1. 냉매의 정의 냉매란 냉동 사이클에서 사용되는 증발하기 쉬운 작동유체로서 저온부의 열을 빼앗아 고온부에 운반해주는 매체를 말한다.

냉동 사이클에서는 저온부(증발부)에서 증발할 때 주위로부터 흡수한 열을 고온부(응축기)에서 방출시키는 작동유체를 역할을 한다.

 

2. 냉매의 필요 요건 냉매로 쓰이는 액체는 액체의 종류에 따라서 고유의 특징이 있으나 필요 요건은 다음과 같은 요건을 가져야한다.1) 독성이 없어야한다.

2) 부식성이 없어야 한다.

3) 저온서 증발압력이 대기압보다 높아야 하고, 상온서 응축압력이 낮아야한다. 4) 동일한 냉동능력을 내는 경우에는 소요 동력이 적어야한다. 5) 증발잠열이 크고 액체의 비열이 작아야한다. 6) 임계온도가 높고 응고온도가 낮아야 한다. 7) 동일한 냉동능력을 내는 경우에 냉매 가스의 비체적이 작아야한다. 8) 화학적으로 안정하고 냉매증기가 압축열에 의해 분해되지 않아야한다. 9) 액상 및 기상의 점도는 낮고, 열전도도는 높아야 한다. 10) 냉동유와 잘 혼합되기도 하고 분리도 잘 되어야 한다.

11) 냉동유를 열화 시키지 말아야 한다. 12) 전기 저항이 크고 절연파괴를 일으키지 않아야한다. 13) 가격이 저렴하고 운반과 구입이 용이해야한다 14) 오존층 파괴와 지구 온난화에 영향을 주지 않아야한다. 그러나 상기와 같은 구비조건을 만족하는 이상적인 냉매는 존재하지 않는다. 따라서 냉동/공조 시스템 설계시 사용 할 냉매를 선택할 때는 압축기의 종류, 증발온도와 압력 및 응축온도와 압력 등의 열역학적 조건에 따라 냉동/공조 시스템의 성능을 신중히 고려하여 선택하여야한다. 최근 들어서는 열전달 성능 이외에도 에너지를 절감 시킬 수 있는 냉매를 사용 조건하에서 우선적으로 선택되어지고 있으며, 화학적 안정성, 인체에 대한 독성, 대기오염 및 환경 문제, 가격 등의 적합성 등을 먼저 고려되어지고 있다. 3. 냉매의 종류 냉매는 일반적으로 할로겐화합물,탄화수소,유기화합물,무기화합물 등 4 가지 종류의 화합물 중 한가지 이며 냉매의 종류는 다음과 같이 분류할 수 가있다. 1) 물(H₂O) 2) 공기(Air)3) 암모니아(Ammonia NH₄) 4) 할로겐(Halogen) 화합물 냉매 5) 탄화수소냉매(Hydrocarbon) 6) 이산화탄소(CO₂) 7) 혼합냉매 (공비혼합냉매, 비 공비혼합냉매) 3-1. 할로겐 화합물 냉매의 종류

 

할로겐 화합 물질은 불소(F),연소(Cl), 요오드( I ),브롬(Br) 등이 있으며, 할로겐 화합물을 누출 시키면 불꽃에서 푸른빛이 나오는 성질이 있다. 이러한 특성을 이용하여 할로겐 화합물 냉매의 누출을 찾는데 활용되기도 한다.1) CFC(Chlorofluorocarbon) 염화 불화 탄소

분자 중에 염소를 포함하고 있으며, 화학적으로 안정된 냉매이다. 그러나 지구온난화 지수(GWP=Global Warming Potential)가 매우 높다. 특히 오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)가 매우 높아 몬트리올 협약에 의해 1996년부터 사용이 금지 되었으며, 현재는 생산도 중단 되였다,

 

예) R-11, R-12, R-113

2) HCFC( Hydrochlorofluorocarbon) 수소 염화불화 탄소

분자 중에 염소를 포함하고 있지만 수소를 포함하고 있는 물질로 대체적으로 분해가 잘 되어 오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)가 CFC 냉매에 비해서 낮다. 그러나 지구온난화 지수(GWP=Global Warming Potential)는 높아 이 냉매도 2030년에 전폐될 전망이다.

 

예) R-21, R-22

 

3) HFC( Hydrofiuorocarbon) 수소 불화 탄소

분자 중에 염소를 포함하고 있지 않아서 오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)는 없지만 지구 온난화 지수(GWP=Global Warming Potential)는 높아 교토 협약에 의해 규제 대상 냉매이다.

 

예) R-134a

 

4) HFO( Hydrofiuoroolepin) 수소 불화 올레핀

오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)가 0 이고, 지구 온난화지수(GWP=Global Warming Potential)도 4 이하이며, 약 가연성(A2 Level) 이다. 그러나 고가이다. 최근 들어 자동차 에어컨용에 사용되고 있다.

 

예) R-1234yf

3-1-1. 할로겐 화합물 냉매별 특성1) R-11(CCL₂F)

- 비등점이 높고 (대기압 하에서23.7℃) 저압이 낮은 냉매로 비중이 크다. - 터보 냉동기용으로 사용되며 대용량 에어컨에 사용된다. - 오일을 잘 용해하므로 오일 세척용으로도 많이 사용한다.

- 오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)가 1 이고, 지구 온난 화지수(GWP=Global Warming Potential)가 4,750으로 1996년부터 사용 이 금지된 냉매이다. 2) R-12(CCL₃F)

- 화학적으로 매우 안정적이어서 냉동 시스템에 널리 사용되어왔다.- 소형 냉장고, 가정용 중 대형 냉장고, 김치 냉장고, 아이스메이커, 정수기, 냉 온수기, 소형 에어컨, 자동차 에어컨 등 광범위하게 사용이 된다. - 냉동능력이 매우 좋다.

- 오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)가 1 이고, 지구 온난 화지수(GWP=Global Warming Potential)가 10,890으로 1996년부터 사 용이 금지된 냉매이다. 3) R-13(CCLF₃)

- 대기압에서 비등점 -81.5℃ 임계온도 +28.8℃ - 비등점이 대단히 낮아 2원 냉동 장치 초저온 냉매로 사용되며 -100 ℃ 정도의 초저온 장치에 이용이 된다.

- 오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)가 1 이고, 지구 온난 화지수(GWP=Global Warming Potential)가 14,420으로 1996년부터 사 용이 금지된 냉매이다. 4) R-113(C₂CL₃F₃)

- 대기압에서 비등점 47.6℃ 임계온도 214.1℃ 응고점 -35℃ 포화 압력이 대단히 낮다. - 소용량 밀폐 형에서부터 대용량 터보 냉동기까지 폭넓게 사용이 된다.

- 오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)가 1 이고, 지구 온난 화지수(GWP=Global Warming Potential)가 6,130으로 1996년부터 사 용이 금지된 냉매이다. 5) R-114(C₂CL₂F₄)

- 대기압에서 비등점 3.6℃ - 회전 압축기 소형냉장고 크레인 조정실 에어컨용으로 사용된다.

- 오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)가 1 이고, 지구 온난 화지수(GWP=Global Warming Potential)가 10,040으로 1996년부터 사 용이 금지된 냉매이다.

 

6) R-134a( CH2 FC F3)

 

- 몬트리올 협약에 의해 CFC가 전폐되어 R-12대체 냉매로 개발 되어진 냉 매이다.

- 비 가연성이며,Mineral Oil(광유)에는 적합하지 않아 PAG Oil을 사용하여 야 한다.

- 냉장고용이나 자동차 에어컨용으로 쓰이고 있다.

- 오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)는 없지만 지구 온 난화지수(GWP=Global Warming Potential)가 1,430으로 아주 높아 교토 협약에 의해 규제 대상 냉매이다.

 

7) R-1234yf

 

- 교토 협약에 의해 지구 온난화 지수가 높은 HFC 도 규제되어 R-134a 대 체 냉매로 개발 되어진 냉매이다.

- 약 가연성(A2L Level) 이며, Mineral Oil(광유)에는 적합하지 않아 PAG Oil을 사용하여야 한다.

- 냉장고용이나 자동차 에어컨용으로 쓰이고 있다.

- 현재 생산량이 적어 고가이다.

- 오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)는 없고, 지구 온 난화지수(GWP=Global Warming Potential)가 4 이하로 아주 낮아 환경 친화적이긴 하나 독성에 관한 안전은 검증되지 않았다.

 

8) R-22( CHCLF₂)

- 대기압에서 비등점-40.8 응고점 -160℃ 임계온도 96℃ - 냉동능력은 할로겐 화합물 냉매 중 가장 좋으며 소형 에어컨에서 대형 에 어컨까지 폭넓게 사용되어지고 있다. - 왕복동식 에어컨에 사용되며 저온용 냉동장치에도 사용된다. - 1단 압축으로 암모니아보다 낮은 온도를 얻을 수 있고 2단 압축에 의해서 극저온을 얻을 수 있다.- 오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)가 0.05 이고, 지구 온 난화지수(GWP=Global Warming Potential)가 1,810으로 2030년부터 사 용이 금지된 냉매이다.

3-1-2. 할로 카본 냉매의 장점1) 가연성이 없다.

2) 화학적으로 안정적이다. 3) 무색, 무취, 무독성이다 4) 부식성이 없다.

5) 냉동유와 용해를 잘한다. 6) 비등점의 범위가 넓어 사용이 용이하다. 7) 취급과 구입이 비교적 쉽다.3-1-3. 할로 카본 냉매의 단점1) 700℃ 이상의 화염에 연소되며 독성가스가 발생하여 질식할 수 있다. 2) 오존층을 파괴하고 지구온난화지수가 높아 지구환경 규제 냉매이다. 3) 수분이 침투하면 금속에 대한 부식이 발생할 수 있다.4) 천연고무나 수지를 부식시킨다. 3-2. 탄화수소냉매( Hydrocarbon)

탄화수소( Hydrocarbon)냉매는 탄소와 수소만으로 구성된 냉매이며, R-600a(이소부탄), R-290(프로판), R-1270(프로필렌) 등이 있다.

이 냉매는 오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)도 0 이고, 지구 온난화지수(GWP=Global Warming Potential)도 3 이하로 아주 낮으며, 에너지 절감 효과가 뛰어나 전 세계에서 냉장고와 정수기 등에 사용하고 있다.3-2-1. 탄화수소냉매의 장점 1) 탄화수소 냉매는 독성이 없고 화학적으로 안정하다. 2) 광유(Mineral Oil)에도 용해도가 좋아 적합하다. 3) 오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)가 없고, 지구 온난화지수(GWP=Global Warming Potential)도 3 이하로 아주 낮아 환경 친화적이다.4) 비체적이 다른 냉매보다 크기 때문에 냉매 주입량이 적어진다. 3-2-2. 탄화수소 냉매의 단점 1) 가연성이 있어 사용 중 발화나 폭발의 위험성이 있다. 2) 인화성 물질을 피해야 하며 열이나 화기를 피하여 취급해야 한다.

 

3-3. 탄화수소 냉매들의 특성

 

1) R-600a(Iso-Butane)

 

반드시 99.55 이상의 고 순도이어야 하며, 비등점이 -11.7℃ 이고, 분자량이 적어 냉매 주입량이 적다.

오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)도 0 이고, 지구 온난화지수(GWP=Global Warming Potential)도 3 이하로 아주 낮아 매우 친환경적이다.

이 냉매는 가연성 등급이 A3임에도 불구하고 냉장고용 냉매로 전 세계적으로 사용하고 있다.

 

2) R-290(Propane)

 

반드시 99.55 이상의 고 순도이어야 하며, 비등점이 -42.1℃ 이고, 분자량이 적어 냉매 주입량이 적다.

오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)도 0 이고, 지구 온난화지수(GWP=Global Warming Potential)도 3 이하로 아주 낮아 매우 친환경적이다.

이 냉매는 가연성 등급이 A3임에도 불구하고 유럽에서는 가정용 및 산업용 에어컨 냉매로 사용하도록 권장하고 있다.

 

3) R-1270(Propylene)

 

반드시 99.55 이상의 고 순도이어야 하며, 비등점이 -47.7℃ 이고, 분자량이 적어 냉매 주입량이 적다.

오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)도 0 이고, 지구 온난화지수(GWP=Global Warming Potential)도 3 이하로 아주 낮아 매우 친환경적이다.

이 냉매는 가연성 등급이 A3이고, 냉각탑차, 쇼케이스 등의 냉매로 사용할 수 있다.

 

3-4. 암모니아(Ammonia R-717)NH₄ 암모니아는 우수한 열역학적 특성 및 높은 효율을 지닌 냉매이다. 제빙 냉동, 냉장 등 산업용의 증기 압축식 및 흡수식 냉동기의 냉매로 오래 전부터 많이 사용되어왔다. 그러나 작동 압력이 다소 높고 인체에 해로운 유독성이 있어 위험하다. 산업용 대용량 시스템에서 주로 사용되어왔으며 소형에는 특수한 목적에만 사용 되어왔다. 3-4-1. 암모니아 냉매의 장점 1) 냉동효과가 매우 크다. 2) 설치비와 유지 보수비용이 적다. 3) 전열효과가 크다.4) 가격이 저렴하다. 3-4-2. 암모니아 냉매의 단점 1) 독성가스이며 취급에 아주 주의 하여야 한다.

2) 가연성이기 때문에 취급에 주의해야한다.

3) 특수한 장소에 보관하여야 한다. 4) 철 이외에 금속 및 비금속 재료에 부식성을 갖는다.5) 냉동유와 용해하지 않기 때문에 냉동유 회수가 힘들다.

6) 수분에 의해서 에멀존 현상을 일으킨다. 7) 비열비가 높아 토출 가스의 온도상승으로 실린더를 냉각시키는 장치가 필요하다. 3-5. 물 (H²O, R-718) 물은 무엇보다도 인체에 해가 없고 자연에 대해 친환경적인 가장 큰 장점을 가진 냉매이다. 이러한 특성 때문에 일부 분야에서는 공기조화용 냉매로 널리 사용되고 있다. 그러나 동결점이 매우 높고 비체적이 커서 증기 압축식 냉동기에는 부적합하다. 3-5-1. 물 냉매의 장점 1) 자연에서 쉽게 구할 수 있다.

2) 친환경적이다. 3) 독성이 없고 인체에 무해하다. 4) 가격이 저럼하고 취급에 별다른 주의를 요하지 않는다. 3-5-2. 물 냉매의 단점 1) 비체적이 크다.

2) 동결점이 매우 높다. 3-6. 공기(Air. R-729) 공기는 친환경적인 냉매로서의 장점은 있으나 냉동 효과가 적어서 주로 항공기내부의 공기조화나 공기 액화 등 사용 되고 있다.

3-6-1. 공기냉매의 장점

1) 자연에서 쉽게 구할 수 있다. 2) 환경 친화적이다.

3) 독성이 없어 인체에 해가 없다.

4) 가격이 저렴하다.3-6-2. 공기냉매의 단점

1) 소요 동력이 크고, 성적계수(COP=Coefficient of Performance)가 낮다. 2) 사용범위가 극히 제한적이다.(항공기 내부의 공기조화용) 3) 저장 취급에 별도의 압축시키는 장치가 있어야한다. 3-7. 이산화탄소(CO₂) 이산화탄소(CO₂)는 할로카본 냉매가 사용되기 전 암모니아와 더불어 선박용이나 극장 등의 냉방을 위한 냉매로 가장 널리 사용되어 왔었다. 그러나 할로카본 냉매가 등장하면서 사용되는 범위가 줄어들어 최근에는 특수한 용도 외에는 거의 사용되지 않으며 독성이 없고, 부식성이 없으며, 비 가연성이어서 연소되지 않는다. 3-7-1. 이산화탄소 냉매의 장점 1) 독성이 없어 인체에 무해하다. 2) 가연성이 없다. 3) 비체적이 작아 장치의 소형화가 가능하다. 4) 가격이 저렴하다.3-7-2. 이산화탄소 냉매의 단점 1) 포화압력이 높아 내압성 재료로 장치를 설계해야 한다. 2) 다량의 누출 시, 산소 농도에 주의해야한다.(허용농도 5000ppm) 3) 임계온도가 낮아서 응축하기가 어렵다.(31℃) 4) 냉동유와 잘 용해하지 않아 특수한 냉동유가 필요하다.

5) 고압의 용기에 보관 하여야한다.3-8. 혼합냉매3-8-1. 공비혼합냉매( Azeotropic Mixture) 공비 혼합냉매는 서로 다른 두 개 이상의 순수물질을 혼합하였는데도 등압의 증발 또는 응축 과정에서 기체와 액체의 성분비가 변하지 않으며 온도가 변하지 않는 혼합 냉매를 공비혼합 냉매라고 한다. 공비혼합 냉매는 혼합 냉매임에도 불구하고 순수한 단일 냉매와 유사한 특성을 가지고 있다.

 

예) R-500(73.8% R-12 와 26.2% R-125), R-502(48.8% R-22 와 51.2% R-115), R-503(41.1% R-23 과 59.9% R-13), R-511(95% R-290 과 5% R-E170),R-512(95% R-152a 와 5%R-134a) 등이 있다. 3-8-2. 비 공비 혼합냉매 ( None Azeotropic Mixture)

비 공비 혼합 냉매란 2개 이상의 냉매가 혼합된 냉매를 말하며 응축과 증발 과정에서 조성비가 변하고, 온도 구배가 나타나는 냉매를 말한다.

이와 같은 현상을 이용하면 열교환기의 열효율을 개선할 수가 있다. 비 공비 혼합냉매의 단점은 냉매가 누설이 될 경우 증기압이 높은 성분이 먼저 누설이 되므로 새로운 조성비를 갖는 냉매가 시스템에 남아 있게 되는데 이 혼합냉매의 조성비가 변한다는 것이다, 따라서 냉매의 누설이 생겨 재충전을 하는 경우 시스템에 남아있는 냉매를 전량 회수한 후 새로이 냉매를 주입해야하는 단점이 있다.

 

비 공비 혼합냉매는 R-404A(44%R-125/52%R-143a/4%R-134a), R-407C

(23%R-32/25%R125/52R-134a),R-410A등이 있다.

 

3-8-3. 공비 냉매 와 비 공비 냉매별 특징

 

1) R-502 (48.8%R-22/51.2%R-115)

 

-18~50℃까지의 낮은 온도가 필요한곳에 적합하며,냉동식품저장고,아이스크림저장고등에 많이 쓰인다.

오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)가 0.25 이고, 지구 온난화지수(GWP=Global Warming Potential)가 4,700으로 CFC와 같이 1996년부터 사용이 금지된 냉매이다.

 

2) R-511A

 

몬트리올 협약에 의해 규제되는 R-22대체용 냉매로서 오존층을 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)도 없고, 지구온난화지수(GWP=Global Warming Potential)가 3 이하로 매우 친환경적이다. 이 냉매는 가연성 등급이 A3임에도 불구하고 유럽을 중심으로 지구 온난화 지수가 150 이상인 냉매를 사용할 수 없도록 규제함에 따라 에어컨용으로 많이 사용하고 있다. 또 이 냉매는 분자량이 적어 주입량이 50% 적게 주입하여도 되며, 에너지 절감효과가 매우 크다.

 

 

3) R-512A

 

HFC-152a가 주성분으로 약 가연성이다. 이 냉매는 R-134a 대체 냉매로 개발되어진 공비 혼합냉매로 분자량이 적어 R-134a의 주입량보다 40%정도 적게 주입하여도 된다. 오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)는 없고, 지구 온난화지수(GWP=Global Warming Potential)가 185로 비교적 친환경적이다.

 

4) R-404A(44%R-125/52%R-143a/4%R-134a)

 

몬트리올 협약에 의하여 R-22대체 냉매로 개발 되어졌으나 R-502대체냉매로 냉동 탑차 등에 많이 쓰이고 있으며, 비등점이 R-22 가 -40.8℃인 반면 R-410A는 -46.2℃로 R-22 시스템에 Drop-in Type (냉동 시스템과 냉동오일도 바꾸지 않고 냉매만 바꾸어서 사용해도 되는 냉매를 말함)으로 사용하기에는 부하가 많이 걸리는 단점이 있어 사용을 꺼려한다. 또한 비 공비 냉매이므로 온도 구배가 있어 누출 시 보충할 수가 없기 때문에 냉매를 전부 빼내고 다시 충전해야 한다.

오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)는 없지만, 지구 온난화지수(GWP=Global Warming Potential)가 3,900으로 교토 협약에 따라 2030전까지만 사용할 수가 있다.

 

5) R-407C(23%R-32/25%R125/52R-134a)

 

몬트리올 협약에 의하여 R-502 대체 냉매로 개발 되어졌으나 R-22 대체 냉매로 많이 사용되어지고 있으며, 비등점이 R-502가 -45.2℃인 반면 R-410A는 -51.4℃로 압축기는 물론 시스템 전부를 새로이 설계하여야 한다. 또한 온도 구배가 7.4℃ 가 있어 누출 시 보충할 수 가 없어 전부 빼내고 다시 충전해야 한다. 이 냉매는 교토 협약에 따라 2030전까지만 사용할 수가 있다.

오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)는 없지만 지구 온난화지수(GWP=Global Warming Potential)가 1,800으로 교토 협약에 따라 2030전까지만 사용할 수가 있다.

 

6) R-410A(50%R-32/50%R-125)

 

몬트리올 협약에 의하여 R-22대체 냉매로 개발 되어졌으나 비등점이R-22가 -40.8℃인 반면 R-410A는 -51.4℃로 압축기는 물론 시스템 전부를 새로이 설계하여야 한다. 또한 온도 구배가 4.4℃ 가 있어 누출 시 보충할 수가 없어 전부 빼내고 다시 충전해야 한다. 오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)는 없지만 지구 온난화지수(GWP=Global Warming Potential)가 2,100 매우 높아 교토 협약에 따라 2030전까지만 사용할 수가 있다.

 

7) R-436A,B(R-290/R-600a)

 

R-436A는 비등점이 -34.3℃ 이고, R-436B는 비등점이 33.4℃이며, 분자량이 적어 냉매 주입량이 적다.

이 냉매는 R-12, R-134a 냉매를 Drop-in Type(냉동 시스템과 냉동오일도 바꾸지 않고 냉매만 바꾸어서 사용해도 되는 냉매를 말함)으로 대체냉매로 개발되어 졌으며, Mineral Oil(광유)과도 호환성이 좋고 PAG오일과도 호환성이 좋으며 에너지 절감효과도 좋다.

오존층 파괴지수(ODP=Ozone Depletion Potential)도 0 이고, 지구 온난화지수(GWP=Global Warming Potential)도 3 이하로 아주 낮아 매우 친환경적이다.

 

 

* 참고로 미국 ASHRAE에서 발표한 냉매번호별 물리적 특성과 화학적 특성 그리고 안전성등급 등에 대한 영문 TABLE을 첨부를 참고 하시기 바랍니다.

 

냉매의 정의 와 종류 (0831).hwp Refrigerant data update Jan.2007.pdf