CN1049859A - 制冷剂配方 - Google Patents

Abstract

本发明提供的制冷剂配方包括二氯单氟甲烷以 及至少一种选自三氟甲烷、五氟乙烷、单氯二氟甲烷 和1-氯-1，1-二氟乙烷的氟代烷基化合物，此种制 冷剂大大减小了臭氧层中的臭氧被耗尽的潜在危险， 达到了令人满意的制冷温度，以及防止制冷系统中的 压缩机磨损。

Description

本发明涉及用于制冷系统的制冷剂配方，此种制冷剂大大减小了臭氧层中的臭氧被耗尽的潜在危险。

通常在制冷系统中采用卤代烃制冷剂，其中比较典型的是R-12（二氯二氟甲烷）和R-500〔一种R-12和R-152α的共沸混合物（1，1-二氟乙烷）〕。

在常压下，R-12和R-500的沸点分别为-29.65℃和-33.45℃，这在制冷系统中是很合适的。即使压缩机入口温度相当高，出口温度也不会升高到在压缩机中形成油泥的程度。此外，R-12与压缩机油很容易混合在一起，因此，它能把存在于制冷管路中的夹带的油送回到压缩机里去。

然而，上述制冷剂具有潜在的破坏臭氧层的危险，当它们被释放到大气层而到达臭氧层时，就会破坏臭氧层中的臭氧。这是由制冷剂分子中的氯造成的。

为了解决这个问题，不包含氯的制冷剂，例如R-125（五氟乙烷CHF₂CF₃）、R-134α（1，1，1，2-四氟乙烷CH₂FCF₃）和R-23（三氟甲烷CF₃H）被考虑用作替代制冷剂。R-125、R-134α和R-23的沸点在常压下分别为-48℃、-26℃和-82.05℃。

R-22（单氯二氟甲烷CClF₂H）和R-142b（1-氯-1，1-二氟乙烷C₂ClF₂H₃）中含有氯分子。然而，它们几乎不破坏臭氧层中的臭氧，因为它们在到达臭氧层之前，借助于内部包含的氢（H）的帮助而被分解。R-22和R-142b的沸点在常压下分别为-40.75℃和-9.8℃。

例如美国专利NO.4，810，403揭示了上述制冷剂的一些混合物，它们不对臭氧层造成不利影响，其中每一种都是将上述两种或两种以上的制冷剂混合在一起得到的。

然而，上述美国专利中所揭示的制冷剂混合物有以下缺点：R-125、R-134a或R-23的混合物与用于制冷循环中的压缩机油的相溶性极差，因为与油的相溶性主要取决于制冷剂中的氯（Cl）。同样，虽然R-22或R-142b的混合物含氯，但它们与环烷油或石蜡油也不具有令人满意的相溶性。

制冷剂与压缩机油的相溶性差，在蒸发器中便会分成两部分（油和制冷剂），以致于油几乎不返回到压缩机中去，其结果使得压缩机的轴承部分磨损。此外，油容易粘附在制冷管路中的管子上，造成制冷管路的堵塞。

混合制冷剂的沸点越低，这种倾向就越明显。特别是在需要制冷温度低于-20℃、（例如-40℃或-80℃）的制冷系统中使用混合制冷剂时，问题更为产重。

日本未审查专利申请Hei  l-141982揭示了R-134a和和二氯单氟甲烷（R-21）的混合物及其在制冷系统中的应用。然而，采用这种成分的混合物做制冷剂，不能达到-40℃或-80℃的制冷温度。

在R-22单独作为制冷剂使用的情况下，需要大大降低压缩机入口的温度，以便抑制压缩机出口温度的升高。然而，R-142与R-22的混合物有可能降低出口温度，因为即使入口温度比较高，R-142b的出口温度也不会升至很高。

此外，尽管R-142b是可燃的，但R-142b与R-22混合之后构成一种不可燃成分，由此在安全方面得到了改进。图4表示R-142b、R-22和空气的各种混合比例时的可燃性，其中阴影部分为可燃区域，而其它部分为不可燃区域。从该图可以看出，当混合了重量百分比大于10%的R-22时，可以避开R-142b的可燃区域。

当环境温度很低，例如在冬天低于0℃时，如果在制冷管理中发生制冷剂泄漏，具有较低沸点的R-22便先蒸发并消散。因此，只剩下R-142b溶解于压缩机油中。在这种时候，如果由于环境温度的再次升高而使得制冷剂温度也升高的话，将修理用的焊枪靠近制冷剂或出现类似情况，那么只有可燃的R-142b流出，从而最终导致自身爆炸。

本发明的目的是为了克服以上所描述的先有技术中存在的各种问题。

因此，本发明提供了一种制冷剂成分，它包含二氯单氟甲烷（R-21）和至少一种氟代烷基化合物，该化合物选自三氟甲烷（R-23）、五氟乙烷（R-125）、单氯二氟甲烷（R-22）和1-氯-1，1-二氟乙烷（R-142b）。

本发明基于这样一种发现：即二氯单氟甲烷（R-21）和从上述化合物组选出的氟代烷基化合物混合之后能构成制冷剂，这些制冷剂大大减小了臭氧层中的臭氧被耗尽的潜在危险，能达到例如-40℃或-80℃那样的非常低的制冷温度，以及具有与压缩机油的良好的相溶性。

图1和图2是用于本发明的实施例的制冷管路示意图。

图3表示由R-142b，R-21和空气组成的一种混合物中的R-142b的不可燃区域。

图4表示由R-142b、R-22和空气组成的一种混合物中的R-142b的不可燃区域。

图5表示R-22、R-142b和R-21组成的混合制冷剂中的R-21，压缩机温度以及制冷温度之间的比例关系。

本发明的制冷剂配方归类为实施例1和2。实施例1是由二氯单氟甲烷（R-21与分子中不含氯的氟代烷基化合物三氟甲烷（R-23）和/或五氟乙烷（R-125）的混合物构成的。实施例2是由二氯单氟甲烷（R-21）与分子中含有氯和氢的氟代烷基化合物单氯二氟甲烷（R-22）和/或1-氯-1，1-二氟乙烷（R-142b）的混合物构成的。

在上述实施例1中，配方中的R-21成分宜为重量百分比0.1～50%。特别是在R-21与R-23混合的配方中，R-21最好为重量百分比30～50%，而重量百分比为35～45%时则最佳。

上述R-21成分为重量百分比30～50%时，配制的制冷剂与油具有良好的相溶性，并且能够达到-80℃或更低的制冷温度。

在上述实施例2中，R-21成分宜在重量百分比0.1～50%，正好与实施例1相同。但是，从降低制冷剂在压缩机出口的温度以尽可能完全避免压缩机磨损的观点来考虑，制冷剂配方中的R-21、R-22和R-142b最好分别为重量百分比2～12%50～93%和5～48%。用上述最佳成分，可以配制出能与油高度相溶并能实现-40℃或更低的制冷温度的制冷剂。此外，其压缩机出口温度小于160℃。R-21、R-22和R-142b成分分别为重量百分比3～7%、67～74%和23～28%则更佳。

本发明制冷剂配方中的R-21包括氯（Cl），它与氢（H）共存。因此，在到达臭氧层前R-21被分解，从而大大减小了臭氧层中的臭氧被耗尽的潜在危险。而且R-21能很好地溶于制冷管路中的压缩机油，以致将它与相溶性差的制冷剂，如R-125、R-23、R-22和R-142b混合时，能使带进制冷剂管路中的油溶于R-21，使油返回压缩机。还有，由于在常压下R-21的沸点为+8.95℃，它在压缩机内蒸发以使压缩机冷却。

此外，将R-21与R-142b混合有可能形成一个R-142b的不可燃区域（非阴影部分），如图3所示，它起到与R-22相同的作用。因此，即使由于制冷剂如上所述那样泄漏而发生R-22消散，R-21仍与R-142b一起留在制冷管路内，使得剩余的制冷剂保持不可燃，由此防止了自身的爆炸。

如果把R-21相对于R-142b的重量比变大，防爆效果则更加明显。然而，由于R-21的沸点相对比较高，所以R-21占的重量比太大会降低制冷能力，以致于不能达到所需的制冷温度。根据我们的实验，R-21相对于R-142b的重量百分比为5-20%的混合物能构成防爆制冷剂，而不降低其制冷能力。

作为更进一步的研究结果，本发明的发明者发现了各种成分的最佳比例，例如，R-22为重量百分比70%，R-142b为25%，以及R-21为5%。这一比例的制冷剂最安全，能使冷冻机达到所需温度（至少-40℃）。

顺便提一下，R-134a与烷基苯油在适当范围内可兼容，因此，它发挥与R-21类似的将油返回的作用。此外，根据试验，在制冷剂成分为重量百分比70%的R-22、25%的R-142b和5%的R-134a时，包含在制冷剂配方中的R-134a的沸点是-30℃或低一些。

此后发明的实例将结合附图来解释。图1为一个普通制冷回路的制冷剂管路。压缩机1由一个电动机驱动，冷凝器2、毛细管3和蒸发器4按顺序连接。压缩机1改装成使用环烷油、烷基苯油或石蜡油作为液压油。在此实例中，用的是一种烷基苯油（CF-32;IDEMITSU  KOSAN  CO.，LTD.）。制制冷管路灌入一种混合制冷剂，重量百分比为90%的R-125和重量百分比为10%的R-21。可灌入该管路的另一种混合制冷剂为重量百分比为60%的R-23和重量百分比为40%的R-21。

现在解释图1所示制冷管路的工作过程。以气体形式自压缩机流出的高温高压制冷剂流入冷凝器2，以散发其热量并液化。制冷剂在毛细管3减压并流入蒸发器4，在蒸发器中制冷剂蒸发以进行制冷，然后返回压缩机1。然而，如上所述，R21的沸点比较高，以液体形式返回压缩机1时带有溶于其中的压缩机油，最终在压缩机1蒸发并由此而得到冷却。这样，在制冷剂管路中的油能返回压缩机1，同时制冷剂在压缩机出口温度能得以降低。

因为在蒸发器4实现的制冷温度是由所使用的制冷剂决定的，所以，可以根据制冷系统的类型来选择制冷剂。例如，由R-125和R-21组成的上述混合制剂适合于制冷温度大约为-20至-40℃的家用电冰箱，而R-23和R-21组成的混合制冷剂适合于制冷温度大约为-80℃的低温箱。

在这种情况下，由于R-21的沸点比较高，R-21的混合比率太大会妨碍在蒸发器4实现所要求的制冷温度，相反，混合比率太小又会降低使压缩机油返回的作用。根据以上观点，R-21的混合率应在重量百分比0.1～50%的范围内进行选择。特别在混合R-21和R-125时，R-21的成分宜为重量百分比5～15%最好为重量百分比7～12%。在混合R-21和R-23时，R-21的成分宜为重量百分比30～50%，最好为重量百分比35%～45%。

其它适用于图1所示制冷剂管路的制冷剂配方为R-22和R-21的混合物和R-142b和R-21的混合物。在这些混合物中R-21的成分宜为重量百分比5-25%，最好为10～25%。在R-21和R-142b的混合物中，尽管R-142b是可燃的将R-21掺入能使混合物保持在一个不可燃的范围内。图3显示了这样一个不可燃范围区域。

这里再描述一个本发明的实例。在该实例中，由R-22、R-142b和R-21组成的制冷剂用于图2所示的一个制冷剂管路。这个制冷剂管路为一个用于R-22、R-142b和R-21混合制冷剂的制冷环路。在图2中，用与图1同样的参考数字标示同样的部件。压缩机1的出口管路5与冷凝器2连接，该冷凝器与气体一液体分离器6连接。从气体-液体分离器6延伸出来的液体疏导管7与毛细管8连接，该毛细管与一个中间热转换器9连接。另一方面，从气体-液体分离器6延伸出来的气体疏导管10通过中间热转换器9，并与毛细管11连接，该毛细管与蒸发器4连接。从中间热转换器9延伸出来的管路12和从蒸发器4延伸出来的管路13在连接点P连接到一起并与压缩机1的入口管路14连接。

向图2的制冷剂管路中灌入R-22、R-142b和R-21的非共沸混合物。下面描述有关该管路的工作过程。从压缩机1排出的上述混合制冷剂的高温高压气体流入冷凝器2进行散热，在那里大部分R-142b和R-21液化并流入气体-液体分离器6。变成液体的R-142b、R-21和仍为气体状态的R-22在那里分离，前者导入液体疏导管7，而后者导入气体疏导管10，通过了液体疏导管7的R-142b和R-21流入毛细管8，在那里，它您的压力降低，然后流入中间热转换器9，在那里R-142b蒸发。另一方面，通过了气体疏导管10的R-22当通过中间热转换器9时，由在那里蒸发的R-142b冷却并冷凝。R-22在毛细管11中降低了压力并流入蒸发器4，在那里为了制冷而蒸发，由中间转换器9流出的R-142b、R21和由蒸发器4流出的R-22分别通过管路12和13，在连接点P会合在一起，再次组成R-22、R-142b和R-21混合物，并返回到压缩机1。

带进制冷剂管路里的压缩机油溶解在R-21中并返回到压缩机。已返回到压缩机1的R-21在那里蒸发，以使压缩机1得到冷却。因此，压缩机出口的制冷剂温度进一步降低。

在决定用于制冷剂管路的制冷剂成分时，应考虑到R-21太多会使R-142更不易爆炸，因而更安全，但是，蒸发器4的制冷能力会降低，以致制冷剂不能用于电冰箱。还要考虑制冷剂与压缩机油的相溶性和制冷剂在压缩机出口的温度。鉴于以上考虑，最好是将重量百分比为2～12%的R-21、50～93%的R-22和5～48%的R-142b进行混合。例如，用重量百分比为57%的R-22、38%的R-142b和5%的R-21组成的制冷剂制冷已达到-40℃的制冷温度并显示出高度防爆的特性。而且，用重量百分比为70%的R-22、25%的R-142b和5%的R-21组成的制冷剂制冷能达到比上述制冷剂还低的制冷温度。

既然能获得-40℃的制冷温度，此种制冷剂配方就能便利地用于工业或家用的各种制冷系统。

为了更好地理解，图5展示了相对于制冷剂成分比例的变化（但R-22对R-142b的比例是不变的（74∶26）），压缩机温度和蒸发器制冷温度的变化。

根据本发明，可以获得能大大减小臭氧层中的臭氧被耗尽的潜在危险的制冷剂配方。而且，制冷剂配方中的二氯单氟甲烷（R-21）能溶解于压缩机油，使得带进制冷剂管路中的油能返回到压缩机中去，从而防止了压缩机的磨损。再者，制冷剂配方中的R-21起到冷却压缩机的作用，从而有助于防止油泥。

此外，根据本发明，在通过混合1-氯-1，1-二氟乙烷（R-142b）和R-21来配制制冷剂时，制冷剂成分R-21能使其保持在不可燃的范围，即使制冷剂从制冷剂管路中泄漏出来，也能避免R-142b爆炸。

还有根据本发明，通过在重量百分比为5～20%的范围内决定R-21对R-142b的比例，能避免由于混合了具有高沸点的R-21所引起的制冷能力下降，从而保证了制冷能力和制冷剂的防爆特性。

应注意的是，由R-22、R-142b和R-134a组成的非共沸制冷剂也适用于图2所示的制冷剂管路。该制冷剂中的成分R-134a在制冷剂管路中相当于上述的R-21那样循环。在此例中，压缩机油溶解在R-134a中，并返回到压缩机1。但是，由于R-134a与环烷油不相溶，所以要求使用烷基苯油作为压缩机油。而且，由于即使是溶于烷基苯油的R-134a的量也是有限的R-134a的成分应定在有限的可溶性范围以内。

根据试验，发现R-134a对制冷剂总重量的合适混合比率为重量百分比5%。因此，制冷剂配方的混合比率为重量百分比70%的R-22、25%的R-142b和5%的R-134a。根据使用上述成分的制冷剂做的试验，在大气温度下能在蒸发器4达到-30℃的制冷温度，同时R-134a溶解于压缩机油，从而获得了令人满意的油返回效果。

Claims (10)

1、一种制冷剂配方，其特征在于包括二氯单氟甲烷以及至少一种选自三氟甲烷、五氟乙烷、单氯二氟甲烷和1-氯-1，1-二氟乙烷的氟代烷基化合物。

2、权利要求1所规定的制冷剂配方，包括二氯单氟甲烷和三氟甲烷和/或五氟乙烷。

3、权利要求1所规定的制冷剂配方，包括二氯单氟甲烷和单氯二氟甲烷和/或1-氯-1，1-二氟乙烷。

4、权利要求1所规定的制冷剂配方，其配制使得在蒸发器的制冷温度能达到-20℃或更低。

5、权利要求1所规定的制冷剂配方，其配制使得在蒸发器的制冷温度能达到-40℃或更低。

6、权利要求1所规定的制冷剂配方，包含重量百分比为0.1～50%的二氯单氟甲烷。

7、权利要求1所规定的制冷剂配方，包含重量百分比为30～50%的二氯单氟甲烷。

8、权利要求3所规定的制冷剂配方，由重量百分比为2～12%的二氯单氟甲烷、50～93%的单氯二氟甲烷和5～48%的1-氯-1，1-二氟乙烷组成。

9、将权利要求1规定的制冷剂配方用于一个以烷基苯油、环烷油或石蜡油作为压缩机油的制冷系统。

10、将权利要求1规定的制冷剂配方按权利要求9的规定用于一个以烷基苯油、环烷油或石蜡油作为压缩机油的制冷系统。

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