KR100309445B1 - 디플루오로메탄과1,1-디플루오로에탄을포함하는냉매혼합물 - Google Patents

디플루오로메탄과1,1-디플루오로에탄을포함하는냉매혼합물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제 1 성분으로 디플루오로메탄(CH2F2, 이하 HFC-32), 제 2 성분으로 1,1-디플루오로에탄(CH3CHF2, HFC-152a)를 포함하고, 제 3 성분으로 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(CF3CHFCF3, HFC-227ea), 이소부탄(CH(CH3)2CH3, R-600a), 1,1,1,2,3,3-헥사플루오로프로판(CHF2CHFCF3, HFC-236ea), 부탄(C4H10, R-600), 비스(디플루오로메틸)에테르(CHF2OCHF2,HFE-134) 및 펜타플루오르에틸메틸에테르(CF3CF2OCH3, HFE-245)로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 한 성분을 포함하는 HCFC-22 대체용 냉매 혼합물을 제공한다.

Description

디플루오로메탄과 1,1-디플루오로에탄을 포함하는 냉매 혼합물
본 발명은 클로로디플루오로메탄(CHClF2, 이하 HCFC-22)을 대체하기 위한 냉매 혼합물에 관한 것이다. 좀더 상세하게는, 제 1 성분으로 디플루오로메탄(CH2F2, 이하 HFC-32), 제 2 성분으로 1,1-디플루오로에탄(CH3CHF2, 이하 HFC-152a)를 포함하고, 제 3 성분으로 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(CF3CHFCF3, 이하 HFC-227ea), 이소부탄(CH(CH3)2CH3, 이하 R-600a), 1,1,1,2,3,3-헥사플루오로프로판(CHF2CHFCF3, 이하 HFC-236ea), 부탄(C4H10, 이하 R-600), 비스(디플루오로메틸)에테르(CHF2OCHF2, 이하 HFE-134) 및 펜타플루오로에틸메틸에테르(CF3CF2OCH3, HFE-245)로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 한 성분을 포함하는 HCFC-22 대체용 냉매 혼합물에 관한 것이다.
이미 잘 알려진 바와 같이, CFC 화합물은 오존층을 파괴하는 주요인으로 밝혀짐에 따라, 몬트리올 의정서(Montreal Protocol)에 의해 그 생산과 사용이 규제를 받고 있으며, 선진국에서는 1996 년부터 이미 사용이 금지된 상태이다. HCFC-22를 비롯한 HCFC 계열 화합물들도 CFC 화합물만큼 심하지는 않으나 오존층 파괴에 상당한 영향을 미치고 있으므로 점차적으로 그 사용량을 규제하여 2020 년경에는 사용 금지 예정으로 있다.
따라서, 세계 각국은 HCFC-22의 본격적인 규제에 대비하여 대체 물질에 대한 많은 연구 결과를 발표하고 있으며 대표적인 대체 냉매 혼합물로는 미국냉동공조학회(ASHRAE)에서 추천하는 HFC-407C와 HFC-410A를 들 수가 있다. HFC-407C는 HFC-32/125/134a가 23/25/52의 중량%로 혼합된 냉매 혼합물이며 HFC-410A는 HFC-32/125가 50/50의 중량%로 혼합된 냉매 혼합물이다.
이외에도 미국특허 제5,080,823호는 HFC-143a/프로판(C3H8), 미국특허 제5,185,094호는 HFC-32/125/134a, 미국특허 제5,211,867호는 HFC-125/143a, 미국특허 제5,234,613호는 HFC-32/프로판, 미국특허 제5,236,611호는 PFC-218/HFC-143a, 미국특허 제5,290,466호는 HFC-32/134a/134, 미국특허 제5,340,490호는 HFC-23/CO2와 HFC-23/116/CO2,미국특허 제5,403,504호는 HFC-125/32, 미국특허 제5,429,740호는 HFC-23/134a, 미국특허 제5,538,660호는 HFC-32/HFC-134a/FC-41과 HFC-32/HFC-134a/PFC-218, 미국특허 제5,643,492호는 HFC-32/125/134a로 이루어지는 혼합 냉매 조성물을 제시하고 있다.
또한, 일본특허공개공보 제172386/1991호는 HFC-32/125/143a, 제170594/1991호는 HFC-23/125/134a, 제170592/1991호는 HFC-32/143a/152a, 제170593/1991호는 HFC-23/125/32, 제170591/1991호는 HFC-23/143a/134a, 제170590/1991호는 HFC-125/134a/32, 제170589/1991호는 HFC-23/143a/152a, 제170588/1991호는 HFC-125/143a/134a, 제170587/1991호는 HFC-32/134a/152a, 제170586/1991호는 HFC-32/143a/134a, 제170585/1991호는 HFC-32/125/134a, 제170584/1991호는 HFC-23/134a-152a, 제170583/1991호는 HFC-125/143a/32, 제222893/1992호는 HFC-32/125, 제154887/1992호는 HFC-134/152a, 제117645/1992호는 HFC-23/134a/프로판, 제117643/1993호는 HFC-125/134a/프로판, 제65561/1994호는 HFC-23/152a/PFC-218, 제128872/1994호는 HFC-32/PFC-218, 제220433/1994호는 HFC-32/125/RC-318, 제173462/1995호는 HFC-143a/125/134a/헵탄(C7H16), 제176537/1996호는 PFC-218/RC-270/HFC-152a, 제151569/1996호는 프로판/RC-270/HFC-134a, 제127767/1996호는 HFC-32/134a/RC-318, 제25480/1997호는 HFC-32/134a/125/이소부탄, 제59611/1997호는 HFC-134a/이소부탄, 제208941/1997호는 HFC-32/152a/125/RC-270, 제221664/1997호는 HFC-125/143a/134a/RC-270으로 이루어지는 혼합 냉매 조성물을 발표하였다.
아울러, 국내특허공고공보 제93-10514호(출원번호 제90-19594호)는 HFC-23/32/152a, HFC-23/125/152a, HFC-32/143a/152a, HFC-125/143a/152a, HFC-32/125/125a, HFC-23/143a/152a, HFC-23/125/152a; 제93-10515호(출원번호 제90-19596호)는 HFC-23/32/134, HFC-23/32/134a, HFC-32/125/134a, HFC-23/125/134, HFC-32/125/134, HFC-23/143a/134a, HFC-32/125/134a, HFC-125/143a/134a, HFC-125/143a/134; 국내특허공개공보 제96-4485호(출원번호 제95-21221호)는 HFC-32/23/134a, 제95-704438호(출원번호 제95-701865호)는 HFC-32/125/143a, 제96-701168호(출원번호 제95-704038호)는 HFC-227ea/HFC-152a, 제97-704853호(출원번호 제97-700436호)는 HFC-134a/HCFC-124/부탄으로 이루어지는 혼합 냉매 조성물을 발표하고 있다.
본 발명에서는 HCFC-22를 대신하여 사용할 수 있는 새로운 냉매 혼합물을 제공하는 데 그 목적이 있다. 즉, HFC-32와 HFC-152a의 혼합물에 HFC-227ea, R-600a, HFC-236ea, R-600, HFE-134, HFE-245 중의 한 성분을 추가로 혼합하여, 현재 사용중인 HCFC-22와 유사한 성능을 발휘할 수 있는 냉매 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명은 HCFC-22를 대신하여 사용할 수 있는 냉매 혼합물의 조성에 있어서, 제1 성분으로 디플루오로메탄(CH2F2, HFC-32), 제2 성분으로 1,1-디플루오로에탄(CH2CHF2, HFC-152a)를 포함하고, 제3 성분으로 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(CF3CHFCH3, HFC-227ea), 이소부탄(CH(CH3)2CH3, R-600a), 1,1,1,2,3,3-헥사플루오로프로판(CHF2CHFCF3, HFC-236ea), 부탄(C4H10, R-600), 비스(디플루오로메틸)에테르(CHF2OCHF2, HFE-134) 및 펜타플루오로에틸메틸에테르(CF3CF2OCH3, HFE-245)으로 이루어진 군 중에서 선택된 한 성분을 포함하는 냉매 혼합물을 제공한다.
본 발명에서는 상기의 혼합 냉매 조성물을 압축기, 응축기, 팽창변 및 증발기로 이루어지는 냉동시스템에 적용하여 성능계수(COP), 냉매 단위체적당의 열량(VC), 압축기 및 증발기에서의 압력 등을 비교 검토하였다. 본 발명에 의한 새로운 냉매 혼합물은 HFC-407C나 HFC-410A와 비교하여 성능면에서 거의 동등 수준으로 평가되고 있어 HCFC-22의 대체용으로 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명에 의한 냉매 혼합물의 조성 범위는 다음과 같다:
HFC-32, HFC-152a 및 HFC-227ea 의 혼합물은 각각의 조성비가 30∼80 중량%, 0∼60 중량%, 0∼50 중량%의 범위에서 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 40∼70 중량%, 5∼50 중량%, 0∼40 중량%의 범위에서 사용하는 것이 좋다.
HFC-32, HFC-152a 및 R-600a의 혼합물은 각각의 조성비가 35∼80 중량%, 0∼60 중량%, 0∼35 중량%의 범위에서 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 45∼70 중량%, 5∼50 중량%, 0∼25 중량%의 범위에서 사용하는 것이 좋다.
HFC-32, HFC-152a 및 HFC-236ea 의 혼합물은 각각의 조성비가 35∼80 중량%, 0∼60 중량%, 0∼30 중량%의 범위에서 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 45∼70 중량%, 0∼50 중량%, 0∼20 중량%의 범위에서 사용하는 것이 좋다.
HFC-32, HFC-152a 및 R-600의 혼합물은 각각의 조성비가 35∼90 중량%, 0∼55 중량%, 0∼30 중량%의 범위에서 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 45∼80 중량%, 10∼45 중량%, 0∼20 중량%의 범위에서 사용하는 것이 좋다.
HFC-32, HFC-152a 및 HFE-134의 혼합물은 각각의 조성비가 50∼90 중량%, 5∼45 중량%, 0∼15 중량%의 범위에서 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 60∼80 중량%, 12∼35 중량%, 0∼8 중량%의 범위에서 사용하는 것이 좋다.
HFC-32, HFC-152a 및 HFE-245의 혼합물은 각각의 조성비가 40∼80 중량%, 10∼50 중량%, 0∼20 중량%의 범위에서 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 50∼70 중량%, 20∼40 중량%, 0∼10 중량%의 범위에서 사용하는 것이 좋다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 좀더 상세히 설명하고자 하지만, 본 발명이 이들 실시예에 국한되는 것은 아니다.
실시예
혼합 냉매의 성능 평가
본 발명의 냉매 혼합물의 성능을 평가하기 위하여 사용된 압축기, 응축기, 팽창변 및 증발기로 이루어지는 냉동 시스템에서의 성능 평가 조건은 다음과 같다.
냉방용량 : 2 ㎾
증발기의 총열관류율(UA) : 0.20 ㎾/K
응축기의 총열관류율(UA) : 0.24 ㎾/K
응축기에서의 과냉도 : 5 ℃
증발기에서의 과열도 : 5 ℃
압축기 효율 : 0.8
2차유체의 응축기 입구온도 : 25 ℃
2차유체의 응축기 출구온도 : 35 ℃
2차유체의 증발기 입구온도 : 15 ℃
2차유체의 증발기 출구온도 : 5 ℃
이상의 동일한 조건에서 본 발명의 냉매 혼합물과 HCFC-22, HFC-407C, HFC-410A 등에 대해 냉매 성능 평가의 주요 인자인 성능 계수(COP), 냉매 단위 체적당의 열량(VC), 증발기 압력(PL) 및 응축기 압력(PH)을 비교 분석하였다.
비교예 1-3
본 발명의 냉매 혼합물의 성능과 비교하기 위한 HCFC-22, HFC-407C 및 HFC-410A 의 성능 평가 결과는 다음과 같다.
HCFC-22, HFC-407C 및 HFC-410A의 성능 평가
냉매종류 HCFC-22(중량%) HFC-32(중량%) HFC-125(중량%) HFC-134a(중량%) COP VC(kJ/m3) PL(kPa) PH(kPa)
비교예 1 HCFC-22 100 - - - 5.45 3338 455 1254
비교예 2 HFC-407C - 23 25 52 4.98 3412 460 1445
비교예 3 HFC-410A - 50 50 - 5.31 5117 730 1993
상기 표 1의 결과를 보면 HFC-407C는 HCFC-22와 비교하여 COP는 약간 떨어지나 VC 및 압력은 거의 비슷한 수준으로 나타났다. 반면에 HFC-410A의 경우는, COP는 비슷하고 VC는 우수하나 압력이 HCFC-22에 비해 다소 높은 특성을 보여주고 있다. 냉매의 성능이 이러한 범위내에 있을 경우 HCFC-22의 대체 냉매로서 사용 가능한 것으로 평가되고 있으므로 본 발명의 냉매 혼합물의 성능을 평가하여 이들 결과와 비교하였다.
실시예 1.HFC-32/HFC-152a/HFC-227ea 혼합물의 성능 평가
HFC-32/HFC-152a/HFC-227ea로 이루어진 냉매 혼합물의 조성 변화에 따른 성능 평가 결과는 다음 표 2와 같다. 각 항목별 성능이 HFC-407C와 HFC-410A의 중간 범위에 있어, HCFC-22 대체 냉매로서 사용될 수 있음을 알 수 있다.
HFC-32/HFC-152a/HFC-227ea 혼합물의 성능 평가
HFC-32(중량%) HFC-152a(중량%) HFC-227ea(중량%) COP VC(kJ/m3) PL(kPa) PH(kPa)
조성 1 40 40 20 5.08 3397 442 1383
조성 2 45 45 10 5.13 3441 444 1377
조성 3 60 20 20 5.20 4281 574 1680
조성 4 55 30 15 5.14 3926 518 1560
조성 5 45 50 5 5.13 3366 432 1343
조성 6 70 10 20 5.35 4808 665 1827
조성 7 50 20 30 5.12 4033 542 1628
조성 8 50 10 40 5.10 4165 548 1618
조성 9 70 30 0 5.18 4165 548 1618
조성 10 50 5 45 5.00 4467 631 1868
실시예 2.HFC-32/HFC-152a/R-600a 혼합물의 성능 평가
HFC-32/HFC-152a/R-600a로 이루어진 냉매 혼합물의 조성 변화에 따른 성능 평가 결과는 다음 표 3과 같다. 각 항목별 성능이 HFC-407C와 HFC-410A의 중간 범위에 있어, HCFC-22 대체 냉매로서 사용될 수 있음을 알 수 있다.
HFC-32/HFC-152a/R-600a 혼합물의 성능평가
HFC-32(중량%) HFC-152a(중량%) R-600a(중량%) COP VC(kJ/m3) PL(kPa) PH(kPa)
조성 1 45 45 10 5.01 3596 483 1479
조성 2 60 20 20 5.01 4365 626 1797
조성 3 45 50 5 5.03 3466 455 1413
조성 4 70 15 15 5.19 4827 690 1904
조성 5 70 5 25 5.01 3865 538 1598
조성 6 50 40 5 5.05 3647 481 1477
조성 7 70 30 0 5.18 4165 548 1618
실시예 3.HFC-32/HFC-152a/HFC-236ea 혼합물의 성능 평가
HFC-32/HFC-152a/HFC-236ea로 이루어진 냉매 혼합물의 조성 변화에 따른 성능 평가 결과는 다음 표 4와 같다. 각 항목별 성능이 HFC-407C와 HFC-410A의 중간 범위에 있어, HCFC-22 대체 냉매로서 사용될 수 있음을 알 수 있다.
HFC-32/HFC-152a/HFC-236ea 혼합물의 성능 평가
HFC-32(중량%) HFC-152a(중량%) HFC-236ea(중량) COP VC(kJ/m3) PL(kPa) PH(kPa)
조성 1 45 45 10 5.07 3371 433 1364
조성 2 60 20 20 5.01 4007 532 1634
조성 3 70 10 20 5.12 4479 605 1774
조성 4 55 40 5 5.13 3688 478 1464
조성 5 45 50 5 5.10 3338 427 1339
조성 6 70 30 0 5.18 4165 548 1618
조성 7 75 5 20 5.28 5012 688 1915
실시예 4.HFC-32/HFC-152a/R-600 혼합물의 성능 평가
HFC-32/HFC-152a/R-600로 이루어진 냉매 혼합물의 조성 변화에 따른 성능 평가 결과는 다음 표 5와 같다. 각 항목별 성능이 HFC-407C와 HFC-410A의 중간 범위에 있어, HFC-22 대체 냉매로서 사용될 수 있음을 알 수 있다.
HFC-32/HFC-152a/R-600 혼합물의 성능평가
HFC-32(중량%) HFC-152a(중량%) R-600(중량%) COP VC(kJ/m3) PL(kPa) PH(kPa)
조성 1 45 45 10 5.06 3506 466 1430
조성 2 60 30 10 5.11 4090 556 1638
조성 3 70 15 15 5.02 4447 626 1810
조성 4 45 50 5 5.07 3421 447 1385
조성 5 75 10 15 5.02 4634 657 1878
조성 6 70 30 0 5.18 4165 548 1618
실시예 5.HFC-32/HFC-152a/HFE-134 혼합물의 성능 평가
HFC-32/HFC-152a/HFE-134로 이루어진 냉매 혼합물의 조성 변화에 따른 성능 평가 결과는 다음 표 6과 같다. 각 항목별 성능이 HFC-407C와 HFC-410A의 중간 범위에 있어, HCFC-22 대체 냉매로서 사용될 수 있음을 알 수 있다.
HFC-32/HFC-152a/HFE-134 혼합물의 성능 평가
HFC-32(중량%) HFC-152a(중량%) HFE-134(중량%) COP VC(kJ/m3) PL(kPa) PH(kPa)
조성 1 60 35 5 4.99 3676 476 1495
조성 2 70 25 5 5.02 4033 529 1617
조성 3 80 12 8 4.99 4337 576 1740
조성 4 70 30 0 5.18 4165 548 1618
실시예 6.HFC-32/HFC-152a/HFE-245 혼합물의 성능 평가
HFC-32/HFC-152a/HFE-245로 이루어진 냉매 혼합물의 조성 변화에 따른 성능 평가 결과는 다음 표 7과 같다. 각 항목별 성능이 HFC-407C와 HFC-410A의 중간 범위에 있어, HCFC-22 대체 냉매로서 사용될 수 있음을 알 수 있다.
HFC-32/HFC-152a.HFE-245 혼합물의 성능평가
HFC-32(중량%) HFC-152a(중량%) HFE-245(중량%) COP VC(kJ/m3) PL(kPa) PH(kPa)
조성 1 60 30 10 5.03 3833 503 1553
조성 2 50 40 10 5.00 3464 448 1420
조성 3 70 20 10 5.06 4233 564 1690
조성 4 60 35 5 5.11 3850 503 1528
조성 5 50 50 0 5.13 3459 444 1375
이상과 같이, 본 발명에 따르면, HFC-32와 HFC-152a의 혼합물에 HFC-227ea, R-600a, HFC-236ea, R-600, HFE-134, HFE-245 중의 한 성분을 추가로 혼합함으로써, 현재 사용중인 HCFC-22의 대체 냉매 조성물을 제조할 수 있는데, 이들 물질들은 오존층 파괴의 위험이 전혀 없어 향후에도 사용 규제에 대한 우려가 없는 장점이 있다. 또한, 각각의 상기 물질들이 이미 생산이 되고 있거나, 차후 생산을 위한 연구가 활발히 진행중인 단계에 있으므로, 본 발명에 의해 그 용도가 좀더 확대됨으로써 좀더 효율적인 활용이 가능하게 될 것이다.

Claims (7)

  1. HCFC-22를 대신하여 사용할 수 있는 냉매 혼합물의 조성에 있어서, 제 1 성분으로 디플루오로메탄(CH2F2, HFC-32)를 40~80 중량%로 함유하고, 제 2 성분으로 1,1-디플루오로에탄(CH2CHF2, HFC-152a)를 5~50 중량%로 함유하고, 제 3 성분으로 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(CF3CHFCH3, HFC-227ea), 이소부탄(CH(CH3)2CH3, R-600a), 1,1,1,2,3,3-헥사플루오로프로판(CHF2CHFCF3, HFC-236ea), 부탄(C4H10, R-600), 비스(디플루오로메틸)에테르(CHF2OCHF2, HFE-134) 및 펜타플루오로에틸메틸에테르(CF3CF2OCH3, HFE-245)로 이루어진 군 중에서 선택된 한 성분을 40중량%이하로 함유하는 냉매 혼합물.
  2. 제 1 항에 있어서, HFC-32, HFC-152a 및 HFC-227ea의 조성이 각각 40∼70 중량%, 5∼50 중량%, 0∼40 중량%이하인 냉매 혼합물.
  3. 제 1 항에 있어서, HFC-32, HFC-152a 및 R-600a의 조성이 각각 45∼70 중량%, 5∼50 중량% 및 0∼25 중량%인 냉매 혼합물.
  4. 제 1 항에 있어서, HFC-32, HFC-152a 및 HFC-236ea의 조성이 각각 45∼70 중량%, 5∼50 중량% 및 0∼20 중량%인 냉매 혼합물.
  5. 제 1 항에 있어서, HFC-32, HFC-152a 및 R-600의 조성이 각각 45∼80 중량%, 10∼45 중량% 및 0∼20 중량%인 냉매 혼합물.
  6. 제 1 항에 있어서, HFC-32, HFC-152a 및 HFC-134의 조성이 각각 60∼80 중량%, 12∼35 중량% 및 0∼8 중량%인 냉매 혼합물.
  7. 제 1 항에 있어서, HFC-32, HFC-152a 및 HFE-245의 조성이 각각 50∼70 중량%, 20∼40 중량% 및 0∼10 중량%인 냉매 혼합물.
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