(57)【要約】【課題】熱交換器の熱交換を高効率化させることを目的とする。【解決手段】熱交換器３の加熱体２に配向構造のカーボンナノチューブ１を剣山状構造に配列し、カーボンナノチューブ１の剣山状構造を、熱源の温度に対応する熱輻射が共振する構造とすることにより、カーボンナノチューブ１からの熱輻射による熱交換を高効率化することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源から熱を回収する熱交換器であって、
管状の加熱体と、
前記加熱体の管内部に充填される熱媒体と、
あらかじめ定めた所定の長さで前記加熱体の管内面に前記熱媒体に向って突出する配向構造のカーボンナノチューブと、
前記カーボンナノチューブがあらかじめ定めた所定の間隔で配列される剣山状構造を有し、前記剣山状構造が前記熱源の温度に対応して放出される熱輻射を共振させることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブの表面にＴｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｉ，あるいは、それらの酸化物、炭化物、窒化物からなる単一、または２つ以上の複合物を含むコーティング層を設けることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記熱媒体に、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｃｒの単体、炭化物、窒化物からなる単一、または２つ以上の複合物を含む赤外線吸収材料を添加することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項４】
熱源から熱を回収する熱交換器の製造方法であって、
管状の加熱体の内表面に粒状の触媒を所定の間隔で剣山状に配置する工程と、
前記触媒を所定の長さに成長させて前記加熱体の内壁から突出する方向に配向するカーボンナノチューブを形成する工程と
を有し、前記カーボンナノチューブが配列される剣山状構造が前記熱源の温度に対応して放出される熱輻射を共振させることを特徴とする熱交換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
熱源から熱回収を行う熱交換器および熱交換器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器は、エンジン等の各種熱機関や焼却施設等の熱源から熱を回収し、熱源を低温化させると共に回収した熱を利用する。
従来の熱交換器は、管状の加熱体の内部を被加熱体である熱媒体が流動する構成であり、熱交換器外部からの熱を加熱体を介して熱対流により熱媒体に放出し、熱媒体が流動することにより回収した熱を移動させるものである。また、熱の回収効率を向上させるため、加熱体にセラミックを取り付けることで熱輻射による熱交換を併用する場合もあった（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、ヒートパイプの内壁をカーボンナノチューブによるウィック構造とすることで熱の回収効率をさらに向上させることも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３４０４５３号公報
【特許文献２】特表２００９−５３５５９８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、昨今の熱交換器では熱交換のさらなる高効率化が求められている。
そのために、本発明は、熱交換器の熱交換を高効率化させ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に、本発明の熱交換器は、熱源から熱を回収する熱交換器であって、管状の加熱体と、前記加熱体の管内部に充填される熱媒体と、あらかじめ定めた所定の長さで前記加熱体の管内面に前記熱媒体に向って突出する配向構造のカーボンナノチューブと、前記カーボンナノチューブがあらかじめ定めた所定の間隔で配列される剣山状構造とを有し、前記剣山状構造が前記熱源の温度に対応して放出される熱輻射を共振させる構造であることを特徴とする。
【０００７】
また、前記カーボンナノチューブの表面にＴｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｉ，あるいは、それらの酸化物、炭化物、窒化物からなる単一、または２つ以上の複合物を含むコーティング層を設けることが好ましい。
【０００８】
また、前記熱媒体に、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｃｒの単体、炭化物、窒化物からなる単一、または２つ以上の複合物を含む赤外線吸収材料を添加することが好ましい。
【０００９】
さらに、本発明の熱交換器の製造方法は、熱源から熱を回収する熱交換器の製造方法であって、管状の加熱体の内表面に粒状の触媒を所定の間隔で剣山状に配置する工程と、前記触媒を所定の長さに成長させて前記加熱体の内壁から突出する方向に配向するカーボンナノチューブを形成する工程とを有し、前記カーボンナノチューブが配列される剣山状構造が前記熱源の温度に対応して放出される熱輻射を共振させることを特徴とする。
【００１０】
具体的には、カーボンナノチューブ用の触媒を層状に成膜して、加熱により粒状化する方法や、最初から粒状化した触媒を溶液含侵やスプレー法によって管状の内表面に担持する方法などがある。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように、熱交換器の加熱体に配向構造のカーボンナノチューブを剣山状構造に配列し、カーボンナノチューブの剣山状構造を、熱源の温度に対応する熱輻射が共振する構造とすることにより、カーボンナノチューブからの熱輻射による熱交換を高効率化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の熱交換器の構成を示す概略図
【図２】本発明の熱交換器におけるカーボンナノチューブの配置を例示する概略拡大図
【図３】本発明の熱交換器におけるカーボンナノチューブの構成を説明する概略拡大図
【図４】触媒の凝集により間隔が制御されるカーボンナノチューブの製造方法を説明する工程図
【図５】局所ガスの噴射により間隔が制御されるカーボンナノチューブの製造方法を説明する工程図
【図６】バンドル化されるカーボンナノチューブの製造方法を説明する工程図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
まず、図１〜図３を用いて、本発明の熱交換器の構成について説明する。
図１は本発明の熱交換器の構成を示す概略図、図２は本発明の熱交換器におけるカーボンナノチューブの配置を例示する概略拡大図、図３は本発明の熱交換器におけるカーボンナノチューブの構成を説明する概略拡大図である。
【００１４】
図１〜図３に示すように、本発明の熱交換器３は、管状のヒートパイプである加熱体２と、加熱体２の管内部を流動する気体，液体あるいは固体の粒状物であり、被加熱体として機能する熱媒体４と、加熱体２の内表面に配置されて熱媒体４に向って突出する方向に配向されたカーボンナノチューブ１とから構成される。そして、カーボンナノチューブ１が剣山状に配列され（図２（ａ），図２（ｂ））、加熱体２に供給される温度に対応して放出される熱輻射６の波長が共振するように、各カーボンナノチューブ１が間隔Ｗ、長さＬで配置されることを特徴とする。このように、所定の温度に対応する波長の熱輻射６が共振するようにカーボンナノチューブ１を剣山状に配列することにより、カーボンナノチューブ１の剣山状配列が共振器として作用する。そのため、熱交換器３に所定の温度が供給された場合に、カーボンナノチューブ１の剣山状配列内で熱輻射が共振し、効率的に供給された熱をカーボンナノチューブ１から熱媒体４に効率的に放出することができる。なお、カーボンナノチューブ１の長さＬが一定の場合、カーボンナノチューブ１の間隔Ｗは、全ての間隔Ｗが同じ長さであることが最も効率的であるが、一定以上の割合で間隔Ｗの長さが熱輻射６の波長と共振する長さとなれば、異なる長さの間隔が存在しても一定以上の効果を奏する。また、目標とする間隔Ｗは１種類に限らず、対象となる熱輻射６の波長が複数ある場合は、カーボンナノチューブ１の間隔の内、所定の割合で間隔Ｗをそれぞれ対象とする熱輻射６の波長と共振する長さとすれば、複数の熱源に対応して一定の放熱効果の向上を図ることができる。
【００１５】
熱交換器３は、エンジン等の各種熱機関や焼却施設等の熱源（図示せず）に直接、あるいは液体や気体の媒体を介して接触し、熱源から熱を回収し、熱源を低温化させると共に回収した熱を利用させるものである。熱源と接触した熱交換器３では、加熱体２が熱源により加熱され、その熱が熱媒体４に放出される。熱を熱媒体４に放出する際には、加熱体２およびカーボンナノチューブ１からの対流伝熱５および遠赤外線の放射によるカーボンナノチューブからの熱輻射６により、熱媒体４に熱が放出される。それにより、熱媒体４と熱源との間で熱交換が行われ、熱源を冷却すると共に、熱源の熱を熱媒体４が回収する。回収された熱は熱媒体４が流動することにより外部の機器（図示せず）に運ばれ、外部の機器で回収された熱が利用される。
【００１６】
このように、配向し、突出したカーボンナノチューブ１による熱媒体４との接触面積の増加に基づく加熱体２およびカーボンナノチューブ１からの対流伝熱５の増加と、剣山状に配置されたカーボンナノチューブ１で共振した熱輻射６により、熱媒体４への放熱効率が向上するため、熱交換を高効率化することができる。ここで、カーボンナノチューブは一般的に熱輻射率が高く、同時に、カーボンナノチューブ１が熱媒体４に向う方向に配向しているため、効率的に熱輻射６により熱を熱媒体４に放出することができる。さらに、カーボンナノチューブ１の剣山状構造を、あらかじめ想定された熱源の温度に対応して放出される熱輻射６の波長と共振する間隔Ｗおよび長さＬとすることにより、より効率的に熱輻射６により熱を熱媒体４に放出することができ、熱交換を高効率化することができる。例えば、熱源の温度が１０００℃と想定される場合は、熱輻射６の波長が２μｍなのでカーボンナノチューブ１長さが１０μｍの場合は、カーボンナノチューブ１の間隔Ｗは１．５μｍとなり、熱源の温度が４００℃と想定される場合は、熱輻射６の波長が４μｍなのでカーボンナノチューブ１長さが１０μｍの場合は、カーボンナノチューブ１の間隔Ｗは３μｍとなる。
【００１７】
ここで、カーボンナノチューブ１は加熱体２と直交する方向に突出することが放熱効率上好ましいが、必ずしも直交する方向に突出する必要はなく、各カーボンナノチューブ１が異なる方向に突出していてもかまわない。
【００１８】
また、カーボンナノチューブ１の長さＬは、比表面積を一定以上の大きさとし、熱交換効率を確保するために、１０μｍ以上とすることが好ましい。ただし、カーボンナノチューブ１の長さＬは、熱輻射６の波長共振する間隔Ｗに応じて決定される。カーボンナノチューブ１の長さＬは、ＣＶＤ時間、カーボンナノチューブを成長させるガスの供給時間等により制御できる。
【００１９】
また、被加熱体である熱媒体４は、液体や気体，粒状の固体等、流動性があり、熱吸収率の高いものであれば良い。例えば、熱媒体４として、液体の場合は水、シリコンオイル、ダウサムＡなどを用いることができ、気体の場合は窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性なガス、空気、または前述の液体からなる蒸気を含む気体を用いることができ、粒状物の場合は金属、セラミックなど用いることができる。さらに、熱媒体４が液体または粒状物の場合、カーボンナノチューブ１あるいは加熱体２から放射された熱輻射６を吸収して効率的に熱エネルギーに変換できる添加剤７として赤外線吸収材料を、熱媒体４に添加することもできる（図１（ｂ））。このように、熱輻射の吸収率および熱変換効率の高い添加剤７を熱媒体４に添加することにより、カーボンナノチューブ１あるいは加熱体２から放射された熱輻射６を効率的に熱交換することができ、熱源の熱を効率的に回収することができる。また、添加剤７自体が熱の輸送体としての機能も発揮し、このことからも熱回収効率を効率化することができる。熱媒体４が粒子状の形状である場合、粒子が小さすぎると粒子同士の摩擦が多くなり熱媒体４が流れにくくなり、粒子が大きいと粒子の隙間の空間が多くなり、吸収できる熱量が減る。そこで、流動性の確保および空隙率の低減のため、その粒径は１０μｍ以上１００μｍ以下とすることが好ましい。また、添加物７としては、酸化クロム，酸化銅，酸化インジウム，酸化モネル，酸化ニクロム，酸化鉄，酸化鋳鉄，酸化モリブテン，酸化ニッケル，酸化鋼，酸化チタン，ＳｉＣ等を用いることができる。
【００２０】
さらに、添加剤７としてカーボンナノチューブを添加することもできる。カーボンナノチューブは、高熱吸収性，高熱伝導性を有するため添加剤７としても優れている。このように、高熱吸収性，高熱伝導性に優れるカーボンナノチューブを添加剤７として添加することにより、他の添加物材料に比べて高い熱回収効率が実現できる。また、少ない添加量で同等の熱回収効率が実現できる。結果として、熱交換を高効率化することができる。
【００２１】
また、熱源が高温で、熱媒体４が酸素を含有する気体やカーボンナノチューブ１を酸化させる材質である場合、熱交換中にカーボンナノチューブ１が燃焼したり変質したりして、熱輻射の効率が低下する場合がある。このように、高温，酸素雰囲気中にカーボンナノチューブ１が使用される場合、耐熱性，耐環境性を向上させるために、カーボンナノチューブ１の表面にコーティング膜８を設けても良い（図３（ｂ））。このように、カーボンナノチューブ１の表面をコーティング膜８でコーティングすることにより、カーボンナノチューブ１の耐熱性や耐環境性を向上させることができ、合わせて、高温の熱源を対象として使用することができるので、熱源とカーボンナノチューブ１との温度差により短時間で多量の熱が移動でき、熱伝導の高効率化に資することもできる。
【００２２】
コーティング膜８としては、耐熱性，耐酸性等の耐環境性，赤外線吸収率，熱伝導率の高い材質のものを用いることが好ましく、例えば、酸化クロム，酸化銅，酸化インジウム，酸化モネル，酸化ニクロム，酸化鉄，酸化鋳鉄，酸化モリブテン，酸化ニッケル，酸化鋼，酸化チタン，ＳｉＣ等を用いることができる。また、熱輻射の波長によっては、熱放出効率の高い炭化ケイ素等のセラミックをコーティング膜８としても良い。また、コーティング膜８に隙間があると、その隙間からカーボンナノチューブ１が露出し、その部分から燃焼，変質する場合がある。そのため、コーティングはカーボンナノチューブ１の表面全面に、根元から先端まで隙間なく緻密に行うことが好ましい。
【００２３】
また、コーティング膜８の材質がカーボンナノチューブ１より熱伝導性が小さい場合、コーティングされたカーボンナノチューブ１の熱伝導率が低下する。そのため、コーティング膜８の膜厚は１００ｎｍ以下とすることが好ましい。逆に、コーティング膜８の膜厚が薄すぎると耐熱性，耐環境性等を確保することができない。そのため、コーティング膜８の膜厚は５ｎｍ以上とすることが好ましい。
【００２４】
なお、添加剤７としてカーボンナノチューブを用いる場合も、上記と同様にコーティング膜を設けても良い。
また、カーボンナノチューブとして、複数のカーボンナノチューブ１をバンドル化したものを用いても良い（図２（ｃ））。この場合、カーボンナノチューブの間隔Ｗはバンドル化されたカーボンナノチューブの中心位置間距離とする。このように、バンドル化したカーボンナノチューブを用いることにより、単独のカーボンナノチューブを間隔Ｗで配列する場合に比べて強度が強くなる。また、後述のように滴下などの方法によって容易にカーボンナノチューブをバンドル化することができるので、容易にあらかじめ定めた間隔Ｗを隔てて強固なカーボンナノチューブを配置することができる。また、バンドル化する個々のカーボンナノチューブを上述のようにコーティングしても良い。なお、上述のように、バンドル化された個々のカーボンナノチューブの長さは、１０μｍ以上とすることが好ましい。また、加熱体２の内表面に、バンドル化されたカーボンナノチューブで形成され、間隔がＷとなる溝構造１６（図２（ｄ））や、縦横に等間隔Ｗで並んだ三角錐の配列構造１７（図２（ｅ））を形成しても良い。
【００２５】
次に、図２，図４〜図６を用いて、間隔が制御されたカーボンナノチューブの製造方法について説明する。
図４は触媒の凝集により間隔が制御されるカーボンナノチューブの製造方法を説明する工程図、図５は局所ガスの噴射により間隔が制御されるカーボンナノチューブの製造方法を説明する工程図、図６はバンドル化されるカーボンナノチューブの製造方法を説明する工程図である。
【００２６】
まず、熱交換器の管状の加熱体２の内壁に層状の触媒９を成膜する（図４（ａ），図５（ａ），図６（ａ））。触媒９はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉの単一、または２つ以上の合金等である。
【００２７】
次に、層状の触媒９を加熱することにより、加熱体２の内壁に担持される粒子状の触媒１０にする（図４（ｂ），図５（ｂ），図６（ｂ））。また、層状の触媒９に対してフォトリソグラフィ等の方法により、所定の粒子間隔となるようにエッチング（不要な触媒９を除去）し、加熱し微粒化することで粒子状の触媒１０を形成しても良い。
【００２８】
なお、層状の触媒９を成膜してから粒子状の触媒１０にする場合を例に説明したが、粒状化した触媒１０を溶液含侵やスプレー法によって管状の加熱体２の内表面に担持することもできる。この時、溶液濃度により粒子の間隔を調整でき、濃度が小さい程粒子間隔は大きくなる。また、マスク等を用いて、管状の加熱体２の内表面に部分的に濡れ性の高いまたは低い部分を形成し、上記粒状化した触媒１０を溶液含侵やスプレー法により、管状の加熱体２の内表面に担持させても良い。
【００２９】
次に、凝集によりカーボンナノチューブ１の間隔Ｗを制御する場合には、粒子状の触媒１０を加熱することにより、粒子径を大きくすると共に粒子間隔を大きくして触媒１０を一定の間隔に並んだ粒子状の凝集体に凝集する。このとき、凝集体は縦横に等間隔に配列するようにする。間隔の制御は加熱時間により行い、この間隔を所望のカーボンナノチューブ１の間隔Ｗと一致させる。例えば、加熱時間が短い場合、凝集体１１の粒子径は小さく、間隔も小さくなる（図４（ｃ））。逆に、加熱時間が長い場合、凝集体１２の粒子径は大きく、間隔も大きくなる（図４（ｄ））。
【００３０】
最後に、所望のカーボンナノチューブ１の間隔Ｗで形成された凝集体をＣＶＤ法等の蒸着により、加熱体２の内壁から突出する方向に配向するカーボンナノチューブ１を成長させる（図４（ｅ），図４（ｆ））。この結果、剣山状に配列されたカーボンナノチューブ１の剣山状構造が形成される。この剣山状構造は、熱源の温度に対応して放射される熱輻射が共振するような、カーボンナノチューブ１の長さ、および互いの間隔Ｗに制御する。
【００３１】
また、局所ガスの噴射により間隔を制御する場合は、加熱体２の内壁に担持される粒子状の触媒１０を形成した後（図５（ｂ））、一定時間加熱することにより、触媒１０を一定の間隔に並んだ粒子状の凝集体１３に凝集する（図５（ｃ））。そして、所望のカーボンナノチューブ１の間隔Ｗ毎の凝集体１３に対して選択的に局所ガス１４を噴射することにより（図５（ｄ））、所望の間隔Ｗにある凝集体１３のみを一定方向に成長させて所望の間隔Ｗのカーボンナノチューブ１を形成する（図５（ｅ））。ここで用いるカーボンナノチューブを成長させるガスは、基本的に炭化水素ガスであり、アセチレン、エチレン、メタン、エタンなどを用いる。
【００３２】
また、カーボンナノチューブ１をバンドル化する場合は、加熱体２の内壁に担持される粒子状の触媒１０を形成した後（図６（ｂ））、一定時間加熱することにより、触媒１０を一定の間隔に並んだ粒子状の凝集体１３に凝集する（図６（ｃ））。次に、凝集体１３を一定方向に成長させてカーボンナノチューブ１を形成する（図６（ｄ））。この時形成されるカーボンナノチューブ１の間隔は、特に限定されないが、所望の間隔Ｗの半分以下（間隔Ｗが５００〜１０００ｎｍの場合、間隔Ｗの１／１０〜１／５０程度）とする。なお、ここまでのカーボンナノチューブ１の形成方法は、図４または図５で説明したいずれの方法で形成しても良いが、カーボンナノチューブ１の間隔のみが異なる。次に、間隔Ｗ毎に水滴等の液体１５を滴下する（図６（ｅ））。このように、複数のカーボンナノチューブ１上に液体１５を滴下することにより、液体１５が滴下された領域にあるカーボンナノチューブ１が絡み合い、バンドル化される（図６（ｆ））。これにより、バンドル化された複数のカーボンナノチューブ１の間隔がＷとなる（図２（ｃ））。なお、図では２つのカーボンナノチューブ１をバンドル化する場合について説明したが、液体１５の滴下の位置と量を調整することにより、複数のカーボンナノチューブ１をバンドル化して所定の間隔Ｗ毎にバンドル化されたカーボンナノチューブを形成する。
【００３３】
以上の説明において、図では、加熱体２の熱媒体の流動方向においてのみ、間隔を制御する図を示しているが、流動方向に直交する方向においても同様に同じ間隔でカーボンナノチューブ１を形成する。
【００３４】
特に、カーボンナノチューブ１をバンドル化する場合は、流動方向に隣接する２つのカーボンナノチューブ１と流動方向に直交する方向に隣接する２つのカーボンナノチューブ１とで正方形をなす４つのカーボンナノチューブ１の中心付近に液体１５を滴下することにより、４つのカーボンナノチューブ１をバンドル化して、バンドル化されたカーボンナノチューブの間隔がＷとなるように制御することもできる。
【００３５】
また、カーボンナノチューブ１を所望の間隔Ｗに関係なく形成し、レーザー等によって不要なカーボンナノチューブ１を除去することで所望の間隔Ｗとしても良い。
さらに、以上の説明では、加熱体２の内表面に直接配向されたカーボンナノチューブ１を形成する方法について説明したが、上記方法で、基板上に一定間隔でカーボンナノチューブ１を形成し、カーボンナノチューブ１が形成された基板を加熱体２の内表面に貼り付けるか、カーボンナノチューブ１を加熱体２の内表面に転写しても良い。
【符号の説明】
【００３６】
１    カーボンナノチューブ
２    加熱体
３    熱交換器
４    熱媒体
５    対流伝熱
６    熱輻射
７    添加物
８    コーティング膜
９    触媒
１０    触媒
１１    凝集体
１２    凝集体
１３    凝集体
１４    局所ガス
１５    液体
１６    溝構造
１７    三角錐の配列構造
【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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