(57)【要約】【課題】蓄熱材を過冷却状態に安定的に維持するための技術を提供する。【解決手段】本開示の蓄熱装置（１０）は、蓄熱容器（１２）と、蓄熱容器（１２）の内部に配置された蓄熱材（１４）と、を備えている。蓄熱容器（１２）は、密閉されている。蓄熱材（１４）は、過冷却状態で蓄熱が可能な材料である。蓄熱容器（１２）の内部には、蓄熱材（１４）に対して不溶性の第１気体で満たされた空間（２０）が存在する。室温での空間（２０）における第１気体の分圧が大気圧よりも低い。【選択図】図１Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄熱容器と、
前記蓄熱容器の内部に配置された蓄熱材と、
を備え、
前記蓄熱容器は、密閉されており、
前記蓄熱材は、過冷却状態で蓄熱が可能な材料であり、
前記蓄熱容器の内部には、前記蓄熱材に対して不溶性の第１気体で満たされた空間が存在し、
室温での前記空間における前記第１気体の分圧が大気圧よりも低い、蓄熱装置。
【請求項２】
室温での前記空間の圧力が大気圧よりも１５ｋＰａ以上低い、請求項１に記載の蓄熱装置。
【請求項３】
前記第１気体は、空気である、請求項１又は２に記載の蓄熱装置。
【請求項４】
前記空間には、前記蓄熱材に対して可溶性の第２気体が存在する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄熱装置。
【請求項５】
前記第２気体がアルコールを含む、請求項４に記載の蓄熱装置。
【請求項６】
前記アルコールは、１価アルコール及び多価アルコールからなる群より選ばれる少なくとも１つである、請求項５に記載の蓄熱装置。
【請求項７】
前記アルコールが直鎖アルコールである、請求項５又は６に記載の蓄熱装置。
【請求項８】
前記蓄熱材が水和塩を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の蓄熱装置。
【請求項９】
前記蓄熱材が酢酸ナトリウム三水和物を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の蓄熱装置。
【請求項１０】
前記蓄熱材と熱媒体との間で熱交換を生じさせる熱交換器をさらに備えた、請求項１〜９のいずれか１項に記載の蓄熱装置。
【請求項１１】
前記熱交換器は、前記蓄熱容器の内部において前記蓄熱材に接している、請求項１０に記載の蓄熱装置。
【請求項１２】
過冷却状態で蓄熱が可能な蓄熱材に対して不溶性の第１気体で満たされた空間を蓄熱容器の内部に確保しつつ、前記蓄熱容器に前記蓄熱材を入れることと、
室温での前記空間における前記第１気体の分圧が大気圧を下回るように、前記空間から前記第１気体を排除することと、
前記空間から前記第１気体を排除したのち、前記蓄熱容器を密閉することと、
前記蓄熱材に熱を与えることと、
前記蓄熱材に熱を与えたのち、前記蓄熱材を過冷却状態に維持することと、
を含む、蓄熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、蓄熱装置及び蓄熱方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱エネルギーの発生量及び発生時期は、しばしば、その需要量及び需要時期と異なっている。熱エネルギーを有効利用するために、熱エネルギーを蓄熱材に一時的に蓄えることが提案されている。
【０００３】
蓄熱材には、大きく分けて、顕熱蓄熱材と潜熱蓄熱材とがある。潜熱蓄熱材は、物質の相変化を利用する蓄熱材である。潜熱蓄熱材は、顕熱蓄熱材に比べて、高い蓄熱密度を有する。
【０００４】
例えば、酢酸ナトリウム三水和物は、比較的大きい融解潜熱量を有するため、少ない体積で効率的に熱を蓄えることができる物質として知られている。特許文献１には、酢酸ナトリウム三水和物を蓄熱材として用いた蓄熱装置が開示されている。
【０００５】
酢酸ナトリウム三水和物は、融解時には融点（５８℃）で融解するものの、凝固時には融点を下回っても凝固しない、いわゆる過冷却状態となることが知られている。酢酸ナトリウム三水和物を含む蓄熱材を加熱して固体状態から液体状態へと変化させることによって、蓄熱材に熱が蓄えられる。蓄熱材は、酢酸ナトリウム三水和物の融点を下回っても凝固せず、過冷却状態となる。蓄熱材を過冷却状態に維持することによって、蓄熱材に潜熱が蓄えられる。過冷却状態を解除することによって、蓄熱材から熱（潜熱）を取り出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−１２４２６７号公報
【特許文献２】特開昭５９−４１７９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
蓄熱材が過冷却状態に維持されることによって、長期にわたって蓄熱材に熱が蓄えられる。しかし、過冷却状態はしばしば不安定である。そのため、蓄熱材を過冷却状態に安定的に維持するための技術が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示は、
蓄熱容器と、
前記蓄熱容器の内部に配置された蓄熱材と、
を備え、
前記蓄熱容器は、密閉されており、
前記蓄熱材は、過冷却状態で蓄熱が可能な材料であり、
前記蓄熱容器の内部には、前記蓄熱材に対して不溶性の第１気体で満たされた空間が存在し、
室温での前記空間における前記第１気体の分圧が大気圧よりも低い、蓄熱装置を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本開示によれば、蓄熱材を過冷却状態に安定的に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】図１Ａは、本開示の実施形態に係る蓄熱装置の斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａに示す蓄熱装置のＸ面に沿った断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１Ａに示す蓄熱装置のＹ面に沿った断面図である。
【図２】図２は、真空引きを行わなかったときの蓄熱材の温度変化を示すグラフである。
【図３】図３は、真空引きを行ったときの蓄熱材の温度変化を示すグラフである。
【図４】図４は、−２０℃の環境下で１２時間にわたって過冷却状態を維持できた試験の割合と密閉容器の内部の空間の圧力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本開示の基礎となった知見）
蓄熱材の過冷却状態を不安定にする要因の１つとして、蓄熱材と他の物質との接触面積が挙げられる。接触面積が大きい場合、接触面から蓄熱材に刺激が与えられる可能性が高まり、過冷却解除のもととなる核が形成される起点になりうる位置も増加すると考えられる。
【００１２】
蓄熱装置においては、蓄熱材と熱媒体との間で熱交換が行われ、蓄熱材から熱が取り出される。熱交換速度が速い場合、蓄熱材が急速に凝固して体積が収縮する。そのため、蓄熱材は、多孔質の固体状態になりやすい。多孔質の蓄熱材を加熱して融解させると、多孔質の蓄熱材に含まれた多量の気体が液体状態の蓄熱材の内部に多数の気泡を発生させる。多数の気泡は、蓄熱材と気体との接触面積を増加させるので、核形成の起点となる可能性があり、過冷却状態の安定性を損なう。
【００１３】
特許文献２に記載されているように、気泡の発生を防止するために、フレキシブルな材料で蓄熱容器を作製することが考えられる。蓄熱容器の内部を脱気しつつ蓄熱材を蓄熱容器に充填すると、蓄熱容器の内部に空間が残らず、気泡の発生も防止される。しかし、空間を完全に無くした場合、蓄熱と放熱のサイクルに伴って蓄熱容器が破損しやすい。
【００１４】
（本開示に係る一態様の概要）
本開示の第１態様に係る蓄熱装置は、
蓄熱容器と、
前記蓄熱容器の内部に配置された蓄熱材と、
を備え、
前記蓄熱容器は、密閉されており、
前記蓄熱材は、過冷却状態で蓄熱が可能な材料であり、
前記蓄熱容器の内部には、前記蓄熱材に対して不溶性の第１気体で満たされた空間が存在し、
室温での前記空間における前記第１気体の分圧が大気圧よりも低い。
【００１５】
第１態様によれば、蓄熱材が凝固及び融解を繰り返したときに液体状態の蓄熱材の内部に気泡が形成されにくい。これにより生じる典型的な現象の一例としては、気泡の数が減少することである。核形成の起点となりうる気泡の数が減少するので、蓄熱材と気体との接触面積が減少し、蓄熱材の過冷却状態の安定性が高まる。
【００１６】
本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係る蓄熱装置では、室温での前記空間の圧力が大気圧よりも１５ｋＰａ以上低い。第２態様によれば、過冷却状態の安定性を十分に高めることができる。
【００１７】
本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様に係る蓄熱装置では、前記第１気体は、空気である。第１気体が空気であるとき、蓄熱装置の製造が容易である。
【００１８】
本開示の第４態様において、例えば、第１〜第３態様のいずれか１つに係る蓄熱装置では、前記空間には、前記蓄熱材に対して可溶性の第２気体が存在する。第２気体は、蓄熱材に可溶であるため、気泡の原因になりにくい。
【００１９】
本開示の第５態様において、例えば、第４態様に係る蓄熱装置では、前記第２気体がアルコールを含む。アルコールは、蓄熱材の過冷却状態を安定化させる過冷却安定化剤として機能しうる。
【００２０】
本開示の第６態様において、例えば、第５態様に係る蓄熱装置では、前記アルコールは、１価アルコール及び多価アルコールからなる群より選ばれる少なくとも１つである。これらのアルコールは、いずれも、蓄熱材の過冷却状態を安定化させる。
【００２１】
本開示の第７態様において、例えば、第５又は第６態様に係る蓄熱装置では、前記アルコールが直鎖アルコールである。アルコールが直鎖アルコールであるとき、蓄熱材に含まれた成分とアルコールとの間の相互作用が強化される可能性がある。蓄熱材に含まれた成分とアルコールとの間の相互作用が強ければ強いほど、蓄熱材の過冷却状態を安定化させることができると考えられる。
【００２２】
本開示の第８態様において、例えば、第１〜第７態様のいずれか１つに係る蓄熱装置では、前記蓄熱材が水和塩を含む。水和塩は、安全性の高い材料である。
【００２３】
本開示の第９態様において、例えば、第１〜第７態様のいずれか１つに係る蓄熱装置では、前記蓄熱材が酢酸ナトリウム三水和物を含む。酢酸ナトリウム三水和物は、利用しやすい凝固点（５８℃）及び大きい潜熱量（２５０Ｊ／ｇ）を有しているので、蓄熱装置に適している。
【００２４】
本開示の第１０態様において、例えば、第１〜第９態様のいずれか１つに係る蓄熱装置は、前記蓄熱材と熱媒体との間で熱交換を生じさせる熱交換器をさらに備えている。熱媒体を熱交換器に流すことによって、蓄熱材に熱を蓄えたり、蓄熱材から熱を取り出したりすることが可能である。
【００２５】
本開示の第１１態様において、例えば、第１０態様に係る蓄熱装置では、前記熱交換器は、前記蓄熱容器の内部において前記蓄熱材に接している。第１１態様によれば、蓄熱材に速やかに熱を蓄えること、及び、蓄熱材から速やかに熱を取り出すことができる。
【００２６】
本開示の第１２態様に係る蓄熱方法は、
過冷却状態で蓄熱が可能な蓄熱材に対して不溶性の第１気体で満たされた空間を蓄熱容器の内部に確保しつつ、前記蓄熱容器に前記蓄熱材を入れることと、
室温での前記空間における前記第１気体の分圧が大気圧を下回るように、前記空間から前記第１気体を排除することと、
前記空間から前記第１気体を排除したのち、前記蓄熱容器を密閉することと、
前記蓄熱材に熱を与えることと、
前記蓄熱材に熱を与えたのち、前記蓄熱材を過冷却状態に維持することと、
を含む。
【００２７】
第１２態様によれば、蓄熱材が凝固及び融解を繰り返したときに液体状態の蓄熱材の内部に気泡が形成されにくい。これにより生じる典型的な現象の一例としては、気泡の数が減少することである。核形成の起点となりうる気泡の数が減少するので、蓄熱材と気体との接触面積が減少し、蓄熱材の過冷却状態の安定性が高まる。
【００２８】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。
【００２９】
（実施形態）
図１Ａは、本開示の一実施形態に係る蓄熱装置を示している。図１Ｂは、図１Ａに示す蓄熱装置のＸ面に沿った断面図である。図１Ｃは、図１Ａに示す蓄熱装置のＹ面に沿った断面図である。
【００３０】
本実施形態の蓄熱装置１０は、蓄熱容器１２及び蓄熱材１４を備えている。蓄熱材１４は、蓄熱容器１２の内部に配置されている。蓄熱材１４は、潜熱蓄熱材でありうる。蓄熱容器１２は、密閉されている。蓄熱容器１２の内部と外部との間の物質の移動は禁止されている。蓄熱容器１２の内部には、蓄熱材１４で満たされていない空間２０が存在する。空間２０には、気体が存在する。気体の成分は、例えば、空気に含まれた成分、蓄熱材１４に含まれた成分、及び、その他の添加剤に含まれた成分である。凝固及び融解に伴って蓄熱材１４の体積が変化したとしても、空間２０が蓄熱材１４の体積変化を吸収する。これにより、蓄熱容器１２の破損が防止される。
【００３１】
蓄熱容器１２は、例えば、金属材料又は樹脂材料で構成されている。蓄熱容器１２は十分な耐圧性を有する。蓄熱容器１２の容積は一定でありうる。蓄熱容器１２の周囲に断熱材が設けられていてもよい。
【００３２】
蓄熱装置１０は、さらに、熱交換器１６を備えている。熱交換器１６は、蓄熱材１４と熱媒体との間で熱交換を生じさせる。熱交換器１６は、例えば、金属材料で構成されている。金属材料としては、アルミニウム、銅などの熱伝導性に優れた金属材料であってもよく、ステンレスなどの耐食性に優れた金属材料であってもよい。熱媒体を熱交換器１６に流すことによって、蓄熱材１４に熱を蓄えたり、蓄熱材１４から熱を取り出したりすることが可能である。熱媒体の種類は特に限定されない。熱媒体としては、水、不凍液、冷媒液などの液体が挙げられる。
【００３３】
本実施形態において、熱交換器１６は、蓄熱容器１２の内部において蓄熱材１４に接している。そのため、蓄熱材１４に速やかに熱を蓄えること、及び、蓄熱材１４から速やかに熱を取り出すことができる。熱交換器１６は、例えば、プレート式熱交換器の構造を有する。蓄熱容器１２の内部において、熱交換器１６が複数の部分に分岐し、分岐した部分のそれぞれが水平方向に延びている。熱交換器１６は、入口管１６ｐ及び出口管１６ｑを有している。入口管１６ｐを通じて、分岐した部分のそれぞれに熱媒体を導くことができる。出口管１６ｑを通じて、分岐した部分のそれぞれから熱媒体を回収することができる。入口管１６ｐ及び出口管１６ｑは、内燃機関などの外部熱源に接続されうる。熱交換器１６は、フィンチューブ熱交換器の構造を有していてもよいし、蛇行管によって構成されていてもよい。
【００３４】
蓄熱装置１０にとって、熱交換器１６は必須ではない。例えば、蓄熱容器１２の外面を伝熱面として使用し、熱媒体と蓄熱材１４との間で熱交換を生じさせることも可能である。ただし、後述するように、熱交換器１６のような構造物が蓄熱容器１２の内部に存在する場合、本開示の技術を適用することが推奨される。
【００３５】
蓄熱材１４は、過冷却状態で蓄熱が可能な材料である。蓄熱材１４の主成分は、例えば、水和塩又は糖アルコールである。これらは、安全性の高い材料である。水和塩の例としては、酢酸ナトリウム三水和物、硫酸ナトリウム十水和物、リン酸水素二ナトリウム十二水和物、炭酸ナトリウム十水和物、及びチオ硫酸ナトリウム五水和物が挙げられる。糖アルコールの例としては、マンニトール、エリスリトール、及びＤ−スレイトールが挙げられる。本明細書において、「主成分」とは、質量比にて最も多く含まれる成分を意味する。
【００３６】
上記の材料の中でも、酢酸ナトリウム三水和物は、利用しやすい凝固点（５８℃）及び大きい潜熱量（２５０Ｊ／ｇ）を有しているので、蓄熱装置１０に適している。酢酸ナトリウム三水和物が蓄熱材１４の主成分である場合、１モルの酢酸ナトリウムに対して、例えば、３〜１０モルの水が蓄熱材１４に含まれている。つまり、蓄熱材１４は、酢酸ナトリウム三水和物の化学量論的組成から算出される量を超える量の水を含んでいてもよい。
【００３７】
蓄熱容器１２には、蓄熱材１４とともに過冷却安定化剤が収容されていてもよい。過冷却安定化剤は、蓄熱材１４の過冷却状態を安定化させるための材料である。過冷却安定化剤の例として、アルコールが挙げられる。
【００３８】
アルコールが過冷却状態を安定化させる理由は必ずしも明らかではないが、蓄熱材１４とアルコールとの間の相互作用によって蓄熱材１４の結晶化（凝固）が抑制され、過冷却状態が安定化すると考えられる。例えば、蓄熱材１４が酢酸ナトリウム三水和物を含むとき、酢酸ナトリウムのカルボニル基とアルコールの炭化水素基（疎水基）との間の相互作用、及び、酢酸ナトリウム三水和物の水分子とアルコールの水酸基（親水基）との間の相互作用によって、液体中でアルコール分子は、酢酸ナトリウム分子と水分子とが結晶を形成する際の立体障害となる。その結果、酢酸ナトリウム三水和物の結晶化（凝固）が抑制されうる。
【００３９】
アルコールは、１価アルコールであってもよく、多価アルコールであってもよく、それらの混合物であってもよい。１価アルコールとしては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、ｎ−ブチルアルコール及びｔｅｒｔ−ブチルアルコールからなる群より選ばれる少なくとも１つが使用されうる。多価アルコールとしては、エチレングリコール、プロピレングリコール及びグリセリンからなる群より選ばれる少なくとも１つが使用されうる。これらのアルコールは、いずれも、蓄熱材１４の過冷却状態を安定化させる。
【００４０】
アルコールは、直鎖アルコールであってもよく、分岐アルコールであってもよい。アルコールが直鎖アルコールであるとき、蓄熱材１４に含まれた成分とアルコールとの間の相互作用が強化される可能性がある。蓄熱材１４に含まれた成分とアルコールとの間の相互作用が強ければ強いほど、蓄熱材１４の過冷却状態を安定化させることができると考えられる。直鎖アルコールとして、ｎ−ブチルアルコールが挙げられる。炭素数が１〜４のメタノール、エタノール、ｎ−プロピルアルコール及びｎ−ブチルアルコールは、水に容易に溶解するので、アルコールを加えることによる効果がより十分に得られる。
【００４１】
蓄熱材１４に十分な量の水が含まれているとき、アルコールは、蓄熱材１４に容易に溶解する。言い換えれば、アルコールは、蓄熱材１４に対して相溶性を示す。アルコールは、蓄熱材１４とアルコールとを含む蓄熱材組成物の質量に対する質量比にて、例えば、１〜９質量％の範囲で使用されうる。
【００４２】
蓄熱容器１２の内部の空間２０（緩衝空間）には、蓄熱材１４に対して不溶性の第１気体が存在する。空間２０の容積は、蓄熱容器１２の容積に対する比率にて、例えば、１０〜２０％の範囲にある。室温（２５℃）での空間２０における第１気体の分圧は大気圧よりも低い。そのため、蓄熱材１４が凝固及び融解を繰り返したときに液体状態の蓄熱材１４の内部に形成される気泡２２の数を減少させることができる。核形成の起点となりうる気泡２２の数が減少するので、蓄熱材１４の過冷却状態の安定性が高まる。
【００４３】
空間２０における第１気体の分圧が大気圧よりも低い場合に液体状態の蓄熱材１４の内部に形成される気泡２２の数が減少する理由は必ずしも明らかではない。一例として、以下の現象が影響しているものと考えられる。蓄熱材１４が凝固及び融解を繰り返したときに液体状態の蓄熱材１４の内部に形成される気泡２２の多くは、浮力により鉛直方向の上方向に浮上し、蓄熱材１４の表面に達する。空間２０における第１気体の分圧が大気圧よりも低いため、蓄熱材１４の表面に浮上した気泡２２の内圧は、空間２０における気体の圧力及び蓄熱材１４の表面張力で生じる加圧による気泡２２への外圧を上回る。そのため、気泡２２がその形状を維持することは困難であり、蓄熱材１４の表面に浮上した気泡は、蓄熱材１４の表面から空間２０に抜けて拡散する。結果的に、蓄熱材１４の内部において気泡２２を形成しうる気体が減少し、気泡２２が形成されにくい。このような現象が一因となり、液体状態の蓄熱材１４の内部に形成される気泡２２の数が減少すると考えられる。
【００４４】
なお、「気泡２２が形成されにくい」とは、気泡２２の数が減少することだけでなく、気泡２２のサイズが小さくなったり、気泡２２の総体積が減少したりすることも含む。すなわち、気泡２２のサイズが小さくなったり、気泡２２の総体積が減少したりすることによっても、蓄熱材１４と気体との接触面積が減少し、蓄熱材１４の過冷却状態の安定性が高まる。なお、凝固及び融解を繰り返すことで気泡２２の数が減少するとは、上述のように一時的に気泡２２は発生しても空間２０に抜けて拡散することで結果的に数が少なくなるということだけでなく、気泡２２が発生する現象そのものの頻度が少なくなるということも含む。
【００４５】
また、空間２０における第１気体の分圧が大気圧よりも低い場合、蓄熱材１４の表面張力が高まり、結晶の前躯体であるクラスター臨界核を大きくする効果も得られる。つまり、空間２０の圧力が低い場合、液体から固体への変化のために、より多くの数の分子が集まることが要求される。その結果、過冷却状態の安定性が高まる。
【００４６】
具体的には、室温での空間２０の圧力が大気圧（１０１．３ｋＰａ）よりも１５ｋＰａ以上低いとき、過冷却状態の安定性を十分に高めることができる。室温での空間２０の圧力は、大気圧よりも６０ｋＰａ以上低くてもよい。空間２０の圧力の下限値は特に限定されない。空間２０の圧力が低ければ低いほど、過冷却状態の安定性が高まると予測されるからである。蓄熱装置１０の製造のしやすさ、及び、蓄熱容器１２の耐圧性を考慮に入れて、空間２０の圧力の下限値は、７ｋＰａであってもよい。
【００４７】
空間２０の圧力は、例えば、次の方法によって測定することができる。蓄熱容器１２は、材料封入口とエア抜き口とを有する。バルブを介して、材料封入口に材料注入管を接続する。バルブを介して、エア抜き口にエア抜き管を接続する。材料封入管を通じて、所定量の蓄熱材１４を蓄熱容器１２に注入して材料封入口のバルブを閉じる。エア抜き管に真空ポンプ及び真空計を接続する。真空ポンプを動作させ、真空計で圧力を測定しながら空間２０を所定の圧力まで減圧し、エア抜き口のバルブを閉じる。最後に、真空ポンプ及び真空計を取り外す。
【００４８】
蓄熱容器１２を密封した後にも、例えば、次の試験によって、空間２０の圧力を測定できる。真空計及び真空ポンプを有する真空チャンバの内部に蓄熱容器１２を入れ、真空チャンバの内部を特定の圧力（例えば、８５ｋＰａ）まで真空引きする。次に、マニピュレータを使って真空中で蓄熱容器１２を開封する。蓄熱容器１２の空間２０の圧力が８５ｋＰａよりも高い場合、真空チャンバの内部の圧力は上がる。蓄熱容器１２の空間２０の圧力が８５ｋＰａよりも低い場合、真空チャンバの内部の圧力は下がる。真空チャンバの内部の圧力を変化させながら、同一条件で製造された複数の蓄熱装置１０のそれぞれについて同じ試験を実施すれば、蓄熱容器１２の空間２０の圧力を高い精度で特定できる。
【００４９】
空間２０には、水蒸気及び気体のアルコールも存在しうる。空間２０の圧力の測定値から室温における水の飽和蒸気圧及び室温におけるアルコールの飽和蒸気圧を減ずることによって、空間２０における第１気体の分圧を算出できる。
【００５０】
空間２０の圧力は、蓄熱材１４が過冷却状態（例えば、蓄熱した状態）にあるときに測定された値であってもよく、蓄熱材１４が固体状態（例えば、放熱した状態）にあるときに測定された値であってもよい。
【００５１】
本実施形態において、第１気体は、空気である。第１気体が空気であるとき、蓄熱装置１０の製造が容易である。空気は、主に、窒素及び酸素によって構成されているので、空間２０における第１気体の分圧は、空間２０における窒素及び酸素の合計分圧に概ね等しい。ただし、第１気体が空気以外の気体であってもよい。例えば、窒素、酸素、二酸化炭素、希ガス、又は、これらの混合物を第１気体として使用できる。
【００５２】
空間２０には、空気以外の第２気体が存在しうる。第２気体は、蓄熱材１４に対して可溶性の気体でありうる。第２気体は、例えば、アルコールである。蓄熱材１４とアルコールとを含む蓄熱材組成物が蓄熱容器１２に収容されている場合、アルコールは、特定の温度における飽和蒸気圧に達するまで揮発し、空間２０を満たす。アルコールは、飽和蒸気圧を上限として気泡２２の内部にわずかに存在しうる。しかし、アルコールは、蓄熱材１４に可溶であるため、気泡２２の発生要因にはなりにくい。この観点においても、アルコールは、過冷却安定化剤として適している。なお、蓄熱材組成物に水が含まれている場合、水は、特定の温度における飽和蒸気圧に達するまで揮発し、空間２０を満たす。
【００５３】
本実施形態において、蓄熱容器１２の内部に熱交換器１６が配置されており、熱交換器１６が蓄熱材１４に接している。蓄熱容器１２の内部に熱交換器１６のような複雑な構造物が設けられている場合、気泡２２が浮力によって空間２０に逃れることができないことがある。構造物に気泡２２が付着したり、構造物に気泡２２がトラップされたりして、蓄熱材１４の内部に気泡２２が残留しやすい。気泡２２が残留すると、核形成の起点となる可能性があり、過冷却状態の安定性を損なう。このような場合でも、本実施形態によれば、気泡２２を形成しにくくすることができる。そのため、本実施形態の技術は、蓄熱容器１２の内部に熱交換器１６のような複雑な構造物が内部に設けられている場合に特に有効である。
【００５４】
空間２０における第１気体の分圧が大気圧よりも低い場合に気泡２２が形成されにくい理由は必ずしも明らかではない。一例として、以下の現象が影響しているものと考えられる。真空ポンプなどを利用して空間２０から気体を一部排除して空間２０の圧力を下げた場合、第２気体は蓄熱材１４に対して可溶性であるため飽和蒸気圧に達するまで蓄熱材１４の内部から容易に揮発して空間２０に補充される。すなわち、実質的に第１気体のみが空間２０から排除される。一方、上述のように、蓄熱材１４の内部に発生する気泡２２は、空気などの第１気体を主要な構成要素として形成される。アルコールなどの第２気体も温度に対応する飽和蒸気圧に対応して気泡２２の内部に存在する。
【００５５】
この状態で蓄熱容器１２が密閉され、蓄熱材１４が凝固及び融解を繰り返す場合、蓄熱時、すなわち液相の蓄熱材１４の降温過程において、温度の低下に伴って第２気体の飽和蒸気圧も低下する。そのため、気泡２２の内部に存在できる第２気体の量も減少し、第２気体の一部は凝縮して液相の蓄熱材１４に溶け込む。この場合、気泡２２の内部において、不溶性の第１気体の量は変化せず、可溶性の第２気体の量は減少する。結果的に、気泡２２の体積が減少し、サイズが小さくなる。したがって、蓄熱材１４と気体との接触面積が減少し、蓄熱材１４の過冷却状態の安定性が高まる。
【００５６】
なお、構造物に気泡２２がトラップされたりして蓄熱材１４の内部に気泡２２が残留しやすい状況であったとしても、上述のように、液相の蓄熱材１４の降温過程において気泡２２の体積が減少し、サイズが小さくなれば、単純に、気泡２２が物理的にトラップから解放されて蓄熱材１４の表面に浮上する可能性が生じる。また、蓄熱容器１２自体が動いて内部の蓄熱材１４が動くことがある。あるいは、蓄熱材１４が凝固及び融解を繰り返すことにより、蓄熱材１４が蓄熱容器１２の内部で少しでも流動することがある。これらの場合においても、単純に、構造物にトラップされていた気泡２２が物理的にトラップから解放されて蓄熱材１４の表面に浮上する可能性がある。これらの現象の結果として、前述のように気泡２２が空間２０に拡散して蓄熱材１４の内部の気泡２２の数が減少する、ということも十分に考えられる。
【００５７】
本明細書において、「不溶性」の語句は、例えば、２５℃、１気圧下での１００ｇの水に対する溶解度が０．１５ｇ／１００ｇ−Ｈ2Ｏ以下であることを意味する。「可溶性」の語句は、例えば、２５℃、１気圧下での１００ｇの水に対する溶解度が０．５ｇ／１００ｇ−Ｈ2Ｏ以上であることを意味する。
【００５８】
次に、蓄熱装置１０の組み立てについて説明する。
【００５９】
まず、蓄熱容器１２に所定量の蓄熱材１４を入れる。詳細には、アルコールなどの添加剤と蓄熱材１４とを含む蓄熱材組成物を蓄熱容器１２に入れる。蓄熱材組成物の体積は、例えば、蓄熱容器１２の容積の８０〜９０％である。蓄熱容器１２の内部には、蓄熱容器１２の容積に対する比率にて、１０〜２０％の容積の空間２０が残る。言い換えれば、この空間２０が確保されるように、蓄熱材組成物の量を調節する。蓄熱材組成物を蓄熱容器１２に入れる工程は、大気下で行うことができる。空間２０は、空気で満たされる。
【００６０】
次に、蓄熱容器１２に蓋をして、蓄熱容器１２の内部を真空引きする。具体的には、蓄熱容器１２に真空ポンプを接続し、室温での空間２０における空気の分圧が大気圧を下回るように、空間２０から空気を排除する。この工程は、蓄熱材１４が固体状態にあるときに実施してもよく、蓄熱材１４が液体状態にあるときに実施してもよい。蓄熱材１４が固体状態にあるときに真空引きを行えば、アルコール、水などの成分が真空ポンプに吸引されにくい。
【００６１】
空間２０から空気を十分に排除したのち、蓄熱容器１２を密閉する。これにより、本実施形態の蓄熱装置１０が得られる。蓄熱容器１２を密閉することによって、異物の侵入及び蓄熱材１４の揮発を防止できる。
【００６２】
蓄熱装置１０の組み立て完了後、蓄熱材１４の融点を超える温度の熱媒体を熱交換器１６に流し、蓄熱材１４に熱を与える。熱媒体の流れを止めると、蓄熱材１４の温度が徐々に低下し、蓄熱材１４の温度は、周囲の温度に近い温度まで下がる。このとき、蓄熱材１４は、凝固点を下回っても凝固せず、過冷却状態となる。所望のタイミングで過冷却状態を解除するとともに、熱交換器１６に熱媒体を流すことによって、蓄熱材１４から熱を取り出すことができる。
【００６３】
過冷却状態を解除するための手段として、蓄熱装置１０は、蓄熱材１４に直流又は交流電界を付与するための電極を備えていてもよい。アルコール以外の添加剤が蓄熱材１４に加えられてもよい。
【実施例】
【００６４】
図１Ａ〜図１Ｃを参照して説明した構造を有する蓄熱装置を用い、以下の実験を行った。蓄熱材として、酢酸ナトリウム水溶液を用いた。酢酸ナトリウム水溶液において、酢酸ナトリウムに対する水の質量比は８１．８％であった。蓄熱容器の容積は０．１２リットルであった。
【００６５】
（実験１）
大気下で蓄熱容器に１１３ｇの蓄熱材を入れ、蓄熱容器を密閉した。この蓄熱材には、安定化剤としてｎ−プロピルアルコールが全質量に対して６質量％の濃度で含まれていた。次に、蓄熱容器を７５℃の雰囲気に置いて４時間加熱し、蓄熱材を融解させた。次に、蓄熱容器を−２０℃の雰囲気に置いた。加熱開始直後からの蓄熱材の温度変化を観察した。結果を図２に示す。図２の横軸は、加熱開始直後からの経過時間を示している。図２の縦軸は、蓄熱材の温度を示している。
【００６６】
図２に示すように、蓄熱材の温度が−２０℃に達した時点から約３時間後、何も作用を加えなかったにもかかわらず発熱ピークが現れた。発熱ピークは、過冷却状態が解除されたことを意味する。過冷却状態が短時間で解除された理由としては、蓄熱容器の内面と蓄熱材との界面、あるいは、熱交換器の表面と蓄熱材との界面に空気の気泡が多量に残留し、過冷却状態の蓄熱材と気泡との接触界面が増加し、過冷却状態の安定性が損なわれたことが考えられる。
【００６７】
（実験２）
蓄熱容器に蓄熱材を入れたのち、真空ポンプで蓄熱容器の内部を−６５ｋＰａＧの圧力に達するまで真空引きした。真空引きの最中において、蓄熱材は固体状態（放熱した状態）であった。蓄熱容器を密閉したのち、蓄熱容器を７５℃の雰囲気に置いて４時間加熱し、蓄熱材を融解させた。次に、蓄熱容器を−２０℃の雰囲気に１２時間置いた。この操作を複数回繰り返すとともに、加熱開始直後からの蓄熱材の温度変化を観察した。結果を図３に示す。蓄熱容器を−２０℃の雰囲気に置いた期間において、発熱ピークは観察されなかった。つまり、蓄熱材が過冷却状態に維持された。固相と液相との間で相変化を繰り返したときに蓄熱材の内部に残留する気泡の数が減少したので、蓄熱容器の内面と蓄熱材との界面、あるいは、熱交換器の表面と蓄熱材との界面が安定したと考えられる。その結果、−２０℃で１２時間以上にわたって過冷却状態を維持できたと考えられる。
【００６８】
（実験３）
蓄熱容器の内部の圧力を種々の圧力に調節したこと、及び、各圧力における試験回数を５回に増やしたことを除き、実験２と同じ条件にて、−２０℃で１２時間にわたって過冷却状態を維持できた試験の割合を算出した。各試験における圧力（ゲージ圧力）は、０ｋＰａＧ、−１５ｋＰａＧ、−３５ｋＰａＧ、−６９ｋＰａＧ、又は−９４ｋＰａＧであった。結果を図４に示す。
【００６９】
図４に示すように、密閉容器の内部の圧力（空間の圧力）が−１５ｋＰａＧ以下のとき、−２０℃で１２時間にわたって全てのサンプルを過冷却状態に維持できた。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本開示の蓄熱装置は、内燃機関の廃熱、燃焼式ボイラーの廃熱などを蓄えることに適している。蓄えられた熱は、内燃機関などの機械の暖機を行うために有意に使用されうる。本開示の蓄熱装置は、空調機又は給湯器にも応用されうる。
【符号の説明】
【００７１】
１０  蓄熱装置
１２  蓄熱容器
１４  蓄熱材
１６  熱交換器
１６ｐ  入口管
１６ｑ  出口管
２０  空間
２２  気泡
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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