JP2006016573A - マイクロカプセル及び熱輸送流体 - Google Patents

Abstract

【課題】吸収及び放出可能な熱量、及び、熱伝導率が増大する熱輸送流体を提供すること、及びこの熱輸送流体に適した潜熱蓄熱物質が封入されたマイクロカプセルを提供することを目的とする。
【解決手段】 マイクロカプセルに封入した相転移を伴う潜熱蓄熱物質により熱輸送流体が吸収・放出可能な熱量を増大させること、及び、熱輸送流体を構成する物質に熱伝導性粒子を含有せしめて熱輸送流体の巨視的熱伝導率を増大させることによって、熱輸送流体が吸収・放出可能な熱量及び、熱伝導率を増大させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、潜熱蓄熱物質が封入されたマイクロカプセルと、このマイクロカプセルを用いた熱輸送流体に関する。

現在、大型空調機やエンジンの冷却、冷凍庫の冷却、パーソナルコンピュータの冷却、モータの冷却、燃料電池の冷却、あるいは成形金型の加熱等、機械装置の加熱・冷却に熱輸送流体が広く使われている。加熱・冷却に用いられる熱輸送流体の種類は使用する温度によって限定され、典型的には０〜１００℃の範囲では水を主成分とする熱輸送流体が使用され、０℃以下ではブライン溶液が使用されている。
機械装置の熱交換器や放熱器等は、熱輸送流体の比熱及び熱伝導率に基づいて設計されるが、使用する温度範囲によって熱輸送流体の種類が限定されるため、機械装置の設計は、熱輸送流体の種類によって制約を受けている。

例えば自動車のエンジンの場合、エンジンの出力によって設計上の冷却能力がほぼ決まり、ラジエータの放熱面積及び冷却水の保有量は、冷却水の比熱及び熱伝導率に従って設計されている。このため、ラジエータの小型化、及び冷却水の保有量削減は困難であった。
さらに詳しくは、常温、常圧環境下における液体の中で水は最も高い熱伝導率を有するが、自動車エンジンの冷却水は冬季の使用を考慮してエチレングリコール等の不凍液を添加しているため、純粋の水よりも比熱及び熱伝導率が低い。エチレングリコール５０ｗｔ％を含む冷却水の場合、比熱は約３．５ｋＪ／ｋｇ、熱伝導率は約０．４Ｗ／ｍ・Ｋでしかない。水の比熱が４．１ｋＪ／ｋｇ、水の熱伝導率が０．６Ｗ／ｍ・Ｋであることを考えると、現状の自動車エンジンの冷却水は水の有する性能を十分利用していないといえる。

自動車エンジンの冷却水の比熱及び熱伝導率を向上させることができれば、ラジエータやエンジンの小型化、及び冷却水の保有量削減が可能になる。
特許文献１には、吸収することができる熱量及び放出することができる熱量が大きい媒体が提案されている。

特許文献１に開示された発明は、液体中に分散させたカプセル粒子内部に潜熱蓄熱物質を具備せしめた媒体であり、この潜熱蓄熱物質によって媒体が蓄えられる熱量を大きくするものである。このような媒体によれば、周囲領域から吸収・放熱可能な熱量が大きくなり、媒体の巨視的な比熱を大きくできるものといえる。
特開２００３−１２９８４４号公報（段落０００５〜０００６、図１、図２）

しかし、潜熱蓄熱物質だけでは、媒体の巨視的な比熱を大きくすることは可能だが、媒体の単位時間当たりに伝導可能な熱量、すなわち熱伝導率を上げることはできない。従って、既存の機械装置にこの媒体を用いて従来よりも大きな熱量を吸収・放熱させるには、発熱部及び放熱部との接触時間を長くしなければならないという問題が生じる。
媒体の熱伝導率を上げることができれば、前記した問題を解決できる。しかし、これまで吸収・放出可能な熱量だけでなく、熱伝導率をも増大させた熱輸送流体は知られていない。

そこで、本発明では、吸収及び放出可能な熱量、及び、熱伝導率が増大する熱輸送流体を提供することを目的とし、あわせてこの熱輸送流体への使用に適した潜熱蓄熱物質が封入されたマイクロカプセルを提供することを目的とする。

本発明は、マイクロカプセルに封入した相転移を伴う潜熱蓄熱物質により熱輸送流体が吸収・放出可能な熱量を増大させること、及び、熱輸送流体を構成する物質に熱伝導性粒子を含有せしめて熱輸送流体の巨視的熱伝導率を増大させることによって、熱輸送流体が吸収・放出可能な熱量及び、熱伝導率を増大させるものである。

請求項１に記載の発明は、壁材の内部に相転移を伴う潜熱蓄熱物質が封入されたマイクロカプセルであって、前記壁材と前記潜熱蓄熱物質との少なくとも一方が第一の熱伝導性粒子を備えたことを特徴とするマイクロカプセルの構成とした。
なお、相転移を伴う潜熱畜熱材(以下、単に潜熱蓄熱物質と記す)とは、周囲から熱を吸収するときは相転移して熱を潜熱として蓄え、周囲に熱を放出するときは相転移して潜熱を放出する物質をいう。相転移は固相・液相間に限らず、結晶・非結晶間、結晶間の変態等をもいう。

任意の物質の相転移点では、潜熱蓄熱によって顕熱蓄熱よりも大きな熱量を吸収あるいは放出されることが知られている。
この性質を利用して、目的とする温度範囲内に相転移点のある物質を潜熱蓄熱物質として用いることにより、より多くの熱を蓄え、あるいは放出させることが可能になる。請求項１に記載の発明では、マイクロカプセルに潜熱蓄熱物質を封入しているので、この潜熱蓄熱物質により、吸収及び放出可能な熱量が増大する。

さらに、このマイクロカプセルに第一の熱伝導性粒子を加えることにより、マイクロカプセルの巨視的な熱伝導率が増大する。すなわち、第一の熱伝導性粒子をマイクロカプセル内の潜熱畜熱性物質、及びマイクロカプセルの壁材のいずれか一方または両方に含ませた場合、第一の熱伝導性粒子を含ませたいずれかの熱伝導率が増大する結果、マイクロカプセルの巨視的な熱伝導率が増大する。

なお、マイクロカプセルの壁材には、加工性が良いことから樹脂を使用する場合が多い。一般に樹脂の熱伝導率は無機物と比較して低いが、マイクロカプセルの樹脂製壁材に第一の熱伝導性粒子を含ませることにより、マイクロカプセル壁材の熱伝導率を改善することができる。また、潜熱蓄熱物質に第一の熱伝導性粒子を含有させた場合には、潜熱蓄熱物質の過冷却を防止することが可能となる。

請求項２に記載の発明は前記第一の熱伝導性粒子が、熱伝導率０．６Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、かつ粒子径１００ｎｍ以下の金属粒子と炭素構造体との少なくとも一方であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロカプセルの構成とした。

請求項２の発明によれば、熱伝導率が水（０．６Ｗ／ｍ・Ｋ）以上の第一の熱伝導性粒子を用いるため、マイクロカプセルの巨視的な熱伝導率をより有効に改善することができる。
また、粒子径１００ｎｍ以下の微小な金属粒子及び炭素構造体の少なくとも一方を用いるため、大粒径の粒子と比較して粒子の表面積の総和が大きくなるので、より有効に熱伝導率を増大させることができる。

請求項３に記載の発明は、前記潜熱蓄熱物質が、融点２０℃から１００℃の有機化合物であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロカプセルの構成とした。
請求項３の発明によれば、潜熱蓄熱物質に融点２０℃から１００℃の有機化合物を用いているので、０℃から水の沸点までの温度範囲内での使用に適したマイクロカプセルを提供することができる。特に、水を主成分とする加熱冷却媒体を使用する場合に適したマイクロカプセルを提供することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマイクロカプセルが流体中に分散されていることを特徴とする熱輸送流体の構成とした。
請求項４に記載の熱輸送流体の構成によれば、マイクロカプセルの内部にある潜熱蓄熱物質により、熱輸送流体が吸収及び放出可能な熱量が増大する。
また、マイクロカプセルの内部及び壁材の少なくともどちらか一方には第一の熱伝導性粒子が封入されているので、マイクロカプセルの巨視的な熱伝導率が向上し、マイクロカプセル内の潜熱蓄熱物質の温度変化に対する応答速度が速くなる。その結果、熱輸送流体の巨視的な熱伝導率が向上し、熱輸送流体の温度変化に対する応答速度も速くなる。

このように、請求項４に記載の熱輸送流体は、潜熱蓄熱物質により吸収及び放出可能な熱量が増大し、また、第一の熱伝導性粒子により巨視的な熱伝導率が増大するものである。
なお、熱輸送流体とは、機械装置の加熱冷却に用いられる温度範囲内で液体の状態である流体のことを言う。従って、例えば室温では固体のワックス、金属等であっても使用温度範囲内で液状となるものであれば本発明の熱輸送流体に含まれる。

請求項５に記載の発明は、壁材の内部に相転移を伴う潜熱蓄熱物質が封入されたマイクロカプセルと、第二の熱伝導性粒子とが流体中に分散されていることを特徴とする熱輸送流体の構成とした。
請求項５に記載の熱輸送流体の構成によれば、マイクロカプセルの内部にある潜熱蓄熱物質により、熱輸送流体の吸収・放出可能な熱量が増大する。
また、熱輸送流体に第二の熱伝導性粒子が分散されているので、熱輸送流体の巨視的な熱伝導率が向上し、熱輸送流体の温度変化に対する応答速度が速くなる。
このように、請求項５に記載の熱輸送流体は、潜熱蓄熱物質により吸収・放出可能な熱量が増大し、また、第二の熱伝導性粒子により巨視的な熱伝導率が増大するものである。

請求項６に記載の発明は、前記マイクロカプセルが、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマイクロカプセルであることを特徴とする請求項５に記載の熱輸送流体の構成とした。
請求項６に記載のマイクロカプセルには潜熱蓄熱物質が封入されているため、熱輸送流体が吸収・放出可能な熱量が増大する。
また、熱輸送流体と、マイクロカプセルの壁材と、マイクロカプセルに封入された潜熱蓄熱物質との内、少なくともいずれか１つが第一または第二の熱伝導性粒子を備えているので、熱輸送流体の巨視的な熱伝導率が向上し、熱輸送流体の温度変化に対する応答速度が速くなる。

請求項７に記載の発明は、前記第二の熱伝導性粒子が、熱伝導率０．６Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、かつ粒子径１００ｎｍ以下の金属粒子と、炭素構造体との、少なくとも一方であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の熱輸送流体の構成とした。
請求項７に記載の熱輸送流体は、第二の熱伝導性粒子に高熱伝導率で小粒径の金属粒子及び炭素構造体の少なくとも一方を用いる。このため、マイクロカプセルから外部の機械装置等への熱伝導、またはこの逆方向の熱伝導を効率よく行なうことができる。
また、大粒径の粒子と比較すると、小粒径の粒子の表面積の総和は大きくなるので、より有効に熱伝導率を増大させることができる。これらにより、熱輸送流体の温度変化に対する応答速度が速くなる。

請求項８に記載の発明は、流体中に水を２０ｗｔ％以上含有することを特徴とする請求項４から請求項７のいずれか１項に記載の熱輸送流体の構成とした。
請求項８に記載の熱輸送流体によれば、現在水を主成分とする熱輸送流体が用いられている加熱冷却システムについて、吸収・放出可能な熱量及び、熱伝導率が増大する熱輸送流体を提供することができる。このような水を主成分とする熱輸送流体は、自動車等に用いられる内燃エンジンの冷却水に好適に用いることができる。

請求項９に記載の発明は、流体中に分散剤を含有することを特徴とする請求項４から請求項８のいずれか１項に記載の熱輸送流体の構成とした。
請求項９に記載の熱輸送流体によれば、分散剤が含有されているので、熱輸送流体とマイクロカプセル等との親和性を高める作用によって、あるいは熱輸送流体の粘度を調整する作用によって第二の熱伝導性粒子及びマイクロカプセルを安定して分散させることができる。

本発明によれば、吸収・放出可能な熱量及び、熱伝導率が増大する熱輸送流体を提供することができる。さらに、この熱輸送流体への使用に適した潜熱蓄熱物質が封入されたマイクロカプセルを提供することができる。

次に、本発明のマイクロカプセル及び熱輸送流体の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係る壁材の内部に潜熱蓄熱物質が封入されたマイクロカプセルの模式図である。図１に示すように、マイクロカプセル１中の潜熱蓄熱物質２とマイクロカプセル１の壁材３との、少なくとも一方に第一の熱伝導性粒子４が含有されている。

マイクロカプセル１の粒子径は、用途に応じて最適の範囲を決める。同一重量の潜熱蓄熱物質２に対する表面積、すなわち熱交換面積を大きくするためには、マイクロカプセル１の粒子径は小さいことが好ましい。
特に自動車などの内燃エンジンの冷却水に使用する場合は、熱交換面積を大きくするためにマイクロカプセル１の粒子径を１０μｍ以下にすることが好ましい。なお、本発明では、粒子径の測定はレーザー回折式粒度分布測定装置（島津社製ＳＡＬＤ−７０００型）によって行なう。

マイクロカプセル１は、Ｉｎ−Ｓｉｔｕ重合法、液中乾燥法、気中懸濁被覆法等の公知の方法で製造することができる。
Ｉｎ−Ｓｉｔｕ重合法は潜熱蓄熱物質２の内側または外側の一方からモノマーを供給し、潜熱蓄熱物質の表面上でモノマーを重合させてマイクロカプセル１を製造する方法である。Ｉｎ−Ｓｉｔｕ重合法では、マイクロカプセル１の壁材３には尿素樹脂、メラミン樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド、ポリウレタン、エチルセルロース、ゼラチンなどを用いることができる。
液中硬化被覆法は、潜熱蓄熱物質２を含むポリマ溶液をオリフィスから硬化剤浴に滴下する方法で、壁材３にはゼラチン等を用いることができる。
液中乾燥法は、潜熱蓄熱物質２を含む水溶液滴をポリマ溶液で囲み、加熱、減圧等で乾燥する方法であり、壁材３にポリスチレン、ポリビニルアルコール等の熱可塑性樹脂を用いることができる。
気中懸濁被覆法は潜熱蓄熱物質２を流動床上に懸濁させ、壁材を噴射して被覆する方法であり、壁材３に各種ポリマ、アルミナ等を用いることができる。
そして、マイクロカプセル１の製造時に、第一の熱伝導性粒子４を潜熱蓄熱物質２と、壁材３を構成する材料とともに分散させることにより、潜熱蓄熱物質２とマイクロカプセル１の壁材３のどちらか一方または両方に、第一の熱伝導性粒子４を含ませることができる。

特に、自動車などの内燃エンジンや燃料電池、モータの冷却水に用いるマイクロカプセル１の場合は、−２０〜２００℃の温度範囲で熱変形、溶融あるいは低温脆化しないこと等の耐熱性が要求されるため、壁材には尿素樹脂、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂を用いて、Ｉｎ−Ｓｉｔｕ重合法で製造することが好ましい。

マイクロカプセル１の形状は、球形のカプセルの中に潜熱蓄熱物質２が１つの核をなす球形単核型、球形のカプセルの中に潜熱蓄熱物質２が複数の核をなす球形多核型、不定形のカプセルの中に潜熱蓄熱物質２が１つの核をなす不定形単核型、不定形のカプセルの中に潜熱蓄熱物質２が複数の核をなす不定形多核型のいずれであっても良い。いずれの場合も、潜熱蓄熱物質２及びマイクロカプセル１の壁材３の一方または両方に第一の熱伝導性粒子４を含ませることができる。

マイクロカプセル１に封入する潜熱蓄熱物質２は、マイクロカプセル１の使用温度範囲に応じて有機物または無機物の融点等を考慮して選択する。利用可能な相転移は、融解・凝固のような固相と液相間の相転移に限られず、結晶相と非結晶相間の変態も利用することができる。

マイクロカプセル１を０〜１００℃の範囲で使用する場合には、潜熱蓄熱物質２として例えば硫酸ナトリウム水和物、チオ硫酸ナトリウム水和物、塩化カルシウム水和物等の無機物、また、例えばヘキサデカン、オクタデカンなどの脂肪族炭化水素、ステアリン酸、酢酸ナトリウム水和物などの高級脂肪酸又はその塩、オレイン酸アミド等のアミド化合物、あるいは、パルミチン酸イソプロピル、ステアリン酸ブチル等のエステル化合物、ステアリルアルコール等のアルコール類、パラフィン、または、ポリエチレンオキシド、ポリエステル、ポリアミド、ポリオレフィンのオリゴマ等の有機物を用いることができる。これらは単独で用いることも、幾つかを組み合わせて用いることもできる。また、潜熱蓄熱物質２として、例えばポリマのガラス転移点等の結晶相と非結晶相間の変態を有する物質を利用することもできる。

さらに、０℃より低温で使用する場合には、潜熱蓄熱物質２として例えばデカン等の脂肪族炭化水素、ｔ−ブタノール等のアルコール類等の有機化合物を使用温度に応じて選択して用いることができる。また、潜熱蓄熱物質２に水を用いることもできる。
１００℃より高い温度で使用する場合は、例えばポリオレフィン系、ポリエステル系、ポリアミド系等のポリマ、あるいは、脂肪族炭化水素、アルコール類等の有機化合物、または錫、鉛、アンチモン等の合金を、潜熱蓄熱物質２に用いることができる。

特に、自動車の冷却系の場合は、融点３０〜１００℃で融解潜熱１００ｋＪ／ｋｇ以上で、かつ、炭素数６以上のアルコール類、または炭素数１０以上の脂肪酸、または炭素数１０以上の脂肪族炭化水素を潜熱蓄熱物質２に使用することができる。具体的には、ステアリルアルコール、ステアリン酸、パラフィンが例示される。

これらの有機物の複数を組み合わせて、複数の相転移点を有する潜熱蓄熱物質２とすることもできる。これは、マイクロカプセル１に複数の相転移点を有する潜熱蓄熱物質２を封入しても良いし、異なる種類の潜熱蓄熱物質２が封入された２種類以上のマイクロカプセル１を組み合わせて使用しても良い。
このようなマイクロカプセル１を用いれば、冷却水の吸収可能な熱量を増やせるだけで無く、例えば冬季に一旦暖められた冷却水の温度を、エンジンを止めた後も相転移点の温度で一定時間保持することができる。また、夏季には、冷却水が一定温度以上になることを抑制できる。

次に、第一の熱伝導性粒子４について詳細に説明する。
第一の熱伝導性粒子４には、熱伝導率の高い物質を使用する。水以上（０．６Ｗ／ｍ・Ｋ）の熱伝導率を示す物質の粒子を用いることが好ましい。
第一の熱伝導性粒子４は、図１（ａ）に示すように、マイクロカプセル１に封入された潜熱蓄熱物質２にのみ分散させても良いし、マイクロカプセル１の壁材３にのみ分散させても良い（図１（ｂ））。また、潜熱蓄熱物質２と壁材３の両方に分散させても良い(図1（ｃ）)。壁材３に分散された第一の熱伝導性粒子４は、図１（ｂ）、（ｃ）に示したように壁材３を貫通し、表面に露出していても良いし、図１（ｄ）、（ｅ）のように壁材３の中に内包されていても良い。さらに、図１（ｆ）のように壁材３の表面に密着していてもよい。いずれの場合も、第一の熱伝導性粒子４によりマイクロカプセル１の巨視的な熱伝導率が向上する。

第一の熱伝導性粒子４には、自由電子による熱伝導を示す金属、例えばアルミニウム、銅、金、銀、プラチナ、パラジウムなどの金属の粒子を用いる。第一の熱伝導性粒子４に使用する金属の選定に当たっては、化学的に安定な貴金属類または合金、あるいは酸化により表面に不動態を形成する金属を選定することが望ましい。

また、第一の熱伝導性粒子４にはグラファイト、ダイヤモンド、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、カーボンナノホーン、フラーレン等の炭素構造体を使用する。第一の熱伝導性粒子４として、前記した金属粒子と炭素構造体を混合して用いることもできる。

第一の熱伝導性粒子４の粒子径は、マイクロカプセル１の粒子径、壁材３の厚み等を考慮して決定する。第一の熱伝導性粒子４の表面積の総和を大きくするため、粒子径は小さいほうが良い。より高い熱伝導効果を得るためには、粒子径１００ｎｍ、さらに好ましくは５０ｎｍ以下のもの用いることが望ましい。粒子径の下限値は無いが、商業的には粒子径０．５ｎｍ以下のものを入手することは困難である。

自動車などの内燃エンジンの冷却水に用いる第一の熱伝導性粒子４の場合は、第一の熱伝導性粒子４の表面積の総和を大きくするため、粒子径が１００ｎｍ以下であることが好ましく、金属粒子または炭素構造体のいずれも用いることができる。

図２（ａ）〜（ｇ）は、本発明の熱輸送流体の概念図である。
熱輸送流体には、第一の熱伝導性粒子４と、第二の熱伝導性粒子５との少なくともどちらか一方と、潜熱蓄熱物質２が封入されたマイクロカプセル１とが存在する。

すなわち、図２（ａ）では、第一の熱伝導性粒子４がマイクロカプセル１には含有されておらず、第二の熱伝導性粒子５が熱輸送流体中に分散されている。また、図２（ｂ）〜（ｇ）ではマイクロカプセル１と熱輸送流体とに、各々第一の熱伝導性粒子４と第二の熱伝導性粒子５とが含まれている。壁材３に分散された第一の熱伝導性粒子４は、図２（ｃ）、（ｄ）に示したように壁材３を貫通し、表面に露出していても良いし、図２（ｅ）、（ｆ）のように壁材３の中に内包されていても良い。さらに、図２（ｇ）のように壁材３の表面に密着していてもよい。
さらに、図２（ｂ）〜（ｇ）の別の実施形態として、マイクロカプセル１に第一の熱伝導性粒子４が含まれ、第二の熱伝導性粒子５は用いない熱輸送流体の構成とする場合も、本発明に含まれる。

熱輸送流体には、その使用温度範囲により水、シリコーンオイル、その他のオイル等の、公知の加熱冷却に用いられる有機物または無機物の液体を用いることができる。
また、熱輸送流体には、その使用目的に応じた添加剤等が含有されていても良い。例えば、自動車の冷却系に用いる熱輸送流体としては、水とエチレングリコールまたはプロピレングリコールとの混合物等、公知のものを使用することができる。防錆剤などの添加剤であっても良い。

熱輸送流体中には、マイクロカプセル１及び第二の熱伝導性粒子５を安定的に分散させるため、分散剤６を添加することができる。
すなわち、疎水性相互作用によりマイクロカプセル１が凝集する場合には、アルキルベンゼンスルホン酸塩、αオレフィンスルホン酸塩、ナフタレンスルホン酸塩等のアニオン系界面活性剤、牛脂ジアミンジオレイン酸塩、ヤシジアミンジアジピン酸塩、アルキルトリメチルアンモニウム塩、ジアルキルジメチルアンモニウム塩等のカチオン系界面活性剤、グリセリン脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、アルキルグリセリルエーテル等のノニオン系の界面活性剤を用いて、凝集を防止することができる。

また、ポリ（メタ）アクリル酸、ポリビニルピロリドン等の水溶性ポリマを添加して熱輸送流体の粘度を調整することにより、熱伝導性粒子４またはマイクロカプセル１の沈降、浮上を抑制することもできる。なお、マイクロカプセル１の沈降、浮上の抑制は、マイクロカプセル１に含ませる熱伝導性粒子４の量を変えてマイクロカプセル１の比重を調整することによっても行なうことができる。
なお、分散剤６を使用せずに本発明の熱輸送流体を構成することも可能であることはいうまでも無い。

熱輸送流体に分散させる第二の熱伝導性粒子５には、第一の熱伝導性粒子４と同様の、金属粒子及び炭素構造体の中から選択される１種類の粒子を用いることができる。また、２種類以上の粒子を組み合わせて用いることもできる。
粒子径に関しては、熱輸送流体の配管等における閉塞を防止するために小さいほうが好ましい。
また、自動車などの内燃エンジンの冷却水に用いる第二の熱伝導性粒子５の場合には、熱輸送流体の動粘性率の上昇を抑えるため、添加量を熱輸送流体に対して６０ｗｔ％以下にすることが好ましい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。本実施形態では自動車エンジンの冷却システムを例に取り上げたが、本発明のマイクロカプセル及び熱輸送流体は他の機械装置の冷却システムにも適用できる。例えば、冷凍用ブライン、あるいは大規模な空調用の熱輸送流体等に適用すると、吸収・放出可能な熱量及び、熱伝導率の増大効果を顕著に奏することができる。

次に、本発明の効果を確認した実施例について説明する。前記実施形態の熱輸送流体を自動車のエンジン用冷却水として用い、従来のエンジン用冷却水と比熱、熱伝導率を比較した。
この実施例ではマイクロカプセル１の壁材３にメラミン樹脂を用い、マイクロカプセル１に封入する潜熱蓄熱物質２にステアリン酸を用いた。また、本実施例の熱輸送流体は、このマイクロカプセル１と、第二の熱伝導性粒子５と分散剤６とで構成した。

第二の熱伝導性粒子５としてカーボンナノチューブ(ＣＮＴと記す)を用い、分散剤６として亜鉛プロトポリフィンを用いて、これらを水とエチレングリコールとの５０ｗｔ％混合液（以下ＥＧ５０％水と記す）に分散させた。なお、本実施例で使用したＣＮＴは気相成長法によって製造した多層カーボンナノチューブであり、熱伝導率は約２０００Ｗ／ｍ・Ｋ、チューブ径は１７〜２３ｎｍ、チューブ長は０．５μｍである。また、本実施例で用いたステアリン酸の融点は７１℃、融解熱は２１０ｋＪ／ｋｇである。

＜マイクロカプセル１の製造＞
本実施例のマイクロカプセル１は、潜熱蓄熱物質２としてステアリン酸、マイクロカプセル１の壁材３としてメラミン樹脂を用いて、Ｉｎ−Ｓｉｔｕ法により製造した。

メラミン粉末５ｇに３７％ホルムアルデヒド水溶液６．５ｇと水１０ｇを加え、ｐＨを８に調製した後、約７０℃まで加熱して、メラミン−ホルムアルデヒド初期重合物水溶液を得た。
次に、ｐＨを４．５に調製したアルキルベンゼンスルホン酸塩（花王株式会社製ネオペレックスＧＳ）５ｗｔ％を含む水溶液１００ｇ中に、潜熱蓄熱物質２としてステアリン酸８０ｇを激しく攪拌しながら添加し、乳化を行った。この乳化液に前記したメラミン−ホルムアルデヒド初期重合物水溶液全量を添加し、７０℃で２時間攪拌して固形部分の濃度が約４５％であるマイクロカプセル１を含有する水溶液を得た。この水溶液を以下マイクロカプセル溶液という。

得られたマイクロカプセル１水溶液中の粒子径は１０μｍ、壁膜厚は１．０μｍであった。

＜冷却水の調製＞
ＥＧ５０％水の１００重量部に対し、前記した方法で製造したマイクロカプセル溶液を２２重量部、ＣＮＴを０．２重量部、亜鉛プロトポリフィンを０．１重量部添加し、激しく撹拌して熱輸送流体を得た。

このようにして調製した熱輸送流体の熱伝導率と比熱を表１の実施例に示す。なお、表１で比較用に示した比較例３のマイクロカプセル溶液を２２重量部含むＥＧ５０％水、及び比較例４のＣＮＴを２．５重量部含むＥＧ５０％水には分散剤（亜鉛プロトポリフィン）が０．１重量部含まれており、熱輸送流体と同様に、激しく撹拌して試料を調製した。

表１に示したように、現在の自動車用冷却水のＥＧ５０％水（比較例１）の熱伝導率と比熱は、水（比較例２）より劣っている。
また、比較例１と比較例３から、マイクロカプセル１は熱伝導率を下げ、比熱を上昇させる効果があり、一方、比較例１と比較例４から、ＣＮＴは熱伝導率を上昇させ、比熱を下げる効果があることがわかる。

そして、両者が添加された熱輸送流体（実施例１）では、熱伝導率及び比熱が自動車エンジン冷却に用いられているＥＧ５０％水（比較例１）だけでなく、水（比較例２）と比較しても優れていることがわかる。すなわち、潜熱蓄熱物質２（ステアリン酸）が封入されたマイクロカプセル１及び第二の熱伝導性粒子５により、熱伝導率及び比熱が改善された熱輸送流体が得られることがわかる。

この自動車エンジン冷却用の熱輸送流体の効果について、図３を参照して説明する。
図３（ａ）は本発明の熱輸送流体を、エンジンの冷却システム１０に適用した場合の概略図である。
エンジンの冷却システム１０は発熱体であるエンジンのシリンダ冷却部１１と、放熱体であるラジエータ部１２との間を、自動車エンジンの冷却用の熱輸送流体が循環ポンプ１３により循環させられる構成となっている。

図３（ｂ）は、安定走行状態において、エンジンの冷却システム１０の冷却液が保有する熱量の変化を、本発明の熱輸送流体を用いた場合と、従来のＥＧ５０％水を用いた場合とを比較して示した概念図である。
図３（ｂ）の縦軸は熱量（Ｊ）で、横軸は時間（秒）である。図３（ｂ）の直線の傾きが大きいほど、熱伝導率が大きいことを表す。なお、図３（ｂ）では、近似的にステアリン酸の熱伝導率は相転移点の前後で一定であるとしている。

本発明の熱輸送流体が循環ポンプ１３によりシリンダ冷却部１１に達したとき、シリンダ冷却部１１の熱は、熱輸送流体中の第二の熱伝導性粒子５を介して速やかにマイクロカプセル１中の潜熱蓄熱物質２に伝えられる。そして、潜熱蓄熱物質２が相転移点において温度一定で融解して、シリンダ冷却部１１の熱を潜熱として蓄えることにより、従来のＥＧ５０％水よりも大きな熱量を蓄える。
これに対して、ＥＧ５０％水を用いた場合は、潜熱蓄熱は行なわれず、また熱伝導率及び比熱が本発明の熱輸送流体よりも小さいため、熱量の増加速度及び蓄えられる熱量ともに小さくなる。

次に、シリンダ冷却部１１で熱を蓄えた熱輸送流体は、循環ポンプ１３によりラジエータ部１２へ移送され、走行風によって冷却され、元の温度に戻る。
本発明の熱輸送流体の場合、マイクロカプセル１中の潜熱蓄熱物質２に蓄えられた潜熱は、第二の熱伝導性粒子５を介して速やかにラジエータ部１２の走行風が当たる面に伝導される結果、熱輸送流体が速やかに冷却される。
これに対して、ＥＧ５０％水を用いた場合は、熱伝導率が本発明の熱輸送流体よりも小さいため、熱量の減少速度は小さいが、保有していた熱量も小さいため、熱輸送流体と同様に元の温度に戻る。

図３（ｂ）に示したように、本発明の熱輸送流体を用いれば、同一のエンジンの冷却システムで冷却水の熱輸送量を増やすことができる。別言すれば、本発明の熱輸送流体を用いれば、従来のものよりも小型のエンジンの冷却システムを用いて、従来と同一の熱輸送量を得ることが可能になる。
従来のエンジンの冷却システムを小型化することが可能になれば、自動車の軽量化が図れるだけでなく、ラジエータの小型化が可能になり、車体のデザインの自由度が増す。

実施形態に係る壁材内部に潜熱蓄熱物質が封入されたマイクロカプセルの模式図である。 実施形態に係る熱輸送流体の概念図である。６分散剤の表記は、熱輸送流体に分散剤６が完全に溶解していることを表す。 本発明の熱輸送流体をエンジンの冷却システムに適用した場合の概略図である。

符号の説明

１ マイクロカプセル
２ 潜熱蓄熱物質
３ 壁材
４ 第一の熱伝導性粒子
５ 第二の熱伝導性粒子
６ 分散剤

Claims (9)

1. 壁材の内部に相転移を伴う潜熱蓄熱物質が封入されたマイクロカプセルであって、
   前記壁材と、前記潜熱蓄熱物質との、少なくとも一方が第一の熱伝導性粒子を備えたことを特徴とするマイクロカプセル。
2. 前記第一の熱伝導性粒子が、熱伝導率０．６Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、
   かつ粒子径１００ｎｍ以下の金属粒子と、炭素構造体との、
   少なくとも一方であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロカプセル。
3. 前記潜熱蓄熱物質が、融点２０℃から１００℃の有機化合物であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロカプセル。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマイクロカプセルが流体中に分散されていることを特徴とする熱輸送流体。
5. 壁材の内部に相転移を伴う潜熱蓄熱物質が封入されたマイクロカプセルと、
   第二の熱伝導性粒子と
   が流体中に分散されていることを特徴とする熱輸送流体。
6. 前記マイクロカプセルが、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマイクロカプセルであることを特徴とする
   請求項５に記載の熱輸送流体。
7. 前記第二の熱伝導性粒子が、熱伝導率０．６Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、
   かつ粒子径１００ｎｍ以下の金属粒子と、炭素構造体との、
   少なくとも一方であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の熱輸送流体。
8. 流体中に、水を２０ｗｔ％以上含有することを特徴とする請求項４から請求項７のいずれか１項に記載の熱輸送流体。
9. 流体中に、分散剤を含有することを特徴とする請求項４から請求項８のいずれか１項に記載の熱輸送流体。

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