JP2018146173A - 蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱材の過冷却状態を長期間維持可能としつつ、必要なタイミングで電気トリガーによって過冷却状態を解除することで、蓄熱材に蓄えられた熱を自由に取り出すことができる蓄熱装置を提供する。【解決手段】本開示の蓄熱装置は、過冷却状態で熱を保持し、電気トリガーで固化し発熱する、酢酸ナトリウム三水和物を主材とする蓄熱材１０４と、蓄熱材１０４に電気トリガーを与える、少なくとも１本は銀を含んで構成された一対以上の電極１０９と、を備える。蓄熱材１０４は、飽和濃度以下の銀元素を含み、電極１０９は、蓄熱材１０４と接触する表面の少なくとも一部に臭化銀が付着されている。【選択図】図１

Description

本開示は、蓄熱装置に関する。

従来の蓄熱材として、潜熱蓄熱材が知られている。潜熱蓄熱材は、物質の相変化を利用する蓄熱材である。相変化時の温度が一定であるので、潜熱蓄熱材は、熱エネルギーを安定した温度で取り出せるという利点を有する。潜熱蓄熱材を用いて蓄熱を行う場合、潜熱蓄熱材が加熱されて液体状態になる。その後、潜熱蓄熱材は、液体状態に維持されるように保温される。潜熱蓄熱材を固化（凝固）させることによって、潜熱蓄熱材に蓄えられた熱を必要な時期に取り出すことができる。

例えば、酢酸ナトリウム三水和物は、比較的大きい融解潜熱を有するので、少ない容量で効率的に熱を蓄えることができる物質として知られている。酢酸ナトリウム三水和物は、物質固有の温度（融点）で融解するものの、一旦融解すると融点を下回っても凝固せず、過冷却状態になることが知られている。そこで、酢酸ナトリウム三水和物を含む蓄熱材を加熱して液体状態にした後、蓄熱材を過冷却状態に保って蓄熱することが検討されている。この場合、酢酸ナトリウム三水和物を含む蓄熱材の過冷却状態を解除することによって、蓄熱材に蓄えられた熱を取り出すことができる。

従来の過冷却状態の解除手段としては、過冷却状態の蓄熱材に電圧を印加する電極が知られている（例えば、特許文献１参照）。図２は、特許文献１に記載された、過冷却解除の機能を有する従来の蓄熱装置を示している。図２に示す蓄熱装置は、蓄熱槽２０１、蓄熱材２０２、熱交換パイプ２０３、スイッチ２０４、電極材２０５、及び直流電源２０６を備えている。スイッチ２０４を熱交換パイプ２０３側に接続して直流電源２０６を動作させると、電極材２０５−熱交換パイプ２０３間に所定の電圧が印加される。

さらに、特許文献２は、酢酸ナトリウム三水和物を主材とし、アルカリ金属、アルカリ土類金属および亜鉛のそれぞれの塩化物、臭化物およびヨウ化物からなる群から選ばれる１種類以上の化合物を含有してなる蓄熱材を用いてなり、少なくとも１対の電極を備え、そのうち少なくとも１本は銀電極である蓄熱装置を開示している。さらにこの蓄熱装置において、融液状態の蓄熱材と接触した少なくとも１本の銀電極に通電し、その後に蓄熱材を固化させることによる電極の活性化処理方法が記載されている。活性化処理を行うことで、電気トリガーによる固化開始の繰り返し安定性が高い蓄熱装置を提供できる。

特開昭６１−２０４２９３号公報 特開２００４−２０５１５３号公報

特許文献１及び２に記載の技術では、蓄熱材の過冷却状態を長時間維持可能としつつ、蓄熱材に蓄えられた熱を必要な時期に自由に取り出すことができる構成については具体的に検討されていない。

本開示は、蓄熱材の過冷却状態を長期間維持可能としつつ、必要なタイミングで電気トリガーによって過冷却状態を解除することで、蓄熱材に蓄えられた熱を自由に取り出すことができる蓄熱装置を提供する。

本開示は、過冷却状態で熱を保持し、電気トリガーで固化し発熱する、酢酸ナトリウム三水和物を主材とする蓄熱材と、前記蓄熱材に電気トリガーを与える、少なくとも１本は銀を含んで構成された一対以上の電極と、を有する蓄熱装置であって、前記蓄熱材は、飽和濃度以下の銀元素を含み、前記電極は、前記蓄熱材と接触する表面の少なくとも一部に臭化銀が付着されている、蓄熱装置を提供する。

本開示の蓄熱装置によれば、常温において蓄熱材の過冷却状態を長時間維持しつつ、任意のタイミングで電気トリガーを与えて過冷却を解除することで蓄熱材から熱を取り出すことができる。

本開示の一実施の形態における蓄熱装置の概略図 従来の蓄熱装置の概略図

（本発明者らの検討に基づく知見）
銀電極を用いて電気トリガーを与えることで蓄熱材の過冷却状態を解除する蓄熱装置では、融点以上の温度である融解状態の蓄熱材の中で通電処理を行った場合、特に特許文献２に記載の活性化処理を行うための通電処理を行った場合には、銀電極において化学反応が始まり、蓄熱材の中に銀が溶出する。このため、銀の溶解度が飽和したとき、不溶物として銀化合物が沈殿し、蓄熱材との間に界面が形成される。この界面の増加により、意図せず蓄熱材の固化（凝固）が促進されてしまうため、過冷却状態を長期間維持することが困難になり、蓄熱材に蓄えられた熱を、必要なタイミングで自由に取り出すことができないという課題があることを、本発明者らは新たに見出した。このため、活性化処理のような通電処理を行わずに準備された電極により、蓄熱材に電気トリガーを与えられる構成とするのが望ましい。

そこで、本発明者らは、活性化処理と呼ばれる通電処理を行わずとも、電気トリガーによる過冷却状態の解除を確実に行うことができる構成の検討を重ねた。その結果、発明者らは、銀を主体とする金属の表面に臭化銀を付着させたものを電極に用いることで、活性化処理のような通電処理が不要となり、その結果、電気トリガーを与えていないときは蓄熱材の過冷却状態を長期間維持することができることを新たに見出した。このような構成とすれば、活性化処理を行っていなくても、電極間に電気トリガーを与えたとき、電極表面の臭化銀と溶解した銀元素との間で何らかの反応が生じ、電極周りに結晶核が形成され、固化（凝固）が促進される。その結果、電気トリガーによる固化開始の繰り返し安定性が向上する。したがってこのような構成とすれば、活性化処理の工程を除くことができる。本発明者らは、この新たな知見に基づいて、本開示の蓄熱装置を案出した。なお、上記の知見は本発明者らの検討に基づくものであり、上記の知見は先行技術ではない。

本開示の第１の態様は、過冷却状態で熱を保持し、電気トリガーで固化し発熱する、酢酸ナトリウム三水和物を主材とする蓄熱材と、前記蓄熱材に電気トリガーを与える、少なくとも１本は銀を含んで構成された一対以上の電極と、を有する蓄熱装置であって、
前記蓄熱材は、飽和濃度以下の銀元素を含み、前記電極は、前記蓄熱材と接触する表面の少なくとも一部に臭化銀が付着されている、蓄熱装置を提供する。

第１の態様の蓄熱装置によれば、常温において液相の状態を長時間維持することができ、電気トリガーを与えると１００％の確率で液相を固相に変えることができるので、任意のタイミングで熱を取り出すことができる。

本開示の第２の態様は、特に第１の態様に加え、蓄熱材に含まれる銀元素の重量濃度が３０００ｐｐｍを超えない蓄熱装置を提供する。

第２の態様の蓄熱装置によれば、融点からの温度差が大きく、液相の状態を維持するのが従来技術では困難な−２０℃環境下においても、液相の状態を１２時間以上維持することができる。

本開示の第３の態様は、第１の態様または第２の態様に加え、前記臭化銀における臭素元素のモル分率が、０．１％より大きく、且つ、５０％より小さい蓄熱装置を提供する。

第３の態様の蓄熱装置によれば、液相から固体への固化を行うことが従来技術では困難である０．２Ｖの低電圧電気トリガーにおいても、２分以内に１００％の確率で液相を固相に変えることができる。さらに低電圧化によって、電極反応が減少し、繰返し利用における蓄熱装置の耐久性向上と、低電圧化によるランニングコスト低減が可能である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

（実施の形態１）
図１は、本開示における蓄熱装置の概略図である。

図１において、蓄熱槽１０１は潜熱蓄熱材１０４で満たされており、周囲を断熱材１０２によって囲まれている。過冷却状態を解除する装置として、銀で構成された一対の電極１０９とそれらをつなぐ電源１１０とスイッチ１１１を備えた電線によって構成されている。潜熱蓄熱材１０４は、飽和濃度以下の銀元素を含み、電極１０９は、電極表面１１６にハロゲン化銀が付着されている（実施の形態１の構成）。

かかる構成によれば蓄熱材１０４に銀元素を添加し、電極表面１１６にハロゲン化銀を付着するとすることにより、液相に電気トリガーを与えた時、電極表面１１６のハロゲン化銀と、溶解した銀元素との間で酸化還元のような反応が起こり、電極表面１１６に拡散２重層が形成される。この拡散２重層の微小な運動によって電気トリガーによる固化が促進される。

よって活性化処理の工程を除いても、電気トリガーによって固化がなされることとなり、活性化処理を行った場合の蓄熱材中の銀元素の重量濃度の増加を生じさせることがないので、温度が融点以下においても液相を維持できる期間を長くすることができる。

なお、本実施の形態において、過冷却を解除する電気トリガーを発する電極１０９を一対設けたが、複数対あっても良い。

（実施の形態２）
実施の形態２は、図１における潜熱蓄熱材１０４が酢酸ナトリウム三水和物を主材とし、潜熱蓄熱材１０４内の銀元素の重量濃度が、３０００ｐｐｍを超えないように構成している。

−２０℃環境下では、蓄熱槽１０１の内側と外側での温度差、あるいは、高低差による濃度分布によって、潜熱蓄熱材１０４中の銀元素が部分的に飽和に達し沈殿物が発生する恐れがある。潜熱蓄熱材１０４中の銀元素の重量濃度を３０００ｐｐｍより少なくすることで、部分的な飽和による沈殿物の発生を抑制することができ、−２０℃環境下においても液相を維持できる期間を長くすることができる。

よって融点からの温度差が大きく、液相の状態を維持するのが従来技術では困難な−２０℃環境下においても、液相の状態を１２時間以上維持することができる。

（実施の形態３）
実施の形態３は、図１における電極表面１１６のハロゲン元素のモル分率を０．１％より大きく、５０％より小さくするように構成している。

電気トリガーの電圧が小さい場合、ハロゲン元素のモル分率が５０％以上では電極表面１１６が不導体に覆われるため電気抵抗が大きくなり、通電しにくくなる恐れがある。またモル分率が０．１％以下では電極表面１１６の反応物が少ないため、電極１０９周りの銀元素を集めて、拡散２重層の形成に時間がかかり、固化の開始が遅延する。よってモル分率を０．１％より大きく、５０％より小さくすることで、電気トリガーによる固化の確実性を向上させることができる。

液相から固体への固化を行うことが従来技術では困難である０．２Ｖの低電圧電気トリガーにおいても、２分以内に１００％の確率で液相を固相に変えることができる。

さらに低電圧化によって、電極反応が減少し、繰返し利用における蓄熱装置の耐久性向上と、低電圧化によるランニングコスト低減が可能である。
（実施例）
以下、実施例により本開示を具体的に説明するが、本開示はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
（溶液調整）
酢酸ナトリウム無水物２８．８ｇと水２３．６ｇ、さらに酢酸銀０．０２５ｇを６０ｃｃスクリュー管に添加し、６５℃の恒温槽内でスクリュー管内の添加物が完全に溶解するまで加熱する。

（電極の表面処理）
直径１．５ｍｍ、長さ６５ｍｍの銀線（純度９９．９％）に対して、常温（２０℃）の臭化カリウム１．０ｗｔ％水溶液中で電圧２Ｖ、０．０５Ｈｚの交流を０．５時間通電する。銀電極は２本とも表面に黄色の臭化銀が付着した。なお、以下の実験後に、この２本の銀電極の付着物を元素分析したところ、臭素を検出することができた。

（電極の設置）
上記表面処理後の２本の電極を５ｍｍの間隔でプラスチック蓋に取り付け、電極先端が蓄熱材に５ｍｍ浸漬するように蓄熱装置に設置する。この時、電極表面に臭化銀が付着した部分が蓄熱材と接するように設置する。

（固化実験）
上記試料において、６５℃の恒温槽内で完全に融解するまで２時間加熱した後、２０℃の水槽内に３０分静置する。その後、電極間に電圧２Ｖ、０．０５Ｈｚの交流を掛けて固化（凝固）を行うことを、３０回の繰返しで行った結果、毎回３秒以内に固化が始まった（表１参照）。

（安定性評価実験）
上記試料において、６５℃の恒温槽内で完全に融解するまで２時間加熱した後、−２０℃の恒温槽内に１２時間静置し、液相の状態を保っているかを、１０回の繰返しで行った結果、毎回液相の状態を保った（表１参照）。

（比較例１）
（溶液調整）
酢酸ナトリウム無水物２８．８ｇと水２３．６ｇ、さらに臭化カリウム０．０２５ｇを６０ｃｃスクリュー管に添加し、６５℃の恒温槽内でスクリュー管内の添加物が完全に溶解するまで加熱する。

（電極の設置）
直径１．５ｍｍ、長さ６５ｍｍの銀線（純度９９．９％）を電極とし、２本の電極を５ｍｍの間隔でプラスチック蓋に取り付け、電極先端が蓄熱材に５ｍｍ浸漬するように蓄熱装置に設置する。

（活性化処理）
上記スクリュー管を６５℃水浴中に保持し、電圧１Ｖ、周波数０．０５Ｈｚの交流を４時間通電した。銀電極は２本とも淡灰色化した。スクリュー管を２０℃水中に浸漬し、１時間後に電極付プラスチック蓋を取り除いて酢酸ナトリウム３水塩の種結晶数粒を投入し、直ちにプラスチック蓋を挿入する。スクリュー管中の溶液は全体が固化した。これを一夜静置する。なお、以下の実験後に、この２本の銀電極の淡灰色化した付着物を元素分析したところ、臭素は検出されなかった。

（固化実験）
上記試料において、６５℃の恒温槽内で完全に融解するまで２時間加熱した後、２０℃の水槽内に３０分静置する。その後、電極間に電圧２Ｖ、０．０５Ｈｚの交流を掛けて固化（凝固）を行うことを、３０回の繰返しで行った結果、毎回３秒以内に固化が始まった（表１参照）。

（安定性評価実験）
上記試料において、６５℃の恒温槽内で完全に融解するまで２時間加熱した後、−２０℃の恒温槽内に１２時間静置し、液相の状態を保っているかを、１０回の繰返しで行った結果、毎回液相の状態を保たなかった（表１参照）。

（実施例２）〜（実施例４）
実施例１と同様の手順で試料を作成し、蓄熱材に添加する酢酸銀の添加量を変更する。実施例１の試料が、銀の重量濃度で３００ｐｐｍであったのに対して、１０００ｐｐｍ、２０００ｐｐｍ、３０００ｐｐｍの試料を用意して、安定性評価実験を行う。−２０℃環境において、銀の重量濃度が３０００ｐｐｍ以内であれば液相の状態を１２時間維持した（表１参照）。

（比較例２）
実施例１と同様の手順で試料を作成し、蓄熱材に添加する酢酸銀の添加量を変更する。銀の重量濃度が４０００ｐｐｍの試料を用意して、安定性評価実験を行う。結果、−２０℃環境において、銀の重量濃度が３０００ｐｐｍを超えた条件では液相の状態を１２時間維持しなかった（表１参照）。

（実施例５）〜（実施例６）
実施例１と同様の手順で試料を作成し、電極の表面処理の通電時間を変更した。実施例１の試料が、電極表面の臭素元素のモル分率が１０％であったのに対して、１．０％、４０％の試料を用意して、固化実験を行う。結果、電極表面の臭素元素のモル分率が０．１％より大きく、５０％より小さい条件では電極間に電圧０．２Ｖ、０．０５Ｈｚの交流を２分間掛けると、毎回固化が始まった（表１参照）。

（比較例３）〜（比較例４）
実施例１と同様の手順で試料を作成し、電極の表面処理の通電時間を変更した。電極表面の臭素元素のモル分率が０．１％、５０％の試料を用意して、固化実験を行う。結果、電極表面の臭素元素のモル分率が０．１％以下もしくは５０％以上の条件では電極間に電圧０．２Ｖ、０．０５Ｈｚの交流を２分間掛けも、固化が始まらなかった（表１参照）。

以上、実施例及び比較例を説明した。なお、本開示においては、電極表面にハロゲン化銀である臭化銀を付着させたが、酸化銀を用いることも可能である。

本明細書に開示された技術は、内燃機関の廃熱、燃焼式ボイラーの廃熱などを熱源として機器の暖機を行うための蓄熱装置に有用である。また、本明細書に開示された技術は、空調機または給湯器にも応用できる。

１０１ 蓄熱槽
１０２ 断熱材
１０４ 潜熱蓄熱材
１０９ 電極
１１０ 電源
１１１ スイッチ
１１６ 電極表面
２０１ 蓄熱槽
２０２ 蓄熱材
２０３ 熱交換パイプ
２０４ スイッチ
２０５ 電極材
２０６ 直流電源

Claims (3)

1. 過冷却状態で熱を保持し、電気トリガーで固化し発熱する、酢酸ナトリウム三水和物を主材とする蓄熱材と、
   前記蓄熱材に電気トリガーを与える、少なくとも１本は銀を含んで構成された一対以上の電極と、
   を有する蓄熱装置であって、
   前記蓄熱材は、
   飽和濃度以下の銀元素を含み、
   前記電極は、
   前記蓄熱材と接触する表面の少なくとも一部に臭化銀が付着されている、
   蓄熱装置。
2. 前記蓄熱材に含まれる前記銀元素の重量濃度は、
   ３０００ｐｐｍを超えない、
   請求項１記載の蓄熱装置。
3. 前記臭化銀における臭素元素のモル分率は、
   ０．１％より大きく、且つ、５０％より小さい、
   請求項１または２に記載の蓄熱装置。

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