(57)【要約】【課題】高い熱伝導率を維持しつつも熱伝達率のさらなる向上を可能とし、より効率的な熱輸送の実現を図ることができる熱輸送媒体を提供する。【解決手段】熱輸送媒体は、単一の溶媒と、この溶媒に分散させた所定物質の微小粒子１と、を含有して伝熱面５から伝達される熱を輸送する。微小粒子１は１つ以上の原子からなって、その表面には微小粒子１を保護する構造物３が配列されている。さらに、微小粒子１の周囲には微小粒子１に吸着し得る基を有する構造物３が微小粒子１に吸着しない状態で浮遊されてなる。そして、微小粒子１の表面に吸着している構造物３は、微小粒子の周囲に浮遊している構造物３が吸着できる隙間を形成して配列されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶媒と、前記溶媒に分散された所定物質の微小粒子とを含有し、伝熱面から伝達される熱を輸送する熱輸送媒体であって、
前記微小粒子は１つ以上の原子からなり、
前記微小粒子の表面には前記微小粒子に吸着する基を有して前記微小粒子を保護する第１構造物が配列されてなり、
前記溶媒中には、前記微小粒子に吸着し得る基を有する第２構造物が前記微小粒子に吸着しない状態で浮遊されてなることを特徴とする熱輸送媒体。
【請求項２】
前記第１および第２構造物は、金属に吸着する性質を備えた官能基を有することを特徴とする請求項１に記載の熱輸送媒体。
【請求項３】
前記第１および第２構造物は、無機物に吸着する性質を備えた官能基を有することを特徴とする請求項１に記載の熱輸送媒体。
【請求項４】
前記第１および第２構造物は、酸化物に吸着する性質を備えた官能基を有することを特徴とする請求項１に記載の熱輸送媒体
【請求項５】
前記第１および第２構造物は、有機物に吸着する性質を備えた官能基を有することを特徴とする請求項１に記載の熱輸送媒体
【請求項６】
前記第１および第２構造物は、親水性を備えた官能基を有することを特徴とする請求項１に記載の熱輸送媒体。
【請求項７】
前記第１および第２構造物は、親油性を備えた官能基を有することを特徴とする請求項１に記載の熱輸送媒体。
【請求項８】
前記第１構造物は、２種類以上の物質からなることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の熱輸送媒体。
【請求項９】
前記第１構造物は、前記第２構造物が前記微小粒子に吸着できる隙間を形成して配列されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の熱輸送媒体。
【請求項１０】
前記第２構造物には、前記第１構造物と異なる種類の構造物が含まれていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の熱輸送媒体。
【請求項１１】
前記第２構造物は、前記第１構造物と同じ種類の構造物であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の熱輸送媒体。
【請求項１２】
前記微小粒子は、芯を構成する芯物質と、芯の表面に存在し、前記芯物質と異なる表面物質とを有することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の熱輸送媒体。
【請求項１３】
前記溶媒は単一の成分からなることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の熱輸送媒体。
【請求項１４】
前記溶媒は２種類以上の成分からなることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の熱輸送媒体。
【請求項１５】
前記微小粒子の熱伝導率が前記溶媒の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の熱輸送媒体。
【請求項１６】
前記微小粒子の平均粒子直径が、「５ｎｍ（ナノメートル）」以下であることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の熱輸送媒体。
【請求項１７】
前記微小粒子が金属からなることを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の熱輸送媒体。
【請求項１８】
前記微小粒子が無機物からなることを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の熱輸送媒体。
【請求項１９】
前記微小粒子が酸化物からなることを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の熱輸送媒体。
【請求項２０】
前記微小粒子が有機物からなることを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の熱輸送媒体。
【請求項２１】
前記金属からなる微小粒子は金からなり、前記溶媒が水からなり、前記構造物は親水基を有してなることを特徴とする請求項１７に記載の熱輸送媒体。
【請求項２２】
前記金属からなる微小粒子は金からなり、前記溶媒がトルエンからなり、前記構造物は疎水基を有してなることを特徴とする請求項１７に記載の熱輸送媒体。
【請求項２３】
１種類以上の凝固点降下剤が含有されていることを特徴とする請求項１から２２のいずれか一項に記載の熱輸送媒体。
【請求項２４】
前記凝固点降下剤が固形の凝固点降下剤からなることを特徴とする請求項２３に記載の熱輸送媒体。
【請求項２５】
前記凝固点降下剤が液体の凝固点降下剤からなることを特徴とする請求項２３に記載の熱輸送媒体。
【請求項２６】
防錆剤および酸化防止剤の少なくともいずれか一方が添加剤として含有されてなることを特徴とする請求項２３から２５のいずれか一項に記載の熱輸送媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱を伝達、輸送する熱輸送媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば車載されるエンジンや電子機器等の熱源から熱を放熱する装置には、熱源からの熱を外部に伝達、輸送する熱輸送媒体が用いられている。熱輸送媒体は、熱源から熱を持ち去り、熱交換器から放熱する。また、熱輸送媒体は、加熱対象物へ熱を伝達する用途にも用いられる。こうした熱輸送媒体には、熱交換器等の設備としてのエネルギー効率を高めるため、より高い冷却性能、すなわちより高い熱輸送能力が求められている。
【０００３】
そして、こうした熱輸送媒体の熱輸送能力を向上させるために、例えば上記媒体中に金属等の高熱伝導率物質からなる固体粒子を含有、分散させる技術が知られている。このような高熱伝導率物質の粒子を含むことで、こうした媒体、すなわち熱輸送媒体としての熱伝導率も、それら粒子を含まない媒体そのものの熱伝導率に比べて高められることになる。具体的には、こうした粒子を含有する熱輸送媒体の熱伝導率は、１８８１年に発表されたＭａｘｗｅｌｌ（マックスウェル）の関係式により、
・  球形粒子を含む媒体の熱伝導率は、同粒子の体積分率にしたがって増大する、
・  球形粒子を含む媒体の熱伝導率は、粒子体積に対する表面積の比率にしたがって増大する、
といった関係に基づいて変化することが知られている。しかしながら、このような方法による媒体の熱伝導率の向上には限界があった。
【０００４】
一方、近年は、上記媒体中に含有させる粒子として、ミクロンあるいはナノサイズの微小粒子を作成する技術の開発が進められている。そして、このような微小粒子を媒体中に分散させることにより、同媒体の熱伝導率が飛躍的に高められることが確認されている。
【０００５】
例えば、非特許文献１では、エチレングリコールからなる媒体中に、直径が１０ｎｍ（ナノメートル）以下の銅（Ｃｕ）からなる微小粒子を少量だけ含有させることにより、媒体の熱伝導率が大きく向上されることが報告されている。
【０００６】
非特許文献１に記載されている図５は、この銅を含めてさまざまな粒子をエチレングリコールに添加したときの、媒体中の粒子の体積含有率と熱伝導率の向上率ｋ／ｋ０（微小粒子添加後の媒体の熱伝導率ｋ／微小粒子添加前の媒体の熱伝導率ｋ０）との関係を示したグラフである。
【０００７】
図５に示すように、媒体中に直径が約３０ｎｍの酸化銅（ＣｕＯ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）および直径が約１０ｎｍ以下の銅からなる粒子を含有させると、いずれの場合も媒体の熱伝導率の向上率は上記粒子の体積含有率の増加にともなって線形に増加する。そして、特にその粒子径の小さい、直径が１０ｎｍ以下であるナノ粒子に関しては、媒体中にごく少量添加するだけで、その熱伝導率が劇的に向上する効果が見られる。また、Ｃｕ粒子に酸を添加した場合には、粒子が媒体中により安定に分散するようになるため、より高い熱伝導率が得られている。なお、この図５において、Ｃｕ（ｏｌｄ）とは測定の２ヶ月前に調整した銅粒子を、Ｃｕ（ｆｌｅｓｈ）とは測定の２日前に調整した銅粒子を、Ｃｕ＋Ａｃｉｄとは酸を添加することで金属パーティクルとして安定化させた銅粒子をそれぞれ表している。
【０００８】
そして、上記非特許文献１と同様に、例えば特許文献１〜特許文献３においても、媒体中に熱伝導率の高い微小粒子を分散させることによりその熱伝導率および熱拡散率の向上が図られることが報告されている。また、特に特許文献２では、金属微小粒子の表面にカルボン酸塩を吸着させることで微小粒子のコロイド溶液を安定化し、微小粒子と媒体間との間での円滑な熱伝達が図られることも併せて報告されている。なお、このように媒体中に粒子を含有させる場合には、媒体中に粒子をより安定に分散させることが望ましい。
【０００９】
また、特許文献４あるいは特許文献５に記載されているように、熱輸送媒体ではないが、媒体中に粒子を安定に分散させる技術としては、例えばインクジェットプリンタにおいて、水等の媒体中に疎水性粒子を分散させる際に、分散剤として親水基および疎水基を有するポリマーを用いる技術なども提案されている。これら特許文献４あるいは特許文献５に記載の技術では、粒子の表面に溶媒が親和することで得られる溶媒和を利用することにより、媒体に対する粒子のより安定した分散が図られている。
【特許文献１】特開２００４−８５１０８号公報
【特許文献２】特表２００４−５０１２６９号公報
【特許文献３】特開２００４−３３９４６１号公報
【特許文献４】特表２００２−５３２２４３号公報
【特許文献５】特表２００２−５３２２４２号公報
【非特許文献１】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ（アプライド・フィジックス・レターズ），Ｖｏｌ．７８，Ｎｏ．６，ｐｐ．７１８−７２０（２００１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、上記従来の熱輸送媒体においてはいずれも、その熱伝導率を高めることによって、同媒体としての熱輸送能力の向上を図るものであり、この熱伝導率とはそもそも材料（ここでは媒体）内部における熱の伝わりやすさを表す指標である。そして、熱輸送媒体としての実用に際しては、この熱伝導率に加えて、熱源である伝熱面から媒体へ、また媒体から伝熱面への熱の移動を表す指標である熱伝達率も重要な要素となる。
【００１１】
媒体におけるこれら熱伝達率αと熱伝導率ｋとは、
α∝ｋ２／３・ｖ（−１／６）・ρ１／３・Ｃｐ１／３            …（１）
といった関係にある。ここで、ｖは媒体の動粘度を、ρは同媒体の密度を、Ｃｐは同媒体の比熱をそれぞれ表している。この式（１）から明らかなように、上記媒体としての熱伝達率αは、熱伝導率ｋの「２／３乗」に比例するとともに、媒体の比熱Ｃｐの「１／３乗」に比例する。このため、熱輸送媒体中に微小粒子を分散させる上記従来の技術は、同媒体の熱伝導率を飛躍的に向上させることを可能とするが、熱伝導率の向上には限界があるため、さらなる熱伝達率の向上を図ることは難しい。
【００１２】
本発明の目的は、上記実情に鑑みてなされたものであり、高い熱伝導率を維持しつつも熱伝達率のさらなる向上を可能とし、より効率的な熱輸送の実現を図ることができる熱輸送媒体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、溶媒と、当該溶媒に分散された所定物質の微小粒子とを含有し、伝熱面から伝達される熱を輸送する熱輸送媒体であって、当該微小粒子は１つ以上の原子からなり、その表面には当該微小粒子に吸着する基を有して当該微小粒子を保護する第１構造物が配列されてなり、当該溶媒中には、当該微小粒子に吸着し得る基を有する第２構造物が当該微小粒子に吸着しない状態で浮遊されてなる構造とした。
【００１４】
このような構造の熱輸送媒体によれば、上記微小粒子の周囲における構造変化が起こり得る構造の熱輸送媒体としたことにより、構造変化を積極的に起こして同媒体の比熱を向上させることができるので、熱輸送媒体の熱伝達率を向上させることができる。
【００１５】
さらに、請求項２に記載の発明のように、上記第１および第２構造物は、金属に吸着する性質を備えた官能基を有することにより、微小粒子に金属が含まれていたり付着していたりする場合に当該溶媒中に浮遊している構造物に吸着しやすい性質を与えることができるので、構造物の吸着による発熱が発生しやすくなり、熱輸送媒体の比熱をさらに向上することができる。
【００１６】
さらに、これら請求項１に記載の構造に関しては、
上記第１および第２構造物には、請求項３に記載の発明のように、無機物に吸着する性質を備えた官能基を有する構造物を採用することができ、
もしくは、請求項４に記載の発明のように、酸化物に吸着する性質を備えた官能基を有する構造物を採用することができ、
もしくは、請求項５に記載の発明のように、有機物に吸着する性質を備えた官能基を有する構造物を採用することができる。いずれの場合も、当該溶媒中に浮遊している構造物に微小粒子に吸着しやすい性質を与えることができるので、構造物の吸着による発熱が発生しやすくなり、熱輸送媒体の比熱をさらに向上することができる。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明のように、請求項１に記載の構造において、上記第１および第２構造物が親水性を備えた官能基を有することにより、微小粒子に吸着している第１構造物に溶媒と親和しやすい性質を与えることができるので、構造物の脱離による吸熱が発生しやすくなり、熱輸送媒体の比熱をさらに向上することができる。
【００１８】
また、請求項７に記載の発明のように、請求項１に記載の構造において、上記第１および第２構造物が親油性を備えた官能基を有することにより、溶媒が油や脂肪などを含んでいる場合に、微小粒子に吸着している第１構造物に溶媒に溶けやすい性質を与えることができるので、構造物の脱離による吸熱が発生しやすくなり、熱輸送媒体の比熱をさらに向上することができる。
【００１９】
また、請求項８に記載の発明のように、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の構造において、上記第１構造物は２種類以上の物質からなることにより、第１構造物と微小粒子との結合力はその種類によって異なり、結合力の小さい構造物が微小粒子の周囲の構造変化に寄与しやすくなるので、熱輸送媒体の比熱を大きくすることができる。
【００２０】
また、請求項９に記載の発明のように、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の構造において、上記第１構造物は、上記第２構造物が吸着できる隙間を形成して配列されていることにより、当該第２構造物が微小粒子に吸着しやすい微小粒子表面の構造を与えることができ、構造物が吸着しやすくなり発熱反応による熱輸送媒体の比熱の向上が図れる。
【００２１】
さらに、これら請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の構造に関しては、
請求項１０に記載の発明のように、上記第２構造物には、上記第１構造物と異なる種類の構造物が含まれているように構成することができ、
もしくは、請求項１１に記載の発明のように、上記第２構造物を、上記第１構造物と同じ種類の構造物で構成することができる。
【００２２】
また、請求項１２に記載の発明のように、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の構造において、上記微小粒子は、芯を構成する芯物質と、芯の表面に存在し、芯物質と異なる表面物質とを有する構成とすることができる。
【００２３】
さらに、これら請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の構造に関しては、
請求項１３に記載の発明のように、上記溶媒は単一の成分からなる構成を採用することができ、
もしくは、請求項１４に記載の発明のように、上記溶媒は２種類以上の成分からなる構成を採用することができる。
【００２４】
また、請求項１５に記載の発明のように、請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載の構造において、上記微小粒子の熱伝導率を上記溶媒の熱伝導率よりも大きく設定、すなわち溶媒の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有する微小粒子を用いることにより、溶媒よりも熱伝導率の高い微小粒子が溶媒中に分散されることで熱輸送媒体の熱伝導率の確実な向上が図られるようになる。
【００２５】
また、これら請求項１から１５のいずれか一項に記載の構造に関しては、請求項１６に記載の発明のように、上記微小粒子の平均粒子直径が、５ｎｍ以下であることにより、溶媒に分散される粒子としての表面積が飛躍的に増大することとなり、より多くの溶媒分子を微小粒子の表面に配列された構造物の間やその表面に取り込んで、構造化領域の形成に関与させることができるようになる。このため、熱輸送媒体としての熱輸送能力のさらなる向上が期待できる。
【００２６】
また、これら請求項１から１６のいずれか一項に記載の構造に関しては、請求項１７に記載の発明のように、上記微小粒子が金属からなる構造を採用することができ、
もしくは、請求項１８に記載の発明のように、上記微小粒子が無機物からなる構造を採用することができ、
もしくは、請求項１９に記載の発明のように、上記微小粒子が酸化物からなる構造を採用することができ、
もしくは、請求項２０に記載の発明のように、上記微小粒子が有機物からなる構造を採用することができる。
【００２７】
一方、上記請求項１７に記載の構造に関しては、請求項２１に記載の発明のように、上記金属からなる微小粒子が金からなり、上記溶媒が水からなり、上記構造物は親水基を有してなる構造を採用することができ、
あるいは請求項２２に記載の発明のように、上記金属からなる微小粒子が金からなり、上記溶媒がトルエンからなり、上記構造物は疎水基を有してなる構造を採用することができる。このうち上記請求項２１に記載の構造によれば、上記構造物として例えばメルカプトコハク酸等を用いることができ、また上記請求項２２に記載の構造によれば、上記構造物として例えばｎ−オクタデカンチオール等を用いることができる。
【００２８】
また、これら請求項１から２２のいずれかに記載の構造に関しては、請求項２３に記載の発明のように、上記熱輸送媒体に１種類以上の凝固点降下剤を含有させることにより、同熱輸送媒体を不凍液にする上で有効である。
【００２９】
このような凝固点降下剤としては、請求項２４に記載の発明のように、酢酸カリウム等の固形のものを用いることができ、
あるいは請求項２５に記載の発明のように、エチレングリコール等の液体からなるものを用いることができる。いずれにせよ、熱輸送媒体としてのこうした構造によれば、同熱輸送媒体が例えば車載用の冷却水やオイル等であれ、その凝固点が降下されることで、特に寒冷地等での実用も容易となる。
【００３０】
さらに請求項２６に記載の発明のように、請求項２３から２５のいずれか一項に記載の熱輸送媒体を、防錆剤および酸化防止剤の少なくとも一方を添加剤として含有したものとするようにしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
熱輸送媒体は、溶媒と、微小粒子とを含んでいる。さらに、熱輸送媒体には、凝固点、凍結点、あるいは防錆といった付加的な機能を与える成分を含むことができる。
【００３２】
さらに、微小粒子の表面には、微小粒子を保護する第１構造物が吸着して配列され、保護膜が形成されている。熱輸送媒体は、保護膜が形成された微小粒子の周囲に溶媒に分散されて浮遊する第２構造物を含んでいる。この第２構造物が微小粒子の表面に吸着するときには発熱反応が起こり、逆に吸着している第１および第２構造物が脱離したときには吸熱反応が起こる。このように第１および第２構造物の着脱という微小粒子周囲の構造変化は、可逆的であり、流体の流れの変化や振動、温度変化などのトリガによって起因し、この構造変化により発生する熱によって熱輸送媒体の比熱が向上することになる。微小粒子の表面に第１および第２構造物が吸着した状態を構造化粒子と呼ぶ。
【００３３】
溶媒は、溶媒分子の集合体であり、構造化粒子の周囲において、溶媒分子が規則的に構造化された構造化状態（構造化領域）と、この構造化状態が解体された解体状態との二つの状態をとりうる成分を少なくとも含んでいる。さらに、これら構造化状態と解体状態との間の変化は可逆的であって、温度などの物理的な外部トリガによって変化する。構造化状態から解体状態への変化においては、熱輸送媒体には熱が吸収される。解体状態から構造化状態への変化においては、熱輸送媒体から熱が放出される。よって、溶媒の成分と微小粒子の成分とは、微小粒子の周囲において構造化状態と、解体状態とが形成されうる組み合わせとして選定される。熱輸送媒体としての用途に応じて、流体（溶媒）の成分と、微小粒子の成分と、外部トリガとが選定される。
【００３４】
典型的な実施形態では、溶媒は、微小粒子、第１および第２構造物、さらには構造化粒子を分散させる担体でもある。微小粒子、第１および第２構造物、さらには構造化粒子を総称して、粒子成分と呼ぶ。溶媒は、粒子成分を分散させ、粒子成分を運搬する流体とすることができる。流体は、液体、あるいは気体によって提供されうる。流体は、単一もしくは複数の成分から構成されうる。例えば、流体として水を用いることができる。例えば、流体として、液状の高分子を用いることができる。さらに、流体として、混合物を用いることができる。例えば、混合物には、水と、エチレングリコールと、他の機能成分との混合物を用いることができる。
【００３５】
（第１実施形態）
以下、この発明にかかる熱輸送媒体の第１実施形態について、図１および図２を参照して説明する。
【００３６】
本実施形態にかかる熱輸送媒体は、例えば車載用のエンジンやミッション等の冷却に用いられるものである。熱輸送媒体は、熱源からの熱を外部に伝達、輸送する。この熱輸送媒体に用いられる溶媒は、例えば水等の単一の成分からなるとともに、同溶媒よりも高い熱伝導率を有する微小粒子を含有している。
【００３７】
ここで、本実施形態の熱輸送媒体においては、同媒体中に浮遊している構造物の微小粒子に対する吸着、および吸着している構造物の脱離という構造変化による熱輸送が行われるとともに、さらに、溶媒が微小粒子を取り囲む形態で形成されるいわゆる構造化状態と、同構造化状態が解体された解体状態との２つの異なる状態を呈しながら熱輸送が行われる。図１および図２は、上記熱輸送媒体中におけるこれら２つの状態をそれぞれ模式的に示したものである。
【００３８】
図１に示すように、複数の微小粒子１のそれぞれは、構造物３が付着した状態で水からなる溶媒分子２に取り囲まれる形態で熱輸送媒体中に分散している。この微小粒子１としては、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属、シリコン（Ｓｉ）、フッ素（Ｆ）等の無機物からなる粒子、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化銅（ＣｕＯ）、三酸化二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ）等の酸化物からなる粒子、あるいは樹脂等の有機物からなるポリマー粒子を用いることができる。また、微小粒子１は、上記列挙した金属、上記列挙した無機物、上記列挙した酸化物、樹脂等からなるポリマー粒子のうちから選択される２種類以上の物質から構成することもできる。
【００３９】
上記熱輸送媒体中に分散する各微小粒子１の表面には、微小粒子１を保護する構造物３が規則的に配列されることにより保護膜が形成されている。この構造物３は、微小粒子１の表面に吸着する基である官能基３ａと、官能基３ａから伸長する形状で溶媒分子２との高い親和性を有する官能基３ｂと、を有し、かつその主鎖が直鎖状の有機物からなる。
【００４０】
この構造物３は、金属もしくは酸化物に吸着する性質を備えた官能基を有することが好ましく、例えば、チオール基（ＳＨ基）、アミノ基（ＮＨ２基）、およびカルボキシル基（ＣＯＯＨ基）から選ばれる１または２以上の官能基を有する構造を採用することができる。これにより、構造物３が浮遊状態から吸着状態に構造変化することが促進される。
【００４１】
この構造物３は、無機物に吸着する性質を備えた官能基を有することが好ましく、例えば、チオール基（ＳＨ基）を有する構造を採用することができる。これにより、構造物３が浮遊状態から吸着状態に構造変化することが促進される。
【００４２】
また、構造物３は、親水性を備えた官能基を有することが好ましく、例えば、アミノ基（ＮＨ２基）、カルボキシル基（ＣＯＯＨ基）、水酸基（ＯＨ基）、およびスルホ基（ＳＯ３Ｈ基）から選ばれる１または２以上の官能基を有する構造を採用することができる。
これにより、当該官能基が溶媒分子と親和して、構造物３の脱離状態が起こりやすくなる。
【００４３】
また、構造物３は、親油性を備えた官能基を有することが好ましく、例えば、メチル基（ＣＨ３基）を有する構造を採用することができる。これにより、構造物３は油や脂肪に溶けやすくなり、構造物３の脱離状態が起こりやすくなる。
【００４４】
そして、例えば微小粒子１として金を用いる場合には、この微小粒子１に吸着する官能基３ａとしては、例えばチオール基（ＳＨ基）、アミノ基（ＮＨ２基）、カルボキシル基（ＣＯＯＨ基）等を用いることができ、水からなる溶媒分子２との親和性の高い官能基３ｂとしては、例えばカルボキシル基（ＣＯＯＨ基）、アミノ基（ＮＨ２基）、水酸基（ＯＨ基）およびスルホ基（ＳＯ３Ｈ基）等の親水基を用いることができる。具体的には、官能基３ａがチオール基からなり、官能基３ｂが水酸基からなるメルカプトコハク酸（Ｃ４Ｈ６Ｏ４Ｓ）を構造物３として用いることができる。
【００４５】
そして、微小粒子１の表面にこうした構造物３が吸着して配列されることにより、微小粒子１に保護膜が形成される。さらに構造物３の間や表面に溶媒分子２が取り込まれて微小粒子１の周囲に溶媒分子２が集合した構造化領域４が形成されるようになり、各微小粒子１が熱輸送媒体中に安定した状態で分散する。
【００４６】
このとき、構造化領域４の周囲には、複数の構造物３が浮遊しており、構造物３は熱輸送媒体の流れの変化や振動、温度変化などのトリガによって微小粒子１に対して脱離した浮遊状態から付着する吸着状態へ微小粒子１周囲の構造を変化させる機会をうかがっている。ここで、構造物３の構造変化である浮遊状態と吸着状態は、外部から溶媒への熱の吸収、あるいは同溶媒から外部への熱の放出をともなって可逆的に変化する。そして、「吸着状態から浮遊状態への状態変化」は吸熱反応であるのに対して、「浮遊状態から吸着状態への状態変化」は発熱反応であり、これら２つの状態の変化においては潜熱が生じることとなる。この潜熱により熱輸送媒体の比熱が向上し、熱輸送媒体はこれらの状態変化を通じて飛躍的に大きな熱量を輸送させることができる。
【００４７】
浮遊状態の構造物および吸着した構造物を含む熱輸送媒体を創り出すには以下の方法を実施する。例えば、２相還元法を用いる方法がある。この方法は、金属イオンを含む溶液に保護膜となる構造物を混ぜ合わせ、還元反応を利用して保護膜が形成された微小粒子を作製する。次に、この微小粒子と溶媒であるトルエンとを混ぜ合わせ、トルエン中に微小粒子を分散させる。さらに、この微小粒子のトルエン溶液に媒体中に浮遊させる構造物を混入する。なお、トルエンと同浮遊させる構造物を入れる順序は、入れ替わってもよい。つまり、核となる微小粒子１に構造物を吸着させる工程を行い、はじめに微小粒子１に安定的な保護膜を形成することが必要となる。
【００４８】
また、構造化領域４は、例えば、微小粒子１同士の衝突や熱輸送媒体が流れる熱交換器等の壁面との衝突、あるいは熱輸送媒体の温度変化に伴う構造物３の振動、ゆらぎ、等のさまざまな要因により、図２に示されるような解体状態になる。この解体状態においては、構造物３の間や表面から溶媒分子２が脱離して溶媒中に不規則に存在するようになるとともに、それら脱離した溶媒分子２の一部は熱輸送媒体からの熱が伝達される伝熱面５に吸着される。
【００４９】
ここで、図１および図２に示される２つの異なる状態は、外部から溶媒への熱の吸収、あるいは同溶媒から外部への熱の放出をともなって可逆的に変化する。そして、「構造化状態から解体状態への状態変化」は吸熱反応であるのに対して、「解体状態から構造化状態への状態変化」は発熱反応であり、これら２つの状態の変化においては潜熱が生じることとなる。この潜熱とは、ある一定温度における２つの状態間のエネルギー差を表すものであり、例えば、水を例に説明すると、固体状態の水（氷）から液体状態の水への構造変化に伴う潜熱は約６０００Ｊ／ｍｏｌ（ジュール／モル）である。この値は、水のモル比熱（顕熱）である７５Ｊ／ｍｏｌと比較すると非常に大きい値である。そして、発明者らは、本実施形態にかかる構造化状態と解体状態との潜熱（エネルギー差）も大きいことを確認しており、これら状態の変化を通じて飛躍的に大きな熱量を輸送させることができる。
【００５０】
次に、図３は、図１を拡大してより簡易な模式図として示したものであり、熱輸送媒体中の微小粒子１と構造物３の構造変化および上記構造化状態のより具体的な構造について詳細に説明する。なお、ここでは、溶媒分子２として水を、微小粒子１として金を、また構造物３としてメルカプトコハク酸を用いる場合を例に説明する。
【００５１】
図３に示すように、溶媒分子２はその直径Ａが約０．１ｎｍである。また、微小粒子１の表面に吸着して配列されている構造物３が例えばメルカプトコハク酸からなる場合には、微小粒子１に吸着する官能基３ａから伸長する構造物３の長さＢは約１ｎｍである。すなわち、構造物３の長さＢは、溶媒分子２の直径Ａ以上であり、これらは「Ａ≦Ｂ」なる関係にある。さらに、上記分散されて存在している微小粒子１間の平均隙間距離をＣとするとき、構造物３の長さＢは微小粒子１間の平均隙間距離Ｃの半分以下であり、これらは「Ｂ≦Ｃ／２」なる関係にある。
【００５２】
保護膜（構造物３）を備えた複数の微小粒子１は、この関係を満たしながら熱輸送媒体中に分散して存在し、それぞれの微小粒子１の周囲には構造化状態を形成しようとする溶媒分子２と微小粒子１に吸着しようとする構造物３とが分散して存在している。
【００５３】
上記「Ａ≦Ｂ」なる関係によれば、構造物３の間およびその表面に溶媒分子２が取り込まれやすくなるため、溶媒分子２が微小粒子１の表面に吸着して上述した構造化領域４（図１参照）が形成されやすくなっている。また、この「Ｂ≦Ｃ／２」なる関係によれば、構造物３を変形、つまりゆらぎや振動させやすくなるため、溶媒分子２が微小粒子１の表面から脱離して上述した構造化領域４が解体されやすくなっている。
【００５４】
そして、「Ａ≦Ｂ、かつＢ≦Ｃ／２」なる関係を備えた熱輸送媒体を構成することにより、微小粒子１に対する溶媒分子２の吸着および脱離を適切に制御して熱輸送量を飛躍的に増大させることが可能となる。なお、このような構成の熱輸送媒体は、溶媒分子の大きさや、熱輸送媒体中に含有させる構造物３の長さＢや、熱輸送媒体中に含有させる微小粒子１の量を調整することにより得られる。
【００５５】
ここで、溶媒分子の直径Ａは、液体クロマトグラフ質量分析装置等により成分を特定することにより求められ、構造物の長さＢは、ガスクロマトグラフ質量分析装置、フーリエ変換型赤外分光分析装置、核磁気共鳴分析装置等により成分、構造を特定することにより求められる。平均隙間距離Ｃは熱重量測定装置等により粒子の重量比率を、透過電子顕微鏡や粒度分布測定装置により平均粒径を、特性Ｘ線分析装置や電子分光装置により成分を特定して算出することができる。
【００５６】
また、微小粒子１は、より具体的には、例えば１５０個の金（Ａｕ）原子の集合体からなり、その平均直径Ｄは約１．８ｎｍである。このように、微小粒子１としてその平均直径Ｄ１が２ｎｍ以下、経験的には最大でも５ｎｍ以下である粒子を用いることで、熱輸送媒体に分散される微小粒子１としての表面積が飛躍的に増大することとなり、より多くの溶媒分子２を構造化領域４の形成に関与させることができる。
【００５７】
以上説明したように、この実施の形態にかかる熱輸送媒体によれば、以下に列記するような効果が得られるようになる。
（１）微小粒子１は約１５０個の金（Ａｕ）からなる原子からなって、その表面には同微小粒子１を保護する構造物３が吸着されて配列されて保護膜を形成し、保護膜を形成する予備軍としての構造物３を周囲に分散して浮遊させることとした。これにより、微小粒子１周囲の構造変化を積極的に起こして熱輸送媒体の比熱を向上することになる。
（２）さらにこれら構造物３の長さＢが溶媒分子２の直径Ａ以上となるように設定した。これにより、微小粒子１の表面に配列される構造物３の間や構造物３の表面に溶媒分子２が取り込まれやすくなるため、溶媒分子２が微小粒子１の周囲に吸着する形態で構造化領域４を形成することができるようになる。
【００５８】
また、構造物３が振動あるいはゆらぎ等によって微小粒子１に対して容易に着脱可能となるため、溶媒分子２の脱離、すなわち構造化領域４の解体が容易に起こるようになる。そして、こうした微小粒子１周囲の構造物３の構造変化（着脱）、および構造化領域４の形成や解体時には、溶媒分子２、微小粒子１、および構造物３の間での発熱反応および吸熱反応が生じるようになる。したがって、上記伝熱面からその潜熱に相当する熱量が溶媒に伝達されるようになり、熱輸送媒体としての熱伝達率の向上、ひいてはその熱輸送能力の増大が図られる。
【００５９】
（３）微小粒子１としてその熱伝導率が溶媒の熱伝導率よりも大きい物質を用いることとした。これにより、溶媒よりも熱伝導率の高い微小粒子１が熱輸送媒体に分散されることとなり、熱輸送媒体の熱伝導率の確実な向上を図ることができる。
【００６０】
（４）構造物３は微小粒子１の表面に規則的に配列される直鎖状の有機物からなることとした。これにより、微小粒子１と溶媒分子２との構造化が促進されるようになる。
【００６１】
（５）微小粒子１はその平均直径Ｄ１が最大でも５ｎｍ以下の粒子からなることとした。これにより、溶媒に分散される微小粒子１としての表面積が飛躍的に増大することとなり、より多くの溶媒分子２を上述した構造化領域４の形成に関与させることができるようになる。このため、熱輸送媒体としての熱輸送能力のさらなる向上が期待できる。
【００６２】
なお、第１実施形態にかかる熱輸送媒体は、以下に示す態様で変更することも可能である。
【００６３】
（変形例１）
微小粒子１の表面に吸着する構造物は、以下に示す構造を有するものであってもよい。すなわち、図４に示すように、微小粒子１の表面に配列される構造物は、微小粒子１の表面に吸着する上記官能基３ａ、および官能基３ａから直線状に伸長する形状の上記官能基３を有する構造物３に加えて、官能基６ａ、および官能基６ａから蛇行状または折れ線状に伸長する形状の官能基６ｂを有する構造物６であってもよい。また、微小粒子１の周囲に浮遊している構造物３、６は、微小粒子１の表面に吸着している構造物と同じ種類の構造物３、６で構成してもよい。
【００６４】
（変形例２）
１つ以上の原子の集合体からなる微小粒子１は、以下に示す構造を有するものであってもよい。すなわち、微小粒子１は、図５に示すように、芯を構成する芯物質と、芯物質を覆う外層を構成する表面物質とで構成されうる。表面物質は、金属７とすることができる。そして、この金属７を含んだ平均粒子直径Ｄ２が、５ｎｍ以下であることが好ましい。この構造により、上記（５）の記載と同様の作用効果を奏する。さらに、金属７が有する構造物を吸着する性能を利用することにより、微小粒子１に対する構造物の着脱（構造変化）を制御することもできる。また、金属７は、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）等を用いることができる。
【００６５】
この構造を創り出すには以下の方法を実施する。例えば、保護膜を備えた微小粒子１を作製する前に、金属７の入った液体と芯物質としての例えば金粒子とを混ぜ合わせる。これにより金属７が液体を介して金粒子に付着することになり、構造物を吸着し得る多層の微小粒子１を形成することができる。
【００６６】
なお、保護膜を形成する構造物３は、芯物質の表面だけでなく、金属７の表面や金属７と芯物質との境界部分に吸着するものとする。また、金属７の代わりに、金属酸化物を採用することもでき、この場合の金属酸化物は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化銅（ＣｕＯ）、三酸化二鉄（Ｆｅ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ）等を用いることができる。さらに、芯物質と、表面物質とには、微小粒子１の材料として例示された種々の材料を用いることができる。
【００６７】
（変形例３）
微小粒子１の表面に配列されている構造物３は、以下に示す構造を有するものであってもよい。すなわち、同構造物３は、同微小粒子１の周囲に浮遊している構造物が吸着し得る程度の隙間を形成した状態で微小粒子１の表面に配列されていてもよい。図６に示すように、微小粒子１の表面に配列されている構造物３間の距離（官能基３ａ間の距離）は隙間寸法Ｅ１、隙間寸法Ｅ２などをなしており、これらＥ１とＥ２はともに同微小粒子１の周囲に浮遊している構造物３、６の官能基３ａ、６ａの大きさ寸法よりも大きくなるように設定されている。この構造により、浮遊している構造物３、６が隙間寸法Ｅ１、隙間寸法Ｅ２を備える微小粒子１の表面に吸着されやすくなり、微小粒子１周囲の構造変化が促進されることになる。
【００６８】
この構造を創り出すには以下の方法を実施する。例えば、保護膜を備えた微小粒子１を形成するときに、保護膜となる構造物３を微小粒子１と混ぜ合わせて両者を攪拌する時間を短時間化する。これにより両者の反応時間を低減して微小粒子１に対する構造物３の付着量を減らすことになり、上記のような隙間寸法Ｅ１、隙間寸法Ｅ２を形成することができる。
【００６９】
（変形例４）
図７に示すように、微小粒子１の周囲に浮遊している構造物には、微小粒子１の表面に吸着している構造物３と異なる種類の構造物６が含まれていてもよい。
【００７０】
（変形例５）
上記第１実施形態では、熱輸送媒体に用いられる微小粒子１として金（Ａｕ）を、溶媒として水を用いることとし、微小粒子１の表面に配列されている構造物３が親水性の官能基（親水基）３ｂを有することとしたが、これに代えて、溶媒としては有機溶媒を用いることもできる。具体的には、トルエン、ヘキサン、ジエチルエーテル、クロロホルム、酢酸エチル、テトラヒドロフラン、塩化メチレン、アセトン、アセトニトリル、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、酢酸ブタノール、２プロパノール、１−プロパノール、エタノール、メタノール、ギ酸等が挙げられる。
【００７１】
そしてこの場合、上記構造物３としては、微小粒子１の表面に吸着する基（官能基）３ａを有するとともに、有機溶媒からなる溶媒分子２との親和性の高い、アルキル基（ＣｎＨ２ｎ＋１）等の疎水基を用いることができる。これにより、構造物３の間や同構造物３の表面に溶媒分子２が取り込まれて、構造化領域４が形成される。具体的には、例えば溶媒としてトルエンを用いるとすると、溶媒分子２はその直径Ａが約０．６ｎｍであり、また微小粒子１の表面に配列されている構造物３として例えばオクタデカンチオール（Ｃ１８Ｈ３７ＳＨ）を用いるとすると、同微小粒子１に吸着する基３ａからの構造物３の長さＢは約２．５ｎｍとなる。すなわち、この変形例１においても上記構造物３の長さＢは溶媒分子２の直径Ａ以上であり、これらは「Ａ≦Ｂ」なる関係にある。さらに、「Ｂ≦Ｃ／２」なる関係を備えた熱輸送媒体を構成するものである。
【００７２】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態にかかる熱輸送媒体について説明する。本実施形態にかかる熱輸送媒体も、熱輸送媒体としての基本的な構造は上記の実施形態と同様であるが、溶媒が２種類以上の成分からなる点が上記の実施形態と異なる。すなわち、本実施形態では、溶媒として水およびエチレングリコールを用いている。
【００７３】
このエチレングリコールは、凝固点降下作用を有する液体からなる凝固点降下剤であり、溶媒の凝固点を−２０℃程度まで降下させることが可能である。すなわち、寒冷地等における実用性においてより優れたものとなっている。そして、本実施形態においても、微小粒子１としては金（Ａｕ）を、また構造物３としては例えばメルカプトコハク酸を用いることができ、上記構造物３の長さＢと、上記２種類の溶媒のうち最大径を有する溶媒分子２の直径Ａとが「Ａ≦Ｂ」なる関係であるとともに、構造物３の長さＢと、微小粒子１間の平均隙間距離Ｃとが「Ｂ≦Ｃ／２」なる関係を備えた熱輸送媒体を構成するものである。なお、上記凝固点降下剤としては、上記例の他、例えばプロピレングリコール等を用いることもできる。
【００７４】
これにより、微小粒子１の表面に配列される構造物３の間およびその表面には、上記いずれの溶媒分子２も取り込まれやすくなるため、これら溶媒分子２が微小粒子１の表面に吸着して上述した構造化領域４（図１参照）が形成されやすくなる。さらに、構造物３を変形、つまりゆらぎや振動させやすくなるため、吸着した溶媒分子２が微小粒子１の表面から脱離して上述した構造化領域４が解体されやすくなる。したがって、微小粒子１に対する溶媒分子２の吸着および脱離を適切に制御して熱輸送量を飛躍的に増大させることが可能となる。
【００７５】
以上説明したように、この第２実施形態にかかる熱輸送媒体によっても、上記第１実施形態による上記（１）〜（５）の効果と同様、もしくはそれに準じた効果が得られる。
【００７６】
なお、この第２実施形態にかかる熱輸送媒体に関しても、上記第１実施形態について補足した上記各変形例に準じて溶媒および構造物３の種類あるいは同構造物３の構造を変更することができる。
【００７７】
また、上記第２実施形態では、溶媒が２種類の成分からなることとし、このうち１種類の溶媒として凝固点降下作用を有するある液体を用いることとしたが、溶媒が１種類の成分からなることとし、これに固形の凝固点降下剤を含有させるようにしてもよい。例えば溶媒として水を用い、凝固点降下剤として酢酸カリウム、酢酸ナトリウム等を用いることができる。
【００７８】
また、上記溶媒が２種類以上の成分からなることとして、この溶媒に同様に固形の凝固点降下剤を含有させるようにしてもよい。こうした構造によっても、上記熱輸送媒体の凝固点を降下させることで、寒冷地等における実用性を高めることができる。さらに必要に応じて、凝固点降下剤に加えて防錆剤や酸化防止剤を、添加剤として熱輸送媒体に含有させるようにしてもよい。なお、熱輸送媒体の凝固点降下の必要性がなければ、凝固点降下剤を含有しない２種類以上の溶媒を用いるようにしてもよい。
【００７９】
（その他の実施形態）
その他、上記各実施形態、ならびに上記各変形例に共通して変更可能な要素としては以下のようなものがある。
【００８０】
上記各実施形態およびその変形例では、微小粒子１として、その粒子の平均直径Ｄ１が約１．８ｎｍであるものを採用することとしたが、前述のように、微小粒子１の平均直径Ｄ１が最大でも約５ｎｍ以下程度であるものであれば、溶媒に分散される微小粒子１としての表面積の増大効果は十分に得られる。もっとも、上記微小粒子１の表面に配列される構造物３および溶媒分子２による構造化領域４の形成およびその解体により十分な熱伝導率および熱伝達率の向上が図られる場合には、上記微小粒子１としての平均直径Ｄが５ｎｍより大きい粒子を採用することもできる。
【００８１】
また、上記各実施形態およびその変形例では、微小粒子１としてその熱伝導率が溶媒の熱伝導率よりも大きい物質を用いることとした。ただし、上記微小粒子１の表面に配列される構造物３および溶媒分子２による構造化領域４の形成およびその解体により、熱伝導率および熱伝達率の十分な向上が図られる場合には、採用する微小粒子および溶媒の熱伝導率の関係は必ずしも上記関係に限定されない。
【００８２】
なお、熱輸送媒体に含まれる溶媒は、上記実施形態では１種類や２種類の成分からなることを説明しているが、３種類以上の成分から構成できることはいうまでもない。この場合の成分は、水、エチレングリコール、上記変形例５で記載の有機溶媒（有機物）などから構成される。
【００８３】
また、微小粒子１の表面に配列される構造物、または微小粒子１の周囲に浮遊している構造物は、上記実施形態では１種類や２種類の物質からなることを説明しているが、３種類以上の物質から構成できることはいうまでもない。この３種類以上の物質としては、チオール基（ＳＨ基）、カルボキシル基（ＣＯＯＨ基）、アミノ基（ＮＨ２基）、水酸基（ＯＨ基）、スルホ基（ＳＯ３Ｈ基）、およびメチル基（ＣＨ３基）から選ばれる１または２以上の官能基を有する構造を備えた物質を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明にかかる熱輸送媒体の第１実施形態について、その構造化状態を模式的に示した図である。
【図２】熱輸送媒体の解体状態を模式的に示した図である。
【図３】図１を簡易的に拡大して示した図である。
【図４】微小粒子およびその表面に吸着する２種類以上の構造物の構造例を模式的に示した図である。
【図５】表面に金属などが付着した微小粒子の模式的に示した図である。
【図６】微小粒子の表面において、当該微小粒子に吸着している構造物間の隙間を示した模式図である。
【図７】微小粒子の表面に吸着する構造物と異なる種類の浮遊している構造物の構造例を模式的に示した図である。
【図８】従来の熱輸送媒体の一例について、微小粒子の体積含有率と熱輸送媒体の熱伝導率比との関係を示したグフである。
【符号の説明】
【００８５】
１…微小粒子
２…溶媒分子
３、６…構造物
３ａ…官能基（微小粒子の表面に吸着する基）
３ｂ…官能基
４…構造化領域
５…伝熱面
７…金属
１０…微小粒子
【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】
2008088240.tif 000007
【図６】
2008088240.tif 000008
【図７】
2008088240.tif 000009
【図８】
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