JP2020534504A - ヒートパイプ、ヒートパイプを使用して熱を伝達する方法、及びヒートパイプで使用するための熱伝達流体 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、各々が参照により本明細書に組み込まれる、2017年9月22日に出願された米国特許仮出願第62/562,005号、及び2017年12月19日に出願された米国特許仮出願第62/607,397号の各々に関し、それらの優先権の利益を主張するものである。
本発明は、ヒートパイプ、並びにヒートパイプ内で使用されるか、又はヒートパイプ(複数可)を使用する方法、システム、及び組成物に関する。
−重力戻り戻り及び毛細管戻り設計の両方では、蒸気及び液体が反対方向に同じ容器内で移動することによって引き起こされ、これは、作動流体凝縮物の蒸発器セクションへの戻りを減少又は低下させる可能性がある、同調化問題、
−重力戻り戻り及び毛細管戻り設計の両方では、蒸発セクションから凝縮セクションに送達される蒸気の速度の限界を生成する場合がある、音波流の問題、
−毛細管戻り設計では、作動流体液体が、凝縮物セクションから蒸発器セクションへ作動流体凝縮物を効果的に移動させるのに十分な毛細管圧力を生成することができることを保証すること、
−毛細管戻り設計では、蒸発器セクションの望ましくないホットスポットを引き起こし、凝縮セクションから蒸発器セクションへの液体の戻りを妨害又は遮断する場合がある、ウィック内の作動流体の蒸気気泡の形成。
(a)内側表面を有する内側空間であって、当該内側空間が、
(i)少なくとも部分的に当該容器の壁であり、当該壁の内側表面に接触している少なくとも約60重量%のシス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む、又は実質的にそれからなる、又はそれからなる液体作動流体を収容する蒸発セクションと、
(ii)当該密閉容器の当該壁によって少なくとも部分的に形成された凝縮セクションであって、当該凝縮セクションと流体連通しており、当該壁の内側表面に接触しているシス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む作動流体蒸気を収容する、凝縮セクション、とを含む、内側空間と、
(b)当該凝縮セクションを形成する当該壁の少なくとも一部によって形成される外側表面と、
(c)当該外側表面から延びる熱伝達促進突起と、を備える、密閉容器を備える、ヒートパイプを含む。
(a)少なくとも約60重量%のシス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む液体作動流体を収容する蒸発セクションと、シス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む作動流体蒸気を収容する凝縮セクションとを含むヒートパイプを提供することと、
(b)当該蒸発セクションを、冷却される本体、流体、表面などと熱的に連通するように載置することと、
(c)当該凝集セクションを、加熱される本体、流体、表面等と熱的に連通するように載置することと、を含む、方法を含む。
(a)少なくとも約60重量%のシス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む液体作動流体を収容する蒸発セクションであって、冷却される当該物体又は本体と熱伝達接触している、蒸発セクションと、
(b)シス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む作動流体蒸気を収容する凝縮セクションであって、当該ヒートシンクと熱伝達接触している、凝縮セクションと、を含む、ヒートパイプ、を備える。
本発明は、冷却される物体又は流体からヒートシンクに熱を伝達する方法であって、(a)少なくとも約60重量%のシス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む液体作動流体を収容する蒸発セクションと、シス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む作動流体蒸気を収容する凝縮セクションと、を含むヒートパイプを提供することと、(b)当該蒸発セクションを、冷却される本体又は流体と熱的に連通するように載置することと、(c)当該凝縮セクションを、ヒートシンクと熱的に連通するように載置することと、を含む、方法を含む。便宜上、この段落による熱伝達方法は、本明細書では熱伝達方法1と呼ばれる。
上述したように、本発明は、特定の実施形態では、本発明のヒートパイプによって有利に冷却される電子構成要素に関する。したがって、本発明は、好ましい実施形態において、周囲温度よりも高い温度で動作する構成要素であって、(a)動作中に熱を発生し、当該構成要素の温度を周囲温度よりも高くする電子構成要素と、(b)60重量%より大きいシス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む液体作動流体を収容する蒸発セクションと、シス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む蒸気状作動流体を収容する凝縮セクションを含むヒートパイプと、を含む構成要素を備え、当該蒸発セクションは、当該電子構成要素に熱的に接続され、当該凝縮器セクションは、ヒートシンクに熱的に接続され、当該ヒートシンクは、約20℃〜約100℃の温度、より好ましくは約50℃〜約100℃の温度である、電子デバイスを含む、更に、好ましい実施形態のこの段落に記載されている電子デバイスは、液体作動流体及び蒸気作動流体が各々、少なくとも約70重量%、又は少なくとも約80重量%、又は少なくとも約90重量%、又は少なくとも約95重量%、又は少なくとも約97重量%、又は少なくとも約99.5重量%のシス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含むか、又は実質的にそれからなる、又はそれからなることを除いて記載されている方法と同じである。
・宇宙飛行体デバイスの熱管理、特に軍用又は商業用の宇宙飛行体、特に熱管理、より具体的には、レーダー、レーザー、衛星、又は宇宙ステーションの冷却、
・熱回収、特にデータセンターからの熱回収、熱回収は、高温の新鮮な空気と冷たい内部空気の間である、
・特に無線周波数(RF)チップ、WiFiシステム、基地局冷却、携帯電話、又はスイッチの冷却を冷却する通信デバイス、
霜取りすること、氷を作製すること、例えば冷蔵庫のコンパートメント内の空気温度の均一性の向上及び/又は維持など、冷凍及び/又は冷凍庫の用途。
本発明は、少なくとも約60重量%のシス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む液体作動流体を収容する蒸発セクションと、少なくとも約60重量%のシス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンの蒸気作動流体を収容する凝縮セクションとを含むヒートパイプを含む。更に、好ましい実施形態のこの段落に記載されているヒートパイプは、液体作動流体及び蒸気作動流体が各々、少なくとも約70重量%、又は少なくとも約80重量%、又は少なくとも約90重量%、又は少なくとも約95重量%、又は少なくとも約97重量%、又は少なくとも約99.5重量%のシス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含むか、又は実質的にそれからなる、又はそれからなることを除いて記載されている方法と同じである。
標準GB/T14812−2008によるR=(Twe−Twc)/Q。
式中、
Twcは、標準GB/T14812−2008によるヒートパイプ凝縮セクションの平均温度℃であり、
Tweは、標準GB/T14812−2008によるヒートパイプ蒸発セクションの平均温度℃であり、
Qは、標準GB/T14812−2008によるヒートパイプ熱伝達容量である。
本発明は、ヒートパイプ内の作動流体として、少なくとも約60重量%のシス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む組成物の使用を含む。
作動流体
したがって、本発明は、ヒートパイプ用の作動流体、特に、重力戻り戻りヒートパイプ、毛細管戻りヒートパイプ及び重力戻り/毛細管戻りヒートパイプを提供し、少なくとも約60%重量のシス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む。シス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンは、既知の化合物であり、本出願の譲受人に譲渡されたUS2014/0275644に開示されている方法が挙げられるが、これらに限定されない、いくつかの既知の方法のうちの1つ以上に従って生成することができる。
−シス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンのメリット数は、約20℃より大きい温度でR134aよりも多く、例えば、シス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンのメリット数は、約50℃でR134aのメリット数よりも少なくとも約65%多い。
−シス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンは、R134aよりも低い内側圧力を示し、薄いヒートパイプ壁の使用を可能にする。具体的には、約50℃では、R134aは、約0.065mmの最小壁厚を必要とする一方、シス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンは、約5mmの外径を有するパイプに対して約0.002mmの最小壁厚を必要とする。これにより、ヒートパイプの熱抵抗を低減することができる。更に、ヒートパイプは、商業的及び環境的利益の両方を提供する、より少ない金属を使用して生成することができる。
−シス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンのメリット数は、約40℃〜約140℃の作動温度間で一貫しており、約100℃を超える作動温度を有する用途での使用を可能にする。例えば、作動温度が約40℃から約80℃に変化すると、R134aのメリット数は、シス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンの約5%と比較して約75%低下する。
−シス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンのメリット数は、約40℃より大きい温度でR134aよりも高い。例えば、シス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンのメリット数は、約80℃でR134aよりも約22%高い。
−シス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンは、R134aよりも低い内側圧力を示し、薄いヒートパイプ壁の使用を可能にする。具体的には、約50℃では、R134aは、約0.065mmの最小壁厚を必要とする一方、シス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンは、約5mmの外径を有するパイプに対して約0.002mmの最小壁厚を必要とする。これにより、ヒートパイプの熱抵抗を低減することができる。更に、ヒートパイプは、商業的及び環境的利益の両方を提供する、より少ない金属を使用して生成することができる。
−シス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンのメリット数は、約40℃〜約140℃の作動温度間で一貫しており、約100℃を超える作動温度を有する用途での使用を可能にする。例えば、作動温度が約40℃から約80℃に変化すると、R134aのメリット数は、シス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンの約6%と比較して約23%低下する。
本発明は更に、本発明の作動流体を収容するヒートパイプを調製するプロセスに関し、当該作動流体は先に定義したとおりであり、この方法は、ヒートパイプに作動流体を添加することを含む。
実質的にHFC−134aからなる作動流体を有し、凝縮器から蒸発器への液相作動流体の戻りのための実質的な重力戻り補助を有しない毛細管ヒートパイプは、50℃の動作温度で評価される。必要なパラメータ、すなわち液体流体密度、液体流体伝導度、液体流体粘度、及び流体潜熱熱は、特定の温度で行われ、ヒートパイプに沿った温度差は、D.A.Reay、P.A.Kew、R.J.McGlen、Heat Pipes Theory、Design and Applications、Sixth edition、UK:Elsevier、2014によって説明されるように無視できるものであると仮定する。R−134aの公開及び公的に入手可能な情報、及び動作温度に関する特定の情報は、必要とされる範囲まで、NIST(National Institute Of Standards And Technology,USA)により開発されたRefprop 9.1,(https://www.nist.gov/refpropic)を使用して推定される。
tは、必要な最小壁厚(インチ)であり、
Pは、設計圧力(Psig)であり、この計算における作動流体50℃飽和圧力と等しく、
Dは、パイプの外径(インチ)であり、
Sは、パイプ材料中の許容応力(Psi)であり、ASME B31.3Bの表A−1のアルミニウム合金3003から6700psiに等しく、
Eは、ジョイントファクタであり、継ぎ目のないパイプにおいては1.0に等しく、
Cは、腐食許容度であり、この計算において0に等しく、
Yは、ASME B31.3表304.1.1中の壁厚係数であり、この計算では、0.4に等しい。
実施例1は、作動流体がcis1233zdからなることを除いて、かつ、出願人らによって実験的に決定されたcis1233zdの物理的特性値の一部を除いて、繰り返される。
Mは、毛細管戻りヒートパイプのメリット数であり、
ρfは、液体作動流体密度(kg/m3)であり、
σfは、液体作動流体表面張力、N/m、
μfは、液体作動流体粘度Pa Sであり、
γは、流体作動潜熱、J/kgである。
作動流体がR−134aからなる毛細管ヒートパイプの電力限界の低下を推定するために、比較例1に関連して記載されているものと同じプロセスを使用して、約20℃〜約100℃の範囲の動作温度でメリット数を決定し、これらの決定は、各温度での相対的な電力限界が報告されるベースラインである50℃での電力限界に基づいて、以下の表C2で報告される。
作動流体がcis1233zdからなる毛細管ヒートパイプの電力限界の低下を推定するために、比較例2に関連して記載されているものと同じプロセスを使用して、約0℃〜約120℃の範囲の動作温度でメリット数を決定し、これらの決定は、各温度での相対的な電力限界が報告されるベースラインである50℃での電力限界に基づいて、以下の表E2で報告される。
HFC−134aから本質的になる作動流体を備え、凝縮器から蒸発器への液相作動流体の戻りを補助する毛細管を有さない、重力戻りヒートパイプが、50℃の動作温度で評価される。必要なパラメータ、すなわち液体流体密度、液体流体伝導度、液体流体粘度、及び流体潜熱熱は、特定の温度で行われ、ヒートパイプに沿った温度差は、D.A.Reay、P.A.Kew、R.J.McGlen,Heat Pipes Theory,Design and Applications,Sixth edition,UK:Elsevier,2014によって説明されるように無視できるものであると仮定する。R−134aの公開及び公的に入手可能な情報、及び動作温度に関する特定の情報は、必要とされる範囲まで、NIST(National Institute Of Standards And Technology,USA)により開発されたRefprop 9.1,(https://www.nist.gov/refpropic)を使用して推定される。
比較例3は、作動流体がcis1233zdからなることを除いて、及び出願人らによって実験的に決定されたcis1233zdの物理的特性値の一部を除いて繰り返される。
作動流体がR−134aからなる、重力戻り戻りヒートパイプの電力限界低下を推定するため。メリット数は、約20℃〜約100℃の範囲の動作温度について決定されている。重力戻り戻りヒートパイプのための作動流体のメリット数は、D.A.Reay、P.A.Kew、R.J.McGlen,Heat Pipes Theory,Design and Applications,Sixth edition,UK:Elsevier,2014に記載される等式に従って決定することができる。
M’は、重力戻りヒートパイプのメリット数であり、
ρfは、作動液体流体密度(kg/m3)であり、
λfは、作動液体流伝導度(W/mK)であり、
μfは、作動液体流体粘度(Pa S)であり、
γは、作動流体潜熱(J/kg)である。
作動流体がcis1233zdからなる温度に対して重力戻り戻りヒートパイプの電力限界がどう変化するかを推定するために、比較例4に関連して記載されているものと同じプロセスを使用して、約0℃〜約100℃の範囲の動作温度でメリット数を決定し、これらの決定は、各温度での相対的な電力限界が報告されるベースラインである50℃での電力限界に基づいて、以下の表E4で報告される。
重力戻りヒートパイプの形態の実験用熱伝達ユニットを構築した。試験ユニットは、ヒートパイプ内に流れる熱の正確な測定値を得るためにフォームによって断熱された電気ヒータに取り付けられた蒸発器セクションを有するヒートパイプを備えた。ヒートパイプの凝縮セクションに十字形のアルミニウムフィンを取り付けて、約25℃で周囲空気に熱を伝達するための追加の熱伝達表面を提供した。蒸発セクションと凝縮セクションとの間のヒートパイプのセクションもまた、断熱フォームによって断熱された。本明細書に報告される試験及び結果は、標準GB/T14812−2008に従って実施した。ヒートパイプは、以下の寸法を有する実質的に真っ直ぐな中空円筒であった。
・外径:10mm
・内径:9.4mm
・長さ:465mm
キャピラリーヒートパイプの形態の実験的熱伝達ユニットを構築した。試験ユニットは、ヒートパイプ内に流れる熱の正確な測定値を得るためにフォームによって断熱された電気ヒータに取り付けられた銅ブロックにケーシングされた蒸発器セクションを有するヒートパイプを含む。ヒートパイプの凝縮セクションに十字形のアルミニウムフィンを取り付けて、約25℃で周囲空気に熱を伝達するための追加の熱伝達表面を提供した。蒸発セクションと凝縮セクションとの間のヒートパイプのセクションもまた、断熱フォームによって断熱された。本明細書に報告される試験及び結果は、標準GB/T14812−2008に従って実施した。ヒートパイプは、以下の寸法を有し、示されるような焼結毛細管構成要素を含む、実質的に真っ直ぐな中空であった。
・外径:10mm
・内径:9.4mm
・焼結内径:8.4mm
・焼結有効半径:0.1〜0.15μm
・長さ:465mm
番号付き実施形態1 ヒートパイプ内の作動流体として、少なくとも約60重量%のシス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む組成物の使用。
Claims (13)
- ヒートパイプ中の、少なくとも約60重量%のシス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む作動流体の使用。
- 前記作動流体が、少なくとも約90重量%のシス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む、請求項1に記載の使用。
- 前記作動流体が、少なくとも約95重量%のシス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む、請求項1に記載の使用。
- 前記作動流体が、少なくとも約97重量%のシス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む、請求項1に記載の使用。
- 前記作動流体が、少なくとも約99.5重量%のシス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む、請求項1に記載の使用。
- 前記作動流体が、実質的にシス1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンからなる、請求項1に記載の使用。
- 前記ヒートパイプが、重力戻り戻りヒートパイプ、毛細管戻りヒートパイプ、求心性戻りヒートパイプ(又は回転ヒートパイプ)、動電戻りヒートパイプ、磁気戻りヒートパイプ、振動ヒートパイプ又は浸透圧ヒートパイプから選択される、請求項1〜6のいずれか一項に記載の使用。
- 前記ヒートパイプが、重力戻り戻りヒートパイプ又は毛細管戻りヒートパイプである、請求項1〜6のいずれか一項に記載の使用。
- 請求項1〜6のいずれか一項に定義された作動流体を含む、ヒートパイプ。
- 前記ヒートパイプが、重力戻り戻りヒートパイプ、毛細管戻りヒートパイプ、求心性戻りヒートパイプ(又は回転ヒートパイプ)、動電戻りヒートパイプ、磁気戻りヒートパイプ、振動ヒートパイプ又は浸透圧ヒートパイプから選択される、請求項9に記載のヒートパイプ。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の作動流体を含む、重力戻り戻りヒートパイプ。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の作動流体を含む、毛細管戻りヒートパイプ。
- 請求項9〜12のいずれか一項に記載のヒートパイプを使用して電気又は電子構成要素を冷却する方法。
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