JP6371744B2 - 潜熱蓄熱材組成物、及び潜熱蓄熱槽 - Google Patents
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Description
(1)相変化に伴う潜熱の出入りを利用して蓄熱または放熱を行う潜熱蓄熱材に、該潜熱蓄熱材の物性を調整する添加剤を配合してなる潜熱蓄熱材組成物において、一の前記添加剤である第1の添加剤は、液相状態にある前記潜熱蓄熱材の融液の粘度を高める増粘剤であり、糖アルコールに属する物質であること、を特徴とする。
(2)(1)に記載する潜熱蓄熱材組成物において、前記潜熱蓄熱材の主成分がミョウバン水和物であること、を特徴とする。
(3)(2)に記載する潜熱蓄熱材組成物において、前記ミョウバン水和物は、アンモニウムミョウバン12水和物(AlNH4(SO4)2・12H2O)であること、を特徴とする。
(4)(1)乃至(3)のいずれか1つに記載する潜熱蓄熱材組成物において、前記第1の添加剤は、マンニトール(C6H14O6)であること、を特徴とする。
(5)(1)乃至(4)のいずれか1つに記載する潜熱蓄熱材組成物において、前記第1の添加剤とは別の他の前記添加剤である第2の添加剤が配合されており、前記第2の添加剤は、前記潜熱蓄熱材の過冷却現象を防ぐのに、融液状態にある前記潜熱蓄熱材の結晶化の誘起を促す過冷却防止剤、または、前記潜熱蓄熱材の融点を、必要に応じて任意の温度に調整する融点調整剤の少なくとも一方を含むものであること、を特徴とする。
(6)(5)に記載する潜熱蓄熱材組成物において、前記融点調整剤は、無水硫酸ナトリウム(Na2SO4)であること、を特徴とする。
(7)(6)に記載する潜熱蓄熱材組成物において、当該潜熱蓄熱材組成物全体の重量に占める前記無水硫酸ナトリウム(Na2SO4)の配合比率が、10wt%以下の範囲内であること、を特徴とする。
(8)(4)乃至(7)のいずれか1つに記載する潜熱蓄熱材組成物において、前記第1の添加剤は、マンニトール(C6H14O6)であり、当該潜熱蓄熱材組成物全体の重量に占める前記マンニトール(C6H14O6)の配合比率が、20wt%以下の範囲内であること、を特徴とする。
(9)相変化に伴う潜熱の出入りを利用して蓄熱または放熱を行う潜熱蓄熱材に、該潜熱蓄熱材の物性を調整する添加剤を配合してなる潜熱蓄熱材組成物と、前記潜熱蓄熱材組成物との間で熱を移動させるための媒体である熱媒体と、前記潜熱蓄熱材組成物と前記熱媒体を区画する区画部材とを、内部に備えた潜熱蓄熱槽において、前記潜熱蓄熱材組成物は、(1)乃至(8)のいずれか1つに記載する潜熱蓄熱材組成物であること、を特徴とする。
(1)相変化に伴う潜熱の出入りを利用して蓄熱または放熱を行う潜熱蓄熱材に、該潜熱蓄熱材の物性を調整する添加剤を配合してなる潜熱蓄熱材組成物において、一の添加剤である第1の添加剤は、液相状態にある潜熱蓄熱材の融液の粘度を高める増粘剤であり、糖アルコールに属する物質であること、を特徴とする。この特徴により、潜熱蓄熱材の成分と添加剤の成分とを均一な状態に保持することができるほか、潜熱蓄熱材と同様、第1の添加剤である増粘剤にも、潜熱の蓄熱または放熱を可能とする蓄熱性能を具備することができる。
(9)相変化に伴う潜熱の出入りを利用して蓄熱または放熱を行う潜熱蓄熱材に、該潜熱蓄熱材の物性を調整する添加剤を配合してなる潜熱蓄熱材組成物と、潜熱蓄熱材組成物との間で熱を移動させるための媒体である熱媒体と、潜熱蓄熱材組成物と熱媒体を区画する区画部材とを、内部に備えた潜熱蓄熱槽において、潜熱蓄熱材組成物は、(1)乃至(8)のいずれか1つに記載する潜熱蓄熱材組成物であること、を特徴とする。この特徴により、本発明の潜熱蓄熱材組成物は、例えば、80℃から90℃に昇温する際の蓄熱量では、同体積で水を昇温する場合の蓄熱量42kJに対し、その約数〜10倍を超える等、より大きな蓄熱量を保持できる物性が得られる。そのため、この潜熱蓄熱材組成物を用いた本発明の潜熱蓄熱槽では、蓄熱槽全体の大きさを、従来の蓄熱槽(貯湯槽)との対比で、例えば、1/3〜1/4程度等まで、コンパクト化することができる。また、蓄熱槽の構造も簡単にすることができる。
はじめに、潜熱蓄熱材組成物について、説明する。図1は、本実施形態に係る潜熱蓄熱材組成物の構成成分の分布について、模式的に示す図である。図1に示すように、潜熱蓄熱材組成物30は、潜熱蓄熱材31に、2種の添加剤32を配合してなる。潜熱蓄熱材31は、相変化に伴う潜熱の出入りにより、蓄熱または放熱を可能とする潜熱蓄熱材であり、当該潜熱蓄熱材31の主成分をミョウバン水和物とする蓄熱材である。具体的には、潜熱蓄熱材31は、本実施形態では、アンモニウムミョウバン(硫酸アンモニウムアルミニウム・12水:AlNH4(SO4)2・12H2O)である。アンモニウムミョウバンは、融点93.5℃の物性で、常温では固体の物質である。そのため、アンモニウムミョウバンが、単体で融点未満の90℃程度に加熱されたとしても、アンモニウムミョウバンは、ほとんど溶融することなく、潜熱を蓄熱することもできない。
次に、比較形態1として、潜熱蓄熱材組成物30に含む添加剤32のような、潜熱蓄熱材の物性を調整する添加剤を含まない潜熱蓄熱材40について、説明する。図2は、比較形態1に係る潜熱蓄熱材について、初期状態にある構成成分の分布について、模式的に示す図である。図3は、図2に示す潜熱蓄熱材について、一定時間経過した状態にある構成成分の分布について、模式的に示した図である。
次に、比較形態2として、本発明の第2の添加剤に対応する添加剤のみを含む潜熱蓄熱材組成物について、説明する。図4は、比較形態2に係る潜熱蓄熱材組成物について、初期状態にある構成成分の分布について、模式的に示す図である。図5は、比較形態2に係る潜熱蓄熱材組成物について、一定時間経過した状態にある構成成分の分布について、模式的に示す図である。
・調査実験では、100gの潜熱蓄熱材組成物30,50を、A5サイズの樹脂袋に充填し、畜放熱操作を480サイクル実施した。畜放熱操作は、1サイクルに付き、95℃の熱湯により潜熱蓄熱材組成物30,50全体を均等に95℃に加熱し、95℃の温度状態を45分間維持した後、常温まで冷却させるまでの一連の操作である。
・畜放熱操作を480サイクル完了した後、潜熱蓄熱材組成物30,50を樹脂袋から取出して、この潜熱蓄熱材組成物30,50から測定用試料を採取。
・潜熱蓄熱材組成物30,50の測定用試料に対し、その上部と、中部と、下部とに分けて、周知の示差走査熱量測定装置(DSC:Differential scanning calorimetry)により、これら3つの部分の蓄熱量を、それぞれ測定。測定は、常温から90℃に加熱し、この温度を保持して実施。
・潜熱蓄熱材31,51:アンモニウムミョウバン(硫酸アンモニウムアルミニウム・12水:AlNH4(SO4)2・12H2O)
・融点調整剤:無水硫酸ナトリウム(Na2SO4)
・融点:約90℃
・添加剤32:増粘剤33と融点調整剤34
・増粘剤33:マンニトール(C6H14O6)
・潜熱蓄熱材組成物30全体の重量に対するマンニトールの配合比率:2wt%
・潜熱蓄熱材組成物30全体の重量に対する無水硫酸ナトリウムの配合比率:8wt%
・添加剤52:融点調整剤
・潜熱蓄熱材組成物50全体の重量に対する無水硫酸ナトリウムの配合比率:5wt%
図6及び図7に示すように、実験1では、潜熱蓄熱材組成物30において、上方表面Aの測定結果に対し、その概算中央値を含む第1の測定値帯域が、320〜330kJ/Lであったものの、その他の4つの測定部位において、概算中央値を含む第2の測定値帯域は、380〜390kJ/Lであった。潜熱蓄熱材組成物30によれば、300〜400kJ/Lという、非常に大きな蓄熱量が得られることが判る。また、潜熱蓄熱材組成物30の外観は全体的に、白色がかかった半透明状の固体になっていた。
実験2では、畜放熱操作の開始後、潜熱蓄熱材組成物50で畜放熱操作を繰り返し行っているうちに、使用開始から一定時間が経過したところで、潜熱蓄熱材組成物50において、潜熱蓄熱材51であるアンモニウムミョウバンの成分と、添加剤52である無水硫酸ナトリウムの成分とが、互いの密度差(比重差)により、分離してしまっている。そのため、外観状態は、上側半分と下側半分で明らかに異なっているほか、上側半分の蓄熱量が、下側半分の蓄熱量に比して、約1/3以下に低下しているものと考えられる。
潜熱蓄熱槽1Aでは、潜熱蓄熱材組成物30入りの筒状の蓄熱材充填容器10Aが複数、規則化された配置形態で収容される。その配置形態の一例として、図10に示す全ての蓄熱材充填容器10Aが、蓋部を潜熱蓄熱槽1Aの天井に向けた縦置きの姿勢で、複数列に亘って平行に互いに間隔を設けて配置され、蓄熱材充填容器10A全体が、水等の熱媒体2に浸漬した状態で収容されている。
また、潜熱蓄熱槽1Bでは、蓄熱材充填容器10Bが、図11に示すように、蓋部を潜熱蓄熱槽1Bの側壁に向けて横向きに寝かせた姿勢で、複数列に亘り、複数段に積み重ねて配置され、熱媒体2に完全に浸漬した状態で収容されている。
また、潜熱蓄熱槽1Cでは、蓄熱材充填容器10Cが、図12に示すように、潜熱蓄熱槽1C内に載置された棚5に、蓋部を潜熱蓄熱槽1Cの天井に向けた縦置きの姿勢で、横並びに複数段に分けて配置され、熱媒体2に完全に浸漬した状態で収容されている。
(2)また、実施形態の実施例1〜3では、潜熱蓄熱材組成物30を充填した蓄熱材充填容器10A,10B,10C,10Dを、潜熱蓄熱槽1A,1B,1C内に複数収容したが、蓄熱材充填容器10A,10B,10C,10Dは単なる例示に過ぎず、区画部材の構成・形状は、潜熱蓄熱槽内で潜熱蓄熱材組成物と熱媒体とを区画し、潜熱蓄熱材組成物と熱媒体との間で、熱が伝導できるものであれば、何でも良い。
(3)また、実施形態の実施例1〜3では、潜熱蓄熱材組成物30入りの蓄熱材充填容器10A,10B,10C,10Dを収容した潜熱蓄熱槽1A,1B,1Cを例示したが、潜熱蓄熱槽内での区画部材の配置形態、潜熱蓄熱槽内の棚の有無や、熱媒体の液面位置は、実施形態の実施例1〜3に限定されるものはなく、適宜変更可能である。
(5)また、実施形態では、潜熱蓄熱槽1A等の放熱による熱源の熱供給先として、80〜90℃の温度帯域で使用する給湯設備や空気調和設備を挙げたが、熱供給先は、例えば、ガス吸収式冷凍機の再生器を加熱するのに用いる熱源等のほか、80℃以上の温度を必要とする装置を対象に、多様に用いることができる。また、80℃未満の温度帯域で使用する給湯設備や空気調和設備を熱供給先とすることもできる。
2 熱媒体
10A,10B,10C,10D 蓄熱材充填容器(区画部材)
30 潜熱蓄熱材組成物
31 潜熱蓄熱材
32 添加剤
33 増粘剤(第1の添加剤)
34 融点調整剤(第2の添加剤)
Claims (6)
- 相変化に伴う潜熱の出入りを利用して蓄熱または放熱を行う潜熱蓄熱材に、該潜熱蓄熱材の物性を調整する添加剤を配合してなる潜熱蓄熱材組成物において、
一の前記添加剤である第1の添加剤は、液相状態にある前記潜熱蓄熱材の融液の粘度を高める増粘剤であり、糖アルコールに属する物質であること、
前記潜熱蓄熱材の主成分がミョウバン水和物であること、
前記第1の添加剤は、マンニトール(C 6 H 14 O 6 )であること、
当該潜熱蓄熱材組成物全体の重量に占める前記マンニトール(C 6 H 14 O 6 )の配合比率が、20wt%以下の範囲内であること、
を特徴とする潜熱蓄熱材組成物。 - 請求項1に記載する潜熱蓄熱材組成物において、
前記ミョウバン水和物は、アンモニウムミョウバン12水和物(AlNH4(SO4)2・12H2O)であること、
を特徴とする潜熱蓄熱材組成物。 - 請求項1または請求項2に記載する潜熱蓄熱材組成物において、
前記第1の添加剤とは別の他の前記添加剤である第2の添加剤が配合されており、前記第2の添加剤は、前記潜熱蓄熱材の過冷却現象を防ぐのに、融液状態にある前記潜熱蓄熱材の結晶化の誘起を促す過冷却防止剤、または、
前記潜熱蓄熱材の融点を、必要に応じて任意の温度に調整する融点調整剤
の少なくとも一方を含むものであること、
を特徴とする潜熱蓄熱材組成物。 - 請求項3に記載する潜熱蓄熱材組成物において、
前記融点調整剤は、無水硫酸ナトリウム(Na2SO4)であること、
を特徴とする潜熱蓄熱材組成物。 - 請求項4に記載する潜熱蓄熱材組成物において、
当該潜熱蓄熱材組成物全体の重量に占める前記無水硫酸ナトリウム(Na2SO4)の配合比率が、10wt%以下の範囲内であること、
を特徴とする潜熱蓄熱材組成物。 - 相変化に伴う潜熱の出入りを利用して蓄熱または放熱を行う潜熱蓄熱材に、該潜熱蓄熱材の物性を調整する添加剤を配合してなる潜熱蓄熱材組成物と、前記潜熱蓄熱材組成物との間で熱を移動させるための媒体である熱媒体と、前記潜熱蓄熱材組成物と前記熱媒体を区画する区画部材とを、内部に備えた潜熱蓄熱槽において、
前記潜熱蓄熱材組成物は、請求項1乃至請求項5のいずれか1つに記載する潜熱蓄熱材組成物であること、
を特徴とする潜熱蓄熱槽。
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