KR100400345B1 - 디플루오로메탄과 1,1,1-트리플루오로에탄과1,1-디플루오로에탄을 함유하는 냉매 조성물 - Google Patents

디플루오로메탄과 1,1,1-트리플루오로에탄과1,1-디플루오로에탄을 함유하는 냉매 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지구의 오존층을 파괴하는 것으로 알려진 클로로디플루오로메탄 (CHClF2, 이하 HCFC-22)을 대체하기 위한 냉매 조성물에 관한 것으로, 지구의 오존층을 파괴하는 물질이 함유되지 않은 대체냉매를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 냉매 조성물은
디플루오로메탄(CH2F2, 이하 HFC-32)과;
1,1,1-트리플루오로에탄(CH3CF3, 이하 HFC-143a)과;
1,1-디플루오로에탄(CH3CHF2, 이하 HFC-152a)과;
1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(CF3CHFCF3, 이하 HFC-227ea), 이소부탄(CH(CH3)2CH3, R-600a), 1,1,1,2,3,3-헥사플루오로프로판(CHF2CHFCF3, 이하 HFC-236ea) 및 부탄(C4H10, 이하 R-600)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나의 화합물로 이루어진다.

Description

디플루오로메탄과 1,1,1-트리플루오로에탄과 1,1-디플루오로에탄을 함유하는 냉매 조성물 {Refrigerant composition containing difluoromethane, 1,1,1-trifluoroethane and 1,1-difluoroethane}
본 발명은 지구의 오존층을 파괴하는 것으로 알려진 클로로디플루오로메탄 (CHClF2, 이하 HCFC-22)을 대체하기 위한 냉매 조성물에 관한 것이다.
CFC 화합물은 이미 잘 알려진 바와 같이 지구의 오존층을 파괴하는 물질로 밝혀짐에 따라 몬트리올 의정서에 의해 그 생산과 사용이 규제를 받고 있으며 선진국에서는 1996년부터 이미 사용이 금지된 상태이다. 그리고, CFC 화합물의 대체물질로 개발된 HCFC-22를 비롯한 HCFC계열의 화합물도 CFC 화합물만큼 심하지는 않으나 오존층을 파괴하는 것으로 알려져 점차 그 사용량을 규제하여 2030년경부터는 사용이 전면적으로 금지될 예정이다.
따라서, HCFC-22의 대체물질 개발에 대하여 많은 연구가 이루어지고 있으며 대표적으로는 미국냉동공조학회(ASHRAE)의 HFC-407C와 HFC-410A를 들 수가 있다. 여기에서, HFC-407C는 HFC-32/125/134a가 23/25/52의 중량%로 혼합된 냉매 조성물이고, HFC-410A는 HFC-32/125가 50/50의 중량%로 혼합된 냉매 조성물이다.
이 밖에, 미국특허 제5,080,823호에는 HFC-143a/Propane이, 미국특허 제5,211,867호에는 HFC-125/143a가, 미국특허 제5,234,613호에는 HFC-32/Propane이, 미국특허 제5,236,611호에는 PFC-218/HFC-143a가, 미국특허 제5,290,466호에는 HFC-32/134a/134가, 미국특허 제5,340,490호에는 HFC-23/CO2와 HFC-23/116/CO2가, 미국특허 제5,403,504호에는 HFC-125/32가, 미국특허 제5,429,740호에는 HFC-23/134a가, 미국특허 제5,538,660호에는 HFC-32/HFC-134a/FC-41과 HFC-32/HFC-134a/PFC-218이, 미국특허 제5,643,492호에는 HFC-32/125/134a가 냉매 조성물로 각각 개시되어 있다.
또한, 일본공개특허 특개평3-172386호에는 HFC-32/125/143a가, 특개평3-170594호에는 HFC-23/125/134a가, 특개평3-170593호에는 HFC-23/125/32와 HFC-23/143a/134a가, 특개평3-170590호에는 HFC-125/134a/32가, 특개평3-170589호에는 HFC-23/143a/152a가, 특개평3-170588호에는 HFC-125/143a/134a가, 특개평3-170585호에는 HFC-32/125/134a가, 특개평3-170584호에는 HFC-23/134a/152a가, 특개평3-170583호에는 HFC-125/143a/32가, 특개평4-222893호에는 HFC-32/125가, 특개평4-154887호에는 HFC-134/152a가, 특개평5-117645호에는 HFC-23/134a/Propane이, 특개평5-117643호에는 HFC-125/134a/Propane이, 특개평6-65561호에는 HFC-23/152a/PFC-218이, 특개평6-128872호에는 HFC-32/PFC-218이, 특개평6-220433호에는 HFC-32/125/RC-318이, 특개평7-173462호에는 HFC-143a/125/134a/Heptane이, 특개평8-176537호에는 PFC-218/RC-270/HFC-152a가, 특개평8-151569호에는 Propane/RC-270/HFC-134a가, 특개평8-127767호에는 HFC-32/134a/RC-318이, 특개평9-25480호에는 HFC-32/134a/125/Isobutane이, 특개평9-59611호에는 HFC-134a/Isobutane이, 특개평9-208941호에는 HFC-32/152a/125/RC-270이, 특개평9-221664호에는 HFC-125/143a/134a/RC-270이 각각 새로운 냉매 조성물로 개시되어 있다.
또한, 한국등록특허 제93-10514호에는 HFC-23/32/152a, HFC-23/125/152a, HFC-32/143a/152a, HFC-125/143a/152a, HFC-32/125/125a, HFC-23/143a/152a 및 HFC-23/125/152a가, 제93-10515호에는 HFC-23/32/134, HFC-23/32/134a, HFC-23/125/134, HFC-32/125/134, HFC-23/143a/134a, HFC-23/143a/134a, HFC-125/143a/134a 및 HFC-125/143a/134가, 한국공개특허 제96-4485호에는 HFC-32/23/134a가, 한국공개특허 제96-701168호에는 HFC-227ea/HFC-152a가, 한국공개특허 제97-704853호에는 HFC-134a/HCFC-124/Butane이 각각 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 지구의 오존층을 파괴하는 물질이 함유되지 않은, HCFC-22를 대신하여 사용할 수 있는 새로운 냉매 조성물을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 냉매 조성물은
디플루오로메탄(CH2F2, 이하 HFC-32)과;
1,1,1-트리플루오로에탄(CH3CF3, 이하 HFC-143a)과;
1,1-디플루오로에탄(CH3CHF2, 이하 HFC-152a)과;
1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(CF3CHFCF3, 이하 HFC-227ea), 이소부탄(CH(CH3)2CH3, R-600a), 1,1,1,2,3,3-헥사플루오로프로판(CHF2CHFCF3, 이하 HFC-236ea), 및 부탄(C4H10, 이하 R-600)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나의 화합물로 이루어진다.
이들 물질들은 오존층 파괴의 위험이 전혀 없어 향후에도 사용규제에 대한 우려가 없는 것이 장점이다. 또한, 상기 물질들은 이미 생산되고 있거나 차후 생산을 위한 연구가 활발히 진행중인 단계에 있으므로 본 발명을 통해 그 용도를 새로이 추가함으로써 보다 효율적인 활용이 가능하게 되었다.
본 발명에서는 상기의 혼합냉매 조성물을 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기로 이루어지는 냉동시스템에 적용하여 성능계수(COP), 냉매 단위체적당의 열량(VC), 압축기 및 증발기에서의 압력 등을 비교/검토하였다. 본 발명에서 제시하는 새로운 냉매 조성물은 대체냉매로 제시된 HFC-407C나 HFC-410과 비교하여 성능면에서 거의 같은 수준으로 평가되었으며 HCFC-22의 대체물질로 유용하게 사용될 수 있다. 본 발명의 냉매 조성물의 조성비는 다음과 같다.
상기 냉매 조성물에서 HFC-227ea를 포함하는 경우, HFC-32, HFC-143a, HFC-152a 및 HFC-227ea의 조성비는 순서대로 30∼70중량%, 10∼50중량%, 10∼40중량%,10∼30중량%가 되도록 하며, 바람직하게는 40∼60중량%, 20∼40중량%, 20∼30중량%, 15∼25중량%가 되도록 한다.
상기 냉매 조성물에서 R-600a를 포함하는 경우, HFC-32, HFC-143a, HFC-152a 및 R-600a의 조성비는 순서대로 30∼70중량%, 10∼50중량%, 10∼40중량%, 5∼15중량%가 되도록 하며, 바람직하게는 40∼60중량%, 20∼40중량%, 20∼30중량%, 8∼12 중량%가 되도록 한다.
상기 냉매 조성물에서 HFC-236ea를 포함하는 경우, HFC-32, HFC-143a, HFC-134a 및 HFC-236ea의 조성비는 순서대로 30∼70중량%, 10∼40중량%, 10∼40중량%, 10∼20중량%가 되도록 하며, 바람직하게는 20∼60중량%, 20∼30중량%, 20∼30중량%, 13∼17중량%가 되도록 한다.
상기 냉매 조성물에서 R-600을 포함하는 경우, HFC-32, HFC-143a, HFC-134a 및 R-600의 조성비는 순서대로 30∼70중량%, 10∼40중량%, 10∼50중량%, 5∼12중량%가 되도록 하며, 바람직하게는 40∼60중량%, 20∼30중량%, 20∼40중량%, 7∼10 중량%가 되도록 한다.
본 발명의 구성은 냉매 조성물의 성능을 평가한 이하의 비교예 및 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이며 그 효과가 입증될 것이다.
<비교예 및 실시예>
압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기로 이루어지는 냉동 시스템을 사용하여 하기 조건에서 HCFC-22, HFC-407C, HFC-410A(비교예 1∼3)와 본 발명의 냉매 조성물(실시예 1∼4)에 대하여 냉매의 성능평가에 있어서 주요인자인 성능계수(COP),냉매 단위체적당의 열량(VC), 증발기 압력(PL) 및 응축기 압력(PH)을 비교하였다.
(1) 냉방용량: 2 kW
(2) 증발기의 총열관류율(UA): 0.20 kW/K
(3) 응축기의 총열관류율(UA): 0.24 kW/K
(4) 응축기에서의 과냉도: 5℃
(5) 증발기에서의 과열도: 5℃
(6) 압축기 효율: 0.8
(7) 2차 유체의 응축기 입구온도: 25℃
(8) 2차 유체의 응축기 출구온도: 35℃
(9) 2차 유체의 증발기 입구온도: 15℃
(10) 2차 유체의 증발기 출구온도: 5℃
<비교예 1∼3>
상기 조건에서 HCFC-22와 HFC-407C와 HFC-410A에 대하여 성능을 평가하였으며 결과는 다음의 [표 1]에 기재하였다.
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
[표 1]로부터 HFC-407C는 HCFC-22와 비교하여 COP는 약간 떨어지나 VC 및 압력은 거의 비슷함을 알 수 있고, HFC-410A의 경우는 COP는 비슷하고 VC는 우수하나 압력이 HCFC-22에 비해 다소 높음을 알 수 있다.
그런데, 냉매의 성능이 이러한 범위 내에 있을 경우 HCFC-22의 대체냉매로서 사용이 가능한 것으로 평가되고 있으므로 후술하는 실시예에서는 이들 결과와 비교하였다.
<실시예 1>
HFC-32/HFC-143a/HFC-152a/HFC-227ea로 이루어진 냉매 조성물의 조성변화에 따른 성능평가를 하였으며 결과를 [표 2]에 기재하였다.
각 항목별 성능이 대체냉매인 HFC-407C와 HFC-410A의 중간범위에 있어 HCFC-22 대체냉매로서 사용될 수 있음을 알 수 있다.
HFC-32(중량%) HFC-143a(중량%) HFC-152a(중량%) HFC-227ea(중량%) COP VC(kJ/m3) PL(kPa) PH(kPa)
조성 1 30 40 10 20 5.02 3943.9 561.5 1646.4
조성 2 30 50 10 10 5.07 4049.9 580.8 1669.6
조성 3 40 10 20 30 5.05 3806.8 516.4 1568.9
조성 4 40 10 30 20 5.08 3630.6 483.4 1479.2
조성 5 40 10 40 10 5.1 3468.9 454.7 1401.5
조성 6 40 20 10 30 5.07 4103 573.2 1690.2
조성 7 40 20 30 10 5.1 3703.6 496.8 1497.5
조성 8 40 30 10 20 5.12 4201.5 591 1706.3
조성 9 40 40 10 10 5.16 4283.1 606.2 1721.4
조성 10 50 20 10 20 5.21 4431.9 616.5 1755.5
조성 11 50 30 10 10 5.23 4487.8 627.7 1763.7
조성 12 60 10 10 20 5.29 4634.7 638.1 1795.2
조성 13 60 10 20 10 5.22 4318.1 582.7 1683.4
조성 14 70 10 10 10 5.35 4813.5 659.2 1823.7
<실시예 2>
HFC-32/HFC-143a/HFC-152a/R-600a로 이루어진 냉매 조성물의 조성변화에 따른 성능평가 결과는 [표 3]과 같다.
각 항목별 성능이 HFC-407C와 HFC-410A의 중간범위에 있으므로 HCFC-22 대체냉매로서 사용될 수 있음을 알 수 있다.
HFC-32(중량%) HFC-143a(중량%) HFC-152a(중량%) R-600a(중량%) COP VC(kJ/m3) PL(kPa) PH(kPa)
조성 1 40 10 40 10 5.02 3614.3 493.0 1489.2
조성 2 30 30 30 10 5.00 3630.8 511.3 1516.4
조성 3 40 20 30 10 5.03 3840.1 536.0 1581.1
조성 4 30 40 20 10 5.00 3867.4 559.6 1618.6
조성 5 50 10 30 10 5.06 4030.1 558.1 1638.0
조성 6 40 30 20 10 5.06 4097.5 586.8 1682.4
조성 7 30 50 10 10 5.00 4133.1 616.7 1734.3
조성 8 50 20 20 10 5.11 4304.4 610.7 1738.0
조성 9 40 40 10 10 5.09 4387.5 646.7 1797.0
조성 10 60 10 20 10 5.15 4490.7 631.8 1786.8
조성 11 50 30 10 10 5.16 4617.7 673.2 1850.9
조성 12 60 20 10 10 5.23 4823.4 696.1 1897.1
조성 13 70 10 10 10 5.28 5004.6 715.4 1936.7
조성 14 55 20 20 5 5.16 4368.3 607.5 1734.1
조성 15 45 20 20 15 5.03 4164.3 600.2 1720.5
조성 16 60 15 17 8 5.18 4575.0 644.7 1809.4
조성 17 55 18 15 12 5.15 4552.4 654.7 1822.7
<실시예 3>
HFC-32/HFC-143a/HFC-152a/HFC-236ea로 이루어진 냉매 조성물의 조성변화에 따른 성능평가 결과는 [표 4]와 같다.
각 항목별 성능이 HFC-407C와 HFC-410A의 중간범위에 있어 HCFC-22 대체냉매로서 사용될 수 있음을 알 수 있다.
HFC-32(중량%) HFC-143a(중량%) HFC-152a(중량%) HFC-236ea(중량%) COP VC(kJ/m3) PL(kPa) PH(kPa)
조성 1 40 10 40 10 5.06 3394.1 442.6 1382.8
조성 2 30 30 30 10 5.01 3420.1 460.1 1420.8
조성 3 40 20 30 10 5.05 3614.6 482.1 1476.5
조성 4 50 10 30 10 5.09 3788.5 501.3 1523.2
조성 5 40 30 20 10 5.06 3864.8 528.3 1578.4
조성 6 50 20 20 10 5.12 4056.1 549.5 1624.4
조성 7 40 40 10 10 5.08 4149.6 583.1 1691.2
조성 8 60 10 20 10 5.18 4225.5 567.5 1662.0
조성 9 60 10 10 20 5.03 4274.3 582.5 1738.3
조성 10 50 30 10 10 5.16 4362.8 606.5 1736.3
조성 11 60 20 10 10 5.24 4551.9 626.5 1772.4
조성 12 70 10 10 10 5.31 4715.2 642.7 1800.6
<실시예 4>
HFC-32/HFC-143a/HFC-152a/R-600로 이루어진 냉매 조성물의 조성변화에 따른 성능평가 결과는 [표 5]와 같다.
각 항목별 성능이 HFC-407C와 HFC-410A의 중간범위에 있어 HCFC-22 대체냉매로서 사용될 수 있음을 알 수 있다.
HFC-32(중량%) HFC-143a(중량%) HFC-152a(중량%) R-600(중량%) COP VC(kJ/m3) PL(kPa) PH(kPa)
조성 1 30 10 50 10 5.05 3147.4 418.9 1296.9
조성 2 30 20 40 10 5.02 3326.2 452.3 1379.7
조성 3 40 10 40 10 5.05 3518.8 474.9 1442.3
조성 4 30 30 30 10 5.00 3523.6 490.5 1469.4
조성 5 40 20 30 10 5.05 3731.9 515.1 1532
조성 6 50 10 30 10 5.09 3921.4 537.2 1586.5
조성 7 40 30 20 10 5.06 3968.7 561.5 1629.9
조성 8 50 20 20 10 5.12 4177.4 585.9 1684.1
조성 9 40 40 10 10 5.06 4222.5 614.1 1738.2
조성 10 60 10 20 10 5.17 4366.3 607.5 1730.7
조성 11 50 30 10 10 5.14 4457.5 641.8 1792.1
조성 12 60 20 10 10 5.23 4672.7 666.3 1837.7
조성 13 70 10 10 10 5.29 4863.7 687.3 1875.9
조성 14 55 20 20 5 5.17 4307.0 595.8 1703.8
조성 15 60 15 13 12 5.14 4508.5 640.3 1802.6
조성 16 60 15 17 7 5.20 4481.8 624.2 1761.8
본 발명에 의하면 오존층 파괴의 위험이 전혀 없어 향후에도 사용규제에 대한 우려가 없다. 아울러, 상기 물질들은 이미 생산되고 있거나 차후 생산을 위한 연구가 활발히 진행중인 단계에 있으므로 본 발명을 통해 그 용도를 새로이 추가함으로써 보다 효율적인 활용이 가능하게 되었다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 디플루오로메탄(CH2F2, 이하 HFC-32) 30∼70중량%와 1,1,1-트리플루오로에탄 (CH3CF3, 이하 HFC-143a) 10∼50중량%와 1,1-디플루오로에탄(CH3CHF2, 이하 HFC-152a) 10∼40중량%와 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(CF3CHFCF3, 이하 HFC-227ea) 10∼30중량%로 이루어지는 냉매 조성물.
  3. HFC-32 30∼70중량%와 HFC-143a 10∼50중량%와 HFC-152a 10∼40중량%와 이소부탄(CH(CH3)2CH3, R-600a) 5∼15중량%로 이루어지는 냉매 조성물.
  4. HFC-32 30∼70중량%와 HFC-143a 10∼40중량%와 HFC-152a 10∼40중량%와 1,1,1,2,3,3-헥사플루오로프로판(CHF2CHFCF3, 이하 HFC-236ea) 10∼20중량%로 이루어지는 냉매 조성물.
  5. HFC-32 30∼70중량%와 HFC-143a 10∼40중량%와 HFC-152a 10∼50중량%와 부탄(C4H10, 이하 R-600) 5∼12중량%로 이루어지는 냉매 조성물.
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