冷却剤

冷却剤は、システムの温度を下げたり調整したりするために使用される、通常は液体の物質です。理想的な冷却剤は、熱容量が高く、粘度が低く、低コストで、無毒で、化学的に不活性であり、冷却システムの腐食を引き起こしたり促進したりしません。一部の用途では、冷却剤が電気絶縁体であることも必要です。

「冷却剤」という用語は自動車やHVACの用途でよく使用されますが、工業処理では、高温および低温の製造用途で熱伝達流体がより頻繁に使用される技術用語の 1 つです。この用語は切削液も対象としています。工業用切削液は、水溶性冷却剤と純粋切削液に大まかに分類されています。水溶性冷却剤は、水中油エマルジョンです。油分はゼロ (合成冷却剤) からさまざまです。

この冷媒は、その相を保って液体または気体のままでいることも、相転移を起こすこともできます。相転移を起こすと、潜熱によって冷却効率が向上します。後者は、周囲温度より低い温度を達成するために使用される場合、一般的に冷媒と呼ばれます。

空気は一般的な冷却剤です。空気冷却では、対流気流（パッシブ冷却）またはファンを使用した強制循環のいずれかが使用されます。

水素は高性能のガス状冷却剤として使用されます。水素の熱伝導率は他のすべてのガスよりも高く、比熱容量が高く、密度が低いため粘度も低いため、風損の影響を受けやすい回転機械にとって有利です。水素冷却タービン発電機は現在、大規模発電所で最も一般的な発電機です。

不活性ガスはガス冷却原子炉の冷却剤として使用されます。ヘリウムは中性子を吸収して放射性になる傾向が低いです。二酸化炭素はマグノックス原子炉とAGR原子炉で使用されます。

六フッ化硫黄は、一部の高電圧電力システム（遮断器、スイッチ、一部の変圧器など）の冷却および絶縁に使用されます。

蒸気は、気体状態で高い比熱容量が要求され、熱水の腐食性が考慮される 場合に使用できます。

一部の冷媒は、同じ回路内で液体とガスの両方の形で使用され、流体の非相変化熱容量に加えて、沸騰/凝縮相変化の高い比潜熱、蒸発エンタルピーを活用します。

冷媒は、液体と気体の間で相変化を起こして低温に達するために使用される冷却剤です。ハロメタンが頻繁に使用され、最もよく使用されたのはR-12とR-22で、液化プロパンまたはR-134aなどの他のハロアルカンと一緒に使用されることが多かったです。無水アンモニアは大規模な商用システムでよく使用され、二酸化硫黄は初期の機械式冷蔵庫で使用されていました。二酸化炭素(R-744) は、自動車、住宅用エアコン、業務用冷蔵庫、自動販売機の空調システムで作動流体として使用されています。それ以外は優れた冷媒の多くは、環境上の理由から段階的に廃止されています (CFC はオゾン層効果によるもので、現在では R134a などその後継冷媒の多くが地球温暖化による規制に直面しています)。

ヒートパイプは冷媒の特殊な応用です。

水は、沸騰水型原子炉などでこのように使用されることがあります。相変化効果は意図的に使用される場合もあれば、有害となる場合もあります。

相変化材料は、固体と液体の間の他の相転移を利用します。

液体ガスは、蒸発によって温度が維持されることが多いため、ここに落ちるか、冷媒に入ります。実験室でよく見られる例は液体窒素です。相変化は冷却された界面ではなく、対流または強制流によって熱が伝達される液体の表面で起こる可能性があります。

水は最も一般的な冷却剤です。水は熱容量が高く、コストが低いため、熱伝達媒体として適しています。通常は、腐食防止剤や不凍液などの添加剤と一緒に使用されます。不凍液は、適切な有機化学物質（ほとんどの場合、エチレングリコール、ジエチレングリコール、またはプロピレングリコール）を水に溶かした溶液で、水ベースの冷却剤が 0 °C 未満の温度に耐える必要がある場合、または沸点を上げる必要がある場合に使用されます。ベタインも同様の冷却剤ですが、純粋な植物ジュースから作られ、毒性がなく、環境に優しい方法で処分するのが難しいという点が異なります。^[1]

• 非常に純粋な脱イオン水は、その比較的低い電気伝導率により、高出力送信機や高出力真空管などの電気機器の冷却に使用されます。
• 重水は、一部の原子炉で使用される中性子減速材であり、冷却材としての二次的な機能も持っています。軽水炉は、沸騰水型原子炉と加圧水型原子炉の両方が最も一般的なタイプであり、通常の（軽）水を使用します。一部の設計、たとえばCANDU原子炉では、両方のタイプを使用します。つまり、非加圧カランドリアタンク内の重水は減速材および補助冷却材として、軽水は主要な熱伝達流体として使用されます。

ポリアルキレングリコール（PAG）は、耐酸化性に優れた高温・熱安定性の熱伝達流体として使用されています。現代のPAGは無毒・無害です。^[2]

切削液は金属加工機械の潤滑剤としても機能する冷却剤です。

油は水が適さない用途によく使用されます。油は水よりも沸点が高いため、容器やループシステム内に高圧を発生させることなく、かなり高い温度（100℃以上）まで上げることができます。^[3]多くの油は、熱伝達、潤滑、圧力伝達（油圧流体）、場合によっては燃料など、一度に複数の機能を果たす用途があります。

• 鉱油は、多くの機械ギアで冷却剤と潤滑剤の両方として使用されます。ヒマシ油などの一部の植物油も使用されます。鉱油は沸点が高いため、住宅用途のポータブル電気ラジエーター型スペースヒーターや、工業プロセスの加熱と冷却用閉ループシステムで使用されます。鉱油は非導電性でショートしたり部品を損傷したりしないため、水中 PC システムでよく使用されます。
  • ポリフェニルエーテルオイルは、高温安定性、非常に低い揮発性、固有の潤滑性、および/または耐放射線性を必要とする用途に適しています。パーフルオロポリエーテルオイルは、化学的に不活性な変種です。
  • ジフェニルエーテル（73.5%）とビフェニル（26.5%）の共晶混合物は、広い温度範囲と 400 °C までの安定性のために使用されています。
  • ポリ塩化ビフェニルとポリ塩化ターフェニルは、難燃性、耐薬品性、疎水性、良好な電気特性のため熱伝達用途に使用されていましたが、毒性と生体蓄積性のため現在は段階的に廃止されています。
• シリコンオイルやフルオロカーボンオイル（フロリナートなど）は、動作温度範囲が広いため好まれています。ただし、コストが高いため、用途が制限されます。
• 変圧器油は、高出力電気変圧器の冷却と追加の電気絶縁に使用されます。通常は鉱油が使用されます。シリコン油は特殊な用途に使用されます。ポリ塩化ビフェニルは古い機器でよく使用されていましたが、現在では汚染の危険性があります。

燃料はエンジンの冷却剤としてよく使用されます。冷たい燃料がエンジンの一部に流れ、廃熱を吸収し、燃焼前に予熱されます。航空エンジンでは、灯油やその他のジェット燃料がこの役割を担うことがよくあります。液体水素はロケットエンジンのノズルを冷却するために使用されます。

無水冷却剤は、従来の水やエチレングリコール冷却剤の代替として使用されます。水よりも沸点が高い（約370F）ため、冷却技術は沸騰を防ぎます。液体は腐食も防ぎます。^[4]

フロンは、例えば電子機器の浸漬冷却に頻繁に使用されていました。

高温安定性が要求される用途、例えば一部の高速増殖炉では、液体可溶合金が冷却剤として使用される。ナトリウム（ナトリウム冷却高速炉の場合）またはナトリウム-カリウム合金NaKがよく使用され、特殊な場合にはリチウムも使用される。冷却剤として使用される別の液体金属は鉛（例えば鉛冷却高速炉の場合）または鉛-ビスマス合金である。初期の高速中性子炉では水銀が使用されていた。

特定の用途では、自動車のポペットバルブのステムは中空になっており、熱輸送と伝達を改善するためにナトリウムが充填されている場合があります。

非常に高温の用途、例えば溶融塩反応器や超高温反応器では、溶融塩を冷却剤として使用できます。 可能な組み合わせの 1 つは、フッ化ナトリウムとテトラフルオロホウ酸ナトリウム(NaF-NaBF ₄ )の混合物です。 他の選択肢としては、FLiBeとFLiNaKがあります。

液化ガスは、極低温電子顕微鏡、コンピュータプロセッサのオーバークロック、超伝導体を使用するアプリケーション、または非常に感度の高いセンサーや非常に低ノイズの増幅器などの極低温アプリケーションの冷却剤として使用されます。

二酸化炭素（化学式はCO ₂ ）は、切削液の代替クーラントとして使用されます^{[5] 。CO} _{2 は}切削界面で制御された冷却を提供し、切削工具とワークピースを周囲温度に維持します。CO ₂を使用すると工具寿命が大幅に延び、ほとんどの材料で操作が高速化されます。これは、特に石油を潤滑剤として使用する場合と比較して、非常に環境に優しい方法であると考えられています。部品は清潔で乾燥した状態を保つため、二次洗浄作業を省くことができます。

液体窒素は、約-196℃（77K）で沸騰し、最も一般的に使用されている最も安価な冷媒です。液体空気は、液体酸素を含有しているため、可燃性物質と接触すると火災や爆発を引き起こしやすいため、あまり使用されていません（オキシリキットを参照）。

約 -246 °C で沸騰する液化ネオンを使用すると、より低い温度に到達できます。最も強力な超伝導磁石に使用される最低温度は、液体ヘリウムを使用することで達成されます。

-250 ～ -265 °C の液体水素も冷却剤として使用できます。液体水素は燃料としてだけでなく、ロケットエンジンのノズルや燃焼室を冷却するための冷却剤としても使用されます。

新しい種類の冷媒はナノ流体であり、水などのキャリア液体にナノ粒子と呼ばれる小さなナノスケールの粒子を分散させたものである。CuO 、アルミナ、^[6] 二酸化チタン、カーボンナノチューブ、シリカ、金属（銅や銀 ナノロッドなど）などの特別に設計されたナノ粒子をキャリア液体に分散させることで、キャリア液体のみの場合と比較して、結果として得られる冷媒の熱伝達能力が向上する。^[7]理論上、向上率は350%にも達する可能性がある。しかし、実験ではそれほど高い熱伝導率の向上は証明されなかったが、冷媒の臨界熱流束が大幅に増加することがわかった。 ^[8]

いくつかの重要な改善が達成可能です。例えば、直径 55±12 nm、平均長さ 12.8 μm の銀ナノロッド 0.5 vol.% は水の熱伝導率を 68% 増加させ、0.5 vol.% の銀ナノロッドはエチレングリコールベースの冷却剤の熱伝導率を 98% 増加させます。^[9] 0.1% のアルミナナノ粒子は水の臨界熱流束を 70% も増加させることができます。粒子は冷却された物体上に粗い多孔質表面を形成して新しい気泡の形成を促進し、その親水性が気泡を押しのけて蒸気層の形成を妨げます。^[10] 濃度が 5% を超えるナノ流体は非ニュートン流体のように動作します。

いくつかの用途では、固体材料が冷却剤として使用されます。材料が気化するには高いエネルギーが必要ですが、このエネルギーは気化したガスによって運び去られます。このアプローチは宇宙飛行、アブレーション大気圏再突入シールド、ロケットエンジンノズルの冷却で一般的です。同じアプローチは、アブレーションコーティングが適用される構造物の防火にも使用されます。

ドライアイスと氷水も、冷却する構造物と直接接触する場合、冷却剤として使用できます。追加の熱伝達流体が使用される場合もあります。氷入り水とアセトン入りドライアイスの組み合わせは、2 つの一般的な組み合わせです。

アポロ計画では、水の氷の昇華が宇宙服の冷却に利用されました。

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