JPH07126614A - 潜熱型蓄熱材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 相分離を起こさず、長期的に安定な潜熱型蓄
熱材料の提供。 【構成】 分散媒としての水に、分散質としてのｎ−パ
ラフィンが、非イオン系界面活性剤及びアニオン系界面
活性剤によりエマルジョン化された潜熱型蓄熱材料。ｎ
−パラフィンとしてはテトラデカンが用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、相変化に伴って発生す
る融解潜熱を利用して蓄熱を行なう潜熱蓄熱方式に用い
られる蓄熱材料に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より冷房空調などの冷熱媒流体とし
ては、取扱い易さや経済的な面から一般に低温水（顕
熱）が利用されてきた。例えば、ビル等の場合、直径１
２５mm程度の配管中に冷水等を送り込んで行なわれてき
たが、近年、壁材等の薄型化が要望され、更に効率の良
い伝熱システムの開発が望まれている。そこで、水に代
わる冷熱輸送システムとして、氷スラリー搬送を始めと
して水に潜熱物質を分散流動化し搬送する試みが積極的
に行なわれるようになっている。

【０００３】流動化潜熱物質搬送による有利な点は、単
位流量当たりの輸送熱量を大きくできることによる管径
寸法の縮小、ポンプ動力の縮小、熱交換器内で微細な潜
熱物質が存在することによる熱伝達促進効果、そして微
細な潜熱物質の存在により流動に伴う圧力損失の低減の
可能性なども期待できることなどである。

【０００４】水に潜熱物質を混合する方法としては、潜
熱物質をマイクロカプセル化混合する方法、又は水に氷
或いは低温潜熱蓄熱物質をエマルジョン化混合する方法
などが考えられる。前者はコスト増を招く上、製造工程
が複雑でカプセル強度が比較的弱く劣化し易い欠点を有
する。後者のエマルジョンにおいては、低温潜熱蓄熱物
質として用いられる材料として、低融点を有する有機物
質がよく用いられる。有機物質は疎水性が強く、また水
より低密度のために、界面活性剤を用いることにより安
定な均一分散系を形成するエマルジョン化が行なわれて
いる。

【０００５】例えば、炭素数１４のｎ−パラフィンは、
その融点が５．９℃であり、腐食や毒性がなく安定した
物質で長期間の使用に耐えうるものであるとして用いら
れている。この場合、非イオン系の界面活性剤を用いる
ことによりエマルジョン化が図られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の水を
分散媒としテトラデカンを分散質としたエマルジョンに
おいては、一般的な非イオン系界面活性剤のみでエマル
ジョン化を行なっても、短期的には安定なエマルジョン
を形成するものの、長期的には不安定で相分離を生じる
という問題点を有している。

【０００７】一方、パラフィンは一般に過冷却現象を起
こさないと言われているが、本発明者らは、テトラデカ
ンにおいて過冷却現象が生じることを確認した。

【０００８】本発明は上記問題点に鑑み、長期に相分離
することなく使用でき、また相分離を起こした場合にお
いても容易に元の安定状態に復元することができる潜熱
型蓄熱材料を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の潜熱型蓄熱材料
は、上記課題を解決するために、分散媒としての水と、
分散質としての、分散媒より融点の高いｎ−パラフィン
と、上記ｎ−パラフィンをエマルジョン化するための非
イオン系界面活性剤及びアニオン系界面活性剤とを主成
分とすることを特徴としている。

【００１０】ｎ−パラフィンとしてはテトラデカンが好
ましく、本発明において用いられたテトラデカンは、融
点５．９℃、融解熱２２９ kJ/kg、密度：０．８１ g/c
c(液相）、０．７７ g/cc(固相）の物性値を示すもので
ある。

【００１１】テトラデカンは水に殆ど溶け合わない不水
溶性油として知られている。このような不水溶性油を水
と均一に混合分散させるには、界面活性剤を用いてエマ
ルジョン化する方法がある。界面活性剤は油滴保護、そ
して液滴同士の凝集や合一を防止し連続相としての水相
に微細油滴を分散安定する作用がある。本発明の潜熱型
蓄熱材料は、界面活性剤の作用を用いて微小テトラデカ
ン油滴を連続相に分散させたＯ／Ｗエマルジョンであ
る。

【００１２】界面活性剤である非イオン系界面活性剤と
アニオン系界面活性剤は、各々の必要量を混合して加え
てもよく、また別々に加えてもよい。

【００１３】非イオン系界面活性剤としては、ポリオキ
シエチレンアルキルフェニルエーテル，ポリオキシエチ
レンアルキルエーテル，ポリオキシエチレン脂肪酸エス
テル，ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル，
ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンブロックポリ
マー，ソルビタン脂肪酸エステル，ポリオキシエチレン
ソルビタン脂肪酸エステル，ポリオキシエチレンアルキ
ルアミンエーテル，脂肪酸ジエタノールアマイド，ショ
糖脂肪酸エステル，ポリオキシエチレンラノリンアルコ
ールエーテル、ポリオキシエチレンラノリン脂肪酸エス
テル等が挙げられ、中でもポリオキシエチレンアルキル
エーテルが好ましい。

【００１４】アニオン系活性剤としては、アルキルスル
ホネート，アルキルサルフェート，アルキルホスフェー
ト，アルキルベンゼンスルホネート（アルキルベンゼン
スルホン酸塩）に代表されるようなスルホン酸塩類、硫
酸エステル塩類、リン酸エステル塩類が挙げられ、中で
もアルキルベンゼンスルホン酸塩が好ましい。

【００１５】界面活性剤の添加量は、非イオン界面活性
剤の場合、パラフィンに対して、８〜５０重量部の添加
がエマルジョン化に好ましい。この範囲を外れると十分
なエマルジョン化が図れない。

【００１６】また、アニオン系界面活性剤の場合は、パ
ラフィンに対して、１〜１０重量部の添加が好ましく、
この範囲を外れるとエマルジョンの安定性が損なわれ
る。

【００１７】テトラデカンの濃度は、エマルジョン全体
中テトラデカンの含有量として５〜５５wt％が好まし
く、５wt％より少ないとエマルジョンが不安定化しやす
く、潜熱量が低すぎて充分な蓄熱効果が得られず有用で
ない。また、５５wt％を超えると潜熱量そのものは多く
て有用であるが、凍結時にテトラデカン油滴同士が合着
しやすく流動性が低下するため好ましくない。

【００１８】本発明の潜熱型蓄熱材料は、例えばテトラ
デカン濃度が４０wt％の場合、乳白色を呈し流動性を有
する液体である。分散質であるテトラデカンは分散媒で
ある水相に球形で均一に分散しており、図２に示すよう
に、テトラデカンの粒子径ｄは、０．１〜９．０μｍの
範囲に存在し、平均粒子径３．４μｍ、標準偏差±２
０．４％の粒子径分布を示す。

【００１９】潜熱型蓄熱材料には、水の融点（凝固点）
を降下させる目的で、親水性物質を加えてもよい。親水
性物質としては、分散媒としての水の融点を降下できる
もので界面活性剤等と反応してエマルジョンを不安定化
させないものであれば、いずれも使用することができ
る。

【００２０】例えば、非電解質系では、アルコール系、
多価アルコール系の一般的な寒剤やその他の寒剤が使用
でき、メタノール，エタノール等の１価のアルコール
や、（ポリ）エチレングリコール，（ポリ）プロピレン
グリコール，グリセリン等の多価アルコール、尿素等が
挙げられる。

【００２１】また、電解質系では、一般的な電解質塩類
で代表される寒剤が使用でき、塩化ナトリウム、塩化カ
ルシウム、塩化マグネシウム、硝酸アンモニウム等が挙
げられる。特にイオン性の界面活性剤との反応性が低い
非電解質系が好ましい。

【００２２】その添加量は、融点を降下できれば、特に
限定されるものではないが、水添加時の融点が、−２℃
〜−１５℃になるように添加されることが好ましい。−
２℃より高い場合には、パラフィンとの融点差が狭くパ
ラフィンのみを凍結させるのに−２℃〜−５℃の温度に
する必要があり、急速に凍結させる際に好ましくなかっ
たり、厳密な温度管理が必要となり好ましくない。ま
た、−１５℃以下の融点では、親水性物質の添加量が多
くなり過ぎて、エマルジョンの安定性が悪くなったり、
コストの面で好ましくない。

【００２３】本発明の潜熱型蓄熱材料を用いた伝熱モデ
ルシステムを図１を参照しながら以下に説明する。

【００２４】液送ポンプ２により管内を流動するパラフ
ィンエマルジョンは、コイル状２重管式熱交換器３にお
いて低温冷媒供給機４から送られた冷媒と流動状態（静
止状態以外）で熱交換し、所定の温度に冷却され蓄冷さ
れる。このとき、エマルジョン内のｎ−パラフィンのみ
が凝固することになる。

【００２５】次いで、管内を輸送され、空気直接接触式
熱交換器１に送られる。ここで、熱交換器１の底部に取
り付けられた空気泡発生用フィルター５を通過した微細
な空気泡と接触する。潜熱蓄冷されたエマルジョン中に
微細な空気泡が噴出されることにより蓄冷熱が取り出さ
れ、空気泡は冷気を含んだ空気となり放出される。この
ように空気泡を微細化することにより大きな伝熱面積が
得られ、又直接接触式のため熱交換効率が良好となる。
次いで、蓄冷熱を取り出されたエマルジョンは、再び熱
交換器３に戻り同様な操作が繰り返される。

【００２６】また、この伝熱モデルシステム中でのそれ
ぞれの効果、特徴を把握するために、エマルジョンの潜
熱測定用熱量計６及び空気直接接触式熱交換器７におい
て、一定量のエマルジョンの持つ潜熱量や空気中に取り
出せる蓄冷熱量の測定が行なえるようになっている。更
に、個々に取り付けられた温度計、圧力計、湿度計によ
りその効果が計算できるよう工夫されている。

【００２７】一方、圧力センサー部８では、潜熱蓄冷さ
れたエマルジョンを管内輸送する際に重要となる損失圧
力の測定を行なったり、コイル状２重管式熱交換器３で
は、エマルジョンの蓄冷に必要な時間を測定したり、曲
管内流動時の圧力損失と熱伝達率を測定することができ
るようになっている。

【００２８】

【実施例】本発明の実施例について以下に詳細に説明す
るが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。

【００２９】〔実施例１〕炭素数１４のｎ−パラフィン
であるテトラデカン（融点５．９℃）４０ｇにポリオキ
シエチレンステアリルエーテル（エチレンオキサイド付
加数５〜１０）６．７ｇを加え、充分混合した後、ホモ
ジナイザーにて攪拌しながら４９．９７ｇの水を加え、
エマルジョン化を行なった後、同様に攪拌しながら３．
３３ｇのドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム６０％
水溶液を加え、白色のエマルジョンを作成した。得られ
たエマルジョンの各成分の組成比を表１に示した。

【００３０】このパラフィンエマルジョンを倍率１００
０倍のマイクロスコープ（４２万画素）を用いてビデオ
撮影し観察した結果、テトラデカン油滴は、水相に球形
で均一に分散していることが確認できた。その画像デー
タを用いて、テトラデカン分散粒子径を測定したとこ
ろ、粒子径は、０．１〜９．０μｍの範囲に存在し、平
均粒子径は、３．４μｍ、そして標準偏差±２０．４％
の粒子径分布であった。

【００３１】〔実施例２〜５〕実施例１と同様の方法に
より、以下の表１に示す組成比のエマルジョンを作成し
た。

【００３２】

【表１】

【００３３】得られたエマルジョンをマイクロスコープ
にて観察した結果、テトラデカン油滴は、水相に球形で
均一に分散し、各テトラデカン濃度においても実施例１
に示されたと同様な粒度分布特性を持っていた。

【００３４】ところで、本実施例に用いるテトラデカン
には過冷却現象が存在する。静止状態におけるバルク状
テトラデカンの過冷却度ΔＴは、テトラデカン試料を５
cm³充填したガラス製試験管を冷却速度変化可能な恒温
槽に設置し、冷却速度Ｖ_R との関係で、図３に示すよう
な結果を得た。

【００３５】従って、本実施例では、過冷却開放の手段
として、機械的攪拌によりテトラデカンにせん断力を加
えることを行なった。

【００３６】次に、実施例１〜５において、調製したエ
マルジョンの温度を２６３Ｋまで低下させ、充分過冷却
開放を行なった後、２７４Ｋまで昇温し分散媒である水
を融解させた後、示差型走査熱量計（ＤＳＣ）を用い
て、潜熱量を測定した。結果を計算値と共に以下の表２
に示した。尚、２７４Ｋにおいて、エマルジョンは充分
な流動性を有していた。

【００３７】

【表２】

【００３８】また、安定性を確認するために、試験管内
に高さ５０ｍｍになるように各エマルジョンを充填した
後、密栓し３０℃に保持されたインキュベーター内に１
か月放置し、変化を調べた。その結果、実施例２のエマ
ルジョンにおいて、底部約０．５ｍｍに透明層（相分
離）が認められたが、その他は何れも変化がなく安定な
エマルジョンであった。

【００３９】また、この相分離した実施例２のエマルジ
ョンを再度ホモジナイザーにて攪拌して相分離のない均
一なエマルジョンとし、繰り返し、同様に試験管内で安
定性を確認したところ同様に１か月後に底部に約０．５
ｍｍ透明層（相分離）が認められ、実用的に元の安定化
エマルジョンに復元することが確認できた。

【００４０】〔実施例６〕実施例４において調製された
エマルジョン１００ｇに、尿素を１１．４７５ｇ添加
（１８ｇ尿素／１００ｇ水）し、分散媒である水に溶解
させたエマルジョンを作成した。このエマルジョンの組
成を次の表３に示す。

【００４１】

【表３】

【００４２】このエマルジョンの分散媒である尿素を含
む水の凝固点を測定したところ、−５℃であり、テトラ
デカンとの凝固点の差が広く、テトラデカンのみを凝固
させやすいエマルジョンであった。

【００４３】〔比較例〕ドデシルベンゼンスルホン酸ナ
トリウムを添加しない他は、実施例１〜５と同様な方
法、配合でノニオン系界面活性剤のみのエマルジョンを
作成し、上記実施例と同様にして３０℃のインキュベー
ター内で安定性を調べた。

【００４４】その結果、１週間経過時点から試験管底部
に透明な分離層が確認された。２週間経過時点では、い
ずれも底部に１０〜１５ｍｍの透明な分離層が確認で
き、非常に安定性の悪いエマルジョンであった。

【００４５】

【発明の効果】本発明の潜熱型蓄熱材料は、以上のよう
に、相分離を起こすことなく長期的に安定して使用で
き、また相分離を起こした場合においても容易に元の安
定状態に復元することができるという効果を奏する。さ
らに充分な流動性を示すので、管による輸送が可能とな
り種々の空調装置等への応用が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の潜熱型蓄熱材料を用いた伝熱モデルシ
ステムの説明図である。

【図２】テトラデカン濃度が４０wt％である本発明の蓄
熱材料の分散質粒子径分布を示すグラフである。

【図３】テトラデカンの過冷却度と冷却速度の関係を示
すグラフである。

【符号の説明】

１ 空気直接接触式熱交換器 ２ 液送ポンプ ３ 熱交換器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】分散媒としての水と、 分散媒より高い融点を有する、分散質としてのｎ−パラ
   フィンと、 上記ｎ−パラフィンをエマルジョン化するための非イオ
   ン系界面活性剤及びアニオン系界面活性剤とを主成分と
   することを特徴とする潜熱型蓄熱材料。
2. 【請求項２】上記ｎ−パラフィンがテトラデカンであ
   り、上記非イオン系界面活性剤がポリオキシエチレンス
   テアリルエーテルであり、アニオン系界面活性剤がアル
   キルベンゼンスルホン酸塩であることを特徴とする請求
   項１記載の潜熱型蓄熱材料。
3. 【請求項３】水の融点を降下しうる親水性物質をさらに
   含むことを特徴とする請求項１記載の潜熱型蓄熱材料。