JP3723051B2 - 蓄熱材の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、潜熱蓄熱システムに適用される蓄熱材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の潜熱蓄熱システムにおける蓄熱方法として、例えば蓄熱材として水を用い、その水の融解・凝固潜熱を利用した氷蓄熱方法が知られている。この方法では、蓄熱時に０℃以下に冷却されたブライン（不凍液）を用いて水を冷却することにより、氷として冷熱を蓄え、放熱時に直接冷水を用いて、または間接的にブラインを介して氷を融解して冷熱を取り出す。
【０００３】
この従来の氷蓄熱方法を用いた潜熱蓄熱システムでは、蓄熱する場合に冷凍機でブラインを−５℃程度まで冷却する必要があるため、冷凍機の冷媒蒸発温度を低くする必要があり、冷凍機の入力に対する蓄熱量の比すなわち成績係数が低くなる。また、氷を冷却するときにブラインを使用する必要があり、その管理に注意が必要である。
【０００４】
また、他の潜熱蓄熱システムの例としては、常温で相変化する潜熱蓄熱物質の融解・凝固潜熱を利用し、その潜熱蓄熱物質を芯物質としてカプセルやコンテナ内に封入して冷水またはブラインを用いて冷却することによって固体として冷熱を、または温水を用いて加熱することによって液体として温熱を蓄え、放熱時には間接的に前記潜熱蓄熱物質を融解して冷熱を、凝固させて温熱を取り出す方法が知られている。この常温で相変化する潜熱蓄熱物質を利用する場合、潜熱蓄熱物質が揮発性を有する場合や、共晶塩溶液中で用いられる場合等の取扱い面から、カプセルやコンテナ内に封入する必要がある。
【０００５】
一方、これらのカプセルやコンテナは、直径７０ｍｍの球形のものや一辺が数１０ｃｍの矩形状あるいはプレート状コンテナが使用され、蓄熱槽容器内に充填され静止状態で使用される。そして、蓄熱槽容器とこれらカプセルやコンテナの間の空間には、水やブラインが充満される。
【０００６】
このような静置形カプセル方式とコンテナ方式では、蓄熱時及び放熱時において、これらカプセルやコンテナ（以下、蓄熱材容器と称する）と水等使用される熱媒流体との間や、蓄熱材容器の壁と潜熱蓄熱物質との間での熱抵抗が大きい。よって、放熱時において加熱された潜熱蓄熱物質の温度や蓄熱時において冷却された潜熱蓄熱物質の温度と水等使用される熱媒流体との温度差を、各状態で５℃程度以上とる必要があり、蓄熱時と放熱時における水等使用される熱媒流体の温度に１０℃以上の温度差を設ける必要がある。すなわち、５℃の冷水を取出そうとする場合、蓄熱時には−５℃のブラインで冷却する必要がある。また、ブラインを使用しない温度レベルで蓄熱しようとすると、冷水取出し温度が１０℃以上となり、一般空調等には直接利用しがたい温度となる。
【０００７】
このような潜熱蓄熱方法によるシステムの問題を解決するために、潜熱蓄熱物質を芯物質として微小なカプセル内に封入して構成した微小カプセルを、水と混合してスラリー状態として流動性を持たせ（以下、このスラリーを微小カプセルスラリーと称す）、伝熱性能を向上させたシステムが知られている。このシステムでは、蓄熱時に、微小カプセルスラリーを熱交換器により冷水またはブラインと熱交換させることで冷却することにより、微小カプセル内の潜熱蓄熱物質に冷熱を蓄える。また放熱時には、同様に微小カプセルスラリーを熱交換器により戻り冷水またはブラインと熱交換させることで加熱することにより、微小カプセル内の潜熱蓄熱物質から冷熱を取り出す。
【０００８】
このような微小カプセルスラリー方式では、微小カプセル自体が流動し、伝熱面を介して熱媒流体と熱交換することになり、前述した静置形蓄熱材容器方式に比べて十分に高い熱伝達率が得られ、水等の一般流体の値に近くかつ潜熱蓄熱物質の融点、凝固点に近い温度の蓄放熱温度（微小カプセルスラリーと水等の使用流体との温度差は、０．７５℃〜３℃程度となる）を得ることが可能になる。
【０００９】
一方、微小カプセルの製造方法としてＩｎ−ｓｉｔｕ法や重合法など各種の製法が有るが、芯物質を水中等に分散させてその芯物質表面に膜を形成する製法上の限界から、こうした微小カプセルの製造上、微小カプセルの重量濃度に限界があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前述の微小カプセルスラリー方式では、流動性を得るため微小カプセルの濃度を低くすると、スラリーに占める潜熱蓄熱物質の割合が小さくなり、蓄熱材の蓄え得る熱量すなわち蓄熱密度が小さくなることになる。この濃度は通常４０％以下である。よって、蓄熱材の蓄える熱量を大きくするには、濃度の高い微小カプセルスラリーを用いる必要がある。
【００１１】
一方、上述した微小カプセルの製造過程では、一般に水中において疎水性物質である芯物質を乳化して、その界面にメラミン樹脂等の有機系樹脂による皮膜を構成する。これにより、水中で無数の微小カプセルが製造され、全体として微小カプセル溶液になる。しかしながら、微小カプセルが水中で製造される際、その水中にて乳化し所定粒径に維持する必要があるため、微小カプセルを製造する上で微小カプセルの重量濃度に限界を生じる。
【００１２】
潜熱蓄熱を行なう上で、微小カプセルと水によりスラリー状態にされた微小カプセルスラリーを用いる方法は有効な手段であることが知られており、このスラリーの蓄熱密度はスラリー中の微小カプセルの重量濃度に依存する。しかしながら、前述したように微小カプセルの製造上、その重量濃度に限界があり、そのままでは十分な蓄熱密度が得られない場合がある。
【００１３】
この限界濃度を向上させるためには、微小カプセルの製造後、微小カプセル溶液を濃縮する必要がある。この濃縮方法として、一般に大気圧下での加熱蒸発方式が知られているが、この方式では微小カプセル溶液の温度が１００℃レベルに達するため、有機物で構成される微小カプセルの皮膜及び芯物質の劣化を招くことになる。
【００１４】
なお蓄熱材は、耐用年数が一般機械並みの１５年程度以上であることが望ましく、一方でプラスチック等有機系物質は温度が１０℃上昇するごとに２〜３倍の化学的劣化が有ることが一般的に知られており、濃縮時においてもこの化学的劣化防止は重要な問題である。
【００１５】
本発明の目的は、低温度の状態でスラリーを濃縮することにより微小なカプセルの劣化を防止しつつ、蓄熱密度を向上させる蓄熱材及びその製造方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の蓄熱材及びその製造方法は以下の如く構成されている。
【００１７】
（１）本発明の蓄熱材の製造方法は、有機系膜物質からなる微小なカプセル内に相変化を伴う芯物質が封入され、スラリーとして用いられる蓄熱材の製造方法であって、蒸気により温められた水が供給される加熱器にて、１００℃未満の温度状態で前記微小カプセル溶液を加熱し、当該加熱した微小カプセル溶液が供給される分離器にて、加熱された前記微小カプセル溶液の水の一部をフラッシュ蒸発させて濃縮し、蓄熱密度を向上させた微小カプセルスラリーを生成する。
【００１８】
（２）本発明の蓄熱材の製造方法は、上記（１）に記載の蓄熱材の製造方法であり、前記フラッシュ蒸発させて濃縮させた微小カプセルスラリー溶液の一部を前記加熱器に再度供給し、さらに濃縮する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る蓄熱材である微小カプセルスラリーを適用した潜熱蓄熱システムの構成を示す図である。この潜熱蓄熱システムは地域冷暖房に適用されており、図１に示すように、蓄熱槽（潜熱蓄熱槽）１、熱交換器２、スラリー循環回路３、冷水循環回路４、及び冷凍機５等により構成されている。
【００２０】
蓄熱槽１は、無数の微小カプセルを所定濃度で水と混合してスラリー状態にした微小カプセルスラリー１１を収容した容器である。各微小カプセルには、常温レベルで相変化し潜熱を蓄える潜熱蓄熱物質が芯物質として封入されている。この潜熱蓄熱物質としては、脂肪族炭化水素（パラフィン系炭化水素）であるテトラデカン（ＴＤ）とペンタデカン（ＰＤ）との混合物を用い、微小カプセルの皮膜としてはメラミン樹脂（有機系樹脂）を用いている。各微小カプセルに封入された潜熱蓄熱物質の全重量のうち、８０％以上をテトラデカンとペンタデカンとの混合物が占めるとともに、前記潜熱蓄熱物質内に過冷却防止剤も添加されている。また、一つの微小カプセルの粒径は好ましくは１〜２μｍ程度であるが、２０μｍ程度以下であれば実用可能である。
【００２１】
蓄熱槽１には、スラリーポンプ６を備えたスラリー循環回路３を介して熱交換器２が接続されている。さらに、熱交換器２には、冷水ポンプ８を備えた冷水循環回路４を介して冷凍機５内の蒸発器５１が接続されている。
【００２２】
したがって、蓄熱時及び放熱時は、スラリーポンプ６を運転して蓄熱槽１内の微小カプセルスラリー１１を、スラリー循環回路３を通じて熱交換器２へ供給する。また、冷水ポンプ８を運転して冷水を、冷水循環回路４を通じて熱交換器２へ供給する。これにより、熱交換器２において微小カプセルスラリー１１と冷水の間で熱交換をすることができる。
【００２３】
例えば、夜間の冷熱蓄熱時には、蓄熱槽１から吸い上げられた微小カプセルスラリー１１が熱交換器２において冷凍機により冷却された３．５℃の冷水と熱交換することにより４．２５℃まで冷却され、各微小カプセルの潜熱蓄熱物質が固相へ変化する際に冷熱を蓄え、蓄熱槽１へ戻される。この循環を連続することにより、蓄熱槽１内は、微小カプセルの潜熱蓄熱物質が固相へ変化した４．２５℃の微小カプセルスラリーに置き換わり、蓄熱が完了する。
【００２４】
また、昼間の冷熱放熱時には、スラリー循環回路３を切り替えて、潜熱蓄熱物質が固相へ変化した４．２５℃の微小カプセルスラリー１１を熱交換器２へ供給する。熱交換器２では冷水循環回路４を切り替えて、負荷側からの１２℃の戻り冷水と微小カプセルスラリーとを熱交換して、微小カプセルの潜熱蓄熱物質が液相へ変化する際の冷熱を冷水に与える。この冷水は５℃の送り冷水５℃として負荷側へ供給される。各微小カプセルの潜熱蓄熱物質が相変化した微小カプセルスラリー１１は１１．２５℃まで昇温され、潜熱槽１へ戻される。
【００２５】
なお、冷凍機５は夜間の安価な電力を利用して運転され、蒸発器５１で生成した冷水を熱交換器２へ供給する。蒸発器５１により奪われた熱は、圧縮機５２により昇圧され凝縮器５３を介して冷却塔９から捨てられる。
【００２６】
図２は、上記潜熱蓄熱システムに適用される微小カプセルスラリーの製造過程に用いられるフラッシュ式濃縮装置の構成を示す図である。この装置は、微小カプセル製造後の微小カプセル溶液の濃縮をフラッシュ方式により行なう。
【００２７】
図２では、原液である微小カプセル溶液が配管２１を介して加熱器（プレート式熱交換器）２２の一方側に導入されるとともに、加熱器２２の他方側には蒸気２３により温められた７０℃以下の水２４が供給される。加熱器２２にて、前記微小カプセル溶液は水２４により加熱された後、分離器（セパレータタンク）２５へ供給される。
【００２８】
分離器２５では、加熱器２２にて加熱された微小カプセル溶液中の水の一部がフラッシュ蒸発される。分離器２５にて微小カプセル溶液から発生した蒸気は、真空発生装置２６により凝縮器２７へ吸引され、凝縮器２７にて冷却水により凝縮されることで液化し、排出される。
【００２９】
これにより、微小カプセル溶液における微小カプセルの重量濃度が前述した限界を超え、濃縮された溶液すなわち微小カプセルスラリーが生成される。濃縮された溶液は分離器２５から装置外へ供給されるとともに、その一部は再び加熱器２２へ供給され、さらに濃縮されることになる。
【００３０】
（第２の実施の形態）
図３は、上記潜熱蓄熱システムに適用される微小カプセルスラリーの製造過程に用いられる多重効用式濃縮装置の構成を示す図である。この装置は、微小カプセル製造後の微小カプセル溶液の濃縮を多重効用方式により行なう。
【００３１】
図３では、第１蒸発器（プレート式熱蒸発器）３１の一方側に原液である微小カプセル溶液が導入され、予熱器３５により原液は所定の温度まで昇温される。第１蒸発器３１の他方側には蒸気が供給される。第１蒸発器３１では、微小カプセル溶液中の水の一部が蒸発され、微小カプセル溶液が濃縮される。第１蒸発器３１で濃縮された微小カプセル溶液は第１分離器３２に供給され、第１分離器３２では供給された微小カプセル溶液中の水の一部が蒸発される。第１分離器３２にて発生した蒸気と微小カプセル溶液は、個別に第２蒸発器３３へ供給される。
【００３２】
同様に、第２蒸発器（プレート式熱蒸発器）３３では、供給された微小カプセル溶液中の水の一部が蒸発され、微小カプセル溶液がさらに濃縮される。第２蒸発器３３で濃縮された微小カプセル溶液は第２分離器３４に供給され、第２分離器３４では供給された微小カプセル溶液中の水の一部が蒸発され、微小カプセル溶液がさらに濃縮される。濃縮された溶液は第２分離器３４から装置外へ供給され、第２蒸発器３４で発生した蒸気は凝縮器へ供給される。
【００３３】
これにより、微小カプセル溶液における微小カプセルの重量濃度が前述した限界を超え、濃縮された溶液すなわち微小カプセルスラリーが生成される。なお、図５には二重効用の装置を示したが、さらに蒸発器と分離器を追加することにより、三重効用以上の装置を構成できる。
【００３４】
（第３の実施の形態）
図４は、上記潜熱蓄熱システムに適用される微小カプセルスラリーの製造過程に用いられる膜利用濃縮装置の構成を示す図である。この装置は、微小カプセル製造後の微小カプセル溶液の濃縮を逆浸透方式により行なう。
【００３５】
図４では、第１段階として原液である微小カプセル溶液が濾過処理器４１に導入される。濾過処理器４１でカプセル部と清澄部の濾過処理が行われ、分離される。濾過処理器４１で濾過された清澄部はさらに逆浸透器４２に供給され、逆浸透の原理により、清澄部が第２段階としてさらに濃縮される。逆浸透器４２で濃縮された微小カプセル溶液は、第１段階として濾過処理器４１で分離された溶液と混合され、装置外へ供給される。
【００３６】
これにより、微小カプセル溶液における微小カプセルの重量濃度が前述した限界を超え、濃縮された溶液すなわち微小カプセルスラリーが生成される。
【００３７】
このようなフラッシュ方式、多重効用式、および逆浸透膜方式による濃縮方法によれば、上述した加熱蒸発方式のように微小カプセル溶液の温度が１００℃レベルに達することがないため、微小カプセルの皮膜及び芯物質が化学的劣化することはない。また、この種の濃縮方法としては、フラッシュ方式、多重効用式および逆浸透膜方式以外にも、濃縮時に高温熱履歴の少ない方式であれば利用可能であり、同様の効果を得ることができる。
【００３８】
本発明は上記各実施の形態のみに限定されず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施できる。
【００３９】
本実施の形態によれば、微小カプセルスラリーを生成後、フラッシュ方式や多重効用式や逆浸透膜方式等、濃縮時の高温熱履歴の少ない方式によって１００℃未満の低温度の状態でスラリーを濃縮することにより、微小カプセルスラリーの蓄熱密度の向上を図ることができるとともに、微小カプセルの皮膜及び芯物質の劣化を防ぐことができる。
本発明の蓄熱材は、有機系膜物質からなる微小なカプセル内に相変化を伴う潜熱蓄熱物質を主要構成物質とした芯物質が封入され、スラリーとして用いられる蓄熱材において、前記芯物質の主要構成物質である潜熱蓄熱物質は、分子量の異なる二種類以上の脂肪族炭化水素を混合して構成され、かつ１００℃未満の温度状態で前記スラリーを構成する液体を蒸発させる手法により前記スラリーを濃縮し、蓄熱密度を向上させる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、低温度の状態でスラリーを濃縮することで微小なカプセルの劣化を防止しつつ、蓄熱密度を蓄熱材製造時以上に向上させる蓄熱材及びその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る蓄熱材である微小カプセルスラリーを適用した潜熱蓄熱システムの構成を示す図。
【図２】本発明の実施の形態に係るフラッシュ式濃縮装置の構成を示す図。
【図３】本発明の実施の形態に係る多重効用式濃縮装置の構成を示す図。
【図４】本発明の実施の形態に係る逆浸透膜式濃縮装置の構成を示す図。
【符号の説明】
１…蓄熱槽
１１…微小カプセルスラリー
２…熱交換器
３…スラリー循環回路
４…冷水循環回路
５…冷凍機
５１…蒸発器
５２…圧縮機
５３…凝縮器
６…スラリーポンプ
７…冷水ポンプ
８…冷水ポンプ
９…冷却塔
１０…冷却水ポンプ
２１…配管
２２…加熱器
２３…蒸気
２４…水
２５…分離器
２６…真空発生装置
２７…凝縮器
３１…第１蒸発器
３２…第１分離器
３３…第２蒸発器
３４…第２分離器
３５…予熱器
４１…濾過処理器
４２…逆浸透膜器

Claims (2)

1. 有機系膜物質からなる微小なカプセル内に相変化を伴う芯物質が封入され、スラリーとして用いられる蓄熱材の製造方法であって、
   蒸気により温められた水が供給される加熱器にて、１００℃未満の温度状態で前記微小カプセル溶液を加熱し、
   当該加熱した微小カプセル溶液が供給される分離器にて、加熱された前記微小カプセル溶液の水の一部をフラッシュ蒸発させて濃縮し、蓄熱密度を向上させた微小カプセルスラリーを生成することを特徴とする蓄熱材の製造方法。
2. 前記フラッシュ蒸発させて濃縮させた微小カプセルスラリー溶液の一部を前記加熱器に再度供給し、さらに濃縮することを特徴とする請求項２記載の蓄熱材の製造方法。

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