JP2010185048A - 熱伝達装置および熱伝達方法、ならびにそれに用いる熱伝達流体 - Google Patents

Abstract

【課題】化学的に不活性であり、低い毒性、高い安全性、良好な環境特性（たとえば低い地球温暖化係数）を有し、広い温度範囲にわたっての良好な熱伝達性や予測可能な特性をもち、しかも高い耐電圧を有する熱伝達流体を用いることから、安全かつ効率的な熱伝達が可能になる装置を提供する。
【解決手段】被熱伝達対象物と、該被熱伝達対象物との間で熱を移動させるための熱伝達機構とを含み、該熱伝達機構に、式：Ｒｆ−Ｏ−Ｒ（式中、Ｒｆは炭素数１〜５の含フッ素アルキル基；Ｒは炭素数１〜６のアルキル基または炭素数１〜５の含フッ素アルキル基；ただしＲｆとＲの合計の炭素数は４以上）で示されるハイドロフルオロエーテルを含む熱伝達流体が使用されてなる熱伝達装置。
【選択図】なし

Description

本発明は、広い温度範囲で熱を伝達可能な熱伝達装置および熱伝達方法、ならびにそれに用いるハイドロフルオロエーテルからなる熱伝達流体に関する。

現在、様々な流体が熱伝達のために使用されている。熱伝達流体への要求特性は、適用方法や適用対象物に依存するが、化学的に不活性であり、低い毒性、高い安全性、良好な環境特性（たとえば低い地球温暖化係数（ＧＷＰ））、および広い温度範囲にわたっての良好な熱伝達性を有することが基本的に求められる。たとえば、電子デバイスなどの用途では、さらに高い耐電圧を有することが、他の用途、たとえば正確な温度制御が要求される精密加工や計測装置の分野などでは、熱伝達流体には全プロセスにおける処理温度範囲にわたってその性状（たとえば沸点や粘度）が予測可能な、すなわち制御可能なことが要求される。こうした熱伝達流体は、これらの要求特性に対応するため、基本的には単一相（単独化合物または共沸組成物）である。

従来、熱伝達流体としては、脱イオン水や水／グリコール混合物といった水系の流体、シリコーン油や炭化水素油、炭化水素系アルコールといった炭化水素系溶媒が汎用の熱伝達流体として用いられている。しかし、水系の流体は低温特性に劣り（低温での流動性の低下、さらには固化する場合もある）、炭化水素系溶媒は引火点をもっているため安全性の点で使用が制限される。

これらの問題点を解消するべく、パーフルオロカーボン(ＰＦＣ)やパーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）といったパーフルオロ系化合物も用いられている。しかしＰＦＣはＧＷＰ値が高く、環境特性の面で問題がある。

ＰＦＰＥはＧＷＰ値も比較的低くその利用が期待され、出願もされている（特許文献１〜４）。

特許文献１には、３−エトキシ−パーフルオロ（２−メチルヘキサン）というＨＦＥを熱伝達流体とする熱伝達装置が記載されており、その熱伝達流体は上記の要求特性を満たすものであるとされている。

特許文献２には、Ｒｆ−Ｏ−Ｒｈ−Ｏ−Ｒｆ’（ＲｆとＲｆ’はフルオロ脂肪族基、Ｒｈは炭素数２〜８のアルキレン基）というジエーテル型のＨＦＥを熱伝達流体とする熱伝達装置が記載されており、その熱伝達流体は上記の要求特性を満たすものであるとされている。

特許文献３には、Ｒｈ’（Ｏ−Ｒｆ）_m（ｍ＝３〜４，Ｒｆはパーフルオロ脂肪族基、Ｒｈ’は炭素数３〜８の炭化水素基）というポリエーテル型のＨＦＥを熱伝達流体とする熱伝達装置が記載されており、その熱伝達流体は上記の要求特性を満たすものであるとされている。

また、特許文献４には、冷媒として、ＨＣＦ₂ＣＦ₂ＯＣＨ₂ＣＦ₃といったモノエーテル型のＨＦＥと他の有機化合物（シクロペンタン、ｎ−ペンタン）との共沸組成物または共沸様組成物が、環境面からみてクロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）や他のハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）などに比べて優位性があると提案されている。このような共沸組成物は一定圧力下で液相と気相の組成間に差がなく、あたかも単一物質のように挙動する組成物であり、蒸発・凝縮を繰り返した後の組成物の組成に変化を生じないものである。

特表２００３−５２６９０６号公報 特表２００７−５２４７３７号公報 特表２００８−５２９９７５号公報 特開２０００−００７６０３号公報

本発明者らが特許文献１〜３に記載されているＨＦＥを検討したところ、特許文献１に記載の３−エトキシ−パーフルオロ（２−メチルヘキサン）は合成に多数の工程が必要であり、コスト的にも量的にも供給が困難であり、特許文献２〜３に記載のジエーテル型またはポリエーテル型のＨＦＥは比較的粘性が高く、特に低温で粘性が高くなるため、熱伝達装置中を流動する際に吐出圧力が発生し、配管やポンプに圧損が生じる恐れがある。

また、特許文献４には、特定のＨＦＥが他の非フッ素系有機溶剤と共沸組成物または共沸様組成物を形成することまでは開示されているものの、熱伝達流体として単独使用することは教示されていない。

本発明は、容易に合成でき、かつ低温特性に優れ、もちろん上記の種々の要求特性も満たすＨＦＥを熱伝達流体として用いる熱伝達装置を提供することを目的とする。

すなわち本発明は、被熱伝達対象物と、該被熱伝達対象物との間で熱を移動させるための熱伝達機構とを含み、該熱伝達機構に、式（１）：
Ｒｆ−Ｏ−Ｒ （１）
（式中、Ｒｆは炭素数１〜５の含フッ素アルキル基；Ｒは炭素数１〜６のアルキル基または炭素数１〜５の含フッ素アルキル基；ただしＲｆとＲの合計の炭素数は４以上）で示されるハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）を含む熱伝達流体が使用されてなる熱伝達装置に関する。

本発明において、熱伝達流体が、式（１）で示されるＨＦＥのみを含むことが、熱伝達流体の組成の温度安定性や取り扱いやすさに優れることから好ましい。

また、熱伝達流体の−３０℃における粘度が１５．０ｍＰａ・ｓ以下、さらには１３ｍＰａ・ｓ以下であることが、低温特性に優れる点から好ましい。

本発明における被熱伝達対象物としては特に限定されないが、マイクロプロセッサ、半導体デバイスを製造するために用いられるウエハ、電力制御半導体、電気分岐開閉器、電源トランス、回路基板、マルチチップモジュール、実装および非実装半導体デバイス、化学反応器、原子炉、燃料電池、レーザーまたはミサイル部品などが好ましくあげられる。

本発明はまた、式（１）：
Ｒｆ−Ｏ−Ｒ （１）
（式中、Ｒｆは炭素数１〜５の含フッ素アルキル基；Ｒは炭素数１〜６のアルキル基または炭素数１〜５の含フッ素アルキル基；ただしＲｆとＲの合計の炭素数は４以上）で示されるハイドロフルオロエーテルを含む熱伝達流体、および該熱伝達流体を用いる熱伝達方法にも関する。

本発明によれば、化学的に不活性であり、低い毒性、高い安全性、良好な環境特性（たとえば低い地球温暖化係数（ＧＷＰ））を有し、広い温度範囲にわたっての良好な熱伝達性や予測可能な特性をもち、しかも高い耐電圧を有する熱伝達流体を用いることから、安全かつ効率的な熱伝達が可能になる。

本発明は、被熱伝達対象物と、該被熱伝達対象物との間で熱を移動させるための熱伝達機構とを含み、該熱伝達機構に、式（１）で示されるＨＦＥを含む熱伝達流体が使用されてなる熱伝達装置に関する。

まず、式（１）で示されるＨＦＥを含む熱伝達流体について説明する。

本発明で熱伝達流体として用いるＨＦＥは、式（１）：
Ｒｆ−Ｏ−Ｒ （１）
（式中、Ｒｆは炭素数１〜５の含フッ素アルキル基；Ｒは炭素数１〜６のアルキル基または炭素数１〜５の含フッ素アルキル基；ただしＲｆとＲの合計の炭素数は４以上）で示されるモノエーテル型のＨＦＥである。

式（１）において、Ｒｆは炭素数１〜５の含フッ素アルキル基であり、たとえばＣＦ₃−、ＨＣＦ₂−、Ｈ₂ＣＦ−、ＣＨ₃ＣＦ₂−、ＣＦ₃ＣＦ₂−、ＣＦ₃ＣＨ₂−、ＨＣＦ₂ＣＦ₂−、ＨＣＦ₂ＣＨ₂−、ＨＣＦ₂ＣＦ₂ＣＨ₂−、ＨＣＦ（ＣＦ₃）ＣＦ₂−、ＣＦ₃ＣＦ₂ＣＦ₂−、ＣＦ₂ＣＦ₂ＣＨ₂−、ＣＦ₃ＣＨ₂ＣＨ₂−、ＣＦ₃ＣＦ₂ＣＦ₂ＣＦ₂−、ＣＦ₃ＣＦ₂ＣＨ₂ＣＨ₂−、ＨＣＦ（ＣＦ₃）ＣＦ₂ＣＨ₂−、ＣＦ₃ＣＦ₂ＣＦ₂ＣＦ₂ＣＦ₂−、ＣＦ₃ＣＦ₂ＣＦ₂ＣＨ₂ＣＨ₂−、ＨＣＦ（ＣＦ₃）ＣＦ₂ＣＨ₂ＣＨ₂−、ＨＣＦ₂ＣＦ₂ＣＦ₂ＣＦ₂−、ＨＣＦ₂ＣＦ₂ＣＦ₂ＣＦ₂ＣＨ₂−などがあげられ、特に炭素数１〜４のＨＦＥが、粘性が低い点から好ましい。

Ｒが炭素数１〜６のアルキル基の例としては、たとえばＣＨ₃−、ＣＨ₃ＣＨ₂−、ＣＨ₃ＣＨ₂ＣＨ₂−、（ＣＨ₃）₂ＣＨ−、ＣＨ₃ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂−、（ＣＨ₃）₂ＣＨＣＨ₂−、ＣＨ₃ＣＨ₂ＣＨ（ＣＨ₃）−、（ＣＨ₃）₃Ｃ−、ＣＨ₃ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂−、ＣＨ₃ＣＨ₂ＣＨ（ＣＨ₃）ＣＨ₂−、ＣＨ₃Ｃ（ＣＨ₃）₂ＣＨ₂−、（ＣＨ₃）₂ＣＨＣＨ₂ＣＨ₂−、ＣＨ₃ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ（ＣＨ₃）−、ＣＨ₃ＣＨ（ＣＨ₃）ＣＨ（ＣＨ₃）−、ＣＨ₃ＣＨ₂Ｃ（ＣＨ₃）₂−、ＣＨ₃ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂−、（ＣＨ₃）₂ＣＨＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂−、ＣＨ₃ＣＨ₂ＣＨ（ＣＨ₃）ＣＨ₂ＣＨ₂−、ＣＨ₃ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ（ＣＨ₃）ＣＨ₂−、ＣＨ₃ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ（ＣＨ₃）−、ＣＨ₃ＣＨ₂ＣＨ(ＣＨ₃)ＣＨ(ＣＨ₃)-、ＣＨ₃ＣＨ（ＣＨ₃）ＣＨ₂ＣＨ（ＣＨ₃）−、ＣＨ₃ＣＨ（ＣＨ₃₎ＣＨ（ＣＨ₃）ＣＨ₂−、ＣＨ₃ＣＨ₂ＣＨ₂Ｃ（ＣＨ₃）₂−などがあげられ、特に炭素数１〜４のＨＦＥが、粘性が低い点から好ましい。

Ｒが炭素数１〜５の含フッ素アルキル基の例としては、上記Ｒｆと同じ基が例示でき、同じであっても異なっていてもよい。なかでも、炭素数１〜４のＨＦＥが、粘性が低い点から好ましい。

ただしＲｆとＲの合計の炭素数は４以上である。

また、本発明で用いるＨＦＥのフッ素含有率は３０質量％以上であることが、引火点が低いか無い点から好ましい。特に好ましいフッ素含有率は５０〜７６質量％である。フッ素含有率は構造式から算出したものである。

本発明で使用する熱伝達流体は低温での粘性が低く、低温での熱伝達、すなわち冷却において優れた特性を発揮する。

この観点から、−３０℃における粘度が１５．０ｍＰａ・ｓ以下、さらには１３ｍＰａ・ｓ以下であることが好ましい。下限は特に限定されないが、流動する際に発生する吐出圧力の観点から１０ｍＰａ・ｓが好ましい。

本発明で使用するＨＦＥは、毒性が低く、また、ＧＷＰも１０００以下と低く環境に優しい。

また、沸点（１気圧）は１１０℃以下である。好ましい沸点（１気圧）は５０〜１１０℃、さらには６０〜１００℃である。また、本発明で使用するＨＦＥは引火点をもたない化合物である。耐電圧は、５．６Ｖ以上と高い。

さらに、高い表面張力を有しているので流動性に優れ、低温でも低い粘度が達成できる。式（１）で示されるＨＦＥの表面張力は、約１４〜３０ｍＮ／ｍである。

式（１）で示されるＨＦＥは、たとえば特開２００２−２０１１５２号公報に記載の方法により容易に合成できる。

また、本発明においては、熱伝達流体として式（１）で示されるＨＦＥの１種を単独で使用することが、取扱いやすさの点から好ましい。

ただ、単一相（たとえば共沸組成物など）を形成し、広い温度範囲で安定した性状を呈することができる場合は、式（１）で示されるＨＦＥの２種以上を混合して使用してもよいし、式（１）で示されるＨＦＥの１種または２種以上と他の熱伝達流体を混合使用してもよい。他の熱伝達流体としては、たとえば特許文献１〜３に記載されているモノ、ジまたはポリエーテル型のＨＦＥ、ＰＦＣなどの含フッ素有機溶媒があげられる。混合割合は、組み合わせによって適宜決定すればよい。

本発明に用いる熱伝達機構は、上記熱伝達流体を使用して被熱伝達対象物との間で熱を移動させるための熱伝達機構であり、被熱伝達対象物と熱接触することで熱の授受（伝達）が行われる。たとえば、被熱伝達対象物から熱を奪う場合は冷却であり、熱を供給する場合は加熱である。それぞれの場合に応じて異なる機構としてもよいが、１つの熱伝達機構で冷却と加熱を賄ってもよい。

熱伝達機構としては、制限的ではないが、特表２００７−５２４７３７号公報に記載されている機構、たとえばポンプ、弁、流体閉じ込めシステム、圧力制御システム、冷却器、熱交換器、熱源、ヒートシンク、冷蔵システム、能動温度制御システム、受動温度制御システムなどが例示される。

より具体的には、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）ツール内の温度制御されたウエハチャック、ダイ性能試験のための温度制御試験ヘッド、半導体プロセス機器内の温度制御された作業領域、熱衝撃試験浴液リザーバ、恒温槽などがあげられる。

熱伝達機構と熱的に接触させる被熱伝達対象物は、制御すべき温度において冷却、加熱または温度維持される物品、装置、雰囲気である。このような被熱伝達対象物としては、電気部品、機械部品および光学部品、ならびにこれらの加工物、組立品などがある。本発明において被熱伝達対象物の具体例としては、たとえばマイクロプロセッサ、半導体デバイスを製造するために用いられるウエハ、電力制御半導体、電気分岐開閉器、電源トランス、回路基板、マルチチップモジュール、実装および非実装半導体デバイス、化学反応器、原子炉、燃料電池、レーザー、ミサイル部品などがあるが、これらに限定されない。

本発明は、上記の熱伝達機構と被熱伝達対象物を含む熱伝達装置であり、たとえば冷蔵システム、冷却システム、試験機器、および機械加工機器などが例示できる。

半導体製造分野では、さらに具体的には、半導体ダイの性能を試験するための自動試験機器に用いられる試験ヘッド、アッシャ、ステッパー、エッチャ、ＰＥＣＶＤツール内にシリコンウエハを保持するために用いられるウエハチャック、恒温槽、および熱衝撃試験槽などがあるがそれらに限定されない。

本発明は、上記の熱伝達装置などで行われる熱の伝達に上記熱伝達流体を用いる方法にも関する。

つぎに、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。

本発明における各特性は、つぎの方法によって測定した。

（粘度）
ＡＮＤ社製の振動式粘度計ＳＶ−１０を使用し、−３０℃での粘度（ｍＰａ・ｓ）を測定する。

（引火点）
ＪＩＳ Ｋ２２６５に準じて、タグ密閉式の測定法で測定する。

（耐電圧）
リニアースイープボルタンメトリー（ＬＳＶ）により、ＢＡＳ社製３極式密閉式ガラスセルを用い、作用極として、ＢＡＳ社製のＰＴＥ白金電極（カタログＮｏ．２０１３．直径１．６ｍｍの白金電極）を使用し、対極および参照極にはリチウム金属を用い、電解液としてはＬｉＰＦ₆を電解質塩とするプロピレンカーボネート／ＨＦＥ（＝８０／２０（体積比））溶液（濃度１．０モル／リットル）を用いる。測定はポテンショ−ガルバノスタット（ソーラトロン社の１２８７型）を用い、２５℃で走査速度５ｍＶ／ｓｅｃにて行った。耐電圧は、電流値が０．５ｍＡ／ｃｍ²に達した電圧とする。なお、電流値が０．５ｍＡ／ｃｍ²に達しなかった場合、ＰＣ以上（耐電圧５．６Ｖ以上）とする。

（表面張力）
ウィルヘルミー法で行う（３回の平均値）。
液量：１０ｍｌ
測定温度：２５℃
測定回数：３回
装置：協和界面科学（株）製のＣＢＶＰ−Ａ３

実施例１〜５および比較例１〜２
表１に示す化合物の−３０℃での粘度を測定した。結果を表１に示す。そのほか、沸点、引火点、耐電圧、表面張力を併記する。

表１の結果から、本発明で使用する熱伝達流体（ＨＦＥ）は、単独で、低温でも充分に流動性が確保されており、広い温度範囲において熱伝達性能が発揮でき、また、優れた熱伝達流体としての特性を有することが分かる。

Claims (6)

1. 被熱伝達対象物と、該被熱伝達対象物との間で熱を移動させるための熱伝達機構とを含み、該熱伝達機構に、式（１）：
   Ｒｆ−Ｏ−Ｒ （１）
   （式中、Ｒｆは炭素数１〜５の含フッ素アルキル基；Ｒは炭素数１〜６のアルキル基または炭素数１〜５の含フッ素アルキル基；ただしＲｆとＲの合計の炭素数は４以上）で示されるハイドロフルオロエーテルを含む熱伝達流体が使用されてなる熱伝達装置。
2. 熱伝達流体が、式（１）で示されるハイドロフルオロエーテルのみを含む請求項１記載の装置。
3. 熱伝達流体が、−３０℃における粘度が１５．０ｍＰａ・ｓ以下である請求項１または２記載の装置。
4. 被熱伝達対象物が、マイクロプロセッサ、半導体デバイスを製造するために用いられるウエハ、電力制御半導体、電気分岐開閉器、電源トランス、回路基板、マルチチップモジュール、実装および非実装半導体デバイス、化学反応器、原子炉、燃料電池、レーザーまたはミサイル部品である請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
5. 式（１）：
   Ｒｆ−Ｏ−Ｒ （１）
   （式中、Ｒｆは炭素数１〜５の含フッ素アルキル基；Ｒは炭素数１〜６のアルキル基または炭素数１〜５の含フッ素アルキル基；ただしＲｆとＲの合計の炭素数は４以上）で示されるハイドロフルオロエーテルを含む熱伝達流体を用いる熱伝達方法。
6. 式（１）：
   Ｒｆ−Ｏ−Ｒ （１）
   （式中、Ｒｆは炭素数１〜５の含フッ素アルキル基；Ｒは炭素数１〜６のアルキル基または炭素数１〜５の含フッ素アルキル基；ただしＲｆとＲの合計の炭素数は４以上）で示されるハイドロフルオロエーテルを含む熱伝達流体。