JP7010826B2 - 非金属又は金属品の熱伝達の方法 - Google Patents

Description

本発明は、非金属又は金属品の熱伝達の方法に関する。特に、方法は、鋼、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、鉄、銅合金、チタン、コバルト、金属複合材、ニッケルの各産業、又はプラスチック等の非金属産業に適している。

エネルギー消費の削減を目的として、熱交換器システムの性能を改善し、様々な熱伝達向上技術を導入することが可能である。技術のほとんどは、熱伝達性能の改善、すなわち熱伝達係数の改善に焦点を置いてきた。通常、空気圧又は流体、例えば水、エンジンオイル、エチレングリコール等が、時に熱伝達性能を改善するための添加剤と共に、熱伝達流体として使用される。

さらに、ナノテクノロジーにおける最近の調査により、ナノ粒子を含む熱伝達流体の新たなカテゴリーの開発が可能となった。「ナノ流体」とも呼ばれるそのような流体は、１００ｎｍ未満の少なくとも１つの寸法を有する粒子を含有する液体懸濁液である。これらの熱伝達流体は、通常、増加した熱伝達係数を有する。

そのような流体は、非金属又は金属と熱伝達流体との間の熱伝達、例えば冷却を加速するために使用され得る。例えば、製鋼産業において、熱間圧延における冷却工程の間、ランアウトテーブルは、帯鋼を、入口での約８００～９５０℃から、出口での４５０～６００℃まで冷却する。したがって、いくつかの鋼種に対しては、高い熱伝達係数を有する熱伝達流体が必要である。

しかしながら、時折、非金属又は金属品と熱伝達流体との間の熱伝達を減速させることが必要となる場合がある。例えば、中～高炭素鋼ロッドの製造の間、冷却は非常に重要なステップである。実際に、細かいパーライト微細構造を有する均一な品質のロッドを得るためには、冷却は非常に遅く制御される必要がある。冷却が速すぎる場合、改善された強度及び深絞り性を有する鋼ロッドの製造に有害である、マルテンサイト構造を得るリスクがある。

特許出願ＥＰ０１２６４８１は、オーステナイト構造を有する熱間圧延された中～高炭素鋼ロッドの膨張螺旋コイルに対する制御冷却を実行することによる、中～高炭素鋼ロッドの直接的熱処理の方法を開示している。冷却は、酸化ガス気泡の均一分散液を含有し、９５℃以下の所定温度に保持される強力な乱流作用下のガス気泡－水混合流体で構成される冷却剤を含有する槽に、コイルを通過させることにより実行される。

しかしながら、均一なサイズ分布を有する細かいガス気泡が得られないリスクがある。実際に、槽内の気泡ガスの体積は、制御するのが困難である。ガスが温水中に吹き込まれた場合、得られる気泡は温められ、平衡状態に達するまで温水が気泡内に蒸発し、その結果、気泡のほぼ瞬時の膨張が生じる。さらに、ガス気泡が互いに合体して単一のガス相を形成するのを回避するために、特定の空塔速度が順守される必要がある。最後に、酸化ガス気泡を含有するガス気泡－水混合流体を調製するために、大量のガスが必要である。その結果、工業規模において、そのようなガスを含有する流体の使用は取扱いが困難であり、費用対効果が大きい。

欧州特許出願公開第０１２６４８１号明細書

本発明の目的は、非金属又は金属品の熱処理の実行が容易な方法であって、前記品と、水の熱伝達係数よりも低い熱伝達係数を有する熱伝達流体との間の熱伝達少なくとも１つを含む方法を提供することである。特に、熱伝達が遅く制御され得る方法を提供することが必要とされている。

これは、請求項１～２７に記載の、金属又は非金属品と熱伝達流体との間の熱伝達の方法を提供することにより達成される。

以下の用語が定義される：
－ナノ粒子を含む熱伝達流体（いわゆるナノ流体）は、１００ｎｍ未満の少なくとも１つの寸法を有する粒子を含有する液体懸濁液を意味し、
－層流は、約２３００の臨界値未満のレイノルズ数を有する流動を意味し、
－乱流は、約４０００の臨界値を超えるレイノルズ数を有する流動を意味し、
－パーコレーション閾値濃度は、それを超えるとナノ粒子が接続して長距離ネットワークを形成するナノ粒子の濃度である。熱伝達用途において、そのようなネットワークが、流体の最も熱い部分、すなわち熱が流動し始める部分、及び流体の最も冷たい部分、すなわち熱が排出される部分を接続することが適している。換言すれば、パーコレーション閾値濃度未満では、ナノ粒子は接続されない。パーコレーション閾値濃度が得られる場合、流体媒体よりも高い熱伝導率を有するナノ粒子で形成されたネットワークにより、熱媒は、はるかに低い熱抵抗を有する経路をとり、したがって流体の熱伝導率、ひいては熱伝達係数を向上させることができ、
－ｗｔ．％は、重量パーセントを意味し、
－グラファイトナノプレートレットは、約５～２０ｎｍの間の厚さを有するグラフェンシートの多層系を意味し、
－数層グラフェンは、１～５ｎｍの間の厚さを有するグラフェンシートの多層系を意味し、
－グラフェンは、六角形配列の結合した炭素原子の単原子厚のシートを意味し、通常１ｎｍ未満の厚さを示す。

本発明の他の特徴及び利点は、以下の発明を実施するための形態から明らかとなる。

本発明を例示するために、様々な実施形態及び限定されない実施例の試験対象が、特に以下の図を参照して説明される。

本発明による１つのナノプレートレットの例を示す図である。 本発明による多層ナノプレートレットの例を示す図である。 本発明による球状ナノ粒子の例を示す図である。 本発明による楕円形ナノ粒子の例を示す図である。

本発明は、非金属又は金属品の熱処理の方法であって、前記品と、流体媒体及び２６～５０μｍの間のナノ粒子の横方向サイズを有するナノ粒子を含む熱伝達流体Ａ’との間の熱伝達ステップＡ）を少なくとも１つ含み、熱伝達流体は、水の熱伝達係数よりも低い熱伝達係数を有する、方法に関する。

好ましくは、本方法は、前記品と、流体媒体及びナノ粒子を含む熱伝達流体Ｂ’との間の熱伝達ステップＢ）を少なくとも１つさらに含み、熱伝達流体Ｂ’は、Ａ’の熱伝達係数とは異なり、且つ水の熱伝達係数よりも低い熱伝達係数を有する。

より好ましくは、本方法はまた、前記品と、流体媒体及びナノ粒子を含む熱伝達流体Ｃ’との間の熱伝達ステップＣ）を少なくとも１つさらに含み、熱伝達流体Ｃ’は、水の熱伝達係数を超える熱伝達係数を有する。

有利には、本方法はまた、前記品と、流体媒体及びナノ粒子を含む熱伝達流体Ｄ’との間の熱伝達ステップＤ）を少なくとも１つ含み、熱伝達流体Ｄ’は、Ｃ’の熱伝達係数とは異なり、且つ水の熱伝達係数を超える熱伝達係数を有する。

本発明によれば、ステップＡ）、Ｂ）、Ｃ）、Ｄ）は、任意の順番で実行されてもよく、ステップＢ、Ｃ及びＤは、任意選択的である。好ましい実施形態において、本発明による熱伝達の方法は、連続して実行されるステップＡ）及びＢ）を含む。別の好ましい実施形態において、ステップＢ）は、ステップＡ）の前に実行される。有利には、本発明による熱処理の方法は、連続して実行されるステップＡ）、Ｂ）及びＣ）を含む。それらはまた、Ｂ）、Ｃ）及びＡ）又はＣ）、Ａ）及びＢ）の順番で実行されてもよい。好ましくは、本発明による熱処理の方法は、連続して実行されるステップＡ）、Ｂ）、Ｃ）及びＤ）を含む。それらはまた、Ｂ）、Ｃ）、Ａ）及びＤ）、又はＡ）、Ｃ）、Ｄ）及びＢ）の順番で実行されてもよい。

好ましい実施形態において、熱伝達流体は、グラファイトナノプレートレット、グラフェン、数層グラフェン、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ_２、ＺｎＯ、ホウ素－ニトリド、銅、シリカ、モンモリロナイト、ゼオライト、クリノプチロライト、珪灰石、雲母、ゼオライト４Ａ、Ａｌ_２Ｏ_３、シリケート、軽石、酸化カルシウム又はカーボンナノチューブから選択されるナノ粒子を含む。好ましくは、ナノ粒子は、カーボンナノチューブを含まない。

例えば、ナノ粒子は、球状、楕円形又はナノプレートレットであってもよい。

図１は、本発明の熱伝達流体において使用され得る１つのナノプレートレットの例を示す。この例において、横方向サイズは、Ｘ軸に沿ったナノプレートレットの最大長さを意味し、厚さは、Ｚ軸に沿ったナノプレートレットの高さを意味する。ナノプレートレットの幅は、Ｙ軸に沿って示されている。

図２は、本発明の熱伝達流体において使用され得る多層ナノプレートレットの例を示す。この例において、横方向サイズは、Ｘ軸に沿ったナノプレートレットの最大長さを意味し、厚さは、Ｚ軸に沿った全ての積層されたナノプレートレットの全高さを意味する。ナノプレートレットの幅は、Ｙ軸に沿って示されている。

図３は、本発明の熱伝達流体において使用され得る球状ナノ粒子の例を示す。この例において、横方向サイズは、ナノ粒子の直径を意味し、厚さは、ナノ粒子の高さを意味する。

図４は、本発明の熱伝達流体において使用され得る楕円形ナノ粒子の例を示す。この例において、横方向サイズは、ナノ粒子の最大長さを意味し、厚さは、ナノ粒子の高さを意味する。

ナノ粒子の横方向サイズ及び厚さは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）及び原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定され得る。

好ましくは、ナノ粒子は、多層ナノプレートレットである。実際に、いかなる理論にも束縛されることを意図するものではないが、ナノプレートレット形態を得るためには、ナノ粒子は、層間の弱い相互作用、すなわちファンデルワールス力、水素結合、機械的結合、ハロゲン結合、π積層、カチオン／アニオン－π結合、インターカレーション、塩橋及び極性－πを有する多層構造を有するべきであると思われる。この弱い結合は、ナノプレートレットの良好な熱伝導率と共に、流体の熱伝達係数を改善する可能性を増加させる。

有利には、ナノ粒子の厚さは、１～９９．９９ｎｍの間、好ましくは５から５０ｎｍまでの間、より好ましくは５から１５ｎｍまでの間である。

好ましくは、Ｂ’、Ｃ’及びＤ’から選択される少なくとも１つの熱伝達流体のナノ粒子の横方向サイズは、２６～５０μｍの間である。

有利には、Ａ’、Ｂ’、Ｃ’及びＤ’から選択される少なくとも１つの熱伝達流体のナノ粒子の横方向サイズは、３５～４５μｍの間である。

好ましくは、ナノ粒子濃度は、０．０１ｗｔ．％～１２ｗｔ．％の間、有利には２～８ｗｔ．％の間、より好ましくは４～７ｗｔ．％の間である。

好ましい実施形態において、熱伝達流体は、非表面活性ポリマー、界面活性剤又はそれらの混合物である分散剤を有する。界面活性剤は、カチオン性、アニオン性、両性又は非イオン性であってもよい。

例えば、前記分散薬剤は、ポリビニルピロリドン、ポリサッカリド、硫酸化ポリサッカリド、直鎖アルキルベンゼンスルホネート、リグニンスルホネート、ジアルキルスルホサクシネート、四級アンモニウム化合物、ステアリン酸ナトリウム又はそれらの混合物であってもよい。

好ましくは、重量でのナノ粒子濃度／分散剤濃度比は、３～１８の間である。より好ましくは、ナノ粒子濃度／分散剤濃度比は、４～１５の間、有利には４～８の間、好ましくは４～６の間である。

いかなる理論にも束縛されることを意図するものではないが、上記の比が制御されてパーコレーション閾値濃度に達すると、本発明による熱伝達流体は、層流型流動において、より高い熱伝導率、ひいてはより高い熱伝達係数を可能にする。実際に、分散剤は、ナノ粒子の堆積及び凝集を回避することができる。例えば、分散剤が界面活性剤である場合、ナノ粒子は、疎水性分子のコア及び親水性分子のシェルで構成されるミセルにより封入される。そのようなミセル構造は、流体内のナノ粒子の分散を可能にする。しかしながら、パーコレーション、換言すればナノ粒子により形成された長距離ネットワークの形成を得るためには、ナノ粒子の分散度が制限されなければならない。

好ましくは、熱伝達流体は、水、エチレングリコール、エタノール、油、メタノール、シリコーン、プロピレングリコール、アルキル化芳香族化合物、液体Ｇａ、液体Ｉｎ、液体Ｓｎ、ギ酸カリウム又はそれらの混合物から選択される流体媒体を含む。ガリウム、インジウム及びスズは、特に金属品の冷却のための熱伝達流体として使用され得る。実際に、ガリウムの融点は３０℃であり、インジウムの融点は１５７℃であり、スズの融点は２３２℃である。例えば、それらは、コンピュータチップ又は実験機器、例えば中性子源を冷却するために使用され得る。

熱伝達流体は、好ましくは、以下のステップにより製造される：
Ａ．本発明によるナノ粒子の提供、
Ｂ．流体媒体の提供、
Ｃ．パーコレーションを達成するためのナノ粒子濃度の調節、及び
Ｄ．ナノ粒子と流体媒体との混合。

本発明によれば、熱伝達流体の流動は、層流又は乱流型であってもよい。層流型では、熱伝達係数は、熱伝導率に比例する。一方、乱流型では、熱伝達係数は、粘度等の１組の熱物理特性に依存する。

本発明によれば、熱伝達ステップは、金属又は非金属品と熱伝達流体との間である。好ましくは、例えば金属基板である金属品は、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、銅、鉄、銅合金、チタン、コバルト、金属複合材、ニッケルでできており、非金属はプラスチックでできている。

従来技術において、流体媒体として水を使用した熱伝達は、通常、１つの様式で実現され得る。この様式は「接触水」と呼ばれ、これは、物体と直接接触することにより物体を冷却又は加熱するために水が使用されることを意味する。

本発明の好ましい実施形態によれば、金属である前記品は金属基板であり、熱伝達流体はそれに直接接触する。この場合、熱伝達は、ジェット衝突冷却、プール沸騰、噴霧冷却又はマイクロチャネル冷却により実現され得る。

例えば、製鋼産業において、接触水冷却による熱伝達は、
－連続鋳造機及び熱間圧延工程、例えばランアウトテーブル上での冷却工程の噴霧チャンバ内、
－ガス処理及びコークスの急冷のためのコークス炉内、
－溶鉱炉、塩基性酸素転炉及び電気アーク炉内でのスラグ急冷の間に実行され得る。

好ましくは、本発明による熱処理の方法は、少なくとも１つの加熱ステップをさらに含む。例えば、加熱ステップは、０から１２００℃までの間の温度で行われる。

本発明による方法は、例えば、建築産業、特に鋼梁を製造するための方法において実行され得る。例えば、ＥＰ１９６１８８７による構造梁は、ガス切断により、Ｈ字形態の鋼板である開始Ｈ型鋼を特定の正弦曲線ラインで切断することによって製造される。次いで、２つの得られたＴ型鋼をずらし、アーク溶接により溶接する。通常、アーク溶接の後、冷却することが知られている。この冷却ステップは、溶接部の最終的な微細構造、ひいては最終的な機械的特性を決定付けるため、重要である。

一般に、溶接梁を冷却するために、熱伝達流体として水が使用される。しかしながら、水による冷却は速すぎるため、溶接点が脆い微細構造を有するリスクがある。また、空気で梁を冷却することも可能である。しかしながら、そのような冷却は、時間がかかりすぎる。したがって、この場合、良好な冷却速度を得、結果として所望の溶接点微細構造を達成するためには、水の熱伝達係数よりも低いが、空気の熱伝達係数よりも高い熱伝達係数を有する熱伝達流体を有することが必要である。

本発明による方法によって、そのような熱伝達流体を有することが可能である。実際に、溶接梁の冷却である熱処理は、流体媒体としての水、並びに４０μｍの横方向サイズ及び１０ｎｍの厚さを有するグラファイトナノプレートレットを含む熱伝達流体Ａ’）を用いて実行することができる。ナノ粒子の濃度は、７ｗｔ．％である。流体Ａ’は、分散剤として１ｗｔ．％のポリビニルピロリドンをさらに含む。ナノ粒子濃度／分散剤濃度比は、７である。水の熱伝達に対する熱伝達の低減は、２５℃での乱流型流動において－５３％である。したがって、この流体Ａ’）は、水より遅く、空気より高い冷却を可能にする。

共に水の熱伝達係数よりも低い異なる熱伝達係数を有する２種の熱伝達流体を用いて２つの遅い冷却ステップが実行されなければならない場合、上記流体Ａ’）及び別の熱伝達流体Ｂ’）が使用され得る。例えば、熱伝達流体Ｂ’）は、流動媒体としての水、並びに４０μｍの横方向サイズ及び１０ｎｍの厚さを有するグラファイトナノプレートレットを含む。ナノ粒子の濃度は、１０ｗｔ．％である。流体Ｂ’は、分散剤として１ｗｔ．％のポリビニルピロリドンをさらに含む。ナノ粒子濃度／分散剤濃度比は、１０である。水の熱伝達に対する熱伝達の低減は、２５℃での乱流型流動において－７５％である。

本発明による方法はまた、例えば、金属基板、特に鉄合金を製造するための任意の方法において実行され得る。実際に、そのような金属基板の焼鈍後、所望の微細構造を得るために、通常冷却が行われる。冷却ステップは、水の熱伝達係数よりも低い熱伝達係数を有する熱伝達流体を使用して、本発明による方法で達成され得る。これは、所望の機械的特性及び最終用途に応じた微細構造設計を可能にする、制御された冷却速度をもたらす。

４０μｍの横方向サイズ及び１０ｎｍの厚さを有するグラファイトナノプレートレットを有するナノグラファイト多層を混合することにより、試験対象１～２を調製し、分散剤として１ｗｔ．％のポリビニルピロリドンを添加した。

試験対象３は、水で構成された。

各試験対象に対して、試料の熱伝導率は、ＤＴＣ－２５熱伝導率計を使用して測定されている。熱伝導率の向上は、水の伝導率に対して計算されたが、水の伝導率は、室温、すなわち２０℃で０．６７Ｗ／ｍＫであった。

乱流において、熱伝達の向上は、以下の式により計算された：

ここで、

：ナノ流体の熱伝達係数（Ｊ／ｓ・Ｋ・ｍ^２）、

：ベース流体の熱伝達係数（Ｊ／ｓ・Ｋ・ｍ^２）、

：ナノ流体の熱伝導率（Ｊ／ｓ・Ｋ・ｍ）、

：ナノ流体の密度（ｋｇ／ｍ^３）、

：ナノ流体の熱容量（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）及び

：ナノ流体の粘度（ｋｇ／ｓ・ｍ）である。

ナノ流体の密度は、ヘリウム比重瓶法を使用して計算された。２０℃における熱キャパシタンスは、窒素雰囲気中での示差走査熱量測定を使用して決定された。

試験対象１、２、及び水で構成される試験対象３の冷却性能を、モデル化ソフトウェアにより計算した。この試験において、７８５４ｋｇ／ｍ^３の密度を有する鋼スラブを、１３秒間冷却した。長さは５メートルであり、幅は１メートルであり、スラブ厚は１０ｍｍであった。スラブの初期温度は９６８℃であった。

一方で、スラブの冷却は、以下のように試験対象１及び２を用いて連続して実行した：
－乱流型流動における試験対象１を用いた第１の冷却ステップ、
－乱流型流動における試験対象２を用いた第２の冷却ステップ。

他方で、試験対象３は、層流で使用した。以下の表は、一方で試験対象１及び２を使用することによる、また他方で試験対象３を使用することによる冷却速度を示す。

試験対象１及び２は、遅い冷却を可能にし、試験対象２を使用した冷却は、試験対象１による冷却よりも遅い。したがって、本発明による方法によって、水、すなわち試験対象３と比較して冷却を制御することが可能である。

Claims (9)

1. 非金属又は金属品の熱処理の方法であって、前記品と、流体媒体及び３５～４５μｍの間のナノ粒子の横方向サイズ、５～１５ｎｍの間の厚さ、及び２～１０ｗｔ．％の間の濃度を有するナノ粒子を含む熱伝達流体Ａ’との間の熱伝達ステップＡ）を少なくとも１つ含み、前記熱伝達流体が、水の熱伝達係数よりも低い熱伝達係数を有し、流体媒体が、水であり；ナノ粒子が、グラファイトナノプレートレットであり；熱伝達流体Ａ’が、分散剤をさらに含み、分散剤が、ポリビニルピロリドンであり、前記熱伝導流体が、乱流型である、方法。
2. 前記品と、流体媒体及びナノ粒子を含む熱伝達流体Ｂ’との間の熱伝達ステップＢ）を少なくとも１つさらに含み、前記熱伝達流体Ｂ’が、Ａ’の熱伝達係数とは異なり、且つ水の熱伝達係数よりも低い熱伝達係数を有し、流体媒体が、水であり；ナノ粒子が、グラファイトナノプレートレットであり；熱伝達流体Ｂ’が、分散剤をさらに含み、分散剤が、ポリビニルピロリドンであり、熱伝導流体Ｂ’が乱流型である、請求項１に記載の方法。
3. ナノ粒子が、多層ナノプレートレットである、請求項１又は２に記載の方法。
4. 重量でのナノ粒子濃度／分散剤濃度比が、４～１５の間である、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
5. 金属である前記品が、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、銅、鉄、銅合金、チタン、コバルト、金属複合材又はニッケルでできている、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
6. 金属品が、金属基板であり、熱伝達が、熱伝達流体が金属基板に直接接触するような熱伝達である、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 金属基板と熱伝達流体との間の接触が、ジェット衝突冷却、プール沸騰、噴霧冷却又はマイクロチャネル冷却により実現される、請求項６に記載の方法。
8. 非金属又は金属品の熱処理が、少なくとも１つの加熱ステップをさらに含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記１つの加熱ステップが、０～１２００℃の間の温度で行われる、請求項８に記載の方法。

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