알22 대체용 혼합냉매{R22 SUBSTITUTE MIXED REFRIGERANT}

도 1은 본 발명에서 사용한 일반적인 냉동/공조기의 구성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

Qc: 응축기에서의 열 흐름 방향(냉매→공기)

Qe: 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: 팽창밸브

본 발명은 증기 압축식 냉동/공조기에서 냉매(Refrigerant, 이하 R이라 한다)로 사용할 수 있는 물질 즉 '프로판과 1,1-디플루오로에탄을 선택적으로 조합하여 구성한 혼합냉매 및 이를 사용한 냉동시스템'에 관한 것이며 좀더 구체적으로는 지금까지 가정용 에어컨, 상업용 공조기 등에 널리 사용되어 온 모노클로로플루오 로메탄(CHClF ₂ , 이하 R22 혹은 HCFC22라 한다)을 대체할 수 있는 혼합냉매 및 이를 사용하는 냉동시스템에 관한 것이다.

지금까지는 냉동기, 에어컨, 열펌프 등의 냉매로서 메탄 또는 에탄에서 유도한 염화불화탄소(Chlorofluorocarbon, 이하 CFC라 한다)와 수소화염화불화탄소(Hydrochlorofluorocarbon, 이하 HCFC라 한다)가 주로 사용되어 왔으며 특히 가정용 에어컨, 상업용 공조기 등에는 비등점이 -40.8℃이고 분자 질량이 86.47㎏kg/k㏖인 HCFC22가 가장 널리 사용되어 왔다.

그러나 최근에는 CFC와 HCFC에 의한 성층권 내 오존층 파괴가 중요한 지구환경문제로 대두되었고 이로 인해 성층권 오존을 파괴하는 CFC와 HCFC의 생산과 소비는 1987년에 만들어진 몬트리올 의정서에 의해 규제를 받고 있다. HCFC22는 오존파괴지수(Ozone depletion potential, 이하 ODP라 한다)가 0.05로 높아서 현재 선진국에서는 몬트리올 의정서에 의거하여 전폐될 예정이며 따라서 전 세계 대부분의 국가가 오존파괴지수(ODP)가 0.0인 대체냉매를 사용하려 하고 있다.

또 최근에는 오존층 파괴 문제뿐만 아니라 지구 온난화 문제도 급속도로 부상하기 시작했고 1997년의 교토 의정서는 지구온난화지수(Global warming potential, 이하 GWP라 한다)가 높은 HFC 냉매의 사용을 자제할 것을 강력히 권하고 있다. 이런 추세를 반영하여 유럽과 일본의 냉장고 제조 회사는 거의 대부분의 냉장고에 탄화수소인 이소부탄(이하 R600a라 한다)을 냉매로 쓰고 있으며 가정용 에어컨, 히트 펌프, 저온용 냉동고, 자동차 에어컨 등을 생산하는 업체들도 지구온 난화지수(GWP)가 낮은 탄화수소 계열의 냉매를 사용하려 하고 있다.

[표 1]은 몇몇 냉매의 환경 지수를 보여 준다.

(*) ODP는 CFC11을 1.0으로 정해서 기준으로 삼은 것임.

(**) GWP는 100년 기준 이산화탄소를 1.0으로 정해서 기준으로 삼은 것임.

[표 1]에서 볼 수 있듯이, 프로필렌, 프로판, 이소부탄, DME, 그리고 HFC152a 등은 오존층파괴지수(ODP)가 0.0이고 지구온난화지수(GWP)도 다른 냉매들에 비해 현저히 낮다. 바로 이런 특성으로 인해 현재 유럽 연합과 일본 그리고 아시아의 대부분 국가들이 ODP가 0.0이고 GWP가 기존의 CFC 냉매나 HFC 냉매보다 낮은 냉매들을 혼합하여 원하는 열역학적 특성을 얻고 또 동시에 효율 향상이나 기름과의 호환성 증대를 이루려 한다. 이런 점에서 프로필렌, 프로판, 이소부탄, DME, 그리고 HFC152a 등은 적격이라 할 수 있다.

어떤 물질이 기존 냉매의 대체냉매로 유용하려면 우선 기존 냉매와 유사한 성능계수(Coefficient of performance, 이하 COP라 한다)를 가져야 한다. 여기서 성능계수(COP)란 압축기에 가해진 일과 대비한 총 냉동효과를 의미하는 것으로서 COP가 클수록 냉동/공조기의 에너지 효율이 좋다. 또한 압축기를 크게 개조하지 않고 사용하려면 대체냉매가 기존 냉매와 비슷한 증기압을 가져서 궁극적으로 비슷한 체적용량(Volumetric capacity, 이하 VC라 한다)을 제공해야 한다. 여기서 체적용량(VC)이란 단위 체적 당 냉동 효과를 뜻하는데 이것은 압축기의 크기를 나타내는 인자로서 대개 증기압에 비례하고 단위는 kJ/㎥이다. 대체냉매가 기존 냉매와 비슷한 체적용량을 낸다면 제조업체는 압축기를 바꾸거나 크게 개조하지 않고도 냉동/공조기를 제작할 수 있어 매우 유리하다. 그러나 지금까지의 연구 결과 순수 물질로 기존 냉매를 대체하는 경우 대체냉매의 체적용량이 달라서 필연적으로 압축기를 바꾸거나 크게 개조해야 하며 또 기존 냉매와 비슷한 성능계수를 내기가 어렵다는 것이 밝혀졌다.

이를 해결할 수 있는 방법 중 하나가 혼합냉매를 이용하는 것이다. 혼합냉매의 특성은 조성을 잘 배합해서 성능계수를 기존 냉매와 비슷하게 하고 동시에 기존 냉매와 비슷한 체적용량(VC)을 내게 하며 이로써 압축기를 크게 개조할 필요가 없게 만들 수 있다는 것이다. 이런 특성 때문에 지난 몇 년간 HCFC22의 대체물로 여러 혼합냉매가 제안된바 있으나 그것들 중 몇몇은 몬트리올 의정서에서 사용을 금하는 HCFC를 구성 성분으로 가지고 있어 장기적인 관점에서 볼 때 적합한 대체물이라 할 수 없다.

미국의 듀퐁 사 등이 개발한 R407C라는 3원 혼합냉매(23중량% R32 / 25중량% R125 / 52중량% R134a)는 냉동 용량이 기존의 HCFC22와 비슷하지만 에너지 효율이 낮고 온도 구배가 7℃정도이므로 시스템에 누출이 있을 경우 조성 분리 현상이 생기는 단점을 갖고 있다. 한편 얼라이드시그날 사 등에서는 R410A라는 2원 혼합냉매(50중량% R32 / 50중량% R125)를 개발하여 판매하고 있으나 이 냉매는 증기압이 기존의 HCFC22보다 60% 정도 높아서 필수적으로 압축기를 개조해야 하고 시스템의 압력이 높으므로 응축기에 쓰이는 재질의 강도를 높여야 한다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 오존층파괴와 지구온난화를 일으키지 않는 물질인 프로판과 1,1-디플루오로에탄을 적절한 조성비로 조합하여 사용함으로써 기존 냉동시스템을 교체하거나 크게 개조하지 않고 직접 적용할 수 있도록 하는 혼합냉매 및 이를 사용한 냉동시스템을 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적은 냉동/공조기용 혼합냉매에 있어서 R290(프로판) 71 내지 90중량%와 R152a(1,1-디플루오로에탄) 10 내지 29중량%로 구성된 혼합냉매에 의해 달성된다.

또한 상기한 본 발명의 목적은 R290(프로판) 71 내지 90중량%와 R152a(1,1-디플루오로에탄) 10 내지 29중량%로 구성된 혼합냉매를 사용하는 냉동/공조기에 의해서도 달성될 수 있다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점 및 신규 특징들은 첨부된 도면들과 연 관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 R22 대체용 혼합냉매 및 이를 사용한 냉동시스템의 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 증기 압축식 냉동/공조기에서 냉매(Refrigerant, 이하 R이라 한다)로 사용할 수 있는 물질 즉 '프로판과 R134a와 R152a를 선택적으로 조합하여 구성한 혼합냉매 및 이를 사용한 냉동시스템'에 관한 것이며 좀더 구체적으로는 지금까지 가정용 에어컨, 상업용 공조기 등에 널리 사용되어 온 모노클로로플루오로메탄(CHClF ₂ , 이하 R22 혹은 HCFC22라 한다)을 대체할 수 있는 혼합냉매 및 이를 사용하는 냉동시스템에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 오존파괴지수(ODP)가 0.0이므로 성층권 내 오존층에 전혀 영향을 미치지 않으며 지구온난화지수 또한 기존의 다른 대체냉매보다 낮고 동시에 기존의 압축기를 크게 개조하지 않고도 HCFC22의 대체냉매로 사용할 수 있는 혼합냉매 및 이를 사용하는 냉동시스템을 제공하는 것이다.

좀더 구체적으로 본 발명은 R290(프로판, Propane)과 R152a(1,1-디플루오로에탄)를 선택적으로 조합하여 구성한 혼합냉매 및 이를 사용한 냉동시스템에 관한 것이다. 본 발명에서 제안하는 대체 혼합냉매는 오존파괴지수(ODP)가 0.0이고 기존의 다른 대체냉매에 비해 지구온난화지수(GWP)가 낮으며 또 HCFC22의 성능계수 (COP)와 체적용량(VC)에 근접한 값을 낸다.

도 1은 본 발명에서 사용한 일반적인 냉동/공조기의 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 냉동/공조기는 일반적으로 증발기, 응축기, 압축기, 팽창 밸브 등을 포함하여 구성된다.

대체 혼합냉매를 개발하기 위하여 본 발명자는 냉동/공조기의 성능을 모사하는 미국 표준 연구소(National Institute of Standards and Technology)에서 개발한 CYCLE-D 프로그램을 사용하였다. 프로그램을 통해 냉동/공조기를 구성하는 요소들 예를 들어 열교환기 및 압축기 등에 대한 열역학 및 열전달 해석을 수행하였고 최종적으로 이 모든 것을 조합하여 사용했다. 프로그램의 정확도를 결정하는 중요 인자 중 하나는 냉매의 물성치이다. 본 프로그램에서는 미국, 일본 등에서 기준으로 삼고 있는 Carnahan-Starling-De Santis(CSD) 상태 방정식을 사용하여 모든 냉매의 물성치를 계산했다. REFPROP으로 알려진 CSD 상태 방정식은 미국 표준 연구소(National Institute of Standards and Technology)에서 개발한 것으로 정확성 및 적용성이 이미 입증되어 전 세계 냉동/공조 관련 유수 기업, 연구소, 대학에서 가장 널리 사용되는 프로그램이다. 이번에 만든 혼합냉매 및 냉동/공조기의 개발 및 실행을 위한 입력 데이터로는 가능한 한 실제 데이터를 사용했다.

본 발명자는 냉동/공조기용 대체냉매의 오존파괴지수(ODP)가 반드시 0.0이어야 하며 가능한 한 지구온난화지수(GWP)가 낮아야 한다는 판단 하에 R290(프로판, Propane)과 R152a(1,1-디플루오로에탄)를 혼합하여 기존 냉매를 대체할 수 있게 하였다.

[표 2]는 기존의 HCFC22를 사용하는 냉동/공조기의 사용 조건을 적용하여 전산해석 프로그램을 통해 계산한 본 발명에 따른 혼합냉매의 성능지수들을 기존 냉매의 성능지수들과 비교한 결과들을 나타낸 것이다.

COP : 성능계수(Coefficient of performance, 총 냉동효과/압축기에 가해진일)

VC : 체적용량(Volumetric capacity)

GTD : 온도구배(Gliding temperature difference)

T _dis : 압축기 토출온도(Compressor discharge temperature)

COP _diff : HCFC22 대비 성능계수 차이

VC _diff : HCFC22 대비 체적용량 차이

[표 2]를 통해 본 발명 예 1 내지 5의 냉매들이 기존의 HCFC22나 R407C에 비해 성능계수와 체적용량이 비슷함을 알 수 있다. 본 발명의 냉매들은 탄화수소인 프로판을 포함하고 있으므로 실제 시스템에서는 기름과의 호환성이 증대되어 전산해석의 결과보다 더 좋은 결과를 보였다. 예를 들어 시중에 나와 있는 가정용 에어컨에 79중량%프로판/21중량%R152a 혼합냉매를 사용한 결과 R22에 비해 COP는 9% 증가하였고 냉동 용량은 동일하였다. 또 본 발명의 혼합냉매들의 온도구배는 현재 상용화되고 있는 혼합냉매의 온도구배인 7℃보다 훨씬 작은 0℃에 가까우므로 사용하는 데 문제가 없다. 또한 본 발명 예 1 내지 5의 혼합냉매들의 압축기 토출 온도 역시 HCFC22보다 훨씬 낮으므로 사용하는 데 전혀 문제가 없다.

본 발명 예 1 내지 5의 모든 혼합냉매는 오존파괴지수(ODP)가 0.0으로서 전혀 오존층을 파괴시키지 않으므로 환경 보존 측면에서도 HCFC22보다 훨씬 우수하다. 또 HCFC22의 대체냉매인 R407C의 경우 지구 온난화 지수가 높아서 교토 의정서에 의거하여 규제를 받으므로 프로판과 R152a같이 지구 온난화 지수가 낮은 냉매들을 중심으로 혼합냉매를 만들면 HFC 사용량이 줄어들어 지구 온난화도 경감시킬 수 있다.

참고로 상기 기술한 본 발명 예들의 조성을 벗어나는 다른 조성에서는 온도 구배가 너무 크든지, 압축기 토출 온도가 높든지, 혹은 지구 온난화지수가 필요 이상으로 높아서 실제로 냉동/공조기에 장기적으로 적용하는 데 문제가 있으며 이하에서는 이를 구체적으로 살펴보았다.

[비교 예 1 내지 5 및 본 발명 예 1 내지 5]

상기 [표 2]의 본 발명 예 1 내지 5에서 보여지듯이, 프로판과 1,1-디플루오로에탄으로 이루어진 혼합냉매는 프로판이 71중량% 내지 90중량%의 범위에 있으면 혼합냉매의 온도구배가 0.2℃ 이내에 있게 된다. 이에 반해 혼합냉매에서 프로판의 비율이 70중량% 이하인 경우 온도구배가 훨씬 커지며 예를 들면 비교 예 1 내지 5에서 보여지듯이, 프로판과 1,1-디플루오로에탄으로 이루어진 혼합냉매에서 프로판이 65중량%이하로 포함되면 온도구배는 1.8℃ 이상이 되며, 프로판이 40 내지 65중량%일 경우 온도구배는 1.8~4.9℃가 된다. 결과적으로 프로판과 1,1-디플루오로에탄으로 이루어진 혼합냉매는 프로판의 비율이 71중량%를 넘어서야만 온도구배가 0.2℃ 이내가 되므로 근공비 혹은 공비 혼합냉매의 특성을 갖게 된다. 냉매번호를 부여하는 미국냉동공조학회(ASHRAE)에서 공비 혼합냉매는 500번대로 분류되며 비공비 혼합냉매는 400번대로 분류되어 공비혼합냉매와 비공비 혼합냉매는 가치 면에서 완전히 다르게 취급된다. 따라서 프로판과 1,1-디플루오로에탄으로 이루어진 혼합냉매로서 프로판의 비율이 71중량% 이상인 것은 우수한 특성을 갖는 공비 혹은 근공비 혼합냉매로 볼 수 있다. 이 점은 실제로 상용화하는 데 가장 중요한 포인트로 작용하며 소비자들도 이 점을 가장 중요시하고 있다.

또한 프로판의 중량이 증가할 수록 지구온난화 지수가 낮아져서 장기적으로 쓰일 수 있는 친환경 냉매가 된다. 끝으로 압축기 혹은 냉동기의 성능은 압축기 토출 온도에 의해 결정된다. 그러므로 프로판의 중량이 많을 수록 압축기 토출 온도가 감소하므로 시스템의 신뢰성이 증가하게 된다. 이러한 것들을 종합해 볼 때 프로판의 중량이 71% 이상이 되는 혼합냉매는 장기적으로 쓰일 수 있는 친환경, 고효율 냉매라 할 수 있다.

상기한 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 R22 대체용 혼합냉매 및 이를 사용한 냉동시스템에 의하면 혼합냉매를 구성하는 물질로서 오존층파괴지수가 0.0이고 지구온난화지수가 매우 작은 프로판과 1,1-디플루오로에탄을 사용하므로 냉매의 유출이 있거나 냉매를 폐기하는 경우에도 지구의 오존층파괴와 지구온난화를 방지할 수 있는 현저한 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 혼합냉매는 프로판 및 1,1-디플루오로에탄을 적절한 조성으로 혼합하여 혼합냉매의 증기압이나 체적용량이 기존 사용되던 냉매인 R22 냉매와 유사하도록 하였기 때문에 압축기를 교체하거나 기존 냉동시스템을 개조하지 않고 직접 적용할 수 있으므로 시간적 경제적 비용이 감소되는 효과가 있다.

본 발명의 혼합냉매는 적절한 조성의 혼합에 의해 온도구배가 매우 작게 되므로 냉매의 상변화에 따른 냉매압력의 변동이 거의 없어서 냉동시스템을 안정적으로 사용할 수 있고, 냉매 유출시의 조성 분리 현상이 방지되는 효과가 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시 예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.