KR100406100B1 - 2성분계 유사 공비 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 (A)1,1,1,2-테트라플루오로에탄 및 (B)n-펜탄을 포함하는 유사공비 조성물에 관한다. 또한 유사공비 조성물을 포함하는 열 전달 장치가 기술되어 있다.
Description
본 발명은 냉매 조성물 및 냉장 시스템 및 에어 컨디셔닝 시스템과 같은 열전달 장치 내에서의 상기 조성물의 용도에 관한다. 본 발명은 특히 현재 디클로로디플루오로메탄(냉매 R-12)에 의하여 만족되고 있는 자동차용 에어 컨디셔닝 제품 및 냉장 제품에 사용될 수 있는 냉매 조성물에 관한다.
냉장고, 냉동고, 열 펌프 및 에어 컨디셔닝 시스템과 같은 기계 압축 형태의 열 전달 장치는 널리 공지되어 있다. 상기 장치에서, 적절한 비점을 갖는 냉매액은 주위의 열 전달 유체로부터 열을 빼앗으면서 저압에서 증발된다. 이후 이렇게 얻어진 증기는 압축되어 응축기로 보내져, 응축기에서 응축되면서 다른 열 전달 유체로 열을 방출한다. 이후 응축물은 팽창 밸브를 통하여 증발기로 되돌아오게 되면 싸이클을 완성된다. 증기를 압축하고 액체를 펌핑(pumping)하는데 필요한 기계적인 에너지는 전기 모터 또는 내부 연소 엔진에 의하여 제공될 수 있다.
냉매로서 바람직한 특성에는 적당한 비점 및 높은 증발 잠열을 갖는 것 외에, 낮은 독성, 난연성, 내식성, 높은 안정성이 있어야 하고 및 불쾌한 냄새가 없을 것이 포함된다.
지금까지, 열 전달 장치에는 트리클로로플루오로메탄(냉매 R-11), 디클로로디플루오로메탄(냉매 R=12), 클로로디플루오로메탄(냉매 R-22), 클로로디플루오로메탄 및 클로로펜타플루오로에탄(냉매 R-115)의 공비 혼합물(냉매 R-502)과 같은완전히 및 부분적으로 할로겐화된 클로로플루오로카본 냉매를 사용하는 경향이 었다. 특히 냉매 R-12는 자동차용 에어 컨디셔닝 및 가정용 냉장 시스템에서 널리 사용되어 왔다.
그러나, 완전히 및 부분적으로 할로겐화된 클로로플루오로카본은 지구를 감싸고 있는 오존층의 파괴에 관련되어 있어, 그 결과 상기 물질의 사용 및 생산은 국제 조약에 의하여 제한되어 왔다.
본 발명과 관련된 형태의 열 전달 장치는 본질적으로 폐쇄 시스템이나, 장치를 작동시키거나 보수하는 과정에서 냉매가 누출됨으로써 대기 중으로 냉매가 손실될 수 있다. 따라서, 완전히 또는 부분적으로 할로겐화된 클로로플루오로카본 냉매를 오존을 감소시킬 가능성이 없거나 적은 물질로 대체하는 것이 중요하다.
현재 사용하고 있는 일부 클로로플루오로카본 냉매의 대체물은 이미 개발되었다. 상기 대체 냉매는 선택된 하이드로클루오로카본, 즉 화합물 구조에 있어서, 탄소, 수소 및 플루오르 원자만 함유되어 있는 화합물로 이루어지는 경향이 있다. 따라서, 냉매 R-12는 일한적으로 1,1,1,2-테트라플루오로에탄(R-l34a)으로 대체되고 있다.
열 전달 장치에서, 냉매는 윤활제를 또한 포함하는 작동 유체 (working fluid ) 조성물의 일부를 구성한다. 윤활제는 냉매와 함께 장치 전체를 순환하여 압축기를 계속적으로 윤활시킨다. 윤활제의 바람직한 특성에는 냉매 존재하의 양호한 윤활성 외에, 가수분해에 대한 양호한 안정성 및 양호한 열적 안정성이 포함된다. 또한, 윤활제를 압축기로 순화시키기 위하여, 윤활제는 냉매와 혼화되어야 하는데, 이는 실제로 윤활제와 냉매가 어느 정도의 상호 가용성을 가져야 하는 것, 즉 윤활제와 냉매가 최소한 부분적으로 서로 용해되어야 하는 것을 의미한다.
지금까지 열 전달 장치는 윤활제로서 광유(mineral oil)를 사용하는 경향이었다. 광유에 대한 클로로플루오로카본의 양호한 가용성으로 인하여 광유는 클로로플루오로카본과 함께 열 전달 정치 전체를 순환할 수 있어서 압축기를 효과적으로 윤활시킬 수 있다. 그러나, 불행하게도 대체 냉매는 현재 사용되는 클로로플루오로카본과 상이한 용해 특성을 가지는 경향이 있고 광유에 충분히 용해되지 않아 광유를 윤활제로서 사용할 수 없게 하는 경향이 있다.
따라서, 오존을 감소시킬 가능성이 없거나 적은 실제사용 가능한 대체 냉매를 찾아야 하는 과제는 물론 대부분의 경우에 있어서 대체 냉매와 함께 만족할 만하게 사용될 수 있는 윤활제를 개발해야 하는 과제로 인하여 산업계의 클로로플루오로카본 냉매를 대체할 필요성에는 매우 실질적인 곤란함이 따른다.
본 발명은 오존을 감소시킬 가능성이 없는 화합물의 혼합물로 이루어진 냉매 조성물로서, 현재 냉매 R-12를 사용하고 있는 자동차용 에어 컨디셔닝 제품 및 냉장 제품에서 광유 또는 알킬 벤젠형 윤활제와 함께 사용될 수 있는 냉매 조성물을 제공한다.
본 발명에 따르면 자동차용 에어 컨디셔닝 시스템 및 가정용 냉장 시스템과 같은 열 전달 장치에서 사용하기 위한 1,1,1,2-테트라플루오로에탄(R-134a) 및 n-펜탄을 포함하는 유사공비 (azeotrope-like) 조성물이 제공된다.
본 발명은 또한 1,1,1,2-테트라플루오로에탄 및 n-펜탄을 포함하는 유사공비냉매 조성물이 함유되어 있는, 증발기, 응축기, 압축기 및 팽창 벨브를 포함하는 냉장 또는 에어 컨디셔닝 시스템과 같은 열 전달 장치를 제공한다. 본 발명 조성물은 특히 가정용 냉장 시스템 및 자동차용 에어 컨디셔닝 시스템에서 사용될 수 있다.
본 발명의 유사공비 조성물은 1,1,1,2-테트라플루오로에탄 및 n-펜탄을 포함한다. n-펜탄은 광유 또는 알킬 벤젠 윤활제에 용해될 수 있는데, 이러한 특성으로 인하여 본 발명 조성물은 상기 윤활제를 열 전달 장치 전체에 운반하고 압축기로 되돌릴 수 있게 된다. 그 결과, 냉매로서 본 발명 조성물을 사용하는 열 전달 장치는 압축기를 윤활시키기 위하여 광유 또는 알킬 벤젠을 주성분으로 하는 저렴한 윤활제를 사용할 수 있다.
공비 조성물이란 용어는 냉매 업계에 널리 공지되어 있으며 일정한 비등 거동을 보이고 비등 또는 증발하는 동안 구성 성분들로 분별 또는 분리되지 않는 둘 이상의 성분을 포함하는 조성물을 일컫는 말이다. 따라서, 공비 냉매를 사용할 경우, 각 냉각 싸이클에서 만나게 되는 액상 및 증기상은 동일한 또는 실질적으로 동일한 조성을 가지는 경향이 있다. 본원에서 이하 사용되는 유사공비 조성물이란 비등 시 현저한 정도로 분별되지 않으며 일정한 비등 거동 또는 본질적으로 일정한 비등 거동을 보이는 점에 있어서, 실제 공비조성물처럼 거동하는 조성물을 말한다. 따라서, 유사공비 조성물의 경우, 각 싸이클에서 만나게 되는 액상 및 증기상 또한 유사한 조성을 가지는 경향이 있을 것이다.
본 발명의 유사공비 조성물은 바람직하게는 95.0 - 99.9 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄 및 0.1 - 5.0 중량%의 n-펜탄을 포함할 것이다. 특히 바람직한 조성물은 자동차용 에어 컨디셔닝 시스템 및 가정용 냉각 시스템에서 일반적으로 적용되는 온도 및 압력, 즉 -40 내지 +45℃ 의 온도 및 0.5 - 12 bar(0.5x105- 12x105N/m2)의 압력에서 유사 공비 거동을 보이는, 97.0 - 99.8 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄 및 0.2 - 3.0 중량%의 n-펜탄을 포함하는 조성물이다.
본 발명 유사공비 조성물은 조성물을 응축시킨 다음 공기 또는 물과 같은 냉각시켜야 할 열 전달 유체와의 열 교환 관계를 통하여 조성물을 증발시키는 것을 포함하는 방법으로써 자동차용 에어 컨디셔닝 시스템 및 가정용 냉각 시스템과 같은 열 전달 장치로 원하는 냉방을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 특히, 본 발명 유사공비 조성물은 냉매 R-12용 대체물로서 사용할 수 있다. 본 발명 조성물은 또한 특정 비율의 냉매 R-12 및 1,1-디플루오로에탄(R-152a)의 혼합물인 냉매 R-500용 대체물로서 사용할 수 있다.
본 발명은 다음 실시예로 예시되나 이에 한정되지 않는다.
실시예 1
1,1,1,2-테트라플루오로에탄(이하 R-134a) 및 n-펜탄의 유사공비 배합물의 존재를 테스트하기 위하여 1,1,1,2-테트라플루오로에탄 및 n-펜탄에 대하여 열역학적 연구를 하였다. R-134a 및 n-펜탄을 여러 가지 양으로 함유하는 일련의 조성물의 증기/액체 평형(VLE) 거동을 먼저 측정하였다. 이후 이렇게 측정된 VLE 데이터를 순수한 R-134a 및 순수한 n-펜탄의 공지된 특성과 함께 사용하여, 이상적인 배합물과의 편차를 특징적으로 나타내는 여러가지 상호 작용 파라미터를 측정하기 위하여 측정된 VLE 데이터에 맞도록 개질된 R-134a 및 n-펜탄 배합물을 위한 Huron-Vidal(MHV-2) 상태 방정식을 세웠다. 이후 이렇게 얻어진 상태 방정식을 사용하여 -20 내지 +30℃의 여러 가지 상이한 온도에서 혹종의 R-134a 및 n-펜탄의 유사공비 배합물의 존재 및 조성을 더욱 정밀하게 측정하였다. 본질적으로 액체 조성 및 증기 조성이 동일할 때까지 조사된 각 온도에서 R-134a 및 n-펜탄 배합물의 증기압 및 조성을 변화시켜 측정하였다. 결과를 표1에 나타내었다. 표1에 구체화한 각 온도에서, 본질적으로 액체 조성 및 기체 조성이 동일하게 나타나는 (즉, 소수점 첫째 자리의 몰% 까지 동일함) R-134a/n-펜탄 배합물의 증기압 및 조성을 기록하였다.
Claims (12)
- -40 내지 +45℃의 온도 및 0.5 내지 12 bar (0.5 ×105N/m2내지 12 ×105N/m2)의 압력에서 유사 공비 거동을 보이고 97.0 - 99.8 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄 및 0.2 - 3.0 중량%의 n-펜탄으로 구성된 2성분계 유사 공비 조성물.
- 제1항에 있어서, 97.0 - 97.6 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄 및 2.4 - 3.0 중량%의 n-펜탄으로 구성된 2성분계 유사 공비 조성물.
- 제2항에 있어서, 97.2 - 97.6 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄 및 2.4 - 2.8 중량%의 n-펜탄으로 구성된 2성분계 유사 공비 조성물.
- 제1항에 있어서, 98.9 - 99.8 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄 및 0.2 - 1.1 중량%의 n-펜탄으로 구성된 2성분계 유사 공비 조성물.
- 제1항에 있어서, 97.2 중량%의 1,1,1,2-테트라플루오로에탄 및 2.8 중량%의 n-펜탄으로 구성된 2성분계 유사 공비 조성물.
- 제1항의 조성물을 응축시키는 단계 및 이후 냉각시켜야 할 열 전달 유체와의열 교환 관계에 의하여 상기 조성물을 증발시키는 단계로 이루어지는 냉각 방법.
- 자동차용 에어 컨디셔닝 시스템 또는 가정용 냉각 시스템에서 제1항의 조성물을 응축시키는 단계 및 이후 냉각시켜야 할 열 전달 유체와의 열 교환 관계에 의하여 상기 조성물을 증발시키는 단계로 이루어지는 냉각 방법.
- 증발기, 응축기, 압축기 및 팽창 수단으로 이루어지는 열 전달 장치에 있어서, 제1항의 유사 공비 조성물이 포함되어 있는 열 전달 장치.
- 증발기, 응축기, 압축기 및 팽창 수단으로 이루어지는 에어 컨디셔닝 시스템 또는 냉각 시스템에 있어서, 제1항의 유사 공비 조성물이 포함되어 있는 에어 컨디셔닝 시스템 또는 냉각 시스템.
- 증발기, 응축기, 압축기 및 팽창 수단으로 이루어지는 자동차용 에어 컨디셔닝 시스템 또는 가정용 냉각 시스템에 있어서, 제1항의 유사 공비 조성물이 포함되어 있는 자동차용 에어 컨디셔닝 시스템 또는 가정용 냉각 시스템.
- 공비 냉매 조성물을 응축시키는 단계 및 이후 냉각시켜야 할 열 전달 유체와의 열 교환 관계에 의하여 상기 조성물을 증발시키는 단계로 이루어지는 냉각 방법에 있어서, 냉매 R-12 의 대체물로서 제1항의 유사 공비 조성물을 사용하는 방법.
- 공비 냉매 조성물을 응축시키는 단계 및 이후 냉각시켜야 할 열 전달 유체와의 열 교환 관계에 의하여 상기 조성물을 증발시키는 단계로 이루어지는 냉각 방법에 있어서, 냉매 R-500 의 대체물로서 제1항의 유사 공비 조성물을 사용하는 방법.
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