JP2019045135A - 液体冷却装置におけるｒ−１２３３の使用 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱と同時に冷却を行うことのできる熱回収冷却装置システムの提供。【解決手段】この課題は、圧縮機、少なくとも１つの液体冷却器、少なくとも１つの凝縮器、及び冷媒を備え、前記圧縮機は、遠心圧縮機であり、前記冷媒は、クロロ−トリフルオロプロペンを含み、前記圧縮機と前記凝縮器との間に配置された熱交換器によって前記冷媒から熱を回収する、熱回収冷却装置システムによって解決される。【選択図】図１

Description

本発明は、負圧液体冷却装置における冷媒としてのクロロ−トリフルオロプロペンの使用に関する。クロロトリフルオロプロペン、特に１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンは、液体冷却装置用途において高い効率性及び予想外に高い容量を有し、Ｒ−１２３及びＲ−１１の代替を含む、このような用途のより環境上持続可能な冷媒として有用である。クロロ−トリフルオロプロペンは、冷媒が既存の冷却装置から除去され、本発明のクロロ−トリフルオロプロペンが加えられる新規な冷却装置用途において又は仕上げ（ｔｏｐ−ｏｆｆ）若しくは改修として使用され得る。

継続した規制の圧力によって、より低いオゾン破壊及び地球温暖化係数を有する冷媒、熱伝導流体、フォーム発泡剤、溶媒、及びエアロゾルに対する、より環境上持続可能な代替を特定する必要性が高まっている。これらの用途に広く使用されるクロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）及びヒドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）は、オゾン破壊物質であり、モントリオール議定書の指針に従って段階的に減らされている。ヒドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）は、多くの用途でＣＦＣ及びＨＣＦＣの主要な代替である。それはオゾン層に対して「優しい」と考えられているが、なお概して高い地球温暖化係数を有する。オゾン破壊又は高い地球温暖化物質を代替すると特定されている１つの新しいクラスの化合物は、例えば、ヒドロフルロオレフィン（ＨＦＯ）及びヒドロクロロフルオロオレフィン（ＨＣＦＯ）などのハロゲン化オレフィンである。本発明において、クロロ−トリフルオロプロペンが、液体冷却装置システム、特に負圧冷却装置システムにおいて、例えば、Ｒ−１１及びＲ−１２３の代替として特に有用な冷媒であることが見いだされた。

継続した規制の圧力によって、より低いオゾン破壊及び地球温暖化係数を有する冷媒、熱伝導流体、フォーム発泡剤、溶媒、及びエアロゾルに対する、より環境上持続可能な代替を特定する必要性が高まっている。これらの用途に広く使用されるクロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）及びヒドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）は、オゾン破壊物質であり、モントリオール議定書の指針に従って段階的に減らされている。ヒドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）は、多くの用途でＣＦＣ及びＨＣＦＣの主要な代替である。それはオゾン層に対して「優しい」と考えられているが、なお概して高い地球温暖化係数を有する。オゾン破壊又は高い地球温暖化物質を代替すると特定されている１つの新しいクラスの化合物は、例えば、ヒドロフルロオレフィン（ＨＦＯ）及びヒドロクロロフルオロオレフィン（ＨＣＦＯ）などのハロゲン化オレフィンである。ＨＦＯ及びＨＣＦＯは、所望される低い地球温暖化係数及びゼロかほとんどゼロのオゾン破壊特性を与える。

冷却装置は、蒸気−圧縮（改変逆−ランキン（ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｒｅｖｅｒｓｅ−Ｒａｎｋｉｎｅ））、吸収、又は他の熱力学的サイクルによって、水、他の熱伝導流体又はプロセス流体を冷却する冷却機である。それらの最も一般的な用途は、大規模なオフィス、商業、医療、娯楽、住居用の高層ビル、及び同様のビル又はビル群を冷房するための集中システムにおける用途である。一般にそれぞれ複数の冷却装置を有する、大規模な中央設備及び相互接続された設備の両方は、ショッピングセンター、大学、医療、及びオフィス構内；軍事施設；ならびに地域冷房システムに普及している。冷水（又は、あまり一般的ではないが、ブライン若しくは他の熱伝導流体）は、１つ又は複数のビルを通って、占有又は管理スペースを冷房する（冷却及び除湿する）ために冷水又はブラインを使用する、例えば、区域化された空気処理機などの他の装置にパイプで送られる。それらの本質から、効率及び信頼性の両方は冷却装置の重要な属性である。冷却装置は通常、約１０ｋＷ（３トン）〜３０ＭＷ（８，５００トン）超の熱容量の範囲であり、より一般的には３００ｋＷ（８５トン）〜１４ＭＷ（４，０００トン）の範囲である。より大規模なシステムは通常、複数の冷却装置を使用し、一部の装置は３００ＭＷ（８５，０００トン）の冷却を超える。液体−冷却システムは、冷房又は冷却用の水、ブライン、又は他の二次冷却材を冷却する。このシステムは、工場で組立て及び配線され得るか又は現場での組立てのために解体して出荷され得る。最も多い用途は、冷房用の水冷却であるが、低温冷却のためのブライン冷却及び産業プロセスにおける冷却流体用のブライン冷却も普及している。

蒸気−圧縮、液体冷却システムの基本要素には、圧縮機、液体冷却器（蒸発器）、凝縮器、圧縮機駆動部、液体−冷媒膨張又はフロー制御装置、及びコントロールセンターが含まれ、これにはまた、受液器、エコノマイザ、膨張タービン、及び／又は副冷却器も含まれ得る。さらに、潤滑剤冷却器、潤滑剤分離器、潤滑剤戻し装置、パージユニット、潤滑剤ポンプ、冷媒移動ユニット、冷媒排出口、及び／又は追加制御弁などの補助要素が使用され得る。

液体（通常水）は冷却器に入り、ここで比較的低温で蒸発する液体冷媒によって冷却される。冷媒は蒸発し、圧縮機中に引き込まれ、凝縮器において比較的高温で凝縮し得るようにその気体の圧力及び温度を増加させる。凝縮器冷却媒体はこの工程で加温される。次いで、凝縮した液体冷媒は、膨張装置を通して蒸発器に還流する。液体冷媒の一部は、凝縮器と蒸発器との間で圧力が下がるときに蒸気に変わる（フラッシュする）。フラッシングにより、この液体は蒸発器圧力において飽和温度に冷却される。これは冷却器中で全く冷却は生じない。以下の改変（最大効果のために組み合わされるときもある）は、フラッシュガスを減少させ、消費電力の単位当たり正味冷却を増加させる。

副冷却。凝縮冷媒は、水冷却凝縮器の副冷却器部分又は分離熱交換器においてその飽和凝縮温度未満に過冷却され得る。副冷却により、フラッシングは減少し、冷却装置における冷却効果が増加する。

エコノマイジング。この処理は、直接膨張（ＤＸ）、膨張タービン、又はフラッシュシステムにおいて生じ得る。ＤＸシステムにおいて、主要な液体冷媒は通常、凝縮圧力において管状熱交換器のシェルにおいて飽和凝縮温度から中間飽和温度の数度以内に冷却される。冷却前に、ごく一部の液体がフラッシュし、熱交換器の管側で蒸発し、主要な液体流を冷却させる。過冷却されるが、この液体はなお凝縮圧力にある。

膨張タービンは、一部の冷媒が蒸発するときに回転エネルギーを取り出す。ＤＸシステムにおけるように、残存する液体は中間圧力で冷却器に供給される。フラッシュシステムにおいて、全体の液体流は、液体を飽和中間圧力で冷却器に供給する容器において中間圧力まで膨張させられるが、この液体は中間圧力にある。

フラッシュガスは、多段遠心圧縮機の中間段階で、内部の２段往復圧縮機の中間段階で、スクリュー圧縮機の中間圧力取込口で、又は多段往復若しくはスクリュー圧縮機上の高圧段階の入口で圧縮機に入る。

液体注入。凝縮された液体は、中間圧力まで絞られ、過剰に高い排出温度を防止し、及び遠心機の場合は、ノイズを減少させるために凝縮器の第２段の吸引部中に注入される。スクリュー圧縮機については、凝縮液体は、潤滑剤冷却を得るために排出圧力よりわずかに下に固定された取込口中に注入される。

基本システム
基本液体冷却装置システムの代表的な冷却サイクルは、図１に示される。冷水は、例えば、５４°Ｆで冷却器に入り、４４°Ｆで出る。凝縮器水は、８５°Ｆで冷却塔を出て、凝縮気に入り、ほぼ９５°で冷却塔に戻る。凝縮器はまた、空気又は水の蒸発によって冷却されてもよい。水冷凝縮器とともに、単一の圧縮機及び１つの冷却回路を有するこのシステムは、比較的単純でかつ小型で経済的であるため、冷房用の水を冷却するために広範囲に使用される。圧縮機は、往復、スクロール、スクリュー又は遠心圧縮機であることができる。本発明の好ましいシステムは、遠心液体冷却装置システムである。

液体冷却装置システムはまた、熱回収によって加熱要件を満たすために使用され得る。熱回収は、通常は冷却装置凝縮器から捨てられる熱を捕捉し、それをスペース加熱、家庭用水加熱、又は別のプロセス要求のために使用するプロセスである。水冷冷却装置の場合、それは、比較的高い凝縮温度で運転し、標準的な凝縮器を出る水から熱を回収することによって、又は別個の凝縮器を使用することによって行うことができる。それはまた、好ましくは圧縮機と凝縮器との間で、熱交換器を使用して冷媒から熱を回収することによって行うことができる。空冷冷却装置における熱回収は、必然的に、冷媒からの熱の回収を伴う。本発明の好ましい熱回収システムは、熱回収遠心冷却装置である。

遠心圧縮機は、冷媒を半径方向に加速するために回転要素を使用し、通常、ケーシングに収容された羽根車及びディフューザを含む。遠心圧縮機は通常、羽根車目玉、又は循環羽根車の中央吸気口で流体を取り入れ、それを外側に向かって半径方向に加速させる。いくらかの静圧上昇が羽根車に生じるが、大部分の圧力上昇はケーシングのディフューザ部分に生じ、ここで、速度は静圧に変換される。羽根車−ディフューザの各組は、圧縮機の段である。遠心圧縮機は、所望の最終圧力及び処理される冷媒の容量に依存して、１〜１２段以上で構成される。２段以上の圧縮機は、多段圧縮機と呼ばれる。

遠心圧縮機は、潤滑油を使用してもよく、又はオイルフリーであってもよい。オイルフリー圧縮機の一例は、磁気軸受を有するものであり、ここで、ロータシャフトは、磁気軸受間で空中浮遊され、好ましくは直接駆動モータ、特に永久磁石直接駆動モータを使用して回転される。オイルフリー圧縮機の別の例は、油なしのハイブリッド軸受システムを使用するもの、例えば、セラミック回転要素を使用するものである。

圧縮機の圧力比、又は圧縮比は、絶対排出圧対絶対流入圧の比である。遠心圧縮機により供給される圧力は、比較的広い範囲の容量にわたって実質的に一定である。したがって、既存の冷媒を置換しながら遠心圧縮機の性能を維持するために、新しい冷媒を使用する場合の圧力比は、既存の冷媒を使用する場合のものと可能な限り近くなければならない。

容積式圧縮機と異なり、遠心圧縮機は、羽根車を通過する蒸気を圧縮するための高速羽根車の遠心力に完全に依存する。容積式ではなく、いわゆる動的圧縮が存在する。

遠心圧縮機が作り出し得る圧力は、羽根車の先端速度に依存する。先端速度は、その先端で測定した羽根車の速度であり、羽根車の直径及びその分当たり回転に関係する。遠心圧縮機の能力は、羽根車を通る通路の大きさによって決定される。このことは、圧縮機の大きさを、能力よりも必要とされる圧力により依存させる。

既存の冷媒を置き換えながら遠心圧縮機の性能を維持するために、所定の羽根車のマッハ数（Ｍａｃｈ ｎｕｍｂｅｒ）は既存の冷媒によって得られるものと同じでなくてはならない。羽根車のマッハ数は、冷媒の音速（音の速度）に依存するため、圧縮機の性能は、元の冷媒と同じ音速を有するか又は理論的に既存の冷媒と同じ羽根車マッハ数を与える音速を有する代替冷媒を配合することによってより正確に維持され得る。

特に既存の冷媒を新しいものと置き換える場合、圧縮機にとって重要な考慮すべき事項は、ここで以下のように定義される無次元の比速度Ωであり：
式中、ωは角速度（ｒａｄ／ｓ）であり、Ｖは体積流量率（ｍ³／ｓ）であり、Δｈは、圧縮機の段当たり理想比仕事（Ｊ／ｋｇ）であり、これは以下のように近似され得る：
式中、添え字１及び２は、それぞれ、圧縮機入口及び出口における気体状態を示す。Ｈ、ｓ及びＴは、それぞれ、比エンタルピー、比エントロピー、及び温度である。Ωが設計について最適値を有する場合、圧縮機は最高断熱効率ηで運転する。

その高速度運転のために、遠心圧縮機は基本的に高容量、低圧の機械である。遠心圧縮機は、トリクロロフルオロメタン（ＣＦＣ−１１）などの低圧冷媒とともに最も良好に動作する。冷却器の一部、特に蒸発器が周囲圧力未満の圧力レベルで運転される場合、冷却器は負圧システムと呼ばれる。低圧又は負圧システムの利点の１つは低い漏れ率である。冷媒漏れは圧力差によって促進され、したがって、より低い圧力は高圧システムより低い漏れ率をもたらす。また、周囲圧力未満で運転しているシステムの漏れは、漏れ出る冷媒よりもむしろ装置中に吸引される空気を生じる。このような運転は、いずれの空気及び水分も除去するためのバージ装置を必要とするが、このパージ運転をモニターすることは漏れの発生に対して警告システムとして働く。

本発明において、クロロ−トリフルオロプロペンが、例えば、Ｒ−１１及びＲ−１２３の代替のために、特に負圧冷却装置システムにおいて、液体冷却器システム用の特に有用な冷媒であることが見いだされた。本発明のクロロ−トリフルオロプロペンは、現状の冷却装置冷媒に匹敵する運転状態を与え、かつまた、現状の冷却装置潤滑剤と適合することが見いだされた。本発明のクロロ−トリフルオロプロペンは、好ましくは、１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペン及び／又は２−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペン、より好ましくはトランス−１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンである。

典型的な冷却装置システムの概略図である。 蒸発器温度−１０℃におけるＲ−１２３、Ｒ−１２３３ｚｄ、及びＲ−１２３４ｙｆに対するＣＯＰの図表である。 蒸発器温度−１０℃におけるＲ−１２３、Ｒ−１２３３ｚｄ、及びＲ−１２３４ｙｆに対するＣＡＰの図表である。 蒸発器温度０℃におけるＲ−１２３、Ｒ−１２３３ｚｄ、及びＲ−１２３４ｙｆに対するＣＯＰの図表である。 蒸発器温度０℃におけるＲ−１２３、Ｒ−１２３３ｚｄ、及びＲ−１２３４ｙｆに対するＣＡＰの図表である。 蒸発器温度５℃におけるＲ−１２３、Ｒ−１２３３ｚｄ、及びＲ−１２３４ｙｆに対するＣＯＰの図表である。 蒸発器温度５℃におけるＲ−１２３、Ｒ−１２３３ｚｄ、及びＲ−１２３４ｙｆに対するＣＡＰの図表である。 蒸発器温度１０℃におけるＲ−１２３、Ｒ−１２３３ｚｄ、及びＲ−１２３４ｙｆに対するＣＯＰの図表である。 蒸発器温度１０℃におけるＲ−１２３、Ｒ−１２３３ｚｄ、及びＲ−１２３４ｙｆに対するＣＡＰの図表である。

本発明のクロロ−トリフルオロプロペン冷媒は、新たな冷却装置システムに加えることができるか、又は既存の冷却装置システムを仕上げ若しくは改修する方法において用いることができる。本発明のクロロ−トリフルオロプロペン冷媒組成物は、遠心圧縮機及び満液式蒸発器を用いる冷却装置、好ましくは負圧で運転されるものにおいて特に有用である。改修方法は、冷却装置システム中の実質的な一部の潤滑剤を場合によって保持しながら、冷却装置システムから既存の冷媒を除去する工程；ならびに、界面活性剤及び／又は可溶化剤の添加を必要とすることなく、システム中に存在する潤滑剤と混和性である本発明のクロロ−トリフルオロプロペン冷媒を含む組成物をそのシステムに導入する工程を含む。既存の冷却装置システムを仕上げすることにおいて、本発明のクロロ−トリフルオロプロペン冷媒は、冷媒充填量を満タンにするために、又は失われた冷媒に置き換わるか、若しくは既存の冷媒の一部を除去した後に本発明のクロロ−トリフルオロプロペン冷媒を加える部分的な置き換えとして加えられる。本発明の好ましいクロロ−トリフルオロプロペン冷媒は、好ましくは１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペン及び／又は２−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペン、より好ましくは、トランス−１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンである。

本明細書で用いられるように、「実質的な部分」という用語は一般的に、前の冷媒の除去前に冷却システムに含まれる潤滑剤の量の少なくとも約５０％（特に断りのない限り、本明細書におけるパーセンテージは全て重量基準である）である潤滑剤の量を指す。好ましくは、本発明によるシステムにおける潤滑剤の実質的な部分は、冷却システムに当初含まれる潤滑剤の少なくとも約６０％の量、より好ましくは少なくとも約７０％の量である。

任意の広範に知られている方法が、システムに含まれる潤滑剤の主要部分未満を除去しながら、冷却装置システムから前の冷媒を除去するために使用され得る。好ましい実施形態によれば、潤滑剤は炭化水素系潤滑剤であり、その除去工程は、システム中に残存しているその潤滑剤の少なくとも約９０％、さらにより好ましくは少なくとも約９５％をもたらす。冷媒は従来の炭化水素系潤滑剤に比べて極めて揮発性であるため、液体状態の潤滑剤を含む冷却システムから気体状態の当初の冷媒をポンプで排気することによって、除去工程は容易に行われ得る。冷媒の沸点は一般に、３０℃未満であるが、鉱油の沸点は一般に２００℃超である。このような除去は、冷媒回収システムの使用を含めて、当技術分野で知られている任意の多くの方法で達成され得る。あるいは、冷却されて、真空排気された冷媒容器を冷却システムの低圧側に取り付けて、気体状の前の冷媒をその真空排気された容器中に引き抜き、除去するようにすることができる。さらに、圧縮機を冷却システムに取り付けて、システムからの前の冷媒を真空排気された容器にポンプで入れてもよい。上の開示に照らして、当業者は容易に、冷却装置システムから前の冷媒を除去して、その中に炭化水素系潤滑剤及び本発明によるクロロ−トリフルオロプロペン冷媒を有するチャンバーを備える冷却システムを得ることができる。

本発明の方法は、潤滑剤を使用する場合、冷却装置システムに、そのシステム中に存在する潤滑剤と混和性の本発明の少なくとも１種のクロロ−トリフルオロプロペン冷媒を含む組成物を導入する工程を含む。冷却装置システム中の潤滑剤は、炭化水素潤滑油、酸素添加潤滑油又はそれらの混合物であり得る。

本発明のある実施形態は、（１）圧縮機、（２）少なくとも１つの液体冷却器、（３）少なくとも１つの凝縮器、及び（４）本発明のクロロ−トリフルオロプロペン冷媒を備える冷却装置システムである。前記冷却装置システムの圧縮機は、好ましくは遠心圧縮機である。本発明のある実施形態において、冷却装置システムにおける圧縮機は、１〜１２段、好ましくは２又は３段、さらにより好ましくは２段を有する。本発明のある実施形態において、冷却装置システムにおける圧縮機は、潤滑油を使用する。本発明の別の実施形態において、圧縮機はオイルフリー圧縮機、好ましくは磁気軸受を使用する、又はハイブリッド軸受を使用するオイルフリー圧縮機である。

本発明の別の実施形態において、冷却装置システムにおける圧縮機は、本発明のクロロ−トリフルオロプロペン冷媒が潤滑剤として作用するオイルフリー圧縮機である。本発明のある実施形態において、冷却装置システムにおける液体冷却器は、満液式蒸発器である。本発明のある実施形態において、冷却装置システムにおける凝縮器は、水冷凝縮器である。本発明の別の実施形態において、冷却装置システムの凝縮器は空冷凝縮器である。

本発明の別の実施形態において、冷却装置システムは、（１）圧縮機、（２）少なくとも１つの液体冷却器、（３）１つ以上の凝縮器、及び（４）本発明のクロロ−トリフルオロプロペン冷媒を備える熱回収冷却装置システムである。本発明の別の実施形態において、冷却装置システムの液体冷却器は、好ましくは満液式蒸発器であり、一部は大気圧未満の圧力で運転される。本発明の別の実施形態において、冷却装置システムは、１つ又は複数の水冷凝縮器を含む熱回収冷却装置システムであり、熱は、凝縮器の１つを出る水から回収される。本発明の別の実施形態において、冷却装置システムは熱回収冷却装置システムであり、熱回収冷却装置システムの凝縮器は、水冷凝縮器又は空冷凝縮器であり、熱は冷媒から回収される。別の実施形態において、冷却装置システムは、圧縮機が遠心圧縮機である熱回収冷却装置システムである。

本発明の別の実施形態は、熱回収冷却装置システム又は熱ポンプ冷却装置で加熱を生じる方法である。本発明のある実施形態において、この方法の冷却装置システムの液体冷却器は、好ましくは大気圧未満の圧力で運転される一部を有する満液式蒸発器である。本発明のある実施形態において、この方法の冷却装置システムの凝縮器の少なくとも１つは、好ましくは約２６．７℃（８０°Ｆ）〜６０℃（１４０°Ｆ）、好ましくは約２９．４℃（８５°Ｆ）〜５５℃（１３１°Ｆ）の範囲の温度で運転される。

本発明の別の実施形態は、本発明の冷却装置システムを使用して冷却を生じる方法である。本発明のある実施形態において、冷却を生じる方法は、好ましくは、大気圧未満の圧力で運転される一部を有する満液式蒸発器である冷却装置システムの液体冷却器を使用する。本発明のある実施形態において、冷却を生じる方法は、好ましくは約２６．７℃（８０°Ｆ）〜６０℃（１４０°Ｆ）、好ましくは約２９．４℃（８５°Ｆ）〜５５℃（１３１°Ｆ）の範囲の温度で運転される冷却装置システムの凝縮器を使用する。

本発明のある実施形態において、クロロ−トリフルオロプロペン冷媒は、１−クロロ−３，３，３−フルオロプロペンであり、これは、１−クロロ−３，３，３−フルオロプロペンのトランス−異性体及びシス−異性体の混合物、好ましくはトランス−異性体を優勢に、より好ましくは７０重量％超のトランス−異性体、より好ましくは９０重量％超のトランス−異性体、より好ましくは９７重量％超のトランス−異性体、さらにより好ましくは９９重量％超のトランス−異性体を含んでもよい。本発明の別の実施形態において、クロロ−トリフルオロプロペン冷媒は、本質的にトランス−１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンである。

本発明の別の実施形態は、圧縮機において冷媒を圧縮し、及び冷却される物体の近くで冷媒を蒸発させる工程を含む、冷却装置システムにおいて冷却を生じる方法であって、前記冷媒がクロロ−トリフルオロプロペンを含む、方法である。

本発明のある実施形態において、本発明の冷媒は、Ｒ−１２３又はＲ−１１の音速に近い音速を有し、好ましくはここで、本発明の冷媒の音速は、冷却装置システムの圧縮機の吸気口での条件においてＲ−１２３又はＲ−１１の音速の１０％以内である。本発明の別の実施形態において、本発明の冷媒の音速は、４０℃及び１バールで約１５０ｍ／ｓ未満、好ましくは４０℃及び１バールで約１４５ｍ／ｓ未満である。本発明の別の実施形態において、本発明の冷媒の音速は、冷却装置システムの圧縮機の条件において約１３０〜約１５０ｍ／ｓである。

本発明のクロロ−トリフルオロプロペンに加えて、システム中に導入される組成物には、ヒドロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロオレフィン、ヒドロフルオロエーテル、フルオロケトン、炭化水素、アンモニア、又はそれらの混合物から選択される追加の冷媒が含まれ得、好ましくは、ここで、追加の冷媒は、非引火性であり及び／又は得られる冷媒組成物は非引火性である。

ヒドロフルオロカーボンは、ジフロメタン（ＨＦＣ−３２）、１−フルオロエタン（ＨＦＣ−１６１）、１，１−ジフルオロエタン（ＨＦＣ−１５２ａ）、１，２−ジフルオロエタン（ＨＦＣ−１５２）、１，１，１−トリフルオロエタン（ＨＦＣ−１４３ａ）、１，１，２−トリフルオロエタン（ＨＦＣ−１４３）、１，１，１，２−テトラフルオロエタン（ＨＦＣ−１３４ａ）、１，１，２，２−テトラフルオロエタン（ＨＦＣ−１３４）、ペンタフルオロエタン（ＨＦＣ−１２５）、１，１，１，２，３−ペンタフルオロプロパン（ＨＦＣ−２４５ｅｂ）、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン（ＨＦＣ−２４５ｆａ）、１，１，２，２，３−ペンタフルオロプロパン（ＨＦＣ−２４５ｃａ）、１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロプロパン（ＨＦＣ−２３６ｆａ）、１，１，１，２，３，３，３−ヘプタフルオロプロパン（ＨＦＣ−２２７ｅａ）、１，１，１，３，３−ペンタフルオーブタン（ＨＦＣ−３６５ｍｆｃ）、１，１，１，２，３，４，４，５，５，５−デカフルオロプロパン（ＨＦＣ−４３１０）及びそれらの混合物から選択され得る。

ヒドロクロロフルオロカーボンは、１，１−ジクロロ−２，２，２−トリフルオロエタン（Ｒ−１２３）、１−クロロ−１，２，２，２−テトラフルオロエタン（Ｒ−１２４）、１，１−ジクロロ−１−フルオロエタン（Ｒ−１４１ｂ）、１−クロロ−１，１−ジフルオロエタン（Ｒ−１４２ｂ）及びそれらの混合物から選択され得、好ましくはＲ−１２３であり得る。

クロロフルオロカーボンは、トリクロロフルオロメタン（Ｒ−１１）、ジクロロジフルオロメタン（Ｒ−１２）、１，１，２−トリクロロ−１，２，２−トリフルオロエタン（Ｒ−１１３）、１，２−ジクロロ−１，１，２，２−テトラフルオロエタン（Ｒ−１１４）、クロロペンタフルオロエタン（Ｒ−１１５）、又はそれらの混合物、好ましくはＲ−１１であり得る。

代表的なヒドロフルオロエーテルには、１，１，１，２，２，３，３−ヘプタフルオロ−３−メトキシ−プロパン、１，１，１，２，２，３，３，４，４−ノナフルオロ−４−メトキシ−ブタン、又はそれらの混合物が含まれる。代表的なフルオロケトンは、１，１，１，２，２，４，５，５，５−ノナフルオロ−４（トリフルオロメチル）−３−ペンタノンである。

ヒドロフルオロオレフィンは、少なくとも１個のフッ素原子、少なくとも１個の水素原子及び少なくとも１個のアルケン結合を含むＣ３〜Ｃ５ヒドロフルオロオレフィンであり得る。代表的なヒドロフルオロオレフィンには、３，３，３−トリフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｚｆ）、Ｅ−１，３，３，３−テトラフルオロプロペン、（Ｅ−ＨＦＯ−１２３４ｚｅ）、Ｚ−１，３，３，３−テトラフルオロプロペン（Ｚ−ＨＦＯ−１２３４ｚｅ）、２，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）、Ｅ−１，２，３，３−ペンタフルオロプロペン（Ｅ−ＨＦＯ−１２５５ｙｅ）、Ｚ−１，２，３，３，３−ペンタフルオロプロペン（Ｚ−ＨＦＯ−１２５ｙｅ）、Ｅ−１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロブタ−２−エン（Ｅ−ＨＦＯ−１３３６ｍｚｚ）、Ｚ−１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロブタ−２−エン（Ｚ−ＨＦＯ−１３３６ｍｚｚ）、１，１，１，４，４，５，５，５−オクタフルオロペンタ−２−エン（ＨＦＯ−１４３８ｍｚｚ）又はそれらの混合物が含まれる。

代表的なヒドロクロロオレフィンは、トランス−１，２−ジクロロエチレンである。

炭化水素は、Ｃ３〜Ｃ７アルカン、好ましくはブタン、ペンタン、又はそれらの混合物、より好ましくはｎ−ペンタン、イソペンタン、シクロペンタン、又はそれらの混合物であり得る。

現状の冷却装置潤滑剤には、鉱油、ポリオールエステル油、ポリアルキレングリコール油、ポリビニルエーテル油、ポリ（アルファオレフィン）油、アルキルベンゼン油及びそれらの混合物が含まれるが、これらに限定されない。好ましい冷却装置潤滑剤は、鉱油、ポリオールエステル油及びポリビニルエーテル油である。本発明のクロロ−トリフルオロプロペンは、鉱油ならびに他の冷却装置潤滑剤と混和性であることが見いだされた。

本発明の、潤滑剤と混和性のクロロ−トリフルオロプロペンに加えて、システム中に導入される組成物には、他の添加剤又は冷却システムにおいてそれらの性能を高めるための冷媒組成物において使用される種類の物質が含まれ得る。例えば、組成物には、極圧添加剤及び耐磨耗添加剤、酸化安定性改良剤、腐食防止剤、粘度指数改良剤、流動点及びフロック点降下剤、消泡剤、粘度調整剤、ＵＶ色素、トレーサなどが含まれ得る。

以下の非限定的な実施例は、本明細書により参照として提供される。

液体冷却装置性能データ
液体冷却装置用途における冷媒Ｒ−１２３（１，１−ジクロロ−２，２，２−トリフルオロエタン）、Ｒ−１２３３ｚｄ（１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペン、主にトランス−異性体）、及びＲ−１２３４ｙｆ（２，３，３，３−テトラフルオロプロペン）の性能を以下の実施例において評価した。それぞれの実施例において、データは、３０℃〜５５℃の範囲の所与の蒸発器温度及び多段凝縮器温度で与えられる。それぞれの場合の等エントロピー効率は０．７であった。Ｒ−１２３及びＲ１２３４ｙｆのデータは、比較例として与えられる。

以下の実施例において、以下の用語を使用する。
凝縮器排出温度：Ｔ ｃｏｎｄ
凝縮器圧力：Ｐ ｃｏｎｄ
蒸発器圧力：Ｐ ｅｖａｐ
凝縮器と蒸発器との間の圧力差：Ｐ ｄｉｆｆ
凝縮器対蒸発器の圧力比：Ｐ ｒａｔｉｏ
性能係数（エネルギー効率）：ＣＯＰ
容量：ＣＡＰ

実施例１
この実施例において、以下の条件を用いた：
蒸発器温度＝−１０℃。圧縮機吸気口温度＝−５℃。等エントロピー効率＝０．７。結果は表１に示す。

図２及び図３は、Ｒ−１２３と比較してＲ−１２３３ｚｄ及びＲ−１２３４ｙｆのＣＯＰ及びＣＡＰを示す。

実施例２
この実施例において、以下の条件を用いた：
蒸発器温度＝０℃。圧縮機吸気口温度＝５℃。等エントロピー効率＝０．７。結果は表２に示す。

図４及び図５は、Ｒ−１２３と比較してＲ−１２３３ｚｄ及びＲ−１２３４ｙｆのＣＯＰ及びＣＡＰを示す。

実施例３
この実施例において、以下の条件を用いた：
蒸発器温度＝５℃。圧縮機吸気口温度＝１０℃。等エントロピー効率＝０．７。結果は表３に示す。

図６及び図７は、Ｒ−１２３と比較してＲ−１２３３ｚｄ及びＲ−１２３４ｙｆのＣＯＰ及びＣＡＰを示す。

実施例４
この実施例において、以下の条件を用いた：
蒸発器温度＝１０℃。圧縮機吸気口温度＝１５℃。等エントロピー効率＝０．７。結果は表４に示す。

図８及び図９は、Ｒ−１２３と比較してＲ−１２３３ｚｄ及びＲ−１２３４ｙｆのＣＯＰ及びＣＡＰを示す。

表１〜表４の代表的データを図２〜図９に示す。

これらの実施例全てにおいて、Ｒ−１２３３ｚｄの効率がＲ−１２３のものと非常に近く、Ｒ−１２３の効率の数パーセント以内であった。対照的に、Ｒ−１２３４ｙｆの効率は、Ｒ−１２３３ｚｄ及びＲ−１２３のものより有意に低く、Ｒ−１２３のものより６．４％〜２０％超低かった。Ｒ−１２３３ｚｄの容量は、Ｒ−１２３のものより３０％〜４０％大きいことも予想外に見いだされた。

Ｒ−１２３３ｚｄ及びＲ−１２３に対して、このシステムは、蒸発器の圧力が周囲圧力未満である負圧システムとして運転することも示される。Ｒ−１２３４ｙｆに対して、全体のシステムは正圧で運転する。

Ｒ−１２３３ｚｄは、Ｒ−１２３の運転圧力、圧力比、及び圧力差に対して互角であることが見いだされ、より環境的に許容される代替として使用され得る。

実施例５
トランス−１２３３ｚｄ及びシス−１２３３ｚｄの液体冷却装置性能データ
一段液体冷却装置におけるシス及びトランス１２３３ｚｄの性能を以下の実施例で評価した。それぞれの実施例において、データは、３０℃〜４５℃の範囲の所与の蒸発器温度及び多段凝集器排出温度で与えられる。それぞれの場合で、５℃の蒸発器過熱及び５℃の凝縮器過冷却がある。それぞれの場合の等エントロピー圧縮機効率は０．７であった。

以下の実施例において、以下の用語を使用する。
蒸発器温度：Ｔｅｖａｐ
凝縮器排出温度：Ｔｃｏｎｄ
凝縮器圧力：ｃｏｎｄＰ
蒸発器圧力：ｅｖａｐＰ
性能係数（エネルギー効率）：ＣＯＰ
容量：ＣＡＰ

トランス−１２３３ｚｄ（１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペン、＞９９％のトランス−異性体）及びシス−１２３３ｚｄ（シス−１−クロロ−３，３，３−トリフルロプロペン、＞９９％のシス−異性体）を上で説明したとおりの一段冷却装置での使用について評価した。結果は表５〜表８に示す。

トランス−１２３３ｚｄのＣＯＰは、シス−１２３３ｚｄとほぼ同じか又はそれより大きい一方で、トランス−１２３３ｚｄの容量は、シス−１２３３ｚｄの約２倍か又はそれより大きい。

実施例６
トランス−１２３３ｚｄ及びシス−１２３３ｚｄの混合物：
遠心冷却装置の性能又は運転に対するトランス−及びシス−異性体の両方の混合物の潜在的効果を調べるために、トランス−１２３３ｚｄ及びシス−１２３３ｚｄの混合物に関する気液平衡を行って、分別の潜在性を評価した。

清浄なガラス製の３５ｍＬサンプリングバイアルに、４．０グラムのシス−１２３３ｚｄ及び１６．１グラムのトランス−１２３３ｚｄを添加し、シス−１２３３ｚｄ対トランス−１２３３ｚｄの全体比１９．９／８０．１重量／重量を与えた。この混合物を室温に平衡を保つままにした。蒸気部分及び液体部分をガスクロマトグラフィー（ＧＣ）により分析した。蒸気部分のシス−対トランス異性体の比は、１２．２／８７．８重量／重量であることが分かり、液体部分のシス−１２３３ｚｄ対トランス−１２３３ｚｄの比は、有意に異なっており、２１．３／７８．６重量／重量であることが分かった。これにより、トランス−１２３３ｚｄ及びシス−１２３３ｚｄの混合物が非共沸混合物であるように分別し得ることが実証される。

実施例７
音速：
Ｒ−１１、Ｒ−１２３、Ｒ−１３４ａ、Ｒ−１２３３ｚｄ及びＲ−１２３４ｙｆの音速を４０℃及び１バールで決定した。Ｒ−１２３３ｚｄの音速は、Ｒ−１１の音速に近く、Ｒ−１３４ａ又はＲ−１２３４ｙｆのいずれよりもＲ−１２３の音速により近い。

実施例８
無次元比速度：
液体冷却装置におけるＲ−１２３、Ｒ−１２３３ｚｄ、及びＲ−１２３４ｙｆの性能を、５℃での圧縮機吸気口温度及び４０℃での凝縮器温度で、実施例２におけるように測定した。結果を表１０に示し、これは、この冷却装置が、同じ冷却容量を供給するために運転されると仮定すると、冷媒の無次元比速度Ω対Ｒ−１２３の無次元比速度（Ω₁₂₃）の比も与える。Ｒ−１２３３ｚｄは、Ｒ−１２３４ｙｆと比較して、Ｒ−１２３の優れた代替であることが分かった。

これらの結果は、Ｒ−１２３３ｙｆ又は同様の冷媒と比較してＲ−１２３３ｚｄの効率利得のために、Ｒ−１２３３、特にＲ−１２３３ｚｄが、液体冷却装置、特に負圧冷却装置の冷媒として、及び特に大規模システムにおいて有用であることを示す。

Claims (21)

1. 圧縮機、少なくとも１つの液体冷却器、少なくとも１つの凝縮器、及び冷媒を備え、前記圧縮機は、遠心圧縮機であり、前記冷媒は、クロロ−トリフルオロプロペンを含み、前記圧縮機と前記凝縮器との間に配置された熱交換器によって前記冷媒から熱を回収する、熱回収冷却装置システム。
2. 前記圧縮機が、遠心圧縮機である、請求項１に記載の熱回収冷却装置システム。
3. 前記圧縮機が、多段圧縮機である、請求項１に記載の熱回収冷却装置システム。
4. 前記多段圧縮機が、２又は３段の遠心圧縮機である、請求項３に記載の熱回収冷却装置システム。
5. 前記圧縮機が、オイルフリーの圧縮機である、請求項１に記載の熱回収冷却装置システム。
6. 前記液体冷却器が、一部が大気圧未満の圧力で運転される満液式蒸発器である、請求項１に記載の熱回収冷却装置システム。
7. 前記圧縮機が、潤滑剤を含む、請求項１に記載の熱回収冷却装置システム。
8. 前記少なくとも１つの凝縮器が、少なくとも１つの水冷凝縮器を備える、請求項１に記載の熱回収冷却装置システム。
9. 前記少なくとも１つの凝縮器が、少なくとも１つの空冷凝縮器を備える、請求項１に記載の熱回収冷却装置システム。
10. 前記冷却装置システムの前記少なくとも１つの凝縮器の１つが、約２６．７℃（８０°Ｆ）〜６０℃（１４０°Ｆ）の範囲の温度で運転される、請求項１に記載の熱回収冷却装置システム。
11. 前記熱交換器が水冷熱交換器である、請求項１に記載の熱回収冷却装置システム。
12. 前記潤滑剤が、鉱油、ポリオールエステル油、ポリアルキレングリコール油、ポリビニルエーテル油、ポリ（アルファオレフィン）油、アルキルベンゼン油、及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項７に記載の熱回収冷却装置システム。
13. 前記潤滑剤が、鉱油、ポリオールエステル油、ポリビニルエーテル油、アルキルベンゼン油、及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項７に記載の熱回収冷却装置システム。
14. 前記クロロ−トリフルオロプロペンが、１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンを含む、請求項１に記載の熱回収冷却装置システム。
15. 前記１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンが、７０重量％超のトランス−異性体である、請求項１４に記載の熱回収冷却装置システム。
16. 前記１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンが、９０重量％超のトランス−異性体である、請求項１４に記載の熱回収冷却装置システム。
17. 前記１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンが、９７重量％超のトランス−異性体である、請求項１４に記載の熱回収冷却装置システム。
18. 前記１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンが、９９重量％超のトランス−異性体である、請求項１４に記載の冷却装置システム。
19. 前記１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペンが、本質的にトランス−異性体である、請求項１４に記載の熱回収冷却装置システム。
20. 前記冷媒が、ヒドロフルオロオレフィン、ヒドロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロオレフィン、フルオロケトン、ヒドロフルオロエーテル、炭化水素、アンモニア、及びそれらの混合物をさらに含む、請求項１に記載の熱回収冷却装置システム。
21. 前記少なくとも１つの液体冷却器が、一部が大気圧未満の圧力で運転される満液式蒸発器である、請求項１に記載の熱回収冷却装置システム。