JP2020520837A - 相変化材料を含む同軸デバイスを製造するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、同時に、中空領域を画定するポリマー封入層を押し出し、且つ中空領域を液体形態のＰＣＭ組成物で充填することにより、同軸デバイスを製造するための方法を提供する。本発明は、例えば、自動車、建物、包装、衣類及び履物などにおける様々な用途で熱管理のために有用である。

Description

本発明は、例えば、自動車、建物、包装、衣類及び履物のような異なる用途での熱管理のための相変化材料（ＰＣＭ）の分野に関する。特に、本発明は、相変化材料を含む同軸デバイス、それを製造する方法及び自動車などの用途でのそれらの使用に関する。

相変化材料（ＰＣＭ）は、融解及び結晶化中、それぞれ大量の潜熱を吸収及び放出することができる潜熱貯蔵材料である。熱エネルギー伝達は、材料が固相から液相又は液相から固相に変換されるときに起こる。このような相変化中、ＰＣＭ材料の温度は、ＰＣＭ材料の周囲の空間と同様にほとんど一定のままであり、ＰＣＭを通って流れる熱は、ＰＣＭ材料内に「捕捉」される。周知のＰＣＭの中でも、その低コスト及び低毒性のため、パラフィンがＰＣＭとして高頻度で使用されている。

ＰＣＭは、様々な材料でできているマトリックス中に導入され得るか、又はコーティングに塗布され得る。例えば、米国特許第４００３４２６号明細書、米国特許第４５２８３２８号明細書、米国特許第５０５３４４６号明細書、米国特許出願公開第２００６／０１２４８９２号明細書（国際公開第２００６／０６２６１０号パンフレット）、国際公開第９８／０４６４４号パンフレット及び国際公開第２００４／０４４３４５号パンフレットを参照されたい。

しかしながら、最適な熱交換のための大きい蓄熱容量及び大きい表面接触を与え、空気だけでなく、経時的に効果を保持し得る薬品、特に潤滑油及び／又は冷却液にも永続的に曝露された状態で−２０℃〜１３０℃の温度に耐性があり得ると共に、高い熱伝導性を与え得るＰＣＭ含有材料が依然として必要とされている。

第１の実施形態において、本発明は、同軸デバイスを製造するための方法であって、中空領域を画定するポリマー封入層を押し出す工程及び中空領域を液体形態のＰＣＭ組成物で充填する工程を同時に含む方法に関する。

別の実施形態において、本発明は、本明細書で提供される方法によって製造される同軸デバイスに関する。

さらに別の実施形態において、本発明は、本明細書で提供される方法によって製造される、ケーブルの形態の同軸デバイスに関する。

熱管理、特に自動車における本発明のケーブルの使用も本明細書で開示される。

本発明の同軸デバイスを製造する方法を示す。 潜熱バッテリー試作品と、本発明の方法及びデバイスを使用してグラフ化された結果とを示す。

定義
本明細書で使用される場合、用語「１つの（ａ）」は、１つ及び少なくとも１つを指し、指示対象の名詞を必然的に単数形に限定する冠詞ではない。

本明細書で使用される場合、用語「約」及び「ちょうど又は約」は、対象の量又は値が、指定された値又はほぼ同じ他の値であり得ることを意味することが意図される。この語句は、類似の値が本発明の等しい結果又は効果を促すことを伝えることが意図される。

本明細書で使用される場合、用語「アクリレート」は、アルキル基を有するアクリル酸エステルを意味する。本発明において、１〜４個の炭素原子を有するアルキル基を有するアクリレートが好ましい。

本明細書で使用される場合、用語用語「（メタ）アクリル酸」は、メタクリル酸及び／又はアクリル酸を包括的に意味する。同様に、用語「（メタ）アクリレート」は、メタクリレート及び／又はアクリレートを意味し、「ポリ（メタ）アクリレート」は、いずれかのモノマー又は両方の対応するタイプのモノマーの混合物の重合に由来するポリマーを意味する。

本明細書で用いる場合、用語「コポリマー」は、２種以上のコモノマーの共重合から生じる共重合単位を含むポリマーを意味する。これに関連して、コポリマーは、その構成成分コモノマー又はその構成成分コモノマーの量に関して、例えば「エチレンと１８重量％のアクリル酸とを含むコポリマー」又は類似の記載で本明細書に記載され得る。このような記載は、それが共重合単位としてコモノマーを指さない点において、それがコポリマーのための慣用命名法、例えば国際純正応用化学連合（ＩＵＰＡＣ）命名法を含まない点において、それがプロダクトバイプロセス用語を使用しないにおいて、又は別の理由のために略式と見なされ得る。しかしながら、本明細書で使用される場合、その構成コモノマー又はその構成コモノマーの量に関連したコポリマーの記載は、コポリマーが、具体化されたコモノマーの共重合単位を（具体化される場合に具体化された量で）含むことを意味する。当然の結果として、コポリマーは、そのようであると限定された状況で明示的に述べられない限り、所与のコモノマーを所与の量で含有する反応混合物の生成物でないことになる。用語「コポリマー」は、２つの異なるモノマーの共重合単位から本質的になるポリマー（ジポリマー）又は３種以上の異なるモノマーから本質的になるポリマー（３種の異なるコモノマーから本質的になるターポリマー、４種の異なるコモノマーから本質的になるテトラポリマー等）を意味し得る。

用語「酸コポリマー」は、α−オレフィン、α，β−エチレン性不飽和カルボン酸及び任意選択的に他の適切なコモノマー（α，β−エチレン性不飽和カルボン酸エステルなど）の共重合した単位を含むポリマーを意味する。

用語「アイオノマー」は、上述のような酸コポリマーを部分的に又は完全に中和させることによって製造されるポリマーを指す。

第１の実施形態において、本発明は、同軸デバイスを製造するための方法であって、中空領域を画定するポリマー封入層を押し出す工程及び中空領域を液体形態のＰＣＭ組成物で充填する工程を同時に含む方法に関する。ＰＣＭ組成物は、−５０℃〜１５０℃の任意の融点を有することができる。

図１を参照すると、ＰＣＭは、（針を通って）押出機のヘッドに液体形態で供給され、これは、融点を超える任意の温度で行うことができる。同時に、本発明の方法は、液体形態のＰＣＭを供給するときに同時にポリマー封入層を押し出すことを必要とする。液体形態のＰＣＭを供給することができるため、固体形態のＰＣＭを加工する制約条件の全てがもはや存在しない。さらに、本発明の方法において、２７℃という低い融点を有するＰＣＭの加工は、既存の技術において広く認められているような困難を伴わずに良好に達成することができる。しかしながら、２７℃より低い融点、例えば−５０℃の融点を有するＰＣＭを本方法において使用できることが理解されるべきである。

押し出されたポリマー封入層は、天然又は合成ポリマー材料を含む。より詳細には、押し出されたポリマー封入層は、ポリアミド、イオノマーとポリアミドとのブレンド、エチレンアクリレートゴム、ポリエチレン、エチレンコポリマー、ポリプロピレン、ポリエステル、ペルフルオロエチレン−プロピレン、ペルフルオロアルコキシアルカン、エチレンテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンを含む全てのフッ素化ポリマー及びそれらの２つ以上の組合せから製造され得る。

ＰＣＭは、１つ若しくは複数のアルキル炭化水素（パラフィンワックス）又は脂肪酸、脂肪酸エステル、脂肪酸の塩及び／若しくはそれらの２つ以上の組合せのなかから選択される。

パラフィンワックスは、飽和炭化水素混合物であり、一般的に化学式ＣＨ₃−（ＣＨ₂）_n−ＣＨ₃を有する主に直鎖ｎ−アルカンの混合物からなる。−（ＣＨ₂）_n−鎖の結晶化は、多量の潜熱を放出する。融点及び融解熱の両方が鎖長の増加と共に増加する。したがって、相変化の温度範囲が、ＰＣＭが適用される作業システムの温度と整合するように、石油精製の生成物であるパラフィンワックスを選択することができる。

脂肪酸、脂肪酸エステル、脂肪酸の塩は、動物性脂肪、動物油脂、植物油、植物ワックス及び／又はそれらの２つ以上の組合せに由来し得る。

脂肪酸は、１２個超の炭素尾部を有する、飽和及び不飽和の両方の「長鎖」脂肪酸であり得る。このような脂肪酸の例には、オレイン酸、パルミチン酸、リノール酸、パルミトレイン酸、ステアリン酸又はそれらの２つ以上の組合せが含まれる。容易に入手可能な脂肪酸は、オレイン酸、パルミチン酸、リノール酸、パルミトレイン酸、ステアリン酸及び／又はそれらの２つ以上の組合せであり得る。

脂肪酸エステルは、アルコール、ジオール及び／又はポリオールを使用して形成することができ、限定されないが、グリセロールのモノ−、ジ−若しくはトリグリセリド、ペンタエリトリトールのエステル、多価アルコールのポリエステル、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、イソブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、シクロヘキサノールのエステル、エチレングリコールのエステル若しくはジエステル及び／又はそれらの２つ以上の組合せが含まれる。好ましくは、脂肪酸エステルは、グリセロールのモノ−、ジ−若しくはトリグリセリド及び／又はそれらの組合せである。

組成物は、ＰＣＭ組成物の全重量に基づいて０．０１〜５重量パーセントの、一次及び二次酸化防止剤、紫外線吸収剤、染料、顔料若しくは他の着色剤又はそれらの２つ以上の組合せなどの添加剤をさらに含み得る。これらの添加剤は、Ｋｉｒｋ Ｏｔｈｍｅｒ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙに記載されている。

添加剤は、乾式混合、様々な成分の混合物の押出成形、従来のマスターバッチ法等によるなどの任意の公知の方法によって組成物に組み込むことができる。

方法は、保護ポリマーの１つ又は複数の付加的な層を押し出されたチューブ状ポリマー封入層上に押し出す工程をさらに含み得る。付加的な層は、ＰＣＭ組成物上に押し出された１つ又は２つの層を含む。第１又は／及び第２の層は、ポリアミド、イオノマーとポリアミドとのブレンド、エチレンアクリレートゴム、ポリエチレン、エチレンコポリマー、ポリプロピレン、ポリエステル、ペルフルオロエチレン−プロピレン、ペルフルオロアルコキシアルカン、エチレンテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンを含む全てのフッ素化ポリマー及びそれらの２つ以上の組合せから製造される。

別の実施形態において、本発明は、本明細書で提供される方法によって製造される同軸デバイスに関する。特に、同軸デバイスは、ケーブルの形態である。

図１を参照すると、本発明のケーブルは、貯蔵エネルギーの形態で少なくとも１００Ｊ／ｇの蓄熱容量を提供することができ、且つ９０秒以内に貯蔵エネルギーの９０％を散逸させることができる。ケーブルは、１８，０００回の熱老化サイクル後に１００〜３００Ｊ／ｇの蓄熱容量を維持することができる。「熱老化サイクル」は、２３℃から出発してケーブルを９０℃まで加熱することによってそれに負荷をかけ、次いで２３℃まで温度を低下させることによってそれを負荷軽減して、多数回（１８０００回）にわたって熱／エネルギーを負荷及び負荷軽減することにより、ケーブルが老化される方法として定義される。ケーブルの保護層は、引張強さによって測定されるとき、１８，０００回の熱老化サイクル後に５０％未満だけ劣化する。

本発明のデバイスは、熱管理が必要とされる複数の用途において使用することができる。建物内部の温度管理は、最も関連する用途の１つであるものの、本発明のデバイスは、自動車用途（例えば、潜熱バッテリー、電気バッテリーの熱管理、車両の天井及びシート用）；エアダクトの空気フィルター；空調機；輸送用途；食品包装（食品を冷たく又は温かく保つため）；医療包装（例えば、臓器又はワクチンの輸送）；衣類、衣服及びスポーツウェアのための織布及び不織布；履物；緑化テープ；寝具；カーペット；木質複合材料；電線；並びに水などの熱い媒体のためのプラスチックチューブにおいて使用することもできる。

特に好ましい用途は、車の潜熱バッテリーにおけるものであり、ここで、エンジンの作動中にエネルギーが本発明のケーブルに貯蔵され、必要に応じて（例えば、冷たい環境又は寒い季節における始動のため）、ケーブルは、貯蔵されたエネルギーを放出することができる。このエネルギーの放出は、潤滑油及び冷却流体の粘度を低下させることができ、最終的に燃料消費量の低減及びＣＯ²排出の削減をもたらす。

特定の実施形態において、本発明は、点火中、デバイス、例えばエンジン内の潤滑油又は冷却液を熱的に管理する方法に関する。方法は、同軸デバイス、例えば本発明のケーブルを、機械的デバイスと連通状態の潜熱アキュムレータデバイスの主構成要素として取り付ける工程を含む。機械的デバイスは、潤滑油又は冷却液の供給源を提供する。潤滑油又は冷却液は、潤滑油又は冷却液の供給源から潜熱アキュムレータを介して点火中に「エンジン」に流れる。ケーブルは、潤滑油又は冷却液の粘度を低減する熱／エネルギー及び潤滑油又は冷却液を点火中に機械的デバイス内に送るために必要とされるエネルギーを放出する。

４ｍｍの直径、０．２ｍｍの厚さを有し、７０℃の融点を有するパラフィン系ＰＣＭを含有する数百メートルの同軸デバイスが、本出願において記載された方法を使用して製造された。図２を参照すると、２０ｃｍの長さをそれぞれ有する、製造された同軸デバイスの１１０の部品が、製造された長さから切り取られた。次に、これらの部品のそれぞれは、アルミニウムプラグによってそれらの２つの端部で密閉された。

次に、潜熱バッテリー試作品は、これらの１１０の部品を、２つの穴（直径約１０ｍｍ）があけられた密閉金属箱に挿入することによって作られた。これらの２つの穴は、箱の対向する面上に且つ可能な限り離れて（箱の対向する隣接した面に隣接して）配置された。次に、この潜熱バッテリー試作品は、９５℃の炉内において、数時間中に全ての１１０の部品がこの温度に達するまで置かれた。次いで、１４℃の温度の潤滑油は、３００リットル／時間の速度で箱内に２つの穴の１つ（入口）を通って且つ３００秒中に供給された。油は、箱の第２の穴（出口）から回収された。箱から出る潤滑油によって吸収されるエネルギーは、試験の全時間中に記録された。

結果
測定装置は、油が３５秒後に７２Ｗｈ及び１３５秒後に１０８Ｗｈを吸収することを記録した。これらの結果は、車のエンジン内において、１４℃の温度の油がこのような潜熱バッテリーによって直ちに温められて、車の冷間始動からわずか１５０秒後に５５℃の温度でエンジン内に注入され得ることを意味するため、非常に有益であると考えられる。これは、かなり低めの油粘度及び結果としての低めの燃料消費を意味する。比較のため、このような潜熱バッテリーがなければ、冷間始動の１５０秒後、同じ油は、エンジン内にわずか２１℃で注入される。

Claims (15)

1. 同軸デバイスを製造するための方法であって、中空領域を画定するポリマー封入層を押し出す工程及び前記中空領域を液体形態のＰＣＭ組成物で充填する工程を同時に含む方法。
2. 前記ＰＣＭ組成物は、−５０℃〜１５０℃の任意の融点を有することができる、請求項１に記載の方法。
3. 前記押し出されたポリマー封入層は、天然又は合成ポリマー材料を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記押し出されたポリマー封入層は、ポリアミド、イオノマーとポリアミドとのブレンド、エチレンアクリレートゴム、ポリエチレン、エチレンコポリマー、ポリプロピレン、ポリエステル、ペルフルオロエチレン−プロピレン、ペルフルオロアルコキシアルカン、エチレンテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンを含む全てのフッ素化ポリマー及びそれらの２つ以上の組合せから製造される、請求項３に記載の方法。
5. 保護ポリマーの１つ又は複数の付加的な層を前記押し出されたポリマー封入層上に押し出す工程をさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記付加的な層は、前記ポリマー封入層組成物上に押し出された１つ又は２つの層を含み、前記第１又は／及び第２の層は、ポリアミド、イオノマーとポリアミドとのブレンド、エチレンアクリレートゴム、ポリエチレン、エチレンコポリマー、ポリプロピレン、ポリエステル、ペルフルオロエチレン−プロピレン、ペルフルオロアルコキシアルカン、エチレンテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンを含む全てのフッ素化ポリマー及びそれらの２つ以上の組合せから製造される、請求項５に記載の方法。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のものによって製造される同軸デバイス。
8. ケーブルの形態である、請求項７に記載の同軸デバイス。
9. 貯蔵エネルギーの形態で少なくとも１００Ｊ／ｇの蓄熱容量を提供し、且つ約９０秒以内に前記貯蔵エネルギーの９０％を散逸させることができる、請求項８に記載のケーブル。
10. １８，０００回の熱老化サイクル後に１００〜３００Ｊ／ｇの蓄熱容量を維持する、請求項８に記載のケーブル。
11. 前記保護層は、引張強さによって測定されるとき、１８，０００回の熱老化サイクル後に５０％未満劣化する、請求項８に記載のケーブル。
12. 熱管理における、請求項８に記載のケーブルの使用。
13. 自動車工業における、請求項８に記載のケーブルの使用。
14. 電気及びヒートバッテリーにおける、請求項８に記載のケーブルの使用。
15. 点火中に機械的デバイス内の潤滑油又は冷却液の温度をもたらす方法であって、
    （ｉ）請求項１〜１１のいずれか一項に記載のケーブルを潜熱アキュムレータデバイスに取り付ける工程、
    （ｉｉ）機械的デバイスを提供する工程、
    （ｉｉｉ）潤滑油又は冷却液の供給源を提供する工程、
    （ｉｖ）前記潤滑油又は冷却液を前記潤滑油又は冷却液の供給源から前記潜熱アキュムレータを介して点火中に前記機械的デバイスに流す工程
    を含み、前記ケーブルは、前記潤滑油又は冷却液の粘度を低減する熱／エネルギー及び前記潤滑油又は冷却液を点火中に前記機械的デバイス内に送るために必要とされるエネルギーを放出する、方法。

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