JP2585938B2 - フッ素化ハイドロカーボンの定沸組成物 - Google Patents

フッ素化ハイドロカーボンの定沸組成物

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、冷媒、エアロゾル噴射剤、熱輸送媒体、気
体誘電体、消火剤、ポリオレフィン又はポリウレタンの
ようなポリマーのための発泡剤又は膨脹剤として、及び
電力サイクル作用流体としての用途のための定沸混合物
に関する。特に、フッ素化ハイドロカーボンの定沸混合
物に関する。具体的には、本発明は、多くの実操業の用
途において冷媒として使用されている、クロロジフルオ
ロメタン（HCFC−22）とクロロペンタフルオロエタン
（CFC−115）との工業用の２成分系共沸物であるRefrig
erant502（Ｒ−502）の代替品としてのペンタフルオロ
エタン（HFC−125）とジフルオロメタン（HFC−123）と
の混合物の使用に関する。
発明の背景 最近、クロロフルオロカーボンの長期にわたる環境的
な影響は、実際の科学的調査のもとにおかれている。こ
れらの塩素含有物質は、紫外線の影響下、成層圏で分解
して塩素原子を放出すると仮定されている。塩素原子
は、成層圏でオゾン層と化学反応すると学説がたてられ
ている。この反応は、成層圏のオゾン層を激減、又は少
なくとも減少させる恐れがあり、こうして、有害な紫外
線照射が地球の保護的なオゾン層を透過する。成層圏の
オゾン層の実質的な減少は、地球上の生物の特性に深刻
な悪影響を与える恐れがある。
約47〜50重量％のHCFC−22と、約53〜50重量％のCFC
−115との共沸混合物（この共沸物は、48.8重量％のHCF
C−22と51.2重量％のCFC−115とを含む）であるRefrige
rant502は、ほどんどの国のスーパーマーケットの冷蔵
ケース用の冷媒として使用されてきた。しかしながら、
CFC−115は、2000年までには廃止されるクロロフルオロ
カーボン化合物であるので、産業界は、Refrigerant502
を環境的により安全なフッ素化ハイドロカーボンに替え
ることを要求されている。
テトラフルオロエタン類（HFC−134及びそのアイソマ
ー（HCFC−134a））は、代替可能であるとして着目され
てきた。しかしながら、その低い蒸気圧（比較的高い沸
点）は、これらの化合物の冷却性能を制限し、Ｒ−502
への適用において、それらを望ましくないものにする。
ペンタフルオロエタン（HFC−125）もまた、Ｒ−502の
代替品として提案されてきたが、そのエネルギー効率
（エバポレーターにより除去される熱を、蒸気を圧縮す
るための電力で割ったもの）は、Ｒ−502より10％低
い。したがって、これらのスーパーマーケットでの適用
に最近必要とされる冷却を達成するために、新たに設計
された装置が要求される。
所望の特性の組み合わせが、単純な（定沸でない）混
合物で達成可能ならば、環境的に安全な物質の混合物も
また、使用されるであろう。しかしながら、単純な混合
物は、冷却システムに使用される装置の設計及び操作に
問題を生じさせる。これらの問題は、おもに、蒸気及び
液相中の成分の分離に起因する。
冷却サイクルが行なわれる温度及び圧力において、蒸
気及び液相の組成が実質的に等しい、２又はそれ以上の
成分の共沸又は定沸混合物は、答えとなることが明らか
であろう。定沸混合物の定義には、共沸に近い混合物が
含まれる。米国特許第4,810,403号は、共沸に近い混合
物が、蒸気の損失後でさえ実質的に一定の蒸気圧を維持
し、それによって、一定の沸騰特性を示すことを教えて
いる。
本発明の目的は、低沸点かつ不燃性であり、冷媒、エ
アロソル噴射剤、熱輸送媒体、気体誘電体、消火剤、ポ
リマーの膨脹又は発泡剤として、並びに電力サイクル作
用流体としての使用に適切な、少なくとも２つのハイド
ロフルオロカーボンの定沸組成物を提供することにあ
る。
発明の概要 本発明によれば、約10〜90重量％のペンタフルオロエ
タン、すなわちHFC−125としても知られているCF3CHF2
と、約90〜10重量％のジフルオロメタン、すなわちHFC
−32としても知られているCH2F2とを含む、実質的に定
沸である組成物が見出だされた。この組成物は、前述し
た用途、特にスーパーマーケットに設置される冷蔵ケー
スでの使用に適切である。好ましい組成物は、約13〜61
重量％のHFC−125と、約39〜87重量％のHFC−32とを含
む。より好ましい組成物は、約13〜23重量％のHFC−125
と、約77〜87重量％のHFC−32とを含むが、最も好まし
いものは、−15.3℃、70.2psiaで決定される約18.5重量
％のHFC−125と約81.5重量％のHFC−32との共沸組成物
である。
上述した好ましい組成物、より好ましい組成物、及び
最も好ましい組成物は、共沸組成物に近接したものをベ
ースとする。しかしながら、本発明の工業的な用途は、
最近の実操業の装置におけるＲ−502の代替品としてで
あろう。共沸組成物から離れた組成物が実質的に定沸を
維持することが、偶然見出だされた。その組成物は、よ
り燃焼性が低く（HFC−32が60％未満であるので）、よ
り低い圧縮温度で冷却装置内で作用し、Ｒ−502の表面
張力に匹敵する。要約すれば、Ｒ−502を用いている最
近の実操業の装置に、実質的な変化を少しも与えず作用
する。
工業的操作のためのそのような魅力ある組成物は、約
10〜45重量％のHFC−32と、約55〜90重量％のHFC−125
とを含む。より好ましい工業的な組成物は、約15〜40重
量％のHFC−32と、約60〜85重量％のHFC−125とを含
み、最も好ましい組成物は、約20〜30重量％のHFC−32
と、約70〜80重量％のHFC−125とを含む。
本発明の組成物は、以下の実施例３〜９に示すよう
に、−30゜F〜115゜Fの温度、24psia〜415psiaの圧力に
おいて、その安定性と共沸状の特性とを維持するので、
冷却用途に特に有用である。本発明の組成物は、−50゜
Fの低温から350゜Fの高温まで、成功して使用されする
ことができる。
新規な共沸物及び本発明の実質的に定沸である組成物
は、実質的に圧力差を有しない露点及び泡立ち点を示
す。当業者によく知られているように、露点圧力と泡立
ち点圧力との間の差は、混合物の定沸挙動の目安であ
る。本発明の実質的に定沸である混合物によって証明さ
れる圧力差は、非共沸組成物、二成分組成物と比較して
非常に小さい。これらの組成物は、それぞれ、ペンタフ
ルオロエタン（HFC−125）と1,1,1,2−テトラフルオロ
エタン（HFC−134a）との（50＋50）重量％混合物、及
びクロロジフルオロメタン（HCFC−22）と１−クロロ−
1,1−ジフルオロエタン（HCFC−142b）との（50＋50）
重量％混合物である。また、本発明の実質的に定沸であ
る混合物によって証明される圧力差は、米国特許第4,81
0,403号に記載されているHCFC−22、HFC−152a、及びHC
FC−124の共沸に近い組成物についての値よりも小さ
い。
表１に示すデータは、本発明でクレームされた組成物
の共沸状の挙動を裏付ける。
この開示を明瞭にする目的のために、“共沸”又は
“定沸”は、実質的に共沸である又は実質的に定沸であ
ることを意図される。換言すれば、−15.3℃、70.2psia
における上述した真の共沸物のみがこれらの用語の意味
に含まれるのではなく、異なる割合で同様の成分を含む
他の組成物もまた含まれる。これらの組成物は、同様の
共沸系の一部であって、また実質的に定沸である組成物
と同様に、他の温度及び圧力においては真の共沸物であ
る。当業者によく知られているように、共沸物と同様の
成分を含む組成物に範囲があり、冷却及びその他の用途
について実質的に等しい特性を示すのみならず、定沸特
性、又は沸騰の際に分離又は分留しない傾向に関して、
−15.3℃、70.2psiaで実質的に等しい特性を示す。
新規な共沸混合物は、混合物を凝縮し、その後、冷却
される物体の近傍でその凝縮物を蒸発させることによっ
て、冷却に使用することができる。また、新規な共沸混
合物は、加熱される物体の近傍で冷媒を凝縮させ、その
後、凝縮物を蒸発させることによって、熱を発生させる
ために使用することもできる。
共沸混合物は、実質的に単一物質のように挙動するの
で、共沸混合物の使用は、システム操作での成分の分別
及び取扱いの問題を除去する。実質的に定沸である組成
物のいくつかは、実質的に不燃性であるという利点を提
供する。
表２に示される１又はそれ以上の成分は、実質的に定
沸である二成分混合物であるHFC−125/HFC−32と組み合
わせて、同様の使用のための三成分、又はより多成分の
実質的に定沸である混合物を提供することができるとと
もに、加えられた成分に特有の優れた特性を加えること
が理解されるべきである。
表 ２ 命 名 化学式 HCFC−22 CHClF2 HFC−134a CF3CH2F HFC−134 CHF2CHF2 HFC−134a CH3CH3 HFC−161 CH2FCH3 FC−218 CF3CF2CF3 プロパン CH3CH2CH3 HFC−23 CHF3 HFC−227ea CF3CHFCF3 本発明は、以下の実施例を参照することによって、明
確に理解されるであろう。
実施例１ ペンタフルオロエタン及びジフルオロメタンについて
の相研究をおこなった。ここで、組成は変化させて、−
15.3℃の一定温度での蒸気圧を測定した。最大の蒸気圧
によって証明されるような共沸組成物が得られ、以下の
ように同定した。
ペンタフルオロエタン＝18.5±２重量％ ジフルオロメタン＝81.5±２重量％ 蒸気圧＝70.2psia（15.3℃） 実施例２ 最少の留分、及び蒸発損失中での蒸気圧の変化を証明
するために、ペンタフルオロエタン及びジフルオロメタ
ンについての相研究をおこなった。ペンタフルオロエタ
ンとジフルオロメタンとを含む配合物を、75ccのステン
レススチール製シリンダー内で調製した。シリンダー
は、マグネティックスターラーで撹拌し、23.8℃の恒温
浴に入れた。蒸気スペースは、低い割合で漏出が許され
た。圧力トランスデューサーを用いて蒸気圧を絶えず測
定し、蒸気は実験中の種々の時間に採取し、標準ガスク
ロマトグラフ法を用いて分析した。初期及び最終液体濃
度もまた、ガスクロマトグラフィにより分析した。初期
液体（IQ）、最終液体（FQ）、蒸気組成、蒸気圧デー
タ、及び初期蒸気圧からの蒸気圧の変化を表３に示す。
これらのデータは、初期仕込み量からの80％以上の減
少をもって、実質的に一定（2.87％の変化）の蒸気圧が
維持されることを示す。ジフルオロメタン濃度は、漏出
の間、液相と蒸気相との双方で低下することに着目する
ことは重要である。それゆえ、所期物質が、不燃性、ジ
フルオロメタンが可燃性ではあるが、配合物は、蒸気損
失の場合には、可燃性にならないであろう。
実施例３〜９ 本発明の共沸混合物と、HCFC−22、Refrigerant502、
及びペンタフルオロエタン（HFC−125）単独の場合との
冷却特性の評価を表４に示す。
“性能の係数”（COP）は、コンプレッサーの仕事に
対する総冷却効率の比である。それは、冷却のエネルギ
ー効率の測定である。
総冷却効率は、エパポレーター内の冷媒のエントロピ
ー変化、すなわち、エバポレーター内で冷媒によって除
去された熱である。冷却性能は、固定されたコンプレッ
サーの排気量に基づく。
エバポレーターとコンデンサーとについて第４に示さ
れた状態により特徴付けられる冷却サイクルについて、
本発明の実施例中に示されたCOPは、ペンタフルオロエ
タン（HFC−125）単独の場合のCOPより大きい。
性能データを評価するときに重要な考察は、コンプレ
ッサー排気温度、表面張力、冷却力及びコンデンサー圧
力である。Ｒ−502は、コンプレッサーへの長い冷媒回
収ラインを有する用途において、HCFC−22に取って代わ
るために、最初は開発された。HCFC−22の使用は、高い
コンプレッサー排気温度と初期のコンプレッサーの故障
とをもたらす。より低いコンプレッサー排気温度は、CF
C−115成分のより高い熱容量に起因してＲ−502により
得られた。本発明の目的の１つは、存在している実操業
の装置に最少の変化をもって、Ｒ−502に替わる冷媒を
開発することであるので、代替冷媒は、HCFC−22より低
いコンプレッサー排気温度を生み出さなければならな
い。
表４中のデータは、HCFC−22のコンプレッサー排気温
度は、HFC−32を50％含む混合物に匹敵することを示
す。HFC−32のより高い濃度は、より高い排気温度を引
き起こすであろう。50重量％より低いHFC−32の濃度で
は、Ｒ−502の排気温度に近付くことは明らかである。
Ｒ−502と、HCFC−125/HFC−32混合物とのコンプレッサ
ー排気温度は、HFC−32が約10重量％で一致し、コンプ
レッサー設計の許容は、それより幾分高い温度、恐らく
275゜Fまでの操作を可能にし、約35重量％のHFC−32濃
度をもたらす。
表面張力は、検討するためのもう１つの要因である。
泡立ち及び小滴が発生するコンデンサー及びエバポレー
ター内の冷媒の熱輸送性能は重要であり、それらは、順
番にシステムのエネルギー効率に関係する。事実、“表
面張力は、特に、表面での泡立ち又は小滴の発生を伴っ
て二相熱移動が生じる場合には、最も重要な物理的特性
の１つである”ことが知られている。D.Jung and R.R
adermacher,Transport Properties and Surface Te
nsion of Pure and Mixed Refrigerants,ASHRAE
TRANSACTIONS 1991.,Vol.97,Pt.1。本発明の目的は、
好ましくは、存在している実操業の装置に最少の変化を
もって使用するための、Ｒ−502に替わる冷媒を同定す
ることなので、Ｒ−502と代替混合物についての表面張
力の値が似ていることが有利であろう。表面張力の値
は、Brock and Bird,AICHE Journal,Vol.1,p.174（1
955）の方法によって計算し、表４に示した。Ｒ−502の
値に匹敵する表面張力の値は、約25％のHFC−32におい
て生じる。より高い表面張力の値は、熱交換器表面から
泡立ち及び小滴を除去するためにより、多くのエネルギ
ーが必要とされるので、より望ましくない。
表４中のデータはまた、HFC−32のより低い濃度で、
Ｒ−502の冷却性能及びコンデンサー圧力に近い値が得
られることを示す。HFC−32とHCFC−125との混合物は、
HFCF−22のための代替品としても考えることができる。
また、表４中のデータは、HFC−32のより低い濃度（10
〜30％）により、HCFC−22の冷却性能及びコンデンサー
圧力に近い値が得られることを示す。
組成物の実質的に定沸である特性に悪影響を与えない
潤滑剤、腐食防止剤、安定剤、染料及びその他の適切な
材料は、種々の目的のために本発明の組成物に加えるこ
とができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 // Ｃ０８Ｌ 101:00 (72)発明者 ヨコゼキ、アキミチ アメリカ合衆国、デラウエア州 19807、 ウイルミントン、コングレッショナル・ ドライブ 109、アパートメント・シー (56)参考文献 特開 平３−170585（ＪＰ，Ａ) 特表 平２−511339（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】55〜90重量％のペンタフルオロエタンおよ
    び45〜10重量％のジフルオロメタンを含む、実質的に定
    沸の混合物。
  2. 【請求項２】クロロジフルオロメタン、1,1,1−トリフ
    ルオロエタン、フルオロエタン、オクタフルオロプロパ
    ン、プロパン、トリフルオロメタン及び1,1,1,2,3,3,3
    −ヘプタフルオロプロパンからなる群から選択される少
    なくとも１つの化合物を含む、請求項１記載の実質的に
    定沸の混合物。
  3. 【請求項３】請求項１または２に記載の混合物を凝縮す
    る工程と、その後冷却される物体の近傍で前混合物を蒸
    発させる工程を含む、冷凍を起こす方法。
  4. 【請求項４】請求項１または２に記載の混合物を加熱さ
    れるべき物体の近傍で凝縮する工程と、その後前記混合
    物を蒸発させる工程を含む、加熱を起こす方法。
JP4503822A 1990-12-17 1991-12-12 フッ素化ハイドロカーボンの定沸組成物 Expired - Lifetime JP2585938B2 (ja)

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