相変化物質

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相変化物質( PCM ) は、相転移時に十分なエネルギーを放出/吸収して、有用な熱や冷却を提供する物質です。一般的に、転移は物質の最初の 2 つの基本状態(固体と液体) のいずれかから他の状態への転移です。また、相転移は、物質が 1 つの結晶構造に適合している状態から別の結晶構造に適合している状態 (より高いエネルギー状態またはより低いエネルギー状態) に移行する結晶の適合など、物質の非古典的な状態間で起こる場合もあります。

固体から液体、またはその逆の相転移によって放出/吸収されるエネルギー、すなわち融解熱は、一般に顕熱よりもはるかに高くなります。たとえば、氷が溶けるには 333.55 J/g が必要ですが、水の場合は 4.18 J/g を加えるだけでさらに 1 度上昇します。したがって、水/氷は非常に有用な相変化物質であり、少なくともアケメネス朝の時代から、冬の冷気を蓄えて夏に建物を冷やすために使用されてきました。

相変化温度 (PCT) で溶融および固化することにより、PCM は顕熱蓄熱に比べて大量のエネルギーを蓄えたり放出したりすることができます。物質が固体から液体に、またはその逆に変化したとき、または物質の内部構造が変化したときに熱が吸収または放出されるため、PCM は潜熱蓄熱 (LHS) 物質と呼ばれます。

相変化物質には、石油、植物、動物から得られる有機（炭素含有）物質と、海や鉱床からの天然塩を使用するか、他のプロセスの副産物である塩水和物の 2 つの主要なクラスがあります。3 つ目のクラスは、固体から固体への相変化です。

PCM は、加熱パッド、電話交換機の冷却、衣類など、エネルギー貯蔵や安定した温度が求められるさまざまな商用アプリケーションで使用されています。

これまでで最大の潜在的市場は、建物の暖房と冷房です。この用途分野では、再生可能電力のコストが徐々に低下していることと、そのような電力が断続的であることを考えると、PCM が潜在的可能性を秘めています。このため、ピーク需要と供給の可用性が不一致になる可能性があります。北米、中国、日本、オーストラリア、南ヨーロッパ、その他の暑い夏の先進国では、供給のピークは正午ですが、需要のピークは 17:00 から 20:00 頃です。^{[引用が必要]} これにより、蓄熱媒体の機会が生まれます。

固体-液体相変化材料は、通常、最終用途に設置するためにカプセル化され、液体状態で封じ込められます。一部の用途、特に繊維への組み込みが必要な場合、相変化材料はマイクロカプセル化されます。マイクロカプセル化により、PCM コアが溶けても、材料は小さな泡の形で固体のままになります。

特徴と分類

潜熱蓄熱は、液体→固体、固体→液体、固体→気体、液体→気体への物質の状態変化によって実現できます。ただし、PCM で実用的なのは固体→液体と液体→固体の相変化のみです。液体から気体への変化は固体から液体への変化よりも変態熱が高くなりますが、物質を気体相で保管するには大容量または高圧が必要になるため、液体から気体への相変化は蓄熱には実用的ではありません。固体から固体への相変化は通常非常に遅く、変態熱は比較的低くなります。

最初、固体-液体 PCM は顕熱蓄熱 (SHS) 材料のように動作し、熱を吸収するにつれて温度が上昇します。PCM が相変化温度 (融点) に達すると、ほぼ一定の温度で大量の熱を吸収し、材料全体が溶けます。液体材料の周囲の温度が下がると、PCM は固化し、蓄えた潜熱を放出します。-5 ℃から 190 ℃までの必要な温度範囲で、多数の PCM が利用可能です。^[1]人間が快適に感じる 20 ℃から 30 ℃の範囲内で、一部の PCM は非常に効果的で、200 kJ/kg を超える潜熱を蓄えます。一方、石造建築物の比熱容量は 1 kJ/(kg*℃) 程度です。したがって、温度変化が 10 ℃であれば、蓄熱密度は 1 kg あたり石造建築物の 20 倍になります。^[2]しかし、石積みの質量はPCMの質量よりもはるかに大きいため、この特定の（質量あたりの）熱容量はいくらか相殺されます。石積みの壁の質量は200 kg/m ²であるため、熱容量を2倍にするには、さらに10 kg/m ²のPCMが必要になります。

オーガニックPCM

炭化水素、主にパラフィン（C _n H _{2 n +2}）と脂質ですが、糖アルコールも含まれます。^[4]^[5]^[6]

利点
- 過冷却せずに凍結する
- 調和的に溶ける能力
- 自己核形成特性
- 従来の建築材料との互換性
- 差別なし
- 化学的に安定
- 安全で非反応性
デメリット
- 固体状態では熱伝導率が低い。凍結サイクル中には高い熱伝達率が必要である。ナノ複合材料は、実効熱伝導率が最大216%増加することが判明した。^[7]^[8]
- 体積潜熱蓄熱容量は低い可能性がある
- 可燃性。特殊な封じ込めにより、部分的に軽減できます。

無機

塩水和物（M _x N _y · n H ₂ O）^[9]

利点
- 高い容積潜熱蓄熱能力
- 入手性と低コスト
- 鋭い融点
- 高い熱伝導率
- 高い融解熱
- 不燃性
- 持続可能性
デメリット
- サイクル時の不一致溶融や相分離を防ぐのは難しく、潜熱エンタルピーの大幅な損失を引き起こす可能性があります。^[10]
- 金属など他の多くの材料に対して腐食性があります。^[11]^[12]^[13]これは、特定の金属-PCMの組み合わせを使用するか、少量を非反応性プラスチックに封入することで克服できます。
- いくつかの混合物では体積変化が非常に大きい
- 過冷却は固体から液体への転移において問題となる可能性があり、核剤の使用が必要となるが、繰り返しサイクルを繰り返すと核剤が機能しなくなる可能性がある。

吸湿性材料

多くの天然建築材料は吸湿性があり、つまり水を吸収（水が凝縮）したり放出（水が蒸発）したりします。そのプロセスは次のようになります。

凝縮（気体から液体へ）ΔH<0; エンタルピーが減少（発熱過程）し、熱を放出します。
蒸発（液体から気体へ）ΔH>0; エンタルピーが増加（吸熱過程）し、熱を吸収（または冷却）します。

このプロセスでは少量のエネルギーが放出されますが、表面積が広いため、建物内の温度を大幅に（1～2 °C）上げたり下げたりすることができます。対応する材料は、ウール断熱材と土/粘土レンダリング仕上げです。

ソリッドソリッドPCM

固体/固体相転移を起こし、大量の熱を吸収および放出する特殊な PCM グループ。これらの材料は、一定の明確に定義された温度で結晶構造を 1 つの格子構成から別の格子構成に変化させ、その変化には、最も効果的な固体/液体 PCM に匹敵する潜熱が伴う場合があります。このような材料は、固体/液体 PCM とは異なり、過冷却を防ぐための核形成を必要としないため便利です。さらに、固体/固体相転移であるため、PCM の外観に目に見える変化はなく、封じ込め、潜在的な漏出など、液体の取り扱いに関連する問題もありません。現在、固体-固体 PCM ソリューションの温度範囲は、-50 °C (-58 °F) から +175 °C (347 °F) までです。^[15]^[16]

選択基準

相変化物質は次のような熱力学的特性を持つ必要がある：^[17]

所望の動作温度範囲内の融点
単位体積あたりの融解潜熱が高い
高比熱、高密度、高熱伝導率
相転移時の体積変化が小さく、動作温度での蒸気圧が小さいため、封じ込め問題が軽減されます。
一致融解

運動特性

液相の過冷却を避けるための高い核形成率
結晶成長率が高いため、システムは貯蔵システムからの熱回収の需要を満たすことができます。

化学的性質

化学的安定性
完全な可逆的な凍結/融解サイクル
凍結/融解サイクルを多数回繰り返しても劣化しない
非腐食性、非毒性、非可燃性、非爆発性の材料

経済的特性

低コスト
可用性

熱物理的性質

相変化物質の主要な熱物理的特性には、融点 (T _m )、融解熱 (Δ H _fus )、比熱 ( c _p ) (固相および液相)、密度 (ρ) (固相および液相)、熱伝導率などがあります。体積変化や体積熱容量などの値は、そこから計算できます。

技術、開発、カプセル化

最も一般的に使用される PCM は、塩水和物、脂肪酸とエステル、およびさまざまなパラフィン(オクタデカンなど) です。最近では、イオン液体も新しい PCM として研究されています。

有機溶液のほとんどは水分を含まないため、空気にさらされても問題ありませんが、塩ベースの PCM 溶液はすべて、水分の蒸発や吸収を防ぐためにカプセル化する必要があります。どちらのタイプにも利点と欠点があり、正しく適用すれば、欠点の一部は特定の用途では利点になります。

19世紀後半から蓄熱媒体として利用されてきました。冷蔵輸送^[18]、鉄道^[19]、道路^[20]など多様な用途に使用されており、その物理的特性はよく知られています。

ただし、氷蓄熱システムとは異なり、PCM システムは、新規または後付けのアプリケーションの両方で、従来の水チラーと併用できます。正の温度相変化により、遠心式および吸収式チラー、従来の往復式およびスクリュー式チラーシステム、または冷却塔またはドライクーラーを使用して TES システムに充填するより低い周囲条件でも使用できます。

PCM 技術が提供する温度範囲は、中温および高温エネルギー貯蔵アプリケーションに関して、ビルサービスおよび冷凍エンジニアに新たな展望を提供します。この熱エネルギーアプリケーションの範囲は、太陽熱暖房、温水、加熱除去 (冷却塔など)、およびドライクーラー回路の熱エネルギー貯蔵アプリケーションと広範囲にわたります。

PCMは熱サイクルで固体と液体の間で変化するため、カプセル化^[21]が当然ながら保存の選択肢となった。

PCMのカプセル化
- マクロカプセル化: 大容量の封じ込めを備えたマクロカプセル化の初期の開発は、ほとんどの PCM の熱伝導率が低いために失敗しました。PCM は容器の端で固まる傾向があり、効果的な熱伝達を妨げます。
- マイクロカプセル化:一方、マイクロカプセル化ではそのような問題は発生しません。これにより、PCM をコンクリートなどの建設資材に簡単かつ経済的に組み込むことができます。マイクロカプセル化された PCM は、ポータブルな蓄熱システムも提供します。極小サイズの PCM を保護コーティングでコーティングすることにより、粒子を水などの連続相内に浮遊させることができます。このシステムは、相変化スラリー( PCS )と見なすことができます。
- 分子カプセル化は、デュポン・ド・ヌムール社が開発した、ポリマー化合物内で PCM を非常に高濃度にできるもう 1 つの技術です。これにより、 5 mm のボードで最大 515 kJ / m ² (103 MJ / m ³ ) の蓄電容量が可能になります。分子カプセル化により、PCM 漏れなしで材料を穴あけしたり切断したりすることができます。

相変化材料は小型容器で最もよく機能するため、通常はセルに分割されます。セルは浅く、静水頭を減らすため、浅い容器形状の原則に基づいています。梱包材は熱伝導率が高く、相変化が起きたときに保管材料の容積が頻繁に変化しても耐えられるだけの耐久性が必要です。また、壁面からの水の通過も制限して、材料が乾燥しないようにする必要があります (材料が吸湿性の場合は水分が抜けないようにする必要があります)。梱包材は、漏れや腐食にも耐える必要があります。常温 PCM と化学的適合性を示す一般的な梱包材には、ステンレス鋼、ポリプロピレン、ポリオレフィンなどがあります。

カーボンナノチューブ、グラファイト、グラフェン、金属、金属酸化物などのナノ粒子をPCMに分散させることができます。ナノ粒子を含めると、PCMの熱伝導特性が変化するだけでなく、潜熱容量、サブクール、相変化温度とその持続時間、密度、粘度などの他の特性も変化することに注意してください。新しいPCMグループはNePCMと呼ばれます。^[22] NePCMを金属フォームに追加して、さらに高い熱伝導性の組み合わせを構築できます。^[23]

熱複合材

熱複合材料とは、相変化材料（PCM）と他の（通常は固体の）構造物を組み合わせたものを指す用語です。簡単な例としては、パラフィンワックスに浸した銅メッシュがあります。パラフィンワックス内の銅メッシュは、熱複合材料と呼ばれる複合材料と見なすことができます。このようなハイブリッド材料は、特定の全体的またはバルク特性を実現するために作成されます（例として、パラフィンを明確な二酸化ケイ素ナノ球にカプセル化して表面積と体積の比率を高め、熱伝達速度を高めることが挙げられます^[24]）。

熱伝導率は、熱伝導複合材料を作成することによって最大化されることを目標とする一般的な特性です。この場合、基本的な考え方は、比較的熱伝導率の低いPCMに高伝導性の固体（銅メッシュやグラファイト^[25]など）を追加して熱伝導率を高め、全体的なまたはバルクの（熱）伝導率を高めることです。^[26] PCMが流動する必要がある場合、固体はメッシュなどの多孔質でなければなりません。

航空宇宙産業向けのグラスファイバーやケブラープリプレグなどの固体複合材は、通常、繊維 (ケブラーまたはガラス) とマトリックス (繊維を保持して圧縮強度を提供するように固まる接着剤) を指します。熱複合材は明確に定義されていませんが、同様にマトリックス (固体) と PCM (もちろん条件に応じて通常は液体および/または固体) を指す場合があります。これらは、地球の微量元素を発見することも目的としています。

アプリケーション

相変化材料の用途^[1]^{[27]には、以下のものが含まれますが、これらに限定されるわけではありません。}

熱エネルギー貯蔵
太陽熱調理
冷熱エネルギーバッテリー
建物の空調設備（「氷蓄熱」など）
熱と電気エンジンの冷却
冷却: 食品、飲料、コーヒー、ワイン、乳製品、温室
表面の氷や霜の形成を遅らせる^[28]
医療用途：血液輸送、手術台、温冷療法、出産時の仮死の治療^[29]^[30]
かさばる衣服や衣装の下で人体が冷えること。
廃熱回収
オフピーク電力利用：給湯と冷房
ヒートポンプシステム
バイオクライマティック建築におけるパッシブストレージ（HDPE、パラフィン）
化学反応における発熱温度のピークを平滑化する
太陽光発電所
宇宙船の熱システム
車内の温熱快適性
電子機器の熱保護
食品の熱保護：輸送、ホテル業、アイスクリームなど。
衣服に使用される繊維
コンピュータの冷却
熱エネルギー貯蔵によるタービン入口冷却
熱帯地域の通信シェルター。基地局サブシステムなどの電力を大量に消費する機器から発生する熱を吸収して、室内の空気温度を最高許容温度以下に維持することで、シェルター内の高価な機器を保護します。従来の冷却システムに停電が発生した場合、PCM はディーゼル発電機の使用を最小限に抑え、熱帯地域の何千もの通信サイトで莫大な節約につながります。

火災と安全の問題

一部の相変化材料は水中に浮遊しており、比較的無毒です。その他の相変化材料は炭化水素やその他の可燃性材料であったり、有毒です。そのため、PCM は、火災および建築基準法および健全なエンジニアリング慣行に従って、非常に慎重に選択および適用する必要があります。火災の危険性、炎の広がり、煙、容器に入れた場合の爆発の可能性、および責任が増大するため、住宅や定期的に人が住むその他の建物内では可燃性 PCM を使用しない方が賢明です。相変化材料は、電子機器の熱調節にも使用されています。

参照

ヒートパイプ

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[18] 19世紀の氷輸送について語る氷の王フレデリック・テューダー

[19] リチャード・トレビシックの蒸気機関車は1804年に走った

[20] アメデ・ボレは1873 年から蒸気自動車を製造した

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