JPWO2006054776A1 - 二次循環冷却システム - Google Patents

Abstract

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。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、ＣＦ２ＨＣＦ２ＯＣＨ２ＣＦ３等のフッ化エーテルとエタノール等のアルコール類と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。

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等のフッ化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。

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、フッ化エーテルとアルコール類と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。

二次循環冷却システムの一例 ＨＦＥ−３４７／エタノール混合溶液におけるエタノールの含有割合と、圧力損失相対比Ｐとの相関図 ＨＦＥ−３４７／エタノール混合溶液におけるエタノールの含有割合と、熱伝達係数相対比Ｈとの相関図 ＨＦＥ−３４７／２−プロパノール混合溶液における２−プロパノールの含有割合と、圧力損失相対比Ｐとの相関図 Ｃ_４Ｆ_９ＯＣＨ_３／エタノール混合溶液におけるエタノールの含有割合と、圧力損失相対比Ｐとの相関図 Ｃ_４Ｆ_９ＯＣ_２Ｈ_５／エタノール混合溶液におけるエタノールの含有割合と、圧力損失相対比Ｐとの相関図 Ｃ_４Ｆ_９ＯＣ_２Ｈ_５／エタノール混合溶液におけるエタノールの含有割合と、熱伝達係数相対比Ｈとの相関図 Ｃ_３Ｆ_７ＯＣＨ_３／エタノール混合溶液におけるエタノールの含有割合と、圧力損失相対比Ｐとの相関図 Ｃ_３Ｆ_７ＯＣＨ_３／エタノール混合溶液におけるエタノールの含有割合と、熱伝達係数相対比Ｈとの相関図

符号の説明

１：一次冷却手段
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（被冷却物）
１０：二次循環冷却戻り配管
１１：二次冷媒循環配管
１２：陳列ケース
１３：二次循環冷却手段

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、フッ化エーテルとアルコール類と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。

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_ｂＨ_{２ａ＋２−ｂ}Ｏ_ｄ（式中、ａ＝３〜６の整数であり、ｂ＝１〜１４の整数であり、ｄは１または２である。）で表される化合物が好ましい。特には、ＣＦ_２ＨＣＦ_２ＯＣＨ_２ＣＦ_３、ＣＦ_３ＣＨＦＣＦ_２ＯＣＨ_２ＣＦ_３、ＣＦ_３ＣＨＦＣＦ_２ＯＣＨ_２ＣＦ_２ＣＨＦ_２、Ｃ_３Ｆ_７ＯＣＨ_３、Ｃ_４Ｆ_９ＯＣＨ_３またはＣ_４Ｆ_９ＯＣ_２Ｈ_５が好ましく、なかでもＣＦ_２ＨＣＦ_２ＯＣＨ_２ＣＦ_３が好ましい。これらは単独で用いてもよいが、混合して用いてもよい。

フッ化エーテルの選定にあたっては、使用温度範囲、設備設計条件等にもとづき、適切な凝固点、標準沸点、臨界温度、密度、比熱、熱伝導率、粘度等の物性を有する化合物を選定する。
上記組成物におけるフッ化エーテルの含有割合は特には限定されないが、本発明の効果を十分に発現させるという観点から５０質量％以上、特には７０質量％以上、さらには８５質量％以上とするのが好ましい。

アルコール類としては、標準沸点、凝固点、引火性、入手容易性等の観点から、炭素数が１〜４のアルコールが好ましく用いられ、具体的には、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール等が用いられる。これらは単独で用いてもよいが、混合して用いてもよい。

上記組成物におけるアルコール類の含有割合は、特に限定されないが、１〜１５質量％、特には３〜１０質量％であるのが好ましい。アルコール類の含有割合が１５質量％を超える場合は、引火点を呈する可能性が出てくるとともに、フッ化エーテルとアルコール類とを共存させることによる効果が小さくなる場合があると考えられる。

上記組成物のなかでも、ＣＦ_２ＨＣＦ_２ＯＣＨ_２ＣＦ_３の含有割合が８５〜９９質量％、炭素数１〜４のアルコールの含有割合が１〜１５質量％である組成物は、熱伝達係数が大きく、循環させる際の圧力損失が小さいという本発明の効果が顕著であることから特に好ましい。

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、１，１，１，２，２−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、フッ化エーテルおよびアルコール類以外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、ｐ−（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）またはそれらの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、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−メチルベンズイミダゾール、３，５−ジ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、有機酸若しくはそれらのエステル、第１、第２若しくは第３級の脂肪族アミン、有機酸若しくは無機酸のアミン塩、複素環式窒素含有化合物、アルキルホスフェートのアミン塩若しく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１から導くことにより、下記式１−１で表すことができる。
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。

以下、本発明を実施例を参照して説明する。例２〜９、例１１〜１４、例１６〜１９および例２１〜２４は実施例であり、例１、例１０、例１５および例２０は比較例である。

［例１〜５］
フッ化エーテルとしてＣＦ_２ＨＣＦ_２ＯＣＨ_２ＣＦ_３（以下、ＨＦＥ−３４７という。）を選定し、アルコール類としてエタノールを選定した。表１に示す５種類の溶液の各々について、ＨＦＥ−３４７に対する圧力損失相対比Ｐ（−１０℃の場合、および−６０℃の場合）を算出した。

圧力損失相対比Ｐ＝△ｐ^ｘ／△ｐ^０
△ｐ^ｘ：ＨＦＥ−３４７とエタノールとの混合溶液の圧力損失
△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、表１に示す５種類の溶液の各々について、ＨＦＥ−３４７に対する熱伝達係数相対比Ｈ（−１０℃の場合、および−６０℃の場合）を算出した。
熱伝達係数相対比Ｈ＝ｈ^ｘ／ｈ^０
ｈ^ｘ：ＨＦＥ−３４７とエタノールとの混合溶液の熱伝達係数
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よりエタノールを混合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３よりエタノールを混合することにより熱伝達係数が大きくなることがわかる。特にエタノールの含有割合が５質量％である例２の場合に、熱伝達係数が著しく大きいことがわかる。

［例６〜９］
フッ化エーテルとしてＣＦ_２ＨＣＦ_２ＯＣＨ_２ＣＦ_３（以下、ＨＦＥ−３４７という。）を選定し、アルコール類として２−プロパノールを選定した。表２に示す５種類の溶液の各々について、例１〜５と同様にして、ＨＦＥ−３４７に対する圧力損失相対比Ｐ（−２０℃の場合、および−５０℃の場合）を算出した。結果を図４に示す。図４より２−プロパノールを混合することにより圧力損失が低下することがわかる。なお、例９においては圧力損失がやや増加しているが、例９の組成物は大きな熱伝達係数を有するので、二次冷媒の総合的な性能としては優れたものといえる。

［例１０〜１４］
フッ化エーテルとしてＣ_４Ｆ_９ＯＣＨ_３を選定し、アルコール類としてエタノールを選定した。表３に示す５種類の溶液の各々について、例１〜５と同様にして、Ｃ_４Ｆ_９ＯＣＨ_３に対する圧力損失相対比Ｐ（−１０℃の場合、−４０℃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よりエタノールを混合することにより圧力損失が低下することがわかる。

［例１５〜１９］
フッ化エーテルとしてＣ_４Ｆ_９ＯＣ_２Ｈ_５を選定し、アルコール類としてエタノールを選定した。表４に示す５種類の溶液の各々について、例１〜５と同様にして、Ｃ_４Ｆ_９ＯＣ_２Ｈ_５に対する圧力損失相対比Ｐ（−１０℃の場合、−４０℃の場合および−５０℃の場合）を算出した。結果を図６に示す。図６よりエタノールを混合することにより圧力損失が低下することがわかる。また、例１〜５と同様にして、熱伝達係数相対比Ｈ（−１０℃の場合、−４０℃の場合および−５０℃の場合）を算出した。結果を図７に示す。図７よりエタノールを混合することにより熱伝達係数が大きくなることがわかる。なお、例１９の−１０℃の場合は、熱伝達係数は大きくなってはいないが、例１９の組成物は圧力損失が小さいことから、二次冷媒の総合的な性能としては優れたものといえる。

［例２０〜２４］
フッ化エーテルとしてＣ_３Ｆ_７ＯＣＨ_３を選定し、アルコール類としてエタノールを選定した。表５に示す５種類の溶液の各々について、例１〜５と同様にして、Ｃ_３Ｆ_７ＯＣＨ_３に対する圧力損失相対比Ｐ（−１０℃の場合、および−４０℃の場合）を算出した。結果を図８に示す。図８よりエタノールを混合することにより圧力損失が低下することがわかる。また、例１〜５と同様にして、熱伝達係数相対比Ｈ（−１０℃の場合、および−４０℃の場合）を算出した。結果を図９に示す。図９よりエタノールを混合することにより熱伝達係数が大きくなることがわかる。なお、例２２〜２４の−１０℃の場合は、熱伝達係数はやや小さくなっているが、例２２〜２４の組成物は圧力損失が小さいことから、二次冷媒の総合的な性能としては優れたものといえる。

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。

なお、２００４年１１月２２日に出願された日本特許出願２００４−３３７５７７号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。

Claims (5)

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、フッ化エーテルとアルコール類と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。
2. フッ化エーテルが、一般式 Ｃ_ａＦ_ｂＨ_{２ａ＋２−ｂ}Ｏ_ｄ（式中、ａ＝３〜６の整数であり、ｂ＝１〜１４の整数であり、ｄは１または２である。）で表される化合物である請求項１に記載の二次循環冷却システム。
3. アルコール類が炭素数１〜４のアルコールである請求項１または２に記載の二次循環冷却システム。
4. フッ化エーテルがＣＦ_２ＨＣＦ_２ＯＣＨ_２ＣＦ_３である請求項１、２または３に記載の二次循環冷却システム。
5. 二次冷媒として、ＣＦ_２ＨＣＦ_２ＯＣＨ_２ＣＦ_３の含有割合が８５〜９９質量％、炭素数１〜４のアルコールの含有割合が１〜１５質量％である組成物を用いる請求項４に記載の二次循環冷却システム。

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