KR102421874B1

KR102421874B1 - 저gwp 캐스케이드 냉동 시스템

Info

Publication number: KR102421874B1
Application number: KR1020187022656A
Authority: KR
Inventors: 사무엘 에프. 야나 모따; 마이클 피터슨; 안킷 세티; 구스타보 포트커; 엘리자베스 델 카르멘 베라 베세라
Original assignee: 허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2022-07-18
Also published as: JP7476398B2; KR20180120150A; US20180017292A1; JP7292367B2; JP2023113811A; WO2017165764A1; JP2022034000A; JP2019513966A

Abstract

일반적인 사용 동안 인간 또는 다른 동물에 의해 점유되거나 또는 이에 노출되는 인클로저에 위치되는 공기의 냉각을 제공하는 캐스케이드 냉동 시스템이 개시되며, 상기 시스템은 (1) 인클로저 내에 위치하는 제1 증발기를 갖는 제1의, 상대적으로 저온인 열 전달 회로, 및 상기 저온인 열 전달 회로 내의 제1 열 전달 유체; (2) 제2 열 전달 유체를 포함하는 인클로저의 실질적으로 외부에 위치하는 제2 열 전달 회로; (3) 제2 열전달 유체로의 열을 버려서 고온 회로와 열적으로 결합되는 저온 회로에서 응축기로 작용하는 열교환기; 및 (4) 고온 응축기로부터 배출되는 제2 열 전달 유체로부터의 열을 압축기의 흡입 측으로 이송하는 제2 열 전달 유체의 부분으로 전달하는 고온 루프에서의 열교환기를 포함한다.

Description

저GWP 캐스케이드 냉동 시스템

본 출원은 2016년 3월 25일자로 출원된 가특허출원 제62/313,177호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 전체가 본원에 참고로서 포함된다.

본 출원은 또한, 2017년 3월 24일자로 출원된 미국 출원 제15/468,292호의 계속 출원이며, 이의 우선권을 주장하며, 이는 전체가 본원에 참고로서 포함된다.

본 출원은 또한 현재 계류중이며, 2016년 1월 6일자로 출원된 가출원 제 62/275,382호의 우선권의 이익을 주장하는, 2017년 1월 6일자로 출원된 미국 출원 제15/400,891호의 일부 계속 출원이며, 이들 각각의 전체 내용은 본원에 참고로서 포함된다.

본 출원은 또한 현재 계류중이며, 2016년 2월 16일자로 출원된 제62/295,731호의 우선권의 이익을 주장하는, 2017년 2월 16일자로 출원된 미국 출원 제15/434,400호의 일부 계속 출원이며, 이들 각각의 전체 내용은 본원에 참고로 포함된다.

본 발명은 안전하고 효과적인 냉각(cooling)을 제공하기 위한, 고효율, 저-지구 온난화 지수(low-global warming potential)("저 GWP") 에어 컨디셔닝 및/또는 냉동 시스템(refrigeration systems) 및 방법에 관한 것이다.

전형적인 에어 컨디셔닝 및 냉동 시스템에서, 압축기(compressor)는 열 전달 증기를 낮은 압력에서 높은 압력으로 압축하여, 증기에 열을 부가하도록 사용된다. 이 부가된 열은 통상적으로 응축기(condenser)로 지칭되는, 열 교환기에서 전형적으로 버려진다(reject). 응축기로 유입되는 열 전달 증기는 응축되어 상대적으로 고압에서 액체 열 전달 유체를 생성한다. 전형적으로, 응축기는 주위의 외부 공기와 같은 주위 환경에서 이용가능한 다량의 유체(fluid)를 열 싱크(heat sink)로 사용한다. 이는 일단 응축되면, 고압 열 전달 유체는 실질적으로 등 엔탈피 팽창되고, 이는 유체가 팽창 디바이스 또는 밸브를 통해 통과됨으로써 발생되며, 여기서, 이는 낮은 압력으로 팽창되며, 그 결과 유체의 온도가 감소된다. 팽창 작동에 의한 저압, 저온 열 전달 유체는, 그 후, 전형적으로 증발기로 보내지며, 증발기에서 이는 열을 흡수하여 증발한다. 이 증발 공정은 냉각하려는 유체 또는 바디(body)를 냉각한다. 많은 전형적인 에어 컨디셔닝 및 냉동 어플리케이션에서, 냉각된 유체는 냉각되는 영역에 함유되어 있는 공기, 예컨대 에어 컨디셔닝되는 주거 내의 공기 또는 워크-인 쿨러(walk-in cooler) 또는 슈퍼마켓 쿨러 또는 냉동기 내부의 공기이다. 열 전달 유체가 증발기에서 저압에서 증발한 후, 이는 압축기로 되돌아가며, 여기서 사이클이 다시 시작된다.

복잡하고 상호 연관된 요인 및 요구 사항의 조합은 친환경적인, 즉 낮은 GWP 영향과 낮은 오존 파괴 지수 (low ozone depletion)("ODP") 영향 모두를 가짐과 동시에, 효율적이고 효과적이며 안전한 에어 컨디셔닝 시스템을 형성하는 것과 관련된다. 효율 및 유효성(effectiveness)에 있어서, 열 전달 유체는 높은 수준의 효율 및 높은 상대 용량(relative capacity)을 갖는 에어 컨디셔닝 및 냉동 시스템에서 작동하는 것이 중요하다. 동시에 열 전달 유체가 시간 경과에 따라 대기로 탈출할 수 있기 때문에, 유체가 GWP 및 ODP 모두에 대해 낮은 값을 갖는 것이 중요하다.

출원인은, 특정한 유체가 높은 수준의 효율 및 유효성 모두와 동시에 낮은 수준의 GWP 및 ODP 모두를 달성할 수 있지만, 이들 요구 조건의 조합을 만족하는 많은 유체는 그럼에도 불구하고 안전성과 관련된 결함을 갖는 단점이 있음을 인식하게 되었다. 예를 들어, 그렇지 않으면 허용가능할 수 있는 유체가 가연성 및/또는 독성 우려로 인하여, 바람직하지 않게 여겨질 수 있다. 출원인은 이러한 특성을 갖는 유체의 사용은 전형적으로 에어 컨디셔닝 및 많은 냉동 시스템에서 특히 바람직하지 않음을 인식하게 되었다. 왜냐하면, 이러한 가연성 및/또는 독성 유체가 냉각되는, 거주, 워크-인(walk-in), 콜드-박스(cold-box), 칠러(chiller), 냉동기(freezer) 또는 운송 냉동 박스(transport refrigeration box)로 우연히 방출되어, 이의 점유자를 위험한 상태에 노출시키거나 잠재적으로 노출시킬 수 있기 때문이다. 출원인은 또한 이 문제는 상대적으로 작은 시스템, 예를 들어, 30kw 미만의 용량을 갖는 시스템에 대하여 더욱 심각한 우려가 됨을 인식하게 되었으며, 이는 이러한 시스템에 대하여, 화재 방지 시스템과 같은 효과적인 안전 보호 시스템의 비용이 종종 경제적으로 실용적이지 않기 때문이다.

본 발명의 일 견지에 따르면, 캐스케이드 냉동 시스템(cascade refrigerant system)은 일반적인 사용 동안 인간 또는 다른 동물에 의해 점유되거나 또는 이에 노출될 수 있는 인클로저(enclosure)에 위치하는, 공기의 냉각을 직접적으로 또는 간접적으로 그러나 바람직하게는 직접적으로 제공하기 위해 제공된다. 본원에 사용된 용어, "인클로저(enclosure)"는 적어도 부분적으로 한정되고 (예를 들어, 인클로저는 하나 이상의 측면에서 개방되거나 폐쇄될 수 있다), 냉각된 공기를 포함하는 공간을 의미한다.

본 시스템의 바람직한 구현예는 인클로저 내에 위치하고, 제1의, 상대적으로 저온인 열 전달 회로(heat transfer circuit)의 일부인, 적어도 제1 증발기를 포함한다. 저온 열 전달 회로는 적어도: 제1 열 전달 조성물의 압력을 상승시키는 압축기; 상대적으로 고압에서 상기 압축기로부터의 상기 제1 열 전달 조성물의 적어도 일부를 응축시키는 열 교환기; 응축기로부터 열 전달 조성물의 압력을 낮추는 팽창 디바이스; 및 열을 냉각되는 상기 인클로저로부터 상기 열 전달 조성물로 흡수하는 증발기를 포함하는 증기 압축 순환 루프(vapor compression circulation loop)에 제1 열 전달 유체를 바람직하게 포함한다. 바람직하게, 상기 압축기, 응축기 및 상기 팽창 밸브 중 하나 이상, 그리고 가장 바람직하게는 이들 모두는 상기 인클로저의 외부에 위치되고 상기 증발기는 상기 인클로저 내에 위치된다.

또한, 본 발명의 시스템은 인클로저의 실질적으로 외부에 위치하는 제2 열 전달 회로를 바람직하게 포함하며, 이는 본원에서 편의상 때때로 "고온" 루프로 지칭된다. 고온 루프는 적어도 압축기, 바람직하게는 인클로저의 주위의 외부 공기와의 열 교환에 의해, 고온 루프에서 열 전달 유체를 응축시키는 역할을 하는 열 교환기, 및 압축기로부터의 제2 열 전달 유체의 압력을 감소시키는 팽창 디바이스를 포함하는 증기 압축 순환 루프에 제2 열 전달 유체를 바람직하게 포함한다.

본 발명의 바람직한 구현예의 중요한 견지는 저온 회로에서 응축기로 작용하는 열 교환기가 제2 열 전달 유체로 열을 버려서(rejecting), 바람직하게는 상기 제2 열 전달 유체의 적어도 상당한 부분을 증발시킴으로써, 고온 회로와 열적으로 결합(thermally coupled)된다는 것이다. 이러한 방식에서, 저온 회로의 응축기와 고온 회로의 증발기는, 본 발명의 시스템 및 방법에서 종종 편의상 "캐스케이드 열 교환기(cascade heat exchanger)"로 지칭되는 이 열 교환기에서 열적으로 결합된다.

바람직한 구현예에서 본 발명의 다른 중요한 견지는, 고온 응축기로부터 배출되는 제2 열 전달 유체로부터 압축기의 흡입 측으로 이동하는 제2 열 전달 유체의 부분으로 열을 전달함으로써, 시스템 성능을 유리하고 예기치 않게 향상시키는 것으로 밝혀진 열 교환기의 고온 루프에서의 존재를 포함한다. 이 열 교환기는 본원에서 종종 편의상 "흡입 라인 열 교환기"로 지칭된다.

바람직한 시스템의 다른 중요한 견지는 저온 루프에서 순환하는 제1 열 전달 유체가 약 500 이하, 보다 바람직하게는 약 400 이하, 그리고 보다 더 바람직하게는 약 150 이하의 GWP를 갖는 냉매를 포함하며, 더욱이, 제1 열 전달 유체는 제2 열 전달 유체의 가연성보다 실질적으로 낮은 가연성을 갖는다는 것이다. 바람직하게, 고온 루프에서 순환하는 제2 열 전달 유체는 또한 약 500 이하, 보다 바람직하게는 약 400 이하, 그리고 보다 더 바람직하게는 약 150 이하의 GWP를 갖는 냉매를 포함하지만, 정상 작동 (normal operation)시, 이 열 전달 유체는 결코 인클로저로 유입되지 않을 것이며, 출원인은 인클로저 내에서 순환되면 불리하다고 여겨지는 하나 이상의 특성, 예를 들어 가연성, 독성 등을 갖는 유체를 이 고온 루프에서 사용하는 것이 이롭다는 것을 발견하였다. 이러한 방식에서, 본 시스템은 이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 제1 열 전달 조성물에만 또는 제2 열 전달 조성물에만 의존하였었을 시스템에 부가적으로 가능한 예기치 않은 이점을 제공한다.

특정한 바람직한 구현예에서, 제2 냉매는 적어도 약 50 중량%, 그리고 보다 더 바람직하게는 적어도 약 75 중량%의 트랜스-1,3,3,3-트리플루오로프로펜 (HFO-1234ze(E) 및/또는 HFO-1234yf를 포함하고, 보다 바람직하게는 이를 포함하며, 제2 냉매는 대략 CO2의 가연성보다 큰, 그리고 바람직하게는 대략 CO2의 가연성보다 실질적으로 더 큰 가연성을 갖는다. 다른 구현예에서, 제2 냉매는 적어도 약 75 중량%, 그리고 보다 더 바람직하게는 적어도 약 80 중량%의 트랜스-1,3,3,3-트리플루오로프로펜 (HFO-1234ze(E) 및/또는 HFO-1234yf를 포함하고, 보다 바람직하게는 이를 포함한다.

도 1은 본원에 따른 에어 컨디셔닝 시스템의 일 바람직한 구현예의 일반화된 프로세스 플로우 다이어그램이다.

바람직한 열 전달 조성물

본 명세서에 기술된 각각의 바람직한 구현예에서, 시스템은:

(a) 루프에서 유체 연통하는 압축기, 팽창기(expander) 및 증발기를 포함하는 상대적으로 저온인 증기 압축 루프 및 제1 냉매 및 바람직하게는 압축기에 대한 윤활제를 포함하는 상기 루프 내의 제1 열 전달 조성물;

(b) 루프에서 유체 연통하는 압축기, 응축기, 팽창기, 및 흡입 라인 열교환기를 포함하는 상대적으로 고온인 증기 압축 루프, 및 제2 냉매 및 바람직하게는 압축기에 대한 윤활제를 포함하는 하는 상기 루프 내의 제2 열 전달 조성물; 및

(c) 상기 제1 냉매와 제2 냉매 사이의 열교환에 의해 상기 제1 냉매를 응축시키고 상기 제2 냉매를 증발시키는 캐스케이드 열 교환기를 포함하며,

상기 증발기는 냉각되는 공기를 함유하는 인클로저 내에 위치되며, 대략 상기 상대적으로 저온에서 상기 공기로부터 열을 흡수할 수 있고,

상기 응축기는 상기 인클로저 외부에 위치하는 열 싱크에 열을 전달할 수 있으며,

상기 흡입 라인 열 교환기는 상기 캐스케이드 열교환기에서 배출되는 상기 제2 열 전달 조성물의 적어도 일부를 수용하기 위해 상기 캐스케이드 열 교환기와 유체 연통되고, 상기 응축기에서 배출되는 상기 제1 열 전달 조성물로부터 열을 흡수하여 이의 온도를 증가시키고, 이에 따라, 상기 제1 열 전달 조성물이 상기 제1 루프 팽창기로 유입되기 전에 상기 제1 열 전달 조성물의 온도를 감소시킨다.

본원에서 사용된, 용어 "상대적으로 저온" 및 "상대적으로 고온"은, 제1 및 제2 열 전달 루프에 대하여 사용되는 경우, 그리고 다르게 나타내지 않는 한, 지시된 열 전달 조성물의 상대적인 온도를 나타내기 위한 상대적인 의미로 사용되며, 여기서, 이들의 차이는 적어도 약 5℃이다.

바람직하게는, 제1 냉매는 제2 냉매의 가연성보다 실질적으로 낮은 가연성을 갖는다. 바람직한 구현예에서, 제1 냉매는 A1로 분류되는 ASHRAE Standard 34 (ASTM E681에 따라 측정됨)에 따른 가연성을 가지고, 제2 냉매는 A2L로 분류되는 ASHRAE Standard 34에 따른 가연성 또는 A2L 보다 높은 가연성을 갖는다. 그러나, 제2 냉매에 대한 A2L 분류가 바람직하다. 또한, 제1 및 제2 냉매는 각각 약 150 미만인 지구 온난화 지수 (Global Warming Potential, GWP)를 갖는 것이 바람직하다.

바람직한 구현예에서, 저온 루프에서 순환하는 제1 냉매는 이산화탄소를 포함하고, 바람직하게는 이산화탄소로 필수적으로 구성되며, 그리고 보다 바람직하게는 일부 구현예에서, 이산화탄소로 구성된다.

제2 냉매가 트랜스 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜 (HFO-1234ze(E)), 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 (HFO-1234yf), R-227ea 및 R-32, 및 이들 중 둘 이상의 조합 중 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다. 바람직한 구현예에서, 제2 냉매는 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜 (HFO-1234yf)을 적어도 약 50 중량%, 보다 바람직하게는 적어도 약 80 중량% 포함한다. 다른 바람직한 구현예에서, 제2 냉매는 트랜스 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜 (HFO-1234ze(E))을 적어도 약 50 중량%, 보다 바람직하게는 적어도 약 80 중량% 또는 적어도 약 75 중량%, 보다 바람직하게는 적어도 약 80 중량% 포함한다. 매우 바람직한 구현예에서, 제2 냉매는 HFO-1234ze(E), HFO-1234yf 또는 이들 중 둘 이상의 조합을 적어도 약 95 중량% 포함하고, 일부 구현예에서는 HFO-1234ze(E), HFO-1234yf 또는 이들 중 둘 이상의 조합으로 필수적으로 구성되거나, 또는 구성된다.

다른 매우 바람직한 구현예에서, 제2 냉매는 약 70 중량% 내지 약 90 중량%의 HFO-1234yf, 바람직하게는 약 80 중량%의 HFO-1234yf 및 약 10 중량% 내지 약 30 중량%의 R32, 바람직하게는 약 20 중량%의 R-32를 포함한다.

다른 매우 바람직한 구현예에서, 제2 냉매는 약 70 중량% 내지 약 90 중량%의 HFO-1234ze(E), 바람직하게는 약 80 중량%의 HFO-1234ze(E) 및 약 10 중량% 내지 약 30 중량%의 R32, 바람직하게는 20 중량%의 R-32를 포함한다.

다른 매우 바람직한 구현예에서, 제2 냉매는 약 85 중량% 내지 약 90 중량%의 트랜스 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜 (HFO-1234ze(E)) 및 약 10 중량% 내지 약 15 중량%의 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판 (HFC-227ea), 그리고 보다 더 바람직하게는, 일부 구현예에서, 약 88 중량%의 트랜스 1,3,3,3-테트라플루오로프로펜 (HFO-1234ze(E)) 및 약 12 중량%의 1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판 (HFC-227ea)을 포함한다.

이 기술분야의 기술자는 본원에 포함된 개시사항으로부터 본 발명의 바람직한 구현예는 단지 냉각되는 인클로저 내의 안전한 (상대적으로 낮은 독성 및 낮은 가연성) 저 GWP 냉매를 그리고 전체적으로 인클로저 외부에 위치하는 고온 루프 내의 상대적으로 덜 안전하지만, 바람직하게는 낮은 GWP 냉매를 사용하는 이점을 제공한다.

본원에 사용된 용어, "안전(safe)" 및 "상대적으로 덜 안전"은 제1 및 제2 열 전달 루프와 관련하여 함께 사용되는 경우, 그리고 다르게 나타내지 않는 한, 나타낸 열 전달 조성물의 상대적인 안전성을 나타내는 상대적인 의미로 사용된다. 이러한 구성, 특히 고온 시스템이 바람직한 흡입 라인 열 교환기를 포함하는 경우에, 이러한 구성은 본 발명의 시스템 및 방법이, 워크 인 (walk-in) 냉동기, 슈퍼마켓 쿨러 등에서 통상적으로 접하게 되는 바와 같이, 인클로저를 점유하거나 사용하는 인간 또는 다른 동물에 근접한 위치에서 사용하기에 매우 바람직하게 한다.

제2 냉매의 바람직한 구현예가 하기 표에 개시된다:

제1 열 전달 조성물 및 제2 열 전달 조성물은 또한 각각 일반적으로 윤활제를 일반적으로, 열 전달 조성물의 약 30 내지 약 50 중량%의 양으로 포함하고, 나머지는 냉매 및 존재할 수 있는 기타 임의 성분을 포함한다. 미국 특허 제6,516,837호에 개시된 바와 같이, 계면활성제 및 가용화제(solubilizing agents)의 조합이 또한 오일 용해성을 돕기 위해 본 조성물에 첨가될 수 있으며, 상기 특허문헌의 개시사항은 참고로 포함된다. 하이드로플루오로카본 (HFC) 냉매가 이용되는 냉동 기계류에 사용되는 폴리올 에스테르 (POEs), 및 폴리 알킬렌 글리콜 (PAGs), 실리콘 오일, 미네랄 오일, 알킬 벤젠 (ABs) 및 폴리(알파-올레핀)과 같은 통상적으로 사용되는 냉동 윤활제가 본 발명의 냉매 조성물과 함께 사용될 수 있다. 바람직한 윤활제는 POEs이다.

본 발명의 한 견지에 따른 제1 냉매, 제2 냉매 및 윤활제의 바람직한 조합이 이하에 제공된다.

시스템 작동 조건

본 시스템 및 방법에 사용되는 작동 조건은 특정한 어플리케이션에 따라 본원에 포함되어 있는 개시사항을 고려하여 광범위하게 변경할 수 있는 것으로 일반적으로 고려된다. 그러나, 많은 바람직한 어플리케이션은 하기 표에 나타낸 범위 내의 작동 파라미터를 유리하게 사용할 것이며, 모든 양은 "약"으로 수식되는 것으로 이해된다.

본 발명에 따른 공정 조건 내에서 작동하는 경우, 본원에 기술된 바와 같이, 흡입 라인 열 교환기의 사용은, 본 발명에 따른 흡입-라인 열 교환기를 사용하지 않은 동일한 시스템에 비하여, 바람직하게는 적어도 2% COP 개선, 보다 바람직하게는 적어도 약 3% COP 개선, 그리고 보다 더 바람직하게는 4% COP 개선을 생성한다.

다음의 설명에서, 다른 구현예에서 일반적으로 동일 또는 유사하거나, 동일 또는 유사할 수 있는 시스템의 구성 성분 또는 구성 요소는 같은 번호 또는 기호로 표시된다.

일 바람직한 냉동 시스템이 도 1에 도시된다. 냉동 시스템은 일반적으로 (10)으로 나타낸다. 경계는 인클로저를 개략적으로 나타내는 (100)으로 일반적으로 나타낸다. 저온 루프는 압축기 (11), 캐스케이드 교환(cascade exchange) (12)의 응축 측(condensing side) (12A), 팽창 밸브 (14) 및 증발기 (15)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 증발기 (15)는 연관된 도관 및 제1 열 전달 조성물을 인클로저 경계로 그리고 인클로저 경계로부터 운반하기 위한 다른 연결 및 관련 장치 중 어떠한 것과 함께 인클로저 (100) 내에 위치된다. 증발기 (14)는 바람직하게 인클로저 내부에 위치되고, 인클로저 (100)의 내부에 위치되는 것으로 도시된 도면에 개시되어 있지만, 특정한 구현예에서, 팽창기(expander) (14)를 인클로저의 외부에 제공하는 것이 바람직하고 및/또는 필요할 수 있는 것으로 이해된다. 고온 루프는 압축기 (21), 캐스케이드 교환 (12)의 증발 측 (12B), 팽창 밸브 (24) 및 응축기 (25)를 포함하며, 이들은 연관된 도관 및 다른 연결 및 관련 장비 중 어떠한 것과 함께 인클로저 (100)의 외부에 위치된다. 고온 회로는 또한 응축기 (25)에서 배출되는 제2 열 전달 조성물 스트림 (30)과 캐스케이드 열 교환기 (12)의 증발 측 (12B)에서 배출되는 제2 열 전달 조성물 스트림 (31) 사이의 열교환을 가능하게 하는, 흡입 라인 열 교환기 (50)를 포함한다.

본 발명에 따른 제1 및 제2 냉동 루프의 상대적인 크기가 본 발명의 범위 내에서 광범위하게 변경될 수 있는 것으로 여겨지지만, 출원인은 특정 구현예에서 냉동 루프의 상대적인 크기를 신중하게 선택함으로써 매우 유리한 결과가 달성될 수 있음을 발견하였다. 보다 구체적으로, 정상 작동 조건하에서, 제1 냉동 루프 및 제2 냉동 루프에 포함된 열 전달 조성물은 결코 혼합되거나 서로 섞이지 않을 것으로 생각되고 이해된다. 그러나, 출원인은 제1 및 제2 냉매의 이러한 서로 섞임 가능성이 예를 들어, 캐스케이드 열 교환기에서 누출의 경우에 발생할 수 있음을 인식하게 되었다. 냉각되는 인클로저 내에서 누출되는 경우에, 이 혼합된 냉매 스트림은 그 후, 인클로저 내부 또는 근처에 위치하는 인간 또는 다른 동물에 노출될 수 있다. 따라서, 이러한 누출의 경우에도 계속적으로 안전한 작동을 보장하기 위해, 출원인은 상대적인 냉동 루프 크기의 주의 깊고 신중한 선택이 이러한 누출이 발생하는 경우에도 안전한 시스템이 되도록 할 수 있음을 인식하게 되었다.

출원인은 본 발명의 시스템 및 조성물이 많은 냉동 어플리케이션에서 유용할 것으로 생각하지만, 바람직한 어플리케이션은 주거 거주지, 사무실 공간, 창고 및 등과 같은 인클로저, 및 워크-인 박스, 콜드-박스(cold-box), 수송 냉동 박스 등과 같은 인클로저 내의 공기를 냉각시킴으로써 물품을 차게 유지하는데 사용되는 인클로저와 관련된, 냉각 및/또는 가열을 포함하는, 공기를 처리하는 것과 같은 어플리케이션에 사용되는 냉동 시스템 및 방법을 포함한다. 본원에서 사용된, 용어 "수송 냉동 박스"는 트럭 트레일러의 일부 또는 실질적으로 전부에 위치되거나, 혹은 이를 포함하는 차가운/단열된 박스(insulated boxes)를 나타내는데 사용된다. 더욱이, 바람직한 어플리케이션에서, 본 발명에 따른 시스템의 용량은 약 30 kW 미만이다. 바람직한 어플리케이션에서, 본 발명에 따른 시스템의 용량은 약 15 kW 미만이고, 또 다른 어플리케이션에서, 본 발명에 따른 시스템의 용량은 약 10 kW 미만이다.

몇 가지 바람직한 시스템, 방법 및 조성물의 예를 하기에 기술한다:

A. 제1 냉매는 CO2이고 제2 냉매는 R- 1234ze(E)이다 .

예로서, 출원인은 제1 냉매가 CO2로 구성되고, 제2 냉매가 R01234ze(E)로 구성되는, 본 발명에 따른 캐스케이드 냉동 시스템을 고려하였다. 심지어 제1 냉매와 제2 냉매가 서로 섞이는 경우에도 안전한, 본 발명에 따른 냉동 시스템이 되도록, 출원인은 다음과 같이 이들 성분의 다양한 혼합물 (증기 및 액체 포함)의 가연성을 알아냈다:

상기 고려 사항 및 분석, 그리고 제1 냉매가 CO2로 필수적으로 구성되고, 제2 냉매가 R-1234ze(E)로 필수적으로 구성되는, 본 발명의 바람직한 견지에 기초하여, 제2 냉매 (예, R-1234ze(E))에 대한 저온 루프에서의 제1 냉매 (예, CO2)의 적재(loading)의 중량비는 약 1.2 이상인 것이 바람직하다. 이러한 구현예에서, 본 발명의 시스템은 제1 및 제2 냉매 조성물 사이의 완전한 서로 섞임의 경우에도, 안전을 유지할 것이다. 즉, 불연성 냉매만을 함유할 것이다.

B. 제1 냉매는 CO2이고 제2 냉매는 SR26이다.

추가적인 예로서, 출원인은 제1 냉매가 CO2로 구성되고 제2 냉매가 SR26로 구성되는 (R-1234ze(E):R-32의 80:20 중량비의 조합), 본 발명에 따른 캐스케이드 냉동 시스템을 고려하였다. 심지어 제1 냉매와 제2 냉매가 서로 섞이는 경우에도 안전한, 본 발명에 따른 냉동 시스템이 되도록, 출원인은 다음과 같이 이들 성분의 다양한 혼합물 (증기 및 액체 포함)의 가연성을 알아냈다:

상기 고려 사항 및 분석, 그리고 제1 냉매가 CO2로 필수적으로 구성되고, 제2 냉매가 SR26으로 필수적으로 구성되는, 본 발명의 바람직한 견지에 기초하여, 제2 냉매 (예, SR26)에 대한 저온 루프에서의 제1 냉매 (예, CO2)의 적재의 중량비는 약 1.0 이상인 것이 바람직하다. 이러한 구현예에서, 본 발명의 시스템은 제1 및 제2 냉매 조성물 사이의 완전한 서로 섞임의 경우에도, 안전을 유지할 것이다. 즉, 불연성 냉매만을 함유할 것이다.

C. 제1 냉매는 CO2이고 제2 냉매는 R-32이다.

추가적인 예로서, 출원인은 제1 냉매가 CO2로 구성되고, 제2 냉매가 R-32로 구성되는 본 발명에 따른 캐스케이드 냉동 시스템을 고려하였다. 심지어 제1 냉매와 제2 냉매가 서로 섞이는 경우에도 안전한, 본 발명에 따른 냉동 시스템이 되도록, 출원인은 다음과 같이 이들 성분의 다양한 혼합물 (증기 및 액체 포함)의 가연성을 알아냈다:

상기 고려 사항 및 분석, 그리고 제1 냉매가 CO2로 필수적으로 구성되고, 제2 냉매가 SR26으로 필수적으로 구성되는, 본 발명의 바람직한 견지에 기초하여, 제2 냉매 (예, SR26)에 대한 저온 루프에서의 제1 냉매 (예, CO2)의 적재의 중량비는 약 0.9 이상인 것이 바람직하다. 이러한 구현예에서, 본 발명의 시스템은 제1 및 제2 냉매 조성물 사이의 완전한 서로 섞임의 경우에도, 안전을 유지할 것이다. 즉, 불연성 냉매만을 함유할 것이다.

D. 제1 냉매는 CO2이고 제2 냉매는 에탄이다.

추가적인 예로서, 출원인은 제1 냉매가 CO2로 구성되고, 제2 냉매가 에탄으로 구성되는 본 발명에 따른 캐스케이드 냉동 시스템을 고려하였다. 심지어 제1 냉매와 제2 냉매가 서로 섞이는 경우에도 안전한, 본 발명에 따른 냉동 시스템이 되도록, 출원인은 다음과 같이 이들 성분의 다양한 혼합물 (증기 및 액체 포함)의 가연성을 알아냈다:

상기 고려 사항 및 분석, 그리고 제1 냉매가 CO2로 필수적으로 구성되고, 제2 냉매가 에탄으로 필수적으로 구성되는, 본 발명의 바람직한 견지에 기초하여, 제2 냉매 (예, SR26)에 대한 저온 루프에서의 제1 냉매 (예, CO2)의 적재의 중량비는 약 1.7 이상인 것이 바람직하다. 이러한 구현예에서, 본 발명의 시스템은 제1 및 제2 냉매 조성물 사이의 완전한 서로 섞임의 경우에도, 안전을 유지할 것이다. 즉, 불연성 냉매만을 함유할 것이다.

E. 제1 냉매는 CO2이고 제2 냉매는 프로판이다.

추가적인 예로서, 출원인은 제1 냉매가 CO2로 구성되고, 제2 냉매가 프로판으로 구성되는 본 발명에 따른 캐스케이드 냉동 시스템을 고려하였다. 심지어 제1 냉매와 제2 냉매가 서로 섞이는 경우에도 안전한, 본 발명에 따른 냉동 시스템이 되도록, 출원인은 다음과 같이 이들 성분의 다양한 혼합물 (증기 및 액체 포함)의 가연성을 알아냈다:

상기 고려 사항 및 분석, 그리고 제1 냉매가 CO2로 필수적으로 구성되고, 제2 냉매가 프로판으로 필수적으로 구성되는, 본 발명의 바람직한 견지에 기초하여, 제2 냉매 (예, 프로판)에 대한 저온 루프에서의 제1 냉매 (예, CO2)의 적재의 중량비는 4 보다 큰 것이 바람직하다. 이러한 구현예에서, 본 발명의 시스템은 제1 및 제2 냉매 조성물 사이의 완전한 서로 섞임의 경우에도, 안전을 유지할 것이다. 즉, 불연성 냉매만을 함유할 것이다.

실시예

비교예 C1

이하에 기술된 비교예 C1은 하기 도면에 도시된 바와 같이 전형적인 워크 쿨러(walk cooler) 냉동 시스템에 기초한다.

상기 도면에서, 쿨러의 경계는 박스 (100)로 개략적으로 나타낸다. 쿨러 박스 내에 포함된 것은 증발기 (15) 및 팽창기 (14)이다. 압축기 (11) 및 응축기 (20)는 쿨러 박스 (100)의 외부에 위치된다. 이 냉동 루프 내를 순환하는 냉매는 냉매 R-404A (52 wt% R-143a, 44 wt% R-125 및 4 wt% R-134a)이다.

다음 작동 파라미터가 사용된다:

· 증발기 (15)의 증발 온도 = -35℃

· 응축기 (200)의 응축 온도 = 45℃

· 팽창기 (14)의 등엔트로피 효율(isoentropic efficiency) = 63%

· 증발기 과열(superheat) = 5℃

· 압축기 흡입 라인에서의 온도 상승 = 20℃

· 팽창 디바이스 과냉각(subcooling) = 0℃

이 전형적인 시스템의 작동으로 108.3℃의 압축기 배출 온도가 생성된다.

하이브리드 실시예 H1A - H1D

실시예 1에 도시된 바와 같은 전형적인 냉동 시스템에 기초한 하이브리드 시스템이 형성되지만, 흡입 라인 열 교환기가 삽입되어 증발기에서 배출되는 R-404A로 열을 흡수하며, 이에 의해 스트림이 팽창기로 유입되기 전에 응축기에서 배출되는 R-404A로부터 열을 흡수함으로써 압축기로 유입되는 R-404A의 온도를 증가시킨다. 35%에서 85%까지 변하는 유효성 값(Effectiveness values)을 갖는 흡입 라인 열교환기를 사용하는 작동이 평가된다. 결과를 비교하기 위해 비교예 C1의 결과와 함께 하기 표 H1에 나타낸다:

[표 H1]

* 본원에서 사용된 흡입 라인 열 교환기의 유효성(Effectiveness) %는 열 손실이 없는 이상적인 작동의 백분율을 나타낸다.

상기 나타낸 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 흡입 라인 열 교환기를 포함하도록 전형적인 시스템을 변경하는 것은 모든 경우에, 이러한 하이브리드 시스템의 작동 결과로서, 압축기 배출 온도가 실질적으로, 그리고 원하지 않는 그리고 바람직하지 않게 증가하기 때문에, 실행 가능하지 않다.

실시예 1A-1E, 2A-2E, 3A-3E, 4A-4E 및 5A-5E

도 1에 도시된 흡입 라인 열교환기를 갖는 캐스케이드 냉동 시스템은 저온 루프에서 다음의 각각의 냉매(제2 냉매)를 사용하여 작동된다: HFO-1234ze(E); HFO-1234yf; SR21 (80 wt% HFO-1234yf 및 20 wt% R-32); SR26 (80 wt% HFO-1234ze(E) 및 20 wt% R-32); 및 SR31 (88 wt% HFO-1234ze(E) 및 12 wt% R-32). 고온 루프에서 냉매는 CO2이다. 이들 냉매를 사용하여, 본 발명의 캐스케이드 시스템은 다음의 파라미터에 따라 작동된다:

· 저 단계(low stage)(증발기 (15))의 증발 온도 = -35℃

· 저-단계의 응축 온도 = (캐스케이드 응축기 (12A)) = 0℃

· 고-단계(high-stage)(증발기 (25))의 증발 온도 = -5℃

· 고-단계 (캐스케이드 응축기 (12B))의 응축 온도 = 45℃

· 저 단계 팽창기 (팽창기 (14))의 등엔트로피 효율 = 65%

· 고-단계 팽창기 (팽창기 (24))의 등엔트로피 효율 = 63%

· 증발기 과열 (증발기 모두) = 5℃

· 저-단계 흡입 라인에서의 온도 상승 = 15℃

· 고-단계 흡입 라인에서의 온도 상승 = 5℃

· 고 단계 및 저 단계의 두 팽창 디바이스에서의 과냉각 = 0℃

· 흡입 라인 액체-라인 열 교환기 유효성 = 0%에서 85%까지 변함

하기 표 1/5-DT는 각각의 실시예에 대한 배출 온도의 결과를 나타내며, 비교예 1의 결과는 비교를 위해 나타낸다:

[표 1/5-DT]

상기 표에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 모든 실시예는 본 발명의 바람직한 압축기 배출 온도를 만족시키며, 모든 경우에 있어서, 배출 온도는 전형적인 시스템 및 심지어 하이브리드 시스템의 성능보다 실질적으로 우수하다.

하기 표 1/5-COP는 각 실시예에 대한 COP의 결과를 나타내며, 비교예 1의 결과는 비교를 위해 나타낸다:

[표 1/5-COP]

상기 표에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 모든 실시예는 비교예 1의 시스템과 비교하여 적어도 121%의 개선된 COP를 나타낸다. 또한, 흡입-라인 열교환기를 포함하는 본 발명의 모든 시스템은 열 교환기가 없는 본 발명의 시스템에 비해 적어도 2%의 추가 개선을 나타내며, 흡입 라인 열교환기에 대해 55% 이상의 열 교환기 유효성을 갖는 시스템은 열 교환기가 없는 시스템에 비해 적어도 추가로 3%의 개선을 나타낸다.

실시예 6A-6E, 7A-7E, 8A-8E, 9A-9E

도 1에 도시된 바와 같은, 흡입 라인 열 교환기를 갖는, 그리고 흡입 라인 열 교환기가 없는 캐스케이드 냉동 시스템이 저온 루프에서 다음의 각각의 냉매(제2 냉매)를 그리고 고온 루프에서 CO₂를 사용하여 작동된다 (각 냉매의 GWP를 나타냄):

실시예 1-5에서 확인된 것과 동일한 작동 조건을 사용하여, 도 1의 시스템은 각각의 냉매 EX6 - EX9로 작동되고, 하기 표 6/9-DT는 각 실시예에 대한 배출 온도의 결과를 나타내며, 비교예 1의 결과는 비교를 위해 나타낸다:

[표 6/9-DT]

상기 표에 나타낸 바와 같이, 냉매 EX6 - EX9를 사용하여 흡입 라인 열 교환기가 없는 캐스케이드 시스템 (유효성 = 0)에 대하여 허용 가능한 배출 온도 (바람직한 배출 온도 범위의 범위 내)가 생성된다. 그러나, 어느 냉매도 35% 내지 85%의 유효성 값 중 어떠한 값에 대한 캐스케이드 시스템에 대한 허용가능한 배출 온도 (바람직한 배출 온도 범위의 범위 내)를 생성하지 않는다.

실시예 10A - 10E, 11A - 11E, 12A - 12E, 13A - 13E, 14A - 14E, 15A - 15E

도 1에 도시된 바와 같은, 흡입 라인 열 교환기를 갖는, 그리고 흡입 라인 열 교환기가 없는 캐스케이드 냉동 시스템은 저온 루프에서 다음의 각각의 냉매 (제2 냉매)를 그리고 고온 루프에서 CO2를 사용하여 작동된다:

실시예 1 - 5에서 확인된 것과 동일한 작동 조건을 사용하여, 도 1의 시스템은 각각의 냉매 EX10 - EX15로 작동되고, 하기 표 10/15-DT는 각 실시예에 대한 배출 온도의 결과를 나타내며, 비교예 1의 결과는 비교를 위해 나타낸다:

[표 10/15-DT]

상기 표에 나타낸 바와 같이, 냉매 EX10 - EX15의 사용으로 GWP 값이 500 미만인 제2 냉매가 되지만, 각 냉매는 허용 가능한 배출 온도를 생성하지 않는다 (즉, 바람직한 배출 온도 범위의 범위 내). 흡입 라인 열 교환기가 없는 캐스케이드 시스템 (유효성 = 0)에 대하여, 배출 온도는 허용가능하다. 그러나 흡입 라인 열 교환기가 있는 시스템에 대하여, 각각의 EX10-EX13 냉매는 85% 이상의 원하는 유효성 값에 대하여 허용할 수 없는 배출 온도를 생성한다. 단지 EX 14 및 EX 15가 어떠한 시험된 유효성 값을 갖는 흡입 라인 열교환기에 대한 허용가능한 배출 온도를 제공한다. 이들 발견은 다음과 같이 요약된다:

o 35%의 유효성에서, 30%를 초과하는 R1234ze(E)가 요구된다.

o 55% 유효성에서: 50%를 초과하는 R1234ze(E)가 요구된다.

o 75% 유효성에서: 60%를 초과하는 R1234ze(E)가 요구된다.

o 85% 유효성에서: 70%를 초과하는 R1234ze(E)가 요구된다.

o 적어도 약 78%의 R-1234ze(E)를 함유하는 조성물은 흡입 라인 열 교환기의 모든 유효성 값에 대하여 허용가능하며, 약 150 이하의 GWP 값을 생성하다.

표 11/15 - 하기 COP는 각 실시예에 대한 COP의 결과를 나타내며, 비교예 1의 결과는 비교를 위해 나타낸다:

[표 10/15 COP]

상기 표에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 모든 실시예는 비교예 1의 시스템과 비교하여 적어도 121%의 COP를 초래한다. 또한, 흡입-라인 열 교환기가 없는 본 발명의 시스템에 비해, 흡입-라인 열 교환기를 포함하는 본 발명의 모든 시험된 시스템에서 실시예 15의 냉매의 사용은 적어도 2%의 추가의 개선을 나타낸다. 흡입-라인 열 교환기가 없고 (표 11/15-DT에 나타낸 바와 같이) 허용가능한 배출 온도를 갖는 본 발명의 시스템에 비해, 흡입-라인 열 교환기를 포함하며, 적어도 55%의 유효성을 갖는 본 발명의 시험된 시스템에서 실시예 14의 냉매의 사용은 적어도 2%의 추가의 개선을 나타낸다. 흡입-라인 열 교환기가 없고 (표 11/15-DT에 나타낸 바와 같이) 허용가능한 배출 온도를 갖는 본 발명의 시스템에 비해, 흡입-라인 열 교환기를 포함하며, 적어도 55%이지만 약 85% 미만의 유효성을 갖는, 본 발명의 시험된 시스템에서 실시예 13의 냉매의 사용은 적어도 2%의 추가의 개선을 나타낸다.

대조적으로, 흡입-라인 열 교환기가 없는 본 발명의 시스템에 비하여 흡입-라인 열 교환기를 포함하며, 적어도 75%의 유효성을 갖는, 본 발명의 시험된 시스템에서 실시예 12의 냉매의 사용은 적어도 2%의 추가의 개선을 나타내지만, 표 11/15-DT에 나타낸 바와 같이, 이 냉매는 이 조건에서 허용가능한 배출 온도를 제공하지 않는다.

실시예 16A - 16E, 17A - 17E, 18A - 18E, 19A - 19E

도 1에 도시된 바와 같이 흡입 라인 열 교환기를 갖는, 그리고 흡입 라인 열 교환기가 없는 캐스케이드 냉동 시스템은 고온 루프에서 다음의 각각의 냉매 (제2 냉매)를 그리고 저온 루프에서 CO2를 사용하여 작동된다 (각 냉매의 GWP를 나타냄):

실시예 1 - 5에서 확인된 것과 동일한 작동 조건을 사용하여, 도 1의 시스템은 각각의 냉매 EX16 - EX19로 작동되고, 하기 표 16/19-DT는 각 실시예에 대한 배출 온도의 결과를 나타내며, 비교예 1의 결과는 비교를 위해 나타낸다:

[표 16/19-DT]

상기 표에 나타낸 바와 같이, 냉매 EX16 - EX19의 사용은 흡입 라인 열 교환기가 없는 캐스케이드 시스템 (유효성 = 0)에 대하여 허용 가능한 배출 온도 (바람직한 배출 온도 범위의 범위 내)를 생성한다. 그러나, 어느 냉매도 35% 내지 85%의 유효성 값 중 어떠한 값에 대한 캐스케이드 시스템에 대한 허용가능한 배출 온도 (바람직한 배출 온도 범위의 범위 내)를 생성하지 않는다.

실시예 20A - 20E, 21A - 21E, 22A - 22E, 23A - 23E, 24A - 24E, 25A - 25E

도 1에 도시된 바와 같은 흡입 라인 열 교환기를 갖는, 그리고 흡입 라인 열 교환기가 없는 캐스케이드 냉동 시스템은 저온 루프에서 다음의 각각의 냉매 (제2 냉매)를 그리고 고온 루프에서 CO2를 사용하여 작동된다:

실시예 1 내지 5에서 확인된 동일한 작동 조건을 사용하여, 도 1의 시스템은 각각의 냉매 EX20 - EX25로 작동되고, 하기 표 20/25 - DT는 각 실시예에 대한 배출 온도의 결과를 나타내며, 비교예 1의 결과는 비교를 위해 나타낸다:

[표 20/25 - DT]

상기 표에 나타낸 바와 같이, 냉매 EX21 - EX25의 사용으로 GWP 값이 500 미만인 제2 냉매가 되지만, 각 냉매는 허용 가능한 배출 온도를 생성하지 않는다 (즉, 바람직한 배출 온도 범위의 범위 내). 흡입 라인 열 교환기가 없는 캐스케이드 시스템 (유효성 = 0)에 대하여, 배출 온도는 허용가능하다. 그러나 흡입 라인 열 교환기가 있는 시스템에 대하여, EX20-EX22 각각의 냉매는 85% 이상의 원하는 유효성 값에 대하여 허용할 수 없는 배출 온도를 생성한다. 단지 EX 23, EX 24 및 EX 25가 모든 시험된 유효성 값에 대하여 흡입 라인 열교환기에 대하여 허용 가능한 배출 온도를 제공한다. 이들 발견은 다음과 같이 요약된다:

o 35% 유효성에서, 30%를 초과하는 R1234yf가 요구된다.

o 55% 유효성에서: 40%를 초과하는 R1234yf가 요구된다.

o 75% 및 85% 유효성에서: 60%를 초과하는 R1234yf가 요구된다.

표 20/25 - 하기 COP는 각 실시예에 대한 COP의 결과를 나타내며, 비교예 1의 결과는 비교를 위해 나타낸다:

[표 20/25 COP]

상기 표에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 모든 실시예는 비교예 1의 시스템과 비교하여 적어도 121%의 COP를 초래한다. 또한, 흡입-라인 열 교환기를 포함하는 본 발명의 모든 시험된 시스템에서 실시예 24 및 25의 냉매의 사용은 흡입-라인 열 교환기가 없는 본 발명의 시스템에 비하여 적어도 2%의 추가의 개선을 나타내며, 실시예 22 및 23의 냉매는 55% 이상의 유효성을 갖는 열 교환기에 대한 흡입-라인 열 교환기가 없는 본 발명의 시스템에 비하여 적어도 2%의 추가의 개선을 나타낸다. 적어도 75%의 유효성을 갖는 흡입-라인 열 교환기를 포함하는 본 발명의 시험된 시스템에서 실시예 22의 냉매의 사용은 흡입-라인 열 교환기가 없는 본 발명의 시스템에 비하여 적어도 2%의 추가의 개선을 나타낸다.

중요하게, 흡입-라인 열 교환기를 포함하는 본 발명의 모든 시험된 시스템에서 실시예 24 및 25의 냉매의 사용은 흡입-라인 열 교환기가 없는 본 발명의 시스템에 비하여 적어도 2%의 추가의 개선을 나타낼 뿐만 아니라, 이러한 냉매는 (표 21/25-DT에 나타낸 바와 같이) 시험된 흡입 라인 열 교환기의 유효성의 모든 수준에 대하여 허용가능한 배출 온도를 갖는다. 55%의 유효성을 갖는 흡입-라인 열 교환기를 포함하는 본 발명의 시험된 시스템에서 실시예 22 및 23의 냉매의 사용은 흡입-라인 열 교환기가 없는 본 발명의 시스템에 비하여 적어도 2%의 추가의 개선을 나타낼 뿐만 아니라, (표 21/25-DT에 나타낸 바와 같이) 또한, 허용가능한 배출 온도를 갖는다.

대조적으로, 실시예 20의 냉매의 사용은 열 교환기 유효성의 어떠한 값에 대해 적어도 2% 개선을 나타내지는 않지만, 실시예 21 및 22는 75% 및 85%의 열 교환기 유효성 값에 대하여 적어도 2%의 개선을 나타내며, 열 교환기의 이들 값은 허용 가능한 배출을 효과적으로 제공하지 못하며, 표 20/25 - DT에 나타낸 바와 같이, 이 냉매는 이 조건에 해당하지 않는다.

Claims

인클로저를 포함하는 열 전달 시스템으로서, 상기 시스템은 상기 인클로저의 내용물을 냉각하고, 상기 시스템은,
(a) 루프에서 유체 연통하는 압축기, 팽창기 및 증발기를 포함하는 상대적으로 저온인 증기 압축 루프, 그리고 제1 냉매 및 압축기에 대한 윤활제를 포함하는 상기 루프 내의 제1 열 전달 조성물;
(b) 루프에서 유체 연통하는 압축기, 응축기, 팽창기, 및 흡입 라인 열교환기를 포함하는 상대적으로 고온인 증기 압축 루프, 그리고 제2 냉매 및 압축기에 대한 윤활제를 포함하는 상기 루프 내의 제2 열 전달 조성물; 및
(c) 상기 제1 냉매와 제2 냉매 사이의 열교환에 의해 상기 제1 냉매를 응축시키고 상기 제2 냉매를 증발시키는 캐스케이드 열 교환기를 더 포함하며,
상기 증발기는 상기 인클로저 내에 위치하며 상기 상대적으로 저온에서 상기 인클로저의 유체로부터 열을 흡수할 수 있고, 상기 제1 냉매는 이산화탄소로 필수적으로 구성되고;
상기 응축기는 상기 인클로저 외부에 위치하는 열 싱크로 열을 전달할 수 있으며;
상기 흡입 라인 열 교환기는 상기 캐스케이드 열교환기에서 배출되는 상기 제2 열 전달 조성물의 적어도 일부를 수용하기 위해 상기 캐스케이드 열 교환기와 유체 연통되고, 상기 응축기에서 배출되는 상기 제1 열 전달 조성물로부터 열을 흡수하여 이의 온도를 증가시키고, 이에 따라, 상기 제1 열 전달 조성물이 상기 저온인 증기 압축 루프 내의 상기 팽창기로 유입되기 전에 상기 제1 열 전달 조성물의 온도를 감소시키고,
상기 시스템의 용량은 30 kW 미만이고;
상기 제2 냉매는 이산화탄소의 가연성보다 더 큰 가연성을 가지며,
트랜스-1,3,3,3-트리플루오로프로펜(HFO-1234ze(E)), 2,3,3,3-테트라플루오로프로펜(HFO-1234yf) 또는 이들의 조합으로 필수적으로 구성되는 냉매; 또는
HFO-1234ze(E) 및 R-32로 필수적으로 구성되는 냉매; 또는
R-32로 필수적으로 구성되는 냉매; 또는
HFO-1234yf 및 R-32로 필수적으로 구성되는 냉매
로부터 선택되는, 열 전달 시스템.
제1항에 있어서,
상기 압축기 및 상기 팽창기 및 상기 응축기 각각은 상기 인클로저 내에 위치하지 않는, 열 전달 시스템.
제1항에 있어서,
상기 인클로저는 인클로저 내의 공기를 냉각시킴으로써 물품을 차게 유지하는데 사용되고, 상기 인클로저는 워크 인(walk-in) 박스, 콜드-박스(cold-box) 및 수송 냉동 박스로부터 선택되는, 열 전달 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시스템의 용량은 15 kW 미만인, 열 전달 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시스템의 용량은 10 kW 미만인, 열 전달 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 냉매는 HFO-1234ze(E)로 필수적으로 구성되는, 열 전달 시스템.
제6항에 있어서,
상기 제2 냉매에 대한 저온 루프에서의 상기 제1 냉매의 적재(loading)의 중량비는 1.2 이상인, 열 전달 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 냉매는 HFO-1234yf로 필수적으로 구성되는, 열 전달 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 냉매는 HFO-1234ze(E) 및 HFO-1234yf로 필수적으로 구성되는, 열 전달 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 냉매는 HFO-1234ze(E) 및 R-32로 필수적으로 구성되는, 열 전달 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제2 냉매에 대한 저온 루프에서의 상기 제1 냉매의 적재의 중량비는 1.0 이상인, 열 전달 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제2 냉매는 70 중량% 내지 90 중량%의 HFO-1234ze(E) 및 10 중량% 내지 30 중량%의 R-32로 필수적으로 구성되는, 열 전달 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 냉매는 R-32로 필수적으로 구성되는, 열 전달 시스템.
제13항에 있어서,
상기 제2 냉매에 대한 저온 루프에서의 제1 냉매의 적재의 중량비는 0.9 이상인, 열 전달 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 냉매는 HFO-1234yf 및 R-32로 필수적으로 구성되는, 열 전달 시스템.
제15항에 있어서,
상기 제2 냉매는 70 중량% 내지 90 중량%의 HFO-1234yf 및 10 중량% 내지 30 중량%의 R-32로 필수적으로 구성되는, 열 전달 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 상기 윤활제는 상기 제1 열 전달 조성물, 상기 제2 열 전달 조성물, 또는 상기 제1 열 전달 조성물 및 상기 제2 열 전달 조성물 모두에 존재하는, 열 전달 시스템.
제17항에 있어서,
상기 제1 열 전달 조성물 및 상기 제2 열 전달 조성물 중 적어도 하나에서, 적어도 하나의 상기 윤활제는 독립적으로 폴리올 에스테르(POEs), 폴리 알킬렌 글리콜(PAGs), 실리콘 오일, 미네랄 오일, 알킬 벤젠(ABs), 폴리(알파-올레핀)(PAO) 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 열 전달 시스템.
제18항에 있어서,
상기 제1 열 전달 조성물 및 상기 제2 열 전달 조성물 중 적어도 하나에서, 적어도 하나의 상기 윤활제는 독립적으로 폴리올 에스테르(POEs)인, 열 전달 시스템.