JP2011021154A - 蓄熱材及びそれを用いた蓄熱システム、並びに水和物ゲスト物質の揮発抑制方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ゲスト物質の揮発を抑制することができ、引火性を抑制することが可能な蓄熱材及びそれを用いた蓄熱システム、並びに水和物ゲスト物質の揮発抑制方法を提供する。
【解決手段】水和物２６を形成するゲスト物質２２ａとホスト物質である水２３とを混合した蓄熱材２４において、ゲスト物質２２ａに、ゲスト物質２２ａと共沸混合物を形成する添加剤２２ｂを混合して、ゲスト物質２２ａおよび添加剤２２ｂよりも蒸気圧が低い共沸ゲスト物質２２とし、その共沸ゲスト物質２２と水２３とを混合してなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ネガティブ共沸現象を利用して水和物ゲスト物質の揮発を抑制した蓄熱材及びそれを用いた蓄熱システム、並びに水和物ゲスト物質の揮発抑制方法に関するものである。

従来、深夜電力等で蓄熱槽に充填された蓄熱材を冷却して蓄熱し、これをヒートポンプなどの冷房サイクルの冷熱源として利用する蓄熱システムがある。

蓄熱システムに用いられる蓄熱材として、水和物を形成する水和物ゲスト物質（以下、単にゲスト物質という）とホスト物質である水とを混合したものが用いられている。水和物は、生成時に熱を発生し、分解時には熱を吸収するため蓄熱材として用いることができる。

蓄熱材に用いられるゲスト物質としては、例えば、シクロペンタン（Ｃ₅Ｈ₁₀）などの炭化水素を用いることができる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１，２がある。

特表２００６−５１５０３１号公報 特公平０１−０４７５１３号公報

しかしながら、蓄熱材のゲスト物質として炭化水素などの揮発性を有する物質を用いる場合、炭化水素が一般に油類、燃料ガス類であるため、ゲスト物質は蒸気圧が高く、揮発性と引火性を有している。そのため、このような蓄熱材を用いた蓄熱システムでは、蓄熱槽を密閉構造にして、ゲスト物質が系外に出ないようにする必要がある。

また、ゲスト物質が引火性を有するため、装置容量を指定数量に対応して制限したり貯蔵設備からの保安距離を保つなど消防法規制に対応させる必要があり、さらには、ゲスト物質の種類によっては、高圧ガス特定設備の取扱いとなってしまう場合もある。したがって、ゲスト物質の揮発を抑制し、引火性を抑制することが望まれている。

また、ゲスト物質が揮発してしまうと、蓄熱材の組成自体も変化してしまうため、蓄熱材の性能が劣化してしまう場合があるといった問題もある。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、ゲスト物質の揮発を抑制することができ、引火性を抑制することが可能な蓄熱材及びそれを用いた蓄熱システム、並びに水和物ゲスト物質の揮発抑制方法を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、水和物を形成するゲスト物質とホスト物質である水とを混合した蓄熱材において、前記ゲスト物質に、該ゲスト物質と共沸混合物を形成する添加剤を混合して、前記ゲスト物質および前記添加剤よりも蒸気圧が低い共沸ゲスト物質とし、その共沸ゲスト物質と水とを混合してなる蓄熱材である。

前記添加剤として、蒸気圧が低く、かつ、前記ゲスト物質と水とからなる水和物の生成を阻害しないものを用いることが望ましい。

前記共沸ゲスト物質と水とを界面活性剤を用いて分散液としてもよい。

前記ゲスト物質がシクロペンタンであってもよい。

また、本発明は、前記蓄熱材を蓄熱槽に充填してなり、前記蓄熱材を冷却／加熱することで、前記ゲスト物質と水とからなる水和物を生成／分解する蓄熱システムである。

また、本発明は、水和物を形成するゲスト物質とホスト物質である水とを混合した蓄熱材において前記ゲスト物質の揮発を抑制する水和物ゲスト物質の揮発抑制方法であって、前記ゲスト物質に、該ゲスト物質と共沸混合物を形成する添加剤を混合して、前記ゲスト物質および前記添加剤よりも蒸気圧が低い共沸ゲスト物質とすることで、前記ゲスト物質の揮発を抑制する水和物ゲスト物質の揮発抑制方法である。

本発明によれば、ゲスト物質の揮発を抑制することができ、引火性を抑制することができる。

（ａ）は、ゲスト物質と添加剤がネガティブ共沸混合物を形成する場合の気液平衡図であり、（ｂ）は、ゲスト物質と添加剤が共沸混合物を形成しない場合の気液平衡図である。 （ａ）〜（ｆ）は、本発明の一実施の形態に係る蓄熱材を用いた蓄熱システムにおける水和物の生成／分解を説明する図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

本実施の形態に係る蓄熱材は、ゲスト物質に、ゲスト物質と共沸混合物を形成する添加剤を混合して、ゲスト物質および添加剤よりも蒸気圧が低い共沸ゲスト物質とし、その共沸ゲスト物質と水とを混合したものである。

ゲスト物質としては、炭化水素などの揮発性を有する物質を用いる。本実施の形態では、ゲスト物質としてシクロペンタンを用いた。

添加剤としては、引火性がなく、かつ、ゲスト物質と水とからなる水和物の生成を阻害しないものを用いる。また、添加剤としては、単体での蒸気圧がなるべく低いものを用いることが望ましい。

上述のように、炭化水素などの揮発性を有する物質からなるゲスト物質は蒸気圧が高く、揮発し易いという特性を有する。また、炭化水素は引火性を有しており、揮発したゲスト物質が引火するおそれもあるため、ゲスト物質の揮発をできるだけ抑制することが望まれている。

本発明者は、ゲスト物質の揮発を抑制すべく鋭意検討した結果、ゲスト物質に、ゲスト物質とネガティブ共沸混合物を形成する添加剤を混合して（溶解させて）共沸ゲスト物質とすることで、共沸ゲスト物質の蒸気圧を低下させ、ゲスト物質の揮発を抑制できることを見出した。

なお、本明細書では、２つの物質を混合した混合物の蒸気圧が、混合しない状態の２つの物質単体での蒸気圧よりも低くなる現象をネガティブ共沸という。つまり、ネガティブ共沸とは、２つの物質を混合した混合物（ネガティブ共沸混合物）の沸点が、混合しない状態の２つの物質の沸点よりも高くなる（ある組成比（混合比）において極大共沸点をとる）現象をいう。他方、混合物の蒸気圧が混合しない状態の２つの物質単体での蒸気圧よりも高くなる（あるいは沸点が低くなる）現象をポジティブ共沸という。

図１（ａ）にゲスト物質と添加剤がネガティブ共沸混合物を形成する場合の気液平衡図を、図１（ｂ）にゲスト物質と添加剤が共沸混合物を形成しない場合の気液平衡図を示す。

図１（ａ），（ｂ）は、縦軸を圧力（蒸気圧）、横軸をゲスト物質と添加剤の組成比とした気液平衡図であり、液相線は液体の状態での蒸気圧、気相線は気相から液相になる圧力を示している。また、横軸の組成比については、０がゲスト物質のみ、１が添加剤のみを意味することとする。つまり、組成比が増加すると、ゲスト物質と添加剤との混合物における添加剤の割合が増加する（ゲスト物質の割合が減少する）こととする。

まず、ゲスト物質と添加剤が共沸混合物を形成しない場合について検討すると、図１（ｂ）に示すように、気液平衡図は、混合物における添加剤の割合が増加するにしたがい、混合物の蒸気圧が一方向に低下する。したがって、添加剤として蒸気圧ｐ_xが低いものを用いても、混合物の蒸気圧をゲスト物質単体での蒸気圧ｐ_gの数分の一程度まで低下させるためには、混合物における添加剤の割合を大きく（添加物リッチに）しなければならないこととなる。

混合物における添加剤の割合が多くなると、当然ながら混合物におけるゲスト物質の割合が少なくなり、蓄熱材全体におけるゲスト物質の絶対量が少なくなる。蓄熱材全体におけるゲスト物質の絶対量が少なくなると、結果的に、水の一部が余って水和物の形成に用いられなくなり、効率よく水和物を形成することが困難となる。

さらには、水に対して多量のゲスト物質を混合すると、後述する界面活性剤によりゲスト物質と水とを分散液とする際に、うまく分散化できなくなる。

つまり、ゲスト物質と共沸混合物を形成しない添加剤を用いる場合、混合物の蒸気圧を低下させるには混合物の組成を添加剤リッチとする必要があるが、混合物の組成を添加剤リッチとすると、結果的に蓄熱材全体におけるゲスト物質の絶対量が少なくなって蓄熱材の性能が悪化し、分散化もうまくいかなくなる。したがって、ゲスト物質と共沸混合物を形成しない添加剤を用いることは、現実的ではない。

また、図１（ｂ）では、気相線と液相線が一致しない場合の気液平衡図を示しているが、このような場合、ゲスト物質の蒸気圧をある圧力に抑える液組成（図示実線矢印）と、蒸発ガス組成（図示点線矢印）が異なり、蒸発ガスは当初の組成比と比較してゲスト物質リッチとなる。つまり、気相におけるゲスト物質の分圧が増えることとなり、引火のおそれがある。

これに対して、ゲスト物質と添加剤がネガティブ共沸混合物を形成する場合、図１（ａ）に示すように、ゲスト物質と添加剤を混合した共沸ゲスト物質の気液平衡図は下に凸の状態となり、共沸ゲスト物質の蒸気圧は所定の組成比の範囲で、それぞれ単独の物質（ゲスト物質および添加剤）の蒸気圧よりも低下する。

つまり、ゲスト物質と添加剤とでネガティブ共沸混合物である共沸ゲスト物質を形成すると、ゲスト物質が比較的リッチな組成で共沸ゲスト物質の蒸気圧を下げることが可能となる。したがって、添加剤の添加量を抑制し、蓄熱材の性能を悪化させることなく、共沸ゲスト物質の揮発を抑制することが可能となる。

また、ゲスト物質と添加剤とがネガティブ共沸混合物を形成する場合、共沸混合物の蒸発となるので、共沸ゲスト物質の蒸発ガスは、引火成分であるゲスト物質単体ではなく、ゲスト物質と添加剤との共沸混合比の混合ガスとなり、液相組成と気相組成が同一となる。よって、気相線と液相線が一致しない場合のように、気相におけるゲスト物質の分圧が高くなることがない。

このように、ゲスト物質と添加剤とでネガティブ共沸混合物である共沸ゲスト物質を形成することで、共沸ゲスト物質の揮発自体を抑制でき、さらには気相におけるゲスト物質の分圧も低下させることできるため、引火性を抑制することが可能となる。なお、本実施の形態では、添加剤として引火性を有さないものを用いているため、引火性はゲスト物質単体の蒸気のみによって引き起こされることとなる。

添加剤としては、共沸ゲスト物質の揮発をより抑制するため、極小点Ａの蒸気圧をなるべく低くできるものを用いることが望ましい。また、添加剤としては、極小点Ａの組成比をなるべく小さく（極小点Ａにおけるゲスト物質の組成をなるべく大きく）できるものを用いることが望ましい。これにより、少量の添加剤で共沸ゲスト物質の蒸気圧を低下させることが可能となり、添加剤の添加量をより抑制することが可能となる。

本実施の形態に係る蓄熱材は、上述の共沸ゲスト物質をホスト物質である水に混合してなるが、水と共沸ゲスト物質の混合比は、水和物を生成する当量比からその２０％までとすればよい。

また、水と共沸ゲスト物質とを界面活性剤を用いて分散液にしてもよい。分散液とすることで、共沸ゲスト物質が水中に分散されて直接空気に触れなくなり、共沸ゲスト物質の揮発をより抑制することが可能となる。

次に、本実施の形態に係る蓄熱材を用いた蓄熱システムについて説明する。

図２（ａ）〜（ｆ）に示すように、蓄熱システム２１は、共沸ゲスト物質２２と水２３とを混合した蓄熱材２４を蓄熱槽２５に充填してなり、蓄熱材２４を冷却／加熱することで、ゲスト物質２２ａと水２３とからなる水和物２６を生成／分解するものである。蓄熱材２４を冷却／加熱するための熱交換器は、蓄熱槽２５の内部に設けてもよいし、蓄熱槽２５の外部に設けてもよく、その構造については限定されない。

蓄熱槽２５に蓄熱材２４を充填する際には、図２（ａ）に示すように、まず、ゲスト物質２２ａと添加剤２２ｂを混合して共沸ゲスト物質２２とし、この共沸ゲスト物質２２と水２３とを蓄熱槽２５に充填する。なお、図２（ａ）〜（ｆ）では、図の簡略化のために、蓄熱槽２５の下方から上方にかけて水２３、水和物２６、共沸ゲスト物質２２が層状に分離されるよう記載しているが、比重によってはその上下関係が入れ替わる場合もあるし、蓄熱材２４を分散液とした場合には層分離しない。

蓄熱槽２５に冷熱を供給すると、図２（ｂ）に示すように、水２３と共沸ゲスト物質２２に含まれるゲスト物質２２ａとが水和物２６を形成する。共沸ゲスト物質２２に含まれる添加剤２２ｂは、水和物生成阻害効果を有さないので、水和物２６の生成が進行し、図２（ｃ）に示すような状態となる。

共沸ゲスト物質２２は、ゲスト物質２２ａがなくなる（ゲスト物質２２ａが水和物２６の生成に用いられる）に従い、添加剤２２ｂ単体に近づいていく。添加剤２２ｂ単体の蒸気圧が高ければ、ゲスト物質２２ａが少なくなるにしたがい共沸ゲスト物質２２の蒸気圧が高くなるが、添加剤２２ｂ自体が引火性を有さないため安全性は保持される。なお、図２（ａ）〜（ｆ）では、ハッチングの色が薄くなるにしたがい、共沸ゲスト物質２２が添加剤２２ｂ単体に近づいている（共沸ゲスト物質２２においてゲスト物質２２ａが減少している）ことを表している。

図２（ｄ）に示すように、この状態で蓄熱槽２５に温熱を供給すると、図２（ｅ）に示すように、水和物２６が分解して、水２３とゲスト物質２２ａとに分かれる。このとき、水和物２６の周囲にはほとんど添加剤２２ｂだけになった共沸ゲスト物質２２が存在するので、ゲスト物質２２ａは速やかに共沸ゲスト物質２２と混合溶解し、図２（ｆ）の状態、すなわち図２（ａ）の状態に戻る。

このように、水和物２６が分解して生じたゲスト物質２２ａは速やかに共沸ゲスト物質２２と混合溶解するので、ゲスト物質２２ａ単体の蒸気圧はほとんど立たず、共沸ゲスト物質２２の、共沸組成ガスの低い蒸気圧だけが存在することとなる。

以上説明したように、本実施の形態に係る蓄熱材２４では、ゲスト物質２２ａに、ゲスト物質２２ａと共沸混合物を形成する添加剤２２ｂを混合して、ゲスト物質２２ａおよび添加剤２２ｂよりも蒸気圧が低い共沸ゲスト物質２２とし、その共沸ゲスト物質２２と水２３とを混合している。

ゲスト物質２２ａに添加剤２２ｂを混合してネガティブ共沸混合物である共沸ゲスト物質２２とすることで、添加剤２２ｂを大量に添加することなく共沸ゲスト物質２２の蒸気圧を低下させることが可能となり、蓄熱材２４の性能を悪化させることなくゲスト物質２２ａの揮発を抑制することが可能となる。

さらに、蓄熱材２４によれば、ゲスト物質２２ａの揮発を抑制でき、かつ、気相におけるゲスト物質２２ａの分圧を低くできるため、引火性を抑制できる。

また、蓄熱材２４によれば、ゲスト物質２２ａの揮発を抑制できるため、蓄熱材２４の組成が変化して蓄熱材２４の性能が悪化することを抑制できる。

また、蓄熱材２４では、添加剤２２ｂとして引火性を有さないものを用いているため、たとえ添加剤２２ｂ単体の蒸気圧が高く、水和物２６の生成により共沸ゲスト物質２２がほぼ添加剤２２ｂのみとなって、共沸ゲスト物質２２の蒸気圧が高くなった場合であっても、引火性を抑制することが可能となる。さらには、添加剤２２ｂとして、ゲスト物質２２ａと水２３とからなる水和物２６の生成を阻害しないものを用いているため、蓄熱材２４の性能が悪化することがない。

２１ 蓄熱システム
２２ 共沸ゲスト物質
２２ａ ゲスト物質
２２ｂ 添加剤
２３ 水
２４ 蓄熱材
２５ 蓄熱槽
２６ 水和物

Claims (6)

1. 水和物を形成するゲスト物質とホスト物質である水とを混合した蓄熱材において、前記ゲスト物質に、該ゲスト物質と共沸混合物を形成する添加剤を混合して、前記ゲスト物質および前記添加剤よりも蒸気圧が低い共沸ゲスト物質とし、その共沸ゲスト物質と水とを混合してなることを特徴とする蓄熱材。
2. 前記添加剤として、蒸気圧が低く、かつ、前記ゲスト物質と水とからなる水和物の生成を阻害しないものを用いる請求項１記載の蓄熱材。
3. 前記共沸ゲスト物質と水とを界面活性剤を用いて分散液とした請求項１または２記載の蓄熱材。
4. 前記ゲスト物質がシクロペンタンである請求項１〜３いずれかに記載の蓄熱材。
5. 請求項１〜４いずれかに記載の蓄熱材を蓄熱槽に充填してなり、前記蓄熱材を冷却／加熱することで、前記ゲスト物質と水とからなる水和物を生成／分解することを特徴とする蓄熱システム。
6. 水和物を形成するゲスト物質とホスト物質である水とを混合した蓄熱材において前記ゲスト物質の揮発を抑制する水和物ゲスト物質の揮発抑制方法であって、 前記ゲスト物質に、該ゲスト物質と共沸混合物を形成する添加剤を混合して、前記ゲスト物質および前記添加剤よりも蒸気圧が低い共沸ゲスト物質とすることで、前記ゲスト物質の揮発を抑制することを特徴とする水和物ゲスト物質の揮発抑制方法。

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