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Masuda 1993

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Alessandro Fortuna

Nanofluid Al2O3

1 of 7
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【論文】 Netsu Bussei 7 ?k4?l (1993) 227/233 超微粒子分散による液体の熱伝導率 と粘性率の変化 (Al2O3, SiO2, TiO2超 微 粒 子 の 分 散) 増田英 俊, 江幡 晶,*1寺前和 成,*2菱沼信夫 東北大学流体科学研究所 〒980仙 台市青葉区 片平2-1-1 超微粒子 を少量, 液体 に分散 させ るこ とに よって, 母液 の熱伝 導率 を どれだけ変え られ るかが実験的 に試み られた. 超微 粒子 としてAl2O3, SiO2お よびTiO2超 微粉末 を, 液体 と して水 を用 い, 安定 な分散系 を生成 した. 非定常細線 加熱法 で分散 系の有効熱伝導率 を測 定 し, 超微粒 子の種類, 粒 子濃度, 温度 による熱伝導率 の変化傾向 を明 らかに した. また それ ら分散媒体 の粘性 率 も測定 し, その増加傾 向を検 討 した. 元 東 北 大 学 大 学 院, 現 東 陶機 器 (株). 東 北 大 学 大 学 院. Al2O3とSiO2は 日本 アエ ロ ジ ル株 式会 社 製 で 商 品 名 は それ ぞ れAEROSIL 200CFとAluminum Oxide C, TiO2は チ タ ン工 業 株 式 会 社 製 のSTT-65Cで あ る. 1. 緒 言 あ る物 質 (母 材) に, 物 性値 ので き るだ け異 なる他 の物 質 を混合分 散 させて母 材 の性質, 特 に熱 伝導 率な どを改変 しよ うとい う試 み は以 前か ら多 く行 われ てお り[1], ま たその よ うな分散 系物質 の物性値 の推算 式 に 関 す る研 究 も多 い [2,3]. その場合 に扱わ れて いる混合 物 質 は, 分散質 も分散 媒 も ともに固相 とい う固?固分散 系 が圧倒 的 に多 く[4,5], 逆 に固?液分散 系は非 常に少 な い [6]. 著者 らは先 に, 液体 の熱伝 導率 制御 とい う観 点 か ら, 少 量 のα-Fe2O3ま た はTiO2超 微粒 子を液 体 に安 定 分散 させ た ときの混合物 質, す なわ ち固?液分 散系 の 有 効熱 伝導 率を 測定 した [7]. 金 属 または セラ ミックスの超微 粒子 は近 年 さ まざま な種類 と粒 子径 (1～100nm) の ものが多数 製造 され て お り, 粒子 径 を極 め て小 さ くす るこ とに よって特異 な性 質の 出現 が期待 で き るこ とか ら, 人 々の関心 を高 め, そ の応用 面が 開発 されて きてい る [8,9]. 超微 粒子 と した ときの諸 熱物 性値 はま だほ とん ど測 定 され てい ないよ うだが, 液体 への 混合分 散 を考 え る場合, その 熱 伝導率 の液 体 との違 いは通 常1～2桁 はあ る とみて よいで あ ろ う. したが って 超微粒 子 のわず かな液 体へ の混合分 散 に よって, 母液 の熱 伝導率 の大 き な変 化が 期 待 され る. しか も通常作 られ てい る粒 子径, 数10nm の超微 粒子 の使用 は, 液 体の 単相流 と して の性 質を大 き く変 え る ことな く熱伝導率 の改変 が可 能 と考 え られ る し, ま た超 微粒 子 の使用 に よって安定 に分散 した混 合媒 体の生 成 も比較 的容 易で あ り, 熱伝導 率 測定 には 極 めて好適 で あ る. 本 研究 では超 微粒 子 と してAl2O3な ど3種 の超 微粉 末 を, また分散 媒 (母 液) と して水を 用 いて, 前報 [7] よ り高濃度 の分 散系 を生成 し, その有効 熱伝 導率 の変 化 を明 らか に してみ る. また分散 系媒 体の物 性値 と し て 重要 な粘性率 も求 めてみ る. 2. 分 散 系 試 料 の 生 成 2.1 超 微粒子 試料 前 述 したよ うに現在製 造 されて いる超 微粒子 に はさ ま ざまな ものが あ るが, ここで は (1) 分散 媒 (母 液) へ の安定 分散性 の よい こ と, (2) 特異 な性質 を期 待す る とい う意 味でで き るだけ 粒子 径の小 さい こと, を主 な選 択の条 件 と した. そ して種 々の超微粒 子 の母 液 への分 散を試 み たが, 最 終的 には酸 化物超 微粒 子で あ る7-A12O3, SiO2お よびTiO2 (ア ナタ ーゼ 形) の3種 類 の超 微粒 子 を分散 質 と して 使用 した*3. それ らの諸 物 理量 [10-12] をTable 1に 掲 げ る. 同表 のPZC (point of zero charge) は無 電荷 点で あ る. γ-A12O3は バ ル ク 材 と してみ る限 り, 金 属酸 化物 の中 では熱 伝導 率は大 き い方 で あ り, TiO2は 中程度 で ある. SiO2は 熱 伝導 率 の低 い もの と して 選 んだ. そ れ らの電子 顕微鏡 写真 を Fig.1に 示 したが, 粒 子形状 は 同図 (a) のγ-Al2O3は 縦 横 比1も しくはや や細長 の粒状, (b) のSiO2は 丸形, (c) のTiO2は 縦 横 比 ほぼ1の 粒 状で あ る. 2.2 超微粒 子-水 の分散 系 の生 成 分散媒 には熱媒 体 と して最 も一 般的 で あ り, 熱 物性 値 もよ く知 られ, か つ酸化 物超 微粒 子を分 散 させやす 227
い水 (蒸 留水) を用 いた. 主 な分散法 と して は界面 活性 剤利 用 の方 法 と静 電斥 力利 用 の方 法 とが 考 え られ る. 著者 らは先 に, 前者 は長 期 間の安定 分散 に は極め て好 ま しいが, 界面活性 剤 自体が分 散系 の熱物 性値 に影響 を及 ぼ し, かつ分散 系 の生成 も比較 的難 しい こと, 一 方後者 は分散 技術 は易 しい が短 期 間 (1週 間程度) の 分散法で あ るこ とを報 告 した [7]. したが って 本研究 で は熱物性 へ の他 の影 響 の入 らない後者 の静 電斥 力利 用 法 を用 い るこ とに した. Table 1 Physical description of the ultra-fine particles ?? Data offered from the manufacturers. * Data for 0-2% porosity, at 300K. ?÷ PZC; Point of zero charge. (a) γ-Al2O3 (c) TiO2 (anatase) (b) SiO2 Fig. 1 Photographs of ultra-fine particles 分散 系試 料の 生成 過程 をFig. 2に 示す. 室温 で超微 粒 子 と水 を 混合 し, そ の混合液 のpH値 をTable 1に 示 した無 電荷 点か ら離 して分散 しやす くす るため に酸 または塩 基 を微 量 (数 滴) 滴下す る. 超 高速 回転 分散 機 で混合液 をか くはん し (10000～15000rpm), 超微 粒子 を分散 してpHを 測 定す る. 適切 なpH値 に到達 す るまで この操作 を繰 り返 し, pH調 整 を して 分散系 試料 が生成 され る. 適 切 なpH値 は個 々の分散系 に よって異 228
なるの で, 試行 錯誤 で各 分散系 につ いて その値 を求 め た. な お, 酸 と塩基 に, 本 実験 で は塩 酸 と水酸化 ナ ト リウム水 溶液 をそれ ぞれ使 用 した. Table 2に 生 成 した 分 散系 とそのpH値, お よび分 散系 の粒子 濃度 として 重 量分率 φwと 体 積分 率 φvを 示 した. なお生成 した分 散 系試料 が一 様 に安定分 散 して いるか ど うか は, 試料 生 成か ら一昼 夜放 置後, 試料 容器 の上 下2点 か ら分散 液 を分取 して その密 度を測 定 し, また視覚 に よる凝集 沈 澱の有 無 の観察 に よ り確認 した. Fig. 2 Making process of the dispersed system Table 2 Dispersed systems Fig. 3 Transient hot-wire cell 3. 実 験 装 置 と 実 験 方 法 分 散系 の有効 熱伝 導率 測定 には液体 の測定 法 と して 精度 の よい非定 常細線法 [13,14] を用 いた. さ らに細 線 の端部 効果 を 除去 す るた め相 殺法 [15]を応用 した. Fig.3に 本 実験 で用 いた熱線 セルを示す. ① は円筒容 器部 (内 径32mm, 内側高 さ215mm) で, 試 料が 弱酸 性 また は弱塩 基性 なため上 下部 を含 めて全 体を ステ ン レス鋼 と した. ② と③ が加 熱 白金細線, ④ ～⑥ は支持 棒 (電 極) で あ り銅棒 を用 いた. ⑦ はス プ リングを兼 ねたか ぎ部 で細 い銅 線 と した. 白金細 線 は直径28μm の素線 に電気絶 縁 のため厚 さ6.5μmの ポ リウ レタ ン被 覆 を した ものを 使用 した. 長 ?短2本 の細線 の長 さはそ れぞれ約150mmと60mmと した. 分散 系試料 を入 れ た熱 線セル 全体 を恒温 水槽 内に取 り付 け [7], 長坂 長 島の方 法 [15]で熱伝 導率 測定 を行 った. す なわ ち長 ?短2本 の細線 を ホイー トス トンブ リ ッジの2辺 に組 み込み, 両細 線の発熱 による温度 変化, つま り抵抗変 化 の差 を ブ リッジの非平 衡電位 差 と して 表 し, その 時間変化 を デ ジタル 電圧 計で記 録 した. 細 線 の加熱 量 は, たとえば試 料が 水の場 合で約1W/m, 加 熱電 流は約70mAで あ った. なお本実験 の よ うに導 電性 で, か つ後述 す るよ うに 比較的 高粘性 液体 の場合, 細線 の張 り方 と電気絶縁 に 細 心 の注意 が必要 で あるが, 本 実験 ではセ ルの 中の試 料 を取 り換 え るご とに線 も張 り換え, 細線 の抵抗 の温 度 係数 の校正 を行 った. 超 微粒 子-液 体 の分 散系 で も う一 つ の重要 な熱物 性 は粘性 率 であ ろ う. この分 散系 は厳 密に は非 ニ ュー ト ン流動 を示す と考 え られ るが, 同 じ種類 の分散系 で あ る磁性 流体 の場合 に, 磁 場 をか けない状態 で, かな り の高濃 度 で もニ ュー トン流 動 に極め て近 い性質 を もつ ことが報告 されて い る [16].したが って本 実験 で生成 し た分散 系 もニ ュー トン流 動 に近 いとみ な して, 回転振 動 式デ ジタル 粘度 計を 用 いて その 粘性 率 を測 定 した. 蓋付 き銅製 の 円筒 形試 料容器 を作製 し, その 中 に試料 を入 れ, 恒 温水槽 内 にそ の容 器を固 定 して測定 を行 っ た. 229
Fig. 4 Effective thermal conductivity of water-A12O3 system A Meredith and Tobias [18],sphere B Hamiltonand Crosser [19],circularcylinder, height/diameter=1 C-1 Yamadaand Ota [2],cube C-2 Yamada and Ota [2],rectangular prism, aspect ratio 1.8:1:1 D Fricke[20],prolate spheroid, aspect ratio 6:1 Fig. 5 Variation of dimensionless thermal conductivity of water-Al2O3 System 4. 実 験 結 果 と 考 察 4.1 分散 系 の有効 熱伝導 率 初 めに非定 常細線 法 を用い た本装 置の 測定精度 を確 認 す るため, 本分散 系 のベ ー ス液 体で ある水 (蒸 留 水) の熱伝導 率 を測定 した. その結 果, お よび水 の熱 伝導 率 の推奨 値 とされて い るNieto de Castroら の式 [17]を Fig.4に 記入 した. 本 測定値 の この推奨値 に対す る偏差 は±1.5%以 内で あ り, 本 装置 の精度 は この程度 とみな され る. Fig.4に 水-Al2O3分 散系 の有効 熱 伝導 率 λeの 測定 結 果を 温度Tに 対 して 示 した. 同図 よ り, 同分散 系の λeは 分散媒 で ある水 と同様 の温度依 存性 を示 し, かつ それ らは超微粒 子濃 度の増 加 と ともに大 幅に増加 して い るのが わか る. Fig.5に 同分散 系 の有効 熱伝 導率 比 λe/λcと超微粒 子濃度, す なわ ち体積分 率 φvと の関係 を示 した. λcは 水 (母 液) の熱 伝導率 で あ り、 λeと 同一 温度 にお け る値 を用 いて あ る. なお λeの 測定 は, Fig.4に 示す よ うに同一 濃度, 同一温 度 で数 回行ったが, Fig.5以 降で示 す測定 値 はその平 均値 で ある. Fig.5よ り水-Al2O3分 散系 の λe/λcは φvの 増加 とと もにほぼ 直線 的 に増大 し, φv_??_4.3%(φw=15%) で水 に対 して 約30%と 大 きな増大 を示 した ことが わか る. 比較 のた め 同図 に球形 粒子 の分 散系 の λeの 推算 式 と して使 わ れ るMeredithら の 式 [18] (曲 線A) と, 形状効 果を 取 り入 れ たHamiltonら の式 [19] (曲 線B) お よびYa madaら の式 [2] (曲 線C-1) を代 表例 と して 記入 した. 曲線Bは 比 (高 さ/直 径)=1の 円柱 形, 曲線C-1は 立 方体 と しての値 で ある. 水Al2O3分 散 系 の本 測定 値は いず れ もこれ ら球 また は立方体 などの分散 系 の式 を上 回 って い る. 超 微粒 子分散 系の 熱伝導 率 に関す る研 究 例 は極めて少 な く, この増加 の理 由の説 明 は難 しい が, 分散 系の熱伝 導率 に大 きな影響 を与 え る粒 子形 状 に着 目す るな ら, Fig.1(a) の写真 の検 討か ら, この分 散系 の λe増加 の理 由の一 つはA12O3粒 子の幾分細 長 い形状 に あ る と考 え るこ とが で きよ う. ちなみ に, この粒 子を 直方 体 とみ な して, 本 測定 値 と ほぼ 一致 す るYamada らの式の 直方体 の アスペ ク ト比 (高 さ, 縦, 横) を逆 算 して求 める と約1.8:1:1と な る. この値 をFig. 5に 曲 線C-2で 示 した. 本 実験 に用 い たAl2O3超 微粒 子 の形 状 は, Fig.1(a) の写真 か らは明確 には決 め られ ないが, 2.1節 で述べ た よ うに大 略, 縦横 比2:1～1:1と み ら れ, 上 記 の逆 算で 求め たア スペ ク ト比 に近 い と推定 さ れ る. ま た形 状効 果を取 り入 れて, 回転 楕 円体 を粒 子 モ デル と して求め た 夏Frickeの式 [20]に対 して, 曲線C- 2と 同 じよ うに本 測定 値 と一致 す る扁 長 回転楕 円 体の アスペ ク ト比 を求め る と6:1と な り, これ よ り求 めた 値 を曲線Dで 示 した. このアス ペ ク ト比は上 述の 曲線 C-2の それ とはあ ま りにも違 い過 ぎ, Fig.1(a) の写真 か ら判断 して もこの比 が妥 当とは考 え られな い. このよ うな結果 か らFrickeの 式 は φvの 大 き い所 のみな らず 230
[5], 小 さい所 で も λeの 実測値 よ り低め を与 え る よ う であ る. 水-SiO2分 散系 の有効 熱伝 導率 の測定 結果 をFig. 6に 示 す. 比較 の ためMeredithら の式 も記入 した. 使用 し たSiO2超 微 粒子 は現 在製 造 され てい る ものの 中で も熱 伝 導率 は低 い方で あ り, また粒子 形 はFig. 1(b) か らわ か る よ うに球 形に近 い. その分 散系 の φvに よ る λeの 増 加は予 想 どお り測定誤 差 に入 る程度 の極 めて 微小 な もので あ った. Fig.7に 水-TiO2分 散 系 の 熱伝導 率 比 λe/λcの 測定 結 果 を前 報 [7] の測 定値 と併 せて 示 した. 比較 のため Meredithら の式,お よびHamiltonら の式 の球 と して 求 めた値 (両 者 ほぼ一致) を 同図に記入 した. 同図か ら 水-TiO2分 散 系 の λe/λcは φvの 増加 とと もに ほぼ直線 的 に増加 して い くこ とが わか る. そ して本 測定値 は こ れ らの式 と非常 に よ く一致 して いる. これ はFig. 1(c) の顕 微 鏡写 真か らわか るよ うに, 使 用 したTiO2超 微 粒 子は球形 に近 く, かつ粒 子径 もほぼ一様 であ るため, 球 に対す る これ らの式 との一致 が よい ので あろ う. さ らにYamadaら の式の立 方体 として の値 も比較 のため Fig.7に 曲線Cで 記 入 したが, 立方 体 と して の 同式 は 本結 果 よ り幾分 高め とな る. 以上, 本 研究 で生成 した3つ の超微粒 子分 散系 の測 定結 果か ら, λeと φvの 関係 を粒 子形状 で おお まか で は あるが, あ る程度説 明 できた と考 え られ る. しか し 超微粒 子分散 系 と しては, まだ まだ未 知 なこ とが多 い. た とえば超 微粒 子 と して の諸熱物 性値, 液 中での超 微 粒 子 の挙動, 粒子径 によって変 る超微 粒子 の集 合状態, 分 散系 の生 成 に際 しpH値 調整 用 に添加 した酸 または 塩 基 の影響 な ど, そ の有効 熱伝導 率 に関わ る種 々の問 題 が残 され てい る と思 われ る. Fig. 6 Variation of dimensionless thermal conductivity of water-SiO2 system A Meredithand Tobias [18],sphere Hamiltonand Crosser [19],sphere C Yamada and Ota.[2],cube Fig. 7 Variation of dimensionless thermal conductivity of water-TiO2 system 4.2 分散系 の粘 性率 3種 類の 超微 粒 子分 散系 の粘 性 率 を, 温 度300～ 350Kの 範 囲で 測定 した. 一 例 と して水-Al2O3分 散系 の 粘性 率 η の 測定結 果 を粒 子濃 度 をパ ラ メー タ と して Fig.8に 示 した. 同図 中の実線 は水の 粘性 率 [21] で あ る. 同図か らわか るよ うに水-Al2O3分 散系 の ηの温度 依存性 は水 と類似 であ る. そ して同分散 系 の ηは 他の 分 散 系の場 合 [22] と同様 に, 粒 子の体 積分 率 φvの 増 加 と ともに増大 して い く. 3種 類の超 微粒 子分 散系 の相 対粘性 率 ηrel[=η/ηc (ηc; 分 散媒 の粘性 率)]と φvと の関係 をFig. 9に 示 し た. 同図 中の実線 は球 形粒 子 の分散 系で φvが 小 さい ときに成 り立 つ と され て いるGuth-Goldの 式 [22] で あ る. 水-SiO2分 散 系 の φvの 増加 に伴 う ηrelの増加 が最 も著 しく, 次 に水-Al2O3系, 水-TiO2系 の順 とな っ て いる. いず れの 測定結 果 もGuth-Goldの 式 を上 回 っ て いるが, 特 に前二 者 の ηrelが大 幅に増大 してい るの が 目だつ. 分 散系 の粘性 率 に影 響 を与え る因子 と して は超微 粒子の 種類, その生成 方法, 粒子形 状 と粒子径, 分散媒 の性 質, 分 散系 のpH値 な ど多 くの もの が考 え られ るが, その 中で も特 に粒 子径 の影響 は大 きい よ う で ある. 本実験 のSiO2やAl2O3の 超 微粒 子は粒 子径約 10nmと 非常 に小 さ く, したが ってTable 1に 記載 し た ように比表 面積が 大 き くな り, 分 散系 の固?液 の境 界 面積 を増 加 させて い るのが ηrel増大 の原 因 と考 え られ る. これ に対 してTiO2超 微粒子 は粒子径 が前二 者の約 2倍 と大 きいせ いか, 水 に対す る粘性率 の増加 は φv 4.3%の 最高 で も約60%と 低 か った. なおSiO2超 微粒 子は, 水 溶液 中で はそ の表面 のOH 231
基 (シ ラノ ール 基) に よって 粒子相 互 の結合 を起 こし や す く, 液 体の増 粘 によ く用 い られ る もの であ る [8]. しか し同一種類 の超 微粒 子で も, その生成 過程 にお け る表面処理 によって増 粘効 果は変 って くるよ うであ る. Fig. 8 Viscosity of water-Al2O3 system Fig. 9 Variation of relative viscosity of water -Al2O3, water-SiO2 and water-TiO2 system with volume fraction of particles 5. 結 論 超 微粒 子の混 合分散 によ る液体 の熱 伝導率 と粘性 率 の変 化を 明 らか にす るた め, その分 散系試 料を生成 し, 実験 を行 い, 以 下の結 果を得 た. (1) 分散質 と してAl2O3, SiO2お よびTiO2超 微粒子 を, また 分散媒 と して水 を用 い, 静電 斥力 を利用 して 一 様で安 定 な分 散系試 料 を生成 した. (2) 水-Al2O3お よび水-TiO2分 散 系 の有効熱 伝導率 λe は粒 子の体 積分率 φvの 増加 とと もに増大 し, 前 者 の λeは球形 粒子 の分散 系の推奨 式 の値 を かな り上 回 った の に対 し, 後者 の値 は推奨 式の値 とほぼ一致 した. (3) 水-SiO2分 散 系では, φv≦2.3%で は ほ とん ど λc の変化 はみ られ なか った. (4) 粒 子径 の小 さいSiO2とAl2O3超 微粒 子 の分 散系 の粘性 率 ηは φvの 増加 とと もに大 き く増 大 した. し か し粒子径 の大 きいTiO2超 微粒 子 の分散 系で はηの増 加 は小 さ く, 最大 で水 の値 の約60%増 で あ った. 終 りに臨み, 本 研究 の遂行 に際 し, 超 微粉末 とそれ に関す る資 料, な らび に電子顕 微 鏡写真 を提 供 された チ タ ン工業 株式会 社, お よび 日本 アエ ロジル 株式会 社 に厚 く感謝 の意 を表す る. 参 考 文 献 [1] 山 田 悦 郎; 熱 物 性, 3 (1989), 78. [2]E.Yamada, T.Ota; Warme- und Stoffubertragung, 13(1980),27. [3]I.L.Erukhimovich, M.S.Rivkin; AIChE Jourual, 37(1991), 1739. [4]D.L.Cullen, M.S.Zawojski,A.L.Holbrook; Plastics Eng.,44(1988),37. [5] 金 成 克 彦, 小 沢 丈 夫; 熱 物 性, 3 (1989), 106. [6]Y.W.Song,E.Hahne; High Temperatures-High Pressures, 19(1987), 57. [7] H.Sasaki, H.Masuda, I.Mizuta, N.Hishinuma; Proc. 3rd AsianThermophys. Proper. Coof., Beijing, (1992), 425. [8] 吉 住 素 彦; セ ラ ミ ッ ク ス, 18 (1983), 868. [9] 日 本 化 学 会 編, 「超 微 粒 子-科 学 と 応 用 」1-12頁 (学 会 出 版 セ ン タ ー, 1987). [10] 日 本 熱 物 性 学 会 編, 「熱 物 性 ハ ン ドブ ッ ク 」 260-261 頁 (養 賢 堂, 1990). [11] [9]と 同 じ, 54頁. 232
[12] 北 原 文 雄, 古 澤 邦 夫, 「分 散 ?乳 化 系 の 化 学 」 78頁 (工 学 図 書, 1979). [13] 長 島 昭, 村 田 裕, 滝 沢 清 一; 日 機 論, 143 (1977), 2268. [14] 長 坂 雄 次, 長 島 昭; 日 機 論, 147B (1981), 821. [15] 長 坂 雄 次, 長 島 昭; 日 機 論, 147B(1981), 1323. [16]N.P.Matusevich, L.P.Orlov, V.B.Samoilov,V.E. Fertman; Heat Transfer-Soviet Research, 19-3(1987), 25. [17] [10] と 同 じ, 592頁. [18]R.E.Meredith. C.W.Tobias; J. Electrochemical Soc.,103(1061), 286. [19]R.L.Hamilton, O. K.Crosser; Ind. Eng. Chem. Fund.,1 (1962), 187. [20]H.Friche; Physical Review,24(1924), 575. [21] [10] と 同 じ, 64頁. [22] [12] と 同 じ, 254-265頁. Alteration of Thermal Conductivity and Viscosity of Liquid by Dispersing Ultra-Fine Particles (Dispersion of Al2O3,SiO2 and TiO2 Ultra-Fine Particles) Hidetoshi Masuda*, Akira Ebata??, Kazunari Teramae?÷, Nobuo Hishinuma* * Institute of Fluid Science, Tohoku University, Sendai 980 ?? Toto-Kiki Co., Ltd. ?÷ Graduate student, Tohoku Uniyersity How much the thermal conductivity of a liquid can be altered by dispersing a small amount of ultra-fine par ticles into it has been studied. Fine powders of Al2O3, SiO2 and TiO2 were used as the ultra-fine particles , and water was selected as the base liquid. Three dispersed systems were made by applying the technique of elec trostatic repulsion. For the systems of water-Al2O3 and water-TiO2, effective thermal conductivities were seen to increase much more as the particle concentration was increased, but that of water-SiO2 system almost never increased. Viscosities of their dispersed systems were also measured, and the characteristics were made clear. (Received April 7, 1993.) (Accepted for publication June 21, 1993.) 233

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  • 1. 【論文】 Netsu Bussei 7 ?k4?l (1993) 227/233 超微粒子分散による液体の熱伝導率 と粘性率の変化 (Al2O3, SiO2, TiO2超 微 粒 子 の 分 散) 増田英 俊, 江幡 晶,*1寺前和 成,*2菱沼信夫 東北大学流体科学研究所 〒980仙 台市青葉区 片平2-1-1 超微粒子 を少量, 液体 に分散 させ るこ とに よって, 母液 の熱伝 導率 を どれだけ変え られ るかが実験的 に試み られた. 超微 粒子 としてAl2O3, SiO2お よびTiO2超 微粉末 を, 液体 と して水 を用 い, 安定 な分散系 を生成 した. 非定常細線 加熱法 で分散 系の有効熱伝導率 を測 定 し, 超微粒 子の種類, 粒 子濃度, 温度 による熱伝導率 の変化傾向 を明 らかに した. また それ ら分散媒体 の粘性 率 も測定 し, その増加傾 向を検 討 した. 元 東 北 大 学 大 学 院, 現 東 陶機 器 (株). 東 北 大 学 大 学 院. Al2O3とSiO2は 日本 アエ ロ ジ ル株 式会 社 製 で 商 品 名 は それ ぞ れAEROSIL 200CFとAluminum Oxide C, TiO2は チ タ ン工 業 株 式 会 社 製 のSTT-65Cで あ る. 1. 緒 言 あ る物 質 (母 材) に, 物 性値 ので き るだ け異 なる他 の物 質 を混合分 散 させて母 材 の性質, 特 に熱 伝導 率な どを改変 しよ うとい う試 み は以 前か ら多 く行 われ てお り[1], ま たその よ うな分散 系物質 の物性値 の推算 式 に 関 す る研 究 も多 い [2,3]. その場合 に扱わ れて いる混合 物 質 は, 分散質 も分散 媒 も ともに固相 とい う固?固分散 系 が圧倒 的 に多 く[4,5], 逆 に固?液分散 系は非 常に少 な い [6]. 著者 らは先 に, 液体 の熱伝 導率 制御 とい う観 点 か ら, 少 量 のα-Fe2O3ま た はTiO2超 微粒 子を液 体 に安 定 分散 させ た ときの混合物 質, す なわ ち固?液分 散系 の 有 効熱 伝導 率を 測定 した [7]. 金 属 または セラ ミックスの超微 粒子 は近 年 さ まざま な種類 と粒 子径 (1～100nm) の ものが多数 製造 され て お り, 粒子 径 を極 め て小 さ くす るこ とに よって特異 な性 質の 出現 が期待 で き るこ とか ら, 人 々の関心 を高 め, そ の応用 面が 開発 されて きてい る [8,9]. 超微 粒子 と した ときの諸 熱物 性値 はま だほ とん ど測 定 され てい ないよ うだが, 液体 への 混合分 散 を考 え る場合, その 熱 伝導率 の液 体 との違 いは通 常1～2桁 はあ る とみて よいで あ ろ う. したが って 超微粒 子 のわず かな液 体へ の混合分 散 に よって, 母液 の熱 伝導率 の大 き な変 化が 期 待 され る. しか も通常作 られ てい る粒 子径, 数10nm の超微 粒子 の使用 は, 液 体の 単相流 と して の性 質を大 き く変 え る ことな く熱伝導率 の改変 が可 能 と考 え られ る し, ま た超 微粒 子 の使用 に よって安定 に分散 した混 合媒 体の生 成 も比較 的容 易で あ り, 熱伝導 率 測定 には 極 めて好適 で あ る. 本 研究 では超 微粒 子 と してAl2O3な ど3種 の超 微粉 末 を, また分散 媒 (母 液) と して水を 用 いて, 前報 [7] よ り高濃度 の分 散系 を生成 し, その有効 熱伝 導率 の変 化 を明 らか に してみ る. また分散 系媒 体の物 性値 と し て 重要 な粘性率 も求 めてみ る. 2. 分 散 系 試 料 の 生 成 2.1 超 微粒子 試料 前 述 したよ うに現在製 造 されて いる超 微粒子 に はさ ま ざまな ものが あ るが, ここで は (1) 分散 媒 (母 液) へ の安定 分散性 の よい こ と, (2) 特異 な性質 を期 待す る とい う意 味でで き るだけ 粒子 径の小 さい こと, を主 な選 択の条 件 と した. そ して種 々の超微粒 子 の母 液 への分 散を試 み たが, 最 終的 には酸 化物超 微粒 子で あ る7-A12O3, SiO2お よびTiO2 (ア ナタ ーゼ 形) の3種 類 の超 微粒 子 を分散 質 と して 使用 した*3. それ らの諸 物 理量 [10-12] をTable 1に 掲 げ る. 同表 のPZC (point of zero charge) は無 電荷 点で あ る. γ-A12O3は バ ル ク 材 と してみ る限 り, 金 属酸 化物 の中 では熱 伝導 率は大 き い方 で あ り, TiO2は 中程度 で ある. SiO2は 熱 伝導 率 の低 い もの と して 選 んだ. そ れ らの電子 顕微鏡 写真 を Fig.1に 示 したが, 粒 子形状 は 同図 (a) のγ-Al2O3は 縦 横 比1も しくはや や細長 の粒状, (b) のSiO2は 丸形, (c) のTiO2は 縦 横 比 ほぼ1の 粒 状で あ る. 2.2 超微粒 子-水 の分散 系 の生 成 分散媒 には熱媒 体 と して最 も一 般的 で あ り, 熱 物性 値 もよ く知 られ, か つ酸化 物超 微粒 子を分 散 させやす 227
  • 2. い水 (蒸 留水) を用 いた. 主 な分散法 と して は界面 活性 剤利 用 の方 法 と静 電斥 力利 用 の方 法 とが 考 え られ る. 著者 らは先 に, 前者 は長 期 間の安定 分散 に は極め て好 ま しいが, 界面活性 剤 自体が分 散系 の熱物 性値 に影響 を及 ぼ し, かつ分散 系 の生成 も比較 的難 しい こと, 一 方後者 は分散 技術 は易 しい が短 期 間 (1週 間程度) の 分散法で あ るこ とを報 告 した [7]. したが って 本研究 で は熱物性 へ の他 の影 響 の入 らない後者 の静 電斥 力利 用 法 を用 い るこ とに した. Table 1 Physical description of the ultra-fine particles ?? Data offered from the manufacturers. * Data for 0-2% porosity, at 300K. ?÷ PZC; Point of zero charge. (a) γ-Al2O3 (c) TiO2 (anatase) (b) SiO2 Fig. 1 Photographs of ultra-fine particles 分散 系試 料の 生成 過程 をFig. 2に 示す. 室温 で超微 粒 子 と水 を 混合 し, そ の混合液 のpH値 をTable 1に 示 した無 電荷 点か ら離 して分散 しやす くす るため に酸 または塩 基 を微 量 (数 滴) 滴下す る. 超 高速 回転 分散 機 で混合液 をか くはん し (10000～15000rpm), 超微 粒子 を分散 してpHを 測 定す る. 適切 なpH値 に到達 す るまで この操作 を繰 り返 し, pH調 整 を して 分散系 試料 が生成 され る. 適 切 なpH値 は個 々の分散系 に よって異 228
  • 3. なるの で, 試行 錯誤 で各 分散系 につ いて その値 を求 め た. な お, 酸 と塩基 に, 本 実験 で は塩 酸 と水酸化 ナ ト リウム水 溶液 をそれ ぞれ使 用 した. Table 2に 生 成 した 分 散系 とそのpH値, お よび分 散系 の粒子 濃度 として 重 量分率 φwと 体 積分 率 φvを 示 した. なお生成 した分 散 系試料 が一 様 に安定分 散 して いるか ど うか は, 試料 生 成か ら一昼 夜放 置後, 試料 容器 の上 下2点 か ら分散 液 を分取 して その密 度を測 定 し, また視覚 に よる凝集 沈 澱の有 無 の観察 に よ り確認 した. Fig. 2 Making process of the dispersed system Table 2 Dispersed systems Fig. 3 Transient hot-wire cell 3. 実 験 装 置 と 実 験 方 法 分 散系 の有効 熱伝 導率 測定 には液体 の測定 法 と して 精度 の よい非定 常細線法 [13,14] を用 いた. さ らに細 線 の端部 効果 を 除去 す るた め相 殺法 [15]を応用 した. Fig.3に 本 実験 で用 いた熱線 セルを示す. ① は円筒容 器部 (内 径32mm, 内側高 さ215mm) で, 試 料が 弱酸 性 また は弱塩 基性 なため上 下部 を含 めて全 体を ステ ン レス鋼 と した. ② と③ が加 熱 白金細線, ④ ～⑥ は支持 棒 (電 極) で あ り銅棒 を用 いた. ⑦ はス プ リングを兼 ねたか ぎ部 で細 い銅 線 と した. 白金細 線 は直径28μm の素線 に電気絶 縁 のため厚 さ6.5μmの ポ リウ レタ ン被 覆 を した ものを 使用 した. 長 ?短2本 の細線 の長 さはそ れぞれ約150mmと60mmと した. 分散 系試料 を入 れ た熱 線セル 全体 を恒温 水槽 内に取 り付 け [7], 長坂 長 島の方 法 [15]で熱伝 導率 測定 を行 った. す なわ ち長 ?短2本 の細線 を ホイー トス トンブ リ ッジの2辺 に組 み込み, 両細 線の発熱 による温度 変化, つま り抵抗変 化 の差 を ブ リッジの非平 衡電位 差 と して 表 し, その 時間変化 を デ ジタル 電圧 計で記 録 した. 細 線 の加熱 量 は, たとえば試 料が 水の場 合で約1W/m, 加 熱電 流は約70mAで あ った. なお本実験 の よ うに導 電性 で, か つ後述 す るよ うに 比較的 高粘性 液体 の場合, 細線 の張 り方 と電気絶縁 に 細 心 の注意 が必要 で あるが, 本 実験 ではセ ルの 中の試 料 を取 り換 え るご とに線 も張 り換え, 細線 の抵抗 の温 度 係数 の校正 を行 った. 超 微粒 子-液 体 の分 散系 で も う一 つ の重要 な熱物 性 は粘性 率 であ ろ う. この分 散系 は厳 密に は非 ニ ュー ト ン流動 を示す と考 え られ るが, 同 じ種類 の分散系 で あ る磁性 流体 の場合 に, 磁 場 をか けない状態 で, かな り の高濃 度 で もニ ュー トン流 動 に極め て近 い性質 を もつ ことが報告 されて い る [16].したが って本 実験 で生成 し た分散 系 もニ ュー トン流 動 に近 いとみ な して, 回転振 動 式デ ジタル 粘度 計を 用 いて その 粘性 率 を測 定 した. 蓋付 き銅製 の 円筒 形試 料容器 を作製 し, その 中 に試料 を入 れ, 恒 温水槽 内 にそ の容 器を固 定 して測定 を行 っ た. 229
  • 4. Fig. 4 Effective thermal conductivity of water-A12O3 system A Meredith and Tobias [18],sphere B Hamiltonand Crosser [19],circularcylinder, height/diameter=1 C-1 Yamadaand Ota [2],cube C-2 Yamada and Ota [2],rectangular prism, aspect ratio 1.8:1:1 D Fricke[20],prolate spheroid, aspect ratio 6:1 Fig. 5 Variation of dimensionless thermal conductivity of water-Al2O3 System 4. 実 験 結 果 と 考 察 4.1 分散 系 の有効 熱伝導 率 初 めに非定 常細線 法 を用い た本装 置の 測定精度 を確 認 す るため, 本分散 系 のベ ー ス液 体で ある水 (蒸 留 水) の熱伝導 率 を測定 した. その結 果, お よび水 の熱 伝導 率 の推奨 値 とされて い るNieto de Castroら の式 [17]を Fig.4に 記入 した. 本 測定値 の この推奨値 に対す る偏差 は±1.5%以 内で あ り, 本 装置 の精度 は この程度 とみな され る. Fig.4に 水-Al2O3分 散系 の有効 熱 伝導 率 λeの 測定 結 果を 温度Tに 対 して 示 した. 同図 よ り, 同分散 系の λeは 分散媒 で ある水 と同様 の温度依 存性 を示 し, かつ それ らは超微粒 子濃 度の増 加 と ともに大 幅に増加 して い るのが わか る. Fig.5に 同分散 系 の有効 熱伝 導率 比 λe/λcと超微粒 子濃度, す なわ ち体積分 率 φvと の関係 を示 した. λcは 水 (母 液) の熱 伝導率 で あ り、 λeと 同一 温度 にお け る値 を用 いて あ る. なお λeの 測定 は, Fig.4に 示す よ うに同一 濃度, 同一温 度 で数 回行ったが, Fig.5以 降で示 す測定 値 はその平 均値 で ある. Fig.5よ り水-Al2O3分 散系 の λe/λcは φvの 増加 とと もにほぼ 直線 的 に増大 し, φv_??_4.3%(φw=15%) で水 に対 して 約30%と 大 きな増大 を示 した ことが わか る. 比較 のた め 同図 に球形 粒子 の分 散系 の λeの 推算 式 と して使 わ れ るMeredithら の 式 [18] (曲 線A) と, 形状効 果を 取 り入 れ たHamiltonら の式 [19] (曲 線B) お よびYa madaら の式 [2] (曲 線C-1) を代 表例 と して 記入 した. 曲線Bは 比 (高 さ/直 径)=1の 円柱 形, 曲線C-1は 立 方体 と しての値 で ある. 水Al2O3分 散 系 の本 測定 値は いず れ もこれ ら球 また は立方体 などの分散 系 の式 を上 回 って い る. 超 微粒 子分散 系の 熱伝導 率 に関す る研 究 例 は極めて少 な く, この増加 の理 由の説 明 は難 しい が, 分散 系の熱伝 導率 に大 きな影響 を与 え る粒 子形 状 に着 目す るな ら, Fig.1(a) の写真 の検 討か ら, この分 散系 の λe増加 の理 由の一 つはA12O3粒 子の幾分細 長 い形状 に あ る と考 え るこ とが で きよ う. ちなみ に, この粒 子を 直方 体 とみ な して, 本 測定 値 と ほぼ 一致 す るYamada らの式の 直方体 の アスペ ク ト比 (高 さ, 縦, 横) を逆 算 して求 める と約1.8:1:1と な る. この値 をFig. 5に 曲 線C-2で 示 した. 本 実験 に用 い たAl2O3超 微粒 子 の形 状 は, Fig.1(a) の写真 か らは明確 には決 め られ ないが, 2.1節 で述べ た よ うに大 略, 縦横 比2:1～1:1と み ら れ, 上 記 の逆 算で 求め たア スペ ク ト比 に近 い と推定 さ れ る. ま た形 状効 果を取 り入 れて, 回転 楕 円体 を粒 子 モ デル と して求め た 夏Frickeの式 [20]に対 して, 曲線C- 2と 同 じよ うに本 測定 値 と一致 す る扁 長 回転楕 円 体の アスペ ク ト比 を求め る と6:1と な り, これ よ り求 めた 値 を曲線Dで 示 した. このアス ペ ク ト比は上 述の 曲線 C-2の それ とはあ ま りにも違 い過 ぎ, Fig.1(a) の写真 か ら判断 して もこの比 が妥 当とは考 え られな い. このよ うな結果 か らFrickeの 式 は φvの 大 き い所 のみな らず 230
  • 5. [5], 小 さい所 で も λeの 実測値 よ り低め を与 え る よ う であ る. 水-SiO2分 散系 の有効 熱伝 導率 の測定 結果 をFig. 6に 示 す. 比較 の ためMeredithら の式 も記入 した. 使用 し たSiO2超 微 粒子 は現 在製 造 され てい る ものの 中で も熱 伝 導率 は低 い方で あ り, また粒子 形 はFig. 1(b) か らわ か る よ うに球 形に近 い. その分 散系 の φvに よ る λeの 増 加は予 想 どお り測定誤 差 に入 る程度 の極 めて 微小 な もので あ った. Fig.7に 水-TiO2分 散 系 の 熱伝導 率 比 λe/λcの 測定 結 果 を前 報 [7] の測 定値 と併 せて 示 した. 比較 のため Meredithら の式,お よびHamiltonら の式 の球 と して 求 めた値 (両 者 ほぼ一致) を 同図に記入 した. 同図か ら 水-TiO2分 散 系 の λe/λcは φvの 増加 とと もに ほぼ直線 的 に増加 して い くこ とが わか る. そ して本 測定値 は こ れ らの式 と非常 に よ く一致 して いる. これ はFig. 1(c) の顕 微 鏡写 真か らわか るよ うに, 使 用 したTiO2超 微 粒 子は球形 に近 く, かつ粒 子径 もほぼ一様 であ るため, 球 に対す る これ らの式 との一致 が よい ので あろ う. さ らにYamadaら の式の立 方体 として の値 も比較 のため Fig.7に 曲線Cで 記 入 したが, 立方 体 と して の 同式 は 本結 果 よ り幾分 高め とな る. 以上, 本 研究 で生成 した3つ の超微粒 子分 散系 の測 定結 果か ら, λeと φvの 関係 を粒 子形状 で おお まか で は あるが, あ る程度説 明 できた と考 え られ る. しか し 超微粒 子分散 系 と しては, まだ まだ未 知 なこ とが多 い. た とえば超 微粒 子 と して の諸熱物 性値, 液 中での超 微 粒 子 の挙動, 粒子径 によって変 る超微 粒子 の集 合状態, 分 散系 の生 成 に際 しpH値 調整 用 に添加 した酸 または 塩 基 の影響 な ど, そ の有効 熱伝導 率 に関わ る種 々の問 題 が残 され てい る と思 われ る. Fig. 6 Variation of dimensionless thermal conductivity of water-SiO2 system A Meredithand Tobias [18],sphere Hamiltonand Crosser [19],sphere C Yamada and Ota.[2],cube Fig. 7 Variation of dimensionless thermal conductivity of water-TiO2 system 4.2 分散系 の粘 性率 3種 類の 超微 粒 子分 散系 の粘 性 率 を, 温 度300～ 350Kの 範 囲で 測定 した. 一 例 と して水-Al2O3分 散系 の 粘性 率 η の 測定結 果 を粒 子濃 度 をパ ラ メー タ と して Fig.8に 示 した. 同図 中の実線 は水の 粘性 率 [21] で あ る. 同図か らわか るよ うに水-Al2O3分 散系 の ηの温度 依存性 は水 と類似 であ る. そ して同分散 系 の ηは 他の 分 散 系の場 合 [22] と同様 に, 粒 子の体 積分 率 φvの 増 加 と ともに増大 して い く. 3種 類の超 微粒 子分 散系 の相 対粘性 率 ηrel[=η/ηc (ηc; 分 散媒 の粘性 率)]と φvと の関係 をFig. 9に 示 し た. 同図 中の実線 は球 形粒 子 の分散 系で φvが 小 さい ときに成 り立 つ と され て いるGuth-Goldの 式 [22] で あ る. 水-SiO2分 散 系 の φvの 増加 に伴 う ηrelの増加 が最 も著 しく, 次 に水-Al2O3系, 水-TiO2系 の順 とな っ て いる. いず れの 測定結 果 もGuth-Goldの 式 を上 回 っ て いるが, 特 に前二 者 の ηrelが大 幅に増大 してい るの が 目だつ. 分 散系 の粘性 率 に影 響 を与え る因子 と して は超微 粒子の 種類, その生成 方法, 粒子形 状 と粒子径, 分散媒 の性 質, 分 散系 のpH値 な ど多 くの もの が考 え られ るが, その 中で も特 に粒 子径 の影響 は大 きい よ う で ある. 本実験 のSiO2やAl2O3の 超 微粒 子は粒 子径約 10nmと 非常 に小 さ く, したが ってTable 1に 記載 し た ように比表 面積が 大 き くな り, 分 散系 の固?液 の境 界 面積 を増 加 させて い るのが ηrel増大 の原 因 と考 え られ る. これ に対 してTiO2超 微粒子 は粒子径 が前二 者の約 2倍 と大 きいせ いか, 水 に対す る粘性率 の増加 は φv 4.3%の 最高 で も約60%と 低 か った. なおSiO2超 微粒 子は, 水 溶液 中で はそ の表面 のOH 231
  • 6. 基 (シ ラノ ール 基) に よって 粒子相 互 の結合 を起 こし や す く, 液 体の増 粘 によ く用 い られ る もの であ る [8]. しか し同一種類 の超 微粒 子で も, その生成 過程 にお け る表面処理 によって増 粘効 果は変 って くるよ うであ る. Fig. 8 Viscosity of water-Al2O3 system Fig. 9 Variation of relative viscosity of water -Al2O3, water-SiO2 and water-TiO2 system with volume fraction of particles 5. 結 論 超 微粒 子の混 合分散 によ る液体 の熱 伝導率 と粘性 率 の変 化を 明 らか にす るた め, その分 散系試 料を生成 し, 実験 を行 い, 以 下の結 果を得 た. (1) 分散質 と してAl2O3, SiO2お よびTiO2超 微粒子 を, また 分散媒 と して水 を用 い, 静電 斥力 を利用 して 一 様で安 定 な分 散系試 料 を生成 した. (2) 水-Al2O3お よび水-TiO2分 散 系 の有効熱 伝導率 λe は粒 子の体 積分率 φvの 増加 とと もに増大 し, 前 者 の λeは球形 粒子 の分散 系の推奨 式 の値 を かな り上 回 った の に対 し, 後者 の値 は推奨 式の値 とほぼ一致 した. (3) 水-SiO2分 散 系では, φv≦2.3%で は ほ とん ど λc の変化 はみ られ なか った. (4) 粒 子径 の小 さいSiO2とAl2O3超 微粒 子 の分 散系 の粘性 率 ηは φvの 増加 とと もに大 き く増 大 した. し か し粒子径 の大 きいTiO2超 微粒 子 の分散 系で はηの増 加 は小 さ く, 最大 で水 の値 の約60%増 で あ った. 終 りに臨み, 本 研究 の遂行 に際 し, 超 微粉末 とそれ に関す る資 料, な らび に電子顕 微 鏡写真 を提 供 された チ タ ン工業 株式会 社, お よび 日本 アエ ロジル 株式会 社 に厚 く感謝 の意 を表す る. 参 考 文 献 [1] 山 田 悦 郎; 熱 物 性, 3 (1989), 78. [2]E.Yamada, T.Ota; Warme- und Stoffubertragung, 13(1980),27. [3]I.L.Erukhimovich, M.S.Rivkin; AIChE Jourual, 37(1991), 1739. [4]D.L.Cullen, M.S.Zawojski,A.L.Holbrook; Plastics Eng.,44(1988),37. [5] 金 成 克 彦, 小 沢 丈 夫; 熱 物 性, 3 (1989), 106. [6]Y.W.Song,E.Hahne; High Temperatures-High Pressures, 19(1987), 57. [7] H.Sasaki, H.Masuda, I.Mizuta, N.Hishinuma; Proc. 3rd AsianThermophys. Proper. Coof., Beijing, (1992), 425. [8] 吉 住 素 彦; セ ラ ミ ッ ク ス, 18 (1983), 868. [9] 日 本 化 学 会 編, 「超 微 粒 子-科 学 と 応 用 」1-12頁 (学 会 出 版 セ ン タ ー, 1987). [10] 日 本 熱 物 性 学 会 編, 「熱 物 性 ハ ン ドブ ッ ク 」 260-261 頁 (養 賢 堂, 1990). [11] [9]と 同 じ, 54頁. 232
  • 7. [12] 北 原 文 雄, 古 澤 邦 夫, 「分 散 ?乳 化 系 の 化 学 」 78頁 (工 学 図 書, 1979). [13] 長 島 昭, 村 田 裕, 滝 沢 清 一; 日 機 論, 143 (1977), 2268. [14] 長 坂 雄 次, 長 島 昭; 日 機 論, 147B (1981), 821. [15] 長 坂 雄 次, 長 島 昭; 日 機 論, 147B(1981), 1323. [16]N.P.Matusevich, L.P.Orlov, V.B.Samoilov,V.E. Fertman; Heat Transfer-Soviet Research, 19-3(1987), 25. [17] [10] と 同 じ, 592頁. [18]R.E.Meredith. C.W.Tobias; J. Electrochemical Soc.,103(1061), 286. [19]R.L.Hamilton, O. K.Crosser; Ind. Eng. Chem. Fund.,1 (1962), 187. [20]H.Friche; Physical Review,24(1924), 575. [21] [10] と 同 じ, 64頁. [22] [12] と 同 じ, 254-265頁. Alteration of Thermal Conductivity and Viscosity of Liquid by Dispersing Ultra-Fine Particles (Dispersion of Al2O3,SiO2 and TiO2 Ultra-Fine Particles) Hidetoshi Masuda*, Akira Ebata??, Kazunari Teramae?÷, Nobuo Hishinuma* * Institute of Fluid Science, Tohoku University, Sendai 980 ?? Toto-Kiki Co., Ltd. ?÷ Graduate student, Tohoku Uniyersity How much the thermal conductivity of a liquid can be altered by dispersing a small amount of ultra-fine par ticles into it has been studied. Fine powders of Al2O3, SiO2 and TiO2 were used as the ultra-fine particles , and water was selected as the base liquid. Three dispersed systems were made by applying the technique of elec trostatic repulsion. For the systems of water-Al2O3 and water-TiO2, effective thermal conductivities were seen to increase much more as the particle concentration was increased, but that of water-SiO2 system almost never increased. Viscosities of their dispersed systems were also measured, and the characteristics were made clear. (Received April 7, 1993.) (Accepted for publication June 21, 1993.) 233