(57)【要約】      （修正有）【課題】熱伝達作動液としてヒドロフルオロカーボンエーテルと同等以上の性能を有する材料を提供する。【解決手段】下記式のフッ素化ケトンを含む熱伝達作動液。2005126480.tif 000009（Ｒｆ１及びＲｆ２は、各々独立に、フッ素化脂肪族基を示し、または一体として環状基を形成し、Ｑはフッ素化もしくは非フッ素化アルキレン基または結合を示し、ｎは０または１を示す）【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
フッ素化ケトンを含む熱伝達作動液。
【請求項２】
前記フッ素化ケトンは下記式
【化１】
2005126480.tif 000007
（式中、Ｒf1およびＲf2は、各々独立に、フッ素化脂肪族基を示し、または一体として環状基を形成し、Ｑはフッ素化もしくは非フッ素化アルキレン基または結合を示し、ｎは０または１を示す）を有する、請求項１記載の熱伝達作動液。
【請求項３】
前記フッ素化ケトンは下記式
【化２】
2005126480.tif 000008
を有する、請求項１又は２記載の熱伝達作動液。
【請求項４】
前記作動液はさらにヘキサンを含む共沸組成物を形成している、請求項１〜３のいずれか１項記載の熱伝達作動液。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱伝達作動液に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気・電子機器に使用される半導体素子の冷却、特に、パーソナルコンピュータ、燃料電池、変圧器、整流器もしくはサイリスタ、ＧＴＯ（Gate Turnoff)もしくはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）式インバータなどの冷却、および空調用熱交換器等に熱伝達作動液が用いられている。
【０００３】
熱伝達作動液を用いた熱伝達の方式としては、自然対流循環熱伝達、強制循環熱伝達及び蒸発系熱伝達（気化液化を伴う熱伝達）が挙げられる。自然対流循環熱伝達は、熱伝達作動液を自然対流によって循環させて熱伝達を行なうものであって、ポンプなどの動力を使用しない方式である。具体的には、自然対流循環熱伝達は、コンピュータの電子基板における浸漬冷却やコンピュータの電子基板のヒートシンクなどにおいて使用される。一方、強制循環熱伝達は、ポンプやコンプレッサーなどの動力を用いて熱伝達作動液を強制的に循環させる方式である。具体的には、強制循環熱伝達としては、例えば、冷却対象物から奪った熱を、二次冷却ループを介して別の冷却装置に送達する二次冷却において、二次冷却ループを循環する液体の熱伝達作動液をポンプで循環させる方式がある。例えば、スーパーマーケットなどの商品陳列棚の近傍に二次冷却熱作動液を循環させることで、１つの大きな冷却装置を用いて複数箇所での冷却が可能になる。
【０００４】
蒸発系熱伝達は最も一般的に使用される方式である。この方式による熱伝達作動液を用いる蒸発系熱交換システムは、基本的に蒸発気化部と凝縮部とを有する容器とその中に保持される熱伝達（熱交換用）作動液で構成される。その作動の基本原理は、冷却を目的とする場合を例として説明すると下記のとおりである。加熱された状態の対象物から作動液の蒸発気化により熱を奪って対象物を冷却させる。気化した作動液は、容器中央を上昇して凝縮部に至り、熱を放散して液化する。液化した作動液は、容器壁面を流下して蒸発部に至る。これを繰返すことにより、熱は蒸発部と凝縮部の間を移動する。蒸発部が冷却側となり、凝縮部が放熱側となる。時には蒸発条件に応じて、蒸発に伴って気泡が発生する。この場合の蒸発気化を沸騰気化と称する。沸騰気化は気泡の発生により作動液が攪拌されて熱交換が促進され得る。本発明に関しては、「蒸発系」の用語は、気泡の発生を伴わない非沸騰系気化のみならず、気泡の発生を伴う、いわゆる沸騰気化を含めた意味に用いる。
【０００５】
これまで、熱伝達作動液としては種々の化合物が用いられてきた。ペルフルオロカーボンは引火性が低く、化学的にも熱的にも安定な化合物であるから、優れた熱伝達作動液として用いられてきた。例えば、特許文献１は、作動液としてｎ−ペルフルオロヘキサン（ｎ−Ｃ６Ｆ１４）を使用した熱移動装置を開示している。この文献には、ｎ−ペルフルオロヘキサンは他の有機化合物と比較して、安定性に優れているので、高温で使用可能であり、特に、最高使用温度は２００℃と高いことが示されている。しかしながら、ペルフルオロカーボンは高い地球温暖化係数を示す。このため、地球環境に優しい熱伝達作動液が求められてきた。
【０００６】
ペルフルオロカーボンよりも地球温暖化係数が低く、かつ、十分な安定性、低い引火性、高い熱伝導性、低い粘度などの優れた性能を有する熱伝達作動液も開発されてきた。特許文献２は、強制循環冷却（二次冷却）のための作動液として、ヒドロフルオロカーボンエーテル（ＨＦＥ）を使用した冷却方法及び冷却装置を開示している。このような装置は冷却機、作動液循環ポンプ、熱交換器、各パーツを結ぶパイプなどで構成されている。ヒドロフルオロカーボンエーテル作動液は、冷却対象物からの熱を受け取り、作動液循環ポンプで強制的に循環されて、冷却機からの冷媒と熱交換器で熱交換して熱を放出するようになっている。作動液は液体のままで循環して熱を輸送する。また、特許文献３はＨＦＥを沸騰冷却（ヒートパイプ）で使用することを開示している。
【０００７】
一方、特許文献４は、ポリマー発泡体の製造のために、フッ素化ケトンを発泡剤として使用することを開示している。この文献にはフッ素化ケトンが地球温暖化に大きな影響を及ぼさないことを記載している。しかしながら、特許文献４は熱伝達作動液としてフッ素化ケトンを使用することについてはまったく記載がない。
【０００８】
【特許文献１】特開昭５９−１２２８８号公報
【特許文献２】特表平１１−５１３７３８号公報
【特許文献３】特開２００１−３４２４５８号公報
【特許文献４】特表２００２−５２８５８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明は、熱伝達作動液としてヒドロフルオロカーボンエーテルと同等以上の性能を有する別の材料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、１つの態様において、フッ素化ケトンを含む熱伝達作動液を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のフッ素化ケトンを含む熱伝達作動液は、地球温暖化係数が低く、かつ、十分な安定性、低い毒性、低い引火性、高い熱伝導性、低い粘度などの優れた性能を有する。
さらに、このような熱伝達作動液はそれを用いる熱伝達装置の材料、特に、エラストマーに対して適合性がよく、装置に悪影響を及ぼさない。
フッ素化ケトンは凝固点が低いので、液体循環での熱伝達用途にも有利である。
電気絶縁性が高いので、電子・電気機器などの冷却用途にも好適に使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、上述のとおり、フッ素化ケトンを含む熱伝達作動液である。好ましくは、フッ素化ケトンは下記式
【００１３】
【化１】
2005126480.tif 000002
【００１４】
（式中、Ｒf1およびＲf2は、各々独立に、フッ素化脂肪族基を示し、または一体として環状基を形成し、Ｑはフッ素化もしくは非フッ素化アルキレン基または結合を示し、ｎは０または１を示す）を有する。フッ素化ケトンは、特に、
【００１５】
【化２】
2005126480.tif 000003
【００１６】
であることが好ましい。フッ素化ケトンは極性が低いほうが、エラストマーなどの熱伝達装置を構成する材料との適合性がよく、材料を劣化させる傾向が低いので好ましい。好ましくは、上記化学式中、ケトン基の両側のフッ素化脂肪族基Ｒf1およびＲf2は炭素数の差が０であるか又は１であることが好ましい。フッ素化ケトンは特に好ましくは水素を含まないペルフルオロフッ素化ケトンである。このような化合物は高温においてもＨＦなどの分解性生物を発生することがなく、高温での使用時の安定性が高いからである。
【００１７】
また、本発明の熱伝達作動液はフッ素化ケトン以外の既知の熱伝達作動液を含んでもよい。今回、Ｃ２Ｆ５Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ３）２などのフッ素化ケトンは、ヘキサンと共沸組成物を形成することが判った。このような共沸組成物は蒸発系熱伝達において特に有用に使用される。但し、フッ素化ケトンは水との接触時に加水分解を起こす傾向があるので、水分との接触が起こらないような密閉系での使用が好ましい。
【００１８】
以下において、フッ素化ケトンの特性について記載する。
表１は本発明で使用されるフッ素化ケトン作動液と、従来のヒドロフルオロカーボンエーテル、ペルフルオロカーボン及びヒドロフルオロカーボン作動液との環境特性の比較を示す。
【００１９】
【表１】
2005126480.tif 000004
【００２０】
上記のＯＤＰとはオゾン破壊係数（Ozone Deoletion Potential）のことで、ＣＦＣ１１を１．０とし、計算によって求められたオゾン破壊力の重量当りの推定値を意味する。ＯＤＰはいずれも０であり、オゾン破壊を起すことがないことを示している。また、ＧＷＰは地球温暖化係数(Global warming potential)であり、地球温暖化防止の観点から、この値が小さいほどよい。具体的には、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が好ましくは、４０００以下、より好ましくは１０００以下、さらに好ましくは５００以下、とりわけ好ましくは１００以下である作動液の開発が望ましい。本発明の作動液に用いられるフッ素化ケトンは１であり、従来の作動液と比較して非常に低く、地球温暖化の抑制に寄与することが判る。なお、ＧＷＰは気候変動に関する政府間パネルClimate Change：The LPCC Scientific Assessment、ケンブリッジ大学出版（１９９０）に規定されたＧＷＰの定義に基づくものであり、その詳細については特開２００１−３４２４５８号公報を参照されたい。
【００２１】
また、フッ素化ケトンの熱特性について以下に検討する。
１）自然循環・強制循環作動液としての熱特性
まず、自然循環・強制循環、特に強制循環に用いる作動液としての熱輸送能力を表わす総合的な指標として「プラントル数」を用いる。
プラントル数（Ｐ）は、Ｐ＝νCp/λ（単位：無次元）で表わされる。
（式中、νは粘性係数（kg／ms）であり、
Cpは比熱（J/kgK)であり、
λは熱伝導度（W/mK)である）。この数値が高いほど、効率よく熱を運び、かつ、抵抗が少ない良好な作動液である。下記の表２に示すように、本発明の熱伝達作動液に含まれるフッ素化ケトンであるＣ２Ｆ５Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ３）２はｎ−パーフルオロヘキサンと同等のプラントル数を有し、強制循環作動液として使用したときに優れた熱伝達効果が得られるものと考えられる。
【００２２】
２）蒸発系熱伝達
蒸発系熱伝達の熱伝達作動液、特にヒートパイプに使用される作動液として必要とされる性能面での具体的条件は下記のとおりである。
（イ）容器との適合性がよいこと。
（ロ）熱安定性が良いこと。
（ハ）濡れ性が良いこと。
（ニ）作動温度内での蒸気圧が適切であること。
（ホ）蒸発潜熱が大きいこと。
（ヘ）熱伝導率が大きいこと。
（ト）液相、気相ともに粘性係数が低いこと。
（チ）表面張力が低いこと。
（リ）凝固点が適切であること。
【００２３】
これらの特性は、個別に評価されることがあるが、最大熱量輸送量を決定する特定値として、または、作動液の性能を評価する簡便な指標として、実用的には、下記のメリット数（Ｍ）（単位：ｋＷ／ｍ）がこの技術分野で使用される。
Ｍ＝σＬρ／μ
（式中、σは液体の表面張力）（Ｎ／ｍ）であり、
Ｌは液体潜熱（または蒸発のエンタルピ）（Ｊ／ｋｇ）であり、
ρは作動液の密度（ｋｇ／ｍ3 ）であり、
μは作動液の粘度（ｋｇ／ｍｓ）である）。このメリット数が高い作動液ほど効率よく熱を運びかつ抵抗が少ない優れた作動液である。下記の表２に示すように、本発明の熱伝達作動液に含まれるフッ素化ケトンであるＣ２Ｆ５Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ３）２はｎ−パーフルオロヘキサンと同等のメリット数を有し、蒸発系熱伝達作動液として使用したときに優れた熱伝達効果が得られるものと考えられる。
【００２４】
【表２】
2005126480.tif 000005
【００２５】
３）容器材料との適合性
作動液を熱伝達装置において使用するときに、熱伝達装置を構成する容器材料と作動液との適合性がよいことが要求される。適合性は作動液の溶解度係数（Solubility parameter，ＳＰ値)が高いほど極性が高くなり、溶解力が上がり、適合性が低くなる。本発明の熱伝達作動液に含まれるフッ素化ケトンであるＣ２Ｆ５Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ３）２はｎ−パーフルオロヘキサンと同様に極性が低く、適合性がよいことが容易に推測される。作動液の適合性を比較するために、各種エラストマーに対する適合性を試験した。
【００２６】
試験方法
各々の液体を満たした密閉できるガラスビンの中に試験片（エラストマー）を入れ、各々の沸点に調整したオーブンで１週間加熱した。放冷後、試験片の重量変化、体積変化を測定した。
【００２７】
【表３】
2005126480.tif 000006
【００２８】
４）その他の特性
本発明のフッ素化ケトンを用いた熱伝達作動液は絶縁耐力が高く、電気用途に水を熱伝達作動液として用いていた水冷方式の熱伝達作動液を有利に置き換えることで、液漏れによる電気的短絡を防止できる。例えば、Ｃ２Ｆ５Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ３）２の絶縁耐力は４８．１５ｋＶ（ＡＳＴＭ）及び６０ｋＶ（ＪＩＳ）である。
また、Ｃ２Ｆ５Ｃ（Ｏ）ＣＦ（ＣＦ３）２の凝固点は−１０８℃であり、低温での用途にも対応できる。
但し、フッ素化ケトンは紫外線や水への暴露時に分解する傾向があるので、使用に際しては密閉用途が適切である。また、熱伝達装置での使用の前に容器を脱水処理する必要がある。
【００２９】
本発明の熱伝達作動液は、上記のとおり、自然循環及び強制循環系熱伝達並びに蒸発系熱伝達のいずれにも好適に使用することができ、例えば、コンピュータ、通信機器、整流装置やチョッパ制御装置、電動機等に用いられる半導体素子、およびその他の電子・電気部品等の発熱性素子の冷却、並びに、空調用熱交換器等に用いられる。なお、本発明の熱伝達作動液は熱伝達効果に優れるので、冷却にも、加熱にも使用できることは言うまでもない。
【実施例】
【００３０】
以下において、本発明の作動液についての実施例を示す。
実施例１
本発明の熱伝達作動液を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。本発明の作動液はＣＰＵ（中央演算装置）を搭載した回路基板の冷却や、平面ディスプレイなどの冷却に使用できる。図１はノート型パーソナルコンピュータのＣＰＵ１及び放熱板２周辺の部品を含む冷却システムの分解模式図を示す。メイン配線基板（図示せず）に結合されるサブ配線基板３と柔軟熱伝導部材４とが接触し、サブ配線基板３に取り付けられたＣＰＵ１と放熱板２は熱的に接続される。放熱板２の内部には、本発明の熱伝達作動液が流れる流路５が形成されている。放熱板２に配置された流路５の両端にはチューブ６が接続され、チューブ６はポンプ７に接続されている。放熱板２の流路５とチューブ６とポンプ７には本発明の作動液が封入され、ポンプ７を作動させることにより、封入された作動液が強制的に循環される。一方、放熱板２の下方にあるファン８により、放熱板２から直接的に熱を除去するとともに作動液から熱を除去する。このようにして、作動液を従来の冷却水の代わりに本発明の作動液を用いることで、液漏れによる電気的短絡を防止することができる。なお、沸点の比較的に低い炭素数７以下のフッ素化ケトンを作動液として用いて蒸発系熱伝達とすることもできる。
【００３１】
実施例２
本例は、本発明の熱伝達作動液を燃料電池の冷却に用いる例を示すものである。図２は燃料電池システム２０の冷却システムの構成図を示す。このシステムは強制循環冷却系２２を用いるものであり、この冷却系２２は冷却器（ラジエータ）２３を有し、ラジエータ２３と燃料電池２１との間を循環する流路２４を有し、さらにポンプ２５を有する。ポンプ２５により本発明の熱伝達作動液が流路２４中を流される。熱伝達作動液は燃料電池２１で熱を吸収し、ラジエータ２３で排熱するようになっている。また、温度センサー２６及び温度コントローラ２７が設置されており、作動液の温度を調節することができるようになっている。作動液を液相での強制循環式冷却として用いるのであれば、温度は作動液の沸点以下に制御されるべきであり、また、蒸発系熱伝達を利用する場合には、沸騰状態になるように制御される。
【００３２】
実施例３
本例は、本発明の熱伝達作動液を変圧器の冷却に用いる例を示すものである。図３は変圧器の冷却装置の模式図を示している。図３（ａ）は冷却システムの一例を示す。変圧器本体３０のコイル３１に本発明の熱伝達作動液を、噴霧装置３２を介して液体状態で上部から噴霧する。作動液はコイル３１から熱を受けて蒸発し、冷却器３３で放熱し、その一部が凝縮してリザーバー３４に入り、一方、一部はブロアー３５で上部循環される。リザーバー３４中の液体状態の作動液はポンプ３６で噴霧装置３２に戻される。図３（ｂ）の例は別の様式の冷却システムの例を示す。この例ではコイル３１が熱伝達作動液に直接的に浸漬されている。作動液はコイル３１から熱を請けて蒸発し、冷却器３３で凝縮し、ポンプ３６でコイル３１へと戻される。図３（ｃ）は車載用変圧器の冷却システムの例を示す。熱伝達作動液は、コイル３１で熱を受け、車体側面３７にそって配置されたオフセットフィン型冷却器３３ａと直交フィン型冷却器３３ｂで冷却される。これらのフィン型冷却器は走行風３８により空冷される。作動液はポンプ３６で循環される。
【００３３】
実施例４
本例は、本発明の熱伝達作動液を用いた整流器またはサイリスタユニットの冷却を例示する。図４（ａ）は整流器またはサイリスタユニット冷却用ヒートポンプを示し、特に、発熱素子を作動液に浸漬するタイプを示す。熱伝達作動液は、蒸発器４１中に液相で封入されている。蒸発器４１中には、電気端子Ｅを有する発熱源（素子）４２が、冷却効果を上げるように冷却フィン４３に挟まれて作動液に浸漬されている。素子の冷却は、冷却フィンに伝わった素子の熱、および、素子のケーシングの熱が、熱伝達作動液と熱交換して、作動液が沸騰蒸発することによって促進される。気化した作動液ガスは蒸気管４４を介して凝縮器４５に至る。ここで作動液ガスは凝縮され、液管４６を介して蒸発器４１に還流する。以上により、熱伝達作動液循環のための動力を使用しないで、省スペースで、発熱する素子を効率的に冷却して、整流器の順調な運転が可能となる。図４（ｂ）は図４（ａ）の変形例であり、熱伝達作動液を液溜め４７に内蔵し、その溜めから接続管４８を介して延設する複数の蒸発器４１に作動液を導く。作動液は、その複数の蒸発器４１の間に発熱素子４２を挟持しているので、発熱した素子から熱を奪い、沸騰気化する。気化した作動液は、蒸発器４１の中央部の補助管４９から上方に移動して、蒸気管４４を介して、凝縮器４５に至る。気化した作動液は、凝縮器４５で凝縮され液相に戻る。液化した作動液は、液管４６を介して液溜め４７に還流する。以上により、熱伝達作動液循環のための動力を使用しないで、省スペースで、発熱する素子を効率的に冷却して、整流器の順調な運転が可能となる。
【００３４】
実施例５
本例は、本発明の熱伝達作動液を用いたＧＴＯ(Gate Turnoff )またはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor)式インバータの冷却を例示する。図５はＩＧＢＴ素子（スイッチング素子）により構成されるインバータの冷却システムを示す。冷却システム５０は、複数のＩＧＢＴ素子５１及び第一の作動液を収納部５２に収納するケース５３と第二の作動液を循環させる循環流路５５、作動液を冷却する冷却器５４、及びポンプ５６から構成される。ＩＧＢＴ素子５１はヒートシンク部５７上にあり、ＩＧＢＴ素子５１の熱はヒートシンク部５７に伝達される。その熱は、ポンプ５６で送られてきた第二の作動液に伝達され、冷却器５４で排熱される。一方、収納部５２中の第一の作動液は気化熱により素子５１を冷却する。気化した作動液は収納部の上壁面で循環中の第二の作動液で冷やされ、液化される。このように、強制循環式と蒸発系熱伝達とを組み合わせた方式でも本発明の熱伝達作動液を用いることができる。
【００３５】
以上のとおり、本発明の熱伝達作動液は、従来からの種々の熱伝達用途で有用に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ノート型パーソナルコンピュータの冷却システムの分解模式図を示す。
【図２】燃料電池システムの冷却システムの構成図を示す。
【図３】変圧器の冷却システムの模式図を示す。
【図４】整流器またはサイリスタユニットの冷却システムの模式図を示す。
【図５】ＩＧＢＴ素子により構成されるインバータの冷却システムの模式図を示す。
【符号の説明】
【００３７】
１…ＣＰＵ
２…放熱板
３…サブ配線基板
４…柔軟熱伝導部材
５…流路
６…チューブ
７…ポンプ
８…ファン
２０…燃料電池システム
２１…燃料電池
２２…強制循環冷却系
２３…冷却器
２４…流路
２５…ポンプ
２６…温度センサー
２７…温度コントローラ
３０…変圧器本体
３１…コイル
３２…噴霧器
３３…冷却器
３６…ポンプ
４１…蒸発器
４２…素子
４３…冷却フィン
４４…蒸気管
４５…凝縮器
４６…液管
４７…液溜め
４８…接続管
５１…ＩＧＢＴ素子
５２…収納部
５３…ケース
５４…冷却器
５５…循環流路
５６…ポンプ
【図１】
2005126480.tif 000010
【図２】
2005126480.tif 000011
【図３】
2005126480.tif 000012
【図４】
2005126480.tif 000013
【図５】
2005126480.tif 000014