(57)【要約】【課題】軽量、省スペースで設置可能であって、排出される未利用熱を回収して蓄熱可能で、且つ、要求される温度以上で利用可能な熱量を十分に供給可能な有効蓄熱密度の高い蓄熱材組成物を提供する。【解決手段】本開示の蓄熱材組成物は、炭素数が偶数である直鎖状のアルキル鎖と、アミノ基と、から構成される化合物を有し、相転移又は相変化を利用して蓄熱及び放熱を行う。所定温度以上で利用可能な熱量が大きくなるため、高い有効蓄熱密度を有する蓄熱システムを実現可能となり、軽量且つ省スペース化を図ることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素数が偶数である直鎖状のアルキル鎖と、
アミノ基と、
から構成される化合物を有する蓄熱材組成物であって、
相転移又は相変化を利用して蓄熱及び放熱を行う
蓄熱材組成物。
【請求項２】
前記化合物は、
炭素数４以上の脂肪族ジアミンである、
請求項１に記載の蓄熱材組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、蓄熱材組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の使用削減が求められており、各プロセスの省エネルギー化に加え、未利用熱の利用を推進する必要がある。一次エネルギーの約７０％は有効利用されず、環境中に未利用熱として排出されている。例えば、自動車のガソリンエンジンは２０％、発電は４０％しか、燃料の持つエネルギーを有効利用できていない。このような未利用熱を貯蔵し、元の温度に近い温度で利用できる技術があれば、エネルギー回収、エネルギー再利用の点で非常に有効である。未利用熱源としては、自動車のガソリンエンジンの他に、ガスエンジン、ディーゼルエンジン等もある。
【０００３】
未利用熱を貯蔵する手段としては、大きく分けて、顕熱蓄熱、潜熱蓄熱、及び化学蓄熱がある。このうち、顕熱蓄熱として、水を利用した１００℃以下の温水蓄熱が知られている。しかし、温水蓄熱には、（１）放熱損失があるため長時間の蓄熱が不可能である、（２）水顕熱量が小さいため、大量の水が必要であり、蓄熱設備のコンパクト化が困難である、（３）出力温度が利用量に応じて非定常で、次第に降下する、等の問題がある。従って、このような未利用熱利用を推進するためには、より効率の高い蓄熱技術を開発する必要がある。
【０００４】
また、化学蓄熱は、物質の吸着、水和等の化学変化を伴うため、材料自体（水、水和塩、パラフィン等）の顕熱または潜熱を利用する蓄熱方法と比べて、単位質量当りの蓄熱量が高くなる。化学蓄熱としては、水蒸気の吸脱着による方法、金属塩へのアンモニア吸収（アンミン錯体生成反応）、アルコール等の有機物の吸脱着反応等が提案されているが、環境負荷及び装置の簡便性を考慮すると水蒸気吸脱着法が最も有利である。
【０００５】
また、潜熱蓄熱は、物質の融解等の相変化を利用したものである。潜熱蓄熱は、顕熱蓄熱に比べて、蓄熱密度が高く、相変化温度が一定であるために熱の取り出し温度が安定であるという利点を有している。このため、潜熱蓄熱の実用化が進んでいる。潜熱蓄熱を用いて蓄熱を行う場合、蓄熱時には、潜熱蓄熱材を加熱して液体状態とする。この後、液体状態が維持されるように、潜熱蓄熱材を保温した状態で保持する。保持された潜熱蓄熱材に蓄えられた熱は、必要なときに、潜熱蓄熱材を結晶化（凝固）させることによって取り出すことができる。
【０００６】
この潜熱蓄熱材として、硫酸ナトリウム十水和物、塩化カルシウム六水和物、酢酸ナトリウム三水和物等の水和塩あるいはパラフィンが知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２３２５６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の蓄熱材は、低温側蓄熱材として、硫酸ナトリウム十水和物、塩化カルシウム六水和物、又は融点２０〜４０℃のパラフィン、また、高温側蓄熱材として酢酸ナトリウム三水和物、又は融点５０〜７０℃のパラフィンが用いられている。しかし、水和物は過冷却度が大きく、パラフィンは融解熱が小さいため、これらの何れの蓄熱材においても、軽量、省スペースが要求される設置条件のもとでは有効蓄熱密度を実現できず、所定温度以上で利用可能な熱量が不十分となる。
【０００９】
本開示は、軽量、省スペースで設置可能であって、排出される未利用熱を回収して蓄熱可能で、且つ、要求される温度以上で利用可能な熱量を十分に供給可能な有効蓄熱密度の高い蓄熱材組成物を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の蓄熱材組成物は、炭素数が偶数である直鎖状のアルキル鎖と、アミノ基と、から構成される化合物を有する蓄熱材組成物であって、相転移又は相変化を利用して蓄熱及び放熱を行う蓄熱材組成物を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本開示によれば、軽量、省スペースで設置可能であって、排出される未利用熱を回収して蓄熱可能で、且つ、要求される温度以上で利用可能な熱量を十分に供給可能な有効蓄熱密度の高い蓄熱材組成物を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本開示の蓄熱材組成物を用いた蓄熱システムの一例を示す概略図
【図２】融点と融解熱の関係に対する炭素骨格の影響を示す特性図
【図３】融点と融解熱の関係に対する官能基の影響を示す特性図
【図４】本開示の実施例、比較例の蓄熱材組成物の示差走査熱量計による融解熱の評価結果を示す特性図
【図５】本開示の実施例、比較例の蓄熱材組成物の過冷却特性評価結果を示す特性図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
例えば、自動車では、機器を搭載する場合、軽量、省スペースでの設置が要求される。このような、自動車に搭載可能であって、排ガス浄化触媒下流から排熱回収／蓄熱し、始動時の暖機等に利用することができる蓄熱システムが望まれている。あるいは、ガスエンジン等を省スペースで設置して、時間を超えた熱利用をすることができる蓄熱システムが望まれている。これらの蓄熱システムにおいては、軽量且つ省スペースを満たす有効蓄熱密度の高い蓄熱材組成物が必要となる。しかし、特許文献１で開示されているような、潜熱蓄熱材として知られている、硫酸ナトリウム十水和物、塩化カルシウム六水和物、酢酸ナトリウム三水和物等の水和物は過冷却度が大きく、パラフィンは融解熱が小さい。このため、これらの何れの蓄熱材を用いても、軽量且つ省スペースという条件の下で、要求される所定温度以上で利用可能な熱量の回収及び供給は不十分となる。
【００１４】
本開示は、軽量、省スペースで設置可能であって、排出される未利用熱を回収して蓄熱可能で、且つ、要求される所定温度以上で利用可能な熱量を十分に供給可能な有効蓄熱密度の高い蓄熱材組成物を提供する。
【００１５】
本開示の第１の態様は、炭素数が偶数である直鎖状のアルキル鎖と、アミノ基と、から構成される化合物を有する蓄熱材組成物であって、相転移又は相変化を利用して蓄熱及び放熱を行う蓄熱材組成物を提供する。
【００１６】
第１の態様によれば、直鎖状のアルキル鎖間にファンデルワールス力、アミノ基間に水素結合が作用することから、分子間を引き離すための必要エネルギーが大きいため、融解熱が大きくなることから、所定温度以上で利用可能な熱量が大きくなる。このことから、高い有効蓄熱密度を有する蓄熱システムを実現し、軽量、省スペース化を図ることができる。例えば、本開示による蓄熱材組成物を用いた蓄熱システムを、設置のために軽量、省スペースが要求される自動車にも搭載可能となり、排ガス浄化触媒下流から排熱を回収して蓄熱し、始動時の暖機等に利用することができる。
【００１７】
本開示の第２の態様は、第１の態様において、前記化合物が、炭素数４以上の脂肪族ジアミンである蓄熱材組成物を提供する。
【００１８】
第２の態様によれば、直鎖状のアルキル鎖間にファンデルワールス力、アミノ基間に水素結合が作用することから、分子間を引き離すために必要なエネルギーが大きいことに加えて、炭素数４以上の場合、直鎖状のアルキル鎖間のファンデルワールス力がより大きく、融解時にも分子配向が維持され易くなる。このため、融解熱が大きく、且つ過冷却度が小さくなるため、所定温度以上で利用可能な熱量が更に向上する。このことから、より高い有効蓄熱密度を有する蓄熱システムを実現し、軽量、省スペース化を図ることができる。
【００１９】
以下、本開示の実施の形態について、詳しく説明する。
【００２０】
（実施の形態）
最初に、図１を参照しながら、本開示の蓄熱材組成物を用いた蓄熱システムの一例を説明する。蓄熱システム１００は、蓄熱装置１０と、熱源装置２０と、熱出力装置２２と、これらの間で熱媒体を流通させる熱媒体流路１４とを備えている。蓄熱装置１０は、蓄熱材組成物を収容する容器１２を有している。熱媒体流路１４には、ポンプ１６および三方弁１８が設けられている。熱媒体流路１４は、熱媒体が容器１２を介して蓄熱材組成物と熱交換し得るように構成されている。
【００２１】
ここで、この蓄熱材組成物は、炭素数が偶数である直鎖状のアルキル鎖と、アミノ基と、から構成される化合物を有する蓄熱材組成物であって、相転移又は相変化を利用して蓄熱及び放熱を行う。
【００２２】
蓄熱工程では、熱媒体を矢印２６の方向に流通させる。熱媒体は、蓄熱装置１０と熱源装置２０との間で循環し、蓄熱装置１０内の蓄熱材組成物を加熱する。これにより、蓄熱材組成物が融解する。
【００２３】
熱回収工程では、蓄熱材組成物を凝固させ、蓄熱材組成物から熱を放出させる。このとき、熱媒体を矢印２８の方向に流通させる。熱媒体は、蓄熱装置１０と熱出力装置２２との間で循環し、これにより、蓄熱材組成物から放出した熱を熱出力装置２２に回収することができる。回収された熱は、熱出力装置２２から、例えば、自動車における始動時の暖機等、或いは、ガスエンジン等における時間を超えた熱利用等の用途に応じて利用される。
【００２４】
（比較例）
最初に、融解熱に関して、「蓄熱技術−理論とその応用＜第２編＞潜熱蓄熱、化学蓄熱」（信山社サイテック）を参考文献として、硫酸ナトリウム十水和物、塩化カルシウム六水和物、酢酸ナトリウム三水和物等の水和物、及びパラフィンの融点、融解熱を、表１に示す。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
次に、過冷却に関して、硫酸ナトリウム十水和物、塩化カルシウム六水和物、酢酸ナトリウム三水和物のそれぞれの水和物の過冷却特性評価を行った。評価方法は、各水和物を封入したガラス製サンプル瓶を乾燥炉に設置して、融点以上の温度にて加熱することにより、融解させた後、ガラス製サンプル瓶を０℃、または−２０℃の保冷庫に移動し、降温過程における凝固開始温度を評価した。表２に、融点と凝固開始温度との温度差として定義した過冷却度を示す。
【００２７】
【表２】
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【００２８】
以上、表１、表２に示す融解熱、過冷却度に基づき算出した、所定温度（融点より１０Ｋ低い温度）以上における有効蓄熱密度を、表３に示す。水和物は過冷却度が大きく、パラフィンは水和物と比較して融解熱が小さいため、何れの蓄熱材においても所定温度（融点より１０Ｋ低い温度）以上で利用可能な熱量が不十分（２５０ｋＪ／ｋｇ以下）であることから、軽量、省スペースを満たす有効蓄熱密度を実現できていない。
【００２９】
【表３】
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【実施例】
【００３０】
Springer Materials - The Landolt Bornstein Databaseから抽出した炭素を１〜９６個含む炭化水素に関して、ファンデルワールス力に影響する炭素骨格を、表４のように分類し、融点と融解熱の関係をまとめた結果を、図２に示す。この結果から、同一融点において、環式化合物と比較して、鎖式化合物、特に、脂肪族化合物のうち、飽和化合物で直鎖構造を有し、炭素数が偶数である物質の融解熱が大きく、直鎖状のアルキル鎖間に作用するファンデルワールス力が大きいことが判明した。
【００３１】
【表４】
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【００３２】
また、Springer Materials - The Landolt Bornstein Databaseから抽出した炭素を１〜９６個含む炭化水素に関して、水素結合等に影響する官能基を、表４のように分類し、上記結果に基づき抽出した直鎖状のアルキル鎖と表５の官能基から構成される物質について、融点と融解熱の関係をまとめた結果を、図３に示す。この結果から、同一融点において、他の官能基と比較して、アミノ基を含む物質の融解熱が大きく、アミノ基間に作用する水素結合が大きいことが判明した。
【００３３】
【表５】
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【００３４】
以上の知見に基づき、炭素数が偶数である直鎖状のアルキル鎖と、アミノ基から構成される化合物を有してなり、相転移又は相変化を利用して蓄熱及び放熱を行う蓄熱材組成物に着目し、炭素数が偶数、かつ２〜１０個の直鎖状のアルキル鎖と、２個のアミノ基から構成される脂肪族ジアミンについて、熱量評価を行った。ここで、評価は、示差走査熱量計（パーキン・エルマー社製ＤＳＣ  ８５００）を用いて行った。なお、測定条件は、昇温レート：１ｄｅｇ／ｍｉｎとした。表６に、融点、融解熱の評価結果を示す。また、表６の脂肪族ジアミンの融点、融解熱について、水和物、パラフィンと比較した結果を、図４に示す。この図から、水和物、パラフィンと比較して、脂肪族ジアミンの融解熱が大きいことがわかる。
【００３５】
このように、炭素数が偶数である直鎖状のアルキル鎖と、アミノ基から構成される化合物からなり、相転移又は相変化を利用して蓄熱及び放熱を行う蓄熱材組成物を用いれば、直鎖状のアルキル鎖間にファンデルワールス力、アミノ基間に水素結合が作用することから、分子間を引き離すための必要エネルギーが大きいため、融解熱が大きくなることから、所定温度以上で利用可能な熱量が大きくなる。
【００３６】
【表６】
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【００３７】
また、過冷却に関して、脂肪族ジアミンの過冷却特性評価を行った。ここで、評価は、示差走査熱量計（パーキン・エルマー社製ＤＳＣ  ８５００）を用いて行った。なお、測定条件は、昇温レート：１ｄｅｇ／ｍｉｎにて、融点以上に昇温し、各試料を融解させた後、降温レート：１ｄｅｇ／ｍｉｎにて、降温過程における凝固開始温度を評価した。表７に、融点と凝固開始温度との温度差として定義した過冷却度を示す。また、表７の脂肪族ジアミンの過冷却度について、水和物、パラフィンと比較した結果を、図５に示す。また、表７の脂肪族ジアミンの過冷却度について、水和物、パラフィンと比較した結果を、図５に示す。この図から、水和物、パラフィンと比較して、脂肪族ジアミンの過冷却度が小さく、特に、炭素数４以上のアルキル鎖を有する場合に、更に過冷却度が小さくなることがわかる。
【００３８】
上記結果は、炭素数４以上の場合、直鎖状のアルキル鎖間のファンデルワールス力がより大きく、融解時にも分子配向が維持され易くなることによるものである。
【００３９】
【表７】
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【００４０】
以上、表６、表７に示す融解熱、過冷却度に基づき算出した、所定温度（融点より１０Ｋ低い温度）以上における有効蓄熱密度を、表８に示す。このように、炭素数４以上の脂肪族ジアミンである蓄熱材組成物を用いれば、直鎖状のアルキル鎖間にファンデルワールス力、アミノ基間に水素結合が作用することから、分子間を引き離すために必要なエネルギーが大きくなる。これに加えて、炭素数４以上の場合、直鎖状のアルキル鎖間のファンデルワールス力がより大きく、融解時にも分子配向が維持され易くなる。このため、融解熱が大きく、かつ過冷却度が小さくなることから、所定温度（融点より１０Ｋ低い温度）以上で利用可能な熱量が向上（２６０ｋＪ／ｋｇ以上）する。
【００４１】
以上のことから、本開示の蓄熱材組成物を用いれば、より高い有効蓄熱密度を有する蓄熱システムを実現し、軽量、省スペース化を図ることができる。
【００４２】
【表８】
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【産業上の利用可能性】
【００４３】
本明細書に開示された蓄熱材組成物は、高い有効蓄熱密度を有しつつ軽量、省スペース化を要求される蓄熱システムに有用である。例えば、自動車に搭載可能で、排ガス浄化触媒下流から排熱回収／蓄熱し、始動時の暖機等に利用することができる。また、ガスエンジン等にも利用できる。
【符号の説明】
【００４４】
１０  蓄熱装置
１２  容器
１４  熱媒体流路
１６  ポンプ
１８  三方弁
２０  熱源装置
２２  熱出力装置
１００  蓄熱システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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