JP3688303B2 - 相変化材料を使用する建物の空調技術 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、熱特性を向上させた建物用材料に関する。更に詳細には、本発明は、相変化材料を含む材料を使用する建設技術に関する。
関連出願及び技術
本願は、１９９７年３月２６日に出願された「相変化材料を使用する建物の空調技術」という標題の米国仮特許出願第６０／０４１，３７９号に基づいてその優先権を主張するものである。同特許出願に触れたことにより、その特許出願に開示されている内容は本明細書中に組入れたものとする。本願は、更に、本願の譲受人に譲渡された「建物用熱障壁、取り付け具、及びテキスタイル」という標題の米国特許第５，５３２，０３９号に開示された技術に関する。同特許に触れたことにより、その特許に開示されている内容は本明細書中に組入れたものとする。
発明の背景
居住用及び産業用の建物内の快適な室内環境は、（ｉ）平均室温が経時的に一定しており、（ｉｉ）室内の温度分布が一定である場合に、即ち通風（ｄｒａｆｔｓ）がない場合に得られる。快適な感じは、特に、フロアと天井との間の温度勾配に左右される。フロアと天井との間の温度勾配が大きければ大きい程、部屋の中で快適さを感じることが少なくなる。冬季には、例えば、部屋の中に５℃又はそれ以上の温度勾配が存在する。フロアから天井までのこのような温度勾配は、部屋の中に居る人の下半身に寒い感じを与え、部屋の中に居る人の上半身及び頭部に温かい感じを与え、その結果、全体として不快な感じを与える。
快適な部屋を得るためには、フロアから天井までの温度勾配を約３℃又はそれ以下に減少させることが重要である。研究によれば、フロアから天井までの温度勾配が３℃以下である場合には、部屋の快適範囲（部屋の中に居る人にとって快適であると感じられる部屋の温度範囲）が、フロアから天井までの温度勾配がこれよりも高い場合よりも低いということがわかった。部屋の中に居る人は、部屋を快適であると感じた場合には部屋のサーモスタットの設定を自主的に下げ、これによって部屋の平均温度を低く保ち、これによってエネルギ消費及び費用を下げるということがわかった。
部屋の中の温度勾配は、通常は、部屋の中の冷たい空気よりも密度が低い部屋の中の暖かな空気によってもたらされる。低密度の暖かな空気は、部屋の上側に移動し、ここに溜まる。そのため、最も冷たい空気は部屋の下側に残り、天井近くの暖かな空気とフロアの冷たい空気との間に空気温度勾配が生じる。従来の技術は、通常は、例えばフロア及び壁の交差部に又はその近くに配置された、熱水又は加熱空気を使用したベースボード輻射装置でフロア近くに空気を加熱することを含む。フロアに組み込んだ加熱ダクト又はワイヤ等の新たな技術もまた、フロアのところの冷たい空気を加熱する。しかしながら、このような従来の技術は、代表的には、極めて高い天井温度が部屋のフロアから天井までの温度勾配に及ぼす効果を無視している。
勿論、場合によっては、天井近くの暖かな空気を再分配する試みで、家庭及び公共用建物に天井ファンが設置されている。しかしながら、天井ファンが発生する通風は、部屋を更に冷たく感じさせ、部屋の中に居る人に対する快適性を小さくする。
幾つかの産業プラントには製造設備の天井領域に冷却システムが設置されており、製造中又は加工中に過剰の熱を発生する。このような冷却システムは、代表的には、製造プロセスで発生した熱を除去し、製造プロセスを断続的に停止させて部屋を冷やす必要をなくす。
塩水和物、金属、合金、ポリアルコール、共融混合物、及びパラフィン等の相変化材料が、温度変化を制御するための有用な材料として提案されてきた。概括的に述べると、相変化材料は、放熱時又は吸熱時のいずれかで、所与の温度範囲でその物理的な状態を変化させる（例えば固体から液体へ又はその逆）能力を備えている。温度上昇期間中、熱は、融点に達するまで、相変化材料によって吸収される。温度下降期間中、液体の相変化材料に蓄えられた熱は、相変化材料の固化温度に達したときに放出される。
相変化温度範囲中の潜熱吸収と相変化範囲外で生じる感知可能な熱吸収との間には大きな相違がある。例えば、一般的な相変化材料である水は、凍結して氷になるときに１kg当り約３５５ｋＪの潜熱を放出する。逆に、氷が溶けるとき、約３５５kJ/kgの熱を吸収する。水又は氷りが相変化温度にない場合には、感知可能な熱吸収又は放出は４kJ/kgである。相変化中の潜熱吸収は、相変化温度以外の感知可能な熱吸収よりも１００倍以上高いということがわかる。
相変化を化学的に別の側面から見ると、潜熱吸収中の相変化材料の温度は、一定のままである。これとは逆に、感知可能な熱変化中、材料の温度は変化する。かくして、感知可能な熱が相変化材料によって吸収されるとき、相変化材料の温度は上昇する。感知可能な熱が相変化材料によって放出されるとき、相変化材料の温度は低下する。
相変化材料を建物の建設に使用することが示唆されてきた。例えば、米国特許第４，５８７，２７９号及び米国特許第４，６１７，３３２号には、水を用いたコンクリートの混合工程で相変化材料を直接加えることが教示されている。しかしながら、この技術は、結果的に得られるコンクリートの圧縮及び他の強度特性を低下させてしまう。
ガラス容器等の相変化材料が内壁及び外壁で使用されてきた。しかしながら、部屋の中の対流熱流は壁面に直接当たらず、壁の相変化材料としっかりと係合しない。更に、壁について設計された相変化包含構造は、壁の機械的必要条件がフロア及び天井と比べて異なるため、他の表面に広範に適用されてこなかった。
発明の概要
天井、フロア、壁、少なくとも一つの扉及び一つの窓を持つ部屋のフロアから天井までの温度勾配を小さくするための本発明の技術は、天井の表面と隣接した第１相変化材料及びフロアの表面と隣接した第２相変化材料を使用する工程を含む。部屋のフロアから天井までの温度勾配を小さくするため、第１及び第２の相変化材料は同じであってもよいし異なっていてもよく、天井と隣接した第１相変化材料の融点は、フロアと隣接した第２相変化材料の結晶点よりも高い。本発明の技術の一実施例では、天井と隣接して位置決めされた第１相変化材料の大部分がヘプタデカンであり、フロア表面と隣接した第２相変化材料の大部分がオクタデカンである。本発明の技術の好ましい実施例では、第１相変化材料の融点は２５℃±１℃であり、第２相変化材料の結晶点は２２℃±１℃である。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の建物建設技術を組み込むことによってフロア／天井温度勾配が快適範囲まで小さくされた部屋の概略垂直断面図である。
第２図は、本発明の建物建設技術で有用な相変化材料混合物についての示差走査熱分析熱吸収ダイヤグラムである。
第３図は、本発明の建物建設技術で有用な、第２図に示した混合物とは異なる相変化材料混合物についての示差走査熱分析熱放出ダイヤグラムである。
第４図は、本発明の建物建設技術で有用な相変化材料を含む天井タイルの平面図である。
第５図は、本発明の建物建設技術で有用な相変化材料を含むフロアタイルの平面図である。
詳細な説明
本出願人は、温度安定化相変化材料を天井材料及びフロアカバリングの両方に組み込むことによって、部屋の中に代表的に存在するフロアから天井までの温度勾配を小さくでき、更に部屋の中での空気の対流や通風の形成が更に小さくなるということを発見した。温度勾配、空気の対流、及び通風の形成は、天井の相変化材料が溶融前に熱を吸収し、天井近くの部屋の温度が融点以上に上昇することを効果的に遅延させることによって、及びフロア材料内の相変化材料によりフロア材料が相変化材料の凝固点以下に冷却することを効果的に遅延させることによって小さくされる。
これによって、３℃又はそれ以下、最も好ましくは３℃以下の好ましい温度勾配がフロアから天井までの間に形成される。部屋の中では、相変化材料は、好ましくは、天井の３ｍｍ乃至１０ｍｍの厚さの中に封入されて存在しており、これはフロア材料についてもいえる。本発明を内部部屋（ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｒｏｏｍ）、即ち窓がないか或いは外側に露呈した窓が最小の部屋で使用する場合、相変化材料を内部部屋の天井及びフロアだけに組み込むのが最も好ましい。
最も好ましくは、相変化材料をパネルシステムに組み込み、相変化材料を可撓性包含容器内に拘束し、これらの容器を格子と重ねる。金属格子が好ましく、アルミニウム及びアルミニウム合金が好ましい格子材料である。格子は、側部と側部とを向き合わせた関係で間隔が隔てられた複数の穴を画成する。これらの穴は、包含容器内の相変化材料の予想された膨張を吸収できる。包含容器の厚さは、好ましくは１０ｍｍである。隣接した格子が画成する隔室の幅は、好ましくは約１２ｍｍ乃至１４ｍｍである。カバーは剛性部材であり、これは、フロアの用途に使用された場合、人間及び部屋の中の家具に対して機械的支持を提供する。更に、カバーは、火災がパネルに拡がらないようにする難燃体としても役立つ。
本発明のフローリング（床張り）材料の変形例では、相変化材料をカーペット裏打ち材料、カーペットが上に置かれるフォーム又は他のライナ、又は場合によってはカーペットの繊維内に組み込むことができる。本発明の天井材料の変形例では、相変化材料を天井タイルに組み込むことができる。これらの実施例の詳細を以下に更に詳細に説明する。
本発明の有効性を試験するため、アクリルパネルを使用して製作した６０．９６cm（２フィート）×６０．９６cm（２フィート）×６０．９６cm（２フィート）の箱を使用する試験プロトコルを開発した。第１「対照標準」ボックスの３．１７５ｍｍ（１／８インチ）のアクリルパネルは空である。第２ボックスでは、全体として同じ厚さであるが相変化材料で充填されたアクリルパネルを使用した。
対照標準ボックス及びＰＣＭ（相変化材料）ボックスの各々についての熱源は、各ボックスの中央に吊り下げられた１００ワットの電球である。電球は、各ボックスに配置された別体のサーモスタットによって制御される。サーモスタットを特定の温度に正確に設定することができないため、「オン／オフ」温度は僅かに変化する。
フロアに面した一つのテープ状プローブ及び天井に面した一つのテープ状プローブを含むプローブを各ボックスに取り付ける。追加のプローブをＰＣＭボックスの垂直壁の一つの中央に取り付ける。全てのプローブ及びサーモスタットは、直接的熱輻射からシールドされている。
試験を行うため、周囲温度が１３．６１℃乃至１５℃（５６．５°Ｆ乃至５９．０°Ｆ）の気候制御室に対照標準ボックス及びＰＣＭボックスを置く。これらのボックスは、空気流をなくすようにシールドしてある。各ボックスは、各層のＲ値が５．６の２層のエアパッキン（ａｉｒ ｂｕｂｂｌｅｐａｃｋ）絶縁体層で包んである。各試験を最少６時間に亘って実施した。連続した２時間の期間に亘る試験から得られたデータを以下に示す。このデータは最も一貫したデータを例示として代表するものである。試験結果を表１に示す。

フロアから天井までの温度勾配を小さくするためには、現在のところ、温度安定化相変化材料の好ましい配置は、温度勾配に対して垂直であると考えられている。最少でも、天井温度差を最少にしなければならない。最も好ましくは、天井とフロアとの間の温度差を小さくしなければならない。温度安定化相変化材料が部屋のフロア及び天井の表面に設けられている場合に好ましい温度調節効果が得られる。好ましくは、フロア及び天井の表面全体を所定量の温度安定化相変化材料で覆う。フロア及び天井の幾つかの部分だけを温度安定化相変化材料で覆う場合には、完全に覆った場合に得られるのと同じ熱調節効果を得るためには相変化材料の量を多くしなければならない。
フロア又は天井の一方だけが温度安定化相変化材料で覆われている場合でも温度勾配が減少するということに着目されたい。このことは、温度安定化相変化材料をフロアカバーだけ又は天井カバーだけに配置することもまた適切であるということを意味する。温度安定化相変化材料の好ましい配置を第１図に示す。
好ましい温度が２２℃である場合には、フロアでの最低温度は１９℃、最高温度は２５℃であるべきである。好ましいフロア温度が２２℃であり、好ましい温度勾配が３℃を越えないと仮定すると、適当な天井温度は２５℃でなければならない。好ましくは、２１℃乃至２６℃の温度範囲で相変化が生じる一つ又は二つの相変化材料を選択しなければならない。最も好ましくは、フロアの相変化材料は、フロア温度が２２℃以下に低下すると放熱し、及びかくしてその結晶点が約２２℃であるように選択されなければならない。部屋の上側の余分な熱を吸収するために選択される相変化材料は、好ましくは、約２５℃の融点を有する。本明細書中で言及する温度は正確な温度でなく、大まかな温度であるということは、本発明が属する分野の当業者には理解されよう。相変化材料の混合物の場合、融点及び結晶点の温度は、単一の温度でなく所定の範囲をカバーする。
本発明の好ましい温度範囲で相変化する相変化材料には、表２に記載の直鎖結晶質アルキル炭化水素（パラフィン）及びこれらの混合物が含まれる。

上文中に論じた温度についての必要条件に鑑みると、フロア又はフロア上に組み込むための（本明細書中、これらの位置を集合的に、フロア又はフロア表面と「隣接」していると呼ぶ）好ましい相変化材料はオクタデカンである。これは、オクタデカンの結晶点が２２．０℃であるためである。天井内又は天井表面上に組み込むための好ましい相変化材料は融点が２５℃のヘプタデカンである。
表２に挙げた４つの相変化材料の混合物は、フロア及び天井の両方に配置するのに適している。第２図及び第３図は、このような混合物の熱の吸収及び放出の両方を示す示差走査熱分析ダイヤグラムを示す。この混合物は、融点が約２５℃で結晶点が約２２℃である。その潜熱容量は約１５０Ｊ／ｇである。
表２に挙げた４つの相変化材料は無毒であり、腐食性がなく、水分非吸収性であり、繰り返し加熱に対して安定しており、過冷却効果を示さない。これらの特性のため、これらの相変化材料は建築の用途に特に適している。点火に対する抵抗が低いことと関連した問題点は、ハロゲン化炭化水素（塩化炭化水素、臭化炭化水素、又は弗化炭化水素）等の難燃剤を添加することによって解決できる。好ましくは、自己消炎性を提供するため、相変化材料に全重量の約１０％程度の量の難燃剤を添加しなければならない。融点及び結晶点は、難燃剤を添加することによって変化することがないということが確認されている。
ポリエチレングリコール、様々な酸又は塩水和物の混合物等の他の相変化材料もまた、この建物空調技術の用途に適している。これは、これらの材料の相変化が起こる温度範囲及びこれらの潜熱容量のためである。
固相−液相相変化中の潜熱の吸収／放出を使用して熱調節効果を得る教示の相変化材料の用途は、包含構造を必要とする。このような包含構造は、直径が１μｍ乃至１０μｍのマイクロカプセル又は特別の構造の容器システムである。
マイクロカプセル化した相変化材料は、例えば天井タイルにコーティングの形態で付けることができる。このコーティング層の厚さは約３ｍｍでなければならない。コーティングされた３ｍｍ厚の相変化材料により、天井の重量が１ｍ²当り約２kg増大する。
フロアの用途については、マイクロカプセル化した相変化材料を立体的格子状織物又はフォーム材料の空気空間内に浸漬プロセスで充填できる。立体的織物又はフォームの厚さは、十分な相変化材料を含むため、約５ｍｍでなければならない。次いで、立体的格子状織物又はフォームをカーペットの裏側に積層するか或いはこれを使用してフロアタイルを離間する。フロアタイルは、マイクロカプセル化した相変化材料を使用中に失ったり損傷したりすることがないようにするため、両側に布製のカバーを備えていなければならない。フロアの用途についての別の可能性は、マイクロカプセル化した相変化材料を組み込んだアクリル繊維でカーペットを製作すること、又はカーペットの裏側をマイクロカプセル化した相変化材料でコーティングすることである。
これらの用途は、特に居住用建物の小さな内部部屋内の温度勾配を小さくする上で適している。大きな部屋では、所望の効果を得るために大量の温度安定化相変化材料が必要とされる。
この目的のため、大量の温度安定化相変化材料を含む容器状天井タイルを使用しなければならない。この容器は天井に直接取り付けられていなければならない。液状の相変化材料層の厚さは約１０ｍｍでなければならない。０．５ｍ×１ｍの大きさのこのような容器は、約３．５kgの相変化材料を含む。容器の底部は、相変化材料が余分の熱を適正に吸収できるように相変化層への熱伝達を良好にするため、熱伝導率が高く表面が滑らかな材料でできていなければならない。このようなタイルの平面図を第４図に示す。
そうでない場合には、フロアの温度安定化相変化材料の量を多くするため、断熱層と組成フローリング（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｆｌｏｏｒｉｎｇ）との間に配置された容器状構造を使用しなければならない。組成フローリングの厚さは２０ｍｍを越えてはならない。好ましくは、相変化材料を収容するためにハニカム状構造が使用される。隔室の大きさは約１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍである。
相変化材料が熱の吸収及び放出によって環境の温度変化に反応するため、夜間の温度変化を使用して相変化材料にエネルギを溜めることができる。更に、相変化材料のフロアへの適用は、有利には、フロア加熱システムと組み合わせて使用できる。この場合、フロア加熱相変化材料を夜間に亘って使用して相変化材料にエネルギを溜めることによって、日中のピークエネルギ要求を夜間のピーク外時間にずらすことができる。次いで、相変化材料の内部に蓄えられた潜熱を使用して加熱の要求を日中に亘って満たすことができる。この技術は、ユーティリティ費用を大幅に下げる。
例えば機械設備、機器、又は外部から入射する太陽輻射等による大量の熱が日中に発生する建物では、相変化材料を収容する天井タイルを冷却システムと組み合わせて使用するのが適切である。冷却システムは、相変化材料が吸収した熱を取り出して相変化材料にエネルギを溜めるのに使用できる。更に、これは、ピーク時間を夜間にずらすことによって行うことができる。その結果、この場合でも、冷却目的のエネルギ要求をピーク時間外にずらすことができ、これもまた、ユーティリティ費用の大幅な減少につながる。
更に、建物の空調システムを使用することにより、作動時間及び従って加熱要求及び冷却要求を大幅に減少できる。実験データに基づく概算によれば、部屋（３０ｍ²）の天井及びフロアを約３ｍｍの相変化材料層で覆う（これは、約７０kgの量の相変化材料を含む）ことによって、空調システムの使用を約４０％減少させることができる。これは、相変化材料によってつくりだされる熱調節効果の重要な利点である。
本発明の現在の好ましい実施例及びその多くの改良を或る程度特定的に説明した。以上の説明は好ましい例によってなされたものであり、本発明は、以下の請求の範囲によって限定される。

Claims (26)

1. 少なくとも天井の表面、フロアの表面及び壁を有する部屋のフロアから天井までの温度勾配を小さくするための方法において、
   所定の融点を持つ第１相変化材料を前記天井の表面と隣接して組み込む工程と、
   所定の結晶点を持つ第２相変化材料を前記フロアの表面と隣接して組み込む工程とを含み、
   前記第１相変化材料の前記融点は、前記第２相変化材料の結晶点よりも高い、ことを特徴とする、部屋のフロアから天井までの温度勾配を小さくするための方法。
2. 前記第１相変化材料の前記融点は２５℃±１℃であり、前記第２相変化材料の前記結晶点は２２℃±１℃である、部屋のフロアから天井までの温度勾配を小さくするための請求項１に記載の方法。
3. 前記壁には前記相変化材料が設けられていない、部屋のフロアから天井までの温度勾配を小さくするための請求項２に記載の方法。
4. 前記壁には前記相変化材料が設けられていない、部屋のフロアから天井までの温度勾配を小さくするための請求項１に記載の方法。
5. 前記第１相変化材料を組み込む前記工程は、
   前記第１相変化材料を含む天井タイルを前記天井の表面に設置する工程を更に有する、部屋のフロアから天井までの温度勾配を小さくするための請求項１に記載の方法。
6. 前記第１相変化材料を組み込む前記工程は、
   前記第１相変化材料を含むコーティングを天井の表面に付ける工程を更に有する、部屋のフロアから天井までの温度勾配を小さくするための請求項１に記載の方法。
7. 前記第１相変化材料を組み込む前記工程は、
   前記第１相変化材料を含む天井タイルを天井の表面に設置する工程を更に有する、部屋のフロアから天井までの温度勾配を小さくするための請求項２に記載の方法。
8. 前記第１相変化材料を組み込む前記工程は、
   前記第１相変化材料を含むコーティングを天井の表面に付ける工程を更に有する、部屋のフロアから天井までの温度勾配を小さくするための請求項２に記載の方法。
9. 前記第２相変化材料を組み込む前記工程は、
   前記第２相変化材料を含むフロアタイルをフロアの表面に設置する工程を更に有する、部屋のフロアから天井までの温度勾配を小さくするための請求項１に記載の方法。
10. 前記第２相変化材料を組み込む前記工程は、
    前記第２相変化材料を含むカーペットをフロアの表面に敷く工程を更に有する、部屋のフロアから天井までの温度勾配を小さくするための請求項１に記載の方法。
11. 前記第２相変化材料を組み込む前記工程は、
    前記第２相変化材料を含むフロアタイルをフロアの表面に設置する工程を更に有する、部屋のフロアから天井までの温度勾配を小さくするための請求項２に記載の方法。
12. 前記第２相変化材料を組み込む前記工程は、
    前記第２相変化材料を含むカーペットをフロアの表面に敷く工程を更に有する、部屋のフロアから天井までの温度勾配を小さくするための請求項２に記載の方法。
13. 少なくとも天井の表面、フロアの表面及び壁を有する建物の部屋であって、
    前記天井の表面と隣接して固定的に位置決めされた、所定の融点を持つ第１相変化材料と、
    前記フロアの表面と隣接して固定的に位置決めされた、所定の結晶点を持つ第２相変化材料と、
    を更に有し、
    前記第１相変化材料の前記融点は、前記第２相変化材料の前記結晶点よりも高く、前記第１及び第２の相変化材料は、部屋の中で発生したフロアから天井までの温度勾配を最少にするようになっている、建物の部屋。
14. 前記第１相変化材料の前記融点は２５℃±１℃であり、前記第２相変化材料の前記結晶点は２２℃±１℃である、請求項１３に記載の建物の部屋。
15. 前記壁には前記相変化材料が設けられていない、請求項１３に記載の建物の部屋。
16. 前記壁には前記相変化材料が設けられていない、請求項１４に記載の建物の部屋。
17. 前記第１相変化材料を含む天井タイルが天井の表面に隣接して配置されている、請求項１３に記載の建物の部屋。
18. 前記第１相変化材料を含む天井タイルが天井の表面に隣接して配置され、前記第２相変化材料を含むフロアタイルがフロアの表面に隣接して配置されている、請求項１４に記載の建物の部屋。
19. 前記第２相変化材料を含むフロアタイルがフロアの表面に隣接して配置されている、請求項１３に記載の建物の部屋。
20. 前記第２相変化材料を含むカーペットがフロアの表面に隣接して配置されている、請求項１４に記載の建物の部屋。
21. 前記第１相変化材料の大部分がヘプタデカンであり、前記第２相変化材料の大部分がオクタデカンである、請求項１に記載の部屋のフロアから天井までの温度勾配を小さくするための方法。
22. 前記第１相変化材料及び第２相変化材料のうち少なくとも１つに、難燃剤が添加されている、請求項１に記載の部屋のフロアから天井までの温度勾配を小さくするための方法。
23. 前記難燃剤は、該難燃剤、並びに、前記第１相変化材料及び前記第２相変化材料のうち少なくとも１つからなる全重量のうち約１０％を占める、請求項２２に記載の部屋のフロアから天井までの温度勾配を小さくするための方法。
24. 前記第１相変化材料の大部分がヘプタデカンであり、前記第２相変化材料の大部分がオクタデカンである、請求項１３に記載の建物の部屋。
25. 前記第１相変化材料及び前記第２相変化材料のうち少なくとも１つに、難燃剤が添加されている、請求項１３に記載の建物の部屋。
26. 前記難燃剤は、該難燃剤、並びに、前記第１相変化材料及び前記第２相変化材料のうち少なくとも１つからなる全重量のうち約１０％を占める、請求項２５に記載の建物の部屋。

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