KR100333503B1 - 디플루오로메탄과 1,1,1-트리플루오로에탄을 포함하는냉매 혼합물 - Google Patents

디플루오로메탄과 1,1,1-트리플루오로에탄을 포함하는냉매 혼합물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제 1 성분으로 디플루오로메탄(CH3F2, HFC-32), 제 2 성분으로 1,1,1-트리플루오로에탄(CH3CF3, HFC-143a)를 포함하고, 제 3 성분으로 사이클로프로판(C3H6, RC-270), 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(CF3CHFCF3, HFC-227ea), 1,1,1,2,2-펜타플루오로프로판(CH3CF2CF3, HFC-245cb), 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 어느 한 성분으로 이루어진 HCFC-22 대체용 냉매 혼합물을 제공한다.

Description

디플루오로메탄과 1,1,1-트리플루오로에탄을 포함하는 냉매 혼합물{REFRIGERANT MIXTURES CONTAINING DIFLUOROMETHANE AND 1,1,1-TRIFLUOROETHANE}
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 1,1,1-트리플루오로에탄(CH3CF3, 이하 HFC-143a)를 포함하고, 제 3 성분으로 사이클로프로판(C3H6, 이하 RC-270), 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(CF3CHFCF3, 이하 HFC-227ea), 1,1,1,2,2-펜타플루오로프로판(CH3CF2CF3, 이하 HFC-245cb), 1,1,1,2,3,3-헥사플루오로프로판(CHF2CHFCF3, 이하 HFC-236ea), 부탄(C4H10, 이하 R-600), 비스(디플루오로메틸)에테르(CHF2OCHF2, 이하 HFE-134), 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 사용이 금지된 상태이다. HCFC-22를 비롯한 HCFC계열 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-407C 와 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 제5,429,760호는 HFC-23/134a, 미국특허 제5,538,660호는 HFC-32/HFC-134a/FC-14과 HFC-32/HFC-134a/PFC-218, 미국특허 제5,643,492호는 HFC-32/125/134a로 이루어진 혼합 냉매 조성물을 제시하고 있다.
또한, 일본특허공개공보 제172386/1991호는 HFC-32/125/152a, 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, 제117645/1993호는 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 이루어진 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, 국내공개공보 제96-4485호(출원번호 제95-21221호)는 HFC-32/23/134a, 공개번호 제95-704438호(출원번호 제95-701865호)는 HFC-32/23/134a, 제96-701168호(출원번호 제95-704038호)는 HFC-227ea/HFC-152a, 제97-704853호(출원번호 제97-700436호)는 HFC-134a/HCFC124/부탄으로 이루어진 혼합 냉매 조성물을 개시하고 있다.
본 발명에서는 HCFC-22를 대신하여 사용할 수 있는 새로운 냉매 혼합물을 제공하는 데 그 목적이 있다. 즉, HFC-32와 HFC-143a의 혼합물에 RC-270, HFC-227ea, HFC-245cb, 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, 제 1 성분으로 디플루오로메탄(CH3F2, HFC-32), 제 2 성분으로 1,1,1-트리플루오로에탄(CH3CF3,HFC-143a)를 포함하고, 제 3 성분으로 사이클로프로판(C3H6, RC-270), 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(CF3CHFCF3, HFC-227ea), 1,1,1,2,2-펜타플루오로프로판(CH3CF2CF3, HFC-245cb), 1,1,1,2,3,3-헥사플루오로프로판(CHF2CHFCF3,HFC-236ea), 부탄(C4H10, R-600), 비스(디플루오메틸)에테르(CHF2OCHF2, HFE-134) 및 펜타플루오로에틸메틸에테르(CF3CF2OCH3, HFE-245)으로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 한 성분으로 이루어진 냉매 혼합물을 제공한다.
본 발명에서는 상기의 혼합 냉매 조성물을 압축기, 응축기, 팽창변 및 증발기로 이루어지는 냉동 시스템에 적용하여 성능 계수(COP), 냉매 단위 체적당의 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 바람직한 조성 범위는 다음과 같다:
HFC-32, HFC-143a 및 RC-270의 혼합물은 각각의 조성비가 10∼50 중량%, 20∼80 중량%, 0∼40 중량%의 범위에서 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 20∼50 중량%, 30∼70 중량%, 0∼30 중량%의 범위에서 사용하는 것이 좋다.
HFC-32, HFC-143a 및 HFC-227ea의 혼합물은 각각의 조성비가 20∼80 중량%, 0∼80 중량%, 0∼60 중량%의 범위에서 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 30∼70 중량%, 10∼70 중량%, 0∼45 중량%의 범위에서 사용하는 것이 좋다.
HFC-32, HFC-143a 및 HFC-245cb의 혼합물은 각각의 조성비가 20∼70 중량%, 10∼80 중량%, 0∼40 중량%의 범위에서 사용하는 것이 좋다.
HFC-32, HFC-143a 및 HFC-236ea의 혼합물은 각각의 조성비가 20∼70 중량%, 10∼80 중량%, 0∼30 중량%의 범위에서 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는30∼60 중량%, 20∼70 중량%, 0∼20 중량%의 범위에서 사용하는 것이 좋다.
HFC-32, HFC-143a 및 R-600의 혼합물은 각각의 조성비가 20∼60 중량%, 30∼80 중량%, 0∼20 중량%의 범위에서 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 30∼50 중량%, 38∼70 중량%, 0∼12 중량%의 범위에서 사용하는 것이 좋다.
HFC-32, HFC-143a 및 HFE-134의 혼합물은 각각의 조성비가 20∼70 중량%, 20∼80 중량%, 0∼15 중량%의 범위에서 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 30∼60 중량%, 32∼70 중량%, 0∼8 중량%의 범위에서 사용하는 것이 좋다.
HFC-32, HFC-143a 및 HFE-245의 혼합물은 각각의 조성비가 20∼80 중량%, 10∼80 중량%, 0∼20 중량%의 범위에서 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 30∼70 중량%, 20∼70 중량%, 0∼10 중량%의 범위에서 사용하는 것이 좋다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 좀더 구체적으로 설명하고자 하며, 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않는다.
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 kW
증발기의 총열관류율(UA) : 0.20 kW/K
응축기의 총열관류율(UA) : 0.24 kW/K
응축기에서의 과냉도 : 5 ℃
증발기에서의 과열도 : 5 ℃
압축기 효율 : 0.8
2차 유체의 응축기 입구 온도 : 25 ℃
2차 유체의 응축기 출구 온도 : 35 ℃
2차 유체의 증발기 입구 온도 : 15 ℃
2차 유체의 증발기 출구 온도 : 5 ℃
이상의 동일한 조건 하에서 본 발명의 냉매 혼합물과 HCFC-22, HFC-407C, HFC-410A 등에 대해 냉매 성능 평가의 주요 인자인 성능계수(COP), 냉매 단위 체적당의 열량(VC), 증발기 압력(PL) 및 응축기 압력(PH)을 비교 검토하였다.
비교예 1∼3
본 발명의 냉매 혼합물의 성능과 비교하기 위한 HCFC-22, HFC-407C 및 HFC-410A의 성능 평가 결과는 다음과 같다.
HCFC-22, HFC-407C 및 HFC-410A 의 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 가능한것으로 평가되고 있으므로 본 발명의 냉매 혼합물의 성능을 평가하여 이들 결과와 비교하였다.
실시예 1.HFC-32/HFC-143a/RC-270 혼합물의 성능 평가
HFC-32/HFC-143a/RC-270으로 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-143a/RC-270 혼합물의 성능 평가
HFC-32(중량%) HFC-143a(중량%) RC-270(중량%) COP VC(kJ/m3) PL(kPa) PH(kPa)
조성 1 20 60 20 4.98 4495 712 1893
조성 2 40 30 30 5.00 4830 747 1992
조성 3 35 35 30 4.98 4715 732 1959
조성 4 30 50 20 5.06 4772 747 1967
조성 5 25 65 10 5.03 4596 716 1917
조성 6 30 70 0 5.11 4475 669 1831
실시예 2.HFC-32/HFC-143a/HFC-227ea 혼합물의 성능 평가
HFC-32/HFC-143a/HFC-227ea로 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-143a/HFC-227ea 혼합물의 성능 평가
HFC-32(중량%) HFC-143a(중량%) HFC-227ea(중량%) COP VC(kJ/m3) PL(kPa) PH(kPa)
조성 1 40 40 20 5.15 4552 662 1844
조성 2 35 35 30 5.01 4279 622 1797
조성 3 40 20 40 4.99 4297 616 1810
조성 4 60 20 20 5.39 5051 715 1927
조성 5 70 10 20 5.46 5243 734 1962
조성 6 45 10 45 5.00 4383 623 1838
조성 7 30 50 20 5.02 4259 628 1786
조성 8 30 60 10 5.08 4378 650 1809
조성 9 30 70 0 5.11 4475 669 1831
실시예 3.HFC-32/HFC-143a/HFC-245cb 혼합물의 성능 평가
HFC/HFC-143a/HFC-245cb로 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-143a/HFC-245cb 혼합물의 성능 평가
HFC-32(중량%) HFC-143a(중량%) HFC-245cb(중량%) COP VC(kJ/m3) PL(kPa) PH(kPa)
조성 1 40 40 20 5.10 4336 623 1772
조성 2 40 50 10 5.18 4535 658 1819
조성 3 40 55 5 5.20 4622 675 1848
조성 4 40 30 30 5.01 4129 586 1722
조성 5 60 20 20 5.30 4780 669 1850
조성 6 30 60 10 5.05 4281 632 1775
조성 7 50 20 30 5.13 4377 613 1770
조성 8 30 70 0 5.11 4425 669 1831
실시예 4.HFC-32/HFC-143a/HFC-236ea 혼합물의 성능 평가
HFC-32/HFC-143a/HFC-236ea로 이루어진 냉매 혼합물의 조성 변화에 따른 성능 평가 결과는 다음 표 5와 같다. 각 항목별 성능이 HFC-407C와 HFC-410A의 중간 범위에 있어 HCFC-22 대체 냉매로서 사용될 수 있음을 알 수 있다.
HFC-32/HFC-143a/HFC-236ea 혼합물의 성능 평가
HFC-32(중량%) HFC-143a(중량%) HFC-236ea(중량%) COP VC(kJ/m3) PL(kPa) PH(kPa)
조성 1 30 60 10 4.99 4205 618 1765
조성 2 60 30 10 5.32 4931 697 1899
조성 3 60 20 20 5.02 4556 638 1858
조성 4 40 50 10 5.11 4474 648 1818
조성 5 50 40 10 5.23 4717 675 1861
조성 6 30 70 0 5.11 4425 669 1831
실시예 5.HFC-32/HFC-143a/R-600 혼합물의 성능 평가
HFC-32/HFC-143a/R-600로 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-143a/R-600 혼합물의 성능 평가
HFC-32(중량%) HFC-143a(중량%) R-600(중량%) COP VC(kJ/m3) PL(kPa) PH(kPa)
조성 1 45 45 10 5.10 4611 687 1883
조성 2 50 40 10 5.15 4740 702 1909
조성 3 50 38 12 4.98 4551 676 1894
조성 4 55 40 5 5.31 5007 731 1946
조성 5 40 55 5 5.19 4673 696 1879
조성 6 35 60 5 5.13 4545 682 1854
조성 7 30 70 0 5.11 4425 669 1831
실시예 6.HFC-32/HFC-143a/HFE-134 혼합물의 성능 평가
HFC-32/HFC-143a/HFE-134로 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-143a/HFE-134 혼합물의 성능 평가
HFC-32(중량%) HFC-143a(중량%) HFE-134(중량%) COP VC(kJ/m3) PL(kPa) PH(kPa)
조성 1 48 48 4 5.13 4574 654 1833
조성 2 45 50 5 5.05 4438 635 1813
조성 3 40 55 5 5.01 4341 625 1792
조성 4 50 45 5 5.09 4535 645 1829
조성 5 50 43 7 4.99 4388 619 1803
조성 6 55 40 5 5.14 4623 653 1840
조성 7 60 35 5 5.16 4702 660 1856
조성 8 60 32 8 5.00 4479 624 1824
조성 9 35 60 5 4.99 4240 614 1763
조성 10 30 70 0 5.11 4425 669 1831
실시예 7.HFC-32/HFC-143a/HFE-245 혼합물의 성능 평가
HFC-32/HFC-143a/HFE-245로 이루어진 냉매 혼합물의 조성 변화에 따른 성능 평가 결과는 다음 표 8와 같다. 각 항목별 성능이 HFC-407C와 HFC-410A의 중간 범위에 있어 HFCF-22 대체 냉매로서 사용될 수 있음을 알 수 있다.
HFC-32/HFC-143a/HFE-245 혼합물의 성능 평가
HFC-32(중량%) HFC-143a(중량%) HFE-245(중량%) COP VC(kJ/m3) PL(kPa) PH(kPa)
조성 1 70 20 10 5.03 4685 656 1890
조성 2 65 25 10 4.98 4582 645 1874
조성 3 60 35 5 5.35 4973 705 1902
조성 4 50 45 5 5.22 4759 685 1878
조성 5 40 55 5 5.13 4526 660 1833
조성 6 30 65 5 4.99 4262 630 1784
조성 7 30 70 0 5.11 4425 669 1831
이상과 같이, 본 발명에 따르면, HFC-32와 HFC-143a의 혼합물에 RC-270, HFC-227ea, HFC-245cb, HFC-236ea, R-600, HFE-134, HFE-245 중의 어느 한 성분을 추가로 혼합함으로써, 현재 사용중인 HCFC-22의 대체 냉매 조성물을 제조할 수 있는데, 이들은 오존층 파괴의 위험이 전혀 없어 향후에도 사용 규제에 대한 우려가없는 것이 장점이다. 또한, 각각의 상기 물질들은 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 (3)

  1. HCFC-22를 대신하여 사용할 수 있는 냉매 혼합물의 조성에 있어서, 제 1 성분으로 디플루오로메탄(CH3F2, HFC-32)을 20 내지 70 중량%로 함유하고, 제 2 성분으로 1,1,1-트리플루오로에탄(CH3CF3, HFC-143a)를 10 내지 70 중량%로 함유하고, 제 3 성분으로 사이클로프로판(C3H6, RC-270) 또는 부탄(C4H10, R-600)을 45 중량% 이하로 함유하는 냉매 혼합물.
  2. 제 1 항에 있어서, HFC-32, HFC-143a 및 RC-270의 조성이 각각 20 내지 40 중량%, 30 내지 70 중량% 및 30 중량% 이하인 냉매 혼합물.
  3. 제 1 항에 있어서, HFC-32, HFC-143a 및 R-600의 조성이 각각 30 내지 50 중량%, 38 내지 70 중량% 및 12 중량% 이하인 냉매 혼합물.
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US5277834A (en) * 1990-07-26 1994-01-11 E. I. Du Pont De Nemours And Company Near-azeotropic blends for use as refrigerants

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