JP5573193B2 - 蓄熱材組成物 - Google Patents

Description

本発明は自動車のエンジンの放熱やエンジン排気ガス熱を熱源とする比較的低温（約８５〜１００℃）の熱を蓄えるのに適した潜熱蓄熱材組成物を提供する。

熱エネルギーを有効利用することを目的として、熱エネルギーを一時的に貯蔵することができる蓄熱材が開発されている。スレイトール、エリスリトール等の糖アルコールは人体や環境への安全性が高いことから潜熱蓄熱式の蓄熱材として注目されている（特許文献１〜６）。

特許文献３には、糖アルコール類と水溶性の塩を溶解した水溶液とからなる蓄熱材組成物が開示されている。特許文献３の発明は、糖アルコール類の融点を低下させるために添加される水により、糖アルコール類が溶解して潜熱量が低下するという従来技術の問題点を、水のかわりに塩化ナトリウム等の水溶性塩類の水溶液を用いることにより解決しようとする発明である。特許文献３では、水溶性の塩を溶解した水溶液の配合量として、蓄熱材組成物全量に対して３〜５０質量％が記載されており、５〜６０質量％程度が好ましい旨記載されている。

特許文献４には、糖アルコールまたは無機水和塩と、水と、非水溶性の微小繊維とから構成されることを特徴とする蓄熱材組成物が記載されている。特許文献４の発明は採熱後の蓄熱材が凝固し流動化してしまうという従来技術の課題を解決する技術として提供されている。また、水を添加することにより潜熱蓄熱材全体の流動性を向上させるとともに、潜熱蓄熱材の融点を容易に調整することができる旨記載されている。特許文献４によればエリスリトールの融点を６０〜９０℃に設定するために、組成物全体重量に対して４５〜２５重量％の水を配合することが記載されている。

特許文献５には、エリスリトール６〜２５重量％及び水７５〜９４重量％からなる、−５℃以上０℃未満に融点を有することを特徴とする蓄熱材組成物が記載されている。

特許文献６には、スレイトールとmeso-エリスリトールとを含有する蓄熱材組成物が記載されている。特許文献６の発明では、スレイトールの融点を調整することを目的としてmeso-エリスリトールが添加される。特許文献６の実施例によれば、meso-エリスリトールとスレイトールとを１０対９０の重量比で配合した組成物の融点は８５．１℃であり、スレイトール単独の融点（Ｄ体９２．１℃、Ｌ体９２．４℃）よりも低い。にもかかわらず融解潜熱は高く保持される。

特表昭６３−５００９４６号公報 特開平５−３２９６３号公報 特開２００８−９５０４２号公報 特開２００７−３２１０２９号公報 特開平１０−２７９９３１号公報 特開２０００−８７０２０号公報

自動車のエンジンの放熱やエンジン排気ガス熱を熱源とする冷却水等の比較的低温（約８５〜１００℃）の熱を蓄えるためには、８５℃付近において融解可能な蓄熱材組成物が求められる。そして２５℃付近において速やかに凝固して熱を放出することが可能な蓄熱材組成物である必要がある。

スレイトールは９２℃付近に融点があるため上記用途のためには融点を低下させる必要がある。スレイトールは２５℃付近において凝固するものの凝固速度が遅いという問題がある。

特許文献３には糖アルコール蓄熱材組成物に５〜６０質量％程度の水を添加するが好ましい旨記載されており、特許文献４には糖アルコール蓄熱材組成物に４５〜２５重量％の水を添加することが記載されている。これらの文献では、糖アルコールの融点を低下させるために水が添加される。しかしながら特許文献３及び４には潜熱蓄熱材料としてエリスリトールを用いた組成物の放熱特性（凝固特性）のみが記載されており、糖アルコールとしてスレイトールを用いた場合に水の添加量が与える影響については一切検討されていない。エリスリトールの融点は１２３℃である。エリスリトールよりも低融点のスレイトールの放熱特性については一切確認されていない。

本発明者らが本願明細書に記載の実験により確認したところ、スレイトールに５ｗｔ％以上の水を添加すると２５℃条件における凝固速度が著しく遅くなるという問題がある。更に、水添加量が１５ｗｔ％を超えるとスレイトールは相変化ができなくなり潜熱を利用した蓄熱ができなくなるという問題がある。

特許文献３のように水中に塩のように腐食性のある物質を添加した蓄熱材組成物を収容する構造物は腐食対策を施す必要がある。特許文献４の蓄熱材組成物は、凝固と融解を繰り返す過程で非水溶性の微小繊維が分離する可能性がある。

特許文献６の発明によれば、エリスリトールを添加することにより融解潜熱を保持しつつスレイトールの融点（９２℃付近）を８５℃付近に低下させることができる。また融解潜熱は保持される。しかしながら、この技術によってはスレイトールの凝固速度が遅いという問題点は解決されない。

そこで本発明は、８５℃において融解することができ、且つ２５℃において速やかに凝固することが可能である、スレイトールを主成分とする蓄熱材組成物を提供することを解決すべき課題とする。

本発明者らは、水を２．５〜４．０ｗｔ％となる量添加したスレイトールを主成分とする蓄熱材組成物は８５℃での融解と２５℃での凝固が可能であること、そして凝固時間が短いことを見出した。本発明者らはまた、水に代えて、他の糖アルコール又は糖化合物の飽和水溶液を３．０〜４．０ｗｔ％となる量添加したスレイトールを主成分とする蓄熱材組成物が、水の添加による有利な効果に加えて、融解潜熱の減少が抑制されるという効果を有することを見出した。

本発明は以下の発明を包含する。
（１）スレイトールと水とを含み、
水の含有量が、スレイトールと水の含有量の和に対して２．５〜４．０ｗｔ％である
蓄熱材組成物。

（２）スレイトールと、スレイトール以外の水溶性の糖アルコール又は糖化合物と、水とを含み、前記糖アルコール又は糖化合物と水の含有量の和が、スレイトールと前記糖アルコール又は糖化合物と水の含有量の和に対して３．０〜４．０ｗｔ％であり、前記糖アルコール又は糖化合物の含有量が、２５〜３０℃の範囲の温度において水の全量と前記糖アルコール又は糖化合物の飽和水溶液を形成することができる量である蓄熱材組成物。

（３）スレイトールと、スレイトール以外の水溶性の糖アルコール又は糖化合物と、水とを含み、前記糖アルコール又は糖化合物と水の含有量の和が、スレイトールと前記糖アルコール又は糖化合物と水の含有量の和に対して３．０〜４．０ｗｔ％であり、前記糖アルコール又は糖化合物の含有量が、前記糖アルコール又は糖化合物と水の含有量の和に対して３５〜５０ｗｔ％である蓄熱材組成物。

（４）前記糖アルコール又は糖化合物がエリスリトールである、（２）又は（３）の蓄熱材組成物。

スレイトールを主成分とする本発明の蓄熱材組成物は、８５℃において融解することができ、且つ２５℃において速やかに凝固することが可能である。

図１はＤ−スレイトール組成物中の水の含有率と凝固時間の関係を示す。 図２はＤ−スレイトール組成物中の水の含有率と潜熱減少率との関係を示す 図３はＤ−スレイトール組成物中のＤ−エリスリトール飽和水溶液の含有率と凝固時間の関係を示す。 図４はＤ−スレイトール組成物中のＤ−エリスリトール飽和水溶液の含有率と潜熱減少率との関係を示す。

本発明の第一の蓄熱材組成物は、スレイトールと水とを含み、水の含有量が、スレイトールと水の含有量の和に対して２．５〜４．０ｗｔ％である蓄熱材組成物である。

スレイトールとしてはＤ−スレイトール、Ｌ−スレイトール、ＤＬ−スレイトールのいずれを用いてもよい。

水の含有量は、スレイトールと水の含有量の和に対して２．５〜４．０ｗｔ％である。水の含有量が２．５ｗｔ％よりも低い場合には、８５℃にて融解せず、且つ、２５℃における凝固時間が長いため好ましくない。水の含有量が４．０ｗｔ％よりも高い場合、２５℃における凝固時間が長いため好ましくない。本発明の第一の蓄熱材組成物は水の含有量がごく少量であるため、当該組成物を収容する蓄熱槽に特別な耐圧構造は不要であるという点でも好ましい。

本発明の第一の蓄熱材組成物の製造方法は特に限定されない。例えば、スレイトールが溶融する条件においてスレイトールと水とを混合することにより製造することができる。

本発明の第一の蓄熱材組成物は、蓄熱材組成物としての本発明の効果を阻害しない範囲で他の成分を含んでいてもよい。上記の割合で配合されるスレイトールと水との合計量は、蓄熱材組成物の全重量の７０ｗｔ％以上であることが好ましく、８０ｗｔ％以上であることが好ましく、９０ｗｔ％以上であることが好ましく、９５ｗｔ％以上であることが特に好ましく、１００ｗｔ％であることが最も好ましい。すなわち、本発明の第一の蓄熱材組成物は所定の配合のスレイトールと水を主成分とする組成物であり、特に好ましくは、所定の配合のスレイトールと水とから実質的になる組成物である。他の成分が含まれない、所定の配合のスレイトールと水とからなる組成物が特に好ましい。蓄熱材組成物は特許文献３で用いられているようなアルカリ金属の塩類やアルカリ土類金属の塩類などの、水溶性の塩類を含まないことが好ましい。このような塩類が含まれている場合、蓄熱材を収容する構造体を腐食耐性のものにする必要があるからである。更に、蓄熱材組成物は特許文献４で用いられているような非水溶性の繊維を含まないことが好ましい。非水溶性の繊維はスレイトールや水と分離する可能性があるからである。

本発明の第二の蓄熱材組成物は、スレイトールと、スレイトール以外の水溶性の糖アルコール又は糖化合物と、水とを含み、前記糖アルコール又は糖化合物と水の含有量の和が、スレイトールと前記糖アルコール又は糖化合物と水の含有量の和に対して３．０〜４．０ｗｔ％であり、前記糖アルコール又は糖化合物の含有量が、２５〜３０℃の範囲の温度において水の全量と前記糖アルコール又は糖化合物の飽和水溶液を形成することができる量である蓄熱材組成物である。

用いることのできるスレイトールは第一の蓄熱材組成物について上述の通りである。

スレイトール以外の水溶性の糖アルコール又は糖化合物としては、エリスリトール、マンニトール、パラチノース、ラクトースが挙げられる。なお、糖化合物には単糖類、二糖類、三糖類などの糖類や、それらの誘導体が包含される。糖アルコールが特に好ましく、なかでもエリスリトールは、スレイトールの異性体であり融解と凝固を繰り返してもスレイトールと分離しないため好ましい。エリスリトールとしては、Ｄ−エリスリトール、Ｌ−エリスリトール、ＤＬ−エリスリトール、meso−エリスリトールが使用できる。二種以上の水溶性の糖アルコール又は糖化合物を組み合わせて「スレイトール以外の水溶性の糖アルコール又は糖化合物」として用いることもできる。

本発明では、前記糖アルコール又は糖化合物の含有量は、２５〜３０℃の範囲のいずれかの温度において組成物に含まれる水の全量と前記糖アルコール又は糖化合物の飽和水溶液を形成することができる量である。この量と同等の効果を奏することを可能にする前記糖アルコール又は糖化合物の含有量としては、前記糖アルコール又は糖化合物と水の含有量の和に対して３５〜５０ｗｔ％が挙げられる。前記糖アルコールとしてエリスリトールを用いた場合にこの含有量の範囲であることが特に好ましい。糖アルコール又は糖化合物の含有量をこの範囲とすることにより、潜熱の減少が抑制される。この効果は、スレイトールの水への溶解に起因する熱量の減少が抑制されることに起因すると考えられる。

前記糖アルコール又は糖化合物と水との含有量の和は、スレイトールと前記糖アルコール又は糖化合物と水との合計に対して３．０〜４．０ｗｔ％である。前記糖アルコール又は糖化合物と水との含有量の和が３．０ｗｔ％よりも低い場合には、８５℃にて融解せず、且つ、２５℃における凝固時間が長くなるため好ましくない。前記糖アルコール又は糖化合物と水との含有量の和が４．０ｗｔ％よりも高い場合、２５℃における凝固時間が長いため好ましくない。本発明の第二の蓄熱材組成物もまた水の含有量がごく少量であるため、当該組成物を収容する蓄熱槽に特別な耐圧構造は不要であるという点で好ましい。

本発明の第二の蓄熱材組成物の製造方法は特に限定されない。実施例においては、スレイトール以外の水溶性の糖アルコール又は糖化合物（エリスリトール）の飽和水溶液（３７ｗｔ％）を予め調製し、それをスレイトールに添加し、スレイトールが溶融する条件において混合することにより第二の蓄熱材組成物を製造した。しかしこれには限定されず、例えば、所定の配合のスレイトールと、スレイトール以外の水溶性の糖アルコール又は糖化合物と、水とを任意の順序で混合した混合物を、スレイトールが溶融する条件において混合することにより第二の蓄熱材組成物を製造することができる。

本発明の第二の蓄熱材組成物もまた、蓄熱材組成物としての本発明の効果を阻害しない範囲で他の成分を含んでいてもよい。上記の割合で配合されるスレイトールと前記糖アルコール又は糖化合物と水との合計量は、蓄熱材組成物の全重量の７０ｗｔ％以上であることが好ましく、８０ｗｔ％以上であることが好ましく、９０ｗｔ％以上であることが好ましく、９５ｗｔ％以上であることが特に好ましく、１００ｗｔ％であることが最も好ましい。すなわち、本発明の第二の蓄熱材組成物は所定の配合のスレイトールと前記糖アルコール又は糖化合物と水を主成分とする組成物であり、特に好ましくは、所定の配合のスレイトールと前記糖アルコール又は糖化合物と水とから実質的になる組成物である。他の成分が含まれない、所定の配合のスレイトールと前記糖アルコール又は糖化合物と水とからなる組成物が特に好ましい。第二の蓄熱材組成物もまた、第一の蓄熱材組成物と同様に、水溶性の塩類や、非水溶性の繊維を含まないことが好ましい。

実施例１．水添加による融点低下効果
１．手順
組成物全量に対する水の含有率（Ｗｔ％）が表１に示す値である、Ｄ−スレイトールと水とからなる組成物を作成した。各組成物は、大気中で、Ｄ−スレイトールと水との混合物を融点よりも高い温度に加温して溶解させ、次いで冷却して凝固させることにより、水をＤ−スレイトール中に封入させたものである。各組成物の固体のサンプル３ｇを円筒形のサンプル瓶に収容して密閉した。サンプル瓶中のサンプル温度を測定するために、サンプル瓶の底面中部にＫ型熱電対を貼付した。

（１）サンプル瓶を８５℃の恒温槽内に設置し、２４時間保持し、目視にて融解可否を判断した。
（２）（１）において融解したサンプルを室温にて４０℃まで冷却した。
（３）サンプル温度４０℃で２５℃の冷却水に浸漬させ、核生成から相変化終了までの凝固時間（秒）を測定した。
（４）各組成物の潜熱量を発熱量測定により測定した（使用機器：ＲＩＧＡＫＵ Ｔｈｅｒｍｏ ｐｌｕｓ ＤＳＣ（８２３０）、測定法：ＤＳＣ測定）。潜熱減少率（％）を以下の式により算出した：

潜熱減少率（％）＝１００×［｛（水分含有なしのスレイトールの潜熱量）−（水分含有スレイトールの潜熱量）｝／（水分含有なしのスレイトールの潜熱量）］

２．融解、凝固評価
表１に各組成物の水含有率（Ｗｔ％）、８５℃融解の可否、及び２５℃凝固の可否を示す。

水含有率が２．５Ｗｔ％以上の組成物は８５℃で融解することが認められた。ただし、水含有率が１０Ｗｔ％以上の組成物は２５℃での凝固が認められなかった。

３．凝固速度評価
図１に、（３）において測定された、Ｄ−スレイトール組成物中の水含有率と凝固時間の関係を示す。水含有率２．５〜４．０Ｗｔ％の範囲で凝固時間が最も短くなることが確認された。

４．潜熱量評価
図２に、（４）において測定された、Ｄ−スレイトール組成物中の水含有率と潜熱減少率との関係を示す。
水含有率の増加に従って潜熱量は減少することが確認された。

実施例２．Ｄ−エリスリトール飽和水溶液の添加効果
１．手順
Ｄ−スレイトールに、実施例１における水の代わりにＤ−エリスリトール飽和水溶液（２５℃における飽和水溶液、Ｄ−エリスリトール３７Ｗｔ％水溶液）を添加した場合の効果を確認した。組成物全量に対するＤ−エリスリトール飽和水溶液の含有率（Ｗｔ％）が表２に示す値である、Ｄ−スレイトールとＤ−エリスリトール飽和水溶液とからなる組成物を作成した。各組成物は、大気中で、Ｄ−スレイトールとＤ−エリスリトール飽和水溶液との混合物を融点よりも高い温度に加温して溶解させ、次いで冷却して凝固させることにより、Ｄ−エリスリトール飽和水溶液をＤ−スレイトール中に封入させたものである。各組成物の固体のサンプル３ｇを円筒形のサンプル瓶に収容して密閉した。

実施例１と同様の手順により８５℃融解の可否、２５℃凝固の可否、２５℃における凝固時間、及び潜熱減少率を測定した。

２．融解、凝固評価
表２に各組成物の水含有率（Ｗｔ％）、８５℃融解の可否、及び２５℃凝固の可否を示す。

Ｄ−エリスリトール飽和水溶液含有率が３．０Ｗｔ％以上の組成物は８５℃で融解することが認められた。ただし、Ｄ−エリスリトール飽和水溶液含有率が１０Ｗｔ％以上の組成物は２５℃での凝固が認められなかった。

３．凝固速度評価
図３に、Ｄ−スレイトール組成物中のＤ−エリスリトール飽和水溶液含有率と凝固時間の関係を示す。Ｄ−エリスリトール飽和水溶液含有率が２．５〜４．０Ｗｔ％の範囲で凝固時間が最も短くなることが確認された。ただし、Ｄ−エリスリトール飽和水溶液含有率が２．５Ｗｔ％の場合は上記２の通り８５℃で融解することができない。

４．潜熱量評価
図４に、Ｄ−スレイトール組成物中のＤ−エリスリトール飽和水溶液含有率と潜熱減少率との関係を示す。比較のために、図４では、実施例１で得られた、水含有率と潜熱減少率との関係も重ねて示す。

水含有率と同様の範囲の含有率において潜熱量の減少を抑制できることが確認された。特に、Ｄ−エリスリトール飽和水溶液含有率が３．０〜４．０Ｗｔ％の範囲は潜熱量の抑制効果が大きいことが確認された。

実施例３．Ｄ−スレイトール−水組成物の熱伝導率
水含有率２．５Ｗｔ％のＤ−スレイトール−水組成物の固体の熱伝導率をレーザーフラッシュ法にて測定した。
結果を表３に示す。

水を添加することでＤ−スレイトール固体の熱伝導率が向上することが確認された。このことから、水含有量２．５Ｗｔ％のＤ−スレイトール−水組成物の凝固時間が短い（凝固速度が速い）ことは、材料の熱伝導率が向上することに起因すると推定された。

Claims (3)

1. スレイトールと、スレイトール以外の水溶性の糖アルコール又は糖化合物と、水とを含み、
   前記糖アルコール又は糖化合物と水の含有量の和が、スレイトールと前記糖アルコール又は糖化合物と水の含有量の和に対して３．０〜４．０ｗｔ％であり、
   前記糖アルコール又は糖化合物の含有量が、２５〜３０℃の範囲の温度において水の全量と前記糖アルコール又は糖化合物の飽和水溶液を形成することができる量である
   蓄熱材組成物。
2. スレイトールと、スレイトール以外の水溶性の糖アルコール又は糖化合物と、水とを含み、
   前記糖アルコール又は糖化合物と水の含有量の和が、スレイトールと前記糖アルコール又は糖化合物と水の含有量の和に対して３．０〜４．０ｗｔ％であり、
   前記糖アルコール又は糖化合物の含有量が、前記糖アルコール又は糖化合物と水の含有量の和に対して３５〜５０ｗｔ％である
   蓄熱材組成物。
3. 前記糖アルコール又は糖化合物がエリスリトールである、請求項１又は２の蓄熱材組成物。

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