(57)【要約】【課題】低粘度かつ高熱伝導率の熱輸送媒体を提供する。【解決手段】溶媒と、１以上の溶質とを含有し、熱を輸送する熱輸送媒体において、溶質は、水素原子以外の原子で、かつ、直列的に連続して結合した３つの原子を有する分子を含んでおり、３つの原子のうち２つの原子がマイナスの電荷を有している。溶質を構成する分子として、３つの原子のうち中央に位置する原子はプラス０．８以上かつプラス１．５以下の電荷を有し、３つの原子のうち端に位置する原子のいずれかはマイナス１．０以上かつマイナス０．３以下の電荷を有する分子、あるいは３つの原子のうち中央に位置する原子はマイナス０．７５以上かつマイナス０．２５以下の電荷を有し、３つの原子のうち端に位置する原子のいずれかはマイナス０．３以上かつ０未満の電荷を有する分子を用いることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶媒と、１以上の溶質とを含有し、熱を輸送する熱輸送媒体であって、
前記溶質は、水素原子以外の原子で、かつ、直列的に連続して結合した３つの原子を有する分子を含んでおり、
前記３つの原子のうち２つの原子がマイナスの電荷を有している熱輸送媒体。
【請求項２】
前記３つの原子のうち中央に位置する原子はプラス０．８以上かつプラス１．５以下の電荷を有し、
前記３つの原子のうち端に位置する原子のいずれかはマイナス１．０以上かつマイナス０．３以下の電荷を有し、
前記３つの原子を有する分子は、分子全体として電気的に中性である請求項１に記載の熱輸送媒体。
【請求項３】
前記溶質は、ＨＰＯ2、ＮＨＳｉＳ、ホスフィン酸もしくはホスフィン酸の塩である請求項２に記載の熱輸送媒体。
【請求項４】
前記３つの原子のうち中央に位置する原子はマイナス０．７５以上かつマイナス０．２５以下の電荷を有し、
前記３つの原子のうち端に位置する原子のいずれかはマイナス０．３以上かつ０未満の電荷を有し、
前記３つの原子を有する分子は、分子全体として電気的に中性である請求項１に記載の熱輸送媒体。
【請求項５】
前記溶質は、Ｈ3ＰＮＯＨもしくはＨ3ＳｉＮＯである請求項４に記載の熱輸送媒体。
【請求項６】
前記溶媒は水である請求項１ないし５のいずれか１つに記載の熱輸送媒体。
【請求項７】
前記溶質の濃度は３０％以上である請求項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】
防錆剤を含有する請求項１ないし７のいずれか１つに記載の熱輸送媒体。
【請求項９】
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８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、熱を輸送する熱輸送媒体および熱輸送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギ変換システムを備える車両等においては、エネルギ変換の際に発生した熱を熱輸送媒体によって輸送し、系外に放出する熱輸送システムが設けられていることが多い。熱輸送媒体としてエチレングリコール水溶液が一般的に用いられているが、エチレングリコール水溶液は低温時に粘度が高くなり、放熱部や熱媒体配管等の体格の大型化や、熱媒体を流動させるための動力の増大を招く。これに対し、特許文献１では、低粘度の冷却液として、ホルムアミドもしくはメチルホルムアミドと防錆剤を含む水溶液が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１５／１５１８１８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ホルムアミド濃度４１％のホルムアミド水溶液の熱伝導率は０．４６Ｗ／ｍＫであり、エチレングリコール濃度５０％のエチレングリコール水溶液の熱伝導率０．４３Ｗ／ｍＫとほぼ同等となっている。熱輸送システムでより高い放熱性能を発揮させるために、熱輸送媒体の熱伝導率を向上させることが望まれている。
【０００５】
本発明は上記点に鑑み、低粘度かつ高熱伝導率の熱輸送媒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】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、溶媒と、１以上の溶質とを含有し、熱を輸送する熱輸送媒体であって、溶質は、水素原子以外の原子で、かつ、直列的に連続して結合した３つの原子を有する分子を含んでおり、３つの原子のうち２つの原子がマイナスの電荷を有していることを特徴とする。
【０００７】
このような特徴を備える分子を熱輸送媒体の溶質として用いることで、低粘度かつ高熱伝導率の熱輸送媒体を得ることができる。
【０００８】
溶質を構成する分子として、３つの原子のうち中央に位置する原子はプラス０．８以上かつプラス１．５以下の電荷を有し、３つの原子のうち端に位置する原子のいずれかはマイナス１．０以上かつマイナス０．３以下の電荷を有する分子、あるいは３つの原子のうち中央に位置する原子はマイナス０．７５以上かつマイナス０．２５以下の電荷を有し、３つの原子のうち端に位置する原子のいずれかはマイナス０．３以上かつ０未満の電荷を有する分子を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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】分子動力学法で算出した分子の粘度を示す図である
【図３】分子動力学法で算出した分子の熱伝導率を示す図である
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
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、エンジン１０１の熱をラジエータ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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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、溶媒としての水と、少なくとも１種類の溶質とを含んだ水溶液となっている。溶質は、熱輸送媒体の凝固点を低下させるために用いられる。
【００１５】
溶質を構成する分子について説明する。分子の粘度は、分子の骨格となる骨格原子の数に影響を受ける。骨格原子は、分子を構成する原子のうち水素以外の元素であり、例えば炭素原子、酸素原子、窒素原子、リン原子、ケイ素原子、硫黄原子等を例示することができる。
【００１６】
分子に含まれる骨格原子数が少ないほど、分子の粘度が低くなる傾向がある。凝固点降下剤として一般的に用いられるエチレングリコールは、骨格原子数が４つである。このため、本願発明者らは、エチレングリコールよりも骨格原子数が少ない分子として、骨格原子が直列的に連続して３つ結合した分子を溶質として用いることを検討した。
【００１７】
ここで、直列的に連続して結合した３つの骨格原子のうち中央に位置する原子を中央原子とし、端に位置する原子の何れかを末端原子とする。
【００１８】
本実施形態では、分子動力学法を用いて、中央原子および末端原子の電荷に基づいて分子の粘度および熱伝導率を算出した。分子動力学法による粘度の算出結果を図２に示し、分子動力学法による熱伝導率の算出結果を図３に示している。
【００１９】
図２で楕円内に記載されている数値は、中央原子および末端原子の電荷に基づいて仮想的に算出した分子の粘度であり、図３で楕円内に記載されている数値は、中央原子および末端原子の電荷に基づいて仮想的に算出した分子の熱伝導率である。
【００２０】
図２、図３において、横軸は中央原子の電荷であり、縦軸は末端原子の電荷である。図２では、分子の粘度が１．０〜２．０ｍＰａＳとなる低粘度領域を左上がりの斜線で示している。低粘度領域は、所定の幅を持った帯状の楕円形となっている。低粘度領域は、中央原子および末端原子の電荷がプラスの領域、中央原子の電荷がプラスかつ末端原子の電荷がマイナスの領域、中央原子および末端原子の電荷がマイナスの領域、中央原子の電荷がマイナスかつ末端原子の電荷がプラスの領域に跨っている。
【００２１】
図２に示すように、低粘度領域を構成する楕円の中心に近いほど分子の粘度が低く、中心から遠いほど分子の粘度が高くなっている。低粘度領域の外周部は分子の粘度が２．０ｍＰａＳであり、低粘度領域の外側は分子の粘度が２．０ｍＰａＳを上回っている。このため、低粘度領域の外側に存在する分子は粘度が高くなりすぎるため、熱輸送媒体の溶質として適さない。
【００２２】
低粘度領域の内周部は分子の粘度が１．０ｍＰａＳであり、低粘度領域の内側は分子の粘度が１．０ｍＰａＳを下回っている。分子の粘度が１．０ｍＰａＳ以上の領域では、液体状態であり、溶媒である水と混合可能である。分子の粘度が１．０ｍＰａＳを下回ると、液体状態であるものの溶媒である水と分離する。さらに分子の粘度が低くなると、液体状態から気体状態に変化する。つまり、低粘度領域の内側に存在する分子は、溶媒と分離する液体であったり、あるいは気体であるため、熱輸送媒体の溶質として適さない。
【００２３】
図３では、分子の熱伝導率が０．５Ｗ／ｍｋ以上となる高熱伝導率領域を右上がりの斜線で示している。つまり、図３において、左上がりの斜線で示す低粘度領域と右上がりの斜線で示す高熱伝導率領域が重なり合う領域に存在する分子は、２．０ｍＰａＳ以下の低粘度と、０．５Ｗ／ｍｋ以上の高熱伝導率を両立していると考えられる。本実施形態では、熱輸送媒体の溶質として、中央原子および末端原子の電荷が低粘度領域と高熱伝導率領域が重なり合う領域およびその近傍に存在する分子を用いている。
【００２４】
図３に示すように、低粘度領域と高熱伝導率領域が重なり合う領域は、中央原子の電荷がプラスかつ末端原子の電荷がマイナスの領域と、中央原子および末端原子の電荷がマイナスの領域の２箇所に存在している。
【００２５】
中央原子の電荷がプラスかつ末端原子の電荷がマイナスの領域において、低粘度領域と高熱伝導率領域が重なり合う領域およびその近傍に存在する分子は、中央原子がプラス０．８以上かつプラス１．５以下の電荷を有し、末端原子がマイナス１．０以上かつマイナス０．３以下の電荷を有している。このような中央原子および末端原子の電荷を有する分子としては、化学式（１）に示すＨＰＯ2、化学式（２）に示すＮＨＳｉＳ、およびリン原子を含むリン酸化物を例示できる。リン酸化物としては、化学式（３）に示すホスフィン酸（次亜リン酸Ｈ3ＰＯ2）、化学式（４）に示すリン酸（Ｈ3ＰＯ4）、化学式（５）に示す亜リン酸（Ｈ3ＰＯ3）を例示できる。リン酸化物は、水素原子がナトリウムやアンモニウム等で置換されたリン酸化物の塩であってもよい。
【００２６】
【化１】
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【００２７】
【化２】
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【００２８】
【化３】
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【００２９】
【化４】
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【００３０】
【化５】
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リン酸（Ｈ3ＰＯ4）は骨格原子が５つであり、亜リン酸（Ｈ3ＰＯ3）は骨格原子が４つであるが、これらの分子は直列的に連続して結合した骨格原子数が３つとなっている。
【００３１】
中央原子および末端原子の電荷がマイナスの領域において、低粘度領域と高熱伝導率領域が重なり合う領域およびその近傍に存在する分子は、中央原子がマイナス０．７５以上かつマイナス０．２５以下の電荷を有し、末端原子がマイナス０．３以上かつ０未満の電荷を有している。このような中央原子および末端原子の電荷を有する分子としては、化学式（６）に示すＨ3ＰＮＯＨ、化学式（７）に示すＨ3ＳｉＮＯを例示できる。
【００３２】
【化６】
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【００３３】
【化７】
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なお、図３において、ホルムアミドは低粘度であるが熱伝導率が低い物質であり、モリブデン酸は高熱伝導率であるが粘度が高い物質である。
【００３４】
化学式（１）〜（７）で示した分子は、３つの骨格原子のうち２つの骨格原子がマイナスの電荷を有しており、分子全体として電気的に中性となっている。このような構成の分子は、水溶液中でマイナスの電荷を帯びた２つの骨格原子のそれぞれに水分子が引きつけられることで、水分子→溶質を構成する分子→水分子という熱の通り道が形成され、高い熱伝導率が得られるものと考えられる。
【００３５】
熱輸送媒体における溶質の濃度を高くすることで、熱輸送媒体の凝固点を低下させることができる。このため、本実施形態では、化学式（１）〜（７）で示した分子を熱輸送媒体の溶質として用いた場合に、熱輸送媒体における溶質の濃度を３０％以上としている。これにより、熱輸送媒体の凝固点を−２０℃以下にすることができる。また、熱輸送媒体における溶質の濃度を５０％以上とすることで、熱輸送媒体の凝固点を−３０℃以下にすることができる。
【００３６】
本実施形態の熱輸送媒体は、溶媒および溶質に加え、防錆剤を含んでいる。防腐剤は、熱輸送媒体が流れる配管の腐食を防ぐためのものである。熱輸送媒体における防錆剤の濃度は適宜設定可能であるが、例えば数％とすることができる。
【００３７】
防腐剤としては、例えば脂肪族モノカルボン酸、芳香族モノカルボン酸、芳香族ジカルボン酸またはそれらの塩、ホウ酸塩、ケイ酸塩、ケイ酸、リン酸塩、リン酸、亜硝酸塩、硝酸塩、モリブデン酸塩、トリアゾール、及びチアゾールから選ばれる少なくとも一種を用いることができる。
【００３８】
以上説明した本実施形態によれば、熱輸送システムに用いる熱輸送媒体の溶質として、３つの骨格原子が直列的に連続して結合した分子であって、３つの骨格原子のうち２つの骨格原子がマイナスの電荷を有する分子を用いている。このような分子を熱輸送媒体の溶質として用いることで、低粘度かつ高熱伝導率の熱輸送媒体を得ることができる。
【００３９】
また、３つの骨格原子のうち２つの骨格原子マイナスの電荷を有する分子としては、中央原子がプラス０．８以上かつプラス１．５以下の電荷を有し、末端原子がマイナス１．０以上かつマイナス０．３以下の電荷を有する分子、あるいは中央原子がマイナス０．７５以上かつマイナス０．２５以下の電荷を有し、末端原子がマイナス０．３以上かつ０未満の電荷を有する分子を好適に用いることができる。
【００４０】
（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。
【００４１】
（１）上記実施形態では、熱輸送媒体が防錆剤を含有している例について説明したが、必ずしも熱輸送媒体は防錆剤を含有していなくてもよい。
【００４２】
（２）上記実施形態では、熱源としてエンジン１０１を採用した例について説明したが、熱源はこれに限定されない。例えば、熱源として、燃料電池、バッテリ、インバータ等を採用してもよい。
【００４３】
（３）上記実施形態では、溶媒と１種類の溶質とを有する溶液により熱輸送媒体を構成した例について説明したが、これに限らず、溶媒と２種類以上の溶質とを有する溶液により熱輸送媒体を構成してもよい。
【符号の説明】
【００４４】
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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