JP6023626B2 - 蓄熱構造体 - Google Patents

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Description

本発明は蓄熱構造体に関し、特に所望の温度帯での潜熱蓄熱効果を得ることができるようにしたものに関する。
この種の潜熱蓄熱材は、一般的に所望の温度で相変化を起こすように融点調整剤を混合したり、耐久性を高めるために過冷却防止剤、相分離防止剤等を混合したりした混合物が使用されている。
この場合、所望の相変化温度が得られる一方で、例えば炭素数が異なる2種類のパラフィンを混合して所望の相変化温度を得た場合、2相共存のダブルピークが発生し、蓄熱量が著しく低下する。このような蓄熱材を利用した場合、所望温度帯での潜熱蓄熱効果や全体的な蓄熱効果は得られるものの、絶対的な蓄熱量が不足してしまうという問題があった。
そこで、従来、特許文献1では、上記の蓄熱量の不足を解消するために、同一炭素数のn−パラフィンとα−オレフィンとを混合する技術が開示されている。これにより、凝固点(融点)付近の蓄熱量の減少を抑制し、所望の相変化温度を得ている。
特開平9−13022号公報
しかしながら、特許文献1では、同一炭素数のn−パラフィンとα−オレフィンを混合することにより、炭素数が異なる2種類のパラフィンを混合した場合と比較して、凝固点(融点)付近における蓄熱量の減少が抑制できているが、一方で、その抑制量は必ずしも十分なものではない。また、設定した相変化温度によっては、凝固点(融点)付近における蓄熱量の減少量が拡大する。
本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたもので、その目的は、蓄熱構造体における蓄熱体の構造に工夫を凝らすことにより、蓄熱量(融解熱)の減少を伴わずに、所望の温度帯での潜熱蓄熱効果を得ると共に、全体的な蓄熱効果を得ることにある。
上記の目的を達成するために、この発明では、蓄熱構造体に組み込まれる蓄熱体として、融点調整材が添加された潜熱蓄熱材と、添加されていない潜熱蓄熱材とを有する2つの蓄熱層を設けることとした。
具体的には、請求項1の発明では、表面材の裏側に蓄熱体が組み込まれた蓄熱構造体であって、蓄熱体は、表面材の裏側に配置され、かつ融点調整材によって相変化温度が調整された潜熱蓄熱材を有する第1蓄熱層と、第1蓄熱層の裏側に配置され、炭素数が16、18又は20であり、かつ融点調整材を含まないパラフィン系の潜熱蓄熱材を有する第2蓄熱層とを備えていることを特徴とする。
この請求項1の発明では、表面材の裏側に配置された第1蓄熱層の潜熱蓄熱材は、融点調整材によって相変化温度が調整されているため、表面材が所望の表面温度に保持されるように効果的に働くことができる。また、第1蓄熱層の裏側に配置された第2蓄熱層の潜熱蓄熱材は、所定の炭素数であり、かつ融点調整材を含まないパラフィン系の蓄熱材であるため、高い蓄熱量を確保することができる。その結果、2つの蓄熱層が組み合わせられた蓄熱体(蓄熱構造体)は、高い蓄熱量を確保しつつ、表面付近においては、所望の温度帯での潜熱蓄熱効果を得ることができる。したがって、全体的に見て高い蓄熱効果を得ることができる。
請求項2の発明では、請求項1記載の蓄熱構造体において、第1蓄熱層の潜熱蓄熱材は、融点調整材によって相変化温度が19℃以上27℃以下に調整されている蓄熱材からなることを特徴とする。
この請求項2の発明では、融点調整材によって第1蓄熱層の潜熱蓄熱材の相変化温度が19℃以上27℃以下に調整されていることから、本発明の蓄熱構造体を、例えば床材、壁材等に用いた場合、室内環境を快適にすることができる。
請求項3の発明では、請求項1記載の蓄熱構造体において、第1蓄熱層の潜熱蓄熱材は、融点調整材によって相変化温度が20℃以上23℃以下に調整されている蓄熱材からなることを特徴とする。
この請求項3の発明では、融点調整材によって第1蓄熱層の潜熱蓄熱材の相変化温度が20℃以上23℃以下に調整されていることから、本発明の蓄熱構造体を、例えば床材、壁材等に用いた場合、室内環境をさらに快適にすることができる。
請求項4の発明では、請求項1から3のうちのいずれか1項に記載された蓄熱構造体において、表面材と第1蓄熱層との間に熱伝導性の均熱層が設けられたことを特徴とする。
この請求項4の発明では、表面材と第1蓄熱層との間に熱伝導性の均熱層が設けられているので、第1蓄熱層の熱が均熱層を介して均一に表面材に伝達される。例えば表面材のうち、日射を受けた部位から日射の少ない部位や日射を受けない部位に対して均熱層を介して第1蓄熱層でのスムーズな熱移動を実現し、その熱が第2蓄熱層に伝達されることにより、蓄熱体(蓄熱構造体)全体として蓄熱容量を確保することができる。
請求項5の発明では、請求項1から3のうちのいずれか1項に記載された蓄熱構造体において、第1蓄熱層と第2蓄熱層との間に熱伝導性の均熱層が設けられたことを特徴とする。
この請求項5の発明では、第1蓄熱層と第2蓄熱層との間に熱伝導性の均熱層が設けられているので、例えば表面材において、日射を受けた部位から日射の少ない部位や日射を受けない部位に対してスムーズな熱移動を均熱層によって実現し、蓄熱体(蓄熱構造体)全体として蓄熱容量を確保することができる。さらに、第2蓄熱層の熱を均一に第1蓄熱層に伝達することができる。
請求項6の発明では、請求項4記載の蓄熱構造体において、第1蓄熱層と第2蓄熱層との間に熱伝導性の均熱層が設けられたことを特徴とする。
この請求項6の発明では、表面材と第1蓄熱層との間及び第1蓄熱層と第2蓄熱層との間にそれぞれ熱伝導性の均熱層が設けられているため、表面材、第1蓄熱層、第2蓄熱層の間において、例えば日射を受けた部位から日射の少ない部位や日射を受けない部位に対してスムーズな熱移動を実現し、蓄熱体(蓄熱構造体)全体として蓄熱容量を確保することができる。また、表面材、第1蓄熱層、第2蓄熱層の間の熱伝達を均一にすることができる。
以上説明したように、請求項1の発明によると、蓄熱構造体に組み込まれる蓄熱体として、表面材の裏側に配置され、相変化温度が調整可能に構成された潜熱蓄熱材を有する第1蓄熱層と、第1蓄熱層の裏側に配置され融点調整材を含まないパラフィン系の潜熱蓄熱材を有する第2蓄熱層とを設けたことにより、所望の表面温度となるように第1蓄熱層の融点調整をしつつ、第2蓄熱層により高い蓄熱量を確保することができる。したがって、蓄熱構造体(蓄熱体)は、高い蓄熱量を確保しつつ、表面付近においては、所望の温度帯での潜熱蓄熱効果を得ることができる。
請求項2の発明によると、融点調整材によって第1蓄熱層の潜熱蓄熱材の相変化温度が19℃以上27℃以下に調整されているため、蓄熱構造体を用いた室内の環境を快適にすることができる。
請求項3の発明によると、融点調整材によって第1蓄熱層の潜熱蓄熱材の相変化温度が20℃以上23℃以下に調整されているため、蓄熱構造体を用いた室内の環境をさらに快適にすることができる。
請求項4の発明によると、表面材と第1蓄熱層との間に熱伝導性の均熱層が設けられているため、第1蓄熱層の熱を均一に表面材に伝達することができる。さらに、例えば日射を受けた部位から日射を受けない部位等に対して第1蓄熱層でのスムーズな熱移動を実現し、その熱が第2蓄熱層に伝達されることにより、蓄熱体全体として蓄熱容量を確保することができる。
請求項5の発明によると、第1蓄熱層と第2蓄熱層との間に熱伝導性の均熱層が設けられているため、例えば日射を受けた部位から日射を受けない部位等に対してスムーズな熱移動を実現し、蓄熱体全体として蓄熱容量を確保することができる。さらに、第2蓄熱層の熱を均一に第1蓄熱層に伝達することができる。
請求項6の発明によると、表面材と第1蓄熱層との間及び第1蓄熱層と第2蓄熱層との間に熱伝導性の均熱層が設けられているため、表面材、第1蓄熱層、第2蓄熱層の間でのスムーズな熱移動が実現され、例えば日射を受けた部位から日射を受けない部位等に対してスムーズな熱移動が実現される。これにより、蓄熱体全体として蓄熱容量を確保することができる。また、表面材、第1蓄熱層、第2蓄熱層の間で熱を均一に伝達することができる。
図1は、本発明の実施形態に係る蓄熱構造体を概略的に示す断面図である。 図2は、本発明の実施形態に係る蓄熱構造体の他の例を概略的に示す断面図である。 図3は、本発明の実施形態に係る蓄熱構造体の他の例を概略的に示す断面図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
図1は本発明の実施形態に係る蓄熱構造体Aを示し、この蓄熱構造体Aは、例えば床材、壁材、床下地材、壁下地材、天井下地材等の建材、或いはその他の蓄熱用途に使用される。
蓄熱構造体Aは、表面材14及び裏面材15と、これら表面材14及び裏面材15の間に位置する枠材13,13とを備え、表面材14及び裏面材15の間に蓄熱体10が組み込まれている。表面材14は、例えば矩形板状のもので、合板やMDF等が好適に用いられる。或いはパーティクルボードやハードボード等のその他の木質板材、大建工業(株)製の商品名「ダイライト」等の無機質系板材、樹脂板材等、通常に建材として用いられる0.5〜15mm程度の板状またはシート状の材料が用いられる。
また、枠材13,13は、同じ幅の角材を平行に並べたもの又は角材を方形に組んだもので、例えば木材やプラスチック等の棒状材からなる。
さらに、裏面材15は、例えば表面材14と同じ大きさのもので、表面材14と同様に、通常に建材として用いられる材料が用いられる。この場合、表面材14と裏面材15は使用される加熱手段や冷却手段、断熱手段による反り等に鑑み、同じ材料・同じ厚みのものを使用してもよいし、適宜材質や厚みを替えて使用してもよい。
また、離面材としては、アルミシート、ガラスクロス、樹脂不織布や紙等が挙げられ、必要に応じて片面に粘着剤が塗布されているものを用いてもよい。さらに、樹脂発泡体のシート状物も用いることができる。
表面材14と裏面材15との間は枠材13,13によって所定厚さ(例えば12mm)の空間に区画されており、この空間に蓄熱体10が組み込まれている。この蓄熱体10は、表面材14の裏側に配置された複数(図1では4つ)の第1蓄熱層11,11,…と、第1蓄熱層11,11,…の裏側にそれぞれに配置された複数(図1では4つ)の第2蓄熱層12,12,…とによって構成される。
第1蓄熱層11は、融点調整材によって相変化温度が調整された潜熱蓄熱材(以下融点調整PCM(Phase Change Materials)ともいう)を有し、この潜熱蓄熱材が例えば可撓性や柔軟性のある袋状の容器(例えば、アルミパック)に気密状に充填されて封入され、所定厚さ(例えば厚さ3mm)の板状に形成されている。第2蓄熱層12は、炭素数が16、18又は20であり、かつ融点調整材を含まないパラフィン系の潜熱蓄熱材(以下P−PCMともいう)を有し、この潜熱蓄熱材が例えば可撓性や柔軟性のある袋状の容器(例えば、アルミパック)に気密状に充填されて封入され、所定厚さ(例えば厚さ9mm)の板状に形成されている。なお、上記の各所定厚さ(表面材14と裏面材15との間の空間の厚さ、各第1蓄熱層11の厚さ、各第2蓄熱層12の厚さ)は、使用環境、設計仕様等に基づいて適宜選択すればよい。
上記各第1及び第2蓄熱層11,12の潜熱蓄熱材は、パックに封入されるため、マイクロカプセル化されていない潜熱蓄熱材やゲル化された潜熱蓄熱材等も使用することができる。
第1蓄熱層11の潜熱蓄熱材には、上記融点調整PCMとして、例えば、融点調整剤が添加されたn−オクタデカン、n−ヘキサデカンが主原料のノルマルパラフィンが用いられる。このノルマルパラフィンは、融点が18〜32℃のものが用いられる。ここで、室内環境を快適にするために、第1蓄熱層11の潜熱蓄熱材の融点温度(相変化温度)を19℃以上27℃以下とするのが望ましく、20℃以上23℃以下とするのがより望ましい。この融点調整PCMは略そのまま上記の容器に詰められて使用され、温度変化に応じて固体・液体と相変化する。なお、ノルマルパラフィンの比重は、例えば約0.8である。
上記融点調整PCMは、パラフィンの他、無機水和塩(塩化カルシウム六水和塩、硫酸ナトリウム十水和塩等)、脂肪酸類(パルミチン酸、ミリスチン酸等)、芳香族炭水化物化合物(ベンゼン、p−キシレン等)、エステル化合物(パルミチン酸イソプロピル、ステアリン酸ブチル等)、アルコール類(ステアリルアルコール等)、ポリアルキレングリコール等を用いることが可能である。
上記融点調整PCMに添加する融点調整材には、ベースとなるパラフィンと炭素数の異なるパラフィン、エチレングリコール、塩化ナトリウム、塩化カリウム、水など1種もしくは2種以上を用いることが可能である。
第2蓄熱層12の潜熱蓄熱材には、上記P−PCMとして、パラフィン系の蓄熱材、例えばn−ヘキサデカン、n−オクタデカン、n−エイコサンが主原料のノルマルパラフィンが用いられる。この第2蓄熱層12の潜熱蓄熱材には、融点調整材は添加しない。したがって、n−ヘキサデカンを蓄熱材に用いた場合の融点は18.2℃であり、n−オクタデカンを用いた場合の融点は28.2℃、n−エイコサンを用いた場合の融点は36.4℃である。一方で、n−ヘキサデカンを蓄熱材に用いた場合の融解熱は229(J/g)であり、n−オクタデカンを用いた場合の融解熱は243(J/g)、n−エイコサンを用いた場合の融解熱は247(J/g)である。 このP−PCMは略そのまま上記の容器に詰められて使用され、温度変化に応じて固体・液体と相変化する。なお、例えば床材等の建材の蓄熱用途に対してこの蓄熱構造体Aを使用する場合、快適とされる室内環境(例えば20℃〜23℃)温度と融点が比較的近い潜熱蓄熱材が好適であり、具体的には、上述した炭素数が16、18又は20であるパラフィン系の蓄熱材が好適である。
P−PCMは、融点調整されていないことが前提ではあるが、性状を調整するために、ゲル化剤等を調整したり、保型性を高めるために不織布やスポンジ状物に染み込ませてもよい。但し、この場合は添加したゲル化剤、不織布の分だけ、単位重量あたりの熱容量が小さくなるため、できる限り少ない方がよい。
こうすることにより、表面材14が所望の表面温度となるように第1蓄熱層11の潜熱蓄熱材の融点調整をしつつ、第2蓄熱層12の潜熱蓄熱材により高い蓄熱量を確保することができる。したがって、蓄熱構造体A(蓄熱体10)は、高い蓄熱量を確保しつつ、表面付近においては、所望の温度帯での潜熱蓄熱効果を得ることができる。
なお、第2蓄熱層12の潜熱蓄熱材に用いるノルマルパラフィンの炭素数は、第1蓄熱層11の潜熱蓄熱材の相変化温度に応じて適宜選択すればよい。例えば、第1蓄熱層11の潜熱蓄熱材の相変化温度を20℃に設定した場合には、第2蓄熱層12の潜熱蓄熱材として、n−オクタデカンを用いるとより効果的である。ただし、第1蓄熱層11の潜熱蓄熱材の相変化温度を20℃に設定した場合において、第2蓄熱層12の潜熱蓄熱材として、他のノルマルパラフィン(例えば、n−ヘキサデカン)を用いてもよい。
[蓄熱構造体の他の例]
図2は、本発明の実施形態に係る蓄熱構造体Aの他の例を示し、第1蓄熱層11,11,…の配置を変えたものである。
すなわち、図1に示す蓄熱構造体Aでは、第1蓄熱層11,11,…と第2蓄熱層12,12,…とが同じ幅であり、かつ幅方向の位置も同じになって、両蓄熱層11,12が上下に重なるように配置している。これに対し、この図2に示す蓄熱構造体Aでは、第1蓄熱層11,11,…と第2蓄熱層12,12,…との幅方向の位置を異ならせ、1つの第1蓄熱層11の裏側に隣り合う2つの第2蓄熱層12,12の両方の表側が接するように配置している。
こうすることにより、第1蓄熱層11,11,…と第2蓄熱層12,12,…との間の熱移動をスムーズにすることができる利点がある。そのため、例えば、蓄熱構造体Aを床材に使用した場合において、日射を受けた部位から日射の少ない部位や日射を受けない部位に対してスムーズな熱移動を実現することができる。
また、これに替えて潜熱蓄熱材の収容容器自体に熱伝導性が高いものを使用してもよい。例えば、比重0.8〜1.2程度の樹脂シートの表面に金属薄膜を積層一体化したものや、樹脂シートの表面にアルミ蒸着したもの等が好適に用いられる。
図3は、本発明の実施形態に係る蓄熱構造体Aの他の例を示し、表面材14と第1蓄熱層11,11,…との間に均熱層16をさらに設けたものである。
すなわち、図1に示す蓄熱構造体Aでは、表面材14の裏側に第1蓄熱層11,11,…を配置している。これに対し、この図3に示す蓄熱構造体Aでは、表面材14の裏側に熱伝導性の均熱層16(例えば、アルミニウム板等)を配置しており、均熱層16の裏側に第1蓄熱層11,11,…を配置している。
こうすることにより、第1蓄熱層11,11,…の熱が均一に表面材14に伝達される利点がある。
なお、図3において、均熱層16を、表面材14と第1蓄熱層11,11,…との間に代えて、第1蓄熱層11,11,…と第2蓄熱層12,12,…との間に設けてもかまわない。
こうすることにより、第2蓄熱層12,12,…間で、均熱層16を介して均一に熱が伝達される。これにより、例えば日射を受けた部位から日射の少ない部位や日射を受けない部位に対してスムーズな熱移動が実現され、日射の少ない部位や日射を受けない部位における第2蓄熱層12,12,…においても蓄熱することができる。これにより、蓄熱体(蓄熱構造体)全体として蓄熱容量を確保することができる利点がある。
また、図3において、均熱層16を、表面材14と第1蓄熱層11,11,…との間に加えて、第1蓄熱層11,11,…と第2蓄熱層12,12,…との間に設けてもかまわない。
こうすることにより、表面材14、第1蓄熱層11,11,…、第2蓄熱層12,12,…の間で均一に熱が伝達されるため、上記と同様にして、蓄熱体(蓄熱構造体)全体として蓄熱容量が確保されるとともに、第1蓄熱層11,11,…の熱を均一に表面材14に伝達することができる利点がある。
なお、上記実施形態の説明では、蓄熱体10は、表面材14及び裏面材15の間に組み込まれているものとしたが、これに限られるものではない。例えば、裏面材15及び枠材13,13を省いて、表面材14の裏側に第1蓄熱層11,11,…を接着剤等で固定し、第1蓄熱層11,11,…の裏側に第2蓄熱層12,12,…を接着剤等で固定してもよい。
また、図1〜図3では、隣り合う2つの第1蓄熱層11,11間及び隣り合う2つの第2蓄熱層12,12間には、相変化による体積変化を考慮して隙間を設けているが、この隙間に第1蓄熱層11,11,…及び第2蓄熱層12,12,…のずれを規制するずれ規制部(例えば、突起(図示しない)等)を用いてもよい。
また、上記実施形態の説明では、第1蓄熱層11と第2蓄熱層12とは、同じ幅であるものとしたが、その幅が異なっていてもよい。
また、上記実施形態の説明では、各第1及び第2蓄熱層11,12として、容器に封入された潜熱蓄熱材を用いるものとしたが、これに限られるものではなく、不織布や繊維板に含浸した潜熱蓄熱材を用いてもよい。ただし、蓄熱容量を確保する観点から、特に第2蓄熱層12,12,…は、容器に封入されたマイクロカプセル化されていない潜熱蓄熱材やゲル化された融点調整されていない潜熱蓄熱材等を用いるのが望ましい。
次に、具体的に実施した実施例について説明する。
(実施例1)
図1に示す構造の蓄熱構造体Aを作製した。表面材14と裏面材15との間の空間の厚さは12mmであり、第1蓄熱層11の厚さは3mm、第2蓄熱層12の厚さは9mmである。第1蓄熱層11の潜熱蓄熱材には、融点調整剤及びゲル化剤を添加したn−ヘキサデカンを用いた。また、第2蓄熱層12の潜熱蓄熱材には、ゲル化剤10重量%を添加したn−オクタデカンを用いた。第1蓄熱層11の潜熱蓄熱材は、融点20℃、融解熱160(J/g)である。第2蓄熱層12の潜熱蓄熱材は、融点28.2℃、融解熱219(J/g)である。
(実施例2)
図1に示す構造の蓄熱構造体Aを作製した。表面材14と裏面材15との間の空間の厚さは12mmであり、第1蓄熱層11の厚さは3mm、第2蓄熱層12の厚さは9mmである。第1蓄熱層11の潜熱蓄熱材には、融点調整剤及びゲル化剤を添加したn−ヘキサデカンを用いた。また、第2蓄熱層12の潜熱蓄熱材には、ゲル化剤10重量%を添加したn−ヘキサデカンを用いた。第1蓄熱層11の潜熱蓄熱材は、融点20℃、融解熱160(J/g)である。第2蓄熱層12の潜熱蓄熱材は、融点18.2℃、融解熱206(J/g)である。
(比較例1)
図1に示す構造の蓄熱構造体Aにおいて、第2蓄熱層12を省いたものである。第1蓄熱層11の厚さは12mmである。その他は実施例1と同じである。第1蓄熱層11の潜熱蓄熱材は、融点20℃、融解熱160(J/g)である。
以上のように、実施例1及び実施例2では、比較例1と比較して、蓄熱体全体としての蓄熱容量を確保することができた。
本発明は、蓄熱量の減少を伴わずに、所望の温度帯での潜熱蓄熱効果を得ると共に、全体的な蓄熱効果を有する蓄熱構造体を得ることができるので、極めて有用であり、産業上の利用可能性が高い。
A 蓄熱構造体
10 蓄熱体
11 第1蓄熱層
12 第2蓄熱層
14 表面材
16 均熱層

Claims (6)

  1. 表面材の裏側に蓄熱体が組み込まれた蓄熱構造体であって、
    前記蓄熱体は、
    前記表面材の裏側に配置され、融点調整材によって相変化温度が調整された潜熱蓄熱材を有する第1蓄熱層と、
    前記第1蓄熱層の裏側に配置され、炭素数が16、18又は20であり、かつ融点調整材を含まないパラフィン系の潜熱蓄熱材を有する第2蓄熱層とを備えている
    ことを特徴とする蓄熱構造体。
  2. 請求項1記載の蓄熱構造体において、
    前記第1蓄熱層の潜熱蓄熱材は、前記融点調整材によって相変化温度が19℃以上27℃以下に調整されている蓄熱材からなる
    ことを特徴とする蓄熱構造体。
  3. 請求項1記載の蓄熱構造体において、
    前記第1蓄熱層の潜熱蓄熱材は、前記融点調整材によって相変化温度が20℃以上23℃以下に調整されている蓄熱材からなる
    ことを特徴とする蓄熱構造体。
  4. 請求項1から3のうちのいずれか1項に記載された蓄熱構造体において、
    前記表面材と前記第1蓄熱層との間に熱伝導性の均熱層が設けられた
    ことを特徴とする蓄熱構造体。
  5. 請求項1から3のうちのいずれか1項に記載された蓄熱構造体において、
    前記第1蓄熱層と前記第2蓄熱層との間に熱伝導性の均熱層が設けられた
    ことを特徴とする蓄熱構造体。
  6. 請求項4記載の蓄熱構造体において、
    前記第1蓄熱層と前記第2蓄熱層との間に熱伝導性の均熱層が設けられた
    ことを特徴とする蓄熱構造体。
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