可燃性冷媒により、システムにおける火炎伝播を減じる方法

開示される発明は、冷媒および空調システム、特に、可動および固定の冷媒および空調システムで用いる火炎防止器の分野にある。

冷媒業界では、過去数十年間、モントリオール議定書の結果として段階的に廃止されるオゾン層破壊クロロフルオロカーボン(CFC:chlorofluorocarbon)およびハイドロクロロフルオロカーボン(HCFC:hydrochlorofluorocarbon)の代替冷媒を見出すことに取り組んできた。大半の冷媒製造業者にとっての解決策は、ハイドロフルオロカーボン(HFC)冷媒の商業化であった。HFC−134aをはじめとする新たなHFC冷媒は、オゾン層破壊係数がゼロであるため、モントリオール議定書を受けての、現在の規制による段階的廃止に影響されない。

さらなる環境規制により、最終的に、特定のHFC冷媒は世界的規模で段階的に廃止となり得る。現在、業界は、モバイル空調に用いる冷媒の地球温暖化係数(GWP)に関する規制に直面している。今後、規制がより広く、例えば、固定空調や冷媒システムに適用された場合、冷媒および空調業界の全ての領域に用いることのできる冷媒がより必要とされるであろう。低GWPを達成するために、様々なレベルのハイドロフルオロカーボンおよびハイドロカーボン冷媒が提案されてきた。

可燃性冷媒を用いた空調、冷蔵またはヒートポンプシステム等の冷媒システムは、自動車事故やシステム故障により、冷媒容器または管から漏れる、または他の方法で出て行く場合がある。冷媒が、自動車エンジン室内等、潜在的な発火源に晒されると、火災の可能性が存在する。例えば、冷媒ラインまたは容器が、自動車事故等により、切断、穿刺、破壊またはその他破損した場合、可燃性冷媒が、いくつかの発火源と接触して火災に結び付く場合がある。システムにより、冷媒の発火を防ぐ必要があり、さもなければ、発火周辺の財産や材料をさらに損傷する恐れのあるその他隣接する可燃性材料に火が広がることや通行人に危害が及ぶことを軽減する必要がある。

本発明は、冷却システム内またはそれに近接した冷媒源および発火源への、または冷媒源および発火源からの火炎の伝播を減じる方法であって、その冷媒源とその発火源間に金属メッシュ火炎防止器を配置することを含む方法を提供する。

概要および以下の詳細な説明は例示および説明のためのみであり、添付の請求項に定義される本発明を限定しない。

本発明を解説するために、図面に本発明の例示の実施形態を示すが、本発明は開示された特定の方法、組成およびデバイスに限定されない。さらに、図面は必ずしも一定の縮尺ではない。

マニホルドコンポーネントが火炎防止器でカバーされた、自動車排気マニホルドに関する本発明の一実施形態を示す。

火炎防止器が、炉の熱源と蒸発器の間に配置された、例えば、住居用炉/空調装置のための固定加熱冷却システムに関する本発明の一実施形態を示す。

実施例1および2で用いたカップ形火炎防止器の写真である。

本発明は、本明細書に記載および/または示した特定のデバイス、方法、用途、条件またはパラメータに限定されず、本明細書で用いた用語は、もっぱら例示のために、特定の実施形態を説明するためのものであって、請求した発明を限定しようとするものではないと考えられる。また、添付の請求項を含む明細書で用いる、単数形(「a」、「an」および「the」)には複数が含まれ、特定の数値の参照には、文脈から判断して明らかにそうでないと分かる以外は、少なくともその特定の値が含まれる。本明細書で用いる「複数」は2つ以上を意味する。値の範囲が表わされているときは、他の実施形態に、一方の値から、かつ/または他方の特定の値まで含まれる。同様に、「約」が先行するおおよそで値が表わされるときは、特定の値が他の実施形態に使われるものと考えられる。全ての範囲は包括的であり、かつ組み合わせることができる。

本明細書において、明確にするために個別の実施形態で記載された本発明の特定の特徴はまた、単一の実施形態において組み合わせても提供できるものと考えられる。反対に、単一の実施形態で記載された本発明の様々な特徴は、簡潔にするために、個別に、または任意のサブコンビネーションでも提供され得る。さらに、範囲で示す値の参照には、その範囲の全ての範囲が含まれる。

様々な発火源が、冷媒作動流体を用いる冷却システムに存在する可能性がある。一例を挙げると、冷媒は、自動車のエンジン室に含まれる自動車のための空調システムに含有されている。これらの発火源としては、例えば、フューズ、電気ヒーター、エンジン排気マニホルド、触媒コンバータまたはターボチャージャーおよびかかる発火源と関連する高温面が含まれる。これらの発火源は、火や火花が出る、または広がるところ、あるいは潜在的には火炎が通り抜け得るところであり得る。

冷却システムには、冷媒システム、空調システムおよびヒートポンプシステム、同じく、炉を含む複合加熱/冷却システム等の空調と加熱システムを組み合わせたものが含まれる。これらのシステムには、空調装置、フリーザー、冷蔵庫、ヒートポンプ、水冷器、フラッド蒸発冷却器、直接膨張冷却器、ウォークインクーラー、ヒートポンプ、モバイル冷蔵庫、モバイル空調ユニットおよびこれらの組み合わせが含まれる。

本明細書で用いるモバイル伝熱システムとは、道路、鉄道、海上または陸上での輸送ユニットに組み込まれる任意の冷蔵、空調または加熱装置を指す。さらに、モバイル冷蔵または空調ユニットには、任意の移動キャリアから独立した「インターモーダル」システムとして知られた装置が含まれる。かかるインダーモーダルシステムには、「容器」(複合海上/陸上輸送)および「スワップボディ」(複合道路/鉄道輸送)が含まれる。

本明細書で用いる固定伝熱システムは、操作中適所に固定されるシステムである。固定伝熱システムは、様々なビル内に結合されたり、取り付けられたり、あるいは、飲料はスナック自動販売機等の屋外に位置する独立型デバイスであってもよい。これらの固定用途としては、固定空調およびヒートポンプ(これらに限られるものではないが、冷却器、高温ヒートポンプ、住居用空調、商業または工業空調システム、窓、ダクトレス、ダクト、パッケージ型ターミナル、冷却器およびルーフトップシステム等のビルに接続されたエクステリア)がある。固定冷蔵用途においては、開示された組成物は、商業、工業または住居用冷蔵庫およびフリーザー、製氷機、自給式クーラーおよびフリーザー、フラッド蒸発冷却器、直接膨張冷却器、ウォークインおよびリーチインクーラーおよびフリーザーならびに複合システムをはじめとする設備に有用であり得る。ある実施形態において、開示された組成物は、スーパーマーケットの冷蔵システムに用いられてよい。さらに、固定システムには、一次冷媒および二次伝熱流体を利用する二次ループシステムが含まれる。

可燃性冷媒は、空気の存在下で発火する、かつ/または火炎を伝播する能力のある冷媒である。冷媒の可燃性は、ASTM(米国材料試験協会(American Society of Testing and Materials))E681に指定された試験条件下で決まる。試験データは、指定した温度で組成物が可燃性かどうかを示す(ASHRAE Standard34においてASHRAE(米国暖房冷凍空調学会(American Society of Heating, Refrigerating and Air−Conditioning Engineers))により指定)。

冷媒源としては、自動車空調またはヒートポンプシステムおよび固定炉または空調/炉複合システムが例示される。かかるシステムは、1つ以上のテトラフルオロプロペンを含む冷媒を含んでいてよい。本発明は、2,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HFO−1234yf)、シス−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(シス−HFO−1234ze)、トランス−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(トランス−HFO−1234ze)、シス−1,2,3,3−テトラフルオロプロペン(シス−HFO−1234ye)、トランス−1,2,3,3−テトラフルオロプロペン(トランス−HFO−1234ye)、1,1,2,3−テトラフルオロプロペン(HFO−1234yc)および1,1,3,3−テトラフルオロプロペン(HFO−1234zc)等の低GWPテトラフルオロプロペン冷媒に晒される火炎の伝播を防止するのに特に有用である。エンジン室で使われるその他の種類の可燃性冷媒としては、1,1−ジフルオロエタン(HFC−152a)およびジフルオロメタン(HFC−32)が挙げられる。さらに、エンジン室で使われる可燃性冷媒としては、テトラフロロプロペンとジフルオロメタン(HFC−32)および/または1,1−ジフルオロエタン(HFC−152a)の混合物が挙げられる。一実施形態において、冷媒は、2,3,3,3−テトラフルオロプロペンを含む。他の実施形態において、冷媒は、トランス−1,3,3,3−テトラフルオロプロペンを含む。他の実施形態において、冷媒は、ジフルオロメタンを含む。他の実施形態において、冷媒は、1,1−ジフルオロエタンを含む。

可燃性冷媒の発火を防ぐ、あるいは冷媒の発火から火炎の広がりを抑制するために、抑制システムが必要である。例えば、冷媒は、冷媒を保持する管または容器から漏れる恐れがあり、冷媒は、炎、高温面または火花に晒されると発火する恐れがある。本開示は、上述したテトラフルオロプロペンやその他可燃性冷媒に晒された火炎の伝播を防ぐのに有用な特定の火炎防止器の使用に関する。

火炎防止器は、火炎を存続させるには狭すぎるチャネルに火炎前面を押しこむことにより機能する。これらの通路は、穿孔ホールを有する金属メッシュ(例えば、ワイヤメッシュ)またはシート金属板のような規則的なもの、あるいは、ランダムなパッキングのような不規則なものとすることができる。火炎前面を停止するのに必要なチャネルの必要なサイズは、漏れている冷媒の可燃特性によって大きく異なり得る。

金属メッシュ火炎防止器は、本発明に関連して特に有用である。これらの防止器は、平面シートを典型的に含むが、当該の用途に応じたその他形状も採り得る。例えば、金属メッシュ火炎防止器は、特定の発火または冷媒源に巻き付くよう可撓性であってよい。

本発明の火炎防止器は、316ステンレス鋼、304ステンレス鋼、炭素鋼、アルミニウムまたは銅等の金属で構成してよい。一実施形態において、メッシュは、約60%以下、より好ましくは、52%以下の開口面積を有する。特定の実施形態において、対称的なホールサイズの金属メッシュ火炎防止器は、.028インチ以下、より好ましくは、0.023インチ以下の開口幅を有している。

メッシュサイズは、「1インチ当たりのメッシュ」で示される。1インチ当たりのメッシュ寸法は、ワイヤシート1インチ内の開口(または上述したチャネル)の数である。この寸法は、2つの数で表わされ、例えば、3×3だと、1インチに3つの水平な開口部と3つの垂直な開口部があることを意味している。開口面積(または開放空間)は、メッシュ中の開口(またはチャネル)でできたスクリーン面積のパーセントである。

本発明の他の実施形態において、2つ以上の金属メッシュシートを用いてよい。例えば、2つ以上の金属メッシュシートは、各シートのメッシュホールがオフセット位置で並ぶように配置してよく、火炎の伝播を減じるのに有効な様々な開口幅および開口面積を定義してよい。特定の実施形態において、2つ以上の金属メッシュスクリーンを並べて、金属メッシュ火炎防止器全体を作製してよく、メッシュの好ましい開口面積は約63%以下、開口幅は約0.132インチ以下、メッシュのより好ましい開口面積は約56%以下、幅は約0.075インチ以下である。

火炎防止器は、冷媒源と発火源の間に典型的に配置され、好ましくは、発火源に近くして、火炎が大きく伝播するのを防いで、発火源から離れるようにする。例えば、火炎が自動車排気マニホルドから伝播するのを防ぐことによって、エンジン損傷の可能性を減じることができる。これは、金属メッシュフレーム防止器を、排気マニホルドに巻き付け、それにより、温マニホルドが漏れている冷媒に晒され、発火した場合に、排気マニホルドから離れる方向に火炎が移動しないようにすることにより達成される。

ある実施形態において、発火源からの金属メッシュの距離は、数ミリメートルから数センチメートルまで異なるであろう。一実施形態において、金属メッシュと発火源の距離は、約2mm〜約5cmである。他の実施形態において、金属メッシュと発火源の距離は、約5mm〜約3cmである。他の実施形態において、金属メッシュと発火源の距離は、約1cm〜約2cmである。図1に、金属メッシュ火炎防止器がマニホルドに巻き付いた実施形態を示す。従って、空調システムからの漏れがあり、冷媒蒸気または液体が、火炎防止器メッシュを通りぬけて、排気マニホルド(またはその他発火源)等の高温面により発火する場合、火炎前面は広がろうとするが、ホールサイズが、例えば、直面する火炎の種類に合うよう正しく設計されていれば、金属メッシュ火炎防止器の裏を通るのを止めることができる。

図1を参照すると、冷媒を含有する空調を含むモバイルシステムの一実施形態における火炎防止器が示されている。特に、火炎防止器の取り付けられた自動車の排気マニホルドが図1に示されている。エンジンブロック110は、排気のための複数の出口を有している。これらの出口は、排気マニホルド112に接続されている。排気は、エンジンブロックを出て、出口から排気マニホルドへ流れる。複数の排気ストリームが、排気管116に流れる単一のストリームへと統合される。金属メッシュ火炎防止器120は、エンジンブロックの接続部118から排気管の接続部114まで、排気マニホルド112全体をカバーする。他の実施形態において、金属メッシュ火炎防止器は、排気管116の少なくともある部分をカバーするよう、図1に120aとして示すように、任意で延長してもよい。金属メッシュ火炎防止器は、それを適所に保持するのに十分な任意の手段により取り付けられればよい。金属メッシュ火炎防止器を排気マニホルドに接続する手段としては、例えば、溶接(例えば、連続溶接またはスポット溶接)、ろう付けおよびネジやボルト等の締め具が含まれる。一実施形態において、既存の締め具、例えば、排気マニホルドを、図1の118でエンジンブロックに取り付けるのに用いるボルトを利用してよい。他の実施形態において、火炎防止器は、新たなシステムの設計に組み込んでよい。図1は、排気マニホルド全体をカバーする単一金属メッシュ火炎防止器を示しているが、他の実施形態において、個別の金属メッシュ火炎防止器が、排気マニホルドの各管に巻き付いていてもよい。

図2は、固定加熱/空調システム10(複合加熱/冷却ユニットと呼ばれることもある)への火炎防止器の適用を示す。図2において、12は、加熱または冷却される空間、例えば、家からの還気ダクトである。空間からの還気は、ダクト12から、フィルタ14を通って、ブローユニット20へと流れる。ブローユニットは、空気を炉30へ、そして、そこから蒸発器ユニット40を通って、加熱される家やその他空間へと空気を送る配管へ、空気を送るブロワーまたはファンを含んでいる。炉は、ガス(例えば、プロパンまたは天然ガス)または油炎または発熱体またはコイルであってよい加熱素子18を含んでいる。蒸発器ユニット40は、金属メッシュ火炎防止器22と冷媒を含有する蒸発器24を含んでいる。冷媒は、コンプレッサおよび凝縮器を含む外部ユニットから蒸発器へ、ライン26を通って流入し、蒸気圧縮冷却/加熱回路を完成し、ライン28を通って外部ユニットへ戻るように流れる。冷媒が漏れた場合、炉ユニットからの炎は防止され、金属メッシュ火炎防止器を通って広がらないようにされる。

図2に示すシステムの蒸発器ユニットは、専用空調システム(冷却のみ)の一部、または冷却と加熱を行う(外部温度が許容すれば)ヒートポンプシステムの一部となり得る。ヒートポンプの場合には、炉は、外部温度が低い条件でのバックアップ加熱システムとして作用する。

代替的実施形態において、金属メッシュ火炎防止器は、冷媒源を封入していてもよく、可燃性冷媒材料が循環する管からの漏れがある場合には、金属メッシュは、冷媒の発火による損傷を、実質的に冷媒源内に限定して、冷媒源を超えた領域への損傷を軽減することができるようになっている。

メッシュサイズ等の物理特性について範囲を本明細書で用いるときは、特定の実施形態についての範囲の全ての組み合わせまたはサブコンビネーションが含まれるものとする。

当業者であれば、数多くの変更および修正を本発明の好ましい実施形態について行うことができ、かかる変更および修正は、本発明の精神から逸脱することなく行えることが理解されるであろう。従って、添付の請求項は、本発明の真の思想および範囲に含まれるかかる均等の変形形態の全てをカバーするものとする。

実施例1 冷媒火炎防止器試験 8ozの錫めっきエアロゾル缶を、約175グラムの冷媒組成物で充填し、Acc−U−Solアクチュエータ(Precision Valve Company)を取り付けた。高さ3.5インチの標準plumberろうそくを燃やした。密閉された、高さ45mm、ベース直径40mm、0.5mm〜1.2mmの範囲のホールサイズのカップ形火炎防止器(図3参照)を、火炎の上に配置して、火炎と芯を覆った。冷媒組成物を、火炎の高さで、ろうそくから約10インチ離して、水平に液相にスプレーし、火炎の広がりを観察した。結果を以下の表1に示す。

結果によれば、火炎防止器は、HFO−1234yfまたはHFO−1234yf/HFC−152a混合物に晒された火炎を抑制することができ、それによって、これらの冷媒組成物の安全性が改善されることが分かる。

実施例2 冷媒/潤滑剤火炎防止器試験 8オンスの錫めっきエアロゾル缶を、約175グラムの冷媒組成物で充填し、Acc−U−Solアクチュエータを取り付けた。高さ3.5インチの標準plumberろうそくを燃やし、実施例1の火炎防止器を、火炎の上に配置して、火炎と芯を覆った。冷媒組成物を、火炎の高さで、ろうそくから約10インチ離して、水平に液相にスプレーし、火炎の広がりを観察した。結果を以下の表2に示す。

結果によれば、火炎防止器は、HFO−1234yf/潤滑剤混合物に晒された火炎を抑制するのに有効であり、それによって、これらの冷媒/潤滑剤組成物の安全性が改善されることが分かる。UCON−244は、Dow(ミシガン州ミッドランド(Midland、Michigan))より供給されたポリアルキレングリコールコンプレッサー潤滑剤である。

実施例3 ステンレス鋼平織りスクリーン火炎防止器試験 8オンスの錫めっきエアロゾル缶を、約175グラムの冷媒組成物で充填し、Acc−U−Solアクチュエータを取り付けた。高さ3.5インチの標準plumberろうそくを燃やした。異なるメッシュサイズ、開口径およびワイヤ直径の平織り304ステンレス鋼ワイヤスクリーン(McMaster−Carr,イリノイ州エルムハースト(Elmhurst,Illinois))を、エアロゾル缶から離れた側で、ろうそくの隣に垂直に配置した。冷媒組成物を、火炎の高さで、ろうそくから約10インチ離して、水平に液相にスプレーした。炎が、スクリーンを通りぬけたか、スプレー時に防止されたか、火炎の広がりを観察した。結果を以下の表3に示す。

結果によれば、約60%以下の開口面積を有するステンレス鋼ワイヤメッシュは、比較的低い火炎伝播特性(10cm/秒未満の燃焼速度)を有するトランス−HFO−1234ze、HFO−1234yfおよびHFC−32から火炎を防止するであろうことが分かる。この開口面積は、8×8以上のスクリーンメッシュサイズに対応する。

実施例4 アルミニウム平織りスクリーン火炎防止器試験 8オンスの錫めっきエアロゾル缶を、約175グラムの冷媒組成物で充填し、Acc−U−Solアクチュエータを取り付けた。高さ3.5インチの標準plumberろうそくを燃やした。異なるメッシュサイズ、開口径およびワイヤ直径の平織りアルミニウムワイヤスクリーン(McMaster−Carr,イリノイ州エルムハースト)を、エアロゾル缶から離れた側で、ろうそくの隣に垂直に配置した。冷媒組成物を、火炎の高さで、ろうそくから約10インチ離して、水平に液相にスプレーした。炎が、スクリーンを通りぬけたか、スプレー時に防止されたか、火炎の広がりを観察した。結果を以下の表4に示す。

結果によれば、約60%以下の開口面積を有するアルミニウムワイヤメッシュは、トランス−HFO−1234zeおよびHFC−32から火炎を防止し、一方、約56%以下(10×10メッシュ以上)の開口面積を有するメッシュは、HFO−1234yfを防止するであろうことが分かる。

実施例5 火炎防止器としてのモスキートスクリーン 8オンスの錫めっきエアロゾル缶を、約175グラムの冷媒組成物で充填し、Acc−U−Solアクチュエータを取り付けた。高さ3.5インチの標準plumberろうそくを燃やした。平アルミニウムモスキートスクリーンを、エアロゾル缶から離れた側で、ろうそくの隣に垂直に配置した。冷媒組成物を、火炎の高さで、ろうそくから約10インチ離して、水平に液相にスプレーした。炎が、スクリーンを通りぬけたか、スプレー時に防止されたか、火炎の広がりを観察した。結果を以下の表5に示す。

結果によれば、モスキートスクリーンという単純なデザインも、トランス−HFO−1234ze、HFO−1234yfおよびHFC−32の火炎を防止するのに有効であることが分かる。

実施例6 2層火炎防止器試験 8オンスの錫めっきエアロゾル缶を、約175グラムの本発明の冷媒組成物で充填し、Acc−U−Solアクチュエータを取り付けた。高さ3.5インチの標準plumberろうそくを燃やした。2つの平304 SS織スクリーンを、スクリーンが互いに重なり、ホールがオフセットとなるようにして、ろうそくの直ぐ隣に垂直に配置した。第2のワイヤスクリーンのワイヤ間の開口面積において1つのワイヤスクリーンの交点を中心にすることによりスクリーンをオフセットとした。この配置を、前の試験に落ちた単一スクリーンと比べた。冷媒組成物を、火炎の高さで、ろうそくから約10インチ離して、水平に液相にスプレーした。炎が、スクリーンを通りぬけたか、スプレー時に防止されたか、火炎の広がりを観察した。結果を以下の表6に示す。

結果によれば、金属メッシュ火炎防止器は、ホールをオフセット位置で並べて、火炎抵抗性の追加の通路を与えて、2つのスクリーンを互いに重なるように配置しても有効であり得ることが分かる。オフセットワイヤスクリーンは、火炎防止器の開口面積を減じる働きをした。これは、トランス−HFO−1234ze、HFO−1234yfおよびHFC−32に有効であった。