JPH06185762A - 冷却または加熱方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷却または加熱した熱媒を熱交換器に供給し
て主に冷暖房を行う方法において、蓄熱剤を包含するマ
イクロカプセルを主成分とする熱媒を直接回路配管中に
循環させることにより少ない搬送液量で効果的な冷暖房
が行える冷却または加熱方法を提供すること。 【構成】 冷却または加熱した熱媒を閉回路内に循環さ
せて目的物を冷却または加熱する方法において、前記熱
媒の主成分が、相変化を伴う蓄熱剤を熱硬化性樹脂皮膜
で被覆したマイクロカプセルであることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷却または加熱装置
（ヒートポンプ式、蓄熱槽式を含む）によって冷却また
は加熱した熱媒を熱交換器に供給することにより主に冷
暖房を行うことを目的とするもので、熱交換が済んだ熱
媒を冷却または加熱装置に循環する循環方式を採用して
熱交換器を冷却または加熱するようにした冷却または加
熱方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、空気調和機において冷暖房を行
う手法として、冷却または加熱装置と熱交換器との間で
閉回路を構成し、冷却または加熱装置で冷却または加熱
された水または不凍液等の熱媒をこの閉回路内で循環さ
せて熱交換器を冷却または加熱させることにより、目的
物たる空気を冷却または加熱させる方法があるが、この
方法にあっては熱媒の顕熱のみを利用して熱交換するも
のであったため、精々１Ｋｃａｌ／Ｋｇ程度の熱容量し
か蓄熱または伝達できないことから熱交換効率が悪いと
いう欠点があった。

【０００３】これに対し、物質の相変化に伴う潜熱を利
用して蓄熱を行う方法は、上記顕熱のみを利用した方法
に比べて融点を含む狭い温度範囲に大量の熱エネルギー
を高密度に貯蔵できるため、蓄熱剤容量の縮小化がなさ
れるだけでなく、蓄熱量が大きい割りには大きな温度差
か生じないため、熱損失を少量に抑えられる利点を有し
ている。

【０００４】相変化とりわけ液体と固体間の相変化に伴
う潜熱利用型の蓄熱剤としては融点あるいは凝固点を有
するものであれば使用可能であるが、物理的、化学的に
安定であり、かつ融解熱が２０Ｋｃａｌ／Ｋｇ以上のも
のが実用的であり、具体的には次のようなものが代表的
な蓄熱剤として知られている。

【０００５】（１）塩化カルシウム・６水和物、硫酸ナ
トリウム・１０水和物、燐酸水素ナトリウム・１２水和
物、チオ硫酸ナトリウム・５水和物、硝酸ニッケル・６
水和物等の多量の結晶水を含む無機化合物。 （２）脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、高級脂肪酸、
エステル化合物等の有機化合物。

【０００６】これら相変化を伴う蓄熱剤を一定容器内に
固定化して閉回路内を循環しうる熱媒と接触させること
により効果的な蓄熱と熱交換が可能となることが予想さ
れ、蓄熱槽の縮小化がなされる利点もある。槽変化を伴
う蓄熱剤を固定化する手法として、これらを水または不
凍液に不溶性の容器あるいは皮膜でカプセル化して蓄熱
剤とする応用が下記公報中に記載されている。

【０００７】特開昭５１−１１９５４９号、同５４−１
０８９５８号、同５５−４１３２５号、同５６−１１０
８９６号、同５６−１４２３９８号、同５７−４０５８
３号、同５７−８７５９３号、同５８−５５６９９号、
同６０−４８４９４号、同６０−１７６６４７号、同６
１−１７１７８８号、同６１−１９２７８５号、同６３
−２１７１９６号公報、特公昭５９−４５９１５号公
報。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記公報中に示されて
いる蓄熱剤を包含するカプセル粒子は一定容量の蓄熱槽
内に固定化されており、水、不凍液、油性液体等の熱媒
と直接接触することにより熱交換を行うものであるが、
それより更に効率的な熱交換を行う方法として蓄熱剤を
包含するカプセル粒子を閉回路中に直接搬送することが
できれば蓄熱剤の顕熱と潜熱の両方を利用した効率的な
熱交換が可能となる。これにより一定熱量を送るのにも
閉回路配管径の縮小化がなされ、その結果熱搬送動力も
軽減することが予想される。この試みに対し上記公報に
記載されているマイクロカプセル粒子を作成し、そのま
ま熱媒として循環させることを試みたところ次のような
問題点が生じることが判明した。

【０００９】（１）カプセル粒子の粒径が大きいため
（１００μ以上）、配管中を均一に流動せず、回路中に
沈澱や滞留が生じたりして送液ポンプ内部でカプセルの
破壊が生じる虞がある。 （２）カプセル粒子の皮膜が熱可塑性あるいはゴム弾性
の性質からなるものは熱媒を加熱した際等にカプセル粒
子の破壊が生じて長期使用に耐えられない。 （３）相変化を伴う蓄熱剤として無機化合物の多水和物
を用いた場合、経時的に結晶構造が変化して蓄熱材とし
ての効果が持続しない。 （４）カプセル粒子の皮膜の種類によっては、流動中に
凝集して管路を閉塞したり、回路の素材を損傷したりす
る。 （５）カプセル内の蓄熱剤の比重と分散媒体の比重に差
が生じた場合にはカプセルの分離、偏差が生じる。

【００１０】以上の如く、従来まで知られている相変化
を伴う蓄熱剤を包含するカプセル粒子を熱媒として配管
中を直接搬送させて熱交換操作を行うことは実用上非常
に困難であった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、冷却または加
熱装置と熱交換器との間で閉回路を構成し、熱媒として
相変化を伴う蓄熱剤を包含したカプセル粒子を用いた場
合に生じる上記問題点を解決するために検討を行った結
果、熱媒の主成分が相変化を伴う蓄熱剤を熱硬化性樹脂
皮膜で被覆した微小なカプセル粒子（マイクロカプセ
ル）を用いることにより解決されることを見出した。

【００１２】本発明は、冷却または加熱装置と熱交換器
との間で閉回路を構成し、熱媒をこの閉回路内で循環さ
せて熱交換器を冷却または加熱させることにより目的物
を冷却または加熱する方法において、前記熱媒の主成分
が相変化を伴う蓄熱剤を熱硬化性樹脂皮膜で被覆したマ
イクロカプセルを用いることを特徴とする冷却または加
熱方法である。

【００１３】本発明で用いられる相変化を伴う蓄熱剤と
は融点あるいは凝固点を有するものであれば使用可能で
あるが、空気調和を目的とした場合、最も好ましい化合
物としては融点が０〜８０℃の脂肪族炭化水素化合物、
具体的にはテトラデカン、ペンタデカン、ドコサンのよ
うな一般に炭素数１３〜２５の直鎖の脂肪族炭化水素化
合物が挙げられる。これらの脂肪族炭化水素化合物は炭
素数の増加とともに融点が上昇するため、目的に応じた
融点を有する炭化水素化合物を選択したり、また２種以
上を混合することも可能である。

【００１４】本発明で用いられる熱硬化性樹脂として
は、メラミン樹脂、尿素樹脂、フェノール樹脂、エポキ
シ樹脂、不飽和ポリエステル、アルキド樹脂、珪素樹脂
等が挙げられるが、その耐久性、操作性、コストの点で
メラミン樹脂が最も好ましい皮膜素材として挙げられ
る。

【００１５】これら熱硬化性樹脂皮膜を用いたマイクロ
カプセル化手法としては、界面重合法、ｉｎ−ｓｉｔｕ
法、コアセルベーション法等の公知の手法を用いること
が可能である。

【００１６】本発明で用いられるマイクロカプセルの体
積平均粒子径は、マイクロカプセルの沈降、浮遊、破壊
を防止し、閉回路中の良好な流動性を維持するために５
μ以下好ましくは０．５〜３μの範囲に設定することが
最適である。即ち、従来より知られている蓄熱剤を包含
したカプセルの粒子径は１００μあるいはそれ以上の可
視的な大きさであるため、閉回路内を閉塞させたり、カ
プセルの破壊等が生じ易くなったりして閉回路内を安定
した状態でカプセルを搬送させることは困難であった。

【００１７】また、マイクロカプセル内の蓄熱剤の比重
とその周りの分散媒体の比重に大きな差がある場合には
マイクロカプセルが浮遊或いは沈降してしまい、良好な
流動性が維持できなくなる。とりわけ蓄熱剤として比重
が１より小さい脂肪族炭化水素化合物を用いた場合には
短時間のうちにマイクロカプセルが液面上層に分離、偏
在してしまう場合がある。しかしながら本発明の如くマ
イクロカプセルの粒子径を微小にすることにより沈降或
いは浮遊速度が極めて遅くなるため、マイクロカプセル
の分離、偏在が解消され、良好な流動性が維持されるよ
うになった。マイクロカプセルの粒子径は小さい程好ま
しいが、物理的な攪拌力により０．５μ以下の粒子径に
乳化しようとすると極めて長時間或いは高温度を要し、
工業的に得策と言えず、粒子径の下限は０．５μが適当
である。

【００１８】蓄熱剤の比重が１よりも小さい場合の比重
調節方法として、比重が３以上好ましくは３〜１０の金
属粉や顔料等の粉体を蓄熱剤に混合してカプセル化を行
い、カプセル内に包含させることも有効である。これら
粉体の具体例としては鉄、銅、鉛、亜鉛、チタン、ガリ
ウム、クロム、ゲルマニウム、金、銀、錫、セレン、白
金等の金属粉及びこれらの酸化物が挙げられるが、粒
径、安定性、価格、着色等を考慮すると二酸化チタンが
最適である。二酸化チタンはアルミニウム、シリカ或い
は有機化合物で処理したものも好ましい。

【００１９】蓄熱剤に対する前記粉体の混合割合は１〜
３０重量％が適当であり、混合方法としては単に両者を
混合するだけでもよいが、適当な分散剤を用いることに
よりマイクロカプセルの粒径以下の大きさ迄微分散する
ことができる。

【００２０】更に、本発明の予期せぬ効果として得られ
たマイクロカプセルが球形であり、しかもマイクロカプ
セルを製造する際必要な分散剤が存在するためか、マイ
クロカプセルと閉回路内壁面との摩擦抵抗が予想以上に
小さくなり、僅かな動力で液搬送が可能で、同時に容易
に乱流となることが分り、熱交換を行う上で非常に好ま
しい性質を有するものであった。

【００２１】かくして得られた相変化を伴う蓄熱剤を包
含するマイクロカプセル分散液をそのまま熱媒として用
いても構わないが、必要に応じエチレングリコール、プ
ロピレングリコール、各種無機塩類、防腐剤、各種劣化
防止剤、過冷却防止剤、増粘剤、着色剤、分散補助剤、
比重調節剤、湿潤剤等を添加することも可能である。本
発明による熱媒は、後述の実施例中に示されるような冷
却または加熱装置と熱交換器との間の閉回路中に充填さ
れ、本発明の目的とする目的物の冷却または加熱が行わ
れる。

【００２２】

【実施例】本発明方法を図示する実施例に基づいて詳細
に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではな
い。実施例中のマイクロカプセルの体積平均粒子径は英
国コールターエレクトロニクス社製の「コールターマル
チサイザー」（アパーチャーサイズ５０μ使用）を使用
して測定し、融解熱は米国パーキンエルマー社製の示差
熱熱量計（ＤＳＣ−７型）を使用して測定した。

【００２３】本発明方法を目的物を冷却する場合即ち冷
房運転を行う場合について具体的に説明する。図１は本
発明方法を実施するための装置の概略構成図で、１は、
圧縮機１１、コンデンサー１２及びエバポレーター１３
から成る冷却装置、２は熱交換器、３、４はそれぞれ搬
送管、帰還管で、エバポレーター１３と熱交換器２との
間で閉回路を構成し、熱媒（冷媒）を液送用のポンプ５
によってこの閉回路内を循環させるもので、熱媒はエバ
ポレーター１３内で冷却されることによりマイクロカプ
セル内の蓄熱剤に潜熱が蓄えられ、その熱媒がポンプ５
の駆動により搬送管３を通って熱交換器２に送られ、熱
交換器２内で熱交換されて帰還管４を通って再びエバポ
レーター１３に戻る循環経路を経て冷房運転が行われ
る。尚、図中１４は蓄熱槽で、低廉な深夜電力を使用し
て冷却装置１を駆動し、熱媒を蓄熱槽１４との間で循環
させて冷蓄熱させ、これを冷房運転稼働時に必要に応じ
てポンプ１５によって熱交換器２に循環供給するもので
ある。

【００２４】上記実施例は冷房運転を目的としたもので
あるが、暖房運転を行う場合は冷却装置１の替わりにボ
イラー、電気、ガス等による高温熱源の加熱装置を使用
し、熱媒を加熱して上記と同様に循環させて熱交換器２
を加熱し、暖房運転するものである。尚、上記冷房また
は暖房運転をする場合の熱媒は、後述する熱媒の製法に
よって使用目的に応じて調製された熱媒を使用するもの
である。

【００２５】熱媒の製法について説明する。ｐＨを４．
５に調整した５％のスチレン−無水マレイン酸共重合体
のナトリウム塩水溶液１００ｇ中に、相変化を伴う蓄熱
剤としてｎ−テトラデカン（融点約５℃、融解熱５０．
８Ｋｃａｌ／Ｋｇ、比重０．７７）８０ｇを激しく攪拌
しながら添加し、体積平均粒子径が２．６μになる迄乳
化を行った。

【００２６】次に、メラミン５ｇと３７％ホルムアルデ
ヒド水溶液７．５ｇ及び水１５ｇを混合し、これをｐＨ
８に調整して約８０℃でメラミン−ホルマリン初期縮合
物水溶液を調製した。この全量を上記乳化液に添加し、
７０℃で２時間加熱攪拌した後、分散液のｐＨを９に調
整してカプセル化を終了した。得られたマイクロカプセ
ルの体積平均粒子径は２．８μであった。

【００２７】このマイクロカプセル分散液１００部とエ
チレングリコール１０部を混合して冷房用の熱媒を得
た。この熱媒は、５℃付近に約１８Ｋｃａｌ／Ｋｇの潜
熱を蓄えることが可能であり、０℃におけるＢ型粘度が
３４ｃｐと極めて低粘度の液体であった。

【００２８】上記熱媒を使用し、実施例の装置により冷
房運転を行ったところ、従来の水を熱媒とするシステム
に比べ約４分の１の熱媒流量で快適な空気調和が可能で
あり、また、熱媒中のマイクロカプセルは長期使用によ
っても破壊は見られず、良好な流動性を維持し得るもの
であった。

【００２９】また、相変化を伴う蓄熱剤として融点が４
０〜８０℃程度の高融点化合物を選択し、上記製法と同
様の手段により得られたマイクロカプセルを使用するこ
とにより暖房用熱媒が得られた。

【００３０】上記熱媒の製法におけるｎ−テトラデカン
を、ｎ−ペンタデカン（融点約９℃、融解熱３６Ｋｃａ
ｌ／Ｋｇ、比重０．７６）７２ｇに分散剤として大豆レ
シチン０．４ｇを溶解させておき、これに二酸化チタン
（比重４．２）を８ｇ添加し、ホモジナイザーで攪拌し
て調製した体積平均粒子径４．０μの乳化物に置き換
え、かつ、カプセル化において得られるカプセルの体積
平均粒子径を４．２μとした以外は上記熱媒の製法と同
様に調製して得られた熱媒は前述の熱媒と略同一の効果
が得られた。

【００３１】

【発明の効果】本発明に係る冷却または加熱方法によれ
ば、従来方法では得られなかった下記のような効果を奏
し得るものである。 １．熱媒として相変化を伴う蓄熱剤を包含するマイクロ
カプセルを主成分とするものを使用することにより、閉
回路中を良好な流動性を保って循環することかでき、回
路配管を閉塞したり滞留したりすることがなく、円滑に
熱交換することができる。 ２．相変化を伴う蓄熱剤の潜熱を含めた熱搬送が可能と
なるため、従来の水または不凍液による顕熱のみの熱搬
送に比べて使用される蓄熱剤の種類によっては数倍の熱
搬送能力を発揮し得るものであり、これによって回路配
管の管径を小さくすることができる。 ３．回路配管の管径を従来通りの寸法とすれば、熱媒の
搬送量は少なくて済むため、熱搬送動力の軽減による運
転費その他コストの低減が図れる。 ４．冷却方法の場合、０℃以上の温度で凝固する蓄熱剤
を使用すれば、冷却装置も小さなものでよく、消費電力
の少ない小型の冷却装置を使用することができて経済的
であり、蓄熱剤の潜熱を主に交換させる方法で運転した
ときは、搬送管と帰還管中の熱媒の温度差を小さくする
ことができるため、両管を二重管式或いは接合式とする
ことができ、配管工事並びに断熱処理が簡単に行え、断
熱効果を高めることができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施するための装置の概略説明図
である。

【符号の説明】

１ 冷却装置 １１ 圧縮器 １２ コンデンサー １３ エバポレーター １４ 蓄熱槽 １５ ポンプ ２ 熱交換器 ３ 搬送管 ４ 帰還管 ５ ポンプ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷却または加熱装置と熱交換器との間で
   閉回路を構成し、該冷却または加熱装置によって冷却ま
   たは加熱された熱媒をこの閉回路内で循環させて熱交換
   器を冷却または加熱させることにより、目的物を冷却ま
   たは加熱させるようにした冷却または加熱方法におい
   て、前記熱媒の主成分が、相変化を伴う蓄熱剤を熱硬化
   性樹脂皮膜で被覆したマイクロカプセルであることを特
   徴とする冷却または加熱方法。
2. 【請求項２】 請求項１の蓄熱剤が、融点０〜８０℃の
   範囲にある脂肪族炭化水素であることを特徴とする請求
   項１記載の冷却または加熱方法。
3. 【請求項３】 請求項１の熱硬化性樹脂がメラミン樹脂
   であることを特徴とする請求項１記載の冷却または加熱
   方法。
4. 【請求項４】 請求項１のマイクロカプセルの体積平均
   粒径が５μ以下であることを特徴とする請求項１記載の
   冷却または加熱方法。