1. 왜 냉매와 냉동기유가 오링 수명을 단축시키는가

O형 링 냉동 시스템 내에서 동시에 세 가지 영향을 받는다.

첫째, 매체에 의한 팽윤 또는 추출이다. 작은 냉매 분자가 고무 네트워크로 침투하면서 중량, 부피, 경도, 인장 강도 및 신장률이 변화한다. 냉동유 또한 고무 내부로 침투해 가소제와 첨가제를 용출시켜 재료를 먼저 연화시킨 후 경화시키거나, 냉매 작동 중단 후 수축시키기도 한다. 케모어스사의 R134a 자료는 명시적으로, 단일 냉매만으로 팽윤, 가소제 손실, 기계적 특성 변화를 평가해서는 안 된다고 지적한다. 이는 어떤 특정 고무 계열도 모든 대체 냉매를 포괄하지 못하기 때문이다.

둘째, 열 순환 성능이 낮고 저온 반발성과 압축 영구변형률이 부족함. 저온, 증발기, 흡입측 적용에는 낮은 압축 영구변형률이 요구되며, 압축기, 배기측, 열펌프 고온 조건에서도 낮은 압축 영구변형률이 필요하다. 그 정도는 오 링 장기간 압축 후 복원되지 않는 정도가 기본적으로 밀봉력을 측정하는 지표이며, 값이 클수록 밀봉력 상실이 더 쉽게 발생한다.

셋째, 압력 순환 및 급격한 감압 위험. HFC/HFO 시스템은 주로 용해도, 침투성 및 압축 영구변형에 초점을 맞춘다. CO₂/R744 시스템의 경우 급격한 감압 손상에도 주의해야 한다. 고압 하에서 CO₂ 분자가 고무 내부로 침투하고, 급격한 압력 해제 시 고무 내부에 물집이 생기거나 균열이 발생하거나 심지어 오링이 파열될 수 있다.

2. 냉매 시스템을 우선으로 하여 재료 선정

A. R134a / HFC + PAG 또는 POE: 자동차 에어컨 및 기존 냉각 장치의 주요 적용 사례

R134a는 자동차 에어컨에서는 일반적으로 PAG 오일과, 냉장고·압축기·부분 부하 장비에서는 POE 오일과 함께 사용된다. 오링의 경우, HFC 냉매, PAG/POE 오일, 열적 노화, 압축 영구변형 및 설치 시 손실을 종합적으로 검증해야 한다. Chemours 자료에 따르면, R134a와 고무·금속·엘라스토머 간의 호환성은 프로젝트별로 개별 검증이 필요하며, HFC-134a에 대한 POE 오일의 용해도는 일반적으로 압축기 또는 장비 OEM이 시험을 통해 규정한다.

권장 방향:

안에 파커 o-링 핸드북에 따르면, CR 화합물은 일반적으로 R134a 또는 R22 및 유사한 냉매에 사용되며, 정적 온도 범위는 보통 -40~100°C이다. HNBR의 온도 범위는 보통 -35~150°C이며, NBR 표준 등급은 대부분 -35~100°C이다. EPDM은 일반적으로 -50~150°C이다. 이러한 온도 범위 계층화는 다음을 설명한다: NBR은 저렴할 수 있으나, 장기 자동차 에어컨의 고온, 산소, 압축 영구 변형 요구 조건에서는 기본 선택으로 사용해서는 안 된다.

B. R1234yf / HFO + PAG 또는 POE: 신에너지 차량, 승용차 에어컨, 히트펌프 시스템

R1234yf는 HFO 냉매로, 자동차 에어컨용 주요 대체 냉매 방향으로 자리 잡고 있다. 케모어스 자료에 따르면 옵티온 YF는 R-1234yf/HFO-1234yf로 표기되며, ASHRAE 및 ISO 817 안전 등급 기준으로 A2L로 분류된다. 성능과 작동 특성 면에서 R134a와 유사하지만, R1234yf 전용으로 배합된 PAG 또는 POE 오일을 반드시 사용해야 하며, 단순한 개조용 대체제로 간주해서는 안 된다.

재료 호환성 측면에서 케모어스가 100°C, 2주 조건에서 실시한 고정 변형률 엘라스토머 호환성 시험 결과에 따르면, R1234yf와 R134a를 비교했을 때 HNBR은 R134a 침지 시 더 큰 중량 변화를 보였으나, HFO-1234yf에서는 중량 변화가 작았다. EPDM의 중량 변화는 HNBR, NBR, EPDM, CR 계열 재료 중 명확히 가장 컸다. 비톤®이 가장 우수한 성능을 보였으나, 제조사 및 제조 공정에 따라 결과가 달라질 수 있으므로 재료 공급업체에서 제공하는 정보를 참고해야 한다.

선택 권장사항:

참고: R134a 시스템을 단순히 R1234yf로 전환할 수 없으며, R1234yf를 R134a에 혼합할 수도 없다. Chemours는 R1234yf 시스템이 고유한 피팅을 사용한다고 명시적으로 밝혔다. 냉매 혼합은 교차 오염에 해당하며, 시스템 구성품은 특정 냉매용으로 설계되었다.

C. HFC/HFO 혼합 냉매 + POE/PVE: 열 펌프, 상업용 냉장·냉동 장비, 냉장 시스템

열 펌프 및 상업용 냉장·냉동 장비는 일반적으로 HFC, HFO 또는 HFC/HFO 혼합 냉매를 사용하며, 제품 대부분은 POE, PVE 또는 전용 블렌드 오일을 사용한다. 여기서 R134a 또는 R1234yf에 대한 재료 평가 결과는 R410A, R32, R454B, R513A, R1234ze 등 유사 시스템에 직접 적용할 수 없다. 이는 극성, 증기 압력, 작동 온도, 오일-냉매 용해도 및 첨가제 조성 등이 모두 다르기 때문이다.

초기 선정 논리:

ASHRAE 표준 97의 목적은 밀봉 재료가 냉동 시스템 재료와의 상용성을 유리관 밀봉 시험을 통해 평가하는 것이다. 시험관에는 냉매, 윤활유 및 시험 재료가 밀봉되어 있으며, 일반적으로 시험 후 노화 처리를 거친 후 정성적 또는 정량적 분석을 수행하여 상용성 또는 화학적 안정성을 판단한다.

D. CO₂ / R744 + PAG, POE 또는 PAO: 고압 열 펌프, 상업용 냉장 설비, 자동차 열 펌프

CO₂/R744은 또 다른 유형의 문제이다. 그 화학적 부식성은 반드시 강하지는 않으나, 압력, 침투 및 폭발적 감압 위험은 매우 높다. 파커사의 CO₂ 에어컨 밀봉재 자료에 따르면, R744 시스템의 작동 압력은 R134a에 비해 훨씬 높으며, R744의 작동 압력은 최대 150~160바, 온도는 최대 180°C까지 도달할 수 있다. 따라서 연성 밀봉재 선택 시 폭발적 감압 저항성을 중점적으로 고려해야 한다.

파커사가 CO₂ 에어컨 밀봉재로 동일한 재료로 제시한 것은 EPDM, FKM, HNBR 및 EPDM/BIIR이며, 이 재료들은 -55~+200°C의 온도 범위를 견딜 수 있어야 하며, PAG/PAO/POE 오일에 적합하고, 침투율이 낮으며, 폭발적 감압 저항성이 뛰어나야 한다고 강조한다.

R744 재료 선정 권장 사항:

CO₂/R744에는 일반 자동차 에어컨 O링 대체품을 사용할 수 없음. 동일한 소재명(HNBR 또는 EPDM)이라도 R744 전용 저투과성·폭발 탈압착 방지 배합 여부를 반드시 구분해야 함.

3. 소재 비교 방법

HNBR: 자동차 에어컨의 주요 선택

HNBR의 장점은 우수한 내유성, 내열성, 기계적 강도 및 압축 영구변형 저항성 등이 조화를 이룬 종합 성능이다. R134a, R1234yf, PAG, POE 오일 시스템에 대해 HNBR은 일반적으로 자동차 에어컨 O-링, 컴프레서 정적 실링, 제어 밸브 실링용 선호 재료이다. 파커 자료에 따르면 여러 등급의 HNBR이 −35/−40°C에서 150°C까지 사용 가능하며, 일부 저온 등급은 저온 환경용으로 명시되어 있다.

적용 분야: 자동차 에어컨, R134a/R1234yf 배관, 컴프레서 정적 실링, 열펌프 시스템 일부 부품.

참고: HNBR의 ACN 함량, 수소화 정도, 가황 계통 및 충전제 계통은 저온 반발성, 팽윤 및 압축 영구변형 변화에 상당한 영향을 미친다.

EPDM: 우수한 저온 성능, 오존 내성, 열 노화 저항성 보유 — 단, 오일 호환성은 반드시 확인해야 함

EPDM의 저온 성능, 오존 내성, 열적 노화 성능이 우수함. Chemours사의 R134a/R1234yf 비교 시험에서 EPDM의 중량 변화 선택이 상대적으로 작음. 그러나 EPDM은 모든 종류의 오일에 자연스럽게 적합하지 않으며, 특히 R744 전용 ‘모든 PAG/POE 및 첨가 냉매에 내성 있는 EPDM’은 특수 배합이 필요함. R744 전용 EPDM 또는 EPDM/BIIR는 CO₂ 고압 시스템에 적용 가능한 후보 재료이나, 사례별로 개별 평가가 반드시 필요함.

FKM: 고온 내성 우수, 가스 투과율 낮음, 그러나 R134a/R1234yf에 보편적으로 적용되지 않음

FKM의 강점은 고온 내성, 노화 저항성, 낮은 가스 투과율 및 광범위한 화학적 내성임. Parker사 자료에 따르면, 고온, 고온 오일, 방향족 용매 및 다양한 화학 환경에 적용 가능한 등급으로 표시됨. Chemours사의 R1234yf/R134a 고정 변형률 엘라스토머 시험에서 Viton®의 중량 변화가 HNBR, NBR, EPDM, CR 등 타 재료보다 명확히 낮았음.

따라서 냉각 시스템에서 FKM은 특정 브랜드 및 특정 매체 검증에 대응해야 하며, "FKM은 고급 소재이므로 모든 냉매에 적용 가능하다"고 오해해서는 안 된다.

NBR: 저비용이지만 자동차 에어컨의 장기 사용에는 기본 선택으로 권장되지 않음

NBR은 가격이 저렴하고 광물성 오일에 대한 내성이 양호하며 일부 제품 안정성도 확보되나, 열 안정성, 오존 저항성, 장기 압축 영구변형 등 환경적 안정성은 일반적으로 HNBR보다 약하다. 파커사의 차트에 따르면 NBR의 일반적인 사용 온도 범위는 주로 -35~100°C이다. 비용 민감도가 높고 온도·압력 요구 수준이 낮은 상황에서는 사용 가능하나, R1234yf 자동차 에어컨, 히트펌프 또는 압축기 고온 부위에는 기본 선택으로 권장되지 않는다.

CR: 전통적 냉매에는 사용 가능하나 고온 성능은 제한적임

CR/클로로프렌 고무는 전통적인 냉매에서 오랫동안 사용되어 왔다. 파커사의 차트에서도 CR은 R134a 또는 R22와 함께 자주 사용되며, 일반적인 최고 사용 온도 한계는 약 100°C이다. 현대 자동차 에어컨 및 고온 열펌프에서는 CR이 더 이상 선호되는 솔루션이 아닌 경우가 많다.

VMQ/FVMQ: 저온 성능 우수하나, 고압 및 투과성 주의 필요

실리콘 고무 및 플루오로실리콘 고무는 저온에서 탄성이 낮아 일부 저온 정적 실링에 적합하다. 그러나 기계적 강도, 내열성, 가스 투과성, 고압 하에서의 압출 저항력 등은 일반적으로 열위하다. 냉매 시스템에 사용할 경우, 저응력 정적 실링에만 제한하여 적용해야 하며, 완전한 누출 검사 및 열 사이클링 검증을 반드시 수행해야 한다.

4. 설계는 단순한 재료 대체에만 의존해서는 안 된다

냉각 시스템 O-링 고장은 보통 재료 자체보다는 재료, 홈 형상, 공정 등이 복합적으로 작용하여 발생한다.

팽창 여유량 파커 핸드북은 정적 실링에서 매체의 부피 기준 팽창률이 25%~30%까지는 때때로 허용되지만, 동적 실링에서는 일반적으로 10%를 초과하지 않아야 한다고 지적한다. 과도한 팽창은 압축력 감소 시 압출 위험을 높인다.

압출 방지 고압, 압축기, CO₂/R744 시스템에서는 압출 간극을 줄이고 필요 시 백업 링을 사용해야 한다. 고압은 오링을 저압 측 간극 방향으로 밀어 압출을 유발하므로, 백업 링은 이 위험을 낮출 수 있다.

경도 선택 70A는 일반적인 정적 실링 및 자동차 에어컨 배관 조인트에 흔히 사용된다. 80A는 보다 높은 압력 또는 보다 엄격한 조립 조건에 사용된다. 90A는 CO₂/R744, 고압 압축기 또는 압출 방지가 요구되는 경우에 주로 사용되지만, 저온 복원성 및 조립 시 밀봉 성능이 떨어질 수 있다.

저온 검증 -40°C라는 수치만 자료 시트에서 확인해서는 안 된다. 자동차용 히트펌프 및 저온 냉각 시험에서는 TR10, 저온 압축 반발, 냉각 후 시동 누출, 열 순환 누출을 반드시 검증해야 한다. 또한 저온에서 고무가 경화되거나 압축이 부족해지는 현상은 주차 후 냉각 상태에서 시동을 걸 때 가장 쉽게 누출을 유발한다.

표면 및 조립 배관 조인트 오링은 자주 절단, 비틀림, 건식 조립, 설치 마찰 문제를 겪는다. 챔퍼, 표면 거칠기, 조립 윤활제, 냉매와의 밀착 호환성 등을 엄격히 관리해야 한다. R1234yf 및 CO₂ 시스템의 경우 누출 검출을 방해하거나 오염시킬 수 있는 오일 제품 사용도 피해야 한다.

5. 권장 검증 절차

냉매 및 냉동유용 오링 선정 시 최소 네 가지 범주의 검증을 완료하는 것이 권장된다.

ASTM D471은 액체 침지 후 고무의 품질, 부피, 경도, 인장 강도 및 신장률 변화를 평가하는 시험법으로, 냉동기유 호환성 선별을 위한 기본 방법이다. 그러나 냉매 자체만이 관련 액체인 것은 아니며, 가압된 냉매와 기유의 공존 조건에서의 시험을 병행해야 한다. 트렐레보그는 또한 호환성 표가 공개 자료 및 실험실 시험 결과에 기반하며, 단기간 상온 시험은 현장 조건을 충분히 반영하지 못하므로 사용자는 실제 적용 시험을 통해 확인해야 한다고 안내한다.

CO₂/R744 고압 시스템의 경우 RGD/AED 폭발적 감압 시험을 추가로 실시해야 한다. ISO 23936-2 및 NORSOK M710은 비금속 재료의 적격성 확인과 관련된 표준이며, 특히 NORSOK M710 부록 B가 바로 급속 가스 감압 시험, 즉 폭발적 감압 시험을 규정한다.

6. 고객 대응을 위한 선택 권고

자동차 에어컨 고객

R134a 또는 R1234yf 파이프 조인트 오링은 HNBR 70A/80A를 우선적으로 적용; 고압측 및 컴프레서 조인트는 HNBR 80A/90A도 검토 가능. 신에너지 차량 히트펌프 및 전기식 컴프레서의 경우 POE 또는 전용 PAG 오일을 독립적으로 확인해야 하며, 기존 연료차량의 R134a/PAG 경험만으로 검증해서는 안 됨.

히트펌프 고객

히트펌프 시스템의 어려움은 광범위한 고저온 사이클 범위에 있음. 저온 흡입측의 저온 복원과 배기측의 고온 압축을 동시에 만족시켜야 함. 일반적인 매체 호환성 표만을 근거로 한 추천이 아닌, 저온 특성에 강한 HNBR, EPDM 및 검증된 FKM을 우선적으로 평가하는 것이 권장됨.

컴프레서 고객

압축기 실링의 초점은 고온 냉각유, 냉매 용해성, 압력 펄스 및 장기 압축 영구변형이다. HNBR이 일반적으로 선택되며, 고온 구역에서는 특수 FKM을 평가할 수 있으나 실제 냉각유 및 냉매에서 검증해야 한다. CO₂ 압축기는 R744 고압 실링 논리에 따라 설계되어야 한다.

CO₂/R744 냉각 장비 고객

공급업체가 R744/CO₂ 전용 배합 자료를 제공하도록 우선 요구해야 하며, 여기에는 폭발적 감압 저항성, 낮은 투과성, 압력 사이클링, 저온 반발성, PAG/POE/PAO 오일 호환성이 포함되어야 한다. 일반 HNBR, 일반 EPDM, 일반 FKM이라는 재료명만으로는 충분한 증거가 되지 않는다.

7. 조달 또는 기술 협의 시 반드시 확인해야 할 항목

실링 부품 공급업체에 견적 요청 시 최소한 다음 정보를 제공해야 한다.

8. 가장 흔한 오류

오류 하나: 냉매만 고려하고 냉동유는 고려하지 않음. PAG, POE, PAO, PVE의 팽윤성 및 저온 특성이 서로 다름; 냉동유가 냉매보다 고무의 팽윤 및 경화를 더 크게 결정함.

오류 두 번째: R134a에 대한 경험을 R1234yf에 직접 적용하는 것. R1234yf의 성능은 R134a와 유사하지만, 시스템, 오일, A2L 안전 요구사항 및 서비스 인터페이스는 모두 다르며, 재료는 반드시 R1234yf와 지정된 오일 조합에 대해 별도로 검증되어야 한다.

오류 세 번째: FKM이 항상 HNBR보다 우수하다고 믿는 것. FKM은 고온 및 저투과성 측면에서 장점을 가지지만, R134a/R1234yf 선택 테스트에서 비톤®(Viton®)의 중량 변화가 반드시 가장 작지 않다. 구체적인 배합 성분과 실제 테스트 결과를 반드시 확인해야 한다.

오류 네 번째: CO₂/R744을 단순히 화학적 호환성만으로 선정하는 것. R744의 핵심 위험 요소는 고압, 투과, 급격한 감압, 압출 방지 및 저온 복원력이다. 일반 냉매 호환성 표만으로는 충분하지 않다.

오류 다섯 번째: 색상을 재료 식별 근거로 간주하는 것. 자동차 에어컨용 HNBR 오링은 흔히 녹색이지만, 색상은 재료 식별의 근거가 될 수 없다. 재료 등급, 제조 로트, 경도, 시험 보고서 및 실제 적용 검증을 반드시 확인해야 한다.