JP2004175998A

JP2004175998A - 冷媒組成物

Info

Publication number: JP2004175998A
Application number: JP2002346205A
Authority: JP
Inventors: Haruki Sato; 春樹佐藤; Yuriko Bando; 百合子坂東; Takako Furuyama; 香子古山; Motomu Saito; 求斎藤; Minoru Iwasaki; 稔岩崎; Masanori Morimoto; 正則森本; Takashi Touchi; 隆登内; Yasuhisa Kotani; 靖久小谷
Original assignee: Nichirei Corp; Showa Tansan Co Ltd; Keio University
Current assignee: Nichirei Corp; Keio University; Showa Denko Gas Products Co Ltd
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2002-11-28
Publication date: 2004-06-24

Abstract

【課題】オゾン層を破壊する危険性がなく、物性値がクロロジフルオロメタン（Ｒ２２）に近く、Ｒ２２を代替する冷媒として好適に使用できる冷媒組成物を提供する。
【解決手段】（ａ）ジフルオロメタン（Ｒ３２）１０〜２５質量％、（ｂ）ペンタフルオロエタン（Ｒ１２５）２０〜６０質量％、（ｃ）１，１，１，２−テトラフルオロエタン（Ｒ１３４ａ）２０〜６０質量％、（ｄ）炭素数３〜５の炭化水素から選択される１種または複数種の混合物２〜５質量％を含有する冷媒組成物を用いる。この冷媒組成物をＲ２２用の冷凍、空調機器に適用することにより、Ｒ２２より高い体積冷凍能力（Δｈ_ｖ）と、Ｒ２２と比較して遜色のない成績係数（ＣＯＰ）が得られる。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クロロジフルオロメタン（Ｒ２２）を代替するドロップイン冷媒として使用可能な冷媒組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、空調機器、冷凍機器などに使用されている冷媒としては、クロロジフルオロメタン（Ｒ２２）等の単一成分からなる冷媒が広く大量に使用されている。しかし、Ｒ２２などのＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）は塩素原子を含んでおり、オゾン層破壊に対する影響に鑑み、国際的に生産量の規制が実施され、２０２０年までの原則全廃が決定されている。
【０００３】
このため、規制対象外であるＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）、ＨＣ（ハイドロカーボン）などから選択された複数成分を混合し、物性などを調整した２成分系または３成分系以上の混合冷媒が開発されている。しかしこれらの冷媒の多くは、Ｒ２２と物性に大きな差を有し、特に、圧縮器等の潤滑油として使用されている鉱油との相溶性が低い。その結果、潤滑油と冷媒とが蒸発器内などで相分離してしまい、潤滑油が圧縮機に戻らなくなり、圧縮機の軸受摺動部の焼付きが発生する危険性がある。このため、潤滑油としてエーテル系の合成油を用いる必要があるため、従来のＲ２２用の機器に適用することができない。
【０００４】
空調機器や冷凍機器の耐久寿命を考慮すると、従来の空調機器や冷凍機器を廃棄して新しい冷媒に対応した機器に交換することは、廃棄処理に伴うエネルギー消費や費用の点で好ましくない。このため、国際的規制に抵触することなく、従来のＲ２２用の機器にそのまま入れ換えて使用できる冷媒（ドロップイン冷媒と称されることがある）の開発が望まれている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００５】
Ｒ２２用のドロップイン冷媒としては、Ｒ４１７Ａが提案されている。この冷媒は、ペンタフルオロエタン（Ｒ１２５）を４６．５質量％、１，１，１，２−テトラフルオロエタン（Ｒ１３４ａ）を５０質量％、ブタン（Ｒ６００）を３．５質量％混合してなる組成物である。
【０００６】
【特許文献１】
特表２００１−５０４８８４号公報
【特許文献２】
特開平９−５９６１１号公報
【特許文献３】
特表２００１−５１０２２８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｒ４１７Ａは、蒸発圧力がＲ２２に比べて低く、しかも熱交換器内の圧力損失が大きいため、冷却温度を−３０℃程度まで低下させた場合、定常運転中に吸入圧力が大気圧に比して低下し、運転能力が低下するおそれがある。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、従って、本発明の課題は、オゾン層を破壊する危険性がなく、Ｒ２２を代替する冷媒として好適に使用できる冷媒組成物を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は、（ａ）ジフルオロメタン１０〜２５質量％、（ｂ）ペンタフルオロエタン２０〜６０質量％、（ｃ）１，１，１，２−テトラフルオロエタン２０〜６０質量％、（ｄ）炭素数３〜５の炭化水素から選択される１種または複数種の混合物２〜５質量％を含有することを特徴とする冷媒組成物を提供する。
より好ましい冷媒組成物は、（ａ）ジフルオロメタン１０〜２５質量％、（ｂ）ペンタフルオロエタン４０〜６０質量％、（ｃ）１，１，１，２−テトラフルオロエタン２０〜４０質量％、（ｄ）炭素数３〜５の炭化水素から選択される１種または複数種の混合物２〜５質量％を含有するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の冷媒組成物の第１の必須成分であるジフルオロメタン（Ｒ３２）は、図１、２に示すように、Ｒ２２やＲ４１７と比較して、−４０℃〜−２０℃での飽和蒸気圧が高く、また、粘性率が低い。
冷媒組成物中にジフルオロメタンを１０質量％以上添加することにより、冷媒組成物の蒸発圧力を高め、圧力損失を低減して、体積冷凍能力を向上することができる。Ｒ３２は微燃性であるため、ジフルオロメタンの添加量は、２５質量％以下とすることが必要である。好ましくは、１０〜２０質量％である。
【００１１】
本発明の冷媒組成物の第２の必須成分であるペンタフルオロエタン（Ｒ１２５）は、添加量を増加させることにより、冷媒組成物の蒸発圧力を向上し、圧力損失を低減して、体積冷凍能力を向上することができる。しかも、消火性を有するので、２０〜６０質量％の範囲で添加される。より好ましくは、４０〜６０質量％である。Ｒ１２５の添加量が２０質量％未満では、Ｒ２２と比較して体積冷凍能力が十分でない。６０質量％を越えると、Ｒ２２と比較して凝縮圧力が高くなり、Ｒ２２用機器の設計圧力の範囲外となるおそれがある。２０〜６０質量％であれば、体積冷凍能力が十分高く、かつ成績係数もＲ２２と比べて遜色ない。Ｒ１２５の添加量が４０〜６０質量％であれば、体積冷凍能力Δｈ_ｖがより高くなるので、好ましい。
【００１２】
本発明の冷媒組成物の第３の必須成分である１，１，１，２−テトラフルオロエタン（Ｒ１３４ａ）は、添加量を増加させることにより、成績係数を向上することができ、２０〜６０質量％の範囲で添加される。より好ましくは、２０〜４０質量％である。Ｒ１３４ａの添加量が２０質量％未満では、Ｒ２２と比較して凝縮圧力が高くなり、Ｒ２２用機器の設計圧力の範囲外となるおそれがある。６０質量％を越えると、Ｒ２２と比較して体積冷凍能力が十分でない。２０〜６０質量％であれば、体積冷凍能力が十分高く、かつ成績係数も、Ｒ２２と比べて遜色ない。Ｒ１２５の添加量が２０〜４０質量％であれば、体積冷凍能力Δｈ_ｖがより高くなるので、好ましい。
【００１３】
本発明の冷媒組成物の第４の必須成分である炭素数が３〜５の炭化水素としては、ブタン、イソブタン、プロパン、ペンタン、イソペンタン、ネオペンタン、シクロプロパン、シクロブタン、シクロペンタン、プロペン、ブテン、ペンテンなどが挙げられる。このような炭化水素を添加することにより、冷媒組成物の鉱物油に対する相溶性が良好になる。このうち、ブタンは、鉱物油との相溶性がより良好である点で特に好ましい。
炭化水素の含有量は、２〜５質量％とされる。炭化水素の含有量が、２質量％未満であると、冷媒組成物からの潤滑油の分離が起こりやすくなり、圧縮機の軸受け部などの潤滑が円滑になされえない。炭化水素の含有量が、５質量％を越えると、冷媒組成物が引火しやすくなり、安全性の観点から好ましくない。
【００１４】
図３は、本発明の冷媒組成物が適用可能な冷凍装置の一例を示す概略図である。この冷凍装置１０は、冷媒を圧縮して吐出する二段式の圧縮機１と、冷媒中の潤滑油を分離するための油分離器２と、圧縮機１から吐出された冷媒を冷却して凝縮する凝縮器３と、凝縮器３から流出した冷媒を蓄え、気液分離して液相冷媒のみを流出させる受液器４と、受液器４から送出された液相冷媒を冷却する過冷却器５と、過冷却器５から送出された冷媒を減圧する膨張弁６と、冷媒を蒸発させて周囲の熱を奪う蒸発器７とを備えている。
この冷凍装置１０は、圧縮機１の高圧部１ｃから吐出された冷媒が、順次、油分離器２、凝縮器３、受液器４、過冷却器５、膨張弁６、蒸発器７に送られ、蒸発器７で蒸発した冷媒が圧縮機１の低圧部１ａに戻るように、循環経路２０により接続された構成となっている。
【００１５】
過冷却器５と膨張弁６との間には、過冷却用膨張弁８を有する分岐経路２１が循環経路２０から分岐している。過冷却器５は、受液器４から送出された冷媒が通過する主流液経路５ａと、過冷却用膨張弁８を経て分岐経路２１から送り込まれる冷媒が通過する過冷却用経路５ｂとを備えている。過冷却用経路５ｂは、連絡経路２２により、圧縮機１の中間圧力部１ｂに接続されている。
膨張弁６および蒸発器７は、屋内側機器１１を構成して冷凍倉庫内に設置されている。また、圧縮機１と凝縮器３と油分離器２と受液器４と過冷却器５と過冷却用膨張弁８は、屋外側機器１２を構成して冷凍倉庫の外に配置されている。
【００１６】
この冷凍装置１０の動作を説明する。
圧縮機１により圧縮されて吐出された冷媒は、凝縮器３により凝縮され、さらに過冷却器５により冷却される。
過冷却器５で冷却された冷媒の一部は、過冷却用膨張弁８および分岐経路２１を経て過冷却器５内の過冷却用経路５ｂに導入され、そこで主流液経路５ａ内の冷媒を冷却する。過冷却用経路５ｂ内で蒸発した冷媒は、連絡経路２２を介して圧縮機１に導入される。
過冷却器５で冷却された冷媒の残部は、膨張弁６を介して蒸発器７に導入され、蒸発器７内で蒸発する。この際、冷媒が蒸発熱を冷凍倉庫内の空気から奪うことにより、冷凍倉庫内が冷却される。蒸発器７内で蒸発した冷媒は、圧縮機１に導入される。
冷凍装置１０の法定冷却能力は３０．２ｋＷ、冷凍倉庫の容積は８５８ｍ^３である。圧縮機１は２段式のものを用いており、その公称出力は２２ｋＷである。
【００１７】
表１、２に示す組成の冷媒について、ＲＥＦＰＲＯＰｖｅｒ．６．０１（米国・国立標準技術研究所（ＮＩＳＴ）によるデータベースソフトウェア）を用いて、図３に示す冷凍装置１０における冷凍装置１０の運転状況をシミュレーションし、熱物性計算を行った。
なお、表１、２において、Ｒ６００はブタンを示す。
【００１８】
この理論計算における温度条件を以下に示す。この運転条件は、、冷媒としてＲ２２を用いたときに、冷凍倉庫内の温度を−３０℃に維持できるような条件として設定されている。
【００１９】
圧縮機１の低圧部１ａにおける吸入温度 −２５℃
凝縮器３内における冷媒の凝縮温度４０℃
過冷却器５の入り口における冷媒の温度３０℃
膨張弁６の入り口における冷媒の温度７℃
過冷却器５内における冷媒の蒸発温度２℃
蒸発器７内における冷媒の蒸発温度 −３５℃
【００２０】
このシミュレーションにより算出された、蒸発器７内における蒸発圧力ｐ_ｅｖａ、圧縮機１の高圧部１ｃにおける凝縮圧力ｐ_ｃｏｎｄ、圧縮機１からの吐出温度ｔ_ｏｕｔ、体積冷凍能力Δｈ_ｖ、成績係数ＣＯＰを算出した。
Ｒ２２の体積冷凍能力Δｈ_{ｖＲ２２}は、１０８１．５ｋＪ／ｍ^３であり、Ｒ２２の成績係数ＣＯＰ_Ｒ２２は、２．６７と算出された。
表１に、各冷媒による蒸発圧力ｐ_ｅｖａ、凝縮圧力ｐ_ｃｏｎｄ、吐出温度ｔ_ｏｕｔを示す。表２に、各冷媒のＲ２２に対する体積冷凍能力の比Δｈ_ｖ／Δｈ_{ｖＲ２２}、および成績係数の比ＣＯＰ／ＣＯＰ_Ｒ２２を示す。
【００２１】
【表１】

【００２２】
【表２】

【００２３】
表１および表２に示す結果から明らかなように、本発明の冷媒組成物は、蒸発圧力ｐ_ｅｖａがＲ２２と同等であり、Ｒ２２用機器の設計圧力の範囲内で使用可能である。また、体積冷凍能力Δｈ_ｖおよびＣＯＰも、Ｒ２２と同等あるいは高くなることがわかる。このことから、本発明の冷媒組成物は、Ｒ２２用の冷凍、空調機器に適用したときに消費エネルギー量を小さくできると期待できる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の冷媒組成物は、（ａ）ジフルオロメタン１０〜２５質量％、（ｂ）ペンタフルオロエタン２０〜６０質量％、（ｃ）１，１，１，２−テトラフルオロエタン２０〜６０質量％、（ｄ）炭素数３〜５の炭化水素から選択される１種または複数種の混合物２〜５質量％を含有するものであるので、オゾン層を破壊する危険性がなく、Ｒ２２を代替する冷媒として好適に使用できる。
より好ましい冷媒組成物は、（ａ）ジフルオロメタン１０〜２５質量％、（ｂ）ペンタフルオロエタン４０〜６０質量％、（ｃ）１，１，１，２−テトラフルオロエタン２０〜４０質量％、（ｄ）炭素数３〜５の炭化水素から選択される１種または複数種の混合物２〜５質量％を含有するものである。これにより、体積冷凍能力Δｈ_ｖが一層高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｒ３２、Ｒ２２、およびＲ４１７の飽和蒸気圧を示すグラフである。
【図２】Ｒ３２、Ｒ２２、およびＲ４１７の粘性率を示すグラフである。
【図３】冷凍装置の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１０…冷凍装置。

Claims

（ａ）ジフルオロメタン１０〜２５質量％、（ｂ）ペンタフルオロエタン２０〜６０質量％、（ｃ）１，１，１，２−テトラフルオロエタン２０〜６０質量％、（ｄ）炭素数３〜５の炭化水素から選択される１種または複数種の混合物２〜５質量％を含有することを特徴とする冷媒組成物。
（ａ）ジフルオロメタン１０〜２５質量％、（ｂ）ペンタフルオロエタン４０〜６０質量％、（ｃ）１，１，１，２−テトラフルオロエタン２０〜４０質量％、（ｄ）炭素数３〜５の炭化水素から選択される１種または複数種の混合物２〜５質量％を含有することを特徴とする冷媒組成物。