JP3630409B2

JP3630409B2 - 可溶栓およびその製造方法

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Publication number: JP3630409B2
Application number: JP2001108876A
Authority: JP
Inventors: 晃前田; 拓生小澤; 敏夫梅村; 安陽生越
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2021-04-06
Also published as: JP2002310543A

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、および、この可溶栓の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の冷凍装置の可溶栓は、冷凍保安規則関係基準（経済産業省令）並びにＪＩＳＢ８２０４に基づいて、各社各様の動作温度の設計が行われている。また、冷凍装置に用いられる冷媒は、世界的なオゾン破壊物質への規制から、オゾン破壊係数ゼロのＨＦＣ（Ｈｙｄｒｏ，Ｆｌｕｏｒｏ−Ｃａｒｂｏｎｓ）系冷媒やへの代替えが進んでいる。
【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異なるため、冷媒が切り替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、一定の型式に対し、冷媒選定と同時にほぼ一意的に決定されるものである。
【０００４】
例えば次世代のＨＦＣ系冷媒として有望な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２．９ＭＰａ（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。
【０００５】
ただし、上記設計圧力は計算方法などによって若干のずれを生じる場合があり、設計圧力下における冷媒の飽和温度（冷媒の使用温度と称する）も同じＲ４０４Ａを冷媒に用いても６０〜６４℃程度の差が実際には生じてしまうことがある。
【０００６】
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に従いながら、“冷媒の使用温度より高い固相線温度を有し、かつ臨界温度よりも低い液相線温度を有する”合金を低融点合金として、可溶栓本体に充填することが一般的に行われている。ただし、これらは可溶栓の動作温度が７５℃以下の場合であって、これを越える場合には別の条件を満たさなければならず、信頼性およびコスト的に不利となる。
【０００７】
この他、次世代冷媒として有望視されている冷媒として、Ｒ１２５、Ｒ１４３ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｂ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４１０Ｂ、Ｒ５０７Ａ等が挙げられるが、これらはすべて臨界温度が７５℃以下であり、かつ冷媒の使用温度が５７℃以上となり得るものである。
【０００８】
ところが、前記Ｒ４０４Ａのように冷媒の使用温度と臨界温度との差が比較的小さい場合には、臨界温度以下で可溶栓が作動する動作性と、冷媒の使用温度および使用圧力下で作動しない非動作性（耐クリープ性と称する）とを両立させることが困難であり、これを実現するために、可溶栓に用いる低融点合金として、１３．５重量％（重量パーセント）の錫（Ｓｎ）、２７重量％の鉛（Ｐｂ）、５０重量％のビスマス（Ｂｉ）、９．５重量％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。
【０００９】
また、可溶栓の製造方法としては、可溶栓本体を低融点金属の融点以上の温度まで加熱し、低融点金属にフラックスを塗布し、充填することが一般的に行われていた。
【００１０】
【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。
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作動するおそれがある。
【００１１】
また、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｉｎ系合金は、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｉｎ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。従って、特に５７℃以上の温度範囲で使用して、７５℃以下の臨界温度を有する、次世代冷媒に適用する際には、組成ばらつきや充填時の温度プロファイルによって可溶栓の、特に耐クリープ性が低下して、誤作動を生じる等の不具合が懸念され、このＳｎ−Ｂｉ−Ｉｎ系合金をそのまま可溶栓に適用することができないのが、現状である。
さらに、これを解決するために、可溶栓ではなく、ばね機能等を備えた安全弁を用いると、コスト高となる。
【００１２】
本発明は、上記技術的課題に鑑みてなされたもので、その目的とすることころは、有害物質であるＣｄやＰｂを含まず、信頼性が高く、安全弁より低コストな、次世代冷媒に対応した可溶栓およびその製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、５７℃以上６５℃以下の温度範囲で使用し、７５℃以下の臨界温度を有する冷媒を封入した冷凍装置に設けられる可溶栓であって、前記可溶栓は、前記冷凍装置の内外を貫通する逃がし穴を有する本体と、前記逃がし穴を閉塞するように前記逃がし穴に固定された、低融点金属とからなる栓部材とを備え、前記低融点金属の構成が、Ｓｎ：Ｘ重量％、Ｂｉ：Ｙ重量％、残部ＩｎからなるＸＳｎ−ＹＢｉ−（１００−Ｘ−Ｙ）Ｉｎであり、４＜Ｘ＜６、３３＜Ｙ＜３５であることを特徴とする可溶栓である。
請求項２の発明は、冷媒が、Ｒ１２５、Ｒ１４３ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｂ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４１０ＢおよびＲ５０７Ａから選択された少なくとも一つである請求項１に記載の可溶栓である。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の可溶栓の製造方法であって、前記可溶栓を１２０℃以上に加熱する工程を含むことを特徴とする可溶栓の製造方法である。
請求項４の発明は、請求項１または２に記載の可溶栓を用いたことを特徴とする冷凍装置である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本発明は、次世代冷媒として挙げられる、使用温度が５７℃以上６５℃以下であって、臨界温度が７５℃以下の冷媒、例えばＲ１２５、Ｒ１４３ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｂ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４１０Ｂ、およびＲ５０７Ａの中から選ばれる少なくとも一つの冷媒に注目し、さらにはＣｄ，Ｐｂのような有害物質を含まないＳｎ−Ｂｉ−Ｉｎ系合金に注目して、これを前記冷媒を用いた冷凍装置に備える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。
【００１５】
図１は、本発明に係る可溶栓の概略構造を示す断面図である。可溶栓１は、冷凍装置の内外を貫通する逃がし穴を有する本体３と、この逃がし穴を閉塞するように逃がし穴に固定された、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｉｎ系低融点金属からなる円筒状の低融点金属からなる栓部材２とを備えている。栓部材２は、本体３の中心部に貫通状に取り付けられている。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。
【００１６】
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−Ｂｉ−Ｉｎ系低融点金属の金属組成比と、動作性および耐クリープ性を測定した試験データである。
【００１７】
【表１】

【００１８】
まず、各可溶栓の動作性および耐クリープ性の試験準備としては、複数の可溶栓および水温可変の水槽とを用意した。
各可溶栓は、表１に示された各組成の低融点金属を栓部材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りが４２ｋｇｆ／ｃｍ^２（４．１ＭＰａ）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。
【００１９】
また、可溶栓の動作および耐クリープ性の試験は、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可溶栓を所定水温に保った前記水槽に１分間漬け、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。
また、耐クリープ性の試験については、上記のように準備した可溶栓を所定水温に保った水槽に所定時間漬け、気泡か低融点金属の漏れだしが観察されれば動作したものと判断し、気泡および低融点金属の漏れだし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６５℃で動作しなければ合格の印として○、６５℃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、信頼性確保の点から５００時間とした。
また、各可溶栓を複数個ずつ用意し、１つの可溶栓につき上記動作性または耐クリープ性の試験をいずれか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。
【００２０】
また、栓部材に作用する圧力を４２ｋｇｆ／ｃｍ^２とした理由は、ＨＦＣ系冷媒として使用が広がっているＲ４０４Ａの使用温度（約６３℃）における飽和圧力が約４２ｋｇｆ／ｃｍ^２であることから決定した。
【００２１】
表１において、上記試験において、各可溶栓は、何れも動作性には問題ないが、耐クリープ性においては、ほとんど不合格となることが判明した。
しかも上記低融点金属は、ほとんど組成に差がないことから融点に大きな差はないものと推測され、このＳｎ−Ｂｉ−Ｉｎ系合金を可溶栓に適用する際には、融点だけでなく、合金の軟化挙動を考慮しなければならないものと考えられる。このような結果および考察から、実施例１、比較例２、比較例７の、Ｓｎを４〜６重量％、Ｂｉを３４重量％とし、残部Ｉｎとした組成比のＳｎ−Ｂｉ−Ｉｎ合金を栓部材２とした可溶栓１は、Ｓｎ量を５重量％を中心とし、そのばらつき範囲を±１重量％未満にしないと、耐クリープ性が低下することがわかった。
また、実施例１、比較例４、比較例５の、Ｓｎ量を５重量％、Ｂｉ量を３３重量％〜３５重量％とし、残部Ｉｎとした組成比のＳｎ−Ｂｉ−Ｉｎ合金を栓部材２とした可溶栓１は、Ｂｉ量を３４重量％を中心とし、そのばらつきを±１重量％未満にしないと、耐クリープ性が低下することがわかった。
【００２２】
実施の形態２．
上記結果を元に、Ｓｎ量：３．５重量％〜６．５重量％、Ｂｉ量：３２．５〜３５．５重量％、残部Ｉｎとした組成比のＳｎ−Ｂｉ−Ｉｎ合金を栓部材２とした可溶栓１を試作し、同様の試験を行った。表２は、試験後に栓部材２について化学分析にてＳｎ、Ｂｉ量を定量した結果と、動作性、耐クリープ性について、評価を行った結果について、まとめたものである。
【００２３】
【表２】

【００２４】
以上より、Ｓｎ量を４重量％超え６重量％未満、Ｂｉ量を３３重量％超え３５重量％未満、残部Ｉｎとした組成比のＳｎ−Ｂｉ−Ｉｎ合金を栓部材２とした可溶栓１は、５７℃〜６５℃で使用し、７５℃以下の臨界温度を有する冷媒について、高信頼であることがわかる。
また、配合組成とほぼ同じ可溶栓を作製できることも判明した。
さらに、組成ばらつきが小さい方が、性能ばらつきを抑制できることから、本試験での中心値に近いＳｎ量：４．５重量％〜５．５重量％、Ｂｉ量：３３．５重量％〜３４．５重量％、残部Ｉｎとすることが、より望ましい。
【００２５】
本発明によれば、冷媒として、既に規格化されているとともに温度と飽和温度との関係等が明確になっているＲ１２５、Ｒ１４３ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｂ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４１０Ｂ、Ｒ５０７Ａ等の少なくとも一つを冷媒として封入した冷凍機器に備え付けることによって、より高信頼化となる。
さらに、上記可溶栓は、７５℃以下で動作することから関係基準に定められた追加試験を行う必要がなく、よって低コストであり追加試験による製品品質の劣化懸念もない。
【００２６】
実施の形態３．
次に、栓部材２の可溶栓本体への充填終了温度が、耐クリープ性に与える影響について調査を行った。実施例１に記載の配合組成が５Ｓｎ−３４Ｂｉ−６１Ｉｎ（融点約６８℃）である栓部材２を用い、可溶栓本体温度が８０℃、１００℃、１２０℃、１４０℃、１６０℃、１８０℃近傍で充填を完了した可溶栓１のサンプルを、各温度１０個ずつ試作し、前記同様の耐クリープ性評価を行った。
サンプル作製方法は以下のようである。
まず、可溶栓本体側壁に穴を空けて、逃がし穴近傍にアルメル−クロメル熱電対を挿入し、銀ペーストで固定、温度を測定した。
目標充填終了温度＋２０℃になるまで高温槽で可溶栓本体を加熱し、そこから取り出して、フラックスを塗布しながら５Ｓｎ−３４Ｂｉ−６１Ｉｎ合金を充填し、終了したときの温度が、目標±５℃以内であることを確認して、本条件を満たすもののみを試験に用いた。
６５℃、４２ｋｇｆ／ｃｍ^２、５００時間経過後の、不合格サンプル数を表３に示した。
【００２７】
【表３】

【００２８】
本結果より、充填終了温度が１００℃以下の場合は、耐クリープ性に劣り、１２０℃以上で急激に改善され、１４０℃以上でゼロとなった。以上より、充填終了温度が低いと耐クリープ性が劣化し、逆に充填終了温度が高いほど耐クリープ性に優れることが判明した。
以上より、低融点金属充填終了温度を１２０℃以上、望ましくは１４０℃以上とすることにより、本発明の可溶栓の耐クリープ性は飛躍的に向上する。
また、上記８０℃、１００℃、１２０℃で充填を終了したサンプルをホットプレートの上に載せて、１４０℃×３０秒間の加熱を行い、同様の耐クリープ性評価を行った。その結果、すべてのサンプルは合格となり、従って、上記効果は充填終了温度が低い場合、あとから１２０℃以上の加熱工程を追加することによって、耐クリープ性向上効果が、充填終了温度が高いものと同様に得られる。
【００２９】
実施の形態４．
上記結果を元に、５Ｓｎ−３４Ｂｉ−６１Ｉｎ低融点金属を用い、充填終了温度１６０℃で作製した可溶栓１０個を、冷媒Ｒ４０４Ａを封入した模擬冷凍装置に備えて、動作性および耐クリープ性について調査を行った。その結果、すべての可溶栓が試験に合格した。また、Ｒ１２５、Ｒ１４３ａ、Ｒ４０７Ｂ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４１０ＢおよびＲ５０７Ａについても試験を行ったが、まったく問題がないことを確認した。
以上よりこれらとほぼ同等の温度で使用し、臨界温度を有する冷媒を封入した冷凍装置に備えても、同様の効果が得られることは容易に類推できる。
上記結果について、可溶栓本体の温度は均一であることが望ましいが、温度分布があったとしても同様の効果が得られることは容易に類推できる。
また、本可溶栓は、窒素等非酸化性ガス中で作製することにより、耐食性に優れ、表面光沢が良好で、ボイドが少ない等の効果が得られる。
また、減圧中で作製することによって、ボイド低減効果が得られるが、大気中で作製しても、何ら問題はない。
さらに、本体加熱温度を高くすればするほど、耐クリープ性は向上するが、低融点金属充填時にフラックスや合金が飛散する等作業性が低下する。
本発明の可溶栓は、低融点金属の充填方法によらず、ペーストやヤニ入りはんだを用いても同様の効果が得られる。また加熱方法にもよらず、ホットプレートやリフロー炉加熱等でも同様の効果が得られる。
【００３０】
本発明の可溶栓の製造方法は、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｉｎ系合金の組織（より詳しくはＳｎ−Ｂｉ−Ｉｎからなる低温溶融相の析出）を、本発明の可溶栓の要件を満たすように制御し、これが合金の軟化挙動を制御し、耐クリープ性および動作性を制御しているものと推測される。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１の発明は、５７℃以上６５℃以下の温度範囲で使用し、７５℃以下の臨界温度を有する冷媒を封入した冷凍装置に設けられる可溶栓であって、前記可溶栓は、前記冷凍装置の内外を貫通する逃がし穴を有する本体と、前記逃がし穴を閉塞するように前記逃がし穴に固定された、低融点金属とからなる栓部材とを備え、前記低融点金属の構成が、Ｓｎ：Ｘ重量％、Ｂｉ：Ｙ重量％、残部ＩｎからなるＸＳｎ−ＹＢｉ−（１００−Ｘ−Ｙ）Ｉｎであり、４＜Ｘ＜６、３３＜Ｙ＜３５であることを特徴とする可溶栓であるので、有害物質であるＣｄやＰｂを含まず、信頼性が高く、安全弁より低コストな、次世代冷媒に対応した可溶栓が提供される。
【００３２】
請求項２の発明は、冷媒が、Ｒ１２５、Ｒ１４３ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｂ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４１０ＢおよびＲ５０７Ａから選択された少なくとも一つである請求項１に記載の可溶栓であるので、信頼性が一層高まる。
【００３３】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の可溶栓の製造方法であって、前記可溶栓を１２０℃以上に加熱する工程を含むことを特徴とする可溶栓の製造方法であるので、信頼性が向上した可溶栓を提供することができる。
【００３４】
また、上記可溶栓は、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概略構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１可溶栓、２栓部材、３本体、４圧力容器。

Claims

５７℃以上６５℃以下の温度範囲で使用し、７５℃以下の臨界温度を有する冷媒を封入した冷凍装置に設けられる可溶栓であって、前記可溶栓は、前記冷凍装置の内外を貫通する逃がし穴を有する本体と、前記逃がし穴を閉塞するように前記逃がし穴に固定された、低融点金属とからなる栓部材とを備え、前記低融点金属の構成が、Ｓｎ：Ｘ重量％、Ｂｉ：Ｙ重量％、残部ＩｎからなるＸＳｎ−ＹＢｉ−（１００−Ｘ−Ｙ）Ｉｎであり、４＜Ｘ＜６、３３＜Ｙ＜３５であることを特徴とする可溶栓。
冷媒が、Ｒ１２５、Ｒ１４３ａ、Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｂ、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４１０ＢおよびＲ５０７Ａから選択された少なくとも一つである請求項１に記載の可溶栓。
請求項１または２に記載の可溶栓の製造方法であって、前記可溶栓を１２０℃以上に加熱する工程を含むことを特徴とする可溶栓の製造方法。
請求項１または２に記載の可溶栓を用いたことを特徴とする冷凍装置。