冷凍装置におけるねじ込み式真鍮製安全弁の応用、選定および性能の包括的分析

冷凍装置におけるねじ込み式真鍮製安全弁の応用、選定および性能の包括的分析

紹介

冷凍システムにおいて、例えばチラーや冷蔵庫ユニット、業務用冷凍装置などでは、安全弁が異常な圧力上昇に対する最終的な機械的保護手段として機能します。システムの圧力が許容限界を超えた場合、 安全弁 迅速に開いて過剰圧力を放出し、圧縮機の損傷、配管の破裂、冷媒の漏洩など重大な故障を防ぐ必要があります。

さまざまな安全弁の種類の中でも、ねじ込み式全黄銅製安全弁は、一般的な冷媒との優れた適合性、安定した熱伝導性、信頼性の高いシール性能、および設置の容易さから、冷凍用途で広く採用されています。産業用冷凍システム、商業用冷凍装置、コンパクトな家庭用冷凍機器に至るまで、幅広い分野で広く使用されています。

ASME BPVC 第VIII編によれば、安全弁の設定圧力とシステムの最大許容作動圧力（MAWP）との間の偏差は±3％以内に制御されなければならない一方、開放能力はシステムの最大圧力発生能力の少なくとも1.2倍を満たす必要があります。ISO 4126-1ではさらに、冷凍システムで使用される安全弁の漏れ率が10⁻⁶ mbar・L/sを超えてはならないと規定しています。標準的な運転条件下では、ねじ込み式全黄銅製安全弁はこれらの要件を確実に満たし、あるいは上回ることが可能です。

製品の詳細な分析：構造的および材料的な利点

構造組成と材料特性

ねじ付き真鍮製安全弁は通常、一体型の真鍮バルブ本体設計を採用しており、用途に応じてH59-1真鍮またはH62真鍮が選ばれます。

H59-1真鍮は優れた切削加工性と高いねじ精度を備えており、頻繁な設置およびメンテナンスを要する商業用冷凍システムに適しています。引張強度と硬度が高いため、繰り返しの圧力変動にも耐えることができます。

H62真鍮は優れた耐食性と機械的安定性を提供します。アンモニアおよび主流のHFC冷媒との化学的適合性があり、高い熱伝導性を持つため、急激な温度変化による応力割れのリスクを低減できます。

作動原理および主要性能データ

操動機構

ねじ式真ちゅう製安全弁は、スプリング式直接作動方式に基づいて動作します。通常の状態では、スプリングの力がバルブディスクをバルブシートに押し当て、密閉状態を維持しています。システムの圧力が所定の設定値に達すると、流体の圧力がスプリングの力を上回り、ディスクが持ち上がり、過剰な圧力を放出します。圧力が再座荷圧（リシート圧）まで低下すると、スプリングがディスクを元の位置に戻し、再度密封状態を回復します。

性能確認

API 526に従って実施された開放能力試験では、放散係数が0.9から0.95の範囲であり、鋳鉄製安全弁のそれと比べて著しく高くなっています。例えば、R404A冷媒を使用するDN20の弁は、約180 kg/hの開放能力を達成でき、5トン級の商業用冷凍装置に十分対応可能です。

動作温度範囲は−40°Cから120°Cまでで、応答時間は0.1秒から0.3秒の範囲です。耐久性試験では10,000サイクル後もシール性能の劣化が3％未満であり、適切なメンテナンス下での使用寿命は通常8～12年になります。

適用可能および制限された使用シーン

有利な用途

ねじ式真鍮製安全弁はR134a、R404A、R410AなどのHFC系冷媒およびアンモニアシステムに適合しています。腐食速度は炭素鋼製バルブで観察されるものと比べて著しく低くなっています。ねじ接続は溶接を必要とせず迅速な設置が可能であるため、狭所での作業に最適です。

低温域においてもH62真鍮は高い衝撃靭性を維持し、低温冷凍環境での信頼性ある運転を実現します。

制限された用途

真ちゅう製の安全弁はR22やR123などの塩素含有冷媒と化学反応を起こし、腐食を引き起こす可能性があるため、使用に適していません。MAWPが3.5 MPaを超えるシステムでは、代わりに合金鋼製の安全弁を選定する必要があります。

選定ガイド：データ駆動型アプローチ

圧力パラメータの決定

設定圧力は、弁の定格圧力を下回る範囲で、MAWPの1.05～1.10倍として定義する必要があります。再座圧力は通常、設定圧力の90％から95％の範囲であり、圧力変動に敏感なシステムでは高い値が推奨されます。

開放能力およびサイズの選定

開放能力は、冷媒の物性およびシステムの冷却能力を考慮して、API 520の方法論に従って計算する必要があります。公称径の選定は、配管サイズだけでなく、計算された流路面積に基づいて行う必要があります。

環境に適応可能性

スレッドタイプ、腐食保護、および低温環境用の材料選定は確認が必要です。腐食性または低温環境では、ニッケルメッキされたバルブボディとSUS316L製スプリングの使用が推奨されます。

代表的な選定ミスとその回避方法

一般的な選定誤りには、配管径のみに基づいてバルブを選定すること、設定圧力を最大許容作動圧力（MAWP）に等しく設定すること、冷媒との適合性を無視すること、または低温条件下で標準スプリングを使用することが含まれます。これらの問題は、適切な計算、材料の確認、関連規格への準拠により回避可能です。

取り付けの注意事項

設置位置および配管

安全弁は冷凍システムの最高圧力点に垂直に設置しなければならない。入口側の配管は流れを制限してはならず、出口側配管の抵抗は許容背圧限界内に維持されなければならない。

運転開始および保守

設置後は、不活性ガスによる漏れ試験を実施し、気密性および設定圧力の校正を確認する必要があります。長期的な信頼性を維持するため、1〜2年ごとの定期点検および再校正が不可欠です。

適用シナリオと実際の例

産業用アンモニア冷凍システム

アンモニア冷蔵倉庫施設では、適切に選定された真ちゅう製安全弁が、鋳鉄製の代替品と比較して安定した運転性能と低いメンテナンスコストを示しています。

業務用冷蔵設備

スーパーマーケットの冷凍システムは、頻繁な起動・停止条件下でも一貫した密封性能により、温度の安定性が向上し、運転上のトラブルが減少します。

家庭用冷蔵装置

小型の真ちゅう製安全弁は、家庭用冷蔵機器における厳しいスペース制約や騒音要件を満たしつつ、信頼性の高い圧力保護を提供します。

まとめ

ねじ付き全真鍮製安全弁は、信頼性の高い圧力解放、迅速な応答、優れた材質適合性により、冷凍システムの保護において極めて重要な役割を果たします。計算および環境条件に基づいた適切な選定と設置を行うことで、長期的な安全性が確保され、メンテナンスコストの削減とシステムの安定した性能が実現されます。