JPWO2014178353A1 - 熱サイクル用作動媒体 - Google Patents
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Abstract
Description
なお、本明細書において、ハロゲン化炭化水素については、化合物名の後の括弧内にその化合物の略称を記すが、本明細書では必要に応じて化合物名に代えてその略称を用いる。
HFO−1123は各種の方法により製造されるが、どの製造方法を採る場合にも、生成物中に不純物が存在する。そして、このような不純物を含むHFO−1123(以下、粗HFO−1123ともいう。)をそのまま用いた場合には、サイクル性能に優れる作動媒体が得られない場合があった。
また本発明は、トリフルオロエチレンとジフルオロエチレンとジフルオロメタンとを含む熱サイクル用作動媒体であって、作動媒体の全量に対する前記ジフルオロエチレンの割合が1.5質量%未満であり、作動媒体の全量に対する前記トリフルオロエチレンと前記ジフルオロメタンの合計量の割合が80質量%以上であることを特徴とする熱サイクル用作動媒体を提供する。
さらに本発明は、トリフルオロエチレンとジフルオロエチレンと2,3,3,3−テトラフルオロプロペンとを含む熱サイクル用作動媒体であって、作動媒体の全量に対する前記ジフルオロエチレンの割合が1.5質量%未満であり、作動媒体の全量に対する前記トリフルオロエチレンと前記2,3,3,3−テトラフルオロプロペンの合計量の割合が70質量%以上であることを特徴とする熱サイクル用作動媒体を提供する。
さらに、また、本発明は、トリフルオロエチレンとジフルオロエチレンとジフルオロメタンと2,3,3,3−テトラフルオロプロペンとを含む熱サイクル用作動媒体であって、作動媒体の全量に対する前記ジフルオロエチレンの割合が1.5質量%未満であることを特徴とする熱サイクル用作動媒体を提供する。
本発明の実施形態の作動媒体は、HFO−1123とジフルオロエチレンを含有し、作動媒体の全量に対するジフルオロエチレンの割合が1.5質量%未満である。
実施形態の作動媒体は、HFO−1123とジフルオロエチレンの他に、後述する化合物をさらに含有してもよい。
HFO−1123は、地球温暖化係数(GWP)が低く、オゾン層への影響が少なく地球温暖化への影響が少ない。また、HFO−1123は、作動媒体としての能力に優れ、特にサイクル性能(例えば、後述する方法で求められる成績係数および冷凍能力)に優れている。
HFO−1123の含有量は、サイクル性能の点から、作動媒体の全量(100質量%)に対して20質量%以上が好ましく、30質量%以上がより好ましく、40質量%以上がさらに好ましい。
本発明の作動媒体においては、HFO−1123を、後述するHFC−32等と混合してHFO−1123の含有量を抑えることで、自己分解反応を抑えることができる。HFO−1123の含有割合を80質量%以下とした場合、熱サイクルシステムに適用する場合の温度や圧力条件下では自己分解性を有しないため、安全性の高い作動媒体を得ることができる。
ジフルオロエチレンは、HFO−1123の製造の際に副生し、不純物として生成組成物中に存在する化合物である。ジフルオロエチレンとしては、1,1−ジフルオロエチレン(HFO−1132a)と、E−および/またはZ−1,2−ジフルオロエチレン(HFO−1132)を挙げることができる。なお、E−および/またはZ−は、E体とZ体の混合物を意味し、E/Z−とも示す。
本発明におけるジフルオロエチレンの量はHFO−1132aとHFO−1132の合計量を意味するが、本発明の作動媒体としては特にHFO−1123の製造の際に副生し易く、不純物として生成組成物中に残存しやすいHFO−1132aが少ないことが好ましい。
なお、ジフルオロエチレンの含有量は、作動媒体の全量に対して4ppm以上とすることが好ましく、50ppm以上がさらに好ましく、100ppm以上が最も好ましい。含有量が4ppm以上であれば、粗HFO−1123を精製し不純物としてのジフルオロエチレンを低減する工程が簡略化できるという利点がある。
本発明の作動媒体は、HFO−1123およびジフルオロエチレン以外に、ヒドロフルオロカーボン(HFC)、およびその他のヒドロフルオロオレフィン(HFO)をさらに含むことができる。
本発明の作動媒体がHFC−32を含有する場合、HFO−1123とHFC−32の各含有量の割合は、HFO−1123とHFC−32との合計を100質量%として、HFO−1123を10〜99質量%、HFC−32を90〜1質量%が好ましく、HFO−1123を20〜99質量%、HFC−32を80〜1質量%がより好ましく、HFO−1123を25〜99質量%、HFC−32を75〜1質量%が特に好ましい。特に、HFO−1123の含有割合が90質量%であり、HFC−32の含有割合が10質量%である組成物は、気液両相の組成比の差が極めて小さく、共沸組成物となるので安定性に優れている。
本発明の作動媒体がHFO−1234yfを含有する場合、HFO−1123とHFO−1234yfの合計量に対するHFO−1123の含有量の割合は、35〜95質量%が好ましく、40〜95質量%がより好ましく、50〜90質量%がさらに好ましく、50〜85質量%がよりさらに好ましく、60〜85質量%が最も好ましい。
HFO−1123とHFO−1234yfの合計量の作動媒体の全量に対する割合は、70質量%以上が好ましい。80質量%以上がより好ましく、90質量%以上がさらに好ましく、95質量%以上が特に好ましい。HFO−1123の含有量は、作動媒体の全量に対して20質量%以上であることが好ましく、40質量%以上であることがより好ましい。HFO−1123とHFO−1234yfの合計量が上記範囲内であれば、熱サイクルに用いた際に一定の能力を維持しながら効率をより高めることで、良好なサイクル性能が得られる。
HFO−1123をはじめとする各成分の割合を前記範囲内にすることで、地球温暖化への影響を抑えつつ、熱サイクルに用いた際に実用上十分なサイクル性能が得られる作動媒体とすることができる。
本発明の作動媒体には、HFO−1123、HFC−32、HFO−1234yfおよびジフルオロエチレン以外に、その他の成分を含有してもよい。その他の成分の含有量は、作動媒体の全量を100質量%として、ジフルオロエチレンとその他の成分の合計量で1.5質量%未満が好ましく、1.4質量%以下がより好ましい。
HFO−1123を製造する方法としては、例えば、(I)クロロトリフルオロエチレン(CTFE)(CFO−1113)の水素還元と、(II)クロロジフルオロメタン(HCFC−22)とクロロフルオロメタン(HCFC−31)との熱分解を伴う合成、および(III)1,1,1,2−テトラフルオロエタン(HFC−134a)と固体反応剤との接触反応の3つの方法を挙げることができる。
CFO−1113と水素とを、触媒担持担体が充填された触媒層を有する反応器内で気相で反応させ、HFO−1123を含むガスを生成する。
この方法では、反応器内で[化1]の反応式に示す反応が行われる。
HCFC−22とHCFC−31を含む原料組成物を用い、熱媒体の存在下で熱分解を伴う合成反応によりHFO−1123を製造する。
この製造方法では、HCFC−22の1モルに対してHCFC−31を0.01〜4.0モルの割合で予め混合し、または別々に反応器に供給して反応器内に滞留させ、一方熱媒体を反応器に供給し、反応器内で前記原料組成物と接触させる。反応器内の温度は、400〜1200℃とすることが好ましい。
熱媒体は、反応器内の温度で熱分解が生じない媒体であり、水蒸気を50体積%以上含み、残部が窒素および/または二酸化炭素である気体の使用が好ましい。熱媒体の供給量は、熱媒体と前記原料組成物の供給量の合計に対して20〜98体積%が好ましい。熱媒体と原料組成物との反応器内での接触時間は、0.01〜10秒間とするのが好ましく、反応器内の圧力は、ゲージ圧で0〜2.0MPaとするのが好ましい。
HFC−134aを含む原料ガスと固体反応剤とを反応器内で接触させて反応させ、HFO−1123を含む組成物(ガス)を生成する。固体反応剤としては、例えば、粒子状の酸化カルシウムを使用することができる。
この態様における反応器内の主な反応を、[化3]の式に示す。
HFC−32を製造する方法としては、ジクロロメタン(HCC−30)とフッ化水素とを、フッ化アルミニウム触媒、またはフッ化アルミニウムを担体と混合成型した触媒、あるいはフッ化クロムを担体に担持させた触媒を用い、200〜500℃の温度で気相反応させる方法を挙げることができる。この方法では、反応器の出口ガスに、目的とするHFO−32とともに、HFC−31が含有される。また、未反応のHCC−30も含有される。
HFO−1234yfを製造する方法としては、(i)ジクロロペンタフルオロプロパン(HCFC−225)の異性体混合物を用いる方法(225法)、(ii)ヘキサフルオロプロペン(FO−1216)を原料化合物とする方法(HFP法)、(iii)1,1,2,3−テトラクロロプロペン(HCC−1230)を出発物質とする方法(TCP法)、(iv)熱媒体存在下、原料組成物を熱分解を伴う合成反応させる方法等を挙げることができる。
HCFC−225の異性体混合物を用いてHFO−1234yfを製造する。この方法では、以下の[化4]に示す反応経路の通り、原料中の1,1−ジクロロ−2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロパン(HCFC−225ca)を選択的に脱フッ化水素させて1,1−ジクロロ−2,3,3,3−テトラフルオロプロペン(CFO−1214ya)を製造し、得られるCFO−1214yaを還元してHFO−1234yfを製造する。
HCC−1230を出発物質として、HFO−1234yfを生成する。すなわち、以下の[化7]に示す反応経路の通り、HCC−1230をフッ化水素でフッ素化して2−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233xf)とした後、このHCFO−1233xfをフッ化水素と反応させて2−クロロ−1,1,1,2−テトラフルオロプロパン(HCFC−244bb)とし、さらにHCFC−244bbを脱ハロゲン化水素してHFO−1234yfを生成する。
熱媒体存在下、原料組成物から熱分解を伴う合成反応によりHFO−1234yfを製造する。熱媒体としては、水蒸気、窒素、二酸化炭素等が使用される。水蒸気を50体積%以上含み、残部が窒素および/または二酸化炭素である気体の使用が好ましい。
具体的には、以下の(iv−1)〜(iv−6)に示す化合物を含む原料組成物が使用される。そして、それぞれの項に示す化合物が、HFO−1234yfおよび未反応の原料成分以外に、反応器からの出口ガスの成分(不純物)として得られる。
HCFC−22とHCC−40を所定の割合で混合して、または別々に反応器に供給するとともに、反応器に熱媒体を供給し、反応器内でHCFC−22とHCC−40を含む原料組成物と熱媒体とを接触させ、熱分解を伴う合成反応により、HFO−1234yfとHFO−1132aを生成する。反応器内の温度は、400〜1200℃とする。反応器内の主な反応を以下の[化8]に示す。
HCFC−22とHCC−40とFO−1114を、予め混合してまたは別々に反応器に供給し、反応器内に所定の時間滞留させ、熱媒体を反応器に供給し、反応器内で原料組成物と熱媒体とを接触させる。そして、熱分解を伴う合成反応により、HFO−1234yfとHFO−1132aを生成する。反応器内の温度は、400〜1200℃とする。反応器内の主な反応を以下の[化9]に示す。
熱媒体存在下、R318とHCC−40を含む原料組成物から、熱分解を伴う合成反応によりHFO−1234yfおよびHFO−1132aを製造する。反応器の出口ガスに含有されるHFO−1234yfとHFO−1132aおよび未反応の原料成分以外の化合物としては、メタン、エチレン、HFC−22、FO−1114、FO−1216、CFO−1113、HFO−1123、HFO−1234ze、HFO−1132等が挙げられる。
熱媒体存在下、FO−1216とHCC−40を含む原料組成物から、熱分解を伴う合成反応によりHFO−1234yfおよびHFO−1132aを製造する。反応器の出口ガスに含有されるHFO−1234yfとHFO−1132aおよび未反応の原料成分以外の化合物としては、メタン、エチレン、HFC−22、HFC−23、FO−1114、FO−1216、CFO−1113、RC318、HFO−1123、HFO−1234ze、HFO−1132等が挙げられる。
熱媒体存在下、HFC−22および/またはFO−1114と、メタンを含む原料組成物から、熱分解を伴う合成反応によりHFO−1234yfとHFO−1132aを製造する。反応器の出口ガスに含有されるHFO−1234yfとHFO−1132aおよび未反応の原料成分以外の化合物としては、メタン、エチレン、FO−1114、FO−1216、CFO−1113、RC318、HFO−1123、HFO−1243zf等が挙げられる。
熱媒体存在下、FO−1114とHCC−40を含む原料組成物から、熱分解を伴う合成反応によりHFO−1234yfを製造する。原料組成物および熱媒体が供給される反応器内の温度は400〜870℃とする。反応器の出口ガスに含有されるHFO−1234yfおよび未反応の原料成分以外の化合物としては、メタン、エチレン、FO−1216、CFO−1113、RC318、HFO−1132a、HFO−1123、HFO−1243zf等が挙げられる。
冷凍・冷蔵機器として、具体的には、ショーケース(内蔵型ショーケース、別置型ショーケース等)、業務用冷凍・冷蔵庫、自動販売機、製氷機等が挙げられる。
発電システムとして、具体的には、蒸発器において地熱エネルギー、太陽熱、50〜200℃程度の中〜高温度域廃熱等により作動媒体を加熱し、高温高圧状態の蒸気となった作動媒体を膨張機にて断熱膨張させ、該断熱膨張によって発生する仕事によって発電機を駆動させ、発電を行うシステムが例示される。
熱輸送装置としては、潜熱輸送装置が好ましい。潜熱輸送装置としては、装置内に封入された作動媒体の蒸発、沸騰、凝縮等の現象を利用して潜熱輸送を行うヒートパイプおよび二相密閉型熱サイフォン装置が挙げられる。ヒートパイプは、半導体素子や電子機器の発熱部の冷却装置等、比較的小型の冷却装置に適用される。二相密閉型熱サイフォンは、ウィッグを必要とせず構造が簡単であることから、ガス−ガス型熱交換器、道路の融雪促進および凍結防止等に広く利用される。
HFO−1123と、HFC−32および/またはHFO−1234yfを表3に示す割合で含み、かつ作動媒体に対してHFO−1132aを同表に示す割合で含有する作動媒体を作製した。そして、これらの作動媒体について、以下の方法で、冷凍サイクル性能(以下、冷凍能力Qという。)を測定した。
なお、冷凍能力Qは負荷流体を冷凍する能力を意味しており、Qが高いほど同一のシステムにおいて、多くの仕事ができることを意味している。言い換えると、大きなQを有する場合は、少量の作動媒体で目的とする性能が得られることを表しており、システムの小型化が可能となる。
冷凍能力Qの測定は、図1に示す冷凍サイクルシステム10に作動媒体を適用して、図2に示す熱サイクル、すなわちAB過程で圧縮機11による断熱圧縮、BC過程で凝縮器12による等圧冷却、CD過程で膨張弁13による等エンタルピ膨張、DA過程で蒸発器14による等圧加熱を実施した場合について行った。
なお、2013年4月30日に出願された日本特許出願2013−095491号および2014年2月20日に出願された日本特許出願2014−030855号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
Claims (14)
- トリフルオロエチレンとジフルオロエチレンを含有し、作動媒体の全量に対する前記ジフルオロエチレンの割合が1.5質量%未満であることを特徴とする熱サイクル用作動媒体。
- 前記ジフルオロエチレンが1,1−ジフルオロエチレンである、請求項1に記載の熱サイクル用作動媒体。
- 作動媒体の全量に対する前記トリフルオロエチレンの割合が20質量%以上である、請求項1または2に記載の熱サイクル用作動媒体。
- さらに、ヒドロフルオロカーボンおよび/またはヒドロフルオロオレフィンを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱サイクル用作動媒体。
- 前記ヒドロフルオロカーボンがジフルオロメタンである、請求項4に記載の熱サイクル用作動媒体。
- 前記ヒドロフルオロオレフィンが2,3,3,3−テトラフルオロプロペンである、請求項4または5に記載の熱サイクル用作動媒体。
- トリフルオロエチレンとジフルオロエチレンとジフルオロメタンとを含む熱サイクル用作動媒体であって、作動媒体の全量に対する前記ジフルオロエチレンの割合が1.5質量%未満であり、作動媒体の全量に対する前記トリフルオロエチレンと前記ジフルオロメタンの合計量の割合が80質量%以上であることを特徴とする熱サイクル用作動媒体。
- 前記ジフルオロエチレンが1,1−ジフルオロエチレンである、請求項7に記載の熱サイクル用作動媒体。
- 作動媒体の全量に対する前記トリフルオロエチレンの割合が20質量%以上である、請求項7または8に記載の熱サイクル用作動媒体。
- トリフルオロエチレンとジフルオロエチレンと2,3,3,3−テトラフルオロプロペンとを含む熱サイクル用作動媒体であって、作動媒体の全量に対する前記ジフルオロエチレンの割合が1.5質量%未満であり、作動媒体の全量に対する前記トリフルオロエチレンと前記2,3,3,3−テトラフルオロプロペンの合計量の割合が70質量%以上であることを特徴とする熱サイクル用作動媒体。
- 前記ジフルオロエチレンが1,1−ジフルオロエチレンである、請求項10に記載の熱サイクル用作動媒体。
- 作動媒体の全量に対する前記トリフルオロエチレンの割合が20質量%以上である、請求項10または11に記載の熱サイクル用作動媒体。
- トリフルオロエチレンとジフルオロエチレンとジフルオロメタンと2,3,3,3−テトラフルオロプロペンとを含む熱サイクル用作動媒体であって、作動媒体の全量に対する前記ジフルオロエチレンの割合が1.5質量%未満であることを特徴とする熱サイクル用作動媒体。
- 作動媒体の全量に対して、前記トリフルオロエチレンの割合が20質量以上70質量%未満であり、ジフルオロメタンの割合が30質量%以上75質量%以下であり、2,3,3,3−テトラフルオロプロペンの割合が50質量%以下である、請求項13に記載の熱サイクル用作動媒体。
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