特開 2019-77831 蓄熱材、蓄熱装置および蓄熱材の使用方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-77831(P2019-77831A)

(43)【公開日】2019年5月23日

(54)【発明の名称】蓄熱材、蓄熱装置および蓄熱材の使用方法

(51)【国際特許分類】

   C09K 5/06 20060101AFI20190426BHJP

   F28D 20/02 20060101ALI20190426BHJP

   F28F 23/02 20060101ALI20190426BHJP

【ＦＩ】

   C09K5/06 J

   F28D20/02 D

   F28D20/02 F

   F28F23/02 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2017-207521(P2017-207521)

(22)【出願日】2017年10月26日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り ウェブサイトの掲載アドレス ｈｔｔｐ：／／ｈｔｓｊ−ｃｏｎｆ．ｏｒｇ／ｓｙｍｐ２０１７／ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ．ｈｔｍｌ 掲載日 平成２９年５月１５日（講演論文集の公開日）

(71)【出願人】

【識別番号】504173471

【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学

(74)【代理人】

【識別番号】100105050

【弁理士】

【氏名又は名称】鷲田 公一

(72)【発明者】

【氏名】戸谷 剛

(72)【発明者】

【氏名】後藤 凌平

(57)【要約】

【課題】固相−固相ＰＣＭを用いて、効率よく蓄熱および放熱を行うことができる蓄熱材、蓄熱装置および蓄熱材の使用方法を提供する。
【解決手段】蓄熱材１０１として用いるＡＭＰは、結晶転移温度（約８０℃）以上まで昇温させることで、固相−固相相変化を生じ、蓄熱するという性質を有する。そして、ＡＭＰは、蓄熱後に降温させることで、固相の過冷却状態に遷移させることができ、蓄熱を維持したままＡＭＰの温度を下げることができるという性質を有する。さらに、ＡＭＰは、過冷却状態のＡＭＰを冷結晶化させることで、結晶転移による放熱を行わせることができるという性質を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

固相−固相相変化物質として、２−アミノ−２−メチル−１，３−プロパンジオール（ＡＭＰ）を含む、
蓄熱材。

【請求項2】

固相−固相相変化物質として、２−アミノ−２−メチル−１，３−プロパンジオール（ＡＭＰ）を含む蓄熱材と、
前記蓄熱材の温度を制御する温度制御部であって、前記蓄熱材を前記ＡＭＰの結晶転移温度以上まで昇温させて前記蓄熱材に蓄熱させ、その後前記蓄熱材を過冷却状態まで降温させる温度制御部と、
を有する蓄熱装置。

【請求項3】

過冷却状態の前記蓄熱材を冷結晶化させて放熱させる冷結晶化部と、
冷結晶化の際に前記蓄熱材が放熱した熱量を外部に抽出する熱抽出部と、
をさらに有する、請求項２に記載の蓄熱装置。

【請求項4】

前記冷結晶化部は、前記蓄熱材を前記ＡＭＰの冷結晶化温度以上まで昇温させることで、前記過冷却状態の前記蓄熱材を冷結晶化させる、
請求項３に記載の蓄熱装置。

【請求項5】

前記冷結晶化部は、前記蓄熱材に種結晶を加えることで前記蓄熱材の冷結晶化を開始させる、
請求項３に記載の蓄熱装置。

【請求項6】

前記冷結晶化部は、前記蓄熱材に衝撃を与えることで前記蓄熱材の冷結晶化を開始させる、
請求項３に記載の蓄熱装置。

【請求項7】

固相−固相相変化物質として、２−アミノ−２−メチル−１，３−プロパンジオール（ＡＭＰ）を含む蓄熱材を、前記ＡＭＰの結晶転移温度以上まで昇温させて前記蓄熱材に蓄熱させる第１工程と、
前記第１工程の後、前記蓄熱材を過冷却状態まで降温させる第２工程と、
を有する、蓄熱材の使用方法。

【請求項8】

前記第２工程の後、過冷却状態の前記蓄熱材を冷結晶化させて放熱させる第３工程をさらに有する、
請求項７に記載の蓄熱材の使用方法。

【請求項9】

前記第３工程において、前記蓄熱材を前記ＡＭＰの冷結晶化温度以上まで昇温させることで、前記過冷却状態の前記蓄熱材を冷結晶化させる、
請求項８に記載の蓄熱材の使用方法。

【請求項10】

前記第３工程において、前記蓄熱材に種結晶を加えることで前記蓄熱材の冷結晶化を開始させる、
請求項８に記載の蓄熱材の使用方法。

【請求項11】

前記第３工程において、前記蓄熱材に衝撃を与えることで前記蓄熱材の冷結晶化を開始させる、
請求項８に記載の蓄熱材の使用方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、固相−固相ＰＣＭを用いた蓄熱材、蓄熱装置および蓄熱材の使用方法に関する。

【背景技術】

【0002】

熱エネルギーを有効に利用するために、蓄熱材を用いた蓄熱装置が普及している。高密度蓄熱を行うことができる蓄熱材として、物質の相変化に伴う潜熱を利用した潜熱蓄熱材が知られている。潜熱蓄熱材に用いられる物質は、一般に相変化物質（ＰＣＭ：Phase Change Material）と呼ばれる。

【0003】

ＰＣＭを利用した潜熱蓄熱材として、例えば特許文献１に開示された技術が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７−０５２８６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ＰＣＭには、液相から固相、固相から液相へと相変化する液相−固相ＰＣＭと、互いに異なる２つ以上の固相の間で相変化する固相−固相ＰＣＭと、が含まれる。一般に、液相と固相との間の相変化に伴う潜熱は固相と固相との間の相変化に伴う潜熱より大きいため、潜熱蓄熱材としては液相−固相ＰＣＭがよく用いられている。

【0006】

しかしながら、液相−固相ＰＣＭを蓄熱材として用いた蓄熱装置では、液相の蓄熱材の流出を防止するための容器にＰＣＭを封入する必要がある。このため、容器の分だけ蓄熱装置が大型化し、コストが増大する。また、蓄熱材から熱を取り出すとき、容器を介して熱を取り出すことになるので、熱損失が懸念される。固相−固相ＰＣＭを蓄熱材として用いた場合、このような問題点は解消されるため、固相−固相ＰＣＭを蓄熱材として用いて、効率よく蓄熱および放熱を行うことができる蓄熱装置が要望されている。

【0007】

本発明の目的は、固相−固相ＰＣＭを用いて、効率よく蓄熱および放熱を行うことができる蓄熱材、蓄熱装置および蓄熱材の使用方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の蓄熱材は、固相−固相相変化物質として、２−アミノ−２−メチル−１，３−プロパンジオール（ＡＭＰ）を含む。

【0009】

本発明の蓄熱装置は、固相−固相相変化物質として、２−アミノ−２−メチル−１，３−プロパンジオール（ＡＭＰ）を含む蓄熱材と、前記蓄熱材の温度を制御する温度制御部であって、前記蓄熱材を前記ＡＭＰの結晶転移温度以上まで昇温させて前記蓄熱材に蓄熱させ、その後前記蓄熱材を過冷却状態まで降温させる温度制御部と、を有する。

【0010】

本発明の蓄熱材の使用方法は、固相−固相相変化物質として、２−アミノ−２−メチル−１，３−プロパンジオール（ＡＭＰ）を含む蓄熱材を、前記ＡＭＰの結晶転移温度以上まで昇温させて前記蓄熱材に蓄熱させる第１工程と、前記第１工程の後、前記蓄熱材を過冷却状態まで降温させる第２工程と、を有する。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、固相−固相ＰＣＭを用いて、効率よく蓄熱および放熱を行うことができる蓄熱材、蓄熱装置および蓄熱材の使用方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】ＡＭＰの質量および最低温度Ｔ_ｍｉｎと、再昇温時にＡＭＰが示す挙動との関係について説明するための図

【図2】ＡＭＰの相変化についてまとめた図

【図3】蓄熱装置の構成を示すブロック図

【図4】温度制御部による蓄熱材の温度制御の一例を示すフローチャート

【図5】冷結晶化部による冷結晶化処理の一例を示すフローチャート

【図6】実施例１の１サイクル目におけるＤＳＣ曲線を示すグラフ

【図7】実施例２において、ＡＭＰを４ｇ、かつＴ_ｍｉｎ＝０℃とした場合のＡＭＰの温度履歴を示すグラフ

【図8】実施例４において、種結晶をＡＭＰに加えてからの経時的変化を示す写真

【図9】実施例４において、種結晶をＡＭＰに加えてからの、ＡＭＰの温度の経時的変化を示すグラフ

【図10】実施例５において、ＡＭＰに衝撃を加えてからの経時的変化を示す写真

【図11】実施例５において、ＡＭＰに衝撃を加えてからの、ＡＭＰの温度の経時的変化を示すグラフ

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明、例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明等は省略する場合がある。なお、以下の説明および参照される図面は、当業者が本発明を理解するために提供されるものであって、本発明の請求の範囲を限定するためのものではない。

【0014】

＜蓄熱材＞
本発明では、蓄熱材として、２−アミノ−２−メチル−１，３−プロパンジオール（2-amino-2-methyl-1,3-propanediol：ＡＭＰ）を用いる。ＡＭＰは、固相−固相ＰＣＭを用いた潜熱蓄熱材として利用することができる。以下、ＡＭＰの性質について説明する。

【0015】

ＡＭＰは、融点（約１１０℃）未満の温度範囲において、２つの平衡状態（第１固相、第２固相）と１つの非平衡状態（第３固相）を取り得ることが分かっている。（例えば、下記の参考文献１参照）。
［参考文献１］Ｍ．Ｂａｒｒｉｏ，Ｊ．Ｆｏｎｔ，Ｄ．Ｏ Ｌｏｐｅｚ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈａｓｅ Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉａ １２−４（１９９１），４０９

【0016】

ＡＭＰは室温（例えば２５℃）において第１固相である。この状態からＡＭＰの温度を上昇させていくと、結晶転移温度（約８０℃）にて第１固相から第２固相への結晶転移が生じる。この結晶転移に伴ってＡＭＰは蓄熱を行う。

【0017】

第２固相からＡＭＰの温度を下降させていくと、ＡＭＰは結晶転移温度以下となっても第２固相から第１固相に相変化せず、第２固相の過冷却状態（準安定状態）となる。なお、本明細書では、説明をわかりやすくするため、この第２固相の過冷却状態を便宜上第３固相と記載する。ＡＭＰが第３固相まで降温されても上記結晶転移の際の蓄熱は放出されていないので、この第３固相においてもＡＭＰは蓄熱された状態である。すなわち、ＡＭＰは固相の過冷却状態となることができ、ＡＭＰを過冷却状態で安静に保持することにより、ＡＭＰが蓄熱した状態を維持させることができる。

【0018】

ＡＭＰが過冷却状態となった後、ある温度（以下、最低温度Ｔ_ｍｉｎと記載する）で降温をやめ、再度ＡＭＰを昇温させると、ＡＭＰは以下の２つのうち、いずれかの挙動を示す。なお、以下の説明において、蓄熱後に最低温度Ｔ_ｍｉｎまで降温させてから、再度昇温させることを再昇温と記載することがある。

【0019】

第１の挙動は、冷結晶化温度にて冷結晶化（第３固相（第２固相の過冷却状態）から第１固相への結晶転移）が生じ、上記結晶転移の際に蓄えた熱を放出する挙動である。ＡＭＰの冷結晶化温度は、蓄熱材として用いるＡＭＰの質量や、最低温度Ｔ_ｍｉｎによって変動するが、例えば７℃〜１３℃、または２４℃〜４０℃であることが実験により確認されている（後述の実施例１および２を参照）。この後さらに昇温させると、上記と同様に結晶転移温度（約８０℃）にて第１固相から第２固相への結晶転移が生じ、ＡＭＰは蓄熱を行う。すなわち、ＡＭＰは温度を制御することにより、繰り返し蓄熱と放熱とを行うことができる。

【0020】

なお、ＡＭＰは−５０℃付近にガラス転移点を有し、ガラス転移点以下まで冷却が行われた場合、ＡＭＰは第３固相からガラスへと転移する。その後ＡＭＰが再昇温されると、ガラス転移点にてガラスから第３固相への転移が生じ、さらにその後冷結晶化温度において上記と同様に冷結晶化（第３固相から第１固相への結晶転移）が生じる。

【0021】

第２の挙動は、冷結晶化温度を超えても冷結晶化せず、第３固相（第２固相の過冷却状態）のまま温度が上昇する挙動である。第２の挙動では、ＡＭＰは過冷却状態のままであるため、蓄熱が維持されたままＡＭＰの温度を室温付近まで戻すことができる。これにより、ＡＭＰを用いた蓄熱材のハンドリングが容易となる。

【0022】

ＡＭＰを再昇温させた場合に、ＡＭＰが上記いずれの挙動を示すかは、ＡＭＰの質量と、最低温度Ｔ_ｍｉｎと、によって決まることが実験によって分かっている。図１は、ＡＭＰの質量および最低温度Ｔ_ｍｉｎと、再昇温時にＡＭＰが示す挙動との関係について説明するための図である。

【0023】

図１の縦軸はＡＭＰの質量であり、横軸は降温時の最低温度Ｔ_ｍｉｎである。図１は縦軸、すなわちＡＭＰの質量を対数とした片対数グラフである。

【0024】

なお、本明細書において、ＡＭＰの質量とは、蓄熱材として使用されるひとかたまり（バルク）のＡＭＰの質量を意味する。換言すれば、本明細書におけるＡＭＰの質量とは、例えば比較的小さい複数の粒のＡＭＰの質量の合計ではない、ということである。

【0025】

図１において、○印は、第１の挙動、すなわち、再昇温時に冷結晶化に伴う放熱が生じる挙動に対応しており、×印は、第２の挙動、すなわち、再昇温時に冷結晶化が生じず、放熱しない挙動に対応している。また、△印は、１０回実験を行った場合に第１の挙動を示した確率が０％より高く１００％未満であることを示している。

【0026】

図１によれば、ＡＭＰの質量が小さいほど、最低温度Ｔ_ｍｉｎを低くしなければ、再昇温時に冷結晶化に伴う放熱が発生しないことが分かる。一方、ＡＭＰの質量が比較的大きければ、最低温度Ｔ_ｍｉｎをそれほど低くしなくても再昇温時に冷結晶化に伴う放熱が発生することが分かる。また、最低温度Ｔ_ｍｉｎを１０℃未満（例えば０℃以下）にしなければ、質量にかかわらず再昇温時に冷結晶化に伴う放熱は生じないことが分かる。

【0027】

ＡＭＰが上記説明したような挙動を示す理由は、例えば以下のように推測される。すなわち、ＡＭＰを図１の○印で示すように質量に対応した所定の最低温度まで降温させると、過冷却状態である第３固相の内部に第１固相の結晶核が生じ、成長する。この状態でＡＭＰが再昇温され冷結晶化温度を超えると、この結晶核を起点にして冷結晶化が生じる。一方、ＡＭＰを図１の×印で示すように所定の最低温度まで降温させない場合、内部に結晶核が発生しないためＡＭＰが再昇温され冷結晶化温度を超えても、冷結晶化が生じない（生じにくい）。図１の△印では、第３固相の内部に結晶核が生じる場合と生じない場合とに分かれる。これは、ＡＭＰの質量および最低温度によっては、第３固相のＡＭＰの内部に結晶核が生じるか否かは確率の問題だからである。

【0028】

ここで、第３固相の内部に第１固相の結晶核が生じるか否かは確率に基づくため、ＡＭＰのバルクの質量が大きいほど、同じ温度でも第３固相の内部に第１固相の結晶核が生じやすい。このため、質量が大きいほど、最低温度Ｔ_ｍｉｎをそれほど低くしなくても再昇温時に冷結晶化に伴う放熱が発生することになる。

【0029】

図１ではＡＭＰの質量と最低温度Ｔ_ｍｉｎとの関係の一部についてのみ例示しているが、実際には質量と最低温度Ｔ_ｍｉｎとのより詳細な関係に関する情報（以下、最低温度設定情報と称する）が、例えば実験等により予め得られていることが望ましい。最低温度設定情報は、例えば後述する記憶部１０３に予め記憶されている。

【0030】

なお、ＡＭＰが過冷却状態であるとき、ＡＭＰを再昇温させる方法以外に、ＡＭＰに対して過冷却状態を解消させて放熱させるための契機（例えばＡＭＰに衝撃を加える、ＡＭＰに種結晶を加える等）を付与する方法によって、ＡＭＰに放熱を行わせることができる。すなわち、過冷却状態のＡＭＰに対して上記契機を付与すると、その時点でＡＭＰの冷結晶化が開始され、第３固相から第１固相への結晶転移とそれに伴う放熱が生じる。

【0031】

以上説明したＡＭＰの性質を簡単にまとめると、図２のようになる。図２は、ＡＭＰの相変化についてまとめた図である。

【0032】

以上、ＡＭＰの性質について説明した。次に、このような性質を有するＡＭＰを蓄熱材として用いる場合の使用方法について説明する。

【0033】

＜蓄熱材としてのＡＭＰの使用方法＞
ＡＭＰを蓄熱材として使用する場合の使用方法は、ＡＭＰに蓄熱させるための蓄熱工程と、ＡＭＰを過冷却状態とするための降温工程と、ＡＭＰを放熱させる場合の放熱工程と、を含む。なお、蓄熱工程は本発明の第１工程の一例であり、降温工程は本発明の第２工程の一例であり、放熱工程は本発明の第３工程の一例である。

【0034】

［蓄熱工程］
蓄熱工程では、室温（例えば２５℃）のＡＭＰを結晶転移温度以上（例えば１００℃）まで昇温させる。これにより、ＡＭＰを結晶転移させて蓄熱させることができる。

【0035】

［降温工程］
降温工程では、蓄熱工程において結晶転移温度以上に昇温されたＡＭＰを最低温度Ｔ_ｍｉｎまで降温させる。これにより、ＡＭＰを過冷却状態とすることができる。最低温度Ｔ_ｍｉｎは、蓄熱材として用いられるＡＭＰの質量と、蓄熱材の使用目的（再昇温時に放熱させるか、任意のタイミングで放熱させるか）とに基づいて、上記図１に例示した最低温度設定情報に基づいて予め設定される。

【0036】

［放熱工程］
放熱工程は、蓄熱材の使用目的が再昇温時における放熱である場合と、任意のタイミングでの放熱である場合の２種類の工程を有する。

【0037】

まず、蓄熱材の使用目的が再昇温時における放熱である場合、放熱工程では、降温工程においてＴ_ｍｉｎまで降温されたＡＭＰを冷結晶化温度以上まで再昇温させる。これにより、過冷却状態であったＡＭＰを冷結晶化させ、冷結晶化に伴う放熱をさせることができる。

【0038】

一方、蓄熱材の使用目的が任意のタイミングでの放熱である場合、蓄熱材の使用者が決定する任意のタイミングまで、ＡＭＰは過冷却状態のまま保持される。任意のタイミングにて、ＡＭＰに対して過冷却状態を解消させるための契機が付与されると、ＡＭＰの過冷却状態が解消されて冷結晶化が始まり、放熱が行われる。なお、衝撃等によっても過冷却状態は解消されてしまうため、過冷却状態のＡＭＰは安静な状態で保持されることが望ましい。

【0039】

＜蓄熱装置の説明＞
次に、上記説明した性質を有するＡＭＰを蓄熱材として用いた蓄熱装置について説明する。図３は、蓄熱装置１００の構成を示すブロック図である。図３に示すように、蓄熱装置１００は、蓄熱材１０１と、温度制御部１０２と、記憶部１０３と、冷結晶化部１０４と、熱抽出部１０５と、を有する。

【0040】

蓄熱材１０１は、上記説明した性質を有するＡＭＰを用いた蓄熱材である。

【0041】

温度制御部１０２は、蓄熱材１０１の温度を制御する。温度制御部１０２による蓄熱材１０１の温度制御の例を図４に示す。図４は、温度制御部１０２による蓄熱材１０１の温度制御の一例を示すフローチャートである。なお、図４のスタート時点では、蓄熱材１０１の温度（以下Ｔ_ＡＭＰと記載する）は室温（例えば２５℃）付近であり、また蓄熱材１０１は蓄熱していないとする。

【0042】

ステップＳ１０１において、温度制御部１０２は、蓄熱材１０１を昇温させる。

【0043】

ステップＳ１０２において、温度制御部１０２は、蓄熱材１０１の温度Ｔ_ＡＭＰが結晶転移温度（約８０℃）を超えたか否かを判定する。Ｔ_ＡＭＰが結晶転移温度を超えた場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、温度制御部１０２は処理をステップＳ１０３に進め、そうでない場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、処理をステップＳ１０１に戻す。ＡＭＰの温度が結晶転移温度を超えることにより、上記したようにＡＭＰは第１固相から第２固相へと結晶転移して蓄熱する。

【0044】

ステップＳ１０３において、温度制御部１０２は、蓄熱材１０１を降温させる。これにより、ＡＭＰは過冷却状態（第３固相）へと移行する。

【0045】

ステップＳ１０４において、温度制御部１０２は、蓄熱材１０１の温度Ｔ_ＡＭＰが予め設定された最低温度Ｔ_ｍｉｎ以下となったか否かを判定する。Ｔ_ＡＭＰがＴ_ｍｉｎ以下であった場合、温度制御部１０２は、温度制御を終了し、そうでない場合、処理をステップＳ１０３に戻す。

【0046】

蓄熱装置１００の構成の説明に戻る。記憶部１０３は、蓄熱材１０１として用いられているＡＭＰの質量に関する情報と、上記図１に示すような、蓄熱装置１００の使用目的に応じた、ＡＭＰの質量および最低温度Ｔ_ｍｉｎとの関係を示す情報（上記説明した最低温度設定情報）と、を記憶する。記憶部１０３に記憶されたこれらの情報と、蓄熱装置１００の使用目的に関する情報と、を用いて、例えば温度制御部１０２は、上記説明したステップＳ１０４にて用いられるパラメータである最低温度Ｔ_ｍｉｎを設定する。温度制御部１０２による最低温度Ｔ_ｍｉｎの設定は、図４に例示する温度制御処理の開始より前に行われ、記憶部１０３に最低温度Ｔ_ｍｉｎに関する情報が予め記憶されることが望ましいが、ステップＳ１０４より前であればどの時点で行われてもよい。また、最低温度Ｔ_ｍｉｎの設定は、温度制御部１０２ではなく図示しない他の構成が行ってもよい。

【0047】

蓄熱装置１００の使用目的に関する情報とは、蓄熱装置１００の使用目的が再昇温時の放熱と、任意タイミングでの放熱と、のどちらであるかを示す情報である。当該情報は、例えば予め設定されて記憶部１０３に記憶されていてもよいし、例えば図示しない操作部等を介して、蓄熱装置１００の使用者等によって随時入力されてもよい。

【0048】

また、記憶部１０３は、蓄熱装置１００の使用目的に応じた最低温度設定情報を、例えばマップ形式やテーブル形式等で記憶していることが望ましい。

【0049】

冷結晶化部１０４は、温度制御部１０２によって過冷却状態となった蓄熱材１０１に対して、所定の処理を行って冷結晶化させる。蓄熱材１０１（ＡＭＰ）の冷結晶化に伴って、蓄熱材１０１に蓄えられていた熱量が放出される。所定の処理の一例を図５に示す。図５は、冷結晶化部１０４による冷結晶化処理の一例を示すフローチャートである。

【0050】

ステップＳ２０１において、冷結晶化部１０４は、上記した蓄熱装置１００の使用目的に関する情報に基づいて、蓄熱装置１００の使用目的が、任意タイミングでの放熱ではなく、再昇温時の放熱であるか否かを判定する。冷結晶化部１０４は、使用目的が再昇温時の放熱であると判定した場合（ステップＳ２０１：ＹＥＳ）、処理をステップＳ２０２に進め、そうでない場合（ステップＳ２０１：ＮＯ）、処理をステップＳ２０３に進める。

【0051】

再昇温時の放熱が目的である場合、ステップＳ２０２において、冷結晶化部１０４は、蓄熱材１０１を冷結晶化温度以上まで再昇温させる。過冷却状態のＡＭＰが冷結晶化温度以上まで再昇温されることにより、上記したようにＡＭＰは冷結晶化を生じ、放熱する。

【0052】

一方、任意タイミングでの放熱が目的である場合、ステップＳ２０３において、冷結晶化部１０４は、放熱すべきタイミングが訪れたか否かの判定を行う。放熱すべきタイミングとは、例えば蓄熱装置１００の利用者によって決定されるタイミングであり、冷結晶化部１０４は、例えば図示しない操作部等に対する入力操作に基づいて放熱すべきタイミングであるか否かを判定する。冷結晶化部１０４は、放熱すべきタイミングであると判定した場合（ステップＳ２０３：ＹＥＳ）、処理をステップＳ２０４に進め、そうでない場合（ステップＳ２０３：ＮＯ）、ステップＳ２０３を繰り返す。

【0053】

ステップＳ２０４において、冷結晶化部１０４は、過冷却状態の蓄熱材１０１に対して放熱契機を付与する。放熱契機とは、蓄熱材１０１の過冷却状態を解消させて冷結晶化させるための契機である。放熱契機の具体例としては、例えば蓄熱材１０１に対して衝撃や種結晶を加えること等が挙げられる。これにより、過冷却状態の蓄熱材１０１が冷結晶化し、それに伴って放熱する。

【0054】

以上説明したように、冷結晶化部１０４は、蓄熱装置１００の使用目的に応じて、蓄熱材１０１を再昇温させる、または蓄熱材１０１に対して放熱契機を付与することにより、蓄熱材１０１の過冷却状態を解消させて放熱させる。

【0055】

蓄熱装置１００の構成の説明に戻る。熱抽出部１０５は、蓄熱材１０１の放熱を外部に抽出する。熱抽出部１０５は、例えば熱交換器により構成される。

【0056】

なお、上記説明した蓄熱装置１００の構成は一例であり、本発明はこれに限定されない。例えば、上記説明において、再昇温時の放熱が目的である場合、冷結晶化部１０４が再昇温させるように説明したが、本発明はこれに限定されず、再昇温を温度制御部１０２が行うようにしてもよい。この場合、冷結晶化部１０４の機能の一部を温度制御部１０２が担うことになる。

【0057】

＜蓄熱材としてＡＭＰを用いた場合の利点＞
以上、ＡＭＰを蓄熱材１０１として用いた蓄熱装置１００の構成について説明した。以下では、蓄熱装置１００の蓄熱材としてＡＭＰを用いた場合の利点について具体例を挙げて説明する。

【0058】

まず、ＡＭＰは融点（約１１０℃）未満の温度範囲において、第１固相、第２固相、第３固相およびガラスの間で相変化を行う固相−固相ＰＣＭである。このため、液相−固相ＰＣＭを用いた蓄熱材では必要となる流出防止用の容器等が不要となり、取り扱いが容易となるとともに、蓄熱装置１００の小型化および製造コスト低減が可能となる。また、容器が不要であるため、容器を介して熱を取り出すことによる熱損失を低減する（接触熱抵抗を低く抑える）ことができる。さらに、固相から固相への相変化による体積の変化率は、液相から固相への相変化による体積変化率より一般に小さいため、蓄熱装置１００の設計時に、蓄熱材１０１の体積変化を考慮する必要が小さくなる。

【0059】

また、ＡＭＰを結晶転移温度以上まで昇温させて蓄熱させた後、例えば室温以下（例えば−５０℃等）まで降温させても、放熱が生じない。一般の蓄熱材では、蓄熱後に降温させると放熱してしまうが、ＡＭＰの場合降温による放熱が生じないので、ＡＭＰを用いた蓄熱材１０１では、蓄えた熱が自然に放熱してしまうことがなく、熱を有効に利用することが可能となる。

【0060】

また、蓄熱させた後、ＡＭＰを降温させてからさらに再度昇温させる場合に、ＡＭＰは最低温度Ｔ_ｍｉｎによって異なる２つの挙動を示す。第１の挙動では、ＡＭＰは昇温中に冷結晶化温度付近で冷結晶化に伴う放熱を生じる。一方、第２の挙動では、ＡＭＰは昇温させても冷結晶化せず、放熱しない。

【0061】

このため、最低温度Ｔ_ｍｉｎを好適に設定することによって、蓄熱装置１００に使用目的に応じた挙動を取らせることが可能となる。すなわち、蓄熱装置１００の利用者は、使用目的によって蓄熱装置１００の挙動を任意に選択できるため、蓄熱装置１００の使い勝手が向上する。

【0062】

再昇温時の放熱が目的である（第１の挙動が選択された）場合、蓄熱材１０１は温度上昇を補助する温度上昇補助材として利用されうる。具体的な利用方法として、例えば電気自動車等のヒータに蓄熱装置１００を用いることで、車内を暖めるために必要な消費電力量を低減させることができる。

【0063】

任意タイミングでの放熱が目的である（第２の挙動が選択された）場合、蓄熱材１０１は例えば０℃より高い温度（例えば１０℃以上）（図１参照）では温度によらず蓄熱を継続することができる。すなわち、蓄熱材１０１の温度を室温付近とすることができるので、蓄熱継続の際の蓄熱材１０１の維持が容易である。また、多少の温度変化が生じても蓄熱材１０１は放熱しないので、蓄熱装置１００の使い勝手が向上する。

【0064】

さらに、過冷却状態を解消させるための契機を蓄熱材１０１に対して付与することにより、任意のタイミングで冷結晶化を生じさせ、放熱させることができる。このため、特定のタイミングでしか放熱できない場合と比較して、蓄熱装置１００の使い勝手が向上する。

【0065】

＜作用・効果＞
以上説明したように、本発明の蓄熱材は、固相−固相相変化物質（ＰＣＭ）として、 ２−アミノ−２−メチル−１，３−プロパンジオール（ＡＭＰ）を含む。

【0066】

ＡＭＰは、結晶転移温度（約８０℃）以上まで昇温させることで、固相−固相相変化を生じ、蓄熱するという性質を有する。そして、ＡＭＰは、蓄熱後に降温させることで、固相の過冷却状態に遷移させることができ、蓄熱を維持したままＡＭＰの温度を下げることができるという性質を有する。さらに、ＡＭＰは、過冷却状態のＡＭＰを冷結晶化させることで、結晶転移による放熱を行わせることができるという性質を有する。

【0067】

また、ＡＭＰは、蓄熱後降温させるときの最低温度Ｔ_ｍｉｎをＡＭＰの質量に応じて適切に設定することにより、降温後に再昇温させる場合に２つの挙動のいずれかを取らせることができるという性質を有する。第１の挙動では、ＡＭＰは再昇温中に冷結晶化温度付近で冷結晶化に伴う放熱を生じる。一方、第２の挙動では、ＡＭＰは再昇温させても冷結晶化せず、放熱しない。

【0068】

本発明は、このような性質を有するＡＭＰを蓄熱材として用いることにより、以下のような効果を奏する。すなわち、ＡＭＰは固相−固相ＰＣＭであるため、液相−固相ＰＣＭを用いた蓄熱材では必要となる流出防止用の容器等が不要となり、取り扱いが容易となるとともに、ＡＭＰを蓄熱材として用いた蓄熱装置の小型化および製造コスト低減が可能となる。また、容器が不要であるため、容器を介して熱を取り出すことによる熱損失を低減する（接触熱抵抗を低く抑える）ことができる。さらに、固相から固相への相変化による体積の変化率は、液相から固相への相変化による体積変化率より一般に小さいため、蓄熱装置の設計時に、蓄熱材として用いるＡＭＰの体積変化を考慮する必要が小さくなる。

【0069】

また、ＡＭＰを結晶転移温度以上まで昇温させて蓄熱させた後、例えば室温以下（例えば−５０℃等）まで降温させても、放熱が生じない。一般の蓄熱材では、蓄熱後に降温させると放熱してしまうが、ＡＭＰの場合降温による放熱が生じないので、ＡＭＰを用いた蓄熱材では、蓄えた熱が自然に放熱してしまうことがなく、熱を有効に利用することが可能となる。

【0070】

また、蓄熱させた後、ＡＭＰを降温させてからさらに再度昇温させる場合に、ＡＭＰは最低温度Ｔ_ｍｉｎによって異なる２つの挙動を示す。

【0071】

このため、最低温度Ｔ_ｍｉｎを好適に設定することによって、蓄熱装置１００に使用目的に応じた挙動を取らせることが可能となる。すなわち、蓄熱装置１００の利用者は、使用目的によって蓄熱装置１００の挙動を任意に選択できるため、蓄熱装置１００の使い勝手が向上する。

【0072】

ＡＭＰに再昇温時の放熱を行わせる（第１の挙動が選択された）場合、ＡＭＰは温度上昇を補助する温度上昇補助材として利用されうる。具体的な利用方法として、例えば電気自動車等のヒータにＡＭＰを用いることで、車内を暖めるために必要な消費電力量を低減させることができる。

【0073】

ＡＭＰに再昇温時に放熱させない（第２の挙動が選択された）場合、ＡＭＰは温度によらず蓄熱を継続することができる。すなわち、ＡＭＰの温度を室温付近とすることができるので、蓄熱継続の際のＡＭＰの維持が容易である。また、多少の温度変化が生じてもＡＭＰは放熱しないので、ＡＭＰを蓄熱材として用いた蓄熱装置の使い勝手が向上する。

【0074】

さらに、過冷却状態を解消させるための契機を蓄熱材に対して付与することにより、任意のタイミングで冷結晶化を生じさせ、放熱させることができる。このため、特定のタイミングでしか放熱できない場合と比較して、ＡＭＰを蓄熱材として用いた蓄熱装置の使い勝手が向上する。

【0075】

また、本発明の蓄熱装置は、固相−固相相変化物質として、２−アミノ−２−メチル−１，３−プロパンジオール（ＡＭＰ）を含む蓄熱材と、前記蓄熱材の温度を制御する温度制御部であって、前記蓄熱材を前記ＡＭＰの結晶転移温度以上まで昇温させて前記蓄熱材に蓄熱させ、その後前記蓄熱材を過冷却状態まで降温させる温度制御部と、を有する。

【0076】

このような構成により、本発明の蓄熱装置は、上記説明したようなＡＭＰの性質を有効に利用し、効率のよい蓄熱と好適なタイミングでの放熱とを実現することができる。

【実施例1】

【0077】

次に、本発明の実施例として、ＡＭＰの蓄熱性能および放熱性能について具体例を挙げて説明する。以下示す実施例は、本発明の実施の例示であって、本発明はこれに限定されるものではない。

【0078】

［実施例１］
実施例１では、ＡＭＰの蓄熱性能および放熱性能を、示差走査熱量計（ＤＳＣ１；METTLER TOLEDO社）を用いて測定した。試料容器としてアルミニウムパン（４０μＬ）を使用し、試料容器に５．３８ｍｇのＡＭＰを載せて測定した。

【0079】

測定の前処理として、ＡＭＰを１２５℃まで加熱した後、３０分間１２５℃を保持して完全融解させ、その後−５０℃まで１０℃／分で降温して、３０分間−５０℃で保持した。これにより、ＡＭＰが試料容器に完全に密着し、温度測定の精度を向上させることができる。測定温度範囲は、最低温度Ｔ_ｍｉｎから、結晶転移温度（約８０℃）よりも高く、融点（約１１０℃）よりも低い温度（例えば１００℃）の間とした。最低温度Ｔ_ｍｉｎは、−１４０℃から０℃の間で変化させた。最低温度および最高温度において、それぞれ１０分ずつ温度を保持した。

【0080】

実施例１における１サイクルの流れは、以下の通りである。
（１）１０分間材料を１００℃で保持
（２）−１０℃／分で降温
（３）１０分間材料を最低温度Ｔ_ｍｉｎで保持
（４）＋１０℃／分で再昇温

【0081】

実施例１では、上記を１サイクルとして１２サイクル繰り返し、ＡＭＰの温度変化とヒートフローとを測定した。なお、本実施例１において、昇温および降温は窒素雰囲気中で行った。窒素流量は３０ｍｌ／分であった。

【0082】

下記表１は、実施例１における測定結果を示す表である。また、図６は、実施例１の１サイクル目（Ｔ_ｍｉｎ＝−１２０℃）における測定結果を示すＤＳＣ（Differential Scanning Calorimetry）曲線を示す図である。

【0083】

【表1】

【0084】

図６に示すように、昇温過程において、結晶転移温度である８０℃付近（約３５７Ｋ）で結晶転移による蓄熱ピークＰ１が観察される。その後の降温過程において結晶転移による放熱は確認されず、−５０℃付近（約２２３Ｋ）にガラス転移点と推測できる変化が観察された。

【0085】

降温過程によりＡＭＰが約−１２０℃まで降温された後、再び昇温されると、−５０℃付近（約２２３Ｋ）にガラス転移点と推測できる変化が再度観察された後、冷結晶化温度である８℃付近（約２８１Ｋ）にて冷結晶化と推測できる放熱ピークＰ２が観察された。

【0086】

図６において、蓄熱ピークＰ１は３５７．１５Ｋであった。蓄熱ピークＰ１による蓄熱量は１１０６．５７ｍＪであり、単位質量あたりの蓄熱量は２０５．６８Ｊ／ｇであった。

【0087】

一方、図６において、放熱ピークＰ２は２８１．４８Ｋであった。放熱ピークＰ２による放熱量は７３４．２２ｍＪであり、単位質量あたりの放熱量は１３６．４７Ｋであった。

【0088】

また、表１に示すように、最低温度Ｔ_ｍｉｎが−５０℃以下であるサイクルＮｏ．１、２、３、５、６、１０、１１、１２においてＡＭＰは昇温時に放熱した。一方、最低温度が−５０℃より高いサイクルＮｏ．４（Ｔ_ｍｉｎ＝−２０℃）、７（Ｔ_ｍｉｎ＝−２０℃）、８（Ｔ_ｍｉｎ＝−３０℃）、９（Ｔ_ｍｉｎ＝−４０℃）では、昇温時に放熱しなかった。このような測定結果から、実施例１（ＡＭＰ質量＝５．３８ｍｇ）では、Ｔ_ｍｉｎを−５０℃以下とすることにより、昇温時に放熱させうることが分かる。

【0089】

［実施例２］
実施例２では、実施例１と比較してＡＭＰの質量が大きい場合について、ＡＭＰの蓄熱性能および放熱性能を測定した。実施例２では、実験装置として恒温槽（Ｓ−８−８２００；ＴＨＥＲＭＯＴＲＯＮ社）を用いた。実施例２では、試料容器としてアルミニウム製のネジスクリューキャップ缶（５０ｍＬ）を使用した。実施例２では、４ｇと１０ｇの２種類の質量のＡＭＰを使用した。

【0090】

前処理として、試料容器に封入したＡＭＰを１２５℃まで加熱した後、３０分間１２５℃を保持することで完全融解させ、その後−５０℃まで２℃／分で降温、３０分間−５０℃で保持した。

【0091】

実施例２において、測定温度範囲は、実施例１と同様、最低温度Ｔ_ｍｉｎから１００℃とした。但し、実施例２においては最低温度Ｔ_ｍｉｎを、−１０℃〜２０℃の間で変化させた。最低温度および最高温度において、それぞれ２５分ずつ温度を保持した。アルミニウムテープを用いて白金抵抗温度センサ（Ｒ０６０−３３；株式会社チノー）を試料容器の底面に取り付け、温度計測を行った。また、試料容器にＡＭＰを封入せずに同様の測定を行い、対照とした。

【0092】

実施例２における１サイクルの流れは、以下の通りである。
（１）２５分間材料を１００℃で保持
（２）−２℃／分で降温
（３）２５分間材料を最低温度Ｔ_ｍｉｎ（−１０℃〜２０℃）で保持
（４）＋２℃／分で昇温

【0093】

実施例２では、上記１サイクル分を１０回繰り返してＡＭＰの温度変化とヒートフローとを測定した。

【0094】

下記表２および表３は、実施例２において、１０サイクルのうち、昇温中に放熱したサイクルの確率を示す表である。表２はＡＭＰが４ｇの場合を、表３はＡＭＰが１０ｇの場合を、それぞれ示している。

【表2】

【表3】

【0095】

表２および表３に示すように、ＡＭＰの質量が実施例１と比較して大きい実施例２では、再昇温時に放熱する確率が高い最低温度Ｔ_ｍｉｎが０℃となった。これにより、ＡＭＰの質量が大きくなると、最低温度Ｔ_ｍｉｎを−５０℃等の低温まで下げなくとも再昇温時に放熱する確率が大幅に上昇していることが分かる。

【0096】

ＡＭＰが再昇温時に放熱する（＝冷結晶化する）条件としては、再昇温前の降温時に、過冷却状態のＡＭＰ中に結晶核が発生し成長している必要がある。そして、ＡＭＰ質量が大きいほど、ＡＭＰの温度が比較的高くても過冷却状態のＡＭＰ中に結晶核が発生しやすくなる。このような理由により、ＡＭＰの質量が大きいほど最低温度Ｔ_ｍｉｎが高くても再昇温時に放熱する確率が高くなると推測される。

【0097】

また、図７は、実施例２において、ＡＭＰが４ｇ、かつＴ_ｍｉｎ＝０℃とした場合のＡＭＰの温度履歴を示すグラフである。実線がＡＭＰの温度、破線が空気温度（対照）、一点鎖線がＡＭＰと空気との温度差である。図７に示すように、約７６℃〜９６℃付近でＡＭＰの温度が空気温度よりも低くなっており、ＡＭＰが蓄熱していることが分かる。また、再昇温時の２４℃〜４０℃付近でＡＭＰの温度が空気温度よりも高くなっており、ＡＭＰが放熱していることが分かる。

【0098】

なお、上記説明した実施例１および実施例２のようなＡＭＰの蓄熱性能および放熱性能の測定を、ＡＭＰの質量や最低温度Ｔ_ｍｉｎ等の条件を変えて行うことで、上記図１に示す、ＡＭＰの質量および最低温度Ｔ_ｍｉｎと、再昇温時にＡＭＰが示す挙動との関係が取得された。

【0099】

［実施例３］
実施例３では、実施例１と同じ実験条件（すなわち、ＡＭＰの質量＝５．３８ｍｇ）で最低温度Ｔ_ｍｉｎを０℃として実験を行った。Ｔ_ｍｉｎで１０分間保持したあと、温度Ｔ_ｈ（＝２０℃，３０℃，４０℃，５０℃，６０℃）まで昇温させてそれぞれ３０分間保持した。

【0100】

実施例３における１サイクルの流れは、以下の通りである。
（１）２５分間材料を１００℃で保持
（２）−１０℃／分で降温
（３）２５分間材料を最低温度Ｔ_ｍｉｎ（０℃）で保持
（４）＋１０℃／分で昇温
（５）３０分間材料を温度Ｔ_ｈ（２０℃，３０℃，４０℃，５０℃，６０℃）で保持
（６）＋１０℃／分で昇温

【0101】

実施例３では、ＡＭＰを蓄熱させた後０℃まで降温させ、２０℃から６０℃のいずれの温度まで再昇温させても、放熱が測定されなかった。すなわち、実施例２と比較してＡＭＰの質量が小さいため、最低温度Ｔ_ｍｉｎ＝０℃では冷結晶化の条件となる結晶核の発生が起こらなかったものと推測される。

【0102】

［実施例４］
実施例４および５は、最低温度Ｔ_ｍｉｎが比較的高く、再昇温時に放熱が生じない場合に放熱契機を付与して任意タイミングで放熱させることを試みた。実施例４および５では、実施例２と同様に、実験装置として恒温槽（Ｓ−８−８２００；ＴＨＥＲＭＯＴＲＯＮ社）を用いた。試料容器としてアルミニウム製のネジスクリューキャップ缶（１００ｍＬ）を使用し、７ｇのＡＭＰを封入した。測定の前処理として１３０℃まで加熱することで完全融解させ、その後室温（２５℃）まで自然降温させた。

【0103】

その後、融解後、固まったＡＭＰの上に、種結晶として５．１７ｍｇのＡＭＰを載置した。また、アルミニウムテープを用いて白金抵抗温度センサ（Ｒ０６０−３３；株式会社チノー）を試料容器の底面に取り付け、温度計測を行った。

【0104】

図８Ａ〜図８Ｃは、種結晶をＡＭＰに加えてからの経時的変化を示す写真である。図８Ａは５秒後、図８Ｂは２７０秒後、図８Ｃは６６０秒後の写真である。これらの写真において、中央下部の領域に種結晶を載置している。また、図９は、種結晶をＡＭＰに加えてからの、ＡＭＰの温度の経時的変化を示すグラフである。図９において、実線はＡＭＰの温度、破線は空気温度（対照）である。図８Ａ〜図８Ｃに示すように、種結晶をＡＭＰに加えてから時間が経過するとともに、種結晶を起点として白色に変化する領域が広がる、すなわち結晶転移が進行していくことが確認できた。また、図９に示すように、種結晶を投入して結晶転移が進むにつれて、ＡＭＰの温度も上昇し、結晶転移による放熱が確認された。

【0105】

［実施例５］
実施例５では、実施例４と同様の条件でＡＭＰを室温まで降温させて固まらせた後、はさみの先端で衝撃を加えた。図１０Ａ〜図１０Ｅは、ＡＭＰに衝撃を加えてからの経時的変化を示す写真である。図１０Ａは０秒後、図１０Ｂは５秒後、図１０Ｃは６０秒後、図１０Ｄは１２０秒後、図１０Ｅは１８０秒後の画像である。図１０Ａにははさみも写っている。また、図１１は、ＡＭＰに衝撃を加えてからの、ＡＭＰの温度の経時的変化を示すグラフである。図１１において、実線はＡＭＰの温度、破線は空気温度（対照）である。図１０Ａ〜図１０Ｅに示すように、衝撃を与えた場所を起点として、白色に変化、すなわち結晶転移が進行していくことが確認できた。また、種結晶を投入して結晶転移が進むにつれて、図１１に示すようにＡＭＰの温度も上昇し、結晶転移による放熱が確認された。

【産業上の利用可能性】

【0106】

本発明は、固相−固相相変化物質を用いた蓄熱材、蓄熱装置および蓄熱材の使用方法に適用することができる。

【符号の説明】

【0107】

１００ 蓄熱装置
１０１ 蓄熱材
１０２ 温度制御部
１０３ 記憶部
１０４ 冷結晶化部
１０５ 熱抽出部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】