JP2006513283A - 冷媒組成物 - Google Patents

Abstract

３種のＨＦＣ（ヒドロフルオロカーボン）冷媒、すなわちＨＦＣ−３２、ＨＦＣ−１２５及びＨＦＣ−１３４ａの混合物を含む冷媒組成物。エタノール等の低級アルキルアルコールをこの混合物中に含ませ、作動中の空調システム内の混入した油の粘度を変化させることによって、鉱油のような一般に用いられる潤滑剤への混和性を改善する。５番目の成分、すなわちイソブタン又はプロパン等の炭化水素系冷媒を任意に添加して、冷媒の特性をさらに改善する。得られた冷媒は、Ｒ２２と類似した特性を有し、本来Ｒ２２冷媒を用いる既存の空調デバイス及び冷却装置に、システムを変更することなく適合する。

Description

発明の分野

本発明は、コンプレッサ型冷却装置において用いられる冷媒組成物に関する。具体的には、本発明は、環境に有害な塩素化フルオロカーボンの代替としてＨＦＣ化合物を含む冷媒に関する。

従来技術の説明

従来の市販の冷媒は、典型的には、１種以上のフルオロカーボンを含む種々の成分の混合物を含んでいる。このような冷媒は、空調システム、冷蔵庫及び他のヒートポンプ用途における冷媒として広く用いられている。従来のヒートポンプは、主に、液体と気体との間で相変化し得る冷媒の周期的な圧縮及び減圧によって作動する。熱は、冷媒を液体から気体に変化させることによって、あるいは冷媒の圧力を低下させることによって、空間から吸収されるか又は除去される。次いで、冷媒は、蒸気の圧力を顕著に高めるコンプレッサ内で圧縮される。この高圧蒸気はコンデンサに運ばれ、周囲の外気のような冷却媒体との間で熱交換を受ける。周囲の外気への熱エネルギーの放出により、冷媒は温度が低下して液体へと凝縮する。この冷却された液体冷媒は、再び冷却側に送り返され、エクスパンションバルブを通過する。エクスパンションバルブは、液体の圧力を低下させ、周囲の外気から熱エネルギーを吸収することによって液体を気化させる。このようにして、このサイクルが再度開始される。

ある種の冷媒は、安価なコンプレッサによって容易に得られる圧力下で、ヒートポンプの温熱側と冷却側で通常検出される温度又はその温度付近で相転移する能力を有し、このようなシステムでの使用に対して良好な性質を有することがわかっている。最近まで、クロロフルオロカーボンは、単一化合物又は１種以上のクロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）を含む均一な混合物（isotropic mixture）の形態で広く用いられていた。近年、ＣＦＣが地球のオゾン層を破壊することがわかってきており、環境への配慮から、ＣＦＣの使用に対して厳しい規制が設けられている。この要請を受けて、環境に有害な塩素化化合物の使用を避けるために、ヒドロフルオロカーボン（「ＨＦＣ」）冷媒を含有する代替冷媒が開発された。従来技術は、種々の多成分性ＨＦＣ混合物を開示している。いくつかの代表例として以下が挙げられる：

特開平８−３３７７７４号には、ＨＦＣ冷媒とともに、エタノール溶液中のリン酸エステル界面活性剤を含む冷媒混合物が開示されている。この混合物は、比較的多量のエタノールを含有するものである。Ｈｉｃｋｍａｎらによる米国特許第６，０３５，６４８号には、およそ２５／２５／５０の比率のＲ−３２、Ｒ−１２５及びＲ−１３４ａからなる冷媒混合物が開示されている。同じ３成分からなる異なる混合物が、Ｒｉｃｈａｒｄらによる米国特許第５，７３６，０６３号に開示されている。この特許はまた、２成分混合物、及び成分としてプロパン並びに二酸化炭素を含有する混合物も開示している。Ｓｈｉｆｌｅｔｔによる米国特許第５，７０９，０９２号は、５〜５９％のＨＦＣ−１２５、５〜５９％のＨＦＣ−３２及び５〜３５％のＨＦＣ−１３４又は１３４ａの範囲の同じ３成分の混合物を開示している。プロパンも追加の成分として開示されている。同じ３成分の混合物は、Ｋｕｓｈｉｒｏらによる米国特許第５，６４７，２２４号に開示されている。

望ましくは、冷媒は化学的に安定であり、毒性が低く、且つ、腐食又は過度の潤滑剤分解を招くことがなく、冷媒が潤滑剤及び金属に触れる機械系での使用に適したものであるべきである。

更に別の面では、冷媒は、種々の冷却装置に使用される潤滑剤と混和できるものであるべきである。従来のＣＦＣを含まない冷媒は、ある範囲の冷却装置における使用には適さず、むしろ通常はある単一のタイプの装置において機能するように処方される。多くの冷却装置は潤滑剤として鉱油を使用するため、冷媒はこの潤滑剤と混和できるものであるべきである。従来のＨＦＣ冷媒は、鉱油と混和できないか又は容易には混和できない傾向があり、従ってこのような使用には適さない。種々の冷却装置の製作及びメンテナンスを単純化するために、多数の異なるタイプの冷却装置における使用に適した、ＣＦＣを含まない冷媒を提供することが望まれる。

発明の概要

本発明は、アルコールとともに、３種のＨＦＣ冷媒成分の混合物を含む。アルコールは、この冷媒の使用に適合する適切な臨界温度を有していなければならない。好ましくは、メタノール若しくはエタノールを含む低級アルキル又は低級分岐アルキルアルコールである。最も好ましいアルコールはエタノールであり、好ましくは無水エタノールである。アルコールの機能は、冷却装置において典型的に見出される潤滑剤、特に、既存のＲ２２系冷却システムの機械部品に使用されるタイプの鉱油との混和性を改善することである。３種のＨＦＣ成分は、ＨＦＣ−３２、ＨＦＣ−１２５及びＨＦＣ−１３４ａである。この混合物は、任意に、５番目の成分、すなわちＲ２９０（プロパン）又はイソブタンのような低級アルキル炭化水素を含む。本発明の冷媒は、少なくとも１つの従来の冷却装置、及び好ましくはいくつかのこのような装置、すなわち従来の冷却装置の蒸気圧又は臨界温度と同様の蒸気圧又は臨界温度を有する装置における使用に適合し、且つ使用に適した組成物として処方される。

いかなる理論にも制限されることを望まないが、アルコール成分の添加は、冷却装置の運転の間に冷媒中に混入される油の粘度を変化させることによって、組成物の性能を高めると考えられる。

本発明の組成物は、ＨＦＣ−３２を約２０質量％〜２６質量％、ＨＦＣ−１２５を約２２質量％〜２８質量％、ＨＦＣ−１３４ａを約４８質量％〜５４質量％及び低級アルキルアルコールを約０．０８質量％〜１．５質量％含む。

１つの形態において、本発明は、ＨＦＣ−３２を約２２質量％〜２４質量％、ＨＦＣ−１２５を約２４質量％〜２６質量％、及びＨＦＣ−１３４ａを約４９質量％〜５３．３質量％、並びに低級アルキルアルコールを約０．６質量％〜０．８質量％含む冷媒組成物である。

１つの形態において、冷媒は以下の処方物を含む：
さらにより好ましい実施形態では、混合物は、ＨＦＣ−３２を約２３質量％、ＨＦＣ−１２５を約２５質量％、ＨＦＣ−１３４ａを約５１．３質量％、及びエタノールを約０．７質量％含む。

追加の成分、すなわち低級アルキル炭化水素が、０質量％と４．０質量％の間の量でこの混合物に任意に添加される。「低級アルキル」は、直鎖又は分岐のＣ_ｌ−Ｃ_６を意味し、好ましい種はイソブタン、プロパンであり、プロパンが最も好ましい。適切なアルキルは、室温及び常圧で気相で存在するアルキルである。別の適切な低級アルキルは、イソブタンである。

本明細書で使用される用語「約」は、百分率で表した値から±０．１の偏差を意味する。

発明の詳細な説明

本発明を一般的に記載してきたが、詳細かつ具体的な実施例を示す。これは本発明の範囲内ではあるが本発明の単なる例証にすぎない。

２３質量％のＨＦＣ−３２（ジフルオロメタン）、２５質量％のＨＦＣ−１２５（ペンタフルオロメタン）、５１．３質量％のＨＦＣ−１３４ａ（１，１，１，２−テトラフルオロメタン）、及び０．７質量％の無水エタノールの混合物からなる冷媒組成物ＳＰ２２Ｃを処方した。本実施例では、上記の量すべてが、表示量の０．１％以内であったと考える。

組成物に成分を導入する順序は、全く重要でない。従来の方法を用いて、この組成物を処方し、保存しそして使用した。

上記混合物の平均沸点（ＢＰ）を測定したところ、１気圧において−４０．１℃であった。
この混合物の臨界温度（ＣＴ）は８６．０℃であった。

比較のための一般的な冷媒Ｒ２２の対応するＢＰは、１気圧において−４０．８℃である。

試験の際、上記組成物が、既存のＲ２２系システムにおいて典型的に用いられる以下の鉱油、すなわち４ＧＳ及び３ＧＳと混和できることが見出された。また、この組成物が冷媒作動流体として有効であることも見出された。

表１は、従来技術のＣＦＣ含有冷媒であるＲ２２についての試験から得たデータを示す。試験は、周囲温度８２°Ｆで４サイクルにわたって行った。表２〜５に、上記実施例の組成物（組成物ＳＰ２２Ｃと特定した）について行った同様の試験から得たデータを示す。これらは本発明の処方の試験された性能レベルを示すものである。

表２、３及び４は、周囲温度及び湿度の異なる３つの条件で、表１のデータと同じＲ２２定格ユニット（rated unit）で運転したときのＳＰ２２Ｃの試験に関する試験データを示す。ここで、試験Ａ（表２）は、屋内乾球及び湿球温度条件がそれぞれ８０°及び６７°、並びに屋外乾球温度条件９５°（全て華氏温度）で行った。試験Ｂ（表３）では、それぞれの条件は８０°／５７°及び８２°であった。試験Ｃ（表４）では、相当する条件は８０°／５７°及び８２°であった。試験Ｄ（表５）では、相当する条件は８０°／５７°及び８２°であった。表５（試験Ｄ）の試験データは、試験データにおける一貫性を検証するための「サイクル試験」である。すなわち、化合物ＳＰ２２Ｃを装填した試験機を所定の間隔で断続的に循環させて、先の試験で得られたデータが、ほとんど偏差がないか又は全く偏差なく再現可能であることを保証し、このようなユニットが、効果をほとんど失うことなく独立して循環し得ることを例証する。

本発明を、好ましい実施態様により記載したが、本発明の全範囲は、記載された非限定的な実施例のバリエーション及び非限定的な実施例からの逸脱をいくつでも含むことは、当業者によって理解される。本発明の全範囲は、本明細書と共に提出された特許請求の範囲によって最もよく記載される。

Claims (18)

1. 約２０質量％〜２６質量％のＨＦＣ−３２と、
   約２０質量％〜２８質量％のＨＦＣ−１２５と、
   ４８質量％〜５４質量％のＨＦＣ−１３４ａと、
   約０．０８質量％〜１．５質量％の低級アルキルアルコールと、
   の混合物を含み、
   冷却装置に適合する組成物として処方された、冷媒組成物。
2. 約２２質量％〜２４質量％のＨＦＣ−３２と、
   約２４質量％〜２６質量％のＨＦＣ−１２５と、
   約４９．０質量％〜５３．３質量％のＨＦＣ−１３４ａと、
   約０．６質量％〜０．８質量％の低級アルキルアルコールと、
   を含む、請求項１記載の冷媒組成物。
3. 前記低級アルキルアルコールが無水である、請求項１又は２記載の組成物。
4. 前記低級アルキルアルコールがメタノール又はエタノールを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷媒組成物。
5. 前記低級アルキルアルコールが無水エタノールを含む、請求項１記載の冷媒組成物。
6. ４．０質量％以下の低級アルキル炭化水素を更に含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷媒組成物。
7. 前記低級アルキルが直鎖又は分岐のＣ_１−Ｃ_６アルキルである、請求項６記載の冷媒組成物。
8. 前記低級アルキルがイソブタン及びプロパンから選ばれる、請求項７記載の冷媒組成物。
9. 前記アルキルがプロパンである、請求項８記載の組成物。
10. 約２０〜２６質量％のＨＦＣ−３２と、
    約２２〜２８質量％のＨＦＣ−１２５と、
    約４８〜５４質量％のＨＦＣ−１３４ａと、
    約０．２〜１．５質量％の前記低級アルキルアルコールと、
    を含む、請求項１記載の冷媒組成物。
11. 約２３質量％のＨＦＣ−３２と、
    約２５質量％のＨＦＣ−１２５と、
    約５１．３質量％のＨＦＣ−１３４ａと、
    約０．７質量％の低級アルキルアルコールと、
    を含む、請求項１０記載の組成物。
12. 前記低級アルキルアルコールがエタノール及びメタノールから選ばれる、請求項１又は２記載の組成物。
13. 前記低級アルキルアルコールがエタノールである、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の冷媒。
14. 約２０〜２５質量％のＨＦＣ−３２と、
    約２２〜２８質量％のＨＦＣ−１２５と、
    ４８〜５４質量％のＨＦＣ−１３４ａと、
    約０．６質量％〜１質量％の低級アルキルアルコールと、
    約４質量％以下の低級アルキル炭化水素化合物と、
    を含む、冷媒組成物。
15. 前記低級アルキルアルコールが、直鎖又は分岐のＣ_１−Ｃ_４アルキルアルコールを含む、請求項１４記載の組成物。
16. 前記低級アルキルアルコールがメタノール及びエタノールから選ばれる、請求項１４又は１５記載の組成物。
17. 前記低級アルキル炭化水素がイソブタン及びプロパンから選ばれる、請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の組成物。
18. 前記低級アルキルアルコールが無水である、請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の組成物。