JP5013499B2

JP5013499B2 - 潜熱輸送用スラリー

Info

Publication number: JP5013499B2
Application number: JP2005304236A
Authority: JP
Inventors: 洋鈴木; 洋基薄井; 悦之菰田; 修大隈
Original assignee: New Industry Research Organization NIRO
Current assignee: New Industry Research Organization NIRO
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2025-10-19
Also published as: JP2007112865A

Description

本発明は、熱機器や熱機関で使用される潜熱輸送媒体などとして用いられる潜熱輸送用スラリーに関する。

熱機器や熱機関は、その作動時における温度上昇を抑制するために冷却設備を有している。中には、高性能の冷却設備を必要とするものもあるが、高熱伝達を実現するために冷却媒体の輸送量を多くしたり、冷却媒体の潜熱が大きいものを使用したりすることによって対応している。

冷却媒体の潜熱が大きいものとしては、例えば、下記特許文献１に開示されているような有機系又は無機系の２種類の水和物が挙げられる。有機系の水和物は、一般にゲスト物質として水和基を有する有機物に対して、水分子がかご状に配位したものであり、その形状から包接型水和物とも呼ばれている。このような有機系の水和物は、比較的潜熱が大きく、安定して水和物が生成され、過冷却も小さいため、有用な潜熱輸送物質として考えられている。しかしながら、有機系の水和物は、一般に高価であり、また相転移温度が低く、熱機器や熱機関によっては不向きなものがある。これに対し、無機系の水和物は、結晶水として結晶内に水分子を取り込んだ物質であり、一般に安価で高い潜熱を有する物質が存在する。したがって、一般の熱機器や熱機関には、無機系の水和物が使用されることが多い。

特開２００５−２９５９１号公報

しかし、無機系の水和物は、熱機器や熱機関の作動時におけるような高温域での溶媒に対する溶解度が比較的高いため、相転移点において融解熱を吸収できない場合がある。この対策として、高温域での溶媒に対する溶解度を上回る量の無機系の水和物を溶媒に加えて、完全には溶解してしまわないようにして、融解熱を吸収させるということも考えられる。しかし、このような冷却媒体は、例えば熱機器や熱機関の作動が停止され冷却されていく際に、低温域になると余分な無機系の水和物が析出（再結晶）してくるので、必要以上に粘度が高くなってしまう。その結果として、冷却媒体の流動速度の低下を招き、所定温度以下では冷却媒体の輸送を行うことができなくなってしまうおそれがある。

そこで、本発明の目的は、高温域での溶媒に対する無機系の水和物の溶解度を下げることによって、高温域における融解熱の吸収ができるとともに、低温域における再結晶を最小限に抑制できる潜熱輸送用スラリーを提供することである。

本発明の潜熱輸送用スラリーは、潜熱吸収無機水和物と、前記潜熱吸収無機水和物が難溶性の溶解度が水よりも低い溶媒及び水からなる混合溶媒とを含む。

本発明の潜熱輸送用スラリーは、潜熱吸収温度での前記潜熱吸収無機水和物の前記混合溶媒に対する溶解度と、５〜２５℃における吸収無機水和物の前記混合溶媒に対する溶解度との差が０より上で４０以下であることが好ましく、５〜２５℃における全体に対する固体分の割合が３０％以下であることがより好ましい。このとき、本発明の潜熱輸送用スラリーは、前記潜熱吸収無機水和物が、硫酸カリウムアルミニウム十二水和物（カリウムミョウバンとも呼ばれる）、硫酸アルミニウム十四〜十八水和物、又は硫酸アルミニウムアンモニウム十二水和物であり、前記溶媒が炭素数２又は３の２価アルコールであることが好ましい。

別の観点から、本発明の潜熱輸送用スラリーは、潜熱吸収温度での前記潜熱吸収無機水和物の前記混合溶媒に対する溶解度と、５〜２０℃における吸収無機水和物の前記混合溶媒に対する溶解度との差が０より上で４０以下であることが好ましく、５〜２０℃における全体に対する固体分の割合が３０％以下であることがより好ましい。このとき、本発明の潜熱輸送用スラリーは、リン酸２水素ナトリウム十二水和物であり、前記溶媒が炭素数２又は３の２価アルコールであることが好ましい。あるいは、前記潜熱吸収無機水和物が酢酸ナトリウム三水和物であり、前記溶媒が炭素数３〜５の１価アルコールであってもよい。

上記構成により、高温域での溶媒に対する無機系の水和物の溶解度を下げることができるので、高温域における融解熱の吸収ができるとともに、低温域における水和物の再結晶を最小限に抑制でき、低温域でも高流動性の潜熱輸送用スラリーを提供できる。

発明の実施の形態

以下に、本発明の実施形態に係る潜熱輸送用スラリーについて説明する。本実施形態の潜熱輸送用スラリーは、潜熱吸収無機水和物と、この潜熱吸収無機水和物が難溶性を示す溶媒（以下、難溶性溶媒とする）と水（純水）とからなる混合溶媒とを含むものである。ここでの難溶性とは、溶解度（溶媒１００gに対する溶質の量）が０．５以下であることをいう。

無機水和物と難溶性溶媒との組み合わせは、（１）硫酸カリウムアルミニウム十二水和物（９２．５℃で潜熱吸収、潜熱２３８ｋＪ／ｋｇ・Ｋ）、硫酸アルミニウム十四〜十八水和物１１２℃で潜熱吸収、潜熱１８２ｋＪ／ｋｇ・Ｋ）、硫酸アルミニウムアンモニウム十二水和物（９３．５℃で潜熱吸収、潜熱２６９ｋＪ／ｋｇ・Ｋ）、又はリン酸２水素ナトリウム十二水和物（３５℃で潜熱吸収、潜熱２８１ｋＪ／ｋｇ・Ｋ）と、炭素数２又は３の２価アルコール、（２）酢酸ナトリウム三水和物（５８℃で潜熱吸収、潜熱２６４ｋＪ／ｋｇ・Ｋ）と、炭素数３〜５の１価アルコール、のいずれかの組み合わせである。

また、硫酸カリウムアルミニウム十二水和物、硫酸アルミニウム十四〜十八水和物、硫酸アルミニウムアンモニウム十二水和物に関しては、潜熱吸収温度での前記潜熱吸収無機水和物の前記混合溶媒に対する溶解度と、５〜２５℃における吸収無機水和物の前記混合溶媒に対する溶解度との差が０より上で４０以下とする。これにより、溶解仕切ってしまわないので、潜熱輸送が可能である。さらに、５〜２５℃における全体に対する固体分の割合が３０％以下とする。これにより、５〜２５℃における流動性を確保できる。

次に、リン酸２水素ナトリウム十二水和物の場合は、潜熱吸収温度での前記潜熱吸収無機水和物の前記混合溶媒に対する溶解度と、５〜２０℃における吸収無機水和物の前記混合溶媒に対する溶解度との差が０より上で４０以下であり、５〜２０℃における全体に対する固体分の割合が３０％以下とする。酢酸ナトリウム三水和物の場合は、潜熱吸収温度での前記潜熱吸収無機水和物の前記混合溶媒に対する溶解度と、５〜２０℃における吸収無機水和物の前記混合溶媒に対する溶解度との差が０より上で４０以下であり、５〜２０℃における全体に対する固体分の割合が３０％以下とする。これらも上述の硫酸カリウムアルミニウム十二水和物を用いた場合と同様、潜熱輸送を可能とし、低温時における流動性を確保するために調整されるものである。

ここで、炭素数２又は３の２価アルコールとしては、エチレングリコール、プロピレングリコールなどが挙げられる。炭素数３〜５の１価アルコールとしては、１−ブチルアルコール、プロピルアルコールなどが挙げられる。

上記構成により、高温域の混合溶媒に対する無機系の水和物の溶解度を下げることができるので、高温域における融解熱の吸収ができるとともに、低温域における水和物の再結晶を最小限に抑制でき、低温域でも高流動性の潜熱輸送用スラリーを提供できる。

次に、本発明に係る潜熱輸送用スラリーについて実施例を用いて説明する。ここでは、下記表１に示す実施例１〜５の組み合わせで、後述の方法を用いて無機水和物の混合溶媒に対する溶解度及び潜熱を測定した。また、実施例１〜３については、水とエチレングリコールとの混合割合が（１）１０：０（比較例）、（２）７：３、（３）５：５、（４）３：７となるように調整したもの、実施例４については、（１）１０：０（比較例）、（２）７：３、（３）５：５となるように調整したものについてそれぞれ測定した。実施例５については、水と１−ブチルアルコールとの混合割合が（１）１０：０（比較例）、（２）７：３、（３）５：５となるように調整したものを測定した。

（溶解度の測定方法）
各実施例の混合液１００ｍｌの溶液をビーカーに採取し、ビーカーごと恒温槽に浸けて温度制御を行った。これに各無機水和物を１ｇずつ入れて攪拌し、所定の各温度において溶解しなくなった量を溶解度とした。

（各実施例の溶解度の測定結果）
上記実施例１〜５の溶解度の測定結果を示すグラフを図１〜５に示す。なお、各図中の曲線は、測定結果から推測される溶解度曲線である。図１から、エチレングリコールを添加しない場合（水：エチレングリコール＝１０：０）には、硫酸カリウムアルミニウム十二水和物の相転移点（９２．５℃）近傍で、２５０以上の溶解度を示すことと、常温（５℃〜２５℃付近）において２０以下の溶解度しか示さないことがわかる。硫酸カリウムアルミニウムからなる潜熱微粒子を相転移点（９２．５℃）近傍で存在させるためには、この溶解度以上の硫酸カリウムアルミニウム十二水和物が必要である。したがって、相転移点において潜熱微粒子を存在させるために、硫酸カリウムアルミニウム十二水和物を純水１００ｇに対し２５０ｇ以上溶解させておいた場合、これを常温まで冷却すると、硫酸カリウムアルミニウム十二水和物が２００ｇ以上析出し、常温では流動化が全く望めないことになる。一方、エチレングリコールを添加した場合には、図１に示すように、高温時における溶解度を抑制することができているので、その分、硫酸カリウムアルミニウム十二水和物を溶解させる量を抑制できることがわかる。これは、エチレングリコールを添加する量が増加するごとに顕著になっている。この結果として、本発明に係る実施例１の潜熱輸送用スラリーにおいては、相転移点における溶解度以上に硫酸カリウムアルミニウム十二水和物を含んでいても、常温に冷却された際、硫酸カリウムアルミニウム十二水和物の析出量を抑制できるので、常温においても流動化が望めるものとなることがわかる。

実施例２〜５においても、図２〜５に示すように、用いた物質によって溶解度は異なるものの、実施例１と同様の効果を示す結果が得られていることがわかる。

（潜熱の測定方法）
次に、各実施例に係る潜熱輸送用スラリーの潜熱の測定方法を説明する。ここでは示差走査熱量計（島津製作所ＤＳＣ−６０）を用いて、ＤＳＣ（Differential Scanning Calorimetry：示差走査熱量測定）を行って、潜熱を測定した。

（各実施例の潜熱の測定結果）
上記実施例１〜５の潜熱の測定結果を示すグラフを図６〜１２に示す。吸熱であるので、示差走査熱量計１００の表示としては、本来は負の値を示すが、ここでは、正の値に置き換えて示してある。このＤＳＣ曲線の積分値が潜熱となる。

図６において、硫酸カリウムアルミニウム十二水和物の粉末のみの場合のＤＳＣ曲線は、相転移温度近傍（８８℃）で急激に立ち上がりはじめ、狭い温度範囲で急速に減少していることがわかる。その積分から得られた潜熱は２２９ｋＪ／ｋｇ・Ｋであり、文献値（関信弘編集蓄熱工学１基礎編森北出版１９９５年）とほぼ一致している。一方、水：エチレングリコール＝３：７の場合には、７０℃近傍で緩やかに変化し、８５℃近傍まで吸熱が続いており、潜熱吸収温度が７９．８℃まで低下している。この場合のＤＳＣ曲線の積分値は図６より３２．１ｋＪ／ｋｇ・Ｋであり、図１からは硫酸カリウムアルミニウム十二水和物微粒子の固体重量割合が１４ｗｔ％となることがわかる。すなわち、水とエチレングリコールを混合した溶媒を用いた場合には、潜熱吸収温度で温熱輸送に十分な固体重量割合を維持することが可能であることがわかる。これは、水：エチレングリコールが５：５、７：３の場合においても同様である。しかし、水：エチレングリコールが２：８、０：１０では潜熱を得ることができなかった。したがって、図６では、水：エチレングリコールが２：８、０：１０の結果を表す線は、温度軸と一致している。

実施例２〜５においても、図７〜１０に示すように、用いた物質によって潜熱や潜熱吸収温度が異なるものの、実施例１と同様の効果を示す結果が得られていることがわかる。

なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態や実施例に限定されるものではない。

本発明に係る実施例１の潜熱輸送用スラリーにおける無機水和物の溶解度の測定結果を示すグラフである。本発明に係る実施例２の潜熱輸送用スラリーにおける無機水和物の溶解度の測定結果を示すグラフである。本発明に係る実施例３の潜熱輸送用スラリーにおける無機水和物の溶解度の測定結果を示すグラフである。本発明に係る実施例４の潜熱輸送用スラリーにおける無機水和物の溶解度の測定結果を示すグラフである。本発明に係る実施例５の潜熱輸送用スラリーにおける無機水和物の溶解度の測定結果を示すグラフである。本発明に係る実施例１の潜熱輸送用スラリーにおける潜熱の測定結果を示すグラフである。本発明に係る実施例２の潜熱輸送用スラリーにおける潜熱の測定結果を示すグラフである。本発明に係る実施例３の潜熱輸送用スラリーにおける潜熱の測定結果を示すグラフである。本発明に係る実施例４の潜熱輸送用スラリーにおける潜熱の測定結果を示すグラフである。本発明に係る実施例５の潜熱輸送用スラリーにおける潜熱の測定結果を示すグラフである。

Claims

潜熱吸収無機水和物と、
前記潜熱吸収無機水和物の溶解度が水よりも低い溶媒及び水からなる混合溶媒とを含むことを特徴とする潜熱輸送用スラリー。
潜熱吸収温度での前記潜熱吸収無機水和物の前記混合溶媒に対する溶解度と、５〜２５℃における吸収無機水和物の前記混合溶媒に対する溶解度との差が０より上で４０以下であることを特徴とする請求項１に記載の潜熱輸送用スラリー。
潜熱吸収温度での前記潜熱吸収無機水和物の前記混合溶媒に対する溶解度と、５〜２０℃における吸収無機水和物の前記混合溶媒に対する溶解度との差が０より上で４０以下であることを特徴とする請求項１に記載の潜熱輸送用スラリー。
前記潜熱吸収無機水和物が、硫酸カリウムアルミニウム十二水和物、硫酸アルミニウム十四〜十八水和物、又は硫酸アルミニウムアンモニウム十二水和物であり、
前記溶媒が炭素数２又は３の２価アルコールであることを特徴とする請求項２に記載の潜熱輸送用スラリー。
前記潜熱吸収無機水和物がリン酸２水素ナトリウム十二水和物であり、
前記溶媒が炭素数２又は３の２価アルコールであることを特徴とする請求項３に記載の潜熱輸送用スラリー。
前記潜熱吸収無機水和物が酢酸ナトリウム三水和物であり、
前記溶媒が炭素数３〜５の１価アルコールであることを特徴とする請求項３に記載の潜熱輸送用スラリー。