(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超好熱性細菌が与えられた伝熱面を有する熱交換器。
【請求項２】
前記細菌が、古細菌属の細菌を含む、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記細菌が、スルフォロブス属の細菌を含む、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記細菌が、スルフォロブス・ソルファタリカス種の細菌を含む、請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
プール沸騰熱伝達に適合された、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項６】
伝熱面の被覆における超好熱性細菌の使用。
【請求項７】
前記細菌が、古細菌属の細菌を含む、請求項６に記載の使用。
【請求項８】
前記細菌が、スルフォロブス属の細菌を含む、請求項７に記載の使用。
【請求項９】
前記細菌が、スルフォロブス・ソルファタリカス種の細菌を含む、請求項８に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［発明の技術分野］
本発明は、熱交換における表面向上に関する。本発明は、より詳細には、超好熱性細菌で被覆された伝熱面を有する相変化熱交換器に関する。
【０００２】
［発明の背景］
相変化時の潜熱のため、沸騰は、沸騰伝熱に使用される熱交換器の表面から除去される増加した熱量に対応する。一般的に、沸騰伝熱を伴う高効率除熱システムを得るための方法を見つけることが求められている。この十年の間、製造、ナノテクノロジ及び表面処理技術の進歩は、（Ｌｉ、Ｃ．ら、Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  ｃｏｐｐｅｒ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ  ｆｏｒ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｂｏｉｌｉｎｇ、ｓｍａｌｌ、２００８、４（８）、１０８４〜１０８８ページにあるように）加熱面からの沸騰伝熱を増大させるミクロ／ナノ構造面に通じている。
【０００３】
表面の伝熱性能におけるナノ構造面の効果を明らかにした最初の研究のうちの１つは、Ｓｒｉｒａｍａｎ及びＢａｎｅｒｊｅｅによって導かれた（Ｐｏｏｌ  ｂｏｉｌｉｎｇ  ｓｔｕｄｉｅｓ  ｏｎ  ｎａｎｏ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  ｓｕｒｆａｃｅｓ、ＡＳＭＥ  ２００７  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｃｏｎｇｒｅｓｓ  ａｎｄ  Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ、２００７、Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）。
【０００４】
Ｙａｏら（Ｐｏｏｌ  ｂｏｉｌｉｎｇ  ｈｅａｔ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｓ、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｉｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ａｎｄ  Ｍｅｄｉｃｉｎｅ、２０１２、３（３）、ｐ．０３１００２）は、プール沸騰熱伝達を向上させるためにシリコンベースのマイクロチャネルにナノ構造を組み込んだ。この研究では、均一なシリコンナノワイヤがマイクロチャネルの上面、下面及び側壁に使用された。所与の壁部過熱における熱流束において１２０％の向上が達成された。
【０００５】
Ｈｅｎｄｒｉｃｋｓら（Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｐｏｏｌ−ｂｏｉｌｉｎｇ  ｈｅａｔ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｕｓｉｎｇ  ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  ｓｕｒｆａｃｅｓ  ｏｎ  ａｌｕｍｉｎｕｍ  ａｎｄ  ｃｏｐｐｅｒ、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｈｅａｔ  ａｎｄ  Ｍａｓｓ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ、２０１０、５３（１５〜１６）、３３５７〜３３６５ページ）は、ナノ構造面を作製するために低温マイクロリアクタ支援によるナノ材料堆積を用いてＡｌ及びＣｕ面にＺｎＯナノ構造を堆積させた。所与の熱流束において壁部過熱の２５〜３８℃の低減が報告された。
【０００６】
Ａｈｎら（Ｐｏｏｌ  Ｂｏｉｌｉｎｇ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ  ｏｎ  ａ  Ｎａｎｏ−Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｐａｃｋａｇｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、２００９、３２（１）、１５６〜１６５ページ）は、性能を向上させるために高さが異なるシリコンウエハに多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）を堆積させた。
【０００７】
脱合金化は、銅ナノ多孔質面を実現するように、Ｔａｎｇら（Ｐｏｏｌ−ｂｏｉｌｉｎｇ  ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｂｙ  ｎｏｖｅｌ  ｍｅｔａｌｌｉｃ  ｎａｎｏｐｏｒｏｕｓ  ｓｕｒｆａｃｅ、Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ｔｈｅｒｍａｌ  ａｎｄ  Ｆｌｕｉｄ  Ｓｃｉｅｎｃｅ、２０１３、４４、１９４〜１９８ページ）によって報告される。未処理の表面に比べて処理された表面に関して伝熱の向上及び壁部過熱の低減が観察された。
【０００８】
フードゥ（Ｈｏｏｄｏｏ）は、Ｂｏｎらが用いた一種の表面構造の名称である（Ｔｈｅ  Ｈｏｏｄｏｏ、Ａ  Ｎｅｗ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｂｏｉｌｉｎｇ  Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、２０１３、５（１）、ｐ．０１１００３〜０１１００３）。フードゥは、沸騰伝熱の向上、核形成部位の活性化、及び、沸騰伝熱からの利益を制限する限界熱流束への到達について大きな効果があった。
【０００９】
沸騰は、発電、冷凍システム、及びＲａｉｎｅｙら（Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ、Ｓｕｂｃｏｏｌｉｎｇ、ａｎｄ  Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ  Ｇａｓ  ｏｎ  Ｐｏｏｌ  Ｂｏｉｌｉｎｇ  Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｆｒｏｍ  Ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓ  Ｓｕｒｆａｃｅｓ  ｉｎ  ＦＣ−７２、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ、２００３、１２５（１）、７５〜８３ページ）によって報告されているような冷却システムを含む多くの産業的用途を有する。プール沸騰システムの主な用途のうちの１つは、燃料電池の冷却である。ＣＯ２排出削減のために、電気車両（ＥＶｓ）の開発は、最近加速されてきている。近い将来、ガソリン又は油で駆動する自動車は、ＥＶｓ又は燃料電池車両（ＦＣＶｓ）に置き換わっていくであろう。ＥＶ電力制御システムでは、ＩＣパッケージは、インバータのような電源装置として用いられる。そのようなＩＣインバータは、大量に熱を発し、したがって、３００Ｗ／ｃｍ２よりも高い除熱速度が必要となり得る。集積回路及びロジックチップを含む高性能電子装置は、大量の熱を発する。沸騰は、高い除熱能力により、表面から大量の熱流束を除去してから装置の運転温度を制御する、効果的な方法である。
【００１０】
簡単に言うと、表面は、特定の処理をすれば、向上した沸騰伝熱を提供し、そのような表面は、マイクロ流体システム、ナノ流体システム、冷却装置及び電池を含む多くの用途における高い除熱要件を解決する潜在性を有する。
【００１１】
［発明の目的］
本発明の主な目的は、上述した従来技術の欠点を克服することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、加熱液体の沸騰での向上した除熱を可能にする伝熱面の提供である。
【００１３】
［発明の概要］
本発明は、古細菌（Ａｒｃｈａｅａ）属から、さらにはスルフォロブス（Ｓｕｌｆｏｌｏｂｕｓ）属から、さらにはスルフォロブス・ソルファタリカス（Ｓｕｌｆｏｌｏｂｕｓ  Ｓｏｌｆａｔａｒｉｃｕｓ）種からとすることができる超好熱性細菌が与えられた伝熱面を有する熱交換器を提案する。熱交換器は、プール沸騰熱伝達に適合され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
簡単な説明が併せて提供される図面は、単に、本発明のより良い理解をもたらすためのものに過ぎず、したがって、保護の範囲、又は記載がなくても前記範囲が解釈されるべきである文脈を定めることを意図するものではない。
【図１】伝熱面からの除熱についての被覆（ｃｏａｔｉｎｇ）の性能を試験するための例示的なプール沸騰実験装置を概略的に示す図である。
【図２】本発明による熱交換器におけるベアシリコン面及びバイオ被覆面から得られた、（ａ）壁部過熱対熱流束、及び（ｂ）熱流束対熱伝達係数値の比較を示すグラフである。
【図３】（ａ）ベア／未被覆面及び（ｂ）古細菌コロニーで部分的に被覆された表面での沸騰のときの気泡発生を示す図、並びに（ｃ）図２（ｂ）において強調されている伝熱面部分に被覆された古細菌コロニーのＳＥＭ写真である。
【００１５】
［発明の詳細な説明］
次に、先に略述した図面を参照して、本発明は、好ましくは古細菌属から、より好ましくはスルフォロブス属から、さらにより好ましくはスルフォロブス・ソルファタリカス種からの超好熱性細菌が与えられた伝熱面を有する熱交換器を提案する。熱交換器は、プール沸騰熱伝達に適合されることが好ましい。
【００１６】
本発明は、プール沸騰熱伝達における性能向上のための、熱交換器面における古細菌被覆の採用を提案する。このタイプの被覆は、有機的であり、生態適合性があり、さらに、性能向上が求められる様々な用途に適用可能である。
【００１７】
古細菌は、生物の３つの主なドメインのうちの１つとして既知であり、古細菌は、さらに、５つの門に分けられる。古細菌細胞は、単細胞形態など、ユーバクテリアと同じような特性を有する。古細菌細胞は、環状染色体を有し、ＤＮＡ複製及び転写などのそれらの代謝から、真核細胞に類似している（Ｃｉａｒａｍｅｌｌａら、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｉｏｌｏｇｙ  ｏｆ  ｅｘｔｒｅｍｏｐｈｉｌｅｓ、ｒｅｃｅｎｔ  ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｈｙｐｅｒｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｉｃ  ａｒｃｈａｅｏｎ  Ｓｕｌｆｏｌｏｂｕｓ、Ａｎｔｏｎｉｅ  Ｖａｎ  Ｌｅｅｕｗｅｎｈｏｅｋ、２００２、８１（１〜４）、８５〜９７ページ、Ｂｅｌｌ及びＪａｃｋｓｏｎ、Ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ａｒｃｈａｅａ、Ａ  ｍｏｓａｉｃ  ｏｆ  ｅｕｋａｒｙａｌ  ａｎｄ  ｂａｃｔｅｒｉａｌ  ｆｅａｔｕｒｅｓ、Ｔｒｅｎｄｓ  ｉｎ  Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ、１９９８、６（６）、２２２〜２２８ページ）。古細菌細胞は、低温又は高温（例えば、−２℃〜１５℃若しくは６０℃〜１２２℃）、高塩分（例えば、２Ｍ〜５ＭのＮａＣｌ）、並びに極端なｐＨ値（４を下回る、及び、さらに９を上回る）など、生理学的に過酷な条件下で非常に特有の生存能力を有する（ＤＯＩ：１０．１１３９／ｗ０５−１４７、Ｊ  Ｂａｃｔｅｒｉｏｌ、１９９５年１２月、１７７（２４）、７０５０〜７０５９、及び、ＤＯＩ：１０．１１２６／ｓｃｉｅｎｃｅ、１０８６８２３）。
【００１８】
スルフォロブス・ソルファタリカスと呼ばれる超好熱性古細菌は、クレンアーキオータ（Ｃｒｅｎａｒｃｈａｅｏｔａ）門に属する。スルフォロブス・ソルファタリカスは、イタリアのＰｉｓｃｉａｒｅｌｌｉ  Ｓｏｌｆａｔａｒａから最初に分離された（１０．１０１６／００１４−５７９３（８８）８０７６９−５）。スルフォロブス・ソルファタリカスは、約０．２〜２μｍのサイズを有する、不規則なローブ形の古細菌であり、８０〜８５℃で最適に成長し、細胞内ｐＨ約６．５を維持しつつ約３のｐＨを有し、細胞恒常性を維持するために種々の炭素源を使用することができる（Ｊ  Ｂａｃｔｅｒｉｏｌ、１９８９年１２月、１７１（１２）、６７１０〜６７１９）。この頑強で耐熱性のある微生物は本発明の背後にある動機を構築する、有機産業被覆目的についての良好な候補である。
【００１９】
実験装置
図１には、伝熱面からの除熱における被覆の性能を試験するための例示的なプール沸騰実験装置が概略化されている。装置は、プール沸騰を用いて冷却されるような高熱流束を必要とする伝熱面を有する熱交換器を模倣するように設計されている。
【００２０】
装置は、板の形態とすることができ例えばアルミニウムである金属のような高い熱伝達係数の材料を含むことが好ましい伝導体（２０）の加熱面（１０）を備える。装置は、熱電対と、カートリッジヒータと、ガスケット封止材と、還流凝縮器（図示せず）とを備えることができる。
【００２１】
装置は、沸騰されるべき液体を保持するための容器（３０）を備えることができる。伝導体（２０）は、（図１で「Ｑ」と表される）熱の提供についての所期の熱流方向に対して概ね垂直に、伝導体の一面を少なくとも部分的に覆うことができるカートリッジヒータのような１つ又は複数のヒータを挿入するための孔を有することができる。
【００２２】
伝導体（２０）は、伝導体の前記面に配置される熱電対などの１つ又は複数の温度測定装置（図示せず）のための孔（図示せず）をさらに備えることができる。それらの孔には１つ又は複数のヒータが圧入され、一方、伝導性シリコングリスは、ヒータと孔の内壁との間隙を埋めることに利用され得る。
【００２３】
保持板（ｈｏｌｄｅｒ  ｐｌａｔｅ）のような保持手段（図示せず）は、容器（３０）と１つ又は複数のヒータとの互いに対する位置を制限することに使用され得る。装置の上面は、容器（３０）を流体で満たすため、及び流体（図示せず）の内部温度を測定するように熱電対（図示せず）を挿入するため、及び沸騰した流体を凝縮し容器（３０）へと戻すように凝縮器（例えば、還流凝縮器、図示せず）を容器（３０）に連結するための、１つ又は複数の孔又は導管を備えることができる。
【００２４】
ガスケット封止材は、漏れを防ぐように容器（３０）の縁の間、１つ又は複数のヒータの縁の間、及び上側板の縁の間に、並びに、放熱を防ぐようにヒータと保持手段との間に使用され得る。凝縮器の外管と内管との間隙は、大気圧下でプロセスを保つように大気に解放され得る内管から逃げる蒸気を凝縮するように流体（例えば、水）で満たされ得る。
【００２５】
プール沸騰実験で使用される液体の量を監視するために、容器（３０）内の液体の体積を各試験の前後に測定した。上述したような垂直還流凝縮器は有効であり、残った水の量は各実験後でほぼ同じであったことが観察された。ヒータの通電に使用される電流及び電圧は、現在では高精度を実現することができるマルチメータを有するデジタル電源装置（図示せず）を用いて調節され得る。電源装置は、例えばカートリッジヒータであるヒータに直接接続され得る。流体及び面（１０）の温度並びに電力示度のすべてを定常状態条件下で記録した。再現性を確認するため、各実験を何度か繰り返した。
【００２６】
実験装置で用いた古細菌
多数の気泡が表面から現れて離れていくことができる多数の活性核形成部位（１１）をもたらすというバイオ被覆（ｂｉｏｃｏａｔｅｄ）面の主な特徴が観察され、このことは、相変化熱の除去による流体への向上した伝熱に対応する。したがって、表面構造と活性核形成部位（１１）の数が密接に関係することに従って、発明者らは、まず、スルフォロブス・ソルファタリカスコロニーの構造を、可視光又は蛍光により蛍光顕微鏡下で調査した。（活性核形成部位１１に対応する）古細菌コロニーを、持続された最適条件下で取得し、次いで、培地のサンプルを、染色としてＤＡＰＩ（４’，６−ジアミジノ−２−フェニルインドール）を用いて顕微鏡下で調査した。さらに、被覆面及び未被覆面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）画像を取得した。ＳＥＭ画像では、細菌で被覆された領域が区別可能に可視化され得る。
【００２７】
沸騰伝熱実験
図２は、超好熱性細菌（ここでは、古細菌）被覆面及びベアシリコン面についての、壁部過熱（壁部温度と飽和温度との差）及び熱伝達係数が示されている。試験結果によると、細菌被覆面を用いた伝熱の向上は、未被覆面に対して２０％高かった。
【００２８】
図３には、ベアシリコン及び古細菌被覆サンプルから発生した気泡が示されている。細菌の多孔性構造により、被覆面は、ベアシリコン面と比較すると、はるかに多くの活性核形成部位（１１）を有する。被覆面及び未被覆面における気泡の動力学は、ハイスピードカメラを用いて可視化し、分析した。
【００２９】
したがって、発明者らは、伝熱の向上につながる、古細菌コロニーでのバイオ被覆領域における活性核形成部位密度（気泡が生成し合流する（ｍｅｒｇｅ）部位の数）の増加、及び、重要因子として浮かび上がる離脱中の気泡相互作用を見出した。バイオ被覆面部分の気泡は、出現し、未被覆面の場合より迅速に最大限の寸法まで成長し、したがって伝熱面からより早く離れる。この攪拌は、バイオ被覆面部分付近のさらなる液体変位を引き起こし、したがって温度勾配を高め、前記部分の周りの対流熱伝達係数をさらに高める。
【００３０】
ピン−フィンアレイ（ｐｉｎ−ｆｉｎ  ａｒｒａｙｓ）、凹形キャビティ、及び空隙率を増加させる表面処理など、多くの表面向上技法は、従来の寸法の管についての文献ですでに得ることができる。従来の微細加工方法の使用を制限する管の寸法収縮及び円形幾何形状が使用される場合、限られた表面向上方法が実行され得た。
【００３１】
本説明において例示される古細菌被覆などの超好熱性細菌を含むバイオ被覆は、実行が簡単であり、費用効率が高く、表面形状依存性が低く、有機的であることから、マイクロチャネル／管並びに従来のスケール（ｓｃａｌｅ）における表面向上に対する十分な代替手段及びさらなる改善を提供することができた。バイオ被覆は、物理堆積技法が適用できないマイクロチューブなどの閉じた幾何形状にも簡単に使用することができる。
【００３２】
酸化物の形態で主に見られるＡｌ又はＦｅを含む金属面は、それらの表面に正電荷を有する（ｒｅｓｉｄｅ）。多くの有機分子は、それぞれ負帯電及び正帯電されたカルボキシル基及びアミノ基を有する。本発明で使用される被覆は、表面の正味電荷を変える。古細菌は、表面に疎水性領域を有し、表面の疎水性は、（上述した金属面のような）電荷のように、その表面に古細菌被覆を適用することによって操作することができる。したがって、本発明で使用される被覆は、さらに、従来の他の被覆材料が果たせない課題に対して集成的な解決策を提供する。
【００３３】
多孔質構造により、超好熱性細菌（ここでは、古細菌）で被覆された面は、ベア表面に比べてはるかに多い活性核形成部位（１１）を有し、したがってより高いプール沸騰熱伝達性能を有する。そのような被覆は、伝熱面積の増加をもたらし、熱伝達率をさらに向上させる。そのようなバイオ被覆は、生体適合性を提供する潜在性をさらに有する。スルフォロブス・ソルファタリカスという名称の古細菌の呼吸中の酸素ではなく、硫黄が最終電子受容体として働く。代謝的には、スルフォロブス・ソルファタリカスは、従属栄養性又は独立栄養性のどちらかの、エネルギを生成するようなこれらの硫黄含有化合物に依存する。燃焼機関における金属面の被覆におけるスルフォロブス・ソルファタリカスの使用は、燃焼の進行によって発生するスルホキシド類（Ｓｕｌｆｏｘｉｄｅｓ）の放出を同時に減少させることができ、したがって、さらなる利点は、生物脱硫又は微生物による脱硫として分類され得る。
したがって、以下にある、
上述した従来技術の欠点を克服する、及び
加熱液体の沸騰での向上した除熱を可能にする伝熱面の提供
という目的は、本発明によって達成される。
【００３４】
［符号の説明］
１０  加熱面
１１  活性核形成部位
２０  伝導体
３０  容器
Ｑ  所期の熱流方向
【図１】
0006852241.tif 000002
【図２ａ】
0006852241.tif 000003
【図２ｂ】
0006852241.tif 000004
【図３】
0006852241.tif 000005