專利名稱：新的制冷劑組合物的制作方法
以碳氟化合物為基的流體已被廣泛地用于制冷，空調(diào)及熱泵的領(lǐng)域中。
蒸汽壓縮循環(huán)是制冷的一種普通形式。在其最簡單的方式中，蒸汽壓縮循環(huán)包括通過低壓吸熱使液態(tài)制冷劑變成汽態(tài)制冷劑，然后通過高壓排熱使其由汽態(tài)變成液態(tài)。
然而，制冷的主要目的是移去低溫處的能量，而熱泵的主要目的是向高溫提供能量。熱泵被認(rèn)為是可逆循環(huán)系統(tǒng)，因為從加熱角度考慮，冷凝器的運行與制冷蒸發(fā)器的運行是可互換的。
本技術(shù)是繼續(xù)尋找新的以碳氟化合物為基的流體，這些流體可以作為制冷和熱泵領(lǐng)域的替代物。目前，特別感興趣的是以碳氟化合物為基的混合物，因為這種混合物被認(rèn)為符合環(huán)保要求而可取代目前所用的含氯氟烴的化合物。人們懷疑氯氟烴化合物，如二氟一氯甲烷(HCFC-22)可能帶來與保護(hù)地球的臭氧層有關(guān)的環(huán)境影響問題。
替代物質(zhì)同樣必須具有氯氟烴所具有的獨一無二的性能，這些氯氟烴類化合物都具有相似的制冷特性，化學(xué)穩(wěn)定性，低毒性，不易燃，使用有效且溫度漸變性小(lowtemperatureglides)。
對于相似制冷特性是指在相同的溫度情況下蒸汽壓力是標(biāo)準(zhǔn)制冷劑的±20%。
使用有效的特性是重要的，例如，在空調(diào)和制冷過程中，制冷劑的熱力性能降低或能量利用率降低會對環(huán)境造成進(jìn)一步的影響，這是因為對電能需求的增加必然會增加使用礦物燃料的損耗。
溫度漸變性小具有下述意義。很明顯，單組份的制冷劑流體的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度是一定的。如果略去制冷劑管道內(nèi)的較小壓降不計的話，那么在與冷凝或蒸發(fā)壓力相對應(yīng)的某一溫度下會發(fā)生冷凝或蒸發(fā)。對于作為制冷劑的混合物來說，不存在某一相變溫度，而出現(xiàn)相變溫區(qū)。該溫區(qū)受混合物的汽-液平衡狀態(tài)的影響?；旌衔锏倪@種性能是導(dǎo)致下述情況的主要原因，即，當(dāng)制冷循環(huán)中使用非共沸混合物時，若不考慮壓降的影響，冷凝器內(nèi)或蒸發(fā)器內(nèi)的溫度也不再為某一均勻值，相反，在整個裝置上存在與壓降無關(guān)的溫度變化。在本技術(shù)領(lǐng)域中，整個裝置上的這種溫度變化稱之為溫度漸變。
對于非等溫?zé)嵩春头堑葴厣?，可以利用混合物的這種溫度漸變以使效率更高。然而為了從該效果中獲益，必須對傳統(tǒng)的制冷循環(huán)加以重新設(shè)計，如參見T.Atwood“NARBs-展望與問題”美國機(jī)械工程師學(xué)會論文86-WA/Ht-61。在現(xiàn)有的大多數(shù)制冷設(shè)備的設(shè)計中，溫度漸變成為人們關(guān)注的焦點。因此非共沸制冷劑混合物并沒有得到廣泛的使用。溫度較小漸變和具有與其它公知的純液體(如HCFC-22)相似的制冷能力的符合環(huán)保要求的非共沸混合物將推動該技術(shù)的發(fā)展。
人們認(rèn)為二氟甲烷(HFC-32)符合環(huán)保要求，并建議將其作為制冷劑，但是本領(lǐng)域的專業(yè)人員都知道，將其直接用于簡單的設(shè)備中排出溫度非常高，而且易燃。
1，1，1，2-四氟乙烷(HFC-134a)也被認(rèn)為是一種滿足環(huán)保要求的制冷劑，不過它的揮發(fā)性遠(yuǎn)低于HCFC-22，因此制冷能力也遠(yuǎn)低于HCFC-22。用HFC-134a代替HCFC-22需要重新設(shè)計設(shè)備，工作量大，費用高。而且，在較低的蒸發(fā)溫度的情況下，HFC-134a具有低于大氣壓的蒸汽壓。系統(tǒng)泄漏導(dǎo)致空氣流入，從而影響性能并使可靠性下降。
還披露了將HFC-32和HFC-134a的非共沸混合物作為制冷劑(日本特開昭1079-288A)，但這種混合物具有不利的易燃特性。二甲基醚，1，1，1-三氟乙烷(HFC-134a)，1，1-二氟乙烷(HFC-152a)和丙烷都是滿足環(huán)保要求并曾建議用作制冷劑的流體，不過它們都極易燃。
本發(fā)明公開了新的非共沸組合物，它含有HFC-32，HFC-134a和選自HFC-152a，HFC-143a二甲基醚和丙烷組中的一種成份，該組合物在-40°F時的蒸汽壓約為12.2磅/平方英寸-約18.4磅/平方英寸。
當(dāng)所選的組份為HFC-152a時，該組合物包括約25%-60%摩爾的HFC-32，約40%-75%摩爾的HFC-134a和約1%-13%摩爾的HFC-152a。優(yōu)選的組合物包括約30%-50%摩爾的HFC-32，約45%-60%摩爾的HFC-134a和約2%-7%摩爾的HFC-152a。
當(dāng)所選的組份為HFC-143a時，該組合物包括約10%-60%摩爾的HFC-32，約35%-75%摩爾的HFC-134a和約1%-45%摩爾的HFC-143a。優(yōu)選的組合物包括HFC-32約20%-45%摩爾，HFC-134a約45%-60%摩爾和HFC-143a5%-25%摩爾。
當(dāng)所選組份為丙烷時，組合物包括約25%-60%摩爾的HFC-32，約40%-75%摩爾的HFC-134a和約1%-6%摩爾的丙烷。優(yōu)選的組合物包括HFC-32約30%-50%摩爾，HFC-134a約45%-約60%摩爾和約2%-約4%摩爾的丙烷。
當(dāng)所選組份是二甲基醚時，組合物包括約25%-60%摩爾的HFC-32，約40%-75%摩爾的HFC-134a和約1%-9%摩爾的二甲基醚。優(yōu)選的組合物包括HFC-32約30%-50%摩爾，HFC-134a約45%-60%摩爾和二甲基醚約2%-約6%摩爾。
本發(fā)明的新組合物的HFC-32，HFC-134a，HFC-152a，HFC-143a，二甲基醚和丙烷都是公知的化合物，既可從市場上買到也可用公知方法制取。最好所用化合物的純度非常高，以避免對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生不利影響。
也可在組合物中加入其它組份，以便根據(jù)需要而制取特定性能的組合物，例如，可以加入組合物中未含有的可提高溶油性的碳?xì)浠衔锖蜐櫥瑒┲惖奶砑觿?br> 本發(fā)明的新組合物能實現(xiàn)上述代替HCFC-22的目的。該組合物通常不燃燒，但在本發(fā)明的大范圍內(nèi)的某些組合物可以是可燃的，如果需要也可避開可燃的組合物。用ASTME-681裝置可以方便地測出可燃性。對這些組合物的熱力性能的計算表明其制冷性能大體上與HCFC-22的制冷性能相同。
除不破壞臭氧層且具有與HCFC-22極相似的制冷能力外，本發(fā)明的新組合物還有其他優(yōu)點，即其臨界溫度比HFC-32高，而壓縮機(jī)的排氣溫度則低于HFC-32。較高的臨界溫度在制冷或空調(diào)循環(huán)中提高了能量的利用率，尤其是在高冷凝溫度的情況下提高了能量的利用率。而壓縮機(jī)排氣溫度較低可提高壓縮機(jī)的可靠性。就非共沸制冷劑在蒸發(fā)和冷凝時存在的溫度漸變而言，本發(fā)明的組合物小于現(xiàn)有技術(shù)中所公開的HFC-32和HFC-134a的二元組合物。
在本發(fā)明的一個方法實施例中，本發(fā)明的組合物可用于一種制冷方法中，該方法包括使由上述組合物構(gòu)成的制冷劑冷凝，然后使制冷劑在待冷卻物體周圍蒸發(fā)。
在本發(fā)明的另一個方法實施例中，本發(fā)明的組合物可用于一種制熱方法中，該方法包括使在待加熱物體周圍的由上述組合物構(gòu)成的制冷劑冷凝，然后使制冷劑蒸發(fā)。
實例1使用標(biāo)準(zhǔn)的制冷循環(huán)分析技術(shù)從制冷劑的熱力特性中可估算出制冷劑在特定運行狀態(tài)下的理論性能，例如可參見“碳氟化合物制冷劑手冊”(ch.3，Prentice-Hall(1988)，byR.C.Downing)。性能系數(shù)(COP)，是通用的測量值，尤其可用在包括制冷劑蒸發(fā)或冷凝的特定加熱或冷卻循環(huán)中表示制冷劑的相對熱力性能。在制冷工程中，這個術(shù)語表示有效制冷量與壓縮機(jī)在壓縮蒸汽時所供給的能量之比。制冷劑的制冷能力表示制冷劑的容積效率。對于壓縮機(jī)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員來說，該值代表在給定的制冷劑體積流速的情況下壓縮機(jī)抽取熱量的能力。換句話說，給定一個特定壓縮機(jī)，制冷劑的制冷能力越高，提供的冷量或熱量也就越多。對非共沸制冷劑混合物也可進(jìn)行類似的計算。
使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，可以對平均溫度具體為115°F、平均蒸發(fā)器溫度具體為40°F的空調(diào)制冷循環(huán)的理論性能進(jìn)行計算。假定壓縮為等熵壓縮，壓縮機(jī)入口溫度為60°F，計算結(jié)果表明，本發(fā)明的混合物與HCFC-22的制冷能力相似，并有很相近的COPs(性能系數(shù))，而排氣溫度明顯低于HFC-32，也比HCFC-22低。所測得的溫度漸變不超過11°F，該值較小。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)(D.A.Didion和D.B.Bivens“用作替代物的制冷劑混合物的作用”一文(刊載在CFC′S的今日觀點……明日的方案，NIST，1990)，溫度漸變量級為6°F-7°F，該量較小。本說明書中溫度漸變值為9°F-11°F。因此，本發(fā)明所要求保護(hù)的組合物的溫度漸變值被認(rèn)為在本領(lǐng)域中較小，且不再存在傳統(tǒng)制冷裝置所具有的難題。
權(quán)利要求
1.含二氟甲烷，1，1，1，2-四氟乙烷和選自1，1-二氟乙烷，1，1，1-三氟乙烷，丙烷和二甲基乙醚組中的一種組分的組合物，該組合物在-40°F的蒸汽壓約為12.2磅/英寸2-約18.4磅/英寸2。
2.如權(quán)利要求1所述的組合物，基本上由所提及的組分組成。
3.如權(quán)利要求1所述的組合物，包括約25%-約60%摩爾的1，1-二氟乙烷，約40%-75%摩爾的1，1，1，2-四氟乙烷和約1%-約13%摩爾的1，1，1-三氟乙烷。
4.如權(quán)利要求3所述的組合物，包括約30%-約50%摩爾二氟甲烷，約45%-60%摩爾的1，1，1，2-四氟乙烷，和約2%-約7%摩爾的1，1-二氟乙烷。
5.如權(quán)利要求1所述的組合物，包括約10%-60%摩爾的二氟甲烷，約35%-約75%摩爾的1，1，1，2-四氟乙烷和約1%-約45%摩爾的1，1，1-三氟乙烷。
6.如權(quán)利要求5所述的組合物，包括約20%-45%摩爾的二氟甲烷，約45%-約60%摩爾的1，1，1，2-四氟乙烷和約5%-約25%摩爾的1，1，1-三氟乙烷。
7.如權(quán)利要求1所述的組合物，包括約25%-約60%摩爾的二氟甲烷，約40%-約75%摩爾的1，1，1，2-四氟乙烷和約1%-約6%摩爾的丙烷。
8.如權(quán)利要求7所述的組合物，包括約30%-約50%摩爾的二氟甲烷，約45%-約60%摩爾的1，1，1，2-四氟乙烷和約2%-約4%摩爾的丙烷。
9.如權(quán)利要求1所述的組合物，包括約25%-約60%摩爾的二氟甲烷，約40%-約75%摩爾的1，1，1，2-四氟乙烷和約1%-約9%摩爾的二甲基乙醚。
10.如權(quán)利要求9所述的組合物，包括約30%-約50%摩爾的二氟甲烷，約45%-約60%摩爾的1，1，1，2-四氟乙烷和約2%-約6%摩爾的二甲基乙醚。
11.制冷方法包括使權(quán)利要求1所述的組合物冷凝，然后使該組合物在待冷卻物體周圍蒸發(fā)。
12.制熱方法包括使權(quán)利要求1所述的組合物在待加熱物體周圍冷凝，然后使上述組合物蒸發(fā)。
全文摘要
本發(fā)明公開了包括二氟甲烷，1，1，1，2-四氟乙烷和選自1，1-二氟乙烷，1，1，1-三氟乙烷，丙烷和二甲基乙醚組中的一種組合的組合物，該組合物在-40°F時其蒸汽壓為約12.2磅/英寸
文檔編號C09K5/04GK1076957SQ93102698
公開日1993年10月6日 申請日期1993年2月3日 優(yōu)先權(quán)日1992年2月3日
發(fā)明者拉吉夫·拉塔那·辛格, 大衛(wèi)·保爾·威爾遜, 厄爾·奧古斯特·尤金·倫德, 依蘭·羅伯特·尚克蘭 申請人:聯(lián)合信號股份有限公司