JP2009040803A

JP2009040803A - 伝熱媒体

Info

Publication number: JP2009040803A
Application number: JP2007203966A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Abe; 宜之阿部; Raphael Savino; ラファエルサヴィーノ
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2007-08-06
Filing date: 2007-08-06
Publication date: 2009-02-26

Abstract

【課題】熱伝達特性、及び流動特性が向上し、宇宙環境や寒冷地等の過酷な環境下でも使用することのできる伝熱媒体を提供する。
【解決手段】凝固点調整剤を溶解した水溶液１００重量部に対して、炭素数４〜１０のアルコール０．０００１〜３０重量部を添加することにより伝熱媒体を構成する。好ましいアルコールとしては、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノールから選択されたものが使用される。また、好ましい凝固点調整剤としては、アンモニア、酢酸塩、及びギ酸塩から選択されたものが使用される。
【選択図】図３

Description

本発明は、宇宙、地上の様々な廃熱源の冷却技術に用いられる伝熱媒体に関するもので、従来の伝熱媒体、伝熱装置の冷却特性の向上を図るものである。

電子機器、熱機関等の多種多様な装置において発生する廃熱を除去するために、液体の伝熱媒体を用いた冷却装置が広く用いられている。
例えば、図１はヒートパイプの構成を示す図であり、毛細管力を有する多孔体であるウィックにより、凝縮部で液化した作動媒体が毛細管力により蒸発部に供給され、蒸発部で熱源からの熱により気化して、凝縮部に移動する。

また、図２は一般的な蒸発器、凝縮器の構成を冷凍サイクルを例に示したもので、熱源からの熱により蒸発器で作動媒体が気化し、凝縮器で液化後、ポンプにより蒸発器に循環される。
このような伝熱装置において、熱媒体の選択は伝熱技術において極めて重要な課題となっている。例えば、発明者は炭素数４から１０のアルコールの水溶液を伝熱媒体とすることによって、水を作動媒体として用いていた従来のヒートパイプにおいて、大幅な性能向上を図ることができた。（特許文献１参照）
特許第３４１６７３１号公報

一方、宇宙環境、寒冷地など、環境温度が水、あるいは上記発明で用いられている希薄なアルコール水溶液の凝固点よりも著しく低い状況での伝熱媒体としては、特殊な例として有機液体の寒剤が用いられる場合を除き、主として塩化カルシウム水溶液、エチレングリコール水溶液、ポリプロピレン水溶液を主成分とした水溶液系の不凍液が用いられてきた。（例えば、特許文献２、３参照）
特開平６−３３２７４号公報特開平８−２６９７５１号公報

しかし、塩化カルシウム水溶液はその腐食性の高さから、近年は使用されることが少なくり、またエチレングリコール水溶液も環境への悪影響から、いずれ使用が制限される方向である。
代替品としてプロピレングリコール水溶液系の不凍液が市場に出ているが、プロピレングリコール水溶液は、比較的粘度が高く、また熱伝導率も低いため熱伝達特性に劣り、その結果、所定の廃熱量を可能にするための伝熱面積が大きくならざるを得ず、コンパクト化、軽量化、低コスト化が強く望まれている。

近年、有機酸塩系水溶液が新たな不凍液として注目されており、酢酸塩、ギ酸塩系水溶液が次世代の不凍液として注目されている。
また、宇宙用の伝熱媒体としてアンモニアが一般に用いられているが、近年の宇宙ミッションの高度化により、従来のアンモニアによる廃熱温度の上限である８０℃を上回る１５０℃〜２００℃での熱制御の要求が高まっている。濃度を変えて凝固点を調整したアンモニア水溶液は、従来のアンモニアに替わる作動媒体になり得る。

これらの新作動媒体を用いる際には、特に寸法が小さくなり、また重力が消失した環境下では、表面張力の影響を顕著に受ける。
液体の表面張力は温度の上昇と共に低下するため、表面張力勾配に起因し、表面張力の低い界面から高い界面に向かう表面張力流（マランゴニ効果と呼ばれる）が生じる。その結果、マランゴニ効果により、温度の高い部分から低い部分に流れが発生し、これは温度の高い部分を冷却する本来の冷却効果とは逆効果となるため、顕著な伝熱劣化を引き起こす。また、気泡を含んだ流れにおいて、マランゴニ効果は圧力損失を増大させる方向に作用する指摘もある。

したがって、本発明は上記従来技術の問題点を解消して、熱伝達特性、及び流動特性が向上し、宇宙環境や寒冷地等の過酷な環境下でも使用することのできる伝熱媒体を提供することを目的とする。
熱伝達が２倍となれば必要とされる伝熱面積は１／２となり、熱交換器のコンパクト化、軽量化、低コストを図ることができる。また、流動における圧力損失の低減は、ポンプ動力の低減となり、省エネルギー効果と共に、コンパクト化、軽量化、低コスト化を図ることができる。

本発明者等は鋭意検討した結果、水溶液系の伝熱媒体に炭素数４〜１０のアルコールを配合し、伝熱媒体の表面張力を変化させることによって熱伝達特性の向上、流動特性の向上が可能となることを見出し、本発明を完成させたものである。
すなわち、本発明は下記の構成１〜７を採用するものである。
１．凝固点調整剤を溶解した水溶液１００重量部に対して、炭素数４〜１０のアルコール０．０００１〜３０重量部を添加したことを特徴とする伝熱媒体。
２．前記アルコールが、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノールから選択されたものであることを特徴とする１に記載の伝熱媒体。
３．前記凝固点調整剤が、アンモニア、酢酸塩、及びギ酸塩から選択されたものであることを特徴とする１又は２に記載の伝熱媒体。
４．前記凝固点調整剤の配合量が前記水溶液を基準として、０．１〜９０重量％であることを特徴とする３に記載の伝熱媒体。
５．前記凝固点調整剤がアンモニアであることを特徴とする３又は４に記載の伝熱媒体。
６．前記凝固点調整剤が酢酸塩であることを特徴とする３又は４に記載の伝熱媒体。
７．前記凝固点調整剤がギ酸塩であることを特徴とする３又は４に記載の伝熱媒体。

本発明では、上記構成を採用することによって、伝熱媒体の表面張力が温度上昇に伴い増大する特異な性質が付与された結果、マランゴニ対流は表面張力の低い低温部から表面張力の高い高温部へと作用するため、ヒートパイプや熱交換器において以下のような効果が得られる。
・ヒートパイプ内部のウィックによる作動液体の凝縮部から蒸発部への循環の促進。
・ヒートパイプにおけるドライアウトの抑制。
・高温部分への低温液体の供給による自発的冷却効果の発現。
・沸騰気泡の発泡点への自発的な低温液体供給による、沸騰気泡の成長抑制、発泡促進。
・上記による伝熱面からの離脱気泡の排除の促進。
・蒸発器伝熱面における乾燥面形成、バーンアウトの抑制。
・気液二相流における圧力損失の低下。

本発明では、凝固点調整剤を溶解した水溶液１００重量部に対して、炭素数４〜１０のアルコール０．０００１〜３０重量部を添加することにより伝熱媒体を構成する。
本発明で使用する炭素数４〜１０のアルコールとしては、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、ナノノール、デカノール等の直鎖モノアルコール類や、ジメチルヘプタノール、ジメチルペンタノール、メチルオクタノール等の分岐モノアルコール類、テトラメチレングリコール、ペンタメチレングリコール等のグリコール類が例示される。好ましいアルコールとしては、比較的水に対する溶解度が高く、物性が把握されているブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール等が挙げられる。

本発明では、これらのアルコールを添加することによって、凝固点調整剤を溶解した水溶液からなる伝熱媒体の表面張力の温度依存性を著しく変化させることができる。
これらのアルコールの添加量は、凝固点調整剤を溶解した水溶液を基準として、下限が０．０００１重量％であり、上限は伝熱媒体の使用温度における飽和溶解量の３００重量％である。好ましい添加量としては、通常は０．００１〜２０重量％、特に０．０１〜１０重量％である。アルコールの添加量が下限値よりも少ない場合には、伝熱媒体の表面張力の温度依存性を所望のように変化させることができない。一方、上限値よりも多い場合には過飽和という不都合が発生する。

本発明において、伝熱媒体の主成分となる水溶液中に溶解する凝固点調整剤としては、アンモニア、酢酸塩、及びギ酸塩から選択された１種又は２種以上の化合物を使用することができる。
酢酸塩としては、例えば酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、酢酸リチウム、酢酸カルシウム、酢酸マグネシウム、酢酸ケイ素、酢酸マンガン、酢酸ニッケル、酢酸スズ、酢酸鉄、酢酸銅、酢酸コバルト、酢酸カルシウム・マグネシウム、酢酸銅カリウム、酢酸銅カルシウムから選ばれた１種又は２種以上を使用することができる。
ギ酸塩としては、例えばギ酸ナトリウム、ギ酸カリウム、ギ酸リチウム、ギ酸カルシウム、ギ酸マグネシウム、ギ酸ケイ素、ギ酸マンガン、ギ酸ニッケル、ギ酸スズ、ギ酸鉄、ギ酸銅、ギ酸コバルト、ギ酸カルシウム・マグネシウム、ギ酸銅カリウム、ギ酸銅カルシウムから選ばれた１種又は２種以上を使用することができる。

これらの凝固点調整剤の配合量は、水溶液全体を基準として、０．１〜９０重量％、好ましくは１〜６０重量％、特に好ましくは５〜４０重量％とすることができる。
凝固点調整剤の配合量が下限値よりも少ない場合には、凝固点降下が望めず、一方、上限値よりも多い場合には、腐食性が顕著となる場合が多く、また配合量が少ない場合と同様に十分な凝固点降下が得られない場合もある。

図３は、伝熱媒体としてアンモニア水溶液（アンモニアの配合量１０重量％）に１−ヘプタノール０．１重量％を添加した伝熱媒体を例に挙げて、その表面張力の変化の様子を示したものである。（後記の実施例１参照）
通常のアンモニア水溶液においては、一般的な液体に見られるように、表面張力が温度の上昇に伴い低下する。しかしながら、わずかな量の１−ヘプタノールを添加することによって、表面張力は逆に温度の上昇に伴い増大する性質を有するように変化する。
同様な効果は、ギ酸塩、酢酸塩水溶液系の不凍液においても発現し、また炭素数が４〜１０の他のアルコールを添加することによっても発現することが、発明者によって確認されている。例えば同じアンモニア水溶液（アンモニアの配合量１０重量％）に１−ブタノールを５重量％添加した伝熱媒体、同じアンモニア水溶液に１−ペンタノールを２重量％添加した伝熱媒体等についても、同様の効果を得ることができる。（実施例２および３参照）

つぎに、実施例により本発明の伝熱媒体についてさらに説明するが、以下の具体例は本発明を限定するものではない。
（実施例１）
水溶液を基準としてアンモニア１０重量％を溶解したアンモニア水溶液に、１−ヘプタノール０．１重量％を配合することによって、伝熱媒体を調製した。
この伝熱媒体について測定した、温度と表面張力の関係を図３に点線で示した。また、比較のために、水、及び１−ヘプタノールを配合していない上記のアンモニア水溶液について、同様に測定した温度と表面張力の関係を図３に実線で示した。

この伝熱媒体を作動液体として、図１に示す直径４ｍｍの円筒状のウィック型ヒートパイプに用いて水平配置とし、一端を加熱し、他端を水冷によって冷却することによって、作動媒体の熱輸送能力を評価した。比較のために、１−ヘプタノールを添加していないアンモニア水溶液を作動液として用いて、同様にして作動媒体の熱輸送能力を評価した。
実施例１の伝熱媒体を使用したヒートパイプでは、１−ヘプタノールを添加していないアンモニア水溶液を作動液とした場合に比べて、最大で２倍の熱輸送能力を有する結果が得られた。

また、これらの伝熱媒体を作動液体として、直径２０ｍｍの平滑な表面を有する銅製の伝熱面を用いて、液体全体を飽和温度に保ち、徐々に伝熱面に印加する熱流束を増大させて、プール沸騰熱伝達率を測定したところ、作動液体に１−ヘプタノールを添加することによって、無添加の作動液体を用いた沸騰熱伝達率に比べて、最大で１．７倍の熱伝達率を達成する結果が得られた。

（実施例２）
実施例１において、アンモニア水溶液に配合するアルコールとして、１−ヘプタノールに代えて１−ブタノール５重量%を使用した以外は、実施例１と同様にして伝熱媒体を製造した。
この伝熱媒体を用いて、同様に温度と表面張力の関係を測定したところ、実施例１の伝熱媒体と同様の結果が得られた。

（実施例３）
実施例１において、アンモニア水溶液に配合するアルコールとして、１−ヘプタノールに代えて１−ペンタノール２重量%を使用した以外は、実施例１と同様にして伝熱媒体を製造した。
この伝熱媒体を用いて、同様に温度と表面張力の関係を測定したところ、実施例１の伝熱媒体と同様の結果が得られた。

（実施例４）
水溶液を基準として酢酸カリウム４０重量％を溶解した水溶液に、１−ヘプタノール０．１重量％を配合することによって、伝熱媒体を調製した。
この伝熱媒体は、実施例１の伝熱媒体と同様に良好な熱輸送能力、熱伝達率を示すものであった。

（実施例５）
水溶液を基準としてギ酸マグネシウム４０重量％を溶解した水溶液に、１−ヘプタノール０．１重量％を配合することによって、伝熱媒体を調製した。
この伝熱媒体は、実施例１の伝熱媒体と同様に良好な熱輸送能力、熱伝達率を示すものであった。

実施例１の伝熱媒体を用い、プール沸騰熱伝達率を測定した実験装置を用いて得られた限界熱流束（沸騰による除熱可能最大熱流束）は、１−ヘプタノールを添加しないアンモニア水溶液（アンモニア１０重量％）を用いた場合の限界熱流束に比べて、最大で２．５倍の限界熱流束を達成する結果が得られた。
また、実施例１の伝熱媒体のサブクール度を３０℃とし、直径２ｍｍ、長さ２５０ｍｍの円滑管内の流動沸騰（流速約０．３ｍ／秒）における沸騰熱伝達率は、１−ヘプタノール無添加のアンモニア水溶液（アンモニア１０重量％）を用いた場合の沸騰熱伝達率に比べて、最大で約１．８倍向上する結果が得られた。

同上の実験における限界熱流束（沸騰による除熱可能最大熱流束）においては、１−ヘプタノール無添加のアンモニア水溶液（アンモニア１０重量％）の限界熱流束に比べて、最大で約１．５倍の限界熱流束を達成する結果が得られた。
同上の実験において計測された圧力損失は、１−ヘプタノール無添加のアンモニア水溶液（アンモニア１０重量％）の作動液体を用いた場合の圧力損失に比べて、最高で約５０％の圧力損失低減を達成する結果が得られた。

２５０ｍｍ×２５０ｍｍの面積を有し、プレート間距離３ｍｍのプレート型熱交換器内での狭歪流路における流動沸騰熱伝達において、実施例１の伝熱媒体を用いて質量速度１００ｋｇ／ｍ^２ｓで流動させ、熱流束500 kW/m²の除熱を試みた場合、同一実験条件での除熱に要する伝熱面積は、１−ヘプタノール無添加のアンモニア水溶液（アンモニア１０重量％）を用いた場合の伝熱面積に比べて、最高で約６５％減少できる結果が得られた。

本発明で得られる伝熱媒体は、低温環境に曝される航空・宇宙分野における電子機器の冷却や閉鎖空間の温度調整、また寒冷地でも安定した性能が要求される鉄道、車輌、住宅、通信機器、電力機器、エネルギー機器、工業プラント等の各種機器の冷却システムや熱交換システムに使用可能であり、その利用可能な温度範囲は−５０℃から＋３００℃の極めて広範囲に及ぶ。

ウィック型ヒートパイプの構造と作動原理を示す図である。蒸発、凝縮を伴う熱機器の例（冷凍サイクル）を示す図である。実施例１で作成した伝熱媒体（アンモニア水溶液）の表面張力における高級アルコール添加の効果を示す図である。

Claims

凝固点調整剤を溶解した水溶液１００重量部に対して、炭素数４〜１０のアルコール０．０００１〜３０重量部を添加したことを特徴とする伝熱媒体。
前記アルコールが、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノールから選択されたものであることを特徴とする請求項１に記載の伝熱媒体。
前記凝固点調整剤が、アンモニア、酢酸塩、及びギ酸塩から選択されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の伝熱媒体。
前記凝固点調整剤の配合量が前記水溶液を基準として、０．０００１〜９０重量％であることを特徴とする請求項３に記載の伝熱媒体。
前記凝固点調整剤がアンモニアであることを特徴とする請求項３又は４に記載の伝熱媒体。
前記凝固点調整剤が酢酸塩であることを特徴とする請求項３又は４に記載の伝熱媒体。
前記凝固点調整剤がギ酸塩であることを特徴とする請求項３又は４に記載の伝熱媒体。