熱伝導性ナノ流体をベースにしたクーラント
超音波合成されたナノ流体は、効率的な冷却剤および熱交換器用液体である。熱伝導性ナノ材料は、熱伝達と熱放散能力を著しく向上させます。超音波処理は、熱伝導性ナノ粒子の合成と機能化、および冷却用途の安定した高性能ナノ流体の製造において、十分に確立されています。
熱水力性能に対するナノ流体効果
材料の熱伝導率は、熱を伝導する能力の尺度である。クーラントや熱伝導流体（サーマルフルードやサーマルオイルとも呼ばれる）には、高い熱伝導率が望まれる。数多くのナノ材料が優れた熱伝導特性を発揮する。ナノ材料の優れた熱伝導性を利用するために、いわゆるナノ流体が冷却液として使用されている。ナノ流体とは、ナノメートルサイズの粒子が水、グリコール、油などのベース流体中に懸濁され、コロイド溶液を形成している流体のことである。ナノ流体は、ナノ粒子や大きな粒子を含まない液体と比較して、熱伝導率を大幅に向上させることができる。分散したナノ粒子の材質、サイズ、粘度、表面電荷、流体の安定性は、ナノ流体の熱性能に大きく影響する。ナノ流体は、従来のベース流体と比較して優れた伝熱性能を示すため、伝熱用途において急速に重要性を増している。
超音波分散は、高性能な伝熱能力を持つナノ流体を製造するための、高効率で信頼性の高い、工業的に確立された技術である。
- 表面積と体積の比率が高いため、エネルギーおよび物質移動速度が大幅に向上。
- コロイド安定性に優れた低質量
- 侵食を最小限に抑える低慣性
これらのナノサイズに関連した特徴により、ナノ流体は卓越した熱伝導性を持つ。超音波分散は、機能化されたナノ粒子とナノ流体を製造する最も効率的な技術である。
熱伝導性に優れた超音波ナノ流体
数多くのナノ材料 – CNT、シリカ、グラフェン、アルミニウム、銀、窒化ホウ素、その他多数 – は、熱伝導流体の熱伝導性を高めることがすでに証明されている。以下に、超音波処理下で調製した熱伝導性ナノ流体に関する模範的な研究結果を示します。
超音波を用いたアルミウニウムベースのナノ流体製造
Buonomoら（2015）は、超音波処理下で調製したAl2O3ナノ流体の熱伝導率の向上を実証した。
Al2O3ナノ粒子を水中に均一に分散させるために、研究者らはHielscher社のプローブ型超音波発生装置UP400Sを使用した。超音波で凝集を解き、分散させたアルミニウム粒子の粒径は、すべてのナノ流体で約120nmであった。 – 粒子濃度とは無関係である。ナノ流体の熱伝導率は、純水と比較して高温で増加した。室温25℃における0.5%のAl2O3粒子濃度では、熱伝導率の増加は約0.57%に過ぎないが、65℃ではこの値は約8%に増加する。体積濃度が4%の場合、25℃から65℃まで温度が上昇すると、熱伝導率は7.6%から14.4%に向上する。
[参照：Buonomo et al.］
UP400Sによる超音波処理後の様々な窒化ホウ素濃度の水性窒化ホウ素ナノ流体の粒度分布(a)0.1% hBN、(b)0.5% hBN、(c)2% hBN。
(研究およびグラフ：© Ilhan et al, 2016）
ソニケーションを用いた窒化ホウ素ベースのナノ流体製造
Ilhanら（2016）は、六方晶窒化ホウ素（hBN）ベースのナノ流体の熱伝導率を調査した。この目的のために、超音波処理とドデシル硫酸ナトリウム（SDS）やポリビニルピロリドン（PVP）などの界面活性剤を含む2段階法で、平均直径70nmのhBNナノ粒子を含む、よく分散した安定な一連のナノ流体を製造した。超音波分散されたhBN-水ナノ流体は、非常に希薄な粒子濃度であっても、著しい熱伝導率の増加を示した。プローブ型超音波発生装置UP400Sを用いた超音波処理により、凝集体の平均粒径は40～60nmの範囲にまで小さくなった。研究者らは、未処理の乾燥状態で観察された大きく高密度な窒化ホウ素凝集体は、超音波処理と界面活性剤の添加によって破壊されると結論づけている。このことから、超音波分散は、さまざまな粒子濃度の水性ナノ流体を調製するための効果的な方法である。
[イルハン他、2016参照]。
体積濃度0.5%のエチレングリコール（EG）ベースのhBNナノ流体を超音波分散させた際の形態を示すSTEM画像。
(研究およびグラフ：© Ilhan et al, 2016）
“超音波処理は、ナノ流体の安定性を高めるために、文献上最も広く利用されているプロセスである。” [また、工業生産においても、超音波処理は現在、卓越した性能を持つ長期安定ナノ流体を得るための最も効果的で、信頼性が高く、経済的な技術となっている。
クーラント製造用工業用超音波装置
科学的に証明され、産業的に確立された – ナノ流体製造用ヒールシャー超音波装置
超音波高剪断分散機は、高性能クーラントや伝熱液を連続生産するための信頼性の高い機械です。超音波駆動による混合は、その効率性と信頼性で知られています。 – 厳しい混合条件が適用される場合でも。
Hielscher Ultrasonicsの装置は、無毒性、非危険物、中には食品グレードのナノ流体の調製を可能にします。同時に、弊社の超音波装置はすべて、高効率で信頼性が高く、安全に操作でき、非常に頑丈です。年中無休で稼動するように設計されており、卓上型や中型の超音波発生装置でも、驚くほどの量を発生させることができます。
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下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：
| バッチ量 | 流量 | 推奨デバイス |
|---|---|---|
| 1〜500mL | 10～200mL/分 | UP100H |
| 10〜2000mL | 20～400mL/分 | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1～20L | 0.2～4L/分 | UIP2000hdT |
| 10～100L | 2～10L/分 | UIP4000hdT |
| 15～150L | 3～15L/分 | UIP6000hdT |
| n.a. | 10～100L/分 | uip16000 |
| n.a. | より大きい | クラスタ uip16000 |
お問い合わせ/ お問い合わせ
Hielscher Ultrasonics社は、ラボスケール、パイロットスケール、工業スケールの混合アプリケーション、分散、乳化、抽出用の高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。
文献・参考文献
- B. Buonomo, O. Manca, L. Marinelli, S. Nardini (2015): Effect of temperature and sonication time on nanofluid thermal conductivity measurements by nano-flash method. Applied Thermal Engineering 2015.
- Beybin İlhan, Melike Kurt, Hakan Ertürk (2016): Experimental investigation of heat transfer enhancement and viscosity change of hBN nanofluids. Experimental Thermal and Fluid Science, Volume 77, 2016. 272-283.
- Oldenburg, S., Siekkinen, A., Darlington, T., Baldwin, R. (2007): Optimized Nanofluid Coolants for Spacecraft Thermal Control Systems. SAE Technical Paper, 2007.
- Mehdi Keyvani, Masoud Afrand, Davood Toghraie, Mahdi Reiszadeh (2018): An experimental study on the thermal conductivity of cerium oxide/ethylene glycol nanofluid: developing a new correlation. Journal of Molecular Liquids, Volume 266, 2018, 211-217.
知っておくべき事実
なぜナノ流体は冷却や伝熱用途に適しているのか？
新しい冷却剤のクラスはナノ流体であり、ナノサイズの粒子のキャリア液体として機能するベース流体（水など）から構成される。目的に応じて設計されたナノ粒子（例えば、ナノサイズのCuO、アルミナ酸化チタン、カーボンナノチューブ、シリカ、または銅や銀のナノロッドなどの金属）をベース流体に分散させることで、得られるナノ流体の熱伝達能力を大幅に向上させることができる。これにより、ナノ流体は驚異的な高性能冷却液となる。
例えば、直径55±12 nm、平均長さ12.8 µmの銀ナノロッドを0.5 vol.%使用すると、水の熱伝導率が68%増加し、銀ナノロッドを0.5 vol.%使用すると、エチレングリコールベースの冷却剤の熱伝導率が98%増加する。0.1%のアルミナナノ粒子は、水の臨界熱流束を70%も増加させる。粒子は被冷却物上に粗い多孔質表面を形成し、新たな気泡の形成を促し、その親水性が気泡を押し流し、蒸気層の形成を妨げる。濃度5％以上のナノ流体は、非ニュートン流体のように作用する。(参照：Oldenburg et al.
熱制御システムで使用される冷却剤に金属ナノ粒子を添加することで、ベース流体の熱伝導率を劇的に向上させることができる。このような金属ナノ粒子-流体複合材料はナノ流体と呼ばれ、冷却剤としての使用は宇宙船の熱制御システムの重量と電力要件を削減する可能性がある。ナノ流体の熱伝導率は、構成ナノ粒子の濃度、サイズ、形状、表面化学、凝集状態に依存する。水とエチレングリコールをベースとした冷却剤の熱伝導率と粘度に及ぼすナノ粒子の担持濃度とアスペクト比の影響を調べた。直径55±12nm、平均長さ12.8±8.5μmの銀ナノロッドは、0.5体積%の濃度で水の熱伝導率を68%増加させた。エチレングリコールをベースとする冷却水の熱伝導率は、銀ナノロッドの担持濃度0.5体積%で98%増加した。同じ担持密度では、長いナノロッドの方が短いナノロッドよりも熱伝導率に大きな影響を与えた。しかし、長いナノロッドは、短いナノロッドよりもベース流体の粘度をより大きく増加させた。
(Oldenburg et al.）
