KR100398093B1 - 냉장고/에어컨용 혼합냉매 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 냉장고 및 자동차 에어컨용 냉매에 있어서 1,1,1,2-테트라플루오로에탄 60-99.8%, 1,1-디플루오로에탄 0.1-20%, 디메틸에테르 0.1-20%로 구성된 근공비성 혼합냉매에 관한 것이다. 본 발명의 혼합냉매는 오존파괴 지수가 전혀 없으며 기존의 냉장고 및 자동차용 에어컨에서 CFC12의 대체냉매로서 냉동성능계수 및 압축기의 냉동체적용량 등이 우수하여 기존의 압축기나 윤활유를 바꾸지 않고도 CFC12를 대체할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 가정용 냉장고 및 자동차 에어컨 등에 냉매로 이용되어온 디클로디플루오로메탄(CCI2F2:이하 CFC12라 한다)을 대체할 수 있는 복수의 수소화불화탄소 및 디메틸에테르((Dimethylether)로 구성된 혼합냉매에 관한 것이다.
종래 냉동/공조기의 냉매로서 메탄 또는 에탄에서 유도한 염화불화탄소(Chloro-Fluoro-Carbon: 이하 CFC라 한다)와 수소를 함유하는 '수소화염화불화탄소'(Hydro- Chloro-Fluoro-Carbon: 이하 HCFC라 한다)를 주로 사용해 왔으며 특히 가정용 냉장고 및 자동차용 에어컨 등에는 비등점이 -29.79℃이고 분자 질량이 120.93kg/kmol인 디클로로디플루오로메탄(이하 CFC12라 한다)을 주로 사용되어 왔다.
최근 CFC에 의한 성층권 내 오존층의 파괴가 중요한 지구환경 보호문제로 대두됨으로써 성층권 오존파괴 가능성이 높은 CFC의 사용 및 생산이 몬트리얼 의정서에 의해 크게 제한 받고 있다. CFC12의 오존파괴지수(ODP, CFC11의 ODP를 1.0으로 해서 기준으로 사용함)는 0.9로서 CFC 계열의 냉매 중 매우 큰 편에 속하며 이는 몬트리얼 의정서에 의거하여 그 생산 및 사용이 제한되어 있다. 따라서 현재는 대부분의 국가들이 HCFC와 같이 ODP가 0.0에 가깝거나 HFC나 자연냉매 같이 ODP가 0.0인 대체냉매를 사용하려 하고 있고 이들을 개발하기 위해 많은 연구 및 개발 투자를 하고 있다.
CFC12의 대체냉매로서 유용하려면 우선 기존의 CFC12와 비슷한 증기압을 지녀서 기존의 압축기를 크게 개조하지 않고도 시스템에 그대로 적용할 수 있어야 하며 또한 시스템에 충전하여 그 성능을 측정했을 때 기존 냉매의 냉동성능계수(Coefficient of performance : 이하 COP라 한다)와 비슷한 냉동성능계수를 내야만 한다. 여기에서 말하는 냉동성능계수(COP)란 압축기에 가한 일과 대비한 총 냉동효과를 의미하는 것으로서 COP가 클수록 냉동기의 에너지 효율이 좋다고 할 수 있다.
한편 냉동/공조기 설계시 COP와 더불어 가장 중요하게 생각하는 인자는 체적능력(Volumetric capacity : 이하 VC라 한다)이다. VC는 단위 체적당 냉동 효과를 의미하는 변수로 단위는 kJ/m3인데 VC는 증기압에 비례하며 압축기의 크기를 나타내주는 인자이다. 대체냉매가 기존의 CFC12의 냉동 능력을 낼 수 있다면 제조업체나 소비자의 입장에서 볼 때에 압축기의 크기를 바꾸지 않고도 냉동/공조기를 제작할 수 있어 매우 유리하다 할 수 있다.
지금까지의 연구 결과를 살펴보면, 지금까지 알려진 단일냉매로 CFC12를 대체하는 경우 그 대체냉매의 체적용량(VC)이 CFC12와 다르므로 필연적으로 압축기를 교환해야만 하며 또한 CFC12와 비슷한 성능계수(COP)를 내기가 어렵다는 것이 밝혀졌다. 이를 해결할 수 있는 유용한 방법 중 하나가 바로 혼합냉매를 이용하는 것이다. 혼합냉매의 특성은 조성을 잘 배합하여 기존의 냉매와 같은 증기압을 내게 할 수 있으며 동시에 기존에 쓰던 동일한 윤활유를 사용하므로 압축기를 바꿀 필요가 없다는 것이다. 이런 특성 때문에 지난 몇 년간 CFC12의 대체물로서 여러 가지 혼합냉매가 제안된바 있다.
미국의 듀퐁사에서는 HCFC와 HFC로 구성된 MP-39(53%CFC22/34%CFC124/13%CFC152a), MP-66(61%CFC22/28%CFC124/11%CFC152a), MP-52(33%CFC22/52%CFC124/15%CFC152a) 등의 3원 혼합냉매를 개발하여 현재 시판하고 있고, 몬로 에어 테크닉(Monroe Air Tech)사는 HCFC와 탄화수소로 구성된 GHG-X3(65%CFC22/4%R600a/31%CFC142b)라는 3원 혼합냉매를 개발하여 시판하고 있으며, 그밖에도 HCFC와 HFC 그리고 탄화수소로 구성된 FRIGC(39%CFC124/59%CFC134a/2% R600)이라는 3원 혼합냉매가 시판되고 있다.
본 발명의 목적은 오존파괴지수(ODP)가 0.0이므로 성층권 오존층에 전혀 영향을 미치지 않으며 동시에 압축기나 윤활유 등을 바꾸지 않고도 가정용 냉장고 및 자동차 에어컨 등과 같은 냉동/공조기에서 CFC12의 대체물로 유용하게 사용할 수 있는 혼합냉매를 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에서 사용한 일반적인 냉동/공조기의 구성도이다.
도 2는 본 발명에서 사용한 냉동/공조기 실험장치의 구성도이다.
- 도면중 주요부분에 대한 부호의 설명 -
1 : 압축기 2 : 응축기 3 : 팽창벨브 4 : 증발기
5 : 수증기 유량계 6 : 열교환기 7 : 냉각기 8 : 냉매유량계
9 : 필터 10 : 투시구 11 : 물유량계 12 : 벨브
13 : 가열기
Qc : 응축기에서의 열흐름 방향(냉매→공기)
Qe : 증발기에서 열흐름 방향(공기→냉매)
TS1 : 증발기 공기 입구온도 TS7 : 증발기 공기 출구온도
TS3 : 응축기 공기 출구온도 TS6 : 응축기 공기 입구온도
T : 온도 P : 압력 TP : 서모파일(Thermo pile)
SLHX : 흡인관 열교환기(Suction Line Heat Exchange)
본 발명은 1,1,1,2-테트라플루오로에탄(이하 R134라 한다), 1,1-디플루오로에탄(이하 R152a라 한다) 그리고 디메틸에테르(이하 RE170라 한다) 등으로 구성된 3원 혼합냉매에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로 말하자면, 본 발명은 이미 상용화되어 있는 CFC12 대체 혼합매체에 비해 CFC12의 COP와 VC에 더 접근하거나 대개의 경우 그것들보다 더 좋으며 오존파괴지수가 월등하게 낮아 환경문제를 일으키지 않는 근공비성 혼합냉매(Near-azeotropic refrigerant mixture)에 관한 것이다.
CFC12 대체냉매를 개발하기 위하여 본 발명자는 먼저 냉동/공조기의 성능을 모사하는 프로그램을 만들었다. 제1도는 증발기, 응축기, 압축기, 팽창 밸브 등으로 구성된 일반적인 냉동/공조기의 개략도이다. 사이클 모사 프로그램에서는 먼저 냉동/공조기를 구성하는 요소들 즉 열교환기 및 압축기 등에 대한 열역학 및 열전달적 해석을 수행하였고 최종적으로 이들을 다 조합한 전체 프로그램을 개발했다. 이렇게 개발한 프로그램의 정확도를 결정하는 중요한 인자 중 하나는 냉매들의 물성치이다. 본 프로그램에서는 미국 및 일본 등에서 표준으로 삼고 있는 CSD(Carnahan-Starling-De Santis) 상태 방정식을 사용하여 모든 냉매의 물성치를 계산했다. 이 CSD 상태 방정식은 미국 표준 연구소(National Institute of Standards and Technology)에서 개발한 것으로 여러 제조사와 연구소 학교 등의 연구 프로그램을 통해 이미 그 정확성 및 적용성 등이 증명된 것이다. 이번에 만든 냉동/공조기 프로그램의 개발 및 실행을 위한 설계 및 입력 데이터는 가능한 한 현존하는 실제 데이터를 사용했다.
본 발명자는 냉동/공조기용 CFC12 대체냉매의 오존파괴지수가 매우 낮아야만 한다는 판단 하에 염소를 전혀 포함하지 않는 HFC134a와 HFC152a 그리고 자연 냉매인 RE170을 조합한 혼합냉매를 개발하여 효과적으로 CFC12를 대체할 수 있도록 했다. 표 1은 몇몇 순수냉매의 환경 지수를 보여주는데 여기서 ODP는 CFC11의 ODP를 1.0으로 했을 때의 상대적인 값이며 지구온난화지수(Global Worming Potential : 이하 GWP라 한다)는 이산화탄소의 GWP를 1.0으로 했을 때의 상대적인 값이다.
| 냉매 | ODP(오존파괴지수) | GWP(지구온난화지수) |
| CFC12 | 0.9 | 8,500 |
| HFC134a | 0.0 | 1,300 |
| HFC152a | 0.0 | 450 |
| RE170 | 0.0 | 3 이하 |
표 2는 자동차 에어컨 사용 조건 하에서 전산해석 사이클 프로그램을 이용하여 계산한 결과들을 요약한 것으로 기준이 되는 CFC12와 본 발명자가 제안하는 CFC12 대체 혼합냉매들의 성능 지표들을 보여 준다. 표 2를 통해 알 수 있듯이 본 발명자가 제안하는 모든 냉매가 대부분의 조성에서 기존의 CFC12에 비해 냉동능력은 우수하며 성능계수는 거의 비슷한 것으로 나타났다. 또한 온도구배차(Gliding temperature difference)도 최대값이 0.18℃로 거의 0.0℃에 가까워 공비 혼합물로 보아도 무방함을 알 수 있다. 한편 오존파괴지수는 모두 0.0이므로 오존층 보존 측면에서도 매우 우수하다고 할 수 있다. 끝으로 이 냉매들의 압력비도 CFC12와 비슷하여 압축기에 전혀 문제가 없을 것으로 나타났다.
이 같은 이론적 결과들을 증명하기 위해 실제로 냉동 시스템을 제작하여 자동차 에어컨 조건 하에서 실험을 수행했다. 제2도는 CFC12 대체 혼합냉매의 성능을 측정하기 위한 자동차 에어컨의 구성도를 개략적으로 보여준다. 본 실험에서 증발기와 응축기로 사용한 열교환기는 내경 19.01mm, 외경 25.4mm, 길이 740mm의 이중관 형태의 동관을 8개씩 직렬로 연결하여 만들었다. 본 실험 장치의 압축기로는 현재 자동차 에어컨용 압축기로 쓰이는 스와시 플레이트 형식의 압축기를 전기 모터와 인버터에 연결하여 사용하였다. 압축기의 윤활유로는 기존의 CFC12에 사용되는 광유(mineral oil)를 그대로 사용했다. 한편 증발기로 들어가는 냉매의 양과 압력을 조절하기 위해 미세조절이 가능한 수동식 팽창밸브를 사용하였다.
증발기 및 응축기 내에서 냉매 및 물의 온도를 측정하기 위해 각각 20 개 이상의 T 형식의 열전대를 열교환기 연결 부위의 냉매 및 물이 흐르는 관속에 삽입하였고, 모든 열전대는 사용에 앞서 정도 0.01℃의 정밀 온도계로 보정했다. 증발기의 용량을 결정하기 위해서는 증발기로 흐르는 2차유체의 유량 및 온도차를 정확히 측정해야한다. 2차유체 측의 온도차를 정확히 측정하기 위해 정도 0.01℃의 정밀 온도계를 물 측 입출구에 삽입하여 직접 온도차를 측정하였다. 압축기의 흡입온도와 토출온도도 측정하여 압축기의 안정성이나 냉매의 혼합비에 따른 변화도를 측정하여 다음 표 2에 나타냈다.
| 냉매 조성(wt%) | COP | VC(kJ/m3) | GTD(℃) | ODP | PR | COP 차(%) | VC 차 (%) | |||
| CFC12 | R134a | R152a | RE170 | |||||||
| 100 | - | - | - | 2.418 | 1813 | 0.00 | 0.90 | 4.5 | 0.0 | 0.0 |
| - | 99.8 | 0.1 | 0.1 | 2.319 | 1828 | 0.006 | 0 | 5.22 | -4.09 | 0.83 |
| - | 98.0 | 1.0 | 1.0 | 2.33 | 1835 | 0.054 | 0 | 5.21 | -3.64 | 1.21 |
| - | 94.0 | 3.0 | 3.0 | 2.354 | 1848 | 0.124 | 0 | 5.18 | -2.65 | 1.93 |
| - | 90.0 | 5.0 | 5.0 | 2.376 | 1858 | 0.159 | 0 | 5.16 | -1.74 | 2.48 |
| - | 86.0 | 7.0 | 7.0 | 2.397 | 1866 | 0.172 | 0 | 5.14 | -0.87 | 2.92 |
| - | 80.0 | 10.0 | 10.0 | 2.427 | 1875 | 0.167 | 0 | 5.12 | 0.37 | 3.42 |
| - | 74.0 | 13.0 | 13.0 | 2.454 | 1880 | 0.148 | 0 | 5.09 | 1.49 | 3.70 |
| - | 70.0 | 15.0 | 15.0 | 2.471 | 1882 | 0.133 | 0 | 5.08 | 2.19 | 3.81 |
| - | 64.0 | 18.0 | 18.0 | 2.495 | 1883 | 0.111 | 0 | 5.06 | 3.18 | 3.86 |
| - | 60.0 | 20.0 | 20.0 | 2.509 | 1882 | 0.097 | 0 | 5.05 | 3.76 | 3.81 |
| - | 54.0 | 23.0 | 23.0 | 2.530 | 1880 | 0.079 | 0 | 5.03 | 4.63 | 3.70 |
| - | 50.0 | 25.0 | 25.0 | 2.543 | 1877 | 0.070 | 0 | 5.02 | 5.17 | 3.53 |
| - | 44.0 | 28.0 | 28.0 | 2.562 | 1872 | 0.058 | 0 | 5.00 | 5.96 | 3.25 |
| - | 40.0 | 30.0 | 30.0 | 2.573 | 1868 | 0.052 | 0 | 4.99 | 6.41 | 3.03 |
| ○COP : 냉동성능계수(Coefficient of performance) =○VC : 압축기의 냉동체적 용량(Volumetric capacity)○GTD : 온도구배차(Gliding temperature difference, 9℃ 이하이면 실제시스템에 적용시 문제가 없음)○ODP : 오존파괴지수(오존층 파괴를 막기 위해 가능하면 낮을수록 좋다)○PR : 압축기 토출압력과 흡입압력의 비(기준 냉매와 비슷한 것이 좋음)○COP 차 : CFC12 대비 냉동성능계수의 차이○VC 차 : CFC12 대비 압축기 냉동체적용량의 차이 |
한편 증발기와 응축기의 입출구에는 모세관을 삽입하여 압력 측정포트를 만들었고, 정도가 0.1% 미만인 정밀 압력 변환계를 이용하여 냉매 측 압력을 측정하였다. 압축기의 소요동력은 정도가 0.2% 미만인 정밀 토크 미터를 이용하여 측정하였다. 공조기의 용량을 정확히 결정하기 위해서는 증발기 측 2차유체의 질량유량을 정확하게 측정해야 하며 냉매 측 및 2차유체 측의 에너지 균형이 맞는 가를 살펴보기 위해서는 냉매 측의 유량을 측정해야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 코리올리스 힘의 원리를 이용하여 점도나 밀도 등 유체의 물성치에 영향을 받지 않고 0.2%의 고정도를 갖는 질량 유량계를 이용하여 증발기 측 2차유체의 유량과 시스템 내부를 순환하는 냉매의 유량을 정확하게 측정하였다. 끝으로 온도, 압력, 유량 등의 데이터를 수집하였으며 이렇게 수집한 데이터는 컴퓨터의 하드디스크에 저장하여 추후에 데이터 해석을 위한 프로그램을 이용하여 분석할 수 있게 했다.
실험을 수행할 때는 이론적으로 계산을 수행한 냉매 중 대표성을 띤 6 가지 조성의 냉매만을 취하여 그 성능을 측정했다. 표 3은 실험 결과를 요약하여 보여 준다. 표 3을 통해 알 수 있듯이 본 발명에서 제안하는 냉매들은 성능계수와 용량 면에서 CFC12에 비해 각각 11.8-16.9% 그리고 16.7-19.8% 정도 높은 것으로 나타났다. 또한 압축기 토출온도도 CFC12와 거의 비슷하여 시스템 성능에 전혀 영향을 미치지 않을 것으로 생각된다. 한편 냉매 충진량은 13-27%까지 감소하여 제조시 단가를 많이 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
| 냉매 | 조성(wt%) | COP | 용량(W) | 토출온도(℃) | COP 차이(%) | 용량 차이 (%) | ||
| R134a | R152a | RE170 | ||||||
| CFC12 | - | - | - | 2.15 | 3576 | 85.5 | 0.0 | 0.0 |
| 실시예 1 | 96 | 2 | 2 | 2.40 | 4284 | 85.5 | 11.8 | 19.8 |
| 실시예 2 | 95 | 2 | 3 | 2.42 | 4296 | 84.3 | 12.6 | 20.1 |
| 실시예 3 | 90 | 5 | 5 | 2.42 | 4253 | 86.2 | 12.6 | 18.9 |
| 실시예 4 | 80 | 10 | 10 | 2.45 | 4219 | 86.6 | 14.0 | 18.0 |
| 실시예 5 | 70 | 15 | 15 | 2.49 | 4207 | 86.7 | 15.7 | 17.7 |
| 실시예 6 | 60 | 20 | 20 | 2.51 | 4173 | 83.1 | 16.9 | 16.7 |
| ○ 용량 : 동일한 압축기를 사용할 때 얻을 수 있는 증발기 용량○ 토출온도 : 압축기 토출온도(기준이 되는 냉매에 비해 ±10℃ 내에 들면 문제가 없는 것임) |
본 발명의 혼합냉매는 오존파괴지수가 전여 없으며 CFC12의 대체냉매로서 냉동성능 계수 및 냉동체적 용량이 우수하여 기존의 압축기나 윤활유를 바꾸지 않고도 CFC12를 대체할 수 있는 효과가 있다.
Claims (1)
- 냉동/공조기용 냉매에 있어서 1,1,1,2-테트라플루오로에탄 60-99.8 중량%, 1,1-디플루오로에탄 0.1-20 중량%, 디메틸에테르 0.1-20 중량%로 조성된 근공비성 혼합냉매.
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