WO2007020937A1 - 冷媒組成物 - Google Patents

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carbon dioxide
dimethyl ether
pressure
temperature
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Seijyuro Maiya
Osamu Nakagome
Hideyuki Suzuki
Yasuhisa Kotani
Toshifumi Hatanaka
Toshihiro Wada
Original Assignee
Japan Petroleum Exploration Co., Ltd.
Showa Tansan Co., Ltd.
Toyota Tsusho Corporation
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    • C09K5/04Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to vapour or vice versa
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Definitions

  • the present invention relates to a refrigerant composition containing dimethyl ether and carbon dioxide and used for refrigerators for car air conditioners and vending machines.
  • CFCs CFC black-out fluorocarbons, HCFC hide-out fluorocarbons
  • CFCs CFC black-out fluorocarbons, HCFC hide-out fluorocarbons
  • carbon dioxide dioxide is nonflammable, has low toxicity, and has a large sensible heat effect. Therefore, it has recently been used in EHP refrigerants such as Ecocute for heating and hot water supply. However, carbon dioxide, on the contrary, has a low latent heat effect, so it is extremely inefficient to use for cooling. Furthermore, when carbon dioxide is used as a refrigerant for car air conditioners, the operating pressure on the condenser side of car air conditioners is supercritical at a high pressure of 8 MPa or more (CO critical pressure: 7.4 MPa, critical temperature).
  • the refrigerant needs to be 31 ° C or lower.
  • outside temperatures often exceed 31 ° C in summer when car air conditioners are most commonly used.
  • the carbon dioxide-only refrigerant is not liquefied (condensed) at all in the condenser, so heat cannot be released by condensation.
  • the cooling effect due to the heat of vaporization cannot be obtained at all only by the cooling effect due to the adiabatic expansion accompanying the pressure drop. Therefore, the cooling cycle becomes a supercritical pressure that changes between subcritical pressure and supercritical pressure, the cycle efficiency (COP) under cooling conditions is low, and the operating pressure of the compressor is extremely high.
  • COP cycle efficiency
  • dimethyl ether DME
  • DME dimethyl ether
  • An object of the present invention is to provide a refrigerant composition for a refrigerating machine that has a low adverse effect on global warming without risk of destruction of the ozone layer and that has no toxicity and has an excellent cooling capacity.
  • the present inventors have found that diacid-carbon is well dissolved in dimethyl ether, and that a mixed refrigerant of dimethyl ether z diacid-carbon can be used for refrigerators, hot water supply z heating.
  • Japanese Patent Application No. 2004-167210 (filing date: June 4, 2004) and Japanese Patent Application No. 2005-55957 (filing date: March 1, 2005, priority date: June 4, 2004, etc. 1
  • the invention relates to a novel refrigerant such as a mixed gas of diacid, carbon and dimethyl ether.
  • a novel refrigerant such as a mixed gas of diacid, carbon and dimethyl ether.
  • the present inventors further utilized dimethyl ether for carbon dioxide with the advantage that dimethyl ether has a boiling point of -25 ° C and carbon dioxide has a boiling point of 78.45 ° C.
  • Mixing can promote a drop in vapor pressure and promote condensation (liquefaction) in the condenser, which makes it possible to build a vapor compression cycle (condensation cycle) under cooling conditions.
  • condensation cycle condensation cycle
  • the present invention is, based on the total moles of dimethyl ether and diacid I ⁇ element, dimethylol ether 1-10 mole 0/0, carbon dioxide 99 to 90 mole 0/0, preferably dimethyl er
  • the present invention relates to a refrigerant composition for refrigerators containing 3 to 8 mol% of tellurium and 97 to 92 mol% of carbon dioxide.
  • GWP global warming potential
  • the use of the refrigerant composition of the present invention for a car air conditioner or the like makes it possible to construct a vapor compression cycle (condensation cycle) under cooling conditions, which is higher than that of a single carbon dioxide refrigerant. Since the operating pressure of the compressor can be reduced at the same time that COP is obtained, it is not necessary to cool the periphery of the condenser or to use a special device such as a gas cooler like a single refrigerant of carbon dioxide and carbon dioxide. An advantageous effect can be produced.
  • the 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 biotechnology Using gas as a raw material, dimethyl ether can be synthesized directly from hydrogen and carbon monoxide or indirectly from methanol and carbon monoxide via methanol synthesis.
  • BOG Bit of Gas
  • the carbon dioxide used in the refrigerant composition of the present invention is obtained by, for example, compressing and “liquefying” purification using a by-product gas generated as a raw material, such as ammonia synthesis gas or a hydrogen production plant for heavy oil desulfurization.
  • a by-product gas generated as a raw material such as ammonia synthesis gas or a hydrogen production plant for heavy oil desulfurization.
  • the mixing ratio of dimethyl ether and carbon dioxide in the refrigerant composition of the present invention is appropriately determined according to the type of refrigerator such as a car air conditioner or a vending machine refrigerator in which the refrigerant is used.
  • the refrigerant composition of the present invention comprises a total of dimethyl ether and carbon dioxide. Relative to the Le number, preferably dimethyl ether 1 to 10 mol%, carbon dioxide 99 to 90 mole%, more preferably, dimethyl ether 3-8 mol%, carbon dioxide 97 to 92 mole 0/0, containing To do.
  • dimethyl ether When dimethyl ether is less than 1 mol%, the condensation rate of the mixed refrigerant hardly liquefies (condenses) in the condenser, which is close to 0, so heat cannot be released by condensation. On the other hand, if the amount of dimethyl ether is more than 10 mol%, the refrigerant composition will be out of the non-flammable region. On the other hand, if dimethyl ether is larger than 10 mol%, the temperature gradient between the evaporator outlet and the inlet becomes large, which is disadvantageous especially when used in a power air conditioner.
  • the refrigerant composition of the present invention When the refrigerant composition of the present invention is used in, for example, a car air conditioner, a predetermined amount of liquid dimethyl ether is added to an appropriate amount container such as a service can according to the capacity of the tank.
  • the refrigerant composition having the above-mentioned mixing ratio can be obtained by filling and then filling with a predetermined amount of the liquid carboxylic acid carbon filling tank force.
  • the refrigerant composition of the present invention is filled with liquid dimethyl ether in an appropriate amount container such as a service can according to the capacity of the car air conditioner, and then the gas phase part of the container is filled with a gas of carbon dioxide and carbon dioxide, It can also be prepared by dissolving and mixing in dimethyl ether under pressure.
  • the refrigerant composition of the present invention may be composed solely of dimethyl ether and carbon dioxide and may contain other components in addition to the mixed medium.
  • Other components that can be added to the refrigerant composition of the present invention include alcohols such as ethanol.
  • the principle of the cooling system is based on continuous heat exchange between the latent heat and the surrounding medium that takes heat energy from the surrounding medium when the substance (refrigerant) is vaporized.
  • the evaporation temperature of the refrigerant depends on the pressure, if the pressure is lowered, the evaporation temperature also decreases, so a lower temperature can be obtained.
  • the principle of the heating Z hot water supply system is achieved by continuous heat exchange with water, air, and the like because it takes away the peripheral heat by evaporation of the refrigerant and becomes a compressed high-temperature gas. .
  • a system for a car air conditioner is also based on the principle of such a cooling Z heating system, and is a refrigerant cycle system including a compressor, a condenser, an expansion valve, and an evaporator.
  • a refrigerant cycle system in which the refrigerant composition of the present invention is used, Figure 1 shows a non-limiting example of a refrigerant cycle system for an air conditioner.
  • the refrigerant that has been heated to high pressure and high temperature by the compressor is cooled by the outside air in the condenser and becomes a liquid phase. This liquid-phase refrigerant evaporates by heat absorption with the interior air in the evaporator and cools the interior air.
  • EQ 1 Compressor Absorbs cold chilled refrigerant that has become gas in the evaporator and compresses it into a high-temperature, high-pressure gas.
  • EQ2 condenser The high-temperature and high-pressure gaseous medium discharged from the compressor is cooled with water or air (outside air) and condensed to form a liquid (for heating Z hot water supply).
  • EQ3 expansion valve expands high-temperature and high-pressure liquid refrigerant into low-temperature and low-pressure refrigerant.
  • the above-described refrigerant cycle is numerically modeled, and a general-purpose numerical chemical process simulator is used to perform a known method (for example, “non-azeotropic The effect of the heat transfer characteristics of heat exchange ⁇ on the performance of the mixed refrigerant heat pump cycle "(see Japan Refrigeration Association Proceedings Vol.7, No.1, pages 65-73, 1990, etc.) ⁇ Can be evaluated.
  • a general-purpose numerical chemical process simulator has a built-in database of thermodynamic properties of a wide variety of components, and performs equilibrium thermodynamic calculations between chemical components corresponding to the mechanical engineering functions of various systems.
  • each of the systems comprising the compressor, the circulator, the expansion valve, and the evaporator in which the refrigerant circulates is digitized, and the compressor outlet pressure (hereinafter referred to as “compressor pressure” or “discharge pressure”).
  • compressor pressure or discharge pressure
  • P1 condenser outlet temperature
  • T3 evaporator temperature
  • refrigerant composition concentration parameter 1
  • cooling Z heating Z hot water supply capacity is evaluated as coefficient of performance (COP).
  • Cooling coefficient of performance total absorbed heat in the cooling evaporator ⁇ compressor power
  • Heating performance coefficient of Z hot water supply total exhaust heat amount in refrigerant condenser ⁇ compressor power
  • thermodynamic property value estimation formula of the refrigerant a regular dissolution model is applied for dissolution, and an equation of SRK (Soave-Redlich-Kwon g) is applied for the equation of state.
  • SRK Soave-Redlich-Kwon g
  • physical factors related to refrigerant condensation include discharge pressure (compressor pressure), condenser outlet temperature, mixing ratio of carbon dioxide and dimethyl ether, ambient outside air temperature, and refrigerant retained. There is a critical temperature.
  • the conditions under which the condensation cycle can be established are required to have a discharge pressure equal to or higher than a threshold value and that the ambient outside air temperature is lower than the critical temperature of the refrigerant and the condenser outlet temperature.
  • the discharge pressure varies depending on the mixing ratio of carbon dioxide and dimethyl ether.
  • Refrigerators that can suitably use the refrigerant composition of the present invention include car air conditioners, vending machine refrigerators, commercial 'household air conditioners and gas heat pumps (GHP)', electrical heat pumps (EHP), and the like. Certain forces are not limited to these.
  • the refrigerant yarn composition of the present invention can be used as it is in car air conditioners, vending machine refrigerators, commercial air conditioners, GHPs, EHPs, etc. that use existing refrigerants such as R22. Can be used.
  • Carbon dioxide is injected to a certain pressure with a booster pump.
  • Table 1 shows the obtained results. As shown in Table 1, the K volume of CO and DME
  • the values are 0.66 ⁇ KDME ⁇ 0.80 and 2.59 ⁇ KCO ⁇ 3, respectively, under the measurement conditions.
  • ⁇ KC0 2 YC0 2 / XC0 2
  • COP coefficient of performance
  • the state quantities (volume, enthalpy, entropy, etc.) of streams (1) to (4) in the refrigerant cycle system shown in Fig. 1 are determined by simulation, and the coefficient of performance COP of the following equation is obtained.
  • H2 Compressor power from (4) to (1)
  • the calculation is performed with the mouth temperature, the evaporator pressure and the DMEZCO mixing ratio as the fluctuation parameters.
  • DME is an oxygen-containing low-molecular-weight compound.
  • the typical example is ethanol, which has a boiling point of 78 ° C, while DME has a boiling point of 25 ° C. It can be seen that it has no strong polarity. Therefore, the regular dissolution model can be applied to ⁇ ( ⁇ of DME.
  • the olume values are in the range of 0.66 ⁇ KDME ⁇ 0.80 and 2.59 ⁇ K CO ⁇ 3.42, respectively under the measurement conditions, and there is no significant difference in volatility between DME and CO.
  • the simulation was performed as a data. At this time, the condenser outlet temperature T2 was set to 32 ° C, and the evaporator pressure was set to 3. IMPa. The following shows the cooling at each DMEZCO mixing ratio (mol%).
  • FIG. 1 A refrigerant cycle system for a car air conditioner.

Abstract

【課題】冷媒とジメチルエーテルと二酸化炭素とを混合し、オゾン層を破壊しない、地球温暖化係数の極めて小さい安全で毒性のない優れた性能を有する冷媒を提供する。 【解決手段】ジメチルエーテルを1~10モル%、二酸化炭素を99~90モル%含有する冷凍機用冷媒組成物

Description

明 細 書
冷媒組成物
技術分野
[0001] 本発明は、カーエアコンや自動販売機用等の冷凍機に使用される、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。
背景技術
[0002] これまでフロン(CFCクロ口フルォロカーボン、 HCFCハイド口クロ口フルォロカーボ ン)は優れた冷媒能力を有するので全世界でカーエアコン等用の冷媒として広く使 用されてきた。しカゝしながら、現在、フロンは塩素を含んでいるのでオゾン層を破壊す るということから、 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 (ノヽイド口クロ口フルォロカーボ 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。
[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パ 一フルォロカーボン, 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。
[0004] 最近、開発が進められている、二酸化炭素、アンモニア、水及び空気などの自然系 冷媒もオゾン層破壊係数ゼロ、温暖化係数ほぼゼロ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。アンモニアは HFCと同等効率を有する 力 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] 一方、二酸ィ匕炭素は不燃,低毒性であり、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ートなどの EHP冷媒に近年使用されている。しかしながら、二酸 化炭素は、逆に潜熱効果が小さいので冷房用に使用するには極めて効率が悪い。 更に、二酸ィ匕炭素をカーエアコン用の冷媒として用いる場合は、カーエアコンの凝縮 器側の作動圧力は 8MPa以上の高圧で超臨界 (CO臨界圧力: 7. 4MPa、臨界温
2
度: 31°C)になり、この高圧気相冷媒を凝縮器で液ィ匕するためには、 COのモリエル
2 線図から分かるように、冷媒を 31°C以下にする必要がある。し力しながら、カーエアコ ン等が最もよく使用される夏場には外気温度が 31°Cを越えることは頻繁にある。この ような外気温度の条件下では、二酸化炭素単独冷媒は凝縮器内で全く液化 (凝縮) しないため凝縮による放熱ができなくなる。即ち、単に圧力降下に伴う断熱膨張によ る冷却効果のみで気化熱による冷却効果を全く得ることができない。したがって、冷 却サイクルは亜臨界圧と超臨界圧の間で変化する超臨界圧力になり、冷却条件下の サイクル効率 (COP)は低ぐ且つ圧縮機の作動圧が極めて高くなる。
[0006] この点を防止するために、カーエアコンの凝縮器周囲を水で循環したり、特殊な冷凍 機用ガスで回して凝縮器を冷やす力、又はガスクーラーで取り入れる外気温度を十 分に熱交換できる温度まで下げる等の特別な工夫が必要とされる。し力しながら、こ のような工夫を施すとコスト面で不利となる。
[0007] 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。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[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 毒性のない、優れた冷房能力を有する冷凍機用の冷媒組成物を提供することを目的 とする。
課題を解決するための手段
[0009] 本発明者等は、ジメチルエーテルに二酸ィ匕炭素が良く溶解することを知見し、ジメ チルエーテル z二酸ィ匕炭素の混合冷媒が冷凍機、給湯 z暖房用において使用し得 ることを見出し、特願 2004— 167210号(出願日平成 16年 6月 4日)および特願 200 5— 55957号(出願日平成 17年 3月 1日、優先日平成 16年 6月 4日他 1件)それぞれ にお ヽて、二酸ィ匕炭素ージメチルエーテル混合ガスカゝらなる新規な冷媒に係る発明 を記載した。今回、本発明者等は、更に、ジメチルエーテルの沸点が— 25°Cに対し て二酸化炭素の沸点は一 78. 45°Cであることを利用して、二酸ィ匕炭素にジメチルェ 一テルを混合させることによって蒸気圧降下を促し、凝縮器内での凝縮 (液化)を促 進させることができ、これにより、冷却条件下での蒸気圧縮サイクル (凝縮サイクル)の 構築が可能となるのではな 、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。
[0010] 即ち、本発明は、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、ジメチ ルエーテルを 1〜10モル0 /0、二酸化炭素を 99〜90モル0 /0、好ましくはジメチルエー テルを 3〜8モル%、二酸ィ匕炭素を 97〜92モル%含有する冷凍機用冷媒組成物に 関る。これにより、オゾン層を破壊することのない、地球温暖化係数が極めて小さく( GWPが約 3)毒性がなぐ優れた冷房能力を有する冷媒を提供することができる。更 に、本発明の冷媒組成物をカーエアコン等に使用することにより、冷却条件下での蒸 気圧縮サイクル (凝縮サイクル)の構築が可能になり、二酸化炭素単独冷媒に比較し て、より高い COPが得られると同時に圧縮器の作動圧を低減させることができること から、二酸ィ匕炭素単独冷媒のように凝縮器の周囲を冷やしたり、ガスクーラー等の特 別な工夫が必要でなくなるという有利な効果を奏することができる。
発明を実施するための最良の形態
[0011] 以下、本発明の好適な実施態様について詳細に説明する。
[0012] 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] 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] 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自動販売機用冷凍機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 1〜 10モル%、二酸化炭素を 99 〜90モル%、更に好ましくは、ジメチルエーテルを 3〜8モル%、二酸化炭素を 97〜 92モル0 /0、含有する。ジメチルエーテルが 1モル%未満であると、混合冷媒の凝縮 率は 0に近ぐ凝縮器内で殆ど液化 (凝縮)しないため凝縮による放熱ができない。一 方、ジメチルエーテルが 10モル%より大きいと、冷媒組成物が不燃性領域から外れ るため、特にカーエアコンに使用する場合は安全上好ましくない。また、ジメチルエー テルが 10モル%より大きいと、蒸発器出口と入口の温度の勾配が大きくなり、特に力 一エアコンに使用する場合は不利となる。
[0015] 本発明の冷媒組成物は、例えばカーエアコンに使用する場合は、その容量に応じ てサービス缶等の適量容器に液ィ匕ジメチルエーテル充填タンクカゝら所定量の液ィ匕ジ メチルエーテルを充填し、その後に液ィ匕ニ酸ィ匕炭素充填タンク力 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、カーエアコンの容量に応じてサービス缶等の適量容器に 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] 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み力も構成されていて もよいし、当該混合媒体に加えて他の成分を含有していてもよい。本発明の冷媒組 成物に加えることができる他の成分としては、エタノール等のアルコール類がある。
[0017] 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。
[0018] 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] カーエアコン用システムも、このような冷房 Z暖房システムの原理に基本的に基づ いており、圧縮器、凝縮器、膨張弁及び蒸発器から構成された冷媒サイクルシステム である。本発明の冷媒組成物が使用される冷媒サイクルシステムの一例として、カー エアコン用冷媒サイクルシステムの非限定的例を図 1に示す。ここで、冷房空調は圧 縮器で高圧高温化された冷媒が凝縮器で外気により冷やされ液相になる。この液相 冷媒は蒸発器で車内空気との吸熱交換により蒸発し車内空気を冷却する。
[0020] 図 1の各機器の役割は以下の通りである。
• 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。
•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)。
[0021] 実際に冷媒の冷房能力を評価するためには、上述の冷媒サイクルを数値モデルィ匕 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ーターは 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化学成分相互の平衡熱力学計算を行う。
[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、圧縮器出口圧力(以下、「圧縮器圧力」又は「吐出 圧」と略記する) (P1)、凝縮器出口温度 (T2)、蒸発器温度 (T3)及び冷媒組成物成 分の濃度をパラメータ一とし、冷房 Z暖房 Z給湯能力を成績係数 (COP)として評価 する。
[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
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
[0024] 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 SRK(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。 [0025] 更に、冷媒の凝縮に係る物理的因子としては、吐出圧 (圧縮器圧力)、凝縮器出口 温度、二酸ィ匕炭素とジメチルエーテルの混合比率、周囲外気温度、冷媒が保持して いる臨界温度がある。これらの物理的因子を前記 SRK状態方程式に代入して数値 シミュレーションすることにより凝縮率 (凝縮の有無)も求めることができる。
[0026] ここで、凝縮サイクルが構築できる条件としては、閾値以上の吐出圧を有することと 、周囲外気温度が冷媒の臨界温度、凝縮器出口温度よりも低いことが要求される。た だし、吐出圧は二酸ィ匕炭素とジメチルエーテルの混合比率によって変化する。
[0027] 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、自動販 売機用冷凍機、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)等がある力 これらに限定されない。また、本発明の冷媒糸且成物 は、 R22等の既存の冷媒が使用されているカーエアコン、自動販売機用冷凍機、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。
[0028] [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 、。
[0029] ジメチルヱーテル/二酸化炭素の溶解件試,験
ジメチルエーテル (DME)と二酸化炭素(CO )混合系の溶解の程度を調べるため
2
、及び後述する冷媒サイクルシステムにおける混合冷媒の成績係数を求めるために
、 DME/COの溶解性試験を行った。試験方法は以下の通りである。
2
(1)圧力容器(500mL)に 300gのジメチルエーテルを封入し、封入後の重量を電子 天秤で測定する。
(2)恒温槽に圧力容器を入れ、一定温度にする。
(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。
(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)。
[0030] 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
2
せ、縦置きに静置して試験を行った。 [0031] 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
2
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
2
.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。
[0032] [表 1] 表 1 DME C02溶解性 I纖結果
Figure imgf000008_0001
• ZC〇2 = V*YC02+L*XC02
■ Z C02 + Z D E = V + L
■ KC02 = YC02/XC02
- DME=YDME/XDME
[0033] (第 1実施例)
図 1に示す冷媒サイクルシステムにおけるジメチルエーテルと二酸ィ匕炭素との混合 冷媒の成績係数 (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 ユレーシヨンを以下の手順で行った。
[0034] シミュレーション丰川雷
図 1の冷媒サイクルシステム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。
[0035] COP=Hl/H2
HI:冷媒の凝縮器での総排熱量
H2: (4)から(1)に至る圧縮器の動力量
このとき、以下の条件設定をした。 [0036] (l) DMEZCO混合冷媒
2
DME/CO混合冷媒の冷房能力を評価するために、圧縮器の吐出圧、凝縮器出
2
口温度、蒸発器圧力及び DMEZCO混合比を変動パラメータ一として計算を行う。
2
Pl = 6. 5MPa〜9. OMPa
P3 = 3. lMPa、 3. 5MPa
凝縮器出口温度 = 32°C、 35°C
DME/CO混合比 = 1Z99、 2/98, 3/97, 4/96, 5/95, 6Z94 (モル比)
2
[0037] (2) CO単独冷媒
2
二酸ィ匕炭素単独については、圧縮器の吐出圧、凝縮器出口温度、蒸発器圧力を 変動パラメータ一として本シユミレーシヨンを行った。
Pl = 7. 8MPa〜9. OMPa
P3 = 3. lMPa、 3. 5MPa
凝縮器出口温度 = 32°C、 35°C
[0038] DME + CO混合系の気液平衡物件値の椎箪
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。
[0039] 一般に、気液平衡関係は次式で表される。
[0040] [数 1] , V; I RTdp
Figure imgf000009_0001
ί '- 気相 Fugacity Coeff.
P . System Pressure
yi : '気相モル分率
/ 0) : 液相基準 Fugacity
r,C0) : 液相活 S係数
: 液相'モル分率
ex / / RTdp : Poynting Facter
[0041] ここで、検討すべきは次の 3点である。
( 1 ) DMEに対する γ . (0)モデル (2) DMEと COの相対的揮発性の程度
2
(3)ェンタルピー及びエントロピーモデル
[0042] 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。
[0043] 前記で得た DMEZCOの溶解性試験データ(表 1)から、 CO及び DMEの K V
2 2
olumeの値は、測定条件においてそれぞれ 0. 66<KDME< 0. 80及び 2. 59<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
2 2
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。
[0044] 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
2
使用圧力は 1 OMPa程度であることから SRK (Soave— Redlich Kwong)の状態 方程式を採用することが適切である。
[0045] [数 2]
RT + (0.48十1.574 - 0.176^)(1 _ 7>)
v - b v + bv
Regular Solution o el
) Vaper Pressure Model
^ i, H S SRK equation of State
Poynting Facter " 考 する
[0046] 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、この点ち考慮することとした。
[0047] プログラム
次の A B2種類のプログラムを使用した。
(l) DME CO A
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。
[0048] 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 十异し [0049] 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。
(2) DME CO B
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混合 冷媒組成物つ!/、て COPを以下のように得た。
実施例 1
[0050] ジメチルエーテル Z二酸ィ匕炭素混合冷媒の冷房能力を評価するために、圧縮器 の吐出圧、凝縮器の出口温度、蒸発器圧力及び DMEZCOの混合比を変動パラメ
2
一ターとしてシミュレーションを行った。この際、凝縮器出口温度 T2を 32°C及び蒸発 器圧力を 3. IMPaに設定した。以下に、各 DMEZCO混合比(モル%)における冷
2
房特性についてのシミュレーション結果を示す。以下の表において、「凝縮率」とは、 凝縮器出口における気相、液相のモル比を表し、「気%」とは、膨張弁出口における 冷媒の気相モル分率を表し、「液%」とは、膨張弁出口における冷媒の液相モル分 率を表す。また、表中、蒸発器温度の「入口 Z出口」とは、冷媒の蒸発器における入 口と出口の温度を表す。
[0051] [表 2] 表 2— 1 C 0 2単独玲媒
Figure imgf000011_0001
[0052] [表 3] 表 2— 2 DME/C02= 1/99 (モル%)
Figure imgf000012_0003
[0053] [表 4]
oo
Figure imgf000012_0001
Figure imgf000012_0004
[0054] [表 5]
Figure imgf000012_0002
Figure imgf000012_0005
[0055] [表 6] 表 2— 5 DM EZC02 4Z96 (モル%)
吐出圧 吐出温度 凝縮率 膨張弁出口 蒸発器温度 COP
(M P a) (°c) (%) (気%) (; ¾%) (°C)
入口/出口
7. 5 99. 3 1 00 42.88 57.12 -1.5/6.0 2. 1 9
7. 3 96. 2 1 00 -1.4/6.0 2. 22
7. 0 91 . 4 1 00 -1.3/6.0 2. 24
6. 8 88. 1 44 66.70 33.30 -0.1/6.0 1 . 52
6. 5 82. 9 4 86.63 14.37 2.2/6.0 0. 74 [0056] [表 7] 表 2— 6 DMEZC02=5/95 (モル%)
Figure imgf000013_0001
[0057] [表 8] 表 2— 7 DM E/C02 = 6/94 (モル%)
Figure imgf000013_0002
[0058] 表 2—:!〜 2— 7から分力 とおり、二酸ィ匕炭素にジメチルエーテルを数%混合させ ることにより、蒸気圧降下を促し、凝縮器内での凝縮 (液化)を促進させることが可能 になる。したがって、冷却条件下での蒸気圧縮サイクル (凝縮サイクル)の構築が可 能になり、二酸化炭素単独冷媒と比較してより高!/、COPが得られると同時に圧縮器 の作動圧を低減させることができる。また、蒸発器入口と出口の温度の勾配も比較的 低く抑えることが可能となる。
実施例 2
[0059] 更に外気温の高レ、環境下でのジメチルエーテル Z二酸化炭素混合冷媒の冷房能 力を評価するために、凝縮器出口温度 T2を 35°Cとし、蒸発器圧力を 3.5MPaに設 定して、実施例 1と同様な数値シミュレーションを行った。以下に、各 DMEZCO混
2 合比(モル0 /0)におけるシミュレーション結果を示す。
[0060] [表 9] 表 3— 1 C02単独冷媒
Figure imgf000014_0001
[0061] [表 10]
表 3— 2 DME/C02= 1 /99 (モル%)
Figure imgf000014_0002
[0062] [表 11]
表 3— 3 DME/C〇2=2/98 (モル%)
Figure imgf000014_0003
[0063] [表 12]
表 3— 4 0\1£/002 = 3ノ97 (モル%)
Figure imgf000014_0004
[0064] [表 13] DME/C02 = 4/96 (モル%)
Figure imgf000015_0001
[0065] [表 14] 表 3— 6 DM E/C02 = 5 95 (モル%)
Figure imgf000015_0002
[0066] 表 3— :! 3— 6から明らかな通り、二酸ィ匕炭素にジメチルエーテルを数%混合させ ることにより、蒸気圧降下を促し、凝縮器内での凝縮 (液化)を促進させることが可能 となる。したがって、冷却条件下での蒸気圧縮サイクル (凝縮サイクル)の構築が可能 になり、二酸ィ匕炭素単独冷媒と比較してより高い COPが得られる。
図面の簡単な説明
[0067] [図 1]カーエアコン用冷媒サイクルシステム。
[図 2]DME CO B プログラムフロー

Claims

請求の範囲
[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 1〜1 0モル%、二酸化炭素を 99〜90モル%とを含有する冷凍機用冷媒組成物。
[2] ジメチルエーテルを 3〜8モル0 /0、二酸化炭素を 97〜92モル0 /0とを含有する請求 項 1に記載の冷媒組成物。
[3] 冷凍機がカーエアコン又は自動販売機用冷凍機である請求項 1又は 2に記載の冷 媒組成物。
[4] 請求項 1又は 2に記載の冷媒組成物をカーエアコン又は自動販売機用冷凍機に使 用する方法。
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