KR20060071405A - 냉매 혼합물의 용도 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1.1.1.2-테트라플루오르에탄(R 134a) 냉매용 대체 물질로서 이용 가능한 냉매 혼합물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상기 혼합물은 150 이하의 GWP₁₀₀를 갖는 할로겐화 탄화수소와 CO₂를 함유하거나, 이들 두 물질로 이루어진 상기 냉매 혼합물에 관한 것이다. 본원의 냉매 혼합물은 바람직하게는 공기 조화 시스템 내의 냉매로서, 무엇보다 자동차의 공기 조화 시스템용 냉매로서 이용된다.

공기 조화 시스템, 냉매, 1.1.1.2-테트라플루오르에탄, R 134a

Description

냉매 혼합물의 용도{USE OF A REFRIGERANT MIXTURE}

본 발명은 냉매 혼합물(refrigerant mixture)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차 및 상용차 내 공기 조화 시스템용 냉매, 바람직하게는 자동차의 공기 조화 시스템 내 냉매에 관한 것이다.

할로겐화 탄화수소 혹은 이 할로겐화 탄화수소의 혼합물을 냉매로서 이용하는 점은 공지되어 있다.

얼마 전부터 무엇보다 차량 공기 조화 시스템용으로 소위 천연 냉매가 논의되어 오고 있다. 이산화탄소는 가능한 대체 물질이며, 그 직접적인 지구 온난화 지수는 지금까지 사용되던 오존 친화적 1.1.1.2-테트라플루오르에탄(R 134a)에 비해 무시해도 될 만큼 작다. 이산화탄소는 대략 1950년까지 이산화탄소의 불연성으로 인해 냉동기용 작동 물질로서 이용되었다. 그러나 바람직하지 못한 삼중점과 바람직하지 못한 압력 레벨로 인해 이산화탄소는 FCKW(=CFC; 클로로플루오르카본)의 등장과 더불어 냉매로서 그 의미를 상실하게 되었다.

CO₂를 단독으로 혹은 할로겐화 탄화수소와 혼합하여 냉매로서 이용하는 점도 공지되어 있다.

또한, 공지된 점에 따라, 할로겐화 탄화수소 중에, 무엇보다 클로로플루오르카본(CFC)은 매우 높은 지구 온난화 지수(GWP)를 가지며, 그와 반대로 부분적으로 플루오르화된 탄화수소에 대한 GWP 값은 분명히 더욱 작다. 그동안 냉동 공학의 영역에서 오존 분해 지수를 가지지 않는 수많은 물질들을 이용할 수 있게 되었다.

DE 41 16 274로부터는 CO₂와 예컨대 R 134a(CF₃-CH₂F) 혹은 R 152a(CHF₂-CH₃)과 같은 부분 플루오르화 탄화수소;를 함유하는 냉매 혼합물이 개시된다. 이에 따른 혼합물은 무엇보다 냉매 R 22(CHClF₂) 및 R 502[(CHClF₂)(R 22) 및 C₂ClF₅(R 115)로 이루어진 공비 혼합물]에 대한 대체 물질로서 이용된다.

WO 00/39242도 마찬가지로 R 22(CHClF₂) 혹은 R 502(CHClF₂ 및 C₂ClF₅로 이루어진 혼합물)에 대한 대체 물질로서 냉매 혼합물을 기술하고 있다. 이에 따른 혼합물은 플루오르에탄(R 161) 및 트리플루오르요오드메탄(R 13l 1)으로 구성된다.

본 발명의 목적은 냉매 혼합물에 있어서 R 134a에 대한 대체 물질로서 이용될 수 있는 상기 냉매 혼합물을 제공하는 것에 있다. 또한, 본 발명은 상기 냉매 혼합물이 최소의 지구 온난화 지수를 가지며, 독성이 없으면서도 가능한 한 불연성 성질을 갖도록 하는 것에 있다.

본 발명에 따른 냉매 혼합물은 150 이하의 GWP₁₀₀를 갖는 할로겐화 탄화수소와 CO₂를 함유하거나, 이들 두 물질로 이루어져 있다. 150 이하의 GWP₁₀₀를 갖는 할로겐화 탄화수소는 무엇보다 1.1.-디플로오르에탄(R 152a); 플루오르에탄(R 161); 및 트리플루오르요오드메탄;이 냉매 1.1.1.2-테트라플루오르에탄(R 134a)에 대한 대체 물질로서 CO₂와 화합되어 이용될 수 있는 적합한 화합물로서 간주된다.

플루오르에탄과 디플루오르에탄은 단일 물질로서 가연성이지만, 그러나 150 이하의 GWP₁₀₀를 가지며, 그리고 대기 중에서는 매우 불안정하다. 그에 따라 플루오르에탄은 12의 GWP₁₀₀를, 그리고 디플루오르에탄은 120의 GWP₁₀₀를 갖는다.

트리플루오르요오드메탄은 불연성이지만, 그러나 그에 반해서 대기 중에서 마찬가지로 매우 불안정하다. 확인된 점에 따르면, CO₂와 상기 단일 물질들을 화합함으로써, 상기 단일 물질들의 부정적인 특성들은 보상될 수 있으며, 그리고 본 발명에 따른 냉매 혼합물은 무엇보다 자동차의 공기 조화 시스템용으로 이용될 수 있다. 이와 같은 냉매 혼합물은 자신의 직접적인 지구 온난화 지수를 고려할 때 1.1.1.2-테트라플루오르메탄보다 본질적으로 더욱 바람직하며, 그에 따라 대체 물질로서 이용될 수 있다. 상기 냉매 혼합물의 조성은 냉매 시스템 내의 압력에 따라 변경될 수 있다.

마찬가지로 본 발명에 따라, 냉매 혼합물의 조성은, 가연성의 위험이 감소되거나 강하게 제한될 수 있도록 선택된다.

일 실시예에 따라 R 134a에 대한 대체 물질로서 98 내지 70 중량%의 R 152a와 2 내지 30 중량%의 CO₂로 이루어진 혼합물이 이용된다.

순수 물질로서, 본 발명에 따른 혼합물의 두 단일 성분은 냉매로서 이용하는 경우 단점을 갖는다.

R 152a는 자신의 열물성으로 인해 R 134a와 유사하게 거동한다. 그러나 R 152a의 가연성을 바탕으로 예컨대 자동차에서와 같은 직접적인 기화 시스템 내 적합성은 제한된다. R 152a의 폭발 범위는 4.5 부피%의 폭발 하한과 21.8 부피%의 폭발 상한 사이이다. 30 중량%의 CO₂ 함량을 함유하는 혼합물의 경우, 폭발 하한은 13 부피%까지 상승한다(도1 참조). 폭발 하한의 상승은 일반적으로 가연성 냉매에서 존재하는 위험을 감소시킨다.

CO₂는 자신의 열물성을 고려할 때 R 134a 및 R 152a의 열물성과 비교하여 매우 상이하다. CO₂는 불연성이다. CO₂는 본질적으로 R 134a나 혹은 R 152a보다 더욱 높은 압력 레벨을 갖는다.

냉매	0℃에서 비등점 압력[bar]	Tkrit(임계온도) [℃]
CO2	34.9	31.1
R 134a	2.9	101.5
R 152a	2.6	113

31℃의 임계 온도로 인해 CO₂는 차량의 공기 조화를 위해 전형적인 아임계 압축 냉동 과정에서 이용될 수 있는 것이 아니라, 초월 임계 과정을 통과해야만 한다. 초월 임계 과정은 본질적으로 더욱 높은 처리 압력(> 100 bar)을 야기하며, 그리고 이론적으로 달성 가능한 최대 효율을 분명히 악화시킨다.

CO₂는 비록 사람의 신체에서 생성되기는 하지만 4 부피%의 농도부터 독성 작용을 하며, 이러한 독성 작용은 더욱 오랜 시간 흡입하게 되면 무의식 상태를 초래하고, 8 부피% 이상이 되면 사망을 야기할 수도 있다. R 152a를 함유한 혼합물에서는 상기와 같은 독성 효과가 중화된다.

R 134a는 1300의 GWP₁₀₀를 가지면서 대기 중에 방출되면 온실 효과에 대해 상대적으로 높은 기여도를 갖는다. 140의 GWP₁₀₀를 갖는 R 152a와 1의 GWP₁₀₀를 갖는 CO₂를 함유하므로, 본 발명에 따라 이용되는 성분은 본질적으로 R 134a보다 낮은 GWP₁₀₀를 갖는다.

R 152a와 CO₂의 상이한 비밀도(specific density)를 바탕으로, 자동차의 공기 조화 시스템용으로 필요한 충전량은 본질적으로 감소 될 수 있다(표 1 참조).

충전량 비교
	R 134a		R 152a
rho' (T = 45℃)	1125	kg/㎥	845	kg/㎥
rho" (T = 0℃)	14.43	kg/㎥	8.39	kg/㎥
m' (V' = 1/3Vges)	375	kg	282	kg
m" (V" = 2/3Vges)	9.62	kg	5.60	kg
Mges	384.62	kg	287.60	kg
mges/mges R 134a	1		0.75

확인된 점에 따라, 본원의 혼합물은 높은 체적 냉동 용량을 갖는다. 이와 같은 높은 냉동 용량은 압축기의 필요한 작동 체적을 감소시키며, 그에 따라 압축기 설계 크기도 감소시킨다(실시예 1 참조).

R 134a의 대체 물질을 위해 제공되는 압축기를 사용할 시에, 더욱 높은 냉동 속도가 달성된다. 이는 자동차의 공기 조화 시스템에서 특히 안전 기술의 이유에서 매우 중요하다.

R 152a 및 CO₂로 이루어지되 2 중량% 이상의 CO₂ 함량을 함유하는 혼합물은 R 134a보다 더욱 높은 압력 레벨을 갖는다. 더욱 높아진 압력 레벨은 열전달을 개선시키면서, 마찰에 의한 압력 손실을 감소시킨다. 이러한 두 효과는 전체 시스템의 에너지 효율에 긍정적으로 작용한다.

R 152a와 CO₂로 이루어진 혼합물은 큰 온도 기울기(temperature glide)를 갖는다. 이는 변동(floating)하는 온도의 경우 냉각 및 가열이 필요할 때 긍정적인 영향을 미친다. 변동하는 열전달은, 2차적인 측면에서 상변화가 개시되지 않으며 그에 따라 공기 냉각시나 공기 가열시에도 또한 상변화가 존재하지 않는 모든 열전달에서 존재한다.

도 1은 R 152a/CO₂ 혼합물의 CO₂ 함량에 따른 폭발 하한의 변화를 나타내는 그래프이다.

실시예: 1

시뮬레이션화 한 자동차의 공기 조화 시스템에서, 냉매 또는 냉매 혼합물을 언급한 조건에서 상호 간에 비교하였다.

회로 조건:

내부 열교환기를 겸비한 단순 회로

Tu = 30℃

To = 0 ℃

Tc = 45℃

T초과가열 = 5K

T초과냉각 2K

등엔트로피 효율 = 1;

△T_IWT = 12K

R 152a/CO ₂ 의 비공비 혼합물에 대한 편차 조건:

열교환기 내의 열전달은 하기 식에 따른 평균 온도 조건에서 개시된다:

T_m = T"-(T"-T')/2.

79.32/20.68 중량%의 R 152a/CO ₂ 혼합물에 대한 편차 조건:

냉매의 유출구 온도는 35℃가 되었으며, 그에 따라 평균 온도는 T_m = 48.5℃가 된다.

CO₂ 초월 임계 과정에 대한 편차 조건:

△T_IWT = 5K.

상이한 냉매들의 성능 계수(COP) 및 체적 냉동 용량의 비교
중량분율 R134a[%]	중량분율 R152a[%]	중량분율 CO2[%]	COP	Qvol [KJ/㎥]
100	0	0	5.00	2089
0	100	0	5.04	1932
0	0	100	2.70	9786
0	90.06	9.94	5.76	3333
0	79.32	20.68	5.27	4443

Claims (7)

1. 냉매 R 134a용 대체 물질로서 이용할 수 있는 냉매 혼합물로서, 150 이하의 GWP₁₀₀를 갖는 할로겐화 탄화수소와 CO₂를 함유하거나, 이 두 물질로 구성되는 냉매 혼합물.
2. 제1항에 있어서, 할로겐화 탄화수소로서 무엇보다 1.1-디플루오르에탄, 플루오르에탄, 및/또는 트리플루오르요오드메탄이 함유되는 것을 특징으로 하는 냉매 혼합물.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 98 내지 70 중량%의 1.1-디플루오르에탄과 2 내지 30 중량%의 CO₂로 이루어진 냉매 혼합물.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉매 혼합물은 플루오르에탄과 CO₂를 함유하거나, 혹은 이들 두 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉매 혼합물.
5. 냉매 혼합물의 이용에 있어서, 자동차 및 상용차용 공기 조화 시스템, 무엇보다 자동차의 공기 조화 시스템용 냉매 1.1.1.2-테트라플루오르에탄(R 134a)에 대한 대체 물질로서, 150 이하의 GWP₁₀₀를 갖는 할로겐화 탄화수소와 CO₂를 함유하거 나, 이들 두 물질로 이루어진 냉매 혼합물의 용도.
6. 제5항에 있어서, 냉매 R 134a에 대한 대체 물질로서 98 내지 70 중량%의 R 152a와 2 내지 30 중량%의 CO₂로 이루어진 냉매 혼합물의 용도.
7. 제5항에 있어서, 플루오르에탄과 CO₂를 함유하거나, 이들 두 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉매 혼합물의 용도.

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