JP2013224344A - 蓄熱材の選定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】適用する蓄熱温度範囲に応じて蓄熱密度が大きい蓄熱材を選定することが可能な蓄熱材の選定方法を提供する。
【解決手段】蓄熱最低温度がＴ_min、蓄熱最高温度がＴ_maxである蓄熱システムに用いられる蓄熱材の選定方法であって、融点がＴ_min以上である溶融塩純物質を第１物質として選定し、融点が第１物質の融点以下の溶融塩純物質を、第１物質と混合する第２物質として選定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄熱システムに用いる蓄熱材の選定方法に関するものである。

従来より、固体または液体の状態のまま使用する顕熱蓄熱材と、固体と液体の相変化を利用する潜熱蓄熱材が知られている。

顕熱を利用した蓄熱では、潜熱を利用した蓄熱と比べて蓄熱密度が小さいという問題がある。他方、潜熱を利用した蓄熱では、固体の状態での熱伝導率が低いため、強制対流による熱交換が可能な液体顕熱蓄熱材を用いた場合と比較して伝熱効率が悪く、熱交換器が大きくなるなどの問題があった。

そこで、強制対流による熱交換が可能で伝熱効率の低下を抑制できる潜熱蓄熱材として、スラリ状の蓄熱材が提案されている（例えば特許文献１，２参照）。

特開２００７−２０４５１７号公報 特開２００７−２５４６９７号公報

ところで、どのような温度でスラリ化するかは、蓄熱材に用いる物質および組成によって大きく変化するため、適用する蓄熱温度範囲に応じて最適な蓄熱材を選定する必要がある。

しかしながら、従来、蓄熱密度が大きい蓄熱材をどのように選定するかといった方法は確立されておらず、試行錯誤を繰り返して蓄熱材を選定するしかなかった。そのため、蓄熱材の選定にかかるコストが莫大となってしまう問題があった。

本発明は上記事情に鑑み為されたものであり、適用する蓄熱温度範囲に応じて蓄熱密度が大きい蓄熱材を選定することが可能な蓄熱材の選定方法を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、蓄熱最低温度がＴ_min、蓄熱最高温度がＴ_maxである蓄熱システムに用いられる蓄熱材の選定方法であって、融点がＴ_min以上である溶融塩純物質を第１物質として選定し、融点が前記第１物質の融点以下の溶融塩純物質を、前記第１物質と混合する第２物質として選定する蓄熱材の選定方法である。

前記第１物質として、融点が（Ｔ_max＋３００℃）以下の溶融塩純物質を選定するとよい。

前記第２物質として、融点が（Ｔ_min−２００℃）以上の溶融塩純物質を選定するとよい。

下式（１）
ΔＨ^*＝ΔＨ＋Ｌ（Ｔ_max） ・・・（１）
但し、ΔＨ：Ｔ_min〜Ｔ_max間のエンタルピー変化量
Ｌ（Ｔ_max）：Ｔ_maxでの融解潜熱
融点がＴ_min以上Ｔ_max以下であるときはＬ（Ｔ_max）＝０
で表される選定パラメータΔＨ^*がより高い溶融塩純物質を選定し、当該選定した溶融塩純物質を前記第１物質または前記第２物質として用いるとよい。

前記第１物質と前記第２物質の組成は、蓄熱最低温度Ｔ_minにおける固相率が０．３以上０．７以下であり、かつ、蓄熱最高温度Ｔ_maxにおける固相率が０．１以下となる組成に設定するとよい。

前記第１物質と前記第２物質の組成は、蓄熱最低温度Ｔ_minにおける固相率が０．５以上０．６以下となる組成に設定するとよい。

本発明によれば、適用する蓄熱温度範囲に応じて蓄熱密度が大きい蓄熱材を選定することが可能な蓄熱材の選定方法を提供できる。

本発明の一実施の形態に係る蓄熱材の選定方法の手順を示すフロー図である。 本発明において、第１物質と第２物質を選定する際に、共晶点が蓄熱最低温度より小さくなる組み合わせを選定することを説明する図である。 本発明において、蓄熱最低温度Ｔ_minにおける固相率を０．５以上０．６以下としたときの、使用可能な組成を説明する図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明において、蓄熱最高温度Ｔ_maxにおける固相率が０．１以下となる組成に設定したときの、使用可能な組成を説明する図である。 本発明において、全率固溶型の平衡状態図において、蓄熱最低温度Ｔ_minにおける固相率を０．５以上０．６以下としたときの、使用可能な組成を説明する図である。 本発明において、ＬｉＯＨ−ＮａＯＨの平衡状態図である。 本発明において、ＬｉＮＯ₃−ＬｉＯＨの平衡状態図である。 本発明において、ＣｓＯＨ−ＮａＯＨの平衡状態図である。 本発明において、ＫＯＨ−ＮａＯＨの平衡状態図である。 本発明において、選定パラメータΔＨ^*の演算結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る蓄熱材の選定方法の手順を示すフロー図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る蓄熱材の選定方法では、まず、ステップＳ１にて、適用する蓄熱システムに応じて、蓄熱最低温度Ｔ_min、蓄熱最高温度Ｔ_maxを設定し、蓄熱温度範囲を決定する。

その後、ステップＳ２にて、第１物質と第２物質にどのような物質を用いるかを選定する。

具体的には、融点がＴ_min以上である溶融塩純物質を第１物質として選定し（ステップＳ２１）、融点が第１物質の融点以下の溶融塩純物質を、第１物質と混合する第２物質として選定する（ステップＳ２２）。なお、本実施の形態では、蓄熱材として、第１物質と第２物質を混合した２成分系の蓄熱材を用いる場合を説明するが、さらに第３物質等を混合して多成分系とすることも勿論可能である。

第１物質の融点をＴ_min以上とするのは、Ｔ_min＜Ｔ＜Ｔ_maxの蓄熱温度範囲で固液共存相があらわれるためには、少なくともひとつの純物質の融点がＴ_min以上という条件を満たす必要があるためである。第２物質の融点を第１物質の融点以下とすれば、Ｔ_min＜Ｔ＜Ｔ_maxの蓄熱温度範囲に固液共存相があらわれることになる。

つまり、融点がＴ_min以上である溶融塩純物質を第１物質として選定し、融点が第１物質の融点以下の溶融塩純物質を第２物質として選定することで、少なくとも、Ｔ_min＜Ｔ＜Ｔ_maxの蓄熱温度範囲内で固液共存相があらわれ、潜熱の利用による蓄熱密度の増加と、伝熱性の向上の両者を図ることが可能になる。

第１物質と第２物質の共晶点がＴ_min以上となると、蓄熱温度範囲内で完全に固相となってしまうため、共晶点はＴ_minより小さいことが望ましい。よって、ステップＳ２で第１物質と第２物質を選定する際には、図２に示すように、共晶点（Ｔ_e）がＴ_minより小さくなる組み合わせを選定するとよい。

また、第１物質の融点が高過ぎると、共晶点がＴ_min以上となる可能性が高くなるので、第１物質としては、融点が（Ｔ_max＋３００℃）以下であるものを選定することが望ましい。

さらに、第２物質の融点が蓄熱温度範囲とあまりに離れていると、蓄熱温度範囲内（Ｔ_min＜Ｔ＜Ｔ_max）で固液共存相があらわれる組成範囲が狭くなってしまう可能性があるので、第２物質としては、融点が（Ｔ_min−２００℃）以上であるものを選定することが望ましい。

また、ステップＳ２で第１物質と第２物質を選定する際には、下式（１）
ΔＨ^*＝ΔＨ＋Ｌ（Ｔ_max） ・・・（１）
但し、ΔＨ：Ｔ_min〜Ｔ_max間のエンタルピー変化量
Ｌ（Ｔ_max）：Ｔ_maxでの融解潜熱
融点がＴ_min以上Ｔ_max以下であるときはＬ（Ｔ_max）＝０
で表される選定パラメータΔＨ^*がより高い溶融塩純物質を選定し、選定した溶融塩純物質を第１物質または第２物質として用いることが望ましい。なお、融点がＴ_min以上Ｔ_max以下であるときには、Ｔ_min〜Ｔ_max間のエンタルピー変化量ΔＨに融解潜熱が含まれるため、Ｌ（Ｔ_max）＝０（つまりΔＨ^*＝ΔＨ）とする。

蓄熱密度を向上させるためには、蓄熱材のＴ_min〜Ｔ_max間のエンタルピー変化量をなるべく大きくする必要があるが、本発明者らは、このエンタルピー変化量は、晶出する固相に注目して予測できることを見いだした。つまり、晶出する固相の選定パラメータΔＨ^*をリストアップし、リストアップした固相のうち選定パラメータΔＨ^*がより高いものを第１物質または第２物質として選定し、当該固相を晶出するようにすれば、蓄熱材のＴ_min〜Ｔ_max間のエンタルピー変化量を向上し、蓄熱密度を向上させることが可能となる。

ステップＳ２で第１物質と第２物質を選定した後、ステップＳ３にて、第１物質と第２物質の組成を設定する。

ステップＳ３では、第１物質と第２物質の組成を、蓄熱最低温度Ｔ_minにおける固相率が０．３以上０．７以下であり、かつ、蓄熱最高温度Ｔ_maxにおける固相率が０．１以下となる組成に設定する。

蓄熱最低温度Ｔ_minにおける固相率を０．３以上とするのは、マイクロカプセルや氷蓄熱の一般的な固相率が０．３であり、これ以上の固相率を実現し潜熱による蓄熱量を向上させるためである。また、蓄熱最低温度Ｔ_minにおける固相率を０．７以下とするのは、固相率が０．７を超えると、殆ど固体と見分けがつかない状態となり、流動性が確保できなくなるためである。

ここでは、蓄熱最低温度Ｔ_minにおける固相率を０．３以上０．７以下としたが、蓄熱密度を向上させ、かつ流動性を確保するという観点からは、蓄熱最低温度Ｔ_minにおける固相率は、０．５以上０．６以下とすることがより望ましい。なお、蓄熱最低温度Ｔ_minにおける固相率の上限値、下限値は適用する蓄熱システムの要求に応じて適宜変更可能である。

図３に示すように、蓄熱最低温度Ｔ_minにおける固相率を０．５以上０．６以下とする場合を考えると、使用可能な組成ｘ₀は、共晶点の組成ｘ_eよりも小さい領域（ｘ₀＜ｘ_e）では、下式（２）
ｘ（＠α（Ｔ_min）＝０．６）＜ｘ₀＜ｘ（＠α（Ｔ_min）＝０．５）
・・・（２）
で表され、共晶点の組成ｘ_eよりも大きい領域（ｘ₀＞ｘ_e）では、下式
ｘ（＠α（Ｔ_min）＝０．５）＜ｘ₀＜ｘ（＠α（Ｔ_min）＝０．６）
・・・（３）
で表される。なお、式（２），（３）におけるα（Ｔ_min）は蓄熱最低温度Ｔ_minにおける固相率を表しており、ｘ（＠α（Ｔ_min）＝０．５）は、蓄熱最低温度Ｔ_minにおける固相率が０．５となるときの組成、ｘ（＠α（Ｔ_min）＝０．６）は、蓄熱最低温度Ｔ_minにおける固相率が０．６となるときの組成を表している。

図３においてさらに蓄熱最高温度Ｔ_maxにおける固相率を考慮すると、図４（ａ）に示すように、Ｔ_maxが組成ｘ₀での液相線温度Ｔ_mより大きい場合（Ｔ_max＞Ｔ_m）には、蓄熱最高温度Ｔ_maxにおける固相率が０となるため、使用可能な組成ｘ₀は図３のまま変化しない。しかし、図４（ｂ）に示すように、Ｔ_maxが組成ｘ₀での液相線温度Ｔ_mより小さい場合（Ｔ_max＜Ｔ_m）には、使用可能な組成の範囲は図３の場合より狭くなり、蓄熱最高温度Ｔ_maxにおける固相率が０．１以下となる組成ｘ₀のみ使用可能となる。

つまり、蓄熱最高温度Ｔ_maxにおける固相率を考慮すると、使用可能な組成ｘ₀は、共晶点の組成ｘ_eよりも小さい領域（ｘ₀＜ｘ_e）では、Ｔ_max＞Ｔ_mならば上述の式（２）、Ｔ_max＜Ｔ_mならば式（２）かつ下式（４）
ｘ（＠α（Ｔ_max）＝０．１）＜ｘ₀ ・・・（４）
で表され、共晶点の組成ｘ_eよりも大きい領域（ｘ₀＞ｘ_e）では、Ｔ_max＞Ｔ_mならば上述の式（３）、Ｔ_max＜Ｔ_mならば式（３）かつ下式（５）
ｘ（＠α（Ｔ_max）＝０．１）＞ｘ₀ ・・・（５）
で表される。

なお、ここでは蓄熱最高温度Ｔ_maxにおける固相率を０．１以下としているが、潜熱による蓄熱量を大きくする観点からは、蓄熱最高温度Ｔ_maxにおける固相率はなるべく０に近いことが望ましい。

また、ここでは共晶型の２成分平衡状態図を用いて説明を行ったが、本発明は全率固溶型に対しても適用可能である。第１物質の融点をＴ_m（ｘ＝０）、第２物質の融点をＴ_m（ｘ＝１）とすると、図５に示すように、Ｔ_m（ｘ＝０）＞Ｔ_m（ｘ＝１）の場合で、Ｔ_max＞Ｔ_mの場合には、下式（６）、
ｘ（＠α（Ｔ_min）＝０．６）＜ｘ₀＜ｘ（＠α（Ｔ_min）＝０．５）
・・・（６）
Ｔ_max＜Ｔ_mの場合には式（６）かつ下式（７）
ｘ（＠α（Ｔ_max）＝０．１）＜ｘ₀ ・・・（７）
を満たすように組成ｘ₀を決定すればよい。

同様に、Ｔ_m（ｘ＝０）＜Ｔ_m（ｘ＝１）の場合で、Ｔ_max＞Ｔ_mの場合には、下式（８）、
ｘ（＠α（Ｔ_min）＝０．５）＜ｘ₀＜ｘ（＠α（Ｔ_min）＝０．６）
・・・（８）
Ｔ_max＜Ｔ_mの場合には式（８）かつ下式（９）
ｘ（＠α（Ｔ_max）＝０．１）＜ｘ₀ ・・・（９）
を満たすように組成ｘ₀を決定すればよい。

以上により、設定した蓄熱温度範囲に応じた適切な蓄熱材の成分、組成が選定されることになる。なお、ステップＳ３を満足する組成がない場合、ステップＳ２に戻って第１物質と第２物質の選定をやり直せばよい。

以上説明したように、本実施の形態に係る蓄熱材の選定方法では、融点がＴ_min以上である溶融塩純物質を第１物質として選定し、融点が第１物質の融点以下の溶融塩純物質を第２物質として選定している。

これにより、少なくとも、蓄熱温度範囲内（Ｔ_min＜Ｔ＜Ｔ_max）で固液共存相があらわれることとなり、潜熱が利用でき流動性のある蓄熱材を選定できる。よって、潜熱の利用による蓄熱密度の増加と、伝熱効率の向上の両者を図ることが可能になり、適用する蓄熱システムの蓄熱温度範囲に応じて蓄熱密度が大きい蓄熱材を選定することが可能になる。

また、本実施の形態では、選定パラメータΔＨ^*がより高い溶融塩純物質を選定し、当該選定した物質を第１物質または第２物質として用いるようにしている。

これにより、選定パラメータΔＨ^*がより高い溶融塩純物質を選定し、その選定した物質が晶出するように組成を調整すればよいこととなり、第１物質や第２物質を選定する際の指針が得られることになる。このようにして選定した蓄熱材は、Ｔ_min〜Ｔ_max間のエンタルピー変化量をより大きくし、蓄熱密度をより向上できる。

さらに、本実施の形態では、第１物質と第２物質の組成を、蓄熱最低温度Ｔ_minにおける固相率が０．３以上０．７以下であり、かつ、蓄熱最高温度Ｔ_maxにおける固相率が０．１以下となる組成に設定しているため、潜熱による蓄熱量を十分に確保でき、かつ、流動性のある蓄熱材を選定できる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

本実施例では、一例として、Ｔ_max＝４００℃、Ｔ_min＝２５０℃としたときの蓄熱材を選定した。

融点がＴ_min以上（Ｔ_max＋３００℃）以下の第１物質と、融点が（Ｔ_min−２００℃）以上第１物質の融点以下の第２物質の組み合わせとして、表１に示すような１８の組み合わせを選定した。

表１で選定した第１物質−第２物質の組み合わせのうち、ＬｉＯＨ−ＮａＯＨ、ＬｉＮＯ₃−ＬｉＯＨ、ＣｓＯＨ−ＮａＯＨ、ＫＯＨ−ＮａＯＨの平衡状態図を図６〜９にそれぞれ示す。図６〜９に示すように、各第１物質−第２物質の組み合わせにおいて、Ｔ_min〜Ｔ_maxの蓄熱温度範囲に固液共存相が存在することが確認できる。

図６〜９のような平衡状態図を用い、蓄熱最低温度Ｔ_minにおける固相率が０．３以上０．７以下（好ましくは０．５以上０．６以下）であり、かつ、蓄熱最高温度Ｔ_maxにおける固相率が０．１以下となる組成に設定する。

例えば、図７のＬｉＮＯ₃−ＬｉＯＨでは、蓄熱最低温度Ｔ_minにおける固相率を０．５以上０．６以下とするには、第１物質であるＬｉＯＨの組成ｘ₀をモル分率で０．７８１＜ｘ₀＜０．８２５とすればよいことが分かる。ここでは、第１物質であるＬｉＯＨの組成ｘ₀をモル分率で０．８００（質量分率で０．５８１）とし、固相の密度を用いて２５０〜４００℃のエンタルピー変化量を演算した。

同様に、表１で選定した各第１物質−第２物質の組み合わせについて組成ｘ₀を決定し、固相の密度を用いて２５０〜４００℃のエンタルピー変化量を演算した。結果を表１に併せて示す。なお、表１では、２５０〜４００℃のエンタルピー変化量により各第１物質−第２物質の組み合わせを順位付けしており、表１の上側ほど２５０〜４００℃のエンタルピー変化量が大きく、表１の下側ほど２５０〜４００℃のエンタルピー変化量が小さくなるように表示している。

表１に示すように、エンタルピー変化量が大きい順に並べると、晶出する物質（溶融塩純物質）ごとにグループとなっており、晶出する物質に注目すればエンタルピー変化量を予測できることがわかる。

これら晶出する物質の選定パラメータΔＨ^*をそれぞれ演算した結果を表２および図１０に示す。

表１と、表２および図１０を比較すると、選定パラメータΔＨ^*が大きい物質を晶出する第１物質−第２物質の組み合わせほど、２５０〜４００℃のエンタルピー変化量が大きくなっていることが分かる。つまり、選定パラメータΔＨ^*がより高い溶融塩純物質を選定し、当該選定した物質を第１物質または第２物質として用いることで、蓄熱温度範囲でのエンタルピー変化量をより大きくし、蓄熱密度をより向上できる。

Claims (6)

1. 蓄熱最低温度がＴ_min、蓄熱最高温度がＴ_maxである蓄熱システムに用いられる蓄熱材の選定方法であって、
   融点がＴ_min以上である溶融塩純物質を第１物質として選定し、
   融点が前記第１物質の融点以下の溶融塩純物質を、前記第１物質と混合する第２物質として選定する
   ことを特徴とする蓄熱材の選定方法。
2. 前記第１物質として、融点が（Ｔ_max＋３００℃）以下の溶融塩純物質を選定する
   請求項１記載の蓄熱材の選定方法。
3. 前記第２物質として、融点が（Ｔ_min−２００℃）以上の溶融塩純物質を選定する
   請求項１または２記載の蓄熱材の選定方法。
4. 下式（１）
   ΔＨ^*＝ΔＨ＋Ｌ（Ｔ_max） ・・・（１）
   但し、ΔＨ：Ｔ_min〜Ｔ_max間のエンタルピー変化量
   Ｌ（Ｔ_max）：Ｔ_maxでの融解潜熱
   融点がＴ_min以上Ｔ_max以下であるときはＬ（Ｔ_max）＝０
   で表される選定パラメータΔＨ^*がより高い溶融塩純物質を選定し、当該選定した溶融塩純物質を前記第１物質または前記第２物質として用いる
   請求項１〜３いずれかに記載の蓄熱材の選定方法。
5. 前記第１物質と前記第２物質の組成は、
   蓄熱最低温度Ｔ_minにおける固相率が０．３以上０．７以下であり、かつ、蓄熱最高温度Ｔ_maxにおける固相率が０．１以下となる組成に設定する
   請求項１〜４いずれかに記載の蓄熱材の選定方法。
6. 前記第１物質と前記第２物質の組成は、
   蓄熱最低温度Ｔ_minにおける固相率が０．５以上０．６以下となる組成に設定する
   請求項５記載の蓄熱材の選定方法。