KR101031551B1 - Ｒ152ａ와 Ｒ134ａ로 구성된 2원 혼합냉매 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증기 압축식 에어컨/히트펌프에서 냉매(Refrigerant, 이하 R이라 한다)로 사용할 수 있는 물질 즉 'R152a와 R134a로 구성된 2원 혼합냉매'에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 지금까지 자동차용 에어컨, 가정용 냉장고 등에 널리 사용되어 온 R134a 냉매를 대체하거나 보충할 수 있는 대체 혼합냉매에 관한 것이다. 본 발명에 따른 혼합냉매는 R152a 70 내지 99.9중량%와 R134a 0.1 내지 30.0 중량%로 구성된다.

혼합냉매, 지구온난화, 에어컨, 히트펌프, R152a, R134a

Description

Ｒ152ａ와 Ｒ134ａ로 구성된 2원 혼합냉매{R152a and R134a mixed refrigerant}

본 발명은 증기 압축식 에어컨/히트펌프에서 냉매(Refrigerant, 이하 R이라 한다)로 사용할 수 있는 물질 즉 'R152a와 R134a로 구성된 2원 혼합냉매'에 관한 것이며 좀 더 구체적으로는 지금까지 자동차용 에어컨, 가정용 냉장고 등에 널리 사용되어 온 R134a 냉매를 대체할 수 있는 대체 혼합냉매에 관한 것이다.

1980년대 후반까지는 자동차 에어컨, 가정용 냉장고 냉매로서 메탄에서 유도한 염화불화탄소(Chlorofluorocarbon, 이하 CFC라 한다)가 주로 사용되어 왔으며 특히 자동차용 에어컨, 가정용 냉장고 등에는 비등점이 -29.8℃이고 분자 질량이 120.93kg/kmol인 CFC12가 가장 널리 사용되어 왔다. 그러나 CFC12가 오존층을 붕괴시킨다는 것이 알려진 이후로 1990년대 초반부터는 염소가 포함되지 않은 R134a가 가장 널리 사용되어 왔다. 참고로 수소화불화탄소(HFC)인 R134a의 비등점은 -26.1℃이고 분자 질량은 102.03kg/kmol이다.

최근에는 오존층 파괴 문제뿐만 아니라 지구온난화 문제도 급속도로 부상하기 시작했고 1997년의 교토 의정서는 지구온난화지수(Global warming potential, 이하 GWP라 한다)가 높은 냉매의 사용을 자제할 것을 강력히 권하고 있다. 참고로 R134a의 지구온난화지수는 1430인데 이것은 R134a의 지구온난화지수가 이산화탄소(CO₂)의 지구온난화지수보다 1430배나 큰 것을 뜻한다.

어떤 물질이 기존 냉매의 혼합냉매로 유용하려면 우선 기존 냉매와 유사한 성능계수(Coefficient of performance, 이하 COP라 한다)와 증발기 용량(Evaporator capacity, 이하 QE라 한다)을 가져야 한다. 여기서 성능계수(COP)란 압축기에 가해진 일과 대비한 총 냉동효과를 의미하며 COP가 클수록 에어컨/히트펌프의 에너지 효율이 좋다. 또한 압축기를 크게 개조하지 않고 사용하려면 혼합냉매가 기존 냉매와 비슷한 증기압을 가져서 궁극적으로 비슷한 증발기 용량을 제공해야 한다.

R152a는 R134a와 비슷한 증기압을 갖는 수소화불화탄소(HFC)로서 오존층 붕괴 지수가 없고 지구온난화지수도 140으로 R134a의 지구온난화지수의 10분의 1 수준이다. 그러나 R152a는 가연성이 있어서 지금까지 자동차용 에어컨 등에서 사용되지 않았다. 하지만 지구온난화 문제로 인해 최근에는 미국 환경청(EPA)에서도 R152a 같은 약 가연성 냉매의 사용을 적극 검토하고 있고 미국의 한 자동차 에어컨 제조사도 R152a를 시스템에 적용하려는 시도를 한 적이 있다.

모두가 알고 있듯이 2011년 이후에는 유럽 연합의 강제 규정에 따라 신규 자동차 에어컨의 경우 지구온난화지수가 150 이하인 냉매를 사용해야만 한다. 이런 추세를 고려하면 2011년 이후에는 R134a로 충전된 수천만 대의 기존 자동차 에어컨 의 경우에도 냉매를 보충하거나 대체할 때 지구온난화지수가 R134a보다 낮은 냉매를 사용해야 할 것이다.

본 발명은 기존의 R134a냉매와 비슷한 성능을 내면서도 기존의 R134a냉매에 비해 지구온난화지수를 현저하게 낮게 하는 혼합냉매를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적은 에어컨 또는 히트펌프에 사용되는 혼합냉매로서 R152a 70 내지 99.9중량%와 R134a 0.1 내지 30.0 중량%로 구성된 2원 혼합냉매에 의해 달성된다.

본 발명에서 제안하는 대체 혼합냉매는 자동차 에어컨/히트펌프에서 기존의 R134a에 비해 냉난방 능력이 우수하며 지구온난화지수가 R134a의 37% 이하이므로 기존에 만들어진 자동차 에어컨 등에서 R134a를 대체하거나 보충할 수 있는 친환경 대체물이다. 또한 가연성을 갖는 R152a에 비가연성 물질인 R134a가 혼합되므로 본 발명의 대체 혼합냉매의 경우 R152a보다 가연성이 훨씬 낮게 된다.

이하에서는 본 발명에 따른 R152a와 R134a로 구성된 2원 혼합냉매에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명은 증기 압축식 에어컨/히트펌프에서 냉매(Refrigerant, 이하 R이라 한다)로 사용할 수 있는 물질 즉 ‘R152a와 R134a로 구성된 2원 혼합냉매’에 관한 것이며 좀 더 구체적으로는 지금까지 자동차용 에어컨, 가정용 냉장고 등에 널리 사용되어 온 R134a 냉매를 대체하거나 보충할 수 있는 대체 혼합냉매에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 기존의 R134a와 비슷한 성능을 내면서 지구온난화지수가 낮은 혼합냉매를 제시하는 것이다. 좀 더 구체적으로 본 발명은 R152a에 소량의 R134a를 혼합해서 만든 2원 근공비 혼합냉매에 관한 것이다. 본 발명에서 제안하는 대체 혼합냉매는 자동차의 에어컨/히트펌프에서 기존의 R134a에 비해 냉난방 능력이 우수하며 지구온난화지수가 R134a의 37% 이하이다. 따라서 기존에 만들어진 자동차 에어컨 등에서 R134a를 대체하거나 보충할 수 있는 친환경 대체물이다. 또한 가연성을 갖는 R152a에 비가연성 물질인 R134a가 혼합되므로 본 발명의 대체 혼합냉매의 경우 R152a보다 가연성이 훨씬 낮게 된다.

대체 혼합냉매를 개발하기 위해 본 발명자는 에어컨/히트펌프의 성능을 측정하는 실험 장치를 만들어서 R134a와 대체 혼합냉매의 성능을 직접 측정하였다. 실험 장치는 일반적인 에어컨(히트펌프)와 마찬가지로 증발기, 응축기, 압축기, 팽창 밸브 등을 포함하고 있으며, 특별히 압축기는 기존의 상업용 에어컨/히트펌프에 쓰이는 제품을 사용하였다.

본 발명자는 동일한 에어컨 구동 조건(증발기 냉매 온도: 7℃, 응축기 냉매 온도: 45℃)과 동일한 히트펌프 구동 조건(증발기 냉매 온도: -7℃, 응축기 냉매 온도: 41℃)에서 기존의 R134a의 성능과 본 발명에 따른 R152a와 R134a를 혼합한 혼합냉매의 성능을 측정하였다.

표 1 및 표 2는 에어컨 구동 조건과 히트펌프 구동 조건에서 얻은 실험 결과 들을 요약한 것으로서 기준이 되는 R134a냉매와 본 발명자가 제안하는 대체 혼합냉매의 성능 지수를 보여 준다.

냉매	조성(중량%)		COPr	QE (W)	Tdis (℃)	COPdiff (%)	QEdiff (%)	Tdisdiff (℃)	GWP
	R134a	R152a
R134a			1.99	3457	75.0				1430
R152a	0	100	2.23	3718	81.5	12.0	7.6	8.8	140
본 발명 예 1	10	90	2.16	3700	81.7	8.8	7.0	9.0	269
본 발명 예 2	20	80	2.19	3660	82.1	10.2	5.9	9.6	398
본 발명 예 3	30	70	2.15	3627	80.8	8.4	4.9	7.9	527

R134a냉매와 R152a/R134a 혼합냉매의 성능 비교 (에어컨 구동 조건: 증발기 냉매 온도: 7℃, 응축기 냉매 온도: 45℃)

※○ COPr : 냉동성능계수(Coefficient of performance, 증발기 용량/압축기에 가해진 일)

○ QE : 증발기(냉방) 용량(Evaporator capacity)

○ Tdis : 압축기 토출 온도(Compressor discharge temperature)

○ COPr_diff : R134a 대비 냉동성능계수 차이

○ QE_diff : R134a 대비 증발기(냉방) 용량 차이

○ Tdis_diff : R134a 대비 압축기 토출 온도 차이

○ GWP : 이산화탄소 대비 100년 기준 지구온난화지수

냉매	조성(중량%)		COPh	QC (W)	Tdis (℃)	COPhdiff (%)	QCdiff (%)	Tdisdiff (℃)	GWP
	R134a	R152a
R134a			2.64	3244	76.3				1430
R152a	0	100	2.73	3301	84.8	3.5	1.8	11.2	140
본 발명 예 1	10	90	2.76	3310	83.6	4.6	2.0	9.6	269
본 발명 예 2	20	80	2.69	3253	85.4	2.2	0.3	11.9	398
본 발명 예 3	30	70	2.73	3250	86.2	3.7	0.2	13.0	527

R134a냉매와 R152a/R134a 혼합냉매의 성능 비교 (히트펌프 구동 조건: 증발기 냉매 온도: -7℃, 응축기 냉매 온도: 41℃)

※○ COPh : 히트펌핑 성능계수(Coefficient of performance, 응축기 용량/압축기에 가해진 일)

○ QC : 응축기(난방) 용량(Evaporator capacity)

○ Tdis : 압축기 토출 온도(Compressor discharge temperature)

○ COPh_{diff :} R134a 대비 성능계수 차이

○ QC_diff : R134a 대비 응축기(난방) 용량 차이

○ Tdis_diff : R134a 대비 압축기 토출 온도 차이

표 1에서 보여지듯이, 냉방을 기준으로 한 에어컨 구동 조건에서 R152a에 R134a 10중량%, 20중량% 및 30중량%를 혼합한 대체 혼합냉매들의 경우, 성능계수는 R134a냉매에 비해 8~10% 정도 높고 냉동용량은 5~7% 높으며 압축기 토출 온도는 8~9℃ 정도 높은 것으로 나타났다.

표 2에서 보여지듯이, 난방을 기준으로 한 히트펌프 구동 조건에서 R152a에 R134a 10중량%, 20중량% 및 30중량%를 혼합한 대체 혼합냉매들의 경우 성능계수는 R134a에 비해 2~5%정도 높고 냉동 용량은 0~2%정도 높으며 압축기 토출 온도는 9~13℃정도 높은 것으로 나타났다.

본 발명에 따른 혼합냉매에서 R134a의 함량을 증가시키면 GWP가 증가하는 것을 볼 수 있으므로, 혼합냉매의 GWP를 500 수준 또는 그 이하의 값을 갖도록 하기 위해서는 R134a의 함량을 30중량% 이하로 하는 것이 바람직하다. 따라서 본 발명에 따른 혼합냉매는 R152a가 70 내지 99.9중량%를 차지하고 R134a가 0.1 내지 30.0 중량%를 차지하도록 구성된다.

이런 결과들을 종합해 보면 R152a에 소량의 R134a를 첨가할 경우 기존의 R134a와 비슷하거나 높은 성능을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

표 1 및 표 2에서는 각각의 냉매에 대한 이산화탄소 대비 100년 기준 지구온난화지수(GWP)를 보여준다. R152a에 R134a를 혼합한 본 발명의 혼합냉매의 경우 GWP는 R134a냉매와 비교하여 37%이하이다. 따라서 기존의 R134a냉매를 사용하는 자동차 에어컨에 본 발명의 혼합냉매를 충전할 경우 R134a에 비해 63% 이상 지구온난화지수를 줄일 수 있다. 실제 자동차 에어컨의 경우 외기로 방출되는 냉매의 양은 충전량에 비례한다. 본 발명의 대체 혼합냉매의 경우 실제 실험에서 충전량이 R134a에 비해 25% 정도 감소한 것으로 나타났다. 따라서 실제로 시스템에 본 발명의 혼합냉매를 적용할 경우 R134a에 비해 73% 이상 지구온난화지수를 줄일 수 있을 것으로 판단된다.

위에서 언급했듯이 순수한 R152a는 가연성을 띠고 있다. 그러나 R134a는 비가연성이므로 순수한 R152a에 30중량%까지 R134a를 혼합한 대체 혼합냉매의 가연성은 필연적으로 줄어들 수 밖에 없다. 따라서 본 발명의 혼합냉매는 R152a와 비슷한 성능을 유지하면서도 가연성을 크게 약화시켰으므로 실제 시스템에 혼합냉매를 적용시의 위험부담이 적어지는 장점이 있다.

끝으로 비공비 혼합냉매의 경우 증발 시 온도구배(Temperature glide)가 크면 시스템에 누출이 있을 경우 조성 분리 현상으로 인해 시스템 용량 저하 문제가 생길 수 있다. 그러나 본 발명에서 제안하는 대체 혼합 냉매는 증발 시 온도구배가 0.2℃ 이하이므로 거의 순수한 냉매나 공비 혼합냉매와 같다. 따라서 본 발명에서 제안하는 대체 혼합 냉매의 경우 조성 분리 같은 실제적인 문제가 생기지 않으므로 시스템에 적용했을 때에 냉매 누출시의 용량저하 문제를 피할 수 있다.

Claims (1)

1. 에어컨 또는 히트펌프에 사용되는 혼합냉매로서 R152a 70 내지 99.9중량%와 R134a 0.1 내지 30.0 중량%로 구성된 2원 혼합냉매.