JP2012515246A

JP2012515246A - 伝熱方法

Info

Publication number: JP2012515246A
Application number: JP2011545783A
Authority: JP
Inventors: ロランアバ，; ウィザムラシェド，
Original assignee: アルケマフランス
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2010-01-13
Publication date: 2012-07-05
Anticipated expiration: 2030-01-13
Also published as: FR2941039B1; US9046348B2; FR2941039A1; PL2376588T3; EP2376588B1; ES2533881T3; JP5726090B2; CN102282232B; EP2376588A1; US20120017616A1; CN102282232A; WO2010081990A1

Abstract

【課題】冷媒の蒸発段階、圧縮段階と、３５℃以上、好ましくは７０〜１４０℃の温度での冷媒の凝縮段階および冷媒の膨張段階を順次有する伝熱方法。
【解決手段】冷媒として６０〜９５重量％の１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパンと、５〜４０重量％の、ｎ−ペンタン、イソペンタンおよびシクロペンタンの中から選択される少なくとも一種の炭化水素とを含む組成物を用いる。

Description

本発明は、ペンタフルオロプロパンと少なくとも一種の炭化水素とを含む組成物を用いた伝熱方法に関するものである。
本発明は特に、ペンタフルオロプロパンと少なくとも一種の炭化水素を含む組成物のヒートポンプでの使用に関するものである。

大気オゾン層を破壊する物質によって生じる問題（ＯＤＰ：オゾン層破壊係数）に関してはモントリオールで話し合われ、クロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）の製造とその使用を削減するという議定書が批准された。この議定書は修正され、その修正案ではＣＦＣの放棄が課され、他の化合物にも規制が広げられた。

冷凍産業および空調産業はこれらの冷媒流体の代替物に多くの投資を行ってきた。自動車産業では、多くの国で販売されている車両の空調装置でクロロフルオロカーボン（ＣＦＣ−１２）冷媒流体からオゾン層への影響が少ないヒドロフルオロカーボン（１，１，１，２−テトラフルオロエタン：ＨＦＣ−１３４ａ）冷媒流体へ切り替えられた。しかし、京都議定書で設定された目的を考慮するとＨＦＣ−１３４ａ（ＧＷＰ＝１３００）は地球温暖化係数が高いとみなされている。
温室効果に対する流体の寄与は規格ＧＷＰ（地球温暖化係数）によって定量化される。このＧＷＰは二酸化炭素の基準値を１にして温暖化可能性を指数化したものである。

ヒートポンプの分野では高凝縮温度条件下でのジクロロテトラフルオロエタン（ＨＣＦＣ−１１４）の代用品の使用が提案されている。すなわち、特許文献１（米国特許第ＵＳ６８１４８８４号明細書）には１，１，１，３，３−ペンタフルオロブタン（ＨＦＣ−３６５ｍｆｃ）と、１，１，１，２−テトラフルオロエタン、ペンタフルオロエタン（ＨＦＣ−１２５）、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパン（ＨＦＣ−２４５ｆａ）および１，１，１，２，３，３，３−ヘプタフルオロプロパン（ＨＦＣ−２２７ｅａ）の中から選ばれる少なくとも一つの化合物とから成る組成物が記載されている。しかし、これらの組成物は温度変化が大きく且つ熱容量が低い（熱容量はＨＣＦＣ−１１４に比べて６０％以下である）ため、性能はあまり高くない。しかも、ＨＦＣ−２２７ｅａおよびＨＦＣ−１２５の存在によって高いＧＷＰを有する。

特許文献２（米国特許第ＵＳ５７８８８８６号明細書）には、ペンタフルオロプロパンおよびフルオロプロパン、例えばテトラフルオロプロパン、トリフルオロプロパン、ジフルオロプロパンまたはフルオロプロパン；１，１，１，４，４，４−ヘキサフルオロブタン；（ＣＦ₃）₂ＣＨＣＨ₃；１，１，１，２，３，４，４，５，５，５−デカフルオロペンタン、炭化水素、例えばブタン、シクロプロパン、イソブタン、プロパン、ペンタン；またはプロピレン；またはジメチルエーテルの組成物が記載されている。この文献にはこれらの組成物の特に冷媒、洗浄剤および発泡剤としての使用が記載されている。
この文献には二元共沸または共沸様混合物も開示されている。特に１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパンとペンタンとの二元混合物が挙げられる。

特許文献３（米国特許第ＵＳ５６７２２９４号明細書）には、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパンと、ｎ−ペンタン、イソペンタン、シクロペンタン、ｎ−ヘキサンおよびイソヘキサンから選択される少なくとも一種の炭化水素との共沸または共沸様混合物が開示されている。この文献にはさらに、これらの組成物の、ポリウレタンおよびポリイソシアヌレートフォーム製造での発泡剤およびエアゾール噴射剤としての使用が記載されている。

米国特許第ＵＳ６８１４８８４号明細書米国特許第ＵＳ５７８８８８６号明細書米国特許第ＵＳ５６７２２９４号明細書

本発明者は、１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパンと、ｎ−ペンタン、イソペンタンおよびシクロペンタンの中から選択される少なくとも一種の炭化水素とを含む組成物が、ヒートポンプ、特に高い凝縮温度で運転されるヒートポンプの熱媒体流体として非常に適しているということを発見した。しかも、この組成物はＯＤＰおよびＧＷＰが既存の熱媒体流体のものより低く、無視しえるものである。

本発明の一つの対象は、冷媒の蒸発段階と、圧縮段階と、３５℃以上の温度での冷媒の凝縮段階と、冷媒の膨張段階とを順次有する少なくとも一つのステージを有する圧縮システムを使用した伝熱方法において、冷媒が６０〜９５重量％の１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパンと、５〜４０重量％のｎ−ペンタン、イソペンタンおよびシクロペンタンの中から選択される少なくとも一種の炭化水素とを含むことを特徴とする方法にある。

ヒートポンプは最も冷たい媒体から最も熱い媒体へ熱の移送を可能にする熱力学機器である。加熱用に使われるヒートポンプは圧縮ヒートポンプとよばれ、冷媒 (refrigerant fluids) とよばれる液体の圧縮サイクルの原理に基づいて運転される。このヒートポンプは単一または複数のステージから成る圧縮システムで運転される。一つのステージで冷媒が圧縮されて気状から液体に変化し、発熱反応（凝縮）で熱が作られ、逆に、液体が膨張して液体から気体に変化すると吸熱反応（蒸発）で冷気が生じる。従って、全ては閉回路内で使われる液体の状態変化に依存する。

圧縮システムの各ステージは下記の段階から成る：
（i）冷媒がその低沸点によって周囲環境の熱と接触して液体から気体に変化する蒸発の段階、
（ii）上記段階からのガスを高圧にする圧縮段階、
（iii）ガスの熱を加熱回路に伝える凝縮段階（冷媒はさらに圧縮されて再び液体になる）、
（iv）冷媒の圧力を低下させて冷媒を膨張させる段階（冷媒は冷たい周囲環境から熱を新たに吸収する）。

冷媒の凝縮温度は７０〜１４０℃であるのが好ましく、有利には９５〜１２５℃である。
冷媒は６６〜９３重量％の１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパンと、７〜３４重量％のｎ−ペンタン、イソペンタンおよびシクロペンタンの中から選択される少なくとも一種の炭化水素とを含むのが好ましい。

好ましい炭化水素はイソペンタンである。
好ましい冷媒として特に下記が挙げられる：
６５〜９３重量％の１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパンと、７〜３５重量％のｎ−ペンタンとを含む冷媒；
７０〜９０重量％の１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパンと、１０〜３０重量％のイソペンタンとを含む冷媒；
７０〜９０重量％の１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパンと、１０〜３０重量％のシクロペンタンとを含む冷媒。

特に好ましい冷媒として特に下記が挙げられる：
７６〜９１重量％の１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパンおよび９〜２４重量％のｎ−ペンタンを含む冷媒；
７５〜８５重量％の１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパンと、１５〜２５重量％のイソペンタンとを含む冷媒；
７２〜８０重量％の１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパンと、２０〜２８重量％のシクロペンタンとを含む冷媒。

本発明方法で使用される冷媒は潤滑剤、例えば鉱油、アルキルベンゼン、ポリアルキレングリコールおよびポリビニールエーテルを含むことができる。
本発明の別の対象は、上記冷媒を含むヒートポンプ装置にある。

実験の部
以下の実施例で使用される記号は下記を意味する：
EvapＰは蒸発器の圧力、
CondＰは凝縮器の圧力、
Ｔcondは凝縮温度、
Ｔｅ compはコンプレッサの吸込み温度、
比は圧縮比、
Ｔ outlet compはコンプレッサ吐出温度、
ＣＯＰ：成績係数（ヒートポンプでは系が取り入れたまたは消費した動力に対する系によって提供された有効な熱パワーで定義される）
ＣＡＰ：容積能力（volumetric capacity）（単位容積当たりの熱容量）(kJ/m³)、
％ＣＡＰまたはＣＯＰはＨＣＦＣ−１１４で得られる同じ値に対する冷媒のＣＡＰまたはＣＯＰの値の比である。
Ａ：７５重量％のＨＦＣ−３６５ｍｆｃおよび２５重量％のＨＦＣ−２２７ｅａ
Ｂ１：９０重量％のＨＦＣ−２４５ｆａおよび１０重量％のイソペンタン
Ｂ２：８５重量％のＨＦＣ−２４５ｆａおよび１５重量％のイソペンタン
Ｂ３：８０重量％のＨＦＣ−２４５ｆａおよび２０重量％のイソペンタン
Ｃ１：９０重量％のＨＦＣ−２４５ｆａおよび１０重量％のｎ−ペンタン
Ｃ２：８５重量％のＨＦＣ−２４５ｆａおよび１５重量％のｎ−ペンタン
Ｃ３：８０重量％のＨＦＣ−２４５ｆａおよび２０重量％のｎ−ペンタン。

実施例１
蒸発器温度を５０℃に維持し、コンプレッサの吸込み温度を６５℃に維持し、凝縮器温度を１２０℃に維持した時の上記ヒートポンプ運転条件下での冷媒の性能を以下に示す。
ＨＣＦＣ−１１４の場合、以下の運転状態下で、公称運転圧力は２０．８バール、容積能力は２６９０ｋＪ／ｍ³、ＣＯＰは３．３である：
コンプレッサの有効効率（insentropic efficiency）：８０％

実施例２
蒸発器温度を８０℃に維持し、コンプレッサの吸込み温度を９５℃に維持し、凝縮器温度を１２０℃に維持した時の上記ヒートポンプ運転条件下での冷媒の性能を以下に示す。
ＨＣＦＣ−１１４の場合、以下の運転状態下で、公称運転圧力は２０．８バール、容積能力は５８６７ｋＪ／ｍ³、ＣＯＰは６．６である：
コンプレッサの有効効率（insentropic efficiency）：８０％

Claims

冷媒の蒸発段階と、圧縮段階と、７０〜１４０℃、好ましくは９５〜１２５℃の温度での冷媒の凝縮段階と、冷媒の膨張段階とを順次有する少なくとも一つのステージを有する圧縮システムを使用した伝熱方法において、
冷媒が６０〜９５重量％の１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパンと、５〜４０重量％のｎ−ペンタン、イソペンタンおよびシクロペンタンの中から選択される少なくとも一種の炭化水素とを含むことを特徴とする方法。
冷媒が６６〜９３重量％の１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパンと、７〜３４重量％のｎ−ペンタン、イソペンタンおよびシクロペンタンの中から選択される少なくとも一種の炭化水素とを含む請求項１に記載の方法。
炭化水素がイソペンタンである請求項１または２に記載の方法。
冷媒が７６〜９１重量％の１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパンと、９〜２４重量％のｎ−ペンタンとを含む請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
冷媒が７５〜８５重量％の１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパンと、１５〜２５重量％のイソペンタンとを含む請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
冷媒が７２〜８０重量％の１，１，１，３，３−ペンタフルオロプロパンと、２０〜２８重量％のシクロペンタンとを含む請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。