JPH05500523A - 低温蓄熱用のための塩化カルシウム6水和物配合物 - Google Patents
低温蓄熱用のための塩化カルシウム6水和物配合物Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
低温蓄熱用のための塩化カルシウム6水和物配合物〔技術分野〕
本発明は、蓄熱装置に関する。特に、蓄熱装置(低エネルギー温室の如き)で用
いるための塩化カルシウム6水和物に基づく相変化材料に関する。
低温蓄熱装置は、長い間かなり開発の対果にされてきた。以前からの研究は、C
Dベアード(Baird)、WEウォーターズ(1’1aters)及びDR,
メアーズ(Hears)による「架台下蓄熱器を用いた温室太陽熱装置J (G
reenhousesolar heatiB system utiiizi
ngunderbench storage)と題する彼らの論文中に記載され
ている装置のような、岩石未再生加熱装置を改良することに主に向けられてきた
。その論文は1977年6月ノースカロライナ州立大学での1977年度アメリ
カン・ソサイアティー・オブ・アグリfj lし+ 、:l−ラlし・工’jジ
ニアーズ(^meriean 5ociety or八へricultural
Engineers)年次会議講演集第1頁〜第18頁に発表されている。し
がし、岩石床装置は嵩張っていて組立てるのに大変であり、最近の低温蓄熱装置
の開発の殆どは、約30℃の温度で作動する相変化材料を用いた装置に集中して
いる。そのような相変化材料は、それらが同相から液相に変化する時、周囲がら
熱を吸収し、それらの温度が低下して再び固化した時、融解の潜熱を放出する。
低エネルギー蓄熱装置で用いられる最初の相変化材料はグローバー(Glaub
er)の塩、@酸ナトリウム10水和物(Na2SO,−10820)であり、
それは約32℃の相変化温度を有する。しかし、千ャールス・スタイン(Cha
r−Ies 5tein)が彼の国際特許用M P CT / U S 841
0T005(WIPO出願WO35100212)ノ明細書で述ヘテいルように
、硫酸ナトリウム10水和物は、相変化を何回も繰り返すとその組成を変え、そ
れが自然に固化する前に強い「過冷却J (undercooling)を示す
(この分野の成る研究音速はこれを“5upercool ing”と呼んでい
る)。スタインは彼の明細書中で11’C程の大きな過冷却を報告している。こ
の過冷却問題はit酸ナナトリウム1o水和物核生成剤(il砂)及び濃化剤(
微粒シリカ)を添加することにより解決することができる。スタインは塩化カル
シウム6水和物、CICI2・6H,Oに基づく相変化材料が現在好ましいこと
をm京している。しかし彼自身の発明は、硫酸ナトリウム10水和物の既知のr
::IMを解決することを目的とし、金属ウール粉砕物を有する小さな構造体中
に別の相変化材料(パラフィンワックス)を用いることを含んでいる。
析出問題を防ぐため相変化材料を満たした小さなセル(cell)を用いること
も、マリヲ・スティフラー(Mari。
Sti[Ier)ニよる彼ノオーストラリア特許第559,354号明細書で記
述された潜熱蓄熱器として提案されている。スティフラーの相変化材料の中で好
ましいものは、硫酸ナトリウムlO水相物、燐酸二ナトリウム12永和物、及び
燐酸二すトリウム7水和物である。
小さな包みの巾に相変化材料を貯蔵すること、又はそのような材料をマイクロカ
プセル化することは、他の研究音速によって採られている解決法であり、Bカー
ルソン(Carlsson)、Hスチムン(Stymne)及びGつj−ツタ−
マーク(i+tetteraark)により「融解熱不一致性系の化学組成を変
えることにより一致性にしたCaCl□・6H20」(^n incongru
ent heat−of−fusion system −CaC12・6 H
2O−made congruent through modificati
on ofthe chemical eomposition or the
system)と題する、5olar Energy、 Vol、 23.
(1979) pp、 343−350に発表された彼らの論文により言及され
ている。しかし、カールソンその他は、相変化材料塩化カルシウム6水和物をそ
の溶M/固化点を通って繰り返し変化させた時に含まれる物理化学性を説明して
おり、4水和物、CaC1□・4H20の形成が、塩化ストロンチウム6水和物
(SrClz・6H20)を2%丈で含有させることにより阻止できることを示
している。それは核生成剤(それによって過冷却傾向を減する)として、又6水
相物の溶解度を低下しなから4水和物の溶解度を上昇させ、それによって温度が
塩化カルシウム6水和物の固化点の方へ低下した時4水和物が固化するのを防ぐ
添加物としての両方の働きをする。カールソンその他は、塩化ナトリウム及び塩
化カリウムの如き工業級塩化カルシウム6水和物中の不純物がCaC1,・6H
20系の不一致性を増大するが、それらの効果が水酸化カルシウム〔Ca (O
H) 2 )を添加することにより相殺することができることも観察している。
Hファイルヒエンフェルド(Feilchenfeld)、Jフックス(Fuc
hs)及びSサーリッヒ(Sarig)による[淀んだ塩化カルシウム6水和物
の安定性についての熱量的研究」(Al2O:l calorimetric
investigation of the 5tabi−1ity of s
tagnant caluciu鍋chloride hexahydrate
met仁)と題する、5olar Energy、 110f、 30. (1
984) pp779−784に発表された最近の論文で、蓄熱相変化材料とし
てのCsCl□・6H20は添加物がないとその「過冷却」傾向のため劣化し、
4水和物の形成と共に破壊されることを協調している。この論文もこれらの問題
を解決するために添加物を使用すること、特に核生成剤としての塩化ストロンチ
ウム6水和物< S rC+2・6 H20>及び濃化剤としてのフユームドシ
リカを使用することに注意を喚起している。
建築物にそのような相変化材料を使用することは多くの場合に示唆されている。
成る研究音速は相変化材料を用いた場合の固有の問題を認識しており、それらの
問題を解決するために特別の構造又は技術を示唆している。
別の研究音速はそれらの問題を無視する傾向を示している。建物に相変化材料を
用いることを含めた提案の例には次のものが含まれる・(i )RKブルドーエ
(Prudhoe)によるオーストラリア特許出願第47850/ 85号明細
a<電子装置等を有する建物中の温度変動を制御するための提案;(ii)久保
田社によるオーストラリア特許出願第49046/ 85号明細書には、相変化
材料が貯蔵されたタンク楕遺体が入っている温室が記載されている;(iii)
’太陽エネルギー技術の進歩J (^dvances in 5olar En
ergyTechnology) (Per8amon Press、 198
8)第3353頁〜第3357頁に発表されたブランド−ステツタ−(Bran
dstetter)による「温室用相変化N熱1 (Phase chinFI
e storageforgreenhouses)と題する論文には、熱貯蔵
媒体が「過冷却及び劣化に対し適当に配合された」塩化カルシウム6水和物であ
る低エネルギー温室が記載されている。
上述の明細書及び論文には、多くの異なった相変化材料が種々の場合に用いるよ
うに提案されている。従って、温室及び他の建物、熱ボンア、太陽エネルギー貯
蔵タンク、及び工業的廃熱利用施設に低温熱貯蔵媒体として相変化材料を使用す
ると言う考えは現在よく受け入れられていることは明白である。(今の列挙で尽
くされているのではない)、1−かじ、溶融固化点を通って何回も変化させるこ
とができる満足すべき相変化材料を製造することは、この分野での研究に多くの
問題を課している。
N矢野、T上野、及びS坪井により研究された多くの相変化材料がオーストラリ
ア特許出願第55769/86号明細書に記載されている。その明細書に記載さ
れている好ましい組成物は、5%までの硫化バリウム、o、ooi〜5%の塩化
バリウム2水和物、及び0.001〜0.1%の塩化ストロンチウム6水相物を
含む添加物、及び固化点変性剤として添加した臭化物く臭化カリウム、臭化ナト
リウム、又は臭化アンモニウム)、及び濃化剤として添加した比較的多量の超微
粒シリカ粉末及びグリセリンを含んだ塩化カルシウム6水和物である。しかしそ
のような添加物のため、その相変化材料は製造コストの高い材料になっている。
′本発明の目的は、比較的低コストの相変化材料配合物で、蓄熱媒体としてその
性能から著しく離れることなく何回も溶融固化工程を反復させるのに成功裡に用
いることができる相変化材料配合物を与えることである。
この目的は、選択された量の特定の添加物を塩化カルシウム6水和物に含有させ
ることにより達成される。それら添加物は、(a)核生成剤として、塩化カルシ
ウム6水相物の0.1%(重量)以上の量の塩化ストロンチウム6水和物、(b
)塩化カルシウム6水和物の0,02%〜1.0%(重jl)の範囲の量のヒユ
ームドシリカ、及び(c)塩化カルシウム6水和物の1.0%〜5.0%(重量
)の範囲の、塩化カルシウム6水和物中に含まれている化学量論的量を越えた過
剰の水である。更に、0001%〜1.0%〈重量)の塩化ナトリウムを添加し
てもよい。
塩化ストロンチウム6水和物は、塩化カルシウム6水和物の0.1%〜4.0%
〈重量)の範囲の量で存在するのが好ましい、塩化ストロンチウム6水和物の高
い方の濃度は、塩化カルシウム6水和物の約2.0%であるのが一層好ましく、
最も好ましくは塩化ストロンチウム6水和物は塩化カルシウム6水和物の約0.
3%(重量)である。
安定な相変化材料である組成物を製造するのにこれらの添加物及びそれらの濃度
範囲を選択することは、溶融固化循環実験で塩化カルシウム6水和物相変化材料
の性能因子を長い間研究してきた結果得られたものである。
塩化ストロンチウム6水和物は、塩化カルシウム6水和物と同型物質で、CaC
l□・6HzOと殆ど理想的な固溶体を形成することができることが知られてお
り、塩化カルシウム6水和物の固化の核生成剤となることも知られている。研究
から、長期間の核生成安定化を維持するのに必要な塩化ストロンチウム6水和物
の最低限の量は0.1%であることが示されている。塩化ストロンチウム6水和
物の一層低い濃度でも、塩化カルシウム6水和物中の5rCI□・6H,Oの溶
解限界に近い、塩化カルシウム6水相物の約IoO%(重量)より多く5rCa
CI2・6H20の濃度を増大しても、蓄熱相変化材料配合物の性能及び長期安
定性に大きな向上を庸すことは殆どない。
5rCh・6Hz○の濃度をCJLC12・6 H20の2.0%より多く増大
しても相変化材料の性能を向上せず、その配合コストを著しく増大する。この明
細書が書かれた時点で、オーストラリアでは塩化ストロンチウム6水和物は]、
kI?当たり$20.00の値段であるのに対し、塩化カルシウム6水和物は1
kF1当たり$0.20の値段であった。
CaC1□・6H20の約4.0重量%より大きい濃度では、Ca CI 2・
6H20の熱容量より低い熱容量を有する塩化ストロンチウム6水和物の不活性
性は、相変化材料配合物の効率を低下するものと予想され、この因子が5rC1
2・6H20の高いコストと一緒になって塩化ストロジチウム6水和物の濃度の
実際的上限を定める。
長期安定性を有する塩化カルシウム6水和物に基づく相変化材料を製造するため
に、僅かな量のヒユームドシリカが濃化剤として必要であることも判明している
。
キャボット・ケミカル社(Cabot Chemical Co、)から商標名
キャブ・オ・シル(CAB−0−CIL)として市販されているヒユームドシリ
カを用いて、上記研究により、相変化材料の長期多重反復安定性を与えるのに少
なくとも0.02重量%の量が必要であることが示されているが、1.0重量%
を越える濃度は相変化材料のコストを不必要に増大12、安定性或は他の性能因
子に改良を与えることはない。
「過剰の水」 〈即ち、6水和物配合物に必要な化学量論的量を越えた水)を使
用することは、上記オーストラリア特許出願筒55769/ 86号明細書の開
示では考えられていない、「過剰の水」を使用することは、Sunworld。
VOl、 6. No、 5. pp、 134−139 (1982)に発表
されたSフルボ(Furbo)による[塩水和物を用いた蓄熱装置J (Heれ
Storage Units Using 5alt Hydrates)と題
する論文で、硫酸ナトリウム10水和物及び成る他の塩水和物に関連して提案さ
れている。しかし、塩化カルシウム6水和物に関連して化学量論的に必要な量を
越えた水はこの論文では提案されていない0本発明者による研究では、相変化材
料の長期安定性を確実に与えるためには過剰の水が必要であることを示している
。過剰の水の最低限の量は1.0%(重量)であり、それは6.1.23の水和
度に相当し、過剰の水の最大限の量は約5.0%であり、それは661の水和度
に相当しており、それらは貯蔵効率の考察に基づいて決定された。
本発明の基本的配合物に種々の変更を与えることができる0例えば、既に述べた
ように、塩化ナトリウムをo、oot%〜1.0%(重量)の濃度で含有させる
のが好まj7い、実際、塩化カルシウム6水和物を基にした相変化材料の従来法
の配合物の殆どで塩化ナトリウムは暗に含まれた添加物であり、工業板Ca C
I 2・6H20では、塩化ナトリウムは、その不純物の一つになっている。約
0.4重量%までの塩化ナトリウムは、相変化材料が通常用いられる温度範囲で
塩化カルシウム6水和物と固溶体を形成することができる。塩化ナトリウムの好
ましい添加量は、塩化カルシウム6水和物の0.Z%〜1.0%(重量l)の範
囲である。
成る状況下では、配合物の溶融/固化転移温度を低下させるため、本発明の配合
物に塩化アンモニウム及び塩化カリウムの各々を10重量%まで添加するのも有
利である。
本発明の好ましい配合物は次のものを添加した塩化カルシウム6水和物からなる
:
(a) 約0.3重量%の塩化ストロンチウム6水和物、(b) 約0.1重量
%のヒユームドシリカ、(c) 約1.5重量%の過剰水、及び(d) 約0.
4重量%の塩化すl・リウム。
%は塩化カルシウム6水和物を基準とする。
そのような配合物は29.6±0.2℃の固体/液体転移温度を有する。この転
移温度は、塩化アンモニウム及び塩化カリウムを夫々10重量%まで添加するこ
とにより約22℃まで低下することができる。
殆どの無機相変化材料は明るい色を有する。上で述べた本発明の配合物は、固体
状態で明るい色を有するが、液体状態では無色である。従って、これらの配合物
は、他の相変化材料のように、輻射線の良好な吸収材ではない、実際、過去に用
いられていた殆どの相変化材料は不透明な容器に貯蔵され、伝導により相変化材
料への熱の出入りが行われていた。
相変化材料(本発明の配合物を含めて)への熱の出入りの改良は一般にそれらの
材料を着色して暗い色、好ましくは黒色をもつようにし、その材料をガラスか又
はバースベクス(perspex )から作られた容器の如き透明容器中に保持
することにより達成することができることが現在発見されている。
本発明の相変化材料配合物の任意的ではあるが、好ましい変更は、化学的に不活
性な着色剤を添加することである1着色剤(好ましくはカーボンブラック、又は
少なくとも暗い着色剤)の存在は、相変化材料の輻射熱を吸収及び放出する能力
を向−トすることが見出されている。
相変化材料と着色するための慣用的方法は、材料中に実質的に均一な色の分布が
得られるように、超音波活性化を用いて配合物中に黒色製図用(drawing
)インクを混合することである。
相変化材料のこの変更の効果性を示すため次の事を行なった、上述の本発明に従
って、不一致性溶融及び過冷却に対する添加物を含む塩化カルシウム6水和物6
0.を8omlのガラス瓶に入れた。0.1h(0,2重量%)のロートリング
(ROTRING> (商標名)黒色製図用インクをその配合物試料に添加した
。配合物及びガラス瓶を超音波クリーナー(40kHzで100Wの出力を有す
るFX型10)の3eタンク中で5分間温水中に維持した。得られた超音波活性
化は、相変化材料全体に均一にインクを分布させた。
黒色製図用インクを含んだ相変化材料を次に固化(約10℃で)にかけ、次に溶
M(約45℃)にかけた8次にその配合物を数日間溶融状層に維持した。この期
間が終わった時、他の成分からのインクの凝離は観察されなかった。
着色した相変化材料及び・着色しない相変化材料(それ以外では同じ配合物)の
試料を同じ透明容器に入れ、それらの容器を全太陽輻射線に曝した1着色(黒色
)配合物は一定して、非着色試料が溶融するのにかかった時間の1/3より短い
時間で溶融した。加熱中の配合物の温度の測定により、黒色相変化材料は非着色
対照配合物よりも8℃まで高かった。
20回を越える溶@/固化循環変化で着色配合物は、蓄熱媒体としてその性能に
劣化の兆候は示さなかった。
着色相変化材料は、特に温室内で用いるのに適していることが明らかであろう、
温室内では、透明容器中に保存した時、輻射エネルギーに曝すことができる。
本発明の配合物を試験するために、数年間に互って成る範囲の配合物の熱量測定
と継続して行なった。本発明の配合物の試料及び本発明に従わない相変化材料の
幾つかの試料を典型的には0.4kgの重量で毎日(成る場合にはそれ以上の頻
度で)溶融及び固化サイクルにかけた。
材料の挙動を分かり易く監視検出し、記録した。この試験は、試験期間中本発明
による配合物は劣化せず、それらの蓄熱容量は統計的に合理的な限界内で実質的
に一定のままであることを示していた6例えば、本発明による配合物の試料の一
つは、1000回を越える溶融/固化サイクルで約200 k J / kyの
蓄熱容量を維持していたが、性能の劣化の兆候はなかった。
別の実験で、実験室のためのピーク時を過ぎた時の加ではその相変化材料をピー
ク時を過ぎた時の電気によって加熱し、水循環熱移動装置を利用してその貯蔵さ
れた熱を必要な時に取り出した。本明MJ書を書いた時点で、その材料は加熱用
装置を使用してから4回目の冬でも依然として満足な作動状態にあった。
本発明による着色していない配合物を含む相変化材料を、オーストラリアキャン
ベラのオーストラリア国際大学の建物の屋上に取り付けた低エネルギー温室で試
験した。実際、本発明の配合物の−・つはブランドステツタ−による[温室用相
変化蓄熱]と題する上記論文に報告されている実験データーを得るのに用いたr
過冷却及び劣化に対し適当に配合された」塩化カルシウム6永和物であった。
国際調査報告
In1sPn@I +++IIal ^1111 111111′I N6.
PCT/Al+ 907””’N電任■iフフのD打ロ廿込貫αaLSジσ0I
R1少ゴぴON誦うゑ野」届AP−Ω貫1世二に■四ΣpDすQFANI任ズ
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.塩化ストロンチウム6水和物及びヒュームドシリカを含有する塩化カルシウ ム6水和物からなる相変化材料において、 (a)添加された塩化ストロンチウム6水和物の量が塩化カルシウム6水和物の 少なくとも0.1重量%であり、(b)ヒュームドシリカ添加物が塩化カルシウ ム6水和物の0.02重量%〜1.0重量%であり、(c)塩化カルシウム6水 和物中に含まれている化学量論的量を越えた過剰の水も添加され、該添加された 水が塩化カルシウム6水和物の1.0重量%〜5.0重量%である、 ことを特徴とする相変化材料。 2.塩化ストロンチウム6水和物添加物が、塩化カルシウム6水和物の0.1〜 4.0重量%の範囲で存在する請求項1に記載の相変化材料。 3.塩化ストロンチウム6水和物添加物が、塩化カルシウム6水和物の0.1〜 2.0重量%の範囲で存在する請求項2に記載の相変化材料。 4.塩化ストロンチウム6水和物添加物が、塩化カルシウム6水和物の約0.3 重量%である請求項3に記載の相変化材料。 5.相変化材料が、添加された塩化ナトリウムを含み、該塩化ナトリウムが塩化 カルシウム6水和物0.001重量%〜1.0重量%であることを更に特徴とす る請求項1〜4のいずれか1項に記載の相変化材料。 6.(i)添加された塩化ストロンチウムが塩化カルシウム6水和物の約0.3 重量%であり、(ii)添加されたヒュームドシリカが塩化カルシウム6水和物 の約0.1重量%であり、(iii)塩化カルシウム6水和物中に含まれている 化学量論的量を越えた過剰の水が塩化カルシウム6水和物の約1.5重量%にな り、 (iv)塩化ナトリウムも添加され、該添加された塩化ナトリウムが塩化カルシ ウム6水和物の約0.4重量%である、 請求項1に記載の相変化材料。 7.10重量%までの塩化アンモニウムが添加されている請求項1〜6のいずれ か1項に記載の相変化材料。 8.10重量%までの塩化カリウムが添加されている請求項1〜7のいずれか1 項に記載の相変化材料。 9.化学的に不活性な着色剤も添加されていることを更に特徴とする請求項1〜 8のいずれか1項に記載の相変化材料。 10.着色剤が暗い着色剤である請求項9に記載の相変化材料。 11.着色剤が黒色製図用インクである請求項9に記載の相変化材料。 12.着色剤が、その着色剤を添加する前の相変化材料の約0.2重量%を占め る請求項11に記載の相変化材料。 13.透明容器に入れた請求項9〜12のいずれか1項に記載の相変化材料。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
AU4878 | 1989-06-23 | ||
AU487889 | 1989-06-23 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05500523A true JPH05500523A (ja) | 1993-02-04 |
Family
ID=3695326
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP50967690A Pending JPH05500523A (ja) | 1989-06-23 | 1990-06-22 | 低温蓄熱用のための塩化カルシウム6水和物配合物 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH05500523A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPWO2013027778A1 (ja) * | 2011-08-23 | 2015-03-19 | 株式会社豊田中央研究所 | 化学蓄熱材、その製造方法および化学蓄熱構造体 |
JP2020012084A (ja) * | 2018-07-20 | 2020-01-23 | 東邦瓦斯株式会社 | 潜熱蓄熱材組成物、及び採暖用具 |
WO2021187220A1 (ja) * | 2020-03-16 | 2021-09-23 | 矢崎総業株式会社 | 蓄熱材組成物 |
-
1990
- 1990-06-22 JP JP50967690A patent/JPH05500523A/ja active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPWO2013027778A1 (ja) * | 2011-08-23 | 2015-03-19 | 株式会社豊田中央研究所 | 化学蓄熱材、その製造方法および化学蓄熱構造体 |
JP2020012084A (ja) * | 2018-07-20 | 2020-01-23 | 東邦瓦斯株式会社 | 潜熱蓄熱材組成物、及び採暖用具 |
WO2021187220A1 (ja) * | 2020-03-16 | 2021-09-23 | 矢崎総業株式会社 | 蓄熱材組成物 |
JP2021147408A (ja) * | 2020-03-16 | 2021-09-27 | 矢崎総業株式会社 | 蓄熱材組成物 |
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