JP2020007415A - 潜熱蓄熱材組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)相変化に伴う潜熱の出入りを利用して、蓄熱またはその放熱を行う潜熱蓄熱材に、該潜熱蓄熱材の物性を調整する添加剤を配合してなる潜熱蓄熱材組成物において、前記潜熱蓄熱材は、酢酸塩水和物であること、前記添加剤は、融液状態にある前記潜熱蓄熱材に対し、結晶化の誘起を促す過冷却防止剤として配合されたカチオン界面活性剤であること、を特徴とする。
(4)(3)に記載する潜熱蓄熱材組成物において、前記添加剤の主成分が、ベヘニルトリメチルアンモニウムクロリド(C25H54ClN)であること、を特徴とする。
(5)(1)乃至(4)のいずれか1つに記載する潜熱蓄熱材組成物において、前記酢酸塩水和物は、酢酸ナトリウム三水和物(CH3COONa・3H2O)、または酢酸リチウム二水和物(CH3COOLi・2H2O)であること、を特徴とする。
(1)相変化に伴う潜熱の出入りを利用して、蓄熱またはその放熱を行う潜熱蓄熱材に、該潜熱蓄熱材の物性を調整する添加剤を配合してなる潜熱蓄熱材組成物において、潜熱蓄熱材は、酢酸塩水和物であること、添加剤は、融液状態にある潜熱蓄熱材に対し、結晶化の誘起を促す過冷却防止剤として配合されたカチオン界面活性剤であること、を特徴とする。この特徴により、カチオン界面活性剤は、結晶化に必要な潜熱蓄熱材の核生成に積極的に寄与するため、本発明に係る潜熱蓄熱材組成物の潜熱蓄熱材では、添加剤により調整された凝固開始温度は、潜熱蓄熱材単体の融解温度に対し、例えば、これまで困難とされてきた10℃以内等の温度差に収まることができ、従来の過冷却防止剤を使用する場合に比べ、より小さく抑えることが可能になる。
以下、本発明に係る潜熱蓄熱材組成物について、実施形態(実施例1〜5)を図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態に係る潜熱蓄熱材組成物は、熱供給源から提供された熱を潜熱蓄熱材に一時的に蓄えた後、熱需要先で、潜熱蓄熱材に蓄えた潜熱の熱エネルギを、その時間差をもって活用する目的で用いられる。潜熱蓄熱材組成物は、蓄熱材充填容器(図示省略)に漏れのない態様で、液密かつ気密に充填され、潜熱蓄熱材組成物を充填した蓄熱材充填容器は、熱エネルギの活用を図る所定の収容手段の空間内に収容される。潜熱蓄熱材組成物は、充填された蓄熱材充填容器の内外で、液相と固相との相変化に伴った潜熱の出入りを利用して、蓄えた熱を必要に応じて取り出すことができ、蓄熱とその放熱のサイクルを複数回繰り返して使用される。
はじめに、実施例1に係る潜熱蓄熱材組成物1A(1)の概要について、説明する。実施例1に係る潜熱蓄熱材組成物1は、潜熱蓄熱材10である酢酸ナトリウム三水和物と、添加剤15として、(a)「脂肪族化合物を有する四級アンモニウム塩」群に属するベヘニルトリメチルアンモニウムクロリド(添加剤15A)とを混合させた潜熱蓄熱材組成物1Aである。実施例1で用いた添加剤15Aは、分子量404.167のベヘニルトリメチルアンモニウムクロリドを80wt%、エタノールを18wt%、水を2wt%の配合割合で混合されたカチオン界面活性剤(ライオン株式会社製、商品名;アーカード22‐80)である。
検証実験1では、潜熱蓄熱材組成物1Aから試料約10mgを採取した上で、周知の示差走査熱量測定装置(DSC:Differential scanning calorimetry)により、その試料台に載せた試料約10mgに窒素50ml/min.の雰囲気ガスを晒し、密閉した状態にある条件下で、試料に蓄えた潜熱の熱量と、試料から放熱された潜熱の熱量を測定した。
・潜熱蓄熱材組成物1A;潜熱蓄熱材10と添加剤15Aとの混合物
・潜熱蓄熱材10;酢酸ナトリウム三水和物(CH3COONa・3H2O)
・添加剤15A;ベヘニルトリメチルアンモニウムクロリド(C25H54ClN)を主成分としたカチオン界面活性剤(商品名;アーカード22‐80)
・潜熱蓄熱材10と添加剤15Aとの配合割合
酢酸ナトリウム三水和物が90wt%、カチオン界面活性剤が10wt%(潜熱蓄熱材10:添加剤15A=9:1)
図3に示すように、最初の1サイクル目の測定結果では、融解ピークの時刻teに対応する温度(融解温度)Teは59.7℃で、蓄熱量Se1は208kJ/kgであり、凝固ピークの時刻trに対応する温度(凝固温度)Trは51.5℃で、放熱量Sr1は183kJ/kgであった。また、図6に示すように、融解温度Teと凝固温度Trとの温度差ΔTは8.2℃であった。実施例1に係る潜熱蓄熱材組成物1Aでは、図2に示すように、2サイクル目以降についても、1サイクル目のグラフと同じような挙動をなす測定結果であった。
次に、実施例2に係る潜熱蓄熱材組成物1B(1)の概要について、説明する。実施例2に係る潜熱蓄熱材組成物1は、潜熱蓄熱材10である酢酸ナトリウム三水和物と、添加剤15として、(a)「脂肪族化合物を有する四級アンモニウム塩」群に属するドデシルトリメチルアンモニウムクロリド(添加剤15B)とを混合させた潜熱蓄熱材組成物1Bである。ドデシルトリメチルアンモニウムクロリドは、分子量263.89、澄明な水溶状の物性である。
検証実験2では、潜熱蓄熱材組成物1Bから試料約10mgを採取した上で、検証実験1と同様の方法で、示差走査熱量測定装置により、試料に蓄えた潜熱の熱量と、試料から放熱された潜熱の熱量を測定。具体的には、潜熱の蓄熱量の測定にあたり、試料を、30℃から80.5℃になるまで2℃/min.の昇温速度で加熱して、試料を20分間、80.5℃の温度に保持させた。そして、試料の保温開始から20分が経過した後、潜熱の放熱量の測定にあたり、80.5℃に保温されていた試料を、30℃になるまで2℃/min.の降温速度で冷却して、試料を40分間、30℃の温度に保持させた。このような一連のプロセスを1サイクルとして、検証実験2では、一連のプロセスを複数回繰り返し実施。80.5℃になるまで試料を加熱している間に、蓄熱量の測定を行い、30℃になるまで試料を冷却している間に、放熱量の測定を行った。
・潜熱蓄熱材組成物1B;潜熱蓄熱材10と添加剤15Bとの混合物
・潜熱蓄熱材10;酢酸ナトリウム三水和物(CH3COONa・3H2O)
・添加剤15B;ドデシルトリメチルアンモニウムクロリド(C15H34ClN)
・潜熱蓄熱材10と添加剤15Bとの配合割合
酢酸ナトリウム三水和物が70wt%、ドデシルトリメチルアンモニウムクロリドが30wt%(潜熱蓄熱材10:添加剤15B=7:3)
図4は、実施例2に係る潜熱蓄熱材組成物による蓄熱とその放熱のプロセスを行った検証実験2で、1サイクル分の結果を示すグラフであり、酢酸ナトリウム三水和物(潜熱蓄熱材)とドデシルトリメチルアンモニウムクロリド(添加剤)を、7対3の割合で配合した場合の実験結果を示すグラフである。図4に示すように、融解ピークの時刻teに対応する温度(融解温度)Teは59.5℃で、蓄熱量Se2は164kJ/kgであり、凝固ピークの時刻trに対応する温度(凝固温度)Trは49.9℃で、放熱量Sr2は147kJ/kgであった。また、図6に示すように、融解温度Teと凝固温度Trとの温度差ΔTは9.6℃であった。また、図示を省略しているが、実施例2に係る潜熱蓄熱材組成物1Bでも、検証実験を行った全サイクルで、図4に示すグラフと同じような挙動をなす測定結果であった。
次に、実施例3に係る潜熱蓄熱材組成物1C(1)の概要について、説明する。実施例3に係る潜熱蓄熱材組成物1は、潜熱蓄熱材10である酢酸ナトリウム三水和物と、添加剤15として、(b)「芳香族炭化水素を有する四級アンモニウム塩」群に属するベンジルセチルジメチルアンモニウムクロリド水和物(添加剤15C)とを混合させた潜熱蓄熱材組成物1Cである。ベンジルセチルジメチルアンモニウムクロリド水和物は、分子量[g/mol](396.10+18x)、融点55〜65℃、融点より低い温度では、水に可溶な固体の物質である。
検証実験3では、潜熱蓄熱材組成物1Cから試料約10mgを採取した上で、検証実験1,2と同様の方法で、示差走査熱量測定装置により、試料に蓄えた潜熱の熱量と、試料から放熱された潜熱の熱量を測定。具体的には、潜熱の蓄熱量の測定にあたり、試料を、30℃から80.5℃になるまで2℃/min.の昇温速度で加熱して、試料を20分間、80.5℃の温度に保持させた。そして、試料の保温開始から20分が経過した後、潜熱の放熱量の測定にあたり、80.5℃に保温されていた試料を、30℃になるまで2℃/min.の降温速度で冷却して、試料を40分間、30℃の温度に保持させた。このような一連のプロセスを1サイクルとして、検証実験3では、一連のプロセスを複数回繰り返し実施。80.5℃になるまで試料を加熱している間に、蓄熱量の測定を行い、30℃になるまで試料を冷却している間に、放熱量の測定を行った。
・潜熱蓄熱材組成物1C;潜熱蓄熱材10と添加剤15Cとの混合物
・潜熱蓄熱材10;酢酸ナトリウム三水和物(CH3COONa・3H2O)
・添加剤15C;ベンジルセチルジメチルアンモニウムクロリド水和物(C25H46ClN・xH2O)
・潜熱蓄熱材10と添加剤15Cとの配合割合
酢酸ナトリウム三水和物が70wt%、ベンジルセチルジメチルアンモニウムクロリド水和物が30wt%(潜熱蓄熱材10:添加剤15C=7:3)
図5は、実施例3に係る潜熱蓄熱材組成物による蓄熱とその放熱のプロセスを行った検証実験3で、1サイクル分の結果を示すグラフであり、酢酸ナトリウム三水和物(潜熱蓄熱材)とベンジルセチルジメチルアンモニウムクロリド水和物(添加剤)を、7対3の割合で配合した場合の実験結果を示すグラフである。図5に示すように、融解ピークの時刻teに対応する温度(融解温度)Teは59.0℃で、蓄熱量Se3は159kJ/kgであり、凝固ピークの時刻trに対応する温度(凝固温度)Trは50.2℃で、放熱量Sr3は148kJ/kgであった。また、図6に示すように、融解温度Teと凝固温度Trとの温度差ΔTは8.8℃であった。図示を省略しているが、実施例3に係る潜熱蓄熱材組成物1Cでも、検証実験を行った全サイクルで、図5に示すグラフと同じような挙動をなす測定結果であった。
次に、実施例4に係る潜熱蓄熱材組成物1D(1)の概要について、説明する。実施例4に係る潜熱蓄熱材組成物1は、潜熱蓄熱材10である酢酸ナトリウム三水和物と、添加剤15として、(c)「複素芳香族化合物を有する四級アンモニウム塩」群に属する1‐ドデシルピリジニウムクロリド(添加剤15D)とを混合させた潜熱蓄熱材組成物1Dである。1‐ドデシルピリジニウムクロリドは、分子量283.88、水分を含む物性である。
検証実験4では、潜熱蓄熱材組成物1Dから試料約10mgを採取した上で、検証実験1〜3と同様の方法で、示差走査熱量測定装置により、試料に蓄えた潜熱の熱量と、試料から放熱された潜熱の熱量を測定。具体的には、潜熱の蓄熱量の測定にあたり、試料を、30℃から80.5℃になるまで2℃/min.の昇温速度で加熱して、試料を20分間、80.5℃の温度に保持させた。そして、試料の保温開始から20分が経過した後、潜熱の放熱量の測定にあたり、80.5℃に保温されていた試料を、30℃になるまで2℃/min.の降温速度で冷却して、試料を40分間、30℃の温度に保持させた。このような一連のプロセスを1サイクルとして、検証実験4では、一連のプロセスを複数回繰り返し実施。80.5℃になるまで試料を加熱している間に、蓄熱量の測定を行い、30℃になるまで試料を冷却している間に、放熱量の測定を行った。
・潜熱蓄熱材組成物1D;潜熱蓄熱材10と添加剤15Dとの混合物
・潜熱蓄熱材10;酢酸ナトリウム三水和物(CH3COONa・3H2O)
・添加剤15D;1‐ドデシルピリジニウムクロリド(C17H30ClN)
・潜熱蓄熱材10と添加剤15Dとの配合割合
酢酸ナトリウム三水和物が70wt%、1‐ドデシルピリジニウムクロリドが30wt%(潜熱蓄熱材10:添加剤15D=7:3)
実施例4に係る潜熱蓄熱材組成物による蓄熱とその放熱のプロセスを、複数サイクル行った検証実験4のうち、任意に抽出した1サイクル分の結果を示すグラフの図示は省略するが、融解ピークの時刻teに対応する温度(融解温度)Teは59.2℃で、蓄熱量Se4は231kJ/kgであり、凝固ピークの時刻trに対応する温度(凝固温度)Trは50.2℃で、放熱量Sr4は180kJ/kgであった。また、図6に示すように、融解温度Teと凝固温度Trとの温度差ΔTは9.0℃であった。実施例4に係る潜熱蓄熱材組成物1Dでも、検証実験を行った全サイクルで、上述した1サイクル分の結果を示すグラフと同じような挙動をなす測定結果であった。
潜熱蓄熱材には、パラフィンを代表とする有機化合物系の蓄熱材と、本実施形態のように、酢酸ナトリウム三水和物(潜熱蓄熱材10)や酢酸リチウム二水和物(潜熱蓄熱材20)等による無機塩水和物系の蓄熱材があるが、何れの蓄熱材でも、過冷却現象の発現への防止を必要とする場合がある。この場合において、特に無機塩水和物系の蓄熱材では、特許文献1のように、過冷却防止剤により調整される蓄熱材の凝固温度が、その蓄熱材単体の融解温度と、相対的に10℃以上も低くなってしまっているのが一般的な傾向である。
2 潜熱蓄熱材組成物
10 潜熱蓄熱材
20 潜熱蓄熱材
15,15A,15B,15C,15D,15E 添加剤
Claims (5)
- 相変化に伴う潜熱の出入りを利用して、蓄熱またはその放熱を行う潜熱蓄熱材に、該潜熱蓄熱材の物性を調整する添加剤を配合してなる潜熱蓄熱材組成物において、
前記潜熱蓄熱材は、酢酸塩水和物であること、
前記添加剤は、融液状態にある前記潜熱蓄熱材に対し、結晶化の誘起を促す過冷却防止剤として配合されたカチオン界面活性剤であること、
を特徴とする潜熱蓄熱材組成物。 - 請求項1に記載する潜熱蓄熱材組成物において、
前記添加剤は、前記カチオン界面活性剤のうち、第四級アンモニウム塩型に分類された第四級アンモニウム塩の界面活性剤であること、
を特徴とする潜熱蓄熱材組成物。 - 請求項2に記載する潜熱蓄熱材組成物において、
前記添加剤は、ベヘニルトリメチルアンモニウムクロリド(C25H54ClN)、ドデシルトリメチルアンモニウムクロリド(C15H34ClN)、ベンジルセチルジメチルアンモニウムクロリド水和物(C25H46ClN・xH2O)、デシルトリメチルアンモニウムブロミド(C13H30BrN)、または1‐ドデシルピリジニウムクロリド(C17H30ClN)の少なくともいずれかであること、
を特徴とする潜熱蓄熱材組成物。 - 請求項3に記載する潜熱蓄熱材組成物において、
前記添加剤の主成分が、ベヘニルトリメチルアンモニウムクロリド(C25H54ClN)であること、
を特徴とする潜熱蓄熱材組成物。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか1つに記載する潜熱蓄熱材組成物において、
前記酢酸塩水和物は、酢酸ナトリウム三水和物(CH3COONa・3H2O)、または酢酸リチウム二水和物(CH3COOLi・2H2O)であること、
を特徴とする潜熱蓄熱材組成物。
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