DE69403809T2

DE69403809T2 - Alternative kuehlmittelzusammensetzung

Info

Publication number: DE69403809T2
Application number: DE69403809T
Authority: DE
Inventors: Stephen Pearson
Original assignee: Star Refrigeration Ltd
Current assignee: Star Refrigeration Ltd
Priority date: 1993-09-22
Filing date: 1994-09-20
Publication date: 1998-01-22
Anticipated expiration: 2014-09-21
Also published as: DK0720639T3; WO1995008602A1; ES2105751T3; DE69403809D1; GB9319540D0; JPH09503800A; JP3843326B2; EP0720639A1; AU7660994A; US5688432A; EP0720639B1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlmittelzusammensetzung, die keine Chloratome enthält.

Hintergrund

Chlorfluorkohlenwasserstoffe (CFC) in Gasform, wie das Kühlmittel R12 (CCl&sub2;F&sub2;), sind viele Jahre lang als Kühlmittel und insbesondere in Haushaltskühlschränken sowie Kraftfahrzeugklimaanlagen verwendet worden. Jedoch haben derartige Gase auch mit der Zerstörung der Umwelt zu tun. Diese Gase, die sehr inert sind, werden auf der Erde aus Kühlsystemen freigesetzt, und diffundieren in die obere Atmosphäre. Wegen ihrer Inertheit bleiben die Gase ohne Zersetzung erhalten, bis sie die Stratosphäre erreichen, wo sie durch Ultraviolettstrahlung gespalten werden und Chloratome freisetzen, die einen Abbau der Ozonschicht in der Stratosphäre katalysieren. Man hat sich in letzter Zeit mit der Verringerung des Ozongehalts in der Stratosphäre ernsthaft befaßt, und dies hat zu vorgeschlagenen Einschränkungen und Verboten bei gewissen CFC- Verbindungen geführt.
Gegen andere Kühlmittel, wie Chlordifluormethan (R22) ist unter dem Gesichtspunkt der Umwelt weniger einzuwenden, da sie dazu neigen, in unteren Bereichen der Atmosphäre auf natürlichem Weg zersetzt zu werden, bevor sie die Ozonschicht erreichen. Jedoch enthält R22 Chlor und wird noch als eine Verbindung angesehen, die zur Erschöpfung des Ozons beiträgt. Ferner weist R22 einen höheren Kompressionsindex als bei spielsweise R12 auf, so daß übermäßige Kompressorausgangstemperaturen bei Druckverhältnissen auftreten, bei denen im Falle des Einsatzes von R12 keine überhöhten Entladungstemperaturen entstehen würden.
Es liegt im Rahmen der Aufgaben der vorliegenden Erfindung, eine Kühlmittelzusammensetzung bereitzustellen, die kein Chlor enthält, aber zufriedenstellende Kühlmitteleigenschaften für den Einsatz in Dampfkompressionskühlvorrichtungen als Ersatzstoff für die Kühlmittel R22 und/oder R12 in bestehenden Kühleinrichtungen aufweist.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Kühlmittelzusammensetzung für den Einsatz in einer Kühlvorrichtung bereitgestellt, wobei die Zusammensetzung ein Gemisch aus
(i) Pentafluorethan,
(ii) Tetrafluorethan und
(iii) einen Kohlenwasserstoff, ausgewählt aus Isobutan und Gemischen aus Isobutan und Propan,
enthält.
Die Zusammensetzung kann gegebenenfalls auch (iv) Octafluorpropan enthalten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung stellt diese ein Kühlverfahren zur Verfügung, das die Zusammensetzung als ein Kühlmedium einsetzt, insbesondere für eine Dampfkompressionskühlvorrichtung
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Kühlvorrichtung angegeben, in der die Zusammensetzung als ein Kühlmittel verwendet wird, insbesondere eine Dampfkompressionskühlvorrichtung.
Keine der Komponenten des Gemisches trägt zur Ozonerschöpfung bei oder ist gegenüber Menschen in irgend einer Weise toxisch. Ferner kann das Gemisch mit einer Vielzahl bestehender Schmiermittel eingesetzt werden, die üblicherweise in einer Dampfkompressionskühlvorrichtung benutzt werden, einschließlich Mineralölschmiermittel, Alkylbenzolschmiermittel und Polyolesterschmiermittel. Spezielle Schmiermittel sind nicht erforderlich.
Es wird gefunden, daß es durch Herstellung von Gemischen aus diesen drei oder vier Komponenten in ausgewählten Verhältnissen möglich ist, Kühlmittelzusammensetzungen bereitzustellen, die Druck-Temperatur-Beziehungen aufweisen, welche jenen der gegenwärtigen Kühlmittel R22 und R12 ausreichend ähnlich sind und somit deren Ersatz in bestehenden Kühleinrichtungen erlauben. Die Druck-Temperatur-Beziehung bezieht sich auf den Dampfdruck der Kühlmittelzusammensetzung bei verschiedenen Temperaturen, die jenen entsprechen, welche in der Kühlvorrichtung angewandt werden. Somit wird die der Konstruktion entsprechende Leistungsfähigkeit bezüglich des Drucks bei der Vorrichtung nicht überschritten. Es wird auch gefunden, daß die Kühlleistung der erfindungsgemäßen Zusammensetzungen so eingerichtet werden kann, daß sie jenen der gegenwärtigen Kühlmittel R22 und R12 ähnlich ist, so daß die Kühlleistung (d. h. das Ausmaß der erzeugten Kühlung) der Kühlvorrichtung, die für den Betrieb mit R22 oder R12 vorgesehen ist, im wesentlichen unbeeinträchtigt bleibt.
Vorteilhafterweise neigen die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen zu niedrigeren Kompressorausgangstemperaturen als die entsprechenden üblichen Kühlmittel.
Das Pentafluorethan (R125) liegt vorzugsweise in einer Menge von 0,5 bis 60 Gew%, insbesondere von 1 bis 50 Gew%, vor. In Zusammensetzungen für den Ersatz von R22 ist R125 vorzugsweise in Prozentsätzen vorhanden, die am oberen Ende dieses Bereichs liegen, z. B. mit 20 bis 45 Gew%, insbesondere 27 bis 40 Gew%. In Zusammensetzungen für den Ersatz von R12 liegt die Menge von R125 im allgemeinen am unteren Ende dieses Bereichs, z. B. bei 0,5 bis 10 Gew%, insbesondere 1 bis 10 Gew%.
Das Tetrafluorethan (vorzugsweise R134a) ist im allgemeinen in einer Menge von 30 bis 98 Gew%, insbesondere von 30 bis 90 Gew%, vorhanden und bildet normalerweise den Hauptanteil der Zusammensetzung. Wenn die erfindungsgemäße Zusammensetzung als Ersatz für R22 benutzt wird, enthält sie gewöhnlich 45 bis 70% R 134a. Dagegen liegt im Falle des Ersatzes von R12 der Prozentsatz von R134a normalerweise im Bereich von 80 bis 90 Gew%.
Aus Sicherheitsgründen liegt der Kohlenwasserstoff vorzugsweise in einem nichtentflammbaren Anteil vor, so daß im Falle eines Austretens des Kühlmittels in die Atmosphäre kein explosives oder entflammbares Gemisch erzeugt wird. Ein Kohlenwasserstoffgehalt von 1 bis 11 Gew%, insbesondere von 2 bis 10 Gew%, besonders bevorzugt von 3 bis 5 Gew%, ist günstig. Insbesondere handelt es sich bei einer nichtentflammbaren Zusammensetzung um eine Zusammensetzung, welche die Komponenten des Gemisches in einem solchen Verhältnis enthält, daß beim Mischen der Zusammensetzung mit Luft in praxisüblichen Verhältnissen (z. B. im Falle eines Lecks) keine entflammbaren Gemische entstehen. Die Fluorkohlenwasserstoffkomponenten R125 und R218 weisen bis zu einem gewissen Grad feuerhemmende Eigenschaften auf. Somit ist die Feststellung der Entflammbarkeitseigenschaften nicht notwendigerweise vorhersehbar, kann aber durch Routineexperimente erfolgen (siehe beispielsweise unser Patent US 5108637).
Das Octafluorpropan (R218) ist ein fakultativer Bestandteil und liegt in typischen Fällen in einer Menge von 0 bis 20 Gew% vor. Beim Ablassen in die Atmosphäre hat es eine lange Lebensdauer, so daß eine künftige Gesetzgebung seinen Einsatz als weniger bevorzugt behandeln könnte. Die Verbindung liegt im allgemeinen in einer Menge von 4 bis 15 Gew%, insbesondere von 5 bis 10 Gew%, vor.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform im Falle eines Ersatzes von R22 enthält die Zusammensetzung ein Gemisch von
(i) 20 bis 45 Gew% Pentafluorethan (R125),
(ii) 45 bis 70 Gew% Tetrafluorethan (z. B. R134a),
(iii) 2 bis 8 Gew% Isobutan (R6000a) und
(iv) 5 bis 10 Gew% Octafluorpropan (R218).
Die Druck-Temperatur-Beziehung dieses Gemisches ist ähnlich jener von Chlordifluorethan (R22). Die Kühlleistung ist auch ähnlich und liegt innerhalb annehmbarer Grenzen. Jedoch hat das Gemisch einen niedrigeren Kompressionsindex als R22, was zu niedrigeren Kompressorausgangstemperaturen führt, und natürlich enthält das Gemisch kein Chlor.
Eine bevorzugte Ausführungsform für den Ersatz von R12 ent hält ein Gemisch aus
(i) 0,5 bis 5 Gew% Pentafluorethan (R125),
(ii) 75 bis 98 Gew% Tetrafluorethan (R134a),
(iii) 1 bis 6 Gew% Isobutan (R600a) und
(iv) 6 bis 15 Gew% Octafluorpropan (R218).

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen

Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. Darin zeigen
Figur 1 die Druck-Temperatur-Diagramme für eine erfindungsgemäße Zusammensetzung (RX3) und für ein übliches R22- Kühlmittel sowie
Figur 2 die Druck-Temperatur-Diagramme für eine weitere erfindungsgemäße Zusammensetzung (RX2) und für ein übliches R12-Kühlmittel.
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung (RX3) enthielt 40 Gew% R125, 6 Gew% R218, 50 Gew% R134a und 4 Gew% R600a. Die Zusammensetzung ist als Ersatz für das gegenwärtig benutzte R22- Kühlmittel vorgesehen.
Die Zusammensetzung wurde in flussiger Form in einen evakuierten Behälter eingebracht und der Gleichgewichtseinstellung überlassen. Der Behälter wurde auf verschiedene Temperaturen erhitzt, und der Dampfdruck in Gegenwart von Flüssigkeit wurde notiert. Aus Figur 1 ist ersichtlich, daß die Druck-Temperatur-Beziehung sehr ähnlich jener von R22 ist. Dies bedeutet, daß die beim Einsatz der erfindungsgemäßen Zusammensetzung auftretenden Drücke sich von jenen des R22 nicht wesentlich unterscheiden. Somit werden die bei der Auslegung der Vorrichtung in Betracht gezogenen Drücke nicht überschritten.
Figur 2 zeigt die Druck-Temperatur-Beziehung für eine weitere erfindungsgemäße Zusammensetzung (RX2) im Vergleich mit einem üblichen R12-Kühlmittel. Diese Beziehung wurde entsprechend der oben im Zusammenhang mit der Figur 1 beschriebenen Verfahrensweise erhalten.
Die erfindungsgemäße Zusammensetzung (RX2) enthielt 1 Gew% R125, 9 Gew% R218, 87 Gew% R134a und 3 Gew% R600a.
Es ist ersichtlich, daß die Druck-Temperatur-Beziehung für RX2 sehr ähnlich jener von R12 ist, so daß RX2 ein geeignetes chlorfreies Ersatzmittel für R12 ist, und zwar ohne das Erfordernis wesentlicher Änderungen an der Kühlvorrichtung

Beispiel

Ein Wasserkühlsystem, das täglich benutzt und in dem das Kühlmittel R12 verwendet wurde, erlitt ein Leck an den hermetisch verschlossenen Motoranschlüssen. Das Leck wurde repariert und der Kompressor wurde wieder eingesetzt. Das System wurde evakuiert und mit der oben angegebenen erfindungsgemäßen Kühlmittelzusammensetzung RX2 wieder befüllt. Die Tabelle 1 zeigt die Leistungsmerkmale vor und nach dem Beschicken mit RX2.
Die Leistung unter Einsatz der erfindungsgemäßen Zusammensetzung RX2 ist ähnlich oder etwas besser als die Leistung unter Verwendung des übrigen Kühlmittels R12.
In der Tabelle 1 haben die Abkürzungen folgende Bedeutungen:
"Kompr.-saugdr." und "Kompr.-ausg.-dr." bedeuten den Kompressorsaugdruck bzw. den Kompressorausgangsdruck.
"Kompr.-saugtemp." und Kompr.-ausg.-temp." bedeuten die Kompressorsaugtemperatur bzw. die Kompressorausgangstemperatur.
"S.-temp. a. d. V.-schl." bedeutet die Saugtemperatur an der Verdampferschlange.
"Temp. vor W.-t." und Temp. nach W.-t." bedeuten die Temperaturen vor bzw. nach dem Wärmeaustauscher. Tabelle 1 (Wasserkühler - Kühlmittel RX2 als Ersatz für R12)

Claims

1. Kühlmittelzusammensetzung für den Einsatz in einer Kühlvorrichtung, enthaltend ein Gemisch aus

(i) Pentafluorethan,

(ii) Tetrafluorethan und

(iii) einen Kohlenwasserstoff, ausgewählt aus Isobutan und Gemischen aus Isobutan und Propan.

2. Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, worin das Pentafluorethan in einer Menge von 0,5 bis 60 Gew% vorliegt.

3. Zusammensetzung gemäß Anspruch 2, worin das Pentafluorethan in einer Menge von 1 bis 50 Gew% vorliegt.

4. Zusammensetzung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, worin das Tetrafluorethan in einer Menge von 30 bis 98 Gew% vorliegt.

5. Zusammensetzung gemaß Anspruch 4, worin das Tetrafluorethan in einer Menge von 30 bis 90 Gew% vorliegt.

6. Zusammensetzung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, worin der Kohlenwasserstoff in einer Menge von 1 bis 11 Gew% vorliegt, wobei die Zusammensetzung nicht entflammbar ist.

7. Zusammensetzung gemäß Anspruch 6, worin der Kohlenwasserstoff in einer Menge von 2 bis 10 Gew% vorliegt.

8. Zusammensetzung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, worin der Kohlenwasserstoff Isobutan ist.

9. Zusammensetzung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, die ferner (iv) Octafluorpropan enthält.

10. Zusammensetzung gemäß Anspruch 9, die bis zu 20 Gew% Octafluorpropan enthält.

11. Zusammensetzung gemäß Anspruch 10, worin das Octafluorpropan in einer Menge von 5 bis 10 Gew% vorliegt.

12. Kühlmittelzusammensetzung zur Verwendung als Ersatz für das Kühlmittel R22 in einer Kühivorrichtung, enthaltend ein Gemisch aus

(i) 20 bis 45 Gew% Pentafluorethan,

(ii) 45 bis 70 Gew% Tetrafluorethan,

(iii) 2 bis 8 Gew% Isobutan und

(iv) 5 bis 10 Gew% Octafluorpropan.

13. Kühlmittelzusammensetzung zur Verwendung als Ersatz für das Kühlmittel R12 in einer Kühlvorrichtung, enthaltend ein Gemisch aus

(i) 0,5 bis 5 Gew% Pentafluorethan,

(ii) 75 bis 98 Gew% Tetrafluorethan,

(iii) 1 bis 6 Gew% Isobutan und

(iv) 6 bis 15 Gew% Octafluorpropan.