JP6641364B2 - 動力サイクルにおける(2e)−1,1,1,4,5,5,5−ヘプタフルオロ−4−(トリフルオロメチル)ペンタ−2−エンの使用 - Google Patents
動力サイクルにおける(2e)−1,1,1,4,5,5,5−ヘプタフルオロ−4−(トリフルオロメチル)ペンタ−2−エンの使用 Download PDFInfo
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Description
本出願は、2014年10月30日に出願された米国特許仮出願第62/072662号の優先権を主張し、当該出願は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
亜臨界動力サイクル又は有機ランキンサイクル(ORC)は、該サイクルで用いられる有機作動流体が、有機作動流体の臨界圧未満の圧力で熱を受け取り、かつ該作動流体が、サイクル全体にわたってその臨界圧未満圧力で保たれるランキンサイクルとして定義される。
本発明によれば、熱を機械エネルギーに変換するための動力サイクル装置が提供される。装置は、HFO−153−10mzzyを含む作動流体を含有する。典型的に、本発明の装置は、作動流体を加熱することができる熱交換ユニットと、その圧力を低下させることによって、加熱された作動流体を膨張させることにより、機械エネルギーを発生させることができる膨張機とを含む。膨張機としては、ターボ又は動的膨張機(例えば、タービン)、及び容積式膨張機(例えば、スクリュー膨張機、スクロール膨張機、ピストン膨張機、及びロータリーベーン膨張機)が挙げられる。機械力は、直接(例えば、圧縮機を駆動するために)用いてもよく、又は発電機の使用を通して電力に変換してもよい。典型的に、装置はまた、膨張した作動流体を冷却するための作動流体冷却ユニット(例えば、凝縮器又は熱交換器)、及び冷却された作動流体を圧縮するための圧縮機(例えば液体ポンプ)を含む。
更に注目すべきは、組成物が作動流体の臨界温度よりも高い温度を有し、潤滑剤がその温度での使用に好適である、作動流体のことである。
高温におけるHFO−153−10mzzyの化学的安定性
ANSI/ASHRAE Standard 97−2007の方法論にしたがって、封止したガラス管中で試験することで、HFO−153−10mzzyの熱安定性を評価した。一般的にヒートポンプ及び他の設備の構造物に使用される金属片(Fe、Al、Cu、ステンレス鋼304)を、ガラス管中でHFO−153−10mzzyのサンプルに浸漬させて載置した。管を封止し、175℃で32日間、オーブン中で加熱した。32日間の時間経過後、HFO−153−10mzzyの分解を、フッ化物イオン濃度(百万分率(ppm))を測定することによって定量化した。HFO−153−10mzzyの分解によって生じるフッ化物イオンの濃度は、100ppm未満であり、これは、良好な熱安定性を示すものである。HFO−153−10mzzyは、その化学的不飽和性にもかかわらず、下の表1に示されるNovec(登録商標)HFE−7100と同様の熱安定性を示した。
膨張機入口温度200℃における熱からの動力生成に関するHFO−153−10mzzyを用いる場合とHFC−245faを用いる場合との比較
表2は、利用可能な熱を使用して膨張機入口温度を200℃に維持した場合の、HFO−153−10mzzy及びHFC−245faを作動流体として用いて運転されるランキン動力サイクルの性能を比較している。使用可能な設備は最高許容動作圧力を3MPaに制限するものとして更に想定される。凝縮器温度は100℃とし、これは、凝縮器の熱が地域暖房ネットワークに供給される熱電併給(CHP)コージェネレーション運転に適した値である。更なる共通運転条件は表2の見出し記載されている。HFO−153−10mzzyは、HFC−245faよりも実質的に低いGWPを有することに加えて、HFC−245fa用いる場合よりも27%高い理想的なサイクルエネルギー効率を可能にする。
1.熱源からの熱を機械エネルギーに変換する方法であって、前記熱源から供給される熱を使用して(2E)−1,1,1,4,5,5,5−ヘプタフルオロ−4−(トリフルオロメチル)ペンタ−2−エン(HFO−153−10mzzy)を含む作動流体を加熱する工程と;前記加熱された作動流体を膨張させて、前記作動流体の圧力を低下させ、前記作動流体の前記圧力が低下されるときに機械エネルギーを発生させる工程と、を含む、方法。
2.前記作動流体が、加熱前に圧縮され、前記膨張した作動流体が、繰り返しサイクルのために冷却及び圧縮される、前記1に記載の方法。
3.熱源からの熱が、
(a)液体作動流体をその臨界圧力未満の圧力に圧縮する工程と;
(b)前記熱源によって供給される熱を使用して(a)からの前記圧縮された液体作動流体を加熱して蒸気作動流体を形成する工程と;
(c)(b)からの前記蒸気作動流体を膨張させて前記作動流体の圧力を下げ、そして機械的エネルギーを発生させる工程と;
(d)(c)からの前記膨張した作動流体を冷却して冷却された液体作動流体を形成する工程と;
(e)(d)からの前記冷却された液体作動流体を圧縮のための(a)に循環させる工程と
を含む亜臨界サイクル(sub-critical cycle)を用いて、機械的エネルギーに変換される前記2に記載の方法。
4.熱源からの熱が、
(a)液体作動流体を前記作動流体の臨界圧力を超える圧力に圧縮する工程と;
(b)前記熱源によって供給される熱を使用して(a)からの前記圧縮された作動流体を加熱する工程と;
(c)(b)からの前記加熱された作動流体を膨張させて前記作動流体の圧力を、その臨界圧力未満に下げ、そして機械的エネルギーを発生させる工程と;
(d)(c)からの前記膨張した作動流体を冷却して冷却された液体作動流体を形成する工程と;
(e)(d)からの前記冷却された液体作動流体を圧縮のための(a)に循環させる工程と
を含む遷移臨界サイクル(trans-critical cycle)を用いて、機械的エネルギーに変換される前記2に記載の方法。
5.熱源からの熱が、
(a)作動流体をその臨界圧力を超える圧力からより高い圧力に圧縮する工程と;
(b)前記熱源によって供給される熱を使用して(a)からの前記圧縮された作動流体を加熱する工程と;
(c)(b)からの前記加熱された作動流体を膨張させて前記作動流体の圧力を、その臨界圧力を超える圧力まで下げ、そして機械的エネルギーを発生させる工程と;
(d)(c)からの前記膨張した作動流体を冷却してその臨界圧力を超える冷却された作動流体を形成する工程と;
(e)(d)からの前記冷却された液体作動流体を圧縮のための(a)に循環させる工程と
を含む超臨界サイクルを用いて、機械的エネルギーに変換される前記2に記載の方法。
6.前記作動流体が、HFO−153−10mzzyから本質的になる不燃性組成物である、前記1に記載の方法。
7.前記作動流体が、1重量パーセント超から約100重量パーセントまでのHFO−153−10mzzyを含む、前記1に記載の方法。
8.前記熱源が比較的低温の熱源である、前記1に記載の方法。
9.前記比較的低温の熱源が、低圧蒸気、産業廃熱、太陽エネルギー、地熱温水、低圧地熱蒸気、低圧地熱蒸気、及び燃料電池又は原動機を利用する分散型発電装置からなる群から選択される、前記8に記載の方法。
10.繰り返しサイクルの最大動作圧が4MPaを超えない、前記1に記載の方法。
11.前記繰り返しサイクルの最大動作圧が2.0MPaを超えない、前記10に記載の方法。
12.熱を機械エネルギーに変換する効率が、少なくとも約4%である、前記1に記載の方法。
13.熱を機械エネルギーに変換するための作動流体を含有する動力サイクル装置であって、前記装置が、(2E)−1,1,1,4,5,5,5−ヘプタフルオロ−4−(トリフルオロメチル)ペンタ−2−エン(HFO−153−10mzzy)を含む作動流体を含有することを特徴とする、動力サイクル装置。
14.(a)熱交換ユニットと;(b)前記熱交換ユニットと流体連通している膨張機と;(c)前記膨張機と流体連通している作動流体冷却ユニットと、(d)前記作動流体冷却ユニットと流体連通している圧縮機とを含み、前記圧縮機は、前記作動流体がその後繰り返しサイクルで構成要素(a)、(b)、(c)及び(d)の通過を繰り返すように更に前記熱交換ユニットと流体連通している、前記13に記載の動力サイクル装置。
15.前記作動流体が、熱源からの熱を使用することによって熱を機械エネルギーに変換する、前記13に記載の動力サイクル装置。
16.前記熱源が、低圧蒸気、産業廃熱、太陽エネルギー、地熱温水、低圧地熱蒸気、低圧地熱蒸気、及び燃料電池又は原動機を利用する分散型発電装置からなる群から選択される比較的低温の熱源である、前記15に記載の動力サイクル装置。
17.前記動力サイクル装置の最大動作圧が4MPaを超えない、前記13に記載の動力サイクル装置。
18.前記動力サイクル装置の最大動作圧が2.00MPaを超えない、前記17に記載の動力サイクル装置。
19.熱を機械エネルギーに変換する効率が、少なくとも約4%である、前記13に記載の動力サイクル装置。
20.前記動力サイクルが、亜臨界サイクル、遷移臨界サイクル、又は超臨界サイクルである、前記15に記載の動力サイクル装置。
21.前記動力サイクルが亜臨界サイクルであり、前記作動流体が前記熱源によって加熱される温度は、約50℃〜約165℃の範囲内である、前記20に記載の動力サイクル装置。
22.前記作動流体が前記熱源によって加熱される温度は、約80℃〜約165℃の範囲内である、前記22に記載の動力サイクル装置。
23.前記作動流体が前記熱源によって加熱される温度は、約125℃〜約165℃の範囲内である、前記23に記載の動力サイクル装置。
24.前記動力サイクルが、遷移臨界サイクル又は超臨界サイクルであり、前記作動流体が前記熱源によって加熱される温度は、約171℃〜約400℃の範囲内である、前記20に記載の動力サイクル装置。
25.前記作動流体が前記熱源によって加熱される温度は、約175℃〜約300℃の範囲内である、前記24に記載の動力サイクル装置。
26.前記熱源の温度が、約185℃〜約250℃の範囲内である、前記25に記載の動力サイクル装置。
27.前記動力サイクルがランキンサイクルである、前記13に記載の動力サイクル装置。
28.(2E)−1,1,1,4,5,5,5−ヘプタフルオロ−4−(トリフルオロメチル)ペンタ−2−エン(HFO−153−10mzzy)を含む、動力サイクル装置用作動流体。
29.HFO−153−10mzzyから本質的になり、前記作動流体がその臨界温度及び圧力よりも高い温度及び圧力で動作する、前記27に記載の作動流体。
30.前記28に記載の作動流体と潤滑剤とを含む、動力サイクル装置で用いるのに適した組成物。
31.前記作動流体の組成物成分が、HFO−153−10mzzyから本質的になる、前記30に記載の組成物。
32.前記動力サイクル装置の最大動作圧が4MPaを超えない、前記30に記載の組成物。
33.前記動力サイクル装置の最大動作圧が2.0MPaを超えない、前記32に記載の組成物。
34.第1の作動流体を含有する既存の動力サイクルシステムの最高実現可能蒸発温度を上昇させる方法であって、前記第1の作動流体を、(2E)−1,1,1,4,5,5,5−ヘプタフルオロ−4−(トリフルオロメチル)ペンタ−2−エンを含む第2の作動流体と取り替える工程を含む、方法。
35.前記動力サイクルシステムがランキンサイクルシステムである、前記34に記載の方法。
36.動力サイクルにおける作動流体としての(2E)−1,1,1,4,5,5,5−ヘプタフルオロ−4−(トリフルオロメチル)ペンタ−2−エン(HFO−153−10mzzy)の使用。
Claims (15)
- 熱源からの熱を機械エネルギーに変換する方法であって、前記熱源から供給される熱を使用して(2E)−1,1,1,4,5,5,5−ヘプタフルオロ−4−(トリフルオロメチル)ペンタ−2−エン(HFO−153−10mzzy)からなる作動流体を加熱する工程と;前記加熱された作動流体を膨張させて、前記作動流体の圧力を低下させ、前記作動流体の前記圧力が低下するときに機械エネルギーを発生させる工程と、を含み、前記作動流体が加熱前に圧縮され、かつ前記膨張した作動流体が繰り返しサイクルのために冷却及び圧縮される、方法。
- 熱源からの熱が、(a)液体作動流体を、2.04MPaよりも低い圧力に圧縮する工程と;(b)(a)からの前記圧縮された液体作動流体を、前記熱源によって供給された熱を用いて加熱して、蒸気作動流体を形成する工程と;(c)(b)からの前記蒸気作動流体を膨張させて前記作動流体の圧力を下げ、そして機械的エネルギーを発生させる工程と;(d)(c)からの前記膨張した作動流体を冷却して、冷却された液体作動流体を形成する工程と;(e)(d)からの前記冷却された液体作動流体を、圧縮のための(a)に循環させる工程と、を含む亜臨界サイクルを用いて、機械エネルギーに変換される、請求項1に記載の方法。
- 熱源からの熱が、(a)液体作動流体を、2.04MPaよりも高い圧力に圧縮する工程と;(b)(a)からの前記圧縮された作動流体を、前記熱源によって供給された熱を用いて加熱する工程と;(c)(b)からの前記加熱された作動流体を膨張させて、前記作動流体の圧力を2.04MPa未満に低下させ、機械的エネルギーを発生させる工程と;(d)(c)からの前記膨張した作動流体を冷却して、冷却された液体作動流体を形成する工程と;(e)(d)からの前記冷却された液体作動流体を、圧縮のための(a)に循環させる工程と、を含む遷移臨界サイクルを用いて、機械エネルギーに変換される、請求項1に記載の方法。
- 熱源からの熱が、(a)前記作動流体を2.04MPaよりも高い圧力からより高い圧力に圧縮する工程と;(b)(a)からの前記圧縮された作動流体を、前記熱源によって供給された熱を用いて加熱する工程と;(c)(b)からの前記加熱された作動流体を膨張させて、前記作動流体の圧力を2.04MPaよりも高い圧力まで低下させ、機械的エネルギーを発生させる工程と;(d)(c)からの前記膨張した作動流体を冷却して、その臨界圧よりも高い圧力の冷却された作動流体を形成する工程と;(e)(d)からの前記冷却された液体作動流体を、圧縮のための(a)に循環させる工程と、を含む超臨界サイクルを用いて、機械エネルギーに変換される、請求項1に記載の方法。
- 前記熱源が、低圧蒸気、産業廃熱、太陽エネルギー、地熱温水、低圧地熱蒸気、及び燃料電池又は原動機を利用する分散型発電装置からなる群から選択される、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- 繰り返しサイクルの最大動作圧が4MPaを超えない、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- 熱を機械エネルギーに変換するための作動流体を含有する動力サイクル装置であって、前記装置が、(2E)−1,1,1,4,5,5,5−ヘプタフルオロ−4−(トリフルオロメチル)ペンタ−2−エン(HFO−153−10mzzy)からなる作動流体を含有することを特徴とする、動力サイクル装置。
- (a)熱交換ユニットと;(b)前記熱交換ユニットと流体連通している膨張機と;(c)前記膨張機と流体連通している作動流体冷却ユニットと;(d)前記作動流体冷却ユニットと流体連通している圧縮機とを含み、前記圧縮機は、前記作動流体がその後繰り返しサイクルで構成要素(a)、(b)、(c)及び(d)の通過を繰り返すように更に前記熱交換ユニットと流体連通している、請求項7に記載の動力サイクル装置。
- 前記作動流体が、低圧蒸気、産業廃熱、太陽エネルギー、地熱温水、低圧地熱蒸気、及び燃料電池又は原動機を利用する分散型発電装置からなる群から選択される熱源からの熱を使用することによって熱を機械エネルギーに変換する、請求項7または8に記載の動力サイクル装置。
- 前記動力サイクル装置の最大動作圧が4MPaを超えない、請求項7から9のいずれか一項に記載の動力サイクル装置。
- 前記動力サイクルが亜臨界サイクルであり、前記作動流体が前記熱源によって加熱される温度は、50℃〜165℃の範囲内である、請求項9に記載の動力サイクル装置。
- 前記動力サイクルが、遷移臨界サイクル又は超臨界サイクルであり、前記作動流体が前記熱源によって加熱される温度は、171℃〜400℃の範囲内である、請求項9に記載の動力サイクル装置。
- 前記動力サイクルがランキンサイクルである、請求項7から12のいずれか一項に記載の動力サイクル装置。
- 第1の作動流体を含有する既存の動力サイクルシステムの最高実現可能蒸発温度を上昇させる方法であって、前記第1の作動流体を、(2E)−1,1,1,4,5,5,5−ヘプタフルオロ−4−(トリフルオロメチル)ペンタ−2−エンからなる第2の作動流体と取り替える工程を含む、方法。
- 前記動力サイクルシステムがランキンサイクルシステムである、請求項14に記載の方法。
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