KR20160148505A - 초저온용 비공비 냉매 - Google Patents

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Abstract

열 교환기를 구비한 냉동기에서 -100℃~-150℃의 초저온도를 달성하는 비공비 혼합냉매.
-100℃ 이하의 저온도를 달성하는 비공비 혼합냉매로서, 베이스 냉매와 R-14로 이루어지며 R-14를 5wt%~40wt% 함유하는 비공비 혼합냉매, 단, 베이스 냉매는 부탄 + 프로판, 및 이에 대한 저비점 냉매인 R-23 + R-116으로 이루어진다.
또한, -120℃ 이하를 달성하는 비공비 혼합냉매로서, 베이스 냉매와 R-14 및 R-50 + R-740으로 이루어지며, 베이스 냉매/R-14가 95/5~60/40으로, R-50 및 R-740을 각각 1wt%~10wt% 함유하는 비공비 혼합냉매이며, 또한, -150℃ 근방의 냉각 온도를 달성하는 비공비 혼합냉매로서, 상기 비공비 혼합냉매의 R-50 및 R-740을 각각 4wt%~10wt%로 한 비공비 혼합냉매.

Description

초저온용 비공비 냉매 {Non-Azeotropic Refrigerant for Extremely Low Temperature}
본 발명은 냉동기에서 -100℃~-150℃의 초저온도를 달성하는 비공비 혼합냉매에 관한 것으로, 특히, 일원 단단(單段)식의 간단한 냉동기의 시스템 구성으로 -100℃~-150℃의 초저온도를 달성하기 때문에 바람직한 비공비 혼합냉매에 관한 것이다.
냉동기는 식품 등의 보존, 저장에 적합한 -수십℃의 저온도 영역으로부터 식품의 신선도를 냉동 당초의 상태로 유지하기 위해, 혹은 의료분야 등에서 생체조직을 그대로 보존하기 위해 냉동고내 온도 -50℃ 이하의 초저온도가 실용화되고 있다.
이와 같은 초저온도를 달성하는 냉동기로서는, 공기의 액화 등에 응용된 기체의 단열 팽창에 따른 쥴-톰슨(Joule-Thomson) 효과를 이용하는 설비에서는 냉각능력이나 설비면의 제약 때문에 일반적이지 않고, 상온의 환경에서 압축되어 액화됨으로써 응축열을 방출하며, 그 액상의 증발 잠열에 의해 냉각시키는 냉동기가 일반적이다.
이와 같은 냉동기 시스템에서 사용되는 냉매는 실용적인 압축기의 능력을 통해 상온 근방에서 수십 bar 정도의 압력하에 응축됨과 아울러, 목적하는 초저온도를 달성하기 위해 비점이 목적하는 그 초저온도 이하라는 상반된 성질이 필요로 된다.
이들 조건을 충족하기 위해, 종래부터 이루어지고 있는 냉동기로서, 상온에서 응축하는 고비점 냉매에 의해 작동하는 냉동기와 저온도를 달성하는 저비점의 냉매를 사용하는 냉동기를 조합하여, 고비점 냉매의 냉동기에 의해 저비점 냉매의 냉동기의 응축기를 냉각시킴으로써 저비점 냉매를 응축시켜, 목적하는 초저온을 달성하는 것이 있다.
이 방식은 원리적으로는 단순하지만, 2종 혹은 그 이상의 냉매별로 독립적으로 작동하는 냉동기를 조합하기 때문에, 부품점수가 많고, 복잡하며 대규모의 설비가 되므로, 고장나기 쉬울 뿐만 아니라 제품 비용도 비싼 것이 된다.
이에 반해, 이들 비점이 다른 2종 이상의 냉매를 혼합한 냉매를 사용함으로써, 1대의 압축기에 의해 가동하는 냉동기 시스템이 실용화되고 있다.
이와 같은 혼합냉매의 대부분은 비공비로서, 비점 등이 각각의 냉매의 소위 중간적인 특성이 되기 때문에, 그들 조합에 의해, 목적하는 특성의 냉매가 얻어지는데, 비공비라는 성질상, 온도/압력으로 인해 비점이 바뀌고, 응축 및 증발 과정에서 액상과 기상의 구성이 바뀌며, 그와 함께 비점도 변화한다.
이 때문에, 조합하는 냉매로서 비점 등이 근접한 성질의 냉매를 사용하며, 증발 후의 압축기로 귀환하는 저온도의 냉매에 의해, 증발기로 향하는 냉매를 냉각시켜 그 응축을 촉진하고, 단일한 냉매와 마찬가지로 취급하는 것을 가능하게 하는 등의 고안이 이루어진다.
그러나, 냉각 온도가 더 낮은 -50℃ 이하의 초저온도를 달성하는 혼합냉매로는 이와 같은 시스템에서는 저비점 냉매의 응축이 진행되지 않아, 안정된 냉동기의 운전이 곤란하였다.
이 때문에, 상온에서 응축가능한 고비점 냉매와 목적하는 초저온도를 달성하는 저비점 냉매를 조합한 비공비 냉매를 사용하는 냉동기 시스템에서는 상온 환경하에 응축된 고비점 냉매가 풍부(rich)한 액상과 응축되지 않는 저비점 냉매가 풍부한 기상을 분리하여, 액상의 고비점 냉매의 증발 잠열에 의해 저비점 냉매를 냉각/응축시키는 것이 이루어지고 있다(특허문헌 1 : 일본 특허공개 평3-255856호 공보).
이 방식은 압축기 1대면 되는 이점은 있지만, 목적하는 초저온도에 따라 이와 같은 다단계의 기액 분리와 증발/응축에 의한 열교환과정을 필요로 하여, 그만큼 복잡함은 피할 수 없다.
이에 반해, 본 발명자들은 비공비 냉매가 온도, 압력의 변화와 함께 액상과 기상의 조성 및 비점이 변한다는 성질을 이용함으로써, 당초의 상온 하의 압축/방열과정에서 응축된 고비점 냉매 풍부(rich)의 액상이 증발과정에서 증발하여 냉각이 진행됨에 따라 남은 액상의 조성이 보다 고비점측으로 이행되고, 달성된 냉각온도 하에서는 고비점 냉매의 액상이 잔존하게 된다고 생각되며, 그 현열과 함께 잠열에 의해 당초의 압축/응축 후 냉매의 냉각을 실시하면, 냉매 중의 액상 조성을 보다 저비점측으로 이행시켜, 냉동 사이클의 진행과 함께 응축된 액상의 조성을 저비점 풍부쪽으로 이행시켜 일정한 조성 범위이면 비공비 냉매 전량의 응축을 가능하게 하는 것에 착안하였다.
그리고, 이와 같은 비공비 냉매에 의해, 종래의 냉동기에서 필수불가결하게 여겨진 기액 분리를 수행하는 일 없이, 초저온도를 달성하는 비공비 냉매를 사용하는 냉동시스템을 구현하였다.(특허문헌 2 : 특허 제3934140호 공보)
도 1에 그 냉동기 시스템의 구성을 나타내고, 그 냉동기 사이클을 설명한다.
도면 중, 압축기(1)에서 수 bar~수십 bar로 압축된 비공비 냉매는 화살표를 따라 응축기(2)로 보내지며, 그 압력과 온도 조건에서 응축가능한, 저비점 성분을 일부 도입한 고비점 냉매 풍부의 액상 및 응축되지 않고 일부 고비점 냉매를 포함하는 저비점 냉매 풍부의 기상과의 기액 혼합상이 된다.
이어, 이들 기액 혼합냉매를 조리개 밸브(3)(캐필러리)를 거쳐 감압하고, 증발기(4)에서 증발/기화시켜 냉동고(5) 안을 냉각하며, 기화된 냉매는 압축기(1)로 귀환하는 복로(復路)(9)에서 응축기(2)로부터 조리개 밸브(3)로 향하는 왕로(往路)(8)와의 사이에서 열교환기(6)의 접합부(7)를 통해 왕로의 냉매와 열교환한다.
이와 같은 열교환기를 통해 복로의 온도가 낮은 냉매에 의해 왕로의 냉매를 냉각하는 것은 종래부터 이루어지고 있었는데, 비점이 가까운 냉매를 조합한 비공비 냉매에서, 저비점 냉매의 응축을 촉진하여 냉동기의 가동을 안정화하는 것이었다.
이에 반해, 본 발명자들은 비공비 냉매의 특성을 이용함으로써 상온에서 응축/방열하는 고비점 냉매와 이에 비해 매우 비점이 낮은 냉매를 조합하여, 이 열교환기를 통한 냉동기 시스템에서 -50℃ 이하의 초저온도를 달성한다.
이 냉동기 시스템에 있어, 비공비 혼합냉매는 상술한 바와 같이 고비점 냉매가 상온 하에서 방열/응축하는 것에 반해, 저비점 냉매는 냉각과정을 거쳐 액상 상태를 유지한 고비점 냉매가 열교환기에서 증발하여 달성하는 저온도 하에서 응축한다.
이 과정에서는 압력은 유지되기 때문에, 그 압력하에서 고비점 냉매(혹은 고비점 냉매가 풍부한) 액상의 비점(고내 온도)에 따른 조성의 냉매 가스의 응축이 가능하게 된다.
따라서, 비공비 혼합냉매의 성분 및 조성을 이들 조건에 따라 선택하면, 이 냉각 사이클에 의해 최종적으로 비공비 혼합냉매 전량의 응축과 그 비점까지의 냉각이 가능하게 된다.
또한, 이와 같은 냉매의 조합은 더 비점이 낮은 냉매와의 조합에 있어서도 성립된다고 생각된다.
즉, 이들 저비점 냉매는 상온에서는 응축될 수 없는데, 열교환기에서 고비점 냉매(고비점 냉매가 풍부한)의 액상의 비점까지의 저온도로 냉각가능하기 때문에, 비공비 혼합냉매의 성분 및 조성 범위를 그 온도 하에서 응축가능한 냉매의 조합 및 조성 범위를 선택하면, 비공비 혼합냉매의 전체 조성을 응축시켜 그 비점까지 냉각시키는 것이 가능하게 된다.
이 메커니즘은 그와 같은 비공비 혼합냉매를 구현할 수 있으면, 그것을 베이스로 하여 추가로 저비점의 냉매를 첨가한 조성에 대해서도 성립하며, 베이스가 되는 비공비 혼합냉매로 달성가능한 냉각온도 범위에서, 응축가능한 저비점 냉매의 종류, 비점 및 함유량의 범위를 선택하면, 상온에서 응축가능한 고비점 냉매로부터, 가장 비점이 낮은 냉매를 포함하는 조성에 이르기까지 그 응축가능한 온도는 순차적으로 그들 비점에 의해 결정되게 되며, 이 사이클에 의해 가장 저비점이 되는 저비점 냉매가 풍부한 조성의 응축은 비공비 혼합냉매의 조성과 압력 조건하에서 평형을 이룰 때까지 진행된다.
단, 이와 같은 사이클은 냉매의 비점이나 증기압 등의 개별적인 성질만으로 임의로 그들 조합을 선택할 수는 없다.
냉매끼리의 조합으로 베이스가 되는 비공비 혼합냉매에 저비점 냉매를 첨가함으로써 압력이 상승하여 실용상 응축될 수 없거나, 혹은 비점차가 크기 때문에 응축이 진행되지 않는다는 현상이 보여, 이들 조합이나 성분 조성 범위를 정함에 있어서는 이들 물성에 따른 선정만이 아니라 실험적으로 그 적합 여부를 확인할 필요가 있다.
이와 같은 관점에서, -100℃~-150℃의 초저온도를 달성하기 위해서는 상온에서 응축가능한 고비점 냉매에 비해 비교적 비점의 온도차가 작은 냉매를 조합한 비공비 혼합냉매를 만들고, 이를 베이스로 하여 추가로 상기의 냉매 사이클을 구축할 수 있는, 보다 비점이 낮은 냉매를 선택한다.
베이스로 하는 비공비 냉매가 넓은 조성 범위에 걸쳐 요구되는 냉각 온도를 달성함과 아울러 응축에 필요한 압력이 비교적 낮고, 그 작동영역에서 이들 값이 평탄(flat)한 특성이어서 안정된 냉각능력을 갖는 것이 요망된다.
그렇다면, 보다 비점이 낮은 냉매와의 조합을 선택함에 있어 선택지를 넓힐 수 있을 뿐만 아니라, 베이스로 하는 비공비 혼합냉매가 넓은 조성 범위에 걸쳐 저비점 냉매와의 조합이 가능하게 되며, 또한, 그 효과가 달성된다. 이들 비공비 혼합냉매의 사용시에는 환경 온도나 냉동기의 설비 용량, 혹은 냉각 대상에 따른 부하의 대소나 그 변동 등, 대부분의 변화하는 팩터에서 사용되는 것으로서, 냉매의 최적의 조성 범위 등도 그들에 따라 바뀌기 쉽고, 실제 기기에 적용시에는 이들 넓은 범위로부터 선택할 필요가 있기 때문에, 이들 특성은 중요하다.
이상으로, 본 발명자들은 먼저 -50℃ 이하의 냉각 온도를 목표로 작성한 비공비 혼합냉매(특허문헌 2 : 일본특허 제3934140호 공보, 특허문헌 3 : 일본특허 제3571296호 공보)를 베이스로 하여 검토하였다.
이 중, 특허문헌 3에 기재된 비공비 혼합냉매는 상온에서 응축가능한 부탄, 프로판 등에 대해, -50℃보다 낮은 비점을 갖는 퍼플루오로에탄(C2H6: R-116), 트리플루오로메탄(CHF3: R-23) 등을 조합하여, -60℃~-75℃의 고내 온도를 달성하며, 압축기의 토출압력도 15~25bar의 범위이어서, 안정된 특성을 발휘하는 것이었다.
또한, 부탄에 대해, 더 비점이 낮은 에탄(비점: -88.65℃), 에틸렌(비점: -103.2℃), 테트라플루오로메탄(R-14: 비점-128℃)과의 조합을 시도하였는데(특허문헌 2 : 특허 제3934140호 공보), 상온에서 응축하는 부탄에 대해, 에탄, 에틸렌, 및 R-14를 1~2종 선택한 조합은 냉동고내 온도 -50℃~-86℃를 달성하였지만, 에틸렌 및 R-14의 함유량이 증가함에 따라 압력이 급격히 상승하여 냉동기가 작동할 수 없게 되었다.
이는 고비점의 부탄에 대한 에틸렌이나 R-14의 비점차가 크고, 특히 에틸렌의 증기압이 높은 것이 영향을 미쳐 비공비 혼합냉매의 특성을 살린 사이클을 충분히 발휘할 수 없어, 이들 저비점 냉매의 응축이 진행되지 않기 때문이라고 생각된다.
이상의 결과로부터, 더욱 저온도인 -100℃ 이하의 냉각을 구현하기 위해서는 고비점 성분과 저비점 성분의 밸런스가 좋은 특허문헌 3에서 시도한 4성분계 냉매가 베이스로서 바람직하다고 생각되며, 더 비점이 낮은 냉매의 선택과 그들간의 조합, 조성을 검토하기로 하였다.
특허문헌 1 : 일본특허공개 평3-255856호 공보 특허문헌 2 : 일본특허 제3934140호 공보 특허문헌 3 : 일본특허 제3571296호 공보
일반적인 용량, 능력을 가진 단순한 구성의 냉동기에서, 특정 프론(CFC), 지정 프론(HCFC)을 포함하지 않는 냉매를 사용하여 -100℃~-150℃의 초저온도를 달성할 수 있는 비공비 혼합냉매의 구현을 발명의 과제로 한다.
또한, 냉동기의 구성으로서, 1대의 압축기에 의한 일원식 기액 분리를 수행하지 않고, 압축기로 귀환하는 복로의 냉매와 조리개 밸브로 향하는 왕로의 냉매와의 사이에서 열교환하는 냉동기의 구성에 의해 -100℃~-150℃의 초저온도를 달성가능하며, 또한, 당연하지만 기액분리기를 구비한 냉동기에서도 마찬가지로 적용가능한 비공비 냉매의 개발을 과제로 한다.
상온에서 방열하여 응축하는 고비점 냉매를 포함하는 베이스 냉매, 및 테트라플루오로메탄(R-14)으로 이루어지며,
베이스 냉매/R14가 95/5~60/40(베이스 냉매 + R14 중의 R-14가 5wt%~40wt%)인 비공비 혼합냉매에 있어서,
상기 베이스 냉매는 상온에서 응축하는 고비점 냉매인 프로판 + 부탄, 및 이에 대한 저비점 냉매인 트리플루오로메탄(R-23) + 퍼플루오로에탄(R-116)으로 이루어지며,
이 베이스 냉매는 프로판 + 부탄이 35wt~70wt%이며, 나머지가 R-23 + R-116이고,
R-23 + R-116 중의 R-23 = 70~15wt%, R-116 = 30~85wt%인 비공비 혼합냉매.
또한, 상기 비공비 혼합냉매에 더하여, 추가로 -120℃ 이하의 저온도를 달성하는 저비점 냉매로서,
상온에서 방열하여 응축하는 고비점 냉매를 포함하는 베이스 냉매, 및 테트라플루오로메탄(R-14), 메탄(R-50) 및 아르곤(R-740)으로 이루어지며,
베이스 냉매/R-14가 95/5~60/40(베이스 냉매 + R14 중의 R-14가 5wt%~40wt%)인 비공비 혼합냉매에 있어서,
이 베이스 냉매는 프로판 + 부탄이 35wt~70wt%이고, 나머지가 R-23 + R-116이며,
R-23 + R-116 중의 R-23 = 70~15wt%, R-116 = 30~85wt%이고,
R-50 및 R-740은 각각 1wt%~10wt%인 비공비 혼합냉매.
또한, -120℃~-150℃의 저온도를 달성하는 저비점 냉매로서,
상기 R-50 및 R-740은 각각 4wt%~10wt%인 비공비 혼합냉매.
또한, 압축기로 귀환하는 복로의 냉매와 조리개 밸브로 향하는 왕로의 냉매와의 사이에서 열교환하는 냉동기의 구성을 구비한, 냉동기에 적용되는 비공비 혼합냉매로서,
상기 각 조성으로 이루어진, 비공비 혼합냉매이다.
본 발명의 비공비 혼합냉매는 종래의 냉동기 시스템 하에서 구현되는 용량, 능력을 구비한 냉동기에 적용하여, -100℃~-150℃의 초저온도, 특히 -150℃의 초저온도를 용이하게 달성가능하며, 또한, 윤활유와의 상용성이 양호한 점 등 유지보수 면에서도 우수한 특성을 구비하여 장기간에 걸친 안정된 냉동기 시스템의 가동을 유지할 수 있다.
도 1은 실시예에 사용한 냉동기 시스템의 개략도.
도 2는 R-23, R-116, 프로판 및 부탄의 4성분계로 이루어진 베이스 냉매에 대한 R-14 첨가 효과를 나타낸 그래프.
도 3은 베이스 냉매 + R-14의 혼합냉매 중 R-14가 10%인 경우에 대한 메탄 + 아르곤 첨가 효과를 나타낸 그래프.
도 4는 베이스 냉매 + R-14의 혼합냉매 중 R-14가 20%인 경우에 대한 메탄 + 아르곤 첨가 효과를 나타낸 그래프.
도 5는 베이스 냉매 + R-14의 혼합냉매 중 R-14가 5%인 경우에 대한 메탄 + 아르곤 첨가 효과를 나타낸 그래프.
도 6은 베이스 냉매 + R-14의 혼합냉매 중 R-14가 40%인 경우에 대한 메탄 + 아르곤 첨가 효과를 나타낸 그래프.
상술한 바와 같이, -100℃~-150℃의 초저온도를 달성하는 비공비 혼합냉매는 상온에서 방열/응축하는 고비점 냉매에 이보다 저비점의 냉매를 조합한 비공비 혼합냉매를 베이스로 하여, 추가로 목적하는 저온도를 달성하는 저비점 냉매를 조합하여 구성하는데, 먼저 본 발명자들이 개발한 상기 특허문헌 3에 기재된 R-23 + R-116, 및 프로판 + 부탄의 4종 혼합 비공비 냉매가, 그 특성면에서 볼 때 비점이 더 낮은 냉매를 첨가하여 -100℃ 이하의 냉각 온도를 달성하는 냉매의 베이스로서, 또한, 마찬가지 방법으로 나아가 -150℃ 이하의 냉각 온도를 달성하는 베이스가 되는 냉매로서 바람직하다고 생각된다.
특허문헌 3(특허 제3571296호 공보)에 기재된 R-23, R-116, 프로판 및 부탄을 포함하는 비공비 혼합냉매에 대해 청구항 1에 기재한 내용은 다음과 같다.
(청구항 1)
"트리플루오로메탄(CHF3: R-23)과, 퍼플루오로에탄(C2F6: R-116)과, 프로판 및 n-부탄의 1종 이상을 포함하고, 상기 트리플루오로메탄과 퍼플루오로에탄의 혼합 비율을 트리플루오로메탄 70~15wt%, 퍼플루오로에탄 30~85wt%로 하여 이루어지며, 상기 프로판을 55~95wt%, 또는 n-부탄을 50~90wt%, 또는 양자를 35~70wt%로 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초저온용 냉매."
따라서, R-23, R-116, 프로판, 및 부탄을 모두 포함하는 4성분계 비공비 혼합냉매는 상온에서 방열/응축하는 고비점 냉매의 조합으로서, 프로판 + 부탄이 35~70wt%이고, 이에 대한 저비점 냉매를 조합한 R-23 + R-116이 나머지의 65~30wt%이어서, R-23 + R-116 중의 R-23 : 70~15wt%, R-116 : 30~80wt%이다.
이하, 상기 조성의 비공비 혼합냉매를 편의상 베이스 냉매라 칭한다.
상기 4성분계 비공비 혼합냉매는 이들 조성에서 -60℃ 이하의 냉각 온도가 달성되며, 그 냉각온도가 압축기 압력이 15~25 bar인 범위에서 달성되고 있기 때문에, 이들 4성분계 냉매를 베이스로 하여 그로 인해 달성되는 냉각온도에서 응축가능한 냉매를 선정하여 -100℃ 이하의 냉각온도를 달성하고, 이어 그 온도에서 응축가능한 냉매를 선정하여 나아가 -150℃의 저온도를 목표로 하는 비공비 혼합냉매의 성분과 조성을 책정하는 것을 검토하였다.
실용상, 이들 조합가능한 냉매의 종류는 어느 정도 한정되는데, 본 발명자들이 검토한 냉매와 그 특성을 표 1에 든다.
표-1 : 후보로 한 냉매와 그 특성
냉매기호 화학명칭 구조식 비점
(℃,1atm)		 임계온도
(℃)		 증기압
(MPa)
R-600 부탄 C4H10 -0.51 151.97 0.278, (40℃)
R-290 프로판 C3H8 -42.07 96.62 1.269, (40℃)
R-116 퍼플루오로에탄 CF3CF3 -78.15 19.65 2.981, (19.65℃)
R-23 트리플루오로메탄 CHF3 -82.15 25.85 4.715, (25℃)
R-1150 에틸렌 C2H4 -103.50 9.2 5.2(9.9℃)
R-170 에탄 C2H6 -88.65 32.2 3.8(21℃)
R-14 테트라플루오로메탄 CF4 -127.85 -45.55 3.69(21℃)
Kr 크립톤 - -153.4 -63.8 -
R-50 메탄 CH4 -161.48 -82.595 34.899(40℃)
R-740 아르곤 - -185.8 -122.45 -
-100℃ 이하의 냉각온도를 달성하기 위해 베이스 냉매에 조합시키는 저비점 냉매로서, 이들 중 에틸렌은 임계온도가 높지만, 비점도 약간 높을 뿐만 아니라 증기압이 높고,
이전 실험에서도 이들 성질이 냉동기 운전상 압력을 상승시킨 원인으로 생각되어 제외하였다.
이에 반해, R-14는 증기압이 낮고, 그 임계온도로부터 비공비 혼합냉매로서 베이스 냉매가 달성하는 냉각 온도 -60~-75℃에서 넓은 함유량 범위에 걸쳐 응축가능하여서, 더욱 저온도를 달성가능하다고 생각된다.
실시예 1
(1) -100℃ 이하의 냉각 온도를 달성하는 비공비 혼합냉매.
상기 베이스 냉매에 대해 R-14를 첨가한 조성 및 냉동기에 의해 달성된 냉각 온도 등의 결과를 표 2에 나타낸다.
실험설비는 도 1의 개략도에 나타낸 냉동기의 구성을 사용하였다.
본 냉동기는 실제로 의료용 생체 조직의 보존에도 사용되고 있는 것으로서, 그 업무용으로서의 신뢰성을 확보하기 위해, 냉동기 중의 냉매의 순환경로는 압축기로부터 증발기, 냉동고를 거쳐 압축기로 되돌아올 때까지의 구성은 전부 2중으로 되어 있다(냉동고는 1대로 공통.). 이 때문에, 압력의 측정 부위는 각각 2군데씩 배치하여 1차측과 2차측으로 하여 측정하였다.
따라서, 냉매는 총량 1,000g이 이 양 경로에 따라 500g씩 양분되어 개별적으로 냉동기 시스템을 순환하며, 하나의 냉동고에 도입되어 냉각한다. 따라서, 각각의 경로로 온도나 압력을 측정하여 각각의 값을 비교함으로써 냉동기의 운전상태를 통해 냉매의 거동을 관측할 수 있다는 잇점이 있다.
예를 들어, 실제 기기 운전에서의 이들 1차측과 2차측의 조리개 밸브(캐필러리) 출구 온도와 고내 중심온도의 측정값 차이는 매우 작아(1℃ 이하), 본 발명의 비공비 냉매의 냉각능력이 최대한으로 달성되며, 이들 냉매의 취급용이성, 냉동기의 운전상태가 안정된 것임을 확인할 수 있었는데, 한편, 각각의 경로의 압력조건에 대해 고압측, 저압측 모두 기동시 이외에도 변동이 보였다.
이들 압력 변화는 상세한 부분은 불명확하지만 저비점 냉매의 응축 조건을 민감하게 반영하고 있다고 생각되며, 특히 냉매의 조성이 바람직한 범위의 한계 근방으로부터 현저하게 나타나기 때문에, 냉매 조성의 바람직한 범위, 실용한계를 평가, 판정함에 있어서 참고가 되었다.
베이스 냉매로서 상기 공지의 4성분계 비공비 혼합냉매를 사용하여, 실시예로서 다음과 같은 조성으로 하였다.
프로판 + 부탄이 60wt%, R-23 + R-116이 나머지의 40wt%로서,
프로판 + 부탄의 프로판/부탄 = 25/75(베이스 냉매 총량 중의 프로판: 15.0wt%, 부탄: 45.0wt%), R-23 + R-116의 R-23/R-116 = 39/61(베이스 냉매 총량중의 R-23: 15.6wt%, R-116: 24.4wt%)의 조성으로 이루어진 4성분계 비공비 혼합냉매를 베이스로 하였다.
또한, 냉매 혼합량은 각각 목적으로 하는 wt%량의 전후에서 각각 ± 5g씩 바꾸면서 측정하여 그 영향을 확인하였다.
표-2 : 베이스 냉매 + R-14의 조성 및 냉동기에서의 각 부의 측정값
냉매혼합량
%(g)		 고압측 압력
(bar)		 저압측 압력
(bar)		 (1)고내온도(℃)
 각 부위 온도(℃)
베이스
냉매		 R-14 1차 2차 1차 2차 ③고압 출구 ④저압 입구 ⑤열교환기 입구 ⑥열교환기 출구
95
(475)		 (20) 6.3 6.3 0.1 0.7 -98.1 86.9 32.2 32.8 32.0
5(25) 6.2 6.4 0.1 0.7 -100.5 85.7 31.5 32.4 31.4
(30) 6.1 6.3 0.1 0.7 -101.5 86.8 31.4 31.9 31.1
90
(450)		 (45) 6.8 6.5 0.1 0.6 -106.1 88.7 32.2 33.4 32.0
10(50) 6.6 6.9 0.1 0.5 -108.4 87.6 31.6 32.2 31.3
(55)\ 6.5 6.5 0.1 0.5 -110.0 85.5 30.6 32.0 30.6
80
(400)		 (95) 7.9 7.9 0.1 0.5 -114.7 89.6 29.3 29.6 29.0
20(100) 7.8 8.1 0.1 0.6 -115.5 90.0 29.0 29.5 28.8
(105) 7.6 8.1 0.1 0.8 -116.1 89.1 28.9 29.0 28.5
70
(350)		 (145) 9.5 9.6 0.1 0.8 -115.5 95.7 30.2 30.4 30.1
30(150) 9.3 9.6 0.1 0.7 -116.0 95.8 30.4 30.8 30.4
(155) 9.4 9.8 0.1 0.8 -116.1 96.0 30.7 31.1 30.5
60
(300)		 (195) 10.0 10.4 0.1 0.5 -117.1 99.3 30.4 30.8 30.2
40(200) 9.8 10.4 0.1 0.7 -117.6 99.1 30.4 30.6 30.0
(205) 9.9 10.1 0.1 0.6 -117.9 99.2 29.9 30.1 29.6
냉매 총량 : 500×2(1차 + 2차) : 합계 1,000g, 1bar=0.1MPa
고내 온도는 냉동고내 중심에서 측정하였다. 또한, 고내 온도는 캐필러리 출구온도에 대해, 1℃ 이내의 차로서, 거의 정상운전의 조건을 만족하였다.
캐필러리 출구온도는 비공비 혼합냉매 중의 가장 비점이 낮은 성분(조성)이 증발하는 영역이며, 그 후에는 증발기 중에서 기화함에 따라 조성이 고비점측으로 이행하고, 잔존하는 액상 중의 냉매 성분은 보다 고비점측으로 이행하여 혼합냉매의 비점은 상승하기 때문에, 이 캐필러리 출구온도 근방이 냉매가 순환하는 냉동기의 경로 중에서 가장 저온도가 되는 것으로 생각되는데, 냉동기의 정상운전 상태에서는 고내 중심 온도와 비교하여 최대 ± 1℃ 이하의 차로서, 이들 저비점 성분의 응축이 충분히 이루어지고 있음을 나타내고 있다.
표-2의 측정결과에서,
고압측 출구(3)는 압축된 냉매 가스의 온도이기 때문에 고온인데, 저압 입구(4), 열교환기 입구(5) 및 열교환기 출구(6)의 측정온도는 각각 열교환 후의 냉매 가스, 응축기에 의해 방열 후의 냉매 가스, 및 열교환기에서 왕로의 냉매와 열교환 후의 냉매가스의 온도로서, 이들 냉매가스의 온도가 (5)>(6)≒(4)이어서 온도차가 극히 작기 때문에, 열교환이 매우 효과적으로 이루어지고 있음을 알 수 있다.
또한, 열교환기를 거쳐 열교환 후에 증발기로 향하는 냉매 온도는 외기 온도를 차단하는 구조이기 때문에 측정할 수 없었는데, 고내 온도가 -100℃ 이하이므로, 최종적으로 그 근방으로까지 냉각된다고 생각되며, 이들은 R-14의 비점에 가까우며, 또한, 후술하는 바와 같이 압력값이 낮게 유지되고 있기 때문에, R-14가 그 조성 범위에서 효과적으로 냉각, 응축되고 있음을 알 수 있다.
이상의 데이터를, 베이스 냉매에 대한 R-14 첨가량에 대해, 고내 중심 온도, 고압측 압력, 저압측 압력에 관해 각각 도 2의 그래프에 나타낸다.
이들 데이터 및 도 2로부터, 베이스 냉매에 대한 R-14 첨가의 효과는 R-14 함유량 5~40%라는 넓은 범위에서 고내 중심 온도가 거의 -100℃~-120℃ 근방인 범위에서 달성되며, 게다가, 그동안의 압력이 정상운전 상태에서 6~10bar라는 매우 낮은 값으로 유지되고 있어, 이들 비공비 혼합냉매의 응축이 달성되고 있음을 알 수 있다.
이 특성은 -100℃~-110℃이라는 저온도를 달성하는 냉매로서 냉동기의 능력, 용량에 대해 여유가 있을 뿐만 아니라, 안정된 조업이 가능하여서 매우 우수한 성질이다.
이 냉각온도영역을 달성할 수 있는 혼합냉매의 조성 범위는 상기의 4성분계 베이스 냉매에 대해 R-14의 함유량으로서 5wt%~40wt%에 이른다.
이들 조성 범위의 상하에 있어서도 또한 이들 저온도를 유지하는데, 5wt% 미만의 영역에서는 -100℃ 부근으로부터 온도가 상승하는 경향이 있으며, 또한, 40wt% 근방에서 -117℃ 이하의 온도를 유지하지만, 압력이 약간 상승하는 경향이 있기 때문에, R-14 함유량은 이들 범위: 5wt%~40wt%가 실용 범위라 할 수 있다.
또한, 이들 범위에 있어서도 압력값은 여전히 10bar 이하로서, 실용상 매우 우수한 특성임과 아울러, 더욱 저온도를 달성하기 위한 베이스가 되는 냉매로서 바람직하다고 생각된다.
이상으로부터, 본 발명의 -100℃ 이하의 저온도를 달성하는 비공비 혼합냉매로서,
고비점 냉매인 베이스 냉매와 저비점 냉매인 R-14로 이루어지며, R-14를 5wt%~40wt% 함유(베이스 냉매/R-14가 95/5~60/40)하는, 비공비 혼합냉매가 제안된다.
단, 상기에 있어, 베이스 냉매는 상온에서 응축되는 고비점 냉매인 프로판 + 부탄, 및 이에 대한 저비점 냉매인 R-23 + R-116으로 이루어지며,
이 베이스 냉매에서의 프로판 + 부탄이 35wt%~70wt%이고, 나머지가 R-23 + R-116이며,
R-23 + R-116 중의 R-23이 70wt%~15wt%, R-116이 30wt%~85wt%이다.
또한, 이상의 결과로부터, 이 혼합냉매를 그 조성 범위 내에서 더 비점이 낮은 냉매와 조합하여 냉각 온도를 저하시키는 것이 가능하다.
따라서, 이 안정된 조건에서 달성될 수 있는 -100℃ 이하의 냉각온도에 의해 응축가능한 저비점 냉매로서, 임계 온도 -82℃의 메탄(R-50)이 응축가능하다고 생각되며, 더욱 냉각온도를 저하시킬 뿐만 아니라, 이 메탄과 함께 더 비점이 낮은 임계온도 -122.45℃의 아르곤(R-740)과의 조합을 시도하였다.
실시예 2
(2) -120℃~-150℃를 달성하는 비공비 혼합냉매.
베이스 냉매 + R-14의 비공비 냉매에 대해, 메탄, 및 아르곤을 첨가하여, -120℃~-150℃의 냉각 온도, 고내 온도를 달성하는 냉매를 시도하였다. 조성 및 냉동기에서의 결과를 하기의 표 3 및 표 4에 나타낸다.
냉동기의 구성 및 시험 조건은 상기 베이스 냉매와 R-14의 혼합냉매의 실험과 동일하게 하고, 조성의 변동에 대한 변화를 확인하기 위해 마찬가지로 베이스 냉매 + R-14의 비공비 냉매에 대한 R-50 + R-740의 첨가량을 각각 1wt%~9wt%의 혼합 비율에 대해 상하 ± 5g의 폭으로 첨가하여 함유량의 증감에 대한 변화를 측정하였다.
표-3에는 베이스 냉매/R-14의 비율이 90/10, 80/20인 경우에 대해, 또한 표-4에는 이들 상한 및 하한의 범위를 확인하기 위해, 동일하게 비율이 95/5 및 60/40인 경우에 대해 조성과 측정값을 나타낸다.
또한, 표-3 및 4에서, 냉매의 조성란에는 냉매 전체의 조성을 나타내기 때문에, 각각의 냉매의 경로별로 도입한 냉매의 전체 냉매 중의 wt%와 함께 그 그램수를 (g)으로 나타내었다.
표-3 : 베이스 냉매 + R-14에 대한 메탄 및 아르곤을 첨가한 조성과 냉동기에 의한 운전결과(베이스 냉매/R-14의 비율이 90/10, 80/20)
베이스 냉매/R14 = 90/10
베이스 냉매
%(g)		 R-14
%(g)		 R-50
%(g)		 R-740
%(g)		 고압측 압력(bar)
1차/2차		 저압측 압력
(bar)
1차/2차		 고내 온도
(℃)		 각 부위 온도(℃)
③고압 출구 ④저압 입구 ⑤열교환기 입구 ⑥열교환기 출구

88(441)
10(49)		 0 0 6.8/6.4 0.1/0.6 -109 86.3 30.4 30 30.3
1(5) 1(5) 8.2/8.6 0.1/0.8 -121.2 93.6 31.8 32.8 31.4
(10) (10) 9.6/9.3 0.1/0.8 -133 97.3 30.9 30.9 30.3

85(423)
9(47)
 (10) 10 9.4/10.6 0.1/0.7 -134.2 95.4 30.6 31.1 30.5
3(15) 3(15) 10.8/11.3 0.1/0.6 -142.1 94.3 25.6 25.7 25.4
(20) (20) 12.2/11.5 0.1/0.7 -148.8 96.3 24.2 32.8 25.7

79(396)
9(44)
 (25) (25) 13.3/12.7 0.1/0.7 -149.7 107.5 24.5 32.7 24.9
6(30) 6(30) 12.5/11.9 0.2/0.8 -156.4 112.5 30.2 30.7 29.8
(35) (35) 13.6/13.7 0.4/0.9 -154.6 112.6 29.8 33.1 29.6

72(360)
8(40)
 9(45) 9(45) 12.7/13.5 0.4/0.5 -158.7 125.2 28.9 32.3 29.1
아르곤, 메탄 각 10%를 초과하며, 고내 온도 max -158℃ 근방에서 작동상태가 불안정하게 되었다.
베이스 냉매/R14 = 80/20

78(392)
20(98)
 0 0 8.2/8.5 0.1/0.7 -114.5 92.5 31.6 31.8 31.4
1(5) 1(5) 10.8/10.2 0.1/0.7 -127.3 101.1 30.8 31.6 31.1
(10) (10) 10.9/11.0 0.1/0.7 -135.6 100.3 30.7 31.4 30.8

75(376)
19(94)
 (10) (10) 10.8/11.1 0.1/0.7 -135.6 98.6 32.4 33.4 32.6
3(15) 3(15) 10.3/11.2 0.1/0.8 -143.1 100.9 30 32.3 30.2
(20) (20) 11.1/11.4 0.1/0.9 -148.3 99.8 29.4 30.4 29.4

70(352)
18(88)
 (25) 25 17.3/16.8 0.6/0.7 -142.4 118.8 34.1 35.4 34.1
6(30) 6(30) 13.8/13.4 0.3/0.5 -152.9 117.1 30 30.1 29.6
(35) (35) 14.0/13.5 0.3/0.6 -155.9 118 30.1 30.9 29.7

64(320)
16(80)
 9(45) 9(45) 17.9/18.1 0.6/0.7 -153 127.8 30.5 30.8 30.6
아르곤, 메탄 각 10%를 초과하며, 고내 온도 -153℃ 근방에서 작동상태가 불안정하게 되었다.
표-4 : 베이스 냉매 + R-14에 대한 메탄 및 아르곤을 첨가한 조성과 냉동기에 의한 운전결과(베이스 냉매/R-14의 비율이 95/5, 60/40)
베이스 냉매/R14 = 95/5
베이스 냉매
%(g)		 R-14
%(g)		 R-50
%(g)		 R-740
%(g)		 고압측
압력
(bar)
1차/2차		 저압측
압력
(bar)
1차/2차		 고내
온도
(℃)		 각 부위 온도(℃)
③고압 출구 ④저압 입구 ⑤열교환기 입구 ⑥열교환기 출구

93(466)
4(25)		 0 0 5.9/6.2 -0.1/-0.1 -96.2 88.3 31.8 31.9 31.4
1(5) 1(5) 8.0/8.7 -0.1/-0.1 -116.1 92.7 31.0 31.8 30.6
(10) (10) 8.1/10.4 -0.1/0.1 -128.0 91.4 29.1 31.1 28.3

89(447)
5(24)
 (10) (10) 9.7/9.7 -0.1/-0.1 -127.7 93.7 29.6 31.2 29.0
3(15) 3(15) 12.9/13.3 -0.1/0.2 -135.3 104.1 18.1 33.5 17.0
(20) (20) 13.6/14.4 0.3/0.2 -142.3 98.2 22.3 28.1 24.9

84(418)
4(22)
 (25) (25) 14.0/13.9 0.5/0.3 -144.7 118.1 29.8 31.8 29.0
6(30) 6(30) 12.5/15.7 0.6/0.2 -152.1 123.1 26.0 32.3 26.8
(35) (35) 12.8/13.2 0.4/0.2 -153.1 113.7 27.7 30.8 26.8

76(380)
4(20)
 9(45) 9(45) 14.0/13.7 0.5/0.5 -157.5 109.5 30.9 31.3 30.4
아르곤, 메탄 각 10%를 초과하면 작동상태가 불안정하게 되어, 각 15% 근방에서 작동 불능.
베이스 냉매/R14 = 60/40

59(294)
39(196)
 0 0 12.1/12.1 0.1/0.1 -111.6 106.4 30.6 30.7 30.3
1(5) 1(5) 12.0/13.4 0.1/0.2 -122.0 108.3 30.4 30.5 29.8
(10) (10) 12.2/14.9 0.1/0.3 -131.5 109.5 30.7 30.1 30.0

56(282)
38(188)
 (10) (10) 15.6/16.0 0.4/0.4 -125.6 119.5 31.1 31.1 30.6
3(15) 3(15) 15.5/13.7 0.4/0.3 -136.1 122.0 31.7 32.3 31.2
(20) (20) 14.9/14.8 0.4/0.3 -143.4 121.7 30.6 30.1 30.5

53(264)
35(176)
 (25) (25) 16.5/15.8 0.5/0.5 -146.2 122.8 30.8 31.5 30.1
6(30) 6(30) 18.4/18.0 0.6/0.6 -146.6 127.4 30.3 30.7 29.4
(35) (35) 18.4/18.1 0.7/0.6 -148.5 129.2 30.9 31.8 30.0

48(240)
32(160)
 9(45) 9(45) 22.6/10.4 1.0/0.1 -146.7 145.7 32.6 33.2 32.0
아르곤, 메탄 각 10%를 초과하면 작동상태가 불안정하게 되어, 각 15% 근방에서 작동 불능.
이상의 결과를 베이스 냉매/R-14가 90/10인 경우에 대해 도 3의 그래프에, 베이스 냉매/R-14가 80/20인 경우에 대해 도 4의 그래프에 각각 나타내었다.
또한, 베이스 냉매/R-14가 95/5인 경우에 대해 도 5의 그래프에, 베이스 냉매/R-14가 60/40인 경우에 대해 도 6의 그래프에 각각 나타내었다.
(실험결과)
표-3의 베이스 냉매/R-14가 90/10인 경우에는 R-50 및 R-740이 첨가되면 급격히 고내 온도가 저하되기 시작하여, 함유량 1wt%(합계 2wt%)에서 고내 온도 -120℃를 초과하며, 그 함유량의 증가에 대응하여 4wt%(합계 8wt%)를 초과하여 고내 온도도 -150℃를 초과할 때까지 원활하게 고내 온도가 저하되고 있으며, 각각 5wt%(합계 10wt%)를 초과할 때까지 -150℃ 이하의 고내 온도를 유지하여 그 첨가효과가 나타나 있다. 그 효과는 1% 미만에서도 명료하게 나타내며, 1wt%를 초과하면 베이스 냉매 + R-14에 대해 -120℃ 이하로 하는 냉각효과가 확인된다.
고압측, 저압측의 압력도 각각의 함유량 10wt%에 이를 때까지는 1차, 2차의 경로별로 거의 차이는 없지만, 함유량이 10wt%를 초과하면 모두 압력값이 변동하기 시작하여 불안정하게 되며, 그 영향을 받아 1차, 2차 경로에서의 측정값에 차가 나타나고 있다.
이들 결과로부터, R-50 및 R-740의 첨가는 미량으로도 효과가 나타나는데, -120℃ 이하의 저온도를 달성함에 있어 함유량의 바람직한 범위는 각각 1~10%로 판단된다.
마찬가지로, 표-3의 베이스 냉매/R-14가 80/20일 경우에도, R-50 및 R-740의 함유량의 증가에 대응하여 -150℃를 초과할 때까지 원활하게 고내 온도가 저하되고 있어, 이들 저비점 냉매 첨가의 효과가 나타나고 있으며, 이들 함유량 범위가 10%를 초과하면 냉동기의 작동이 불안정하게 되어 있다.
이들 결과를 도 3의 그래프에 나타낸다.
도 3의 그래프에 나타낸 바와 같이, 베이스 냉매 + R-14의 베이스 냉매/R-14가 90/10일 경우, 메탄 및 아르곤의 함유량이 각각 4wt%를 초과하여 10wt%(합계: 8wt%를 초과하여 20wt%)에서 고내 온도 -150℃를 초과하며, 압력도 11~13bar의 낮은 범위에 머물러 있다.
또한, 이들 압력값은 고압측에서는 거의 차이를 볼 수 없기 때문에 1차측의 압력값만 작성하였다. 또한, 저압측 압력은 1차측과 2차측에서 차이가 나타났기 때문에 각각 작성하였는데, 본래 압력값이 작기 때문에 상대적으로 차이가 나타나기 쉬우므로 실용상 문제가 되는 것은 아니다. 이하, 도 4 이하에서도 마찬가지이다.
또한, 도 4의 그래프에 나타낸 바와 같이, 베이스 냉매 + R-14의 베이스 냉매/R-14가 80/20인 영역에서도 마찬가지로 메탄 및 아르곤의 함유량이 각각 4wt% 초과~10wt%(합계 8wt%를 초과~20wt%)인 범위에서 고내 온도 -150℃ 이하를 달성하며, 평탄(flat)한 특성을 나타내어 안정적이지만, 압력은 메탄 + 아르곤이 6wt% 부근인 10bar로부터 직선적으로 상승하여 메탄 + 아르곤의 함유량이 20wt% 부근에서 거의 18bar 근방까지 상승하므로, 냉동기의 운전상태가 불안정하게 되었다.
이들 실험에서의 압력값은 모두 최대 13bar 및 18bar 정도이어서, 압력을 더 올려 고내 온도의 저하도 진행가능하다고 생각되지만, 냉동기의 운전상태가 불안정하게 되었기 때문에, 실제 기기 운전상 이들 조성범위를 잠정적인 실용범위로 하였다.
이상으로부터, 베이스 냉매 + R-14의 냉매에 대한 메탄, 아르곤의 효과는 미량으로도 표시되며, 메탄, 아르곤의 함유량이 각각 1wt%(합계 2wt%) 이상에서 냉각온도 -120℃ 이하가 달성되고, 추가로 각각 4wt% 이상에서 -150℃ 근방에 달하며, 10wt%에서 -150℃ 이하를 달성한다.
이어, 베이스 냉매/R-14의 비율에 대해 바람직한 범위의 상한/하한을 확인하기 위해, 표-4에 든 바와 같이, 베이스 냉매/R-14가 95/5, 및 60/40인 범위에서 메탄(R-50) 및 아르곤(R-740)을 각각 1wt%~10wt%(합계 2wt%~20wt%) 첨가하여 효과를 확인하였다. R-50 및 R-740의 첨가량은 마찬가지로 각각 1wt%~10wt%에 대해 ±5g씩 증감하여 그 영향을 확인하였다.
표-4의 베이스 냉매/R-14가 95/5인 경우에는 메탄 및 아르곤의 첨가 효과가 1wt%(합계 2wt%)에서 -120℃를 초과하며, 고내 온도 -150℃를 초과할 때까지 냉각효과가 확인되는데, 압력값이 변동되기 쉽고, 특히 그 함유량이 증가함에 따라 그 영향이 커지게 되며, 함유량 10wt%(합계 20wt%)를 초과하면 냉동기는 작동 곤란하게 되어 실험을 정지하였다.
1차 및 2차측의 냉매의 압력값에 차이가 나타나는 것은 그들의 영향이다. 이들 결과를 작성한 도 5의 그래프에서는 각각 1차측과 2차측에서 고압측 압력값이 다른 상태를 나타내며, 그래프가 상하로 나뉘어 있는 것으로 나타나 있다. 또한, 저압측 압력값도 1차측과 2차측으로 나뉘어 있는데, 미소한 압력이기 때문에 냉동기의 운전조건에 따라 민감하게 변동하므로, 실제적으로 문제가 되지 않는다.
고내 온도에 대해서는 비교적 안정적으로 상기 범위와 마찬가지로 냉각효과가 확인되는데, 이들 결과로부터 알 수 있듯이, 베이스 냉매에 대한 R-14의 비율은 5%가 실용하한이며, 메탄 및 아르곤 효과는 미량으로도 나타나는데, -120℃ 이하의 냉각 온도를 달성함에 있어, 함유량은 상기와 마찬가지로 각각 실용상의 바람직한 범위는 거의 1wt%~10%(합계 2wt%~20%), 나아가 -150℃ 근방의 저온도를 달성함에 있어 바람직한 범위는 메탄 및 아르곤이 각각 4wt%~10wt%이다.
또한, 표-4의 베이스 냉매/R-14가 60/40인 경우에는 베이스 냉매 + R-14에 대해 메탄 및 아르곤의 첨가 효과가 미량으로도 나타나며, 그 함유량과 함께 고내 온도가 저하되는데, 냉각온도는 -150℃ 근방에 달한다.
또한, 베이스 냉매/R-14의 R-14가 5wt%인 경우와 마찬가지로, 메탄 및 아르곤의 함유량이 증가함에 따라 압력값이 변동하기 쉽고, 특히 그 함유량이 증가함에 따라 그 영향이 커지게 되며, 함유량 10wt%, 합계 20wt%를 초과하면 냉동기는 작동불량이 되어 실험을 정지하였다.
이들 영향은 1차, 2차측 냉매의 고압측 압력값의 차이에 나타나며, 도 6의 그래프에도 그 결과 압력값이 양분되어 나타나 있다
이들 결과로부터 알 수 있듯이, 베이스 냉매/R-14에서의 R-14의 비율은 40wt%가 실용상한이며, 메탄 및 아르곤 효과는 미량으로도 나타나는데, -120℃ 이하의 냉각온도를 달성함에 있어 함유량은 상기와 마찬가지로 각각 1wt%~10wt%(합계 2wt%~20wt%)가 실용상의 바람직한 범위이며, -150℃ 근방의 냉각온도를 달성하기 위해서는 각각 4wt%~10wt%가 바람직한 범위이다.
이상의 실험에서는 베이스 냉매 + R-14의 조성에 대해, 베이스 냉매 + R-14에서의 R-14가 5wt%~40wt%인 범위에서 목적하는 -100℃ 이하의 냉각온도를 달성하는 비공비 냉매로서 실용성을 갖는 것을 확인하였는데,
더욱 저온도를 달성하는 냉매로서, 상기 베이스 냉매 + R-14의 혼합냉매를 베이스로 하여, 추가로 저비점의 메탄(R-50) 및 아르곤(R740)을 첨가하는 것이 유효하며, -120℃ 이하의 냉각온도를 달성하는 함유량으로서 냉매 총량에 대해 각각 1wt%~10wt%(메탄 및 아르곤을 거의 동량으로 하여, 합계 2wt%~20wt%) 첨가한 비공비 혼합냉매가 유용하고, 나아가 이들 R-50 및 R740의 함유량을 4wt%~10wt%로 함으로써 -150℃ 근방의 저온도를 달성할 수 있었다.
이상으로부터, 본 발명의 -100℃ 이하의 저온도를 달성하는 비공비 혼합냉매로서,
베이스 냉매와 R-14로 이루어지고, 베이스 냉매/R-14를 95/5~60/40(R-14를 5~40wt% 함유한다)로 한 비공비 혼합냉매이며, 또한, 더 낮은 냉각 온도를 달성하는 비공비 혼합냉매로서, 베이스 냉매와 R-14 및 R-50 + R-740로 이루어진 비공비 혼합냉매가 제안되어, 베이스 냉매/R-14가 95/5~60/40이며, R-50 및 R-740을 각각 10wt%(합계 20wt%)이하 함유하는 비공비 혼합냉매에 있어서,
특히, -120℃ 이하의 냉각온도를 달성하는 조성으로서 상기 R-50 및 R-740을 각각 1wt%~10wt% 함유하며, 또한 -150℃ 근방의 냉각 온도를 달성하는 비공비 혼합 용매로서, 상기 R-50 및 R-740을 각각 4wt%~10wt%(합계 8wt%~20wt%)로 한 비공비 혼합냉매이다.
근래 현저하게 진전된 의료용이나 바이오테크놀로지 분야에서 생체조직이나 생물조직 등의 보존에 요구되는 조건을 만족할 수 있어, 이들 광범위한 생산분야에서 발전에 이바지할 수 있다.
1 : 압축기(콤프레서)
2 : 응축기(콘덴서)
3 : 조리개 밸브(캐필러리 튜브)
4 : 증발기(에바포레이터)
5 : 냉동고
6 : 열교환기
7 : 열교환기 접합부
8 : 왕로관(압축기→증발기)
9 : 복로관(증발기→압축기)
10 : 단열층
(1) 조리개 밸브(캐필러리) 출구온도 측정점
(2) 냉동고 중심온도 측정점
(3) 압축기 고압측 출구(토출)온도 측정점
(4) 압축기 저압측 입구(흡입)온도 측정점
(5) 열교환기 입구(왕로관)온도 측정점
(6) 열교환기 출구(복로관)온도 측정점
A : 고압측 압력 측정점
B : 저압측 압력 측정점

Claims (5)

  1. 상온에서 방열하여 응축하는 고비점 냉매를 포함하는 베이스 냉매, 및 저비점 냉매의 R-14로 이루어지며,
    베이스 냉매/R14가 95/5~60/40(베이스 냉매 + R14 중의 R-14가 5wt%~40wt%)인 비공비 혼합냉매에 있어서,
    상기 베이스 냉매는 상온에서 응축하는 고비점 냉매인 부탄 + 프로판, 및 이에 대한 저비점 냉매인 R-23 + R-116으로 이루어지며,
    이 베이스 냉매에서의 부탄 + 프로판이 35wt~70wt%이고, 나머지가 R-23 + R-116이며,
    R-23 + R-116 중의 R-23가 70~15wt%이며, R-116이 30~85wt%인 비공비 혼합냉매.
  2. 상온에서 방열하여 응축하는 고비점 냉매를 포함하는 베이스 냉매, 저비점 냉매인 R-14, 및 더욱 초저온도를 달성하는 저비점 냉매인 R-50 + R-740으로 이루어진 비공비 혼합냉매로서,
    베이스 냉매/R-14가 95/5~60/40(베이스 냉매 + R-14 중의 R-14가 5wt%~40wt%)인 비공비 혼합냉매에 있어서,
    상기 베이스 냉매는 상온에서 응축하는 고비점 냉매인 부탄 + 프로판, 및 이에 대한 저비점 냉매인 R-23 + R-116으로 이루어지며,
    이 베이스 냉매에서의 부탄 + 프로판이 35wt~70wt%이고, 나머지가 R-23 + R-116이며,
    R-23 + R-116 중의 R-23이 70~15wt%, R-116이 30~85wt%이고,
    냉매 총량 중의 R-50 및 R-740의 함유량이 각각 10wt%(합계 20wt%)이하인 비공비 혼합냉매.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉매 총량 중의 R-50 및 R-740의 함유량이 각각 1wt%~10wt%(합계 2wt%~20wt%)인 비공비 혼합냉매.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉매 총량 중의 R-50 및 R-740의 함유량이 각각 4wt%~10wt%(합계 4wt%~20wt%)인 비공비 혼합냉매.
  5. 압축기로 귀환하는 복로의 냉매와 조리개 밸브로 향하는 왕로의 냉매와의 사이에서 열교환하는 냉동기의 구성을 구비한, 냉동기에 적용되는 비공비 혼합냉매로서,
    제 1 항~제 4 항 중 어느 한 항의 각 조성으로 이루어진, 비공비 혼합냉매.
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