JP3785455B2 - ヒートポンプ用熱交換材 - Google Patents

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  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミクロな細孔を有する合成非晶質アルミノケイ酸塩からなる管状構造体を用いるヒートポンプ用熱交換材に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、熱の移動などによって熱の効率的な利用を図るために用いられる熱交換材としては、水分の吸収及び脱着の可能な多孔質無機吸着剤、主にゼオライトが広く利用されている。なかでも、水和エンタルピーの絶対値が大きく吸水量の多いA型ゼオライトは、優れた熱交換材として使用されている。
【0003】
ところで、ゼオライトは、通常、優れた熱交換性能を有しているものの、脱水温度100℃以下の低温領域においては脱水量・吸水量が少ないという欠点がある。
そこで、熱利用の分野においては、ゼオライトのようなミクロな細孔を持ち、しかも、上記ゼオライトのもつ欠点を克服し得るような、低温領域においても脱水量・吸水量の多い新しい材料の開発が強く求められている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の技術における上記した実状に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、低温のエネルギーを用いて効率的に熱変換するヒートポンプ材料として、低温領域においても吸水能及び脱水能に優れた多孔構造を有する合成アルミノケイ酸塩粒子を用いた新規なヒートポンプ用熱交換用材料を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解消し得る新しい熱交換材の開発を目指して、ゼオライトのようなミクロな細孔を有し、脱水量・吸水量の多い物質について鋭意探索した結果、特定の細孔を有する非晶質アルミノケイ酸塩からなる管状構造体が、ヒートポンプ用熱交換材として最適であるという知見を得て、更に研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明のヒートポンプ用熱交換材は、内部に水分子が出入できるミクロな細孔を有する合成非晶質アルミニウムケイ酸塩からなる管状構造体の微細粒子を含むことを特徴とする。その水分子が出入りできるミクロな細孔は、0.5〜2.0nmの孔であることが好ましい。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明者らは、熱交換材の脱水量及び吸水量を多くするには、吸着された水が内部で拡散し易い構造を有し、かつ絶対値の大きな水和エンタルピー値をもつゼオライトのような2.0nm以下のミクロな細孔を有する物質の作製が必要であるとの観点から種々の試みを行った。その結果、合成非晶質アルミニウムケイ酸塩物質からなり、その内側に水分子の移動が可能な大きさのミクロな細孔を有する管状構造体は、現在、熱交換材として優れているとされるゼオライトと比較した場合、40℃で真空脱気した試料では、約5.1倍の吸水量を有する上に、ほぼ同等の水和エンタルピー値を持つものであること、そして実質熱交換量として約4.5倍、最大熱交換可能量としても約3.8倍の熱交換能力があることが判明した。
【0007】
また、この管状構造体は、ゼオライトを80℃で真空脱気した試料とほぼ同等の吸水能及び脱水能を持つものであり、従来のゼオライトに比べより低温領域で熱源を利用することが可能となる熱交換材として有用である。
【0008】
本発明の熱交換材は、内部(壁の内側)に水分子の移動が容易な孔径、すなわち0.5〜2.0nm程度の細孔を有する合成非晶質アルミニウムケイ酸塩の管状体からなる微細粒子を構成要素とするものであり、その微細粒子は、水の吸着速度が速く、多量の吸水及び脱水が可能であって、熱交換能力が高いという熱交換材として最適な特性を持つことから、ヒートポンプの熱交換材として好適に使用できるものである。その熱交換材の特性としては、従来のものよりも脱水量・吸水量が多く、また同等の水和エンタルピー値をもつゼオライトのようなミクロな細孔を有するものである。
【0009】
本発明は、上記したように、熱交換材の構成要素として、非晶質管状構造体の壁の内側に水分子が出入りできるミクロな細孔を有する合成非晶質アルミニウムケイ酸塩の管状構造体が用いられる。この合成非晶質アルミニウムケイ酸塩の管状構造体とは、管の断面が厚さ約1nm程度の壁をもち、その管状の構造をした内側に0.5〜2.0nm程度の大きさの孔を有し、長さ数十nm以下で、X線回折において明瞭な回折ピークをもたない非晶質な構造体を意味する。
【0010】
本発明の合成非晶質管状アルミニウムケイ酸塩は、例えば、オルトケイ酸ナトリウム水溶液と塩化アルミニウム水溶液を混合した後、水酸化ナトリウム水溶液を滴下し前駆体を形成し、その後、脱塩し、加熱することにより合成される。
【001
本発明における熱交換材は、管状構造体の壁の内側に水分子が出入りできるミクロな細孔を有する合成非晶質管状アルミニウムケイ酸塩の微細粒子をヒートポンプ材料に使用するものである。
本発明の熱交換材の製造方法及び使用法としては、上記微細粒子をそのまま利用することができるが、その他に、適切な粒径及び品質のシリカゲル、セメント、ベントナイト等の成形助剤、高分子繊維やデンプン等の有機バインダー等を添加して成形したり、あるいは適当な疎水性高分子等に含浸させて使用することが可能である。これらの製剤の例としては、好適には、例えば、造粒体、錠剤、フィルム、繊維などの形態があげられるが、これらは、その使用目的に応じて適宜選択すればよく、特に制限されるものではない。
【001
【実施例】
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例1
(1)試料
試験試料の非晶質管状構造体としては、以下のようにして作製した合成非晶質アルミニウムケイ酸塩を用いた。
まず、SiO濃度が100mmolになるように純水で希釈したオルトケイ酸ナトリウム水溶液125mlを調整した。また、これとは別に塩化アルミニウムを純水に溶解させ、150mmol/lの水溶液125mlを調整した。
次に、その塩化アルミニウム水溶液にオルトケイ酸ナトリウム水溶液を混合し、マグネティックスターラーを用いて撹拌した。この混合溶液中のSi/Al比は0.67であった。さらに、この混合溶液に1Nの水酸化ナトリウム水溶液22mlを滴化し、pHが約6になるように調整した。この溶液を遠心分離して前駆体を回収し、さらにその前駆体を純水で3回遠心分離により洗浄した後、2lの純水中に分散させた。
次いで、この前駆体懸濁液2lに5N塩酸6mlを加えた後、マントルヒーターを用いて100℃で2日間加熱し続けた。得られた加熱後の生成物にアンモニアを加えてゲル状生成物として回収した後、40℃の乾燥器で約2日乾燥させることにより非晶質管状体を得た。得られた非晶質管状体は、外径2.5nm、孔径1.2nmであり、この管状体を測定試料に供した。
また、比較試料としては、熱交換材として最も優れている合成ゼオライト(Na−A型ゼオライトのNaを50%Mgにイオン交換したもの)を用いた。
【001
(2)脱水量・吸水量及び水和エンタルピーの測定及び評価
各試料を飽和臭化ナトリウム水溶液の入ったビーカーとともにデシケーター内に置き、湿度約58%の条件下で1日放置し、脱水前の試料とした。この試料を約0.25g試料容器に入れ、各温度にて加熱しながら1時間の真空脱気を行った。脱気前後の重量の差を脱水量とした。各温度において真空脱気をした試料を、断熱型水和熱測定装置により水和熱測定を行い、水和エンタルピーを求めた。また、この水和熱測定前後の重量の差を吸水量とした。
【001
上記した合成非晶質管状アルミニウムケイ酸塩及びゼオライトについて、それぞれの脱水率、吸水率、水和エンタルピー、実質熱交換量及び熱交換最大量の測定結果を、表1に示す。
【表1】
Figure 0003785455
【001
表1に示すように、40℃で真空脱気した試料に対し、合成非晶質管状アルミニウムケイ酸塩の吸水率は15.3%であり、ゼオライトの吸水率2.98%と比較して約5.1倍の吸水量を持っていた。また水和エンタルピーは、合成非晶質管状アルミニウムケイ酸塩が−53.1kJ/molに対し、ゼオライトは−60.5kJ/molとほぼ同等の水和エンタルピー値を有している。これらの値から実質熱交換量および最大熱交換可能量を求めると、合成非晶質管状アルミニウムケイ酸塩の実質熱交換量は450.4kJ/kgであり、ゼオライトの100.2kJ/kgと比較して約4.5倍の実質熱交換量を有しており、また合成非晶質管状アルミニウムケイ酸塩の最大熱交換可能量は613.6kJ/kgであり、ゼオライトの163.4kJ/kgと比較して約3.8倍の最大熱交換可能量をもっていることがわかった。
【001
上記40℃で真空脱気した合成非晶質管状アルミニウムケイ酸塩の熱交換能力は、80℃で真空脱気したゼオライトの実質熱交換可能量435.1kJ/kg、最大熱交換量516.8kJ/kgと、ほぼ同等の値を有しており、これまでに比べより低温領域で熱源を利用することが可能となる熱交換材として最適な熱交換量を有していた。
(3) 結果
上記の試験結果から、本発明の管状構造体の壁の内側に水分子が出入りできるミクロな細孔を有する合成非晶質管状アルミニウムケイ酸塩は、熱交換材として優れた特性を有していることがわかった。
【001
【発明の効果】
本発明によれば、従来のゼオライト材料に比して、脱水量及び吸水量が多く、また同等の水和エンタルピー値を有するため、40℃で真空脱気したものでも、実質熱交換量及び最大熱交換可能量が極めて大きく、また、低温熱源を利用する上で最適な熱交換材を提供することができる。
本発明に用いる合成非晶質管状アルミニウムケイ酸塩は、ミクロな細孔を有するため高い熱交換量をもつばかりでなく、水の吸着速度が速いため熱交換のサイクルを早めることができ、より一層ヒートポンプの効率を向上させることができるものであり、さらには、省エネルギーの観点からも熱交換材の業界に寄与するところは極めて大きいものである。

Claims (2)

  1. 内部に水分子が出入できるミクロな細孔を有する合成非晶質アルミニウムケイ酸塩からなる管状構造体の微細粒子を含むことを特徴とするヒートポンプ用熱交換材。
  2. 水分子が出入りできるミクロな細孔が0.5〜2.0nmの孔である請求項1に記載の熱交換材。
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