JPS6221038B2 - - Google Patents
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Description
本発明は融解熱材料を利用する熱エネルギーの
貯蔵のための混合物およびその製造法に関する。
太陽エネルギー加熱の使用の増大に伴い、夜間
におけるおよび曇り日における使用のため日中入
手し得る過剰の太陽熱をひろげるために熱エネル
ギーを貯蔵することが殆んど絶対的に必要とな
る。この熱貯蔵のための融解熱材料の使用はその
低価格および単位重量当りの高融解熱により近時
増大する利益を得ている。かような融解熱材料は
低価格、大量入手の可能性および製造の簡単さの
基準に適合すべきことが望ましい。さらに、それ
らは無毒、耐炎、不燃および非腐蝕性であるのが
好適である。使用のための最も安価な材料はナト
リウム、カリウム、マグネシウム、アルミニウム
および鉄の化合物に基づく大容積の化学薬品であ
る。好適にはその材料は塩−水和物およびそれら
の共融物の形にある。低価格の化合物の型は塩化
物、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩および炭酸塩に限
定され、一方添加物または改良剤はホウ酸塩、水
酸化物およびケイ酸塩を包含することができる。
これらの中には、望ましくない性質に起因する高
融解熱、低価格および最低の非相溶性を有する低
価格の塩−水和物が包含される。
The present invention relates to a mixture for the storage of thermal energy using molten materials and a method for producing the same. With the increasing use of solar energy heating, there is an almost absolute need to store thermal energy to unwind the excess solar heat available during the day for use at night and on cloudy days. The use of heat-of-fusion materials for heat storage has recently gained increasing benefits due to their low cost and high heat of fusion per unit weight. It is desirable that such heat-of-fusion materials meet criteria of low cost, availability in large quantities, and ease of manufacture. Furthermore, they are preferably non-toxic, flame-resistant, non-combustible and non-corrosive. The cheapest materials for use are bulk chemicals based on sodium, potassium, magnesium, aluminum and iron compounds. Preferably the materials are in the form of salt-hydrates and eutectics thereof. Low cost compound types are limited to chlorides, nitrates, sulfates, phosphates and carbonates, while additives or modifiers can include borates, hydroxides and silicates.
Included among these are low cost salt-hydrates with high heat of fusion, low cost and minimal incompatibility due to undesirable properties.
【表】
使用において、これらの材料は、通常、核発生
用剤(nucleating agent)と共に閉鎖した容器内
に置き、その系により、「貯蔵」した冷熱を使用
するために選択された融解熱材料の融点以上およ
び以下における継続的加熱および冷却をおこなわ
せる。
核発生用剤の必要は米国特許第2667664号明細
書〔発明者アリア・テルケス(Maria Telkes)、
1954年5月4日特許〕に記載されている。この特
許に記述されるように、適当な不均質核発生用剤
は約2ないし約3%の少量のホウ砂(四ホウ酸ソ
ーダ10水和物)である。これらの核発生用剤は結
晶の形成を開始し、それによつて静止した液体溶
液中に起り得る過冷却を回避するために必要な種
を提供する。結晶化を促進するために他の既知の
核発生用技術を使用することができる。勿論、結
晶化は材料の融解熱を使用するために必要であ
る。過冷却を伴えば、材料の比熱が使用されるの
みである。材料の比熱はその融解熱よりはるかに
少く、したがつて核発生が必要である。
Na2SO4・10H2Oとの組合せにおける四ホウ酸
ソーダ・10水和物(異種同形に近い核発生用剤)
を使用する場合、結晶の形成開始後、容器の転回
または時々の振とうにより溶融物中における完全
結晶化を得ることが可能である。熱エネルギーの
貯蔵に使用する場合、不運にも、容器を振とうす
ることは常に都合がよいとは限らず、もしくはこ
の場合常に可能であるとは限らない。
融解熱材料の利用において遭遇する他の問題は
加熱と冷却の数周期の後、液が塩−水和物から分
離し低水和の塩結晶すなわちこの場合無水塩を形
成する傾向があり、有効な融解熱の相当する損失
をもたらすことであつた。
異る言い方をすれば、硫酸ソーダ10水和物と多
数の他の塩−水和物の溶融は部分的に調和しない
ことがわかつた。すなわち、溶融の間いくらかの
無水硫酸ソーダが溶融中に解放されるその結晶水
中に不溶解のまゝ残留する。その高い密度により
硫酸ソーダは飽和した溶液中において沈む。この
混合物が機械的混合または撹拌なしに再び固化す
る時、溶解した硫酸ソーダは結晶水を結合する
が、容器の底面またはその近くのこれらの重い硫
酸ソーダの結晶はすぐ近くの水分子とのみ再結合
して固体の硫酸ソーダ10水和物結晶を形成する。
この固体層は結晶水の残りと残りの硫酸ソーダと
のそれ以上の再結合を妨害する。この効果によ
り、撹拌することなくあるいは添加物なしに固化
する場合、溶融硫酸ソーダ10水和物は3つの別個
の層−硫酸ソーダ10水和物の結晶中にいくらか埋
まつた白色無水硫酸ソーダ結晶の底部層、半透明
の硫酸ソーダ10水和物結晶の比較的大きな中間
層、および頂部の、液体飽和溶液の層を形成す
る。この塩を溶融するに必要な融解熱は、撹拌に
よりあるいは適当な添加物により固化の間塩を均
質化する場合に再び解放することのできる1ポン
ド当り108BTUである。冷却の間、(均質化また
は撹拌なしに)、熱解放は一層少い。何故なら沈
澱物の一部はその結晶水を再び得ることができな
いからである。混合物が冷却されるこの場合にお
いて塩の溶解度に従つていくらかの飽和溶液が残
る。塩−水和物の分離および沈降は妨害しなけれ
ばならない。
数年間に亘つて、継続的な加熱/冷却周期に関
してさへも塩−水和物が沈澱しないゲルをつくる
目的で熱貯蔵混合物中に添加物として濃化用剤が
包含された。かんなくず、木材パルプ、おがく
ず、種々の型の繊維素性混合物、および商品名
「メトセル」(“METHOCELL”)の下に販売され
た有機材料、澱粉および有機アルギン酸塩を包含
する多数の異る濃化用剤が試みられた。シリカゲ
ル、ケイ藻土、および他の微細分割シリカ生成物
のような無機の濃化用剤もまた使用された。これ
らの材料は多くは全く良くその目的を果したがそ
れは繰返し周期に制限があつた。若干の有機材料
は徐々に加水分解しまたは細菌によりあるいは酵
素作用により分解する。多くの場合、かような作
用は少量のホルムアルデヒドまたは他の適当な試
薬を添加することにより妨害または遅延させるこ
とができる。かんなくず、木材パルプ等は十分に
持続することが見出されなかつた。混合物中にお
いて形成されてシリカゲルはそれ自体それが余り
にも急速に濃化するので混合物を容器に満すため
の障害となることが証明された。
塩−水和物の共融物は種々の水和物の凝固点を
改良するために使用する。共融物の多くは塩化ナ
トリウム、塩化アンモニウム、塩化カリおよび他
の既知の型のような低格価の化合物を基礎とす
る。殆んどの共融物は部分的に不調和に溶融する
傾向があるので、また核発生用剤ならびに均質化
剤あるいは濃化用剤を必要とする。均質化剤は高
密度の無水化合物の沈澱を防止する。
したがつて、本発明の目的は先行技術の融解熱
混合物の多くの不利益を除去するにある。
本発明の他の目的は水と塩−水和物が凝固およ
び溶融の間に分離する傾向を減少した改良された
融解熱材料を提供するにある。
さらに本発明の目的は調和する材料が溶融する
ような仕方で溶融する融解熱混合物をつくるため
の改良法を提供するにある。
本発明の好適な態様によれば、材料の融解熱を
利用する熱エネルギの貯蔵のための方法は塩−水
和物、核発生用剤および均質化剤を含み、この中
均質化剤は揺変性(thixotropy)を示す粘土型物
質である。この粘度型物質は外観的にラス様
(lath−like)の粒子よりなる。好適にはアタパル
ジヤイト型粘土を使用する。
本明細書で使用する「ラス様」というのは、建
築用語で用いる「ラス」に似た形状の結晶粒子を
表わしている。すなわち、薄く細長い板状の形、
例えばヴエネチアンブラインドの一枚の板のよう
な形の結晶構造を指す。この結晶構造は例えばラ
ルフ、イー、グリム(Ralph E.Grim)著「クレ
イミネラロジー(Clay Mineralogy)」〔マツグロ
ーヒル社(McGraw−Hill Book Company)、
1968年発行〕。の第6図〜第10図に示されてい
る。
上記のように、熱エネルギーの貯蔵のための混
合物を製造する好適な方法は水と、ラス様である
その粒子によつて揺変性をあらわす粘土型物質と
を混合して開始混合物を形成し、この開始混合物
を塩と混合して水和物を形成される工程を包含す
る。このようにして組成物を製造する場合、その
組成物は塩−水和物の結晶のすべてを包みこむ揺
変性をあらわす安定な膠質懸濁液を提供し、結晶
が容器の底へ落下しそれによつて融解熱を減少す
ることを防止する。端的に言えば、かような混合
物は塩−水和物が不調和に溶融することを妨げる
ので、塩−水和物は溶液から分離しない。
本発明の混合物は熱エネルギーの貯蔵のために
使用する塩−水和物材料に対する均質化または濃
化用剤として作用する。濃化用剤は、熱エネルギ
ーの貯蔵のために使用する時かような材料中にお
いて典型的に起る継続的な加熱および冷却周期の
間の塩結晶の部分的に不調和な溶融に起因する塩
結晶の分離から水溶液を妨げる。熱エネルギーの
貯蔵のために使用することのできる塩−水和物は
本明細書中に前記したものを包含する。特に1ポ
ンド当り50BTUより大きな融解熱を有すべきこ
れらの好適な塩−水和物は塩化カルシウム6水和
物、炭酸ソーダ10水和物、リン酸二ソーダ12水和
物、硝酸カルシウム4水和物、硫酸ソーダ10水和
物、およびチオ硫酸ソーダ5水和物を包含する。
これらは前記の通りその比較的高い融解熱(1ポ
ンド当り50BTUより大きい)および低価格の故
に選ばれる。かような塩−水和物を、必要な場
合、既知の型の適当な核発生用剤と共に包含する
混合物は溶液を相を冷却する間における結晶化に
代る過冷却から防止するために調合する。好適に
は、1ポンド当り100BTUより大きな融解熱を有
する塩−水和物を使用する(前記の表参照)。
本発明によれば、継続的な加熱および冷却周期
の間塩−水和物の不調和な溶融を妨げるために新
規な均質化剤を使用する。本発明による均質化剤
は揺変性をあらわす粘土型物質であり、その粒子
はその構造がラース様である。この混合物におい
ては何らかの既知の核発生用の薬剤または装置を
使用することができる。かような核発生用剤は前
記テルケス特許において開示された薬剤を包含
し、硫酸ソーダ10水和物に対しては、合計の塩の
重量に基づき通常約2%ないし約5%、好適には
約3%ないし約4%の少量の四ホウ酸ソーダ10水
和物のような不均質な核発生用剤を包含する。そ
の他の核発生用剤ならびに1974年12月11日付にて
提出した本発明者の係属中の米国特許出願第
531674号に記載しかつ特許を請求した核発生用装
置を使用することができる。
本混合物中に使用する揺変性のもしくは均質化
用の薬剤は比較的低価格であるべきである。既知
の通り、揺変性剤は混合物を撹拌しまたは動揺し
ている間は水(または他の溶剤)と共に高度の流
体懸濁物を形成する。一方、混合物が静止する
時、混合物は通常短時間後に濃厚化してゲルを形
成する。
本発明によれば、粒子がその構造においてラス
様であり、また塩溶液または他の電解質の存在に
おいて高度のコロイド安定性を与える粘土型の揺
変性剤を使用する。本発明による使用に適するこ
の粘土はアタパルジヤイト、ポリゴルスカイトま
たはセピオライトとして既知である。かような粘
土を本明細書において以下にアタパルジヤイト−
型粘土と称する。かようなアタパルジヤイト−型
粘度の一つはウエスト−バージニア、バークリー
スプリング(Berkely Springs West Viginia)
のフロリデイン・コンパニー(Floridin
Company)によつて製造された商品名「Min−U
−Gel200」の下に商業的に入手可能である。こ
の特定の材料は200メツシユより微細なケイ酸カ
ルシウム水和物である。アタパルジヤイト粘土は
化学式(OH2)4(OH)2Mg5Si8O20・4H2Oを有す
る。この理論式によれば、アタパルジヤイトは水
和ケイ酸マグネシウムか、または一層特定的に
は、アルミニウムイオンは結晶構造中においてマ
グネシウムおよびケイ素イオンと置換することが
できるから、水和ケイ酸マグネシウムアルミニウ
ムである。かくして実際の化学分析は典型的に酸
化アルミニウム(Al2O3)の存在を示している。
この粘土の典型的な化学分析値は次の通りであ
る。
酸化物 アタパルジヤイト
SiO2 57.85
Al2O3 7.89
Fe2O3 2.82
FeO …
MgO 13.44
CaO 0.30
K2O 0.08
Na2O 0.53
TiO …
H2O−
H2O+ 16.95
計 99.86
構造的に、アタパルジヤイトは長軸に平行なケイ
素と酸素の四面体の二重連鎖よりなる。この二重
連鎖は六重の結合においてマグネシウム原子の間
隔層により連鎖されている。換言すれば、この連
鎖は縁に沿つて共に結びつく条片の網状組織を形
成する。各結晶単位中には8個の水分子を含有す
る。アタパルジヤイト粘土はそれらの長い縁にお
いて結合したラス形の単位の束として考えること
ができる。この独特の構造、すなわち三元連鎖の
故に、アタパルジヤイト粘土は、シートまたは板
様であるモントモリロナイト粘土のような粘土の
ように膨張することはできない。さらに、Si−O
−Si結合に沿う110面に平行な開裂は粒子にラス
様外観を与える。
粘土を水中に分散させる場合、このラス形の単
位はラスが共に連結しているこれらの縁に沿う開
裂により小さな束に分離する傾向がある。分裂の
度合は分解に入る仕事の量の函数である。個々の
ラスは分離してもよいが、それらはしばの積重ね
または千草の山と異らない束にとどまる傾向があ
る。千草の山−型の構造を形成する傾向がこれで
あり、この構造がアタパルジヤイト粘土に融解熱
混合物と共に用いるに特に適当なその異常な性質
を与えるもの信じられる。千草の山−型構造は結
晶の表面担持を維持する。アタパルジヤイトにか
ような高吸着を与えるのはその異常に高い表面積
である。この大表面積は束になる傾向と共にアタ
パルジヤイトにその性質を与える。商業的等級の
アタパルジヤイトの表面積は2110m2/gまで変化
する。アタパルジヤイトはそれ自身の重量の200
%まで水を吸収することができる。特に水の分子
を吸引し、また次にこの粘土に電解質の存在にお
いてさへもコロイド性をとどめさせるのはその表
面積である。
ラス様粘土は本発明による特別の有用性をそれ
に与える多数の有利な流動学的性質を有する。ラ
ス様結晶が解離して無作為の格子を形成する場
合、それは液体を捉えて系の粘度を増大する。そ
れらは新鮮な水および塩の水の両方を濃厚化する
ことができる。その懸濁物は揺変性であり、また
低濃度においてさへも高粘度を有する。懸濁物の
粘度は水性系においては添加物、分散剤により、
または非水性媒体中においては界面活性剤により
改良することができる。
典型的なアタパルジヤイトラスは長さ約1ミク
ロン、巾約0.01ミクロンおよび厚さ約500−100オ
ングストロームを有する。換言すれば、ラスの長
さ対厚さの比は約1000であり、一方ラスの長さ対
巾の比は約100である。
前記の通りコロイド性懸濁物中のアタパルジヤ
イト粘土は化学的に、通常、塩による影響を受け
ない。それらは凝結しない。多数の他の電解質、
特に融解熱材料として使用するこれらの塩−水和
物もまた殆んど影響を有しない。
本発明の好適な方法によれば、材料の融解熱を
冷熱を貯蔵するために使用することができるよう
に、安定なまた加熱および冷却(溶融および結晶
化)の多くの周期に亘つてさへも調和して溶融す
る融解熱材料が製造される。本方法の第1工程と
して、水をアタパルジヤイト粘土、揺変性剤と共
に激しく混合して開始混合物を形成させる。開始
混合物を若干時間放置し、間隔を置いて繰返し混
合することがしばしば望まれる。次にこの混合物
に微細結晶形のホウ砂のような核発生用剤を添加
し、十分に撹拌し、得られた生成物を塩−水和
物、例えば硫酸ソーダ10水和物の必要量と混合す
る。必要ならば、1974年12月11日付にて提出した
本発明者の係属中の米国特許出願第531674号中に
記載するような核発生用装置を使用して薬剤を省
くことができる。
得られた混合物は望ましい貯蔵管または他の貯
蔵系中へ動揺させながらタンクまたは混合用容器
から容易に流し出すことができる。充満した貯蔵
容器は密封する。混合物は撹拌を止めた後むしろ
急速にゲル化をはじめる。既知の熱および/また
は冷貯蔵系における容器をここで使用することが
できる。前記のように、それらは、塩−水和物の
高い融解熱の効果的な発生および使用を達成する
ための塩−水和物の調和した溶融による多数周期
の加熱および冷却が可能である。
実施例
本発明により、前記のようにして、水56重量
部、アタパルジヤイト粘土(Min−U−Gel200)
7ないし10重量、ホウ砂3重量部、硫酸ソーダ10
水和物44重量部の組成を有する熱貯蔵混合物を製
造した。この混合物を100回より多くの継続的な
加熱および冷却周期を受けさせた。これは5年よ
りも長い使用に相当し、何ら明らかな水の分離が
なかつた。塩−水和物のすべての融解熱が使用さ
れ、この混合物を極めて効果的な熱貯蔵材料とし
た。
本発明の上記実施例と共に対照として次の実験
をおこなつた。
(a) 他の濃化用剤を用いる実施例において使用し
た塩−水和物組成物を試験し、混合物を交互の
加熱および冷却周期を受けさせた。1つの実験
において添加物はベントナイトであつた。この
粘土は10重量%まで使用した。8周期の後、液
体分離は観察することができた。
(b) 他の実験において、石綿−パルプを10重量%
までの量において使用した。5周期の後、若干
の凝離を観察することができた。
(c) なお他の場合において、ラス様粒子を有しな
い粘土を10重量%までの量において試験した。
粘土はすぐれた濃化用剤であつたが、4周期の
後、或る限度への凝離を妨げることができなか
つた。
(d) さらに試験した場合、ケルプ(kelp)抽出
物に基づく一層高価な有機薬剤の若干の使用に
より100周期に近く得ることができたが、それ
らの使用は、材料を一層長い期間溶融状態に保
持した場合は、信頼できなかつた。寒冷を貯蔵
するため、本発明により、同じ揺変性添加物と
共に共融混合物を使用することができる。塩−
水和物の共融混合物は典型的な塩−水和物より
も低い凝固点を有し、したがつて空気調節の応
用において効果的であるに十分な低温において
寒冷を貯蔵することができる。如何なることが
あつても、分散剤、湿潤剤等を塩−水和物また
は塩−水和物の共融混合物と共に好適に使用す
ることができる。かような使用は必要な揺変性
剤の量を減少させ、また多くの場合経費を相当
に減少させることができる。
フロリデイン・コンパニー(Floridin Co.)か
ら入手し得る一つの級のアタパルジヤイト粘土、
Min−U−Gel200に対する添加物は安価な容易に
入手し得る材料であるピロリン酸四ソーダ
(TSPP)を使用して分散させることできる。こ
の分散剤は使用するMin−U−Gelの2ないし3
重量%の量において使用する。この推奨する方法
は必要量の水中にTSPPを溶解し、ついでMin−
U−Gelを添加して短時間急速に撹拌することに
よりなる。分散は急速に起り、TSPPを使用せず
に同一結果を得るための数時間の混合および放置
を許す必要もなく、最高粘度が敏速に得られる。
共融混合物に関して、本発明の範囲内にて濃厚
化混合物を生成させるため硫酸ソーダ10水和物と
共に使用した若干の塩を下表に示す。本表は使用
したモル比を示している。濃厚化硫酸ソーダ10水
和物混合物とともに使用することのできる共融混
合物は次の化合物を含有する。[Table] In use, these materials are usually placed in a closed container with a nucleating agent, and the system allows the heat of fusion of the selected material to be used to "store" the cold heat. Continuous heating and cooling above and below the melting point is performed. The need for a nucleating agent is discussed in U.S. Patent No. 2,667,664 [inventor Maria Telkes,
Patent dated May 4, 1954]. As described in this patent, a suitable heterogeneous nucleating agent is a small amount of about 2 to about 3% borax (sodium tetraborate decahydrate). These nucleating agents provide the necessary seeds to initiate crystal formation and thereby avoid supercooling that can occur in a quiescent liquid solution. Other known nucleation techniques can be used to promote crystallization. Of course, crystallization is necessary to utilize the heat of fusion of the material. With supercooling, only the specific heat of the material is used. The specific heat of the material is much less than its heat of fusion, so nucleation is necessary. Sodium tetraborate decahydrate in combination with Na 2 SO 4 10H 2 O (nearly isomorphic nucleation agent)
When using, after the onset of crystal formation it is possible to obtain complete crystallization in the melt by turning the container or shaking it from time to time. Unfortunately, when used for the storage of thermal energy, it is not always convenient or possible in this case to shake the container. Another problem encountered in the use of heat-of-fusion materials is that after several cycles of heating and cooling, the liquid tends to separate from the salt-hydrate and form less hydrated salt crystals, or in this case an anhydrous salt, which is less effective. This resulted in a corresponding loss of heat of fusion. Stated differently, the melting of sodium sulfate decahydrate and a number of other salt-hydrates was found to be partially discordant. That is, during melting some anhydrous sodium sulfate remains undissolved in the crystallization water released during melting. Due to its high density, sodium sulfate sinks in saturated solutions. When this mixture solidifies again without mechanical mixing or agitation, the dissolved sodium sulfate will combine with the water of crystallization, but these heavy sodium sulfate crystals at or near the bottom of the container will only re-solidify with water molecules in the immediate vicinity. Combine to form solid sodium sulfate decahydrate crystals.
This solid layer prevents further recombination of the remaining water of crystallization and the remaining sodium sulfate. Due to this effect, when solidified without stirring or without additives, molten sodium sulfate decahydrate forms three distinct layers - white anhydrous sodium sulfate crystals somewhat embedded in the sodium sulfate decahydrate crystals. , a relatively large middle layer of translucent sodium sulfate decahydrate crystals, and a top layer of liquid saturated solution. The heat of fusion required to melt this salt is 108 BTU per pound which can be released again if the salt is homogenized during solidification by stirring or by suitable additives. During cooling (without homogenization or stirring), less heat is released. This is because part of the precipitate cannot recover its water of crystallization. In this case some saturated solution remains depending on the solubility of the salt as the mixture is cooled. Salt-hydrate separation and precipitation must be prevented. For several years, thickening agents have been included as additives in thermal storage mixtures for the purpose of creating gels that do not precipitate salt-hydrates with continued heating/cooling cycles. A number of different thickeners, including wood shavings, wood pulp, sawdust, various types of cellulose mixtures, and organic materials sold under the trade name "METHOCELL", starches and organic alginates Medications were tried. Inorganic thickening agents such as silica gel, diatomaceous earth, and other finely divided silica products have also been used. Although many of these materials served their purpose quite well, they were limited in repetition rate. Some organic materials are gradually hydrolyzed or degraded by bacteria or by enzymatic action. In many cases, such effects can be prevented or delayed by adding small amounts of formaldehyde or other suitable reagents. Wood shavings, wood pulp, etc. were not found to last long enough. The silica gel formed in the mixture itself proved to be an obstacle to filling the container with the mixture as it thickened too quickly. Salt-hydrate eutectics are used to improve the freezing point of various hydrates. Many of the eutectics are based on low cost compounds such as sodium chloride, ammonium chloride, potassium chloride and other known types. Since most eutectic materials tend to melt incongruously in parts, they also require nucleating agents as well as homogenizing or thickening agents. Homogenizing agents prevent precipitation of dense anhydrous compounds. It is therefore an object of the present invention to eliminate many of the disadvantages of prior art heat of fusion mixtures. Another object of the invention is to provide an improved heat of fusion material that has a reduced tendency for water and salt-hydrate to separate during solidification and melting. It is a further object of the present invention to provide an improved method for producing heat-of-fusion mixtures that melt in such a way that compatible materials melt. According to a preferred embodiment of the invention, a method for the storage of thermal energy utilizing the heat of fusion of a material includes a salt-hydrate, a nucleating agent and a homogenizing agent, the homogenizing agent being It is a clay-type substance that exhibits denaturation (thixotropy). This viscosity-type material consists of particles that are lath-like in appearance. Attapulgiyaite type clay is preferably used. As used herein, "lath-like" refers to crystal grains having a shape similar to "lath" used in architectural terminology. In other words, a thin and elongated plate-like shape,
For example, it refers to a crystal structure shaped like a single board of Venetian blinds. This crystal structure is described, for example, in "Clay Mineralogy" by Ralph E. Grim (McGraw-Hill Book Company),
Published in 1968]. It is shown in FIGS. 6 to 10 of FIG. As mentioned above, a preferred method of producing a mixture for the storage of thermal energy is to form a starting mixture by mixing water and a clay-type material exhibiting thixotropy due to its lath-like particles; The starting mixture is mixed with a salt to form a hydrate. When the composition is prepared in this way, it provides a stable colloidal suspension exhibiting thixotropy that envelops all of the salt-hydrate crystals, allowing the crystals to fall to the bottom of the container and This prevents the heat of fusion from decreasing. In short, such a mixture prevents the salt-hydrate from melting inharmoniously, so that the salt-hydrate does not separate from the solution. The mixtures of the invention act as homogenizing or thickening agents for salt-hydrate materials used for thermal energy storage. Thickening agents result from the partially discordant melting of salt crystals during successive heating and cooling cycles that typically occur in such materials when used for thermal energy storage. Prevent the aqueous solution from separating the salt crystals. Salt-hydrates that can be used for thermal energy storage include those described herein above. In particular, these preferred salt-hydrates, which should have a heat of fusion greater than 50 BTU per pound, include calcium chloride hexahydrate, soda carbonate decahydrate, disodium phosphate dodecahydrate, and calcium nitrate tetrahydrate. sodium sulfate decahydrate, and sodium thiosulfate pentahydrate.
These are chosen because of their relatively high heat of fusion (greater than 50 BTU per pound) and low cost, as discussed above. Mixtures containing such salt-hydrates, if necessary together with suitable nucleating agents of known type, may be formulated to prevent the solution from supercooling instead of crystallization during phase cooling. do. Preferably, salt-hydrates with a heat of fusion greater than 100 BTU per pound are used (see table above). According to the present invention, a novel homogenizing agent is used to prevent inharmonious melting of the salt-hydrate during successive heating and cooling cycles. The homogenizing agent according to the invention is a clay-type material exhibiting thixotropy, the particles of which are lath-like in structure. Any known nucleating agent or device can be used in this mixture. Such nucleating agents include those disclosed in the Telkes patent, supra, and for sodium sulfate decahydrate, typically contain from about 2% to about 5%, preferably from about 2% to about 5%, based on the weight of the total salt. A small amount of a heterogeneous nucleating agent such as sodium tetraborate decahydrate is included in the amount of about 3% to about 4%. Other nucleation agents and the inventor's pending U.S. patent application filed December 11, 1974.
The device for nuclear generation described and claimed in No. 531674 can be used. The thixotropic or homogenizing agent used in the mixture should be relatively inexpensive. As is known, thixotropic agents form highly fluid suspensions with water (or other solvents) during agitation or agitation of a mixture. On the other hand, when the mixture is stationary, it usually thickens after a short time to form a gel. According to the invention, clay-type thixotropic agents are used whose particles are lath-like in their structure and which give a high degree of colloidal stability in the presence of salt solutions or other electrolytes. This clay suitable for use according to the invention is known as attapulgite, polygorskite or sepiolite. Such clays are hereinafter referred to as attapulgiaite.
It is called molded clay. One such attapulgite-type viscosity is Berkeley Springs West Virginia, West Virginia.
Floridin Compagnie
Product name “Min-U” manufactured by
- Gel200". This particular material is a calcium silicate hydrate finer than 200 mesh. Attapulgiyaite clay has the chemical formula (OH 2 ) 4 (OH) 2 Mg 5 Si 8 O 20 ·4H 2 O. According to this theoretical formula, attapulgite is a hydrated magnesium silicate or, more specifically, a hydrated magnesium aluminum silicate, since aluminum ions can replace magnesium and silicon ions in the crystal structure. . Thus, actual chemical analysis typically indicates the presence of aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
Typical chemical analysis values for this clay are as follows. Oxide attapulgite SiO 2 57.85 Al 2 O 3 7.89 Fe 2 O 3 2.82 FeO … MgO 13.44 CaO 0.30 K 2 O 0.08 Na 2 O 0.53 TiO … H 2 O− H 2 O+ 16.95 Total 99.86 Structurally, attapulgite has a long axis Consists of a double chain of silicon and oxygen tetrahedra parallel to . This double chain is linked by spaced layers of magnesium atoms in a sextuple bond. In other words, the chain forms a network of strips that tie together along the edges. Each crystal unit contains eight water molecules. Attapulgiyaite clays can be thought of as bundles of lath-shaped units connected at their long edges. Because of this unique structure, ternary chain, attapulgite clay cannot expand like clays such as montmorillonite clay, which are sheet- or plate-like. Furthermore, Si-O
Cleavage parallel to the 110 plane along the −Si bond gives the particles a lath-like appearance. When dispersing clay in water, this lath-shaped unit tends to separate into smaller bundles by cleavage along these edges where the laths connect together. The degree of splitting is a function of the amount of work that goes into the splitting. Individual laths may be separated, but they tend to remain in bundles not unlike a stack of brushwood or a pile of grass. It is this tendency to form a Chigusa mountain-type structure, and it is believed that this structure gives the attapulgite clay its unusual properties that make it particularly suitable for use with heat-of-fusion mixtures. Chigusa's mountain-shaped structure maintains the surface support of the crystals. What gives attapulgite such high adsorption is its unusually high surface area. This large surface area, along with its tendency to bundle, gives attapulgiyaite its properties. The surface area of commercial grade attapulgiaite varies up to 2110 m 2 /g. Attapulgite has its own weight of 200
Can absorb up to % water. In particular, it is the surface area that attracts water molecules and in turn allows the clay to remain colloidal even in the presence of electrolytes. Lath-like clays have a number of advantageous rheological properties that give them particular utility according to the present invention. When the lath-like crystals dissociate to form a random lattice, they trap liquid and increase the viscosity of the system. They can thicken both fresh and salt water. The suspension is thixotropic and has a high viscosity even at low concentrations. In aqueous systems, the viscosity of suspensions depends on additives and dispersants.
Alternatively, in a non-aqueous medium, it can be improved with a surfactant. A typical attapulgia truss has a length of about 1 micron, a width of about 0.01 micron, and a thickness of about 500-100 Angstroms. In other words, the length to thickness ratio of the lath is about 1000, while the length to width ratio of the lath is about 100. As mentioned above, attapulgite clay in colloidal suspension is chemically generally unaffected by salts. They do not clump. numerous other electrolytes,
These salt-hydrates, which are used in particular as heat-of-fusion materials, also have little influence. According to a preferred method of the invention, the material remains stable and stable over many cycles of heating and cooling (melting and crystallization) so that the heat of fusion of the material can be used to store cold energy. A heat-of-fusion material is produced that melts harmoniously. As a first step in the process, water is vigorously mixed with the attapulgite clay and thixotropic agent to form a starting mixture. It is often desirable to let the starting mixture stand for some time and mix repeatedly at intervals. A nucleating agent such as borax in microcrystalline form is then added to this mixture, thoroughly stirred and the resulting product is mixed with the required amount of salt-hydrate, e.g. sodium sulfate decahydrate. Mix. If necessary, the drug can be dispensed with using a nuclear generating device such as that described in the inventor's pending US patent application Ser. No. 531,674 filed December 11, 1974. The resulting mixture can be easily flushed from the tank or mixing vessel with agitation into a desired storage tube or other storage system. Seal the filled storage container. The mixture begins to gel rather quickly after the stirring is stopped. Containers in known thermal and/or cold storage systems can be used here. As mentioned above, they are capable of multiple cycles of heating and cooling with coordinated melting of the salt-hydrate to achieve effective generation and use of the high heat of fusion of the salt-hydrate. EXAMPLE According to the present invention, 56 parts by weight of water, attapulgite clay (Min-U-Gel 200) were prepared as described above.
7 to 10 parts by weight, 3 parts by weight of borax, 10 parts by weight of sodium sulfate
A thermal storage mixture was produced having a composition of 44 parts by weight of hydrate. This mixture was subjected to more than 100 consecutive heating and cooling cycles. This corresponds to more than 5 years of use without any obvious water separation. All of the heat of fusion of the salt-hydrate was used, making this mixture a highly effective heat storage material. In addition to the above examples of the present invention, the following experiment was conducted as a control. (a) The salt-hydrate compositions used in the examples with other thickening agents were tested and the mixtures were subjected to alternating heating and cooling cycles. In one experiment the additive was bentonite. This clay was used up to 10% by weight. After 8 cycles, liquid separation could be observed. (b) In another experiment, 10% by weight of asbestos-pulp
It was used in amounts up to. After 5 cycles some segregation could be observed. (c) In still other cases, clays without lath-like particles were tested in amounts up to 10% by weight.
Although the clay was an excellent thickening agent, it could not prevent segregation to a certain extent after four cycles. (d) In further tests, close to 100 cycles could be obtained with the use of some more expensive organic agents based on kelp extracts, but their use did not allow the material to remain in the molten state for longer periods. If held, it was unreliable. For storing refrigeration, a eutectic mixture can be used according to the invention with the same thixotropic additive. Salt-
Eutectic mixtures of hydrates have lower freezing points than typical salt-hydrates and therefore can store refrigeration at sufficiently low temperatures to be effective in air conditioning applications. In all cases, dispersants, wetting agents, etc. can be suitably used with the salt-hydrate or salt-hydrate eutectic mixture. Such use reduces the amount of thixotropic agent required and can often reduce costs considerably. A grade of attapulgite clay available from Floridin Co.
Additives to Min-U-Gel 200 can be dispersed using tetrasodium pyrophosphate (TSPP), an inexpensive and readily available material. This dispersant is 2 to 3 times the amount of Min-U-Gel used.
Used in an amount of % by weight. The recommended method is to dissolve TSPP in the required amount of water and then
By adding U-Gel and stirring rapidly for a short period of time. Dispersion occurs rapidly and maximum viscosity is quickly achieved without the need to allow hours of mixing and standing to obtain the same results without the use of TSPP. Regarding eutectic mixtures, the table below lists some of the salts used with sodium sulfate decahydrate to produce thickened mixtures within the scope of the present invention. The table shows the molar ratios used. A eutectic mixture that can be used with the concentrated sodium sulfate decahydrate mixture contains the following compounds:
【表】
一般に、塩−水和物または共融混合物約92%な
いし約95%を揺変性剤約5%ないし約8%と共に
使用するのが好適である。核発生用剤はホウ砂か
または1974年12月11日に提出の本発明者の係属中
の米国特許出願第531674号中に記載するような核
発生用装置の何れかであることができる。本発明
において使用する揺変性剤は殆んどの他の塩−水
和物と共に使用することができること、および硫
酸ソーダ10水和物および特に本明細書中に記述し
たその他のものは単に例示としておよび好適な態
様を列挙するために与えられるものであることも
また認識されるべきである。
このように、太陽エネルギーの貯蔵における融
解熱材料として使用するための塩−水和物および
その共融混合物と併用する均質化剤としてのアタ
パルジヤイト型粘土の使用を記述した。さらに、
かような混合物を形成させる独特の方法を記述す
る。
本発明の概念から多数の態様をつくることがで
き、また本明細書中前述した態様において多数の
改良をおこなうことができる。したがつて、本明
細書に記述する材料のすべてが単に説明のため、
例示のためであり、限定した意味におけるもので
なものと解釈すべきことを理解しなければならな
い。当該技術者に対しそれ自体容易に示唆するこ
とのできる種々の改良は、先行技術の許す限り前
記特許請求の範囲に含まれる。TABLE In general, it is preferred to use about 92% to about 95% of the salt-hydrate or eutectic mixture with about 5% to about 8% of the thixotropic agent. The nucleating agent can be either borax or a nucleating device such as that described in the inventor's pending US patent application Ser. No. 531,674 filed December 11, 1974. It is understood that the thixotropic agents used in the present invention can be used with most other salt-hydrates, and that sodium sulfate decahydrate and others specifically mentioned herein are used by way of example only and It should also be appreciated that this is given to enumerate preferred embodiments. Thus, the use of attapulgite-type clays as homogenizing agents in conjunction with salt-hydrates and their eutectic mixtures for use as heat-of-fusion materials in the storage of solar energy has been described. moreover,
A unique method for forming such a mixture is described. Numerous embodiments can be made from the inventive concept, and numerous modifications can be made in the embodiments hereinbefore described. Accordingly, all of the materials described herein are for illustrative purposes only.
It is to be understood that these are for illustrative purposes only and are to be construed in a limited sense. Various improvements which may themselves be readily suggestible to those skilled in the art are included within the scope of the claims to the extent permitted by the prior art.
Claims (1)
する塩−水和物、核発生剤、およびラス様粒子を
有するアタパルジヤイト型粘土物質からなる揺変
性剤を含む組成物の融解熱を利用する熱エネルギ
ーの貯蔵用混合物。 2 塩−水和物が寒冷の貯蔵に対して低温融解性
の塩−水和物である特許請求の範囲第1項の組成
物。 3 混合物が水約56重量部、アタパルジヤイト粘
土約7から10重量部、ホウ砂約3重量部、硫酸ソ
ーダ10水和物約44重量部よりなる特許請求の範囲
第1項の組成物。 4 ラス様粒子が長さ約1ミクロン、巾0.01ミク
ロン、および厚さ50−100オングストロームであ
る特許請求の範囲第1項の組成物。 5 ラス様粒子が長さ対厚さ比約1000を有する特
許請求の範囲第1項の組成物。 6 ラス様粒子が長さ対巾の比約100を有する特
許請求の範囲第1項の組成物。 7 塩−水和物が1ポンド当り100BTUより大き
な融解熱を有する特許請求の範囲第1項の組成
物。 8 水を、水中に分散したときに揺変性を示すラ
ス様粒子を有するアタパルジヤイト型粘土物質と
混合して開始混合物を形成し、該開始混合物を核
発生剤および塩と混合して、1ポンド当り
50BTUより大きな融解熱を有する塩−水和物を
保持する工程を含む熱エネルギーの貯蔵のための
混合物を製造する方法。 9 水を粘土型物質と混合するに先立つて先ず水
中に分散剤を溶解させる特許請求の範囲第8項の
方法。 10 塩−水和物が1ポンド当り100BTUより大
きな融解熱を有する特許請求の範囲第8項の方
法。Claims: 1. The heat of fusion of a composition comprising a salt-hydrate having a heat of fusion greater than 50 BTU per pound, a nucleating agent, and a thixotropic agent consisting of an attapulgite-type clay material having lath-like particles. Mixture for storage of utilized thermal energy. 2. The composition of claim 1, wherein the salt-hydrate is a low-melting salt-hydrate upon cold storage. 3. The composition of claim 1, wherein the mixture comprises about 56 parts by weight of water, about 7 to 10 parts by weight of attapulgite clay, about 3 parts by weight of borax, and about 44 parts by weight of sodium sulfate decahydrate. 4. The composition of claim 1, wherein the lath-like particles are about 1 micron long, 0.01 micron wide, and 50-100 Angstroms thick. 5. The composition of claim 1, wherein the lath-like particles have a length-to-thickness ratio of about 1000. 6. The composition of claim 1, wherein the lath-like particles have a length-to-width ratio of about 100. 7. The composition of claim 1, wherein the salt-hydrate has a heat of fusion greater than 100 BTU per pound. 8 Water is mixed with an attapulgite-type clay material having lath-like particles that exhibit thixotropy when dispersed in water to form a starting mixture, and the starting mixture is mixed with a nucleating agent and a salt to produce a
A method of producing a mixture for thermal energy storage comprising retaining a salt-hydrate having a heat of fusion greater than 50 BTU. 9. The method of claim 8, wherein the dispersant is first dissolved in the water prior to mixing the water with the clay-type material. 10. The method of claim 8, wherein the salt-hydrate has a heat of fusion greater than 100 BTU per pound.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10871276A JPS5334687A (en) | 1976-09-10 | 1976-09-10 | Mixture for heat energy storage utilizing heat of fusion |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10871276A JPS5334687A (en) | 1976-09-10 | 1976-09-10 | Mixture for heat energy storage utilizing heat of fusion |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS5334687A JPS5334687A (en) | 1978-03-31 |
JPS6221038B2 true JPS6221038B2 (en) | 1987-05-11 |
Family
ID=14491674
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP10871276A Granted JPS5334687A (en) | 1976-09-10 | 1976-09-10 | Mixture for heat energy storage utilizing heat of fusion |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS5334687A (en) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS56143285A (en) * | 1980-04-08 | 1981-11-07 | Takabishi Kagaku Kk | Two-pack type cooling agent |
JPS56147883A (en) * | 1980-04-16 | 1981-11-17 | Takabishi Kagaku Kk | Two-part cooling medium |
JPS6278074A (en) * | 1985-09-23 | 1987-04-10 | デイ−・リンドレイ・ヘンリ− | Thermal packaging assembly, thermal packaging material and thermal packaging method |
JPH01139131A (en) * | 1988-07-21 | 1989-05-31 | Takeda Chem Ind Ltd | How to transport slurry |
JP5062729B2 (en) * | 2007-01-31 | 2012-10-31 | 昭和Kde株式会社 | Latent heat storage material composition and process for producing the same |
-
1976
- 1976-09-10 JP JP10871276A patent/JPS5334687A/en active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS5334687A (en) | 1978-03-31 |
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