(57)【要約】【課題】物質ごとに異なる特殊な発核材の添加、あるいは特殊な発核装置の付加に依ることなく、潜熱蓄熱材の過冷却度の制御を行うことを可能とする。【解決手段】外部から与えられた熱を貯蔵する蓄熱体において、潜熱蓄熱材と該蓄熱材を充填する容器との接触面の一部分を、過半をなす他の部分の接触面よりも該蓄熱材の濡れ角が小さくなるように該容器表面の粗さを調節あるいは高い親液性の物質で被覆する。あるいは、該容器よりも該蓄熱材に対する濡れ角の小さい固体片を該蓄熱材中に混入する。また、該接触面の一部分の該蓄熱材に対する濡れ角が大きくなるように該容器表面にμｍのオーダー以下の微細な起伏を設ける、あるいは該容器表面に疎液性物質を被覆する。【選択図】図１
2005257244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から与えられた熱を貯蔵する蓄熱体において、潜熱蓄熱材を充填する容器内面に対する該潜熱蓄熱材の濡れ角を変えることによって、潜熱蓄熱材の過冷却度を必要な大きさに制御することを特徴とする蓄熱体の制御方法。
【請求項２】
潜熱蓄熱材と該蓄熱材を充填する容器との接触面の一部分が、過半をなす他の部分の前記接触面よりも該蓄熱材の濡れ角が小さいことを特徴とする蓄熱体。
【請求項３】
前記蓄熱材と前記容器との接触面で前記濡れ角が小さい部分は、該容器表面の粗さが前記過半をなす他の部分の接触面と異なることを特徴とする請求項２に記載の蓄熱体。
【請求項４】
前記蓄熱材と前記容器との接触面で前記濡れ角が小さい部分は、該容器表面が前記過半をなす他の部分の表面より高い親液性の物質で被覆されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の蓄熱体。
【請求項５】
前記親液性の物質には光触媒が含まれることを特徴とする請求項４に記載の蓄熱体。
【請求項６】
潜熱蓄熱材を充填する容器よりも該蓄熱材に対する濡れ角の小さい固体片が、該蓄熱材中に混入されていることを特徴とする蓄熱体。
【請求項７】
潜熱蓄熱材と該蓄熱材を充填する容器との接触面に、該蓄熱材に対する濡れ角を大きくする手段を設けたことを特徴とする蓄熱体。
【請求項８】
前記蓄熱材の濡れ角を大きくする手段は、前記容器の鉛直下向きに沿って該蓄熱材の濡れ角が徐々に大きくなるように設けられていることを特徴とする請求項７に記載の蓄熱体。
【請求項９】
前記蓄熱材の濡れ角を大きくする手段は、前記容器表面に設けられたμｍのオーダー以下の微細な起伏であることを特徴とする請求項７または８に記載の蓄熱体。
【請求項１０】
前記蓄熱材の濡れ角を大きくする手段は、前記容器表面に設けられた疎液性の被覆であることを特徴とする請求項７乃至９に記載の蓄熱体。
【請求項１１】
潜熱蓄熱材と該蓄熱材を充填する容器との接触面の一部分が、過半をなす他の部分の前記接触面よりも該蓄熱材の濡れ角が小さい蓄熱体と、前記蓄熱体の前記一部分を冷却する手段と、前記蓄熱体を充填した蓄熱槽と、前記蓄熱槽と外部との間の熱の注入・抽出を行う熱交換手段とを備えたことを特徴とする蓄熱装置。
【請求項１２】
潜熱蓄熱材と該蓄熱材を充填する容器との接触面の一部分に光触媒が塗布された蓄熱体と、前記光触媒が塗布された部分に光を照射する光源と、前記蓄熱体を充填した蓄熱槽と、前記蓄熱槽と外部との間の熱の注入・抽出を行う熱交換手段とを備えたことを特徴とする蓄熱装置。
【請求項１３】
潜熱蓄熱材を充填する容器よりも該蓄熱材に対する濡れ角の小さい固体片が混入されている蓄熱体と、前記固体片の混入されている部分を冷却する手段と、前記蓄熱体を充填した蓄熱槽と、前記蓄熱槽と外部との間の熱の注入・抽出を行う熱交換手段とを備えたことを特徴とする蓄熱装置。
【請求項１４】
貯蔵した潜熱を回収する際に、濡れ角が小さい前記一部分を冷却することで、潜熱蓄熱材を発核させることを特徴とする請求項１１に記載の蓄熱装置における熱管理方法。
【請求項１５】
貯蔵した潜熱を回収する際に、前記光触媒が塗布された部分に光を照射することで、潜熱蓄熱材を発核させることを特徴とする請求項１２に記載の蓄熱装置における熱管理方法。
【請求項１６】
貯蔵した潜熱を回収する際に、前記固体片の混入されている部分を冷却することで、潜熱蓄熱材を発核させることを特徴とする請求項１３に記載の蓄熱装置における熱管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物質の相変化を利用して外部から与えられた熱を貯蔵するための蓄熱方法とその方法を実施する蓄熱体、及びその蓄熱体を用いた蓄熱装置並びにその熱管理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
潜熱蓄熱材を融解させて貯蔵した熱を回収し、利用するには、温度が低下し、凝固点以下の温度に達した潜熱蓄熱材を、必要時に凝固させ、凝固熱を発生させる必要がある。潜熱蓄熱材として考えられている物質の多くは、温度が凝固点に低下しても直ちに凝固を開始せず、凝固点よりも低い温度まで過冷却したのちに、凝固を開始し、凝固熱を放出する性質がある。凝固点と凝固開始温度との差、すなわち過冷却度は物質やその置かれた状態により異なるが、60℃あまりに達する物質もある。このため、潜熱蓄熱材の融液を凝固点以下の温度で速やかに発核させ、凝固を開始させる方法が種々提案されてきている。
【０００３】
潜熱蓄熱材の発核手段は、潜熱蓄熱材に結晶核の生成を誘発する物質を添加、あるいは接触させる方法（例えば米国特許第２６７７６６４号明細書、米国特許第４８６０７２９号明細書）と、そのような誘発物質を用ずに機械的な動き与える方法（例えば米国特許第２２２０７７７号明細書、米国特許第４０７７３９０号明細書）に大別される。前者の方法はほぼ確実に凝固を開始させることができるが、自身、すなわち種結晶以外で凝固を誘発させる物質は極めて限られており、また時と場合に応じて凝固開始温度を変更することが困難なため、常に凝固点近くで発核することで効果を発揮する潜熱蓄熱体として、一部で実用化されているだけである。他方、後者の方法は潜熱蓄熱材が異なっても共通的に発核効果が期待できる場合が多く、時と場合に応じて凝固開始温度を変更することもできるが、発核作用の不確実性が大きい。また、後者の場合は発核を誘発させる手段であっても発核を防止する手段としては存在しなかった。
【特許文献１】米国特許第２６７７６６４号明細書
【特許文献２】米国特許第４８６０７２９号明細書
【特許文献３】米国特許第２２２０７７７号明細書
【特許文献４】米国特許第４０７７３９０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明による蓄熱体の制御方法は、上述のような問題点を解消するためになされたもので、特殊な発核材の添加、あるいは特殊な発核装置の付加に依ることなく、潜熱蓄熱材の過冷却度の制御を行うことを目的とする。また、該制御方法を用いた蓄熱体、蓄熱装置及びその熱管理方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明における蓄熱体の制御方法は、外部から与えられた熱を貯蔵する蓄熱体において、潜熱蓄熱材を充填する容器内面に対する該潜熱蓄熱材の濡れ角を変えることによって、潜熱蓄熱材の過冷却度を必要な大きさに制御することを特徴とする。
【０００６】
また、本発明による蓄熱体は、潜熱蓄熱材と該蓄熱材を充填する容器との接触面の一部分が、過半をなす他の部分の前記接触面よりも該蓄熱材の濡れ角が小さいことを特徴とする。
また、本発明による他の蓄熱体は、前記蓄熱体において、前記蓄熱材と前記容器との接触面で前記濡れ角が小さい部分は、該容器表面の粗さが前記過半をなす他の部分の接触面と異なることを特徴とする。
また、本発明による他の蓄熱体は、前記蓄熱体において、前記蓄熱材と前記容器との接触面で前記濡れ角が小さい部分は、該容器表面が前記過半をなす他の部分の表面より高い親液性の物質で被覆されていることを特徴とする。
また、本発明による他の蓄熱体は、前記蓄熱体において、前記親液性の物質には光触媒が含まれることを特徴とする。
また、本発明による他の蓄熱体は、潜熱蓄熱材を充填する容器よりも該蓄熱材に対する濡れ角の小さい固体片が、該蓄熱材中に混入されていることを特徴とする。
また、本発明による他の蓄熱体は、潜熱蓄熱材と該蓄熱材を充填する容器との接触面に、該蓄熱材に対する濡れ角を大きくする手段を設けたことを特徴とする。
また、本発明による他の蓄熱体は、前記蓄熱体において、前記蓄熱材の濡れ角を大きくする手段は、前記容器の鉛直下向きに沿って該蓄熱材の濡れ角が徐々に大きくなるように設けられていることを特徴とする。
また、本発明による他の蓄熱体は、前記蓄熱体において、前記蓄熱材の濡れ角を大きくする手段は、前記容器表面に設けられたμｍのオーダー以下の微細な起伏であることを特徴とする。
また、本発明による他の蓄熱体は、前記蓄熱体において、前記蓄熱材の濡れ角を大きくする手段は、前記容器表面に設けられた疎液性の被覆であることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明による蓄熱装置は、潜熱蓄熱材と該蓄熱材を充填する容器との接触面の一部分が、過半をなす他の部分の前記接触面よりも該蓄熱材の濡れ角が小さい蓄熱体と、前記蓄熱体の前記一部分を冷却する手段と、前記蓄熱体を充填した蓄熱槽と、前記蓄熱槽と外部との間の熱の注入・抽出を行う熱交換手段とを備えたことを特徴とする。
また、本発明による前記蓄熱装置における熱管理方法は、貯蔵した潜熱を回収する際に、濡れ角が小さい前記一部分を冷却することで、潜熱蓄熱材を発核させることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明による他の蓄熱装置は、潜熱蓄熱材と該蓄熱材を充填する容器との接触面の一部分に光触媒が塗布された蓄熱体と、前記光触媒が塗布された部分に光を照射する光源と、前記蓄熱体を充填した蓄熱槽と、前記蓄熱槽と外部との間の熱の注入・抽出を行う熱交換手段とを備えたことを特徴とする。
また、本発明による前記蓄熱装置における熱管理方法は、貯蔵した潜熱を回収する際に、前記光触媒が塗布された部分に光を照射することで、潜熱蓄熱材を発核させることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による他の蓄熱装置は、潜熱蓄熱材を充填する容器よりも該蓄熱材に対する濡れ角の小さい固体片が混入されている蓄熱体と、前記固体片の混入されている部分を冷却する手段と、前記蓄熱体を充填した蓄熱槽と、前記蓄熱槽と外部との間の熱の注入・抽出を行う熱交換手段とを備えたことを特徴とする。
また、本発明による前記蓄熱装置における熱管理方法は、貯蔵した潜熱を回収する際に、前記固体片の混入されている部分を冷却することで、潜熱蓄熱材を発核させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明における蓄熱体においては、容器内面に対する潜熱蓄熱材の濡れ角を変えることで、該潜熱蓄熱材の過冷却度を制御することができる。また、過冷却を解除する場合、蓄熱体のごく僅かな冷却部分のみにおいて、容器の内面に対する潜熱蓄熱材の濡れ角を他の部分よりも小さくすることで、発核する箇所を制御することができる。
また、その表面に対する潜熱蓄熱材の濡れ角が、容器の内面に対する潜熱蓄熱材の濡れ角よりも小さく設定された固体片を容器の中に封入するすることで、容器内面の濡れ角を変更させるよりも簡潔に過冷却解除の機構を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
特殊な発核材の添加、あるいは特殊な発核装置の付加に依ることなく、潜熱蓄熱材の過冷却度の制御を行うことを可能にした。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明による蓄熱体を用いた蓄熱装置の断面図である。図において、１はポリプロピレンからなる蓄熱体の容器であり、容器１のごく僅かな部分を占める斜線部分だけが他の部分と比較して容器１の内面に対する潜熱蓄熱材２（後述）の濡れ角が小さくなるように、底部内面をステンレス鋼箔で裏打ちしてある。２は蓄熱体の容器１に充填された過冷却可能な潜熱蓄熱材であり、でんぷん質の相分離防止剤を添加した燐酸水素二ナトリウム十二水和物を主成分とする。容器１および潜熱蓄熱材２は、材料適合性があれば種々の材料の組み合わせが考えられ、本実施例に限定されない。たとえば、容器１の材料にはポリエチレンやフッ素樹脂、ステンレス鋼、酸化アルミニウムなども耐食性が高く、種々の潜熱蓄熱材２に適用できる。また、潜熱蓄熱材２は必要とする融点に応じた物質が選択可能であり、たとえば酢酸ナトリウム三水和物、チオ硫酸ナトリウム五水和物、硫酸ナトリウム十水和物などの水和物、ペンタエリスリトール、マンニトール、エリスリトール、スレイトールなどの多価アルコール類、各種融点のパラフィン類なども使用できる。３は蓄熱体を内包する蓄熱槽、４は潜熱蓄熱材２の過冷却を解除するときに蓄熱槽３に流入される熱媒体の経路であり、熱源（図示せず）に接続される。５は蓄熱体の潜熱を得るための熱媒体の経路であり、熱利用設備（図示せず）に接続される。また、図２は容器１の斜線部分の内側の性質を説明するための図であり、θは容器１の内面に対する潜熱蓄熱材２の濡れ角の定義を示す。
【００１３】
本発明による蓄熱体の制御方法においては、蓄熱体に充填されている潜熱蓄熱材２の過冷却度を制御するために、蓄熱体の容器１の内側に対する潜熱蓄熱材２の濡れ角を意図的に設定する。例えば、過冷却度を小さくするためには濡れ角が小さくなるように設定する。濡れ角が小さくなると、界面エネルギーが小さくなり、潜熱蓄熱材２の融液は安定的な分子集団あるいは原子集団（クラスタ）を形成しやすい。すなわち、結晶化しやすい。逆に、濡れ角が大きくなると、体積自由エネルギーに対する界面エネルギーの相対的な寄与が大きくなり、安定的なクラスタが形成されにくいので、過冷却度は大きくなる。燐酸水素二ナトリウム十二水和物の場合、濡れ角の調節によって過冷却度を１０℃程度の幅で調整することが可能になる。
【００１４】
蓄熱装置の利用方法によっては、濡れ角θを大きくすることも小さくすることも考えられる。たとえば、潜熱蓄熱材２の融点よりもより低温の過冷却状態で潜熱蓄熱材２を貯蔵する必要があれば、濡れ角を大きくして低温でなければ発核しない状態にすれば良く、逆に潜熱蓄熱材２が融点を下回ればすぐに潜熱を回収する必要があれば、濡れ角を小さくして、高温でも発核しやすい状態にすれば良い。濡れ角θを変更するには、容器１の内側、すなわち潜熱蓄熱材２の接触する面の界面エネルギーを変更するか、または表面粗さを変更すればよい。すなわち、表面粗さの度合いと潜熱蓄熱材２の過冷却度との関係は、潜熱蓄熱材２に接触する容器１の材質に依存するので、使用する潜熱蓄熱材２と容器１ごとに実験を行い、得られる過冷却度から容器１の材質と表面粗さを設定する。たとえば、蓄熱材が水溶液や水和物の場合、容器１の材質がフッ素樹脂で、かつ３００〜５００ｎｍ周期の起伏の表面粗さがある場合に、濡れ角が最大となる。濡れ角θをより大きくするには、容器１の表面をμｍのオーダー以下のフラクタル構造とすることが有効である。
【００１５】
本実施例で燐酸水素二ナトリウム十二水和物のステンレス鋼に対する濡れ角は、通常の機械仕上げ面でおよそ７０°前後になり、ポリプロピレンに対する濡れ角は９５°前後になるので、容器１においてステンレス鋼箔で裏打ちされた部分は、それ以外の部分よりも過冷却度が１〜２℃小さくなる。また、たとえばポリプロピレンにフッ素樹脂を被覆し、３００〜５００ｎｍ周期の起伏の表面粗さを付けた場合には、燐酸水素二ナトリウム十二水和物の濡れ角は１３０°〜１５０°前後になり、過冷却度を５〜７°程度大きくすることができる。濡れ角θを小さくしたいときは、容器１の内面に酸化チタン光触媒のような親液性の効果を発現させる物質を塗布してもよい。
【００１６】
次に、図１において潜熱蓄熱材２に蓄熱を完了した状態で時間が経過した後、熱を抽出する方法について説明する。図１の容器１において、ごくわずかな部分を示す斜線部分の内面の濡れ角θを他の大部分の内面の濡れ角θよりも小さく設定しておけば、斜線部分は他の部分よりも過冷却が解除されやすい状態になる。過冷却状態にある潜熱蓄熱材２の過冷却を解除するために経路４から冷却のための熱媒体を少量注入すると、蓄熱体のごく僅かな部分を示す斜線部分が冷却されて、過冷却が解除され、発核が起こる。ひとたび結晶化が起これば、結晶は上方に成長して行き、潜熱蓄熱材２から凝固熱が放出され、貯蔵していた熱を回収することができる。
【００１７】
さらに、容器１に対する潜熱蓄熱材２の濡れ角を、容器１の鉛直下向きに沿って徐々に大きくなるように設ければ、容器１のアスペクト比が大きい場合に、鉛直方向の発核のしやすさを均一にし、過冷却状態を安定的に維持しやすくすることができる。なぜならば、容器１のアスペクト比が大きくなるほど鉛直方向に温度分布ができやすくなり、下方ほど低温になって発核しやすい状態になるので、下方ほど濡れ角を大きくすれば、潜熱蓄熱材２の過冷却度も下方ほど大きくなって、鉛直方向の発核のしやすさを均一にすることができるためである。本実施例のように細長い蓄熱体を、長手方向が鉛直方向と一致するように設置する場合には、濡れ角を傾斜分布させる方向は鉛直方向となるが、蓄熱体の設置方向が鉛直ではない場合や、熱機器の構造上の特性で温度分布が鉛直方向にない場合には、濡れ角の傾斜分布を温度分布に合わせて変更すれば、すなわち低温に分布する部分ほど濡れ角が大きくなるように調節すれば、上記と同様の効果が得られる。
【実施例２】
【００１８】
図３は、本発明による他の蓄熱装置を示す断面図である。図において、１〜５は図１と同一あるいは相当する部分を示す。容器１は硼硅酸ガラスやメタクリル樹脂、ポリカードネイト樹脂のような光透過性と耐光性のある材料でできており、蓄熱槽３はステンレス鋼のような光遮蔽性のある材料でできている。６は蓄熱槽３の外部に置かれた紫外線の光源で、７は蓄熱槽３の内部と光源６とを接続する紫外透過性の光ファイバである。光ファイバ７の端面は、容器１の各底面に相対して設置され、光源からの光により容器１の底面を自由に照らすことができる。
【００１９】
次に、該蓄熱装置の動作について説明する。基本的な動作は、実施例１に示す蓄熱装置と同一である。ただし、本実施例では図１のごく僅かな部分を示す斜線部分の内面に酸化チタン光触媒が塗布してある。熱の貯蔵時には、蓄熱槽内に光が射さず、光触媒が作用しないので、容器内面の親液性は光触媒を塗布していない部分と変わりなく、潜熱蓄熱材２の濡れ角が大きい状態で維持される。過冷却を解除する際には、光源を光らせて光触媒を塗布した容器内面に光を照射する。これにより光触媒が作用し、容器内面の親液性が高まり、潜熱蓄熱材２の濡れ角が小さくなる。濡れ角が小さくなると、界面エネルギーが小さくなり、潜熱蓄熱材２の融液は安定的な分子集団あるいは原子集団（クラスタ）を形成しやすい。すなわち、結晶化しやすくなり、発核が起こる。その際、経路４から冷却のための熱媒体を少量注入すると、容器１の斜線部分が冷却されて、発核をさらに促進させることもできる。ひとたび結晶化が起これば、結晶は上方に成長して行き、潜熱蓄熱材２から凝固熱が放出され、貯蔵していた熱を回収することができる。
【００２０】
本実施例の蓄熱装置によれば、容器１の濡れ角θを光照射のみで静的に行うことも可能であり、発核のための冷却操作にともなう熱損失を抑制することができる。
【実施例３】
【００２１】
図４は、本発明による他の蓄熱装置を示す断面図である。図において、１〜５は図１と同一あるいは相当する部分を示す。８は容器１に封入された硼硅酸ガラスの固体片であり、該固体片８の表面は容器１の内表面よりも潜熱蓄熱材２に対する濡れ角θが小さく設定されている。固体片８の材質は本実施例に限定されない。たとえば、耐熱・耐食性などと、界面エネルギーの大小、表面粗さに応じて、ポリプロピレンやステンレス鋼、酸化アルミニウムなども利用することができる。
【００２２】
次に、該蓄熱装置の動作について説明する。基本的な動作は、実施例１に示す蓄熱装置と同一である。ただし、本実施例では図１のごく僅かな部分を示す斜線部分の容器１のかわりを固体片８が行う。つまり、過冷却を解除する場合、容器１のうち固体片８の近傍を冷却すると、固体片８の濡れ角θの設定条件から固体片８の表面で発核が起こりやすくなる。
【００２３】
本実施例の蓄熱装置によれば、濡れ角θの設定を固体片８に対して行うことができるため、容器内面の濡れ性を変更させる場合に比べ、装置の製作が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による蓄熱装置の断面図である。（実施例１）
【図２】濡れ角を説明する図である。
【図３】本発明による他の蓄熱装置の断面図である。（実施例２）
【図４】本発明による他の蓄熱装置の断面図である。（実施例３）
【符号の説明】
【００２５】
１    容器
２    潜熱蓄熱材
３    蓄熱槽
６    光源
７    光ファイバ
８    固体片
【図１】
2005257244.tif 000003
【図２】
2005257244.tif 000004
【図３】
2005257244.tif 000005
【図４】
2005257244.tif 000006