[논문]차량용 에어컨에 사용되는 냉매 및 냉동기유의 기술 동향

이대웅; 황승용

doi:10.9725/kts.2019.35.4.206

차량용 에어컨에 사용되는 냉매 및 냉동기유의 기술 동향
Development Trends of Refrigerant and Refrigerant Oil for Automotive Air-conditioner 원문보기

한국윤활학회지 = Tribology and lubricants, v.35 no.4, 2019년, pp.206 - 214

이대웅 (한온시스템 연구본부 APIC) , 황승용 (한온시스템 연구본부 APIC)

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates alternative refrigerants and refrigerant oils as well as the tendency of protecting the global environment in view of automobile air-conditioning systems. Since decades, the R12 refrigerant is not used in automobile air-conditioners because of the ozone depletion potential (ODP) problem, and for the last 20 years, the ODP-free R134a refrigerant is leading the new automotive air-conditioning market. However, owing to its high global warming potential (GWP), the R134a refrigerant use in automobile air-conditioning system is also prohibited by law, and alternative refrigerants with a low GWP need to be proposed. Therefore, recently, the application of R1234yf, R152a, or other alternative refrigerants has started worldwide. By contrast, natural refrigerant R744 was introduced in the market several years ago by VDA (Verband Der Automobilindustrie), which is a German association in the automotive industry. This study also deals with refrigerant oils. For a long time, polyalkylene glycol (PAG) oil has been traditionally used with automobile air-conditioners, and polyolester (POE) oil is suitable for HEV, PHEV, and EV air-conditioning systems, where it is used by the electrically driven compressor owing to its excellent electrical insulation properties. Finally, PAG is an excellent lubricant for all the R134a, R152a, R1234yf, and R744 refrigerants, and has the advantage that it can be applied rapidly to alternative refrigerant air-conditioning systems.

주제어

표/그림 (8)

표 Table1. Thermodynamic properties of R12 and R134a refrigerants[28, 29]
그림 Fig. 1. ASHRAE classification of toxicity and flammability for refrigerant.[20]
표 Table 2. Thermodynamic properties alternative refrigerants[24]
그림 Fig. 2. Schematic of AC-6 refrigerant charge systems for vehicle assembly line (Source, Mexichem).
그림 Fig. 3. Schematic of AC-6 refrigerant charge system for warranty market (Source, Mexichem).
그림 Fig. 4. Vehicle air-conditioning system and characteristics of refrigerant oil.
표 Table 3. Comparison of general properties of automotive refrigerant oils
표 Table 4. Evolution trends of refrigerants and refrigerant oils

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 지구 환경과 맞물려 자동차용 에어컨 시스템에서 검토되고 있는 대체 냉매들과 냉동기 윤활유 (Refrigerant oil)의 개발 동향과 각 에어컨 시스템들의 특징과 장단점에 대하여 살펴보고, 극복과제에 대하여 소개하고자 한다.

제안 방법

냉동기 윤활유가 갖추어야 할 기능을 만족하기 위하여 유성제, 산화방지제, 극압제 등 다양한 첨가제들을 넣어 제조를 하고, 이렇게 개발된 냉동기 윤활유는 요구되는 기능을 만족하는지 시험을 통하여 검증하게 된다.
2006년 3월 하니웰은 일본에서 개최된 심포지엄에서 H 냉매를 소개하였고, 같은 해 6월 미국 피닉스에서 개최된 대체 냉매 심포지엄에서는 H 냉매에 대한 개선 평가 결과를 발표하면서 자동차업계의 관심을 모으기 시작했다. 이어 하니웰은 DP-1을 개발한 듀폰과 공동으로 양사가 개발한 H 냉매와 DP-1 냉매의 잠재적 문제점인 독성과 가연성을 보완한 새로운 대체 냉매인 R1234yf를 개발하였다. 개발한 R1234yf 대체 냉매는 오존층 파괴 차량용 에어컨에 사용되는 냉매 및 냉동기유의 기술 동향성이 없고, 지구 온난화 지수가 낮아 안정된 물질로 분류되고 있으며, 기존 R134a를 사용하는 에어컨 시스템 부품들을 약간만 변경하여 사용이 가능하기 때문에 기존 인프라의 활용 등 여러 가지 장점을 가지고 있다[17].

대상 데이터

일례로 영국의 멕시켐 (Mexichem)은 이러한 R1234yf 냉매의 단점을 보완하여 새롭게 개발한 AC-6(R445a)라는 냉매를 발표하였다. AC-6는 R1234Ze (85%), R134a (9%), CO₂ (6%)의 혼합 냉매로, CO₂는 가연성을 낮추기보다는 이산화탄소의 우수한 잠열을 이용하여 효율을 높이기 위한 목적으로 추가되었다.

성능/효과

1) R152a는 약 가연성을 가진 냉매로 기존 에어컨 시스템의 구성 부품을 변경 없이 그대로 사용할 수 있고, 우수한 냉방성능과 냉매 충진량을 기존 R134a 대비 저감이 가능한 장점이 있다.
4) R134a, R152a, R1234yf, R744 냉매 모두에 대하여 PAG는 우수한 윤활유로 대체냉매 에어컨 시스템 설계시 시간 단축이 가능하고, 기존 에어컨 시스템과 혼용해도 문제가 발생하지 않는 장점이 있다.
R744 대체 냉매에서 PAG를 사용한 경우에는 초 임계 사이클에서도 용해 점도가 높고, 내마모성, 내인화성, 피로수명이 뛰어나고, 안전성과 상용성에서 우수하게 평가되었다. Lee는 대체 냉매로 R744를 사용하는 에어컨 시스템에서 PAG와 POE에 대하여 윤활유 회수율을 분석한 결과, POE가 PAG보다 회수율이 조금 더 우수하다고 하였다[34].
바꾸어 말하면 R152a 냉매에서 윤활유의 용해량 때문에 상용성이 우수하며, R134a보다 분자량이 적고, 밀도가 적기 때문에 점도 조정은 검토되어야 한다. 결론적으로 R152a 냉매의 윤활유로 PAG는 열안정성, 산화안정성 및 내가수분해성 등에서 문제는 보이지 않는다.
CFC계열과 HCFC계열의 냉매를 사용할 때에는 에어컨 시스템 윤활유로 광유를 주로 사용하였다. 또한 압축기 구동부품에서도 R12냉매의 경우 염소 성분이 자기 윤활성을 갖고 있어 구동부품의 소재를 가공 후 그대로 사용해도 되었지만, 광유는 HFC계열인 R134a 냉매와는 상용성이 부족하여 에어컨 시스템 내 순환이 원활하지 않아 압축기의 손상을 초래하여 R134a 냉매를 사용하는 에어컨 시스템 압축기의 구동 부품에 주석 도금이나 테프론 코팅을 하는 등 내구성 확보를 추구하였고, 냉매의 기밀을 위하여 사용하는 NBR(Nitrile Butadiene Rubber) 재질의 고무와도 적합하지 않아 결국 R134a 냉매에 적합한 새로운 냉동기 윤활유를 검토하게 되었으며, 그 결과 PAG가 개발되었다.
이상으로 대체 냉매로 거론되는 후보 냉매군들에 대하여 PAG는 여러 대체 냉매와의 상용성이 다른 냉동기 윤활유에 비하여 우수하게 나타났다. 또한 전기 절연성이 요구되는 전동식 압축기에도 최근에는 모터와 인버터의 전원 공급기 플러그 (Plug)에 코팅을 하는 등 압축기 부품에서 절연성 확보를 위한 연구가 지속적으로 진행되고 있으며 독일을 중심으로 일부 자동차회사에서 PAG를 적용중이므로 PAG는 향후 자동차 에어컨 시스템에서의 대체 냉매 냉동기 윤활유로 확대 적용될 것으로 생각 된다.

후속연구

지구 온난화 규제에 대응하기 위하여 자동차 에어컨 시스템에 있어 대체 냉매 적용 기술은 미래가 아닌 당장 우리가 넘어야 할 장벽인 것이다. 이 장벽을 극복하기 위하여 우리도 자동차 에어컨 시스템의 대체 냉매의 개발과 함께 효과적인 윤활유의 개발과 시스템의 성능을 향상하고, 효율을 높이는데 주력하여야 할 것이다.
하지만 R744는 히트펌프 사이클로의 전환이 용이하기 때문에 전기자동차와 같은 친 환경차량에 적용할 경우 냉방과 난방을 하나의 시스템의 해결할 수 있는 장점 때문에 자동차 에어컨용 냉매로의 적용을 위한 연구는 지속될 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	냉매란 무엇인가?	냉매는 냉동·공조기기 내를 순환하면서 상변화를 통하여 열을 이동시키는 작동유체로, 수 세기 전부터 식품을오래 보관하고 싶은 인간의 갈망으로 냉동기기가 등장하면서부터 인류와 함께해 왔다. 1805년 미국 필라델피아에서 발간된 “The Abortion of Young Steam Engineer's Guide”란 잡지에 미국의 올리버 에반스가 휘발성 유체인에테르의 증발을 이용한 밀폐 냉동사이클을 처음으로 제안하였다.
	HFC (Hydro Fluoro Carbon)계 냉매가 대체 냉매 후보군으로 연구되고 있는 이유는 무엇인가?	그 결과, CFC계 냉매와 거의 동등한 열적 안정성을 갖고 있는 HFC (Hydro Fluoro Carbon)계 냉매가 대체냉매후보군으로 미국을 선두로 일본과 영국 등에서 연구되었다. R12 (CFC12)는 화학구조식이 CCl2 F2인 반면 R134a (HFC134a)는 CH2 FCF3 지로서 오존층을 파괴하는 주범으로 알려진 염소 (Cl) 대신 수소 (H)가 결합되어 있기 때문에 생태학적인 면에서도 오존 파괴지수가 전혀 없다. 이에 따라 R134a를 냉매로 사용하는 자동차 에어컨 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되었다[4].
	냉매로서 CFC (Chloro Fluoro Carbon)의 장점은 무엇인가?	이처럼 초기의 냉동·공조기기는 조잡하고, 열악하며 냉각제의 위험성까지 내포하고 있었으나, 1920년대 말 미국 듀폰 (Dupont)에서 기존의 아황산가스나 암모니아를 대체하는 CFC (Chloro Fluoro Carbon)가 등장하면서끓는점이 낮고, 독성이 없으며, 열역학적 특성은 우수하고, 반응성이 낮은 안전하고 훌륭한 냉매가 등장한 것이다. 이 화학물질은 듀폰의 상표명인 프레온 (Freon)으로도 잘 알려져 있다[2].

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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