KR101890896B1 - 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치에 관한 것으로, 특히 이온성 액체 상에 알코올류 첨가제를 혼합하여 점도가 높은 이온성 액체를 압축 또는 순환시에 압축기 및 펌프에 걸리는 과부하를 방지할 수 있고, 컴팩트한 냉난방 시스템을 구현할 수 있는 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치에 관한 것이다.

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 후보군으로써 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 가 량의 높은 작동압력 및 이에 따른 과도한 장치 및 설비가 요구되어 대형 시스템에 만 적용 가능한 한계를 갖는다.
이와 같은 공정 경제상의 단점을 극복하고자 새로운 형태의 냉난방 시스템이 도입되었으며, 이러한 신 냉난방 시스템의 예로서는 이산화탄소 자체의 기화열이 아닌 이온성 액체 내에서의 이산화탄소 증발열 또는 용해열을 도입한 시스템이다.
위와 같은 신 냉난방 시스템은 이산화탄소가 이온성 액체에 흡수 및 탈기될 때의 열량변화를 이용하여 효율적인 냉방 및 난방을 가능하게 하나, 점도가 큰 이온성 액체의 압축 및 순환시에 발생하는 부하를 극복하기 위해서는 다수개의 압축기 및 펌프가 사용되어야 하는 한계점이 있다.
즉, 종래 신 냉난방 시스템은 이온성 액체의 큰 점도에 의해 이온성 액체의 압축 또는 순환 과정에서 발생하는 과부하로 인해 내구성이 저하될 우려가 있고, 이를 해소하기 위해 다수의 압축기 및 펌프를 사용하는 경우 장치의 구성이 복잡해지고, 압축기 및 펌프에서 발생하는 열로 인한 냉방 효율 저하의 우려가 있는 것이다.
이에 시스템 구동에 필요한 압축기 및 펌프의 수량 및 용량을 줄여 냉난방 장치를 컴팩트하게 구성하고, 시스템의 내구성 향상과 효율을 향상시킬 수 있는 방안이 필요하다. 또한 보다 우수한 냉난방을 제공할 수 있는 새로운 냉난방시스템 및 고효율의 냉난방을 제공하는 방법에 대한 개발이 필요하다.
특허문헌 1) 국내공개특허공보 제2016-0128027호(명칭: 냉매 팽창터빈 구동 와전류 발열장치를 이용한 히트 펌프 냉난방 시스템, 공개일: 2016.11.07)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 압축기 및 펌프의 수량 및 용량을 증가시키지 않고도 이온성 액체의 압축과 순환을 원활히 할 수 있는 냉난방 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 이온성 액체를 순환 및 압축 시키는 과정에서 발생하는 부하를 줄여 시스템의 내구성을 향상시키는 방안을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명은 1개의 압축기를 사용하여 시스템을 컴팩트하게 구성하면서도 냉방장치의 효율을 증대시킬 수 있는 방안을 제공하고자 하는 것이다.
또한 본 발명은 새로운 이온성 액체 또는 이온성액체 혼합물에 대한 첨가제 및 흡수제의 혼합을 채택함으로써 더욱 우수한 냉난방효율을 달성하고, 장치의 부하도 크게 감소시키는 새로운 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치는, 기체와 이온성 액체가 유입되며, 유입된 기체를 이온성 액체에 흡수시켜 이온성 액체 혼합물을 생성하는 흡수기; 상기 흡수기로부터 배출된 이온성 액체 혼합물의 압력을 하강시키는 팽창밸브; 상기 팽창밸브에서 배출된 이온성 액체 혼합물을 제1열매체와 열교환시키고, 상기 제1열매체로부터 공급받는 열을 통해 상기 이온성 액체 혼합물 내부의 기체를 증발시켜, 상기 이온성 액체 혼합물을 기체와 이온성 액체로 분리시키는 탈착기; 및 상기 탈착기에서 배출되는 기체 및 이온성 액체를 가압하는 압축기; 를 포함하되, 상기 이온성 액체는 이온성 액체 혼합물의 점도를 낮추기 위한 에탄올, 메탄올, 프로판올 중 어느 하나 또는 둘 이상의 알코올 첨가제를 더 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 이온성 액체에 1.5기압의 상온에서 증발가능한 흡수제를 더 추가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 흡수제로는 상기 조건을 만족한다면 크게 제한하는 것은 아니지만, 예를 들면, 에테르계, 케톤계 등이 있으며, 일예로서는, 디메틸에테르(domethly ether), 디메틸케톤 등의 것을 사용할 수 있지만, 본 발명에서 디메틸에테르를 사용하는 것이 더욱 좋다.
또한, 본 발명에서 상기 탈착기는 실내에 위치되며, 복수의 실내유입덕트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 해결수단을 통해 본 발명의 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치는, 이온성 액체에 첨가제를 혼합시킴으로써 이온성 액체의 점도를 낮추게 되며, 이를 통해 이온성 액체 혼합물의 압축 및 순환에 필요한 압축기 및 펌프의 구성을 최소화하여 시스템을 컴팩트하게 구현할 수 있는 장점을 갖게 된다.
또한, 라인믹서가 이온성 액체와 기체를 혼합시켜 기체가 이온성 액체에 고르게 용해되게 함으로써, 냉난방 장치의 냉방 및 난방 효율을 상승시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이온성 액체와 첨가제를 혼합시켜 이온성 액체의 점도를 용이하게 제어할 수 있는 장점이 있다.
또한, 라인믹서를 활용하여 기체가 흡수기 유입 전 단계에서 액체에 균일하게 분포할 수 있도록 함으로서 흡수기 상에서 기체의 용해도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이온성 액체와 첨가제를 고르게 혼합시켜 이온성 액체의 이동력을 높여줌으로서 흡수기로 유입되는 이온성 액체와 기체의 비율이 일정하게 유지될 수 있게 한 것이다.
또한 본 발명은 1.5기압 및 상온에서 증기화할 수 있는 흡수제를 포함함으로써, 냉난방 효율이 더욱 증가시킬 수 있으며, 또한 상기 압축기 및 펌프의 부하를 최소화할 수 있어서 더욱 좋고 또한 에너지 세이빙이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치의 사시도
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치의 사이클 구성도
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치의 사시도
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치의 사이클 구성도
도 5는 본 발명 첨가부의 개념도
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방 장치의 사이클 구성도
도 7은 본 발명의 라인믹서에 대한 제1 실시예의 사시도
도 8은 본 발명의 라인믹서에 대한 제2 실시예의 사시도
도 9는 본 발명의 라인믹서에 대한 제3 실시예의 사시도
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방 장치의 사이클 구성도
도 11은 본 발명의 제5 실시예에 따른 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방 장치의 사이클 구성도
도 12는 본 발명의 이온성 액체 흡수량 측정장치 개념도
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 들 어 이산화탄소, 암모니아, 공기, 이소부탄 등이 사용될 수 있을 것이며, 이하 본 실시예에서는 이산화탄소를 기준으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치의 사이클 구성도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치는 흡수기(110)와, 팽창 밸브(120)와, 탈착기(130) 및 압축기(140)를 포함하여 구성된다. 즉, 관을 통해 이온성 액체와 이산화탄소가 동시에 순환되며, 이온성 액체 및 이산화탄소가 상기 흡수기(110)와 상기 탈착기(130)를 통과하며 용해 또는 분리 되는 과정에서 발생하는 에너지를 이용하여 냉방과 난방이 이루어지게 된다.
도 1 및 도 2를 참조하여 상세히 설명하면, 이온성 액체와 이산화탄소는 상기 흡수기(110)를 통과하는 과정에서 제2 열매체인 실외공기(1)와 열교환하며, 상기 실외공기(1)는 이온성 액체 상에 이산화탄소가 용해되어 이온성 액체 혼합물이 형성되는 과정에서 발생하는 열을 흡수하여 수요처로 열 에너지를 공급 하는 난방 기능을 하고, 생성된 이온성 액체는 상기 탈착기(130)를 통과하는 과정에서 실내유입덕트(131)를 통과하는 제1 열매체인 실내공기(2)와 열교환하며, 상기 실내공기(2)는 이온성 액체 혼합물이 서로 분리되는 과정에서 열이 흡수되어 실내의 열 에너지를 빼앗는 냉방 기능을 하는 것이다.
따라서, 상기 탈착기(130)를 실내에 위치시킴으로서 실내를 냉방시킬 수 있으며, 실내유입덕트(131)의 개수를 2개로 증가시켜 냉방 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 흡수기(110)와 상기 탈착기(130) 사이에 흡수기(110)를 통과하며 온도가 하강된 이온성 액체 혼합물(이산화탄소가 용해된 이온성 액체의 압력을 하강시킴과 동시에 온도를 추가적으로 하강시켜 상기 탈착기(130)로 이동 시키는 팽창밸브(120)와, 상기 탈착기(130)를 통과하며 분리된 상기 이온성 액체와 이산화탄소를 동시에 압축 가능한 압축기(140)가 더 구비될 수 있다.
상세히 설명하면, 상기 팽창밸브(120)와 상기 압축기(140)를 통하여 상기 흡수기(110) 및 상기 탈착기(130)에서 발생하는 발열반응 또는 흡열반응을 통한 열교환이 더 효율적으로 이루어지게 한 것이다.
한편, 본 발명의 이산화탄소 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치는 상기 이온성 액체 또는 이온성 액체 혼합물의 점도를 낮추기 위한 첨가제와 장치의 냉방효율을 향상시킬 수 있는 흡수제를 포함한다.
즉, 장치 상에 이온성 액체를 유입하기 전에 이온성 액체에 에탄올, 메탄올, 프로판올과 같은 알코올류 첨가제를 혼합시켜 이온성 액체의 점도를 낮춰 압축과정과 흡수기(110), 팽창밸브(120), 탈착기(130) 및 관로의 순환과정에 발생하는 장치의 부하를 줄일 수 있다. 또한 본 발명에서는 디메틸에테르(dimethyl ether), 디메틸케톤, 디메틸에테르글 등과 같이 1.5 기압의 상온에서 증발 가능한 에테르계 또는 케톤계 화합물을 이온성 액체에 혼합시켜 상기 이산화탄소와 같은 흡수제로 사용하여 상기 흡수기(110) 및 상기 탈착기(130)에서 발생하는 발열반응 또는 흡열반응이 더 효율적으로 일어나게 할 수 있는 것이다.
그러므로, 본 발명은 이온성 액체에 점도를 낮추기 위한 첨가제를 혼합함으로써, 복수의 압축기와 펌프를 사용해야 하는 문제점을 해결하고, 이온성 액체에 흡수제를 혼합함으로서 냉난방장치의 성능을 증가시킨 것이다.
또한 본 발명은 유입된 기체를 이온성 액체에 흡수시켜 이온성 액체 혼합물형성하는 단계,
상기 흡수기로부터 배출된 이온성 액체 혼합물에 압력을 하강하는 팽창단계,
상기 팽창단계에서 배출된 이온성 액체 혼합물을 제1열매체와 열교환시키고, 상기 제1열매체로부터 공급받는 열을 통해 상기 이온성 액체 혼합물 내부의 기체를 증발시켜, 상기 이온성 액체 혼합물을 기체와 이온성 액체로 분리시키는 탈기단계,
및 탈착단계에서 배출되는 기체 및 이온성 액체를 가압단계를 반복하는 냉난방방법을 제공하는 것으로서, 상기 이온성 액체 또는 이온성액체 혼합물은 알코올 첨가제와 상온 및 1.5기압 이상의 압력에서 기화가능한 에테르 또는 케톤에서 선택되는 1종이상의 흡수제를 포함하는 것을 특징으로하는 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방 방법을 제공하는 것이다.
또한, 상기 냉난방장치는 냉난방 사이클을 구현하기 위하여 사용되는 상기 기체와 이온성 액체 상에 상기 첨가제 및 상기 흡수제를 혼합시킨 후 냉난방장치로 주입하는 것을 권장하지만, 장치 구동 중 추가적으로 첨가제를 주입할 수 있으며 이하에서는 이 실시예에 관하여 설명하도록 한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치의 사시도와 사이클 구성도를 나타낸 것이고, 도 5는 본 발명의 첨가부를 개념적으로 나타낸 것이다.
도 3 및 도 4에서와 같이 본 발명의 첨가제의 주입은 첨가부(160)를 통하여 이루어질 수 있으며, 상기 첨가부(160)는 도 5에 도시된 바와 같이 분사부(161)를 통해 냉난방장치의 관로 상에 첨가제(5)를 미세입자 상태로 분사 주입하는 방식이 될 수 있다.
좀 더 상세히 설명하면, 일정 이상의 점도를 가지는 이온성 액체(4)의 경우 첨가제(5)가 이온성 액체(4) 내에 고르게 혼합되지 않을 수 있으므로, 첨가제(5)를 미세 입자 상태로 변화시켜 분사함으로써 첨가제(5)와 이온성 액체(4)가 잘 혼합될 수 있도록 구성하였다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방 장치의 사이클 구성도이다.
본 발명의 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치는 도 6에 도시된 바와 같이 상기 압축기(140)와 상기 흡수기(110) 사이에 이온성 액체와 이산화탄소를 보다 고르게 혼합시키는 라인믹서(190)가 더 구비될 수 있으며, 상기 라인믹서 이전에 상기 첨가부(160)가 배치될 수 있다.
상세히 설명하면, 상기 라인믹서(190)는 교반 방식을 통하여 이온성 액체와 이산화탄소를 혼합시키므로, 상기 첨가부(160)를 라인믹서(190)이전에 위치시켜 이온성 액체(4)와 첨가제(5)가 더욱 빠르고 효율적으로 혼합될 수 있게 한 것이다.
이때, 라인믹서(190)는 흡수기(110)로 유입되는 이산화탄소 및 이온성 액체를 혼합하는 구성으로, 본 발명에 따른 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치에 적용되는 라인믹서(190)의 구성은 다음과 같다.
도 7은 본 발명의 이산화탄소 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치에 서 라인믹서 제1 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 라인믹서(190)는 이산화탄소 및 이온성 액체가 유동하는 유로의 내부에서, 유로를 가로지르는 플레이트(191)가 유로의 길이방향을 따라 회전하는 형태로 형성된다.
또한, 라인믹서(190)는 유로의 길이방향을 따라 회전하는 형태의 플레이트(191)가 복수개 구비될 수 있다. 이때 서로 인접한 플레이트(191)가 접촉하는 단부는, 양측의 플레이트(191) 단부가 일치하도록 결합하지 않고, 소정의 각도로 회전하여 어긋나게 결합되는 것이 유리할 수 있다.
기상의 이산화탄소 및 액상의 이온성 액체는 하나의 배관 내부에서 유동하게 된다. 이 경우 유입되는 유체의 상이 틀리기 때문에 혼합이 되지 않을 수 있으며, 흡수기(110)의 내부로 액상 및 기상이 분리된 상태에서 유입이 되어 이산화탄소의 이온성 액체로의 흡수율이 현저하게 낮아지는 현상이 발생할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 흡수기(110)의 전단에 액상 및 기상을 혼합하기 위한 라인믹서(190)를 구비하여 양자가 적절하게 혼합된 상태에서 흡수기(110)의 배관으로 유입되도록 한 것이다.
보다 구체적으로, 라인믹서(190)로 유입되는 이산화탄소 및 이온성 액체는 회전하는 형태의 플레이트(191)면을 따라 유로 내부에서 회전하며 유동하게 되어 보다 고르게 혼합될 수 있다.
또한, 하나의 플레이트(191)의 후단부에서 이어지는 다음 플레이트 (191)가 서로 어긋나게 결합되어, 플레이트(191)의 단부에서 유동하는 이산화탄소 및 이온성 액체는 후단의 플레이트(191)에 의해 갈라지며 보다 고르게 혼합될 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명의 이산화탄소 및 이온성 액체를 이용한 냉난방 장치에서 라인믹서 제2 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 이산화탄소 및 이온성 액체가 유로의 내부에서 유동하는 방향에서 일측으로 소정 각도 기울어진 방향을 따라 주름지게 형성된 제1플 레이트(192) 및 타측으로 소정 각도 기울어진 방향을 따라 주름지게 형성된 제2플레이트(193)가 번갈아가며 적층되어 형성될 수 있다.
또한, 라인믹서(190)는 전술한 제1플레이트(192) 및 제2플레이트 (193)가 적층된 형태의 적층플레이트(194)가 복수개 구비되고, 서로 인접하는 적층 플레이트(194)는 인접한 단부가 소정의 각도로 회전하여 어긋나게 결합되는 것이 유리할 수 있다.
기상의 이산화탄소 및 액상의 이온성 액체는 하나의 배관 내부에서 유동하게 된다. 이 경우 유입되는 유체의 상이 틀리기 때문에 혼합이 되지 않을 수 있다.
이러한 경우 흡수기(110)의 내부로 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.
보다 구체적으로, 라인믹서(190)로 유입되는 이산화탄소 및 이온성 액체는 제1플레이트(192) 및 제2플레이트(193)에 형성된 주름에 의해 그 유동방향 이 변하게 된다.
이때, 제1플레이트(192)에 형성된 주름의 방향과, 제2플레이트(19 3)에 형성된 주름의 방향이 서로 다르기 때문에, 내부에서 유동하는 이산화탄소 및 이온성 액체는 그 유동방향이 지속적으로 변화하며 전체적으로 보다 고르게 혼합될 수 있다.
또한, 하나의 적층플레이트(194)의 후단부에서 이어지는 다음 적층 플레이트(194)가 서로 어긋나게 결합되어, 적층플레이트(194)의 단부에서 유동하는 이산화탄소 및 이온성 액체는 후단의 적층플레이트(194)에 의해 갈라지며 보다 고르게 혼합될 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 이산화탄소 및 이온성 액체를 이용한 냉난방 장치에서 라인믹서 제3 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 라인믹서(190)는 흡수기(110)로 유입되는 이산화탄소 및 이온성 액체를 혼합하는 구성으로, 구체적으로는 이산화탄소 및 이온성 액체 가 유동하는 유로의 내부에서, 유로의 길이방향을 따라 복수개의 극세 섬유(195)가 구비되어 형성될 수 있다.
기상의 이산화탄소 및 액상의 이온성 액체는 하나의 배관 내부에서 유동하게 된다. 이 경우 유입되는 유체의 상이 틀리기 때문에 혼합이 되지 않을 수 있다.
이러한 경우 흡수기(110)의 내부로 액상 및 기상이 분리된 상태에서 유입이 되어 이산화탄소의 이온성 액체로의 흡수율이 현저하게 낮아지는 현상이 발생할 수 있다.
따라서, 본 실시에서는 흡수기(110)의 전단에 액상 및 기상을 혼합하기 위한 라인믹서(190)를 구비하여 양자가 적절하게 혼합된 상태에서 흡수기(110)의 배관으로 유입되도록 한다.
보다 구체적으로, 라인믹서(190)로 유입되는 이산화탄소 및 이온성 액체는 라인믹서(190)의 내부에 구비된 극세 섬유(195)와 접촉하게 된다.
이때, 이온성 액체는 극세 섬유(195)의 내부에 침투되어, 모세관현상을 통해 라인믹서(190)의 내부를 유동하고, 이산화탄소는 극세 섬유 사이의 공간(196)을 통해 라인믹서(190)의 내부를 유동할 수 있다.
즉, 라인믹서(190)의 내부에 이산화탄소 및 이온성 액체가 고르게 분포되어 라인믹서(190)를 통과한 이산화탄소 및 이온성 액체는 보다 고르게 혼합될 수 있다.
또한, 극세 섬유(195)의 외표면을 통해 이산화탄소 및 이온성 액체가 서로 접하게 되므로, 서로의 접촉면적이 크게 늘어나, 이산화탄소가 이온성 액체에 용해되는 효율이 크게 향상되는 효과도 얻을 수 있다.
위와 같은 다양한 구성의 라인믹서(190)를 통해, 본 발명에서는 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.
상기의 사이클의 반복과정을 통하여 탈착기(130)에서는 흡열을 통한 냉방, 흡수기(110)에서는 방열을 통한 난방을 제공하게 된다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치는 흡수기(110)에서 팽창밸브(120)로 유동하는 이온 성 액체 혼합물과 탈착기(130)에서 배출되는 이산화탄소 및 이온성 액체가 열교환 하는 열교환기(150)를 더 포함한다.
열교환기(150)를 통하여 흡수기(110)를 통과한 이온성 액체 혼합 물의 온도는 더 하강하게 되고, 상대적으로 탈착기(130)를 통과한 이산화탄소 및 이온성 액체의 온도는 상대적으로 상승을 하게 된다.
즉, 열교환기(150)의 기능은 팽창밸브(120) 유입 전, 이온성 액 체 혼합물을 추가적으로 냉각을 하기 위한 것이고, 시스템의 구성에 따라 흡수기(110)를 통과하면서 이온성 액체에 혼합되지 않은 이산화탄소 기체가 이 과정을 통하여 추가적으로 이온성 액체 혼합물에 용해될 수 있을 것이다.
도 11을 참조하면, 라인믹서는 흡수기의 내부에 구비될 수 있다. 즉, 본 실시예의 흡수기는 라인믹서(190')로 대체될 수 있는 것이다.
상세히 설명하면, 이산화탄소 및 이온성 액체가 라인믹서(190')를 유동하면서 혼합이 되고, 이 과정에서 이산화탄소의 일부는 이온성 액체에 흡수 가 될 수 있다. 따라서 본 실시예에서는 흡수기의 구성을 라인믹서로 대체하여 라인믹서(190')를 유동하는 과정에서 이산화탄소를 이온성 액체로 흡수시킨다.
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 제2 열매체(예를 들어 실외공기)를 공급하여 이산화탄소의 흡수율을 증가시킨다.
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 액체 의 유동용량을 충족히시기 위하여 라인믹서는 복수 개가 직렬 또는 병렬로 배치될 수 있을 것이다.
한편, 본 발명의 이온성 액체는 복수의 이온성 액체가 혼합되어 사 용될 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 대 략 1000℃까지 고상인 상태로 존재하는 폴리머 타입의 이온성 화합물을 포함한다. 상기 제2 이온성 액체는 제1 이온성 액체에 용해된 상태로 존재함으로써, 용해되기 전의 고상인 상태보다 액체 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 클로라 이드(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 액 체 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 헥사플루오로포스페이 트([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.
도 12는 이온성 액체의 이산화탄소 흡수량을 측정하기 위한 이온성 액체 흡수량 측정장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 12를 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. 장치 내 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 실험 에 사용될 이온성 액체(152)가 준비되어 있다. 반응기(150) 내로 유입된 이산화탄 소(154)는 이온성 액체(152)에 용해됨으로써 흡수될 수 있다. 이 때, 유입되는 이 산화탄소(154)의 양은 전술한 이산화탄소 저장탱크(150) 내에 존재하는 이산화탄소의 양과 같다. 용해 반응이 평형을 이룬 후, 만약 이산화탄소(154)가 전혀 흡수되 지 않았다면 전체 닫힌계에 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 12는 압력에 따른 각 액체들의 이산화탄소 용해도 변화를 도시한 그래프이다. 도 12를 참조하면, 이산화탄소 흡수량 측정결과 실험군의 이온성 액체 혼합물이 다른 대조군 대비 현저하게 높은 이산화탄소 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 : 열교환기
160 : 첨가부
190 : 라인믹서

Claims (6)

  1. 기체와 이온성 액체가 유입되며, 유입된 기체를 이온성 액체에 흡수시켜 이온성 액체 혼합물을 생성하는 흡수기;
    상기 흡수기로부터 배출된 이온성 액체 혼합물의 압력을 하강시키는 팽창밸브;
    상기 팽창밸브에서 배출된 이온성 액체 혼합물을 제1열매체와 열교환시키고, 상기 제1열매체로부터 공급받는 열을 통해 상기 이온성 액체 혼합물 내부의 기체를 증발시켜, 상기 이온성 액체 혼합물을 기체와 이온성 액체로 분리시키는 탈착기;
    상기 탈착기에서 배출되는 기체 및 이온성 액체를 가압하는 압축기; 및
    상기 이온성 액체 또는 이온성 액체 혼합물의 점도를 낮추도록 에탄올, 메탄올, 프로판올 중 어느 하나 또는 둘 이상의 알코올 첨가제를 미세입자상태로 분사하는 분사부를 포함하는 첨가부;를 포함하되,
    상기 이온성 액체 또는 이온성 액체 혼합물은 상온 및 1.5기압 이상의 압력에서 기화 가능한 흡수제를 포함하여 냉난방 효율을 높이는 것을 특징으로 하는, 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 흡수제는 에테르 또는 케톤에서 선택되는 어느 하나 이상의 것인, 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 흡수제는 디메틸에테르인, 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 탈착기는 실내에 위치되며, 복수의 실내유입덕트를 포함하는 것인, 기체 및 이온성 액체를 이용한 냉난방장치.
  6. 삭제
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