(57)【要約】【課題】ＬＰＧガスやアンモニアを二次冷媒として安全性高く使用する方法について提案する【解決手段】冷凍機によって冷却された一次冷媒６を熱交換部７において二次冷媒８と熱交換させ、二次冷媒８によって被冷却対象を冷却する冷凍装置において、二次冷媒８をゲル化して固定したことを特徴とする二次冷媒式冷凍装置、また、二次冷媒は、水とグリコールと添加剤を含み、ゲル化している。水とグリコールの混合比率は体積比２５％から７５％のグリコール濃度である。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍機によって冷却された一次冷媒を熱交換部において二次冷媒と熱交換させ、前記二次冷媒によって被冷却対象を冷却する冷凍装置において、前記二次冷媒をゲル化して固定したことを特徴とする二次冷媒式冷凍装置
【請求項２】
前記二次冷媒を密封容器内に収容してあることを特徴とする請求項１記載の二次冷媒式冷凍装置
【請求項３】
前記熱交換部は前記二次冷媒内に配置することを特徴とする請求項１記載の二次冷媒式冷凍装置
【請求項４】
前記二次冷媒を複数種類の冷媒で構成し、それぞれの種類の冷媒は分離していてかつ隣り合って配置された層を成していて、前記熱交換部は一の層中に配置することを特徴とする請求項１記載の二次冷媒式冷凍装置
【請求項５】
前記二次冷媒を複数種類の冷媒で構成し、それぞれの種類の冷媒は分離していてかつ隣り合って配置された層を成していて、隣接する二つの層では一方の層が他方の層を内包しており、前記熱交換部は最も内側の層中に配置することを特徴とする請求項１記載の二次冷媒式冷凍装置
【請求項６】
前記二次冷媒を複数種類の冷媒で構成し、それぞれの種類の冷媒は隔壁を隔てて分離していてかつ隣り合って配置された層を成していて、前記熱交換部は一の層中に配置することを特徴とする請求項１記載の二次冷媒式冷凍装置
【請求項７】
前記二次冷媒を複数種類の冷媒で構成し、それぞれの種類の冷媒は隔壁を隔てて分離していてかつ隣り合って配置された層を成していて、隣接する二つの層では一方の層が他方の層を内包しており、前記熱交換部は最も内側の層中に配置することを特徴とする請求項１記載の二次冷媒式冷凍装置
【請求項８】
前記二次冷媒をエチレングリコールを含む第一の冷媒とプロピレングリコールを含む第二の冷媒で構成し、それぞれの種類の冷媒は隔壁を隔てて分離していてもしくは直接に接触した状態で分離していてかつ隣り合って配置された層を成していて、第二の層が第一の層を内包しており、前記熱交換部は第一の層中に配置することを特徴とする請求項１記載の二次冷媒式冷凍装置
【請求項９】
前記二次冷媒は水とグリコールと添加剤を含み、ゲル化したことを特徴とする請求項１記載の二次冷媒式冷凍装置
【請求項１０】
前記熱交換部の熱交換要素又は前記二次冷媒を収容する密封容器の少なくとも一部分はアルミニウム、銅、銀などの高熱伝導性材料で構成したことを特徴とする請求項１記載の二次冷媒式冷凍装置
【請求項１１】
前記二次冷媒を収容する密封容器の内面又は外面にフィンを設けたことを特徴とする請求項１記載の二次冷媒式冷凍装置
【請求項１２】
前記二次冷媒を収容する密封容器の内の前記二次冷媒内にアルミニウム、銅、銀などの高熱伝導性材料で構成した熱伝導部材を配置したことを特徴とする請求項１記載の二次冷媒式冷凍装置
【請求項１３】
前記二次冷媒内における前記一次冷媒を通す管路の分布を被冷却対象の種類に応じて決定したことを特徴とする請求項１記載の二次冷媒式冷凍装置
【請求項１４】
水とグリコールと添加剤を含み、ゲル化したことを特徴とする冷凍装置の二次冷媒
【請求項１５】
前記グリコールはエチレングリコールとプロピレングリコールのいずれか一方又は両方であることを特徴とする請求項１４記載の冷凍装置の二次冷媒
【請求項１６】
前記エチレングリコールを含む層をプロピレングリコールを含む層が内包するように構成したことを特徴とする請求項１４記載の冷凍装置の二次冷媒
【請求項１７】
前記添加剤はゲル化剤、酸化防止剤、金属防錆剤、消泡剤、Ｐｈ調整剤、多孔質無機物及び表面張力降下剤のうちの一又は二以上であることを特徴とする請求項１４記載の冷凍装置の二次冷媒
【請求項１８】
前記ゲル化剤は合成されたもしくは天然の水溶解性樹脂であることを特徴とする請求項１４記載の冷凍装置の二次冷媒
【請求項１９】
水とグリコールの混合比率は体積比２５から７５％のグリコール濃度であることを特徴とする請求項１４記載の冷凍装置の二次冷媒
【請求項２０】
水とグリコールの混合比率は体積比３５から６０％のグリコール濃度であることを特徴とする請求項１４記載の冷凍装置の二次冷媒
【請求項２１】
水とグリコールの混合比率は体積比５０から６０％のグリコール濃度であることを特徴とする請求項１４記載の冷凍装置の二次冷媒
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は二次冷媒式冷凍装置及びそこで使用する二次冷媒に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍装置は図７に示すように、圧縮機２、凝縮器３、膨張弁４、及び蒸発器５、の四つの基本機器で構成される。直接冷却式冷凍方式では一次冷媒ガス６の蒸気を圧縮機５で吸入して、高温高圧の過熱ガスの状態まで圧縮し、凝縮器３で飽和液の状態まで冷却する。この冷媒液を膨張弁４で低温低圧の湿り蒸気の状態まで減圧して蒸発機に入れ、ここで、被冷却対象から熱を吸収して、再び圧縮機に吸入され、以後以上の変化を繰り返す。また間接冷却冷凍方式ではさらに循環する水やブラインなどの二次冷媒２８を介在させて被冷却対象２１を冷却する。
【０００３】
家庭用冷蔵冷凍庫等に代表される小型冷蔵冷凍設備及び車両用冷房機は直接冷却式冷凍方式をとり、フレオンガスを使用する一次冷媒のみで冷却を行っている。
【０００４】
従来直接冷却式冷凍方式の冷凍機の一次冷媒はフレオンガスを使用することが常識であったが、オゾン層を破壊する問題より、代替品に代えられる事になり種々の研究がなされたが、画期的な新物質の提案は無く、フレオンガスの前に使用されていたアンモニアか可燃性の強いＬＰＧガス（プロパンｏｒブタンガス）に置き換えられている情勢である。
【０００５】
特に引火危険性の見地から引火の危険の少ないアンモニアガスが主流になる情勢である。
【０００６】
【解決すべき課題】
然しアンモニアガスは洩れた場合の毒性危険性は非常に大きく問題である。
従ってＬＰＧガスやアンモニアを出来るだけ安全に使用する方法を発見すればフロンガス代替に大きく貢献すると考える。
【０００７】
この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであって、ＬＰＧガスやアンモニアを二次冷媒として安全性高く使用する方法について提案することを目的とするものである。
【０００８】
【構成】
この目的に対応して、この発明の二次冷媒式冷凍装置は、冷凍機によって冷却された一次冷媒を熱交換部において二次冷媒と熱交換させ、前記二次冷媒によって被冷却対象を冷却する冷凍装置において、前記二次冷媒をゲル化して固定したことを特徴としている。
【０００９】
またこの発明の二次冷媒式冷凍装置の二次冷媒は、水とグリコールと添加剤を含み、ゲル化したことを特徴としている。
【００１０】
【実施態様】
以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面について説明する。
図１において、１は二次冷媒式冷凍装置である。二次冷媒式冷凍装置１は圧縮機２、凝縮器３、膨張弁４及び蒸発器５を備えていて、一次冷媒６のガスの蒸気を圧縮機で吸入して、高温高圧の過熱ガスの状態まで圧縮し、凝縮器で飽和液の状態まで冷却する。この冷媒液を膨張弁で低温低圧の湿り蒸気の状態まで減圧して蒸発器に入れ、熱を吸収する。以上の冷凍機の構成は公知である。
【００１１】
この発明の特徴は以下に説明する蒸発器５における熱交換構成にある。すなわち、蒸発器５の熱交換部７は二次冷媒８の中に配置されている。二次冷媒８はゲル化していて、循環することなく固定していて、熱交換部７を内包している。
【００１２】
熱交換部７の少なくとも一部分はアルミニウム、銅、銀などの高熱伝導性材料で構成する。
【００１３】
二次冷媒８の形状は例えば冷蔵庫の内部などの設置場所などの被冷却対象の形状に応じて成形されている。
【００１４】
二次冷媒８がゲル化しているので、二次冷媒８がそのような自己保形能力を持たない場合には、図２、図３に示すように、二次冷媒８は密封容器１１内に充填されて設置される。密封容器１１の少なくとも一部分はアルミニウム、銅、銀、プラスチックなどの高熱伝導性材料で構成し、また、密封容器１１の内面または外面に伝熱を促進させるフィンを設けてもよい。また、密封容器１１内部の二次冷媒８内にアルミニウム、銅、銀などの高熱伝導性材料で構成した熱伝導部材を配置してもよい。さらに、二次冷媒８内における熱交換部７である一次冷媒６を通す管路の分布を被冷却対象２１の種類に応じて疎または密に決定する。
【００１５】
二次冷媒８はエチレングリコール、プロピレングリコールなどを含むゲル化物質の一種類または複数種類の冷媒によって構成されている。二次冷媒８を複数種類の冷媒によって構成する場合は、それらの冷媒はそれぞれ層をなして分離された状態で隣り合って配置され、いずれかの層中に熱交換部７が配置される。図３、図４に示すように、この場合に一方の層１２ａが他方の層１２ｂを内包するように構成してもよい。熱交換部７は内側の層１２ｂ内に配置される。層１２ａ、１２ｂの間には隔壁１３を設けて層１２ａ、１２ｂを分離してもよい。隔壁はプラスチック、アルミニウム、銅、銀等の熱伝導性のよい材料で構成する。
【００１６】
二次冷媒８は前記の通り、水とグリコールと添加剤を含み、ゲル化したものである。グリコールはエチレングリコールとプロピレングリコールのいずれか一方又は両方の混合体またはそれらを含む材料である。
【００１７】
二次冷媒８を２層構造として構成するときはエチレングリコールを含む層をプロピレングリコールを含む層が内包するように構成する。
【００１８】
添加剤はゲル化剤、酸化防止剤、金属防錆剤、消泡剤、Ｐｈ調整剤、多孔質無機物及び表面張力降下剤のうちの一又は二以上である。ゲル化剤は合成されたもしくは天然の水溶解性樹脂である。このような水溶解性樹脂の一例としてアクリル酸があり、その市販品として、例えば「アクアキープ（商標）（ＡＱＵＡ　ＫＥＥＰ）製鉄化学工業株式会社製」、「アクアリックＣＡ（商標）日本触媒化学工業株式会社製」等がある。
【００１９】
多孔質無機物は二次冷媒のゼリー強度を与えかつ組成の均一性を与えるもので、材料としては活性白土、珪藻土、ゼオライト、シリカゲル、炭酸カルシウム等がある。
【００２０】
水とグリコールの混合比率は体積比２５から７５％のグリコール濃度であり、好ましくは、水とグリコールの混合比率は体積比３５から６０％のグリコール濃度であり、さらに好ましくは、水とグリコールの混合比率は体積比５０から６０％のグリコール濃度である。
【００２１】
プロピレングリコール、エチレングリコールのうち、プロピレングリコールは食添物質に指定されており万一漏洩した場合でも害が無いが、エチレングリコールは第一種指定化学物質に指定されており分解過程で発癌物質になるとされている。
【００２２】
エチレングリコールは、工業用に大量生産されていて安価である。プロピレングリコール、エチレングリコール共に冷媒としての効果には大きな差は無い。
【００２３】
現在今世界で大量に生産され使用されている自動車用の冷却液（クーラント）の主成分はエチレングリコールである。
【００２４】
クーラントの場合も、毎年大量に廃棄される事が問題化しており、種々の対策が考えられているが、使い古した廃棄クーラントを再び新品同様にする所謂リサイクル手法には障害が多く進行していない。別途の使途の開発が必要である。この提案がこの問題の解決の一つになることを期待している。
【００２５】
次に、図６にはこの二次冷媒を実験室的に製造する場合の製造工程が模式的に示されている。すなわち図６に示すように、まず、水及びグリコールの混合体１４を容器１５に入れる（図６（ａ））。この混合体１４に添加剤１６を混入して攪拌する（図６（ｂ））。次に、多孔質無機物１７を混入して攪拌する（図１（ｃ））。
【００２６】
次にアクリル酸エステル等の吸水性アクリル系重合体１８を混合攪拌する（図６（ｄ））。
【００２７】
以上の操作は室温で行われる。水、グリコール、添加剤、吸水性アクリル系重合体及び多孔質無機物の混合物は攪拌に伴って次第にゲル状態の物質になる（図６（ｅ））。これによって二次冷媒８が完成する。このように構成された二次冷媒はゲル化してゼリー状になっている。
【００２８】
次に二次冷媒のゲル化グリコールの性状について述べる。
【００２９】
前述のように二次冷媒の内容は、水とグリコールと必要な添加剤であり、必要な添加剤としては、ゲル化剤と、酸化防止剤、金属防錆剤、消泡剤、ＰＨ調整剤、多孔質無機物等の全部または一部の組み合わせである。
【００３０】
ゲル化剤としては合成、天然の差異は無いが、コスト的にはアクリル酸及び其誘導体が有利である。
【００３１】
熱交換部７における一次冷却機構のパイプや二次冷媒のハウジングを保護するために、金属防錆剤を又冷媒の安定の為の酸化防止剤、消泡剤、ＰＨ調整剤を必要とする。
【００３２】
多孔質無機物はゲル化を促進し水分の均一化を図り且つゲル成型時にゲルの濃淡が出来なくなる等の効果がある。
【００３３】
ゲルの低温時の性質を観察するとグリコール濃度が５０％（水５０：グリコール５０体積比）以上あると−４０℃の低温でも氷結して堅くならない。
【００３４】
従って二次冷媒として安全性を高めるのには、グリコール濃度を５０〜６０％に保持する方がベターである。
【００３５】
ゲル化二次冷媒の安定度について観察すると、前述の添加物をすべて添加した場合は、常温常圧でガラス容器に密閉して室内に放置した場合、３年間経過しても変化が認められなかった。
【００３６】
アクリル酸系の水溶解性樹脂は、一般に光により分解する性質があり、水に溶解してゲル化したゲル物質は、日光に晒すと６時間〜１０時間で液体に戻ってしまうが、上記のグリコールと添加剤類を添加すると、全く分解しなくなる。
【００３７】
また一旦ゲル化した物質からグリコールを取り出すことは加熱減圧では出来ない。加熱加圧した場合は若干グリコールが分離されるが、収率は極めて悪い。
【００３８】
この生成ゲルは安定している。
【００３９】
このゲル化グリコールについては、当初使用済クーラント廃液を移動用の保冷庫の寒剤としての利用方法を開発研究していたので、性質については早くから観察していたのである。
【００４０】
次にゲル化グリコールの冷媒適性の考察について述べる。
（１）ゲル化グリコールの定義
ゲル化グリコールとは、水とグリコールの混合物に必要な添加剤を加えてゲル化剤でゲル化した物質を指す。
【００４１】
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グリコールの種類は、一般的にはエチレングリコールかプロピレングリコールを使用する。
【００４２】
又グリコールの一部をグリコールエーテルに置き換える場合がある。
【００４３】
其の理由は、グリコールの一部をグリコールエーテルに置き換えるとゲル化した物質の壁面に対する密着性が向上するからである。
【００４４】
添加剤は、ゲル化物の防錆と酸化防止及び表面張力降下剤とする。
（２）一般的な配合例を例示すれば下記の通りである。
【００４５】
▲１▼エチレングリコールベースのゲル化
水　　　　　　　　　　　　　　３５％
エチレングリコール　　　　　　５５％
ゲル化剤　　　　　　　　　　　　５％
添加剤　　　　　　　　　　　　　５％
添加剤内訳
合成脂肪酸（Ｃ８〜Ｃ１１）
無機アルカリ
ベンゾトリアゾール、トリルトリアゾールの混合又は単体
表面張力降下剤
（表面張力効果剤は界面活性剤系）
▲２▼プロピレングリコールベースのゲル化
水　　　　　　　　　　　　　　　３５％
プロピレングリコール　　　　　　５５％
ゲル化剤　　　　　　　　　　　　５％
添加剤　　　　　　　　　　　　　５％
添加剤内訳
合成脂肪酸（Ｃ８〜Ｃ１１）
無機アルカリ
ベンゾトリアゾール又はトリルトリアゾールの混合又は単体
表面張力降下剤
（表面張力降下剤は界面活性剤系）
▲３▼エチレングリコールとグリコールエーテルの混合体のゲル化
水　　　　　　　　　　　　　　３５％
エチレングリコール　　　　　　５５％
ゲル化剤　　　　　　　　　　　　５％
添加剤　　　　　　　　　　　　　５％
添加剤内訳
合成脂肪酸（Ｃ８〜Ｃ１１）
無機アルカリ
ベンゾトリアゾール又はトリルトリアゾールの混合又は単体
表面張力降下剤
（表面張力効果剤は界面活性剤系）
▲４▼プロピレングリコールとグリコールエーテルの混合体のゲル化
水　　　　　　　　　　　　　　３５％
プロピレングリコール　　　　　５５％
ゲル化剤　　　　　　　　　　　　５％
添加剤　　　　　　　　　　　　　５％
添加剤内訳
合成脂肪酸（Ｃ８〜Ｃ１１）
無機アルカリ
ベンゾトリアゾール又はトリルトリアゾールの混合又は単体
表面張力降下剤
（表面張力降下剤は界面活性剤系）
この処方例で示すグリコールエーテルは、酸化エチレンの誘導体と酸化プロピレンの誘導体の双方を指し混合で使用する場合がある。
【００４６】
例）酸化エチレン系グリコールエーテルの代表例
エチレングリコール・モノメチルエーテル、ジェチレングリコール・モノメチルエーテル、トリエチレングリコール・モノメチルエーテル
エチレングリコール・モノエチルエーテル、ジェチレングリコール・モノエチルエーテル、トリエチレングリコール・モノエチルエーテル
エチレングリコール・モノブチルエーテル、ジェチレングリコール・モノブチルエーテル、トリエチレングリコール・モノブチルエーテル
酸化プロピレン系グリコールエーテルの代表例
プロピレングリコール・モノメチルエーテル、ジプロピレングリコール・モノメチルエーテル、トリプロピレングリコール・モノメチルエーテル
プロピレングリコール・モノユチルエーテル、ジプロピレングリコール・モノエチルエーテル、トリプロピレングリコール・モノエチルエーテル
プロピレングリコール・モノブチルエーテル、ジプロピレングリコール・モノブチルエーテル、トリプロピレングリコール・モノブチルエーテル
この発明の重要な特徴は二次冷媒８をゲル状に固定し、静止した状態で使用することである。この二次冷媒８が熱交換部７からの一次冷媒６の漏洩を防ぐ。
【００４７】
【発明の効果】
従来の常識的な二次冷媒方式は、冷媒は一次、二次共液体で熱交換器を介在させて一次冷媒により二次冷媒を冷却し、ポンプで必要な処へ送る方式で主に大型の冷凍冷蔵設備に採用されている。
【００４８】
このような従来のシステムであるから、大型設備には適しているが、小型設備では機械容積が大きくなり不適当である。
【００４９】
この発明では二次冷媒をゲルまたはジュリー状に固定し、静止した状態にして、其の内側に一次冷媒を循環させるので設備容量が殆ど大きくならない。
【００５０】
今回提案する方式は、一次冷媒のパイプ回路をゲルまたはジュリー状に固定した二次冷媒を充たしたパイプ状または薄型の箱状の容器に入れ密封する方式である。
【００５１】
二次冷媒の構成は、水とグリコールと必要な添加物であり、グリコールは、エチレングリコール、プロピレングリコール等の比較的安価で大量生産されている物質である。
【００５２】
食品用の冷凍冷蔵庫では安全性の見地よりグリコールとしてはプロピレングリコールのみを用いる。その他の目的の冷却設備では、エチレングリコールを使用することが出来る。
【００５３】
又二次冷媒層を二重にして内層にはエチレングリコール、外層にはプロピレングリコールのゲル化物質を装填することも出来る。
【００５４】
必要な添加剤の内、ゲル化剤としては、合成又は天然の水溶解性樹脂である。合成ではアクリル酸及び其の誘導体、天然ではアルギン酸等が代表的である。水とグリコールの混合比率は、一般的には３５〜６０％のグリコール濃度である。
【００５５】
他の添加剤としては、酸化防止剤、金属防錆剤、消泡剤、ＰＨ調整剤、多孔質無機物等の全部または一部の組み合わせである。
【００５６】
一次冷媒のパイプ回路やパイプ状または薄型の箱状のゲル状物質のハウジングにはアルミ、銅、銀等の熱伝導性の良い箔又は線を適当に配置する事により熱伝導性を改良することが出来る。
【００５７】
二次冷媒外装のハウジングにフィンを装着することにより冷却面積を拡大することが出来る。
【００５８】
また一次冷却装置のパイプを疎にしたり密にしたりすることで、壁面冷却や集中冷却を連続して行うことも出来る。
【００５９】
従来冷媒は二次冷媒も一次冷媒同様流体であると了解されていたが、小型冷凍冷蔵機においては、二次冷媒をゲル化して固定することにより、一次冷媒のパイプを空間に露出しないので露点現象で水分の凝着を起こす事を緩和できる。
【００６０】
昨今のように安全性で問題のあるアンモニア、ＬＰＧ等の冷媒を使用せざるを得ない時、それらの安全性を高める手段として画期的である。
【００６１】
一次冷媒で直接冷却を行う場合は、必要で冷却温度と一次冷媒パイプ表面の温度差が大きく冷却管の水分氷着が容易に起きるが、二次冷媒を介して冷却を行えば、冷却面積を広げることにより、装置に水の凝着防止加工が容易に行える。
【００６２】
最近の環境問題から、フレオンガスが使用出来なくなるのは目前に迫っており、安全面から、アンモニア、ＬＰＧには問題が大きいことも指摘した。
【００６３】
而もフロンガスに匹敵する性能の代替物質も無い現状で、アンモニア、ＬＰＧの安全性を飛躍的に高める方法の開発は非常に意義がある。
【００６４】
二次冷媒の組成に水とグリコールを取り入れているので、万一一次冷媒より冷媒であるアンモニアやＬＰＧが洩れても化学反応を起こすことは無く二次冷媒のハウジングに検知システムを導入することにより更に安全性が高くなる。
【００６５】
家庭用冷蔵庫等に使用する場合は、安全確保の観点より二次冷媒にプロピレングリコールを使用する。
【００６６】
大型の冷蔵冷凍設備に対応する場合は、二次冷媒を２層として、一次冷媒に接する部分はエチレングリコールを用いた冷媒とし、外の層にはプロピレングリコールを用いた冷媒を使用する。
【００６７】
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に係る冷凍装置の構成説明図。
【図２】熱交換部の斜視説明図。
【図３】熱交換部の断面説明図。
【図４】他の熱交換部の斜視説明図。
【図５】他の熱交換部の断面説明図。
【図６】二次冷媒の製造工程を示す説明図。
【図７】従来の冷凍装置の構成説明図。
【符号の説明】
１　　　　一次冷媒式冷凍装置
２　　　　圧縮機
３　　　　凝縮器
４　　　　膨張弁
５　　　　蒸発器
６　　　　一次冷媒
７　　　　熱交換部
８　　　　二次冷媒
１１　　　密封容器
１２ａｂ　二次冷媒の層
１４　　　混合体
１５　　　容器
１６　　　添加剤
１７　　　多孔質無機物
１８　　　吸水性アクリル製重合体
２１　　　被冷却対象
２８　　　二次冷媒
【図１】
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【図２】
2004036956.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004036956.tif 000009
【図７】
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