WO2022107185A1

WO2022107185A1 - 熱媒体

Info

Publication number: WO2022107185A1
Application number: PCT/JP2020/042707
Authority: WO
Inventors: 啓一瀬端
Original assignee: 株式会社せばた集団
Priority date: 2020-11-17
Filing date: 2020-11-17
Publication date: 2022-05-27
Also published as: JP6924541B1; JPWO2022107185A1

Abstract

液化イソブタンと、液化プロパンと、液化二酸化炭素と、液体窒素とを含む熱媒体である。液化イソブタンの含有量は、熱媒体全量に対して５０～６０質量％であり、液化プロパンの含有量は、熱媒体全量に対して５～１５質量％であり、液化二酸化炭素の含有量は、熱媒体全量に対して２０～４０質量％であり、液体窒素の含有量は、熱媒体全量に対して５～１５質量％である。可燃性である液化イソブタンと、可燃性である液化プロパンとが、不燃性の液化二酸化炭素と、不燃性の液体窒素と混合されているので、熱媒体は不燃性である。塩素やフッ素が含まれていないので、熱媒体は低環境負荷である。

Description

熱媒体

　本発明は熱媒体に関する。詳しくは、例えば空気調和機に使用される熱媒体に係るものである。

　冷媒は、熱を移動させるために用いられる熱媒体であり、空気調和機に使用された場合には、室内機と室外機を繋ぐパイプの中を循環する。
　即ち、冷媒は空気中の熱を乗せてパイプ内を循環し、熱交換器まで熱を運ぶ。この冷媒による熱移動が、冷房及び暖房を実現する。

　アンモニアに代わる冷媒としてクロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）が開発され、ＣＦＣは広く普及した。
　ＣＦＣは、メタン、エタンなどのハイドロカーボンの水素の一部または全部がフッ素、塩素などのハロゲンで置換された化合物である。

　しかし、ＣＦＣは塩素を有しており、また、物質的に安定していることから成層圏まで上昇してしまい、オゾン層を破壊するという問題を引き起こした。

　そこで、ＣＦＣのオゾン層破壊係数より小さいオゾン層破壊係数を有するハイドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）が使用されるようになった。ハイドロクロロフルオロカーボンは、水素を含むクロロフルオロカーボンである。

　ここで、「オゾン層破壊係数」は、トリクロロフルオロメタン（ＣＦＣ－１１）を基準値（＝１）として、大気中に放出された単位重量の物質がオゾン層に与える破壊効果を相対値として表した値である。

　そして、様々な冷媒が提案されている。例えば特許文献１には、オゾン層を破壊する危険性のない冷媒として、ＨＣＦＣの一種であるクロロジフルオロメタン（以下、「Ｒ－２２」とする。）及び１－クロロ－１，１－ジフルオロエタン（以下、「Ｒ－１４２ｂ」とする。）と、さらに八フッ化プロパン（以下、「Ｒ－２１８」とする。）を含む冷媒が記載されている。

特開２００１－１９９４５号公報

　しかしながら、Ｒ－２２や、Ｒ－１４２ｂや、Ｒ－２１８は、オゾン層破壊係数は小さいものの、地球温暖化係数が大きいことが判明し、地球温暖化防止の観点から問題となっている。
　即ち、Ｒ－２２の地球温暖化係数は１，８１０であり、Ｒ－１４２ｂの地球温暖化係数は２，３１０であり、Ｒ－２１８の地球温暖化係数は８，８３０である。

　ここで、「地球温暖化係数」は、二酸化炭素を基準値（＝１）とした場合、その物質の大気中における単位濃度あたりの温室効果の１００年間の強さを相対値で表した値である。

　こうした中、オゾン層保護と地球温暖化防止といった地球環境保護の立場から、フロンのような人工的に化学合成されたものではなく、もともと自然界に存在し、生成から消滅までの循環サイクルがすでに確立されている物質を冷媒として積極的に使用する動きがあり、このような冷媒は「自然冷媒」と呼ばれている。

　このような自然冷媒として使用され得る物質としては、プロパンやブタンなどの炭化水素、アンモニア、二酸化炭素、空気、水などがある。
　ここで、アンモニア、プロパンなどは、オゾン層破壊係数が「０」であることに加えて、地球温暖化係数も「０」であり、地球環境にとって非常に良い物質であるが、これらは可燃性であることが問題視されている。

　そこで、充分な伝熱性能を発揮すると共に、オゾン層破壊係数と地球温暖化係数の両方が低い即ち低環境負荷であり、不燃性である熱媒体が求められていた。

　本発明は、以上の点に鑑みて創案されたものであり、充分な伝熱性能を発揮すると共に、低環境負荷であり、不燃性である熱媒体を提供することを目的とする。

　上記の目的を達成するために、本発明の熱媒体は、液化イソブタンと、液化プロパンと、液化二酸化炭素と、液体窒素とを含む。

　ここで、可燃性である液化イソブタンと、可燃性である液化プロパンとが、不燃性の液化二酸化炭素と、不燃性の液体窒素と混合されているので、得られた本発明の熱媒体は、イソブタンとプロパンを含んでいても不燃性となることができる。

　また、液化プロパンと、液化二酸化炭素と、液体窒素とによって、本発明の熱媒体は高い冷却能力を発揮できる。

　また、本発明の熱媒体は塩素やフッ素を含んでいないことから、本発明の熱媒体のオゾン層破壊係数は「０」であり、地球温暖化係数は「１未満」である。

　また、本発明の熱媒体において、液化イソブタンの含有量は、熱媒体全量に対して５０～６０質量％であり、液化プロパンの含有量は、熱媒体全量に対して５～１５質量％であり、液化二酸化炭素の含有量は、熱媒体全量に対して２０～４０質量％であり、液体窒素の含有量は、熱媒体全量に対して５～１５質量％である構成とすることができる。
　特に、本発明の熱媒体において、液化イソブタンの含有量は、熱媒体全量に対して５０質量％であり、液化プロパンの含有量は、熱媒体全量に対して５質量％であり、液化二酸化炭素の含有量は、熱媒体全量に対して４０質量％であり、液体窒素の含有量は、熱媒体全量に対して５質量％である構成とすることができる。

　この場合、液化イソブタンの含有量が熱媒体全量に対して５０～６０質量％であることによって、空気調和機内において熱媒体の適正な圧力値を維持し易くなり、適正な伝熱性能を維持し易くなる。
　また、液化プロパンの含有量が熱媒体全量に対して５～１５質量％であることによって、空気調和機内において熱媒体の適正な圧力値を維持しながら、高い冷却能力を維持し易くなる。
　また、液化二酸化炭素の含有量が熱媒体全量に対して２０～４０質量％であることによって、空気調和機内において熱媒体の適正な圧力値を維持しながら、高い冷却能力を維持し易くなる。
　また、液体窒素の含有量が熱媒体全量に対して５～１５質量％であることによって、空気調和機内において熱媒体の適正な圧力値を維持しながら、高い冷却能力を維持し易くなる。

　本発明に係る熱媒体は、充分な伝熱性能を発揮すると共に、低環境負荷であり、不燃性である。

暖房運転時の空気調和機における、本発明を適用した冷媒の流れを示す概略図（ａ）、及び冷房運転時の空気調和機における、本発明を適用した冷媒の流れを示す概略図（ｂ）である。本発明を適用した冷媒を使用して空気調和機を冷房運転した時の各種温度の経時変化を示すグラフである。従来の冷媒Ｒ－４１０Ａを使用して空気調和機を冷房運転した時の各種温度の経時変化を示すグラフである。従来の冷媒ＨＹ－９９を使用して空気調和機を冷房運転した時の各種温度の経時変化を示すグラフである。

　本発明の熱媒体は、液化イソブタンと、液化プロパンと、液化二酸化炭素と、液体窒素とを含むものである。

　また、本発明の熱媒体は、液体状態のイソブタンと、液体状態のプロパンと、液体状態の二酸化炭素と、液体状態の窒素を混合することで製造される。

　本発明の熱媒体において、液化イソブタンの含有量は、熱媒体全量に対して５０～６０質量％であることが好ましい。
　また、本発明の熱媒体において、液化プロパンの含有量は、熱媒体全量に対して５～１５質量％であることが好ましい。
　また、本発明の熱媒体において、液化二酸化炭素の含有量は、熱媒体全量に対して２０～４０質量％であることが好ましい。
　また、本発明の熱媒体において、液体窒素の含有量は、熱媒体全量に対して５～１５質量％であることが好ましい。

　また、本発明の熱媒体は、一般の熱媒体が使用される装置と同様の装置に使用され、例えば空気調和機、冷凍機、ヒートポンプに使用される。
　ここでは、図を参照して本発明の熱媒体を空気調和機に使用した時の、本発明の熱媒体の流れを説明する。

　図１（ａ）は、暖房運転時の空気調和機における、本発明を適用した冷媒の流れを示す概略図であり、図１（ｂ）は、冷房運転時の空気調和機における、本発明を適用した冷媒の流れを示す概略図である。

　図１に示すように、空気調和機１は、屋外に設置された室外機１１と、屋内に設置された室内機１２と、室外機１１と室内機１２とを連通する配管（１０１、１０２）とを備える。
　また、室外機１１は、圧縮機１１１を有する。
　ここで、圧縮機１１１は、本発明の熱媒体に圧力を掛けて、液体状態の本発明の熱媒体を高温の気体状態にする。

　また、室外機１１は、室外側熱交換器１１２を有する。
　また、室外側熱交換器１１２は、ファン１１５を有する。

　ここで、室外側熱交換器１１２は、ファン１１５によって一定方向の流体の流れを形成する。即ち、室外側熱交換器１１２は、ファン１１５によって室外側熱交換器１１２内に屋外の空気を取込み、取込んだ屋外の空気と本発明の熱媒体との間で熱を移動させた後、ファン１１５によって冷気ＣＡあるいは暖気ＷＡとして屋外へ空気を放出する。

　空気調和機１が暖房運転の場合、室外側熱交換器１１２は、低温低圧で液体状態の本発明の熱媒体に屋外の空気の熱を吸熱させ、熱を奪われた空気を冷気ＣＡとして屋外へファン１１５によって放出する。
　空気調和機１が冷房運転の場合、室外側熱交換器１１２は、高温高圧で気体状態の本発明の熱媒体の熱を屋外の空気に吸熱させ、熱を奪った空気を暖気ＷＡとして屋外へファン１１５によって放出する。

　また、室内機１２も、室内側熱交換器１２１を有する。
　また、室内側熱交換器１２１は、ファン１２２を有する。

　ここで、室内側熱交換器１２１は、ファン１２２によって一定方向の流体の流れを形成する。即ち、室内側熱交換器１２１は、ファン１２２によって室内側熱交換器１２１内に室内の空気を取込み、取込んだ室内の空気と本発明の熱媒体との間で熱を移動させた後、ファン１２２によって暖気ＷＡあるいは冷気ＣＡとして室内へ空気を放出する。

　空気調和機１が暖房運転の場合、室内側熱交換器１２１は、高温高圧で気体状態の本発明の熱媒体の熱を室内の空気に吸熱させ、熱を奪った空気を暖気ＷＡとして室内へファン１２２によって放出する。
　空気調和機１が冷房運転の場合、室内側熱交換器１２１は、低温低圧で液体状態の本発明の熱媒体に室内の空気の熱を吸熱させ、熱を奪われた空気を冷気ＣＡとして室内へファン１２２によって放出する。

　また、室外機１１は、四方切替弁１１３を有する。
　ここで、四方切替弁１１３は配管によって、圧縮機１１１と、室外側熱交換器１１２と、室内側熱交換器１２１とに連通しており、圧縮機１１１から配管を通って送られてきた本発明の熱媒体の流れを切り替える。

　即ち、四方切替弁１１３は、圧縮機１１１から送られてきた高温高圧の本発明の熱媒体を、暖房運転時には室内側熱交換器１２１へ送る流れを形成し、冷房運転時には室外側熱交換器１１２へ送る流れを形成する。

　また、室外機１１は、膨張弁１１４を有する。
　ここで、膨張弁１１４は配管によって、室外側熱交換器１１２及び室内側熱交換器１２１と連通しており、本発明の熱媒体の流れを切り替える。

　即ち、膨張弁１１４は、暖房運転時には室内側熱交換器１２１から室外側熱交換器１１２へ本発明の熱媒体を送る流れを形成し、冷房運転時には室外側熱交換器１１２から室内側熱交換器１２１へ本発明の熱媒体を送る流れを形成する。

　また、室外機１１と室内機１２は配管（１０１、１０２）によって互いに連通しているが、具体的には、室外機１１の四方切替弁１１３が配管１０１によって室内機１２の室内側熱交換器１２１と連通しており、室外機１１の膨張弁１１４が配管１０２によって室内機１２の室内側熱交換器１２１と連通している。

　また、図１（ａ）及び図１（ｂ）において、配管に沿って示された矢印は、本発明の熱媒体の流れを示している。

　＜性能評価試験＞
　本発明の冷媒（以下、「ＨＹ－４１０」とする。）、従来の冷媒であるＲ－４１０Ａ、及び従来の混合冷媒（以下、「ＨＹ－９９」とする。）それぞれについて性能評価試験を行なった。
　即ち、これら冷媒をそれぞれ以下の空気調和機に使用して、冷房運転を行なった。
　機器名：富士通ゼネラルルームエアコン
　室外機：ＡＯ－Ｒ２２Ｃ
　室内機：ＡＳ－Ｒ２２Ｃ－Ｗ
　単相・出力：１００Ｖ

　ここで、本発明の冷媒であるＨＹ－４１０は、冷媒全量に対して、液化イソブタン５０質量％と、液化プロパン５質量％と、液化二酸化炭素４０質量％と、液体窒素５質量％を含む。
　ここで、冷媒は熱媒体の一例である。

　また、従来の混合冷媒であるＨＹ－９９は、冷媒全量に対して、液化ＨＦＯ－１２３４ｚｅ－１，３，３，３－テトラフルオロプロパ－１－エン７０質量％と、液化二酸化炭素２０質量％と、液体窒素１０質量％を含む。

　また、性能評価試験は、具体的には以下のようにして行なった。

　評価対象となる冷媒を空気調和機に封入して冷房運転を行ない、運転開始から５分ごとに各種温度を測定した。

　即ち、室外の空気の温度である「外気温」と、室内の空気の温度である「室内温度」と、空気調和機の吹出し口における空気の温度である「吹出し温度」と、空気調和機の吸口における空気の温度である「吸口温度」をそれぞれ測定した。
　また、「吸口温度」と「吹出し温度」の間の温度差である「差」を算出した。

　また、運転開始から５分ごとに、空気調和機の消費電力を測定した。
　また、性能評価試験で使用した空気調和機の構造や動作は、図１に示した空気調和機１の構造や動作と同じである。

　＜冷房運転時の性能評価結果＞
　表１に、ＨＹ－４１０を空気調和機に封入して４０分間の冷房運転を行ない、前述の各種測定を行なって得られた結果を示す。

　表中、各種温度の単位は「℃」である。
　また、図２は、本発明を適用した冷媒を使用して空気調和機を冷房運転した時の各種温度の経時変化を示すグラフである。

　即ち、図２には、ＨＹ－４１０使用の冷房運転時外気温ＣＡ１と、ＨＹ－４１０使用の冷房運転時室内温度ＣＡ２と、ＨＹ－４１０使用の冷房運転時吹出し温度ＣＡ３と、ＨＹ－４１０使用の冷房運転時吸口温度ＣＡ４とが示されている。

　また、表２に、Ｒ－４１０Ａを空気調和機に封入して５０分間の冷房運転を行ない、前述の各種測定を行なって得られた結果を示す。

　表中、各種温度の単位は「℃」である。
　また、図３は、従来の冷媒Ｒ－４１０Ａを使用して空気調和機を冷房運転した時の各種温度の経時変化を示すグラフである。

　即ち、図３には、Ｒ－４１０Ａ使用の冷房運転時外気温ＣＢ１と、Ｒ－４１０Ａ使用の冷房運転時室内温度ＣＢ２と、Ｒ－４１０Ａ使用の冷房運転時吹出し温度ＣＢ３と、Ｒ－４１０Ａ使用の冷房運転時吸口温度ＣＢ４とが示されている。

　また、表３に、ＨＹ－９９を空気調和機に封入して４５分間の冷房運転を行ない、前述の各種測定を行なって得られた結果を示す。

　表中、各種温度の単位は「℃」である。
　また、図４は、従来の冷媒ＨＹ－９９を使用して空気調和機を冷房運転した時の各種温度の経時変化を示すグラフである。

　即ち、図４には、ＨＹ－９９使用の冷房運転時外気温ＣＣ１と、ＨＹ－９９使用の冷房運転時室内温度ＣＣ２と、ＨＹ－９９使用の冷房運転時吹出し温度ＣＣ３と、　ＨＹ－９９使用の冷房運転時吸口温度ＣＣ４とが示されている。

　表１～３から判るように、本発明の冷媒であるＨＹ－４１０を使用して冷房運転した時の、吸口温度と吹出し温度の間の温度差の値は、運転開始時以外は常に２桁、即ち常に１５℃以上の温度差であったのに対し、従来の冷媒であるＲ－４１０Ａを使用して冷房運転した時の、吸口温度と吹出し温度の間の温度差の値並びに従来の冷媒であるＨＹ－９９を使用して冷房運転した時の、吸口温度と吹出し温度の間の温度差の値は、２桁の時であっても常に１５℃未満の温度差であり、また、運転終了１０分前頃から１桁となった。

　このことから、ＨＹ－４１０は、空気調和機の冷房運転において、Ｒ－４１０Ａ及びＨＹ－９９と同等あるいはそれ以上の伝熱性能を発揮できることが判る。

　また、性能評価試験において使用された本発明の熱媒体における、液化イソブタンの含有量と、液化プロパンの含有量と、液化二酸化炭素の含有量と、液体窒素の含有量は一例であり、これらの含有量に限定されないことは勿論である。

　以上のように、本発明の冷媒即ち熱媒体は、可燃性である液化イソブタンと、可燃性である液化プロパンとが、不燃性の液化二酸化炭素と、不燃性の液体窒素と混合されているので、得られた本発明の熱媒体は、イソブタンとプロパンを含んでいても不燃性となることができる。

　また、本発明の熱媒体は、液化プロパンと、液化二酸化炭素と、液体窒素を含んでいるので、高い冷却能力を発揮できる。
　また、本発明の熱媒体は塩素やフッ素を含んでいないことから、本発明の熱媒体のオゾン層破壊係数は「０」であり、地球温暖化係数は「１未満」である。

　従って、性能評価試験の結果からも明らかなように、本発明の熱媒体は、充分な伝熱性能を発揮すると共に、低環境負荷であり、不燃性である。

　　　　１　　空気調和機
　　１０１　　配管
　　１０２　　配管
　　　１１　　室外機
　　１１１　　圧縮機
　　１１２　　室外側熱交換器
　　１１３　　四方切替弁
　　１１４　　膨張弁
　　１１５　　ファン
　　　１２　　室内機
　　１２１　　室内側熱交換器
　　１２２　　ファン
　　　ＣＡ　　冷気
　　　ＷＡ　　暖気
　　ＣＡ１　　ＨＹ－４１０使用の冷房運転時外気温
　　ＣＡ２　　ＨＹ－４１０使用の冷房運転時室内温度
　　ＣＡ３　　ＨＹ－４１０使用の冷房運転時吹出し温度
　　ＣＡ４　　ＨＹ－４１０使用の冷房運転時吸口温度
　　ＣＢ１　　Ｒ－４１０Ａ使用の冷房運転時外気温
　　ＣＢ２　　Ｒ－４１０Ａ使用の冷房運転時室内温度
　　ＣＢ３　　Ｒ－４１０Ａ使用の冷房運転時吹出し温度
　　ＣＢ４　　Ｒ－４１０Ａ使用の冷房運転時吸口温度
　　ＣＣ１　　ＨＹ－９９使用の冷房運転時外気温
　　ＣＣ２　　ＨＹ－９９使用の冷房運転時室内温度
　　ＣＣ３　　ＨＹ－９９使用の冷房運転時吹出し温度
　　ＣＣ４　　ＨＹ－９９使用の冷房運転時吸口温度

Claims

　液化イソブタンと、
　液化プロパンと、
　液化二酸化炭素と、
　液体窒素とを含む
　熱媒体。
　前記液化イソブタンの含有量は、熱媒体全量に対して５０～６０質量％であり、
　前記液化プロパンの含有量は、熱媒体全量に対して５～１５質量％であり、
　前記液化二酸化炭素の含有量は、熱媒体全量に対して２０～４０質量％であり、
　前記液体窒素の含有量は、熱媒体全量に対して５～１５質量％である
　請求項１に記載の熱媒体。
　前記液化イソブタンの含有量は、熱媒体全量に対して５０質量％であり、
　前記液化プロパンの含有量は、熱媒体全量に対して５質量％であり、
　前記液化二酸化炭素の含有量は、熱媒体全量に対して４０質量％であり、
　前記液体窒素の含有量は、熱媒体全量に対して５質量％である
　請求項１に記載の熱媒体。