KR101200579B1 - 친환경 혼합냉매 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기존의 프레온계 혼합냉매인 R502 및 R404A를 대체하기 위한 친환경 혼합냉매 조성물에 관한 것이다. 본 발명은 탄화수소계 냉매, 하이드로플루오로카본계 냉매 및 탄화불화올레핀계 냉매를 포함하여 근사 공비혼합물의 특성을 나타내는 친환경 혼합냉매 조성물을 제공한다. 본 발명에 의하면 오존파괴지수가 존재하지 않고 지구온난화지수가 낮아 환경친화적인 혼합냉매 조성물을 제공할 수 있다. 또한 본 발명의 친환경 혼합냉매 조성물은 일반적으로 냉동기유로 사용되는 광유를 사용할 수 있음으로써, R502 및 R404A를 사용하는 기존 시스템의 설계 변경을 최소화하여 냉매량 조정만으로 대체할 수 있다. 그리고 체적냉동능력, 성능계수, 증기압 특성이 우수하며, 냉동기의 각종 구성부품과 신뢰성이 확보되고 증발 및 응축과정의 온도구배 발생을 최소화한 근사 공비 혼합냉매 조성물을 제공할 수 있다.

Description

친환경 혼합냉매 조성물{THE COMPOSITION OF ENVIRONMENT-FRIENDLY REFRIGERANT MIXTURE}
본 발명은 기존의 프레온계 혼합냉매인 R502 및 R404A를 대체하기 위한 친환경 혼합냉매 조성물에 관한 것이다.
냉동기 사이클은 압축기, 응축기, 증발기, 팽창밸브, 드라이어, 오일 분리기, 액 분리기 등으로 구성된다. 냉동기는 열역학 제2법칙을 이용하여 압축기로 하여금 소정의 일을 수행시킴으로써 저열원에서 열을 흡수하여 온도가 높은 고열원으로 열을 이동하는 것을 목적으로 한다. 냉동 사이클에서 사용되고 있는 냉매(Refrigerant)는 증발기에서 저온 증발하여 주위의 열을 흡수하고, 압축기에서 고온, 고압의 기체로 압축되며 응축기에서 다시 냉각되어 고압의 액상으로 상태 변화한 것을 팽창밸브를 거치면서 감압되어 증발기 내에서 증발함으로써 냉동기 사이클 내부를 순환하며 연속적으로 냉동작용을 한다.
이러한 냉매는 그 사용 온도에 따라서 크게 저온용, 중온용 및 고온용으로 구별되며, 저온용 냉매는 사용 온도의 범위가 약 -35 ~ -15℃이고, 중온용은 -15 ~ +5℃, 고온용은 -10 ~ +10℃ 정도이다.
R12(CF2Cl2)는 저온용 냉매의 대표적인 물질로서 우수한 열역학적 특성을 갖추고 있으며 안전하여, 주로 냉장고와 같은 가정용 중소형 냉동기에 널리 사용되어 왔으며, 일부 자동차 에어컨 및 제습기에도 사용되어 그 사용범위가 다양해지고 있다. 또 R22(CHF2Cl)는 대표적인 고온용 냉매로서 주로 가정 및 산업용 에어컨에 널리 사용되고 있다. 하지만 R22를 냉장고 및 산업용 저온냉동기와 같은 저온 사용조건으로 적용하면 압축비가 커지면서 압축기 토출측 냉매가스 온도가 크게 증가하고 성능 및 효율특성이 감소하는 단점이 나타난다.
R502는 R22의 이러한 단점을 보완하기 위하여 만들어진 프레온계 혼합냉매이다. R502의 구체적인 조성비는 [R22(CHF2Cl)/R115(CF2Cl-CF3)=48.8/51.2 중량%]이다. R502는 R22 대비 저온용으로 사용할 수 있으면서도 성능 특성이 우수하고 사용과 취급이 용이한 공비혼합물이므로, 산업용 공조기 및 저온저장 시스템, 저온용 냉동기 등에 널리 사용되고 있다.
그러나 R502에 포함되어 있는 R22 및 R115가 오존층 파괴와 지구 온난화의 주원인으로 판명됨에 따라, 1987년 국제환경기구인 UNEP(United Nations Environment Programme) 주관 하에 오존층 파괴 물질의 사용 및 생산을 금지하는 몬트리올 의정서를 제정하였다. 이후 오존층 파괴의 문제성이 예상보다 심각함에 따라, 1990년 런던 개정 의정서, 1992년 코펜하겐 4차 회의, 1995년 방콕회의, 나이로비 실무자 회의 및 비엔나 회의 등을 통해 R22, R115 등의 오존층 파괴 물질에 대한 규제를 더욱 강화하였다. 국제적 규제에 따라 이를 효과적으로 대체할 수 있는 대체 물질에 대한 연구가 진행되어 왔으며, 그 예로 R404A를 들 수 있다.
R404A는 3중 혼합냉매로서 [R125(C2HF5)/R143a(CF3-CH3)/R134a(CF3-CH3F)=44/52/4 중량%)로 구성된다. 그러나 R404A는 성능 특성은 양호하나 응축과정의 증기압 특성이 높아 기존의 냉동기 시스템의 설계 변경이 불가피하며, 증발/응축 과정의 온도구배가 0.3 ~ 0.5℃ 정도 발생하는 근사 공비혼합냉매(Near-Azeotropic Refrigant Mixtures)이다. 또한 R142a의 영향으로 지구 온난화지수가 3260(CO2=1, 100year)로 매우 커서, 비환경친화적이라는 문제점이 있다. 그리고 냉동기유로 일반적으로 사용되는 광유(Mineral Oil)와의 용해도가 낮아, 냉동기유로 특수 합성유인 에스터(Ester) 오일 또는 폴리알킬렌그릴콜(PAG) 오일을 사용하여야 하는데 이 오일은 대기중에 노출시 수분을 무한정 흡수하여 냉동기의 치명적 손상을 야기하므로, 압축기를 비롯한 냉동기 시스템 및 제조설비의 대대적인 보완이 필요하다.
한편, 대한민국 특허등록번호 10-0255477에 의하면 탄화수소계 냉매 중에서 프로판과 사이크로펜탄을 사용하며 탄화수소계 냉매의 가연성을 억제하고자 트리플루오로 메틸아이오드(CF3I)를 혼합하여 주냉매로 사용하고, 상기 혼합물을 활성화시키기 위하여 실리콘 오일을 사용하는 기술이 제안되어 있다.
트리플루오로 메틸아이오드는 할론-1301(Hallon-1301, CF3Br)을 대체하기 위한 소화물질로서 주로 사용된다. 그러나 주냉매로 사용시 고가이고 분자량이 커서 냉매 주입량을 증가시키게 된다. 또한 냉동기에 적용시 냉동 능력이 저하되고 프로판 및 싸이크로펜탄 등의 탄화수소계 냉매와 적정수준 이상으로 혼합시 증발 및 응축과정에서 온도구배가 2 ~ 3℃ 정도로 크게 나타나는 비공비 혼합물 특성을 보인다. 비공비 혼합물은 냉동기에 냉매의 상변화(액상/기상)에 따라 같은 질량 기준으로 냉매를 주입하였다 할지라도 성능 특성이 다르게 나타나고, 증발기와 응축기의 압력이 계속해서 변하는 시스템의 불안정을 가져옴으로써 제조현장에서 냉매의 유지관리를 매우 어렵게 한다.
또한 상기 특허에서 사용하고 있는 실리콘 오일은 항상 액체상태로 존재하여 냉동기 사이클 내부를 순환함으로써 냉동기의 증발기에서 냉동 능력을 저하시킨다. 특히 저온 저압 상태를 유지하고 있는 증발기 부분에서 누적시 냉동기의 신뢰성에 치명적인 영향을 주어 그 사용량을 엄격히 제한하고 있다. 그리고 실리콘 오일은 냉매를 제조한 후 장기간 용기 내에 보관할 때 냉매와 분리되기 때문에, 용기로부터 실제 냉매를 사용할 때 가연성 개선에 도움이 되지 않음을 예측할 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, R502 및 R404A를 사용하는 기존 시스템의 설계 변경을 최소화하고 환경친화적인 혼합냉매 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 태양으로 탄화수소계에서 선택되는 냉매, 하이드로플루오로카본계에서 선택되는 냉매 및 탄화불화올레핀계에서 선택되는 냉매를 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 탄화수소계에서 선택되는 냉매는 프로판[R290(C3H8)]이고, 상기 하이드로플루오로카본계에서 선택되는 냉매는 플루오르화 에틸[R161(CH3-CH2F)]과 플루오로메탄[HFC41(CH3F)]중 어느 하나 이상이 포함되며, 상기 탄화불화올레핀계에서 선택되는 냉매는 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜[HFO1234yf(CH3CF=CH2)]이다.
상기 프로판[R290(C3H8)]은 65 ~ 75 중량%, 상기 플루오르화 에틸[R161(CH3-CH2F)]은 15 ~ 25 중량%, 상기 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜[HFO1234yf(CH3CF= CH2)]은 5 ~ 9 중량% 및 상기 플루오로메탄[HFC41(CH3F)]은 1 ~ 5 중량%으로 이루어진다.
바람직하게는 상기 프로판[R290(C3H8)]은 70 중량%, 상기 플루오르화 에틸[R161(CH3-CH2F)]은 20 중량%, 상기 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜[HFO1234yf(CH3CF=CH2)]은 7 중량% 및 상기 플루오로메탄[HFC41(CH3F)]은 3 중량%으로 이루어진다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 오존파괴지수가 존재하지 않고 지구온난화지수가 약 10 정도로 낮아, 환경친화적인 혼합냉매 조성물을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 일반적으로 냉동기유로 사용되는 광유를 사용할 수 있음으로써, R502 및 R404A를 사용하는 기존 시스템의 설계 변경을 최소화하여 냉매량 조정만으로 대체할 수 있는 혼합냉매 조성물을 제공하는 효과가 있다.
그리고 체적냉동능력, 성능계수, 증기압 특성이 우수하며, 냉동기의 각종 구성부품과 신뢰성이 확보되고 증발 및 응축과정의 온도구배 발생을 최소화한 근사 공비 혼합냉매 조성물을 제공할 수 있다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 친환경 혼합냉매 조성물에 관한 해석 및 측정조건을 압력-엔탈피 선도를 이용하여 도시한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지된 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.
본 발명에 따른 친환경 혼합냉매 조성물은 탄화수소계에서 선택되는 냉매와 하이드로플루오로카본계에서 선택되는 냉매 그리고 탄화불화올레핀계에서 선택되는 냉매를 포함하여 이루어진다.
탄화수소계에서는 프로판[R290(C3H8)], 하이드로플루오로카본계에서는 플루오르화 에틸[R161(CH3-CH2F)] 및 플루오로메탄[HFC41(CH3F)], 탄화불화올레핀계에서는 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜[HFO1234yf(CF3CF=CH2)]를 선택하는 것이 바람직하다. 프로판은 단위 체적당 냉동능력은 우수하나 증기압특성이 매우 커서 압축기 모터를 비롯한 냉동기 시스템의 설계변경이 필요하고 가연성, 폭발성 등이 문제가 된다. 이러한 단점을 보완하기 위해 하이드로플루오로카본계의 냉매를 혼합한다.
본 발명의 친환경 혼합냉매 조성물은 프로판 65 ~ 75 중량%, 플루오르화 에틸 15 ~ 25 중량%, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 5 ~ 9 중량% 및 플루오로메탄 1 ~ 5 중량%를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 실시예에 따르면 친환경 혼합냉매 조성물은 프로판 70 중량%, 플루오르화 에틸 20 중량%, 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 7 중량% 및 플루오로메탄 3 중량%을 포함하여 이루어지는 것이 가장 바람직한 결과를 나타냈다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 기술한다.
실시예 1
본 발명의 친환경 혼합냉매 조성물을 [표1]과 같은 혼합비율로 제조한다.
본 발명의 친환경 혼합냉매 조성물의 제조예
＼ 조성물
냉매 ＼		 프로판
(C3H8)		 플루오르화 에틸
(CH3-CH2F)		 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜
(CF3CF=CH2)		 플루오로메탄
(CH3F)
시편 1(NR452a) 70.0 20.0 7.0 3.0
시편 2(NR452b) 65.0 25.0 5.0 5.0
시편 3(NR452c) 75.0 15.0 9.0 1.0
실시예 2
실시예 1에서 제조한 시편(단, 시편 1 ~ 3을 NR452a ~ NR452c로 명명)과 R502, R404A와 비교하여 [표2]에 나타내었다. 비등점, 독성, 인화점, 열전달율, 증발잠열, 오존파괴지수(ODP; Ozone Depletion Potential) 및 지구온난화지수(GWP; Global Warming Potential)를 포함하는 냉매의 열역학적 성질을 측정하였다.
여기서, 오존파괴지수는 한 화합물질의 오존파괴 정도를 숫자로 표시한 것으로, 이 숫자가 클수록 오존파괴 정도가 크다는 의미이다. 일반적으로 삼염화불화탄소(CFCI3)의 오존파괴 능력을 1로 보았을 때 상대적인 파괴능력을 나타낸다.
그리고 지구 온난화지수는 대기 중 농도의 변화를 직접 측정하지 않고 서로 다른 기체들의 상대적인 복사 흡수 능력을 측정하기 위해 공통적인 수단으로 방출 수준을 해석하기 위한 지수이다. 각각의 기체들을 기준이 되는 기체들과 비교했을 때 대기하층에서 성층권까지의 상대적 가열 정도의 척도로서 나타낸 것으로서, 일정 기간(보통 100년) 동안 1㎏의 온실가스가 야기하는 적외선 흡수 능력(가열효과)과 이산화탄소 1㎏의 영향에 대한 비율로 측정된다. 100년을 기준으로 이산화탄소를 1로 볼 때, 메탄은 21, 아산화질소는 310, HFC 1,300, PFC 7,000, 육불화황 23,900 정도가 된다.
냉동탑차용 냉매의 열역학적 특성
항목＼냉매 R502 R404A NR452a NR452b NR452c


화학식		 CHF2Cl/
CF2Cl-CF3 		C2HF5/
CF3-CH3/
CF3-CH2F		 C3H8/
CH3-CH2F/
CF3CF=CH2/
CH3F
분자량 111.6 100.3 49.5 48.1 50.9
비등점(℃) -45.4 -46.2 -41.3 -42.0 -40.5
독성 None None None None None
열전단율
(W/m.K)
[at 0℃]		 액상 0.0700 0.0795 0.1087 0.1073 0.1098
기상 0.0097 0.0123 0.0146 0.0147 0.0145
증발잠열 248.0 268.5 313.0 306.0 320.0
냉동기유 Mineral Ester Mineral/Ester
오존파괴지수 0.203 0 0 0 0
지구온난화지수 4470 3260 8.9 12.1 5.6
상기 [표2]를 참조하면, R502는 오존파괴지수가 존재하고, 지구온난화지수가 커서 환경규제대상 물질임을 알 수 있다. R404A는 오존 파괴지수는 0이지만 지구온난화지수가 크고 냉동기유를 에스터(Ester) 오일을 사용해야 함을 알 수 있다. 특수한 합성유인 에스터 오일은 무한한 수분 흡수특성으로 인하여 이를 방지하기 위한 제조 공정이 복잡하고 광유 대비 2 ~ 3배 고가여서 제조 원가를 상승시키는 문제점이 있다.
본 발명의 친환경 혼합냉매 조성물(NR452 series)은 프레온계 혼합냉매(R502, R404A)와 비교하여, 오존 파괴지수 및 지구온난화지수가 매우 우수한 환경친화적인 물질이다. 또한 열전달 특성과 증발열, 비등점 등의 특성이 우수하며, 분자량이 50% 정도 작아 냉매 사용량을 줄일 수 있다. 그리고 냉동기유로 광유를 사용할 수 있으므로 원가 절감이 가능하다.
실시예 3
본 발명의 친환경 혼합냉매 조성물이 다른 여러 가지 냉매와 비교하였을 때, 냉동탑차와 같은 저온용 냉동기 등의 사용조건에서 R502 및 R404A를 대체하여 적용할 수 있는지 검토하기 위하여, 체적냉동능력, 성능계수(COP; Coefficient of Performance), 응축 및 증발압력, 압축비, 온도구배(TG; Temperature Glide), 토출가스 온도 등의 이론 사이클 특성 해석을 수행하였다. 이론 사이클 특성 해석을 위한 표준 조건은 ASHRAE LBP 표준조건으로서 도1에 제시된 응축온도, 증발온도, 과냉각온도, 과열 가스 온도, 압축기 주위온도에 의하여 설정된다.
이론 사이클 특성 해석을 위해 사용한 냉매 물성치 계산 프로그램은 기존 냉매의 경우 미국 냉동공조학회의 냉매물성 프로그램(NIST REFPROP 5.1)을 이용하였다. 본 발명의 친환경 혼합냉매 조성물(NR452 series)의 열역학적 성질을 계산하기 위해서는 새로운 프로그램을 개발하여 이용하였다. 먼저 평형 실험장치를 이용한 포화 온도-압력을 측정하였다. 그 후, 실험 데이터와 계산값의 오차를 최소화하도록 온도에 따른 새로운 상호 작용계수를 도입하여 이 상호 작용계수와 CSD(Carnahan/Starling/DeSantis) 상태 방정식 및 열역학적 관계식들을 이용한 새로운 프로그램을 이용하여 물성치를 계산하였다.
압축기의 체적효율 100%를 기준으로 위에서 언급한 프로그램을 이용하여 중량비 혼합비율에 따른 해석 결과를 [표3]에 제시하였다.
ASHRAE LBP 조건에서 해석한 냉매 조성물의 이론 사이클 해석결과
항목＼냉매 R502 R404A NR452a NR452b NR452c
응축온도(℃) 54.4 54.4 54.4 54.4 54.4
응축압력(Pc) (kPa) 2303 2524 2293 2297 2284
응축 온도구배(℃) 0.0 0.30 0.15 0.25 0.08
증발온도(℃) -23.3 -23.3 -23.3 -23.3 -23.3
증발압력(Pe) (kPa) 255.5 269.8 273.0 274.2 270.6
증발 온도구배(℃) 0.0 0.60 0.15 0.25 0.25
압축비(Pc/Pe) 9.01 9.35 8.40 8.38 8.44
토출온도(℃) 121.7 114.3 123.3 121.9 124.8
체적냉동능력(kJ/㎡) 1620.0 1690.8 1673.3 1675.6 1664.9
증발열(kJ/kg) 138.7 156.7 295.9 289.0 303.1
성능계수(w/w) 2.65 2.62 2.64 2.63 2.63
[표3]에서 참조되는 바와 같이 R502 대체냉매로 검토되고 있는 R404A의 경우, 체적냉동능력은 R502 대비 양호하나 증발 및 응축압력 특성이 크게 상승하고, 증발 및 응축과정의 온도구배가 0.3 ~ 0.6℃ 정도로 비교적 크게 발생하는 근사공비 혼합물 특성을 나타낸다. 한편, 본 발명의 친환경 혼합냉매 조성물(NR452 series)은 R502 대비 체적냉동능력이 우수하고, 증발 및 응축압력, 압축비 특성이 R502와 유사하다. 또한 증발 및 응축과정의 온도구배가 0.25℃ 이하로 발생하는 매우 우수한 근사 공비혼합물 특성을 보여준다. 그리고 냉동기유로 광유를 사용할 수 있어 원가절감 효과와 더불어, 압축비가 작고 응축압력 특성이 매우 우수하며 성능계수 특성이 양호하여 냉동기의 소비전력 개선을 가능하게 한다. 따라서 냉매량 조정만으로 기존의 R502 및 R404A 냉동기 시스템의 설계변경 없이 곧바로 적용이 가능하다.
실시예 4
열량계 실험 장치(한국산업규격(KS B 6365-1987)에 준하여 2차 냉매 열량계법을 이용하여 제작한 것)를 사용하여, 압축기를 이용한 냉매의 성능 및 증발/응축 과정의 온도구배 및 압축기 토출가스 온도를 측정한 결과를 [표4]에 나타내었다.
저온용(LBP) 조건에서 열량계를 이용한 혼합냉매 조성물의 성능실험 결과
항목＼냉매 R502 R404A NR452a NR452b NR452c
냉동능력(㎉/hr) 750.0 782.0 774.2 778.0 771.2
소비입력(W) 471.1 499.3 486.6 491.3 487.0
성능계수(W/W) 1.85 1.82 1.85 1.84 1.84
전류(A) 2.35 2.52 2.30 2.32 2.30
증발/응축
온도구배(℃)		 0.0/0.05 0.5/0.6 0.1/0.2 0.1/0.2 0.1/0.2
비고 *압축기 : 48A
*냉동기유 : Mineral/Ester
[표4]에서 참조되는 바와 같이, R404A는 냉동능력은 우수하나 증기압 특성이 높아 이로 인한 소비입력의 증가로 저온용 사용조건에서 성능계수가 크게 저하되어 에너지 절감이 불가능하다. 또한 증발 응축과정의 온도구배가 0.5 ~ 0.7℃ 수준으로 매우 크게 발생하는 근사 공비혼합물 특성을 보인다. R404A는 하이드로플루오로카본계 냉매의 혼합물로 구성되어 있어, 냉동기유와의 상용성 확보를 위하여 에스터계 특수 오일을 사용하여 실험을 수행하여야만 하였다. 이는 R502 냉동기 시스템을 곧바로 R404A에 적용할 수 없음을 보여준다.
한편, R502 및 R404A 대체를 위한 본 발명의 친환경 혼합냉매 조성물인 NR452 series는 R502 및 R04A 대비 증발 및 응축압력 압축비 특성이 매우 양호하다. 증발/응축 과정에서의 온도구배 실험 결과를 보면, 온도구배가 0.1 ~ 0.2℃ 수준으로 단일냉매와 유사한 매우 우수한 근사 공비혼합물 특성을 보인다. 즉, 전체적인 냉동능력 및 성능계수가 우수하고 근사 공비혼합물 특성을 나타내는 본 발명의 친환경 혼합냉매 조성물은 R502 및 R404A 냉동기 시스템에 곧바로 적용할 수 있는 조건을 갖추고 있다.
실시예 5
본 발명의 친환경 혼합냉매 조성물 NR452 series를 적용한 냉동기 시스템의 신뢰성 검증을 위하여 냉동기의 핵심 부품인 압축기를 이용하여 신뢰성 평가 실험을 수행하였다. 이 실험은 미국 General Electric사의 신뢰성 시험규격에 준한 과부하 마찰 실험이고, 실험 장치는 일체형 응축/증발기, 송풍기, 팽창밸브와 모세관, 타이머, 수명 장치의 압력제어를 위한 기기로 구성된다.
이 실험 장치는 압축기의 흡입 및 토출압력 그리고 압축기 케이스 온도제어를 통하여 짧은 시간 내에 가혹한 조건을 만들어 압축기의 신뢰성을 판정하기 위하여 제작되었다. 흡입 및 토출압력 제어는 주로 팽창밸브와 모세관을 이용한 냉매의 유량을 조절함으로써 이루어지고, 일체형 응축/증발기의 표면 온도를 감지하여 송풍기의 회전속도를 추가적으로 제어함으로써 보다 정밀한 압력제어가 이루어진다.
실험 장치의 크기를 최소화하기 위하여 증발기와 응축기를 일체화하였으며, 압축기 케이스의 온도제어는 송풍기를 이용하였다. 제한된 시간 동안 압축기를 운전한 후, 압축기를 분해하기 전에 냉동유를 비커에 채집하여 전산가(total acid number), 수분, 색상을 분석한다. 최종적으로 압축기를 분해하여 신뢰성에 미치는 요소인 구동부의 마모상태, 유기자재의 유연성, 중량 및 크기 변화 등을 평가한다.
과부하 마찰 실험은 압축기의 구동부 마찰 마모 상태를 검증하기 위하여 수행하는데, 그 실험 결과는 [표5]와 같다.
General Electric사의 신뢰성 시험조건에서 수행한 신뢰성 실험결과
＼ 냉매
＼ 압축기
항목 ＼ 오일		 R502 R404A NR452a NR452b NR452c
44B 44B
Mineral(4GSD-T) Mineral(4GSD-T)
Wear NO NO NO NO NO


Ref.
Oil
 Color
(ASTM)		 L1.0 L1.5 L1.0 L1.0 L1.0
TAN(0.1↓)
(㎎KOH/g)		 0.07 0.15 0.02 0.03 0.02
Water
(20ppm↓)		 0 5 0 0 0
본 발명의 친환경 혼합냉매 조성물 NR452 series는 특히 냉동유로 광유(상품명 4GSD-T)와의 과부하 실험결과 전산가가 작아, 매우 우수한 특성을 보인다. 또한 밸브 및 기계 구동 마찰부의 마모 특성이 R502 및 R404A 대비 동등한 수준으로 양호한 결과를 보였다.
실시예 6
본 발명의 친환경 혼합냉매 조성물(NR452 series)에 대하여 온도에 따른 포화압력을 측정하기 위하여 평형 실험장치를 이용하였다. 이 실험장치는 크게 평형장치, 냉매 회수용 탱크, 평형 장치의 온도 제어를 위한 기기로 구성된다. 평형장치는 다시 평형 셀과 마그네틱 펌프로 구성된다. 평형 셀에는 셀 내부를 관찰할 수 있도록 사이트 글라스(sight glass)가 부착되어 있다. 마그네틱 펌프는 혼합냉매의 평형이 쉽게 이루어지도록 기체와 액체 냉매를 순환시키는 역할을 한다. 평형 셀과 마그네틱 펌프는 항온조에 설치되어 있으며, 항온조의 온도는 외부 온도제어 장치에 의하여 조절된다. 항온조 내부의 열전달 매체로는 실리콘 오일이 사용된다.
평형 실험을 위하여 먼저 항온조의 온도를 설정하고, 진공 펌프를 이용하여 사이클 내부를 진공(1×10-5 Torr)으로 만든다. 진공이 만들어진 후에 항온조의 온도가 설정되면 혼합냉매를 액체 상태로 평형 셀 체적의 1/3 정도가 되도록 주입한다. 혼합냉매가 주입된 후 마그네틱 펌프를 작동시켜 혼합 및 상평형이 잘 이루어지도록 한다. 상평형이 이루어지면 온도 및 압력센서를 이용하여 온도에 따른 포화압력을 측정한다.
평형 실험장치를 사용하여 온도 -40 ~ -60℃ 범위에 걸쳐 온도에 따른 포화압력을 측정하였으며 그 결과를 [표6]에 나타내었다.
냉동탑차용 냉매의 포화온도-압력 측정 실험값
＼ 냉매
온도(℃)＼		 압력(kPa)
R502 R404A NR452a NR452b NR452c
60 2591 2846 2573 2576 2564
55 2333 2557 2322 2325 2313
50 2093 2290 2089 2092 2081
45 1872 2042 1874 1877 1866
40 1668 1818 1675 1679 1667
0 567.6 607 588 590 585
-20 288.9 306 307 308 305
-25 239.5 252 256 257 253
-30 196.9 207 212 213 210
-35 160.3 168 174 175 172
-40 129.2 135 142 143 140
[표6]에서 참조되는 바와 같이 본 발명의 친환경 혼합냉매 조성물 NR452 series는 R502 및 R404A와 비교해 매우 양호한 압력특성을 보인다. 이는 냉동기 적용시 압축기 소비입력 개선에 따른 냉동기 시스템 에너지 소비 절감으로 나타날 수 있다.
이상의 실시예와 같이, 본 발명의 친환경 혼합냉매 조성물은 성능계수가 높고 체적냉동능력이 우수하여 압축기, 응축기, 팽창밸브 증발기로 구성된 냉동기에 광범위하게 사용될 수 있다. 그리고 오일 분리기, 액 분리기 등을 추가로 구비한 냉동기에도 사용 가능하다. 특히, 본 발명의 친환경 혼합냉매 조성물은 증기압 특성이 R502와 유사하여 R502 및 R404A를 사용하는 기존의 냉동기 시스템의 설계 변경을 최소화하면서도, R502 및 R404A를 사용하는 왕복식, 회전식, 스크롤식 압축기 등 기존의 어떠한 압축기에도 적용할 수 있다는 장점이 있다.
또한 본 발명의 친환경 혼합냉매 조성물은 압축기 등의 마모를 방지하기 위한 냉동기유와 상용성이 우수하여, 국제표준화 기구(ISO)에서 정한 규격품(ISO VG 10 ~ 50)에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합 냉동기유와 범용적으로 사용 가능하다. 특히, 냉동기유로 가장 광범위하게 사용되어온 광유(Mineral Oil)를 사용할 수 있다.
본 발명의 친환경 혼합냉매 조성물은 냉동 사이클의 응축기에서 버리는 열량을 난방에 사용하는 히트펌프(Heat Pump) 방식의 냉동기에도 적용할 수 있다. 예를 들면, 실외에 있는 증발기에서 공기를 냉각시켜 실내에 있는 응축기에서 공기를 따뜻하게 하는, 즉 냉방과 난방이 모두 가능한 히트펌프식 에어컨 등에도 적용 가능하다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시예에만 국한되는 것으로 이해되어서는 아니 되며, 본 발명의 권리 범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 탄화수소계에서 선택되는 냉매, 하이드로플루오로카본계에서 선택되는 냉매 및 탄화불화올레핀계에서 선택되는 냉매를 포함하며,
    상기 탄화수소계에서 선택되는 냉매는 프로판[R290(C3H8)]이고,
    상기 하이드로플루오로카본계에서 선택되는 냉매는 플루오르화 에틸[R161(CH3-CH2F)]과 플루오로메탄[HFC41(CH3F)]중 어느 하나 이상이 포함되며,
    상기 탄화불화올레핀계에서 선택되는 냉매는 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜[HFO1234yf(CH3CF=CH2)]이며,
    상기 프로판[R290(C3H8)]은 65 ~ 75 중량%, 상기 플루오르화 에틸[R161(CH3-CH2F)]은 15 ~ 25 중량%, 상기 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜[HFO1234yf(CH3CF= CH2)]은 5 ~ 9 중량% 및 상기 플루오로메탄[HFC41(CH3F)]은 1 ~ 5 중량%으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 친환경 혼합냉매 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프로판[R290(C3H8)]은 70 중량%, 상기 플루오르화 에틸[R161(CH3-CH2F)]은 20 중량%, 상기 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜[HFO1234yf(CH3CF=CH2)]은 7 중량% 및 상기 플루오로메탄[HFC41(CH3F)]은 3 중량%으로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    친환경 혼합냉매 조성물.

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