KR19980077173A - 혼합냉매 및 그 혼합냉매를 이용하는 냉동시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1,1-디플루오로에탄 40% 이하, 디플루오로메탄(CH₂F₂) 40% 이하와 1, 1, 1, 2-테트라플루오로에탄 20~80% 또는 디플루오로메탄(CH₂F₂) 5~40%, 펜타플루오로에탄(C₂HF₅) 5~40%, 1, 1, 1, 2-테트라플루오로에탄 20~90%로된 비공비성 혼합냉매(Non-Azeotropic Refrigerant Mixtures) 및 이 비공비성 혼합물을 냉매로 하고 흡입관 열교환기(Suction Line Heat Exchanger)를 사용하는 냉동시스템에 관한 것이다.

본 발명의 혼합냉매를 오존파괴 가능성이 전혀 없으며 흡입관 열교환기를 사용하는 냉동기에서 기존 R-22의 대체냉매로서 냉동성능계수 압축기의 냉동체적용량 측면에서 비슷하거나 우수한 효과를 나타낸다.

Description

혼합냉매 및 그 혼합냉매를 이용하는 냉동시스템

본 발명은 냉동기, 공기조화기 및 열펌프 등에 사용되는 복수의 할로겐화 탄화수소로 이루어진 비공비성 혼합냉매(Refrigerant Mixtures) 및 이 혼합냉매와 흡입관 열교환기(Suction Line Heat Exchanger:이하 SLHX라 한다)를 이용하는 냉동시스템(Refrigeration System)에 관한 것이다. 보다 구체적으로 말하자면, 1,1-디플루오로에탄 40% 이하, 디플루오로메탄 40% 이하와 1, 1, 1, 2-테트라플루오로에탄 20~80%로 구성되거나, 디플루오로메탄 5~40%, 펜타플루오로에탄 5~40%와 1, 1, 1, 2-테트라플루오로에탄 20~90%로 구성된 오존층 파괴능이 없는 냉동기용 비공비성 혼합냉매 및 이 혼합냉매를 사용하는 냉동시스템에 관한 것이다.

본 발명은 흡입관 열교환기를 사용하는 냉동기에 사용되는 혼합냉매에 관한 것이다. 좀더 구체적으로는 냉동시스템에서 모노클로로플루오로메탄(CHClF₂:이하 R-22라 한다)을 대체할 수 있는 혼합냉매와 SLHX를 이용하여 R-22의 대체 냉매를 사용하는 냉동시스템에 관한 것이다.

종래에는, 냉동기, 공기조화기, 열펌프 등의 냉매로서 메탄 또는 에탄에서 유도한 염화불화탄소(Chloro-Fluoro-Carbon:이하 CFC라 한다)와 수소화 CFC(수소를 함유하는 CFC:이하 HCFC라 한다)가 주로 사용되어 왔으며, 특히 건물용 공기조화기 및 대규모 냉동시스템, 저온용 쇼케이스(Show Case)의 냉매로서는 비점이 -40.8℃이고 HCFC인 R-22가 널리 사용되어 왔다.

그러나, 최근에는 CFC에 의한 성층권내 오존층의 파괴가 중요한 지구환경 보호문제로 대두되어 완전히 할로겐화되어 오존파괴 가능성이 높은 클로로플루오로카본류(CFC)의 사용 및 생산이 몬트리올 의정서에 의해 크게 제한되고 있는 실정이며, 조만간 이들의 사용 및 생산이 전세계적으로 금지될 전망이다.

트리클로로플루오로메탄(CCl₃F, R-11)의 오존파괴지수(Ozone Depletion Potential: 이하“ODP”라 한다)를 1이라고 정의할 경우, R-22의 ODP는 0.05로, 비록 R-22가 완전히 할로겐화 된 CFC는 아니라 할지라도, 공기조화기 및 열펌프에 널리 사용되고 있는 관계로, 장래에 인간생활에 있어 CFC와 같이 중대한 영향을 미칠 것으로 전망되어 몬트리올 의정서에 의거 그 생상 및 사용이 금지될 것으로 예견된다. 따라서 현재는 ODP가 0.0이고, R-22의 대체물로서 사용할 수 있는 냉동유체의 신속한 개발이 요망되고 있는 실정이다.

이러한 R-22의 대체물로서 여러 종류의 혼합냉매가 제아된 바 있다. 그러나 아직까지 이들의 생산이나 사용이 직접적으로 규제되고 있지는 않으나, 이들은 몬트리올 의정서에서 사용을 제한하기로 한 HCFC를 구성성분으로 하기 때문에(대한민국 공개특허공보 공개번호 91-989호, PCT/대 91/04100호 대한민국 공개번호 93-701562호) 장기적인 관점에서의 대체물로 사용될 수 없다는 문제를 갖고 있다.

그 밖에도 R-22의 대체냉매로서 디플루오로메탄(이하 HFC-32 또는 R-32라 한다)과 펜타플루오로에탄(이하 HFC-125 또는 R-125라 한다) 및 1, 1, 1, 2-테트라플루오로에탄(이하 HFC-134a 또는 R-134a라 한다)의 공비혼합물이 제안된 바 있으며, 이를 영국 ICI사에서는 Klea-60 및 Klea-61이라는 명칭으로, 미국 듀퐁사에서는 AC-9000이라는 명칭으로 발표한 바 있다.

Klea-60은 HFC-32 20%와 HFC-125 40% 및 HFC 134a 40%로 된 비공비혼합물(Non-Near Azeotropic Mixtures)이고, Klea-61은 R-32 10%와 R-125 70% 및 R-134a 20% 된 비공비혼합물이며, AC-9000은 HFC-32 45%와 HFC-125 25% 및 HFC-134a 52%로 된 비공비혼합물이다. 이후로는 별다른 언급이 없는 한 혼합냉매의 조성은 모두 질량비를 의미한다.

R-22의 대체냉매로서 유용하려면, 우선 기존의 R-22 압축기를 크게 개조하지 않고도 사용하기 위해 R-22와 비슷한 증기압을 가져야 하며 또한 유사한 냉동성저계수(Coefficient of Performance:이하 COP라 한다)를 가져야만 한다. 그러나 현재까지 제안된 대채냉매중에서 COP면에서나 압축기의 용량면에서 기존의 R-22의 성능을 모두 능가하는 모두 능가하는 것은 없는 것으로 알려져 있다. 여기에서 냉동성저계수(COP)는 압축기에 가해진 일과 대비한 총 냉동효과를 의미하는 것으로서 COP가 클수록 냉동기의 에너지 효율이 좋은 것을 나타낸다.

한편, 냉동기 설계시 COP와 더불어 가장 중요하게 생각되는 것은 냉동 체적능력(Volumetric Capacity: 이하 VC라 한다)이다. VC는 단위 체적당 냉동 효과(kJ/㎥)로서, 증기압에 비례하며, 압축기의 크기를 나타낸다. 대체 냉매가 기존의 R-22의 냉동 능력을 내면, 압축기의 크기를 바꾸지 않고도 냉동기를 제작할 수 있어 제조 업체에게 매우 유리하다. 그러나 대체 냉매의 냉동 능력이 R-22보다 크면, 압축기 크기를 작게 해야 하며, 응축기 쪽이 고압이 되므로 기본적으로 압축기가 재설계되어야 하고, 이로인해 많은 인력과 개발비가 소요된다.

R-22 대체 혼합냉매의 구성성분중 HFC-32는 가연성 물질이고 증기압이 높은 물질이므로, 혼합냉매 구성시 가능한 한 HFC-32의 구성비율을 낮추는 것이 좋다.

종래의 R-22 대체 냉매는 COP 면에서나 압축기의 용량면에서 그 성능이 떨어지고 에너지 효율이 좋지 않다. 또 대체냉매는 VC면에서도 기존의 R-22의 차이가 있어 압축기를 재설계해야 하고, 이로인해 인력과 개발기가 소요된다는 문제점이 있다.

따라서 본 발명자는 상기의 문제점을 해결하고자 연구하던차, 혼합냉매의 구성성분을 R-32, R-134a, R-152a 및 R-125중에서 선택하고 적정 조성을 유지함으로써, 기존의 대체 냉매 보다는 모든 면에서 우수한 혼합 냉매를 개발하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 또한 본 발명의 혼합 냉매는 이미 제안되 상용화된 R-22 대체 공비혼합물에 비해 R-22의 COP와 압축기의 VC에 더 접근하거나, 대개의 경우 그것들과 비슷한 냉동능력을 가지고 있으므로 이를 이용하는 냉동 시스템의 재설계가 필요없이 바로 대체가 가능한 냉동 시스템을 개발하기에 이르렀다.

본 발명의 목적은 1,1-디플루오로에탄 40% 이하, 디플루오로메탄 40% 이하와 1, 1, 1, 2-테트라플루오로에탄 20~80%로 구성된 비공비성 혼합냉매를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 디플루오로메탄 5~40%, 펜타플루오로에탄 5~40%와 1, 1, 1, 2-테트라플루오로에탄 20~90%로 된 비공비성 혼합냉매를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 상기의 혼합냉매를 이용하고 흡입관 열교환기를 사용하는 냉동시스템을 제공하는 것이다.

도 1 : 본 발명에서 제안된 흡입관 열교환기(SLHX)를 사용하는 냉동기 또는 열펌프(Heat Pump)의 구성도이다.

도 2 : R-22와 R-22 대체 냉매로 제안된 순수냉매들의 냉동성적계수(COP)를 SLHX를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우에 비교한 대비도이다.

도 3 : R-22 대체 냉매로 제안된 순수냉매들의 압축기의 냉동체적용량(VC)을 SLHX를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우에 비교한 대비도이다.

도 4 : 혼합냉매들의 냉동성적계수(COP)를 SLHX를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우에 비교한 대비도이다.

도 5 : 혼합냉매들의 압축기 냉동체적용량(VC)을 SLHX를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우에 비교한 대비도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1:증발기(Evaporator)

2:흡입관 열교환기(Suction Line Heat Exchanger)

3:응축기(Condenser)4:압축기(Compressor)

5:포화증발대역6:응축대역

A:응축기에서의 열흐름 방향(냉매→공기)

B:증발기에서의 열흐름 방향(공기→냉매)

TS1:증발기 공기 입구온도TS7:증발기 공기 출구온도

TS3:응축기 공기 출구온도

TS6:응축기 공기 입구온도

본 발명의 비공비성 혼합냉매 1,1-디플루오로에탄 40% 이하, 디플루오로메탄 40% 이하와 1, 1, 1, 2-테트라플루오로에탄 20~80%로 구성되거나, 디플루오로메탄 5~40%, 펜타플루오로에탄 5~40%와 1, 1, 1, 2-테트라플루오로에탄 20~90%로 구성된다.

R-22 대체냉매를 개발하기 위하여, 본 발명자들은 먼저 가정용 냉방기(혹은 히트 펌프)의 성능을 모사하는 시뮬레이터(Simulator)를 개발했다. 도 1 은 본 발명에서 사용한 흡입관 열교환기(SLHX)를 사용하는 열펌프(Heat Pump)의 구성도이다.

본 발명에서 모델링 된 열펌프도 일반적으로 사용되고 있는 열펌프와 같이 기본적으로 증발기(1), 응축기(3), 압축기(4)를 구비하고 있으며, 증발기와 응축기에서 냉매의 포화증발대역(5), 응축대역(6)을 갖는다. 증발기(1)과 응축기(3) 사이에 흡입관 열교환기(2)를 설치하여 사용하면, 응축기(3) 끝의 뜨거운 액체의 온도는 내려가고 증발기(1) 끝의 차가운 기체의 온도는 올라가게 된다. 이 과정을 통해서 COP와 압축기의 체적용량이 증대된다. 도면에서 A, B로 표시된 “→”표는 냉매 및 공기간의 열전달 흐름 방향을 나타낸 것이다.

본 시뮬레이터에서는 냉방기를 구성하는 요소들, 예를 들어, 열교환기 및 압축기 등에 대한 열역학 및 열전달적 해석이 수행되었다(도 1 참조). 그리고 각 단품에 대한 시험이 이루어졌고, 최종적으로는 이들 모두를 조합한 전체 프로그램이 개발되었다. 이렇게 개발된 프로그램의 정확도를 결정하는 중요한 인자 중 하나는 냉매들의 물성치이다. 본 시뮬레이터는 미국, 일본 등에서 기준으로 삼고 있는 카르나한-스탈링-드 상띠(Carnahan-Starling-De Santis, CSD) 상태 방정식을 사용하여 모든 냉매들의 물성치를 계산했다. 이 CSD 상태 방정식은 미국 표준 연구소에서 개발된 것으로, 그 정확성 및 적용성이 이미 증명된 것이다. 시뮬레이터 프로그램의 개발 및 실행을 위한 설계 및 입력 데이타는 현존하는 실제 데이터들을 사용했다. 물론 시뮬레이터는 주어진 표준 상태에서 실제 시스템의 성능을 잘 예측해 낸다.

본 발명자들이 상기 시뮬레이터를 사용하여 연구한 결과에 의하면, 순수냉매의 경우에 SLHX를 사용하지 않으면 각 순수냉매의 COP가 큰 차이를 보이나, SLHX를 사용하게 되면 사용하지 않는 경우 보다 전반저그올 COP가 5~10% 정도 증가하고 압축기의 토출온도(Compressor Discharge Temperature)가 20~30℃ 증가한다.(도 2 참조) 또한 이와 비슷한 경향이 VC의 경우에도 나타난다.(도 3 참조)

장기적인 전망을 해볼 때, 본 발명자들은 대체 냉매가 HFC(Hydrofluoro-carbon)가 아니면 안될 것이라는 판단하에, HFC인 R-152a, R-134a, R-32의 조합과 HFC인 R-32, R-125, R-134a의 조합을 통하여 R-22를 대체할 수 있도록 했다.

본 발명자들이 제안하는 조성의 혼합냉매들은 기존의 R-22와 비슷한 냉동능력을 가지며 동시에 성적 계수도 기존의 R-22보다 높다. 본 발명자의 연구결과에 의하면 R-152a 40% 이하, R-32 40% 이하, R-134a 20~80%와 R-32 5~40%, R-125 5~40%, R-134a 20~90%의 혼합냉매는 오존파괴가능성이 전혀 없으며(ODP=0), SLHX를 사용하지 않는 기존의 냉동기에서 R-22에 비하여, 다음 표 1, 2에서 나타내고 있는 바와 같이, 매우 우수한 성능을 나타낸다. R-22에 비해 COP는 4~5% 정도까지 증가하며, VC는 비슷하거나 18%정도 증가하며, 압축기 토출온도는 6~11℃정도 낮아서 매우 좋은 것으로 평가되었다.

이하 본 발명을 실시예를 들어 구체적으로 설명하면 다음과 같으나, 본 발명이 이들 실시예에 국한되는 것으로 의도되지 않는다.

[실시예]

본 발명의 혼합냉매중 특정조성의 혼합냉매를 SLHX를 사용 또는 사용하지 않는 냉각기에 사용하였을 때의 물성치를 표 1 및 표 2 에 나타내었다.

[표 1] 냉매의 성능비교(SLHX 불사용시)

○ VC:압축기의 냉동체적 용량(Volumetric Capacity)

○ GTD:온도 구배차(Gliding Temperature Difference)

○ T_dis: 압축기 토출온도(냉동기 기름의 안정성 등을 고려할 때, 가능하면 낮을수록 좋다)

○ P_dis:압축기 토출압력(응축기 배관의 안정성, 압축기 설계의 난이도 등을 고려할때, 가능하면 낮을수록 좋다)

○ Cop d_iff:R-22 대비 냉동계수의 차이

○ Vc d_iff:R-22 대비 압축기용량의 차이

도 2가 보여주듯이 VC나 COP를 좀더 향상시키기 위해서는, 흡입관 열교환기(SLHX)를 사용하는 것이 좋다. 본 발명에서 SLHX란 도 1 에 도시한 바와 같이 응축기 끝에 뜨거운 액체와 증발기 끝의 차가운 기체가 서로 열교환하도록 하는 장치를 말한다.

도 2 내지 도 5 는 R-22를 포함한 9가지의 순수 냉매와 본 발명에서 제안된 혼합냉매들에 대해 SLHX를 사용하지 않았을 때와 사용했을 때 COP 및 압축기의 용량이 얼마나 변하는가를 보여준다. 상기 도면들이 보여주는 바와 같이, SLHX를 사용하면 R-125, R-143a, R-134a, R-290, R-1270의 COP 및 압축기의 용량은 무려 17% 정도까지 증가한다. 반면에 R-22, R-32, RC-270의 성능은 거의 변화가 없거나 2~3% 정도만 증가한다. 그러므로, 대체 혼합 냉매 중 R-125, R-143a, R-134a, R-290, R-1270 등을 포함하는 것들은 SLHX를 사용하여 획기적인 성능 증대를 이룰 수 있다. 도 2 에서 유의해야 할 점은 SLHX가 사용되는 경우에 모든 냉매들의 COP가 거의 같다는 점이다. 따라서 R-125 같은 냉매도 SLHX를 사용하여 시스템의 최적화를 이루면 기존의 R-22와 같은 수준의 열효율을 낼 수 있을 것으로 판단된다.

다음의 표 2는 SLHX를 설치한 경우에 얻어진 대체 혼합냉매의 성능을 요약한 것이다. SLHX가 없는 경우에 비해, COP는 5~6% 정도 증가한다. 한편 SLHX를 사용할 수 없는 기존의 R-22 시스템에 비하면 COP가 무려 7~11%나 증가하며 VC는 같거나 조금 작다. 압출기 토출온도는 SLHX를 사용할 수 없는 기존의 R-22 시스템(83.3℃, 표 1 참조)보다 15~20℃ 정도 높게 된다. 그러나 새로운 윤활유를 사용하고 SLHX의 크기를 조절하면 이것도 그리 큰 문제가 되지는 않을 것이다.

[표 2] 냉매의 성능비교(SLHX 사용시)

끝으로 이론적인 결과를 뒷받침하기 위해 1톤의 냉동용량을 내는 수냉식 히트펌프를 제조하여 냉매들의 성능을 직접 측정했다. 증발기와 응축기는 이중관의 형태로 만들었고, 압축기로는 밀폐형을 사용했다. 다음의 표 3 은 시스템 실험시 흡입관 열교환기를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우에 취한 각종 데이타를 보여준다. 표에서 볼 수 있듯이 이번에 제안하는 R-32/R-125/R-134a 혼합냉매는 기존의 R-22나 타사의 제품보다 COP가 높으며 냉동용량은 비슷하거나 높고, 압축기 토출온도는 모두 R-22보다 낮다. 흡입관 열교환기를 사용하면 COP가 1~2% 정도 증가하며 이때의 압축기 토출온도는 흡입관 열교환기를 사용하지 않은 R-22의 경우보다 낮아서 시스템의 신뢰성에 아무 문제가 없을 것으로 판단된다. 한편 R-152a/R-134a/R-32 혼합냉매는 R-22나 타사의 제품보다 COP가 7% 정도 높으며 냉동용량은 5% 정도 낮고, 압축기 토출온도는 모두 R-22보다 낮다. 이 냉매의 경우에 COP가 크게 증가하므로 압축기를 5% 정도만 크게 하면 지구환경보존에 크게 기여할 수 있을 것이다. 한편 흡입관 열교환기를 사용하면 COP가 1~2% 정도 증가하며 이때의 압축기 토출온도도 흡입관 열교환기를 사용하지 않은 R-22의 경우보다 낮아서 시스템의 신뢰성에 아무 문제가 없을 것으로 판단된다.

[표 3] 실험결과

WO SLHX:SLHX를 사용하지 않은 경우, WI SLHX:SLHX를 사용한 경우

본 발명의 혼합냉매는 오존파괴 가능성이 전혀 없으며 흡입관 열교환기를 사용사는 냉동기에서 기존 R-22의 대체냉매로서 내동성능계수 압축기의 냉동체적용량측면에서 비슷하거나 우수한 효과를 나타낸다.

Claims (4)

1. 냉동기용 혼합냉매에 있어서, 1,1-디플루오로메탄 40% 이하, 디플루오로메탄 40% 이하와 1, 1, 1, 2-테트라플루오로에탄 20~80%로 구성된 비공비성 혼합냉매.
2. 냉동시스템에 있어서, 1, 1-디플루오로에탄 40% 이하, 디플루오로메탄 40% 이하와 1, 1, 1, 2-테트라플루오로에탄 20~80%로 구성된 비공비성 혼합냉매를 냉매로 이용하고 흡입관 열교환기를 사용하는 냉동 시스템.
3. 디플루오로메탄, 펜타플루오로에탄, 1, 1, 1, 2-테트라플루오로에탄으로 된 냉동기용 혼합냉매에 있어서, 디플루오로메탄 40~50%, 펜타플루오로에탄 5~40%와 1, 1, 1, 2-테트라플루오로에탄 20~90%로 구성된 비공비성 혼합냉매.
4. 디플루오로메탄, 펜타플루오로에탄, 1, 1, 1, 2-테트라플루오로에탄으로 된 3성분계 혼합냉매를 냉동기용 냉매로 사용하는 냉동시스템에 있어서, 디플루오로메탄 5~40%, 펜타플루오로에탄 5~40%와 1, 1, 1, 2-테트라플루오로에탄 20~90%로 구성된 비공비성 혼합냉매를 냉매로 이용하고 흡입관 열교환기를 사용하는 냉동 시스템.