KR101366641B1 - 알씨270과 알1234제트이를 사용하는 2원 혼합냉매 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증기 압축식 냉동/공조기에서 냉매(Refrigerant, 이하 R이라 한다)로 사용할 수 있는 물질 즉 RC270과 R1234ze로 구성된 혼합냉매에 관한 것이며 좀 더 구체적으로는 지금까지 가정용 냉장고, 자동차용 공조기 등에 널리 사용되어 온 R134a를 대체할 수 있는 혼합냉매에 관한 것이다. 본 발명에 따른 알씨270과 알1234제트이를 사용하는 2원 혼합냉매는 지구 온난화 지수가 전체 조성에서 4 이하로 기존의 R134a에 비해 99% 정도 낮은 수치이다. 따라서 본 혼합냉매는 오존층 붕괴를 일으키지 않으면서 동시에 지구 온난화 지수도 매우 낮아 장기적으로 친환경 냉매로 사용될 수 있다.

Description

알씨270과 알1234제트이를 사용하는 2원 혼합냉매{Refrigerant mixture composed of RC270 and R1234ze}

본 발명은 증기 압축식 냉동/공조기에서 냉매(Refrigerant, 이하 R이라 한다)로 사용할 수 있는 물질 즉 RC270과 R1234ze로 구성된 혼합냉매에 관한 것이며 좀 더 구체적으로는 지금까지 가정용 냉장고, 자동차용 공조기 등에 널리 사용되어 온 R134a를 대체할 수 있는 혼합냉매에 관한 것이다.

지금까지는 냉동기, 에어컨, 열펌프 등의 냉매로서 메탄 또는 에탄에서 유도한 염화불화탄소(Chlorofluorocarbon, 이하 CFC라 한다)와 수소화염화불화탄소(Hydrochlorofluorocarbon, 이하 HCFC라 한다) 그리고 수소화불화탄소(Hydrofluorocarbon, 이하 HFC라 한다)가 주로 사용되어 왔으며 특히 가정용 냉장고, 자동차용 공조기 등에는 비등점이 -26.1이고 분자 질량이 102.03kg/kmol인 HFC134a(이하 R134a라 한다)가 가장 널리 사용되어 왔다.

그러나 최근에는 CFC와 HCFC에 의한 성층권 내 오존층 붕괴가 중요한 지구환경문제로 대두되었고 이로 인해 성층권 오존을 붕괴하는 CFC와 HCFC의 생산과 소비는 1987년에 만들어진 몬트리올 의정서에 의해 규제를 받고 있다. R134a는 오존층 붕괴 지수는 없지만 지구 온난화 지수(Global warming potential, 이하 GWP라 한다)가 1370으로 상당히 높아서 현재 선진국에서는 교토 의정서 및 유럽 위원회의 결의에 의거하여 2011년부터 자동차의 에어컨에서는 사용할 수 없게 되었다. 따라서 자동차 에어컨의 경우 전 세계 대부분의 국가가 지구 온난화 지수(GWP)가 150 이하인 대체냉매를 찾아서 사용해야만 한다. 이런 추세를 반영하여 유럽과 일본의 가정용 냉장고, 자동차용 에어컨 및 히트 펌프 등을 생산하는 업체들은 GWP가 낮은 냉매를 개발하여 사용하려 하고 있다.

본 발명에 관련된 종래기술로는 한국공개특허 제10-2012-0042504호가 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 오존층 붕괴 지수가 0.0이므로 성층권 내 오존층에 전혀 영향을 미치지 않으며 지구 온난화 지수 또한 기존의 다른 대체냉매보다 훨씬 낮고 동시에 기존의 압축기를 크게 개조하지 않고도 R134a의 대체냉매로 사용할 수 있는 Drop-in 혼합냉매를 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적은 냉동/공조기용 혼합냉매에 있어서 RC270 40 내지 99.9중량%와 R1234ze 0.1 내지 60중량%로 구성되고 두 냉매의 합이 100중량%인 것을 특징으로 하는 알씨270과 알1234제트이를 사용하는 2원 혼합냉매에 의해 달성된다.

상기 목적을 달성하기 위해 알씨270과 알1234제트이를 사용하는 2원 혼합냉매는 RC270 40 내지 80.0중량%와 R1234ze 20.0 내지 60중량%로 구성되고 두 냉매의 합이 100중량%인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 알씨270과 알1234제트이를 사용하는 2원 혼합냉매는 지구 온난화 지수가 전체 조성에서 4 이하로 기존의 R134a에 비해 99% 정도 낮은 수치이다. 따라서 본 혼합냉매는 오존층 붕괴를 일으키지 않으면서 동시에 지구 온난화 지수도 매우 낮아 장기적으로 친환경 냉매로 사용될 수 있다.

또한 본 발명의 혼합냉매의 성능계수(COP)는 대부분의 조성 범위에서 기존의 R134a에 비해 2~3% 정도 높으므로 에너지 사용 측면에서도 유리하다.

또한 본 발명의 혼합냉매는 대부분의 조성 범위에서 온도구배(GTD)가 1.4 이하로 순수냉매와 비슷하므로 본 발명의 2원 혼합냉매를 기존 시스템에 적용하는 데는 아무런 문제가 없다.

도 1은 본 발명에서 사용한 냉동/공조기의 구성도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 알씨270과 알1234제트이를 사용하는 2원 혼합냉매의 구성에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 증기 압축식 냉동/공조기에서 냉매(Refrigerant, 이하 R이라 한다)로 사용할 수 있는 물질 즉 RC270과 R1234ze로 구성된 혼합냉매에 관한 것이며 좀 더 구체적으로는 지금까지 가정용 냉장고, 자동차용 공조기 등에 널리 사용되어 온 R134a를 대체할 수 있는 혼합냉매에 관한 것이다.

어떤 물질이 기존 냉매의 대체냉매로 유용하려면 우선 기존 냉매와 유사한 성능계수(Coefficient of performance, 이하 COP라 한다)를 가져야 한다. 여기서 성능계수(COP)란 압축기에 가해진 일과 대비한 총 냉동효과를 의미하는 것으로서 COP가 높을 수록 냉동/공조기의 에너지 효율이 좋다.

또한 압축기를 크게 개조하지 않고 사용하려면 대체냉매가 기존 냉매와 비슷한 증기압을 가져서 궁극적으로 비슷한 체적용량(Volumetric capacity, 이하 VC라 한다)을 제공해야 한다. 여기서 체적용량(VC)이란 단위 체적 당 냉동 효과를 뜻하는데 이것은 압축기의 크기를 나타내는 인자로서 대개 증기압에 비례하고 단위는 kJ/㎥이다. 대체냉매가 기존 냉매와 비슷한 체적용량을 낸다면 제조업체는 압축기를 바꾸거나 크게 개조하지 않고도 냉동/공조기를 제작할 수 있어 매우 유리하며 이것은 보통 drop-in 대체라고 불린다. 그러나 지금까지의 연구 결과 순수 물질로 기존 냉매를 대체하는 경우 대체냉매의 체적용량이 달라서 필연적으로 압축기를 바꾸거나 크게 개조해야 하며 또 기존 냉매와 비슷한 성능계수를 내기가 어렵다는 것이 밝혀졌다.

이런 문제를 해결할 수 있는 방법 중 하나는 혼합냉매를 이용하는 것이다. 혼합냉매의 특성은 조성을 잘 배합해서 성능계수를 기존 냉매와 비슷하게 하고 동시에 기존 냉매와 비슷한 체적용량을 내게 하며 이로써 Drop-in 대체를 통해 압축기를 크게 개조할 필요가 없게 만들 수 있다는 것이다. 이런 특성 때문에 지난 몇 년간 R134a의 대체물로 여러 혼합냉매가 제안된바 있으나 그것들 중 몇몇은 몬트리올 의정서에서 사용을 금하는 HCFC를 구성 성분으로 가지고 있어 장기적인 관점에서 적합한 대체물이라 할 수 없다.

본 발명의 목적은 오존층 붕괴 지수가 0.0이므로 성층권 내 오존층에 전혀 영향을 미치지 않으며 지구 온난화 지수 또한 기존의 다른 대체냉매보다 훨씬 낮고 동시에 기존의 압축기를 크게 개조하지 않고도 R134a의 대체냉매로 사용할 수 있는 Drop-in 혼합냉매를 제공하는 것이다. 좀 더 구체적으로 본 발명은 RC270과 R1234ze로 구성된 2원 혼합냉매에 관한 것이다.

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

이런 노력의 일환으로 최근 들어 RC270(사이클로프로판)이라는 냉매를 쓰려는 움직임이 일어나고 있다. RC270의 특징 중 하나는 오존층 붕괴 지수가 0.0이고 지구 온난화 지수가 3으로 매우 낮아서 유럽 연합(EU)의 강제 규정을 만족시킬 수 있다는 점이다. 또한 RC270은 R134a보다 조금 높은 냉동 용량을 내고 다른 냉매들에 비해 열역학적인 성능이 우수한 것으로 알려져 있다.

본 발명의 핵심은 지구 온난화 지수가 낮은 RC270과 R1234ze를 배합하여 오존층 붕괴 지수가 0.0이고 지구 온난화 지수가 150 이하인 친환경 대체냉매를 개발하는 것이다.

대체 혼합냉매를 개발하기 위하여 본 발명자는 냉동/공조기의 성능을 모사하는 프로그램을 사용하였다. 제1도는 본 발명에서 사용한 일반적인 냉동/공조기의 구성도로서 증발기, 응축기, 압축기, 팽창 밸브 등으로 구성되어 있다. 본 프로그램은 미국 표준 연구소(National Institute of Standards and Technology)에서 개발한 Cycle-D라는 냉동기/히트펌프 사이클 해석 프로그램이다. 현재 이것은 전 세계의 유수 업체와 대학, 연구소 등에서 널리 사용하고 있는 검증된 프로그램이다.

이러한 프로그램의 정확도를 결정하는 중요 인자 중 하나는 냉매의 물성치이다. 본 프로그램은 미국, 일본, 유럽 연합 등에서 기준으로 삼고 있는 REFPROP 프로그램을 사용하여 모든 냉매의 물성치를 계산했다. REFPROP 프로그램은 역시 미국 표준 연구소에서 개발한 것으로 정확성 및 적용성이 이미 입증되어 전 세계 냉동/공조 관련 유수 기업, 연구소, 대학에서 가장 널리 사용되는 프로그램이다. 이번에 사용한 프로그램과 물성치는 가장 최근의 데이터를 포함한 최신 모델이다.

본 발명자는 냉동/공조기용 대체냉매의 오존층 붕괴 지수가 반드시 0.0이어야 하며 가능한 한 지구 온난화 지수가 낮아야 한다는 판단 하에 오존층 붕괴 지수가 0.0인 RC270과 R1234ze를 혼합한 2원 혼합냉매를 개발하였다.

표 1은 기존의 R134a를 사용하는 자동차 공조기 사용 조건에서 전산해석 프로그램을 이용하여 계산한 결과들을 요약한 것으로서 기준이 되는 R134a와 본 발명자가 제안하는 2원 혼합냉매의 성능 지수를 보여 준다.

표 1 R134a 대체용 RC270/R1234ze 혼합냉매의 성능 비교

(에어컨 구동 조건: 증발기 냉매 온도: 7℃, 응축기 냉매 온도: 45℃)

냉매	조성(중량%)		VC	VCdiff (%)	COPc	COPdiff (%)	W (W)	Tdis (℃)	GTD (℃)	GWP
	RC270	R1234ze
R134a			2502		4.01		874	66		1370
비교예 1	10	90	2008	-19.7	4.06	1.2	862	63	0.5	4
비교예 2	20	80	2136	-14.6	4.09	2.0	857	67	1.0	4
비교예 3	30	70	2252	-10.0	4.10	2.2	853	69	1.3	4
실시예 1	40	60	2358	-5.8	4.11	2.5	851	72	1.4	4
실시예 2	50	50	2454	-1.9	4.12	2.7	850	74	1.4	4
실시예 3	60	40	2541	1.6	4.13	3.0	848	76	1.3	3
실시예 4	70	30	2621	4.8	4.13	3.0	848	77	1.1	3
실시예 5	80	20	2694	7.7	4.13	3.0	847	79	0.8	3
실시예 6	90	10	2762	10.4	4.14	3.2	846	80	0.4	3
실시예 7	100	0	2826	12.9	4.14	3.2	845	81		3

VC: 체적용량

VC_diff: R134a 대비 체적용량 차이

COP : 냉동성능계수(Coefficient of performance, 총 냉동효과/압축기에 가해진 일)

COP_diff : R134a 대비 성능계수 차이

W : 압축기 일(Compressor work)

W_diff : R134a 대비 일 차이

Tdis : 압축기 토출온도(Compressor discharge temperature)

GTD : 온도구배(Temperature glide)

GWP : 지구 온난화 지수(Global warming potential)

표 1의 결과는 3.5kW의 동일한 냉동 효과 하에서 조성 변화에 따른 성능계수와 체적용량 등의 변화를 보여 준다.

위에서도 서술하였지만 제조업체에서 가장 중요하게 여기는 것은 가능한 한 압축기를 개조하지 않고 냉매만 바꾸어서 대체를 이루는 것 즉 Drop-in 대체를 이루는 것이다. 이처럼 Drop-in 대체를 이루려면 우선 대체냉매의 체적용량이 기존의 R134a 냉매의 체적용량과 유사해야 한다.

표 1은 동일한 냉동 효과 하에서 2원 혼합냉매의 체적용량(VC)을 보여 준다. 표 1을 통해 알 수 있듯이 RC270/R1234ze 혼합냉매의 경우 RC270의 조성이 40중량% 이상인 경우 기존의 R134a의 체적용량과 비슷한 값을 보이며, 특히 RC270의 조성이 40중량% 내지 80중량%인 경우 기존의 R134a의 체적용량과 10% 미만의 차이를 보인다. 그러므로 본 발명의 2원 혼합냉매의 경우 이 조성 범위에서 동일한 압축기를 써서 기존의 R134a와 비슷한 용량을 내면서 drop-in 대체를 이룰 수 있다.

표 1을 통해 알 수 있듯이 이 조성 범위에서 2원 혼합냉매의 성능계수(COP)는 기존의 R134a에 비해 2~3% 정도 높으므로 에너지 사용 측면에서도 유리하다.

또 이 조성 범위에서 본 혼합냉매의 온도구배(GTD)는 1.4 이하로 순수냉매와 비슷하므로 본 발명의 2원 혼합냉매를 기존 시스템에 적용하는 데는 아무런 문제가 없다.

전체 조성 범위에서 본 발명의 혼합냉매의 압축기 토출 온도는 R134a에 비해 15℃ 정도 높지만 이 정도의 차이는 시스템 신뢰성에 큰 영향을 미치지 않는다.

끝으로 본 혼합냉매의 지구 온난화 지수는 전체 조성에서 4 이하로 기존의 R134a에 비해 99% 정도 낮은 수치이다. 따라서 본 혼합냉매는 오존층 붕괴를 일으키지 않으면서 동시에 지구 온난화 지수도 매우 낮아 장기적으로 친환경 냉매로 사용될 수 있다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Qc: 응축기에서의 열 흐름 방향(냉매 공기)
Qe: 증발기에서 열 흐름 방향(공기 냉매)
TS1: 증발기 공기 입구온도, TS7: 증발기 공기 출구온도
TS3: 응축기 공기 출구온도, TS6: 응축기 공기 입구온도
Evaporator: 증발기, Compressor: 압축기
Condenser: 응축기, Expansion Valve: 팽창기

Claims (2)

1. 냉동/공조기용 혼합냉매에 있어서 RC270 40 내지 99.9중량%와 R1234ze 0.1 내지 60중량%로 구성되고 두 냉매의 합이 100중량%인 것을 특징으로 하는 알씨270과 알1234제트이를 사용하는 2원 혼합냉매.
2. 제1항에 있어서, 상기 RC270 40 내지 80.0중량%와 상기 R1234ze 20.0 내지 60중량%로 구성되고 두 냉매의 합이 100중량%인 것을 특징으로 하는 알씨270과 알1234제트이를 사용하는 2원 혼합냉매.

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