(57)【要約】【課題】  カーボンフォーム系温度レギュレータ、そのシステム及び温度調整方法を提供する。【解決手段】  温度レギュレータは、１以上の電気的に伝導性のカーボンフォーム１２を備える。カーボンフォーム１２は、２以上の電気リード１３を備え、エンジンオイル等の流体１４を加熱する。燃焼機関は、エンジンブロックと、カーボンフォーム１２とを備え、カーボンフォーム１２は、エンジンブロック内へと延伸し、または、１以上の流体１４と熱的に接触するように配置される。
2005526928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンブロックと、１以上のカーボンフォームとを備える燃焼機関であって、
前記フォームは、前記エンジンブロック内へと延伸し、または、１以上のエンジンフルードに熱的に接触するように配置されることを特徴とする燃焼機関。
【請求項２】
前記カーボンフォームは、前記エンジンブロック内に配置され、また、２以上の電気コネクタをそれぞれ設けるための部分を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項３】
前記カーボンフォームは、受動的冷却をすることを特徴とする請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項４】
さらに、前記燃焼機関は、能動的冷却装置を備え、前記カーボンフォームは、前記能動的冷却装置と熱伝導可能に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項５】
前記能動的冷却装置は、シェル側と管側とを有する熱交換器を備え、前記シェル側は、前記カーボンフォームから構成されることを特徴とする請求項４に記載の燃焼機関。
【請求項６】
前記カーボンフォームは、グラファイトフォームからなることを特徴とする請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項７】
前記グラファイトフォームは、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有することを特徴とする請求項６に記載の燃焼機関。
【請求項８】
前記カーボンフォームは、それぞれ、電気コネクタを接続するための部分を２以上有することを特徴とする請求項６に記載の燃焼機関。
【請求項９】
前記カーボンフォームは、オイルコンテナ内に配置されることを特徴とする請求項８に記載の燃焼機関。
【請求項１０】
前記燃焼機関の温度が所定の最低駆動温度未満の場合に前記フォームの加熱を開始し、該燃焼機関の温度が該所定の最低駆動温度以上の場合には前記フォームの加熱を停止するためのサーモスタットをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の燃焼機関。
【請求項１１】
電気的に流体を加熱する１以上のカーボンフォームと、
前記カーボンフォームの２以上の部分のそれぞれに配置された電気コネクタと、
を備えることを特徴とする温度レギュレータ。
【請求項１２】
前記カーボンフォームは、１以上の液体を加熱可能に配置され、前記液体のうちの１つは、オイル、エチレングリコール、ブレーキオイル、トランスミッションオイル、パワーステアリングオイルのいずれかであることを特徴とする請求項１１に記載の温度レギュレータ。
【請求項１３】
前記カーボンフォームは、少なくとも部分的に熱伝導性を備えることを特徴とする請求項１１に記載の温度レギュレータ。
【請求項１４】
前記カーボンフォームは、能動的冷却装置と熱伝導可能に接続されたことを特徴とする請求項１３に記載の温度レギュレータ。
【請求項１５】
前記能動的冷却装置は、シェル側と管側とを有する熱交換器を備え、前記シェル側は前記カーボンフォームから構成されることを特徴とする請求項１４に記載の温度レギュレータ。
【請求項１６】
前記カーボンフォームは、グラファイトフォームからなることを特徴とする請求項１１に記載の温度レギュレータ。
【請求項１７】
前記グラファイトフォームは、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有することを特徴とする請求項１６に記載の温度レギュレータ。
【請求項１８】
前記カーボンフォームは、２５℃で１〜５００μオーム・メーターの電気抵抗を有することを特徴とする請求項１１に記載の温度レギュレータ。
【請求項１９】
前記導電性のカーボンフォームは、オイルコンテナ内に配置されることを特徴とする請求項１１に記載の温度レギュレータ。
【請求項２０】
前記導電性のカーボンフォームは、フランジ形状を有することを特徴とする請求項１１に記載の温度レギュレータ。
【請求項２１】
温度が所定の最低温度未満の場合に前記カーボンフォームの加熱を開始し、温度が所定の最高温度以上の場合には前記フォームの加熱を停止するためのサーモスタットをさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の温度レギュレータ。
【請求項２２】
流体の温度を調整する方法であって、
流体に熱的に接触する導電性のカーボンフォームを１以上用意するステップと、
電流を前記カーボンフォームの全体に流すことによって前記流体を加熱するステップと、
を含むことを特徴とする流体の温度を調整する方法。
【請求項２３】
前記流体の温度は、第１の所定の温度よりも低い場合、該流体の加熱を開始することを特徴とする請求項２２に記載の流体の温度を調整する方法。
【請求項２４】
前記流体の温度が所定の最高温度以上の場合には、該流体の加熱を停止するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２２に記載の流体の温度を調整する方法。
【請求項２５】
前記流体の温度が所定の冷却温度に達した場合には、該流体を冷却するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２２に記載の流体の温度を調整する方法。
【請求項２６】
前記導電性のフォームを介して受動的に放熱することによって冷却をすることを特徴とする請求項２５に記載の流体の温度を調整する方法。
【請求項２７】
前記導電性のフォームはグラファイトフォームからなることを特徴とする請求項２６に記載の流体の温度を調整する方法。
【請求項２８】
前記流体は、他の状態の物質を含むことを特徴とする請求項２２に記載の流体の温度を調整する方法。
【請求項２９】
さらに、前記流体の粘度を調整するステップを含むことを特徴とする請求項２２に記載の流体の温度を調整する方法。
【請求項３０】
前記流体は、オイル、エチレングリコール、ブレーキオイル、トランスミッションオイル、パワーステアリングオイルのいずれかであることを特徴とする請求項２２に記載の流体の温度を調整する方法。
【請求項３１】
能動的冷却装置によって冷却が行われ、前記導電性のフォームは、該能動的冷却装置と熱伝導可能に接続されていることを特徴とする請求項２５に記載の流体の温度を調整する方法。
【請求項３２】
前記能動的冷却装置は、シェル側と管側とを有する熱交換器を備え、前記シェル側は、前記導電性のフォームから構成されることを特徴とする請求項３１に記載の流体の温度を調整する方法。
【請求項３３】
前記導電性のフォームは、グラファイトフォームからなることを特徴とする請求項２２に記載の流体の温度を調整する方法。
【請求項３４】
前記グラファイトフォームは、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有することを特徴とする請求項３３に記載の流体の温度を調整する方法。
【請求項３５】
前記導電性のカーボンフォームは、２５℃で１〜５００μオーム・メーターの電気抵抗を有することを特徴とする請求項２２に記載の流体の温度を調整する方法。
【請求項３６】
前記導電性のフォームは、オイルコンテナ内に配置されていることを特徴とする請求項２２に記載の流体の温度を調整する方法。
【請求項３７】
前記導電性のフォームは、フランジ形状を有することを特徴とする請求項２２に記載の流体の温度を調整する方法。
【請求項３８】
前記流体は、エンジンブロックを含むエンジン内を循環するエンジンクーラントで、該エンジンブロックを直接冷却するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２２に記載の流体の温度を調整する方法。
【請求項３９】
熱伝導性のカーボンフォームは、前記エンジンブロック内へと延伸することを特徴とする請求項３８に記載の流体の温度を調整する方法。
【請求項４０】
流体を加熱するための１以上の導電性カーボンフォームを含む温度レギュレータを備え、前記導電性のカーボンフォーム全体に、電位差を加えることが可能な構成を有することを特徴とする温度制御システム。
【請求項４１】
前記導電性のカーボンフォームは、１以上の流体を加熱可能に配置され、前記流体のうちの１つは、オイル、エチレングリコール、ブレーキオイル、トランスミッションオイル、パワーステアリングオイルのいずれかであることを特徴とする請求項４０に記載の温度制御システム。
【請求項４２】
前記導電性のカーボンフォームは、１以上の流体を冷却可能な構成を有することを特徴とする請求項４１に記載の温度制御システム。
【請求項４３】
前記冷却は、受動的冷却であることを特徴とする請求項４２に記載の温度制御システム。
【請求項４４】
さらに、能動的冷却装置を備え、前記導電性のカーボンフォームは、前記能動的冷却装置と熱伝導可能に接続されていることを特徴とする請求項４０に記載の温度制御システム。
【請求項４５】
前記能動的冷却装置は、シェル側と管側とを有する熱交換器を備え、前記シェル側は、前記導電性のカーボンフォームから構成されることを特徴とする請求項４４に記載の温度制御システム。
【請求項４６】
前記導電性のカーボンフォームは、グラファイトフォームからなることを特徴とする請求項４０に記載の温度制御システム。
【請求項４７】
オイルコンテナをさらに備え、前記導電性のフォームは、前記オイルコンテナ内に配置されることを特徴とする請求項４０に記載の温度制御システム。
【請求項４８】
前記導電性のカーボンフォームは、フランジ形状を有することを特徴とする請求項４０に記載の温度制御システム。
【請求項４９】
温度が所定の最低温度未満の場合に前記導電性のカーボンフォームの暖めを開始し、温度が所定の最高温度以上の場合には前記フォームの暖めを停止するためのサーモスタットをさらに備えることを特徴とする請求項４０に記載の温度制御システム。
【請求項５０】
前記流体は、エンジンブロックを含むエンジン内を循環するエンジンクーラントで、該エンジンブロック内へと延伸する１以上の熱伝導性のカーボンフォームをさらに備えることを特徴とする請求項４０に記載の温度制御システム。
【請求項５１】
前記熱伝導性のカーボンフォームは、グラファイトフォームからなることを特徴とする請求項５０に記載の温度制御システム。
【請求項５２】
前記グラファイトフォームは、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有することを特徴とする請求項５１に記載の温度制御システム。
【請求項５３】
流体に熱的に接触する１以上の導電性のカーボンフォームを用意するステップ、及び、
燃焼機関の温度が所定の最低駆動温度未満の場合に前記導電性のカーボンフォーム全体に電流を流すことによって該燃焼機関を暖めるステップ、または、該燃焼機関の温度が所定の最大駆動温度以上の場合に該燃焼機関を冷却するステップのいずれか若しくは両方を含む燃焼機関の駆動方法であって、
熱伝導性のカーボンフォームを介した放熱をすることによって前記燃焼機関を冷却することを特徴とする燃焼機関の駆動方法。
【請求項５４】
流体を加熱するステップを行った結果、温度が所定のシャットオフ温度以上になった場合に、加熱を停止することを特徴とする請求項５３に記載の燃焼機関の駆動方法。
【請求項５５】
前記熱伝導性のカーボンフォームを介した受動的な放熱をすることにより前記燃焼機関の冷却をすることを特徴とする請求項５３に記載の燃焼機関の駆動方法。
【請求項５６】
前記導電性のカーボンフォームは、前記熱伝導性のカーボンフォームから構成されることを特徴とする請求項５３に記載の燃焼機関の駆動方法。
【請求項５７】
前記熱伝導性のカーボンフォームは、前記エンジンブロック内へと延伸することを特徴とする請求項５３に記載の燃焼機関の駆動方法。
【請求項５８】
前記導電性のカーボンフォーム及び前記熱伝導性のカーボンフォームのうちの１以上が、グラファイトフォームからなることを特徴とする請求項５３に記載の燃焼機関の駆動方法。
【請求項５９】
前記グラファイトフォームは、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有することを特徴とする請求項５８に記載の燃焼機関の駆動方法。
【請求項６０】
前記流体は、オイル、エチレングリコール、ブレーキオイル、トランスミッションオイル、パワーステアリングオイルのいずれであることを特徴とする請求項５３に記載の燃焼機関の駆動方法。
【請求項６１】
前記冷却は能動的冷却装置によって行われ、前記熱伝導性のカーボンフォームは、前記能動的冷却装置と熱伝導可能に接続されていることを特徴とする請求項６０に記載の燃焼機関の駆動方法。
【請求項６２】
前記能動的冷却装置は、シェル側と管側とを有する熱交換器を備え、前記シェル側は、前記熱伝導性のカーボンフォームから構成されることを特徴とする請求項６１に記載の燃焼機関の駆動方法。
【請求項６３】
前記導電性のカーボンフォームは、オイルコンテナ内に配置されていることを特徴とする請求項５３に記載の燃焼機関の駆動方法。
【請求項６４】
前記導電性のカーボンフォームは、フランジ形状を有することを特徴とする請求項５３に記載の燃焼機関の駆動方法。
【請求項６５】
冷却予定領域に熱伝導可能に接続されるように配置された１以上の熱伝導性のカーボンフォームを備え、
前記熱伝導性のカーボンフォームは、前記領域から熱が伝達されるとともに該カーボンフォームの容積に応じて該熱を分散する、
ことを特徴とする熱拡散器。
【請求項６６】
請求項６５に記載の熱拡散器を備える温度平衡器であって、
前記領域が、医療の用途、食品加工装置、またはエンジンに含まれることを特徴とする温度平衡器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体（フルード）の温度を調整するための技術及びシステムに関する。より具体的には、本発明は、内燃機関に用いられる流体の温度を調整するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン潤滑オイルやその他の流体の温度を調整することには、特筆すべき利点がある。例えば、エンジンの始動前にエンジンオイルを予め加熱することにより、エンジン始動の際のエンジン摩耗を低減することができる。また、エンジンの初期動作温度が低いことに起因し、主にエンジンの始動の際に生じる高エミッションレベルが、予め加熱されたエンジンオイルによって低減される。
【０００３】
加えて、定常状態条件下では、潤滑オイルの温度の上限を定めることが好ましい。エンジン温度のピークが低ければ、オイルやエンジンの部品の寿命が延びるからである。また、オイル温度のピークが低ければ、オイルの潤滑機能が向上する。
【０００４】
一般的に、現代の自動車エンジンには、燃費の向上及び低エミッション化を達成するため、従前と比べてより高い温度で駆動することが要求されている。オイルクーラの使用によってオイルの温度が低下させられる。これによってオイルの潤滑が許容され、ひいては、エンジンが低い駆動温度、より適切な温度レベルで駆動することが可能となる。特定の大型車の場合、例えば、クラス７〜８のトラック（class 7-8 trucks）の場合においては、水冷システムの一部がオイルの冷却に利用されている。しかしながら、このような冷却システムは、自動車の重量及びコストを増加させるとともに、またその構成を複雑化させる。
【０００５】
トラック等の大型車においては、特に、オイルの温度を低く、より一定に維持することが有益である。オイルが煤をオイルフィルタへ一層運ぶことになるからである。オイルの安定性を向上させることにより、より軽いオイルを用いることが可能となり、これによって燃費が向上する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
有害な排気ガスの低減と燃費向上とのためのさらなる燃焼のため、高レベルのＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation)がエンジン内へと導入した場合、結果として約２０℃程のオイル温度の上昇が見込まれる。また、ＥＧＲは、より多くの煤をオイルに取り込ませることが知られており、このためにオイルの性能が劣化し、オイルの寿命が縮められてしまった。オイルの劣化により、オイルが凝縮してその塊が生成されるので、オイルの濾過の問題が生じていた。従って、エンジンオイル等のエンジンフルードの熱的な制御システムの改善が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、カーボンフォーム（carbon foam）系温度レギュレータ、そのシステム及び温度調整方法を提供する。１の最良の実施の形態においては、温度レギュレータは、加熱及び熱交換をする。その加熱特性は、エンジンの始動に有用であり、一方、その熱交換特性は、エンジンオイルの温度及びエンジンの駆動温度を低下させるために利用される。
【０００８】
温度レギュレータは、電気的に流体を加熱する１以上のカーボンフォームを備える。カーボンフォームは、それぞれ電気コネクタを配置可能な部分を２箇所備える。カーボンフォームは、２５℃で１〜５００μオーム・メーターの電気抵抗を有する。また、カーボンフォームは、オイル、エチレングリコール、ブレーキオイル、トランスミッションオイル、パワーステアリングオイル等の液体を加熱する。
【０００９】
１の最良の実施の形態においては、カーボンフォームが、少なくとも部分的に熱伝導性及び導電性を有する。この場合、カーボンフォームは、能動的冷却装置と熱伝導可能に接続されている。能動的冷却装置は、シェル側と管側とを有する熱交換器を備え、該シェル側が熱伝導性のカーボンフォームから構成される。カーボンフォームは、例えば、グラファイトフォームからなり、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する。
【００１０】
導電性のカーボンフォームは、オイルコンテナ内に配置されてもよく、また、部分的にフランジ状であってもよい。温度レギュレータは、さらに、温度が所定の最低温度未満の場合にカーボンフォームの加熱を開始し、温度が所定の最高温度以上の場合にはカーボンフォームの加熱を停止するためのサーモスタットを備えてもよい。
【００１１】
他の実施の形態においては、燃焼機関が、エンジンブロックと、１以上のカーボンフォームとを備え、カーボンフォームが、エンジンブロック内へと延伸し、または、１以上のエンジンフルードに熱的に接触するように配置されている。カーボンフォームは、エンジンブロック内に配置された場合、２以上の電気コネクタをそれぞれ設けるための部分を備える。カーボンフォームは、能動的または受動的冷却をする。能動的冷却をする実施形態においては、カーボンフォームは、能動的冷却装置に熱伝導可能に接続されており、この能動的冷却装置は、例えば、シェル側と管側とを有する熱交換器を備え、このシェル側がグラファイトフォームから構成され、このグラファイトフォームは、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する。
【００１２】
流体の温度を調整する方法は、該流体に熱的に接触する導電性のカーボンフォームを１以上用意するステップと、該カーボンフォームの全体に電流を流すことによって該流体を加熱するステップとを含む。流体の温度が第１の温度よりも低い場合、該流体の加熱を開始し、所定の最高温度以上の場合には、加熱を停止する。かかる方法は、流体の温度が所定の冷却温度に達した場合に、該流体を冷却するステップをさらに含んでもよい。
【００１３】
上記流体は、その物質状態に関する他の状態の物質を含むものであってもよく、例えば、粒子状及び半固体状のものを含み、また、射出成形やファイバーの引き伸ばし（pulling of fibers）の際に見られる状態であってもよい。かかる方法は、さらに、流体の粘度を調整するステップを含んでもよい。
【００１４】
温度制御システムは、流体を加熱するための１以上の導電性カーボンフォームを含む温度レギュレータを備え、該導電性のカーボンフォームに電位差を加えることが可能な構成を有する。導電性のカーボンフォームは、オイル、エチレングリコール、ブレーキオイル、トランスミッションオイル、パワーステアリングオイル等の流体を加熱可能に配置される。導電性のカーボンフォームは、また、流体を冷却することもできる。
【００１５】
燃焼機関の駆動方法は、流体に熱的に接触する１以上のカーボンフォームを用意するステップ、及び、燃焼機関の温度が所定の最低駆動温度未満の場合に前記導電性のカーボンフォーム全体に電流を流すことによって該燃焼機関を加熱するステップ、または、該燃焼機関の温度が所定の最大駆動温度以上の場合に該燃焼機関を冷却するステップのいずれか若しくは両方を含む。熱伝導性のカーボンフォームを介した放熱をすることによって前記燃焼機関を冷却する。流体を加熱するステップを行った結果、温度が所定のシャットオフ温度以上になった場合に、加熱を停止するようにしてもよい。
【００１６】
熱伝導性のカーボンフォームが、グラファイトフォームからなり、エンジンブロック内へと延伸するものであってもよい。グラファイトフォームは、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有するものであってもよい。
【００１７】
熱拡散器は、冷却予定領域に熱伝導可能に接続されるように配置された１以上の熱伝導性のカーボンフォームを備える。熱伝導性のカーボンフォームが、冷却予定領域から熱が伝達されるとともに該カーボンフォームの容積に応じて該熱を分散する。冷却予定領域は、医療の用途、食品加工装置、またはエンジンに含まれるものであってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、加熱及び熱交換をすることができるカーボンフォーム系温度レギュレータ、そのシステム及び温度調整方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
好適な熱交換材料は、高い熱伝導性及び熱拡散性を有する。かかる目的のために改良された材料が、近年発見されている。例えば、カーボンフォーム（carbon foam）材は、優れた熱伝導性を有する。本発明についての出願人、及び／または本発明の譲受人（あるいは譲渡人）は、例えば、Klettの米国特許第６０３３５０６号公報、Klett及びBurchellの米国特許第６０３７０３２号公報等に開示されている、低密度でかつ高熱伝導性なカーボンフォーム材を発明した（あるいは共同発明した）。これらの文献の内容を、この明細書中に取り込むものとする。
【００２０】
Klettの米国特許第６０３３５０６号公報に開示されているように、カーボンフォームは、例えば、ピッチパウダー（pitch powder）、ピッチグラニュール（pitch granule）、ピッチペレット（pitch pellet）から形成される。好ましくは、カーボンフォームは、中間相ピッチ材料を用いて準備される。一般的な形状のカーボンフォーム材から得られたカーボンフォームは、様々な形状へと機械加工することができる。なお、カーボンフォーム材は、所望の最終形状をした型によって形成されてもよい。この場合は、カーボンフォームを機械加工する必要がない。
【００２１】
ピッチマテリアルは、溶媒和されてもよい。離型剤またはフィルムを型の両側に適用して取り外しを容易にするようにしてもよい。例えば、窒化ホウ素のスプレーまたは乾燥グラファイト滑剤を離型剤として用いてもよい。
【００２２】
サンプルを約１ｔｏｒｒ以下に減圧された体積中に配置し、約１２０℃まで加熱し、一晩放置する。不活性ガス雰囲気下で真空状態から開放される。１５００ｐｓｉ以下の圧力を加える。システムの温度が６００℃、または、５００℃から１０００℃の、ピッチが炭化するのに十分な温度にまで上昇する。この加熱／加圧ステップは、概して約５℃／分未満の一定の割合で温度を上昇させることによって行われ、好ましくは約０．５−２℃／分の割合で行われるとよい。温度を少なくとも１５分間所望の高暖（例えば、６００℃）に維持して確実にソーク（soak）する。加熱炉の電力をオフし、室暖まで冷却する。
【００２３】
好ましくは、カーボンフォームは、約１．５℃／分の割合で冷却されるとともに、約２ｐｓｉ／分の割合で放圧されるとよい。冷却サイクルの間、圧力が大気圧まで徐々に放圧される。フォームは、不活性ガス雰囲気下で約１０５０℃にまで加熱され（炭化され）、次に、アルゴンまたは他の非酸化雰囲気下で少なくとも約２５００℃以上、２８００℃にまで加熱処理されて黒鉛化させられる。黒鉛化フォームは、高度に整列された黒鉛結晶構造を有する。
【００２４】
グラファイトフォーム（graphite foam）は、その高度な黒鉛フォーム構造のため、カーボンフォームの一般的特徴である多孔質に加えて、高熱伝導性を有する。ここで、熱伝導性という語は、少なくとも１０Ｗ／ｍ・Ｋ，好ましくは２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導性を有する材料に用いられる語である。熱伝導性材は、断熱材と対比することができる。ここで、断熱材とは、約２Ｗ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導性を有する材料のことをいうものとする。
【００２５】
カーボンフォームまたはグラファイトフォームのいずれかが形成されても、そのフォーム構造は、一般的に、オープンセルラー（open cellular）、すなわち多孔質であることを特徴とする。吸湿試験により、気孔のサイズが約５０−３００μｍの範囲にあることが判明した。比較的広範囲な特定の表面積で開気孔率（open porosity）が得られ（２０ｍ2／ｇ）、これによって熱伝導性が向上する。
【００２６】
上述の手法によって生成されたグラファイトフォームの構造については、例えば、顕微鏡写真法、操作型電子顕微鏡検査（Scanning Electron Microscopy, SEM）エックス線分析、水銀ポロシメータ等の技術を利用して分析及び特徴を特定することが可能である。交差偏光下での干渉パターンは、形成されたカーボンフォームの柱（strut）が略完全に黒鉛化したものであることを示すのに用いられる。すなわち、実質的に全てのピッチが黒鉛化され、黒鉛の結晶が柱の軸に沿って整列される。これらの柱は、そのサイズがほぼ同様で、フォーム全域でそれぞれ繋がっている。このため、フォームは、高い剛性を有し、また優れた強度を有する。
【００２７】
中間相ピッチから得られるグラファイトフォームの典型的な材料特性を以下に示す。
【表１】
2005526928.tif 000003
【００２８】
以上のように、中間相ピッチから形成されたグラファイトフォームは、約２００Ｗ／ｍＫ程度の高い熱伝導性を有するとともに、わずか０．５５ｇ／ｃｃ程度の密度を有する。いくつかのサンプルは、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導性を有した。従って、低カーボンフォーム密度のために、グラファイトフォームの比熱伝導性は、銅のものの５倍以上であり、またアルミニウムのものの４倍以上である。
【００２９】
一般的に、中間相ピッチ材が本発明を実施するのに適しているが、例えば、等方性ピッチのような他の好ましいピッチ材を用いてもよい。ピッチは、合成物、石油、コールタール系のものであってもよいし、また、それらの混合物であってもよい。
【００３０】
グラファイトフォームによって提供される高熱伝導性及び高多孔性により、この材料が非常に効率的で軽量な気孔熱伝導媒体として機能することが可能となる。黒鉛化されていないカーボンフォームは、高い気孔性を有するが、黒鉛構造を備えていないので、一般的に、熱伝導性が制限されている。従って、流動体温度の低減のような、熱交換を要する温度調整の用途においては、グラファイトフォームは、非黒鉛化カーボンフォームよりも好適である。
【００３１】
本発明の発明者は、カーボンフォームも、グラファイトフォームも、ともに電気的に絶縁体であり、大きな電気抵抗を有することを発見した。現在利用可能なカーボンフォームの、室暖における電気抵抗の範囲は、約５．５〜１２０μオーム・メーターである。Ｚ方向における平均電気抵抗は、約６μオーム・メーターであり、Ｘ及びＹ方向における平均電気抵抗は、約８５〜９０μオーム・メーターである。しかしながら、商業上利用できないカーボンフォーム、換言すると、例えば研究室で生成されたものについては、その電気抵抗は上記の範囲に限定されない。その処理条件が、電気抵抗の範囲を広くするように調整されているからである。
【００３２】
大きな電気抵抗のためにカーボンまたはグラファイトのフォームの両方を加熱素子として用いることができる。従って、加熱のみが要求される用途には、カーボンまたはグラファイトのフォームのいずれかを効果的に用いることができ、一方、加熱及び熱交換の両方が要求される用途には、グラファイトフォームを用いることが好ましい。
【００３３】
カーボンフォーム（carbon foam element）は、流動体を熱的に調整することに用いることができる。流動体としては、例えば、エンジンオイル、液体状または気体状の他の種のエンジンフルードが挙げられる。ここで、他の種のエンジンフルードという語は、エチレングリコール、ブレーキオイル、トランスミッションオイル、パワーステアリングオイル等を示す語であるが、これらに限定されない。本発明の１実施形態においては、カーボンフォームは、所望のサイズ及び形状でエンジンオイルクーラ内に挿入される。熱の伝導は幾何学によることが知られており、従って所定の非一定なカーボンフォーム形状により、熱ポンプ力（thermal pumping power）等の熱伝導力学上の向上を達成することができる。
【００３４】
本発明は、内燃機関の始動時等、内燃機関が冷めている際に該内燃機関またはそのオイルを加熱するために内燃機関に適用することができる。本発明の１の最良の実施の形態では、フォームは、エンジンが暖かい際には放熱によって熱交換をする。
【００３５】
本発明の１の最良の実施の形態では、カーボンフォームは、流体を加熱するための抵抗素子として用いられるが、カーボンフォーム自体を加熱するための追加的または代替的な熱源をさらに利用してもよい。例えば、電源によって駆動される熱電素子または熱イオン素子（thermoionic device）等の好適な素子によって熱供給される。熱イオン加熱または冷却については、Physical review letters、第８０巻、第１８４０１６−４０１９号（The American Physical Society  １９９８）中、G.D.Manhan及びL.M.Woodsのmultilayer thermoionic refrigerationに開示されている。この文献の内容を、参照によりこの明細書中に取り込むものとする。熱電及び熱イオン素子は、また、印加されたバイアス電圧の極性を反対にすることにより、流体を冷却することができる。
【００３６】
エンジン始動時に、オイルまたは他の流体を所望の温度に加熱することにより、エミッションレベル及びエンジン摩耗を著しく低減することができる。オイル温度は、定常状態での駆動の際に、グラファイトフォームを熱交換器として受動素子的に用いることによって調整することができる。ここで受動的とは、強制された流体の流動の支援を受けない、という意である。
【００３７】
フォームは、オイルクーラ等の既存の装備品に容易に後付けすることができ、あるいは１以上の流体流動路へ単独で挿入して用いることができる。フォームは、オイル交換等の際に使い捨てすることができるように、またはより長い期間のサービスに用いることができるように設計されている。
【００３８】
大きな電気抵抗のため、カーボンフォームが溶液中に浸された場合、該溶液は、カーボンフォームに熱を分散させるための電気回路によって加熱される。加熱されたカーボンフォームは、その高い多孔性のため、効率的に熱を溶液の一部に伝達する。エンジン始動後の好適な暖気の後、所定のエンジン温度を得られた場合、オイルを加熱するプロセスを停止する。この場合は、好ましくはフィードバック及び制御システムと相互動作する温度センサを用いるとよい。
【００３９】
また、好ましくは、浸されたカーボンフォームは、エンジンの温度が定常状態温度または所定の最高温度に達した場合に、エンジンオイルを冷却するのに用いられる。炭素フォームのうち、浸された部分を越えて延伸する部分、例えば、オイルクーラの外側に位置する部分が、流体を能動的または受動的に冷却する。能動的冷却を適宜調整することにより、カーボンフォームを熱伝達手段として機能するようにさせることができる。当該部分の形状については、一般的に、所望の機能によって決められる。一般的には、空気力学及び熱伝達が平衡を図るべき要素である。
【００４０】
例えば、能動的な冷却をする実施の形態においては、熱交換器は、管形熱交換器で、そのシェル側にカーボンフォームが充填されたものとして具現することができる。この形状であれば、シェル側の流体から伝達された熱（または、該流体へ伝達された熱）がカーボンフォームを通過する。
【００４１】
または、あるいは加えて、グラファイトフォーム等の他の熱交換器をエンジンブロックに挿入して該エンジンブロックの外側へと延伸する部分が、能動的または受動的冷却をするようにしてもよい。冷却によってピークエンジン温度及び定常状態での潤滑オイルの温度を低下させることが可能になり、オイル、種々のエンジン構成部品の性能及び寿命を向上させることができ、ひいてはエンジン全体の性能及び寿命を向上させることが可能となる。
【００４２】
１の実施の形態では、図１に示すように、温度レギュレータ１０は、既存のオイル冷却缶１１と、１以上のカーボンまたはグラファイトフォーム・フィンガー・素子１２とを供える。フォーム１２は、挿入式の形状を有し、また、例えば、蓋の上部を介して電気的にフォーム１２に接続されるような、クーラ１１へ挿通された電気リード１３を備える。フォーム１２へと適切な電圧レベルのバイアスを印加することにより、誘導電流がオーム加熱をする。なお、フォーム１２は、電気リードの挿入を可能にする接続用のビアホール（図示せず）を備えてもよい。このビアホールは、金型技術や他の技術、例えば機械加工によってフォーム１２に適宜形成するとよい。
【００４３】
電気的接触を向上させるため、電導性の接触物質をフォーム１２の領域に適用し、電気リードと接触するようにしてもよい。例えば、電気めっき、無電解めっき（ニッケルめっき等）、フラッシュ・コーティング、その他の同様の手法によって電導性の接触物質をフォームにコーティングするようにするとよい。また、電導性粘着剤、電導性塗料のコーティングを、ろう付パッドとしてフォームに適用し、所望の成分がフォームに直接的に接合されるようにしてもよい。
【００４４】
カーボンフォームは、オイルやエチレングリコール等の他のエンジンフルード冷媒１４に浸される。オイル冷却缶１１は、流入口１７と流出口１８とを備える。オイルフィルタ（図示せず）を、一体または別体式に温度レギュレータ１０にオプションとして設けてもよい。加熱と濾過とが同時に行われるようにするため、フォームを、その気孔がオイル等の液体が通過可能なサイズを有するように設計してもよい。
【００４５】
他の実施の形態に係る温度レギュレータ２０を、図２に示す。温度レギュレータ２０は、既存のオイル冷却缶２１と、フランジ状のカーボンまたはグラファイトフォーム２２とを備える。フォーム２２は、クーラの蓋を貫通し、該フォーム２２のフランジ状の端部に配置された電気リード２３を備え、挿入式の形状を有する。電気リード２３は、電流を通電させるもので、導電によってフォーム２２がオーム加熱をする。フォーム２２は、オイルまたは他のエンジンフルード２４に浸される。オイル冷却缶２１は、流入口２７と流出口２８とを備える、フィルタを一体または別体的にこのシステムにオプションとして設けてもよい。
【００４６】
上記の温度レギュレータ１０、２０は、それぞれ、使い捨て可能なものであってよい。例えば、温度レギュレータ１０、２０は、オイル交換毎、または他の間隔で排気されるとよい。
【００４７】
さらに他の実施の形態においては、カーボンフォームは、直接的な温度の調整、具体的にはエンジンブロックを直接的に加熱し、また、冷却する。冷却をする場合、カーボンフォームは、エンジンブロックの１以上の部分に挿入され、熱の分散等によって直接的にエンジンを能動冷却してもよい。または、エンジンに挿入されたカーボンフォームは、例えば、内蔵式のブロックヒータとして能動熱交換器の一部を構成してもよい。これら直接的な冷却をする場合に係る実施の形態では、カーボンフォームは、エンジンのライフサイクル等の長期間に渡って使用される。能動冷却の対象となる流体は、純粋あるいは混合液体、または、純粋あるいは混合ガス（例えば、空気）である。
【００４８】
エンジンブロックに挿入されたカーボンフォームは、オイルクーラとともに使用される。しかし、エンジンブロックに挿入されたカーボンフォームを用いることにより、オイルクーラを別途設ける必要がなくなる。
【００４９】
直接的に加熱または冷却をするためのカーボンフォームは、好適には、エンジンのうち、熱を持つ部分に配置され、摩耗を低減してエンジンの寿命を延ばす。フォームは、排気バルブのエッジ近傍で生じた熱がこもることを防止するように配置されてもよい。また、フォームは、効率的に冷却することができなかった連続するシリンダボア間に配置された装置に組み込まれてもよい。この場合は、シリンダが歪むことが低減され、ひいてはエンジンを長寿命化することができる。さらには、カーボンフォームを、トルクコンバータや、風が当たることによって放熱するトレイ（windage tray）に用い、オイルパンに集められたオイルが冷却されるようにしてもよい。
【００５０】
さらなる例について説明する。エンジンは、一般的には、全てのシリンダを覆う鋳造シリンダヘッドを備える。インジェクタ用の穴は、鋳造により形成される。これが原因で、インジェクタの冷却が概して不十分となる。鋳鉄シリンダ壁は、概して、熱伝導率が低く、その厚さが厚いからである。インジェクタ近傍に配置され、エンジンブロックの外へと延伸するカーボンフォームは、好ましくは、該カーボンフォームに熱的に接触した適切な能動冷却システムの使用により、配置位置においてエンジンの駆動温度を低下させることができる。
【００５１】
本発明による熱の拡散は、エンジンだけでなく、上記のようにエンジンブロックの冷却等にも適用することができる。本発明は、医療用途、食品加工等における受動的温度調整の用途のための熱拡散器のような温度平衡器として利用することができる。
【００５２】
本発明は、様々な製品に適用することができる。例えば、本発明は、クラス７−８のトラック（class 7-8 trucks）、オフロード重機、乗用車、パワーコンベンショナル鉱業機器等の大型の固定式モータに適用することができる。また、本発明は、トランス油、ガスライン用のコンプレッサ、冷凍圧縮機に適用することもできる。
【００５３】
カーボンフォームによって温度が調整される流体は、他の状態の物質を含むものであってもよい。例えば、エンジンクーラントは、濾過対象の粒子状物質を含んでもよい。また、本発明は、射出成形、繊維の引き出し、半固体状の物質を加工する段階等の他の物質状態における温度調整に用いることができる。
【００５４】
流体温度の調節方法は、流体に対して熱的に接触する１以上のカーボンフォームを用意するステップを含む。このフォームは、能動的または受動的冷却あるいは加熱をする。カーボンフォームは、電気的に伝導可能である。流体は、フォームに電流を拡散することによって加熱される。
【００５５】
エンジンへの適用においては、カーボンフォームは、加熱を冷却の両方を行う。例えば、エンジンフルードは、エンジンの温度が所定の最低駆動温度よりも低い場合に、電流を導電性カーボンフォームに拡散させることによって加熱される。一方、エンジンの温度が、最大駆動温度以上の場合には、カーボンフォームがエンジンフルードを冷却する。熱伝導性のカーボンフォームを介した能動的または受動的な放熱によって冷却が行われる。
【００５６】
当該方法は、流体の粘度を調整するステップを含む。エンジン冷媒の粘度は、エンジンの効率及び寿命に多大な影響を及ぼすことが知られている。粘度を調整することにより、押出し等のプロセスを向上させることができる。
【００５７】
（実験例）
黒鉛化／酸化カーボンフォーム、黒鉛化／非酸化カーボンフォーム及び非黒鉛化／非酸化カーボンフォームの３種類について、それぞれテストをした。粘度が５Ｗ／３０の、ゼネラルモータース社製のGM Goodwrench（登録商標）オイルを各フォームサンプルに直接用い、それぞれのフォームサンプルがオイルによって湿るか否かを特定した。各サンプルはオイルによって湿った。
【００５８】
次に、各サンプルを、１リットルビーカー中の２５０ミリリットルのオイル中へ浸した。電極をフォームに挿通した。３ボルトのバイアスをフォームへ印加し、結果として１０アンペアの電流を流した。フォーム及びオイルの温度を調べた。
【００５９】
各テストの開始段階では、３種類のカーボンフォーム及びオイルの平均温度は、２２℃だった。約１５分後に、第１のオイル温度測定を行った。１５分後のカーボンフォームの平均温度は、６２℃で、オイルの温度については、２倍以上の４５℃だった。開始から３０分後には、カーボンフォームの平均温度は、７５℃に達し、またオイルの平均温度は、５７℃に達した。なお、顕著な表面熱伝導が生じる可能性があったので、テスト条件については最適化しなかった。従って、最適化した条件下でテストをした場合、上記結果よりもよりよい結果が得られる。
【００６０】
以上、本発明の最良の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されない。特許請求の範囲を逸脱しない限り、種々の変形、応用、代替、均等が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の１の実施の形態に係る温度レギュレータであって、オイル冷却缶と該オイル冷却缶に挿入されたカーボンフォームとを有する温度レギュレータを示す図である。
【図２】本発明の他の実施の形態に係る温度レギュレータであって、オイル冷却缶と該オイル冷却缶に挿入されたカーボンフォームとを有する温度レギュレータを示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０  温度レギュレータ
１１  オイル冷却缶
１２  フォーム
１３  電気リード
１４  エンジンフルード冷媒
１７  流入口
１８  流出口
２０  温度レギュレータ
２１  オイル冷却缶
２２  フランジ状フォーム
２３  電気リード
２４  流体
２７  流入口
２８  流出口
【図１】
2005526928.tif 000004
【図２】
2005526928.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成16年8月16日(2004.8.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンブロックと、
１以上の導電性の多孔質カーボンフォームであって、前記エンジンブロック内、または、該エンジン内を循環するオイル若しくはクーラントを保持するコンテナ内へ延伸し、前記カーボンフォームの孔を貫流する前記オイルまたはクーラントに物理的に接するように配置された導電性の多孔質カーボンフォームと、
前記フォームと電気的に接続された電源と、
を備えることを特徴とする燃焼機関。
【請求項２】
前記カーボンフォームは、２以上の部分であって、それぞれ、前記電源に接続される電気コネクタを配置可能な構成を有する部分を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項３】
前記カーボンフォームは受動的冷却をすることを特徴とする請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項４】
能動的冷却装置をさらに備え、前記カーボンフォームは、前記能動的冷却装置と熱伝導可能に接続されることを特徴とする請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項５】
前記能動的冷却装置は、シェル側と管側とを有する熱交換器を備え、前記シェル側は、前記カーボンフォームから構成されることを特徴とする請求項４に記載の燃焼機関。
【請求項６】
前記カーボンフォームは、グラファイトフォームからなり、前記グラファイトフォームは、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有することを特徴とする請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項７】
前記カーボンフォームは、２以上の部分であって、それぞれ、前記電源に接続される電気コネクタを配置可能な構成を有する部分を備えることを特徴とする請求項６に記載の燃焼機関。
【請求項８】
前記コンテナはオイルコンテナであることを特徴とする請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項９】
前記燃焼機関の温度が所定の最低駆動温度未満の場合に前記フォームの加熱を開始し、該燃焼機関の温度が所定の最高温度以上の場合には該フォームの加熱を停止するためのサーモスタットをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の燃焼機関。
【請求項１０】
１以上の導電性の多孔質カーボンフォームであって、前記エンジンブロック内、または、該エンジン内を循環するオイル若しくはクーラントを保持するコンテナ内に、該オイルまたはクーラントに物理的に接するように配置された導電性の多孔質カーボンフォームを用意するステップと、
前記導電性の多孔質カーボンフォームに電流を流すことにより、該カーボンフォームの孔を貫流する前記オイルまたはクーラントの温度を制御するステップと、
を含むことを特徴とする機関の温度の調整方法。
【請求項１１】
前記オイルまたはクーラントの温度が第１の所定の温度未満の場合に、該オイルまたはクーラントの加熱を開始することを特徴とする請求項１０に記載の機関の温度の調整方法。
【請求項１２】
前記オイルまたはクーラントの温度が所定の温度以上の場合に、該オイルまたはクーラントの加熱を停止するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の機関の温度の調整方法。
【請求項１３】
前記オイルまたはクーラントの温度が所定の冷却温度に達した場合に該オイルまたはクーラントを冷却するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の機関の温度の調整方法。
【請求項１４】
前記導電性のフォームを介した受動的な放熱をすることにより、前記オイルまたはクーラントを冷却することを特徴とする請求項１３に記載の機関の温度の調整方法。
【請求項１５】
前記導電性のフォームは、グラファイトフォームからなることを特徴とする請求項１０に記載の機関の温度の調整方法。
【請求項１６】
前記オイルまたはクーラントは、他の状態の物質を含むことを特徴とする請求項１０に記載の機関の温度の調整方法。
【請求項１７】
前記オイルまたはクーラントの粘度を調整するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の機関の温度の調整方法。
【請求項１８】
前記クーラントはエチレングリコールであることを特徴とする請求項１０に記載の機関の温度の調整方法。
【請求項１９】
能動的冷却装置によって前記オイルまたはクーラントは冷却され、前記導電性のフォームが前記能動的冷却装置と熱伝導可能に接続されることを特徴とする請求項１３に記載の機関の温度の調整方法。
【請求項２０】
前記能動的冷却装置は、シェル側と管側とを有する熱交換器を備え、前記シェル側は前記導電性のフォームから構成されることを特徴とする請求項１９に記載の機関の温度の調整方法。
【請求項２１】
前記導電性のフォームはグラファイトフォームからなることを特徴とする請求項１０に記載の機関の温度の調整方法。
【請求項２２】
前記グラファイトフォームは、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有することを特徴とする請求項２１に記載の機関の温度の調整方法。
【請求項２３】
前記導電性のカーボンフォームは、２５℃で１〜５００μオーム・メーターの電気抵抗を有することを特徴とする請求項２０に記載の機関の温度の調整方法。
【請求項２４】
前記コンテナはオイルコンテナであることを特徴とする請求項１０に記載の機関の温度の調整方法。
【請求項２５】
前記導電性のカーボンフォームはフランジ形状を有することを特徴とする請求項２４に記載の機関の温度の調整方法。
【請求項２６】
前記カーボンフォームはグラファイトフォームからなることを特徴とする請求項２５に記載の機関の温度の調整方法。
【国際調査報告】
2005526928.tif 000006
2005526928.tif 000007
2005526928.tif 000008