JP4843939B2

JP4843939B2 - 二次循環冷却システム

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Publication number: JP4843939B2
Application number: JP2004359959A
Authority: JP
Inventors: 正人福島
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2004-12-13
Filing date: 2004-12-13
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2024-12-13
Also published as: JP2006169290A

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。また、塩素を含まないハロゲン誘導体としては、パーフルオロカーボン（ＰＦＣ）類やハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）類が知られている。これらのハロゲン誘導体は、地球温暖化と関係するものが多く、排出を抑制する必要がある。

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。

この問題を解決する方法として、二次冷媒としてＣ_３Ｆ_７ＯＣＨ_３（パーフルオロプロピルメチルエーテル）、Ｃ_４Ｆ_９ＯＣＨ_３（パーフルオロブチルメチルエーテル）およびＣ_４Ｆ_９ＯＣ_２Ｈ_５（パーフルオロブチルエチルエーテル）を用いる方法が提案されている（特許文献１参照。）。しかし、この方法は環境に対する影響は小さいものの、圧力損失、熱伝達といった二次冷媒としての特性については必ずしも十分ではなかった。

「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。

特開平１１−５１３７３８号公報（特許請求の範囲）

本発明は、不燃性で環境への影響が小さく、特に低温用途に適す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、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（以下、ＨＦＥ−３４７という。）を含有する組成物を用いることを特徴とする二次循環冷却システムを提供する。

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ＨＦＥ−３４７を含有する組成物を用いる。この組成物は、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。上記組成物におけるＨＦＥ−３４７の含有割合は、その特性を十分に発現するという観点から６０質量％以上、特には８０質量％以上、さらには９５質量％以上であるのが好ましい。

本発明におけるＨＦＥ−３４７を含有する組成物は、ＨＦＥ−３４７のみからなる場合も、熱伝達媒体としての優れた特性を発現するが、さらにＨＦＥ−３４７以外のフッ化エーテルを含有する場合は、さらに一段と優れた特性を発現する。

このようなＨＦＥ−３４７以外のフッ化エーテルとしては、ハイドロフルオロエーテルが好ましく、特には一般式Ｃ_ａＦ_２ａ＋１−Ｏ−Ｃ_ｂＨ_２ｂ＋１（ａは１〜６の整数であり、ｂは１〜４の整数である。）で表される化合物が好ましい。なかでも、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）は特に好ましい。

上記組成物におけるＨＦＥ−３４７以外のフッ化エーテルの含有割合は、１〜５０質量％、特には５〜４０質量％とするのが好ましい。

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ＣＣ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、１，１，１，２，２−ペンタフルオロエタン、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、１，１，１，２，２，３，３−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類を含有していてもよい。

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、有機酸およびそれらのエステル、金属塩、および無機物、第１、第２、および第３の脂肪族および脂環式のアミン、有機酸および無機酸のアミン塩、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およびそれらの誘導体等が挙げられる。

通常、上記安定剤の含有割合は、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１から導くことにより、下記式１−１であらわすことができる。

Ｎｕ＝０．０２３Ｒｅ^０．８Ｐｒ^０．４・・・式１

式１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１−１

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２で表される。式２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２。

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２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３で表すことができる。式３において、Ｒｅはレイノルズ数である。

ｆ＝０．０７９１Ｒｅ^−１／４・・・式３

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］
ＨＦＥ−３４７の特性（圧力損失および熱伝達係数）をパーフルオロブチルメチルエーテルと比較する。

パーフルオロブチルメチルエーテルのＨＦＥ−３４７に対する圧力損失相対比Ｐ（−６０〜４０℃の範囲）を算出した。

圧力損失相対比Ｐ＝△ｐ^ｘ／△ｐ^０
△ｐ^ｘ：パーフルオロブチルメチルエーテルの圧力損失
△ｐ^０：ＨＦＥ−３４７の圧力損失
△ｐ^ｘおよび△ｐ^０は式２にもとづいて算出した。結果を図２に示す。

また、パーフルオロブチルメチルエーテルのＨＦＥ−３４７に対する熱伝達係数相対比Ｈ（−６０〜４０℃の範囲）を算出した。

熱伝達係数相対比Ｈ＝ｈ^ｘ／ｈ^０
ｈ^ｘ：パーフルオロブチルメチルエーテルの熱伝達係数
ｈ^０：ＨＦＥ−３４７の熱伝達係数
ｈ^ｘおよびｈ^０は、式１−１にもとづいて算出した。結果を図２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、パーフルオロブチルメチルエーテルの圧力損失は−６０〜４０℃のすべての温度領域でＨＦＥ−３４７よりも大きく、パーフルオロブチルメチルエーテルの熱伝達係数は上記すべての温度領域でＨＦＥ−３４７よりも小さいことから、ＨＦＥ−３４７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２］
相対比較の対象をパーフルオロブチルメチルエーテルの代わりにパーフルオロブチルエチルエーテルとした以外は例１と同様にして、−４０〜２０℃における、ＨＦＥ−３４７に対する圧力損失相対比Ｐおよび熱伝達係数相対比Ｈを算出した。結果を図３に示す。

図３より、パーフルオロブチルエチルエーテルの圧力損失は−４０〜２０℃のすべての温度領域でＨＦＥ−３４７よりやや小さく、パーフルオロブチルエチルエーテルの熱伝達係数は上記すべての温度領域でＨＦＥ−３４７よりも１〜２割小さいことがわかる。

［例３〜５］
表１に示す３種類の混合溶液の各々について、ＨＦＥ−３４７に対する圧力損失相対比（−１０℃の場合、および−６０℃の場合）を算出した。結果を図４に示す。図４よりパーフルオロブチルメチルエーテルを含有することにより圧力損失が低下することがわかる。また、上記混合溶液の各々について、ＨＦＥ−３４７に対する熱伝達係数相対比（−１０℃の場合、および−６０℃の場合）を算出した。結果を図５に示す。図５よりパーフルオロブチルメチルエーテルを含有することにより熱伝達係数が大きくなり、特にその含有割合が１０質量％である場合には、その傾向が顕著であることがわかる。

［例６、例７］
パーフルオロブチルメチルエーテルを用いる代わりにパーフルオロブチルエチルエーテルを用いた以外は例３〜５と同様にして、表２に示す２種類の混合溶液について、ＨＦＥ−３４７に対する圧力損失相対比（−１０℃の場合、および−６０℃の場合）、およびＨＦＥ−３４７に対する熱伝達係数相対比（−１０℃の場合、および−６０℃の場合）を算出した。結果を図６および図７に示す。

図６よりパーフルオロブチルエチルエーテルを含有することにより圧力損失が低下することがわかる。また、図７よりパーフルオロブチルエチルエーテルを含有することにより熱伝達係数が大きくなることがわかる。特にパーフルオロブチルエチルエーテルの含有割合が１０質量％である場合は、それらの傾向が顕著である。

［例８、例９］
パーフルオロブチルメチルエーテルを用いる代わりにパーフルオロプロピルメチルエーテルを用いた以外は例３〜５と同様にして、表３に示す２種類の混合溶液について、ＨＦＥ−３４７に対する圧力損失相対比（−１０℃の場合、および−６０℃の場合）、およびＨＦＥ−３４７に対する熱伝達係数相対比（−１０℃の場合、および−６０℃の場合）を算出した。結果を図８および図９に示す。

図８よりパーフルオロプロピルメチルエーテルを含有することにより圧力損失が低下することがわかる。また、図９よりパーフルオロプロピルメチルエーテルを含有することにより熱伝達係数が大きくなることがわかる。特にパーフルオロブチルエチルエーテルの含有割合が１０質量％である場合は、それらの傾向がきわめて顕著である。

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として有用である。

二次循環冷却システムの一例ＨＦＥ−３４７とパーフルオロブチルメチルエーテルのブライン特性比較ＨＦＥ−３４７とパーフルオロブチルエチルエーテルのブライン特性比較ＨＦＥ−３４７／パーフルオロブチルメチルエーテル混合溶液におけるパーフルオロブチルメチルエーテルの含有割合と、圧力損失相対比との相関図ＨＦＥ−３４７／パーフルオロブチルメチルエーテル混合溶液におけるパーフルオロブチルメチルエーテルの含有割合と、熱伝達係数相対比との相関図ＨＦＥ−３４７／パーフルオロブチルエチルエーテル混合溶液におけるパーフルオロブチルエチルエーテルの含有割合と、圧力損失相対比との相関図ＨＦＥ−３４７／パーフルオロブチルエチルエーテル混合溶液におけるパーフルオロブチルエチルエーテルの含有割合と、熱伝達係数相対比との相関図ＨＦＥ−３４７／パーフルオロプロピルメチルエーテル混合溶液におけるパーフルオロプロピルメチルエーテルの含有割合と、圧力損失相対比との相関図ＨＦＥ−３４７／パーフルオロプロピルメチルエーテル混合溶液におけるパーフルオロプロピルメチルエーテルの含有割合と、熱伝達係数相対比との相関図

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

Claims

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、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（以下、ＨＦＥ−３４７という。）を含有する組成物を用いることを特徴とする二次循環冷却システム。
上記組成物におけるＨＦＥ−３４７の含有割合が６０質量％以上である請求項１に記載の二次循環冷却システム。
ＨＦＥ−３４７を含有する組成物が、さらにＨＦＥ−３４７以外のフッ化エーテルを含有する請求項１または２に記載の二次循環冷却システム。
上記組成物におけるＨＦＥ−３４７以外のフッ化エーテルの含有割合が５〜４０質量％である請求項３に記載の二次循環冷却システム。
ＨＦＥ−３４７以外のフッ化エーテルが、パーフルオロプロピルメチルエーテル、パーフルオロブチルメチルエーテル、またはパーフルオロブチルエチルエーテルである請求項３または４に記載の二次循環冷却システム。