KR100833696B1

KR100833696B1 - 비공비 냉매를 이용한 냉동기 시스템 및 그 시스템을이용하는 초 저온용 비공비 냉매

Info

Publication number: KR100833696B1
Application number: KR1020057006393A
Authority: KR
Inventors: 수수무 쿠리타; 노부요시 쿠리타
Original assignee: 니혼 프리자 가부시키가이샤
Priority date: 2005-04-13
Filing date: 2002-12-03
Publication date: 2008-05-29
Also published as: KR20050095763A

Abstract

압축기, 응축기, 증발기, 및 증발기로부터 압축기에 이르는 냉매와 응축기로부터 증발기에 이르는 과정의 냉매와의 사이에서 열교환을 행하는 열교환기에 의해 구성되는 단단식 냉동기 시스템 및 그 시스템에서 사용하는 비공비 냉매이고,

상온부근의 표준 비등점을 갖는 냉매와 -60℃ 이하의 낮은 표준 비등점을 갖는 냉매와의 조합으로 되고,

압축후의 응축 과정의 압력에 있어서 냉매의 노점이 상온 이상이고,

또한，그 압력에 있어서 비등점이 증발기로부터 압축기에 이르는 과정의 저압 압력에서 노점 이상인 것을 특징으로 한다.

　상기 냉매성분의 조합으로서 실온부근의 고비등점을 갖고, 증기압이 낮은 냉매에 부탄, 이소 부탄, 초 저온용으로 적합한 저비등점의 냉매로서 에탄, 에틸렌등을 이용할 수 있다.

비공비 냉매, 초 저온, 냉동기 시스템, 이소 부탄, 에탄, 에틸렌

Description

비공비 냉매를 이용한 냉동기 시스템 및 그 시스템을 이용하는 초 저온용 비공비 냉매{REFRIGERATOR SYSTEM USING NON-AZEOTROPIC REFRIGERANT, AND NON-AZEOTROPIC REFRIGERANT FOR VERY LOW TEMPERATURE USED FOR THE SYSTEM}

본 발명은 비공비 혼합냉매를 사용해서 그 비공비 냉매의 특성을 이용하여 실온환경하에서 단일의 압축기, 응축기로 이루어진 단단식(單段式,single stage) 냉동기 시스템의 운전을 가능하게 하고，-40℃이하의 저온도，특히 -60℃이하의 초 저온도를 실현하는 시스템을 실현하고, 또한 그 시스템에 있어서 탄화수소계 냉매가스 또는 염소를 포함하지 않는 탄화불소에 의해 초 저온도를 달성하는 초 저온용 냉매에 관한 것이다.

냉동고，냉동기용 냉매로서 종래에 플로로 카본(Furoro Carbon), 이른바 프론(Fron)이 폭넓게 사용되고 있지만, 염소를 포함한 특정 프론이 대기층 상층부의 오존을 파괴하기 때문에 염소를 포함하지 않는 프론이나 그들의 대체물로서의 탄화수소계 냉매의 개발이 바람직하고 있다.

또한, 염소를 포함하지 않는 프론에 있어서도, 그 대부분이 장파장의 적외선흡수능이 높고，지구환경의 온난화에 효과가 있기 때문에 이들의 이른바 그린 하우스 효과가 작은 물질인 동시에 그 사용량을 가능한 한 적게 하는 고안이 필요해진 다．

이 때문에，저비등점 탄화수소를 주성분으로 하고 소정의 냉매의 특성을 충족시키는 가스의 탐색이 행해지고 있지만, 단독의 가스로 이들 모든 조건을 만족하는 가스의 종류도 한정되고 있으므로 곤란하고，2종류 이상의 가스를 혼합하여 그 특성을 조정하는 것이 행해지고 있다.

그렇지만 이들 ２종이상의 성분으로 된 혼합냉매에 있어서는, 종래 상용되어왔던 단일성분의 냉매가스와 마찬가지로 일정한 비등점을 나타내는 공비냉매는 그 조합시킨 조성과 같이 한정되고 있고，대부분은 비공비 특성을 나타낸다.

이러한 비공비 냉매는 단일성분으로 이루어지는 냉매나 공비냉매와 다른 성분으로 된 가스조성을 선택하는 것에 의하여 단독의 가스 성질을 조합시켜 중간적인 바람직한 특성을 갖도록 할 수 있지만, 그 반면，비등점과 노(露)점이 분리해서 있기 때문에 액상과 기상이 공존하는 조건하에서는 가스상과 액화한 응축상과의 조성이 다르고，응축과정에 있어서 일정온도ㆍ일정압력으로 응축되지 않고, 냉동시스템의 안정된 운전이 곤란하였다.

이와 같은 문제에 대하여，예를 들면 특개소 51-83258호 공보나 특공평 5-45867호 공보에 기재된 것에 있어서는, 비공비 냉매를 이용한 냉동 시스템에 있어서, 비공비 혼합냉매의 증발압력과 이것에 대응하는 포화온도와의 관계에 근거하여팽창밸브를 통하여 냉동시스템내의 온도ㆍ압력을 제어함과 동시에, 이러한 제어조건이 일정범위를 벗어난다면 경고수단을 작동하도록 하고, 특히 후자에 있어서는, 증발기로부터 압축기에 이르는 과정의 저온의 흡입냉매와 압축기로부터 증발기에 이른 고압의 냉매와의 사이에서 열교환을 행하는 것이 기재되어 있다．

즉, 사용하는 성분 냉매의 조합이, 저비등점의 R-22와 고비등점의 냉매 R-114이고，각각 표준 비등점이 -40.8℃ 및 3.85℃이기 때문에 비공비 냉매 특유의 노점과 비등점의 차이가 크고, 이 때문에 압축기에 있어서 액상 상태의 냉매 흡입등의 문제가 생기는 것이고, 냉동기 시스템의 제어에 의하여 이와 같은 상태로 되는 것을 회피하고 있는 것이다.

한편，특개평 8-166172호 공보에 기재된 것에 있어서는, 실시례로 들 수 있는 냉매 성분은 모두 플로로 카본으로 그 표준 비등점은 R-32：-51.7℃, R-125：-48.5℃, R-134a ：-26.5℃이고, 이들로부터 이루어진 비공비 혼합냉매는 당연한 것이지만 상온보다도 현저하게 저온도가 아니면 액화하지 않고, 이 때문에, 압축기,응축기, 수액(受液)기, 감압기, 증발기로부터 구성하고, 응축기로부터 수액기로 흐르는 냉매와 증발기로부터 압축기로 흐르는 냉매를 열교환시키는 열교환기를 구비한 냉동 시스템으로 하고 있다．

이러한 냉매에 있어서는 비등점의 차이가 작고，즉 혼합냉매로서의 노점과 비등점의 차이를 작게 해서 상기의 문제를 회피하고 있지만, 시스템 중에 있어서 기상과 액상이 공존하는 상태에 대해서는，액화한 비공비 냉매만을 수액기에 의하여 분리하여 증발기로 보내고 있고, 또한, 압축기에 들어가는 냉매가스에 액체상태의 냉매가 혼입하여 액압축이 생기는 것을 방지하기 위해 흡입배관에 있어서도 기액(氣液) 분리를 행하고 있다．

그렇지만，이와 같은 시스템 구성은 복잡할 뿐만 아니라, 위에서 설명한 바 와 같이 비공비 냉매는 기액 공존상태에서 기상과 액상의 조성이 다르기 때문에 이와 같은 기액분리를 행한 시스템 구성은 안정된 정상상태에 이르는 제어를 오히려 곤란하게 하고 있다．

발명의 개시

본 발명은 비공비 냉매를 이용하는 냉동기 시스템에 있어서，

상온 부근의 표준 비등점을 갖는 냉매와 -60℃이하의 낮은 표준 비등점을 갖는 냉매와의 조합으로 된 비공비 냉매를 이용하여

압축기, 응축기, 증발기 및 증발기로부터 압축기에 이르는 냉매와 응축기로부터 증발기에 이르는 과정의 냉매와의 사이에서 열교환을 행하는 열교환기에 의하여 단단식 냉동기 시스템을 구성하고,

상기 압축후의 응축과정의 압력에 있어서 냉매의 노점이 상온 이상이고,

또한，그 압력에 있어서 비등점이 증발기로부터 압축기에 이르는 과정의 저압 압력에 있어서 노점 이상의 영역에서 동작하게 하는 것을 특징으로 하는 냉동기 시스템이고，

또한, 이 시스템에 적합한 냉매로서 상온 부근의 표준 비등점을 갖는 냉매와 -60℃이하의 낮은 표준 비등점을 갖는 냉매와의 조합으로 되고,

압축후의 응축 과정의 압력에 있어서 냉매의 노점이 상온 이상이고，

또한，그 압력에 있어서 비등점이 증발기로부터 압축기에 이르는 과정의 저압 압력에서 노점 이상인 것을 특징으로 하는 초 저온용 비공비 혼합냉매이다．

또한，상기 실온부근의 비등점을 갖는 고비등점 가스가 부탄 또는 이소 부탄이고, 상기 -60℃이하의 저비등점 가스가 에탄 또는 에틸렌이고，이것에 R-14(퍼플루오르메탄(perfluoromethane))를 첨가하는 것에 의하여，특성을 향상한 비공비 혼합 냉매인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고비등점 가스가 부탄이고，저비등점 가스가 에탄인 혼합가스의 부탄 - 에탄 혼합비가 90/10∼60/40의 범위에 있고, 이 혼합가스에 대한 R-14(퍼플루오르메탄)의 첨가량이 0％를 초과, 9％이하로 하고，

상기 고비등점 가스가 부탄이고，저비등점 가스가 에틸렌인 혼합가스의 부탄 - 에틸렌 혼합비가 90/10∼70/30의 범위에 있고, 이 혼합가스에 대한 R-14(퍼플루오르메탄)의 첨가량이 0％를 초과, 0.7％이하로 하고,

상기 고비등점 가스가 이소 부탄이고, 저비등점 가스가 에탄인 혼합가스의 이소 부탄 - 에탄 혼합비가 90/10∼70/30의 범위에 있고, 이 혼합가스에 대한 R-14(퍼플루오르메탄)의 첨가량이 0％를 초과, 15％이하로 하고，

또한，상기 고비등점 가스가 이소 부탄이고, 저비등점 가스가 에틸렌인 혼합 가스의 이소 부탄 - 에틸렌 혼합비가 90/10∼80/20의 범위에 있고, 이 혼합가스에 대한 R-14(퍼플루오르메탄)의 첨가량이 0％를 초과，10％이하로 하여 특성을 향상한 초 저온용 비공비 혼합 냉매이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

본 발명자들은 염소를 포함하지 않는 탄화수소계 초 저온도용 공비 냉매를 탐색하는 과정에서 -60℃이하의 초 저온도를 실현하는 탄화수소계 냉매 가스, 즉 표준 비등점의 극히 낮은 탄화수소에 대하여, 표준 비등점이 높고, 상온 부근의 표준 비등점을 갖는 동시에 증기압이 낮은 탄화수소를 조합시키는 것에 의하여, 상온 환경하에서 사용할 수 있는 비공비 냉매를 실현하는 것을 시도해 보았다．

즉, 상온 부근에서의 압축과정에 의해 응축가능하고，또는 상기와 같은 증발기로부터의 냉매와의 열교환에 의한 냉각에 의하여 응축가능하면，비공비 냉매에 있어서도 기액(氣液)분리등의 복잡한 기구는 불필요하여 구성을 간소화할 수 있고, 또한 비등점과 노점이 분리하는 비공비 냉매 고유의 특성에 기인하는 상기와 같은 냉동기 운전의 불안정은 해소할 수 있는 것에 착안하였다.

이하에서 비공비 냉매의 특성과 그 특성을 이용하는 시스템에 관하여 설명한다.

도 20에 비공비 혼합냉매로서 부탄 및 에틸렌을 예로 들고 모식적으로 상태도를 나타낸다．

부탄(비등점:-0.5℃) 및 에틸렌(비등점:-103.7℃)을 예로 선택하여 취하면, 대강 도면과 같이 노점과 비등점을 나타내는 기상선과 액상선이 상하로 나누어진다.

대기압에 있어서 상태도와 같이, 압축기로부터 송출되어 응축과정에 있는 고압하에서의 상태도와 증발과정에 있는 저압하의 상태도를 나타내면, 각각 1점쇄선과 파선으로 보이는 것처럼 거의 상하로 평행하게 이동한 관계로 된다．

부탄과 에틸렌처럼 비등점이 현저하게 다른 성분 가스의 조합에 의하면, 도면과 같이 고비등점으로부터 저비등점으로 향하여 현저하게 경사진 상태도로 되고, 조성의 약간의 변화에 의하여 비등점이나 노점이 크게 변하는 특성이 얻어진다.

도면에 있어서, 냉동기의 운전 환경인 상온온도 영역(R)의 범위를 해칭선으로 나타낸 것처럼 35℃이하∼20℃정도로 하면, 이 온도 조건하에서 운전가능한 범위는 고압측 액상선이 이 온도영역보다 상방에 있는 것이 필요해진다.

동시에 압축기에 있어서 액압축을 일으키지 않기 위해서는 저압측 기상선이 압축기 흡입시의 냉매의 온도 이하가 아니면 안된다.

도면에 있어서, 전자의 조건을 충족시키는 범위는 35℃를 통과한 수평선이 고압측 액상선과 교차하는 점 Ａ'을 통과하는 수직선이 나타내는 EO％이하의 조성으로 되고, 후자는 그 수직선과 저압측 기상선이 교차하는 Ａ''보다 왼쪽의 기상선 이상의 온도 영역에서 운전하는 것이 필요해진다.

비공비 냉매를 사용하여 단일(1 유닛(unit))의 압축기, 응축기, 및 증발기로 된 단단식 냉동 시스템에 의해 운전하는 경우, 이상의 조건을 충족시키면 별도의 제어 조건이나 기액분리 장치는 필요지 않아 간단한 구성으로 냉동기 시스템을 구성할 수 있다．

그렇지만，이러한 조건을 충족시키는 범위는 전자에 관해서는 도면에서 보는 대로 극히 좁고, 또한 후자에 관해서는 상온의 환경하에서는 달성할 수 없다.

따라서 이러한 조건하를 달성하기 위해, 특히 후자의 저압측의 기상선 이상의 온도범위에서 운전하는 것은, 증발과정 후의 냉매가 저온도이므로 곤란하기 때문에 전술과 같이 고압측의 냉매와 열교환을 행함과 아울러 고압측에 있어서 응축을 촉진하는 것이 행해지고 있는 것이다．

본 발명자들은 이 열교환의 조건을 비공비 냉매의 노점과 비등점이 다른 특성을 이용하는 것에 의해 결점이 되고 있던 이러한 특성으로부터 오는 문제점을 해결할 수 있다는 것을 알아내었다.

도면에 있어서, 상온 온도영역 이상의 노점을 갖는 냉매의 조성범위는 냉매에 고비등점 성분을 포함하는 경우 비교적 넓은 것을 알 수 있다. 따라서 이 범위에 있어서，냉동기 시스템은 시스템의 계(系)외，즉 상온의 대기중으로 열을 방출할 수 있다.

한편，시스템 계내에 있어서는，열교환에 의해 고압측 가스를 전부 응축ㆍ액화하고, 동시에 저압측 냉매를 전부 기화할 수 있는 조건을 달성할 수 있다면 좋다.

즉, 상기한 단단식 냉동기 시스템은 계외와의 열의 수수(授受)에서 보면, 시스템 계내로 받아들여진 열량을 환경온도하에 있는 응축기에서 퍼낼 수 있다면 좋은 것이고, 한편 달성가능한 최저 냉동온도는 응축과정에서 응축가능한 냉매의 비등점에 의하여 정해지고，또한, 고압측 냉매의 응축ㆍ액화와 저압측 냉매의 증발ㆍ기화의 조건이 만족되면, 상기의 목적으로 하는 단단식 냉동기 시스템이 성립한다.

따라서 환경온도 이상의 노점을 갖는 냉매와 함께，이와 같은 응축ㆍ액화와 증발ㆍ기화의 조건이 이러한 냉매 사이의 열교환에 의해 달성할 수 있다면, 이 문제를 해소할 수 있게 된다．

이 조건을 상기의 비공비 냉매의 상태도에서 보면, 고압측 액상선이 저압측 기상선보다도 위에 있으면 좋은 것을 알 수 있다.

즉，도면에 있어서 고압측 기상선이 상온 이상인 에틸렌 E%의 조성의 냉매와 온도와의 관계를 보면, 점 E를 통과하는 수직선과 각각의 압력하에 있는 냉매의 기ㆍ액상선과의 교점은 위에서 A,B,C,D로 되지만, A점이 대기온도 이상이고, B점이 C점 이상이라면 상기의 조건은 달성가능한 것을 알 수 있다. 또한, 열 손실을 무시하면 D점이 달성가능한 최저온도로 된다．

물론，이러한 시스템이 성립하기 위해서는 이상(理想)조건으로부터의 손실을 고려할 필요가 있고, 또한 시스템 계외와의 열 수지와의 관계를 들고 있지 않지만, 응축기에 있어서 잠열에 의한 열 방출량이 충분히 크고, 또한, B점과 C점 사이의 간격이 큰 동시에 충분한 양의 열량이동을 할 수 있는 것이 필요하고, 이 열량은 고비등점 냉매가 많은 성분조성으로 정해지기 때문에 목적으로 한 냉동온도를 달성하기 위해서는, 이러한 조건과 아울러 최적인 범위를 정할 필요가 있다.

이들 비공비 냉매의 특성은 충분히 해명되고 있지 않기 때문에, 정량적인 관계는 정해지지 않고, 구체적인 조건을 정하기 위한 이용가능한 데이터도 부족하지만, 실용화에 즈음해서는 아래와 같이 개별적인 냉매의 특성으로부터 경험적ㆍ실험적으로 정하면 좋다．

이와 같은 시스템에 이용 가능한 표준 비등점이 실온부근에 있는 고비등점 가스로서 부탄, 이소 부탄, 각종 부텐(C₄H₈)류의 이성체，에틸아세틸렌(C₄H₆),R-134a(CH₂FCF₃)등을 들 수 있고，또한 본 발명이 목표로 하는 초 저온도를 실현하는 저비등점 가스로서, 에탄, 에틸렌, 또는 염소를 포함하지 않는 플로로 카본의 R-14(퍼플루오르메탄)등을 들 수 있다.

이러한 혼합 가스에 의해 초 저온도를 실현하는데에는 그 가스 조성은 저비등점 가스를 상당량 함유할 필요가 있고, 이 때문에 응축과정의 압력은 상당히 높아지지만, 상기대로 비공비 냉매의 특징으로서 넓은 온도범위ㆍ압력범위에 걸쳐 기상과 액상이 공존하기 때문에 증발과정을 거친 후에 고비등점 성분이 많았던 액상이 상당량 잔존하는 것을 이용하여 이 액상에 의한 잠열에 의하여 압축기로부터의 고압냉매를 냉각하는 것에 의해 압축기의 실용능력인 15기압(최대 20기압)이하의 범위에서의 응축과정을 촉진시켜 단단식 냉동기 시스템에 의한 운전이 가능해진다.

이하에서 본 발명에 적합한 냉매가스의 예와 이러한 냉매로서의 특성을 열거한다.

표-1:각종의 고비등점 및 저비등점 가스의 물리적 특성

	화학식	비등점(℃,1atm)	임계온도(℃)	증기압(MPa)
부탄	C₄H₁₀	-0.5	153.2	0.11(21℃)
이소부탄	C₄H₁₀	-11.7	135.0	0.22(21℃)
1-부텐	1-C₄H₈	-6.26	146	0.17(21℃)
시스-2-부텐	Cis-2-C₄H₈	3.72	155	0.1(21℃)
트랜스 -2-부텐	Trans-2-C₄H₈	0.89	155	0,1(21℃)
이소 부텐	i-C₄H₈	-6.9	145	0.17(21℃)
에틸 아세틸렌	C₄H₆	8.1	191	0.05(21℃)
R-134a	CH₂FCF₃	-26.1	101.2	0.58(21℃)
에틸렌	C₂H₄	-103.7	9.2	5.2(9.9℃)
에탄	C₂H₆	-88.65	32.2	3.8(21℃)
R-14	CF₄	-128	-46	3.69(21℃)

본 발명의 비공비 냉매에 있어서 고비등점 가스 성분으로서 상기의 부탄 및 이소 부탄은 모두 연료등으로서 폭넓게 사용되고 있는 탄화수소이지만, 상기대로 비등점이 -0.5℃ 및 -11.7℃로 상온 부근에 있고, 게다가 증기압이 극히 낮기 때문에 비교적 저압에서 액화가능하다. 부텐류 및 에틸아세틸렌, R-134a도 동일한 특성을 갖고 있다.

또한, 초 저온도를 실현하는 저비등점 성분으로서 상기 표의 에탄, 에틸렌 및 이들로 된 혼합냉매에 첨가하는 성분으로서 R-14는 모두 표준 비등점이 -60℃이하이고, 초 저온도를 달성한 다음 유효하지만, 임계온도가 낮고, 증기압도 높기 때문에 상온 환경하에서는 응축 곤란하고, 특히 R-14는 단독으로는 단단식 냉동시스템에서는 사용할 수 없지만, 증기압이 낮은 상기 고비등점 성분과 조합하는 것에 의하여, 액화 응축온도를 올림과 동시에 증기압을 저하시켜 압축기로부터 증발기로 향하는 고온ㆍ고압의 냉매를 증발기로부터 압축기에 이르는 저온도의 냉매와 열교환시켜 냉각하는 것에 의하여, 상용되고 있는 압축기 능력범위인 15기압 이하, 최대 20기압(1.5∼2.0MPa)의 범위에서 응축ㆍ액화시켜 냉동시스템을 가동할 수 있다.

이러한 열교환에 의한 열에너지의 교환은 어디까지나 냉동기 시스템 안의 열의 교환에 지나지 않기 때문에 냉동시스템 전체를 가동하기에는 계내의 열을 상온의 외부환경에 효과적으로 방출하는 것이 필요하고, 본 발명에 있어서는 증기압이 낮은 고비등점 성분이 많은 냉매의 잠열을 응축기로부터 방출하는 것에 의해 계의 냉동력을 지지하고 있다．

따라서 상기의 고비등점 성분이 상온 환경에서 액화하는 것 및 냉동 시스템을 유지하는데 충분한 잠열을 방출하기 위한 냉매 충전량, 응축기 능력이 필요하다.

도 1에, 본 발명의 실시례에 이용한 냉동기 시스템의 개요를 나타낸다.

도면에 있어서, 1은 압축기이고，압축기로부터 토출된 냉매가스는 편도 배관(10)에 의하여 응축기(2) 및 열교환기(50)를 경유하여 스로틀 밸브(캐피러리(capillary) 튜브)(6)로 감압되어 냉동고(8)내의 증발기(7)에서 기화하여 냉동고 안을 냉각한다. 증발기로부터의 리턴 가스(gas)는 리턴 배관(12)에 의하여 열교환기(50)로 편도의 냉매를 냉각한 후, 압축기로 되돌아온다.

비공비 냉매를 사용하는 냉동시스템에 있어서는, 증발기에 있어서 감압된 상태의 냉매의 조성은 압력저하에 수반하여 저비등점 성분이 많은 기상과 고비등점 성분이 많은 응축된 액상으로 되어, 이른바 습윤(濕潤)한 가스로서 압축기 흡입측으로 보내지지만, 이 응축된 액체의 흡입은 압축기에 대하여 바람직하지 않기 때문에, 상기의 선행기술에 있어서는 이 리턴 냉매에 응축상을 수반하지 않는 조건으로 운전하고，또는 어큐뮬레이터에 의하여 기액 분리되어 있던 것이다.

본 발명에서는, 종래는 냉동기의 운전상 트러블의 원인이 되고 있던 이러한 비공비 냉매의 특징을 역으로 활용하는 것이고, 리턴 냉매와 고압측 냉매와의 열교환에 있어서, 리턴 냉매의 응축액상의 잠열에 의하여 고압측의 가스를 전량 응축시키고, 한편 리턴 냉매의 액상을 전부 기화하는 것에 의하여, 시스템을 둘러싼 냉매가스 조성을 초기 설정치로 유지하여 안정된 조업조건을 실현하는 것이다.

열교환기의 기능은 이 때문에 중요하지만 그 형식 그 자체는 어떤 구조라도 각별히 개의치 않지만 ，단지 그 열교환능은 클 필요가 있다.

본 발명에서 사용한 열교환기는 도 2에 나타내는 구조의 것으로, 압축기로부터의 편도관(10)과 증발기로부터의 리턴 배관(12)을 브레이징(brazing)(15)하여 이루어지지만, 상기의 본 발명에 있어서 열교환 조건을 충족시키기 위해서 열교환기 전체길이 L은 3ｍ로 하였다.

이 열교환기의 동작조건 및 결과를 이하에서 나타낸다.

실험에 사용한 냉동기 시스템은 다음과 같다.

냉동기 기종:단포스사(社) 제품 기종명 SC-15CNX, 용량:213리터

스로틀 밸브로서 캐피러리 튜브 사용

실험 1은 에틸렌을 15% 혼합한 부탄 - 에틸렌 혼합 비공비 냉매 250g을 충전하고, 실험 2는 이것에 또한 R-14(플루오르메탄)를 10g(4%)를 가하여 운전하였다.

측정점은 도 2에 있어서 하기와 같이,

온도는 모두 배관 온도이고, 압력은 게이지압이다.

저압측 입구:A, 고압측 출구:B,

저압측 출구:E, 고압측 입구:F

표-２ 열교환기에 있어서 온도 분포(실온:30℃)

실험 No.	고내온도 (℃)	고압측 압력(MPa)	저압측 압력(MPa)	저압측 입구(℃)	저압측 출구(℃)	고압측 입구(℃)	고압측 출구(℃)
1	-74.6	0.9	0.02	-49.5	9.2	29.4	-38.8
2	-81.8	1.5	0.02	-38.8	12.2	27.8	-31.6

표 2의 데이터에 있어서 고압측 입구 온도가 실온 이하로 되어 있는 것은 열교환기 기벽(器壁) 온도를 측정하고 있기 때문에 열교환하는 상대측의 온도에 영향을 받은 것이고, 실제의 온도는 이것보다도 약간 높고 실온 이상이다. 고압측 출구에 있어서 온도도 마찬가지이고, 측정 온도보다도 또한 저온도로 되고，또한 저압측에 있어도 동일한 온도차가 생기고 있다.

이에 따라 압축기 흡입측의 리턴 가스(gas)는 대략 실온정도로 되고，한편 증발기로 향하는 고압측의 냉매는 그 압력하에서 비등점 이하이기 때문에 상기의 조건을 충족시키는 것을 알 수 있다.

또한，이하의 표-3 및 4에 부탄 - 에틸렌 혼합비:90/10, 및 부탄 - 에틸렌 혼합비:85/15의 냉매에 각각 R-14를 0∼3.85%의 범위에서 첨가한 경우의 열교환기에서 달성할 수 있었던 고압측 및 저압측의 냉매의 압력 및 온도의 관계에 관하여 나타낸다.

실험에 사용한 냉동기 시스템은 상기 (1)과 동일 조건이다.

표-3 부탄 - 에틸렌 혼합비 90/10에 있어서 열교환 조건(실온:30℃)

R-14(%)	고내온도 (℃)	고압측 압력(MPa)	저압측 압력(MPa)	저압측 입구(℃)	저압측 출구(℃)	고압측 입구(℃)	고압측 출구(℃)
0	-66.7	0.8	0.010	-41.0	15.0	28.0	-36.0
1.96	-70.2	1.45	0.010	-42.0	10.0	26.0	-37.4
3.8	-71.6	1.75	0.025	-37.0	9.0	26.0	-31.9

표-4 부탄 - 에틸렌 혼합비 85/15에 있어서 열교환 조건(실온:30℃)

R-14(%)	고내온도 (℃)	고압측 압력(MPa)	저압측 압력(MPa)	저압측 입구(℃)	저압측 출구(℃)	고압측 입구(℃)	고압측 출구(℃)
0	-74.5	0.8	0.025	-51.6	8.3	31.0	-45.2
1.96	-80.6	1.20	0.010	-44.5	15.0	27.0	-39.4
3.85	-83.9	1.70	0.020	-44.1	12.0	26.3	-38.4

(1) 부탄 - 에탄계, 및 부탄 - 에탄계 혼합가스에 R-14를 첨가한 비공비 냉매의 특성확인

실험 1

도 1에 나타내는 냉동기 시스템을 이용하여 실기(實機)운전에 의하여 기초 데이터로서 부탄, 에탄 혼합가스의 냉매로서의 특성을 확인하였다.

그 결과를 표-５ 및 도 3에 나타낸다.

표-5:부탄 - 에탄 혼합가스의 특성(충전량:250g)

에탄(%)	고압측 압력(MPa×10^-1)	저압측 압력(MPa×10^-1)	고내온도(℃)
10	5.0	0.13	-54.0
20	8.0	0.2	-58.5
30	10.0	0.55	-61.5
40	17.5	1.1	-52.5
50	23.0	0.5	-69.0

주:압력치는 대기압과의 차압(게이지압)으로, 이하의 실기운전 데이터도 마찬가지이다.

도 3의 그래프로부터 에탄 농도 20∼30%％ 부근을 정점으로 고내온도 -60℃부근을 달성하는 극히 부드러운 피크가 있지만, 한편, 고압측 즉 압축기측의 압력은 에탄 첨가량의 증가와 함께 상승하고, 에탄 함유량 30%를 넘으면 급격하게 상승하는 것을 알 수 있다.

초 저온용 냉동기로서는, -60℃이하의 고내온도 달성과 또한 -80℃이하를 목표로 하지만 에탄 20∼30% 부근에서 -60℃ 부근으로 되는 것의 그 전후를 포함해서 거의 플랫(flat)이고, 에탄 10% 이하 및 40% 이상으로 향하여 완만하게 효과가 저하되지만, 또한 -55℃부근에 있다. 또한, 에탄 첨가량이 40%를 넘는 부근에서 다시 한번 고내온도는 저하되지만 고압측 압력도 급격하게 상승하기 때문에 바람직하지 않다.

그래서 이들 고내온도가 -60℃ 부근을 유지하고, 또한 거의 플랫으로 된 영역에서의 냉매특성을 향상하기 위해서, 부탄 - 에탄계 냉매가스의 성분을 이러한 범위에 상당하는 에탄:10,20,30 및 40%，즉 혼합비 90/10, 80/20, 70/30, 및 60/40의 각각의 범위에 있어서 R-14 가스를 첨가하여, 그 첨가량에 대한 특성변화를 확인한 결과를 다음에 나타낸다.

실험조건은 상기와 마찬가지이고, 그 결과를 각각 표-6,7,8,9 및 도 4,5,6,7에 나타낸다.

실험-2

부탄 - 에탄 혼합비가 90/10의 혼합가스 합계 250g에 R-14를 5g마다 첨가해 그 첨가의 효과를 확인하였다.

표-6:부탄 - 에탄 혼합비:90/10에 있어서 R-14 첨가의 효과

R-14(%)	고압측 압력(MPa×10^-1)	저압측 압력(MPa×10^-1)	고내온도(℃)
0	5.0	0.13	-54.0
1.96	10.0	0.007	-55.0
3.85	12.5	0	-55.0
5.66	15.0	0.1	-55.0
7.41	18.0	0.2	-55.0
9.1	23.0	0.4	-53.0

표 6의 데이터를 플롯(plot) 한 도 4의 그래프에 의하면, R-14:0%에서 -50℃대의 고내온도이고, 그 이후 R-14를 첨가해도 대부분 변화는 없고, 오히려 7% 부근에서 고내온도가 상승하는 경향이 보여진다.

한편，고압측 압력은 그럼에도 불구하고 급격하게 상승하고，거의 R-14 첨가량 9%부근에서 실용한계에 도달한다.

실험-3

부탄 - 에탄 혼합비가 80/20의 혼합가스 합계 250g에 R-14를 5g마다 첨가해 그 첨가의 효과를 확인하였다.

표-7:부탄 - 에탄 혼합비:80/20에 있어서 R-14 첨가의 효과

R-14(%)	고압측 압력(MPa×10^-1)	저압측 압력(MPa×10^-1)	고내온도(℃)
0	8.0	0.2	-58.5
1.96	11.0	0.25	-64.2
3.85	16.0	0.3	-71.2
5.66	18.0	0.35	-73.2
7.41	22.0	0.55	-73.4
9.1	22.2	1.1	-86.9
10.7

표 7의 데이터를 플롯 한 도 5의 그래프에 의하면, R-14:1% 이하의 첨가로 고내온도 -60℃ 이하가 달성되어，그 첨가량 증가와 동시에 고내온도의 저하효과를 얻을 수 있다. 특히, R-14:8% 부근에서 고내온도 저하가 현저하고, -80℃이하로 되지만 고압측 및 저압측의 압력이 함께 상승하고，R-14:9% 부근에서 거의 실용한계로 된다.

실험-4

부탄 - 에탄 혼합비가 70/30의 혼합가스 합계 250g에 R-14를 5g마다 첨가해 그 첨가의 효과를 확인하였다.

표-8:부탄 - 에탄 혼합비:70/30에 있어서 R-14 첨가의 효과

R-14(%)	고압측 압력(MPa×10^-1)	저압측 압력(MPa×10^-1)	고내온도(℃)
0	10.0	0.55	-61.5
1.96	13.0	0.7	-65.1
3.85	14.0	0.7	-70.0
5.66	15.5	0.7	-77.2
7.41	17.0	0.8	-82.3
9.1	20.0	1.0	-85.0
10.7	20.0	1.0	-85.0

표 8의 데이터를 플롯 한 도 6의 그래프에 의하면, R-14:0%에서 -60℃이하로 되어 있지만 R-14 량의 증가와 함께 고내온도의 저하 효과를 얻을 수 있다. 고압측 및 저압측의 압력은 R-14 첨가량의 증가와 함께 상승하고 있고，R-14:9∼10%에서 고내온도 -85℃ 이하를 얻을 수 있지만 저압측 압력도 1.0으로 되어 거의 그 실용한계로 된다.

실험-5

부탄 - 에탄 혼합비가 60/40의 혼합가스 합계 250g에 R-14를 5g마다 첨가해 그 첨가의 효과를 확인하였다.

표-9:부탄 - 에탄 혼합비:60/40에 있어서 R-14 첨가의 효과

R-14(%)	고압측 압력(MPa×10^-1)	저압측 압력(MPa×10^-1)	고내온도(℃)
0	17.5	1.1	-52.5
1.96	19.0	1.2	-56.4
3.85	21.0	1.4	-59.8
5.66	21.5	1.5	-62.3
7.41	24.0	1.5	-67.2
9.1	-
10.7	-

표 9의 데이터를 플롯 한 도 7의 그래프에 의하면, 고내온도는 R-14의 첨가량이 4% 이상에서 -60℃를 달성하지만, 그 이후 R-14의 첨가량의 증가에 대한 고내온도 저하는 극히 완만하고, 효과가 부족하다.

다른 한편, 고압측, 저압측 모두 압력은 상승하고, 특히 저압측 압력은 R-14의 무첨가때부터 실용한계 부근에 있다.

이상으로부터 본 발명이 목표로 하는 냉매의 특성은 부탄 - 에탄계 혼합성분의 에탄 함유량 10%를 넘고 40%미만, 즉 혼합비 90/10을 넘고 60/40 미만의 영역이고, R-14:0%를 초과하고, 9% 이하의 범위에서 달성할 수 있는 것을 알 수 있다.

그리고 이 범위에 있어 이들 3성분계 비공비 혼합냉매는 고압측 압력, 저압측 압력 및 고내온도 모두 넓은범위에 걸쳐 안정된 조건을 유지할 수 있다．

(2) 부탄 - 에틸렌 및 부탄 - 에틸렌계 혼합 가스와 R-14 첨가에 의한 비공비 냉매의 특성확인

에틸렌은 비등점이 극히 낮고, 초 저온도용 냉매로서 매우 적합한 특성을 갖고 있지만, 증기압이 극히 높고, 실온에서 작동하는 냉동기 시스템에서는 다룰 수 없다(표 1참조).

그래서 앞에 나타낸 부탄을 가하고 이러한 가스를 혼합한 냉매가스의 특성을 확인하여 실온에서 작동하는 냉동기 시스템의 냉매로서 사용가능한 범위를 탐색하고, 또한 이것에 R-14(퍼플루오르메탄)를 가하여 초 저온용 냉매로서의 특성을 향상하는 것에 의해 복잡한 2원계 냉동기 시스템을 사용하지 않는 것이 본 발명자들의 목표이다.

실온에서 동작하는 냉동기 시스템에 의하여 -60℃를 초과하고, 80℃이하의 초 저온도의 고내온도를 실현하는 혼합냉매의 특성 및 조성범위를 확인하였다.

냉동기 시스템 등, 운전조건은 상기와 동일하다.

실험-1:부탄，에틸렌 혼합가스의 냉매로서의 특성확인

도 1에 나타내는 냉동기 시스템을 사용하여，실기운전에 의하여 기초 데이터로서 부탄, 에틸렌 혼합가스의 냉매로서의 특성을 확인하였다.

그 결과를 표 10 및 도 8에 나타낸다.

표-10:부탄 - 에틸렌 혼합가스의 특성(충전량:250g)

에틸렌(%)	고압측 압력(MPa×10^-1)	저압측 압력(MPa×10^-1)	고내온도(℃)
5	5.0	0.2	-53.0
10	8.2	0.3	-70.6
15	7.5	0.2	-77.5
20	10.0	0.6	-71.5
30	12.0	0.4	-81.2
35	에틸렌 35미만에서 고압측 압력 25이상으로 되어 실험중단

표-10의 결과를 플롯 한 도 8의 그래프로부터 에틸렌 농도의 증가에 따라 냉동고 고내온도가 현저하게 저하되지만, 그것에 따라 압축기측의 압력도 상승하는 것을 알 수 있다.

초 저온용 냉동기로서는 -60℃ 이하의 고내온도를 용이하게 달성하고, 또한-80℃ 이하를 실현하는 것을 목표로 하지만, 에틸렌 6% 이상의 영역에서 -60℃ 이하의 고내온도를 달성할 수 있는 것이지만，그 이상의 농도에 있어서도 -70℃를 초과한다면 거의 플랫으로 되는 경향이 있고, 30% 부근에서 다시 한번 -70℃를 넘는 고내온도에 이르고 있지만, 30%를 넘으면 실기운전으로는 불안정하게 되어, 35% 이상으로의 확인은 가능하지 않았다．

그래서 이들 고내온도가 -60℃이하로 되고, 또한 거의 플랫으로 되는 영역에서의 냉매특성을 향상하기 위해서,

부탄 - 에틸렌계 냉매가스의 성분을 이러한 범위에 상당하는 에틸렌:10,15,20,30%, 즉 부탄 - 에틸렌 혼합비:90/10,85/15,80/20,70/30의 각각의 범위에 있는 합계 250g의 혼합가스에 R-14 가스 5∼20g을 첨가하여 그 첨가량에 대한 특성변화를 확인하였다.

또한, 부탄 - 에틸렌 혼합비:95/5의 혼합가스에 R-14를 첨가하는 실험은 R-14:1.96%에 있어서 고내온도가 -60℃ 이하로 저하되지 않고, 소기의 효과를 기대할 수 없기 때문에 실험을 중단하였다.

실험조건은 상기와 마찬가지이고, 그 결과를 각각 표-11,12,13,14, 및 도 9,10,11,12에 나타낸다.

실험-2

부탄 - 에틸렌 혼합비가 90/10의 혼합가스 합계 250g에 R-14를 5g마다 첨가해 그 첨가의 효과를 확인하였다.

표-11:부탄 - 에틸렌 혼합비:90/10에 있어서 R-14 첨가의 효과

R-14(%)	고압측 압력(MPa×10^-1)	저압측 압력(MPa×10^-1)	고내온도(℃)
0	8.2	0.3	-70.6
1.96	13.0	0.1	-80.5
3.85	18.0	0.3	-80.8
5.66	21.5	0.5	-81.3
7.41	24.2	0.7	-82.1

표-11의 데이터를 플롯 한 도 9의 그래프에 의하면, R-14:0%로 -60℃의 고내온도를 달성하고 있지만, R-14:2% 부근에서 -80℃이하로 되어 R-14의 첨가효과가 현저한 것을 알 수 있다.

단, 그 효과는 거의 R-14:5.0% 정도에서 포화하고 있고, 한편 고압측 압력이 급격하게 상승하는 경향이 있고, 7.4% 정도에서 실용한계 부근에 이르고, 실기운전으로는 그 이상의 안정적인 운전은 곤란해졌다.

실험-3

부탄 - 에틸렌 혼합비가 85/15의 혼합가스 합계 250g에 R-14를 5g마다 첨가해 그 첨가의 효과를 확인하였다．

표-12:부탄 - 에틸렌 혼합비:85/15에 있어서 R-14 첨가의 효과

R-14(%)	고압측 압력(MPa×10^-1)	저압측 압력(MPa×10^-1)	고내온도(℃)
0	7.5	0.2	-77.5
1.96	13.0	0.2	-81.6
3.85	16.0	0.2	-84.0
5.66	18.0	0.3	-85.2
7.41	23.5	0.5	-86.2

표-12의 데이터를 플롯 한 도 10의 그래프에 의하면, R-14 농도 증가에 의하여 고내온도의 저하 효과를 얻을 수 있지만, 4% 전후에서 온도 저하 효과는 완만하게 되고, 상기와 마찬가지로 R-14:7.4% 정도 부근에서 고압측 압력의 상승이 현저하게 되어 실기운전에 곤란을 겪어왔다.

실험-4

부탄 - 에틸렌 혼합비가 80/20의 혼합가스 합계 250g에 R-14를 5g마다 첨가해 그 첨가의 효과를 확인하였다.

표-13:부탄 - 에틸렌 혼합비:80/20에 있어서 R-14 첨가의 효과

R-14(%)	고압측 압력(MPa×10^-1)	저압측 압력(MPa×10^-1)	고내온도(℃)
0	10.0	0.6	-71.5
1.96	11.5	0.5	-78.0
3.85	15.0	0.3	-86.0
5.66	16.5	0.4	-86.8
7.41	19.8	0.5	-86.0

표-13의 데이터를 플롯 한 도 11의 그래프에 의하면, R-14 량의 증가에 의하여 고내온도의 저하 효과를 얻을 수 있지만 R-14의 증가에 의한 효과는 6.0% 부근에서 피크로 되고, 그 보다 완만하게 효과가 저하하는 경향이 있다.

동시에 고압측 압력의 상승이 있고, 7.4% 이상에서의 실기운전에 의한 효과는 기대할 수 없다.

실험-5

부탄 - 에틸렌 혼합비가 70/30의 혼합가스 합계 250g에 R-14를 5g마다 첨가해 그 첨가의 효과를 확인하였다.

표-14:부탄 - 에틸렌 혼합비:70/30에 있어서 R-14 첨가의 효과

R-14(%)	고압측 압력(MPa×10^-1)	저압측 압력(MPa×10^-1)	고내온도(℃)
0	12.0	0.4	-81.2
1.96	18.0	1.50	-76.0
3.85	21.0	1.6	-76.3
5.66	25.0	2.0	-76.0
7.41	27.5	4.0	-74.0

표-14의 데이터를 플롯 한 도 12의 그래프에 의하면, 고내온도는 R-14 첨가와 함께 역으로 상승하고, 소기의 효과를 얻을 수 없다. 한편, 고압측 압력은 R-14의 농도와 함께 급상승하고, R-14:6% 부근에서 실 기운전상의 실용한계에 가까워진다.

또한, 저압측의 게이지압도 크고, R-14:1% 남짓에서 실용한계로 되어 냉매로서의 효과는 기대할 수 없다.

이상으로부터, 본 발명이 목표로 하는 냉매의 특성은 부탄 - 에틸렌계 혼합 성분의 에틸렌 10이상∼30% 이하, R-14:0%를 넘고, 7.5% 이하에서 달성할 수 있는 것을 알 수 있다.

그리고 이 범위에 있어서 이들 3성분계 비공비 혼합냉매는 고압측 압력, 저압측 압력 및 고내온도 모두 넓은 범위에 걸쳐 안정된 조건을 유지할 수 있다.

(3) 이소 부탄 - 에탄 및 이소 부탄 - 에탄계 혼합가스와 R-14 첨가에 의한 비공비 냉매의 특성 확인

부탄으로 바꾸어 이성체인 이소 부탄을 이용하여도 상기의 표 1의 데이터대로 그 물리적 성질은 거의 같은 모양이기 때문에 동일한 특성을 갖는 비공비 냉매를 얻을 수 있다.

냉동기 시스템의 구성은 상기의 (1),(2)와 다르지 않지만, 냉동기로서 단 포스사 제품: NLE6F, 제품명:FB-75를 사용하였다. 냉매가스 충전량이 100g∼125g으로 반감하고, 용량이 작기 때문에 냉동고내 온도등 냉동능력이 약간 뒤떨어지는 결과가 얻어졌다.

표 15:이소 부탄 - 에탄 혼합가스의 특성(충전량:100g)

에탄(%)	고압측 압력(MPa×10^-1)	저압측 압력(MPa×10^-1)	고내온도(℃)
10	6.5	0.3	-47.0
20	13.5	1.0	-54.0
30	23.0	0.3	-68.0

표 16:이소 부탄 - 에탄 혼합비 90/10에 있어서 R-14 첨가의 효과(충전량:100g∼130ｇ)

R-14(%)	고압측 압력(MPa×10^-1)	저압측 압력(MPa×10^-1)	고내온도(℃)
0	6.5	0.3	-47
4	11.0	0.0	-62.5
13	18.0	0.2	-65.4
23	25.0	0.7	-70.5

표 17:이소 부탄 - 에탄 혼합비 70/30에 있어서 R-14 첨가의 효과(충전량:100g∼130g)

R-14(%)	고압측 압력(MPa×10^-1)	저압측 압력(MPa×10^-1)	고내온도(℃)
0	13.5	1.0	-54.0
4	19.0	1.2	-63.0
13	24.0	1.2	-75.2
23	-	-	-

표-15∼17의 데이터를 플롯 한 도 13∼15에 의하면, 부탄 - 에탄 혼합냉매의 특성과 비교하여 상기한 것처럼 용량이 작은 것에 의해 고내온도가 약간 높게 나타나는 외에, 시스템 안의 압력도 고압측，저압측 모두 약간 높아지는 경향이 있지만, 그 냉매로서의 특성은 거의 공통되는 것을 알 수 있다.

이러한 데이터로부터, 부탄 - 에탄 혼합가스의 경우와 마찬가지로 이소 부탄과 에탄과의 혼합비는 90/10 으로부터 서서히 효과가 나타나지만, 에탄 40%로 고압측 압력이 대략 실용한계로 된다.

또한, 이소 부탄 - 에탄 혼합가스의 혼합비 90/10∼70/30에 있어서, R-14의 첨가에 의한 효과는 미량에 있어서도 효과가 있지만, 고압 압력이 그것에 따라 급격하게 상승하고, 특히 에탄 농도의 증가라고 연동하는 경향이 있기 때문에, 이소 부탄 - 에탄 70/30이 대략 한계이고, 또한, R-14 첨가량도 약 15%로 실용한계로 된다.

(4) 이소 부탄 - 에틸렌 및 이소 부탄 - 에틸렌계 혼합가스와 R-14 첨가에 의한 비공비 냉매의 특성 확인

냉동기 시스템의 구성은 (1)∼(3)과 다르지 않지만, 이소 부탄 - 에틸렌 혼합가스의 특성 확인에는 냉동기로서 유니다토사 제품:GL-99EJ, 제품명:F-14L(냉매충전량:120g∼160g):을 이용하고, 그 밖의 실험에서는 단포스사 제품:NLE6F, 제품명:FB-75를 사용하였다.

냉매충전량이 100g∼125g로 반감하고，용량이 작기 때문에 냉동고내 온도등 냉동능력이 약간 뒤떨어지는 결과가 얻어졌다.

표 18:이소 부탄 - 에틸렌 혼합가스의 특성(충전량:120g∼140g)

에틸렌(%)	고압측 압력(MPa×10^-1)	저압측 압력(MPa×10^-1)	고내온도(℃)
0	3.75	0.07	-28.8
14.3	12.3	0	-68.3
17.2	12.0	0.1	-72.0
20.0	11.0	0.2	-73.2
22.6	10.5	0.4	-73.8
25.0	12∼10.8	0.4∼0.6	-73.9

주:에틸렌:25%에서 압력 게이지가 안정되지 않음.

표 19:이소 부탄 - 에틸렌 혼합비 90/10에 있어서 R-14 첨가의 효과(충전량:100g∼130g)

R-14(%)	고압측 압력(MPa×10^-1)	저압측 압력(MPa×10^-1)	고내온도(℃)
0	10.5	0.3	-62.8
5	12.5	0.1	-70.5
9	16.5	0.2	-66.3
13	18.5	0.1	-66.0

표 20:이소 부탄 - 에틸렌 혼합비 80/20에 있어서 R-14 첨가의 효과(충전량:100g∼130g)

R-14(%)	고압측 압력(MPa×10^-1)	저압측 압력(MPa×10^-1)	고내온도(℃)
0	9.5	0.1	-68.8
5	14.0	0.1	-79.9
9	17.0	0.1	-86.4
13	25.0	0.05	-78.0

표 21:이소 부탄 - 에틸렌 혼합비 70/30에 있어서 R-14 첨가의 효과(충전량:100g∼130g)

R-14(%)	고압측 압력(MPa×10^-1)	저압측 압력(MPa×10^-1)	고내온도(℃)
0	10.0	0.12	-68.3
5	14.5	0.14	-77.1
9	18.5	0.15	-85.6
13	27.0	0.06	-78.2

표-18∼21의 데이터를 도 16∼19에 플롯하여 나타낸다.

도 16에 의하면, 냉매 충전량이 반감하는 등 용량이 작기 때문에, 부탄 - 에틸렌 혼합가스의 특성과 비교하여 고내온도가 약간 높은 등의 상위(相違)가 보여지는 외에, 에틸렌의 비율을 증가하면 증기압이 높다고 하는 그 특성의 영향이 나타나 고압측의 압력이 급격하게 높아지고 저압측도 포함해서 압력이 안정되지 않는다고 하는 경향이 있고, 그것이 보다 저농도로 나타난다．

이 이유에 관해서는 (3)의 실험의 경우와 마찬가지로 냉동기의 용량이 작은 것에 기인한다고 생각되어 냉매의 기본적인 특성으로서는 부탄 - 에틸렌 혼합 가스와 동일한 특성인 것을 알 수 있다.

또한, 도 17∼19에 의하면, 부탄 - 에틸렌 혼합 가스를 베이스로 한 경우와 비교하여, 고내온도가 약간 높음과 동시에 압력이 고압측, 저압측 모두 높게 나타나고, 특히 고내온도와 관계가 깊은 저압측의 압력이 높은 경향이 있지만, (3)의 경우와 마찬가지로 냉동기 용량이 작은 것을 고려한다면 냉매가스의 특성으로서, 부탄-에틸렌계 혼합냉매와 마찬가지로 취급할 수 있는 것을 알 수 있다.

이들의 데이터로부터 부탄 - 에틸렌 혼합 가스의 경우와 마찬가지로, 이소 부탄과 - 에틸렌과의 초 저온용 냉매로서의 특성은 혼합비 90/10 에서부터 평가할 수 있지만, 에틸렌 20% 부근에서 압력조건이 불안정으로 되고, 냉동기 용량에 의한 면도 있지만 대략 실용한계로 된다．

또한，이소 부탄 - 에틸렌 혼합 가스의 혼합비 90/10∼80/20에 있어서, R-14의 첨가에 의한 효과는 미량에서도 효과가 있지만, 고압 압력이 그것에 따라 상승G하는 것에 대하여 고내온도는 현격히 저하되지 않고, 10% 부근에서 대략 포화한다.

이상의 실험례로부터 명확한 것처럼, 실온 부근의 비등점을 갖는 증기압이 낮은 가스와 초 저온을 달성한 후, 필요한 저비등점 가스와의 조합으로 된 비공비 냉매에 의해, 상온 환경하에서 단단식 냉동기 시스템에 의해 -40℃, 특히 60℃이하의 초 저온을 실현할 수 있다.

이 비공비 냉매에 의하여 목적으로 하는 초 저온도를 실현하기 위해서는, 냉동기 시스템으로서 냉매의 비공비 특성을 이용하는 것이 필요하고, 압축후의 냉매 가스의 고비등점 가스 리치(gas rich)의 가스성분의 응축기에서 응축에 의한 계외로의 열의 배출과 동시에 응축기에서 배열(排熱)후의 냉매가스와 증발기로부터의 냉매와의 열교환에 의해 고비등점 가스 리치의 액상성분의 증발열에 의한 고압 냉매가스의 냉각에 의하여 저비등점 성분가스의 응축을 수반하는 계내의 열교환을 행하는 것이다．

즉，본 발명은 이러한 열교환 시스템과 비공비 냉매의 특성과의 조합으로 된 비공비 냉매의 냉동능력을 최대한으로 발휘하는 냉동 시스템이고, 그 시스템에 매우 적합한 냉매이다. 그리고, 이러한 가스의 성질 및 실험에서 관찰된 거동에서 보건대, 각각 고비등점 가스 및 저비등점 가스의 2이상을 조합해도 마찬가지로 적용 가능한 영역이 있는 것이 분명하다.

본 발명에 있어서 채용가능한 냉매로서 이러한 실험례 이외에도, 표-1에 들었던 １-부텐과 에틸렌의 혼합냉매에 있어서도, 1-부텐 70부, 에틸렌 30부의 혼합 냉매에 의하여 -74.5℃(고압측 압력:1.2MPa, 저압측 압력:0.1MPa, 각각 게이지 압，이하 동일)의 고내온도가 달성되고, 또한 R-14를 각각 5,10부 가하여，각각 -77℃(고압측 압력:1.4MPa, 저압측 압력:0.13MPa), -88℃(고압측 압력:2.0MPa, 저압측 압력:0.17MPa)의 고내온도가 달성되었다.

그 밖에, 표-1에 들었던 부텐류 및 에틸아세틸렌, R-134a도 그 성질로부터 마찬가지로 적용 가능하고, 또한, 이러한 예에 한하지 않고 동일한 고비등점, 저증기압 특성을 갖는 물질과 저비등점 물질과의 조합이라면 본 발명의 적용이 가능하다．

도 1은 본 발명의 냉동 시스템의 개념도이다.

도 2는 본 발명에서 사용한 열교환기 예를 나타낸다．이들 도면에 있어서, 1은 압축기, 2는 응축기(콘덴서), 6은 스로틀 밸브(캐피러리), 7은 증발기(증발기), 8은　냉동고, 10은 압축가스 편도관, 12는 리턴 가스관, 50은 열교환기, 15는 접합부(브레이징)이다.

도 3은 부탄 - 에탄 혼합 가스의 특성,

도 4는 부탄 - 에탄:90/10 혼합 가스 + R14의 특성,

도 5는 부탄 - 에탄:80/20 혼합 가스 + R14의 특성,

도 6는 부탄 - 에탄:70/30 혼합 가스 + R14의 특성,

도 7는 부탄 - 에탄:60/40 혼합 가스 + R14의 특성,

도 8은 부탄 - 에틸렌 혼합가스의 특성,

도 9는 부탄 - 에틸렌:90/10 혼합가스 + R-14의 특성,

도 10은 부탄 - 에틸렌:85/15 혼합가스 + R-14의 특성,

도 11은 부탄 - 에틸렌:80/20 혼합가스 + R-14의 특성,

도 12는 부탄 - 에틸렌:70/30 혼합가스 + R-14의 특성,

도 13은 이소 부탄 - 에탄 혼합 가스의 특성,

도 14는 이소 부탄 - 에탄:90/10 혼합가스 + R-14의 특성,

도 15는 이소 부탄 - 에탄:70/30 혼합가스 + R-14의 특성,

도 16은 이소 부탄 - 에틸렌 혼합 가스의 특성,

도 17은 이소 부탄 - 에틸렌:90/10 혼합가스 + R-14의 특성,

도 18은 이소 부탄 - 에틸렌:80/20 혼합가스 + R-14의 특성,

도 19는 이소 부탄 - 에틸렌:70/30 혼합가스 + R-14의 특성,

도 20은 비공비 냉매(부탄 - 에틸렌)의 기ㆍ액상상태(모식도)를 각각 나타낸다.

본 발명은 이상과 같이 간단한 구성으로 된 냉동기 시스템에 있어서, 장기간에 걸쳐 안정된 조업이 가능하고, 또한, 유지보수에 더하여 그 간단한 구조, 값이 싼 소재를 사용하는 것으로 저비용인 동시에 냉동기의 온도조건에 큰 변동을 초래한 일 없이，정비ㆍ유지 작업이 가능하다.

본 발명의 초 저온도용 비공비 혼합냉매는 값이 싼 가스 성분에 의하여 -60℃이하의 초 저온도를 용이하게 달성할 수 있고, 특히 -80℃이하의 초 저온도를 안정하게 유지할 수 있는 것에서 종래부터의 식품류는 물론, 생체조직, 특히 이식용이나 조직배양에 이용하는 귀중한 생체조직의 장기보존에도 폭넓게 이용할 수 있는 것이고, 이들 바이오 산업의 요청에 응해서 이들 산업의 발전에 기여하는 것이다．

또한, 탄화수소계 냉매와 조합하여 플로로 카본을 냉매로서 사용하는 것에 의해, 효과적으로 냉동능력을 향상시킬 수 있음과 동시에 프론 사용량을 극히 소량으로 하는 것이 가능하게 되고, 그린 하우스 효과등의 환경파괴에 대한 효과도 극히 적다.

Claims

삭제
압축기, 응축기, 증발기, 및 증발기로부터 압축기에 이르는 냉매와 응축기로부터 증발기에 이르는 과정의 냉매와의 사이에서 열교환을 행하는 열교환기에 의해 구성되는 단단식 냉동시스템에 사용하는 비공비 냉매이고,

표준 비등점이 실온 부근인 고비등점 가스와 표준비등점이 -60℃이하인 저비등점 가스와의 조합으로 이루어진 비공비 냉매이고,

상기 고비등점 가스가 부탄, 이소부탄, 각종 부텐류 또는 에틸아세틸렌으로부터 선택한 1종 이상이고,

상기 저비등점 가스가 에탄, 에틸렌 또는 R-14로부터 선택한 1종 이상이고,

압축기로부터 열교환기를 거쳐 증발기에 이르는 고압하의 노점이 실온이상인 동시에 그 비등점이 증발기로부터 열교환기를 거쳐 압축기에 이르는 저압하의 노점보다 높은 성분 조성으로 한 것을 특징으로 하는 비공비 냉매.
삭제
청구항 2에 있어서, 상기 실온부근의 표준비등점을 갖는 고비등점 가스가 부탄 또는 이소 부탄이고, 상기 -60℃ 이하의 표준비등점을 갖는 저비등점 가스가 에탄 또는 에틸렌이고, 이들의 혼합가스에 R-14(퍼플루오르메탄)를 첨가한 것을 특징으로 하는 초 저온용 비공비 혼합 냉매.
청구항 4에 있어서, 상기 고비등점 가스가 부탄이고, 저비등점 가스가 에탄인 혼합가스의 부탄 - 에탄 혼합비가 90/10∼60/40의 범위에 있고, 이 혼합가스에 대한 R-14(퍼플루오르메탄)의 첨가량이 0%를 초과하고, 9% 이하인 것을 특징으로 하는 초 저온용 비공비 혼합 냉매.
청구항 4에 있어서, 상기 고비등점 가스가 부탄이고, 저비등점 가스가 에틸렌인 혼합가스의 부탄 - 에틸렌 혼합비가 90/10∼70/30의 범위에 있고, 이 혼합 가스에 대한 R-14(퍼플루오르메탄)의 첨가량이 0%를 초과하고, 7.5% 이하인 것을 특징으로 하는 초 저온용 비공비 혼합 냉매.
청구항 4에 있어서, 상기 고비등점 가스가 이소 부탄이고, 저비등점 가스가 에탄인 혼합가스의 이소 부탄 - 에탄 혼합비가 90/10∼70/30의 범위에 있고, 이 혼합 가스에 대한 R-14(퍼플루오르메탄)의 첨가량이 0%를 초과하고, 15% 이하인 것을 특징으로 하는 초 저온용 비공비 혼합 냉매.
청구항 4에 있어서, 상기 고비등점 가스가 이소 부탄이고, 저비등점 가스가 에틸렌인 혼합가스의 이소 부탄 - 에틸렌 혼합비가 90/10∼80/20의 범위에 있고, 이 혼합가스에 대한 R-14(퍼플루오르메탄)의 첨가량이 0%를 초과하고, 10% 이하인 것을 특징으로 하는 초 저온용 비공비 혼합 냉매.