熱伝導性ナノ流体を用いた冷却液
超音波で合成されたナノ流体は、効率的な冷却液および熱交換器用液体です。熱伝導性ナノ材料は、熱伝達能力と放熱能力を大幅に高めます。超音波処理は、熱伝導性ナノ粒子の合成と機能化、ならびに冷却用途向けの安定した高性能ナノ流体の製造において、確立された技術です。
熱・流体力学的性能に対するナノ流体の効果
材料の熱伝導率は、熱を伝える能力の指標です。冷却液や伝熱流体（熱媒体流体または熱媒体油とも呼ばれます）には、高い熱伝導率が求められます。多くのナノ材料は、優れた熱伝導特性を備えています。ナノ材料の優れた熱伝導性を活用するため、いわゆるナノ流体が冷却液として使用されます。ナノ流体とは、水、グリコール、油などのベース流体中にナノメートルサイズの粒子が懸濁し、コロイド溶液を形成している流体です。ナノ流体は、ナノ粒子やより大きな粒子を含まない液体と比べて、熱伝導率が大幅に高くなることがあります。分散したナノ粒子の材質、サイズ、粘度、表面電荷、流体安定性は、ナノ流体の熱的性能に大きく影響します。ナノ流体は従来のベース流体と比べて優れた熱伝達性能を示すため、熱伝達用途で急速に重要性を増しています。
超音波分散は、高い熱伝達能力を備えたナノ流体を製造するための、非常に効率的で信頼性が高く、産業分野で確立された技術です。
- エネルギーおよび物質の移動速度を大幅に高める、高い表面積 : 体積比
- 非常に優れたコロイド安定性をもたらす小さな質量
- 侵食を最小限に抑える小さな慣性
ナノサイズに由来するこれらの特性が、ナノ流体に卓越した熱伝導率をもたらします。超音波分散は、機能化ナノ粒子およびナノ流体を製造するための最も効率的な技術です。
超音波で製造された、優れた熱伝導性を持つナノ流体
多くのナノ材料 – CNT、シリカ、グラフェン、アルミニウム、銀、窒化ホウ素など – が、伝熱流体の熱伝導性を高めることは、すでに実証されています。以下に、超音波処理で調製された熱伝導性ナノ流体に関する研究結果の例を紹介します。
超音波によるアルミニウム系ナノ流体の製造
Buonomo et al. (2015) は、超音波処理で調製したAl2O3ナノ流体の熱伝導率の向上を実証しました。
Al2O3ナノ粒子を水中に均一に分散させるため、研究者らはHielscherのプローブ型超音波処理装置UP400Sを使用しました。超音波で解凝集・分散したアルミニウム粒子の粒径は、粒子濃度にかかわらず、すべてのナノ流体で約120 nmとなりました。純水との比較では、ナノ流体の熱伝導率は高温になるほど上昇しました。Al2O3粒子濃度が0.5%の場合、室温の25°Cでは熱伝導率の増加はわずか約0.57%ですが、65°Cでは約8%に増加します。体積濃度が4%の場合、温度が25°Cから65°Cに上昇すると、増加率は7.6%から14.4%に上昇します。
[cf. Buonomo et al., 2015]
UP400Sによる超音波処理後の、窒化ホウ素濃度が異なる水系窒化ホウ素ナノ流体の粒径分布：(a) 0.1% hBN、(b) 0.5% hBN、(c) 2% hBN
（研究およびグラフ：© Ilhan et al., 2016）
超音波処理による窒化ホウ素系ナノ流体の製造
Ilhan et al. (2016) は、六方晶窒化ホウ素（hBN）系ナノ流体の熱伝導率を調査しました。この目的のため、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用いた二段階の方法で、平均直径70 nmのhBNナノ粒子を含む、良好に分散した安定なナノ流体を一連の試料として製造しました。超音波で分散したhBN–水ナノ流体は、粒子濃度が非常に低い場合でも、熱伝導率の大幅な増加を示します。プローブ型超音波処理装置UP400Sによる超音波処理は、凝集体の平均粒径を40–60 nmの範囲まで低減しました。研究者らは、未処理の乾燥状態で観察された大きく緻密な窒化ホウ素凝集体が、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ます。このことから、超音波分散は、さまざまな粒子濃度の水系ナノ流体を調製するための効果的な方法であるといえます。
[cf. Ilhan et al., 2016]
超音波で分散した、粒子体積濃度0.5%のエチレングリコール（EG）系hBNナノ流体の形態を示すSTEM画像。
（研究およびグラフ：© Ilhan et al., 2016）
「文献では、超音波処理はナノ流体の安定性を高めるために最も広く用いられているプロセスです。」 [Ilhan et al., 2016] また、産業生産においても、超音波処理は現在、卓越した性能を持ち、長期にわたって安定したナノ流体を得るための、最も効果的で信頼性が高く、経済的な技術です。
冷却液製造用の産業用超音波処理装置
科学的に実証され、産業分野で確立された技術 – ナノ流体製造用のHielscher超音波処理装置
超音波高せん断分散装置は、高性能な冷却液および伝熱流体を連続製造するための信頼性の高い装置です。超音波による混合は、厳しい混合条件下でも、その効率性と信頼性で知られています。
Hielscher Ultrasonicsの装置では、毒性がなく危険性のないナノ流体を調製でき、中には食品グレードのものもあります。同時に、当社のすべての超音波処理装置は、非常に効率的で信頼性が高く、安全に操作でき、非常に堅牢です。24/7運転を想定して設計されており、当社の卓上型および中型の超音波処理装置でも、相当量の製造が可能です。
ナノ流体の超音波製造について詳しくご覧いただくか、今すぐお問い合わせください。詳しいご相談と、超音波分散装置の無料のご提案を承ります。
以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力を示しています。
| バッチ容量 | 流量 | 推奨装置 |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| 該当なし | 10–100L/min | UIP16000 |
| 該当なし | さらに大きな流量 | クラスター構成の UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonicsは、ラボ、パイロット、産業規模での混合用途、分散、乳化、抽出に使用する高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。
文献・参考資料
- 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.
知っておきたい基礎知識
ナノ流体が冷却・熱伝達用途に適しているのはなぜですか？
新しい種類の冷却液であるナノ流体は、ナノサイズの粒子のキャリア液として機能するベース流体（例：水）から構成されます。目的に合わせて設計されたナノ粒子（例：ナノサイズのCuO、アルミナ 二酸化チタン、カーボンナノチューブ、シリカ、または銅や銀ナノロッドなどの金属）をベース流体に分散させると、得られるナノ流体の熱伝達能力を大幅に高めることができます。これにより、ナノ流体は並外れて高性能な冷却液となります。
熱伝導性ナノ粒子を含む、特別に製造されたナノ流体を使用すると、熱伝達および放熱を大幅に改善できます。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.%含む場合、水の熱伝導率が68%増加し、0.5 vol.%の銀ナノロッドはエチレングリコール系冷却液の熱伝導率を98%増加させました。0.1%のアルミナナノ粒子は、水の限界熱流束を最大70%増加させることができます。粒子は冷却対象の表面に粗い多孔質の表面を形成し、新たな気泡の形成を促します。その後、粒子の親水性が気泡を押し離すのを助け、蒸気層の形成を妨げます。濃度が5%を超えるナノ流体は、非ニュートン流体のように振る舞います。(cf. (Oldenburg et al., 2007)
熱制御システムで使用する冷却液に金属ナノ粒子を添加すると、ベース流体の熱伝導率を飛躍的に高めることができます。このような金属ナノ粒子と流体の複合材料はナノ流体と呼ばれ、冷却液として使用することで、宇宙機の熱制御システムの重量および必要電力を低減できる可能性があります。ナノ流体の熱伝導率は、構成するナノ粒子の濃度、サイズ、形状、表面化学、および凝集状態に依存します。ナノ粒子の添加濃度とアスペクト比が、水およびエチレングリコール系冷却液の熱伝導率と粘度に及ぼす影響が調査されました。直径55 ± 12 nm、平均長さ12.8 ± 8.5 μmの銀ナノロッドは、体積濃度0.5%で水の熱伝導率を68%増加させました。エチレングリコール系冷却液の熱伝導率は、銀ナノロッドの添加濃度が体積比で0.5%の場合に98%増加しました。同じ添加密度では、長いナノロッドのほうが短いナノロッドよりも熱伝導率への影響が大きくなりました。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大きく増加させました。
(Oldenburg et al., 2007)
Hielscher Ultrasonicsは、 ラボ規模 から 産業規模までの高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。