JP2020026465A - 蓄熱材組成物及び建築物の冷暖房用の蓄熱システム - Google Patents
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Abstract
Description
融解下限温度が20℃以上かつ融解上限温度が30℃以下にあり、
融解潜熱が140J/g以上である。
[数1]
X+Y+Z=100 (1)
[数2]
X−32.5≦0 (2)
[数3]
32.5≦Y≦55.0 (3)
[数4]
X+0.431Y−41.017≧0 (4)
本実施形態に係る蓄熱材組成物は、硫酸ナトリウム10水和物、リン酸水素二ナトリウム12水和物、及びリン酸三ナトリウム12水和物からなる主剤を含む。
<主剤中の硫酸ナトリウム10水和物>
主剤は、硫酸ナトリウム10水和物(Na2SO4・10H2O)、リン酸水素二ナトリウム12水和物(Na2HPO4・12H2O)、及びリン酸三ナトリウム12水和物(Na3PO4・12H2O)からなる。
また、本実施形態に係る蓄熱材組成物では、主剤100質量%中に、硫酸ナトリウム10水和物が、好ましくは25〜32.5質量%含まれると、蓄熱材組成物の融解上限温度がより低くなる。
本実施形態に係る蓄熱材組成物では、主剤100質量%中に、リン酸水素二ナトリウム12水和物が、通常32.5〜55.0質量%含まれる。リン酸水素二ナトリウム12水和物の含有量が上記範囲内にあると、蓄熱材組成物の融解下限温度が20℃以上かつ融解上限温度が30℃以下にあり、融解潜熱が140J/g以上になる。
本実施形態に係る蓄熱材組成物では、主剤100質量%中に、リン酸三ナトリウム12水和物が、通常15〜40.5質量%含まれる。リン酸三ナトリウム12水和物の含有量が上記範囲内にあると、蓄熱材組成物の融解下限温度が20℃以上かつ融解上限温度が30℃以下にあり、融解潜熱が140J/g以上になる。
また、本実施形態に係る蓄熱材組成物では、主剤100質量%中に、リン酸三ナトリウム12水和物が、好ましくは25〜40.5質量%含まれると、蓄熱材組成物の融解上限温度がより低くなる。
蓄熱材組成物では、主剤中のX、Y、及びZが下記式(1)〜(4)を満たすことが好ましい。ここで、X、Y、及びZは、主剤中の硫酸ナトリウム10水和物の含有量をX質量%、リン酸水素二ナトリウム12水和物の含有量をY質量%、及び前記リン酸三ナトリウム12水和物の含有量をZ質量%と規定したものである。
X+Y+Z=100 (1)
[数6]
X−32.5≦0 (2)
[数7]
32.5≦Y≦55.0 (3)
[数8]
X+0.431Y−41.017≧0 (4)
本実施形態に係る蓄熱材組成物は、必要により余剰水をさらに含んでいてもよい。本明細書では、主剤と余剰水とからなる混合物を主剤混合物と定義する。本実施形態に係る蓄熱材組成物において、余剰水は、主剤100質量部に対して、通常9質量部以下、好ましくは3質量部以下含まれる。
本実施形態に係る蓄熱材組成物における余剰水の含有量が上記範囲内にあると、蓄熱材組成物の融解下限温度が20℃以上かつ融解上限温度が30℃以下にあり、融解潜熱が140J/g以上になる。本実施形態に係る蓄熱材組成物における余剰水の含有量が9質量部を超えると、蓄熱材組成物の蓄熱量が小さくなるおそれがある。なお、本実施形態に係る蓄熱材組成物は、余剰水の含有量が0の場合に、主剤に加えてNa2SO4等の無水塩を含む場合がある。
本実施形態に係る蓄熱材組成物は、特定の第1の相分離抑制剤をさらに含むと、主剤が保湿下で保存されるため好ましい。特定の第1の相分離抑制剤は、特定の単量体と、多官能性単量体と、を重合させて得られる。
特定の単量体としては、有機不飽和カルボン酸、有機不飽和スルホン酸、有機不飽和リン酸、有機不飽和アミド、有機不飽和アルコール、有機不飽和カルボン酸塩、有機不飽和スルホン酸塩、及び有機不飽和リン酸塩からなる群より選択される少なくとも1種の単量体が用いられる。
多官能性単量体は、特定の単量体が重合した重合体を架橋させるものである。多官能性単量体としては、例えば、N,N’−メチレンビスアクリルアミド、N,N’−メチレンビスメタクリルアミド、N,N’−ジメチレンビスアクリルアミド、N,N’−ジメチレンビスメタクリルアミドが用いられ、好ましくはN,N’−メチレンビスアクリルアミド又はN,N’−メチレンビスメタクリルアミドが用いられる。
本実施形態に係る蓄熱材組成物は、特定の融点降下剤をさらに含むと、主剤の融点が降下するため好ましい。融点降下剤としては、例えば、塩化ナトリウム、塩化カリウム、硝酸ナトリウム、臭化ナトリウム、塩化アンモニウム、臭化アンモニウム、硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、リン酸アンモニウム、及び尿素からなる群より選択される少なくとも1種の融点降下剤が用いられる。
本実施形態に係る蓄熱材組成物は、特定の過冷却抑制剤をさらに含むと、主剤の過冷却が抑制されるため好ましい。過冷却抑制剤としては、例えば、ホウ砂Na2B4O5(OH)4・8H2O、水酸化カルシウム、水酸化バリウム、水酸化ストロンチウム、水酸化アルミニウム、黒鉛、アルミニウム、二酸化チタン、ヘクトライト、スメクタイトクレイ、ベントナイト、ラポナイト、プロピレングリコール、エチレングリコール、グリセリン、エチレンジアミン四酢酸、アルキル硫酸ナトリウム、アルキルリン酸ナトリウム、アルキル硫酸カリウム、及びアルキルリン酸カリウムからなる群より選択される少なくとも1種の過冷却抑制剤が用いられる。
本実施形態に係る蓄熱材組成物は、特定の第2の相分離抑制剤をさらに含むと、主剤の相分離が抑制されるため好ましい。第2の相分離抑制剤としては、例えば、ケイ酸ナトリウム、水ガラス、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリカルボキシレートポリエーテルポリマー、アクリル酸・マイレン酸共重合体ナトリウム、アクリル酸・スルホン酸系モノマー共重合体ナトリウム、アクリルアミド・ジメチルアミノエチルメタクリラートジメチル硫酸塩共重合物、アクリルアミド・アクリル酸ソーダ共重合物、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、高吸水樹脂(SAP)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、CMCの誘導体、カラギーナン、カラギーナンの誘導体、キサンタンガム、キサンタンガムの誘導体、ペクチン、ペクチンの誘導体、デンプン、デンプンの誘導体、コンニャク、寒天、層状ケイ酸塩、及び上記物質の複合物質からなる群より選択される少なくとも1種の第2の相分離抑制剤が用いられる。
本実施形態に係る蓄熱材組成物は、融解下限温度が20℃以上かつ融解上限温度が30℃以下にあり、建造物の冷暖房用の蓄熱システムの潜熱蓄熱材組成物として好適な温度範囲で融解潜熱を発現する。このため、本実施形態に係る蓄熱材組成物は、建造物の冷暖房用の蓄熱システムの潜熱蓄熱材組成物として好適である。
本実施形態に係る蓄熱材組成物によれば、融解下限温度が20℃以上かつ融解上限温度が30℃以下にあり、融解潜熱が140J/g以上である蓄熱材組成物が得られる。
本実施形態に係る建築物の冷暖房用の蓄熱システムは、上記本実施形態に係る蓄熱材組成物を用いた蓄熱材モジュールを具備する。
蓄熱材モジュールとしては、例えば、前記蓄熱材組成物を十分な密封性を有する容器に充填させた蓄熱材パックからなり、この蓄熱材パックを単数ないしは複数積層させるとともに、適切な流路を設け、モジュール化したものが用いられる。蓄熱材パックに用いる容器としては、例えば、アルミシートに樹脂製シートを積層して形成されたアルミパックシートを熱溶着することで形成されたアルミパック等が挙げられる。蓄熱材モジュールは、建造物中の空間を区切る床面、壁面、天井面の少なくとも一部に設置される。
本実施形態に係る蓄熱材システムによれば、モジュール表面とこのモジュール表面を通気した雰囲気との熱交換、日射による日射熱、夜間電力を利用した空調システム等によって蓄熱(蓄冷)されるため、冷暖房のためのエネルギー負荷を低減することができる。
(蓄熱材組成物の作製)
20mlのガラス製サンプル瓶に、Na2SO4無水塩(キシダ化学株式会社製、特級)と、Na2HPO4無水塩(キシダ化学株式会社製、特級)と、Na3PO4無水塩(キシダ化学株式会社製、特級)と、純水とを、合計約5gになるように所定量混合した。
なお、Na2SO4無水塩、Na2HPO4無水塩、Na3PO4無水塩及び純水の量は、得られる蓄熱材組成物の組成が表1に示す組成になるような量で配合した。
得られた混合物を50℃以上で湯煎したところ、蓄熱材組成物が得られた(試料No.A15)。この蓄熱材組成物は、極微量の余剰水を含む以外は、実質的に主剤のみからなるものであった。余剰水の含有量を表1に示す。
また、蓄熱材組成物の調製時の沈殿の生成の有無を調べた。蓄熱材組成物の調製時に沈殿が生成することは、凝固・融解を繰り返したときの蓄熱材組成物の特性安定性が低いことを示す指標である。試料No.A15の蓄熱材組成物では、沈殿は生成しなかった。結果を表1に示す。
蓄熱材組成物から10mg試料を採取し、DSC(示差走査熱量測定)を行い、蓄熱材組成物の融解下限温度Ts及び融解上限温度Tfを測定した。融解下限温度Ts及び融解上限温度Tfの測定について、図2を参照して説明する。図2は、示差走査熱量測定(DSC)を用いて、潜熱蓄熱材組成物が融解潜熱を発現する融解下限温度Tsと融解上限温度Tfとを測定した結果を模式的に示したグラフである。
具体的には、融解下限温度Tsは、DSC曲線におけるベースの直線と、最初にヒートフローが低下したDSC曲線の変曲点における傾きを延長した直線と、の交点とした。また、融解上限温度Tfは、ヒートフローがベースに回復する直前のDSC曲線の変曲点における傾きを延長した直線と、DSC曲線におけるベースの直線と、の交点とした。
また、DSC曲線の吸熱ピークのピーク面積から融解潜熱を算出した。
これらの結果を表1に示す。
得られる蓄熱材組成物が表1又は表2に示す組成になるように、Na2SO4無水塩、Na2HPO4無水塩、Na3PO4無水塩、及び純水の配合量を変えた以外は、実施例1と同様にして、蓄熱材組成物を得た(試料No.A1〜A14、A16〜A44)。
試料No.A1〜A14はそれぞれ比較例1〜14の蓄熱材組成物、試料No.A16〜A42はそれぞれ実施例2〜28の蓄熱材組成物、試料No.A43及びA44はそれぞれ比較例15及び16の蓄熱材組成物である。
図3は、主剤における、硫酸ナトリウム10水和物、リン酸水素二ナトリウム12水和物、及びリン酸三ナトリウム12水和物の含有量の好適な範囲を示す三元系状態図である。試料No.A1〜A42の蓄熱材組成物の主剤の組成を図3にプロットした。
図3中、試料No.A15〜A42(実施例1〜28)の蓄熱材組成物のプロットを記号○で示す。
X+Y+Z=100 (1)
[数10]
X−32.5≦0 (2)
[数11]
32.5≦Y≦55.0 (3)
[数12]
X+0.431Y−41.017≧0 (4)
Claims (9)
- 硫酸ナトリウム10水和物、リン酸水素二ナトリウム12水和物、及びリン酸三ナトリウム12水和物からなる主剤を含み、
融解下限温度が20℃以上かつ融解上限温度が30℃以下にあり、
融解潜熱が140J/g以上であることを特徴とする蓄熱材組成物。 - 前記主剤100質量%中に、
前記硫酸ナトリウム10水和物が17.9〜32.5質量%、
前記リン酸水素二ナトリウム12水和物が32.5〜55.0質量%、及び
前記リン酸三ナトリウム12水和物が15〜40.5質量%含まれることを特徴とする請求項1に記載の蓄熱材組成物。 - 前記主剤中の、前記硫酸ナトリウム10水和物の含有量をX質量%、前記リン酸水素二ナトリウム12水和物の含有量をY質量%、及び前記リン酸三ナトリウム12水和物の含有量をZ質量%と規定したとき、X、Y、及びZが下記式(1)〜(4)を満たすことを特徴とする請求項1又は2に記載の蓄熱材組成物。
[数1]
X+Y+Z=100 (1)
[数2]
X−32.5≦0 (2)
[数3]
32.5≦Y≦55.0 (3)
[数4]
X+0.431Y−41.017≧0 (4) - 余剰水をさらに含み、
前記余剰水は、前記主剤100質量部に対して9質量部以下含まれることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の蓄熱材組成物。 - 有機不飽和カルボン酸、有機不飽和スルホン酸、有機不飽和リン酸、有機不飽和アミド、有機不飽和アルコール、有機不飽和カルボン酸塩、有機不飽和スルホン酸塩、及び有機不飽和リン酸塩からなる群より選択される少なくとも1種の単量体と、
多官能性単量体と、
を重合させて得られる第1の相分離抑制剤をさらに含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の蓄熱材組成物。 - 塩化ナトリウム、塩化カリウム、硝酸ナトリウム、臭化ナトリウム、塩化アンモニウム、臭化アンモニウム、硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、リン酸アンモニウム、及び尿素からなる群より選択される少なくとも1種の融点降下剤をさらに含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の蓄熱材組成物。
- ホウ砂Na2B4O5(OH)4・8H2O、水酸化カルシウム、水酸化バリウム、水酸化ストロンチウム、水酸化アルミニウム、黒鉛、アルミニウム、二酸化チタン、ヘクトライト、スメクタイトクレイ、ベントナイト、ラポナイト、プロピレングリコール、エチレングリコール、グリセリン、エチレンジアミン四酢酸、アルキル硫酸ナトリウム、アルキルリン酸ナトリウム、アルキル硫酸カリウム、及びアルキルリン酸カリウムからなる群より選択される少なくとも1種の過冷却抑制剤をさらに含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の蓄熱材組成物。
- ケイ酸ナトリウム、水ガラス、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリカルボキシレートポリエーテルポリマー、アクリル酸・マイレン酸共重合体ナトリウム、アクリル酸・スルホン酸系モノマー共重合体ナトリウム、アクリルアミド・ジメチルアミノエチルメタクリラートジメチル硫酸塩共重合物、アクリルアミド・アクリル酸ソーダ共重合物、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、高吸水樹脂(SAP)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、CMCの誘導体、カラギーナン、カラギーナンの誘導体、キサンタンガム、キサンタンガムの誘導体、ペクチン、ペクチンの誘導体、デンプン、デンプンの誘導体、コンニャク、寒天、層状ケイ酸塩、及びこれらの物質の複合物質からなる群より選択される少なくとも1種の第2の相分離抑制剤をさらに含むことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の蓄熱材組成物。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載の蓄熱材組成物を用いた蓄熱材モジュールを具備することを特徴とする建築物の冷暖房用の蓄熱システム。
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