JP5062172B2 - 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グ（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、ウィッグ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）ウィッグまたは毛管構造、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）ウィッグ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）ウィッグ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２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２
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、ヒートパイプや熱サイフォンの作動流体としてｎ−パーフルオロヘキサンを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。

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）

本発明は、オゾン層の破壊、地球温暖化といった環境への影響を引き起こすおそれがなく、−５０〜２００℃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、以下の要旨を有する。
１．下記の式１で表される化合物を含有することを特徴とする潜熱輸送装置用作動液。
Ｃ_ｎＦ_２ｎ＋1−Ｃ_ｍＨ_２ｍ+1 ・・・式１
（式１において、ｎは２〜８の整数であって、ｍは１〜３の整数である。）
２．式１で表される化合物の含有割合が５０質量％以上である上記１に記載の潜熱輸送装置用作動液。
３．式１で表される化合物が、Ｃ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５（1,1,1,2,2,3,3,4,4−ノナフルオロヘキサン）またはＣ_６Ｆ_１３Ｃ_２Ｈ_５（1,1,1,2,2,3,3,4,4,5，5,6,6−トリデカフルオロオクタン）である上記１または２に記載の潜熱輸送装置用作動液。
４．さらに、炭素数１〜４のアルコールを含有する上記１、２または３に記載の潜熱輸送装置用作動液。
５．式１で表される化合物と炭素数１〜４のアルコールとからなる組成物であって、式１で表される化合物の含有割合が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上記４に記載の潜熱輸送装置用作動液。
６．炭素数１〜４のアルコールが、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である上記４または５に記載の潜熱輸送装置用作動液。
７．さらに、耐酸化性向上剤、耐熱性向上剤、および金属不活性剤からなる群から選ばれる一種以上の安定剤を含有する上記１〜６のいずれかに記載の潜熱輸送装置用作動液。
８．上記１〜７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−５０〜２００℃で作動させる潜熱輸送装置の作動方法。
９．潜熱輸送装置がヒートパイプである上記８に記載の潜熱輸送装置の作動方法。

本発明の潜熱輸送装置用作動液は、従来の作動液に比較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影響を引き起こすおそれがない。

各作動液のメリット数と作動温度との相関を示すグラフ

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、下記の式１で表される化合物を含有する。式１において、ｎは２〜８の整数であって、ｍは１〜３の整数である。

Ｃ_ｎＦ_２ｎ＋１−Ｃ_ｍＨ_２ｍ＋１ ・・・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で表される化合物の構造は直鎖または分岐状のどちらであってもよいが、直鎖である化合物がより好ましい。
式１で表される化合物としては、ｎが４〜６の整数であり、ｍが２である化合物が好ましく、具体的には、Ｃ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５およびＣ_６Ｆ_１３Ｃ_２Ｈ_５が好ましい。

本発明の作動液において、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、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（ただし、式１で表される化合物を除く。）、アルコール類、含フッ素アルコール類、ケトン類、および含フッ素エーテル類からなる群から選ばれる１種以上が好ましい。なかでも、炭化水素類または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−ヘプタンなどが挙げられる。
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％が好ましい。

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。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−トリフルオロエタン、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−ヘプタフルオロプロパン、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類は、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％、特には０．５〜２０質量％が好ましい。

上記アルコール類としては、炭素数１〜４、好ましくは１〜３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％が好ましい。

本発明の作動液としては、特には、式２で表される化合物と炭素数１〜４、好ましくは炭素数１〜３のアルコールとからなる組成物が好適であり、式１で表される化合物の含有割合が８５〜９９.５量％、好ましく９０〜９９質量％であり、上記アルコールの含有割合が０．５〜１５質量％、好ましく１〜１０質量％である組成物が好適である。
なかでも、炭素数１〜４のアルコールが、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である場合は特に好ましい。

次に、上記含フッ素アルコール類としては、炭素数が２〜４、好ましくは炭素数が３〜４の部分フッ素化アルコールが好適であり、具体的には２，２，２−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％、特には１〜１５質量％が好ましい。
また、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。

また、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、好ましくは２〜４の整数であり、ｂは１〜４、好ましくは１〜３の整数である。）で表される化合物が好ましい。Ｃ_３Ｆ_７ＯＣＨ_３、Ｃ_４Ｆ_９ＯＣＨ_３または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）、ＣＨＦ_２ＣＦ_２ＯＣＨ_２ＣＦ_３（ＨＦＥ−３４７ｐｃ−ｆ）、ＣＦ_３ＣＨＦＣＦ_２ＯＣＨ_２ＣＦ_３（ＨＦＥ−４４９ｍｅｃ−ｆ）、ＣＦ_３ＣＨＦＣＦ_２ＯＣＨ_２ＣＦ_２ＣＨＦ_２（ＨＦＥ−５５―１０ｍｅｃ−ｆｃ）なども使用できる。
上記含フッ素エーテル類の含有割合は０．１〜５０質量％、特には１〜２０質量％が好ましい。

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、耐熱性向上剤、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。上記安定剤は、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）等が挙げられ、さらにこれらの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−メチルベンゾイミダゾール、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、作動温度が−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℃である場合は、より高い性能を発現することから特に好ましい。

以下、本発明を、実施例により説明するが、これらに限定して解釈されるものではない。
＜−５０〜２００℃におけるメリット数の算出＞
以下の作動液について、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１に示す。
例１（参考例）：作動液がＣ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５。
例２（実施例）：作動液がＣ_６Ｆ_１３Ｃ_２Ｈ_５。
例３（比較例）：作動液がＣ_６Ｆ_１４（ｎ−パーフルオロヘキサン）。
例４（比較例）：作動液がＣ_６Ｆ_１３Ｈ。

図１より、Ｃ _４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５は、全ての作動温度範囲にわたり、比較例であるＣ_６Ｆ_１４（ｎ−パーフルオロヘキサン）およびＣ_６Ｆ_１３Ｈよりも大きなメリット数を有することがわかる。一方、Ｃ_６Ｆ_１３Ｃ_２Ｈ_５は、５０℃以上の作動温度範囲にわたり、比較例であるｎ−パーフルオロヘキサンおよびＣ_６Ｆ_１３Ｈよりも大きなメリット数を有しており、特に、約１１０℃以上の高温度域においては最も大きなメリット数を有している。
すなわち、Ｃ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５および／またはＣ_６Ｆ_１３Ｃ_２Ｈ_５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に示す作動液について、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５および７〜９は参考例、６および１０は実施例、例１１〜１４は比較例である。なお、例７、例８、例１３および例１４の作動液は共沸様組成物である。
なお、例９および例１０の標準沸点は推算値である。
例５および例６に記載の作動液はいずれも大きなメリット数を有しており、従来の作動液である例１１および１２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、例８および例１０のようにアルコール類を添加した場合、または例９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。特に例７、例８および例１０は比較例である例１３および例１４と比べてメリット数の増加が顕著であり、標準沸点においては何れの条件においても比較例を大きく上まっており、極めて大きな熱輸送量を有していることがわかる。

＜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Ｃ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５（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（Central Processing Unit）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Ｃ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５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Ｃ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５は、メッシュ構造のウィ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、整流装置或いは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、および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。

なお、２００６年４月６日に出願された日本特許出願２００６−１０５３１２号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。

Claims (8)

1. Ｃ _６ Ｆ _１３ Ｃ _２ Ｈ _５ で表される化合物を含有することを特徴とする潜熱輸送装置用作動液。
2. 前記化合物の含有割合が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. 前記化合物の含有割合が９０〜９９質量％であり、前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３に記載の潜熱輸送装置用作動液。
5. 炭素数１〜４のアルコールが、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である請求項３または４に記載の潜熱輸送装置用作動液。
6. さらに、耐酸化性向上剤、耐熱性向上剤、および金属不活性剤からなる群から選ばれる一種以上の安定剤を含有する請求項１〜５のいずれかに記載の潜熱輸送装置用作動液。
7. 請求項１〜６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−５０〜２００℃で作動させる潜熱輸送装置の作動方法。
8. 潜熱輸送装置がヒートパイプである請求項７に記載の潜熱輸送装置の作動方法。

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