JP5619435B2 - 蓄熱部材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
ハニカム構造体は、簡易な工具により形状を変化させ得るため、機器に合わせて容易に蓄熱部材の形状を変更することが可能となり、製造コストを低減することができる。
熱伝導フィラーは、バインダーであるとともに、カプセル化された蓄熱材間の熱伝導性を向上させる役割を担う。熱伝導フィラーを含有させることで、蓄熱部材の厚さが厚くなった場合であっても、蓄熱部材の厚さ方向に均一に熱を分散させることが可能となる。
蓄熱部材は、蓄熱材を多く含む方が、より蓄熱効果が高くなる。一方、蓄熱材が内包されたカプセルを充填しすぎると、カプセルが破壊されて、蓄熱材が露出する。それによって、蓄熱部材周辺が汚染される等の問題が生じる。蓄熱材が内包されたカプセルの前記セル内への充填率を上記範囲内とすることで、カプセルをあまり破壊させずに、より多くの蓄熱材を充填することができる。充填率は74%がより好ましい。そうすることで、カプセルを破壊させずに蓄熱材を最密充填することが可能となる。
熱伝導フィラーが上記割合で配合されることによって、蓄熱部材の熱伝導性を向上させることができる。熱伝導フィラーの含有量が少ないと、蓄熱材が内包されたカプセルと混合した際の熱伝導フィラーの混合均一性が低下する。そのため、熱伝導フィラーは、蓄熱材が内包されたカプセル100重量部に対して20重量部以上45重量部以下の割合で含有されることが好ましく、25重量部以上45重量部以下の割合で含有されることが更に好ましい。
本実施形態に係る蓄熱部材は、ハニカム構造体のセル内に、蓄熱材が内包されたカプセルと、熱伝導フィラーとが充填された構成となっている。
カプセルの膜材は、天然または合成の樹脂とする。本実施形態におけるカプセルの膜材は、メラミン系の樹脂とする。
蓄熱材が内包されたカプセル(以降、「蓄熱カプセル」と称する。)の融点や粒径などは、適宜設定される。蓄熱カプセルの融点は、0℃〜60℃程度が好ましい。蓄熱カプセルの粒径は、5〜50μm程度が好ましい。
蓄熱カプセルは、公知の技術によって蓄熱材をカプセルに内包させて作製すれば良い。
蓄熱カプセル100重量部に対して、熱伝導フィラーが10重量部以上45重量部以下の割合となるよう両者を配合し、混合させたものを原料とする。混合は、カプセルが破壊されないよう緩やかに実施するのが好ましい。
次に、一軸方向に加圧することで、ハニカム構造体3のセル内に、原料2を充填させる(図1(d))。加圧は、4MPa以上10MPa以下で行う。
なお、原料2の充填は二軸方向に加圧することで行なってもよい。
こうした表面コーティングによると、万が一、カプセルが壊れてしまった場合であっても、カプセルに内包された蓄熱材が蓄熱部材の外に漏れ出すことを確実に防ぐことができる。また、蓄熱部材を所望の大きさに切り出したりするために切断しても保形性を確保することができる。
こうした表面コーティングは、少なくともセル開口部を覆っていればよく、蓄熱部材全体を覆っていてもよい。
こうした表面コーティングの材質は、特に制限はないが、例えば、珪酸ソーダやリン酸アルミニウムといったセラミックス、シリコーンゴム、PTFEやPFAといったフッ素系樹脂、アルミニウムやステンレスといった金属が挙げられる。こうした表面コーティングは公知の技術で形成されればよい。
また、表面コーティングの厚さは、特に制限はないが、例えば10〜300μm、好ましくは50〜200μmであればよい。
ハニカム構造体としては、アルミニウムハニカム(日本軽金属(株)、セル径:3.2mm、箔厚み:25μm、サイズ:100mm×100mm×5mm、2.5g)を用いた。
蓄熱カプセルは、パラフィン系の化合物がメラミン樹脂からなるカプセルに内包された融点の異なる2種類の蓄熱カプセル(商品名:FP−39、FP−9)を三菱製紙(株)から入手した。融点が39℃の蓄熱カプセルを蓄熱カプセルA、融点が9℃の蓄熱カプセルを蓄熱カプセルBとした。蓄熱カプセルA及び蓄熱カプセルBは、融解熱量がそれぞれ180kJ/kg及び138kJ/kgであり、粒径が共に5〜50μmである。
熱伝導フィラーは、熱伝導率が12W/(m・K)となるようにエポキシ樹脂とカーボンとを配合させたもの(商品名:SST1−80−C)を薩摩総研(株)から入手した。
試験体A:蓄熱カプセルAを原料とした。原料の半量を金型(内寸:100mm×100mm)に投入し、その上アルミニウムハニカムを載せ、その上から更に残りの蓄熱カプセルAを投入した。プレス圧力を3MPa〜10MPaとし、それぞれの圧力で1分間、一軸加圧成形した。脱型後、30℃で15時間硬化させて試験体Aを作製した。
試験体B:蓄熱カプセルBを原料とし、上記試験体Aと同様の方法で試験体Bを作製した。
蓄熱カプセル充填率(%)={(試験体重量−アルミハニカム重量)/蓄熱カプセル真密度/(試験体体積−アルミハニカム体積)}×100
試験体重量は、作製した試験体重量の計測値である。試験体体積は、ハニカムの見掛体積とする。
本発明者らは、別の試験において、蓄熱カプセル充填率が74%であるとき、蓄熱カプセルがハニカムのセル内に最密充填されることを確認している。これを上記結果と照らし合わせると、成形圧力は4MPa以上とすることがより好ましいといえる。
上記結果を図4に示す。図4によれば、成形圧力が6MPa以下では、成形時の加圧によりカプセルが破壊されないことがわかった。一方、成形圧力が7MPaでは、試験体A及び試験体Bにおいて破壊されたカプセルが観察された。上記結果から、成形圧力は、6MPa以下であることがより好ましいといえる。
試験体AF:蓄熱カプセルAが100重量部に対して、熱伝導フィラーを0〜45重量部の範囲で含有させたものを原料とし、成形圧力を6MPaとした以外は、試験体Aと同様の方法で試験体AFを作製した。
試験体BF:蓄熱カプセルBが100重量部に対して、熱伝導フィラーを0〜45重量部の範囲で含有させたものを原料とした以外は、試験体AFと同様の方法で試験体BFを作製した。
蓄熱カプセル充填率(%)={(試験体重量−アルミハニカム重量)×蓄熱カプセル配合量/(蓄熱カプセル配合量+熱伝導フィラー配合量)/蓄熱カプセル真密度/(試験体体積−アルミハニカム体積)}×100
図7及び図8によれば、蓄熱カプセル100重量部に対して10重量部以上の熱伝導フィラーを含有させたときの試験体AF及び試験体BFの熱伝導率は、0.4W/(m・K)以上となり、熱伝導フィラー含有量が0重量部の試験体と比べて熱伝導率は向上した。試験体AFでは、蓄熱カプセル100重量部に対する熱伝導フィラーの含有量が34重量部であったとき、熱伝導率が最も高い値(0.62W/(m・K))となった。
試験体AFのうち、蓄熱カプセル100重量部に対する熱伝導フィラー含有量が、0重量部または34重量部の試験体を2枚重ねたものをそれぞれ蓄熱部材AF0、蓄熱部材AF34として用いた。
図9に、温度分布測定装置の概略図を示す。はじめに、蓄熱部材の所定位置(CH1〜CH9)に熱電対を取り付けた。CH1、CH4、及びCH7は蓄熱部材の面中心に取り付けた。蓄熱部材は、アルミスペーサー(100mm×100mm×3.6mm)を介して、熱源であるシリコンラバーヒーター(スリーハイ製、100mm×100mm×1.5mm、125Ω)の両面に積層させて固定した。
次に、積層固定した蓄熱部材を、断熱材(ウレタンフォーム材、厚さ60mm、熱伝導率:0.0415W/(m・K)(25℃))で囲み、5℃に設定した恒温槽(ヤマト科学、IE21)に設置した。
積層固定した蓄熱部材の温度が安定したことを確認した後、ヒーター出力(20W)を開始し、蓄熱部材の所定位置での温度変化を測定した。
図10によれば、いずれの蓄熱部材でも、熱源から離れるほど、低温となる傾向をしめしてはいるが、蓄熱部材AF0と比較して蓄熱部材AF34の温度分布範囲は狭かった。すなわち、蓄熱部材AF34では、熱が均一に分散されていた。これは、熱伝導フィラーが含有されたことによって、熱に対する感度が向上したためであると考えられる。
2 原料
3 ハニカム構造体
Claims (4)
- 多数のセルを有するハニカム構造体を備え、
各前記セル内に、蓄熱材が内包されたカプセルと、熱伝導性の物質および接合剤を含む熱伝導フィラーと、が充填されてなり、
前記熱伝導性の物質の熱伝導率が、5W/(m・k)〜20W/(m・k)である蓄熱部材。 - 前記蓄熱材が内包されたカプセルの前記セル内への充填率が65%以上90%以下である請求項1に記載の蓄熱部材。
- 前記蓄熱材が内包されたカプセル100重量部に対して、前記熱伝導フィラーが10重量部以上45重量部以下の割合で含有される請求項1に記載の蓄熱部材。
- 蓄熱材が内包されたカプセルと、接合剤および熱伝導率が5W/(m・k)〜20W/(m・k)である熱伝導性の物質を含む熱伝導フィラーとを混合させた原料を、ハニカム構造体のセル開口部の少なくとも一方の面を覆うように接触配置させ、4MPa以上10MPa以下の圧力で加圧成形することよって、前記セル内に、前記原料を充填する蓄熱部材の製造方法。
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