WO2005118738A1 - Refrigerant mixture of dimethyl ether and carbon dioxide - Google Patents

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WO2005118738A1
WO2005118738A1 PCT/JP2005/010035 JP2005010035W WO2005118738A1 WO 2005118738 A1 WO2005118738 A1 WO 2005118738A1 JP 2005010035 W JP2005010035 W JP 2005010035W WO 2005118738 A1 WO2005118738 A1 WO 2005118738A1
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carbon dioxide
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PCT/JP2005/010035
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Inventor
Seijyuro Maiya
Osamu Nakagome
Hideyuki Suzuki
Yasuhisa Kotani
Toshifumi Hatanaka
Toshihiro Wada
Original Assignee
Japan Petroleum Exploration Co., Ltd.
Showa Tansan Co., Ltd.
Nkk Co., Ltd.
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Abstract

Disclosed is a safe, non-toxic refrigerant exhibiting excellent performance which is obtained by mixing dimethyl ether and carbon dioxide as refrigerants. This refrigerant does not deplete the ozone layer, and has an extremely low global warming potential. Specifically disclosed is a refrigerant composition for freezers which is characterized by containing 90-40 mol% of dimethyl ether and 10-60 mol% of carbon dioxide based on the total mole number of the dimethyl ether and carbon dioxide.

Description

明 細 書  Specification
ジメチルエーテルと二酸化炭素の混合物冷媒  Mixture refrigerant of dimethyl ether and carbon dioxide
技術分野  Technical field
[0001] 本発明は、カーエアコン、業務用'家庭用エアコン及びガスヒートポンプ (GHP) 'ェ レクトリカルヒートポンプ (EHP)に使用される、ジメチルエーテルと二酸ィ匕炭素を含有 する冷媒組成物に関る。  The present invention relates to a refrigerant composition containing dimethyl ether and carbon dioxide used for a car air conditioner, a commercial “home air conditioner and a gas heat pump (GHP)”, and an electric heat pump (EHP). You.
背景技術  Background art
[0002] これまでフロン(CFCフルォロカーボン、 HCFCハイド口フルォロカーボン)は優れ た冷媒能力を有するので全世界で冷凍機やエアコン用の冷媒として広く使用されて きた。しかしながら、現在、フロンは塩素を含んでいるのでオゾン層を破壊するという こと力ら、 1996年、 日本及び欧米先進国において特定フロンのうち CFCの生産が全 廃された。その同じ特定フロンである HCFC (ノヽイド口フルオロフロン)も 2004年以降 順次生産が規制され、ヨーロッパでは 2010年までに、その他の先進国でも 2020年 までに全廃されることになつている。  [0002] Freon (CFC fluorocarbon, HCFC hydrated fluorocarbon) has been used widely as a refrigerant for refrigerators and air conditioners worldwide because of its excellent refrigerant capacity. However, at present, CFC production has been abolished in Japan and developed countries in Europe and the United States in 1996 due to the fact that CFCs contain chlorine and destroy the ozone layer. Production of HCFC (noid-fluorofluorocarbon), which is the same specified fluorocarbons, will be gradually regulated after 2004, and will be completely abolished by 2010 in Europe and by 2020 in other developed countries.
[0003] また、上記特定フロンに替わる代替フロン(HFCハイド口フルォロカーボン、 PFC, SP6)は、オゾン層破壊係数ゼロ、低毒性、不燃、満足できる特性、性能を有するも のの、鉱油との非相溶性、潤滑性の劣化という課題を有している。特に、この代替フ ロンは、オゾン層を破壊しないものの地球温暖化係数が非常に高いことから、現在具 体的な規制がなぐ業界の自主行動に任されているものの、近い将来その使用が廃 止または大きく規制されることになるであろう。  [0003] Also, the alternative chlorofluorocarbon (HFC hydrate mouth fluorocarbon, PFC, SP6) that replaces the above specified fluorocarbon has zero ozone depletion potential, low toxicity, non-combustibility, satisfactory properties and performance, but is not compatible with mineral oil. There is a problem of deterioration of compatibility and lubricity. In particular, although this alternative fluorocarbon does not destroy the ozone layer but has a very high global warming potential, it is left to the voluntary action of the industry, which is currently subject to specific regulations, but its use will be abolished in the near future. Will be stopped or heavily regulated.
[0004] 最近、開発が進められている炭化水素(プロパン、イソブタン)、二酸化炭素、アン モユア、水及び空気などの自然系冷媒もオゾン層破壊係数ゼロ、温暖化係数ほぼゼ 口の特徴を有するものの、安全性、性能、利便性などにそれぞれ難点がある。すなわ ち、プロパンは性能が HFCと同等であるものの強可燃性である。二酸化炭素は不燃 •低毒性であるものの低効率 ·超高圧( 12MPa)である。アンモニアは HFCと同等効 率を有するが、毒性、刺激臭、銅との不適合性がある。水,空気は不燃,無毒であるも のの極めて低効率である。 [0005] また、二酸ィ匕炭素は顕熱効果が大きいので、暖房 ·温熱水供給用としてェコキュ一 トなどの EHP冷媒に近年使用されている。しかしながら、二酸ィ匕炭素は、逆に潜熱効 果が小さ 1ヽので冷房用に使用するには極めて効率が悪!ヽ。 [0004] Recently developed natural refrigerants such as hydrocarbons (propane, isobutane), carbon dioxide, ammonia, water, and air also have characteristics of zero ozone depletion potential and almost zero global warming potential. However, there are drawbacks in safety, performance, convenience, etc. In other words, propane is comparable to HFC in performance, but is highly flammable. Carbon dioxide is nonflammable. • Low toxicity but low efficiency. • High pressure (12MPa). Ammonia has the same efficiency as HFC but has toxicity, pungent odor and incompatibility with copper. Water and air are non-flammable and non-toxic, but have very low efficiency. [0005] Furthermore, since carbon dioxide has a large sensible heat effect, it has recently been used in EHP refrigerants such as eco-ecules for heating and hot water supply. However, diacid carbon has a low latent heat effect of 1 ヽ, and is extremely inefficient for use in cooling.
[0006] 一方、ジメチルエーテル (DME)は潜熱効果が極めて高ぐ冷房用に使用するのに 都合がよいことが知られているが、可燃性であるために安全性の点から実用上使用さ れていない。 [0006] On the other hand, dimethyl ether (DME) is known to be convenient for use in cooling, which has a very high latent heat effect, but is practically used from the viewpoint of safety because it is flammable. Not.
[0007] また、二酸化炭素は、臨界温度が 31. 1°C、沸点が 56. 6°Cであるのに対して、 ジメチルエーテルは、臨界温度が 126. 85°C、沸点が 25°Cと、両者の 2種の物性 は大きく異なる。そのために二酸化炭素は、低圧約 3MPa〜高圧約 lOMPaという非 常に高圧領域で冷媒として利用されるのに対して、ジメチルエーテルは、低圧約 0. 7 MPa〜高圧約 2MPaの比較的低圧下で溶媒として利用され、そのような圧力条件下 で最も優れた冷媒としての性能を発揮することが知られている。従って、二酸化炭素 とジメチルエーテルは、それぞれ単独で冷媒として利用されることがあっても、全く物 性の異なる二酸ィ匕炭素とジメチルエーテルを混合して冷媒として利用しょうという発 想はこれまでなされなかった。  [0007] Carbon dioxide has a critical temperature of 31.1 ° C and a boiling point of 56.6 ° C, whereas dimethyl ether has a critical temperature of 126.85 ° C and a boiling point of 25 ° C. However, the physical properties of the two are very different. For this reason, carbon dioxide is used as a refrigerant in a very high pressure region of low pressure of about 3 MPa to high pressure of about lOMPa, whereas dimethyl ether is used as a solvent at a relatively low pressure of low pressure of about 0.7 MPa to high pressure of about 2 MPa. It is known to be used and exhibit the best performance as a refrigerant under such pressure conditions. Therefore, even though carbon dioxide and dimethyl ether may be used alone as refrigerants, the idea of mixing carbon dioxide and dimethyl ether with completely different properties and using them as refrigerants has not been proposed. Was.
特許文献 1 :特開 2000— 204361号公報  Patent Document 1: JP-A-2000-204361
特許文献 2:特開 2000— 96071号公報  Patent Document 2: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-96071
発明の開示  Disclosure of the invention
発明が解決しょうとする課題  Problems to be solved by the invention
[0008] 本発明は、オゾン層破壊の危険性がなぐ地球温暖化に及ぼす悪影響が小さぐ 且つ不燃な!/ヽし難燃性の優れた性能を有する安全で毒性のな!ヽ冷媒組成物を提供 することを目的とする。 [0008] The present invention provides a non-flammable non-flammable and / or non-flammable non-flammable, non-flammable non-flammable non-toxic refrigerant with a low risk of ozone depletion. The purpose is to provide.
課題を解決するための手段  Means for solving the problem
[0009] 本発明者等は、 DMEに二酸ィ匕炭素が良く溶解することを知見し、顕熱効果が高い 二酸ィ匕炭素と潜熱効果の高い DMEを混合することによって極めて熱効率の高い冷 媒が得られるのではな 、かと考えて種々検討した結果、本発明に到達したものである [0009] The present inventors have found that dioxygenated carbon dissolves well in DME, and have extremely high thermal efficiency by mixing dioxygenated carbon with high sensible heat effect and DME with high latent heat effect. As a result of various investigations on the assumption that a refrigerant could be obtained, the present invention was reached.
[0010] 即ち、本発明は、ジメチルエーテルと二酸化炭素を含有することを特徴とする冷媒 組成物に関る。 That is, the present invention provides a refrigerant comprising dimethyl ether and carbon dioxide. Related to the composition.
発明の効果  The invention's effect
[0011] 以上説明したように、本発明の冷媒組成物は、オゾン層を破壊することのない、地 球温暖化係数 (GWP)がほぼゼロの安全で毒性のない、優れた冷房、暖房及び給 湯能力を有する冷媒である。  [0011] As described above, the refrigerant composition of the present invention provides a safe, non-toxic, excellent cooling and heating system that does not destroy the ozone layer and has a global warming potential (GWP) of almost zero. Refrigerant with hot water supply capacity.
発明を実施するための最良の形態  BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0012] 以下、本発明の好適な実施態様について詳細に説明する。  Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
[0013] 本発明の冷媒組成物に使用されるジメチルエーテルは、例えば、石炭ガス化ガス、 LNGタンクの BOG (Boil of Gas)、天然ガス、製鉄所の副生ガス、石油残渣、廃棄 物及びバイオガスを原料として、水素と一酸ィ匕炭素カゝら直接ジメチルエーテルを合成 するか、水素と一酸ィ匕炭素から間接的にメタノール合成を経由して得られる。  [0013] Dimethyl ether used in the refrigerant composition of the present invention includes, for example, coal gasification gas, BOG (Boil of Gas) of LNG tank, natural gas, by-product gas of steelworks, petroleum residue, waste, and biomass. Using gas as a raw material, dimethyl ether can be directly synthesized from hydrogen and sodium hydroxide or can be obtained indirectly from methanol and hydrogen via methanol synthesis.
[0014] 本発明の冷媒組成物に使用される二酸化炭素は、例えば、アンモニア合成ガスや 重油脱硫用水素製造プラントなど力 発生する副生ガスを原料として圧縮 '液化'精 製して得られる。  [0014] The carbon dioxide used in the refrigerant composition of the present invention is obtained by, for example, purifying by compression "liquefaction" using a by-product gas generated by power such as an ammonia synthesis gas or a hydrogen production plant for heavy oil desulfurization.
[0015] 本発明の冷媒組成物におけるジメチルエーテルと二酸ィ匕炭素の混合割合は、冷媒 が用いられるカーエアコン又は業務用 ·家庭用ェアコン等の冷凍機の種類等に応じ て適宜定められるが、本発明の冷媒組成物は、ジメチルエーテルと二酸ィ匕炭素の総 モル数を基準として、好ましくは、ジメチルエーテルを 90モル%〜40モル0 /0、二酸化 炭素を 10〜60モル0 /0、更に好ましくは、ジメチルエーテルを 85モル%〜60モル0 /0、 二酸化炭素を 15〜40モル0 /0、特に好ましくは、ジメチルエーテルを 85モル%〜70 モル%、二酸化炭素を 15〜30モル%含有する。ジメチルエーテルが 40モル%未満 であると、後述する十分な成績係数が得られず、冷媒としての特性が著しく劣る。一 方、ジメチルエーテルが 90モル%より大きいと、冷媒組成物が可燃性であるために 安全上好ましくない。 [0015] The mixing ratio of dimethyl ether and diacid carbon in the refrigerant composition of the present invention is appropriately determined according to the type of a refrigerator such as a car air conditioner or a commercial / home air conditioner in which the refrigerant is used, refrigerant compositions of the present invention, based on the total moles of dimethyl ether and diacid I匕炭element, preferably, dimethyl ether 90 mole% to 40 mole 0/0, the carbon dioxide 10 to 60 mole 0/0, further preferably, dimethyl ether 85 mole% to 60 mole 0/0, the carbon dioxide 15 to 40 mole 0/0, particularly preferably dimethyl ether 85 mole% to 70 mole%, containing carbon dioxide 15 to 30 mole% . If the content of dimethyl ether is less than 40 mol%, a sufficient coefficient of performance as described below cannot be obtained, and the properties as a refrigerant are extremely poor. On the other hand, if dimethyl ether is more than 90 mol%, the refrigerant composition is flammable, which is not preferable for safety.
[0016] 本発明の冷媒組成物は、例えば、容器に液ィ匕ジメチルエーテル充填タンク力ゝら所 定量の液ィ匕ジメチルエーテルを充填し、その後に液化二酸化炭素充填タンクから所 定量の液ィ匕ニ酸ィ匕炭素を充填することにより前記混合比の冷媒組成物を得ることが できる。また、本発明の冷媒組成物は、容器に所定量の液ィ匕ジメチルエーテルを充 填した後、容器の気相部に二酸ィ匕炭素のガスを充填し、ジメチルエーテルに加圧溶 解、混合させて調製することもできる。 [0016] The refrigerant composition of the present invention is prepared by, for example, filling a container with a fixed amount of liquid dimethyl ether from a tank filled with liquid dimethyl ether, and then filling the liquid liquefied carbon dioxide filled tank with a predetermined amount of liquid dimethyl ether. The refrigerant composition having the mixing ratio described above can be obtained by filling the carbon dioxide. In addition, the refrigerant composition of the present invention is prepared by filling a container with a predetermined amount of liquid dimethyl ether. After filling, the gas phase of the container may be filled with a gas of carbon dioxide, dissolved in dimethyl ether under pressure, and mixed to prepare.
[0017] 本発明の冷媒組成物には、他の添加剤として例えば水を添加することができる。水 は、 1気圧、温度 18°Cの条件下でジメチルエーテルに約 7モル%強溶解することと、 蒸発 (凝縮)潜熱が高 ヽと 、う特徴を持ち、且つ臨界点が高!、ので蒸発潜熱の温度 に対する変化率が小さいことから、高温領域でも大きな潜熱を得ることができる。した がって、顕熱効果が高 ヽ二酸化炭素と潜熱効果の高 ヽジメチルエーテルと水の 3種 類を混合することによって、更に高い熱効率が得られることが予想される。この場合の 水の混合比率は、ジメチルエーテルへの溶解性を考慮して、 7モル%を越えない範 囲とする。  [0017] To the refrigerant composition of the present invention, for example, water can be added as another additive. Water has the characteristics of strong solubility of about 7 mol% in dimethyl ether under the condition of 1 atm and temperature of 18 ° C, high evaporation (condensation) latent heat, and high critical point! Since the rate of change of latent heat with respect to temperature is small, large latent heat can be obtained even in a high-temperature region. Therefore, it is expected that even higher thermal efficiency can be obtained by mixing three types of sensible heat effect, high carbon dioxide, high latent heat effect, and dimethyl ether and water. In this case, the mixing ratio of water should not exceed 7 mol% in consideration of solubility in dimethyl ether.
[0018] 冷媒特性の評価方法  [0018] Method for evaluating refrigerant characteristics
冷房 暧戻/給湯システム  Cooling / Return / Hot water supply system
冷房システムの原理は、物質 (冷媒)が気化する時、周辺媒体から熱エネルギーを 奪う潜熱と周辺媒体との連続的な熱交換に基づいている。また、冷媒の蒸発温度は 圧力に依存するため、圧力を下げれば蒸発温度も低下するので、より低い温度が得 られる。  The principle of the cooling system is based on the continuous heat exchange between the latent medium and the surrounding medium, which takes away heat energy from the surrounding medium when the substance (refrigerant) evaporates. Further, since the evaporation temperature of the refrigerant depends on the pressure, the lower the pressure, the lower the evaporation temperature, so that a lower temperature can be obtained.
[0019] 一方、暖房 Z給湯システムの原理は、冷媒の蒸発により周辺力 熱を奪い、更に圧 縮された高温の気体となるため、水や空気等との連続的な熱交換により成し遂げられ る。  [0019] On the other hand, the principle of the heating Z hot water supply system is achieved by continuous heat exchange with water, air, or the like, since the surrounding heat is taken away by the evaporation of the refrigerant, and the hot gas is further compressed. .
[0020] このような冷房 Z暖房システムの原理に基づく冷房'暖房 Z給湯システムは、冷媒 の蒸発カゝら圧縮の連続的なプロセスを行えるシステムとして、圧縮器、凝縮器、膨張 弁、蒸発器及びこれらの機器を冷媒が循環するパイプから構成されたサイクル (冷房 暖房基準サイクル)システムである。このサイクルシステムの非限定的な例を図 1に 示す。これら機器の役割を以下に示す。  [0020] The cooling and heating Z hot water supply system based on the principle of such a cooling and Z heating system is a system that can perform a continuous process of refrigerant evaporation and compression, and includes a compressor, a condenser, an expansion valve, and an evaporator. And a cycle (cooling / heating reference cycle) system composed of pipes through which refrigerant circulates through these devices. Figure 1 shows a non-limiting example of this cycle system. The roles of these devices are described below.
• EQ 1圧縮器:蒸発器で気体となつた冷た ヽ冷媒を吸弓 I圧縮して高温高圧気体とす る。  • EQ 1 compressor: ヽ Absorbs the cold ヽ refrigerant gasified by the evaporator and compresses it into high-temperature, high-pressure gas.
•EQ2凝縮器:圧縮器から吐出された高温高圧気体媒体を水や空気 (外気)で冷や して凝縮させ、液体とする(暖房 Z給湯用)。 •EQ3膨張弁:高温高圧の液体冷媒を膨張させ低温低圧の冷媒とする。 • EQ4蒸発器:膨張弁の出口で低温低圧の冷媒を周辺気体と接触させてその熱を奪 うことで蒸発'気化させ、気体とする (冷房用)。 • EQ2 condenser: A high-temperature, high-pressure gaseous medium discharged from the compressor is cooled by water or air (outside air) and condensed into a liquid (for heating Z hot water supply). • EQ3 expansion valve: Expands high-temperature, high-pressure liquid refrigerant to low-temperature, low-pressure refrigerant. • EQ4 evaporator: The low-temperature, low-pressure refrigerant is brought into contact with the surrounding gas at the outlet of the expansion valve to remove the heat and evaporate to evaporate into a gas (for cooling).
[0021] 冷 の冷 —暧 給湯能力 [0021] Cold cold — 暧 Hot water supply capacity
実際に冷媒の冷房 Z暖房 Z給湯能力を評価するためには、上述の基準サイクルを 数値モデル化し、汎用の数値ケミカルプロセスシミュレーターを用いて、公知の方法( 例えば、宫良等の「非共沸混合冷媒ヒートポンプサイクルの性能に及ぼす熱交 の伝熱特性の影響」日本冷凍協会論文集第 7卷、第 1号、 65— 73頁、 1990年等を 参照)により、その能力を解析'評価することができる。汎用の数値ケミカルプロセスシ ミュレ一ターは多種多様な成分の熱力学物性のデータベースを内蔵し、さまざまなシ ステムの機械工学的機能に対応したィ匕学成分相互の平衡熱力学計算を行う。  In order to actually evaluate the refrigerant cooling Z heating Z hot water supply capacity, the above-mentioned reference cycle is numerically modeled, and a general-purpose numerical chemical process simulator is used. Effect of Heat Exchange Characteristics of Heat Exchange on the Performance of Mixed Refrigerant Heat Pump Cycles ", Journal of the Japan Refrigeration Society, Vol. 7, No. 1, pp. 65-73, 1990, etc.) be able to. The general-purpose numerical chemical process simulator has a built-in database of thermodynamic properties of various components, and performs equilibrium thermodynamic calculations between the components of the iridani components corresponding to the mechanical engineering functions of various systems.
[0022] 数値シミュレーションでは、冷媒が循環する圧縮器、循環器、膨張弁、蒸発器を構 成するシステムを各々数値化し、圧縮器出力圧 (P1)、凝縮器出力温度 (T2)、蒸発 器温度 (Τ3)及びジメチルエーテル ZCOモル濃度をパラメータ一とし、冷房 Ζ暖房 [0022] In the numerical simulation, the system comprising the compressor, the circulator, the expansion valve, and the evaporator through which the refrigerant circulates is digitized, and the compressor output pressure (P1), condenser output temperature (T2), evaporator Cooling Ζ heating with temperature (Τ3) and dimethyl ether ZCO molar concentration as parameters
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Ζ給湯能力を成績係数 (COP)として評価する。  評 価 Evaluate the hot water supply capacity as a coefficient of performance (COP).
[0023] 冷房の成績係数 =冷房の蒸発器での総吸収熱量 ÷圧縮器動力量  [0023] Cooling coefficient of performance = total absorbed heat in cooling evaporator ÷ compressor power
暖房 Z給湯の成績係数 =冷媒の凝縮器での総排熱量 ÷圧縮器動力量 また、本発明においては、好ましくは、冷媒の熱力学物性値推定式として、溶解に 関しては正則溶解モデル、状態方程式に関しては SPK (Soave— Redlich— Kwon g)の式をそれぞれ適用してより高精度の評価をすることができる。  Heating Z Hot water supply coefficient of performance = Total amount of heat discharged from the refrigerant in the condenser ÷ Compressor power In the present invention, preferably, a regular melting model for melting is used as an equation for estimating thermodynamic physical property values of the refrigerant. For the equation of state, it is possible to evaluate with higher accuracy by applying the equations of SPK (Soave-Redlich-Kwon g).
[0024] 本発明の冷媒組成物を好適に使用できる冷凍機としては、カーエアコン、業務用 · 家庭用エアコン及びガスヒートポンプ(GHP) ·エレクトリカルヒートポンプ(EHP)等が あるが、これらに限定されない。また、本発明の冷媒組成物は、 R22等の既存の冷媒 が使用されて 、るカーエアコン、業務用 ·家庭用ェアコン及び GHP · EHP等に原則 的にそのまま使用することができる。しかしながら、本発明の冷媒組成物の物性を考 慮して、凝縮器やピストン等の機構面を本発明の冷媒組成物に適合させるように改 良'設計することが更に望ましい。  [0024] Refrigerators that can suitably use the refrigerant composition of the present invention include, but are not limited to, car air conditioners, commercial and household air conditioners, gas heat pumps (GHP), and electric heat pumps (EHP). In addition, the refrigerant composition of the present invention can be used for car air conditioners, commercial / home air conditioners, GHPs / EHPs, etc. in principle using existing refrigerants such as R22. However, in consideration of the physical properties of the refrigerant composition of the present invention, it is further desirable to design the mechanical aspects such as the condenser and the piston so as to be adapted to the refrigerant composition of the present invention.
[0025] [実施例] 以下、実施例により本発明の内容を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの 実施例に何等限定されるものではな 、。 [Example] Hereinafter, the content of the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
[0026] DME CO溶解性試験  [0026] DME CO solubility test
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DMEと CO混合系の溶解の程度を調べるため、及び後述する混合冷媒サイクル  To determine the degree of dissolution of the DME / CO mixed system, and to
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システムにおける成績係数を求めるために、 DMEZCOの溶解性試験を行った。試  To determine the coefficient of performance in the system, a solubility test of DMEZCO was performed. Trial
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験方法は以下の通りである。  The test method is as follows.
(1)圧力容器(500mL)に 300gの DMEを封入し、封入後の重量を電子天秤で測定 する。  (1) Enclose 300 g of DME in a pressure vessel (500 mL), and measure the weight after encapsulation using an electronic balance.
(2)恒温槽に圧力容器を入れ、一定温度にする。  (2) Put the pressure vessel in the thermostat and bring it to a constant temperature.
(3)ブースターポンプで一定圧力まで、二酸化炭素を注入する。  (3) Inject carbon dioxide to a certain pressure with the booster pump.
(4)充填した二酸化炭素は充填前後の重量から算出する (d=0. lg)。  (4) The charged carbon dioxide is calculated from the weight before and after the filling (d = 0.lg).
尚、充填時には、 DME/COが十分に混合するように圧力容器を上下に振とうさせ  During filling, shake the pressure vessel up and down so that DME / CO is sufficiently mixed.
2  2
縦置きに静置して試験を行った。  The test was performed by standing vertically.
[0027] 得られた結果を表 1に示す。表 1に示したとおり、 CO及び DMEの K volumeの Table 1 shows the obtained results. As shown in Table 1, K volume of CO and DME
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値は、測定条件においてそれぞれ 0. 66<KDME< 0. 80及び 2. 59<KCO < 3  The values were 0.66 <KDME <0.80 and 2.59 <KCO <3 under the measurement conditions, respectively.
2 Two
. 42の範囲であり、 DMEに二酸ィ匕炭素が良く溶解することが分かる。 42, which indicates that the carbon dioxide dissolves well in DME.
[0028] [表 1] [Table 1]
表 1 D ME /COリ溶解件試験結果 Table 1 DME / CO remelting test results
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Figure imgf000008_0001
• ZC02 = V*YC02 + L*XC02 • ZC0 2 = V * YC0 2 + L * XC0 2
• Z C02 + ZDME=V + L • Z C0 2 + ZDME = V + L
• KC02 = YC02/X C02 • KC0 2 = YC0 2 / X C0 2
• KDME=YDME/XDME  • KDME = YDME / XDME
[0029] (第 1実施例) (First Example)
図 1に示すジメチルエーテルと二酸ィ匕炭素との混合冷媒サイクルシステムにおける 成績係数(COP)を求める。数値ケミカルプロセスシミュレーターを用いてシミュレ一 シヨンを以下の手順で行った。  The coefficient of performance (COP) in the mixed refrigerant cycle system of dimethyl ether and carbon dioxide shown in Fig. 1 is determined. The simulation was performed by the following procedure using a numerical chemical process simulator.
[0030] シミュレーション手順 [0030] Simulation procedure
図 1のジメチルエーテルと二酸ィ匕炭素との混合冷媒サイクルにおけるストリーム(1) 〜(4)の状態量 (体積、ェンタルピー、エントロピ一等)をシミュレーションにより決定し 、次式の成績係数 COPを求める。  The state quantities (volume, enthalpy, entropy, etc.) of streams (1) to (4) in the mixed refrigerant cycle of dimethyl ether and carbon dioxide in FIG. 1 are determined by simulation, and the coefficient of performance COP of the following equation is obtained. .
[0031] COP = Hl/H2 [0031] COP = Hl / H2
HI:冷媒の凝縮器での総排熱量  HI: Total amount of heat discharged from the refrigerant condenser
H2: (4)から(1)に至る圧縮器の動力量  H2: Compressor power from (4) to (1)
このとき、以下の条件設定をした。  At this time, the following conditions were set.
[0032] 圧縮器は遠心タイプとし、機械効率 =1.0、多重効率 =0.6とする。 [0032] The compressor is of a centrifugal type, with mechanical efficiency = 1.0 and multiplex efficiency = 0.6.
[0033] 凝縮器出口温度: 35°C [0033] Condenser outlet temperature: 35 ° C
膨張弁出口圧力: 0.1〜0.8MPa  Expansion valve outlet pressure: 0.1 to 0.8MPa
圧縮器圧力: 2.0、 4.0、 8.0、 12. OMPa [0034] DME + CO混合系の気液平衡物性値の推算 Compressor pressure: 2.0, 4.0, 8.0, 12. OMPa [0034] Estimation of vapor-liquid equilibrium physical properties of DME + CO mixed system
2  2
シミュレーション 'スタディーにおいては、採用する物性推算モデルの精度が重要な ファクターであり、その検討を以下のとおり行った。  In the simulation 'study, the accuracy of the physical property estimation model to be used is an important factor, and the study was conducted as follows.
[0035] 一般に、気液平衡関係は次式で表される。 Generally, the gas-liquid equilibrium relationship is represented by the following equation.
[0036] [数 1]
Figure imgf000009_0001
[0036] [Number 1]
Figure imgf000009_0001
0 i : 気相 Fugacity Coeff. 0 i: Gas phase Fugacity Coeff.
P : System Pressure  P: System Pressure
yi : 気相モル分率  yi: gas phase mole fraction
f,m : 液相 S準 Fugacity f, m : liquid phase S quasi-Fugacity
r,(0) : 液相活 fi係数 r, (0) : liquid phase fi factor
JC, : 液相モル分率  JC,: Liquid phase mole fraction
eX 丄 Vi I RTdp ; Poynting Facter ここで、検討すべきは次の 3点である。  eX 丄 Vi I RTdp; Poynting Facter The following three points should be considered.
( 1 ) DMEに対する γ . (0)モデル (1) γ. (0) model for DME
(2) DMEと COの相対的揮発性の程度  (2) Degree of relative volatility of DME and CO
2  2
(3)ェンタルピー及びエントロピーモデル  (3) Enthalpy and entropy models
[0037] DMEは含酸素低分子化合物である力 その代表例であるエタノールの沸点は 78 °Cに対して、 DMEの沸点は 25°Cであることから、アルコール、アルデヒド、ケトン 基等のように強い極性を持たないことが分かる。従って、 DMEの γ に対しては正 則溶解モデルが適用できる。 [0037] DME is an oxygen-containing low molecular weight compound. A typical example is that boiling point of ethanol is 78 ° C, whereas boiling point of DME is 25 ° C. It has no strong polarity. Therefore, a regular dissolution model can be applied to γ (ω) of DME.
[0038] 前記で得た DMEZCOの溶解性試験データ(図 2)から、 CO及び DMEの K v  [0038] From the solubility test data of DMEZCO obtained above (Fig. 2), the K v
2 2  twenty two
olumeの値は、測定条件においてそれぞれ 0. 68<KDME< 0. 80及び 2. 54<K CO < 3. 42の範囲〖こあり、 DMEと COの揮発'性にはそれほど大きな差がないこと  The olume values are in the range of 0.68 <KDME <0.80 and 2.54 <KCO <3.42, respectively, under the measurement conditions, and there is no significant difference between the volatility of DME and CO.
2 2  twenty two
が分かる。これにより、 f に対しては、蒸気圧モデルが適用できる。  I understand. Thus, the vapor pressure model can be applied to f.
[0039] また、ェンタルピー及びエントロピーに対しては、 DME + CO系の想定される最高  [0039] In addition, with respect to enthalpy and entropy, the highest possible
2  2
使用圧力は 1 OMPa程度であることから SPK ( S oave— Redlich— Kwong)の状態 方程式を採用することが適切である。 [0040] [数 2] p = R 。|l +(0.48十 1.574w— 0.176w2 )(1一 Ττ) ' J Since the working pressure is about 1 OMPa, it is appropriate to use the SPK (Soave-Redlich-Kwong) equation of state. [Equation 2] p = R. | l + (0.48 tens 1.574w- 0.176w 2 ) (1 Ττ) 'J
v - b v2 + bv r a) : Regular Solution Model v-bv 2 + bv r a) : Regular Solution Model
_/ϊ(。) - Vaper Pressure Model  _ / ϊ (.)-Vaper Pressure Model
<ί i, H, S : SRK equation of State  <ί i, H, S: SRK equation of State
Poynting Facter ; 考 する 尚、系の圧力がある程度高圧(数 MPa)になると Poynting Factorも無視できなくなる ので、この点も考慮することとした。  Poynting Facter; Consideration Since the Poynting Factor cannot be neglected when the system pressure reaches a certain high pressure (several MPa), this point was also taken into consideration.
[0041] プログラム [0041] Program
次の A、 B2種類のプログラムを使用した。  The following A and B types of programs were used.
(l) DME CO A  (l) DME CO A
2  2
与えられた組成、 T (温度)、 P (圧力)のもとでのフラッシュ計算。  Flash calculation for a given composition, T (temperature), P (pressure).
[0042] 与えられた組成及び P1 (圧縮器圧力)のもとでバブルポイント(Bubble Point)を計 异 た。 [0042] A Bubble Point was calculated under the given composition and P1 (compressor pressure).
[0043] これらにより、気液平衡物性値推算モデルの精度の確認及び凝縮器における全凝 縮が可能力否かの目処をつけることができる。  Thus, it is possible to confirm the accuracy of the model for estimating the gas-liquid equilibrium property value and to determine whether or not the total condensation in the condenser is possible.
[0044] (2) DME CO B [0044] (2) DME CO B
2  2
以上説明したシミュレーターを用いて、ジメチルエーテルと二酸ィ匕炭素を含む冷媒 組成物、比較として R22、ジメチルエーテル単独、二酸ィ匕炭素単独について COPを 以下のように得た。  Using the simulator described above, COPs were obtained as follows for the refrigerant composition containing dimethyl ether and carbon dioxide, for comparison, R22, dimethyl ether alone, and carbon dioxide alone.
実施例 1  Example 1
[0045] 図 1のシステムにおいて、圧縮器圧 = 2. 0MPa、凝縮器出口温度 = 35°C、膨張弁 出口圧力 =0. 3〜0. 4でのジメチルエーテル 80モル%と二酸化炭素 20モル%を含 む冷媒組成物の COPは 1. 7〜2. 1であった。膨張弁出口圧力が 0. 4の場合の膨 張弁出口温度は 6°C、蒸発器出口温度は 6°Cであった。  [0045] In the system of Fig. 1, 80 mol% of dimethyl ether and 20 mol% of carbon dioxide at a compressor pressure of 2.0 MPa, a condenser outlet temperature of 35 ° C, and an expansion valve outlet pressure of 0.3 to 0.4. The COP of the refrigerant composition containing was 1.7 to 2.1. When the outlet pressure of the expansion valve was 0.4, the expansion valve outlet temperature was 6 ° C and the evaporator outlet temperature was 6 ° C.
実施例 2  Example 2
[0046] 同一システムにおいて、圧縮器圧二 2. 0MPa、凝縮器出口温度 = 35°C、膨張弁 出口圧力 =0. 3〜0. 4MPaでのジメチルエーテル 70モル%と二酸化炭素 30モル %を含む冷媒組成物の COPは 1. 2〜1. 5であった。膨張弁出口圧力が 0. 4の場合 の膨張弁出口温度は 8°C、蒸発器出口温度は 2. 8°Cであった。 [0046] In the same system, the compressor pressure was 2.0MPa, the condenser outlet temperature was 35 ° C, and the expansion valve was The COP of the refrigerant composition containing 70 mol% of dimethyl ether and 30 mol% of carbon dioxide at an outlet pressure of 0.3 to 0.4 MPa was 1.2 to 1.5. When the expansion valve outlet pressure was 0.4, the expansion valve outlet temperature was 8 ° C and the evaporator outlet temperature was 2.8 ° C.
実施例 3  Example 3
[0047] 同一システムにおいて、圧縮器圧 = 2. 0MPa、凝縮器出口温度 = 35°C、膨張弁 出口圧力 =0. 6MPaでのジメチルエーテル 60モル%と二酸化炭素 40モル%を含 む冷媒組成物の COPは 1. 4であった。この場合の膨張弁出口温度は 1. 2°C、蒸発 器出口温度は 10. 5°Cであった。  [0047] In the same system, a refrigerant composition containing 60 mol% of dimethyl ether and 40 mol% of carbon dioxide at a compressor pressure of 2.0 MPa, a condenser outlet temperature of 35 ° C, and an expansion valve outlet pressure of 0.6 MPa. Its COP was 1.4. In this case, the expansion valve outlet temperature was 1.2 ° C and the evaporator outlet temperature was 10.5 ° C.
実施例 4  Example 4
[0048] 同一システムにおいて、圧縮器圧 =4. 0MPa、凝縮器出口温度 = 35°C、膨張弁 出口圧力 =0. 5MPaでのジメチルエーテル 50モル%と二酸化炭素 50モル%を含 む冷媒組成物の COPは 1. 1であった。この場合の膨張弁出口温度は— 21°C、蒸発 器出口温度は—0. 2°Cであった。  [0048] In the same system, a refrigerant composition containing 50 mol% of dimethyl ether and 50 mol% of carbon dioxide at a compressor pressure of 4.0 MPa, a condenser outlet temperature of 35 ° C, and an expansion valve outlet pressure of 0.5 MPa. The COP was 1.1. In this case, the expansion valve outlet temperature was −21 ° C., and the evaporator outlet temperature was −0.2 ° C.
[0049] [比較例 1]  [Comparative Example 1]
同一システムにおいて、圧縮器圧 = 1. 61MPa、凝縮器出口温度 =42°C、膨張弁 出口圧力 =0. 4MPaでの R22の COPは 2. 3であった。この場合の膨張弁出口温 度は—6. 3°C、蒸発器出口温度は 6. 3°Cであった。  In the same system, the R22 COP was 2.3 at compressor pressure = 1.61 MPa, condenser outlet temperature = 42 ° C, and expansion valve outlet pressure = 0.4 MPa. In this case, the outlet temperature of the expansion valve was -6.3 ° C, and the outlet temperature of the evaporator was 6.3 ° C.
[0050] [比較例 2]  [Comparative Example 2]
同一システムにおいて、圧縮器圧 = 2. 0MPa、凝縮器出口温度 = 35°C、膨張弁出 口圧力 =0. 2MPaでのジメチルエーテル単独の最大 COPは 1. 6であった。この場 合の膨張弁出口温度は— 6°C、蒸発器出口温度は 6°Cであった。  In the same system, the maximum COP of dimethyl ether alone was 1.6 at compressor pressure = 2.0 MPa, condenser outlet temperature = 35 ° C, and expansion valve outlet pressure = 0.2 MPa. In this case, the expansion valve outlet temperature was -6 ° C, and the evaporator outlet temperature was 6 ° C.
[0051] [比較例 3]  [Comparative Example 3]
同一システムにおいて、圧縮器圧 = 12MPa、凝縮器出口温度 = 35°C、膨張弁出 口圧力 = 3MPaでの二酸ィ匕炭素単独冷媒の最大 COPは 1. 1であった。この場合の 膨張弁出口温度は 1°C、蒸発器出口温度は 1°Cであった。  In the same system, the maximum COP of the dioxygenated carbon alone refrigerant at the compressor pressure = 12 MPa, the condenser outlet temperature = 35 ° C, and the expansion valve outlet pressure = 3 MPa was 1.1. In this case, the expansion valve outlet temperature was 1 ° C and the evaporator outlet temperature was 1 ° C.
[0052] 各実施例で得られた COP、膨張弁出口温度、蒸発器出口温度及び圧縮器吐出温 度を表 2に示す。表 2から明らかな通り、実施例 1及び 2において、 R22に近い COP を有し、冷房効果が良好 (蒸発器出口温度が 10°C以下)である冷媒組成物が得られ ることが分力ゝる, Table 2 shows the COP, expansion valve outlet temperature, evaporator outlet temperature, and compressor discharge temperature obtained in each example. As is clear from Table 2, in Examples 1 and 2, a refrigerant composition having a COP close to R22 and having a good cooling effect (evaporator outlet temperature of 10 ° C or less) was obtained. こ と が
[0053] [表 2] 表 2 同一システムを使用した同一条件下における R 2 2、 二酸化炭素単体、 ジメチルェ 一テル単体との成績係数比較表  [Table 2] Table 2 Comparison table of R22, carbon dioxide alone, and dimethyl ether alone under the same conditions using the same system
Figure imgf000012_0001
上記の結果から、本発明の冷媒組成物は、凝縮出口温度が 35°C以下で作動する システムにおいては、産業用'工業用空調 (ヒートポンプ) '冷凍機用冷媒として、また 、ヒートアイランド現象を緩和する地中熱を利用したコジェネレーション用冷媒として の利用が見込まれる。
Figure imgf000012_0001
From the above results, the refrigerant composition of the present invention can be used as an industrial 'industrial air conditioner (heat pump)' refrigerant for refrigerators and can reduce the heat island phenomenon in systems that operate at a condensation outlet temperature of 35 ° C or lower. Is expected to be used as a cogeneration refrigerant that utilizes geothermal heat.
[0054] (第 2実施例) (Second embodiment)
可燃件評価試験  Flammability evaluation test
本発明の冷媒組成物につ V、て、 日本エアゾール協会の火炎長テストに準じた可燃 性評価を行った。試験方法は以下の通りである。  The flammability of the refrigerant composition of the present invention was evaluated according to the flame length test of the Japan Aerosol Association. The test method is as follows.
試料温度: 24°C〜26°C。 試料ブロア一の噴射口を点火バーナーより 15cmの位置に置く。 Sample temperature: 24 ° C to 26 ° C. Place the injection port of the sample blower 15 cm from the ignition burner.
バーナーの火炎の長さを 4. 5cm〜5. 5cmに調整する。  Adjust the burner flame length to 4.5 cm to 5.5 cm.
噴射ボタンを押して一番良く噴射する状態で噴射し、 3秒後の火炎の突端と末端を 鉛直に下ろして火炎の水平距離を火炎長として測定する。  Press the injection button and inject in the best condition. After 3 seconds, lower the tip and end of the flame vertically and measure the horizontal distance of the flame as the flame length.
[0055] 評価基準は以下の通りである。 [0055] The evaluation criteria are as follows.
X:火炎長が 20cm以上(可燃)  X: Flame length 20cm or more (combustible)
〇:火炎長が 20cm未満 (微燃)  〇: Flame length is less than 20cm (slightly burning)
◎:火炎が認められなレヽ (不燃)  ◎: No flame is recognized (non-combustible)
ブロー初期:内容物を 20%まで噴射  Blow early: Inject contents up to 20%
ブロー中期:内容物を 50%まで噴射  Medium blow: Inject contents up to 50%
ブロー終期:内容物を 80%まで噴射  End of blow: Inject contents up to 80%
[0056] 表 3の試料 No. 1〜7について可燃性評価試験を行い、結果を表 4に示す。 A flammability evaluation test was performed on Sample Nos. 1 to 7 in Table 3 and the results are shown in Table 4.
[0057] [表 3] 3 性評価用試料 [Table 3] Samples for 3 sex evaluation
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000013_0001
[0058] [表 4] 表 4 可燃性評価試験結果 [Table 4] Table 4 Flammability evaluation test results
Figure imgf000013_0002
上記の結果から明らかなとおり、ジメチルエーテルそのものは可燃物である力 二 酸ィ匕炭素を 10モル%以上混合することによって不燃又は難燃ィ匕することが可能にな つ 7こ。 [0059] (第 3実施例)
Figure imgf000013_0002
As is clear from the above results, dimethyl ether itself can be made nonflammable or nonflammable by mixing 10% by mole or more of flammable carbon dioxide. (Third Embodiment)
冷媒組成物の他の物性  Other physical properties of refrigerant composition
本発明の冷媒組成物、ジメチルエーテル単独、二酸化炭素単独及び R22につい て測定した他の冷媒物性を表 5に示す。ここで、飽和液体密度、蒸発潜熱、気体熱 伝導率、液体粘性及び気体粘性は冷凍機の作動時での物性値である。  Table 5 shows other refrigerant physical properties measured for the refrigerant composition of the present invention, dimethyl ether alone, carbon dioxide alone, and R22. Here, the saturated liquid density, latent heat of vaporization, gas thermal conductivity, liquid viscosity, and gas viscosity are physical property values during operation of the refrigerator.
[0060] 表 5から明らかなとおり、本発明の冷媒組成物は、蒸発潜熱、気体熱伝導率、気体 粘性等にぉ 、て R22と大きな差がな 、。 [0060] As is clear from Table 5, the refrigerant composition of the present invention did not greatly differ from R22 in latent heat of vaporization, gas thermal conductivity, gas viscosity, and the like.
[0061] [表 5] [Table 5]
〕〔6200 表 5 冷媒物性の比較
Figure imgf000015_0001
[6200 Table 5 Comparison of refrigerant properties
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000015_0002
Figure imgf000015_0002
C 02濃度 100 %の場合、 作動圧縮圧 11 MP aで超臨界状態である。 For C 0 2 concentration of 100%, a supercritical state in operation compression pressure 11 MP a.
C02濃度 20%、 D ME濃度 80%の場合、 作動圧縮圧 2. 0 MP aで超臨界状態である。C0 2 concentration of 20% and the D ME concentration of 80%, at a supercritical state by operating compression pressure 2. 0 MP a.
C02濃度 50%、 DME濃度 50%の場合、 作動圧縮圧 3. 0 MP aで超臨界状態である。 C0 2 concentration of 50% and the DME concentration of 50%, a supercritical state in operation compression pressure 3. 0 MP a.
JIS C9612試験条件準拠 (空調用冷媒温度)に基づぐ R22、プロパン、アンモニ ァ、二酸化炭素、ジメチルエーテル単独、ジメチルエーテル 80モル0 /0とニ酸ィ匕炭素 20%の混合物及びジメチルエーテル 90モル%と二酸化炭素 10モル%混合物の冷 媒能力と暖房能力の比較を図 3に示す。 JIS C9612 test conditions comply (air conditioning refrigerant temperature) based Dzugu R22, propane, ammonia §, carbon dioxide, dimethyl ether alone, a mixture of 20% dimethyl ether 80 mole 0/0 and Nisani匕炭containing and dimethyl ether 90 mole% Figure 3 compares the cooling capacity and heating capacity of a 10 mol% mixture of carbon dioxide.
[0063] これらの冷媒との JIS規格下での比較において、ジメチルエーテルと二酸ィ匕炭素混 合物冷媒はニ酸ィ匕炭素を除いては COPが低いものの、不燃性であること、地球温暖 ィ匕係数がほぼゼロであること、毒性のない安全な物質であることからカーエアコン、家 庭用ェアコン用冷媒としての利用が見込まれる。 [0063] In comparison with these refrigerants under the JIS standard, the refrigerant mixture of dimethyl ether and carbon dioxide was low in COP except for carbon dioxide, but it was nonflammable, Since the dani coefficient is almost zero and it is a safe substance without toxicity, it is expected to be used as a refrigerant for car air conditioners and household air conditioners.
図面の簡単な説明  Brief Description of Drawings
[0064] [図 1]ジメチルエーテルと二酸ィ匕炭素混合冷媒サイクルシステム。  [FIG. 1] A dimethyl ether and diacid carbon mixed refrigerant cycle system.
[図 2]DME CO B プログラムフロー。  [Figure 2] DME CO B program flow.
2  2
[図 3 IS C 9612試験条件に準拠した冷媒能力比較。  [Figure 3 Refrigerant capacity comparison based on ISC 9612 test conditions.

Claims

請求の範囲 The scope of the claims
[1] ジメチルエーテルと二酸ィ匕炭素の総モル数を基準として、ジメチルエーテルを 90モ ル%〜40モル%、二酸化炭素を 10〜60モル%含有することを特徴とする冷凍機用 冷媒組成物。  [1] A refrigerant composition for a refrigerator, comprising 90 mol% to 40 mol% of dimethyl ether and 10 to 60 mol% of carbon dioxide, based on the total number of moles of dimethyl ether and carbon dioxide. .
[2] ジメチルエーテルを 85モル%〜 70モル0 /0、二酸化炭素を 15〜30モル0 /0含有する ことを特徴とする請求項 1に記載の冷媒組成物。 [2] ether 85 mole% to 70 mole 0/0, the refrigerant composition according to claim 1, characterized in that it contains 15 to 30 mole 0/0 of carbon dioxide.
[3] ジメチルエーテルと二酸ィ匕炭素の総モル数を基準として、ジメチルエーテルを 90モ ル%〜40モル%、二酸化炭素を 10〜60モル%含有する冷媒組成物を冷凍機に使 用する方法。 [3] A method of using a refrigerant composition containing 90 mol% to 40 mol% of dimethyl ether and 10 to 60 mol% of carbon dioxide in a refrigerator, based on the total number of moles of dimethyl ether and carbon dioxide. .
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