KR20240054550A - 공조 장치용 냉매 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 R410A와 유사한 특성을 가지고 있으며, GWP가 충분히 작으며, 트리플루오르에텐과 트리플루오로아이오도메탄을 포함하여 이루어지는 공조 장치용 냉매 조성물에 관한 것이다.
Description
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, R134a등 HFC계열이 널리 이용되고 있다. R410A는 디플루오로메탄(CH2F2; HFC-32또는 R32)과 펜타플루오로에탄(C2HF5; HFC-125 또는 R125)의 2성분 혼합 냉매이며, 근공비 조성물로 상업용 또는 가정용 시스템 에어컨의 냉/난방용 등으로 많이 사용되며 시스템에 주입량이 많이 필요하며 수요가 많아서 가장 많이 소비되는 냉매라고 할 수 있다.
R134a(CH2FCF3)는 단일 냉매로 자동차용 에어컨 , 가전용 냉장고등에서 널리 사용되고 있다.
그러나 HFC계열 냉매는 몬트리올의정서 키갈리개정이 발효되어 지구온난화 방지를 위해 국제적으로 규제가 시작되어 감축량과 상세 일정에 따라 이행의무가 요구되어지고 있다.
R410A의 지구 온난화 계수(GWP)는 2,088이고, 지구 온난화에 대한 우려가 고조됨에 따라 GWP가 675인 R32가 보다 많이 사용되고 있지만 A2L(약가연성)으로 인해 냉매 누출시 화재 위험등으로 냉매 주입량이 1.9㎏이하인 소용량 시스템에 제한적으로 사용하고 있는 실정이다. 이 때문에 시스템 에어컨등 대용량에 사용되는 R410A 대체 가능한 저(LOW) GWP 냉매가 특히 시급하게 요구되고 있다.
R134a는 지구 온난화 계수(GWP)가 1,430으로 자동차 에어컨용으로 주로 사용되고 있으나 승용차의 경우 냉매 규제(GWP=150이하)로 인해 저(LOW) GWP 냉매(GWP=3)인 R1234yf가 점점 글로벌 확대 적용되고 있으나 기존 내연기관과는 달리 난방 열원이 없는 순수 전기자동차의 경우 에너지 효율이 좋은 히트펌프 시스템 적용이 증가하고 있는 추세이다. 그러나 냉매 물성의 한계로 특히 혹한기 난방성능 요구를 만족하고 있지 못하는 실정이다. 따라서 이를 해결하기 위해서 배터리 소비량이 많은 전기히터가 장착되고 있어 특히 외기 온도가 -10℃이하에서는 겨울철 주행거리 감소로 이어지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술이 가지는 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, R410A, R1234yf, R134a을 대체할 수 있는 냉/난방 능력을 갖고, GWP가 충분히 작으며, 비가연성이며, 인체에 무해한 무독성(A1 클래스)이며, 냉매에 통상 요구되는 제반 특성에 더하여, R410A , R134a, R1234yf에 사용되는 공조 장치를 그대로 사용하거나 약간 개조를 하여 사용할 수 있는 냉매 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 종래 기술인 전기자동차용 냉/난방 시스템(히트펌프 시스템)에 사용되는 R134a 또는 친환경 냉매인 R1234yf의 난방 성능 부족을 해결하기 위해 추가되는 고가의 고전압 전기히터 부품없이 본 발명 냉매 단독으로 고효율이며 요구 성능을 만족하여 겨울철 전기자동차의 주행거리 향상에 기여하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 위하여, 본 발명은 트리플루오르에텐과 트리플루오로아이오도메탄을 포함하여 이루어지는 공조 장치용 냉매 조성물을 제공한다.
상기에서, 트리플루오르에텐은 25∼35wt％이고, 트리플루오로아이오도메탄은 65∼75wt％인 것을 특징으로 한다.
상기에서, 트리플루오르에텐(R1123)은 25∼35wt％이고, 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)은 65∼75％wt%이고 프로판(R290)또는 R32가 소량 첨가되는 것을 특징으로 한다.
상기에서, 트리플루오르에텐은 30wt％이고, 트리플루오로아이오도메탄은 70wt％인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르는 공조 장치용 냉매 조성물은 R1234yf, R134a보다 우수한 난방 능력을 갖고, GWP가 충분히 작으며, 또한 ASHRAE의 규격으로 비가연성, 무독성(A1 클래스)이며, 오존 파괴 지수(ODP)가 0이며, 제조가 간단하며, R410A, R1234yf, R134a에 사용되는 공조 장치의 팽창장치 및 열교환기 최적화등 최소한의 개조로 대체하는 것이 가능하다.
또한 전기 자동차용의 경우, R1234yf은 약가연성(A2L)으로 인해 배터리 이상 발열시 화재에 취약하지만 본 발명의 혼합 냉매 원료인 트리플루오로아이오도메탄은 비가연성이면서 동시에 화재시 소화 기능에도 부수적인 효과가 기대되며, 배터리 냉각을 위한 냉매 직팽식 시스템 적용 시 더욱 유리한 효과가 있다.
도 1은 본 발명 공조 장치용 냉매 조성물을 이루는 트리플루오르에텐(R1123)과 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)의 혼합 비율에 따른 포화증기압을 도시한 그래프이며,
도 2는 본 발명 공조 장치용 냉매 조성물을 이루는 트리플루오르에텐(R1123)과 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)의 혼합 비율에 따른 비점을 도시한 그래프이며,
도 3은 본 발명 공조 장치용 냉매 조성물을 이루는 트리플루오르에텐(R1123)과 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)의 혼합 비율에 따른 0℃에서 체적용량을 도시한 그래프이며,
도 4는 본 발명 공조 장치용 냉매 조성물을 이루는 트리플루오르에텐(R1123)과 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)의 혼합 비율에 따른 -30℃에서 혼합 비율별 체적용량을 도시한 그래프이며,
도 5는 본 발명 공조 장치용 냉매 조성물을 이루는 트리플루오르에텐(R1123)과 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)의 혼합 비율의 혼합 비율별 연소열을 도시한 그래프이며,
도 6은 본 발명 공조 장치용 냉매 조성물을 실험한 공조 장치의 예이다.
도 2는 본 발명 공조 장치용 냉매 조성물을 이루는 트리플루오르에텐(R1123)과 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)의 혼합 비율에 따른 비점을 도시한 그래프이며,
도 3은 본 발명 공조 장치용 냉매 조성물을 이루는 트리플루오르에텐(R1123)과 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)의 혼합 비율에 따른 0℃에서 체적용량을 도시한 그래프이며,
도 4는 본 발명 공조 장치용 냉매 조성물을 이루는 트리플루오르에텐(R1123)과 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)의 혼합 비율에 따른 -30℃에서 혼합 비율별 체적용량을 도시한 그래프이며,
도 5는 본 발명 공조 장치용 냉매 조성물을 이루는 트리플루오르에텐(R1123)과 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)의 혼합 비율의 혼합 비율별 연소열을 도시한 그래프이며,
도 6은 본 발명 공조 장치용 냉매 조성물을 실험한 공조 장치의 예이다.
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.
도 1은 본 발명 공조 장치용 냉매 조성물을 이루는 트리플루오르에텐(R1123)과 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)의 혼합 비율에 따른 포화증기압을 도시한 그래프이며, 도 2는 본 발명 공조 장치용 냉매 조성물을 이루는 트리플루오르에텐(R1123)과 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)의 혼합 비율에 따른 비점을 도시한 그래프이며, 도 3은 본 발명 공조 장치용 냉매 조성물을 이루는 트리플루오르에텐(R1123)과 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)의 혼합 비율에 따른 0℃에서 체적용량을 도시한 그래프이며, 도 4는 본 발명 공조 장치용 냉매 조성물을 이루는 트리플루오르에텐(R1123)과 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)의 혼합 비율에 따른 -30℃에서 혼합 비율별 체적용량을 도시한 그래프이며, 도 5는 본 발명 공조 장치용 냉매 조성물을 이루는 트리플루오르에텐(R1123)과 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)의 혼합 비율의 혼합 비율별 연소열을 도시한 그래프이며, 도 6은 본 발명 공조 장치용 냉매 조성물을 실험한 공조 장치의 예이다.
본 발명의 냉매 조성물은 트리플루오르에텐(Trifluoroethene; C2F3H 또는 R1123)과 트리플루오로요오도메탄(Trifluoroiodomethane(TFIM); CF3I 또는 R13I1)을 포함하여 이루어진다.
본 발명의 냉매 조성물은 트리플루오르에텐(R1123)이 25∼35wt％ 범위이고, 트리플루오로요오도메탄(R13I1)은 65∼75wt％ 범위를 함유한다. 상기 냉매 조성물은 트리플루오르에텐(R1123)이 30wt％이고, 트리플루오로요오도메탄(R13I1)이 70wt％를 함유하는 것이 바람직하다. 상기 트리플루오르에텐(R1123)은 25∼35wt％이고, 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)은 65∼75wt%이 혼합되고, 여기에 프로판(R290)또는 R32가 소량(트리플루오르에텐(R1123)과 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)의 혼합물 100중량부에 대하여 2중량부 이하) 첨가될 수 있다.
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) 30wt％와 트리플루오로요오도메탄(R13I1) 70wt％로 이루어진 냉매 조성물(이하에서 "본 발명의 냉매 조성물 실시예"라 함)과 R410A, R1234yf, R134a를 비교하여 설명한다.
상기 냉매 조성물인 트리플루오르에텐(R1123)과 트리플루오로요오도메탄(R13I1)은 일정 비율로 혼합되어도 그 성질이 변하지 않고, 서로의 결점이 보완된 비공비 조성물로써 친환경 특성이 유지된다.
상기 본 발명의 냉매 조성물 실시예의 비점, 포화증기압, 가연성등급, 온난화지수(GWP), 오존층파괴지수(ODP) 값을 R410A, R1234yf,R134a 와 비교하여, 그 결과를 아래의 표 2에 나타내었다.
| 구분 | R410A | R1234yf | R134a | 실시예 |
| 분자량(g/mol) | 72.6 | 114 | 102 | 138 |
| 비점(℃) | -51.4 | -29.5 | -26.1 | -55 |
| 포화증기압(@60℃,㎫) | 3.8 | 1.6 | 1.7 | 2.4 |
| 가연성등급 | A1 | A2L | A1 | A1 |
| 온난화지수(GWP) | 2,088 | 4 | 1,430 | 1 |
| 오존층파괴지수(ODP) | 0 | 0 | 0 | 0 |
도 1에 도시된 바와 같이, 60℃에서의 포화증기압을 살펴보면, 본 발명의 냉매 조성물 실시예의 포화증기압은 2.4㎫이고, R410A는 3.8㎫, R1234yf는 1.6㎫, R134a는 1.7MPa를 나타낸다. 따라서 실시예는 R410A 대비 포화 증기압이 약 58％낮고 R1234yf, R134a 대비 50％정도 포화증기압이 증가함을 알 수 있다.
도 2에 도시된 비점 그래프를 살펴보면, 본 발명의 냉매 조성물 실시예의 비점은 -55℃이고, R410A는 -51.4℃, R1234yf는 -29.5℃,R134a는-26.1℃를 나타낸다. 실시예의 비점은 R410A 대비 3.6℃, R1234yf 대비 25.5℃ ,R134a 대비 28.9℃ 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 A1, A2L, A2 그룹과 A3 등급을 구분한다. 본 발명의 냉매 조성물 실시예는 도 5에 도시된 연소열 그래프와 같이 19MJ/㎏이하이므로 연소열의 경우 A1등급이다.
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 A1등급이 된다.
표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 냉매 조성물 실시예의 냉매 조성물은 냉매로서 사용될 수 있는 특성을 가지고 있으며, R410A와 R1234yf, R134a 대비 온난화지수(GWP)가 1로 현저히 낮고, 오존층파괴지수(ODP)가 0으로 친환경적이다.
이하에서는 본 발명의 냉매 조성물[R1123(30wt%)+ R13I1(70wt％)]이 R410A, R1234yf, R134a 냉매의 대체가 가능한지를 확인하기 위하여 난방성능이 얼마나 개선되는지 R134a와 본 발명 냉매를 비교 실험을 통하여, 외기온도 -15℃의 한랭지 조건에서 난방성능 및 압축기 소비전력 , 공기 취출온도 , 냉매 압력 및 유량 특성 실험을 수행하였으며 , 그 결과는 아래의 표 3 내지 표 5와 같다.
본 발명 냉매 적용 시, 특히 R134a , R1234yf 냉매의 난방 성능 부족을 개선하기 위해 사용하는 전기히터 없이 냉매 압력 및 유량 확보가 가능하여 본 발명 냉매 적용시 단독으로 난방성능 확보가 가능하다.
따라서 자동차분야의 xEV(BEV, PHEV) 히트펌프 시스템에 효과가 기대된다.
또한 R410A 대체는 물론 R410A 대체 적용중인 R32용 상업용 또는 가정용 VRF 시스템 에어컨의 경우 본 발명 냉매가 A1등급의 비가연성으로 소용량에서부터 대용량까지 광범위하게 적용이 가능하다.
| 난방 능력(㎾) | 소비전력(㎾) | |
| R134a | 2.2 | 1.0 |
| 실시예 | 4.7 | 3.3 |
외기온도 한냉지 (-15℃) 압축기 동일 rpm의 경우에 대한 결과임.
| 난방공기 취출온도 (300㎥/h) | 난방공기 취출온도 (200㎥/h) | |
| R134a | 4.3℃ | 13.1 |
| 실시예 | 25.4℃ | 42.0℃ |
외기온도 한냉지 (-15℃) 압축기 동일 rpm의 경우에 대한 결과임.
| R134a | 실시 예 | |
| 냉매 고압(kPa) | 455 | 1,873 |
| 냉매 저압(kPa) | 110 | 244 |
| 냉매 유량(kg/h) | 19 | 104 |
외기온도 한냉지 (-15℃) 압축기 동일 rpm의 경우에 대한 결과임.
본 발명 냉매 조성물[R1123(30wt%)+ R13I1(70wt％)]은 R410A와 대비할 때, 응축압력, 증발압력이 낮고 R1234yf, R134a 대비 높다.
또한, R410A , R134a 대비 온난화지수(GWP)가 1로 현저히 낮고(R410A의 온난화지수는 2,088, R134a의 온난화지수 1,430임), 오존층파괴지수(ODP)가 0으로 친환경적인 장점이 있다.
따라서 본 발명의 실시예인 냉매 조성물은 R410A, R32 대체 물질로 사용 가능하며, 친환경적으로 기존 R410A,R32 시스템에 그대로 적용 가능하고, 가전 VRF(Variable Refrigerant Flow)에 적용 가능하다.
전기자동차에 사용되는 R1234yf, R134a 보다 난방 능력이 매우 우수하여 겨울철 전기자동차의 주행거리가 증대될 수 있다. 또한 2성분 혼합 냉매로 제조가 용이한 장점도 있다.
Claims (4)
- 트리플루오르에텐(R1123)과 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)을 포함하여 이루어지는 공조 장치용 냉매 조성물.
- 제1 항에 있어서, 상기 트리플루오르에텐(R1123)은 25∼35wt％이고, 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)은 65∼75％wt인 것을 특징으로 하는 공조 장치용 냉매 조성물.
- 제1 항에 있어서, 상기 트리플루오르에텐(R1123)은 25∼35wt％이고, 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)은 65∼75％wt%이고 프로판(R290)또는 R32가 소량 첨가되는 것을 특징으로 하는 공조 장치용 냉매 조성물.
- 제1 항에 있어서, 상기 트리플루오르에텐(R1123)은 30wt％이고, 트리플루오로아이오도메탄(R13I1)은 70wt％인 것을 특징으로 하는 공조 장치용 냉매 조성물.
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