JP5541765B2

JP5541765B2 - 蓄熱材及び蓄熱方法

Info

Publication number: JP5541765B2
Application number: JP2009067456A
Authority: JP
Inventors: 一誠小西
Original assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Current assignee: Asahi Kasei Chemicals Corp
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2029-03-19
Also published as: JP2010215876A

Description

本発明は、蓄熱材及びそれを用いる蓄熱方法に関する。

融解と凝固の過程で、大量の潜熱を吸熱及び放熱することのできる蓄熱材料は、排熱利用、太陽熱の蓄熱、低廉な夜間電力の利用などの分野で非常に大きな注目を集めている。特に、７０〜３５０℃の排熱の多くは未利用のまま大気中に放出されており、この排熱利用に適した蓄熱材の開発が強く求められている。

現在、高い安全性を有するとされる糖アルコールの一種のエリスリトールは高温用蓄熱材として、実用性が高いと考えられている（特許文献１）。

特開平１０−２５１６２９号公報

しかしながら、エリスリトールを蓄熱材として用いた場合には、一部のエリスリトールが加熱により反応してエリスリタンが生成し、このエリスリタンが蓄熱材組成物の融点及び融解熱量を低下させるという問題があった。特に繰り返しの使用に際しては、蓄熱材中のエリスリタンの増加に伴い、蓄熱材としての性質（融解熱量等）が著しく低下する場合があった。

そこで本発明は、耐熱性及び繰返し安定性に優れる蓄熱材、並びに、それを用いた蓄熱方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、本発明者らは、特定の構造を有する化合物が、優れた耐熱性及び蓄熱・放熱の繰り返し安定性を有することを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち本発明は、発明の実施形態として以下を包含する。
［１］下記一般式（１）で表される化合物からなる蓄熱材。

（式中、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３、Ｒ^４及びＲ^５は、それぞれ独立に、水酸基、アミノ基、カルボキシル基及びアミド基からなる群より選ばれる基を示す。）
［２］上記化合物の融点が、５０℃以上３５０℃以下である、［１］に記載の蓄熱材。
［３］上記一般式（１）中、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３、Ｒ^４及びＲ^５のうち少なくとも一つが水酸基である、［１］又は［２］に記載の蓄熱材。
［４］上記一般式（１）中、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３、Ｒ^４及びＲ^５が全て水酸基である、［１］〜［３］のいずれかに記載の蓄熱材。
［５］（−）−ｖｉｂｏ−クエルシトールからなる、蓄熱材。
［６］［１］〜［５］のいずれかに記載の蓄熱材で蓄熱を行う、蓄熱方法。

本発明によれば、耐熱性及び繰り返し安定性に優れる蓄熱材、並びに、それを用いた蓄熱方法を提供することができる。

本実施形態に係る蓄熱材は、下記一般式（１）で表される化合物からなる。

式中、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３、Ｒ^４及びＲ^５は、それぞれ独立に、水酸基、アミノ基、カルボキシル基及びアミド基からなる群より選ばれる基を示す。

上記化合物は、蓄熱容量が大きく、耐熱性に優れる。また、上記化合物からなる蓄熱材は、蓄熱性能に優れると共に、耐熱性及び繰り返し安定性に優れる。この要因としては、上記化合物が加熱等による分解反応を生じ難いこと、また分解反応が生じた場合でも、分解生成物が、蓄熱材の融点低下や融解熱量の低下の原因となり難いこと、等が考えられる。また、上記化合物は安全性に優れるため、上記化合物からなる蓄熱材は利用特性が高い。

上記化合物は、蓄熱剤の耐熱性を向上させる観点から、分解開始温度が１２０℃以上であることが好ましく、１８０℃以上であることがより好ましく、２５０℃以上であることがさらに好ましく、２７０℃以上であることが特に好ましく、３００℃以上であることが一層好ましい。ここで、分解開始温度とは、熱重量示差熱同時測定（ＪＩＳＫ７１２２）によって測定される温度を示す。

上記化合物は、７０〜３５０℃の排熱利用に適した蓄熱剤を得る観点から、融点の上限が３５０℃以下であることが好ましく、より広い温度範囲の排熱を利用する観点から、２００℃以下であることが好ましい。また、融点の下限が、５０℃以上であることが好ましく、１００℃以上であることがより好ましく、１３０℃以上であることがさらに好ましく、１７０℃以上であることが特に好ましい。ここで、融点とは、示差走査熱量測定（ＪＩＳＫ７１２１）によって測定される温度を示す。

上記化合物は、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３、Ｒ^４及びＲ^５で示される基による分子間水素結合を形成することにより、融点を向上させる等の効果が得られると考えられる。この効果が一層顕著に得られる観点から、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３、Ｒ^４及びＲ^５のうち少なくとも一つが水酸基であることが好ましい。

また、耐熱性、蓄熱容量及び安定性に一層優れる観点から、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３、Ｒ^４及びＲ^５が全て水酸基である化合物、すなわちクエルシトールが好ましい。クエルシトールとしては、（＋）−ｐｒｏｔｏ−クエルシトール、（−）−ｐｒｏｔｏ−クエルシトール、（＋）−ｖｉｂｏ−クエルシトール、（−）−ｖｉｂｏ−クエルシトール、（＋）−ｅｐｉ−クエルシトール、（−）−ｅｐｉ−クエルシトール、（＋）−ｇａｌａ−クエルシトール、（−）−ｇａｌａ−クエルシトール、（＋）−ｔａｌｏ−クエルシトール、（−）−ｔａｌｏ−クエルシトール、（＋）−ａｌｌｏ−クエルシトール、（−）−ａｌｌｏ−クエルシトール、ｓｃｙｌｌｏ−クエルシトール、ｎｅｏ−クエルシトール、ｃｉｓ−クエルシトール、ｍｕｃｏ−クエルシトールが挙げられる。これらのうち、効率的な製造プロセスを利用できる観点から、（＋）−ｐｒｏｔｏ−クエルシトール、（−）−ｖｉｂｏ−クエルシトール、（＋）−ｅｐｉ−クエルシトールが好ましく、下記式（２）で表される（−）−ｖｉｂｏ−クエルシトールがより好ましい。これらのクエルシトールは、例えば、特開２０００−４８９０号公報に記載の方法で製造することができる。

本実施形態に係る蓄熱材は、上記一般式（１）で表される化合物からなり、上記一般式（１）で表される化合物を単独で用いてもよく、複数種を組み合わせて用いてもよい。また上記蓄熱材は、単独で使用してもよく、当該蓄熱材と他の成分とを組み合わせた蓄熱材組成物として使用してもよい。

上記蓄熱材組成物に含まれる成分としては、水不溶性吸水性樹脂、カルボキシメチルセルロース、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸カリウム、微粉シリカなどの増粘剤、フェノール類、アミン類、ヒドロキシアミン類などの酸化防止剤、クロム酸塩、ポリリン酸塩、亜硝酸ナトリウムなどの金属腐食防止剤等が挙げられる。上記蓄熱材組成物中における上記蓄熱材の含有量としては、蓄熱材組成物の全質量を基準として、１質量％以上であることが好ましく、５０質量％以上であることがより好ましい。

上記蓄熱材は、単位質量あたりの蓄熱量が高いことが好ましく、上記蓄熱材を、上記一般式（１）で表される化合物の融点からプラス４０℃まで加熱した後に、常温（２５℃）までに放熱される総熱量が、４００Ｊ／ｇ以上であることが好ましく、５００Ｊ／ｇ以上であることがより好ましく、５５０Ｊ／ｇ以上であることがさらに好ましく、６００Ｊ／ｇ以上であることが特に好ましい。また、融解潜熱蓄熱量が、1３０Ｊ／ｇ以上であることが好ましく、１７０Ｊ／ｇ以上であることがより好ましく、２００Ｊ／ｇ以上であることがさらに好ましい。ここで、融解潜熱蓄熱量とは、示差走査熱量測定（ＪＩＳＫ７１２１）において、転移前後でベースラインから離れる点とベースラインに戻る点とを直線で結んだときの面積を求めることによって算出される値を示す。

上記蓄熱材は、潜熱型蓄熱材として利用できる。潜熱型蓄熱材は、顕熱型蓄熱材に比べて蓄熱密度が高く、相変化温度が一定であるため、熱の取り出し温度が安定であるという利点があり、この利点を活かして種々の用途で実用化されている。上記蓄熱材は、特に７０〜３５０℃の排熱用蓄熱材として好適である。

上記蓄熱材は、必要に応じて、パラフィン、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、架橋ポリエチレンなどの蓄熱材と併用してもよい。

上記蓄熱材の使用方法としては、例えば、上記蓄熱材（又は上記蓄熱材組成物）を充填したカプセルを蓄熱槽に充填するカプセル型蓄熱、水又はその他の熱媒体の通路となるチューブが張り巡らされている蓄熱槽に蓄熱材組成物を充填するシェル＆チューブ型蓄熱、等が挙げられる。カプセル型蓄熱は、蓄熱材（又は蓄熱材組成物）を、カプセルなどの蓄熱容器に注入し、蓄熱容器を密封することにより得られる。上記カプセル、上記チューブの材質は、使用温度範囲で変形、溶融しない材質であればよく、例えば、ステンレス、アルミニウムなどの金属；ガラス；超高分子量ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂；ポリカーボネート、ポリアミド、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンエーテル、ポリオキシメチレン、ポリフェニレンスルフィド等のエンジニアリングプラスチック等が挙げられる。カプセル型蓄熱においては、カプセルの形状は特に限定されず、例えば、球状、板状、パイプ状、くびれ筒状、双子球状、波板状などが挙げられ、用途に応じて適宜選択される。シェル＆チューブ型蓄熱においては、チューブの形状は特に限定されず、例えば直管状、枝分かれ式、Ｕ字状、螺旋状、とぐろ状、あるいはランダム状等が挙げられ、用途に応じて適宜選択される。また、熱伝導性改良等の目的でフィン等を付加することが可能である。

実際の蓄熱システムにおいては、上記のようなカプセルやチューブを介して熱媒体と蓄熱材組成物との間で熱エネルギーの授受が行われる。即ち、カプセルやチューブを構成する材料が熱交換器の役目を果たし、蓄熱、放熱が行われる。

以下、実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。

［実施例１］
（−）−ｖｉｂｏ−クエルシトール（ＷＡＫＯ製）の熱重量示差熱同時測定（ＳＤＴ２９６０ＴＡＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社）を行い、分解開始温度の算出を行った。測定は、室温から５００℃まで昇温し、昇温速度は１０℃／ｍｉｎ、測定雰囲気は空気下および窒素下の両方で行った。尚、分解開始温度は、減量曲線の低温側減量開始前の延長線と減量開始時における勾配が最大値となる点からの接線の交点を分解開始温度とした。（−）−ｖｉｂｏ−クエルシトールの分解開始温度は、空気下の場合３０８℃であり、窒素下の場合３０７℃であり、非常に高い耐熱性を示した。

［実施例２］
実施例２
（−）−ｖｉｂｏ−クエルシトール（ＷＡＫＯ製）の示差走査熱量測定（ＤＳＣＱ１００ＴＡｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製）を行い、融点と融解潜熱蓄熱量の算出を行った。この際、（−）−ｖｉｂｏ−クエルシトールの融解を５回繰り返し、リサイクル性も同時に評価した。測定温度条件は２５℃から２２０℃であり、昇降温速度は５℃／ｍｉｎ、窒素雰囲気下で、測定容器はアルミニウム製簡易密封パンで行った。表１に結果を示すとおり、（−）−ｖｉｂｏ−クエルシトールは融解を繰り返しても安定であり、排熱利用に適した融点を有することが明らかとなった。また、（−）−ｖｉｂｏ−クエルシトールの２２０℃〜２５℃までの冷却過程における総熱量を算出したところ、６４７．５Ｊ／ｇであり、非常に高い蓄熱性を示した。

［比較例１］
エリスリトール（ＷＡＫＯ製）の熱重量示差熱同時測定（ＳＤＴ２９６０ＴＡＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社）を行い、分解開始温度の算出を行った。測定は、室温から５００℃まで昇温し、昇温速度は１０℃／ｍｉｎ、測定雰囲気は空気下で行った。尚、分解開始温度は減量曲線の低温側減量開始前の延長線と減量開始時における勾配が最大値となる点からの接線の交点を分解開始温度とした。エリスリトールの分解開始温度は、２４８℃であった。また、実施例２と同様にしてエリスリトールの示差走査熱量測定（ＤＳＣＱ１００ＴＡｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製）を行い、融点の算出を行ったところ、１１９℃であった。

Claims

下記一般式（１）で表される化合物からなる蓄熱材。
［式中、Ｒ^１、Ｒ^２、Ｒ^３、Ｒ^４及びＲ^５は、全て水酸基を示す。］
前記化合物の融点が、５０℃以上３５０℃以下である、請求項１に記載の蓄熱材。
（−）−ｖｉｂｏ−クエルシトールからなる、蓄熱材。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の蓄熱材で蓄熱を行う、蓄熱方法。