(57)【要約】通常の使用中に人間又は他の動物によって占有されるか又はそれに曝露されるエンクロージャ内に配置される空気に冷却を与えるためのカスケード冷媒システムであって、（１）エンクロージャ内に配置されている第１の蒸発器を有する第１の相対的に低い温度の熱伝達回路、及び低温の熱伝達回路内の第１の熱伝達流体；（２）エンクロージャの実質的に外側に配置されている、第２の熱伝達流体を含む第２の熱伝達回路；（３）高温の回路と熱的に結合している、第２の熱伝達流体中に熱を遮断することによって低温回路内の凝縮器として機能する熱交換器；及び（４）高温凝縮器から排出される第２の熱伝達流体から、第２の熱伝達流体の圧縮機の吸入側へ送られる部分に熱を移動させる、高温ループ内の熱交換器；を含む上記システムを開示する。【選択図】図１
2019513966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）ループ内で流体連絡している圧縮機、膨張器、及び蒸発器、並びに第１の冷媒及び圧縮機のための潤滑剤を含むループ内の第１の熱伝達組成物を含む相対的に低い温度の蒸気圧縮ループ（蒸発器はエンクロージャ内に配置されて、ほぼかかる相対的に低い温度においてエンクロージャ内の流体から熱を吸収することができる）；
（ｂ）ループ内で流体連絡している圧縮機、凝縮器、膨張器、及び吸入ライン熱交換器、並びに第２の冷媒及び好ましくは圧縮機のための潤滑剤を含むループ内の第２の熱伝達組成物を含む相対的に高い温度の蒸気圧縮ループ（凝縮器はエンクロージャの外側に配置されているヒートシンクに熱を移動させることができる）；並びに
（ｃ）第１と第２の冷媒の間の熱交換によって第１の冷媒を凝縮させて第２の冷媒を蒸発させるためのカスケード熱交換器；
を含み；
吸入ライン熱交換器は、カスケード熱交換器から排出される第２の熱伝達組成物の少なくとも一部を受容するためにカスケード熱交換器と流体連絡していて、凝縮器から排出される第１の熱伝達組成物から熱を吸収することによってその温度を上昇させ、それによって第１の熱伝達組成物が第１ループ膨張器に導入される前に第１の熱伝達組成物の温度を低下させる、エンクロージャの内容物を冷却するための熱伝達システム。
【請求項２】
第１の冷媒がＡＳＨＲＡＥ−３４下で（ＡＳＴＭ−Ｅ６８１によって測定して）Ａ１と分類される燃焼性を有し、第２の冷媒がＡＳＨＲＡＥ−３４下で（ＡＳＴＭ−Ｅ６８１によって測定して）Ａ２Ｌと分類される燃焼性、又はＡ２Ｌよりも高い燃焼性を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
圧縮機及び膨張器並びに凝縮器のそれぞれがエンクロージャ内に配置されていない、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
吸入ライン熱交換器がエンクロージャ内に配置されていない、請求項５に記載のシステム。
【請求項５】
第２の冷媒が、トランス−１，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｚｅ（Ｅ））、２，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）、Ｒ−２２７ｅａ、Ｒ−３２、及びこれらの２以上の組合せの１以上を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
第２の冷媒が少なくとも約８０重量％の２，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３０４ｙｆ）を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
第２の冷媒が、ＨＦＯ−１２３４ｚｅ（Ｅ）、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、又はこれらの組合せから実質的に構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
第２の冷媒が、約７０重量％〜約９０重量％のＨＦＯ−１２３４ｙｆ、及び約１０重量％〜約３０重量％のＲ３２を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
第２の冷媒が、約７０重量％〜約９０重量％のＨＦＯ−１２３４ｙｚｅ（Ｅ）、及び約１０重量％〜約３０重量％のＲ３２を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
第２の冷媒が、約８５重量％〜約９０重量％のトランス−１，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｚｅ（Ｅ））、及び約１０重量％〜約１５重量％の１，１，１，２，３，３，３−ヘプタフルオロプロパン（ＨＦＣ−２２７ｅａ）を含む、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１６年３月２５日出願の仮出願６２／３１３，１７７（その全部を参照として本明細書中に包含する）に対する優先権を主張する。
本出願はまた、２０１７年３月２４日出願の米国出願１５／４６８，２９２（その全部を参照として本明細書中に包含する）の継続出願でもあり、それに対する優先権の利益を主張する。
【０００２】
本出願はまた、２０１６年１月６日出願の仮出願６２／２７５，３８２の優先権の利益を主張する２０１７年１月６日出願の現在係属中の米国出願１５／４００，８９１（これらのそれぞれはその全部を参照として本明細書中に包含する）の一部継続出願でもある。
【０００３】
本出願はまた、２０１６年２月１６日出願の６２／２９５，７３１の優先権の利益を主張する２０１７年２月１６日出願の現在係属中の米国出願１５／４３４，４００（これらのそれぞれの全ての内容は参照として本明細書中に包含する）の一部継続出願でもある。
【０００４】
本発明は、高効率で低地球温暖化係数（低ＧＷＰ）の空調及び／又は冷却システム、並びに安全で有効な冷却を与える方法に関する。
【背景技術】
【０００５】
通常の空調及び冷媒システムにおいては、熱伝達蒸気をより低い圧力からより高い圧力に圧縮して、それによって蒸気に熱を加えるために圧縮機を用いる。この加えられた熱は、一般的には、通常は凝縮器と呼ばれる熱交換器内に遮断される。凝縮器に導入される熱伝達蒸気は凝縮されて、比較的高い圧力の液体熱伝達流体が生成する。通常は、凝縮器は、周囲外気のような周囲環境において大量に入手できる流体をヒートシンクとして用いる。凝縮したら、高圧の熱伝達流体を、膨張装置又は弁を通して流体を通過させることによって起こる実質的に等エンタルピーの膨張にかけて、そこでより低い圧力に膨張させ、それによって流体に温度低下を起こさせる。膨張運転からのより低い圧力でより低い温度の熱伝達流体は、通常は次に蒸発器に送り、ここで熱を吸収してその際に蒸発させる。この蒸発プロセスによって、冷却することを意図する流体又は物体の冷却が行われる。多くの通常の空調及び冷却用途においては、冷却される流体は、空調される居住空間内の空気、或いはウォークインクーラー又はスーパーマーケット用クーラー若しくはフリーザーの内側の空気のような冷却する領域内に含まれる空気である。熱伝達流体が蒸発器内において低圧で蒸発した後、それを圧縮機に戻して、そこでサイクルを再度開始する。
【０００６】
同時に環境に優しく、即ち低いＧＷＰ効果及び低いオゾン層破壊（ＯＤＰ）効果の両方を有する、効率的で有効で且つ安全な空調システムの形成には、複数のファクター及び要件の複雑で相互に関連する組合せが関係する。効率性及び有効性に関しては、熱伝達流体を高いレベルの効率及び高い相対能力を有する空調及び冷却システム内で運転することが重要である。同時に、熱伝達流体は時間と共に大気中に漏出する可能性があるので、流体がＧＷＰ及びＯＤＰの両方に関して低い値を有することが重要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本出願人らは、幾つかの流体は、高いレベルの効率性及び有効性の両方を達成し、同時に低いレベルのＧＷＰ及びＯＤＰの両方を達成することができるが、この複数の要件の組合せを満足する多くの流体は、安全性に関して不備を有するという欠点を有することを認識するに至った。例えば、そうでなければ許容できる可能性がある流体は、燃焼特性及び／又は毒性の問題のために好ましくない可能性がある。本出願人らは、かかる燃焼性及び／又は毒性の流体が、冷却する居住空間、ウォークインクーラー、保冷容器、チラー、フリーザー、又は輸送用冷却容器中に不注意に放出されて、それによってその占有者を危険な状態に曝すか又は曝す可能性があるので、かかる特性を有する流体を用いることは、通常の空調システム及び多くの冷却システムにおいて特に望ましくないことを認識するに至った。本出願人らはまた、この問題は更に、比較的小さなシステム、例えば３０ｋＷ未満の能力を有するシステムに関してより重大な問題であることも認識するに至った。これは、かかるシステムに関しては、防火システムのような有効な安全保護システムのコストがしばしば経済的に実現可能でないからである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一形態によれば、通常の使用中に人間又は他の動物によって占有されるか又はそれに曝露されるエンクロージャ(enclosure)内に配置される空気に、直接的又は間接的、しかしながら好ましくは直接的に冷却を与えるためのカスケード冷媒システムが提供される。本明細書において用いる「エンクロージャ」という用語は、少なくとも部分的に限定されており（例えば、エンクロージャは１以上の側部が開放されていてよく、或いは閉止されていてよい）、冷却する空気を含む空間を意味する。
【０００９】
本システムの好ましい態様は、少なくとも、エンクロージャ内に配置され、第１の相対的に低い温度の熱伝達回路の一部である第１の蒸発器を含む。低温の熱伝達回路は、好ましくは、少なくとも、第１の熱伝達組成物の圧力を上昇させるための圧縮機；比較的高い圧力の圧縮機からの第１の熱伝達組成物の少なくとも一部を凝縮させるための熱交換器；凝縮器からの熱伝達組成物の圧力を低下させるための膨張装置；及び冷却されるエンクロージャからの熱を熱伝達組成物中に吸収させるための蒸発器；を含む蒸気圧縮循環ループ内に第１の熱伝達流体を含む。好ましくはかかる圧縮機、凝縮器、及び膨張弁の１以上、最も好ましくはこれらの全部はエンクロージャの外側に配置し、蒸発器はエンクロージャ内に配置する。
【００１０】
本発明のシステムはまた、好ましくは、実質的にエンクロージャの外側に配置される第２の熱伝達回路（本明細書において時には便宜上「高温」ループと呼ぶ）も含む。高温ループは、好ましくは、少なくとも圧縮機、高温ループ内の熱伝達流体を、好ましくはエンクロージャの外側の周囲空気との熱交換によって凝縮させるように働く熱交換器、及び圧縮機からの第２の熱伝達流体の圧力を低下させるための膨張装置を含む蒸気圧縮循環ループ内に第２の熱伝達流体を含む。
【００１１】
本発明の好ましい態様の重要な特徴は、好ましくは第２の熱伝達流体の少なくとも相当部分を蒸発させることによって熱を第２の熱伝達流体中に遮断するために、低温回路における凝縮器として働く熱交換器が高温回路と熱的に結合していることである。このように、低温回路の凝縮器と高温回路の蒸発器がこの熱交換器内で熱的に結合しており、これは時には本発明のシステム及び方法において便宜上「カスケード熱交換器」と呼ぶ。
【００１２】
好ましい態様における本発明の他の重要な特徴は、高温凝縮器から排出される第２の熱伝達流体から、第２の熱伝達流体の圧縮機の吸入側に送られる部分へ熱を移動させることによって、システム性能を有利に且つ予期しなかったほどに向上させることが見出された熱交換器を高温ループ内に存在させることを含む。この熱交換器は、本明細書において時には便宜上「吸入ライン熱交換器」と呼ぶ。
【００１３】
好ましいシステムの他の重要な特徴は、低温ループ内で循環する第１の熱伝達流体が、約５００以下、より好ましくは約４００以下、更により好ましくは約１５０以下のＧＷＰを有する冷媒を含むこと、及び更には第１の熱伝達流体が、第２の熱伝達流体の燃焼性よりも相当に低い燃焼性を有することである。好ましくは、高温ループ内で循環する第２の熱伝達流体も、約５００以下、より好ましくは約４００以下、更により好ましくは約１５０以下のＧＷＰを有する冷媒を含むが、通常運転においてはこの熱伝達流体は決してエンクロージャに導入されないので、本出願人らは、エンクロージャ内で循環させた場合に不利であると考えられる１つ又は複数の特性、例えば燃焼性、毒性などを有する流体をこの高温ループ内で用いることが有利であることを見出した。このように、下記に詳細に説明するように、本システムによって、第１の熱伝達組成物のみ又は第２の熱伝達組成物のみに依拠するシステムを凌ぐ更なる可能な予期しなかった有利性が可能になる。
【００１４】
幾つかの好ましい態様においては、第２の冷媒は、少なくとも約５０重量％、更により好ましくは少なくとも約７５重量％のトランス−１，３，３，３−トリフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｚｅ（Ｅ））及び／又はＨＦＯ−１２３４ｙｆを含み、より好ましくはこれらを含み、第２の冷媒はほぼＣＯ２の燃焼性よりも大きく、好ましくは相当に大きい燃焼性を有する。他の態様においては、第２の冷媒は、少なくとも約７５重量％、更により好ましくは少なくとも約８０重量％のトランス−１，３，３，３−トリフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｚｅ（Ｅ））及び／又はＨＦＯ−１２３４ｙｆを含み、より好ましくはこれらを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明による空調システムの１つの好ましい態様の一般化したプロセスフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
好ましい熱伝達組成物：
本明細書に記載する好ましい態様のそれぞれにおいて、本システムは、
（ａ）ループ内で流体連絡している圧縮機、膨張器、及び蒸発器、並びに第１の冷媒及び好ましくは圧縮機のための潤滑剤を含むループ内の第１の熱伝達組成物を含む相対的に低い温度の蒸気圧縮ループ（蒸発器は冷却する空気を含むエンクロージャ内に配置されて、ほぼかかる相対的に低い温度において空気から熱を吸収することができる）；
（ｂ）ループ内で流体連絡している圧縮機、凝縮器、膨張器、及び吸入ライン熱交換器、並びに第２の冷媒及び好ましくは圧縮機のための潤滑剤を含むループ内の第２の熱伝達組成物を含む相対的に高い温度の蒸気圧縮ループ（凝縮器はエンクロージャの外側に配置されているヒートシンクに熱を移動させることができる）；並びに
（ｃ）第１と第２の冷媒の間の熱交換によって第１の冷媒を凝縮させて第２の冷媒を蒸発させるためのカスケード熱交換器；
を含み；
吸入ライン熱交換器は、カスケード熱交換器から排出される第２の熱伝達組成物の少なくとも一部を受容するためにカスケード熱交換器と流体連絡していて、凝縮器から排出される第１の熱伝達組成物から熱を吸収することによってその温度を上昇させ、それによって第１の熱伝達組成物が第１ループ膨張器に導入される前に第１の熱伝達組成物の温度を低下させる。
【００１７】
本明細書において用いる「相対的に低い温度」及び「相対的に高い温度」の用語は、第１及び第２の熱伝達ループに関して一緒に用いる場合には、他に示していない限りにおいて、示されている熱伝達組成物の相対的な温度（ここではこれらの差は少なくとも約５℃である）を示すために相対的な意味で用いられる。
【００１８】
好ましくは、第１の冷媒は第２の冷媒の燃焼性よりも相当に低い燃焼性を有する。好ましい態様においては、第１の冷媒は、ＡＳＨＲＡＥ標準規格３４（ＡＳＴＭ−Ｅ６８１による測定法を規定している）にしたがってＡ１と分類される燃焼性を有し、第２の冷媒は、ＡＳＨＲＡＥ標準規格３４にしたがってＡ２Ｌと分類される燃焼性、又はＡ２Ｌよりも高い燃焼性を有するが、第２の冷媒に関してはＡ２Ｌの分類が好ましい。また、第１及び第２の冷媒はそれぞれ約１５０未満の地球温暖化係数（ＧＷＰ）を有することも好ましい。
【００１９】
好ましい態様においては、低温ループ内で循環する第１の冷媒は、二酸化炭素を含み、好ましくは二酸化炭素から実質的に構成され、より好ましくは幾つかの態様においては二酸化炭素から構成される。
【００２０】
第２の冷媒は、トランス−１，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｚｅ（Ｅ））、２，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）、Ｒ−２２７ｅａ、及びＲ−３２、並びにこれらの２以上の組合せの１以上を含むことが好ましい。好ましい態様においては、第２の冷媒は、少なくとも約５０重量％、より好ましくは少なくとも約８０重量％の２，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｙｆ）を含む。他の好ましい態様においては、第２の冷媒は、少なくとも約５０重量％、より好ましくは少なくとも約８０重量％又は少なくとも約７５重量％、より好ましくは少なくとも約８０重量％のトランス−１，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｚｅ（Ｅ））を含む。非常に好ましい態様においては、第２の冷媒は、少なくとも約９５重量％のＨＦＯ−１２３４ｚｅ（Ｅ）、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、又はこれらの２以上の組合せを含み、幾つかの態様においてはこれから実質的に構成され、或いはこれから構成される。
【００２１】
他の非常に好ましい態様においては、第２の冷媒は、約７０重量％〜約９０重量％のＨＦＯ−１２３４ｙｆ、好ましくは約８０重量％のＨＦＯ−１２３４ｙｆ、及び約１０重量％〜約３０重量％のＲ３２、好ましくは約２０重量％のＲ−３２を含む。
【００２２】
他の非常に好ましい態様においては、第２の冷媒は、約７０重量％〜約９０重量％のＨＦＯ−１２３４ｚｅ（Ｅ）、好ましくは約８０重量％のＨＦＯ−１２３４ｚｅ（Ｅ）、及び約１０重量％〜約３０重量％のＲ３２、好ましくは約２０重量％のＲ−３２を含む。
【００２３】
他の非常に好ましい態様においては、第２の冷媒は、約８５重量％〜約９０重量％のトランス−１，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｚｅ（Ｅ））及び約１０重量％〜約１５重量％の１，１，１，２，３，３，３−ヘプタフルオロプロパン（ＨＦＣ−２２７ｅａ）、更により好ましくは幾つかの態様においては約８８重量％のトランス−１，３，３，３−テトラフルオロプロペン（ＨＦＯ−１２３４ｚｅ（Ｅ））及び約１２重量％の１，１，１，２，３，３，３−ヘプタフルオロプロパン（ＨＦＣ−２２７ｅａ）を含む。
【００２４】
当業者であれば、本明細書に含まれる開示事項を考慮して、本発明の好ましい態様は、冷却するエンクロージャ内では安全（比較的低毒性で低燃焼性）な低ＧＷＰ冷媒のみを用い、エンクロージャの完全に外側に配置されている高温ループ内で安全性が相対的により低いが好ましくは低ＧＷＰの冷媒を用いる有利性を与えることを認識するであろう。
【００２５】
本明細書において用いる「安全」及び「安全性が相対的により低い」という用語は、第１及び第２の熱伝達ループに関して一緒に用いる場合には、他に示していない限りにおいて、示されている熱伝達組成物の相対的安全性を示すために相対的な意味で用いる。かかる構成により、特に高温システムが好ましい吸入ライン熱交換器を含む場合には、本発明のシステム及び方法は、ウォークインフリーザー、スーパーマーケット用クーラーなどにおいて通常的に遭遇するエンクロージャを占有するか又はそれを使用する人間又は他の動物に近接する位置において用いるのに非常に好ましい。
【００２６】
第２の冷媒の好ましい態様を下表に開示する。
【００２７】
【表１−１】
2019513966.tif 000003
【００２８】
【表１−２】
2019513966.tif 000004
【００２９】
第１の熱伝達組成物及び第２の熱伝達組成物はまた、それぞれ一般に、一般に熱伝達組成物の約３０〜約５０重量％の量の潤滑剤を含み、残りは冷媒及び存在させることができる他の随意的な成分である。また、米国特許６，５１６，８３７（その開示事項は参照として本明細書中に包含する）によって開示されているように、油溶性を促進させるために界面活性剤と可溶化剤の組み合わせを本組成物に加えることもできる。ヒドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）冷媒と共に冷却機内で用いられるポリオールエステル（ＰＯＥ）及びポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）、シリコーン油、鉱油、アルキルベンゼン類（ＡＢ）、及びポリ（α−オレフィン）（ＰＡＯ）のような通常用いられる冷却潤滑剤を、本発明の冷媒組成物と共に用いることができる。好ましい潤滑剤はＰＯＥである。
【００３０】
本発明の一形態による第１の冷媒、第２の冷媒、及び潤滑剤の好ましい組合せを下記に与える。
【００３１】
【表２−１】
2019513966.tif 000005
【００３２】
【表２−２】
2019513966.tif 000006
【００３３】
【表２−３】
2019513966.tif 000007
【００３４】
【表２−４】
2019513966.tif 000008
【００３５】
【表２−５】
2019513966.tif 000009
【００３６】
【表２−６】
2019513966.tif 000010
【００３７】
【表２−７】
2019513966.tif 000011
【００３８】
システム運転条件：
一般に、本システム及び方法において用いる運転条件は、本明細書に含まれる開示事項を考慮して具体的な用途に応じて広く変化させることができると意図される。しかしながら、多くの好ましい用途においては下表に示す範囲内の運転パラメーターが有利に用いられる。これらの量は全て「約」によって修飾されていると理解される。
【００３９】
【表３】
2019513966.tif 000012
【００４０】
本発明によるプロセス条件内で運転した場合に、本明細書に記載する吸入ライン熱交換器を用いることによって、同じであるが本発明による吸入ライン熱交換器を用いないシステムと比べて好ましくは少なくとも２％のＣＯＰの向上、より好ましくは少なくとも約３％のＣＯＰの向上、更により好ましくは４％のＣＯＰの向上が得られる。
【００４１】
以下の記載において、異なる態様において概して同じか又は同様であるか、或いはその可能性があるシステムの構成要素又は部材は、同じ数字又は記号を用いて示す。
１つの好ましい冷却システムを図１に示す。この冷却システムは概して１０として示されている。概して１００として示される境界は、エンクロージャを図式的に示す。低温ループは、圧縮機１１、カスケード熱交換器１２の凝縮側１２Ａ、膨張弁１４、及び蒸発器１５を含む。示されているように、蒸発器１５は、第１の熱伝達組成物をエンクロージャ境界に、及びそれから移送する任意の関連する導管及び他の接続装置並びに関連する装置と共にエンクロージャ１００内に配置される。蒸発器１４は好ましくはエンクロージャの内側に配置され、示されている図面においてはエンクロージャ１００の内側に配置されているように開示されているが、幾つかの態様においてはエンクロージャの外側に膨張器１４を与えることが望ましく及び／又は必要である可能性があることが認識される。高温ループは、圧縮機２１、カスケード熱交換器１２の蒸発側１２Ｂ、膨張弁２４、及び凝縮器２５を含み、これらは全て、任意の関連する導管及び他の接続装置並びに関連する装置と共にエンクロージャ１００の外側に配置される。高温回路はまた、凝縮器２５から排出される第２の熱伝達組成物流３０と、カスケード熱交換器１２の蒸発側１２Ｂから排出される第２の熱伝達組成物流３１の間での熱の交換を可能にする吸入ライン熱交換器５０も含む。
【００４２】
本発明による第１及び第２の冷却ループの相対寸法はその範囲内で広く変化させることができると意図されるが、本出願人らは、非常に有利な結果は、幾つかの態様においては冷却ループの相対寸法を慎重に選択することによって達成することができることを見出した。より具体的には、通常の運転条件下においては第１の冷却ループと第２の冷却ループの中に含まれる熱伝達組成物は決して混合又は混ざり合わないと意図され且つ理解される。しかしながら、本出願人らは、例えばカスケード熱交換器における漏出の場合に、第１及び第２の冷媒のかかる混ざり合いの可能性が生じる可能性があることを認識するに至った。この混合された冷媒流は次に、冷却されるエンクロージャ内における漏出の場合には、エンクロージャ内又はその付近にいる人間又は他の動物に曝露されるようになる可能性がある。したがって、かかる漏出の場合においても継続した安全な運転を確保するために、本出願人らは、相対的な冷却ループの寸法を注意深く且つ慎重に選択することによって、かかる漏出の場合においても安全なシステムを得ることができることを認識するに至った。
【００４３】
本出願人らは、本発明のシステム及び組成物は多くの冷却用途において有用であろうと考えるが、好ましい用途には、住宅の居住空間、事務所スペース、倉庫などのようなエンクロージャにおける、並びにウォークイン容器、保冷容器、輸送用冷却容器などのようなエンクロージャ内の空気を冷却することによって物品を低温状態に保つために用いるエンクロージャに関連する冷却及び／又は加熱などの空気の処理のような用途において用いる冷却システム及び方法が含まれる。本明細書において用いる「輸送用冷却容器」という用語は、貨物トレーラーの一部又は実質的に全部の上に配置されているか又はそれを構成する低温／断熱容器を示すように用いる。更に、好ましい用途においては、本発明によるシステムの能力は約３０ｋＷ未満である。好ましい用途においては本発明によるシステムの能力は約１５ｋＷ未満であり、更なる用途においては本発明によるシステムの能力は約１０ｋｗ未満である。
【００４４】
幾つかの好ましいシステム、方法、及び組成物の例を下記に記載する。
Ａ．第１の冷媒がＣＯ２で、第２の冷媒がＲ−１２３４ｚｅ（Ｅ）：
例として、本出願人らは、第１の冷媒がＣＯ２から構成され、第２の冷媒がＲ０１２３４ｚｅ（Ｅ）から構成される本発明によるカスケード冷却システムを考察した。第１の冷媒と第２の冷媒の間の混ざり合いが起こる場合であっても安全な本発明による冷却システムを達成するために、本出願人らは、これらの成分の種々の混合物（蒸気及び液体を含む）の燃焼性を以下のように求めた。
【００４５】
【表４】
2019513966.tif 000013
【００４６】
上記の考察及び分析、並びに第１の冷媒がＣＯ２から実質的に構成され、第２の冷媒がＲ−１２３４ｚｅ（Ｅ）から実質的に構成される本発明の好ましい形態に基づくと、低温ループ内の第１の冷媒（例えばＣＯ２）の第２の冷媒（例えばＲ−１２３４ｚｅ（Ｅ））に対する装填量の重量比は、約１．２以上であることが好ましい。かかる態様においては、本発明のシステムは、第１及び第２の冷媒組成物の間の完全な混ざり合いが起こった場合であっても、安全な状態を保ち、即ち不燃性の冷媒しか含まない。
【００４７】
Ｂ．第１の冷媒がＣＯ２で、第２の冷媒がＳＲ２６：
更なる例として、本出願人らは、第１の冷媒がＣＯ２から構成され、第２の冷媒がＳＲ２６（Ｒ−１２３４ｚｅ（Ｅ）：Ｒ−３２の重量比８０：２０の組合せ）から構成される本発明によるカスケード冷却システムを考察した。第１の冷媒と第２の冷媒の間の混ざり合いが起こる場合であっても安全な本発明による冷却システムを達成するために、本出願人らは、これらの成分の種々の混合物（蒸気及び液体を含む）の燃焼性を以下のように求めた。
【００４８】
【表５】
2019513966.tif 000014
【００４９】
上記の考察及び分析、並びに第１の冷媒がＣＯ２から実質的に構成され、第２の冷媒がＳＲ２６から実質的に構成される本発明の好ましい形態に基づくと、低温ループ内の第１の冷媒（例えばＣＯ２）の第２の冷媒（例えばＳＲ２６）に対する装填量の重量比は、約１．０以上であることが好ましい。かかる態様においては、本発明のシステムは、第１及び第２の冷媒組成物の間の完全な混ざり合いが起こった場合であっても、安全な状態を保ち、即ち不燃性の冷媒しか含まない。
【００５０】
Ｃ．第１の冷媒がＣＯ２で、第２の冷媒がＲ−３２：
更なる例として、本出願人らは、第１の冷媒がＣＯ２から構成され、第２の冷媒がＲ−３２から構成される本発明によるカスケード冷却システムを考察した。第１の冷媒と第２の冷媒の間の混ざり合いが起こる場合であっても安全な本発明による冷却システムを達成するために、本出願人らは、これらの成分の種々の混合物（蒸気及び液体を含む）の燃焼性を以下のように求めた。
【００５１】
【表６】
2019513966.tif 000015
【００５２】
上記の考察及び分析、並びに第１の冷媒がＣＯ２から実質的に構成され、第２の冷媒がＳＲ２６から実質的に構成される本発明の好ましい形態に基づくと、低温ループ内の第１の冷媒（例えばＣＯ２）の第２の冷媒（例えばＳＲ２６）に対する装填量の重量比は、約０．９以上であることが好ましい。かかる態様においては、本発明のシステムは、第１及び第２の冷媒組成物の間の完全な混ざり合いが起こった場合であっても、安全な状態を保ち、即ち不燃性の冷媒しか含まない。
【００５３】
Ｄ．第１の冷媒がＣＯ２で、第２の冷媒がエタン：
更なる例として、本出願人らは、第１の冷媒がＣＯ２から構成され、第２の冷媒がエタンから構成される本発明によるカスケード冷却システムを考察した。第１の冷媒と第２の冷媒の間の混ざり合いが起こる場合であっても安全な本発明による冷却システムを達成するために、本出願人らは、これらの成分の種々の混合物（蒸気及び液体を含む）の燃焼性を以下のように求めた。
【００５４】
【表７】
2019513966.tif 000016
【００５５】
上記の考察及び分析、並びに第１の冷媒がＣＯ２から実質的に構成され、第２の冷媒がエタンから実質的に構成される本発明の好ましい形態に基づくと、低温ループ内の第１の冷媒（例えばＣＯ２）の第２の冷媒（例えばＳＲ２６）に対する装填量の重量比は、約１．７以上であることが好ましい。かかる態様においては、本発明のシステムは、第１及び第２の冷媒組成物の間の完全な混ざり合いが起こった場合であっても、安全な状態を保ち、即ち不燃性の冷媒しか含まない。
【００５６】
Ｅ．第１の冷媒がＣＯ２で、第２の冷媒がプロパン：
更なる例として、本出願人らは、第１の冷媒がＣＯ２から構成され、第２の冷媒がプロパンから構成される本発明によるカスケード冷却システムを考察した。第１の冷媒と第２の冷媒の間の混ざり合いが起こる場合であっても安全な本発明による冷却システムを達成するために、本出願人らは、これらの成分の種々の混合物（蒸気及び液体を含む）の燃焼性を以下のように求めた。
【００５７】
【表８】
2019513966.tif 000017
【００５８】
上記の考察及び分析、並びに第１の冷媒がＣＯ２から実質的に構成され、第２の冷媒がプロパンから実質的に構成される本発明の好ましい形態に基づくと、低温ループ内の第１の冷媒（例えばＣＯ２）の第２の冷媒（例えばプロパン）に対する装填量の重量比は、４より大きいことが好ましい。かかる態様においては、本発明のシステムは、第１及び第２の冷媒組成物の間の完全な混ざり合いが起こった場合であっても、安全な状態を保ち、即ち不燃性の冷媒しか含まない。
【実施例】
【００５９】
比較例Ｃ１：
下記に記載する比較例Ｃ１は、以下の図面に示す通常のウォークインクーラー冷却システムに基づく。
【００６０】
【化１】
2019513966.tif 000018
【００６１】
上記図面において、クーラーの境界を長方形１００によって図式的に示す。クーラー容器内には、蒸発器１５及び膨張器１４が収容されている。圧縮機１１及び凝縮器２０が、クーラー容器１００の外側に配置されている。この冷却ループ内を循環している冷媒は、冷媒のＲ−４０４Ａ（５２重量％のＲ−１４３ａ、４４重量％のＲ−１２５、及び４重量％のＲ−１３４ａ）である。
【００６２】
以下の運転パラメータを用いた。
・蒸発器１５の蒸発温度＝−３５℃；
・凝縮器２００の凝縮温度＝４５℃；
・膨張器１４の等エントロピー効率＝６３％；
・蒸発器過熱＝５℃；
・圧縮機吸入ラインにおける温度上昇＝２０℃；
・膨張装置過冷却＝０℃。
【００６３】
この通常のシステムの運転によって、１０８．３℃の圧縮機吐出温度が生成した。
複合実施例Ｈ１Ａ〜Ｈ１Ｄ：
実施例１に示した通常の冷却システムに基づくが、吸入ライン熱交換器を挿入して、蒸発器から排出されるＲ−４０４Ａ中に熱を吸収させ、それによって流れが膨張器に導入される前に凝縮器から排出されるＲ−４０４Ａから熱を吸収することによって、圧縮機に導入されるＲ−４０４Ａの温度を上昇させる複合システムを形成した。３５％〜８５％で変化する効率（Effectiveness)の値を有する吸入ライン熱交換器を用いた運転を評価した。結果を、比較のために比較例Ｃ１の結果と一緒に下表Ｈ１に報告する。
【００６４】
【表９】
2019513966.tif 000019
【００６５】
上記に報告する結果から分かるように、通常のシステムを修正して吸入ライン熱交換器を含ませることは、全ての場合において、かかる複合システムの運転の結果として圧縮機吐出温度の相当な不要且つ望ましくない上昇があるので実現性がない。
【００６６】
実施例１Ａ〜１Ｅ、２Ａ〜２Ｅ、３Ａ〜３Ｅ、４Ａ〜４Ｅ、及び５Ａ〜５Ｅ：
低温ループにおいて次の冷媒：ＨＦＯ−１２３４ｚｅ（Ｅ）；ＨＦＯ−１２３４ｙｆ；ＳＲ２１（８０重量％のＨＦＯ−１２３４ｙｆ及び２０重量％のＲ−３２）；ＳＲ２６（８０重量％のＨＦＯ−１２３４ｚｅ（Ｅ）及び２０重量％のＲ−３２）；並びにＳＲ３１（８８重量％のＨＦＯ−１２３４ｚｅ（Ｅ）及び１２重量％のＲ−３２）のそれぞれ（第２の冷媒）を用いて、図１に示す吸入ライン熱交換器を有するカスケード冷却システムを運転した。高温ループにおける冷媒はＣＯ２であった。これらの冷媒を用いて、以下のパラメータにしたがって本発明のカスケードシステムを運転した。
【００６７】
・低温段階の蒸発温度（蒸発器１５）＝−３５℃；
・低温段階の凝縮温度＝（カスケード凝縮器１２Ａ）＝０℃；
・高温段階の蒸発温度（蒸発器２５）＝−５℃；
・高温段階の凝縮温度（カスケード凝縮器１２Ｂ）＝４５℃；
・低温段階膨張器（膨張器１４）の等エントロピー効率＝６５％；
・高温段階膨張器（膨張器２４）の等エントロピー効率＝６３％；
・蒸発器過熱（両方の蒸発器）＝５℃；
・低温段階の吸入ラインにおける温度上昇＝１５℃；
・高温段階の吸入ラインにおける温度上昇＝５℃；
・高温及び低温段階の両方の膨張装置における過冷却＝０℃；
・吸入ライン液体ライン熱交換器効率＝０％〜８５％で変動。
【００６８】
下表１／５−ＤＴは、それぞれの実施例に関する吐出温度の観点での結果を示し、比較例１からの結果を比較のために示す。
【００６９】
【表１０】
2019513966.tif 000020
【００７０】
上表によって示されるように、本発明の全ての実施例は本発明の好ましい圧縮機吐出温度を満足し、全ての場合において、吐出温度は通常のシステム及び更には複合システムの性能よりも実質的に優れていた。
【００７１】
下表１／５−ＣＯＰは、それぞれの実施例に関するＣＯＰの観点での結果を示し、比較例１からの結果を比較のために示す。
【００７２】
【表１１】
2019513966.tif 000021
【００７３】
上表によって示されるように、本発明の全ての実施例は、比較例１のシステムと比べて少なくとも１２１％の向上したＣＯＰを与えた。更に、吸入ライン熱交換器を含む本発明の全てのシステムは、熱交換器を有しない本発明のシステムに対して少なくとも更に２％の向上を示し、吸入ライン熱交換器に関して５５％以上の熱交換器効率を有するシステムは、熱交換器を有しないシステムに対して少なくとも更に３％の向上を示した。
【００７４】
実施例６Ａ〜６Ｅ、７Ａ〜７Ｅ、８Ａ〜８Ｅ、９Ａ〜９Ｅ：
低温ループにおいて次の冷媒のそれぞれ（第２の冷媒）及び高温ループにおいてＣＯ２を用いて、図１に示す吸入ライン熱交換器を有しないカスケード冷却システム及び吸入ライン熱交換器を有するカスケード冷却システムを運転した（それぞれの冷媒のＧＷＰを示す）。
【００７５】
【表１２】
2019513966.tif 000022
【００７６】
実施例１〜５において示したものと同じ運転条件を用いて、冷媒ＥＸ６〜ＥＸ９のそれぞれを用いて図１のシステムを運転した−下表６／９−ＤＴはそれぞれの実施例に関する吐出温度の観点からの結果を示し、比較例１からの結果を比較のために示す。
【００７７】
【表１３】
2019513966.tif 000023
【００７８】
上表によって示されるように、冷媒のＥＸ６〜ＥＸ９を用いると、吸入ライン熱交換器を有しないカスケードシステム（効率＝０）に関して許容し得る吐出温度（好ましい吐出温度範囲の範囲内）が生成した。しかしながら、冷媒のいずれも、３５％〜８５％のいずれの効率の値に関するカスケードシステムに関しても許容し得る吐出温度（好ましい吐出温度範囲の範囲内）を生成しなかった。
【００７９】
実施例１０Ａ〜１０Ｅ、１１Ａ〜１１Ｅ、１２Ａ〜１２Ｅ、１３Ａ〜１３Ｅ、１４Ａ〜１４Ｅ、１５Ａ〜１５Ｅ：
低温ループにおいて次の冷媒のそれぞれ（第２の冷媒）及び高温ループにおいてＣＯ２を用いて、図１に示す吸入ライン熱交換器を有しないカスケード冷却システム及び吸入ライン熱交換器を有するカスケード冷却システムを運転した。
【００８０】
【表１４】
2019513966.tif 000024
【００８１】
実施例１〜５において示したものと同じ運転条件を用いて、冷媒ＥＸ１０〜ＥＸ１５のそれぞれを用いて図１のシステムを運転した−下表１０／１５−ＤＴはそれぞれの実施例に関する吐出温度の観点からの結果を示し、比較例１からの結果を比較のために示す。
【００８２】
【表１５】
2019513966.tif 000025
【００８３】
上表によって示されるように、冷媒のＥＸ１０〜ＥＸ１５を用いると５００より低いＧＷＰ値を有する第２の冷媒が得られたが、それぞれの冷媒は許容し得る吐出温度（即ち、好ましい吐出温度範囲の範囲内）を生成しなかった。吸入ライン熱交換器を有しないカスケードシステム（効率＝０）に関しては、吐出温度は許容し得るものであった。しかしながら、吸入ライン熱交換器を有するシステムに関しては、ＥＸ１０〜ＥＸ１３冷媒のそれぞれは、８５％以上の望ましい効率の値に関して許容できない吐出温度を生成した。ＥＸ１４及びＥＸ１５冷媒のみが、試験した効率の値のいずれを有する吸入ライン熱交換器に関しても許容し得る吐出温度を与えた。これらの知見を下記に要約する。
【００８４】
・３５％の効率においては、３０％より多いＲ１２３４ｚｅ（Ｅ）が必要であった。
・５５％の効率においては：５０％より多いＲ１２３４ｚｅ（Ｅ）が必要であった。
・７５％の効率においては：６０％より多いＲ１２３４ｚｅ（Ｅ）が必要であった。
【００８５】
・８５％の効率においては：７０％より多いＲ１２３４ｚｅ（Ｅ）が必要であった。
・少なくとも約７８％のＲ−１２３４ｚｅ（Ｅ）を含む組成物は、吸入ライン熱交換器の全ての効率の値に関して許容することができ、約１５０以下のＧＷＰ値を生成した。
【００８６】
下表１１／１５−ＣＯＰはそれぞれの実施例に関するＣＯＰの観点からの結果を示し、比較例１からの結果を比較のために示す。
【００８７】
【表１６】
2019513966.tif 000026
【００８８】
上表によって示されるように、本発明の実施例は全て、比較例１のシステムと比べて少なくとも１２１％のＣＯＰを与えた。更に、吸入ライン熱交換器を含む本発明の試験したシステムの全部において、実施例１５の冷媒を用いると、吸入ライン熱交換器を有しない本発明のシステムに対して少なくとも更に２％の向上が示された。少なくとも５５％の効率を有する吸入ライン熱交換器を含む本発明の試験したシステムにおいて実施例１４の冷媒を用いると、（表１１／１５−ＤＴにおいて示されるように）吸入ライン熱交換器を有しない本発明のシステムに対して少なくとも更に２％の向上が示され、許容し得る吐出温度を有していた。少なくとも５５％であるが約８５％未満の効率を有する吸入ライン熱交換器を含む本発明の試験したシステムにおいて実施例１３の冷媒を用いると、（表１１／１５−ＤＴにおいて示されるように）吸入ライン熱交換器を有しない本発明のシステムに対して少なくとも更に２％の向上が示され、許容し得る吐出温度を有していた。
【００８９】
これとは対照的に、少なくとも７５％の効率を有する吸入ライン熱交換器を含む本発明の試験したシステムにおいて実施例１２の冷媒を用いると、表１１／１５−ＤＴにおいて示されるように、吸入ライン熱交換器を有しない本発明のシステムに対して少なくとも更に２％の向上が示されたが、この冷媒はこの条件に関して許容しうる吐出温度を与えなかった。
【００９０】
実施例１６Ａ〜１６Ｅ、１７Ａ〜１７Ｅ、１８Ａ〜１８Ｅ、１９Ａ〜１９Ｅ：
高温ループにおいて次の冷媒のそれぞれ（第２の冷媒）及び低温ループにおいてＣＯ２を用いて、図１に示す吸入ライン熱交換器を有しないカスケード冷却システム及び吸入ライン熱交換器を有するカスケード冷却システムを運転した（それぞれの冷媒のＧＷＰを示す）。
【００９１】
【表１７】
2019513966.tif 000027
【００９２】
実施例１〜５において示したものと同じ運転条件を用いて、冷媒ＥＸ１６〜ＥＸ１９のそれぞれを用いて図１のシステムを運転した−下表１６／１９−ＤＴはそれぞれの実施例に関する吐出温度の観点からの結果を示し、比較例１からの結果を比較のために示す。
【００９３】
【表１８】
2019513966.tif 000028
【００９４】
上表によって示されるように、冷媒のＥＸ１６〜ＥＸ１９を用いると、吸入ライン熱交換器を有しないカスケードシステム（効率＝０）に関しては許容しうる吐出温度（好ましい吐出温度範囲の範囲内）を生成した。しかしながら、冷媒のいずれも、３５％〜８５％のいずれの効率の値に関するカスケードシステムに関しても許容し得る吐出温度（好ましい吐出温度範囲の範囲内）を生成しなかった。
【００９５】
実施例２０Ａ〜２０Ｅ、２１Ａ〜２１Ｅ、２２Ａ〜２２Ｅ、２３Ａ〜２３Ｅ、２４Ａ〜２４Ｅ、２５Ａ〜２５Ｅ：
低温ループにおいて次の冷媒のそれぞれ（第２の冷媒）及び高温ループにおいてＣＯ２を用いて、図１に示す吸入ライン熱交換器を有しないカスケード冷却システム及び吸入ライン熱交換器を有するカスケード冷却システムを運転した。
【００９６】
【表１９】
2019513966.tif 000029
【００９７】
実施例１〜５において示したものと同じ運転条件を用いて、冷媒ＥＸ２０〜ＥＸ２５のそれぞれを用いて図１のシステムを運転した−下表２０／２５−ＤＴはそれぞれの実施例に関する吐出温度の観点からの結果を示し、比較例１からの結果を比較のために示す。
【００９８】
【表２０】
2019513966.tif 000030
【００９９】
上表によって示されるように、冷媒のＥＸ２１〜ＥＸ２５を用いると５００より低いＧＷＰ値を有する第２の冷媒が得られたが、それぞれの冷媒は許容し得る吐出温度（即ち、好ましい吐出温度範囲の範囲内）を生成しなかった。吸入ライン熱交換器を有しないカスケードシステム（効率＝０）に関しては、吐出温度は許容し得るものであった。しかしながら、吸入ライン熱交換器を有するシステムに関しては、冷媒のＥＸ２０〜ＥＸ２２のそれぞれは、８５％以上の望ましい効率の値に関して許容できない吐出温度を生成した。ＥＸ２３、ＥＸ２４、及びＥＸ２５のみが、試験した効率の値の全部に関する吸入ライン熱交換器に関して許容し得る吐出温度を与えた。これらの知見を下記に要約する。
【０１００】
・３５％の効率においては、３０％より多いＲ１２３４ｙｆが必要であった。
・５５％の効率においては：４０％より多いＲ１２３４ｙｆが必要であった。
・７５％及び８５％の効率においては：６０％より多いＲ１２３４ｙｆが必要であった。
【０１０１】
下表２０／２５−ＣＯＰはそれぞれの実施例に関するＣＯＰの観点からの結果を示し、比較例１からの結果を比較のために示す。
【０１０２】
【表２１】
2019513966.tif 000031
【０１０３】
上表によって示されるように、本発明の実施例は全て、比較例１のシステムと比べて少なくとも１２１％のＣＯＰを与えた。更に、吸入ライン熱交換器を含む本発明の試験したシステムの全部において、実施例２４及び２５の冷媒を用いると、吸入ライン熱交換器を有しない本発明のシステムに対して少なくとも更に２％の向上が示され、実施例２２及び２３の冷媒は、５５％以上の効率を有する熱交換器に関して、吸入ライン熱交換器を有しない本発明のシステムに対して少なくとも更に２％の向上を示した。少なくとも７５％の効率を有する吸入ライン熱交換器を含む本発明の試験したシステムにおいて実施例２２の冷媒を用いると、吸入ライン熱交換器を有しない本発明のシステムに対して少なくとも更に２％の向上が示された。
【０１０４】
重要なことに、吸入ライン熱交換器を含む本発明の試験したシステムの全部において実施例２４及び２５の冷媒を用いると、吸入ライン熱交換器を有しない本発明のシステムに対して少なくとも更に２％の向上を示しただけでなく、かかる冷媒は、（表２１／２５−ＤＴにおいて示されるように）試験した吸入ライン熱交換器効率の全てのレベルに関して許容しうる吐出温度を与えた。５５％の効率を有する吸入ライン熱交換器を含む本発明の試験したシステムにおいて実施例２２及び２３の冷媒を用いると、吸入ライン熱交換器を有しない本発明のシステムに対して少なくとも更に２％の向上を示しただけでなく、（表２１／２５−ＤＴにおいて示されるように）許容しうる吐出温度も与えた。
【０１０５】
これとは対照的に、実施例２０の冷媒を用いると熱交換器効率のいずれの値に関しても少なくとも２％の向上は示されず、実施例２１及び２２は７５％及び８５％の熱交換器効率の値に関して少なくとも２％の向上を示したが、これらの熱交換器効率の値は、表２０／２５−ＤＴにおいて示されるように許容しうる吐出を与えず、この冷媒はこの条件に関しては満足しなかった。
【図１】
2019513966.tif 000032
【国際調査報告】
2019513966.tif 000033
2019513966.tif 000034
2019513966.tif 000035