JP6050711B2 - 蓄熱暖房機用の焼成蓄熱れんが - Google Patents

Description

本発明は蓄熱暖房機の蓄熱材として使用される焼成蓄熱れんがに関する。なお、本明細書では、蓄熱暖房機用の焼成蓄熱れんがのことを単に「蓄熱れんが」という。

蓄熱暖房機は、深夜電力等を利用し蓄熱材に熱を蓄えておき、後でこの顕熱及び潜熱を利用するものである。この種の蓄熱暖房機は蓄熱材、すなわち蓄熱れんが及び蓄熱用ヒーターを内蔵しており、同蓄熱れんがは蓄熱用ヒーターで加熱されることにより熱を蓄え、この蓄えられた熱を暖房用として利用し、生活空間を暖めることが可能なものである。

従来、蓄熱れんがとしてはマグネシア質れんがと酸化鉄質れんがが主に使用されている。マグネシア質れんがは酸化鉄質れんがよりも比熱、熱伝導率が高いことから熱しやすく冷めやすいという性質を有する。そのため、蓄熱量が足りず使用途中段階で蓄熱れんがが冷えてしまい暖房機としての機能を全うできなかったり、また、近年の高気密、高断熱構造を有する住宅においては、必要とされる熱量以上に熱が放出されてしまう問題があった。

一方、酸化鉄質れんがは、熱の放散はマグネシア質れんがよりも抑えられるものの、酸化鉄質れんがが使用された蓄熱暖房機は、酸化鉄れんがの微粉が蓄熱暖房機の缶体に飛散付着し、季節上使用されない夏場において、湿気等が原因となる錆を誘発し、その缶体に錆を生じさせてしまうという問題があった。

そこで、特許文献１には、砂鉄と砂鉄以外の窯業材料との焼結体からなる蓄熱材が提案されている。この蓄熱材は、マグネシア質れんがよりも蓄熱性に優れ、安価に提供することが可能であるとされている。

しかし、砂鉄は産出される態様が砂状であり、しかも粒度形態が微粒状及び等粒状であることから、れんがを製造する配合とする場合においてその適用粒度域が限定されてしまうことから使用量が限定される上、蓄熱機能を確保するためにはかさ比重が高いことが望ましいにも関わらず、れんが素地の成形段階で十分なかさ比重を確保できないという問題があった。更に、砂鉄は鉄チタン酸化物を多く含有するため、マグネシア原料との併用を行ったれんがを得ようとした場合に素地を焼成する段階においてチタンとマグネシアが低融点物を生成し、それが原因で焼成収縮が大きくなったり、変形が大きくなったりしてしまう。このことにより、蓄熱れんがそのものが蓄熱用ヒーターを設置するための溝や空気の通り道となる溝を多く必要とする形状であることから、目的とした寸法精度を得ることができなかったり、れんがを正確に組み上げることができないという問題があった。

特開昭５２−６５５０４号公報

本発明が解決しようとする課題は、蓄熱暖房機に使用される蓄熱れんがであって、蓄熱機能を損なうことがない十分な蓄熱容量を有し、かつ製造段階における変形が少なく安定した製品供給が可能な蓄熱れんがを提供することにある。

本発明者らは、蓄熱暖房機に使用される蓄熱れんがについて種々検討を行った結果、含有する化学成分を特定するとともに、それを達成し得る使用原料を特定することによって、蓄熱機能に優れた蓄熱容量を有し、かつ製造段階の焼成工程における変形を抑制することができ、安定した製品供給が可能な蓄熱れんがを提供できるとの知見を得、本発明を完成するに至った。

すなわち本発明は以下の蓄熱れんがを提供する。
（１）化学成分として、ＭｇＯを２０質量％以上８０質量％以下、Ｆｅ_２Ｏ_３を１０質量％以上７０質量％以下含有し、ＭｇＯとＦｅ_２Ｏ_３の合算が９０質量％以上である蓄熱れんが。
（２）化学成分として、ＭｇＯを５０質量％以上７０質量％以下、Ｆｅ_２Ｏ_３を２０質量％以上４０質量％以下含有し、ＭｇＯとＦｅ_２Ｏ_３の合算が９０質量％以上である蓄熱れんが。
（３）Ｆｅ_２Ｏ_３源として、かさ比重が３．５０以上の酸化鉄原料を使用した（１）又は（２）に記載の蓄熱れんが。
（４）Ｆｅ_２Ｏ_３源として、かさ比重が３．６５以上の酸化鉄原料を使用した（１）又は（２）に記載の蓄熱れんが。
（５）前記酸化鉄原料として、鉄鉱石又は鉄鉱石を焼結して得られた焼結鉱を使用した（３）又は（４）に記載の蓄熱れんが。

本発明によれば、特定量のＭｇＯ及びＦｅ_２Ｏ_３を含有させたことで、従来のマグネシア質れんがよりも蓄熱容量を向上させることができるとともに、製造段階の焼成工程における変形を抑制することができる。したがって、蓄熱容量が同一の場合、蓄熱れんがの容積を小さくすることができ、このことは蓄熱暖房機の缶体の小型化を可能とし、製品のコストダウンに寄与する。また、従来のマグネシアれんがではなしえなかった蓄熱された熱の放散性を抑制することも可能であることから省エネルギー化に貢献する。更に、従来の酸化鉄質れんがに認められる缶体への錆発生誘発を抑制でき、蓄熱暖房機の寿命を向上させることも可能である。

本発明の要旨は、次のとおりである。本発明の蓄熱れんがはその主たる化学成分組成として、特定量のＭｇＯとＦｅ_２Ｏ_３を含有する。これにより本発明の蓄熱れんがでは、その製造時の焼成段階で、ＭｇＯとＦｅ_２Ｏ_３の共存下においてスピネル鉱物であるマグネシオフェライト（ＭｇＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３）の生成が十分になされ、その結果、熱の放散性（放熱性）が抑えられるとともに、蓄熱容量を確保できる。特に、Ｆｅ_２Ｏ_３源としての酸化鉄原料のかさ比重を特定することで、れんが成形体が十分なかさ比重を有することとなり、蓄熱容量を十分に確保できる。更に、酸化鉄原料由来の不純物成分による低融点生成物を極力抑制することで、焼成段階における焼成収縮や変形を抑制することができる。

以下具体的に本発明を説明する。

本発明の蓄熱れんがにおいてＦｅ_２Ｏ_３の含有量は１０質量％以上７０質量％以下とし、好ましくは２０質量％以上４０質量％以下とする。Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量が１０％未満では、十分なかさ比重を確保することができないことから十分な蓄熱容量を得ることができない。また、Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量が７０質量％を超えると、酸化鉄原料を多量に使用することを余儀なくされることから酸化鉄原料由来の不純物成分が過多となり、製造時の焼成段階での過剰な収縮や変形が顕著になる。

一方、ＭｇＯの含有量は２０質量％以上８０質量％以下とし、好ましくは５０質量％以上７０質量％以下とする。ＭｇＯの含有量が２０質量％未満では、必然的に酸化鉄原料を多量に使用することとなり、前述同様の酸化鉄原料由来の不純物成分が過多となり、焼成段階での過剰な収縮や変形が顕著になる。また、ＭｇＯの含有量が８０質量％を超えると、ＭｇＯ成分が過多であることによって放熱量が大きくなってしまう。

Ｆｅ_２Ｏ_３源となる酸化鉄原料としては、天然の鉄鉱石や、鉄鉱石（粉鉱石）と石灰を焼き固めたいわゆる焼結鉱を使用できる。その酸化鉄原料は、かさ比重が３．５０以上のものを使用することによって高密度で蓄熱容量が高い蓄熱れんがを得ることができるため好ましい。更にはかさ比重が３．６５以上のものを使用することによって、更に蓄熱容量を向上させることが可能となることからより好ましい。

ＭｇＯ源として使用するマグネシア原料は、ＭｇＯを主成分とする電融マグネシアクリンカー、焼結マグネシアクリンカーなど、一般的に蓄熱れんがに使用されているマグネシアクリンカーを使用することができる。また、天然マグネサイトや天然マグネサイトを原料としたマグネシアクリンカーを使用することもでき、製造コストの観点からも好ましい。このときマグネシアクリンカーのＭｇＯ含有量は８５質量％以上のものを用いることが不純物による低融点物生成抑制の観点から好ましい。

本発明では焼結助剤として、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、粘土などを添加することができる、その添加量は、低融点物生成抑制の観点から１〜５質量％とすることが好ましい。

これらの耐火原料骨材等を混合、混練する際に使用するバインダーとしては、リグニン類、糖類、でんぷん類、メチルセルロース類等の多糖類や多価アルコール類、リン酸類等の水溶液、あるいはフェノール樹脂、酢酸ビニルエマルジョン等を使用することができる。その添加量は、耐火原料骨材に対して外掛け１〜３質量％とすることが好ましい。混合、混練にあたっては、使用する耐火原料骨材同士及び添加するバインダーの分散を良くするため、剪断力の大きなミキサーを使用する。

混合、混練後に得られたれんが坏土の加圧成形には、フリクションプレス、オイルプレス等の従来から使用されているプレス機を使用できるが、十分なれんが充填密度を確保するために最高加圧時点でのれんが受圧面積当たりの成形圧力が１００ＭＰａ以上であることが必要であり、そのため、任意形状において、当該圧力以上に成形可能なプレス機を選択する必要がある。

れんがの焼成は、トンネルキルン、シャトルキルン、電気炉等、従来から使用されている焼成機器を使用することができ、最高保持温度が１０００〜１５００℃の温度領域で焼成を行う。１０００℃以下の場合は十分な焼結効果を得ることができず、また、１５００℃以上を超える場合は焼成変形や収縮が大きくなり好ましくない。

以下、実施例について説明する。なお、本実施例は本発明の一様態を示すものであって、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

表１は本発明の実施例及び比較例で使用した原料の化学成分と特性値を示す。表２及び表３は、本発明の実施例及び比較例の原料配合割合、並びに試作した蓄熱れんがの物性値及び試験結果を示す。

表２及び表３に示す原料配合割合にて秤量後、バインダーとしてリグニンスルホン酸水溶液を外掛けで２質量％添加し、パンミキサーを用い混合・混練したものをフリクションプレスにて並形形状にて加圧成形後、１２００℃にて焼成を行い供試れんがとした。なお、表２及び表３において原料配合割合中（）内数字の原料は外掛け添加にて秤量が行われたことを示す。

各供試れんがの物性測定と評価は下記の方法にて行った。

れんがの化学成分の測定は、ＪＩＳ Ｒ ２２１２に準じて行い、強熱減量を除く成分を１００％換算にて表示した。
焼成後のれんがの変形は直尺、スケールを用い目視にて行い、変形が無いものを○、変形が見られるがその量は小さく製品として何ら問題がないものを△、変形が大きいものを×とした３段階評価とした。
れんがのかさ比重の測定は、ＪＩＳ Ｒ ２２０５に準じて行った。
れんがの比熱の測定は、ＪＩＳ Ｒ １６１１に記載のＤＳＣ法に準じて行った。
れんがの蓄熱容量は、前記測定のかさ比重と比熱の積によって算出される。表２においては比較例１のれんがの蓄熱容量を１００、表３においては比較例４のれんがの蓄熱容量を１００とした指数にて評価した。この指数が大きいものほど蓄熱容量が高いことを示す。
蓄熱した熱の放熱性は供試れんがの熱伝導率の測定値にて評価を行った。熱伝導率値が大きいもの程、熱の放熱が大きいことが一般的に知られている。熱伝導率は迅速熱伝導率計（京都電子工業（株）製 ＱＴＭ−０３）を用いて、試験体５個を測定し、その平均値を値とした。

以下、表２及び表３に示す本発明の蓄熱れんがの実施例と比較例について説明する。

表２に示す実施例１〜７はかさ比重が３．５０以上の焼結鉱を用い、ＭｇＯ含有量を２０質量％以上８０質量％以下、Ｆｅ_２Ｏ_３含有量を１０質量％以上７０質量％以下に調整したものである。いずれも熱伝導率が低く熱放散性を抑えることができた。焼成後において実施例７には小さい変形は見られたものの、製品化において問題となるレベルではなく、実施例１〜６においてはいずれも焼成後の変形もなく良好な製品を得ることができた。更に、実施例２〜６はＭｇＯ含有量を５０質量％以上７０質量％以下、Ｆｅ_２Ｏ_３含有量を２０質量％以上４０質量％以下に調整した結果、優れた蓄熱容量が得られた結果となった。

これに対して比較例１は、鉄鉱石、焼結鉱いずれも配合しなかった例である。Ｆｅ_２Ｏ_３を含有する場合に比べ高い熱伝導率を示し熱放散性が高い結果であった。また、比較例２のようにＦｅ_２Ｏ_３の含有量が低すぎる場合においても熱伝導率が高く熱放散性が大きい結果となり、比較例３の結果からはＦｅ_２Ｏ_３を過剰に含有してもそれ以上の蓄熱容量の上昇は確認できない上、焼成後の変形が確認され製品とすることが困難であると判断した。

実施例８はかさ比重が３．５０の鉄鉱石をＦｅ_２Ｏ_３源として適用した例であるが、蓄熱容量も高くまた焼成後の変形もなく良好な結果であった。実施例９はかさ比重が３．６５以上の焼結鉱を配合し評価した結果であり、優れた充填性（かさ比重）とそれに伴う高い蓄熱容量を達成することができた。実施例１０はかさ比重が３．５０未満の鉄鉱石を配合し評価した結果である。焼成後の収縮変形が見られたものの軽微であり、また、熱伝導率は低く熱放散性を抑えることができた。

表３に示す比較例４は、酸化鉄原料（Ｆｅ_２Ｏ_３源）として砂鉄を適用した例である。特許文献１に記載があるように砂鉄を４０質量％適用しての評価を行った。れんがのかさ比重が低く、それに伴い蓄熱容量に劣る結果となった。これは原料かさ比重が低いことによって、れんが成形時の充填性が低いことが原因と考えられる。また、れんがの焼成後の変形が認められ製品を確保することが困難であると判断した。

Claims (5)

1. 化学成分として、ＭｇＯを２０質量％以上８０質量％以下、Ｆｅ_２Ｏ_３を１０質量％以上７０質量％以下含有し、ＭｇＯとＦｅ_２Ｏ_３の合算が９０質量％以上である蓄熱暖房機用の焼成蓄熱れんが。
2. 化学成分として、ＭｇＯを５０質量％以上７０質量％以下、Ｆｅ_２Ｏ_３を２０質量％以上４０質量％以下含有し、ＭｇＯとＦｅ_２Ｏ_３の合算が９０質量％以上である蓄熱暖房機用の焼成蓄熱れんが。
3. Ｆｅ_２Ｏ_３源として、かさ比重が３．５０以上の酸化鉄原料を使用した請求項１又は２に記載の蓄熱暖房機用の焼成蓄熱れんが。
4. Ｆｅ_２Ｏ_３源として、かさ比重が３．６５以上の酸化鉄原料を使用した請求項１又は２に記載の蓄熱暖房機用の焼成蓄熱れんが。
5. 前記酸化鉄原料として、鉄鉱石又は鉄鉱石を焼結して得られた焼結鉱を使用した請求項３又は４に記載の蓄熱暖房機用の焼成蓄熱れんが。