KR100498073B1 - 냉동장치 - Google Patents

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Abstract

압축기(23), 응축기(22), 팽창수단(26) 및 증발기(2)를 구비한 냉매회로에, 냉매로서 R32를 순환시켜 냉동 사이클을 실행하는 냉동장치이다.
상기 냉매회로에 대한 R32의 충전량을 냉동능력 1㎾당 120g∼450g의 범위내에서 설정한다. 또한, 상기 냉매회로에 대한 R32의 충전량을 상기 응축기(22)의 내용적 1리터당 400g∼750g의 범위내에서 설정한다. 냉매로서 지구 온난화 계수 GWP가 작은 R32를 이용하여, 높은 성적계수 COP를 갖는 지구 온난화 대응 에너지 절약형 냉동장치를 제공한다.

Description

냉동장치{REFRIGERATING DEVICE}
이 발명은 냉동장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, R22(화학식 CHC1F2)를 대신하는 대체 냉매로서 R32(화학식 CH2F2) 또는 R32를 적어도 70중량 퍼센트 포함하는 혼합냉매를 이용한 냉동장치에 관한 것이다.
냉매를 사용하여 냉동 사이클을 실행하는 냉동장치나 공기조화기에 관한 지구 환경 문제로서는, ①오존층 보호 ②에너지 절약화 ③지구 온난화 대응 (CO2등 배출억제) ④자원의 재이용(리사이클) 등이 있다.
이 지구 환경 과제 중, 특히 오존층 보호의 관점으로부터, R22(HFC22)는, 오존 파괴계수 ODP(Ozone Depletion Potential)가 높아, 적합한 냉매라고는 할 수 없다. 그래서, 이 R22의 대체 냉매로서, R410A(HFC32: HFC125 = 50:50(중량비)) 혹은 R407C(HFC32:HFC125:HFC134a = 23:25:52(중량비)) 등이 후보로서 올려지고 있다. 그리고, R410A나 R407C를 이용하여 냉매 사이클을 실행하는 냉동장치중에는, R22와 동등의 성적계수 COP(Coefficient of Performance)가 얻어지는 것이 이미 제품화되어 있다.
한편, 에너지 절약에 대하여는, 소정의 공기조화기는 서기 2004년 9월말까지 COP를 약 4%향상시켜야만 한다는 취지의 고시가 나와있다 (「에너지의 사용 합리화에 관한 법률」에 의거한 통상산업성 고시 제190호). 따라서, 에너지 절약의 관점으로부터도, COP값이 큰 냉매를 사용할 필요가 있다.
또한, 지구 온난화 방지에 대한 요구도 더욱 엄격해져 오고 있다. 냉동장치나 공기조화기에 있어서는, 총 등가 온난화 영향 TEWI(Total Equivalent Warming Impact)라고 불리는 지구 온난화의 지표를 이용하여, 냉동장치나 공기조화기가 평가된다. 이 TEWI는, 냉매의 대기 방출에 의한 영향(직접영향)과 장치의 에너지 소비(간접영향)과의 합으로 표시된다. 상기 직접영향은 지구 온난화 계수 GWP(Global Warming Potential)를 포함하고, 상기 간접영향은 COP의 역수를 포함한다. 따라서, 지구 온난화를 방지함에는, TEWI의 값을 작게 하도록, 작은 GWP값과 큰 COP값과를 갖는 냉매를 선정할 필요가 있다.
상기 GWP에 대해서는, R407C와 R410A의 GWP가 각각 1980, 2340으로 되어 있고, R22의 GWP값 1900보다 약간 큰 값으로 되어 있다. 그래서, 지구 온난화 방지를 위하여, GWP값이 작은 냉매로서 R32(HFC32)가 거론된다. 이 R32의 GWP값은 650이며, R22, R407C, R410A의 GWP값 1900, 1980, 2340과 비교하면 약 ⅓로 되어, 극히 낮은 값을 나타낸다.
한편, COP에 관해서는, R407C나 R410A의 COP값이 R22의 COP값과 대략 동등한 것에 대하여, R32의 COP값은 R22보다도 큰 값이 얻어졌다. 즉, R32를 이용하여 냉동 사이클을 실행하는 냉동장치에서는, R32의 특성으로부터는 이론상은 높은 COP가 기대됨에도 불구하고, 이것까지 R22의 COP를 실제로 크게 초과하는 것은 얻어지고 있지 않았다. 또한, R22를 이용한 경우에 비해서 압력이 높아지고, 토출 온도가 높아지는 등의 현상이 있다. 그것에 더하여, R32는 휘발성을 가지기 때문에 안전성의 컨센서스가 얻어지기 어렵다고 하는 문제가 있다. 이 때문에 산업계에서는, 대체 냉매로서의 R32를 실제의 제품에 채용하는 것은 없었다.
[발명의 개시]
그래서, 이 발명의 목적은, 냉매로서 지구 온난화 계수 GWP가 작은 R32를 이용하여, 높은 성적계수 COP를 달성할 수 있는 지구 온난화 대응 에너지 절약형 냉동장치를 제공하는 것에 있다.
이 발명은, 냉동장치의 COP가 냉매량(냉매 회로에 대한 전 충전량)에 대응하여 변화하는 경향은, R32와 R401A 등의 다른 냉매와의 사이에서, 냉매의 종류에 따라서 크게 상위해 있다고 하는, 본 발명자에 의한 발견에 의거하여 창출되었다. 즉, 도 1A에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 R410A를 이용한 경우는, 도시의 범위에서는 냉매량이 많아짐에 따라서 COP가 서서히 높아져서, 포화하는 것과 같은 경향이 있다. 이것에 대하여, R32를 이용한 경우는, 냉매량의 변화에 대하여 COP가 피크를 나타내고, 냉매량이 그 피크를 부여하는 범위로부터 벗어나면 COP가 급격히 저하하는 경향이 있다. 종래, R32를 이용한 경우에 R410A를 이용한 경우에 비하여 높은 COP가 얻어졌던 이유는, 냉매량이 비교적 많은 범위(도 1A의 예는 1200g∼1300g)에서 사용하고 있었기 때문이다. 여기에서 주목할 것은, R32를 이용하여 냉매량을 변화시킨 경우의 COP의 피크값이, R410A를 이용하여 냉매량을 변화시킨 경우의 COP의 피크값이, R410A를 최적인 냉매량(도 1A의 예에서는 1300g)으로 사용한 경우의 COP보다도 훨씬 높다고 하는 사실이다. 이것에 의하여, R32를 이용하여 냉매량을 적절한 범위내에 설정하면 높은 COP가 얻어지는 것을 알 수 있다.
이와 같이, R32는, 종래의 R22나 R410A보다도 훨씬 낮은 GWP(약 ⅓)를 가지며, 또한 냉매량을 적절하게 선정하면, R410A나 R22보다도 높은 COP가 얻어진다. 이 때문에, R32의 TEWI(총 등가 온난화 영향)는, R22나 R410A의 TEWI보다도 낮아져서, R32는 R22나 R410A에 비교해서 우수한 지구 온난화 특성을 나타낸다.
도 1A, 1B는, 냉매로서 R32를 이용한 경우의 COP와, R410A를 이용한 경우의 COP와를, 냉매량(냉매회로에 대한 전 충전량)을 변화시켜 측정한 냉방운전시의 결과를 나타내는 도면이다.
도 1A는 냉방운전시의 결과를 나타내고,
도 1B는 난방운전시의 결과를 나타낸다.
도 2는, 이 발명을 적용한 1실시형태인 히트 펌프식 공기조화기의 개략 구성도.
도 3A, 3B는, 동일능력(압축기 효율동등)의 경우에, R32를 이용했을 때의 COP와, R410A를 이용했을 때의 COP와를 비교해서 나타낸 도면이다.
도 3A는 R32와 R410A의 COP를 백분률로 비교한 도면,
도 3B는 측정치로 비교한 도면,
도 4A, 4B, 4C는, 각각 상기 공기조화기의 실내 열교환기의 내용적, 실외 열교환기의 내용적의 설정치를 나타내는 도면이다.
도 5는, R32와 R125의 혼합냉매에서의 R32의 함유량과 에너지 효율을 나타내는 도면이다.
도 6은, R32와 R410A에 대한 냉방시와 난방시의 냉매 충전량에 대한 COP를 나타내는 도면이다.
도 7은, R32와 R410A, R22의 각 냉매의 냉동능력에 대한 어큐뮬레이터 및 리시버의 용적을 나타내는 도면이다.
그래서, 청구항 1에 기재한 냉동장치는, 압축기, 응축기, 팽창수단 및 증발기를 구비한 냉매회로에, 냉매로서 R32를 순환시켜 냉동 사이클을 실행하는 냉동장치에 있어서, 상기 냉매회로에 대한 상기 R32의 충전량이 냉동능력 1㎾당 120g∼450g의 범위내에 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 냉매회로에 대한 R32의 충전량이 냉동능력 1㎾당 120g∼450g의 범위내에 있는 경우, 높은 COP가 얻어진다.
여기에서, 냉동능력(㎾)의 측정법은 일본 공업규격(JIS) C9612의 규정에 따르는 것으로 한다.
한편, 「냉동능력 1㎾당 120g∼450g의 범위내」이기 때문에, 예를 들면 냉동능력이 5㎾이면, 냉매회로에 대한 R32의 전 충전량은 600g∼2250g이라고 하는 것이 된다.
또한, 청구항 2에 기재한 냉동장치는, 압축기, 응축기, 팽창수단 및 증발기를 구비한 냉매회로에, 냉매로서 R32를 순환시켜 냉동 사이클을 실행하는 냉동장치에 있어서, 상기 냉매회로에 대한 상기 R32의 충전량이 상기 응축기의 내용적 1리터당 400g∼750g의 범위내에 상당하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 냉매회로에 대한 R32의 충전량이 응축기의 내용적 1리터당 400g∼750g의 범위내에 상당하는 경우, 높은 COP가 얻어진다.
한편, 냉매회로에 대한 R32의 충전량을 「응축기의 내용적 1리터당」으로 규정하는 이유는, 냉동장치에서는, 응축기의 내용적이 냉매의 충전량에 관해서 지배적이기 때문이다.
또한, 「응축기의 내용적 1리터당 400g∼750g의 범위내」이기 때문에, 예를 들면 응축기의 내용적이 1.5리터이면, 냉매회로에 대한, R32의 전 충전량은 600g∼1125g의 범위내라고 하는 것이 된다.
이 발명의 원리는, R32 단일 냉매만이 아니라, R32를 적어도 70중량 퍼센트 포함하는 혼합냉매에도 확장하여 적용할 수 있다.
그래서, 청구항 3에 기재한 냉동장치는, 압축기, 응축기, 팽창수단 및 증발기를 구비한 냉매회로에, R32를 적어도 70중량 퍼센트 포함하는 혼합냉매를 순화시켜 냉동 사이클을 실행하는 냉동장치에 있어서, 상기 냉매회로에 대한 상기 R32의 충전량이 냉동능력 1㎾당 84g∼450g의 범위내에 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 R32를 적어도 70중량 퍼센트 포함하는 냉매를 이용하는 경우에 있어서는, 냉매회로에 대한 R32의 충전량이 냉동능력 1㎾당 84g∼450g의 범위내에 있는 경우, 높은 COP가 얻어진다.
또한, 청구항 4에 기재한 냉동장치는, 압축기, 응축기, 팽창수단 및 증발기를 구비한 냉매회로에, R32를 적어도 70중량 퍼센트 포함하는 혼합냉매를 순환시켜 냉동 사이클을 실행하는 냉동장치에 있어서, 상기 냉매회로에 대한 상기 R32의 충전량이 상기 응축기의 내용적 1리터당 280g∼750g의 범위내에 상당하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 R32를 적어도 70중량 퍼센트 포함하는 혼합냉매를 이용하는 경우에 있어서는, 냉매회로에 대한 R32의 충전량이 응축기의 내용적 1리터당 280g∼750g의 범위내에 상당하는 경우 높은 COP가 얻어진다.
이하, 이 발명의 냉동장치를 도시의 실시형태에 의해 상세하게 설명한다.
도 2는 이 발명을 적용한 1실시형태의 히트 펌프식 공기조화기의 개략 구성을 나타내고 있다. 이 공기조화기는, 실외기(20)와 실내기(1)와를 냉매배관(41),(42)으로 접속하여 냉매회로를 구성하고, 그 냉매회로에 냉매로서 R32를 순환시키도록 한 것이다. 실내기(1)에는 실내 열교환기(2)가 수용되어 있다. 한편, 실외기(20)에는, 냉매(R32)를 압축하여 토출하는 압축기(23)와, 냉매유로를 절환하기 위한 4웨이 절환밸브(25)와, 실외 열교환기(22)와, 전동 팽창밸브(26)와, 환류한 냉매의 기액분리를 행하는 어큐뮬레이터(24)가 수용되어 있다.
냉동 사이클을 실행하는 냉방운전시에는, 4웨이 절환밸브(25)의 절환 설정에 의해서, 도 2중에 실선으로 나타내는 바와 같이, 압축기(23)에 의해 토출된 냉매를 배관(31), 4웨이 절환밸브(25), 배관(33)을 통하여, 응축기로서 작동하는 실외 열교환기(22)로 보낸다. 이 실외 열교환기(22)에서 응축된 냉매를, 배관(36), 유로를 조여서 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(26), 배관(42)을 통하여, 증발기로서 작동하는 실내 열교환기(2)로 보낸다. 또한, 이 실내 열교환기(2)에서 기화된 냉매를 배관(41), 배관(34), 4웨이 절환밸브(25), 배관(32), 어큐뮬레이터(24), 배관(35)을 통하여 압축기(23)로 보낸다.
한편, 난방운전시에는, 4웨이 절환밸브(25)를 절환하여, 도 2중에 파선으로 나타내는 바와 같이, 압축기(23)에 의해 토출된 냉매를 배관(31), 4웨이 절환밸브(25), 배관(34), 배관(41)을 통하여, 응축기로서 작동하는 실내 열교환기(2)로 보낸다. 이 실내 열교환기(2)에서 응축된 냉매를 배관(42), 완전히 열린 상태의 팽창밸브(26), 배관(36), 증발기로서 작동하는 실외 열교환기(22)로 보낸다. 또한 이 실외 열교환기(22)에서 기화된 냉매를 배관(33), 4웨이 절환밸브(25), 배관(32), 어큐뮬레이터(24), 배관(35)을 통하여 압축기(23)로 보낸다.
본 발명자는, 이 공기조화기의 성적계수 COP를 평가하기 위하여, 도 4A, 4B에 나타내는 바와 같이, 2.2㎾로부터 5.0㎾까지 능력 클래스가 다른 것에 대하여, 실내 열교환기(2)의 내용적, 실외 열교환기(22)의 내용적을 바꾸어 여러 가지로 설정하였다. 도 4C는, 그 때의 실외 열교환기(22)의 내용적과 실내 열교환기(22)의 내용적과의 비를 나타내고 있다. 한편, 이 실내 열교환기(2)의 내용적, 실외 열교환기(22)의 내용적의 설정에 대응하여, 이 냉매회로 전체의 내용적도 변화하고 있다.
예를 들면, 5.0㎾클래스의 것은, 실외 열교환기(22)의 내용적은 1.45리터, 실내 열교환기(2)의 내용적은 0.47리터에 각각 설정되어 있다. 이 5.0㎾클래스의 것에 대하여, 냉매량(냉매회로에 대한 전 충전량)을 변화시켜 COP를 측정한 결과, 도 1A, 1B에 나타내는 바와 같은 결과가 얻어졌다. 도 1A는 냉방운전시의 COP 도 1B는 난방운전시의 COP를 각각 나타내고 있다. 도 1A로부터 알 수 있는 바와 같이, 냉방운전시에는 냉매량이 960g일 때, COP가 2.7∼2.8이라고 하는 상대적으로 높은 피크값을 나타냈다. 이것에 대하여, R410A를 이용한 동일능력 5.0㎾의 것은, COP가 높게 2.2(냉매량이 1300g일 때)이었다.
이와 같이 해서, R32를 이용한 경우에 각 조건에서 COP의 피크를 부여하는 냉매량의 범위를 구했을 때, 냉매회로에 대한 R32의 충전량이 냉동능력 1㎾당 120g∼450g의 범위내에 있을 때, 또는 냉매회로에 대한 R32의 충전량이 실외 열교환기(22)의 내용적 1리터당 400g∼750g의 범위내에 있을 때, COP의 피크가 주어지는 것을 알았다.
또한, 2.2㎾로부터 5.0㎾까지의 범위내에서 동일능력(압축기 효율동등)의 경우에, R32를 이용했을 때의 COP와, R410A를 이용했을 때의 COP와를 비교하면, 도 3A, 3B와 같은 결과가 얻어졌다. 한편, R32를 이용했을 때의 냉매량은, R410A를 이용했을 때의 냉매량에 대하여 60wt.%∼80wt,%의 범위내에서 최적화되었다. 도 3A는, R410A를 이용했을 때의 COP를 기준(100%)으로 하여, R32를 이용했을 때의 COP가 108.1(%)가 된 것을 나타내고 있다. 도 3B는, R410A를 이용했을 때의 COP가 4.00임에 대하여, R32를 이용했을 때의 COP가 4.33인 것을 나타내고 있다. 이것들로부터 알 수 있는 바와 같이, R32를 이용하여 냉매량을 적절한 범위로 설정하면, R410A를 이용했을 경우에 비해서 훨씬 높은 COP가 얻어진다. 이와 같이 COP가 개선된 요인으로서는, 냉매의 물성에 의한 개선분에 더하여, 압손이 적은 것에 의한 개선분과 냉매의 열전달이 향상된 것에 의한 개선분과가 열거된다.
또한, 도 1A, 1B로부터, R32를 이용한 경우의 COP의 피크를 제공하는 최적의 냉매량은, 냉방운전일 때 960g, 난방운전일 때 840g으로 구해진다. 한편, R410A를 이용한 경우의 최적인 냉매량은, 냉방운전일 때 1300g, 난방운전일 때 1100g으로 구해진다. 이 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, R32를 이용한 경우는, R410A를 이용한 경우에 비하여, 냉/난의 최적인 냉매량의 비율이 1에 가깝게 된다. 따라서, 냉/난의 냉매 조정용 용기를 불필요하게 할 수 있고, 또는 어큐뮬레이터의 소용량화를 실현할 수 있다.
한편, 이 실시형태에서는 히트 펌프식 공기조화기에 대하여 기술하였으나, 당연하지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 이 발명은, 냉매로서 R32를 이용하여 냉동 사이클을 실행하는 장치에 넓게 적용할 수 있다.
또한 당연하지만, 이 발명의 원리는, R32 단일 냉매만이 아니라, R32를 적어도 70중량 퍼센트 포함하는 혼합냉매에도 확장하여 적용될 수 있다. 예를 들면, 혼합냉매로서 R32와 R125의 혼합물이 생각된다. R32와 R125의 혼합냉매에서는, R32가 70중량 퍼센트까지의 영역은 액체의 조성과 발생 증기 조성과가 같은 공비역으로 되며, 그것 이상에서는 비공비역으로 된다. 따라서, R32의 함유량이 증대함에 따라서 R32의 특성이 명확하게 나타나며, 비공비역에서는 R32의 특성이 보다 현저하게 나타난다.
본 발명자의 실험에 의하여, R32를 적어도 70중량 퍼센트 포함하는 냉매를 이용하는 경우에 있어서, 냉매회로에 대한 R32의 충전량이 냉동능력 1㎾당 84g∼450g의 범위내에 있을 때, 또는 냉매회로에 대한 R32의 충전량이 응축기의 내용적 1리터당 280g∼750g의 범위내에 상당할 때, 높은 COP가 얻어지는 것이 확인되었다.
도 5는, R125와의 혼합냉매에서의 R32의 함유량과 에너지 효율의 관계를 나타낸다. R32의 함유량이 70중량 퍼센트 이상에서는 에너지 효율의 상승이 현저하고, R32가 약 80중량 퍼센트를 넘으면, R22의 에너지 효율을 능가한다. 즉, R32의 함유량이 70중량 퍼센트 이상에서, 높은 COP를 얻을 수 있다.
이와 같이, R32 단일 냉매 및 R32를 적어도 70중량 퍼센트 포함하는 혼합냉매는, 도 1 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 종래의 R22등의 냉매에 비하여 COP가 동등이상이다. 또한, R32의 지구 온난화 계수 GWP는, 상술한 바와 같이, 종래의 R22등의 그것과 비교하면 약 ⅓로서 극히 낮다. 이 때문에, R32등의 총 등가 온난화 영향 TEWI는, R22나 R410A의 TEWI보다도 낮아지며 (저하율 10∼20%), R32는 R22나 R410A에 비교하여 우수한 지구 온난화 특성을 나타낸다.
이와 같이, R32 냉매 및 R32를 적어도 70중량 퍼센트 포함하는 혼합냉매는, 오존층의 파괴를 일으키지 않을 뿐만 아니라, 지구 온난화 계수 GWP나 총 등가 온난화 영향 TEWI가 작고 성적계수 COP가 크기때문에, 지구 온난화 대응 에너지 절약형 냉매라고 말할 수 있다.
또한, R32 냉매를 이용한 냉동장치에서는, 도 6에 나타내는 바와 같이, R32 냉매가 R410A 냉매보다도 적은 냉매 충전량으로 높은 COP가 얻어지며, 나아가서, 냉방시의 최적 냉매량과 난방시의 최적 냉매량과의 차도 작다. 즉, R32 냉매는, R410A 냉매에 비해서 열반송 능력이 높고, 적은 냉매 충전량으로 충분한 능력이 얻어짐과 함께, R410A 냉매에 비해서, 냉방시의 최적 냉매량과 난방시의 최적 냉매량과의 차가 작기 때문에, 냉동장치에 사용하는 냉매량을 삭감할 수 있다.
도 7은, R32, R410A, R22의 각 냉매의 냉동능력에 대한 어큐뮬레이터 및 리시버의 용적을 나타낸다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 냉동능력이 4㎾이하의 냉동장치에서는, 어큐뮬레이터나 리시버가 필요없게 된다. 따라서, R32를 이용한 냉동장치에서는, 어큐뮬레이터나 리시버가 불필요하게 되기 때문에, 냉동장치의 제조원가를 낮출 수 있음과 더불어 냉동장치의 소형화가 가능하게 된다.

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 압축기(23), 응축기(22), 팽창수단(26) 및 증발기(2)를 구비한 냉매회로에, 냉매로서 R32를 순환시켜서 냉동 사이클을 실행하는 냉동장치에 있어서,
    상기 냉매회로에 대한 상기 R32의 충전량이 상기 응축기의 내용적 1리터당 400g∼750g의 범위내에 상당하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
  3. 삭제
  4. 압축기(23), 응축기(22), 팽창수단(26) 및 증발기(2)를 구비한 냉매회로에, R32를 적어도 70중량 퍼센트 포함하는 혼합냉매를 순환시켜서 냉동 사이클을 실행하는 냉동장치에 있어서,
    상기 냉매회로에 대한 상기 R32의 충전량이 상기 응축기의 내용적 1리터당 280g∼750g의 범위내에 상당하는 것을 특징으로 하는 냉동장치.
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