JP2019078664A - 蓄熱材の熱モニタリング方法及びこのための蓄熱材収容容器 - Google Patents
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Abstract
【課題】保冷剤のような蓄熱材の状態を経時的にモニタリングする方法及びこのための蓄熱材を収容する容器を提供する。【解決手段】容器１０に蓄熱材Ｈを密閉させ、容器１０の面に沿って与えられた熱電変換モジュール３により発せられる電気信号として容器１０を通過して外部との間で授受される熱量を測定する。【選択図】図１
Description
本発明は、蓄熱材の状態を経時的にモニタリングする方法及びこのための蓄熱材を収容する容器に関する。
固体／液体などの相互の相変化において、相変化材料は潜熱に相当する熱量を外部から吸収し、その温度は一定に保持される。これを利用して、物体の温度を一定に保持する目的に使用されている。例えば、物流分野で用いられる保冷剤は、これとともに保温容器内に収容された内容物（被冷却物）を低温に安定保持しようとするものである。つまり、かかる保冷剤は、相変化材料からなり、低温時では通常固体であって、外部からの熱の流入を受けて液体へと相転移するのである。
保冷剤の温度上昇の過程では、その顕熱だけでなく、固体から液体へと相転移する際の潜熱に相当する熱量の流入もある。具体的には、３つの過程が順に生じる。つまり、（１）固体の保冷剤において、融点以下の温度から融点まで温度が上昇する。（２）外部からの熱の流入を通じて、固体から液体に相転移する。この際外部から流入した熱は相転移の潜熱に消費されるから温度上昇を生じさせず、一定の温度に保持される。（３）液体となって温度が上昇する。
一般的に、上記したような保冷剤の温度保持機能を発揮できる時間は、保温容器の容積や内容物の量や状態などによって変化する。そこで、保温容器内の温度や保冷剤自体の温度を計測することが行われる。
例えば、特許文献１及び２では、保冷剤の使用中の残存冷却能力を色彩の変化で判断できるようにした保冷剤及びこれを収容する保冷剤容器を開示している。ここでは、透明性を有する保冷剤の内部に可逆性示温剤を分散させて、保冷剤自体の温度を目視で把握するとしている。また、保冷剤容器についても内部の可逆性示温剤を目視で把握できるよう、一部又は全部を透明な部材によって与えるとしている。
上記したように、保冷剤の状態変化は被冷却物の性質等に大きな影響を与えるため、その経時的なモニタリングの必要がある。一方、保温容器の容積や内容物の種類や量、状態などによって保冷剤の経時変化の状態も大きく異なるため、保冷剤の温度保持機能を発揮できる時間（余寿命）を逐次予測しようとするような場合においては、その都度、正確な保冷剤のモニタリングの必要が生じるのである。
本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、保冷剤のような蓄熱材の状態を経時的にモニタリングする方法及びこのための蓄熱材を収容する容器を提供することにある。
本願発明者らは、保冷剤のような蓄熱材の状態について、これを構成する相変化材料がどれだけの熱量を外部から吸収（又は、放出）したかを直接計測できれば、蓄熱材の状態が上記の（１）〜（３）のいずれの状態にあるかを明らかにすることができるとともに、あとどれだけ熱量を吸収できるかを予測できることに想到し、本願発明に至った。
すなわち、本発明による蓄熱材の熱モニタリング方法は、容器に前記蓄熱材を密封させ、前記容器の面に沿って与えられた熱電変換モジュールにより発せられる電気信号として前記容器を通過して外部との間で授受される熱量の測定を与えることを特徴とする。
かかる発明によれば、容器を通過して蓄熱材と外部との間で授受される熱量の経時的な計測を与え得て、蓄熱材の余寿命を逐次予測し得るのである。
上記した発明において、前記熱電変換モジュールは熱電変換素子からなることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、熱電変換モジュールを容易に得ることができる。
上記した発明において、前記容器は易変形であるとともに前記蓄熱材の周囲に沿って接触するように変形されることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、蓄熱材の周囲に沿って熱電変換モジュールを配置できて、外部との間で授受される熱量の測定を正確に行い得る。
上記した発明において、前記蓄熱材は保冷剤であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、保冷剤の余寿命を逐次予測し得る。
上記した発明において、前記熱電変換モジュールは易変形の高分子材料を基板とする熱電変換素子からなり、可撓性を有することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、熱電変換モジュールの与えられる容器を簡単に易変形とすることができる。
上記した発明において、前記熱電変換素子は前記基板にカーボンナノチューブを含むことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、比較的高い熱電変換効率を有する易変形の熱電変換素子を得ることができる。
また、本発明による蓄熱材収容容器は、蓄熱材を密閉させ該蓄熱材の熱モニタリングを与える容器であって、前記容器の面に沿って与えられた熱電変換モジュールにより発せられる電気信号として前記容器を通過して外部との間で授受される熱量の測定を与えることを特徴とする。
かかる発明によれば、容器を通過して蓄熱材と外部との間で授受される熱量の経時的な計測を与え得て、蓄熱材の余寿命を逐次予測し得るのである。
上記した発明において、前記熱電変換モジュールは熱電変換素子からなることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、熱電変換モジュールを容易に得ることができる。
上記した発明において、前記容器は易変形であるとともに前記蓄熱材の周囲に沿って接触するように変形させられていることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、蓄熱材の周囲に沿って熱電変換モジュールを配置できて、外部との間で授受される熱量の測定を正確に行い得る。
上記した発明において、前記蓄熱材は保冷剤であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、保冷剤の余寿命を逐次予測し得る。
上記した発明において、前記熱電変換モジュールは易変形の高分子材料を基板とする熱電変換素子からなり、可撓性を有することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、熱電変換モジュールの与えられる容器を簡単に易変形とすることができる。
上記した発明において、前記熱電変換素子は前記基板にカーボンナノチューブを含むことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、比較的高い熱電変換効率を有する易変形の熱電変換素子を得ることができる。
本発明による１つの実施例における蓄熱材収容容器について、図１乃至図３を参照しつつ説明する。
図１に示すように、蓄熱材Ｈを収容し密閉する容器（蓄熱材収容容器）１０は、例えば変形の容易な高分子材料からなるフィルム状の一対のシート体１の端部を貼り合わせて、変形の容易な袋状に形成したものであり、蓄熱材Ｈを収容する部分である袋状部２を熱電変換モジュール３で構成している。つまり、容器１０の表面に沿って熱電変換モジュール３を配置させることで蓄熱材Ｈの周囲を熱電変換モジュール３で覆い、容器１０を通過して外部と蓄熱材Ｈとの間で授受される熱量を熱電変換モジュール３により発せられる電気信号によって測定するのである。
図２に示すように、熱電変換モジュール３は、例えば、熱電変換素子１１及び電極１２をシート体１に組み合わせて得ることができる。詳細には、複数の熱電変換素子１１をシート体１の裏側（容器１０の内側）から表側（容器１０の外側）に貫通させて並べ、シート体１を貫通する電極１２によって隣り合う熱電変換素子１１の表側と裏側の端部を互いに接続する。これによって、裏側から表側に向かう複数の熱電変換素子１１を直列に接続し、裏側から表側、又は表側から裏側へ通過する熱量に応じてこれらの熱電変換素子１１によって電気信号として電圧を発生させることができる。
図３に示すように、熱電変換モジュール３は、例えば、上記したような直列に接続された熱電変換素子１１及び電極１２の列の複数を並べて、袋状部２の全体に配置するようにすることができる。なお、熱電変換モジュール３における熱電変換素子１１及び電極１２の配置はこれに限られず、容器１０を通過する熱量に応じた電圧を計測できればよい。
熱電変換素子１１は、例えば、シート体１を基板としてカーボンナノチューブを含んだポリメチルメタクリレートを用いて得ることができる。ポリメチルメタクリレートを有機溶媒に溶解させた溶液中に単層カーボンナノチューブを分散させ、これをシート体１に塗布して乾燥させるのでる。このようなカーボンナノチューブを含む熱電変換素子１１によれば、比較的高い熱電変換効率を有する易変形の熱電変換素子とすることができる。
ここで、変形の容易なシート体１によって容器１０を得ると、容器１０は容易に変形される。すると、蓄熱材Ｈを氷や凍結した保冷剤などの固体としたときでも、その表面に沿って変形して蓄熱材Ｈの周囲に接触するように変形される。これによって、蓄熱材Ｈの周囲に沿って熱電変換モジュール３を配置できて、熱電変換モジュール３の変形を容易としつつ蓄熱材Ｈと容器１０の外部との間で授受される熱量を正確に測定し得る。
図４に示すように、容器１０を通過して外部との間で授受される熱量を熱電変換モジュール３から発せられる電気信号として電圧計２１を用いて外部からモニタリングできる。例えば、電圧計２１として無線機付きの電圧計を用い、電圧計２１からの無線による電気信号を受信機２２で受信しパーソナルコンピュータなどの外部端末２３によって得て、電圧を示す電気信号を熱量に換算するのである。
以上のような、蓄熱材Ｈを収容する容器１０によれば、熱電変換モジュール３によって容器１０を通過して蓄熱材Ｈと外部との間で授受される熱量の経時的な計測を可能とし、蓄熱材Ｈの余寿命を逐次予測することができる。つまり、蓄熱材Ｈが保冷剤であれば、保冷剤の余寿命を逐次予測できる。
また、熱電変換モジュール３は、変形の容易なシート体１を基板とする熱電変換素子１１を含んで構成されるため可撓性を有し、容器１０の変形を容易とする。これによって、蓄熱材Ｈの周囲に沿って熱電変換モジュール３を配置できて、外部との間で授受される熱量の測定を正確に行うことができる。
容器１０を通過して蓄熱材Ｈと外部との間で授受される熱量の経時的な計測は、例えば以下のように行うことができる。熱電変換モジュール３は通過した熱流量ｑに比例した電圧Ｖを発生するから、比例定数をＡとしてｑ＝ＡＶである。そこで、測定開始からの経過時間をｔ１、測定開始から経過時間ｔ１となるまでに容器１０内に流入した熱量（又は流出した熱量）をＱ１とすると、以下の式１が成立する。
すなわち、比例定数Ａが定まっていれば、Ｖを逐次測定してこれを積分することで、比例定数Ａを乗じて熱量Ｑ１を経時的に求めることができる。
［実施例］
容器１０を用いて蓄熱材Ｈを氷として外部との間で授受された熱量の経時的な計測を行った例について説明する。
容器１０を用いて蓄熱材Ｈを氷として外部との間で授受された熱量の経時的な計測を行った例について説明する。
容器１０に脱イオン水１１０ｇを入れて冷凍庫で凍らせた。つまり、この脱イオン水による氷を蓄熱材Ｈとした。次いで、容器１０を冷凍庫から取り出してからの経過時間に対する熱電変換モジュール３により発生された電圧を計測した。これとともに外気温（室温）及び容器１０内の蓄熱材Ｈの温度も計測した。
図５示すように、計測開始直後の蓄熱材Ｈは凍った状態であり、室温との温度差によって熱電変換モジュール３に電圧を発生させる。時間の経過とともに氷が融けてやがて蓄熱材Ｈの温度を室温に近づける。これにつれて発生する電圧は減少し計測開始から４００分程度で概ねゼロとなった。これは約４００分で蓄熱材Ｈの温度が室温と同程度になったことを示している。実際に計測された蓄熱材Ｈの温度及び外気温も４００分付近でほぼ一致している。
この間、蓄熱材Ｈの温度は−８.３℃から２５.５℃まで変化している。１１０ｇの−８.３℃の氷を２５.５℃の水になるまで温度上昇させるためには、約５０.６ｋＪの熱量が必要となる。式１にこれらの数値を代入すると以下の式２のようになる。なお、時間の単位は「分」とする。
外気からの熱は、容器１０の熱電変換モジュール３を介して蓄熱材Ｈへ流入する。すなわち、計測開始から４００分経過するまでの間に熱電変換モジュール３を通過した熱量は約５０.６ｋＪとなる。これに計測した電圧を用いて式２から比例定数Ａを８.４７ｋＷ／Ｖと求めることができた。つまり、このように実験的に比例定数Ａを予め求めておくことで、上記したような温度を計測せずとも、熱電変換モジュール３から得られる電圧によって、容器１０内に流入した熱量Ｑ１を経時的に求めることができるのである。また、この例では、５０.６ｋＪから計測されたＱ１を差し引くことで、蓄熱材Ｈが室温に達するまでの残りの熱量が算出でき、蓄熱材Ｈの余寿命をも逐次予測し得る。
以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。
３ 熱電変換モジュール
１０ 容器（蓄熱材収容容器）
１１ 熱電変換素子
Ｈ 蓄熱材
１０ 容器（蓄熱材収容容器）
１１ 熱電変換素子
Ｈ 蓄熱材
Claims (12)
- 蓄熱材の熱モニタリング方法であって、容器に前記蓄熱材を密封させ、前記容器の面に沿って与えられた熱電変換モジュールにより発せられる電気信号として前記容器を通過して外部との間で授受される熱量の測定を与えることを特徴とする蓄熱材の熱モニタリング方法。
- 前記熱電変換モジュールは熱電変換素子からなることを特徴とする請求項１記載の熱モニタリング方法。
- 前記容器は易変形であるとともに前記蓄熱材の周囲に沿って接触するように変形されることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱モニタリング方法。
- 前記蓄熱材は保冷剤であることを特徴とする請求項３記載の熱モニタリング方法。
- 前記熱電変換モジュールは易変形の高分子材料を基板とする熱電変換素子からなり、可撓性を有することを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載の熱モニタリング方法。
- 前記熱電変換素子は前記基板にカーボンナノチューブを含むことを特徴とする請求項５記載の熱モニタリング方法。
- 蓄熱材を密封させ該蓄熱材の熱モニタリングを与える容器であって、前記容器の面に沿って与えられた熱電変換モジュールにより発せられる電気信号として前記容器を通過して外部との間で授受される熱量の測定を与えることを特徴とする蓄熱材収容容器。
- 前記熱電変換モジュールは熱電変換素子からなることを特徴とする請求項８記載の蓄熱材収容容器。
- 前記容器は易変形であるとともに前記蓄熱材の周囲に沿って接触するように変形させられていることを特徴とする請求項７又は８に記載の蓄熱材収容容器。
- 前記蓄熱材は保冷剤であることを特徴とする請求項９記載の蓄熱材収容容器。
- 前記熱電変換モジュールは易変形の高分子材料を基板とする熱電変換素子からなり、可撓性を有することを特徴とする請求項７乃至１０のうちの１つに記載の蓄熱材収容容器。
- 前記熱電変換素子は前記基板にカーボンナノチューブを含むことを特徴とする請求項１１記載の蓄熱材収容容器。
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