JP4830572B2

JP4830572B2 - 潜熱蓄熱材

Info

Publication number: JP4830572B2
Application number: JP2006084822A
Authority: JP
Inventors: 啓岸本; 謙年林
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2026-03-27
Also published as: JP2007254697A

Description

本発明は、蓄熱潜熱材、特に二酸化炭素を熱媒体として用いる給湯装置において好適に用いることができる潜熱蓄熱材に関する。

従来から排熱や太陽熱などの熱を給湯用途などに利用する場合においては、省エネおよび供給熱源の負荷変動緩和等の目的で蓄熱材を利用することが行われている。また、近年にあっては、二酸化炭素（ＣＯ_２）ヒートポンプ家庭用給湯器やコージェネ排熱回収型給湯器が普及しており、これらの機器においても、省スペース化・電力平準化・省エネの観点から蓄熱材の利用が考えられている。

上記給湯器を例に挙げれば、給湯器により供給すべき温水の上限温度は８０〜９０℃程度であり、また温水利用温度としての下限温度は４０〜６０℃程度が必要であることから、これに用いられる蓄熱材は６０〜９０℃の温度範囲内である必要がある。

ここで、一般的な蓄熱材としては水（Ｈ_２Ｏ）を挙げることができる。水を蓄熱材として利用するにあたっては、利用温度域によって顕熱蓄熱と潜熱蓄熱の２種類の蓄熱方法がある。水の顕熱蓄熱は、０℃（氷）および１００℃（蒸気）の相変化温度域を利用しないで蓄熱する方法であり、一方、水の潜熱蓄熱は、前記相変化温度域を利用する蓄熱方法である。

このように、潜熱蓄熱を利用した蓄熱方法は相変化を伴うため、顕熱蓄熱を利用した蓄熱方法に比べて、同じ利用温度差での蓄熱密度が大きくなり、蓄熱材としては好ましい。

蓄熱材として前記の水（Ｈ_２Ｏ）以外にも、様々な蓄熱材が用いられており、中でもアンモニウム・ミョウバン（硫酸アンモニウムアルミニウム・１２水（ＮＨ_４Ａｌ（ＳＯ_４）_２・１２Ｈ_２Ｏ））は、融点が９３．５℃であり、潜熱量が約４４０ｋＪ／Ｌと大きいため、潜熱蓄熱材としてよく検討されている（例えば特許文献１〜３参照）。
特開昭５８−２１５４８１号公報特開昭５７−１５８２８１号公報特開昭５３−００８９８２号公報

上記特許文献１〜３には、いずれも排熱や太陽熱等を利用するための潜熱蓄熱材が開示されており、アンモニウム・ミョウバンを基材とした２成分系もしくは３成分系の潜熱蓄熱材となっている。

しかしながら、上記特許文献１にあっては融点を６０℃に設定しており、特許文献２にあっては融点を４０〜６０℃に設定しており、いずれも融点が６０℃以下となるため、実際に当該潜熱蓄熱材と熱交換を行い、お湯を沸かすことを考えた場合、生成されるお湯の温度は６０℃よりさらに低い値となることが問題である。

また、これらの蓄熱材から取り出し可能な潜熱は、潜熱蓄熱材としての混合塩が完全に凝固しなければその全てを取り出すことができないことを考えると、潜熱蓄熱材の利用温度域を４０〜９０℃とした場合には、全ての潜熱を取り出すことができないことも問題となる。

一方で、上記特許文献３にあってはアンモニウム・ミョウバンと水との混合塩からなる潜熱蓄熱材が開示されており、８０〜９４℃の非共晶温度範囲でこれを利用することが開示されている。この場合、利用温度を約９０℃以下として考えると、水は４５〜９０℃の利用温度域では顕熱分しか蓄熱できないため、重量％で２５％以上の水の添加量分に応じた潜熱量分が減少し、蓄熱密度が小さくなってしまう（融点９０℃から利用温度差ΔＴ＝３０℃の熱量は、容積比にして約２７５ｋＪ／Ｌとなり、水の約２．２倍となる）。

本発明は上述のような従来からの潜熱蓄熱材の抱える問題に着目してなされたものであり、従来の潜熱蓄熱材に比べ、利用温度が高く、従って高温の給湯が可能であり、また潜熱量も大きく、現在普及が進んでいる二酸化炭素（ＣＯ_２）ヒートポンプ家庭用給湯器に好適に用いることが可能な潜熱蓄熱材を提供することを主たる課題とする。

上記の課題を解決するための、本発明は、アンモニウム・ミョウバン（ＮＨ_４Ａｌ（ＳＯ_４）_２・１２Ｈ_２Ｏ）と塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）を含有することを特徴とする潜熱蓄熱材である。

また、前記潜熱蓄熱材にあっては、前記塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）が、潜熱蓄熱材全体に対し５〜１５重量％を占めることが好ましい。

また、前記潜熱蓄熱材にあっては、過冷却解除材としてのフッ化カルシウム（ＣａＦ_２）を含有することが好ましい。

また、前記潜熱蓄熱材にあっては、給湯システムにおいて用いられることが好ましい。

さらに、前記潜熱蓄熱材にあっては、前記給湯システムが、二酸化炭素（ＣＯ_２）を熱媒体とし、熱源ユニットと、前記熱源ユニットの熱を蓄熱および放熱可能な蓄熱ユニットと、前記蓄熱ユニットに蓄えられた熱を利用して温水を作る給湯ユニットと、を備えることが好ましい。

本発明の潜熱蓄熱材は、アンモニウム・ミョウバン（ＮＨ_４Ａｌ（ＳＯ_４）_２・１２Ｈ_２Ｏ）と塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）を含有する共晶塩から構成されているため、塩化アンモニウムの含有量を調整することにより融点温度を調整することができ、その結果、例えば給湯装置において用いた場合には、従来からのアンモニウム・ミョウバンを基材とした潜熱蓄熱材に比べて高温の給湯が可能となる。

また、水（Ｈ_２Ｏ）のみからなる蓄熱材と比べても、約２倍以上の蓄熱密度を得ることが可能となる。

より具体的には、塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）の含有量を５〜１５重量％とすることで、融点を液相線に沿って約９０〜７５℃とすることができ、例えば、共晶点７５℃からの利用温度差をΔＴ＝３０℃（４５〜７５℃）とした場合、本発明の潜熱蓄熱材の熱量は約３２０〜３５０ｋＪ／Ｌとなり、同じ温度幅における水の顕熱量（１２５ｋＪ／Ｌ）よりも約２．５〜２．８倍とすることができる。

以下に、本発明の潜熱蓄熱材について具体的に説明する。

本発明の潜熱蓄熱材は、アンモニウム・ミョウバン（ＮＨ_４Ａｌ（ＳＯ_４）_２・１２Ｈ_２Ｏ）と塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）を含有してなる、いわゆる共晶塩から構成されていることに特徴を有している。

まずここで、本発明の潜熱蓄熱材を構成するための材料となるアンモニウム・ミョウバン（ＮＨ_４Ａｌ（ＳＯ_４）_２・１２Ｈ_２Ｏ）と塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）自体については従来公知の物質であるため、それぞれについての説明は省略する。なお、アンモニウム・ミョウバン（ＮＨ_４Ａｌ（ＳＯ_４）_２・１２Ｈ_２Ｏ）の融点は９３．５℃であり、塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）の融点は３３７．８℃である。

本発明の潜熱蓄熱材にあっては、前記アンモニウム・ミョウバンと塩化アンモニウムとを任意の割合で配合し、利用する温度域（例えば、給湯システムにおいて用いる場合には、当該給湯システムで給湯する温度域）に合わせて、その融点を調整することが可能である。

図１は、本発明の潜熱蓄熱材の状態図である。

図１からも明らかなように、前記塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）が、潜熱蓄熱材全体に対し５〜１５重量％を占めるように配合することにより、融点を液相線に沿って約９０〜７５℃として利用することが可能となり、給湯システムに好適に用いることが可能となる。

以下の表１は、塩化アンモニウムの含有量を全体の１５重量％とした本発明の潜熱蓄熱材を、利用温度幅ΔＴ＝３０℃、およびΔＴ＝６０℃とした場合の蓄熱量を纏めた表である。また、同表には比較として水を蓄熱材として用いた場合の前記利用温度幅での蓄熱量も記載する。

上記表１からも明らかなように、本発明の潜熱蓄熱材は、水を潜熱蓄熱材として用いた場合に比べて２倍以上の熱量を有していることが分かる。

このような本発明の潜熱蓄熱材にあっては、過冷却解除材としてのフッ化カルシウム（ＣａＦ_２）を含有してもよい。フッ化カルシウムを含有することにより、潜熱蓄熱材が過冷却状態となることを防止することができる。

フッ化カルシウムの含有量については、特に限定されることはないが、例えば、潜熱蓄熱材全体量に対し０．１〜５重量％程度が好ましく、０．１〜１重量％程度が特に好ましい。

次に本発明の潜熱蓄熱材を用いた給湯システムについて説明する。

なお、以下の説明において、放熱運転時とは、高温の潜熱蓄熱材から放熱させて低温とする（つまり温水を生成する）運転時を言い、蓄熱運転時とは、低温の潜熱蓄熱材に熱を供給し高温とする（つまり、熱源ユニットの熱を潜熱蓄熱材に溜める）運転時を言う。

図２は、給湯システムの構成図である。

図２に示すように、給湯システム２０は、熱源ユニット２１と、前記熱源ユニット２１の熱を蓄熱および放熱可能な蓄熱ユニット２２と、前記蓄熱ユニットに蓄えられた熱を利用して温水を作る給湯ユニット２３とを備えている。

熱源ユニット２１は、蓄熱ユニット２２において用いられている本発明の潜熱蓄熱材と熱交換を行い、当該潜熱蓄熱材を十分な温度にまで高温化することができる程度の熱量を発生するものであれば特に限定されることはなく、適宜応用して利用することができる。具体的には、ヒートポンプユニットのほか、例えば、各種内燃・外燃機関（エンジン）、燃料電池、などを挙げることができる。これらの熱源ユニット２１にあっては、蓄熱すべき温度（例えば９０℃）よりも高温の熱が供給でき、また十分な熱出力が得られることが必要であることはいうまでもない。十分な熱出力とは、例えば、夜間中に蓄熱する場合には、決められた蓄熱時間（例えば夜１０時〜翌朝６時までの８時間）に必要な蓄熱量を満蓄できるだけの熱出力である。

図２に示すように、給湯システム２０にあっては、二酸化炭素を冷媒として用い、主要な構成要素として、熱源側熱交換器２４と、膨張弁２５と、蒸発器２６と、圧縮機２７と、から構成されている熱源ユニット２１を用いることもできる。当該熱源ユニット２１は、いわゆる二酸化炭素を冷媒としたヒートポンプユニットであり、現在一般家庭において広く利用されている。

この熱源ユニット２１は、主要な構成機器として前記熱源側熱交換器２４から圧縮機２７までがこの順番で並んでおり、これらは配管によって接続されている。そして、当該配管内および各装置内を冷媒としての二酸化炭素が循環するように構成されている。

まず、冷媒としての二酸化炭素は、外部動力（電力駆動のモータなど）によって作動する圧縮機２７によって圧縮されることにより、後述する熱源側熱交換機２４において本発明の潜熱蓄熱材と熱交換をするのに十分な程度にまで高温・高圧となる（例えば９０℃、９ＭＰａ）。この時の二酸化炭素は超臨界状態となっており、液体とも気体とも言えない状態となっている。

圧縮機２７によって圧縮されたことにより高温・高圧となった二酸化炭素（超臨界状態）は配管内を通り、熱源側熱交換器２４内に導入され、当該熱源側熱交換器２４内において、他方から導入された低温（例えば２５℃）の潜熱蓄熱材と熱交換して冷却される。この際、二酸化炭素は超臨界状態であるため冷却されても凝縮することなく温度降下する。熱交換器２４において、二酸化炭素と潜熱蓄熱材は対向流型で熱交換するようにする。

潜熱蓄熱材との熱交換が終了し、高圧状態のまま低温（例えば３０℃）となった二酸化炭素は、熱源側熱交換機２４から排出され、膨張弁２５が設けられた配管を通りながら減圧され臨界圧力以下の気液混相状態となる。

気液混相状態となった二酸化炭素は、さらに配管を通り蒸発器２６内に導入される。当該蒸発器２６は熱交換器の一種であり、二酸化炭素と空気との間で熱交換をさせて二酸化炭素を加熱しガス化させる。ガス化した二酸化炭素は再度配管を通り前述した圧縮機２７によって圧縮されることとなる。

なお、このような構成からなる熱源ユニット２１にあっては、運転コスト削減の目的から、夜間電力により運転することが通常である。

次に給湯システム２０を構成する蓄熱ユニット２２について説明する。

蓄熱ユニット２２は、前記で説明した熱源ユニット２１で発生する熱を蓄熱し、必要に応じて放熱するためのユニット、さらに具体的には、前述のごとく熱源ユニット２１は通常夜間に運転されることが多い一方で、当該熱を用いて生成する温水を実際に使用するのは日中であるため、夜間に発生した熱をこれが使用される日中まで蓄熱しておき、日中に放熱することが必要であり、これを実現するためのユニットである。

このような蓄熱ユニット２２は、図示するように、蓄熱槽２８と、この中に充填される本発明の、アンモニウム・ミョウバン（ＮＨ_４Ａｌ（ＳＯ_４）_２・１２Ｈ_２Ｏ）と塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）を含有する共晶塩から構成されてなる潜熱蓄熱材と、蓄熱ポンプ３０、放熱ポンプ３１、各種配管等により構成することができる。

蓄熱ポンプ３０は蓄熱運転時に熱媒体としての水を蓄熱ユニット−熱源ユニット間で循環させるためのポンプであり、放熱ポンプ３１は放熱運転時に熱媒体としての水を蓄熱ユニット−給湯ユニット間で循環させるためのポンプである。なお、蓄熱ポンプと放熱ポンプを蓄熱ユニットに含めず、別構成にしても良い。

蓄熱運転時においては、前記蓄熱槽２８の下端に接続された配管Ｈ１から低温状態（例えば４５℃）の水が排出される。排出された低温状態の水は蓄熱ポンプ３０により配管Ｈ１を介して前述した熱源ユニット２１の熱源側熱交換器２４内へ導入され、他方から導入される冷媒（二酸化炭素）と熱交換する。この際、前述したように対向流型で熱交換する。冷媒との熱交換により加熱され、高温状態（例えば８０℃）となった水は配管Ｈ２により蓄熱槽２８内に、その上端側から導入される。蓄熱槽２８内に導入された高温状態の水は、蓄熱槽２８内に充填された、本発明の、アンモニウム・ミョウバン（ＮＨ_４Ａｌ（ＳＯ_４）_２・１２Ｈ_２Ｏ）と塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）を含有する共晶塩から構成されてなる潜熱蓄熱材と熱交換して低温状態にもどる。

一方、当該給湯システムにおいては、放熱運転時、つまり本発明の潜熱蓄熱材に蓄えられた熱を利用して温水を生成する場合においては、前記蓄熱槽２８の上端に接続された配管Ｈ２に高温状態（例えば８０℃）の水が流出され、放熱ポンプにより後述する給湯ユニット２３の給湯熱交換器２９内へ導入され、他方から導入される水と熱交換がされ、お湯が形成される。他方から導入された水と熱交換した、配管Ｈ２内の熱媒体としての水は低温状態となって蓄熱槽２８内に、その下端側から導入され、再度蓄熱材と熱交換し高温状態となる。この場合において、本発明の潜熱蓄熱材中に過冷却解除材としてのフッ化カルシウム（ＣａＦ_２）を含有しておくことにより、潜熱蓄熱材が過冷却状態となることを防止することができる。

なお、上記で説明した給湯システム２０は一例であり、使用される場所等に応じて適宜変更可能である。

例えば、上記給湯システムにおいては、給湯熱交換器２９を設けることにより、使用者が実際に触れる水（お湯）が直接蓄熱槽２８内を循環することを防止している。このような構成を採用することにより、万が一、蓄熱材が配管内に侵入した場合であっても、当該蓄熱材が使用者に届いてしまうことを防止できる。

しかしながら、例えば、当該給湯装置が飲料用ではなく、上記のような危険性を想定する必要がない場合には、給湯熱交換器２９を設ける必要なはく、使用する水を直接蓄熱槽内に循環させるようにしてもよい。

本発明の潜熱蓄熱材の状態図である。給湯システムの構成図である。

符号の説明

２０ … 給湯システム
２１ … 熱源ユニット
２２ … 蓄熱ユニット
２３ … 給湯ユニット
２４ … 熱源側熱交換器
２５ … 膨張弁
２６ … 蒸発器
２７ … 圧縮機
２８ … 潜熱蓄熱材槽
２９ … 給湯熱交換器
３０ … 蓄熱ポンプ
３１ … 放熱ポンプ

Claims

アンモニウム・ミョウバン（ＮＨ_４Ａｌ（ＳＯ_４）_２・１２Ｈ_２Ｏ）と塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）を含有することを特徴とする潜熱蓄熱材。
前記塩化アンモニウム（ＮＨ_４Ｃｌ）が、潜熱蓄熱材全体に対し５〜１５重量％を占めることを特徴とする請求項１に記載の潜熱蓄熱材。
過冷却解除材としてのフッ化カルシウム（ＣａＦ_２）を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の潜熱蓄熱材。
給湯システムにおいて用いられることを特徴とする請求項１〜３の何れか一の請求項に記載の潜熱蓄熱材。
前記給湯システムが、二酸化炭素（ＣＯ_２）を熱媒体とし、熱源ユニットと、前記熱源ユニットの熱を蓄熱および放熱可能な蓄熱ユニットと、前記蓄熱ユニットに蓄えられた熱を利用して温水を作る給湯ユニットと、を備えることを特徴とする請求項４に記載の潜熱蓄熱材。