(57)【要約】【課題】熱伝達率が高い熱輸送流体、熱輸送構造、及び熱輸送方法を提供すること。【解決手段】本発明の熱輸送流体は、溶媒５と、前記溶媒５中に分散した微小粒子１と、有機物成分３とを含むことを特徴とする。使用温度域の中で、所定の第１温度以下のときは、微小粒子１の表面上で、有機物成分３が配列し、それにともなって、溶媒分子５も微小粒子１の表面上で配列する。一方、使用温度域の中で、前記第１温度より高温の、所定の第２温度以上の温度のときは、有機物成分３はランダムに動きまわる状態となり、それにともなって、溶媒分子５もランダムに動きまわる状態となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶媒と、
前記溶媒中に分散した微小粒子と、
前記微小粒子の表面に付着するコーティング剤と、
有機物成分と、
を備える熱輸送流体。
【請求項２】
前記有機物成分として、硫黄原子を少なくとも１つ以上含む有機物を含むことを特徴とする請求項１記載の熱輸送流体。
【請求項３】
前記有機物成分として、直鎖状有機物又は環状有機物を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の熱輸送流体。
【請求項４】
前記有機物成分として、ジスルフィドを有する有機物を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱輸送流体。
【請求項５】
前記ジスルフィドを有する有機物は、直鎖状の分子構造を有することを特徴とする請求項４に記載の熱輸送流体。
【請求項６】
前記ジスルフィドを有する有機物の炭素数は、８〜３６の範囲内にあることを特徴とする請求項４または５に記載の熱輸送流体。
【請求項７】
前記ジスルフィドを有する有機物は、オクタデシルジスルフィドであることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の熱輸送流体。
【請求項８】
前記有機物成分として、４級アンモニウムを含む有機物を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の熱輸送流体。
【請求項９】
前記有機物成分として、１級アミンを含む有機物を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の熱輸送流体。
【請求項１０】
前記コーティング剤として、硫黄原子を少なくとも１つ以上含む有機物を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の熱輸送流体。
【請求項１１】
前記コーティング剤として、直鎖状有機物又は環状有機物を含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の熱輸送流体。
【請求項１２】
前記微小粒子の平均粒径が１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の熱輸送流体。
【請求項１３】
前記微小粒子が無機物から成ることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の熱輸送流体。
【請求項１４】
前記微小粒子が金属から成ることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の熱輸送流体。
【請求項１５】
前記溶媒が水であり、
前記微小粒子が金から成り、
前記コーティング剤は、親水基を有する化合物であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の熱輸送流体。
【請求項１６】
前記溶媒がトルエンであり、
前記微小粒子が金から成り、
前記コーティング剤は、疎水基を有する化合物であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の熱輸送流体。
【請求項１７】
第１の部材と、
前記第１の部材よりも高温となる第２の部材と、
前記第１の部材及び前記第２の部材を経由するように、請求項１〜１６のいずれかに記載の熱輸送流体を循環させる循環手段と、
を備える熱輸送構造。
【請求項１８】
第１の部材、及び前記第１の部材よりも高温となる第２の部材を経由するように、請求項１〜１６のいずれかに記載の熱輸送流体を循環させることで、前記第２の部材から前記第１の部材へ熱を輸送する熱輸送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器等に用いられる熱輸送流体、熱輸送構造、及び熱輸送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器等に用いられる熱輸送流体には、高い熱伝達率が求められる。Ｄｒ．Ｃｈｏｉらは、エチレングリコールにナノ（サブミクロン）クラスタを微量加えることで、熱伝導率が向上することを見出した（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】Ｄｒ．Ｃｈｏｉら、“Anomaiously increased effective thermal conductivities of ethylenegiycol-based nanofluids containing copper nanoparticles）、Applied Physics Letters、２００１年、第７８巻、第７１８〜７２０頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、熱輸送流体には、さらに高い熱伝達率が求められる。本発明は、熱伝達率が高い熱輸送流体、熱輸送構造、及び熱輸送方法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】
【０００４】
本発明の熱輸送流体は、溶媒と、前記溶媒中に分散した微小粒子と、前記微小粒子の表面に付着するコーティング剤と、有機物成分とを備える。本発明の熱輸送流体は、熱伝達率が高いという効果を奏するが、その理由は以下のように推測される。
【０００５】
本発明の熱輸送流体は、有機物成分が、所定の第１温度以下の温度においては構造化するとともに、前記第１温度より高温の、所定の第２温度以上の温度においては非構造化することにより、使用温度域の中で、温度により、構造化した状態と、非構造化した状態との間で変化する。
【０００６】
すなわち、使用温度域（例えば、−３０〜１５０℃）の中で、所定の第１温度以下となると、図１（ａ）に示すとおり、微小粒子１の表面上で、有機物成分３が配列し、それにともなって、溶媒分子５も微小粒子１の表面上で配列する状態（以下、この状態を「構造化状態」とする）となる。なお、微小粒子１の表面には、コーティング剤７が付着し、微小粒子１を安定に分散させている。一方、使用温度域の中で、所定の第２温度（前記第１温度と同じ温度、又はそれより高い温度）以上の温度となると、図２（ｂ）に示すとおり、有機物成分３は配列せず、ランダムに動きまわり、それにともなって、溶媒分子５も、配列せず、ランダムに動きまわる状態（以下、この状態を「非構造化状態」とする）となる。
【０００７】
本発明の熱輸送流体において、構造化した状態と、非構造化した状態との間の変化は一種の相変化であり、非構造化した状態は、構造化した状態に比べて、相変化に相当する分だけ、エネルギーレベルが高い。よって、本発明の熱輸送流体は、上記のように、温度に応じて相変化が生じる。
【０００８】
本発明の熱輸送流体は、例えば、第１の部材と、前記第１の部材よりも高温となる第２の部材と、前記第１の部材及び前記第２の部材を経由するように、熱輸送流体を循環させる循環手段とを備える熱輸送構造に適用することができる。特に、前記第１の部材の温度が前記第１の温度よりも低温であり、前記第２の部材の温度が前記第２の温度よりも高温である場合、本発明の熱輸送流体が有する特徴により、熱輸送量を飛躍的に増大させることができる。
【０００９】
すなわち、本発明の熱輸送流体が、構造化した状態で、第２の温度より高温である第２の部材に来ると、図１（ｂ）に示すとおり、通常の熱伝導による吸熱とともに、相変化に相当する熱を吸収して、エネルギーレベルの高い、非構造化した状態となる。次に、本発明の熱輸送流体が、第１の温度より低温である第１の部材に来ると、通常の熱伝導による放熱とともに、相変化に相当するエネルギーを放出して、図１（ａ）に示すとおり、構造化した状態となる。つまり、本発明の熱輸送流体は、相変化に相当する熱量を第２の部材から吸収し、第１の部材で放出するという、いわゆる疑似潜熱輸送効果を奏し、熱輸送量を飛躍的に増大させることができる。
【００１０】
なお、本発明において、構造化した状態は、図２（ａ）に示すように、微小粒子１で囲まれた領域内で、有機物成分３及び溶媒分子５が配列する状態であってもよい。また、非構造化した状態は、図２（ｂ）に示すように、微小粒子１で囲まれた領域内で、有機物成分３及び溶媒分子５がランダムに動き回る状態であってもよい。
【００１１】
本発明の熱輸送流体において、相変化する温度（第１温度、第２温度）は、その使用温度域に応じて調整することができる。相変化する温度を左右する因子としては、有機物加成分の種類、その配合量、微小粒子の種類、その配合量、溶媒の種類、コーティング剤の種類、その配合量等が挙げられる。
【００１２】
前記有機物成分としては、例えば、硫黄原子を少なくとも１つ以上含む有機物、直鎖状有機物、環状有機物、４級アンモニウムを含む有機物、１級アミンを含む有機物、ジスルフィドを有する有機物（特に直鎖状の分子構造を有するもの）、ｎ−オクタデカンチオール、メルカトプコハク酸等が挙げられる。ジスルフィドを有する有機物としては、例えば、炭素数１８のオクタデシルジスルフィドが挙げられる。
【００１３】
本発明の熱輸送流体は、前記微小粒子の表面に付着するコーティング剤を含むことにより、溶媒中で微小粒子を安定して分散させることができる。コーティング剤としては、例えば、硫黄原子を少なくとも１つ以上含む有機物、直鎖状有機物、環状有機物、４級アンモニウムを含む有機物、１級アミンを含む有機物等が挙げられ、より具体的には、例えば、ｎ−オクタデカンチオール、メルカトプコハク酸等が挙げられる。コーティング剤は、有機物成分と同一物質であってもよいし、異なる物質であってもよい。また、有機物成分は、コーティング剤と同一物質を含むとともに、他の物質を含んでいても良い。コーティング剤と有機物成分とが同一物質である場合、その物質の配合量は、微小粒子の表面を覆い、コーティング剤として機能するだけの量と、有機物成分として機能する分の量とを合わせた配合量となる。
【００１４】
前記微小粒子の平均粒径は、１０ｎｍ以下が好ましい。また、平均粒径の下限は特に限定されないが、原子数個分にあたる粒径以上が好ましい。
前記微小粒子の材質としては、例えば、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、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、あるいは樹脂等からなるポリマー粒子を用いることができる。微小粒子は、２種以上の材質から成っていてもよい。すなわち、微小粒子のうちの一部と、残りの部分とは、異なる材質から成っていてもよい。
【００１５】
前記溶媒としては、例えば、水、トルエン、エチレングリコール、それらの混合物等が挙げられる。
前記溶媒、微小粒子、コーティング剤の組み合わせとしては、例えば、前記溶媒が水であり、前記微小粒子が金から成り、前記コーティング剤が、メルカプトコハク酸等の親水基を有する化合物である組み合わせが挙げられる。また、別の組み合わせとしては、例えば、前記溶媒がトルエンであり、前記微小粒子が金から成り、前記コーティング剤は、ｎ−オクタデカンチオール等の疎水基を有する化合物である組み合わせが挙げられる。
【００１６】
本発明の熱輸送流体は、例えば、酢酸カリウム等の凝固点降下剤を少なくとも１種配合することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明を実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１８】
（ａ）熱輸送流体の製造
まず、濃度３０ｍｍｏｌ／ＬのＨＡｕＣｌ4水溶液５０ｍｌと、トルエン１００ｍｌにテトラオクチルアンモニウムブロミド３．７５ｍｍｏｌを加えた溶液とを混合し、十分撹拌した。次に、オクタデカンチオール４．５ｍｍｏｌを加え十分撹拌した後、ＮａＢＨ4を１５ｍｍｏｌ含む水溶液を混合し、十分撹拌した。最後に、余ったテトラオクチルアンモニウムブロミドとオクタデカンチオールをメタノールやエタノールを用いて除去した。
【００１９】
なお、上記の方法は二相還元法（Brust法）と呼ばれる周知の方法であり、Auに対して3倍のオクタデカンチールを加えた。
上記の方法により、溶媒としてのトルエンと、金から成る微小粒子と、コーティング剤としてのオクタデカンチオールと、有機物成分としてのオクタデシルジスルフィドを含む熱輸送流体が製造できた。この熱輸送流体において、微小粒子の平均粒径は約２ｎｍである。
（ｂ）熱量測定
前記（ａ）で製造した熱輸送流体について、示差走査熱量分析装置を用いて熱量を測定した。測定条件は、温度範囲：−３０〜６０℃、昇温速度：５℃／ｍｉｎとした。その結果、１０〜２５℃の部分で、熱量変化が生じた。
【００２０】
なお、この熱量変化が生じた温度は、熱輸送流体において相変化が生じた温度である。よって、上記温度よりも低温である第１の部材と、上記温度よりも高温となる第２の部材を経由するように、本実施例１の熱輸送流体を循環させると、第２の部材に来たときは、通常の熱伝導による吸熱とともに、相変化に相当する熱を吸収して、エネルギーレベルの高い、非構造化した状態となり、次に、第１の部材に来たときは、通常の熱伝導による放熱とともに、相変化に相当するエネルギーを放出して、構造化した状態となる。
（ｃ）熱伝導率の測定
前記（ａ）で製造した熱輸送流体と、レファレンスとしてのトルエンとについて、それぞれ、熱伝導率を測定した。測定方法は細線法であり、具体的な方法は以下のとおりとした。十分に広い測定媒質中（実際には直径２０ｍｍ程度）に張られた金属細線（直径５０μｍ程度のＰｔ線）に、ある時刻t＝0から電流加熱等で一定熱流（液体では測定中の温度上昇が１℃程度：電流値で０．３〜０．６Ａ程度）を発生させ、これを細線表面から流出させる。このとき細線の温度は、媒質の熱伝導率や比熱等の熱物性値を含んだ解析的に求められた数式に従って時間と共に上昇するので、この温度上昇を測定し、解析式にあてはめることにより熱伝導率（λ）を求める。
【００２１】
上記の方法で測定した、前記（ａ）で製造した熱輸送流体の熱伝導率λ１と、トルエンの熱伝導率λ２とに基づき、トルエンに対する、前記（ａ）で製造した熱輸送流体の熱伝導率比（λ１／λ２）を算出した。この値を図４に示す。図４から明らかなように、本実施例１の熱輸送流体の熱伝導率は非常に高いことが確認できた。
（比較例）
比較例として、次のようにして、熱輸送流体を製造した。
【００２２】
予め合成した、ポリビニルピロリドンによりコーティングされたAuナノ粒子のコーティング剤について、配位子交換により配位子をポリビニルピロリドンからオクタデカンチオールに交換した。最後に余ったオクタデカンチオールをメタノールやエタノールを用いて除去した。
【００２３】
本比較例の熱輸送流体は、溶媒としてのトルエンと、金から成る微小粒子と、コーティング剤としてのオクタデカンチオールとは、前記実施例１と同様に含むが、有機物成分は含まない。
【００２４】
本比較例の熱輸送流体について、前記実施例１の（ｂ）と同様に、示差走査熱量分析装置を用いて熱量を測定したところ、熱量変化は前記実施例１の（ｂ）に比べて小さかった。すなわち、本比較例の熱輸送流体では、温度が変化しても相変化が生じなかった。
【００２５】
また、前記実施例１の（ｃ）と同様に、本比較例で製造した熱輸送流体の熱伝導率λ３と、レファレンスとしてのトルエンの熱伝導率λ２とを、それぞれ、測定し、トルエンに対する、本比較例の熱輸送流体の熱伝導率比（λ３／λ２）を算出した。この値を図４に示す。図４から明らかなように、比較例の熱輸送流体の熱伝導率は、前記実施例１で製造した熱輸送流体に比べて遙かに低く、その差は、有機物含有率の違い（図１参照）では説明できないほど顕著であった。
【実施例２】
【００２６】
図５は、車両用エンジンの冷却系１１を示しており、この冷却系１１では、ラジエータ１３、シリンダブロック１５、シリンダヘッド１７の順に、前記実施例１で製造した熱輸送流体１９が、図示しないポンプの作用により循環する。また、冷却系１１は、シリンダヘッド１７の出口にサーモスタッド２１を備えており、そこでの熱輸送流体１９の温度に基づいて、熱輸送流体１９をバイパス２３に流す量を調整する。熱輸送流体１９は、エンジンの熱により高温となるシリンダブロック１５、シリンダヘッド１７において熱を吸収し、外気に触れて低温となっているラジエータ１３において熱を放出する。
【００２７】
ここで、シリンダブロック１５及びシリンダヘッド１７は、熱輸送流体１９が相変化する温度より高く、ラジエータ１３の温度は、熱輸送流体１９が相変化する温度より低いので、熱輸送流体１９は、シリンダブロック１５及びシリンダヘッド１７に来たときは、通常の熱伝導による吸熱とともに、相変化に相当する熱を吸収して、エネルギーレベルの高い、非構造化した状態となり、次に、ラジエータ１３に来たときは、通常の熱伝導による放熱とともに、相変化に相当するエネルギーを放出して、構造化した状態となる。すなわち、熱輸送流体１９は、相変化に相当する熱量をシリンダブロック１５及びシリンダヘッド１７から吸収し、ラジエータ１３で放出するという、いわゆる疑似潜熱輸送効果を奏し、熱輸送量を飛躍的に増大させる。そのことにより、本実施例２の冷却系１１は、エンジンの冷却効率が非常に高い。
【００２８】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】熱輸送流体の状態を表す説明図であって、（ａ）は低温時の状態を表し、（ｂ）は高温時の状態を表す。
【図２】熱輸送流体の状態を表す説明図であって、（ａ）は低温時の状態を表し、（ｂ）は高温時の状態を表す。
【図３】熱輸送流体に含まれる有機物含有率を表すグラフである。
【図４】熱輸送流体の、トルエンに対する熱伝導率比を表すグラフである。
【図５】車両用エンジンの冷却系を表す説明図である。
【符号の説明】
【００３０】
１・・・微小粒子
３・・・有機物成分
５・・・溶媒分子
７・・・コーティング剤
１１・・・冷却系
１３・・・ラジエータ
１５・・・シリンダブロック
１７・・・シリンダヘッド
１９・・・熱輸送流体
２１・・・サーモスタッド
２３・・・バイパス
【図５】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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