KR20050108871A

KR20050108871A - 초저온용 혼합냉매

Info

Publication number: KR20050108871A
Application number: KR1020040034085A
Authority: KR
Inventors: 이동화
Original assignee: 이동화
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2004-05-14
Publication date: 2005-11-17
Also published as: KR100558212B1

Abstract

본 발명은 지구의 오존층을 파괴하는 프레온계 냉매를 대체할 수 있는 환경친화적이며, 15kgf/㎠이하의 낮은 토출압력에서 -60℃이하의 초저온을 달성할 수 있는 혼합냉매에 관한 것이다. 본 발명은 이소부탄 50∼70중량%, 퍼플루오로에탄 15∼25중량%, 및 트리플루오로메탄 15∼25중량% 포함하는 초저온용 혼합냉매를 제공한다. 또한, 테트라플로오로메탄을 혼합냉매 전체 중량에 대해 5∼15중량% 더 포함하는 초저온용 혼합냉매를 제공한다.

Description

초저온용 혼합냉매{Refrigerant mixture for providing ultra-low temperature}

본 발명은 초저온용 혼합냉매에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지구의 오존층을 파괴하는 프레온계 냉매를 대체할 수 있는 환경친화적이며, 15kgf/㎠이하의 낮은 토출압력에서 -60℃이하의 초저온을 달성할 수 있는 혼합냉매에 관한 것이다.

통상 프레온으로 불리는 "클로로 플로로 카본(CFC)"은 탄소, 불소, 염소로 구성되는 화합물이다. 프레온은 저부식성, 저독성, 불연성 등 안정성이 높고, 기체·액체 변화가 쉬우며, 유기물을 용해하는 성질이 있고, 침투성과 전기절연성이 높고, 가격이 저렴하여 오랫동안 냉매, 발포제, 분사제, 세척제 등으로 다양하게 이용되어 왔다. 그러나 대기중의 프레온이 성층권에 도달해서 단파장 자외선의 빛에너지로 인해 분해되어 여기서 나온 염소원자가 오존과 결합하여 지구의 보호막인 오존층을 파괴한다는 사실이 알려지면서 몬트리올 의정서에 의해 그 생산과 사용이 규제를 받고 있다. HCFC-22를 비롯한 HCFC 계열 화합물들도 CFC 화합물만큼 심하지는 않으나, 오존층 파괴에 상당한 영향을 미치고 있으므로 점차적으로 그 사용량을 규제하여 2020년경에는 사용금지 예정으로 있다. 따라서 전세계적으로 CFC, 및 HCFC의 규제에 대비하여 대체 냉매에 대한 연구가 계속되고 있다.

이러한 대체 냉매의 연구는 새로운 냉매의 개발과 기존의 냉매를 혼합해서 규제대상 냉매와 같은 성능을 갖는 혼합냉매의 연구 등 두 가지 방향으로 진행되고 있다. 하지만, 신냉매의 개발은 많은 물적, 인적 자원이 동원되어야 하고 저가의 상품으로 상용화되기까지는 대단위 생산시설을 갖추어야 하는 어려움이 있어, 2종류 이상의 가스를 혼합하여 그 특성을 조정하는 혼합냉매에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 규제가 되지 않는 냉매들 중에서 이론적으로 사용 가능한 냉매들만 가지고 혼합한다고 하여도 혼합되는 조합의 수가 100여가지가 넘는데다가 각각의 조합에 따라서 일정압력 하에서 액상과 기상간에 액화 또는 기화가 일어날 때 분수 물질과 같이 준평형상태에서 온도가 변하지 않는 것이 있는 반면에 온도가 변하는 혼합냉매도 있다. 여기서 전자를 공비혼합물(azeotropic refrigerant mixture)이라고 하고, 후자를 비공비혼합물(non-azeotropic refrigerant mixture)이라고 하는데, 공비혼합물은 특수한 성분비율에 한하여 존재하며 순수물질과 같은 열역학적 성질이 나타나며 비공비혼합냉매의 경우는 조성에 따라 증발압력과 온도가 각각 변하게 된다.

특히, 바이오테크놀러지 분야에서 이용이 확대되고 있는 -60℃이하의 초저온의 냉동고내 온도를 실현할 수 있는 냉매가스는 그 종류가 많지 않으며, 초저온도를 실현하는 냉매는 일반적으로 표준비점이 낮을 수록 임계압이 높고, 임계 온도도 낮기 때문에 실온환경 하에서는 용이하게 액화할 수 없다. 이로 인해 상온에서 액화 가능한 냉매가 보다 비점이 낮은 냉매의 액화과정의 냉각에 사용되는 이원냉동시스템이 널리 사용되고 있다. 하지만, 이러한 이원냉동시스템은 장치가 복잡하고 유지보수가 어려우며, 고온측과 저온측의 2개의 냉동사이클이 하나의 냉동시스템을 구성하고 있어 대형화되어 있으며 비용이 많이 드는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 흡입관과 모세관 및 고압 액관의 열교환이 이루어지는 단단냉동사이클에서 15kgf/㎠이하의 낮은 토출압력에서 -60℃이하의 냉동고내 온도를 달성할 수 있으며, 오존을 파괴하지 않는 친환경적인 초저온용 혼합냉매를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이소부탄 50∼70중량%, 퍼플루오로에탄 15∼25중량%, 및 트리플루오로메탄 15∼25중량% 포함하는 혼합냉매를 제공한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 혼합냉매는 테트라플로오로메탄을 혼합냉매 전체 중량에 대해 5∼15중량% 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 혼합냉매는 이소부탄 60중량%, 퍼플루오로에탄 20중량%, 및 트리플루오로메탄 20중량%을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 혼합냉매는 이소부탄 54중량%, 퍼플루오로에탄 18중량%, 트리플루오로메탄 18중량%, 및 테트라플루오로메탄 10중량%을 포함할 수 있다.

이하에서 실시예에 의하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 이러한 실시예들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아님은 당업자에게 자명한 사실이다.

이소부탄은 오존층 파괴지수가 '제로' 수준으로 오존층을 파괴하지 않을 뿐만 아니라 지구온난화지수(GWP) 또한 매우 낮아 세계적으로 환경친화 냉매로 인정받고 있으며, R-600a로 명명되어 있으며, 현재 유럽에서 널리 사용되고 있고 가연성이지만 그로 인한 화재는 보고된 바 없다. HFC계 냉매인 트리플루오로메탄(CHF₃: 이하 'R-23'이라 함)과, FC계 냉매인 퍼플루오로에탄(C₂F₆: 이하 'R-116'이라 함) 및 테트라플루오로메탄(CF₄: 이하 'R-14'라 함)은 염소성분을 갖고 있지 않기 때문에 오존층에 대한 파괴의 정도가 낮다.

표 1을 참조하면, 이소부탄은 비점이 높지만 임계압력이 낮고 임계온도가 높기 때문에 실온에서 작동하는 냉동시스템의 냉매로서 취급이 용이하다. R-116, R-23, 및 R-14는 비점이 매우 낮아 초저온용 냉매로서 적합한 특성을 가지고 있으나, 실온에서 작동하는 냉동시스템에서 취급이 용이하지 않다. 따라서 이들 가스를 혼합하여, 실온에서 작동하는 냉동시스템의 냉매로서 사용 가능하며, 15kgf/㎠이하의 낮은 토출압력에서 -60℃이하의 초저온를 실현할 수 있는 혼합냉매의 특성 및 조성범위를 확인하여 본 발명을 완성하였다.

이소부탄, R-116, R-23, 및 R-14의 물리적 특성

	화학식	비점(℃)	임계온도(℃)	임계압력(MPa)
이소부탄	CH(CH₃)₃	-11.7	134.9	3.72
R-116	CF₃CF₃	-78.2	19.7	2.98
R-23	CHF₃	-82.2	25.6	4.837
R-14	CF₄	-128	-45.5	3.743

도 1은 본 발명에 사용된 단단냉동시스템을 나타낸 개략도이다. 도면을 참조하면, 압축기(10)에서 압축된 냉매는 응축기(20)에서 방열되고, 드라이어(drier)(30)로 보내진다. 상기 드라이어(30)는 냉매에 함유되어 있는 산, 먼지, 왁스 등의 각종 이물질을 거르고 수분을 흡수하여 이물질로부터 냉동시스템을 보호하는 역할을 한다. 상기 드라이어(30)를 거친 냉매는 모세관(40)으로 보내져 감압되고, 냉동고(70)내의 증발기(60)에서 기화하여 상기 냉동고(70) 안을 냉각한 후, 열교환부(50)를 거쳐 다시 압축기(10)로 되돌려진다. 상기 열교환부(50)는 흡입관과 모세관 및 고압액관 사이에서 열교환이 이루어지도록 구성되어 있다. 상기 증발기(60)에서 기화한 후 압축기로 송환되는 저온의 냉매가 상기 열교환부(50)를 거치면 고압의 냉매를 냉각시킴으로써, 그 온도를 저하시켜 응축과정을 촉진하는 한편 압력을 저하시켜 압축기의 부하를 감소시킬 수 있다. 또한, 압축기로 되돌아가는 냉매의 현열, 잠열을 이용함으로써 에너지효율을 향상시킬 수 있다.

실시예 1 내지 7: 이소부탄/R-116/ R-23의 혼합냉매

표 2에 나타낸 조성으로 통상의 방법을 사용하여 혼합냉매를 제조하고, 도 1의 단단냉동기를 이용하여 냉매로서의 특성을 확인하였다. 도 1의 단단냉동기에 이소부탄/R-116/R-23의 혼합냉매를 350∼437.5g 충전하고 실내온도 28℃에서 운전하여, 냉동고의 고내온도와 압축기의 토출압력과 흡입압력을 측정하였으며, 그 결과를 표 3에 나타내었다. 토출압력과 흡입압력은 게이지압력이다.

	혼합냉매(중량%)
	이소부탄	R-116	R-23
실시예 1	44	28	28
실시예 2	50	25	25
실시예 3	54	23	23
실시예 4	60	20	20
실시예 5	64	18	18
실시예 6	70	15	15
실시예 7	74	13	13

	냉동고내 온도(℃)	토출압력(kgf/㎠)	흡입압력(kgf/㎠)
실시예 1	-50	20	1.2
실시예 2	-74.5	11	0.2
실시예 3	-73	9.5	0.25
실시예 4	-72	7	0.1
실시예 5	-68	6.7	0
실시예 6	-63	6	0
실시예 7	-55	6	5^*

*진공압력임(cmHg)

혼합냉매를 단단냉동사이클에서 운전하는 경우, 냉동고내 온도를 -60℃이하, 특히 -80℃이하로 달성할 수 있으며, 이와 동시에 압축기의 부하를 줄이기 위해 토출압력은 15kgf/㎠이하의 특성을 나타내는 초저온용 혼합냉매가 바람직하다.

표 3에서 알 수 있듯이, 이소부탄의 농도가 증가함에 따라 토출압력은 감소하지만 냉동고내 온도는 증가하는 경향을 나타내었으며, R-116 및 R-23의 농도가 증가하면 냉동고내 온도는 감소하지만 토출압력이 증가하는 경향을 나타내었다.

토출압력은 이소부탄과 R-116과 R-23의 혼합비율이 70:15:15 부근 영역에서 낮게 유지되지만 온도저하 효과가 떨어졌으며, 50:25:25 부근 영역에서는 토출압력이 현저하게 높아지고 온도저하 효과도 떨어졌다. 따라서 이소부탄과 R-116과 R-23의 혼합비율은 70:15:15 내지 50:25:25 범위내인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 이소부탄 60중량%, R-116 20중량%, 및 R-23 20중량% 포함하는 혼합냉매는 토출압력 7kgf/㎠에서 -72℃의 초저온을 달성할 수 있다.

실시예 8 내지 5: 이소부탄/R-116/ R-23/R-14의 혼합냉매

표 4에 나타낸 조성으로 통상의 방법을 사용하여 혼합냉매를 제조하고, 도 1의 단단냉동기를 이용하여 냉매로서의 특성을 확인하였다. 도 1의 단단냉동기에 이소부탄/R-116/R-23/R-14의 혼합냉매를 350∼437.5g 충전하고 실내온도 28℃에서 운전하여, 냉동고의 고내온도와 압축기의 토출압력과 흡입압력을 측정하였으며, 그 결과를 표 5에 나타내었다. 토출압력과 흡입압력은 게이지압력이다.

	혼합냉매(중량%)
	이소부탄	R-116	R-23	R-14
실시예 8	58.8	19.6	19.6	2
실시예 9	57	19	19	5
실시예 10	54	18	18	10
실시예 11	51	17	17	15
실시예 12	48	16	16	20

	냉동고내 온도(℃)	토출압력(kgf/㎠)	흡입압력(kgf/㎠)
실시예 8	-74	7.3	0.15
실시예 9	-76	8.5	0.25
실시예 10	-89	11.5	0.33
실시예 11	-92	17.5	0.4
실시예 12	-78	20	0.45

표 5에 나타나 있듯이, 이소부탄 50∼70중량%, R-116 15∼25중량%, 및 R-23 15∼25중량% 이루어진 혼합냉매에 R-14의 첨가량을 달리하여 시험한 결과, R-14의 농도가 증가함에 따라 냉동고내 온도 저하 효과는 증가하지만 토출압력도 증가하는 경향을 나타내었다. R-14의 농도가 15중량%을 초과하면 냉동고내 온도 저하 효과가 현저하게 떨어지며 토출압력도 증가한다. 따라서 -80℃의 초저온도를 낮은 토출압력에서 달성하기 위해서는 R-14를 혼합냉매 전체 중량에 대해 5∼15중량% 포함하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 이소부탄 54중량%, R-116 18중량%, R-23 18중량%, 및 R-14 10중량% 포함하는 혼합용매는 토출압력 11.5kgf/㎠에서 -89℃의 냉동고내 온도를 구현할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 초저온용 혼합냉매는 흡입관과 모세관 및 고압 액관의 열교환이 이루어지는 단단냉동사이클에서 15kgf/㎠이하의 낮은 토출압력에서 -60℃이하, 특히 -80℃의 냉동고내 온도를 달성할 수 있으며, 오존층 파괴의 위험성이 없는 친환경적인 냉매를 제공할 수 있다.

본 발명에 대해 상기 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명에 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 사용된 단단냉동 시스템을 나타낸 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10...압축기 20...응축기

30...드라이어 40...모세관

50...열교환부 60...증발기

70...냉동고

Claims

이소부탄 50∼70중량%, 퍼플루오로에탄 15∼25중량%, 및 트리플루오로메탄 15∼25중량% 포함하는 초저온용 혼합냉매.
제 1 항에 있어서, 이소부탄 60중량%, 퍼플루오로에탄 20중량%, 및 트리플루오로메탄 20중량% 포함하는 초저온용 혼합냉매.
제 1 항 또는 제2항에 있어서, 테트라플로오로메탄을 혼합냉매 전체 중량에 대해 5∼15중량% 더 포함하는 초저온용 혼합냉매.
제 3 항에 있어서, 이소부탄 54중량%, 퍼플루오로에탄 18중량%, 트리플루오로메탄 18중량%, 및 테트라플루오로메탄 10중량% 포함하는 초저온용 혼합냉매.