JP6184475B2 - 誘電性気体としてのフッ素化ニトリル - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１２年４月４日に出願された米国特許仮出願第６１／６２０，１９２号の利益を主張し、その開示の全体は参照により本明細書に組み込まれる。

（発明の分野）
本開示は、概して、コンデンサ、開閉装置、変圧器、及び電気ケーブル又はバスなどの電気デバイス内での誘電性流体の使用に関する。具体的には、本開示は、電気デバイス内の誘電性流体としてのヘプタフルオロイソブチロニトリル又は２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルの使用に関する。

誘電性気体は、例えば、変圧器、電気ケーブル又はバス、及び配線用遮断器又は開閉装置などの様々な電気デバイスで使用される。例えば、米国特許第７，８０７，０７４号（Ｌｕｌｙら）を参照のこと。かかる電気デバイスでは、誘電性気体は、それらの絶縁耐力（ＤＳ）がより高いので、電気的な絶縁体としてしばしば空気の代わりに使用される。かかる誘電性気体は、空気充填された電気デバイスと比較して、より高い電力密度を可能にする。

最も意義深いことには、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）が、多くの電気用途における主要な捕捉的誘電性気体となっている。ＳＦ_６は有利にも、非毒性、非引火性、取り扱いが容易であり、有用な動作温度範囲を有し、また優れた誘電特性及びアーク遮断特性を有する。変圧器内では、それはまた冷却剤としても機能する。変圧器内の送風器は、しばしば巻線からの伝熱を助けて気体を循環させる。

しかしながら、ＳＦ_６に伴う懸案事項は、その３２００年の大気寿命、及び二酸化炭素の地球温暖化係数の約２２，２００倍の地球温暖化係数（ＧＷＰ）である。１９９７年１２月、日本の京都サミットにおいて、１６０カ国の代表者が温室効果ガス排出に関する制限を含む協定を起草した。協定はＳＦ_６を含む６つの気体にわたっており、またこれらの気体の総排出を２０１０年までに、１９９０年のそれらの総排出を５．２％下回るレベルまで低下させるという義務を含んでいた。ＵＮＥＰ（Ｕｎｉｔｅｄ Ｎａｔｉｏｎｓ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｐｒｏｇｒａｍｍｅ），Ｋｙｏｔｏ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｔｏ ｔｈｅ Ｕｎｉｔｅｄ Ｎａｔｉｏｎｓ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ ｏｎ Ｃｌｉｍａｔｅ Ｃｈａｎｇｅ，Ｎａｉｒｏｂｉ，Ｋｅｎｙａ，１９９７を参照のこと。

ある特定の過フッ素化ニトリル、ＣＦ_３ＣＮ、Ｃ_２Ｆ_５ＣＮ、及びＣＦ_３ＣＦ_２ＣＦ_２ＣＮが、米国特許第３，０４８，６４８（以下６４８特許と記載する）に気体状誘電体材料としての使用のために開示されている。しかしながら、これらのニトリルの毒性は、気体状誘電体材料として使用するために許容できると考えられるものより高い。加えて、６４８特許は、ニトリルを「より具体的にはペルフルオロ−ｎ−アルキルニトリル群のメンバー」として記載している。亜硝酸塩エステルを添加することによる、ＣＦ_３ＣＦ_２ＣＦ_２ＣＮの毒性を低減するための努力が行われてきた（米国特許第４，５４７，３１６号参照）。

米国連邦標準・技術局（ＮＩＳＴ）は、Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｎｏｔｅ １４２５、「Ｇａｓｅｓ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｒｃ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｏｎ：Ｐｏｓｓｉｂｌｅ Ｐｒｅｓｅｎｔ ａｎｄ Ｆｕｔｕｒｅ Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｓ ｔｏ Ｐｕｒｅ ＳＦ_６」を発行しており、可能性のある代用品として、窒素若しくはヘリウム、又は高圧窒素のいずれかとのＳＦ_６の混合物を特定している。他の一部の代用混合物には、アーク放電中の遊離炭素の遊離、アーク放電中又はアーク放電後の増大された毒性、並びに、貯蔵、回収、及び再生中の、気体の取り扱いの増大された困難さに悩まされるものもある。また、ペルフルオロカーボン（ＰＦＣ）は、ＳＦ_６のように、窒素又はヘリウムと混合されることも可能である気体であることが確認されている。しかしながら、ＰＦＣはまた高いＧＷＰを有するため、かかる戦略の環境負荷の減少の可能性は限られている。

一実施形態では、式（ｉ）（ＣＦ_３）_２ＣＦＣＮ、又は（ｉｉ）ＣＦ_３ＣＦ（ＯＣＦ_３）ＣＮによる誘電体流体を含む電気デバイスが提供される。

一実施形態では、誘電性組成物が提供される。この誘電性組成物は、式（ｉ）（ＣＦ_３）_２ＣＦＣＮ、又は（ｉｉ）ＣＦ_３ＣＦ（ＯＣＦ_３）ＣＮによる流体と、０℃で少なくとも約７０ｋＰａの蒸気圧を有する不活性気体を含む気体状誘電体とを含む。

一実施形態では、電気デバイスで絶縁体として使用するための誘電性組成物が提供される。この誘電性組成物は、式（ｉ）（ＣＦ_３）_２ＣＦＣＮ、又は（ｉｉ）ＣＦ_３ＣＦ（ＯＣＦ_３）ＣＮによる流体を含む。

本開示による、フッ素化ニトリル流体を含む電気的な機械設備の図である。

本明細書で使用する場合、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、その内容について特に明確な断りがない限り、複数の指示対象を包含するものとする。本明細書及び添付の実施形態において使用する場合、用語「又は」は、その内容が特に明確に指示しない限り、一般的に「及び／又は」を包含する意味で用いられる。

本明細書で使用する場合、末端値による数値範囲での記述には、その範囲内に包含されるあらゆる数値が含まれる（例えば、１〜５は、１、１．５、２、２．７５、３、３．８、４、及び５を含む）。

特に指示がない限り、明細書及び実施形態で使用する成分の量、性質の測定値などを表す全ての数は、全ての例において、用語「約」により修飾されていることを理解されたい。したがって、そうでないことが示されていないかぎり、先行の本明細書及び添付の実施形態の列挙に記載の数値的パラメーターは、本開示の教示を利用して当業者により得ることが求められる所望の性質に応じて変化する可能性がある。最低限でも、また、請求項に記載の実施形態の範囲への均等論の適用を制限しようとする試みとしてでもなく、各数値パラメーターは既報の有効数字の数を踏まえて通常の四捨五入法を当てはめることによって解釈されなければならない。

本明細書で使用する場合、用語「誘電性流体」は、液体状誘電体と気体状誘電体との両方を包含する。流体、気体、又は液体の物理的状態は、それが使用される電気デバイスの温度及び圧力の動作条件にて決定される。

本明細書で使用する場合、「ペルフルオロ化」又は接頭辞「ペルフルオロ」は、炭素に結合している水素原子の全て又は実質的に全てがフッ素原子で置換されている有機基を意味し、例えば、ペルフルオロアルキル等である。

コンデンサなどの電気デバイスにおいて、誘電性液体はしばしば、それらの低い誘電率（Ｋ）及び高い絶縁耐力（ＤＳ）のため、空気の代わりに使用される。この種類の一部のコンデンサには、金属箔伝導体と紙又はポリマーフィルムの固体誘電シートとの交互の層を備えるものもある。他のコンデンサは、金属箔伝導体（１乃至複数）と誘電性フィルム（１乃至複数）とを、中心コアの周りに同心円状に巻くことによって構築される。この後者の種類のコンデンサは、「フィルム巻き」コンデンサと称される。誘電性液体は、その低い誘電率及び高い絶縁耐力のため、誘電性フィルムを含浸させるためにしばしば使用される。かかる誘電性液体は、空気充填又は他の気体充填された電気デバイスより、多くのエネルギーをコンデンサ内に貯蔵する（より高い電気容量）ことを可能にする。

本開示は、例証的な実施形態で、誘電性流体として、ヘプタフルオロイソブチロニトリル、（ＣＦ３）２ＣＦＣＮ、又は２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリル、ＣＦ３ＣＦ（ＯＣＦ３）ＣＮを使用することを目的とする。いくつかの実施形態では、ヘプタフルオロイソブチロニトリル、又は２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルは、デバイスが収容されるところの動作条件において、気相、液相、又はこれらの組み合わせである。本開示の誘電性流体は、誘電性流体を使用する数多くの用途で、有用である場合がある。かかる他の用途の例は、上述のＮＩＳＴ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｎｏｔｅ １４２５に記載されている。この開示は、本開示の誘電性流体、ヘプタフルオロイソブチロニトリル又は２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルを含む電気デバイスを更に提供する。いくつかの実施形態では、本開示は、ヘプタフルオロイソブチロニトリル又は２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルと、窒素、二酸化炭素、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）、ヘリウム、アルゴン、又は空気などの不活性気体との混合物、を含む誘電性流体を更に提供する。

有利にも広い範囲の動作温度及び動作圧力を有する、本開示の誘電性流体、ヘプタフルオロイソブチロニトリル及び２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルは、熱的及び化学的に安定で、所与の分圧においてＳＦ_６よりも高い絶縁耐力及び熱伝達効率を有し、地球温暖化係数（ＧＷＰ）がＳＦ_６より小さい。追加的に、本開示のヘプタフルオロイソブチロニトリル及び２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルは、他の非分枝状ニトリルに見られるものよりも、毒性が驚くほど低い。本ヘプタフルオロイソブチロニトリル及び２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルは、２０ｋＰａの圧力で、それらを収容する電気デバイスの動作温度において、概して約５ｋＶより高い絶縁耐力を有する。

本明細書で使用する場合地球温暖化係数「ＧＷＰ」は、化合物の構造に基づく化合物の温暖化係数の相対的尺度である。化合物のＧＷＰは、１９９０年に気候変動に関する政府間パネル（ＩＰＣＣ）によって定義され、２００７に更新されている通り、特定の集積時間範囲（ＩＴＨ）にわたる、ＣＯ_２の１キログラムの放出による温暖化に対する、化合物の１キログラムの放出による温暖化として算出される。

この等式において、ａ_ｉは、大気中の化合物の単位質量増大あたりの放射強制力（その化合物のＩＲ吸収による、大気を通る放射線の流束の変化）であり、Ｃは化合物の大気濃度であり、τは化合物の大気寿命であり、ｔは時間であり、ｉは対象の化合物である。

一般的に許容されるＩＴＨは、短期間の効果（２０年間）と長期間の効果（５００年間以上）との間の折衷点を表す１００年間である。大気中の有機化合物ｉの濃度は、擬一次速度式（すなわち、指数関数的減衰）に従うものとする。同じ時間間隔のＣＯ_２の濃度は、大気からのＣＯ_２の交換及び除去に関するより複雑なモデルを組み込む（Ｂｅｒｎ炭素循環モデル）。

下層大気中の分解の結果、ヘプタフルオロイソブチロニトリル及び２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルは、より短い寿命を有し、ＳＦ_６と比較するとより地球温暖化に対する寄与が少ないことになる。ヘプタフルオロイソブチロニトリル及び２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルの誘電性能特性、並びに他の過フッ素化ニトリルと比べた場合に相対的に低いそれらの毒性に加えて、より低いＧＷＰは、それらを誘電性流体としての使用に十分適合するようにする。

有利にも、本開示の誘電性流体は、高電気強度を有し、高破壊電圧としても説明される。概して、（特定の周波数における）「破壊電圧」は、流体状誘電体の突発的破損を誘発する、流体に適用される電圧を指し、電流がその気体を通って伝導することを可能にする。したがって本開示の流体状誘電体は、高電圧下で機能することができる。流体状誘電体はまた、低い損失率（即ち、例えばコンデンサといった電気デバイスから熱として失われる電気エネルギー量）を呈することができる。

誘電性気体の性能の実証に加えて、ヘプタフルオロイソブチロニトリル及び２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルは、使用の安全及び環境特性の面で追加的な利点を提供する。例えば、ヘプタフルオロイソブチロニトリル及び２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルの、５０％の４時間吸入致死濃度（「ＬＣ−５０」、特定された試験の持続時間の後、試験された個体群のメンバーの半数の致死を招来するのに必要な投与量として定義される）（ラットで）の値は、約１５，０００ｐｐｍである。これは、ＣＦ_３ＣＦ_２ＣＮに対する２７３１ｐｐｍ、及びＣＦ_３ＣＦ_２ＣＦ_２ＣＮに対する６，０００ｐｐｍ未満の４時間吸入ＬＣ５０と比較される。ＣＦ_３ＣＮは、２４０ｐｐｍの６時間吸入ＬＣ５０を有する。本開示のニトリルは、米国特許第４，５４７，３１６号に示すような、これらの亜硝酸塩エステルなどの添加物の添加無しでも、より低い毒性を達成する。

ヘプタフルオロイソブチロニトリルは、例えば、無水イソ酪酸の電気化学的なフッ素化に続いて、酸性フッ化物の蒸留及びメタノールとの反応によりエステルを得ることによって調製することができる、メチルエステル（ＣＦ_３）_２ＣＦＣＯ_２ＣＨ_３に由来する可能性がある。メチルエステルは、ジエチルエーテルなどの不活性溶媒中で、無水アンモニアとの反応により、対応するアミドに変換することができる。ニトリルへの変換は、ピリジンの存在下でのアミドのトリフルオロ無水酢酸による脱水によって達成することができる。五酸化リン又はオキシ塩化リンなどの他の脱水薬剤も使用することができる。次いで、結果として得られるヘプタフルオロイソブチロニトリルを、蒸留によって精製することができる。

いくつかの実施形態では、ヘプタフルオロイソブチロニトリルは、ヘプタフルオロイソブチロニトリルが誘電体構成要素として使用される電気デバイスの動作温度範囲を包含する気相範囲を有し、かつ約−４℃の沸点を有する。

２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルは、例えば、メタノールをヘキサフルオロプロピレンオキシドに添加し、続いて酸フッ化物の蒸留及びエステルを得るためのメタノールとの反応によって作製することができる、ＣＦ_３ＣＦ（ＯＣＨ３）ＣＯ_２ＣＨ_３の電気化学フッ素化によって調製することができる、メチルエステルＣＦ３ＣＦ（ＯＣＦ３）ＣＯ２ＣＨ３に由来する可能性がある。メチルエステルは、ジエチルエーテルなどの不活性溶媒中で、無水アンモニアとの反応により、対応するアミドに変換することができる。ニトリルへの変換は、ピリジンの存在下でのアミドのトリフルオロ無水酢酸による脱水によって達成することができる。五酸化リン又はオキシ塩化リンなどの他の脱水薬剤も使用することができる。次いで、結果として得られる２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルを、蒸留によって精製することができる。

様々な実施形態では、２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルは、２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルが誘電体構成要素として使用される電気デバイスの動作温度範囲を包含する気相範囲を有してもよく、かつ約＋５℃〜約１５℃の沸点を有する。

ヘプタフルオロイソブチロニトリル、及び２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルの気体状誘電体は、これらが収容される電気デバイスの動作温度において、少なくとも約２０ｋＰａの蒸気圧を有する。コンデンサ、変圧器、配線用遮断器、及び気体絶縁送電線などの多くの電気デバイスは、少なくとも約３０℃以上の温度で動作してもよい。ヘプタフルオロイソブチロニトリル、又は２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルは、２５℃において少なくとも約２０ｋＰａの蒸気圧を有してもよい。

更に、ヘプタフルオロイソブチロニトリル、及び２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルの気体状誘電体は、典型的には少なくとも約２０ｋＰａの電気デバイス内の動作圧力において、少なくとも約５ｋＶの絶縁耐力を有する。より具体的には、ヘプタフルオロイソブチロニトリル、及び２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルは、デバイスの動作温度及び圧力において、少なくとも約１０ｋＶの絶縁耐力を有する。

いくつかの実施形態では、ヘプタフルオロイソブチロニトリル、又は２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリル誘電性流体は、より高い圧力の第２の誘電性気体と組み合わされてもよい。これらの誘電性気体は、約０℃より低い沸点を有し、オゾン層の破壊の潜在的な可能性がゼロであり、地球温暖化係数がＳＦ_６（約２２，２００）より低く、かつ化学的にも熱的にも安定である。第２の誘電性気体としては、例えば、１〜４個の炭素原子を伴うペルフルオロアルカンが挙げられる。いくつかの実施形態では、ヘプタフルオロイソブチロニトリル、又は２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルの誘電体は、ＣＦ_３ＣＦ＝ＣＨ_２、ＣＦ_３ＣＨ＝ＣＦＨ、ＣＦ_３ＣＦ＝ＣＦＨ、ＣＦ_３ＣＨ＝ＣＦ_２、又はＨＣＦ_２ＣＦ＝ＣＦ_２などのハイドロフルオロオレフィンと組み合わされてもよい。いくつかの実施形態では、ヘプタフルオロイソブチロニトリル、又は２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルの誘電体は、ＣＦ３Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ３）２、ＣＦ３ＣＦ２Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ３）２、ＣＦ３ＣＦ２ＣＦ２Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ３）２、又は（ＣＦ３）２ＣＦＣ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ３）２などのフッ素化ケトンと組み合わされてもよい。いくつかの実施形態では、ヘプタフルオロイソブチロニトリル、又は２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルの誘電体は、国際特許第２０１２１０２９１５号明細書（Ｔｕｍａ）に記載されるようなフッ素化オキシランと組み合わされてもよい。いくつかの実施形態では、ヘプタフルオロイソブチロニトリル、又は２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルの誘電体は、凝縮性ガス又は非凝縮性ガスとも組み合せられてもよい。これらのガスとしては、窒素、二酸化炭素、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）、ヘリウム、アルゴン、又は空気が挙げられるが、これに限定されない。概して、第２の気体又は気体状誘電体は、蒸気圧が、２５℃若しくは電気デバイスの動作温度において少なくとも約７０ｋＰａであるような量で使用される。いくつかの実施形態では、ヘプタフルオロイソブチロニトリル誘電体、又は２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルに対するこの気体の蒸気圧の割合は、少なくとも約２．５：１、具体的には少なくとも約５：１、より具体的には少なくとも約１０：１である。

いくつかの実施形態では、ヘプタフルオロイソブチロニトリル、又は２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルは、ＳＦ_６単独よりも地球温暖化係数が低くなるように、ＳＦ_６と組み合わされてもよい。

ヘプタフルオロイソブチロニトリル、及び２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルは、電気絶縁及びアーク消去に関する気相において、また電気エネルギーの送配電に使用される電流遮断設備において、有用である場合がある。概して、本開示の気体を使用することができる３つの主要な種類の電気デバイスがあり、（１）開閉装置を含むガス絶縁遮断器及び電流遮断設備、（２）ガス絶縁送電線、及び（３）ガス絶縁変圧器である。かかるガス絶縁設備は、世界中で、電力の送配システムの主要な構成要素である。

いくつかの実施形態では、本開示は、気体状誘電体を電極間の空間に充填するなどして相互から離間する金属電極を含むコンデンサなどの電気デバイスを提供する。電気デバイスの内部空間は、気体状ヘプタフルオロイソブチロニトリル、又は気体状２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルと平衡状態にある液体ヘプタフルオロイソブチロニトリル、又は液体２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルの収容容器も含んでもよい。したがって収容容器は、気体状ヘプタフルオロイソブチロニトリル、又は気体状２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルの何らかの損失があった場合、補充されてもよい。

配線用遮断器については、かかる気体の熱伝導率及び絶縁耐力は、熱及び誘電性回復（抵抗率の増大に対する短時定数）と共に、高い遮断能力を提供する場合がある。これらの特性は、気体がアークの伝導状態（放電プラズマ）と誘電状態との間で迅速に遷移できるようにし、また回復電圧の上昇に耐えることも可能にする。

気体絶縁変圧器については、誘電特性に加えて、熱伝達性能及び現行のデバイスとの互換性は、本開示の誘電性流体をこのタイプの電気設備における使用に対して望ましいものにする。本ヘプタフルオロイソブチロニトリル、及び２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルは、油絶縁に勝る際立った利点を有し、これには、火災安全性問題又は環境両立性問題を何ら有しないこと、及び信頼性が高いこと、メンテナンスが殆ど不要であること、有効寿命が長いこと、毒性が低いこと、取り扱いが容易であること、及び設備重量を少なくできることが挙げられる。

気体絶縁送電線については、気体状ヘプタフルオロイソブチロニトリル、又は気体状２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルの産業的な条件下での絶縁耐力は重要な場合があり、特に、金属粒子汚染、開閉インパルス及び雷インパルス、並びに高速過渡的な電気応力下での気体状誘電体の挙動は重要である。気体状ヘプタフルオロイソブチロニトリル、又は気体状２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルはまた、導体からエンクロージャへの熱伝達に関して高効率を有し得、長期間（例えば、４０年間）安定している場合がある。これらの気体絶縁送電線は、費用対効果、高い輸送能力、低い損失、すべての定格電圧における可用性、火災の危険性がないこと、信頼性、及び頭上送電線に対する社会的懸念を避けるための混雑した区域内の頭上の高電圧送電線に対する小型の代替案を含むがこれに限定されない、明確な利点を提供する場合がある。

気体絶縁変電所については、変電所全体（配線用遮断器、切断器、接地開閉器、バスバー、変圧器などが相互接続される）は、本開示の誘電性流体で絶縁されてもよく、したがって、上述の誘電性気体の特性の全てが意義深いものとなる。

いくつかの実施形態では、誘電性気体は、それ自体気体として、又は、液体と平衡状態にある気体として、電気デバイス内に存在してもよい。これらの実施形態では、液相は、追加的な誘電性気体のための貯留として機能する場合がある。

ヘプタフルオロイソブチロニトリル、又は２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルの誘電性流体としての使用は、図１の一般的な電気デバイスに図示される。図１は、スイッチ、断続器、又は変圧器の巻線などの電気的な機械設備３、及び少なくとも気体状ヘプタフルオロイソブチロニトリル、又は気体状２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリル４を収容するタンク又は圧力容器２を含むデバイスを図示する。所望により、気体状ヘプタフルオロイソブチロニトリル、又は気体状２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリル４は、液体ヘプタフルオロイソブチロニトリル、又は液体２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリル５の収容容器と平衡状態にある。

別の態様では、電気デバイスは、絶縁材料として、ヘプタフルオロイソブチロニトリル、又は２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルを含む誘電性液体を含んで提供される。本開示の誘電性流体は、誘電性流体を使用する数多くの他の用途で、有用である場合がある。かかる他の用途の例は、米国特許第４，８９９，２４９号（Ｒｅｉｌｌｙら）、同第３，１８４，５３３号（Ｅｉｓｅｍａｎ Ｊｒ．）、英国特許第１ ２４２ １８０号（Ｓｉｅｍｅｎｓ）に記載され、かかる記載は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

石油鉱油などの従来の誘電性液体は、その低費用及び可用性のため、広範な用途が見出されている。しかしながら、それらの使用は、その低い化学的安定性及び引火性のため、多くの電気デバイスで制限されている。塩化芳香族炭化水素、例えば、ポリ塩化ビフェニール（ＰＣＢ）は、耐火絶縁性液体として開発され、優れた化学的安定性を有し、また鉱油より極めて低い誘電率を有する。残念ながら、特定のＰＣＢ異性体は生物学的分解に対する高い耐性を有し、現在、ＰＣＢ流出及び漏出のため、毒性の問題に直面している。Ａ．Ｃ．Ｍ．Ｗｉｌｓｏｎ，Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ Ｌｉｑｕｉｄｓ：Ｔｈｅｉｒ Ｕｓｅｓ，Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ６（Ｐｅｔｅｒ Ｐｅｒｅｇｒｉｎｕｓ Ｌｔｄ １９８０）は、ＰＣＢの使用は、他のより環境的に安全な液体が利用可能になるにつれ、段階的に消えていく可能性が高いと指摘している。

有利にも、ヘプタフルオロイソブチロニトリル、及び２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリル誘電性液体は、高い絶縁破壊電圧とも記述される、高い絶縁耐力を有する。「絶縁破壊電圧」は、本明細書で使用する場合、アークを誘発する、流体に印加される電圧を意味する。したがって本開示の誘電性流体は、高電圧下で機能することができる。本開示の誘電性液体はまた、低い損失率（即ち、例えばコンデンサなぢの電気デバイスから熱として失われる電気エネルギー量）を呈することができる。

いくつかの実施形態では、ヘプタフルオロイソブチロニトリル誘電性流体、又は２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリル誘電性流体は、液体誘電体として使用されるとき、そのいずれか又は両方がその中の構成要素として使用される電気デバイスの動作温度範囲を包含する液相範囲を有する。

様々な実施形態では、少量（＜５０重量％）の過フッ化液体が、プタフルオロイソブチロニトリル、又は２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルとブレンドされてもよい。任意のフッ素化不活性液体は、５〜１８個以上の炭素原子を有し、所望により、二価の酸素、六価のイオウ、又は三価の窒素などの１つ以上のカテナリーヘテロ原子を含有し、かつ５重量％未満、又は１重量％未満の水素含有量を有する、フルオロアルキル化合物のうちの１つ又はその混合物とすることができる。

本開示にて有用な好適なフッ素化不活性液体としては、例えば、ペルフルオロペンタン、ペルフルオロヘキサン、ペルフルオロヘプタン、ペルフルオロオクタン、ペルフルオロ−１，２−ビス（トリフルオロメチル）ヘキサフルオロシクロブタン、ペルフルオロテトラデカヒドロフェナントレン、及びペルフルオロデカリンなどの、ペルフルオロアルカン又はペルフルオロシクロアルカン；例えば、ペルフルオロトリブチルアミン、ペルフルオロトリエチルアミン、ペルフルオロトリイソプロピルアミン、ペルフルオロトリアミルアミン、ペルフルオロ−Ｎ−メチルモルホリン、ペルフルオロ−Ｎ−エチルモルホリン、及びペルフルオロ−Ｎ−イソプロピルモルホリンなどの、ペルフルオロアミン；例えば、ペルフルオロブチルテトラハイドロフラン、ペルフルオロジブチルエーテル、ペルフルオロブトキシエトキシホルマール、ペルフルオロヘキシルホルマール、及びペルフルオロオクチルホルマールなどの、ペルフルオロエーテル；ペルフルオロポリエーテル；例えば、ペンタデカフルオロハイドロヘプタン、１，１，２，２−テトラフルオロシクロブタン、１−トリフルオロメチル−１，２，２−トリフルオロシクロブタン、及び２−ハイドロ−３−オキサヘプタデカフルオロオクタンとなどの、ハイドロフルオロカーボンが挙げられる。

液体充填コンデンサでは、誘電性液体の誘電率を誘電性フィルムのそれと整合させることが有利である、つまり、２つの構成要素の誘電率はほぼ同じとなるべきである。フィルム巻きコンデンサなどのデバイスでは、装置の誘電率（Ｋ_合計）は、以下の等式の関数であり、式中、（ｄ_合計）は、誘電性フィルム（１乃至複数）と誘電性液体層（１乃至複数）との合計厚を表す。
ｄ_合計／Ｋ_合計＝ｄ_フィルム／Ｋ_フィルム＋ｄ_流体／Ｋ_流体

上述の等式を考慮して、デバイスの誘電率（Ｋ_合計）は、およそ最低誘電率を有する構成要素の誘電率となる。例えば、誘電性流体の誘電率が、誘電性フィルムの誘電率より遥かに低い場合、デバイスの誘電率は誘電性流体の誘電率とほぼ等しくなる。デバイスの誘電率が誘電性フィルムの誘電率とほぼ等しい場合、フィルム破壊及びコンデンサの突発破損が生じる可能性がある。したがって、フィルム誘電率と流体の誘電率とが整合すること、すなわち等しい又は実質的に等しいことが望ましい。

適切な誘電性液体が市販されていない場合であっても、誘電性液体を誘電性フィルムと整合させることができる。更に、かかる誘電性液体は、非引火性、絶縁耐力、化学的安定性、又は表面張力といった、他の望ましい特性を示す。

本開示の目的及び利点を、以下の実施例によって更に例示するが、これらの実施例に引用された特定の物質及びその量、並びにその他の条件及び詳細は、本開示を不当に制限すると解釈されるべきではない。

本開示の範囲内での多くの改変及び変更が当業者には自明であるため、あくまで説明を目的とした以下の実施例において本開示をより詳細に説明する。別段の指定がない限り、以下の実施例で報告されるすべての部、百分率、及び比率は、重量を基準としたものである。

（実施例１）
準備１：ヘプタフルオロイソブチルアミド（ＣＦ_３）_２ＣＦＣＯＮＨ_２の合成。
１００グラム（０．４４ｍｏｌ）のメチルヘプタフルオロイソブチレート（本質的にそのタイプが米国特許第２，７１３，５９３号（Ｂｒｉｃｅら）及びＲ．Ｅ．Ｂａｎｋｓ，Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ，Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｏｒｇａｎｏｆｌｕｏｒｉｎｅ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ，ｐａｇｅｓ １９〜４３，Ｈａｌｓｔｅｄ Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９８２）に記載されるＳｉｍｏｎｓ ＥＣＦセル内での、イソ酪酸無水物の電気化学的フッ素化に続いて、結果として得られる酸フッ化物のメタノールによる蒸留及び処置によって調製された）と、１００ｍＬのメタノールが、電磁攪拌器、熱電対及びドライアイス冷却器を装備した２５０ｍＬの丸底フラスコに添加された。１２．５グラム（０．７４ｍｏｌ）のアンモニアが、フラスコ内の液体層内でゆっくりと発泡された。温度は、４０℃未満に保たれた。反応混合物は、アンモニアの添加が完了した後、１時間の間撹拌された。メタノール溶媒は、４０℃／１５ｔｏｒｒ（２．０ｋＰａ）の真空度で、回転蒸発によって除去された。フラスコ内に残った固体は５５℃に加熱され、結果として得られた液体はボトル内に注がれ、６９．４グラムの（ＣＦ_３）_２ＣＦＣＯＮＨ_２が得られた。収率は、８１．１％であった。

準備２：合成ヘプタフルオロイソブチロニトリル（ＣＦ_３）_２ＣＦＣＮ
６９．４グラム（０．３２６ｍｏｌ）の（ＣＦ_３）_２ＣＦＣＯＮＨ_２が１５４グラムのジメチルホルムアミド内で溶解された。アミド／溶媒混合物は、手動閉止弁付きの頭上取り出し、熱電対、電磁攪拌器、ドライアイス冷却器、ドライアイス冷却したレシーバー、及び添加用漏斗を装備した５００ｍＬの３−ネック丸底フラスコに添加された。フラスコの内容物は、−１０℃まで冷却され、５１グラム（０．６５ｍｏｌ）のピリジンが添加用漏斗からゆっくりと添加された。７０グラム（０．３３ｍｏｌ）のトリフルオロ無水酢酸が、添加用漏斗で、フラスコにゆっくりと添加された。温度は、添加を通して約０℃に保たれた。閉止弁が開けられ、ポットを１５℃に加熱している間に、物質は頭上から取られた。４７．６グラムの（ＣＦ_３）_２ＣＦＣＮが７４．９％の収率で回収された。構造を、ＧＣ／ＭＳ、Ｈ−１及びＦ−１９ＮＭＲによって確認した。

（実施例２）
２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルの調製

メチル２，３，３，３−テトラフルオロ−２−メトキシプロパノエイトは、購入するか（Ｓｙｎｑｕｅｓｔ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ）、又はメタノールへのヘキサフルオロプロペンオキシドの添加によってエステルを生成する既知の方法によって調製することができる。メチル２，３，３，３−テトラフルオロ−２−メトキシプロパノエイトは、本質的に米国特許第２，７１３，５９３号（Ｂｒｉｃｅら）及びＲ．Ｅ．Ｂａｎｋｓ，Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ，Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｏｒｇａｎｏｆｌｕｏｒｉｎｅ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ，ｐａｇｅｓ１９−４３，Ｈａｌｓｔｅｄ Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９８２）に記載されるタイプのＳｉｍｏｎｓ ＥＣＦセルを使用した、電気化学的フッ素化によって、２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパノイルフッ化物に変換された。

２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパノイルフッ化物（１９５ｇ）を、５００ｍＬ丸底フラスコに入れた。フラスコは、ドライアイス／アセトン浴を使用して冷却した状態に保持された。温度を１０℃未満に保持しながら、メタノール（８０．７ｇ、２．５ｍｏｌ）が添加用漏斗を介してアシルフッ化物に添加された。メタノールの添加が終わったら、混合物を水で洗い、次いで、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、ろ過した。ＧＣ−ＦＩＤによる分析は、８７．７％の所望のエステルを示した。メチル２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパノエイト（１６６ｇ）を、気体添加ラインを取り付けた５００ｍＬの丸底フラスコに入れた。約２００ｍＬのジエチルエーテルが、溶媒として添加された。これをアミドに変換するために、アンモニア（１３．６ｇ、０．８ｍｏｌ、Ｍａｔｈｅｓｏｎ Ｔｒｉ−ｇａｓ）がエステルに添加された。アンモニアの添加が完了したら、サンプルをとり、ＧＣ−ＦＩＤによって分析した。分析は、エステルがアミドに変換されていることを示した。溶媒を回転蒸発を介して除去した。約１５０ｇのアミドが９９．５％の純度で回収された。

添加用漏斗、熱電対、及びドライアイス冷却器蒸留取り出しを装備した１Ｌ丸底フラスコ内に、２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンアミド（１５０ｇ、０．６５ｍｏｌ）、ジメチルホルムアミド（３００ｇ、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）、及びピリジン（１０３．６ｇ、１．３１ｍｏｌ、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）を入れた。この混合物を撹拌し、−２０℃に冷却した。トリフルオロ無水酢酸（１３７．５ｇ、０．６５ｍｏｌ、Ｓｙｎｑｕｅｓｔ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ）が、反応混合物に、添加用漏斗を介してゆっくりと添加された。無水物の添加の間に生成物、２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルが形成され、ドライアイスで冷却されたフラスコ内へと取り出された。合計８６ｇの物質が収集され、これを分留によって精製した。物質の構造は、ＧＣ／ＭＳ、並びにＨ−１及びＦ−１９ＮＭＲによって確認された。

絶縁耐力（ＤＳ）測定
比較対照ＳＦ_６、ヘプタフルオロイソブチロニトリル、及び２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルの気体状絶縁耐力を、低圧気体を可能にするよう修正したＨｉｐｏｔｒｏｎｉｃｓ ＯＣ９０Ｄ絶縁耐力試験器（Ｈｉｐｏｔｒｏｎｉｃｓ（米国ニューヨーク州Ｂｒｅｗｓｔｅｒ）から入手可能）を使用して、実験的に測定した。電極及び試験構成は、ＡＳＴＭ Ｄ８７７に準拠する。まず試験チャンバを排気し、基準絶縁耐力を測定した。既知の量のＳＦ_６、（ＣＦ_３）_２ＣＦＣＮ、又は２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルが、測定された圧力を達成するように注入された。各注入後に、絶縁耐力（ＤＳ）を記録した。

地球温暖化係数（ＧＷＰ）
Ｐｉｎｎｏｃｋらの方法（Ｊ．Ｇｅｏｐｈｙｓ．Ｒｅｓ．，１００、２３２２７、１９９５）を使用して、（ＣＦ_３）_２ＣＦＣＮに対する放射強制値を計算するために、測定されたＩＲ断面が使用された。この放射強制値及び実験的に決定した大気寿命を使用すると、（ＣＦ_３）_２ＣＦＣＮに対するＧＷＰ（１００年ＩＴＨ）が、２４００であることが見出された。これは、ＳＦ_６に対する２２，２００のＧＷＰより小さい。（ＣＦ_３）_２ＣＦＣＮのより短い大気寿命は、ＳＦ_６より小さいＧＷＰをもたらす。

２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリル放射強制値、及び大気寿命を計算するために、定量的構造活性相関データが使用された。２，３，３，３−テトラフルオロ−２−（トリフルオロメトキシ）プロパンニトリルに対するＧＷＰ（１００年ＩＴＨ）は、約７００と推定される。これは、ＳＦ_６に対する２２，２００のＧＷＰより小さい。ＣＦ_３ＣＦ（ＯＣＦ_３）ＣＮのより短い大気寿命は、ＳＦ_６より小さいＧＷＰにつながる。

Claims (3)

1. 式（ｉ）（ＣＦ_３）_２ＣＦＣＮ、又は（ｉｉ）ＣＦ_３ＣＦ（ＯＣＦ_３）ＣＮによる誘電性流体を含む、電気的デバイス。
2. 式（ｉ）（ＣＦ_３）_２ＣＦＣＮ、又は（ｉｉ）ＣＦ_３ＣＦ（ＯＣＦ_３）ＣＮによる流体と、
   ０℃で少なくとも７０ｋＰａの蒸気圧を有する不活性気体を含む気体状誘電体と、を含み、
   前記不活性気体が、窒素、二酸化炭素、亜酸化窒素（Ｎ _２ Ｏ）、ヘリウム、アルゴン、又は空気である、誘電性組成物。
3. 前記流体に対する前記気体状誘電体の前記蒸気圧の比が、少なくとも２．５：１である、請求項２に記載の誘電性組成物。

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