JP6134272B2 - 潜熱蓄熱材および潜熱蓄熱槽 - Google Patents

Description

本発明は，９０℃程度の温度で蓄熱することができる潜熱蓄熱材および潜熱蓄熱槽に関する。

潜熱蓄熱材（ＰＣＭ：Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）は，相変化に基づく潜熱を利用して蓄熱することのできるものである。このため，本来であれば廃棄されてしまっていた熱等を潜熱蓄熱材に蓄熱させ，その蓄えた熱を必要なときに取り出すことにより，エネルギーを無駄にすることなく有効に活用することができる。

例えば，ガスエンジンからは，９０℃程度の排熱がなされる。そして，９０℃程度の融点を持ち，９０℃程度の熱を蓄熱することのできるＰＣＭとして，例えば，特許文献１には，アンモニウムミョウバンと塩化アンモニウムとの共晶塩が記載されている。特許文献１では，主成分である融点が９３．５℃のアンモニウムミョウバンと，ＰＣＭの融点を調整するための添加剤である塩化アンモニウムとの配合比により，必要とする温度域に合わせたＰＣＭを得ることができるとされている。すなわち，アンモニウムミョウバンと塩化アンモニウムとの配合比によって，ＰＣＭの融点を，約７５℃〜９０℃の範囲内で調整することができるとされている。

また，特許文献２には，９０℃程度の融点を持つＰＣＭとして，トリメチロールエタン，エリスリトール，水溶性化合物よりなる共晶塩が記載されている。特許文献２では，これらの配合比により，必要とする温度域に合わせたＰＣＭを得ることができるとされている。

特開２００７−２５４６９７号公報 特開平１１−１８１４１５号公報

しかしながら，上記の従来技術に係るＰＣＭはいずれも，融点以上に加熱された後，融点未満にまで冷却されても液体の状態が保持される過冷却の生じるものである。そして，その過冷却が解除される過冷却解除温度と融点との差が大きいものである。具体的には，配合比により融点を９０℃程度に調整した場合，過冷却解除温度は８０℃未満となってしまう。このようなＰＣＭでは，９０℃程度で蓄えた熱を，８０℃以上の温度が要求される用途に使用することが困難であるという問題があった。すなわち，従来技術に係るＰＣＭは，例えば，９０℃程度であるガスエンジンの排熱を蓄熱したとしても，一般に８０℃以上の温度を必要とするガス吸収式冷凍機の再生器を加熱する熱源として用いることが容易ではない。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点の解決を目的としてなされたものである。すなわちその課題とするところは，９０℃程度の温度で蓄熱し，８０℃以上の熱源として用いることができる潜熱蓄熱材および潜熱蓄熱槽を提供することである。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の潜熱蓄熱材は，物質の相変化に伴う潜熱により蓄熱を行う潜熱蓄熱材であって，エチルマルトールを含むことを特徴とする潜熱蓄熱材である。

エチルマルトールは，液体から固体へと相変化する際の潜熱が大きい物質である。このため，融点以上の温度で蓄熱させた場合，蓄熱量が多いものである。さらに，結晶化速度が速いものであるため，蓄えている熱を短時間で取り出すことができる。よって，エチルマルトールは，潜熱蓄熱材として優れた物質である。また，エチルマルトールは，融点が約９０℃，過冷却解除温度が約８６℃である。すなわち，９０℃程度で加熱されることにより蓄熱をし，その蓄えた熱を８０℃以上で放熱することができる。このため，８０℃以上の温度を必要とする場合に，その熱源として好ましいものである。

また本発明は，潜熱により蓄熱を行う潜熱蓄熱材と，潜熱蓄熱材および外部の間で熱を移動させるための熱媒体と，潜熱蓄熱材および熱媒体を区画する区画部材とを内部に有する潜熱蓄熱槽において，潜熱蓄熱材として，上記に記載のものを有することを特徴とする潜熱蓄熱槽にもおよぶ。

本発明によれば，９０℃程度の温度で蓄熱し，８０℃以上の熱源として用いることができる潜熱蓄熱材および潜熱蓄熱槽が提供されている。

本形態に係る蓄熱槽の断面図である。 エチルマルトールの熱分析結果を示すグラフ図である。 蓄熱容器を横に寝かせた状態で収容している蓄熱槽を例示した図である。 蓄熱容器を収容するための棚を設けた蓄熱槽を例示した図である。

以下，本発明を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。図１に，本形態に係る蓄熱槽１の断面図を示す。図１に示されるように，蓄熱槽１は，内部に備えている蓄熱材３により蓄熱し，蓄えた熱を放熱することのできるものである。蓄熱槽１は，内部に複数の蓄熱容器２を収容してなるものである。蓄熱容器２の内部には蓄熱材３が封入されている。

また，蓄熱槽１の内側であって蓄熱容器２の外側の領域は，熱媒体４により満たされている。熱媒体４は，蓄熱槽１の外部と蓄熱容器２の内部の蓄熱材３との間で熱を移動させるための流体である。熱媒体４としては，例えば，水を用いることができる。なお，図１に示すように，本形態の蓄熱槽１は，熱媒体４を内部に封入してなるものである。しかし，熱媒体４を，蓄熱槽１と，蓄熱槽１の蓄熱のための熱源あるいは蓄熱槽１の放熱に係る熱の供給を受ける対象との間を循環させる構成としてもよい。

本形態の蓄熱容器２は，外形が円柱状をした細長いものである。蓄熱容器２は，蓄熱材３と熱媒体４とをいずれも透過させない材質よりなる部材であり，これらが混じらないように区画している。そして，図１に示されるように，複数の蓄熱容器２は，互いに平行に，立てた状態で蓄熱槽１内に収容されている。本形態の蓄熱容器２は，アルミと樹脂とによる複層構造のフィルムを，縦長の袋状に成形したものである。本形態においては，芯材としてのアルミの層の両面に樹脂の層を設けてなるフィルムを蓄熱容器２に用いている。

本形態の蓄熱容器２は，複層構造のフィルムにアルミおよび樹脂の層を有していることにより，ある程度の強度および柔軟性を有している。このため，蓄熱容器２では，蓄熱材３の相変化により内部体積が変化した場合であっても，破裂等による破損が防止されている。また，複層構造のフィルムに樹脂層を有していることにより，加熱によって融着することが可能である。よって，蓄熱容器２は，例えば，袋状に成形する際に注入口を設けておき，その注入口から内部に蓄熱材３を粉体または液体の状態で収容した後，内部を真空脱気して注入口を融着し封入すること等により製造することができる。

本形態の蓄熱材３は，相変化に伴う潜熱により蓄熱を行うことができる潜熱型の蓄熱材であり，具体的にはエチルマルトールである。エチルマルトールは，常温では固体の有機化合物であり，融点は約９０℃である。また，９０℃以上に加熱して溶融させた後，冷却した場合には，融点である９０℃では固化せず，過冷却の状態をとる性質を有している。さらに，エチルマルトールは，本発明者らの実験によると，融点以下にまで冷却したときには，約８６℃で固化して過冷却の状態が解除される。すなわち，過冷却解除温度が約８６℃のものである。

図２は，エチルマルトールを試料とし，これを加熱および冷却した際の熱分析結果を示すグラフ図である。図２の熱分析結果のグラフは，試料を示差走査熱量計内部の試料室に置き，試料を加熱および冷却することにより得られたものである。横軸は，試料を加熱および冷却した際の時間を示している。また，試料の加熱および冷却は，試料室温度を制御することにより行った。具体的には，図２は，試料室温度を，時刻Ｔ０から時刻Ｔ１にかけて４０℃から９０℃まで上昇させ，時刻Ｔ１から時刻Ｔ３にかけて９０℃で保持し，時刻Ｔ３から時刻Ｔ６にかけて９０℃から４０℃まで下降させて得たものである。

また，図２において，破線は試料の温度を，実線は試料の蓄熱あるいは放熱に係る熱量をそれぞれ示したグラフである。図２においては，試料への蓄熱に係る熱量を負とし，試料からの放熱に係る熱量を正として示している。

図２の破線のグラフに示されるように，試料の温度は，時刻Ｔ０から時刻Ｔ１にかけて，約４０℃から約９０℃まで上昇している。つまり，この間，試料は試料室温度により加熱されている。また，試料の温度は，時刻Ｔ１以降については，試料室温度が保持されている時刻Ｔ３まで，約９０℃のまま推移している。また，試料室温度を下降させ始めた時刻Ｔ３以降においては，試料温度は徐々に低下している。つまり，この間，試料は試料室温度により冷却されている。

一方，熱量を示す実線のグラフについては，試料が加熱されることにより約９０℃となった時刻Ｔ１からその直後の時刻Ｔ２にかけて負のピークが現れている。また，試料が冷却されることにより約８６℃となった時刻Ｔ４からその直後の時刻Ｔ５にかけては，正のピークが現れている。

そして，熱量を示すグラフにおいて，負のピークは試料の蓄熱によるものであり，正のピークは試料の放熱によるものである。すなわち，図２より，試料であるエチルマルトールは，加熱された際には約９０℃で蓄熱し，その後，冷却された際には約８６℃で放熱をするものであることがわかる。

よって，本形態の蓄熱槽１は，９０℃程度の温度を利用して蓄熱し，その蓄えた熱を約８６℃で放熱することができる。このため，従来では廃棄されていた９０℃程度の熱を蓄熱することができる。また，その蓄えた熱を８０℃以上の温度が要求される用途に利用することができる。具体的には，例えば，蓄熱槽１は，約９０℃であるガスエンジンの排熱を利用して蓄熱することができる。また，そのガスエンジンの排熱によって蓄熱した蓄熱槽１は，一般的に８０℃以上が必要とされるガス吸収式冷凍機の再生器を加熱する際の熱源として用いることができる。

また，蓄熱の際の温度を９０℃とし，放熱の際の温度を８０℃としたときのエチルマルトールの蓄熱量は，約１８６ｋＪ／Ｌである。これは，同じ条件における水の蓄熱量の約４倍の値である。つまり，エチルマルトールは蓄熱量が多く，蓄熱材として優れたものである。また，蓄熱材３であるエチルマルトールの蓄熱量が多いことにより，蓄熱槽１は，その全体の蓄熱量に対して比較的小さいもので済む。このため，蓄熱槽１の設置に際して省スペース化を図ることができる。

さらに，エチルマルトールは，過冷却解除温度において液体から固体へと相変化する際の結晶化速度の速いものである。すなわち，蓄えている熱を放熱する速度が速いものである。よって，蓄熱槽１は，短時間で多くの熱を取り出すことができるものである。

また，エチルマルトールは，添加剤等を加えることなく単体で，９０℃程度の温度で蓄熱し，その蓄えた熱を約８６℃で放熱することができる。よって，例えば，９０℃で蓄熱させ，８０℃で放熱させる用途で用いる場合に，蓄熱材３の製造において混合工程などを必要とせず，蓄熱材３を安価に製造することができる。すなわち，蓄熱槽１を安価に製造することができる。

さらに，エチルマルトールのみからなる本形態の蓄熱材３は，添加剤等が含まれないため，成分の分布に偏りが生じることがない。このため，蓄熱材３を収容する蓄熱容器２，さらにはその蓄熱容器２を収容する蓄熱槽１の形状が，蓄熱材３の性質によって制約を受けてしまうことがない。よって，図１に示す本形態の蓄熱槽１のように，縦長の柱状の蓄熱容器２を採用することができる。また，蓄熱槽１は，設置スペース等，用途に合わせた形状とすることができる。

また，エチルマルトールは，金属を腐食させる性質のものではない。このため，蓄熱容器２に，材質の制約を加えることのないものである。よって，例えば，蓄熱容器２として金属製のパイプなどを用いることもできる。

なお，当然，蓄熱材３には，融点を調整するためや，過冷却解除温度を調整するための添加剤を添加することも可能である。しかし，前述したように，９０℃程度の温度で蓄熱させ，８０℃以上で放熱させる用途に用いる場合，このような添加剤を添加しなくても，エチルマルトールのみからなる蓄熱材３を用いることができる。あるいは，添加剤を添加する場合であっても，その添加量は少量でよい。

以上詳細に説明したように，蓄熱槽１は，内部に蓄熱材３を封入した蓄熱容器２を有している。蓄熱材３は，相変化に伴う潜熱により蓄熱を行うことができるエチルマルトールである。エチルマルトールは，融点が約９０℃，過冷却解除温度が約８６℃である。よって，９０℃程度の温度で蓄熱し，８０℃以上の熱源として用いることができる潜熱蓄熱材および潜熱蓄熱槽が実現されている。

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。従って本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，上記の実施形態では，熱媒体４として水を例示しているが，これに限られるものではない。すなわち，蓄熱槽１の利用温度帯で流動性を有するものであれば熱媒体４として用いることができる。また例えば，蓄熱容器２は，アルミと樹脂とによる複層構造のフィルムに限られず，その他の材料を用いることもできる。エチルマルトールは毒性がなく，金属を腐食させるものではないからである。

また例えば，蓄熱容器２の形状は，特段の制約がないため，縦長の円柱状をした細長いものに限らず，例えば扁平の矩形のものとしてもよい。また例えば，蓄熱容器２の蓄熱槽１内における姿勢は，立てた状態に限らず，横向きに寝かせた状態としてもよい。例えば，図３に示す蓄熱槽１１のように，外形が直方体形状の蓄熱容器１２が複数，横に寝かせた状態で積み重ねて収容されていてもよい。蓄熱槽１１の蓄熱容器１２についても，内部には蓄熱材３が封入されている。また，蓄熱槽１１の内側であって蓄熱容器１２の外側の領域は，熱媒体４により満たされている。また例えば，図４に示す蓄熱槽２１のように，直方体形状の蓄熱容器１２を収容するための棚２２を内部に設けてもよい。蓄熱槽２１では，蓄熱容器１２をそれぞれ棚２２に収容しているため，下側の蓄熱容器１２が上側の蓄熱容器１２の重みによって圧迫されることを防ぐことができる。これにより，下段の蓄熱容器１２が圧迫により破裂してしまうことなどを防止することができる。さらに，蓄熱槽２１では，棚２２によって蓄熱容器１２を互いに離して配置することができる。よって，各蓄熱容器１２における熱媒体４との接触面積を大きくし，蓄熱容器１２内の蓄熱材３と熱媒体４との熱交換を良好に行わせることができる。すなわち，蓄熱や放熱を短時間で行わせることができる。

また例えば，蓄熱槽１は，ガスエンジンの排熱に限らず，蓄熱材３の融点よりも高い温度の熱であれば蓄熱することが可能である。また例えば，蓄熱槽１の放熱についても当然，ガス吸収式冷凍機の再生器を加熱する熱源以外にも，蓄熱材３の過冷却解除温度以下の温度が必要とされる用途に用いることができる。

１…蓄熱槽
２…蓄熱容器
３…蓄熱材
４…熱媒体

Claims (2)

1. 物質の相変化に伴う潜熱により蓄熱を行う潜熱蓄熱材において，
   エチルマルトールを含むことを特徴とする潜熱蓄熱材。
2. 潜熱により蓄熱を行う潜熱蓄熱材と，前記潜熱蓄熱材および外部の間で熱を移動させるための熱媒体と，前記潜熱蓄熱材および前記熱媒体を区画する区画部材とを内部に有する潜熱蓄熱槽において，
   前記潜熱蓄熱材として，請求項１に記載のものを有することを特徴とする潜熱蓄熱槽。

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