JP2015102288A

JP2015102288A - 発核装置及びその製造方法並びに発核装置を備えた蓄熱装置

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Publication number: JP2015102288A
Application number: JP2013243739A
Authority: JP
Inventors: 秀和都築; Hidekazu Tsuzuki; 田中　賢吾; Kengo Tanaka; 賢吾田中; 勇輝岩野; Yuki Iwano; 池田　匡視; Masashi Ikeda; 匡視池田
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2015-06-04
Anticipated expiration: 2033-11-26
Also published as: JP6182437B2

Abstract

【課題】簡便な機構で、過冷却状態の潜熱蓄熱材に確実に結晶化を誘発できる発核装置を得る。
【解決手段】過冷却状態の潜熱蓄熱材を結晶化させる発核装置であって、前記潜熱蓄熱材の主成分である水和物の無水物を内部に有する溝３が、少なくとも片面に形成された可撓性を有する板部材の変形を利用する発核装置１を用いる。発核装置１を、蓄熱装置１１の潜熱蓄熱材１５の中に設けて使用する。発核装置１の製造方法は、可撓性を有する板部材の少なくとも片面に溝を形成する工程と、前記溝内に蓄熱材の水和物塩の無水物を配置する工程を具備することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、過冷却状態の潜熱蓄熱材を結晶化させる過冷却解除手段である発核装置とその製造方法、並びにこれを備えた蓄熱装置に関する。

従来より、自動車などのエンジンやモーターの排熱、或いは太陽熱を蓄熱して必要な時に熱源として利用する蓄熱装置が知られている。この種の蓄熱装置では、蓄熱材として、固相から液相への相変化（融解）による潜熱を利用して蓄熱を行う潜熱蓄熱材が用いられている。潜熱蓄熱材の中でも過冷却状態を利用する蓄熱材は、融点以下でも液相の過冷却状態を保持し、外部刺激により液相から固相へ相変化（結晶化）して潜熱を放出する材料である。
このため、過冷却状態を利用する蓄熱装置には、任意のタイミングで潜熱蓄熱材に刺激を与えて結晶化を誘発する過冷却解除手段である発核装置が設けられている。

このような発核装置を備えた蓄熱装置として、特許文献１に記載の熱エネルギー貯蔵伝達装置がある（特許文献１を参照）。特許文献１に記載の熱エネルギー貯蔵伝達装置においては、過冷却状態の液体の潜熱蓄熱材に対して種結晶の接触により結晶化を開始させている。潜熱蓄熱材を加熱する際に種結晶が溶解しないように、種結晶は断熱容器内に収め、過冷却液体と種結晶との接触は、断熱容器の開閉により制御されている。

また、他の過冷却解除手段として、機械的な衝撃を過冷却液体に加えて結晶化を開始させる発核装置がある。例えば特許文献２では、薄い金属製のストリップに力をかけてストリップの形状を変形させ、ストリップの孔内の過冷却液体に衝撃を加える発核装置である。

特開昭６３−１０５２１９号公報特開昭６０−２５１１８９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の熱エネルギー貯蔵伝達装置は、発核機構が複雑で装置が大型になる問題があった。また、特許文献２に記載の発核装置は、繰り返し使用での発核の確実性に問題があった。
本発明の目的は、簡便な機構で、過冷却状態の潜熱蓄熱材を確実に繰り返し結晶化させる発核装置の提供である。

本発明者らは、鋭意検討の結果、過冷却液体の結晶化を開始させる発核装置において、弾性変形可能な板部材に設けた溝内に蓄熱材の主成分である水和物塩の無水物を埋めこめば、簡便な機構で過冷却状態の潜熱蓄熱材を繰り返し結晶化が可能な発核装置を実現できることを見出した。

前述した目的を達成するために、以下の発明を提供する。
（１）過冷却状態の蓄熱材を結晶化させるために可撓性を有する板部材の変形動作を利用する発核装置であって、前記可撓性を有する板部材には溝が設けられ、前記溝には、前記蓄熱材の主成分である水和物塩の無水物が内部に存在することを特徴とする発核装置。
（２）前記発核装置は、前記溝を板部材の片面もしくは両面に有し、前記発核装置が、２つの形状の間を変位可能であることを特徴とする（１）に記載の発核装置。
（３）前記溝の先端に亀裂を有し、前記亀裂が、前記発核装置の両面に対向するように形成された前記溝の間を連結することを特徴とする（２）に記載の発核装置。
（４）前記可撓性を有する板部材は、弾性を有する金属であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の発核装置。
（５）前記蓄熱材は酢酸ナトリウム三水和物を主成分とし、前記溝の内部に酢酸ナトリウム無水物が存在することを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の発核装置。
（６）前記可撓性を有する板部材の変形動作は、二種類の形状の間でのスナップ変位を伴った変形であることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の発核装置。
（７）可撓性を有する板部材の少なくとも片面に溝を形成する工程と、前記溝内に蓄熱材の水和物塩の無水物を配置する工程を具備することを特徴とする発核装置の製造方法。
（８）前記溝内に蓄熱材の水和物塩の無水物を配置する工程は、前記無水物を前記板部材の前記溝内に擦り込む工程を具備することを特徴とする（７）に記載の発核装置の製造方法。
（９）前記溝内に蓄熱材の水和物塩の無水物を配置する工程は、前記溝内に前記水和物塩を配置する工程と、前記板部材を加熱し、前記溝中の前記水和物塩を前記無水物にする工程を具備することを特徴とする（７）に記載の発核装置の製造方法。
（１０）蓄熱容器内に、過冷却状態を利用する蓄熱材と、前記蓄熱材に含まれる塩の無水物を内部に有する溝を少なくとも片面に形成した可撓性を有する板部材の変形動作を利用する発核装置を有することを特徴とする蓄熱装置。

本発明により、簡便な機構で、過冷却状態の潜熱蓄熱材に確実に結晶化を引き起こすことが可能な発核装置を得ることができる。

本発明の実施形態に係る蓄熱装置１１の断面図。本発明の実施形態に係る発核装置１の平面図及び溝部の断面拡大図。本発明の実施形態の他の例に係る発核装置１ａの溝部の断面拡大図。本発明の実施形態の他の例に係る発核装置１ｂの溝部の断面拡大図。本発明の実施形態の他の例に係る発核装置１ｃの平面図。図５中のＣ−Ｃ断面での発核装置１ｃの変形を説明する図。

（発核装置１を用いた蓄熱装置１１）
以下図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明の実施形態に係る蓄熱装置１１について説明する。図１は、蓄熱装置１１の断面の模式図である。可撓性のある容器１３には、過冷却状態を利用する潜熱蓄熱材１５と発核装置１が封入されている。

容器１３は、可撓性のあるラミネートフィルムからなる外装材で囲まれた蓄熱パックであり、外部応力により容器が変形し、内部の発核装置１に応力を容易に伝達できる構造である。発核装置１は外部応力により板部材が変形して形状が反転して発核を引き起こす構造である。潜熱蓄熱材１５が過冷却状態の時に、発核装置１を作動させると、蓄熱装置１１内の潜熱蓄熱材１５が結晶化し、潜熱を放出して発熱する。
蓄熱容器を変形させずに、発核装置に応力を伝達しても良く、例えばモーターの駆動による応力で板部材を変形する方法があり、変形機構は電気的、物理的応力など限定されない。

潜熱蓄熱材１５は、水和物塩を主成分とし、過冷却状態が安定している材料であり、例えば酢酸ナトリウム三水和物が挙げられる。また、潜熱蓄熱材１５は、潜熱蓄熱材１５に含まれる水和物塩を無水化した無水物が、過冷却液体の発核を引き起こす種結晶として機能する材料である。

発核装置１に用いる板部材の形状は長方形状の板形状や円板形状など限定されない。板部材の変形動作は、外力により起こされる繰り返し曲げやスナップ変位の飛び移り座屈を利用する。

（発核装置の構成）
図２（ａ）は、本発明の実施形態に係る発核装置１の平面図である。発核装置１は、溝３を有する可撓性の板部材である。溝３の内部には、潜熱蓄熱材１５の主成分を構成する水和物塩の無水物が存在する。
蓄熱材１５の主成分が酢酸ナトリウム三水和物の場合、溝中の無水物は酢酸ナトリウムに相当する。酢酸ナトリウム三水和物の融点は約５８℃で、無水物である酢酸ナトリウムの融点は約３２０℃である。酢酸ナトリウム三水和物を加熱により溶融させても、溝３中に酢酸ナトリウムが溶融せずに残り、繰り返し発核機能が維持できる。

図２（ｂ）は、発核装置１の図２（ａ）でのＡ−Ａ断面での溝３の拡大図である。発核装置１は、板状の金属である。板部材の長手方向端部を保持し、図２（ｂ）の矢印Ｂの方向に力を加え、板部材を湾曲するように変形させて発核動作とする。板部材は、弾性のある金属、例えばＳＵＳが適しているが、適度な弾性があれば、プラスチック、ゴムなど材質を問わない。形状は長方形や円など限定しない。板形状では、外力による繰り返し曲げや飛び移り座屈により発核動作させるが、円板形状では、特にスナップ変位の飛び移り座屈を利用する。

円板形状の発核装置１ｃを図５に示す。発核装置１ｃは、円板状の金属であり、皿状の中央部５と、中央部５を取り囲むほぼ平坦な外側部７を有する。円板形状では、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、凸形状のくぼみ６ａと凹形状のくぼみ６ｂの二種類の形状の間を変位する飛び移り座屈を利用する。飛び移り座屈は、ある釣り合った形状の間を往復するので、加える力の変動に対して中間の形状の変化が鈍感なため、安定した発核動作が実現できる。
二種類の形状に対して弾性変形以上の塑性変形を加えると、永久歪みが蓄積されて形状が維持できず、信頼性の高い発核動作を保証できないので、弾性変形内での繰り返し変形が望ましい。

図３に示すように、発核装置の溝は板部材の両面に設けてもよい。発核装置１の片面のみに溝３がある場合、１回変位させた後に元の形状に戻して、次回の変位に備える必要がある。一方、発核装置１の両面に溝３があれば、１回変形させた後、元の形状に戻すことなくそのまま使用できる。

また、発核装置１の片面だけではなく、両面に溝３を設けると、潜熱蓄熱材の結晶化を引き起こす確率、すなわち信頼性を高くできる。さらに、図４に示すように、溝３が発核装置１の両面に形成され、対向する溝３の間が亀裂によって貫通していると、さらに信頼性を高くできる。このような亀裂は、例えば、板部材に刃を押し当てて溝を形成する際に、同時に形成できる。

（発核装置１の作用）
発核装置１は、潜熱蓄熱材１５中に置かれる。潜熱蓄熱材１５を凝固点以下に冷却すると、過冷却状態となる。その後、板部材を湾曲させて発核装置１を作動させると、板部材の変位の際の衝撃と、溝内の無水物への接触により、過冷却状態の潜熱蓄熱材１５の結晶化が開始する。一度結晶化が引き起こされると、結晶化が連鎖的に進行し、潜熱蓄熱材１５は全体が結晶化する。過冷却状態の潜熱蓄熱材１５は、結晶化過程で潜熱を放出し発熱する。結晶化した蓄熱材１５は融点以上の加熱により溶融し、液体に戻る。この際、無水物の融点は高いので、溝内の無水物は溶融しない。

この後、再度冷却し、過冷却状態にした潜熱蓄熱材１５に対して、発核装置１の板部材を変形させて発核装置１を作動させると、上記同様に発核が起き、発熱が見られる。

（発核装置１の効果）
本発明の実施形態に係る発核装置１は、板部材の変形という簡便な動作で、種結晶である無水物と過冷却状態の潜熱蓄熱材１５を接触させる機構なので、物理的衝撃のみの発核機構に比べて、確実に過冷却状態の潜熱蓄熱材１５を結晶にできる。

本発明の実施形態に係る発核装置１は、無水物を利用するので、蓄熱材の主成分の水和物より融点が高く、水和物の結晶が溶融する温度で無水物は溶融せず、繰り返し発核の種結晶として利用できる。また、無水物は、溝３の内部に保持されているので、液体の潜熱蓄熱材１５への溶けこみを抑制できる。

（発核装置１の製造方法）
板部材である発核装置１に溝３を形成する。溝３の形成方法は、板部材の材質に合わせて、適宜選択できる。例えば、板部材に刃を押し当てて溝を形成することができる。また、溝３の先端に亀裂を形成するためには、例えば、硬い受台の上に板部材を置き、刃を押し当てる際の刃の先端の力が十分に板部材に付加されるようにする。その後、水和物塩を溝３に擦り込むなどの方法で溝内に水和物塩を保持させた後、加熱により溝中の水和物塩を脱水して、無水物の結晶を溝３内に析出させる。
なお、無水物の溝内への配置工程では、無水物を板部材の溝内に擦り込んでもよい。

以上、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しえることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

［実施例１］
金属片を凸型と凹型に曲げる弾性変形を利用した発核装置を作製した。金属片は、ＳＵＳ３０４製の長方形状の薄片であり、片面に溝を設けた。
蓄熱材は酢酸ナトリウム三水和物を主成分とし、金属片に設けた溝中には酢酸ナトリウムを保持した。
酢酸ナトリウムの溝への配置は、金属片を、酢酸ナトリウム三水和物を主成分とする蓄熱材の固液共存状態にまで加熱した液中に漬けて溝内に酢酸ナトリウム水和物を浸透させ、その後７０℃以上への加熱により酢酸ナトリウム水和物を酢酸ナトリウムに脱水化して実現した。
その後、金属片を別に準備した蓄熱容器の中に入れ、金属片を発核装置として機能させるために、平板状の金属片を外力により溝が凹側になるように曲げて、曲げた状態を維持するように固定した。
発核動作においては、凹側の亀裂面が凸になる方向に変形させた後、完全に結晶化する前に、再度変形させ元の形状に戻して保持する。
金属片が発核装置として機能するように設置した後、液体まで加熱した蓄熱材とともに蓄熱容器の熱圧着により封入した。
−２０℃まで冷却して１日以上保持し、過冷却状態の安定な維持を確認した。
その後、２０℃での１回の発核動作で蓄熱材は結晶化し、発核装置の動作を確認した。

［比較例１］
実施例１における、溝内に蓄熱材の水和物塩の無水物を配置する作業を行わずに、金属片を液体まで加熱した蓄熱材と一緒に、蓄熱容器の中に入れ蓄熱容器の熱圧着により封入した。その後、室温で金属片を変形させる発核動作を行ったが、蓄熱材は結晶化せず、過冷却状態を維持したままであった。

［実施例２］
凸型の金属円板は、外力が加えられると撓み凹型に反転し、外力が取り除かれてもその形状を維持する。反対方向からの外力で、金属円板が撓み反転し、元の凸型の形状に戻る。以上のスナップ変位を行っても、形状が維持できる材質としてＳＵＳ３０４で金属円板を作製した。その後、金属円板の撓み反転可能な箇所の片面に溝を設けた。
蓄熱装置の容器の材質は硬質プラスチックとアルミ箔より構成するラミネートフィルムで、可撓性があり外部の応力により変形するので、金属円板が変形できる。
発核動作において、溝が凸になる方向に変形させた後、完全に結晶化する前に、再度変形させ元の形状に戻して保持する。

蓄熱材は酢酸ナトリウム三水和物を主成分とし、金属円板に設けた溝中には酢酸ナトリウムを保持する。
酢酸ナトリウムの溝への配置は、金属円板を、酢酸ナトリウム三水和物を主成分とする蓄熱材の固液共存状態にまで加熱した液中に漬けて、金属円板の溝内に酢酸ナトリウム水和物を浸透させ、その後７０℃以上への加熱により酢酸ナトリウム水和物を酢酸ナトリウムに脱水化して実現した。
その後、金属円板を別に準備した蓄熱容器の中に、液体まで加熱した蓄熱材とともに蓄熱容器の熱圧着により封入した。
−２０℃まで冷却して１日以上保持し、過冷却状態の安定な維持を確認した。
その後、任意温度で金属円板を反転させる発核動作を行ったが、１回の動作で蓄熱材は結晶化し、発核装置の動作を確認した。

［比較例２］
実施例１における、溝内に蓄熱材の水和物塩の無水物を配置する作業を行わずに、金属円板を液体まで加熱した蓄熱材と一緒に、蓄熱容器の中に入れ蓄熱容器の熱圧着により封入し、室温で金属円板を反転させる発核動作を行ったが、蓄熱材は結晶化せず、過冷却状態を維持したままであった。

［実施例３］
実施例２の場合よりも高い衝撃力により、金属円板の両面に溝を形成し、溝の形成と同時に亀裂が金属円板を貫通する加工を行った。酢酸ナトリウムの溝への配置は、金属円板を半溶融状態の蓄熱材の中に入れて蓄熱材を溝内に擦り込んだ後、８０℃まで加熱する脱水処理により行った。蓄熱パック内に金属板を入れる場合には、加工を加えて亀裂を開けた面を凹になるようにした。

［比較例３］
実施例３と同様に、金属円板の両面に溝を形成し、溝と亀裂が金属円板を貫通する加工を行った後、蓄熱材の擦り込みを行わずに溝中に酢酸ナトリウムを配置していない発核装置を作製した。酢酸ナトリウム三水和物を用いた蓄熱パック内に発核装置を用いて蓄熱装置を作製した。

［実施例４］
酢酸ナトリウム無水物の溝への配置を、酢酸ナトリウム三水和物の配置と加熱によらず、酢酸ナトリウム無水物の粉末を金属片の溝内に擦り込むことによって実現した以外は、実施例１と同様にして、発核装置を作製し、発核装置の動作を確認した。

（信頼性の評価）
実施例１〜４、比較例３に係る蓄熱装置を１０個作製し、発核装置の動作を確認した（熱サイクル前）。その後、各蓄熱装置を９０℃まで加熱し蓄熱材を溶融後に、２０℃まで冷却し、発核装置を作動させ、蓄熱材の結晶化が発生するかを確認した（１熱サイクル後）。また、加熱と冷却、発核装置作動を１サイクルとして、１０回繰り返し、発核装置の動作信頼性を確認した。
動作信頼性は、一回の発核装置の作動で発核するかで評価したが、発核しなかった場合、５回まで発核装置を繰り返し動作させて、発核するか確認した。
なお、表中の発核成功数は、１０個の蓄熱装置のうち、１０個全てで１回の発核装置の作動で結晶化が確認されたことを意味し、（）の中が一回の発核装置の作動で発核しなかった場合に５回までの発核動作で発核した個数である。

以上のように、蓄熱材無水物の配置処理を行った実施例１〜４は、複数回の発核装置の作動で、すべて発核が確認できた。中でも溝を両面に形成し、溝が亀裂により連結している発核装置を用いる実施例３では、一回の作動で確実に蓄熱材を結晶化できた。

一方で、蓄熱材無水物の配置処理を行わなかった比較例３では、結晶化が発生しない場合が多かった。

１、１ａ〜ｃ………発核装置
３………溝
５………中央部
６ａ、６ｂ………くぼみ
７………外側部
９………亀裂
１１………蓄熱装置
１３………容器
１５………潜熱蓄熱材

Claims

過冷却状態の蓄熱材を結晶化させるために可撓性を有する板部材の変形動作を利用する発核装置であって、前記可撓性を有する板部材には溝が設けられ、前記溝には、前記蓄熱材の主成分である水和物塩の無水物が内部に存在することを特徴とする発核装置。
前記発核装置は、前記溝を板部材の片面もしくは両面に有し、
前記発核装置が、２つの形状の間を変位可能であることを特徴とする請求項１に記載の発核装置。
前記溝の先端に亀裂を有し、
前記亀裂が、前記発核装置の両面に対向するように形成された前記溝の間を連結することを特徴とする請求項２に記載の発核装置。
前記可撓性を有する板部材は、弾性を有する金属であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発核装置。
前記蓄熱材は酢酸ナトリウム三水和物を主成分とし、
前記溝の内部に酢酸ナトリウム無水物が存在することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発核装置。
前記可撓性を有する板部材の変形動作は、二種類の形状の間でのスナップ変位を伴った変形であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の発核装置。
可撓性を有する板部材の少なくとも片面に溝を形成する工程と、
前記溝内に蓄熱材の水和物塩の無水物を配置する工程を具備することを特徴とする発核装置の製造方法。
前記溝内に蓄熱材の水和物塩の無水物を配置する工程は、前記無水物を前記板部材の前記溝内に擦り込む工程を具備することを特徴とする請求項７に記載の発核装置の製造方法。
前記溝内に蓄熱材の水和物塩の無水物を配置する工程は、
前記溝内に前記水和物塩を配置する工程と、
前記板部材を加熱し、前記溝中の前記水和物塩を前記無水物にする工程
を具備することを特徴とする請求項７に記載の発核装置の製造方法。
蓄熱容器内に、過冷却状態を利用する蓄熱材と、前記蓄熱材に含まれる塩の無水物を内部に有する溝を少なくとも片面に形成した可撓性を有する板部材の変形動作を利用する発核装置を有することを特徴とする蓄熱装置。