KR100402050B1 - 혼합냉매 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 혼합냉매 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 디플루오로메탄(CH2F2, 이하 'HFC-32'라 한다), 1,1,1,2-테트라플루오로에탄(CH2FCF3, 이하 'HFC-134a'라 한다) 및 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(CF3CHFCF3, 이하 'HFC-227ea'라 한다)의 혼합물에 이소부탄(CH(CH3)2CH3, 이하 'R-600a'라 한다), 1,1,1,2,3,3-헥사플루오로프로판(CHF2CHFCF3, 이하 'HFC-236ea'라 한다) 및 부탄(C4H10, 이하 'R-600'라 한다) 중에서 선택된 하나의 성분을 혼합하거나, 또는 HFC-32, 1,1-디플루오로에탄(CH3CHF2, 이하 'HFC-152a'라 한다) 및 HFC-227ea의 혼합물에 R-600a, HFC-236ea 및 R-600 중에서 선택된 하나의 성분을 혼합한 4원 혼합냉매 조성물로서, 지금까지 사용되어온 클로로디플루오로메탄(CHClF2: 이하 'HCFC-22'라 한다)의 대체냉매로서 사용되어 오존 파괴능이 전혀 없으며, 가정용 냉장고 및 자동차 공기조화기 등의 냉매 물질로 사용될 수 있는 혼합냉매 조성물에 관한 것이다.

Description

혼합냉매 조성물{A composition of Refrigerant Mixtures}
본 발명은 혼합냉매 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 디플루오로메탄(CH2F2, 이하 'HFC-32'라 한다), 1,1,1,2-테트라플루오로에탄(CH2FCF3, 이하 'HFC-134a'라 한다) 및 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(CF3CHFCF3, 이하 'HFC-227ea'라 한다)의 혼합물에 이소부탄(CH(CH3)2CH3, 이하 'R-600a'라 한다), 1,1,1,2,3,3-헥사플루오로프로판(CHF2CHFCF3, 이하 'HFC-236ea'라 한다) 및 부탄(C4H10, 이하 'R-600'라 한다) 중에서 선택된 하나의 성분을 혼합하거나, 또는 HFC-32, 1,1-디플루오로에탄(CH3CHF2, 이하 'HFC-152a'라 한다) 및 HFC-227ea의 혼합물에 R-600a, HFC-236ea 및 R-600 중에서 선택된 하나의 성분을 혼합한 4원 혼합냉매 조성물로서, 지금까지 사용되어온 클로로디플루오로메탄(CHClF2: 이하 'HCFC-22'라 한다)의 대체냉매로서 사용되어 오존 파괴능이 전혀 없으며, 가정용 냉장고 및 자동차 공기조화기 등의 냉매 물질로 사용될 수 있는 혼합냉매 조성물에 관한 것이다.
이미 잘 알려진 바와 같이 염화불화탄소(Chloro-Fluoro-Carbon: 이하 'CFC'라 한다)는 성층권내의 오존층을 파괴하는 주요인으로 밝혀짐에 따라 몬트리올 의정서에 의해 그 생산과 사용이 규제를 받고 있으며, 선진국에서는 1996년부터 사용이 금지된 상태이다. HCFC-22를 비롯한 수소화 염화 불화탄소(Hydro-Chloro-Fluoro-Carbon: 이하 'HCFC'라 한다)도 CFC만큼 심하지는 않으나, 오존층 파괴에 상당한 영향을 미치고 있으므로 점차적으로 그 사용량을 규제하여 2030년경에는 사용금지 예정으로 있다. 따라서 세계각국은 HCFC-22의 본격적인 규제에 대비하여 대체물질개발에 대한 많은 투자를 하고 있다.
HCFC-22를 대체하기 위해 단일물질의 냉매를 사용하면 대체냉매의 체적용량이 다르게 되므로 필연적으로 압축기를 교환해야만 하며 또한 HCFC-22와 비슷한 성능계수를 내기가 어렵다는 것은 이미 잘 알려져 있다. 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있는 방법 중 하나가 HCFC-22와 물성이 유사한 혼합냉매를 사용하는 것이다.
혼합냉매의 특성은 조성을 잘 배합하여 기존의 냉매와 같은 증기압을 내며 동시에 동일한 윤활유를 사용할 수 있게 되며 압축기를 바꿀 필요가 없다는 장점을 갖게 되는 것이다. 이런 특성 때문에 지난 몇 년간 HCFC-22의 대체물로서 여러 가지 혼합냉매가 개발된 바 있다.
HCFC-22의 대체물질로서 대표적인 혼합냉매의 예로는 미국냉동공조학회(ASHRAE)에서 추천하는 HFC-407C와 HFC-410A를 들 수가 있다.
HFC-407C는 HFC-32/125/134a가 23/25/52 중량%로 혼합된 냉매조성물이며HFC-410A는 HFC-32/125가 50/50 중량%로 혼합된 냉매조성물이다.
이외에도 미국특허 제5,080,823호는 HFC-143a/프로판, 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 혼합냉매 조성물을 개시하고 있다.
또한 일본특허공개 평3-172386호는 HFC-32/125/143a, 평3-170594호는 HFC
-23/125/134a, 평3-170593호는 HFC-23/125/32, 평3-170591호는 HFC-23/143a/134a, 평3-170590호는 HFC-125/134a/32, 평3-170589호는 HFC-23/143a/152a, 평3-170588호는HFC-125/143a/134a, 평3-170585호는 HFC-32/125/134a, 평3-170584호는 HFC-23/134a/152a, 평3-170583호는 HFC-125/143a/32, 평4-222893호는 HFC-32/125, 평4-154887호는 HFC-134/152a, 평5-117645호는 HFC-23/134a/프로판, 평5-117643호는 HFC-125/134a/프로판, 평6-65561호는 HFC-23/152a/PFC-218, 평6-128872호는 HFC-32/PFC-218, 평6-220433호는 HFC-32/125/RC-318, 평7-173462호는 HFC-143a/125/134a/헵탄, 평8-176537호는 PFC-218/RC-270/HFC-152a, 평8-151569호는 프로판/RC-270/HFC-134a, 평8-127767호는 HFC-32/134a/RC-318, 평9-25480호는 HFC-32/134a/125/이소부탄, 평9-59611호는 HFC-134a/이소부탄, 평9-208941호는 HFC-32/152a/125/RC-270, 평9-221664호는 HFC-125/143a/134a/RC-270으로 이루어지는 혼합냉매 조성물을 개시하였다.
그리고, 대한민국특허공개 제91-9902호는 HFC-23/32/152a, HFC-23/125/
152a, HFC-32/143a/152a, HFC-125/143a/152a, HFC-32/125/125a, HFC-23/143a/
152a, 대한민국특허공개 제91-9903호는 HFC-23/32/134, HFC-23/32/134a, HFC-23/125/134, HFC-32/125/134, HFC-23/143a/134a, HFC-125/143a/134a, HFC-125/143a/134, 대한민국특허공개 제96-4485호는 HFC-32/23/134a, 대한민국특허공개 제96-701168호는 HFC-227ea/HFC-152a, 대한민국특허공개 제97-704853호는 HFC-134a/HCFC-124/부탄으로 이루어지는 혼합냉매 조성물을 개시하고 있다.
이와 같이, 여러 가지 혼합냉매들이 냉장고 및 공기조화기에 적용되고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 HFC-32, HFC-134a 및 HFC-227ea의 혼합물에 R-600a, HFC-236ea, R-600 중에서 선택된 하나의 성분을 혼합하거나, 또는 HFC-32, HFC-152a 및 HFC-227ea의 혼합물에 R-600a, HFC-236ea, R-600 중에서 선택된 하나의 성분을 혼합하여 냉매 조성물을 제조함으로써, 기존의 HCFC-22와 유사한 성능을 발휘할 수 있으면서도 오존층 파괴의 위험이 전혀 없어 사용규제에 대한 우려가 없는 새로운 조성의 혼합냉매 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 불화탄화수소의 혼합물로 이루어진 저온 냉동기용 혼합냉매 조성물에 있어서, 디플루오로메탄(HFC-32), 1,1,1,2-테트라플루오로에탄(HFC-134a) 및 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(HFC-227ea)의 혼합물에 이소부탄(R-600a), 1,1,1,2,3,3-헥사플루오로프로판(HFC-236ea) 및 부탄(R-600) 중에서 선택된 하나의 성분이 함유된 혼합냉매 조성물을 그 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기한 조성물과 동일개념하에 일부 조성을 변경하여 구성된 것으로서, 불화탄화수소의 혼합물로 이루어진 저온 냉동기용 혼합냉매 조성물에 있어서, 디플루오로메탄(HFC-32), 1,1-디플루오로에탄(HFC-152a) 및 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(HFC-227ea)의 혼합물에 이소부탄(R-600a), 1,1,1,2,3,3-헥사플루오로프로판(HFC-236ea) 및 부탄(R-600) 중에서 선택된 하나의 성분이 함유된 혼합냉매 조성물을 포함한다.
이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 HFC-32, HFC-134a 및 HFC-227ea의 혼합물에 R-600a, HFC-236ea, R-600 중에서 선택된 한 성분을 혼합하거나, 또는 HFC-32, HFC-152a 및 HFC-227ea의 혼합물에 R-600a, HFC-236ea, R-600 중에서 선택된 한 성분을 혼합하여 냉매 조성물을 제조한다.
본 발명에 따른 혼합냉매 조성물에 포함되는 각 조성성분에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
HFC-32, HFC-134a, HFC-227ea 및 R-600a의 혼합냉매 조성물에서 각각의 조성비는 50 ∼ 60 중량%, 10 ∼ 30 중량%, 10 ∼ 20 중량%, 5 ∼ 15 중량%의 범위에서 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 53 ∼ 57 중량%, 15 ∼ 25 중량%, 13 ∼ 17 중량%, 8 ∼ 12 중량%의 범위에서 사용하는 것이 좋다.
HFC-32, HFC-134a, HFC-227ea 및 HFC-236ea의 혼합냉매 조성물에서 각각의 조성비는 50 ∼ 70 중량%, 10 ∼ 30 중량%, 10 ∼ 20 중량%, 5 ∼ 15 중량%의 범위에서 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 55 ∼ 65 중량%, 15 ∼ 25 중량%, 13 ∼ 17 중량%, 7 ∼ 12 중량%의 범위에서 사용하는 것이 좋다.
HFC-32, HFC-134a, HFC-227ea 및 R-600의 혼합냉매 조성물에서 각각의 조성비는 50 ∼ 70 중량%, 10 ∼ 30 중량%, 10 ∼ 20 중량%, 5 ∼ 12 중량%의 범위에서 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 55 ∼ 65 중량%, 15 ∼ 25 중량%, 13 ∼ 17 중량%, 7 ∼ 10 중량%의 범위에서 사용하는 것이 좋다.
HFC-32, HFC-152a, HFC-227ea 및 R-600a의 혼합냉매 조성물에서 각각의 조성비는 40 ∼ 70 중량%, 10 ∼ 40 중량%, 10 ∼ 20 중량%, 5 ∼ 15 중량%의 범위에서 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 50 ∼ 60 중량%, 20 ∼ 30 중량%, 13 ∼ 17 중량%, 7 ∼ 12 중량%의 범위에서 사용하는 것이 좋다.
HFC-32, HFC-152a, HFC-227ea 및 HFC-236ea의 혼합냉매 조성물은 각각의 조성비는 50 ∼ 70 중량%, 10 ∼ 30 중량%, 10 ∼ 20 중량%, 5 ∼ 15 중량%의 범위에서 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 55 ∼ 65 중량%, 15 ∼ 25 중량%, 13 ∼ 17 중량%, 7 ∼ 12 중량%의 범위에서 사용하는 것이 좋다.
HFC-32, HFC-152a, HFC-227ea 및 R-600의 혼합냉매 조성물에서 각각의 조성비는 40 ∼ 70 중량%, 10 ∼ 40 중량%, 10 ∼ 20 중량%, 5 ∼ 12 중량%의 범위에서 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 50 ∼ 60 중량%, 20 ∼ 30 중량%, 13 ∼ 17 중량%, 7 ∼ 10 중량%의 범위에서 사용하는 것이 좋다.
이와 같이, 본 발명에 따른 혼합냉매 조성물은 HFC-32, HFC-134a 및 HFC-227ea의 혼합물에 R-600a, HFC-236ea, R-600 중에서 선택된 하나의 성분을 혼합하거나, 또는 HFC-32, HFC-152a 및 HFC-227ea의 혼합물에 R-600a, HFC-236ea, R-600 중에서 선택된 하나의 성분을 혼합하여 냉매 조성물을 제조함으로써, 종래의 HCFC-22와 유사한 성능을 발휘할 수 있으며, 오존층 파괴의 위험이 전혀 없어 향후 사용규제에 대한 우려가 없는 HCFC-22의 대체물질로서 유용하게 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 ∼ 6. HFC-32/HFC-134a/HFC-227ea/R-600a 혼합냉매 조성물
다음 표 1에 나타낸 조성으로 통상적인 방법을 사용하여 혼합냉매 조성물을 조합하였다.
실시예 7 ∼ 12. HFC-32/HFC-134a/HFC-227ea/HFC-236ea 혼합냉매 조성물
다음 표 2에 나타낸 조성으로 통상적인 방법을 사용하여 혼합냉매 조성물을 조합하였다.
실시예 13 ∼ 18. HFC-32/HFC-134a/HFC-227ea/R-600 혼합냉매 조성물
다음 표 3에 나타낸 조성으로 통상적인 방법을 사용하여 혼합냉매 조성물을 조합하였다.
실시예 19 ∼ 26. HFC-32/HFC-152a/HFC-227ea/R-600a 혼합냉매 조성물
다음 표 4에 나타낸 조성으로 통상적인 방법을 사용하여 혼합냉매 조성물을 조합하였다.
실시예 27 ∼ 33. HFC-32/HFC-152a/HFC-227ea/HFC-236ea 혼합냉매 조성물
다음 표 5에 나타낸 조성으로 통상적인 방법을 사용하여 혼합냉매 조성물을 조합하였다.
실시예 34 ∼ 40. HFC-32/HFC-152a/HFC-227ea/R-600 혼합냉매 조성물
다음 표 6에 나타낸 조성으로 통상적인 방법을 사용하여 혼합냉매 조성물을 조합하였다.
비교예 1 ∼ 6
실시예 1 ∼ 18과 동일 조성으로 하되 일부 사용함량을 달리하여 다음 표 7에 나타낸 조성으로 통상적인 방법을 사용하여 혼합냉매 조성물을 조합하였다.
비교예 7 ∼ 12
실시예 19 ∼ 40과 동일 조성으로 하되 일부 사용함량을 달리하여 다음 표 8에 나타낸 조성으로 통상적인 방법을 사용하여 혼합냉매 조성물을 조합하였다.
비교예 13 ∼ 15
종래에 사용된 HCFC-22와 HFC-407C 및 HFC-410A 혼합냉매를 다음 표 9에 나타낸 조성으로 통상적인 방법을 사용하여 조합하였다.
시험예 1
상기 실시예 및 비교예에 따라 제조한 혼합냉매 조성물을 압축기, 응축기, 팽창변 및 증발기로 이루어지는 냉동시스템에 적용하여 냉동성능계수(Coefficient of Performance, COP), 압축기의 냉동체적용량(Volumetric Capacity, VC), 응축기 압력(PH) 및 증발기 압력(PL) 등 냉매성능평가 주요인자를 측정하여 비교예 13 ∼ 15인 HCFC-22, HFC-407C, HFC-410A와 비교분석하였다.
<시험 조건>
본 발명에 따른 혼합냉매 조성물의 성능을 평가하기 위해 사용된 압축기, 응축기, 팽창변 및 증발기로 이루어지는 냉동시스템에서 성능평가조건은 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
2차유체의 응축기 입구온도 : 25 ℃
2차유체의 응축기 출구온도 : 35 ℃
2차유체의 증발기 입구온도 : 15 ℃
2차유체의 증발기 출구온도 : 5 ℃
(계속)
(계속)
상기 표 10의 결과를 보면 본 발명에 따른 실시예 1 ∼ 40은 각 항목별 성능이 비교예 13 ∼ 15인 HCFC-22, HFC-407C, HFC-410A와 유사하여 HCFC-22 대체냉매로서 사용될 수 있음을 알 수 있으나, 본 발명의 조성범위를 벗어난 비교예 1 ∼ 12의 경우는 HCFC-22 대체냉매로 사용하기에 부적당함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 혼합냉매 조성물은 오존소모 가능성이 지극히 낮으면서 기존의 HCFC-22를 사용하던 냉장고 및 자동차 공기조화기의 압축기나 윤활유를 바꾸어주지 않고도 HCFC-22의 대체냉매로 유용하게 사용될수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 불화탄화수소의 혼합물로 이루어진 저온 냉동기용 혼합냉매 조성물에 있어서, 디플루오로메탄(HFC-32) 40 ∼ 70 중량%, 1,1-디플루오로에탄(HFC-152a) 10 ∼ 40 중량% 및 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(HFC-227ea) 10 ∼ 20 중량%가 함유된 혼합물에, 이소부탄(R-600a)이 5 ∼ 15 중량% 함유된 것임을 특징으로 하는 혼합냉매 조성물.
  2. 불화탄화수소의 혼합물로 이루어진 저온 냉동기용 혼합냉매 조성물에 있어서, 디플루오로메탄(HFC-32) 50 ∼ 70 중량%, 1,1-디플루오로에탄(HFC-152a) 10 ∼ 30 중량% 및 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(HFC-227ea) 10 ∼ 20 중량%가 함유된 혼합물에, 1,1,1,2,3,3-헥사플루오로프로판(HFC-236ea)이 5 ∼ 15 중량% 함유된 것임을 특징으로 하는 혼합냉매 조성물.
  3. 불화탄화수소의 혼합물로 이루어진 저온 냉동기용 혼합냉매 조성물에 있어서, 디플루오로메탄(HFC-32) 40 ∼ 70 중량%, 1,1-디플루오로에탄(HFC-152a) 10 ∼ 40 중량% 및 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(HFC-227ea) 10 ∼ 20 중량%가 함유된 혼합물에, 부탄(R-600)이 5 ∼ 12 중량% 함유된 것임을 특징으로 하는 혼합냉매조성물.
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