JP6754029B2 - 蓄熱装置の製造方法、ペレット型蓄熱材の製造方法、ペレット型蓄熱材および蓄熱装置 - Google Patents

Description

本明細書によって開示される技術は、蓄熱装置の製造方法、ペレット型蓄熱材の製造方法、ペレット型蓄熱材および蓄熱装置に関する。

例えば、酢酸ナトリウムを水に溶解した酢酸ナトリウム水溶液からなる潜熱蓄熱材として、特開２０１５−１５１４３３号公報（下記特許文献１）に記載のものが知られている。このような蓄熱材は、蓄熱材容器に充填され、蓄熱材容器内において過冷却状態（液体状態）から発核させて固体状態へ相変化させることで凝固熱を生じさせるから、その凝固熱によって対象物を加熱する蓄熱装置の熱源として利用される。

特開２０１５−１５１４３３号公報

ところで、この種の蓄熱装置を製造する際、蓄熱材は高濃度水溶液にして蓄熱材容器に予め充填しておく必要がある。ところが、この蓄熱材の高濃度水溶液は常温では過冷却状態であるため、蓄熱材の保存、運搬、充填等の取り扱い時に、振動などの外的刺激によって蓄熱材が発核して固体状態に相変化してしまう虞がある。蓄熱材が固体化した場合には、蓄熱材を加熱して溶解させて液状にもどす必要があるなど、取扱性が悪い。

このため、蓄熱材容器への充填前に蓄熱材を発核させて固体化し、これを粉砕して粉粒体とすることで、蓄熱材容器への充填時の取扱性を高めることも考えられるが、酢酸ナトリウムのみを水に溶かした蓄熱材は、常温で固体化するとしても柔らかいため、これを粉砕装置で粉砕してさらさらとした粉粒体にすることは困難である。このため、業界では、蓄熱材を固体状態で扱うという発想はなく、できるだけ過冷却状態とならないように温度管理に気を付けたり、外的刺激が及ばないように気を付けながら、液体状態で取り扱うものと考えられていた。

本明細書では、蓄熱材の取扱性や保管安定性を向上させる技術を開示する。

本発明者らは、酢酸ナトリウムに無機粉体を加えることで、常温の蓄熱材でも細かい粉状にできることを突き止めた。常温の蓄熱材を流動性に優れた粉粒状にすることができれば、蓄熱材を蓄熱材容器に簡単に充填することができる。これにより、蓄熱装置の製造を容易にすることができる。また、蓄熱材を過冷却液体として扱わなくて済むから、保存や運搬も容易になる。

本明細書によって開示される技術は、液体状態と固体状態との間で相変化する酢酸ナトリウムと無機粉体とを含む蓄熱材と、前記蓄熱材を封入する蓄熱材容器と、液体状態の前記蓄熱材を固体状態に相変化させる発核装置と、前記蓄熱材と前記蓄熱材容器の外部との間において熱を伝える伝熱手段とを備えた蓄熱装置の製造方法であって、前記酢酸ナトリウムと前記無機粉体とを混合して粉粒状の粉粒状蓄熱材を形成する蓄熱材形成工程と、前記蓄熱材形成工程によって得られた前記粉粒状蓄熱材を前記蓄熱材容器に充填する充填工程とを有する構成である。

前記蓄熱材形成工程は、水に溶かした前記酢酸ナトリウムに前記無機粉体を加えて撹拌する撹拌工程と、前記撹拌工程によって得られた液体状態の前記蓄熱材を冷却して固体状態にする固体化工程と、前記固体化工程によって得られた固体状態の前記蓄熱材を粉砕して粉粒状蓄熱材にする粉砕工程とを有する構成としてもよい。

このような構成によると、まず、撹拌工程によって液体状態の蓄熱材が生成され、それが固体化工程によって固体化され、続く粉砕工程によって蓄熱材が粉砕される。ここで、粉砕工程において、蓄熱材に無機粉体が含まれていないと蓄熱材は固体化していても粉砕された粒子が柔らかく粘り気を有するが、無機粉体を加えることでさらさらと流動する粉粒体にすることができる。

また、本明細書によって開示される技術は、蓄熱材の製造方法であって、水と、酢酸ナトリウムとを混合した後、さらに無機粉体を加えて加熱しながら撹拌する撹拌工程と、前記撹拌工程により得られた液体状態の前記蓄熱材を冷却して固体状態にする固体化工程と、前記固体化工程により得られた固体状態の前記蓄熱材を粉砕して粉粒状にする粉砕工程とを含む。

このような方法によると、無機粉体を加えることによって固体の蓄熱材を流動性ある粉粒状にすることができるから、取扱性や保管安定性に優れた蓄熱材を得ることができる。これにより、蓄熱材を蓄熱材容器に充填したり、蓄熱材を輸送や長期保管したりすることが容易になる。

蓄熱材を製造するに際し、前記粉砕工程によって得られた粉粒体をペレット状に押し固める押圧工程をさらに含んでもよい。
このような方法によると、固体の蓄熱材の形状・寸法が均一になるから、粉粒体のままのものに比べて粉が舞い上がったり、他の部材に付着したりすることが少なくなって取扱性が一層向上する。

また、本明細書によって開示される技術は、酢酸ナトリウムと、無機粉体とを含む粉粒状の蓄熱材である。
このような蓄熱材によると、例えば、水に酢酸ナトリウムを溶解した液状の蓄熱材に比べて、常温でも外的刺激によって蓄熱材が発核して固体状態に相変化してしまうことがなく、かつ、流動性を有するから、取扱性に優れると共に、保管安定性に優れる。

また、本明細書によって開示される技術は、酢酸ナトリウムと、無機粉体とを含む粉粒状の粉粒状蓄熱材と、前記粉粒状蓄熱材を封入する蓄熱材容器と、前記粉粒状蓄熱材と前記蓄熱材容器の外部との間において熱を伝える伝熱手段と、前記粉粒状蓄熱材が溶解した状態の液状蓄熱材を発核させる発核装置とを備える蓄熱装置である。

このような構成の蓄熱装置によると、蓄熱材が粉粒状の固体となっているから、発核の可能性のある液状の蓄熱材に比べて、蓄熱材を安定した状態で含む蓄熱装置を構成することができる。

本明細書によって開示される技術によれば、蓄熱材の取扱性や保管安定性を向上させることができる。

実施形態１に係る蓄熱材形成工程において粉粒状蓄熱材を製造している状態を示す図 実施形態１に係る充填工程において蓄熱装置を製造している状態を示す図 実施形態２における押圧工程においてペレット型蓄熱材を製造している状態を示す図

＜実施形態１＞
本明細書に開示された技術における一実施形態について図１から図３を参照して説明する。
本実施形態は、蓄熱材の製造方法および蓄熱装置１１０の製造方法を示している。

まず、蓄熱材の製造方法について説明する。
蓄熱材を製造するための蓄熱材形成工程における原材料は、表１に示すように、蒸留水、酢酸ナトリウム、無機粉体である。
酢酸ナトリウムとしては、酢酸ナトリウム無水物、酢酸ナトリウム三水和物などを用いることができ、本実施形態では、酢酸ナトリウム無水物を用いている。

無機粉末としては、「ＧＣ＃２５００」（昭和電工株式会社製、炭化ケイ素、粒径：５．５μｍ）、「＃２００」（神島化学工業株式会社製、水酸化マグネシウム、粒径：３．５μｍ）、「Ｎ−４」（神島化学工業株式会社製、水酸化マグネシウム、粒径：１．５μｍ、高級脂肪酸系表面処理）、「Ｎ−６」（神島化学工業株式会社製、水酸化マグネシウム、粒径：１．３μｍ、高級脂肪酸系表面処理）、「Ｓ−６」（神島化学工業株式会社製、水酸化マグネシウム、粒径：１．０μｍ、シランカップリング剤表面処理）、「ＢＦ０８３」（日本軽金属株式会社製、水酸化アルミニウム、粒径：１０μｍ）、「ＢＦ０１３」（日本軽金属株式会社製、水酸化アルミニウム、粒径：１．２μｍ）、「ＢＸ０５３Ｔ」（日本軽金属株式会社製、水酸化アルミニウム、粒径：７．０μｍ、チタネート表面処理）、アルミナ、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化アルミ、酸化マグネシウムなどが挙げられ、単独または二種以上を組み合わせて用いることができる。

なお、無水酢酸ナトリウムに対する蒸留水の量は、例えば、無水酢酸ナトリウム１００質量部に対して、蒸留水を７０質量部から１００質量部であればよく、好ましくは、７４質量部から９６質量部である。
また、無機粉末の含有量は、蓄熱材の全質量に対して３０質量％以上７０質量％であればよく、好ましくは、３０質量％以上６０質量％、より好ましくは、４０質量％から５０質量％である。
また、無機粉体αと無機粉体βとの割合は、９５：５〜８０：２０であればよく、好ましくは９０：１０である。

また、本実施形態の蓄熱材形成工程は、撹拌工程、固体化工程および粉砕工程の３つの工程からなっており、各工程について、以下に説明する。
撹拌工程は、図１に示すように、ドラム型の撹拌容器１内に貯留した蒸留水に、酢酸ナトリウムと無機粉体とを加え、撹拌することで半流動性液体状態の液状蓄熱材を製造する。なお、半流動性液体状態の液状蓄熱材が液体状態の蓄熱材の一例形態である。

この撹拌工程では、図１に示すように、撹拌容器１を、例えば、撹拌容器１の軸心Ｒ１を中心に左回り(反時計回り)に自転Ｌさせながら、公転軸Ｒ２を中心に右回り(時計回り)に公転Ｒさせることで、蒸留水、酢酸ナトリウム、無機粉体をほぼ均一に混合させる。なお、この撹拌工程では、撹拌容器１を加熱して混合液が液状を保つようにしている。

次に、固体化工程では、撹拌容器１を常温まで冷却し、過冷却状態となった後、液状蓄熱材に物理的な刺激を与えると、液中に固体への相変化を促す種結晶が発生（発核）し、これにより蓄熱材全体が液体状態から固体状態へ相変化し、固体状蓄熱材となる。

次に、粉砕工程では、撹拌容器１内において固体状態となった固体状蓄熱材をブロック状のまま取り出し、撹拌容器１よりも大型の粉砕容器Ｂ１を有する粉砕機Ｂに投入する。そして、粉砕容器Ｂ１内に設けられた粉砕歯Ｂ２を回転させることで、固体状蓄熱材を粉砕し、粉粒状の粉粒状蓄熱材を製造することができる。なお、粉粒状の粉粒状蓄熱材が固体状態の蓄熱材の一例形態である。

また、本実施形態では、粉粒状蓄熱材を製造する蓄熱材形成工程を、撹拌工程、固体化工程、粉砕工程の３つの工程によって実施したが、例えば、撹拌しつつ、加熱および冷却を行うことで、撹拌工程と固体化工程とを同一工程で実施したり、冷却して固体化しつつ、粉砕を同時にすることで、固体化工程と粉砕工程とを同一工程で実施したりしてもよい。また、撹拌と、冷却と、粉砕を同一の工程で実施してもよい。
具体的には、実施例１と同様の原材料を撹拌容器内にて撹拌後、加熱せずにそのまま冷凍庫等によって氷点下（例えば、−１５℃以下）で１時間ほど冷却して粉砕機によって粉砕することで、粉粒状蓄熱材を製造することができる。ここで、製造した粉粒状蓄熱材は、以下の説明において、実施例５として記載する。

本実施形態によると、酢酸ナトリウムに加え、さらに無機粉体を加えることで、常温下でも蓄熱材が固体化して固体状蓄熱材となった際に、硬質となり、これを粉砕することで、さらさらとした細かな粉粒状の粉粒状蓄熱材を製造することができる。

すなわち、本実施形態の通りにして得られた粉粒状蓄熱材は、常温下において流動性のある粉粒状になっており、蓄熱材を過冷却液体として扱わなくて済むから、保存や運搬も容易である。
また、過冷却液体の蓄熱材は、常温下において長期保管する場合、相変化して固体状態になってしまうなど保管安定性が悪いといった嫌いがあるが、本実施形態の粉粒状蓄熱材は、もともと固体状態であって保管中に相変化することがないから、長期保管安定性にも優れる。

次に、上述した粉粒体蓄熱材を使用した蓄熱装置１１０の製造方法について説明する。
本実施形態の蓄熱装置１１０は、例えば、図示しない車両の内燃機関に装着可能な蓄熱装置として使用することができ、蓄熱した熱を必要に応じて放出することで内燃機関を暖機することができる。

蓄熱装置１１０は、図２に示すように、密閉可能な蓄熱材容器１１１と、蓄熱材容器１１１内に充填される粉粒状蓄熱材と、粉粒状蓄熱材と共に蓄熱材容器１１１内に封入される発核装置１１４とを備えて構成されている。

蓄熱材容器１１１は、耐食性が高く、かつ、熱伝導性の高い、例えばステンレス鋼などの金属容器や合成樹脂などの樹脂容器であって、車両の内燃機関に装着可能な形状に設けられている。本実施形態では、蓄熱材容器１１１が内燃機関に熱を直接伝える伝熱手段に相当する。

粉粒状蓄熱材は、上記に詳述した粉粒状の蓄熱材であって、耐物理的刺激性や長期保管性に優れた安定な状態の蓄熱材である。
発核装置１１４は、超音波素子や板ばねなど物理的な刺激を発生する装置であって、過冷却状態の蓄熱材に刺激を与えてこれを発核させることができる。

蓄熱装置１１０を製造するには、まず、蓄熱材容器１１１内に、発核装置１１４を収容する。そして、充填工程において、発核装置１１４が収められた蓄熱材容器１１１に所定量の前述した通りに製造した粉粒状蓄熱材を充填し、粉粒状蓄熱材が充填された蓄熱材容器１１１を密閉することで蓄熱装置１１０が完成する。

ここで、本実施形態の粉粒状蓄熱材は常温下で流動性のある粉粒状になっているから、過冷却液体の蓄熱材に比べて、蓄熱材容器への蓄熱材の充填作業が簡単であり、蓄熱装置１１０の製造作業の作業性を向上させることができる。

以下に、実施例および比較例の性状と、充填工程における作業性の評価結果を示す。
（作業性の評価基準）
◎：充填作業は非常に容易であった。
〇：充填作業は容易であった。
×：充填作業は難しかった。

以上のように、本実施例１から４の粉粒状蓄熱材によると、酢酸ナトリウムに加え、無機粉体を加えたことで、比較例（酢酸ナトリウムのみを水に溶解）の蓄熱材に比べて、常温下において流動性のある粉粒状にすることができ、粉粒状蓄熱材を蓄熱材容器に簡単に充填することができた。

＜実施形態２＞
次に、実施形態２について図３を参照して説明する。
実施形態２は、蓄熱材をペレット状に成形したペレット型蓄熱材１０であって、実施形態１において作製した粉粒状蓄熱材を押圧工程によって押し固め、ペレット化している。

詳細には、図３に示すように、成形金型２１１に上下方向に貫通する丸孔状の成形孔２１２が設けられており、この成形孔２１２に下方から下型２１３を差し込まれている。そして、成形孔２１２に下型２１３が差し込まれた状態で、成形孔２１２内に所定量の粉粒状蓄熱材を上方から投入し、さらにその上方から上型２１４を差し込む。そして、上型２１４と下型２１３とで粉粒状蓄熱材を上下方向両側から挟み込むことで、粉粒状蓄熱材が押し固められてペレット化され、略円柱状のペレット型蓄熱材１０が成形される。なお、上型２１４と下型２１３とにより、粉粒状蓄熱材を押圧する力は、１０ＭＰａ以上、好ましくは２０ＭＰａから３０ＭＰａであり、ペレット型蓄熱材１０の密度を高くすることで、密度が小さいものに比べて熱伝性能を向上させることができる。なお、熱伝性能に関しては、押圧力が１０ＭＰａのペレット型蓄熱材１０と、押圧力が３０ＭＰａのペレット型蓄熱材１０とをホットプレートにおいて加熱し、外観変化を確認した。３０ＭＰａのペレット型蓄熱材１０は、押圧力が１０ＭＰａのペレット型蓄熱材１０に比べて相変化を示す外観変化が大きく、高密度のものが低密度のものに比べて熱伝性能が向上している。

本実施形態では、発核しない安定した粉粒状蓄熱材をペレット状に押し固め、ペレット型蓄熱材１０の形状・寸法を均一にしているから、取扱性に優れるのはもちろん、粉粒体のままのものに比べて粉が舞い上がったり、ペレット型蓄熱材１０が、他の部材へ付着したりすることを低減することができる。これにより、蓄熱材の取扱性を一層向上させることができる。

以下に、押圧作業性の評価結果を示す。
（押圧作業性の評価基準）
〇：押圧し易く、容易にペレット化できた。
△：硬くて押圧し難いものの、ペレット化できた。

＜他の実施形態＞
本明細書で開示される技術は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような種々の態様も含まれる。

（１）上記実施形態では、無機粉体の含有量が全体の５０質量％の蓄熱材を作製した。しかしながら、これに限らず、無機粉体の含有量は、全体の５０質量％未満であってもよく、全体の５５質量％や６０質量％であってもよい。
（２）上記実施形態では、ペレット型蓄熱材１０を略円柱状に構成した。しかしながら、これに限らず、ペレット型蓄熱材をタブレット状や豆粒状に構成してもよい。

（３）上記実施形態では、蓄熱装置１１０の蓄熱材容器１１１を箱形状に構成した。しかしながら、これに限らず、蓄熱材容器を内燃機関の外周に装着される円弧型のジャケット状に構成してもよい。
（４）上記実施形態では、蓄熱装置１１０の蓄熱材容器１１１が内燃機関に熱を直接伝える構成とした。しかしながら、これに限らず、蓄熱材容器内から蓄熱材容器の外側に向かって突出する伝熱部材によって蓄熱材から生じる熱を外部に伝える構成にしてもよい。

１０：ペレット型蓄熱材
１１０：蓄熱装置
１１１：蓄熱材容器（「伝熱手段」の一例）
１１４：発核装置

Claims (5)

1. 液体状態と固体状態との間で相変化する酢酸ナトリウムと、無機粉体とを含む蓄熱材と、
   前記蓄熱材を封入する金属製の蓄熱材容器と、
   液体状態の前記蓄熱材を固体状態に相変化させ、かつ前記蓄熱材と共に前記蓄熱材容器に封入される発核装置と、
   前記蓄熱材容器からなり前記蓄熱材容器の外部へ熱を伝える伝熱手段とを備えた蓄熱装置の製造方法であって、
   前記酢酸ナトリウムと前記無機粉体とを混合して粉粒状の粉粒状蓄熱材を形成する蓄熱材形成工程と、
   前記蓄熱材形成工程によって得られた前記粉粒状蓄熱材を前記蓄熱材として前記蓄熱材容器に充填する充填工程とを有する蓄熱装置の製造方法。
2. 前記蓄熱材形成工程は、水に溶かした前記酢酸ナトリウムに前記無機粉体を加えて撹拌する撹拌工程と、
   前記撹拌工程によって得られた液体状態の前記蓄熱材を冷却して固体状態にする固体化工程と、
   前記固体化工程によって得られた固体状態の前記蓄熱材を粉砕して粉粒状蓄熱材にする粉砕工程とを有する請求項１に記載の蓄熱装置の製造方法。
3. 水と、酢酸ナトリウムとを混合した後、さらに無機粉体を加えて加熱しながら撹拌する撹拌工程と、
   前記撹拌工程により得られた液体状態の蓄熱材を冷却して固体状態にする固体化工程と、
   前記固体化工程により得られた固体状態の前記蓄熱材を粉砕して粉粒状にする粉砕工程とを含み、
   前記粉砕工程によって得られた粉粒体をペレット状に押し固めてペレット状蓄熱材を得る押圧工程をさらに含むペレット型蓄熱材の製造方法。
4. 酢酸ナトリウムと、無機粉体とを含む粉粒状の蓄熱材がペレット状に押し固められてなるペレット型蓄熱材。
5. 酢酸ナトリウムと、無機粉体とを含む粉粒状の粉粒状蓄熱材と、
   前記粉粒状蓄熱材を封入する金属製の蓄熱材容器と、
   前記蓄熱材容器からなり前記蓄熱材容器の外部へ熱を伝える伝熱手段と、
   前記粉粒状蓄熱材が溶解した状態の液状蓄熱材を発核させ、前記粉粒状蓄熱材と共に前記蓄熱材容器に封入される発核装置とを備えた蓄熱装置。

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