JP4894307B2 - 潜熱輸送装置用作動液および潜熱輸送装置の作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、潜熱輸送装置用の作動液、およびそれを用いた潜熱輸送装置の作動方法に関する。

従来、装置内に封入された作動液の蒸発、沸騰、凝縮等の現象を利用して潜熱輸送を行う潜熱輸送装置が知られている。潜熱輸送装置としては、例えば、ヒートパイプおよび二相密閉型熱サイフォン装置が挙げられる。ヒートパイプは内部に設けたウィック（毛細管構造体）による毛細管力を利用して熱を伝達し、二相密閉型熱サイフォンは重力、遠心力を利用して熱を伝達する装置であり、何れもポンプ等の外部動力を使わずに作動液を循環できる点が大きな特徴である。
ヒートパイプは、半導体素子や電子機器の発熱部の冷却装置等、比較的小型の冷却装置に適用され、二相密閉型熱サイフォンは、ウィックを必要とせず構造が簡単であることから、ガス−ガス型熱交換器、道路の融雪促進および凍結防止等に広く利用されている。

以下、ヒートパイプを例に作動液として要求される性能について説明する。
ヒートパイプはパイプ状容器の一端を蒸発部とし、他端を凝縮部として熱を伝える伝熱素子である。一般にヒートパイプの伝熱特性は、ヒートパイプ本体に封入されている作動液に左右される。一般に、常圧下での沸点付近で使用するときに良い特性を示すと言われている。

ヒートパイプの原理は簡単である。パイプの一端が温められると、そこで作動液が蒸発して熱を吸収する。蒸発した気体はパイプの中を拡散し、他端（低温部）で潜熱を放出して凝縮する。液体は重力や毛管力で再びパイプの一端（高温部）へ戻り、高温部から低温部へ熱が輸送される。
ヒートパイプは、主に（１）作動液、（２）ウィックまたは毛管構造、および（３）容器またはコンテナの３要素より構成される。作動液として要求される必要条件は以下の通りであるが、まず考えなければならないのは、作動蒸気温度範囲である。

１）ウイックおよびコンテナ材料に対する適合性がある。
２）熱安定性がよい。
３）ウイックおよびコンテナ材料に対する濡れ性がよい（接触角が０または非常に小さい。）。
４）作動温度範囲内で蒸気圧が高すぎたり低すぎたりしない。
５）蒸発潜熱が大きい。
６）熱伝導率が大きい。
７）気液両相において粘性率が小さい。
８）表面張力が大きい。
９）凝固点、または融解点が適正である。

一般に、最大熱輸送量を決定する作動液の特性値としては、下式Ａで表されるメリット数Ｍ（ｋＪ／（ｍ^２・ｓ））が使用される。メリット数Ｍが大きいほど作動液の最大熱輸送量が大きくなる。
Ｍ＝ρσＬ／μ ・・・式Ａ
ただし、ρは作動液の密度（ｋｇ／ｍ^３）、σは作動液の表面張力（Ｎ／ｍ）、Ｌは作動液の蒸発潜熱（ｋＪ／ｋｇ）、μは作動液の粘度（Ｐａ・ｓ）である。）メリット数は温度によって変化する。

従来、ヒートパイプの作動液としては、水、アンモニア、メタノール、クロロフルオロカーボン類（ＣＦＣ類）、ヒドロクロロフルオロカーボン類（ＨＣＦＣ類）等が用いられている。しかし、水は寒冷地では凍結する問題がある。また、アンモニアはヒートパイプ容器の材質との適合性を考慮する必要があるだけでなく、悪臭、毒性の点でも取扱いが煩雑である。メタノールについても、アルミニウムおよびステンレス容器を腐食させる問題がある。また、ＣＦＣ類やＨＣＦＣ類は、オゾン層破壊の原因となることから規制対象となっている化合物である。

これらの課題を解決する目的から、以下の方法が提案されている。
例えば、特許文献１においては、ヒートパイプやサーモサイフォンの作動流体としてｎ−パーフルオロヘキサンが使用することが提案されている。また、特許文献２においては、Ｃ_６Ｆ_１４等のパーフルオロカーボンを９５％以上含有し、該パーフルオロカーボンよりも低沸点のフッ化炭素化合物の含量を１％以下にしたヒートパイプ用作動液が提案されている。しかし、これらの作動液は熱伝達効率が悪く、地球温暖化効果が大きいという問題がある。

また、特許文献３にはヒドロフルオロエーテルを主成分とする蒸発系熱伝達作動液が記載されており、ヒドロフルオロエーテルとして、具体的にはＣ_４Ｆ_９−Ｏ−ＣＨ_３、Ｃ_４Ｆ_９−Ｏ−Ｃ_２Ｈ_５、Ｃ_３Ｆ_７ＣＦ（ＯＣ_２Ｈ_５）ＣＦ（ＣＦ_３）_２が記載されている。しかし、これらの化合物は地球温暖化には影響を及ぼさないものの、作動液の性能としては必ずしも十分ではなかった。

特開昭５９−１２２８８号公報（特許請求の範囲） 特許第２７２６５４２号公報（特許請求の範囲） 特開２００１−３４２４５８号公報（特許請求の範囲）

本発明は、オゾン層の破壊、地球温暖化といった環境への悪影響を引き起こすおそれがなく、−５０〜１５０℃の作動温度で安定して高い性能を示す潜熱輸送装置用作動液の提供を目的とする。

本発明は、１，１，２，２−テトラフルオロエチル−２，２，２−トリフルオロエチルエーテル（ＣＨＦ_２ＣＦ_２ＯＣＨ_２ＣＦ_３、以下、ＨＦＥ−３４７という。）を含有する潜熱輸送装置用作動液を提供する。
また、本発明は、上記作動液を用いた潜熱輸送装置を、作動温度が−５０〜１５０℃で作動させる潜熱輸送装置の作動方法を提供する。

本発明の潜熱輸送装置用作動液は、従来の作動液に対してメリット数が大きく、熱伝達効率が非常に優れる。また、潜熱輸送装置の部材として用いられるステンレスやアルミニウムに対して、高い耐酸化性および耐腐蝕性を有する。さらに、従来のシステムにそのままの形態で使用できるという利点も有する。そして、オゾン層の破壊、地球温暖化といった環境への悪影響を引き起こすおそれがない。

本発明は潜熱輸送装置用の作動液である。潜熱輸送装置とは、装置内に封入された作動液の蒸発、沸騰、凝縮等の現象を利用して潜熱輸送を行う装置であって、代表的な装置としては、ヒートパイプおよび二相密閉型熱サイフォン装置が挙げられる。
本発明の作動液は、下記式１で表される化合物を含有する。式１において、ＸおよびＹはそれぞれ独立にフッ素原子、ジフルオロメチル基またはトリフルオロメチル基である。
Ｘ−ＣＨＦＣＦ_２−Ｏ−ＣＨ_２ＣＦ_２−Ｙ ・・・式１
上記式１で表される化合物は、熱輸送量が大きい、粘度が低い、凝固点が低い、適度な蒸気圧を有する、不燃性である、安定性が高い、一般的な材料との適合性に優れる、接触する物品を腐食させにくい等の点で作動液として優れる。

式１で表される化合物としては、具体的には、ＨＦＥ−３４７、１，１，１，２，３，３−ヘキサフルオロ−３−（２，２，２−トリフルオロエトキシ）プロパン（ＣＦ_３ＣＨＦＣＦ_２ＯＣＨ_２ＣＦ_３、以下、ＨＦＥ−４４９という。）、１，１，１，２，３，３−ヘキサフルオロ−３−（２，２，３，３−テトラフルオロプロポキシ）−プロパン（ＣＦ_３ＣＨＦＣＦ_２ＯＣＨ_２ＣＦ_２ＣＨＦ_２、以下、ＨＦＥ−５５−１０という。）が挙げられる。
本発明の作動液において、ＨＦＥ−３４７等の式１で表される化合物の含有割合は５０質量％以上であるのが好ましく、特には８０質量％以上、さらには９０質量％以上であるのが好ましい。

また、本発明の作動液において、ＨＦＥ−３４７等の式１で表される化合物が１００質量％に満たない場合に含まれるその他の成分としては、炭化水素類、ハロゲン化炭化水素類、アルコール類、含フッ素アルコール類、ケトン類、含フッ素エーテル類（ただし、式１で表される化合物を除く。）からなる群から選ばれる１種以上が好ましい。なかでも、炭化水素類およびアルコール類を含有する場合は、作動液のメリット数を大きくできる点で特に好ましい。

本発明の作動液が上記その他の成分を含有する場合、作動液の蒸発、凝縮時の温度変化、ならびに気液両相の組成変化を最小にし、安定した作動状態を確保する目的から、当該作動液の組成は共沸組成または共沸様組成とするのが好ましい。
ここで、共沸様組成とは、露点と沸点の温度差が０．５℃以内である組成比をいう。なかでも、蒸気温度差が０．１℃以内であるものは特に好ましい。

上記炭化水素類としては、炭素数６〜８の鎖状（直鎖状もしくは分枝状）または環状の飽和炭化水素類が好ましい。また、炭化水素類としては、具体的にはｎ−ペンタン、シクロペンタン、ｎ−ヘキサン、ｎ−ヘプタンが挙げられる。
本発明の作動液が炭化水素類を含有する場合は、作動液のメリット数を大きくするという観点から、その含有割合は０．５〜５０質量％、特には１〜１０質量％とするのが好ましい。

また、ＨＦＥ−３４７と炭化水素類との共沸組成物または共沸様組成物としては以下の組成物が知られているが（特開２０００−７６０３号公報参照。）、これらは本発明の作動液として好ましく用いられる。
１）ＨＦＥ−３４７ ６４．１質量％とシクロペンタン ３５．９質量％の共沸組成物。
２）ＨＦＥ−３４７ ４９〜７３質量％とシクロペンタン ２７〜５１質量％の共沸様組成物。
３）ＨＦＥ−３４７ ５５．５質量％とｎ−ペンタン ４４．５質量％の共沸組成物。
４）ＨＦＥ−３４７ ３８〜６４質量％とｎ−ペンタン ３６〜６２質量％の共沸様組成物。
５）ＨＦＥ−３４７ ７７．６質量％とｎ−ヘキサン ２２．４質量％の共沸組成物。
６）ＨＦＥ−３４７ ９１．９質量％とｎ−ヘプタン ８．１質量％の共沸組成物。

上記ハロゲン化炭化水素類としては、炭素数１〜４の飽和塩素化炭化水素類、炭素数２または３の不飽和塩素化炭化水素類が好ましい。また、ハロゲン化炭化水素類としては、具体的には、１，１−ジクロロ−２，２，３，３，３−ペンタフルオロプロパン、１，３−ジクロロ−１，１，２，２，３−ペンタフルオロプロパン等のヒドロクロロフルオロカーボン類（以下、ＨＣＦＣ類という。）、ジフルオロメタン、１，１，１，２，２−ペンタフルオロエタン、１，１，１，２−テトラフルオロエタン、１，１，１−テトラフルオロエタン、１，１−ジフルオロエタン、１，１，１，２，３，３，３−ヘプタフルオロプロパン、１，１，１，２，２，３，３−ヘキサフルオロプロパン、１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロプロパン、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン、１，１，２，２，３−ペンタフルオロプロパン、１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタン、１，１，１，２，２，３，４，５，５，５−デカフルオロペンタン、１，１，２，２，３，３，４−へプタフルオロシクロペンタン等のヒドロフルオロカーボン類（以下、ＨＦＣ類という。）、塩化メチレン、トリクロロエチレン等のクロロカーボン類（以下、ＣＣ類という。）、１−ブロモプロパンが挙げられる。
上記ハロゲン化炭化水素は、凝固点の降下やメリット数を大きくする目的から含有させることができ、その含有割合は０．１〜５０質量％とするのが好ましい。

上記アルコール類としては炭素数１〜４のアルコール類が好ましく、具体的にはメタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノールおよびｎ−ブタノールからなる群から選ばれる一種以上のアルコールが挙げられる。本発明の作動液がアルコール類を含有する場合は、少量の含有割合でメリット数を著しく大きくできる、不燃性である等の利点を有する。アルコール類の含有割合は０．５〜１５質量％、特には１〜１０質量％とするのが好ましい。

本発明の作動液としては、特には、ＨＦＥ−３４７等の式１で表される化合物と、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノールおよびｎ−ブタノールからなる群から選ばれる一種以上のアルコールとからなる組成物であって、ＨＦＥ−３４７の含有割合が９０〜９９質量％であり、上記アルコールの含有割合が１〜１０質量％である組成物が好ましい。

ＨＦＥ−３４７とアルコール類との共沸組成物または共沸様組成物としては以下の組成物が知られており（特開平４−２２７６９５公報、特開平１０−３２４８９７号公報参照。）、これらは本発明の作動液として特に好ましく用いられる。
１）ＨＦＥ−３４７ ８２．１質量％とメタノール ７．９質量％の共沸組成物。
２）ＨＦＥ−３４７ ９０〜９６質量％とメタノール ４〜１０質量％の共沸様組成物。
３）ＨＦＥ−３４７ ９４．５質量％とエタノール ５．５質量％の共沸組成物。
４）ＨＦＥ−３４７ ９０〜９７質量％とエタノール ３〜１０質量％の共沸様組成物。
５）ＨＦＥ−３４７ ９５．６質量％と２−プロパノール ４．４質量％の共沸組成物。
６）ＨＦＥ−３４７ ９５．０〜９８．５質量％と２−プロパノール １．５〜５．０質量％の共沸様組成物。

上記含フッ素アルコール類としては、炭素数が２〜４の部分フッ素化アルコールが好ましく、具体的には１，１，１−トリフルオロエタノール、２，２，３，３−テトラフルオロプロパノール等が挙げられる。含フッ素アルコール類の含有割合は０．５〜２０質量％とするのが好ましい。
また、ＨＦＥ−３４７と含フッ素アルコール類との共沸組成物としては以下の組成物が知られているが、これは本発明の作動液として好ましく用いられる。
１）ＨＦＥ−３４７ ８８．５質量％と１，１，１−トリフルオロエタノール １１．５質量％の共沸組成物。

次に、上記ケトン類としては炭素数が３であるものが好ましく、具体的にはアセトンが挙げられる。ＨＦＥ−３４７とアセトンの混合物は、以下の共沸組成を有する。
ＨＦＥ−３４７ ７４．４質量％とアセトン ２５．６質量％の共沸組成物。
この共沸組成物は本発明の作動液として好ましく用いられる。

上記含フッ素エーテル類としては、一般式Ｃ_ａＦ_２ａ＋１−Ｏ−Ｃ_ｂＨ_２ｂ＋１（ａは１〜６の整数であり、ｂは１〜４の整数である。）で表される化合物が好ましい。パーフルオロプロピルメチルエーテル（Ｃ_３Ｆ_７ＯＣＨ_３）、パーフルオロブチルメチルエーテル（Ｃ_４Ｆ_９ＯＣＨ_３）およびパーフルオロブチルエチルエーテル（Ｃ_４Ｆ_９ＯＣ_２Ｈ_５）は特に好ましい。この他、ＣＦ_３ＣＨ_２ＯＣＨＦ_２（ＨＦＥ−２４５ｍｆ）、ＣＦ_３ＣＦ_２ＣＨ_２ＯＣＨＦ_２（ＨＦＥ−３４７ｍｃｆ）も使用できる。

上記含フッ素エーテル類（式１で表される化合物を除く。）の含有割合は０．１〜５０質量％とするのが好ましい。
また、ＨＦＥ−３４７と上記含フッ素エーテル類との共沸組成物としては、ＨＦＥ−３４７ ６９．２質量％とパーフルオロブチルメチルエーテル ３０．８質量％の共沸組成物が知られているが、これは本発明の作動液として好ましい。

本発明の潜熱輸送装置用作動液は、そのままでも熱や酸化物に対する安定性は高いが、耐酸化性向上剤および耐熱性向上剤、または金属不活性剤等の安定剤を含有する場合は、各安定性が顕著に高くなるため、必要に応じて含有させるのが好ましい。
通常、上記安定剤の含有割合は、ヒートパイプ用作動液の性能を低下させない範囲で添加可能であるが、作動液中において５質量％以下であり、１質量％以下であるのが好ましい。

耐酸化性向上剤および耐熱性向上剤としては、具体的には、Ｎ，Ｎ’−ジフェニルフェニレンジアミン、ｐ−オクチルジフェニルアミン、ｐ，ｐ−ジオクチルジフェニルアミン、Ｎ−フェニル−１−ナフチルアミン、Ｎ−フェニル−２−ナフチルアミン、Ｎ−（ｐ−ドデシル）フェニル−２−ナフチルアミン、ジ−１−ナフチルアミン、ジ−２−ナフチルアミン、Ｎ−アルキルフェノチアジン、６−（ｔ−ブチル）フェノール、２，６−ジ−（ｔ−ブチル）フェノール、４−メチル−２，６−ジ−（ｔ−ブチル）フェノール、４，４’−メチレンビス（２，６−ジ−ｔ−ブチルフェノール）、およびそれらの２種以上の混合物が挙げられる。

金属不活性剤としては、具体的には、イミダゾール、ベンズイミダゾール、２−メルカプトベンズチアゾール、２，５−ジメチルカプトチアジアゾール、サリシリジン−プロピレンジアミン、ピラゾール、ベンゾトリアゾール、トルトリアゾール、２−メチルベンズアミダゾール、３，５−イメチルピラゾ−ルおよびメチレンビス−ベンゾトリアゾール等が挙げられる。

本発明の作動液を用いた潜熱輸送装置は、作動温度−５０〜２００℃で作動させることができる。本発明の作動液を用いた場合は、上記温度範囲で安定して高い性能を発現する。作動温度が０〜１５０℃、特には０〜１００℃である場合は、より高い性能を発現することからより好ましい。

以下、本発明を、実施例を参照して説明する。
（１）ＨＦＥ−３４７
＜−５０〜１５０℃におけるメリット数の算出＞
以下の溶剤について、式１にしたがい−５０〜１５０℃におけるメリット数を算出した。結果を図１に示す。
例１：ＨＦＥ−３４７、
例２（比較例）：ｎ−パーフルオロヘキサン、
例３（比較例）：ＡＫ−２２５（旭硝子社製品名、１，１−ジクロロ−２，２，３，３，３−ペンタフルオロプロパンと１，３−ジクロロ−１，１，２，２，３−ペンタフルオロプロパンの混合物）、
例４（比較例）：ＨＦＥ−７１００（３Ｍ社製品名、Ｃ_４Ｆ_９−Ｏ−ＣＨ_３）、
例５（比較例）：ＨＦＥ−７２００（３Ｍ社製品名、Ｃ_４Ｆ_９−Ｏ−Ｃ_２Ｈ_５）。

図１より、ＨＦＥ−３４７は、ＨＣＦＣ類であるＡＫ−２２５とほぼ同程度のメリット数を有することがわかる。また、ＨＦＥ−３４７のメリット数は、ｎ−パーフルオロヘキサンのメリット数の約１．５〜４倍であり、ＨＦＥ−７１００やＨＦＥ−７２００のメリット数の約１．２〜１．４倍である。よって、ＨＦＥ−３４７を作動液として用いた場合は、優れた熱伝達効率を発現すると考えられる。

＜２５℃および標準沸点におけるメリット数の算出＞
表１に示す溶剤について、２５℃におけるメリット数および標準沸点におけるメリット数を算出した。例６〜１２は実施例、例１３〜１６は比較例である。なお、例７〜１４の作動液は共沸様組成物である。
本発明の作動液はいずれも大きなメリット数を有しており、従来の作動液に比べて極めて大きな熱輸送量を有していることがわかる。また、例７および例８のようにアルコール類を添加した場合、または例９〜１１のように炭化水素類を添加した場合は、メリット数がさらに大きくなることがわかる。

（２）ＨＦＥ−４４９、ＨＦＥ−５５−１０
＜−５０〜２００℃におけるメリット数の算出＞
以下の溶剤について、式１にしたがい−５０〜２００℃におけるメリット数を算出した。結果を図２に示す。
例１７：ＨＦＥ−４４９、
例１８：ＨＦＥ−５５−１０、
例１９（比較例）：ｎ−パーフルオロヘキサン（Ｃ_６Ｆ_１４）。

図２より、ＨＦＥ−４４９のメリット数は、全ての作動温度範囲にわたり、ｎ−パーフルオロヘキサンのメリット数よりも同等以上の性能を有していることがわかる。一方、ＨＦＥ−５５−１０は温度５０℃以上の作動温度範囲において、ｎ−パーフルオロヘキサンのメリット数よりも優れた性能を有しており、温度８０℃以上の作動温度範囲においては最も大きなメリット数を有することがわかる。よって、ＨＦＥ−４４９またはＨＦＥ−５５−１０を作動液として用いた場合は、優れた熱伝達効率を発現すると考えられる。

＜２５℃および標準沸点におけるメリット数の算出＞
表２に示す溶剤について、２５℃におけるメリット数および標準沸点におけるメリット数を算出した。例２０〜２５は参考例、例２６は比較例である。
本発明の作動液はいずれも大きなメリット数を有しており、従来の作動液に比べて極めて大きな熱輸送量を有していることがわかる。また、例２２、２３および例２５のようにアルコール類を添加した場合、または例２４のように炭化水素類を添加した場合は、メリット数がさらに大きくなることがわかる。

＜ノート型パソコンの冷却への適用＞
本発明の作動液を小型ヒートパイプの形態でノート型パソコンの冷却に応用した具体的態様について説明する。直径１．５ｍｍ、長さ２０ｃｍの銅製パイプの内面にステンレスのメッシュ構造物を配設し、その内部に作動液としてＨＦＥ−３４７（例１）を封入する。そのパイプの一端を蒸発部分として、ノートパソコンの発熱部分であるＣＰＵに接触させる。他端を凝縮部分として放熱板を溶接し、その放熱板を液晶パネル裏側の放熱板に接触させる。以上の構成により、ノートパソコンのＣＰＵで発生した熱は、作動液ＨＦＥ−３４７の気化により凝縮部分に伝達される。その熱は放熱板を介して外部に放散され、同時に気化された作動液は凝縮液化される。液化したＨＦＥ−３４７は、メッシュ構造のウイッグを毛細管作用で移動して、蒸発部に循環される。以上の構成により、ノート型パソコンは非常にコンパクトに構成されしかも従来のものに比べて放熱効果も優れている。更に、寒冷地および高温地での耐用性に優れたパソコンを提供できる。

本発明の作動液は、コンピュータ、通信機器、整流装置や電動機等に用いられる半導体素子、電子機器、電力機器等の冷却、旋盤やボール盤等の工作機械の軸受け等の冷却、または空調用熱交換器等に用いられる。

メリット数と作動温度との相関を示すグラフ（ＨＦＥ−３４７） メリット数と作動温度との相関を示すグラフ（ＨＦＥ−４４９、ＨＦＥ−５５−１０）

Claims (6)

1. １，１，２，２−テトラフルオロエチル−２，２，２−トリフルオロエチルエーテル（ＣＨＦ_２ＣＦ_２ＯＣＨ_２ＣＦ_３、以下、ＨＦＥ−３４７という。）を含有する潜熱輸送装置用作動液。
2. ＨＦＥ−３４７の含有割合が５０質量％以上である請求項１に記載の潜熱輸送装置用作動液。
3. さらに炭素数１〜４のアルコールを含有する請求項１または２に記載の潜熱輸送装置用作動液。
4. 作動液が、ＨＦＥ−３４７と、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノールおよびｎ−ブタノールからなる群から選ばれる一種以上のアルコールとからなる組成物であって、ＨＦＥ−３４７の含有割合が９０〜９９質量％であり、上記アルコールの含有割合が１〜１０質量％である組成物からなる請求項１に記載の潜熱輸送装置用作動液。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の作動液を用いた潜熱輸送装置を、作動温度が−５０〜１５０℃で作動させる潜熱輸送装置の作動方法。
6. 潜熱輸送装置がヒートパイプである請求項５に記載の潜熱輸送装置の作動方法。

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