CN101124437A - 二次循环冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供作为二次致冷剂使用了对环境的影响小、具不燃性、低温下的压力损失特别小、热传递系数大的组合物的二次循环冷却系统。该系统是具备使用一次致冷剂的一次冷却单元1、使用二次致冷剂的二次循环冷却单元13及进行一次致冷剂和二次致冷剂的热交换的热交换单元6的二次循环冷却系统，其特征在于，作为二次致冷剂，使用含有CF₂HCF₂OCH₂CF₃等氟化醚和乙醇等醇类的组合物。

Description

二次循环冷却系统

技术领域

本发明涉及二次循环冷却系统。

背景技术

一般的冷却装置由利用循环于冷冻循环内的致冷剂间接地冷却对象物的系统构成。以往，作为上述致冷剂一般使用二氟氯甲烷等卤素衍生物，但其中的大多数为结构中含氯原子的化合物，与臭氧层破坏有关系，被逐步地禁止使用。此外，作为不含氯的卤素衍生物，已知的有全氟化碳(PFC)类和氢氟化碳(HFC)类。这些卤素衍生物大多数与地球变暖有关，必须控制其释放。

此外，对作为上述致冷剂使用氨或烃类、二氧化碳等进行了探讨，但它们存在毒性、引火性、腐蚀性等安全性方面的问题，运转压力高，能量效率差，因此很难实现商业利用。

以改善上述问题为目的，使用了具备一次冷却单元和二次循环冷却单元的二次循环冷却系统。该系统是利用热交换器以非接触的方式对一次致冷剂和二次致冷剂进行热能量交换的系统，其一次冷却单元中，使用氨或烃类等作为热传递介质(一次致冷剂)，二次循环冷却单元中，使用对环境的影响小、安全性更高的热传递介质(二次致冷剂)。

作为二次致冷剂，要求其热传递特性、流动性、防腐蚀性、稳定性及安全性等良好。作为以往使用的二次致冷剂，可例举氯化钙、氯化钠等的水溶液或乙二醇、丙二醇等二醇类，醇类，聚二甲基硅氧烷，烃类，氯氟化碳(CFC)类或氢氯氟化碳(HCFC)类，PFC类。

但是，由于CFC类和HCFC类都与环境残留性和臭氧层的破坏有关系，所以正逐步地被禁止使用。PFC类的地球变暖化系数高，其释放必须受到限制。另一方面，氯化钙和氯化钠的水溶液或二醇类、醇类等存在具腐蚀性、安全性方面不够理想、需要大运输动力等一些问题。

作为解决上述问题的方法，提出了使用C₃F₇OCH₃等氟化醚作为二次致冷剂的方法(参照专利文献1)。该方法虽然对环境的影响小，但不利于压力损失和热传递等二次致冷剂的特性。

专利文献1：日本专利特开平11-513738号公报(权利要求范围)

发明的揭示

本发明的目的是提供作为二次致冷剂使用了具不燃性、对环境的影响小、特别适用于低温用途、且压力损失小、热传递系数大的热传递介质的二次循环冷却系统。

本发明还提供具备使用一次致冷剂的一次冷却单元、使用二次致冷剂的二次循环冷却单元及进行一次致冷剂和二次致冷剂的热交换的热交换单元的二次循环冷却系统，该系统的特征在于，作为二次致冷剂，使用含有氟化醚和醇类的组合物。

本发明中作为二次致冷剂使用的组合物由于循环时的压力损失小，所以二次循环冷却系统在工作时可降低循环泵动力，实现耗电量的减少和有效化。此外，本发明中作为二次致冷剂使用的组合物的热传递系数大，所以可实现热传递面积的减少，进而是装置的小型化。

附图的简单说明

图1为二次循环冷却系统的一例。

图2为HFE-347/乙醇混合溶液中的乙醇的含有比例和压力损失相对比P的相关图。

图3为HFE-347/乙醇混合溶液中的乙醇的含有比例和热传递系数相对比H的相关图。

图4为HFE-347/2-丙醇混合溶液中的2-丙醇的含有比例和压力损失相对比P的相关图。

图5为C₄F₉OCH₃/乙醇混合溶液中的乙醇的含有比例和压力损失相对比P的相关图。

图6为C₄F₉OC₂H₅/乙醇混合溶液中的乙醇的含有比例和压力损失相对比P的相关图。

图7为C₄F₉OC₂H₅/乙醇混合溶液中的乙醇的含有比例和热传递系数相对比H的相关图。

图8为C₃F₇OCH₃/乙醇混合溶液中的乙醇的含有比例和压力损失相对比P的相关图。

图9为C₃F₇OCH₃/乙醇混合溶液中的乙醇的含有比例和热传递系数相对比H的相关图。

符号说明：1为一次冷却单元，2为蒸发器，3为压缩机，4为冷凝器，5为膨胀阀，6为一次/二次热交换器，7为二次循环冷却用循环泵，8为冷却板，9为物品(被冷却物)，10为二次循环冷却返送配管，11为二次致冷剂循环配管，12为陈列箱体，13为二次循环冷却单元。

实施发明的最佳方式

本发明的二次循环冷却系统的一次冷却单元中，对用于冷却二次致冷剂的一次致冷剂进行冷却。然后，在热交换单元中进行一次致冷剂和二次致冷剂的热交换，将被冷却的二次致冷剂运送至二次循环冷却单元，接受了热能量的一次致冷剂返回至一次冷却单元。二次循环冷却单元中，用泵等强制地使低温的二次致冷剂在冷却器中循环，藉此间接地对被冷却物进行冷却。

作为本发明中的二次致冷剂，使用含有氟化醚和醇类的组合物。该组合物对环境的影响小，且循环时的压力损失小，热传递系数高，所以适合作为热传递介质使用。

作为氟化醚，优选氢氟化醚，特好为通式C_aF_bH_2a+2-bO_d表示的化合物，式中，a＝3～6的整数，b＝1～14的整数，d为1或2。特别理想的是CF₂HCF₂OCH₂CF₃、CF₃CHFCF₂OCH₂CF₃、CF₃CHFCF₂OCH₂CF₂CHF₂、C₃F₇OCH₃、C₄F₉OCH₃或C₄F₉OC₂H₅，其中更好的是CF₂HCF₂OCH₂CF₃。它们可单独使用也可混合使用。

在选择氟化醚时，可根据使用温度范围、设备设计条件等，选择具有合适的凝固点、标准沸点、临界温度、密度、比热、热传导率和粘度等物性的化合物。

对上述组合物中的氟化醚的含有比例无特别限定，但从充分显现本发明的效果的角度考虑，优选50质量％以上，特好为70质量％，再更好为85质量％以上。

作为醇类，从标准沸点、凝固点、引火性、获得难易性等角度考虑，优选使用碳数1～4的醇，具体可使用甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、1-丁醇、2-丁醇等。它们可单独使用也可混合使用。

对上述组合物中的醇类的含有比例无特别限定，一般为1～15质量％，特好为3～10质量％。醇类的含有比例超过15质量％时，在可能出现引火点的同时氟化醚和醇类共存所显现的效果减弱。

上述组合物中，CF₂HCF₂OCH₂CF₃的含有比例为85～99质量％、碳数1～4的醇的含有比例为1～15质量％的组合物的热传递系数大、循环时的压力损失小的本发明的效果显著，所以特别理想。

本发明的二次致冷剂还可含有1种以上的以往作为热传递介质使用的化合物。作为该热传递介质，可例举二氯甲烷、三氯乙烯等含氯烃类，1，1-二氯-2，2，2-三氟乙烷、1，1-二氯-1-氟乙烷、3，3-二氯-1，1，1，2，2-五氟丙烷、3，3-二氯-1，1，2，2，3-五氟丙烷等HCFC类。

此外，本发明中的二次致冷剂还可含有二氟甲烷、1，1，1，2，2-五氟乙烷、1，1，1，2-四氟乙烷、1，1，1-三氟乙烷、1，1-二氟乙烷、1，1，1，2，3，3，3-七氟丙烷、1，1，1，2，2，3，3-七氟丙烷、1，1，1，3，3，3-六氟丙烷、1，1，1，3，3-五氟丙烷、1，1，2，2，3-五氟丙烷、1，1，1，3，3-五氟丁烷、1，1，1，2，2，3，4，5，5，5-十氟戊烷、1，1，2，2，3，3，4-七氟环戊烷等HFC类。

上述氟化醚及醇类以外的可含有的化合物能够在不明显地减弱本发明效果的前提下使用。上述化合物的优选含有比例因化合物而异，通常在30质量％以下，更好在20质量％以下。

本发明的热传递介质对于热和氧化物的稳定性高，但如果含有耐氧化性提高剂及耐热性提高剂、金属减活剂等稳定剂，则对于热和氧化物的稳定性会明显提高。

作为耐氧化性提高剂和耐热性提高剂，可例举例如N，N’-二苯基苯二胺、对辛基二苯胺、对，对’-二辛基二苯胺、N-苯基-1-萘胺、N-苯基-2-萘胺、N-(对十二烷基)苯基-2-萘胺、二-1-萘胺、二-2-萘胺、N-烷基吩噻嗪、对-(叔丁基)苯酚、2，6-二(叔丁基)苯酚、4-甲基-2，6-二-(叔丁基)苯酚、4，4’-亚甲基双(2，6-二叔丁基苯酚)或上述2种以上的组合等。

作为金属减活剂，可例举咪唑、苯并咪唑、2-巯基苯并噻唑、水杨醛-丙二胺、吡唑、苯并三唑、甲苯基三唑、2-甲基苯并咪唑、3，5-二甲基吡唑及亚甲基双-苯并三唑等。此外，可例举有机酸或其酯、脂肪族伯、仲或叔胺、有机酸或无机酸的胺盐、杂环式含氮化合物、磷酸烷基酯的胺盐或其衍生物等。

热传递介质用组合物中的上述稳定剂的含有比例通常在5质量％以下，更好是在1质量％以下。

本发明中的一次冷却单元并不限于利用制冷循环的冷却工序，只要具有能够提供稳定地实施温度的热能量交换的热源的工序即可，本发明中的一次致冷剂还可以是其本身采用其它的一次致冷剂被冷却的二次致冷剂。因此，作为用于本发明的一次致冷剂，主要可使用能够用于冷冻循环等的一般的致冷剂或经过二次冷却后的盐水。具体可例举甲酸、氯化钙的水溶液、氯化钠的水溶液、醇、二醇、氨、烃、醚、含氟烃等。

利用二次循环冷却系统冷却所陈列的物品的典型例子示于图1。一次冷却单元1中，在其中循环的一次致冷剂被压缩机3压缩，利用冷凝器4放热，被液化冷却。该一次致冷剂通过膨胀阀5到达一次/二次热交换器6，在其中间接地接受来自二次致冷剂的热量。然后，一次致冷剂利用蒸发器被适度地冷却，再次返回至压缩机3。

一次/二次热交换器6中，被一次致冷剂间接冷却的二次致冷剂利用二次循环冷却用循环泵7通过二次致冷剂循环配管11被送至位于陈列箱体12内的各冷却板8。冷却板8用于冷却陈列箱体12内的气氛和物品9，此时，二次致冷剂吸热。然后，二次致冷剂通过二次循环冷却返送配管10返回至一次/二次热交换器6，再次被冷却。二次致冷剂通过二次循环冷却用循环泵7循环。藉此，二次循环冷却系统中，二次致冷剂利用循环泵在二次回路内移动的同时进行热转移。

为了有效地进行热交换，热传递系数最好较大。圆管内的平均热传递系数在湍流区域内可由表示努赛尔数、雷诺数、普朗特数的关系的下式1导出，以下式1-1表示。

Nu＝0.023Re^0.8Pr^0.4……式1

式1中，各符号如下所示。

Nu(努赛尔数)＝hd/λ

Re(雷诺数)＝dG/η

Pr(普朗特数)＝C_p η/λ

h：热传递系数(W/(m²·K))、d：管径(m)、λ：热传导率(W/(mK))、G：质量速度(kg/(m²·s))、η：粘度(kg/(m·s))、C_P：定压比热(J/(kg·K))。

h＝0.023(dG/η)^0.8(C_P/λ)^0.4(λ/d)……式1-1

同一管径、同一流速下，平均热传递系数依赖于二次致冷剂的热传导率、比热、粘度和密度。该平均热传递系数越高越能够有效地进行热传递，可实现装置的小型化。

二次致冷剂存在作为对在二次回路内循环所必须的循环泵动力造成影响的因素的压力损失。压力损失Δp以下式2表示。式2中，f为摩擦系数、ρ为密度(kg/m³)、u为速度(m/s)、l为管长(m)、d为管径(m)。

Δp＝4f(ρu²/2)(1/d)……式2

同一吸入、排出压力条件下，配管内的压力损失越小就能够以越小的循环泵动力运转，且有效。式2中的摩擦系数f在湍流区域内，对于光滑管或铜管或铸铁管等接近于光滑管的管件，可用下式3表示。式3中，Re为雷诺数。

f＝0.0791Re^-1/4……式3

因此，压力损失依赖于二次致冷剂的粘度和密度。本发明所用的二次致冷剂由于具有合适的粘度和密度，所以压力损失小，且热传递系数大。

实施例

以下，参照实施例说明本发明。例2～9、例11～14、例16～19及例21～24为实施例，例1、例10、例15及例20为比较例。

[例1～5]

作为氟化醚选择CF₂HCF₂OCH₂CF₃(以下称为HFE-347)，作为醇类选择乙醇。对于表1所示的5种溶液，分别计算相对于HFE-347的压力损失相对比P(-10℃时及-60℃时)。

压力损失相对比P＝Δp^x/Δp⁰

Δp^x：HFE-347和乙醇的混合溶液的压力损失

Δp⁰：HFE-347的压力损失

Δp^x及Δp⁰根据式2算出。结果示于图2。

此外，对于表1所示的5种溶液，分别计算相对于HFE-347的热传递系数相对比H(-10℃时及-60℃时)。

热传递系数相对比H＝h^x/h⁰

h^x：HFE-347和乙醇的混合溶液的热传递系数

h⁰：HFE-347的热传递系数

h^x及h⁰根据式1-1算出。结果示于图3。

密度ρ和粘度η采用文献值及本公司测定的值，定压比热C_P及热传导率λ由物质结构推算推定。假定管径d、长度l及速度u在任一箱体中都是相同的。

表1

	例1	例2	例3	例4	例5
						HFE-347/乙醇的质量比	100/0	95/5	90/10	80/20	70/30

从图2可知，通过混合乙醇压力损失下降。此外，从图3可知，通过混合乙醇热传递系数变大。特别是乙醇的含有比例为5质量％的例2，其热传递系数明显大。

[例6～9]

作为氟化醚选择CF₂HCF₂OCH₂CF₃(以下称为HFE-347)，作为醇类选择2-丙醇。对于表2所示的5种溶液，与例1～5同样地计算相对于HFE-347的压力损失相对比P(-20℃时及-50℃时)。结果示于图4。从图4可知，通过混合2-丙醇压力损失下降。此外，例9的压力损失略有增加，但由于例9的组合物具有较大的热传递系数，所以作为二次致冷剂的综合性能良好。

表2

	例1	例6	例7	例8	例9
						HFE-347/2-丙醇的质量比	100/0	95/5	90/10	80/20	70/30

[例10～14]

作为氟化醚选择C₄F₉OCH₃，作为醇类选择乙醇。对于表3所示的5种溶液，与例1～5同样地计算相对于C₄F₉OCH₃的压力损失相对比P(-10℃时、-40℃时及-60℃时)。结果示于图5。从图5可知，通过混合乙醇压力损失下降。

表3

	例10	例11	例12	例13	例14
						C4F9OCH3/乙醇的质量比	100/0	95/5	90/10	80/20	70/30

[例15～19]

作为氟化醚选择C₄F₉OC₂H₅，作为醇类选择乙醇。对于表4所示的5种溶液，与例1～5同样地计算相对于C₄F₉OC₂H₅的压力损失相对比P(-10℃时、-40℃时及-50℃时)。结果示于图6。从图6可知，通过混合乙醇压力损失下降。此外，与例1～5同样地计算热传递系数相对比H(-10℃时、-40℃时及-50℃时)。结果示于图7。从图7可知，通过混合乙醇热传递系数变大。例19的-10℃情况下，热传递系数没有增加，但由于例19的组合物的压力损失小，所以作为二次致冷剂的综合性能良好。

表4

	例15	例16	例17	例18	例19
						C4F9OC2H5/乙醇的质量比	100/0	95/5	90/10	80/20	70/30

[例20～24]

作为氟化醚选择C₃F₇OCH₃，作为醇类选择乙醇。对于表5所示的5种溶液，与例1～5同样地计算相对于C₃F₇OCH₃的压力损失相对比P(-10℃时及-40℃时)。结果示于图8。从图8可知，通过混合乙醇压力损失下降。此外，与例1～5同样地计算热传递系数相对比H(-10℃时及-40℃时)。结果示于图9。从图9可知，通过混合乙醇热传递系数变大。例22～24的-10℃情况下，热传递系数略减小，但由于例22～24的组合物的压力损失小，所以作为二次致冷剂的综合性能良好。

表5

	例20	例21	例22	例23	例24
						C3F7OCH3/乙醇的质量比	100/0	95/5	90/10	80/20	70/30

产业上利用的可能性

本发明作为具备使用一次致冷剂的一次冷却单元、使用二次致冷剂的二次循环冷却单元及进行一次致冷剂和二次致冷剂的热交换的热交换单元的二次循环冷却系统有用。

这里引用2004年11月22日提出申请的日本专利申请2004-337577号的说明书、权利要求书、附图和摘要的全部内容作为本发明的说明书的揭示。

Claims (5)

1.二次循环冷却系统，它是具备使用一次致冷剂的一次冷却单元、使用二次致冷剂的二次循环冷却单元及进行一次致冷剂和二次致冷剂的热交换的热交换单元的二次循环冷却系统，其特征在于，作为二次致冷剂，使用含有氟化醚和醇类的组合物。

2.如权利要求1所述的二次循环冷却系统，其特征在于，氟化醚为通式C_aF_bH_2a+2-bO_d表示的化合物，式中，a＝3～6的整数，b＝1～14的整数，d为1或2。

3.如权利要求1或2所述的二次循环冷却系统，其特征在于，醇类为碳数1～4的醇。

4.如权利要求1～3中任一项所述的二次循环冷却系统，其特征在于，氟化醚为CF₂HCF₂OCH₂CF₃。

5.如权利要求4所述的二次循环冷却系统，其特征在于，作为二次致冷剂，使用CF₂HCF₂OCH₂CF₃的含有比例为85～99质量％、碳数1～4的醇的含有比例为1～15质量％的组合物。

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