KR100582824B1 - 환경친화형 차량공조 혼합냉매 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차 에어컨에 주로 사용하고 있는 프레온계 냉매 R12 및 R134a를 대체함에 있어, 종전의 냉동기 시스템의 구조 변경을 최소화하여 냉매량 조정만으로 곧바로 적용할 수 있는 환경친화적인 탄화수소계 혼합냉매 조성물을 제공한다. 냉매 R12 및 R134a를 대체하기 위한 본 발명의 자동차 에어컨용 혼합냉매 조성물은 이소부탄[CH(CH3)3]과 1,1-디플루오로에탄[CHF2-CH3] 및 플루오르화 에틸[CH3-CH2F] 그리고 트리플루오로 메틸아이오드(CF3I)을 포함하는 혼합냉매 조성물로서 공비혼합물의 특성을 갖는다. 보다 구체적으로는, 전체 혼합냉매 조성물에 대해, 이소부탄[CH(CH3)3] 30～40 중량％와 1,1-디플루오로에탄[CHF2-CH3 ] 35～45 중량％, 플루오르화 에틸[CH3-CH2F] 15～25 중량% 그리고 트리플루오로 메틸아이오드(CF 3I) 10 중량% 이하로 함유하여 이루어지는 혼합냉매 조성물에 관한 것이다.
혼합냉매, 냉동능력, 성능계수, 차량공조시스템, 자동차에어컨

Description

환경친화형 차량공조 혼합냉매 조성물 {THE ENVIRONMENTAL REFRIGERANT MIXTURE FOR CAR AIR CONDITIONER}
도 1 ASHRAE HBP 조건
본 발명은 오존층 파괴와 지구 온난화의 주범인 프레온계 냉매 R12 및 R134a의 대체물질로서, 환경친화적이며 기존의 R12 및 R134a 냉매를 사용하는 냉동기의 시스템 설계 변경을 하지 않고 냉매량 조정만으로 곧 바로 적용 가능한 차량공조 시스템에 사용되는 혼합냉매 조성물에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 이소부탄[CH(CH3)3]과 1,1-디플루오로에탄[CHF2-CH3] 및 플루오르화 에틸[CH3-CH2F] 그리고 트리플루오로 메틸아이오드(CF3I) 을 포함하는 혼합냉매 조성물에 관한 것으로서, 상기 조성물은 지구 오존층파괴와 지구 온난화지수에 대한 영향을 최소화하여 환경 친화적이고, 기존의 프레온계 냉매인 R12 및 R134a를 사용하는 냉동기 시스템의 설계변경을 최소화하기 위하여 체적냉동능력이 우수하고 증기압특성이 R12 및 R134a와 유사하고, 증발 및 응축과정에서의 온도구배를 최소화하기 위한 공비혼합물 특 성을 갖는 것을 특징으로 한다.
냉동기 사이클(Cycle)은 압축기, 응축기, 증발기, 팽창밸브, 드라이어, 오일(油) 분리기, 액(液）분리기 등으로 구성되어 있다. 냉동기는 열역학 제2법칙을 이용하여 압축기로 하여금 소정의 일을 수행시킴으로서 저열원(低熱源)에서 열을 흡수하여 온도가 높은 고열원(高熱源)으로 열을 이동하는 것을 목적으로 한다. 냉동 사이클에서 사용되고 있는 냉매는 증발기에서 저온(低溫）증발하여 주위의 열을 흡수하고, 압축기에서 고온(高溫), 고압(高壓)의 기체로 압축되며 응축기에서 다시 냉각되어 고압의 액상으로 상태변화한 것을 팽창밸브를 거치면서 감압되어 증발기내에서 증발함으로서 냉동기 사이클 내부를 순환하며 연속적으로 냉동작용을 한다．
이러한 냉매는 그 사용 온도에 따라서 크게 고온용, 중온용 및 저온용으로 구별되며, 저온용 냉매는 사용 온도의 범위가 약 -35 - -15℃이고, 중온용은 -15 - +5℃이고, 고온용은 -10 - +10℃ 정도이다. 냉매 R12 및 R134a는 자동차용 냉매의 대표적인 물질로서 우수한 열역학적 특성을 갖추고 있으며 안전하여 주로 냉장고와 같은 가정용 중소형 냉동기에도 널리 사용되어져 왔다. 하지만, R12 물질이 지구오존층 파괴와 지구 온난화의 주원인 물질로 규명되어 현재 규제를 받고 있다. 따라서, 상기 R12 대체 냉매의 개발이 꾸준히 진행되어져 왔으며, 히드로플루오로카본계(이하 "HFC계")인 HFC-134a(또는 R134a) 또는 HFC-152a(또는 R152a), 탄화수소계(이하 ”HC계“) 냉매인 R600a, 유기화합물인 암모니아(NH3)가 제안되어져 왔다.
R12 대체냉매로 각광받아온 HFC계, 예를 들면, R134a(CH2FCF3)는 오존층에 대한 파괴의 정도가 낮아 1차적인 대체물질로 현재 널리 사용되고 있으나, 지구 온난화지수가 높아 향후 환경규제의 대상이 될 것으로 예측되고 있다. 특히, HFC계 중 가장 광범위하게 상용화되었던 R134a는 R12 냉매보다 체적냉동능력이 저하되고 압축비가 커서 성능계수가 낮아 전기소비량이 많아진다. 또한, 냉동기유로 일반적으로 사용되고 있는 광유와의 용해도가 낮아 냉동기유로 광유를 사용하지 못하고 특수 합성유인 에스터(Ester) 오일 또는 폴리알킬렌글리콜(PAG) 오일을 사용하여야 하는데 이 오일은 대기중에 노출시 수분을 무한정 흡수하여 냉동기의 치명적 손상을 야기하여 압축기를 비롯한 냉동기 시스템 및 제조설비의 대대적인 보완 없이 곧바로 적용이 불가능하다. 그리고 지구온난화지수가 약 300(CO2=1, 100yr)으로 매우 커서 비환경친화적이다는 문제점이 있다.
R12의 대체물질로서 탄화수소계 냉매는 우수한 열역학적 특성과 지구온난화 지수가 3(CO2=1, 100yr)으로 매우 작아 실용화를 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 예를 들면 이소부탄(R600a)을 냉매로 이용한 가정용 냉장고가 제안되고 있는데 우수한 열역학적 특성에도 불구하고 단위 체적당 냉동능력이 작아 압축기를 비롯한 냉동기 구성부품의 설계변경이 필요하고 가연성, 폭발성 등의 점에서 문제가 있다. 한편 프로판(R290)은 단위 체적당 냉동능력은 우수하나 증기압특성이 매우 커 압축기 모터를 비롯한 냉동기 시스템의 설계변경이 필요하고 가연성, 폭발성 등의 점에서 문제가 있다. 이소부탄과 프로판을 적절히 혼합한 냉매는 체적 냉동능력은 동등 수준이나 비공비 혼합물 특성으로 인하여 증발 및 응축과정에서 온도구배가 5～6℃ 정도로 크게 나타나며 가연성, 폭발성 등의 점에서 문제가 있다.
암모니아(NH3)는 냉동 능력 등의 냉매 특성은 뛰어나지만, 독성 가스이고 가연성 및 폭발성이 있고, 공기 및 수분의 흡수에 의해 동 및 동합금을 부식시킨다는 단점에 의해 가정용 냉동기에는 사용되지 못한다.
한편, 대한민국 특허등록번호 10-0255477에 의하면 탄화수소계 냉매 중에서 프로판과 싸이크로펜탄을 사용하며 탄화수소계 냉매의 가연성을 억제하고자 트리플루오로 메틸아이오드(CF3I)를 혼합하고여 주냉매로 사용하며 상기 혼합물을 활성화시키기 위하여 실리콘 오일을 사용하는 기술이 제안되어 있다. 그러나 트리플루오로 메틸아이오드는 할론-1301(Hallon-1301, CF3Br)을 대체하기 위한 소화물질로서 주로 사용되며 주냉매로 사용시 가격이 고가이고 분자량이 커서 탄화수소계 냉매의 장점인 냉동기에 사용되는 냉매 주입량을 줄이기는 커녕 오히려 그 사용량을 증가시키게 되며 냉동기에 적용시 냉동능력이 저하되고 프로판 및 싸이크로펜탄 등의 탄화수소계 냉매와 적정수준 이상으로 혼합시 증발 및 응축과정에서 온도구배가 2～3℃ 정도로 크게 나타나는 비공비 혼합물 특성을 보인다. 이러한 비공비 혼합물 특성은 냉동기에 냉매의 상변화(액상/기상)에 따라 같은 질량 기준으로 냉매를 주입하였다 할지라도 성능특성이 다르게 나타나고, 냉동기 구성부품인 증발기와 응축기의 압력이 계속하여 변하는 시스템의 불안정을 가져오게 되며 따라서 제조현장에서 냉매의 유지관리가 매우 어렵게 된다. 또한 상기 특허에서 사용하고 있는 실리 콘 오일은 항상 액체상태로 존재하여 냉동기 사이클 내부를 순환함으로서 냉동기의 증발기 부분에서 냉동능력을 저하시키며, 특히 저온 저압상태를 유지하고 있는 증발기 부분에서 누적시 냉동기의 신뢰성에 치명적 영향을 주어 그 사용량을 엄격히 제한하고 있다. 또한 냉매를 제조한 후 장기간 용기 내에 보관할 때 냉매와 분리되는 특성으로 인하여 용기로부터 실제 냉매를 사용할 때는 가연성 개선에 전혀 도움이 되지 않음을 예측할 수 있다.
지금까지 제안된 대체냉매 물질을 사용하게 되면 냉동기 구성부품의 설계를 기본부터 변경할 필요가 있다. 이 설계변경은 막대한 비용이 들고 자원의 낭비가 된다. 냉매 R12 및 R134a를 사용한 기존의 냉동기 등의 효과적 적용이 어려울 뿐만 아니라 이들의 생산설비의 변경에 소요되는 비용은 헤아리기 힘들 정도로 막대하다
따라서, R12 및 R134a 냉매를 사용하는 기존의 냉동기 시스템의 설계변경을 최소화하여 곧바로 대체할 수 있고, 체적냉동능력 및 성능계수가 우수하고, 증기압 특성이 우수하며, 냉동기유를 비롯한 냉동기의 각종 구성부품과 신뢰성이 확보되고, 증발 및 응축과정에서 온도구배가 발생하지 않는 공비혼합물에 대한 개발이 요청되어 왔다.
따라서, 본 발명의 목적은 환경 친화적이고, R12 및 R134a를 사용한 냉동기의 설계 변경을 하지 않고 냉매량 조정만으로 곧 바로 적용 가능한 저온용 혼합 냉매 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 높은 성능계수를 갖고, 환경 및 인체에 무해하고, 응축 및 증발압력이 R12 및 R134a와 거의 동등하고, 냉동기유와의 상용성이 우수하고, 인화 및 폭발성이 현저하게 개선된 자동차용 혼합냉매 조성물을 제공하는 것이다.
상기한 목적들은 이소부탄[CH(CH3)3]과 1,1-디플루오로에탄[CHF2-CH 3] 및 플루오르화 에틸[CH3-CH2F] 그리고 트리플루오로 메틸아이오드(CF3I)을 포함하는 혼합냉매 조성물 함유하는 혼합냉매 조성물을 제공함에 의해 성취될 수 있다.
따라서, 본 발명의 첫 번째 관점은 이소부탄[CH(CH3)3] 30～40 중량％와 1,1-디플루오로에탄[CHF2-CH3] 35～45 중량％, 플루오르화 에틸[CH3-CH 2F] 15～25 중량% 그리고 트리플루오로 메틸아이오드(CF3I) 10 중량% 이하로 함유한 혼합냉매 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 두 번째 관점은 상기 혼합냉매 조성물을 포함하는 차량공조용 냉동기를 제공하는 것이다.
본 발명은 오존층 파괴와 지구 온난화의 주범인 프레온계 냉매 R12 및 R134a의 대체물질로서, 환경친화적이며 기존의 R12 및 R134a 냉매를 사용하는 냉동기의 시스템 설계 변경을 하지 않고 냉매량 조정만으로 곧 바로 적용 가능한, 차량공조 시스템에 사용되는 혼합냉매 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 혼합냉매 조성물은 이소부탄[CH(CH3)3]과 1,1-디플루오로에탄[CHF2-CH3] 및 플루오르화 에틸[CH3-CH2F] 그리고 트리플루오로 메틸아이오드(CF3I)을 포함하는 혼합냉매 조성물로서 공비혼합물의 특성을 갖는다.
보다 구체적으로는, 전체 혼합냉매 조성물에 대해, 이소부탄[CH(CH3)3] 30～40 중량％와 1,1-디플루오로에탄[CHF2-CH3] 35～45 중량％, 플루오르화에틸[CH 3-CH2F] 15～25 중량% 그리고 트리플루오로 메틸아이오드(CF3I) 10 중량% 이하로 함유하여 이루어진다.
본 발명의 구체예에 따르면, 전체 혼합냉매 조성물에 대해 34～36 중량%의 이소부탄, 39-41 중량%의 1,1-디플루오로에탄, 19-21 중량%의 플루오르화 에틸, 4～6 중량%의 트리플루오로 메틸아이오드을 함유하는 혼합냉매 조성물이 가장 바람직한 결과를 제공하였다.
본 발명에서 플루오르화 에틸[CH3-CH2F]은 이소부탄[CH(CH3)3 ] 30～40 중량％와 1,1-디플루오로에탄[CHF2-CH3] 35～45 중량％에 혼합 작용되어 체적냉동능력을 개선하고 특히 성적계수를 개선하는 역할을 수행하지만 25 중량% 이상 사용시 증기압 특성이 크게 악화되어 오히려 성능 및 성적계수가 저하된다.
탄화수소계 냉매가스 이소부탄의 가연성을 개선하는 역할을 수행하는 트리플루오로 메틸아이오드는 증발기내에서 냉동유의 원활한 유동이 가능하도록 하며, 냉매의 체적냉동능력을 보강하는 역할을 추가로 갖는다. 본 발명의 구체예에 따르면, 트리플루오로 메틸아이오드의 함량이 약 5 중량%이면 인화점이 765 ～ 785℃로 상승하였고, 10 중량%이면 약 800 ～ 835℃로 상승하였고, 그 함량이 증가할수록 인화점이 상승하였다. 다만, 트리플루오로 메틸아이오드의 함량이 과다할 경우, 원가구조가 크게 악화되고 비공비혼합물 특성에 의한 성능의 저하를 야기할 수 있기 때문에 상기 물질은 전체 혼합냉매 조성물에 대해 10 중량% 이하의 양으로 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명의 혼합냉매 조성물은 밀폐용기 내의 공기를 진공펌프를 이용하여 완전 진공상태로 하고, 이 밀폐용기 내에 이소부탄[CH(CH3)3]과 트리플루오로 메틸아이오드(CF3I) 및 1,1-디플루오로에탄[CHF2-CH3] 그리고 플루오르화 에틸[CH 3-CH2F]을 차례로 주입한 후 소정의 시간동안 교반시켜 얻을 수 있다. 완성된 조성물은 밸브가 부착된 가스용기에 소정의 무게로 담아 출하한다. 이들의 제조는 상온에서 실행할 수 있다.
상기한 본 발명의 혼합냉매 조성물은 성능계수가 높고 체적냉동능력이 우수하여 압축기, 응축기, 팽창밸브 증발기로 구성된 냉동기에 광범위하게 사용될 수 있다. 그리고 오일 분리기, 액분리기 등을 추가로 갖춘 냉동기에도 사용할 수 있다. 특히, 본 발명의 차량공조용 혼합냉매 조성물은 증기압특성이 R12 및 R134a와 유사하여 R12 및 R134a를 사용하는 기존의 냉동기 시스템의 설계변경을 최소화할 수 있으며, R12 및 R134a를 사용하는 왕복식, 회전식, 스크롤식 압축기 등 기존의 어떠한 압축기에도 시스템 변경 없이 적용할 수 있다는 장점이 있다.
아울러, 상기 조성물은 지구 오존층파괴와 지구 온난화지수에 대한 영향을 최소화하여 환경친화적이기 때문에 R12, HFC 및 HCFC계 냉매 조성물이 갖는 문제점을 해결할 수 있다는 장점을 갖는다.
본 발명의 혼합냉매 조성물은 압축기 등의 마모를 방지하기 위한 냉동기유와 상용성이 우수하여. 국제표준화 기구ISO）에서 정한 규격품(ISO VG 10～50)에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합 냉동기유와 범용적으로 사용될 수 있다. 특히, R134a와 달리, 가장 광범위하게 사용되어온 광유(Mineral oil)를 냉동기유로 사용할 수 있다.
본 발명의 혼합냉매 조성물은 냉동 사이클의 응축기에서 버리는 열량을 난방에 사용하는 히트펌프(Heat Pump）방식의 냉동기에도 적용 가능하다. 예를 들면, 실외에 있는 증발기에서 공기를 냉각시켜 실내에 있는 응축기에서 공기를 따뜻하게 하는, 즉 냉방과 난방이 모두 가능한 히트펌프식 에어컨 등에 적용할 수 있다.
이하, 실시예를 들어 본 발명의 보다 상세히 기술할 것이나, 이들 실시예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1
아래의 조성을 갖는 혼합냉매 조성물을 상기에 기술된 방법으로 제조하였다.
이소부탄 CH(CH3)3 1,1-디플루오로 에탄 (CHF2-CH3) 플루오르화 에틸 (CH3-CH2F) 트리플루오로 메틸아이오드 (CF3I)
시편 1 (JSR-12a) 35.0 40.0 20.0 5.0
시편 2 (JSR-12b) 30.0 45.0 20.0 5.0
시편 3 (JSR-12c) 40.0 35.0 25.0 0.0
시편 4 (JSR-12d) 30.0 45.0 15.0 10.0
시편 5 (JSR-12e) 40.0 35.0 15.0 10.0
실시예 2
실시예 1에서 제조한 시편 1 - 5(이하 JSR-12a 내지 JSR-12e로 명명)와 비교의 목적하에, 차량공조용 여러가지 냉매 R12, R134a, R152a 및 R600a을 사용하여 비등점, 독성, 인화점, 열전달율, 증발잠열, 오존층 파괴지수 및 지수온난화지수를 포함하는 각종 냉매의 열역학적 성질을 측정하였으며, 그 결과를 아래의 표 2에 나타내었다.
여러가지 냉매의 열역학적 성질
냉매 항목 R12 R134a R152a R600a JSR-12a JSR-12b JSR-12c JSR-12d JSR-12e
화학식 CF2Cl2 CH2FCF3 CHF2CH3 C4H10 HC/HFC Mixture HC/HFC Mixture HC/HFC Mixture HC/HFC Mixture HC/HFC Mixture
분자량 120.9 102.0 66.1 58.1 66.2 65.5 58.4 73.9 73.1
비등점 (℃) -29.8 -26.5 -24.0 -11.7 -27.3 -27.5 -28.3 -26.9 -26.5
독성 None None None None None None None None None
인화점 (℃) None None 680 460 765 785 615 835 815
열전달율 (W/m.K) 액상 0.08 0.0938 0.118 0.1064 0.115 0.115 0.115 0.115 0.114
기상 0.0089 0.0118 0.0124 0.0146 0.013 0.013 0.013 0.013 0.013
증발잠열 (kJ/㎏)[at 0℃] 149.8 198.7 307.1 355.7 298.0 303.0 308.0 295.0 292.0
냉동기유 Mineral Ester Mineral Mineral Mineral Mineral Mineral Mineral Mineral
오존층파괴지수 1 0 0 0 0 0 0 0 0
지구온난화지수 (CO2=1, 100yr) 6900 1300 140 3 59 66 53 66 52
상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 혼합매 조성물(JSR-12a 내지 JSR-12e)은 냉동기유로 광유를 사용할 수 있으며, 오존층 파괴지수(ODP)가 0이고, 지구 온난화지수가 70 이하로서 매우 우수하며, 순수 탄화수소냉매(R-600a) 대비 인화점이 크게 개선되었다. 또한 독성이 없고 열전달 특성이 우수하며 냉동기유로서 광유를 사용가능하고 분자량이 작아 사용량을 절감할 수 있다는 장점이 있다.
실시예 3
실시예 1에서 제조한 본 발명의 혼합매 조성물(JSR-10a 내지 SR-10e)을 R12, R134a, R152a, R600a와 비교의 목적하에, NIST 냉매 물성프로그램을 이용한 중량비 혼합비율에 따른 냉매의 성능 해석 결과를 표 3에 나타내었다(단, 압축기의 체적 효율을 100%로 가정함).
ASHRAE HBP 조건에서 해석한 여러 가지 냉매의 성능 특성
R12 R134a R152a R600a JSR-12a JSR-12b JSR-12c JSR-12d JSR-12e
응축온도. ℃ 54.4 54.4 54.4 54.4 54.4 54.4 54.4 54.4 54.4
응축압력() ㎪ 1354 1470 1312 761.4 1392 1402 1412 1382 1372
응축기입구냉매온도 ℃ 54.4 54.4 54.4 54.4 54.42 54.42 54.42 54.42 54.42
응축기출구냉매온도 ℃ 54.4 54.4 54.4 54.4 54.38 54.38 54.38 54.38 54.38
응축온도구배 ℃ 0 0 0 0 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04
증발온도 ℃ 7.2 7.2 7.2 7.2 7.2 7.2 7.2 7.2 7.2
증발압력() ㎪ 389.4 377.1 339.4 200.6 383.0 385.0 388.0 378.0 373.0
증발기입구냉매온도 ℃ 7.2 7.2 7.2 7.2 7.23 7.23 7.22 7.24 7.24
증발기출구냉매온도 ℃ 7.2 7.2 7.2 7.2 7.17 7.17 7.18 7.16 7.16
증발온도구배 ℃ 0 0 0 0 0.06 0.06 0.04 0.08 0.08
압축비() - 3.48 3.90 3.87 3.80 3.63 3.64 3.64 3.65 3.67
압축기토출온도 ℃ 88.4 84.8 94.3 74.7 85.8 87.8 84.8 88.8 86.8
흡입가스 밀도 ㎏/㎥ 19.94 16.16 9.37 4.78 10.48 10.48 10.48 10.47 10.47
체적냉동능력 ㎉/㎥ 600.2 628.1 583.0 342.7 645.6 652.6 653.6 638.6 635.6
증발잠열 ㎉/㎏ 30.1 38.87 62.23 71.74 61.60 62.30 62.40 61.00 60.70
성능계수 w/w 5.00 5.00 5.06 5.25 5.25 5.20 5.15 5.10 5.15
상기 표 3을 살펴보면 R600a는 성능계수(COP)는 우수하나 체적냉동능력이 R12대비 47% 저하되고, R134a는 R12 대비 성능계수는 동등 수준이고 체적냉동능력이 우수하다. 한편 본 발명의 혼합냉매(JSR-12 Series) 냉매는 체적냉동능력 및 성능계수가 모두 R12 및 R134a 대비 매우 우수한 특성을 나타냄을 알 수 있다. 온도구배 특성을 살펴보면 단일냉매는 증발 및 응축 과정에서 온도구배 특성이 나타나지 않으며, 본 발명의 혼합냉매(JSR-12 Series)는 온도구배가 0.04～0.08℃ 정도로서 단일냉매와 매우 유사한 공비혼합물 특성을 보인다. 그리고, 본 발명의 혼합 냉매(JSR-12 Series)는 응축 및 증발압력이 R12 보다 다소 높으나 R134a 대비 낮은 우수한 특성을 보이고, 특히 압축비가 R134a 보다는 매우 양호함을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 혼합냉매 조성물(JSR-12a 내지 JSR-12e)은 냉동능력 및 성능계수를 포함한 성능 특성이 우수하여 차량공조용 냉동기에 광범위하게 사용될 수 있으며, 특히, R12 및 R134a 냉매와 증기압 특성이 유사하여 기존의 R12 및 R134a 냉동기 시스템에 곧바로 적용할 수 있는 조건을 갖추고 있다. 또한 증발 및 응축과정의 온도구배가 작은 공비 혼합물 특성을 나타낸다는 것을 알 수 있다.
실시예 4
평형장치, 냉매 회수용 탱크, 평형 장치의 온도제어를 위한 기기로 구성된 평형 실험장치를 이용하여 본 발명의 혼합냉매(JSR-12 Series)에 대하여 온도에 따른 포화압력을 측정하였으며, 그 결과를 표 4에 나타내었다. 평형실험의 절차는 다음과 같다: 먼저 항온조의 온도를 설정하고, 진공펌프를 이용하여 사이클 내부의 공기를 흡입하여 진공(1Ｘ10-5 torr)화하였다. 진공이 얻어지고 항온조의 온도가 설정되면 혼합냉매를 액체상태로 평형셀 체적의 1/3 정도가 되도록 주입하였다. 냉매가 주입된 후 마그네틱 펌프를 작동시켜 혼합 및 상평형이 잘 이루어지도록 하였다. 냉매 주입 후 상평형이 이루어지면 온도 및 압력센서를 이용하여 온도에 따른 포화압력을 측정하였다.
여러가지 냉매의 온도에 따른 포화압력을 특성
냉매 온도(℃) 압력 (㎪)
R12 R134a JSR-12a JSR-12b JSR-12c JSR-12d JSR-12e
60 1516.4 1682.1 1591.0 1603.5 1618.5 1581.5 1578.5
55 1356.5 1490.8 1421.0 1434.5 1444.5 1407.5 1404.5
50 1208.4 1317.3 1265.0 1270.0 1275.0 1243.0 1240.0
45 1074.1 1159.4 1122.0 1132.5 1136.5 1109.5 1106.5
40 950.5 1016.2 991.5 998.5 1004.5 977.5 974.5
0 303.3 292.5 311.4 318.5 321.5 308.5 308.5
-20 148.4 132.6 150.7 153.6 155.6 147.6 145.6
-25 120.9 106.2 123.2 125.8 126.8 121.8 120.8
-30 99.3 84.6 99.8 102.1 103.1 97.1 95.1
-35 80.7 67.0 80.0 81.9 83.5 79.2 78.9
-40 64.0 51.3 63.5 64.2 65.3 62.3 61.9
상기 표 4는 본 발명의 혼합냉매(JSR-12 Series)는 R12 대비 저온영역에서는 동등 수준의 압력특성을 갖고, 고온영역에서 압력이 다소 상승하였으나 R134a 냉매 대비 매우 낮은 우수한 특성을 가짐을 보여준다.
실시예 5
실험장치는 한국산업규격(KS B 6365-1987)의 2차 냉매 열량계법을 이용하고, 가정용 냉장고에 사용하는 밀폐형 압축기를 이용하여, 실시예 1에서 제조한 JSR-12 Series 냉매와 R12, R134a에 대한 성능을 측정하였으며, 그 결과를 표 5에 나타내었다.
ASHRAE HBP 조건에서 열량계를 이용한 냉매의 성능실험
항목 냉매 냉동능력 (㎉/hr) 소비입력 (W) 성능계수 (W/W) 전류 (A) 증발/응축 온도구배 (℃) 비고
R12 405.2 251.7 1.870 1.26 0/0 ?Compressor: MH45 ?Ref.-oil : SUNISO-3GS
R134a 422.5 256.4 1.914 1.32 0/0
JSR-12a 435.3 253.0 1.999 1.30 0.0/0.04
JSR-12b 442.3 258.7 1.985 1.33 0.0/0.04
JSR-12c 448.3 263.7 1.975 1.38 0.0/0.02
JSR-12d 432.3 255.3 1.968 1.28 0.0/0.07
JSR-12e 430.3 253.1 1.975 1.25 0.0/0.07
상기 표 5를 살펴보면 우선 냉동능력은 압축기의 체적효율의 영향 등으로 이론냉동능력의 62%～69% 수준을 보이고, 성능계수는 압축기의 기계 및 모터효율 등 으로 이론 성능계수의 37%～49% 수준을 나타내었다. R134a는 고온용 조건에서는 R12대비 냉동능력은 4.2%, 성능계수는 2.4% 우수한 특성을 보여 자동차 에어컨과 같은 고온용 냉동기에 있어 R134a 냉매를 적용하기는 비교적 용이하고 냉장고와 같은 저온용 냉동기에서 R134a 냉매를 적용하기가 매우 난이함을 알 수 있다. 본 발명의 혼합냉매 조성물(JSR-12 Series)은 R12 대비 냉동능력은 6.2%～10.6%, 성능계수는 5.2%～6.9% 우수하며, 전류는 동등 수준의 결과를 보임으로서 R12 대비 가장 우수한 품질 특성을 나타내었다. 한편 증발/응축 과정에서의 온도구배 실험결과를 보면, 단일냉매 R12와 R134a는 증발 및 응축과정에서 온도구배 특성이 나타나지 않으며, 본 발명의 혼합냉매 시료는 증발 및 응축과정에서의 온도구배가 0.02℃～0.07℃ 수준으로서 단일냉매와 유사한 매우 우수한 공비혼합물 특성을 나타내었다.
실시예 6
이소부탄 37 중량부와 1,1-디플루오로에탄 42 중량부 그리고 플루오르화 에틸 21 중량부로 이루어진 혼합물에 트리플루오로 메틸아이오드(CF3I)의 혼합비율을 조정하면서 혼합비율에 따른 인화온도를 측정하였으며, 그 결과를 표 6에 나타내었다. 실험결과 이소부탄 37 중량부와 1,1-디플루오로에탄 42 중량부 그리고 플루오르화 에틸 21 중량부로 이루어진 혼합물이 공기중에 35 체적% 노출되었을 때 가장 발화하기 쉬운 조건이 됨을 확인하여 공기투입량은 65 체적%를 기준으로 실험하였다.
인화온도 측정실험
트리플루오로메틸아이오드 (CF3I) 혼합비 (중량%) 0% 2% 5% 7% 10% 20% 30% 40%
인화온도 (℃) 610 685 765 795 835 895 950 1060
상기 표 6에서 알 수 있는 바와 같이, 트리플루오로 메틸아이오드(CF3I) 추가될 경우 혼합냉매 조성물의 인화성이 개선됨을 알 수 있다. 그러나, 상기 물질이 10 중량%를 초과하여 사용될 경우, 가연성은 개선되나 원가구조 악화 및 비공비 혼합물 특성으로 인한 냉동능력과 성능계수를 저하시킬 우려가 높으므로 10 중량% 이하로 사용되는 것이 바람직하다.
실시예 7
실시예 1에서 제조된 혼합냉매 조성물 JSR-12a, JSR-12b 및 JSR-12c를 적용한 냉동기 시스템의 신뢰성을 검증하기 위해, 냉동기의 핵심부품인 압축기를 이용하여 신뢰성 평가 실험을 미국 GE사의 신뢰성 시험 규격에 준하여 수행하였으며, 그 결과를 표 7에 나타내었다.
신뢰성 실험결과
냉매 압축기 냉동유 항목 R12 R-134a JSR-12a JSR-12b JSR-12c
PL25 PL25 PL25
Mineral (Freol S-22T) Ester (Freol α-22T) Mineral (Freol S-22T)
Wear No No No No No
Ref. Oil Color (ASTM) L0.5 L0.5 L0.5 L0.5 L0.5
TAN(0.1↓) (㎎KOH/g) 0.008 0.010 0.005 0.006 0.004
Water (20ppm↓) 0 0 0 0 0
상기 표 7은 본 발명의 혼합냉매 조성물 JSR-12a, JSR-12b 및 JSR-12c가 특히 냉동기유로서 광유[Mineral oil(상품명, Freol S-22T)]와의 과부하 실험결과 전산가가 작아 매우 우수한 특성을 갖고, 밸브 및 기계 구동 마찰부의 마모 특성이 R12 대비 동등 수준임을 보여준다.
본 발명에 따른 차량공조용 혼합냉매 조성물을 이용할 경우 몬트리얼 의정서에 의하여 지구오존층 파괴물질로서 규제 받고 있는 R12 냉매를 대체하여 사용할 수 있으며, 기존의 R12 및 R134a를 사용하는 냉동기 시스템의 설계변경 없이 냉매량 조정만으로 곧 바로 적용 가능하다. 따라서 기존의 냉동기 생산 설비의 추가적 보완이 불필요함으로서 냉동기 제품의 제조원가 개선에도 효과가 크다. 냉매로서의 기능을 요약하면 다음과 같다: (a）대기압 상태에서의 증발온도가 낮음. (b)응축 및 증발 압력이 R12 및 R134a 대비 동등 수준임. (c）증발잠열이 우수함.（d）응고점이 낮음. (e）체적 냉동능력이 우수함. (f）임계온도가 높음. (g）냉동기유와 상용성이 우수함. (h）점도가 작고 열전달 특성이 우수함. (i）전기 절연성이 우수하며 전기 절연물질을 침식시키지 않음. (j）인화 및 폭발성을 현저하게 개선하였음. (k）환경 및 인체에 무해함. (l）기존의 R12 및 R134a를 사용하는 냉동기에 설계변경 없이 냉매량 조정만으로 곧바로 적용 가능함.

Claims (3)

  1. 전체 혼합냉매 조성물에 대해, 이소부탄[CH(CH3)3] 30～40 중량％와 1,1-디플루오로에탄[CHF2-CH3] 35～45 중량％, 플루오르화 에틸[CH3-CH 2F] 15～25 중량% 그리고 트리플루오로 메틸아이오드(CF3I) 10 중량% 이하로 함유하여 이루어지는 프레온계 냉매 R12 및 R134a 대체를 위한 혼합냉매 조성물
  2. 제1항에 있어서, 상기 냉매 조성물이 34～36 중량%의 이소부탄[CH(CH3)3]과 39-41 중량%의 1,1-디플루오로에탄[CHF2-CH3] 그리고 19-21 중량%의 플루오르화 에틸[CH3-CH2F] 및 4～6 중량%의 트리플루오로 메틸아이오드을 함유하는 것을 특징으로 하는 프레온계 냉매 R12 및 R134a 대체를 위한 혼합냉매 조성물.
  3. 삭제
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