냉매

1. 개요

2. 1차 냉매와 2차 냉매

3. 원리

• 압축기: 냉매가 사이클에서 계속해서 순환할 수 있도록 하는 펌프와 같은 역할을 하고, 증발기에서 기화된 냉매를 압축해 고압의 기체로 만든다.
• 응축기: 응축기내에서 냉매는 냉각되어 기체에서 액체로 변화한다. 에어컨의 실외기 같은 부분이 바로 응축기이다.[1]
• 팽창장치: 응축기를 통한 고압의 냉매액을 저압으로 감압하고[2] 냉매의 유량을 조절하는 기능을 한다.
• 증발기: 냉매가 액체에서 기체로 변하는 부분이다. 이때 기화되면서 기화열을 흡수한다. 이 과정에서 주변의 공기가 열을 빼앗겨 온도가 낮아진다. 우리가 에어컨이라고 생각하는 실내기가 이것이다.

1. 상온에서 기체상태인 냉매를 압축기로 압축시킨다.
2. 냉각 시키고자 하는 곳 외부에 설치된 컨덴서(=응축기)를 통해 열이 방출되어 액체 상태가 된다.
3. 팽창장치를 통해 냉매는 압력과 온도가 낮아진다.
4. 온도가 떨어진 액화 냉매를 실내에 있는 증발기로 이동 시킨 후 기화 시켜 기화열을 흡수 시킨다.
5. 다시 1번으로 돌아간다.

4. 냉매의 선택

4.1. 공업적 선택

• 온도가 낮아도 대기압 이상의 압력에서 증발할 것.
• 증발온도가 낮을 때, 냉매의 압력이 대기압 이하가 되면 공기가 냉동장치 내에 침입한다.
• 상온에서 비교적 저압으로도 액화할 수 있을 것.(응축압력이 낮을 것)
• 응축압력이 낮아 일반적으로 얻을 수 있는 냉각매체(물, 공기)로도 액화가 가능해야 한다.
• 예를 들면, 이산화 탄소의 임계온도는 31.5℃인데, 이것은 냉각수의 온도가 32℃를 초과하면 쉽게 액화되지 않는다.(아무리 압력을 올려도)
• 응고 온도가 낮을 것.
• 저온에서 냉매가 쉽게 응고하여 버리면 냉매로서의 기능을 못한다.
• 암모니아의 응고온도는 -78℃이므로 -70℃ 정도가 사용할 수 있는 최저온도이다.
• R-22의 응고온도는 -160℃이므로 -80℃ 정도의 저온에는 사용하여도 지장이 없다.
• 비체적과 점도가 작을 것
• 비체적이 크면, 압축기의 행정체적 당 이송하는 냉매 질량유량이 적어지므로 압축기 능력을 저하시킴
• 점도가 크면 유동저항이 증대함
• 증발잠열이 크고, 냉매증기의 비열은 크고, 액체 비열이 적을 것.
• 증발잠열이 크면 냉동효과가 크다.
• 증발잠열 : 암모니아 → 313kcal/kg, 프레온계 냉매 → 38~52kcal/kg정도
• 정압비열과 정적비열의 비율인 비열비가 작을수록 좋다.
• 액체 비열이 크면, 과냉도 확보가 어렵고, 팽창밸브 후단에서 발생하는 액상의 냉매를 증발시키기 위해 증발잠열이 사용되므로 냉동효과가 적어진다.
• 윤활유와 냉매의 상용성
• 유와 냉매가 잘 분리되지 않으면 다량의 유가 증발기에 유입되어 전열작용을 저해하고, 압축기에서는 유부족으로 고장을 초래할 수 있다.
• 프레온계 냉매의 경우, 유를 잘 용해하므로 배관에 주의를 요한다.
• 점도가 적고, 전열작용이 양호하며, 표면장력이 적을 것
• 점도가 크면 배관 통과시 저항 증대 → 압축기 체적효율이 감소 → 냉동능력 감소
• 표면장력도 적은 쪽이 액냉매가 증발할 때 관표면이 잘 적셔져 전열 작용이 양호하다.
• 환경 친화성이 있을 것
• 누설시 발견이 쉽고, 누설되어도 환경에 대한 악영향을 미치지 않을 것
• 오존층 파괴지수(ODP), 지구온난화 지수(GWP)[3]가 낮을 것.
• 비열비 작을 것
• 비열비가 작으면 압축하여도 가스의 온도상승이 적어 압축비를 크게 할 수 있다.
• 암모니아는 비열비가 커서(k=1.31) 토출가스 온도가 높고, R-22는 비열비가 작아(k=1.18) 토출가스 온도가 낮다.
• 절연내력이 크고, 절연물을 침식하지 않을 것.
• 암모니아는 전기 절연물을 침식하므로 밀폐형 냉동기를 사용할 수 없지만 프레온계 냉매는 절연내력이 커서 밀폐형 냉동기에 많이 사용된다.
• 가격이 낮을 것. 상업적으로 가장 중요한 것은 가격이다. 환경에 덜 유해하고 냉각효율이 좋은 HFO 냉매가 개발되었어도 널리 사용되지 못하는 큰 이유가 높은 가격 때문이다. 또한 에너지 효율과 단가 문제로 인해 암모니아가 여전히 사용된다.
  

4.2. 열역학적인 선택

• 이상적인 기체는 다음과 같은 식을 만족한다.
  [math(PV=nRT)]
  그러나 현실의 기체는 위의 식을 만족하지 않고 약간 차이가 나게 된다. 실제기체가 이상기체와 비교해서 얼마나 차이가 나는지를 계량화 하기위해서 양변을 [math(nRT)]로 나누게 되면 다음과 같은 식이 얻어진다.
  [math(Z=\displaystyle\frac{PV}{nRT})]
  이때의 [math(Z)]를 압축인자(compressibility factor)라고 한다. 이상기체일때는 [math(Z)]가 1이 얻어지겠지만 실제 기체는 분자간의 상호작용에 따라 약간씩 다른 값을 가지게 된다.
• 위의 이상기체 공식에 따라 [math(V^{IG}=\displaystyle\frac{nRT}{P})]([math(^{IG})]= 이상기체)이므로 [math(Z=\displaystyle\frac{V}{V^{IG}})] 와 같이 나타낼 수 있다.
• 이상기체는 분자간 상호작용이 없는 것으로 간주하므로 실제 기체의 분자간 상호작용이 인력보다 척력이 더 우세한 경우 부피가 이상기체보다 커지게 될 것이다. 이 경우 [math(Z)]는 1보다 더 커지게 된다. 반면에 인력이 더 우세하다면, 부피가 이상기체보다 작아질테니 압축인자는 1보다 작아질 것이다. 즉 [math(Z)]의 값에 따라 압축을 할때 드는 에너지가 달라지게 된다.
• 그래서 압축을 할때 어떠한 기체가 압축이 잘되고, 얼마의 압력으로 압축해야 하는지를 압축인자를 이용해서 냉매를 선택할 수 있다.

4.3. GWP ( 지구 온난화 지수)

5. R-Number

• 일반적인 R-Number (R-0번대 ~ R-300번대)
• 첫 번째 숫자: 화학종의 탄소 개수 -1 . 탄소 숫자가 1개면 아예 생략한다. CFC-11을 예로 들으면 분자식이 CCl3F이므로 수소0개, 플루오린 1개를 적용해 R-11이 된다. 이렇게 2자리 숫자의 R넘버는 HFC-32 등과 혼동될 가능성이 높으므로 CFC, HCFC등의 냉매에는 R넘버를 사용하지 않는 편이 좋다.
• 두 번째 숫자: 화학종의 수소 개수 +1. 수소가 없으면 1이다.
• 세 번째 숫자: 화학종의 플루오린 개수. 탄화수소 냉매엔 플루오린 원자가 무조건 포함되므로 R600~700번대를 제외하곤 세 번째 숫자는 0이 되는 일이 없다.
• 네 번째 숫자: 보통은 없으나, 화학종이 염소 원자(Cl)을 포함하였다면 작성한다.
• 알파벳: 소문자로 작성하며, 이성질체를 만드는 탄소의 개수(2개면 b)를 뜻한다.
• 따라서 R-134a는 탄소2개, 수소2개, 플루오린 4개로 구성된 1개의 탄소원자에 의해 이성질체가 존재하는 탄화수소임을 알 수 있다.
• 400~500 R-Number (R-400번대[4] ~ R-500번대[5])
  위의 0~300번대 R넘버를 가진 탄화수소 화합물을 섞은 혼합물이 주로 존재한다. 대다수가 400번대이며 4**에서 두 숫자는 ASHREA가 부여한다.
• 알파벳: 기본적으로 대문자 A가 달려 있으며 약간 조성이 다른 혼합물이 등록될 경우 B, C 순으로 붙여진다.


• 600 R-Number (R-600번대)
  일반적인 포화 탄화수소 화합물이 부여받은 번호. 이성질체에 소문자a,b 등이 붙는다. 보통 R-400번대의 혼합물 조성을 나타내기 위해 쓰이며 유기화합물 냉매라고도 한다.[6]
• 700 R-Number (R-700번대) [7]
  탄화수소 화합물이 아닌 냉매로 사용될 수 있는 물질들이 여기에 분류된다. 무기화합물 냉매라고도 하며 여기에는 수소, 암모니아, 물, 이산화 탄소 등이 있다.
  HFO 탄화수소는 R넘버가 없는 듯하다. 애초에 HFO는 가격이특이한 데다가 주로 쓰이는게 2종류라서...

• 1000 R-Number (R-1000번대)
  불포화 유기화합물 냉매이며 100단위 이하는 할로카본계 냉매의 명명법에 따른다.

6. 냉매로 활용되는 물질

• 암모니아(R-717): 1세대 냉매. 프레온 가스가 등장하기 전에 쓰인, 자연냉매에 속한다. 냉매로써의 효과가 좋고, 가격도 저렴한 편이며, 지구 환경에도 좋다.[8]
  하지만 -70°C 이하의 온도를 내기 위해서서는 사용이 불가능하고, 압축후 토출온도가 높은 편. 무엇보다 인체에 장시간 노출될 경우 피부염이나 호흡기 질환이 발생하는 독극물이다. 실제로 암모니아가 누출되어 사고가 발생한 적이 있다. 사람에 해롭고 위험한 냉매이기 때문에 현재는 대형 냉장.냉동고의 냉동 공조 설비의 냉매 정도로만 사용된다.[9] 관련기사 관련정보 - 암모니아 냉매에 대해 GWP: 0

• 이산화탄소(R-744): 암모니아와 더불어 1세대 냉매 중 하나였지만 염화플루오린화탄소가 만들어진 이후에는 냉매로 쓰려면 고압이 필요하다는 점 때문에 거의 안 쓰이다가 21세기에 들어서 워낙 지구온난화로 인해 이산화탄소가 남아도니 가격이 매우 저렴하고 불연성에다가 그래도 순수 이산화탄소이니 만큼 다른 합성 냉매보다는 온실가스 성능이 떨어지는 편이기 때문에 다시 각광받고 있다. GWP: 1

• 염화플루오린화탄소(CFC, chloro-fluoro-carbon): 2세대 냉매. 흔히 프레온 가스라 알려진 그것으로 냉장고의 냉매로 주로 쓰였다가, 오존층 파괴[10]를 일으킨다는 것이 알려져 2010년 이후로는 전 세계적으로 사용이 금지되었다. 또한 20세기 최악의 발명품 중 하나로 손꼽히고 있다.
• CFC-11(R-11): 가장 널리 사용된 최초의 탄화수소 냉매. 높은 비등점으로 저압 시스템에서도 사용할 수 있다는 점이 주목받아 널리 사용되었으나 결과는 오존층 개박살로 끝났다. 미국 기준으론 1996년에 생산이 금지되었다. GWP: 4700
• CFC-12(R-12): 90년대 초까지 차량용 냉매로 널리 사용되었지만, 그 정체는 오존층 파괴로도 모자라 온실가스 성능도 상상을 초월한 폭탄이였다. 그래서 매우 빠른 속도로 퇴출되었다. GWP: 10700

• 수소염화플루오린화탄소(HCFC, hydro-chloro-fluoro-carbon): 2.5세대 냉매. 수소분자가 성층권에 도달하기 전 염소분자와 결합하여 오존층 파괴를 줄여준다. 실제로 ODP를 살펴보면 CFC의 1~5% 수준이다. 하지만 덜 파괴하는 것이지 안 파괴하는 것이 아니기 때문에 2013년부터 규제가 발표되어 몬트리올 의정서에 따라 2020년까지 선진국에서 퇴출, 2030년까지 완전 퇴출될 예정이다.
• HCFC-22(R-22): 위의 CFC의 대안으로 냉장/냉동고에서 사용하던 냉매. 선진국에선 2015년 기준 90% 이상 퇴출되었으며, 이제는 개도국에서나 사용한다. 하지만 10년대 이전에 제작되거나 설치된 냉방장치 상당수가 이 냉매를 쓰기때문에 아직도 수요가 있는 냉매이다. 대체체로는 R-407A 등이 주목받는다. GWP: 1810
• HCFC-123(R-123): 일반적인 냉매뿐만 아니라 소화 약제로도 쓰이며, 이 물질이 들어간 소화기는 청정소화기[11] 분류에 해당했었다.[12] GWP: 76

• 수소플루오린화탄소(HFC, hydro-fluoro-carbon): 3세대 냉매. 염소분자가 없어서 오존층을 파괴하는 일은 없지만 여전히 GWP는 수치가 낮지는 않다. 최근 미국과 유럽에서 이 냉매가 온실 효과를 유발하기 때문에 사용을 금지하려고 하고 있다. 우리나라는 2045년까지 점진적으로 80%를 감축해야 한다.
• HFC 32(CAS 번호: 75-10-5Y, 약칭: R-32, FC-32)R-410A에 비해 지구 온난화에 미치는 영향이 적기 때문에 관련 시장이 확대될 것으로 전망하고 있다. 하지만 가연성이라는 아주 큰 문제가 있어서 가정용으로는 비가연성인 R-125를 섞은 R-410A를 대체하지는 못할 것으로 보인다. GWP: 670
• HFC 125(R-125): CFC를 대체할 수 있는 냉매이며, 비등점이 영하 48.5도 정도로 낮아 공업용으로 활용할 수 있다. 전반적으로 R-32에 비해 거의 모든 부분에서 열세지만 비가연성이라는 장점이 있어서 후술할 R-410A처럼 블랜딩용으로 애용되는 냉매이다. GWP: 3500
• R-410A: R-32랑 R-125를 섞어 만든 에어컨용 냉매. GWP: 2088
• HFC 134a(R-134a): 구형 차량의 에어컨이나 대규모 공조용 냉동기에 주로 사용되며 가스식 에어소프트건의 파워소스로도 사용된다. 화학식은 C2H2F4로 후술할 HFO-1234yf(C3H2F4)와 유사하다. 유럽 F-Gas 규제에 따라 유럽 자동차에 들어가는 냉매는 R-134a에서 R-1234yf로 대체되고 있다. GWP: 1100
• 수소플루오린화올레핀(HFO, hydro-fluoro-olefin)[13]: 4.5세대 냉매. 탄소의 이중결합이라는 특성을 가지고 있어서 가연성을 지닌다.
• HFO-1234yf(R-1234yf): R-134a를 대체하는 차량용 에어컨 냉매로 사용되며, GWP가 이산화탄소의 4배 정도에 그쳐 다른 합성 냉매보다는 친환경적이라고 볼 수 있다. 그래서 2017년부터 EU에 수출되는 차량, 그리고 국내에서도 2020년대 즈음부터 출고되는 차량은 반드시 R-1234yf냉매를 사용한다. # 그런데 이 냉매의 특허를 듀폰과 허니웰이 독점 중이라 가격이 좀 심하게 비싸다.[14] 게다가 가연성이기 때문에 가스누출시 화재 위험이 있다.[15] GWP: 4
• HFO-1234ze(R-1234ze): GWP: 6
• HFO-1336mzz(R-1336mzz): GWP: 2

• 물(R-718): 주로 FCU, 컴퓨터, 자동차 등에서 사용되는 수냉쿨러에서 간접식 냉매(=냉각수)로 사용된다. 직접식 냉매로는 비효율적이라 잘 사용되지 않지만 저렴함과 친환경성때문에 기술 개발이 시도되고있다.[16] GWP: 0

• 공기(R-729): GWP: 0

• 이산화황

• 프로필렌

• 나크: 고속증식로의 냉매로 널리 쓰인다. 다만 알칼리 금속끼리의 합금이다 보니 물이나 공기에 노출 시 폭발할 정도로 반응성이 매우 크다는 치명적인 단점이 있다. 나크 외에도 납- 비스무트 합금 등이 쓰인다.

7. 사용하는 예 및 관련된 것들

7.1. 일상 생활에서

• 냉장고에서 식품의 온도를 유지하기 위하여 냉매를 사용한다.
• 에어컨에서도 냉매를 사용한다. 냉매가 누설되어 교체해야 하는 상황이 올 수 있다.
• 특별한 경우로는 모 BJ가 만든 자작 에어컨이 있는데, 기존의 선풍기에 냉매가 흐르는 구리 파이프를 감아서 온도를 낮추는 방식이다. 단, 실내 온도와의 차이 때문에 파이프에 물이 생겨 합선의 위험이 있고, 물의 온도 유지를 위해 얼음물을 많이 사용해야 하며, 공간을 많이 차지한다는 단점이 지적되었다.[17]
• 컴퓨터 수랭식 쿨러에서도 냉매를 사용한다. 공랭식에도 들어가곤 하는데 이 때에는 베이퍼 체임버(Vapor Chamber)리는 이름이 된다.
• 냉풍기: 그 안에 설치된 냉매를[18] 이용하여 냉각된 바람이 나오는 제품이다.

7.2. 산업에서

• 한국냉매관리기술협회: 대기환경보전법에 따라 프레온 냉매의 관리가 의무화되면서 프레온 가스가 대기에 방출되는 것을 방지하기 위해 냉매의 회수와 재생 촉진, 냉매 관련 기술 보급, 냉동공조인의 지위를 향상, 위상을 대변하는 기관이다.
• 냉동공조산업: 냉동(기계적 방법으로 열을 제거하는 것)과 공조(공기의 온도, 습도, 기류 청정도를 목적에 맞게 조절하는 것) 분야를 아우르는 산업인데, 이들 과정을 위해서는 냉매가 필요하다. 해당 업계에서는 2세대 냉매인 HCFC가 규제됨에 따라 냉매를 교체해야 하는데, HCFC는 20kg당 6만 원으로 싸지만 4세대 냉매인 HFO는 1kg당 20만 원으로 단위 무게당 비용이 약 66.7배 비싸기 때문에 고심이 크다고 한다. 관련기사

7.3. 창작물에서

• 설국열차(영화): 지구 온난화를 방지하기 위해 뿌린 인공 냉각제 'CW-7' 때문에 빙하기에 이른 지구를 배경으로 한다.
• 퍼시픽 림의 주역 로봇 집시 데인저의 냉매는 액체 이산화 탄소다. 이걸 역으로 이용해 뿜으면서 냉각 공격을 하기도 했다.
• 썸머 워즈에선 러브 머신과의 대결을 위해 슈퍼컴퓨터를 가져오고 냉매로 초대형 얼음[19]을 가져왔다. 작중에서와 달리 현실에서 대형 얼음은 사실 별 효과는 없다.(...)