JP5663004B2

JP5663004B2 - ヒートポンプ温水器用のハイドロフルオロカーボン冷媒組成物

Info

Publication number: JP5663004B2
Application number: JP2012509868A
Authority: JP
Inventors: モッタ，サミュエル・エフヤナ; チン，ローレンス; ル，ジリ; スパッツ，マーク・ダブリュー; カオ，マギー
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2009-05-08
Filing date: 2010-05-03
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2030-05-03
Also published as: BRPI1011579A2; EP2427528A4; WO2010129461A2; MX337072B; EP2427528A2; KR20120025504A; CA2761478C; CN102439108A; US8709275B2; AU2010246160A1; CA2761478A1; US20120096877A1; WO2010129461A3; KR20170069303A; MX2011011801A; JP2012526179A

Description

[01] 本発明は、一般には、冷媒として使用するための組成物に関する。さらに詳細には、本発明は、ヒートポンプ温水器システムにおいて使用するためのハイドロフルオロカーボン冷媒組成物に関する。

[02] 温水は、暖房や入浴、工業プロセス等のために、国内のビル、商業ビル、および産業界において広く必要とされている。ガス焚きボイラーや電気ヒーターは、主として温水を供給するために使用される。ヒートポンプ温水器（ＨＰＷＨ）は、温水を供給するための別のタイプの装置である。ＨＰＷＨは、再生可能エネルギーを熱源として使用するので、環境への影響が小さいことから、国内用途や軽商業的用途でのＨＰＷＨの使用が急速に広がっている。

[03] 図１に示すように、ヒートポンプ温水器（ＨＰＷＨ）は、主として、圧縮機１、凝縮器２、膨張装置３、および蒸発器４で構成されるシステムを含む。蒸発器は、例えば、空気源タイプであってよく、あるいは水源タイプであってもよい。作動流体（冷媒）をＨＰＷＨシステム中に装填し、真空ポンプを使用してシステムに循環させる。凝縮器において、水と作動流体との間に熱交換が起こる。

[04] ＨＰＷＨの循環サイクル時に、圧縮機１が、高温高圧の作動流体の蒸気を凝縮器２に排出する。凝縮器２において、高温の作動流体（サイド２’）が熱を水（サイド２”）のほうに失い、凝縮して液体となる。水が作動流体から熱を吸収して温水となる。次いで、液状の作動流体が膨張装置３を通って流れ、スロットルを絞って低圧二相作動流体にされる。低圧二相作動流体が蒸発器４に流入し、ここで流体が熱を吸収し、気化して低圧蒸気になり、次いでこの低圧蒸気が圧縮機１中に吸引される。作動流体は、方向５の向きにてＨＰＷＨシステムを流れる。水は、水流方向６にて凝縮器２を流れる。

[05] レジオネラ菌汚染の問題のために、ＨＰＷＨに対する新たな要件が制定された。ＨＰＷＨは現在、６０℃以上の水温を与える必要がある（ＡＳＨＲＡＥガイドライン１２−２０００）。ある場合には、この温度は、接続ラインでの温度降下のために６５℃である必要がある。幾つかのＨＰＷＨに対する技術的要件の例は次のとおりである。信頼性：１１０℃の圧縮機最高排出温度；２８バールの最高排出圧力。性能：環境影響を低減させるために高効率であること；ユーザーニーズを満たすための許容しうる容量を有すること。

[06] 現在、ヒートポンプ温水器に使用されている作動流体としては、ＨＣＦＣ−２２、ＨＦＣ−１３４ａ、ＨＦＣ−４１０Ａ、ＨＦＣ−４０７Ｃ、およびＨＦＣ−４１７Ａなどがある。しかしながら、ＨＣＦＣ−２２、ＨＦＣ−４１０Ａ、およびＨＦＣ−４０７Ｃは、６０〜６５℃の温水を供給するのには不適当であり、圧縮機排出での過剰な温度と圧力のために、現行の圧縮機技術でのみ使用することができる。ＨＦＣ−２２は、オゾン層を攻撃し、排出温度と排出圧力がかなり高いために６０〜６５℃の温水を供給することができないので、世界的に段階的に使用が廃止されつつある。ＨＦＣ−４０７Ｃは、排出温度と排出圧力がかなり高いので６０〜６５℃の温水を供給することができない。ＨＦＣ−４１０Ａは、排出温度と排出圧力がかなり高いので６０〜６５℃の温水を供給することができない。

[07] ＨＦＣ−１３４ａとＨＦＣ−４１７Ａは、現行の圧縮機技術を利用して６０〜６５℃の温水を供給することができるが、その性能はかろうじて許容し得るものである。ＨＦＣ−１３４ａは、低い排出温度と排出圧力の下で６０〜６５℃の温水を供給することができるが、容量がかなり低く、大きな圧縮機を必要とする。さらに、周囲温度が５℃未満であると、容量が大幅に低下する。ＨＦＣ−４１７Ａが、ヒートポンプ温水器ユニット用の一般的な冷媒である。その排出温度と排出圧力が、現行の圧縮機（排出圧力が２８Ｍｐａを超える）にとってほぼ安全であり、その容量と効率はかろうじて許容し得るものだからである。

[08] ヒートポンプ温水器における作動流体として使用するための優れた特性を有する新規冷媒を見出した。この冷媒は、ＨＰＷＨが、６０〜６５℃の温水を、信頼性の高い効率的なやり方で供給することを可能にする。

[09] 本発明の１つの態様では、冷媒は、ペンタフルオロエタン（ＨＦＣ−１２５）、ジフルオロメタン（ＨＦＣ−３２）、テトラフルオロエタン（ＨＦＣ−１３４ａ）、およびテトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｚｅ）のブレンドを含む。１つの実施態様では、ブレンドは、約８〜２０重量％のＨＦＣ−１２５、約８〜２０重量％のＨＦＣ−３２、約６０〜７２重量％のＨＦＣ−１３４ａ、および約１〜１６重量％のＨＦＯ−１２３４ｚｅを含む。他の実施態様では、ブレンドは、約８〜１２重量％のＨＦＣ−１２５、約１２〜１８重量％のＨＦＣ−３２、約７０〜７５重量％のＨＦＣ−１３４ａ、および約３〜８重量％のＨＦＯ−１２３４ｚｅを含む。さらに他の実施態様では、ブレンドは、約１４重量％のペンタフルオロエタン、約１４重量％のジフルオロメタン、６６重量％のテトラフルオロエタン、および約６重量％のテトラフルオロプロペンを含む。

[10] さらに他の実施態様では、上記４成分の総重量％が１００重量％である。すなわち、冷媒中には他の成分が存在しない。他の実施態様では、上記４成分の総重量％が冷媒組成物の１００重量％未満であり、冷媒組成物中に追加的な成分が含まれる。さらに他の実施態様では、上記４成分以外の追加的な成分は、冷媒組成物の基本的特性および新規特性に実質的に影響を及ぼさない。例えば、追加的な成分を添加して、組成物の特定の機能性を高めたり、組成物に特定の機能性を付与したりすることができ、場合によっては、組成物のコストを低減させることができる。

[11] 本発明は、具体的には、冷媒（ＨＦＣ−１２５、ＨＦＣ−３２、ＨＦＣ−１３４ａ、およびＨＦＯ−１２３４ｚｅのブレンド）を、少なくとも圧縮機、蒸発器、および凝縮器を含むヒートポンプ温水器ユニットにおける作動流体として使用することに関し、ここで作動流体がユニットを通って流れる。

[12］本発明はさらに、作動流体としての冷媒を、圧縮機、蒸発器、および凝縮器を含むシステムを通して流すこと；および水を凝縮器を通して流すこと；を含む水の加熱方法に関する。ここで、凝縮器に流入する作動流体が熱を水に伝達し、これにより水が６０℃以上に温度に加熱される。

[13] 図１は、ヒートポンプ温水器のフローチャートを示す。 [14] 図２は、種々の作動流体の排出圧力を示す。 [15] 図３は、種々の作動流体の排出温度を示す。 [16] 図４は、Ｒ２２と比較したときの種々の作動流体の効率を示す。 [17] 図５は、ＨＦＣ−１３４ａが非常に低いヒーター容量を有することを示す。

[18] 本発明は、ＨＦＣ−１２５、ＨＦＣ−３２、ＨＦＣ−１３４ａ、およびＨＦＯ−１２３４ｚｅのブレンドから製造される冷媒組成物に関する。該ブレンドを使用して、ヒートポンプ温水器等のシステム用の作動流体としての有用な熱力学的特性を実現することができる。該成分は、各成分のための目盛り付き流量計を使用することを含む（これに限定されない）当業界では標準的であり且つ産業界で十分に理解されている製造設備においてブレンドすることができる。これらの成分は、個々の成分を、液体容器、管、または他の容器中に加え、次いで、よく分散されたブレンドが得られるまでミキシングするか又は容器中の流れを使用することによってブレンドすることができる。

[19] 特定のブレンドから製造された冷媒組成物が、ヒートポンプ温水器において良好な性能と信頼できる作動をもたらす、ということが見出された。１つの特定の実施態様では、ブレンドは、約８〜２０重量％のＨＦＣ−１２５、約８〜２０重量％のＨＦＣ−３２、約６０〜７２重量％のＨＦＣ−１３４ａ、および１〜１６重量％のＨＦＯ−１２３４ｚｅを含む。本発明のさらなる実施態様では、ブレンドは、約８〜１２重量％のＨＦＣ−１２５、約１２〜１８重量％のＨＦＣ−３２、約７０〜７５重量％のＨＦＣ−１３４ａ、および３〜８重量％のＨＦＯ−１２３４ｚｅを含む。

[20] 本発明の特定の実施態様では、ブレンドは、約１４重量％のペンタフルオロエタン、約１４重量％のジフルオロメタン、６６重量％のテトラフルオロエタン、および約６重量％のテトラフルオロプロペンを含む。

[21] さらなる実施態様では、上記４成分の総重量％が１００重量％である。すなわち、冷媒組成物中に他の成分が存在しない。
[22] 他の実施態様では、上記４成分の総重量％が冷媒組成物の１００重量％未満であり、冷媒組成物中に追加的な成分が含まれている。さらに他の実施態様では、上記４成分以外の追加的な成分は、冷媒組成物の基本的特性および新規特性に実質的に影響を及ぼさない。例えば、追加的成分を加えて、冷媒組成物の特定の機能性を高めたり、冷媒組成物に特定の機能性を付与したりすることができ、場合によっては、冷媒組成物のコストを低減させることができる。

[23] 冷媒組成物に加えることができる追加的な成分としては、滑剤、相溶化剤、界面活性剤、および可溶化剤などがあるが、これらに限定されない。
[24] 滑剤の相溶性及び／又は溶解性を高めるために、プロパン、ブタン、およびペンタン等の適切な相溶化剤を加えることができる。このような相溶化剤は、一般的には、組成物の約０．５重量％〜約５重量％の量で存在する。

[25] 米国特許第６，５１６，８３７号明細書（該特許の開示内容を参照により本明細書に含める）に開示されているように、本発明の組成物に界面活性剤と可溶化剤との組み合わせ物を加えて、油溶性を高めることもできる。一般的に使用されている冷媒滑剤［例えば、冷却機械装置においてハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）冷媒と共に使用されるポリオールエステル（ＰＯＥ）やポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）］を、本発明の冷媒組成物と共に使用することができる。

[26] 本発明の冷媒組成物は、図１に示し且つ既に述べた、圧縮機１、凝縮器２、膨張装置３、および蒸発器４を含むヒートポンプ温水器ユニット（ＨＰＷＨ）における作動流体として使用することができる。

[27] 圧縮機は、例えば、ロータリー型、スクロール型、レシプロ型、またはスクリュー型のいずれのタイプであってもよい。凝縮器は、例えば、同心円型またはろう付けプレート型であってよい。膨張装置は、例えば、キャピラリーチューブ、熱膨張弁、または電気膨張弁であってよい。蒸発器は、例えば、空気源型または水源型であってよい。作動流体をＨＰＷＨシステム中に装入し、真空ポンプを使用してシステムに循環させる。凝縮器において、水と作動流体との間で熱交換が起こる。

[28] ＨＰＷＨの循環サイクル時に、圧縮機１が、凝縮器２中に高温高圧の作動流体蒸気を排出する。凝縮器２において、高温の作動流体（サイド２’）が水（サイド２”）に熱を失い、凝縮して液体となる。水が作動流体から熱を吸収して温水となる。次いで、液状の作動流体が膨張装置３を通って流れ、スロットルを絞って低圧二相作動流体にされる。低圧二相作動流体が蒸発器４に流入し、ここで流体が熱を吸収し、気化して低圧蒸気になり、次いでこの低圧蒸気が圧縮機１中に吸引される。作動流体は、方向５の向きにてＨＰＷＨシステムを流れる。水は、水流方向６にて凝縮器２を流れる。

[29] 水は、凝縮器において６０℃以上に（好ましくは６５℃以上に）加熱される。
[30] 以下に実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、これらの実施例によって本発明が限定されることはない。言うまでもないが、本発明の成分の比率と代替物の変更は当業者には自明であり、これらは本発明の範囲内である。

[31] 以下の実施例はヒートポンプの作動を示す。高すぎる排出圧力はユニットの成分に損傷を与え、高すぎる排出温度は潤滑油を劣化させる。圧縮機に対する技術的要件は以下の通りである：１）１１０℃の圧縮機最高排出温度；２）２８バールの最高排出圧力。

[32] 以下の仮定条件を使用して性能評価を行った：１）６５℃の温水を供給するためには、７０℃の凝縮温度が必要とされる；２）膨張装置入口での過冷却度を２℃に設定する；３）蒸発温度を５℃（１０℃の周囲温度に相当する）に設定する；４）蒸発器出口での過熱度を５℃に設定する；５）圧縮機効率を０．６５であると仮定する；６）接続ライン（吸引ラインと液体ライン）における圧力降下と熱伝達は無視できるものと見なす。同様に、圧縮機のシェルを介しての熱放散も無視する。

[33] 実施例１
[34] 他の作動流体と比較するために組成物Ｒ１２５／Ｒ３２／Ｒ１３４ａ／ＨＦＯ−１２３４ｚｅを選定する。成分の重量％は以下の通りである：ＨＦＣ−１２５約１４％；ＨＦＣ−３２約１４％；ＨＦＣ１３４ａ約６６％；およびＨＦＯ−１２３４ｚｅ約６％（この実施態様をＨＰＷＨ＿５０と呼ぶ）。接頭辞“Ｒ”と接頭辞“ＨＦＣ”は、異なる組成物を記載するときは、本明細書で使用しているように互換性がある。

[35] 上記の作動条件下にて比較するための作動流体は次の通りである

[36] 算出は全て、ＮＩＳＴＲｅｆｐｒｏｐ７．０ソフトウェアを使用して行った。
[37] 図２は、上記の作動条件下での種々の作動流体の排出圧力を示す。Ｒ１３４ａとＨＰＷＨ−５０のみが２８バール未満である。したがって、これら２つだけが、現行のＨＰＷＨユニットのための耐圧特性（ｐｒｅｓｓｕｒｅ−ｂｅａｒｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ）についての最も重要な要件を満たすことができる。Ｒ２２とＨＦＣ−４０７Ｃの排出圧力は、２８バールの境界を大幅に超えている。したがって、Ｒ２２とＨＦＣ−４０７ＣとＨＦＣ−４０４Ａは、６５℃の温水を供給する上で、現行のＨＰＷＨユニットには全く使用することができない。ＨＦＣ−４１７Ａの排出圧力は、２８バールをわずかに超える。

[38] 図３は、上記の作動条件下での種々の作動流体の排出温度を示す。Ｒ２２とＨＦＣ−４０７Ｃは１１０℃を超える排出温度を有する。したがって、これら２つは、現行のＨＰＷＨユニットのための排出温度特性についての最も重要な要件を満たすことができない。

[39] ＨＰＷＨ−５０とＲ１３４ａのみが、現行のＨＰＷＨシステムのための排出圧力と排出温度についての信頼性のある長期の運転要件を満たすことができる。
[40] 実施例２
[41] 実施例１において実施した評価のさらなる分析から、ＨＦＣ−１３４ａがＨＰＷＨ−５０より良好な効率を有することがわかるが（図４）、図５から、ＨＦＣ−１３４ａはかなり低いヒーター容量を有することがわかる。この容量を回復するためには、メーカーは、新たな圧縮機と、おそらくはより大きい熱交換器を必要とする。ＨＦＣ−４１７Ａ（現行のＨＰＷＨシステムにおいて５５〜６０℃の温水を供給するのに使用される）と比較すると、ＨＰＷＨ−５０は、７％高い効率と５％高い容量を有する。ＨＰＷＨ−５０の性能は、ＨＦＣ−４１７Ａより良好である。ＨＰＷＨ−５０は、全体としては優れた性能を有する。

[42] 実施例３
[43] 下記の表に記載の幾つかの単一成分の地球温暖化係数（ＧＷＰ）は、ＪＡＭＥＳＭ．ＣＡＬＭ，ＰＥ．，“ＲｅｆｒｉｇｅｒａｎｔＤａｔａＵｐｄａｔｅ”，ＨＰＡＣＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊａｎ．２００７の文献からのデータである。それぞれの混合作動流体のＧＷＰは、質量百分率に各成分のＧＷＰをかけて得られる値の合計である。下記の表からわかるように、ＨＦＣ−４１７Ａは、かなり高いＧＷＰを有する。ＨＰＷＨ−５０とＲ１３４ａは、中程度のＧＷＰを有していて、環境に対して非常に安全である。

[44] 本発明を、現時点で好ましい実施態様を含めた特定の実施例に関して説明してきた。当業者にとっては自明のことであるが、添付のクレームに記載の本発明の要旨に含まれる、上記のシステムと方法における変更例及び順序の置換例がある。

１圧縮機
２凝縮器
３膨張装置
４蒸発器
５方向
６水流方向

Claims

ヒートポンプ温水器のための組成物であって、８〜２０重量％のペンタフルオロエタン（ＨＦＣ−１２５）、８〜２０重量％のジフルオロメタン（ＨＦＣ−３２）、６０〜７２重量％のテトラフルオロエタン（ＨＦＣ−１３４ａ）、および１〜１６重量％のテトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｚｅ）からなる組成物。
請求項１に記載の組成物であって、ジフルオロメタン（ＨＦＣ−３２）が１２〜１８重量％の量で提供され、そして、テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｚｅ）が３〜８重量％の量で提供される組成物。
請求項１に記載の組成物であって、１４重量％のペンタフルオロエタン（ＨＦＣ−１２５）、１４重量％のジフルオロメタン（ＨＦＣ−３２）、６６重量％のテトラフルオロエタン（ＨＦＣ−１３４ａ）、および６重量％のテトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｚｅ）からなる組成物。
ヒートポンプ温水器のための組成物であって、８〜２０重量％のペンタフルオロエタン（ＨＦＣ−１２５）、８〜２０重量％のジフルオロメタン（ＨＦＣ−３２）、６０〜７２重量％のテトラフルオロエタン（ＨＦＣ−１３４ａ）、および１〜１６重量％のテトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｚｅ）を含む組成物。
請求項４に記載の組成物であって、ジフルオロメタン（ＨＦＣ−３２）が１２〜１８重量％の量で提供され、そして、テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｚｅ）が３〜８重量％の量で提供される組成物。
請求項４又は５に記載の組成物であって、滑剤、相溶化剤、界面活性剤、および可溶化剤からなる群から選択される少なくとも１種の追加的な成分をさらに含む組成物。
ヒートポンプ温水器のための組成物であって、８〜２０重量％のペンタフルオロエタン（ＨＦＣ−１２５）、８〜２０重量％のジフルオロメタン（ＨＦＣ−３２）、６０〜７２重量％のテトラフルオロエタン（ＨＦＣ−１３４ａ）、および１〜１６重量％のテトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｚｅ）から実質的になる組成物。
請求項７に記載の組成物であって、ジフルオロメタン（ＨＦＣ−３２）が１２〜１８重量％の量で提供され、そして、テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｚｅ）が３〜８重量％の量で提供される組成物。
請求項７又は８に記載の組成物であって、さらに、滑剤、相溶化剤、界面活性剤、および可溶化剤からなる群から選択される少なくとも１種の追加的な成分から実質的になる組成物。
ヒートポンプ温水器システムであって、圧縮機、蒸発器、および凝縮器を含み、冷媒組成物が該システムを流れ、そして、該冷媒組成物が請求項４に記載の組成物を含むシステム。
請求項１０に記載のヒートポンプ温水器システムであって、該冷媒が該凝縮器を第１の方向に流れ、且つ水が該冷媒から熱を吸収するために該凝縮器を第２の方向に流れ、その際、該水が６０℃より高い温度に加熱されるシステム。
請求項１１に記載のヒートポンプ温水器システムであって、該水が６５℃以上の温度に加熱されるシステム。
水の加熱方法であって、冷媒組成物を請求項１２に記載のシステムに流すこと、および水を凝縮器に流すことを含み、その際、該凝縮器に流入する高温の冷媒組成物が該水に熱を伝達し、これにより水を６０℃より高い温度に加熱する方法。
請求項１３に記載の水の加熱方法であって、該水を６５℃以上の温度に加熱することをさらに含む方法。