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論文題目「Thermal Performance Characterization of Capric Acid and Lauric Acid
Mixture for Low Temperature Energy Storage」
(カプリン酸・ラウリン酸混合物の冷熱用蓄熱材としての蓄熱・放熱特性)
Maria N. R. Dimaano
本論文では、カプリン酸(decanoic acid)とラウリン酸(dodecanoic acid)の混合物から成る冷熱発生用潜熱蓄熱システムを提案した。カプリン酸とラウリン酸の混合物はココナッツ油から製造することが可能なので、フィリピンなどの東南アジアでは冷房用の廉価な潜熱蓄熱材としての適用が期待できる。本論文は「Thermal
Performance Characterization of Capric Acid and Lauric Acid Mixture for
Low Temperature Energy Storage(カプリン酸・ラウリン酸混合物の冷熱用蓄熱材としての蓄熱・放熱特性)」と題し、以下の7章より構成されている。
第1章「Introduction」では、潜熱蓄熱に関する既往の研究について概説し、本研究の位置付け、意義、および目的について述べた。本研究の目的は、カプリン酸とラウリン酸の混合物を冷熱用蓄熱蓄熱材として用いたときの蓄熱・放熱特性を調べることである。さらに、カプリン酸とラウリン酸の混合物に第3成分を添加して、蓄熱・放熱特性の向上に関する検討を行った。
第2章「Material Characterization and Selection」では、カプリン酸とラウリン酸の混合物の特徴について検討した。カプリン酸とラウリン酸の割合を変えて、示差熱分析によって融点および融解潜熱を測定した結果、カプリン酸とラウリン酸の割合が65
%と35 %である混合物が潜熱蓄熱材として最も適していることがわかった。この場合の混合物の融点は18.0 ℃、融解潜熱は140.8 kJ/kgであった。蓄熱・放熱のサイクル試験を行った結果、カプリン酸とラウリン酸の混合物は、潜熱蓄熱材として化学的に安定であることがわかった。
第3章「Experimental Set-up for Thermal Energy Performance Test」では、カプリン酸とラウリン酸の混合物の融解および凝固時の温度分布を測定する方法について検討を行った。カプリン酸とラウリン酸の混合物を銅製の鉛直型円筒に封入し、水を伝熱媒体として用いたものを蓄熱槽とした。潜熱蓄熱材の温度分布は、10組の熱電対を半径方向に設置したプローブを用いて測定した。このプローブによって潜熱蓄熱材の蓄熱・放熱特性を解析できることを確認した。
第4章「Performance Investigation of Capric Acid-Lauric Acid Mixture as Latent
Heat Storage Material for Cooling Application」では、カプリン酸とラウリン酸の混合物の融解および凝固時の温度分布、蓄熱および放熱特性について検討を行った。さらに、n-ペンタデカンに対しても、融解および凝固時の温度分布を測定し、カプリン酸とラウリン酸の混合物と比較を行った。カプリン酸とラウリン酸の混合物の融点は18.0
℃であるので、冷熱用潜熱蓄熱材としては融点がやや高い。カプリン酸とラウリン酸の混合物の融点を低下させるために、他の混合物を添加することが必要であるので、以下の第5章と第6章ではカプリン酸とラウリン酸の混合物に第3成分を添加して、蓄熱・放熱特性の向上に関する検討を行った。
第5章で「Performance Investigation of Capric Acid-Lauric Acid Mixture with
Pentadecane as Latent Heat Storage Material for Cooling Application」では、カプリン酸とラウリン酸の混合物にn-ペンタデカンを混合した潜熱蓄熱材の融解および凝固時の温度分布、蓄熱および放熱特性について検討を行った。示差熱分析から、カプリン酸とラウリン酸の混合物にn-ペンタデカンを50
%を混合した場合に、融点は10.2 ℃で最も低く、さらに融解潜熱は157.8 kJ/kgで最も高い結果を得たが、均一な溶融状態にはならないため、潜熱蓄熱材としては不適当であった。n-ペンタデカンを10
%を混合した場合には、融点が13.3 ℃、融解潜熱が126.7 kJ/kgであり、狭い温度範囲で融解・凝固が起きるので、冷熱用潜熱蓄熱材として最も適していることがわかった。
第6章で「Performance Investigation of Capric Acid-Lauric Acid Mixture with
Chemical Additives as Latent Heat Storage Material for Cooling Application」ではカプリン酸とラウリン酸の混合物に10種の有機化合物を添加した潜熱蓄熱材の融解および凝固時の温度分布、蓄熱および放熱特性について検討を行った。カプリン酸とラウリン酸の混合物に対する溶解度、および化学的な安全性などから10種類の有機化合物を選択した。示差熱分析を行った結果、サリチル酸メチル(2-hydroxy
methyl ester benzoic acid)、オイゲノル(2-methoxy-4-(2-propenyl)phenol)、あるいはシネオール(1,3,3,
trimethyl-2-oxabicyclo [2,2,2] octane)をカプリン酸とラウリン酸の混合物に添加した場合が冷熱用潜熱蓄熱材として適していることがわかった。また、カプリン酸とラウリン酸の混合物においては、凝固点降下は10.7
K kg/molであることがわかった。この値を用いて、必要な蓄熱温度に応じた添加物の濃度を決定することができる。カプリン酸とラウリン酸の混合物にサリチル酸メチル、オイゲノール、あるいはシネオールをモル分率で0.1を添加したものを潜熱蓄熱材として用い、蓄熱・放熱特性を調べた結果、サリチル酸メチルを添加した場合に、最も狭い温度範囲で融解・凝固が起きるので、最短の融解時間と凝固時間を得ることができた。よって、カプリン酸とラウリン酸の混合物を冷熱用潜熱蓄熱材として用いるには、サリチル酸メチルを添加すればよいことがわかった。
第7章「Conclusion」では、各章で得られた成果を総括し、カプリン酸とラウリン酸の混合物を冷熱用潜熱蓄熱材として用いる場合の特徴について要点を整理し、さらに今後の研究課題について述べた。カプリン酸とラウリン酸の混合物は、その蓄熱密度、化学的特性、安定性から潜熱蓄熱材として適しているが、冷熱用潜熱蓄熱材として用いるには融点がやや高い。しかしサリチル酸メチルなどを添加することによって、冷熱用潜熱蓄熱材として適用可能な融点にまで低下することができることなどを本論文の結論とした。
研究論文
- Maria N. R. Dimaano and Takayuki Watanabe: Temperature Measurement System in the Mixture of Capric Acid and Lauric
Acid as a Low-Temperature Thermal Energy Storage Medium, Acta Manilana, 48, p.1-10 (2000.12).
- Maria N. R. Dimaano and Takayuki Watanabe: The Capric-Lauric Acid and Pentadecane Combination as PCM for Cooling Applications, Applied Thermal Engineering, 22 (4), p.365-377 (2002.3).
- Maria N. R. Dimaano and Takayuki Watanabe: Performance Investigation of the Capric and Lauric Acid Mixture as Latent
Heat Energy Storage for a Cooling System, Solar Energy, 72 (3), p.205-215 (2002.3).
- Maria N. R. Dimaano and Takayuki Watanabe: The Capric and Lauric Acid Mixture with Chemical Additives as Latent Heat
storage Materials for Cooling Applications, Energy, 27 (9), p.869-888 (2002.9).
- Maria N. R. Dimaano and Takayuki Watanabe: Melting Characteristics Improvement of Capric-Lauric Acid Mixture Employing
Prospective Additives for The Cooling Application of Thermal Energy Storage, Inhenyeriya, 2 (3), p.1-9 (2002).
- Maria N. R. Dimaano and Takayuki Watanabe: The Transient Behavior Analysis of The Capric Acid and Lauric Acid Mixture
in a Vertical Tube, Journal of Chemical Engineering of Japan, 36 (12), p.1421-1431 (2003.12).
国際学会
- Maria N. R. Dimaano and Takayuki Watanabe: Phase Change Materials for low
Thermal Energy Storage System: A Feasibility Study, Proceedings of the
13th Philippine Chemistry Congress, p.173-177 (1997.5 Palawan, Philippines).
- Maria N. R. Dimaano and Takayuki Watanabe: The Capric-Lauric Acid and Pentadecane Combination as Phase Change Material
for Low-Temperature Thermal Energy Storage, Proceedings of Regional Symposium on Chemical Engineering, p.C4-1~C4-5
(1999.11 Hat Yai, Thailand).
- Maria N. R. Dimaano and Takayuki Watanabe: Performance Evaluation of the
C-L Acid Mixture as a Phase Change Material for Low temperature Thermal
Energy Storage, Abstracts of 19th Philippine-American Academy of Science
and Technology Annual Scientific Meeting, p.69, P-56 (2000.7 Manila, Philippines).
- Maria N. R. Dimaano and Takayuki Watanabe: Measurement System for The Temperature Behavior Investigation of PCM Mixtures
for Thermal Energy Storage, Proceedings of Regional Symposium on Chemical Engineering, PDD6.1 (2000.12
Singapore).
- Maria N. R. Dimaano and Takayuki Watanabe: Characterization of The Capric and Lauric Acid Mixture with Additives as
Thermal Energy Storage Medium for Cooling Application, Proceedings of World Congress on Chemical Engineering, P2-028 (2001.9
Australia Melbourne).
- Maria N. R. Dimaano and Takayuki Watanabe: Effect of Chemical Additives on the Capric-Lauric Acid Mixture as Phase
Change Materials for Cooling Application, Proceedings of The World Conference on Science and Technology, p.530-536
(2001.9, Manila, Philippines).
- Maria N. R. Dimaano and Takayuki Watanabe: Transient Behavior of The C-L Acid for Thermal Energy Storage, Proceeding of Chemical Engineering Congress 2002 p.B4-1~10 (2002.12 Manila,
Philippines).
- Maria N. R. Dimaano and Takayuki Watanabe: Solidification Behavior of Phase Change Materials for Low-Temperature Energy
Storage, Proceedings of Regional Symposium on Chemical Engineering, F2-1~9 (2003.12
Makati, Philippines).
- Maria N. R. Dimaano and Takayuki Watanabe: Design of a Small-Scale Non-Conventional
Air-Cooling System Employing The Capric and Lauric Acid System, Proceedings
of The 3rd International Conference on Engineering Education, G2.13 (2004.7
Makati, Philippines).
- Maria N. R. Dimaano and Takayuki Watanabe: Thermal Performance Characterization
of Capric Acid and Lauric Acid Mixture for Low Temperature Energy Storage,
Abstracts of 24th Annual Meeting of Philippine-American Academy of Science
and Engineering, p.24, S2B.2 (2004.8 Maryland, USA).
国内学会
- Maria N. R. Dimaano and Takayuki Watanabe: Performance of the Mixture of
Capric Acid and Lauric Acid as a Thermal Storage Medium for Low-Temperature
Thermal Energy Storage, 化学工学会第32回秋季大会研究発表講演要旨集, K204 (1999.9 金沢大学).