JP4509075B2 - 含ヘテロ原子カーボンナノカプセルを有する熱伝導流体 - Google Patents
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Description
本発明は熱伝導流体に関し、より詳細にはヘテロ原子を含むカーボンナノカプセルを有する熱伝導流体に関するものである。
電力の消費は、コンピュター、電子機器または通信機器などの装置動作時に熱を発生させる。装置の老朽化の速度は、その動作温度と正比例の関係にあるため、発生した熱の影響から装置を保護するには、その動作温度を所定の範囲内に保たなければならない。従って、優れた放熱機能を持つ装置を設計することが重要となっている。
技術の進歩と発展に伴い、電子製品の使用は、より便利かつ高効率となる傾向にあり、それは小型化、多機能化、および高効率動作をもたらす。半導体工業および集積回路（ＩＣ）設計に関しては、電子素子の小型化、高集積化および多機能化など重要な改良の達成には成功しているけれども、信頼性の問題は電子素子の動作時における熱の発生に起因している。
しかし、電子装置に用いられる放熱板や小型ファンを装着させた従来の冷却装置では、電子装置の有効な放熱効果的への要求を満たすことができない。そのうえ、ファンの動作時にノイズが発生する。
近年の携帯電話、ＰＤＡおよびノートブックコンピューター等の電子製品の進歩と広範な応用によって、より長時間の動作が可能で占有場所の小さい電子製品への需要が増大している。これにより装置に熱が過剰に蓄積し集中してしまうため、放熱技術における新たな課題が生まれている。
したがって、流体冷却などの高効率放熱技術が必要とされることが多くなってきている。ノートブックコンピューター用の従来の流体冷却システムにおいては、一般に熱伝導流体として純水が用いられる。しかしながら、使用において多くの場合、純水の熱伝導度は非常に低く、熱伝達速度が非常に遅いためヒートパイプの作動効率は不十分である。
それゆえに、ノートブックコンピューターのような電子装置用の高熱伝導度と好適な流動性を持つ斬新な熱伝導流体の開発が必要である。
上述に鑑みて、本発明の目的は、マイクロ流動熱交換器（Micro-Fluid Heat Exchanger）のような放熱システム用冷却流体として用いる、カーボンナノカプセルを有する熱伝導流体を提供することにある。
本発明の熱伝導流体は、ヘテロ原子を含むカーボンナノカプセルを有する熱伝導流体であって、流体と、流体中に均一に分散している複数のヘテロ原子を含むカーボンナノカプセルとを含み、該含ヘテロ原子カーボンナノカプセルの割合は熱伝導流体１００重量部当たり０．０１から１０重量部、好ましくは０．０５から４重量部である。
含ヘテロ原子カーボンナノカプセルは、下記の化学式で示される閉じたグラファイト層を有したヘテロ原子を含むカーボンナノカプセルである。
Ｃ（ＤX）
Ｃ（ＤX）
式中、Ｃはｓｐ2混成軌道を示す炭素を表し、Ｄは前記炭素に結合する周期律表IIIまたはＶ族のある原子を表し、Ｘは炭素１モル等量当たりのモル等量である０．０００１〜０．１を表す。
この含ヘテロ原子カーボンナノカプセルは流体中に分散し易く、そのうえ、優れた熱伝導性を持つことから熱伝導流体の熱伝導能力が高められる。
特に、ＤはＮ、Ｂ、ＰまたはＳ原子を含み、さらに共有結合あるいは配位結合により水素、アルキル基、アルコキシ基、ハロゲン、水酸基、アミノ基、金属または金属錯体と結合できる。
本発明に係わる含ヘテロ原子カーボンナノカプセルを有する熱伝導流体は、優れた熱伝導性および流動性を有しており、放熱システムに用いられて優れた放熱効果を発揮する。
本発明の上記に述べた目的、特長、長所等をさらに分り易く、図面をもって下記の通り説明を行う。
本発明の熱伝導流体は、流体、および流体中に均一に分散する多数の含ヘテロ原子カーボンナノカプセルを含む。流体は、水または有機溶媒（アルコールまたはエンジンオイルなど）とすることができる。本発明の一部実施形態において、流体は、水、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール，ｉｓｏ−プロパノール、ｎ−ブタノール、ｉｓｏ−ブタノール、ｔ−ブタノール、ｔ−ペンタノール、エチレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、スチレン、酢酸エチル、トルエン、キシレン、メチルエチルケトン、アセトン、エンジンオイルまたはそれらの組合せであり得る。
本発明における含ヘテロ原子カーボンナノカプセルは、ヘテロ原子を含むカーボンナノカプセルであり、完全に閉じた多面体グラファイト層を有する多面体カーボンクラスターとなることができる。本発明のヘテロ原子を含むカーボンナノカプセルにおいて、図１に示すように、いくつかの炭素原子は窒素、ホウ素、リンおよびイオウなどの周期律表IIIおよびＶ族の原子で置換される。該ナノカプセルはそのドープしたヘテロ原子のために正孔リッチあるいは電子リッチの強磁性といったIIIおよびＶ族原子の特性を示す。ヘテロ原子で炭素原子を置換したグラファイト層は５員環および６員環で構成され、その原子はｓｐ2混成軌道を示す。ヘテロ原子を含むカーボンナノカプセルは、グラファイトの特性を保ちながら不飽和２重結合構造を示す。
図２はＢ−ドープカーボンナノカプセルの電子常磁性共鳴スペクトルであり、カーボンナノカプセルのヘテロ原子（Ｄ）が孤立電子対を有していることがわかる。
Ｎなどのヘテロ原子は、ｓｐ3混成軌道を示す傾向にあり、かつ、多面体グラファイト層のコーナー、すなわち５員環に位置する傾向にあるため、ヘテロ原子を含むカーボンナノカプセルは、非ドープのカーボンナノカプセルと比較して優れた電気伝導性および熱伝導性を示す。理論的には、多面体グラファイト層のコーナーにあるＮ原子は、６員環における配置と異なったものとなる。ヘテロ原子を含むカーボンナノカプセルの多面体グラファイト層は、限定されないが１２個のコーナーを有するものとすることができる。図３は本発明の実施形態における含ヘテロ原子カーボンナノカプセルの高分解能ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）写真である。
ヘテロ原子（Ｎ、Ｂ、Ｐ、またはＳ原子など）の電子リッチあるいは電子不足特性により、含ヘテロ原子カーボンナノカプセルは水または高い極性溶媒に分散し易くなる。さらに、カーボンナノカプセルのヘテロ原子は水素、アルキル基、アルコキシ基、ハロゲン基、水酸基、アミノ基、金属または金属錯体と結合し帯電することで、流体中へのカーボンナノカプセルの溶解度がさらに改善される。
本発明の一部の実施形態において、カーボンナノカプセルはＮ−ドープカーボンナノカプセルである。図４を参照に説明すると、窒素原子が水素イオン（Ｈ+）と結合すると、正電荷は窒素原子に移動し、その結果、Ｎ−ドープカーボンナノカプセルは正電荷に帯電する。よって、カーボンナノカプセルは電気の作用により界面活性剤の添加なしで流体中に均一に分散することができる。
カーボンナノカプセルは中空であり、グラファイト層を含んでいてもよい。さらに、カーボンナノカプセルは二層のグラファイト層を含み、例えば、金属、金属酸化物、金属炭化物、金属硫化物、金属窒化物、ホウ酸塩金属、または合金などの充填物をナノカプセル重量に対して０．１から８０ｗｔ％内包してもよい。好適な金属および金属状物質(metallines)は、Ｓｃ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ、Ｔａ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｈ、Ｕ、またはそれらの組み合わせであるが、これらのみに限定されるものではない。磁性の充填物を内包したカーボンナノカプセルを有する熱伝導流体は磁気活性を示し、マイクロ流体熱交換器にて、磁界および電界が印加されることにより利用される。
含ヘテロ原子カーボンナノカプセルは優れた熱伝導性（１８００Ｗ／ｍＫ以上）と広い表面積、および軽量特性を持っているため、その熱伝導流体は熱をより効果的に除去するのに一層適したものとなる。さらに、カーボンナノカプセルは直径が１００ｎｍ未満(大部分は３０から４０ｎｍ)であり、優れた熱安定性を持っていることから、その熱伝導流体は直径１０μｍ未満のマイクロ流体熱交換器（Micro-Fluid Heat Exchanger）を用いる放熱システムに適している。
含ヘテロ原子カーボンナノカプセルを有する熱伝導流体の製造
１００ｍｇのＮ−ドープナノカプセルを１００ｇの純水に添加し、０．１ｗｔ％の含ヘテロ原子カーボンナノカプセルを有する熱伝導流体を得た。
１００ｍｇのＮ−ドープナノカプセルを１００ｇの純水に添加し、０．１ｗｔ％の含ヘテロ原子カーボンナノカプセルを有する熱伝導流体を得た。
水溶性カーボンナノカプセルを有する熱伝導流体の特性
上記０．１ｗｔ％の含ヘテロ原子カーボンナノカプセルを有する熱伝導流体の特性について測定した結果を表１に示す。
上記０．１ｗｔ％の含ヘテロ原子カーボンナノカプセルを有する熱伝導流体の特性について測定した結果を表１に示す。
表１に示したように熱伝導流体の熱伝導度は純水よりも大きいことから、含ヘテロ原子カーボンナノカプセルの添加は水の放熱能力を高める。
以上、好適な実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれら実施例に限定はされないと解されるべきであり、つまり本発明は、当業者であれば自明であるような各種変更および均等な構成を含むものである。上に掲げた実施例は、本発明の原理を説明するための最良の態様を提示すべく選択し記載したものである。即ち、添付の特許請求の範囲は、かかる各種変更および均等なアレンジが全て包含されるように、最も広い意味に解釈されるべきである。
Claims (13)
- 流体と、前記流体中に均一に分散する複数の含ヘテロ原子カーボンナノカプセルとを含み、
前記含ヘテロ原子カーボンナノカプセルが、炭素原子が周期律表IIIおよびＶ族の原子で置換されるカーボンナノカプセルであるカーボンナノカプセルを有する熱伝導流体。 - 前記含ヘテロ原子カーボンナノカプセルの割合が、前記熱伝導流体１００重量部当たり０．０１から１０重量部である請求項１記載のカーボンナノカプセルを有する熱伝導流体。
- 前記含ヘテロ原子カーボンナノカプセルが、下記の化学式：
Ｃ（ＤX）
（式中、Ｃはｓｐ2混成軌道を示す炭素を表し、Ｄは前記炭素に結合する周期律表IIIまたはＶ族のある原子を表し、Ｘは炭素１モル等量当たりのモル等量である０．０００１〜０．１を表す）で示される閉じたグラファイト層を有したヘテロ原子を含むカーボンナノカプセルである請求項１記載のカーボンナノカプセルを有する熱伝導流体。 - 前記含ヘテロカーボンナノカプセルが、球を内包した球殻構造を持つ多層のグラファイト層を構成する多面体カーボンクラスターである請求項１記載のカーボンナノカプセルを有する熱伝導流体。
- 前記ＤがＮ、Ｂ、Ｐ、またはＳ原子を含む請求項３記載のカーボンナノカプセルを有する熱伝導流体。
- 前記Ｄが水素、アルキル基、アルコキシ基、ハロゲン、水酸基、アミノ基、金属または金属錯体と結合する請求項３記載のカーボンナノカプセルを有する熱伝導流体。
- 前記含ヘテロ原子カーボンナノカプセルが中空である請求項１記載のカーボンナノカプセルを有する熱伝導流体。
- 前記含ヘテロ原子カーボンナノカプセルが、金属、金属酸化物、金属炭化物、金属硫化物、金属窒化物、ホウ酸塩金属または合金を充填してなる金属内包カーボンナノカプセルである請求項１記載のカーボンナノカプセルを有する熱伝導流体。
- 前記金属、金属酸化物、金属炭化物、金属硫化物、金属窒化物、ホウ酸塩金属または合金の金属原子がＳｃ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｌｕ、Ｔａ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｈ、Ｕ、またはそれらの組み合わせである請求項８記載のカーボンナノカプセルを有する熱伝導流体。
- 前記含ヘテロ原子カーボンナノカプセルの直径が１〜１００ｎｍである請求項１記載のカーボンナノカプセルを有する熱伝導流体。
- 前記流体が水、有機溶媒、またはそれらの組み合わせである請求項１記載のカーボンナノカプセルを有する熱伝導流体。
- 前記流体がアルコールである請求項１記載のカーボンナノカプセルを有する熱伝導流体。
- 前記流体が水、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール，ｉｓｏ−プロパノール、ｎ−ブタノール、ｉｓｏ−ブタノール、ｔ−ブタノール、ｔ−ペンタノール、エチレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、スチレン、酢酸エチル、トルエン、キシレン、メチルエチルケトン、アセトン、エンジンオイル、またはそれらの組合せである請求項１記載のカーボンナノカプセルを有する熱伝導流体。
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