JP2005126728A - 蓄冷方法、蓄冷システム、蓄冷剤、および冷熱の取り出し方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱密度（潜熱量）が大きく、安定した熱特性を有し、更に経済性、安全性に優れ、取り扱いが容易である包接水和物を用いた蓄冷方法を提供する。
【解決手段】包接水和物生成物質を含み、その濃度が調和融点を与える濃度未満に設定された水溶液を用意する工程と、この水溶液を冷却して包接水和物を生成し調和融点より低い温度で冷熱を蓄冷する工程とを有することを特徴とする蓄冷方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷房などの空調設備や、食品等の冷却装置などに用いられる、蓄冷方法、蓄冷システム、蓄冷剤、および冷熱の取り出し方法に関する。

この種の用途に使用される従来公知の蓄冷方法として以下のものがある。

（１）冷水の温度差による蓄冷空調では、冷房用の冷水温度は５〜７℃であり、負荷の小さい時間に冷凍機により冷水を貯蔵タンク（蓄熱槽）に貯蔵する。冷水の比熱は１ｋｃａｌ／ｋｇＫであるため、利用温度差を７℃とすると、１ｋｇ冷水あたり７ｋｃａｌ／ｋｇと単位重量当りの蓄冷量が少ないという欠点がある。

（２）氷などの凝固・融解潜熱を用いた蓄冷氷の融解潜熱は、約８０ｋｃａｌ／ｋｇであるため、氷水の一部を氷にして蓄冷することで、蓄熱密度は冷水より高くできる。例えば、冷水中の氷の体積割合を２０％とすると、氷の潜熱及び冷水の顕熱（温度差１２℃の場合）を含めた蓄熱密度は、約２８ｋｃａｌ／ｋｇとなる。

しかし、氷を生成させるためには、冷水を０℃以下に冷却しなければならず、冷水を５℃に冷却するよりも冷凍機の動力は大きくなるのが欠点である。

（３）氷以外の固液相変化物質を用いた蓄冷水や氷以外の冷熱蓄熱材として利用可能な物質として、ＬｉＣｌＯ₂・３Ｈ₂ＯやＮａ₂ＳＯ₄・１０Ｈ₂Ｏ＋ＮＨ₄Ｃｌなどの無機水和塩類や気体水和物が知られている（非特許文献１、非特許文献２参照）。しかし、ＬｉＣｌＯ₂・３Ｈ₂ＯやＮａ₂ＳＯ₄・１０Ｈ₂Ｏ＋ＮＨ₄Ｃｌなどの無機水和塩類は、比較的潜熱量は大きいものの、調和融点（後述）を持たず、無水塩の濃度によって水和物が変化する。このため、冷却・加熱過程で相分離をおこし、所定の蓄熱量が得られなくなる問題が生ずる。

また、非特許文献１に記載されている気体水和物は、Ｒ１１やＲ１２などのオゾン破壊係数の大きい物質であったり、また、大気圧下では気体であるため、加圧された密閉容器や配管を用いる必要があり、蓄冷装置が高価なものとなる。
川崎、秋谷「気体水和物の冷熱蓄熱材への応用」：ケミカルエンジニアリングvol.27,No.8,603-608,1982 日本伝熱学会編「環境と省エネルギーのためのエネルギー新技術体系」ｐ．８０２

以上のように、今までに実用化あるいは提案されてきた蓄冷方法には、それぞれ問題点があった。本発明は、これらの課題を解決すべくなされたもので、蓄冷材に求められる蓄熱密度（潜熱量）が大きく、安定した熱特性を有し、経済性、安全性があり取り扱いが容易である包接水和物を用いた蓄冷方法、蓄冷システム、蓄熱剤、および冷熱の取り出し方法を提供することを目的とする。

すなわち本発明は、
（１）包接水和物生成物質を含み、その濃度が調和融点を与える濃度未満に設定された水溶液を用意する工程と、この水溶液を冷却して包接水和物を生成し調和融点より低い温度で冷熱を蓄冷する工程とを有することを特徴とする蓄冷方法。

（２）前記水溶液が、融点降下剤を含むことを特徴とする（１）に記載の蓄冷方法。

（３）前記包接水和物生成物質は、テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルアンモニウム塩、テトラ−ｎ−ブチルフォスフォニウム塩、及びトリｉｓｏ−アミルサルフォニウム塩の群から選択される一種又は二種以上であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の蓄冷方法。

（４）調和融点を与える濃度未満に設定された包接水和物生成物質の水溶液を収容する手段と、この収容手段に収容された水溶液を冷却して、包接水和物を生成し調和融点より低い温度で冷熱を蓄冷する手段とを備えることを特徴とする蓄冷システム。

（５）調和融点を与える濃度未満に設定された包接水和物生成物質の水溶液を収容する手段と、この収容手段に収容された水溶液を冷却して、包接水和物を生成し調和融点より低い温度で冷熱を蓄冷する手段と、この包接水和物に蓄冷された冷熱を取り出す熱交換器を備えることを特徴とする蓄冷システム。

（６）包接水和物生成物質を含む水溶液であって、その調和融点を与える濃度未満に設定されていて、調和融点より低い温度で冷却されることを特徴とする蓄冷剤。

（７）前記水溶液が、融点降下剤を含むことを特徴とする（６）に記載の蓄冷剤。

（８）前記包接水和物生成物質は、テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルアンモニウム塩、テトラ−ｎ−ブチルフォスフォニウム塩、及びトリｉｓｏ−アミルサルフォニウム塩の群から選択される一種又は二種以上であることを特徴とする（６）又は（７）に記載の蓄冷剤。

（９）包接水和物生成物質を含み、その濃度が調和融点を与える濃度未満に設定された水溶液を用意する工程と、この水溶液を冷却して包接水和物を生成し調和融点より低い温度で冷熱を蓄冷する工程と、この包接水和物に蓄冷された冷熱を熱交換により取り出す工程を有することを特徴とする冷熱の取り出し方法、である。

本発明に係る蓄冷剤を用いれば、蓄熱密度が大きく、安定した熱特性を有する。また、従来は触媒として用いられており、容易に入手可能であり、経済的かつ安全である。特に、調和融点を与える上記水溶液濃度より低い濃度に設定した水溶液を用いると、所望の低い温度範囲で冷熱を蓄冷でき、その結果、低い温度で取出せる。そして、熱交換効率が高いので、熱交換器をコンパクトにでき、さらに、コストも安く、水和物スラリの輸送や貯蔵のハンドリングが容易となる。

さらに、水より融点の低い物質を混入させることによって、同じ塩を用いた水溶液で任意の融点を持つ蓄冷剤を作ることができるため、汎用性が高く、コスト安にもなる。

本発明に係る包接水和物とは、水分子（ホスト分子）で構成された籠状の包接格子内に以下の様なゲスト分子が包み込まれて結晶化する化合物をいう。ゲスト分子として、テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルアンモニウム塩、テトラ−ｎ−フォスフォニウム塩、トリｉｓｏ−アミルサルフォニウム塩の例として、テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム塩としてフッ化テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム（ｎ−Ｃ₄Ｈ₉）₄ＮＦ），塩化テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム（（ｎ−Ｃ₄Ｈ₉）₄ＮＣｌ），臭化テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム（（ｎ−Ｃ₄Ｈ₉）₄ＮＢｒ）などがある。

これらＦ，Ｃｌ，Ｂｒの代わりに酢酸（ＣＨ₃ＣＯ₂），重炭酸（ＨＣＯ₂），クロム酸（ＣｒＯ₄），タングステン酸（ＷＯ₄），シュウ酸（Ｃ₂Ｏ₄），リン酸（ＨＰＯ₄）でもよい。その他の上記塩も同様である。

以下、臭化テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム（（ｎ−Ｃ₄Ｈ₉）₄ＮＢｒ）を例にとり、本発明の蓄冷システムを説明する。水溶液濃度と融点の関係を図１に示す。また、包接水和物が生成、分解するときの反応式を式（１）に示す。

(n-C₄H₉)₄NBr＋n・H₂O←→(n-C₄H₉)₄NBr・n・H₂O…式（１）
ここで、ｎは水和数で、その値はおよそ２６で常に一定である。

図１に示されるように、この包接水和物生成物質を含む水溶液は、水溶液濃度約４０ｗｔ％で融点が極大値、１１．８℃である。この水溶液濃度の融点は調和融点と呼ばれ、ここでは水溶液中の濃度と包接水和物中の塩分濃度が等しい。

従って、調和融点を与える水溶液濃度（この例では常温における塩濃度が４０ｗｔ％）に設定した水溶液を用いてこれを冷却すると、調和融点（１１．８℃）で包接水和物が生成しはじめ、水溶液が全て包接水和物になるまでこの融点で一定になる。分解（融解）時も同様にこの融点一定で冷熱を放出する。なお、潜熱量は約４６ｋｃａｌ／ｋｇであり、利用上限温度を１２℃とすると、水和物の体積割合が５６％で蓄熱密度は２６ｋｃａｌ／ｋｇとなる。

このようにこの蓄冷剤は、蓄熱密度が大きく、安定した熱特性を有する。また、従来は触媒として用いられているので容易に入手可能であり、経済的かつ安全である。

また、調和融点を与える上記水溶液濃度より低い濃度に設定した水溶液（例えば常温で２７．２ｗｔ％の水溶液）を用いて冷却すると、約９．４℃で水和物が生成しはじめ、次第に水溶液中の塩分濃度が低下していき、それにつれて水和物の生成温度も低下していく。すなわち、図１の曲線に沿って包接水和物の生成温度も下がる。空調に適する１５℃程度の水・空気を作るために水溶液を５℃まで冷却すると、水溶液中の塩分濃度は約１７ｗｔ％になる。このとき、水溶液の４３％が水和物になる。また蓄熱量は、およそ２６ｋｃａｌ／ｋｇとなる（水和物の比熱を０．５３ｋｃａｌ／ｋｇＫ，水溶液の比熱を０．９６ｋｃａｌ／ｋｇＫとした）。また、包接水和物の潜熱を利用する場合には常温で濃度４％以上の濃度にする必要がある。

このように、調和融点を与える上記水溶液濃度より低い濃度に設定した水溶液を用いると、更に以下の利点を備える。

（１）融点（生成温度）が低温側に変化するため、低い温度の冷熱を蓄冷でき、その結果、所望の低い温度で取出することができる。

（２）融点（生成温度）が低温側に変化していくため、水和物と水又は空気と熱交換させる場合、その温度差がほぼ一定でしかも大きい。このため熱交換効率が高く、熱交換器をコンパクトとすることができる。即ち、熱交換器で２０℃の水または空気を冷却して１５℃とするに際し、図２のａに示す調和融点濃度の場合、水又は空気の出側（蓄冷剤の入り側）の蓄冷剤の温度が１１．８℃であり、その温度差が３．８℃しかないが、図２のｂに示す調和融点濃度より低い場合、例えば水又は空気の出側（蓄冷剤の入り側）の蓄冷剤の温度が５℃であり、その温度差を１０℃とすることができる。

（３）ほぼ同じ利用上限温度で蓄熱密度が同じ場合、水溶液中の塩分濃度を低くできるため、その分低コストになる。

（４）ほぼ同じ利用上限温度で蓄熱密度が同じ場合、水和物の体積割合は小さくてすむため、水和物スラリの輸送や貯蔵のハンドリングが容易となる。顕熱分が大きくなる。即ち、蓄熱量は「潜熱」＋「顕熱」で示されるが、蓄熱量を同じとした場合、調和融点より低い濃度の方が顕熱分が大きいため、水和物の体積割合が小さくてすむ。この試算を表１に示す。

次に本発明では、水溶液に水よりも凝固点の小さい物質を混入させて、包接水和物の生成温度（融点）を低下させることができる。臭化テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム（（ｎ−Ｃ₄Ｈ₉）₄ＮＢｒ）を例に取ると、その調和融点は、１１．８℃であり、水溶液濃度と融点の関係は上述したように図１のようになる。

この水溶液に、エチレングリコール、プロピレングリコールなど融点降下剤（水よりも融点の低い物質）を混入させると、水溶液の融点は、この物質の混入量によって低下する。そこで、用途により利用温度幅を下げる必要がある場合、これら物質を適量混入させることにより、任意の融点を持つ蓄冷剤を作ることができる。

包接水和物生成物質を含む水溶液濃度と融点との関係を示す図。 包接水和物生成物質を含む水溶液を蓄冷剤として用いた場合の熱交換器内の温度変化を示す説明図で、ａは調和融点濃度の包接水和物生成物質を含む水溶液を蓄冷剤として用いた場合、ｂは調和融点濃度より低い包接水和物を含む水溶液を蓄冷剤として用いた場合をそれぞれ示す。

Claims (9)

1. 包接水和物生成物質を含み、その濃度が調和融点を与える濃度未満に設定された水溶液を用意する工程と、この水溶液を冷却して包接水和物を生成し調和融点より低い温度で冷熱を蓄冷する工程とを有することを特徴とする蓄冷方法。
2. 前記水溶液が、融点降下剤を含むことを特徴とする請求項１記載の蓄冷方法。
3. 前記包接水和物生成物質は、テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルアンモニウム塩、テトラ−ｎ−ブチルフォスフォニウム塩、及びトリｉｓｏ−アミルサルフォニウム塩の群から選択される一種又は二種以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の蓄冷方法。
4. 調和融点を与える濃度未満に設定された包接水和物生成物質の水溶液を収容する手段と、この収容手段に収容された水溶液を冷却して、包接水和物を生成し調和融点より低い温度で冷熱を蓄冷する手段とを備えることを特徴とする蓄冷システム。
5. 調和融点を与える濃度未満に設定された包接水和物生成物質の水溶液を収容する手段と、この収容手段に収容された水溶液を冷却して、包接水和物を生成し調和融点より低い温度で冷熱を蓄冷する手段と、この包接水和物に蓄冷された冷熱を取り出す熱交換器を備えることを特徴とする蓄冷システム。
6. 包接水和物生成物質を含む水溶液であって、その調和融点を与える濃度未満に設定されていて、調和融点より低い温度で冷却されることを特徴とする蓄冷剤。
7. 前記水溶液が、融点降下剤を含むことを特徴とする請求項６記載の蓄冷剤。
8. 前記包接水和物生成物質は、テトラ−ｎ−ブチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルアンモニウム塩、テトラ−ｎ−ブチルフォスフォニウム塩、及びトリｉｓｏ−アミルサルフォニウム塩の群から選択される一種又は二種以上であることを特徴とする請求項６又は７記載の蓄冷剤。
9. 包接水和物生成物質を含み、その濃度が調和融点を与える濃度未満に設定された水溶液を用意する工程と、この水溶液を冷却して包接水和物を生成し調和融点より低い温度で冷熱を蓄冷する工程と、この包接水和物に蓄冷された冷熱を熱交換により取り出す工程を有することを特徴とする冷熱の取り出し方法。

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