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 냉매

1) 냉매의 연혁

냉매는 저온부의 열을 고온부로 옮기는 역할을 하는 매체이며, 저온부에서는 액으로부터 가스로, 고온부에서는 가스로부터 액으로 상태변화를 하는 것이다. 이러한 역할을 하는 냉매로서 현재 여러 가지가 사용되고 있으나, 기계식 냉동방식의 초기에 있어서는 사용할 수 있는 냉매의 종류가 대단히 적었고 기술수준도 낮았기 때문에 냉동장치는 냉매의 성질에 따라서 제약을 받게 되었다.

즉, 냉동의 초기단계에서는 냉매로서 탄산가스(CO₂)나 암모니아(NH₃)를 사용하였으므로, 장치가 대단히 컸으며 저속이었고 숙련된 기술자가 운전하여야 했다. 그러나 산업이 발달함에 따라 냉동이 여러분야에 응용되게 되었고, 이에 상응하는 기술이 개발됨에 따라 보다 우수한 냉매의 개발이 필요하게 되었다. 예를 들면 가정용 냉장고와 같은 소형 냉장고는 기기가 소형이고, 가볍고, 보다 저렴해야 하므로 이에 알맞는 냉매가 필요하게 되었다.

이러한 요구를 만족하는 냉매로서 1930년 Midgley와 Henne의 연구에 의해 메탄계(CH4) 및 에탄계(C2H6)의 탄화수소중 수소원자의 일부를 염소(Cl) 혹은 불소(F)로 치환함으로서 여러 가지 사용목적에서 사용할 수 이TSms 우수한 특성을 가진 다수의 냉매군을 합성하게 되었다. 이것이 소위 할로겐화 탄화수소(Halogenated Hydro-Carbon)로, 1930년경에 미국 Du-Pont사가 Freon이라는 상품명으로 발표한 이래 CFC계 냉매가 미국을 중심으로 현재까지 50종 이상 개발되어TRh, 이들 냉매의 발명이 냉동기 공업의 획기적인 발전을 가져오게 되었다.

 특히 운전을 위한 전문기술자를 둘 수 없는 소형의 자동제어 냉동기기에서는 열효율보다 냉매의 불연성, 무취, 무독 등 냉매의 안전성을 더욱 중요시하게 되는 반면에 기술자에 의해서 운전되는 대용량의 냉동기기에 있어서는 냉매의 안정성도 물론 중요하지만 열효율도 무시할 수 없다. 그리고 극도로 높은 온도에서 작동되는 공냉식 공조기나 초저온 장치 등은 특수한 용도에 사용될 수 있는 냉매는 그 목적에 상응하는 물리적 성질을 가져야 한다. 또한 지금까지 사용되어 오던 R-11, 12, 113등 cfcrP 냉매가 지구의 오존층을 파괴한다는 사실이 알려진 후 이들 냉매으 ltodtks 및 사용을 제한함과 동시에 그 대체냉매를 개발하는 등 세계 각국에서 새로운 냉매를 끊임없이 개발하기 위해 연구하고 있으나, 아직 필요한 모든 영역에다 사용할 수 있느 ssodao는 개발되어 있지 않아 냉동의 목적에 따라서, 그 조건에 맞는 특성을 가진 냉매를 선정하는 것이 현명하다.

2) 냉매의 특성

여러 가지 액체가 냉매로 사용될 수 있으나, 냉매로서 가장 필요한 특성은 그다지 높지 않은 압력에서 쉽게 응축, 즉, 액으로 되어야 한다. 암모니아는 액의 온도가 30℃ 정도만 되면 응축되는데 그 압력이 11.9kg/cm²_abs로서 별로 높은 압력이 아니므로 압축기나 응축기 등의 제작에 특수한 재료를 사용하지 않아도 되어 기기의 가격도 비교적 싸다. 그러나 암모니아에 비해 탄산가스는 73.3kg/cm²_abs정도인고압이 되어야 응축하므로 모든 기기는 이 압력에 견딜 수 있어야 하기 때문에, 장치의 제작에는 특수 제작이 필요하고 가격도 비싸게 된다.

※냉매의 구비조건

• 1) 비점이 적당히 낮을 것 -- 일반적으로 비점이 너무 높은 냉매를 저온용으로 사용하면 압축기의 흡입압력이 극도의 진공이 되어 효율이 나쁘게 된다. 그리고 주위와의 압력차가 너무 크게 되어 불응축가스가 혼입하거나 냉매가 누설하기 쉽다.
• 2) 냉매의 증발잠열이 클 것 -- 증발잠열이 크게 되면 적은 양의 냉매를 증발시켜도 냉동작용이 크게된다. 암모니아는 비교적 증 발잠열이 크므로, 냉매유량이 적어도 냉동능력은 크게 되어 대형 냉장고나 제빙장치에 적합하다.
• 3) 응축압력이 적당히 낮을 것 -- 자연계의 공기나 물로서 냉각할 때 대기압 이상의 적당한 압력에서 응축되는 것이 좋다. 압력이 너무 낮으면 장치내로의 불응축가스 유입, 너무높으면 장치의 파열이 일어날 수 있다.
• 4) 증기의 비체적이 적을 것 -- 압축기 흡입증기의 비체적이 적을수록 피스톤 토출량은 적어도 되므로 장치를 소형화할 수 있다.
• 5) 압축기 토출가스의 온도가 낮을 것  -- 압축기 토출가스 온도가 높으면 체적효율이 저하도리 뿐만 아니라, 기통내에서 윤활유의 탄화나 열화 혹은 분해가 일어나기 쉽고, 윤활작용의 저해도 일어날 수 있기 때문에 낮을수록 좋다.
• 6) 임계온도가 충분히 높을 것 -- 임계온도가 낮은 증기는 임계온도 이상에서 압력을 아무리 높여도 응축되지 않으므로 다시 냉매 로 사용할 수가 없다.
• 7) 부식성이 적을 것 -- 비록 냉매에 기름, 공기, 수분 등이 혼입되었을 때라도 냉동장치에 사용되는 재료를 부식시키거나 번성시키지 않아야 한다.
• 8) 안전성이 높을 것 -- 냉동장치의 각 온도에서 그 자신이 분해되어 불응축가스를 생성한다거나 그 자신의 성질이 변하 지 않아야 한다.
• 9) 전기 절연성이 좋을 것  -- 전기 절연 재료를 침식하지 않고 유전율이 적으며 전기 저항값이 커야한다.
• 10) 누설검지가 쉬울 것 -- 물리적 방법이나 화학적 방법으로 쉽고 확실하게 검지할 수 있어야 한다.
• 11) 누설하였을 때 공해를 유발하지 않을 것
  
• 그 외 가격이 저렴할 것, 인화성, 폭발성이 적고, 인체에 해가 없고 악취가 없을 것, 그리고 점도가 적고(점도가 높으면 비점이 높아진다.), 열전도율이 좋을 것 등의 조건이지만 이들 조건을 완전히 만족하는 냉매는 아직 발견되지 않았으나, 현재 사용되고 있는 암모니아, CFC계, HCFC계 및 HFC계 냉매(할로겐화 탄화수소 : 소위 프레온계, 이하 CFC계 등이라 함)는 대부분 조건을 만족하고 있다. 그러나 암모니아는 동, 동합금을 침식하기 때문에 동관을 사용하는 전동기를 내장한 밀폐형 압축기의 냉매로서는 사용할 수가 없다.
  

3) 냉매의 호칭

무기냉매는 그 화학명으로 부르고 있으나(예, 암모니아 : NHl₃), 일반적으로 세계 각국에서는 냉매기호를 사용하고 있다. CFC계 냉매가스의 분자식을 C_aH_bCl_cF_d로 나타낸다면 a, b, c, d의 사이에는 2a+2=b+c+d의 관계에 있다. 메탄계에서는 a=1이므로 b+c+d=4, 에탄계에서는 a=2이므로 b+c+d=6이다. 냉매기호는 R-000으로 3행이 되어 있는데, 제 1행을 a-1로 나타내고, 제 2행은 b+1을, 제 3행은 d를 나타낸다. 예를들면 분자식이 CCl₃F₂인 냉매에서는 a=1이므로 제 1행은 a-1=0, 따라서 제 1행은 없다 .또 b=0이므로 제 2행은 b+1=1, 제 3행은 d=2이다. 그러므로 이 냉매의 기호는 냉매의 의미인 R(refrigerant)을 사용하여 R-12가 된다. 예로서 실용되고 있는 몇가지 CFCrP 냉매의 기호와 분자식을 나타내면 다음과 같다.

<냉매 호칭의 예>

분자식	CaHbClcFd		CCl2F2
기호	R-(a-1)(b+1)(d)		R-(1-1)(0+1)(2) = R-22
R-11 = CCl3F		R-22 = CHClF2		R-21 = CHCl2F
R-13 = CClF3		R-114 = C2Cl2F4		R-114 = C2Cl2F4

또 CFC계냉매 등에는 공비혼합냉매가 있다. 공비혼합냉매라고 하는 것은 2개의 서로 다른 냉매의 혼합물이면서 일정한 비점을 가지기 때문에 단일물질과 마찬가지로 증발, 액화를 반복할 수 있는 냉매를 말하는 것으로서 여기에는 R-500, R-502등이 있다. R-500은 R-12와 R-152를 각각 73.8%, 26.2%의 중량비로 혼합한 것으로, 비점은 -33.3℃이다. 이것은 R-12에 비해 냉동능력이 약 20%향상된다. R-502는 R-22와 R-115를 각각 49%, 51%의 중량비로 혼합한 것으로 비점은 -45.6℃이며, R-22보다 약 10% 냉동능력이 크고 토출온도도 낮기 때문에, 쇼케이스 등의 소형 냉장고에 많이 사용되고 있다.

4). 냉매의 누설검지법

(1)암모니아

• 냄새로서 판별 :암모니아는 심한 자극성의 냄새가 있기 때문에, 냄새로서 누설 여부를 판단할 수 있다.  
• 유황으로 판별 : 유황을 묻힌 심지에 불을 붙여 누설부위에 가까이 가면, 백색 연기가 발생한다.
•  적색리트머스 시험지로 판별: 리트머스 시험지에 물을 적셔 누설 부위에 가까이 하면, 청색으로 변한다.
•  백색 페놀프탈레인 시험지로 판별 : 페놀프탈레인 용지에 물을 적셔 누설 부위에 가까이 하면, 청색으로 변한다.
•  네슬러 용액으로 판별 : 주로 브라인 등에 잠겨 있는 배관에서의 누설을 검사할 때 사용하는 방 법으로, 약간의 브라인을 떠서 그 속에 적당량의 네슬러용액을 떨어뜨 리면, 소량 누출시에는 황색으로, 다량 누설시에는 자색(갈색)으로 변 한다.
  

(2) CFC계(할로겐화 탄화수소계) 냉매

•  비눗물로 판별 : 가스 누설의 의심이 있는 배관의 접합부 등에 비눗물이나 네카로를 바르면, 누설부위에서는 거품이 발생한다.
•  헤아이드 토치로 판별 : 폭발의 위험이 없을 때 사용, 헤라이드 토치는 시료로서 아세틸렌이나 알코올, 프로판 등을 사용하는 램프로서, 그 심지에 불을 붙이면 정상시에는 청색인 불꽃이, 냉매가 소량 누설시에는 녹색불꽃으로, 다량 누설시에는 자색불꽃으로 변하다가, 더욱 다량 누설시에는 꺼지게 된다.
•  할로겐 누설탐지기로 판별 : 미량의 누설 검지에 사용한다. 누설 부위에 대면 점등과 경보음이 울린다.
  

5) CFC계 냉매의 문제점과 그 대책

CFC계 냉매는 냉매의 구비요건을 아주 잘 만족하고 화학적으로 아주 안전할 뿐 아니라 인체에 무해하지만 대기 중에 방출되면 대부분이 분해되지 않은 채 성층권에 도달하고, 그 곳에서 자외선에 의해 분해된 염소원자가 오존층을 파괴한다. 그 결과 지표면에 달하는 자외선량이 많아져 피부암의 발생률이 상승할 가능성이 크고 생태계에도 막대한 악영향을 끼칠 우려가 있다. 이러한 이유로 1987년 이 냉매를 개발하고 이미 그들의 손으로 엄청난 냉매를 방출한 국가들이 중심이 되어 『몬트리올 의정서』를 채택하여, 에어졸용, 냉매용, 발포제용으로서의 R-11, R-12, R-114, R-115, 세척제용, 용제용으로서의 R-113 및 소화제용으로서의 할론 1211, 1301을 규제하는 것을 결정하였고 1990년 그 규제가 더욱 강화되었다.

실제 성층권에서는 자연적으로 오존의 생성소멸이 이루어지지만 CFC계 냉매의 염소분자에 의한 파괴는 자연적 생성으로 보충되기 어렵다. 자외선을 걸러주던 오존이 얇아지면서 인간피부에 유독한 3050∼3100Å의 단파장이 들어와 피부암증가는 물론이고 곡물의 수확도 감소하게 될 것이란 지적이다.

뿐만 아니라 CFC계 냉매는 이산화탄소와 같이 빛은 통과하여도 지표면 열방사가 차단되어 지구온난화에 영향을 미쳐 온실효과를 가져온다. 온실효과로 해수온도상승, 극지방 빙하가 녹아 해수면 상승, 열대성 저기압의 증가로 가뭄, 장마등의 발달로 지구 전체의 기후 상태, 생태계가 파괴된다는 지적이다.

그 대책으로 다음과 같은 방안들이 고려될 수 있을 것이다.

(1) 기존 CFC계 냉매와 동등한 특성을 가지면서 오존층파괴, 온실효과 등을 조장하지 않는 냉매 개발

(2) 사용공정을 개선하거나 재설계 함으로서, 누설이나 증발에 의한 손실량을 감소할 수 있도록 도모

(3) 제품 폐기시 냉매 회수하여 재생처리 하여 재이용

(4) CFC계 냉매가스를 사용하지 않는 공정이나 제품으로 교체

(5) 규제대상 냉매를 위험성이 적은 HCHC계나 HFC계 냉매로 교체사용

대체냉매 개발을 위해 많은 연구가 이루어지고 있고 그중 R-134a는 R-12의 대체품으로, R-123은 R-11의 대체품으로 그리고 R-22/R-142b의 비공비 혼합냉매는 R-12의 대체품으로 기대되고있다.