JP6363847B2 - 蓄熱材 - Google Patents

Description

本発明は、蓄熱材に関する。

例えば、酢酸ナトリウム三水和物等の過冷却液体は、凝固発熱を任意に放出させられる潜熱蓄熱材として知られている。これら蓄熱材は、過冷却状態（液体状態）から固体状態へ相変化させることにより、凝固発熱を放出するものである（例えば特許文献１を参照）。

特開２０１３−２３１３８３号公報

相変化により固体状態となった蓄熱材を再度使用するには、熱を加えることで蓄熱材を（熱を蓄えた）液体状態とする必要がある。しかしながら、従来の蓄熱材では、その状態変化に長時間を要するという問題があった。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、蓄熱過程である固体状態を液体状態とする融解反応において、その状態変化(固体状態から熱を蓄えた液体状態)に要する(融解)時間を短縮した蓄熱材を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、平均粒径が０．１μｍ以上３０μｍ以下の熱伝導性のセラミックスフィラーを所定量、蓄熱材に混合することにより、蓄熱材が固体状態から液体状態へ変化する(融解する)のに要する時間(融解時間)を短縮できるという知見が得られた。本発明はかかる新規な知見に基づくものである。

すなわち本発明は、酢酸ナトリウムと、平均粒径が０．１μｍ以上３０μｍ以下の熱伝導性セラミックスフィラーと、を含み、前記熱伝導性セラミックスフィラーの含有量が全質量に対して２０質量％以上６０質量％以下の蓄熱材である。

本発明によれば、蓄熱材には、平均粒径が０．１μｍ以上３０μｍ以下の熱伝導性セラミックスフィラーが全質量に対して２０質量％以上６０質量％以下含まれるので、蓄熱材が固体状態から液体状態へ変化するのに要する融解時間を短縮することができる。

本発明は以下の構成であってもよい。
前記熱伝導性セラミックスフィラーが、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、炭化ケイ素および窒化ホウ素から選ばれる一種以上の化合物であると、これらの化合物を添加しない場合と比較して、蓄熱材が固体状態から液体状態へ変化するのに要する融解時間を顕著に短縮することができる。

前記熱伝導性セラミックスフィラーが炭化ケイ素であり、消泡剤をさらに含む構成であってもよい。
炭化ケイ素は熱伝導率向上効果の高いという点で好ましいが、炭化ケイ素のみを蓄熱材に添加すると泡が発生しやすく、これにより熱伝導性が不安定となることが懸念されるが、上記のような構成とすると泡の発生を抑制することができ、安定した熱伝導性が得られる。

前記熱伝導性セラミックスフィラーの密度が２．２４ｇ／ｃｍ^３以上３．９０ｇ／ｃｍ^３以下であってもよい。
このような構成とすると、蓄熱材が固体状態から液体状態へ変化するのに要する融解時間を確実に短縮することができる（詳細は実施例を参照）。

本発明によれば、蓄熱材の蓄熱過程である固体状態を液体状態とする融解反応において、その状態変化に要する（融解）時間を短縮した蓄熱材を提供することができる。

本発明の蓄熱材は、酢酸ナトリウムと、平均粒径が０．１μｍ以上３０μｍ以下の熱伝導性セラミックスフィラーと、を含む。
酢酸ナトリウムとしては、酢酸ナトリウム三水和物そのもの、酢酸ナトリウム三水和物を水に溶解したもの、無水酢酸ナトリウムを水に溶解したもの（例えば無水酢酸ナトリウム１００質量部に対して、５７.９６重量部以上９５.１６質量部以下の水を加えて得られる酢酸ナトリウム水溶液）等を用いることができる。
なお、蓄熱材中の水の量が多くなるほど、蓄熱材の過冷却状態（液体状態）から固体状態への相変化の確実性が高まり、その一方、水の量が少なくなるほど、単位重量当たりの相変化時の発熱量が高くなる。

熱伝導性セラミックスフィラーは、酢酸ナトリウムを含む液状物に添加される。「酢酸ナトリウムを含む液状物」には、液体状態のものだけではなく、半流動体状（ゲル状）等の状態も含まれる。「酢酸ナトリウムを含む液状物」には、具体的には、酢酸ナトリウム三水和物および無水酢酸ナトリウムを水に溶解したものや液状の酢酸ナトリウム三水和物などが含まれる。
本発明において、熱伝導性セラミックスフィラーの平均粒径は０．１μｍ以上３０μｍ以下である。
熱伝導性セラミックスフィラーの平均粒径が上記の範囲であると、酢酸ナトリウムを含む液状物と混合しやすく、蓄熱材を固体状態から液体状態に変化させるのが容易となるからである。平均粒径が０．１μｍ未満であると表面積が大きくなるために酢酸ナトリウムを含む液状物との混合が困難となり、平均粒径が３０μｍを超えると、同量のフィラーにおいてそれ未満のフィラーよりも酢酸ナトリウムを含む液状物中における分散度合が悪くなるため、熱伝導性が悪化する。

熱伝導性セラミックスフィラーの含有量は、蓄熱材の全質量に対して２０質量％以上６０質量％以下であるのが好ましい。熱伝導性セラミックスフィラーの含有量が２０質量％未満であると、固体状態から液体状態への変化に要する融解時間を短縮する効果が現れにくく、６０質量％を超えると、酢酸ナトリウムを含む液状物と混合する際に混合しにくくなることがある。

熱伝導性セラミックスフィラーの密度は２．２４ｇ／ｃｍ^３以上３．９０ｇ／ｃｍ^３以下であると、酢酸ナトリウムを含む液状物と混合しやすいので好ましい。

熱伝導性セラミックスフィラーとしては、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、炭化ケイ素および窒化ホウ素等から選ばれる一種以上の化合物を用いることができる。これらのセラミックスフィラーは単独でまたは二種以上を組み合わせて用いることができる。これらの熱伝導性フィラーのうち、熱伝導率が高いという点で炭化ケイ素が好ましい。

炭化ケイ素を酢酸ナトリウムを含む液状物と混合すると発泡することがあり、混合後にも泡が残っていると熱伝導率への影響が懸念される。このような事情を考慮すると、熱伝導性フィラーとして炭化ケイ素を用いる場合には、消泡剤を添加するのが好ましい。消泡剤としては株式会社ＡＤＥＫＡ製のアデカネートＢ９４３などの非イオン界面活性剤などを用いることができる。消泡剤の添加量は、蓄熱材の全質量に対して１質量％以上５質量％以下であるのが好ましい。この消泡剤は、１質量％以上であると消泡効果が発現され、一方、５質量％以下であると蓄熱材が固体状態から液体状態へ変化するのに要する融解時間の短縮に影響を与えにくくなる。

本発明の蓄熱材は、蓄熱材に物理的な刺激や衝撃を付与する公知の部材とともに、樹脂製の容器などに収容して使用することができる。

＜実施例＞
以下、実施例により本発明をさらに説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
（サンプルの作製）
酢酸ナトリウム水溶液（酢酸ナトリウムを含む液状物の一例）と、表１および表２に記載の量の熱伝導性セラミックスフィラーと、を混合してサンプル１〜１３６を作製した。そして各サンプルに物理的衝撃を加えることで、(相変化させて)固体状態とした後、この各サンプルを８０℃に保持されたウォータバスに浸漬してサンプル（蓄熱材）が融けるのに要した時間を測定した。融解開始から５秒ごとに混合物の状態を観察し、混合物が完全に融解して液体状態に至った時間を融解時間とし、表１〜表３に示した。
なお、本実施例で用いた酢酸ナトリウム水溶液としては、無水酢酸ナトリウム１００質量部に対して７４.６１質量部の水を加えたもの（酢酸ナトリウム三水和物９５質量％に５質量％の水を加えたもの）を使用した。また、サンプル８９〜１１８には、表２に記載の量の消泡剤が添加されている。

表１および表２には、熱伝導性セラミックスフィラーの種類、平均粒径（μｍ）、密度（ｇ／ｃｍ^３）、混合量（サンプル全体の質量に対する質量％）、消泡剤の添加量（サンプル全体の質量に対する質量％）および作業性の評価結果（評価基準は後述）を、併せて示した。

表１中のブランクとは熱伝導性セラミックスフィラーを混合せず、酢酸ナトリウム（無水酢酸ナトリウム１００質量部に対して７４.６１質量部の水を加えたもの）のみとしたデータを示す。

用いた材料は以下の通りである。
酢酸ナトリウム水溶液
特級試薬 無水酢酸ナトリウム：和光純薬工業（株）
酸化アルミニウム
ＡＫＰ−５０：住友化学（株）製
ＬＳ−２５０：日本軽金属（株）製
ＬＳ−１１０Ｆ：日本軽金属（株）製
ＬＳ−２４２Ｃ：日本軽金属（株）製
ＬＳ−１３０：日本軽金属（株）製
ＬＳ−２２０：日本軽金属（株）製
ＬＳ−２１０：日本軽金属（株）製
ＡＪ−２００ＢＷ：日本軽金属（株）製
水酸化アルミニウム
ＢＦ０１３：日本軽金属（株）製
ＢＥ０３３：日本軽金属（株）製
Ｂ１０３：日本軽金属（株）製
Ｂ３０３：日本軽金属（株）製
炭化ケイ素
＃２５００：昭和電工（株）製
＃１０００：昭和電工（株）製
窒化ホウ素
ＮＷ０４：ＮＡＴＩＯＮＡＬ ＮＩＴＲＩＤＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＣＯ．，ＬＴＤ製
ＳＷ０８：ＮＡＴＩＯＮＡＬ ＮＩＴＲＩＤＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＣＯ．，ＬＴＤ製
消泡剤
アデカネートＢ９４３：（株）ＡＤＥＫＡ製

作業性の評価基準は以下の通りである。
◎：混合が容易であった。
〇：少し混合しにくかった。
△：気泡が発生した。
□：(酢酸ナトリウムとフィラーとが均質性は高くないが)混合できた。
×：酢酸ナトリウムとフィラーとが混合できなかった。

（結果と考察）
表１に示すように、熱伝導性セラミックスフィラーを混合しないサンプル（ブランク）の融解時間は９０秒だったが、酢酸ナトリウム水溶液と、平均粒径が０．１μｍ以上３０μｍ以下の熱伝導性セラミックスフィラーを２０質量％以上６０質量％以下で含むサンプルでは融解時間が７０秒以下であった。
熱伝導性セラミックスフィラーの混合量が１５質量％では、何れのサンプルでも１質量％当たりの融解時間に対する寄与度合いが０．３３〜０.６７秒であるのに対し、セラミックスフィラーの混合量が本発明の範囲内である２０質量％では、１質量％当たりの融解時間に対する寄与度合いが３.００秒以上となっており、顕著に大きな値となっている。

この結果から、蓄熱材に、平均粒径が０．１μｍ以上３０μｍ以下の熱伝導性セラミックスフィラーをサンプルの全質量に対して２０質量％以上６０質量％以下の割合で含ませることにより、蓄熱材の蓄熱過程である固体状態を（熱を蓄えた）液体状態とする融解反応において、その状態変化に要する融解時間を短縮した蓄熱材を提供できることがわかった。

上記サンプルのうち、熱伝導性セラミックスフィラーとして炭化ケイ素をサンプルの全質量に対して２０質量％以上６０質量％以下の割合で含ませたものでは、特に融解時間を短縮することができた。なお、サンプルの全質量に対して２０質量％以上６０質量％以下の炭化ケイ素とともに、消泡剤を用いたサンプルでは泡の発生が抑制され、作業性が格段に向上した。
この結果から、熱伝導性セラミックスフィラーとしては炭化ケイ素が好ましく、作業性が良好で安定した熱伝導性を得るには消泡剤を添加して用いると特に好ましいということがわかった。

なお、本実施例では酢酸ナトリウムを含む液状物として、無水酢酸ナトリウム１００質量部に対して、７４.６１質量部の水を混合したものを使用したが、無水酢酸ナトリウム１００質量部に対して、５７.９６質量部〜９５.１６質量部以下の水を混合して得られる酢酸ナトリウム水溶液を用いても、同様の結果を確認することができた。

Claims (4)

1. 酢酸ナトリウムと、平均粒径が０．１μｍ以上３０μｍ以下の熱伝導性セラミックスフィラーと、を含み、
   前記熱伝導性セラミックスフィラーの含有量が全質量に対して２０質量％以上６０質量％以下であり、
   前記熱伝導性セラミックスフィラーが炭化ケイ素のみであり、消泡剤をさらに含む蓄熱材。
2. 前記消泡剤の添加量は、蓄熱材の全質量に対して１質量％以上５質量％以下である請求項１に記載の蓄熱材。
3. 前記消泡剤は、非イオン界面活性剤からなる請求項１又は請求項２に記載の蓄熱材。
4. 前記熱伝導性セラミックスフィラーの密度が２．２４ｇ／ｃｍ^３以上３．９０ｇ／ｃｍ^３以下である請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の蓄熱材。