CN110382660A - 热介质用基材、使用热介质用基材的热输送系统及热泵系统 - Google Patents

热介质用基材、使用热介质用基材的热输送系统及热泵系统 Download PDF

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Abstract

热介质用基材含有亲水性离子液体及水。亲水性离子液体在25℃的粘度为30mPa·s以下。离子液体的热稳定性良好，因此能够确保热介质用基材的热稳定性。另外，通过将亲水性离子液体在25℃的粘度设为30mPa·s以下，能够使热介质用基材的运动粘度降低。而且，通过使离子液体溶解于水中，能够得到凝固点下降的效果，因此能够实现低凝固点。

Description

热介质用基材、使用热介质用基材的热输送系统及热泵系统
相关申请的相互参照
本申请基于2017年3月7日申请的日本专利申请号2017-042897号申请，在此引用其记载的内容。
技术领域
本公开涉及热介质用基材、使用热介质用基材的热输送系统及热泵系统。
背景技术
以往，作为内燃机、热泵等的冷却水、防冻液等热介质的基材，广泛使用乙二醇水溶液。在此，50v/v％乙二醇水溶液的物理性能，其凝固点为－32℃，在25℃的运动粘度为3.13mm2/s。
这样的乙二醇水溶液的粘度因外部气温降低而变高。因此，在使用乙二醇水溶液作为冷却水的情况下，在外部气温低时，对使冷却水循环的水泵的负担变大，进而水泵的寿命有时会变短。
与此相对，在专利文献1中，公开了含有20～70重量％的甲酰胺和/或甲基甲酰胺、80～30重量％的水、0.1～10重量％的防锈剂的热介质用基材。该专利文献1的热介质用基材具有与以往的乙二醇水溶液相同程度的热物理性能(凝固点等)，且运动粘度为1.5mm2/s左右。因此，能够降低冷却水的粘度，降低对水泵的负荷。
然而，由于甲酰胺在高温下水解，因此在将专利文献1的热介质用基材用作内燃机的冷却水、热泵的防冻液的情况下，在高温时甲酰胺的浓度有可能降低。此外，内燃机的冷却水的使用温度为-34℃～120℃，热泵的防冻液的使用温度为－30℃～100℃。并且，甲酰胺的浓度在80℃、100小时后降低约20％。
与此相对，在专利文献2中，作为热稳定性良好的热介质用基材，公开了具有规定的吡咯烷鎓(日文：ピロリジニウム)阳离子的离子液体。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-193765号公报
专利文献2：日本特开2016-117844号公报
上述专利文献2的热介质用基材的运动粘度有可能高。
具体而言，上述专利文献2所公开的各种离子液体中粘度最低的离子液体为N-甲氧基甲基-N-甲基吡咯烷鎓双(氟磺酰基)酰胺(MMMP·FSA)，其粘度为20cP。在专利文献2中，虽然没有记载使用MMMP·FSA作为离子液体的热介质用基材的密度，但同系的密度的平均值为1.25g/cc，根据该值算出的运动粘度为16mm2/s。这约为现有的50v/v％乙二醇水溶液的5倍，表示上述专利文献2的热介质用基材的运动粘度非常高。
发明内容
本公开鉴于上述情况而完成，其目的在于，提供一种低粘度、低凝固点且热稳定性高的热介质用基材、使用该热介质用基材的热输送系统及热泵系统。
本发明人等为了实现上述目的而反复进行了深入研究，结果发现，含有具有规定的物理性能的亲水性离子液体及水的热介质用基材为低粘度、低凝固点且热稳定性高。
本公开的第1形态的热介质用基材含有亲水性离子液体及水，亲水性离子液体在25℃的粘度为30mPa·s以下。
由此，离子液体的热稳定性良好，因此能够确保热介质用基材的热稳定性。另外，通过将亲水性离子液体在25℃的粘度设为30mPa·s以下，能够使热介质用基材的运动粘度降低。而且，通过使离子液体溶解于水中，能够得到凝固点下降的效果，因此能够实现低凝固点。
本公开的第2形态的热介质用基材含有亲水性离子液体及水，亲水性离子液体的分子量为150以下。
由此，离子液体的热稳定性良好，因此能够确保热介质用基材的热稳定性。另外，通过将亲水性离子液体的分子量减小至150以下，能够使热介质用基材的运动粘度降低。而且，通过使离子液体溶解于水中，能够得到凝固点下降的效果，因此能够实现低凝固点。
附图说明
图1是示出本公开的至少一个实施方式中的热泵式供热水机的图。
图2是示出本公开的至少一个实施方式中的热泵式供热水机的图。
具体实施方式
以下，参照附图对用于实施本公开的多个形态进行说明。在各形态中，有时对与在先前的形态中说明的事项对应的部分标注相同的符号并省略重复的说明。在各形态中仅对结构的一部分进行说明的情况下，对于结构的其他部分，能够应用先前说明的其他形态。不仅在各实施方式中具体地明示了能够进行组合的部分彼此能够组合，而且，只要没有特别对组合产生障碍，则即使未明示也能够将实施方式彼此部分地组合。
以下，基于附图对本公开的实施方式进行说明。此外，在以下的各实施方式彼此中，在图中对相互相同或等同的部分标注相同的符号。
(第1实施方式)
基于图1对本公开的第1实施方式进行说明。在本实施方式中，将本公开的热介质用基材应用于作为热泵系统的热泵式供热水机的热介质。
如图1的整体结构图所示，本实施方式的热泵式供热水机具备热泵循环10、散热器20以及热介质循环回路30等。并且，热泵式供热水机通过热泵循环10加热热介质，并且将加热后的热介质作为热源而对作为加热对象流体的供热水进行加热。
热泵循环10是对热介质进行加热的蒸气压缩式的制冷循环。散热器20是通过使在热泵循环10中被加热的热介质与供热水进行热交换而将热介质所具有的热向供热水放出来对供热水进行加热的热交换器。热介质循环回路30是使热介质在热泵循环10的热介质-制冷剂热交换器12与散热器20之间循环的热介质回路。
更详细而言，热泵循环10是通过配管将压缩机11、热介质-制冷剂热交换器12、膨胀阀13及蒸发器14依次连接而构成的。
压缩机11吸入热泵循环10的制冷剂，压缩并排出。压缩机11是利用电动马达驱动固定容量型压缩机构的电动压缩机。
在压缩机11的排出口连接着热介质-制冷剂热交换器12的制冷剂通路12a入口侧。热介质-制冷剂热交换器12具有使从压缩机11排出的高压制冷剂流通的制冷剂通路12a以及使在热介质循环回路30中循环的热介质流通的热介质通路12b。热介质-制冷剂热交换器12是使在制冷剂通路12a中流通的高压制冷剂与在热介质通路12b中流通的热介质进行热交换而对热介质进行加热的加热用热交换器。
在热介质-制冷剂热交换器12的制冷剂通路12a出口侧连接着膨胀阀13的入口侧。膨胀阀13是使从制冷剂通路12a流出的制冷剂减压膨胀的可变节流机构。膨胀阀13是具有构成为能够变更节流开度的阀芯和使该阀芯的节流开度变化的电动致动器的电气式膨胀阀。
在膨胀阀13的出口侧连接着蒸发器14的制冷剂入口侧。在蒸发器14的制冷剂出口连接着压缩机11的吸入口侧。蒸发器14是通过使由膨胀阀13减压后的低压制冷剂与由送风风扇15送风的外部空气(室外空气)进行热交换而使低压制冷剂蒸发来发挥吸热作用的吸热用室外热交换器。
送风风扇15具备风扇马达16，通过使风扇马达16旋转，能够使送风风扇15旋转。
热介质循环回路30具有低温侧热介质通路31及高温侧热介质通路32。低温侧热介质通路31将在散热器20散热后的低温的热介质向热介质-制冷剂热交换器12的热介质通路12b入口侧引导。高温侧热介质配管32将从热介质-制冷剂热交换器12的热介质通路12b出口侧流出的高温的热介质向散热器20的入口侧引导。
在低温侧热介质配管31配置有热介质循环泵33。热介质循环泵33吸入从散热器20流出的热介质，向热介质-制冷剂热交换器12的热介质通路12b侧压送。
作为本实施方式的热介质，使用含有亲水性离子液体及水的热介质用基材。作为该热介质用基材含有的亲水性离子液体，使用分子量为150以下的亲水性离子液体或者在25℃的粘度为30mPa·s以下的亲水性离子液体。
此外，离子液体是以液体存在的盐，是仅由离子(阴离子、阳离子)构成的液体化合物。通常，离子液体在－30℃～300℃的温度区域也维持液体状，另外，即使超过300℃，物理性能变化也少，因此耐热性高。
作为本实施方式的亲水性离子液体，例如，如下述的表1所示，能够使用铵系离子液体、咪唑鎓系离子液体。
[表1]
离子液体的组成 分子量 在25℃的粘度(mPa·s)
甲基硝酸铵(硝酸甲基铵) 94.07 固体
1-乙基-3-甲基-咪唑鎓氯化物(EMIC) 146.62 固体
1-乙基-3-甲基-咪唑鎓二氰胺(EMID) 177.21 21.4
1-乙基-3-甲基-咪唑鎓硫氰酸盐(EMIT) 169.25 23.1
作为铵系离子液体的阳离子成分，能够使用甲基铵离子(CH3NH3+)等。作为铵系离子液体的阴离子成分，能够使用硝酸根离子(NO3－)等。
即，作为铵系离子液体，例如能够使用甲基硝酸铵(硝酸甲基铵，日文：メチルアンモニウムニトレート)。甲基硝酸铵具有分子量小至150以下且轻这样的特征。
作为咪唑鎓系离子液体的阳离子成分，能够使用咪唑鎓离子，更详细而言，能够使用1-乙基-3-甲基-咪唑鎓离子等。作为咪唑鎓系离子液体的阴离子成分，能够使用(CN)2N－、SCN－、Cl－等。
即，作为咪唑鎓系离子液体，例如能够使用1-乙基-3-甲基咪唑鎓氯化物(EMIC)、1-乙基-3-甲基咪唑鎓二氰胺(EMID)(日文：イミダゾリウムジシアナミド)及1-乙基-3-甲基咪唑鎓硫氰酸盐(EMIT)(日文：メチルイミダゾリウムチオシアネート)。EMIC具有分子量小至150以下且轻这样的特征。EMID具有在25℃的粘度小至21.4mPa·s且离子间的相互作用小这样的特征。同样地，EMIT具有在25℃的粘度小至23.1mPa·s且离子间的相互作用小这样的特征。
在此，对于作为将上述各种离子液体与水混合的水溶液的热介质用基材以及作为比较例的乙二醇水溶液，测定凝固点及运动粘度。将其结果示出于下述的表2。此外，凝固点通过差示操作热量测定(DSC)进行测定。运动粘度使用旋转粘度计(Brookfield制)，在室温(25℃)进行测定。
[表2]
溶质的组成 浓度(wt％) 凝固点(℃) 运动粘度(mm<sup>2</sup>/s)
甲基硝酸铵(硝酸甲基铵) 56.6 －30℃以下 1.61
1-乙基-3-甲基-咪唑鎓氯化物(EMIC) 51.1 －30℃以下 2.79
1-乙基-3-甲基-咪唑鎓二氰胺(EMID) 68.4 －30℃以下 2.99
1-乙基-3-甲基-咪唑鎓硫氰酸盐(EMIT) 70.1 －30℃以下 3.28
比较例：乙二醇 53 －30℃以下 3.13
如表2所示，本实施方式的热介质用基材含有的离子液体的浓度为50wt％以上，凝固点为－30℃以下。由于作为比较例的乙二醇水溶液的凝固点为－30℃以下，因此可以说本实施方式的热介质用基材具有与乙二醇水溶液大致同等的凝固点。
另外，本实施方式的热介质用基材在25℃的运动粘度成为与作为比较例的乙二醇水溶液同等以下。特别是在使用甲基硝酸铵、EMIC或EMID作为离子液体的情况下，在25℃的运动粘度为3.1mm2/s以下，比乙二醇水溶液在在25℃的运动粘度低。其中，在使用甲基硝酸铵作为离子液体的情况下，在25℃的运动粘度为1.61mm2/s，约为乙二醇水溶液在25℃的运动粘度的一半。
如以上说明的那样，本实施方式的热介质用基材含有亲水性离子液体及水，即，使亲水性离子液体溶解于水中。由此，离子液体的热稳定性良好，因此能够确保热介质用基材的热稳定性。而且，通过使离子液体溶解于水中，能够得到凝固点下降的效果，因此能够实现低凝固点。
另外，低粘度的亲水性离子液体原本与固体的盐相比，离子间(阴离子-阳离子间)的库伦相互作用就小。通过将这样的亲水性离子液体溶解于水中，离子间及离子-水分子间的库伦相互作用得到抑制，离子的运动性提高。由此，作为亲水性离子液体的水溶液的热介质的粘度变小。
具体而言，如上所述，通过将亲水性离子液体在25℃的粘度设为30mPa·s以下，能够使热介质用基材的运动粘度降低。另外，通过将亲水性离子液体的分子量减小至150以下，能够使热介质用基材的运动粘度降低。
(第2实施方式)
接着，基于图2对本公开的第2实施方式进行说明。在本实施方式中，将本公开的热介质用基材应用于作为混合动力汽车的行驶用驱动源之一而使用的发动机(内燃机)的冷却系统的冷却水。即，本实施方式将本公开的热输送系统应用于发动机冷却系统。
如图2所示，本实施方式的发动机冷却系统是利用散热器42对发动机41的冷却水进行冷却的系统。即，本实施方式的发动机冷却系统是将来自发动机41的热经由作为在冷却水流路40中流通的液体状的热介质的冷却水向散热器42输送的系统。
发动机41是在将来自外部的供给能量即燃料转换为作为其他形态的能量的动力时产生热的能量转换部。
散热器42是通过使与发动机41的排热进行热交换而成为高温的冷却水与从送风风扇42a吹送的车室外空气(外部空气)进行热交换而对冷却水进行冷却的热交换器。本实施方式的散热器42相当于本公开的散热部。送风风扇42a是通过从未图示的控制装置输出的控制电压来控制运转率、即转速(送风空气量)的电动式送风机。
发动机41和散热器42通过在发动机41与散热器42之间形成闭合回路的冷却水流路40连接。在冷却水流路40设置有使冷却水在冷却水流路40中循环的泵43。并且，冷却水流路40内的冷却水从发动机41的冷却水出口经由散热器42向发动机11的冷却水入口循环。
冷却水流路40构成供作为液体状的热介质的冷却水流动的流路，相当于本公开的热介质流路。冷却水流路40由金属制的冷却水配管构成。
泵43是使冷却水在冷却水流路40流动的流动部。本实施方式的泵43是通过从未图示的控制装置输出的控制电压来控制转速(冷却水压送能力)的电动泵。
作为本实施方式的冷却水，使用与上述第1实施方式相同的热介质用基材。即，本实施方式的冷却水与上述第1实施方式同样地含有亲水性离子液体及水，因此能够在确保热稳定性的同时实现低粘度且低凝固点。
本公开并不限定于上述实施方式，在不脱离本公开的主旨的范围内，例如能够如以下那样进行各种变形。
在上述实施方式中，作为离子液体，列举有甲基硝酸铵、EMIC、EMID、EMIT，但离子液体并不限定于这些。
在上述实施方式中，作为热介质，对使用仅由包括上述亲水性离子液体的热介质用基材构成的热介质的例子进行了说明，但并不限定于此。例如，作为热介质，也可以使用含有上述热介质用基材和其他溶剂的热介质。此外，其他溶剂能够根据热介质的应用部位及使用条件适当选择。
在上述实施方式中，对将本公开的热介质用基材应用于热泵系统的热介质的例子进行了说明，但热介质用基材的用途并不限定于此。也可以将本公开的热介质用基材用于例如内燃机、燃料电池、热管、马达等在高温下使用的设备的冷却液、防冻液那样的不同用途。
热泵循环10的各结构并不限定于上述第1实施方式所公开的结构。
例如，在上述第1实施方式中，对采用电动压缩机作为压缩机11的例子进行了说明，但在应用于具有内燃机的车辆的情况等下，也可以采用发动机驱动式的压缩机。而且，作为发动机驱动式的压缩机，也可以采用构成为能够通过使排出容量变化来调整制冷剂排出能力的可变容量型压缩机。
另外，例如，在上述第1实施方式中，对采用电气式膨胀阀作为膨胀阀13的例子进行了说明，但也可以采用利用机械机构对节流通道面积进行调节的温度式膨胀阀，以使蒸发器14出口侧制冷剂的过热度成为预先确定的规定范围。
在上述第1实施方式中，对将本公开的热泵系统应用于热泵式供热水机的例子进行了说明，但热泵系统的用途并不限定于此。也可以将本公开的热泵系统用于例如热泵式空调装置这样的不同用途。
在上述第2实施方式中，对将本公开的热输送系统应用于混合动力车辆的发动机冷却系统的例子进行了说明，但热输送系统的应用并不限定于此。
例如，也可以将热输送系统应用于从发动机得到车辆行驶用的驱动力的通常的车辆的发动机冷却系统。而且，本公开的热输送系统并不限定于车辆用，也可以应用于固定型的冷却系统等。
另外，也可以将热输送系统应用于将由能量转换部产生的热利用于空调空气的加热的空调系统。在该情况下，作为散热部，能够采用在热介质与空调空气之间进行热交换的加热器芯。
在上述第2实施方式中，对采用发动机作为能量转换部的例子进行了说明，但能量转换部并不限定于此。例如，作为能量转换部，也可以采用燃料电池、行驶用电动马达、电池、逆变器等。
在上述第2实施方式中，对采用散热器作为散热部的例子进行了说明，但散热部并不限定于此。例如，作为散热部，也可以采用制冷剂冷却式的冷却器。
本公开基于实施例而进行了记述，但应当理解本公开并不限定于该实施例或构造。本公开也包括各种变形例、等同范围内的变形。此外，在本公开中示出了各种组合、形态，但对于其中仅包含一个要素、其以上或其以下的其他组合或形态，也属于本公开的范畴或思想范围。

Claims (10)

1.一种热介质用基材，其特征在于，
含有亲水性离子液体及水，
所述亲水性离子液体在25℃的粘度为30mPa·s以下。
2.根据权利要求1所述的热介质用基材，其特征在于，
所述亲水性离子液体为咪唑鎓二氰胺。
3.根据权利要求1所述的热介质用基材，其特征在于，
所述亲水性离子液体为咪唑鎓硫氰酸盐。
4.一种热介质用基材，其特征在于，
含有亲水性离子液体及水，
所述亲水性离子液体的分子量为150以下。
5.根据权利要求4所述的热介质用基材，其特征在于，
所述亲水性离子液体为咪唑鎓氯化物。
6.根据权利要求4所述的热介质用基材，其特征在于，
所述亲水性离子液体为甲基硝酸铵。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的热介质用基材，其特征在于，
所述亲水性离子液体的浓度为50wt％以上。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的热介质用基材，其特征在于，
在25℃的运动粘度为3.1mm2/s以下。
9.一种热输送系统，其特征在于，具备：
热介质流路(40)，该热介质流路供液体的热介质流动；
流动部(43)，该流动部使所述热介质在所述热介质流路中流动；
能量转换部(41)，该能量转换部配置于所述热介质流路，并且在将来自外部的供给能量转换为其他形态的能量时产生热；以及
散热部(42)，该散热部配置于所述热介质流路，并且放出所述热介质所具有的热，
来自所述能量转换部的热经由所述热介质向所述散热部输送，
所述热输送系统使用权利要求1～8中任一项所述的热介质用基材作为所述热介质。
10.一种热泵系统，所述热泵系统是利用热泵循环(10)对热介质进行加热并且将加热后的所述热介质作为热源而对加热对象流体进行加热的热泵系统，其特征在于，
所述热泵系统使用权利要求1～8中任一项所述的热介质用基材作为所述热介质。
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