專利名稱：一種共晶鹽相變材料及其制作方法
技術領域：
本發明涉及一種共晶鹽相變材料以及其制作方法，尤其涉及利用可形成水合物的粘土作為表面活性劑。
背景技術：
熱能量的存貯即是把高的溫度能量或者低的溫度能量暫時儲存，以作稍后應用。由于能源價格不斷上升及對于再生能源的需求日漸增多，熱能量的存貯正日益被受關注。熱能量的儲存能夠減少在能量供應和能量需求之間的時間和比率匹配，因此，它在能量節約和保存中扮演著至關重要的角色。熱能量能夠以不同的形式被儲存(1)顯熱的熱能量儲存—在熱存貯系統或者冷凝存貯系統中，所有以顯熱形式儲存的能量，都會跟存貯介質的溫度變化相關。
(2)化學反應的熱能量儲存—在熱存貯系統或者冷凝存貯系統中，以存貯介質中發生的化學反應產生能量熱能。
(3)相變材料(Phase Change Materials)的熱能量儲存(潛熱的熱能量儲存)—在熱存貯系統或者冷凝存貯系統中，能量主要透過相變材料(介乎固態與液態之間)作為存貯介質，并以潛熱的形式儲存(通常在熔合中)。
冷存貯系統在低冷凍需求的時期把熱存貯介質制冷，熱存貯介質處于低溫狀態，這些儲存起來的低溫熱存貯介質稍后應用于空調方面或其它冷凍過程。最常見的熱存貯介質是水、冰、相變化材料(如共晶鹽等)。其中，相變材料中的共晶鹽的化學成份為無機鹽、水和其它元素的混合物，在一個預定的溫度中形成固相，作熱量存貯。不能和諧地熔化、不能產生單一的固相是此類相變材料最常見的化學問題，例如它們熔化時，往往產生水合物較低的鹽含水物。由于密度及化學成份的的變異，設備的底部往往產生分解后的沉淀物，減少了融合結晶的周期，相變材料容易變質，亦造成相變材料超冷卻。
為部分解決此問題，現有技術中，結晶核物質及表面活性劑往往被加于共晶鹽相變材料中。表面活性劑是用來防止相變材料中的水合物較低的鹽含水物產生，結晶核物質可像種子般提供結晶核予相變材料，使相變材料的超冷卻機會減小，達到預期相固的溫度。
因此，現有技術的共晶鹽相變材料往往包含以下的成份鹽含水物、結晶核物質及表面活性劑。
在現有技術中，霧化狀的熏硅(silica fume)是最常用的表面活性劑，但由于其重量非常輕，容易散播于周圍的環境中，于相變材料的制作過程中很難處理，亦帶來不少潛在的危險。也有使用纖維素作為表面活性劑的，但其效果較差。
本發明的目的因此是要提供一種沒有上述問題的另一類的表面活性劑。
發明內容
本發明的目的在于提供一種共晶鹽相變材料和其制作方法，本發明的特點是采用了可形成水合物的粘土代替現有技術的熏硅等作為表面活性劑。
本發明由于采用了可形成水合物的粘土代替現有技術的熏硅等作為表面活性劑，形成的是單一固相結構，從而解決了現有技術中存在的·不能共同及和諧地熔化、·不能產生單一的固相、·化學成份容易產生變異、及·效率低等問題，亦解決了·熏硅表面活性劑帶來的安全問題。
因此，本發明由于不使用熏硅，沒有安全上的顧慮；又由于產生單一固相，也就沒有現有技術中的不能共同及和諧地熔化、不能產生單一的固相、化學成份容易產生變異、及效率低等問題。
本發明提供的技術方案總結如下一種共晶鹽相變材料，其特征在于選取可形成水合物的粘土作為所述相變材料中的表面活性劑。這是本發明對現有技術的貢獻所在。
具體實施方案為其中所述共晶鹽相變材料包括傳輸介質、共晶鹽及結晶核物質。(傳輸介質、共晶鹽及結晶核物質是本領域熟知的共晶鹽相變材料組分。)其中所述作為表面活性劑的可形成水合物的粘土的例子是凹凸捧石粘土粉(Attapulgite Clay)。
依據本領域的常識，可以理解所述表面活性劑在制作材料中的重量百分比應該以10-15％為宜。
依據本領域的常識，其中所述結晶核物質在相變材料制作材料中的重量百分比為1-3％。
依據本領域的常識，其中所述結晶核物質在本領域熟知是四硼酸鈉。
依據本領域的常識，其中所述的共晶鹽可以是單一種鹽含水物或多種鹽含水物的組合物。
依據本領域的常識，其中所述的共晶鹽選自氯化胺、十水硫酸鈉、氯化鉀、氯化鈉。
一種實施方案是其中所述的共晶鹽根據以下的重量份數比例，制作攝氏6-8℃的低溫相變材料作為共晶鹽的氯化胺40-45％十水硫酸鈉25-30％氯化鉀1-3％氯化鈉1-3％作為結晶核物質的四硼酸鈉 1-3％作為表面活性劑的凹凸捧石粘土粉10-15％傳輸介質 1-21％一種實施方案是其中所述氯化胺、十水硫酸鈉、氯化鉀、氯化鈉、四硼酸鈉的純度達97％或以上。
一種實施方案是所述的粘土粉顆粒的大小范圍為200-400目。
依據本領域的常識，其中所述傳輸介質的一種為水。
本發明還提供了上述共晶鹽相變材料的制作方法，步驟包括將粘土粉和共晶鹽相變材料的其它制作材料混合的步驟。
一種實施方案是所述的制作方法的具體步驟包括先把凹凸捧石粘土粉、共晶鹽混合，再加入傳輸介質、并以每分鐘5℃的升幅增加混合物的溫度，直到形成為漿糊狀，不間斷攪拌混合物，之后再加入四硼酸鈉，再以保持漿糊狀的溫度不斷攪拌混合物一小時。完成以上程序后，把混合物注入一個耐高溫和防腐蝕的容器中，再放入一個可維持于漿糊狀的溫度的環境中八小時，然后冷卻注入塑料或金屬容器備用。
本發明的各方面效果如下安全本發明由于不使用熏硅，沒有安全上的顧慮；單一固相結構由于單一相變材料具有本身特有的潛熱特性，當應用于熱存貯系統或冷凝存貯系統中，能量可以透過介乎固態與液態之間的單一固相相變材料慢慢被釋放或吸收，相變時溫度非常穩定，所以有很強的實用性。由于應用于本發明的水合物的粘土的穩定性亦非常高，平均分布于整個共晶鹽相變材料中，牢固地把水合物的水份抓緊，使單一固相結構不會因水份的變化產生濃度的變異而變異，因此可多次重復使用。
因此由于產生單一固相，也就沒有現有技術中的不能共同及和諧地熔化、不能產生單一的固相、化學成份容易產生變異、及效率低等問題。本發明也因此具有安全、實用性強、工作穩定性高、化學穩定性高、所制作的相變材料的熱交換較一般的相變材料效率高、工作溫度廣、可重復使用多年而不會產生化學變質等優點。
經濟此外，在經濟層次上來說，在本發明中，由于處理粘土粉比較安全及簡單，還可降低制作的運作成本。傳輸介質可采用水以降低成本，提高工業實用性由于其中低溫相變材料的固液轉換的溶點可為6-8℃，可應用于工業制冷系統中，特別是應用于某些能源收費是隨著時間而改變的地方，例如日間能量消耗收費比晚間為高時，用者可于收費較便宜的晚間利用低溫相變材料制冷，并于日間把所貯存的冷釋放出來，減少日間對能量需求的競爭。
用途廣泛在實際制冷、采暖的應用中，可以在民用中央空調系統內的制冷及采暖作為熱儲能使用，因此本發明用途廣泛。
圖1顯示了本發明的相變材料的實施例1的制作過程的水溶過程階段共晶鹽合水物的形成過程。從D中可見，形成的是單一固相，沒有沉淀。
標記11-14以及21-23的含義如下11正離子12負離子13正離子14負離子21表面活性劑22結晶核物質23傳輸介質具體實施方式
如上所述，本發明意外發現使用可形成水合物的粘土代替現有技術常使用的熏硅作為表面活性劑，可解決現有技術中存在的諸如不能共同及和諧地熔化或不能產生單一的固相、化學成份容易產生變異，以及及效率低等問題，同時亦解決熏硅表面活性劑所帶來的安全問題。本發明的效果在于由于形成的是一種單一固相，因此衍生出安全、熱交換效率高、實用性強、工作溫度廣、化學穩定性高、可重復使用多年而不會產生化學變質等優點。
而本發明的關鍵是采用可形成水合物的粘土作為表面活性劑，可形成水合物的粘土的例子如凹凸捧石粘土粉(即Attapulgite Clay)等。
在不受理論限制下，凹凸捧石粘土粉之所以在下述實施例中能夠成功形成單一固相(見表1的單一潛熱數值——表示形成的是“單一”固相，不同于出現多個潛熱數值的非單一固相)，沒有沉淀，是因為它具有能形成水合物的性質。其它粘土粉只要能形成水合物，也能形成單一固相結構而達到發明目的。
以下，將以凹凸捧石粘土粉作為例子，演示能形成水合物的粘土粉可以形成單一固相結構而達到發明目的。但是不應該理解本發明的范圍只受限于實施例的各種具體實施方案。
首先，相變材料的制作過程中的水溶過程階段內共晶鹽水合物的形成過程如下圖A顯示了包含了正離子11及13和負離子12及14的二種共晶鹽化合物混合時，共晶鹽化合物仍是以最初的穩定狀態存在，再加入傳輸介質23、表面活性劑21及結晶核物質22、并以每分鐘五度的升幅增加混合物的溫度，不間斷攪拌混合物、直到形成為漿糊狀時，共晶鹽化合物的正離子11及13和負離子12及14會漸漸分離(見圖1的B)。再不斷攪拌混合物時，表面活性劑21會在正離子11及13和負離子12及14的表面成保護膜，并防止正離子11及13和負離子12及14再走在一起，產生不能共同及和諧地熔化或不能單一的固相的問題，再放入一個可維持于漿糊狀的溫度的環境中八小時，新的共晶鹽化合物于結晶核物質22的幫助下，慢慢產生，形成了單一的晶體固相。
實施例1制作低溫+8℃相變材料的過程本實施例的原材料比重如下共晶鹽類氯化胺40-45％十水硫酸鈉25-30％氯化鉀1-3％氯化鈉1-3％以及四硼酸鈉 1-3％凹凸捧石粘土粉10-15％傳輸介質(即水) 1-21％先把凹凸捧石粘土粉、氯化胺、十水硫酸鈉、氯化鉀及氯化鈉混合，再加入傳輸介質、并以每分鐘五度的升幅增加混合物的溫度，直到達致攝氏70度、成為漿糊狀，不間斷攪拌混合物，之后再加入四硼酸鈉，再維持于攝氏70度一小時不斷攪拌混合物。完成以上程序后，把混合物注入一耐高溫和防腐蝕的容器中，再放入一個可維持于攝氏70度的環境中八小時，然后冷卻注入塑料或金屬容器備用。其中沒有沉淀，因此所形成的是單一的晶體固相。掃描量熱時的溶點為8℃，潛熱值為142kJ/kg。
實施例2制作+32℃相變材料的過程本實施例的原材料比重如下共晶鹽類
十水硫酸鈉70-75％以及四硼酸鈉 1-3％凹凸捧石粘土粉10-15％傳輸介質(水) 7-19％先把凹凸捧石粘土粉、十水硫酸鈉混合，再加入傳輸介質、并以每分鐘五度的升幅增加混合物的溫度，直到達致攝氏85度、成為漿糊狀，不間斷攪拌混合物，之后再加入四硼酸鈉，再以維持于攝85度一小時不斷攪拌混合物。完成以上程序后，把混合物注入一個耐高溫和防腐蝕的容器中，再放入一個可維持于攝氏85度的環境中八小時，然后冷卻注入塑料或金屬容器備用。其中沒有沉淀，因此所形成的是單一的晶體固相。掃描量熱時的溶點為32℃，潛熱值為190kJ/kg。
實施例3制作+28℃相變材料的過程本實施例的原材料比重如下共晶鹽類六水氯化鈣65-70％以及四硼酸鈉 1-3％凹凸捧石粘土粉10-15％傳輸介質(水) 22-24％先把凹凸捧石粘土粉、六水氯化鈣混合，再加入傳輸介質、并以每分鐘五度的升幅增加混合物的溫度，直到達致攝氏65度、成為漿糊狀，不間斷攪拌混合物，之后再加入四硼酸鈉，再以維持于攝氏65度一小時不斷攪拌混合物。完成以上程序后，把混合物注入一個耐高溫和防腐蝕的容器中，再放入一個可維持于攝氏65度的環境中八小時，然后冷卻注入塑料或金屬容器備用。其中沒有沉淀，因此所形成的是單一的晶體固相。掃描量熱時的溶點為28℃，潛熱值為202kJ/kg。
實施例4制作+58℃相變材料的過程本實施例的原材料比重如下共晶鹽類
六水氯化鎂35-40％六水硝酸鎂35-40％以及四硼酸鈉 1-3％凹凸捧石粘土粉10-15％傳輸介質(也即水) 2-19％先把凹凸捧石粘土粉、六水氯化鎂、六水硝酸鎂混合，再加入傳輸介質、并以每分鐘五度的升幅增加混合物的溫度，直到達致攝氏90度、成為漿糊狀，不間斷攪拌混合物，之后再加入四硼酸鈉，再以維持于攝氏90度一小時不斷攪拌混合物。完成以上程序后，把混合物注入一個耐高溫和防腐蝕的容器中，再放入一個可維持于攝氏90度的環境中八小時，然后冷卻注入塑料或金屬容器備用。其中沒有沉淀，因此所形成的是單一的晶體固相。掃描量熱時的溶點為58℃，潛熱值為210kJ/kg。
表1
上述表1顯示各實施例中相變材料的掃描量熱時所獲得的潛熱數值。當利用掃描量熱儀，于低溫慢慢地把相變材料的溫度以每分鐘5℃提升時，當達致相變形態時，相變材料會開始慢慢吸收熱能，直至所有固相變成液相，單一固相由于只進行一次的相變，所以掃描量熱時亦只出現一個潛熱數值。因此顯示出各實施例的產物產生的是單一固相結構。
權利要求
1.一種共晶鹽相變材料，其特征在于選取可形成水合物的粘土作為所述相變材料中的表面活性劑。
2.根據權利要求1的材料，其中所述共晶鹽相變材料包括傳輸介質、共晶鹽及結晶核物質。
3.根據權利要求1的材料，其中所述作為表面活性劑的可形成水合物的粘土是凹凸捧石粘土粉。
4.根據權利要求1-3之一所述的材料，其中所述表面活性劑在制作材料中的重量百分比為10-15％。
5.根據權利要求2所述的材料，其中所述結晶核物質在相變材料制作材料中的重量百分比為1-3％。
6.根據權利要求2所述的材料，其中所述結晶核物質是四硼酸鈉。
7.根據權利要求2所述的材料，其中所述的共晶鹽是單一種鹽含水物或是多種鹽含水物的組合物。
8.根據權利要求2或7所述的材料，其中所述的共晶鹽選自氯化胺、十水硫酸鈉、氯化鉀以及氯化鈉。
9.根據權利要求8所述的材料，其中所述的共晶鹽根據以下的重量份數比例，制作攝氏6-8℃的低溫相變材料作為共晶鹽的氯化胺40-45％十水硫酸鈉25-30％氯化鉀1-3％氯化鈉1-3％作為結晶核物質的四硼酸鈉 1-3％作為表面活性劑的凹凸捧石粘土粉10-15％傳輸介質 1-21％。
10.根據權利要求8或9所述的材料，其中所述氯化胺、十水硫酸鈉、氯化鉀、氯化鈉、四硼酸鈉的純度達97％或以上。
11.根據權利要求1所述的的材料，其中粘土粉的顆粒的大小范圍為200-400目。
12.根據權利要求1或9所述的材料，其中所述傳輸介質為水。
13.權利要求1-12中任一項所述的共晶鹽相變材料的制作方法，步驟包括將粘土粉和權利要求1-12中任一項所述的共晶鹽相變材料的其它制作材料混合的步驟。
14.權利要求13所述的制作方法，步驟包括先把凹凸捧石粘土粉、共晶鹽混合，再加入傳輸介質、并以每分鐘5℃的升幅增加混合物的溫度，直到形成為漿糊狀，不間斷攪拌混合物，之后再加入四硼酸鈉，再以保持漿糊狀的溫度不斷攪拌混合物一小時。完成以上程序后，把混合物注入一個耐高溫和防腐蝕的容器中，再放入一個可維持于漿糊狀的溫度的環境中八小時，然后冷卻注入塑料或金屬容器備用。
全文摘要
本發明提供了一種制冷、采暖用的共晶鹽相變材料，以及其制造方法，一般共晶鹽相變材料包括傳輸介質、共晶鹽及結晶核物質，而本發明的相變材料還包括可形成水合物的粘土代替現有技術常使用的熏硅作為表面活性劑，從而解決現有技術中存在的，不能共同及和諧地熔化或不能產生單一的固相、化學成分容易產生變異，以及及效率低等問題，同時亦解決熏硅表面活性劑所帶來的安全問題。本發明的效果在于由于形成的是一種單一固相，因此衍生出安全、熱交換效率高、實用性強、工作溫度廣、化學穩定性高、可重復使用多年而不會產生化學變質等優點。
文檔編號C09K5/00GK1840603SQ20051006513
公開日2006年10月4日 申請日期2005年3月31日 優先權日2005年3月31日
發明者羅瑞真, 陳耀偉 申請人:基達科技有限公司