JPH0788503B2 - 蓄熱材組成物 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は水を主材とする蓄熱材組成物に関し、殊に適量
の活性炭、グラファイト又は木炭等を過冷却防止用の核
剤として添加し、必要により結晶微細化剤や増粘剤を含
有させてなる蓄熱材組成物に関するものである。

［従来の技術］ 低温排熱の蓄熱や冷・暖房を伴なう空調に使用される蓄
熱材組成物は、管理目標温度に応じて最適の主材を選ぶ
ことが要点となるが、０℃を目標とする場合は主題とし
て水を選ぶのがもっとも有効である。即ち水は他の物質
と比べても大きな凝固−融解潜熱を有し、その凝固点
（０℃）付近を管理目標とする蓄熱材組成物においては
もっとも有利な主材であると期待される。

蓄熱材組成物においては過冷却の防止が共通の課題とな
っているが、水を主材とするものにおいても顕著な過冷
却現象を生じるという大きな問題があり、実用化の障害
となっている。即ち過冷却現象とは、液相物質が冷却さ
れていく過程において理論上の凝固点を過ぎても液相か
ら固相への変化が起こらず、凝固点をかなり下回ってか
らはじめて凝固を開始する現象である。従って凝固潜熱
を発生すべき温度、即ち凝固点が不特定となり、特定温
度領域において吸熱及び発熱を行なわしめる為の蓄熱材
としては致命的な欠点となる。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来より水以外を主材とする他の蓄熱材組成物（例えば
CaCl₂を主材とし、凝固点が30℃付近のもの等）につい
ては多くの研究が進められ、過冷却防止用の各種核剤を
添加して過冷却現象を防止する試みがなされているが、
水を主材とする蓄熱材組成物の場合については十分研究
が進められていないのが現状である。

本発明はこうした現状に鑑みてなされたものであって、
その目的とするところは、水を主材とする蓄熱材組成物
において、その過冷却現象を可及滴に防止できる様にし
た蓄熱材組成物を提供することにある。

［問題点を解決する為の手段］ 上記目的を達成し得た本発明とは、下記の４つの発明を
包含するものである。

第１発明は、水を主材とする蓄熱材組成物において、過
冷却防止用の核剤として活性炭、グラファイト及び木炭
から選ばれる１種以上を含有させてなる点に要旨を有す
る蓄熱材組成物である。

第２発明は、上記の他結晶微細剤として塩を含有させた
点に要旨を有する蓄熱材組成物である。

第３発明は、水を主材とする蓄熱材組成物において、過
冷却防止用の核剤としてグラファイトを含有すると共
に、増粘剤として水溶性高分子物質を含有させてなる点
に要旨を有する蓄熱材組成物である。

第４発明は、上記第３発明の組成に対し結晶微細化剤と
しての塩、並びに増粘剤を配合した点に要旨を有する蓄
熱材組成物である。

［作用］ 実質的に水のみからなる蓄熱材組成物を降温していく
と、凝固点である０℃を通ぎても凝固せず約−５乃至−
６℃に達したあたりから急激に凝固し始める。そして凝
固が更に進行した時点で振動を加えると、一部が再融解
を起こし一旦温度が上昇した後再び凝固する。この様に
過冷却状態から凝固へ進む状態が不安定であり、また過
冷却の程度は降温速度や融解液（水）の撹乱状態等によ
っても著しく変化するので潜熱発生温度を特定すること
ができず、利用温度に応じた温度制御は不正確とならざ
るを得ない。

そこで本発明者らは、水が過冷却状態となるのを防止す
る為に、結晶化を促進する核剤（過冷却防止用の核剤）
を添加するという観点から種々検討したところ、活性
炭、グラファイト又は木炭を適量添加すれば水の過冷却
現象が大幅に緩和されるのを見出し、本発明を完成し
た。即ち過冷却の目標温度を±（２〜３℃）以内とし、
各種の核剤特に炭素材乃至多孔質体を選択して水に添加
して調査したところ、効果において若干の相違は認めら
れるものの、上記３種の核剤のいずれかを添加した場合
には他の物質（例えばコークスやフライアッシュ或はそ
の他の多孔性物質）と比べて顕著な過冷却防止効果が発
揮されることを見出した。

尚本発明で用いる核剤の添加量については、その種類に
よっても異なり特別の制限を設ける意義はないが、添加
効果をより確実に発揮させる為には0.05〜1.0％（重量
％の意味、以下同じ）の範囲であることが好ましい。そ
の理由は後述の実施例にも示す様に、0.05％未満では核
剤の添加による過冷却防止効果が不十分であることもあ
り、一方上限については１％あたりで過冷却防止効果が
飽和に達し、それを超えて添加してもそれ以上の効果は
期待することができない。但し、上記の範囲内は、核剤
添加量に応じてその効果が比例的に向上する範囲を示す
ものではなく、核剤添加量と過冷却防止効果との間には
規則的な相関関係は認められなかった。また実験に供し
た各種炭素材や多孔性物質の中で上記３つのみに特異な
効果が認められた理由については十分解明し得ている訳
ではないが、これら３物質の場のみ再現性の良い効果を
示すということは驚くべきことである。

一方水を降温して凝固させていった場合の固相（氷）の
発生は常に系内全般に亘って均質的に見られる訳ではな
く、片寄りを見せることはよく知られているところであ
る。そしてこの様な状態で降温を続行したときには、水
を主材とする蓄熱材組成物を密閉収納した容器が凝固で
体積膨張した氷によって片寄った方向に膨張してしまい
容器を変形させるという事態を招き、蓄熱材組成物収納
容器が一般にかなり近接集合状態で使用されることを考
えれば外部媒体との安定した熱授受を行なう上で好まし
いことではない。本発明者らはこの様な不都合を解消す
るという観点からも種々検討したところ、塩化ナトリウ
ム，塩化カリウム，塩化カルシウム，硫酸アンモニウ
ム，燐酸カリウム，カリ明ばん，酢酸ナトリウム，クエ
ン酸カリウム等の無機塩や有機塩が結晶微細化剤として
の効果を発揮することを見出した。即ち上記の様な塩を
過冷却防止用の核剤と共に水に添加すると、上記核剤の
効果に対して若干の悪影響は与えるものの氷の結晶を微
細化するという機能を発揮した。この様なところから、
塩は過冷却防止用の核剤としてよりも、結晶微細化剤と
して極めて有効であることが分かった。尚塩の添加量は
核剤の働きを阻害しない程度におきかえる必要があり、
0.1％以下であることが好ましい。

次に本発明者らは蓄熱材が実際に使用される環境をも考
慮し、その環境と核剤の関係についても検討を試みた。
即ち蓄熱材が実際に使用される環境としては、空気環境
中で使用される場合と、液体環境中で使用される場合が
あり、熱交換性能の差や熱移動方向について夫々の環境
独自の影響を受けることが考えられる。そこで比較的に
上方側からの冷却が行なわれる空気槽と比較的に下方側
からの冷却が行なわれる水槽を準備して検討を行なっ
た。そして見掛け比重が水より小さい活性炭や木炭を核
剤として用いた場合は、蓄熱材を空気槽で使用する場合
の方が効果的であるという傾向が認められた。この傾向
からすると、蓄熱材が使用される環境に応じて核剤の種
類を選定すれば良い様にも思える。しかしながら水より
比重の大きいグラファイトを核剤として用いた場合は水
槽で使用する方が効果的であることは必ずしも言えず、
この場合は使用環境の如何に拘らずいずれにも効果的で
あった。この理由の詳細については不明であるが、冷却
された水が一旦下方に移動してから凝固する現象と何ら
かの関係があるものと推定される。

更に本発明者らは、核剤を水中へ適度に分散させれば核
剤の効果がより一層明確になるのではないかという観点
からも研究したところ、過冷却防止用の核剤としてグラ
ファイトを含有させた場合において、例えば水溶性高分
子物質を増粘剤として含有させれば有効であることを見
出した。即ちグラファイトは水より比重が大きく容器の
底に沈殿する傾向にあるが、増粘剤をグラファイトと共
に添加した場合にはグラファイトが水中に適度に分散し
た状態となり、この状態は蓄熱材組成物における過冷却
防止用核剤としては最適な状態となるからである。これ
に対し、活性炭や木炭を増粘剤と共に水に添加した場合
は、増粘剤による効果はほとんど認められなかった。こ
れは上記趣旨からも明らかである様に、活性炭や木炭は
多孔質であり水より見掛け比重が小さいので、増粘剤を
添加しても核剤を分散させる機能を発揮し得ないと考え
られる。尚増粘剤を添加する場合には、蓄熱剤組成物と
しての機能を考慮すれば、過冷却防止用核剤としてのグ
ラファイト及び結晶微細化剤としての塩を併用するのが
最適であるが（第４発明）、塩を含有しない場合であっ
ても増粘剤自身の効果は期待できることが分かった（第
３発明）。又増粘剤については格別制限される訳ではな
いが、ポリアクリル酸，ポリビニルアルコール,CMC等の
水溶性高分子物質が有効である。

［実施例］ 実施例１ 水に各種の物質を核剤として添加し、水を主材とする各
種の蓄熱剤組成物を調製した。得られた蓄熱材組成物を
空気槽（−10℃）又は水槽（−６℃）で熱交換し、核蓄
熱材組成物が凝固し始めた温度について調査した。

その結果を第１表及び第２表に示すが、第１表は空気槽
における結果を示し、第２表は水槽における効果を示
す。尚表中の数値は凝固開始温度（℃）を示す。

第１表及び第２表の結果からも明らかであるが、過冷却
防止用の核剤としては、活性炭，グラファイト，木炭等
が効果的であるのが良く分かる。尚これらの核剤の２種
又は３種を併用した場合にも効果的であった。

実施例２ 本発明者らは蓄熱材組成物が実操業における熱変動に対
応できる必要があるとの観点から、核剤として活性炭又
はグラファイトを用いた場合について、夫々の耐熱性試
験を行なった。即ち、核剤として活性炭又はグラファイ
トを用いた場合に、60℃で所定時間保持した後、各蓄熱
剤組成物についての凝固開始温度（℃）について調査し
た。

下記第３〜５表は核剤として活性炭を用いた場合の結果
を示すものであり、第３表は60℃×３時間、第４表は60
℃×15時間、第５表は60℃×25時間の夫々の処理を行な
ったときの結果を示すものである。尚第３〜５表の結果
は空気槽によって得られたものである。

第３〜５表の結果から下記の様に考察することができ
る。即ち測定結果に多少のばらつきがありその規則性は
認めがたいものの、活性炭を核剤とする蓄熱材組成物は
耐熱性にも優れたものであると言える。

次にグラファイトを核剤に用いた場合の結果を下記第６
表及び第７表に示す。この結果は各60℃×10〜12時間で
処理したときの凝固開始温度（１回目）と、その後更に
一昼夜放置した後同じ処理を施したときの凝固開始温度
（２回目）を示したものである。尚第６表は空気槽にお
ける結果を示し、第７表は水槽における結果を示してい
る。

第６表及び第７表の結果を前記第３〜５表の結果と比較
しても明らかであるが、耐熱性に関する限りではグラフ
ァイトよりも活性炭の方が優れているという傾向が認め
られた。

実施例３ 過冷却防止用の核剤として活性炭（添加量0.05％）を用
い、更に各種の塩を添加した場合の効果について調査し
た。その結果を第８表に示すが、塩の種類によって、及
びその添加量によっても効果に違いが認められるもの
の、核剤による効果を大幅に阻害するものはほとんど認
められなかった。又いずれの塩を用いた場合において
も、ある一定の添加量の範囲（塩によって異なる）では
蓄熱材組成物の体積膨張が局部的に進行するということ
はなく微細結晶がまんべんなく形成されたので容器が局
部的に大きく膨張するという傾向は認められなかった。
尚第８表中の凝固開始温度は、各試料について冷却・放
熱を繰り返したときの各測定値である。

実施例４ 過冷却防止用の核剤として活性炭及びグラファイトの夫
々を用い、増粘剤としてポリアクリル酸を添加した場合
の効果について調査した。その結果を第９表及び第10表
に示すが、第９表は空気槽における結果を示し、第10表
は水槽における結果を夫々示している。

第９表及び第10表の結果からも明らかであるが、核剤と
してはグラファイトを用いた場合は増粘剤を添加するの
がより効果的に作用する。グラファイトの場合はもとも
と空気槽及び水槽の如何に拘らず核剤としての効果が顕
著であるが、増粘剤を共存させることによってグラファ
イトが水中で適度に分散し、特に水槽のときにより一層
の効果が発揮できたものと考えられる。

これに対し核剤として活性炭を用いた場合は、増粘剤の
添加による効果の向上は認められず、増粘剤はむしろ核
剤の効果を抑制する方向に作用する。これは増粘剤を添
加しても、水の表面に浮いた状態で存在する活性炭には
何ら作用しないばかりか、増粘剤によって蓄熱材容器の
上方と下方とが却って遮断された状態になる為と考えら
れる。

実施例５ 過冷却防止用の核剤としてグラファイトを用い、結晶微
細化剤として塩化ナトリウムを用い、更に増粘剤として
ポリアクリル酸を用い、夫々の所定量を水に添加した場
合の効果について調査した。

その結果を第11表及び第12表に示すが、第11表は空気槽
における結果を示し、第12表は水槽における結果を示す
ものである。尚比較の為にフライアッシュを核剤として
用いた場合の結果についても併記した。

第11表及び第12表の結果からも明らかである様に、この
実施例における蓄熱材組成物は最も理想的な凝固開始温
度を示した。またいずれの場合においても塩による効果
は認められた。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明によれば、過冷却防止用の核剤と
して活性炭，グラファイト，木炭等を含有させることに
よって、過冷却現象を可及的に防止し得る蓄熱材組成物
が実現できた。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水を主材とする蓄熱材組成物において、過
   冷却防止用の核剤として活性炭、グラファイト及び木炭
   から選ばれる１種以上を含有させてなることを特徴とす
   る蓄熱材組成物。
2. 【請求項２】水を主材とする蓄熱材組成物において、過
   冷却防止用の核剤として活性炭、グラファイト及び木炭
   から選ばれる１種以上を含有すると共に、結晶微細化剤
   として塩を含有させてなることを特徴とする蓄熱材組成
   物。
3. 【請求項３】水を主材とする蓄熱材組成物において、過
   冷却防止用の核剤としてグラファイトを含有すると共
   に、増粘剤として水溶性高分子物質を含有させてなるこ
   とを特徴とする蓄熱材組成物。
4. 【請求項４】水を主材とする蓄熱材組成物において、過
   冷却防止用の核剤としてグラファイトを含有すると共
   に、結晶微細化剤として塩を含有し、更に増粘剤として
   水溶性高分子物質を含有させてなることを特徴とする蓄
   熱材組成物。