KR20040082067A - 저온용 냉매 조성물 - Google Patents

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문동주
한만석
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Abstract

본 발명은 지구의 오존층을 파괴하는 것으로 알려진 R-502를 대체하기 위한 저온용 냉매 조성물에 관한 것으로, 지구의 오존층을 파괴하는 CFC나 HCFC를 함유하지 않은 새로운 냉매 조성물을 제공하는 것이 목적이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 냉매 조성물은, 디플루오로메탄(CH2F2, 이하 HFC-32)과; 펜타플루오로에탄(CHF2CF3, 이하 HFC-125)과; 1,1,2,2-테트라플루오로에탄(CHF2CHF2, 이하 HFC-134) 또는 1,1-디플루오로에탄(CH3CHF2, 이하 HFC-152a) 중에서 선택되는 하나의 화합물로 이루어진다.

Description

저온용 냉매 조성물{refrigerant composition for low temperature applications}
본 발명은 저온용 냉매 조성물에 관한 것으로, 특히 지구의 오존층을 파괴하는 것으로 알려진 R-502를 대체하기 위한 냉매 조성물에 관한 것이다.
CFC 화합물은 이미 잘 알려진 바와 같이 지구의 오존층을 파괴하는 물질로 밝혀짐에 따라 몬트리올 의정서에 의해 그 생산과 사용이 규제를 받고 있으며 선진국에서는 1996년부터 이미 사용이 금지된 상태이다. 그리고, CFC 화합물의 대체물질로 개발된 HCFC-22를 비롯한 HCFC계열의 화합물도 CFC 화합물만큼 심각하지는 않으나 역시 오존층을 파괴하는 것으로 알려져 점차 그 사용량을 규제하여 2030년경부터는 사용이 전면적으로 금지될 예정이다.
본 발명의 발명자들이 대체물질을 개발하고자 하는 저온용 냉매로 사용되는 R-502는 HCFC-22 48.8 중량%와 CFC-115 51.2중량%로 이루어지는 혼합물로, 지구의 오존층을 파괴하는 것으로 밝혀져 현재 생산 및 사용이 규제되고 있으며 대체물질 개발에 대하여 많은 연구가 이루어지고 있다.
지금까지 개발된 대표적인 R-502의 대체냉매로는 R-404a와 R-507을 들 수 있는데 R-404a는 HFC-125/143a/134a가 44/52/4의 중량%로 혼합된 냉매 조성물이고, R-507은 HFC-125/143a가 50/50의 중량%로 혼합된 조성물이다.
이 밖에, 미국특허 제5,080,823호에는 HFC-143a/Propane이, 미국특허 제5,234,613호에는 HFC-32/Propane이, 미국특허 제5,236,611호에는 PFC-218/HFC-143a가, 미국특허 제5,290,466호에는 HFC-32/134a/134가, 미국특허 제5,340,490호에는 HFC-23/CO2와 HFC-23/116/CO2가, 미국특허 제5,403,504호에는 HFC-125/32가, 미국특허 제5,429,740호에는 HFC-23/134a가, 미국특허 제5,538,660호에는 HFC-32/HFC-134a/FC-41과 HFC-32/HFC-134a/PFC-218이, 미국특허 제5,643,492호에는 HFC-32/125/134a가 냉매 조성물로 각각 개시되어 있다.
또한, 일본공개특허 특개평3-172386호에는 HFC-32/125/143a가, 특개평3-170594호에는 HFC-23/125/134a가, 특개평3-170593호에는 HFC-23/125/32와 HFC- 23/143a/134a가, 특개평3-170590호에는 HFC-125/134a/32가, 특개평3-170589호에는 HFC-23/143a/152a가, 특개평3-170588호에는 HFC-125/143a/134a가, 특개평3-170585호에는 HFC-32/125/134a가, 특개평3-170584호에는 HFC-23/134a/152a가, 특개평3-170583호에는 HFC-125/143a/32가, 특개평4-222893호에는 HFC-32/125가, 특개평4-154887호에는 HFC-134/152a가, 특개평5-117645호에는 HFC-23/134a/ Propane이, 특개평5-117643호에는 HFC-125/134a/Propane이, 특개평6-65561호에는 HFC-23/152a/PFC-218이, 특개평6-128872호에는 HFC-32/PFC-218이, 특개평6- 220433호에는 HFC-32/125/RC-318이, 특개평7-173462호에는 HFC-143a/125/134a/ Heptane이, 특개평8-176537호에는 PFC-218/RC-270/HFC-152a가, 특개평8-151569호에는 Propane/RC-270/HFC-134a가, 특개평8-127767호에는 HFC-32/134a/RC-318이, 특개평9-25480호에는 HFC-32/134a/125/Isobutane이, 특개평9-59611호에는 HFC- 134a/Isobutane이, 특개평9-208941호에는 HFC-32/152a/125/RC-270이, 특개평9- 221664호에는 HFC-125/143a/134a/RC-270이 각각 새로운 냉매 조성물로 개시되어 있다.
또한, 한국등록특허 제93-10514호에는 HFC-23/32/152a, HFC-23/125/152a, HFC-32/143a/152a, HFC-125/143a/152a, HFC-32/125/125a, HFC-23/143a/152a 및 HFC-23/125/152a가, 제93-10515호에는 HFC-23/32/134, HFC-23/32/134a, HFC-23/ 125/134, HFC-23/143a/134a, HFC-23/143a/134a, HFC-125/143a/134a 및 HFC-125/ 143a/134가, 한국공개특허 제96-4485호에는 HFC-32/23/134a가, 한국공개특허 제96-701168호에는 HFC-227ea/HFC-152a가, 한국공개특허 제97-704853호에는 HFC- 134a/HCFC-124/Butane이 각각 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 R-502를 대신하여 사용할 수 있고 지구의 오존층을 파괴하는 CFC나 HCFC를 함유하지 않은 새로운 냉매 조성물을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 냉매 조성물은,
디플루오로메탄(CH2F2, 이하 HFC-32)과;
펜타플루오로에탄(CHF2CF3, 이하 HFC-125)과;
1,1,2,2-테트라플루오로에탄(CHF2CHF2, 이하 HFC-134) 또는 1,1-디플루오로에탄(CH3CHF2, 이하 HFC-152a) 중에서 선택되는 하나의 화합물로 이루어진다.
상기 냉매 조성물은 오존층 파괴하는 물질을 포함하고 있지 않아 향후에도 사용규제에 대한 우려가 없는 것이 장점이다. 또한, 상기 물질들은 우리나라에서 이미 생산되고 있거나 차후 생산을 위한 연구가 활발히 진행 중인 단계에 있다는 것도 장점이며, 본 발명에 의해 그 용도가 새로이 추가됨으로써 보다 경제적인 규모로 생산할 수 있게 되었다.
본 발명의 발명자들은 상기의 혼합냉매 조성물의 조성비를 바꿔가며 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기로 이루어지는 냉동시스템에 대하여 수많은 실험을 통하여 성능계수(COP), 냉매 단위체적당의 열량(VC), 압축기 및 증발기에서의 압력 등을 조사한 결과, 최적 조성비를 찾아내었는데 대체냉매로 제시된 R-404a나 R-507과 비교할 때 성능 면에서 거의 같거나 우수한 수준으로 평가되었으며 따라서 R-502의 대체물질로 유용하게 사용될 수 있음이 확인되었다. 본 발명의 냉매 조성물의 조성비는 다음과 같다.
냉매 조성물이 HFC-32, HFC-125 및 HFC-134로 이루어지는 경우, HFC-32, HFC-125 및 HFC-134의 조성비는 순서대로 10∼60중량%, 5∼75중량%, 15∼35중량%가 되도록 하며, 바람직하게는 15∼55중량%, 10∼70중량%, 18∼32중량%가 되도록 한다.
냉매 조성물이 HFC-32, HFC-125 및 HFC-152a로 이루어지는 경우에는, HFC-32, HFC-125 및 HFC-152a의 조성비는 순서대로 10∼70중량%, 10∼82중량%, 8∼20중량%가 되도록 하며, 바람직하게는 20∼60중량%, 20∼75중량%, 10∼18중량%가 되도록 한다.
본 발명의 구성은 후술하는 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이며 비교예를 통하여 그 효과가 입증될 것이다.
<실시예 및 비교예>
압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기로 이루어지는 냉동 시스템을 사용하여 하기 조건에서 R-502, R-404a, R-507(비교예 1∼3)과 본 발명의 냉매 조성물(실시예 1∼3)에 대하여 냉매의 성능평가에 있어서 주요인자인 성능계수(COP), 냉매 단위체적당의 열량(VC), 증발기 압력(PL) 및 응축기 압력(PH)을 측정하여 비교하였다.
(1) 냉방용량: 3.5 kW
(2) 증발기의 총열관류율(UA): 300 W/K
(3) 응축기의 총열관류율(UA): 600 W/K
(4) 응축기에서의 과냉도: 5℃
(5) 증발기에서의 과열도: 5℃
(6) 압축기 효율: 0.7
(7) 응축기에서 공기 유량: 1000 CFM
(8) 증발기에서 공기유량: 500 CFM
(9) 증발기 입구 공기온도: -6℃
(10) 증발기 출구 공기온도: -18.2℃
(11) 주변온도 : 35℃
<비교예 1∼3>
먼저, 상기 조건에서 R-502, R-404a와 %-507A에 대하여 성능을 평가하였으며 그 결과를 다음의 [표 1]에 기재하였다.
구분 냉매 HCFC-22(중량%) CFC-115(중량%) HFC-125(중량%) HFC-143a(중량%) HFC-134a(중량%) COP VC(kJ/m3) PL(kPa) PH(kPa)
비교예 1 R-502 48.8 51.2 - - - 1.113 986.2 221.8 2086.0
비교예 2 R-404a - - 44 52 4 1.024 977.2 236.1 2329.2
비교예 3 R-507 - - 50 50 - 0.997 982.6 245.1 2392.5
[표 1]로부터 R-404a와 R-507은 COP와 VC는 거의 비슷하거나 약간 떨어지며 압력은 약간 높은 범위에서 작동함을 알 수 있다.
그런데, 냉매의 성능이 이러한 범위 내에 있을 경우 R-502의 대체냉매로서 사용이 가능한 것으로 평가되고 있으므로 후술하는 실시예에서 이들 결과와 비교하였다.
<실시예 1>
HFC-32/HFC-125/HFC-134로 이루어진 냉매 조성물에 대하여 조성비를 변화시켜가며 성능평가를 하였으며, 그 결과를 [표 2]에 기재하였다.
각 항목별 성능이 R-502와 대체냉매인 R-404a, R-507 등과 비슷하거나 우수하여 R-502 대체냉매로서 사용될 수 있음을 알 수 있다.
구분 HFC-32(중량%) HFC-125(중량%) HFC-134(중량%) COP VC(kJ/m3) PL(kPa) PH(kPa)
조성 1 20 60 20 1.233 1152.4 225.1 2311.7
조성 2 30 50 20 1.307 1281.2 237.3 2376.7
조성 3 40 30 30 1.404 1303.3 220.8 2260.0
조성 4 50 20 30 1.446 1390.7 228.5 2306.2
조성 5 60 10 30 1.480 1464.8 234.4 2343.4
조성 6 35 40 25 1.359 1295.6 228.8 2315.8
조성 7 60 5 35 1.494 1420.6 223.4 2270.5
조성 8 15 70 15 1.158 1111.8 232.9 2375.1
조성 9 10 75 15 1.104 1027.9 224.5 2335.7
<실시예 2>
HFC-32/HFC-125/HFC-152a로 이루어진 냉매 조성물에 대하여 조성비를 변화시켜가며 성능평가를 하였으며, 그 결과를 [표 3]에 기재하였다.
각 항목별 성능이 R-502와 대체냉매인 R-404a, R-507 등과 비슷하거나 우수하여 R-502 대체냉매로서 사용될 수 있음을 알 수 있다.
구분 HFC-32(중량%) HFC-125(중량%) HFC-152a(중량%) COP VC(kJ/m3) PL(kPa) PH(kPa)
조성 1 10 80 10 1.119 1071.5 233.2 2364.3
조성 2 40 40 20 1.398 1323.2 226.6 2274.3
조성 3 50 30 20 1.435 1396.3 232.1 2309.4
조성 4 60 20 20 1.465 1458.8 236.3 2337.7
조성 5 70 10 20 1.490 1512.4 239.4 2360.4
조성 6 20 65 15 1.255 1176.8 227.0 2294.9
조성 7 30 55 15 1.320 1286.2 236.2 2346.9
조성 8 35 50 15 1.347 1334.3 240.0 2369.0
조성 9 25 60 15 1.289 1233.9 231.9 2322.3
조성 10 17 70 13 1.215 1154.5 230.9 2328.0
조성 11 10 82 8 1.095 1079.6 241.2 2422.6
본 발명의 냉매 조성물은 오존층 파괴하는 물질을 포함하고 있지 않아 친환경적이고, 우리나라에서 이미 생산되고 있거나 차후 생산을 위한 연구가 활발히 진행중인 물질들로 이루어져 본 발명에 의해 그 용도가 새로이 추가됨으로써 보다 경제적인 규모로 생산할 수 있게 된다.

Claims (3)

  1. 디플루오로메탄(CH2F2, 이하 HFC-32)과;
    펜타플루오로에탄(CHF2CF3, 이하 HFC-125)과 ;
    1,1,2,2-테트라플루오로에탄(CHF2CHF2, 이하 HFC-134) 또는 1,1-디플루오로에탄(CH3CHF2, 이하 HFC-152a) 중에서 선택되는 하나의 화합물로 이루어지는 냉매 조성물.
  2. 제1항에 있어서, HFC-32, HFC-125 및 HFC-134의 조성이 각각 10∼60중량%, 5∼75중량%, 15∼35중량%인 것을 특징으로 하는 냉매 조성물.
  3. 제1항에 있어서 HFC-32, HFC-125 및 HFC-152a의 조성이 각각 10∼70중량%, 10∼82중량%, 8∼20중량% 인 것을 특징으로 하는 냉매 조성물.
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