(57)【要約】【課題】ミクロな細孔を有する、ヒートポンプ等の熱交換材として利用可能な新規熱交換材を提供する。【解決手段】脱水温度２５℃において、実質熱交換量が１００ｋＪ／ｋｇ以上であって、ナノレベル細孔を有する多孔質構造体を構成要素とすることを特徴とする熱交換材、及び細孔半径１〜５ｎｍの範囲に細孔分布を有する多孔質構造体を構成要素とすることを特徴とする前記熱交換材。【効果】従来の材料と比較し、特に、低温領域において脱水量・吸水量が多く、高い熱交換量を有する熱交換材を提供することができる。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
脱水温度２５℃において、実質熱交換量が１００ｋＪ／ｋｇ以上であって、ナノレベル細孔を有し、Ｋｅｌｖｉｎの毛管凝縮現象により細孔内で水蒸気が凝縮し得る細孔を有する構造を有する多孔質構造体を構成要素とすることを特徴とする１００℃を下回る低温領域で使用できる熱交換材。
【請求項２】
細孔半径１〜５ｎｍの範囲に細孔分布を有する多孔質構造体を構成要素とする請求項１記載の熱交換材。
【請求項３】
細孔半径１〜５ｎｍの範囲に細孔分布を有する酸化物系多孔質構造体を構成要素とする請求項２記載の熱交換材。
【請求項４】
細孔半径１〜５ｎｍの範囲に細孔分布を有するアルミナ系多孔質構造体を構成要素とする請求項２記載の熱交換材。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の熱交換材を冷暖房用の熱交換システムとして用いることを特徴とする冷暖房システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ナノレベル細孔を有する多孔質構造体を構成要素とする熱交換材に関するものであり、更に詳しくは、Ｋｅｌｖｉｎの毛管凝縮現象により細孔内で水蒸気が凝縮し得る細孔を有する構造を持つ微細粒子又はこの微細粒子を構成要素とする構造体を利用することを特徴とする熱交換材、特に、低温領域での熱交換材として有用な新しい熱交換材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般的な熱交換材としては、主にゼオライトが利用されているが、中でも水和エンタルピーの絶対値が大きく、吸水量が多いＡ型ゼオライトが熱交換材として広く利用されている（例えば、特許文献１及び２参照）。このように、これまで、ゼオライトは、熱交換材として最も優れているとされていた。
【０００３】
ゼオライト−水系ヒートポンプは、１００〜２００℃付近の熱源と室温付近の熱源を組み合わせることで運転できること、蓄熱容量も大きく、ゼオライトと水という環境問題的に安全で安価な物質であり、何度でも繰り返し使用でき、耐久性が高くメンテナンスが容易であることなど、多くの利点を有する。
【０００４】
上記の如く、従来、熱交換材としては、優れた熱交換性能を有しているゼオライトが広く利用されていた。しかしながら、１００〜２００℃の熱源は、工場等では比較的容易に得られるが、民生用として利用が望まれる熱源、例えば、給湯用の余剰温水、風呂の残り湯等の２５〜１００℃といった低温領域においては、ゼオライトは、脱水量・吸水量が少ないという欠点を持っていた。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−５３８４９号公報
【特許文献２】
特開２００２−８１８８９号公報
【０００６】
地球温暖化を防止するためにも、エネルギーの有効利用技術の開発は急務であり、外気温＋１０〜１００℃程度の熱源を有効利用できる熱交換材料は、例えば、今後、普及が期待される燃料電池システムにおいて、発電の際に発生する温水等の熱源として利用を図るためにも重要である。
【０００７】
そこで、当該技術分野においては、ゼオライトのようなミクロな細孔を持ち、しかも、低温領域においては脱水量・吸水量が少ないという上記ゼオライトの持つ欠点を克服し得るような、特に、２５〜１００℃程度の低温領域において、水の脱水量・吸水量の多い新しい熱交換材料の開発が強く求められていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、上記従来技術の諸問題を抜本的に解消し得る新しい熱交換材を開発することを目標として、鋭意研究を進める過程で、ゼオライトのようなミクロな細孔を持ち、２５〜１００℃程度の低温領域において、脱水量・吸水量の多い物質を種々探索した結果、ナノレベル細孔を有する多孔質構造体を構成要素とする材料が、Ｋｅｌｖｉｎの毛管凝縮現象により細孔内で水蒸気が凝縮し得ること、そして、低温熱源を利用した熱交換材として最適なものであることを見出し、更に研究を重ねて、本発明を完成するに至った。
【０００９】
本発明は、熱交換材の特性として、従来のものよりも特に低温領域において脱水量・吸水量が多い特性を有し、また、従来のものと比べて同等の水和エンタルピー値を持つ、ナノレベル細孔を有する多孔質構造体を構成要素とし、Ｋｅｌｖｉｎの毛管凝縮現象により細孔内で水蒸気が凝縮し得る細孔を有する構造を持つ微細粒子又はこの微細粒子を構成要素とする構造体からなる新規な熱交換材としての用途を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）脱水温度２５℃において、実質熱交換量が１００ｋＪ／ｋｇ以上であって、ナノレベル細孔を有し、Ｋｅｌｖｉｎの毛管凝縮現象により細孔内で水蒸気が凝縮し得る細孔を有する構造を有する多孔質構造体を構成要素とすることを特徴とする１００℃を下回る低温領域で使用できる熱交換材。
（２）細孔半径１〜５ｎｍの範囲に細孔分布を有する多孔質構造体を構成要素とする前記（１）記載の熱交換材。
（３）細孔半径１〜５ｎｍの範囲に細孔分布を有する酸化物系多孔質構造体を構成要素とする前記（２）記載の熱交換材。
（４）細孔半径１〜５ｎｍの範囲に細孔分布を有するアルミナ系多孔質構造体を構成要素とする前記（２）記載の熱交換材。
（５）前記（１）から（４）のいずれかに記載の熱交換材を冷暖房用の熱交換システムとして用いることを特徴とする冷暖房システム。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、上述のように、脱水温度２５℃において、実質熱交換量が１００ｋＪ／ｋｇ以上であって、ナノレベル細孔を有し、Ｋｅｌｖｉｎの毛管凝縮現象により細孔内で水蒸気が凝縮し得る細孔を有する構造を有する多孔質構造体を構成要素とすることを特徴とする１００℃を下回る低温領域で使用できる熱交換材を提供するものである。本発明者らは、低温領域での脱水量・吸水量を多くするため、吸着された水が内部で拡散しやすい構造を持ち、かつ絶対値の大きな水和エンタルピー値を持つゼオライトのような細孔を有する物質の探索を種々試みた。その結果、ナノレベル細孔を有する多孔質構造体を構成要素とする材料は、最も熱交換材として優れているとされるゼオライトと比較した場合、２５℃で真空脱気した試料においても、６０℃で真空脱気したゼオライトとほぼ同等の吸水量を持ち、また、ほぼ同等の水和エンタルピー値を持つこと、そして、実質熱交換量や最大熱交換量に関しても、４０℃で真空脱気したゼオライトの約２倍の熱交換能力があることが分かった。また、この材料は、特に、２５℃前後の低温領域での熱交換材として最適なものであることが分かった。
【００１２】
本発明では、熱交換材の構成要素として、ナノレベル細孔を有する多孔質構造体を構成要素とする材料が使用される。このような材料として、例えば、カオリン鉱物及び／又はアルミナ−シリカ系共沈ゲルを加熱して、スピネル相と非晶質シリカとに相分離された熱処理物を調製し、得られた熱処理物をアルカリ又はフッ酸にて処理して非晶質シリカを溶出させることで得られるγ−アルミナ多孔体等のメソポア多孔質材料が例示されるが、これらの材料に制限されるものではない。
【００１３】
上述の方法で与えられるメソポア多孔質材料は、通常、２〜４ｎｍ付近に細孔半径の揃った鋭いピークを示す。また、上記材料として、例えば、水酸化物ゲルを乾燥後、熱処理することにより多孔質化した水酸化物又は酸化物とすることで得られる材料、水酸化アルミニウムゲル等から調製したアルミナ系メソポア多孔質材料も例示されるが、これらの材料に制限されるものではなく、これらと同等の方法で作製した材料も同様に使用することができる。
上述の方法で与えられるメソポア多孔質材料は、通常、１  〜４ｎｍ付近に細孔半径の揃った鋭いピークを示す。
【００１４】
Ｋｅｌｖｉｎの毛管凝縮理論式から、半径１〜５ｎｍの細孔で水蒸気が凝縮する相対湿度を計算すると、約６０〜９０％となる。また、半径１〜５ｎｍの細孔内の凝縮水が気化する相対湿度は約３５〜８０％となる。水系ヒートポンプは、水の着・脱により熱交換が行われるが、相対湿度変化により半径１〜５ｎｍの細孔で水蒸気が凝縮・気化を行わせるために必要な湿度変動域から、本材料を吸着剤に利用した水系ヒートポンプは、運転が極めて容易であることが判る。
【００１５】
また、Ｋｅｌｖｉｎの毛管凝縮理論式は、気体定数及び水の分子体積、表面張力、接触角といった物性値と、温度、細孔半径により相対蒸気圧が決まり、細孔を構成する材料に依存しない。従って、本発明で使用できるナノレベル細孔を有する多孔質構造体を構成要素とする材料としては、１〜５ｎｍ付近に細孔分布を示すものであればよく、上記に例示したメソポア多孔質材料に限定されるものでないことは言うまでもない。
【００１６】
また、本発明の熱交換材の使用法としては、上記多孔質材料をそのまま利用することができるが、その他に、適切なシリカゲル、セメント、ベントナイト等の成形助剤、高分子繊維やデンプン等の有機バインダー等を加えて成形したり、あるいは適当な疎水性高分子等に含浸させて使用することが可能である。本発明の熱交換材を製造するための、これらの製材の例としては、好適には、例えば、造粒体、錠剤、フィルム、繊維などの形態があげられるが、これらは、その使用目的に応じて適宜選択すればよく、特に制限されるものではない。
【００１７】
このように、本発明の熱交換材は、低温領域において、脱水量・吸水量が多く、ナノサイズ細孔を有するため、絶対値の大きな水和エンタルピー値を有し、高い熱交換能力を持つという特性を有し、特に、ヒートポンプの熱交換材として有用である。本発明の熱交換材を用いたヒートポンプは、冷暖房用の熱交換システムとして用いることもできるが、その場合は、低温廃熱を利用した冷暖房システム化を構築できることは言うまでもない。
【００１８】
本発明の熱交換材は、ナノレベル細孔を有する多孔質構造を持つ微細粒子又はこの微細粒子を構成要素とする構造体からなり、当該微粒子あるいは構造体は、高比表面積や細孔を有しており、水の吸着速度が速く、また、低温領域において脱水量・吸水量が多く熱交換能力が高いこと、更に、その形態を利用し得ること、熱交換材として特に低温熱源を利用する上で最適な特性を持つことから、特に、ヒートポンプの熱交換材に好適に利用されるものとして有用であり、本発明により、この熱交換材を用いることを特徴とする冷暖房システムを提供することが可能となる。
【００１９】
【実施例】
次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明の範囲は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
本実施例では、試験試料のナノレベル細孔を有する多孔質構造を構成要素とする材料として、カオリン鉱物を加熱して、スピネル相と非晶質シリカとに相分離された熱処理物を調製し、得られた熱処理物をアルカリにて処理して非晶質シリカを溶出させることにより調製したメソポア多孔質粉体を用いた。また、比較試料として、従来の熱交換材として最も優れている合成ゼオライト（Ｎａ−Ａ型ゼオライトのＮａを５０％Ｍｇにイオン交換したもの）  を用いた。
【００２０】
各試料を飽和臭化ナトリウム水溶液の入ったビーカーとともにデシケーター内に置き、湿度約５８％の条件下で１日放置し、脱水前の試料とした。この各試料約０．２５ｇを試料容器に入れ、各温度にて加熱しながら真空脱気を１時間行った。脱気前後の重量の差を脱水量とした。各温度にて真空脱気をした試料を、断熱型水和熱測定装置により水和熱測定を行い、水和エンタルピーを求めた。また、この水和熱測定前後の重量の差を吸水量とした。
【００２１】
上記実施例で得られたメソポア多孔質粉体及びゼオライトの脱水率、吸水率、水和エンタルピー、実質熱交換量、及び最大熱交換量を表１及び表２に示す。
表１及び表２に示すように、２５℃で真空脱気した試料に対し、メソポア多孔質粉体の吸水率は５％であり、また、水和エンタルピーは−６４．４ｋＪ／ｍｏｌの値を有していた。これらの値から、実質熱交換量及ぴ最大熱交換量を求めると、メソポア多孔質粉体の実質熱交換量は１７８．９ｋＪ／ｋｇであり、また、最大熱交換量は３３６．３ｋＪ／ｋｇであった。これらの値は、４０℃で真空脱気したゼオライトの脱水率、水和エンタルピー、実行熱交換量及び最大熱交換量が、２．９８％、−６０．５ｋＪ／ｍｏｌ、１００．２ｋＪ／ｋｇ、１６３．４ｋＪ／ｋｇであるのと比較して、それぞれ、約１．７倍、約１．１倍、約１．８倍、約２．１倍であることが分かった。
【００２２】
上述するように、ナノレベル細孔を有する多孔質構造を構成要素とする材料は、２５℃という、特に、低温領域での熱交換材として最適な熱交換量を有していた。
【００２３】
【表１】
2004263930.tif 000002
【００２４】
【表２】
2004263930.tif 000003
【００２５】
実施例２
本実施例では、水酸化物ゲルを乾燥後、熱処理することにより多孔質化した水酸化物又は酸化物とする方法に準じて、市販の水酸化アルミニウム試薬から調製したアルミナ系メソポア多孔質材料を用いた。また、比較試料としては、実施例１と同様に、従来の熱交換材として最も優れている合成ゼオライト（Ｎａ−Ａ型ゼオライトのＮａを５０％Ｍｇにイオン交換したもの）  を用いた。測定方法等は、実施例１と同様に行った。
【００２６】
上記実施例で得られたアルミナ系メソポア多孔質材料の脱水率、吸水率、水和エンタルピー、実質熱交換量、及び最大熱交換量を表３に示す。
表３に示すように、２５℃で真空脱気した試料に対し、アルミナ系メソポア多孔質材料の吸水率は６．６％であり、また、水和エンタルピーは−５２．６ｋＪ／ｍｏｌの値を有していた。これらの値から、実質熱交換量及ぴ最大熱交換量を求めると、アルミナ系メソポア多孔質材料の実質熱交換量は１９３．０ｋＪ／ｋｇであり、また、最大熱交換量は３０７．０ｋＪ／ｋｇであった。これらの値は、４０℃で真空脱気したゼオライトの脱水率、水和エンタルピー、実行熱交換量及び最大熱交換量が、２．９８％、−６０．５ｋＪ／ｍｏｌ、１００．２ｋＪ／ｋｇ、１６３．４ｋＪ／ｋｇであるのと比較して、それぞれ、約２．２倍、約０．９倍、約１．９倍、約１．９倍であることが分かった。
【００２７】
【表３】
2004263930.tif 000004
【００２８】
以上の試験結果により、ナノレベル細孔を有する多孔質構造を構成要素とする材料は、２５℃の低温領域における熱交換材として格別の効果を有することが分かった。脱水温度を上げると、実質熱交換容量や最大熱交換容量は増加するので、これらの材料は、２５℃以上の温度においても熱交換材として有効であることは言うまでもないが、本発明の熱交換材は、特に、２５〜１００℃程度の低温領域の熱源を利用し得るものとして有用である。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、ナノレベル細孔を有する多孔質構造体を構成要素とする熱交換材に係るものであり、本発明により、１）Ｋｅｌｖｉｎの毛管凝縮現象により細孔内で水蒸気が凝縮し得る細孔を有する構造を持つ微細粒子又はこの微細粒子を構成要素とする構造体を利用した新しい熱交換材、特に、低温領域での熱交換材として有用な新しい熱交換材を提供することができる、２）従来の材料よりも、特に、低温領域において、脱水量・吸水量が多く、また、それと同等の水和エンタルピー値を有する、３）そのため、２５℃で真空脱気した試料においても、従来の熱交換材料と同等以上能力を有しており、低温熱源を利用する上で最適な熱交換材を提供することができる、４）従って、省エネルギーの観点からも、本発明の熱交換材による当業界に寄与するところは極めて大きいものがある、という格別の効果が奏される。