JP3630400B2

JP3630400B2 - 可溶栓用低温溶融合金、この合金を用いた可溶栓、および、この可溶栓を用いた冷凍装置

Info

Publication number: JP3630400B2
Application number: JP2000022686A
Authority: JP
Inventors: 晃前田; 敏夫梅村; 安陽生越; 士郎高谷; 隆池田; 功阪上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-01-31
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2020-01-31
Also published as: JP2001214985A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍装置の安全装置として用いられる可溶栓用低温溶融合金、この合金を用いた可溶栓、および、この可溶栓を用いた冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来冷凍装置用の可溶栓は、冷凍保安規則関係基準（通産省令）並びにＪＩＳＢ８２０４に基づいて、各社各様の動作設計が行われている。また、冷凍装置に用いられる冷媒は、フロンが用いられており、従来は特にＣＦＣ（ＣｈｌｏｒｏＦｌｕｏｒｏ−Ｃａｒｂｏｎｓ）系冷媒が最もよく使われてきた。ところが、このＣＦＣ系冷媒は、成層圏において太陽光の紫外線により光分解して活性塩素を生成し、この活性塩素によりオゾン層を破壊するという問題があり、地球レベルでその使用に対する規制が厳しくなってきた。このため、現在では、オゾン層の破壊係数の小さいＨＣＦＣ（Ｈｙｄｒｏ、Ｃｈｌｏｒｏ、Ｆｌｕｏｒｏ−Ｃａｒｂｏｎｓ）系冷媒に代替されており、今後はオゾン破壊係数ゼロのＨＦＣ（Ｈｙｄｒｏ、Ｆｌｕｏｒｏ−Ｃａｒｂｏｎｓ）系冷媒や、さらには、ＮＨ_３やＣＯ_２などの自然冷媒に切り替わっていくものと考えられている。
【０００３】
ところで、冷凍装置に用いられる可溶栓は、冷媒により冷凍装置の設計圧力および冷媒の臨界温度が変るため、冷媒が切り換わった場合はその動作温度を再設計する必要がある。
なお、冷凍装置の設計圧力とは、先に述べた関係基準に従うものであり、冷凍装置の強さを確保するため、冷媒容器、配管などの内容を定める設計計算や使用材料、各部の構造を定めるときの判断基準、さらには、製品完成後の耐圧試験、気密試験圧力決定に際して基本となるもので、一定の型式に対し、冷媒の選定と同時にほぼ一意的に決定されるものである。
【０００４】
例えば、現在ＨＣＦＣ系冷媒として最も需要の多いＲ２２（ＨＣＦＣ２２）を使用冷媒として選定した空気調和用冷凍装置の場合、その設計圧力は２８ｋｇｆ／ｃｍ^２（この圧力における冷媒の飽和温度は約６４℃前後と推定）であり、このＲ２２の臨界温度は約９６℃である（なお、そのときの冷媒圧力は５０．８ｋｇｆ／ｃｍ^２である）。また、代替冷媒として現在有望視されているＨＦＣ系冷媒Ｒ４０４Ａ（ＨＦＣ１２５、ＨＦＣ１４３およびＨＦＣ１３４ａの混合冷媒）を選定した空気調和用冷凍装置の場合、その設計圧力は３０ｋｇｆ／ｃｍ^２（この圧力における冷媒の飽和温度は約６２℃であり、このＲ４０４Ａの臨界温度は約７２℃である（なお、そのときの冷媒圧力は３７．６ｋｇｆ／ｃｍ^２である）。
【０００５】
そして、冷凍装置に用いられる可溶栓は、前記関係基準並びにＪＩＳＢ８２０４により、以下のような条件が要求されている。
（１）可溶栓（低圧部に用いるものを除く）の溶融温度は７５℃以下とする。
（２）可溶栓の溶融温度が７５℃を超え１００℃以下の場合、耐圧試験（一定温度における冷媒ガスの飽和圧力に対する１．２倍以上の圧力を作用させる耐圧試験）を実施し、このときの温度をもって溶融温度とすることができる。
【０００６】
しかし、上記のように関係基準において「可溶栓の溶融温度は７５℃以下とする」との原則的基準が設けられていても、現状では、可溶栓に用いる栓部材の低温溶融合金の融点を、７５℃以下であって、かつ、前記冷凍装置の設計圧力における冷媒の飽和温度以上に設計することは困難である。
【０００７】
このため、可溶栓に用いる低温溶融合金として、１２．５ｗｔ％（重量パーセント）の錫（Ｓｎ）、２５ｗｔ％の鉛（Ｐｂ）、５０ｗｔ％のビスマス（Ｂｉ）、１２．５ｗｔ％のカドミウム（Ｃｄ）を含有する合金等の如く、有毒物質であるＣｄやＰｂを含有する合金を安易に選択する傾向があった。なお、この低温溶融合金を用いた可溶栓の場合、融点が７５℃近傍であるので、前述の「可溶栓の溶融温度が７５℃を超え１００℃以下の場合、耐圧試験（一定温度における冷媒ガスの飽和圧力に対する１．２倍以上の圧力を作用させる耐圧試験）を実施し、このときの温度をもって溶融温度とすることができる。」という基準項目にしたがわざるをえないものを装備しているところが多い。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｃｄの有害性は古くから知られており、その使用は廃棄も含めて規制されている。また、最近Ｐｂの有害性についても問題になってきており、世界的にその使用についての規制が検討されている。上記理由から、ＣｄもＰｂも含有しない可溶栓用低温溶融合金の開発が望まれている。
【０００９】
ところが、有害物質であるＣｄ、Ｐｂを含まない合金においては、その反応形態の詳細が未だ明確になっていないため、使用する合金系によっては、低温溶融相が出現して、通常の冷凍装置運転条件で軟化するものがあり、可溶栓に適用した場合に所定温度以下で誤動作する虞がある。
【００１０】
また、このような心配を回避しようとすると、７５℃以上の融点を有する合金系を適用しなければならなくなることも考えられるが、融点が７５℃以上の場合には、動作性低下が懸念される。さらに、７５℃以上の融点を有する合金を適用する際には、前述のごとき耐圧試験を可溶栓に課す必要が生じるため、出荷前に可溶栓の強度が低下してしまうという懸念があった。また、これを回避しようとして強度を大きくすると、コスト高になるという問題もあった。
【００１１】
なお、有害物質であるＣｄ、Ｐｂを含まない合金の例として、錫（Ｓｎ）−インジウム（Ｉｎ）−ビスマス（Ｂｉ）系合金の公知例がある。例えば、特開平８−１５４０９３号公報には、電子部品を実装するためのはんだ材として、被接合材の耐熱温度以下の液相線温度を有するＳｎ−Ｉｎ−Ｂｉ系合金が開示されている。しかし、この合金は、あくまでも電子部品とプリント基板等との接合を考慮したものに過ぎない。
【００１２】
また、Ｓｎ−Ｉｎ−Ｂｉ系合金は、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉの有効含有量により固相線温度が大幅に変化する可能性がある（発明者の知見によれば５７℃〜８６℃程度と思われる）。したがって、このＳｎ−Ｉｎ−Ｂｉ系合金をそのまま可溶栓に適用すると、誤動作を生じる等の不具合が懸念され、このＳｎ−Ｉｎ−Ｂｉ系合金をそのまま可溶栓に適用することはできないのが現状である。
【００１３】
本発明は、上記技術的課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、有害物質であるＣｄやＰｂを含まず、信頼性が高く、さらに、低コストである次世代冷媒に対応した可溶栓用低温溶融合金、この合金を用いた可溶栓、および、この可溶栓を用いた冷凍装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の可溶栓用低温溶融合金は、Ｒ２２、Ｒ３２、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０７Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０７Ｄ、Ｒ４０７Ｅ、プロピレン、ブタン、イソプレン、プロパンの中から選ばれる少なくとも一つの冷媒を封入した冷凍装置の可溶栓用低温溶融合金であって、この低温溶融合金は、錫（Ｓｎ）−インジウム（Ｉｎ）−ビスマス（Ｂｉ）系合金であり、その組成比を、Ｓｎ：Ｘｗｔ％、Ｉｎ：Ｙｗｔ％、Ｂｉ：Ｚｗｔ％であるときに、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００とし、かつ、４≦Ｘ≦１０、５６≦Ｙ≦６３としたことを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の可溶栓用低温溶融合金は、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｂ、Ｒ１４３ａ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４１０Ｂの中から選ばれる少なくとも一つの冷媒を封入した冷凍装置の可溶栓用低温溶融合金であって、この低温溶融合金は、錫（Ｓｎ）−インジウム（Ｉｎ）−ビスマス（Ｂｉ）系合金であり、その組成比を、Ｓｎ：Ｘｗｔ％、Ｉｎ：Ｙｗｔ％、Ｂｉ：Ｚｗｔ％であるときに、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００とし、かつ、５≦Ｘ≦１０、５６≦Ｙ≦６３とするとともに、その液相線温度を７１℃以下としたことを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の可溶栓は、上記の可溶栓用低温溶融合金を用いて製造されたものである。
【００１７】
また、本発明の冷凍装置は、上記可溶栓を用いて製造されたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明は、Ｃｄ、Ｐｂのような有害物質を含まないＳｎ−Ｉｎ−Ｂｉ系合金に注目して、これを可溶栓に適用すべく鋭意研究を行った結果に基づくものであり、以下、本発明の実施の形態を、図および表を参照しながら説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係る可溶栓の概略構造を示す。この可溶栓１は、Ｓｎ−Ｉｎ−Ｂｉ系低温溶融合金からなる円筒状の栓部材２と、この栓部材２を中心部に貫通状に取り付けた容器本体３とから成る。そして、この可溶栓１は、冷媒を貯留する冷凍装置を構成する圧力容器４の側壁にねじ込み式に取り付けられている。なお、図１において、圧力容器４はその側壁のみが示されている。また、図１においては、図面における下方が圧力容器４の外側である。
【００２０】
表１は、上記構造の可溶栓１について、栓部材２を構成するＳｎ−Ｉｎ−Ｂｉ系低温溶融合金の金属組成比を、表１の配合組成欄に示すように変化させた場合の低温溶融合金の固相線温度ＴＳと液相線温度ＴＬ、および、試験したサンプル可溶栓の動作性と非動作性を測定した試験データである。
【００２１】
まず、各サンプル可溶栓に用いる各組成比の低温溶融合金の固相線温度ＴＳと液相線温度ＴＬは、示差熱分析結果から推定した。
また、サンプル可溶栓についての動作性および非動作性の試験準備としては、複数のサンプル可溶栓および水温可変の水槽とを用意した。
各サンプル可溶栓は、表１に示された各組成の低温溶融合金を栓部材２とした可溶栓１を次のように加工したものである。すなわち、この各サンプル可溶栓は、可溶栓１の圧力容器側１ａ（図１参照）に、圧力計および減圧弁をサービスポートに備えた窒素ボンベを配管により接続し、この圧力計の圧力目盛が４２ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力を指したところで前記配管を封じ切り、栓部材２にこの圧力（４２ｋｇｆ／ｃｍ^２）が作用する状態としたものである。
また、水温可変の水槽は、幅約３００ｍｍ、長さ約５００ｍｍ、高さ約２５ｍｍの大きさであって、その内部の水温度を任意に可変としたものである。
【００２２】
また、サンプル可溶栓の動作性および非動作性の試験は次のようにして行った。動作性の試験については、上記のように準備したサンプル可溶栓を所定水温に保った前記水槽に所定時間漬け、気泡が観察されれば動作したものと判断し、気泡が観察されなければ動作しなかったと判断した。そして、７５℃以下の温度で動作したときは合格の印として○、７５℃以下の温度で動作しなかったときは不合格の印として×とした。なお、この試験における所定時間は、水温と可溶栓１の低温溶融合金の温度とがバランスする最低時間であればよく、本試験においては約３０秒間とした。
【００２３】
また、非動作性の試験については、上記のように準備したサンプル可溶栓を所定水温に保った水槽に所定時間漬け、気泡が観察されれば動作したものと判断し、気泡が観察されなければ動作しなかったと判断した。そして、水温６４℃で動作しなければ合格の印として○、６４℃の温度で動作したときは不合格の印として×とした。なお、所定時間については、前記動作試験における所定時間と同一とした。
【００２４】
また、各サンプル可溶栓はそれぞれ複数個ずつ用意し、１つのサンプル可溶栓につき上記動作性または非動作性の試験を何れか１回限り行い、窒素ガス圧力が栓部材２に繰り返し作用することによる栓部材２の強度への影響を回避した。
また、栓部材に作用する圧力を４２ｋｇｆ／ｃｍ^２とした理由は、Ｒ４０４Ａの６４℃における飽和圧力が４２ｋｇｆ／ｃｍ^２であり、また、Ｒ２２の６４℃における飽和圧力が２８ｋｇｆ／ｃｍ^２であってＲ４０４Ａに比し低いことから、高い方のＲ４０４Ａの飽和圧力に合わせて決定したのである。
【００２５】
【表１】

【００２６】
表１において、上記試験において、各サンプル可溶栓は、何れも合金の固相線温度以下および固液共存領域では動作せず、液相線温度以上で動作している。
しかし、圧力を非常に大きくしたり、確認時間を長くすれば固液共存領域でも動作する可能性がある。また、はんだの粘度は液相線温度以下で急激に大きくなることがあり、温度ヒューズにおいては使用はんだ材の液相線温度で動作することがある。したがって、冷凍装置用可溶栓の場合は、信頼性上少なくとも栓部材２を構成する低温溶融合金の液相線温度は、冷凍装置に用いられる冷媒の臨界温度より低くする必要があると考えられる。
【００２７】
このような結果および考察から、実施例１〜９のＳｎ−Ｉｎ−Ｂｉ合金、すなわち、Ｓｎが４〜１０ｗｔ％、Ｉｎが５６〜６３ｗｔ％とし、残部をＢｉとした組成比のＳｎ−Ｉｎ−Ｂｉ合金を栓部材２とした可溶栓１は、栓部材２を構成する低温溶融合金の固相線温度が、冷凍装置の設計圧力におけるＲ２２冷媒の飽和温度６４℃より高く、前述の関係基準に定められた溶融温度７５℃（この温度はＲ２２冷媒の臨界温度約９６℃より低い）以下で動作することが分かった。
【００２８】
したがって、このような組成範囲のＳｎ−Ｉｎ−Ｂｉ合金を栓部材２として用いた可溶栓１は、Ｒ２２冷媒を用いた冷凍装置用可溶栓として適用することができることは勿論であるが、Ｒ２２の場合と同様に、冷凍装置の設計圧力における飽和温度が６４℃以下であって、臨界温度が７５℃を越えるような冷媒、すなわち、Ｒ３２、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０７Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０７Ｄ、Ｒ４０７Ｅ、プロピレン、ブタン、イソプレン、プロパン、または、これらの何れかを混合した冷媒を封入した冷凍装置の可溶栓における栓部材として適用できる。図２は、Ｓｎ−Ｉｎ−Ｂｉ合金の状態図に上記組成範囲を示したものである。
【００２９】
前述のように、今後の代替冷媒としてＲ４０４Ａが有力視されているが、このＲ４０４Ａを封入した冷凍装置用可溶栓の場合は、可溶栓の設計温度における冷媒の飽和温度が６２℃であり、臨界温度が約７２℃である。したがって、この場合の可溶栓１の栓部材２に用いる低温溶融合金は、前述の動作性および非動作性に合格するもののうち、固相線温度が６２℃を超え、液相線温度が７１℃以下であるものとなる。前述の実施例１〜９のうち、実施例５〜９は、Ｒ４０４Ａを封入した冷凍装置用可溶栓に適用できることが分かる。しかし、実施例１〜４については、液相線温度が７１℃を超えているため、Ｒ４０４Ａを封入した冷凍装置用可溶栓には適用できない。
【００３０】
表２は、このＲ４０４Ａを封入した冷凍装置用可溶栓への適用をさらに厳密にに確認するために行った試験であり、Ｓｎを４ｗｔ％としてＩｎ量を変化させ、残部をＢｉとした低温溶融合金を試作し、示差熱分析により液相線温度を同定したものである。
【００３１】
【表２】

【００３２】
この試験データから、Ｓｎが４ｗｔ％のときは、Ｓｎ−Ｉｎ−Ｂｉ系低温溶融合金では液相線温度の最低が７２℃であることが明確となった。
したがって、Ｒ４０４Ａを封入した冷凍装置用可溶栓の栓部材として適用できるＳｎ−Ｉｎ−Ｂｉ系低温溶融合金は、Ｓｎが５〜１０ｗｔ％、Ｉｎが５６〜６３ｗｔ％とし、残部をＢｉとした組成比とすることが好ましいといえる。
【００３３】
次に、Ｒ４０４Ａと類似の飽和温度、臨界温度を有する冷媒として、冷凍装置の設計圧力における飽和温度が６４℃以下であり、臨界温度を７１℃〜７５℃と広げた場合には、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｂ、Ｒ１４３ａ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４１０Ｂ、または、これら冷媒の混合冷媒を掲げることができる。
【００３４】
また、このようにグループ化される冷媒を封入した冷凍装置用可溶栓１は、前述の動作性および非動作性に合格するものであって、栓部材２を構成する低温溶融合金の液相線温度が７１℃以下であることが必要となる。したがって、この冷凍装置用可溶栓１は、前述の表１および表２の結果から、実施例５〜９のサンプル可溶栓のように、Ｓｎが５〜１０ｗｔ％、Ｉｎが５６〜６３ｗｔ％、残部をＢｉとした組成比を有し、かつ、液相線温度が７１℃以下であるようなＳｎ−Ｉｎ−Ｂｉ系低温溶融合金を栓部材２としたものでよいことが分かる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の可溶栓用低温溶融合金は、Ｓｎ−Ｉｎ−Ｂｉ系合金であり、その組成比を、Ｓｎ：Ｘｗｔ％、Ｉｎ：Ｙｗｔ％、Ｂｉ：Ｚｗｔ％としたときに、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００とし、かつ、４≦Ｘ≦１０、５６≦Ｙ≦６３としたものであり、Ｒ２２、Ｒ３２、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０７Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０７Ｄ、Ｒ４０７Ｅ、プロピレン、ブタン、イソプレン、プロパン等の代替冷媒を封入した冷凍装置用可溶栓に適用でき、そのコスト軽減、信頼性の向上に寄与できる。
【００３６】
また、本発明の可溶栓用低温溶融合金は、Ｓｎ−Ｉｎ−Ｂｉ系合金であり、その組成比を、Ｓｎ：Ｘｗｔ％、Ｉｎ：Ｙｗｔ％、Ｂｉ：Ｚｗｔ％としたときに、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００とし、かつ、５≦Ｘ≦１０、５６≦Ｙ≦６３とするとともに、液相線温度を７１℃以下としたもので、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｂ、Ｒ１４３ａ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４１０Ｂ等の代替冷媒を封入した冷凍装置用可溶栓に適用でき、そのコスト軽減、信頼性の向上に寄与できる。
【００３７】
また、本発明に係る可溶栓は、上記低温溶融合金を栓部材として用いているので、前述の代替冷媒を封入した冷凍装置に対し、安価、かつ、高信頼性の可溶栓を供給することができる。
【００３８】
また、本発明に係る冷凍装置は、上記可溶栓を備えているので、前述の代替冷媒を封入した冷凍装置において、カドミウム、鉛を取り除いた環境に優しい、信頼性の高い冷凍装置を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る可溶栓の構造概略図。
【図２】本発明に係る可溶栓用低温溶融合金の組成範囲を示す状態図。
【符号の説明】
１可溶栓、２栓部材、３容器本体、４圧力容器、ＴＳ固相線温度、ＴＬ液相線温度。

Claims

Ｒ２２、Ｒ３２、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０７Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０７Ｄ、Ｒ４０７Ｅ、プロピレン、ブタン、イソプレン、プロパンの中から選ばれる少なくとも一つの冷媒を封入した冷凍装置の可溶栓用低温溶融合金であって、
この低温溶融合金は、錫（Ｓｎ）−インジウム（Ｉｎ）−ビスマス（Ｂｉ）系合金であり、
その組成比を、Ｓｎ：Ｘｗｔ％、Ｉｎ：Ｙｗｔ％、Ｂｉ：Ｚｗｔ％であるときに、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００とし、かつ、４≦Ｘ≦１０、５６≦Ｙ≦６３としたことを特徴とする可溶栓用低温溶融合金。
Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｂ、Ｒ１４３ａ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４１０Ｂの中から選ばれる少なくとも一つの冷媒を封入した冷凍装置の可溶栓用低温溶融合金であって、
この低温溶融合金は、錫（Ｓｎ）−インジウム（Ｉｎ）−ビスマス（Ｂｉ）系合金であり、
その組成比を、Ｓｎ：Ｘｗｔ％、Ｉｎ：Ｙｗｔ％、Ｂｉ：Ｚｗｔ％であるときに、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１００とし、かつ、５≦Ｘ≦１０、５６≦Ｙ≦６３とするとともに、
その液相線温度を７１℃以下としたことを特徴とする可溶栓用低温溶融合金。
請求項１または２に記載の可溶栓用低温溶融合金を用いたことを特徴とする可溶栓。
請求項３に記載の可溶栓を用いたことを特徴とする冷凍装置。