JP2002071230A - 流体の輸送方法及び装置 - Google Patents

流体の輸送方法及び装置

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JP2002071230A
JP2002071230A JP2001176918A JP2001176918A JP2002071230A JP 2002071230 A JP2002071230 A JP 2002071230A JP 2001176918 A JP2001176918 A JP 2001176918A JP 2001176918 A JP2001176918 A JP 2001176918A JP 2002071230 A JP2002071230 A JP 2002071230A
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conduit
refrigerant
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Sivakumar Gopalnarayanan
シバクマル・ゴパルナラヤナン
Scott R Gaboury
スコット・リチャード・ガブーリ
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    • F17D1/08—Pipe-line systems for liquids or viscous products
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＨＦＣ冷媒と混和できない潤滑剤の使用を可
能にし、その性質にかかわらず、潤滑剤のコンプレッサ
ーへの戻りを高める。 【解決手段】 不揮発性液体の表面エネルギーより低い
表面エネルギーを導管の内表面に付与すること。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、不揮発性液体（例
えば、油類又は潤滑剤類）を輸送する導管であって、液
体による表面のディウェッティング(de-wetting)及び表
面上の液体の付着の欠乏が生ずるために液体の高められ
た輸送性を与えるように、その導管の内表面が不揮発性
液体の表面エネルギーよりも低い表面エネルギーを有し
ているものに関する。本発明は、蒸気、気体、液体又は
２相蒸気／液体混合物が不揮発性液体を輸送しなければ
ならない内部チューブ、パイプ又は導管表面への適用可
能性を有している。そのような１つの例は、パイプライ
ンを介した気体／油混合物の輸送である。別の例は、導
管が熱交換器の形態である場合、特に熱交換器が冷凍シ
ステムの一部である場合である。かくして、コンプレッ
サー、エバポレータ熱交換器、コンデンサ熱交換器並び
に液体及び蒸気配管を有する冷凍システムにおいて、不
揮発性液体が潤滑剤である場合及び冷媒をもシステムを
介して輸送する場合に、潤滑剤の表面エネルギーよりも
低い表面エネルギーをエバポレータ熱交換器の内表面に
少なくとも付与することにより、潤滑剤の輸送性を高め
ることができる。そのようなシステムにおける本発明の
使用は、潤滑剤の輸送性を高めるだけでなく（かくして
潤滑剤のコンプレッサーへの戻りを高めて、熱交換器中
の油の滞留を減ずる）、冷凍能力及び動作係数（「ＣＯ
Ｐ」）の点からシステムの効率を改善することができ、
かくしてある一定の冷房負荷に対してより小さいエバポ
レータの使用を可能にする。ここで用いられているよう
に、「冷凍システム」は、空調システムを含む。
【０００２】
【従来の技術】現行の冷凍システムにおいて、コンプレ
ッサーからの少量の潤滑剤がキャリーオーバーされて、
システムの残りの部分を通って循環する。この潤滑剤の
幾らかの量が、熱交換器中に大抵は滞留して、伝熱を妨
げる薄膜を形成する。かくして、潤滑剤の過度の滞留
は、システム効率に悪影響を与える。潤滑剤の滞留並び
に熱交換器及び接続配管中の潤滑剤の分離を最小にする
ため、潤滑剤は冷媒と十分に混和できるものでなければ
ならなかった。更に、従来の鉱物油（ＭＯ）又はアルキ
ルベンゼン（ＡＢ）潤滑剤は、ヒドロフルオロカーボン
（ＨＦＣ）と混和することができないので、１，１，
１，２−テトラフルオルエタン（１３４ａ）のようなＨ
ＦＣ冷媒は、混和可能なポリオールエステル（ＰＯＥ）
潤滑剤の使用を要求する。ＰＯＥ潤滑剤は、ＭＯ又はＡ
Ｂ潤滑剤より高価であることに加えて、本質的に吸湿性
のものであるので、ＰＯＥ潤滑剤はまた、ずっとより清
浄なコンプレッサー装置を要求する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】かくして、ＨＦＣ冷媒
と混和できない潤滑剤の使用を可能にし、その性質にか
かわらず、潤滑剤のコンプレッサーへの戻りを高める方
法を見出せば有用なものとなるであろう。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、（例えば熱交
換器の形態においての）導管中の不揮発性液体の輸送性
を高める方法であって、不揮発性液体の表面エネルギー
より低い表面エネルギーを導管の内表面に付与すること
を含む方法を提供する。好ましい具体例は、コンプレッ
サー、エバポレータ熱交換器、コンデンサー熱交換器並
びに液体及び蒸気配管を有し、潤滑剤及び冷媒がシステ
ムを介して輸送される冷凍システム中の潤滑剤の輸送性
を高める方法であって、潤滑剤の表面エネルギーよりも
低い表面エネルギーをエバポレータ熱交換器の内表面に
付与することを含む方法である。必須ではないが、コン
デンサー熱交換器並びに液体及び蒸気配管の内表面に
も、潤滑剤の表面エネルギーより低い表面エネルギーを
付与することができる。１つの具体例において、システ
ムの熱交換器の内表面及び随意に他のシステムの構成部
分は、冷媒の表面エネルギーよりも高い表面エネルギー
を有し、冷媒による表面の濡れを可能にし、冷媒流れが
潤滑剤を熱交換器の表面に沿って押すことをより容易に
できるであろう。しかしながら、別の実施例において
は、コンデンサー熱交換器に冷媒の表面エネルギーより
も低い表面エネルギーを付与し、滴状凝縮を促進して、
かくして伝熱を高めることができる。
【０００５】冷凍システムにおいて、不揮発性液体は、
従来用いられた潤滑剤（例えばＭＯ、ＡＢ、ＰＯＥ、ポ
リアルキルグリコール及びポリビニルエーテル）並びに
システムの効率を高めるために用いられる添加剤（例え
ば、テトラグリム）を含む。冷媒は、フルオロカーボ
ン、アンモニア、二酸化炭素及び炭化水素を含む。典型
的な冷媒は、１３４ａである。
【０００６】
【発明の実施の形態】発明の具体的な説明 不揮発性液体の表面エネルギーよりも低い表面エネルギ
ーを導管の内表面に付与することにより、導管中の不揮
発液体の輸送性を改善することができるということを今
や見出した。
【０００７】固体の表面エネルギーを変えるいくつかの
公知の方法のいずれかにより、所望の表面エネルギーを
達成することができる。例は、化学的な表面改変（例え
ば、金属表面の直接的フッ素化）又は薄い有機コーティ
ング若しくは添加剤を含有する複合物コーティングであ
る。複合物コーティングの例は、ポリテトラフルオルエ
チレン粒子含有Ｎｉ−フロール（Ｎｉ−ｆｌｏｒ）（ニ
ッケル−リンマトリックス（Ａｔｏｔｅｃｈ社から入手
可能））である。有機コーティングは、ポリエチレン、
ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチ
ル、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン６、ポリジ
メチルシロキサン、ビスフェノール−Ａのポリカーボネ
ート、ポリアクリル酸ヘプタフルオルイソプロピル、ポ
リテトラフルオルエチレン、ポリフッ化ビニル、ポリク
ロルトリフルオルエチレン及びポリフッ化ビニリデンの
ようなポリマーを含み、後者のポリマーは、表面が一般
に銅、アルミニウム又は鋼鉄である場合の冷媒用途につ
いて特に有用であることが見出されている。ここで用い
られているポリフッ化ビニリデン（「ＰＶＤＦ」）は、
フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）のホモポリマーだけでな
く、少なくとも約８５重量％のＶＤＦモノマー及び最大
約１５重量％のヘキサフルオルプロピレン（ＨＦＰ）か
ら調製されるコポリマーも指す。そのようなポリマーの
例は、Ｋｙｎａｒ（登録商標）７４１（ポリフッ化ビニ
リデン）、Ｋｙｎａｒ Ｆｌｅｘ（登録商標）２８０１
（約１０％のＨＦＰを含有するＶＤＦ／ＨＦＰコポリマ
ー）及びＫｙｎａｒ Ｆｌｅｘ ２７５１（約１４％Ｈ
ＦＰを含有するＶＤＦ／ＨＦＰコポリマー）を含み、こ
れらは、Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ州のＰｈｉｌａｄｅ
ｌｐｈｉａのＥｌｆ Ａｔｏｃｈｅｍ Ｎｏｒｔｈ Ａ
ｍｅｒｉｃａ社から商業的に入手可能である。モノマー
ブレンド中にＨＦＰが存在することは、コーティングの
溶液流延を容易にし、ポリマーの可撓性及び弾力性に寄
与して、それにより温度の周期変動中に内表面が伸長又
は収縮するにつれてコーティングが内表面に付着するこ
とを可能にするので、或る量のＨＦＰ（最大約１５重量
％）は、ＰＶＤＦ中で有用である。ＨＦＰはまた、ＶＤ
Ｆよりも低い表面エネルギー（約１６ｄｙｎ／ｃｍ（約
１．６×１０-2Ｎ／ｍ））を有するので、ポリマーの表
面エネルギーを注文に応じて作るためにＨＦＰを用いる
こともできる。他方、冷媒と潤滑剤との接触による塊り
の増大を最小限にするために、１５％よりも高い濃度の
ＨＦＰを避けることが好ましい。
【０００８】有機ポリマーの上記のタイプについての表
面エネルギーを、ＰｏｌｙｍｅｒＨａｎｄｂｏｏｋ（第
３版、Ｗｉｌｅｙ、１９８９）における一般ポリマーに
ついての表面エネルギーの表に見出すことができる。例
えば、好ましいポリビニリデンポリマーは、２０℃で２
５〜３２ｄｙｎ／ｃｍ（２．５×１０-2〜３．２×１０
-2Ｎ／ｍ）の範囲の表面エネルギーを有するのが典型的
である一方、１３４ａのような冷媒は、約８０℃〜−５
０℃の温度範囲にわたって約１．５〜１９ｄｙｎ／ｃｍ
（約０．１５×１０-2〜１．９×１０-2Ｎ／ｍ）の表面
エネルギーを有しており、冷凍の用途に用いられる典型
的なＭＯは、室温で約４７ｄｙｎ／ｃｍ（約４．７×１
０-2Ｎ／ｍ）の表面エネルギーを有し、そしてＡＢ油
は、室温で３５〜４５ｄｙｎ／ｃｍ（３．５×１０-2〜
４．５×１０-2Ｎ／ｍ）の範囲の典型的な表面エネルギ
ーを有する。従って、冷凍システムにおけるＰＶＤＦコ
ーティングの使用は、潤滑剤による内表面の濡れを抑え
るが、冷媒による濡れを許容する。Ｎｉ−フロール複合
物についてなされた試験は、その複合物はまた所望の範
囲（約１５〜３０ｄｙｎ／ｃｍ（約１．５×１０-2〜
３．０×１０-2Ｎ／ｍ））の表面エネルギーを有するこ
とを示す。
【０００９】システムの熱効率（熱伝達）の変化を最少
にして、付着を改善するために、比較的薄いコーティン
グ（望ましくは約２ミクロン以下）が好まれる。金属表
面にコーティングを適用する方法は、周知であり、例え
ば噴霧、浸漬又はカーテンコーティングがある。
【００１０】本発明の実施を、より詳細に以下の非限定
的な例で説明する。
【００１１】例１：本例は、外径０．２５インチ（０．
６６ｃｍ）、長さ６０インチ（１．５ｍ）、内径０．１
６７インチ（０．４２ｃｍ）（アルミニウムコイル）又
は０．１６３インチ（０．４１ｃｍ）（銅コイル）のい
ずれかを有する銅又はアルミニウムチューブのいずれか
で作られた被覆された及び非被覆の熱交換器コイルを用
いた。アセトン中のＫｙｎａｒ Ｆｌｅｘ ２８０１の
５％固体溶液を適用することにより、被覆されたコイル
を開発した。被覆されたコイルを、約３０分間１６５℃
でオーブンで焼付けた。各コイルに潤滑剤１０ｇ（１５
０ＳＵＳ（セーボルトユニバーサル秒）の粘度を有する
ＭＯ）を装入して、６０Ｆ（１６℃）に維持した定温槽
に置いた。約１５ｇ／分の液体１３４ａの定常流を、コ
イルに通して維持した。コイル中に残存する油の量を、
６分間のフラッシング後に測定した。結果は以下の通り
であった： （Ａ）アルミニウムチューブ：フラッシング後、ほんの
７％の油しか被覆されたチューブに残存しなかったが、
一方約４０％の油が非被覆のチューブに残存した。 （Ｂ）銅チューブ：フラッシング後、ほんの２０％の油
しか被覆されたチューブに残存しなかったが、一方約４
０％の油が非被覆のチューブに残存した。
【００１２】例２：本例は、被覆された熱交換器と非被
覆の熱交換器との両方を有する冷凍ループを用いて行わ
れた。本冷凍システム用のエバポレータ熱交換器は、断
熱室の内側に置かれており、一方コンデンサー熱交換器
及びコンプレッサーが断熱室の外側のエバポレータ上方
に置かれた。２つの追加的な熱交換器（エバポレータ用
のものとコンデンサ用のものであり、元の熱交換器と同
一のものである。）を用い、Ｎ−メチル−２−ピロリド
ン（ＮＭＰ）中の１重量％溶液を用いるＫｙｎａｒＦｌ
ｅｘ ２８０１の薄いコーティングをそれらの熱交換器
の内表面に施した。この構造により、潤滑剤が重力に抗
して流れてコンプレッサーに戻るようにして、混和性の
潤滑剤と不混和性の潤滑剤との間の油の戻りの差が大き
くなるようにした。膨張装置は、毛細管とニードル弁と
の直列の組合せであり、これによりエバポレータにおけ
る広範囲な圧力制御を行うことができる。２つのヒータ
ーバンド（１つは約９００ワット容量の固定ヒーター、
もう１つは可変抵抗器で制御され、０〜９００ワットに
わたるもの）を冷凍室内部に置いた。エバポレータの入
口及び出口、コンプレッサーの吸引及び排出の冷媒側の
温度及び圧力、冷凍室内の空気温度、コンプレッサーの
電力消費及びヒーターの電力消費を測定して記録した。
【００１３】２つの異なった条件について試験を行っ
た。まず第１に、空気調和の適用例を表すと、冷凍室の
空気温度を４５Ｆ（７℃）に維持し、かつエバポレータ
出口の冷媒の過熱状態を１０Ｆ（−１２℃）に維持し
た。次に、冷凍の適用例を表すと、冷凍室の空気温度を
１２Ｆ（−１１℃）に維持し、かつエバポレータ出口の
冷媒の過熱状態を８Ｆ（−１３℃）に維持した。第２の
試験条件については、約１０〜１２時間の運転の後に、
一度システムから氷や霜を取り除いた。全ての試験につ
いて、周囲温度を８５Ｆ（２９℃）に維持した。低温試
験については、冷凍室の相対湿度を１５〜２５％に維持
した。両方の試験条件について、２種類の異なった時間
の間（約２５時間及び約５０時間）、システムを運転し
た。各々の試験の終わりに、熱交換器を分離して、コン
デンサー及びエバポレータ内部の冷媒の量及び潤滑剤の
量を測定した。
【００１４】冷媒は、１３４ａであった。
【００１５】油滞留の結果−エバポレータ及びコンデン
サーに残留している油：エバポレータの結果は、被覆さ
れた熱交換器が被覆されない熱交換器よりもかなり少な
い潤滑剤（鉱物油）を−１１℃又は７℃のいずれかで保
持している例１の結果を裏付けている。（−１１℃及び
７℃における被覆されたエバポレータにおいて保持され
た鉱物油の量は、被覆されていないエバポレータに保持
された鉱物油の量よりも各々約８０％及び５０％少なか
った。）しかしながら、予期した通りコンデンサー中の
高温のために（凝縮温度は、約３２℃であった。）、保
持された潤滑剤（鉱物油）の量において劇的な差を示さ
ず、保持される量は全ての場合において少なかった。こ
れらの結果は、エバポレータを被覆することにより、大
きな効率上の利益を得るが、コンデンサーを被覆するこ
とによっては、ほんの僅かの利益しか得ないという結論
を裏付けている。
【００１６】システムの効率：−１１℃で、被覆された
熱交換器及び１３４ａ／ＭＯの組合せを有するシステム
の効率は、エバポレータ容量とＣＯＰの両方の観点から
１３４ａ／ＭＯを用いた被覆されていない熱交換器並び
に１３４ａ及び混和性のＰＯＥ潤滑剤を用いた被覆され
ていない熱交換器を有する従来のシステムとの両方より
もかなり良好であった（前者の熱交換器よりも約１５〜
２５％の改善及び後者のシステムよりも少なくとも約５
％の改善が見られた。）。
【００１７】７℃でも、被覆された熱交換器及び１３４
ａ／ＭＯの組合せを有するシステムの効率は、エバポレ
ータ容量の観点から１３４ａ／ＭＯを用いた被覆されて
いない熱交換器よりもかなり良好であり（約５％の改善
が見られた。）、並びに１３４ａ及び混和性のＰＯＥ潤
滑剤を用いる被覆されていない熱交換器を有する従来の
システムよりも若干良好か又は少なくとも同等である。
【００１８】７℃で、被覆された熱交換器及び１３４ａ
／ＭＯの組合せを有するシステムの効率は、ＣＯＰの観
点から１３４ａ及び混和性ＰＯＥ潤滑剤を用いた被覆さ
れていない熱交換器を有する従来のシステムよりもかな
り良好であり（約５％の改善が見られた。）、並びに１
３４ａ／ＭＯを用いる被覆されていない熱交換器の効率
とほぼ同等である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｃ１０Ｎ 40:02 Ｃ１０Ｎ 40:02 50:10 50:10 (72)発明者 スコット・リチャード・ガブーリ アメリカ合衆国ペンシルベニア州ブルー・ ベル、ハンター・ドライブ1201 Ｆターム(参考） 3H111 AA01 BA01 BA15 CB08 DA26 DB09 4H104 CD01A PA01 QA12

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 導管中の不揮発性液体の輸送性を高める
    方法であって、前記導管の内表面に、前記不揮発性液体
    の表面エネルギーよりも低い表面エネルギーを付与する
    ことを含む方法。
  2. 【請求項２】 前記導管が、熱交換器の形態である請求
    項１の方法。
  3. 【請求項３】 冷凍システムにおける潤滑剤の輸送性を
    高める方法であって、前記冷凍システムがコンプレッサ
    ー、エバポレータ熱交換器、コンデンサー熱交換器並び
    に液体及び蒸気配管を有し、かつ前記潤滑剤及び冷媒を
    前記システムを介して輸送して、前記方法が前記潤滑剤
    の表面エネルギーよりも低い表面エネルギーを前記エバ
    ポレータ熱交換器の内表面に付与することを含む方法。
  4. 【請求項４】 前記コンデンサー熱交換器並びに前記液
    体及び蒸気配管の前記内表面にも、前記潤滑剤の表面エ
    ネルギーよりも低い表面エネルギーを付与する請求項３
    の方法。
  5. 【請求項５】 前記エバポレータ熱交換器の前記内表面
    に、前記潤滑剤の表面エネルギーよりも低いが、前記冷
    媒の表面エネルギーよりも高い表面エネルギーを付与す
    る請求項３の方法。
  6. 【請求項６】 前記コンデンサー熱交換器の前記内表面
    に、前記潤滑剤及び前記冷媒の表面エネルギーよりも低
    い表面エネルギーを付与する請求項５の方法。
  7. 【請求項７】 前記エバポレータ熱交換器の前記内表面
    を、前記潤滑剤の表面エネルギーよりも低い表面エネル
    ギーを有する有機コーティングで被覆する請求項３の方
    法。
  8. 【請求項８】 前記コーティングが、ポリフッ化ビニリ
    デンである請求項７の方法。
  9. 【請求項９】 不揮発性液体を輸送する導管であって、
    前記導管の内表面が、前記不揮発性液体の表面エネルギ
    ーよりも低い表面エネルギーを有する導管。
  10. 【請求項１０】 前記導管が、熱交換器の形態である請
    求項９の導管。
  11. 【請求項１１】 コンプレッサー、エバポレータ熱交換
    器、コンデンサー熱交換器並びに液体及び蒸気配管を有
    する冷凍システムであって、潤滑剤及び冷媒が前記シス
    テムを介して輸送され、前記エバポレータ熱交換器の内
    表面が前記潤滑剤の表面エネルギーよりも低い表面エネ
    ルギーを有する冷凍システム。
  12. 【請求項１２】 前記コンデンサー熱交換器の前記内表
    面はまた、前記潤滑剤の表面エネルギーよりも低い表面
    エネルギーを有する請求項１１の冷凍システム。
  13. 【請求項１３】 前記エバポレータ熱交換器の前記内表
    面は、前記潤滑剤の表面エネルギーよりも低いが、前記
    冷媒の表面エネルギーよりも高い表面エネルギーを有す
    る請求項１１の冷凍システム。
  14. 【請求項１４】 前記コンデンサー熱交換器の前記内表
    面は、前記潤滑剤及び前記冷媒の表面エネルギーよりも
    低い表面エネルギーを有する請求項１３の冷凍システ
    ム。
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