成果報告書詳細
管理番号20110000001024
タイトル平成21年度成果報告書 エコイノベーション推進事業「超高熱伝導銅合金の特性安定化による省エネ量・CO2削減量予測」
公開日2011/7/2
報告書年度2009 - 2009
委託先名国立大学法人大阪大学 日本アトマイズ加工株式会社
プロジェクト番号P07026
部署名研究開発推進部
和文要約産業や民生で日常的に使用している電気やガス,ガソリン等の二次エネルギーは,化石燃料やウラン等の一次エネルギーを変換・加工して得られるが,その際に熱交換により大気あるいは水域にエネルギーを損失している割合が大きい.また2007年度における電力・熱供給事業者(主に電力会社)によるCO2排出量は,鉄鋼・化学素材メーカーに比べて約25~35%多く,前年度比の増加率も2.6倍程度と増大しており,温暖化ガス発生量の大幅な削減が深刻な至上課題である.例えば,熱交換による損失が大きい電力事業の火力発電所では,タービンの回転により得られる高温・高圧の蒸気を,低温・高真空度の復水器で熱交換して凝縮させ水に戻す際に,その膨大なエネルギーを温排水として海域に放出している.つまり,熱交換器における系外への熱エネルギー排出は,CO2排出と同様に直接的な地球温暖化現象を誘発し,加えてエネルギー損失を助長するものである.したがって,復水器において熱交換率の著しい向上が実現できれば,温排水量の削減=温暖化防止と,熱ロスの減少=省エネ効果といった環境面と経済性における相乗効果が期待できる.それに向けた取り組みとして経済産業省「Cool Earthエネルギー革新技術計画」に記載の高効率石炭火力発電における発電効率の向上(現状42%⇒2030年57%以上)に関する各種方策が検討されている.しかしながら,復水器の性能を支配する銅合金製コンデンサーチューブの熱放散率と熱伝導率の向上といった,熱物性を飛躍的に改善するような革新的な材料開発に対する取り組みは実施されていない.また,電力会社や重電メーカーからは既存の銅合金製チューブの熱物性向上に対する強い要求があることも明らかである.さらに,自動車や鉄道車両,航空機などの移動体や,サーバー,パソコンなどの情報通信機器においても熱交換器や放熱基板が搭載されており,地球温暖化防止の観点から,排熱量の削減に対する有効な方策を早急に確立するといった強いニーズがある.このような社会的背景のもと,新政権発足と共にCO2ガス排出量の削減目標が一段と厳しくなることが予想されており,電力事業における温暖化防止対策の更なる強化は不可欠であり,このような観点からも本事業で提案する高熱伝導製銅材料の性能検証と省エネ効果・CO2ガス排出削減量に関する予測は重要な課題である.
 そこで,本調査研究事業では,幅広い産業分野で利用されている熱交換器や放熱基板の性能を飛躍的に向上することにより,熱交換時のエネルギー損失の低減(省エネルギー効果)と,それに伴う温暖化防止効果(CO2排出量削減)を推進するための素材の性能向上と安定化を最終目標としている.本事業においては,上記の熱交換器や放熱基板に用いられる素材である銅に着目し,素材の高強度化と熱伝導率増加による機器としての熱伝導性の向上を検討する.具体的には,優れた力学特性と熱・電気物性を有するカーボンナノチューブCNTの均一分散による上記物性値への影響を定量的に調査・解析した上で,熱交換器用チューブを対象とした際の熱伝導性の向上効果を机上検討する.その際,CNTの均一分散化に関して,乾式混合法および湿式被覆法を基調とした粉末冶金プロセスにおける両製法の有効性を実験的に検討する.また後者の湿式プロセスの適用に際して,CNT塗膜の安定性(銅基材との濡れ性)向上のため,銅表面へのナノスケールの微小突起物形成効果についても検討を行い,銅粉末のみならず板状素材における大面積でのCNT均一被覆法の実現に向けた基本製法の構築を目指す.本調査研究事業にて得られた結果の要約を以下に記す.
(1)優れた力学特性および電気・熱物性値を有するカーボンナノチューブの機能・特性を一般の無酸素純銅に転写すべく,粉末冶金法を基本プロセスとして乾式混合法および湿式被覆法によってCNT/純銅粉末複合材料の作製を試み,その組識構造,引張強度特性および熱物性値に及ぼすCNT含有量および製法の影響を調査した.その結果,乾式混合法を適用した場合,CNT添加量が0.5wt%までの範囲では,CNTの凝集体(ファンデルワールス引力により発生)の解消が可能となり,CNTの単分散化が促進できることで,引張強さ・耐力の著しい向上(約2.8倍)を確認した.しかしながら,0.75wt%を超えるCNT分散純銅押出材においては,3~10μm程度の粗大なCNT凝集体が混合処理時点で残存し,これが内部空孔を形成して素材の強度低下を誘発した.一方,湿式被覆法により単分散状態のCNTを銅粉末表面に被覆した後,これを焼結・熱間押出加工によって固化した複合材料においては,CNT添加量と共に引張強さ・耐力は共に増大した.ただし,トレードオフ関係にある破断伸び(延性)の低下が見られた.
(2)上記の各種複合材料における熱伝導率を測定した結果,乾式混合法を適用した素材では,上記のCNT凝集体近傍
英文要約From an environmentally benign point of view, it is well known that the CO2 gas reduction in industries is very important. The exhausted heat from plants and automotives also has negative impacts for the environment. In general, the reduction of heat loss in equipments and machines are significantly effective to reduce both CO2 gas emission and exhausted heat. Accordingly, the high-efficiency heat transfer system is very useful and important in the design. One of the improvement methods for heat transfer is an establishment of excellent thermal conductivity materials used in the heat transfer system and equipment, such as heat spreader of PC and cooling system of power plants. This is because such a material is significantly effective to directly reduce the heat loss in motion. In this study, carbon nanotube (CNT), having excellent mechanical, electrical and thermal properties compared to the conventional materials, is used as the reinforcement of copper based materials. Copper has high thermal conductivity of the conventional industrial metals, and often used as the heat spreaders and heat exchanging tubes. The effect of CNT content and its mixing process on tensile strength and thermal conductivity of CNT/Cu composite materials fabricated by powder metallurgy route was investigated in detail. Two processes in mixing CNTs into Cu powders are as follows; conventional ball-milling process under dry conditions and CNT coating process using zwitterionic surfactant solution. When using the former process, the limitation content of CNTs with no segregation was 0.5wt%, and resulted in the remarkable improvement of tensile strength and yield stress of the composite. It was indicated, however, the thermal conductivity showed no increase with increasing CNT content. In particular, when 0.75wt% or more CNT was added by ball-milling process, it was about 20 W/m.K, which was about 5% of pure copper material. This is due to some pores close to the segregated CNTs of the copper matrix. On the other hand, when the wet process with zwitterionic surfactant solution including un-bundled CNTs, the composite copper powders uniformly coated with CNTs were obtained, and their wrought composite materials consolidated by solid-state sintering and extrusion revealed high tensile strength and yield stress, and they increased with increase in the CNT content controlled by changing the concentration of the CNT solution. For example, Cu composite reinforced with 0.73wt% CNT showed TS of 369 MPa and YS of 347 MPa via wet process originated in this study. A little increment of thermal conductivity (about 17%) of this composite was obtained, and the complete net-work structure of un-bundled CNTs was necessary for the further improvement of the thermal conductivity of CNT/Cu composites. By using the above experimental results of mechanical and thermal property improvement, the estimation of the heat transfer effect was carried out when the CNT/Cu composite was applied to the heat exchanging tubes. The reduction of tube made of CNT/Cu composite material was about 76%, and the heat exchanging efficiency of un-bundled CNTs dispersion in copper was about 2.39 times as conventional pure coppers.
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