JP2007162986A - 二次循環冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】二次冷媒として環境への影響が小さく不燃性であり、特に低温における圧力損失が小さく、熱伝達係数の大きな組成物を用いた二次循環冷却システムの提供。
【解決手段】一次冷媒を用いる一次冷却手段１、二次冷媒を用いる二次循環冷却手段１３、および一次冷媒と二次冷媒との熱交換を行う熱交換手段６を備える二次循環冷却システムであって、二次冷媒として、Ｃ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５、Ｃ_６Ｆ_１３ＨおよびＣ_６Ｆ_１３Ｃ_２Ｈ_５等のＣ_ｎＦ_２ｎ＋１−Ｃ_ｍＨ_２ｍ＋１で表される化合物（ただし、ｎは２〜８の整数であり、ｍは０〜４の整数である。）の一種以上を用いることを特徴とする二次循環冷却システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次循環冷却システムに関する。

一般的な冷却装置は、冷凍サイクル内を循環する冷媒により間接的に対象物を冷却するシステムで構成されている。従来、上記冷媒としてはクロロジフルオロメタン等のハロゲン誘導体が一般に使用されているが、これらの多くは構造中に塩素原子を含む化合物であり、オゾン層破壊に関係があるとされ、段階的に廃止されている。

さらに、上記冷媒としてアンモニアや炭化水素類、二酸化炭素等を用いることが検討されているが、これらは毒性、引火性、腐食性等の安全性の問題や運転圧力が高くなる、エネルギー効率が劣る等の理由より商業的な利用が困難である。これらの問題点を改善する目的から、一次冷却手段と二次循環冷却手段とを備える二次循環冷却システムが使用されている。これは、一次冷却手段においては、アンモニアや炭化水素類等を熱伝達媒体（一次冷媒）として用い、二次循環冷却手段においては、環境への影響が小さく、より安全性の高い熱伝達媒体（二次冷媒）を用い、熱交換器により一次冷媒と二次冷媒とを非接触で熱エネルギー交換するシステムである。

二次冷媒としては、伝熱特性、流動性、防食性、安定性および安全性等に優れることが要求される。従来から使用されている二次冷媒としては、塩化カルシウム、塩化ナトリウム等の水溶液や、エチレングリコール、プロピレングリコール等のグリコール類、アルコール類、ポリジメチルシロキサン、炭化水素類やクロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）類やハイドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）類、ＰＦＣ類が挙げられる。

しかし、ＣＦＣ類やＨＣＦＣ類は、環境残留性やオゾン層の破壊に関係があるとされるため、段階的に廃止されつつある。ＰＦＣ類は地球温暖化係数が高く、排出を抑制する必要がある。一方、塩化カルシウムや塩化ナトリウムの水溶液やグリコール類、アルコール類等は腐食性がある、安全性が十分ではない、大きな輸送動力が必要とされる等、何れもいくつかの問題点を有している。
一方、特許文献１には、ＨＦＣ類の一種である１−ヒドロ−ｎ−ペルフルオロヘキサンが、伝熱剤として、特に冷却剤および絶縁材料として適当であると記載されているが、二次冷媒としての使用可能性を示唆するものではない。

特開平６−２８７５５０号公報（段落番号０００４〜０００６）

本発明は、不燃性で環境への影響が小さく、低温から高温まで使用できる熱伝達媒体であって、圧力損失が小さく熱伝達係数の大きな媒体を２次冷媒として用いた二次循環冷却システムの提供を目的とする。

本発明は、一次冷媒を用いる一次冷却手段、二次冷媒を用いる二次循環冷却手段、および一次冷媒と二次冷媒との熱交換を行う熱交換手段を備える二次循環冷却システムであって、二次冷媒として、下記式１で表される化合物の一種以上を用いることを特徴とする二次循環冷却システム（ただし、式１においてｎは２〜８の整数であり、ｍは０〜４の整数である。）を提供する。
Ｃ_ｎＦ_２ｎ＋１−Ｃ_ｍＨ_２ｍ＋１ ・・・式１

本発明において二次冷媒として用いる組成物は循環される際の圧力損失が小さいことから、二次循環冷却システムを作動させる場合に、循環ポンプ動力を低減することが可能となり、消費電力の低減、効率化が図られる。また、本発明において二次冷媒として用いる組成物は熱伝達係数が大きいことから、伝熱面積の低減、さらには機器の小型化が可能となる。

本明細書中において、「一次冷却工程」という用語は、二次循環冷却工程と安定的に熱エネルギー交換する熱源を維持する工程をいう。
「一次冷媒」という用語は、一次冷却工程中で使用される熱伝達媒体を指す。
「二次循環冷却工程」という用語は、一次冷却工程から熱エネルギーを伝達するために、一次冷却工程とは別の熱伝達媒体が循環する工程を指す。
「二次冷媒」という用語は、二次循環冷却工程中の熱伝達媒体を指す。

本発明の二次循環冷却システムでは、一次冷却手段において、二次冷媒を冷却するために用いる一次冷媒を冷却する。次いで、熱交換手段において一次冷媒と二次冷媒との熱交換を行い、冷却された二次冷媒は二次循環冷却手段へ送り、熱エネルギーを受け取った一次冷媒は一次冷却手段に戻す。二次循環冷却手段では、低温の二次冷媒をポンプ等で冷却器に強制的に循環させることにより、被冷却物を間接的に冷却する。

本発明における二次冷媒としては、前記式１で表される化合物の一種以上が用いられる。この化合物は環境に与える影響は小さいが、循環される際の圧力損失が小さく、熱伝達係数が高いことから熱伝達媒体として好適である。式１で表される化合物の構造は直鎖または分岐状のどちらであってもよいが、直鎖である化合物がより好ましい。式１で表される化合物としては、Ｃ_２Ｆ_５Ｈ、Ｃ_３Ｆ_７Ｈ等が挙げられるが、特には、ｎが４〜６の整数であり、ｍが０または２である化合物が好ましく、具体的には、Ｃ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５、Ｃ_６Ｆ_１３ＨおよびＣ_６Ｆ_１３Ｃ_２Ｈ_５が好ましい。

本発明における熱伝達媒体としては、その特性を十分に発現するという観点から、熱伝達媒体における上記化合物の含有割合が６０質量％以上、特には８０質量％以上、さらには９５質量％以上であるものを用いるのが好ましい。

また、本発明における二次冷媒としては、式１で表される化合物と、炭素数１〜４のアルコールとを含有する組成物を用いることが好ましい。この組成物は、熱伝達特性および圧力損失の点で優れる。
炭素数１〜４のアルコールとしては、特には、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノールおよびｎ−ブタノールが好ましい。

また、上記組成物において、式１で表される化合物の含有割合は９０〜９９質量％であり、炭素数１〜４のアルコールの含有割合は１〜１０質量％であるのが好ましい。各々の含有割合が上記範囲である場合は、熱伝達特性および圧力損失の点で優れた性能を示すとともに、不燃性となるため取り扱いが容易である。

本発明における二次冷媒は、さらに、従来、熱伝達媒体として用いられている化合物の１つ以上を含有していてもよい。このような熱伝達媒体としては、塩化メチレン、トリクロロエチレン等のクロロカーボン類、１，１−ジクロロ−２，２，２−トリフルオロエタン、１，１−ジクロロ−１−フルオロエタン、３，３−ジクロロ−１，１，１，２，２−ペンタフルオロプロパン、３，３−ジクロロ−１，１，２，２，３−ペンタフルオロプロパン等のＨＣＦＣ類が挙げられる。

また、本発明における二次冷媒は、ジフルオロメタン、１，１，１，２−テトラフルオロエタン、１，１，１−トリフルオロエタン、１，１−ジフルオロエタン、１，１，１，２，３，３，３−ヘプタフルオロプロパン、１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロプロパン、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン、１，１，２，２，３−ペンタフルオロプロパン、１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタン、１，１，１，２，２，３，４，５，５，５−デカフルオロペンタン、１，１，２，２，３，３，４−ヘプタフルオロシクロペンタン等のＨＦＣ類や、１，１，２，２−テトラフルオロエチル−２，２，２−トリフルオロエチルエーテルや、パーフルオロプロピルメチルエーテル（Ｃ_３Ｆ_７ＯＣＨ_３）、パーフルオロブチルメチルエーテル（Ｃ_４Ｆ_９ＯＣＨ_３）およびパーフルオロブチルエチルエーテル（Ｃ_４Ｆ_９ＯＣ_２Ｈ_５）等が例示される。

これらの、さらに含有してもよい化合物は、本発明の効果を著しく低下させない範囲であれば使用できる。上記化合物の好ましい含有割合は化合物により異なるが、通常３０質量％以下、好ましくは２０質量％以下の範囲とする。

本発明の熱伝達媒体は、熱や酸化物に対する安定性は高いが、特に耐酸化性向上剤および耐熱性向上剤、金属不活性剤等の安定剤を含むことにより熱や酸化物に対する安定性が顕著に高くなる。

耐酸化性向上剤および耐熱性向上剤としては、例えばＮ，Ｎ’−ジフェニルフェニレンジアミン、ｐ−オクチルジフェニルアミン、ｐ，ｐ’−ジオクチルジフェニルアミン、Ｎ−フェニル−１−ナフチルアミン、Ｎ−フェニル−２−ナフチルアミン、Ｎ−（ｐ−ドデシル）フェニル−２−ナフチルアミン、ジ−１−ナフチルアミン、ジ−２−ナフチルアミン、Ｎ−アルキルフェノチアジン、６−（ｔ−ブチル）フェノール、２，６−ジ−（ｔ−ブチル）フェノール、４−メチル−２，６−ジ−（ｔ−ブチル）フェノール、４，４’−メチレンビス（２，６−ジ−ｔ−ブチルフェノール）およびそれらの２種類以上の組合せ等が挙げられる。

金属不活性剤としては、イミダゾール、ベンズイミダゾール、２−メルカプトベンズチアゾール、２，５−ジメチルカプトチアジアゾール、サリシリジン−プロピレンジアミン、ピラゾール、ベンゾトリアゾール、トルトリアゾール、２−メチルベンズアミダゾール、３，５−イメチルピラゾールおよびメチレンビス−ベンゾトリアゾール等が挙げられる。さらに、有機酸またはそれらのエステル、第１、第２または第３級の脂肪族アミン、有機酸または無機酸のアミン塩、複素環式窒素含有化合物、アルキル酸ホスフェートのアミン塩またはそれらの誘導体等が挙げられる。
上記安定剤の含有割合は、通常、熱伝達媒体用組成物中において５質量％以下であり、１質量％以下であるのが好ましい。

本発明における一次冷却手段は、冷凍サイクルによる冷却工程に限らず、温度を安定的に熱エネルギー交換する熱源を提供できる工程を有していればよく、本発明における一次冷媒は、それ自身が他の一次冷媒を用いて冷却された二次冷媒であってもよい。したがって、本発明で使用される一次冷媒としては、主に冷凍サイクル等に利用できる一般的な冷媒や二次冷却されたブラインが使用できる。具体的には、ギ酸、塩化カルシウムの水溶液、塩化ナトリウムの水溶液、アルコール、グリコール、アンモニア、炭化水素、エーテル、フルオロカーボン等が挙げられる。

二次循環冷却システムによって、陳列している商品を冷却する典型的な例を図１に示す。一次冷却手段１では、一次冷却手段を循環する一次冷媒がコンプレッサー３で圧縮され、凝縮器４にて熱を放出し、液化冷却される。この一次冷媒が膨張弁５を通過し、一次／二次熱交換器６にて、二次冷媒から熱を間接的に受け取る。その後、一次冷媒は蒸発器により適度に冷却され再度コンプレッサー３へ戻る。

一次／二次熱交換器６にて、一次冷媒により間接的に冷却された二次冷媒は、二次循環冷却用循環ポンプ７によって二次冷媒循環配管１１を通じて陳列ケース１２内にある各冷却板８へ送られる。冷却板８は陳列ケース１２内の雰囲気や商品９を冷却し、その際、二次冷媒は熱を吸収する。その後、二次冷媒は、二次循環冷却戻り配管１０によって一次／二次熱交換器６に戻り、再び冷却される。二次冷媒は二次循環冷却用循環ポンプ７によって循環する。このように、二次循環冷却システムにおいては、二次冷媒が二次ループ内を循環ポンプにて移動しながら熱移動を行うことになる。

熱交換を効率的に行うためには、熱伝達係数が大きいことが好ましい。円管内の平均熱伝達係数は、乱流域においては、ヌッセルト数、レイノルズ数、プラントル数の関係を示す下式２から導くことにより、下記式２−１であらわすことができる。

Ｎｕ＝０．０２３Ｒｅ^０．８Ｐｒ^０．４ ・・・ 式２

式２において、各符号は下記のとおりである。
Ｎｕ（ヌッセルト数）＝ｈｄ／λ、
Ｒｅ（レイノルズ数）＝ｄＧ／η、
Ｐｒ（プラントル数）＝Ｃ_ｐη／λ。

ｈ：熱伝達係数（Ｗ／（ｍ^２・Ｋ））、ｄ：管径（ｍ）、λ：熱伝導率（Ｗ／（ｍＫ））、Ｇ：質量速度（ｋｇ／（ｍ^２・ｓ））、η：粘度（ｋｇ／（ｍ・ｓ））、Ｃ_ｐ：定圧比熱（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））。

ｈ＝０．０２３（ｄＧ／η）^０．８（Ｃ_ｐ／λ）^０．４（λ／ｄ） ・・・ 式２−１
同一管径、同一流速においては、平均熱伝達係数は、二次冷媒の熱伝導率、比熱、粘度、密度に依存する。この平均熱伝達係数は高い程、効率的に熱伝達を行うことが可能となり、機器の小型化が可能となる。

二次冷媒は二次ループ内を循環するために必要とされる循環ポンプ動力に影響を与える因子として圧力損失がある。圧力損失△ρは下記式３で表される。式３において、ｆは摩擦係数、ρは密度（ｋｇ／ｍ^３）、ｕは速度（ｍ／ｓ）、ｌは管の長さ（ｍ）、ｄは管径（ｍ）である。
△ｐ＝４ｆ（ρｕ^２／２）（ｌ／ｄ） ・・・ 式３。

同一の吸入、吐出圧力条件においては、配管内の圧力損失が小さい方が小さい循環ポンプ動力で仕事をすることができ、効率的である。式３中の摩擦係数ｆは、乱流域においては、平滑管や銅管や鋳鉄管等平滑管に近いものに対しては下記式４で表すことができる。式４において、Ｒｅはレイノルズ数である。
ｆ＝０．０７９１Ｒｅ^−１／４ ・・・ 式４
従って、圧力損失は二次冷媒の粘度と密度に依存する。本発明において用いられる二次冷媒は、適度な粘度と密度を有することから圧力損失が小さく、かつ、熱伝達係数が大きい。

＜例１〜３、例４〜６（比較例）＞
１）標準沸点と凝固点
本発明の実施例であるｎ−Ｃ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５（例１）、ｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｈ（例２）およびｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｃ_２Ｈ_５（例３）の基礎特性を、比較例であるＣ_６Ｆ_１４（例４）、Ｃ_８Ｆ_１８（例５）および水（例６）と対比して表１に示す。表１より、本発明において用いる媒体は凝固点が極めて低く、二次冷媒として使用できる作動温度範囲が広範囲にわたることが理解できる。特にｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｃ_２Ｈ_５（例３）は、例５および例６と比較し、作動可能温度が広範囲であることがわかる。また、例１〜３の化合物は何れも水素を含有するため、大気中での寿命がより短命であり、地球温暖化への影響を大幅に低減できる。
なお、例４は完全にフッ素化された化合物であり、極めて大きな地球温暖化係数を有しており、地球温暖化の観点から京都議定書にて排出を抑制すべき化合物として規定されているものである。

２）圧力損失と熱伝達係数の算出
ｎ−Ｃ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５、ｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｈ、ｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｃ_２Ｈ_５およびＣ_８Ｆ_１８について、Ｃ_６Ｆ_１４に対する圧力損失相対比Ｐ（−８０／−７０〜１５０℃の範囲）を各々算出した。

圧力損失相対比Ｐ＝△ｐ^ｘ／△ｐ^０
△ｐ^ｘ：Ｃ_６Ｆ_１４の圧力損失
△ｐ^０：ｎ−Ｃ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５、ｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｈ、ｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｃ_２Ｈ_５またはＣ_８Ｆ_１８の圧力損失
△ｐ^ｘおよび△ｐ^０は式３にもとづいて算出した。結果を図２に示す。

また、ｎ−Ｃ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５、ｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｈ、ｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｃ_２Ｈ_５およびＣ_８Ｆ_１８について、Ｃ_６Ｆ_１４に対する熱伝達係数相対比Ｈ（−８０〜１５０℃の範囲）を各々算出した。
熱伝達係数相対比 Ｈ＝ｈ^ｘ／ｈ^０
ｈ^ｘ：Ｃ_６Ｆ_１４の熱伝達係数
ｈ^０：ｎ−Ｃ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５、ｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｈ、ｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｃ_２Ｈ_５またはＣ_８Ｆ_１８の熱伝達係数
ｈ^ｘおよびｈ^０は、式２−１にもとづいて算出した。結果を図３に示す。

なお、密度ρおよび粘度ηは文献値および自社で測定した値を用い、定圧比熱Ｃ_ｐおよび熱伝導率λは物質構造から推算して仮定した。管径ｄ、長さｌおよび速度ｕについてはどのケースにおいても同一と仮定した。

図２において、ｎ−Ｃ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５は、比較例であるＣ_８Ｆ_１８およびＣ_６Ｆ_１４よりも図に示した全ての温度領域で圧力損失が小さく、一方、ｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｈおよびｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｃ_２Ｈ_５は、Ｃ_６Ｆ_１４とほぼ同等の圧力損失であるが、Ｃ_８Ｆ_１８よりも大幅に圧力損失が低下していることがかわる。

一方、図３において、ｎ−Ｃ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５、ｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｈおよびｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｃ_２Ｈ_５は、比較例であるＣ_８Ｆ_１８およびＣ_６Ｆ_１４と対比すると、ｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｃ_２Ｈ_５ −５０℃前後の温度域を除き、熱伝達係数が大幅に増加していることがわかる。特にＣ_８Ｆ_１８との比較においてはその増加の割合が顕著である。
これらの結果より、ｎ−Ｃ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５、ｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｈおよびｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｃ_２Ｈ_５の二次冷媒としての総合的な性能は優れたものであるといえる。

［例１−１〜例１−３］
表２に示すｎ−Ｃ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５とエタノールとの混合物の圧力損失と伝熱係数を、Ｃ_６Ｆ_１４との相対比、またはＣ_８Ｆ_１８との相対比として算出した。結果を表２に示す。エタノールの混合割合が増加するにしたがい、圧力損失が低下し、一方、伝熱係数は増加していることが理解される。すなわち、エタノールを含有させることにより、二次冷媒としての性能を改善できることが確認された。

［例２−１〜例２−３］
表３に示すｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｈとエタノールとの混合物の圧力損失と伝熱係数を、Ｃ_６Ｆ_１４との相対比、またはＣ_８Ｆ_１８との相対比として算出した。結果を表３に示す。エタノールの混合割合が増加するにしたがい、圧力損失はほぼ同等であるが、伝熱係数が増加していることが理解される。特に、高温度域において、増加の割合が顕著である。すなわち、エタノールを含有させることにより、二次冷媒としての性能を改善できることが確認された。

［例３−１〜３−３］
表４に示すｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｃ_２Ｈ_５と２−プロパノールとの混合物の圧力損失と伝熱係数を、Ｃ_８Ｆ_１８との相対比として表４に示す。５０℃においては、２−プロパノールの混合割合が増加するにしたがい、圧力損失が低下し、一方、伝熱係数は大幅に増加していることが理解される。２−プロパノールを含有させることにより、温度が上昇するに伴い、二次冷媒としての性能を大幅に改善できることが確認された。

本発明は、一次冷媒を用いる一次冷却手段、二次冷媒を用いる二次循環冷却手段、および一次冷媒と二次冷媒との熱交換を行う熱交換手段を備える二次循環冷却システムとして有用である。

二次循環冷却システムの一例 Ｃ_６Ｆ_１４に対する、ｎ−Ｃ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５、ｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｈ、ｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｃ_２Ｈ_５およびＣ_８Ｆ_１８の圧力損失の相対比 Ｃ_６Ｆ_１４に対する、ｎ−Ｃ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５、ｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｈ、ｎ−Ｃ_６Ｆ_１３Ｃ_２Ｈ_５およびＣ_８Ｆ_１８の熱伝達係数の相対比

符号の説明

１：一次冷却工程
２：蒸発器
３：コンプレッサー
４：凝縮器
５：膨張弁
６：一次／二次熱交換器
７：二次循環冷却用循環ポンプ
８：冷却板
９：商品
１０：二次循環冷却もどり配管
１１：二次冷媒循環配管
１２：陳列ケース
１３：二次循環冷却手段

Claims (4)

1. 一次冷媒を用いる一次冷却手段、二次冷媒を用いる二次循環冷却手段、および一次冷媒と二次冷媒との熱交換を行う熱交換手段を備える二次循環冷却システムであって、二次冷媒として、下記式１で表される化合物の一種以上を用いることを特徴とする二次循環冷却システム（ただし、式１においてｎは２〜８の整数であり、ｍは０〜４の整数である。）。
   Ｃ_ｎＦ_２ｎ＋１−Ｃ_ｍＨ_２ｍ＋１ ・・・式１
2. 式１で表される化合物が、Ｃ_４Ｆ_９Ｃ_２Ｈ_５、Ｃ_６Ｆ_１３ＨまたはＣ_６Ｆ_１３Ｃ_２Ｈ_５である請求項１に記載の二次循環冷却システム。
3. 二次冷媒として、式１で表される化合物と、炭素数１〜４のアルコールとを含有する組成物を用いる請求項１または２に記載の二次循環冷却システム。
4. 上記組成物における、式１で表される化合物の含有割合が９０〜９９質量％であり、炭素数１〜４のアルコールの含有割合が１〜１０質量％である請求項３に記載の二次循環冷却システム。
   

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