TW201411068A - 於級聯熱泵中在最終級聯階段使用包含ｚ－１，１，１，４，４，４－六氟－２－丁烯之工作流體製造加熱 - Google Patents

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Abstract

本文所揭露的為一種用於在一級聯熱泵中製造加熱的方法，其中該級聯熱泵具有一較低的級聯階段以及一較高的級聯階段，該方法包含在該較高級聯階段的一冷凝器中凝結一包含Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的蒸氣工作流體，因而製造一液體工作流體；其中該較低級聯階段包括一選自由CO2、N2O、E-HFO-1234ye、HFC-1243zf、HFC-125、HFC-143a、HFC-152a、HFC-161以及其混合物；或其與HFC-134a、HFC-32、HFO-1234yf或反式-HFO-1234ze之混合物所組成之群組的工作流體。本文同時也揭露一種級聯熱泵設備，其包括在一較高的級聯階段中的一工作流體，且該工作流體包含Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯，以及包括一選自由CO2、N2O、E-HFO-1234ye、HFC-1243zf、HFC-125、HFC-143a、HFC-152a、HFC-161以及其混合物；或其與HFC-134a、HFC-32、HFO-1234yf或反式-HFO-1234ze之混合物所組成之群組中的工作流體。

Description

於級聯熱泵中在最終級聯階段使用包含Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯之工作流體製造加熱
本發明所揭露者係關於熱泵之方法以及設備，其在級聯熱泵系統中使用包含Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯之工作流體來製造加熱。
傳統製造加熱的方法包括燃燒化石燃料以及電阻產熱等，這些方法在操作上的高成本，以及相對的低能源效率皆為其缺點。而熱泵提供了一種改善的加熱方法。
熱泵藉由工作流體在蒸發器中的蒸發來從適當的來源抽取低溫熱，接著將該工作流體蒸氣壓縮至較高的壓力及溫度，並藉由使該工作流體蒸氣在冷凝器中凝結來提供高溫熱。住宅用的熱泵使用例如R410A的工作流體來為居家環境提供空調及暖氣。使用正排量式壓縮機或離心式壓縮機的高溫熱泵則使用各種不同的工作流體，例如HFC-134a、HFC-245fa以及CFC-114等。
對於高溫熱泵來說，工作流體的選擇受限於預期用途所需的最高冷凝器操作溫度，以及其造成的冷凝器壓力。該工作流體必須在最高的系統溫度下仍能保持化性上的穩定。當冷凝器處在最高溫度時，該工作流體蒸氣的壓力不能超過目前現有的壓縮機和熱交換器之可接受的操作壓力。若為次臨界操作，則該工作流體的臨界溫度必須超過最高冷凝器操作溫度。
逐漸升高的能源成本、全球暖化以及其他環境影響，再加上使用化石燃料或電阻產熱之加熱系統的較低能源效率，種種原因皆使熱泵成為一具吸引力的替代技術。HFC-134a、HFC-245fa以及CFC-114具有高全球暖化潛勢及CFC-114又具有高臭氧耗竭潛勢。存在為用於高溫熱泵之低全球暖化潛勢及低臭氧耗竭潛勢的工作流體之需求。能與目前現有為CFC-114或HFC-245fa所設計的熱泵設備在較高冷凝器溫度下的操作相容，且同時仍能夠達到足夠的加熱能力之工作流體將會特別地有利。
將Z-HFO-1336mzz用於高溫熱泵會增提高這些熱泵的性能，因為其讓冷凝器可以在比目前類似系統所使用之工作流體能達到的更高溫度下操作。使用HFC-245fa以及CFC 114所能達到的冷凝器溫度，為目前系統所能達到的最高溫度。
本文所揭露的為一種用於在一級聯熱泵中製造加熱的方法，其中該級聯熱泵具有一較低的級聯階段以及一較高的級聯階段，該方法包含在該較高級聯階段的一冷凝器中凝結一包含 Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的蒸氣工作流體，因而製造一液體工作流體；其中該較低級聯階段含有一選自由CO2、N2O、E-HFO-1234ye、HFC-1243zf、HFC-125、HFC-143a、HFC-152a、HFC-161以及其混合物；或其與HFC-134a、HFC-32、HFO-1234yf或反式-HFO-1234ze之混合物所組成之群組中的工作流體。
本文也揭露一種級聯熱泵設備，其含有在一較高之級聯階段中的一工作流體，且該工作流體包含Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯，以及含有在一較低之級聯階段中的一工作流體，且該工作流體係選自由CO2、N2O、E-HFO-1234ye、HFC-1243zf、HFC-125、HFC-143a、HFC-152a、HFC-161以及其混合物；或其與HFC-134a、HFC-32、HFO-1234yf或反式-HFO-1234ze之混合物所組成之群組中的工作流體。
1‧‧‧箭頭
1’‧‧‧箭頭
2‧‧‧箭頭
2’‧‧‧箭頭
3‧‧‧箭頭
3’‧‧‧箭頭
4‧‧‧箭頭
4’‧‧‧箭頭
5‧‧‧冷凝器
5’‧‧‧冷凝器
6‧‧‧蒸發器
6’‧‧‧蒸發器
7‧‧‧壓縮機
7’‧‧‧壓縮機
8‧‧‧膨脹裝置
9‧‧‧管束或旋管
9’‧‧‧管束或旋管
10‧‧‧管束或旋管
10’‧‧‧管束或旋管
12‧‧‧膨脹裝置
14‧‧‧進口
16‧‧‧文中未提及
18‧‧‧冷凝器傳熱介質出口
20‧‧‧冷凝器傳熱介質進口
110‧‧‧級聯系統
112‧‧‧第一或較低迴路
114‧‧‧第二或較高迴路
116‧‧‧第一膨脹裝置
116a‧‧‧第一膨脹裝置之進口
116b‧‧‧第一膨脹裝置之出口
118‧‧‧蒸發器
118a‧‧‧蒸發器之進口
118b‧‧‧蒸發器之出口
120‧‧‧第一壓縮機
120a‧‧‧第一壓縮機之進口
120b‧‧‧第一壓縮機之出口
122‧‧‧級聯熱交換器
122a‧‧‧級聯熱交換器之第一進口
122b‧‧‧級聯熱交換器之第一出口
122c‧‧‧熱交換器之第二進口
122d‧‧‧熱交換器之第二出口
124‧‧‧第二壓縮機
124a‧‧‧第二壓縮機之進口
124b‧‧‧第二壓縮機之出口
126‧‧‧冷凝器
126a‧‧‧冷凝器進口
126b‧‧‧冷凝器出口
128‧‧‧第二膨脹裝置
128a‧‧‧第二膨脹裝置之進口
128b‧‧‧第二膨脹裝置之出口
圖1為以Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯作為工作流體的浸沒式蒸發器熱泵設備的一實施例之示意圖。
圖2為以Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯作為工作流體的直接膨脹式蒸發器熱泵設備的一實施例之示意圖。
圖3為以Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯作為工作流體的級聯熱泵系統的示意圖。
在提出下述實施例之細節前，先對某些術語加以定義或闡明。
全球暖化潛勢(Global warming potential,GWP)為一種指標，其用於評估相對於一公斤的二氧化碳，排放一公斤的特定溫室氣體(例如一冷媒或工作流體)至大氣層中對於全球暖化所造成的相對影響程度。透過計算不同時間範圍之GWP，可瞭解一特定氣體於大氣中留存時間之效應。通常以百年時間範圍之GWP為參考值。在本文中所報導的任何GWP數值皆以百年時間範圍作為基礎。
臭氧耗竭潛勢(ODP)係定義於「臭氧損耗的科學評估(The Scientific Assessment of Ozone Depletion)，2002，世界氣象協會的全球臭氧研究及監測項目報(A report of the World Meteorological Association’s Global Ozone Research and Monitoring Project)」第1.4.4節，第1.28至1.31頁(請參閱此章節的第一段)。ODP代表在相同的質量下，相對於氟三氯甲烷(CFC 11)，一化合物(例如一冷媒或工作流體)在平流層中可能造成的臭氧耗竭程度。
冷卻能力(有時也被稱為冷凍能力)為每單位質量的工作流體循環經過一蒸發器時，在該蒸發器中該工作流體之焓的改變量。容積冷卻能力為一術語，其定義為每單位體積之該工作流體蒸氣離開該蒸發器且進入壓縮器時，該蒸發器中的該工作流體所移除的熱。該冷卻能力為衡量一工作流體製造冷卻之能力的指標。因此，若該工作流體的容積冷卻能力越高，則在一特定壓縮機所能達到的最大容積流速下，該蒸發器所能製造的冷卻速率就會越大。
同樣地，容積加熱能力之定義為每單位體積之該工作流體蒸氣進入壓縮器時，該冷凝器中的該工作流體所提供的熱量。若該工作流體的容積加熱能力越高，則在一特定壓縮機所能達到的最大容積流速下，該冷凝器所能製造的加熱速率就會越大。
冷卻的性能係數(coefficient of performance,COP)為該蒸發器的一個循環所移除之熱量除以操作該循環所需的能量輸入(例如操作該壓縮機)；COP越高，則循環能量效率越高。COP與能量效率比率(energy efficiency ratio,EER)有直接的關係，EER為冷凍、空調或熱泵設備在一定的內部與外部溫度設定下之效率評等。同樣地，加熱的性能係數為該冷凝器的一個循環所傳遞之熱量除以操作該循環所需的能量輸入(例如操作該壓縮機)。
溫度滑移(有時簡稱為滑移)為一工作流體在一冷卻或加熱循環系統之一元件中的相變過程之起始溫度以及結束溫度之間的差距之絕對值(不包括任何的過冷卻或過加熱)。此術語可用於描述一近似共沸物或非共沸組合物的凝結或蒸發。在提及一冷凍、空調或熱泵系統之溫度滑移時，通常所提供之平均溫度滑移為該蒸發器中之溫度滑移與該冷凝器中之溫度滑移之平均。
過冷卻為在一定壓力下，一液體的溫度降至低於該液體在該壓力下的飽和溫度。可藉由將離開該冷凝器的液態工作流體冷卻至低於其飽和點，來增加該工作流體於蒸發步驟期間吸收熱的能力。因此過冷卻會改善以傳統的蒸氣-壓縮循環為基礎之冷卻或加熱系統的冷卻及加熱能力，還有其能量效率。
過熱為離開該蒸發器的蒸氣溫度上昇超過該蒸氣在該蒸發器壓力下的飽和溫度。藉由將一蒸氣加熱超過其飽和點，可使在壓縮時發生凝結的可能性降至最低。過熱也有助於該循環的冷卻及加熱能力。
如本文中所使用的，一工作流體係為一組合物，其包含一化合物或多個化合物的混合物，其主要功能為在一循環中，將熱從一較低溫處(例如一蒸發器)傳遞到另一較高溫處(例如一冷凝器)，在該循環中，該工作流體會進行從液體轉變為蒸氣的相變，再被壓縮，以及接著經由將該被壓縮的蒸氣在一重複的循環中冷卻而回復為液體。一被壓縮超過其臨界點之蒸氣的冷卻可在不需要凝結的情況下，將該工作流體回復為液態。該重複的循環可發生在例如熱泵、冷凍系統、冰箱、冰庫、空調系統、空調或冷凍器及類似者之系統中。工作流體可為該些系統中所使用的配方之其中一部分。該配方也可含有其他的組分(如添加劑)，如以下所述。
如本領域所認同的，一共沸組合物為兩個或多個不同的組分之摻和物，當該些組分在一特定壓力下呈液態時，將會在一大致恆定的溫度下沸騰，其中該溫度可高於或低於該些個別組分的沸點，且其將提供一實質上與正在沸騰的整體液體組合物相同的蒸氣組合物。(可參考例如由紐約的McGraw-Hill出版社於2001年所發行，M.F.Doherty以及M.F.Malone著作之「蒸餾系統的概念設計」(Conceptual Design of Distillation Systems)的第185-186頁以及第351-359頁)。
因此，共沸組合物之主要特徵為在一特定壓力下，液體組合物之沸點為固定，且沸騰組合物上方之蒸氣組合物實質上係為整體沸騰液體組合物(即不會發生液體組合物組分分餾)。亦如本領域中所認知，當共沸組合物於不同壓力下沸騰時，各組分之沸點及重量百分比可能會改變。因此，共沸組合物可就特定壓力下具有固定沸點之組合物的各組分之確切重量百分比來定義，或就組分的組成範圍來定義，或就存在於組份間的獨特關係來定義。
為本發明之目的，類共沸物組合物意指表現類似共沸組合物之組合物(即具有固定沸騰特性或在沸騰或蒸發時不會分餾之傾向)。因此，在沸騰或蒸發時，蒸氣及液體組合物若有任何改變，此改變也僅是極少或屬可忽略之程度。此與非類共沸物組合物於沸騰或蒸發時該蒸氣及液體組合物會大幅改變可形成對比。
此外，類共沸物組合物所展現之露點壓力及泡點壓力幾乎沒有壓差。也就是說，在特定溫度下露點壓力和泡點壓力的差異係一微小數值。在本發明中，露點壓力和泡點壓力差異小於或等於百分之五(以泡點壓力為基準)的組合物係視為類共沸物。
如本領域中所認知，當系統相對揮發度接近1.0，則該系統定義為係形成共沸或類共沸物組合物。相對揮發度為組分1的揮發度與組分2的揮發度之比率。一組分在蒸氣中的莫耳分率與該組分在液體中的莫耳分率之比率即為該組分的揮發度。
為測定任兩種化合物的相對揮發度，可使用一種稱為PTx法之已知方法。氣-液平衡(VLE)以及相對揮發性可等溫或等壓 測定。等溫法需要在恆溫下量測已知組成的混合物之總壓力。在此程序中，乃於恒溫下測量兩種化合物各種組成關係在體積已知之槽中的總絕對壓力。等壓法需要在恆壓下量測已知組成的混合物之溫度在此程序中，乃於恆壓下測量兩種化合物各種組成關係在體積已知之槽中的溫度。由Wiley-Interscience出版社於1970年所發行，Harold R.Null著作之「流程設計中之相平衡」(Phase Equilibrium in Process Design)的第124-126頁中有對於該PTx方法之使用的詳細描述，其以引用方式併入本文。
可藉由使用一活性係數方程式模型(例如非隨機雙液體方程式(Non-Random,Two-Liquid equation,NRTL))來將這些量測結果轉化為該PTx單元中的平衡蒸氣及液體組合物，以代表液體非理想性。由McGraw Hill出版社所發行，Reid、Prausnitz以及Poling著作之「氣體和液體的性質」(The Properties of Gases and Liquids)的第4版之第241-387頁中；以及由Butterworth出版社於1985年所發行，Stanley M.Walas著作之「化學工程中之相平衡」(Phase Equilibria in Chemical Engineering)的第165-244頁中，有對於該活性係數方程式(例如NRTL方程式)之使用的詳細描述。將前述的兩著作以引用方式併入本文。未希望受限於任何學理或解釋，咸信NRTL方程式與PTx槽數據可足以預測本發明之含Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯組合物之相對揮發度，且可因此預測這些混合物在例如蒸餾管柱之多段式分離設備中的行為變化。
可燃性術語意指一組合物燃燒與/或傳播火焰之能力。對於一工作流體來說，可燃下限(lower flammability limit,LFL)為在美國測試和材料協會(American Society of Testing and Materials,ASTM)E681-2001中所訂定的條件下，能藉由該工作流體與空氣的均勻混合物來傳播火焰，其中該工作流體在空氣中的最低濃度值。可燃上限(upper flammability limit,UFL)則為在ASTM的E681中所訂定的條件下，能藉由該工作流體與空氣的均勻混合物來傳播火焰，其中該工作流體在空氣中的最高濃度值。在許多冷凍、空調或熱泵應用中，理想的冷媒或工作流體(若非為必要)係為不可燃的。
如本文所用之術語「包含」、「包括」、「具有」或其任何其他變型意欲涵蓋非排他性的包括物。舉例而言，包括一系列元件的製程、方法、製品或裝置不一定僅限於該些元件，而是可包括未明確列出或該製程、方法、製品或裝置所固有的其他元件。此外，除非有相反的明確說明，「或」是指涵括性的「或」，而不是指排他性的「或」。例如，以下任何一種情況均滿足條件A或B：A是真實的(或存在的)且B是虛假的(或不存在的)，A是虛假的(或不存在的)且B是真實的(或存在的)，以及A和B都是真實的(或存在的)。
連接詞「由……所組成」(consisting of)排除任何未具體說明之元件、步驟或成分。若用於申請專利範圍，除了通常與其相關之雜質外，此語應將該項申請專利範圍侷限於其所列舉材料之範圍。當「由……構成」這一措辭出現在一請求主文之一子句中， 而非立即跟隨在前文之後時，其僅限制在該子句中提出的元件；整體而言並未在請求項中排除其他元素。
該連接詞「主要由……所組成」(consisting essentially of)係用於定義一包括文字所揭露者以外之材料、步驟、特徵、組分或元件的組合物、方法或裝置，前提是該等額外包括之材料、步驟、特徵、組分或元件確實實質上影響本發明基本及新穎特徵。「主要由……所組成」一語之涵義介於「包含」與「由……所組成」之間。
若申請人以開放式用語如「包含」定義一發明或其部分，則表示(除非另有說明)該敘述應解讀為亦以「主要由……所組成」或「由……所組成」描述該發明。
又，使用「一」或「一個」來描述本文所述的元件和組件。這樣做僅僅是為了方便，並且對本發明範疇提供一般性的意義。除非很明顯地另指他意，這種描述應被理解為包括一個或至少一個，並且該單數也同時包括複數。
除非另有定義，本文所用之所有技術與科學術語均與本發明所屬技術領域具有一般知識者所通常理解的意義相同。儘管類似或同等於本文所述內容之方法或材料可用於本發明之實施例的實施或測試，但合適的方法與材料仍如下所述。除非引用特定段落，否則本文中所提及之所有公開案、專利申請案、專利及其他參考文獻均以引用方式全文併入本文中。在發生衝突的情況下，以包括定義在內之本說明書為準。此外，該等材料、方法及實例僅係說明性質，而不意欲為限制拘束。
組合物
於本文中揭露、可用於本發明之方法以及設備的組合物包括各種包含Z-1,1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯(Z-HFO-1336mzz)的工作流體。
Z-HFO-1336mzz為一已知的化合物，而其製備方法已於例如美國專利申請號2008-0269532中揭露，將其全文以引用方式併入本文。
其他也適用於本發明之方法與設備的某些實施例中的組合物可包括選自由CO2、N2O、E-HFO-1234ye(E-1,2,3,3-四氟丙烯)、HFC-1243zf(3,3,3-三氟丙烯)、HFC-125(五氟乙烷)、HFC-143a(1,1,1-三氟乙烷)、HFC-152a(1,1-二氟乙烷)、HFC-161(氟乙烷)以及其混合物；或其混合物以及HFC-134a(1,1,1,2-四氟乙烷)、HFC-32(二氟甲烷)、HFO-1234yf(2,3,3,3-四氟丙烷)或反式-HFO-1234ze(1,3,3,3-四氟丙烯)所組成之群組的化合物。
CO2以及N2O可由各氣體供應商提供。
HFC-134a、HFC-32、HFC-1243zf、HFC-125、HFC-143a、HFC-152a以及HFC-161皆可於市面購得或可由本領域已知的方法來製造。
HFO-1234ye(包括E-HFO-1234ye)可由本領域已知的方法來製造，例如世界專利申請公開號WO2008/054779所描述之 HFC-245ca(1,1,2,2,3-五氟丙烷)的脫氟化氫反應，於此以引用方式併入。
可從市面上一些氟碳化合物製造商(例如新澤西州Morristown的Honeywell International Inc.)購得HFO-1234ze，或可由本領域已知的方法來製造。特別是可由1,1,1,2,3-五氟丙烷(HFC-245eb，CF3CHFCH2F)或1,1,1,3,3-五氟丙烷(HFC-245fa，CF3CH2CHF2)的脫氟化氫反應來製造E-HFO-1234ze。脫氟化氫反應可在有或無催化劑的存在下於氣相中進行，也可在苛性鹼(如氫氧化鈉或氫氧化鉀)的存在下於液體中進行。這些反應在美國專利公開號2006/0106263中有詳細的描述，於此以引用方式併入。
HFO-1234yf也可由本領域已知的方法來製造。特別是可由1,1,1,2,3-五氟丙烷(HFC-245eb，CF3CHFCH2F)或1,1,1,2,2-五氟丙烷(HFC-245cb，CF3CF2CH3)的脫氟化氫反應來製備HFO-1234yf。脫氟化氫反應可在有或無催化劑的存在下於氣相中進行，也可在苛性鹼(如氫氧化鈉或氫氧化鉀)的存在下於液體中進行。這些反應在美國專利公開號2006/0106263中有詳細的描述，於此以引用方式併入。
在一實施例中，可將本文所揭露的該組合物與一冷凍或空調設備(包括冷凍器)中的一乾燥劑一起使用，以幫助移除濕氣。乾燥劑可由活性氧化鋁、矽膠或沸石為主的分子篩所組成。代表性的分子篩包括MOLSIV XH-7、XH-6、XH-9以及XH-11(UOP LLC,Des Plaines,IL)。
在一實施例中，可將本文所揭露的該組合物與至少一種潤滑劑一起使用，其中該潤滑劑係選自由聚亞烷基二醇、多元醇酯、聚乙烯醚、礦物油、烷基苯、合成石蠟、合成環烷烴以及聚α烯烴所組成之群組。
在一些實施例中，適合與本文所揭露的該組合物一起使用之潤滑劑可包含那些適用於冷凍或空調設備的潤滑劑。尤其是現有使用於蒸氣壓縮冷凍裝置(利用氟氯碳化物冷媒)的潤滑劑。在一實施例中，潤滑劑包含在壓縮冷凍潤滑領域中通常已知為「礦物油」者。礦物油包含石蠟(即為直鏈型及支鏈型的飽和碳氫化合物)、環烷烴(即為環狀石蠟)以及芳香烴(即為包含一或多個具有共振雙鍵的環之不飽和、環狀碳氫化合物)。在一實施例中，潤滑劑包含在壓縮冷凍潤滑領域中通常已知為「合成油」者。合成油包括烷基芳族物質(即直鏈及支鏈烷基烷基苯類)、合成石蠟及環烷以及聚(α烯烴)。代表性的傳統潤滑劑為市售的BVM 100 N(由BVA Oils販售的石蠟性礦物油)、可購自Crompton Co.且商標為Suniso® 3GS及Suniso® 5GS之環烷礦物油、可購自Pennzoil且商標為Sontex® 372LT之環烷礦物油、可購自Calumet Lubricants且商標為Calumetl® RO-30之環烷礦物油、可購自Shrieve Chemicals且商標為Zerol® 75、Zerol® 150及Zerol® 500之直鏈烷苯以及HAB 22(Nippon Oil販售的支鏈烷苯)。
在其他實施例中，潤滑劑亦可包含已設計為與氫氟碳化物冷媒一同使用的潤滑劑，並且在壓縮冷凍與空調裝置之操作條 件下，可與本發明之冷媒互溶。此類冷媒包括但不限於聚醇酯(POE)如Castrol®100(Castrol,United Kingdom)、聚烷二醇(PAG)如RL-488A(來自Dow(Dow Chemical,Midland,Michigan))、聚乙烯醚(PVE)以及聚碳酸酯(PC)。
潤滑劑係經考量一特定壓縮機的需求以及該潤滑劑將暴露的環境來作選擇。
需要注意的是具有高溫穩定性的高溫潤滑劑。需要哪一種潤滑劑將依據該熱泵可達到的最高溫度來判斷。在一實施例中，該潤滑劑必須在至少150℃的溫度下維持穩定性。在另一實施例中，該潤滑劑必須在至少155℃的溫度下維持穩定性。在另一實施例中，該潤滑劑必須在至少165℃的溫度下維持穩定性。特別需要注意的是在高達200℃的溫度下仍具穩定性的聚α烯烴(POA)潤滑劑，以及在高達200℃至220℃的溫度下仍具穩定性的多元醇酯(POE)潤滑劑。也特別需要注意的是在高達約220℃至約350℃的溫度下仍具穩定性的全氟聚醚潤滑劑。PFPE潤滑劑包括美國德拉瓦州的杜邦公司所販售、商標為Krytox®的潤滑劑，例如XHT系列，其在高達約300℃至約350℃的溫度下仍具熱穩定性。其他的PFPE潤滑劑包括日本的Daikin Industries所販售、商標為DemnumTM的潤滑劑，其在高達約280℃至約330℃的溫度下仍具熱穩定性，以及義大利米蘭的Ausimont所販售、商標為Fomblin®以及Galden®的潤滑劑(例如商標為Fomblin®-Y Fomblin®-Z的潤滑劑)，其在高達約220℃至約260℃的溫度下仍具熱穩定性。
對於高溫冷凝器的操作(伴有高溫升降以及高壓縮機排放溫度)來說，工作流體的配方(例如Z-HFO-1336mzz或包括Z-HFO-1336mzz的混合物)以及具有高熱穩定性的潤滑劑(可能會結合油冷卻或其他緩解方法)將會是有利的。
在一實施例中，本發明包括一組合物，其包含：(a)Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯；(b)2-氯丙烷；以及(c)至少一適用於至少約150℃的溫度下之潤滑劑；其中該2-氯丙烷存在的量足夠使其與Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯形成共沸或類共沸組合物。需要注意的是那些其中使用的潤滑劑是適用於至少約155℃的溫度之實施例。也需要注意的是那些其中使用的潤滑劑是適用於至少約165℃的溫度之實施例。
若Z HFO-1336mzz的濃度範圍從約51.05重量%(33.3莫耳百分比)至約99.37重量%(98.7莫耳百分比)，以及2-氯丙烷的濃度範圍從約0.63重量%(1.3莫耳百分比)至約48.95重量%(66.7莫耳百分比)，則兩者會形成共沸組合物(兩者所組成的共沸組合物會在約0.2磅/每平方英寸絕對壓力(1.4千帕)至約342磅/每平方英寸絕對壓力(2358千帕)的壓力範圍之間，於約-50℃至約160℃的溫度範圍之間沸騰)，此已揭露於世界專利申請公開號WO2009/155490(於此將其全文以引用方式併入)中。例如，在大氣壓力(14.7磅/每平方英寸絕對壓力，101千帕)下，於29.8℃時，該共沸組合物為69.1重量%(51.7莫耳%)的Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯，以及30.9重量%(48.3莫耳%)的2-氯丙烷。另外揭露的為Z-HFO-1336mzz以及2-氯 丙烷所形成的類共沸組合物。在高於或等於20℃的溫度下，該類共沸組合物包括從約1重量%至約99重量%的Z-HFO-1336mzz，以及從約99重量%至約1重量%的2-氯丙烷。
包含Z-HFO-1336mzz以及2-氯丙烷的不可燃組合物將會特別地有用。包含Z-HFO-1336mzz以及2-氯丙烷，且2-氯丙烷低於5重量%的組合物被預期為不可燃的，而包含低於或等於4重量%的2-氯丙烷之組合物已被發現為不可燃的。
在一實施例中，該些組合物可與約0.01重量百分比至約5重量百分比的安定劑、自由基清除劑或抗氧化劑一同使用。此類其他添加劑包括但不限於硝基甲烷、受阻酚(hindered phenol)、羥胺、硫醇、亞磷酸酯或內酯。可使用單一添加劑或添加劑之組合。
選擇性地，在另一實施例中，若有需要則可將某些冷凍、空調或熱泵系統添加劑加入本文所揭露之該工作流體中，以增強系統穩定度及性能。這些添加劑在冷凍與空調領域中為已知者，並且包括但不限於抗磨劑、極壓潤滑劑、腐蝕與氧化抑制劑、金屬表面去活化劑、自由基清除劑與發泡控制劑。在一般情況下，相對於該工作流體中整體的組合物，這些添加劑可少量地存在於該工作流體中。典型的使用濃度為少於約0.1重量百分比至多達約3重量百分比的各個添加劑。這些添加劑係基於個別的系統要求下而選擇。此等添加劑包括EP(極壓)潤滑性添加劑之磷酸三芳酯家族的成員，例如丁基化磷酸三苯酯(BTPP)，或其他烷基化磷酸三芳酯，例如購自Akzo Chemicals的Syn-0-Ad 8478、磷酸三甲苯酯及相關化 合物。此外，該些金屬二烷基二硫磷酸酯(例如鋅二烷基二硫磷酸酯(或ZDDP)、Lubrizol 1375與其他此化學品家族之成員可用於本發明之組合物中。其他抗磨添加劑包括天然產物油與不對稱聚羥基潤滑添加劑，例如Synergol TMS(International Lubricants)。同樣地，可使用安定劑如抗氧化劑、自由基清除劑與水清除劑。此類別中之化合物可包括但不限於丁基化羥基甲苯(BHT)、環氧化物與其混合物。腐蝕抑制劑包括十二烷琥珀酸(DDSA)、胺磷酸鹽(AP)、油醯基肌胺酸、咪腙(imidazone)衍生物與經取代磺酸鹽(sulfphonates)。金屬表面去活化劑包括草醯雙(亞苄基)醯肼(areoxalyl bis(benzylidene)hydrazide)(CAS編號6629-10-3)、N,N'-雙(3,5-雙三級丁基-4-羥基氫桂皮醯基醯肼(CAS編號32687-78-8)、2,2,'-草醯胺基雙-乙基-(3,5-雙三級丁基-4-羥基氫桂皮酸酯(CAS編號70331-94-1)、N,N'-(二亞柳基)-1,2-二胺基丙烷(CAS編號94-91-7)以及乙二胺四乙酸(CAS編號60-00-4)及其鹽及其混合物。
在另一些實施例中，額外的添加劑包括穩定劑，其包含至少一種化合物，其中該化合物係選自由受阻酚、硫代磷酸鹽、丁基三苯基硫代磷酸酯、有機磷酸鹽或亞磷酸酯、芳基烷基醚、萜烯、萜類化合物、環氧化合物、氟化環氧化合物、氧雜環丁烷、抗壞血酸、硫醇、內酯、硫醚、胺、硝基甲烷、烷基矽烷、二苯甲酮衍生物、芳基硫化物、二乙烯基苯二酸、對苯二甲酸二苯酯、離子液體以及其混合物所組成之群組。代表性的穩定劑化合物包括但不限於維生素E；氫醌；三級丁基氫醌；單硫磷酸鹽；以及二硫代磷 酸鹽(可購自瑞士巴塞爾的Ciba Specialty Chemicals(下文中簡稱為Ciba)，其商標為Irgalube® 63)；硫代磷酸二烷基酯(可購自Ciba，其商標各自為Irgalube® 353以及Irgalube® 350)；丁基硫代磷酸三苯酯(可購自Ciba，其商標為Irgalube® 232)；磷酸胺(可購自Ciba，其商標為Irgalube® 349(Ciba))；受阻亞磷酸酯(可購自Ciba，其商標為Irgafos® 168)；一磷酸鹽，例如參-(二三級丁苯基)(可購自Ciba，其商標為Irgafos® OPH)；(二亞磷酸正辛酯)；以及異癸基二苯基亞磷酸鹽(可購自Ciba，其商標為Irgafos® DDPP)；苯甲醚；1,4-二甲氧基苯；1,4-二乙氧基苯；1,3,5-三甲氧基苯；右旋檸檬烯；視網醛；蒎烯；薄荷腦；維生素A；萜品烯；雙戊烯；茄紅素；β-胡蘿蔔素；莰烷；1,2-環氧丙烷；1,2-環氧丁烷；正丁基縮水甘油基醚；三氟甲基環氧乙烷；1,1-雙(三氟甲基)環氧乙烷；3-乙基-3-羥甲基氧環丁烷，例如OXT-101(Toagosei Co.,Ltd)；3-乙基-3-((苯氧基)甲基)氧環丁烷，例如OXT-211(Toagosei Co.,Ltd)；3-乙基-3-((2-乙基己氧基)甲基)氧環丁烷，例如OXT-212(Toagosei Co.,Ltd)；抗壞血酸；甲硫醇(甲基硫醇)；乙硫醇(乙基硫醇)；輔酶A；二巰基琥珀酸(dimercaptosuccinic acid,DMSA)；柚子硫醇((R)-2-(4-甲基環己-3-烯基)丙烷-2-硫醇)；半胱胺酸((R)-2-胺基-3-硫基丙酸)；硫辛醯胺(lipoamide，1,2-二硫戊環-3-戊醯胺)；5,7-雙(1,1-二甲基乙基)-3-[2,3(或3,4)-二甲基苯基]-2(3H)-苯并呋喃酮(可購自Ciba，其商標為Irganox® HP-136)；苄基苯基硫醚；二苯基硫醚；二異丙胺；雙十八烷基3,3'-硫二丙酸酯(可購自Ciba，其商標為Irganox® PS 802 (Ciba))；雙十二烷基3,3'-硫代丙酸酯(可購自Ciba，其商標為Irganox® PS 800)；二-(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯(可購自Ciba，其商標為Tinuvin® 770)；聚-(N-羥乙基-2,2,6,6-四甲基-4-羥基哌啶基琥珀酸酯)(可購自Ciba，其商標為Tinuvin® 622LD(Ciba))；甲基雙牛脂胺；雙牛脂胺；苯酚-α-萘胺；雙(二甲胺基)甲矽烷(DMAMS)；參(三甲矽基)矽烷(TTMSS)；乙烯基三乙氧基矽烷；乙烯基三甲氧基矽烷；2,5-二氟二苯基酮；2',5'-二羥基苯乙酮；2-胺基二苯基酮；2-氯二苯基酮；苄基苯基硫醚；二苯基硫醚；二苄基硫醚；離子液體；以及其他的化合物。
離子液體為熔點低於100℃的有機鹽類。在另一實施例中，離子液體穩定劑包含鹽類，其包括選自由吡啶鎓、噠嗪鎓、嘧啶鎓、吡嗪鎓、咪唑鎓、吡唑鎓、噻唑鎓、噁唑鎓以及***鎓所組成之群組中的陽離子；以及選自由[BF4]-、[PF6]-、[SbF6]-、[CF3SO3]-、[HCF2CF2SO3]-、[CF3HFCCF2SO3]-、[HCClFCF2SO3]-、[(CF3SO2)2N]-、[(CF3CF2SO2)2N]-、[(CF3SO2)3C]-、[CF3CO2]-以及F-所組成之群組中的陰離子。代表性的離子液體穩定劑包括emim BF4(1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸鹽)；bmim BF4(1-丁基-3-甲基咪唑鎓四硼酸鹽)；emim PF6(1-乙基-3-甲基咪唑鎓六氟磷酸鹽)；與bmim PF6(1-丁基-3-甲基咪唑鎓六氟磷酸鹽)，所有上述者皆可購自Fluka(Sigma-Aldrich)。
熱泵
在本發明的一實施例中，有提供一包括一工作流體的熱泵設備，其中該工作流體包含Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯。
熱泵為製造加熱及/或冷卻之設備的其中一種類型。一熱泵包括一蒸發器、一壓縮機、一冷凝器以及一膨脹裝置。一工作流體以一重覆循環的方式流過該些元件。加熱係在該冷凝器中製造，其中當蒸氣工作流體被凝結而形成液體工作流體時，能量(為熱的形式)即被從中抽取出來。冷卻係在該蒸發器中製造，其中能量被吸收以使該工作流體蒸發形成蒸氣工作流體。
熱泵可包括浸沒式蒸發器，圖1顯示其中的一實施例，或可包括直接膨脹式蒸發器，圖2顯示其中的一實施例。
熱泵可使用正排量式壓縮機或動力式壓縮機。正排量式壓縮機包括往復式、螺旋式或渦卷式壓縮機。需要注意的是那些使用螺旋式壓縮機的熱泵。動力式壓縮機包括軸式或離心式壓縮機。也需要注意的是那些使用離心式壓縮機的熱泵。
住宅用的熱泵係用於製造熱空氣來加溫住所或家庭(包括單戶家庭或集合式家庭)，且製造最高為約30℃至約50℃的冷凝器操作溫度。
需要注意的是那些可用於加熱空氣、水、另一個傳熱介質或一工業流程之某些部份(例如一件設備、儲存區域或程序流)的高溫熱泵。這些熱泵可製造高於約55℃以上的最高冷凝器操作溫度。在一高溫熱泵中所能達到的最高冷凝器操作溫度係取決於其所使用的工作流體。此最高冷凝器操作溫度係受限於該工作流體的正 常沸騰特性(例如飽和壓力以及臨界溫度)，也受限於提升該蒸氣工作流體之壓力的該熱泵壓縮機所能達到的壓力。該工作流體能暴露的最高溫度係受限於該工作流體的熱穩定性。
具有特殊價值的為那些冷凝器操作溫度至少約100℃的高溫熱泵。Z-HFO-1336mzz使得離心式熱泵的設計和操作可在比目前市面上許多工作流體所能達到之冷凝器溫度還要高的溫度下進行。需要注意的是使用包含Z-HFO-1336mzz之工作流體，且冷凝器操作溫度可達約150℃的實施例。也需要注意的是使用包含Z-HFO-1336mzz之工作流體，且冷凝器操作溫度可達約155℃的實施例。也需要注意的是使用包含Z-HFO-1336mzz之工作流體，且冷凝器操作溫度可達約165℃的實施例。需要特別注意的是使用包含Z-HFO-1336mzz之工作流體，且冷凝器操作溫度至少約150℃的實施例。實例包括使用包含Z-HFO-1336mzz之工作流體，且冷凝器操作溫度至少約155℃的實施例；以及使用包含Z-HFO-1336mzz之工作流體，且冷凝器操作溫度至少約165℃的實施例。
也需要注意的是用於同時製造加熱以及冷卻的熱泵。例如，單一的熱泵單元可製造家庭使用之熱水，也可在夏天製造冷卻空調以使環境舒適。
熱泵(包括浸沒式蒸發器以及直接膨脹)可與一空氣處理及分配系統協同作用來為住宅(單戶家庭或集合式家庭)及大型商用建築(包括旅館、辦公大樓、醫院、大學等)提供舒適的空調(冷卻以及除濕)及/或加熱。在另一實施例中，熱泵可用於將水加熱。
為說明熱泵如何運作，請參照圖示。圖1中顯示一浸沒式蒸發器熱泵。在此熱泵中，一第一傳熱介質(其為一溫熱的液體並包含水，且在一些實施例中還包含添加物或其他的傳熱介質，例如二元醇(如乙二醇或丙二醇))進入該熱泵，從一低溫來源(例如一建築中的空氣處理系統或從一冷凍器的冷凝器流至冷卻塔的溫水)攜帶熱，在一蒸發器6中，經過一管束或旋管9，於箭頭3標示之處進入，其中該蒸發器6具有一進口以及一出口。該溫熱的第一傳熱介質被輸送至該蒸發器，該第一傳熱介質在此被液體工作流體冷卻，其顯示於該蒸發器的較低部分。須注意在圖1中，顯示於該蒸發器6中的該管束或旋管9，有一部分是位於該蒸氣工作流體中，另一部分是位於該液體工作流體中。在大部分的情況中，該管束或旋管9將會完全地浸於該蒸發器6中的該液體工作流體中。因為該液體工作流體之蒸發溫度(在該蒸發器操作壓力下)低於該溫熱的第一傳熱介質之溫度，因此其會蒸發，其中該溫熱的第一傳熱介質係流經該管束或旋管9。該冷卻的第一傳熱介質經由該管束或旋管9的一返回部分重新循環回到該低溫熱源，如箭頭4所標示。如圖1的該蒸發器6之較低部分所顯示的，該液體工作流體蒸發且被抽入一壓縮機7中，其會增加該工作流體蒸氣的壓力以及溫度。該壓縮機壓縮此蒸氣，以使其可在一冷凝器5中、於較高的壓力和溫度下凝結，其中該壓力和溫度高於該工作流體蒸氣自該蒸發器離開時的壓力和溫度。一第二傳熱介質從一接受高溫熱的地方(熱壑，如一居家熱水器或一循環加熱系統)，經由冷凝器5中的一管束或旋管10 進入該冷凝器中，如圖1中的箭頭1所標示。該第二傳熱介質於該過程中被加溫，且經由該管束或旋管10之一返回迴路返回至該熱壑，如箭頭2所示。此第二傳熱介質冷卻該冷凝器中的該工作流體蒸氣，並造成該蒸氣凝結成液體工作流體，因而使得該冷凝器的較低部分中有液體工作流體，如圖1所顯示。該冷凝器中的凝結液體工作流體經由一膨脹裝置8流回至該蒸發器，其中該膨脹裝置8可為例如一孔口或一膨脹閥。膨脹裝置8降低該液體工作流體的壓力，並將該液體工作流體部分轉換為蒸氣，也就是該液體工作流體隨著壓力在該冷凝器以及該蒸發器之間降低而轉化為蒸氣。驟蒸發會冷卻該工作流體，亦即該液體工作流體以及該工作流體蒸氣在蒸發器壓力下皆達飽和溫度，因此在該蒸發器中同時存在著該液體工作流體以及該工作流體蒸氣。
在一些實施例中，該工作流體蒸氣被壓縮至一超臨界狀態，以及圖1中的容器5代表一超臨界流體冷卻器，常被稱為一氣體冷卻器，該工作流體在沒有凝結的狀況下於其中被冷卻至液態。
在一些實施例中，用於圖1所描繪之該設備當中的該第一傳熱介質為從一有提供空調之建築或某些其他待冷卻之主體返回的冷卻水。在該蒸發器6中從返回的該冷卻水中提取熱，而冷卻下來的該冷卻水再被供應回該建築或其他待冷卻之主體。在此實施例中，圖1所描繪的設備係用於同時冷卻該第一傳熱介質(該第一傳熱介質提供冷卻給待冷卻之主體，例如建築之空氣)以及加熱該第二 傳熱介質(該第二傳熱介質提供加熱給待加熱之主體，例如居家或廠用水或程序流)。
圖1中所描繪的該設備被理解為可在該蒸發器6中自各種來源(包括太陽能、地熱以及廢熱)提取熱，並從該冷凝器5提供熱至各種熱壑。
應當注意的是，對於單一種組分的工作流體組合物來說，該蒸發器以及冷凝器中的該蒸氣工作流體之組成與該蒸發器以及冷凝器中的該液體工作流體之組成是一樣的。在這樣的狀況中，蒸發與凝結發生在一恆定的溫度。然而，若是如同本發明使用一工作流體摻合物(或混合物)，則該蒸發器中或該冷凝器中的液體工作流體以及該工作流體蒸氣兩者就可能會具有不同的組成。這可能會導致效率低下的系統以及維護此設備的困難，因此使用單一組分的工作流體會比較理想。在一熱泵中，共沸物或類共沸物組合物在實質上將會如同單一組分之工作流體來發揮作用，使得該液體組合物以及該蒸氣組合物基本上是相同的，因而降低使用一非共沸物或非類共沸物組合物而可能產生之低效率。
圖2描繪一直接膨脹式熱泵的一實施例。在如圖2所描繪的該熱泵中，第一液體傳熱介質(其為一溫熱的液體，如溫水)在進口14進入一蒸發器6'。大部分的液體工作流體(以及少量的工作流體蒸氣)於箭頭3'所示之處進入該蒸發器中的一旋管9'，並且蒸發。因此，第一液體傳熱介質在該蒸發器中被冷卻，且冷卻的第一液體傳熱介質於出口16離開該蒸發器，再被送往一低溫熱源(例如 流至冷卻塔的溫水)。該工作流體蒸氣於箭頭4'所示之處離開該蒸發器，再被送往一壓縮機7'，該工作流體蒸氣於此被壓縮，而在離開時為高溫高壓的工作流體蒸氣。此工作流體蒸氣經由的一冷凝器旋管10'在1'進入一冷凝器5'。該工作流體蒸氣在該冷凝器中被一第二液體傳熱介質(例如水)冷卻，而形成液體。第二液體傳熱介質經由冷凝器傳熱介質入口20進入冷凝器。該第二液體傳熱介質從該凝結中的工作流體蒸氣提取熱，該工作流體因而形成液體工作流體，此會加溫該冷凝器中的該第二液體傳熱介質。該第二液體傳熱介質經由該冷凝器傳熱介質出口18離開該冷凝器。如圖2，該凝結的工作流體經由較低旋管10'於箭頭2'所指之處離開該冷凝器，再流經一膨脹裝置12，其可為例如一孔口或一膨脹閥。膨脹裝置12會降低該液體工作流體的壓力。少量的由該膨脹而產生之蒸氣會隨著液體工作流體經由旋管9'進入該蒸發器，接著再重複循環。
在一些實施例中，該工作流體蒸氣被壓縮至一超臨界狀態，且圖2中的容器5'代表一超臨界流體冷卻器，常被稱為一氣體冷卻器，該工作流體在沒有凝結的狀況下於其中被冷卻至液態。
在一些實施例中，用於圖2所描繪的該設備中之該第一傳熱介質為自一有提供空調之建築或某些其他待冷卻之主體返回的冷卻水。在該蒸發器6'中從返回的該冷卻水中提取熱，而冷卻下來的該冷卻水再被供應回該建築或其他待冷卻之主體。在此實施例中，圖2所描繪的設備係用於同時冷卻該第一傳熱介質(該第一傳熱介質提供冷卻給待冷卻之主體，例如建築之空氣)以及加熱該第二傳 熱介質(該第二傳熱介質提供加熱給待加熱之主體，例如居家或廠用水或程序流)。
圖2中所描繪的該設備被理解為可在該蒸發器6'中自各種來源(包括太陽能、地熱以及廢熱)提取熱，並從該冷凝器5'提供熱至各種熱壑。
適用於本發明的壓縮機包括動力式壓縮機。須注意的動力式壓縮機實例為離心式壓縮機。離心式壓縮機使用旋轉元件來徑向地加速該工作流體，且通常包括容納在一殼體內的葉輪和擴散器。離心式壓縮機通常讓工作流體從一葉輪入口或一循環葉輪的中央進口進入，並將工作流體逕向地向外加速。一些壓力的上升發生於該葉輪中，但是主要的壓力上升皆是在該擴散器中發生的，於此動能被轉化成位能(或較不嚴謹地來說，即為動量被轉化成壓力)。各個葉輪-擴散器組為該壓縮機之一階段。離心壓縮機係建構有1至12個或更多的階段，取決於所欲之最終壓力與待處理的冷媒體積。
一壓縮機之壓力比或壓縮比為絕對排放壓力與絕對進口壓力之比率。由一離心壓縮機所傳送的壓力在一相對廣泛之容量範圍中係恆定的。一離心壓縮機可發出的壓力係取決於該葉輪的尖端速度。葉梢速為該葉輪之葉片尖端所量測到的速率，其與該葉輪的直徑以及旋轉速率有關，通常被表示為每分鐘轉數。在一特定的應用中所需的葉梢速會依據將該工作流體的熱力學狀態從蒸發器條件提昇至冷凝器條件所需的壓縮機作功來決定。該離心式壓縮機 的體積流量係取決於穿過該葉輪之通道的尺寸。這使得該壓縮機的尺寸與所需的壓力較為有關，而與所需的體積流量較為無關。
也須注意的動力式壓縮機實例為軸式壓縮機。一壓縮機中的流體延著軸線方向進入與離開即被稱為軸流式壓縮機。軸式壓縮機為旋轉的翼形式或葉片式壓縮機，在其中工作流體主要是與該旋轉軸平行地來流動。這與其他的旋轉式壓縮機(例如離心式或混合流式壓縮機)相反，在這些旋轉式壓縮機中，該工作流體可能會軸向地進入，但是在離開時將會有顯著的徑向分量。軸流式壓縮機製造一連續流動的壓縮空氣，且具有高效率以及大流量的優點，這些與其橫截面特別有關。然而這些軸流式壓縮機需要數排的翼形來達到高壓力的提升，因此讓軸流式壓縮機與其他類型的壓縮機相較起來較為複雜與昂貴。
適用於本發明之壓縮機也包括正排量式壓縮機。正排量式壓縮機將蒸氣抽取至一腔室中，並且減少該腔室的體積以壓縮該蒸氣。在壓縮後，藉由進一步減少該腔室的體積至零或接近零，使該蒸氣從該腔室中增壓。
須注意的正排量式壓縮機實例為往復式壓縮機。往復式壓縮機使用由一曲軸驅動的活塞。它們可為靜止式或移動式，可為單階段式或多階段式，並且可藉由電動馬達或內燃機驅動。5至30hp的小型往復式壓縮機可見於汽車應用中並且典型為用於間歇負載(intermittent duty)。高達100hp的較大型往復式壓縮機可發現 於大型工業應用中。排氣壓力的變化範圍可從低壓力至非常高壓力(超過5000磅每平方吋或35兆帕)。
也須注意的正排量式壓縮機實例為螺旋式壓縮機。螺旋式壓縮機使用兩個篩網式旋轉正排量螺旋螺桿，以將氣體壓入一較小的空間。螺旋式壓縮機通常用於商業與工業應用中的連續操作，並且可為固定式或移動式。這類的壓縮機之應用可從5馬力(3.7千瓦)至超過500馬力(375千瓦)，以及從低壓力至非常高壓力(超過1200磅每平方吋或8.3兆帕)。
也須注意的正排量式壓縮機實例為渦卷式壓縮機。渦卷式壓縮機類似於螺旋式壓縮機，並且包括兩個交錯的螺旋形渦卷以壓縮氣體。其輸出相較於一旋轉螺旋式壓縮機更為脈衝式。
在一實施例中，該高溫熱泵設備可包含多於一個加熱迴路(或迴圈)。當該蒸發器之操作溫度接近該應用所需的冷凝器溫度時(即為其所需的溫度提升被降低時)，以Z-HFO-1336mzz作為操作上之工作流體高溫熱泵的性能(加熱性能係數以及容積加熱能力)被大幅地提昇。當供應至該蒸發器的熱只有低溫熱，因此需要高的溫度提升而導致低效能時，一雙流體/雙迴路級聯循環配置會是有利的。該級聯循環的低階段或低溫迴路將會以一沸點比Z-HFO-1336mzz低的流體來操作，且較佳地以一相對低GWP之工作流體，例如包含至少一選自由CO2、N2O、E-HFO-1234ye、HFC-1243zf、HFC-125、HFC-143a、HFC-152a、HFC-161以及其混合物；或其與HFC-134a、HFC-32、HFO-1234yf或反式-HFO-1234ze 之混合物所組成之群組中的工作流體。該級聯循環的該低溫迴路(或低溫迴圈)之蒸發器接受可用的低溫熱，將該熱的溫度提升至介於該可用的低溫熱以及所需的加熱負載之間的溫度，再於一級聯熱交換器將該熱傳遞至該級聯系統的高階段或高溫迴路(或高溫迴圈)。接著以一包含Z-HFO-1336mzz的工作流體(例如Z-HFO-1336mzz以及2-氯丙烷的混合物)來操作之該高溫迴路會進一步將接受於該級聯熱交換器的熱提升至該所需的冷凝器溫度以滿足預期的加熱負載。可將級聯的概念擴展至具有三個或更多個迴路的配置，以用於在更大的溫度範圍內提升熱，並在不同的溫度子範圍內使用不同的流體以最佳化效能。
因此根據本發明提供一級聯熱泵設備。該級聯熱泵設備包括在一較高的級聯階段中的一工作流體，且該工作流體包含Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯，以及包括在一較低的級聯階段中的一工作流體，且該工作流體係選自由CO2、N2O、E-HFO-1234ye、HFC-1243zf、HFC-125、HFC-143a、HFC-152a、HFC-161以及其混合物；或其與HFC-134a、HFC-32、HFO-1234yf或反式-HFO-1234ze之混合物所組成之群組。
根據本發明提供一級聯熱泵系統，其具有至少兩個加熱迴路，其中該兩個加熱迴路係用於使一工作流體循環經過每一迴路。在圖3中的110標示處概略地顯示這樣的級聯系統之一實施例。本發明的該級聯熱泵系統具有至少兩個加熱迴路，包括一第一或較低迴路112(如圖3所示)，其為一低溫迴路，以及一第二或較高迴 路114(如圖3所示)，其為一高溫迴路114。每一迴路皆有一工作流體循環於其中。
如圖3所顯示的，該級聯熱泵系統包括一第一膨脹裝置116。該第一膨脹裝置具有一進口116a以及一出口116b。該第一膨脹裝置會使一循環經過該第一或低溫迴路之第一工作流體液體的壓力和溫度降低。
圖3所示的該級聯熱泵系統也包括一蒸發器118。該蒸發器具有一進口118a以及一出口118b。來自該第一膨脹裝置之該第一工作流體液體經由該蒸發器進口進入該蒸發器中，且在該蒸發器中蒸發已形成一第一工作流體蒸氣。該第一工作流體蒸氣接著循環至該蒸發器的該出口。
圖3所示的該級聯熱泵系統也包括一第一壓縮機120。該第一壓縮機具有一進口120a以及一出口120b。來自該蒸發器之該第一工作流體蒸氣循環至該第一壓縮機的進口且被壓縮，因此提高該第一工作流體蒸氣之壓力以及溫度。該被壓縮的第一工作流體蒸氣接著循環至該第一壓縮機之該出口。
圖3所示的該級聯熱泵系統也包括一級聯熱交換器122。該級聯熱交換器具有一第一進口122a以及一第一出口122b。來自該第一壓縮機之該第一工作流體蒸氣進入該熱交換器之該第一進口，且在該熱交換器中凝結以形成一第一工作流體液體，因此排除熱。該第一工作流體液體接著循環至該熱交換器之該第一出口。該熱交換器亦包括一第二入口122c及一第二出口122d。一第二工 作流體液體從該該熱交換器之該第二進口循環至該第二出口，並蒸發以形成一第二工作流體蒸氣，因此吸收該第一工作流體凝結時所排除的熱。該第二工作流體蒸氣接著循環至該熱交換器之該第二出口。因此，在圖3的該實施例中，該第一工作流體所排除的熱係直接被該第二工作流體吸收。
圖3所示的該級聯熱泵系統也包括一第二壓縮機124。該第二壓縮機具有一進口124a以及一出口124b。來自該級聯熱交換器之該第二工作流體蒸氣經由該進口被抽入該壓縮機中且被壓縮，因此增加該第二工作流體蒸氣之壓力以及溫度。該第二工作流體蒸氣接著循環至該第二壓縮機之該出口。
圖3所示的該級聯熱泵系統也包括一具有一進口126a以及一出口126b之冷凝器126。來自該第二壓縮機之該第二工作流體從該進口循環過來，並在該冷凝器中凝結以形成一第二工作流體液體，因此製造熱。該第二工作流體液體經由該出口離開該冷凝器。
圖3所示的該級聯熱泵系統也包括一具有一進口128a以及一出口128b之第二膨脹裝置128。該第二工作流體液體通過該第二膨脹裝置，其會降低離開該冷凝器之該第二工作流體液體的壓力和溫度。此液體在膨脹過程中可部分蒸氣化。該降低壓力以及溫度後的第二工作流體液體從該膨脹裝置循環至該級聯熱交換器系統之該第二進口。
此外，Z-HFO-1336mzz在高於其臨界溫度之溫度下的穩定度使得依據跨臨界或超臨界循環來操作之熱泵的設計變得可 行，其中在該跨臨界或超臨界循環中，該工作流體係在一超臨界狀態下排除熱，且該熱可在一溫度範圍(包括高於Z-HFO-1336mzz之臨界溫度的溫度)下被使用(可參考Angelino and Invernizzi,Int.J.Refrig.,1994,Vol.17,No 8,pp543-554，於此將其以引用方式併入)。該超臨界流體在未經過一恆溫凝結過渡期的狀況下被冷卻至液態。Angelino以及Invernizzi所著作的發表中有描述各種不同的循環配置。
對於高溫凝結操作(其包括高溫度提升以及高壓縮機排放溫度)來說，採用具有高熱穩定度之工作流體組成配方(例如Z-HFO-1336mzz或包含Z-HFO-1336mzz的摻合物)以及潤滑劑(可能結合油冷卻法或其他緩解方法)會是有利的。
對於高溫凝結操作(其包括高溫度提升以及高壓縮機排放溫度)來說，採用不需要使用潤滑劑的磁性離心式壓縮機(例如Danfoss-Turbocor類型)會是有利的。
對於高溫凝結操作(其包括高溫度提升以及高壓縮機排放溫度)來說，採用具有高熱穩定度的壓縮機材料(例如軸封等)會是有利的。
方法
在一實施例中，本發明提供一製造高溫熱泵的方法，其包含使一包含1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的蒸氣工作流體在一冷凝器中凝結，因此製造一液體工作流體。
在一實施例中，加熱係製造於一熱泵中，其包含該冷凝器，且進一步包含使一傳熱介質通過該冷凝器，藉此使該工作流體的凝結加熱該傳熱介質，並使該加熱後的傳熱介質從該冷凝器前往一待加熱的主體。
一待加熱的主體可為任何可被加熱的空間、物體或流體。在一實施例中，一待加熱的主體可為一房間、建築或一汽車中的乘客艙。或者，在另一實施例中，一待加熱的主體可為一第二介質或該介質或傳熱流體。
在一實施例中，該傳熱介質為水，且該待加熱的主體為水。在另一實施例中，該傳熱介質為水，且該待加熱的主體為用於使空間加熱的空氣。在另一實施例中，該傳熱介質為一工業傳熱流體，且該待加熱的主體為一化學程序流。
在另一實施例中，該用於製造加熱的方法進一步包含在一離心式壓縮機中壓縮該工作流體蒸氣。
在一實施例中，加熱係製造於一熱泵中，其包含該冷凝器，且進一步包含使一待加熱的流體通過該冷凝器，因此加熱該流體。在一實施例中，該流體為空氣，並讓來自該冷凝器之該加熱後的空氣前往一待加熱的空間。在另一實施例中，該流體為一程序流的一部分，且該加熱後的部分會返回該程序。
在一些實施例中，該傳熱介質可選自水、二元醇(例如乙二醇或丙二醇)。須特別注意的是該第一傳熱介質為水且待冷卻的主體為用於空間冷卻之空氣的實施例。
在另一實施例中，該傳熱介質可為一工業傳熱液體，其中該待加熱的主體為一化學程序流，其包括程序線(或生產線)以及程序設備，例如蒸餾管柱。須注意的是工業傳熱液體，包括離子液體、各種鹵水(例如鈣水溶液或氯化鈉水溶液)、二元醇(例如丙二醇或乙二醇)、甲醇以及其他傳熱介質(例如列於2006年ASHRAE冷凍技術手冊第4節的該些傳熱介質)。
在一實施例中，該用於製造加熱的方法包含在一浸沒式蒸發器高溫熱泵中抽取熱，如前述且參照圖1。在此方法中，該液體工作流體蒸發並在一第一傳熱介質鄰近形成一工作流體蒸氣。該第一傳熱介質為一溫熱液體(例如水)，其從一低溫熱源經由一管道被運送到該蒸發器。該溫熱液體被冷卻且返回到該低溫熱源或被傳遞至一待冷卻的主體(例如一建築)。該工作流體蒸氣接著在一第二傳熱介質鄰近凝結，其中該第二傳熱介質為一冷液體，且係從一待加熱主體(熱壑)之週遭被帶入。該第二傳熱介質使該工作流體冷卻，使得其凝結形成一液體工作流體。在此方法中，也可使用一浸沒式蒸發器熱泵來加熱居家或廠用水或一程序流。
在另一實施例中，該用於製造加熱的方法包含在一直接膨脹式高溫熱泵中製造加熱，如前述且參照圖2。在此方法中，該液體工作流體經過一蒸發器並蒸發以製造一工作流體蒸氣。一第一液體傳熱介質被該蒸發中的工作流體冷卻。該第一液體傳熱介質被傳遞出該蒸發器外，至一低溫熱源或一待冷卻之主體。該工作流體蒸氣接著在一第二傳熱介質鄰近凝結，其中該第二傳熱介質為一 冷液體，且係從一待加熱主體(熱壑)之週遭被帶入。該第二傳熱介質使該工作流體冷卻，使得其凝結形成一液體工作流體。在此方法中，也可使用一直接膨脹式熱泵來加熱居家或廠用水或一程序流。
用於在一高溫熱泵中製造熱之方法的一些實施例中，熱係在至少兩加熱階段之間交換，其先前在本文中被稱為一級聯熱泵。在這些實施例中，該方法包含在一加熱階段吸收一工作流體中的熱，其中該加熱階段係在一選定的凝結溫度下操作，再將此熱轉移給另一加熱階段的工作流體，其中該另一加熱階段係在一較高的凝結溫度下操作；其中在該較高的凝結溫度下操作之加熱階段的該工作流體包含Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯。該在較高凝結溫度下操作之加熱階段的該工作流體可額外再包含2-氯丙烷。可在一具有兩個加熱階段的級聯熱泵系統中或一具有兩個以上之加熱階段的級聯熱泵系統中來實現該用於製造熱的方法。
在該用於製造加熱之方法的一實施例中，該高溫熱泵包括一壓縮機，其為一離心式壓縮機。
在另一實施例中，本發明揭露一提高一高溫熱泵設備中的最高可行冷凝器操作溫度之方法，其包含讓該高溫熱泵以包含Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯之工作流體來運作。
在高溫熱泵中使用Z-HFO-1336mzz會增加這些熱泵的性能，因為其可讓該熱泵在高於目前相似系統所使用之工作流體能達到的冷凝器最高溫之溫度下操作。使用HFC-245fa以及CFC-114所能達到的冷凝器溫度為目前之系統能達到的最高溫。
當在一高溫熱泵中使用CFC-114作為工作流體時，一般市面上常見的離心式熱泵之最高可行冷凝器操作溫度約為122℃。在該用於提高最高可行冷凝器操作溫度之方法的一實施例中，當一包含Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的組合物被用作為該熱泵工作流體時，該最高可行冷凝器操作溫度會被提高至約122℃以上。
在該用於提高最高可行冷凝器操作溫度之方法的另一實施例中，當一包含Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的組合物被用作為該熱泵工作流體時，該最高可行冷凝器操作溫度會被提高至約125℃以上。
在該用於提高最高可行冷凝器操作溫度之方法的另一實施例中，當一包含Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的組合物被用作為該熱泵工作流體時，該最高可行冷凝器操作溫度會被提高至約130℃以上。
在一實施例中，當該工作流體包含Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯時，該最高可行冷凝器操作溫度會被提高到至少約150℃。
在一實施例中，當該工作流體包含Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯時，該最高可行冷凝器操作溫度會被提高到至少約155℃。
在一實施例中，當該工作流體包含Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯時，該最高可行冷凝器操作溫度會被提高到至少約165℃。
一使用Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯之高溫熱泵可實現高達170℃的溫度(若允許跨臨界操作則可達更高)。然而當溫度超過155℃時，就可能會需要修改壓縮機或壓縮機材料。
在另一實施例中，本發明提供一取代一高溫熱泵中之一工作流體的方法，其中該工作流體選自由CFC-114、HFC-134a、HFC-236fa、HFC-245fa、CFC-11以及HCFC-123所組成之群組，且該高溫熱泵係為該工作流體所設計；該方法包括提供一替代性的工作流體，其包含Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯。
在另一實施例中，本發明提供一在一高溫熱泵使用一包含Z-HFO-1336mzz之工作流體組合物的方法，其中該高溫熱泵適合使用一選自由CFC-114、HFC-134a、HFC-236fa、HFC-245fa、CFC-11以及HCFC-123所組成之群組中的工作流體。該方法包含以該包含Z-HFO-1336mzz的工作流體來填充該高溫熱泵。在另一實施例中，該方法包含以一包含Z-HFO-1336mzz以及2-氯丙烷之工作流體來填充該高溫熱泵。在另一實施例中，該方法包含以一基本上由Z-HFO-1336mzz以及2-氯丙烷所組成之工作流體來填充該高溫熱泵。在另一實施例中，該工作流體進一步包含一潤滑劑。
根據本發明，為提高冷凝器操作溫度，以一包含Z-HFO-1336mzz之工作流體來取代原本為一高溫熱泵流體(例如CFC-114或HFC-245fa)所設計之系統中的該高溫熱泵流體是可行的。
根據本發明，為將一原本設計為冷凍器且使用一傳統冷凍器工作流體的系統(例如一使用HFC-134a、HCFC-123、CFC-11、CFC-12或HFC-245fa的冷凍器)轉換為一高溫熱泵系統，而在該系統中使用一包含Z-HFO-1336mzz之工作流體也是可行 的。舉例來說，在一現有冷凍器系統中之一傳統冷凍器工作流體可被一包含Z-HFO-1336mzz之工作流體取代，以實現此目的。根據本發明，為將一原本設計為舒適性熱泵系統(即為低溫熱泵系統)且使用一傳統舒適性熱泵工作流體的系統(例如一使用HFC-134a、HCFC-123、CFC-11、CFC-12或HFC-245fa的熱泵)轉換為一高溫熱泵系統，而在該系統中使用一包含Z-HFO-1336mzz之工作流體也是可行的。舉例來說，在一現有舒適性熱泵系統中之一傳統舒適性熱泵工作流體可被一包含Z-HFO-1336mzz之工作流體取代，以實現此目的。
實例
本文中所揭露之概念將以下列實例進一步說明之，該等實例不限制申請專利範圍中所描述之本發明範疇。
實例1
在高溫階段使用HFO-1336mzz-Z以及在低溫階段使用HFC-32/二氧化碳摻合物之級聯熱泵
表1a總結一級聯熱泵的操作條件，其中該級聯熱泵使用HFC-32/二氧化碳摻合物以作為較低溫度階段之工作流體，以及使用HFO-1336mzz-Z以作為較高溫度階段之工作流體。該熱泵在該較低階段蒸發器接受熱，該蒸發器在T蒸發=-5℃下操作。其藉由使該壓縮的蒸氣過熱降溫以在該較高階段釋放熱，接著使生成的飽 和蒸氣在T凝結=75℃下凝結，並使生成的液體工作流體過冷卻。該級聯熱交換器的溫度被訂為TCCD=25℃，其中該級聯熱交換器係為熱從該較低階段轉移至該較高階段的地方。
表1b總結在表1a所訂之操作條件下操作的該級聯熱泵之循環性能。表1b顯示一在較低溫度階段使用HFC-32/二氧化碳摻合物(包括10重量%之二氧化碳)以及在較高溫度階段使用HFO-1336mzz-Z之級聯熱泵可提供75℃的熱，且其加熱的性能係數優良(COP加熱=3.0885)，同時只需要一讓該蒸發器可在-5℃下操作的低品質熱源(例如冬季室外環境空氣)。
實例2
在高溫階段使用HFO-1336mzz-Z以及在低溫階段使用HFC-32/HFO-1234yf摻合物之級聯熱泵
表2a總結一級聯熱泵的操作條件，其中該級聯熱泵使用HFC-32/HFO-1234yf摻合物以作為較低溫度階段之工作流體，以及使用HFO-1336mzz-Z以作為較高溫度階段之工作流體。該熱泵在該較低階段蒸發器接受熱，該蒸發器在T蒸發=-5℃下操作。其藉由使該壓縮的蒸氣過熱降溫以在該較高階段釋放熱，接著使生成的飽和蒸氣在T凝結=75℃下凝結，並使生成的液體工作流體過冷卻。 該級聯熱交換器的溫度被訂為TCCD=25℃，其中該級聯熱交換器係為熱從該較低階段轉移至該較高階段的地方。
表2b總結在表2a所訂之操作條件下操作的該級聯熱泵之循環性能。表2b顯示一在較低溫度階段使用HFC-32/HFO-1234yf摻合物(包括30重量%之HFO-1234yf)以及在較高溫度階段使用HFO-1336mzz-Z之級聯熱泵可提供75℃的熱，且其加熱的性能係數優良(COP加熱=3.1145)，同時只需要一讓該蒸發器可在-5℃下操作的低品質熱源(例如冬季室外環境空氣)。
實例3
HFO-1336mzz-Z在250℃下且有空氣和溼氣存在的狀況中之熱穩定性
空氣和溼氣會滲入熱泵設備中。依據美國冷凍空調協會/美國國家標準協會標準97中(ASHRAE/ANSI Standard 97)的密封玻璃管法來測試HFO-1336mzz-Z在250℃下且有金屬以及定量的空氣和溼氣存在之狀況中的化學穩定性。將HFO-1336mzz-Z的化學穩定性與一已被用於高溫應用之飽和碳氟化合物，亦即HFC-245fa之穩定性作比較。該測試過程已經過調整，以讓該試管在其中的內容 物被液態氮冷凍且完全排空試管的上部空間後，空氣可以進入該試管中並達到一定壓力；接著再將該試管以火燒的方式密封起來。熱老化試驗1或7天後，經由目視檢查可看出該冷煤液體澄清且未有變色、殘留物或是其他可見的變質。另外，該金屬試片在外觀上沒有出現代表腐蝕、不可溶之殘留物或其他降解之類的變化。該冷媒液體在經過熱老化試驗後，以離子色層分析法量測其中的氟離子濃度，量測之結果總結於表3中。氟離子濃度可被視為冷媒降解程度之指標。由表3可看出HFO-1336mzz-Z的降解極少，且相當於HFC-245fa的降解程度。
1‧‧‧箭頭
2‧‧‧箭頭
3‧‧‧箭頭
4‧‧‧箭頭
5‧‧‧冷凝器
6‧‧‧蒸發器
7‧‧‧壓縮機
8‧‧‧膨脹裝置
9‧‧‧管束或旋管
10‧‧‧管束或旋管

Claims (14)

  1. 一種在一級聯熱泵中製造加熱的方法，其中該級聯熱泵具有一較低的級聯階段以及一較高的級聯階段，該方法包含在該較高級聯階段的一冷凝器中凝結一包含Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯的蒸氣工作流體，因而製造一液體工作流體；其中該較低級聯階段包括一選自由CO2、N2O、E-HFO-1234ye、HFC-1243zf、HFC-125、HFC-143a、HFC-152a、HFC-161以及其混合物；或其與HFC-134a、HFC-32、HFO-1234yf或反式-HFO-1234ze之混合物所組成之群組的工作流體。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包含使一傳熱介質通過該冷凝器，該工作流體的凝結藉此而加熱該傳熱介質，以及使該被加熱的傳熱介質從該冷凝器傳遞至一待加熱的主體。
  3. 如請求項1之方法，其中該熱泵為一高溫熱泵，其具有操作溫度約為50℃或更高的冷凝器。
  4. 如請求項2之方法，其中該傳熱介質為水，以及該待加熱的主體為水。
  5. 如請求項2之方法，其中該傳熱介質為水，以及該待加熱的主體為用於空間加熱的空氣。
  6. 如請求項2之方法，其中該傳熱介質為一工業傳熱液體，以及該待加熱的主體為一化學程序流。
  7. 如請求項2之方法，其進一步包含在一動力式壓縮機(例如軸式或離心式)或一正排量式壓縮機(例如往復式、螺旋式或渦卷式)中壓縮該工作流體蒸氣。
  8. 如請求項1之方法，其進一步包含使一待加熱的流體通過該冷凝器，因而加熱該流體。
  9. 如請求項8之方法，其中該流體為空氣，以及將該來自該冷凝器的被加熱之空氣通入一待加熱的空間。
  10. 如請求項8之方法，其中該流體為一程序流的一部分，且該被加熱之部分將返回該程序。
  11. 一種級聯熱泵設備，其包括在一較高之級聯階段中的一工作流體，且該工作流體包含Z-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯，以及包括在一較低之級聯階段中的一工作流體，且該工作流體係選自由CO2、N2O、E-HFO-1234ye、HFC-1243zf、HFC-125、HFC-143a、HFC-152a、HFC-161以及其混合物；或其與HFC-134a、HFC-32、HFO-1234yf或反式-HFO-1234ze之混合物所組成之群組。
  12. 如請求項11之級聯熱泵設備，其為一高溫熱泵設備，且具有一較高之級聯階段冷凝器，其操作溫度約為50℃或更高。
  13. 如請求項11之高溫熱泵設備，其包含至少一個動力式壓縮機(例如軸式或離心式)或至少一個正排量式壓縮機(例如往復式、螺旋式或渦卷式)。
  14. 如請求項11之高溫熱泵設備，其具有至少兩個設置為一級聯加熱系統的加熱階段，每一階段皆具有一工作流體從中循環，其包含：(a)一用於降低一第一工作流體液體的壓力與溫度之第一膨脹裝置；(b)一具有一進口以及一出口的蒸發器，其中來自該第一膨脹裝置的該第一工作流體液體經由該蒸發器進口進入該蒸發器，且在該蒸發器中蒸發以形成一第一工作流體蒸氣，並循環至該出口；(c)一具有一進口以及一出口的第一壓縮機，其中來自該蒸發器的該第一工作流體蒸氣循環至該第一壓縮機的該進口且被壓縮，因而增加該第一工作流體蒸氣的壓力以及溫度，且該被壓縮的第一冷媒蒸氣循環至該第一壓縮機的該出口；(d)一級聯熱交換系統，其具有：(i)一第一進口以及一第一出口，其中該第一工作流體蒸氣從該第一進口循環至該第一出口，且在該熱交換系統中凝結以形成一第一工作流體液體，因而排除熱，以及(ii)一第二進口以及一第二出口，其中一第二工作流體液體從該第二進口循環至該第二出口，且吸收該第一工作流體所排除之熱，再形成一第二工作流體蒸氣； (e)一具有一進口以及一出口的第二壓縮機，其中來自該級聯熱交換系統的該第二工作流體蒸氣被抽入該壓縮機中且被壓縮，因而增加該第二工作流體蒸氣的壓力以及溫度；(f)一冷凝器，其具有一進口以及一出口，且用於使該第二工作流體蒸氣從中循環，以及用於使來自該第二壓縮機的該第二工作流體蒸氣凝結，以形成一第二工作流體液體，因而製造熱，其中該第二工作液體流體經由該出口離開該冷凝器；以及(g)一第二膨脹裝置，其用於降低自該冷凝器離開且進入該級聯熱交換系統之第二進口的該第二工作流體液體之壓力以及溫度。
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