(57)【要約】      （修正有）【課題】現在５０〜１００℃の熱エネルギーを経済的に高効率に回収、有効利用する技術がないので、その殆どは環境に廃熱として放出されている現状において、これらの熱エネルギーを回収、有効利用すること。【解決手段】交通輸送手段を使用して熱を移送する熱輸送システムにおいて、ピロリン酸ナトリウム・１０水和物を主成分としアルカリ性物質を含有する組成物を蓄熱材として用いることを特徴とする熱輸送システム。【効果】本発明の熱輸送システムは、高効率で安全に給湯や暖房に好ましく適用できる熱エネルギーを供給し、熱エネルギー高度化利用を達成できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交通輸送手段を使用して熱を移送する熱輸送システムにおいて、ピロリン酸ナトリウム・１０水和物を主成分としアルカリ性物質を含有する組成物を蓄熱材として用いることを特徴とする熱輸送システム。
【請求項２】
交通輸送手段が、車両、鉄道あるいは船舶のいずれかである請求項１に記載の熱輸送システム。
【請求項３】
蓄熱材がカプセルに封入されている請求項１または２に記載の熱輸送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蓄熱材を利用した熱輸送システムに関する。特に、熱エネルギーを熱供給部から熱需要部へ、蓄熱材を媒体として交通手段を利用して輸送、運搬するシステムに関する。より具体的には、給湯や暖房に好ましく適用できる温度の熱エネルギーを供給できる蓄熱材を利用した熱輸送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料枯渇、自然環境破壊、地球温暖化等の問題がクローズアップされ、環境に放出されている熱エネルギーを有効利用する技術への関心が高まっている。特に、清掃工場、下水処理場、焼却施設、発電所、製鉄所、各種工場等からは１００℃以下の熱エネルギーが廃熱として環境に大量に放出されており、この熱エネルギーを回収し、有効に利用できる蓄熱技術への期待が高まっている。
【０００３】
熱エネルギー需要施設であるホテル、学校、病院、調理施設、福利厚生施設、集合住宅施設等は都市部に集積して立地し、一方で熱エネルギー供給能力を有する清掃工場、下水処理場、焼却施設、発電所、製鉄所、各種工場等は都市部から離れて立地している場合が多い。ここで、熱エネルギー供給施設の余剰分、或いは有効に利用できず廃熱として放出されている熱エネルギーを蓄熱、移送し、需要施設で利用する事ができれば省エネルギーや二酸化炭素削減に寄与し、経済的にもメリットがある。しかし、熱移送のためパイプラインを敷設すると莫大な額の設備投資が必要となるので、現実的ではない。
【０００４】
そこで、熱エネルギー供給施設において蓄熱材を利用して熱エネルギーを貯蔵し、車両等に積載して熱エネルギー需要施設まで輸送する熱輸送システムが提案されている（非特許文献１）。また、欧米では蓄熱材を搭載したコンテナユニットを車両で運搬する熱供給が実用化されており（非特許文献２）、発電所や清掃工場から発生する熱を蓄熱し、オフィス、病院、学校等に給湯用の熱エネルギーとして供給している。
【非特許文献１】蓄熱技術−理論とその応用〔第II編〕「潜熱蓄熱、化学蓄熱」、ｐ１１１〜１１４、（社）化学工学会編集、信山社サイテック発行（２００１年）
【非特許文献２】三機工業株式会社ホームページ、プレスリリース、“ＣＯ2削減に貢献する潜熱蓄熱搬送システム「トランスヒートコンテナ」の技術導入”、２００４年３月１２日、[平成１７年４月１日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.sanki.co.jp/news/press/contents_51.html＞
【０００５】
このように蓄熱材を利用して熱エネルギーを貯蔵し、熱需要のある地域に熱を供給するというシステムは、省エネルギー、二酸化炭素削減、経済的優位性が実証されている。しかし、交通手段を利用した輸送であることから、蓄熱材としては引火性や毒性等の問題が重要であり、現時点では酢酸ナトリウム・３水和物（５８℃）と塩化マグネシウム・６水和物（１１７℃）が用いられているに過ぎない。
【０００６】
ところで、需要施設での利用は給湯や暖房が主であるため、この目的に対しては需要施設内で放熱等を考慮すると７０〜９０℃程度の蓄熱材を使用することが効率的、経済的で好ましい。この温度領域の蓄熱材として水酸化バリウム・８水和物（７８℃）が知られているが、毒性の問題から、特に交通手段による輸送には課題や制約が多く、実質的に実用化は難しい。したがって、現在５０〜１００℃の熱エネルギーを経済的に高効率に回収、有効利用する技術がないので、その殆どは環境に廃熱として放出されているのが現状である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した温度領域の熱エネルギーは給湯や暖房、吸着式ヒートポンプの再生熱源、デシカント空調装置の再生熱源に利用するのに適しているので、蓄熱技術を導入して回収、有効利用することができれば、省エネルギーや二酸化炭素削減、地球規模でのエネルギーや環境問題の解決に役立つ。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らが鋭意検討した結果、交通輸送手段を使用して熱を移送する熱輸送システムにおいて、ピロリン酸ナトリウム・１０水和物を主成分としアルカリ性物質を含有する組成物を蓄熱材として用いることにより、上記課題を解決することを見出し、本発明に到達した。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の熱輸送システムは、高効率で安全に給湯や暖房に好ましく適用できる熱エネルギーを供給し、熱エネルギー高度化利用を達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（１）蓄熱材
本発明では、ピロリン酸ナトリウム・１０水和物を主成分としアルカリ性物質を含有する蓄熱組成物が８０℃の蓄熱材として高性能であることを見出し、この蓄熱材を利用した熱輸送システムを提供する。ピロリン酸ナトリウム・１０水和物は食品添加物としても使用されており、安全性が高い。また引火性の問題もないので、交通手段を利用した輸送には極めて好都合であり、適している。
【００１１】
ピロリン酸ナトリウム・１０水和物にアルカリ化合物を共存させることも本発明の特徴である。本発明者らの研究によれば、ピロリン酸ナトリウム・１０水和物は８０℃以上の溶融状態ではリン酸水素ナトリウムに分解することが判明した。リン酸水素ナトリウムも５８℃の蓄熱材として利用することができるので、そのまま熱輸送システム用の蓄熱材として使用することも可能である。しかし、熱需要施設の事情や目的により８０℃の熱エネルギーの安定供給が好ましい場合には、ピロリン酸ナトリウム・１０水和物にアルカリ化合物を共存させると良い。アルカリ化合物はピロリン酸ナトリウムのリン酸水素ナトリウムへの分解を抑制する効果があることを見出した。
【００１２】
本発明で使用するピロリン酸ナトリウム・１０水和物としては、通常の市販のものが利用できる。その純度は９９．０％以上のものであれば十分である。
本発明で使用するアルカリ性物質とは、２５℃で１リットルの水に５０ｇ溶かした（５％）水溶液中でのｐＨが７より上を示すものである。５０ｇが溶けきらない物質の場合、その溶解度限界量でのｐＨとする。
【００１３】
アルカリ性物質のｐＨは、好ましくは９以上であり、上限は好ましくは１３である。
アルカリ性物質としては、アンモニウム化合物、アミン類、アルカリ金属化合物、またはアルカリ土類金属化合物等が挙げられる。これらの中でもアルカリ金属化合物またはアルカリ土類金属化合物が好適であり、特にアルカリ金属化合物が好ましい。アルカリ性物質としては、具体的にはアルカリ金属またはアルカリ土類金属の炭酸、硝酸、リン酸、ホウ酸、珪酸等との無機酸塩、水酸化物、酢酸、フタル酸等の有機酸塩、およびアルコキド類等が挙げられる。
【００１４】
具体例としては、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化バリウム等の水酸化物、炭酸リチウム、炭酸アンモニウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素リチウム、炭酸水素アンモニウム等の炭酸塩、ナトリウムメトキシド、ナトリウメトキシド、カリウムターシヤリーブチレート等のアルコキシド、珪酸カリウム、珪酸ナトリウム、珪酸リチウム、珪酸アンモニウム、メタ珪酸カリウム、メタ珪酸ナトリウム、メタ珪酸リチウム、メタ珪酸アンモニウム等のケイ酸塩、燐酸三カリウム、燐酸三ナトリウム、燐酸三リチウム、燐酸三アンモニウム、燐酸二カリウム、燐酸二ナトリウム、燐酸二リチウム、燐酸二アンモニウム等のリン酸塩、硼酸カリウム、硼酸ナトリウム、硼酸リチウム、硼酸アンモニウムの硼酸塩等があげられる。
【００１５】
また、モノメチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、モノエチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、モノイソプロピルアミン、ジイソプロピルアミン、トリイソプロピルアミン、ｎ−ブチルアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、モノイソプロパノールアミン、ジイソプロパノールアミン、エチレンイミン、エチレンジアミン、ピリジンなどの有機アルカリ剤も使用できる。
【００１６】
上記の中でも、炭酸塩、炭酸水素塩、又は水酸化物が好ましく、より好ましくは炭酸塩である。
本発明の蓄熱材組成物は、ピロリン酸ナトリウム・１０水和物を主成分とするが、ここで主成分とするとは、組成物全体に対してピロリン酸ナトリウム・１０水和物を５０重量％以上、好ましくは９０重量％以上含有することを意味する。
【００１７】
本発明の蓄熱材組成物においては、ピロリン酸ナトリウム・１０水和物１００重量部に対して、アルカリ性物質を通常、０．００１〜３０重量部の範囲で含有する。好ましくは、０．０１重量部以上、更に好ましくは０．１重量部以上含有し、一方、好ましくは、２０重量部以下、特に好ましくは１０重量％以下含有する。アルカリ性物質の含有量が小さすぎると加水分解抑制効果が少なく、大きすぎるとピロリン酸ナトリウム・１０水和物を含む蓄熱材組成物の溶融点及び熱量が低下することとなる。
【００１８】
本発明の蓄熱材組成物は、好ましくは、閉鎖系で１００℃、１５０時間保持した際の、取り出し熱量Ａが２００（Ｊ・ｇ-1）以上、好ましくは２２０（Ｊ・ｇ-1）以上である。ここで取り出し熱量Ａとは、蓄熱材組成物を閉鎖系で１００℃、１５０時間保持した後、該組成物を示差走査熱量計（ＤＳＣ測定）で測定することで得られる６０〜１００℃におけるピークから算出される熱量（Ｊ・ｇ-1）を意味する。
【００１９】
ここで、蓄熱材組成物のＤＳＣを測定して得られる６０〜１００℃におけるピークは、ピロリン酸ナトリウム・１０水和物に相当するピークに相当する。従って、上述の取り出し熱量Ａの値が大きいほど、上記保持による蓄熱材組成物中のピロリン酸ナトリウム・１０水和物の加水分解が抑制され、その結果、蓄熱材組成物の繰り返し使用による蓄熱性能の劣化が小さいことを意味する。
【００２０】
又、蓄熱材組成物は高温長時間の保持で変性等により取り出し熱量が減少する傾向があるため、より長時間の保持での取り出し熱量が大きいことが、蓄熱材組成物の繰り返し使用による蓄熱性能の劣化が小さいことを意味し、好ましい。
尚、ピロリン酸ナトリウム・１０水和物の加水分解は熱を加え続けた際に生じ、短時間で加熱冷却をおこなっただけではそれほど加水分解は生じない。しかし実用化では数年もの耐久性能が要求されるため、蓄熱材を実用的な条件で長期間、加熱・冷却（すなわち、溶融・凝固）を繰り返した場合にも安定した蓄熱性能を保持している必要がある。上記において、「閉鎖系で１００℃、１５０時間保持」なる条件は、蓄熱性能評価の一種の加速試験条件に相当する。尚、水和物の場合、試験温度が１００℃ではＨ2Ｏが気化して系外
に飛散してしまう不都合が生じるため、閉じた系で加速試験をおこなう必要がある。「閉じた系」を実現するための具体的手段としては、耐圧容器を利用することが例示できる。
【００２１】
尚、本発明における蓄熱材組成物の示差走査熱量計（ＤＳＣ）による測定条件は次のとおりである。
（ｉ）試験すべき蓄熱材組成物を耐圧容器（ＳＵＳの密封セル）に入れ、１００℃にて１５０時間保持する。
（ｉｉ）冷却後、蓄熱組成物の一部をＳＵＳの密封セルを使用し、示差走査熱量計で融解温度と融解潜熱量を測定する（昇温速度  ５℃／ｍｉｎ、測定温度範囲２０℃〜１００℃）。
【００２２】
本発明の蓄熱材組成物は、溶融点及び熱量を調整することを目的として添加される融点調整剤を少量含んでいてもよい。融点調整剤の例としては水；エチレングリコール、プロピレングリコール等のグリコール類；メタノール、エタノール等のアルコール類；あるいは酢酸ナトリウム・３水和物、硫酸ナトリウム・１０水和物、塩化カルシウム・６水和物、水酸化バリウム・６水和物等の無機水和塩、パラフィン、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、架橋ポリエチレンなどの公知の種々の蓄熱材を挙げることができる。
【００２３】
また、本発明の蓄熱材組成物は、本発明の効果を損なわない範囲で、硫酸カルシウム、ピロリン酸カルシウム、リン酸アルミニウム、リン酸銀、硫酸銀、塩化銀またはヨウ化銀などの無機塩やステアリン酸カルシウム、ステアリン酸マグネシウム、ステアリン酸バリウムまたはパルミチン酸カルシウムなどの長鎖脂肪酸の有機塩などの過冷却防止剤、水不溶性吸水性樹脂、カルボキシメチルセルロース、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸カリウム、微粉シリカなどの増粘剤、フェノール類、アミン類、ヒドロキシアミン類などの酸化防止剤、クロム酸塩、ポリリン酸塩、亜硝酸ナトリウムなどの金属腐食防止剤、相分離を防止する水不溶性吸水性樹脂、ＣＭＣ、キサンタンガム、グアーガム、ローカストビーンガム、ポリグリセリン、アルギン酸ナトリウム、微粉シリカ等の相分離防止剤、安息香酸ナトリウム、ブチルヒドロキシトルエン等の防腐剤等を任意に配合することができる。
【００２４】
本発明の蓄熱材組成物の製造方法は特に限定されないが、ピロリン酸ナトリウム・１０水和物及びアルカリ性物質、並びに必要に応じて添加される過冷却防止剤, 防腐剤もしくは融点調整剤を、混合して均一に分散することにより製造される。より均一に分散させるためには、ピロリン酸ナトリウム・１０水和物及びアルカリ性物質の混合物をピロリン酸ナトリウム・１０水和物の融点以上の温度まで加熱し、撹拌する方法が挙げられ、添加剤等を含有する場合、上記加熱、撹拌しながら添加剤等を混合するのが好ましい。
【００２５】
（２）交通輸送手段
本発明における蓄熱材の輸送の手段としては自動車等の車両、鉄道、船舶等の交通手段を採用する。機動性を考慮すると輸送手段としては自動車が好ましい。上述の交通手段の１種以上とパイプライン等の他の輸送手段を組み合わせたり、２種以上を使用しても何ら問題はない。
【００２６】
以下、自動車を例にとって説明するが、基本的な発明の構成は鉄道や船舶等であっても同じである。蓄熱方法としては、公知の各種蓄熱システムを利用することができ、例えば『蓄熱技術−理論とその応用  〔第II編〕潜熱蓄熱、化学蓄熱』（編集  （社）化学工学会  蓄熱  増熱  熱輸送技術特別研究会）第１版第１刷の１３ページ、表２．１に分類された各種方式の蓄熱システムを挙げることができる。適用可能なシステムの典型例を下記表に示す。
【００２７】
【表１】
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これらのうち、蓄熱組成物の劣化防止、あるいは水との分離防止という観点からすると、スタティック型が好ましく、より好ましくはカプセル型である。
【００２８】
本発明の熱輸送システムの概念図を図１に示す。
図１において、熱エネルギーは、熱供給側熱源部５から発生する廃熱をエネルギー源として供給側配管３を通して蓄熱槽１に蓄積される。蓄熱工程が完了すると配管接続部２を閉じ、蓄熱槽１を熱輸送交通手段４に移設する。蓄熱槽１に蓄えられた熱エネルギーは、熱輸送交通手段４によって熱供給側施設７から熱負荷側施設８へと輸送される。
【００２９】
熱負荷側施設８に到着した蓄熱槽１は配管接続部２’に接続される。こうして蓄熱槽１内に蓄えられた熱エネルギーは負荷側配管３’を通じて負荷側施設８内にある熱需要部６に供給される。
【００３０】
なお、蓄熱槽１は熱輸送交通手段４に固定されている態様であってもよく、その場合は、配管接続部２または２’は、蓄熱槽１側にも具備されていることが好ましい。
【００３１】
熱供給源としては、廃熱が発生する大規模な施設、例えば清掃工場、下水処理場、ゴミ焼却施設、発電所、製鉄所等の工場が挙げられる。熱需要側としては、ホテル、学校、病院、調理施設、大規模集合住宅施設等の給湯、暖房等が挙げられる。吸着式ヒートポンプ（冷凍機）の再生熱源（脱着熱源）あるいは、吸着式デシカント（除湿機、加湿器）の再生熱源（脱着熱源）も熱需要として想定できる。また工場間の熱の輸送も考えられる。
【００３２】
熱輸送システムの構造を、本発明を好ましく適用できるカプセル型蓄熱体の場合を例に挙げて説明する。なお、本発明の熱輸送システムにおいては、蓄熱工程および放熱工程は公知の蓄熱システムの原理をそのまま利用できるので、以下の記述をもって本発明を限定解釈するべきではない。
【００３３】
蓄熱槽１には、蓄熱材組成物が充填されたカプセル型の蓄熱体が充填されており、蓄熱モードで熱輸送媒体が流れる配管３は、蓄熱槽１から熱供給側熱源部５を介して蓄熱槽１に戻るよう配置されている。一方、放熱モードで熱輸送媒体が流れる配管３’は、蓄熱槽１から熱需要部６を介して蓄熱槽１に戻るよう配置されている。配管３及び配管３’はそれぞれ配管接続部２および２’を備え、蓄熱槽１、配管３及び熱供給側熱源部５を循環する熱輸送媒体及び、蓄熱槽１、配管３’及び熱需要部６を循環する熱輸送媒体が、蓄熱モード及び放熱モードで配管接続部２および２’の接続により、それぞれ循環されるようになされている。
蓄熱槽１に充填された蓄熱体と、熱輸送媒体の接触による熱移動により、蓄熱及び放熱が行われる。即ち、蓄熱体１では、蓄熱材組成物の固液相変化が進行し、放熱モードでは蓄熱材組成物に蓄熱された熱が熱交換器を介して装置外部の熱負荷に供給され、放熱が行われ、一方、蓄熱モードでは、熱供給側熱源部を介して供給された熱が蓄熱体に供給、蓄熱が行われる。
【００３４】
熱輸送媒体としては、水、エチレングリコール水溶液、プロピレングリコール水溶液や塩化カルシウム水溶液などの不凍液、水蒸気、空気などのガスが挙げられる。
尚、上記例においては、蓄熱槽にカプセル型の蓄熱体を用いる例を示したが、蓄熱工学Ｉ  基礎編  図６．５及び６．６に示される方式のような公知の方式にも適用できる。
【００３５】
本発明で利用できるカプセルの形状の一例の蓄熱体を説明する。図２はカプセル型蓄熱体の説明図であり、（ａ）図はカプセルの斜視図、（ｂ）図はカプセルの断面図である。
カプセル１９は、使用温度範囲で蓄熱材を封入した状態を保持できる材質であればよく、例えば、ステンレス、アルミニウムなどの金属、ガラス、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネートなどプラスチックなどが挙げられる。カプセルは中空殻形状であり、本蓄熱材および添加剤を充填するための開口１９ａを有する。この開口１９ａはプラグ１９ｂで封鎖されている。なお、図２ではカプセル１９は球形であるが、楕円球状、円柱形、楕円柱形、角柱形、直方体、立方体、多面体、達磨形、亜鈴形、これらを組み合せた形状など各種形状としうる。
【００３６】
開口１９ａは２個以上設けられても良い。プラグ１９ｂは、着脱不能に固着されてもよく、着脱可能とされても良い。
カプセル１９の殻部分の肉厚は、十分な強度を確保しうる範囲で薄い方が好ましい。合成樹脂製カプセルの場合、この肉厚は０．１〜５ｍｍ特に０．５〜３ｍｍ程度が好適である。
【実施例】
【００３７】
ピロリン酸ナトリウム・１０水和物はキシダ株式会社製試薬、炭酸ナトリウムは関東化学株式会社製試薬を用いた。
尚、以下の実施例において、蓄熱材組成物の示差走査熱量計による融解温度と融解潜熱量の測定は以下の条件で行った。
【００３８】
装置 ：セイコー電子工業社製、ＤＳＣ−２２０Ｃ
サンプル容器          ：ＳＵＳ密封セル
測定温度範囲         ：２０℃〜１００℃
昇温速度          ：５℃／ｍｉｎ
【００３９】
（実施例１）
ピロリン酸ナトリウム・１０水和物１００重量部と炭酸ナトリウム５重量部を室温において混合し耐圧容器に入れ、１００℃にて１５０時間保持した。その後室温まで戻し、次いで示差走査熱量計で融解温度と融解潜熱量を測定した。測定結果を図３に示す。取り出し熱量Ａは３０１（Ｊ・ｇ-1）であった。又、約７０〜９０℃に吸熱ピークを有し、蓄熱温度約６０〜１００℃で利用可能であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明にかかる熱輸送システムの一態様を表す概念図である。
【図２】本発明の熱輸送システムに好適に用いるカプセル型蓄熱体の構造を説明するものである。
【図３】実施例１の蓄熱材の示差走査熱量計による測定結果を表す図であって、本発明で使用する蓄熱材の性能を示すものである。
【符号の説明】
【００４１】
１：蓄熱槽
２：配管接続部（熱供給側）
２’：配管接続部（熱負荷側）
３：配管（熱供給側）
３’：配管（熱負荷側）
４：熱輸送交通手段
５：熱供給側熱源部
６：熱需要部
７：熱供給側施設
８：熱負荷側施設
９：カプセル
９ａ：開口
９ｂ：プラグ
１０：蓄熱材組成物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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