混合的氣體製冷劑的製作方法
2023-10-05 00:27:59 2
專利名稱：混合的氣體製冷劑的製作方法
發明的背景本發明涉及一種混合的氣體製冷劑(MR)，更具體地說是一種用來代替目前的含氯氟烴製冷劑的混合製冷劑。
氯化的碳氟化合物製冷劑(CFC)已牽連到引起環境損害。特別是這些惰性很大的氣體在地平面從製冷系統釋放出來並擴散進入上層大氣。由於它們的惰性，這些氣體能保存下來不被分解，一直到它們到達同溫層，在那裡它們被紫外射輻射所破壞，釋出氯原子，氯原子會破壞同溫層的臭氧層。近來在同溫層中臭氧水平的降低已經受到關注，這就導致需要禁用某些CFC諸如R-12、R-11以及其它類似物。
在汽車空調體系中，典型地是使用R-12。因為在一個給定的逐步淘汰時期以後，它被禁止在將來使用，所以已經考慮了它的替代物。目前，為在汽車空調體系中使用的代替R-12的最有名的新製冷劑被認為是R-134A。雖然這種含有C2H2F4的材料對臭氧層是安全的，但若不做昂貴的改型它在大多數現有的用R-12的汽車空調系統中是不能工作的。各汽車製造商已經在準備將來出售的新汽車中安裝能使用R-134A製冷劑的新設備。然而對許多現存的汽車，強行接受對R-12的禁令將需要做這樣的改型。有見識的估計預言為改換空調系統使之適用於R-134A將需要昂貴的費用。
已經做了大量努力來提供一種R-12的替代物，使它能利用現有的汽車空調體系而不必做昂貴的改型工作。已經受到極大注意的一類製冷劑類型是碳氫化合物類，特別是丙烷。雖然丙烷有許多有用的熱力學性質或許能使它作為R-12的替代物，但不幸的是它的可燃性妨礙了它的直接使用。已經提議將各種碳氫化合物和其它組份組合來提供一種合適的能代替R-12的混合物。
烴類混合物一般能提供優良的熱力學性質來代替R-12以及其它被禁止的製冷劑。但是有許多很嚴格的關於可燃性試驗的標準，為滿足某些最有限制性的可燃性標準，就必須大大地限制碳氫化合物的含量，即使這樣可能犧牲熱力學性質。
進一步，在設計一種具體的混合物時還必須考慮其它一些因素和限制。具體地說，必須滿足環境安全狀況，包括足夠低的消耗臭氧的能力和足夠低的使地球逐漸變暖的潛力，而且最終的產物應該是低毒性的。其它的一些限制條件也必須得到滿足，包括材料的相容性，即得到的製冷劑不會損壞構成該體系的材料。至於開發一種替換的製冷劑，最重要的參數之一是對軟管的穿透性。與油的相容性也是一個嚴重的問題，因為油必然是空調系統的一部分，這種氣體混合物就必須能夠與已經行銷在市場上的油類，包括一些合成的烷基苯類和酯類相適應。
這種混合的製冷劑也必須與在製冷系統中使用的特定裝備相容。它也還有性能方面的要求，即這種混合物必須具有與被替換的製冷劑緊密配合的熱力學特性以及必須具有足夠高的特性係數以便為被使用的體系提供有效的結果。
一個另外的問題是關於混合氣體製冷劑中組份的沸點關係。當取定一種混合物組份時，在大多數情況下當溫度增高時具有最高沸點的組份揮發得更快，從而使液相趨向於富集著沸點較低的組份。如果保留的組份有更大的可燃性，即使原來的組成不具有可燃性，保留的液相仍會成為有可燃性的了。還有，揮發的氣相如果通過可能引起燃燒的環境，也是會有問題的。這樣，各種組份的不同揮發速率必須這樣安排，即要避免其它組份揮發之後留下較大量可燃性的組份。
上述問題在所有組份不能一致的情況下甚至會進一步複雜化。已經知道，幾種組份在一起形成恆沸混合物時，組份間的分離不會按與它們沸點降低的次序相同的次序進行。相反，對於恆沸混合物它會反過來。這樣，揮發性就不一定與在整個混合物中各組份的沸點次序相一致。最後，還有商品化方面的問題，即這種混合物的組份應比較便宜並可從市場買到。
在設計能滿足這些限制中的某些要求的混合物時，必須做出一些犧牲。例如，雖然碳氫化合物與油有良好的相容性，但它們是高度可燃的。另一方面，碳氟化合物一般具有阻燃能力，但它們與油的相容性則存在問題。這些物質中每一種都有它自身獨特的消耗臭氧潛力和使全球變暖的潛能，一般要求臭氧和使全球變暖方面的問題不應比按照現行政府規定中可以接受的水平更槽。
關於汽車空調業，所規定的可燃性試驗是如此嚴格，以致碳氫化合物的存在本身或任何其它可燃性物質的存在必須被嚴格限制。
這樣，嘗試並提供一種R-12的替換物以避免需要重新設計和改變現有的汽車空調壓縮機就變得很有意義了。為此已經有了許多推薦並提出了許多許多的混合物。雖然其中有一些提供了所需的特性，但迄今其中大多數、如果不是所有的，在其它試驗中都失敗了。例如，雖然其中許多提供了最初的非可燃特性，但在繼續進行在汽車工業中所需的嚴格的可燃性試驗時這些混合物均告失敗。其它一些建議的失敗是因為它們對軟管的可穿透性。因此，雖然已有許多許多的建議，但迄今還沒有已被接受的明確的替代物。
此外，由於有許多可以買到的能用於各種混合物組合中的組份，以及由於這些組份中每一種又可以有各種百分數，因此幾乎存在無數的可能性，於是能夠提供一種經優化的滿足所有這些條件的替代物的能力已經成為一個迄今尚未被解決的最富挑戰性的課題。
在開發這樣一種混合的製冷劑替換物時必須在新製冷劑與被替換的製冷劑相比較的各種性質之間找到一種合理的折衷方案。雖然，一般說來，這種差別應該儘可能地小，但由於此體系的具體設計和應用，這種差別還是能接受的。
本發明的概述按此，本發明的一個目的是提供一種製冷劑，作為由於環境問題已被置於政府限制之下的現存類型的CFC製冷劑的替代物。
本發明進一步的目的是為典型地用於汽車空調體系中的R-12製冷劑提供一種替代物。
本發明還有另一個目的是提供一種能替換現存CFC製冷劑的混合製冷劑，它同時具有環境的安全性，材料的相容性，油的相容性，設備的相容性，不可燃性，非毒性，高性能係數並有足夠合理的商業價值。
本發明的這些以及別的目的、特徵和優點將部分地用特殊性來指出，另外一部分則從下面對本發明的詳盡描述並結合構成整體的附圖而變得顯而易見。
附圖的簡單描述在圖中
圖1-4是表示與本發明一致的4種混合的製冷劑的溫度對焓的熱力學曲線。
最佳具體實施方案的描述本發明提供一種混合的氣體製冷劑，它可作為CFC製冷劑的替代物，並且具體地說，可用作R-12製冷劑的替代物。本發明清楚地認識到必須考慮許多限制並且沒有單一的組份能提供合適的能滿足所有這些限制的範圍。具體地說，這些限制包括對環境的安全性限制，它包括消耗臭氧的潛力、使地球變暖的潛力以及低的毒性。還要考慮的是混合物在材料相容性方面的特性，即它不應損害體系中的其它組件。混合的製冷劑也不應通過體系的密封和軟管而洩漏。與油的相容性有重要意義，因為材料必須能與設備中存在的油一起工作。設備相容性是氣體混合物要滿足的另一個問題。還有，在一種或多種組份的洩漏事件中不應產生可燃性問題。
最終產物的性能係數必須這樣，即最終的氣體混合物的熱力學特性必須與被替換的製冷劑的一樣並且能有效地運轉。當然，商品化方面應該這樣，即混合物的組份在價格上是比較合理的並在市場上能買到。
可燃性問題是一個很嚴重的問題。雖然現有許多可燃性試驗，雖然用最小量的非可燃性組份可以通過其中的一些試驗，但其它試驗更為苛刻，因而需要更有限量的非可燃性組份。這樣就必須限制存在的碳氫化合物的量到最小量並且在某些情況下，甚至把它取消。但是，在這樣做的時候就損失了碳氫化合物提供的油的相容性方面的好處，也損失了碳氫化合物提供的某些環境方面的好處。同樣，碳氫化合物的存在還改善了與軟管的相容性。
按此，通過減少或取消存在於為替換R-12的混合製冷劑中的碳氫化物，將極難滿足所有的限制並同時提供良好的熱力學特性。
在試驗過許多許多的組份、混合氣體製冷劑和其它為製冷劑提出的推薦以後誕生了本發明。雖然有許多試驗在滿足一種或多種限制方面取得過成功，但迄今沒有發現能作為完全替換的滿足所有要求的混合物。然而本發明已經鑑定了一種最獨特的由三種基本組份組成的混合物，經過許多試驗以後，已經發現這三種組份對於R-12製冷劑兼容能基本上滿足所有要求。鑑於許多摻合物或混合物已有市場供應，並且本申請人也已經試驗過許多摻合物和混合物，經過許多試驗後能夠得到一種的確能基本滿足所有限制的獨特的組份的組合曾經被認為是不可能的。
本發明已經發現，為提供R-12的替換物所需的三種基本核心組份是四氟乙烷-R-134(C2H2F4)；一氯四氟乙烷-R-124(C2HClF4)和正丁烷。這些組份中每一種的含量範圍為R-134a應在43-83摩爾百分數範圍內；R-124應在10-50摩爾百分數範圍內；正丁烷應在4-11摩爾百分數範圍內。
作為通過限制某些上述的百分數並加入別的組份的附加組份包括SF6、R-125(C2HF5)；R-218(C3H3F5)；R-318(C4F8)和R-123(C3HCl2F3)。
所有上面這些都是不可燃的碳氟化合物，它們可用作附加組份。另外，還有其它一些能夠使用的可燃性組份包括R-142b(C2H3ClF2)和R-152a(C2H4F2)，雖然它們的可燃性基本上小於碳氫化合物。
下面是實施例，其中所有的比例都是用摩爾百分數實例1本實例顯示一種利用基本的三種組份的氣體混合物R-134a63％R-124 30％正丁烷7％這種混合物的熱力學曲線示於圖1中。
實例2本實例顯示由同樣三種基本組份但有不同百分比的混合物R-134a55％R-124 37％正丁烷8％這種混合物的熱力學曲線示於圖2中。
實例3本實例顯示一種四組份混合物，它含有基本的三種組份以及另外一種非可燃性的碳氟化合物R-134a53％R-124 37％正丁烷8％R-125 2％這種混合物的熱力學曲線示於圖3中。
實施例4本實例顯示使用基本的三種組份和一種另外的可燃性碳氟化合物組成的混合物R-134a60％R-124 25％正丁烷5％
R-142b10％這種混合物的熱力學曲線顯示於圖4中。
在上述範圍和組份的限制以內，用基本的三種核心組份還試驗了許多其它混合物，並且一般發現它們每種都是相當成功的。每種混合物中的變體依賴於得到的熱力學特性以及涉及於其它限制的效率。
這裡已經公開了目前受注視的本發明的最佳實施方案。但是應理解還可以進行各種改變和修飾而不偏離本發明的精神。
權利要求
1.一種用於製冷裝置的製冷組合物，該組合物包括下列(i)、(ii)和(iii)的混合物(i)43-83摩爾％的四氟乙烷(R-134a)；(ii)10-50摩爾％的一氯四氟乙烷(R-124)；(iii)4-11摩爾％的正丁烷。
2.權利要求1的組合物，該組合物包括(i)61-65摩爾％的R-134a；(ii)28-32摩爾％的R-124；(iii)5-9摩爾％的正丁烷。
3.權利要求1的組合物，該組合物包括(i)53-57摩爾％的R-134a；(ii)35-39摩爾％的R-124；(iii)6-10摩爾％的正丁烷。
4.權利要求1的組合物，該組合物進一步包括選自下列一組化合物的至少一種附加組份SF6、R-125、丙烷、R-218、R-318和R-123。
5.權利要求1的組合物，該組合物進一步包括選自下列一組化合物的至少一種附加組份R-142b和R-152a。
6.一種進行製冷的方法，該方法包括壓縮和冷凝一種製冷劑組合物，該組合物包括下列(i)、(ii)和(iii)的混合物(i)43-83摩爾％的四氟乙烷(R-134a)；(ii)10-50摩爾％的一氯四氟乙烷；(iii)4-11摩爾％的正丁烷。
全文摘要
一種用來代替CFC的製冷劑，具體地說是代替R-12的混合氣體製冷劑，它包括至少三種組分，包括R-134a、R-124和正丁烷。
文檔編號C07C19/08GK1142243SQ95191888
公開日1997年2月5日 申請日期1995年1月9日 優先權日1994年1月11日
發明者B·V·尤丁, R·史蒂文生, M·波亞斯基, O·波切尼夫 申請人:英特庫爾能源公司