JP7249646B2 - 冷結晶化材および蓄熱において冷結晶化を利用するための方法 - Google Patents
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Description
短期間および長期間の両方での熱エネルギーの貯蓄は、近年の研究における大きな関心事である。効率的な蓄熱は、例えばエネルギー価格の上昇および再生可能エネルギー源のより効率的な利用に対する要求に関連して、現在のエネルギー問題を緩和するのに役立ち得る。特に、太陽エネルギーなどの再生可能エネルギーの広範な使用は、再生可能エネルギーに対する需要を絶えず満たすために、その不規則な利用可能性のために熱エネルギーの貯蓄を必要とする。短期間の蓄熱解決策の開発は既に進んでおり、実用的な解決策は実際に既に実施されている。しかしながら、長期の蓄熱は明らかにより困難であり、それに対する新しい解決策が必要とされている。
T=Tg-1.2Tg
エリトリトールの量が溶液の重量の約60質量%になるように、エリトリトールを60℃のイオン交換水に溶解した(例えば、6gエリトリトール/10gエリトリトール+水)。この後、アクリル酸モノマーを中和するのに使用される塩基、例えばNaOHペレットをPCM水溶液に添加した。塩基量については、高分子電解質の所望のイオン強度に従い調整した。アクリル酸とNaOHのような一価不飽和塩基の場合、中和反応は1:1のモル比であり、すなわち例えば50%ポリアクリレートを製造する場合、NaOH:アクリル酸は1:2である必要がある。アルカリ溶液の製造後、架橋剤と共にアクリル酸モノマーを混合物に添加した。架橋剤をアルカリ性PCM水溶液に予め添加することもできる。開始剤を添加する前に均一な溶液を注意深く混合した。重合開始剤として、例えばアクリル酸の重合を速やかに開始する過酸化物開始剤を使用することができる。典型的には、重合は5~20分かかり、生成物はゲル状またはより硬質の均質ポリマー材である。重合温度は、例えば50~70℃であり得る。PCMが溶液から結晶化しないように、温度は十分に高い必要がある。アクリル酸の重合反応は強い発熱反応、すなわち放熱反応であり、過剰な水の一部は重合工程で既に材料から蒸発した。最後に、材料中に残っている水の大部分、好ましくは例えば90~95%を、例えば複合材を好ましくは150℃で一晩保持することにより蒸発させた。
エリトリトール-ポリアクリル酸ナトリウム材の異なる組成の熱的性質を、いくつかの連続した加熱-冷却サイクルを用いてDSC(示差走査熱量測定)により調べた。材料に使用された架橋剤は、EGDMA(エチレングリコールジメタクリレート)であった。サンプルについて、融解温度(Tm)、融解熱(ΔHm)、冷結晶化温度(Tcc)、結晶化熱(ΔHCC)およびガラス転移温度(Tg)を測定した。測定結果を表1に示す。表中、WエリトリトールおよびWEGDMAは、エリトリトールおよびEGDMAの質量分率をそれぞれ示している。Xはポリアクリル酸の中和度を示す。
上記に基づいて、本発明は例えば下記の実施形態を含む。
1.PCM-ポリマー複合体であって、その熱的性質がPCM分子と極性/イオン性ポリマーとの間の引力相互作用を介して調節することができ、融解した複合材のPCMが加熱中に冷結晶化する、PCM-ポリマー複合体。
2.蓄熱材の動作がPCMの過冷却および冷結晶化に基づいており、相変化材の融解潜熱および冷結晶化が蓄熱に利用され、温度が材料の冷結晶化温度より低い場合、長期間複合体に潜熱を蓄えることができる、実施形態1に基づく蓄熱材。
3.蓄熱のためのPCM-ポリマー複合体の特有の融解‐冷結晶化サイクルを利用し、
PCMが融解している際に熱エネルギーが蓄えられ、蓄えられた熱エネルギーが小さな熱パルス又は少なくとも材料の冷結晶化温度までの加熱により放出される、実施形態1又は2に基づく蓄熱方法。
4.組成物であって、過冷却相変化材およびポリマーを含んで成り、ポリマーは相変化材が分散されるマトリックスを形成し、融解組成物が過冷却状態で安定であり、冷結晶化温度よりも高い温度への加熱の際に組成物の相変化材が冷結晶化可能である、組成物。
5.相変化材がポリマーマトリックスの内部に均一に分散されている、実施形態4に記載の組成物。
6.相変化材の溶液中でのポリマーのモノマーの重合により、相変化材がポリマーマトリックス内に分散されている、実施形態4または5に記載の組成物。
7.温度が組成物のガラス転移点以下にまで低下すると、組成物がガラス化することができる、実施形態4~6のいずれかに記載の組成物。
8.相変化材料の量が組成物の全重量の好ましくは50重量%を超え、ポリマー量が組成物の全重量の5~40重量%、好ましくは20重量%未満である、実施形態4~7のいずれかに記載の組成物。
Tg ガラス転移の最終温度、ガラス転移点
Tcc 冷結晶化温度
PCM 相変化材
Claims (18)
- 組成物であって、
少なくとも2つのコンポーネントを含んで成り、
少なくとも2つのコンポーネントの一方が糖アルコールを含む過冷却相変化材であり、該過冷却相変化材が過冷却状態にあり、組成物が少なくとも組成物のガラス転移点に近い温度又は該ガラス転移点よりも低い温度へと予め冷却される際において、少なくとも2つのコンポーネントの他方が過冷却相変化材の極性基と強い相互作用を形成することで該過冷却相変化材を安定化させることが可能な架橋された極性および/またはイオン性ポリマーであり、
過冷却相変化材は、その冷結晶化温度を超える温度へと加熱する際に冷結晶化可能であり、
前記糖アルコールがエリトリトールであり、前記極性および/またはイオン性ポリマーがポリアクリレートであることを特徴とする、組成物。 - 極性および/またはイオン性ポリマーが、過冷却相変化材の分子またはイオンの移動を抑制し、それによって結晶化を抑制することにより、過冷却状態で過冷却相変化材を安定化させることが可能であることを特徴とする、請求項1に記載の組成物。
- 極性および/またはイオン性ポリマーが、過冷却相変化材の極性基とイオン―双極子相互作用を形成することにより、過冷却状態で過冷却相変化材を安定化させることが可能であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の組成物。
- 温度が組成物のガラス転移点へと又は該ガラス転移点よりも低い温度へと低下される際に、ガラス化可能であることを特徴とする、請求項1~3のいずれかに記載の組成物。
- ポリマーがエチレングリコールジアクリレート、ジ(エチレングリコール)ジアクリレート、テトラ(エチレングリコール)ジアクリレート、エチレングリコールジメタクリレート(EGDMA)、ジ(エチレングリコール)ジメタクリレート、トリ(エチレングリコール)ジメタクリレート、N,N ' -メチレンビスアクリルアミド、もしくはN,N’-(1,2-ジヒドロキシエチレン)ビスアクリルアミド又はこれらの任意の組合せである架橋剤で架橋されていることを特徴とする、請求項1~4のいずれかに記載の組成物。
- 過冷却相変化材がポリマーマトリックス内に均一に分散されていることを特徴とする、請求項1~5のいずれかに記載の組成物。
- 過冷却相変化材の溶液中でのポリマーのモノマーの重合により、過冷却相変化材がポリマーマトリックス内に分散されていることを特徴とする、請求項1~6のいずれかに記載の組成物。
- 過冷却相変化材の量が組成物の総重量の50重量%を超え、ポリマー量が組成物の総重量の5~40重量%であることを特徴とする、請求項1~7のいずれかに記載の組成物。
- 請求項1~8のいずれかに記載の組成物を含んで成り、過冷却相変化材の融解潜熱および結晶化潜熱がそれぞれ蓄熱および放熱のために利用可能となっていることを特徴とする、蓄熱材。
- 蓄熱温度が過冷却相変化材の冷結晶化温度未満である限り、潜熱を過冷却相変化材内に蓄えることが可能であることを特徴とする、請求項9に記載の蓄熱材。
- 蓄熱方法であって、
少なくとも2つのコンポーネントを含んで成る組成物を蓄熱材として用い、
少なくとも2つのコンポーネントの一方が糖アルコールを含む過冷却相変化材であり、該過冷却相変化材が過冷却状態にある際に、少なくとも2つのコンポーネントの他方が過冷却相変化材の極性基と強い相互作用を形成することで過冷却相変化材を安定化させることが可能な架橋された極性および/またはイオン性ポリマーであり、
前記糖アルコールがエリトリトールであり、前記極性および/またはイオン性ポリマーがポリアクリレートであり、
冷結晶化温度を超える温度へと過冷却相変化材を加熱する際において過冷却相変化材を冷結晶化可能であり、
組成物を過冷却状態にし、少なくとも組成物のガラス転移点に近い温度又は該ガラス転移点よりも低い温度へと組成物をより冷却することにより、組成物内に熱を蓄えることが可能であり、これに対応して冷結晶化温度を超える温度に過冷却状態にある組成物を加熱することにより該過冷却状態にある組成物から熱を放出することを特徴する、蓄熱方法。 - 過冷却相変化材の融解時に熱エネルギーを蓄え、少なくとも過冷却相変化材の冷結晶化温度へと過冷却相変化材を加熱することにより蓄えられた熱エネルギーを放出させることを特徴とする、請求項11に記載の方法。
- 加熱の間に加熱パルスの形態で過冷却相変化材に熱をもたらすことを特徴とする、請求項11又は12に記載の方法。
- 冷却速度が0.015~20K/分であることを特徴とする、請求項11~13のいずれかに記載の方法。
- ケルビン単位で温度(T)へと組成物を冷却させ、ガラス転移の最終温度(Tg)に対する温度(T)の比が最大で約1.1であることを特徴とする、請求項11~14のいずれかに記載の方法。
- ケルビン単位で、少なくとも温度(T)へと組成物を冷却させ、温度(T)を下記式により決定することを特徴とする、請求項11~15のいずれかに記載の方法。
T=Tg-1.2Tg - 請求項1~8のいずれかに記載の組成物を蓄熱材として用いることを特徴とする、請求項11~16のいずれかに記載の方法。
- 長期蓄熱のための、請求項9又は10に記載の蓄熱材の使用、又は請求項11~17のいずれかに記載の方法。
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