特開 2025-20642 潜熱蓄熱体

(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】P2025020642

(43)【公開日】2025-02-13

(54)【発明の名称】潜熱蓄熱体

(51)【国際特許分類】

   C09K 5/06 20060101AFI20250205BHJP

   C04B 35/58 20060101ALI20250205BHJP

   C04B 35/583 20060101ALI20250205BHJP

   C04B 35/563 20060101ALI20250205BHJP

   C04B 35/581 20060101ALI20250205BHJP

【ＦＩ】

C09K5/06 Z

C04B35/58 064

C04B35/583

C04B35/563

C04B35/581

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023124144

(22)【出願日】2023-07-31

(71)【出願人】

【識別番号】000190688

【氏名又は名称】新光電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】堀内 道夫

(57)【要約】

【課題】より大きな潜熱を蓄熱することができる潜熱蓄熱体を提供する。
【解決手段】潜熱蓄熱体は、閉空間が形成された多結晶体からなるセラミック部と、前記閉空間内に設けられ、ホウ素を含有する金属部と、を有し、前記金属部の融点は、１１００℃以上である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

閉空間が形成された多結晶体からなるセラミック部と、
前記閉空間内に設けられ、ホウ素を含有する金属部と、
を有し、
前記金属部の融点は、１１００℃以上である潜熱蓄熱体。

【請求項2】

前記金属部は、９９質量％以上の割合でホウ素を含有する請求項１に記載の潜熱蓄熱体。

【請求項3】

前記閉空間の容積は、前記金属部の体積よりも大きい請求項１又は２に記載の潜熱蓄熱体。

【請求項4】

前記セラミック部は、窒化ホウ素、炭化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムと窒化ホウ素との複合材料、窒化ケイ素若しくは炭化ケイ素又はこれらの任意の組み合わせを含有する請求項１又は２に記載の潜熱蓄熱体。

【請求項5】

前記セラミック部は、ホウ化物を含有する請求項１又は２に記載の潜熱蓄熱体。

【請求項6】

前記ホウ化物は、ホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化バナジウム、ホウ化ニオブ、ホウ化タンタル若しくはホウ化ランタン又はこれらの任意の組み合わせである請求項５に記載の潜熱蓄熱体。

【請求項7】

前記セラミック部は、通電されて発熱する材料を含有する請求項１又は２に記載の潜熱蓄熱体。

【請求項8】

前記金属部を加熱することができるヒータを有する請求項１又は２に記載の潜熱蓄熱体。

【請求項9】

前記ヒータは、前記セラミック部内に設けられている請求項８に記載の潜熱蓄熱体。

【請求項10】

前記ヒータは、タングステン若しくはモリブデン又はこれらの両方を含有する請求項８に記載の潜熱蓄熱体。

【請求項11】

前記ヒータは、グラファイトを含有する請求項８に記載の潜熱蓄熱体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、潜熱蓄熱体に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、相変化物質（phase change material：ＰＣＭ）としてＡｌ－Ｓｉ合金等が用いられ、ＰＣＭが保護層で包囲された潜熱蓄熱体が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－０３１５０７号公報

【特許文献2】特開２０１５－０４８３９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、より大きな潜熱の蓄熱が望まれるようになってきている。

【0005】

本開示は、より大きな潜熱を蓄熱することができる潜熱蓄熱体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】

【0006】

本開示の一形態によれば、閉空間が形成された多結晶体からなるセラミック部と、前記閉空間内に設けられ、ホウ素を含有する金属部と、を有し、前記金属部の融点は、１１００℃以上である潜熱蓄熱体が提供される。

【発明の効果】

【0007】

開示の技術によれば、より大きな潜熱を蓄熱することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態に係る潜熱蓄熱体を例示する図である。

【図2】第２実施形態に係る潜熱蓄熱体を例示する図である。

【図3】第３実施形態に係る潜熱蓄熱体を例示する斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。

【0010】

（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。第１実施形態は潜熱蓄熱体に関する。図１は、第１実施形態に係る潜熱蓄熱体を例示する図である。図１（ａ）は斜視図であり、図１（ｂ）は断面図である。

【0011】

第１実施形態に係る潜熱蓄熱体１は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、多結晶体からなるセラミック部１１０と、金属部１２０とを有する。

【0012】

セラミック部１１０には、閉空間１１３が形成されている。セラミック部１１０及び閉空間１１３の形状は円柱状である。セラミック部１１０は、例えば容器１１１と、蓋１１２とを有する。容器１１１は、一方の端部（上端部）が開口し、他方の端部（下端部）が閉口した円筒状の形状を有する。容器１１１の上端部において内壁面に雌ねじ１１１Ａが形成されている。蓋１１２は、容器１１１の開口を塞ぐ。蓋１１２には、雌ねじ１１１Ａに螺合する雄ねじ１１２Ａが形成されている。

【0013】

セラミック部１１０は、窒化ホウ素（ＢＮ）、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムと窒化ホウ素との複合材料、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）若しくは炭化ケイ素（ＳｉＣ）又はこれらの任意の組み合わせを含有してもよい。セラミック部１１０が、窒化ホウ素、炭化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムと窒化ホウ素との複合材料（複合セラミック）、窒化ケイ素若しくは炭化ケイ素又はこれらの任意の組み合わせから構成されてもよい。

【0014】

セラミック部１１０は、ホウ化物を含有してもよい。セラミック部１１０がホウ化物から構成されていてもよい。ホウ化物は、例えば、ホウ化チタン（ＴｉＢ_２）、ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）、ホウ化ハフニウム（ＨｆＢ_２）、ホウ化バナジウム（ＶＢ_２）、ホウ化ニオブ（ＮｂＢ_２）、ホウ化タンタル（ＴａＢ_２）若しくはホウ化ランタン（ＬａＢ_６）又はこれらの任意の組み合わせである。

【0015】

金属部１２０は閉空間１１３内に設けられている。言い換えれば、金属部１２０はセラミック部１１０に封止されている。金属部１２０がセラミック部１１０により気密に覆われているということもできる。セラミック部１１０内に複数の金属部１２０が設けられていてもよい。金属部１２０はホウ素（Ｂ）を含有する。例えば、金属部１２０の主成分はホウ素である。金属部１２０は、例えば５０質量％以上の割合でホウ素を含有する。金属部１２０は、純度が５０質量％以上のホウ素から構成されていてもよい。より好ましくは、金属部１２０は、８０質量％以上のホウ素を含有し、８０質量％以上のホウ素から構成される。より好ましくは、金属部１２０は、９９質量％以上のホウ素を含有し、９９質量％以上のホウ素から構成される。金属部１２０が、ケイ素（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）若しくはコバルト（Ｃｏ）又はこれらの任意の組み合わせを合計で２０質量％未満の割合で含んでいてもよい。

【0016】

例えば、金属部１２０が８０質量％Ｂ－２０質量％Ｓｉから構成される場合、金属部１２０の相変化温度は１９００℃以下である。金属部１２０が８０質量％Ｂ－２０質量％Ｆｅから構成される場合、金属部１２０の相変化温度は１９００℃以下である。金属部１２０が８０質量％Ｂ－２０質量％Ｃｕから構成される場合、金属部１２０の相変化温度は１１００℃以下である。金属部１２０が８０質量％Ｂ－２０質量％Ｃｏから構成される場合、金属部１２０の相変化温度は１８００℃以下である。

【0017】

ホウ素にはいくつかの同素体（α－菱面体、β－菱面体、β－正方晶等）があるが、金属部１２０に用いられるホウ素は、例えば、標準状態において最も安定なβ－菱面体のホウ素である。

【0018】

閉空間１１３の容積は、金属部１２０の体積よりも大きいことが好ましい。これは、後述のように、潜熱蓄熱体１の使用時に金属部１２０が固体から液体へと相変化し、この相変化の際に金属部１２０が膨張するからである。

【0019】

β－菱面体のホウ素の融点は２１８０℃である。金属部１２０の主成分がβ－菱面体のホウ素である場合、２１８０℃程度で固体と液体との間の相変化が生じる。この程度の温度であれば、多結晶体からなるセラミック部１１０は化学的に安定である。従って、金属部１２０が固体であっても液体であっても、セラミック部１１０は金属部１２０を閉空間１１３内に金属部１２０を閉じ込めておくことができる。また、高温で使用されても、セラミック部１１０に酸化等の化学変化が生じにくい。金属部１２０の融点は、例えば１１００℃以上である。金属部１２０の融点は、好ましくは１４００℃以上であり、より好ましくは１７００℃以上であり、更に好ましくは２０００℃以上である。金属部１２０がホウ素の他にケイ素等を含有している場合、金属部１２０の融点が２１８０℃より低くてもよい。金属部１２０の融点は、例えば示差熱分析（differential thermal analysis ：ＤＴＡ）又は示差走査熱量測定（differential scanning calorimetry：ＤＳＣ）により測定することができる。

【0020】

潜熱蓄熱体１では、金属部１２０が相変化物質（ＰＣＭ）として機能し、金属部１２０がホウ素を含有するため、金属部１２０の固液の相変化温度が高く、より大きな潜熱を蓄熱することができる。潜熱蓄熱体１に蓄熱した潜熱は、例えば、熱光起電力（thermophotovoltaic：ＴＰＶ）による直接的な発電に用いることができる。潜熱蓄熱体１は、例えば、熱光起電力による発電において、２１００℃～２４００℃程度の範囲の熱光源として用いることができる。

【0021】

また、ホウ素の単位質量当たりの融解熱はアルミニウムのそれの１０倍以上であり、熱エネルギ密度を大幅に向上できる。

【0022】

ここで、セラミック部１１０の材料について詳細に説明する。

【0023】

高温での金属部１２０に含まれるホウ素との反応性の観点から、セラミック部１１０の材料としては、窒化ホウ素、炭化ホウ素、窒化アルミニウム及び窒化アルミニウムと窒化ホウ素との複合材料がより好ましい。

【0024】

窒化ホウ素としては、ヘキサゴナル相窒化ホウ素が好適である。窒化ホウ素は加工性に優れている。

【0025】

窒化ホウ素と窒化アルミニウムとの複合材料（複合セラミック）は、焼結体としての安定性及び高熱伝導性を有する。窒化ホウ素と窒化アルミニウムとの複合材料は、ヘキサゴナル相窒化ホウ素よりも、硬度及び機械的強度が高い。また、窒化ホウ素と窒化アルミニウムとの複合材料の焼結体は加工性に優れている。窒化ホウ素と窒化アルミニウムとの複合材料における窒化ホウ素と窒化アルミニウムとの比率は限定されない。この比率に応じて複合材料の硬度及び機械的強度が変化する。複合材料の微構造は、窒化アルミニウム多面体（テトラカイデカヘドロン）粒と平板状の窒化ホウ素粒とが混合したものとなっており、平板状の窒化ホウ素粒の割合が高いほど加工性が向上する。

【0026】

セラミック部１１０の材料の一例としてホウ化物が挙げられる。ホウ化物としては、ホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化バナジウム、ホウ化ニオブ及びホウ化タンタルが好ましい。これらは、比抵抗が１０^－７Ω・ｍ～１０^－８Ω・ｍ程度の導電性を有し、通電されて発熱する材料であり、ヒータとして用いることができる。セラミック部１１０がホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化バナジウム、ホウ化ニオブ又はホウ化タンタルを含む場合、セラミック部１１０は金属部１２０の保護機能及び加熱機能を有し、より高い蓄熱密度を実現しやすい。また、ホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化バナジウム、ホウ化ニオブ又はホウ化タンタルを含むセラミック部１１０は、余剰電力を直接利用して蓄熱する方式（electric thermal energy：ＥＴＥＳ）において、設備を小型化することができる。

【0027】

なお、セラミック部１１０が一体的に構成されていてもよい。例えば、セラミック部１１０には、閉空間１１３に繋がる接合部が存在しなくてもよい。また、容器１１１の雌ねじ１１１Ａ及び蓋１１２の雄ねじ１１２Ａが形成されている必要はなく、蓋１１２が容器１１１に嵌るように構成されていてもよい。

【0028】

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。第２実施形態は潜熱蓄熱体に関する。図２は、第２実施形態に係る潜熱蓄熱体を例示する図である。図２（ａ）は斜視図であり、図２（ｂ）は断面図であり、図２（ｃ）は上面図である。

【0029】

第２実施形態に係る潜熱蓄熱体２では、図２に示すように、セラミック部１１０の外周面に２つの溝１１５が形成されている。２つの溝１１５は全体として略円筒形状を構成するように形成されている。溝１１５の各々は、柱状の金属部１２０の長軸に平行な方向から見たときに、例えば、時計回りと反時計回りとを交互に繰り返しながら螺旋を構成している。溝１１５の各々内に電熱体２３０が設けられている。潜熱蓄熱体２は２つの電熱体２３０を有する。２つの電熱体２３０は全体として略円筒形状を有する。電熱体２３０は、例えば、グラファイトを含有する。電熱体２３０がグラファイトから構成されていてもよい。電熱体２３０はヒータの一例である。

【0030】

第２実施形態の他の構成は第１実施形態と同様である。

【0031】

第２実施形態によっても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、電熱体２３０が金属部１２０を加熱することができるため、外部から付与した電気エネルギを熱に変換して潜熱蓄熱体２に蓄積することができる。例えば、余剰電力により電熱体２３０から熱を発生することで、余剰電力を熱として蓄積することができる。そして、潜熱蓄熱体２に蓄積したエネルギは、熱、蒸気（圧力）又は電力（蒸気圧力によるタービン発電等）のエネルギとして、工場、オフィス又は商業ビル等に供給することができる。

【0032】

また、潜熱蓄熱体２が電熱体２３０を含んでいるため、エネルギの損失を低減できる。例えば、電熱体と潜熱蓄熱体とが分離されている場合には、電熱体から発生した熱を熱風等として潜熱蓄熱体まで伝達させることになり、エネルギが損失しやすいが、本実施形態では、このようなエネルギの損失を抑制することができる。

【0033】

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。第３実施形態は潜熱蓄熱体に関する。図３は、第３実施形態に係る潜熱蓄熱体を例示する斜視図である。

【0034】

第３実施形態に係る潜熱蓄熱体３は、図３に示すように、多結晶体からなるセラミック部１１０と、金属部１２０と、金属部１２０を加熱することができる電熱体３３０とを有する。電熱体３３０はセラミック部１１０内に設けられている。電熱体３３０は、セラミック部１１０の表面と金属部１２０の表面との間に設けられている。電熱体３３０は全体として略円筒形状を有する。電熱体３３０は、柱状の金属部１２０の長軸に平行な方向から見たときに、例えば、時計回りと反時計回りとを交互に繰り返しながら螺旋を構成している。電熱体３３０はヒータの一例である。

【0035】

例えば、セラミック部１１０の主成分が窒化アルミニウムである場合、電熱体３３０はタングステンを含む。電熱体３３０がタングステン及び窒化アルミニウムを含んでもよい。この場合、潜熱蓄熱体３の製造に際しては、例えば、タングステンの粉末に窒化アルミニウムの粉末を混合し、溶剤やバインダー等の有機成分を加えて抵抗体ペーストを調合する。そして、電熱体３３０の金属部１２０の長軸に垂直な部分（円周部分）は、例えば、セラミックグリーンシートの表面に印刷した抵抗体ペーストにより形成することができる。電熱体３３０の金属部１２０の長軸に平行に延びる部分は、例えば、セラミックグリーンシートに形成した貫通孔に充填した抵抗体ペーストにより形成することができる。窒化アルミニウムの割合に応じて電熱体３３０の抵抗率を調整することができる。抵抗体ペーストに、更に、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、炭酸カルシウム等を１種又は２種以上添加してもよい。これらの無機成分は、焼成中に液相又は複合酸化物相を形成し、電熱体３３０のセラミック部１１０との密着強度を向上したり、抵抗率の安定性を向上したりできる。

【0036】

例えば、セラミック部１１０の主成分が窒化ホウ素である場合、電熱体３３０はホウ化ランタンを含む。電熱体３３０がホウ化ランタン及び窒化ホウ素を含んでもよい。この場合、潜熱蓄熱体３の製造に際しては、例えば、ホウ化ランタンの粉末に窒化ホウ素の粉末を混合し、溶剤やバインダー等の有機成分を加えて抵抗体ペーストを調合する。そして、電熱体３３０の金属部１２０の長軸に垂直な部分（円周部分）は、例えば、セラミックグリーンシートの表面に印刷した抵抗体ペーストにより形成することができる。電熱体３３０の金属部１２０の長軸に平行に延びる部分は、例えば、セラミックグリーンシートに形成した貫通孔に充填した抵抗体ペーストにより形成することができる。窒化ホウ素の割合に応じて電熱体３３０の抵抗率を調整することができる。抵抗体ペーストに、更に、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、炭酸カルシウム等を１種又は２種以上添加してもよい。これらの無機成分は、焼成中に液相又は複合酸化物相を形成し、電熱体３３０のセラミック部１１０との密着強度を向上したり、抵抗率の安定性を向上したりできる。

【0037】

第３実施形態によっても第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0038】

以上、好ましい実施形態等について詳説したが、本開示は上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

【符号の説明】

【0039】

１、２、３ 潜熱蓄熱体
１１０ セラミック部
１１３ 閉空間
１２０ 金属部
２３０、３３０ 電熱体

【図1】

【図2】

【図3】