(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
緻密な固体と、
その固体表面に形成され、平均直径１μｍ以下の酸化銅の微粒子からなりほぼ球状をなす第一の粒子群からなる多孔質の下層と、
その上に形成され、平均直径０．１μｍ以下の酸化銅のナノサイズ粒子からなり多様な形状をなす第二の粒子群からなる多孔質の上層とを備えることを特徴とする熱伝達媒体。
【請求項２】
前記上層と下層との間に、下層と同一の化学種で平均直径１μｍ以上の粒子からなる第三の粒子群からなる中間層を更に備える請求項１に記載の熱伝達媒体。
【請求項３】
流体に熱を伝達させる固体からなる熱伝達媒体を製造する方法において、
緻密な固体を無機酸銅塩溶液と接触させることにより、その塩に由来する酸化銅からなる平均直径１μｍ以下の微粒子を析出させる下層形成工程と、
その後、平均直径０．１μｍ以下の酸化銅のナノサイズ粒子と酸又はアルカリとの混合溶液を前記固体と接触させる上層形成工程とを備えることを特徴とする熱伝達媒体の製造方法。
【請求項４】
前記塩が硫酸銅ＣｕＳＯ４である請求項３に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、流体に熱を伝達させる熱伝達媒体とそれを製造する方法に属する。
【背景技術】
【０００２】
熱エネルギーの伝達と移動は、熱放射（thermal radiation）、熱伝導(heat conduction)、熱伝達(heat transfer)の３つの移動現象に大別でき、その工学利用においては、なんらかの熱媒体による顕熱および潜熱輸送 (heat transport)や、他の媒質内に変換および伝播移動 (heat transmission)を利用して、熱的な効率を高めることは単に省エネルギーのみならず、今や全地球的規模に於ける大きな課題となってきている。
従来、熱伝達現象は、流体運動の動的特性を表すRe(レイノルズ数)、作動流体の動的物性を特徴付けるPr(プラントル数)、作動流体と固体表面との間の熱伝達を表すNu(ヌセルト数)、作動流体が温度差或いは密度差による浮力駆動流れである場合の熱流動特性を表すGr(グラスホフ数)などを関数とした実験相関式として議論・整理され、固有の条件を有する熱伝達率の推定に関して多大なる成果を上げてきた。
【特許文献１】特開２００２−２２８３８９
【特許文献２】特開昭６０−１３３２８９
【特許文献３】特開昭４８−６３３５２
【特許文献４】特開２００１−５０６８８
【特許文献５】特開昭６１−６５９６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、これらの無次元数に基づく実験相関式の多くは、境界層理論を背景とした流体の温度分布及び速度分布に基づくものである。
この発明の課題は、伝熱現象のなかの対流熱伝達(convective heat transfer)に関して、境界層理論に基づかない、低コストで画期的に高い効率を示す全く新しい熱伝達媒体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
その課題を解決するために、この発明の熱伝達媒体は、
緻密な固体と、
その固体表面に形成され、平均直径１μｍ以下の酸化銅の微粒子からなりほぼ球状をなす第一の粒子群からなる多孔質の下層と、
その上に形成され、平均直径０．１μｍ以下の酸化銅のナノサイズ粒子からなり多様な形状をなす第二の粒子群からなる多孔質の上層とを備えることを特徴とする。
この熱伝達媒体において、下層は、本質的に熱伝達特性に優れるが、流体によって汚染された表面を空気にさらすと特性が劣化する。上層は、下層よりも熱伝達特性に劣るが、空気にさらされてもほとんど劣化しない。その結果、従来の理論では流体側の分子熱伝導としか取り扱われていない層流境界底層内の伝熱機構が大幅に改善され、熱伝達率が増大する。尚、前記上層と下層との間に、下層と同一の化学種で平均直径１μｍ以上の粒子からなる第三の粒子群からなる中間層を更に備えると良い。中間層は下層の特性を損なうことなく上層を支える役目を担う。
対流伝熱においては、この発明の方法は高温熱源が固体側にある場合には高温固体から低温流体へ熱を伝達させることに利用でき、逆に、高温熱源が流体側にある場合には高温流体から低温固体へ熱伝達させる際にも適用可能である。
【０００５】
この発明の熱伝達媒体を製造する適切な一つの方法は、
流体に熱を伝達させる固体からなる熱伝達媒体を製造する方法において、
緻密な固体を無機酸銅塩溶液と接触させることにより、その塩に由来する酸化銅からなる平均直径１μｍ以下の微粒子を析出させる下層形成工程と、
その後、平均直径０．１μｍ以下の酸化銅のナノサイズ粒子と酸又はアルカリとの混合溶液を前記固体と接触させる上層形成工程と
を備えることを特徴とする。
この発明の方法によれば、流体と接する固体の表面を無機酸銅塩溶液と接触させることにより、その塩に由来する酸化銅からなる微粒子の群を固体表面に析出させる。この微粒子は、平均直径１μｍ以下のほぼ球状粒子であり、これにより、固体表面に多孔質の下層が形成される。
次に、ナノサイズ粒子と酸又はアルカリとの混合溶液を前記固体と接触させる。これにより下層の上部がエッチングされるとともに、ナノサイズ粒子が膜状に堆積して上層が形成される。ナノサイズ粒子は、上記第一粒子群の微粒子と異なり、縦横の平均の直径が0.1μｍ以下の非球形のナノサイズ粒子状をなし、また、複数回の処理を施した場合には、平均直径が１μｍ以下の針状ないし板状をなす。
これは、第一の粒子群の場合、まず壁面上に発生した核の周囲に均等に第一世代の結晶が成長し、壁面が第一世代の結晶で充満された後、その上部に第二世代の結晶が成長する。このようにして、順次、析出時間に応じて結晶析出しながら多孔質層(下層)を形成するのに対して、第二の粒子群(上層)は酸又はアルカリと混ざり合って球形から非球形状へ変形した供試ナノサイズ粒子がペースト状液体となったものを下層の上に塗布することによって形成される。このとき下層の上部がエッチングされることにより、上層と下層との間に結晶が大きく変形し、大きな気孔を有する中間層が形成されるが、同時にこの大きな結晶はナノサイズ粒子で充満されたペースト状液体膜を表面張力で支える役目を担っている。これは、中間層内には上層で見られるような形態のナノサイズ粒子が見出されないことからも明確である。最後に、このナノサイズ粒子で充満された液膜を乾燥することによってナノサイズ粒子の第二粒子群による多孔質層（上層）を形成する。
【発明の効果】
【０００６】
以上のように、この発明によれば、熱伝達の対象流体と接する固体の表面に微粒子の群からなる下層・上層の二つ、場合により更に中間層との三つの多孔質層を形成するだけで熱伝達率が著しく向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、この発明を実施形態に基づいて具体的に説明する。
【実施例１】
【０００８】
［実験装置］
この発明の方法による効果を確認するための実験に用いた装置の概念図を図１に示す。実験装置は、主に円筒状の密閉室１、冷却室２、温度制御部３、温度モニター４、対象流体用循環ポンプ５、冷却水用循環ポンプ６及び冷却水タンク７を備え、２５℃の屋内に設置した。
密閉室１は、硬質塩化ビニール製で内径１００ｍｍ、高さ１００ｍｍの円筒８と、その上端面に液密に固定されたＳＵＳ３０４製の蓋板９と、下端面に液密に固定されたＳＵＳ３０４製の底板１０とで構築されている。蓋板９及び底板１０は、厚み１０ｍｍの円盤状をなす。蓋板９の下面には、外径９９．５ｍｍ、厚み１．５ｍｍで円盤状銅製の伝達板１１が図略のシリコングリス（台湾 Plowstar社製型式:AK-100）を介して図略のビスにて固着されている。また、蓋板９の上面には外径１００ｍｍで容量８０Ｗのパネルヒータ１２がシリコングリス（同上）を介して装着されている。シリコングリスの厚さはいずれも０．０５ｍｍ程度であり、パネルヒータ１２から伝達板１１までの距離は熱伝導（固体内部の熱移動）の領域である。蓋板９、伝達板１１及びパネルヒータ１２は、いずれも中心に直径１０ｍｍの貫通孔を有し、そこに空気抜きと対象流体の体積膨張時の体積膨張分・圧力逃げを兼ねてパイプ１３が液密に嵌合されている。円筒８の外周面及びパネルヒータ１２の中心を除く上面は、断熱材２５にて覆われている。
【０００９】
蓋板９の内部には白金抵抗体からなる２本の温度センサー１４、１５が装填され、１本の温度センサー１４は温度制御部３に接続して蓋板９を所定の温度にＰＩ自動制御し、もう１本の温度センサー１５は温度モニター４に接続して蓋板９内部の温度をモニターするために用いられる。尚、蓋板９と伝達板１１との境界には厚さ０．９ｍｍ程度の白金抵抗体薄膜からなる温度センサー１６が埋め込まれており、伝達板１１上面の温度をモニターするために温度モニター４と接続されている。また、円筒８内にも上下方向に等間隔で計５本の温度センサー１７〜２１が挿入され、更に底板１０の内部に１本の温度センサー２２が埋め込まれ、冷却水タンク７の水の中にもう１本の温度センサー２３が浸けられ、いずれも温度モニター４と接続されている。
一方、冷却室２は密閉室１を支持するように密閉室１の下に設置され、上面にあるＳＵＳ３０４製の台２４が底板１０と密接している。冷却室２の内径は１００ｍｍで、室内は冷却水タンク７から送られる温度２７．７℃の冷却水が実験中常時満たされた状態で冷却水循環ポンプ６により強制循環させられている。また、密閉室１内には水道水が満たされた状態で、対象流体用循環ポンプ５により上部から吸い込み、下部から吐き出すように強制循環させられている。
以上の実験装置において、蓋板９の温度が５０℃になるようにパネルヒータ１２に通電したところ、各部の温度が４０分後に定常状態になることを確認した。
【００１０】
［予備実験手順］
次の手順で後述のＡ及びＢグループの測温データをとった。各測温データ採取毎に同形同質の１個の伝達板１１を用いた。
蓋板９の温度が５０℃になるようにパネルヒータ１２に通電し、開始後１分毎に各部を測温し、各部の温度が一定となる定常状態から更に２０分経過した時点で終了し、後述の方法で熱伝達率を評価した。この測温データをＡとする。尚、測温値は再現性を有することを確認した。以下の全ての測温値も同様であるので、再現性を確認したことの記載を省く。
Ｂグループの場合、伝達板１１を実験装置に組み込む前に、塩基性炭酸銅CuCO3・Cu(OH)2 ０．３wt%及び硫酸銅５水和物CuSO4・5H2O０．６wt%を含む溶液を９０℃で沸騰させ、その中に伝達板１１を入れて３分間、１０分間又は２０分間煮沸した。その後、伝達板１１を実験装置に組み込んで各部を測温した。測温データをそれぞれＢ（３分）、Ｂ（１０分）及びＢ（２０分）とする。そして、煮沸時間毎に後述の方法で熱伝達率を評価した。煮沸後実験装置への組み込み前のＢ（１０分）及びＢ（２０分）の伝達板１１を走査型電子顕微鏡で撮影した写真を図２（ａ）及び図２（ｂ）に各々示す。図２に見られるように、いずれも伝達板１１に硫酸銅と炭酸銅とに由来すると認められる酸化銅CuOからなるほぼ球状の微粒子が多数析出していた。そして、Ｂ（２０分）のほうがＢ（１０分）よりも粒径が大きかった。
【００１１】
［予備実験の熱伝達率評価］
測温データは、全て各部の温度が定常になった状態を基としている。また、密閉室内の流体温度は蓋板９の上面温度と底板１０の下面温度の平均温度を示しており、密閉室からの熱損失が無いこと、また、密閉室中間部の流体域が等温であったことから流体部分では断熱層が形成されていることが証明された。したがって、直径100mmの密閉室上面を通過した熱流は、密閉室の上層部で中間流体層と対流熱伝達し、熱損失することなく中間層を輸送され、下層部で底板と対流熱伝達しており、この際に上下層部を通過する熱流の大きさは同一であると言える。この実験により、伝熱機構が定常的に存在することも明らかとなっている。
伝達板、密閉室内水温、底板の温度をそれぞれTC, TwM, TBとし、面積Sの伝達板から水への熱流束及び熱伝達率をｑupper, αCuTop、また下層の水から底板へのそれをｑlower, αbottomとするとき、各々に対して次式が成立する。
ｑupper＊S=αCuTop＊(TC−TwM)＊S
ｑlower＊S=αbottom＊(TwM−TB)＊S
前述の如く定常状態に於いては、熱流は同一：ｑupper＊S=ｑlower＊Sであるから、
次式が成立する。
αCuTop/αbottom=(TwM−TB)/(TC−TwM)
【００１２】
このαCuTop/αbottomの値を測温値Ａ、Ｂ（３分）、Ｂ（１０分）及びＢ（２０分）の各々に対して図示したのが、図３である。ポンプ５の回転数を一定とした条件下では、流動条件は同一と考えられるので、下層の水から底板への熱伝達率αbottomは不変と考えて良い。したがって、αCuTop/αbottomの値はそのままαCuTopの特性、即ち上層の伝達板から水への熱伝達率の相対的な増加割合の指標を示していると考えることが出来る。
銅から水への熱伝達率に関して、微量の酸化銅CuO微粒子からなる層が伝達板（銅板）表面に形成されたＢ（３分）、Ｂ（１０分）及びＢ（２０分）の特性が、伝達板単体の特性よりＢ（２０分）で３割以上、Ｂ（１０分）では９割以上も向上している。従って、流体の境界層理論に立脚する熱伝達の概念からすれば、微粒子の多孔質層自体がまさに温度境界層に多大な影響を及ぼすとしか考えられない。そして、Ｂグループの中ではＢ（１０分）の熱伝達率が最も優れていた。
【００１３】
［実験手順］
酸化銅ＣｕＯのナノサイズ粒子（米国 Nanophase Technologies社製、BET法に基づくSSA(比表面積)の測定から決まる平均粒径＝１６〜３２ｎｍ、ほぼ球状）と25 wt%硝酸を混合してペースト状に調製し、これをＢ（１０分）と同じ煮沸処理をした伝達板１１の下面全体に１回塗布し、乾燥後に水洗した。この伝達板１１を実験装置に組み込んで各部を測温した。測温データをＣとする。
別途、煮沸していない無垢の伝達板１１の下面全体にも同様に上記のペーストを３回塗布した。この伝達板１１を再度実験装置に組み込んで各部を測温した。測温データをＤとする。測温データＣ及びＤに基づく熱伝達率評価指標の結果を前記測温データＡ及びＢとともに図４に示す。図４において横軸のＢ、Ｃ及びＤの符号の右にハイフンを介して付した番号は、計測回数を表す。即ち、例えばＢ−０２とは、Ｂ（１０分）の処理をした伝達板１１を用いて同一条件で２回計測したことを表し、各回計測後は伝達板１１を取り外して次の計測まで２４時間以上大気中に放置した。図４に見られるように、Ｂグループは初回の熱伝達率は優れているが、計測回数を重ねるにつれて劣化した。これに対してＣグループ及びＤグループは劣化せず、特にＣグループは高い熱伝達率が維持された。図５は、処理条件をパラメータとし、計測回数を横軸にとって打点したグラフである。
【００１４】
そこで、Ｂグループの劣化の原因を探るために、測温後のＢ（１０分）のＳＥＭ写真を撮影し、測温後のＤのＳＥＭ写真と対比した。前者が図６、後者が図７である。これらの写真に見られるように、Ｂ（１０分）の伝達板の表面にはシリコングリスと認められる汚れが数十ミクロンに亘って付着しているのに対して、Ｄの伝達板の表面には付着していない。従って、Ｄの伝達板の表面は汚れが付着しにくく、その性質が熱伝達率特性の維持に寄与しているのに対して、Ｂの伝達板は実験装置への取り付け取り外しの度に表面が汚れやすく、その性質が熱伝達率特性の劣化に影響していると考えられる。尚、図６の伝達板表面の微粒子はほぼ球状、図７のそれは針状ないし板状と認められる。
そして、Ｃの伝達板の表面に付着した粒子層の上部を剥離し、その断層部分をＳＥＭにて観察すると、粒子層は、図８に見られるように硫酸銅に由来すると認められる図２に類似した球状の酸化銅微粒子群による下層と、その上に形成された粗く大きな気孔を有する中間層と、酸化銅ペーストに由来すると認められる酸化銅ナノサイズ粒子群による上層との三層からなっていた。即ち、この断層部分を断面図で示すと、図９のように平らな銅板１１ａの上に微粒子からなる厚い下層１１ｂ、その上に粗い粒子からなる中間層１１ｃ、その上にナノサイズ粒子からなる薄い上層１１ｄとなる。上層の厚みは約１μｍであった。またこの上層は塗布回数を複数回行うことにより、厚みが増すとともに針状板状の形状となることが確認されている（図７）。従って、Ｃグループの熱伝達率が高く、計測回数を重ねても劣化しない理由は、下層による高熱伝達率特性と上層によるフィルター特性と両者の特性を維持する中間層の相乗作用によると認められる。
【実施例２】
【００１５】
実施例１における伝達板１１を銅製からアルミニウム製又はステンレス（ＳＵＳ−３１６）製に代えた以外は、実施例１における対応する条件と同一条件で熱伝達率を評価した。各々の熱伝達率評価指標を図１０に示す。図中、横軸の符号の意味は次の通りである。
Ａ：実施例１（図３）における測温値Ａ（銅板単体）
Ｅ：アルミニウム板単体
Ｆ：ステンレス板単体
Ｃ：実施例１における測温値Ｃ−０２（銅板＋下層＋中間層＋上層）
Ｇ：アルミニウム板＋下層＋中間層＋上層
Ｈ：ステンレス板＋下層＋中間層＋上層
熱伝達率評価指標がＥ及びＦの場合よりも各々Ｇ及びＨの場合の方が飛躍的に高くなっていることから、基板の材質に係わらず微粒子からなる下層と中間層とナノサイズ粒子からなる上層を形成することによって、熱伝達率が向上することが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
空調機、温水器などにおける熱交換システムや熱伝達を必要とするあらゆる分野で有益である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の効果を確認する実験装置の概念図である。
【図２】上記実験装置に用いる伝達板の表面の予備実験段階におけるＳＥＭ写真であり、（ａ）が硫酸銅溶液に１０分間、（ｂ）が同じく２０分間浸して煮沸した後のものである。
【図３】上記実験装置により予備実験条件で測温した値に基づいて算出した熱伝達率評価指標である。
【図４】上記実験装置により実施例１の実験条件で測温した値に基づいて算出した熱伝達率評価指標である。
【図５】上記の熱伝達率評価指標を計測回数を横軸にとって打点したグラフである。
【図６】硫酸銅溶液中で１０分間煮沸した伝達板の測温後のＳＥＭ写真である。
【図７】酸化銅ペーストを塗布した伝達板の測温後のＳＥＭ写真である。
【図８】硫酸銅溶液中で煮沸し、その上に酸化銅ペーストを塗布した伝達板の測温後の一部破断表面を撮影したＳＥＭ写真である。
【図９】図８の断層部分を示す断面図である。
【図１０】実施例２の実験条件で測温した値に基づいて算出した熱伝達率評価指標である。
【符号の説明】
【００１８】
１  密閉室
２  冷却室
３  温度制御部
４  温度モニター
５、６  循環ポンプ
７  冷却水タンク
８  円筒
９  蓋板
１０  底板
１１  伝達板
１１ａ  銅板
１１ｂ  下層
１１ｃ  中間層
１１ｄ  上層
１２  パネルヒーター
１３  パイプ
１４〜２３  温度センサー
２４  台
２５  断熱材
【要約】
【課題】伝熱現象のなかの対流熱伝達(convective heat transfer)に関して、境界層理論に基づかない、低コストで画期的に高い効率を示す全く新しい熱伝達媒体を提供することにある。
【解決手段】緻密な固体と、その固体表面に形成され、金属酸化物の微粒子からなりほぼ球状をなす第一の粒子群からなる多孔質の下層と、その上に形成され、前記金属酸化物と同一の又は異なる化学種のナノサイズ粒子からなり多様な形状をなす第二の粒子群からなる多孔質の上層とを備えることを特徴とし、固体を無機酸金属塩溶液と接触させることにより、その塩に由来する金属酸化物からなる微粒子を析出させる下層形成工程と、その後、前記金属酸化物と同一の又は異なる化学種からなるナノサイズ粒子と酸又はアルカリとの混合溶液を前記固体と接触させる上層形成工程とを備えることにより製造される。
【選択図】図８
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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