JP5234721B2

JP5234721B2 - 冷熱蓄熱用マイクロカプセルを用いた氷蓄熱空調システム

Info

Publication number: JP5234721B2
Application number: JP2007185044A
Authority: JP
Inventors: 泰雄幡手; 昌弘吉田; 恵宣河野; 孝行武井
Original assignee: 国立大学法人鹿児島大学
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2027-07-13
Also published as: JP2009019857A

Description

本発明は、冷熱エネルギーを潜熱として貯蔵し得る冷熱蓄熱用マイクロカプセルを氷と共に冷熱エネルギーの蓄熱材として利用する氷蓄熱空調システムに関する。

近年、氷の潜熱を冷熱エネルギーの蓄熱に利用し、電力消費の少ない夜間の余剰電力を用いて製氷し、その氷から昼間の冷房に要する冷熱エネルギーを引き出す氷蓄熱空調システムが脚光を浴びている。このような氷蓄熱空調システムは、消費者側にとって安価な夜間電力の利用で冷房コストを低減できると共に、空調設備の小型化を図れる一方、電力供給側にとって夏期の冷房に伴う昼間に偏った電力需要を平準化し、もって夏期用としての電力プラントを抑制できるという利点がある。

しかして、氷蓄熱空調システムにおける蓄熱方式としては、氷蓄熱槽の水中に配置した冷凍機側の熱交換部の表面で固体氷（ソリッドアイス）を生成させるスタティック方式（例えば特許文献１，２）と、熱交換器や製氷機で生成させた流動性を持つ氷を蓄熱槽へ移動させるダイナミック方式（例えば特許文献３，４）とがあるが、特に前者のスタティック方式は装置構成的に簡素で且つ運転制御が容易であるために普及型になりつつある。
特開２００１−２８０６５１号公報特開２００４−３０１４６７公報特開平６−２２１６２６号公報特開平１１−１４１９２８号公報

しかしながら、従来の氷蓄熱空調システムでは、冷熱蓄熱時の製氷に安価な夜間電力を利用できるものの、充分な蓄熱を行うためには消費電力量が大きくなり、しかも氷の熱伝導率が低く、氷自体が厚みを増すことで熱抵抗体となるから、とりわけスタティック方式においては着氷量の増加と共に伝熱特性が悪化し、冷凍機の運転効率が低下するという問題があった。

本発明は、上述の情況に鑑み、冷熱蓄熱用マイクロカプセルを利用して消費電力量の大幅な低減と冷凍機の運転効率の向上を図り得る新規な蓄熱方式の氷蓄熱空調システムを提案するものである。

上記目的を達成するための手段を図面の参照符号を付して示せば、請求項１の発明に係る氷蓄熱空調システムは、冷凍機２による熱交換部５が配置した氷蓄熱槽１内の水中に、平均粒径０．２〜２ｍｍの冷熱蓄熱用マイクロカプセルＭＣが水透過性の容器又は袋（網籠８）に収容された状態で浸漬されると共に、該氷蓄熱槽１内の水Ｗと空調機器３の熱交換媒体６との間で熱交換を行う熱交換部（熱交換器４）を備え、前記冷熱蓄熱用マイクロカプセルＭＣが相変化温度３〜１０℃の冷熱媒体をマイクロカプセル全体の７０重量％以上を占める割合で内包するものであり、氷蓄熱槽１の水Ｗ／冷熱蓄熱用マイクロカプセルＭＣの重量比が１／０．３〜１／１の範囲にあり、冷凍機２の稼働によって氷蓄熱槽１内の水Ｗを冷却し、該氷蓄熱槽１内の熱交換部５の周りに氷を生成させると共に、その氷生成の前段階の冷却過程で前記マイクロカプセルＭＣに内包された冷熱媒体を相変化させることにより、該冷熱媒体の潜熱と水Ｗの潜熱によって冷熱エネルギーを貯蔵する一方、空調機器３を稼働させる際、該冷熱媒体の逆方向への相変化と解氷によって放出される冷熱エネルギーを、該空調機器３側の熱交換部（熱交換器４）での熱交換によって当該空調機器３の熱交換媒体６に付与するように構成されてなる。

また、請求項２の発明は、上記請求項１の氷蓄熱空調システムにおいて、冷熱蓄熱用マイクロカプセルＭＣの冷熱媒体がテトラデカンである構成としている。

更に、請求項３の発明は、上記請求項１又は２の氷蓄熱空調システムにおいて、前記氷蓄熱槽１内の水Ｗと空調機器３の熱交換媒体６との間で熱交換を行う熱交換部が氷蓄熱槽１と空調機器３との間に介在する熱交換器４からなり、該熱交換器４内に氷蓄熱槽１内の水Ｗと空調機器３の熱交換媒体６とを各々循環させるように構成されてなるものとしている。

次に、本発明の効果を図面の参照符号を付して示す。請求項１の発明に係る氷蓄熱空調システムでは、冷凍機２による熱交換部５が配置した氷蓄熱槽１内の水Ｗ中に、相変化温度３〜１０℃の冷熱媒体を内包した冷熱蓄熱用マイクロカプセルＭＣを水Ｗに対して特定比率で浸漬するため、０℃近傍での水−氷の相変化による蓄熱作用と、より高い温度での冷熱媒体の相変化による蓄熱作用とがバランスよく得られ、もってヒートポンプ内部を流れる作動流体のサイクル温度差を縮小して成績係数を高めることができる。従って、この氷蓄熱空調システムによれば、高い蓄熱効率及び容積効率が得られ、水Ｗ（氷）のみを蓄熱材とする場合に比較して冷熱蓄熱に要する消費電力を大幅に低減できると共に、冷凍機２の運転効率も向上し、それだけシステムの稼働コストが削減される。また、氷蓄熱槽１内の余剰空間を利用して、特定粒度の冷熱蓄熱用マイクロカプセルＭＣを水透過性の容器又は袋（網籠８）に収容した状態で配置するから、該マイクロカプセルＭＣ専用の蓄熱槽を必要とせず、それだけ設備コストの負担が少なくて済む上、当該マイクロカプセルＭＣを散逸しない状態で水中に浸漬できると共に、まとまった量の該マイクロカプセルＭＣを容器や袋に収容した状態で容易に取り扱えるという利点がある。

請求項２の発明によれば、冷熱蓄熱用マイクロカプセルＭＣの冷熱媒体がテトラデカンであるから、その化学的安定性がよいことに加え、蒸気圧が低く、固液の相変化による体積変動も小さいため、マイクロカプセルＭＣとして強度及び耐久性を充分に確保できると共に、より安定した蓄熱・放熱作用が得られる。

請求項３の発明によれば、氷蓄熱槽１と空調機器３との間に介在する熱交換器４において、氷蓄熱槽１内の水Ｗと空調機器３の熱交換媒体６との熱交換を行うことから、装置構成が簡素になる。

本発明の氷蓄熱空調システムに用いる冷熱蓄熱用マイクロカプセルは、既述のように、相変化温度が３〜１０℃である冷熱媒体をマイクロカプセル全体の７０重量％以上を占める割合で内包し、平均粒径が０．２〜２ｍｍの範囲にあることを特徴としており、その相変化の潜熱を氷蓄熱空調システムにおける冷熱エネルギーの貯蔵に好適に利用できるものである。

しかるに、上記冷熱媒体の相変化温度が３℃未満の場合は氷蓄熱空調システムの蓄熱材として利用した場合の蓄熱効率が低下する一方、相変化温度が１０℃を超える場合は冷房用としての冷熱蓄熱が困難になる。また、冷熱媒体がマイクロカプセル全体の７０重量％未満では、蓄熱に寄与しない成分が多くなるから、蓄熱効率及び容積効率が不十分になる。更に、該マイクロカプセルの平均粒径が０．２ｍｍ未満では、水透過性の容器や袋に逸散しない状態で収容することが困難になり、逆に該平均粒径が２ｍｍを越えるものでは、単位重量当たりの表面積が小さくなるため、伝熱速度の低下によって相変化の応答性が悪化する。

ここで、相変化温度が３〜１０℃である冷熱媒体としては、特に制約はないが、単独使用では融点３〜１０℃の有機化合物が好適である。そして、このような有機化合物の好適な具体例としては、例えばテトラデカン（融点５．５℃）、ペンタデカン（融点１０℃）、リシノール酸（融点５．５℃）等が挙げられる。

また、他の冷熱媒体としては、上記した融点３〜１０℃の有機化合物の他に、個々の融点が３〜１０℃から外れる有機化合物であっても、混合物としての凝固開始温度の如き相変化温度が３〜１０℃になる複数種の組合せも採用可能である。このような混合物として相変化温度が適合する冷熱媒体については、例えば本発明者らに係る特開２００３−１３８２４９号公報において潜熱蓄熱材組成物として多くの具体例が開示されている。

なお、冷熱媒体には、相変化時の過冷却を抑えるために過冷却防止剤として界面活性剤を添加したり、酸化劣化を防止するために酸化防止剤を添加してもよい。

このような冷熱蓄熱用マイクロカプセルを得るための手段は、特に限定されず、既存の種々のマイクロカプセル製造方法を採用でき、これら各種方法においてカプセルの内包物に前記の相変化温度が３〜１０℃である冷熱媒体を選択すると共に、当該冷熱媒体の含有割合とマイクロカプセルの粒度が前記規定範囲となり得るような条件を選択あるいは設定すればよい。

本発明の氷蓄熱空調システムは、冷凍機による熱交換部が配置した氷蓄熱槽内の水中に、上記の冷熱蓄熱用マイクロカプセルが浸漬されてなるものである。図１にスタティック方式による該氷蓄熱空調システムの構成例を模式的に示す。

図１において、１は蓄熱材としての水Ｗを収容した氷蓄熱槽、２は冷凍機、３は空調機器、４は熱交換器であり、氷蓄熱槽１内には冷凍機の冷媒を循環させる管路の一部をなすコイル状冷却管５が配設されている。また、熱交換器４は、内部に氷蓄熱槽１内の水を作用流体として循環させる配管７の熱交換部７ａが配置し、該熱交換部７ａを介して当該作用流体と空調機器３からの熱交換媒体（冷媒又はエアー）との熱交換を行うようになっている。そして、氷蓄熱槽１の水中には網籠８が浸漬されており、この網籠８内に冷熱蓄熱用マイクロカプセルＭＣ…が収容されている。なお、網籠８は、水Ｗを自由に流通させるが、冷熱蓄熱用マイクロカプセルＭＣ…の外部への流出を阻止する網目粗さに設定されている。

この氷蓄熱空調システムでは、夜間において、安価な夜間電力を利用して冷凍機２を稼働することにより、氷蓄熱槽１内の水Ｗをコイル状冷却管５内の冷媒との熱交換で冷却して該冷却管５の周りに管状に氷を生成させるが、その氷生成の前段階の冷却過程で冷熱蓄熱用マイクロカプセルＭＣ…に内包されている冷熱媒体を相変化（通常は凝固）させるから、その冷熱媒体の潜熱と水Ｗの潜熱によって冷熱エネルギーを貯蔵することになる。そして、昼間の冷房のために空調機器３を稼働させる際には、冷熱媒体の逆方向への相変化と解氷によって放出される冷熱エネルギーが熱交換器４での熱交換によって空調機器３の熱交換媒体に付与され、もって昼間には少ない電力消費で大きな冷房作用が得られる。

しかも、この氷蓄熱空調システムによれば、水Ｗによる蓄熱に要する電力に対して、冷熱蓄熱用マイクロカプセルＭＣによる同じ量の蓄熱に要する電力は半分程度でよいから、総消費電力量が大幅に低減し、システムの運転コストを大きく削減できる利点がある。

すなわち、例えば蓄熱材の液体状態の温度を４０℃としたとき、該蓄熱材が水Ｗである場合の逆カルノーサイクル（ヒートポンプ）の成績係数η＝Ｔ_L / （Ｔ_H −Ｔ_L ）は、２５４／（３１３−２５４）≒４．３であるのに対し、冷熱蓄熱用マイクロカプセルＭＣの成績係数ηは２７８／（３１３−２７８）≒８．２と約２倍であり、同じ量の冷熱エネルギーの蓄積に要する電力は冷熱蓄熱用マイクロカプセルＭＣでは蓄熱材を水Ｗとする場合の約半分で済むことになる。

そして、例えば水量３５トンの中規模氷蓄熱槽において、１０トンの氷が生成する場合（製氷率約３０％）の蓄熱量は、氷蓄熱量＝３２０ｋＪ／ｋｇであるから、１０×１０³ ×３２０＝３．２０ＧＪとなる。これに対し、該氷蓄熱槽に例えば１２トンの冷熱蓄熱用マイクロカプセルを加えて同じ蓄熱量を得るためには、該マイクロカプセル全量の凝固と水４トンの氷結（−１９℃）を行う必要があるが、その氷による蓄熱量は４×１０³ ×３２０＝１．２８ＧＪ、マイクロカプセル蓄熱量＝２００ｋＪ／ｋｇ×０．８（実容積率）＝１６０ｋＪ／ｋｇとして、マイクロカプセルによる蓄熱量は１２×１０³ ×１６０＝１．９２ＧＪとなる。しかるに、前記のように、冷熱蓄熱用マイクロカプセルによる蓄熱に要する電力は氷の約半分になるから、前者の１０トンの氷結に対して、後者の４トンの氷結とマイクロカプセル１２トンの凝固による消費電力は、（１．２８＋１．９２×０．５）／３．２０≒０．７、つまり３０％の削減となる。

氷蓄熱槽１の水Ｗと冷熱蓄熱用マイクロカプセルＭＣとの比率は、前者／後者の重量比で１／０．３〜１／１程度とするのがよい。すなわち、この比率範囲に設定すれば、水Ｗの相変化による蓄熱作用と、該マイクロカプセルＭＣの冷熱媒体の相変化による蓄熱作用とのバランスがよく、氷蓄熱空調システムとして高い蓄熱効率が得られる。

そして、この氷蓄熱空調システムでは、冷熱蓄熱用マイクロカプセルＭＣを氷蓄熱槽１内に収容するから、該マイクロカプセルＭＣ専用の蓄熱槽を別途に必要とせず、それだけ設備コストの負担が少なくて済む。

また、冷熱蓄熱用マイクロカプセルＭＣを氷蓄熱槽１内の水中に浸漬させる手段として、図１では網籠８を用いているが、他の種々の水透過性の容器や袋を使用できる。そして、このように容器や袋を使用すれば、氷蓄熱槽１内の余剰空間を利用して当該マイクロカプセルＭＣを散逸しない状態で水中に浸漬できることに加え、まとまった量の該マイクロカプセルＭＣを容易に取り扱えるという利点もある。

なお、図１で示す氷蓄熱空調システムでは氷蓄熱槽１と空調機器３との間に熱交換器４を介在させているが、空調機器３の熱交換媒体と氷蓄熱槽１内の水Ｗとの間で直接に熱交換を行うようにしてもよい。また、氷蓄熱槽１内に配置する冷凍機２側の熱交換部は、例示したような内部に冷媒を通すコイル状冷却管５に限らず、熱伝導性のよい金属の棒材や板材で形成して、これらの氷蓄熱槽１外への導出部を冷凍機２によって冷却する構成としてもよい。

以下に、本発明で用いる冷熱蓄熱用マイクロカプセルの製造例と、該マイクロカプセルを用いた冷熱蓄熱試験を示す。なお、以下において％とあるは、いずれも重量％（ｗ／ｗ）を意味する。

〔冷熱蓄熱用マイクロカプセルの製造例１〕
外水相には、蒸留水９０％、分散安定剤としてゼラチン及び第三リン酸カルシウム１０％スラリーをそれぞれ０．９％、９％の割合で混合したものを３００ｇ用意した。また有機相は、カプセル外殻壁材であるジイソシアン酸トリレンとイソシアン酸フェニルをそれぞれ０．０２８４５モル、芯物質の冷熱媒体であるテトラデカンを６８％、界面活性剤としてソルビタンモノオレエートを３％の割合で２７ｇ用意した。そして、１４０ｒｐｍで攪拌している前記の外水相に前記の有機相を加え、室温にて１０分間攪拌してＯ／Ｗエマルジョンを調製したのち、攪拌しながら６０℃にて２時間、７０℃にて３時間保持して界面反応させることより、テトラデカン内包ポリウレア膜マイクロカプセルを生成させ、１Ｍの塩酸水溶液にて洗浄後に桐山ロートにて濾過し、蒸留水で洗浄した上で該マイクロカプセルを回収した。得られたマイクロカプセルを走査型電子顕微鏡で観察したところ、粒子径は５５０〜７００μｍであった。

〔冷熱蓄熱用マイクロカプセルの製造例２〕
外水相には、蒸留水９０％、分散安定剤としてゼラチン及び第三リン酸カルシウム１０％スラリーをそれぞれ０．９％、９％の割合で混合したものを３００ｇ用意した。また有機相には、カプセル外殻壁材であるトリメタクリル酸２−エチル−２−ヒドロキシメチル−１，３−プロパンジオールを２９％、重合開始剤として２，２−アゾビス（２，４−ジメチルバレロニトリル）を０．３％、芯物質の冷熱媒体であるテトラデカンを６８％、界面活性剤としてソルビタンモノオレエートを２．９％の割合で１５．５ｇ用意した。そして、２００ｒｐｍで攪拌している前記の外水相に前記の有機相を加え、室温にて３０分間攪拌してＯ／Ｗエマルジョンを調製したのち、攪拌しながら６０℃にて２時間、８０℃にて３時間保持して重合させることより、テトラデカン内包ＴＲＩＭ膜マイクロカプセルを生成させ、１Ｍの塩酸水溶液にて洗浄後に桐山ロートにて濾過し、蒸留水で洗浄した上で該マイクロカプセルを回収した。得られたマイクロカプセルを走査型電子顕微鏡で観察したところ、粒子径は０．５〜１ｍｍであった。

〔冷熱蓄熱用マイクロカプセルの製造例３〕
外水相には分散安定剤としてゼラチン１％を含有する水溶液を３００ｇ用意した。また有機相には、カプセル外殻壁材であるジイソシアン酸トリレンとイソシアン酸フェニルをそれぞれ０．０２５６モル、トリメタクリル酸２−エチル−２−ヒドロキシメチル−１，３−プロパンジオールを２４％、芯物質の冷熱媒体であるテトラデカンを４８％、界面活性剤としてソルビタンモノオレエートを２．９％、重合開始剤として２，２−アゾビス（２，４−ジメチルバレロニトリル）を０．１％、２，２−アゾビス（イソブチロニトリル）を０．１の割合で３１ｇ用意した。そして、１４０ｒｐｍで攪拌している前記の外水相に前記の有機相を加え、室温にて１０分間攪拌してＯ／Ｗエマルジョンを調製したのち、攪拌しながら６０℃にて２時間、８０℃にて３時間保持して重合させることより、テトラデカン内包ＴＲＩＭ架橋膜マイクロカプセルを生成させ、桐山ロートにて濾過し、蒸留水で洗浄した上で該マイクロカプセルを回収した。得られたマイクロカプセルを走査型電子顕微鏡で観察したところ、粒子径は２００〜５００μｍであった。

〔冷熱蓄熱試験〕
氷蓄熱空調システム実証試験機を試作し、これを用いて以下の冷熱蓄熱試験を行った。この試験機は、圧縮機及び膨張弁を備えた冷凍機と、それからの冷媒配管に接続するコイル状冷却管を内部に配置した容量１００Ｌの氷蓄熱槽とから成り立っており、冷凍機からの冷媒をコイル状冷却管を通して循環させることにより、氷蓄熱槽内の水を冷却すると共に、その冷却の進行によってコイル状冷却管の周りに氷が管状に付着形成されてゆき、この氷によって冷熱エネルギーが蓄えられるようになっている。

試験は、まず氷蓄熱槽内の水温を２０℃に設定した上で冷凍機を稼働し、氷蓄熱槽内をコイル状冷却管の周りに充分に氷が付着する０℃付近まで冷却し、それまでに要した冷凍機の電力（ｗ）を記録する。次に、投入式ヒーターを用いて氷蓄熱槽内を加温し、水温が元の２０℃に戻るまでの供給熱量（ｑ）を測定する。この供給熱量が蓄熱量に相当し、該蓄熱量（ｑ）と消費電力（ｗ）との比ｑ／ｗが成績係数ＣＯＰとなる。そして、この場合、ｑ＝１６．５９ＭＪ、ｗ＝１５．０９ＭＪであり、成績係数ＣＯＰ＝１．１０という値が得られた。

次に、前記製造例１で得られたテトラデカン内包ポリウレア膜マイクロカプセル３４ｋｇを３個のナイロン製網籠に分けて収容し、これら網籠を氷蓄熱槽の水中に浸漬した状態で前記同様の試験を行ったところ、成績係数ＣＯＰ＝１．３２であった。従って、蓄熱材に冷熱蓄熱用マイクロカプセルを使用することで、成績係数ＣＯＰが約２０％上昇したことになり、本発明の作用効果が実証された。

本発明の氷蓄熱空調システムの一構成例を示す模式図である。

１氷蓄熱槽
２冷凍機
３空調機器
４熱交換器
５コイル状冷却管（熱交換部）
６熱交換媒体
８網籠（水透過性の容器）
ＭＣ冷熱蓄熱用マイクロカプセル
Ｗ水

Claims

冷凍機による熱交換部が配置した氷蓄熱槽内の水中に、平均粒径０．２〜２ｍｍの冷熱蓄熱用マイクロカプセルが水透過性の容器又は袋に収容された状態で浸漬されると共に、該氷蓄熱槽内の水と空調機器の熱交換媒体との間で熱交換を行う熱交換部を備え、
前記冷熱蓄熱用マイクロカプセルが相変化温度３〜１０℃の冷熱媒体をマイクロカプセル全体の７０重量％以上を占める割合で内包するものであり、
氷蓄熱槽の水／冷熱蓄熱用マイクロカプセルの重量比が１／０．３〜１／１の範囲にあり、
冷凍機の稼働によって氷蓄熱槽内の水を冷却し、該氷蓄熱槽内の熱交換部の周りに氷を生成させると共に、その氷生成の前段階の冷却過程で前記マイクロカプセルに内包された冷熱媒体を相変化させることにより、該冷熱媒体の潜熱と水の潜熱によって冷熱エネルギーを貯蔵する一方、
空調機器を稼働させる際、該冷熱媒体の逆方向への相変化と解氷によって放出される冷熱エネルギーを、該空調機器側の熱交換部での熱交換によって当該空調機器の熱交換媒体に付与するように構成されてなる氷蓄熱空調システム。
前記冷熱蓄熱用マイクロカプセルの冷熱媒体がテトラデカンである請求項１に記載の氷蓄熱空調システム。
前記氷蓄熱槽内の水と空調機器の熱交換媒体との間で熱交換を行う熱交換部が氷蓄熱槽と空調機器との間に介在する熱交換器からなり、該熱交換器内に氷蓄熱槽内の水と空調機器の熱交換媒体とを各々循環させるように構成されてなる請求項１又は２に記載の氷蓄熱空調システム。