KR101088358B1

KR101088358B1 - Ｒ1234ｙｆ와 Ｒ152ａ와 Ｒ134ａ로 구성된 3원 혼합냉매

Info

Publication number: KR101088358B1
Application number: KR1020090087085A
Authority: KR
Inventors: 정동수; 박기정
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2009-09-15
Publication date: 2011-12-01
Also published as: KR20110029417A

Abstract

본 발명은 증기 압축식 냉동/공조기에서 냉매로 사용할 수 있는 물질 즉 'R1234yf와 R152a와 R134a로 구성된 3원 혼합냉매'에 관한 것이며 좀 더 구체적으로는 지금까지 자동차용 에어컨, 가정용 냉장고 등에 널리 사용되어 온 R134a 냉매를 대체하거나 보충할 수 있는 3원 혼합냉매에 관한 것이다.

지구온난화지수, 혼합냉매, 친환경

Description

Ｒ1234ｙｆ와 Ｒ152ａ와 Ｒ134ａ로 구성된 3원 혼합냉매{Ternary refrigerant mixture composed of R1234yf, R152a and R134a}

본 발명은 증기 압축식 냉동/공조기에서 사용할 수 있는 R1234yf와 R152a와 R134a로 구성된 3원 혼합냉매에 관한 것이다.

1980년대 후반까지는 자동차 에어컨, 가정용 냉장고 냉매로서 메탄에서 유도한 염화불화탄소(Chlorofluorocarbon, CFC)가 주로 사용되어 왔다. 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(Hydrofluorocarbon, HFC)인 R134a의 비등점은 -26.1℃이고 분자 질량은 102.03kg/kmol이다.

최근에는 오존층붕괴 문제뿐만 아니라 지구온난화 문제도 급속도로 부상하기 시작했다. 이에 1997년의 교토 의정서는 R134a와 같이 지구온난화지수(Global warming potential, GWP)가 높은 냉매의 사용을 자제할 것을 강력히 권하고 있다. 참고로 R134a의 지구온난화지수는 1430인데 이것은 R134a의 지구온난화지수가 이산 화탄소(CO₂)의 지구온난화지수보다 1430배나 큰 것을 뜻한다.

잘 알려져 있듯이 2011년 이후에는 유럽 연합(European Union, EU)의 강제 규정에 따라 신규 자동차 에어컨의 경우 반드시 지구온난화지수가 150 이하인 냉매를 사용해야만 한다. 이런 추세를 고려하면 2011년 이후에는 R134a로 충전된 수천만 대의 기존 자동차 에어컨의 경우에도 냉매를 보충하거나 대체할 때 지구온난화지수가 R134a보다 낮은 냉매를 사용해야 할 것이다.

어떤 물질이 기존 냉매의 대체냉매로 유용하려면 우선 기존 냉매와 유사한 성능계수(Coefficient of performance, COP)와 증발기 용량(Evaporator capacity)을 가져야 한다. 여기서 성능계수(COP)란 압축기에 가해진 일과 대비한 총 냉동효과를 의미하며 따라서 성능계수가 클수록 냉동/공조기의 에너지 효율이 좋다. 또한 압축기를 크게 개조하지 않고 사용하려면 대체냉매가 기존 냉매와 비슷한 증기압을 가져서 궁극적으로 비슷한 증발기 용량을 제공해야 한다.

본 발명의 목적은 기존의 R134a와 비슷한 성능을 내면서 지구온난화지수가 R134a에 비해 낮아서 R134a 냉매를 대체하거나 보충할 수 있는 3원 혼합냉매를 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적은 냉동/공조기용 혼합냉매에 있어서 R1234yf 0.1 내지 99.8 중량%와 R152a 0.1 내지 99.8 중량%와 R134a 0.1 내지 99.8 중량%로 구성되며, R1234yf와 R152a와 R134a의 합은 100중량%인 3원 혼합냉매에 의해 달성된다.

또한 상기 3원 혼합냉매는 지구온난화지수가 150 이하가 되도록 하기 위해 R1234yf의 조성비율(중량%)을 Ｘ로 하고, R152a의 조성비율(중량%)을 Ｙ로 하고, R134a의 조성비율(중량%)을 Ｚ로 하였을 때에, (4/100)×Ｘ+(140/100)×Ｙ+(1430/100)×Ｚ≤150의 조건을 만족시키는 것이 바람직하며, 여기서 Ｘ=R1234yf의 조성비율(중량%), Ｙ=R152a의 조성비율(중량%), Ｚ=R134a의 조성비율(중량%), R1234yf의 지구온난화지수=4, R152a의 지구온난화지수=140, R134a의 지구온난화지수=1430인 것으로 한다.

또한 온도구배를 거의 없게 하기 위해서는 상기 3원 혼합냉매에 포함된 R1234yf의 조성비율이 70 내지 90중량%인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 R1234yf와 R152a와 R134a로 구성된 3원 혼합냉매에 의하면 기존의 R134a와 비슷한 성능을 내면서 지구온난화지수가 R134a에 비해 낮아서 친환경적이다.

또한 본 발명에 따른 R1234yf와 R152a와 R134a로 구성된 3원 혼합냉매는 R1234yf에 비해 값이 저렴하고 R152a에 비해 가연성이 낮아 안전하다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 R1234yf와 R152a와 R134a로 구성된 3원 혼합냉매의 구성에 대하여 설명한다.

본 발명은 증기 압축식 냉동/공조기에서 냉매(Refrigerant, 이하 R이라 한다)로 사용할 수 있는 물질 즉 'R1234yf와 R152a와 R134a로 구성된 3원 혼합냉매'에 관한 것이며 좀 더 구체적으로는 지금까지 자동차용 에어컨, 가정용 냉장고 등에 널리 사용되어 온 R134a 냉매를 대체하거나 보충할 수 있는 3원 혼합냉매에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로 본 발명은 R1234yf와 R152a와 R134a를 혼합해서 만든 3원 '근공비 혼합냉매'(Near azeotrope)에 관한 것이다.

본 발명의 3원 혼합냉매를 개발하기 위하여 본 발명자는 미국 표준 연구소(National Institute of Standards and Technology, NIST)에서 개발한 냉동/공조기 시뮬레이션 프로그램인 Cycle-D를 사용하였다.

도 1은 본 발명에 따른 3원 혼합냉매가 사용되는 일반적인 냉동/공조기의 구성도로서 증발기, 응축기, 압축기, 팽창 밸브 등을 보여 준다.

냉동/공조기 시뮬레이션 프로그램의 정확도를 결정하는 중요 인자 중 하나는 냉매의 물성치이다. Cycle-D 프로그램은 미국, 일본, 유럽 연합 등에서 기준으로 삼고 있는 REFPROP이라는 물성치 계산 패키지를 사용하여 모든 냉매의 물성치를 계산한다. REFPROP 역시 미국 표준 연구소에서 개발한 것으로 정확성 및 적용성이 이미 입증되어 전 세계 냉동/공조 관련 유수 기업, 연구소, 대학에서 가장 널리 사용되는 프로그램이다.

본 발명자는 냉동/공조기용 대체/보충냉매의 오존층붕괴지수(ODP)가 반드시 0.0이어야 하며 가능한 한 지구온난화지수(GWP)가 R134a보다 낮아야 하고 특히 신규 자동차 에어컨에 적용하려면 지구온난화지수 150 이하가 되어야 한다는 판단 하에 에어컨 구동 조건(증발기 냉매 온도: 7℃, 응축기 냉매 온도: 45℃)에서 기존의 R134a의 성능과 또 R1234yf와 R152a와 R134a를 혼합한 3원 혼합냉매의 성능을 시뮬레이션을 통해 예측하였다.

표 1은 에어컨 구동 조건(증발기 냉매 온도 7℃, 응축기 냉매 온도 45℃)에서 시뮬레이션을 통해 얻은 결과들을 요약한 것으로서 기준이 되는 R134a와 본 발명에 따른 3원 혼합냉매의 성능 지수를 보여 준다.

냉매	조성(중량%)			COP	COP_diff (%)	Tdis (℃)	Tdis_diff (℃)	GWP
냉매	R1234yf	R152a	R134a	COP	COP_diff (%)	Tdis (℃)	Tdis_diff (℃)	GWP
R134a				3.27		74.1		1430
본 발명 실시예 1	98	1	1	3.18	-2.8	65.7	-8.4	20
본 발명 실시예 2	94	5	1	3.19	-2.4	66.7	-7.4	25
본 발명 실시예 3	89	10	1	3.20	-2.1	67.8	-6.3	32
본 발명 실시예 4	59	40	1	3.24	-0.9	75.0	0.9	73
본 발명 실시예 5	29	70	1	3.25	-0.6	82.4	8.3	113
본 발명 실시예 6	10	90	1	3.30	0.9	86.3	12.2	141
본 발명 실시예 7	1	98	1	3.33	1.8	87.5	13.4	152
본 발명 실시예 8	94	1	5	3.16	-3.4	66.2	-7.9	77
본 발명 실시예 9	85	10	5	3.19	-2.4	68.2	-5.9	89
본 발명 실시예 10	75	20	5	3.22	-1.5	70.4	-3.7	103
본 발명 실시예 11	55	40	5	3.23	-1.2	75.5	1.4	130
본 발명 실시예 12	30	65	5	3.24	-0.9	81.8	7.7	164
본 발명 실시예 13	15	80	5	3.28	0.3	84.8	10.7	184
본 발명 실시예 14	1	94	5	3.33	1.8	87.1	13.0	203
본 발명 실시예 15	89	1	10	3.15	-3.7	66.7	-7.4	148
본 발명 실시예 16	85	5	10	3.17	-3.1	67.5	-6.6	153
본 발명 실시예 17	80	10	10	3.19	-2.4	68.5	-5.6	160
본 발명 실시예 18	50	40	10	3.23	-1.2	76.1	2.0	201
본 발명 실시예 19	30	60	10	3.24	-0.9	81.2	7.1	228
본 발명 실시예 20	10	80	10	3.29	0.6	85.2	11.1	255
본 발명 실시예 21	1	89	10	3.33	1.8	86.6	12.5	268
본 발명 실시예 22	69	1	30	3.17	-3.1	67.8	-6.3	433
본 발명 실시예 23	65	5	30	3.18	-2.8	68.8	-5.3	439
본 발명 실시예 24	60	10	30	3.19	-2.4	70.1	-4.0	445
본 발명 실시예 25	50	20	30	3.20	-2.1	72.9	-1.2	459
본 발명 실시예 26	30	40	30	3.21	-1.8	78.5	4.4	486
본 발명 실시예 27	10	60	30	3.27	0.0	82.9	8.8	513
본 발명 실시예 28	1	69	30	3.32	1.5	84.4	10.3	526
본 발명 실시예 29	39	1	60	3.18	-2.8	70.5	-3.6	861
본 발명 실시예 30	35	5	60	3.18	-2.8	71.9	-2.2	866
본 발명 실시예 31	30	10	60	3.18	-2.8	73.6	-0.5	873
본 발명 실시예 32	25	15	60	3.18	-2.8	75.1	1.0	880
본 발명 실시예 33	20	20	60	3.19	-2.4	76.6	2.5	887
본 발명 실시예 34	10	30	60	3.24	-0.9	79.0	4.9	900
본 발명 실시예 35	1	39	60	3.29	0.6	80.6	6.5	913
본 발명 실시예 36	9	1	90	3.22	-1.5	73.9	-0.2	1289
본 발명 실시예 37	7	3	90	3.23	-1.2	74.5	0.4	1291
본 발명 실시예 38	5	5	90	3.24	-0.9	75.0	0.9	1294
본 발명 실시예 39	3	7	90	3.25	-0.6	75.5	1.4	1297
본 발명 실시예 40	1	9	90	3.27	0.0	75.9	1.8	1300

※ ○ COP : 성능계수(Coefficient of performance, 증발기 용량/압축기에 가해진 일)

○ Tdis : 압축기 토출온도(Compressor discharge temperature)

○ COP_diff : R134a 대비 성능계수 차이

○ Tdis_diff : R134a 대비 압축기 토출온도 차이

○ GWP : 이산화탄소 대비 100년 기준 지구온난화지수

상기 [표 1]에 열거된 본 발명의 3원 혼합냉매의 실시예들에서는 R134a의 조성비율을 각각 1%(본 발명 실시예 1 내지 7), 5%(본 발명 실시예 8 내지 14), 10%(본 발명 실시예 15 내지 21), 30%(본 발명 실시예 22 내지 28), 60%(본 발명 실시예 29 내지 35), 90%(본 발명 실시예 36 내지 40)로 바꾸어 가면서 나머지 두 냉매의 양을 조절하여 대표적인 조성에서 성능을 시뮬레이션을 통해 예측하였다.

표 1에서 볼 수 있듯이 에어컨 구동 조건에서 R1234yf와 R152a와 R134a를 혼합한 본 발명의 3원 혼합냉매는 전체 조성비율에 있어서 성능계수(COP)는 R134a와 비교해서 평균적으로 3.0% 정도 높거나 낮은 것으로 나타났고 압축기 토출온도는 평균적으로 9 내지 13℃ 정도 높거나 낮은 것으로 나타났다. 이런 정도의 편차는 실제 에어컨/히트펌프의 운전, 성능, 수명 등에 전혀 영향을 미치지 않으며 또 시스템 적정화 작업을 통해 충분히 보정될 수 있으므로 시스템 제조 시 생산자가 원하는 조성을 취하면 본 발명의 3원 혼합냉매로 기존의 R134a를 대체하는 데 전혀 문제가 없다.

표 1은 또한 본 발명에 따른 3원 혼합냉매의 조성비율에 따른 이산화탄소 대비 100년 기준 지구온난화지수(GWP)를 보여준다. 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 R1234yf와 R152a와 R134a로 구성된 3원 혼합냉매는 R134a의 조성비율이 감소하면 3원 혼합냉매의 지구온난화지수가 감소하는 경향을 보인다.

표 2는 에어컨 구동 조건(증발기 냉매 온도 7℃, 응축기 냉매 온도 45℃)이고 동시에 본 발명의 R1234yf/R152a/R134a 3원 혼합냉매의 R134a의 조성비율이 9% 이하인 조건에서의 다양한 조성비율에 따른 3원 혼합냉매의 성능 지표와 환경 지수를 시뮬레이션을 통해 예측한 결과를 나타낸 것이다.

냉매	조성(중량%)			COP	COP_diff (%)	Tdis (℃)	Tdis_diff (℃)	GWP
냉매	R1234yf	R152a	R134a	COP	COP_diff (%)	Tdis (℃)	Tdis_diff (℃)	GWP
R134a				3.27		74.1		1430
본 발명 실시예 41	94	1	5	3.16	-3.4	66.2	-7.9	77
본 발명 실시예 42	90	5	5	3.17	-3.1	67.1	-7.0	82
본 발명 실시예 43	85	10	5	3.19	-2.4	68.2	-5.9	89
본 발명 실시예 44	80	15	5	3.21	-1.8	69.3	-4.8	96
본 발명 실시예 45	75	20	5	3.22	-1.5	70.4	-3.7	103
본 발명 실시예 46	70	25	5	3.23	-1.2	71.6	-2.5	109
본 발명 실시예 47	65	30	5	3.23	-1.2	72.9	-1.2	116
본 발명 실시예 48	60	35	5	3.23	-1.2	74.2	0.1	123
본 발명 실시예 49	55	40	5	3.23	-1.2	75.5	1.4	130
본 발명 실시예 50	50	45	5	3.23	-1.2	76.8	2.7	137
본 발명 실시예 51	45	50	5	3.23	-1.2	78.1	4.0	143
본 발명 실시예 52	40	55	5	3.24	-0.9	79.4	5.3	150
본 발명 실시예 53	35	60	5	3.24	-0.9	80.6	6.5	157
본 발명 실시예 54	30	65	5	3.24	-0.9	81.8	7.7	164
본 발명 실시예 55	25	70	5	3.25	-0.6	82.9	8.8	171
본 발명 실시예 56	20	75	5	3.26	-0.3	83.9	9.8	177
본 발명 실시예 57	15	80	5	3.28	0.3	84.8	10.7	184
본 발명 실시예 58	10	85	5	3.29	0.6	85.7	11.6	191
본 발명 실시예 59	5	90	5	3.31	1.2	86.5	12.4	198
본 발명 실시예 60	1	94	5	3.33	1.8	87.1	13.0	203
본 발명 실시예 61	90	1	9	3.15	-3.7	66.6	-7.5	134
본 발명 실시예 62	85	6	9	3.17	-3.1	67.6	-6.5	141
본 발명 실시예 63	80	11	9	3.19	-2.4	68.7	-5.4	147
본 발명 실시예 64	75	16	9	3.21	-1.8	69.8	-4.3	154
본 발명 실시예 65	70	21	9	3.22	-1.5	71.0	-3.1	161
본 발명 실시예 66	65	26	9	3.23	-1.2	72.3	-1.8	168
본 발명 실시예 67	60	31	9	3.23	-1.2	73.6	-0.5	175
본 발명 실시예 68	55	36	9	3.23	-1.2	74.9	0.8	181
본 발명 실시예 69	50	41	9	3.23	-1.2	76.2	2.1	188
본 발명 실시예 70	45	46	9	3.23	-1.2	77.6	3.5	195
본 발명 실시예 71	40	51	9	3.23	-1.2	78.8	4.7	202
본 발명 실시예 72	35	56	9	3.23	-1.2	80.1	6.0	209
본 발명 실시예 73	30	61	9	3.24	-0.9	81.3	7.2	215
본 발명 실시예 74	25	66	9	3.25	-0.6	82.4	8.3	222
본 발명 실시예 75	20	71	9	3.26	-0.3	83.4	9.3	229
본 발명 실시예 76	15	76	9	3.27	0.0	84.4	10.3	236
본 발명 실시예 77	10	81	9	3.29	0.6	85.3	11.2	243
본 발명 실시예 78	5	86	9	3.31	1.2	86.1	12.0	249
본 발명 실시예 79	3	88	9	3.32	1.5	86.4	12.3	252
본 발명 실시예 80	1	90	9	3.33	1.8	86.7	12.6	255

○ Tdis : 압축기 토출온도(Compressor discharge temperature)

○ COP_diff : R134a 대비 성능계수 차이

○ Tdis_diff : R134a 대비 압축기 토출온도 차이

○ GWP : 이산화탄소 대비 100년 기준 지구온난화지수

도 2는 본 발명의 3원 혼합냉매의 전체 조성비율에서의 지구온난화지수를 보여주는 선도이다. 도 2의 선도는 아래의 수학식 1에 의해 만들어진 것이며, 본 발명의 3원 혼합냉매의 조성비율에 따른 지구온난화지수는 이하의 수학식 1에 의해 도출될 수 있다.

(4/100)×Ｘ+(140/100)×Ｙ+(1430/100)×Ｚ= 3원 혼합냉매의 지구온난화지수

위 수학식 1의 Ｘ, Ｙ 및 Ｚ는 다음과 같다.

Ｘ=R1234yf의 조성비율(중량%)

Ｙ=R152a의 조성비율(중량%)

Ｚ=R134a의 조성비율(중량%)

또한 R1234yf, R152a 및 R134a의 지구온난화지수는 다음과 같다.

R1234yf의 지구온난화지수=4

R152a의 지구온난화지수=140

R134a의 지구온난화지수=1430

즉 3원 혼합냉매를 구성하는 각 조성들의 지구온난화지수에 해당 조성의 조성비율을 곱한 것을 합산하여 3원 혼합냉매의 지구온난화지수를 구한 것이다. 예를 들면 본 발명 실시예62의 R1234yf 85중량%와 R152a 6중량%와 R134a 9중량%로 된 3원 혼합냉매의 지구온난화지수는 위 수학식 1에 의해 계산하면 "(4/100)×85+(140/100)×6+(1430/100)×9= 140.05"가 된다.

또한 도 2의 지구온난화지수 선도로부터 R1234yf 50중량%와 R152a 40중량%와 R134a 10중량%로 된 3원 혼합냉매의 지구온난화지수를 구하는 방법은 도 2에서 R1234yf=0.5의 선과 R152a=0.4의 선과 R134a=0.1의 선이 교차하는 점의 값을 구하면 되며, 상기 조성비율의 경우 지구온난화지수는 약 200이 된다.

도 2에 도시된 숫자가 기입된 선들은 '동일한 지구온난화지수를 갖는 3원 혼합냉매의 조성비율들'을 연결한 '등 지구온난화지수 선'들을 표시한 것이다.

본 발명의 3원 혼합냉매의 지구온난화지수가 150 이하가 되도록 하기 위해서는 [(4/100)×Ｘ+(140/100)×Ｙ+(1430/100)×Ｚ≤150]의 조건을 만족시키도록 본 발명의 3원 혼합냉매의 각 조성의 조성비율을 특정하면 된다.

도 2 및 표 2에서 보여지듯이, 본 발명에 따른 R1234yf와 R152a와 R134a로 구성된 3원 혼합냉매의 경우 R134a의 조성비율이 9% 미만일 때는 대부분의 조성비율에서 지구온난화지수가 150 이하가 된다. 또한 성능계수나 압축기 토출 온도도 다른 모든 조성비율에서의 값들과 유사하다.

따라서 2011년부터 제조될 신규 자동차 에어컨에 9% 미만의 R134a를 포함하는 3원 혼합냉매를 충전할 경우 R134a에 비해 약 90% 정도 지구온난화지수를 줄일 수 있다. 참고로 표 1과 표 2에서는 R152a의 지구온난화지수를 140으로 놓고 지구온난화지수를 계산했지만 최근 들어 R152a의 지구온화지수는 120 정도로 밝혀지고 있다. 따라서 실제로 본 발명의 3원 혼합냉매의 지구온난화지수는 표 1과 표 2에 있는 값들보다 낮으므로, 본 발명의 3원 혼합냉매에서 R134a나 R152a의 조성비율이 표 1과 표 2에 있는 것보다 조금 높더라도 지구온난화지수의 조건을 만족할 수 있다.

한편 2011년부터 R134a를 규제한다고 해도 이미 그때에는 전 세계에 수천 만대의 기존 차량에 R134a가 충전되어 있을 것이다. 자동차 에어컨의 특성 상 시스템의 냉매는 외부로 누출되기 마련이므로 대개 2년 주기로 적정량의 냉매를 보충해 주어야 한다. 이 경우 R134a보다 지구온난화지수가 낮은 냉매를 충전하여 기존 냉매를 보충하면 지구 환경 보호에 큰 이득이 될 것이다. 본 발명의 3원 혼합냉매는 R134a의 조성비율이 높은 경우에는 지구온난화지수가 150 이상이 되어 지구온난화지수의 상한 조건을 만족시키기 못하므로 신규 차량의 에어컨에는 적용할 수 없지만 기존 차량의 에어컨에는 R134a를 보충할 수 있는 보충냉매로 유용하게 쓸 수 있다. 물론 본 발명의 3원 혼합냉매로 보충을 할 경우 R134a로 보충할 때보다 지구온난화를 방지하는 측면에서 훨씬 더 유리하다.

본 발명의 3원 혼합냉매를 구성하는 냉매인 HFO-1234yf(R1234yf)는 오존층붕괴지수가 0.0이고 지구온난화지수가 4로 매우 낮아서 유럽 연합(EU)의 강제 규정을 만족시킬 수 있다. 또 R1234yf의 경우 기존에 상용화되어 있는 자동차 에어컨에 큰 변화 없이 적용할 수 있어서 생산 제조 측면에서 매우 유리하다는 장점이 있다. 그러나 R1234yf는 제조 공정이 복잡하여 단가가 기존 냉매의 10배 이상 높다는 단점이 있으며 또한 약한 가연성을 띄고 있다.

R152a는 R134a와 비슷한 증기압을 갖는 수소화불화탄소(HFC)로서 오존층붕괴지수(Ozone depletion potential, ODP)가 없고 지구온난화지수도 140으로 R134a의 지구온난화지수의 10분의 1 수준이다.

순수 R152a는 미국냉동공조학회(ASHRAE)의 냉매 표준 분류에서 중급 가연성 물질(A2 등급)로 분류되어 있다. 참고로 가연성 지표로는 희박가연한계(Lower flammability limit, LFL)를 사용하는데 R152a의 LFL은 4.3%이다. LFL은 값이 낮을 수록 가연성이 큰 것을 의미한다. R1234yf 역시 미국냉동공조학회의 냉매 표준 분류에서 중급 가연성 물질(A2 등급)로 분류되어 있지만 R152a에 비하면 가연성이 훨씬 약하다. 참고로 R1234yf의 LFL은 6.8%이다. 또한 R134a는 비가연성 물질이다. 따라서 R152a에 R1234yf와 R134a를 혼합하면 필연적으로 R152a에 비해 가연성이 줄어들 수밖에 없다. 그러므로 본 발명의 3원 혼합냉매는 R152a와 비슷한 성능을 유지하면서도 가연성을 크게 낮추어 실제 시스템에 냉매를 적용하는 데 위험 부담이 줄어든다는 장점을 가지고 있다.

본 발명에서 제안하는 3원 근공비 혼합냉매는 자동차 에어컨 등에서 기존의 R134a에 비해 냉방 능력이 비슷하므로 압축기를 개조하지 않고 냉매를 적용할 수 있다(Drop-in 대체).

본 발명의 3원 혼합냉매는 조성비율에 따라 지구온난화지수가 150 이하의 것은 2011년부터 제조되는 신규 자동차의 에어컨에 장기적 대체냉매로 쓸 수 있고, 본 발명의 3원 혼합냉매는 조성비율에 따라 지구온난화지수가 150 이상인 것은 기존 자동차 에어컨에 보충냉매로 쓸 수 있다.

중급 가연성 물질인 R152a에 약가연성 물질인 R1234yf와 비가연성 물질인 R134a를 혼합한 본 발명의 3원 혼합냉매는 R152a보다 가연성이 훨씬 낮으며, R134a의 양이 늘어나면 조성에 따라 거의 가연성이 없게 될 수도 있다. 또 R152a와 R134a의 경우 제조 단가가 매우 낮으므로(현 시점에서 R1234yf에 비해 10-20배 정도 가격이 저렴함), R152a와 R134a의 두 냉매와 R1234yf를 혼합한 본 발명의 3원 혼합냉매는 순수 R1234yf에 비해 제조 단가가 훨씬 낮다.

한편 '비공비 혼합냉매'(Non-azeotropic refrigerant mixture)의 경우 증발시 온도구배(Temperature glide)가 크면 시스템에 누출이 있을 경우 '조성 분리'(Fractionation)로 인해 시스템 용량이 저하될 수 있다. 그러나 본 발명에서 제안하는 3원 혼합냉매는, 본 발명의 3원 혼합냉매의 온도구배 선도를 도시한 도 3에서 볼 수 있듯이, 대부분의 조성에서 증발 시 온도구배가 1.0℃ 정도인 '근공비 혼합냉매'이므로 거의 순수한 냉매나 '공비 혼합냉매'(Azeotrope)와 같다. 따라서 본 발명에 따른 3원 혼합냉매의 경우 거의 모든 조성에서 '조성 분리' 같은 실제적인 문제가 생기지 않으므로 시스템 적용 시 실질적인 문제를 피할 수 있다. 도 3에 도시된 숫자가 기입된 선들은 동일한 온도구배를 갖는 본 발명의 3원 혼합냉매의 조성비율들을 연결한 '등 온도구배 선'이다.

또한 본 발명에 따른 3원 혼합냉매를 구성하는 R1234yf, R152a 및 R134a의 증기압이 비슷하므로 도 3에서 볼 수 있듯이 R1234yf의 양이 70 내지 90중량% 정도가 되면 실제적으로 온도구배가 전혀 없는 공비 혼합냉매를 형성할 가능성도 있다. 이렇게 되면 그 조성 혼합물은 순수냉매와 동일한 특성을 가지므로 조성 분리 현상이 전혀 없이 시스템에 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3원 혼합냉매의 성능을 실험하기 위하여 사용한 냉동/공조기(에어컨/히트펌프)의 구성도이다.

도 2는 본 발명의 3원 혼합냉매의 전체 조성비율에 따른 지구온난화지수를 보여 주는 선도이다.

도 3은 본 발명의 3원 혼합냉매의 전체 조성비율에 따른 온도구배를 보여 주는 선도이다.

Claims

냉동/공조기용 혼합냉매에 있어서 R1234yf 0.1 내지 99.8 중량%와 R152a 0.1 내지 99.8 중량%와 R134a 0.1 내지 99.8 중량%로 구성되며, R1234yf와 R152a와 R134a의 합은 100중량%인 것을 특징으로 하는 3원 혼합냉매.
제1항에 있어서,

지구온난화지수가 150 이하가 되도록 하기 위해 R1234yf의 조성비율(중량%)을 Ｘ로 하고, R152a의 조성비율(중량%)을 Ｙ로 하고, R134a의 조성비율(중량%)을 Ｚ로 하였을 때에, (4/100)×Ｘ+(140/100)×Ｙ+(1430/100)×Ｚ≤150의 조건을 만족시키는 것을 특징으로 하는 3원 혼합냉매.

(청구항 2에서, Ｘ=R1234yf의 조성비율(중량%), Ｙ=R152a의 조성비율(중량%), Ｚ=R134a의 조성비율(중량%), R1234yf의 지구온난화지수=4, R152a의 지구온난화지수=140, R134a의 지구온난화지수=1430)
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 3원 혼합냉매에 포함된 상기 R1234yf의 조성비율이 70 내지 90중량%인 것을 특징으로 하는 3원 혼합냉매.