KR20180028552A

KR20180028552A - 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 조성물, 이를 함유하는 칠러, 및 그 안에 냉각을 생성하는 방법

Info

Publication number: KR20180028552A
Application number: KR1020187006578A
Authority: KR
Inventors: 콘스탄티노스 콘토마리스; 토마스 제이. 렉
Original assignee: 이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2018-03-16
Also published as: US8765004B2; CN102844400A; TWI540117B; TW201139334A; EP2558544B1; AR084380A1; MX2012012012A; ES2941409T3; JP6290959B2; US20130025299A1; JP2013527273A; WO2011130237A1; KR102037782B1; DE202011111049U1; SA111320376B1; FI3929265T3; PT3929265T; RU2012148719A; PL3406688T3; MX346315B

Abstract

본 명세서에는, 약 6 내지 약 70 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 30 내지 약 94 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 조성물을 함유하는 칠러 장치가 개시된다. 본 명세서에는, 약 58.0 내지 약 59.5 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 42.0 내지 약 40.5 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 조성물 또한 개시된다. 본 명세서에는, 약 54.0 내지 약 56.0 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 46.0 내지 약 44.0 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 조성물 또한 개시된다. 본 명세서에는, 약 58.0 내지 약 59.5 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 42.0 내지 약 40.5 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄으로 본질적으로 구성된 냉매를 포함하는 조성물 또한 개시된다. 본 명세서에는, 약 54.0 내지 약 56.0 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 46.0 내지 약 44.0 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄으로 본질적으로 구성된 냉매를 포함하는 조성물 또한 개시된다. 본 명세서에는, 칠러 내에 냉각을 생성하는 방법 또한 개시된다. 본 방법은, (a) 그를 통과하는 열전달 매질을 갖는 증발기 내에서 약 6 내지 70 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 30 내지 94 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 액체 냉매를 증발시킴으로써 증기 냉매를 생성시키는 단계; 및 (b) 압축기 내에서 증기 냉매를 압축하는 단계(여기서 냉매의 부피 냉각 용량은 단독의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄 및 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 양자 모두의 개별적인 부피 냉각 용량을 초과함)를 포함한다. 본 명세서에는, HFC-134a 또는 CFC-12를 냉매로 사용하도록 설계된 칠러에 약 6 내지 70 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 30 내지 94 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄으로 본질적으로 구성된 냉매를 포함하는 조성물을 투입함으로써 칠러의 냉각 용량을 증가시키는 단계를 포함하는, 상기 칠러 내의 냉매를 대체하는 방법 또한 개시된다.

Description

2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 조성물, 이를 함유하는 칠러, 및 그 안에 냉각을 생성하는 방법 {COMPOSITION COMPRISING 2,3,3,3-TETRAFLUOROPROPENE AND 1,1,1,2-TETRAFLUOROETHANE, CHILLERS CONTAINING SAME AND METHODS OF PRODUCING COOLING THEREIN}

본 발명은 공조 또는 냉장 장비에서 사용되는 냉매 분야에 관한 것이다. 특히, 본 개시는 칠러(특히 원심식 칠러)에 사용하기 위한 냉매 및 그 안에 사용되는 조성물에 관한 것이다.

현재 사용되는 작동 유체에 비해 환경 영향이 낮은 다양한 응용을 위한 작동 유체가 모색되어 왔다. 클로로플루오로카본(CFC: chlorofluorocarbon) 작동 유체에 대한 대체물로서 채택된 하이드로클로로플루오로카본(HCFC: hydrochlorofluorocarbon) 및 하이드로플루오로카본(HFC: hydrofluorocarbon) 작동 유체는 오존 파괴 지수(ODP: ozone depletion potential)가 더 낮거나 없지만, 지구 온난화에 대한 그들의 기여에 관하여 우려가 커지고 있다. 추가로, HCFC는 최종적으로, ODP로 인해 몬트리올 의정서(Montreal Protocol)에 의해 설정된 폐지 최종 기한(phase outdeadline)에도달할 것이다. 지구 온난화 지수를 기준으로 곧 시행될 규제때문에, ODP가 0인 HFC조차도 환경적으로 허용가능한 작동 유체가 되지 않을 것이다.

따라서, 냉매, 열전달 유체, 세정 용매, 에어로졸 추진제, 발포제(foam blowing agent) 및 소화제 또는 진화제로서 현재 사용되는 CFC, HCFC, 및 HFC에 대한 대체물이 모색되고 있다.

기존의 장비에서 작동 유체의 드롭-인(drop-in) 대체물로서의 역할을 하기 위해서는, 대체물 작동 유체는 그 장비가 설계된 원래의 작동 유체의 특성과 밀접하게 일치하는 특성을 가져야 한다. 기존 냉매의 대체를 허용할 특성들의 균형을 제공하는 조성물임을 확인하고 또한 유사한 응용을 위해 설계된 새로운 장비에서 냉매로서의 역할을 하는 것이 바람직할 것이다.

특히 칠러 응용에서의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄(HFC-134a) 및 다이플루오로트라이클로로메탄(CFC-12)에 대한 대체물을 찾는 데 있어서, 불포화 플루오로카본을 포함하는 조성물을 고려하는 것이 바람직할 것이다. 불포화 플루오로카본의 ODP는 0이며, 오늘날 사용되는 냉매보다 GWP를 유의적으로 저하시킨다.

약 6 내지 약 82 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜(예를 들어, 약 38 내지 약 82 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜) 및 약 94 내지 약 18 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄(예를 들어, 약 62 내지 약 18 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄)을 포함하는 조성물은, 칠러 내의 작동 유체로 사용될 때, 낮은 GWP 및 낮은 ODP 값을 가지면서도 높은 에너지 효율 및 냉각 용량을 가능하게 하는 것으로 밝혀져 있다. 공비 조성물 및 공비-유사 조성물인 이들 조성물의 실시 양태; 및 불연성인 이들 조성물의 실시 양태가 특기할 만하다.

본 발명은 약 6 내지 약 70 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 30 내지 약 94 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 조성물을 함유하는 칠러 장치를 제공한다.

본 발명은 약 51 내지 약 67 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 49 내지 약 33 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 조성물을 추가로 제공한다.

본 발명은 약 58.0 내지 약 59.5 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 42.0 내지 약 40.5 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 조성물을 추가로 제공한다.

본 발명은 약 54.0 내지 약 56.0 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 46.0 내지 약 44.0 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 조성물을 추가로 제공한다.

본 발명은 약 51 내지 약 67 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 49 내지 약 33 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄으로 본질적으로 구성된 냉매를 포함하는 조성물을 추가로 제공한다.

본 발명은 약 58.0 내지 약 59.5 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 42.0 내지 약 40.5 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄으로 본질적으로 구성된 냉매를 포함하는 조성물을 추가로 제공한다.

본 발명은 약 54.0 내지 약 56.0 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 46.0 내지 약 44.0 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄으로 본질적으로 구성된 냉매를 포함하는 조성물을 추가로 제공한다.

본 발명은 (a) 그를 통과하는 열전달 매질을 갖는 증발기 내에서 약 6 내지 약 70 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 30 내지 약 94 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 액체 냉매를 증발시킴으로써 증기 냉매를 생성시키는 단계; 및 (b) 원심식 압축기 내에서 증기 냉매를 압축하는 단계(여기서 냉매의 부피 냉각 용량(volumetric cooling capacity)은 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 단독 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄 단독의 개별적인 부피 냉각 용량을 초과함)를 포함하는, 칠러 내에 냉각을 생성하는 방법을 추가로 제공한다.

본 발명은, HFC-134a 또는 CFC-12를 냉매로 사용하도록 설계된 칠러에 약 6 내지 약 70 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 30 내지 약 94 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄으로 본질적으로 구성된 냉매를 포함하는 조성물을 투입함으로써 칠러의 냉각 용량을 증가시키는 단계를 포함하는, 상기 칠러 내의 냉매를 대체하는 방법을 추가로 제공한다.

<도 1>
도 1은, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 본 명세서에 기술된 조성물을 이용하는, 만액식 증발기를 갖는 원심식 칠러의 일 실시 양태의 개략도이다.
<도 2>
도 2는, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 본 명세서에 기술된 조성물을 이용하는, 직접 팽창식 증발기를 갖는 원심식 칠러의 일 실시 양태의 개략도이다.
<도 3>
도 3은 HFC-134a 단독의 부피 냉각 용량에 대한 HFO-1234yf 및 HFC-134a를 함유하는 다양한 조성물의 부피 냉각 용량 대 조성물 내의 중량% HFO-1234yf의 플롯이다.

이하에서 기술되는 구현예의 상세 사항을 다루기 전에, 일부 용어를 정의하거나 해설하기로 한다.

지구 온난화 지수(GWP)는 1 킬로그램의 이산화탄소의 방출과 비교하여, 1 킬로그램의 특정 온실 가스의 대기 방출로 인한 상대 지구 온난화 기여도를 평가하기 위한 지수이다. GWP는 주어진 가스에 대하여 대기 수명의 효과를 나타내는 상이한 시계(time horizon)에 대하여 계산될 수 있다. 100년 시계에 대한 GWP가 통상 기준이 되는 값이다.

오존 파괴 지수(ODP)는 문헌["The Scientific Assessment of Ozone Depletion, 2002, A report of the World Meteorological Association's Global Ozone Research and Monitoring Project," section 1.4.4, pages 1.28 to 1.31(본 구획의 첫번째 단락을 참조)]에서 정의된다. ODP는 플루오로트라이클로로메탄(CFC-11)에 관하여 질량-대-질량(mass-for-mass) 기준으로 화합물로부터 예상되는 성층권에서의 오존 파괴의 정도를 나타낸다.

냉장 용량 (때때로 냉각 용량으로 지칭됨)은 순환되는 냉매의 단위 질량당 증발기에서의 냉매의 엔탈피 변화를 정의하는 용어이다. 부피 냉각 용량은 증발기에서 나오는 냉매 증기의 단위 부피당 증발기 내의 냉매에 의해 제거되는 열의 양을 지칭한다. 냉장 용량은 냉각을 생성시키는 냉매 또는 열전달 조성물의 능력의 척도이다. 냉각 속도는 단위 시간당 증발기 내의 냉매에 의해 제거되는 열을 지칭한다.

성능 계수(COP: coefficient of performance)는 증발기에서 제거되는 열의 양을 주기를 작동시키기 위해 필요한 에너지 입력으로 나눈 것이다. COP가 더 높을수록 에너지 효율도 더 높다. COP는 직접적으로 에너지 효율비(EER), 즉, 특정 세트의 내부 및 외부 온도에서 냉장 또는 공조 장비에 대한 효율 등급에 관계된다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 열전달 매질은 냉각시키고자 하는 본체로부터 칠러 증발기까지, 또는 칠러 응축기로부터 냉각탑 또는 열을 주위로 방출할 수 있는 다른 형상까지 열을 운반하기 위해 사용되는 조성물을 포함한다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 냉매는 주기중에 열을 전달하는 작용을 하는 화합물 또는 화합물의 혼합물을 포함하며, 여기서 조성물은 반복되는 주기 중에 액체로부터 가스로, 그리고 다시 액체로의 상 변화를 겪는다.

가연성은 조성물이 화염을 발화시키고/시키거나 전파시키는 능력을 의미하기 위해 사용되는 용어이다. 냉매 및 다른 열전달 조성물에 대해, 연소하한(lower flammability limit, "LFL")은 조성물의 균질한 혼합물을 통해 화염을 전파시킬 수 있는 공기 내, 및 ASTM(미국 재료 시험 학회(American Society of Testing and Materials)) E681-2001에서 명시된 시험 조건 하의 공기 내에서 열전달 조성물의 최소 농도이다. 연소 상한(upper flammability limit; "UFL")은 조성물의 균질한 혼합물을 통해 화염을 전파시킬 수 있는 공기 중에서의, 그리고 ASTM E681에 의해 측정될 때 공기 중에서의 열전달 조성물의 최대 농도이다. 인화성 성분 및 불연성 성분을 포함하는 혼합물의 LFL 및 UFL은 혼합물 내의 불연성 성분의 비율이 증가함에 따라 서로 근접하며, 결국 불연성 성분의 어떤 한계 비율에서 일치한다. 한계 비율을 초과하는 불연성 성분을 함유하는 조성물은 불연성일 것이다. 단일 성분 냉매 또는 공비 냉매 블렌드의 경우, 조성물은 누출 동안 변화되지 않을 것이며, 따라서 누출 동안의 조성 변화는 인화성을 결정함에 있어서 인자가 아닐 것이다. 많은 냉장 및 공조 적용에 있어서, 냉매 또는 작동 유체는 불연성인 것이 요구된다.

공비 조성물은 두 가지 이상의 상이한 성분들의 혼합물인데, 이는 주어진 압력 하에서 액체 형태일 때 실질적으로 일정한 온도에서 비등할 것이며, 이 온도는 개별 성분의 비등점보다 더 높거나 낮을 수 있으며, 이는 비등을 겪는 전체 액체 조성물과 본질적으로 동일한 증기 조성물을 제공할 것이다. (예를 들어, 문헌[M. F. Doherty and M. F. Malone, Conceptual Design of Distillation Systems, McGraw-Hill (New York), 2001, 185-186, 351-359] 참조).

따라서, 공비 조성물의 본질적 특징은 주어진 압력에서 액체 조성물의 비등점이 일정하다는 것과, 비등하는 조성물 위의 증기의 조성이 본질적으로 비등하는 전체 액체 조성물의 조성이라는 것이다(즉, 액체 조성물의 성분들의 분별증류가 일어나지 않음). 공비 조성물의 각각의 성분의 비등점 및 중량 백분율 둘 모두가 공비 조성물이 상이한 압력에서의 비등에 처해질 때 변할 수 있음이 인식된다. 따라서, 공비 조성물은 특정 압력에서의 고정된 비등점을 특징으로 하는 조성물의 각 성분의 중량 백분율의 관점에서 정의될 수 있다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 공비-유사 조성물은 본질적으로 공비 조성물처럼 거동하는(즉, 일정한 비등 특성, 또는 비등 또는 증발시에 분별증류되지 않는 경향을 갖는) 조성물을 의미한다. 따라서, 비등 또는 증발 동안, 증기와 액체 조성물은 그들이 조금이라도 변한다면, 단지 최소한 또는 무시할만한 정도로만 변한다. 이는 비등 또는 증발 동안 증기와 액체 조성물이 상당한 정도로 변하는 비-공비-유사 조성물과 대조된다.

또한, 공비-유사 조성물은 사실상 동일한 이슬점 및 기포점 압력을 나타낸다. 즉, 주어진 온도에서 이슬점 압력과 기포점 압력의 차이는 작을 것이다. 이슬점 및 기포 압력이 5% 이하(기포점 압력을 기준으로) 만큼 상이한 본 명세서에 기술된 조성물은 공비-유사인 것으로 간주된다. 이슬점 압력 및 기포점 압력에 있어서 0.01% 이하의 차이를 나타내는 조성물이 특기할 만하다.

비-공비 조성물 또는 비-공비-유사 조성물은, 액체 상태로부터의 부분 증발 또는 증류시에 그것이 증발되거나 증류된 액체와는 실질적으로 상이한 조성을 갖는 증기를 생성시키는 2가지 이상의 물질의 혼합물이다. 비-공비 조성물을 특성화하는 다른 방법은 특정 온도에서 조성물의 기포점 증기압과 이슬점 증기압이 실질적으로 상이하다는 것이다. 본 명세서에서, 이슬점 압력과 기포점 압력의 차이가 5%를 초과한다면(기포점 압력을 기준으로) 조성물은 비-공비이다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "함유하다", "함유하는", "포함하다", "포함하는", "갖는다", "갖는" 또는 이들의 임의의 다른 변형은 비배타적인 포함을 망라하고자 하는 것이다. 예를 들어, 요소들의 목록을 포함하는 공정, 방법, 용품, 또는 장치는 반드시 그러한 요소만으로 한정되지는 않고, 명확하게 열거되지 않거나 그러한 공정, 방법, 용품, 또는 장치에 내재적인 다른 요소를 포함할 수도 있다. 더욱이, 달리 표현되어 언급되지 않는 한, "또는"은 포함적인 의미이고 제한적인 의미가 아니다. 예를 들어, 조건 A 또는 B는 하기 중 어느 하나에 의해 만족된다: A는 참(또는 존재함)이고 B는 거짓(또는 존재하지 않음), A는 거짓(또는 존재하지 않음)이고 B는 참(또는 존재함), A 및 B가 모두가 참(또는 존재함).

연결구 "구성된"은 명시되지 않은 임의의 요소, 단계, 또는 성분을 제외한다. 특허청구범위 중에서라면, 이는 통상적으로 연계된 불순물을 제외하고는 인용된 것 이외의 재료를 포함하지 않는 것으로 특허청구범위를 한정할 것이다. 어구 "~로 구성된"이 청구항 전문의 직후가 아닌 청구항 본문의 절에 나타날 경우, 이것은 그 절에 개시된 요소만을 한정하며; 다른 요소들은 청구항 전체로부터 배제되지 않는다.

부가적으로 포함된 재료, 단계, 특징부, 성분, 또는 요소가 특허청구된 발명의 기본적이고 신규한 특성(들)에 실질적으로 영향을 미친다면, 연결구 "본질적으로 구성된"은 문자 그대로 개시된 것 이외에도, 이들 재료, 단계, 특징부, 성분, 또는 요소를 포함하는 조성물, 방법 또는 장치를 정의하는데 사용된다. 용어 '본질적으로 구성되는'은, "포함하는"과 "구성되는" 사이의 중간 입장을 차지한다.

본 발명자가 개방형 용어, 예컨대 "포함하는"으로 발명 또는 그의 부분을 정의하는 경우에는, (달리 기술되지 않는 한) 용어 "본질적으로 이루어지는" 또는 "이루어지는"을 사용하여 이러한 발명을 또한 기재하는 것으로 해석되어야 한다는 것을 용이하게 이해하여야 한다.

또한, 부정관사("a" 또는 "an")의 사용은 본 명세서에서 설명되는 요소들 및 구성요소들을 설명하기 위해 채용된다. 이는 단지 편의상 그리고 본 발명의 범주의 전반적인 의미를 제공하기 위해 행해진다. 이러한 기재는 하나 또는 적어도 하나를 포함하는 것으로 이해되어야 하고, 단수형은 그가 달리 의미하는 것이 명백하지 않으면 복수를 또한 포함한다.

달리 정의되지 않으면, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에서 설명되는 것과 유사하거나 등가인 방법 및 재료가 본 발명의 실시 양태의 실시 또는 시험에서 사용될 수 있지만, 적합한 방법 및 재료가 후술된다. 본 명세서에서 언급되는 모든 간행물, 특허 출원, 특허, 및 다른 참조 문헌은 특정 구절이 인용되지 않으면 전체적으로 참고로 본 명세서에 통합된다. 상충되는 경우에는, 정의를 포함한 본 명세서가 좌우할 것이다. 게다가, 재료, 방법 및 실시예는 단지 예시적인 것이며, 한정하고자 하는 것이 아니다.

조성물

HFO-1234yf로도 알려진 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜은, 미국 특허 제US 6,252,099호에 기술된 바와 같이 프로필렌과 은 플루오라이드의 반응에 의해, 또는 미국 특허 출원 공개 제2007-0179324 A1호에 기술된 바와 같이 1,1,1,2,3-펜타플루오로프로판(HFC-245eb)의 데하이드로플루오르화에 의해, 당업계에 공지된 방법에 의해 제조될 수 있다.

1,1,1,2-테트라플루오로에탄(HFC-134a 또는 R-134a로도 알려짐)은 다수의 냉매 제조업체 및 유통업체로부터 구매가능하다.

일 실시 양태에서, 칠러에 사용하기 위한 조성물은 HFO-1234yf 및 HFC-134a를 포함한다. 일부 실시 양태에서, 만액식 증발기이든 직접 팽창식 칠러이든, 칠러에 유용한 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 본 명세서에 개시된 조성물은 공비 또는 공비-유사이다. 일 실시 양태에서, 공비 및 공비-유사 조성물은 만액식 증발기 칠러에 특히 유용하며, 이는 분별증류되는 냉매 조성물을 사용하는 경우에 만액식 증발 칠러의 성능이 저하되기 때문이다. 공비 또는 공비-유사가 아닌 냉매 혼합물은 칠러 내에서 사용되는 동안 어느 정도 분별증류된다. 기존 냉매의 특성에 합리적으로 일치함으로써 기존 냉매에 대한 합리적인 대체물의 역할을 할 수 있는 단일 성분 냉매를 동정하기는 종종 어렵다. 그러므로, 공비 또는 공비-유사이면서 현재 사용되는 냉매의 특성에 일치하는 특성을 갖는 조성물은 특히 유리하다.

약 6 내지 약 82 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜(예를 들어, 약 38 내지 약 82 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜) 및 약 94 내지 약 18 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄(예를 들어, 약 62 내지 약 18 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄)을 포함하는 조성물은, 칠러 내의 작동 유체로 사용될 때, 낮은 GWP 및 낮은 ODP 값을 가지면서도 높은 에너지 효율 및 냉각 용량을 가능하게 하는 것으로 밝혀져 있다.

일 실시 양태에서, 공비 또는 공비-유사 조성물은 약 38 내지 약 82 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 62 내지 약 18 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함한다. 이들 공비 및 공비-유사 조성물은, 기포점 증기압과 이슬점 증기압 사이의 차이가 최소이므로 약 0℃ 내지 약 40℃(칠러의 대략적인 실제 작동 온도 범위)의 온도로부터 구배(glide)가 최소인 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 조성물을 포괄한다. 그러므로, 이들 조성물은 칠러의 응축기 및 증발기 양자 모두의 최적 성능을 가능하게 한다.

다른 실시 양태에서, 칠러 장치에 사용하기 위한 조성물은 약 6 내지 약 70 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 30 내지 약 94 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함한다. 의외로, 이 범위의 조성물은 전형적인 칠러 작동 조건 하에서 단독의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄 및 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 양자 모두의 개별적인 부피 냉각 용량을 초과하는 부피 냉각 용량을 갖는다는 것이 밝혀져 있다.

다른 실시 양태에서, 칠러를 위한 응축기 조건의 최적화를 가능하게 하는 본 명세서에 개시된 조성물은 약 38 내지 약 67 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 62 내지 약 33 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함한다. 이들 조성물은 온도가 대략 40℃인 응축기 내에서 최소의 분별증류를 가능하게한다.

다른 실시 양태에서, 칠러를 위한 증발기 조건의 최적화를 가능하게 하는 본 명세서에 개시된 조성물은 약 54 내지 약 82 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 46 내지 약 18 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함한다. 이들 조성물은 온도가 대략 0℃인 증발기 내에서 최소의 분별증류를 가능하게한다.

다른 실시 양태에서, 칠러의 응축기 및 증발기 양자 모두에서 최소의 구배를 제공할 본 명세서에 개시된 조성물은 공비 혼합물인 조성물이다. 그러므로, 상기 실시 양태에서, 조성물은 약 51 내지 약 67 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 49 내지 약 33 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하며, 이들은 0 내지 40℃에서 공비이다.

다른 실시 양태에서, 칠러를 위한 증발기 조건의 최적화를 가능하게 하는 본 명세서에 개시된 조성물은 약 54 내지 약 67 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 46 내지 약 33 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함한다.

다른 실시 양태에서, 본 명세서에 개시된 조성물은 약 54 내지 약 56 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 46 내지 약 44 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함한다. 약 55 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 45 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 조성물이 특기할 만하다.

일부 응용에서는 불연성인 냉매를 갖는 것이 바람직하다. 일부 실시 양태에서, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 본 명세서에 개시된 조성물은 불연성이다. 일 실시 양태에서, 칠러에 유용한 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 조성물은 약 41 중량% 이상의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 불연성 조성물이다.

약 58.0 내지 약 59.5 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 42.0 내지 약 40.5 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 조성물과 같이 공비 또는 공비-유사이면서 동시에 불연성인 실시 양태가 특기할 만하다. 공비 또는 공비 유사이며 불연성인 본 명세서에 개시된 조성물의 일 실시 양태는 약 59 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 41 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 조성물이다.

공비 또는 공비 유사이며 불연성인 본 명세서에 개시된 조성물의 다른 실시 양태는 약 53 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 47 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 조성물이다. 추가로, 약 58.0 내지 약 59.5 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 42.0 내지 약 40.5 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄으로 본질적으로 구성된 냉매를 포함하는 부가적 조성물이다. 약 59 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 41 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄으로 본질적으로 구성된 냉매를 포함하는 일 실시 양태가 특기할 만하다.

약 54.0 내지 약 56.0 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 46.0 내지 약 44.0 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄으로 본질적으로 구성된 냉매를 포함하는 조성물 또한 주목할 만하다. 약 55 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 45 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄으로 본질적으로 구성된 냉매를 포함하는 일 조성물이 특기할 만하다.

그리고 다른 실시 양태에서는 약 53 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 47 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄으로 본질적으로 구성된 냉매를 포함하는 조성물이다.

일 실시 양태에서는, 습기의 제거를 보조하기 위해 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 본 명세서에 개시된 조성물을 칠러 내에서 건조제와 조합하여 사용할 수 있다. 건조제는 활성 알루미나, 실리카 겔, 또는 제올라이트-기반 분자체로 구성될 수 있다. 대표적인 분자체는 MOLSIV XH-7, XH-6, XH-9 및 XH-11(미국 일리노이주 데스 플레인즈 소재의 UOP LLC)을 포함한다.

일 실시 양태에서, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 본 명세서에 개시된 조성물은, 본 명세서에 개시된 바와 같이 폴리알킬렌 글리콜, 폴리올 에스테르, 폴리비닐에테르, 광유, 알킬벤젠, 합성 파라핀, 합성 나프텐, 및 폴리(알파)올레핀으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 윤활제와 조합하여 사용될 수 있다.

일부 실시 양태에서, 본 명세서에 개시된 조성물과 조합하기에 유용한 윤활제는 칠러 장치와 함께 사용하기에 적합한 것들을 포함할 수 있다. 이러한 윤활제들 중에서도 클로로플루오로카본 냉매를 이용하는 증기 압축 냉장 장치에서 통상적으로 사용되는 것들이다. 일 실시 양태에서, 윤활제는 압축 냉장 윤활의 분야에서 "광유"로서 흔히 알려진 것들을 포함한다. 광유는 파라핀(즉, 직쇄 및 분지형-탄소-사슬, 포화된 탄화수소), 나프텐(즉, 사이클릭 파라핀) 및 방향족(즉, 교대 이중 결합을 특징으로 하는 하나 이상의 고리를 함유하는 불포화, 사이클릭 탄화수소)을 포함한다. 일 실시 양태에서, 윤활제는 압축 냉장 윤활의 분야에서 "합성유"로서 흔히 알려진 것들을 포함한다. 합성유는 알킬아릴(즉, 선형 및 분지형 알킬 알킬벤젠), 합성 파라핀 및 나프텐, 및 폴리(알파올레핀)을 포함한다. 대표적인 통상의 윤활제는 구매가능한 BVM 100 N(BVA 오일즈(BVA Oils)에 의해 판매되는 파라핀계 광유), 크롬프톤 컴퍼니(Crompton Co.)로부터 상표명 수니소(Suniso)(등록상표) 3GS 및 수니소(등록상표) 5GS로 구매가능한 나프텐계 광유, 펜조일(Pennzoil)로부터 상표명 손텍스(Sontex)(등록상표) 372LT로 구매가능한 나프텐계 광유, 칼루메트 루브리컨츠(Calumet Lubricants)로부터상표명 칼루메트(등록상표) RO-30으로 구매가능한 나프텐계 광유, 쉬리브 케미칼즈(Shrieve Chemicals)로부터 상표명 제롤(Zerol)(등록상표) 75, 제롤(등록상표) 150 및 제롤(등록상표) 500으로 구매가능한 선형 알킬벤젠, 및 HAB 22(니폰 오일(Nippon Oil)에 의해 판매되는 분지형 알킬벤젠)이다.

다른 실시 양태에서, 윤활제는 또한, 하이드로플루오로카본 냉매와 함께 사용되도록 설계되었던 것들, 및 압축 냉장 및 공조 장치의 작동 조건 하에서 본 발명의 냉매와 혼화가능한 것들을 포함할 수 있다. 그러한 윤활제에는 폴리올 에스테르(POE) 예컨대 캐스트롤(Castrol)^® 100(영국, 캐스트롤(Castrol, United Kingdom)), 폴리알킬렌 글리콜(PAG) 예컨대 다우(Dow)(미국, 미시간주, 미들랜드, 다우 케미칼(Dow Chemical, Midland, Michigan))로부터의 RL-488A, 폴리비닐 에테르(PVE), 및 폴리카르보네이트(PC)가 포함되나 이에 한정되지 않는다.

바람직한 윤활제는 폴리올 에스테르이다.

본 명세서에 개시된 냉매와 함께 사용되는 윤활제는 주어진 압축기의 요건 및 윤활제가 노출될 환경을 고려함으로써 선택된다.

일 실시 양태에서, 본 명세서에 개시된 냉매는 상용화제, UV 염료, 용해제, 트레이서, 안정화제, 퍼플루오로폴리에테르(PFPE), 및 작용화된 퍼플루오로폴리에테르로 구성된 군으로부터 선택되는 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.

일 실시 양태에서, 조성물은 약 0.01 중량% 내지 약 5 중량%의 안정화제, 자유 라디칼 포착제(scavenger) 또는 항산화제와 함께 사용될 수 있다. 그러한 기타 첨가제는 니트로메탄, 장애 페놀(hindered phenol), 하이드록실아민, 티올, 포스파이트, 또는 락톤을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 단일 첨가제 또는 조합이 사용될 수 있다.

임의로, 다른 실시 양태에서는, 성능 및 시스템 안정성을 증진시키기 위하여 필요에 따라 특정 냉장 또는 공조 시스템 첨가제를 첨가할 수 있다. 이들 첨가제는 냉장 및 공조 분야에 알려져 있으며, 내마모제, 극압 윤활제, 부식 및 산화 억제제, 금속 표면 불활성화제, 자유 라디칼 포착제, 및 폼 제어제를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 일반적으로, 이들 첨가제는 본 발명의 조성물에서, 전체 조성물에 대하여 소량으로 존재할 수 있다. 전형적으로는, 각각의 첨가제가 약 0.1 중량% 미만 내지 약 3 중량%만큼 많은 농도로 사용된다. 이들 첨가제는 개별 시스템의 요건에 기초하여 선택된다. 이들 첨가제에는 EP(극압) 윤활 첨가제의 트라이아릴 포스페이트 부류의 구성원, 예를 들어 부틸화 트라이페닐 포스페이트(BTPP), 또는 기타 알킬화 트라이아릴 포스페이트 에스테르, 예를 들어 악조 케미칼즈(Akzo Chemicals)로부터의 Syn-0-Ad 8478, 트라이크레실 포스페이트 및 관련 화합물이 포함된다. 부가적으로, 금속 다이알킬 다이티오포스페이트(예컨대, 아연 다이알킬 다이티오포스페이트(또는 ZDDP), 루브리졸(Lubrizol) 1375 및 이러한 화학물질 부류의 기타 구성원들이 본 발명의 조성물에 사용될 수 있다. 다른 내마모 첨가제는 천연 생성물 오일 및 비대칭 폴리하이드록실 윤활 첨가제, 예를 들어 시너골(Synergol) TMS(인터내셔널 루브리컨츠(International Lubricants))를포함한다. 유사하게, 안정화제, 예를 들어 산화방지제, 자유 라디칼 포착제, 및 물 포착제가 사용될 수 있다. 이러한 범주 내 화합물에는 부틸화된 하이드록시 톨루엔(BHT), 에폭사이드, 및 그의 혼합물이 포함될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 부식 억제제는 도데실 석신산(DDSA), 아민 포스페이트(AP), 올레오일 사코신, 이미다존 유도체 및 치환된 설포네이트를 포함한다.

장치

일 실시 양태에는 약 6 내지 70 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 30 내지 94 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 조성물을 함유하는 칠러 장치가 제공된다. 칠러 장치는 원심식 장치 및 정변위(positive displacement) 장치를 포함하는 다양한 유형일 수 있다. 전형적으로 칠러 장치는 증발기, 압축기, 응축기 및 감압 디바이스, 예를 들어 밸브를 포함한다. 약 6 내지 70 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 30 내지 94 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 조성물은 순수한 1,1,1,2-테트라플루오로에탄 또는 순수한 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 단독의 부피 냉각 용량보다 높은 부피 냉각 용량을 제공한다.

다른 실시 양태에는 약 38 내지 82 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 62 내지 18 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 조성물을 함유하는 칠러 장치가 제공된다.

냉각기는 공조/냉장 장치의 일 유형이다. 본 발명은 증기 압축식 냉각기에 관한 것이다. 그러한 증기 압축 칠러는 만액식 증발기 칠러(이의 일 실시 양태가 도 1에 도시되어 있음), 또는 직접 팽창식 칠러(이의 일 실시 양태가 도 2에 도시되어 있음)일 수 있다. 만액식 증발기 칠러 및 직접 팽창식 칠러 양자 모두는 공냉식(air-cooled) 또는 수냉식(water-cooled)일 수 있다. 냉각기가 수냉식인 실시 양태에서, 그러한 냉각기는 일반적으로 시스템으로부터 열 배출을 위해 냉각탑과 연결된다. 냉각기가 공냉식인 실시 양태에서, 냉각기에는 시스템으로부터 열을 배출하기 위해 냉매-대-공기 핀형-튜브(finned-tube) 응축기 코일 및 팬(fan)이 장착된다. 공냉식 냉각기 시스템은 일반적으로 냉각탑 및 급수 펌프를 포함하는 등가-용량의 수냉식 냉각기 시스템보다 덜 고가이다. 그러나, 수냉식 시스템은 보다 낮은 응축 온도로 인해 많은 작동 조건 하에서 더욱 효율적일 수 있다.

만액식 증발기 칠러 및 직접 팽창식 칠러 둘 모두를 포함한 칠러는 공기 처리 및 분배 시스템(air handling and distribution system)과 결합되어, 호텔, 사무용 건물, 병원, 대학교 등을 포함한 대형 상업용 건물에 쾌적한 공조(공기를 냉각 및 제습시킴)를 제공할 수 있다. 다른 실시 양태에서, 냉각기, 대부분 공냉식 직접 팽창식 냉각기는 해군 잠수함 및 해상 선박에서 더욱 유용할 수 있다.

냉각기의 작동 방법을 예시하기 위해서 도면을 참조한다. 수냉식, 만액식 증발기 칠러는 도 1에서 예시되어 제시된다. 이러한 칠러 내에서, 물을 포함하는 따뜻한 액체인 제1 열전달 매질, 및 일부 실시 양태에서, 글리콜(예를 들어, 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜)과 같은 첨가제는 입구 및 출구를 갖는 증발기(6) 내에서 코일 또는 튜브 다발(9)을 통해 화살표(3)에서 들어가는 것으로 제시된 것처럼, 건물 냉각 시스템과 같은 냉각 시스템으로부터 칠러로 들어간다. 따뜻한 제1 열전달 매질은 증발기로 전달되고, 여기서 이는 증발기의 하위 부분에 제시되는 액체 냉매에 의해 냉각된다. 코일(9)을 통해 유동하는 따뜻한 제1 열전달 매질의 온도보다 낮은 온도에서 액체 냉매가 증발한다. 냉각된 제1 열전달 매질은 코일(9)의 귀환 부분(return portion)을 통해 화살표(4)에 의해 제시된 바와 같이 다시 건물 냉각 시스템으로 재순환된다. 도 1의 증발기(6)의 하위 부분에서 제시되는 액체 냉매는 증발하고 압축기(7) 내로 들어가서, 냉매 증기의 압력 및 온도를 증가시킨다. 압축기는 이 증기를 압축하여, 냉매 증기가 증발기로부터 나올 때의 이 냉매 증기의 압력 및 온도보다 더 높은 압력 및 온도에서 응축기(5)에서 응축될 수 있게 한다. 수냉식 칠러의 경우 액체인 제2 열전달 매질은 도 1의 화살표(1)에서 냉각탑으로부터 응축기(5) 내에 있는 코일 또는 튜브 다발(10)을 통해 응축기로 들어간다. 제2 열전달 매질은 이 과정에서 가온되고 코일(10)의 귀환 루프 및 화살표(2)를 통해 냉각탑 또는 대기로 되돌아간다. 도 1에 제시된 바와 같이 응축기의 하위 부분에 액체 냉매가 존재하도록, 이러한 제2 열전달 매질은 응축기에서 증기를 냉각시켜, 증기가 액체 냉매로 응축되도록 한다. 응축기 내의 응축된 액체 냉매는 구멍, 모세관 또는 팽창 밸브일 수 있는 팽창 디바이스(8)를 통해 증발기로 다시 유동한다. 팽창 디바이스(8)는 액체 냉매의 압력을 감소시키고, 액체 냉매를 증기로 부분적으로 전환시키는데, 즉, 액체 냉매는 압력이 응축기 및 증발기 사이에서 떨어짐에 따라 플래싱(flashing)한다. 플래싱은 냉매, 즉 액체 냉매 및 냉매 증기 양자 모두를 증발기 압력에서 포화 온도로 냉각시켜, 액체 냉매 및 냉매 증기 양자 모두가 증발기 내에 존재하게 한다.

단일 성분 냉매 조성물의 경우, 증발기 내의 증기 냉매의 조성은 증발기 내의 액체 냉매의 조성과 동일하다는 것에 유의하여야 한다. 이 경우, 증발은 일정한 온도에서 일어날 것이다. 그러나, 본 발명에서와 같이 냉매 블렌드(또는 혼합물)가 사용된다면, 증발기 내의(또는 응축기 내의) 액체 냉매 및 냉매 증기는 상이한 조성을 가질 수 있다. 이는 장비를 수리하는 데 있어서의 어려움 및 비효율적인 시스템을 초래할 수 있으며, 따라서 단일 성분 냉매가 더 바람직하다. 공비 또는 공비-유사 조성물은 칠러 내에서 본질적으로 단일 성분 냉매로서 작용할 것이어서, 액체 조성물 및 증기 조성물은 본질적으로 동일하여 비-공비 또는 비-공비-유사 조성물의 사용으로부터 생길 수 있는 임의의 비효율성을 감소시키게 된다.

700 ㎾ 초과의 냉각 용량을 갖는 칠러는 일반적으로 만액식 증발기를 사용하는데, 여기서 증발기 및 응축기 내의 냉매는 열전달 매질용 코일 또는 튜브 다발 또는 다른 도관을 둘러싼다(즉, 냉매가 셸면(shell side) 상에 존재함). 만액식 증발기는 더 많은 냉매 투입을 필요로 하지만, 더 근접한 접근 온도 및 더 높은 효율을 가능하게 한다. 700 ㎾ 미만의 용량을 갖는 칠러는 통상적으로 튜브 내에서 유동하는 냉매, 및 튜브를 둘러싼 응축기 및 증발기 내의 열전달 매질을 가진 증발기를 사용한다(즉, 열전달 매질이 셸면 상에 존재함). 그러한 냉각기는 직접 팽창식(DX) 냉각기로 불린다. 수냉식 직접 팽창식 칠러의 일 실시 양태가 도 2에 예시되어 있다. 도 2에 예시된 바와 같은 칠러에서, 따뜻한 물과 같은 따뜻한 액체인 제1 액체 열전달 매질은 입구(14)에서 증발기(6')로 들어간다. 대부분 액체 냉매(소량의 냉매 증기가 있음)는 화살표(3')에서 증발기 내의 코일 또는 튜브 다발(9')로 들어가서 증발된다. 그 결과, 제1 액체 열전달 매질은 증발기 내에서 냉각되고, 냉각된 제1 액체 열전달 매질은 출구(16)에서 증발기를 빠져 나오고, 건물과 같이 냉각시키고자 하는 본체로 보내진다. 도 2의 이 실시 양태에서, 냉각시키고자 하는 건물 또는 다른 본체를 냉각시키는 것은 이 냉각된 제1 액체 열전달 매질이다. 냉매 증기는 화살표(4')에서 증발기를 빠져 나오고 압축기(7')로 보내져서, 여기서 이는 압축되고 고온, 고압 냉매 증기로서 빠져 나온다. 이 냉매 증기는 (1')에서 응축기 코일(10') 또는 튜브 다발을 통해 응축기(5')로 들어간다. 냉매 증기는 응축기 내의 제2 액체 열전달 매질, 예를 들어 물에 의해 냉각되어 액체로 된다. 제2 액체 열전달 매질은 응축기 열전달 매질 입구(20)를 통해 응축기로 들어간다. 제2 액체 열전달 매질은 응축 냉매 증기로부터 열을 추출하고, 응축 냉매 증기는 액체 냉매가 되며, 이는 응축기 내에서 제2 액체 열전달 매질을 가온한다. 제2 액체 열전달 매질은 응축기 열전달 매질 출구(18)를 통해 빠져나온다. 응축된 냉매 액체는 도 2에 도시된 바와 같이 하부 코일(10)을 통해 응축기를 빠져나가고 구멍, 모세관 또는 팽창 밸브일 수 있는 팽창 디바이스(12)를 통해 유동한다. 팽창 디바이스(12)는 액체 냉매의 압력을 감소시킨다. 팽창의 결과로서 생성되는 소량의 증기는 코일(9')을 통해 액체 냉매와 함께 증발기로 들어가고 주기가 반복된다.

증기-압축 칠러는 이들이 적용하는 압축기의 유형에 의해 규명될 수 있다. 본 발명은 정변위 압축기와 더불어 원심식 압축기를 이용하는 칠러를 포함한다. 일 실시 양태에서, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 본 명세서에 개시된 조성물은, 본 명세서에서 원심식 칠러라고 지칭하는 원심식 압축기를 이용하는 칠러에 유용하다.

원심식 압축기는 회전 요소를 사용하여 냉매를 반경 방향으로 가속시키며, 전형적으로 케이싱 내에 내장된 임펠러 및 디퓨저를 포함한다. 원심식 압축기는 통상적으로 임펠러 아이(eye), 또는 순환하는 임펠러의 중심 입구 내에 유체를 받아들이고, 이를 반경 방향 외측으로 가속시킨다. 약간의 정압 상승이 임펠러에서 일어나지만, 압력 상승의 대부분은 케이싱의 디퓨저 섹션에서 일어나며, 여기서 속도가 정압으로 변환된다. 각각의 임펠러-디퓨저 세트는 압축기의 한 스테이지이다. 원심식 압축기는 취급되는 냉매의 부피 및 목적하는 최종 압력에 따라 1 내지 12 또는 그 이상의 단계를 이용해 건설된다.

압축기의 압력비 또는 압축비는 절대 토출 압력 대 절대 입구 압력의 비이다. 원심식 압축기에 의해 전달된 압력은 상대적으로 넓은 범위의 용량에 걸쳐 실제적으로 일정하다. 원심식 압축기가 발현시킬 수 있는 압력은 임펠러의 선단 속도에 좌우된다. 선단 속도는 임펠러의 최외측 선단에서 측정되는 임펠러의 속도이며, 임펠러의 직경 및 임펠러의 분당 회전수와 관계가 있다. 원심식 압축기의 용량은 임펠러를 통한 통로의 크기에 의해 결정된다. 이에 의해 압축기의 크기는 용량보다 요구되는 압력에 더 많이 좌우된다.

다른 실시 양태에서, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 본 명세서에 개시된 조성물은, 왕복동식, 스크류, 또는 스크롤 압축기인 정변위 압축기를 이용하는 정변위 칠러에 유용하다. 스크류 압축기를 이용하는 칠러는 이하에서 스크류 칠러라 할 것이다.

용적식 압축기는 증기를 챔버 내로 흡인하고, 챔버는 부피를 감소시켜 증기를 압축시킨다. 압축된 후, 증기는 챔버의 부피를 영(0) 또는 거의 영(0)으로 더욱 감소시킴으로써 챔버로부터 밀려난다.

왕복동식 압축기는 크랭크샤프트에 의해 구동되는 피스톤을 사용한다. 왕복동식 압축기는 고정용 또는 휴대용일 수 있으며, 단일 또는 다중 스테이지형일 수 있으며, 전기 모터 또는 내연 엔진에 의해 구동될 수 있다. 5hp 내지 30hp의 소형 왕복동식 압축기는 자동차 적용에서 나타나고 전형적으로 단속 사용(intermittent duty)을 위한 것이다. 100hp 이하의 대형 왕복동식 압축기는 대규모 산업 적용에서 발견된다. 토출 압력은 저압 내지 매우 고압(5000 psi 또는 35 ㎫ 초과)의 범위일 수 있다.

스크류 압축기는 2개의 메쉬형(meshed) 회전 용적식 나선 스크류를 사용하여 가스를 보다 작은 공간 내로 밀어낸다. 스크류 압축기는 통상적으로 상업적 및 산업적 응용에서 연속 작동을 위한 것이며, 고정형 또는 휴대용일 수 있다. 이들 응용은 3.7 ㎾(5 hp) 내지 375 ㎾(500 hp) 초과, 그리고 저압 내지 매우 고압(1200 psi 또는 8.3 ㎫ 초과)에 있을 수 있다.

스크롤 압축기는 스크류 압축기와 유사하며, 2개의 삽입형 나선형 스크롤을 포함하여 가스를 압축시킨다. 출력은 회전 스크류 압축기의 출력보다 더 큰 펄스형으로 발생된다.

150 ㎾ 미만의 용량을 갖는 스크롤 압축기 또는 왕복동식 압축기를 사용하는 냉각기의 경우, 대형 냉각기에 사용되는 셸-및-튜브형 열 교환기 대신에 브레이징된-판 열 교환기가 증발기용으로 통상 사용된다. 브레이징된-판 열 교환기는 시스템 부피 및 냉매 충전을 감소시킨다.

방법

일 실시 양태에는, (a) 그를 통과하는 열전달 매질을 갖는 증발기 내에서 약 6 내지 약 70 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 30 내지 약 94 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 액체 냉매를 증발시킴으로써 증기 냉매를 생성시키는 단계; 및 (b) 압축기 내에서 증기 냉매를 압축하는 단계(여기서 냉매의 부피 냉각 용량은 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 단독 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄 단독의 개별적인 부피 냉각 용량을 초과함)를 포함하는, 칠러 내에 냉각을 생성하는 방법이 제공된다. 냉각을 생성하는 방법은 외부 위치에 냉각을 제공하며, 여기서 열전달 매질은 증발기로부터 나와서 냉각시키고자 하는 본체로 통과한다.

냉각을 생성하는 방법에 특히 유용한 것은, 액체 냉매 중의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 대 1,1,1,2-테트라플루오로에탄의 중량비가 증기 냉매 중의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 대 1,1,1,2-테트라플루오로에탄의 중량비와 본질적으로 동일한 조성물이다. 다시 말해서,특히 유용한 조성물은 공비 또는 공비-유사인 것들이다.

일 실시 양태에서, 냉각시키고자 하는 본체는 냉각될 수 있는 임의의 공간, 물체 또는 유체일 수 있다. 일 실시 양태에서, 냉각시키고자 하는 본체는 방, 건물, 자동차 통로 구획, 냉장고, 냉동기, 또는 슈퍼마켓이나 편의점의 디스플레이 케이스(display case)일 수 있다. 대안적으로, 다른 실시 양태에서, 냉각시키고자 하는 본체는 열전달 매질 또는 열전달 유체일 수 있다.

일 실시 양태에서, 냉각을 생성하는 방법은 도 1에 대해 상기에서 기재된 바와 같이 만액식 증발기 칠러 내에서 냉각을 생성하는 단계를 포함한다. 본 방법에서는, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 본 명세서에 개시된 조성물이 증발하여 제1 열전달 매질 주변에 냉매 증기를 형성한다. 열전달 매질은 물과 같은 따뜻한 액체이고, 이는 냉각 시스템으로부터 파이프를 통해 증발기 내로 수송된다. 따뜻한 액체는 냉각되고 건물과 같이 냉각시키고자 하는 본체로 통과된다. 이어서, 냉매 증기는 제2 열전달 매질 주변에서 응축되고, 이는 예를 들어 냉각탑으로부터 가져오는 냉각된 액체이다. 제2 열전달 매질이 냉매 증기를 냉각시킴으로써, 그것이 응축되어 액체 냉매를 형성한다. 이러한 방법에서, 만액식 증발기 칠러가 또한 사용되어, 호텔, 사무용 건물, 병원 및 대학교를 냉각시킬 수 있다.

다른 실시 양태에서, 냉각을 생성하는 방법은 도 2에 대해 상기 기재된 바와 같이 직접 팽창식 칠러 내에서 냉각을 생성하는 단계를 포함한다. 본 방법에서는, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 본 명세서에 개시된 조성물이 증발기를 통과하며 증발하여 냉매 증기를 생성시킨다. 제1 액체 열전달 매질은 증발 냉매에 의해 냉각된다. 제1 액체 열전달 매질은 증발기로부터 나와서 냉각시키고자 하는 본체로 통과한다. 이러한 방법에서, 직접 팽창식 칠러가 또한 사용되어, 호텔, 사무용 건물, 병원, 대학교 뿐만 아니라 해군 잠수함 또는 해군 함정을 냉각시킬 수 있다.

만액식 증발기 칠러 내에서 또는 직접 팽창식 칠러 내에서 냉각을 생성하는 어느 방법에서든, 칠러는 원심식 압축기를 포함한다.

기후 변화에 관한 정부간 협의체(IPCC: Intergovernmental Panel on Climate Change)에 의해 출간된 그들의 GWP 값에 기초하여, 대체를 필요로 하는 냉매 및 열전달 유체에는 HFC-134a가 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 그러므로, 본 발명에 따라, 칠러 내의 HFC-134a를 대체하는 방법이 제공된다. HFC-134a를 냉매로 사용하도록 설계된 칠러 내의 냉매를 대체하는 방법은, 상기 칠러에 약 38 내지 약 82 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 62 내지 약 18 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄으로 본질적으로 구성된 냉매를 포함하는 조성물을 투입하는 단계를 포함한다.

HFC-134a를 대체하는 본 방법에서, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 본 명세서에 개시된 조성물은 HFC-134a로 작동하도록 원래 설계되고 제조되었을 수 있는 원심식 칠러에 유용하다.

기존의 장비에서 HFC-134a를 본 명세서에 개시된 조성물로 대체하는 단계에 있어서, 장비 또는 작동 조건 또는 양자 모두에 조정을 가함으로써 부가적 이점을 실현할 수 있다. 예를 들어, 조성물이 대체 작동 유체로서 사용되고 있는 원심식 칠러에서 임펠러 직경 및 임펠러 속도가 조정될 수 있다.

ODP(ODP=1) 및 GWP(GWP=10,890)로 인해 대체를 필요로 하는 다른 냉매는 CFC-12이다. HFC-134a는 원래 CFC-12에 대한 대체물로서 칠러에서 사용되었다. 그러나, CFC-12는 여전히 세계의 일정 지역에서 사용되고 있을 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따라, 칠러 내의 CFC-12를 대체하는 방법이 제공된다. CFC-12를 냉매로 사용하도록 설계된 칠러 내의 냉매를 대체하는 방법은, 상기 칠러에 약 6 내지 약 70 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 약 30 내지 약 94 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄으로 본질적으로 구성된 냉매를 포함하는 조성물을 투입하는 단계를 포함한다.

CFC-12를 대체하는 본 방법에서, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 본 명세서에 개시된 조성물은 CFC-12로 작동하도록 원래 설계되고 제조되었을 수 있는 칠러에 유용하다.

기존의 장비에서 CFC-12를 본 명세서에 개시된 조성물로 대체하는 단계에 있어서, 장비 또는 작동 조건 또는 양자 모두에 조정을 가함으로써 부가적 이점을 실현할 수 있다. 예를 들어, 조성물이 대체 작동 유체로서 사용되고 있는 원심식 칠러에서 임펠러 직경 및 임펠러 속도가 조정될 수 있다.

대안적으로, HFC-134a 또는 CFC-12를 대체하는 방법에서, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 본 명세서에 개시된 조성물은 새로운 장비, 예를 들어, 만액식 증발기를 포함하는 새로운 칠러 또는 직접 팽창식 증발기를 포함하는 새로운 압축기에 유용할 수 있다.

실시예

본 명세서에 기재된 개념을 하기 실시예에 추가로 설명할 것인데, 하기 실시예는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범주를 한정하지 않는다.

실시예 1

POE 윤활제 및 금속과의 상용성 및 열안정성

ANSI/ASHRAE 표준 97-2007의 밀봉 튜브 시험 방법(sealed tubetesting methodology)에 따라 강, 구리 및 알루미늄의 존재하에 59 중량% HFO-1234yf 및 41 중량% HFC-134a의 혼합물의 안정성을 결정하였다. 혼합물에 침지된 강, 구리 및 알루미늄 쿠폰을 함유하는 밀봉 유리 튜브를 175℃에서 2 주 동안 노화시키고, 순수한 HFC-134a를 함유하는, 유사하게 제조하여 노화시킨 샘플 튜브에 비교하였다. 튜브의 시각적 조사에서는 어느 냉매에서도 색 변화, 잔류물 또는 다른 변질이 나타나지 않았다. 또한, 열 노화 후의 화학적 분석에서 검출가능한 플루오라이드 또는 산의 발생이 나타나지 않았다. 시험 조건에서, 59 중량% HFO-1234yf 및 41 중량% HFC-134a의 혼합물은 HFC-134a의 것과 유사한 안정성을 나타냈다.

POE 윤활제의 존재 하에서의 59 중량% HFO-1234yf 및 41 중량% HFC-134a의 혼합물의 안정성 또한 평가하였다. 50 중량%의 HFO-1234yf/HFC-134a 혼합물 및 50 중량%의 POE 윤활제를 함유하는 블렌드를 밀봉 튜브 내에서 침지된 강, 구리 및 알루미늄 쿠폰과 함께 2 주 동안 175℃에서 노화시키고, 유사하게 제조하여 노화시킨 HFC-134a를 함유하는 블렌드에 비교하였다. 냉매-오일 블렌드 또는 금속 쿠폰의 분해가 관찰되지 않았다. 노출 후의 화학적 분석에서, 검출가능한 플루오라이드 또는 산의 발생 또는 기체 크로마토그래피-질량 분석법에 의해 결정되는 GC 분석 상의 유의적 변화가 나타나지 않았다.

실시예 2

CFC-12, HFC-134a 및 HFO-1234yf에 비교한 1234yf/134a 혼합물의 인화성, GWP 및 ODP

<표 1>

표 1은 CFC-12 또는 HFC-134a보다 실질적으로 낮은 GWP 및 전형적인 칠러 증발기 및 응축기 양자 모두에서 무시할 만한 구배를 가진 HFO-1234yf 및 HFC-134a의 불연성 혼합물을 제형화할 수 있음을 제시한다.

실시예 3

열역학적 주기 성능

칠러 작동의 전형적인 냉각 주기 중에 순수한 HFC-134a에 대한 59 중량% HFO-1234yf 및 41 중량% HFC-134a의 혼합물 및 순수한 HFO-1234yf의 성능을 평가하였다. 현재 및 이전에 사용된 중압 칠러 냉매(mid-pressure chiller refrigerant), 즉, HFC-134a 및 CFC-12에 대한 주요 상태 변수(Key state variable) 및 성능 매트릭스(performance metrics)는 표 2에 요약되어 있다. 하기의 조건에서 상대적 성능을 결정하였다:

<표 2>

단위 질량의 1234yf/134a 혼합물을 증발기로부터 응축기 조건으로 인상하기 위해 필요한 압축 일(즉, 등엔트로피 압축 엔탈피 상승)은 HFC-134a보다 11.7% 낮은 것으로 평가된다.

원심식 압축기를 사용한다면, HFC-134a에 대해 6% 낮은 임펠러 선단 속도가 1234yf/134a 혼합물을 위해 충분할 것이다. 1234yf/134a 혼합물을 사용할 때 압축기 토출 온도는 HFC-134a 단독에 대해 9.8% 낮을 것이다. 증발기 전체에 걸쳐 1234yf/134a 혼합물의 단위 질량당 순 냉장 효과는 HFC-134a 단독보다 13.9% 낮을 것이다. 그러나, 압축기 흡입 조건에서의 1234yf/134a 혼합물 증기 밀도는 HFC-134a 단독보다 17.8% 높다. 더 높은 증기 밀도는 그의 낮은 순 냉장 효과를 보상하며, HFC-134a 단독에 비해 1.5% 높은 1234yf/134a 혼합물의 부피 냉각 용량을 유발한다. 1234yf/134a 혼합물의 사용은 HFO-1234yf를 단독으로 사용하는 것보다 높은 COP를 유발하며, 이는 혼합물이 HFO-1234yf 단독보다 11.6% 큰 냉장 효과를 전달하기 때문이다. 1234yf/134a 혼합물의 부피 냉각 용량은 순수한 HFO-1234yf 단독보다 8.5% 높다.

표 2의 결과는, 현재 사용되는 HFC-134a 칠러의 것과 비교할 만한 성능을 가진, 1234yf/134a 혼합물을 사용하는 대형 톤수의 칠러를 설계할 수 있음을 시사한다. 기존의 칠러에서 HFC-134a를 1234yf/134a 혼합물로 대체하는 단계 또한 실현가능하다.

표 2는 계산된 임펠러 직경의 상대적 값을 나타낸다. 1234yf/134a 혼합물에 필요한 임펠러는 HFC-134a 단독에 필요한 것보다 2.4% 클 것이다. 비교하면, 순수한 HFO-1234yf는 HFC-134a 단독보다 9% 큰 임펠러 직경을 필요로 할 것이다.

실시예 4

열역학적 주기 성능

표 3은 HFC-134a 및 HFO-1234yf에 비교하여, 본 명세서에 개시된 다양한 냉매 조성물의 냉각 성능을 나타낸다. 표에서, Evap Pres는 증발기 압력(evaporator pressure)이고, Cond Pres는 응축기 압력(condenser pressure)이며, Comp Exit T는 압축기 출구 온도(compressor exit temperature)이고, COP는 성능 계수(에너지 효율과 유사함)이며, Cap는 부피 냉각 용량이다. 데이터는 하기의 조건에 기초하여 평가하였다:

<표 3>

표 3의 데이터는 본 조성물이 HFC-134a에 특히 밀접하게 일치함을 입증한다. 도 3은 중량% HFO-1234yf에 대하여 도시된, 순수한 HFC-134a의 부피 냉각 용량에 대한 1234yf/134a 혼합물의 부피 냉각 용량을 나타낸다. 도 3은, HFO-1234yf 단독의 부피 냉각 용량이 HFC-134a 단독보다 낮다는 사실에도 불구하고, 0 약간 초과 내지 약 70 중량%의 HFO-1234yf를 가진 1234yf/134a 조성물의 부피 냉각 용량 값은 HFC-134a 단독의 것보다 높다는 것을 나타낸다. 또한 원심식 시스템에 있어서, 표에 열거된 1234yf/134a 혼합물에 대한 선단 속도는 HFO-1234yf 단독이 제공할 수 있는 것보다 순수한 HFC-134a에 더 밀접한 일치를 제공한다.

실시예 5

윤활제와의 혼화성

59 중량% HFO-1234yf 및 41 중량% HFC-134a의 혼합물의, 3가지의 구매가능한 칠러 POE 윤활제(존슨 콘트롤즈(Johnson Controls)에 의해 공급되는 요크(York) H, 요크 K 및 요크 L)와의 혼화성을 칠러에서 전형적으로 접하게 되는 작동 범위를 커버하는 광범위한 농도 및 온도에 걸쳐 시험하였다. 1234yf/134a 혼합물 및 윤활제를 다양한 비율로 함유하는 밀봉 유리 튜브를 제조하여, 표적 온도 수준으로 제어되는 교반 항온조 내에, 먼저 냉에 이어서 온의 순서로 침지시켰다. 5℃의 온도 증분으로, 온도 평형 후에, 각각의 1234yf/134a/윤활제 블렌드의 혼화성 특징을 시각적으로 관찰하여 기록하였다. 균질하고 반투명한 용액 성상을 가진 블렌드는 관찰 온도에서 "혼화성"으로 정성하였다. 메니스커스(meniscus)에 의해 분할된 별개의 상으로 분리되거나 개별적인 입자의 형성을 의미하는 탁도(즉, 흐림 또는 탁함)를 나타내는 블렌드는 "비-혼화성"으로 표기하였다. 5 내지 70 중량%의 선택된 POE 윤활제와 1234yf/134a의 혼합물은 칠러 작동의 대표적인 온도 범위에 걸쳐 완전히 혼화성이었다.

실시예 6

열역학적 주기 성능

59/41 중량% 혼합물에 대한 상기 실시예 3에서와 같이, 칠러 작동의 전형적인 냉각 주기 중에, 55 중량% HFO-1234yf 및 45 중량% HFC-134a의 혼합물의 HFC-134a 단독 및 CFC-12 단독에 대한 성능을 평가하였다. 현재 및 이전에 사용된 중압 칠러 냉매, 즉, HFC-134a 및 CFC-12에 대한 주요 상태 변수 및 성능 매트릭스는 표 4에 요약되어 있다. 하기의 조건에서 상대적 성능을 결정하였다:

<표 4>

Claims

54.0 내지 56.0 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 46.0 내지 44.0 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 조성물을 냉매로서 사용하며, 만액식 증발기를 포함하는, 냉매로서 HFC-134a 또는 CFC-12의 사용에 적합한 원심식 칠러 장치인 칠러 장치.
제1항에 있어서, 냉각 용량이 700 kW를 초과하는 칠러 장치.
제1항에 있어서, 상기 조성물이 55 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 45 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 칠러 장치.
(a) 열전달 매질이 통과하는 만액식 증발기 내에서 54.0 내지 56.0 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 46.0 내지 44.0 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 포함하는 액체 냉매를 증발시킴으로써 증기 냉매를 생성시키는 단계; 및
(b) 원심식 압축기 내에서 증기 냉매를 압축하는 단계(여기서, 냉매의 부피 냉각 용량(volumetric cooling capacity)은 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 단독 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄 단독의 개별적인 부피 냉각 용량을 초과함)
를 포함하는, HFC-134a 또는 CFC-12의 사용에 적합한 원심식 칠러 장치인 칠러 내에서 냉각을 생성하는 방법.
HFC-134a 또는 CFC-12를 냉매로 사용하도록 설계된 칠러에 54.0 내지 56.0 중량%의 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 및 46.0 내지 44.0 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄으로 구성된 냉매를 포함하는 조성물을 투입함으로써 칠러의 냉각 용량을 증가시키는 단계를 포함하며, 여기서 상기 칠러는 원심식 칠러이며, 만액식 증발기를 포함하는 것인, 상기 칠러 내의 냉매를 대체하는 방법.