JP6995345B2 - Heat monitoring method for heat storage material and heat storage material storage container for this purpose - Google Patents
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Description
本発明は、蓄熱材の状態を経時的にモニタリングする方法及びこのための蓄熱材を収容する容器に関する。 The present invention relates to a method for monitoring the state of the heat storage material over time and a container for accommodating the heat storage material for this purpose.
固体/液体などの相互の相変化において、相変化材料は潜熱に相当する熱量を外部から吸収し、その温度は一定に保持される。これを利用して、物体の温度を一定に保持する目的に使用されている。例えば、物流分野で用いられる保冷剤は、これとともに保温容器内に収容された内容物(被冷却物)を低温に安定保持しようとするものである。つまり、かかる保冷剤は、相変化材料からなり、低温時では通常固体であって、外部からの熱の流入を受けて液体へと相転移するのである。 In a mutual phase change such as a solid / liquid, the phase change material absorbs an amount of heat corresponding to latent heat from the outside, and the temperature is kept constant. Utilizing this, it is used for the purpose of keeping the temperature of an object constant. For example, the cold insulating agent used in the physical distribution field is intended to stably keep the contents (cooled material) contained in the heat insulating container at a low temperature. That is, such an ice pack is made of a phase changing material, is usually a solid at a low temperature, and undergoes a phase transition to a liquid by receiving the inflow of heat from the outside.
保冷剤の温度上昇の過程では、その顕熱だけでなく、固体から液体へと相転移する際の潜熱に相当する熱量の流入もある。具体的には、3つの過程が順に生じる。つまり、(1)固体の保冷剤において、融点以下の温度から融点まで温度が上昇する。(2)外部からの熱の流入を通じて、固体から液体に相転移する。この際外部から流入した熱は相転移の潜熱に消費されるから温度上昇を生じさせず、一定の温度に保持される。(3)液体となって温度が上昇する。 In the process of increasing the temperature of the ice pack, not only the sensible heat but also the inflow of heat corresponding to the latent heat at the time of the phase transition from the solid to the liquid. Specifically, three processes occur in sequence. That is, (1) in a solid ice pack, the temperature rises from a temperature below the melting point to the melting point. (2) Phase transition from solid to liquid through the inflow of heat from the outside. At this time, the heat flowing in from the outside is consumed by the latent heat of the phase transition, so that the temperature does not rise and is maintained at a constant temperature. (3) It becomes a liquid and the temperature rises.
一般的に、上記したような保冷剤の温度保持機能を発揮できる時間は、保温容器の容積や内容物の量や状態などによって変化する。そこで、保温容器内の温度や保冷剤自体の温度を計測することが行われる。 Generally, the time during which the temperature holding function of the cooling agent as described above can be exerted varies depending on the volume of the heat insulating container, the amount and state of the contents, and the like. Therefore, the temperature inside the heat insulating container and the temperature of the ice pack itself are measured.
例えば、特許文献1及び2では、保冷剤の使用中の残存冷却能力を色彩の変化で判断できるようにした保冷剤及びこれを収容する保冷剤容器を開示している。ここでは、透明性を有する保冷剤の内部に可逆性示温剤を分散させて、保冷剤自体の温度を目視で把握するとしている。また、保冷剤容器についても内部の可逆性示温剤を目視で把握できるよう、一部又は全部を透明な部材によって与えるとしている。
For example,
上記したように、保冷剤の状態変化は被冷却物の性質等に大きな影響を与えるため、その経時的なモニタリングの必要がある。一方、保温容器の容積や内容物の種類や量、状態などによって保冷剤の経時変化の状態も大きく異なるため、保冷剤の温度保持機能を発揮できる時間(余寿命)を逐次予測しようとするような場合においては、その都度、正確な保冷剤のモニタリングの必要が生じるのである。 As described above, changes in the state of the ice pack have a great effect on the properties of the object to be cooled, so it is necessary to monitor it over time. On the other hand, since the state of change over time of the ice pack varies greatly depending on the volume of the heat insulating container, the type and amount of the contents, the state, etc. In such cases, accurate monitoring of the ice pack will be required each time.
本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、保冷剤のような蓄熱材の状態を経時的にモニタリングする方法及びこのための蓄熱材を収容する容器を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide a method for monitoring the state of a heat storage material such as an ice pack over time and a container for accommodating the heat storage material for this purpose. To provide.
本願発明者らは、保冷剤のような蓄熱材の状態について、これを構成する相変化材料がどれだけの熱量を外部から吸収(又は、放出)したかを直接計測できれば、蓄熱材の状態が上記の(1)~(3)のいずれの状態にあるかを明らかにすることができるとともに、あとどれだけ熱量を吸収できるかを予測できることに想到し、本願発明に至った。 If the inventors of the present application can directly measure the amount of heat absorbed (or released) from the outside by the phase changing material constituting the heat storage material such as an ice pack, the state of the heat storage material will be the same. We came up with the idea that it is possible to clarify which of the above states (1) to (3) is in, and to predict how much heat can be absorbed, leading to the invention of the present application.
すなわち、本発明による蓄熱材の熱モニタリング方法は、容器に前記蓄熱材を密封させ、前記容器の面に沿って与えられた熱電変換モジュールにより発せられる電気信号として前記容器を通過して外部との間で授受される熱量の測定を与えることを特徴とする。 That is, in the heat monitoring method of the heat storage material according to the present invention, the heat storage material is sealed in a container, and the heat storage material is passed through the container as an electric signal emitted by a thermoelectric conversion module given along the surface of the container to the outside. It is characterized by giving a measurement of the amount of heat exchanged between them.
かかる発明によれば、容器を通過して蓄熱材と外部との間で授受される熱量の経時的な計測を与え得て、蓄熱材の余寿命を逐次予測し得るのである。 According to such an invention, the amount of heat transferred between the heat storage material and the outside through the container can be measured over time, and the remaining life of the heat storage material can be sequentially predicted.
上記した発明において、前記熱電変換モジュールは熱電変換素子からなることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、熱電変換モジュールを容易に得ることができる。 In the above-described invention, the thermoelectric conversion module may be characterized by comprising a thermoelectric conversion element. According to such an invention, a thermoelectric conversion module can be easily obtained.
上記した発明において、前記容器は易変形であるとともに前記蓄熱材の周囲に沿って接触するように変形されることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、蓄熱材の周囲に沿って熱電変換モジュールを配置できて、外部との間で授受される熱量の測定を正確に行い得る。 In the above-mentioned invention, the container may be easily deformed and may be deformed so as to be in contact with the periphery of the heat storage material. According to such an invention, the thermoelectric conversion module can be arranged along the periphery of the heat storage material, and the amount of heat transferred to and from the outside can be accurately measured.
上記した発明において、前記蓄熱材は保冷剤であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、保冷剤の余寿命を逐次予測し得る。 In the above-mentioned invention, the heat storage material may be characterized by being a cold insulating agent. According to such an invention, the remaining life of the ice pack can be predicted sequentially.
上記した発明において、前記熱電変換モジュールは易変形の高分子材料を基板とする熱電変換素子からなり、可撓性を有することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、熱電変換モジュールの与えられる容器を簡単に易変形とすることができる。 In the above-described invention, the thermoelectric conversion module may be characterized by being composed of a thermoelectric conversion element using an easily deformable polymer material as a substrate and having flexibility. According to such an invention, the container provided with the thermoelectric conversion module can be easily deformed.
上記した発明において、前記熱電変換素子は前記基板にカーボンナノチューブを含むことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、比較的高い熱電変換効率を有する易変形の熱電変換素子を得ることができる。 In the above-described invention, the thermoelectric conversion element may be characterized in that the substrate contains carbon nanotubes. According to such an invention, it is possible to obtain an easily deformable thermoelectric conversion element having a relatively high thermoelectric conversion efficiency.
また、本発明による蓄熱材収容容器は、蓄熱材を密閉させ該蓄熱材の熱モニタリングを与える容器であって、前記容器の面に沿って与えられた熱電変換モジュールにより発せられる電気信号として前記容器を通過して外部との間で授受される熱量の測定を与えることを特徴とする。 Further, the heat storage material container according to the present invention is a container that seals the heat storage material and gives heat monitoring of the heat storage material, and is the container as an electric signal emitted by a thermoelectric conversion module given along the surface of the container. It is characterized by giving a measurement of the amount of heat transferred to and from the outside through.
かかる発明によれば、容器を通過して蓄熱材と外部との間で授受される熱量の経時的な計測を与え得て、蓄熱材の余寿命を逐次予測し得るのである。 According to such an invention, the amount of heat transferred between the heat storage material and the outside through the container can be measured over time, and the remaining life of the heat storage material can be sequentially predicted.
上記した発明において、前記熱電変換モジュールは熱電変換素子からなることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、熱電変換モジュールを容易に得ることができる。 In the above-described invention, the thermoelectric conversion module may be characterized by comprising a thermoelectric conversion element. According to such an invention, a thermoelectric conversion module can be easily obtained.
上記した発明において、前記容器は易変形であるとともに前記蓄熱材の周囲に沿って接触するように変形させられていることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、蓄熱材の周囲に沿って熱電変換モジュールを配置できて、外部との間で授受される熱量の測定を正確に行い得る。 In the above-mentioned invention, the container may be easily deformed and may be deformed so as to be in contact with the periphery of the heat storage material. According to such an invention, the thermoelectric conversion module can be arranged along the periphery of the heat storage material, and the amount of heat transferred to and from the outside can be accurately measured.
上記した発明において、前記蓄熱材は保冷剤であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、保冷剤の余寿命を逐次予測し得る。 In the above-mentioned invention, the heat storage material may be characterized by being a cold insulating agent. According to such an invention, the remaining life of the ice pack can be predicted sequentially.
上記した発明において、前記熱電変換モジュールは易変形の高分子材料を基板とする熱電変換素子からなり、可撓性を有することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、熱電変換モジュールの与えられる容器を簡単に易変形とすることができる。 In the above-described invention, the thermoelectric conversion module may be characterized by being composed of a thermoelectric conversion element using an easily deformable polymer material as a substrate and having flexibility. According to such an invention, the container provided with the thermoelectric conversion module can be easily deformed.
上記した発明において、前記熱電変換素子は前記基板にカーボンナノチューブを含むことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、比較的高い熱電変換効率を有する易変形の熱電変換素子を得ることができる。 In the above-described invention, the thermoelectric conversion element may be characterized in that the substrate contains carbon nanotubes. According to such an invention, it is possible to obtain an easily deformable thermoelectric conversion element having a relatively high thermoelectric conversion efficiency.
本発明による1つの実施例における蓄熱材収容容器について、図1乃至図3を参照しつつ説明する。 The heat storage material storage container in one embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
図1に示すように、蓄熱材Hを収容し密閉する容器(蓄熱材収容容器)10は、例えば変形の容易な高分子材料からなるフィルム状の一対のシート体1の端部を貼り合わせて、変形の容易な袋状に形成したものであり、蓄熱材Hを収容する部分である袋状部2を熱電変換モジュール3で構成している。つまり、容器10の表面に沿って熱電変換モジュール3を配置させることで蓄熱材Hの周囲を熱電変換モジュール3で覆い、容器10を通過して外部と蓄熱材Hとの間で授受される熱量を熱電変換モジュール3により発せられる電気信号によって測定するのである。
As shown in FIG. 1, the container (heat storage material storage container) 10 for accommodating and sealing the heat storage material H is formed by bonding the ends of a pair of film-
図2に示すように、熱電変換モジュール3は、例えば、熱電変換素子11及び電極12をシート体1に組み合わせて得ることができる。詳細には、複数の熱電変換素子11をシート体1の裏側(容器10の内側)から表側(容器10の外側)に貫通させて並べ、シート体1を貫通する電極12によって隣り合う熱電変換素子11の表側と裏側の端部を互いに接続する。これによって、裏側から表側に向かう複数の熱電変換素子11を直列に接続し、裏側から表側、又は表側から裏側へ通過する熱量に応じてこれらの熱電変換素子11によって電気信号として電圧を発生させることができる。
As shown in FIG. 2, the
図3に示すように、熱電変換モジュール3は、例えば、上記したような直列に接続された熱電変換素子11及び電極12の列の複数を並べて、袋状部2の全体に配置するようにすることができる。なお、熱電変換モジュール3における熱電変換素子11及び電極12の配置はこれに限られず、容器10を通過する熱量に応じた電圧を計測できればよい。
As shown in FIG. 3, in the
熱電変換素子11は、例えば、シート体1を基板としてカーボンナノチューブを含んだポリメチルメタクリレートを用いて得ることができる。ポリメチルメタクリレートを有機溶媒に溶解させた溶液中に単層カーボンナノチューブを分散させ、これをシート体1に塗布して乾燥させるのでる。このようなカーボンナノチューブを含む熱電変換素子11によれば、比較的高い熱電変換効率を有する易変形の熱電変換素子とすることができる。
The
ここで、変形の容易なシート体1によって容器10を得ると、容器10は容易に変形される。すると、蓄熱材Hを氷や凍結した保冷剤などの固体としたときでも、その表面に沿って変形して蓄熱材Hの周囲に接触するように変形される。これによって、蓄熱材Hの周囲に沿って熱電変換モジュール3を配置できて、熱電変換モジュール3の変形を容易としつつ蓄熱材Hと容器10の外部との間で授受される熱量を正確に測定し得る。
Here, when the
図4に示すように、容器10を通過して外部との間で授受される熱量を熱電変換モジュール3から発せられる電気信号として電圧計21を用いて外部からモニタリングできる。例えば、電圧計21として無線機付きの電圧計を用い、電圧計21からの無線による電気信号を受信機22で受信しパーソナルコンピュータなどの外部端末23によって得て、電圧を示す電気信号を熱量に換算するのである。
As shown in FIG. 4, the amount of heat transferred to and from the outside through the
以上のような、蓄熱材Hを収容する容器10によれば、熱電変換モジュール3によって容器10を通過して蓄熱材Hと外部との間で授受される熱量の経時的な計測を可能とし、蓄熱材Hの余寿命を逐次予測することができる。つまり、蓄熱材Hが保冷剤であれば、保冷剤の余寿命を逐次予測できる。
According to the
また、熱電変換モジュール3は、変形の容易なシート体1を基板とする熱電変換素子11を含んで構成されるため可撓性を有し、容器10の変形を容易とする。これによって、蓄熱材Hの周囲に沿って熱電変換モジュール3を配置できて、外部との間で授受される熱量の測定を正確に行うことができる。
Further, since the
容器10を通過して蓄熱材Hと外部との間で授受される熱量の経時的な計測は、例えば以下のように行うことができる。熱電変換モジュール3は通過した熱流量qに比例した電圧Vを発生するから、比例定数をAとしてq=AVである。そこで、測定開始からの経過時間をt1、測定開始から経過時間t1となるまでに容器10内に流入した熱量(又は流出した熱量)をQ1とすると、以下の式1が成立する。
The time-dependent measurement of the amount of heat transferred between the heat storage material H and the outside through the
すなわち、比例定数Aが定まっていれば、Vを逐次測定してこれを積分することで、比例定数Aを乗じて熱量Q1を経時的に求めることができる。 That is, if the proportionality constant A is determined, V can be sequentially measured and integrated to obtain the calorific value Q1 by multiplying the proportionality constant A over time.
[実施例]
容器10を用いて蓄熱材Hを氷として外部との間で授受された熱量の経時的な計測を行った例について説明する。
[Example]
An example of measuring the amount of heat transferred to and from the outside using the heat storage material H as ice using the
容器10に脱イオン水110gを入れて冷凍庫で凍らせた。つまり、この脱イオン水による氷を蓄熱材Hとした。次いで、容器10を冷凍庫から取り出してからの経過時間に対する熱電変換モジュール3により発生された電圧を計測した。これとともに外気温(室温)及び容器10内の蓄熱材Hの温度も計測した。
110 g of deionized water was put in a
図5示すように、計測開始直後の蓄熱材Hは凍った状態であり、室温との温度差によって熱電変換モジュール3に電圧を発生させる。時間の経過とともに氷が融けてやがて蓄熱材Hの温度を室温に近づける。これにつれて発生する電圧は減少し計測開始から400分程度で概ねゼロとなった。これは約400分で蓄熱材Hの温度が室温と同程度になったことを示している。実際に計測された蓄熱材Hの温度及び外気温も400分付近でほぼ一致している。
As shown in FIG. 5, the heat storage material H immediately after the start of measurement is in a frozen state, and a voltage is generated in the
この間、蓄熱材Hの温度は-8.3℃から25.5℃まで変化している。110gの-8.3℃の氷を25.5℃の水になるまで温度上昇させるためには、約50.6kJの熱量が必要となる。式1にこれらの数値を代入すると以下の式2のようになる。なお、時間の単位は「分」とする。
During this period, the temperature of the heat storage material H has changed from −8.3 ° C. to 25.5 ° C. In order to raise the temperature of 110 g of −8.3 ° C. ice to 25.5 ° C. water, a calorific value of about 50.6 kJ is required. Substituting these numerical values into
外気からの熱は、容器10の熱電変換モジュール3を介して蓄熱材Hへ流入する。すなわち、計測開始から400分経過するまでの間に熱電変換モジュール3を通過した熱量は約50.6kJとなる。これに計測した電圧を用いて式2から比例定数Aを8.47kW/Vと求めることができた。つまり、このように実験的に比例定数Aを予め求めておくことで、上記したような温度を計測せずとも、熱電変換モジュール3から得られる電圧によって、容器10内に流入した熱量Q1を経時的に求めることができるのである。また、この例では、50.6kJから計測されたQ1を差し引くことで、蓄熱材Hが室温に達するまでの残りの熱量が算出でき、蓄熱材Hの余寿命をも逐次予測し得る。
The heat from the outside air flows into the heat storage material H via the
以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。 Although the examples according to the present invention and the modifications based on the present invention have been described above, the present invention is not necessarily limited to this, and those skilled in the art deviate from the gist of the present invention or the scope of the attached claims. Without doing so, various alternative and modified examples could be found.
3 熱電変換モジュール
10 容器(蓄熱材収容容器)
11 熱電変換素子
H 蓄熱材
3
11 Thermoelectric conversion element H Heat storage material
Claims (12)
The heat storage material storage container according to claim 11, wherein the thermoelectric conversion element contains carbon nanotubes in the substrate.
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