JP3785455B2 - ヒートポンプ用熱交換材 - Google Patents
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Landscapes
- Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
- Silicates, Zeolites, And Molecular Sieves (AREA)
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。
【００１１】
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。
【００１２】
【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、ＳｉＯ２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。
【００１３】
（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。
【００１４】
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】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
【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。
【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。
【００１１】
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。
【００１２】
【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、ＳｉＯ２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。
【００１３】
（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。
【００１４】
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】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
【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)
- 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。
- 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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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002199644A JP3785455B2 (ja) | 2002-07-09 | 2002-07-09 | ヒートポンプ用熱交換材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002199644A JP3785455B2 (ja) | 2002-07-09 | 2002-07-09 | ヒートポンプ用熱交換材 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004044828A JP2004044828A (ja) | 2004-02-12 |
| JP3785455B2 true JP3785455B2 (ja) | 2006-06-14 |
Family
ID=31706724
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002199644A Expired - Lifetime JP3785455B2 (ja) | 2002-07-09 | 2002-07-09 | ヒートポンプ用熱交換材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3785455B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3087358A1 (fr) | 2018-10-23 | 2020-04-24 | IFP Energies Nouvelles | Materiaux aluminosilicates mesostructures utilises comme adsorbants dans les pompes a chaleur a adsorption |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101799251B (zh) * | 2010-03-24 | 2011-04-20 | 北京化工大学 | 单元组合式管外强化传热装置 |
| CN103635426B (zh) * | 2011-03-11 | 2017-03-01 | 日立化成株式会社 | 铝硅酸盐、金属离子吸附剂及它们的制造方法 |
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2002
- 2002-07-09 JP JP2002199644A patent/JP3785455B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3087358A1 (fr) | 2018-10-23 | 2020-04-24 | IFP Energies Nouvelles | Materiaux aluminosilicates mesostructures utilises comme adsorbants dans les pompes a chaleur a adsorption |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2004044828A (ja) | 2004-02-12 |
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