KR101689528B1 - 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치 - Google Patents

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서정권
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Abstract

본 발명에 따른 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치는 기체 및 이온성 액체가 유입되고, 상기 기체가 상기 이온성 액체에 흡수되어 이온성 액체 혼합물을 생성하는 흡수기, 상기 흡수기에서 배출된 이온성 액체 혼합물이 유동하고, 이온성 액체 혼합물의 압력을 하강시키는 팽창밸브, 상기 팽창밸브에서 배출된 이온성 액체 혼합물이 유동하면서 제1열매체와 열교환하고, 상기 이온성 액체 혼합물 내부의 기체는 상기 제1열매체로부터 공급받은 열에 의하여 증발하여, 상기 이온성 액체 혼합물은 기체와 이온성 액체로 분리되는 탈착기, 상기 탈착기에서 배출되는 기체 및 이온성 액체가 유입되는 기액분리기, 상기 기액분리기에서 분리된 이온성 액체가 유동하는 액상라인, 상기 액상라인에 배치되는 펌프, 상기 기액분리기에서 분리된 기체가 유동하는 기상라인 및 상기 기상라인에 배치되어 기체를 가압하는 압축기를 더 포함한다.

Description

기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치{Heating and Cooling Apparatus using Gas Refrigerant and Ionic Liquids}
본 발명은 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이온성 액체의 기체 흡수특성을 활용한 냉난방장치에 관한 것이다.
일반적으로 이산화탄소는 20세기 초 널리 사용되던 자연 냉매로서, 합성 냉매의 상용화 이후 사용이 중단되었다가 최근 들어 불화가스계 합성 냉매 사용이 점차 제한됨에 따라 대체 냉매 후보군으로서 재조명되고 있다. 이산화탄소는 오존층파괴지수 및 지구온난화지수가 현저히 낮아 친환경적이며, 비독성, 비가연성 물질로, 안정성, 환경친화성, 가용성 등을 모두 충족시키는 자연냉매로서 향후 대체 냉매로서의 활용 가능성이 매우 높다.
그러나 기존의 이산화탄소 냉매를 활용하는 증기 압축식 냉난방 시스템의 경우, 이산화탄소의 열역학적 특성상 다른 냉난방 시스템에 비해 3~5배 가량의 높은 작동압력 및 이에 따른 과도한 장치 및 설비가 요구되어 대형 시스템에만 적용가능한 한계를 갖는다.
이와 같은 공정 경제상의 단점을 극복하고자 새로운 형태의 냉방 시스템이 도입었으며, 이러한 신 냉방 시스템의 예로서는 이산화탄소 자체의 기화열이 아닌 이온성 용액 상 이산화탄소의 증발열 또는 용해열을 도입한 시스템이다.
구체적으로 도1를 참조하면, 새로운 개념의 냉난방시스템은 흡수기(10), 팽창밸브(20), 탈착기(30), 압축기(40)를 포함한다. 그리고 이산화탄소 기체와 이온성 액체가 상기 사이클을 유동하면서 열을 흡수 및 방출하게 된다.
즉 이산화탄소 및 이온성 액체는 흡수기(10)를 유동하고, 공급되는 열매체(예를 들어 실외공기)를 통하여 냉각이 된다. 이 과정에서 기상의 이산화탄소는 이온성 액체에 용해가 되고, 용해열이 외부로 방출되게 된다.
그리고 흡수기(10)로부터 배출된 이온성 액체 혼합물은 팽창밸브(20)를 통과하면서 압력이 저하되고, 탈착기(30)로 유입된다.
이온성 액체 혼합물은 탈착기(30)를 유동하는 과정에서 열매체(예를 들어 실내공기)의 열을 흡수하게 된다. 그리고 흡수된 열에 의하여 이온성 액체 혼합물 내부의 이산화탄소는 증발을 하고, 다시 기상의 이산화탄소 및 이온성 액체로 분리된다.
그리고 분리된 이산화탄소 및 이온성 액체는 압축기(40)를 통과하면서 가압되고, 다시 흡수기(10)로 유입된다. 즉, 상기의 사이클의 반복과정을 통하여 탈착기(30)에서는 흡열을 통한 냉방, 흡수기(10)에서는 방열을 통한 난방을 제공하게 된다.
그러나 상기의 사이클의 경우 2개의 상의 기체 및 액체가 각 사이클을 구성하는 장치를 같이 유동함에 따른 전체 사이클의 효율이 낮다는 문제가 있고, 이를 해결하기 위한 방안이 요구된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2008-0019235호(2015.08.12)
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 2개의 상의 기체 및 이온성 액체의 효과적인 흡수 및 탈기를 유도할 수 있는 냉난방 시스템을 제공하기 위한 목적을 가진다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치는 기체 및 이온성 액체가 유입되고, 상기 기체가 상기 이온성 액체에 흡수되어 이온성 액체 혼합물을 생성하는 흡수기, 상기 흡수기에서 배출된 이온성 액체 혼합물이 유동하고, 이온성 액체 혼합물의 압력을 하강시키는 팽창밸브, 상기 팽창밸브에서 배출된 이온성 액체 혼합물이 유동하면서 제1열매체와 열교환하고, 상기 이온성 액체 혼합물 내부의 기체는 상기 제1열매체로부터 공급받은 열에 의하여 증발하여, 상기 이온성 액체 혼합물은 기체와 이온성 액체로 분리되는 탈착기, 상기 탈착기에서 배출되는 기체 및 이온성 액체가 유입되는 기액분리기, 상기 기액분리기에서 분리된 이온성 액체가 유동하는 액상라인, 상기 액상라인에 배치되는 펌프, 상기 기액분리기에서 분리된 기체가 유동하는 기상라인 및 상기 기상라인에 배치되어 기체를 가압하는 압축기를 포함한다.
여기서 상기 기상라인에는 상기 압축기를 통과하면서 가압된 기체를 냉각하기 위한 제1열교환기가 구비될 수 있다.
또한, 상기 흡수기는 상기 이온성 액체 혼합물이 유동하는 라인믹서 및 상기 이온성 액체 혼합물 제2열매체가 열교환할 수 있도록 제2열매체를 공급하는 제2열매체 공급부를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 라인믹서는 복수 개가 병렬로 구비될 수 있다.
그리고 상기 흡수기의 전단에는 기체 및 이온성 액체를 혼합하기 위한 라인믹서가 더 구비될 수 있다. 여기서 상기 흡수기에서 상기 팽창밸브로 유동하는 이온성 액체 혼합물 및 상기 탈착기에서 배출되는 기체 및 이온성 액체가 유동하면서 열교환되는 제2열교환기를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 이온성 액체는 -20~120℃의 온도 범위에서 액체 상을 가지는 제1 이온성 액체에, -20~120℃의 온도 범위에서 고체 상을 가지는 제2 이온성 액체가 용해된 상태로 존재하는 이온성 액체 조성물을 포함하는 기체 및 이온성액체를 이용할 수 있다.
여기서, 상기 제1 이온성 액체는 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트([BMIM][PF6]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트([BMIM][BF4]), 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 비스트리루오로메틸설포닐이미드([HIMIM][TF2N]), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트([EMIM][PF4]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트([BMIM][ACETATE]) 및 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스트리루오로메틸설포닐이미드([EMIM][TF2N]로 이루어진 군으로부터 선택되는 이온성 화합물 중 적어도 하나의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 제2 이온성 액체는 폴리(p-비닐펜질)트리메틸암모늄 테트라플루오로보레이트(p[VBTMA][BF4]), 폴리(p-비닐벤질)트리메틸암모늄 트리플로오로메틸설포닐이미드([p[VBTMA][TF2N]], 폴리(p-비닐벤질)트리메틸암모늄 헥사플루오로포스페이트(p[VBTMA][PF6]), 폴리(p-비닐벤질)트리메틸암모늄 클로라이드(p[VBTMA][Cl]), 폴리(p-비닐벤질)트리메틸암모늄 o-벤조익설포닐이미드(p[VBTMA][Sac]), 폴리(p-비닐벤질)트리에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(p[VBTEA][BF4]) 및 폴리(p-비닐벤질)트리부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(p[VBTBA][BF4])로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 이온성 액체 조성물 내 제2 이온성 액체의 함량은 5 내지 20 중량%인 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 기체는 이산화탄소인 기체 및 이온성액체를 이용할 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 이송대상물 카운팅장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 탈착기에서 분리된 기체 및 이온성 액체를 분리하여 압축 및 가압을 하여 기상 및 액상을 동시에 가압하기 위한 고가의 압축기를 사용하지 않아도 된다. 나아가 흡수기에서의 효과적인 기체의 용해도를 높이기 위하여 기체 및 이온성 액체의 압력을 개별조절할 수 있다는 장점이 있다.
둘째, 기상라인 및 액상라인을 분리하고, 기상라인을 유동하는 기체만을 별도로 냉각하는 열교환기를 구비한다. 따라서 기체를 냉각하여 흡수기를 유동시킬 수 있고, 기체의 냉각에 따른 흡수기에서의 기체 용해도를 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.
셋째, 라인믹서를 활용하여 기상라인 및 액상라인이 하나의 배관으로 연결됨에 따라 기체 및 이온성 액체가 분리되어 유동하여 흡수기로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 기체가 흡수기 유입 전 단계에서 이온성 액체에 균일하게 분포할 수 있도록 하고, 이에 따라 접촉면적의 증가에 따른 흡수기에서의 기체의 용해도를 증가시킬 수 있다.
넷째, 라인믹서 자체에 외부열원을 공급하여 라인믹서를 통과하는 과정에서 기체가 이온성 액체에 용해되도록 할 수 있다. 이에 따라 별도의 열교환기의 구성을 구비하지 않고도, 라인믹서 자체를 이용하여 기체의 용해도를 증가시킬 수 있다.
다섯째, 기상 및 액상의 기체 및 이온성 액체가 함께 유동함에 따라 발생하는 소음 및 진동을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래에 개시된 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉방사이클의개략적인 구성을 나타내는 도면;
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면;
도 3는 본 발명의 제2실시예에 따른 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면;
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면;
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면;
도 6는 기체 및 이온성 액체가 하나의 배관으로 유입되는 경우의 기체 및 이온성 액체의 분리현상을 설명하기 위한 도면;
도 7은 본 발명의 제5실시예에 따른 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면;
도 8은 본 발명의 이온성 액체의 이산화탄소 흡수량을 측정하기 위한 이온성 액체 흡수량 측정장치를 개략적으로 도시한 개념도;
도 9는 압력에 따른 각 액체들의 이산화탄소 용해도 변화를 도시한 그래프이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 기체가 이온성 액체에 흡수 또는 분리되는 과정에서의 흡열 및 발열을 용하여 냉방 또는 난방을 제공하고, 전체 사이클은 기체와 이온성 액체의 효율적인 흡수 및 분리 조건을 구비하기 위하여 조절된다.
그리고 본 발명의 기체는 상온 및 상압에서 기체 상태로 존재하는 다양한 종류의 기체가 사용될 수 있고, 특히 오존층 파괴지수가 0 또는 0에 가깝고 지구 온난화 계수도 지수는 10이하 인 기체를 채택하는 것이 바람직하다. 예를 들어 이산화탄소, 암모니아, 공기, 이소부탄 등이 사용될 수 있을 것이며, 이하 본 실시예에서는 이산화탄소를 기준으로 설명한다.
도2는 본 발명의 제1실시예의 이산화탄소 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도2을 참조하면, 본 실시예의 냉난방장치는 흡수기(110), 팽창밸브(120), 탈착기(130), 기액분리기(140), 액상라인(170a), 펌프(170), 기상라인(140a), 압축기(140)를 포함한다.
흡수기(110)로 이산화탄소 및 이온성 액체가 유입되고, 제2열매체와 열교환을 하게 된다. 열교환이되는 제2열매체로는 다양한 열원이 사용될 수 있고, 본 실시예에서는 실외공기를 기준으로 설명한다.
즉, 이산화탄소 및 이온성 액체가 흡수기(110)를 유동하는 동안, 실외공기와 열교환을 하고, 이에 따라 이산화탄소는 이온성 액체에 용해되어 이온성 액체 혼합물이 생성된다.
그리고 이산화탄소가 이온성 액체에 용해되는 반응은 발열반응이고, 발생한 열은 제2열매체를 통하여 외부로 배출된다. 따러서 이산화탄소가 이온성 액체에 용해되는 과정에서 발명하는 열을 활용하여 수요처에 열을 공급할 수 있을 것이다.
한편, 흡수기(110)는 증발식 냉방시스템에서와 같이 다양한 형태의 열교환기가 사용될 수 있을 것이다. 즉 본 실시예에서의 흡수기는 증발식 냉방시스템에서의 응축기와 유사한 기능을 하고, 실외공기를 열교환기로 유동시키기 위한 송풍기(미도시) 등이 구비될 수 있다.
흡수기(110)를 통과하면서 온도가 하강된 이온성 액체 혼합물(이산화탄소가 용해된 이온성 액체)은 팽창밸브(120)를 통과하면서 압력이 하강하고, 온도는 더 떨어지게 된다.
구체적으로 흡수기(110)에서 배출된 저온/고압의 이온성 액체 혼합물은 팽창밸브(120)를 통과하면서 압력이 하강되어 저온/저압의 이온성 액체 혼합물이 된다(이 경우 시스템의 구성에 따라 용해된 이산화탄소의 일부가 이온성 액체에서 분리되면서 이온성 액체 혼합물의 온도를 일부 낮출 수 있다).
상기 저온/저압의 이온성 액체 혼합물은 탈착기(130)를 거치면서 냉매 기능을 수행함으로서 주변의 냉방을 실현한다. 상기 탈착기(130)는 상기 저온의 이온성 액체 혼합물보다 상대적으로 높은 온도 조건을 형성하고 있으며, 상기 높은 온도는 예를들면 냉방의 대상인 실내 공기의 온도에 대응한다.
상기 저온/저압의 이온성 액체 조성물은 탈착기(130)를 거치면서 이온성 액체 조성물에 용해되어 있던 이산화탄소가 증발하면서 외부열을 흡수하고 주변을 냉방시킨다. 이산화탄소의 증발은 흡열 반응으로서, 흡수된 반응열만큼 냉방 효과로 반영된다. 이처럼, 본 실시예에 따른 냉방 시스템은 이산화탄소의 용해/증발이 외부 온도 변수로만 이루어짐으로써, 고압 환경을 요구하지 않는다.
한편, 탈착기(130) 역시 증발식 냉방시스템에서와 같이 다양한 형태의 열교환기가 사용될 수 있을 것이다. 즉 본 실시예에서의 탈착기는 증발식 냉방시스템에서의 증발기와 유사한 기능을 하고, 실외공기를 열교환기로 유동시키기 위한 송풍기(미도시) 등이 구비될 수 있다.
기액분리기(160)는 탈착기(130)에서 분리된 기상의 이산화탄소와 액상의 이온성 액체가 분리된다.
분리된 기상의 이산화탄소는 기상라인(140a)로 유동하고, 압축기(140)를 통과하면서 압축되어 압력이 증가하게 된다. 그리고 분리된 액상의 이온성 액체는 액상라인(170a)로 유입되고, 펌프(170)를 통과하면서 순환하게 된다.
즉, 본 실시예에서는 종래기술을 통하여 설명한 시스템과 같이 이산화탄소 및 이온성 액체가 하나의 배관을 통과하면서 하나의 압축기를 통하여 압축되지 않고, 분리되어 이산화탄소는 압축기(140)를 통하여 압축되고, 이온성 액체는 펌프(170)을 통하여 가압된다.
일반적으로 기체 및 액체를 동시에 압축하는 장치는 고가인 반면, 압축효율은 떨어진다. 따라서 본 실시예에서는 탈착기(130)를 통하여 이온성 액체 혼합물으로부터 증발한 이산화탄소와 이산화탄소가 증발된 이온성 액체를 서로 다른 배관으로 유동시킨다. 그리고 압축기(140) 및 펌프(170)를 이용하여 가압하게 된다.
따라서 고가의 압축기를 쓰지 않고, 통상적인 압축기(140) 및 펌프(170)를 사용하면서도 높은 압축효율을 확보할 수 있다는 장점이 있다. 나아가 이산화탄소 및 이온성 액체를 각각 압축기(140) 및 펌프(170)를 이용하여 가압하기 때문에 전체 시스템 효율을 고려하여, 이산화 탄소 및 이온성 액체의 가압 정도를 개별 조절할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 기상라인(140a) 및 액상라인(170a)는 하나의 배관으로 연결되고, 이를 통하여 다시 흡수기(110)로 유동을 하면서 전체 사이클을 구성하게 된다.
도3는 본 발명의 제2실시예의 이산화탄소 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도3을 참조하면, 본 실시예의 이산화탄소 및 이온성 액체를 이용한 냉방시스템의 전체적인 구성 및 시스템의 구동방식은 상기 설명한 제1실시예와 동일하다. 이하, 제1실시예와의 차이점을 중심으로 설명한다.
본 실시예에서의 기상라인(140a)에는 압축기(140)를 통과하면서 가압된 기체를 냉각하기 위한 제1열교환기(180)가 구비된다.
일반적으로 기체의 경우 압축열이 매우 크고, 이에 따라 압축기(140)를 통과한 이산화탄소는 액상라인(170a)를 통과하는 이온성 액체보다 상대적으로 고온 상태가 된다. 이 경우 흡수기(110)에 고온의 이산화탄소가 유입되어 이온성 용액에 흡수율을 떨어지게 된다.
따라서 본 실시예에서는 제1열교환기(180)을 구비하여, 압축기(140)를 통과한 이산화탄소의 온도를 낮춰서 흡수기(110)에서의 이산화탄소 용해도를 증가시킨다. 그리고 이산화탄소 용해도의 증가에 따라 더 많은 발열을 하게 되고, 결국 흡수기(110) 출구단의 이온성 용액 혼합물의 온도를 저하시키는 효과가 있게 된다.
도4는 본 발명의 제3실시예에 따른 이산화탄소 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도4를 참조하면, 본 실시예의 전체적인 구성 및 시스템의 동작은 상기 제1실시예 및 제2실시예와 유사하고, 이하 차이점을 중심으로 설명한다.
본 실시예에서는 흡수기(110)에서 팽창밸브(120)으로 유동하는 이온성 액체 혼합물과 탈착기(130)에서 배출되는 이산화탄소 및 이온성 액체가 열교환하는 제2열교환기(150)을 더 포함한다.
제2열교환기(150)를 통하여 흡수기(110)를 통과한 이온성 액체 혼합물의 온도는 더 하강하게 되고, 상대적으로 탈착기(130)를 통과한 이산화탄소 및 이온성 액체의 온도는 상대적으로 상승을 하게 된다.
즉, 제2열교환기(150)의 기능은 팽창밸브(120) 유입 전, 이온성 액체 혼합물을 추가적으로 냉각을 하기 위한 것이고, 시스템의 구성에 따라 흡수기(110)를 통과하면서 이온성 액체에 혼합되지 않은 이산화 탄소 기체가 이 과정을 통하여 추가적으로 이온성 액체 혼합물에 용해될 수 있을 것이다.
도5는 본 발명의 제4실시예에 따른 이산화탄소 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다. 도5를 참조하면, 본 실시예에서는 흡수기(110)의 전단에 라인믹서(190)가 추가적으로 구비될 수 있다.
기상의 이산화탄소 및 액상의 이온성 액체는 기상라인(140)a) 및 액상라인(170a)를 각각 통과하여 하나의 배관으로 유입된다. 이 경우 양 배관으로 유입되는 유체의 상이 틀리기 때문에 하나의 배관을 유동하는 경우 혼합이 되지 않을 수 있다.
특히 본 발명에서는 종래 기술에 설명한 시스템과 달리 기상 및 액상을 분리하여 압축 또는 가압을 진행하게 된다. 즉, 종래 기술에 기술한 시스템에서는 기상의 이산화탄소 및 액상의 이온성 용액이 하나의 압축기에서 압축되기 때문에 이 과정에서 일부 이산화탄소가 이온성 액체에 용해되거나, 양자의 혼합이 어느 정도 이루어지게 된다. 그리고 양자가 혼합된 상태에서 흡수기(10)로 유입되면, 기상의 이산화탄소가 액상의 이온성 액체 내부에 균일하게 분포하게 된다. 결국 양자 간의 접촉면적이 증대되어 이산화탄소가 이온성 액체에 보다 잘 흡수가 된다.
그러나 본 발명에서는 기상라인 및 액상라인을 분리하여 따라 압축 및 가압을 진행하기 때문에 종래 기술에 이산화탄소 및 이온성 액체의 혼합도가 낮게 된다. 특히 하나의 배관으로 합쳐지는 과정에서 액상 및 기상이 배관 내에 분리되는 현상이 발생할 수도 있다(도 6 참조).
이러한 경우 흡수기의 배관으로도 액상 및 기상이 분리된 상태에서 유입이 되어 이산화탄소의 이온성 액체로의 흡수율이 현저하게 낮아지는 현상이 발생할 수 있다.
따라서 본 실시에에서는 흡수기(110)의 전단에 액상 및 기상을 혼합하기 위한 라인믹서(190)를 구비하여 양자가 적절하게 혼합된 상태에서 흡수기(110)의 배관으로 유입되도록 한다.
즉, 본 발명에서는 기상라인(140a) 및 액상라인(170a)의 분리된 구성을 채택하면서도 라인믹서(190)의 구성을 채택하여 흡수기(110)에서의 충분한 이산화탄소 흡수율을 확보하고, 나아가 전체 시스템의 냉방효율을 유지할 수 있게 된다.
그리고, 기상의 이산화탄소와 액상의 이온성 액체가 서로 분리된 상태에서 유동하는 경우, 전체적인 본 발명에 따른 냉난방장치에 진동 및 소음이 발생할 수 있는데, 위와 같은 라인믹서(190)를 통해 서로 다른 상의 이산화탄소와 이온성 액체를 혼합하여 진동 및 소음을 감소시키는 효과도 얻을 수 있다.
도7은 본 발명의 제5실시예의 이산화탄소 및 이온성 액체를 이용한 냉난방 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도7을 참조하면, 본 실시예의 흡수기는 라인믹서(190’)로 대체될 수 있다.
상기 제4실시예에서의 이산화탄소 및 이온성 액체가 라인믹서(190)을 유동하면서 혼합이 되고, 이 과정에서 이산화탄소의 일부는 이온성 액체에 흡수가 될 수 있다. 따라서 본 실시예에서는 흡수기의 구성을 라인믹서로 대체하여 라인믹서(‘)를 통하여 이산화탄소를 이온성 액체로 흡수시킨다.
즉 상기 실시예들에서는 흡수기가 종래의 일반적으로 채택되는 열교환기의 구조를 채택한다. 따라서 채택되는 열교환기의 타입에 따라 차이가 있지만, 일반적으로 이산화탄소 및 이온성 액체는 배관을 유동하고, 공급되는 실외공기에 의하여 냉각이 되면서 흡수가 되게 된다.
그러나 본 실시예에서는 일반적인 열교환기 형태의 흡수기를 라인믹서로 대체하고, 이산화탄소 및 이온성 액체가 라인믹서를 유동하면서 혼합되는 과정에서 열교환을 위한 제2열매체(예를 들어 실외공기)를 공급하여 이산화탄소의 흡수율을 증가시킨다.
따라서 실제 시스템 구성에 있어서도 별도의 열교환기를 구매 및 설치하지 않고, 라인믹서 및 제2열매체 공급부(예를 들어 실외공기 송풍을 위한 송풍기)만으로 요구되는 이산화탄소 흡수율을 충족시킬 수 있게 된다.
특히 시스템의 구성에 따라 실제 난방의 용도가 필요없고, 냉방의 용도로만 사용되는 경우, 흡수기로 고가의 열교환기의 구성을 채택하지 않고도 라인믹서 및 송풍기의 구성으로 충분한 이산화탄소 흡수율을 확보할 수 있게 된다.
다만, 이 경우 전체 시스템을 유동하는 이산화탄소 및 이온성 액체의 유동용량을 충족히시기 위하여 라인믹서는 복수 개가 직렬 또는 병렬로 배치될 수 있을 것이다.
한편, 본 발명의 이온성 액체는 복수의 이온성 액체가 혼합되어 사용될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수용 조성물은 -20~120℃의 온도 범위에서 액체 상을 가지는 제1 이온성 액체에 -20~120℃의 온도 범위에서 고체 상을 가지는 제2 이온성 액체가 용해된 상태로 존재하는 이온성 액체 조성물을 포함한다.
제2 이온성 액체는 상기 온도 범위뿐만 아니라 종류에 따라서는 대략 1000℃까지 고상인 상태로 존재하는 폴리머 타입의 이온성 화합물을 포함한다. 상기 제2 이온성 액체는 제1 이온성 액체에 용해된 상태로 존재함으로써, 용해되기 전의 고상인 상태보다 용액 내에서 접촉 면적이 증가됨으로써 이산화탄소의 흡수 효율을 보다 상승시킬 수 있다. 따라서 제1 이온성 액체는 혼합물에 포함되는 제2 이온성 액체의 종류를 고려하여 용해도를 극대화 할 수 있는 이온성 액체를 채택하는 것이 중요하다.
구체적으로 상기 제2 이온성 액체로서는 상기 냉방 시스템(200)의 작동 온도 범위 내에서 고상으로 존재하는 폴리머 타입의 이온성 화합물들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 이온성 액체로서는, 폴리(p-비닐펜질)트리메틸암모늄 테트라플루오로보레이트(p[VBTMA][BF4]), 폴리(p-비닐벤질)트리메틸암모늄 트리플로오로메틸설포닐이미드([p[VBTMA][TF2N]], 폴리(p-비닐벤질)트리메틸암모늄 헥사플루오로포스페이트(p[VBTMA][PF6]), 폴리(p-비닐벤질)트리메틸암모늄 클로라이드(p[VBTMA][Cl]), 폴리(p-비닐벤질)트리메틸암모늄 o-벤조익설포닐이미드(p[VBTMA][Sac]), 폴리(p-비닐벤질)트리에틸암모늄 테트라플루오로보레이트(p[VBTEA][BF4]) 및 폴리(p-비닐벤질)트리부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(p[VBTBA][BF4]) 등이 사용될 수 있다. 상기 이온성 화합물들은 단독으로 사용되어 상기 이온성 액체 혼합물을 이룰수도 있으며, 2종 이상이 혼합되어 상기 이온성 액체 혼합물에 포함될 수도 있다.
상기 제2 이온성 액체들은 기본적으로 고상인 상태에서 이산화탄소를 흡수할 수 있으나, 상기 제1 이온성 액체에 균일하게 용해되어 분산되어 있으므로 냉매로 사용되는 이산화탄소와의 접촉 면적이 극대화되어, 이산화탄소의 흡수 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 제2 이온성 액체를 용해하는 제1 이온성 액체로서는, 안정성이 높고 이산화탄소의 용해도가 높은 이온성 화합물들이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 이미다졸륨 계열의 양이온 화합물을 포함하는 이온성 화합물이 사용될 수 있다.
구체적인 예로서는 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트([BMIM][PF6]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트([BMIM][BF4]), 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 비스트라이플루오로메틸설포닐이미드([HIMIM][TF2N]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트([BMIM][ACETATE]) 등을 들 수 있다.
그러나 상기 이온성 액체들 외에도, 적용되는 이산화탄소 흡수 시스템의 특성이나 작업자의 의도에 따라 혼합되는 이온성 액체는 변화될 수 있다. 한편, 상기 예시된 이온성 액체들은 상기 제2 이온성 액체와 단독으로 혼합될 수도 있고, 복수종이 함께 혼합될 수도 있다.
상기 이온성 액체 조성물내에 약 5 내지 20 중량%의 제2 이온성 액체를 포함하는 것이 바람직하다. 제2 이온성 액체의 함량이 20 중량%을 초과할 경우, 점도가 급격히 증가하여 작업성이 저하될 수 있고, 이산화탄소의 포집 특성도 약화될 수 있다.
상기 이온성 액체 조성물은, 이온성 액체 외에도 적용되는 흡수 시스템이나 어플리케이션의 특성에 따라서는, 흡수 이외의 다른 목적, 예를 들면, 작업성 등을 고려하여 점도 조절제 등 다양한 첨가제를 더 포함할 수 있다.
이하에서는 상기 이온성 액체 조성물의 이산화탄소 흡수능 개선 효과를 확인할 수 있는 실험 및 그 결과를 설명하도록 한다.
이산화탄소 흡수성능 평가
아래와 같은 대조군 및 실험군 액체에 대하여 이산화탄소의 흡수 성능을 평가 비교하였다.
대조군 1: 일반용매 (메틸이미다졸륨: MIM)
대조군 2: 이온성 액체 ([BMIM][BF4])
실험군： [BMIM][BF4] + 7.5% [PVBTMA][BF4] 이온성 액체 혼합물
도 8은 이온성 액체의 이산화탄소 흡수량을 측정하기 위한 이온성 액체 흡수량 측정장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 8을 참조하면, 이산화탄소 공급부(110)로부터 제공된 이산화탄소는 제1 밸브(122)를 열고, 제2 밸브(124)를 닫은 상태에서 장치로 유입되어 실험에 사용될 수 있도록 이산화탄소 저장탱크(140)에 저장된다. 장치내 압력은 압력게이지(130)에 의하여 측정될 수 있다. 저장탱크(140)에 이산화탄소가 채워지면 제1 밸브(122)를 닫음으로써, 측정된 압력을 이용하여 저장탱크(140)의 이산화탄소를 정확히 정량할 수 있다(P1V1). 이어서, 제1 밸브(122)가 닫히고, 제2 밸브(124)를 열은 상태에서 이산화탄소가 반응기(150) 내로 유입된다. 반응기(150) 내에는 실험에 사용될 이온성 액체(152)가 준비되어 있다. 반응기(150) 내로 유입된 이산화탄소(154)는 이온성 액체(152)에 용해됨으로써 흡수될 수 있다. 이 때, 유입되는 이산화탄소(154)의 양은 전술한 이산화탄소 저장탱크(150) 내에 존재하는 이산화탄소의 양과 같다. 용해 반응이 평형을 이룬 후, 만약 이산화탄소(154)가 전혀 흡수되지 않았다면 전체 닫힌 계에 존재하는 이산화탄소의 양이 제2 밸브(154)를 열기 전 저장탱크(150) 내에 존재하는 이산화탄소의 양과 같아야 한다(P1V1=P2V2). 그러나 이산화탄소가 흡수되었다면, 가스상으로 존재하는 이산화탄소의 양의 차이만큼이 이온성 액체상에 흡수된 이산화탄소의 양으로 평가될 수 있다.
도 9는 압력에 따른 각 액체들의 이산화탄소 용해도 변화를 도시한 그래프이다. 도 9를 참조하면, 이산화탄소 흡수량 측정결과 실험군의 이온성 액체 혼합물이 다른 대조군 대비 현저하게 높은 이산화 탄소 용해도를 나타냈다. 즉, 이산화탄소의 흡수 성능이 대조군 대비 현저히 증가되었음을 확인할 수 있었다. 특히, 압력 증가에 따른 용해도 증가율도 대조군 대비 더 높은 것으로 확인되었다. 상기 실험군의 이온성 액체 혼합물 및 이산화탄소를 포함하는 혼합 냉매가 대략 20 내지 30 기압의 작동 기압으로 운전되는 냉방 시스템에 적용될 경우, 이산화탄소의 흡수량이 더욱 증가될 수 있고 이에 따른 냉방 효과도 커질 것으로 예상된다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
110: 흡수기 120: 팽창밸브
130 : 탈착기 140 : 압축기
150 : 제2열교환기 160 : 기액분리기
170 : 펌프 180 : 제1열교환기
190 : 라인믹서

Claims (11)

  1. 기체 및 이온성 액체가 유입되고, 상기 기체가 상기 이온성 액체에 흡수되어 이온성 액체 혼합물을 생성하는 흡수기;
    상기 흡수기에서 배출된 이온성 액체 혼합물이 유동하고, 이온성 액체 혼합물의 압력을 하강시키는 팽창밸브;
    상기 팽창밸브에서 배출된 이온성 액체 혼합물이 유동하면서 제1열매체와 열교환하고, 상기 이온성 액체 혼합물 내부의 기체는 상기 제1열매체로부터 공급받은 열에 의하여 증발하여, 상기 이온성 액체 혼합물은 기체와 이온성 액체로 분리되는 탈착기;
    상기 탈착기에서 배출되는 기체 및 이온성 액체가 유입되고, 혼합된 기체 및 이온성 액체를 기액 분리하는 기액분리기;
    상기 기액분리기에서 분리된 이온성 액체가 유동하는 액상라인;
    상기 액상라인에 배치되는 펌프;
    상기 기액분리기에서 분리된 기체가 유동하는 기상라인; 및
    상기 기상라인에 배치되어 기체를 가압하는 압축기를 포함하고,
    상기 기상라인에는 상기 압축기를 통과하면서 가압된 기체를 냉각하기 위한 제1열교환기가 구비되며,
    상기 기상라인과 상기 액상라인은 하나의 배관으로 연결되고, 상기 하나의 배관을 통하여 기체 및 이온성 액체가 상기 흡수기로 유입되며,
    상기 흡수기의 전단에는 상기 기상라인 및 상기 액상라인에서 상기 하나의 배관으로 유입됨에 따라 하나의 배관 내에 분리되어 유동하는 기체 및 이온성 액체가 액상의 이온성 액체 내부에 기상의 기체가 균일하게 분포하도록 혼합하기 위한 라인믹서가 더 구비되며,
    상기 흡수기에서 상기 팽창밸브로 유동하는 이온성 액체 혼합물 및 상기 탈착기에서 배출되는 기체 및 이온성 액체가 유동하면서 열교환되고, 상기 흡수기에서 상기 팽창밸브로 유동하는 이온성 액체 혼합물을 상기 탈착기에서 배출되는 기체 및 이온성 액체를 이용하여 추가적으로 냉각하여, 흡수기를 통과하면서 이온성 액체에 용해되지 않은 기체를 이온성 액체에 용해시키는 제2열교환기를 더 포함하며,
    상기 기체는 이산화탄소인 기체 및 이온성액체를 이용한 냉난방장치.
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