(57)【要約】【課題】凝固点降下剤水溶液を含んだ熱輸送媒体において、渦抑制効果が得られる温度範囲および凝固点降下剤水溶液の濃度範囲を拡大する。【解決手段】溶媒と、前記溶媒に溶解する第１、第２溶質１０、２０とを備え、熱を輸送する熱輸送媒体であって、溶媒は、凝固点降下剤を含んだ水溶液であり、第１溶質１０は、溶媒と親和性を有する第１部位１１と、第１部位１１と接続しており、溶媒に対して疎の関係を有する第２部位１２とを有し、第２溶質２０は、炭素原子からなる環状構造部２１と、環状構造部１１と接続しており、溶媒との親和性を有する官能基２２とを有しており、第１溶質１０の含有量が第２溶質２０の含有量より多くなっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶媒と、前記溶媒に溶解する第１、第２溶質（１０、２０）とを備え、熱を輸送する熱輸送媒体であって、
前記溶媒は、凝固点降下剤を含んだ水溶液であり、
前記第１溶質は、前記溶媒と親和性を有する第１部位（１１）と、前記第１部位と接続しており、前記溶媒に対して疎の関係を有する第２部位（１２）とを有し、
前記第２溶質は、炭素原子からなる環状構造部（２１）と、前記環状構造部と接続しており、前記溶媒との親和性を有する官能基（２２）とを有し、
前記第１溶質の含有量が前記第２溶質の含有量より多くなっている熱輸送媒体。
【請求項２】
前記第１溶質の第１部位が、両イオン性の官能基である請求項１に記載の熱輸送媒体。
【請求項３】
前記両イオン性の官能基は、ジメチルアミンオキシドである請求項２に記載の熱輸送媒体。
【請求項４】
前記第１溶質の第２部位は、炭素数１４〜２２の直鎖構造である請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱輸送媒体。
【請求項５】
前記第２溶質の環状構造部はベンゼン環であり、前記第２溶質の官能基はカルボキシ基およびメチル基である請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱輸送媒体。
【請求項６】
前記第２溶質の第２部位は、カルボキシ基およびメチル基はベンゼン環の隣り合う炭素原子に結合している請求項５に記載の熱輸送媒体。
【請求項７】
前記凝固点降下剤はエチレングリコールである請求項１ないし６のいずれか１つに記載の熱輸送媒体。
【請求項８】
前記溶媒は、エチレングリコール濃度が３０〜５０％である請求項７に記載の熱輸送媒体。
【請求項９】
第１溶質の濃度は２０００〜１５０００ｐｐｍである請求項１ないし８のいずれか１つに記載の熱輸送媒体。
【請求項１０】
第２溶質の濃度は、前記第１溶質の濃度に対するモル比が０．２〜０．８である請求項１ないし９のいずれか１つに記載の熱輸送媒体。
【請求項１１】
熱源（１０１）の熱を、熱輸送媒体流路（１００）を流れる請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の熱輸送媒体を介して、熱を系外に放出する放熱部（１０２）に輸送する熱輸送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱輸送を行う熱輸送媒体および熱輸送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両等のエネルギ変換システムにおいては、エネルギ変換の際に発生した熱を熱輸送媒体によって放熱部に輸送し、放熱部から系外へ放熱するように構成されている。熱輸送媒体としては、凝固点降下剤であるエチレングリコールを水に加えたエチレングリコール水溶液が一般的に用いられている。
【０００３】
エチレングリコール水溶液は、エチレングリコール濃度を高くすることで凝固点を低下させることができるが、粘度の増大を伴うため、放熱部や配管等の大型化や熱輸送媒体を流動させるための動力増大を招くこととなる。これに対し、特許文献１では、配管内でのエチレングリコール水溶液の流れ抵抗を低減し、エチレングリコール水溶液の流れを促進する流れ促進剤が提案されている。特許文献１では、ビーカ内に入れたエチレングリコール水溶液を撹拌子で回転させた際に渦の発生が抑制される渦抑制効果を測定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−７９２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の流れ促進剤は、渦抑制効果が得られる下限温度が−１０℃であり、渦抑制効果が得られる温度範囲が狭い。また、特許文献１に記載の流れ促進剤は、３０％以上のエチレングリコール水溶液では渦抑制効果が得られず、高濃度のエチレングリコール水溶液には対応していない。
【０００６】
本発明は上記点に鑑み、凝固点降下剤水溶液を溶媒として含む熱輸送媒体において、渦抑制効果が得られる温度範囲および溶媒の濃度範囲を拡大することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、溶媒と、溶媒に溶解する第１、第２溶質（１０、２０）とを備え、熱を輸送する熱輸送媒体であって、溶媒は、凝固点降下剤を含んだ水溶液であり、第１溶質は、溶媒と親和性を有する第１部位（１１）と、第１部位と接続しており、溶媒に対して疎の関係を有する第２部位（１２）とを有し、第２溶質は、炭素原子からなる環状構造部（２１）と、環状構造部と接続しており、溶媒との親和性を有する官能基（２２）とを有し、第１溶質の含有量が第２溶質の含有量より多くなっていることを特徴とする。
【０００８】
これにより、熱輸送媒体中の溶媒が高濃度の場合であっても、渦減衰効果を得ることができる。また、熱輸送媒体の温度が低温の場合であっても、熱輸送媒体の渦減衰効果を得ることができる。このように本発明によれば、渦抑制効果が得られる温度範囲および溶媒の濃度範囲を拡大することができる。
【０００９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る熱輸送システムを示す全体構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る熱輸送媒体の分子構造を示す図である。
【図３】熱輸送媒体の第１溶質濃度を変化させた場合の渦減衰試験結果を示す図である。
【図４】熱輸送媒体の第２溶質の含有割合を変化させた場合の渦減衰試験結果を示す図である。
【図５】熱輸送媒体の第２溶質の含有割合を変化させた場合の渦減衰試験結果を示す図である。
【図６】熱輸送媒体の第１溶質濃度を高くした場合の渦減衰試験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態は、本発明の熱輸送システムをエンジン（内燃機関）の冷却システムに適用したものである。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態の熱輸送システムは、閉回路を構成する熱輸送媒体流路１００を流れる液体状の熱輸送媒体を介して、熱源としてのエンジン１０１の熱を放熱部としてのラジエータ１０２へ輸送するように構成されている。熱輸送媒体としては、エチレングリコール水溶液からなる冷却水が用いられている。
【００１３】
エンジン１０１は、エネルギ変換により熱を発生するものである。また、ラジエータ１０２は、エンジン１０１の排熱と熱交換して高温となった熱輸送媒体を外気と熱交換させて冷却する熱交換器である。
【００１４】
熱輸送媒体流路１００には、熱輸送媒体流路１００に熱輸送媒体を循環させるポンプ１０３が設けられている。熱輸送媒体流路１００内の熱輸送媒体は、エンジン１０１の流出口からラジエータ１０２を経由してエンジン１０１の流入口に循環するようになっている。
【００１５】
次に、本実施形態に係る熱輸送システムで用いられる熱輸送媒体について説明する。本実施形態の熱輸送媒体は、溶媒と２種類の溶質１０、２０を含んだ溶液により構成されている。溶質１０、２０は、エチレングリコール水溶液の流れ抵抗を低減し、流れを促進する流れ促進剤である。
【００１６】
本実施形態では、溶媒として凝固点降下剤であるエチレングリコールを含んだエチレングリコール水溶液を用いている。本実施形態では、溶媒のエチレングリコール濃度を５０％としており、凍結温度が−３０℃以下となっている。
【００１７】
図２に示すように、第１溶質１０は、第１部位であるヘッド１１と、第２部位であるテール１２とを備える分子により構成されている。ヘッド１１とテール１２は化学結合している。ヘッド１１は、溶媒に対して親和性を有する部位である。テール１２は、ヘッド１１に接続されるとともに、溶媒に対して疎となる関係を有する部位である。つまり、ヘッド１１は親水性部位であり、テール１２は疎水性部位である。
【００１８】
本実施形態では、第１溶質１０として、アルキルジメチルアミンオキシド（ＡＤＭＡＯ）を用いている。アルキルジメチルアミンオキシドは化学式ＣＨ3（ＣＨ2）n-1Ｎ（ＣＨ3）2Ｏで表される化合物である。
【００１９】
第１溶質１０のヘッド１１は、親水性のジメチルアミンオキシドである。ジメチルアミンオキシドは、正電荷と負電荷を有する両イオン性の官能基である。第１溶質１０のテール１２は、疎水性のアルキル基である。
【００２０】
アルキルジメチルアミンオキシドは、直鎖構造であるアルキル鎖の炭素数ｎを１４〜２２の範囲内とすることで流れ促進剤として好適に用いることができる。本実施形態では、第１溶質１０として、アルキル鎖の炭素数が１８のアルキルジメチルアミンオキシドであるＣ１８ＤＭＡＯを用いている。
【００２１】
第２溶質２０は、第１部位である環状構造部２１と、第２部位である官能基２２とを備える分子により構成されている。環状構造部２１と官能基２２は化学結合している。環状構造部２１は、炭素原子が環状に結合しており、分子の骨格を構成している。官能基２２は、少なくとも親水性を有する官能基を含んでいる。
【００２２】
本実施形態では、第２溶質２０としてオルト−トルイル酸を用いている。第２溶質２０の環状構造部２１はベンゼン環である。第２溶質２０の官能基２２は、メチル基と、親水性のカルボキシ基である。メチル基とカルボキシ基は、ベンゼン環の隣り合う炭素原子に結合している。
【００２３】
第１溶質１０は、溶媒中でミセルを形成する。第１溶質１０は、第２溶質２０の存在によって、球状ミセルではなく、紐状ミセルを形成していると考えられる。この紐状ミセルによって、熱輸送媒体が配管中を流れる際に乱流の発生を抑制して層流状態を維持し、熱輸送媒体の流れ抵抗を低減する流れ促進効果を発揮すると考えられる。
【００２４】
本実施形態では、熱輸送媒体中の第１溶質１０の含有量を第２溶質２０よりも多くしている。これにより、熱輸送媒体中のエチレングリコール濃度が高い場合（例えば５０％）であっても流れ促進効果が得られ、さらに熱輸送媒体が低温（例えば−１０℃以下）であっても流れ促進効果が得られる。
【００２５】
本実施形態では、溶質１０、２０による熱輸送媒体の流れ促進効果を測定するために、渦減衰試験を行った。渦減衰試験では、熱輸送媒体を入れたビーカをマグネチックスターラの上に乗せ、撹拌子で熱輸送媒体を回転させた際に、溶質１０、２０を含有しない溶媒と比較して渦が減衰したか否かを目視で確認した。
【００２６】
ここで、熱輸送媒体中の第１溶質１０の濃度を変化させて渦減衰試験を行った結果を図３に基づいて説明する。図３の渦減衰試験では、熱輸送媒体中のエチレングリコール濃度を５０％とし、第１溶質１０の濃度を１０００〜５０００ｐｐｍとし、第１溶質１０に対する第２溶質２０のモル比を０．５とした。熱輸送媒体の温度は−２０℃であり、撹拌子の回転数は８５０ｒｐｍとした。
【００２７】
図３に示すように、第１溶質１０の濃度を１０００ｐｐｍとした場合は渦減衰効果が得られず、第１溶質１０の濃度を２０００ｐｐｍとした場合に渦減衰効果が得られた。第１溶質１０の濃度を３０００ｐｐｍとした場合に渦がほぼ消失し、第１溶質１０の濃度を４０００ｐｐｍ以上とした場合に渦が完全に消失した。このため、熱輸送媒体の温度が−２０℃の場合に渦減衰効果を得るためには、第１溶質１０の濃度を２０００ｐｐｍ以上とすることが望ましく、３０００ｐｐｍ以上とすることがより望ましい。
【００２８】
次に、熱輸送媒体中の第１溶質１０に対する第２溶質２０のモル比を変化させて渦減衰試験を行った結果を図４、図５に基づいて説明する。図４に示す渦減衰試験では、熱輸送媒体中のエチレングリコール濃度を５０％とし、第１溶質１０の濃度を３０００ｐｐｍとし、第１溶質１０に対する第２溶質２０のモル比を０．１〜１．０の範囲内で変化させた。熱輸送媒体の温度は、１０℃、０℃、−１０℃、−２０℃とした。図５は、図４に示す渦減衰試験結果のうち、熱輸送媒体の温度を−２０℃、第１溶質１０に対する第２溶質２０のモル比を０．１、０．６、１．０とした場合を示している。
【００２９】
図４に示すように、第１溶質１０に対する第２溶質２０のモル比が１．０より小さい領域で、熱輸送媒体の温度が−１０℃および−２０℃の場合に渦減衰効果が得られている。つまり、熱輸送媒体中における第２溶質２０の含有量を第１溶質１０よりも少なくすることで、熱輸送媒体の温度が−１０℃以下でも渦減衰効果が得られる。
【００３０】
具体的には、熱輸送媒体の温度が−２０℃の場合には、第１溶質１０に対する第２溶質２０のモル比が０．５〜０．７で渦減衰効果が得られ、渦が消失した。熱輸送媒体の温度が−１０℃の場合には、第１溶質１０に対する第２溶質２０のモル比が０．６〜０．８で渦減衰効果が得られ、渦が消失した。熱輸送媒体の温度が０℃の場合には、第１溶質１０に対する第２溶質２０のモル比が０．６〜０．８で渦減衰効果が得られ、０．８で渦が消失した。熱輸送媒体の温度が１０℃の場合には、第１溶質１０に対する第２溶質２０のモル比が０．８で渦減衰効果が得られた。
【００３１】
つまり、第１溶質１０の濃度が３０００ｐｐｍの場合には、第１溶質１０に対する第２溶質２０のモル比を０．５〜０．８とすることで、熱輸送媒体の温度が−１０℃以下で渦減衰効果が得られる。特に第１溶質１０に対する第２溶質２０のモル比を０．５〜０．７とすることで、熱輸送媒体の温度が−２０℃で渦減衰効果が得られる。
【００３２】
次に、第１溶質１０を高濃度にして渦減衰試験を行った結果を図６に基づいて説明する。図６に示す渦減衰試験では、熱輸送媒体中のエチレングリコール濃度を５０％とし、第１溶質１０の濃度を１００００ｐｐｍとし、熱輸送媒体の温度を０℃、１０℃とし、第１溶質１０に対する第２溶質２０のモル比を０．５とした。
【００３３】
図６に示すように、第１溶質１０の濃度を１００００ｐｐｍとした場合には、熱輸送媒体の温度０℃、１０℃において、渦が完全に消失した。図４で示したように、第１溶質１０の濃度が３０００ｐｐｍで第１溶質１０に対する第２溶質２０のモル比が０．５の場合には、熱輸送媒体の温度０℃、１０℃において、渦減衰効果が得られていない。
【００３４】
つまり、第１溶質１０の濃度を高くすることで渦減衰効果が得られる温度範囲および第１溶質１０に対する第２溶質２０のモル比の範囲が広がっている。このため、渦減衰効果の観点からは第１溶質１０の濃度を高くすることが望ましい。一方で、第１溶質１０の濃度が高くなるほど、熱輸送媒体の粘度増大を招く。熱輸送媒体の粘度の観点からは第１溶質１０の濃度を１５０００ｐｐｍ以下とすることが望ましく、１００００ｐｐｍ以下とすることがより望ましい。このため、熱輸送媒体中の第１溶質１０の濃度は、２０００〜１５０００ｐｐｍの範囲内とすることが望ましい。
【００３５】
また、図４に示したように、第１溶質１０の濃度が３０００ｐｐｍの場合には、第１溶質１０に対する第２溶質２０のモル比を０．５〜０．７とすることで、熱輸送媒体の温度が−２０℃で渦減衰効果が得られる。上述したように、第１溶質１０の濃度が高いほど渦減衰効果が得られる範囲が広がることから、第１溶質１０の濃度が３０００ｐｐｍよりも高い濃度では、第１溶質１０に対する第２溶質２０のモル比が０．２〜０．８の範囲内で、熱輸送媒体の温度が−２０℃で渦減衰効果が得られると推定される。
【００３６】
以上説明した本実施形態では、エチレングリコール水溶液を含んだ熱輸送媒体に流れ促進剤として第１溶質１０（Ｃ１８ＤＭＡＯ）と第２溶質２０（オルト−トルイル酸）を加え、第１溶質１０の含有量を第２溶質２０よりも多くなるようにしている。これにより、熱輸送媒体中のエチレングリコール濃度が５０％といった高濃度の場合にも、渦減衰効果を得ることができる。さらに、熱輸送媒体の温度が−２０℃のような低温の場合にも、熱輸送媒体の渦減衰効果を得ることができる。
【００３７】
（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。
【００３８】
（１）上記実施形態では、熱輸送媒体のエチレングリコール濃度を５０％としたが、これに限らず、５０％以下の濃度としてもよい。この場合、熱輸送媒体の凍結温度をある程度低くするために、エチレングリコール濃度を３０％以上とすることが望ましい。
【００３９】
（２）上記実施形態では、熱輸送媒体に含まれる溶媒としてエチレングリコール水溶液を用いたが、これに限らず、アルコールのような異なる種類の凝固点降下剤を含有する溶媒を用いてもよい。
【００４０】
（３）上記実施形態では、第１溶質１０としてアルキルジメチルアミンオキシドを用い、第２溶質２０としてオルト−トルイル酸を用いたが、これに限らず、第１溶質１０としてアルキルジメチルアミンオキシド以外の物質を用いてもよく、第２溶質２０としてオルト−トルイル酸以外の物質を用いてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１０    第１溶質
１１    ヘッド（第１部位）
１２    テール（第２部位）
２０    第２溶質
２１    環状構造部
２２    官能基
１００  熱輸送媒体流路
１０１  エンジン（熱源）
１０２  ラジエータ（放熱部）
１０３  ポンプ
【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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