(57)【要約】【課題】適用する蓄熱温度範囲に応じて蓄熱密度が大きい蓄熱材を選定することが可能な蓄熱材の選定方法を提供する。【解決手段】蓄熱最低温度がＴmin、蓄熱最高温度がＴmaxである蓄熱システムに用いられる蓄熱材の選定方法であって、融点がＴmin以上である溶融塩純物質を第１物質として選定し、融点が第１物質の融点以下の溶融塩純物質を、第１物質と混合する第２物質として選定する。【選択図】図１
2013224344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄熱最低温度がＴmin、蓄熱最高温度がＴmaxである蓄熱システムに用いられる蓄熱材の選定方法であって、
融点がＴmin以上である溶融塩純物質を第１物質として選定し、
融点が前記第１物質の融点以下の溶融塩純物質を、前記第１物質と混合する第２物質として選定する
ことを特徴とする蓄熱材の選定方法。
【請求項２】
前記第１物質として、融点が（Ｔmax＋３００℃）以下の溶融塩純物質を選定する
請求項１記載の蓄熱材の選定方法。
【請求項３】
前記第２物質として、融点が（Ｔmin−２００℃）以上の溶融塩純物質を選定する
請求項１または２記載の蓄熱材の選定方法。
【請求項４】
下式（１）
ΔＨ*＝ΔＨ＋Ｌ（Ｔmax）    ・・・（１）
但し、ΔＨ：Ｔmin〜Ｔmax間のエンタルピー変化量
Ｌ（Ｔmax）：Ｔmaxでの融解潜熱
融点がＴmin以上Ｔmax以下であるときはＬ（Ｔmax）＝０
で表される選定パラメータΔＨ*がより高い溶融塩純物質を選定し、当該選定した溶融塩純物質を前記第１物質または前記第２物質として用いる
請求項１〜３いずれかに記載の蓄熱材の選定方法。
【請求項５】
前記第１物質と前記第２物質の組成は、
蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率が０．３以上０．７以下であり、かつ、蓄熱最高温度Ｔmaxにおける固相率が０．１以下となる組成に設定する
請求項１〜４いずれかに記載の蓄熱材の選定方法。
【請求項６】
前記第１物質と前記第２物質の組成は、
蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率が０．５以上０．６以下となる組成に設定する
請求項５記載の蓄熱材の選定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄熱システムに用いる蓄熱材の選定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、固体または液体の状態のまま使用する顕熱蓄熱材と、固体と液体の相変化を利用する潜熱蓄熱材が知られている。
【０００３】
顕熱を利用した蓄熱では、潜熱を利用した蓄熱と比べて蓄熱密度が小さいという問題がある。他方、潜熱を利用した蓄熱では、固体の状態での熱伝導率が低いため、強制対流による熱交換が可能な液体顕熱蓄熱材を用いた場合と比較して伝熱効率が悪く、熱交換器が大きくなるなどの問題があった。
【０００４】
そこで、強制対流による熱交換が可能で伝熱効率の低下を抑制できる潜熱蓄熱材として、スラリ状の蓄熱材が提案されている（例えば特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２０４５１７号公報
【特許文献２】特開２００７−２５４６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、どのような温度でスラリ化するかは、蓄熱材に用いる物質および組成によって大きく変化するため、適用する蓄熱温度範囲に応じて最適な蓄熱材を選定する必要がある。
【０００７】
しかしながら、従来、蓄熱密度が大きい蓄熱材をどのように選定するかといった方法は確立されておらず、試行錯誤を繰り返して蓄熱材を選定するしかなかった。そのため、蓄熱材の選定にかかるコストが莫大となってしまう問題があった。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑み為されたものであり、適用する蓄熱温度範囲に応じて蓄熱密度が大きい蓄熱材を選定することが可能な蓄熱材の選定方法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】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、蓄熱最低温度がＴmin、蓄熱最高温度がＴmaxである蓄熱システムに用いられる蓄熱材の選定方法であって、融点がＴmin以上である溶融塩純物質を第１物質として選定し、融点が前記第１物質の融点以下の溶融塩純物質を、前記第１物質と混合する第２物質として選定する蓄熱材の選定方法である。
【００１０】
前記第１物質として、融点が（Ｔmax＋３００℃）以下の溶融塩純物質を選定するとよい。
【００１１】
前記第２物質として、融点が（Ｔmin−２００℃）以上の溶融塩純物質を選定するとよい。
【００１２】
下式（１）
ΔＨ*＝ΔＨ＋Ｌ（Ｔmax）    ・・・（１）
但し、ΔＨ：Ｔmin〜Ｔmax間のエンタルピー変化量
Ｌ（Ｔmax）：Ｔmaxでの融解潜熱
融点がＴmin以上Ｔmax以下であるときはＬ（Ｔmax）＝０
で表される選定パラメータΔＨ*がより高い溶融塩純物質を選定し、当該選定した溶融塩純物質を前記第１物質または前記第２物質として用いるとよい。
【００１３】
前記第１物質と前記第２物質の組成は、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率が０．３以上０．７以下であり、かつ、蓄熱最高温度Ｔmaxにおける固相率が０．１以下となる組成に設定するとよい。
【００１４】
前記第１物質と前記第２物質の組成は、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率が０．５以上０．６以下となる組成に設定するとよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、適用する蓄熱温度範囲に応じて蓄熱密度が大きい蓄熱材を選定することが可能な蓄熱材の選定方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る蓄熱材の選定方法の手順を示すフロー図である。
【図２】本発明において、第１物質と第２物質を選定する際に、共晶点が蓄熱最低温度より小さくなる組み合わせを選定することを説明する図である。
【図３】本発明において、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率を０．５以上０．６以下としたときの、使用可能な組成を説明する図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、本発明において、蓄熱最高温度Ｔmaxにおける固相率が０．１以下となる組成に設定したときの、使用可能な組成を説明する図である。
【図５】本発明において、全率固溶型の平衡状態図において、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率を０．５以上０．６以下としたときの、使用可能な組成を説明する図である。
【図６】本発明において、ＬｉＯＨ−ＮａＯＨの平衡状態図である。
【図７】本発明において、ＬｉＮＯ3−ＬｉＯＨの平衡状態図である。
【図８】本発明において、ＣｓＯＨ−ＮａＯＨの平衡状態図である。
【図９】本発明において、ＫＯＨ−ＮａＯＨの平衡状態図である。
【図１０】本発明において、選定パラメータΔＨ*の演算結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１８】
図１は、本実施の形態に係る蓄熱材の選定方法の手順を示すフロー図である。
【００１９】
図１に示すように、本実施の形態に係る蓄熱材の選定方法では、まず、ステップＳ１にて、適用する蓄熱システムに応じて、蓄熱最低温度Ｔmin、蓄熱最高温度Ｔmaxを設定し、蓄熱温度範囲を決定する。
【００２０】
その後、ステップＳ２にて、第１物質と第２物質にどのような物質を用いるかを選定する。
【００２１】
具体的には、融点がＴmin以上である溶融塩純物質を第１物質として選定し（ステップＳ２１）、融点が第１物質の融点以下の溶融塩純物質を、第１物質と混合する第２物質として選定する（ステップＳ２２）。なお、本実施の形態では、蓄熱材として、第１物質と第２物質を混合した２成分系の蓄熱材を用いる場合を説明するが、さらに第３物質等を混合して多成分系とすることも勿論可能である。
【００２２】
第１物質の融点をＴmin以上とするのは、Ｔmin＜Ｔ＜Ｔmaxの蓄熱温度範囲で固液共存相があらわれるためには、少なくともひとつの純物質の融点がＴmin以上という条件を満たす必要があるためである。第２物質の融点を第１物質の融点以下とすれば、Ｔmin＜Ｔ＜Ｔmaxの蓄熱温度範囲に固液共存相があらわれることになる。
【００２３】
つまり、融点がＴmin以上である溶融塩純物質を第１物質として選定し、融点が第１物質の融点以下の溶融塩純物質を第２物質として選定することで、少なくとも、Ｔmin＜Ｔ＜Ｔmaxの蓄熱温度範囲内で固液共存相があらわれ、潜熱の利用による蓄熱密度の増加と、伝熱性の向上の両者を図ることが可能になる。
【００２４】
第１物質と第２物質の共晶点がＴmin以上となると、蓄熱温度範囲内で完全に固相となってしまうため、共晶点はＴminより小さいことが望ましい。よって、ステップＳ２で第１物質と第２物質を選定する際には、図２に示すように、共晶点（Ｔe）がＴminより小さくなる組み合わせを選定するとよい。
【００２５】
また、第１物質の融点が高過ぎると、共晶点がＴmin以上となる可能性が高くなるので、第１物質としては、融点が（Ｔmax＋３００℃）以下であるものを選定することが望ましい。
【００２６】
さらに、第２物質の融点が蓄熱温度範囲とあまりに離れていると、蓄熱温度範囲内（Ｔmin＜Ｔ＜Ｔmax）で固液共存相があらわれる組成範囲が狭くなってしまう可能性があるので、第２物質としては、融点が（Ｔmin−２００℃）以上であるものを選定することが望ましい。
【００２７】
また、ステップＳ２で第１物質と第２物質を選定する際には、下式（１）
ΔＨ*＝ΔＨ＋Ｌ（Ｔmax）    ・・・（１）
但し、ΔＨ：Ｔmin〜Ｔmax間のエンタルピー変化量
Ｌ（Ｔmax）：Ｔmaxでの融解潜熱
融点がＴmin以上Ｔmax以下であるときはＬ（Ｔmax）＝０
で表される選定パラメータΔＨ*がより高い溶融塩純物質を選定し、選定した溶融塩純物質を第１物質または第２物質として用いることが望ましい。なお、融点がＴmin以上Ｔmax以下であるときには、Ｔmin〜Ｔmax間のエンタルピー変化量ΔＨに融解潜熱が含まれるため、Ｌ（Ｔmax）＝０（つまりΔＨ*＝ΔＨ）とする。
【００２８】
蓄熱密度を向上させるためには、蓄熱材のＴmin〜Ｔmax間のエンタルピー変化量をなるべく大きくする必要があるが、本発明者らは、このエンタルピー変化量は、晶出する固相に注目して予測できることを見いだした。つまり、晶出する固相の選定パラメータΔＨ*をリストアップし、リストアップした固相のうち選定パラメータΔＨ*がより高いものを第１物質または第２物質として選定し、当該固相を晶出するようにすれば、蓄熱材のＴmin〜Ｔmax間のエンタルピー変化量を向上し、蓄熱密度を向上させることが可能となる。
【００２９】
ステップＳ２で第１物質と第２物質を選定した後、ステップＳ３にて、第１物質と第２物質の組成を設定する。
【００３０】
ステップＳ３では、第１物質と第２物質の組成を、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率が０．３以上０．７以下であり、かつ、蓄熱最高温度Ｔmaxにおける固相率が０．１以下となる組成に設定する。
【００３１】
蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率を０．３以上とするのは、マイクロカプセルや氷蓄熱の一般的な固相率が０．３であり、これ以上の固相率を実現し潜熱による蓄熱量を向上させるためである。また、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率を０．７以下とするのは、固相率が０．７を超えると、殆ど固体と見分けがつかない状態となり、流動性が確保できなくなるためである。
【００３２】
ここでは、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率を０．３以上０．７以下としたが、蓄熱密度を向上させ、かつ流動性を確保するという観点からは、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率は、０．５以上０．６以下とすることがより望ましい。なお、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率の上限値、下限値は適用する蓄熱システムの要求に応じて適宜変更可能である。
【００３３】
図３に示すように、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率を０．５以上０．６以下とする場合を考えると、使用可能な組成ｘ0は、共晶点の組成ｘeよりも小さい領域（ｘ0＜ｘe）では、下式（２）
ｘ（＠α（Ｔmin）＝０．６）＜ｘ0＜ｘ（＠α（Ｔmin）＝０．５）
・・・（２）
で表され、共晶点の組成ｘeよりも大きい領域（ｘ0＞ｘe）では、下式
ｘ（＠α（Ｔmin）＝０．５）＜ｘ0＜ｘ（＠α（Ｔmin）＝０．６）
・・・（３）
で表される。なお、式（２），（３）におけるα（Ｔmin）は蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率を表しており、ｘ（＠α（Ｔmin）＝０．５）は、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率が０．５となるときの組成、ｘ（＠α（Ｔmin）＝０．６）は、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率が０．６となるときの組成を表している。
【００３４】
図３においてさらに蓄熱最高温度Ｔmaxにおける固相率を考慮すると、図４（ａ）に示すように、Ｔmaxが組成ｘ0での液相線温度Ｔmより大きい場合（Ｔmax＞Ｔm）には、蓄熱最高温度Ｔmaxにおける固相率が０となるため、使用可能な組成ｘ0は図３のまま変化しない。しかし、図４（ｂ）に示すように、Ｔmaxが組成ｘ0での液相線温度Ｔmより小さい場合（Ｔmax＜Ｔm）には、使用可能な組成の範囲は図３の場合より狭くなり、蓄熱最高温度Ｔmaxにおける固相率が０．１以下となる組成ｘ0のみ使用可能となる。
【００３５】
つまり、蓄熱最高温度Ｔmaxにおける固相率を考慮すると、使用可能な組成ｘ0は、共晶点の組成ｘeよりも小さい領域（ｘ0＜ｘe）では、Ｔmax＞Ｔmならば上述の式（２）、Ｔmax＜Ｔmならば式（２）かつ下式（４）
ｘ（＠α（Ｔmax）＝０．１）＜ｘ0    ・・・（４）
で表され、共晶点の組成ｘeよりも大きい領域（ｘ0＞ｘe）では、Ｔmax＞Ｔmならば上述の式（３）、Ｔmax＜Ｔmならば式（３）かつ下式（５）
ｘ（＠α（Ｔmax）＝０．１）＞ｘ0    ・・・（５）
で表される。
【００３６】
なお、ここでは蓄熱最高温度Ｔmaxにおける固相率を０．１以下としているが、潜熱による蓄熱量を大きくする観点からは、蓄熱最高温度Ｔmaxにおける固相率はなるべく０に近いことが望ましい。
【００３７】
また、ここでは共晶型の２成分平衡状態図を用いて説明を行ったが、本発明は全率固溶型に対しても適用可能である。第１物質の融点をＴm（ｘ＝０）、第２物質の融点をＴm（ｘ＝１）とすると、図５に示すように、Ｔm（ｘ＝０）＞Ｔm（ｘ＝１）の場合で、Ｔmax＞Ｔmの場合には、下式（６）、
ｘ（＠α（Ｔmin）＝０．６）＜ｘ0＜ｘ（＠α（Ｔmin）＝０．５）
・・・（６）
Ｔmax＜Ｔmの場合には式（６）かつ下式（７）
ｘ（＠α（Ｔmax）＝０．１）＜ｘ0    ・・・（７）
を満たすように組成ｘ0を決定すればよい。
【００３８】
同様に、Ｔm（ｘ＝０）＜Ｔm（ｘ＝１）の場合で、Ｔmax＞Ｔmの場合には、下式（８）、
ｘ（＠α（Ｔmin）＝０．５）＜ｘ0＜ｘ（＠α（Ｔmin）＝０．６）
・・・（８）
Ｔmax＜Ｔmの場合には式（８）かつ下式（９）
ｘ（＠α（Ｔmax）＝０．１）＜ｘ0    ・・・（９）
を満たすように組成ｘ0を決定すればよい。
【００３９】
以上により、設定した蓄熱温度範囲に応じた適切な蓄熱材の成分、組成が選定されることになる。なお、ステップＳ３を満足する組成がない場合、ステップＳ２に戻って第１物質と第２物質の選定をやり直せばよい。
【００４０】
以上説明したように、本実施の形態に係る蓄熱材の選定方法では、融点がＴmin以上である溶融塩純物質を第１物質として選定し、融点が第１物質の融点以下の溶融塩純物質を第２物質として選定している。
【００４１】
これにより、少なくとも、蓄熱温度範囲内（Ｔmin＜Ｔ＜Ｔmax）で固液共存相があらわれることとなり、潜熱が利用でき流動性のある蓄熱材を選定できる。よって、潜熱の利用による蓄熱密度の増加と、伝熱効率の向上の両者を図ることが可能になり、適用する蓄熱システムの蓄熱温度範囲に応じて蓄熱密度が大きい蓄熱材を選定することが可能になる。
【００４２】
また、本実施の形態では、選定パラメータΔＨ*がより高い溶融塩純物質を選定し、当該選定した物質を第１物質または第２物質として用いるようにしている。
【００４３】
これにより、選定パラメータΔＨ*がより高い溶融塩純物質を選定し、その選定した物質が晶出するように組成を調整すればよいこととなり、第１物質や第２物質を選定する際の指針が得られることになる。このようにして選定した蓄熱材は、Ｔmin〜Ｔmax間のエンタルピー変化量をより大きくし、蓄熱密度をより向上できる。
【００４４】
さらに、本実施の形態では、第１物質と第２物質の組成を、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率が０．３以上０．７以下であり、かつ、蓄熱最高温度Ｔmaxにおける固相率が０．１以下となる組成に設定しているため、潜熱による蓄熱量を十分に確保でき、かつ、流動性のある蓄熱材を選定できる。
【００４５】
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
【実施例】
【００４６】
本実施例では、一例として、Ｔmax＝４００℃、Ｔmin＝２５０℃としたときの蓄熱材を選定した。
【００４７】
融点がＴmin以上（Ｔmax＋３００℃）以下の第１物質と、融点が（Ｔmin−２００℃）以上第１物質の融点以下の第２物質の組み合わせとして、表１に示すような１８の組み合わせを選定した。
【００４８】
【表１】
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【００４９】
表１で選定した第１物質−第２物質の組み合わせのうち、ＬｉＯＨ−ＮａＯＨ、ＬｉＮＯ3−ＬｉＯＨ、ＣｓＯＨ−ＮａＯＨ、ＫＯＨ−ＮａＯＨの平衡状態図を図６〜９にそれぞれ示す。図６〜９に示すように、各第１物質−第２物質の組み合わせにおいて、Ｔmin〜Ｔmaxの蓄熱温度範囲に固液共存相が存在することが確認できる。
【００５０】
図６〜９のような平衡状態図を用い、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率が０．３以上０．７以下（好ましくは０．５以上０．６以下）であり、かつ、蓄熱最高温度Ｔmaxにおける固相率が０．１以下となる組成に設定する。
【００５１】
例えば、図７のＬｉＮＯ3−ＬｉＯＨでは、蓄熱最低温度Ｔminにおける固相率を０．５以上０．６以下とするには、第１物質であるＬｉＯＨの組成ｘ0をモル分率で０．７８１＜ｘ0＜０．８２５とすればよいことが分かる。ここでは、第１物質であるＬｉＯＨの組成ｘ0をモル分率で０．８００（質量分率で０．５８１）とし、固相の密度を用いて２５０〜４００℃のエンタルピー変化量を演算した。
【００５２】
同様に、表１で選定した各第１物質−第２物質の組み合わせについて組成ｘ0を決定し、固相の密度を用いて２５０〜４００℃のエンタルピー変化量を演算した。結果を表１に併せて示す。なお、表１では、２５０〜４００℃のエンタルピー変化量により各第１物質−第２物質の組み合わせを順位付けしており、表１の上側ほど２５０〜４００℃のエンタルピー変化量が大きく、表１の下側ほど２５０〜４００℃のエンタルピー変化量が小さくなるように表示している。
【００５３】
表１に示すように、エンタルピー変化量が大きい順に並べると、晶出する物質（溶融塩純物質）ごとにグループとなっており、晶出する物質に注目すればエンタルピー変化量を予測できることがわかる。
【００５４】
これら晶出する物質の選定パラメータΔＨ*をそれぞれ演算した結果を表２および図１０に示す。
【００５５】
【表２】
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【００５６】
表１と、表２および図１０を比較すると、選定パラメータΔＨ*が大きい物質を晶出する第１物質−第２物質の組み合わせほど、２５０〜４００℃のエンタルピー変化量が大きくなっていることが分かる。つまり、選定パラメータΔＨ*がより高い溶融塩純物質を選定し、当該選定した物質を第１物質または第２物質として用いることで、蓄熱温度範囲でのエンタルピー変化量をより大きくし、蓄熱密度をより向上できる。
【図１】
2013224344.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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