JP6046524B2

JP6046524B2 - 蓄熱材

Info

Publication number: JP6046524B2
Application number: JP2013045787A
Authority: JP
Inventors: 岸本　章; 章岸本
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2033-03-07
Also published as: JP2014172973A

Description

本発明は、物質を冷やしたり、温めたりするときに用いる蓄熱材に関する。

冷たい温度に保つために用いる保冷材、温かい温度に保つために用いる保温材などの蓄熱材は、容器、袋などに封入して用いられ、蓄熱材を封入した蓄熱容器（保冷用蓄熱容器、保温用蓄熱容器）などは、食品などの加工物とともに収容容器、収容箱などに収容されて加工物の温度調整材として使用される。

このような蓄熱材として潜熱を利用したものがあり、潜熱を利用したものとして酢酸塩、硫酸塩、硝酸塩などの無機化合物を利用したものが知られている。また、これらの無機化合物の蓄熱材の熱交換率を高めるために、この蓄熱材を微小カプセルに封入して単位体積当たりの表面積を増加させる方法も提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。このように蓄熱材を微小カプセルに封入すると、その熱交換率が向上できるのみならず、蓄熱材が蓄熱状態で液体状となっても、それは微小カプセルの内部での状態であって、外観上は微小カプセルという固体のままであり、それ故に、蓄熱材の利用上において非常に都合が良いものとなる。

特開昭５５−４０５２４号公報特開平５−１６３４８６号公報

しかしながら、蓄熱に相変化と伴う無機化合物を内包するカプセルを調整し、このカプセルを用いて蓄熱操作を試みたところ、次のような問題が生じることが分かった。即ち、相変化を伴う無機化合物を内包するカプセルは、加熱／冷却を施すことにより、吸熱／放熱をそれぞれ繰り返されて各種用途に使用されるが、その際に、カプセルに内包された相変化を伴う無機化合物の融点と凝固点が異なる現象、即ち、過冷却現象（凝固点が下がる現象）が生じることが判明した。このような過冷却現象が蓄熱操作で発生すると、凝固が所定の温度域で完全に起こらず、例えば冷房装置の動作効率が低下しやすいなどの問題が発生する。

例えば、蓄熱材を保温材として用いる場合、蓄熱材の融点にて温熱の蓄熱が行われ、その凝固点にて蓄熱した温熱の放熱が行われるが、この過冷却現象が発生すると、凝固点が融点よりも大きく下がり、蓄熱した温熱の放熱が所望温度よりも低い温度でもって行われ、例えば加工物を所望温度状態に保つことができなくなる。また、例えば、蓄熱材を保冷材として用いる場合、蓄熱材の凝固点にて冷熱の蓄熱が行われ、その融点にて蓄熱した冷熱の放熱が行われるが、この過冷却現象が発生すると、凝固点が大きく下がることから冷熱を蓄熱する温度が下がり、蓄熱材への冷熱の蓄熱に大きなエネルギーを消費することになる。

本発明の目的は、相変化を伴う無機化合物からなる蓄熱材において、過冷却現象を抑え、加熱と冷却を施したときの融点と凝固点の差を小さくすることができる蓄熱材を提供することである。

本発明者は、上述した課題を達成すべく検討した結果、相変化を伴う無機化合物を含む蓄熱材にパラフィンワックスを含ませることにより過冷却現象を抑えることができることを見出した。

本発明の請求項１に記載の蓄熱材は、相変化を伴う無機化合物を含んでなる蓄熱材であって、前記無機化合物の融点より高い融点を持つパラフィンワックスを前記無機化合物とともに含むことを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の蓄熱材では、前記パラフィンワックスは、脂肪族炭化水素系パラフィンワックス及び芳香族炭化水素系パラフィンワックスのいずれか又はこれらの混合物であることを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の蓄熱材では、前記無機化合物に対する前記パラフィンワックスの含有割合が０．００５〜２０重量％であることを特徴とする。

更に、本発明の請求項４に記載の蓄熱材では、前記無機化合物に対する前記パラフィンワックスの含有割合が、０．０１〜１０重量％であることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の蓄熱材によれば、相変化を伴う無機化合物を含む蓄熱材に、この無機化合物の融点よりも高い融点を有するパラフィンワックスを含ませたので、凝固の際にこのパラフィンワックスが核発生剤（凝固するときの核となるもの）して機能し、これによって、蓄熱材の過冷却現象の発生を抑えることができる。

一般的に、相変化物質の過冷却現象を防止するためには、この相変化物質に核発生剤の添加が行われる。最も効果のある核発生剤は、相変化物質そのものの結晶であるが、相変化物質の一部をいかなる温度状態においても結晶のまま保持しなければ過冷却現象を防止できず、そのようなことは現実的な解決策ではなく不可能と考えられる。

このようなことから、核発生剤としてパラフィンワックスを添加したものであり、この蓄熱材では、無機化合物が蓄熱する相変化物質を伴う物質となり、パラフィンワックスが核発生剤となる。パラフィンワックスとしては、その融点が無機化合物の融点よりも高いものが選択され、このようなパラフィンワックスは、無機化合物が凝固する際に凝固状態で無機化合物（即ち、相変化物質）内に存在するようになる。従って、相変化物質が冷却して凝固する際に、パラフィンワックスが核発生剤として作用し、これを核として相変化物質の結晶化反応が促進され、その結果、相変化物質の固化が非常にスムーズに進行し、過冷却現象の発生を効果的に抑えることができる。

また、本発明の請求項２に記載の蓄熱材によれば、このパラフィンワックスが脂肪族炭化水素系パラフィンワックス及び芳香族炭化水素系パラフィンワックスのいずれか又はこれらの混合物であるので、相変化物質（無機化合物）の核発生剤として有効に機能し、蓄熱材（無機化合物）の過冷却現象の発生を効果的に抑えることができる。

また、本発明の請求項３に記載の蓄熱材によれば、無機化合物に対するパラフィンワックスの含有割合が０．００５〜２０重量％であるので、パラフィンワックスが核発生剤として効果的に機能して過冷却現象の発生を抑えることができる。パラフィンワックスの添加量が２０重量％より多いと、無機化合物の結晶化が妨げられて凝固せず、蓄熱材として機能しなくなり、またパラフィンワックスの添加量が０．００５重量％より少ないと、パラフィンワックスによる過冷却防止効果が低下し、このようなことから０．００５〜２０重量％の範囲を外れると好ましくない。

また、本発明の請求項４に記載の蓄熱材によれば、無機化合物に対するパラフィンワックスの含有割合が、０．０１〜１０重量％であるので、パラフィンワックスが核発生剤として非常に有効に作用し、融点と凝固点との温度がほとんどなくなり、過冷却現象の発生を防止することができる。尚、蓄熱材の蓄熱量を考慮すると５重量％以下であるのが望ましく、５重量％を越えても過冷却現象の発生抑制の効果は得られるが、蓄熱材の単位重量当たりの無機化合物（相変化物質）の含有量が少なくなり、その結果、蓄熱材の蓄熱量が小さくなる。

本発明に従う蓄熱材の使用例を簡略的に示す断面図。パラフィンワックスの添加量と過冷却現象の発生程度との関係を示す図。

以下、添付図面を参照して、本発明に従う蓄熱材の実施例について説明する。図１において、この蓄熱材２は、相変化を起こす相変化物質としての無機化合物４と、核発生剤として機能するパラフィンワックス６とを含有し、この蓄熱材２は、例えば合成樹脂製袋８などに充填密封して使用される。例えば、食品などの加工物を保温するための保温材として用いる場合、この蓄熱材２に温熱が蓄えられ、凝固するときの凝固熱が保温に利用される。また、加工物などを保冷するための保冷材として用いる場合、この蓄熱材２に冷熱が蓄えられ、融解するときの融解熱が保冷に利用される。

この蓄熱材２では、蓄熱するために、相変化物質としての無機化合物４が用いられ、融点又は凝固点を有する無機化合物であれば使用可能である。無機化合物４は、単位重量当たりの蓄熱量が大きく、蓄熱材として好適であり、この無機化合物４として、酢酸塩、硫酸塩、硝酸塩、塩酸塩、リン酸塩、亜硫酸塩、亜硝酸塩、ピロリン酸塩、サリチル酸塩などが好都合に用いることができ、これらの無機化合物のうち硫酸塩、酢酸塩、ピロリン酸塩がより好ましい。これら無機化合物の脂肪族炭化水素は、炭素数の増加と共に融点が上昇するため、目的に応じた融点を有する化合物を選択したり、また２種類以上のものを混合して用いることもできる。

酢酸塩としては、例えば酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、酢酸バリウム、酢酸ナトリウム水和物、酢酸カリウム水和物、酢酸バリウム水和物などを用いることができ、硫酸塩といては、例えば硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸バリウム、硫酸ナトリウム水和物、硫酸カリウム水和物、硫酸バリウム水和物などを用いることができ、酢酸塩としては、例えば硝酸ナトリウム、硝酸カリウム、硝酸バリウム、硝酸ナトリウム水和物、硝酸カリウム水和物、硝酸バリウム水和物などを用いることができ、塩酸塩としては、例えば塩酸ナトリウム、塩酸カリウム、塩酸バリウム、塩酸ナトリウム水和物、塩酸カリウム水和物、塩酸バリウム水和物などを用いることができ、リン酸塩としては、例えばリン酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸バリウム、リン酸ナトリウム水和物、リン酸カリウム水和物、リン酸バリウム水和物などを用いることができ、亜硫酸塩としては、例えば亜硫酸ナトリウム、亜硫酸カリウム、亜硫酸バリウム、亜硫酸ナトリウム水和物、亜硫酸カリウム水和物、亜硫酸バリウム水和物などを用いることができ、亜硝酸塩としては、例えば亜硝酸ナトリウム、亜硝酸カリウム、亜硝酸バリウム、亜硝酸ナトリウム水和物、亜硝酸カリウム水和物、亜硝酸バリウム水和物などを用いることができ、ピロリン酸塩としては、例えばピロリン酸ナトリウム、ピロリン酸カリウム、ピロリン酸バリウム、ピロリン酸ナトリウム水和物、ピロリン酸カリウム水和物、ピロリン酸バリウム水和物などを用いることができ、またサルチル酸塩としては、例えばサリチル酸ナトリウム、サリチル酸カリウム、サリチル酸バリウム、サリチル酸ナトリウム水和物、サリチル酸カリウム水和物、サリチル酸バリウム水和物などを用いることができる。

上述したような無機化合物４に添加されるパラフィンワックス６は、相変化によって蓄熱する相変化物質としての無機化合物４の融点よりも高い融点を有するものを用いることが重要であり、このパラフィンワックス６としては、例えば脂肪族炭化水素系パラフィンワックス及び香族炭化水素系パラフィンワックスのいずれが又はこれらの混合物が好ましく、このようなパラフィンワックス６を用いることにより、無機化合物４（相変化物質）が凝固する前にパラフィンワックス６が凝固状態となって無機化合物内に存在するようになる。従って、無機化合物４の凝固の際にこのパラフィンワックス６が核発生剤として有効に機能し、蓄熱材２として用いたときの過冷却現象の発生を抑える又はほとんど発生しないようにすることができる。

このパラフィンワックス６の添加量は、無機化合物４（相変換物質）に対するパラフィンワックスの含有割合で０．００５〜２０重量％であるのが好ましく、この添加量が２０重量％より多いと、無機化合物の結晶化が妨げられて凝固しなくなり、この添加量が０．００５重量％より少ないと、パラフィンワックス６による過冷却防止効果が低下する。この添加量は、０．０１〜１０重量％であるのが更に好ましく、この範囲では、蓄熱材２（無機化合物４）の過冷却現象がほとんど発生しなくなり、蓄熱材２として優れたものとなる。また、この添加量は、蓄熱量を考慮すると５重量％以下であるのが好ましく、５重量％を越えると、蓄熱材２の単位重量当たりの無機化合物４（相変化物質）の含有量が少なくなり、蓄熱材２の蓄熱量が小さくなる。

以上、本発明に従う蓄熱材を説明したが、本発明はかかる実施例に限定されず、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。

本発明の蓄熱材の効果を確認するために、次の通りの蓄熱材を調整して過冷却現象の発生状態を確認し、この確認は、融点と凝固点との温度差を測定して行った。

実施例１として、相変化物質としての酢酸ナトリウム三水和物５ｇ（融点：４０℃）にパラフィンワックスとして脂肪族系パラフィンワックス（融点：４７℃）（日本精蝋株式会社製、商品名：パラフィンワックス＃１１５）を所定量（無機化合物に対するパラフィンワックスの含有割合（重量％）：０．００１重量％、０．００５重量％、０．０１重量％、０．１重量％、０．５％重量％、１重量％、３重量％、５重量％、１０重量％、１５重量％、２０重量％）添加して蓄熱材を調整した。

実施例２として、相変化物質としての酢酸ナトリウム三水和物５ｇ（融点：４０℃）にパラフィンワックスとして芳香族系パラフィンワックス（融点：５５℃）（日本精蝋株式会社製、商品名：パラフィンワックス＃１３０）を所定量（無機化合物に対するパラフィンワックスの含有割合（重量％）：０．００１重量％、０．００５重量％、０．０１重量％、０．１重量％、０．５％重量％、１重量％、３重量％、５重量％、１０重量％、１５重量％、２０重量％、３０重量％、５０重量％）添加して蓄熱材を調整した。

実施例３として、相変化物質としての硫酸ナトリウム十水和物５ｇ（融点：３０℃）にパラフィンワックスとして脂肪族系パラフィンワックス（融点：４７℃）（日本精蝋株式会社製、商品名：パラフィンワックス＃１１５）を所定量（無機化合物に対するパラフィンワックスの含有割合（重量％）：０．００１重量％、０．００５重量％、０．０１重量％、０．１重量％、０．５％重量％、１重量％、３重量％、５重量％、１０重量％、１５重量％、２０重量％、３０重量％、５０重量％）添加して蓄熱材を調整した。

また、実施例４として、相変化物質としての硫酸ナトリウム十水和物５ｇ（融点：３０℃）にパラフィンワックスとして芳香族系パラフィンワックス（融点：５５℃）（日本精蝋株式会社製、商品名：パラフィンワックス＃１３０）を所定量（無機化合物に対するパラフィンワックスの含有割合（重量％）：０．００１重量％、０．００５重量％、０．０１重量％、０．１重量％、０．５％重量％、１重量％、３重量％、５重量％、１０重量％、１５重量％、２０重量％、３０重量％、５０重量％）添加して蓄熱材を調整した。

比較のために、比較例１として、実施例１で相変化物質として用いた酢酸ナトリウム三水和物そのものを蓄熱材とした。また、比較例２として、実施例３で相変化物質として用いた硫酸ナトリウム十水和物そのものを蓄熱材とした。

更に、比較例３として、相変化物質として実施例１と同様の酢酸ナトリウム三水和物５ｇ（融点：４０℃）に、パラフィンワックスとして融点が酢酸ナトリウム三水和物よりも低い脂肪族系パラフィンワックス（融点：２８．２℃）（アルドリッチ株式会社製一級試薬、商品名：オクタデカン）を所定量（０．１重量％）添加して蓄熱材を調整した。更にまた、比較例４として、相変化物質としての実施例３と同様の硫酸ナトリウム十水和物５ｇ（融点：３０℃）に、パラフィンワックスとして融点が硫酸ナトリウム十水和物よりも低い脂肪族系パラフィンワックス（融点：２８．２℃）（アルドリッチ株式会社製一級試薬、商品名：オクタデカン）を所定量（０．１重量％）添加して蓄熱材を調製した。

〔過冷却の程度の測定〕
実施例１〜４及び比較例１〜４の蓄熱材について、示差走査熱量計（株式会社島津製作所製）を用いて融点（Ｔ１）と凝固点（Ｔ２）との温度差（ΔＴ＝Ｔ１ーＴ２）を測定した。この温度差（ΔＴ）が小さいほど融点（Ｔ１）を基準にして凝固点（Ｔ２）の低下が少なく、過冷却の程度が小さいとすることができる。

この過冷却の程度の測定結果は、図２に示す通りであった。図２は、パラフィンワックスの添加割合（重量％）とこの温度差（ΔＴ＝Ｔ１ーＴ２）との関係を示し、この図２から明らかなように、相変化物質の無機化合物そのものからなる蓄熱材（比較例１及び２）及びこの無機化合物より融点が低い融点を有するパラフィンワックスを添加した蓄熱材（比較例３及び４）においては、蓄熱材の過冷却現象の抑制効果は得られなかったが、相変化物質の無機化合物に、この無機化合物の融点より高い融点を有するパラフィンワックスを添加した蓄熱材（実施例１〜４）においては、蓄熱材の過冷却現象の抑制効果が得られ、特にパラフィンワックスの含有割合が０．０１〜１０重量％の範囲においてはこの温度差（ΔＴ）が小さく、過冷却現象がほとんど発生しないことがわかった。

２蓄熱材
４無機化合物
６パラフィンワックス
８合成樹脂製袋

Claims

相変化を伴う硫酸塩、酢酸塩、ピロリン酸塩から選ばれた無機化合物を含んでなる蓄熱材であって、前記無機化合物の融点より高い融点を持つパラフィンワックスを前記無機化合物とともに含み、前記無機化合物に対する前記パラフィンワックスの含有割合が、０．０１〜１０重量％であることを特徴とする蓄熱材。
前記パラフィンワックスは、脂肪族炭化水素系パラフィンワックス及び芳香族炭化水素系パラフィンワックスのいずれか又はこれらの混合物であることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱材。