KR20230085672A

KR20230085672A - 공조 장치용 냉매 조성물

Info

Publication number: KR20230085672A
Application number: KR1020210174076A
Authority: KR
Inventors: 최금배; 박찬욱; 류진우; 김동호; 이공훈
Original assignee: 와이엠레미 주식회사; 한국기계연구원
Priority date: 2021-12-07
Filing date: 2021-12-07
Publication date: 2023-06-14
Also published as: WO2023106700A1

Abstract

본 발명은 R410A와 유사한 특성을 가지고 있으며, GWP가 충분히 작으며, 트리플루오르에텐과 트리플루오로아이오도메탄을 포함하여 이루어지는 공조 장치용 냉매 조성물에 관한 것이다.

Description

공조 장치용 냉매 조성물{Refrigerant Composition For Air Conditioner}

본 발명은 공조 장치용 냉매 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 트리플루오르에텐과 트리플루오로요오도메탄을 포함하는 공조 장치용 냉매 조성물에 관한 것이다.

에어컨 등의 공조 장치(이하에서 "공조 장치"라 함)용 냉매로서 현재, R410A, R1234yf 등이 이용되고 있다. R410A는, 디플루오로메탄(CH2F2; HFC-32또는 R32)과 펜타플루오로에탄(C2HF5; HFC-125 또는 R125)의 2성분 혼합 냉매이며, 근공비 조성물이다.

그러나 R410A의 지구 온난화 계수(GWP)는 2088이고, 지구 온난화에 대한 우려가 고조됨에 따라 GWP가 675인 R32가 보다 많이 사용되고 있다. 이 때문에, R410A를 대체 가능한 저(低)GWP 혼합 냉매가 요구되고 있다.

국제 공개번호 제2015-186557호 대한민국 공개번호 제10-2020-0098614호 공개특허공보

본 발명은 상기와 같은 종래 기술이 가지는 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, R410A와 동등, R1234yf 보다 우수한 냉동 능력(Cooling Capacity 또는 Capacity로 표기되는 경우도 있음)을 갖고, GWP가 충분히 작으며, 미연성(微燃性)(A2L 클래스)이라는 안전성을 가지며, 냉매에 통상 요구되는 제반 특성에 더하여, R410A 또는 R1234yf에 사용되는 공조 장치를 그대로 사용하거나 약간 개조를 하여 사용할 수 있는 냉매 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 위하여, 본 발명은 트리플루오르에텐과 트리플루오로아이오도메탄을 포함하여 이루어지는 공조 장치용 냉매 조성물을 제공한다.

상기에서, 트리플루오르에텐은 65∼75wt％이고, 트리플루오로아이오도메탄은 25∼35wt％인 것을 특징으로 한다.

상기에서, 트리플루오르에텐은 70wt％이고, 트리플루오로아이오도메탄은 30wt％인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르는 공조 장치용 냉매 조성물은 R410A와 동등, R1234yf 보다 우수한 냉각 능력을 갖고, GWP가 충분히 작으며, 또한 ASHRAE의 규격으로 미연성(A2L 클래스)이며, 오존 파괴 지수(ODP)가 0이며, 제조가 간단하며, R410A 또는 R1234yf에 사용되는 공조 장치의 개조나 변경없이 대체하는 것이 가능한 효과가 있다.

도 1은 혼합 비율별 포화증기압을 도시한 그래프이며,
도 2는 혼합 비율별 비점을 도시한 그래프이며,
도 3은 0℃에서 혼합 비율별 체적용량을 도시한 그래프이며,
도 4는 -30℃에서 혼합 비율별 체적용량을 도시한 그래프이며,
도 5는 혼합 비율별 연소열을 도시한 그래프이다.

본 발명의 설명에 사용되는 모든 기술적 용어들 및 과학적 용어들은, 달리 정의되지 않는 한, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 의미를 갖는다. 본 개시에 사용되는 모든 용어들은 본 개시를 더욱 명확히 설명하기 위한 목적으로 선택된 것이며 본 개시에 따른 권리범위를 제한하기 위해 선택된 것이 아니다.

본 발명의 설명에 사용되는 "포함하는", "구비하는", "갖는" 등과 같은 표현은, 해당 표현이 포함되는 어구 또는 문장에서 달리 언급되지 않는 한, 다른 실시예를 포함할 가능성을 내포하는 개방형 용어(open-ended terms)로 이해되어야 한다.

본 발명의 설명에 사용되는 단수형의 표현은 달리 언급하지 않는 한 복수형의 의미를 포함할 수 있으며, 이는 청구범위에 기재된 단수형의 표현에도 마찬가지로 적용된다.

본 발명의 설명에 사용되는 "제1", "제2" 등의 표현들은 복수의 구성요소들을 상호 구분하기 위해 사용되며, 해당 구성요소들의 순서 또는 중요도를 한정하는 것은 아니다.

본 발명의 설명에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "결합되어" 있다고 언급된 경우, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수 있거나 결합될 수 있는 것으로, 또는 새로운 다른 구성요소를 매개로 하여 연결될 수 있거나 결합될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

<용어의 정리>

본 명세서에 있어서 용어「대체」는 제1냉매를 제2냉매로 「대체」한다고 하는 문맥으로 이용될 경우, 제1유형으로서 제1냉매를 사용하여 운전하기 위해 설계된 기기에 있어서 필요에 따라 약간의 부품(냉동기유, 가스켓, 패킹, 팽창 밸브, 드라이어 기타 부품 중 적어도 일종)의 변경 및 기기 조정만을 거치는 것만으로, 제2냉매를 사용하여, 최적 조건하에서 운전할 수 있는 것을 의미한다. 즉 이 유형은 동일한 기기에 냉매를 「대체」해 운전하는 것을 가리킨다.

이 유형 「대체」의 양태로서는 제2냉매로의 치환 시에 필요하게 되는 변경 내지 조정의 정도가 작은 순으로 「드롭 인(drop in) 대체」, 「니어리 드롭 인(nealy drop in) 대체」 및 「개장(retrofit)」이 있다.

제2유형으로서 제2냉매를 이용하여 운전하기 위해 설계된 기기를 제1냉매 기존 용도와 동일한 용도를 위해 제2냉매를 탑재해 이용하는 것도, 용어 「대체」에 포함된다. 이 유형은 동일한 용도에 냉매를 「대체」해 제공하는 것을 가리킨다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 공조 장치용 냉매 조성물에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 냉매 조성물은 트리플루오르에텐(Trifluoroethene; C2F3H 또는 R1123) 및 트리플루오로요오도메탄(Trifluoroiodomethane(TFIM); CF3I 또는 R13I1)을 포함하여 이루어진다.

본 발명의 냉매 조성물은 트리플루오르에텐(R1123)이 65∼75wt％ 범위이고, 트리플루오로요오도메탄(R13I1)은 25∼35wt％ 범위를 함유한다. 상기 냉매 조성물은 트리플루오르에텐(R1123)이 70wt％이고, 트리플루오로요오도메탄(R13I1)이 30wt％를 함유하는 것이 바람직하다. 본 발명의 냉매 조성물을 포함하는 냉매는 본 발명에 따르는 냉매 조성물에 윤활제와 같은 첨가제가 더 포함될 수 있다.

아래 표 1에는 상기 트리플루오르에텐(R1123)과 트리플루오로요오도메탄(R13I1) 각각의 물성을 나타내었다.

항목	트리플루오르에텐 (R1123)	트리플루오로요오도메탄 (R13I1)
분자량(g/mol)	82	195.9
비점(℃)	-59.1	-21.9
증기압(@60℃,㎫)	4.7	1.2
LFL(vol％)	10	-
연소열(MJ/㎏)	9.9	0.9
연소속도(㎝/s)	6.6	-
가연성등급	A2L	A1
온난화지수(GWP)	1	1
오존층파괴지수(ODP)	0	0

(LFL: Lower Flammability Limit)

이하에서, 본 발명의 냉매 조성물은 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 기술할 것이나, 이 실시예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 실시예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 냉매 조성물에서 트리플루오르에텐(R1123) 70wt％와 트리플루오로요오도메탄(R13I1) 30wt％로 이루어진 냉매 조성물(이하에서 "본 발명의 냉매 조성물 실시예"라 함)과 R410A, R1234yf를 비교하여 설명한다.

상기 냉매 조성물인 트리플루오르에텐(R1123)과 트리플루오로요오도메탄(R13I1)은 일정 비율로 혼합되어도 그 성질이 변하지 않고, 서로의 결점이 보완된 근공비 조성물로써 친환경 특성이 유지된다.

상기 본 발명의 냉매 조성물 실시예의 비점, 포화증기압, 가연성등급, 온난화지수(GWP), 오존층파괴지수(ODP) 값을 R410A, R1234yf와 비교하여, 그 결과를 아래의 표 2에 나타내었다.

구분	R410A	R1234yf	실시예
분자량(g/mol)	72.6	114	102
비점(℃)	-51.4	-29.5	-58
포화증기압(@60℃,㎫)	3.8	1.6	4.1
가연성등급	A1	A2L	A2L
온난화지수(GWP)	2088	4	1
오존층파괴지수(ODP)	0	0	0

도 1에 도시된 60℃에서의 포화증기압 그래프를 살펴보면, 본 발명의 냉매 조성물 실시예의 포화증기압은 4.1㎫이고, R410A는 3.8㎫, R1234yf는 1.6㎫을 나타낸다. 따라서 실시예는 R410A 대비 포화압력이 약 8％, R1234yf 대비 56％의 포화증기압이 증가함을 알 수 있다.

도 2에 도시된 비점 그래프를 살펴보면, 본 발명의 냉매 조성물 실시예의 비점은 -58℃이고, R410A는 -51.4℃, R1234yf는 -29.5℃를 나타낸다. 실시예의 비점은 R410A 대비 6.6℃, R1234yf 대비 28.5℃ 낮은 것을 알 수 있다.

본 발명의 실시예인 냉매 조성물의 안전성을 살펴본다.

Refrigerants Safety Classification(ISO 817)에 따르면 독성이 없으면서 연소열이 19MJ/㎏일 때를 기준으로 A2, A3 등급을 구분한다. 본 발명의 냉매 조성물 실시예는 도 5에 도시된 연소열 그래프와 같이 7.2MJ/㎏이므로 A2 등급 이하이다.

그리고 ASHREA34에서 A2L 기준은 연소속도(Burning Velocity) 10㎝/s 이하이다. 상기 표 1에 기재된 바와 같이, R1123(100％)의 연소 속도는 6.6㎝/s 이고, R13I1(100％)의 연소속도는 A1이므로 본 발명의 실시예인 냉매 조성물의 연소속도는 10㎝/s이하가 되며, 안전성 등급은 A2L 등급이 된다.

도 1 및 도 2에 도시된 그래프와 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 냉매 조성물 실시예의 냉매 조성물은 냉매로서 사용될 수 있는 특성을 가지고 있으며, R410A와 R1234yf 대비 온난화지수(GWP)가 1로 현저히 낮고, 오존층파괴지수(ODP)가 0으로 친환경적이다.

이하에서는 본 발명의 냉매 조성물[R1123(70wt%)+ R13I1(30wt％)]이 R410A, R1234yf가 사용되는 기기 등의 사용조건에서 본 발명의 냉매 조성물을 곧바로 대체 적용할 수 있는지 검토하기 위하여, 냉방조건(표준)(외기온도: 36.5℃, 내기온도 26.7℃), 냉방조건(극서)(외기온도: 46.1℃, 내기온도 26.7℃), 난방조건(표준)(외기온도: 8.3℃, 내기온도 21.1℃), 난방조건(극한)(외기온도: -8.3℃, 내기온도 21.1℃), 난방조건(극한2)(외기온도: -30.0℃, 내기온도 21.1℃)에서 응축 및 증발압력, 압축비, 토출온도, 체적용량, 성능계수(COP) 등의 이론 사이클 특성 실험을 수행하였으며, 그 결과는 아래의 표 3 내지 표 7과 같다.

냉방조건(표준)에서의 사이클 특성 실험 결과

	R410A	R1234yf	본 발명 냉매 조성물 [R1123(70wt%)+ R13I1(30wt％)]
응축온도(℃)	45	45	45
응축압력(㎪)	2726.1	1153	3024.8
증발온도(℃)	6.7	6.7	6.7
증발압력(㎪)	982.8	394	1163.8
압축비	2.77	2.93	2.6
토출온도(℃)	75.5	54.1	66.8
체적용량(kJ/㎥)	5942	2504	5825
성능계수(COP)	4.00	4.18	3.67

냉방조건(극서)에서의 사이클 특성 실험 결과

	R410A	R1234yf	본 발명 냉매 조성물 [R1123(70wt%)+ R13I1(30wt％)]
응축온도(℃)	56.1	56.1	56.1
응축압력(㎪)	3516.7	1502	3849.6
증발온도(℃)	6.7	6.7	6.7
증발압력(㎪)	982.8	394	1163.8
압축비	3.58	3.81	3.31
토출온도(℃)	92.7	65.7	81.8
체적용량(kJ/㎥)	5169	2151	4759
성능계수(COP)	2.77	2.91	2.40

난방조건(표준)에서의 사이클 특성 실험 결과

	R410A	R1234yf	본 발명 냉매 조성물 [R1123(70wt%)+ R13I1(30wt％)]
응축온도(℃)	51.1	51.1	51.1
응축압력(㎪)	3141.1	1336.8	3458.1
증발온도(℃)	-1.7	-1.7	-1.7
증발압력(㎪)	755.7	298.0	910.0
압축비	4.2	4.49	3.8
토출온도(℃)	92.0	61.8	79.3
체적용량(kJ/㎥)	5791	2307	5705
성능계수(COP)	3.56	3.64	3.26

난방조건(극한)에서의 사이클 특성 실험 결과

	R410A	R1234yf	본 발명 냉매 조성물 [R1123(70wt%)+ R13I1(30wt％)]
응축온도(℃)	51.1	51.1	51.1
응축압력(㎪)	3141.1	1336.8	3458.1
증발온도(℃)	-18.3	-18.3	-18.3
증발압력(㎪)	425.5	161.5	529.5
압축비	7.4	8.28	6.5
토출온도(℃)	108.2	65.6	89.2
체적용량(kJ/㎥)	3607	1326	3619
성능계수(COP)	2.68	2.67	2.44

난방조건(극한2)에서의 사이클 특성 실험 결과

	R410A	R1234yf	본 발명 냉매 조성물 [R1123(70wt%)+ R13I1(30wt％)]
응축온도(℃)	41.1	41.1	41.1
응축압력(㎪)	2483.9	1047.1	2771.0
증발온도(℃)	-40.0	-40	-40.0
증발압력(㎪)	174.9	62.4	225.3
압축비	14.2	16.79	12.3
토출온도(℃)	120.4	63.7	94.1
체적용량(kJ/㎥)	1805	608	1907
성능계수(COP)	2.30	2.25	2.13

본 발명 냉매 조성물[R1123(70wt%)+ R13I1(30wt％)]은 R410A와 대비할 때, 응축압력, 증발압력이 유사하며, 도 3 및 도 4의 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이 체적용량도 극히 유사하다.

또한, R410A 대비 온난화지수(GWP)가 1로 현저히 낮고(R410A의 온난화지수는 2088임), 오존층파괴지수(ODP)가 0으로 친환경적인 장점이 있으며, R410A보다 토출온도가 낮은 장점도 있다.

따라서 본 발명의 실시예인 냉매 조성물은 R410A의 대체 물질로 사용 가능하며, 친환경적으로 기존 R410A 시스템에 그대로 적용 가능하고, 가전 VRF(Variable Refrigerant Flow)에 적용 가능하다.

또한 R1234yf 또는 R134a가 사용되는 내연기관 냉방 전용 차량 모두 적용 가능하다. 특히 전기자동차에 사용되는 R1234yf 보다 난방 능력이 매우 우수하여 겨울철 전기자동차의 주행거리 증대가 가능하다. 또한 2성분 혼합 냉매로 제조가 용이한 장점도 있다.

Claims

트리플루오르에텐(R1123)과 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)을 포함하여 이루어지는 공조 장치용 냉매 조성물.
제1 항에 있어서, 상기 트리플루오르에텐(R1123)은 65∼75wt％이고, 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)은 25∼35wt％인 것을 특징으로 하는 공조 장치용 냉매 조성물.
제1 항에 있어서, 상기 트리플루오르에텐(R1123)은 70wt％이고, 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)은 30wt％인 것을 특징으로 하는 공조 장치용 냉매 조성물.