WO2011058620A1 - 蓄熱材、及び同蓄熱材の製造方法 - Google Patents

Abstract

　蓄熱材は、温度に応じて相変化する相変化物質１０と、同相変化物質１０よりも融点が高く、且つ同相変化物質を透過させない物質からなる被覆層３０とを備えており、被覆層３０の中に相変化物質１０が封入されている。

Description

蓄熱材、及び同蓄熱材の製造方法

　本発明は、吸着材とともにキャニスタに収容される蓄熱材に関し、特に内部に封入された相変化物質の潜熱を利用して吸着材の温度変化を抑制する蓄熱材、及び同蓄熱材の製造方法に関するものである。

　内燃機関を搭載した車両には、燃料タンク内に発生した燃料蒸気がそのまま大気中に放出されることを抑制するために、燃料蒸気に含まれる燃料成分を吸着する吸着材を備えたキャニスタが設けられている。

　このキャニスタは、燃料タンク内に発生した燃料蒸気に含まれる燃料成分を一時的に吸着材に吸着させ、その後の機関運転中に空気を導入して吸着材に吸着していた燃料成分を脱離させる。そして、吸着材から脱離した燃料成分を、空気とともに内燃機関の燃焼室に導入し、機関運転に伴って燃焼させる。

　ところで、吸着材はその温度が低いときほど燃料成分を吸着しやすく、温度が高いときほど燃料成分を脱離しやすい。しかしながら、吸着材への燃料成分の吸着は発熱反応であるため、燃料成分の吸着に伴って吸着材はその温度が上昇し、吸着能力が低下してしまう。また一方で、吸着材からの燃料成分の脱離は吸熱反応であるため、燃料成分の脱離に伴って吸着材はその温度が低下し、燃料成分が脱離しにくくなってしまう。

　そこで、温度変化によって相変化する相変化物質を封入した蓄熱材を吸着材に接触させた状態で収容しているキャニスタもある。こうしたキャニスタにあっては、吸着材が燃料成分を吸着、脱離するのに適した温度範囲内に融点がある物質が相変化物質として封入されている蓄熱材を、吸着材に接触させた状態で収容している。そして、燃料成分が吸着材に吸着するときに発生する熱を相変化物質が融解するときの潜熱によって吸収し、吸着材の温度上昇を抑制する。一方で、相変化物質が凝固するときの潜熱を利用して燃料成分が吸着材から脱離するときの吸着材の温度低下を抑制する。

　特許文献１には、相変化物質を樹脂で被覆することによって樹脂製の外殻の中に相変化物質を封入したマイクロカプセル型の蓄熱材を形成し、これをペレット状の吸着材と混合したものを収容したキャニスタが記載されている。このようにマイクロカプセル型の蓄熱材を、吸着材と混合してキャニスタに収容することにより、吸着材と蓄熱材との接触面積を増大させることができ、吸着材の温度変化を効果的に抑制することができるようになる。

特開２００６‐２０７４８５号公報

　ところが、上記特許文献１に記載されているように樹脂によって形成された外殻を有する蓄熱材にあっては、相変化物質が外殻を構成している樹脂の分子の隙間を通じて透過してしまい、相変化を繰り返すうちに相変化物質の量が減少してしまう。

　相変化物質の量が減少すると、相変化に伴って蓄熱材に蓄えることのできる熱量が小さくなり、吸着材の温度変化を十分に抑制することができなくなってしまう。また、外殻を透過して漏れ出した相変化物質が吸着材に吸着すると、その分だけ吸着材に吸着させるこのできる燃料成分の量が低下してしまい、吸着材の能力が低下してしまう。

　本発明の目的は、相変化物質の減少による蓄熱能力の低下を抑制するとともに、外殻を透過して漏れ出した相変化物質が吸着材に吸着することによる吸着材の能力の低下を抑制することのできる蓄熱材、及び同蓄熱材の製造方法を提供することにある。

　上記目的を達成するため、本発明に従う蓄熱材は、温度に応じて相変化する相変化物質と、同相変化物質よりも融点が高く、且つ同相変化物質を透過させない物質からなる被覆層とを備えている。そして、本発明に従う蓄熱材にあっては、前記被覆層の中に前記相変化物質が封入されている。

　こうした構成によれば、相変化物質を透過させない物質によって形成された被覆層の中に相変化物質が封入されているため、相変化物質が被覆層を透過して外に漏れ出すことが抑制されるようになる。すなわち、相変化物質の減少による蓄熱能力の低下を抑制するとともに、外殻を透過して漏れ出した相変化物質が吸着材に吸着することによる吸着材の能力の低下を抑制することができる。

　本発明の一態様では、相変化物質としてパラフィン系炭化水素が適用される。車両のキャニスタに吸着材とともに収容される蓄熱材にあっては、融点が外気温近傍（例えば０℃～４０℃）の温度範囲にある物質を相変化物質として適用することが望ましい。パラフィン系炭化水素の中には、この温度範囲に融点を有するものがある。そのため、融点がこうした温度範囲にあるパラフィン系炭化水素を相変化物質として適用することが好ましい。

　また、被覆層は、金属によって形成することが好ましい。重合反応によって合成された樹脂は分子の間に隙間が生じることが避けられない。そのため、相変化物質は樹脂を透過しやすい。これに対して金属は、原子同士が金属結合によって密に結合している。そのため、相変化物質は金属で形成された被覆層を透過することができない。

　そこで、上記のように金属で被覆層を形成すれば、相変化物質が被覆層を透過して漏れ出すことを抑制することができる。
　本発明の一態様では、蓄熱材は、前記被覆層と、前記相変化物質との間に、前記被覆層を構成する物質よりも融点が低く、且つ前記相変化物質よりも融点の高い物質によって形成された中間層を有している。

　被覆層を構成する物質の融点が相変化物質の沸点よりも高すぎるときには、被覆層を構成する物質を溶融させ、溶融したこの物質によって相変化物質を被覆しようとしたときに相変化物質が蒸散してしまう。そのため、この場合には被覆層の中に相変化物質を封入することが困難である。

　これに対して、上記のように被覆層を構成する物質よりも融点が低く、且つ相変化物質よりも融点の高い物質によって相変化物質の周囲に中間層が形成されている場合には、被覆層を構成する物質を溶融させ、溶融したこの物質によって相変化物質を被覆しようとしたときに中間層によって相変化物質の蒸散が抑制されるようになる。すなわち、こうした中間層を設けることにより、中間層によって相変化物質の蒸散を抑制し、相変化物質の沸点よりも融点の高い物質によって被覆層を形成することができるようになる。尚、中間層は樹脂によって形成することが好ましい。

　また、上記目的を達成するため、本発明に従う蓄熱材の製造方法は、温度に応じて相変化する相変化物質を同相変化物質よりも融点の高い第１の物質で被覆する第１被覆工程と、前記第１被覆工程を経て前記第１の物質で被覆された前記相変化物質を前記第１の物質よりも融点が高く、且つ前記相変化物質を透過させない第２の物質で被覆する第２被覆工程とを含んでいる。

　相変化物質を透過させない物質によって相変化物質を被覆するようにしているため、こうした製造方法によって製造された蓄熱材にあっては、相変化物質が外に漏れ出すことが抑制されるようになる。すなわち、相変化物質の減少による蓄熱能力の低下を抑制するとともに、外殻を透過して漏れ出した相変化物質が吸着材に吸着することによる吸着材の能力の低下を抑制することができる。

　ところで、第２の物質の融点が相変化物質の沸点よりも高すぎるときには、第２の物質を溶融させ、溶融した第２の物質によって相変化物質を被覆しようとしたときに相変化物質が蒸散してしまう。そのため、この場合には相変化物質を第２の物質で被覆することが困難である。

　これに対して、上記のように第２の物質よりも融点が低く、且つ相変化物質よりも融点の高い第１の物質によってまず相変化物質を被覆し、第１の物質によって被覆された相変化物質を第２の物質によって被覆すれば、第１の物質によって形成された中間層によって相変化物質の蒸散が抑制されるようになり、相変化物質の沸点よりも融点の高い第２の物質によって相変化物質を被覆することができるようになる。

　尚、相変化物質としては、パラフィン系炭化水素を適用することが望ましい。また、第１の物質としては樹脂を適用することが好ましく、第２の物質としては金属を適用することが好ましい。

実施形態にかかる蓄熱材の断面図。 （ａ）は第１被覆工程を経て中間層が形成された状態を示す断面図、（ｂ）は第２被覆工程を経て被覆層が形成された状態を示す断面図。 同実施形態の変更例にかかる蓄熱材の断面図。 同実施形態の変更例にかかる蓄熱材の断面図。

　以下、本発明にかかる蓄熱材を、吸着材と混合されて車両のキャニスタに収容されるマイクロカプセル型の蓄熱材に適用した一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。尚、図１は本実施形態にかかる蓄熱材の断面図である。

　本実施形態にかかる蓄熱材は、図１に示されるように中間層２０と被覆層３０とからなる２層構造の外殻４０の内部に相変化物質１０を封入したマイクロカプセル型の蓄熱材である。

　本実施形態にかかる蓄熱材にあっては、内包材である相変化物質１０として融点が０℃～４０℃の範囲にあるパラフィン系炭化水素を適用するようにしている。具体的には、融点が１０℃のペンタデカン、融点が１８℃のヘキサデカン、融点が２８℃のオクタデカン、融点が４０℃のヘンイコサン等を相変化物質１０として適用するようにしている。

　尚、このように融点が０℃～４０℃の範囲にある物質を相変化物質１０として適用するのは、車両が使用される環境において固体、液体間の相変化を生じさせ、その潜熱によって吸着材の温度変化を効果的に抑制するためである。したがって、相変化物質としてどのような物質を適用するかは、車両が使用される環境における外気温等に応じて適宜変更することができる。

　また、相変化物質１０は、単体のみならず、使用される環境に適した融点にするために融点を調整するための添加剤を添加したり、耐久性を高めるために過冷却防止剤を添加したり、相分離防止剤を添加したりして混合物として使用してもよい。

　相変化物質１０は、図１に示されるように樹脂によって形成された中間層２０と、金属によって形成された被覆層３０とからなる２層構造の外殻４０によって被覆されている。中間層２０を構成する樹脂としては、例えば、融点が１６０～１８５℃のポリフッ化ビニリデン、融点が１７５℃のポリアセタール、融点が２４０～２６０℃のナイロン、融点が３２７℃のポリテトラフルオロエチレン等を使用することができる。

　そして、被覆層３０を構成する金属としては、例えば、融点が２３２℃の錫、融点が６６０℃のアルミニウム、融点が１０８３℃の銅等を適用することができる。また、金属化合物や合金で被覆層３０を形成してもよい。

　このように金属の被覆層３０によって中間層２０によって被覆された相変化物質１０を更に被覆するのは、相変化物質１０が樹脂によって形成された中間層２０を透過して漏れ出すことを抑制するためである。

　重合反応によって合成された樹脂は分子の間に隙間が生じることが避けられない。そのため、相変化物質１０は樹脂によって形成された中間層２０を透過しやすい。これに対して金属は、原子同士が金属結合によって密に結合しているため、相変化物質１０がこれを透過することはできない。そこで、本実施形態の蓄熱材にあっては、中間層２０によって被覆された相変化物質１０を、相変化物質１０を透過させない金属の被覆層３０で更に被覆し、２層構造の外殻４０を形成するようにしている。

　次に、この蓄熱材の製造方法について図２を参照して説明する。
　まず、第１被覆工程として図２（ａ）に示されるように、相変化物質１０を同相変化物質１０よりも融点が高く、且つ被覆層３０を構成する金属よりも融点の低い樹脂によって被覆し、中間層２０を形成する。

　尚、樹脂によって中間層２０を形成する方法としては、樹脂製の外殻を有するマイクロカプセル型の蓄熱材を製造する際に適用されている周知の方法（例えば、コアセルベーション法、界面重合法、界面沈殿法、液中乾燥法等）を適用することができる。

　こうして第１被覆工程を通じて相変化物質１０を樹脂による中間層２０によって被覆すると、第２被覆工程へと進む。
　第２被覆工程にあっては、第１の被覆工程を経て、中間層２０によって被覆された相変化物質１０を溶融した金属で被覆し、金属を凝固させて図２（ｂ）に示されるように金属による被覆層３０を形成する。

　このように樹脂の中間層２０の外側に金属の被覆層３０を形成することによって２層構造の外殻４０が形成され、相変化物質１０を内包したマイクロカプセル型の蓄熱材が完成する。

　このように製造された蓄熱材は、ペレット状に成型した活性炭からなる吸着材と混合されてキャニスタに収容され、車両の燃料タンク等に搭載される。
　以上した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

　（１）金属によって構成された相変化物質１０を透過させない被覆層３０の中に相変化物質１０が封入されているため、相変化物質１０が被覆層３０を透過して外殻４０の外に漏れ出すことが抑制されるようになる。すなわち、相変化物質１０の減少による蓄熱能力の低下を抑制するとともに、外殻４０を透過して漏れ出した相変化物質１０が吸着材に吸着することによる吸着材の能力の低下を抑制することができる。
（２）被覆層３０を構成する金属の融点は、相変化物質１０として適用されるパラフィン系炭化水素の沸点よりも非常に高い。そのため、被覆層３０を構成する金属を溶融させ、溶融したこの金属によって相変化物質１０を被覆しようとしたときには、相変化物質１０が一瞬で蒸発し、発散してしまう。そのため、相変化物質１０を金属の被覆層３０の中に封入した蓄熱材を製造することは困難である。

　これに対して、上記実施形態で示した製造方法のように、被覆層３０を構成する金属よりも融点が低く、且つ相変化物質１０よりも融点の高い樹脂によって始めに中間層２０を形成する製造方法を採用すれば、中間層２０によって相変化物質１０の蒸散が抑制されるようになり、相変化物質１０の沸点よりも融点の高い金属によって被覆層３０を形成することができるようになる。

　尚、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
　・上記実施形態にあっては、溶融した金属の熱によって相変化物質１０が蒸散してしまうことを防ぐため、相変化物質１０を樹脂で被覆して中間層２０を形成してから金属の被覆層３０を形成する構成を示した。これに対して、被覆層３０を構成する金属の融点が低く、相変化物質１０を金属で直接被覆することができる場合には、中間層２０を省略し、図３に示されるように相変化物質１０を金属の被覆層３０で直接被覆した構造の蓄熱材にすることもできる。すなわち、相変化物質１０を透過させない物質によって被覆層３０が形成されており、その被覆層３０の中に相変化物質１０が封入されていれば、蓄熱材の外殻は１層であってもよい。

　・また、相変化物質１０を透過させない物質によって被覆層３０が形成されており、その被覆層３０の中に相変化物質１０が封入されていれば、被覆層３０の内側又は外側に他の層が形成されていてもよい。例えば、図４に示されるように相変化物質１０を金属で被覆することによって被覆層３０を形成し、更にその外側に金属の腐食を防止するために樹脂による保護層５０を形成して２層構造の外殻４０を形成するようにしてもよい。すなわち、相変化物質１０を透過させない被覆層３０を有しており、被覆層３０の中に相変化物質１０が封入されていれば、外殻４０の構造は適宜変更することができる。

　・上記実施形態にあっては、相変化物質１０としてパラフィン系炭化水素を適用する例を示したが、相変化物質１０はパラフィン系炭化水素に限定されるものではない。すなわち、使用される環境下において相変化を繰り返し、その潜熱によって吸着材の温度変化を抑制することのできる物質であれば相変化物質１０として適用する物質は適宜変更することができる。

　・上記実施形態にあっては、被覆層３０を金属で形成する構成を例示したが、被覆層３０は相変化物質１０を透過しない物質であれば、金属以外の物質で形成されていてもよい。

　・中間層２０を樹脂で形成する構成を示したが、中間層２０は被覆層３０を構成する物質によって相変化物質１０を被覆する際に相変化物質１０が蒸散してしまうことを防ぐことのできる物質であれば、樹脂以外の物質で形成されていてもよい。

１０…相変化物質、２０…中間層、３０…被覆層、４０…外殻、５０…保護層。

Claims (9)

1. 　温度に応じて相変化する相変化物質と、同相変化物質よりも融点が高く、且つ同相変化物質を透過させない物質からなる被覆層とを備え、
   　前記被覆層の中に前記相変化物質が封入されている
   　ことを特徴とする蓄熱材。
2. 　前記相変化物質が、パラフィン系炭化水素である
   　請求項１に記載の蓄熱材。
3. 　前記被覆層が、金属によって形成されている
   　請求項１又は請求項２に記載の蓄熱材。
4. 　前記被覆層と、前記相変化物質との間に、
   　前記被覆層を構成する物質よりも融点が低く、且つ前記相変化物質よりも融点の高い物質によって形成された中間層を有している
   　請求項１～３のいずれか一項に記載の蓄熱材。
5. 　前記中間層が、樹脂によって形成されている
   　請求項４に記載の蓄熱材。
6. 　温度に応じて相変化する相変化物質を同相変化物質よりも融点の高い第１の物質で被覆する第１被覆工程と、
   　前記第１被覆工程を経て前記第１の物質で被覆された前記相変化物質を前記第１の物質よりも融点が高く、且つ前記相変化物質を透過させない第２の物質で被覆する第２被覆工程とを含む
   　ことを特徴とする蓄熱材の製造方法。
7. 　前記相変化物質が、パラフィン系炭化水素である
   　請求項６に記載の蓄熱材の製造方法。
8. 　前記第２の物質が、金属である
   　請求項６又は請求項７に記載の蓄熱材の製造方法。
9. 　前記第１の物質が、樹脂である
   　請求項６～８のいずれか一項に記載の蓄熱材の製造方法。

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