JP2023507391A - Hfo-1234yf及びr-161の組成物並びに組成物を使用するためのシステム - Google Patents
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Abstract
2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)及びフルオロエタン(HFC-161)を含むブレンドを利用する環境に優しい冷媒ブレンド。ブレンドは、客室に空調(A/C)又は加熱を提供する車室の熱管理(車両の一部から他の部分への伝熱)のため、ハイブリッド、マイルドハイブリッド、プラグインハイブリッド、又は完全電気自動車において使用するために、低温度グライド又はほぼ無視できるグライドと共に超低GWP、低毒性及び低可燃性を有する。
Description
(関連出願の参照)
本出願は、2019年12月19日に出願された米国特許出願第62/949,512号、2020年4月29日に出願された米国特許出願第63/017,011号及び2020年7月24日に出願された米国特許出願第63/056,000号の利益を主張する。米国特許出願第62/949,512号、第63/017,011号及び第63/056,000号の開示は、参照により本明細書に援用される。
本出願は、2019年12月19日に出願された米国特許出願第62/949,512号、2020年4月29日に出願された米国特許出願第63/017,011号及び2020年7月24日に出願された米国特許出願第63/056,000号の利益を主張する。米国特許出願第62/949,512号、第63/017,011号及び第63/056,000号の開示は、参照により本明細書に援用される。
(発明の分野)
本発明は、HFO-1234yfとR-161との共沸組成物及び近共沸組成物を含む、HFO-1234yfとR-161とを含む組成物を対象とする。
本発明は、HFO-1234yfとR-161との共沸組成物及び近共沸組成物を含む、HFO-1234yfとR-161とを含む組成物を対象とする。
自動車業界は、推進に内燃エンジン(ICE)を使用することから、推進に電池を使用することへのアーキテクチャプラットフォームの活性化を経験しているところである。このプラットフォームの活性化により、ハイブリッド、プラグインハイブリッド車の内燃エンジン(ICE)のサイズが大幅に制限される、又は純粋な電気車両においてICEが完全に排除される可能性がある。一部の車両は、依然としてICEを維持しており、ハイブリッド電気車両(hybrid electric vehicle、HEV)又はプラグインハイブリッド電気車両(plug-in hybrids electric vehicle、PHEV)又はマイルドハイブリッド電気車両(mild hybrids electric vehicles、MHEV)として知られている。完全に電動であり、ICEがない車両は、完全EVと呼ばれる。全てのHEV、PHEV、MHEV、及びEVは、少なくとも1つの電気モーターを使用する。この電気モーターは、ガソリン/ディーゼル車に見られる内燃エンジン(ICE)によって通常提供される、何らかの形の推進力を車両に提供する。
電動車両では、ICEは通常、サイズを縮小するか(HEV、PHEV、又はMHEV)、又は排除(EV)して、車両の重量を減らし、それによって電気駆動サイクルを増やす。ICEの主な機能は車両の推進力を提供することであるが、また、副次的な機能として客室に熱を提供する。通常、周囲条件が10℃以下の場合は加熱が必要である。電動でない車両では、ICEからの過剰な熱があり、これを捕捉して、客室を加熱するために使用できる。ICEは、加熱して発熱するまでに時間が(数分)かかる場合があるが、-30℃の温度で十分に機能することに留意すべきである。したがって、電動車両では、ICEのサイズの縮小又は排除により、加熱及び冷却が必要な客室及びバッテリー管理の要件から、ヒートポンプタイプ流体、すなわち、加熱モードで、及び/又は冷却モードで使用することができる伝熱流体又は作動流体を使用して、客室を効果的に加熱することが求められる。
環境圧力により、現在の自動車用冷媒であるR-134a、ハイドロフルオロカーボンつまりHFCは段階的に廃止され、GWP<150の地球温暖化係数(GWP)の低い冷媒が採用されている。ハイドロフルオロオレフィンであるHFO-1234yfは、低GWP要件(パパディミトリウあたりGWP=4、AR5あたりGWP<1)を満たしているが、冷蔵能力が低く、通常、ある種のシステムの改変又は作動流体の変更を伴わずに、低(-10℃)から非常に低い(-30℃)周囲温度での加熱の必要性を完全に満たすことができない。HFO-1234yfを含む組成物の例は、国際公開第2007/126414号に開示されている。これらの開示は、参照により本明細書に援用される。
同様に、据え置き型の住宅及び商業用構造物の加熱及び冷却も、現在使用されている古い高GWP冷媒に代わる適切な低GWP冷媒の不足に悩まされている。
したがって、ハイブリッド、マイルドハイブリッド、プラグインハイブリッド及び電気車両、電化大量輸送、並びに住宅及び商業用構造物における、冷却及び加熱を提供できる熱管理の増え続けるニーズを満たすために、低GWPヒートポンプタイプの流体が必要とされる。
本発明は、ハイブリッド、マイルドハイブリッド、プラグインハイブリッド、又は完全な電気車両において、車室の熱管理(車両の一部から別の部分への熱の伝達)に使用して、空調(A/C)を提供し、又は客室を加熱するための、超低GWP(GWPが10GWP以下)、低毒性(ANSI/ASHRAE規格34又はISO規格817に準拠したクラスA)、低温度グライド(3K未満)又はほぼ無視できるグライド(0.75K未満)で低可燃性(ASHRAE34又はISO817に準拠したクラス2又はクラス2L)の環境に優しい冷媒ブレンドの組成物に関する。これらの冷媒はまた、客室エリアのヒートポンプタイプの加熱又は冷却の恩恵を受ける大量輸送モバイルアプリケーションにも使用できる。大量輸送モバイルアプリケーションは、救急車、バス、シャトル、及び電車などの輸送車両を含み得るが、これらに限定されない。
本発明の組成物は、車両の熱管理システムの動作条件にわたって低温度グライドを示す。本発明の一態様では、冷媒組成物は、近共沸挙動を示すHFO-1234yfとフルオロエタンとの混合物を含む。本発明の別の態様では、冷媒組成物は、共沸様挙動を示すHFO-1234yfとフルオロエタンとの混合物を含む。自動車の修理又は整備の方法により、液体の勾配は低いか無視できる程度でなければならない。現在、車両のエアコンの修理又はサービスプロセス中に、冷媒は特定の自動車整備マシンを通して取り扱われる。このマシンは、冷媒を回収し、冷媒を断続的な品質レベルまでリサイクルして、全体的な汚染物質を除去し、修理又は整備が完了した後に車両に冷媒を再充填する。これらのマシンは、冷媒を回収(recover)、リサイクル(recycle)、再充填(recharge)するため、R/R/Rマシンと呼ばれる。車両のメンテナンス又は修理中の、冷媒のこの現場での回収、リサイクル、及び再充填では、組成変化を防止するために低グライドが好ましく、無視できる程度のグライドが最も好ましい。現在の自動車整備マシンは、通常、高グライドの、又はグライドのある冷媒を取り扱うことができない。冷媒は車両修理工場で「現場で」取り扱われるため、冷媒リサイクル業者が行うようにブレンド冷媒を正しい組成物に再構成する機会はない。グライドが高い冷媒は、元の配合に「再構成」する必要がある場合がある。そうでなければ、サイクル性能が低下する。したがって、自動車用途では、グライドが少ない又はグライドがない冷媒が必要である。ヒートポンプ流体は空調流体と同じ方法で取り扱われるため、低いかグライドがないというこの要件は、ヒートポンプタイプの流体にも適用される。これは、従来の空調流体と同じ方法で取り扱われ、及び/又は整備されるためである。
HFO-1234yfは空調用冷媒として使用できるが、ヒートポンプタイプの流体として機能する、すなわち、冷却若しくは加熱モード又は可逆サイクルシステムで動作できる能力に制限があり得る。したがって、本明細書に記載の冷媒は、加熱動作範囲でHFO-1234yfよりも改善された容量を独自に提供し、及び/又はHFO-1234yfよりも低い加熱範囲の容量を-30℃まで拡張し、GWPが非常に低く、可燃性が低から軽度であると同時に、低い又はほぼ無視できる程度の温度グライドも独自に示す。したがって、これらの冷媒は、電気化車両の用途、特に、下限加熱範囲でこれらの特性を必要とするHEV、PHEV、MHEV、EV、及び大量輸送車両で最も有用である。また、ヒートポンプタイプ流体は、空調範囲、すなわち、40℃までで良好に機能する必要があり、HFO-1234yfに対し増加した又は同等の容量をもたらすことにも留意すべきである。したがって、本明細書に記載の冷媒ブレンドは、特に-30℃から+40℃までの温度範囲にわたって良好に機能し、ヒートポンプシステムで使用されているサイクルに応じて加熱又は冷却を提供することができる。
本発明は、以下の態様及び実施形態を含む。
一実施形態では、本明細書に開示されるのは、冷媒及び伝熱流体として有用な組成物である。本明細書に開示される組成物は、2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)及びフルオロエタン(HFC-161)を含み、組成物は近共沸混合物であることができる。
一実施形態では、本明細書に開示されるのは、冷媒及び伝熱流体として有用な組成物である。本明細書に開示される組成物は、2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)及びフルオロエタン(HFC-161)を含み、組成物は近共沸混合物であることができる。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書には、組成物であって、フルオロエタン(HFC-161)が、総冷媒組成物に基づいて1~20重量%の量で存在する、組成物が更に開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書には、組成物であって、フルオロエタン(HFC-161)が、総冷媒組成物に基づいて1~15重量%の量で存在する、組成物が更に開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書には、組成物であって、フルオロエタン(HFC-161)が、総冷媒組成物に基づいて1~10重量%の量で存在する、組成物が更に開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書には、組成物であって、フルオロエタン(HFC-161)が、総冷媒組成物に基づいて1~7.5重量%の量で存在する、組成物が更に開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書には、組成物であって、フルオロエタン(HFC-161)が、総冷媒組成物に基づいて1~5重量%の量で存在する、組成物が更に開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書には、組成物であって、フルオロエタン(HFC-161)が、総冷媒組成物に基づいて4~6重量%の量で存在する、組成物が更に開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書には、組成物であって、冷媒組成物の熱容量が、2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)単独の熱容量よりも0.9%~10.8%大きい、組成物が更に開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書には、組成物であって、冷媒組成物の熱容量が、2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)単独の熱容量よりも0.7%~6.9%大きい、組成物が更に開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書に開示されるのはまた、冷媒組成物がヒートポンプ流体である組成物である。
前述の実施形態のいずれかによると、本明細書には、組成物であって、冷媒組成物のGWPが10未満である、組成物が更に開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書には、組成物であって、冷媒組成物が、-30℃から10℃までの温度で0.5ケルビン(K)以下の温度グライドを有する、組成物が更に開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書には、組成物であって、冷媒組成物が、-30℃から10℃までの温度で0.1ケルビン(K)以下の温度グライドを有する、組成物が更に開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書には、組成物であって、冷媒組成物が、20℃から40℃までの温度で0.1ケルビン(K)以下の温度グライドを有する、組成物が更に開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書には、組成物であって、冷媒組成物が、20℃から40℃までの温度で0.05ケルビン(K)以下の温度グライドを有する、組成物が更に開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書には、少なくとも1つの追加の化合物:
a)244bb、245cb、254eb、1234ze、12、124、TFPY、1140、1225ye、1225zc、134a、1243zf、及び1131からなる群から選択される少なくとも1つのメンバー、
b)エチレン、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)、3,3,3-トリフルオロプロピン、(TFPY)、ジエチルエーテル、塩化エチル、エチルエーテル、アセトン、エタン、ブタン、イソブタン、及びCO2からなる群から選択される少なくとも1つのメンバー、
c)a)とb)との組み合わせ、を更に含み、
追加の化合物の総量が、組成物の0より多く、且つ1重量%未満を含む、組成物も開示される。
a)244bb、245cb、254eb、1234ze、12、124、TFPY、1140、1225ye、1225zc、134a、1243zf、及び1131からなる群から選択される少なくとも1つのメンバー、
b)エチレン、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)、3,3,3-トリフルオロプロピン、(TFPY)、ジエチルエーテル、塩化エチル、エチルエーテル、アセトン、エタン、ブタン、イソブタン、及びCO2からなる群から選択される少なくとも1つのメンバー、
c)a)とb)との組み合わせ、を更に含み、
追加の化合物の総量が、組成物の0より多く、且つ1重量%未満を含む、組成物も開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書には、少なくとも1つの追加の化合物:
a)134、23、125、143a、134a、1234ze、1243zf、245fa、1131、1122、244bb、245cb、1233xf、1224、1132a、1131a、12、及びHFPからなる群から選択される少なくとも1つのメンバー、
b)エチレン、HFP、TFPY、ジエチルエーテル、塩化エチル、エチルエーテル、アセトン、エタン、ブタン、イソブタン、及びCO2からなる群から選択される少なくとも1つのメンバー、
c)a)とb)との組み合わせ、を更に含み、
追加の化合物の総量が、組成物の0より多く、且つ1重量%未満を含む、組成物も開示される。
a)134、23、125、143a、134a、1234ze、1243zf、245fa、1131、1122、244bb、245cb、1233xf、1224、1132a、1131a、12、及びHFPからなる群から選択される少なくとも1つのメンバー、
b)エチレン、HFP、TFPY、ジエチルエーテル、塩化エチル、エチルエーテル、アセトン、エタン、ブタン、イソブタン、及びCO2からなる群から選択される少なくとも1つのメンバー、
c)a)とb)との組み合わせ、を更に含み、
追加の化合物の総量が、組成物の0より多く、且つ1重量%未満を含む、組成物も開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書には、少なくとも1つの追加の化合物:
a)メタン、エタン、143a、1234ze、エチレンオキシド、1123、1243zf、プロパン、23、263fb、124、254eb、1224ydからなる群から選択される少なくとも1つのメンバー、
b)エチレン、HFP、TFPY、ジエチルエーテル、塩化エチル、エチルエーテル、アセトン、エタン、ブタン、イソブタン、及びCO2からなる群から選択される少なくとも1つのメンバー、
c)a)とb)との組み合わせ、を更に含み、
追加の化合物の量が、組成物の0より多く、且つ1重量%未満を含む、組成物も開示される。
a)メタン、エタン、143a、1234ze、エチレンオキシド、1123、1243zf、プロパン、23、263fb、124、254eb、1224ydからなる群から選択される少なくとも1つのメンバー、
b)エチレン、HFP、TFPY、ジエチルエーテル、塩化エチル、エチルエーテル、アセトン、エタン、ブタン、イソブタン、及びCO2からなる群から選択される少なくとも1つのメンバー、
c)a)とb)との組み合わせ、を更に含み、
追加の化合物の量が、組成物の0より多く、且つ1重量%未満を含む、組成物も開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書には、追加の組成物が(a)を含む、組成物も開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書には、追加の組成物が(b)を含む、組成物も開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書には、追加の組成物が(c)を含む、組成物も開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書には、POE(ポリオールエステル)潤滑剤を更に含む、組成物も開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書には、POE潤滑剤を更に含み、約1mgKOH/g数未満のTANを有する、組成物も開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書には、前述の組成物の任意の組み合わせを含む冷媒貯蔵容器であって、組成物が、気体及び液相を含み、気相及び液相中の酸素及び水濃度が、約25Cの温度にて約3体積ppm~約3,00体積ppm未満の範囲である、冷媒貯蔵容器も開示される。
別の実施形態では、本明細書には、直列配置で、凝縮器と、蒸発器と、コンプレッサと、を備えるシステムであって、システムは、動作可能に接続された凝縮器、蒸発器、及びコンプレッサのそれぞれを更に含み、凝縮器、蒸発器、及びコンプレッサのそれぞれを通って、前述の実施形態のいずれかの冷媒組成物が循環される、加熱又は冷却システムが開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書に開示されるのはまた、システムが、自動車システム用のエアコンである、加熱又は冷却システムである。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書に開示されるのはまた、システムが、据え置き型冷却システム用のエアコンである、加熱又は冷却システムである。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書に開示されるのはまた、四方弁を更に備える、加熱又は冷却システムである。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書に開示されるのはまた、システムが、自動車システム用のヒートポンプである、加熱又は冷却システムである。
前述の実施形態のいずれかによると、本明細書には、加熱又は冷却システムであって、システムが、住宅用加熱又は冷却システム用のヒートポンプである、加熱又は冷却システムが更に開示される。
前述の実施形態のいずれかによると、本明細書には、加熱又は冷却システムであって、温度グライドが1.1ケルビン(K)未満である、加熱又は冷却システムが更に開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、本明細書に開示されるシステムと前述の組成物の任意の組み合わせを含む冷媒との組み合わせを使用して、HEV、MHEV、PHEV、又はEVの車室を加熱又は冷却するための方法も本明細書に開示される。
前述の実施形態のいずれかによると、本明細書には、ヒートポンプシステムにおける前述の実施形態のいずれかによる冷媒組成物の使用が更に開示される。
前述の実施形態のいずれかによると、本明細書には、HEV、MHEV、PHEV、又はEVヒートポンプシステムにおける前述の実施形態のいずれかによる冷媒組成物の使用が更に開示される。
前述の実施形態のいずれかによると、本明細書には、車両電気システムと組み合わせたHEV、MHEV、PHEV、EVヒートポンプシステムにおける前述の実施形態のいずれかによる冷媒組成物の使用が更に開示される。
前述の実施形態のいずれかによると、本明細書には、前述の実施形態のいずれかによる組成物を自動車加熱又は冷却システムに供給することを含む、冷媒組成物を自動車システムに充填する方法が更に開示される。
別の実施形態では、前述の実施形態のいずれかを含む冷媒組成物から総汚染物質を改善する(除去する)方法であって、第1の冷媒組成物を提供する工程であって、第1の冷媒組成物は、近共沸ではなく、2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)及びフルオロエタン(HFC-161)を含む、工程と、2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)又はフルオロエタンン(HFC-161)のうちの少なくとも1つを第1の冷媒組成物に供給して、第2の冷媒組成物を形成する工程であって、第2の冷媒組成物が近共沸性である工程と、を含む、方法が本明細書に開示される。
前述の実施形態のいずれかによると、本明細書には、方法であって、第2の冷媒組成物が、従来の現場での自動回収、再生処理、再充填設備を使用することなく、第1の冷媒組成物から形成される、方法が更に開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、(ANSI/ASHRAE標準34又はISO817に従って測定した場合)2Lの可燃性評価、(ISO817垂直管法に従って測定した場合)10cm/秒未満の燃焼速度(BV)、及び(LFL)(ASTME681に従って測定した場合)10体積%未満の低燃焼性レベルを有する組成物も開示される。
前述の実施形態のいずれかによれば、5重量%までのペルフルオロポリエーテル潤滑剤を更に含む場合、2Lの可燃性評価を有する組成物も開示される。
本発明の様々な様態及び実施形態は、単独で、又は互いに組み合わせて使用されることができる。本発明の他の特徴及び利点は、例として本発明の原理を例示する好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から明らかとなるであろう。
定義
本明細書で使用するとき、伝熱組成物という用語は、熱源からヒートシンクへ熱を運ぶために使用される組成物を意味する。
本明細書で使用するとき、伝熱組成物という用語は、熱源からヒートシンクへ熱を運ぶために使用される組成物を意味する。
熱源は、そこから熱を加える、伝達する、移動させる又は除去することが望ましい任意の空間、場所、物又は物体として定義される。この実施形態における熱源の例は、車両の、空調を必要とする車室である。
ヒートシンクは、熱を吸収することができる任意の空間、場所、物又は物体として定義される。この実施形態におけるヒートシンクの例は、車両の、加熱を必要とする車室である。
伝熱システムは、特定の場所において加熱又は冷却効果を生じるために使用されるシステム(又は機器)である。本発明の伝熱システムは、客室の加熱又は冷却を提供する可逆加熱又は冷却システムを意味する。このシステムは、ヒートポンプシステム、可逆加熱ループ、又は可逆冷却ループと呼ばれることもある。
伝熱流体は、少なくとも1つの冷媒と、潤滑剤、安定剤、及び火炎抑制剤からなる群から選択される少なくとも1つの部材とを含む。
冷蔵能力(冷却能力とも呼ばれる)は、循環している冷媒1ポンド当たりの蒸発器内の冷媒のエンタルピーの変化、又は蒸発器から出る冷媒蒸気の単位体積(容積)当たりの蒸発器内の冷媒によって除去される熱、を定義する用語である。冷蔵能力は、冷却又は加熱を生成する冷媒又は伝熱組成物の能力の尺度である。したがって、容量が高いほど、生成される冷却又は加熱が大きくなる。冷却速度は、蒸発器内の冷媒によって除去される単位時間当たりの熱を指す。加熱率は、蒸発器内の冷媒によって除去される単位時間当たりの熱を指す。
性能係数(Coefficient of performance、COP)は、除去された熱を、そのサイクルを運転するのに必要であったエネルギー入力で割ったものである。COPが高ければ高いほど、エネルギー効率がより高いということである。COPは、内部温度と外部温度との特定の組み合わせでの冷蔵設備又は空調設備の効率評価であるエネルギー効率比(EER)と直接関連がある。過冷却は、所定の圧力で、その液体の飽和点を下回るまで液体の温度を低下させることを指す。液体飽和点は、蒸気が完全に液体に凝結する温度である。過冷却は、所定の圧力において、液体をより低温の液体に冷却し続ける。飽和温度(又は沸点温度)を下回る温度まで液体を冷却することで、正味の冷蔵能力を増大させ得る。それにより、過冷却によりシステムの冷蔵能力及びエネルギー効率が向上する。過冷却量は、飽和温度(度)を下回る冷却量である。
過熱は、所定の圧力で、その蒸気の飽和点を上回るまで蒸気の温度を上昇させることを指す。蒸気飽和点は、液体が完全に蒸気に蒸発する温度である。過熱は、所定の圧力において、蒸気をより低温の液体に加熱し続ける。飽和温度(又は露点温度)を上回る温度まで蒸気を加熱することで、正味の冷蔵能力を増大させ得る。それにより、過熱は、システムの冷蔵能力及びエネルギー効率を向上させる。過熱量は、飽和温度(度)を上回る加熱量である。
温度グライド(単に「グライド」と呼ばれることもある)は、任意の過冷却又は過熱を除く、冷媒システムの構成要素内の冷媒による相変化プロセスの開始温度と終了温度との間の差異の絶対値である。この用語は、近共沸混合物又は非共沸組成物の、凝縮又は蒸発について説明するために使用され得る。空調システム又はヒートポンプシステムの温度グライドを指す場合、蒸発器内の温度グライドと凝縮器の温度グライドとの平均値である平均温度グライドを提供することが一般的である。グライドは、ブレンド冷媒、すなわち、少なくとも2つの成分で構成される冷媒に適用できる。
ここでの低グライドは、対象の動作範囲にわたって3K未満の平均グライドとして定義され、より好ましくは対象の動作範囲にわたって2.5K未満であり、最も好ましくは対象の動作範囲にわたって0.75K未満である(例えば、0より大きく約0.75K未満の範囲のグライド)。
共沸組成物とは、単一の物質として挙動する2種以上の物質の定沸点混合物を意味する。共沸組成物を特定する1つの方法は、液体の部分的蒸発又は蒸留によって生成された蒸気が、蒸発又は蒸留させた液体と同じ組成を有すること、すなわち、混合蒸留物/還流物が組成変化しないことである。定沸点組成物は、共沸であると特徴付けられるが、その理由は、同一化合物の非共沸混合物と比較すると、最高沸点又は最低沸点のいずれかを示すためである。動作中、空調システム又は加熱システム内で共沸組成物が分留されることはない。更に、空調システム又は加熱システムからの漏出時に、共沸組成物が分留されることはない。
近共沸組成物(一般に「共沸様組成物」とも称される)は、本質的に単一の物質として挙動する2種以上の物質の実質的な定沸点液体混合物である。近共沸組成物の特性を決定する1つの方法は、液体の部分的蒸発又は蒸留によって産生させた蒸気が、蒸発又は蒸留させた液体(すなわち、実質的組成変化を伴わない混合蒸留物/還流物)と実質的に同じ組成物を有することである。近共沸組成物の特性を決定する別の方法は、特定の温度における組成物の気泡点蒸気圧力及び露点圧力が実質的に同じであることである。本明細書では、蒸発又は煮沸等によって組成物の50重量パーセントを除去した後に、元の組成物と元の組成物の50重量パーセントを除去した後に残存する組成物との間の蒸気圧の差が約10パーセント未満である場合、組成物は近共沸である。
近共沸組成物は、ほぼ圧力差のない露点圧力及び沸点圧力を示す。すなわち、所与の温度における露点圧力と気泡点圧力との差は、小さな値になる。露点圧力と沸点圧力との差が(気泡点圧力に基づいて)3パーセント以下である組成物は、近共沸であると考えてよいと記載することができる。
また、共沸又は近共沸液体組成物を様々な圧力で沸騰に供したとき、共沸又は近共沸液体組成物の各成分の沸点及び重量パーセントが変化し得ることも認識されている。したがって、共沸又は近共沸組成物は、成分中に存在する特有の関係性の観点から、又は成分の組成範囲の観点から、又は指定の圧力で沸点が一定であることを特徴とする組成物の各成分の正確な重量パーセントの観点から定義され得る。様々な共沸組成物(特定の圧力における沸点を含む)が計算され得ることも当該技術分野において認識されている(例えば、W.Schotte Ind.Eng.Chem.Process Des.Dev.(1980)19,432-439を参照されたい;これらの開示は、参照により本明細書に援用される)。同じ成分を含む共沸組成物の実験的同定を使用して、このような計算の精度を確認し、且つ/又は、同じ又は他の温度及び圧力での計算を修正することができる。
本明細書で使用するとき、「含む(comprises)」、「含む(comprising)」、「含む(includes)」、「含む(including)」、「有する(has)」、「有する(having)」という用語、又はこれらの他の任意の変化形は、非排他的な包含を網羅することを意図する。例えば、列挙する要素を含む、組成物、プロセス、方法、物品、若しくは機器は、必ずしもそれらの要素のみに限定されるものではなく、明示的に列挙されない他の要素、又はそのような組成物、プロセス、方法、物品、若しくは機器などに伴われる他の要素を包含し得る。更に、明示的にこれに反する記載がない限り、「又は」は、包括的な「又は」を指し、排他的な「又は」を指すものではない。例えば、条件A又はBは、以下、すなわち、Aが真であり(又は存在し)且つBが偽である(又は存在しない)、Aが偽であり(又は存在しない)且つBが真である(又は存在する)、並びにA及びBの両方が真である(又は存在する)のいずれか1つにより満たされる。
移行句「からなる(consisting of)」は、特定されていないあらゆる要素、工程、又は成分を除外する。特許請求の範囲における場合には、このような語句は、材料に通常付随する不純物を除き、列挙された材料以外の材料の包含を特許請求項から締め出すものである。語句「からなる」がプリアンブルの直後ではなく請求項の本文の節内で現れる場合、この語句はその節の中に示される要素のみを限定するものであり、その他の要素が特許請求の範囲全体から除外されるわけではない。
移行句「から本質的になる(consisting essentially of)」は、文字どおり開示されているものに加えて、材料、工程、特徴、成分、又は要素を含む、組成物、方法を定義するために使用されるが、ただし、これらの追加的に含まれる材料、工程、特徴、成分、又は要素は、請求される発明の基本的及び新規の特徴、特に本発明のプロセスのいずれかの所望の結果を達成するための行動様式に実質的に影響を及ぼす。用語「から本質的になる」は、「含む」と「からなる」との間の中間の意味を持つ。
出願人らが、発明又はその一部を、「含む」などの非限定的な用語で定義していた場合、(特に明記しない限り)その記載は、例えばから本質的になる又はからなる組成物を含む、用語「から本質的になる」又は「からなる」を使用する発明もまた含むと解釈すべきであることが容易に理解されるべきであろう。
また、「a」又は「an」の使用は、本明細書に記載された要素及び成分を説明するために用いられる。これは、単に便宜上なされるものであり、本発明の範囲の全般的な意味を与えるためのものである。この記載は、1つ又は少なくとも1つを含むものと解釈されるべきであり、単数形は、別の意味を有することが明白でない限り、複数形も含む。
冷媒ブレンド(クラスA2、GWP<10及び0 ODP)
地球温暖化係数(global warming potential、GWP)は、1キログラムの二酸化炭素の排出と比較して、1キログラムの特定の温室効果ガスの大気排出に起因する相対的な地球温暖化への寄与を推定するための指数である。GWPは、様々な対象期間について計算することができ、所与のガスの大気寿命の影響を示す。100年間を対象期間とするGWPが、通常は参照される値である。混合物については、各成分に関する個々のGWPに基づいて加重平均を計算することができる。国連の気候変動に関する政府間パネル(Intergovernmental Panel on Climate Control、IPCC)は、公式の評価レポート(assessment report、AR)で冷媒GWPの精査された値を提供している。4番目の評価レポートはAR4として示され、5番目の評価レポートはAR5として示される。規制機関は現在、公式の立法目的でAR4を使用している。
地球温暖化係数(global warming potential、GWP)は、1キログラムの二酸化炭素の排出と比較して、1キログラムの特定の温室効果ガスの大気排出に起因する相対的な地球温暖化への寄与を推定するための指数である。GWPは、様々な対象期間について計算することができ、所与のガスの大気寿命の影響を示す。100年間を対象期間とするGWPが、通常は参照される値である。混合物については、各成分に関する個々のGWPに基づいて加重平均を計算することができる。国連の気候変動に関する政府間パネル(Intergovernmental Panel on Climate Control、IPCC)は、公式の評価レポート(assessment report、AR)で冷媒GWPの精査された値を提供している。4番目の評価レポートはAR4として示され、5番目の評価レポートはAR5として示される。規制機関は現在、公式の立法目的でAR4を使用している。
オゾン破壊係数(ozone depletion potential、ODP)は、物質によって生じるオゾン破壊の量を指す数値である。ODPは、化学物質がオゾンに及ぼす影響を、類似の質量のR-11又はフルオロトリクロロメタンによる影響と比較した比率である。R-11はクロロフルオロカーボン(CFC)の一種であり、オゾン層破壊の原因となる塩素を有する。更に、CFC-11のODPが1.0と定義される。他のCFC及びハイドロフルオロクロロカーボン(HCFC)は、0.01~1.0の範囲のODPを有する。本明細書に記載されたハイドロフルオロカーボン(HFC)とハイドロフルオロオレフィン(HFO)は、オゾン層分解及び破壊に寄与することが知られている種である、塩素、臭素、又はヨウ素を含有しないため、ODPはゼロである。ハイドロフルオロカーボン(HFC)も、定義上、塩素、臭素、又はヨウ素を含有しないため、ODPを有さない。
冷媒ブレンド組成物は、2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)などの少なくとも1つのハイドロフルオロオレフィン、及びフルオロエタン(HFC-161)などの少なくとも1つのハイドロフルオロカーボンを含む。冷媒ブレンド中のフルオロエタン(HFC-161)の好適な量としては、総冷媒組成物に基づいて、約1重量パーセント~20重量パーセント、又は約1重量パーセント~15重量パーセント、又は約1重量パーセント~10重量パーセント、又は約1重量パーセント~7.5重量パーセント、又は約1重量パーセント~5重量パーセント、又は約4重量パーセント~6重量パーセントの量が挙げられるが、これらに限定されない。
不飽和ハイドロフルオロオレフィン(HFO)冷媒成分も、GWPが非常に低く、全てのHFO成分のGWPが10未満である。ハイドロフルオロカーボン(HFC)冷媒成分は、フルオロエタン(HFC-161)を含む。HFC成分はまた、GWPが非常に低く、フルオロエタン(HFC-161)は12のGWPを有する。
したがって、最終的なブレンドのODPは0で、GWPは非常に低い、又はGWPは10未満である。以下に示す表1は、国連気候変動政府間パネル(IPCC)が2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)、フルオロエタン(HFC-161)、及びこれらの様々な組み合わせに対して実施した第4次及び第5次評価によるタイプ、ODP、及びGWPを示す要約表である。本発明の冷媒ブレンドは、0より多く、且つ約10未満、0より多く、且つ約6未満、いくつかの場合では0より多く、且つ約5未満の範囲のGWPを有することができる。
ブレンドの場合、GWPは、式(1)に示すように、ブレンド内の各成分(1-n)の量(例えば、重量%)を考慮して、ブレンド内の個々のGWP値の加重平均として計算できる。
(1)GWPブレンド=量1(成分1のGWP)+量2(GWP成分2)。量n(成分nのGWP)
(1)GWPブレンド=量1(成分1のGWP)+量2(GWP成分2)。量n(成分nのGWP)
冷媒潤滑剤
本発明の冷媒又は伝熱組成物は、潤滑剤と混合することができ、本発明の「完全な作動流体組成物」として使用することができる。本発明の伝熱又は作動流体及び潤滑剤を含有する本発明の冷媒組成物は、安定剤、漏れ検出材料、及び他の有益な添加剤などの添加剤を含有し得る。潤滑剤が、得られる化合物の可燃性レベルに影響を与える可能性もある。
本発明の冷媒又は伝熱組成物は、潤滑剤と混合することができ、本発明の「完全な作動流体組成物」として使用することができる。本発明の伝熱又は作動流体及び潤滑剤を含有する本発明の冷媒組成物は、安定剤、漏れ検出材料、及び他の有益な添加剤などの添加剤を含有し得る。潤滑剤が、得られる化合物の可燃性レベルに影響を与える可能性もある。
この組成物のために選択された潤滑剤は、好ましくは、潤滑剤が蒸発器からコンプレッサに戻り得ることを確実にするために、車両のA/C冷媒中で十分な可溶性を有する。更に、潤滑剤が冷たい蒸発器内を通過することができるように、潤滑剤は好ましくは低温で相対的に低い粘度を有する。好ましい一実施形態では、潤滑剤とA/C冷媒とは、幅広い温度範囲にわたって混和性である。
好ましい潤滑剤は、1つ以上のポリオールエステル型潤滑剤(POE)であってもよい。本明細書で使用するとき、ポリオールエステルは、約3~20個のヒドロキシル基を有するジオール又はポリオールと、約1~24個の炭素原子を有する脂肪酸とのエステルを含有する化合物を含み、好ましくは、ポリオールとして使用される。基油として使用できるエステル。(Art.153(4)欧州特許第2 727 980(A1)号に従って公開された欧州特許出願であり、これは参照により本明細書に組み込まれる)。ここで、ジオールの例としては、エチレングリコール、1,3-プロパンジオール、フルオロエタングリコール、1,4-ブタンジオール、1,2-ブタンジオール、2-メチル-1,3-プロパンジオール、1,5-ペンタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,6-ヘキサンジオール、2-エチル-2-メチル-1,3-プロパンジオール、1,7-ヘプタンジオール、2-メチル-2-プロピル-1,3-プロパンジオール、2,2-ジエチル-1,3-プロパンジオール、1,8-オクタンジオール、1,9-ノナンジオール、1,10-デカンジオール、1,11-ウンデカンジオール、1,12-ドデカンジオールなどが挙げられる。
上記ポリオールの例としては、多価アルコール、例えば、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、トリメチロールブタン、ジ(トリメチロールプロパン)、トリ(トリメチロールプロパン)、ペンタエリスリトール、ジ(ペンタエリスリトール)、トリ(ペンタエリスリトール)、グリセリン、ポリグリセリン(グリセリンの二量体から二十量体)、1,3,5-ペンタントリオール、ソルビトール、ソルビタン、ソルビトール-グリセリン縮合体、アドニトール、アラビトール、キシリトール、マンニトールなど;多糖類、例えば、特にキシロース、アラビノース、リボース、ラムノース、グルコース、フルクトース、ガラクトース、マンノース、ソルボース、セロビオース、マルトース、イソマルトース、トレハロース、スクロース、ラフィノース、ゲンチアノース、メレジトース;これらの部分的エーテル化生成物及びメチルグルコシドなどが挙げられる。これらの中でも、ヒンダードアルコール、例えば、ネオペンチルグリコール、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、トリメチロールブタン、ジ(トリメチロールプロパン)、トリ(トリメチロールプロパン)、ペンタエリスリトール、ジ(ペンタエリスリトール)、トリ(ペンタエリスリトール)などがポリオールとして好ましい。
脂肪酸の炭素数は特に限定されないが、一般に、1~24個の炭素原子を有する脂肪酸が使用される。1~24個の炭素原子を有する脂肪酸では、潤滑特性の観点から、3個以上の炭素原子を有する脂肪酸が好ましく、4個以上の炭素原子を有する脂肪酸がより好ましく、5個以上の炭素原子を有する脂肪酸が更により好ましく、10個以上の炭素原子を有する脂肪酸が最も好ましい。更に、冷媒との適合性の観点から、18個以下の炭素原子を有する脂肪酸が好ましく、12個以下の炭素原子を有する脂肪酸がより好ましく、9個以下の炭素原子を有する脂肪酸が更により好ましい。
更に、脂肪酸は、直鎖脂肪酸及び分枝鎖脂肪酸のいずれであってもよく、脂肪酸は、潤滑特性の観点からは直鎖脂肪酸が好ましく、一方、加水分解安定性の観点からは分枝鎖脂肪酸が好ましい。更に、脂肪酸は、飽和脂肪酸及び不飽和脂肪酸のいずれであってもよい。具体的には、上記脂肪酸の例としては、直鎖又は分枝鎖脂肪酸、例えば、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ドデカン酸、トリデカン酸、テトラデカン酸、ペンタデカン酸、ヘキサデカン酸、ヘプタデカン酸、オクタデカン酸、ノナデカン酸、イコサン酸、オレイン酸など;カルボン酸基が四級炭素原子に結合している、いわゆるネオ酸などが挙げられる。より具体的には、その好ましい例としては、吉草酸(n-ペンタン酸)、カプロン酸(n-ヘキサン酸)、エナント酸(n-ヘプタン酸)、カプリル酸(n-オクタン酸)、ペラルゴン酸(n-ノナン酸)、カプリン酸(n-デカン酸)、オレイン酸(cis-9-オクタデカン酸)、イソペンタン酸(3-メチルブタン酸)、2-メチルヘキサン酸、2-エチルペンタン酸、2-エチルヘキサン酸、3,5,5-トリメチルヘキサン酸などが挙げられる。ちなみに、ポリオールエステルは、ポリオールのヒドロキシル基が完全にエステル化されずに残っている部分エステル;全てのヒドロキシル基がエステル化されている完全なエステル;又は部分エステルと完全エステルとの混合物であってもよく、完全エステルが好ましい場合がある。
ポリオールエステルにおいて、より優れた加水分解安定性の観点から、ヒンダードアルコール、例えば、ネオペンチルグリコール、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、トリメチロールブタン、ジ(トリメチロールプロパン)、トリ(トリメチロールプロパン)、ペンタエリスリトール、ジ(ペンタエリスリトール)、トリ(ペンタエリスリトール)などのエステルがより好ましく、ネオペンチルグリコール、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、トリメチロールブタン、又はペンタエリスリトールのエステルが更により好ましく;冷媒との特に優れた適合性及び加水分解安定性の観点から、ペンタエリスリトールのエステルが最も好ましい。
ポリオールエステルの好ましい具体例としては、ネオペンチルグリコールと、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、オレイン酸、イソペンタン酸、2-メチルヘキサン酸、2-エチルペンタン酸、2-エチルヘキサン酸、及び3,5,5-トリメチルヘキサン酸から選択される1種又は2種以上の脂肪酸とのジエステル;トリメチロールエタンと、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、オレイン酸、イソペンタン酸、2-メチルヘキサン酸、2-エチルペンタン酸、2-エチルヘキサン酸、及び3,5,5-トリメチルヘキサン酸から選択される1種又は2種以上の脂肪酸とのトリエステル;トリメチロールプロパンと、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、オレイン酸、イソペンタン酸、2-メチルヘキサン酸、2-エチルペンタン酸、2-エチルヘキサン酸、及び3,5,5-トリメチルヘキサン酸から選択される1種又は2種以上の脂肪酸とのトリエステル;トリメチロールブタンと、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、オレイン酸、イソペンタン酸、2-メチルヘキサン酸、2-エチルペンタン酸、2-エチルヘキサン酸、及び3,5,5-トリメチルヘキサン酸から選択される1種又は2種以上の脂肪酸とのトリエステル;ペンタエリスリトールと、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、オレイン酸、イソペンタン酸、2-メチルヘキサン酸、2-エチルペンタン酸、2-エチルヘキサン酸、及び3,5,5-トリメチルヘキサン酸から選択される1種又は2種以上の脂肪酸とのテトラエステルが挙げられる。ちなみに、2種以上の脂肪酸とのエステルは、1種の脂肪酸とポリオールとの2種以上のエステルの混合物、及びその2種以上の混合脂肪酸とポリオールとのエステルであってもよく、特に、混合脂肪酸とポリオールとのエステルは、低温特性及び冷媒との適合性において優れている。
好ましい実施形態では、潤滑剤は、約-35℃~約100℃、より好ましくは約-30℃~約40℃の範囲内、更により具体的には-25℃~40℃の温度で冷媒に可溶性である。別の実施形態では、コンプレッサ内で潤滑剤を維持しようとする試みは優先ではないので、高温不溶性は好ましくない。
電化自動車の空調用途のために使用される潤滑剤は、75~110cSt、理想的には約80cSt~100cSt、最も具体的には85cSt~95cStの動粘度(ASTM D445に準拠して40℃で測定)を有してもよい。しかし、本発明を限定することを望むものではないが、電動車両のA/Cコンプレッサ、ヒートポンプ又は他の熱管理システムのニーズに応じて、他の潤滑剤粘度が使用されていてもよいことに留意すべきである。
潤滑剤の量は、約1~約20重量%、約1~約7重量%、場合によっては約1~約3重量%の範囲であり得る。
潤滑剤の加水分解を抑えるためには、電気タイプの車両の加熱/冷却システムの水分濃度を制御する必要がある。したがって、この実施形態の潤滑剤は、水分が少なく、典型的には100重量ppm未満である必要がある。
好ましい実施形態では、潤滑剤は、約-35℃~約100℃、より好ましくは約-35℃~約50℃の範囲内、更により具体的には-30℃~40℃の温度で車両A/Cシステムの冷媒に可溶性であるPOE潤滑剤を含む。別の好ましい実施形態では、POE潤滑剤は約70℃を超える温度で、より好ましくは約80℃を超える温度で、最も好ましくは90~95℃の温度で可溶性である。
電化自動車の空調用途のために使用されるPOE潤滑剤は、75~110cSt、理想的には約80cSt~100cSt、最も具体的には85cst~95cStの動粘度(ASTM D445に準拠して40℃で測定)を有してもよい。しかし、本発明を限定するものではないが、電化車両のA/C圧縮機のニーズに応じて、他の潤滑剤粘度が挙げられていてもよいことに留意すべきである。本発明の組成物と共に使用するための自動車用POEタイプ潤滑剤の好適な特徴を以下に列挙する。
一実施形態では、潤滑剤は、POEを含み、POEは、本発明の組成物への曝露時に安定であり、冷媒組成物は約500ppm未満のFイオン、場合により、0より多く、且つ500ppm未満、0より多く、且つ100ppm未満、場合により0より多く、且つ50ppm未満のFイオン量を有する。この実施形態の一態様では、冷媒は、1234yf及び約1~約10重量の161を含み、更なる態様では、冷媒組成物は、追加の化合物の約0より多く、且つ1重量%未満を更に含む。
一実施形態では、潤滑剤は、POEを含み、本発明の組成物への曝露時に安定であり、冷媒組成物は約1未満、0より多く、且つ1未満、0より多く、且つ約0.75未満、場合により0より多く、且つ約0.4未満の全酸価(Total Acid Number(TAN))、mg KOH/g数を有する。この実施形態の一態様では、潤滑剤はPOEを含み、冷媒は1234yf及び約1~約10重量%の161を含み、更なる態様では、冷媒組成物は、追加の化合物の約0より多く、且つ1重量%未満を更に含む。
冷媒安定剤
HFOタイプの冷媒は、二重結合が存在するため、熱的に不安定になり、極端な使用、取り扱い、又は保管状況で分解する可能性がある。したがって、HFOタイプの冷媒に安定剤を添加することには利点がある場合がある。安定剤としては、特に、ニトロメタン、アスコルビン酸、テレフタル酸、トルトリアゾール又はベンゾトリアゾールなどのアゾール、トコフェロールなどのフェノール化合物、ヒドロキノン、t-ブチルヒドロキノン、2,6-ジ-tertブチル-4-メチルフェノール、n-ブチルグリシジルエーテル、ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、ブチルフェニルグリシジルエーテルなどのエポキシド(おそらくフッ素化又は過フッ素化アルキルエポキシド又はアルケニル又は芳香族エポキシド)、環式モノテルペン、d-リモネン又はα及びβ-ピネンなどのテルペン、亜リン酸塩、リン酸塩、ホスホネート、チオール及びラクトンが挙げられ得る。好適な安定剤の例は、国際公開第2019213004号、同第2020222864号、及び同第2020222865号に開示されている。これらの開示は、参照により本明細書に援用される。
HFOタイプの冷媒は、二重結合が存在するため、熱的に不安定になり、極端な使用、取り扱い、又は保管状況で分解する可能性がある。したがって、HFOタイプの冷媒に安定剤を添加することには利点がある場合がある。安定剤としては、特に、ニトロメタン、アスコルビン酸、テレフタル酸、トルトリアゾール又はベンゾトリアゾールなどのアゾール、トコフェロールなどのフェノール化合物、ヒドロキノン、t-ブチルヒドロキノン、2,6-ジ-tertブチル-4-メチルフェノール、n-ブチルグリシジルエーテル、ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、ブチルフェニルグリシジルエーテルなどのエポキシド(おそらくフッ素化又は過フッ素化アルキルエポキシド又はアルケニル又は芳香族エポキシド)、環式モノテルペン、d-リモネン又はα及びβ-ピネンなどのテルペン、亜リン酸塩、リン酸塩、ホスホネート、チオール及びラクトンが挙げられ得る。好適な安定剤の例は、国際公開第2019213004号、同第2020222864号、及び同第2020222865号に開示されている。これらの開示は、参照により本明細書に援用される。
ブレンドは、使用されているシステムの要件に応じて、安定剤を含む場合と含まない場合がある。冷媒ブレンドが安定剤を含む場合、それは、上記の安定剤のいずれかの0.001重量パーセントから1重量パーセントまでの任意の量を含み得るが、大半の場合、好ましくはd-リモネンである。
冷媒ブレンドの可燃性
可燃性は、発火する及び/又は炎を伝播させる組成物の能力を意味するために使用される用語である。冷媒及び他の伝熱組成物又は作動流体については、燃焼下限濃度(lower flammability limit、「LFL」)とは、ASTM(American Society of Testing and Material、米国材料検査協会)E681に記述されている試験条件下で組成物の均質混合物及び空気を介して炎を伝播することができる空気中の伝熱組成物の最低濃度である。可燃上限(upper flammability limit、「UFL」)とは、同じ試験条件下で組成物の均質混合物及び空気を介して火炎伝播することができる、空気中における伝熱組成物の最高濃度である。
可燃性は、発火する及び/又は炎を伝播させる組成物の能力を意味するために使用される用語である。冷媒及び他の伝熱組成物又は作動流体については、燃焼下限濃度(lower flammability limit、「LFL」)とは、ASTM(American Society of Testing and Material、米国材料検査協会)E681に記述されている試験条件下で組成物の均質混合物及び空気を介して炎を伝播することができる空気中の伝熱組成物の最低濃度である。可燃上限(upper flammability limit、「UFL」)とは、同じ試験条件下で組成物の均質混合物及び空気を介して火炎伝播することができる、空気中における伝熱組成物の最高濃度である。
ANSI/ASHRAE(米国暖房冷凍空調学会)規格34又はISO 817 ISO 817:2014(en)Refrigerants-Designation and Safety Classificationにより、非可燃性(クラス1、火炎伝播なし)として分類されるためには、冷媒は、液体及び蒸気相内の両方で配合されたときに、ASTM E681の条件を満たさなければならず、並びにANSI/ASHRAE規格34:2019又はISO 817:2014(en)Refrigerants-Designation and Safety Classificationによって定義される漏出時に得られる液体相及び蒸気相の両方において、非可燃性でなければならない。
冷媒がANSI/ASHRAE(米国暖房冷凍空調学会)により低可燃性(クラス2L)として分類されるためには、冷媒は、1)140°F(60℃)及び14.7psia(101.3kPa)でテストしたときに火炎伝播を示し、2)LFL>0.0062lb/ft3(0.10kg/m3)を有し、3)73.4°F(23.0℃)及び14.7psia(101.3kPa)でテストしたときに3.9インチ/秒(10cm/秒)以下の最大燃焼速度を有し、4)8169Btu/lb(19,000kJ/kg)未満の燃焼熱を有する。2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)。
冷媒をANSI/ASHRAE規格34クラス2で分類するために、冷媒は、1)140°F(60℃)及び14.7psia(101.3kPa)でテストしたときに火炎伝播を示し、2)LFL>0.0062lb/ft3(0.10kg/m3)を有し、3)8169Btu/lb(19,000kJ/kg)未満の燃焼熱を有する。フルオロエタン(HFC-161)は、文献LFL値及び試験LFL値に基づいてANSI/ASHRAE規格34クラス2の可燃性評価を有するように見える。
冷媒をANSI/ASHRAE規格34クラス3で分類するために、冷媒は、1)140°F(60℃)及び14.7psia(101.3kPa)でテストしたときに火炎伝播を示し、2)LFL<0.0062lb/ft3(0.10kg/m3)を有し、3)8169Btu/lb(19,000kJ/kg)超の燃焼熱を有する。一般に、大半の炭化水素はANSI/ASHRAE規格34クラス3可燃性である。HFO成分及びHFC成分が正しい比率でブレンドされると、結果として得られるブレンドは、ANSI/ASHRAE規格34及びISO817で定義されているクラス2の可燃性を持つ。クラス2の可燃性は、クラス3の可燃性よりも本質的に可燃性が低く(すなわち、燃焼熱つまりHOC値で例示されるようにエネルギー放出が低い)、自動車の加熱/冷却システムで管理できる。ASHRAE規格34は、化学量論的反応に十分な酸素を伴う1モルの冷媒の完全燃焼に基づくバランスの取れた化学量論方程式を使用して、冷媒ブレンドの燃焼熱を計算する方法を提供する。
HFO成分及びHFC成分が異なる比率でブレンドされると、結果として得られるブレンドは、ANSI/ASHRAE規格34及びISO817で定義されているクラス2Lの可燃性を持つ。クラス2Lの可燃性は、クラス2及びクラス3の両方の可燃性よりも本質的に可燃性が低く(すなわち、燃焼熱つまりHOC値で例示されるようにエネルギー放出が低い)、自動車の加熱/冷却システムで管理できる。ASHRAE規格34は、化学量論的反応に十分な酸素を伴う1モルの冷媒の完全燃焼に基づくバランスの取れた化学量論方程式を使用して、冷媒ブレンドの燃焼熱を計算する方法を提供する。
本発明のブレンドは、2Lの可燃性評価(ANSI/ASHRAE規格34のクラス2L定義に従って測定した場合)、10cm/秒未満のBV(ISO817付録Cに示されているような垂直管法を使用して、ANSI/ASHRAE規格34に従って測定した場合)、及び10体積%未満のLFL(ASTM E681:09(2015)に従って測定した場合)を有することができる。
HFO-1234yf成分の毒性はWEEL又は同様の毒物学的種類の委員会によってレビューされ、400ppmを超える毒性値があることが判明したため、ANSI/ASHRAE規格34及びISO817によってクラスA又は低毒性レベルとして分類されている。同様に、R-161の毒性は低いと予想され、またクラスAとして分類されるべきである。
実施形態では、冷媒ブレンドは、2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)及びフルオロエタン(HFC-161)を含む。いくつかの実施形態では、冷媒ブレンドは、2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)及びフルオロエタン(HFC-161)からなり得る。いくつかの実施形態では、冷媒ブレンドは、10~99重量%、20~99重量%、30~99重量%、40~99重量%、50~99重量%、60~99重量%、70~99重量%、80~99重量%、85~98重量%、90~97重量%、94~96重量%、約95重量%、及びそれらの組み合わせの2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234 yf)並びに1~90重量%、1~80重量%、1~70重量%、1~60重量%、1~50重量%、1~40重量%、1~30重量%、1~20重量%、2~15重量%、3~10重量%、4~6重量%、約5重量%、及びそれらの組み合わせのフルオロエタン(HFC-161)を含み得る、から本質的になり得る、又はからなり得る。一実施形態では、冷媒ブレンドは、約95重量パーセントの2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)及び約5重量パーセントのフルオロエタン(HFC-161)を含む。一実施形態では、冷媒ブレンドは、約95重量パーセントの2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)及び約5重量パーセントのフルオロエタン(HFC-161)からなる。
一実施形態では、前述の冷媒組成物のいずれかは、244bb、245cb、254eb、1234ze、12、124、TFPY、1140、1225ye、1225zc、134a、1243zf、1131、エチレン、ジエチルエーテル、エチルエーテル、エタン、ブタン、イソブタン、CO2、HFP、TFPY、塩化エチル、及びアセトンからなる群から選択される少なくとも1つの追加の化合物を更に含むことができる。
一実施形態では、前述の冷媒組成物のいずれかは、134、23、125、143a、134a、1234ze、1243zf、245fa、1131、1122、244bb、245cb、245eb、1233xf、1224、1132a、1131a、12、HFP、エチレン、ジエチルエーテル、エチルエーテル、エタン、ブタン、イソブタン、CO2、HFP、TFPY、塩化エチル、及びアセトンからなる群から選択される少なくとも1つの追加の化合物を更に含むことができる。
一実施形態では、前述の冷媒組成物のいずれかは、メタン、エタン、143a、1234ze、エチレンオキシド、1123、1243zf、プロパン、23、263fb、124、254eb、1224yd、エチレン、ジエチルエーテル、エチルエーテル、エタン、ブタン、イソブタン、CO2、HFP、TFPY、塩化エチル、及びアセトンからなる群から選択される少なくとも1つの追加の化合物を更に含むことができる。
前述の冷媒組成物のいずれかに存在する追加の化合物の量は、0ppmより多く、且つ5,000ppm未満であることができ、特に約5~約1,000ppm、約5~約500ppm、及び約5~約100ppmの範囲であることができる。
一実施形態では、前述の冷媒組成物のいずれかに存在する追加の化合物の量は、冷媒組成物の0より多く、且つ1重量%未満であることができる。
一実施形態では、前述の冷媒組成物のいずれかに存在するフルオロエタン(HFC-161)の量は、総冷媒組成物に基づいて1重量パーセント~15重量パーセントである。特定の一実施形態では、フルオロエタン(HFC-161)の量は、総冷媒組成物に基づいて1重量パーセント~10重量パーセントであり、特定の一態様では、組成物は、少なくとも1つの追加の化合物:(a)244bb、245cb、254eb、1234ze、12、124、TFPY、1140、1225ye、1225zc、134a、1243zf、1131、エチレン、ジエチルエーテル、エチルエーテル、エタン、ブタン、イソブタン、CO2、HFP、TFPY、塩化エチル、及びアセトンからなる群から選択される少なくとも1つのメンバー;(b)134、23、125、143a、134a、1234ze、1243zf、245fa、1131、1122、244bb、245cb、245eb、1233xf、1224、1132a、1131a、12、HFP、エチレン、ジエチルエーテル、エチルエーテル、エタン、ブタン、イソブタン、CO2、HFP、TFPY、塩化エチル、及びアセトンからなる群から選択される少なくとも1つのメンバー;又は(c)メタン、エタン、143a、1234ze、エチレンオキシド、1123,1243zf、プロパン、23、263fb、124、254eb、1224yd、エチレン、ジエチルエーテル、エチルエーテル、エタン、ブタン、イソブタン、CO2、HFP、TFPY、塩化エチル、及びアセトンからなる群から選択される少なくとも1つの追加のメンバー;を更に含み、追加の化合物は、冷媒組成物の0より多く、且つ1重量%未満の量で存在する。
一実施形態では、前述の冷媒組成物のいずれかは、オリゴマー及び1234yfのホモポリマーのうちの少なくとも1つを含む追加の化合物を更に含むことができる。量は、0より多く、且つ約100ppm、いくつかの場合では約2ppm~約100ppmの範囲であることができる。この実施形態の一態様では、冷媒は、1234yf及び約1~約10重量の161を含み、更なる態様では、冷媒組成物は、オリゴマー及びホモポリマーに加えて、追加の化合物の約0より多く、且つ1重量%未満を更に含む。
本発明の別の実施形態は、気相及び/又は液相中の酸素及び/又は水濃度が約25Cの温度で約3体積ppm~約300体積ppm未満、約5体積ppm~約150体積ppm未満、場合によっては約5体積ppm~約75体積ppm未満の範囲である密閉容器内で気相及び/又は液相中に前述の組成物を保管することに関する。この実施形態の一態様では、冷媒は、1234yf及び約1~約10重量の161を含み、更なる態様では、冷媒組成物は、追加の化合物の約0より多く、且つ1重量%未満を更に含む。
前述の組成物を保管するためのコンテナは、気相及び液相を維持しながら組成物を密封することができる任意の好適な材料及び設計で構築することができる。好適なコンテナの例は、タンク、充填シリンダー、及び二次充填シリンダーなどの耐圧コンテナを含む。コンテナは、炭素鋼、マンガン鋼、クロム-モリブデン鋼、特に低合金鋼、ステンレス鋼、場合によってはアルミニウム合金などの任意の好適な材料から構築することができる。
本発明の組成物は、所望の量の個々の成分を合わせるための任意の簡便な方法によって調製することができる。好ましい方法は、所望の成分量を計量し、その後、適切な槽内で成分を組み合わせることである。所望の場合、撹拌を使用してもよい。別の実施形態では、前述の冷媒組成物のいずれかは、HFO-1234yf、R-161をブレンドすることによって、及び場合によっては、追加の組成物の少なくとも1つをブレンドすることによって調製することができる。
冷媒ブレンドの特性は、図1~図5に更に記載されている。図1は、2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)及びフルオロエタン(HFC-161)の二成分系の重量分率の全範囲にわたる蒸発器圧力を示す。データは、摂氏0度の蒸発器温度で示されている。図2は、冷媒ブレンドが、2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)及びフルオロエタン(HFC-161)の二成分系の重量分率の全範囲にわたって327.0kPaの蒸発器圧力をもたらす温度を示す。
図3及び図4は、絶対項におけるHFO-1234yfの重量分率の関数として及びパーセンテージとしての冷媒ブレンドの温度グライドを示す。データは、327.0kPaの蒸発器圧力で示されている。データは、二元2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)/フルオロエタン(HFC-161)冷媒ブレンドの温度グライドが近共沸性であり、約70重量パーセントのHFO-1234yfで0.73ケルビンの最大グライドが生じることを示している。HFO-1234yfの0.95重量分率に対応する温度グライドは、約0.27ケルビン度である。ある実施形態では、本発明による冷媒組成物は、-30℃~最高10℃の温度にて0.5ケルビン(K)以下又は0.1ケルビン(K)未満の温度グライドを含む。他の実施形態では、本発明による冷媒組成物は、20℃~最高40℃の温度にて0.1ケルビン(K)以下又は0.05ケルビン(K)未満の温度グライドを含む。
図5は、2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)とフルオロエタン(HFC-161)とのブレンドが、広範囲のモル分率及び蒸発器温度にわたって近共沸特性を示すことを示している。
冷媒ブレンドは、様々な加熱及び冷却システムで使用できる。図6の実施形態では、冷蔵ループ110を有する冷蔵システム100は、第1の熱交換器120、圧力調整器130、第2の熱交換器140、コンプレッサ150、及び四方弁160を備える。第1及び第2の熱交換器は、空気/冷媒タイプである。ループ110の冷媒、及びファンによって生成された空気の流れが第1の熱交換器120を通過する。この同じ空気流の全部又は一部はまた、熱交換器を通過して、エンジンなどの外部冷却回路(図示されていない)を通過することができる。同様に、第2の熱交換器140は、ファンによって生成された空気流を通過させている。この同じ空気流の全部又は一部はまた、別の外部冷却回路(図示されていない)を通過することができる。空気が流れる方向は、ループ110の動作モード及び外部冷却回路の要件に依存する。したがって、エンジンの場合、エンジンがアイドル状態であり、ループ110がヒートポンプモードにあるとき、空気は、エンジン冷却回路の熱交換器によって加熱され、次に熱交換器120に吹き付けられて、ループ110の流体の蒸発の速度を上げ、したがってこのループの性能を改善することができる。冷却回路の熱交換器は、エンジンに入る空気の加熱又はこのエンジンによって生成されたエネルギーを生産的に使用するなどのエンジン要件に従って、弁によって作動させることができる。
冷凍モードでは、コンプレッサ150によって移動し始めた冷媒は、弁160を経由し、凝縮器として作用する、つまり熱エネルギーを外部に引き渡す熱交換器120を通過した後、圧力調節器130を通過し、次に、蒸発器として作用することにより自動車両の車室内部に吹き込まれることが意図される空気流を冷却する熱交換器140を通過する。
ヒートポンプモードでは、冷媒の流れの方向は、弁160を使用して逆にされる。熱交換器140は凝縮器として機能し、熱交換器120は蒸発器として機能する。次に、熱交換器140を使用して、自動車の車室に向けられた空気の流れを加熱することができる。
図7の実施形態では、冷凍ループ210を有する冷凍システム200は、第1の熱交換器220、圧力調節器230、第2の熱交換器240、コンプレッサ250、四方弁260、及び分岐270備え、分岐270は、冷凍モードにおける流体の流れ方向を考慮する場合には、一方では、熱交換器220の出口に取り付けられ、他方では、熱交換器240の出口に取り付けられる。この分岐は、エンジンに入ることが意図されている空気の流れ又は排気ガスの流れが通過する熱交換器280と、圧力調整器280とを備える。第1の熱交換器220及び第2の熱交換器240は、空気/冷媒タイプである。ループ210からの冷媒、及びファンによって生成された空気の流れが第1の熱交換器220を通過する。この同じ空気流の全部又は一部はまた、エンジン冷却回路の熱交換器(図示されていない)を通過する。同様に、第2の交換器240は、ファンによって運ばれた空気流を通過させている。この空気流の全部又は一部はまた、エンジン冷却回路(図示されていない)の別の熱交換器を通過する。空気が流れる方向は、ループ210の動作モード及びエンジン要件に依存する。例として、燃焼エンジンがアイドル状態であり、ループ210がヒートポンプモードにあるとき、空気は、エンジン冷却回路の熱交換器によって加熱され、次に熱交換器220に吹き付けられて、ループ210の流体の蒸発を加速し、このループの性能を改善することができる。冷却回路の熱交換器は、エンジンに入る空気の加熱又はこのエンジンによって生成されたエネルギーを生産的に使用するなどのエンジン要件に従って、弁によって作動させることができる。
熱交換器280はまた、これが冷蔵モードであろうとヒートポンプモードであろうと、エネルギー要件に従って作動させることができる。遮断弁290を分岐270に設置して、この分岐をアクティブ化又は非アクティブ化することができる。
ファンによって運ばれる空気の流れは、熱交換器280を通過する。この同じ空気流は、エンジン冷却回路の別の熱交換器を通過する場合があり、また、排気ガス回路、エンジン空気入口、又はハイブリッド自動車の場合はバッテリーに配置された他の熱交換器を通過する場合がある。
図8の実施形態では、冷蔵ループ310を有する冷蔵システム300は、第1の熱交換器320、圧力調整器330、第2の熱交換器340、コンプレッサ350、及び四方弁360を備える。第1の熱交換器320及び第2の熱交換器340は、空気/冷媒タイプである。熱交換器320及び340が動作する方法は、図6に示される第1の実施形態と同じである。2つの流体/液体熱交換器370及び380は、冷蔵ループ回路310及びエンジン冷却回路又は二次グリコール-水回路の両方に設置されている。中間の気体流体(空気)を通過させることなく流体/液体熱交換器を設置すると、空気/流体熱交換器と比較して熱交換の改善に貢献する。
図9の実施形態では、冷蔵ループ410を有する冷蔵システム400は、第1シリーズの熱交換器420及び430、圧力調整器440、第2のシリーズの熱交換器450及び460、コンプレッサ470、並びに四方弁480を備える。分岐490は、冷媒モードでの流体の循環を考慮するとき、一方では熱交換器420の出口に、他方では熱交換器460の出口に取り付けられる。この分岐は熱交換器500を備え、燃焼エンジン及び圧力調節器510に入れることが意図される空気流又は排気ガス流は、この熱交換器500を通過する。この分岐が動作する方法は、図7に示される第2の実施形態と同じである。
熱交換器420及び450は空気/冷媒タイプであり、熱交換器430及び460は液体/冷媒タイプである。これらの熱交換器が動作する方法は、図8に示される第3の実施形態と同じである。
ブレンドは、客室に空調(A/C)又は加熱を提供する車室の熱管理(車両の一部から他の部分への伝熱)のため、ハイブリッド、マイルドハイブリッド、プラグインハイブリッド、又は完全電気自動車において使用するために、低温度グライド又はほぼ無視できるグライドと共に超低GWP、低毒性及び低可燃性を有する。
従来の高GWP冷媒を代替すること又は及びヒートポンプ用途を意図した組成物を含む他の実施形態では、冷媒組成物は、従来の冷媒と比較して、低いGWP及び同様の又は改善された冷媒特性を示すことが望ましい。
以下の実施例は、本発明の特定の態様を例示するために提供されるものであり、添付の特許請求の範囲を限定するものではない。
(実施例1)
ヒートポンプシステム加熱モードの熱力学的モデリングの比較:R-1234yf/R-161
熱力学的モデリングプログラムであるThermocycle3.0を使用して、HFO1-234yfと比較したHFO-1234yf/R-161に対するブレンドの期待される性能をモデル化した。加熱モードに使用されるモデル条件は次のとおりである。熱交換器#2は10℃刻みで変化させた。
ヒートポンプシステム加熱モードの熱力学的モデリングの比較:R-1234yf/R-161
熱力学的モデリングプログラムであるThermocycle3.0を使用して、HFO1-234yfと比較したHFO-1234yf/R-161に対するブレンドの期待される性能をモデル化した。加熱モードに使用されるモデル条件は次のとおりである。熱交換器#2は10℃刻みで変化させた。
モデリングの結果は、HFO-1234yfと1重量%~10重量%のR-161とのブレンドが、純粋なHFO-1234yfよりも大きな利点を提供することを示している。-30℃の周囲温度では、HFO-1234yf単独では良好に機能しない。コンプレッサ入口圧力は大気圧以下であり、コンプレッサに空気が引き込まれる。したがって、HFO-1234yfは、何らかのシステム設計なしで、-20℃までのヒートポンプ流体としての使用に制限されている。しかし、5重量%のR-161(フルオロエタン)であっても、HFO-1234yf(99重量%)/R-161(1重量%が-30℃までの温度で動作できるため、結果として得られるブレンドの性能が大幅に向上する。したがって、HFO-1234yf/R-161の本発明のブレンドは、加熱範囲をΔ10℃拡張する。
HFO-1234yfと1重量%~10重量%のR-161(フルオロエタン)とのブレンドはまた、加熱容量の向上という点で、純粋なHFO-1234yfよりも利点を提供する。モデリングの結果は、5重量%のR-161で約5%の熱容量の改善があり、10%までのR-161は10%までの相対熱容量を大幅に改善できることを示している。本発明のブレンドの改善された加熱容量は、新しい流体を容易に使用して、客室に適切な熱を提供できることを示している。更に、結果として得られる本発明のブレンドは、一般に、ヒートポンプの動作範囲にわたって、純粋なHFO-1234yfに対して、同様のコンプレッサ吐出量比を有する。
モデリングは、HFO-1234yfと、1重量%~10重量%のR-161(フルオロエタン)とのブレンドが、-30℃~+10℃の加熱範囲において同等の又は向上したCOP又はエネルギー性能を有することを示している。加えて、1重量%~10重量%のR-161(フルオロエタン)を含有するブレンドはまた、所望の加熱範囲(すなわち、-30℃から10℃まで)にわたって、ほとんど無視できるグライドを示す。したがって、R-161ブレンドは、極めて好都合なグライドを有し、加熱範囲全体にわたって無制限に近共沸ブレンドとして有用であり得る。
したがって、本明細書に記載のHFO-1234yf/R-161冷媒ブレンドは、-30℃~+10℃の範囲の加熱動作範囲において、HFO-1234yfを超える改善された容量を特段に提供し、少なくとも10℃の差分で下限加熱範囲能力を、HFO-1234yfを超えて広げ、極めて低いGWP(10未満)及び低乃至軽度の可燃性(クラス2~クラス2L)を有する一方で、点検のための加熱範囲にわたってほとんど無視できるグライドも特段に示す。
HFO-1234yf及びR-161の全てのブレンドが望ましいが、ヒートポンプ流体に有利な可燃性を有する好ましいブレンドは、99重量%のHFO-1234yf~76.2重量%のHFO-1234yf及び1重量%のR-161~23.8重量%のR-161であり、より好ましいブレンドは、99重量%のHFO-1234yf~90重量%のHFO-1234yf及び1重量%~10重量%のR-161であり、最も好ましいブレンドは、99%のHFO-1234yf~93重量%のHFO-1234yf及び1重量%のR-161~7重量%のR-161である。
(実施例2)
冷却モード:HFO-1234yf/R-161
ヒートポンプシステムの熱力学的モデリングの比較
熱力学的モデリングプログラムであるThermocycle3.0を使用して、HFO-1234yf/R-161と比較したHFO-1234yfに対するブレンドの期待される性能をモデル化した。冷却モードで使用したモデル条件は以下のとおりであり、熱交換器#2は10℃刻みで変化させた。
冷却モード:HFO-1234yf/R-161
ヒートポンプシステムの熱力学的モデリングの比較
熱力学的モデリングプログラムであるThermocycle3.0を使用して、HFO-1234yf/R-161と比較したHFO-1234yfに対するブレンドの期待される性能をモデル化した。冷却モードで使用したモデル条件は以下のとおりであり、熱交換器#2は10℃刻みで変化させた。
ヒートポンプ流体が実行可能な候補であるためには、冷却モードでも良好に機能する必要がある。すなわち、周囲温度が高い場合は、適切な冷却を提供する必要がある。モデリングの結果は、HFO-1234yfと、1重量%~10重量%のR-161とのブレンドが、20℃から40℃までの周囲の冷却範囲において、純粋なHFO-1234yfと同等の又はそれよりも改善された冷却の利点をもたらすことを示している。
HFO-1234yfと1重量%~10重量%のR-161(フルオロエタン)とのブレンドはまた、冷却容量の向上という点で、純粋なHFO-1234yfよりも大きな利点を提供する。本発明のブレンドの同等の又は改善された冷却容量は、新しい流体を容易に使用して、客室に適切な冷却(空調)を提供できることを示している。更に、結果として得られる本発明のブレンドは、一般に、冷却動作範囲にわたって、純粋なHFO-2134yfに対して、同様のコンプレッサ吐出量比を有する。
モデリングは、HFO-1234yfと、1重量%~10重量%のR-161(フルオロエタン)とのブレンドが、+20℃~+40℃の冷却範囲において同様のCOP又はエネルギー性能を有することを示している。
加えて、1重量%~10重量%のR-161(フルオロエタン)を含有するブレンドはまた、所望の冷却範囲(すなわち、+20℃~+40℃)にわたって、無視できるグライドを示す。したがって、この本発明のブレンドは、ほとんど全ての周囲環境で使用することができる。
したがって、本明細書に記載のHFO-1234yf/R-161冷媒ブレンドは、+20℃~+40℃の冷却動作範囲でHFO-1234yfよりも2%~22%改善された容量を独自に提供し、GWPが非常に低く(10未満)、可燃性が低から軽度(クラス2~クラス2L)であると同時に、全てのヒートポンプの動作温度でほぼ無視できる程度のグライドも独自に示す。
(実施例3)
1234yf/161ブレンドの可燃性を、ASTM E681に従って測定した。試験結果を表10に示す。
1234yf/161ブレンドの可燃性を、ASTM E681に従って測定した。試験結果を表10に示す。
HFO-1234yfは、A2L冷媒として評価される。R-161は、毒性については推奨されるクラスA冷媒であり、クラス2又は3の可燃性を有する。表10は、1234yfをR-161とブレンドすることによって、A2L可燃性評価を維持しながら冷蔵性能特性が改善されるという、本発明の1つの利点を示す。A2Lの可燃性は、ISO817及びANSI/ASHRAE34により、HOC<19KJ/kg及び<10cm/秒を有するとして定義される。表10は、0より多く、且つ少なくとも10%のR-161を含むブレンドが、10cm/秒未満のBVを有し、純粋なR-161と比較して望ましいLFL(3.4体積%と比較して4.5~5.0体積%)を有することを示す。
ペルフルオロポリエーテル潤滑剤(Krytox(登録商標)オイル)と組み合わせた1234yf/161ブレンドの可燃性を、ASTME681に従って測定した。試験結果を表11に示す。これらの結果は、試験した潤滑剤が存在することによって、他の非フッ素化潤滑剤に対して予想外且つ望ましい改善である1234yf/161ブレンドのLFLが有意に変化しないことを示している。一般に、潤滑剤は、冷媒のLFLを低下させる(当該ブレンドの可燃性を上昇させる)。しかし、この場合、得られたブレンドは可燃性レベルを低下させなかった。これは、熱管理システム(例えば、自動車ヒートポンプシステム)へのペルフルオロポリエーテル潤滑剤の添加により、可燃性に悪影響を与えずに、冷媒/潤滑剤の性能を完全に利用できることを意味する。
1234yf/161ブレンドの燃焼速度(BV、すなわち火炎が伝播する速度)を測定し、結果を表12に挙げた。
日本国立研究所の産業技術総合研究所(AIST)は、以前、高速シュリーレン写真を使用してHFO-1234yfのBVを測定し、1.5cm/秒であることが見出した。R-161/YFブレンドのBVを、ISO817:2014に記載の垂直管を使用して測定した。ISO817:2104 AnnexCは、Jabbour及びClodicによって開発されたBV法に関する詳細を提供する(この方法の詳細な説明は、Jabbour,T.,Flammable refrigerant classification based on the burning velocity.PhD Thesis,Ecole des Mines:Paris,France,2004及びJabbour.T.and Clodic,D.F.,Burning velocity and refrigerant flammability classification.ASHRAE Transactions 110(2),2004の両方に見出すことができる)。
このBV方法によれば、冷媒ブレンドは、BODYSchottガラス製の内径40mm及び外径50mmを有する1.3m長の垂直管の基部で点火される。120フレーム/秒の能力を有するSony FDR-AX 100カメラを使用して、垂直管の上方への火炎伝播を記録した。Image Pro Insightバージョン8.0の画像処理ソフトウェアを使用して、記録された火炎面を分析した。最大燃焼速度は、次の式に従って計算される:
式中、S(s)が伝播速度であり、A(f)は全火炎面積であり、a(f)は断面積である。
HFO-1234yf及びR-161の全てのブレンドが望ましいが、ヒートポンプ(すなわち加熱又は冷却モードで動作する)流体に有利な可燃性を有する好ましいブレンドは、99重量%のHFO-1234yf~78重量%のHFO-1234yf及び1重量%のR-161~22重量%のR-161であり、より好ましいブレンドは、99重量%のHFO-1234yf~80重量%のHFO-1234yf及び1重量%~20重量%のR-161であり、最も好ましいブレンドは、99重量%のHFO-1234yf~90重量%のHFO-1234yf及び1重量%のR-161~10重量%のR-161である。
(実施例4)
本発明の冷媒組成物の熱安定性は、ANSI/ASHRAE 97に従って測定した。金属に対する冷媒の安定性試験は、空気を添加した又は添加しなかったPOE潤滑剤の存在下で実施した。
本発明の冷媒組成物の熱安定性は、ANSI/ASHRAE 97に従って測定した。金属に対する冷媒の安定性試験は、空気を添加した又は添加しなかったPOE潤滑剤の存在下で実施した。
空気を添加した又は添加しなかった冷媒又は冷媒/潤滑剤の試料を、厚肉ホウケイ酸ガラス管に入れた。管は、密封時に外径約16mm、長さ約17cmである。使用したガラス管は、試験に使用した冷媒/添加剤系のより高い圧力に耐えることができる。冷媒及び添加剤(例えば、潤滑剤、空気及び水分)に加えて、銅スペーサによって隔てられ、銅ワイヤと用いてまとめられた銅、アルミニウム及び鋼鉄それぞれのストリップからなる金属クーポン束が、各管に追加される。金属クーポンは、予め洗浄したガラス管に添加される直前に表面研削によって洗浄される。金属クーポンは、実際の冷蔵システムをシミュレートするための触媒表面を与える。次いで、調製/密封したガラス管を、所望の試験において2週間にわたって、加熱したオーブンに入れる。試験は、あらゆる潜在的な化学反応/生成物分解を促進するために、より高い温度、150℃~200℃で行う。
定量的(フッ化物イオン及びTAN)及び定性的(目視観察)データは事前オーブン試験で、1週間のオーブンエージング後、及び2週間のオーブンエージング後に生成された。
90% 1234yf/10% 161のブレンドの熱安定性を求めた。密封管をANI/ASHRAE 97に従って調製し、150℃のオーブンに2週間入れた。全ての試験は、金属クーポン(Al、Cu、鋼鉄)を使用して行った。試験の結果を表13に示す。
Leckらが行った以前の研究は、R-161が、HVACR冷媒としての使用には、不十分な熱安定性を有することを見出した(文献Thomas J Leck,Bianca Hydutsky,Fluorochemicals Research,DuPont Company,Wilmington,DE,19880 USA;JRAIA INTERNATIONAL SYMPOSIUM 2012を参照のこと;この開示は、参照により本明細書に援用される)。Leckは、HF及びエチレンを形成するために容易に分解するため、R-161分子が容易に分解してHF及びエチレンを形成するため、化学的にまれであることに言及した。Leckは、空気が存在するならば、150℃における密封管試験により固体及びゲルの広範な形成が判明したことを報告した。GC/MS分析により、熱エージング後に有意なレベルのエチレンの存在が確認された。Leckらは、MO又はPOE潤滑剤のいずれかをHFC-161でエージングした場合、試料の広範な変色が観察されたことにも言及した。密封した161/POE管の目視分析により、試料が、冷媒/潤滑剤系の劣化及び試料の潤滑剤部分の考えられる「コークス化」を示す、暗褐色から黒色であることが判明した。Leckは、この研究ではTAN(全酸価)値が非常に高いので、試料の希釈後でさえ、滴定装置による終点の特定が困難であり、更にR-161の分解が示されたことにも言及した。
R-161の熱安定性に関する以前の報告とは対照的に、この実施例によって、90% YF/10% 161が純粋なR-161系を上回る熱安定性の改善を有することを含む、予想外且つ望ましい結果が示されている。これは、1234yfが二重結合を有し、このタイプの試験で分解すると予想されるため、予想外である。別の予想外の結果は、本発明の組成物(例えば90% YF/10%161)及びPOEが、潤滑安定剤を添加せずに使用され得ることである。更に、この実施例により、空気及び金属クーポンを用いたPOE潤滑剤の存在下で、液体のフロック(微粒子)又はゲル化が生成されなかったことが示されている。更になお、フッ化物イオンレベルは非常に低く(90% YF/10% 161/POE系では、50ppm未満、及び90% YF/10% 161/POE/1.5体積%空気系では、100ppm未満)、YF/161系が以前の純粋なHFC-161の結果と比較して、予想外の安定性を有したことが示された。
本発明を好ましい実施形態を参照して説明してきたが、当業者には、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更を行うことができ、その要素の代わりに同等物を使用することができることが理解されるであろう。加えて、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示されている特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲内に含まれる全ての実施形態を含むことが意図される。
Claims (45)
- 2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)及びフルオロエタン(HFC-161)を含む、冷媒組成物。
- 前記フルオロエタン(HFC-161)が、総冷媒組成物に基づいて1~20重量パーセントの量で存在する、請求項1に記載の組成物。
- 前記フルオロエタン(HFC-161)が、総冷媒組成物に基づいて1~15重量パーセントの量で存在する、請求項2に記載の組成物。
- 前記フルオロエタン(HFC-161)が、総冷媒組成物に基づいて1~10重量パーセントの量で存在する、請求項3に記載の組成物。
- 前記フルオロエタン(HFC-161)が、総冷媒組成物に基づいて1~7.5重量パーセントの量で存在する、請求項4に記載の組成物。
- 前記フルオロエタン(HFC-161)が、総冷媒組成物に基づいて4~6重量パーセントの量で存在する、請求項5に記載の組成物。
- 前記冷媒組成物の熱容量が、2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)単独の熱容量よりも0.9%~10.8%大きい、請求項1に記載の組成物。
- 前記冷媒組成物の熱容量が、2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)単独の熱容量よりも0.7%~6.9%大きい、請求項1に記載の組成物。
- 前記冷媒組成物がヒートポンプ流体である、請求項1に記載の組成物。
- 前記冷媒組成物のGWPが10未満である、請求項1に記載の組成物。
- 前記冷媒組成物が、-30℃から10℃までの温度で0.5ケルビン(K)以下の温度グライドを有する、請求項1に記載の組成物。
- 前記冷媒組成物が、-30℃から10℃までの温度で0.1ケルビン(K)以下の温度グライドを有する、請求項1に記載の組成物。
- 前記冷媒組成物が、20℃から40℃までの温度で0.1ケルビン(K)以下の温度グライドを有する、請求項1に記載の組成物。
- 前記冷媒組成物が、20℃から40℃までの温度で0.05ケルビン(K)以下の温度グライドを有する、請求項1に記載の組成物。
- 前記組成物が近共沸である、請求項1に記載の冷媒組成物。
- 少なくとも1つの追加の化合物:
a)244bb、245cb、254eb、1234ze、12、124、TFPY、1140、1225ye、1225zc、134a、1243zf、及び1131からなる群から選択される少なくとも1つのメンバー、
b)エチレン、ジエチルエーテル、エチルエーテル、エタン、ブタン、イソブタン、CO2、HFP、TFPY、塩化エチル、及びアセトンからなる群から選択される少なくとも1つのメンバー、又は
c)a)とb)との組み合わせ、を更に含み、
前記追加の化合物の総量が、前記組成物の0より多く、且つ1重量%未満を含む、請求項1に記載の組成物。 - 少なくとも1つの追加の化合物:
a)134、23、125、143a、134a、1234ze、1243zf、245fa、1131、1122、244bb、245cb、1233xf、1224、1132a、1131a、12、及びHFPからなる群から選択される少なくとも1つのメンバー、
b)エチレン、ジエチルエーテル、エチルエーテル、エタン、ブタン、イソブタン、CO2、HFP、TFPY、塩化エチル、及びアセトンからなる群から選択される少なくとも1つのメンバー、又は
c)a)とb)との組み合わせ、を更に含み
前記追加の化合物の総量が、前記組成物の0より多く、且つ1重量%未満を含む、請求項1に記載の組成物。 - 少なくとも1つの追加の化合物:
a)メタン、エタン、143a、1234ze、エチレンオキシド、1123、1243zf、プロパン、23、263fb、124、254eb、1224ydからなる群から選択される少なくとも1つのメンバー、
b)エチレン、ジエチルエーテル、エチルエーテル、エタン、ブタン、イソブタン、CO2、HFP、TFPY、塩化エチル、及びアセトンからなる群から選択される少なくとも1つのメンバー、又は
c)a)とb)との組み合わせ、を更に含み
前記追加の化合物の量が、前記組成物の0より多く、且つ1重量%未満を含む、請求項1に記載の組成物。 - 前記フルオロエタン(HFC-161)が、総冷媒組成物に基づいて1~15重量パーセントの量で存在する、請求項16に記載の組成物。
- 前記フルオロエタン(HFC-161)が、総冷媒組成物に基づいて1~15重量パーセントの量で存在する、請求項17に記載の組成物。
- 前記フルオロエタン(HFC-161)が、総冷媒組成物に基づいて1~15重量パーセントの量で存在する、請求項18に記載の組成物。
- 前記フルオロエタン(HFC-161)が、総冷媒組成物に基づいて1~10重量パーセントの量で存在する、請求項19~21のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記追加の化合物が、(a)を含む、請求項22に記載の組成物。
- 前記追加の化合物が、(b)を含む、請求項22に記載の組成物。
- 前記追加の化合物が、(c)を含む、請求項22に記載の組成物。
- POE潤滑剤を更に含む、請求項1又は19~25のいずれか一項に記載の組成物。
- POE潤滑剤を更に含み、前記組成物が、約500ppm未満のF-イオンを有する、請求項1又は19~25のいずれか一項に記載の組成物。
- POE潤滑剤を更に含み、前記組成物が、約1mgKOH/g数未満のTANを有する、請求項1、19~25、又は27のいずれか一項に記載の組成物。
- 請求項19~25のいずれか一項に記載の組成物を含む冷媒貯蔵容器であって、前記組成物が、気相及び液相を含み、前記気相及び液相中の酸素及び水濃度が、約25℃の温度にて約3体積ppm~約3,00体積ppm未満の範囲である、冷媒貯蔵容器。
- 加熱又は冷却システムであって、
冷媒と、
凝縮器と、
蒸発器と、
コンプレッサと、を直列配置で備え、
前記システムは、動作可能に接続された前記凝縮器、前記蒸発器、及び前記コンプレッサのそれぞれを更に含み、前記冷媒が請求項1又は19~28のいずれか一項に記載の組成物を含み、前記凝縮器、前記蒸発器、及び前記コンプレッサのそれぞれを通って循環される、加熱又は冷却システム。 - 前記システムが、自動車システム用の空調装置である、請求項30に記載の加熱又は冷却システム。
- 前記システムが、固定型冷却システム用の空調装置である、請求項30に記載の加熱又は冷却システム。
- 四方弁を更に備える、請求項30に記載の加熱又は冷却システム。
- 前記システムが、自動車システム用のヒートポンプである、請求項33に記載の加熱又は冷却システム。
- 前記システムが、住宅用加熱又は冷却システム用のヒートポンプである、請求項33に記載の冷凍システム。
- 温度グライドが0.1ケルビン(K)未満である、請求項35に記載の加熱又は冷却システム。
- ヒートポンプシステムにおける請求項1又は19~28のいずれか一項に記載の冷媒組成物の使用。
- HEV、MHEV、PHEV、又はEVヒートポンプシステムにおける請求項1又は19~28に記載の冷媒組成物の使用。
- 車両電気システムと組み合わせた、HEV、MHEV、PHEV、又はEVヒートポンプシステムにおける請求項1又は19~28に記載の冷媒組成物の使用。
- 冷媒組成物を自動車システムに充填する方法であって、
請求項1又は19~28に記載の組成物を自動車の加熱又は冷却システムに提供することを含む、方法。 - 冷媒組成物からの総汚染物質を改善する方法であって、
第1の冷媒組成物を提供する工程であって、
前記第1の冷媒組成物は、近共沸ではなく、2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)及びフルオロエタン(HFC-161)を含む、工程と、
2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(HFO-1234yf)又はフルオロエタンン(HFC-161)のうちの少なくとも1つを前記第1の冷媒組成物に供給して、第2の冷媒組成物を形成する工程であって、
前記第2の冷媒組成物が近共沸性である工程と、を含む、方法。 - 前記第2の冷媒組成物が、従来型のオンサイト自動回収、リサイクル、再充填装置を使用せずに、前記第1の冷媒組成物から形成される、請求項41に記載の方法。
- 前記組成物が、(ANSI/ASHRAE規格34に従って測定した場合)2Lの可燃性評価、(ISO817垂直管法に従って測定した場合)10cm/秒未満のBV、及び、(ASTME681に従って測定した場合)10体積%未満のLFLを有する、請求項1又は19~25のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記組成物が、5重量%までのペルフルオロポリエーテル潤滑剤を更に含む場合、2Lの可燃性評価を有する、請求項1又は19~28のいずれか一項に記載の組成物。
- 請求項30、33、34又は36のいずれか一項に記載のシステムと、請求項19~28のいずれか一項に記載の組成物を含む冷媒と、を使用して、HEV、MHEV、PHEV、又はEVの客室を加熱又は冷却するための方法。
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