(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水または有機物からなる溶媒と、
前記溶媒中に分散される複数の微小粒子と、
前記溶媒中に分散される複数のカーボンナノチューブと、
を含んで構成され、
前記微小粒子は多面体形状または金平糖形状をなすことを特徴とする熱輸送流体。
【請求項２】
さらに前記微小粒子は、磁性材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱輸送流体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶媒中に微小粒子及びカーボンナノチューブが分散する熱輸送流体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば熱交換器内に充填される熱輸送流体について、熱伝導効率の向上を図るために、水やエチレングリコール等のベース液体中にカーボンナノチューブを安定的に分散させる技術が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載の技術は、ベース液体中に、カーボンナノチューブと、セルロース誘導体またはそのナトリウム塩を添加して熱輸送流体を構成することにより、セルロース誘導体を分散剤として用いて、ベース液体中にカーボンナノチューブを安定して分散させることができ、大幅な動粘度の増加を伴うことなく熱伝導率を向上させることができるものである。
【０００４】
また特許文献２に記載の技術は、ベース液体中に、カーボンナノチューブと、ＧＰＣ測定による平均分子量が６０００〜３００００であるカルボキシメチルセルロースナトリウム塩を添加して熱輸送流体を構成することにより、当該平均分子量が６０００〜３００００であるカルボキシメチルセルロースナトリウム塩を分散剤として用いてベース液体中にカーボンナノチューブを安定して分散させることができ、大幅な動粘度の増加を伴うことなく熱伝導率を向上させることができるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３１５２０号公報
【特許文献２】特開２００８−１８９９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１または特許文献２に記載の熱輸送流体に限らず、ベース液体中に分散されているカーボンナノチューブは、ロッド状、ワイヤ状の形状を呈する。このような形状の分散物質が分散する熱輸送流体を熱交換器等の流路に流通させた場合、分散物質の長軸が熱輸送流体の流れ方向に沿うような姿勢で配向され易くなる。つまり、分散物質は、その軸線と熱輸送流体の速度ベクトルが同じ方向を向くような姿勢でベース液体中に分散する。ベース液体中の多くの分散物質がこのような姿勢で分散すると、熱輸送流体の流れ方向に対して直交する方向には、カーボンナノチューブの熱伝導性能が十分に作用せず、当該直交方向の伝熱効果が十分に得られないという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、流体中のカーボンナノチューブを伝熱的に良好な分散状態にして熱伝導率の向上を図る熱輸送流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】
【０００８】
上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明は、水または有機物からなる溶媒と、溶媒中に分散される複数の微小粒子と、溶媒中に分散される複数のカーボンナノチューブと、を含んで構成され、微小粒子は多面体形状または金平糖形状をなすことを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、微小粒子が多面体形状または金平糖形状をなすため、多数の微小粒子は、熱輸送流体中で流動することによって、周囲の溶媒を揺さぶったり、かき回したりする。このような多数の微小粒子による攪拌効果により、微小粒子とともに溶媒中に分散している多数のカーボンナノチューブは、流体流れ方向に長軸が向く従来の配向状態から、流体流れ方向に長軸が向くものと向かないものが混在する不規則、ランダムな配向を示す状態になる。不規則、ランダムな配向を示す多数のカーボンナノチューブによれば、流体流れ方向に対して垂直な方向に、カーボンナノチューブの熱伝導性を十分作用させることが可能になる。したがって、流体中のカーボンナノチューブを伝熱的に良好な分散状態にして熱伝導率の向上を図る熱輸送流体を提供できる。
【００１０】
請求項２は、請求項１に記載の発明において、さらに微小粒子は、磁性材料を含むことを特徴とする。この発明によれば、熱輸送流体に磁場が与えられると、磁性材料を含む微小粒子が連結するような配列構造をとることができ、この状態から磁場を除くと、微小粒子の連結する構造は解除されて、微小粒子は溶媒中で不規則、ランダムな配向を示す状態となる。これにより、熱輸送流体に対する磁場生成及び磁場解除の切り替えを行うことにより、カーボンナノチューブを流れ方向に向く配向状態と、微小粒子の攪拌効果による不規則、ランダムな配向状態とにわたって自在に切り換えることができる。したがって、熱輸送流体の熱伝導率を向上したい場合は、カーボンナノチューブを不規則、ランダムな配向状態に制御し、熱伝導率を抑えたい場合は、流れ方向への配向状態に制御することができるので、冷却または加熱の要求レベルや要求タイミングに応じて適切な伝熱性能を発揮する熱輸送流体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来の熱輸送流体におけるカーボンナノチューブの配向を説明する説明図である。
【図２】本発明を適用する第１実施形態に係る熱輸送流体において、カーボンナノチューブの配向を説明する説明図である。
【図３】第１実施形態の熱輸送流体に含まれる微小粒子の形状例を説明する模式図である。
【図４】第２実施形態に係る熱輸送流体に対して磁界を与えた状態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００１３】
（第１実施形態）
以下、本発明に係る熱輸送流体の第１実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。本実施形態に係る熱輸送流体は、例えば車載用のエンジンやミッション等の冷却に用いられるものである。熱輸送流体は、熱源からの熱を外部に伝達、輸送する。
【００１４】
熱輸送流体は、溶媒と、複数の微小粒子と、カーボンナノチューブと、を含んでいる。さらに、複数の微小粒子及び複数のカーボンナノチューブは、溶媒中に分散して存在している。図１に示すように、従来の熱輸送流体１０１に含まれるカーボンナノチューブ１０４は、溶媒１０２中において、熱輸送流体１０１に流れ方向に対してその長軸が向くように配向され易い。つまり、ロッド状やワイヤ状を呈するカーボンナノチューブ１０４は、例えば、熱輸送流体１０１が流れる管内流路の内壁面に沿う流れ方向にその長手方向を向ける姿勢で存在し、微小粒子１０３とともに溶媒１０２に分散する。これは、各カーボンナノチューブ１０４が、流路における熱輸送流体の流れにしたがって、管内流れの速度ベクトルに対して流動抵抗を小さくするような軸線の姿勢となって溶媒１０２中に分散するからである。
【００１５】
熱輸送流体１０１が流れる流路の内壁面のうち、発熱源側に位置する高温内壁面５０と高温内壁面５０に対向する位置にある低温内壁面５１とが存在する場合、通常、熱輸送流体１０１を伝熱媒体として高温内壁面５０から低温内壁面５１へ熱移動がある。しかしながら、従来の熱輸送流体１０１の場合は、上記するようなカーボンナノチューブ１０４の配向状態によって、流れ方向に対して直交方向にカーボンナノチューブ１０４が伝熱媒体として機能しにくいため、高温内壁面５０から低温内壁面５１へ熱が伝わりにくい。そこで、第１実施形態の熱輸送流体１は、特徴的な微小粒子３を含むことにより、カーボンナノチューブ４が伝熱媒体として機能するように、カーボンナノチューブ４の配向状態を改善し、高温内壁面５０から低温内壁面５１への伝熱性を向上させることができる。
【００１６】
本実施形態の熱輸送流体１に用いられる溶媒２は、例えば水等の単一の成分からなるとともに、溶媒２よりも高い熱伝導率を有する微小粒子３を含有している。溶媒２は、例えば水または有機物（例えば、エチレングリコール、トルエン等）である。溶媒２は、微小粒子３を分散させ、微小粒子３を運搬する流体とすることができる。この流体は、液体、あるいは気体によって提供されうる。流体は、単一もしくは複数の成分から構成されうる。例えば、流体として水、液状の高分子を用いることができる。さらに、流体として、混合物を用いることができる。混合物には、例えば、水と、エチレングリコールと、他の機能成分との混合物を用いることができる。
【００１７】
複数の微小粒子３のそれぞれは、ナノメートルまたはマイクロメートルオーダーサイズの粒子であり、熱輸送流体１の溶媒２中に分散する。微小粒子３は、例えば、平均粒径が１００ｎｍ〜１０μｍの範囲をなす粒子である。微小粒子３としては、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）等の金属からなる粒子を用いることができる。また、微小粒子３は、２種類以上の物質から構成されてもよい。
【００１８】
熱輸送流体１に用いられる微小粒子３は、その外形が多面体形状、金平糖形状である。この多面体形状としては、種々様々な形状のものを採用することができ、例えば、図３（ａ）に示す三角形状プレート（対向する２面が三角形である扁平プレート状の多面体）の微小粒子３ａ、図３（ｂ）に示す六角形状プレート（対向する２面が六角形である扁平プレート状の多面体）の微小粒子３ｂ、図３（ｃ）に示す八面体の微小粒子３ｃ、図３（ｄ）に示す十面体の微小粒子３ｄ、図３（ｅ）に示す二十面体の微小粒子３ｅ等である。金平糖形状の微小粒子３ｆは、図３（ｆ）に示すように、表面に部分的に複数の凸部を有し、凹凸が表面全体に形成される形状である。
【００１９】
このような特徴的形状の微小粒子３をカーボンナノチューブ４とともに分散させることにより、多面体形状、金平糖形状等の微小粒子３が熱輸送流体１中で動くことによって、溶媒２の活発な流動を促進したり、微小粒子３とカーボンナノチューブ４の衝突が促進されたりする。したがって、カーボンナノチューブ４は、従来の熱輸送流体に見られるように管内流れの速度ベクトルに対して流動抵抗を小さくする姿勢で分散する状態が改善されて、不規則、ランダムな配向状態で溶媒２中に分散するようになる。そして、カーボンナノチューブ４の配向が、主に熱輸送流体の流れ方向に軸線を向ける指向から、流れ方向に対して直交する方向に指向する状態へと改善され、高温内壁面５０から低温内壁面５１への熱移動を促進することができる。
【００２０】
具体的には、複数の微小粒子３は、その外形が多面体形状、金平糖形状等であるため、例えば管内を流れるときに、熱輸送流体１中で細かく激しく動いたり、任意の方向に大きく移動したりするようになる。このように複数の微小粒子３が流動することにより、従来の熱輸送流体よりも溶媒２を揺さぶったり、かき回したりするため、溶媒２の活発な流動が促進し、カーボンナノチューブ４の不規則、ランダムな配向状態をもたらすと考えられる。また、このように溶媒２をかき回す効果と微小粒子３自体の活発な流動とにより、複数の微小粒子３が複数のカーボンナノチューブ４に衝突するため、カーボンナノチューブ４の整列状態が乱され、不規則、ランダムな配向状態をもたらすと考えられる。
【００２１】
以下に、出願人が確認した試験流体について、微小粒子の攪拌効果による熱伝達率向上を説明する。まず、熱輸送流体が「水」である場合について、流れ方向に対して直交する方向への熱伝達率（高温内壁面から低温内壁面への熱移動に関する熱伝達率）を測定した。これに対し、微小粒子として酸化アルミニウムを使用した０．３体積％のアルミナ水溶液を熱輸送流体とした場合について、同様に熱伝達率を測定した。なお、このアルミナ水溶液には、カーボンナノチューブは含まれていない。アルミナ水溶液の場合の実際の測定値は、水の熱伝達率よりも８％高い値になることがわかった。
【００２２】
一方、アルミナ水溶液の熱伝達率の理論値は、水の熱伝達率よりも０．５７％高い値になる。このアルミナ水溶液の熱伝達率ｈの理論値は、まず熱伝導率λがHamilton ＆ Crosserの式から水の熱伝導率よりも０．８％向上すると見積もられ、さらに熱伝達率ｈ∝λ2/3の関係によって、水の熱伝達率よりも０．５７％向上することが導かれる。
【００２３】
以上のように、理論値及び測定値の結果から、アルミナ水溶液の熱伝達率について測定値が高い熱伝達率であることは、溶媒中で微小粒子が活発に運動し、熱輸送流体を攪拌する効果が得られることに起因していると考えられる。すなわち、水の溶媒にアルミナ（酸化アルミニウム）を分散させることにより、溶媒中に分散させた場合のカーボンナノチューブがこのアルミナによる攪拌効果によって、より活発に流動し、長軸姿勢が不規則、ランダムである配向状態をもたらすことが予測される。
【００２４】
特徴的外形形状を有する微小粒子３を作製する方法を説明する。多面体形状の微小粒子３は、周知のマイクロ波−ポリオール法を用いて作製することができる。すなわち、溶媒及び還元剤としてエチレングリコールを使用し、金原料であるＨＡｕＣｌ４溶液をポリビニルピロディドン（ＰＶＰ）の存在下で、約２００℃で３分間、還元する。このような方法での加熱、還元により、前述の多面体形状をなす金ナノ微結晶を合成することができる。また、金平糖形状の微小粒子３は、界面活性剤、白金イオン種、溶媒からなる水溶液に還元剤を添加する。このような方法により、白金ナノ粒子の表面全体に多数の凹凸が形成される金平糖形状を合成することができる。
【００２５】
熱輸送流体１は、例えば、溶媒２にカーボンナノチューブ４、微小粒子３、及び界面活性剤を混ぜ、この流体に対して、超音波振動処理や遠心力を活用した攪拌処理を行うことにより、十分に混合させて作成することができる。このとき、カーボンナノチューブ４と微小粒子３のそれぞれは、界面活性剤で取り囲まれることにより、溶媒２中に安定的に分散するとともに、前述した微小粒子３の攪拌効果により、カーボンナノチューブ４は熱輸送流体１の流れの中で不規則、ランダムな配向で分散する。
【００２６】
本実施形態に係る熱輸送流体１がもたらす作用効果を以下に述べる。熱輸送流体１は、水または有機物からなる溶媒２と、溶媒２中に分散される複数の微小粒子３と、溶媒２中に分散される複数のカーボンナノチューブ４と、を含んで構成されており、微小粒子３は多面体形状または金平糖形状をなしている。
【００２７】
この構成によれば、微小粒子３が多面体形状または金平糖形状をなすため、多数の微小粒子３は、熱輸送流体１中で流動することによって、周囲の溶媒２を揺さぶったり、かき回したりする。このような多数の微小粒子３による攪拌効果によって、微小粒子３とともに溶媒２中に分散している多数のカーボンナノチューブ４は、前述のように熱輸送流体１の主流方向に長軸が向く従来の配向状態から、主流方向に長軸が向くものと向かないものが混在する不規則、ランダムな配向を示す状態になる。この不規則、ランダムな配向を示す多数のカーボンナノチューブ４が熱輸送流体１中に存在することによって、主流方向に対して垂直な方向に、カーボンナノチューブ４の熱伝導性を十分作用させることが可能になる。したがって、流体中のカーボンナノチューブ４を伝熱的に良好な分散状態にするので、熱伝導率の向上が図れる熱輸送流体１を提供できる。
【００２８】
（第２実施形態）
第２実施形態に係る熱輸送流体１Ａは、磁性材料を含む複数の微小粒子３Ａを有している。この微小粒子３Ａも、第１実施形態の微小粒子３と同様の外形形状である。以下、熱輸送流体１Ａに対して磁場を与えて、流体中のカーボンナノチューブを伝熱的に良好な分散状態にする形態について図４を参照して説明する。図４は、第２実施形態に係る熱輸送流体１Ａに対して磁場生成装置１０によって磁界を与えた状態を示す模式図である。なお、図４には、微小粒子３Ａの状態について理解を容易にするため、カーボンナノチューブ４は図示していない。
【００２９】
図４に示す磁場生成装置１０を備える熱輸送装置は、配管１１における高温内壁面に伝わる熱を、熱輸送流体１Ａによって、低温内壁面に移動させる装置である。例えば高温内壁面に伝わる熱は、車両用エンジン、モータ等を制御するインバータ、半導体素子、蓄電池等から発熱される熱である。したがって、熱輸送装置は、これらの機器を冷却する冷却装置として機能することができる。
【００３０】
熱輸送流体１Ａに含まれる微小粒子３Ａは、例えばマグネタイト等の磁性微粒子である。複数の微小粒子３Ａは、複数の磁性材料の粒子の集合体であり、溶媒２中に分散して存在している。このような複数の微小粒子３Ａは、溶媒２中において、通常は分散して存在しているが、磁場生成装置１０によって磁場が与えられて磁化されることにより磁場方向に伴う方向に延びるように連結して配列する構造（以下、連結構造ともいう）となる。この連結構造による形態は、残留磁化等の影響があるうちは維持されるが、熱輸送流体１Ａの流動とともに連結構造が解除されると、微小粒子３Ａ間が分離して溶媒２中に複数の微小粒子３Ａが分散するようになる。また、磁場生成装置１０によって、熱輸送流体１Ａに対する磁場の供給と解除とを切り換えることにより、連結構造と非連結構造とを切り換えることが可能となる。
【００３１】
磁場生成装置１０による磁場生成によって連結構造の形態に移行したときは、微小粒子３Ａの整列状態に伴って、カーボンナノチューブ４もランダムに分散することなく、比較的整列した構造となる。逆に、磁場解除によって微小粒子３Ａの連結構造が解体されて非連結構造の分散状態に移行したときは、第１実施形態で説明したように微小粒子３Ａの特徴的外形形状による攪拌作用によって、カーボンナノチューブ４も特定の配向にならずにランダムに分散するようになる。このようにカーボンナノチューブ４における、流れ方向に向く配向状態とランダム配向状態との間の変化は、可逆的であり、熱輸送流体１Ａに対する磁場生成、磁場解除のトリガに起因する。熱輸送流体１Ａは、このようなカーボンナノチューブ４の可逆的な配向変化によって、流れ方向に対して直交方向に伝熱しやすく、熱伝導率が向上する熱媒体として機能し、良好な熱伝達率を有する流体となる。
【００３２】
微小粒子３Ａに含まれる磁性材料としては、強磁性を有する材料であることが好ましく、例えば、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）等の金属からなる粒子、これらの合金または酸化物を用いることができる。磁性材料に用いるマグネタイト（Ｆｅ３０４）は、塩化鉄（ＩＩ）、塩化鉄（ＩＩＩ）の溶液にアンモニアを反応させて得ることができる。
【００３３】
図４に示すように、熱輸送流体１Ａが流れる配管１１内において、磁場形成部位１２よりも上流側では、複数の微小粒子３Ａは溶媒２中に分散する状態で存在している。この状態の微小粒子３Ａは、溶媒２中で規則的に配列せず、ランダムに動きまわる状態になる。そして、磁場生成装置１０に含まれる電磁石１３に印加される電圧によってコイルを電流が流れると、電流値に応じてＹ方向に磁場が生成する。この磁場の強さ、生成、及び解除は、印加電圧を調整する制御装置２０によって制御される。制御装置２０は、磁場を生成するときはスイッチ１４をＯＮ状態に制御し、磁場を解除するときはスイッチ１４をＯＦＦ状態に制御する。
【００３４】
本実施形態によれば、磁場生成装置１０による磁場生成及び磁場解除の切り替え制御により、カーボンナノチューブ４を流れ方向に向く配向状態とランダム配向状態とにわたって自在に切り換えることができる。したがって、熱輸送流体の熱伝導率を向上したい場合は、カーボンナノチューブ４をランダム配向状態に制御し、熱伝導率を抑えたい場合は、流れ方向への配向状態に制御することができるので、冷却または加熱の要求レベルや要求タイミングに応じて適切な伝熱性能を発揮することができる。
【００３５】
（他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
【００３６】
また、上記実施形態の熱輸送流体１，１Ａを使用する熱輸送装置は、エンジン、電子機器等の熱源の放熱を行う装置、ＣＰＵ、ＬＳＩ、ＣＣＤ等の半導体部品の冷却装置、モータの冷却装置に適用することができる。
【００３７】
熱輸送流体に含まれる溶媒は、上記各実施形態で例示した他、以下の有機溶媒を用いることができる。有機溶媒としては、トルエン、ヘキサン、ジエチルエーテル、クロロホルム、酢酸エチル、テトラヒドロフラン、塩化メチレン、アセトン、アセトニトリル、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、酢酸ブタノール、２プロパノール、１−プロパノール、エタノール、メタノール、ギ酸等である。
【００３８】
また、熱輸送流体１，１Ａに含まれる溶媒として、２種類の成分からなるものを用いてもよい。このうち１種類の溶媒としては凝固点降下作用を有するある液体を用いてもよい。例えば溶媒として水を用い、凝固点降下剤として酢酸カリウム、酢酸ナトリウム等を用いることができる。こうした構造によれば、熱輸送流体の凝固点を降下させることで、寒冷地等における実用性をさらに高めることができる。さらに必要に応じて、凝固点降下剤に加えて防錆剤や酸化防止剤を、添加剤として熱輸送流体に含有させるようにしてもよい。なお、熱輸送流体の凝固点降下の必要性がなければ、凝固点降下剤を含有しない２種類以上の溶媒を用いるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１，１Ａ…熱輸送流体
２…溶媒
３，３Ａ…微小粒子
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ…微小粒子
４…カーボンナノチューブ
５０…高温内壁面
５１…低温内壁面
【図１】
0005522123.tif 000002
【図２】
0005522123.tif 000003
【図３】
0005522123.tif 000004
【図４】
0005522123.tif 000005