JPWO2016052562A1 - 2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン及び1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含有する共沸様組成物 - Google Patents

2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン及び1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含有する共沸様組成物 Download PDF

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Abstract

2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン及び1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含有する共沸様組成物を提供する。本発明の共沸様組成物によれば、不燃性で、環境への影響が小さく、かつ、液相部と気相部との組成が実質的に同一である組成物を提供することができる。また、本発明の共沸混合物様の組成物を用いることにより、不燃性で、環境への影響が小さく、かつ、液相部と気相部との組成が実質的に同一である洗浄剤、溶媒、シリコーン溶剤、発泡剤、冷媒若しくはヒートポンプ用の熱媒体、又は高温作動流体を提供することができる。

Description

本発明は、多くの用途において有用性を有する2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)及び1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)を含有する共沸様組成物に関する。この共沸様組成物は、洗浄剤、溶剤、シリコーン溶剤、発泡剤、冷媒若しくはヒートポンプ用の熱媒体、又は高温作動流体等として有用である。
地球温暖化やオゾン層破壊を防止するために、これまで種々のフロン代替品が提案されてきた。オゾン層を守るために、オゾン破壊元素である塩素を含まないハイドロフルオロカーボン(HFC)類が普及したが、HFCは一般に大気寿命が長く、地球温暖化等の地球環境への影響が大きい。
1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)には、トランス体(E体)、シス体(Z体)の幾何異性体が存在し、それぞれをHCFO−1233zd(E)、HCFO−1233zd(Z)と呼ぶ。また、幾何異性体を区別しない場合や混合物の場合はHCFO−1233zdと呼ぶことがある。沸点が19℃のHCFO−1233zd(E)は次世代発泡剤として商業的に生産されている。沸点39℃のHCFO−1233zd(Z)は溶剤、洗浄剤としての用途が提案されている(特許文献1)。
2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)もHCFO−1233zdと同様に、トランス体(E体)、シス体(Z体)の幾何異性体が存在し、それぞれをHCFO−1224xe(E)、HCFO−1224xe(Z)と呼ぶ。また、幾何異性体を区別しない場合や混合物の場合はHCFO−1224xeと呼ぶことがある。HCFO−1224xeに関する文献は少ないだけでなく、トランス体(E体)、シス体(Z体)の単離例やそれらの沸点等の物性については多くの議論がされてこなかった。
特開2013−103890号公報
フロンやフロン代替品(以下、フロン類と呼ぶことがある)において、これまでに、色々なフロン類を2種類以上混合した混合冷媒が提案されている。例えば、アメリカ暖房冷凍空調学会(ASHRAE)の冷媒番号R502、R507A、R404A、R407C、R410Aなどが混合冷媒として有名である。これらの混合冷媒は、2種類以上のフロン類を特定の比率で混合することにより成績係数、冷凍サイクル、不燃性、地球温暖化係数等が改善されている。
しかし、フロン類は揮発性を有するため、混合物として使う場合、フロン類のいずれかが一方的に蒸発すると、使用時にその組成が変化して、物性が変わってしまう。そのため、液相と実質的に同じ組成で揮発する共沸、もしくは共沸様の組成が好ましい。例えば、前述のR502(R22とR115との混合冷媒)、R507A(R143aとR125との混合冷媒)は共沸組成であるので、気相部と液相部との組成が全く同じであり共沸冷媒として用いられている。R410Aについては、その構成成分であるR32とR125とは非共沸であるが、気相部と液相部との組成が実質的に同じであるため、共沸様冷媒として広く用いられている。
このような共沸組成または共沸様組成は、現在の技術水準では理論的に机上で求めることは困難であり、実際に実験で確認して初めて得られる組成である。
本発明は、地球温暖化等への影響が少ない含フッ素オレフィン類系の共沸様組成を提供することを課題とする。
本発明者らは鋭意検討した結果、2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)と1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)との特定の幾何異性体の組み合わせにおいて、実質的に気相部と液相部との組成が等しい共沸様組成が存在することを見出し、さらに具体的に、2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)及び1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)を含有する共沸様組成物が洗浄剤、溶媒、シリコーン溶剤、発泡剤、冷媒若しくはヒートポンプ用の熱媒体、又は高温作動流体等として有用であることを見出し、本発明を完成するに至った。
具体的には、本発明は、以下の通りである。
<発明1>
2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)と1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)とを含有する共沸様組成物。
<発明2>
トランス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(E))とトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))とを含む共沸様組成物。
<発明3>
トランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))を1mol%以上99.999mol%以下含み、且つトランス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(E))を0.001mol%以上99mol%以下含む共沸様組成物。
<発明4>
シス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))とトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))とを含む共沸様組成物。
<発明5>
シス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))を0.001mol%以上99.999mol%以下含み、且つトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))を0.001mol以上99.999mol%以下含む共沸様組成物。
<発明6>
トランス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(E))とシス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(Z))とを含む共沸様組成物。
<発明7>
トランス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(E))を90%mol以上99.9mol%以下含み、且つシス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(Z))を0.1mol%以上10mol%以下含む共沸様組成物。
<発明8>
トランス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(E))とシス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))とトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))とを含む共沸様組成物。
<発明9>
トランス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(E))とシス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))とトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))とシス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(Z))とを含む共沸様組成物。
<発明10>
発明1〜発明9のいずれかの共沸様組成物を含む洗浄剤。
<発明11>
発明1〜発明9のいずれかの共沸様組成物を含む溶媒。
<発明12>
発明1〜発明9のいずれかの共沸様組成物を含むシリコーン溶剤。
<発明13>
発明1〜発明9のいずれかの共沸様組成物を含む発泡剤。
<発明14>
発明1〜発明9のいずれかの共沸様組成物を含む熱伝導媒体。
<発明15>
発明14の、熱伝導媒体を用いた熱伝導装置。
発明14の、熱伝導媒体を用いた有機ランキンサイクルシステム装置。
発明14の、熱伝導媒体を用いた高温ヒートポンプサイクルシステム。
発明14の、熱伝導媒体を用いた冷凍サイクルシステム。
本発明の共沸様組成物によれば、不燃性で、環境への影響が小さく、かつ、液相部と気相部との組成が実質的に同一である組成物を提供することができる。また、本発明の共沸混合物様の組成物を用いることにより、不燃性で、環境への影響が小さく、かつ、液相部と気相部との組成が実質的に同一である洗浄剤、溶媒、シリコーン溶剤、発泡剤、冷媒若しくはヒートポンプ用の熱媒体、又は高温作動流体を提供することができる。
含フッ素オレフィン類から2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)を製造する過程を説明するための図である。 本発明に係るトランス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(E))及びトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))を含有する混合物におけるトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))の気液平衡曲線を示す図である。 本発明に係るシス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))及びトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))を含有する混合物におけるシス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))の気液平衡曲線を示す図である。 トランス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))の質量比率に対する組成物の沸点を示す。 本発明に係るトランス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(E))及びシス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(Z))を含有する混合物におけるトランス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(E))の気液平衡曲線を示す図である。 本発明に係るシス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))及びシス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(Z))を含有する混合物におけるシス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))の気液平衡曲線を示す図である。 本発明に係るシス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))及びトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))を含む共沸様組成物のPh線図である。 2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタン(HCFC−123)のPh線図である。 本発明に係るシス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))及びトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))を含む共沸様組成物のPh線図である。 2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタン(HCFC−123)のPh線図である。 本発明に係るシス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))及びトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンHCFO−1233zd(E)を含む共沸様組成物のPh線図である。 2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタン(HCFC−123)のPh線図である。 本発明に係るシス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))及びトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンHCFO−1233zd(E)を含む共沸様組成物のTs線図である。 2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタン(HCFC−123)のTs線図である。 本発明に係るシス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))及びトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンHCFO−1233zd(E)を含む共沸様組成物のTs線図である。 2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタン(HCFC−123)のTs線図である。
以下、図面を参照して本発明に係る共沸混合物様の組成物、洗浄剤、溶媒及び発泡剤について説明する。但し、本発明の共沸混合物様の組成物、熱伝達組成物、洗浄剤、洗浄剤及び発泡方法は、以下に示す実施の形態及び実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態及び実施例で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
本発明に係る共沸様組成物は、2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)と1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)とを混合した組成物である。本発明に係る共沸様組成物は、このような混合物であることにより、不燃性であり、且つ組成物を構成する化合物が分子内に二重結合を含み、万一大気に放出されたとしても、その二重結合と大気中のOHラジカルとが反応して速やかに分解されるため環境への負荷が小さく、CFC、HCFC等の代替物として、洗浄剤、溶媒、シリコーン溶剤、発泡剤、冷媒若しくはヒートポンプ用の熱媒体、又は高温作動流体等に用いることができることを、本発明者らは見出した。
<共沸様組成物>
共沸組成物は、所定の圧力下で液体組成物の沸点が固定されており、沸騰中の該液体組成物の蒸気(気相)の組成が沸騰中の液体組成物(液相)の組成と同一であることを特徴とする。即ち、共沸組成物は、液体組成物の沸騰時に該液体組成物の成分の分留が起こらない。それに対して、共沸様組成物は、共沸組成物と同様の挙動をする組成物を指し、所定の圧力下で液体組成物の沸点が実質的に固定されており、液体組成物が揮発する際に、液体の組成と実質的に同一の組成で揮発するため、沸騰中の該液体組成物の蒸気(気相)の組成が沸騰中の液体組成物(液相)の組成に対して無視できる程度にしか変化しないことを特徴とする。即ち、共沸様組成物は、液体組成物の沸騰時に該液体組成物の成分の分留が起こりにくい。例えば、上述したように、R410A(R32とR125との混合冷媒)は非共沸であるが、気相部と液相部との組成が実質的に同じであるため、共沸様冷媒として広く用いられている。フロン代替品用途においては、共沸でも共沸様でも実用上、同一に扱うことができる。本明細書においては、フロン代替品用途において、共沸組成物でも共沸様組成物でも、実用上、厳密に区別する必要がない場合が多いので、共沸または共沸様をともに共沸様と呼び、共沸組成物または共沸様組成物をともに共沸様組成物と呼ぶ。一方、共沸様でない非共沸組成物は、蒸発又は凝縮の間に組成物の気相の組成と組成物の液相の組成とが変化することを特徴とする。
<製造方法>
2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)及び1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)の製造方法は特に限定されない。HCFO−1224xeは、工業的に製造されている含フッ素オレフィン類から製造することができる。
図1は、含フッ素オレフィン類から2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)を製造する過程を説明するための図である。図1を参照して、2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)を製造する過程を説明する。
2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)は、市販されている1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HFO−1234ze)(以下、1,3,3,3−テトラフルオロプロペンのトランス体をHFO−1234ze(E)、シス体をHFO−1234ze(Z)、混合物や幾何異性体を区別しない場合はHFO−1234zeと呼ぶことがある)を塩素化後、脱塩酸することにより製造することができる。出発原料であるHFO−1234zeの幾何異性体は問わないため、HFO−1234ze(E)、HFO−1234ze(Z)、またはそれらの混合物が使用可能である。HFO−1234zeと塩素を光照射下で反応させると、2,3−ジクロロ−1,1,1,3−テトラフルオロプロパン(以下、HCFC−234daと呼ぶことがある)が生成する。次いで、HCFC−234daと水酸化カリウム水溶液等の塩基性水溶液とを接触させるとHCFO−1224xeが生成する。これを高段数の蒸留塔で精密蒸留すると、HCFO−1224xe(Z)とHCFO−1224xe(E)とを単離することができる。HCFC−234daと塩基性水溶液を接触させる際、相関移動触媒を用いると、1,2−ジクロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFC−1223xd)の副生を抑制することができるため好ましい。
2,3−ジクロロ−1,1,1,3−テトラフルオロプロパン(HCFC−234da)にはエリトロ体とトレオ体のジアステレオマー異性体が存在し、それぞれを蒸留分離することができる。HCFC−234daのエリトロ体と水酸化カリウム水溶液等の塩基性水溶液を接触させるとHCFO−1224xe(Z)が主成分としてが生成し、HCFC−234daのトレオ体と水酸化カリウム水溶液等の塩基性水溶液を接触させるとHCFO−1224xe(E)が生成する。ここで、HCFO−1224xe(E)とHCFO−1224xe(Z)とを精密蒸留することは容易ではない。そのため、HCFC−234daジアステロマー異性体を一度単離して、HCFC−234daのエリトロ体及びトレオ体のそれぞれを出発原料にすることにより、高純度のHCFO−1224xe(E)とHCFO−1224(Z)を製造することができる。したがって、上述のように、HCFC−234daのエリトロ体とトレオ体とを一度蒸留分離した後に脱塩酸することは、高純度のHCFO−1224xe(E)及び/またはHCFO−1224xe(Z)を得るための好ましい態様の一つとして挙げられる。
別法として、2−クロロ-1,1,1,3,3−ペンタフルオロプロパン(以下、HCFC−235daと呼ぶことがある)と水酸化カリウム水溶液等の塩基性水溶液とを接触させるとHCFO−1224xe(Z)を得ることができる。なお、HCFC−235daはHCFO−1233zdの製造時に副生物として得ることができる。
1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)は、市販品を用いてもよく、又は製造することにより入手してもよい。HCFO−1233zdの製造方法については、本願出願時の技術常識を参酌することにより、当業者には自明である。例えば、トランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))は、特開平9−183740号公報の記載に基づいて1,1,1,3,3−ペンタクロロプロパン(HCC−240fa)及び無水フッ化水素を用いて製造することができ、シス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(Z))は、米国特許出願公開第2010/152504号明細書の記載に基づいてHCFO−1233zd(E)を異性化することにより製造することができる。
本発明に係る共沸様組成物の成分材料として含まれる2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)及び1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)は高純度品でも良く、製造時やリサイクル時に含まれる不純物を含有するものでも使用可能である。当業者の用途により高純度の共沸様組成物が要求される場合は、高純度のHCFO−1224xe及びHCFO−1233zdを用いることが望ましいが、そうでない用途の場合、汎用品を用いたり、リサイクル品を用いることができる。
<共沸様組成比>
上述したように、共沸もしくは共沸様組成を理論的に算出することは現在の技術水準では困難である。そのため、本発明者らは、2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)の幾何異性体(E体およびZ体)とトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)とを調合し、試行錯誤した結果、以下に述べる共沸様組成を見出した。
[HCFO−1224xe(E)とHCFO−1233zd(E)との組み合わせ]
本発明の一実施形態において、共沸様組成物は、2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペンHCFO−1224xeと1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)とを含み、HCFO−1224xeはトランス体(HCFO−1224xe(E))であり、HCFO−1233zdもトランス体(HCFO−1233zd(E))であることが好ましい。少なくともHCFO−1224xe(E)及びHCFO−1233zd(E)の両方が含まれる場合、本発明の一実施形態に係る共沸様組成物は、任意の組成比で気相部と液相部との組成が実質的に同一であり、当業者が所望する比率で使用可能であるためである。本発明の一実施形態に係る共沸様組成物におけるHCFO−1224xe(E)とHCFO−1233zd(E)との好ましい組成比は、HCFO−1224xe(E)が0.001mol%以上99mol%以下であり、HCFO−1233zd(E)が1mol%以上99.999mol%以下である。さらに、HCFO−1224xe(E)が80mol%以上99mol%以下であり、HCFO−1233zd(E)が1mol%以上20mol%以下である領域と、HCFO−1224xe(E)が0.001mol%以上40%mol以下であり、HCFO−1233zd(E)が60mol%以上99.999mol%以下である領域とは、気相部と液相部との組成が非常に近いため、特に好ましい。
[HCFO−1224xe(Z)とHCFO−1233zd(E)との組み合わせ]
本発明の別の一実施形態において、共沸様組成物は、2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペンHCFO−1224xeと1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)とを含み、HCFO−1224xeはシス体(HCFO−1224xe(Z))であり、HCFO−1233zdはトランス体(HCFO−1233zd(E))であることが好ましい。少なくともHCFO−1224xe(Z)及びHCFO−1233zd(E)の両方が含まれる場合、本発明の一実施形態に係る共沸様組成物は、共沸様組成物におけるHCFO−1224xe(E)とHCFO−1233zd(E)との組成比にかかわらず、気相部と液相部との組成が実質的に同じであるためである。本発明の一実施形態に係る共沸様組成物におけるHCFO−1224xe(E)とHCFO−1233zd(E)との組成比は、HCFO−1224xe(Z)が0.001mol%以上99.999mol%以下であり、HCFO−1233zd(E)が0.001mol%以上99.999mol%以下であることが好ましい。
[HCFO−1224xe(E)とHCFO−1224xe(Z)とHCFO−1233zd(E)との組み合わせ]
本発明のさらに別の一実施形態において、共沸様組成物は、2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)と1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)とを含み、HCFO−1224xeはトランス体(HCFO−1224xe(E))及びシス体(HCFO−1224xe(Z))を含み、HCFO−1233zdはトランス体(HCFO−1233zd(E))であることが好ましい。少なくともHCFO−1224xe(E)とHCFO−1224xe(Z)とHCFO−1233zd(E)との3成分を含む組成物は、任意の組成で共沸様である。本発明の一実施形態に係る共沸様組成物における各成分の好ましい組成比は、HCFO−1233zd(E)が60mol%以上99.999mol%以下であり、HCFO−1224xeが0.001mol%以上40mol%である。このとき、HCFO−1224xe(E)とHCFO−1224xe(Z)との比率は任意であるが、HCFO−1224xe(E)/HCFO−1224xe(Z)のモル比は0.0001以上9999.9以下が好ましい。一般にHFO−1234zeの塩素付加によってHCFC−234daを合成した場合、HCFC−234daのトレオ体/エリトロ体の比率が概ね2:1となる。トレオ体とエリトロ体とを分離せずに、塩基性水溶液と接触した場合は、HCFO−1224xe(E)/HCFO−1224xe(Z)の比率はおよそ2:1となるため、その比率のHCFO−1224xeを本発明の一実施形態に係る共沸様組成物に用いてもよい。なぜならば、HCFO−1224xe(E)とHCFO−1224xe(Z)との精密な蒸留分離は容易ではないからである。
[HCFO−1224xe(E)とHCFO−1233zd(Z)との組み合わせ]
本発明のさらに別の一実施形態において、共沸様組成物は、2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)と1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)とを含み、HCFO−1224xeはトランス体(HCFO−1224xe(E))であり、HCFO−1233zdはシス体(HCFO−1233zd(Z))であることが好ましい。少なくともHCFO−1224xe(E)及びHCFO−1233zd(Z)の両方が含まれる場合、本発明の一実施形態に係る共沸様組成物は、任意の組成比で気相部と液相部との組成が実質的に同一である。本発明の一実施形態に係る共沸様組成物におけるHCFO−1224xe(E)とHCFO−1233zd(Z)との好ましい組成比は、HCFO−1224xe(E)が90mol%以上99.9mol%以下であり、HCFO−1233zd(Z)が0.1mol%以上10mol%以下である。
尚、本発明者らは、シス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))及びシス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(Z))のみからなる組成物は、共沸様組成物ではないことを発見した。HCFO−1224xe(Z)とHCFO−1233zd(Z)との組み合わせの場合、使用時にHCFO−1224xe(Z)が優先して揮発することによって、液相部でHCFO−1233zd(Z)が濃縮される傾向にある。しかしながら、当業者の所望により共沸様組成ではないこの組成物を使用することが限定されるわけではない。
<安全性>
上述した本発明に係る共沸様組成物は、いずれも沸点まで不燃であり、消防法上における非危険物である。
<洗浄用途>
上述した本発明に係る共沸様組成物は優れた洗浄力を有する。本発明の共沸様組成物を用いる洗浄の分野は特に限定されないが、従来にCFC−113(クロロトリフルオロメタン)、HCFC−141b(1,1−ジクロロ−1−フルオロエタン)、HCFC−225(3,3−ジクロロ−1,1,1,2,2−ペンタフルオロプロパン(HCFC−225ca)及び1,3−ジクロロ−1,1,2,2,3−ペンタフルオロプロパン(HCFC−225cb)の混合物)が洗浄剤として使用された分野が好適である。具体的には、電子部品(プリント基板、液晶表示器、磁気記録部品、半導体材料等)、電機部品、精密機械部品、樹脂加工部品、光学レンズ、衣料品等の洗浄が挙げられる。汚れの種類も限定されないが、CFC−113、HCFC−141b、HCFC−225で除去可能な汚れは、本発明の共沸様組成物の組成比を最適化することで除去することが可能であり、そのような汚れとしてはパーティクル、油、グリース、ワックス、フラックス、インキ等が挙げられる。
その洗浄方法は、特に限定されず、従来から用いられている方法を採用することができる。具体的には、浸漬、スプレー、沸騰洗浄、超音波洗浄、蒸気洗浄、若しくはこれらの組み合わせ等が挙げられる。中でも後述の実施例に示すように、浸漬を行うことで、汚れを除去する方法が特に好ましい。ここで、浸漬とは、油等の汚れが付着した対象物(被洗浄物)を、本発明の共沸様組成物と接触させることを指す。被洗浄物を本発明の共沸様組成物に浸漬させることにより、被洗浄物に付着した汚れを該共沸様組成物中に溶解させることで、汚れを被洗浄物から取り除くことができる。なお、当該浸漬操作と共に、他の洗浄操作(沸騰洗浄、超音波洗浄など)を組み合わせることもできる。
本発明の共沸様組成物は、気液平衡での液相組成比と気相組成比とが実質的に同一となるため、経時的に揮発が生じても組成変化が非常に小さく、常に安定した洗浄能力を得ることが可能となる。また、保管時における保管容器内での組成変化も避けることができる。
また、洗浄力、界面作用等をより一層改善する為に、本発明の共沸様組成物を含む洗浄剤に必要に応じて各種の界面活性剤を添加してもよい。この界面活性剤としては、ソルビタンモノオレエート、ソルビタントリオレエート等のソルビタン脂肪族エステル類;ポリオキシエチレンのソルビットテトラオレエート等のポリオキシエチレンソルビット脂肪酸エステル類;ポリオキシエチレンモノラウレート等のポリエチレングリコール脂肪酸エステル類;ポリオキシエチレンラウリルエーテル等のポリオキシエチレンアルキルエーテル類;ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル等のポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル類;ポリオキシエチレンオレイン酸アミド等のポリオキシエチレンアルキルアミン脂肪酸アミド類等のノニオン系界面活性剤が挙げられる。これらの界面活性剤は、単独で使用されてもよく、2種以上組み合わせて使用されてもよい。相乗的に洗浄力及び界面作用を改善する目的で、これらのノニオン系界面活性剤に加えてカチオン系界面活性剤やアニオン系界面活性剤を本発明の共沸様組成物を含む洗浄剤に添加してもよい。界面活性剤の使用量は、その種類により異なるが、共沸様組成物の共沸様の性質に支障のない程度であればよく、通常、共沸様組成物中0.1質量%以上20質量%以下程度であり、0.3質量%以上5質量%以下程度とすることが好ましい。
本発明の共沸様組成物を含む洗浄剤には、過酷な条件での使用に際して、更に各種の安定剤を添加してもよい。安定剤の種類は特に限定されないが、蒸留操作により同伴留出されるもの或いは共沸様混合物を形成するものがより望ましい。このような安定剤の具体例としては、ニトロメタン、ニトロエタン、ニトロプロパン等の脂肪族ニトロ化合物;ニトロベンゼン、ニトロトルエン、ニトロスチレン、ニトロアニリン等の芳香族ニトロ化合物;ジメトキシメタン、1,2−ジメトキシエタン、1,4−ジオキサン、1,3,5−トリオキサン、テトラヒドロフラン等のエーテル類;グリシドール、メチルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、1,2−ブチレンオキシド、フェニルグリシジルエーテル、シクロヘキセンオキシド、エピクロルヒドリン等のエポキシド類;ヘキセン、ヘプテン、ペンタジエン、シクロペンテン、シクロヘキセン等の不飽和炭化水素類;アリルアルコール、1−ブテン−3−オール等のオレフィン系アルコール類;3−メチル−1−ブチン−3−オール、3−メチル−1−ペンチン−3−オール等のアセチレン系アルコール類;アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、メタクリル酸ビニル等のアクリル酸エステル類が挙げられる。また、更に相乗的安定化効果を得る為に、フェノール類、アミン類、ベンゾトリアゾール類を併用してもよい。これらの安定剤は、単独で使用されてもよく、2種以上組み合わせて使用されてもよい。安定剤の使用量は、安定剤の種類により異なるが、共沸様組成物の共沸様の性質に支障のない程度であればよく、通常、共沸様組成物中0.01質量%以上10質量%以下程度であり、0.1質量%以上5質量%以下程度とすることが好ましい。
<発泡剤用途>
本発明の共沸様組成物を発泡剤として用いる場合について詳細に述べる。
現在、トランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E)(分子量M:130.5))が発泡剤として商業生産されており、HCFO−1233zd(E)に最適化された処方が提案されているが、その処方に2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(分子量M:148.5))を添加すると、大掛かりな処方変更なく、硬質ウレタンフォームの断熱性を向上させることができる。
2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)と1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)とを含有する本発明の共沸様組成物は、硬質ポリウレタンフォームまたはポリイソシアヌレートフォームの製造に用いる発泡剤として用いることができる。硬質ウレタンフォーム又はポリイソシアヌレートフォームの製造には、プレミックスが必要であり、そのプレミックスは、発泡剤、1種以上のポリオール、触媒、整泡剤、難燃剤、及び水などを混合した混合物である。このプレミックスの発泡剤として本発明に係る共沸様組成物を用いて、イソシアネートと反応させることによって、該目的物である硬質ポリウレタンフォームまたはポリイソシアヌレートフォームを製造することができる。もちろん、本発明の共沸様組成物に上述の物質を添加したものも本発明の技術範疇である。
イソシアネートは、芳香族、環状脂肪族、鎖状脂肪族系等のものが包含され、一般には2官能のものが使用される。このようなイソシアネートとしては、例えば、トリレンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、ポリメチレンポリフェニルポリイソシアネート、トリレンジイソシアネート、ナフタリンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、水添キシリレンジイソシアネート、ジシクロヘキシルメタンイソシアネート等のポリイソシアネートおよびこれらのプレポリマー型変性体、ヌレート変性体、尿素変性体が挙げられる。これらは単独または混合物で用いられる。
プレミックスに含まれるポリオールには、ポリエーテル系ポリオール、ポリエステル系ポリオール、多価アルコール、水酸基含有ジエチレン系ポリマー等が挙げられるが、ポリエーテル系ポリオールが一般的に使用される。また、ポリエステル系ポリオール及びポリエーテル系ポリオールを主成分としてもよく、その他のポリオールを使用してもよい。
ポリエステル系ポリオールには、無水フタル酸、廃ポリエステル、ひまし油に由来する化合物の他に縮合系ポリエステルポリオール、ラクトン系ポリエステルポリオール、ポリカーボネートポリオール等が挙げられる。
発泡剤、添加剤等との相溶性ならびに、発泡性、フォーム物性等の観点から、ポリエステルポリオールの水酸基価(OH価)は100mgKOH/g以上400mgKOH/g以下であり、かつ粘度が200Pa・s/25℃以上4000mPa・s/25℃以下であることが好ましい。
ポリエーテル系ポリオールとしては、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレングリコール及びそれら変性体の他、糖、多価アルコール、アルカノールアミン等の活性水素を含む化合物をイニシエータにして、これに、プロピレンオキシド、エチレンオキシド、エピクロルヒドリン、ブチレンオキシド等の環状エーテルを付加したものが好ましく使用される。
ポリエーテルポリオールは、通常、水酸基価が400mgKOH/g以上1000mgKOH/g以下のものが使用される。
プレミックスに含まれる触媒には、有機金属系触媒及び有機アミン系触媒が包含される。有機金属触媒としては、有機スズ化合物が好ましく使用され、スタナスオクトエート、スタナスラウレート、ジブチル錫ジラウレート、ジブチル錫ジマレート、ジブチル錫ジアセテート、ジオクチル錫ジアセテート等が挙げられる。有機アミン系触媒としては、第3級アミン、例えば、トリエチレンジアミン、N−エチルモルホリン、ビス(2−ジメチルアミノエチル)エーテル、N,N’,N’−トリエチルエタノールアミン等が挙げられる。
プレミックスに含まれる整泡剤としては、通常有機ケイ素化合物系の界面活性剤が用いられ、東レシリコーン(株)製SH−193、SH−195、SH−200またはSRX−253等、信越シリコーン(株)製F−230、F−305、F−341、F−348等、日本ユニカー(株)製L−544、L−5310、L−5320、L−5420、L−5720または東芝シリコーン(株)製TFA−4200、TFA−4202等が挙げられる。
プレミックスに含まれる難燃剤としては、硬質ポリウレタンフォームまたはポリイソシアヌレートフォームに使用されるリン酸エステルであり、トリス(2−クロロエチル)ホスフェート、トリス(2−クロロプロピル)ホスフェート、トリス(ブトキシエチル)ホスフェート、トリスメチルホスフェート、トリスエチルホスフェート、トリフェニルホスフェート、トリス(イソプロピルフェニル)ホスフェート等が挙げられる。
プレミックスに添加されるその他の添加剤としては、紫外線防止剤、スコーチ防止剤、プレミックス貯蔵安定剤など硬質ポリウレタンフォームまたはポリイソシアヌレートフォームの諸物性を向上させるための添加剤が挙げられる。
水の添加は、フッ素系発泡剤の使用量を低減するため、硬質ポリウレタンフォームまたはポリイソシアヌレートフォームの経済性ならびにプレミックスの蒸気圧低下に寄与する。水をプレミックスに添加し、さらにポリエステル系ポリオールを添加して保存する場合には、1,2−エポキシブタン、1,2−エポキシヘキサン、エポキシシクロヘキサン等のエポキシ化合物、α−メチルスチレン、p−イソプロペニルトルエン、アミレン等の不飽和化合物またはニトロメタン、ニトロエタン、ニトロプロパン、ニトロトルエン、ニトロベンゼン等のニトロ化合物等の安定剤をプレミックスに添加することが好ましい。
本発明の共沸様組成物を発泡剤として用いる場合は、ポリオール100質量部当たり、通常5質量部以上80質量部以下、好ましくは10質量部以上70質量部以下、より好ましくは15質量部以上60質量部以下で使用される。このような量の本発明の共沸様組成物を発泡剤として使用することにより、20kg/m以上、特に、30kg/m以上80kg/m以下の密度を有する硬質ウレタンフォーム又はポリイソシアヌレートフォームを製造することができる。
また、これらの原料は混合するとすみやかに反応し反応熱を発生し発泡する。混合温度は、5℃以上50℃以下、好ましくは10℃以上40℃以下、より好ましくは15℃以上35℃以下である。本発明の共沸様組成物は蒸気圧を有するためこれらの温度で揮発するが、気液相の組成が実質的に同一であるため、フォーム、断熱性、低温での形状安定性等に優れる。
本発明の共沸様組成物を用いた硬質ポリウレタンフォームまたはポリイソシアヌレートフォームを製造する方法は、特に限定されず、従来公知の各種の方法を採用することができる。例えば、ワンショット法やプレポリマー法で製造することができる。また、そのフォームを得る際の発泡方法としては、現場発泡、スラブ発泡、注入発泡(充填法、モールド法)、ラミネート発泡、スプレー発泡等の各種の発泡方法を採用することができる。
<シリコーン溶剤用途>
本発明の共沸様組成物はシリコーンの溶剤として非常に優れた特性を有する。即ち、本発明の共沸様組成物は、オゾン層破壊係数及び地球温暖化係数が実質的にゼロで、不燃性であり、揮発性に優れ、かつ、種々のシリコーンを任意で溶解させることができる。特に、本発明の共沸様組成物は、広い共沸様組成範囲を持つので、当業者は各種のシリコーン化合物に応じた最適の組成を選定することができる。
本発明の共沸様組成物をシリコーン溶剤として用いると優れた効果を発揮する例としては、表面コーティングが挙げられる。表面コーティングにおいては、対象物の表面の保護、潤滑性を付与させるために、揮発性の溶剤に潤滑剤のシリコーンを溶解させて得たシリコーン塗布溶液を対象物に塗布した後に溶剤を蒸発させる事が一般的である。例えば、注射針にはすべり性を良くするために、シリコーンが塗布されている。
本発明の共沸様組成物とシリコーンとを混合させることで、シリコーン塗布溶液として使用することができる。
使用されるシリコーンとしては、例えば、表面コーティング用に使用されている各種のシリコーンを使用することができる。中でも、メチル基、フェニル基、水素原子を置換基として結合したジメチルシリコーンオイル、メチルフェニルシリコーンオイル、メチル水素シリコーンオイルなどのストレートシリコーンオイル、また、ストレートシリコーンオイルから二次的に誘導された構成部分を持つ、反応性シリコーンオイル、非反応性シリコーンオイルなどの変性シリコーンオイルなどのシリコーンを使用してもよい。
また、シリコーンとしては、アミノアルキルシロキサンとジメチルシロキサンとの共重合体を主成分とするもの、アミノ基含有シラン及びエポキシ基含有シランの反応生成物と、シラノール基を含有するポリジオルガノシロキサンとの反応生成物を主成分とするもの、側鎖又は末端にアミノ基を含有するシリコーンとポリジオルガノシロキサンとからなるシリコーン混合物、及びアミノ基含有アルコキシシラン、エポキシ基含有アルコキシシラン、および両末端にシラノール基を有するシリコーンを反応させて得られたシリコーンと非反応性シリコーンとの混合物等が挙げられる。
コーティング用シリコーン溶液におけるシリコーン溶剤としての本発明の共沸様組成物の割合は、0.1質量%以上80質量%以下、特に、1質量%以上20質量%以下であることが好ましい。コーティング用シリコーン溶液における本発明の共沸様組成物が0.1質量%未満では、十分な膜厚のコーティング被膜が形成されにくく、80質量%を超えると均一な膜厚のコーティング被膜が得られにくい。
本発明の共沸様組成物を含むシリコーン塗布溶液を対象物の表面に塗布し、本発明の共沸様組成物を含む溶剤組成物を蒸発させて除去することにより、対象物表面にシリコーンの被膜を形成する。本発明の方法を適用できる対象物としては、金属部材、樹脂部材、セラミックス部材、ガラス部材などの各種材質に適用することができ、特に、注射針の針管部や、ディスペンサー(液体定量噴出装置)のスプリングやバネ部分等に適用することができる。
例えば、注射針の針管部などにシリコーンの被膜を形成する場合、シリコーンを注射針の針管部に塗布する方法として、注射針の針管部を、シリコーン塗布溶液に浸漬させ、針管部の外表面に塗布した後、室温あるいは加温下に放置して本発明の共沸様組成物を含む溶剤組成物を蒸発させ、シリコーンの被膜を形成させるディップコート法が適用されてもよい。
<熱伝達媒体用途>
本発明の共沸様組成物は、熱伝達特性にすぐれており、冷凍サイクルシステム、高温ヒートポンプシステム、及び有機ランキンサイクルシステムなどの熱伝達媒体として好適である。
本明細書において、「冷凍サイクルシステム」とは、少なくとも蒸発器、圧縮機、凝縮器、膨張弁の要素機器を含む蒸気圧縮式の冷凍サイクルシステムであり、主に冷却することを目的とするシステムを指す。前記膨張弁は、熱伝達媒体が絞り膨張するための装置であり、キャピラリーチューブであってもよい。冷凍サイクルシステムは前記要素機器の他に、内部熱交換器、乾燥器(ドライヤ)、液分離器、油回収器、不凝縮ガス分離器を備えていてもよい。前記冷凍サイクルシステムは、冷蔵庫、空調システム、冷却装置として用いられてもよい。
本明細書において、「高温ヒートポンプサイクルシステム」とは、少なくとも蒸発器、圧縮機、凝縮器、膨張弁の要素機器を含む蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルシステムであり、主に加熱することを目的とするシステムを指す。前記膨張弁は、熱伝達媒体を絞り膨張させるための装置であり、キャピラリーチューブであってもよい。高温ヒートポンプサイクルシステムは、前記要素機器の他に、内部熱交換器、乾燥器(ドライヤ)、液分離器、油回収器、不凝縮ガス分離器を備えていてもよい。前記高温ヒートポンプサイクルシステムは、給湯システム、蒸気生成システム、加熱装置として用いられてもよい。また、前記高温ヒートポンプサイクルシステムは、熱源として、太陽熱エネルギー、工場廃熱などを利用してもよい。
本明細書において、「有機ランキンサイクルシステム」とは、少なくとも蒸発器、膨張機、凝縮器、昇圧ポンプの要素機器を含むランキンサイクルシステムであり、主に熱エネルギーを電気エネルギーへと変換することを目的とするシステムを指す。有機ランキンサイクルシステムは、前記要素機器の他に、内部熱交換器、乾燥器(ドライヤ)、液分離器、油回収器、不凝縮ガス分離器を備えていてもよい。前記有機ランキンサイクルシステムは、中低温熱を回収する発電装置として用いられてもよい。また、前記有機ランキンサイクルシステムは、熱源として、太陽熱エネルギー、工場廃熱などを利用してもよい。
本発明の共沸様組成物において、シス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))及びトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))を含む共沸様組成物を熱伝達媒体として用いることが特に好ましい。本発明の共沸様組成物を熱伝達媒体として用いる場合、潤滑剤、安定剤、難燃剤を必要に応じて添加してもよい。
[潤滑剤]
本発明の熱伝達媒体を冷凍サイクルシステムまたは高温ヒートポンプの冷媒に用いる場合、圧縮機摺動部で使用する潤滑油は、鉱物油(パラフィン系油またはナフテン系油)または合成油のアルキルベンゼン類(AB)、ポリ(アルファ−オレフィン)、エステル類、ポリオールエステル類(POE)、ポリアルキレングリコール類(PAG)またはポリビニルエーテル類(PVE)を用いることができる。これらの潤滑油は単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。
また、本発明の熱伝達媒体をランキンサイクルの作動流体に用いる場合、膨張機摺動部で使用する潤滑剤は、鉱物油(パラフィン系油またはナフテン系油)または合成オイルのアルキルベンゼン類(AB)、ポリ(アルファ−オレフィン)、エステル類、ポリオールエステル類(POE)、ポリアルキレングリコール類(PAG)またはポリビニルエーテル類(PVE)を用いることができる。これらの潤滑油は単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。
アルキルベンゼン類としては、n−オクチルベンゼン、n−ノニルベンゼン、n−デシルベンゼン、n−ウンデシルベンゼン、n−ドデシルベンゼン、n−トリデシルベンゼン、2−メチル−1−フェニルヘプタン、2−メチル−1−フェニルオクタン、2−メチル−1−フェニルノナン、2−メチル−1−フェニルデカン、2−メチル−1−フェニルウンデカン、2−メチル−1−フェニルドデカン、2−メチル−1−フェニルトリデカン等が挙げられる。
エステル類としては、安息香酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、トリメリット酸、ピロメリット酸及びこれらの混合物等の芳香族エステル、二塩基酸エステル、ポリオールエステル、コンプレックスエステル、炭酸エステル等が挙げられる。
ポリオールエステル類は多価アルコールとカルボン酸との反応により得られる。ポリオールエステル類の原料となる多価アルコールとしては、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)等のヒンダードアルコール、エチレングリコール、1,3−プロパンジオール、プロピレングリコール、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、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、グリセリン、ポリグリセリン、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物、アドニトール、アラビトール、キシリトール、マンニトール、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、セロビオースなどが挙げられる。
ポリオールエステル類の原料となるカルボン酸としては、ブタン酸、2−メチルプロパン酸、ペンタン酸、2−メチルブタン酸、3−メチルブタン酸、2,2−ジメチルプロパン酸、2−メチルペンタン酸、3−メチルペンタン酸、4−メチルペンタン酸、2,2−ジメチルブタン酸、2,3−ジメチルブタン酸、3,3−ジメチルブタン酸、ヘキサン酸、2−メチルヘキサン酸、3−メチルブタン酸、4−メチルブタン酸、5−メチルブタン酸、2,2−ジメチルペンタン酸、2,3−ジメチルペンタン酸、2,4−ジメチルペンタン酸、3,3−ジメチルペンタン酸、3,4−ジメチルペンタン酸、4,4−ジメチルペンタン酸、2−エチルペンタン酸、3−エチルペンタン酸、1,1,2−トリメチルブタン酸、1,2,2−トリメチルブタン酸、1−エチル−1−メチルブタン酸、1−エチル−2−メチルブタン酸、オクタン酸、2−エチルヘキサン酸、3−エチルヘキサン酸、3,5−ジメチルヘキサン酸、2,4−ジメチルヘキサン酸、3,4−ジメチルヘキサン酸、4,5−ジメチルヘキサン酸、2,2−ジメチルヘキサン酸、2−メチルヘプタン酸、3−メチルヘプタン酸、4−メチルヘプタン酸、5−メチルヘプタン酸、6−メチルヘプタン酸、2−プロピルペンタン酸、ノナン酸、2,2−ジメチルヘプタン酸、2−メチルオクタン酸、2−エチルヘプタン酸、3−メチルオクタン酸、3,5,5−トリメチルヘキサン酸、2−エチル−2,3,3−トリメチル酪酸、2,2,4,4−テトラメチルペンタン酸、2,2,3,3−テトラメチルペンタン酸、2,2,3,4−テトラメチルペンタン酸、2,2−ジイソプロピルプロパン酸、酢酸、プロピオン酸、ヘプタン酸、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、エイコサン酸、オレイン酸などが挙げられる。
ポリアルキレングリコールは、メタノール、エタノール、直鎖状または分枝状のプロパノール、直鎖状又は分枝状のブタノール、直鎖状又は分枝状のペンタノール、直鎖状又は分枝状のヘキサノール等の直鎖もしくは分岐を有する炭素数1以上18以下の脂肪族アルコールに、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、ブチレンオキド等を付加重合した化合物が挙げられる。
ポリビニルエーテル類としては、ポリメチルビニルエーテル、ポリエチルビニルエーテル、ポリn−プロピルビニルエーテル、ポリイソプロピルビニルエーテル等が挙げられる。
本発明の熱伝達媒体に含まれる潤滑油の酸価は特に限定されないが、冷凍サイクルシステムなどに用いられている金属への腐食を防止するため、および潤滑油の分解を防止するため、本発明の一実施形態において、好ましくは0.1mgKOH/g以下であり、より好ましくは0.05mgKOH/g以下である。なお、本明細書において、酸価とは、日本工業規格JIS K2501に準拠して測定した酸価を意味する。
本発明の熱伝達媒体に含まれる潤滑油の灰分は特に限定されないが、潤滑油の熱・化学的安定性を高め、スラッジ等の発生を抑制するため、本発明の一実施形態において、好ましくは100ppm以下であり、より好ましくは50ppm以下である。なお、本明細書において、灰分とは、日本工業規格JIS K2272に準拠して測定した灰分の値を意味する。
本発明の熱伝達媒体に含まれる潤滑油の動粘度は特に限定されないが、40℃における動粘度は、一実施形態において、好ましくは3mm/s以上1000mm/s以下であり、より好ましくは4mm/s以上500mm/s以下であり、最も好ましくは5mm/s以上400mm/s以下である。また、100℃における動粘度は、好ましくは1mm/s以上100mm/s以下である。
[安定剤]
また、本発明の共沸様組成物を熱伝達媒体として用いる場合、熱安定性、耐酸化性等を改善するために安定剤を用いることができる。安定剤としては、ニトロ化合物、エポキシ化合物、フェノール類、イミダゾール類、アミン類、炭化水素類等が挙げられる。
ニトロ化合物としては、公知の化合物が用いられてもよく、脂肪族及び/または芳香族誘導体などが挙げられる。脂肪族系ニトロ化合物として、例えば、ニトロメタン、ニトロエタン、1−ニトロプロパン、2−ニトロプロパン等が挙げられる。芳香族ニトロ化合物として、例えば、ニトロベンゼン、o−、m−又はp−ジニトロベンゼン、トリニトロベンゼン、o−、m−又はp−ニトロトルエン、o−、m−又はp−エチルニトロベンゼン、2,3−、2,4−、2,5−、2,6−、3,4−又は3,5−ジメチルニトロベンゼン、o−、m−又はp−ニトロアセトフェノン、o−、m−又はp−ニトロフェノール、o−、m−又はp−ニトロアニソール等が挙げられる。
エポキシ化合物としては、例えば、エチレンオキサイド、1,2−ブチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、スチレンオキサイド、シクロヘキセンオキサイド、グリシドール、エピクロルヒドリン、グリシジルメタアクリレート、フェニルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、メチルグリシジルエーテル、ブチルグリシジルエーテル、2−エチルヘキシルグリシジルエーテル等のモノエポキシ系化合物、ジエポキシブタン、ビニルシクロヘキセンジオキサイド、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、エチレングリコールジグリシジルエーテル、グリセリンポリグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントルグリシジルエーテル等のポリエポキシ系化合物等が挙げられる。
フェノール類としては、水酸基以外にアルキル基、アルケニル基、アルコキシ基、カルボキシル基、カルボニル基、ハロゲン等各種の置換基を含むフェノール類も含むものである。例えば、2,6−ジ−t−ブチル−p−クレゾール、o−クレゾール、m−クレゾール、p−クレゾール、チモール、p−t−ブチルフェノール、o−メトキシフェノール、m−メトキシフェノール、p−メトキシフェノール、オイゲノール、イソオイゲノール、ブチルヒドロキシアニソール、フェノール、キシレノール等の1価のフェノールあるいはt−ブチルカテコール、2,5−ジ−t−アミノハイドロキノン、2,5−ジ−t−ブチルハイドロキノン等の2価のフェノール等が挙げられる。
イミダゾール類としては、直鎖もしくは分岐を有する炭素数1以上18以下のアルキル基、シクロアルキル基、またはアリール基をN位の置換基とする、1−メチルイミダゾール、1−n−ブチルイミダゾール、1−フェニルイミダゾール、1−ベンジルイミダゾール、1−(β−オキシエチル)イミダゾール、1−メチル−2−プロピルイミダゾール、1−メチル−2−イソブチルイミダゾール、1−n−ブチル−2−メチルイミダゾール、1,2−ジメチルイミダゾール、1,4−ジメチルイミダゾール、1,5−ジメチルイミダゾール、1,2,5−トリメチルイミダゾール、1,4,5−トリメチルイミダゾール、1−エチル−2−メチルイミダゾール等が挙げられる。これらの化合物は単独で使用されてもよく、2種以上の化合物が併用されてもよい。
アミン類としては、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ジイソプロピルアミン、ジイソブチルアミン、ジ−n−プロピルアミン、ジアリルアミン、トリエチルアミン、N−メチルアニリン、ピリジン、モルホリン、N−メチルモルホリン、トリアリルアミン、アリルアミン、α―メチルベンジルアミン、メチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、プロピルアミン、イソプロピルアミン、ジプロピルアミン、ブチルアミン、イソブチルアミン、ジブチルアミン、トリブチルアミン、ジベンチルアミン、トリベンチルアミン、2−エチルヘキシルアミン、アニリン、N,N−ジメチルアニリン、N,N−ジエチルアニリン、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、ジエチレントリアミン、テトラエチレンペンタミン、ベンジルアミン、ジベンジルアミン、ジフェニルアミン、ジエチルヒドロキシルアミン等が挙げられる。これらは単独で用いられてもよく、2種以上の化合物が併用されてもよい。
炭化水素類としては、α―メチルスチレンやp−イソプロペニルトルエン、イソプレン類、プロパジエン類、テルペン類等が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、2種以上の化合物が併用されてもよい。
安定剤は、予め冷媒および潤滑剤の一方または両方に添加してもよく、また、単独で凝縮機内に添加してもよい。このとき、安定化剤の使用量は、特に限定されないが、主冷媒(100質量%)に対して、0.001質量%以上10質量%以下が好ましく、0.01質量%以上5質量%以下がより好ましく、0.02質量%以上2質量%以下がさらに好ましい。安定剤の添加量が上限値を越えるか、下限値未満では、冷媒の安定性、熱サイクル性能等が十分得られない。
冷凍サイクルシステムまたは高温ヒートポンプサイクルシステムにおいて、このような本発明の共沸様組成物を含む熱伝達媒体の高圧部圧力は、熱伝達媒体の組成および凝縮温度によって決められる。即ち、冷凍サイクルシステムまたは高温ヒートポンプサイクルシステムにおいて、熱伝達媒体の高圧部圧力は、凝縮温度における熱伝達媒体の飽和蒸気圧力と等しくなる。一方、有機ランキンサイクルシステムにおいて、このような本発明の共沸様組成物を含む熱伝達媒体の高圧部圧力は、熱伝達媒体の組成および蒸発温度によって決められる。即ち、有機ランキンサイクルシステムにおいて、熱伝達媒体の高圧部圧力は、蒸発温度における熱伝達媒体の飽和蒸気圧力と等しくなる。一般的に、高圧部圧力が5.0MPaを超えると、圧縮機又は膨張器、熱交換器および配管部品に高い耐圧性能が求められ、それらの機器が高価になるため、好ましくない。本発明に係る熱伝媒体を用いる場合、高圧部圧力を5.0MPaより低くすることができ、公知の圧縮機、膨張器、熱交換機および配管部品を使用することができる。
本発明の共沸様組成物を含む熱伝達媒体は、不燃性かつ環境への負荷が小さく、熱サイクル特性に優れている。そのため、加圧温水または過熱蒸気生成等に利用される高温ヒートポンプ用の熱媒体、発電システム等に利用される有機ランキンサイクル用作動流体、蒸気圧縮式冷凍サイクルシステム用冷媒、吸収式ヒートポンプ、ヒートパイプ等の媒体や、冷却システムまたはヒートポンプシステムのサイクル洗浄用洗浄剤として用いることができる。
なお、本発明の共沸様組成物を含む熱伝達媒体は、パッケージ型の小型装置(ランキンサイクルシステムやヒートポンプサイクルシステム等)のみだけでなく、工場スケールの大規模な発電システム、ヒートポンプ給湯システム、ヒートポンプ蒸気生成システム等に適用可能である。
以下、実施例によって本発明を詳細に説明するが、本発明は以下に述べる実施例に限定されるわけではない。
<2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)の製造方法>
先ず、以下に2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)1224の合成方法を、具体的に説明する。しかしながら、HCFO−1224xeの合成方法は、以下に説明する方法に限定されるわけではない。
[HCFC−234daの合成例]
トランス−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HFO−1234ze(E))(777.45g,6.81mol)を、ドライアイス−アセトンバスで冷却したガラス製洗気瓶(1000cc)に仕込んだ。紫外線ランプを照射し、洗気瓶内の1HFO−234ze(E)を磁石式撹拌子で攪拌しながら、塩素ガスを2g/分の速度で483.58g(6.81mol)投入した。最終的に純度98.54GC面積%の2,3−ジクロロ−1,1,1,3−テトラフルオロプロパン(HCFC−234da)を1222.59g得た。この操作を繰り返して原料を確保した。
[HCFO−1224xeの合成例]
ジムロート(冷媒温度:−15℃)、300mL滴下ロート、温度計、攪拌子を備えた四つ口フラスコ(2000cc)に、テトラブチルアンモニウムブロミド4.57g(0.014mol)、1139.19g(6.16mol)のHCFC−234daを仕込み、0℃の氷水浴に浸し攪拌を開始した。滴下ロートより、25重量%水酸化ナトリウム水溶液1054.59g(HCFC−234daに対して1.07当量)を149分間かけて滴下した。ジムロート、滴下ロートを外し、30cmのヴィグリュー管を備えた単蒸留装置に組み替え、蒸留回収したところ575.75gの有機物を回収した。ガスクロマトグラフィーによって組成を分析したところ、HCFO−1224xe(Z)が56.053GC面積%、HCFO−1224xe(E)が35.68GC面積%であった。得られた生成物は、ヘリパックNo.2を充填した理論段数46段の蒸留塔を用いて、HCFO−1224xe(E)とHCFO−1224xe(Z)とに単離した。結果として、HCFO−1224xe(Z)(純度:99.47GC面積%)269.92g、HCFO−1224xe(E)(純度:99.56%)49.33gをそれぞれ得た。さらに、これらのサンプルの一部を精密蒸留して99.9GC面積%以上のHCFO−1224xe(Z)及びHCFO−1224xe(E)を得た。この操作を繰り返して高純度のトランス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(E))及びシス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))のサンプルを確保し、本発明に係る共沸様組成物の調合に用いた。
また、本発明に係る共沸様組成物の調合において、トランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))は特開2014−028800号公報に基づいて製造し、シス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(Z))は特開2014−024821号公報に基づいて製造して、それぞれ純度99.99%のものを得た。
<HCFO−1224xe(E)とHCFO−1233zd(E)との組み合わせによる共沸様組成物>
本発明者らは、ヘッドスペース法によるガスクロマトグラフィー分析により、トランス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(E))とシス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))との混合物における気相部と液相部との組成を調べた。
[手順1]
20mLの容量を有するバイアル(ヘッドスペースバイアル、アジレント社製)を、PTFE/白シリコンセプタムのアルミキャップ(アジレント社製)で閉めた後、22ゲージの注射針を備えた100mLシリンジ(注射筒:ポリプロピレン製、シール部及びプランジャー部:ポリエチレン製)を用いて、該バイアル瓶内を減圧した。次いで、22ゲージの注射針を備えた10mLシリンジ(注射筒:ポリプロピレン製、シール部及びプランジャー部:ポリエチレン製)に、HCFO−1233zd(E)を約5mL採取して該シリンジ内の空気抜きを行った後、該バイアル瓶内に仕込んだ。
[手順2]
その後、このバイアル瓶を25℃に制御された湯浴に浸し、試料温度を25℃にして静置した。気液平衡に達した後、バイアル内部の気相部を10mLガスタイトシリンジで1mLを採取して、ガスクロマトグラフィーで分析した。さらに、22ゲージの注射針を備えた5mLシリンジ(注射筒:ポリプロピレン製、シール部及びプランジャー部:ポリエチレン製)で液相部を1mL採取して、氷で冷却した2mLサンプル瓶に移し、この液に対して、ガスクロマトグラフィー(島津製作所製GC−17A)を用いて組成を分析した。
[手順3]
上述した[手順1]で使用したバイアル瓶内の全液量が5mLとなるように、22ゲージの注射針を備えた10mLシリンジ(注射筒:ポリプロピレン製、シール部及びプランジャー部:ポリエチレン製)を用いて、任意の割合となるようにHCFO−1233zd(E)及びHCFO−1224xe(E)を添加し、[手順2]の方法と同様にしてサンプリング及びガスクロマトグラフィー分析を行った。なお、少量のHCFO−1224xe(E)を添加する際には、該10mLシリンジの代わりに、10μLガスクロマトグラフィー分析用シリンジを用いた。また、HCFO−1233zd(E)が少ない組成については、[手順1]においてHCFO−1233zd(E)の代わりにHCFO−1224xe(E)を加えること以外は[手順1]と同様の操作を行い、次いで[手順2]と同様の方法でサンプリングし、ガスクロマトグラフィー(島津製作所製GC−17A)を用いて組成を分析した。
[手順4]
以上に述べた[手順1]〜[手順3]の方法で得られたHCFO−1233zd(E)の気相部及び液相部の測定ピーク面積(GC%)による比から、予めピーク面積とモル比に対する検量線を作成し、測定ピーク面積からモル比を導き出した。これらの結果を表1に示す。
図2は、本発明に係るHCFO−1224xe(E)及びHCFO−1233zd(E)を含有する混合物におけるHCFO−1233zd(E)の気液平衡曲線を示し、以下の表1は、気相及び液相におけるHCFO−1224xe(E)(沸点24℃)とHCFO−1233zd(E)(沸点19℃)との混合物のモル百分率(mol%)及びガスクロマトグラフィーの分析の結果(GC%)を示している。
図2及び表1を参照すると、HCFO−1233zd(E)とHCFO−1224xe(E)との組み合わせを含む混合物は、気相部と液相部との組成が実質的に同一であるか、差があったとしても無視できる程度であった。よって、HCFO−1224xe(E)を0.001mol%以上99mol%以下の範囲で含み、且つHCFO−1233zd(E)を1mol%以上99.999mol%以下の範囲で含む混合物は、本発明に係る共沸様組成物として好ましいことが分かる。
<HCFO−1224xe(Z)とHCFO−1233zd(E)との組み合わせによる共沸様組成物>
本発明者らは、ヘッドスペース法によるガスクロマトグラフィー分析により、シス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))とトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))との混合物における気相部と液相部との組成を調べた。
20mLの容量を有するバイアル(ヘッドスペースバイアル)に、精密天秤で質量を測定し、所定のモル百分率(mol%)のHCFO−1233zd(Z)及びHCFO−1224xe(E)を仕込んだ。ヘッドスペース法によるガスクロマトグラフィー分析は、上述の手順と同様の手順で行った。
図3は、本発明に係るHCFO−1224xe(Z)及びHCFO−1233zd(E)を含有する混合物におけるHCFO−1224xe(Z)の気液平衡曲線を示し、以下の表2は、気相及び液相におけるHCFO−1224xe(Z)(沸点17℃)とHCFO−1233zd(E)(沸点19℃)との混合物のモル百分率(mol%)及びガスクロマトグラフィーの分析の結果(GC%)を示している。
図3及び表2を参照すると、HCFO−1224xe(Z)及びHCFO−1233zd(E)との組み合わせを含む混合物は、気相部と液相部との組成が実質的に同一であった。したがって、HCFO−1224xe(Z)を0.001mol%以上99.999mol%以下の範囲で含み、且つHCFO−1233zd(E)を0.001mol%以上99.999mol%以下の範囲で含む混合物は、本発明に係る共沸様組成物として好ましいことが分かる。
また、本発明者らは、シス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))とトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))との混合物の沸点を測定した。
まず、ひずみゲージ式圧力変換器を備えたSUS316製耐圧容器にシス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))及びトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))を含む二成分組成物を充填した。なお、耐圧容器に残存する空気は、前記組成物を液体窒素で冷却・固化した状態で、真空ポンプを用いて除去した。耐圧容器を恒温水槽の中に静置し、前記組成物の圧力が標準大気圧(101.3kPa)となるように恒温水槽の温度を変化させた。前記組成物の温度を白金測温抵抗体で測定し、前記組成物の圧力が101.3kPaとなったときの温度(沸点)を測定した。前記組成物の沸点を表3に示す。図4は、HCFO−1224xe(Z)の質量比率に対する前記組成物の沸点を示している。
表3に示す通り、HCFO−1224xe(Z)およびHCFO−1233zd(E)を含む二成分組成物は、質量比率がHCFO−1224xe(Z)/HCFO−1233zd(E)≒91.1/8.9で純物質より低い沸点が観測された。このことは、前記質量比において、極小共沸点を有する二成分共沸組成物が形成されていることを示している。また、HCFO−1224xe(Z)が0質量%より多く100質量%までの組成において、前記組成物の沸点変化は、1.4℃以下であった。したがって、前記組成物は、前記組成範囲で共沸組成物及び/又は共沸様組成物を形成することが分かる。
前記組成物の沸点変化は、HCFO−1224xe(Z)が55.7質量%より多く100質量%までの組成において、0.5℃以下であった。したがって、HCFO−1224xe(Z)とHCFO−1233zd(E)との組み合わせは、より好ましい共沸組成物及び/又は共沸様組成物を形成することが分かる。
<HCFO−1224xe(E)とHCFO−1233zd(Z)との組み合わせによる共沸様組成物>
本発明者らは、ヘッドスペース法によるガスクロマトグラフィー分析により、トランス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(E))とシス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(Z))との混合物における気相部と液相部との組成を調べた。
20mLの容量を有するバイアル(ヘッドスペースバイアル)に、精密天秤で質量を測定し、所定のモル百分率(mol%)のHCFO−1233zd(E)及びHCFO−1224xe(Z)を仕込んだ。ヘッドスペース法によるガスクロマトグラフィー分析は、上述の手順と同様の手順で行った。
図5は、本発明に係るHCFO−1224xe(E)及びHCFO−1233zd(Z)を含有する混合物におけるHCFO−1224xe(E)の気液平衡曲線を示し、以下の表4は、気相及び液相におけるHCFO−1224xe(E)(沸点24℃)とHCFO−1233zd(Z)(沸点19℃)との混合物のモル百分率(mol%)及びガスクロマトグラフィーの分析の結果(GC%)を示している。
図5及び表4を参照すると、HCFO−1224xe(E)及びHCFO−1233zd(Z)との組み合わせを含む混合物は、HCFO−1224xe(E)を90mol%以上99.9mol%以下の範囲で含み、且つ、HCFO−1233zd(Z)を0.1mol%以上10mol%以下の範囲で含む混合物は、本発明に係る共沸様組成物として好ましいことが分かる。
<HCFO−1224xe(Z)とHCFO−1233zd(Z)との組み合わせによる混合物>
本発明者らは、ヘッドスペース法によるガスクロマトグラフィー分析により、シス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))とシス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(Z))との混合物における気相部と液相部との組成を調べた。ヘッドスペース法によるガスクロマトグラフィー分析は、上述の手順と同様の手順で行った。図6は、HCFO−1224xe(Z)及びHCFO−1233zd(Z)からなる混合物におけるHCFO−1224xe(Z)の気液平衡曲線を示し、表5は、気相及び液相におけるHCFO−1224xe(Z)(沸点24℃)とびHCFO−1233zd(Z)(沸点19℃)との混合物のモル百分率(mol%)及びガスクロマトグラフィーの分析の結果(GC%)を示す。
図6及び表5を参照すると、HCFO−1224xe(Z)及びHCFO−1233zd(Z)との組み合わせを含む混合物は、該混合物におけるHCFO−1224xe(Z)及びHCFO−1233zd(Z)の組成比にかかわらず非共沸であることが分かる。
以下、2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)及び1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)を含有する本発明の共沸様組成物の洗浄剤としての性能について実施例を挙げて説明する。
[実施例1]
<洗浄試験A>
市販の25ccメスシリンダーを11ccの目盛り線で切断した。直径:約7.2mm×長さ:約40mmの清浄な硝子棒の質量を測定後、表記載のオイルに2分間浸漬し、10分間立てて液切した(過剰についたオイルを除去した)後、質量(硝子棒+初期付着オイル)を測定後、前記のメスシリンダーに入れた。以下の表6に記載の化合物Aと化合物Bからなる共沸様組成物を10ccの液面まで仕込み、20℃の水を満たした小型超音波洗浄機(シチズン製SW5800)の中央部に立てた。超音波を照射すると時間と共に共沸様組成物が揮発し、8ccの目盛り線になった時点で、メスシリンダー内の液をガスクロマトグラフで分析した。その結果、全ての実施例1−a〜実施例1−jにおいて、2cc揮発したにも関わらず、洗浄前後の液組成は実質に同一であった。すなわち、実機洗浄において、実施例1−a〜実施例1−jで用いた化合物A及び化合物Bからなる組成物は、部分的に揮発しても残液の組成が実質的に変化しない共沸様組成であることが示された。次にガラス棒を乾燥させて質量(硝子棒と残存オイルとの総質量)を測定して、油除去率(残存オイルの質量÷初期付着オイルの質量×100[%])を求めると共に、拡大鏡で硝子の表面を観察した。その結果、全ての実施例において油除去率が100%であり、拡大鏡観察結果においては、油分の残存が認められなかったため良好と判断された。各実施例及び比較例の結果を以下の表7に示す。
比較例として、実施例で用いた共沸様組成物の代わりに、市販のフッ素系洗浄剤であるHFC−365mfc(CHCFCHCF、日本ソルベイ社製)とHFC−43−10mee(CFCHFCHFCFCF、デュポン社製)の単品を用いて、実施例1−a〜1−jと同様の試験を行った。その結果、何れの比較例においても、油除去率、拡大鏡観察結果において、油の残存が認められたので不良と判定された。
[実施例2]
<洗浄試験B>
HCFO−1224xe(Z)(51.2354GC%)、HCFO−1233zd(E)(31.8451GC%)、HCFO−1224xe(Z)(13.5412GC%)、HCFO−1233zd(Z)(3.2741GC%)からなる共沸様組成物を用いることを除いて、実施例1−aと同様の実験(切削油(ルブカットB−35))を行った。その結果、洗浄後の液の組成はHCFO−1224xe(Z)(51.2349GC%)、HCFO−1233zd(E)(31.8422GC%)、HCFO−1224xe(Z)(13.5913GC%)、HCFO−1233zd(Z)(3.2743GC%)であり、2cc揮発したにも関わらず、実質的に初期組成と同一であった。また、油除去率は100%であり、拡大鏡観察結果も残存油分が認められなかったので良好と判断された。
[実施例3]
<洗浄試験C>
切削油(ルブカットB−35)の代わりに、スピンドル油(ピュアセーフティ C−80)、作動油(スーパークリーン SC−41)、潤滑油(スニソ 4GS)、シリコーン油(SH−193)、ストレートシリコーン油(KF−96)、変性シリコーン油(MDX4−4159)を用いて実施例2と同様の実験(4種混合の共沸様組成物)を行った。すると、実施例2と同様に、油除去率は100%であり、拡大鏡観察結果も残存油分が認められなかったので良好と判断された。
[実施例4]
<洗浄試験D>
SUS316テストピースを埃が多い工作室に1週間放置した。窒素でブローした後、顕微鏡(倍率:百倍と千倍)で観察したところ、多くのパーティクルが観察された。これを、本発明の共沸様組成物:HCFO−1224xe(Z)(33vol%)−HCFO−1224xe(E)(33vol%)−HCFO−1233zd(E)(33vol%)−HCFO−1233zd(Z)(1vol%)(4種混合の共沸様組成物)で30秒間の超音波洗浄と、30秒間の蒸気洗浄を行い、自然乾燥した後、再び顕微鏡(倍率:百倍と千倍)で観察した結果、残存パーティクルが認められなかった。比較例として、HFC−365mfcを用いて同様の実験を行った結果、残存パーティクルが認められた。
[実施例5]
<洗浄試験E>
ステンレススチール製金網(60メッシュ)に以下の表9に記載のオイルを塗布後、10分間立てて液切し、以下の表8に記載した組成を有する本発明の共沸様組成物に5秒間浸漬して引き上げて、乾燥し、実施例1と同様に前後の質量測定によって油除去率を求めた(実施例5−a〜実施例5−c)。比較例として、共沸様組成物の代わりに市販のフッ素系洗浄剤であるHFE−7100(CHOCFCFCFCF、住友スリーエム社製)、HFC−365mfc(CFCHCFCF、日本ソルベイ社製),HCFC−225(HCFC−225ca(CFCFCHCl)とHCFC−225cb(CClFCFCHClF)との混合物、旭硝子社製)を用いて同様の試験を行った(比較例5−a〜比較例5−c)。その結果を以下の表9に示す。
表9においては、油除去率が95%以上〜100%を○とし、80%以上〜95%未満を△とし、0%以上〜80%未満を×として記載した。
[実施例6]
<洗浄試験F>
HCFO−1224xe(Z)(80mol%)及びHCFO−1233zd(E)(20mol%)からなる共沸様組成物(200g)を小型超音波洗浄機に入れて、硝子製レンズを10分間洗浄した。10分後の洗浄液の温度は17.5℃であった。この温度は、この共沸様組成物の蒸発温度を表す。レンズを熱風乾燥した後、目視、および拡大鏡で観察したが、良好に洗浄されていた。
[実施例7]
<洗浄試験G>
HCFO−1224ex(E)(95mol%)及びHCFO−1233zd(Z)(5mol%)からなる共沸様組成物を用いて、超音波洗浄機でアクリル板を10分洗浄した。目視および拡大鏡で観察した結果、表面は清浄であり、アクリル板も未洗浄時と同様の光沢を示していた。比較例として、HCFO−1233zd(Z)のみを用いて、実施例7と同様に超音波洗浄機でアクリル板を10分洗浄した。目視および拡大鏡で観察した結果、HCFO−1233zd(Z)のみを用いた場合、アクリル板の光沢が失われていた。
以下、2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)及び1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)を含有する本発明の共沸様組成物のオイルとの溶解性について実施例を挙げて説明する。
[実施例8]
<オイルとの溶解性試験>
容量比でHCFO−1224xe,HCFO−1233zdを混合して以下の表10に示す共沸様組成物A〜Hを調製した。硝子製バイアル(10cc)に、共弗様組成物とオイルを表11に記載のとおり仕込み、10回振った後、24時間静置した(実施例8−a〜実施例8−x)。また、比較例として、共沸様組成物の代わりに市販されているフッ素系溶剤を用いて同じ実験を行った(比較例8a〜比較例8−f)。その目視結果は表11の通りである。
2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)及び1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)を含有する本発明の共沸様組成物のシリコーン溶剤としての性能について実施例を挙げて説明する。
[実施例9]
<塗布及び乾燥性試験>
前述の実施例8の共沸様組成物Hと以下の表12に記載のシリコーン油を容量比95:5で混合した。その結果、速やかに均一となった。得られたシリコーン塗布溶液は、1ヶ月保管しても二層分離等の変質は認められなかった。このシリコーン塗布溶液に鏡面仕上げしたSUS316製ディスクを浸漬したあと、スピンコーターを用いて乾燥させた。具体的には1000rpmで30秒間回転させた。乾燥性、塗布膜の状態を表12に記載した。
2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)及び1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)を含有する本発明の共沸様組成物の発泡剤としての性能について実施例を挙げて説明する。
[実施例10]
<発泡試験>
以下の組成のプレミックスを調製した。
エステル系ポリオール(東邦理化製 OH価:314mgKOH/g):50質量部
ポリエーテル系ポリオール(住化バイエルウレタン製 OH価:467mgKOH/g:50質量部
整泡剤(ダウコーニング東レ製SF2937F):1.5質量部
整泡剤(GE東芝シリコーン製 TFA-4200):0.5質量部
酢酸カリウム:0.5質量部
触媒(エアプロダクツ製 PC-41):1.5質量部
イオン交換水:2質量部
発泡剤(HCFO−1224xe(Z)(33vol%)−HCFO−1224xe(E)(33vol%)−HCFO−1233zd(E)(33vol%)−HCFO−1233zd(Z)(1vol%)):35質量部
上記プレミックスとイソシアネート(三井武田ケミカル製コスモネートM-200)199質量部を攪拌混合した。その結果、ゲル化時間18秒であり、外観が優れた発泡体が得られた。コア部分を切り出し、目視で観察したところ、緻密で均質なセルが形成されていた。JIS A−1412に準拠して熱伝導率測定装置(Anacon社製TCA-8)で測定したところ、発泡体の熱伝導率は20.10mW/mKであった。
比較例として、発泡剤としてHCFO−1233zd(E)(99.9999GC%)を用いたことを除いて、実施例10と同じ実験を行った。その結果、ゲル化時間18秒であり、外観が優れた発泡体が得られた。コア部分を切り出し、目視で観察したところ、緻密で均質なセルが形成されていた。JIS A−1412に準拠して熱伝導率測定装置(Anacon社製TCA-8)で測定したところ、発泡体の熱伝導率は20.90mW/mKであった。
2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)及び1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)を含有する本発明の共沸様組成物の引火点について実施例を挙げて説明する。
[実施例11]
<引火点測定>
以下の表13に示す組成を有する共沸様組成物の引火点測定(タグ密閉式引火点測定器 TANAKA製atg-8)を行った結果は以下の表13の通りである。
以上の実施例1〜実施例11の結果から、本発明の2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)及び1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)を含有する共沸様組成物は、不燃性で、環境への影響が小さく、且つ実質的に液相部と気相部との組成が同一である洗浄剤、溶媒、シリコーン溶剤として優れており、発泡剤の材料として有用であることが分かる。
以下、2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)及び1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)を含有する本発明の共沸様組成物の熱伝達媒体としての性能について実施例を挙げて説明する。
[実施例12]
<HCFO−1224xe(Z)とHCFO−2333zd(E)を含む熱伝達媒体>
シス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))およびトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))を含む共沸様組成物を熱伝達媒体として用いた冷凍サイクルシステムの性能評価において、表14に示す条件で成績係数を算出した。熱伝達媒体の物性値は、米国国立標準技術研究所(NIST)のREFPROP ver.9.0により求めた。冷凍サイクルシステム計算条件1を以下の表14に示す。
尚、以上の冷凍サイクルシステム計算条件1は、蒸発器において、熱伝達媒体と熱源水との熱交換による7℃冷水の生成を想定している。
冷凍サイクルシステムの成績係数(COP)を算出するにあたり、次の項目を仮定した。
(A)圧縮機の圧縮過程は等エントロピー圧縮とする。
(B)膨張弁における絞り膨張過程は等エンタルピー膨張とする。
(C)配管および熱交換器における熱損失、圧力損失は無視する。
(D)圧縮機効率ηを0.7とする。
以下に、冷凍サイクルシステムの成績係数(COP)を算出する式について詳細に説明する。蒸発器への入熱量QEVAは、
EVA=G×(h−h)・・・(1)
であり、凝縮器における放熱量QCONは、
CON=G×(h−h)・・・(2)
となる。
ただし、等エントロピー圧縮後の圧縮機出口における熱伝達媒体のエンタルピーをh2thで表したとき、圧縮機効率を加味したときの圧縮機出口における熱伝達媒体のエンタルピーhは、
=h+(h2th−h)/η・・・(3)
となる。
熱伝達媒体の蒸気を圧縮する際に、圧縮機によって加えられた仕事量Wは、
W=G×(h−h)・・・(4)
となる。
冷凍サイクルシステムの成績係数(COP)は、
COP=QEVA/W=(h−h)/(h−h)・・・(5)
となる。
また、高温ヒートポンプサイクルシステムの成績係数(COP)は、
COP=QCON/W=(h−h)/(h−h)・・・(6)
となる。
次に、熱伝達媒体の体積能力(CAP)を算出する式について詳細に説明する。圧縮機吸い込み口における熱伝達媒体の蒸気密度はρであり、蒸発器における吸熱量QEVAであるから、冷凍サイクルシステムの体積能力(CAP)は、
CAP=ρ×QEVA=ρ×(h−h)・・・(7)
となる。
また、高温ヒートポンプサイクルシステムの体積能力(CAP)は、
CAP=ρ×QCON=ρ×(h−h)・・・(8)
となる。
ここで、以上の式(1)〜(8)において、各種記号は以下を意味する。
G :熱伝達用組成物循環量
W :圧縮仕事
EVA :入熱量
CON :放熱量
COP:成績係数(冷却)
COP:成績係数(加熱)
CAP:体積能力(冷却)
CAP:体積能力(加熱)
h :比エンタルピー
1,2,3,4:サイクルポイント
2th :等エントロピー圧縮後のサイクルポイント
図7において、実施例12(HCFO−1224xe(Z)及びHCFO−1233zd(E)を含む共沸様組成物)におけるPh線図(該共沸組成物において、質量比が、HCFO−1224xe(Z)/HCFO−1233zd(E)=90/10)を示す。図7において、サイクルポイント1、2、3、4は冷凍サイクルシステム計算条件1を示す。
[比較例12]
<2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタン>
2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタン(HCFC−123)は、不燃性であり、許容濃度が10ppmである。なお、HCFC−123の沸点は、大気圧下において27.8℃、大気寿命は1.3年、地球温暖化係数(GWP)は77(IPCC4次評価報告書 2007)、オゾン破壊係数(ODP)は0.02である。
実施例12における本発明の共沸様組成物の代わりに、2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタン(HCFC−123)を熱伝達媒体として用いた冷凍サイクルシステムの性能評価において、表1に示す条件で成績係数を算出した。なお、図8において、比較例12(HCFC−123)におけるPh線図を示す。
実施例12および比較例12の冷凍サイクルシステム成績係数(COP)の算出結果を表15に示す。
表15において、実施例12で用いた本発明の共沸様組成物の第1成分および第2成分の値を質量百分率で示す。共沸様組成物の第1成分がシス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))であり、第2成分がトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))である。表15における実施例12の相対COP及び相対CAPは、比較例12のCOP及びCAPをそれぞれ1.00とする相対値として算出した。
表15に示すとおり、本発明の共沸様組成物は、従来使用されてきた2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタン(HCFC−123)と同等の成績係数(COP)を有していることがわかる。また、本発明の共沸様組成物の体積能力は、HCFC−123の体積能力よりも40〜46%大きいことが見出された。これらの結果は、HCFC−123用の冷凍サイクルシステムと同レベルの冷却能力を有する2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン用の冷凍サイクルシステムを設計する場合、HCFC−123用システムと比べて、システム全体のサイズをより小型化できることを意味する。本発明の共沸様組成物を含む熱伝達媒体は、HCFC−123の運転圧力、圧力比、圧力差に対して同程度であることが見出され、より環境適合性の高い代替組成物として使用されることがわかる。
[実施例13]
<HCFO−1224xe(Z)およびHCFO−1233zd(E)を含む熱伝達媒体>
シス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))およびトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))を含む共沸様組成物を熱伝達媒体として用いた高温ヒートポンプサイクルシステムの性能評価において、表16に示す条件で成績係数を算出した。熱伝達媒体の物性値は、米国国立標準技術研究所(NIST)のREFPROP ver.9.0により求めた。高温ヒートポンプサイクルシステム計算条件2を以下の表16に示す。
尚、高温ヒートポンプサイクルシステム計算条件2は、凝縮器において、熱伝達媒体と熱源水との熱交換による70℃熱水の生成を想定している。
高温ヒートポンプサイクルシステム成績係数(COP)を算出するにあたり、次の項目を仮定した。
(A)圧縮機の圧縮過程は等エントロピー圧縮とする。
(B)膨張弁における絞り膨張過程は等エンタルピー膨張とする。
(C)配管および熱交換器における熱損失、圧力損失は無視する。
(D)圧縮機効率ηを0.7とする。
図9において、実施例13(HCFO−1224xe(Z)およびHCFO−1233zd(E)を含む共沸様組成物)におけるPh線図(質量比が、HCFO−1224xe(Z)/HCFO−1233zd(E)=90/10)を示す。図において、サイクルポイント1、2、3、4は高温ヒートポンプサイクルシステム計算条件2を示す。
[比較例13]
<2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタン>
実施例13における本発明の熱伝達媒体の代わりに、2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタン(HCFC−123)を熱伝達媒体として用いた高温ヒートポンプサイクルシステムの性能評価において、表16に示した条件で成績係数を算出した。なお、図10において、比較例13(HCFC−123)におけるPh線図を示す。
実施例13および比較例13の高温ヒートポンプサイクルシステム成績係数(COP)の算出結果を表17に示す。
表17において、実施例13で用いた本発明の共沸様組成物の第1成分および第2成分の値を質量百分率で示す。共沸様組成物の第1成分がシス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))であり、第2成分がトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))である。表17に示した実施例13の相対COPHおよび相対CAPHは、比較例13のCOPおよびCAPをそれぞれ1.00とする相対値として算出した。
表17に示すとおり、本発明の共沸様組成物は、従来使用されてきた2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタン(HCFC−123)と同等の成績係数(COP)を有していることがわかる。また、本発明の熱伝達媒体の体積能力(CAP)は、HCFC−123の体積能力よりも33〜36%大きいことが見出された。これらの結果は、HCFC−123用の高温ヒートポンプサイクルシステムと同レベルの加熱能力を有する2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン用の高温ヒートポンプサイクルシステムを設計する場合、HCFC−123用システムと比して、システム全体のサイズをより小型化できることを意味する。本発明の共沸様組成物を含む熱伝達媒体は、HCFC−123の運転圧力、圧力比、圧力差に対して同程度であることが見出され、より環境適合性の高い代替組成物として使用されることがわかる。
[実施例14]
<HCFO−1224xe(Z)およびHCFO−1233zd(E)を含む熱伝達媒体>
シス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))およびトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))を含む共沸様組成物を熱伝達媒体として用いた高温ヒートポンプサイクルの性能評価において、表18に示す条件で成績係数を算出した。高温ヒートポンプサイクルシステム計算条件3を以下の表18に示す。
尚、高温ヒートポンプサイクルシステム計算条件3は、凝縮器において、熱伝達媒体と熱源水との熱交換による120℃加圧熱水の生成を想定している。
図11において、実施例14(HCFO−1224xe(Z)およびHCFO−1233zd(E)を含む共沸様組成物)におけるPh線図(質量比が、HCFO−1224xe(Z)/HCFO−1233zd(E)=90/10)を示す。図において、サイクルポイント1、2、3、4は高温ヒートポンプサイクルシステム計算条件3を示す。
[比較例14]
<2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタン>
実施例14における本発明の熱伝達媒体の代わりに、2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタン(HCFC−123)を熱伝達媒体として用いた高温ヒートポンプサイクルシステムの性能評価において、表18に示す条件で成績係数を算出した。なお、図12に、比較例3(HCFC−123)におけるPh線図を示す。
実施例14および比較例14の高温ヒートポンプサイクルシステム成績係数(COP)の算出結果を表19に示す。
表19において、実施例14で用いた本発明の共沸様組成物の第1成分および第2成分の値を質量百分率で示す。共沸様組成物の第1成分がシス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))であり、第2成分がトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))である。表19に示した実施例14の相対COPおよび相対CAPは、比較例14のCOPおよびCAPをそれぞれ1.00とする相対値として算出した。
表19に示す通り、本発明の熱伝達媒体は、従来使用されてきた2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタン(HCFC−123)と同等の成績係数(COP)を有していることがわかる。また、本発明の熱伝達媒体の体積能力(CAP)は、HCFC−123の体積能力よりも23〜25%大きいことが見出された。これらの結果は、HCFC−123用の高温ヒートポンプサイクルシステムと同レベルの加熱能力を有する2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン用の高温ヒートポンプサイクルシステムを設計する場合、HCFC−123用システムと比して、システム全体のサイズをより小型化できることを意味する。本発明の共沸様組成物を含む熱伝達媒体は、HCFC−123の運転圧力、圧力比、圧力差に対して同程度であることが見出され、より環境適合性の高い代替組成物として使用されることがわかる。
[実施例15]
<HCFO−1224xe(Z)およびHCFO−1233zd(E)を含む熱伝達媒体>
シス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))およびトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))を含む共沸様組成物を熱伝達媒体(作動流体)として用いた有機ランキンサイクルシステムの性能評価において、表20に示す条件で発電サイクル効率および膨張機サイズパラメーターを算出した。有機ランキンサイクルシステム計算条件4を以下の表20に示す。
尚、有機ランキンサイクルシステム条件4は、蒸発器へ供給する熱源水の温度を90℃、凝縮器へ供給する冷却水の温度を30℃と想定している。
有機ランキンサイクルシステムの発電サイクル効率(ηcycle)および膨張機サイズパラメーター(SP)を算出するにあたり、次の項目を仮定した。
(A)ランキンサイクルの理想的な膨張過程は等エントロピー膨張とし、実機損失を考慮し、膨張機断熱効率ηを導入する。
(B)膨張機による発電機損失を発電機効率ηで考慮する。
(C)循環ポンプ動力は発電電気で駆動し、モータ効率を含めポンプ効率ηを導入する。ポンプはキャンド型で、損失分は熱としてサイクルに含める。
(D)軸受潤滑油の循環ポンプ動力は微小であるため無視する。
(E)配管の熱損失、圧力損失は無視する。
(F)蒸発器出口の作動流体は飽和蒸気とする。
(G)凝縮器出口の作動流体は飽和液とする。
以下に、有機ランキンサイクルシステムの発電サイクル効率(ηcycle)を算出する基礎式について詳細に説明する。なお、基礎式は、エバラ時報No.211(2006−4)、p.11掲載の「廃熱発電装置の開発(作動媒体及び膨張タービンの検討)」の計算式を用いた。
作動流体循環量Gによる膨張機の理論発生動力LTthは、
Tth=G×(h−h2th)・・・(9)
となる。
膨張機効率ηを考慮した発生動力LTは、
=LTth×η=G×(h−h)・・・(10)
となる。
発電機効率ηを考慮した発電量Eは、
=L×η・・・(11)
となる。
循環ポンプは、凝縮器出口の作動流体液を凝縮器圧力Pから圧力の高い蒸発器圧力Pに送り込むもので、その理論的な必要動力LPthは、
Pth=(P−P)×G/ρ・・・(12)
となる。
ポンプ効率ηを考慮した必要電力Eは、
=LPth/η=G×(h−h)・・・(13)
となる。
有効発電量Ecycleは、
cycle=E−E・・・(14)
となる。
蒸発器への供給熱量Qは、
=G×(h−h
=G×(h−h)−(P−P)×G/(ρ×η)・・・(15)
となる。
発電サイクルとしての効率は、
ηcycle=(E−E)×100/Q・・・(16)
となる。
次に、膨張機サイズパラメーター(SP)について詳細に説明する。なお、Energy2012,Vol.38,P136−143に記載の計算式を用いた。
作動流体循環量がGのとき、等エントロピー膨張における膨張機出口の作動流体体積流量V2thは、
2th=G/ρ2th・・・(17)
となる。
膨張機の理論断熱熱落差ΔHthは、
ΔHth=h−h2th・・・(18)
となる。
膨張機サイズパラメーター(SP)は、
SP=(V2th0.5/(ΔHth0.25・・・(19)
となる。
なお、以上の式(9)〜(19)において、各種記号は以下を意味する。
G: 作動流体循環量
Tth: 膨張機の理論発生動力
: 膨張機の発生動力
: 発電量
: 循環ポンプ必要電力
: 凝縮器圧力
: 蒸発器圧力
Pth: 循環ポンプの稼動に必要な理論動力
cycle: 有効発電量
: 入熱量
ηcycle: 発電サイクル効率
2th: 膨張機出口の理論体積流量
ΔHth: 膨張機の理論断熱熱落差
SP: 膨張機サイズパラメーター
ρ: 作動流体の密度
h: 比エンタルピー
1,2,3,4: サイクルポイント
図13において、実施例15(HCFO−1224xe(Z)およびHCFO−1233zd(E)を含む共沸様組成物)におけるTs線図を示す。図において、サイクルポイント1、2、3、4は有機ランキンサイクルシステム計算条件4を示す。
[比較例15]
<2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタン>
実施例15における本発明の熱伝達媒体(作動流体)の代わりに、2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタン(HCFC−123)を作動流体として用いた有機ランキンサイクルシステムの性能評価において、表20に示す条件で発電サイクル効率および膨張機サイズパラメーターを算出した。なお、図14に、比較例15におけるTs線図を示す。
実施例15及び比較例15の有機ランキンサイクルシステム性能(ηcycleおよびSP)の算出結果を表21に示す。
表21における実施例5の熱伝達媒体(作動流体)の第1成分および第2成分の値を質量百分率で示す。熱伝達媒体(作動流体)の第1成分がシス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))であり、第2成分がトランス−1−クロロ−3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))である。
表21に示した実施例15の膨張機入口体積流量、膨張機出口体積流量、発電サイクル効率およびSP値について、それぞれ比較例15の2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタンを1として相対値を表22に示す。
本発明の共沸様組成物を用いた熱伝達媒体(作動流体)と既存の作動流体である2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタンとを比較すると、表21及び表22に示すとおり、有機ランキンサイクルシステムに適用したときの発電サイクル効率は、ほぼ同等であった。一方、膨張機サイズパラメーター(SP)は、本発明の熱伝達媒体(作動流体)を用いた方が低い値となった。すなわち、本発明の共沸様組成物を、50℃〜200℃の熱エネルギーを機械エネルギー(および電気エネルギー)へ変換するための有機ランキンサイクルシステムの作動流体として用いた場合、2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタン作動流体よりもサイクル効率を維持しながら装置を小型化することが可能であることを意味する。
[実施例16]
<HCFO−1224xe(Z)およびHCFO−1233zd(E)を含む熱伝導媒体>
シス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))およびトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))を含む共沸様組成物を熱伝達媒体(作動流体)として用いた有機ランキンサイクルシステムの性能評価において、表23に示す条件で発電サイクル効率および膨張機サイズパラメーターを算出した。なお、図15、実施例16におけるTs線図を示す。
有機ランキンサイクルシステム計算条件5を以下の表23に示す。
[比較例16]
<2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタン>
実施例16における本発明の熱伝達媒体(作動流体)の代わりに、2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタン(HCFC−123)を作動流体として用いた有機ランキンサイクルシステムの性能評価において、表23に示す条件で発電サイクル効率および膨張機サイズパラメーターを算出した。なお、図16に、比較例16におけるTs線図を示す。
実施例16及び比較例16の有機ランキンサイクルシステム性能(ηcycleおよびSP)の算出結果を表24に示す。
表24における実施例16の熱伝達媒体(作動流体)の第1成分および第2成分の値を質量百分率で示す。熱伝達媒体(作動流体)の第1成分がシス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe(Z))であり、第2成分がトランス−1−クロロ−3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1233zd(E))である。
表24に示した実施例16の膨張機入口体積流量、膨張機出口体積流量、発電サイクル効率およびSP値について、それぞれ比較例16の2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタンを1として相対値を表25に示す。
本発明の共沸様組成物を用いた熱伝達媒体(作動流体)と既存の作動流体である2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタンとを比較すると、表24及び表25に示すとおり、有機ランキンサイクルシステムに適用したときの発電サイクル効率は、ほぼ同等であった。一方、膨張機サイズパラメーター(SP)は、本発明の熱伝達媒体(作動流体)を用いた方が低い値となった。すなわち、本発明の共沸様組成物を、50℃〜200℃の熱エネルギーを機械エネルギー(および電気エネルギー)へ変換するための有機ランキンサイクルシステムの作動流体として用いた場合、2,2−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロエタン作動流体よりもサイクル効率を維持しながら装置を小型化することが可能であることを意味する。
以上の実施例12〜実施例16の結果から、本発明の2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)及び1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)を含有する共沸様組成物は、冷凍サイクルシステム、高温ヒートポンプサイクルシステム、及び有機ランキンサイクルシステム装置等の熱伝達装置で用いられる熱伝達媒体として有用であることが分かる。
本発明は、数多くの用途において有用性を有する2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HCFO−1224xe)及び1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233zd)を含有する共沸様組成物に関する。本発明の共沸混合物様の組成物を用いることにより、不燃性または微燃性で、環境への影響が小さく、かつ、実質的に液相部と気相部の組成が同一である洗浄剤、溶媒、シリコーン溶剤、発泡剤、冷媒若しくはヒートポンプ用の熱媒体、又は高温作動流体を提供することができる。

Claims (18)

  1. 2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン及び1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含有する共沸様組成物。
  2. トランス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン及びトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む請求項1に記載の共沸様組成物。
  3. 前記トランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを1mol%以上99.999mol%以下含み、且つ前記トランス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペンを0.001mol%以上99mol%以下含む請求項2に記載の共沸様組成物。
  4. シス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン及びトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む請求項1に記載の共沸様組成物。
  5. 前記シス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペンを0.001mol%以上99.999mol%以下含み、且つ前記トランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを0.001mol以上99.999mol%以下含む請求項4に記載の共沸様組成物。
  6. トランス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン及びシス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む請求項1に記載の共沸様組成物。
  7. 前記トランス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペンを90%mol以上99.9mol%以下含み、且つ前記シス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを0.1mol%以上10mol%以下含む請求項6に記載の共沸様組成物。
  8. トランス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン、シス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン及びトランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む請求項1に記載の共沸様組成物。
  9. トランス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン、シス−2−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン、トランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン及びシス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを含む請求項1に記載の共沸様組成物。
  10. 請求項1に記載の共沸様組成物を含む洗浄剤。
  11. 請求項1に記載の共沸様組成物を含む溶媒。
  12. 請求項1に記載の共沸様組成物を含むシリコーン溶剤。
  13. 請求項1に記載の共沸様組成物を含む発泡剤。
  14. 請求項1に記載の共沸様組成物を含む熱伝達媒体。
  15. 請求項14に記載の熱伝達媒体を用いた熱伝達装置。
  16. 請求項14に記載の熱伝達媒体を用いた有機ランキンサイクルシステム装置。
  17. 請求項14に記載の熱伝達媒体を用いた高温ヒートポンプサイクルシステム。
  18. 請求項14に記載の熱伝達媒体を用いた冷凍サイクルシステム。
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