JP2017096623A - 冷却器用途において用いるためのトランス−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペン - Google Patents

Abstract

【課題】冷却器システムにおける有用性のある組成物を提供する。【解決手段】トランス−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペン（１２３３ｚｄ（Ｅ））を含む冷媒組成物、及び１２３３ｚｄ（Ｅ）を用いる方法は、冷却器のＣＯＰが高く、また化合物１２３３ｚｄ（Ｅ））を含む冷媒組成物は、冷却のために用いられるクロロフルオロカーボンに代わる環境的に好適な代替物である。また１２３３ｚｄ（Ｅ）は不燃性であるので、可燃性抑制剤を用いる必要はない。【選択図】なし

Description

[0001]本発明は、２００８年１２月１７日出願の米国仮出願６１／１３８，２４５、及び２００９年１月９日出願の米国出願１２／３５１，８０７（２００８年１月１０日出願の米国仮出願６１／０２０，３９０の優先権の利益を主張する）の優先権の利益を主張する。

[0002]本発明は、冷却器用途などの数多くの用途における有用性を有する組成物、並びにかかる組成物を用いる方法及びシステムに関する。特に、本発明は、冷却器用途においてトランス−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペン（１２３３ｚｄ（Ｅ））を含む冷媒組成物を用いる方法に関する。

[0003]フルオロカーボンベースの流体は、冷却、ヒートポンプ、空調、及び冷却器用途において幅広く用いられている。フルオロカーボンは、熱を、望まれていない位置から熱を求める位置へ伝達させるために用いられる。冷却又は空調システムの目的は、冷却領域からエネルギーを除去することである。ヒートポンプの目的は、加熱領域にエネルギーを加えることである。

[0004]密度、蒸気圧、及び気化熱のような冷媒の物理特性は、冷媒に関してどんな用途が最良であるかを定めるのに役立つ。また、冷媒の安全性及び環境影響も考慮しなければならない。例えば、可燃性、オゾン層破壊係数（ＯＤＰ）、及び地球温暖化係数（ＧＷＰ）を考慮しなければならない。

[0005]複数の冷媒の混合物は、通常、冷却又はヒートポンプシステムの所望の物理特性に合致させるように用いられる。しかしながら、非共沸性の混合物はプール沸騰蒸発器内で分離してシステムの性能を低下させるので、遠心冷却器は純粋か又は共沸性の冷媒にしか適合させることができない。

[0006]冷却器において用いるための新規な冷媒に関して考慮される重要なファクターは、ＣＯＰ（冷却器全体によって消費されるエネルギー（ＫＷ）に対する冷却容量（ＫＷ）の比）である。ＣＯＰによって、冷却器システムにおける異なる冷媒の有効な比較が可能である。ＣＯＰがより高いと、エネルギーを所望の冷却に変換するシステムの効率性がより大きくなる。

[0007]本発明の幾つかの態様は、冷却器システムにおける有用性を有する組成物、並びにかかる組成物を用いる方法及びシステムに関する。

[0008]本発明は、少なくともトランス−１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペン（１２３３ｚｄ（Ｅ））を含む組成物を提供する。化合物１２３３ｚｄ（Ｅ）を含む組成物は、冷却器のような冷却用途におけるクロロフルオロカーボンに代わる環境的に好適な代替物である。

[0009]冷却器用途における冷媒として１２３３ｚｄ（Ｅ）（トランス−１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペン）が特に有用であることが見出された。１２３３ｚｄ（Ｅ）の非常に短い大気中寿命のために、これらの分子のオゾン層破壊係数及び地球温暖化係数は、現在用いられている冷媒であるＲ−１２３のものよりも非常に小さい。更に、現在入手できる低ＯＤＰの分子の中で、１２３３ｚｄ（Ｅ）はモントリオール議定書において廃止が予定されていない全ての化合物の中で最も高いＣＯＰを有する。

[0010]冷媒１２３３ｚｄ（Ｅ）は冷却器用途においてシス異性体である１２３３ｚｄ（Ｚ）よりも良好に機能したことが見出された。１２３３ｚｄ（Ｅ）は遙かに高い容量を有し、したがってより小さいシステムを用いて１２３３ｚｄ（Ｚ）又はＲ−１２３系のいずれかと同等の容量を与えることができる。１２３３ｚｄ（Ｅ）のＣＯＰは、１２３３ｚｄ（Ｚ）よりも僅かに低く、Ｒ−１２３と同等である。

[0011]本発明において有用な組成物は、トランス−１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペン（ＨＣＦＣ−１２３３ｚｄ（Ｅ））を含む。本発明の組成物は１２３３ｚｄ（Ｅ）を広範囲の量で含んでいてよいと考えられるが、一般に本発明の冷媒組成物は、１２３３ｚｄ（Ｅ）を、全組成物の少なくとも約５０重量％、特に少なくとも約７０重量％の量で含む。多くの態様においては、本発明の熱伝達組成物は１００％の１２３３ｚｄ（Ｅ）で構成される。

[0012]本発明において用いる１２３３ｚｄ（Ｅ）は、十分に高い純度で用いて、系の冷却又は加熱特性に対する悪影響が導入されるのを回避するようにしなければならない。
[0013]本発明の組成物には、組成物に特定の機能性を向上させるか又は与える目的か、或いは幾つかの場合においては組成物のコストを低減させる他の組成物を含ませることができる。例えば、本発明による冷媒組成物、特に蒸気圧縮システムにおいて用いるものは、一般に組成物の重量の約３０〜約５０重量％の量の潤滑剤を含む。更に、本組成物には、プロパン及びペンタンのような潤滑剤の相溶性及び／又は溶解性を促進する目的の相溶化剤を含ませることもできる。プロパン、ブタン、及びペンタンなどのかかる相溶化剤は、好ましくは組成物の約０．５〜約５重量％の量で存在させる。米国特許６，５１６，８３７（その開示は参照として本明細書中に包含する）によって開示されているように、界面活性剤と可溶化剤の組み合わせを本組成物に加えて油溶性を促進させることもできる。通常用いる冷却潤滑剤、例えばヒドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）冷媒と共に冷却器において用いられるポリオールエステル（ＰＯＥ）及びポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）、シリコーン油、鉱油、アルキルベンゼン（ＡＢ）、及びポリ（α−オレフィン）（ＰＡＯ）を、本発明の冷媒組成物と一緒に用いることができる。また、ニトロメタンを安定剤として加えることもできる。

[0014]多くの既存の冷却システムが既存の冷媒に関連して用いるのに現在適合しており、本発明の組成物は、システムの修正を行うか又は行わずに、かかるシステムの多くにおいて用いるのに適合させることができると考えられる。多くの用途においては、本発明の組成物は、現在比較的高い容量を有する冷媒をベースとするシステムにおける代替物としての有利性を与えることができる。更に、コストの理由のために例えばより高い容量の冷媒を置き換えるために本発明のより低い容量の冷媒組成物を用いることが望ましい態様においては、かかる態様の本発明の組成物は潜在的な有利性を与える。したがって、特定の態様においては、Ｒ−１１及びＲ−１２３のような既存の冷媒に代わる代替物として、本発明の組成物、特に相当な割合の１２３３ｚｄ（Ｅ）を含み、及び幾つかの態様においては実質的に１２３３ｚｄ（Ｅ）から構成される組成物を用いることが好ましい。特定の用途においては、本発明の冷媒によって、より大きな容積型圧縮器を有益に用いることが潜在的に可能になり、これによりＲ−１３４ａのような他の冷媒よりも良好なエネルギー効率が得られる。したがって、１２３３ｚｄ（Ｅ）を含む冷媒組成物は、冷媒置換用途に関
してエネルギーベースで競合的な有利性を達成する可能性を与える。

[0015]また、１２３３ｚｄ（Ｅ）を含む組成物は、（元のシステムにおいてか、又はＲ−１２及びＲ−５００のような冷媒に代えて代替物として用いた際には）商業的な空調システムと関連して通常用いられる冷却器における有利性も有する。

[0016]１２３３ｚｄ（Ｅ）は不燃性であるので、可燃性抑制剤を用いる必要はない。更に、１２３３ｚｄ（Ｅ）は、可燃性の冷媒を用いる冷却器に可燃性抑制剤として加えることができる。

[0017]したがって、本方法、システム、及び組成物は、自動車用空調システム及び装置、商業的冷却システム及び装置、冷却器、家庭用冷蔵庫及び冷凍庫、一般的な空調システム、ヒートポンプなどと関連して用いるように適合させることができる。

[0018]したがって、本組成物は、熱を伝達させるための方法及びシステムにおける熱伝達流体、例えば冷却器、空調及びヒートポンプシステムにおいて用いる冷媒などの数多くの方法及びシステムにおいて用いられる。

[0019]例えば、熱伝達方法は、一般に、本発明の組成物を提供し、熱を組成物へ又は組成物から伝達させて組成物の相を変化させることを含む。例えば、本方法は、流体又は物品から熱を吸収することにより、好ましくは冷却する物体又は流体の近傍で本冷媒組成物を蒸発させて本組成物を含む蒸気を生成させることによって冷却を与える。好ましくは、本方法は、通常は本組成物の蒸気を生成させる圧縮器又は同様の装置を用いて、比較的昇圧下で冷媒蒸気を圧縮する更なる工程を含む。一般に、蒸気を圧縮する工程によって蒸気に対して熱が加えられ、比較的高圧の蒸気の温度が上昇する。好ましくは、本方法は、この比較的高温で高圧の蒸気から、蒸発及び圧縮工程によって加えられた熱の少なくとも一部を除去することを含む。熱除去工程は、好ましくは、蒸気が比較的高圧条件である時に高温で高圧の蒸気を凝縮して、本発明の組成物を含む比較的高圧の液体を生成することを含む。次にこの比較的高圧の液体を、好ましくはみかけの等エンタルピー圧力減少にかけて、比較的低温で低圧の液体を生成する。かかる態様においては、この低下した温度の冷媒液を次に、冷却する物体又は流体から伝達される熱によって気化する。

[0020]本発明の他の方法態様においては、加熱する液体又は物体の近傍において組成物を含む冷媒を凝縮することを含む熱を生成する方法において本発明の組成物を用いることができる。上述したかかる方法は、しばしば、上記に記載した冷却サイクルに対して逆のサイクルである。

[0021]本発明の目的のために、遠心冷却器とは、冷媒ガスを低圧から高圧に変換する遠心圧縮を用いる冷却装置を意味する。圧縮は単一段階又は複数の段階で行うことができる。好ましくは、本方法の多段階運転は、約２〜約５、より好ましくは約２〜約４、最も好ましくは約２〜約３段階の圧縮を含む。段階の正確な数は用途によって定まり、過度の実験を行うことなく決定することができる。

[0022]本発明の１２３３ｚｄ（Ｅ）組成物は、冷媒を凝縮し、その後冷却する物体の近傍において冷媒を蒸発させることを含む、冷却を生成させる方法において用いることができる。或いは、本発明の１２３３ｚｄ（Ｅ）組成物は、加熱する物体の近傍において冷媒を凝縮し、その後冷媒を蒸発させることを含む、加熱を生成させる方法において用いることができる。

[0023]更に他の態様においては、本発明の１２３３ｚｄ（Ｅ）組成物は、遠心圧縮によ
って本発明の化合物又は混合物を圧縮し、冷却する物体の近傍において冷媒を蒸発させることを含む、遠心冷却器を用いて冷却を生成させる方法において用いることができる。

[0024]本発明を例示する目的で以下の実施例を与えるが、これらはその範囲を限定するものではない。
[0025]実施例１：
[0026]ＭＫＳ加熱圧力変換器を用いて１２３３ｚｄ（Ｅ）の蒸気圧を測定した。

[0027]振動管密度計を用いて１２３３ｚｄ（Ｅ）の液体密度を測定した。

[0028]実施例２：
[0029]遠心冷却器用に選択した流体は２，２−ジクロロ−１，１，１−トリフルオロエ
タン（Ｒ−１２３）であった。Ｒ−１２３のオゾン層破壊係数のために、これはモントリオール議定書下で現在は使用禁止されている。Ｒ−１２３に代わる代替流体を見出す際には、高い動作係数（ＣＯＰ）を維持することが重要である。単一段階の冷却器は、低圧ガスを圧縮し、それを蒸発器に送る圧縮器から構成されていた。次に、高圧の流体を比較的高い温度で凝縮し、この場合に関しては凝縮器を４０℃に保持した。次に、凝縮した流体を膨張装置に通して流体の温度及び圧力の両方を低下させて蒸発器中に導入し、この場合には蒸発器を２℃に保持した。次に、冷却された低圧ガスを用いて物体から熱を伝達除去した。これには、蒸発器内で流体を蒸発させることによって冷却することが必要であった。R.C. Downing, Fluorocarbon Refrigerants Handbook, ３章, Prentice-Hall, 1988の
ような熱力学のテキストにおいて概説されている標準的な冷媒サイクル分析法を用いて、冷媒の熱力学的特性を計算することができる。２℃の凝縮器温度、４０℃の蒸発器温度、及び０．７５の圧縮器効率において、単一圧縮器冷却器のＣＯＰを求めた。単一圧縮器システムにおけるＲ−１２３、１２３３ｚｄ（Ｚ）、及び１２３３ｚｄ（Ｅ）のＣＯＰを下表に与える。本実施例は、１２３３ｚｄ（Ｅ）及び１２３３ｚｄ（Ｚ）を用いるとＲ−１２３のＣＯＰを保持することができることを示す。驚くべきことに、同じ寸法のシステムに関して、１２３３ｚｄ（Ｅ）はＲ−１２３よりも遙かに高い容量を有することも示された。

[0030]実施例３：
[0031]冷却器の効率を上昇させるための通常の手順は、内部熱交換器と共に複数の圧縮器を用いることである。このシステムは実施例１に記載したものと非常に類似しているが、相違点は凝縮器から排出される流体の一部を用いて、圧縮器から排出される流れを中程度の圧力で冷却することであった。次に、流れを再び合わせて所望の高圧に圧縮し、凝縮器中に導入した。R.C. Downing, Fluorocarbon Refrigerants Handbook, ３章, Prentice-Hall, 1988のような熱力学のテキストにおいて概説されている標準的な冷媒サイクル分
析法を用いて、冷媒の熱力学的特性を計算することができる。２℃の凝縮器温度、４０℃の蒸発器温度、両方の圧縮器に関して０．７５の効率、及び５℃の熱交換器の出口の近接温度において、二重圧縮器冷却器のＣＯＰを求めた。二重圧縮器システムにおけるＲ−１２３、１２３３ｚｄ（Ｚ）、及び１２３３ｚｄ（Ｅ）のＣＯＰを下表に与える。驚くべきことに、同じ寸法のシステムに関して、１２３３ｚｄ（Ｅ）はＲ−１２３よりも遙かに高い容量を有していた。

[0032]本発明を実施する現在好ましい形態などの特定の例に関して本発明を説明したが、当業者であれば、特許請求の範囲において示す本発明の精神及び範囲内の上記記載のシステム及び方法の数多くの変更及び置換が存在することを認識するであろう。

Claims (10)

1. １２３３ｚｄ（Ｅ）を含む冷媒組成物を圧縮することを含み、圧縮を遠心冷却器システム内で行う、冷却を生成させる方法。
2. ＣＯＰが４．７〜４．９６の間である、請求項１に記載の方法。
3. 冷媒組成物が組成物の全重量を基準として少なくとも５０重量％の１２３３ｚｄ（Ｅ）を含む、請求項１に記載の方法。
4. 冷媒組成物が組成物の全重量を基準として少なくとも７０重量％の１２３３ｚｄ（Ｅ）を含む、請求項１に記載の方法。
5. 冷媒組成物が実質的に１２３３ｚｄから構成されるヒドロフルオロオレフィンを含み、１２３３ｚｄの大部分が１２３３ｚｄ（Ｅ）である、請求項１に記載の方法。
6. １２３３ｚｄが約２：１〜約９９：１の比の１２３３ｚｄ（Ｅ）及び１２３３ｚｄ（Ｚ）から構成される、請求項５に記載の方法。
7. 比が約４：１〜約１９：１である、請求項６に記載の方法。
8. 少なくとも５０重量％の１２３３ｚｄ（Ｅ）を含む冷媒を冷却器内で圧縮し、その後、冷却する物体の近傍で冷媒を蒸発させることを含む、冷却を生成させる方法。
9. 冷媒が１２３３ｚｄ（Ｅ）から実質的に構成される、請求項８に記載の方法。
10. ａ．遠心圧縮器；及び
    ｂ．遠心圧縮器内に配置されている１２３３ｚｄ（Ｅ）を含む冷媒；
    を含む、遠心冷却器システム。