KR20110029416A

KR20110029416A - Ｒ1234ｙｆ와 Ｒ152ａ로 구성된 2원 혼합냉매

Info

Publication number: KR20110029416A
Application number: KR1020090087084A
Authority: KR
Inventors: 정동수
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2009-09-15
Publication date: 2011-03-23
Also published as: KR101034795B1

Abstract

본 발명은 증기 압축식 냉동/공조기에서 냉매로 사용할 수 있는 물질 즉 'R1234yf와 R152a로 구성된 2원 혼합냉매'에 관한 것이며 좀 더 구체적으로는 지금까지 자동차용 에어컨, 가정용 냉장고 등에 널리 사용되어 온 R134a 냉매를 대체하거나 보충할 수 있는 2원 혼합냉매에 관한 것이다.

혼합냉매, 지구온난화지수

Description

Ｒ1234ｙｆ와 Ｒ152ａ로 구성된 2원 혼합냉매{Binary refrigerant mixture composed of R1234yf and R152a}

본 발명은 자동차용 에어컨, 가정용 냉장고 등을 포함하는 증기 압축식 냉동/공조기에서 사용할 수 있는 R1234yf와 R152a로 구성된 2원 혼합냉매에 관한 것이다.

1980년대 후반까지는 자동차 에어컨, 가정용 냉장고 냉매로서 메탄에서 유도한 염화불화탄소(Chlorofluorocarbon, CFC)가 주로 사용되어 왔다. 특히 자동차용 에어컨, 가정용 냉장고 등에는 비등점이 -29.8℃이고 분자 질량이 120.93kg/kmol인 CFC12가 가장 널리 사용되어 왔다. 그러나 CFC12가 오존층을 붕괴시킨다는 것이 알려진 이후로 1990년대 초반부터는 염소가 포함되지 않은 R134a가 가장 널리 사용되어 왔다. 참고로 수소화불화탄소(Hydrofluorocarbon, HFC)인 R134a의 비등점은 -26.1℃이고 분자 질량은 102.03kg/kmol이다.

최근에는 오존층붕괴 문제뿐만 아니라 지구온난화 문제도 급속도로 부상하기 시작했다. 이에 1997년의 교토 의정서는 R134a와 같이 지구온난화지수(Global warming potential, GWP)가 높은 냉매의 사용을 자제할 것을 강력히 권하고 있다. 참고로 R134a의 지구온난화지수는 1430인데 이것은 R134a의 지구온난화지수가 이산화탄소(CO₂)의 지구온난화지수보다 1430배나 큰 것을 뜻한다.

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

또한 어떤 물질이 기존 냉매의 대체냉매로 유용하려면 우선 기존 냉매와 유사한 성능계수(Coefficient of performance, COP)와 증발기 용량(Evaporator capacity)을 가져야 한다. 여기서 성능계수(COP)란 압축기에 가해진 일과 대비한 총 냉동효과를 의미하며 따라서 성능계수가 클수록 냉동/공조기의 에너지 효율이 좋다. 또한 압축기를 크게 개조하지 않고 사용하려면 대체냉매가 기존 냉매와 비슷한 증기압을 가져서 궁극적으로 비슷한 증발기 용량을 제공해야 한다.

본 발명의 목적은 기존의 R134a와 비슷한 성능을 내면서 지구온난화지수가 150 이하로 낮아서 기존의 R134a를 대체할 수 있는 혼합냉매를 제시하는 것이다

상기한 본 발명의 목적은 냉동/공조기용 혼합냉매에 있어서 R1234yf 0.1 내지 99.9 중량%와 R152a 0.1 내지 99.9 중량%로 구성된 2원 혼합냉매에 의해 달성된다.

또한 공비 혼합냉매를 형성하기 위해서는 상기 2원 혼합냉매는 R1234yf 75 내지 90 중량%와 R152a 10 내지 25 중량%로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 R1234yf와 R152a로 구성된 2원 혼합냉매에 의하면 기존의 R134a와 비슷한 성능을 내면서 지구온난화지수가 150 이하로 낮아서 친환경적이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 R1234yf와 R152a로 구성된 2원 혼합냉매의 구성에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 증기 압축식 냉동/공조기에서 냉매(Refrigerant, 이하 R이라 한다)로 사용할 수 있는 물질 즉 'R1234yf와 R152a로 구성된 2원 혼합냉매'에 관한 것이며 좀 더 구체적으로는 지금까지 자동차용 에어컨, 가정용 냉장고 등에 널리 사용되어 온 R134a 냉매를 대체하거나 보충할 수 있는 2원 혼합냉매에 관한 것이 다. 좀 더 구체적으로 본 발명은 R1234yf와 R152a를 혼합해서 만든 2원 '근공비 혼합냉매'(Near azeotrope)에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 기존의 R134a와 비슷한 성능을 내면서 지구온난화지수가 150 이하로 낮은 혼합냉매를 제시하는 것이다. 본 발명에서 제안하는 2원 혼합냉매는 자동차 에어컨에서 기존의 R134a에 비해 냉방 능력이 비슷하며 지구온난화지수가 140 이하이므로 신규 차량용 에어컨뿐만 아니라 기존 자동차 에어컨 등에서 R134a를 대체하거나 보충할 수 있는 친환경 혼합냉매이다(Drop-in 대체).

본 발명의 2원 혼합냉매를 개발하기 위하여 본 발명자는 미국 표준 연구소(National Institute of Standards and Technology, NIST)에서 개발한 냉동/공조기 시뮬레이션 프로그램인 Cycle-D를 사용하였다. 도 1은 본 발명에 따른 2원 혼합냉매가 사용되는 일반적인 냉동/공조기의 구성도이며, 냉동/공조기는 증발기, 응축기, 압축기, 팽창 밸브 등을 포함하여 구성된다. 도 1에 도시된 냉동/공조기는 응축기 액체와 증발기 기체의 열 교환을 위한 흡입관 열교환기를 둘 수도 있다.

냉동/공조기 시뮬레이션 프로그램의 정확도를 결정하는 중요 인자 중 하나는 냉매의 물성치이다. Cycle-D 프로그램은 미국, 일본, 유럽 연합 등에서 기준으로 삼고 있는 REFPROP이라는 물성치 계산 패키지를 사용하여 모든 냉매의 물성치를 계산한다. REFPROP 역시 미국 표준 연구소에서 개발한 것으로 정확성 및 적용성이 이미 입증되어 전 세계 냉동/공조 관련 유수 기업, 연구소, 대학에서 가장 널리 사용되는 프로그램이다.

본 발명자는 냉동/공조기용 대체냉매의 오존층붕괴지수(ODP)가 반드시 0.0이 어야 하며 가능한 한 지구온난화지수(GWP)가 150 이하로 낮아야 한다는 판단 하에 에어컨 구동 조건(증발기 냉매 온도: 7℃, 응축기 냉매 온도: 45℃)에서 기존의 R134a의 성능과 R1234yf와 R152a를 혼합한 2원 혼합냉매의 성능을 시뮬레이션을 통해 예측하였다.

표 1은 증발기 냉매 온도를 7℃, 응축기 냉매 온도를 45℃로 한 에어컨 구동 조건에서의 본 발명의 2원 혼합냉매의 성능을 시뮬레이션을 통해 예측한 결과를 나타낸 것이다.

냉매	조성(중량%)		COP	COP_diff (%)	Tdis (℃)	Tdis_diff (℃)	GWP
냉매	R1234yf	R152a	COP	COP_diff (%)	Tdis (℃)	Tdis_diff (℃)	GWP
R134a			3.27		74.1		1430
본 발명 실시예 1	0.1	99.9	3.33	1.8	87.7	13.6	140
본 발명 실시예 2	10	90	3.30	0.9	86.2	12.1	126
본 발명 실시예 3	20	80	3.27	0.0	84.4	10.3	113
본 발명 실시예 4	30	70	3.25	-0.6	82.3	8.2	99
본 발명 실시예 5	40	60	3.24	-0.9	80.0	5.9	86
본 발명 실시예 6	50	50	3.24	-0.9	77.5	3.4	72
본 발명 실시예 7	60	40	3.24	-0.9	74.9	0.8	58
본 발명 실시예 8	70	30	3.24	-0.9	72.4	-1.7	45
본 발명 실시예 9	80	20	3.22	-1.5	70.0	-4.1	31
본 발명 실시예 10	90	10	3.20	-2.1	67.7	-6.4	18
본 발명 실시예 11	99.9	0.1	3.19	-2.4	65.3	-8.8	4

* R1234yf/R152a 대체 혼합냉매의 성능 비교 (에어컨 구동 조건: 증발기 냉매 온도 7℃, 응축기 냉매 온도 45℃)

※○ COP : 성능계수(Coefficient of performance, 증발기 용량/압축기에 가해진 일)

○ Tdis : 압축기 토출온도(Compressor discharge temperature)

○ COP_diff : R134a 대비 성능계수 차이

○ Tdis_diff : R134a 대비 압축기 토출온도 차이

○ GWP : 이산화탄소 대비 100년 기준 지구온난화지수

표 1에서 볼 수 있듯이, 에어컨 구동 조건에서 본 발명에 따른 R152a에 R1234yf를 혼합한 2원 혼합냉매의 경우 모든 조성비율에 있어서 성능계수(COP)는 R134a와 비교해서 평균적으로 2.0% 정도 높거나 낮은 것으로 나타났고, 압축기 토출온도는 평균적으로 9 내지 13℃ 정도 높거나 낮은 것으로 나타났다. 이런 정도의 편차는 실제 에어컨/히트펌프의 운전, 성능, 수명 등에 전혀 영향을 미치지 않으며, 또한 시스템 적정화 작업을 통해 충분히 보정될 수 있으므로, 시스템을 제조할 때에 생산자가 원하는 조성을 취하면 본 발명의 2원 혼합냉매로 기존의 R134a를 대체하는데 전혀 문제가 없다.

표 1은 또한 이산화탄소 대비 100년 기준 지구온난화지수(GWP)를 보여 준다. 본 발명에 따른 R152a와 R1234yf로 구성된 2원 혼합냉매의 경우 GWP는 모든 조성비율에 있어서 140 이하가 된다. 예를 들면 본 발명의 2원 혼합냉매에서 R152a가 90중량%이고 R1234yf가 10중량%인 본 발명 제2실시예의 혼합냉매의 경우 GWP가 126이며, R152a가 10중량%이고 R1234yf가 90중량%인 본 발명 제10실시예의 혼합냉매의 경우 GWP가 18이다. 본 발명의 2원 혼합냉매에서 R1234yf의 조성비율이 증가하면 혼합냉매의 GWP는 감소하는 것을 볼 수 있다.

따라서 신규 자동차 에어컨이나 기존의 R134a용 자동차 에어컨에 본 발명의 2원 혼합냉매를 충전할 경우 R134a에 비해 90% 이상 지구온난화지수를 줄일 수 있다. 참고로 표 1에서는 R152a의 지구온난화지수를 140으로 놓고 지구온난화지수를 계산했지만 최근 들어 R152a의 지구온화지수는 120 정도로 밝혀지고 있다. 따라서 실제로 본 발명의 2원 혼합냉매의 지구온난화지수는 표 1에 있는 값들보다 낮게 된다.

최근 들어 개발된 냉매인 HFO-1234yf(R1234yf)의 오존층붕괴지수는 0.0이고 지구온난화지수는 4로 매우 낮다. 또한 R1234yf의 경우 기존에 상용화되어 있는 자동차 에어컨에 큰 변화 없이 적용할 수 있어서 생산 제조 측면에서 매우 유리하다는 장점이 있다. 그러나 R1234yf는 제조 공정이 복잡하여 단가가 기존 냉매의 10배 이상 높다.

R152a는 R134a와 비슷한 증기압을 갖는 수소화불화탄소(HFC)로서 오존층붕괴지수(Ozone depletion potential, ODP)가 없고 지구온난화지수도 140으로 R134a의 지구온난화지수의 10분의 1 수준이다. 그러나 R152a는 가연성이 높은 단점이 있다.

순수 R152a는 미국냉동공조학회(ASHRAE)의 냉매 표준 분류에서 중급 가연성 물질(A2 등급)로 분류되어 있다. 참고로 가연성 지표로는 희박가연한계(Lower flammability limit, LFL)를 사용하는데 R152a의 LFL은 4.3%이다. LFL은 값이 낮을 수록 가연성이 큰 것을 의미한다. R1234yf 역시 미국냉동공조학회의 냉매 표준 분류에서 중급 가연성 물질(A2 등급)로 분류되어 있지만 R152a에 비하면 가연성이 훨씬 약하다. 참고로 R1234yf의 LFL은 6.8%이다. 중급 가연성 물질인 R152a에 약가연성 물질인 R1234yf를 혼합한 본 발명의 2원 혼합냉매는 R152a보다 가연성이 훨씬 낮다. 그러므로 본 발명의 혼합냉매는 R152a와 비슷한 성능을 유지하면서도 가연성을 크게 약화시켜 실제 시스템에 혼합냉매를 적용하는 데 위험 부담이 줄어든다는 장점을 가지고 있다.

또한 R152a의 경우 제조단가가 낮아서 현 시점에서 R1234yf에 비해 20배 정도 가격이 저렴하기 때문에, 본 발명의 R152a에 R1234yf를 혼합한 혼합냉매는 순수 R1234yf에 비해 제조 단가가 훨씬 낮아 경제적이다.

끝으로 '비공비 혼합냉매'(Non-azeotropic refrigerant mixture)의 경우 증발 시 온도구배(Temperature glide)가 크면 시스템에 누출이 있을 경우 '조성 분리'(Fractionation)로 인해 시스템 용량이 저하될 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 2원 혼합냉매는 도 2에서 보여지는 바와 같이 모든 조성에서 증발 시 온도구배가 1.0℃ 미만인 '근공비 혼합냉매'이므로 거의 순수한 냉매나 '공비 혼합냉매'(Azeotrope)와 같다. 따라서 본 발명에서 제안하는 2원 혼합냉매의 경우 거의 모든 조성에서 '조성 분리' 같은 실제적인 문제가 생기지 않으므로 시스템 적용 시 실질적인 문제를 피할 수 있다.

또한 도 2에서 보듯이 본 발명에서 제안하는 2원 혼합냉매에서 R1234yf의 조성을 75 내지 90중량%로 특정할 경우에는 온도구배가 전혀 없는 공비 혼합냉매(Azeotrope)가 형성될 수 있으므로 이 경우에는 순수냉매와 동일하게 시스템에 적용할 수 있다.

본 발명에 따른 R1234yf와 R152a로 구성된 2원 혼합냉매에 의하면 기존의 R134a와 비슷한 성능을 내면서 지구온난화지수가 150 이하로 낮아서 친환경적이고 동시에 R1234yf에 비해 값이 싸며 R152a에 비해서는 가연성이 낮아 사용시 안전한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 2원 혼합냉매가 사용되는 일반적인 냉동/공조기의 구성도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 R1234yf와 R152a로 구성된 2원 혼합냉매의 온도-조성 선도이다.

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -

Qcond: 응축기에서의 열 흐름 방향(냉매 → 공기)

Qevap: 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

냉동/공조기용 혼합냉매에 있어서 R1234yf 0.1 내지 99.9 중량%와 R152a 0.1 내지 99.9 중량%로 구성된 2원 혼합냉매.
제1항에 있어서, 상기 R1234yf 75 내지 90 중량%와 상기 R152a 10 내지 25 중량%로 구성된 2원 혼합냉매.