JP2020020497A - 潜熱蓄熱材組成物 - Google Patents
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Description
(1)相変化に伴う潜熱の出入りを利用して、蓄熱またはその放熱を行う潜熱蓄熱材を主成分に、該潜熱蓄熱材の物性を調整する添加剤を配合してなる潜熱蓄熱材組成物において、前記潜熱蓄熱材は、ミョウバン水和物であり、前記添加剤は、第1の添加剤として、融液状態にある前記ミョウバン水和物に対し、結晶化の誘起を促す過冷却防止剤であること、前記過冷却防止剤は、硫酸カルシウム(CaSO4)であること、を特徴とする。
(2)(1)に記載する潜熱蓄熱材組成物において、当該潜熱蓄熱材組成物全体の重量に占める前記硫酸カルシウムの配合比率は、0wt%より大きく、10wt%以下の範囲内であること、を特徴とする。
(3)(1)または(2)に記載する潜熱蓄熱材組成物において、前記添加剤として、前記第1の添加剤とは別の第2の添加剤が配合されており、前記第2の添加剤は、前記ミョウバン水和物の融点を、必要に応じて任意の温度に調整する融点調整剤であること、を特徴とする。
(4)(3)に記載する潜熱蓄熱材組成物において、前記融点調整剤は、糖アルコール類に属する物質を少なくとも含んでいること、を特徴とする。
(5)(4)に記載する潜熱蓄熱材組成物において、前記糖アルコール類に属する物質は、エリスリトール(C4H10O4)、キシリトール(C5H12O5)、またはマンニトール(C6H14O6)のうち、少なくともいずれか一つを含むものであること、を特徴とする。
(6)(1)乃至(5)のいずれか1つに記載する潜熱蓄熱材組成物において、前記ミョウバン水和物は、アンモニウムミョウバン十二水和物(AlNH4(SO4)2・12H2O)、または、カリウムミョウバン十二水和物(AlK(SO4)2・12H2O)の少なくともいずれか一方を含むものであること、を特徴とする。
(1)相変化に伴う潜熱の出入りを利用して、蓄熱またはその放熱を行う潜熱蓄熱材を主成分に、該潜熱蓄熱材の物性を調整する添加剤を配合してなる潜熱蓄熱材組成物において、潜熱蓄熱材は、ミョウバン水和物であり、添加剤は、第1の添加剤として、融液状態にあるミョウバン水和物に対し、結晶化の誘起を促す過冷却防止剤であること、過冷却防止剤は、硫酸カルシウム(CaSO4)であること、を特徴とする。この特徴により、固体状の硫酸カルシウム(過冷却防止剤)を配合した本発明の潜熱蓄熱材組成物を、固体状態からその融点より高い温度に加熱した場合でも、過冷却防止剤は固体状のまま、本発明の潜熱蓄熱材組成物の融液に存在することから、この融液を、融点以下の温度に冷却する過程において、固体状の過冷却防止剤表面に、ミョウバン水和物の構成成分を吸着させることができる。これにより、ミョウバン水和物の過冷却現象を解除するのに必要な核として、ミョウバン水和物(潜熱蓄熱材)の結晶核が生成されるようになる。そのため、潜熱蓄熱材の結晶化が、過冷却防止剤に基づくミョウバン水和物の結晶核の生成によって誘起され、本発明の潜熱蓄熱材組成物は、融液状態からの冷却過程において、潜熱蓄熱材の融点と凝固点の乖離を抑制しつつ、蓄えていた潜熱を放熱することができる。
以下、本発明に係る潜熱蓄熱材組成物について、実施形態(実施例1〜3)を図面に基づいて詳細に説明する。潜熱蓄熱材組成物は、熱供給源から提供された熱を潜熱蓄熱材に一時的に蓄えた後、熱需要先で、潜熱蓄熱材に蓄えた潜熱の熱エネルギを、その時間差をもって活用する目的で用いられる。このような潜熱蓄熱材組成物は、所定の収容手段の空間内に収容された充填容器(図示省略)に、漏れのない態様で、液密かつ気密に充填され、充填された充填容器の内外で、潜熱の出入りを利用して、蓄えた熱を必要に応じて取り出すことができ、蓄熱とその放熱のサイクルを複数回繰り返して使用される。
図1は、実施形態の実施例1に係る潜熱蓄熱材組成物の構成成分を模式的に示す図である。図1に示すように、実施例1に係る潜熱蓄熱材組成物1は、潜熱蓄熱材10を1種と、添加剤20を1種配合した蓄熱材である。潜熱蓄熱材10は、本実施例1では、アンモニウムミョウバン十二水和物(硫酸アンモニウムアルミニウム・12水:AlNH4(SO4)2・12H2O)(以下、「アンモニウムミョウバン」と称する場合もある。)の単種(第1潜熱蓄熱材11)である。アンモニウムミョウバンは、水和数12、分子量[g/mol]453.34、融点93.5℃、常温では固体で、水に可溶な物性を有する。そのため、アンモニウムミョウバンが単体で、融点未満の温度で加熱されたとしても、ほとんど溶融することなく、潜熱を蓄えることもできない。添加剤20は、前述した硫酸カルシウムとする過冷却防止剤21である。
次に、実施例2に係る潜熱蓄熱材組成物の構成について、図2を用いて説明する。図2は、実施形態の実施例2に係る潜熱蓄熱材組成物の構成成分を模式的に示す図である。図2に示すように、実施例2に係る潜熱蓄熱材組成物2は、潜熱蓄熱材10を2種と、添加剤20を1種配合した蓄熱材である。添加剤20は、前述した硫酸カルシウムとする過冷却防止剤21である。
図3は、実施形態の実施例3に係る潜熱蓄熱材組成物の構成成分を模式的に示す図である。図3に示すように、実施例3に係る潜熱蓄熱材組成物3は、潜熱蓄熱材10を1種と、添加剤20を2種配合した蓄熱材である。潜熱蓄熱材10は、本実施例3では、アンモニウムミョウバン十二水和物(AlNH4(SO4)2・12H2O)の単種(第1潜熱蓄熱材11)である。
次に、潜熱蓄熱材10における過冷却現象の解除にあたり、過冷却防止剤21の効果を検証する目的で、実験1〜4を行った。実験1は、前述した実施例1に係る潜熱蓄熱材組成物1を100g、アルミラミネート袋に封入したサンプル1で行った実験である。実験2は、前述した実施例2に係る潜熱蓄熱材組成物2を100g、アルミラミネート袋に封入したサンプル2で行った実験である。実験3は、前述した実施例3に係る潜熱蓄熱材組成物3を100g、アルミラミネート袋に封入したサンプル3で行った実験である。実験4は、実施例1〜3の比較例として行った実験で、過冷却防止剤21を含有しない潜熱蓄熱材10(第1潜熱蓄熱材11)だけを100g、アルミラミネート袋に封入したサンプル4で行った実験である。
実験1〜4では、実験毎に、恒温槽内で、はじめにサンプル内の潜熱蓄熱材組成物1〜3(または潜熱蓄熱材10)を、恒温槽内のヒータで95℃以上に加熱して、潜熱蓄熱材組成物1等が完全に融解した融液状態になったことを事前に確認した後、ヒータの作動をオフにした。そして、恒温槽の扉を閉めたまま、槽内で8時間以上に亘り、潜熱蓄熱材組成物1等の状態温度を測定しながら、融液状態にある潜熱蓄熱材組成物1等を、空冷により完全な固体状態になるまで冷却した。全実験とも、ヒータの作動をオフに切り替えると同時に、潜熱蓄熱材組成物1等の状態温度の測定を開始し、潜熱蓄熱材組成物1等に温度変化がほとんどなくなるまで、そのまま継続的に温度測定を行った。併せて、恒温槽内の雰囲気温度の測定も行った。
・過冷却防止剤21;硫酸カルシウム(CaSO4)
<実験4の条件>
・過冷却防止剤21;配合せず
・サンプル1;潜熱蓄熱材組成物1(潜熱蓄熱材10を1種、添加剤20を1種配合した蓄熱材)を使用、下記第1水準〜第3水準に分けて各々作製
・潜熱蓄熱材10;アンモニウムミョウバン十二水和物(AlNH4(SO4)2・12H2O)(第1潜熱蓄熱材11)
・添加剤20;過冷却防止剤21のみ
・第1潜熱蓄熱材11と過冷却防止剤21との配合割合(wt%)
99:1(第1水準)、95:5(第2水準)、90:10(第3水準)
・実験繰り返し数
第1水準〜第3水準とも各1回
・サンプル2;潜熱蓄熱材組成物2(潜熱蓄熱材10を2種と、添加剤20を1種配合した蓄熱材)、下記第1水準〜第3水準に分けて各々作製
・潜熱蓄熱材10;アンモニウムミョウバン十二水和物(AlNH4(SO4)2・12H2O)(第1潜熱蓄熱材11)とカリウムミョウバン十二水和物(硫酸カリウムアルミニウム・12水:AlK(SO4)2・12H2O)(第2潜熱蓄熱材12)との混合物
・添加剤20;過冷却防止剤21のみ
・第1潜熱蓄熱材11と第2潜熱蓄熱材12と過冷却防止剤21との配合割合(wt%)
49.5:49.5:1.0(第1水準)、47.5:47.5:5.0(第2水準)、45:45:10(第3水準)
・実験繰り返し数
第1水準〜第3水準とも各1回
・サンプル3;潜熱蓄熱材組成物3(潜熱蓄熱材10を1種と、添加剤20を2種配合した蓄熱材)、下記第1水準〜第3水準に分けて各々作製
・潜熱蓄熱材10;アンモニウムミョウバン十二水和物(AlNH4(SO4)2・12H2O)(第1潜熱蓄熱材11)
・添加剤20;マンニトール(C6H14O6)(融点調整剤22)と硫酸カルシウム(CaSO4)(過冷却防止剤21)
・第1潜熱蓄熱材11と融点調整剤22と過冷却防止剤21との配合割合(wt%)
91.08:7.92:1.00(第1水準)、87.4:7.6:5.0(第2水準)、82.8:7.2:10.0(第3水準)
・実験繰り返し数
第1水準と第2水準は各1回、第3水準は2回
・サンプル4;潜熱蓄熱材10、第1水準のみ作製
・潜熱蓄熱材10;アンモニウムミョウバン十二水和物(AlNH4(SO4)2・12H2O)(第1潜熱蓄熱材11)
・添加剤20;配合せず
・第1潜熱蓄熱材11と過冷却防止剤21との配合割合(wt%)
100:0(第1水準)
<図4>
・「Al*Alum」;アンモニウムミョウバン(第1潜熱蓄熱材11)
・「K*Alum」;カリミョウバン(第2潜熱蓄熱材12)
・「Ca」;硫酸カルシウム(過冷却防止剤21)
<図5>
・「Al*Alum」;アンモニウムミョウバン(第1潜熱蓄熱材11)
・「Ma」;マンニトール(C6H14O6)(融点調整剤22)
・「Ca」;硫酸カルシウム(過冷却防止剤21)
<図6>
・「Al*Alum」;アンモニウムミョウバン(第1潜熱蓄熱材11)
実験1,2の結果では、図4に示すように、温度測定開始後、恒温槽内の雰囲気温度は、時間の経過と共に下がり続けた。他方で、恒温槽内の雰囲気温度が76℃付近(=T1a)となった時刻t1aになるまで、実施例1に係るサンプル1の潜熱蓄熱材組成物1の温度と、実施例2に係るサンプル2の潜熱蓄熱材組成物2の温度は、サンプルの水準に関係なく、時間の経過と共に下がり続けた。しかしながら、時刻t1a以降には、サンプル1の潜熱蓄熱材組成物1の温度と、サンプル2の潜熱蓄熱材組成物2の温度は、サンプルの水準に関係なく、一旦上昇した後、緩やかな温度変化を遂げながら、ゆっくりとした降温速度で再び下がりはじめた。そして、時刻t1bに到達すると、サンプル1の潜熱蓄熱材組成物1の温度と、サンプル2の潜熱蓄熱材組成物2の温度は、恒温槽内の雰囲気温度が34℃付近(=T1b)で、ほぼ一致するようになった。時刻t1aから時刻t1bまでの間、実施例1に係るサンプル1の潜熱蓄熱材組成物1と、実施例2に係るサンプル2の潜熱蓄熱材組成物2において、潜熱蓄熱材組成物1,2に蓄えていた潜熱放熱の挙動が確認された。
潜熱蓄熱材は、その融点以上の加熱により、固体状態から融液状態への相変化時に、潜熱を蓄えて蓄熱を行い、融点以下の温度で冷却する過程において、融液状態から固体状態への相変化時に、蓄えている潜熱を外部に放熱する。比較例では、サンプル4の潜熱蓄熱材10は、アンモニウムミョウバン(第1潜熱蓄熱材11)の単種だけである。そのため、サンプル4において、第1潜熱蓄熱材11の融液の温度が、融点93.5℃より低い温度まで冷却されていると、理論上、元々95℃以上の融液状態にあったアンモニウムミョウバンは本来、固体状態への相変化により、蓄えている潜熱を外部に放熱し、この放熱に伴って、第1潜熱蓄熱材11の状態温度は、一時的に上昇するはずである。
10 潜熱蓄熱材
11 第1潜熱蓄熱材(潜熱蓄熱材)
12 第2潜熱蓄熱材(潜熱蓄熱材)
20 添加剤
21 過冷却防止剤(添加剤、第1の添加剤)
22 融点調整剤(第2の添加剤)
Claims (6)
- 相変化に伴う潜熱の出入りを利用して、蓄熱またはその放熱を行う潜熱蓄熱材を主成分に、該潜熱蓄熱材の物性を調整する添加剤を配合してなる潜熱蓄熱材組成物において、
前記潜熱蓄熱材は、ミョウバン水和物であり、前記添加剤は、第1の添加剤として、融液状態にある前記ミョウバン水和物に対し、結晶化の誘起を促す過冷却防止剤であること、
前記過冷却防止剤は、硫酸カルシウム(CaSO4)であること、
を特徴とする潜熱蓄熱材組成物。 - 請求項1に記載する潜熱蓄熱材組成物において、
当該潜熱蓄熱材組成物全体の重量に占める前記硫酸カルシウムの配合比率は、0wt%より大きく、10wt%以下の範囲内であること、
を特徴とする潜熱蓄熱材組成物。 - 請求項1または請求項2に記載する潜熱蓄熱材組成物において、
前記添加剤として、前記第1の添加剤とは別の第2の添加剤が配合されており、前記第2の添加剤は、前記ミョウバン水和物の融点を、必要に応じて任意の温度に調整する融点調整剤であること、
を特徴とする潜熱蓄熱材組成物。 - 請求項3に記載する潜熱蓄熱材組成物において、
前記融点調整剤は、糖アルコール類に属する物質を少なくとも含んでいること、
を特徴とする潜熱蓄熱材組成物。 - 請求項4に記載する潜熱蓄熱材組成物において、
前記糖アルコール類に属する物質は、エリスリトール(C4H10O4)、キシリトール(C5H12O5)、またはマンニトール(C6H14O6)のうち、少なくともいずれか一つを含むものであること、
を特徴とする潜熱蓄熱材組成物。 - 請求項1乃至請求項5のいずれか1つに記載する潜熱蓄熱材組成物において、
前記ミョウバン水和物は、アンモニウムミョウバン十二水和物(AlNH4(SO4)2・12H2O)、または、カリウムミョウバン十二水和物(AlK(SO4)2・12H2O)の少なくともいずれか一方を含むものであること、
を特徴とする潜熱蓄熱材組成物。
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