JP2532695B2 - 作動流体 - Google Patents

作動流体

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、エアコン・冷凍機等のヒートポンプ装置に
使用される作動流体に関する。
従来の技術 従来、エアコン・冷凍機等のヒートポンプ装置におい
ては、作動流体としてフロン類(以下R○○またはR○
○○と記す)と呼ばれるハロゲン化炭化水素が知られて
おり、利用温度としては凝縮温度および/または蒸発温
度が略0〜略50℃の範囲において通常使用される。中で
もクロロジフルオロメタン(CHClF2、R22)は家庭用エ
アコン、ビル用エアコンや大型冷凍機等の作動流体とし
て幅広く用いられている。
発明が解決しようとする課題 しかしながら、近年フロンによる成層圏オゾン層破壊
が地球規模の環境問題となっており、成層圏オゾン破壊
能力が大であるフロン類(以下、特定フロンと記す)に
ついては、すでに国際条約によって使用量及び生産量の
規制がなされ、さらに将来的には特定フロンの使用・生
産を廃止しようという動きがある。さて、R22はオゾン
破壊係数(トリクロロフルオロメタン(CCl3F)の成層
圏オゾン破壊能力を1としたときの成層圏オゾン破壊能
力、以下ODPと記す)が0.05と微少であり、特定フロン
ではないものの将来的に使用量の増大が予想され、冷凍
・空調機器が広く普及した現在、R22の使用量及び生産
量の増大が人類の生活環境に与える影響も大きくなるも
のと予想されている。従って、成層圏オゾン破壊能力が
小であるものの、若干の破壊能力があるとされるR22の
代替となる作動流体の早期開発も強く要望されている。
本発明は、上述の問題に鑑みて試されたもので、成層
圏オゾン層に及ぼす影響がほとんどない、R22の代替と
なる作動流体を提供するものである。
課題を解決するための手段 本発明は上述の課題を解決するため、少なくとも、ト
リフルオロメタン(CHF3)とテトラフルオロエタン(C2
H2F4)とジフルオロエタン(C2H4F2)の三種のフロン類
を含み、トリフルオロメタン略5〜略50重量%、テトラ
フルオロエタン0〜略95重量%、ジフルオロエタン0〜
略90重量%の組成範囲であることを特徴とするものであ
り、特に、トリフルオロメタン略10〜略40重量%、テト
ラフルオロエタン0〜略85重量%、ジフルオロエタン0
〜略85重量%の組成範囲が望ましいものである。
作用 本発明は、上述の組合せによって、作動流体を、オゾ
ン破壊能力のほとんどない、分子構造中に塩素を含まな
いフロン類であるトリフルオロメタン(ODP=0)、テ
トラフルオロエタン(ODP=0)およびジフルオロエタ
ン(ODP=0)の混合物となすことにより、成層圏オゾ
ン層に及ぼす影響をR22よりもさらに小さく、ほとんど
なくすることを可能とするものである。又、本発明は上
述の組成範囲とすることによって、エアコン・冷凍機等
のヒートポンプ装置の利用温度である略0〜略50℃にお
いてR22と同程度の蒸気圧を有し、R22の代替として現行
機器で使用可能な作動流体を提供することを可能とする
ものである。従って上述の組合せおよび組成範囲におけ
るODPも0と予想され、R22の代替として極めて有望な作
動流体となるものである。またかかる混合物は非共沸混
合物となり、凝縮過程および蒸発過程において温度勾配
をもつため、熱源流体との温度差を近接させたロレンツ
サイクルを構成することにより、R22よりも高い成績係
数を期待できるものである。
また一般に、成層圏オゾン破壊能力があるフロン類
は、そのODPの値の大きさにつれて地球温暖化の効果も
大きい傾向があるが、本発明による作動流体はODPが0
であるフロン類のみの三種以上から成る混合物によって
構成されているため、地球温暖化の効果はR22と同程度
あるいはR22未満と推定され、最近世界的問題となって
いる地球温暖化への寄与を小とすることをも可能とする
ものである。
さて、本発明は特にトリフルオロメタンを含む三種以
上のフロン類から成る混合物である。トリフルオロメタ
ンは、臨界温度が低く(25.7℃)、蒸気圧が高いため
に、単独では略0〜略50℃の利用温度のエアコン・冷凍
機等のヒートポンプ装置には使用できないが、現在でも
市販されており、かかる混合物とすることによって実用
的なR22の代替となる作動流体を構成することが可能と
なるものである。
実施例 以下、本発明による作動流体の実施例について、図を
用いて説明する。
第1図は、トリフルオロメタン(R23)、1,1,1,2−テ
トラフルオロエタン(R134a)、1,1−ジフルオロエタン
(R152a)の三種のフロン類の混合物によって構成され
る作動流体の、一定温度・一定圧力における平衡状態を
三角座標を用いて示したものである。本三角座標におい
ては、三角形の各頂点に、上側頂点を基点として反時計
回りに沸点の低い順に単一物質を配置しており、座標平
面上のある点における各成分の組成比(重量比)は、点
と三角形の各辺との距離の比で表される。またこのと
き、点と三角形の辺との距離は、辺に相対する側にある
三角座標の頂点に記された物質の組成比に対応する。第
1図において1は、温度0℃・圧力4.044kg/cm2Gにおけ
る混合物の気液平衡線であり、この温度・圧力はR22の
飽和状態に相当する。気液平衡線(R22 0℃相当)1
の上側の線は飽和気相線、気液平衡線(R22 0℃相
当)1の下側の線は飽和液相線を表わし、この両線で挟
まれた範囲においては気液平衡状態となる。また2は、
温度50℃・圧力18.782kg/cm2Gにおける混合物の気液平
衡線であり、この温度・圧力もR22の飽和状態に相当す
る。飽和気相線上の組成物はR22より高い圧力で気化
し、R22と同じ圧力で液化する。飽和液相線上の組成物
はR22と同じ圧力で気化し、R22より低い圧力で液化す
る。これらの2つの線の間のエリアにある組成物は、R2
2より高い圧力で気化し、R22より低い圧力で液化する。
すなわち50℃の気液平衡線2の間のエリアにある組成物
は、50℃においてはR22より低い圧力で気相から液相に
変化し、R22と同じ圧力では50℃より高い気相が凝縮し
て、50℃より低い液相に変化する。また0℃の気液平衡
線1の間のエリアにある組成物は、0℃においてはR22
より高い圧力で液相から気相に変化し、R22と同じ圧力
では0℃より低い液相が蒸発して、0℃より高い気相に
変化する。R23を単独で使用すると、50℃においては臨
界温度を超えてしまうものの、かかる混合物となすこと
によって飽和状態が存在し、略0〜略50℃の利用温度の
エアコン・冷凍機等のヒートポンプ装置に使用すること
が可能となるものである。図からわかるように、R23、R
134a及びR152aがそれぞれ略5〜略50重量%、0〜略95
重量%、0〜略90重量%となるような組成範囲は、略0
〜略50℃の利用温度においてR22とほぼ同等の蒸気圧を
有するため望ましい。さらに、R23、R134a及びR152aが
それぞれ略10〜略40重量%、0〜略90重量%、0〜略85
重量%となるような組成範囲は、0℃と50℃の間のすべ
ての利用温度においてR22とほぼ同等の蒸気圧を有する
ため特に望ましい。
第1図中の点A1〜点F1における作動流体の組成を第1
表に示す。点A1〜点C1は気液平衡線(R22 50℃相当)
2の飽和気相線上に、点D1〜点F1は気液平衡線(R22 5
0℃相当)2の飽和液相線上にあり、共に気液平衡線(R
22 0℃相当)1の飽和気相線及び気液平衡線(R22
0℃相当)1の飽和液相線の両線で挟まれた範囲にある
ことから、温度0℃・圧力4.044kg/cm2G(R22の飽和状
態に相当)においては気液平衡状態となる。従って、第
1表に示された組成を有する作動流体は、0℃・50℃に
おけるR22の飽和蒸気圧の条件下で飽和状態あるいは気
液平衡状態を実現し、略0〜略50℃の利用温度におい
て、同温度におけるR22の飽和蒸気圧で操作することに
より、R22とほぼ等しい凝縮温度・蒸発温度を得ること
が可能となるものである。
ここでは、気液平衡線(R22 50℃相当)2上の点に
ついてのみ説明したが、点A1〜点F1 の内側にある点、すなわち、温度0℃・圧力4.044kg/cm
2G及び温度50℃・圧力18.782kg/cm2G(両者ともR22の飽
和状態に相当)において気液平衡状態となる組成を有す
る作動流体についても同様に操作することにより、略0
〜略50℃の利用温度においてR22とほぼ等しい凝縮温度
・蒸発温度を得ることが可能となるものである。
第2図は、R23、1,1,2,2−テトラフルオロエタン(R1
34)、R152aの三種のフロン類の混合物によって構成さ
れる作動流体の、一定温度・一定圧力における平衡状態
を三角座標を用いて示したものである。本三角座標にお
いては、大気圧における標準沸点はR152aの方がR134よ
りも低いものの、第1図との関連において、三角形の各
頂点に、上側頂点を基点として反時計回りに、R23、R13
4、R152aの順に単一物質を配置している。第2図におい
て3は、温度0℃・圧力4.044kg/cm2Gにおける混合物の
気液平衡線であり、また4は、温度50℃・圧力18.782kg
/cm2Gにおける混合物の気液平衡線である。この場合に
は、R23、R134及びR152aがそれぞれ略10〜略50重量%、
0〜略90重量%、0〜略90重量%となるような組成範囲
が、R22とほぼ同等の蒸気圧を有するため望ましく、R2
3、R134及びR152aがそれぞれ略15〜略40重量%、0〜略
85重量%、0〜略85重量%となるような組成範囲が、特
に望ましい。
第2図中の点A2〜点F2における作動流体の組成を第2
表に示す。点A2〜点C2は気液平衡線(R22 50℃相当)
4の飽和気相線上に、点D2〜点F2は気液平衡線(R22 5
0℃相当)4の飽和液相線上にあり、共に気液平衡線(R
22 0℃相当)3の飽和気相線及び気液平衡線(R22
0℃相当)3の飽和液相線の両線で挟まれた範囲にある
ことから、温度0℃・圧力4.044kg/cm2G(R22の飽和状
態に相当)においては気液平衡状態となる。従って、第
2表に示された組成を有する作動流体は、0℃・50℃に おけるR22の飽和蒸気圧の条件下で飽和状態あるいは気
液平衡状態を実現し、略0〜略50℃の利用温度におい
て、同温度におけるR22の飽和蒸気圧で操作することに
より、R22とほぼ等しい凝縮温度・蒸発温度を得ること
が可能となるものである。
ここでは、気液平衡線(R22 50℃相当)4上の点に
ついてのみ説明したが、点A2〜点F2の内側にある点、す
なわち、温度0℃・圧力4.044kg/cm2G及び温度50℃・圧
力18.782kg/cm2G(両者ともR22の飽和状態に相当)にお
いて気液平衡状態となる組成を有する作動流体について
も同様に操作することにより、略0〜略50℃の利用温度
においてR22とほぼ等しい凝縮温度・蒸発温度を得るこ
とが可能となるものである。
以上の実施例においては作動流体は三種のフロン類の
混合物によって構成されているが、構造異性体を含めて
四種以上のフロンの混合物によって作動流体を構成する
ことも勿論可能であり、この場合、トリフルオロメタン
略5〜略50重量%、テトラフルオロエタン0〜略95重量
%、ジフルオロエタン0〜略90重量%となるような組成
範囲は、略0〜略50℃の利用温度においてR22とほぼ同
等の蒸気圧を有するため望ましい。さらに、トリフルオ
ロメタン略10〜略40重量%、テトラフルオロエタン0〜
略85重量%、ジフルオロエタン0〜略85重量%となるよ
うな組成範囲は、0℃と50℃の間のすべての利用温度に
おいてR22とほぼ同等の蒸気圧を有するため特に望まし
い。特に上述の組合せおよび組成範囲におけるODPも0
と予想され、R22の代替として極めて有望な作動流体と
なるものである。またかかる混合物は非共沸混合物とな
り、凝縮過程および蒸発過程において温度勾配をもつた
め、熱源流体との温度差を近接させたロレンツサイクル
を構成することにより、R22よりも高い成績係数を期待
できるものである。
発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明は、トリフル
オロメタンを含み、作動流体を、分子構造中に塩素を含
まないフロン類のみの三種以上から成る混合物となし、
その組成範囲を特定したことにより、 (1)成層圏オゾン層に及ぼす影響をR22よりもさらに
小さく、ほとんどなしとする作動流体の選択の幅を拡大
することが可能である。
(2)トリフルオロメタン単独では使用できない機器の
利用温度においてR22と同程度の蒸気圧を有し、R22の代
替として現行機器で使用可能である。
(3)非共沸混合物の温度勾配の性質を利用して、R22
よりも高い成績係数を期待できる 等の効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図〜第2図は、三種のフロン類の混合物によって構
成される作動流体の、一定温度・一定圧力における平衡
状態を三角座標を用いて示した図である。 1、3……気液平衡線(R22 0℃相当)、2、4……
気液平衡線(R22 50℃相当)。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】トリフルオロメタン、テトラフルオロエタ
    ンおよび1,1−ジフルオロエタンの三種のフロン類から
    なり、前記トリフルオロメタンを5〜50重量%、前記テ
    トラフルオロエタンを95重量%以下、前記1,1−ジフル
    オロエタンを90重量%以下含むこと特徴とする作動流
    体。
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