(57)【要約】      （修正有）【課題】境界層効果で、熱交換効率を妨げる流体の熱伝達を向上させる方法を提供する。【解決手段】壁面に接する流れの境界層は停滞しており、流体の熱伝達を減少させる。流体中への特殊化した表面を有する粒子を導入することにより境界層混合を促進し熱伝達を向上させる。流体中の粒子は転回し、一方で境界層を混合し、粒子の周りに低表面領域エネルギーサイトを形成する。また動的動きは、沸騰している間気相伝達のための核形成を増加させる。流体中の金属およびセラミックスナノ粒子は流体熱伝導を向上させるナノ粒子の表面特性を改質し、境界層混合を促進させる。【選択図】図１
2018084405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流れる流体における熱伝達を向上させる方法であって、下記の工程：
ベース熱伝達流体全体にわたって複数の動的混合粒子を分散させること、ここで、前記粒子は、安定なナノ流体が形成されるような寸法と濃度で存在する；
前記ベース熱伝達流体は、停滞フィルムおよび自由流部分を有する境界層部分を含むこと；
さらに、前記境界層部分を前記粒子と混合し、流体の熱伝達メカニズムを改良すること
を含む、前記流れる流体における熱伝達を向上させる方法。
【請求項２】
前記混合工程が、泡が停滞フィルムより迅速に逃げるのを可能にする低表面エネルギー領域を作りだし、熱伝達を向上させ、前記流体の相変化を促進することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記混合工程が、熱伝達メカニズムを伝導から対流に変更し、熱伝達を促進する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記混合工程が、前記流体が静的から動的に流れて、流体流れの速度を上げることにより熱伝達を向上させることにより、メンバーの壁の摩擦係数を変えることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記粒子が、計算値の０．１％〜１００％の寸法範囲であり、前記計算値が境界層のｕ＝０．９９Ｕである、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記粒子が、タイプＩ、タイプＩＩ、タイプＩＩＩ、タイプＩＶ、タイプＶおよびタイプＶＩからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記粒子が、タイプＩ、タイプＩＩ、タイプＩＩＩ、タイプＩＶ、タイプＶおよびタイプＶＩからなる群の少なくとも１つから選択される粒子の混合物からなる、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願に対する相互参照
[0001]  本願は、発明の名称「粒子相互作用による向上した境界層熱伝達」で２０１２年１０月17日に出願された、米国特許出願番号１３／１３／６５４，３６９号の優先権を主張し、その内容は参照として本明細書に含める。
【技術分野】
【０００２】
[0002]  本願は、境界層停滞熱伝達プロフィール作用を減少させることにより、熱流体の熱伝達を向上させる方法に関する。特に、本発明は、流体に特別に寸法および形状を定めた粒子を添加し、熱伝達を向上させることに関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]  流体中への熱伝達は２物体間の温度差によりもたらされるエネルギーの移動に関係する。例えば、流体を加熱するための熱交換器の設計は、典型的には、内部を通って流れる流体を含有する金属製管のような高伝導性材料から構成され、ここで、管は外部から加熱される。熱は、伝導により金属管を通り、伝導により境界層を通り液体中に伝達し、そして最終的に対流によりバルク流体中に伝達する。
【０００４】
[0004]  熱伝達を改良する努力には、平板熱交換器およびフレーム熱交換器、シェルおよびタブ(tub)熱交換器、ならびに熱をより効率的に放射し吸収するための種々の異なるフィン式形態等がある。
【０００５】
[0005]  さらに、流体流れに基づく改良が熱伝達を促進するために行われてきた。例えば、並流等があり、ここで、流体の最も熱い点および最も冷たい点の２点が、一緒に、熱交換器中で同一方向に流れる。対照的に、逆流器具があり、反対方向に流れる流体の最も熱いおよび最も冷たい点を流れ、二つの流れ間で最大の温度差を生じさせる。このより大きな温度差は熱交換器により高い熱伝達効率をもたらす。
【０００６】
[0006]  熱伝達において流れの速度が顕著な影響を与える。例えば、層流熱伝達は、乱流熱交換器よりも低い熱伝達を示す。したがって、乱流熱伝導交換器は、加熱しようとする物質が分解することなく乱流に耐えることができる場合および乱流が経済的に実現できる場合、層流熱交換器よりも好適である。
【０００７】
[0007]  すべての流体流れは、管のような、容器の壁との接触点において流体速度が大きく遅くなる場合、壁効果または境界層効果を生じる。遅くなった流体速度は熱交換効率を妨げる。
【０００８】
[0008]  境界層についてさらに説明を続ける。空気力学的な力は、複雑な方式では流体の粘度に依存する。流体が物体を通過あいて動くとき、当該物体の表面に隣接する分子がその表面に粘着する。その物体の表面の真上の流体の流れている分子は、表面に粘着する流体分子との衝突により速度が低下する。これらの低下した分子は、順に、それらの真上の流れの速度を低下させる。前記物体の表面からの距離が大きくなるほど、当該物体の表面により影響される衝突数がより少なくなる。この現象により、表面近くの流体の薄層をもたらし、速度が、表面のゼロから、表面から離れた点で自由に流れる値まで変化する。層が流体の境界上に起こるため、この薄層を境界層と称する。
【０００９】
[0009]  物体が流体中を動くとき、または、流体が物体を通過して動くとき、当該物体近くの流体の分子が攪乱され物体の周りを動く。空気力学的な力は、流体と物体との間に発生する。これらの力の大きさは、物体の形体、物体の速度、物体により通過する流体の量に依存する。さらに、流体の二種の他の重要な特性、すなわち、流体の粘度、もしくは粘着性、および圧縮性、もしくは弾力性、が空気力学的な力の大きさに影響を与える。これらの影響を適切に模擬するため、航空宇宙技術者は類似のパラメータを使用し、当該パラメータは、課題中に存在する他の力に対するこれらの影響の比率である。もし二つの実験が類似のパラメータについて同じ値を示したら、これらの力の相対的重要性が正しい模擬となる。
【００１０】
[0010]  図１は、表面に対する自由流からの流れ速度変動を示す。実際には、効果は三次元である。三次元の質量保全から、流れ方向の速度の変化は、同様に他の方向の速度の変化をもたらす。上記説明したように、表面上の流れを移動もしくは動かす表面に対して垂直の速度の小成分がある。境界層の厚さは、この移動の量であると定義できる。移動厚さは、レイノルド数に依存し、それは、粘性（重いおよび粘り）力に対する慣性（変化もしくは動きに対する抵抗）力の比率であり、式：
レイノルド数（Ｒｅ）は、粘度定数（ｍｕ）で速度（Ｖ）かけ密度(r)かけ特性長さ（ｌ）、すなわち、Ｒｅ＝Ｖ＊ｒ＊l/mu  である。
【００１１】
[0011]  図1に見ることができるように、境界層は、レイノルド数の値に依存して、層流 (すなわち、層状)または乱流 (すなわち、攪乱状)のいずれかである。より低いレイノルド数について、図1の左側に示されているように、境界層は層流であり壁から離れて動くとき流速は均一に変化する。より高いレイノルド数について、境界層は乱流であり、流速は不安定により特徴付け、すなわち、境界層内で経時的に渦流に変化する。外部流は、物体の物理表面であると同時に境界層の端部に反応する。したがって、境界層は物体に「効果的」形体を与え、当該形体は物理的形体と通常わずかに異なる。境界層はその本体から離昇すなわち「分離」し、物理形体とかなり異なる効果的形体を作り出す。境界層中の流れが自由流に対して相対的に非常に低いエネルギーを有するので、流れ分離が起こり、圧力変化により一層容易に流れ分離が推し進められる。流れ分離は、高迎角(high angle of attack)における飛行機翼失速(airplane wing stall)の理由である。上昇における境界層の作用は、揚力係数および抗力係数による抗力における作用により数学的に表現される。
【００１２】
[0012]  固体表面近くの流体流れの部分は、剪断応力が有意であり、非粘性仮定が使用されない場合の部分である。総ての固体表面は、滑らない状態のため粘性流体流れと相互作用し、それは、流体と固体との境界面における速度が等しいという物理的要求である。したがって、流体流れは固定固体表面により減速され、限定的で低速の境界層が形成される。薄くされる境界層について、その本体のレイノルド数は大きくなければならない(すなわち、１０３またはそれ以上)。これらの条件下、境界層外部の流れは本質的に非粘性であり、境界層の駆動メカニズムの役割を果たす。
【００１３】
[0013]  今、図２に言及すると、典型的な低速、すなわち層状境界層が図に示されている。壁近くのこのような流れベクトル変動の表示は、速度プロフィールと呼ばれる。滑らない状態は、図に示されているように、ｕ(ｘ、０)＝０を要求する（式中、ｕは境界層内の流速である）。速度は、壁からの距離ｙにしたがって単調に上昇し、最終的に、外部(すなわち、非粘性)流速Ｕ（ｘ）とスムースに外部と併合する。境界層内のどの点においても、流体剪断応力τは、ニュートン流体を仮定する局所速度勾配に比例する。壁部の剪断応力値は最も重要である。剪断応力値はその本体の抗力に関連するのみならず、しばしばその熱伝達にも関連するからである。境界層の端部において、τは漸近的にゼロに近づく。τ＝０である正確な点はなく、したがって、境界層の厚さδは、通常、ｕ＝０．９９Ｕである点として任意に定められる。
【００１４】
[0014]  最近、ナノ寸法粒子を利用する技術が発展してきている。これらの技術の幾つかは、ナノ粉末の使用により伝導性を増加させることによる流体や気体の熱伝達を増加させることに焦点を合わせてきている。このようなナノ粉末は、典型的には金属またはセラミックスから製造される。しかし、かかる粉末の使用は、典型的には、流体の粘度を上昇させ、境界層の増大をもたらし、潜在的熱伝達増大を減少させる傾向にある。
【００１５】
[0015]  ナノ粒子は、反応プロセスやその他のプロセスにより、粉砕、化学的成長、流体からの析出であり得る、多くの異なる方法により製造される。これらは、初期段階で、急速に成長する産業におけるナノ材料を製造のするわずかの数の方法しかない。
【００１６】
[0016]  ナノ粒子は二つのプロセスに関する問題がある：すなわち、それは、１．ナノ粒子凝集をバラバラにし、流体中にナノ粒子を均一に分散させる機械的混合の必要性があり；および２．一旦、ナノ粒子が流体中に懸濁したら、これらの粒子を長期間にわたって、安定な析出物状態に維持することは、ナノ粒子が沈降し、再凝集する傾向があるため困難であることである。
【００１７】
[0017]  ナノ材料分散および長期安定化の困難性に向けられて使用される技術には、高度に特殊化された界面活性剤、表面コーティング、および種々の異なる機械的混合プロセス等がある。
【００１８】
[0018]  ナノ分散に使用される高度に特殊化された界面活性剤は、最近１０年以上にわたって、それら自身ユニークなスペシャリティーとなり、界面活性剤の何人かの当業者が様々な応用のための適切なものを選択するのに役立ち得る。
【００１９】
[0019]  さらに、官能基を加えることを含む、疎水性表面、親水性表面、極性表面、非極性表面、陰性荷電表面および陽性荷電表面のような表面効果生じさせ得るナノコーティングの大きな発展がある。
【００２０】
[0020]  ナノ粒子が懸濁している典型的な熱伝導流体には、水、水性ブライン、水とアルコール、グリコール、およびアンモニア、炭化水素、鉱油、天然油、合成油、脂肪、ワックス、エーテル、エステル、グリコール、次の括弧内の成分群の少なくとも少なくとも１種とのハロゲン誘導体（炭化水素、鉱油、天然油、合成油、脂肪、ワックス、エーテル、エステル、およびグリコール、４０シリケートエステル、ビフェニル、ポリ芳香族化合物、塩ハイドレート、有機共融混合物、包接水和物、パラフィン、無機および有機共融混合物、および米国特許第７，３９０，４２８号に記載された組合せ）からなる群の少なくとも１種との混合物等がある。米国特許第７，３９０，４２８号は「ナノ粒子寸法伝導性物質粉末との組成物および熱源およびヒートシンク間の熱を移動させる当該組成物の使用方法」についてＤａｖｉｄｏｓｏｎ等に付与された。
【００２１】
[0021]  最近のここ１５年以上にわたるナノ物質のいくつかの調査は、流体の熱伝導性に向けられてきた。例えば、Ｗｉｔｈｎｅｒの米国特許第６，６９５，９７４号（「流体中の熱伝達性を向上させるためのナノカーボン物質」）は流体中で懸濁状を維持するのに充分小さい金属および酸化物ナノ粒子の添加が流体の熱伝導性を向上させ、したがって、熱伝達を実質的に向上させることを教示する。粒子寸法が小さいほどナノ流体熱伝導性を向上させる効果がより大きく、同様にナノ粒子の熱伝導性をより高くする。例えば、流体中のナノ粒子銅の熱伝導性は、銅金属の熱伝導性が酸化アルミニウムよりも高いので、酸化アルミニウムよりも高い熱伝導性を与える。
【００２２】
[0022]  流体の境界層による表面からの熱移動は、本体の表面の不完全性によっても改良できる。例として、以前パスタを料理した殆どの人はポット中の沸騰水を見ておかしな現象、すなわち、泡がパンの底部の領域に一貫して形成する傾向にある現象に気づく。通常の推定では、泡形成領域はバーナーの熱い部分またはパンのより薄い区域である。それらの推定はもっともらしい。しかし、パンが料理する表面上を回転するまたは動く場合、泡形成領域は、依然としてその他の領域よりもより一層一貫として泡を生じさせる。
【００２３】
[0023]  パンの泡形成領域での泡形成を監視する時に見過ごされたかもしれないことは、その小領域若しくは領域で泡が連続的に形成できる低表面エネルギー点を作り出す小表面変形(deformity)が通常あるということである。
【００２４】
[0024]  対流条件下でのナノ流体を使用する臨界熱流束向上に関する実験研究がなされてきた。これは、Ｈｏ  Ｓｅｏｎ  Ａｈｎ、Ｈｙｕｎｇｄａｅ  Ｋｉｍ、ＨａｎｇＪｉｎ  Ｊｏ、ＳｏｏｎＨｏ  Ｋａｎｇ、ＷｏｎＰｙｏ  Ｃｈａｎｇ、Ｍｏｏ  Ｈｗａｎ  Ｋｉｍによる「短加熱表面上のナノ流体の強制対流沸騰中の臨界熱流束向上に関する実験研究」Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ  Ｆｌｏｗ３６（２０１０）３７５〜３８４に論じられている（当該文献を参照として本明細書に含める）。
【００２５】
[0025]  以前の研究は、ナノ流体の臨界熱流束（Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｈｅａｔ  Ｆｌｕｘ：ＣＨＦ）と思われる向上メカニズムが、加熱表面で泡成長下のミクロ層を含むナノ粒子の蒸発により形成されるナノ粒子吸着薄層が原因となった、表面を湿らせる流体の能力において改良であることを示唆した。最近、電気加熱を使用する円形ステンレス鋼管中のナノ流体の対流沸騰の研究に焦点が当てられてきた。これらの研究は、ナノ流体の濃度を制御するために管の接触角が減少した、アルミナ、ダイヤモンド、および酸化亜鉛を用いるナノ流体の流れ沸騰臨界熱流束の顕著な増加を報告した。さらに、それらは、ナノ流体のより高い濃度において、臨界熱流束向上がより高い、一方で、汚染した表面の静的接触角がより低くなることを見出した。これらの実験から、ナノ粒子付着層による改良した表面濡れ性がナノ流体の対流沸騰中の顕著な臨界熱流束向上をもたらしたことが結論付けられた。これらの知見は以前のプール沸騰調査(pool boiling research)と一致する。
【００２６】
[0026]  初期の調査は、小表面変化特性が、表面上の流れのないナノ粒子フィルムのナノプレーティング現象によるナノ流体の使用により、熱伝達を向上させることを示した。電熱コイルによりもたらせる表面プレーティング現象がたとえ偶然でも、実験結果はより大きな熱伝達をもたらした。
【００２７】
[0027]  一仮定は、沸騰熱伝達性能における変化のもっともらしい理由は、表面上へのナノ粒子堆積だということだった。堆積はナノ流体沸騰試験およびその結果として起こる核部密度の変化後の表面の粗さ測定により確認された。ナノ流体の前−沸騰の結果として、ナノ粒子汚染ヒーター上の純水のプール沸騰臨界熱流束実験は、ナノ流体中の顕著な臨界熱流束増加の同じ大きさが、純水の水面下でさえ、ナノ粒子汚染表面について観察された、興味のある結果を示した。
【００２８】
[0028]  臨界熱流束を増加させるためのこの解決は単純のように見える。すなわち、商業的使用のためのパイプ化／および管化におけるナノプレーティング表面をまさに生じさせる。しかし、この解決について二つの問題がある。一つは、ナノコンポジット表面を生じさせるのに費用効率が良くないこと。二つ目の問題は、実際の応用において、熱伝達表面は汚染されがちであり、ナノプレーティングの効率を低下させると思われることである。
【００２９】
[0029]   Ｈｏ  Ｓｅｏｎ  Ａｈｎ、Ｈｙｕｎｇｄａｅ  Ｋｉｍ、ＨａｎｇＪｉｎ  Ｊｏ、ＳｏｏｎＨｏ  Ｋａｎｇ、ＷｏｎＰｙｏ  Ｃｈａｎｇ、Ｍｏｏ  Ｈｗａｎ  Ｋｉｍによる「短加熱表面上のナノ流体の強制対流中の臨界熱流束向上に関する実験研究」Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ  Ｆｌｏｗ３６（２０１０）３７５〜３８４に記載されているように、少量（０．００１容量％未満）のアルミナナノ粒子を慣用の冷却液に添加すると、臨界熱流束（ＣＨＦ）を２００％まで顕著に加させる得ることが見出された。ナノ流体における臨界熱流束の大きな増強は表面湿潤作用に寄与し、これは流体の沸騰によるナノ粒子付着により導入された。
【００３０】
[0030]  最終的に、流れている流体に熱を伝導することに関連する困難性は、ガス中にまたはガスを出る熱を伝導させるとき金属表面に密接に接着させるガスの「フィルム」の存在に起因していた。Ｐｅｓｋｉｎに与えられた米国特許第２，６９０，０５１号から分かるように、種々の試みが、前記フィルムによる熱伝導に対する抵抗を克服されてきた。しかし、これらの努力は、加熱表面の近くの気体の速度および攪乱を増加させるための手段を主に構成する。そのようにしていくつかの獲得がなされたが、フィルムは依然として熱伝達に対してもっとも大きな障害を残す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３１】
【特許文献１】米国特許第７，３９０，４２８号
【特許文献２】米国特許第６，６９５，９７４号
【特許文献３】米国特許第２，６９０，０５１号
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１２／００２９０９４号
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１１／０３０１２７７号
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１１／０２７２２１５６号
【特許文献７】米国特許出願公開第２０１０／００９３９２２号
【非特許文献】
【００３２】
【非特許文献１】Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ  Ｆｌｏｗ３６（２０１０）３７５〜３８４
【発明の概要】
【００３３】
[0031]  本願の発明は、流体または気体中に粒子を混合する、ナノまたはミクロン寸法の力学的境界層を導入し、伝達性熱伝導フィルムから境界層を、液相から気相へおよび気相から液相へ対流性の熱伝達フィルムに変換するための躍進した技術に関する。本発明は、液相または気相中に流れる流体の層流領域または乱流領域で作用する。
【００３４】
[0032]  本発明は、連続的に動く粒子フィルムを生じさせることにより、液体から気体および気体から液体に熱伝達相全体にわたって境界層フィルムを力学的に混合することに関する。
【００３５】
[0033]  ナノ材料分散の固有の困難性に役立ち、安定性を延長する多くの技術が合ったが、これらには、高度に特殊化された界面活性剤、表面コーティングおよび種々の異なる機械的混合プロセス等がある。
【００３６】
[0034]  ナノ分散に使用される高度に特殊化された界面活性剤は、ここ１０年来、それら自身独特の特殊性となり、界面活性剤の熟達者の幾らかは種々の応用のために適切なものを選択するのに役立つことができる。
【００３７】
[0035]  官能基を加えることを含む疎水性表面、親水性表面、極性表面、非極性表面、陰性荷電表面および陽性荷電表面のような表面効果生じさせ得るナノコーティングの大きな発展があった。
【００３８】
[0036]  本発明の技術は、界面活性剤の存在下で、表面コーティングを用いることができるが、これらの加工助剤の使用によるばかりでなく、代わりに、力学的混合を促進するために境界層中において相互作用する粒子の独特の表面特性にもよってナノ分散に利点を与えることができる。
【００３９】
[0037]  ナノ粒子が懸濁され、本発明の技術により利益を得る典型的な熱伝導流体はこれらの群に限定されない。例えば、米国特許第７，３９０，４２８号明細書は、水、水性ブライン、水と次の成分の少なくとも一つから構成され得る流体を教示する。前記成分は、アルコール、グリコール、およびアンモニア、炭化水素、鉱油、天然油、合成油、脂肪、ワックス、エーテル、エステル、グリコール、ハロゲン誘導体からなる群であり、ハロゲン誘導体は、炭化水素、鉱油、天然油、合成油、脂肪、ワックス、エーテル、エステル、およびグリコール、４０シリケートエステル、ビフェニル、ポリ芳香族化合物、塩−ハイドレート、有機共融体、包接水和物、パラフィン、無機および有機共融混合物およびこれらの組合せからなる群の少なくとも一つのハロゲン誘導体である。
【００４０】
[0038]  １５年以上にわたるいくつかのナノ物質調査は、流体の熱伝導に向けられてきた。例えば、米国特許第６，６９５，９７４号明細書は、流体中で懸濁状体を維持するのに足る小ささの金属または酸化物ナノ粒子の添加が、流体の熱伝導性を実質的に増強でき、したがって、熱伝達を実質的に向上することが示されたことを教示する。粒子寸法より小さいほど、ナノ流体熱伝導性を向上させる作用がより大きく、さらにナノ粒子の熱伝導性をより高くする。例えば、流体中のナノ粒子銅の熱伝導性は、酸化アルミニウムよりも高い熱伝導性を与える。銅金属の熱伝導性が酸化アルミニウムよりも高いからである。
【００４１】
[0039]  境界層のよる熱伝達に関連する一応用例は、典型的なエアコンディショナーサイクルである。典型的なエバポレーションサイクルは次のように作動する。すなわち、第一は、コンプレッサーが冷却ガスを圧縮し、熱い、高圧冷却用ガスとなるように冷却ガスにし、第二に、この熱いガスを一セットのコイル中を通し、その熱を消散させ、濃縮して液体にし、第三に、その液体を膨張弁中に通し、行程中それを蒸発させて、冷却した低圧ガスにし、第四に、冷却ガスを一セットのコイル中を通し、ガスの熱吸収をさせ、建物内の空気を冷却する。
【００４２】
[0040]  境界層は、ガスの圧縮段階よりも濃縮段階の方により優勢に存在する。全コイル系の表面上の潤滑油の導入によりもたらされる境界層があり、したがって、攪拌を生じさせる粒子の転動が、このフィルムにより、よりよい熱伝達を生じさせ得る。産業冷却システムは、粒子を混合する力学的境界層を冷却側ばかりでなく水側にも導入でき、当該産業ユニットの両側の伝達効率を上げる冷却系を使用した。
【００４３】
[0041]  力学的混合粒子は核形成を促進する
[0042]  液体中に混合された高度に特殊化された粒子の配合は境界層内部に核形成サイトを生じさせ、熱伝達を大きく向上させる低表面エネルギー領域を作り出す。
【００４４】
[0043]  次の２種の流体動力学例証は表面特性をいかに使用し、迅速核形成サイトのための低表面エネルギー領域を生じさせることができるかを示す。ガスと液体は自然と構造本体および粒子の回りおよび上を動くからである。
【００４５】
[0044]  １．航空機翼は、翼の幾何学的形態によりもたらされる翼の上を流れる空気の等しくない変形により揚力を生じるように設計されている。この空気変形は翼の頂部に低圧力領域を、そして翼の下部に高圧力領域を生じさせ、揚力をもたらす。
【００４６】
[0045]  ２．川の下および滑らかな岩の上を流れる水は攪乱がわずかしかのない流れを作り出し、一方、切り立った端部(abrupt edges)、キャビティー、突起部、ギザギザの表面等をもつ岩の上を流れる川は多くの乱流を生じさせる。
【００４７】
[0046]  乱流は、核形成を起こすことのできる低表面エネルギー領域を生じさせる。本発明の方法は、核形成サイトを生じさせる「川」を回転しながら下る動力学的表面特性を有する「岩」に焦点を合わせており、ここで、「川」は境界層であり、境界層に隣接するより高い速度プロフィールにより粒子が押し進められる。
【００４８】
[0047]  液体中に混合される高度に特殊化された粒子の組み込みは、境界層内部に核形成サイトを生じさせ、熱伝達を大きく高める低表面エネルギー領域を作り出す。
【００４９】
[0048]  本願出願による米国特許出願公開第２０１２／００２９０９４号（発明の名称：Cellular Foam Additive）(本特許公報を本願明細書に含める）に記載されているように、出願人は、ナノおよびミクロン寸法の三次元構造的動的混合粒子は、混合プロセスの間にプラスチック中のミクロンおよびナノ寸法機械的開口を生じることを教示する。この開口は、ポリマー中にガス分散をもたらし、それにより、混合時間およびガス可溶性作用を大幅に減少させる。本発明の三次元動的混合粒子は、種々の寸法や形状を有するように調整することができ、ここで、ブレード長さ、キャビティー深さ、粒子ボイド寸法、突起部の寸法、棘状構造長さ等の構造的特徴が所望の寸法のフォーム状セルを生じさせることができる。
【００５０】
[0049]  外部熱を受けている容器中を通る流体流れに動的混合粒子が加えられるとき、境界層フィルム厚さは流体の沸騰および濃縮の間に変化する。動的混合粒子は流動流体の境界層中にトラップされ、攪拌を続ける。蒸発により、一旦、境界層が除去されると、濃縮段階まで、粒子は、得られた気体およびその関連する促進速度プロフィールと共に依然として懸濁状態を維持する。濃縮段階では、粒子は、形成された境界層中に再度トラップされるようになり、それにより、境界層フィルムの連続攪拌を生じる。
【００５１】
[0050]  流体に導入される粒子の表面特性を調整することにより、流体動力学および粒子物理学が粒子の表面特性により強化されることができ、フィルム厚さが蒸発により消失するまで、境界層中の連続相互作用を促進できる。一旦、流体が蒸発すると、粒子はもはや熱伝達に影響を与えない。
【００５２】
[0051]  本発明の一目的はガス中の熱伝達の改良方法を提供することにあり、それにより、熱を対流と同様に放散により伝達でき、熱の流れに対するフィルム抵抗性を顕著に減少させることができる。
【００５３】
[0052]  境界層フィルムが蒸発により除去される応用例は、発電のためのタービンシステムである。流れる流体を二相流れに変換すると同時に、境界層は、流れる液体中で形成する。液体の蒸発はスチームを生じさせる。スチームの凝縮は、スチームを再度液体に変換する。このプロセスサイクルの間、熱気化、相変化によりもたらされる圧力差、および温度により影響される粘度変動のような熱力学的変動により境界層フィルム厚さは変化する。このプロセスの間、硬水沈着(hard water deposits)が、システム全体にわたって形成する機会をもたらし、それは熱伝達を大幅に減少させ、流体および気体の流れを限定し、エネルギー発生のコストの増大をもたらす。本発明の動的境界層混合粒子は境界層中およびその表面上で継続して回転し、形成から石灰沈積を減少させる可能性を有するポリッシュ効果を生じ、エネルギーを節約し装置を保護する。
【００５４】
[0053]  多くのプロセスプラントでは、加熱および冷却のために流体を使用する。これらのプラントは、典型的には、沈着物が形成されることに関連する共通の問題に直面し、それは熱伝達を低下させ、究極的に装置の損失をもたらす。高度に特殊化された動的混合粒子は、化学的安定性および適切な粒子寸法をもつ適切な粒子物質を選択することにより使用されるいずれの流体中でも作用できる。
【００５５】
[0054]  動的混合粒子が境界層を攪拌
[0055]  動的混合を例証する一般的例として、動的低下(moving depression)における軟質物質移動上の硬質球体回転を考える。この物質は前部で圧縮され公報で戻る。この物質が完全弾性の場合、圧縮中に貯蔵されるエネルギーは、その後方で球体に戻る。しかし、実際の物質は完全弾性でなく、エネルギー散逸が起こり、結果は動的エネルギー、すなわち回転である。明らかに、流体は、静的剪断応力に耐えることのできない物質連続体である。弾性固体（回復可能な変形で剪断応力に応答する）と異なり、流体は、回復できない流れに応答する。回復できない流れは、境界層中で動的機械混合の駆動力として使用できる。回転の原理を使用することにより、非スリップ領域の表面で、動的摩擦および増加した流体粘着が粘着性を生じさせ、一方、境界層に隣接した速度は粒子の慣性力を生じさせる。慣性力は、使用した混合メカニック（例えば、静的、動的または力学的）に関わらず、機械的プロセス装置の表面に沿って、粒子を回転させる。
【００５６】
[0056]  幾何学的設計または構造的粒子の選択は、流体速度がゼロの場合、境界層中の粘着性フィルムとの表面相互作用の基本的原理に基づく。機械的表面粘着は、粒子表面粗さを増すことにより大きくなる。境界層中への粒子進入深さは動的混合を生じさせる。粒子端部の鋭さまたはブレード様粒子表面(bladelike particle surface)を増すことにより、粒子進入が大きくなる。粗さおよび／または鋭さ粒子表面をもつ粒子は、滑らない領域への向上した接着性を示し、それは、少ししかないか全くない表面特性を示す滑らかな粒子よりもより良い表面接着を促進する。理想的な粒子寸法は、特定の流体の粘度が原因で流体に依存して異なり得る。流体粘度が流体に依存して異なるので、温度や圧力のようなプロセスパラメータ並びに機械的表面の剪断力および表面ポリッシングによりもたらされる混合メカニックも異なり、境界層厚さの変動を作り出す。粗いおよび／または鋭い粒子表面は、粒子が境界層中の回転動的混合ブレードとして機能する。流体境界層に沿って回転する粗いおよび／または鋭い端部を有する粒子は、境界層の表面領域を攪拌することによりミクロン混合を生じさせ得る。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】[0057]  図１は境界層概念の図解である。
【図２】[0058]  図２は低速または層流境界層の図解である。
【図３】[0059]  図３は、直接気体注入を用いたベースポリスチレンもしくはポリプロピレンフォームを示し、添加剤の重量％が０．３５ｗｔ％〜４．２ｗｔ％の範囲であり、気泡寸法が４５μｍ〜１６３μｍである。
【図４】図４は、直接ガス注入を用いたベースポリスチレンもしくはポリプロピレンフォームを示し、添加剤の重量％が０．３５ｗｔ％〜４．２ｗｔ％の範囲であり、気泡寸法が４５μｍ〜１６３μｍである。
【図５】図５は、直接ガス注入を用いたベースポリスチレンもしくはポリプロピレンフォームを示し、添加剤の重量％が０．３５ｗｔ％〜４．２ｗｔ％の範囲であり、気泡寸法が４５μｍ〜１６３μｍである。
【図６】図６は、直接ガス注入を用いたベースポリスチレンもしくはポリプロピレンフォームを示し、添加剤の重量％が０．３５ｗｔ％〜４．２ｗｔ％の範囲であり、気泡寸法が４５μｍ〜１６３μｍである。
【図７】[0060]  図７は、双方の試料に同じ顔料を添加した硬質ＰＶＣからなる２試料を示し、１試料は動的境界層混合粒子を含む。
【図８】[0061]  図８は、双方の試料に同じ顔料を添加したポリカルボネートからなる２試料を示し、１試料は動的境界層混合粒子を含む。
【図９】[0062]  図９は、ＡＢＳスポットを有する硬質ＰＶＣを示す。
【図１０】[0063]  図１０は、共に混合したＰＶＣおよびＡＢＳを示す。
【図１１】[0064]  図１１は、スラリー試験の結果を示す。
【図１２】[0065]  図１２は、押出機による熱可塑性物質の処理量におけるナトリウムカリウムアルミニウムシリケート（Ｒｈｅｏｌｉｔｅ８００粉末）添加剤の影響を示すグラフである。
【図１３】[0066]  図１３は、押出機による熱可塑性物質の処理量においてパーライト添加剤を使用して増加する添加の影響を示すグラフである。
【図１４】[0067]  図１４は、押出機による熱可塑性物質の処理量において２ｗｔ％パーライト添加剤を維持しながら、木粒子の増加する添加の影響を示すグラフである。
【図１５】[0068]  図１５は、未処理発泡パーライトのＳＥＭ像である。
【図１６】[0069]  図１６は、５００×倍率における処理済みパーライトのＳＥＭ像である。
【図１７】[0070]  図１７は、２５００×倍率における処理済みパーライトのＳＥＭ像である。
【図１８】[0071]  図１８は、各目盛が１００μｍである火山灰のＳＥＭ像である。
【図１９】[0072]  図１９は、各目盛が５０μｍである火山灰のＳＥＭ像である。
【図２０】[0073]  図２０Ａは、７００℃で製造した天然ゼオライト鋳型炭素のＳＥＭ像である。[0074]  図２０Ｂは、８００℃で製造した天然ゼオライト鋳型炭素のＳＥＭ像である。[0075]  図２０Ｃは、９００℃で製造した天然ゼオライト鋳型炭素のＳＥＭ像である。[0076]  図２０Ｄは、１，０００℃で製造した天然ゼオライト鋳型炭素のＳＥＭ像である。
【図２１】[0077]  図２１は、３００００×倍率におけるナノ多孔性アルミナ膜のＳＥＭ像である。
【図２２】[0078]  図２２は、１２０，０００倍率におけるアルミニウム合金ＡＡ２０２４−Ｔ３上に成長した擬似ベーマイト相Ａｌ２Ｏ３ｘＨ２ＯのＳＥＭ像である。
【図２３】[0079]  図２３は、１０００×倍率における未処理中空灰球体のＳＥＭ像である。
【図２４】[0080]  図２４は、２５００×倍率処理済み中空灰球体のＳＥＭ像である。
【図２５】[0081]  図２５は、３ＭＲガラスバブルのＳＥＭ像である。
【図２６】[0082]  図２６Ａは、５，０００×倍率のフライアッシュ粒子のＳＥＭ像であり。図２６Ｂは、１０，０００×倍率のフライアッシュ粒子のＳＥＭ像である。
【図２７】[0083]  図２７は、５００×倍率のリサイクルガラスのＳＥＭ像である。
【図２８】[0084]  図２８は、１，０００×倍率のリサイクルガラスのＳＥＭ像である。
【図２９】[0085]  図２９は、７５０×倍率の処理済み赤色火山岩のＳＥＭ像である。
【図３０】[0086]  図３０Ａ〜図３０Ｄは、砂粒子のＳＥＭ図である。
【図３１】[0087]  図３１Ａは、１時間合成したゼオライトＹ、ＡおよびシリケートｌのＳＥＭ像である。[0088]  図３１Ｂは、１時間合成したゼオライトＹ、ＡおよびシリケートｌのＳＥＭ像である。[0089]  図３１Ｃは、６時間合成したゼオライトＹ、ＡおよびシリケートｌのＳＥＭ像である。[0090]  図３１Ｄは、６時間合成したゼオライトＹ、ＡおよびシリケートｌのＳＥＭ像である。[0091]  図３１Ｅは、１２時間合成したゼオライトＹ、ＡおよびシリケートｌのＳＥＭ像である。[0092]  図３１Ｆは、１２時間合成したゼオライトＹ、ＡおよびシリケートｌのＳＥＭ像である。
【図３２】[0093]  図３２は、リン酸カルシウムヒドロキシアパタイトのＳＥＭ像である。
【図３３】[0094]  図３３Ａは、Ａｌ  ＭＦＩ凝集物のＳＥＭ像である。[0095]  図３３Ｂは、Ａｌ  ＭＦＩ凝集物のＳＥＭ像である。
【図３４】[0095]  図３４Ａは、２０ｋ×倍率のマイクロクリスタリンゼオライトＹのＳＥＭ像である。[0097]  図３４Ｂは、１００ｋ×倍率のマイクロクリスタリンゼオライトＹのＳＥＭ像である。
【図３５】[0098]  図３５はＺｎＯ、５０〜１５０ｎｍのＳＥＭ像である。
【図３６】[0099]  図３６Ａは、半球形クラスター化物質の固体残分のＳＥＭ像である。[0100]  図３６Ｂは、１００℃で合成したゼオライト−ＰのＳＥＭ像である。
【図３７】[0101]  図３７Ａは、ナノ構造化ＣｏＯＯＨ中空球体のＳＥＭ像である。[0102]  図３７Ｂは、ＣｕＯのＳＥＭ像である。[0103]  図３７Ｃは、ＣｕＯのＳＥＭ像である。
【図３８Ａ】[0104]  図３８Ａは、２．５μｍ均一平面Ａｌ２Ｏ３ナノ球体のＳＥＭ像である。
【図３８Ｂ】[0105]  図３８Ｂは、６３５μｍ均一平面Ａｌ２Ｏ３ナノ球体のＳＥＭ像である。
【図３９】[0106]  図３９は、ＣｏＯＯＨからなる毛髪様繊維を示すコンピューター作成モデルである。
【図４０】[0107]  図４０は、パーライトの添加の有る無しのペイント中の分散可能性の写真比較を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
[0108]  本発明は境界層混合を利用する。すなわち、本発明は、ナノ〜ミクロン、例えば、３ｎｍ〜７０μｍの範囲の寸法を有する粒子を流体中に導入する効果に関する。本発明は、流体速度差による、境界層中の回転または攪乱を強制される粒子の摩擦係数と結びついて境界層の静的フィルム原理を使用する。したがって、本発明は、特殊化された寸法および特殊化された表面特性を有する構造充填剤の使用により動的混合を促進することに関する。
【００５９】
[0109]  本発明は、下記の三領域の流れる流体の熱伝達を改良するが意図される：
[0110]  １．本願出願人の粒子の添加は、粒子に隣接する低表面積エネルギー領域を促進し、相変化、すなわち、液体から気体への変化の間、流体中の気体の迅速核形成を可能にする。粒子が、境界層の停滞フィルムを動的に混合するので、該粒子は、泡が停滞フィルムより迅速に逃れることができる低表面エネルギー領域を作り出し、熱伝達を向上させ、相変化を促進する。
【００６０】
[0111]  ２．本願出願人の粒子の添加は、ナノ寸法粒子の改良分散および境界層の動的混合を促進する。境界層の熱伝達メカニズムは伝導である。境界層を連続的に混合することにより、熱伝達メカニズムを対流に変換し、熱伝達を促進する。これらの高度に特殊化した粒子をナノ流体と使用するとき、粒子はナノ粒子の分散特性を向上させ、ナノ粒子の凝集体をばらばらにするのに役立つ。例えば、流体中に懸濁したナノ金属もしくはセラミックスの改良した分散は、懸濁中にこれらの粒子を維持することにより熱伝達を向上するのに役立ち得る。
【００６１】
[0112]  ３．本願出願人の粒子の添加は、境界層の抗力の停滞フィルム係数を抗力の動的係数に変換することにより、気体および流体の流れを増す。これは、ナノ粒子を組み入れ熱伝導性を向上する熱伝達流体に重要である。ナノ粒子の添加は、境界層の粘度および効果を増し、速度および熱伝達効率を減少する。これらの負の作用は、出願人の高度に特殊化した粒子の使用により克服できる。
【００６２】
[0113]  動的混合粒子は核形成を促進する
[0114]  出願人の粒子の添加は、粒子に隣接する低表面積エネルギー領域を促進し、液体から気体への相変化の間の流体中の気体の迅速な核形成を可能にする。該粒子は境界層の停滞フィルムの動的混合をするので、粒子は、泡が停滞フィルムより迅速に逃げるのを可能にする低表面エネルギー領域を作りだし、それにより、熱伝達を向上させ、相変化を促進する。
【００６３】
[0115]  出願人の同時継続米国特許出願（発明の名称：気泡フォーム添加剤；公開番号２０１２／００２９０９４号として公開）は、発泡剤（反応性および非反応性添加剤）の改良した分散を促進するためにフォームに動的混合粒子の添加を教示する（当該特許出願を参照として本明細書に含める）。出願人は、ナノおよびミクロン寸法三次元構造的動的混合粒子の添加が、混合プロセスの間にプラスチック中にミクロンおよびナノ寸法構造的開口をもたらすことを教示する。これらの開口は、気体をポリマー中に分散させることにより可能にし、それにより、混合時間および気体可溶性効果を大幅に減少させる。この発明の三次元、動的混合粒子は、種々の寸法や形状を有するように調整することができる。ここで、ブレード長さ、キャビティー深さ、粒子ボイド寸法、突起部の寸法、棘状構造長さ等の構造的特徴が所望の寸法のフォーム状気泡を生じさせることができる。
【００６４】
[0116]  下表に言及する、図３、４、５、および６から理解できるように、ポリプロピレン中の出願人の動的混合粒子の添加は、それぞれ、４５および１６３μｍの気泡寸法をもたらす。ポリプロピレンと類似の粘度を示す流体に対する粒子の添加は類似の気泡寸法をもたらす。
【００６５】
【表１】
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【００６６】
[0117]  動的混合粒子が境界層を攪拌
[0118]  動的混合粒子を、外部熱を受けている容器中を流れる流体に添加するとき、流体を沸騰させ、濃縮している間に境界層フィルム厚さは変化する。動的混合粒子は、流れる流体の境界層内にトラップされ、攪拌を連続的に生じさせる。一旦、境界層が蒸発により除かれると、粒子が、得られる気体とともに懸濁された状態を維持し、濃縮段階までその関連速度プロフィールを維持する。濃縮段階では、粒子は、境界層フィルムが形成されると同時に境界層フィルム中で再度取り込まれ、それにより、境界層フィルムの連続的攪拌を生じる。
【００６７】
[0119]  流体中に導入される粒子の表面特性を調整することにより、流体動力学および粒子物理学が、粒子の表面特性により増強されることができ、境界層中の連続相互作用を、該フィルム厚さが蒸発により消滅するまで、促進する。一旦、流体が蒸発されると、粒子は、もはや熱移動に影響を与えない。
【００６８】
[0120]  本発明の一目的は、気体中の熱伝達の改良方法を提供し、それにより、熱が放射並びに対流により伝達され、熱流れに対するフィルム抵抗性が適切に減少できる。
【００６９】
[0121]  境界層原理における初期のパイオニアは境界層フィルムによりもたらされる困難性を認識したが、粒子の特性を変更をすることにより、境界層の継続攪拌を維持することができることを認識しなかった。出願人の発明は、境界層フィルムにおける粒子のランダム衝突ではなくて継続攪拌を達成する。
【００７０】
[0122]  出願人による米国特許出願公開ＵＳ２０１１／０３０１２７７号、発明の名称「”Additive for Paint Coatings and Adhesives”:塗料および接着剤のための添加剤」（本特許文献を参照として本明細書に含める）に記載したように、動的混合粒子は流体の流れに影響を与える。特に、粒子の好適な寸法範囲は５００ｎｍ〜１μｍ、より特定的には、１μｍ〜３０μｍであるが、定義した範囲内のいずれの下位範囲(sub ranges)も動的混合を促進するのに効果的であると意図される。
【００７１】
[0123]  典型的には、粒子が流体に添加されるとき、例えば、金属粒子が伝導性を増すために流体に添加されるとき、流体はより粘性となり、それは、流れる流体の境界層の寸法を大きくする。結果的に、熱伝達の増大は相殺される傾向にある。しかし、以下に記載する特性を有する動的混合粒子を添加すると、境界層において混合が向上し、境界層から流体本体への熱伝達を促進する。向上した混合および分散の例を下記で論じる。
【００７２】
[0124]  図７および８に例証されているように、高剪断混合環境における熱可塑性プラスチックのような粘性物質において、動的混合粒子の導入は卓越した分散能力をもたらす。
【００７３】
[0125]  図７は、双方の試料において同量の顔料を加えた硬質ＰＶＣを示す。中に動的境界層混合粒子を有する左の試料が改良した分散を示すことが明瞭に分かる。
【００７４】
[0126]  図８は、双方の試料において同量の顔料を加えたポリカルボネートを示す。動的境界層混合粒子を有する右の試料がより良好な分散を示すことが明瞭に分かる。
【００７５】
[0127]  図７および８は、分散に対する関係において、動的境界層混合粒子の利点を例証する。改良した分散特性は、動的混合粒子の存在が添加剤をより良好に分配するので、ベース物質に対してより少ない添加剤を可能にし、それにより、添加剤の同じ利点のある添加剤をもたらす。
【００７６】
[0128]  類似しない物質の混合およびブレンド
[0129]  図９は、ＡＢＳスポットを有する硬質ＰＶＣを示す。これらの２材料は、高剪断条件下でも化学的に一緒に混合もしくはブレンドしようとしない。
【００７７】
[0130]  図１０は、混合の困難な非類似物質において、動的境界層混合粒子を添加する効果を示す。押出機中で、ＰＶＣとＡＢＳが一緒に混合され、黒色顔料のようなＡＢＳ作用をもたらす。
【００７８】
[0131]  典型的には、ポリマー中の添加剤は耐久性を促進するために使用される。しかし、難燃剤、充填剤、脱泡剤、表面張力修正剤および殺生物剤等の場合、充填剤は、しばしば、ポリマーに負の作用を示し、架橋したポリマー系中に強度低下(fatigue)をもたらす。動的混合粒子の添加は、混合を改良するだけではない。動的混合粒子の添加は添加剤の寸法を機械的に減じ、ポリマーマトリックス中のより良い相互作用をもたらす。したがって、添加剤の寸法を減少させ、分散を改良することにより、添加剤の量を減少させることができる。この均質混合特性は、所望の結果をもたらすのに必要な添加剤の量を減らすことにより、ポリマーの架橋性強度を増す。
【００７９】
[0132]  反応性２成分フォームでは、動的混合粒子の添加は、液体−対−液体界面を混合する助けとなり、ポリマー中全体にわたって良好な架橋結合を促進する。動的混合粒子の添加は、さらに、接着強度を改良し、良好な流れ特性を与える。
【００８０】
[0133]  幾らかの粒子はそれらの物理的寸法を変え得る、すなわち、破壊することがあり、一方で、動的境界層混合を容易にするために上述した望ましい力学的表面特性を依然として維持する。例えば、大きすぎるかもしれない粒子は境界層から外れ、主な流体の流れに合流し、該粒子は、高圧および流体攪乱のために、破壊を受ける可能性がある。破壊は、当該粒子の寸法を減じる。分散後、適切に寸法を調整された粒子は、流体力学のため、境界層の方に移動し、境界層の粘着性(sticky or gluey)領域と接触状体となり、動的境界層混合を促進し得る。この例と共に、粒子の寸法調整、すなわち、破砕も、流体衝突圧力によりもたらされる機械的表面に対抗して境界層内で起こり得る。通常の処理条件の間の高剪断を受ける境界層動的混合粒子は、極度に大きな力のために自己形状化し得る。この自己形状化は、出発時の幾何学的表面特性の微調整をもたらし、特殊化三次元表面特性を向上させ、境界層内の転回と回転(tumbling or rolling)を促進する。
【００８１】
[0134]  充填剤粒子は、境界層領域に対して比例して寸法調整されるべきである。この寸法は、通常、ｕ＝０．９９Ｕである点として任意に定められる。したがって、粒子の理論的出発直径は、ｕ＝０．９９Ｕである表面に対して垂直に測定される最高点である。境界ゾーン中の動的混合に関連してパラメータを計算するとき困難性を加える多くの因子がある。例えば、
１．修正した境界層相互作用を生じる、充填剤添加量
２．粘度差を作り出す、壁を通る熱伝達
３．スクリュー攪拌により導入される剪断作用および連続的に増加する圧縮
４．粘度、密度等のような物質が物理的特性を変化している化学反応
である。
【００８２】
[0135]  混合に関連する力学は、プロセス産業においてもっとも複雑な機械的化学的相互作用の一つである。粒子寸法は製品から製品で変動し、最適化が必要であるかもしくは必要でない。
【００８３】
[0136]  化学産業は、流体流れ特性を計算するために均一液体および境界層関連厚さの試験方法および表を示している。これらの試験方法および表は、機械装置および熱伝達特性の選択に有用である。粒子寸法の出発点として、このプロフィール想定を使用でき、その結果、粒子は境界層内で機能し、混合を向上させる。表面相互作用の粒子特性が６カテゴリーから選択されるのに依存して、粒子の出発寸法はｕ＝０．９９Ｕの計算値の相対直径０．１〜１００％を、最も好適には、ｕ＝０．９９Ｕの計算値の相対直径０．１〜１００％を有する。
【００８４】
[0137]  境界層、すなわち動的境界層混合物質または動的混合物質に使用される固体粒子は、好ましくは、次の特性を示す：
●  粒子は、境界層表面に沿って粒子が回転もしくは転回できる物理的幾何学的特性を有するべきである。
●  粒子は、ゼロ速度ゾーンもしくは非スリップ流体表面と相互作用し、静的摩擦よりもむしろ動的摩擦を促進するのに足る表面粗さを有する。粒子の混合効率は表面粗さに伴って向上する。
●  粒子は充分に硬質であるべきであり、その結果、流体は粒子の周りで変形し、粒子の転回ないし回転作用により動的混合を促進する。
●  粒子は、使用される流体の境界層に対して比例した寸法であるべきであり、その結果、動的回転摩擦のため、粒子は回転もしくは転回する。
●  粒子は小さすぎないこと。粒子が小さすぎると、粒子は境界層内に捕獲され、転回ないし回転する能力を失い、境界層の接触ゾーン中全体にわたり摩擦を増し、機械的摩耗を促進する。
●  粒子は大きすぎないこと。粒子が大きすぎると、粒子はバルク流体流れ内に一掃され、動的境界層混合（もしあれば）に最小の作用を示す。粒子は、粗さおよび／または鋭いブレード様特性のような寸法および表面特性を示すべきであり、混合プロセスの間バルク流体から境界層に再接続できる。
●  粒子は、比例的に寸法化され、長時間後、懸濁状態を維持し、流体から沈降したりしない。
●  粒子は中実物質または多孔性物質であり、人造もしくは天然由来物質であり、およびまたは、流体または気体粘度に基づいて、３００μｍ〜１ｎｍ範囲の寸法を有する岩状物(rocks)である。
【００８５】
[0138]  動的混合粒子は流れの増加をもたらす
[0139]  出願人による特許出願２０１１／０２７２１５６号、発明の名称「”Hydraulic Fracturing”:水圧破砕」（本特許文献を参照として本明細書に含める）に記載したように、動的混合粒子の添加は、低粘度流体の流れの増加をもたらす。
【００８６】
[0140]  試験の結果は、流体の速度が低いほど、境界層はより薄い。
【００８７】
[0141]  例えば、この発明の２０μｍの動的混合粒子の０．５％および１％濃度の同じ流体で試験を行った。流体の粘度は水に非常に近い３３．５ｃＰで、それは、物理学特性において殆どのクーラントに等しい。結果が図１１のグラフにより分かるが、粒子が加えられたとき流れる流体のより低い圧力降下を示す。図１１は、流量に対して一貫した線状の改良を示し、この流量は、動的境界層混合粒子の添加により、ポリマー溶液のより良好な混合に寄与する。
【００８８】
[0142]  出願人による特許出願２０１０／００９３９２２号、発明の名称「”Structurally Enhanced Plastics with Filler Reinforcements”:充填剤強化剤を含む構造的強化プラスチックス」（本特許文献を参照として本明細書に含める）に記載したように、動的混合粒子の添加は、流体の流れの高粘度流体の向上をもたらす。
【００８９】
[0143]  特に、図１２は、ナトリウムカリウムアルミニウムシリケート添加剤が流れの向上をもたらすことを示す。図１３は、パーライトを８％〜３３％の量で熱可塑性混合物に添加し、ここで、高割合のパーライトが流れの増加をもたらすことを示す。
【００９０】
[0144]  高割合のパーライトを選択する理由は、この材料がまるで充填剤であるという可能性を除くためである。３３ｗｔ％でさえ境界層と相互作用する三次元ナイフブレード粒子の端部作用が依然として基礎物質よりも１９％大きい改良を示した。この材料の処理能力をより高くすることができたが、しかし、押出機の回転数限度が４５であり、この材料が手送りされており、最初のこのような軽量材料であるが、我々が計算した３３ｗｔ％に得るときまで供給する困難性のため、我々が２５％において処理能力が減少することを信じる理由である。
【００９１】
[0145]  図１４は、木片含量および２％のパーライトの熱可塑性プラスチック混合物への添加が処理量を増加したことを示す。
【００９２】
[0146]  この試験を選択した理由は、軽量天然有機充填剤を有機ペトロリウム基礎物質への添加が低下した混合の端部作用を増加したからである。端部作用を防止するために回転数が３０ｒｐｍに減少させなければならなかったときで７４ｗｔ％まで回転数は最大であったので、５２ｗｔ％、５９ｗｔ％、６４ｗｔ％および６９ｗｔ％において達する最大処理量でなかった。押出プロセス中の圧縮性繊維は、境界層に沿ってほうきで掃除するように作用する。木材繊維は圧縮性充填剤であり、その密度は壁に対して押出後０．４ｇ／ｃｍ３〜１．２ｇ／ｃｍ３であり、境界層内でこれらの硬質粒子をカプセル封入し、それらを永久に除去する能力を有する。境界層内にそれらを保持する三次元粒子形態の効果であり、この材料がより軟質の材料を切断できるブレードを有し、木片繊維内に埋め込まず、木片繊維が押出プロセスで圧縮を受けているときでさえ、それらが一掃されるのを防止する。
【００９３】
[0147]  出願人の粒子の添加は、境界層の抗力の停滞フィルム係数を抗力の動的係数に変換することにより、気体および流体の流れを増す。これは今日の熱伝達流体に重要であり、この傾向は、ナノ粒子を組み入れて熱伝導性を向上させ、当該熱伝導性はそれにより、境界層の粘度および作用を増し、当該境界層は速度および熱伝達効率を減少させる。したがって、これらの負の作用は、出願人の高度に特殊化した粒子の使用により克服することができる。
【００９４】
[0148]  粒子の物理的幾何学
[0149]  粒子の形体は、球形、三角形、ダイヤモンド形、四角形等であることができるが、半平らもしくは平らな粒子は転がらないので、あまり望ましくない。半平らもしくは平らな粒子は、平らな粒子の断面領域が小さな厚さに適用される流体摩擦にわずかな抵抗があるので、よく転がらない。しかし、混合の形態の攪拌が望ましいので、転回について使い難い形態は、使い難い転回が境界層における力学的ランダム発生混合領域を作り出すので利点がある。ランダム混合領域は、小さな混合ブレードと一緒に操作する大きな混合ブレードにより作り出される混合領域に類似する。ブレードの幾らかは最初に速く回転し、いくつかは遅く回転するが、結果は、ブレードがすべて混合する。幾つかのより粘性の流体（弾性特性のなさが少ない）では、粒子による動的混合は、粒子の表面が粗いためと、粒子の鋭利な端部のため、切断効果とすり潰す効果を生じる。
【００９５】
[0150]  極端に滑らかな表面を有する球形粒子は次の理由のため理想的でない。第一に、表面粗さは粒子と流体との間の摩擦を増加し、粘着性および／または非スリップゾーンと接触状態を維持する粒子の能力を増す。対照的に、球体に見出されるような滑らかな表面は表面接着性に乏しいため粘着層との接触を制限する。第二に、表面粗さは、転回および／または回転(tumbling and/or rolling)による混合を導入する粒子の能力に直接影響を与えるが、滑らかな表面はそうでない。第三に、滑らかな表面を持つ球形は境界層に沿って回転しがちであり、潤滑作用を促進する可能性がある。しかし、表面粗さを持つ球形粒子は、特に低粘度流体および気体に対して、境界層の力学的混合を促進すると同時に潤滑作用を促進するのを助ける。
【００９６】
[0151]  粒子タイプＩ
[0152]  粒子タイプＩは境界層深くに埋め込まれ、境界層および混合ゾーン中双方においてフォーム構成流体の卓越した動的混合を生じさせる。タイプＩ粒子は、化学品および鉱物添加剤の分散を向上させる。タイプＩ粒子は流体流れを向上させる。タイプＩ粒子の表面積はタイプＩ粒子の質量に比較して大きい。したがって、タイプＩ粒子は良好に懸濁状態を維持する。一例では、タイプ（Ｉ）動的混合粒子は発泡パーライトから製造され、モース硬度計硬度が５．５である（高品質スチール製ナイフブレードに等しい）。効果を上げるため、すべてのタイプの粒子は、好ましくは、モース硬度計で２．５またはそれ以上の硬度を有する。
【００９７】
[0153]  図１５を参照すると、未処理の発泡パーライトが示されている。パーライトは、環境問題のないことが知られている鉱物であり、殆どの大陸で容易に入手でき、大量にあり、砂によってのみ超えられている。発泡パーライトは熱膨張プロセスにより製造され、バブルの種々の壁厚を生成できるように調整できる。発泡パーライトは、薄い壁気泡構造を明らかに示し、圧力下それがいかに変形するかを示す。一実施態様では、パーライトは、原料の未処理形態で使用でき、それが当該材料の最も経済的な形態である。パーライトは自己成形能力、すなわち、圧力下、より小さな粒子に粉砕され、境界層動的混合粒子に自己成形能力を有する。
【００９８】
[0154]  図１６は、発泡粒子が団塊状にならず、とりわけ他の処理粒子中容易に流れ得る。したがって、発泡パーライト粒子は、最小の混合装置で容易に分散し得る。
【００９９】
[0155]  図１７に言及すると、処理済みパーライト粒子に好適な構造形体を示す発泡パーライト粒子の拡大像を示す。該粒子は、種々の寸法の三次元くさび様形体のブレード状物および点状物を有すると記載できる。不規則形体は多様な動的境界層混合を促進する。図１７に示されている発泡パーライトは非常に軽量であり、０．１〜０．１５ｇ／ｃｍの範囲の密度を有する。低重量は、最小流体速度が可能となり、粒子の回転を促進する。図１７で見ることのできるブレード様特性は、境界層を越えて流れる流体の動的エネルギーを容易に捉え、一方、図１７に見ることのできるのこぎりブレード様特性は、境界層の表面への接着を維持しながら、流れる流体の境界層中に突き抜け攪拌を促進する。好適なおおよその適用寸法は９００ｎｍ〜５０μｍであると見積もられる。この動的混合粒子は、広範囲の粘度を示す種々の流体中の分散を生じさせる。さらに、発泡パーライト粒子は、発泡プロセスにおいて優れた核形成剤である。
【０１００】
[0156]  今、図１８に言及すると、天然状態の火山灰を示す。火山灰は、薄い壁気泡構造に関して、上記で論じた発泡パーライトの特性に類似する特性を示す。火山灰は容易に採掘できる天然形成材料であり、動的境界層混合を生じる動的混合材料に容易に加工できる。火山灰材料も変形性であり、インラインプロセスに理想的な候補にして混合用途または圧縮応用のいずれかにより所望の形態にする。
【０１０１】
[0157]  今、図１９に言及すると、複数の粉砕された火山灰粒子を示す。図１９は、三次元ブレード様特性を示す粉砕粒子形体を例証し、その処理形態において上で論じたように、発泡パーライトに類似した方法で境界層中で相互作用する。図１９の粉砕火山灰粒子は処理済みパーライトよりも大きく、粉砕火山灰粒子の応用をより適切にし、より高い粘度材料にする。好適なおおよその適用寸法は８０μｍ〜３０μｍであると見積もられる。この材料は上で論じた処理済みパーライト材料に類似する機能である。
【０１０２】
[0158]  今、図２０Ａ〜２０Ｄに言及すると、７００℃（図２０Ａ）、８００℃（図２０Ｂ）、９００℃（図２０Ｃ）、および１０００℃（図２０Ｄ）で製造した天然ゼオライト鋳型炭素である。ゼオライトは小さな細孔径を有する容易に採掘できる材料であり、当該細孔は動的混合材料の所望の表面特性を製造するように処理できる。処理済みパーライトおよび粉砕火山灰は類似の境界層相互作用能力を示す。ゼオライト粒子は小多孔性を有し、したがって、ナノ範囲の粒子を混合する活性動的境界層を生じる。好適なおおよその適用寸法は６００ｎｍ〜９００ｎｍであると見積もられる。ゼオライト粒子は、中間粘度物質において摩擦減少について理想的である。
【０１０３】
[0159]  今、図２１に言及すると、気孔構造を有するナノ多孔性アルミナ膜を示しており、当該気孔構造はいずれの力材料(force material)にも類似する粒子特性に破砕し作り出す。材料破砕は、交差部分ではなく、薄壁において起こり、それにより、前で論じた材料に類似する特性を生じ、境界層動力混合粒子に理想的である。好適なおおよその適用寸法は３００ｎｍ〜５００ｎｍであると見積もられる。この材料の粒子寸法は、中間〜低粘度流体により適切に適用される。
【０１０４】
[0160]  今、図２２に言及すると、アルミニウム合金ＡＡ２０２４−Ｔ３上に成長した擬似ベーマイト相Ａｌ２Ｏ３ｘＨ２Ｏが示されている。処理済みパーライト表面上にブレード様特性を見ることができる。この材料の破砕点は、一以上のブレードが結合する交差部分間の薄いブレード面である。破砕は、「Ｙ」、「Ｖ」もしくは「Ｘ」形体に類似するかまたは幾何学的形体の類似の組合せに類似する三次元ブレード形体を生じ得る。好適なおおよその適用寸法は５０ｎｍ〜１５０ｎｍであると見積もられる。
【０１０５】
[0161]  粒子タイプＩＩ
[0162]  粒子タイプＩＩは、最小動的境界層混合および最小分散能力を生じさせるために境界層中にメジウム貫通を達成する。タイプＩＩ粒子は、最小流体流れ改良をもたらし、大きな表面および極端に低い質量のタイプＩＩ粒子のために容易に懸濁する。
【０１０６】
[0163]  中空球体を形成する多くの材料は機械的処理を受け、動的境界層混合を促進する表面特性を持つ卵殻様フラグメントを生じることができる。
【０１０７】
[0164]  今、図２３に言及すると、灰の未処理中空球体像を示す。灰は採掘可能材料であり、処理条件に依存して、動的境界層混合粒子特性を生じる自己形体性を受けることができる。自己形体形成前の好適なおおよその適用寸法は２０μｍ〜８０μｍであると見積もられる。自己形成性は、機械的混合または機械的圧力のいずれかにより達成でき、機械的混合または機械的圧力のいずれかはすり破砕作用を生じる。
【０１０８】
[0165]  今、図２４に言及すると、灰の処理済み中空球体を示す。破砕した灰球体は、歩道上の一片の紙片に類似する境界層中に転回する。材料のわずかなカーブが卵殻片に類似し、卵殻中でその材料は、その軽量およびわずかなカーブのため転がりがちである。好適なおおよその適用寸法は５ｎｍ〜５０ｎｍであると見積もられる。灰球体は、発泡パーライトと同様に機能し得るが、この材料は、その幾何学的形状は粒子が境界層内に物理的に固定された状態にならないので分配能力が低い。これは、境界層に沿う粒子の転回として二以上のブレードがより大きな抵抗とより良好な攪拌を生じる事実のためである。この材料は、重粘度材料が流れている間、流れる流体とパイプの壁もしくはプロセス装置との間の摩擦を減じる。
【０１０９】
[0166]   今、図２５に言及すると、処理して卵殻様構造に破壊して動的境界層混合を促進する表面特性を与えることのできる３ＭＲガラスバブルを示す。破壊したガラスバブル粒子は、灰中空球体と性能および応用において類似するが、しかし、壁厚および直径並びに強さは、処理条件および原材料選択に基づいて調整できる点は異なる。これらの人造材料は食品グレード応用に使用するのに適している。好適な適用寸法は、自立形成プロセス前おおよそ８０μｍ〜５μｍであると見積もられる。自己形体化は、機械的混合によるか破砕作用を生じる圧力によるかのいずれかで達成され得る。
【０１１０】
[0167]  今、図２６に言及すると、フライアッシュ粒子の５０００倍率ＳＥＭ写真（図２６Ａ）およびゼオライト粒子の１００００倍率ＳＥＭ写真（図２６Ｂ）を示す。これらの粒子は中空球体を含む。フライアッシュは、燃焼により生じた一般的な廃棄物である。フライアッシュ粒子は容易に入手でき廉価である。ゼオライトは採掘されることができ、廉価な合成法により製造され、数百〜数千の変体を生じる。したがって、中空ゼオライト球体から誘導された構造の所望特性を選択できる。示されているゼオライト粒子はハイブリッド粒子であり、該粒子は処理済みパーライトに類似する表面特性を有し、半曲面形形体、すなわち、粉砕中空球体のそれに類似する卵殻形体を維持する。好適な適用寸法は、自立形成プロセス前おおよそ５μｍ〜８００ｎｍであると見積もられる。機械的混合によるか破砕作用を生じる圧力によるかのいずれかにより自己形体かが達成され得る。これらの粒子の小寸法は、該粒子を中間粘度材料に使用するのに理想的にする。
【０１１１】
[0168]  粒子タイプＩＩＩ
[0169]  粒子タイプＩＩＩとして分類する粒子は、境界層に最小の侵入を示す。タイプＩＩＩ粒子は、境界層において最小の動的混合を示し、軟質化学品および鉱質添加剤の双方で優れた分散特性を示す。タイプＩＩＩ粒子は流体の流れを増し、良く懸濁しないが、容易に混合され懸濁体に戻る。幾つかの固体材料は貝がら状破面を生じる能力を有し、動的境界層混合を促進する表面特性を生じる。
【０１１２】
[0170]  今、図２７および２８に言及すると、リサイクルガラスの像を示す。リサイクルガラスは、容易に入手できる人造材料であり、廉価で、容易に動的境界層混合粒子に加工される。粒子の鋭くブレード様特性を、種々のその他の採掘できる鉱物に類似する貝がら状破面により生じる。これらの粒子のブレード様表面はパーライトのように薄くない。粒子の密度は、粒子を作る固体に比例する。鋭いブレードは流れる流体の流体境界層と、パーライトの相互作用に類似する様式で相互作用するが、リサイクルガラス粒子は典型的には粘性材料および回転を生じさせるために強力な流量を必要とする点で異なる。処理したリサイクルガラスは靜電荷を有しない。したがって、リサイクルガラスは分散の間塊を生じない。しかし、高密度のため、リサイクルガラス粒子は、その他の低密度材料よりも容易に流体から沈降できる。好適なおおよその適用寸法は、５μｍ〜２００μｍであると見積もられる。この材料は、高流量で重粘度流体の境界層において良好な性能を生じる。この動的混合粒子は分散を生じる。粒子の滑らかな表面は摩擦を減少する。
【０１１３】
[0171]  今、図２９に言及すると、処理済み赤色溶岩火山岩粒子の像が示されている。溶岩は容易に入手できる採掘材料である。溶岩の典型的な使用は、アメリカ南西部およびカリフォルニアにおける地形岩(landscape rocks)としての使用である。この材料は、貝がら状破砕を受け、リサイクルガラスに類似する特性を生じる。しかし、破砕面はリサイクルガラスの滑らかな表面よりも粗い表面を有する。該表面特性は、流れる流体のブレード様切断と結びついたわずかにより粉砕効果を生じる。したがって、粒子は転回するばかりでなく、流体流の研磨効果も有する。火山材料は、難燃剤、二酸化チタン、炭酸カルシウム等のような粘性媒体中に半硬質材料を分散する。好適なおおよその適用寸法は、１μｍ〜４０μｍであると見積もられる。処理済み火山岩は、高流量において流れる重粘度材料の境界層中で良好な性能を生じる。
【０１１４】
[0172]  今、図３０Ａ〜３０Ｄに言及すると、図３０Ａ〜３０Ｃは、破砕し、動的境界層混合粒子として使用するのに適切な表面特性を生じる砂粒子を示す。これらの像は、リサイクルガラスの特性に類似する物理的特性を示し類似の利点を生じる粒子を示す。図３０Ａ、３０Ｂ、および３０Ｄは、図に示されている表面特性が例え異なっていても、流れる流体の境界層と相互作用するのに良好な表面特性を示す。図３０Ａは、粒子の端部に沿って良好な表面粗さを有し、境界層表面相互作用を促進する幾らかブレード様の特性を示す。図３０Ａの粒子は転回を生じさせるのにより高い速度の流量を必要とする。図３０Ｂは、上で論じたリサイクルガラスの表面特性に類似する表面特性を有する。図３０Ｄは、ほぼこれらの材料の相互作用に類似する相互作用を促進するのに良好な表面粗さ有する粒子を示す。これらの粒子の性能は、リサイクルガラスの性能に類似する。砂は採掘できる豊富な材料であり、様々な寸法の所望の破砕形体を生じさせるのに廉価に処理できる。砂は、天然材料なので環境に優しいと考えられる。好適なおおよその適用寸法は、５μｍ〜２５０μｍであると見積もられる。この材料は、高流量において重粘度材料の境界層で良好な性能を生じる。この動的混合粒子は分散を生じる。粒子の滑らかな表面は摩擦を減少させる。
【０１１５】
[0173]  今、図３１Ａ〜３１Ｆに言及すると、ゼオライトＹ、Ａおよびシリケート−１の像を示す。フィルムのＳＥＭ像が示され、１００℃の合成溶液の底部で、１時間（図３１Ａ、３１Ｂ）、６時間（図３１Ｃ、３１Ｄ）および１２時間（図３１Ｅ、３１Ｆ）合成された。これらの材料は処理されてナノ寸法の動的境界層混合粒子を生じることができる。この材料は合成的に成長し、量的に制限され、したがって、高価になりがちである。すべての６像、すなわち、図３１Ａ〜３１Ｆは、上述した構造に類似するブレード様構造をもつ貝がら状破砕を生じるこの材料の能力を明らかに示す。好適なおおよその適用寸法は、５００ｎｍ〜１０００ｎｍであると見積もられる。この材料の粒子寸法範囲は中間粘度流体において該材料を有用にする。
【０１１６】
[0174]  今、図３２に言及すると、リン酸カルシウムヒドロキシアパタイト（式Ca10(PO4)6(OH)2）を示し、これはアパタイトの結晶学的ファミリーの一部を形成し、同じ六方
晶系構造を有する同形化合物である。これは、生体材料に最も一般的に使用される化合物である。ヒドロキシアパタイトは、主に医学的分野に使用される。表面特性と性能は、上述した赤色溶岩粒子のそれに類似するが、赤色溶岩粒子よりも良好な表面粗さを有する。
【０１１７】
[0175]  粒子タイプＩＶ
[0176]  固体クラスター化材料は、クラスター構造の破砕を生じさせ、動的境界層混合を促進させる表面特性を生じる個々の独特の均一性材料を生じさせる能力を有する。
【０１１８】
[0177]  今、図３３Ａおよび３３Ｂに言及すると、結晶化時間２４時間後のＡｌフォーム／ゼオライトコンポジットの異なる倍率のＳＥＭ像を示す。図３３Ａは、Ａｌフォーム／ゼオライト支柱(strut)を示す。図３３ＢはＭＦＩ団塊を示す。これら２像はこの材料の固有の構造を示し、当該材料は機械的加工時に容易に破砕され、個々独特に形成された粒子の不規則形体化クラスターを生じる。多様性が大きいほど、動的境界層混合を生じさせるために流れる流体の境界層の粘着して滑らないゾーンと該材料がより良好に相互作用する。この材料は、鋭くしかも良く確定された隆起した無秩序９０°コーナーをもつ花のつぼみ状形体を有する。これらのコーナーは、境界層の機械的攪拌を促進し得る。これらの粒子はさらに半球体またはシリンダー様形体を有し、多様性表面特性のため、境界層と接触を維持しながら、回転または転回を可能にする。好適なおおよその適用寸法は、１μｍ〜２０μｍであると見積もられる。この材料は高粘度流体に使用することができる。表面特性は、難燃剤、酸化亜鉛、および炭酸カルシウムのような硬化した材料の優れた分散を生じ得る。Ａｌフォーム／ゼオライトコンポジットの粒子は回転するので、ブロック様形成が、流れる流体の境界層に対して衝突する材料を徐々に崩すミニチュアハンマーミルのような作用をする。
【０１１９】
[0178]  図３４Ａおよび３４Ｂに言及すると、マイクロクリスタリンゼオライトＹ（図３４Ａ）のＳＥＭ像およびナノクリスタリンゼオライトＹ（図３４Ｂ）のＳＥＭ像を示す。該粒子は、上記フォーム／ゼオライトのものと同様、ナノレベルにおいてすべて同じ特性を示す。図３４Ａでは、像の中心において主要な半−フラット粒子がおおよそ４００ｎｍである。図３４Ｂでは、多面ドットが粒子寸法１００ｎｍ未満である。機械的処理下、これらの材料は、多様な動的境界層混合用粒子に破砕され得る。好適なおおよその適用寸法は、図３４Ａのクラスター材料について４００ｎｍ〜１０μｍであると見積もられ、図３４Ｂのクラスター材料について５０ｎｍ〜１５０ｎｍであると見積もられる。高機械的剪断下、これらのクラスター性材料は、クラスター粒子が容易に回転するのを防ぐ最も抵抗性の粒子を破砕することにより、自己形体する能力を有する。それらの力学的無秩序回転能力のため、これらのクラスター材料は、流れる流体中の摩擦改質剤として使用するのに優れている。
【０１２０】
[0179]  今、図３５に言及すると、５０ｎｍ〜１５０ｎｍの酸化亜鉛粒子が示されている。酸化亜鉛は廉価なナノ粉末であり、所望の用途に応じて、疎水性であるか親水性であるように特殊化できる。酸化亜鉛は極端に無秩序な形体を示すクラスターを形成する。この材料は、流れる流体中でそのもたらされている無秩序回転運動のため、非常に良く作用する。該粒子は、多様形体においてブレード様特性を作り出す、９０°コーナーを持つ多様表面特性を有する。表面特性には、シリンダー、長方形、キュー、Ｙ型粒子、Ｘ型粒子、オクタゴノス、ペンタゴン、三角、ダイヤモンドのような種々の形体と共に塊化される隆起アーム等がある。これらの材料は、多様な形体を有するクラスターから製造されるので、該材料は、境界層が、層流の流体流れを維持しながら多様機械的混合によりできるだけ乱流に近いようにかき混ぜられるので、大きな摩擦減少を生じる。
【０１２１】
[0180]  粒子タイプＶ
[0181]  タイプＶの粒子は、境界層中にメジウム進入をもたらす。タイプＶ粒子は、乾燥土上の葉用熊手に類似する境界層のメジウム動的混合を作り出す。タイプＶ粒子は、境界層の粘着性領域に優れた接着力を有し、二相境界層混合について要求される。タイプＶの粒子は、添加剤の最小の分散しか生じない。したがって、タイプＶ粒子の添加は流体流を増加させ、粒子が懸濁液中に停滞しがちである。活発な表面形態、例えば、粗い、群、溝状および毛髪様繊維のような形態をもつある中空または中実半球体クラスター性材料は、自由に回転する能力をもつ境界層に優れた接着性を促進し、低粘度流体および相変化材料、例えば気体に対する液体や液体に対する気体に使用できる。タイプＶ粒子は、所望の表面特性を有し、境界層動的混合を促進する。
【０１２２】
[0182]  今、図３６Ａおよび３６Ｂに言及すると、中実残渣（図３６Ａ）の走査型電子顕微鏡写真を示し、１００℃で合成したゼオライト−Ｐの電子顕微鏡写真およびエネルギー分散分光法（ＥＤＳ）領域解析を示す。粒子タイプＩＶで論じたクラスター材料と異なり、これらの材料は、球体および粒子の表面から突き出た毛髪様材料により作り出され得る表面粗さを示す。図３６Ａは、良好な球体特性を有する粒子を示す。球体の殆どは表面上の砂粒子に類似する小連結粒子により作り出される表面粗さを有する。図３６Ｂは、全体表面から突き出る毛髪様繊維を有する半円形粒子を示す。これらの特性は良好（卓越していないが）な境界層に対する接着を促進する。これらの材料は境界層の表面上で自由に回転し、最小の混合を生じさせ、二相系において動的境界層混合を促進する。例えば、閉鎖系中の気体への液体変化につれ、境界層は急速に薄くなる。粒子は接触状態で停滞しなければならず、回転して、動的境界層混合を促進する。該材料は、さらに、両相中の活性媒体として機能する液体中にリサイクルして戻る気体流れ内で移動する能力を有しなければならない。これらの粒子は、おおよそ１μｍ〜５μｍの範囲の好適な寸法（図３６Ａ）およびおおよそ２０μｍ〜４０μｍの範囲の好適な寸法（図３６Ｂ）である。それら双方は、高圧スチーム発生システムでよく作用し、ここで、該粒子は、対流熱伝達プロセス方向への伝導からボイラーの壁上の停滞フィルムを動く。
【０１２３】
[0183]  粒子タイプＶＩ
[0184]  今、図３７Ａ、３７Ｂ、および３７Ｃに言及すると、種々のコバルト酸化物誘導体（例えば、Ｃｏ３Ｏ４、ＬｉＣｏＯ２）のための多様プレーカーサ−である、ナノ構造ＣｏＯＯＨ中空球体を示し、卓越した触媒活性も有する。ＣｕＯは、狭いバンドギャップ（例えば、１．２ｅＶ）をもつ重要な遷移金属酸化物である。ＣｕＯは、触媒、ガスセンサーとして、およびＬｉイオン電池用アノード物質に使用されてきた。ＣｕＯは、高温超伝導体および磁気抵抗を製造するのにも使用されてきた。
【０１２４】
[0185]  今、図３８Ａおよび３８Ｂに言及すると、２．５μｍ均一平面Ａｌ２Ｏ３ナノ球体（図３８Ａ）および表面に毛髪様繊維を有する６３５ｎｍ均一平面Ａｌ２Ｏ３ナノ球体を示す。
【０１２５】
[0186]  今、図３９に言及すると、境界層接着を促進する毛髪様繊維を示すコンピューター作成モデルを示し、その結果、ナノ寸法粒子は流れる流体の境界層と接触状態で停滞
し、一方、境界層に沿って回転し、動的混合を生じる。
【０１２６】
[0187]  ナノ粒子は、流体または気体中に懸濁したナノ粒子として機能するその能力に大きく影響を与える自己−塊化に無限遠を有することは長い間知られてきた。動的境界層混合粒子は、「ペイント、コーティングおよび接着剤用添加剤」（米国特許出願公開第２０１１／０３０１２４７号）により例証されている卓越した分散特性を生じる（本特許文献を参照として本明細書に含める）。
【０１２７】
[0188]  図７は、双方の試料に同じ顔料を添加した硬質ＰＶＣからなる２試料を示し、１試料は動的境界層混合粒子を含む。
【０１２８】
[0189]  図９は、ＡＢＳスポットを有する硬質ＰＶＣを示す。
【０１２９】
[0190]  図１０は、共に混合したＰＶＣおよびＡＢＳを示す。
【０１３０】
[0191]  図４０は、パーライトの添加の有る無しのペイント中の分散可能性の写真比較を示す。
【０１３１】
[0192]  非類似材料の混合およびブレンド
[0193]  図９は、ＡＢＳスポットを有する硬質ＰＶＣを示す。これらの２材料は、高剪断条件下でも、化学的に一緒に混合またはブレンドするのを欲しない。
【０１３２】
[0194]  図１０は、動的境界層混合粒子を添加することの、材料を混合するが難しい非類似における影響を示す。押出機中で、ＰＶＣおよびＡＢＳを一緒に混合し、黒色顔料のように作用するＡＢＳをもたらす。
【０１３３】
[0195]  図４０Ａおよび４０Ｂは、クライスラー工場自動車用塗料における顔料の向上した分散能力を示す。双方のスプレー試料は、同じプレミックスクライスラー、ＰＢ３  Ｃａｌｅｎｄｏｎｉａ  Ｂｌｕｅ，Ｓｅｒｉｅｓ：２９３  ９９３８４自動車用塗料を用いて始めた。左の試料（図４０Ａ）は、添加した発泡パーライトから製造したタイプ（Ｉ）動的境界層混合粒子だった。動的混合粒子は白色であり、１質量％で添加した。右の試料（図４０Ｂ）は標準工場色である。左の試料は、右の試料よりもより濃く、さらにより鮮やかな色であることが明らかに分かる。この実験は、塗料の境界層中にナノおよびミクロン粒子を混合することにより顔料の色を向上させることができることを示す。顔料の改良した分散が容易に分かる。しかし、その他の添加剤もより分散させ、その他の改良した分散剤がたとえポリマー全体中に見ることができなくても、より均一な混合物を生じさせる。
【０１３４】
[0196]  したがって、本発明は目的を達するのによく適合し、上述した結果と利点並びにそれに内在するものを達成する。現在好適な実施態様を本開示の目的のために開示したが、多くの変更および修正は当業者により明らかであろう。かかる変更および修正は特許請求の範囲により定義した通りに本発明の精神内で包含される。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８Ａ】
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【図３８Ｂ】
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【図３９】
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【図４０】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年12月19日(2017.12.19)
【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】
流れる流体における熱伝達を向上させる方法であって、下記の工程：
流れるベース熱伝達流体全体にわたって複数の動的混合用粒子を分散させること；
前記流れるベース熱伝達流体は物体の表面に隣接する境界層部分および自由流部分を含み、該境界層部分は停滞フィルムを有する；
さらに、前記境界層部分を前記粒子で混合することにより、前記表面上の石灰沈積物形成を減少させ、流体の熱伝達メカニズムを改良すること；
を含む、前記流れる流体における熱伝達を向上させる方法。
【請求項２】
前記分散工程が、泡が停滞フィルムより迅速に逃げるのを可能にする低表面エネルギー領域を作りだし、熱伝達を向上させ、前記流体の相変化を促進することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記分散工程が、熱伝達メカニズムを伝導から対流に変更し、熱伝達を促進する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記分散工程が、前記流体が静的から動的に流れて、流体流れの速度を上げることにより熱伝達を向上させることにより、メンバーの壁の摩擦係数を変えることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記粒子のモース硬度が２．５またはそれ以上でありその寸法が３ｎｍ〜７０ミクロンであり、該粒子が、タイプＩ、タイプＩＩ、タイプＩＩＩ、タイプＩＶ、タイプＶおよびタイプＶＩからなる群から選択され、ここで、タイプＩは種々の寸法の三次元くさび様形体のブレード状物および点状物を有する粒子を含み、タイプＩＩは表面特性を持つ卵殻様フラグメントを含み、タイプＩＩＩは鋭いブレード様特性を含み、タイプＩＶはシリンダー、長方形、キュー、Ｙ型粒子、Ｘ型粒子、オクタゴノス、ペンタゴン、三角、ダイヤモンドのような種々の形体と共に塊化される隆起アームを含む不規則形体のクラスターを含み、タイプＶは球体および粒子の表面から突き出た毛髪様材料により作り出され得る表面粗さを有する粒子を含み、そしてタイプＶＩは表面に毛髪様繊維を有するナノ球体を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記粒子のモース硬度が２．５またはそれ以上でありその寸法が３ｎｍ〜７０ミクロンであり、該粒子が、タイプＩ、タイプＩＩ、タイプＩＩＩ、タイプＩＶ、タイプＶおよびタイプＶＩからなる群の少なくとも１つから選択される粒子の混合物からからなり、ここで、タイプＩは種々の寸法の三次元くさび様形体のブレード状物および点状物を有する粒子を含み、タイプＩＩは表面特性を持つ卵殻様フラグメントを含み、タイプＩＩＩは鋭いブレード様特性を含み、タイプＩＶはシリンダー、長方形、キュー、Ｙ型粒子、Ｘ型粒子、オクタゴノス、ペンタゴン、三角、ダイヤモンドのような種々の形体と共に塊化される隆起アームを含む不規則形体のクラスターを含み、タイプＶは球体および粒子の表面から突き出た毛髪様材料により作り出され得る表面粗さを有する粒子を含み、そしてタイプＶＩは表面に毛髪様繊維を有するナノ球体を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ベース熱伝達流体が熱伝達ナノ粒子を含み；そして
前記ベース熱伝達流体全体にわたって動的混合用粒子を分散させる工程が、前記熱伝達ナノ粒子の凝集体をばらばらにする、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記流れる流体が、水、アルコール、およびアンモニア、炭化水素、鉱油、天然油、合成油、脂肪、ワックス、エーテル、エステル、次の括弧内の成分群の少なくとも１種とのハロゲン誘導体（炭化水素、鉱油、天然油、合成油、脂肪、ワックス、エーテル、エステル、およびグリコール、シリケートエステル、ビフェニル、ポリ芳香族化合物、塩ハイドレート、有機共融混合物、包接水和物、パラフィン、無機および有機共融混合物、冷却剤、および冷却潤滑油）からなる群から選択される流体からなる、請求項１に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３４】
[0196]  したがって、本発明は目的を達するのによく適合し、上述した結果と利点並びにそれに内在するものを達成する。現在好適な実施態様を本開示の目的のために開示したが、多くの変更および修正は当業者により明らかであろう。かかる変更および修正は特許請求の範囲により定義した通りに本発明の精神内で包含される。
出願時の特許請求の範囲の内容を下記に記載する。
［１］
流れる流体における熱伝達を向上させる方法であって、下記の工程：
ベース熱伝達流体全体にわたって複数の動的混合粒子を分散させること、ここで、前記粒子は、安定なナノ流体が形成されるような寸法と濃度で存在する；
前記ベース熱伝達流体は、停滞フィルムおよび自由流部分を有する境界層部分を含むこと；
さらに、前記境界層部分を前記粒子と混合し、流体の熱伝達メカニズムを改良すること
を含む、前記流れる流体における熱伝達を向上させる方法。
［２］
前記混合工程が、泡が停滞フィルムより迅速に逃げるのを可能にする低表面エネルギー領域を作りだし、熱伝達を向上させ、前記流体の相変化を促進することを含む、前記１に記載の方法。
［３］
前記混合工程が、熱伝達メカニズムを伝導から対流に変更し、熱伝達を促進する、前記１に記載の方法。
［４］
前記混合工程が、前記流体が静的から動的に流れて、流体流れの速度を上げることにより熱伝達を向上させることにより、メンバーの壁の摩擦係数を変えることを含む、前記１に記載の方法。
［５］
前記粒子が、計算値の０．１％〜１００％の寸法範囲であり、前記計算値が境界層のｕ＝０．９９Ｕである、前記１に記載の方法。
［６］
前記粒子が、タイプＩ、タイプＩＩ、タイプＩＩＩ、タイプＩＶ、タイプＶおよびタイプＶＩからなる群から選択される、前記１に記載の方法。
［７］
前記粒子が、タイプＩ、タイプＩＩ、タイプＩＩＩ、タイプＩＶ、タイプＶおよびタイプＶＩからなる群の少なくとも１つから選択される粒子の混合物からなる、前記１に記載の方法。
【外国語明細書】
2018084405000001.pdf