JP7773178B2 - Latent heat storage particles, heat exchange material, and method for producing latent heat storage particles - Google Patents
Latent heat storage particles, heat exchange material, and method for producing latent heat storage particlesInfo
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Description
本発明は、潜熱蓄熱粒子、熱交換材料、および潜熱蓄熱粒子の製造方法に関する。 The present invention relates to latent heat storage particles, heat exchange materials, and methods for producing latent heat storage particles.
熱を貯蔵する方法として、温度変化を利用する顕熱蓄熱と、物質の相変化を利用する潜熱蓄熱が知られている。このうち、顕熱蓄熱技術は、高温での蓄熱が可能である反面、物質の温度変化による顕熱のみを利用するため、蓄熱密度が低いという問題があった。それに対して、潜熱蓄熱技術は、相変化物質(PCM:Phase Change Material)の固液相変化潜熱を利用するため、顕熱蓄熱技術と比べて高密度に蓄熱可能である。また、相変化温度一定で反応熱由来の排熱を回収・輸送・供給が可能な点で、太陽熱利用や排熱利用の分野で注目されている。PCMは蓄熱時に溶融して液体状となるため、液体状PCM漏出防止用としてPCMのカプセル化が必要である。PCMのカプセル化法として様々な方法がこれまでに提案されている。 Known methods for storing heat include sensible heat storage, which utilizes temperature changes, and latent heat storage, which utilizes the phase change of a substance. While sensible heat storage technology can store heat at high temperatures, it suffers from low heat storage density because it only utilizes the sensible heat generated by temperature changes in the substance. In contrast, latent heat storage technology utilizes the latent heat generated by the solid-liquid phase change of a phase change material (PCM), allowing for higher heat storage densities than sensible heat storage technology. Furthermore, its ability to recover, transport, and supply waste heat derived from reaction heat at a constant phase change temperature has attracted attention in the fields of solar thermal and waste heat utilization. Because PCM melts and becomes liquid during heat storage, it must be encapsulated to prevent leakage of the liquid PCM. Various methods for encapsulating PCM have been proposed.
例えば特許文献1には、一層、二層または三層の金属被膜を潜熱蓄熱材の表面に被覆した潜熱蓄熱カプセル、潜熱蓄熱材に電解めっき法によって金属被膜を被覆した潜熱蓄熱カプセルが提案されている。また特許文献2には、シェルで被覆されたコアを有する蓄熱マイクロカプセルにおいて、該コアが、塩水和物及び糖アルコールから選択された少なくとも1種の水溶性潜熱蓄熱材と、水溶性単官能単量体及び水溶性多官能単量体の水溶性単量体混合物より得られた重合体とを含み、該シェルが、疎水性樹脂から形成されていることを特徴とする蓄熱マイクロカプセルとその製造方法が提案されている。該技術は、融点が比較的低めであるPCMのマイクロカプセル化技術である。 For example, Patent Document 1 proposes latent heat storage capsules in which the surface of a latent heat storage material is coated with one, two, or three layers of metal film, and latent heat storage capsules in which a metal film is coated on a latent heat storage material using an electrolytic plating method. Patent Document 2 also proposes heat storage microcapsules and a method for manufacturing them, each having a core coated with a shell, in which the core contains at least one water-soluble latent heat storage material selected from salt hydrates and sugar alcohols, and a polymer obtained from a water-soluble monomer mixture of a water-soluble monofunctional monomer and a water-soluble polyfunctional monomer, and the shell is formed from a hydrophobic resin. This technology is a microencapsulation technology for PCM, which has a relatively low melting point.
特許文献3は、蓄熱性を有する物質からなる内部蓄熱体と、前記内部蓄熱体を内包し、相対密度が75%以上のセラミックスからなる外殻と、を備えた蓄熱体が提案されている。上記内部蓄熱体として、Al、Mg、Sn、Zn、及びCuからなる群より選ばれる少なくとも一種を含有する金属からなるか、K、Li、Na、Ca、及びMgからなる群より選ばれる少なくとも一種を含む、炭酸化合物、水酸化物、塩化物、又はこれらの複合物からなるものとし、外殻(カプセル)の材質を、アルミナ、窒化ケイ素、及び炭化ケイ素からなる群より選ばれる少なくとも一種、又は前記群より選ばれる少なくとも一種を含む複合物からなるものとすることが提案されている。特許文献3の技術は、融点が高温域のPCMをカプセル化した技術である。 Patent Document 3 proposes a heat storage body comprising an internal heat storage body made of a heat-storing material and an outer shell containing the internal heat storage body and made of ceramics with a relative density of 75% or more. It proposes that the internal heat storage body be made of a metal containing at least one element selected from the group consisting of Al, Mg, Sn, Zn, and Cu, or a carbonate compound, hydroxide, chloride, or composite thereof containing at least one element selected from the group consisting of K, Li, Na, Ca, and Mg, and that the outer shell (capsule) be made of at least one element selected from the group consisting of alumina, silicon nitride, and silicon carbide, or a composite containing at least one element selected from the group. The technology in Patent Document 3 encapsulates a PCM with a high melting point.
特許文献1の潜熱蓄熱カプセルは、金属製被膜の耐熱性が低いため、高温状態では金属製被膜を維持することが難しく、高温状態での使用が難しいと考えられる。また、特許文献2に記載された蓄熱マイクロカプセルは、高温且つ腐食等の生じ易い過酷な環境下で使用することが難しいと思われる。さらに特許文献3に記載された蓄熱体は、セラミックスからなる外殻を有しており、耐熱性、耐腐食性に優れていると思われるが、成型、加工が困難であると思われる。 The latent heat storage capsules in Patent Document 1 have a metal coating with low heat resistance, making it difficult to maintain the metal coating at high temperatures and therefore difficult to use in high-temperature conditions. Furthermore, the heat storage microcapsules described in Patent Document 2 are likely to be difficult to use in harsh environments where high temperatures and corrosion are likely to occur. Furthermore, the heat storage material described in Patent Document 3 has an outer shell made of ceramic, which is likely to have excellent heat resistance and corrosion resistance, but is likely to be difficult to mold and process.
上記課題に鑑みて、本発明者らは、特許文献4において、金属若しくは合金の潜熱蓄熱材料から成るコア粒子の表面が、該コア粒子の組成元素の酸化被膜で被覆された、潜熱蓄熱体マイクロカプセル、潜熱蓄熱体の製造方法、熱交換材料、および触媒機能性潜熱蓄熱体を提案している。また特許文献5で、コア部と被覆層とを備える潜熱蓄熱体であって、BET比表面積が10m2/g以上である、該潜熱蓄熱体、潜熱蓄熱体の製造方法、及び、熱交換材料を提案している。これらの技術によれば、コア粒子とこれを収容するシェルに相当する酸化被膜を別々に作製した上でシェルの内部にコア粒子を収容するという工程が不要となる。また、固相から液相に相変態した際のコア粒子の膨張が生じないため、溶解した潜熱蓄熱材料の成分は酸化被膜で覆われた空間内部に留まり、酸化被膜が損傷を受けることがない。また、上記酸化被膜は化学的に安定なものとすることができる。さらに特許文献5によれば、コア部の材料を捕捉しやすく、コア部の漏出の発生を減少させることができる。 In view of the above-mentioned problems, the present inventors have proposed in Patent Document 4 latent heat storage microcapsules, a method for manufacturing a latent heat storage, a heat exchange material, and a catalytically functional latent heat storage material, in which the surfaces of core particles made of a metal or alloy latent heat storage material are coated with an oxide film of the constituent elements of the core particles. Furthermore, Patent Document 5 proposes a latent heat storage material, a method for manufacturing a latent heat storage, and a heat exchange material, which include a core portion and a coating layer, and which have a BET specific surface area of 10 m 2 /g or more. These techniques eliminate the need for a process of separately preparing an oxide film corresponding to the core particle and the shell that contains the core particle, and then accommodating the core particle inside the shell. Furthermore, because the core particle does not expand upon transformation from a solid phase to a liquid phase, the dissolved components of the latent heat storage material remain within the space covered by the oxide film, preventing damage to the oxide film. Furthermore, the oxide film can be made chemically stable. Furthermore, according to Patent Document 5, the core material can be easily captured, and the occurrence of leakage from the core can be reduced.
特許文献4と特許文献5に示された潜熱蓄熱体の製造方法では、マイクロオーダーの潜熱蓄熱体が得られているものの、蓄熱サイクルにおける降温時に過冷却が生じやすく、PCM本来の凝固点とのズレにより正確に蓄熱温度を制御することが難しかった。本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、PCMの漏出が抑制され、熱処理後も構造の安定した潜熱蓄熱粒子であって、固液相温度ヒステリシスを制御でき、例えば上記過冷却を抑制して蓄熱温度を正確に制御することのできる、潜熱蓄熱粒子と、該潜熱蓄熱粒子で形成された熱交換材料と、上記潜熱蓄熱粒子の製造方法を提供することにある。 The methods for manufacturing latent heat storage materials shown in Patent Documents 4 and 5 produce micron-order latent heat storage materials, but they are prone to supercooling when the temperature drops during the heat storage cycle, making it difficult to accurately control the heat storage temperature due to a discrepancy with the PCM's natural freezing point. The present invention was made in light of the above circumstances, and its purpose is to provide latent heat storage particles that suppress PCM leakage and maintain a stable structure even after heat treatment, and that can control solid-liquid temperature hysteresis, for example, by suppressing supercooling and accurately controlling the heat storage temperature; a heat exchange material formed from the latent heat storage particles; and a method for manufacturing the latent heat storage particles.
本発明の態様1は、
コア粒子と、該コア粒子の表面の少なくとも一部を被覆する被覆部とを有し、
前記コア粒子の成分は、AlまたはAlを含む合金であって、前記コア粒子は、含まれるAlまたはAlを含む合金とは異なる、第1族~第15族のうちの1以上の元素をドーパントとして含み、
前記被覆部はAlを含む酸化被膜である、潜熱蓄熱粒子である。
Aspect 1 of the present invention is
A core particle and a coating portion that coats at least a portion of the surface of the core particle,
the core particle is composed of Al or an alloy containing Al, and the core particle contains one or more elements selected from Groups 1 to 15 as a dopant, the elements being different from the Al or alloy containing Al;
The coating portion is a latent heat storage particle that is an oxide film containing Al.
本発明の態様2は、
前記ドーパントは、Ti、Zr、V、B、Ni、Si、Mn、Cr、Zn、P、Fe、Co、Pb、Cu、NaおよびSrよりなる群から選択される1種以上の元素である、態様1に記載の潜熱蓄熱粒子である。
Aspect 2 of the present invention is
The latent heat storage particle according to aspect 1, wherein the dopant is one or more elements selected from the group consisting of Ti, Zr, V, B, Ni, Si, Mn, Cr, Zn, P, Fe, Co, Pb, Cu, Na, and Sr.
本発明の態様3は、
前記ドーパントは、880℃以上、1230℃以下での酸化物の標準生成自由エネルギーがAl2O3の標準生成自由エネルギーよりも高い元素である、態様1または2に記載の潜熱蓄熱粒子である。
Aspect 3 of the present invention is
In the latent heat storage particles according to aspect 1 or 2, the dopant is an element whose standard free energy of formation of an oxide at 880° C. or higher and 1230° C. or lower is higher than the standard free energy of formation of Al 2 O 3 .
本発明の態様4は、
前記コア粒子の平均粒子径は、10μm以上、200μm以下である態様1~3のいずれかに記載の潜熱蓄熱粒子である。
Aspect 4 of the present invention is
In the latent heat storage particles according to any one of Aspects 1 to 3, the average particle diameter of the core particles is 10 μm or more and 200 μm or less.
本発明の態様5は、
前記被覆部の成分は、α-Al2O3である、態様1~4のいずれかに記載の潜熱蓄熱粒子である。
Aspect 5 of the present invention is
In the latent heat storage particle according to any one of Aspects 1 to 4, the component of the coating portion is α-Al 2 O 3 .
本発明の態様6は、
態様1~5のいずれかに記載の潜熱蓄熱粒子で形成された熱交換材料である。
Aspect 6 of the present invention is
A heat exchange material formed from the latent heat storage particles according to any one of Aspects 1 to 5.
本発明の態様7は、
成分が、AlまたはAlを含む合金であるコア原料粒子と、
成分が、含まれるAlまたはAlを含む合金とは異なる、第1族~第15族のうちの1以上の元素の酸化物である子粒子とを準備すること、
前記コア原料粒子と前記子粒子を、高速気流中衝撃法で衝突させて、コア原料粒子の表面に子粒子を固着させるハイブリダイゼーションを行って、ハイブリダイゼーション処理粒子を得ること、
前記ハイブリダイゼーション処理粒子の化成被膜処理を行って、化成被膜処理粒子を得ること、および
前記化成被膜処理粒子に対し、880℃以上、1230℃以下で熱処理を行うこと
を含む、潜熱蓄熱粒子の製造方法である。
Aspect 7 of the present invention is
Core raw material particles whose component is Al or an alloy containing Al;
providing a daughter particle whose composition is an oxide of one or more elements from Groups 1 to 15, the oxide being different from the aluminum or aluminum-containing alloy contained therein;
the core material particles and the child particles are collided with each other by an impact method in a high-speed air stream to perform hybridization in which the child particles are fixed to the surfaces of the core material particles, thereby obtaining hybridization-treated particles;
The method for producing latent heat storage particles includes: performing a chemical conversion coating treatment on the hybridization treated particles to obtain chemical conversion coated particles; and performing a heat treatment on the chemical conversion coated particles at a temperature of 880°C or higher and 1230°C or lower.
本発明の態様8は、
前記ハイブリダイゼーション処理粒子の化成被膜処理をベーマイト法で行う、態様7に記載の潜熱蓄熱粒子の製造方法である。
Aspect 8 of the present invention is
Aspect 7 is a method for producing latent heat storage particles according to aspect 7, wherein the chemical conversion coating treatment of the hybridization treated particles is carried out by a boehmite method.
本発明の態様9は、
コア原料粒子と子粒子の合計に対する子粒子の割合が、0.5質量%以上、10質量%以下となるように、子粒子を配合する、態様7または8に記載の潜熱蓄熱粒子の製造方法である。
Aspect 9 of the present invention is
In the method for producing latent heat storage particles according to aspect 7 or 8, the child particles are blended so that the ratio of the child particles to the total of the core material particles and the child particles is 0.5 mass % or more and 10 mass % or less.
本発明の態様10は、
前記コア原料粒子の平均粒子径は10μm以上、200μm以下であり、
前記子粒子の平均粒子径は、0.1μm以上、2μm以下であり、
(子粒子の平均粒子径/コア原料粒子の平均粒子径)の比率は、0.001以上、0.2以下である、態様7~9のいずれかに記載の潜熱蓄熱粒子の製造方法である。
Aspect 10 of the present invention is
the average particle size of the core raw material particles is 10 μm or more and 200 μm or less,
the average particle size of the child particles is 0.1 μm or more and 2 μm or less;
A method for producing latent heat storage particles according to any one of Aspects 7 to 9, wherein the ratio of (average particle size of the child particles/average particle size of the core raw material particles) is 0.001 or more and 0.2 or less.
本発明の態様11は、
前記ハイブリダイゼーションは、40m/s以上、100m/s以下の周速度で行う、態様7~10のいずれかに記載の潜熱蓄熱粒子の製造方法である。
Aspect 11 of the present invention is
In the method for producing latent heat storage particles according to any one of Aspects 7 to 10, the hybridization is carried out at a peripheral speed of 40 m/s or more and 100 m/s or less.
本発明によれば、PCMの漏出が抑制され、熱処理後も構造の安定した潜熱蓄熱粒子であって、固液相温度ヒステリシスを制御できる、潜熱蓄熱粒子と、該潜熱蓄熱粒子で形成された熱交換材料と、上記潜熱蓄熱粒子の製造方法を提供できる。 The present invention provides latent heat storage particles that suppress PCM leakage, are structurally stable even after heat treatment, and are capable of controlling solid-liquid phase temperature hysteresis; a heat exchange material formed from the latent heat storage particles; and a method for manufacturing the latent heat storage particles.
本発明者らは鋭意検討した結果、潜熱蓄熱粒子を、コア粒子と、該コア粒子の表面の少なくとも一部を被覆する被覆部とを有し、前記コア粒子の成分が、AlまたはAlを含む合金であって、前記コア粒子が、含まれるAlまたはAlを含む合金とは異なる、第1族~第15族のうちの1以上の元素をドーパントとして含み、前記被覆部が、Alを含む酸化被膜であることで、PCMの漏出が抑制され、熱処理後も構造の安定した潜熱蓄熱粒子であって、固液相温度ヒステリシスを制御できることを見出した。また、上記潜熱蓄熱粒子を得るには、上記ドーパントの酸化物を子粒子として用意し、コア原料粒子と前記子粒子とを高速気流中衝撃法で衝突させてハイブリダイゼーションを行った後、所定の化成被膜処理と熱処理を行えばよいことを見出した。以下、本実施形態に係る潜熱蓄熱粒子、潜熱蓄熱粒子で形成された熱交換材料、および潜熱蓄熱粒子の製造方法について説明する。 After extensive research, the inventors discovered that latent heat storage particles comprise a core particle and a coating covering at least a portion of the surface of the core particle, the core particle being composed of Al or an alloy containing Al, the core particle containing one or more elements from Groups 1 to 15 as a dopant that are different from the Al or alloy containing Al, and the coating being an oxide coating containing Al, thereby suppressing PCM leakage, resulting in latent heat storage particles that are structurally stable even after heat treatment and capable of controlling solid-liquid temperature hysteresis. Furthermore, the inventors discovered that the latent heat storage particles can be obtained by preparing child particles made of an oxide of the dopant, colliding core raw material particles with the child particles using a high-velocity airflow impact method to hybridize them, and then performing a predetermined chemical conversion coating process and heat treatment. The latent heat storage particles, heat exchange materials formed from the latent heat storage particles, and a method for manufacturing the latent heat storage particles according to this embodiment are described below.
[潜熱蓄熱粒子]
〔コア粒子〕
コア粒子は、その成分が、AlまたはAlを含む合金である。Alを含む合金は、好ましくはAlを主成分として含む合金である。前記「主成分」とは、コア粒子全体に占める割合が50質量%以上であることをいう。これらの金属と合金は、固液相変化潜熱を利用できる相変化物質(PCM)であり、融解熱が例えば200J/g以上であり、高い潜熱量を確保することができる。
[Latent heat storage particles]
[Core particle]
The core particle is composed of Al or an alloy containing Al. The Al-containing alloy is preferably an alloy containing Al as the main component. The "main component" refers to a proportion of Al of 50 mass% or more of the entire core particle. These metals and alloys are phase change materials (PCMs) that can utilize the latent heat of solid-liquid phase change, and have a heat of fusion of, for example, 200 J/g or more, ensuring a high amount of latent heat.
コア粒子の成分は、後述するドーパントよりも酸化されやすい元素(例えば金属元素)を主成分として含むことが挙げられる。コア粒子の好ましい成分として、Al、またはAlとSiの合金で構成されていることが挙げられる。コア粒子の成分がAlとSiの合金の場合、Si含有量は特に限定されず、0質量%超、100質量%未満であればよい。例えばSi量は、10質量%以上、90質量%以下の範囲とすることができる。該範囲内のうち、Si含有量は、10質量%以上、25質量%以下としてもよい。 The core particle may contain, as its main component, an element (e.g., a metal element) that is more easily oxidized than the dopant described below. A preferred core particle component is Al or an alloy of Al and Si. When the core particle component is an alloy of Al and Si, the Si content is not particularly limited, and may be greater than 0% by mass and less than 100% by mass. For example, the Si amount may be in the range of 10% by mass or more and 90% by mass or less. Within this range, the Si content may also be 10% by mass or more and 25% by mass or less.
コア粒子の平均粒子径は10μm以上、200μm以下であることが好ましい。本実施形態によれば、サイズがマイクロオーダーであってコア粒子(PCM)が上記成分を有する潜熱蓄熱粒子を実現できる。上記平均粒子径は、例えば、更に100μm以下であってもよく、より更に50μm以下であってもよい。なお、本明細書で述べる「平均粒子径」とは、レーザー回折式粒度分布計(例:HORIBA LA-920)で測定したときの値である。より具体的には、レーザー回折式粒度分布計により、粒子群の体積分布を測定し、累積50体積%径の値(D50)を、平均粒子径とみなす。 The average particle diameter of the core particles is preferably 10 μm or more and 200 μm or less. According to this embodiment, latent heat storage particles can be realized in which the core particles (PCM) have the above components and are on the micron order of size. The average particle diameter may be, for example, 100 μm or less, or even 50 μm or less. Note that the "average particle diameter" referred to in this specification is a value measured using a laser diffraction particle size distribution analyzer (e.g., HORIBA LA-920). More specifically, the volume distribution of the particle group is measured using a laser diffraction particle size distribution analyzer, and the cumulative 50% volume diameter value (D50) is considered to be the average particle diameter.
〔ドーパント〕
本実施形態に係る潜熱蓄熱粒子は、コア粒子に、含まれるAlまたはAlを含む合金とは異なる、第1族~第15族のうちの1以上の元素をドーパントとして含む。このドーパントが、コア粒子に含まれ、例えば、PCMの凝固時の異質な核生成サイトとなることで、コア粒子を構成するPCMを改質でき、温度特性を変えることができる。その結果、例えば、従来の潜熱蓄熱粒子で生じていた、蓄熱サイクルにおける降温時の過冷却を抑制でき、固液相温度ヒステリシスの精密な制御が可能となる。前記ドーパントは、上記の通り、コア内に取り込まれ、例えば、PCMの凝固時の異質な核生成サイトになればよく、コア原料粒子の成分と、合金、化合物を形成する元素に限定されない。「含まれるAlまたはAlを含む合金とは異なる」とは、例えばコア粒子の成分がAl-Si合金の場合、AlとSi以外の第1族~第15族のうちの1以上の元素をいう。
[Dopant]
The latent heat storage particles according to this embodiment contain one or more dopants from Groups 1 to 15 of the core particle, which are different from the Al or Al-containing alloy contained therein. The dopants contained in the core particle, for example, serve as heterogeneous nucleation sites during solidification of the PCM, thereby modifying the PCM constituting the core particle and changing its temperature characteristics. As a result, for example, supercooling during temperature reduction in the heat storage cycle, which occurs in conventional latent heat storage particles, can be suppressed, enabling precise control of the solid-liquid temperature hysteresis. As described above, the dopant is not limited to elements that form an alloy or compound with the components of the core raw material particle, as long as it is incorporated into the core and serves as, for example, a heterogeneous nucleation site during solidification of the PCM. The phrase "different from the Al or Al-containing alloy contained therein" refers to one or more elements from Groups 1 to 15 other than Al and Si, for example, when the core particle is composed of an Al-Si alloy.
前記ドーパントとして、Ti、Zr、V、B、Ni、Si、Mn、Cr、Zn、P、Fe、Co、Pb、Cu、NaおよびSrよりなる群から選択される1種以上の元素が好ましい。潜熱蓄熱粒子の過冷却をより抑制できる観点から、より好ましくは、Ti、Zr、V、B、およびNiよりなる群から選択される1種以上の元素であり、特にはTiが好ましい。 The dopant is preferably one or more elements selected from the group consisting of Ti, Zr, V, B, Ni, Si, Mn, Cr, Zn, P, Fe, Co, Pb, Cu, Na, and Sr. From the viewpoint of further suppressing supercooling of the latent heat storage particles, one or more elements selected from the group consisting of Ti, Zr, V, B, and Ni are more preferred, with Ti being particularly preferred.
前記ドーパントは、880℃以上、1230℃以下での酸化物の標準生成自由エネルギーがAl2O3の標準生成自由エネルギーよりも高い元素であることが好ましい。該元素であれば、熱処理時に、ドーパントの原料である酸化物の子粒子が、コア原料粒子中のAlによって容易に還元されて、コア粒子内にドーパントが取り込まれやすくなるため好ましい。なお、Al2O3の標準生成自由エネルギーΔG0は、下記Alの酸化反応において、下記式(1)の通り表され、式(1)中のTは温度(℃)を示す。
4/3Al(l)+O2(g)=2/3Al2O3(s)
ΔG0=-1126890+218.81T(J)・・・(1)
The dopant is preferably an element whose standard free energy of formation of oxide at 880° C or higher and 1230°C or lower is higher than the standard free energy of formation of Al2O3 . Such an element is preferable because during heat treatment, the child particles of the oxide, which is the raw material for the dopant, are easily reduced by Al in the core raw particle, making it easier for the dopant to be incorporated into the core particle. The standard free energy of formation ΔG0 of Al2O3 is expressed by the following formula (1) in the oxidation reaction of Al below, where T in formula (1) represents temperature (°C).
4/3Al(l)+ O2 (g)=2/ 3Al2O3 ( s )
ΔG 0 =-1126890+218.81T(J)...(1)
潜熱蓄熱粒子に含まれるドーパントの含有量は、例えば、0質量%超、5質量%以下の範囲内であって、添加した子粒子の割合以下でありうる。 The content of dopant contained in the latent heat storage particles can be, for example, in the range of more than 0% by mass and not more than 5% by mass, which is less than the proportion of the added child particles.
潜熱蓄熱粒子に含まれるドーパントは、潜熱蓄熱粒子の断面のEDS分析(エネルギー分散型X線分光分析)を行うことで確認できる。コア粒子内部のドーパントは、コア粒子の成分との化合物として存在しうる。この様に化合物を形成してドーパントとコア粒子の成分が接することで、ヒステリシス温度をより制御しやすいと考える。ドーパントが被覆部の内部や外側に位置する場合は、ドーパントを含むことによる効果がなくヒステリシス温度制御ができないと考えられる。 The dopant contained in the latent heat storage particles can be confirmed by EDS analysis (energy dispersive X-ray spectroscopy) of the cross section of the latent heat storage particles. The dopant inside the core particle can exist as a compound with the components of the core particle. It is believed that by forming a compound in this way and bringing the dopant and core particle components into contact, it becomes easier to control the hysteresis temperature. If the dopant is located inside or outside the coating, it is believed that there is no effect from including the dopant and that hysteresis temperature cannot be controlled.
〔被覆部〕
前記被覆部はAlを含む酸化被膜である。前記Alを含む酸化被膜として、例えば、α-Al2O3、または、α-Al2O3およびθ-Al2O3でありうる。
[Covering part]
The coating portion is an oxide film containing Al. The oxide film containing Al may be, for example, α-Al 2 O 3 , or α-Al 2 O 3 and θ-Al 2 O 3 .
本実施形態に係る潜熱蓄熱粒子の被覆部は、厚みが200nm~3μmの範囲でありうる。被覆部は、例えば厚みが1~2μmの被覆層でありうる。 The coating portion of the latent heat storage particles according to this embodiment may have a thickness in the range of 200 nm to 3 μm. The coating portion may be, for example, a coating layer with a thickness of 1 to 2 μm.
本実施形態に係る潜熱蓄熱粒子の被覆部は、コア粒子の表面の少なくとも一部を被覆していればよい。コア粒子の表面に占める被覆部の被覆率は、50面積%以上であることが好ましい。前記被覆率は、より好ましくは70面積%以上、更に好ましくは80面積%以上、より更に好ましくは90面積%以上であり、最も好ましくは100面積%である。 The coating portion of the latent heat storage particles according to this embodiment only needs to cover at least a portion of the surface of the core particle. The coverage of the surface of the core particle by the coating portion is preferably 50 area% or more. This coverage is more preferably 70 area% or more, even more preferably 80 area% or more, even more preferably 90 area% or more, and most preferably 100 area%.
(潜熱蓄熱粒子で形成された熱交換材料)
本実施形態に係る潜熱蓄熱粒子で形成された熱交換材料が含まれる。熱交換材料として、本実施形態に係る潜熱蓄熱粒子が熱交換材料の少なくとも一部を構成すればよく、例えば熱性母材中に分散して含有させる態様、多孔質材料中に分散して担持させる態様が挙げられる。熱交換材料の例としては、蓄熱レンガ、蓄熱用セラミックスボール、多孔質セラミックスフィルタ等が挙げられるがこれらに限定されない。
(Heat exchange material formed from latent heat storage particles)
The latent heat storage particles according to the present embodiment may be used as a heat exchange material, as long as the latent heat storage particles according to the present embodiment constitute at least a part of the heat exchange material. For example, the latent heat storage particles according to the present embodiment may be dispersed and contained in a thermal matrix, or dispersed and supported in a porous material. Examples of heat exchange materials include, but are not limited to, heat storage bricks, heat storage ceramic balls, and porous ceramic filters.
[潜熱蓄熱粒子の製造方法]
本実施形態に係る潜熱蓄熱粒子の製造方法は、
(i)成分がAlまたはAlを含む合金であるコア原料粒子と、成分が、含まれるAlまたはAlを含む合金とは異なる、第1族~第15族のうちの1以上の元素の酸化物である子粒子とを準備すること、
(ii)前記コア原料粒子と前記子粒子を、高速気流中衝撃法で衝突させて、コア原料粒子の表面に子粒子を固着させるハイブリダイゼーションを行って、ハイブリダイゼーション処理粒子を得ること、
(iii)前記ハイブリダイゼーション処理粒子の化成被膜処理を行って、化成被膜処理粒子を得ること、および
(iv)前記化成被膜処理粒子に対し、880℃以上、1230℃以下で熱処理を行うこと
を含む。
[Method of manufacturing latent heat storage particles]
The method for producing latent heat storage particles according to this embodiment includes the steps of:
(i) preparing a core raw material particle whose component is Al or an alloy containing Al, and a child particle whose component is an oxide of one or more elements from Groups 1 to 15 that is different from the Al or alloy containing Al contained therein;
(ii) subjecting the core material particles and the child particles to collision in a high-speed airflow impact method to hybridization in which the child particles are fixed to the surfaces of the core material particles, thereby obtaining hybridization-treated particles;
(iii) performing a chemical conversion coating treatment on the hybridization-treated particles to obtain chemically coated particles; and (iv) performing a heat treatment on the chemically coated particles at a temperature of 880°C or higher and 1230°C or lower.
前記製造方法により、ドーパントがコア粒子に導入される過程について、模式図を用いて説明するが、本実施形態に係る製造方法はこれに限定されない。また、本実施形態に係る潜熱蓄熱粒子は、その製造方法が模式図に示された方法に限定されず、他の方法によっても製造することができる。 The process by which dopants are introduced into core particles using the above-mentioned manufacturing method is explained using a schematic diagram, but the manufacturing method according to this embodiment is not limited to this. Furthermore, the manufacturing method for the latent heat storage particles according to this embodiment is not limited to the method shown in the schematic diagram, and they can also be manufactured by other methods.
図1は、ドーパント21としてTiがコア粒子22(主成分がAl)に導入された潜熱蓄熱粒子10Aの製造過程を説明した模式図である。なお図1では、容易に理解できるように、子粒子などの各構成が実際のサイズ・量と異なっている点に留意されたい。潜熱蓄熱粒子の製造では、まず、原料粒子として、コア原料粒子とドーパント挿入のための子粒子を準備し、図1(a)に示す通り、高速気流中衝撃法により、コア原料粒子8に子粒子(TiO2粒子)9Aを衝突させて、図1(b)の通り、コア原料粒子8の表面に子粒子(TiO2粒子)9Aを固着させた、ハイブリダイゼーション処理粒子25を得る。次いで、前記ハイブリダイゼーション処理粒子25の化成被膜処理を行って、図1(c)の通り、コア原料粒子8の表面に化成処理被膜24の形成された化成被膜処理粒子26を得る。次いで、前記化成被膜処理粒子26に対し、熱処理を行う。図1(d)は熱処理初期の段階での粒子を示した図であり、破線部分は、粒子の一部の表面近傍の拡大断面模式図である。この図1(d)の拡大断面模式図に示す通り、熱処理において、コア原料粒子8の表面に存在する子粒子(TiO2粒子)9Aの成分TiO2が、コア原料粒子8を構成する成分Alにより還元されることによって得られたTiが、コア原料粒子に取り込まれると考えられる。そしてその結果、図1(e)に示される通り、コア粒子22内にドーパント21としてTiが存在し、コア粒子の成分Alの酸化被膜23であるα-Al2O3膜で被覆された潜熱蓄熱粒子10Aが得られると考えられる。以下では、各工程について詳述する。 FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the manufacturing process of latent heat storage particles 10A in which Ti is introduced as a dopant 21 into core particles 22 (mainly composed of Al). Please note that in FIG. 1 , the components, such as the child particles, are depicted differently from their actual sizes and amounts for easier understanding. In manufacturing latent heat storage particles, core raw material particles and child particles for dopant insertion are first prepared as raw material particles. As shown in FIG. 1( a), a high-velocity airflow impact method is used to collide child particles (TiO 2 particles) 9A with core raw material particles 8, resulting in hybridization-treated particles 25 in which child particles (TiO 2 particles) 9A are fixed to the surfaces of core raw material particles 8, as shown in FIG. 1( b). Next, the hybridization-treated particles 25 are subjected to a chemical conversion coating treatment to obtain chemically coated particles 26 in which a chemical conversion coating 24 is formed on the surfaces of core raw material particles 8, as shown in FIG. 1( c). The chemical conversion-coated particles 26 are then heat-treated. Figure 1(d) is a diagram showing a particle at an early stage of heat treatment, and the dashed line portion is an enlarged cross-sectional schematic diagram of a portion of the particle near its surface. As shown in this enlarged cross-sectional schematic diagram in Figure 1(d), during heat treatment, it is believed that the TiO2 component of the child particles (TiO2 particles) 9A present on the surface of the core raw particle 8 is reduced by the Al component constituting the core raw particle 8, and the resulting Ti is incorporated into the core raw particle. As a result, as shown in Figure 1(e), it is believed that latent heat storage particles 10A are obtained in which Ti is present as a dopant 21 within the core particle 22 and is coated with an α- Al2O3 film, which is an oxide film 23 of the Al component of the core particle. Each step is described in detail below.
(i)原料粒子の準備
原料粒子として、コア原料粒子と、ドーパント挿入のための子粒子を準備する。コア原料粒子は、所望の潜熱蓄熱粒子のコア粒子に対応させて、例えば平均粒子径が10μm以上、200μm以下の粒子を用意することが挙げられる。上記平均粒子径は、例えば、更に100μm以下であってもよく、より更に50μm以下であってもよい。また子粒子の平均粒子径は、0.1μm以上、2μm以下であって、(子粒子の平均粒子径/コア原料粒子の平均粒子径)の比率は、0.001以上、0.2以下であることが好ましい。前記子粒子の平均粒子径は、更に1.0μm以下、より更には0.4μm以下であってもよい。コア原料粒子の成分は、潜熱蓄熱粒子のコア粒子の成分と同じであり、前記潜熱蓄熱粒子のコア粒子の成分について述べた通りである。
(i) Preparation of Raw Material Particles As raw material particles, core raw material particles and child particles for dopant insertion are prepared. The core raw material particles may be prepared to correspond to the core particles of the desired latent heat storage particles, for example, particles having an average particle diameter of 10 μm or more and 200 μm or less. The average particle diameter may be, for example, 100 μm or less, or even 50 μm or less. Furthermore, it is preferable that the average particle diameter of the child particles is 0.1 μm or more and 2 μm or less, and the ratio (average particle diameter of child particles/average particle diameter of core raw material particles) is 0.001 or more and 0.2 or less. The average particle diameter of the child particles may be 1.0 μm or less, or even 0.4 μm or less. The components of the core raw material particles are the same as those of the core particles of the latent heat storage particles, and are as described above for the components of the core particles of the latent heat storage particles.
子粒子の成分は、含まれるAlまたはAlを含む合金とは異なる、第1族~第15族のうちの1以上の元素の酸化物である。前記酸化物を構成する好ましい元素は、前記潜熱蓄熱粒子のドーパントで述べた通りであり、子粒子の成分は、Ti、Zr、V、B、Ni、Si、Mn、Cr、Zn、P、Fe、Co、Pb、Cu、NaおよびSrよりなる群から選択される1種以上の元素の酸化物であることが好ましい。より好ましくは、Ti、Zr、V、B、およびNiよりなる群から選択される1種以上の元素の酸化物であり、特にはTiO2などのTi酸化物が好ましい。 The component of the child particles is an oxide of one or more elements from Groups 1 to 15 that is different from the Al or Al-containing alloy contained therein. Preferred elements constituting the oxide are as described above for the dopant of the latent heat storage particles, and the component of the child particles is preferably an oxide of one or more elements selected from the group consisting of Ti, Zr, V, B, Ni, Si, Mn, Cr, Zn, P, Fe, Co, Pb, Cu, Na, and Sr. More preferably, the component is an oxide of one or more elements selected from the group consisting of Ti, Zr, V, B, and Ni, and in particular, a Ti oxide such as TiO2 is preferred.
装置に投入するコア原料粒子と子粒子の配合比率として、(コア原料粒子+子粒子)に対する子粒子の割合が、0.5質量%以上、10質量%以下の範囲とすることが挙げられる。前記割合は、好ましくは1.0質量%以上である。また前記割合は、後述する化成被膜処理を促進させる観点から、好ましくは8質量%以下、より好ましくは7質量%以下、更に好ましくは5質量%以下である。前記割合は、例えば1.0質量%以上、5質量%以下の範囲であることが好ましい。 The blending ratio of core raw material particles to child particles fed into the device can be set such that the ratio of child particles to (core raw material particles + child particles) is in the range of 0.5% by mass or more and 10% by mass or less. This ratio is preferably 1.0% by mass or more. Furthermore, from the perspective of facilitating the chemical conversion coating process described below, this ratio is preferably 8% by mass or less, more preferably 7% by mass or less, and even more preferably 5% by mass or less. For example, this ratio is preferably in the range of 1.0% by mass or more and 5% by mass or less.
(ii)高速気流中衝撃法によるコア原料粒子と子粒子のハイブリダイゼーション
本実施形態では、コア原料粒子と被覆部を形成するための子粒子とを用い、高速気流中衝撃法で、コア原料粒子の表面に子粒子を機械的に打ち付け、乾式の機械的方法で、コア原料粒子の表面に子粒子が固着した、ハイブリダイゼーション処理粒子を得る。前記「固着」には、子粒子の形状変化等により物理的に接着することの他、コア原料粒子と子粒子との化学反応により接着することも含まれる。子粒子の固着の程度は限定されず、コア粒子の表面の少なくとも一部が被覆されていればよい。
(ii) Hybridization of Core Raw Particles and Daughter Particles by High-Velocity Air Impact Method In this embodiment, core raw particles and daughter particles for forming coating portions are used, and the daughter particles are mechanically struck against the surfaces of the core raw particles by high-velocity air impact method. A dry mechanical method is used to obtain hybridized particles in which the daughter particles are adhered to the surfaces of the core raw particles. The "adhesion" mentioned above includes physical adhesion due to changes in the shape of the daughter particles, as well as adhesion due to a chemical reaction between the core raw particles and the daughter particles. The degree of adhesion of the daughter particles is not limited, as long as at least a portion of the surface of the core particle is coated.
以下、本実施形態に係る製造方法で使用する高速気流中衝撃法について、図2の高速気流中衝撃装置を用いたときの実施形態を説明するが、本発明はかかる実施形態に限定されない。 The following describes an embodiment of the high-velocity airflow impact method used in the manufacturing method according to this embodiment, using the high-velocity airflow impact device shown in Figure 2, but the present invention is not limited to this embodiment.
図2は、高速気流中衝撃法によるハイブリダイゼーションを実施するための、高速気流中衝撃装置100の模式断面図である。高速気流中衝撃装置100は、原料粒子投入口1、高速回転するローター2、ブレード3、ステーター4、循環回路5、排出弁6、排出口7を備えている。 Figure 2 is a schematic cross-sectional view of a high-velocity airflow impact device 100 for performing hybridization using the high-velocity airflow impact method. The high-velocity airflow impact device 100 is equipped with a raw material particle inlet 1, a high-speed rotating rotor 2, blades 3, a stator 4, a circulation circuit 5, a discharge valve 6, and a discharge port 7.
高速気流中衝撃法では、まず、粉体であるコア原料粒子8と、微粉体である子粒子9が、試料投入口1から衝撃室へ供給され、ローター2の回転により衝撃室中のコア原料粒子8と子粒子9が、高速で衝撃室内を回転しながら飛散し、その間に、コア原料粒子8の表面に子粒子9が衝突する。一部の原料粒子は、この衝突室と接続された循環回路5の一方の接続口から管内に入り循環した後、他方の接続口から再び衝突室内に導入される。この循環回路5により、コア原料粒子8と子粒子9の衝突処理を繰り返し行うことができる。このようにして回転による衝突を一定時間続けることで、コア原料粒子8の表面に、子粒子9が固着し、更には子粒子9が変形等することによって形成された、潜熱蓄熱粒子10が得られる。コア原料粒子8と子粒子9の衝突中は排出弁6により排出口7への導入路が閉じられているが、一定時間後、得られた潜熱蓄熱粒子10は、排出弁6を移動させることにより開通した排出口7への導入路を通って、排出口7から装置外に排出される。図示していないが、衝突室内が高温とならないように、冷却水の通路を設け、冷却水を流して冷却しながら衝突処理を行ってもよい。 In the high-velocity airflow impact method, core raw material particles 8, which are powder, and child particles 9, which are fine powder, are first supplied to the impact chamber through the sample inlet 1. As the rotor 2 rotates, the core raw material particles 8 and child particles 9 in the impact chamber are scattered while rotating at high speed within the chamber, during which the child particles 9 collide with the surfaces of the core raw material particles 8. Some of the raw material particles enter one connection port of the circulation circuit 5 connected to the collision chamber and circulate, before being introduced back into the collision chamber through the other connection port. This circulation circuit 5 allows repeated collisions between the core raw material particles 8 and child particles 9. By continuing this rotational collision for a certain period of time, the child particles 9 adhere to the surfaces of the core raw material particles 8, and the child particles 9 are further deformed to form latent heat storage particles 10. During the collision between the core raw material particles 8 and the child particles 9, the inlet path to the outlet 7 is closed by the discharge valve 6, but after a certain time, the resulting latent heat storage particles 10 are discharged from the outlet 7 to the outside of the device through the inlet path to the outlet 7, which is opened by moving the discharge valve 6. Although not shown, a cooling water passage may be provided to prevent the inside of the collision chamber from becoming too hot, and the collision process may be carried out while cooling by flowing cooling water.
上記装置におけるローター2の周速度は、例えば40m/s以上、100m/s以下の範囲とすることが挙げられる。処理時間は、処理量にもよるが、例えば1~20分の範囲とすることができる。処理温度は例えば室温から70℃までの範囲とすることができ、更には室温から50℃までの範囲とすることができる。衝突室の圧力、雰囲気は特に限定されない。衝突室の雰囲気は、例えばAr雰囲気などの不活性ガス雰囲気とすることができる。 The peripheral speed of the rotor 2 in the above-mentioned device can be, for example, in the range of 40 m/s or more and 100 m/s or less. The processing time depends on the processing amount, but can be, for example, in the range of 1 to 20 minutes. The processing temperature can be, for example, in the range of room temperature to 70°C, or even in the range of room temperature to 50°C. The pressure and atmosphere of the collision chamber are not particularly limited. The atmosphere of the collision chamber can be, for example, an inert gas atmosphere such as an Ar atmosphere.
(iii)化成被膜処理
ハイブリダイゼーション処理粒子の化成被膜処理を行う。これにより、表面に、コア原料粒子の組成元素を含む化成処理被膜を有する、化成被膜処理粒子を得る。化成被膜処理は、AlまたはAl合金の表面を酸化させて緻密なAl酸化物またはAl水酸化物の被膜を作る方法であればよく、その方法は限定されない。化成被膜処理法として、例えば、ベーマイト法、リン酸クロメート処理法、クロム酸クロメート処理法、リン酸亜鉛処理法などが挙げられる。好ましくはベーマイト法である。
(iii) Chemical Conversion Coating The hybridization-treated particles are subjected to a chemical conversion coating treatment. This results in chemically coated particles having a chemical conversion coating on their surfaces that contains the constituent elements of the core raw material particles. The chemical conversion coating treatment is not limited to any particular method, as long as it oxidizes the surface of Al or an Al alloy to form a dense Al oxide or Al hydroxide coating. Examples of chemical conversion coating methods include the boehmite method, phosphate chromate treatment, chromate chromate treatment, and zinc phosphate treatment. The boehmite method is preferred.
ベーマイト法は、「JIS H 0201:1998 アルミニウム表面処理用語」に規定される処理であり、高温の蒸留水中又は弱アルカリ水溶液中でアルミニウムの表面に被膜を形成する方法である。ベーマイト処理の溶液のpH値が高くなるにつれて得られるAl酸化被膜は良質となる傾向が確認され、特に、6.0以上で9.0未満の範囲に設定することが好ましく、7.0~8.5がより好ましく、最も好ましくは8である。ベーマイト処理の条件として、80℃~100℃の温度、0.25~3時間の条件で、コア粒子を処理することができる。好ましくは攪拌しながら処理することである。 The boehmite method is a treatment defined in "JIS H 0201:1998 Terminology for Aluminum Surface Treatment," in which a coating is formed on the surface of aluminum in high-temperature distilled water or a weak alkaline aqueous solution. It has been confirmed that the higher the pH value of the boehmite treatment solution, the better the quality of the resulting Al oxide coating. It is particularly preferable to set the pH value in the range of 6.0 or higher but less than 9.0, more preferably 7.0 to 8.5, and most preferably 8. The core particles can be treated with boehmite treatment at a temperature of 80°C to 100°C for 0.25 to 3 hours. Treatment is preferably performed while stirring.
(iv)熱処理(か焼)
化成被膜処理粒子の熱処理を行う。これにより、化成被膜処理粒子の化成処理被膜を酸化し、被覆部として酸化被膜を形成できる。熱処理の温度は、例えばコア原料粒子を構成する金属(合金を含む)の融点よりも高い温度で実行することが挙げられ、例えば700℃以上、1300℃以下で加熱することが挙げられる。熱処理により形成されるアルミニウム酸化膜は、概ね800℃以下の比較的低温ではγ-Al2O3の結晶形をとり、化学的に安定とされるα-Al2O3膜は概ね880℃以上の比較的高温で得られる。例えば化学的に安定なα-Al2O3膜を得るには、熱処理の温度を880℃以上、1230℃以下とすることが好ましい。熱処理の温度は、900℃以上、1230℃以下の温度で行うことがより好ましい。
(iv) Heat treatment (calcination)
The chemically coated particles are heat-treated. This oxidizes the chemical conversion coating of the chemically coated particles, forming an oxide coating as the coating portion. The heat treatment temperature can be, for example, higher than the melting point of the metal (including alloy) that constitutes the core raw particle, for example, heating at 700°C or higher and 1300°C or lower. The aluminum oxide film formed by the heat treatment takes the γ-Al 2 O 3 crystal form at relatively low temperatures of approximately 800°C or lower, while a chemically stable α-Al 2 O 3 film is obtained at relatively high temperatures of approximately 880°C or higher. For example, to obtain a chemically stable α-Al 2 O 3 film, the heat treatment temperature is preferably 880°C or higher and 1230°C or lower. The heat treatment temperature is more preferably 900°C or higher and 1230°C or lower.
熱処理の雰囲気は、特に限定されない。例えば、大気雰囲気、または熱処理炉へ酸素ガスを供給して酸素雰囲気とすることなどが挙げられる。ヒータにより炉内の温度を高め、試料の温度が所定の温度に達した時点から、例えば1時間~5時間の熱処理(酸化処理)を施して、熱処理後の潜熱蓄熱粒子を得ることができる。熱処理の方法は、上記化成被膜処理粒子を、例えば、坩堝内に充填し、この坩堝を挿入棒の先端に設けられた熱電対の上部に載置し、ヒータを備えた熱処理炉内にセットして行うことがあげられる。 The atmosphere for the heat treatment is not particularly limited. Examples include air, or supplying oxygen gas to a heat treatment furnace to create an oxygen atmosphere. The temperature inside the furnace is increased using a heater, and once the sample temperature reaches a predetermined temperature, heat treatment (oxidation treatment) is carried out for, for example, 1 to 5 hours to obtain heat-treated latent heat storage particles. Heat treatment can be carried out, for example, by filling a crucible with the chemically coated particles, placing the crucible on top of a thermocouple attached to the tip of an insertion rod, and setting it in a heat treatment furnace equipped with a heater.
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、前述および後述する趣旨に合致し得る範囲で、適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention will be explained in more detail below using examples. The present invention is not limited to the following examples, and appropriate modifications can be made within the scope of the above-mentioned and below-mentioned aims, and all such modifications are within the technical scope of the present invention.
本実施例では、平均粒子径が20~37μmであって成分がSiを25質量%含むAl合金(Al-25mass%Si)のコア原料粒子と、平均粒子径が0.5μmであって成分がTiO2の子粒子を用意し、これらの配合の割合を、コア原料粒子と子粒子の合計に対する子粒子の割合が表1に示す通り、1質量%、3質量%、または5質量%となるようにした。そして、株式会社 奈良機械製作所社製の高速気流中衝撃装置を用い、表1に示す周速度と処理時間の条件で、高速気流中衝撃法により、前記コア原料粒子に前記子粒子を衝突させる処理を行い、ハイブリダイゼーション処理粒子を得た。 In this example, core raw material particles of an Al alloy (Al-25 mass%Si) containing 25% Si by mass and having an average particle size of 20 to 37 μm, and child particles of TiO2 having an average particle size of 0.5 μm were prepared, and the ratio of the child particles to the total of the core raw material particles and child particles was 1%, 3%, or 5% by mass, as shown in Table 1. Then, using a high-speed airflow impact device manufactured by Nara Machinery Works, Ltd., a process was carried out in which the child particles were collided with the core raw material particles by the high-speed airflow impact method under the conditions of the peripheral velocity and treatment time shown in Table 1, to obtain hybridization-treated particles.
次いで、ハイブリダイゼーション処理粒子を、蒸留水を入れたビーカ内に充填し、ホットプレートで蒸留水を100℃に加熱し、攪拌棒で攪拌しながら3時間、ハイブリダイゼーション処理粒子の表面のベーマイト処理を行って化成被膜処理粒子を得た。 Next, the hybridization-treated particles were placed in a beaker containing distilled water, and the distilled water was heated to 100°C on a hot plate. The surfaces of the hybridization-treated particles were treated with boehmite for 3 hours while stirring with a stirring rod, yielding chemically coated particles.
その後、化成被膜処理粒子を坩堝内に充填し、この坩堝を挿入棒の先端に設けられた熱電対の上部に載置し、ヒータを備えた熱処理炉内にセットした。この熱処理炉において、大気雰囲気中、または酸素ガスが熱処理炉のガス導入口から供給され、排ガスがガス排出口から外部へと導かれることで形成される酸素雰囲気中で、化成被膜処理粒子の温度を徐々に上げ、試料が1000℃に達した時点から3時間の熱処理(酸化処理)を施し、化成被膜処理粒子の表面にα-Al2O3膜の形成された試料を得た。 The chemically coated particles were then loaded into a crucible, which was then placed on top of a thermocouple attached to the tip of an insertion rod and placed in a heat treatment furnace equipped with a heater. In this heat treatment furnace, the temperature of the chemically coated particles was gradually increased in the air or in an oxygen atmosphere formed by supplying oxygen gas through a gas inlet of the heat treatment furnace and guiding exhaust gas to the outside through a gas outlet. Once the temperature of the chemically coated particles reached 1000°C, they were subjected to heat treatment (oxidation treatment) for 3 hours, yielding samples with an α- Al2O3 film formed on the surface of the chemically coated particles .
(SEM観察)
実施例1~3における、ハイブリダイゼーション処理粒子の外観をSEM(JEOL,JSM-7001FA)で観察し、かつEDS分析を行って、子粒子の配合比の違いがハイブリダイゼーションでの子粒子の固着の程度に及ぼす影響を確認した。その結果を図3に示す。図3の下段がEDS分析結果であって、Tiの存在がグレーで示される。図3から、子粒子の固着量(グレー部分の占める割合)は子粒子の配合比に応じて異なるものの、いずれの配合比においても、コア原料粒子の表面にほぼ均一に子粒子が固着していることがわかった。
(SEM observation)
The appearance of the hybridization-treated particles in Examples 1 to 3 was observed with an SEM (JEOL, JSM-7001FA) and EDS analysis was also performed to confirm the effect of differences in the compounding ratio of the daughter particles on the degree of adhesion of the daughter particles during hybridization. The results are shown in Figure 3. The bottom part of Figure 3 shows the results of the EDS analysis, with the presence of Ti indicated in gray. Figure 3 shows that although the amount of adhered daughter particles (the proportion occupied by the gray area) differed depending on the compounding ratio of the daughter particles, the daughter particles were almost uniformly adhered to the surface of the core raw material particle at all compounding ratios.
次に、実施例1と実施例2の試料(潜熱蓄熱粒子)の製造において得られた、ハイブリダイゼーション処理粒子、化成被膜処理粒子、および試料(潜熱蓄熱粒子、熱処理:大気)のSEM観察を行った。その結果を、実施例1(子粒子の配合比が1質量%)については図4、実施例2(子粒子の配合比が3質量%)については図5に示す。図4および図5から、化成被膜処理粒子はいずれもベーマイトシェルに特有の花弁状組織を有することを確認した。またいずれの試料も、Al-25mass%Siの融点以上で熱処理した後も、PCMの漏出はなく球形を維持でき、マイクロカプセル化を達成できたことを確認した。 Next, SEM observations were performed on the hybridization-treated particles, chemically coated particles, and sample (latent heat storage particles, heat treatment: air) obtained in the production of the samples (latent heat storage particles) of Examples 1 and 2. The results are shown in Figure 4 for Example 1 (child particle blend ratio: 1 mass%) and Figure 5 for Example 2 (child particle blend ratio: 3 mass%). Figures 4 and 5 confirm that all chemically coated particles have a petal-like structure characteristic of the boehmite shell. Furthermore, all samples maintained their spherical shape without PCM leakage, even after heat treatment at or above the melting point of Al-25 mass% Si, confirming that microencapsulation was achieved.
(XRD測定)
実施例1(子粒子の配合比を1質量%)で製造した、ハイブリダイゼーション処理粒子、ハイブリダイゼーション処理粒子に化成被膜処理して得られた化成被膜処理粒子、および化成被膜処理粒子に熱処理を施して得られた試料(潜熱蓄熱粒子、熱処理:大気)のXRD測定を、以下の条件下で行った。その結果を図6に示す。図6から、ハイブリダイゼーション処理粒子と化成被膜処理粒子の主要なピークはAl、Siであり、試料(潜熱蓄熱粒子)の主要なピークはAl、Siおよびα-Al2O3であり、ごく少量を添加したTiO2、または該TiO2由来のTiまでは検出されなかった。
(測定条件)
・X線回折装置:X線回折装置 XRD Rigaku MiniFlex600 X線源:Cu線
・検出器:高速1次元検出器D/teX Ultra2
・管電圧:40kV
・管電流:15mA
・スキャンスピード:1.0°/min
・ステップ:0.01°
(XRD measurement)
XRD measurements were performed under the following conditions on the hybridization-treated particles produced in Example 1 (the blending ratio of daughter particles was 1% by mass), the chemical conversion coated particles obtained by chemically coating the hybridization-treated particles, and the sample obtained by heat treating the chemical conversion coated particles (latent heat storage particles, heat treatment: air). The results are shown in Figure 6. As can be seen from Figure 6, the main peaks of the hybridization-treated particles and the chemical conversion coated particles were Al and Si, while the main peaks of the sample (latent heat storage particles) were Al, Si, and α-Al 2 O 3 , and even the very small amount of added TiO 2 or Ti derived from the TiO 2 was not detected.
(Measurement conditions)
X-ray diffractometer: X-ray diffractometer XRD Rigaku MiniFlex600 X-ray source: Cu ray Detector: High-speed one-dimensional detector D/teX Ultra2
Tube voltage: 40 kV
・Tube current: 15mA
Scan speed: 1.0°/min
Step: 0.01°
(示差走査熱量測定(DSC))
実施例1~3において大気雰囲気と酸素雰囲気のそれぞれ熱処理した試料を用い、示差走査熱量測定装置(Mettler Toledo社製、型番:823e)を使用し、アルミナパンを用いて、Ar雰囲気下、800℃から400℃へ降温速度5K/minの条件で、降温時(放熱側)の示差走査熱量測定を行い、DSC曲線を得た。その結果を図7と表2に示す。図7および表2から、TiO2を添加して製造した試料の発熱ピークはいずれも、TiO2を添加せずに製造した試料よりも高温側にシフトした。このことから、得られた潜熱蓄熱粒子では、従来の潜熱蓄熱粒子の放熱時に生じていた過冷却が抑制されたといえる。
Differential Scanning Calorimetry (DSC)
Using the samples heat-treated in air and oxygen atmospheres in Examples 1 to 3, a differential scanning calorimeter (Mettler Toledo, model number: 823e) was used. Using an alumina pan, differential scanning calorimetry was performed during temperature drop (heat dissipation side) under an Ar atmosphere at a temperature drop rate of 5 K/min from 800°C to 400°C, and a DSC curve was obtained. The results are shown in Figure 7 and Table 2. As can be seen from Figure 7 and Table 2, the exothermic peaks of the samples produced with TiO2 added were all shifted to higher temperatures than the samples produced without TiO2 . This suggests that the resulting latent heat storage particles suppressed the supercooling that occurred during heat dissipation in conventional latent heat storage particles.
以上の結果から、ごく少量のTiO2を用い、本実施形態に係る方法によってTiをコア粒子に組み込むことができ、更に、コア粒子に組み込まれた、XRD測定では確認の難しい、ごく少量のTiがドーパントとして作用し、潜熱蓄熱粒子の性質を改質することができた。これにより、例えば潜熱蓄熱粒子の凝固点を高めて、過冷却を抑制できるなど、固液相温度のヒステリシスを精密に制御可能となった。 From the above results, it is possible to incorporate Ti into the core particles using a very small amount of TiO2 by the method according to this embodiment, and furthermore, the very small amount of Ti incorporated into the core particles, which is difficult to confirm by XRD measurement, acts as a dopant and can modify the properties of the latent heat storage particles. This makes it possible to precisely control the hysteresis of the solid-liquid phase temperature, for example, by increasing the freezing point of the latent heat storage particles and suppressing supercooling.
1 原料粒子投入口
2 ローター
3 ブレード
4 ステーター
5 循環回路
6 排出弁
7 排出口
8 コア原料粒子
9、9A 子粒子
10、10A 潜熱蓄熱粒子
21 ドーパント
22 コア粒子
23 酸化被膜
24 化成処理被膜
25 ハイブリダイゼーション処理粒子
26 化成被膜処理粒子
100 高速気流中衝撃装置
REFERENCE SIGNS LIST 1 Raw material particle inlet 2 Rotor 3 Blades 4 Stator 5 Circulation circuit 6 Discharge valve 7 Discharge port 8 Core raw material particle 9, 9A Child particle 10, 10A Latent heat storage particle 21 Dopant 22 Core particle 23 Oxide film 24 Chemical conversion coating 25 Hybridization treated particle 26 Chemical conversion coated particle 100 High-speed airflow impact device
Claims (10)
前記コア粒子の成分は、AlまたはAlを含む合金であって、前記コア粒子は、含まれるAlまたはAlを含む合金とは異なる、第1族~第15族のうちの1以上の元素をドーパントとして含み、前記ドーパントは、880℃以上、1230℃以下での酸化物の標準生成自由エネルギーがAl 2 O 3 の標準生成自由エネルギーよりも高い元素であり、
前記被覆部はAlを含む酸化被膜である、潜熱蓄熱粒子。 A core particle and a coating portion that coats at least a portion of the surface of the core particle,
the core particle is composed of Al or an alloy containing Al, and the core particle contains one or more elements selected from Groups 1 to 15 as a dopant, which are different from the Al or alloy containing Al contained therein, and the dopant is an element whose standard free energy of formation of an oxide at 880°C or higher and 1230°C or lower is higher than the standard free energy of formation of Al2O3 ;
The latent heat storage particles, wherein the coating portion is an oxide film containing Al.
成分が、含まれるAlまたはAlを含む合金とは異なる、第1族~第15族のうちの1以上の元素の酸化物である子粒子とを準備すること、
前記コア原料粒子と前記子粒子を、高速気流中衝撃法で衝突させて、コア原料粒子の表面に子粒子を固着させるハイブリダイゼーションを行って、ハイブリダイゼーション処理粒子を得ること、
前記ハイブリダイゼーション処理粒子の化成被膜処理を行って、化成被膜処理粒子を得ること、および
前記化成被膜処理粒子に対し、880℃以上、1230℃以下で熱処理を行うこと
を含む、潜熱蓄熱粒子の製造方法。 Core raw material particles whose component is Al or an alloy containing Al;
providing a daughter particle whose composition is an oxide of one or more elements from Groups 1 to 15, the oxide being different from the aluminum or aluminum-containing alloy contained therein;
the core material particles and the child particles are collided with each other by an impact method in a high-speed air stream to perform hybridization in which the child particles are fixed to the surfaces of the core material particles, thereby obtaining hybridization-treated particles;
a chemical conversion coating treatment of the hybridization-treated particles to obtain chemical conversion-treated particles; and a heat treatment of the chemical conversion-treated particles at a temperature of 880°C or higher and 1230°C or lower.
前記子粒子の平均粒子径は、0.1μm以上、2μm以下であり、
(子粒子の平均粒子径/コア原料粒子の平均粒子径)の比率は、0.001以上、0.2以下である、請求項6~8のいずれかに記載の潜熱蓄熱粒子の製造方法。 the average particle size of the core raw material particles is 10 μm or more and 200 μm or less,
The average particle size of the child particles is 0.1 μm or more and 2 μm or less,
The method for producing latent heat storage particles according to any one of claims 6 to 8 , wherein the ratio of (average particle size of child particles/average particle size of core raw material particles) is 0.001 or more and 0.2 or less.
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