JP2007314741A - 潜熱蓄熱材組成物 - Google Patents

Abstract

【課題】 融点が５７℃の温度域にあり、暖房用システムの蓄熱材として使用する潜熱蓄熱材組成物の提供。
【解決手段】
一般式ＣＨ_３ＣＯＯＮａ・ｎＨ_２Ｏ（ｎは３，０）（ここにｎは３，０）の組成を有する酢酸ナトリウム水和物１００重量部に対し、コハク酸及び／又は沸化リチウムの複合物等の結晶化促進シ−ト材と相分離抑制材として、９０℃の耐熱性を所要する吸着固定材にアパジャイト及び／またはセピオライトセラミックスを１〜２０重量部と、好ましくはアパジャイト及びセピオライトの混合比（重量）が９／１〜１／９の混合物０．１〜２０重量部を混合し、更に必要に応じてフィラ−にグラスファイバ−を始めとする各種ファイバ−を０．１〜１０重量部を混合してなる酢酸ナトリウム系潜熱蓄熱材組成物。
【選択図】なし。

Description

発明の詳細な説明

本発明は潜熱蓄熱材に関するものである。更に詳しくは、住宅やビル等の給湯／暖房のシステムに適応する温度域に使用に有用な潜熱蓄熱組成物に関する。

融解と凝固の過程で、一定の温度に大量の潜熱を吸熱及び放熱する物質は、温度変化を伴わずにこの潜熱を蓄熱させ、これを必要時に温度変化を伴わずに熱を放出または吸収させて有効に利用できるので、潜熱蓄熱材として、ヒ−トポンプなどによる大気熱や廃熱、太陽熱の蓄熱、定廉な夜間電力の利用等にかかわる数多くの蓄熱物質とこれを用いる提案がなされている。

各種の無機系水和塩等は優れた蓄熱材として知られているが、無機系水和塩は包晶点が転移融点ゆえに、融解にかかる加熱温度は調和融点より高温になる。従って融解する際に無機塩固体とその飽和水溶液の２相に分離し、これを冷却しても水和塩が生成しないなどの現象を起こしていた。

温度調和の手法として加水や調和物による融点変更等の方法が提案されている。結果において、構成された組成物は融点温度及び熱量を降下させていた。また潜熱蓄熱材の融解潜熱を有効に利用するためには、その融解点／凝固点を使用温度域内で確実に作用するように調節する必要があった。

潜熱蓄熱材として広く知られている酢酸ナトリウム３水和物は融解点／凝固点は５７．５℃、その潜熱量は６０ｃａｌ／ｇである。水和物としては、利用範囲に融点を有する優れた潜熱蓄熱素材であるが、理論融点５７．５℃を温熱用システムに利用するには、酢酸ナトリウム３水和物の素材のままでは蓄熱材としては使用に適さない。該素材物質の包晶移転に係わる融解には、加熱温度は８０℃に達し、加熱時間等を変更しても７０℃以上の加熱温度が必要であった。

従って酢酸ナトリウム水和物の組成を維持するシックナ−及びシ−ド剤の成分は、おのずと耐熱性能が要求されていた。特に酢酸ナトリウム３水和物は過冷却や前項に掲げた成分密度の相違による相分離現象は水和物のなかでも際立っおり、その特異性が潜熱利用の妨げとなっていた。

酢酸ナトリウム３水和物のような組成物を安定させて、温熱用の潜熱蓄熱材として用いる提案が知られいる（例えは特公開昭５６−１０３５９、同５９−５３５７８、同６１−１１９８６、同６１−１１９８８、同６１−１１９８６等の提案が代表例である）しかし、提案のシックナ−は少なからず高温に対応する耐熱使用条件を満たした開示ではなかった。

すなわち、酢酸ナトリウム３水和物は一般的な性質として、融解によって過冷却しやすいく、又、密度の違いにより相分離が著しい。シ−ド剤は添加に応じて過冷却は一時的に解消されるが、融解／凝固の回数を繰り返すと融解時に密度の大きい無水酢酸塩固体が飽和水溶液中を沈降して２相に分離する。この分離現象が進行すると再び均衡した結晶は得られず、該組成物の蓄熱機能を喪失して、発明が目的する機能を達成できない。すなわち当該蓄熱材は組成設計の段階でこれらのバランスが欠落すると、濳熱蓄熱材としての機能効果は期待できなかった。

従って、本発明の目的とする温度条件で使用できる潜熱蓄熱材はシ−ド材の添加により組成構造の維持及び目的を達成することはできない。また標記の９０℃の加熱融解温度域において、安定して使用できる組成物構成剤シックナ−の提案はなされていなかった（例えば提案されてきた代表例としてＰＶＡなどの高分子や多糖類等有機物、無機粘土鉱物のカオリン、ケイソウ土、ベントナイト等である）これらのシックナ−材は使用される温度設定が低くい場合は効果が認められるか、実施試験から９０℃で使用すると吸着力、増粘力の機能を喪失する。実施に措いて、機能を失う結果、耐熱性酢酸系潜熱蓄熱材は得られていなかった。

発明が解決しょうとする課題

本発明は、系の保有する融点付近の放熱温度５７℃の潜熱を暖房や給湯システムに利用するものである。酢酸ナトリウム３水和物を主剤とする潜熱蓄熱材について検討した結果、成分の密度の違いで加熱融解時に発生をする２相、すなわち下層部に無水酢酸結晶、上層部に酢酸飽和水溶液の分子間分離を防止する手段にあった。該蓄熱材は分離が発生すると再生する手段は不可能に近い。従って最善の手段はあらゆる角度から組成物分離の発生メカニズムを分析して、事前に抑制する確実な物理的処置を施す事にある。さもなくば、本来の目的を達成できない。また従来提案されている各種増粘剤は特有の退転要因（例えば耐熱耐久性、成分適合性、安全性、正確性等）が安定材としての機能を阻害して目的を困難なものとしていた。

本発明者はこの解決手段に多孔質セラミックスが耐熱性、イオン交換能において有効である事に着目、幾多の多孔質セラミックスについて、素養性や耐熱及び耐久性、安全性、経済性について研究の結果、アタパルジャイト／及びセピオライトの複合／又は単体を用いた分離防止技術を試みて、解決実証している。（例えば平成１１年特公告第２８９０１９７号の提案がある）しかしながら該手段では採用したセピオライトが相分離と過冷却の双方に対応する機能を保有しているが、過冷却時の凝固開始温度差を最小限に止めるには凝固促進の正確と安定性に欠けた凝固発生の促進手段を用いる事で改善を試みた。

手段として、該組成物に耐熱に優れたコハク酸（化学式ＨＯ_２Ｃ（ＣＨ_２）_２ＣＯ_２Ｈ）及び沸化リチウム等の複合／又は単独を添加して用いる手段で、融解点以上９０℃以上の高温で繰り返し昇降温させても、支障なく５３℃の一定温度で過冷却を破り、５７℃潜熱放熱の可能性を実証した。以上の結果、暖房、給湯に熱を供給する潜熱蓄熱材が得られる。

課題を解決するための手段

すなわち本発明において、化学式ＣＨ_３ＣＯＯＮａ・ｎＨ_２Ｏ（ｎは３，０）の組成を有する酢酸ナトリウム水和物１００重量部に対し、組成分離防止剤にアタパルジャイト／及びセピオライトの複合又は単体を０．１〜３０重量部と、凝固促進のシ−ド剤にコハク酸、沸化リチウムの複合／又は単独を０．１〜３０重量部を混合して網目構造体を有する潜熱蓄熱材組成物である。

また本発明においては、標記のシ−ド剤はコハク酸、沸化リチウムの複合等の混合比（重量）は９／１〜１／９特に３／１〜１／１の混合物を０．１〜３０重量部使用するのが、より少量の添加量で効果を挙げることができるので好ましい好適な実施態様である。

更に本発明は上記蓄熱材組成物に、相分離防止剤としてアタパルジャイト及び／又セピオライトの混合比（重量）９／１〜１／９特に３／１〜１／１の混合物として用いると、より少量の添加量で効果を挙げることができるので好ましい。混合物を０．１〜２０重量部を添加した組成物を包含する。

本発明の潜熱蓄熱材の主剤として用いられる酢酸ナトリウム水和物は、化学式ＣＨ_３ＣＯＯＮａ・ｎＨ_２Ｏ（ｎは３，０）で表される。いわゆる酢酸ナトリウム３水和物及びそれよりも結晶水の量が若干増減したものを含む。ｎ＝３の場合は酢酸ナトリウム３水和物である。このような酢酸ナトリウム水和物は酢酸ナトリウム無水物または酢酸ナトリウム水和物に水を添加して調製することができる。

本発明において、主剤である酢酸ナトリウム水和物に対するアタパルジャイト及び／又セピオライトの添加量は酢酸ナトリウム水和物１００重量部に対し、アタパルジャイト及び／又セピオライトの単独又は複合が１〜２０重量部である。添加量がこれよりも多いと流体は高粘度になり過ぎて実用的ではない。一方添加量がこの範囲より少ないと本発明の目的とするような機能材が得られない。上記範囲内において、その添加量は、潜熱蓄熱材を使用する温度領域により任意に選択することができる。

また本発明の系は水和物であるため、融解すると相分離現象が起こりやすく、融解と凝固を繰り返すことにより、蓄熱効果が低下していた。そのため本発明においては、更に相分離抑制のシックナ−として、セピオライトを０．１〜３０重量部添加するのが好ましい。すなわち本発明のより好ましい実施態様は、主剤である酢酸ナトリウム水和物１００重量部に対し、アタパルジャイト及びセピオライトの複合又は単独を１〜２０重量部を混合してなる潜熱蓄熱材組成物てある。

ここにアパルジャイトとは（Ｍｇ・ＡＬ）_２Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）・４Ｈ_２Ｏ構造式のパリゴルスカイト構造で含水珪酸マグネシウム系セラミックスである。天然に産し繊維状粘土鉱物であり、多孔質の繊維状構造と層間カチオンのイオン交換性が、水分子や有機分子を抱え込む機能を有する。またセピオライトとは、海泡石とも呼ばれ、２ＭｇＯ・３ＳｉＯ_２・ｎＨ_２Ｏの構造式を有する水和マグネシウムシリケ−ト系セラミックスてある。その結晶構造は極めて細かい繊維結晶物であり、微小孔径のトンネル状細孔が繊維の間に無数に存在する。このトンネルによる特異な吸着効果が結晶水や結品分子を抱え込んで、繊維状に水分子や格子の分離を防止し強力な相分難抑制剤として作用する。この２つの特異な吸着性能を特徴として安定した組成物を構成している。

またアパジャイト及び、セピオライトは繊維状物のまま、又はこれを粉砕した粉末状のものあるいはこれらの混合物として使用することができる。またフィラ−として、これらの外に更にグラスファイバ−等を添加することで、省資源化と経済効果も可能となる。

以下実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。
［実施例１］
酢酸ナトリウム水和物に水を添加し、一般式ＣＨ_３ＣＯＯＮａ・ｎＨ_２Ｏ（ｎは３，０）の組成を有するに以下のように酢酸ナトリウム水和物を調製した。
酢酸ナトリウム水和物：１００重量部
アパジャイト ２．５重量部
セピオライト １．０重量部
の混合物に対し、コハク酸、沸化リチウムを調整したを表１記載の各添加量に添加して潜熱蓄熱材組成物を調製し、これを恒温庫内の温度を８時間にわたり７０℃に保った後、恒温庫内の温度を２０℃まで降温し、組成物の凝固点５６．５℃℃と持続時間を６時間にわたって維持計測した。結果を表１に示す。加熱後に対しても順調に相変化が起こり、５２℃で過冷却を破り５６℃まで上昇する事を連続繰り返しにおいて記録し確認した。

［比較例］
アパジャイト、セピオライトを添加せず、酢酸ナトリウム水和物１００重量部に対し、化学式ＨＯ_２Ｃ（ＣＨ_２）_２ＣＯ_２Ｈ（コハク酸）及び沸化リチウム複合物を各々２重量部を添加して、潜熱蓄熱材組成物を調製し、実施例１と同様にして凝固点測定を試みたが、融解／凝固を約１５０回の繰り返し時点より無水結晶の成長現象や及び液体／固体の相分離現象が発生し、蓄熱材の機能を喪失した。

［実施例２］
実施例１で用いたと同じ酢酸ナトリウム水和物を用い、
酢酸ナトリウム水和物 ：１００重量部
アパジャイト ： ２．５重量部
セピオライト ： １．０重量部
シ−ド材混合物 ： ２．０重景部
を混合覚伴して得られた潜熱蓄熱材を、−２５℃〜＋１２５℃までプログラム設定できる低温恒温槽中で８０℃に加熱昇温し、次いで２０℃に設定して降温し凝固させた。実験ではこのようにして融解、凝固の過程を５００回繰り返し実施したが、蓄熱量、放熱のサイクル機能に変化はなかった。

発明の効果

本発明の潜熱蓄熱材は酢酸ナトリウム水和物に、アパジャイト及び／またはセピオライトの複合／又は単独の添加により、９０℃の高温で溶解しても、成分の相分離を回避するシックナ−で網目構造体を構成した。更に凝固促進シ−ト材にコハク酸及び沸化リチウム複合物等の使用により、従来提案のセピオライト単独のシックナ−だけでは不安定であった過冷却温度を５３℃に正確に凝固し、５６℃で潜熱放熱の繰り返しを実施できので、過冷却によるエネルギ−ロスを減少して信頼性を高めた。一般的生活の温度域で使用される温熱蓄熱材、特に給湯や暖房システム用の蓄熱材として貯湯槽型に比べて容積当たりの密度及び熱量が大きく、省スペ−ス、大容量の蓄熱に有用である。

Claims (4)

1. 一般式ＣＨ_３ＣＯＯＮａ・ｎＨ_２Ｏ（ｎは３Ｈ_２Ｏ）の組成を有する酢酸ナトリウム水和物１００重量部に対し、相分離防止材（シックナ−）を０．１〜３０重量部と凝固促進シ−ド剤０．１〜３０重量部を混合してなる潜熱蓄熱材組成物。
2. 相分離防止材（シックナ−）かアタパルジャイト及びセピオライトを単独又は混合比（重量）が９／１〜１／９の範囲にある混合物であることを特徴とする請求項１記載の潜熱蓄熱材組成物。
3. 凝固促進シ−ド剤の化学式ＨＯ_２Ｃ（ＣＨ_２）_２ＣＯ_２Ｈの組成を有するコハク酸，及び一般式ＬｉＦで表す沸化リチウムを混合して調整又は単体で用いることを特徴とする請求項１または２に記載の潜熱蓄熱材組成物。
4. 化学式ＣＨ_３ＣＯＯＮａ・ｎＨ_２Ｏ（ｎは３，０）の組成を有する酢酸ナトリウム水和物１００重量部に対し、シックナ−がアタパルジャイト及びセピオライトの単独／又は複合の混合物を０．１〜３０重量部と、シ−ド剤がコハク酸及び沸化リチウムの単独／又は混合物を０．１〜３０重量部を複合して組成になる温熱用潜熱蓄熱材組成物。