JP6729453B2 - 熱媒体用基材、並びにそれを用いた熱輸送システムおよびヒートポンプシステム - Google Patents

Description

本発明は、熱媒体用基材、並びにそれを用いた熱輸送システムおよびヒートポンプシステムに関するものである。

従来、内燃機関やヒートポンプ等の冷却水や不凍液等の熱媒体の基材として、エチレングリコール水溶液が広く用いられている。ここで、５０ｖ／ｖ％エチレングリコール水溶液の物性は、凝固点が−３２℃、２５℃における動粘度が３．１３ｍｍ^２／ｓである。

このようなエチレングリコール水溶液は、外気温が低下することにより粘度が高くなる。このため、エチレングリコール水溶液を冷却水として用いた場合、低外気温時に、冷却水を循環させる水ポンプへの負担が大きくなり、ひいては水ポンプの寿命が短くなるという問題があった。

これに対し、特許文献１では、ホルミアミド及び／又はメチルホルミアミド２０〜７０重量％、水８０〜３０重量％、防錆剤０．１〜１０重量％を含有する熱媒体用基材が開示されている。この特許文献１の熱媒体用基材は、従来のエチレングリコール水溶液と同程度の熱物性（凝固点等）を有し、かつ動粘度が１．５ｍｍ^２／ｓ程度となっている。このため、冷却水の粘度を低下させて、水ポンプへの負荷を低減できる。

しかしながら、ホルムアミドは高温で加水分解するため、特許文献１の熱媒体用基材を内燃機関の冷却水やヒートポンプの不凍液として用いた場合、高温時にホルムアミドの濃度が低下するという問題があった。なお、内燃機関の冷却水の使用温度は−３４℃〜１２０℃であり、ヒートポンプの不凍液の使用温度は−３０℃〜１００℃である。そして、ホルムアミドの濃度は、８０℃で１００時間後に約２０％低下する。

これに対し、特許文献２では、熱安定性が良好な熱媒体用基材として、所定のピロリジニウムカチオンを有するイオン液体が開示されている。

特開２０１５−１９３７６５号公報 特開２０１６−１１７８４４号公報

しかしながら、上記特許文献２の熱媒体用基材は、動粘度が高いという問題がある。

具体的には、上記特許文献２に開示されている種々のイオン液体のうち、最も粘度が低いものは、Ｎ−メトキシメチル−Ｎ−メチルピロリジニウムビス（フルオロスルホニル）アミド（ＭＭＭＰ・ＦＳＡ）であり、その粘度は２０ｃＰである。特許文献２には、イオン液体としてＭＭＭＰ・ＦＳＡを用いた熱媒体用基材の密度は記載されてないが、同系の密度の平均値が１．２５ｇ／ｃｃであり、その値から算出した動粘度は１６ｍｍ^２／ｓである。これは、従来の５０ｖ／ｖ％エチレングリコール水溶液の約５倍であり、上記特許文献２の熱媒体用基材の動粘度が非常に高いことを示している。

本発明は上記点に鑑みて、低粘度かつ低凝固点であるとともに熱安定性の高い熱媒体用基材、並びにそれを用いた熱輸送システムおよびヒートポンプシステムを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、所定の物性を有する親水性イオン液体および水を含有する熱媒体用基材が、低粘度かつ低凝固点であるとともに熱安定性が高いことを見出した。

すなわち、本開示の一態様に係る熱媒体用基材は、親水性イオン液体および水を含有し、親水性イオン液体の２５℃における粘度が３０ｍＰａ・ｓ以下である。

これによれば、イオン液体は熱安定性が良好であるため、熱媒体用基材の熱安定性を確保することができる。また、親水性イオン液体の２５℃における粘度を３０ｍＰａ・ｓ以下とすることにより、熱媒体用基材の動粘度を低下させることができる。さらに、イオン液体を水に溶解させることにより凝固点降下効果を得ることができるので、低凝固点を実現できる。

また、請求項１に記載の発明では、親水性イオン液体および水を含有し、親水性イオン液体の分子量が１５０以下であり、親水性イオン液体がメチルアンモニウムニトレートであることを特徴とする。

これによれば、イオン液体は熱安定性が良好であるため、熱媒体用基材の熱安定性を確保することができる。また、親水性イオン液体の分子量を１５０以下と小さくすることにより、熱媒体用基材の動粘度を低下させることができる。さらに、イオン液体を水に溶解させることにより凝固点降下効果を得ることができるので、低凝固点を実現できる。

なお、特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態におけるヒートポンプ式給湯機を示す全体構成図である。 第２実施形態におけるヒートポンプ式給湯機を示す全体構成図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１に基づいて説明する。本実施形態では、本発明に係る熱媒体用基材を、ヒートポンプシステムであるヒートポンプ式給湯機の熱媒体に適用している。

本実施形態のヒートポンプ式給湯機は、図１の全体構成図に示すように、ヒートポンプサイクル１０、放熱器２０および熱媒体循環回路３０等を備えている。そして、ヒートポンプ式給湯機は、ヒートポンプサイクル１０によって熱媒体を加熱するとともに、加熱された熱媒体を熱源として加熱対象流体である給湯水を加熱する。

ヒートポンプサイクル１０は、熱媒体を加熱する蒸気圧縮式の冷凍サイクルである。放熱器２０は、ヒートポンプサイクル１０にて加熱された熱媒体と給湯水とを熱交換させて、熱媒体の有する熱を給湯水に放出することで給湯水を加熱する熱交換器である。熱媒体循環回路３０は、ヒートポンプサイクル１０の熱媒体−冷媒熱交換器１２と放熱器２０との間で熱媒体を循環させる熱媒体回路である。

より詳細には、ヒートポンプサイクル１０は、圧縮機１１、熱媒体−冷媒熱交換器１２、膨張弁１３、および蒸発器１４を順次配管で接続して構成されたものである。

圧縮機１１は、ヒートポンプサイクル１０の冷媒を吸入し、圧縮して吐出する。圧縮機１１は、固定容量型圧縮機構を電動モータで駆動する電動圧縮機である。

圧縮機１１の吐出口には、熱媒体−冷媒熱交換器１２の冷媒通路１２ａ入口側が接続されている。熱媒体−冷媒熱交換器１２は、圧縮機１１から吐出された高圧冷媒を流通させる冷媒通路１２ａ、および熱媒体循環回路３０を循環する熱媒体を流通させる熱媒体通路１２ｂを有している。熱媒体−冷媒熱交換器１２は、冷媒通路１２ａを流通する高圧冷媒と熱媒体通路１２ｂを流通する熱媒体とを熱交換させて、熱媒体を加熱する加熱用熱交換器である。

熱媒体−冷媒熱交換器１２の冷媒通路１２ａ出口側には、膨張弁１３の入口側が接続されている。膨張弁１３は、冷媒通路１２ａから流出した冷媒を減圧膨張させる可変絞り機構である。膨張弁１３は、絞り開度を変更可能に構成された弁体と、この弁体の絞り開度を変化させる電動アクチュエータとを有する電気式膨張弁である。

膨張弁１３の出口側には、蒸発器１４の冷媒入口側が接続されている。蒸発器１４の冷媒出口には、圧縮機１１の吸入口側が接続されている。蒸発器１４は、膨張弁１３にて減圧された低圧冷媒と送風ファン１５により送風された外気（室外空気）とを熱交換させることによって、低圧冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱用の室外熱交換器である。

送風ファン１５は、ファンモータ１６を備えており、ファンモータ１６を回転させることにより送風ファン１５を回転させることできる。

熱媒体循環回路３０は、低温側熱媒体通路３１および高温側熱媒体通路３２を有している。低温側熱媒体通路３１は、放熱器２０で放熱後の低温の熱媒体を熱媒体−冷媒熱交換器１２の熱媒体通路１２ｂ入口側へ導く。高温側熱媒体配管３２は、熱媒体−冷媒熱交換器１２の熱媒体通路１２ｂ出口側から流出した高温の熱媒体を放熱器２０の入口側へ導く。

低温側熱媒体配管３１には、熱媒体循環ポンプ３３が配置されている。熱媒体循環ポンプ３３は、放熱器２０から流出した熱媒体を吸入して、熱媒体−冷媒熱交換器１２の熱媒体通路１２ｂ側へ圧送する。

本実施形態の熱媒体としては、親水性イオン液体および水を含有する熱媒体用基材が用いられている。この熱媒体用基材に含まれる親水性イオン液体としては、分子量が１５０以下のもの、または、２５℃における粘度が３０ｍＰａ・ｓ以下であるものが用いられている。

なお、イオン液体とは、液体で存在する塩であり、イオン（アニオン・カチオン）のみから構成される液体化合物である。一般に、イオン液体は、−３０℃〜３００℃の温度域でも液体状を維持し、また３００℃を超えても物性変化が少ないため、耐熱性が高い。

本実施形態の親水性イオン液体としては、例えば、下記の表１に示すように、アンモニウム系イオン液体や、イミダゾリウム系イオン液体を用いることができる。

アンモニウム系イオン液体のカチオン成分としては、メチルアンモニウムイオン（ＣＨ_３ＮＨ_３ ^＋）等が用いられる。アンモニウム系イオン液体のアニオン成分としては、硝酸イオン（ＮＯ_３ ⁻）等が用いられる。

すなわち、アンモニウム系イオン液体としては、例えば、メチルアンモニウムニトレート（硝酸メチルアンモニウム）を用いることができる。メチルアンモニウムニトレートは、分子量が１５０以下と小さく、軽いという特徴を有している。

イミダゾリウム系イオン液体のカチオン成分としては、イミダゾリウムイオン、より詳細には１−エチル−３−メチル−イミダゾリウムイオン等が用いられる。イミダゾリウム系イオン液体のアニオン成分としては、（ＣＮ）_２Ｎ⁻、ＳＣＮ⁻、Ｃｌ⁻等が用いられる。

すなわち、イミダゾリウム系イオン液体としては、例えば、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムクロリド（ＥＭＩＣ）、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムジシアナミド（ＥＭＩＤ）、１−エチル−３−メチルイミダゾリウムチオシアネート（ＥＭＩＴ）が用いられる。ＥＭＩＣは、分子量が１５０以下と小さく、軽いという特徴を有している。ＥＭＩＤは、２５℃における粘度が２１．４ｍＰａ・ｓと小さく、イオン間の相互作用が小さいという特徴を有している。同様に、ＥＭＩＴは、２５℃における粘度が２３．１ｍＰａ・ｓと小さく、イオン間の相互作用が小さいという特徴を有している。

ここで、上述した各種イオン液体を水と混合した水溶液である熱媒体用基材、および比較例としてのエチレングリコール水溶液について、凝固点および動粘度を測定した。この結果を下記の表２に示す。なお、凝固点は、示差操作熱量測定（ＤＳＣ）によって測定した。動粘度は、回転粘度計（Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ製）を用い、室温（２５℃）において測定した。

表２に示すように、本実施形態の熱媒体用基材は、含有するイオン液体の濃度が５０ｗｔ％以上で、凝固点が−３０℃以下となった。比較例であるエチレングリコール水溶液の凝固点が−３０℃以下であることから、本実施形態の熱媒体用基材は、エチレングリコール水溶液とほぼ同等の凝固点を有しているといえる。

また、本実施形態の熱媒体用基材は、２５℃における動粘度が、比較例であるエチレングリコール水溶液と同等以下になっている。特に、イオン液体としてメチルアンモニウムニトレート、ＥＭＩＣまたはＥＭＩＤを用いた場合、２５℃における動粘度が３．１ｍｍ^２／ｓ以下となり、エチレングリコール水溶液の２５℃における動粘度よりも低くなる。その中でも、イオン液体としてメチルアンモニウムニトレートを用いた場合、２５℃における動粘度が１．６１ｍｍ^２／ｓとなり、エチレングリコール水溶液の２５℃における動粘度の約半分となる。

以上説明したように、本実施形態の熱媒体用基材は、親水性イオン液体および水を含有している、すなわち親水性イオン液体を水に溶解させている。これによれば、イオン液体は熱安定性が良好であるため、熱媒体用基材の熱安定性を確保することができる。さらに、イオン液体を水に溶解させることにより凝固点降下効果を得ることができるので、低凝固点を実現できる。

ところで、低粘度の親水性イオン液体は、そもそも固体の塩に比べてイオン間（アニオン−カチオン間）のクーロン相互作用が小さい。このような親水性イオン液体を水に溶解させることで、イオン間およびイオン−水分子間のクーロン相互作用が抑制され、イオンの運動性が向上する。これにより、親水性イオン液体の水溶液である熱媒体の粘度が小さくなる。

具体的には、上述したように、親水性イオン液体の２５℃における粘度を３０ｍＰａ・ｓ以下とすることにより、熱媒体用基材の動粘度を低下させることができる。また、親水性イオン液体の分子量が１５０以下と小さくすることで、熱媒体用基材の動粘度を低下させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図２に基づいて説明する。本実施形態では、本発明に係る熱媒体用基材を、ハイブリッド自動車の走行用駆動源の１つとして用いられるエンジン（内燃機関）の冷却システムの冷却水に適用している。すなわち、本実施形態は、本発明に係る熱輸送システムを、エンジン冷却システムに適用したものである。

図２に示すように、本実施形態のエンジン冷却システムは、エンジン４１の冷却水をラジエータ４２にて冷却するシステムである。すなわち、本実施形態のエンジン冷却システムは、エンジン４１からの熱を、冷却水流路４０を流通する液体状の熱媒体である冷却水を介して、ラジエータ４２へ輸送するシステムである。

エンジン４１は、外部からの供給エネルギである燃料を、他の形態のエネルギである動力に変換する際に熱を発生するエネルギ変換部である。

ラジエータ４２は、エンジン４１の排熱と熱交換して高温となった冷却水と、送風ファン４２ａから送風された車室外空気（外気）とを熱交換させることにより、冷却水を冷却する熱交換器である。本実施形態のラジエータ４２は、本発明の放熱部に相当している。送風ファン４２ａは、図示しない制御装置から出力される制御電圧によって稼働率、すなわち、回転数（送風空気量）が制御される電動式送風機である。

エンジン４１とラジエータ４２は、エンジン４１とラジエータ４２との間で閉回路を形成する冷却水流路４０によって接続されている。冷却水流路４０には、冷却水流路４０に冷却水を循環させるポンプ４３が設けられている。そして、冷却水流路４０内の冷却水は、エンジン４１の冷却水出口からラジエータ４２を経由してエンジン１１の冷却水入口に循環するようになっている。

冷却水流路４０は、液体状の熱媒体である冷却水が流れる流路を構成するものであり、本発明の熱媒体流路に相当している。冷却水流路４０は、金属製の冷却水配管により構成されている。

ポンプ４３は、冷却水流路４０に冷却水を流動させる流動部である。本実施形態のポンプ４３は、図示しない制御装置から出力される制御電圧によって回転数（冷却水圧送能力）が制御される電動ポンプである。

本実施形態の冷却水としては、上記第１実施形態と同様の熱媒体用基材が用いられている。すなわち、本実施形態の冷却水は、上記第１実施形態と同様に親水性イオン液体および水を含有しているので、熱的安定性を確保しつつ、低粘度かつ低凝固点を実現できる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、例えば以下のように種々変形可能である。

（１）上記実施形態では、本発明で好適に用いることができるイオン液体として、メチルアンモニウムニトレート、ＥＭＩＣ、ＥＭＩＤ、ＥＭＩＴを挙げたが、イオン液体はこれらに限定されない。

（２）上記実施形態では、熱媒体として、上記親水性イオン液体からなる熱媒体用基材のみからなるものを用いた例について説明したが、これに限定されない。例えば、熱媒体として、上記熱媒体用基材とその他の溶媒とを含有するものを用いてもよい。なお、その他の溶媒は、熱媒体の適用箇所および使用条件によって適宜選択することができる。

（３）上記実施形態では、本発明の熱媒体用基材をヒートポンプシステムの熱媒体に適用した例について説明したが、熱媒体用基材の用途はこれに限定されない。本発明の熱媒体用基材を、例えば内燃機関、燃料電池、ヒートパイプ、モータ等の高温で使用される機器の冷却液や不凍液のような異なる用途に用いてもよい。

（４）ヒートポンプサイクル１０の各構成は、上述の第１実施形態に開示されたものに限定されない。

例えば、上述の第１実施形態では、圧縮機１１として、電動圧縮機を採用した例を説明したが、内燃機関を有する車両に適用する場合等には、エンジン駆動式の圧縮機を採用してもよい。さらに、エンジン駆動式の圧縮機としては、吐出容量を変化させることによって冷媒吐出能力を調整可能に構成された可変容量型圧縮機を採用してもよい。

また、例えば、上述の第１実施形態では、膨張弁１３として、電気式膨張弁を採用した例を説明したが、蒸発器１４出口側冷媒の過熱度が予め定めた所定範囲となるように機械的機構によって絞り通路面積を調節する温度式膨張弁を採用してもよい。

（５）上記第１実施形態では、本発明のヒートポンプシステムをヒートポンプ式給湯機に適用した例について説明したが、ヒートポンプシステムの用途はこれに限定されない。本発明のヒートポンプシステムを、例えばヒートポンプ式空調装置のような異なる用途に用いてもよい。

（６）上記第２実施形態では、本発明に係る熱輸送システムをハイブリッド車両のエンジン冷却システムに適用した例を説明したが、熱輸送システムの適用はこれに限定されない。

例えば、熱輸送システムを、エンジンから車両走行用の駆動力を得る通常の車両のエンジン冷却システムに適用してもよい。さらに、本発明に係る熱輸送システムは、車両用に限定されることなく、定置型の冷却システム等に適用してもよい。

また、熱輸送システムを、エネルギ変換部にて発生した熱を空調空気の加熱に利用する空調システムに適用してもよい。この場合、放熱部として、熱媒体と空調空気との間で熱交換を行うヒータコアを採用することができる。

（７）上記第２実施形態では、エネルギ変換部としてエンジンを採用した例を説明したが、エネルギ変換部はこれに限定されない。例えば、エネルギ変換部として、燃料電池、走行用電動モータ、バッテリ、インバータ等を採用してもよい。

（８）上記第２実施形態では、放熱部としてラジエータを採用した例を説明したが、放熱部はこれに限定されない。例えば、放熱部として、冷媒冷却式のチラーを採用してもよい。

Claims (5)

1. 親水性イオン液体および水を含有し、
   前記親水性イオン液体の分子量が１５０以下であり、
   前記親水性イオン液体がメチルアンモニウムニトレートである熱媒体用基材。
2. 前記親水性イオン液体の濃度が５０ｗｔ％以上である請求項１に記載の熱媒体用基材。
3. ２５℃における動粘度が３．１ｍｍ^２／ｓ以下である請求項１または２に記載の熱媒体用基材。
4. 液体の熱媒体が流動する熱媒体流路（４０）と、
   前記熱媒体流路に前記熱媒体を流動させる流動部（４３）と、
   前記熱媒体流路に配置されるとともに、外部からの供給エネルギを他の形態のエネルギに変換する際に熱を発生するエネルギ変換部（４１）と、
   前記熱媒体流路に配置されるとともに、前記熱媒体が有する熱を放出する放熱部（４２）とを備え、
   前記エネルギ変換部からの熱を、前記熱媒体を介して前記放熱部へ輸送する熱輸送システムであって、
   前記熱媒体として、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱媒体用基材を用いる熱輸送システム。
5. ヒートポンプサイクル（１０）によって熱媒体を加熱するとともに、加熱された前記熱媒体を熱源として加熱対象流体を加熱するヒートポンプシステムであって、
   前記熱媒体として、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱媒体用基材を用いるヒートポンプシステム。

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