KR100696805B1 - 환경친화형 저온저장시스템 혼합냉매 조성물 - Google Patents

환경친화형 저온저장시스템 혼합냉매 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가정 및 산업용 에어컨에 주로 사용하고 있는 프레온계 냉매 HCFC-22를 대체함에 있어, 종전의 냉동기 시스템의 구조 변경을 최소화하여 냉매량 조정만으로 곧바로 적용할 수 있는 환경친화적인 고온용 혼합 냉매 조성물을 제공한다. 냉매 HCFC-22를 대체하기 위한 본 발명의 고온용 혼합 냉매의 조성물은, 전체 고온용 냉매 조성물에 대해, 25～35 중량%의 프로판과 30～50 중량%의 1,1-디플루오로에탄 및 25～35 중량%의 플루오르화 에틸[CH3-CH2F] 을 함유하고, 임의로 이산화탄소(CO2), 트리플루오로 메틸아이오드(CF3I) 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택되고, 탄화수소계 냉매가 가지고 있는 가연성을 개선하고 냉동기 구성부품 중 증발기내에서 냉동유의 원활한 유동과 냉매의 체적냉동능력을 보완하기 위한 첨가제를 5 중량％ 이내로 추가로 함유하여 이루어진다.
프레온 냉매, 탄화수소 냉매, 냉동유, 열량계, 냉동능력, 성능계수

Description

환경친화형 저온저장시스템 혼합냉매 조성물{THE ENVIRONMENTAL REFRIGERANT MIXTURE FOR REFRIGERATING SYSTEM}
도 1은 공비 혼합냉매에 대한 해석 및 측정 조건을 압력-엔탈피 선도를 이용하여 도시한 것이다.
본 발명은 오존층 파괴와 지구 온난화의 주범인 프레온계 냉매 HCFC-22의 대체물질로서, 환경친화적이며 기존의 HCFC-22 냉매를 사용하는 냉동기의 시스템 설계 변경을 하지 않고 냉매량 조정만으로 곧 바로 적용 가능한 고온용 냉동기에 사용되는 고온용 혼합 냉매 조성물에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 a) 프로판, b) 프로필렌과 1,1-디플루오로에탄으로 구성되는 군 중에서 선택되는 어느 하나, 및 임의로 c) 이산화탄소(CO2), 트리플루오로 메틸아이오드(CF3I) 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택되고, 탄화수소계 냉매가 가지고 있는 가연성을 개선하고 냉동기 구성부품 중 증발기내에서 냉동유의 원활한 유동과 냉매의 체적냉동능력을 보완하기 위한 첨가제를 함유하는 고온용 혼합 냉매 조성물에 관한 것으로서, 상기 조성물은 지구 오존층파괴와 지구 온난화지수에 대한 영향을 최소화하여 환경친화적이고, 기존의 프레온계 냉매인 HCFC-22를 사용하는 냉동기 시스템의 설계변경을 최소화하기 위하여 체적냉동능력이 우수하고 증기압특성이 HCFC-22와 유사하고, 증발 및 응축과정에서의 온도구배를 최소화하기 위한 공비혼합물 특성을 갖는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 가정 및 산업용 에어컨 등의 냉동기에 사용되는 냉매 조성물에 관한 것이다.
냉동기 사이클(Cycle)은 압축기, 응축기, 증발기, 팽창밸브, 드라이어, 오일(油) 분리기, 액(液）분리기 등으로 구성되어 있다. 냉동기는 열역학 제2법칙을 이용하여 압축기로 하여금 소정의 일을 수행시킴으로서 저열원(低熱源)에서 열을 흡수하여 온도가 높은 고열원(高熱源)으로 열을 이동하는 것을 목적으로 한다. 냉동 사이클에서 사용되고 있는 냉매는 증발기에서 저온(低溫）증발하여 주위의 열을 흡수하고, 압축기에서 고온(高溫), 고압(高壓)의 기체로 압축되며 응축기에서 다시 냉각되어 고압의 액상으로 상태변화한 것을 팽창밸브를 거치면서 감압되어 증발기내에서 증발함으로서 냉동기 사이클 내부를 순환하며 연속적으로 냉동작용을 한다．
이러한 냉매는 그 사용 온도에 따라서 크게 고온용, 중온용 및 저온용으로 구별되며, 고온용 냉매는 사용 온도의 범위가 약 -35 ~ -15℃이고, 중온용은 -15 ~ +5℃이고, 고온용은 -10 ~ +10℃ 정도이다. 가정 및 산업용 에어컨 등의 고온용 냉동기에 가장 범용적으로 사용하고 있는 냉매의 예로는 HCFC계인 HCFC-22(또는 R-22로 표기함)를 들 수 있다. 그러나, HCFC-22 냉매는 우수한 열역학적 특성에도 불구 하고 지구 오존층파괴지수(ODP=0.05)와 지구 온난화지수(GWP=1500)가 높아 국제적 환경규제 물질로서 그 사용량을 엄격히 제한하고 있다.
따라서, HCFC-22 대체 냉매의 개발이 꾸준히 진행되어져 왔으며, 그 예로는 클로로플루오로카본계의 혼합 냉매인 R-502, 히드로플루오로카본계의 혼합 냉매인 R-407C 및 R-410A 및 탄화수소계인 R-290을 들 수 있다.
클로로플루오로카본계의 혼합 냉매인 R-502(CHF2Cl/CF2Cl-CF3)는 2종류의 냉매를 혼합해도 마치 1종류의 냉매와 같이 작용하는 공비혼합물의 특성을 나타내는 우수한 냉매이나, 지구오존층 파괴를 야기하는 환경 오염물질이어서 사용이 제한되어 있다.
R-407C는 3중 혼합냉매로서 R-32(CH2F2)/R-125(C2HF5)/R-134a(CF3-CH2F)의 혼합비가 23/25/52 중량%로 구성된 비공비 혼합물이며, 체적냉동능력이 HCFC-22와 거의 동등한 수준이다. 그러나, R-407C 냉매는 HCFC-22 냉매보다 응축 및 증발압력이 8.1% 정도 높아 성능계수가 저하되며, 비공비 혼합물 특성으로 인하여 증발 및 응축과정의 온도구배가 4∼5℃정도 발생하고 냉동기에 주입시 물질의 상변화에 따라 같은 냉매량을 주입하여도 성능편차가 발생하게 된다. 또한 냉동기유와 용해도가 저하되어 광유를 사용하지 못하고 특수 합성유인 에스터(Ester) 오일 또는 폴리알킬렌글리콜(PAG) 오일을 사용하여야 하는데 이 오일은 대기중에 노출시 수분을 무한정 흡수하여 냉동기의 치명적 손상을 야기하여 압축기를 비롯한 냉동기 시스템 및 제조설비의 대대적인 보완 없이 곧바로 적용이 불가능하다. 또한 지구 온난화지 수가 1530(CO2=1, 100yr)으로 매우 커서 비환경친화적이다는 문제점이 있다.
R-32(CH2F2)/R-125(C2HF5)의 혼합비가 50/50 중량%로 구성된 혼합 냉매인 R-410A는 증발 및 응축과정의 온도구배가 발생하지 않는 공비 혼합물이며, HCFC-22 냉매보다 체적냉동능력이 양호하다는 장점이 있다. 그러나, 응축 및 증발압력이 56%정도 상승되어 압축기를 비롯한 기존 냉동기 부품의 설계를 변경하지 않고는 곧 바로 냉매량 조정만으로 적용할 수 없다는 단점이 있다. 또한 냉동기유와 용해도가 저하되어 광유를 사용하지 못하고 특수 합성유인 에스터(Ester) 오일 또는 폴리알킬렌글리콜(PAG) 오일을 사용하여야 하는데 이 오일은 대기중에 노출시 수분을 무한정 흡수하여 냉동기의 치명적 손상을 야기하여 압축기를 비롯한 냉동기 시스템 및 제조설비의 대대적인 보완 없이 곧바로 적용이 불가능하다. 또한 지구 온난화지수가 1730(CO2=1, 100yr)으로 매우 커서 비환경친화적이다는 문제점이 있다.
HCFC-22의 대체 냉매 중 탄화수소계 냉매인 R-290(프로판)은 우수한 열역학적 특성과 지구온난화 지수가 3(CO2=1, 100yr)으로 매우 작아 실용화를 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나, R290은 증기압특성이 매우 커 압축기 모터를 비롯한 냉동기 시스템의 설계변경이 필요하고, 가연성 및 폭발성 등의 문제점이 있다. 그리고, 프로판과 펜타플루오로에탄(C2HF5)을 적절히 혼합한 냉매는 가연성이 개선되고 체적 냉동능력은 양호하나 응축 및 증발 압력이 증가되고 비공비 혼합물 특성으로 인하여 증발 및 응축과정에서 온도구배가 2∼3℃ 정도로 크게 나타나는 점에 서 문제가 있다. 즉 어느 것이나 기존의 히드로클로로플루오로카본계 냉매 HCFC-22를 사용하는 냉동기 시스템의 설계변경 없이 냉매량 조정만으로 곧바로 완전히 대체할 수 있는 특성을 가지는 것은 없다.
한편, 미국특허 US 5624595에 의하면 냉매의 가연성을 개선하기 위하여 첨가제로 실리콘 오일을 추가한 냉매가 제안되어 있다. 그러나 실리콘 오일은 액체상태로 존재하여 냉동기 사이클 내부를 순환함으로서 냉동능력을 저하시키며, 저온 상태를 유지하고 있는 증발기 부분에서 누적시 냉동기의 신뢰성에 치명적 영향을 주어 그 사용량을 엄격히 제한하고 있다. 또한 냉매를 제조한 후 장기간 용기내에 보관할 때 냉매와 분리되는 특성으로 인하여 용기로부터 실제 냉매가 기체상태로 방출할 때는 가연성 개선에 영향이 미미함을 알 수 있다.
상기에 제안된 HCFC-22 대체 냉매들을 사용하게 되면, 냉동 효율, 응축압력 및 증발압력 등의 차이로 인해 HCFC-22 냉매를 사용해왔던 냉동기 구성부품의 설계를 기본부터 변경할 필요가 있다. 이 설계변경은 막대한 비용이 들고 자원의 낭비가 된다. 그리고, HCFC-22 냉매를 사용한 기존의 가정 및 산업용 에어컨 등에 효과적으로 적용하기 어려울 뿐만 아니라 이들의 생산설비의 변경에 소요되는 비용은 헤아리기 힘들 정도로 막대하다.
따라서, HCFC-22 냉매를 사용하는 기존의 냉동기 시스템의 설계변경을 최소화하여 냉매량 조정만으로 HCFC-22를 대체할 수 있고, 체적냉동능력 및 성능계수가 우수하고, 증기압 특성이 우수하며, 냉동기유를 비롯한 냉동기의 각종 구성부품과 신뢰성이 확보되고, 증발 및 응축과정에서 온도구배가 발생하지 않는 공비혼합물에 대한 개발이 요청되어 왔다.
따라서, 본 발명의 목적은 환경 친화적이고, HCFC-22 냉매를 사용해왔던 기존 냉동기의 설계를 변경하지 않고 냉매량 조정만으로 곧 바로 적용 가능한 고온용 혼합 냉매 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 높은 성능 계수를 갖고, 환경 및 인체에 무해하고, 응축 및 증발 압력이 HCFC-22와 거의 동등하고, 냉동기유와의 상용성이 우수하고, 인화 및 폭발성이 현저하게 개선된 고온용 혼합 냉매 조성물을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적들은 a) 프로판, b) 프로필렌과 1,1-디플루오로에탄으로 구성되는 군 중에서 선택되는 어느 하나, 및 임의로 c) 이산화탄소, 트리플루오로 메틸아이오드 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택되고, 탄화수소계 냉매가 가지고 있는 가연성을 개선하고 냉동기 구성부품 중 증발기내에서 냉동유의 원활한 유동과 냉매의 체적냉동능력을 보완하기 위한 첨가제를 함유하는 고온용 혼합 냉매 조성물을 제공함에 의해 성취될 수 있다.
따라서, 본 발명의 관점은 전체 고온용 냉매 조성물에 대해, 25∼35 중량%의 프로판과 30∼50 중량%의 1,1-디플루오로에탄 및 25∼35 중량%의 플루오르화 에틸[CH3-CH2F] 을 함유하고, 임의로 이산화탄소(CO2), 트리플루오로 메틸아이오드(CF3I) 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택되고, 탄화수소계 냉매가 가지고 있는 가연성을 개선하고 냉동기 구성부품 중 증발기내에서 냉동유의 원활한 유동과 냉매의 체적냉동능력을 보완하기 위한 첨가제를 5 중량％ 이내로 추가로 함유하는 혼합냉매 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 두 번째 관점은 상기 혼합냉매 조성물을 포함하는 냉동기를 제공하는 것이다.
본 발명은 오존층 파괴와 지구 온난화의 주범인 프레온계 냉매 HCFC-22의 대체물질로서, 환경친화적이며 기존의 HCFC-22 냉매를 사용하는 냉동기의 시스템 설계 변경을 하지 않고 냉매량 조정만으로 곧 바로 적용 가능한, 고온용 냉동기에 사용되는 고온용 혼합 냉매 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고온용 혼합냉매 조성물은 a) 프로판, b) 프로필렌과 1,1-디플루오로에탄으로 구성되는 군 중에서 선택되는 어느 하나, 및 임의로 c) 이산화탄소, 트리플루오로 메틸아이오드 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택되고, 탄화수소계 냉매가 가지고 있는 가연성을 개선하고 냉동기 구성부품 중 증발기내에서 냉동유의 원활한 유동과 냉매의 체적냉동능력을 보완하기 위한 첨가제를 함유한다.
보다 구체적으로는, 본 발명에 따른 혼합냉매 조성물은, 전체 혼합냉매 조성물에 대해, 탄화수소계인 프로판(C3H8) 25∼35 중량%와 히드로플루오로카본계인 1,1-디플루오로에탄(CHF2-CH3) 30∼50 중량% 및 25∼35 중량%의 플루오르화 에틸 [CH3-CH2F] 을 함유한다.
탄화수소계 냉매가 가지고 있는 가연성을 개선하고 냉동기 구성부품 중 증발기내에서 냉동유의 원활한 유동과 냉매의 체적냉동능력을 보완하기 위해, 상기한 제1 조성물 및 제2 조성물은 이산화탄소(CO2), 트리플루오로 메틸아이오드(CF3I) 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택되는 첨가제를 전체 고온용 혼합 냉매 조성물에 대해 5 중량% 이하의 양으로 함유하는 것이 바람직하다.
본 발명의 구체예에 따르면, 전체 고온용 혼합 냉매 조성물에 대해 26 - 27 중량%의 프로판, 41-43 중량%의 1,1-디플루오로에탄, 29∼30 중량%의 플루오르화 에틸[CH3-CH2F]을 함유하며, 이산화탄소, 트리플루오로 메틸아이오드 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택되는 첨가제를 1-2 중량%의 양으로 함유하는 고온형 혼합 냉매 조성물이 가장 바람직한 결과를 제공하였다.
본 발명의 또 다른 구체예에 따르면, 프로판 가스의 가연성 개선, 증발기내에서 냉동유의 원활한 유동 및 냉매의 체적냉동능력의 보강을 수행하는 이산화탄소(CO2) 또는 트리플루오로 메틸아이오드(CF3I)는 그 함량이 약 1.5 중량%이면 인화점을 약 20 - 35% 정도 상승시켰고, 5 중량%이면 약 36 - 45% 정도를 상승시켰으며, 함량이 증가할수록 인화점이 상승하였다. 다만, 이산화탄소(CO2) 또는 트리플루오로 메틸아이오드(CF3I)의 함량이 과다할 경우, 냉동 성능의 저하를 야기할 수 있기 때문에 상기 첨가제는 전체 고온용 냉매 조성물에 대해 5 중량% 이하의 양으로 첨가 되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 구체예에 따르면, HCFC-22 냉매를 대체하기 위해 상기에 제시된 본 발명의 고온용 혼합 냉매 조성물은 냉매로서 가장 중요한 특성인 열역학적 성질(예를 들면, 기존의 HCFC-22 냉매 대비 우수한 냉동능력과 높은 성능계수(COP) 특성)이 우수하였으며, 안전성이 크게 강화되었으며, 환경친화적(즉 오존층파괴지수=0, 지구온난화지수=최소화)임을 보여준다.
본 발명의 또 다른 구체예에 따르면, 본 발명의 고온용 혼합 냉매 조성물은 증기압(증발/응축압력) 특성이 기존의 HCFC-22 냉매와 거의 동등하여 HCFC-22 냉매를 사용하고 있는 기존 냉동기의 설계를 변경하지 않고 냉매량 조정만으로 곧바로 적용(drop-In)할 수 있으며, 냉매 사용량을 절감할 수 있는 경제적인 물질임을 보여준다.
본 발명의 또 다른 구체예에 따르면, 본 발명의 고온용 혼합 냉매 조성물은 증발/응축 과정의 온도구배가 발생하지 않는 공비혼합물 특성을 갖추고 있음으로 인해 비공비 혼합물에 의해 발생하는 냉매의 상변화(액상/기상)에 따른 증발기와 응축기의 압력이 계속적 변화 이로 인한 시스템의 불안정을 해결하여 제조현장에서 냉매의 유지관리를 용이하게 하였다.
본 발명에 따른 고온형 혼합 냉매 조성물의 제조는 밀폐용기 내의 공기를 진공펌프를 이용하여 완전 진공상태로 하고, 이 밀폐용기 내에 탄화수소계 냉매가스인 프로판과, 플루오르화 에틸[CH3-CH2F], 1,1-디플루오로에탄 중 어느 하나를 순 차 또는 함께 주입하고, 소정의 시간동안 교반함에 의해 성취할 수 있다. 필요한 경우, 이 용기 내부에 이산화탄소(CO2) 또는 트리플루오로 메틸아이오드(CF3I)을 추가하여 탄화수소계 냉매가스의 가연성을 개선되고, 증발기내에서 냉동유의 유동성 및 냉매의 체적냉동능력이 보강된 고온용 냉매 조성물을 제조할 수 있다. 완성된 조성물은 밸브가 부착된 가스용기에 소정의 무게로 담아 출하한다. 상기 제조는 상온에서도 실행할 수 있다.
상기한 본 발명의 고온용 혼합 냉매 조성물은 성능계수가 높고 체적냉동능력이 우수하여 압축기, 응축기, 팽창밸브 증발기로 구성된 냉동기에 광범위하게 사용될 수 있다. 그리고 오일 분리기, 액분리기 등을 추가로 갖춘 냉동기에도 사용할 수 있다. 특히, 본 발명의 고온형 혼합 냉매 조성물은 증기압특성이 HCFC-22와 유사하여 HCFC-22를 사용하는 기존의 냉동기 시스템의 설계변경을 최소화할 수 있으며, CFC-12를 사용하는 왕복식, 회전식, 스크롤식 압축기 등 기존의 어떠한 압축기에도 시스템 변경 없이 적용할 수 있다는 장점이 있다.
상기한 본 발명의 고온용 혼합 냉매 조성물은 압축기 등의 마모를 방지하기 위한 냉동기유와 상용성이 우수하여. 국제표준화 기구ISO）에서 정한 규격품(ISO VG 10∼50)에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합 냉동기유와 범용적으로 사용될 수 있다. 특히, R-407C 및 R-410A와 달리, 가장 광범위하게 사용되어온 광유(Mineral oil)를 냉동기유로 사용할 수 있다.
본 발명의 고온용 혼합 냉매 조성물은 냉동 사이클의 응축기에서 버리는 열 량을 난방에 사용하는 히트펌프(Heat Pump）방식의 냉동기에도 적용 가능하다. 예를 들면, 실외에 있는 증발기에서 공기를 냉각시켜 실내에 있는 응축기에서 공기를 따뜻하게 하는, 즉 냉방과 난방이 모두 가능한 히트펌프식 에어컨 등에 적용할 수 있다.
이하, 실시예를 들어 본 발명의 보다 상세히 기술할 것이나, 이들 실시예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1
아래의 조성을 갖는 혼합냉매 조성물을 상기에 기술된 방법으로 제조하였다.
CH3CH2C3 CH3-CH2F CHF2CH3 첨가제
CO2 CF3I
시편 1(JER-20a) 26.5 30.0 42.0 1.5
시편 2(JER-20b) 26.5 30.0 42.0 1.5
시편 3(JER-20c) 30.0 30.0 40.0
시편 4(JER-20d) 25.0 25.0 48.5 1.5
시편 5(JER-20e) 34.0 35.0 29.5 1.5
실시예 2
실시예 1 에서 제조한 시편(단, 시편 1 ~ 10을 JER-20a ~ SR-20e로 명명)과, 비교의 목적하에, 고온용 냉매인 R-22, R407C, R410A 및 R290을 사용하여 비등점, 독성, 인화점, 열전달율, 증발잠열, 오존층 파괴지수 및 지수온난화지수를 포함하는 각종 냉매의 열역학적 성질을 측정하였으며, 그 결과를 아래의 표 2에 나타내었다.
냉매 항목 R22 R407C R410A R290 JER-20b JER-20c JER-20d
화학식 CHF2Cl HFC- Mixtures HFC- Mixtures C3H8 HC- Mixtures HC- Mixtures HC- Mixtures
분자량 86.5 95.2 86.0 44.1 45.0 43.3 42.6
비등점 (℃) -40.8 -44.0 -49.9 -42.1 -43.5 -44.5 -41.8
독성 None None None None None None None
인화점 (℃) None None None 470 690 470 680
열전달율 (W/m.K) 액상 0.097 0.103 0.115 0.1064 0.109 0.109 0.109
기상 0.010 0.011 0.012 0.0163 0.015 0.015 0.015
증발잠열(kJ/㎏) [at 0℃] 202.4 216.4 234.6 374.5 370.5 371.7 372.9
냉동기유 Mineral Ester Ester Mineral Mineral Mineral Mineral
오존층파괴지수 0.05 0 0 0 0 0 0
지구온난화지수 (CO2=1, 100yr) 1500 1530 1730 3 3 3 3
상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 고온용 혼합 냉매 조성물(JER-20 Series)은 프레온계 냉매(R22, R407C, R410A)에 대비하여 열전달 특성과 증발잠열, 오존층파괴, 지구온난화 영향 등의 특성이 매우 우수함을 알 수 있으며, 분자량이 작아 냉매 사용량을 절감할 수 있다. 또한, 상기 조성물은 종래 R407C 및 R410A와 달리 냉동기유로 광유를 사용할 수 있으며, 순수 탄화수소냉매(R-290) 대비 인화점이 크게 개선되었다.
실시예 3
HCFC-22 대체물질로서 제시한 탄화수소계 혼합냉매(JER-20 Series)가 여러 가지 냉매와 비교하여 가정 및 산업용 에어컨 등의 고온용(high back pressure) 냉동기에 곧 바로 대체 사용할 수 있는지 검토하기 위하여 체적냉동능력, 성능계수, 응축 및 증발압력, 압축비, 온도구배, 토출 개스 온도 등의 이론 사이클 특성 해석을 수행하였다. 이론 사이클 특성 해석을 위한 표준 조건은 ASHRAE 고온용(HBP) 표준조건으로서 도 1에서 보는 바와 같이 응축온도, 증발온도, 과냉각 온도, 과열 개스 온도, 압축기 주위온도에 의하여 설정된다.
이론 사이클 특성 해석을 위해 사용한 냉매 물성치 계산 프로그램은 단일 냉매의 경우 미국 냉동공조학회의 냉매물성 프로그램(NIST REFPROP 5.1)을 이용하였고, 본 발명의 새로운 혼합냉매(JER-20 Series)의 열역학적 성질을 계산하기 위하여는 평형 실험장치(Fig. 2)를 이용한 포화 온도-압력 특성을 측정하고, 실험 데이터와 계산값의 오차가 최소가 되도록 온도에 따른 새로운 상호 작용계수를 도입하여 예측하고 이 상호 작용계수와 CSD (Carnahan/Starling/DeSantis) 상태 방정식 및 열역학적 관계식들을 이용하여 첨가제가 혼합된 본 발명의 혼합냉매의 물성치를 계산할 수 있는 프로그램을 개발하여 이용하였다.
압축기의 체적효율 100%를 기준으로 위에서 언급한 프로그램을 이용하여 중량비 혼합비율에 따른 해석 결과를 표 3에 나타내었다.
R-22 R-407C R-410A R-290 R-1270 JER-20b JER-20c JER-20d
응축온도 (℃) 54.4 54.4 54.4 54.4 54.4 54.4 54.4 54.4
응축압력(Pc) (㎪) 2141 2316 3350 1883 2267 2156.0 2188.5 2203.5
입구(증기)온도 (℃) 54.4 56.66 54.46 54.4 54.4 54.45 54.44 54.50
출구(액)온도 (℃) 54.4 52.12 53.41 54.4 54.4 54.35 54.36 54.30
응축 온도구배 (℃) 0 4.54 0.15 0 0 0.10 0.08 0.20
증발온도 (℃) 7.2 7.2 7.2 7.2 7.2 7.2 7.2 7.2
증발압력(Pe) (㎪) 621.8 635 996.5 587.5 725 685.1 696.3 701.3
입구(증기＋액)온도 (℃) 7.2 4.8 7.14 7.2 7.2 7.15 7.16 7.30
출구(증기)온도 (℃) 7.2 9.6 7.26 7.2 7.2 7.25 7.24 7.10
증발 온도구배 (℃) 0 4.8 0.12 0 0 0.10 0.08 0.2
압축비(Pc/Pe) 3.44 3.67 3.36 3.21 3.13 3.15 3.14 3.14
토출온도 (℃) 100.9 94.2 102.2 83.8 90.45 88.9 89.4 89.7
흡입가스 밀도 (㎏/㎥) 23.07 23.24 31.7 11.12 13.39 12.77 12.92 12.99
체적냉동능력 (kJ/㎥) 3908.0 4063.1 5905.7 3420.5 4093.3 3903.7 3961.3 3990.5
증발잠열 (kJ/㎏) 169.4 174.8 186.3 307.6 305.7 305.7 306.6 307.2
성능계수 (w/w) 4.80 4.76 4.59 4.91 4.80 4.80 4.82 4.82
상기 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, HCFC-22 대체 냉매로서 검토되고 있는 R-407C 냉매의 경우 오존층 파괴지수는 0이나 지구온난화지수가 1530으로 매우 크고 냉동기유로서 광유를 사용하지 못하고 특수합성유인 에스터 오일을 사용하여야 하며, 체적냉동능력은 HCFC-22 대비 양호하나 성능계수가 저하되며 증발 및 응축압력 특성이 8%정도 상승되고 증발 및 응축과정의 온도구배가 4.5∼4.8℃정도 발생하는 비공비 혼합물특성을 보인다. R-410A 냉매는 R-407C 냉매의 비공비 혼합물특성은 개선하였으나 지구온난화지수가 1730으로 매우 크고 냉동기유로서 특수합성유인 에스터 오일을 사용하여야 하며. 체적냉동능력은 HCFC-22 대비 양호하나 성능계수가 저하되며 증발 및 응축압력 특성이 56%정도 상승되어 압축기를 비롯한 냉동기 핵심부품을 근본적으로 개선하여야만 적용할 수 있어 냉매량 조정만으로 곧바로 적용할 수 없다는 단점이 있다. 이에 비해, 본 발명의 혼합 냉매(JER-20 Series)는 HCFC-22 대비 지구온난화지수가 작고 냉동기유로서 광유를 사용가능하며 체적냉동능력 및 성능계수가 우수하고 증발 및 응축압력 특성이 양호하며 증발 및 응축과정의 온도구배가 발생하지 않는 공비혼합물 특성을 보였다.
실시예 4
한국산업규격(KS B 6365-1987)에 준하여 2차 냉매 열량계법을 이용하여 제작한 열량계 실험 장치를 사용하여, 에어컨용 고온용 압축기를 이용한 여러 가지 냉매의 성능 및 증발/응축 과정의 온도구배 측정하였으며, 그 결과를 표 4에 나타내었다.
항목 냉매 냉동능력 (㎉/hr) 소비입력 (W) 성능계수 (W/W) 전류 (A) 증발/응축 온도구배(℃) 비 고
R22 1402.0 535.0 3.046 2.48 0/0 ·압축기 : 44A056IV1 7.99CC/Rev ·냉동기유 : SUNISO 4GS
R407C 1435.8 555.0 3.004 2.59 4.8/4.6
JER-20b 1407.5 534.1 3.062 2.47 0.0/0.1
JER-20c 1428.2 540.6 3.070 2.49 0.0/0.05
JER-20d 1395.5 531.1 3.053 2.45 0.0/0.08
JER-20e 1383.0 525.2 3.060 2.45 0.0/0.02
상기 표 4에서 알 수 있는 바와 같이, R-407C는 냉동능력은 우수하나 증기압 특성이 높아 이로 인한 소비입력 증가로 성능계수가 저하되며 증발 응축과정의 온도구배가 4.6℃∼4.8℃ 수준으로 크게 발생함으로서 비공비 혼합물 특성을 보인다. 한편 R-410A 냉매는 아주 높은 증기압 특성으로 인하여 현재 HCFC-22를 사용하는 압축기에 시험조차도 할 수 없어 데이터가 제외되었다. 본 발명의 JER-20 Series 냉매는 HCFC-22 대비 냉동능력 및 성능계수 특성이 우수하며, 전류는 동등수준의 결과를 보임으로서 HCFC-22 대비 매우 우수한 품질 특성을 나타내었다. 또한, 증발/응축 과정에서의 온도구배 실험 결과를 보면, 본 발명의 고온용 혼합냉매 JER-20 Series는 증발/응축 과정에서의 온도구배가 0℃∼0.1℃ 수준으로서 단일냉매와 거의 유사한 매우 우수한 공비 혼합물 특성을 나타내었다. 즉 전체적으로 냉동능력 및 성능계수가 우수하고 공비혼합물 특성을 나타내는 본 발명의 혼합냉매 JER-20 Series 냉매는 기존의 HCFC-22 냉동기 시스템에 곧 바로 적용할 수 있는 조건을 갖추고 있음을 알 수 있다.
실시예 5
열량계 실험장치를 이용하여 본 발명의 혼합 냉매조성물으로서 프로판 30 중량%와 1,1-디플루오로에탄 40 중량% 및 25∼35 중량%의 플루오르화 에틸[CH3-CH2F] 에 각각 첨가제 이산화탄소(CO2) 또는 트리플루오로 메틸아이오드(CF3I)의 혼합비율을 조정하면서 혼합비에 따른 증발/응축과정의 온도구배를 측정한 실험결과를 표 5a 및 표 5b 에 나타내었다.
혼합냉매 조성물 CF3I 혼합비 (중량%) 0% 1.5% 5% 10% 20% 30% 40% 50%
온도구배 (℃) 0 0 0.02 0.7 1.2 1.8 2.0 2.5
CO2 혼합비 (중량%) 0% 1.5% 5% 10% 20% 30% 40% 50%
온도구배 (℃) 0 0 0.02 0.8 1.5 1.8 2.0 2.8
표 5는 첨가제의 혼합비율이 5중량% 이하에서는 증발/응축과정의 온도구배가 0.02℃ 이하의 매우 우수한 공비혼합물 특성을 보이나 첨가제의 혼합비율 증가할수록 증발/응축과정의 온도구배가 크게 발생하는 비공비 혼합물 특성을 나타냄을 보여준다.
실시예 6
본 발명의 고온용 혼합냉매 조성물 JER-20 Series를 적용한 냉동기 시스템의 신뢰성 검증를 위하여 냉동기의 핵심 부품인 압축기를 이용하여 신뢰성 평가 실험을 수행하였다. 이 실험은 미국 G.E사의 신뢰성 시험규격에 준한 과부하 마찰실험을 실시하였고 실험 장치는 일체형 응축/증발기, 송풍기, 팽창밸브와 모세관, 타이머, 수명 장치의 압력제어를 위한 기기로 구성된다. 이 실험 장치는 압축기의 흡입 및 토출압력 그리고 압축기 케이스 온도제어를 통하여 짧은 시간내에 가혹한 실험 조건을 만들어 압축기의 신뢰성을 판정하기 위하여 제작되었다. 흡입 및 토출압력 제어는 주로 팽창밸브와 모세관을 이용한 냉매의 유량을 조절함으로서 이루어지고, 일체형 응축/증발기의 표면 온도를 감지하여 송풍기의 회전속도를 추가적으로 제어함으로서 보다 정밀한 압력제어가 이루어지도록 하였다. 이 실험 장치의 크기를 최소화하기 위하여 증발기와 응축기를 일체화하였으며, 압축기 케이스의 온도제어는 송풍기를 이용하였다. 제한된 시간동안 압축기를 운전한 후 압축기를 분해하기 전에 냉동유를 비이커에 채집하여 전산가(total acid number), 수분, 색상을 분석한다. 최종적으로 압축기를 분해하여 신뢰성에 미치는 요소인 구동부의 마모상태, 유기자재의 유연성, 중량 및 크기변화 등을 평가하였다.
과부하 마찰실험은 주로 압축기의 구동부의 마찰 마모 상태를 검증하기 위하여 수행하였는데, 그 실험 결과는 표 6과 같다. 본 발명의 탄화수소계 혼합냉매 조성물 JER-20 Series는 특히 냉동유로서 광유[Mineral oil(상품명, SUNISO-4GS)]와의 과부하 실험결과 전산가가 작아 매우 우수한 특성을 보이며, 밸브 및 기계 구동 마찰부의 마모 특성이 HCFC-22 대비 동등 수준의 양호한 결과를 보였다.
냉매 압축기 오일 항목 R22 R-407C JER-20b JER-20c JER-20d JER-20e
44A056IV1 44A056IV1
Mineral (SUNISO-4GS) Ester (SUNISO-SL46) Mineral (SUNISO-4GS)
Wear No No No No No No
Ref. Oil Color (ASTM) L1.0 L0.5 L1.0 L1.0 L1.0 L1.0
TAN(0.1↓) (㎎KOH/g) 0.008 0.010 0.005 0.003 0.006 0.004
Water (20ppm↓) 0 5 0 0 0 0
실시예 7
본 발명의 혼합냉매조성물으로서 프로판 30 중량%와 1,1-디플루오로에탄 40 중량% 및 25∼35 중량%의 플루오르화 에틸[CH3-CH2F]로 이루어진 혼합물에 각각 첨가제로서 이산화탄소(CO2) 또는 트리플루오로 메틸아이오드(CF3I)의 혼합비율을 조정하면서 인화온도를 측정한 결과를 표 7에 나타내었다. 이 실험결과를 보면 첨가제의 혼합비율이 증가할수록 인화온도가 크게 개선됨을 알 수 있으나 첨가제가 5중량%를 초과할 경우 냉동능력이 저하되고 비공비 혼합물 특성을 보일 우려가 높아 5중량% 이하로 사용하는 것이 바람직하다.
혼합냉매 조성물 CF3I 혼합비 (중량%) 0% 1.5% 5% 10% 20% 30% 40% 50%
인화온도 (℃) 470 690 760 895 990 1100 1220 None
CO2 혼합비 (중량%) 0% 1.5% 5% 10% 20% 30% 40% 50%
인화온도 (℃) 470 680 750 880 970 1070 1200 None
실시예 8
본 발명의 혼합냉매(JER-20 Series)에 대하여 온도에 따른 포화압력을 측정하기 위하여 평형 실험장치를 이용하였다. 이 실험장치는 크게 평형장치, 냉매 회수용 탱크, 평형 장치의 온도제어를 위한 기기로 구성된다. 평형장치는 다시 평형 쉘과 마그네틱 펌프로 구성되어 있다. 평형 셀은 셀 내부를 관찰할 수 있도록 사이트 글라스(sight glass)를 부착하였고, 마그네틱 펌프는 혼합냉매의 평형이 쉽게 이루어지도록 기체와 액체 냉매를 순환시키는 역할을 한다. 평형 셀과 마그네틱 펌프는 항온조에 설치되어 있으며, 항온조의 온도는 외부 온도제어 장치에 의하여 조절된다. 항온조 내부의 열전달 매체로는 실리콘 오일이 사용되었다. 평형 실험을 위하여 먼저 항온조의 온도를 설정하고, 진공 펌프를 이용하여 사이클 내부를 진공(1Ｘ10-5 torr) 시킨다. 진공이 얻어지고 항온조의 온도가 설정되면 혼합냉매를 액체 상태로 평형셀 체적의 1/3 정도가 되도록 주입한다. 냉매가 주입된 후 마그네틱 펌프를 작동시켜 혼합 및 상평형이 잘 이루어지도록 한다. 냉매 주입 후 상평형이 이루어지면 온도 및 압력센서를 이용하여 온도에 따른 포화압력을 측정한다. 이 평형 실험장치를 사용하여 온도 -40℃∼60℃ 범위에 걸쳐서 여러 가지 냉매와 비교하여 온도에 따른 포화압력 측정값을 표 8에 나타내었다.
Refrigerant Temp.(℃) Pressure (㎪)
R22 R407C JER-20b JER-20c JER-20d JER-20e
60 2434 2628.5 2440 2455 2405 2426
55 2181 2348 2203 2216 2170 2189
50 1948 2091 1985 1995 1950 1968
45 1734 1855 1780 1790 1750 1764
40 1538 1639 1592 1600 1564 1576
0 497.7 514.3 559 564 542 550.6
-20 245 248 285 295 275 285.8
-25 201.2 202.6 238 246 230 238.3
-30 163.8 163.7 198 204 190 197.1
-35 132 131.1 159 168 157 161.5
-40 105.2 103.7 130 136.8 128 131.2
표 8에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 혼합 냉매 JER-20 Series 냉매는 HCFC-22 대비 저온영역에서는 다소 높은 압력특성을 보이나 고온영역에서 낮은 수준의 압력특성을 보여 전체적으로 압축비 측면에서 매우 우수한 특성을 보이며, R-407C 냉매 대비 고온영역에서 매우 양호한 압력특성을 보였다.
본 발명에 따른 고온용 탄화수소계 혼합냉매를 이용할 경우 몬트리얼 의정서에 의하여 지구환경 파괴 물질로서 규제 받고 있는 HCFC-22 냉매를 대체하여 사용할 수 있으며, 기존의 HCFC-22를 사용하는 냉동기 시스템의 설계변경 없이 냉매량 조정만으로 곧 바로 적용 가능하다. 따라서 기존의 냉동기 생산 설비의 추가적 보완이 불필요함으로서 냉동기 제품의 제조원가 개선에도 효과가 크다. 한편 냉매로서의 기능을 요약하면 다음과 같다.
（a）대기압 상태에서의 증발온도가 낮음. （b）응축 및 증발 압력이 HCFC-22 대비 동등 수준임. （c）증발잠열이 우수함. （b）응고점이 낮음. （e）체적 냉동능력이 우수함. （f）임계온도가 높음. （g）냉동기유와 상용성이 우수함. （h）점도가 작고 열전달 특성이 우수함. （i）전기 절연성이 우수하며 전기 절연물질을 침식시키지 않음. （j）인화 및 폭발성을 현저하게 개선하였음. （k）환경 및 인체에 무해함. （l）기존의 HCFC-22를 사용하는 냉동기에 설계변경 없이 냉매량 조정만으로 곧바로 적용가능 함.

Claims (3)

  1. 탄화수소계 냉매가스인 프로판 25～35 중량％와 히드로플루오로카본계 냉매가스인 1,1-디플루오로에탄 30～50 중량％ 및 25～35 중량％의 플루오르화 에틸[CH3-CH2F] 을 함유함유하며, 탄화수소계 냉매가 가지고 있는 가연성을 개선하고 냉동유의 원활한 유동과 냉매의 체적냉동능력을 보완하기 위해 이산화탄소, 트리플루오로 메틸아이오드 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택되는 첨가제를 5 중량％ 이내로 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 혼합냉매 조성물.
  2. 제2항에 있어서, 상기 고온용 혼합 냉매 조성물이, 전체 고온용 혼합 냉매 조성물에 대해, 26 - 27 중량％의 프로판, 41-43 중량％의 1,1-디플루오로에탄, 29～30 중량％의 플루오르화 에틸[CH3-CH2F]을 함유하며, 이산화탄소, 트리플루오로 메틸아이오드 및 이들의 혼합물로 구성되는 군에서 선택되는 첨가제를 1-2 중량％의 양으로 함유하는 혼합냉매 조성물.
  3. 삭제
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