JP3739114B2

JP3739114B2 - 蓄熱材及び蓄熱材分散液

Info

Publication number: JP3739114B2
Application number: JP17993495A
Authority: JP
Inventors: 章岸本; 哲夫瀬戸口; 正晃吉川; 貴年中平
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1995-07-17
Filing date: 1995-07-17
Publication date: 2006-01-25
Anticipated expiration: 2015-07-17
Also published as: JPH0931451A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願は、物質を冷やしたり、暖めたりするために用いられる蓄熱材、こういった蓄熱材を水等の分散媒中に分散させてなる蓄熱材分散液に関するものである。
このような蓄熱材は容器等に封入して保温剤として利用できる。また、こういった蓄熱材を分散媒中に分散保持した蓄熱材分散液も、容器等に封入して保温剤として利用できるとともに、空調システム用の冷熱搬送媒体等としても利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、潜熱を利用した蓄熱材として、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、脂肪酸、エステル化合物等の有機化合物を利用する技術が知られている。
また、これら有機化合物蓄熱材の熱交換率を高めるため、上記蓄熱材を微小カプセルに封入し、熱伝導性の良い液体中に入れて用いる方法や、乳化剤を用い有機化合物蓄熱材と水の水中油滴型エマルジョンを調整して使用する方法が提案されている。この様にすると、有機化合物蓄熱材の固化時においても、熱搬送媒体となる蓄熱材分散液の流動性を保持させて蓄熱材の潜熱を負荷側に効率よく供給することができる（例えば、特開昭５６−１１０８６９、特開昭５５−４０５２４、特開昭６３−２１７１９６、特開平５−１６３４８６、特開平６−９９５０）。
ここで、後者のエマルジョン形態のものは、以下の実施例に示すように、カプセルに封入される場合に比べ、調整が非常に簡単であり、コストの大幅な増大もない等のメリットを有しているため、提案されている使用応用例も多い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
相変化を伴う有機化合物を内包する水中油滴型エマルジョンを調整し、蓄熱操作を試みたところ、次のような問題が生じることが判った。
つまり、相変化を伴う有機化合物を内包するエマルジョンは、加熱／冷却を施すことにより、吸熱／放熱をそれぞれ繰り返されて各用途に使用されるが、その際、エマルジョンに内包された相変化を伴う有機化合物の融点と凝固点が異なる現象、即ち、著しい過冷却現象が生じることが判明した。このような過冷却現象が発生すると、例えば、このエマルジョンを冷熱搬送媒体として使用する場合に、分散物（本願でいう蓄熱材）の凝固が所定の温度域で完全に起こらず、相転移に多大なエネルギーを必要とし、例えば冷房装置の動作効率が低下しやすい等の問題を発生することとなる。
一方、蓄熱材を水等の分散媒内に分散する手法として、マイクロカプセルを使用することが知られている。この形態の技術にあっては、特開平５−２３７３６８に示されるように、マイクロカプセル内に内包される化合物ととともに、高融点化合物（カルボン酸類、アルコール類、アマイド類）をカプセル内に内包する。しかしながら、この技術においても、明細書に記載の表１に示すように過冷却現象が発生している。この原因は、マイクロカプセル内に内包される化合物と、高融点化合物との間で、その融点差が比較的大きく、物質的に直接的な繋がりが無いために、なお過冷却現象が解消し難いためと推測される。
従って、本発明の目的は、相変化を伴う有機化合物を内包した蓄熱材或いは蓄熱材分散液において、過冷却現象を防止し、加熱と冷却を施した場合の融点と凝固点の差が極めて小さい蓄熱材、あるいはこれを含む蓄熱材分散液を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明による請求項１に係わる相変化を伴う有機化合物を含んでなる蓄熱材の第１の特徴構成は、前記有機化合物のアミン誘導体またはアルコール誘導体から選択される一種以上からなる核発生剤を前記有機化合物とともに備えたことにある。
さらに、前記第１の特徴構成を備えた蓄熱材において、前記有機化合物が脂肪族炭化水素であることが好ましい。これが、請求項２に係わる本願発明の第２の特徴構成である。
さらに、上記第１もしくは第２の特徴構成を備えたものにおいて、前記有機化合物に対する前記核発生剤の割合が、３０〜０．５重量％であることが好ましい。これが、請求項３に係わる本願発明の第３の特徴構成である。
さらに上記の目的を達成するための請求項４に係わる蓄熱材分散液の特徴構成は、これが、相変化を伴う有機化合物と、前記有機化合物のアミン誘導体またはアルコール誘導体から選択される一種以上からなる核発生剤とを、共に、乳化剤により分散媒中にエマルジョンとして分散してなることにある。
さらに、上記の目的を達成するための請求項５に係わる蓄熱材分散液の特徴構成は、相変化を伴う有機化合物と、前記有機化合物のアミン誘導体またはアルコール誘導体から選択される一種以上からなる核発生剤とを、共に、マイクロカプセル中に内包し、前記マイクロカプセルを分散媒中に分散してなることにある。
〔作用〕
一般的に、相変化材の過冷却現象を防止するために、核発生剤の添加が行われる。最も、効果のある核発生剤は言うまでもなく相変化材そのものの結晶である。しかし、例えば、エマルジョン形態のものでは相変化材は完全に融解するので、相変化材の一部をいかなる温度状態においても結晶のまま保持させなければ過冷却現象は防止できず、そのような技術は不可能と考えられる。
そのため、本願においては、相変化材と結晶構造の良く似た、他の核発生剤を添加する。このとき、核発生剤は相変化材より高い融点を有し、固化が早い段階から起こることが望ましい。
本願第１の特徴構成の蓄熱材においては、相変化材が有機化合物で、この相変化材のアミン誘導体またはアルコール誘導体の一種以上が、所謂、核発生剤となっている。ここで、核発生剤は、相変化材より早い段階で固化を始めることとなるが、この核発生剤は相変化材である有機化合物と近い結晶構造を有しているため、核発生剤の結晶が形成された段階で、これを核として相変化材の相変化を促進する。即ち、誘導体であるため、基本的な結晶構造は非常に近似しており、結果的に、これを核として相変化材の固化が非常にスムーズに進行する。結果、後述する表１に示すように、過冷却現象を効果的に防止できる。
さらに本願第２の特徴構成の蓄熱材にあっては、冷熱搬送媒体としての実用性に富む脂肪族炭化水素を主な蓄熱材として使用することにより、比較的入手しやすい材料を使用して、比較的高い蓄熱効果を発揮しながら、融点と凝固点の差を実質上無いに等しい１℃以下まで低下することができる。
さらに、本願第３の特徴構成の蓄熱材にあっては、相変化材に対する核発生剤の量を適切に選択することにより、その過冷却現象を抑えることができる。
ここで、核発生剤の添加量が３０重量％より多いと過冷却防止効果はあるが、逆に単位質量あたりの蓄熱材の量が少なくなり、その結果蓄熱量が減少してしまうため、蓄熱効率が低下してしまい、核発生剤の添加量が０．５重量％より少ないと、過冷却防止効果を期待し難い。
請求項４に係わる蓄熱材分散液にあっては、上記のような相変化材と核発生剤とを組み合わせたものを、分散媒中に分散させることとなるが、この分散の手法として、乳化剤によるエマルジョン手法を採用することにより、調整が非常に簡単であり、コストの増大なく、良好な特性の蓄熱材分散液を得ることができる。
ここで、この蓄熱材分散液にあっても、先に説明した過冷却の防止効果を、相変化材と核発生剤との本願独特の組み合わせにより得られる。
請求項５に係わる蓄熱材分散液にあっては、上記のような相変化材と核発生剤とを組み合わせたものを、分散媒中に分散させることとなるが、この分散の手法として、マイクロカプセル手法を採用することにより、耐熱性や外部からの圧力や応力等に対して耐久性の高い蓄熱材分散液を得ることができる。
ここで、この蓄熱材分散液にあっても、先に説明した過冷却の防止効果を、相変化材と核発生剤との本願独特の組み合わせにより得られる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下に、発明の実施の形態を、蓄熱材、この蓄熱材を分散媒中の分散して構成される蓄熱材分散液の順に説明する。
１蓄熱材
蓄熱材は、相変化を起こす相変化材としての有機化合物と、核発生剤としての前記有機化合物のアミン誘導体またはアルコール誘導体から選択される一種以上とを共に含有してなっている。前記有機化合物に対する前記核発生剤の割合は、３０〜０．５重量％（さらに好ましくは１〜０．５重量％）に設定されている。
２エマルジョン形態の蓄熱材分散液
蓄熱材分散液は、先に説明した蓄熱材を分散媒中に分散させて得られるものであり、相変化を伴う有機化合物と、前記有機化合物のアミン誘導体またはアルコール誘導体から選択される一種以上からなる核発生剤とを、共に、乳化剤により分散媒中にエマルジョンとして分散して構成される。前記有機化合物に対する前記核発生剤の割合は、３０〜０．５重量％（さらに好ましくは１〜０．５重量％）、に設定されている。さらに、分散媒に対する前記有機化合物の割合は、５０〜５重量％（さらに好ましくは４０〜１０重量％）に設定されている。ここで、蓄熱材分散液中の有機化合物の割合は高い程潜熱量が増し好ましいが、良好な流動性を維持するには、上記の割合が好ましい。
この割合が５０重量％より高いと、流動性良く長期間安定した分散した状態が得られない。一方５重量％以下であると、蓄熱効果の乏しいものとなる。
３マイクロカプセル形態の蓄熱材分散液
蓄熱材分散液は、先に説明した蓄熱材を分散媒中に分散させて得られるものであり、相変化を伴う有機化合物と、前記有機化合物のアミン誘導体またはアルコール誘導体から選択される一種以上からなる核発生剤とを、共に、マイクロカプセル中に内包し、前記マイクロカプセルを分散媒中に分散して構成される。ここで、前記有機化合物は脂肪族炭化水素である。前記有機化合物に対する前記核発生剤の割合は、３０〜０．５重量％（さらに好ましくは１〜０．５重量％）に設定されている。分散媒に対する前記有機化合物の割合は、５０〜５重量％（さらに好ましくは４０〜１０重量％）に設定されている。ここで、この割合が５０重量％より高いと、流動性良く長期間安定した分散した状態が得られない。一方重量５％以下であると、蓄熱効果の乏しいものとなる。
【０００６】
以上説明したように、本願においては、相変化材と核発生剤とが一定の関係とされ、さらにはこれらを含む蓄熱材が分散媒中に分散されて構成されるが、具体的には以下のような物質で構成されることとなる。
イ相変化材としては、融点あるいは凝固点を有する有機化合物であれば使用可能であるが、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、脂肪酸、エステル化合物等が好ましい。さらに、ペンタデカン、テトラデカン、エイコサン、ドコサン等の炭素数が１０以上の直鎖の脂肪族炭化水素化合物が好ましい有機化合物となる。
これらの炭素数が１０以上の脂肪族炭化水素化合物は、炭素数の増加とともに、融点が上昇するため、目的に応じた融点を有する化合物を選択したり、また２種以上を混合することも可能である。
ロ相変化材にペンタデカンを使用する場合にはペンタデシルアミンまたはペンタデシルアルコールの一種以上を核発生剤として添加する。
ハ相変化材にテトラデカンを使用する場合にはテトラデシルアミンまたはテトラデシルアルコールの一種以上を核発生剤として添加する。
ニ分散媒としては、蓄熱材分散液が使用される温度域が０℃以上ならば水および防腐剤や防錆材等が添加された水が採用され、０℃以下の場合はエチレングリコール水溶液、シリコン液やアルコール水溶液などの不凍液が採用される。
ホ乳化剤としては、ポリオキシエチレナルキルアルコール系界面活性剤であるエマルゲン７０９（Ｋ社製乳化剤）等が好ましいが、任意のエマルジョン化手法が使用できる。
へマイクロカプセル構成材としては、メタクリル酸メチルと重合開始剤との組み合わせを使用することが好ましいが、この場合もまた、任意のマイクロカプセル化手法を使用できる。
マイクロカプセル化手法としては、コアセルベーション法、界面重合法、ｉｎ−ｓｉｔｕ法、酵母菌を用いた手法等を用いることが可能である。
【０００７】
【実施例】
本願の実施例として、以下に示す実施例１〜５に示すもの、比較例として比較例１〜３を調製した。ここで、実施例１〜４はエマルジョン形態のものであり、実施例５、比較例３はマイクロカプセル形態のものである。
【０００８】
以下、各例の詳細について説明する。
１エマルジョン形態のもの
〔実施例１〕
ペンタデカン４０ｇにペンタデシルアミンを０．４ｇ添加する（ペンタデシルアミン／ペンタデカン＝１重量％）これを１重量％のエマルゲン７０９（Ｋ社製乳化剤）水溶液１６０ｃｃに加え、バイオミキサーを用い、８０００ｒｐｍで５分間攪拌することにより、蓄熱材エマルジョンを得た。
〔実施例２〕
ペンタデカン４０ｇにペンタデシルアルコールを０．４ｇ添加する（ペンタデシルアミン／ペンタデカン＝１重量％）。これを１重量％のエマルゲン７０９（Ｋ社製乳化剤）水溶液１６０ｃｃに加え、バイオミキサーを用い、８０００ｒｐｍで５分間攪拌することにより、蓄熱材エマルジョンを得た。
〔実施例３〕
テトラデカン４０ｇにテトラデシルアミンを０．４ｇ添加する（テトラデシルアミン／テトラデカン＝１重量％）。これを１重量％のエマルゲン７０９（Ｋ社製乳化剤）水溶液１６０ｃｃに加え、バイオミキサーを用い、８０００ｒｐｍで５分間攪拌することにより、蓄熱材エマルジョンを得た。
〔比較例１〕
実施例１でペンタデシルアミンを添加せず、ペンタデカンのみで同様に蓄熱材エマルジョンを調製した。
〔比較例２〕
実施例４でテトラデシルアミンを添加せず、テトラデカンのみで同様に蓄熱材エマルジョンを調製した。
表１に上記実施例１〜４および比較例１、２で得られたエマルジョンの過冷却の程度を示差走査熱量計（Ｓ製作所製、ＤＳＣ−５０）による測定で得られた融点と凝固点の差（ΔＴ）で示す。ΔＴの値が小さいほど過冷却の程度も小さい。
【０００９】
【表１】
相変化材核発生剤 ΔＴ（℃）
実施例１ペンタデカンペンタデシルアミン０．５
実施例２ペンタデカンペンタデシルアルコール０．８
実施例３テトラデカンテトラデシルアミン０．８
比較例１ペンタデカンなし１３．２
比較例２テトラデカンなし１０．５
【００１０】
結果、温度差がほぼ０℃となり、過冷却現象をほぼ完全に抑制する効果が確認できた。
【００１１】
２マイクロカプセル形態のもの
〔実施例５〕
ペンタデカン２０ｇにペンタデシルアミンを０．２ｇ加え、４０℃で１０分間過熱してペンタデシルアミンをペンタデカンに溶解させる。これにメタクリル酸メチル４ｇと重合開始剤であるＶ６５（和光純薬社製）を０．１２ｇ添加する。この混合液を１重量％ポリビリニアルコル（重合度５００）水溶液１５０ミリリットルの入ったビーカーに加え、ホモジナイザーで８０００ｒｐｍ、５分間攪拌する。その後、７０℃のオイルバス中で５時間、２００ｒｐｍの速度で磁気攪拌させ、メタクリル酸メチルを重合させる。こうしてペンタデシルアミン含有ペンタデカンがポリメタクリル酸メチルの膜で覆われたマイクロカプセル（粒径３〜１５μｍ）が調製された。これを示差走査熱量計の測定に呈したところ、ΔＴ＝０．５℃であった。
〔比較例３〕
ペンタデカンにペンタデシルアミンを加えない以外は同じ条件でペンタデカン包含ポリメタクリル酸メチル膜マイクロカプセルを調製した。これを示差走査熱量計の測定に呈したところΔＴ＝１２．２℃であった。
結果、マイクロカプセル形態のものにおいても、同様に、過冷却現象の発生を良好に抑えることができた。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明したように、相変化を伴う有機化合物とともに、その相変化を伴う有機化合物のアミン誘導体またはアルコール誘導体を添加することにより、過冷却現象を防止し、加熱と冷却を施した場合の融点と凝固点の差が極めて小さい蓄熱材、蓄熱材分散液を得ることができた。

Claims

相変化を伴う有機化合物を含んでなる蓄熱材であって、前記有機化合物のアミン誘導体またはアルコール誘導体から選択される一種以上の核発生剤を前記有機化合物とともに含んでなる蓄熱材。
前記有機化合物が脂肪族炭化水素である請求項１記載の蓄熱材。
前記有機化合物に対する前記核発生剤の割合が、３０〜０．５重量％である請求項１又は請求項２記載の蓄熱材。
相変化を伴う有機化合物と、前記有機化合物のアミン誘導体またはアルコール誘導体から選択される一種以上からなる核発生剤とを、共に、乳化剤により分散媒中にエマルジョンとして分散してなる蓄熱材分散液。
相変化を伴う有機化合物と、前記有機化合物のアミン誘導体またはアルコール誘導体から選択される一種以上からなる核発生剤とを、共に、マイクロカプセル中に内包し、前記マイクロカプセルを分散媒中に分散してなる蓄熱材分散液。