(57)【要約】【課題】効率よく熱を蓄熱できる蓄熱材及び蓄熱装置を提供する。【解決手段】本発明の実施形態に係る蓄熱材は、固体粒子とカーボンナノファイバーとを含むように構成したので、熱伝導度が高いカーボンナノファイバーを介して固体粒子に熱が伝わり、熱伝導度が高く、高温下でも使用でき、効率よく熱を蓄熱できる。【選択図】図１
2015108085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体粒子とカーボンナノファイバーとを含む蓄熱材。
【請求項２】
前記固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含むことを特徴とする請求項１に記載の蓄熱材。
【請求項３】
触媒粒子を介して前記固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含むことを特徴とする請求項２に記載の蓄熱材。
【請求項４】
前記化学結合は、イオン結合、共有結合、金属結合から選ばれる１種以上であることを特徴とする請求項２又は３に記載の蓄熱材。
【請求項５】
前記固体粒子は、銅スラグ、鉄鋼スラグ、フェロニッケルスラグ、再生骨材、焼却灰溶融スラグ、フライアッシュから選ばれる１種以上で形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の蓄熱材。
【請求項６】
ペレット形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の蓄熱材。
【請求項７】
不活性ガス及びカーボンナノファイバーの原料となるガスの少なくとも１つのガス雰囲気に保持された容器内に
又は真空に保持された容器内に
充填されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の蓄熱材。
【請求項８】
前記カーボンナノファイバーの原料となるガスが、ＣＯ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２、ＣＨ３ＯＨ、Ｃ２Ｈ５ＯＨから選ばれる１種以上であることを特徴とする請求項７に記載の蓄熱材。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の蓄熱材と、前記蓄熱材を外部と断熱する断熱部材と、前記蓄熱材に覆われ、内部を流体が流通する流路とを備えることを特徴とする蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱材及び蓄熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化の防止、化石燃料の使用抑制の観点から、自然エネルギーを利用した発電が注目されている。特に、太陽熱エネルギーを利用した太陽熱発電は、太陽熱を蓄熱することにより夜間も発電できるので、安定的に電力を供給できる発電方法として注目されている。このような太陽熱発電の普及に向けて、様々な蓄熱材及び蓄熱装置の開発がなされている(非特許文献１〜３等参照)。
【０００３】
例えば、非特許文献１及び２には、溶融塩を蓄熱材として用い、熱流体の熱を容器に収容された溶融塩に移して蓄熱する蓄熱装置が開示されている。
【０００４】
また、非特許文献３には、コンクリートを蓄熱材として用い、熱流体の熱を断熱材に覆われたコンクリートに移して蓄熱する蓄熱装置が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（２），  １３０，  ０２４５０1  （２００８）
【非特許文献２】Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＥＳ２００８，  ＥＳ２００８−５４１７４
【非特許文献３】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（１），  １３０，  ０１１００6  （２００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１及び２に開示される蓄熱材は、蓄熱材である溶融塩の融点が高く、融点以下の温度では溶融塩が固体となって蓄熱材として使用できないので、蓄熱材として使用できる温度範囲が狭い。そのため、非特許文献１及び２に開示される蓄熱材は、当該温度範囲の下限温度以下の熱を蓄熱することができず、効率的でない。
【０００７】
非特許文献３に開示される蓄熱材は、コンクリートからなるので、溶融塩と比較して低温の熱も蓄熱できるが、コンクリートのセメント部分が高温（約５００℃）で分解するため、所定温度以上の熱を蓄熱できず、効率的でない。また、コンクリートは熱伝導度が低いため、熱流体からの熱がコンクリートに伝わり難く、効率よく蓄熱できない。
【０００８】
そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、効率よく熱を蓄熱できる蓄熱材及び蓄熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の観点は、固体粒子とカーボンナノファイバーとを含むことを特徴とする。
【００１０】
本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、前記固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明の第３の観点は、第２の観点に基づく発明であって、触媒粒子を介して前記固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明の第４の観点は、第２又は第３の観点に基づく発明であって、前記化学結合は、イオン結合、共有結合、金属結合から選ばれる１種以上であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第５の観点は、第１〜第４の観点のいずれかに基づく発明であって、前記固体粒子は、銅スラグ、鉄鋼スラグ、フェロニッケルスラグ、再生骨材、焼却灰溶融スラグ、フライアッシュから選ばれる１種以上で形成されることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第６の観点は、第１〜第５の観点のいずれかに基づく発明であって、ペレット形状であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の第７の観点は、第１〜第６の観点のいずれかに基づく発明であって、不活性ガス及びカーボンナノファイバーの原料となるガスの少なくとも１つのガス雰囲気に保持された容器内に又は真空に保持された容器内に充填されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第８の観点は、第７の観点に基づく発明であって、前記カーボンナノファイバーの原料となるガスが、ＣＯ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２、ＣＨ３ＯＨ、Ｃ２Ｈ５ＯＨから選ばれる１種以上であることを特徴とする。
【００１７】
本発明の第９の観点は、第１〜第６の観点のいずれかに基づく蓄熱材と、前記蓄熱材を外部とを断熱する断熱部材と、前記蓄熱材に覆われ、内部を流体が流通する流路とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の第１の観点の蓄熱材は、熱伝導度が高いカーボンナノファイバーを介して固体粒子に熱が伝わるので、熱伝導度が高く、効率よく熱を蓄熱できる。また、固体粒子同士が無酸素雰囲気下では高温下でも安定なカーボンナノファイバーを介して熱的に接続されているため、高温下においても固体粒子同士の接続が切断されず、高い熱伝導度を維持でき、高温下で使用することができる。
【００１９】
本発明の第２〜４の観点の蓄熱材は、固体粒子とカーボンナノファイバーとが化学結合しているので、固体粒子とカーボンナノファイバーとが単に接触している場合と比較して、固体粒子とカーボンナノファイバーの間の熱抵抗が低く、より熱伝導度が高く、蓄熱性能も良い。
【００２０】
本発明の第５の観点の蓄熱材は、蓄熱材の製造工程において、固体粒子に触媒元素を担持させる工程を省略できる。
【００２１】
本発明の第６の観点の蓄熱材は、ペレット形状をしているので、取り扱いが容易である。
【００２２】
本発明の第７及び第８の観点の蓄熱材は、不活性ガス及びカーボンナノファイバーの原料となるガスの少なくとも１つのガス雰囲気に保持された容器内に又は真空に保持された容器内に充填されているので、容器内に含まれているＯ２が少なく、高温においてもカーボンナノファイバーの劣化が抑制される。
【００２３】
本発明の第９の観点の蓄熱装置は、固体粒子とカーボンナノファイバーとを含む蓄熱材を用いるので、熱伝導度が高く、高温下でも使用でき、効率よく熱を蓄熱できる蓄熱装置を提供できる。また、蓄熱材の熱伝導度が高いので、コンクリートを蓄熱材として用いた場合と比較して、熱交換器を小型化でき、より簡素な構成の蓄熱装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る蓄熱装置を用いた太陽熱蓄熱システムを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書においてカーボンナノファイバーとは、直径が０．１ｎｍ以上５００ｎｍ未満であるカーボンナノファイバーと、カーボンナノファイバーと化学構造が同様であり、直径が５００ｎｍ以上５００μｍ以下であるカーボンマイクロファイバーとを意味するものとする。
【００２６】
１．第１実施形態
（１）蓄熱システムの構成
本発明の第１実施形態に係る蓄熱装置は、例えば、太陽光を集光して流体を加熱し、熱を蓄熱する太陽熱蓄熱システム等において、熱を蓄えておく装置として用いられる。
【００２７】
図１に示すように、太陽熱蓄熱システム１は、蓄熱装置２と太陽熱集光装置３とを備える。蓄熱装置２と太陽熱集光装置３は、循環流路４によって接続されている。循環流路４は、太陽熱集光装置３から送り出された流体が、蓄熱装置２を通過し、再び太陽熱集光装置３に戻ってくるように形成されている。
【００２８】
蓄熱装置２は、開口５ａ、５ｂを有する密閉容器である蓄熱容器５と、断熱部材６と蓄熱材７とを備えている。蓄熱容器５は、その内壁に断熱部材６が設けられており、断熱部材６の内側に蓄熱材７が充填されている。断熱部材６は、蓄熱材７を外部と断熱している。また、蓄熱容器５は、開口５ａから開口５ｂの間に循環流路４が通っている。蓄熱容器５内の循環流路４の周囲には、熱交換器８が設けられている。さらに、蓄熱容器５の内部は、不活性ガス及びカーボンナノファイバーの原料となるガスの少なくとも１つのガス雰囲気に保持されている。
【００２９】
太陽熱集光装置３は、太陽光を集光して流体を加熱し、加熱した流体を蓄熱装置２に供給し、蓄熱装置２から戻ってきた流体を再度加熱するように構成されている。
【００３０】
このような太陽熱蓄熱システム１では、太陽熱集光装置３で加熱された流体が循環流路４を流通して蓄熱装置２に供給され、蓄熱装置２において、流体の熱が熱交換器８を介して蓄熱材７に蓄熱される。その後、熱交換によって温度の低下した流体が蓄熱装置２から送り出され、循環流路４を流通して太陽熱集光装置３に供給されて再度加熱される。この過程を繰り返すことで、太陽熱が蓄熱装置２に蓄熱される。
【００３１】
蓄熱材７は、固体粒子とカーボンナノファイバーとを含む混合物である。固体粒子は、廃棄物であり、カーボンナノファイバーを合成する時に用いられる触媒元素、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ及びＭｏから選ばれる１種以上の元素を含んでいる。触媒元素は、固体粒子の内部や表面に触媒粒子として存在している。当該触媒粒子は固体粒子と化学結合している。具体的に固体粒子は、銅スラグ、鉄鋼スラグ、フェロニッケルスラグ、再生骨材、焼却灰溶融スラグ、フライアッシュから選ばれる１種以上を粉砕処理して形成される。
【００３２】
蓄熱材７に含まれるカーボンナノファイバーの一部は、一端が固体粒子の触媒粒子と化学結合することで、触媒粒子を介して固体粒子に結合している。また、それ以外のカーボンナノファイバーの一部は、一端が固体粒子と直接化学結合しており、当該カーボンナノファイバーの他端に触媒粒子が化学結合している。固体粒子と触媒粒子、触媒粒子とカーボンナノファイバー、及び固体粒子とカーボンナノファイバーの化学結合は、イオン結合、共有結合、金属結合から選ばれる１種以上である。さらに、カーボンナノファイバーの一部は、固体粒子と化学結合していない。
【００３３】
蓄熱材７は、カーボンナノファイバーが化学結合した固体粒子を含み、固体粒子同士の間にカーボンナノファイバーが介在するように構成されている。そして固体粒子は、カーボンナノファイバーと化学結合しており、当該カーボンナノファイバーを介して他の固体粒子と熱的に接続されている。
【００３４】
（２）蓄熱材の製造方法
蓄熱材７の製造方法では、上述の固体粒子をカーボンナノファイバー合成用触媒として用いてカーボンナノファイバーを合成し、蓄熱材７を得る。その製造工程は（ａ）固体粒子を基板上に配置する配置工程と、（ｂ）基板上に配置された固体粒子を活性化する活性化工程と、（ｃ）カーボンナノファイバーを気相成長法により合成する合成工程からなる。
【００３５】
最初に（ａ）配置工程について説明する。配置工程では、まず、所定粒径の固体粒子をアルコール等の溶媒に懸濁する。その懸濁液を石英等の基板上に散布し、溶媒を乾燥させることで、固体粒子を基板上に配置する。
【００３６】
次に（ｂ）活性化工程について説明する。活性化工程では、例えばＨ２を含む還元性ガス雰囲気中において、基板上に配置された固体粒子を３００〜１３００℃の間の所定温度に加熱して所定の時間還元処理し、固体粒子中の触媒元素を活性化させる。ここで活性化とは、固体粒子中の触媒元素の酸化物を還元することを指す。固体粒子中の触媒元素を活性化することで、固体粒子中に触媒粒子が形成される。還元処理の温度を上記と規定したのは、下限温度未満又は上限温度を超える温度で活性化処理を行うと、合成工程においてカーボンナノファイバーが成長しないからである。
【００３７】
次いで（ｃ）合成工程について説明する。合成工程では、固体粒子をカーボンナノファイバー合成用触媒として用い、３００〜１３００℃の間の所定温度（成長温度）で、基板上に配置された固体粒子に、ＣＯ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２、ＣＨ３ＯＨ、Ｃ２Ｈ５ＯＨ等のカーボンナノファイバーの原料となるガスを１種類以上含む所定のガスを所定の時間（成長時間）供給してカーボンナノファイバーを合成し、固体粒子の触媒粒子からカーボンナノファイバーを成長させる。合成工程において、合成されたカーボンナノファイバーの一部は、触媒粒子がカーボンナノファイバーの先端に結合し、そこから成長が進むいわゆるＴｉｐ  ｇｒｏｗｔｈモードによる成長をするため、根元となる一端は固体粒子と直接化学結合する。当該カーボンナノファイバーの他端には触媒粒子が化学結合している。なお、成長温度を上記と規定したのは、下限温度未満又は上限温度を超える温度では、カーボンナノファイバーが成長しないからである。
【００３８】
以上の工程を経て、固体粒子と化学結合したカーボンナノファイバーを含む蓄熱材７は製造される。
【００３９】
このように、蓄熱材７の製造方法では、銅スラグ等から形成された固体粒子がカーボンナノファイバーを合成する時に用いられる触媒元素を含むので、固体粒子をそのままカーボンナノファイバー合成用触媒として用いることができ、固体粒子にカーボンナノファイバー合成用触媒を担持させる必要がない。
【００４０】
（３）作用及び効果
以上の構成において、本発明の第１実施形態に係る蓄熱材７は、固体粒子とカーボンナノファイバーとを含むように構成した。
【００４１】
よって、蓄熱材７は、熱伝導度が高いカーボンナノファイバーを介して固体粒子に熱が伝わるので、熱伝導度が高く、効率よく熱を蓄熱できる。また、蓄熱材７は、固体粒子同士が無酸素雰囲気下では高温下でも安定なカーボンナノファイバーを介して熱的に接続されているため、高温下においても固体粒子同士の接続が切断されず、高い熱伝導度を維持でき、高温下で使用することができる。
【００４２】
さらに、蓄熱材７は、固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含むように構成した。よって、蓄熱材７は、固体粒子とカーボンナノファイバーとが単に接触している場合と比較して、固体粒子とカーボンナノファイバーの間の熱抵抗が低く、より熱伝導度高く、蓄熱性能もよい。
【００４３】
また、蓄熱材７は、不活性ガス及びカーボンナノファイバーの原料となるガスの少なくとも１つのガス雰囲気に保持された容器内に充填されているので、容器内に含まれているＯ２が少なく、カーボンナノファイバーの劣化が抑制される。なお、本実施形態の場合、蓄熱容器５が不活性ガス及びカーボンナノファイバーの原料となるガスの少なくとも１つのガス雰囲気に保持されている場合について説明したが、本発明はこれに限らず、蓄熱容器５内を真空に保持することとしてもよい。
【００４４】
蓄熱装置２は、固体粒子とカーボンナノファイバーとを含む蓄熱材７を用いるので、熱伝導度が高く、高温下でも使用でき、効率よく熱を蓄熱できる。また、蓄熱装置２は、蓄熱材７の熱伝導度が高いので、コンクリートを蓄熱材として用いた場合と比較して、熱交換器８を小型化でき、より簡素な構成にできる。
【００４５】
２．第２実施形態
第２実施形態に係る蓄熱装置は、本発明の第１実施形態に係る蓄熱装置２と比較して蓄熱材が異なるが、他の構成は同じなので、第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。
【００４６】
（１）蓄熱材の構成
第２実施形態の蓄熱材は、固体粒子とカーボンナノファイバーとを含む混合物である。固体粒子は、カーボンナノファイバーを合成する時に用いられる触媒元素、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ及びＭｏから選ばれる１種以上を含む触媒粒子を担持している。したがって固体粒子は、シリカ、アルミナ、マグネシア、カルシア、ジルコニア等の単成分酸化物、窒化アルミ、窒化ケイ素等の単成分窒化物、炭化ケイ素等の単成分炭化物、ムライト、フェライト、岩石等の多成分系酸化物等から選ばれる１種以上も用いることができる。
【００４７】
蓄熱材に含まれるカーボンナノファイバーの一部は、一端が固体粒子の触媒粒子と化学結合することで、触媒粒子を介して固体粒子に結合している。また、それ以外のカーボンナノファイバーの一部は、一端が固体粒子と直接化学結合しており、当該カーボンナノファイバーの他端に触媒粒子が化学結合している。固体粒子と触媒粒子、触媒粒子とカーボンナノファイバー、及び固体粒子とカーボンナノファイバーの化学結合は、イオン結合、共有結合、金属結合から選ばれる１種以上である。さらに、カーボンナノファイバーの一部は、固体粒子と化学結合していない。
【００４８】
蓄熱材は、カーボンナノファイバーが化学結合した固体粒子を含み、固体粒子同士の間にカーボンナノファイバーが介在するように構成されている。そして固体粒子は、カーボンナノファイバーと化学結合しており、当該カーボンナノファイバーを介して他の固体粒子と熱的に接続されている。
【００４９】
（２）蓄熱材の製造方法
上記蓄熱材の製造方法では、固体粒子に触媒粒子を担持させ、触媒粒子を担持した固体粒子をカーボンナノファイバー合成用触媒として用いてカーボンナノファイバーを合成し、蓄熱材を得る。
【００５０】
まず、固体粒子に触媒粒子を担持させる方法を説明する。所定量の（ＣＨ３ＣＯＯ）２Ｆｅと所定の平均粒径の固体粒子とをエタノールに投入し、超音波分散させる。その後に、所定温度に加熱された乾燥器で、所定時間、固体粒子を分散させたエタノール溶液を乾燥させる。エタノール溶液の乾燥により得られた粉末をミルで粉砕し、Ｆｅを含む触媒粒子を担持した固体粒子を得る。
【００５１】
カーボンナノファイバーの合成方法は、第１実施形態の蓄熱材７の製造方法と同じなので説明を省略する。
【００５２】
（３）作用及び効果
本実施形態の蓄熱材は、カーボンナノファイバーが化学結合した固体粒子を含むので、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００５３】
３．第３実施形態
本発明の第３実施形態に係る蓄熱装置は、本発明の第１実施形態に係る蓄熱装置２と比較して蓄熱材が異なるが、他の構成は同じなので、第１実施形態と同じ構成については説明を省略する。
【００５４】
（１）蓄熱材の構成
第３実施形態の蓄熱材は、固体粒子とカーボンナノファイバーとを含む混合物である。具体的に固体粒子は、シリカ、アルミナ、マグネシア、カルシア、ジルコニア等の単成分酸化物、窒化アルミ、窒化ケイ素等の単成分窒化物、炭化ケイ素等の単成分炭化物、ムライト、フェライト、岩石等の多成分系酸化物、及び粉砕処理された銅スラグ、鉄鋼スラグ、フェロニッケルスラグ、再生骨材、焼却灰溶融スラグ、フライアッシュ等から選ばれる１以上である。
【００５５】
蓄熱材は、固体粒子及びカーボンナノファイバーを含み、固体粒子同士の間にカーボンナノファイバーが介在するように構成されている。そして固体粒子は、当該カーボンナノファイバーを介して他の固体粒子と熱的に接続されている。固体粒子とカーボンナノファイバーは、単に接触しているだけであり、化学結合していない。
【００５６】
（２）蓄熱材の製造方法
上記蓄熱材は、所定の平均粒径の固体粒子とカーボンナノファイバーとを所定の割合でロッキングシェーカー又はペイントシェーカーに投入し、混合することで製造する。
【００５７】
また、蓄熱材の製造方法は、カーボンナノファイバーを合成する必要がないので、簡便である。
【００５８】
（３）作用及び効果
以上の構成において、本発明の第３実施形態に係る蓄熱材は、固体粒子とカーボンナノファイバーとを含むように構成した。よって、蓄熱材は、熱伝導度が高いカーボンナノファイバーを介して固体粒子に熱が伝わるので、熱伝導度が高く、効率よく熱を蓄熱できる。また、蓄熱材は、固体粒子同士が無酸素雰囲気下では高温下でも安定なカーボンナノファイバーを介して熱的に接続されているため、高温下においても固体粒子同士の接続が切断されず、高い熱伝導度を維持でき、高温下で使用することができる。
【００５９】
４．実施例
本実施例においては、本発明の実施形態に係る蓄熱装置に用いる蓄熱材を製造し、蓄熱材の熱伝導度を測定した。また比較例として、銅スラグ、アルミナ粒子、シリカ粒子の熱伝導度を測定した。なお、熱伝導度はＣ−Ｔｈｅｒｍ社の熱伝導率測定装置ＴＣｉを用いて２００℃の大気中で測定した。
【００６０】
まず実施例１〜５として、第１実施形態の蓄熱材を作製し、熱伝導度を測定した。
【００６１】
実施例１ではまず、カーボンナノファイバーを合成する時に用いられる触媒元素であるＦｅを含み、組成がＡｌ２Ｏ３：６ｗｔ％、ＣａＯ：５ｗｔ％、Ｃｕ：１ｗｔ％、ＦｅＯ：４５ｗｔ％、ＭｇＯ：２ｗｔ％、Ｓ：１ｗｔ％、ＳｉＯ２：３５ｗｔ％、Ｚｎ：２ｗｔ％である銅スラグを粉砕処理して得た平均粒径がＤｖ５０＝１００μｍの固体粒子１０ｇをアルコールに懸濁した。その懸濁液を石英基板上に散布し、溶媒を乾燥させることで、固体粒子を基板上に配置した。続いて、Ｈ２及びＨｅを含むガス雰囲気中に固体粒子を配置した基板をおいて、基板上の固体粒子を４５０℃に加熱して１時間還元処理し、活性化させた。次いで、基板上の固体粒子にＣＯ及びＨ2の混合比が５０：５０の混合ガス供給し、成長時間１時間、成長温度４５０℃でカーボンナノファイバーを合成し、蓄熱材を得た。実施例１の蓄熱材は、０．４ｗｔ％のカーボンナノファイバーを含有し、熱伝導度が０．２Ｗ／ｍＫであった。
【００６２】
実施例２では、成長時間が２時間である点以外、実施例１と同じ製造条件で蓄熱材を製造した。実施例２の蓄熱材は、１．２ｗｔ％のカーボンナノファイバーを含有し、熱伝導度が０．３Ｗ／ｍＫであった。
【００６３】
実施例３では、成長時間が６時間である点以外、実施例１と同じ製造条件で蓄熱材を製造した。実施例３の蓄熱材は、５．９ｗｔ％のカーボンナノファイバーを含有し、熱伝導度が１．０Ｗ／ｍＫであった。
【００６４】
実施例４では、成長時間が１０時間である点以外、実施例１と同じ製造条件で蓄熱材を製造した。実施例４の蓄熱材は、９．１ｗｔ％のカーボンナノファイバーを含有し、熱伝導度が２．１Ｗ／ｍＫであった。
【００６５】
実施例５では、成長時間が２０時間である点以外、実施例１と同じ製造条件で蓄熱材を製造した。実施例５の蓄熱材は、２３．５ｗｔ％のカーボンナノファイバーを含有し、熱伝導度が５．４Ｗ／ｍＫであった。
【００６６】
次に、実施例６〜１５として、第２実施形態の蓄熱材を製造し、熱伝導度を測定した。
【００６７】
実施例６ではまず、平均粒径がＤｖ５０＝１００μｍであり、組成がＳｉＯ２：１００ｗｔ％のシリカ微粒子を固体粒子として１０ｇ用意し、１０ｇの（ＣＨ３ＣＯＯ）２Ｆｅと共にエタノール５００ｍｌ中に投入し、超音波分散させた。その後に、８０℃に加熱された乾燥器で、２４時間以上、固体粒子を分散させたエタノール溶液を乾燥させた。エタノール溶液の乾燥により得られた粉末をミルで粉砕し、Ｆｅを含む触媒粒子を担持した固体粒子を得た。その後、Ｆｅを含む触媒粒子を担持した固体粒子をカーボンナノファイバー合成用触媒として用いてカーボンナノファイバーを合成して、蓄熱材を得た。カーボンナノファイバーの合成条件は、実施例１と同じである。実施例６の蓄熱材は、０．４ｗｔ％のカーボンナノファイバーを含有し、熱伝導度が０．２Ｗ／ｍＫであった。
【００６８】
実施例７では、成長時間が２時間である点以外、実施例６と同じ製造条件で蓄熱材を製造した。実施例７の蓄熱材は、１．０ｗｔ％のカーボンナノファイバーを含有し、熱伝導度が０．３Ｗ／ｍＫであった。
【００６９】
実施例８では、成長時間が６時間である点以外、実施例６と同じ製造条件で蓄熱材を製造した。実施例８の蓄熱材は、４．１ｗｔ％のカーボンナノファイバーを含有し、熱伝導度が０．８Ｗ／ｍＫであった。
【００７０】
実施例９では、成長時間が１０時間である点以外、実施例６と同じ製造条件で蓄熱材を製造した。実施例９の蓄熱材は、１０．１ｗｔ％のカーボンナノファイバーを含有し、熱伝導度が２．３Ｗ／ｍＫであった。
【００７１】
実施例１０では、成長時間が２０時間である点以外、実施例６と同じ製造条件で蓄熱材を製造した。実施例１０の蓄熱材は、２４．２ｗｔ％のカーボンナノファイバーを含有し、熱伝導度が５．９Ｗ／ｍＫであった。
【００７２】
実施例１１では、コバレントマテリアル株式会社より入手した平均粒径がＤｖ５０＝５０μｍのアルミナ粒子１０ｇを固体粒子として用いた点と、成長時間が０．５時間である以外、実施例６と同じ製造条件で蓄熱材を製造した。実施例１１の蓄熱材は、０．５ｗｔ％のカーボンナノファイバーを含有し、熱伝導度が０．２Ｗ／ｍＫであった。
【００７３】
実施例１２では、成長時間が１時間である点以外、実施例１１と同じ製造条件で蓄熱材を製造した。実施例１２の蓄熱材は、１．３ｗｔ％のカーボンナノファイバーを含有し、熱伝導度が０．３Ｗ／ｍＫであった。
【００７４】
実施例１３では、成長時間が３時間である点以外、実施例１１と同じ製造条件で蓄熱材を製造した。実施例１３の蓄熱材は、５．２ｗｔ％のカーボンナノファイバーを含有し、熱伝導度が０．９Ｗ／ｍＫであった。
【００７５】
実施例１４では、成長時間が５時間である点以外、実施例１１と同じ製造条件で蓄熱材を製造した。実施例１４の蓄熱材は、８．５ｗｔ％のカーボンナノファイバーを含有し、熱伝導度が１．９Ｗ／ｍＫであった。
【００７６】
実施例１５では、成長時間が８時間である点以外、実施例１１と同じ製造条件で蓄熱材を製造した。実施例１５の蓄熱材は、１８．５ｗｔ％のカーボンナノファイバーを含有し、熱伝導度が４．５Ｗ／ｍＫであった。
【００７７】
続いて、実施例１６〜２４として、第３実施形態の蓄熱材を製造し、熱伝導度を測定した。
【００７８】
実施例１６では、銅スラグを粉砕処理して得た平均粒径がＤｖ５０＝１００μｍの固体粒子とＭＤｎａｎｏｔｅｃｈ社製カーボンナノファイバーとをセイワ技研社製ロッキングシェーカーＲＳ−０５Ｗを用いて混合し、カーボンナノファイバーの含有割合が５.０ｗｔ％の蓄熱材を作製した。実施例１６の蓄熱材は、熱伝導度が０．２Ｗ／ｍＫであった。
【００７９】
実施例１７では、銅スラグを粉砕処理して得た平均粒径がＤｖ５０＝１００μｍの固体粒子とＭＤｎａｎｏｔｅｃｈ社製カーボンナノファイバーとをセイワ技研社製ロッキングシェーカーＲＳ−０５Ｗを用いて混合し、カーボンナノファイバーの含有割合が１０.０ｗｔ％の蓄熱材を作製した。実施例１７の蓄熱材は、熱伝導度が０．３Ｗ／ｍＫであった。
【００８０】
実施例１８では、銅スラグを粉砕処理して得た平均粒径がＤｖ５０＝１００μｍの固体粒子とＭＤｎａｎｏｔｅｃｈ社製カーボンナノファイバーとをセイワ技研社製ロッキングシェーカーＲＳ−０５Ｗを用いて混合し、カーボンナノファイバーの含有割合が２０.０ｗｔ％の蓄熱材を作製した。実施例１８の蓄熱材は、熱伝導度が１．２Ｗ／ｍＫであった。
【００８１】
実施例１９では、ＭＤｎａｎｏｔｅｃｈ社製より酸処理が施されたカーボンナノファイバーを入手し、当該カーボンナノファイバーと銅スラグを粉砕処理して得た平均粒径がＤｖ５０＝１００μｍの固体粒子とをセイワ技研社製ロッキングシェーカーＲＳ−０５Ｗを用いて混合し、カーボンナノファイバーの含有割合が１０.０ｗｔ％の蓄熱材を作製した。実施例１９の蓄熱材は、熱伝導度が０．５Ｗ／ｍＫであった。
【００８２】
実施例２０では、銅スラグを粉砕処理して得た平均粒径がＤｖ５０＝１００μｍの固体粒子とＣＮａｎｏ社製カーボンナノファイバーとをセイワ技研社製ロッキングシェーカーＲＳ−０５Ｗを用いて混合し、カーボンナノファイバーの含有割合が１０.０ｗｔ％の蓄熱材を作製した。実施例２０の蓄熱材は、熱伝導度が０．４Ｗ／ｍＫであった。
【００８３】
実施例２１では、ＭＤｎａｎｏｔｅｃｈ社製より酸処理が施されたカーボンナノファイバーを入手し、当該カーボンナノファイバーと銅スラグを粉砕処理して得た平均粒径がＤｖ５０＝１００μｍの固体粒子とをエタノール中で浅田鉄工株式会社製ペイントシェーカーを用いて混合し、当該エタノールを乾燥させて得た混合物を大阪ケミカルのミニブレンダーにより粉砕処理して、カーボンナノファイバーの含有割合が１０.０ｗｔ％の蓄熱材を作製した。実施例２１の蓄熱材は、熱伝導度が０．８Ｗ／ｍＫであった。
【００８４】
実施例２２では、平均粒径がＤｖ５０＝５０μｍのアルミナ粒子とＭＤｎａｎｏｔｅｃｈ社製カーボンナノファイバーとをセイワ技研社製ロッキングシェーカーＲＳ−０５Ｗを用いて混合し、カーボンナノファイバーの含有割合が５.０ｗｔ％の蓄熱材を作製した。実施例２２の蓄熱材は、熱伝導度が０．２Ｗ／ｍＫであった。
【００８５】
実施例２３では、平均粒径がＤｖ５０＝５０μｍのアルミナ粒子とＭＤｎａｎｏｔｅｃｈ社製カーボンナノファイバーとをセイワ技研社製ロッキングシェーカーＲＳ−０５Ｗを用いて混合し、カーボンナノファイバーの含有割合が１０.０ｗｔ％の蓄熱材を作製した。実施例２３の蓄熱材は、熱伝導度が０．３Ｗ／ｍＫであった。
【００８６】
実施例２４では、平均粒径がＤｖ５０＝５０μｍのアルミナ粒子とＭＤｎａｎｏｔｅｃｈ社製カーボンナノファイバーとをセイワ技研社製ロッキングシェーカーＲＳ−０５Ｗを用いて混合し、カーボンナノファイバーの含有割合が２０.０ｗｔ％の蓄熱材を作製した。実施例２４の蓄熱材は、熱伝導度が０．９Ｗ／ｍＫであった。
【００８７】
最後に、比較例１〜３として、銅スラグ、シリカ粒子及びアルミナ粒子の熱伝導度をそれぞれ測定した。
【００８８】
比較例１では、実施例１〜５、１６〜２１で用いた銅スラグ粉体の熱伝導度を測定した。銅スラグ粉体の熱伝導度は、０．１Ｗ／ｍＫであった。
【００８９】
比較例２では、実施例６〜１０で用いたシリカ粒子粉体の熱伝導度を測定した。銅スラグ粉体の熱伝導度は、０．１Ｗ／ｍＫであった。
【００９０】
比較例３では、実施例１１〜１５、２２〜２４で用いたアルミナ粒子粉体の熱伝導度を測定した。銅スラグ粉体の熱伝導度は、０．１Ｗ／ｍＫであった。
【００９１】
以上の測定結果を表１にまとめる。
【００９２】
【表１】
2015108085.tif 000003
【００９３】
表１に示すように、実施例１〜２４の蓄熱材は、カーボンナノファイバーを含まず、固体粒子のみからなる比較例１〜３の粉体と比較して、熱伝導度が高いことがわかる。これは、熱伝導度の高いカーボンナノファイバーを介して熱がより早く伝わるからである。以上から、蓄熱材は、カーボンナノファイバーを含むために、熱伝導度が高いことが確認できた。
【００９４】
また、実施例１〜５の蓄熱材を比較すると、蓄熱材は、カーボンナノファイバーの含有割合が大きいほど、熱伝導度が高いことがわかる。これは、蓄熱材に含まれるカーボンナノファイバーが増えることで熱が伝わる経路が増え、固体粒子に熱が伝わりやすくなったからである。
【００９５】
さらに、実施例１の蓄熱材と実施例１６の蓄熱材とを比較すると、実施例１の蓄熱材は、カーボンナノファイバーの含有割合が０．４ｗｔ％で熱伝導度０．２Ｗ／ｍＫであり、実施例１６の蓄熱材は、カーボンナノファイバーの含有割合が５．０ｗｔ％で熱伝導度０．２Ｗ／ｍＫである。カーボンナノファイバーと固体粒子とが、単に接触しているのではなく、化学結合している実施例１の蓄熱材の方が、より少ないカーボンナノファイバーで０．２Ｗ／ｍＫの熱伝導度を達成している。同様に、実施例１１の蓄熱材と実施例２２の蓄熱材を比較すると、実施例１１の蓄熱材は、カーボンナノファイバーの含有割合が０．５ｗｔ％で熱伝導度０．２Ｗ／ｍＫであり、実施例２２の蓄熱材は、カーボンナノファイバーの含有割合が５．０ｗｔ％で熱伝導度０．２Ｗ／ｍＫである。こちらも、固体粒子とカーボンナノファイバーが化学結合している実施例１１の蓄熱材の方が、より少ないカーボンナノファイバーで０．２Ｗ／ｍＫの熱伝導度を達成している。
【００９６】
このことは、カーボンナノファイバーの含有割合が同じ場合、固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含む方蓄熱材の方が、熱伝導度が高いことを意味している。これは、固体粒子とカーボンナノファイバーの間の熱抵抗が、固体粒子とカーボンナノファイバーとが単に接触している場合よりも、固体粒子とカーボンナノファイバーとが化学結合している場合の方が低いからである。そのために、カーボンナノファイバーから固体粒子に熱が伝わりやすく、蓄熱材は熱伝導度が高くなる。
【００９７】
また、固体粒子とカーボンナノファイバーが化学結合している場合、固体粒子の周辺にカーボンナノファイバーが存在するので、固体粒子間にカーボンナノファイバーが介在しやすく、蓄熱材全体にカーボンナノファイバーのネットワークが形成されやすい。そのため、熱が伝導する経路が蓄熱材全体に形成され、熱が伝導しやすくなり、固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含む方蓄熱材は熱伝導度が高くなる。
【００９８】
以上から、固体粒子と化学結合しているカーボンナノファイバーを含む蓄熱材は、固体粒子とカーボンナノファイバーとが単に接触している場合と比較して、より熱伝導度が高いことが確認できた。
【００９９】
５．変形例
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
【０１００】
例えば、固体粒子の種類、触媒粒子、固体粒子と混合するカーボンナノファイバーの種類や量、カーボンナノファイバーの合成方法、蓄熱容器に充填するガス等については、適宜変更することが可能である。
【０１０１】
上記の第１実施形態では、固体粒子の原料として、銅スラグ、鉄鋼スラグ、フェロニッケルスラグ、再生骨材、焼却灰溶融スラグ、フライアッシュから選ばれる１つ以上を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、カーボンナノファイバーの触媒として用いられる元素を含んだ他の無機粒子を用いてもよい。
【０１０２】
また、上記の実施形態では、蓄熱材を成形することなくそのまま蓄熱容器に充填して蓄熱装置に用いたが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、蓄熱材を圧縮成型してペレット形状にして他の用途に用いてもよい。
【０１０３】
さらに、上記の実施形態では、本発明の実施形態に係る蓄熱装置を太陽熱蓄熱システムに適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、空調システム、給湯システム、燃料電池、車両等の蓄熱装置として用いることができる。
【０１０４】
また、上記の実施形態では、カーボンナノファイバーと固体粒子を含む蓄熱材について説明してきたが、本発明はこれに限られるものではなく、例えばバインダー等を含んでいてもよい。第１実施形態や第２実施形態では、カーボンナノファイバーが化学結合していない固体粒子を含んでいてもよい。
【０１０５】
さらに、上記の実施形態では、本発明の実施形態に係る蓄熱装置において、熱交換器を設けた場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、熱交換器の形状を適宜変更することができ、熱交換器を設けなくてもよい。
【符号の説明】
【０１０６】
１    太陽熱蓄熱システム
２    蓄熱装置
３    太陽熱集光装置
４    循環流路（流路）
５    蓄熱容器（容器）
６    断熱部材
７    蓄熱材
８    熱交換器
【図１】
2015108085.tif 000004