JP2014534273A - 熱伝達用途のためのナノ流体 - Google Patents

Abstract

本主題の実施形態によれば、安定したナノ流体を生産するための方法が、記載されている。方法は、ベース流体を分散剤および金属酸化物の粉末と混合し、一次混合物を形成する混合ステップを含む。ベース流体は、熱伝達流体であり、金属酸化物の粉末は、１００ｎｍよりも大きいサイズの粒子を含む。方法は、一次混合物を粉砕し、濃縮されたナノ粒子の懸濁液を得る粉砕ステップであって、分散剤が、所定の期間の後ごとに、粉砕の間に一次混合物に加えられる、粉砕ステップをさらに含む。

Description

本主題は、概して、流体の中の熱伝達を向上させる方法に関し、とりわけ、熱伝達用途での使用のためのナノ流体に関する。

多くの産業製品および消費者製品は、連続的で途切れない運転のために、熱伝達のプロセスを必要とする。対流熱伝達は、流動形状、境界条件を変化させることによって、または、熱伝達流体の熱伝導度を向上させることによって、受動的に向上させることが可能である。拡張された表面技術は、熱管理システムの設計において、既にその限界に適合されているので、伝導度などのような、流体の熱的特性を改善する可能性を備える技術が、非常に重要である。

科学者および技術者は、自動車モータおよび産業機器で使用するためのより効率的な熱伝達流体を開発するために数十年にわたり働いてきた。改善された油および冷却剤は、より効率的な機械、および、より良好なエンジンを可能にすることとなる。そのような機械およびエンジンは、より小さく、より安価になることとなり、それらのより低い燃料需要および排出は、環境に及ぼす被害をより少なくすることとなる。また、より効率的な熱伝達流体は、暖房、換気、および空調（ＨＶＡＣ）産業を悩ます多数の課題を解決し、スーパーコンピュータなどの高熱流束デバイスの効率を改善し、新しいがん治療技法を提供することも可能である。多くのそのような要求および連続的な研究が、熱伝達のためのナノ流体の開発につながってきた。懸濁したナノメートルサイズの超微粒子を有する、通常の熱伝達流体（ベース流体とも称される）は、ナノ流体と呼ばれている。

ナノ流体は、典型的に、１００ナノメートル（ｎｍ）を下回る平均サイズを有するナノ粒子、好ましくは、炭素、金属、および金属酸化物などのような、より高い熱伝導度を持つナノ粒子を、水、油、およびエチレングリコールなどのような、従来の熱伝達流体の中に懸濁させることによって、工学的に設計されている。ナノ流体は、新しいクラスのナノテクノロジベースの熱伝達流体を形成し、それは、そのホスト(host)流体、または、従来の粒子流体懸濁液の熱的特性よりも優れた熱的特性を示すことが期待されている。熱伝達用途のために従来式に用意されるナノ流体は、少量を実験室規模において用意されるだけであり、限定的な安定性を有し、試行目的のためのものであり、未だ市販されていない。

この概要は、流体の中の熱伝達を向上させる方法に関する概念を導入するために提供されており、それは、詳細な説明で以下に記載されている。この概要は、特許請求されている主題の必須の特徴を特定することを意図しておらず、また、特許請求されている主題の範囲を決定または限定するときに使用することを意図していない。

本主題の一実施形態では、安定したナノ流体を生産するための（１つまたは複数の）方法が、記載されている。方法は、ベース流体を分散剤および金属酸化物の粉末と混合し、一次混合物を形成する混合ステップを含み、ベース流体は、当技術分野で既知の任意の熱伝達液体を含むことが可能である。ベース流体に加えられる金属酸化物の粉末は、１つまたは複数の金属酸化物の粒子を含み、粒子は、１００ｎｍよりも大きい平均サイズのものである。一次混合物は、濃縮されたナノ粒子の懸濁液を得るために粉砕され、濃縮されたナノ粒子の懸濁液は、１００ｎｍよりも小さいサイズの金属酸化物の微粒子を有しており、分散剤が、所定の期間の後ごとに、粉砕の間に、一次混合物に加えられる。

詳細な説明が、添付の図を参照して記載されている。図では、参照番号の最も左の（１つまたは複数の）桁は、参照番号が最初に出現する図を特定している。同じ番号が、全図にわたって、同様の特徴およびコンポーネントを参照して使用されている。本主題による（１つまたは複数の）方法のいくつかの実施形態は、単に例として、添付の図を参照して記載されている。

本主題の実施形態による、安定したナノ流体を生産するためのシステムを示す図である。 本主題の実施形態による、ベース流体およびナノ流体の相対的な時間および温度反応を示す図である。 本主題の実施形態による、ベース流体およびナノ流体の相対的な時間および温度反応を示す図である。

本明細書において、任意のブロック図は、本主題の原理を具現化する例示的なシステムの概念的な視点を表しているということが当業者によって認識されるべきである。

増加された熱伝達能力を有する安定したナノ流体を生産するための（１つまたは複数の）方法が記載されている。本明細書で記載されている方法は、水、水ベースの凍結防止剤溶液、合成炭化水素およびパラフィン炭化水素などのような炭化水素油、シリコーンなどのような、様々な熱伝達液体を用いて実施することが可能である。

ナノ粒子は、相対的により大きい比表面積を持っているので、熱伝達流体またはベース流体の熱伝達能力をかなり改善することが期待される。固体のナノサイズの粒子／繊維、好ましくは、炭素、金属、および金属酸化物などのような、より高い熱伝導度を持つものを、ベース流体の中へ追加することは、実験室での実験において、ベース流体の全体熱伝導度を改善することが見出された。したがって、実験室規模に用意されたナノ流体は、エネルギーシステムにおいて望まれる多数の特性の向上した組み合わせを示す。例えば、ナノ流体は、非常に低いナノ粒子濃度で熱伝導度を増加させ、熱伝導度の温度への強い依存も示し、熱伝導度は、より高い温度でより高い程度まで向上させられる。同様に、ナノ流体は、ナノ粒子濃度に伴う熱伝導度の非線形的な増加、および、ベース流体と比較したときに、臨界熱流束の増加も示す。上述のものなどのようなナノ流体の向上した特性は、それらを、熱伝達の目的にとって望ましいものにし、また、ＨＶＡＣ産業にとって大変重要なものにする。

典型的に、実験的な目的のために、ナノ流体は、一段階法および二段階法などのような複数の既知の技法および方法を通して用意される。一段階法は、低い蒸気圧のベース流体の上へのナノ粒子の直接蒸発および堆積を含む。ナノ流体の生産の既知の二段階法では、固体の金属酸化物または非金属酸化物粒子は、ナノメートルサイズの粒子、ロッド、またはチューブに最初に縮小させられ、次いで、従来の既知のベース流体に加えられ、ナノ粒子の懸濁液を形成する。これらの方法を通して、ナノ流体は生産され、ナノ流体は、ベース流体よりも良好な熱伝達能力を示す。

しかし、一段階法によって一般的に生産されたナノ流体の懸濁液は、特定のタイプのナノ流体を生産するためだけに適用することが可能であり、ナノ粒子の前駆体(precursors)の蒸発が可能であり、ベース流体は、低い蒸気圧を有している。さらに、既知の二段階法および技法を使用して生産されたナノ流体は、短期間の後に、凝集および沈殿する傾向がある。凝集および沈殿に対抗するために、および、粒子を分散状態に維持し、懸濁液を安定させるために、磁気撹拌、超音波分散などのような物理的なかき混ぜ、または、界面活性剤の使用のような、いくつかの方法が従来から試みられてきた。しかし、懸濁液の中のナノ粒子は、一定期間（例えば、数日または数週間）にわたって、依然として凝集または沈む傾向があり、それによって、ナノ流体の安定性および熱伝達効率に影響を及ぼす。

したがって、ナノ流体によって示される、並外れて有望な熱的特性にかかわらず、および、それらの小規模生産の既知の方法にかかわらず、ベース流体の中にナノ粒子を効果的におよび効率的に分散させ、膨大な量のナノ流体に、持続可能な安定性（例えば、数年）と、使用条件の下で変わらない熱的特性とを備えさせるということは難題であり、それは、典型的に、複数の熱伝達サイクルを対象とする。

本主題の実施形態によれば、安定したナノ流体を生産するための方法が記載されている。ナノ流体は、熱伝達流体（以下、ベース流体と称される）を使用して用意される。ナノ流体の用意のために使用され得るベース流体は、様々な熱伝達液体を含むことが可能であり、それは、水、水ベースの凍結防止剤溶液、合成炭化水素およびパラフィン炭化水素などのような炭化水素油、シリコーンなどを含むが、それに限定されない。熱伝達液体は、冷却剤として使用されるポリオールをさらに含むことが可能である。特定の熱伝達流体が、ナノ流体の生産の目的のために記載されてきたが、他の流体も、ナノ流体の生産のために同様に使用することが可能であるということが当業者によって理解されるであろう。

本主題の実施形態によれば、ナノ流体の生産のために使用される粒子は、金属酸化物の混合物を含む。混合物は、１つまたは複数の金属酸化物の粒子を含むことが可能であり、金属酸化物は、チタン、アルミニウム、鉄、シリコン、ジルコニウム、亜鉛などの金属の酸化物を含むことが可能であるが、それに限定されない。さらに、混合物は、金属、金属合金、および、それらの組み合わせの粒子を含むことが可能である。金属酸化物の混合物の中に存在する粒子の平均サイズは、１００ｎｍよりも大きいことが可能である。

さらに、本主題の実施形態によれば、分散剤も、安定したナノ流体の生産の間に使用される。本主題による「分散剤」という用語は、コロイド状サイズであることが多い、極めて細かい粒子の均一な懸濁液を促進するために媒体に加えられる物質を指す。均一な懸濁液を促進するための分散剤は、当技術分野で既知の任意の分散剤を含むことが可能である。本主題によれば、分散剤は、カルボン酸、エステル、エーテル、アルコール、糖類およびその派生物、もしくは、ポリマー、ホスフェート、アミンなど、または、それらの組み合わせを含むことが可能であるが、それに限定されない。

作動中に、安定したナノ流体は、ベース流体、金属酸化物の粒子の混合物、および分散剤の使用によって用意される。本主題の実施形態によれば、金属酸化物の混合物は、ベース流体および分散剤の存在する下での湿式破砕のプロセスによって粉砕され、濃縮されたナノ粒子の懸濁液を形成する。上記の実施形態では、ベース流体および少量の分散剤から構成される第１の混合物が用意される。例えば、１００ｍｌのエチレングリコール溶液などのようなベース流体の中に、１０ｇｍのクエン酸ナトリウムなどのような分散剤が混合される。このように用意された第１の混合物に対して、金属酸化物の混合物が加えられ、一次混合物を形成する。例えば、１００ｍｌのベース流体および１０ｇｍの分散剤を含有している第１の混合物に対して、４０ｇｍの二酸化チタンなどのような金属酸化物が混合され、一次混合物を形成する。１つの実施形態では、金属酸化物の混合物は、１００ナノメートル（ｎｍ）よりも大きい平均サイズの粒子を含む。１つの実施形態では、二酸化チタンの混合物の平均粒子サイズは、１０μｍ〜４０μｍであることが可能である。粒子のサイズは、マイクロメートルおよびミリメートルの範囲にあることが可能であり、金属酸化物の混合物は、粉末状で使用されるということが当業者によって理解されるであろう。

一次混合物を均一に分配させ、一次混合物スラリーを形成するために、本主題の１つの実施形態では、一次混合物が、磁気撹拌を使用して分散させられる。磁気撹拌の方法は、金属酸化物の粒子を一次混合物の中に分散させ、粒子の凝集を回避する。超音波処理などのような、当技術分野で既知の異なる分散の方法が使用され、一次混合物を分散させ、一次混合物スラリーを形成することが可能であるということが当業者によって理解されるであろう。

さらに、金属酸化物、ベース流体、および分散剤の分散させられた一次混合物が粉砕され、金属酸化物の粒子のサイズを縮小させる。１つの実施形態では、一次混合物は、湿式破砕技法を使用して粉砕される。前述の実施形態では、遊星ミルが利用されて、一次混合物を湿式粉砕し、金属酸化物の粉末の粒子のサイズをナノメートルの範囲に縮小させる。

金属酸化物の粒子のサイズを縮小させるために一次混合物を粉砕する間に、少量のベース流体および分散剤が、所定の時間間隔の後ごとに追加され、粘度および分散の状態を維持する。例えば、二酸化チタン、エチレングリコール、およびクエン酸ナトリウムを含む一次混合物の湿式破砕の間に、エチレングリコールおよびクエン酸ナトリウムが、毎時間の後ごとに加えられ、粘度および分散の状態を維持する。本主題の実施形態によれば、粉砕するプロセス、および、粉砕するための時間は、金属酸化物の粉末、使用されるベースの流体、および、分散剤の選択に応じて、変化することが可能である。例えば、金属酸化物「ｘ」、ベース流体「ｙ」、および分散剤「ｚ」からなる一次混合物に関して、粉砕する時間は、３０分だけであることが可能である。しかし、金属酸化物「ｍ」、ベース流体「ｎ」、および分散剤「ｏ」からなる一次混合物に関して、粉砕する時間は、１０時間であることが可能である。したがって、異なる混合物および構成物質に関して、粒子サイズをナノメートルまで縮小させるのに必要とされる粉砕時間は、異なることが可能であり、かつ、異なる混合物に応じて変化することが可能であるということが認識されるであろう。

一次混合物の粉砕の結果、濃縮されたナノ粒子の懸濁液が形成される。このように生産された濃縮されたナノ粒子の懸濁液は、多量のナノ粒子を含有し、濃度は、１０〜４０重量％（重量パーセント）の間で変化することが可能であり、重量パーセントの濃度は、一次混合物の中の金属酸化物の粒子の重量パーセントを反映する。前述のように、一般的に、ナノ流体の中のナノ粒子（＜１００ｎｍ）は、凝集および沈殿する傾向がある。したがって、粉砕プロセスの後に、安定した濃縮されたナノ粒子の懸濁液を得るために、粉砕時間、粉砕媒体のサイズ、粉末に対する粉砕媒体の割合、一次混合物スラリー濃度、および、分散剤の量などの、様々なプロセスパラメータが、先述のように、粉砕プロセスの間に制御および監視される。

前述のように、一次混合物は、粒子サイズがナノメートル（＜１００ｎｍ）の範囲に縮小されるまで粉砕される。本主題の１つの実施形態では、粉砕のプロセスの間に、金属酸化物の粒子のサイズが、所定の期間の後ごとに分析される。上述の実施形態では、粒子サイズは、ＨＯＲＩＢＡ ＬＡ−９１０などのような粒子サイズ分析器によって分析される。平均的粒子サイズが１００ｎｍよりも小さい（例えば、４０ｎｍ〜９０ｎｍの範囲にある）ということが観察されると、一次混合物を粉砕することが停止され、濃縮されたナノ粒子の懸濁液を得る。

濃縮されたナノ粒子の懸濁液から安定したナノ流体を形成するために、濃縮されたナノ粒子の懸濁液は、適当なベース流体および分散剤で希釈される。本主題の１つの実施形態では、濃縮されたナノ粒子の懸濁液は、第１の混合物が生産されるのと同じベース流体と混合される。同様に、第１の混合物を形成するために使用される分散剤が、このように形成されたナノ流体を安定化させるために使用される。次いで、形成された最終的なナノ流体は、超音波処理および磁気分散などのような当技術分野で既知の分散技法を使用して分散させられ、安定したナノ流体を形成することも可能である。しかし、相溶性のある別のベース流体と分散剤の組み合わせを使用し、濃縮されたナノ粒子の懸濁液を希釈し、ナノ流体を生産することも可能であるということが理解されるであろう。

上述の方法を使用することによって、増加した熱伝達効率を有する安定したナノ流体を生産することが可能である。また、生産されたナノ流体は、数週間、数ヶ月、および数年などのような、長期間にわたり安定している。換言すれば、記載されている方法は、ナノ粒子が凝集または凝固せずに長期間にわたり安定した状態を継続するナノ流体を生産する。また、このように用意されたナノ流体は、複数の加熱および冷却サイクルの間に変わらない熱伝達効率を示し、数年の間、安定している。さらに、方法は、小規模の生産を容易にすることが可能であるだけでなく、ナノ流体の商業的生産を、しかも低減されたコストで、容易にすることも可能である。

多くの熱伝達用途では、機械的なシステムのサイズと、製造および作動に関連するコストとの間には重要な関係が存在する。安定したナノ流体は、増加した熱伝達効率を提供し、そのような安定したナノ流体の使用は、結果としてより小さい熱交換器表面積となり、それによって、特定量の冷却負荷を処理するのに必要とされる空間を低減させる。また、安定したナノ流体の使用は、より低い資本コスト、および、より高いエネルギー効率を備える、より小さい熱伝達システムを可能にすることもできる。

説明は、単に、本主題の原理を示しているということが留意されるべきである。したがって、本主題の原理を具現化し、その精神および範囲の中に含まれる様々な取り合わせ（本明細書では明示的に記載されていないが）を当業者が考え出すであろうことが認識されるであろう。そのうえ、本明細書で記載されているすべての例は、教育的な目的のためだけのものであると主に特別に意図されており、（１人または複数の）発明者によって技術の推進に献じられた本主題および概念の原理を、読者が理解することを支援しており、それは、そのような具体的に記載された例および条件に限定されることなく、解釈されるべきである。そのうえ、本主題の原理、態様、および実施形態、ならびに、その特定の例を記載している本明細書のすべての記述は、その均等物を包含するように意図されている。

安定したナノ流体を生産するための（１つまたは複数の）方法が実施される様式は、図１を参照して詳細に説明されるべきである。安定したナノ流体を生産するための記載の方法の態様は、任意の数の異なる生産環境および／または構成で実施することが可能であるが、実施形態は、以下の（１つまたは複数の）環境に関連して記載されている。

さらに、以下に記載されている方法は、安定したナノ流体を生産する異なるステップを含むことが可能である。しかし、これらのステップは、必ずしも、記載されているのと同じ様式および順序で実施する必要がないということが理解されるであろう。また、当業者によって理解されるであろうように、プロセスの異なるレベルおよび段階で生産された中間混合物は、異なるバッチで、および、様々な量で生産され、安定したナノ流体を形成することが可能である。

図１は、本主題の実施形態による、安定したナノ流体を生産する方法を実施するナノ流体の生産環境１００を図示している。安定したナノ流体の生産のための環境１００は、熱伝達液体１０２−１および１０２−２（集合的にベース流体１０２と称され、また、個々にベース流体１０２と称される）と、分散剤１０４−１および１０４−２（集合的に分散剤１０４と称され、また、個々に分散剤１０４と称される）とを含む。また、ナノ流体の生産の方法は、金属酸化物の粉末１０６も含み、金属酸化物の粉末１０６は、少なくとも１つの金属酸化物の粒子を含むことが可能である。先述のように、ベース流体１０２は、様々な熱伝達液体を含むことが可能であり、熱伝達液体は、水、水ベースの凍結防止剤、合成炭化水素およびパラフィン炭化水素などのような炭化水素油；シリコーン、グリコールなどのような水ベースの凍結防止剤、アルコール、および、それらの組み合わせ；ポリオールなどを含むことが可能であるが、それに限定されないということが理解されるであろう。ナノ流体の生産の目的のために、特定の熱伝達流体が記載されてきたが、ナノ流体の生産のために他の流体を使用することも可能であるということが、当業者によって理解されるであろう。

さらに、分散剤１０４は、選ばれたベース流体１０２および金属酸化物の粉末１０６に対して、適切な界面活性剤であることが可能である。分散剤１０４は、カルボン酸、エステル、エーテル、アルコール、糖類、および、その派生物、もしくは、ポリマー、ホスフェート、アミンなど、または、それらの組み合わせを含むことが可能であるが、それに限定されない。同様に、金属酸化物の粉末１０６は、１つまたは複数の金属酸化物の粒子を含むことが可能であり、金属酸化物は、チタン、アルミニウム、鉄、シリコン、ジルコニウム、亜鉛などの金属の酸化物を含むことが可能であるが、それに限定されない。さらに、他の実施形態では、混合物は、金属、金属合金、および、それらの組み合わせの粒子を含むことが可能であるということが認識されるであろう。

本主題の１つの実施形態では、ベース流体１０２−１は、分散剤１０４−１と混合させられ、第１の混合物１０８を形成する。例えば、受け入れられるベース流体１０２−１は、エチレングリコール（ＥＧ）と水の混合物であることが可能であり、ベース流体（水およびＥＧ）の両方が、等しい量で混合させられ、ベース流体１０２−１を得る。また、クエン酸ナトリウムなどのような分散剤１０４−１も、ベース流体１０２−１と混合させられ、第１の混合物１０８を形成する。

このように形成された第１の混合物１０８は、次いで、非常に高いローディング（おおよそ３０〜４０重量％）で金属酸化物の粉末１０６と混合させられ、一次混合物１１０を形成する。１つの実施形態では、金属酸化物の粉末は、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）の粒子だけを含有し、任意の他の金属酸化物の粒子を含まない。しかし、別の実施形態では、金属酸化物の粉末１０６は、二つ以上の金属酸化物の粒子を含むことが可能である。

前述の実施形態によれば、第１の混合物１０８に加えられる金属酸化物の粉末１０６は、粉末状の金属酸化物の粒子を含有している。粒子は、必ずしもナノメートルサイズのものである必要はなくてもよいということが留意されるべきである。また、粒子の平均サイズは、１００ｎｍよりも大きいことが可能であり、５００〜１００マイクロメートル（μｍ）、７０〜２０μｍ、および０．４〜０．６μｍなどのような、数マイクロメートルの範囲にあることが可能である。

金属酸化物の粉末１０６の粒子の凝集および沈殿を回避するために、一次混合物１１０は、非常に高いローディングで作られているので、一次混合物１１０は、分散機１１２−１を使用して分散させられる。分散機１１２−１および１１２−２は、以下では、一般に分散機１１２と称され、また、個々に分散機１１２と称される。分散機１１２は、超音波処理および磁気撹拌などのような、当技術分野で既知の任意の物理的な分散技法を使用し、一次混合物を分散させることが可能である。前述の実施形態では、分散機１１２−１は、磁気撹拌の技法を使用し、一次混合物１１０を撹拌して分散させ、それによって、一次混合物スラリーを作る。一次混合物スラリーは、μｍサイズの金属酸化物の粉末１０６の粒子を含むので、スラリーは、粉砕され、一次混合物１１０の中の金属酸化物の粉末１０６の粒子サイズを数ナノメートルに低減させる。

この目的のために、粉砕機１１４が利用される。粉砕機１１４は、一次混合物１１０の一次混合物スラリーを粉砕し、金属酸化物の粉末１０６の粒子のサイズを低減させる。本主題の前述の実施形態によれば、一次混合物スラリーは、湿式破砕のプロセスを使用して粉砕される。さらに、前述の実施形態では、湿式破砕が、遊星ミルを使用して行われる。湿式破砕のプロセスの間に、粉砕時間、粉砕媒体のサイズ、ジャーの充填の程度(extend of jar filling)、金属酸化物の粉末に対する粉砕媒体の割合、一次混合物スラリー濃度、および、分散剤の量などのような、様々なプロセスパラメータが制御され、安定した濃縮されたナノ粒子の懸濁液が得られる。例えば、本主題によれば、０．４ミリメートル（ｍｍ）、１ｍｍ、および２５ｍｍなどのような、異なるサイズの粉砕媒体が使用され、ジャーが、５０〜７０％の範囲の間で充填される。同様に、一次混合物スラリーの濃度は、３０〜４０重量％の間に維持され、金属酸化物の粉末に対する粉砕媒体の割合は、１０：１から４０：１へ変化する。さらに、粉砕時間も、一次混合物１１０に応じて、３０分から１０時間へ変化し、安定した濃縮されたナノ粒子の懸濁液を形成する。

記載されている本主題の実施形態では、一次混合物１１０が、遊星ミルのジャーの中に６７％まで充填される。ジャーは、遊星ミルの中に位置しており、一次混合物１１０が、毎分４２０回転（ｒｐｍ）で粉砕される。粉砕のプロセスの間に、ＴｉＯ_２粒子のサイズが、所定の期間の後ごとに分析される。前述の実施形態では、所定の時間は１時間であり、粒子サイズは、粒子サイズ分析器１１６を使用して分析される。粒子サイズ分析器１１６は、レーザ回折技法、音響分光技法、および超音波減衰分光技法などのような、当技術分野で既知の粒子サイズ分析の異なる技法を利用することが可能である。前述の実施形態では、レーザ散乱粒子サイズ分析器（ＨＯＲＩＢＡ）ＬＡ−９１０が使用され、粉砕機１１４の中の粒子のサイズを分析する。ある状況では、粉砕機１１４の中のスラリーを分析するために、サンプルが、所定の時間間隔の後ごとに粉砕機１１４から除去されるということが理解されるであろう。しかし、別の状況では、粒子サイズ分析器１１６が、直列に設置され、粉砕機１１４の内側の混合物を分析することが可能である。

さらに、少量のベース流体１０２−３および分散剤１０４−３が、粉砕機１１４の内側の混合物に定期的に加えられ、粘度を修正し、生産されるナノ粒子が良好に分散させられるように維持する。本主題の実施形態によれば、ベース流体１０２−３および分散剤１０４−３は、それぞれ、ベース流体１０２−１および分散剤１０４−１と同様である。１つの実施形態では、０．０２ｇｍの分散剤１０４−３のクエン酸ナトリウムおよび２ｍｌのベース流体１０２が、１時間の後ごとに、粉砕機１１４の内側の混合物に加えられる。一次混合物スラリーは、約９時間にわたり粉砕され、ＴｉＯ_２粒子のサイズを低減させる。前述の実施形態では、ＴｉＯ_２粒子のサイズは、６４ｎｍの平均サイズに低減させられ、６４ｎｍの平均サイズは、１００ｎｍよりも低く、ＴｉＯ_２粒子のナノ構造を確認する。したがって、粉砕機１１４の中の一次混合物スラリーを粉砕した後で、濃縮されたナノ粒子の懸濁液が生産され、濃縮されたナノ粒子の懸濁液は、分散剤１０４−１と混合されるベース流体１０２−１と、１００ｎｍよりも小さい平均サイズを有する高い濃度の金属酸化物の粒子とを含む。

その後に、濃縮されたナノ粒子の懸濁液は希釈され、安定したナノ流体を形成する。本主題の実施形態によれば、濃縮されたナノ粒子の懸濁液は、ベース流体１０２−２で希釈され、ベース流体１０２−２も、ベース流体１０２−１と同様に、エチレングリコールと水の等量(equal)混合物を含む。別の実施形態では、ベース流体１０２−２は、分散剤１０４−２のクエン酸ナトリウム（０．１〜１重量％）とともに、濃縮されたナノ粒子の懸濁液と混合され、おおよそ０．１〜５重量％の金属酸化物の粒子濃度を有する安定したナノ流体を生産する。ベース流体１０２−２および分散剤１０４−２は、それぞれ、ベース流体１０２−１および分散剤１０４−２と同様である。しかし、ベース流体１０２−２および分散剤１０４−２は、ベース流体１０２−１および分散剤１０４−１と異なることも可能であるということが理解されるであろう。しかし、異なるベース流体１０２−２および分散剤１０４−２は、当業者によって理解されるであろうように、互いに相溶性があるべきである。そのように用意されたナノ流体は、分散機１１２−２によって分散させられ、金属酸化物のナノ粒子を均一に混合し、最終的なナノ流体に安定性を提供する。１つの実施形態では、超音波処理の技法は、おおよそ４５分の間、分散機１１２−２によって利用され、最終的なナノ流体の中でナノ粒子を十分に分散させる。

本主題の別の実施形態によれば、安定したナノ流体を生産するための方法が記載されている。その方法は、ベース流体を分散剤および金属酸化物の粉末と混合し、一次混合物を形成する混合ステップを含み、ベース流体は、熱伝達流体であり、金属酸化物の粉末は、１００ｎｍよりも大きいサイズの粒子を含む。その方法は、一次混合物を粉砕し、濃縮されたナノ粒子の懸濁液を得る粉砕ステップをさらに含み、分散剤が、所定の期間の後ごとに、粉砕の間に一次混合物に加えられる。

前述の実施形態では、その方法は、ベース流体および分散剤を加えることによって、濃縮されたナノ粒子の懸濁液を希釈し、ナノ流体を生産する希釈ステップと、生産されたナノ流体を分散させて、安定したナノ流体を形成する分散ステップとをさらに含む。さらに、上記の実施形態では、濃縮されたナノ粒子の懸濁液の金属酸化物の微粒子は、１００ｎｍより小さい平均サイズを有する。

上述の方法は、一次混合物を湿式破砕する湿式破砕ステップと、湿式破砕の間に一次混合物を定期的に分析し、金属酸化物の粉末の微粒子のサイズを測定する分析ステップとをさらに含むことが可能である。

上述の方法を通して用意されるナノ流体は、数週間、数ヶ月、および数年などのような、より長い期間にわたり安定している。本主題の実施形態にしたがって用意されるナノ流体は、さらに、１８〜２４ヶ月にわたり安定していることも可能である。ナノ流体は、等温条件、静的条件、および熱衝撃条件の両方のもとで安定している。したがって、安定したナノ流体は、配管の閉塞を生じさせず、いかなる熱効率の降下を受けることもない。対照的に、ナノ流体は、流動状態のもとで、複数の加熱および冷却サイクルのために使用されるときでも、一貫した安定性を伴う良好な熱伝達能力を示す。そのような特性を有しているので、ナノ流体は、自動車産業において、バッテリ、燃料電池、エンジンなどの中の冷却剤として、使用することが可能である。また、ナノ流体は、スーパーコンピュータおよび電子機器を冷却するために、電子産業において利用することが可能である。同様に、暖房、換気、および空調（ＨＶＡＣ）産業において、安定したナノ流体は、冷却目的のために有用であることが可能である。さらに、ナノ流体は、それらの安定性または熱伝達能力の変化なしに、１００リットルよりも多いバッチで、大規模におよび商業目的で用意することも可能である。また、上述の方法を通して生産されるナノ流体は、市販されている熱伝達流体と比較して、１０〜２０％の相対的なコストで生産することが可能である。

試験結果
安定したナノ流体の生産の方法が、図１を参照して上記に説明されてきた。試験する目的のために、ベース流体、分散剤、および金属酸化物の濃度を変化させたいくつかのタイプのナノ流体が、上述の方法を使用して用意された。これらのナノ流体が試験され、以下に論じられている結果を示した。説明目的で、ナノ流体のサンプルは、１０ｇｍのクエン酸ナトリウムを１００ｍｌのベース流体の中へ混合することによって用意された。ベース流体は、等しい比率で混合されたエチレングリコールと水の混合物になるようにされた。ベース流体と分散剤のこの混合物に対して、４０ｇｍの粉末二酸化チタンＴｉＯ_２が加えられ、ここで、金属酸化物の粒子の平均は、１００ｎｍよりも大きかった。次いで、このように得られた一次混合物が、図１の説明の中で記載されている方法を使用して、分散および粉砕された。次いで、この生産された最終的な安定したナノ流体は、同じ方法を使用して用意された他のナノ流体とともに、安定性のために、および、それらの熱伝達特性の測定のために、試験された。

結果が以下に記載されており、それは、ナノ流体の特性の説明の目的だけのためのものであり、本主題の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。さらに、試験結果は、数タイプのみのナノ流体に関して示されており、試験結果は、記載されている方法を通して形成することができる安定したナノ流体だけのものとして、決して解釈されるべきではなく、本主題の範囲を限定するように解釈されるべきではない。

ここで、本主題の実施形態を参照し、そのうちの１つまたは複数の例が以下に述べられている。それぞれの例は、説明として提供されており、本主題の限定として提供されてはいない。実際に、本主題の範囲または精神から逸脱することなく、様々な修正例および変形例を、本主題の中で作製し、記載されている異なる例に到達することが可能であるということが、当業者に明らかであろう。したがって、本主題は、そのような修正例および変形例をカバーするということが意図されている。本結果は、ナノ流体の性質を説明するためのものであり、本主題の態様を限定することを意図していないということが当業者に理解されるべきである。

上述の方法で用意されたナノ流体が、シェルアンドチューブ式の熱交換器を使用して、熱伝達効率を試験される。試験する目的のために、カスタマイズされた二重配管の熱交換器が組み立てられ、構造材料は、ガラス、鋼鉄、銅、および、それらの組み合わせなどのような材料を含むことが可能である。試験する目的のために、配管の長さは、３７０ｍｍ〜２７００ｍｍの範囲となるように選ばれ、チューブの内径は、６ｍｍから８ｍｍまで様々であり、壁部厚さは２ｍｍであった。内側チューブは、ストレート型のチューブであるか、または、コイルを形成するかのいずれかであることが可能であるということが、当業者によって理解されるであろう。本主題では、使用された内側チューブは、コイル状であり、おおよそ２３〜４０個のコイルを有し、２つのコイルの間のピッチは、おおよそ１０〜１２ｍｍであった。さらに、本主題の実施形態によれば、外側配管は、２５ｍｍ〜１００ｍｍの範囲の直径を有するストレート型のチューブであり、それは、内側コイル状チューブとともにホースとなる(hoses)。大気からの断熱を提供するために、外側表面は、ポリウレタンフォーム（ＰＵＦ）およびグラスウールで断熱された。上述の方法を使用して生産されたナノ流体の熱伝達能力を試験するために、冷温のナノ流体が、内側チューブを通過させられ、加熱水が、外側チューブを通過させられ、ナノ流体に熱を伝達した。本主題の別の実施形態では、熱伝達の目的のために、加熱水の代わりに蒸気が使用された。内側チューブの入口部および出口部における温度は、熱電対を使用して測定され、時間の関数として、データ収集システムを通して記録された。記録に基づいて、外側チューブを通って流れる水、および、内側チューブを通って流れるナノ流体の両方の時間−温度の関係が、継続的に測定された。冷温のナノ流体が、内側チューブを通過させられ、加熱水が、外側チューブを通過させられたということが記載されてきたが、流れは、反対側の様式であることも可能であり、反対側の様式では、ナノ流体が、外側チューブを通過させられ、水などのような他の流体が、内側チューブを通過させられるということが認識されるであろう。

定常状態の２つの流体の入口部温度および出口部温度の形で得られたデータを分析するために、対数平均温度差（ＬＭＴＤ）および総括熱伝達係数（overall heat transfer coefficient:Ｕ）が計算された。当業者には知られているように、「Ｕ」は、熱交換器の有効性を反映している。換言すれば、「Ｕ」の値が高ければ高いほど、熱交換器は効果的である。ナノ流体をベース流体と比較するために、ベース流体に関する「Ｕ」に対するナノ流体に関する「Ｕ」の割合が計算された。高温水または蒸気の流量は、１００〜３３００ｍｌ／ｍｉｎで変化させられ、好ましくは、２００ｍｌ／ｍｉｎまたは２８００ｍｌ／ｍｉｎとされた。一方、ナノ流体の流量は、４０〜８５０ｍｌ／ｍｉｎで変化させられ、好ましくは、８０ｍｌ／ｍｉｎまたは８３０ｍｌ／ｍｉｎとされた。いくつかの加熱冷却のサイクルがその後に続き、ナノ流体の熱伝達効率を測定した。

以下に示されている表１は、ベース流体の熱伝達効率と比較して、異なるナノ流体の熱伝達効率の増加率を示している。ナノ流体は、０．５重量％から５重量％まで（０．２５体積％〜１体積％）変化する金属酸化物の粉末の濃度に対していくつかの加熱−冷却サイクルにわたり、総括熱伝達効率（overall heat transfer efficiency）の１％〜６０％向上を示した。さらに、異なるセットアップが、ナノ流体の熱伝達効率の向上を決定するために使用された。

表１では、ナノ流体アルミナは、金属酸化物の粉末としての酸化アルミニウムの使用を表している。さらに、表１に示されている内側チューブおよび外側チューブは、セットアップの中の内側チューブおよび外側チューブのために使用される材料を表しており、ナノ流体の熱伝達効率の向上を決定する。ナノ流体のベース流体の変化は、ナノ粒子によって生み出される熱伝達効率の向上を変化させるということが留意されるであろう。ベース流体の伝導度が低ければ低いほど、総括熱伝達係数に見られる向上が高くなるということが観察された。表１に表されているように、４重量％アルミナナノ粒子が水の中に分散させられているものについての向上は、おおよそ８〜１０％だけである。一方、酸化アルミニウムのナノ粒子の同じ濃度の場合、水−ＥＧベースのナノ流体は、ほぼ２０％〜３２％の向上を示し、ＥＧベースのナノ流体について、５０％〜６０％の向上が観察されている。

さらに、ナノ粒子濃度の変化がナノ流体の熱伝達能力を変化させるということも観察された。例えば、ナノ流体の中でナノ粒子濃度が増加したとき、熱交換器の熱伝達効率も改善した。表１は、ベース流体（この場合では、ＥＧ−水の１：１混合物）の中の酸化アルミニウムナノ粒子の濃度を１重量％から４重量％へ増加させることによって、全体熱伝達効率の向上は、おおよそ２〜５％から２０〜２５％へ増加させられるということを示している。

図２（ａ）および図２（ｂ）は、本主題にしたがって、それぞれ二酸化チタンおよび酸化アルミニウムから用意されたナノ流体を含む熱伝達流体の時間および温度（Ｔ＆Ｔ）の反応を図示している。示されている熱伝達流体のＴ＆Ｔ反応は、先述の熱交換器システムを使用して決定された。二酸化チタンおよび酸化アルミニウムのナノ流体は、ＥＧ、水、および、それらの組み合わせなどのような、異なるベース流体を使用して用意された。Ｔ＆Ｔ反応は、グラフを利用して示されており、それは、ナノ流体、および、対応するベース流体のＴ＆Ｔ反応を図示している。このことは、記載されている方法を通して用意されたナノ流体のＴ＆Ｔ反応とベース流体のＴ＆Ｔを比較するために行われている。

図２（ａ）は、異なる熱伝達流体のＴ＆Ｔ反応を図示している。熱伝達流体には、水、ＥＧ、および、それらの組み合わせなどのような異なるベース流体の中に二酸化チタンを使用して用意されたナノ流体と、単独のベース流体とが含まれている。図２（ａ）の中の線２０２は、水のＴ＆Ｔ反応を表している。同様に、線２０４は、ＥＧのＴ＆Ｔ反応を表しており、線２０６は、水とＥＧの等しい量の混合物のＴ＆Ｔを表している。線２０８は、二酸化チタンから生産されたナノ流体のＴ＆Ｔを表しており、使用されたベース流体は水である。線２１０は、二酸化チタンから生産されたナノ流体のＴ＆Ｔを表しており、使用されたベース流体はＥＧである。最後に、線２１２は、二酸化チタンから生産されたナノ流体のＴ＆Ｔを表しており、使用されたベース流体は、ＥＧと水の等しい量の混合物である。

グラフから明白であるように、二酸化チタンのナノ流体の温度を上昇させるのにかかる時間は、ベース流体の温度を同じ量だけ上昇させるのに必要な時間よりも少なく、すなわち、ベース流体が単独で使用されているときよりも、ナノ流体が使用されているときの方が、熱伝達の速度は大きい。低い濃度のナノ粒子では、ナノ流体の比熱は、すべての実用的な目的においてベース流体と異なることが可能であるというわけではなく、したがって、その結果は、ベース流体と比較して、ナノ流体の熱伝達係数の増加に起因し得る。例えば、図２（ａ）を参照すると、７０℃からＴ_１への温度の上昇は、ＥＧ（線２０４）に関して、時間Ｓ_２で起こり、一方、７０℃からＴ_１への温度の上昇は、ＥＧ（線２１０）のベース流体の中に用意されたナノ流体に関して、時間Ｓ_１で起こり、ここで、Ｓ_１＜Ｓ_２である。同様に、時間Ｓ_２において、ＥＧの温度は、単に、Ｔ_１まで変化するが、一方、ＥＧのベース流体の中に用意されたナノ流体の温度は、Ｔ_２まで変化し、Ｔ_２＞Ｔ_１である。

同様に、ＥＧと水の混合物を表す線２０６（線２０６）は、同じ量の時間Ｓ_２において、ＥＧおよび水のベース流体の中に用意されたナノ流体（線２１２によって表されている）と比較して、少ない温度の上昇を示している。したがって、固定された時間において、ナノ流体の温度の上昇は、ベース流体の温度の上昇よりも大きいということを観察することが可能である。

図２（ｂ）は、異なる熱伝達流体のＴ＆Ｔ反応を図示している。熱伝達流体には、水、ＥＧ、および、それらの組み合わせなどのような、従来の熱伝達流体に加えて、異なるベース流体の中に酸化アルミニウムを使用して用意されたナノ流体が含まれている。図２（ｂ）の中の線２５２は、水のＴ＆Ｔ反応を表している。同様に、線２５４は、ＥＧのＴ＆Ｔ反応を表しており、線２５６は、水とＥＧの等しい量の混合物のＴ＆Ｔを表している。線２５８は、酸化アルミニウムから生産されたナノ流体のＴ＆Ｔを表しており、使用されたベース流体は水である。線２６０は、酸化アルミニウムから生産されたナノ流体のＴ＆Ｔを表しており、使用されたベース流体はＥＧである。最後に、線２６２は、酸化アルミニウムから生産されたナノ流体のＴ＆Ｔを表しており、使用されたベース流体は、ＥＧと水が等しい量の混合物である。

図２（ｂ）に表されているグラフにおいて、酸化アルミニウムのナノ流体の温度の上昇にかかる時間は、ベース流体の温度を同じ量だけ上昇させるのに必要な時間よりも少なく、すなわち、ベース流体が単独で使用されているときよりも、ナノ流体が使用されているときの方が、熱伝達の速度は大きいということを観察することが可能である。例えば、線２５６を見てみると、ＥＧと水が等しい量の混合物の温度は、７０℃からＴ_３へ時間Ｓ_４で上昇し、一方、ＥＧと水の混合物のベース流体の中に用意された酸化アルミニウムのナノ流体の温度は、７０℃からＴ_３へ上昇し、これは時間Ｓ_３でおこり、Ｓ_３＜Ｓ_４である。同様に、時間Ｓ_３において、ＥＧと水の混合物の温度は、Ｔ_４まで変化するが、一方、ＥＧと水の混合物を有するベース流体の中に用意された酸化アルミニウムのナノ流体の温度は、Ｔ_３まで変化し、Ｔ_３＞Ｔ_４である。

したがって、図２（ａ）および図２（ｂ）に示されている結果から、ナノ流体は、ベースにされた流体と比較したときに、より良好なＴ＆Ｔ反応を示すということが明白である。

安定したナノ流体の用意のための実施形態が、構造的な特徴および／または方法に特有の言葉で記載されてきたが、添付の特許請求の範囲は、必ずしも、記載されている特定の特徴または方法に限定されないということが理解されるべきである。むしろ、特定の特徴および方法は、安定したナノ流体を生産するための例および実施形態として開示されている。

１００ ナノ流体の生産環境
１０２ ベース流体
１０４ 分散剤
１０６ 金属酸化物の粉末
１０８ 第１の混合物
１１０ 一次混合物
１１２ 分散機
１１４ 粉砕機
１１６ 粒子サイズ分析器
２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２、２５２、２５４、２５６、２５８、２６０、２６２ 線
１０２−１、１０２−２ ベース流体、熱伝達液体
１０２−３ ベース流体
１０４−１、１０４−２、１０４−３ 分散剤
１１２−１、１１２−２ 分散機

Claims (15)

1. ナノ流体を生産するための方法であって、
   ベース流体を分散剤および金属酸化物の粉末と混合し、一次混合物を形成する混合ステップであって、前記ベース流体は、熱伝達流体であり、前記金属酸化物の粉末は、１００ｎｍよりも大きいサイズの粒子を含む、混合ステップと、
   前記一次混合物を粉砕し、濃縮されたナノ粒子の懸濁液を得る粉砕ステップであって、前記分散剤が、所定の期間の後ごとに、前記粉砕の間に前記一次混合物に加えられる、粉砕ステップと、
   を備える、方法。
2. 前記金属酸化物の粉末が、少なくとも１つの金属酸化物の粒子を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記濃縮されたナノ粒子の懸濁液の前記金属酸化物の微粒子が、１００ｎｍよりも小さい平均サイズを有する、請求項１に記載の方法。
4. 前記ベース流体および前記分散剤を加えることによって、前記濃縮されたナノ粒子の懸濁液を希釈し、ナノ流体を生産する希釈ステップと、
   前記希釈されたナノ粒子の懸濁液を分散させて、安定したナノ流体を形成する分散ステップと、
   をさらに備える、請求項１に記載の方法。
5. 前記分散ステップは、超音波処理および磁気撹拌のうちの１つを使用して行われる、請求項４に記載の方法。
6. 前記安定したナノ流体の熱伝達効率が、前記ベース流体の熱伝達効率よりも、約１％〜約６０％だけ大きい、請求項４に記載の方法。
7. 前記安定したナノ流体の熱伝達効率は、複数の加熱冷却サイクルにわたって、実質的に一定のままである、請求項４に記載の方法。
8. 前記一次混合物を粉砕する前記粉砕ステップが、
   前記一次混合物を湿式破砕する湿式破砕工程と、
   前記湿式破砕工程の間に、前記一次混合物を定期的に分析し、前記金属酸化物の粉末の微粒子のサイズを測定する分析工程と、
   を含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記湿式破砕工程が、ボールミルおよび遊星ミルのうちの１つを使用して行われる、請求項８に記載の方法。
10. 前記混合ステップが、前記一次混合物を分散させて、一次混合物スラリーを形成する分散工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記分散工程が、超音波処理および磁気撹拌のうちの１つを使用して行われる、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ベース流体が、水、ポリオール、グリコール、アルコール、油、および、それらの組み合わせのうちの１つである、請求項１に記載の方法。
13. 前記分散剤が、カルボン酸、エステル、エーテル、アルコール、糖類、糖類派生物、ホスフェート、アミン、および、それらの組み合わせのうちの１つである、請求項１に記載の方法。
14. 前記少なくとも１つの金属酸化物を形成する金属が、チタン、アルミニウム、鉄、シリコン、ジルコニウム、および亜鉛のうちの１つである、請求項２に記載の方法。
15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法から生産される、安定したナノ流体。