cfcfocus

냉매란 넓은 의미에서 냉각작용을 일으키는 모든 물질을 가리키며, 특히 냉동장치, 열펌프, 공기조화장치 및 소온도차 열에너지 이용기관 등의 사이클 내부를 순환하면서 저온부(증발기)에서 증발함으로써 주위로부터 열을 흡수하여 고온부(응축기)에서 열을 방출시키는 작동유체를 가리킨다. 일반적으로 증발 또는 응축의 상변화 과정을 통하여 열을 흡수 또는 방출하는 냉매를 1차냉매라 하고, 단상상태에서 감열 열전달을 통하여 열을 교환하는 냉매를 2차냉매라 한다. 그러나 기체사이클에 적용하는 공기, 헬륨, 수소 등은 1차냉매로 분류하며, 주요 2차냉매로는 브라인 및 부동액 등이 있다. 이 장에서는 일반적으로 냉매라 부르는 1차냉매에 대하여 주로 설명하려 하며 또한, 오존층 붕괴 및 지구온난화 등 환경에 대한 악영향으로 인해 사용이 규제되고 있는 CFC 및 HCFC 냉매의 문제점 및 대체냉매 등에 대하여 기술하고자 한다.

냉매는 일반적으로 할로카본, 탄화수소, 유기화합물, 무기화합물 등 네 종류의 화합물 중 하나이다. 할로카본 냉매는 1930년 Midgley와 Henne에 의해 처음으로 개발되었으며⁽¹⁾, 메탄(CH₄) 및 에탄(C₂H₆)의 수소를 불소, 염소 또는 브롬으로 치환하여 만든 화합물이다. 이 때에 치환한 할로겐 원자의 종류나 수에 따라 물리적, 화학적 성질이 순차적으로 변하기 때문에 사용조건에 따라 그에 알맞은 냉매를 선택할 수 있다.

그림 1.1은 메탄계 냉매인 CH₄(R50), CCl₄(R10), CF₄(R14)를 정점으로 하여, 할로카본 냉매의 구성을 체계적으로 나타낸 그림으로, 그 속의 번호는 서로 다른 냉매의 번호이다. 에탄계 냉매도 이와 같은 방법으로 구성하여 묘사할 수 있다.

그림에서 볼 수 있듯이, 비등점 및 임계온도는 변 50→10에서 염소 수가 증가함에 따라 상승하며, 변 10→14에서 염소가 불소로 치환됨에 따라 연속적으로 내려간다. 또 변50→14에서는 R32가 최대로 되며, 삼각좌표의 내부에서도 각 변과 비슷한 경향을 나타낸다. 가연성은 메탄을 정점으로 하여, 수소 수가 많은 물질일수록 높기 때문에 그림의 밑으로 갈수록 불연성이 된다. 한편 독성 및 마취성은 염소의 수가 많은 R10과 R20이 강하며, 열분해에 대한 안정성은 R14를 정점으로 하여 불소가 많을수록 크며, 이 경향은 수소를 포함하지 않는 밑변 10→14로 갈수록 강해진다. 밑변 10→14에 속한 냉매들은 완전히 할로겐화 된 냉매로서 대기권내에서 잘 분해되지 않고 그 수명이 매우 길기 때문에 성층권 오존 붕괴의 원인이 되고 있다. 그림 1.2는 이와 같은 할로카본 냉매의 특성을 잘 요약하여 보여주며 특히 대체냉매의 영역을 보여주고 있다.

냉매로 주로 활용되고 있는 할로카본은 크게 CFC, HCFC, HFC로 분류할 수 있는데, CFC는 염소, 불소 및 탄소로 구성된 '염화불화탄소'로서 R11, R12, R113, R114 및 R115 등이 이에 포함된다. HCFC는 구성 원자 중에 최소한 수소가 한 개 이상 포함되어 있는 '수소화염화불화탄소'로서 R22, R123, R124, Rl4lb 및 Rl42b 등이 여기에 포함된다. 성층권의 오존을 파괴하는 주요 인자가 염소임을 감안하면 CFC의 오존층붕괴지수가 이들 중에서 가장 높음을 쉽게 알 수 있다. 염소의 일부를 수소로 대체한 HCFC의 경우에는 CFC에 비해

오존층붕괴지수는 작지만 여전히 염소가 존재하므로 성층권 오존을 전혀 파괴시키지 않는 것은 아니다. 반면에 HFC는 수소, 불소 및 탄소로 구성된 '수소화불화탄소'로서 염소가 없으므로 오존층을 전혀 파괴시키지 않는다. 주요 HFC로는 R32, R125, Rl34a, R143a 및 Rl52a 등을 들 수 있으며, 그 특징은 번호를 다 더하면 항상 5나 8이 된다는 점이다.

할로카본은 개발되자마자 냉동/공조기의 냉매로 거의 독점적으로 사용되어 왔으며, 특히 미국의 듀퐁사에서 자체적으로 '프레온'이라는 이름을 붙여 '프레온 가스'로 널리 알려져 왔지만 현재에는 여러 회사가 동일한 냉매들을 제조하여 다양한 상품명으로 시장에 내고 있다.

한편, 단일 화합물의 순수냉매로 원하는 시스템 특성을 얻을 수 없는 경우에는 두 성분 이상의 혼합물을 이용한 혼합냉매를 적용하여 적절한 열역학적 물성치를 얻을 수 있으며, 혼합냉매는 크게 공비혼합냉매와 비공비 혼합냉매로 구분한다.

냉매를 표기할 때 화학명을 그대로 쓰면 너무 복잡하고 불편하기 때문에 국제표준화기구(ISO)에서 정하는 방법에 따라 번호를 부여하고 냉매(Refrigerants)의 머리글자를 따서 'R+number'의 형태로 표기한다. 때로는 '프레온22'와 같이 제조회사의 상품명에 냉매번호를 붙이기도 하지만 공식적인 명칭은 다음과 같은 방법에 따라 표기하는 것이 원칙이다.⁽²⁾

R+xyz의 세 자리수로 나타내며, 각각의 숫자는 냉매내의 원소의 숫자와 상관이 있다. 100 단위 숫자인 x는 탄소 원자의 수에서 1을 뺀 값이며, 10 단위 숫자인 y는 수소 원자의 수에 1을 더한 값이고, 1 단위 숫자인 z는 불소 원자의 수를 나타낸다. 따라서 탄소, 수소, 불소 및 염소의 네 가지 원자로 구성된 냉매의 경우, 염소 원자의 수는 (2x-y-z+5)가 된다.

메탄계 냉매의 경우 100단위 숫자 z가 0이 되므로 이를 무시하여 냉매의 번호가 두 자리 숫자가 되며, 에탄계 냉매는 100 단위 수가 항상 1이 된다. 특별한 경우로 R13B1 등을 들 수 있는데, 이의 분자식은 CBrF₃이며, 브롬 원자 1개를 포함하고 있다는 뜻이다.

에탄계 냉매의 경우 수소 원자 대신에 할로겐 원소로 치환하면 화학적 구성성분은 같으나 구조가 틀려 물성치가 다른 이성체(isomer)가 존재하므로, 이 때 치환한 할로겐 원소의 안정도에 따라 냉매번호 오른쪽에 a, b 등을 붙인다.

400번대의 번호로 표시하며, 혼합냉매를 이루고 있는 구성냉매의 번호 및 질량 조성비를 명시한다. 이 때 비등점이 낮은 냉매부터 먼저 명시하는 것이 관례이다.

500번대의 번호로 표시하되, 개발된 순서대로 R500, R501, R502 등의 일련번호를 붙인다

600번대의 번호로 표시하며, 부탄계는 R60○, 산소화합물은 R61○, 유기화합물은 R62○, 질소화합물은 R63○으로 부르되 개발된 순서대로 일련번호를 붙인다.

700번대의 번호로 표시하되 뒤의 두 자리는 화합물의 분자량을 사용하며 암모니아, 물, 이산화탄소 등이 이에 해당한다. 예를 들어, 물은 분자량이 18이므로 R718로 부른다.

1000번대의 번호로 표시하되, 100단위 이하는 할로카본 냉매의 번호를 붙이는 방법에 따른다. 예를 들어, 프로필렌(Propylene)은 R1270으로 부른다.

표 2.1 주요 냉매의 명칭
냉매번호	화학적 명칭 혹은 조성(질량%)		분자식	냉매번호	화학적 명칭 혹은 조성(질량%)		분자식

메탄시리즈				비공비 혼합냉매(질량%)

10		사염화탄소	CCl₄	400		R12/114
11		트리클로로플루오로메탄	CCl₃F	401A		R22/152a/124(53/13/34)
12		디클로로디플루오로메탄	CCl₂F₂	401B		R22/152a/124(61/11/28)
12B1		브롬화클로로디플루오로메탄	CBrClF₂	401C		R22/152a/124(33/15/52)
12B2		디브롬화트리플루오로메탄	CBr₂F₂	402A		R125/290/22(60/2/38)
13		클로로트리풀루오로메탄	CClF₃	402B		R125/290/22(38/2/60)
13B1		브롬화트리플루오로메탄	CBrF₃	403A		R290/22/218(5/75/20)
14		카본테트라플로라이드	CF₄	403B		R290/22/218(5/56/39)
20		클로로포름	CHCl₃	404A		R125/143a/134a(44/52/4)
21		디클로로플루오로메탄	CHCl₂F	405A		R22/152a/142b/C318(45/7/5.5/42.5)
22		클로로디플루오로메탄	CHClF₂	406A		R22/600a/142b(55/4/41)
22B1		브롬화디플루오로메탄	CHBrF₂	407A		R32/125/134a(20/40/40)
23		트리플루오로메탄	CHF₃	407B		R32/125/134a(10/70/20)
30		메틸렌클로라이드	CH₂Cl₂	407C		R32/125/134a(23/25/52)
31		클로로플루오로메탄	CH₂ClF`	407D		R32/125/134a(15/15/70)
32		메틸렌플로라이드	CH₂F₂	408A		R125/143a/22(7/46/47)
40		메틸클로라이드	CH₃Cl	409A		R22/124/142b(60/25/15)
41		메틸플로라이드	CH₃F	409B		R22/124/142b(65/25/10)
50		메탄	CH₄	410A		R32/125(50/50)
				410B		R32/125(45/55)
에탄시리즈				411A		R1270/22/152a(1.5/87.5/11)
				411B		R1270/22/152a(3/94/3)
110		헥사클로로에탄	CCl₃CCl₃	412A		R22/218/142b(70/5/25)
111		펜타클로로플루오로에탄	CCl₃CCl₂F
112		테트라클로로디플루오로에탄	CCl₂FCCl₂F	공비혼합냉매(질량%)
112a		테트라클로로디플루오로에탄	CCl₃CClF₂
113		트리클로로트리플루오로에탄	CCl₂FCClF₂	500		R12/152a(73.8/26.2)
113a		트리클로로트리플루오로에탄	CCl₃CF₃	501		R22/12(75/25)
114		디클로로테트라플루오로에탄	CClF₂CClF₂	502		R22/115(48.8/51.2)
114a		디클로로테?트라플루오로에탄	CCl₂FCF₃	503		R23/13(40.1/59.9)
114B2		디브로모테트라플루오로에탄	CBrF₂CBrF₂	504		R32/115(48.2/51.8)
115		클로로펜타플루오로에탄	CClF₂CF₃	505		R12/31(78/22)
116		헥사플루오로에탄	CF₃CF₃	506		R31/114(55.1/44.9)
120		펜타클로로에탄	CHCl₂CCl₃	507A		R125/143a(50/50)
123		디클로로트리플루오로에탄	CHCl₂CF₃	508A		R23/116(39/61)
123a		디클로로트리플루오로에탄	CHClFCClF₂	508B		R23/116(46/54)
124		클로로테트라플루오로에탄	CHClFCF₃	509A		R22/218(44/56)
124a		클로로테트라플루오로에탄	CHF₂CClF₂
125		펜타플루오로에탄	CHF₂CF₃	기타냉매
133a		클로로트리플루오로에탄	CH₂ClCF₃
134a		테트라플루오로에탄	CH₂FCF₃	탄화수소
140a		트리클로로에탄	CH₃CCl₃	600		부탄	CH₃CH₂CH₂CH₃
141b		디클로플루오로에탄	CCl₂FCH₃	600a		이소부탄(2메틸프로판)	CH(CH₃)₃
142b		클로로디플루오로에탄	CClF₂CH₃	1150		에틸렌	CH₂=CH₂
143a		트리플루오로에탄	CF₃CH₃	1270		프로필렌	CH₃CH=CH₂
150a		디클로로에탄	CHCl₂CH₃
152a		디플루오로에탄	CHF₂CH₃	비유기화합물
160		에틸클로라이드	CH₃CH₂Cl
170		에탄	CH₃CH₃	702		수소	H2
				704		헬륨	He
프로판시리즈				717		암모니아	NH₃
				718		물	H₂O
216ca		디클로로헥사플루오로프로판	CClF₂CF₂CClF₂	720		네온	Ne
218		옥타플루오로프로판	CF₃CF₂CF₃	728		질소	N₂
245cb		펜타플루오로프로판	CF₃CF₂CH₃	729		공기	.21O₂. .78N₂. .01A
290		프로판	CH₃CH₂CH₃	732		산소	O₂
				740		아르곤	Ar
고리형 유기화합물				744		이산화탄소	CO₂
				744A		산화질소	N₂O
C316		디클로로헥사플루오로사이클로부탄	C₄Cl₂F₆	764		이산화황	SO₂
C317		클로로헵타플루오로사이클로부탄	C₄ClF₇
C318		옥타플루오로사이클로부탄	C₄F₈

① 저온에서 증발압력이 대기압보다 높고, 상온에서는 응축압력이 낮을 것.

⑤ 동일한 냉동능력을 내는 경우에 냉매 가스의 비체적이 작을 것.

⑥ 화학적으로 안정하고, 냉매 증기가 압축열에 의해 분해되지 않을 것.

⑧ 불활성으로서 금속 등과 화합하여 반응을 일으키지 않고, 윤활유를 열화시키지 않을 것

⑩ 인화성 및 폭발성이 없고, 인체에 무해하며, 자극성이 없을 것.

사실 위에서 언급한 구비 조건을 다 만족시키는 이상적인 냉매는 존재하지 않는다. 따라서, 냉동/공조의 설계시 적용 냉매를 선정할 때는 압축기의 종류, 증발온도와 압력 및 응축온도와 압력 등의 열역학적 모든 조건에 따라 장치의 성능을 신중히 고려하여야 하며, 특히 열전달 성능 이외에도 사용 조건하에서의 화학적 안정성, 인체에 대한 독성, 가연성, 폭발성, 대기오염 문제, 가격, 냉동유 및 사용 재료와의 적합성 등을 검토하여야 한다.