JP2011202874A - 可溶栓用合金およびそれを用いた可溶栓並びに冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒Ｒ４１０Ａのような臨界温度の高い冷媒を用いた高圧容器に対して、十分な耐クリープ性を確保するとともに、動作時に溶融した低融点金属が飛び出さずに動作する可溶栓用合金を提供するものである。
【解決手段】可溶栓用合金の組成として、スズを１０質量％以上２５質量％以下、インジウムを３４質量％以上５０質量％以下、アンチモンを０．５質量％以上１０質量％以下、ニッケルを０．０５質量％以上０．５質量％以下、ゲルマニウムを０．０１質量％以上１．０質量％以下、および残部をビスマスとしたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、冷凍装置などの高圧容器の安全装置として備えられる可溶栓に用いられる可溶栓用合金、およびその可溶栓合金を用いた可溶栓並びにこの可溶栓を備えた冷凍装置に関するものである。

可溶栓とは、冷凍装置などの高圧容器の側壁または液溜部に備えられたネジ状の部材である。このネジ状の部材には高圧容器の内外を同通可能な貫通孔が備えられており、この貫通孔には高圧容器の内部に貯蔵された冷媒などの臨界温度以下の融点を有する低融点金属が充填されている。

この可溶栓には、何らかの原因で高圧容器の内部に貯蔵された冷媒などが異常昇圧した場合に冷媒の温度も上昇する性質を利用し、所定の温度以上になった場合に貫通孔に充填されている低融点金属が軟化溶解して、高圧容器内の冷媒を外気中に放出させることで圧力容器の破裂を未然に防ぐ作用がある。

従来の可溶栓用の低融点金属としては、スズが５〜８質量％、ビスマスが３１〜３４質量％アンチモンが０．２〜４質量％、残部がインジウムからなる合金が開示されている（例えば特許文献１参照）。このような組成の可溶栓用合金は、作動温度が６６〜７０℃であり、冷媒Ｒ４０４Ａ（臨界温度：７１．６℃、凝縮圧力３０６１ｋＰａ）に対応するものである。

国際公開第０６／１１２０１５号パンフレット（４頁）

近年、さらなる省エネルギーの要求に対して、冷媒Ｒ４０４Ａよりも冷却効率の高い冷媒Ｒ４１０Ａへの切り替えが進展している。冷媒Ｒ４１０Ａは、臨界温度が７４．９℃で凝縮圧力が４９５０ｋＰａであり、使用時の冷媒圧力が冷媒Ｒ４０４Ａよりも高い。例えば、冷媒Ｒ４０４Ａは３０００ｋＰａレベル、冷媒Ｒ４１０Ａは４５００ｋＰａレベルで使用される。そのため、冷媒Ｒ４１０Ａに対応した可溶栓の動作温度は、６８〜７４℃である必要がある。しかしながら、従来の可溶栓用合金を用いた可溶栓では、作動温度が６６〜７０℃であるため、耐クリープ性が不足するとともに、冷媒圧力が高いため、上述の作動温度で作動した場合、溶融した低融点金属が飛び出す懸念があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、冷媒Ｒ４１０Ａのような臨界温度の高い冷媒を用いた高圧容器に対して、十分な耐クリープ性を確保するとともに、動作時に溶融した低融点金属が飛び出さずに動作する可溶栓用合金を提供するものである。

この発明に係る可溶栓用合金においては、スズを１０質量％以上２５質量％以下、インジウムを３４質量％以上５０質量％以下、アンチモンを０．５質量％以上１０質量％以下、ニッケルを０．０５質量％以上０．５質量％以下、ゲルマニウムを０．０１質量％以上１．０質量％以下、および残部をビスマスとしたものである。

この発明は、可溶栓用合金の組成を、スズを１０質量％以上２５質量％以下、インジウムを３４質量％以上５０質量％以下、アンチモンを０．５質量％以上１０質量％以下、ニッケルを０．０５質量％以上０．５質量％以下、ゲルマニウムを０．０１質量％以上１．０質量％以下、および残部をビスマスとしたので、この可溶栓用合金の固液共存領域をＲ冷媒４１０Ａの臨界温度に設定することができる。そのため、作動温度が６８〜７４℃となるので冷媒Ｒ４１０Ａに対する十分な耐クリープ性が確保できるとともに、作動時に合金のマトリックス中に分散析出している低融点領域のみが溶融して作動するので、動作時に溶融した低融点金属が飛び出すことがない。

この発明の実施の形態１の可溶栓の模式図である。 この発明の実施の形態１の試験装置の模式図である。 この発明の実施の形態３の可溶栓の特性図である。 この発明の実施の形態４の冷凍装置の特性図である。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における可溶栓の模式図である。可溶栓１の本体となるブランク材２は、ネジ状の形状をしており、中央部に貫通孔３を有している。この貫通孔３には可溶栓用合金である低融点金属４が充填されている。

本実施の形態における可溶栓の製造方法について説明する。ブランク材２として、貫通孔３の内径が４ｍｍ、ネジ部の外径が１１ｍｍ、長さが２８ｍｍの黄銅製の部材を用意した。ネジ部の先端にステンレス製の蓋を配置し、この蓋を下にして４００℃に加熱したホットプレート上に載置した。１０分経過後、上部の貫通孔の開口部から、フラックスを塗布したφ３ｍｍ×３００ｍｍの低融点金属棒（組成：１９Ｓｎ―３６Ｉｎ―４２．４５Ｂｉ―２Ｓｂ―０．５Ｎｉ―０．０５Ｇｅ（ｗｔ％））を、貫通孔の内壁に擦り付けながら溶かして流し込んだ。フラックスとしては、例えばソルダーコート（株）製ＳＷ５０７を用いることができるが、これに限定されるものではない。溶融した低融点金属がステンレス製の蓋の表面まで達したところで３分間保持し、ステンレスのφ１ｍｍ×５０ｍｍの棒で攪拌後、ステンレス製の蓋を下にした状態でホットプレートから降ろし、石膏ボード上で低融点金属が固化するまで空冷した。低融点金属が固化した後ステンレス製の蓋をとり、水洗浄することにより本実施の形態の可溶栓を作製した。

次に、このようにして作製された可溶栓の動作性および耐クリープ性の評価方法について説明する。図２は、本実施の形態のおける試験装置の模式図である。可溶栓１は圧力容器５の側壁に取り付けられている。この圧力容器５には、封止弁６を経由した配管７の一端が接続されている。配管７の他端には、減圧弁８を経由して窒素ボンベ９が接続されている。封止弁６と減圧弁８との間には、圧力計１０が接続されている。圧力容器５は、温度制御機構によって水温を調整することができる水槽１１に水没されている。

始めに、動作性の評価方法について説明する。封止弁６を開状態にして窒素ボンベ９から圧力容器５に窒素ガスを封入し、減圧弁８を制御して圧力計１０が９ＭＰａを指したところで、封止弁６を閉じた。その後、水温を６０℃から８０℃まで１分間定温で保持した後に１℃ずつ上昇させたときに、７４℃以下で可溶栓から気泡が発生し、低融点金属が全て抜けていない場合に安全に動作したと判断し（○）、全て抜けた場合には不安全に動作したと判断した（△）。７５℃でも気泡が発生しない場合は動作しなかったものと判断した（×）。

次に、耐クリープ性の評価方法について説明する。動作性の評価方法の場合と同様に窒素ガスを９ＭＰａで封入して水没させた圧力容器を、水温６０℃で一定に保った状態で１００時間保持する。その間、２時間毎に可溶栓から気泡の発生および低融点金属の飛び出しを観測し、気泡の発生および低融点金属の飛び出しが観測されなければ、耐クリープ性は合格（○）とし、１００時間経過前に気泡の発生あるいは低融点金属の飛び出しのどちらか一方でも観測された場合は、耐クリープ性は不合格（×）とした。

本実施の形態における可溶栓用いて上述のような動作性および耐クリープ性の評価を行なった。動作性については、７３℃で可溶栓から気泡が発生したが低融点金属の抜けはなく、安全に動作したと判断された。耐クリープ性については、１００時間保持後も気泡の発生および低融点金属の飛び出しは観測されず合格と判断された。

したがって、本実施の形態における組成の可溶栓用合金を用いた可溶栓は、作動温度が７３℃であり、冷媒Ｒ４１０Ａを用いた高圧容器に対して十分な耐クリープ性を確保するとともに、動作時に溶融した低融点金属が飛び出さずに動作する。

実施の形態２．
実施の形態２においては、可溶栓用合金の組成を変化させて作製した可溶栓の動作性および耐クリープ性を評価したものである。なお、可溶栓の形状や材質、可溶栓の製造方法などは実施の形態１と同様のものを用いている。

表１は、本実施の形態における、可溶栓用合金の組成と、動作性および耐クリープ性とを示したものである。表１において、可溶栓用合金の組成は、スズ（Ｓｎ）、インジウム（Ｉｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）、ニッケル（Ｎｉ）およびゲルマニウム（Ｇｅ）の組成比を質量％で示している。表１の動作性および耐クリープ性の評価方法は、実施の形態１で説明した評価方法と同様である。

比較例１および比較例２から、Ｓｎの組成比が１０質量％未満の場合あるいは２５質量％を超える場合は、耐クリープ性は良好であるが動作性が悪くなる。この理由は、固相線温度が高くなりすぎるためと予想される。

また、比較例３および比較例４から、Ｓｂの組成比が０．５質量％未満の場合あるいは１０質量％を超える場合も、耐クリープ性は良好であるが動作性が悪くなる。この理由は、固相線温度が高くなりすぎるためと予想される。

また、比較例５から、Ｎｉの組成比が０．０５質量％未満の場合は、動作性が低下するとともに耐クリープ性が悪くなる。この理由は、組織の均一微細化効果を有するＮｉが不足したためと推測される。

また、比較例６から、Ｎｉの組成比が０．５質量％を超ええる場合は、動作性および耐クリープ性とも悪くなる。この理由は、Ｎｉが過剰に含有されて、固相線温度が上昇するとともに、組織が不均一になったためと予想される。

また、比較例７から、Ｇｅの組成比が０．０１質量％未満の場合は、動作性が低下するとともに耐クリープ性が悪くなる。この理由は、濡れ性を向上させるＧｅが不足して、低融点金属内に多くのボイドが存在していたためと推測される。

また、比較例８から、Ｇｅの組成比が１．０質量％を超ええる場合は、動作性および耐クリープ性とも悪くなる。この理由は、濡れ性を向上させるがＳｎにほとんど固溶できないＧｅが過剰に添加されたため、固相線温度や液相線温度が上昇したことと、低融点金属の組織が不均一になったためと推測される。

これに対して、実施例１〜９に示した可溶栓用合金を用いた可溶栓においては、動作性および耐クリープ性とも良好であることがわかる。したがって、Ｉｎを３４質量％以上５０質量％以下、Ｓｎを１０質量％以上２５質量％以下、Ｓｂを０．５質量％以上１０質量％以下、Ｎｉを０．０５質量％以上０．５質量％以下、Ｇｅを０．０１質量％以上１．０質量％以下、および残部をＢｉとした可溶栓用合金を用いた可溶栓は、冷媒Ｒ４１０Ａを用いた高圧容器に対して、十分な耐クリープ性を確保するとともに、作動時に溶融した低融点金属が飛び出すことはない。

実施の形態３．
実施の形態１においては、可溶栓のブランク材として、貫通孔の内径が４ｍｍ、ネジ部の外径が１１ｍｍ、長さが２８ｍｍの黄銅製の部材を用いたが、実施の形態３においては、貫通孔の内径および長さを変化させたものである。貫通孔の内径は、１、２、３、４、５および６ｍｍｍとし、貫通孔の長さは、６、８、１０、１５、２０、２５、３０、３０および４０ｍｍとした。貫通孔に充填する可溶栓用合金である低融点金属棒の組成は、１９Ｓｎ―３６Ｉｎ―４２．４５Ｂｉ―２Ｓｂ―０．５Ｎｉ―０．０５Ｇｅ（質量％）とし、この低融点金属棒の外径は、貫通孔の内径に合わせて、内径−０．５ｍｍのものを用意した。それ以外の可溶栓の製造方法は実施の形態１と同様である。

このようにして作製した可溶栓の動作性および耐クリープ性の評価を行なった。動作性および耐クリープ性の評価方法は、実施の形態１で説明した評価方法と同様である。なお、耐クリープ性については、水温を６０℃に一定に保った状態で保持する時間を３００時間まで延長し、その間、２時間毎に可溶栓から気泡の発生および低融点金属の飛び出しを観測し、１００時間保持まで気泡の発生および低融点金属の飛び出しが観測されなければ、耐クリープ性は１００時間合格（○）とし、３００時間まで気泡の発生および低融点金属の飛び出しが観測されなければ、耐クリープ性は３００時間合格（◎）とした。

表２は、本実施の形態における、可溶栓の貫通孔の内径および長さと、可溶栓の特性とを示したものである。

図３は、本実施の形態における、表２に示した貫通孔の内径および長さに対する耐クリープ性の評価結果を示した特性図である。この図３から、耐クリープ性が３００時間保持まで良好（◎）なものは、貫通孔の内径が２ｍｍ以上５ｍｍ以下で、貫通孔の長さが内径の４倍以上６倍以下であることがわかる。この理由は、貫通孔の内径に対する長さの比（アスペクト比）が大きい方が、圧力に対する低融点の接合面積が大きくなり、低融点金属が変形しにくくなるためと推測される。アスペクト比が７倍以上になると、低融点金属を充填する際にガス抜けが悪くなりボイドが発生しやすくなったり、冷却時の重量偏析などで低融点金属の組織のばらつきが発生しやすくなったりして、耐クリープ性向上効果が得られにくいためと推定される。

実施の形態４．
図４は、実施の形態４における冷凍装置の模式図である。この冷凍装置は、高圧側の圧力容器として構成された圧縮機１２、凝縮器１３、液溜１４、膨張弁１５、および熱交換器１６を順次接続されて冷凍サイクルを構成している。これらの機器の内部は冷媒が循環するように構成されている。冷媒としては、臨界温度が７５℃以下の、例えば冷媒Ｒ４１０Ａを用いている。この冷媒４１０Ａは、臨界温度が７４．９℃で凝縮圧力が４９５０ｋＰａである。凝縮器１３の内部の冷媒と液溜１４の内部の冷媒とは、ほぼ同じ圧力、温度を示す。凝縮器１３の側壁には、可溶栓１が取り付けられている。この可溶栓１は、何らかの原因で凝縮器１３の内部の冷媒温度・圧力が上昇したときに、貫通孔に充填された低融点金属が軟化溶融し、凝縮器１３内の冷媒を貫通孔を経由して外気中に放出することにより凝縮器１３の破裂を未然に防止する安全装置である。この可溶栓１は、実施の形態１で示した低ものと同様のものである。

この冷凍装置においては、圧縮機１２で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、凝縮器１３で空気あるいは水と熱交換して凝縮され、高温高圧の液冷媒となり、その一部は液溜１４に溜められる。この液冷媒は、膨張弁１５に送られて減圧され、低温低圧の液ガス混合冷媒となって熱交換器１６に流入する。そして、この熱交換器１６で、水などの冷却対象物と熱交換して、気化した後、再び圧縮機１２で圧縮され、高温高圧のガス冷媒となり再び冷凍サイクル内を循環される。

このように構成された冷凍装置においては、実施の形態１で説明したように、可溶栓は７３℃で作動し、耐クリープ性についても良好であることから、冷媒Ｒ４１０Ａに対する十分な耐クリープ性が確保できるとともに、動作時に溶融した低融点金属が飛び出すことがない。

なお、本実施の形態においては、可溶栓を凝縮器の側壁に取り付けたが、凝縮器の内部の冷媒と液溜の内部の冷媒とは、ほぼ同じ圧力、温度であることから、可溶栓を液溜の側壁に取り付けてもよい。

また、本実施の形態においては、冷媒として冷媒４１０Ａを用いたが、７５℃以下の臨界温度を有する冷媒であればよいので、例えば、Ｒ１２５、Ｒ１４３ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｂ、Ｒ４１０ＢおよびＲ５０７Ａや、これらの冷媒の混合物を用いてもよい。

さらに、本実施の形態においては、貫通孔の断面積が一様な可溶栓を用いたが、貫通孔の断面積が一部で拡大したような、かぎ部を備えた貫通孔の可溶栓を用いてもよい。このようなかぎ部を備えることにより、耐クリープ性が向上する。

１ 可溶栓
２ ブランク材
３ 貫通孔
４ 低融点金属
５ 圧力容器
６ 封止弁
７ 配管
８ 減圧弁
９ 窒素ボンベ
１０ 圧力計
１１ 水槽
１２ 圧縮機
１３ 凝縮器
１４ 液溜
１５ 膨張弁
１６ 熱交換器

Claims (6)

1. スズが１０質量％以上２５質量％以下、
   インジウムが３４質量％以上５０質量％以下、
   アンチモンが０．５質量％以上１０質量％以下、
   ニッケルが０．０５質量％以上０．５質量％以下、
   ゲルマニウムが０．０１質量％以上１．０質量％以下、
   および残部がビスマスからなることを特徴とする可溶栓用合金。
2. 貫通孔を有し、
   前記貫通孔の内部に請求項１記載の可溶栓用合金が充填されていることを特徴とする可溶栓。
3. 貫通孔の内径が２ｍｍ以上５ｍｍ以下で、
   前記貫通孔の長さが前記内径の４倍以上６倍以下で
   あることを特徴とする請求項２記載の可溶栓。
4. 圧縮機、凝縮器、液溜、膨張弁および熱交換機から構成され冷媒を循環する冷凍装置であって、前記凝縮器または前記液溜の少なくとも一方に請求項２記載の可溶栓を備えたことを特徴とする冷凍装置。
5. 冷媒は、７５℃以下の臨界温度を有することを特徴とする請求項４記載の冷凍装置。
6. 冷媒が、Ｒ１２５、Ｒ１４３ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｂ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４１０ＢおよびＲ５０７Ａからなる群から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項４に記載の冷凍装置。

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