(57)【要約】【課題】伝熱部材の沸騰面へのナノ粒子の堆積を抑制することができる熱輸送システムを提供する。【解決手段】本開示の熱輸送システムは、沸騰面３２を有する伝熱部材３０、及び沸騰面３２と接触しており、かつ液体媒体及びナノ粒子を含有している作動液７０を備えており、かつ沸騰面３２が有機単分子膜を有する。【選択図】図２
2019045105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
沸騰面を有する伝熱部材、及び
前記沸騰面と接触しており、かつ液体媒体及びナノ粒子を含有している作動液
を備えており、かつ前記沸騰面が有機単分子膜を有する、熱輸送システム。
【請求項２】
前記有機単分子膜が、チオールで構成されている、請求項１に記載の熱輸送システム。
【請求項３】
前記チオールが、炭素数６以上のアルカンチオール及び芳香族チオールからなる群より選択される、請求項２に記載の熱輸送システム。
【請求項４】
前記チオールが、フッ素置換チオールである、請求項２又は３に記載の熱輸送システム。
【請求項５】
前記チオールが、パーフルオロデカンチオール、パーフルオロオクタンチオール、パーフルオロヘキサンチオール、４−トリフルオロメチルテトラフルオロベンゼンチオール、ペンタフルオロベンゼンチオール、及び４−トリフルオロメチルベンゼンチオールからなる群より選択される、請求項４に記載の熱輸送システム。
【請求項６】
前記沸騰面が、金属で構成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱輸送システム。
【請求項７】
前記ナノ粒子が、金属、金属酸化物、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群より選択される材料で構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱輸送システム。
【請求項８】
前記ナノ粒子が、表面に有機単分子膜を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱輸送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、熱輸送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱輸送システムは、排熱回収等の熱輸送手段として用いられている。したがって、熱輸送システムは、暖機、暖房、又は冷房等に適用することが考慮されている。より具体的には、熱輸送システムは、自動車の排気熱をエンジン暖機、エアコン等に利用する暖機・暖房用のヒートパイプシステム、又は自動車のインバータ冷却等の冷却用ヒートパイプシステム等として用いることが考慮されている。
【０００３】
熱輸送システムは、例えば、金属等のパイプの内側に、熱媒体である作動液が封入されたヒートパイプとしての構成等を有することができる。この場合、金属等のパイプは、伝熱部材として機能し、この伝熱部材の沸騰面が、内側に封入された作動液と接触して、作動液を沸騰させることができる。
【０００４】
熱輸送システムにおける熱輸送効率を改良するために、熱輸送システムの作動液に、金属、金属酸化物、カーボン、有機材料等のナノ粒子を含有させることが提案されている（特許文献１及び２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２７１０２２号公報
【特許文献２】特開２００８−０５１３８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、熱輸送システムにおける熱輸送効率を改良するために、作動液に、金属材料等のナノ粒子を含有させることが提案されている。しかしながら、このような作動液に含有されるナノ粒子は、経時的に伝熱部材の沸騰面に堆積し、それによって沸騰面の伝熱効率を低下させて、熱輸送システム全体の熱輸送効率を低下させることがあった。
【０００７】
したがって、本開示では、伝熱部材の沸騰面へのナノ粒子の堆積を抑制することができる熱輸送システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本件発明者らは、上記の課題について検討した結果、下記の本開示に想到した。
【０００９】
〈態様１〉沸騰面を有する伝熱部材、及び
前記沸騰面と接触しており、かつ液体媒体及びナノ粒子を含有している作動液
を備えており、かつ前記沸騰面が有機単分子膜を有する、熱輸送システム。
〈態様２〉前記有機単分子膜が、チオールで構成されている、態様１に記載の熱輸送システム。
〈態様３〉前記チオールが、炭素数６以上のアルカンチオール及び芳香族チオールからなる群より選択される、態様２に記載の熱輸送システム。
〈態様４〉前記チオールが、フッ素置換チオールである、態様２又は３に記載の熱輸送システム。
〈態様５〉前記チオールが、パーフルオロデカンチオール、パーフルオロオクタンチオール、パーフルオロヘキサンチオール、４−トリフルオロメチルテトラフルオロベンゼンチオール、ペンタフルオロベンゼンチオール、及び４−トリフルオロメチルベンゼンチオールからなる群より選択される、態様４に記載の熱輸送システム。
〈態様６〉前記沸騰面が、金属で構成されている、態様１〜５のいずれか一項に記載の熱輸送システム。
〈態様７〉前記ナノ粒子が、金属、金属酸化物、金属窒化物、及び金属炭化物からなる群より選択される材料で構成されている、態様１〜６のいずれか一項に記載の熱輸送システム。
〈態様８〉前記ナノ粒子が、表面に有機単分子膜を有する、態様１〜７のいずれか一項に記載の熱輸送システム。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の熱輸送システムによれば、伝熱部材の沸騰面へのナノ粒子の堆積を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本開示の熱輸送システムの構成の一例を説明するための概略図である。
【図２】図２は、本開示の熱輸送システムで用いられる熱交換器の構成の一例を説明するための概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示の熱輸送システムは、沸騰面を有する伝熱部材、及び沸騰面と接触しており、かつ液体媒体及びナノ粒子を含有している作動液を備えた熱輸送システムであって、沸騰面が有機単分子膜を有する。
【００１３】
本開示の熱輸送システムによれば、伝熱部材の沸騰面へのナノ粒子の堆積を抑制することができる。
【００１４】
理論に限定されるものではないが、これは、沸騰面上の有機単分子膜の大きい立体障害、小さい表面エネルギー等によって、沸騰面へのナノ粒子の付着が抑制され、またそれによって、そのように付着したナノ粒子への更なるナノ粒子の付着が抑制されることによると考えられる。
【００１５】
更に、本開示の熱輸送システムによれば、このように有機単分子膜によってナノ粒子の付着が抑制されている一方で、この有機単分子膜による熱抵抗の増加は実質的なものではない。
【００１６】
理論に限定されるものではないが、これは、有機単分子膜の厚さが非常に薄く、それによって伝熱部材の沸騰面における作動液への伝熱を実質的に妨げられないことによると考えられる。なお、これに対して、フッ素化ポリマー等のポリマーによる被覆を行った場合には、得られる被覆が比較的厚く、それによって伝熱部材の沸騰面における作動液への伝熱が実質的に妨げられると考えられる。
【００１７】
本開示の熱輸送システムを用いる熱輸送方法は、伝熱部材の沸騰面の温度が、沸騰面付近の圧力における作動液の沸点よりも高くなるようにして、例えば伝熱部材の沸騰面の温度が、沸騰面付近の圧力における作動液の沸点よりも、５℃以上、１０℃以上、２０℃以上、３０℃以上、４０℃以上、又は５０℃以上高くなるようにして行うことができる。また、例えば伝熱部材の沸騰面の温度と、沸騰面付近の圧力における作動液の沸点との差は、２００℃以下、１５０℃以下、１００℃以下、７０℃以下、又は５０℃以下であってよい。
【００１８】
本開示の熱輸送システムにおいて伝熱部材に熱を供給する熱源は、気体、液体、若しくは固体、又はこれらのうちの２つ以上であってよい。気体としては、例えば、空気、水蒸気、アンモニア、フロン、二酸化炭素等を挙げることができる。液体としては、例えば、水、ブライン、オイル、ダウサムＡ（登録商標）等を挙げることができる。固体としては、例えば、ヒータ等を挙げることができる他、廃熱冷却のための空冷器等を挙げることができる。
【００１９】
本開示の熱輸送システムは、上記のような伝熱部材及び作動液を具備するものである限り、特に限定されるものではないが、１つの態様において、図１に概略を示すように、本開示の熱輸送システム３００は、下記の構成を有することができる：
沸騰面を有する伝熱部材を具備しており、かつ白抜きの矢印で示す外部からの入熱を受けて、伝熱部材の沸騰面上で作動液を沸騰させて気化させる、蒸発器１００、
凝縮面を有する伝熱部材を具備しており、かつ白抜きの矢印で示す外部への放熱を伴って、伝熱部材の凝縮面上で作動液を凝縮させて液化させる、凝縮器２００、
蒸発器で気化した作動液を、黒矢印で示すように、蒸発器１００から凝縮器２００に供給する、気体流路１０、及び
凝縮器で液化した作動液を、黒矢印で示すように、凝縮器２００から蒸発器１００に供給する、液体流路２０。
【００２０】
このような態様では、図２に鉛直面で切断した概略断面図を示すように、蒸発器１００は、下記の構成を有することができる：
沸騰面３２を有する伝熱部材３０、
沸騰面３２と接触しており、かつ液体媒体及びナノ粒子を含有している作動液７０、並びに
気体排出口４２及び液体供給口４４を有し、かつ外部に対して閉じている又は開放されている、容器４０。
【００２１】
この図１で示す本開示の熱輸送システムの使用においては、下記のようにして熱輸送を行うことができる：
蒸発器１００において、白抜きの矢印で示す外部からの入熱を受けて、伝熱部材３０の沸騰面３２上で作動液７０を沸騰させて気化させ、
蒸発器１００で気化した作動液を、気体流路１０を通して、図１の黒矢印で示すように、蒸発器１００から凝縮器２００に供給し、
凝縮器２００において、白抜きの矢印で示す外部への放熱を伴って、伝熱部材の凝縮面上で作動液を凝縮させて液化させ、そして
凝縮器２００で液化した作動液を、液体流路２０を通して、図１の黒矢印で示すように、凝縮器２００から蒸発器１００に供給する。
【００２２】
ここで、蒸発器１００においては、図２で示すように、液体媒体及びナノ粒子を含有している作動液７０は、液体流路を通して液体供給口４４から容器４０に供給され、白抜きの矢印で示す外部からの入熱を受けて伝熱部材３０の沸騰面３２上で沸騰して気化し、そして気体排出口４２を通して容器４０から排出される。なお、この気化においては、作動液中の液体媒体のみが気化し、ナノ粒子は作動液中に残される。
【００２３】
〈伝熱部材〉
本開示の熱輸送システムにおける伝熱部材は、液体媒体及びナノ粒子を含有している作動液と接触する沸騰面を有する。
【００２４】
伝熱部材において、作動液と接触する側の表面の全面積に対する沸騰面の面積が占める割合は、熱交換の効率をできるだけ高く維持しつつ、安定した沸騰を行うとの観点から、できるだけ高いことが望まれる。伝熱部材における液体と接触する側の表面の全面積に対する沸騰面の面積が占める割合は、例えば、８０％以上、９０％以上、又は９５％以上であってよく、１００％であってもよい。
【００２５】
伝熱部材は、作動液と接触する側の表面に上記の沸騰面を有する限り、その大きさ及び形状等は、使用する作動液及び熱源の特性等に応じて、適宜設定されてよい。伝熱部材の形状は、例えば、円板状、管状等であってよい。
【００２６】
伝熱部材の沸騰面は、例えば、炭素系材料、金属、及び半金属からなる群より選択される材料、特に金属で構成されていてよい。炭素系材料としては、例えば、カーボンナノチューブ、ダイヤモンド、人造黒鉛等を挙げることができる。金属としては、例えば、銅、アルミニウム、ステンレスを挙げることができる。半金属としては、例えば、シリコンを挙げることができる。
【００２７】
伝熱部材の沸騰面は、有機単分子膜を有する。
【００２８】
有機単分子膜は、例えばチオールで構成されていてよい。この場合、チオールのチオール基（−ＳＨ）が、沸騰面、特に金属で構成されている沸騰面に対して高い親和性を有することによって、チオール基が沸騰面に対して付着し、それによって多数のチオールが沸騰面上に密に集積して単分子膜が形成される。
【００２９】
このチオールは、炭素数が比較的多いことが、有機単分子膜の立体障害を大きくする為に好ましい。したがって、例えばこのチオールは、炭素数６以上のアルカンチオール及び芳香族チオールからなる群より選択することができる。このチオールの炭素数は、８以上、又は１０以上であってよく、また２０以下、１５以下、１２以下であってよい。
【００３０】
また、このチオールは、ナノ粒子の付着を抑制するために、表面エネルギーが小さい有機単分子膜を形成することが好ましく、したがって水素基が部分的に又はすべてフッ素基に置換されたフッ素置換チオールであってよい。
【００３１】
具体的には、フッ素置換チオールとしては、パーフルオロデカンチオール、パーフルオロオクタンチオール、パーフルオロヘキサンチオール、４−トリフルオロメチルテトラフルオロベンゼンチオール、ペンタフルオロベンゼンチオール、及び４−トリフルオロメチルベンゼンチオールからなる群より選択されるフッ素置換チオールを挙げることができる。
【００３２】
〈作動液〉
本開示の熱輸送システムにおいて用いられる作動液は、液体媒体及び液体媒体中に分散しているナノ粒子を含有している。この作動液は、熱輸送システムにおいて熱媒体として機能する。
【００３３】
液体媒体としては、水、フッ素系溶媒、アンモニア、アセトン、アルコール等を挙げることができ、これらのうち、フッ素系溶媒が、伝熱効率に関して好ましい。
【００３４】
ナノ粒子は、作動液の熱伝導性向上に寄与するものであってよい。ナノ粒子は、金属、半金属、及びそれらの組合せ、並びにそれらの酸化物、窒化物、及び炭化物からなる群より選択される材料、特に金属で構成されていてよい。このような金属及び半金属としては、例えば、金、銀、白金、銅、ニッケル、鉄、アルミニウム、チタン、ケイ素、亜鉛、及びジルコニウムから選択される金属、より特に銅、及びアルミニウムから選択される金属を挙げることができる。また、ナノ粒子は、カーボン又は有機材料で構成されていてもよい。
【００３５】
ナノ粒子は、表面処理が施されてもよく、例えば表面に有機単分子膜を有することができる。ナノ粒子表面に表面処理が施されていることによって、作動液中におけるナノ粒子の凝集を抑制することができる。なお、ナノ粒子の有機単分子膜は、沸騰面と同じであってもよく、沸騰面とは異なっていてもよい。
【００３６】
ナノ粒子の粒子径が大き過ぎると、作動液におけるナノ粒子の沈殿が生じることがある。したがって、ナノ粒子の平均粒子径の上限は、５００ｎｍ以下、４００ｎｍ以下、３００ｎｍ以下、２００ｎｍ以下、又は１００ｎｍ以下であってよい。
【００３７】
一方、ナノ粒子の平均粒子径の下限は、ナノ粒子の表面処理等によってナノ粒子の凝集及び沈殿が抑制できる限り、特に限定されるものではない。したがって、ナノ粒子の平均粒子径は、１０ｎｍ以上、２０ｎｍ以上、３０ｎｍ以上、４０ｎｍ以上、又は５０ｎｍ以上であってよい。
【００３８】
ナノ粒子の平均粒子径は、査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）等による観察によって、撮影した画像を元に直接に投影面積円相当径を計測し、集合数１００以上からなる粒子群を解析することで、数平均一次粒子径として求めることができる。
【００３９】
なお、本開示において「ナノ粒子」には、ナノロッドやナノワイヤ等の非球形の粒子も包含されるものとする。この場合、ナノロッドやナノワイヤの長さは、例えば５００ｎｍ以上、又は１，０００ｎｍ以上であってよく、また２０，０００ｎｍ以下、１０，０００ｎｍ以下、又は５，０００ｎｍ以下であってよい。
【００４０】
本開示における作動液には、作動液中のナノ粒子が凝集することを抑制するために、ポリビニルピロリドン等の分散剤が含まれていてもよい。
【００４１】
本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００４２】
以下では、実施例を用いて本開示をさらに説明する。
【００４３】
〈実施例１〉
（銅ナノ粒子の作製）
塩化銅（ＩＩ）二水和物０．１７０ｇ（１ｍｍｏｌ）、グルコース０．３９１ｇ（２ｍｍｏｌ）、ヘキサデシルアミン１．４４ｇ（６ｍｍｏｌ）を超純水８０ｍＬに加え、そして５時間にわたって撹拌して、エマルジョンを得た。このエマルジョンを耐圧容器に入れ、恒温乾燥機において１５０℃で２時間にわたって加熱した。その後、超純水、ヘキサンの順で洗浄し、３５℃の酢酸を加えてヘキサデシルアミンを除去した。さらに１０分間にわたって、１３０００ｒｐｍで遠心分離を行い、ヘキサンで３回洗浄した後、有機溶媒に１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデカンチオールが５ｍｍｏｌ／Ｌ溶解した液体に２４時間浸漬させることによって、表面処理を施した銅ナノ粒子を得た。
【００４４】
（作動液の作製）
液体媒体としてのフッ素系冷媒（デュポン社製シネラ）に、分散剤（高分子量ポリビニルピロリドン）を添加し、銅ナノ粒子を分散させて、作動液を得た。
【００４５】
（沸騰面の表面処理）
無酸素銅板の表面を、砥粒径が異なるラッピングシート（砥粒径：３μｍ、１μｍ、０．５μｍ）を用いて砥粒径が大きい順に研磨し、窒素雰囲気下のグローブボックス内で、濃度が７ｖｏｌ．％の塩酸に浸漬させるウェットエッチングを行い、そして水で洗浄した。その後、ヘキサンにパーフルオロデカンチオールが溶解した液に銅板を浸漬させることによって、沸騰面に有機単分子膜を形成し、沸騰面に有機単分子膜を有する伝熱部材としての銅板を得た。単分子膜が得られたことは、Ｘ線反射率法（Ｘ−ｒａｙ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ（ＸＲＲ））よって膜厚が２ｎｍ以下であるとの測定結果が得られたことによって確認した。
【００４６】
（銅ナノ粒子の堆積位置及び厚さ評価）
密閉耐熱容器内に、上記のようにして得た液体媒体及び銅ナノ粒子を含有する作動液、並びに沸騰面に有機単分子膜を有する伝熱部材としての銅板を入れ、そして容器を密閉した。その後、密閉耐圧容器全体を１２０℃の恒温槽に入れ、６時間にわたって加熱し、その後で冷却して、密閉耐圧容器から銅板を取り出した。
【００４７】
密閉耐圧容器から取り出した銅板の断面を、走査電子顕微鏡を用いて観察し、銅板の沸騰面に堆積した銅ナノ粒子の堆積位置及び厚さを評価した。評価結果を、有機単分子膜を構成するのに用いた分子の種類と共に、下記の表１に示している。
【００４８】
〈実施例２〜６〉
有機単分子膜を構成するのに用いた分子を、表１に示すように変更した以外は実施例１と同様にして、沸騰面に有機単分子膜を有する銅板を得、そして実施例１と同様にして、銅ナノ粒子の堆積位置及び厚さ評価した。評価結果を、有機単分子膜を構成するのに用いた分子の種類と共に、下記の表１に示している。
【００４９】
〈比較例１〉
表面処理を施していない銅板を用い、かつ作動液に添加した分散剤を低分子量ポリビニルピロリドンに変更した以外は実施例１と同様にして、銅ナノ粒子の堆積位置及び厚さ評価した。評価結果を下記の表１に示している。
【００５０】
【表１】
2019045105.tif 000003
【００５１】
表１に示されているとおり、沸騰面に有機単分子膜を有する実施例１〜６では、沸騰面の一部のみにおいて銅ナノ粒子の堆積が生じており、銅ナノ粒子の堆積厚さは最大でも２５μｍであった。これに対して、表１に示されているとおり、沸騰面に有機単分子膜を有さない比較例１では、沸騰面の全面に銅ナノ粒子が堆積し、堆積厚さは３０μｍであった。このことから、沸騰面に有機単分子膜を有することによって、沸騰面への銅ナノ粒子の付着を抑制でき、それによって付着した銅ナノ粒子への更なる銅ナノ粒子の付着による沸騰面への銅ナノ粒子の堆積を抑制できることが理解される。
【符号の説明】
【００５２】
１０    気体流路
２０    液体流路
３０    伝熱部材
３２    沸騰面
４０    容器
４２    気体排出口
４４    液体供給口
７０    作動液
１００    蒸発器
２００    凝縮器
３００    熱輸送システム
【図１】
2019045105.tif 000004
【図２】
2019045105.tif 000005