熱交換部)
6 熱交換媒体
8 網籠(水透過性の容器)
ML 冷熱蓄熱用マイクロカプセル
W 水

Claims (6)

  1. 相変化温度が3〜10℃である冷熱媒体をマイクロカプセル全体の70重量%以上を占める割合で内包する、平均粒径0.2〜2mmの冷熱蓄熱用マイクロカプセル。
  2. 冷熱媒体が融点3〜10℃の有機化合物からなる請求項1に記載の冷熱蓄熱用マイクロカプセル。
  3. 冷熱媒体がテトラデカンである請求項1に記載の冷熱蓄熱用マイクロカプセル。
  4. 冷凍機による熱交換部が配置した氷蓄熱槽内の水中に、請求項1〜3のいずれかに記載の冷熱蓄熱用マイクロカプセルが浸漬されてなる氷蓄熱空調システム。
  5. 冷熱蓄熱用マイクロカプセルが水透過性の容器又は袋に収容されてなる請求項5に記載の氷蓄熱空調システム。
  6. 氷蓄熱槽の水/冷熱蓄熱用マイクロカプセルの重量比が1/0.3〜1/1の範囲にある請求項5又は6に記載の氷蓄熱空調システム。
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