KR102502102B1 - 이산화탄소 흡수용 조성물, 이를 포함하는 냉매 조성물 및 이를 이용하는 냉방 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 -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 혼합물을 포함하는 이산화탄소 흡수용 조성물을 제공한다. 상기 이산화탄소 흡수용 조성물은 흡수식 냉방 시스템의 흡수제로서, 코-플루이드 냉방 시스템에서 냉매 조성물을 이루는 작동 유체로서 기능할 수 있다. 상기 이온성 액체 조성물은 이산화탄소의 흡수 효과를 극대화시켜 궁극적으로 이를 채용한 냉방 시스템의 냉방 효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 기술은 대체 냉매를 이용한 냉방시스템 분야의 기술로서, 더욱 구체적으로는 대체 냉매인 기체 냉매의 흡수특성을 향상시켜 냉방 시스템의 냉방 효율을 극대화할 수 있는 기술에 관한 것이다.
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 냉방 시스템의 경우, 이산화탄소의 열역학적 특성상 다른 냉매 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 용액 상 이산화탄소의 증발열 또는 용해열을 도입한 시스템이다. 예를 들면, 흡수제에 의한 이산화탄소의 흡수-분리 메커니즘을 포함하는 냉방시스템, 이산화탄소와 유체 간의 이산화탄소 용해열을 이용한 냉방 시스템 등을 들 수있다. 신 냉방 시스템 모두 냉매인 이산화타소 이외의 별도의 보조 유체 또는 흡수물질이 요구된다.
이러한 신 냉방 시스템은 이산화탄소 캐리어 유체 또는 흡수제로서 기능하는 작동유체 또는 흡수물질의 이산화탄소 흡수 특성이 냉방 시스템의 효율을 결정하는 주요한 인자로 평가되고 있다.
본 발명은 전술한 이산화탄소의 흡수 특성을 개선하기 위한 발명으로서, 이산화탄소의 흡수 특성을 향상되어 이산화탄소의 흡수력을 증가시킬 수 있는 이산화탄소 흡수용 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한 상기 이산화탄소 흡수용 조성물을 작동유체로 도입하여 작동유체-냉매의 코-플루이드를 이용함으로써 우수한 냉매 특성을 갖는 냉매 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가 본 발명은 상기 이산화탄소 흡수용 조성물을 흡수식 냉방 시스템에 이용하거나 상기 조성물을 기체 냉매와 혼합하여 코-플루이드 냉방 시스템의 냉매 조성물로 도입함으로써, 냉방 설비의 소형화 및 냉방 효율을 극대화할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 -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 혼합물을 포함하는 이산화탄소 흡수용 조성물을 포함한다.
상기 제1 이온성 액체로는 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]), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스트리루오로메틸설포닐이미드([EMIM][TF2N] 등을 사용할 수 있다.
상기 제2 이온성 액체로는 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]), 폴리(p-비닐벤질)트리부틸암모늄 테트라플루오로보레이트(p[VBTBA][BF4]) 등을 사용할 수 있다.
상기 이온성 액체 혼합물 내 제2 이온성 액체의 함량은 5 내지 20 중량%인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉매 조성물은 이산화탄소 냉매; 및 작동 유체로서 -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 혼합물을 포함한다. 본 냉매 조성물은 코-플루이드 방식의 냉방 시스템의 냉매 조성물로서 활용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉방 시스템은 기체상의 냉매를 냉방하여 응축하는 응축기; 응축된 액상의 냉매를 대기압 이하의 압력 하에서 증발시키는 증발기; 증발된 냉매를, -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 혼합물을 포함하는 이산화탄소 흡수제에 의하여 흡수하여 이산화탄소 흡수제 및 냉매의 혼합물을 생성하는 흡수기; 및 상기 혼합물을 제공받아 상기 혼합물로부터 냉매를 분리하는 발생기를 포함한다. 상기 냉매는 이산화탄소를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 냉방 시스템은 기체 냉매 및 -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 혼합물을 포함하는 제1 냉매 혼합물을 압축하는 압축기; 상기 제1 냉매 혼합물의 온도보다 낮은 온도 하에서, 상기 이온성 액체 혼합물에 상기 기체 냉매를 용해시켜, 저온 및 고압의 제2 냉매 혼합물을 생성하는 흡수기; 상기 제2 냉매 혼합물의 압력을 감소시켜, 저온 및 저압의 제3 냉매 혼합물을 생성하는 팽창기; 및 상기 제3 냉매 혼합물의 온도보다 높은 온도 하에서, 상기 제3 냉매 혼합물의 기체 냉매를 이온성 액체 혼합물로부터 탈기 시키는 탈착기를 포함한다. 상기 기체 냉매는 이산화탄소를 포함한다.
상기 이온성 액체 혼합물은 H2O 또는 알코올 화합물을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 흡수용 조성물은 종래의 이온성 액체에 추가적으로 이종(異種)의 폴리머 타입인 이온성 액체를 추가함으로써, 이산화탄소에 선택도 및 흡수 성능을 현저히 개선할 수 있어, 이산화탄소 흡수제로서 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있다.
한편, 상기 이산화탄소 흡수용 조성물은 흡수식 냉방 시스템에서 기체 냉매를 흡수하는 흡수제로 사용될 수 있으며 특히, 상기 기체 냉매가 이산화탄소일 경우, 흡수 성능 및 분리특성이 우수하여 냉방 시스템의 냉방 효율을 향상시킬 수 있다. 나아가 상기 이온성 액체 조성물은 점도 및 증기압이 낮고 열이나 다른 가스에 대한 안정성이 매우 높아 전체적인 냉방 공정의 작업성 및 안정성을 개선할 수 있다.
상기 이산화탄소 흡수용 조성물은 이산화탄소 냉매와 혼합되어 냉매 혼합물을 구성함으로써, 코-플루이드(CO-FLUID) 냉방 시스템에 적용될 수 있다. 상기 코-플루이드 냉방 시스템은 상기 냉매 혼합물을 흡수제이자 동시에 작동유체로서 활용하고 이산화탄소의 흡수 및 탈기 시의 반응열, 또는 흡수 및 탈기 시 각각 발생하거나 필요로 하는 흡열 특성을 활용하는 을 이용한 냉방 방식으로서, 이산화 탄소의 직접적인 액화-기화 사이클을 거치지 않으므로 고압 환경이 배제될 수 있어 시스템의 운전 용이성 및 효율을 현저히 향상시킬 수 있다.
나아가 상기 냉매 혼합물에 물, 알코올 화합물 또는 기타의 첨가제를 다양하게 포함시킴으로써, 요구되는 냉방 시스템의 특성치에 부합하도록 냉매 특성을 가변적으로 조절 및 설계할 수 있다.
도 1은 이온성 액체의 이산화탄소 흡수량을 측정하기 위한 이온성 액체 흡수량 측정장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 압력에 따른 각 액체들의 이산화탄소 용해도 변화를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온성 액체 조성물이 흡수제로 적용된 흡수식 냉방 시스템을 개념적으로 도시한 개념도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온성 액체 조성물이 냉매 조성물에 적용된 냉방 시스템을 개념적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 압력에 따른 각 액체들의 이산화탄소 용해도 변화를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온성 액체 조성물이 흡수제로 적용된 흡수식 냉방 시스템을 개념적으로 도시한 개념도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온성 액체 조성물이 냉매 조성물에 적용된 냉방 시스템을 개념적으로 도시한 개념도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수용 조성물, 냉매 조성물 및 이를 채용한 냉방 시스템들에 대하여 자세하게 설명하도록 한다. 그러나 아래 설명들은 본 발명의 기술사상을 구체화하여 설명하기 위한 예시적인 설명들이며 이하의 기재 내용으로 인하여 본 발명의 기술사상이 제한되지 아니한다. 본 발명의 기술사상은 후술하는 청구범위의 해석에 의하여 결정될 뿐이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수용 조성물은 이산화탄소의 흡수제로서 기능한다. 상기 조성물은 복수의 이온성 액체를 포함할 수 있다. 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 혼합물을 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.
상기 제2 이온성 액체를 용해하는 제1 이온성 액체로서는, 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 1은 이온성 액체의 이산화탄소 흡수량을 측정하기 위한 이온성 액체 흡수량 측정장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 1을 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 2는 압력에 따른 각 액체들의 이산화탄소 용해도 변화를 도시한 그래프이다. 도 2를 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.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉매 조성물은 기체 냉매로서 이산화탄소를 포함하고, 전술한 이온성 액체 혼합물을 포함한다. 상기 냉매 조성물은 코-플루이드 냉방 시스테에 적용되어 단일한 냉매 유체로서 기능한다. 상기 냉매 조성물은 이산화탄소 및 흡수제이자 작동유체인 코 플루이드(이온성 액체 혼합물)를 동시에 함유하고 있는 냉매 유체이다. 상기 냉매 유체는 이산화탄소가 흡수 및 탈기될 때의 반응열 차이를 이용하는 냉방 시스템에 적용되기 때문에 이산화탄소의 직접적인 액화-기화 사이클을 거치지 않으므로 여타 냉매와 유사한 작동압력 하에서 운전이 가능하다.
이하에서는 전술한 이온성 액체 조성물이 적용된 냉방 공정을 자세하게 설병하도록 한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온성 액체 조성물이 흡수제로 적용된 흡수식 냉방 시스템을 개념적으로 도시한 개념도이다.
도 3를 참조하면, 본 실시예에서 흡수식 냉방 시스템(200)은 냉매로서 이산화탄소 기체를 사용한다. 후술할 발생기(210)로부터 발생된 고온 고압의 이산화탄소 기체(201)는 응축기(230)로 이동한다. 도시하지는 않았으나 이 과정에서, 터빈을 거치면서 유체 흐름에 기인하여 터빈 내에 회전운동이 발생함으로써 기계적 동력을 발생시킬 수도 있다. 상기 이산화탄소 기체(201)는 응축기(230)를 거치면서 냉방되어 액체상으로 변화된다. 응축기(230)는 예를 들면, 응축기(230) 내에 위치된 냉방수 코일을 포함하며 유입된 고온의 이산화탄소 기체(201)를 응축시켜 액체 이산화탄소(202)를 방출한다. 방출된 이산화탄소(202)는 팽창밸브(240)를 거쳐 압력이 낮아지고, 이 때 약간의 이산화탄소(202)의 증발이 일어날 수 있다. 이후, 약간의 증발이 발생한 이산화탄소(230)는 증발기(250)로 유입된다. 증발기(250) 내부는 대기압 이하의 압력, 바람직하게는 진공압에 가까운 낮은 압력이 유지되고 있어, 유입된 액체 이산화탄소(230)는 완전히 기화되면서 외부 열(Q1)을 흡수한다. 본 냉방 시스템(200)은 흡수된 열(Q1)만큼 냉방 효과를 발생 시킨다.
기화 과정을 통하여 발생한 이산화탄소 기체(204)는 흡수기(260) 내부로 유입되어 흡수기(260) 내부에 배치된 흡수제에 의하여 흡수된다. 상기 흡수제는 -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 혼합물을 포함한다.
상기 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 비스트리루오로메틸설포닐이미드([HIMIM][TF2N]), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트([EMIM][PF4]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트([BMIM][ACETATE]), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스트리루오로메틸설포닐이미드([EMIM][TF2N] 등의 이온성 화합물들을 들 수 있다. 상기 이온성 화합물들은 단독으로 사용되어 상기 이온성 액체 혼합물을 이룰수도 있으며, 2종 이상이 혼합되어 상기 이온성 액체 혼합물에 포함될 수도 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 상기 제1 이온성 액체로서는 상기 냉방 시스템(200)의 작동 온도 범위내에서 액체로 존재하는 이온성 액체라면 상기 예시된 이온성 액체들 이외에도 다른 이온성 화합물들이 사용될 수 있다.
한편, 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.
이처럼, 상기 이온성 액체 혼합물은 이산화탄소 기체를 흡수하여 흡수제/작동유체 혼합물(205)을 이룬다. 상기 흡수제/작동유체 혼합물은 액체 펌프(270)에 의하여 열교환기(280)로 이송된다. 상기 열교환기(280)에서는 상기 흡수제/작동유체 혼합물(205)이 발생기(210)로 유입되기 전에 예열될 수 있도록 한다. 상기 열교환기(280)로서는 원통 다관식 열교환기, 또는 판틀형 열교환기 등이 사용될 수 있다.
열교환기(280)에서 다소 예열된 흡수제/작동유체 혼합물(205)은 발생기(210)로 유입된다. 발생기(210)에는 외부 공급원으로부터 열(Q2)이 공급된다. 발생기(210)에 열을 받은 흡수제/작동유체 혼합물(205)은 다시 흡수제인 이온성 액체 혼합물과 냉매인 고온의 이산화탄소 기체로 분리된다. 이산화탄소가 분리되고 남은 흡수제/작동유체 혼합물(206)은 다소의 이산화탄소를 포함할 수 있으며, 대부분 흡수제로만 이루어진다. 상기 분리 단계를 거치고 남은 흡수제(이온성 액체 혼합물)(206)는 다시 흡수기(260)으로 이동한다. 흡수제(206)가 흡수기(260)로 이동하는 경로에는 이의 유량을 조절하는 조절밸브(290)가 형성되어 있을 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온성 액체 조성물이 냉매 조성물에 적용된 냉방 시스템을 개념적으로 도시한 개념도이다.
도 4를 참조하면, 후술할 탈착기(310)에서 배출된 저온/저압의 냉매 조성물(301)은 저온의 이산화탄소 기체와 전술한 이온성 액체 혼합물을 포함한다. 상기 이온성 액체 혼합물은 이산화탄소의 흡수제이면서 동시에 작동 유체의 기능을 병용한다. 이러한 이온성 액체 혼합물에는 전술한 바와 같이, -20~120℃의 온도 범위에서 액체 상을 가지는 제1 이온성 액체와, -20~120℃의 온도 범위에서 고체 상을 가지는 제2 이온성 액체가 상기 제1 이온성 액체에 용해된 상태로 존재한다.
상기 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 비스트리루오로메틸설포닐이미드([HIMIM][TF2N]), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트([EMIM][PF4]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트([BMIM][ACETATE]), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스트리루오로메틸설포닐이미드([EMIM][TF2N] 등의 이온성 화합물들을 들 수 있다. 상기 이온성 화합물들은 단독으로 사용되어 상기 이온성 액체 혼합물을 이룰수도 있으며, 2종 이상이 혼합되어 상기 이온성 액체 혼합물에 포함될 수도 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 상기 제1 이온성 액체로서는 상기 냉방 시스템(300)의 작동 온도 범위내에서 액체로 존재하는 이온성 액체라면 상기 예시된 이온성 액체들 이외에도 다른 이온성 화합물들이 사용될 수 있다.
한편, 상기 제2 이온성 액체로서는 상기 냉방 시스템(300)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.
한편, 상기 냉매 조성물에 포함되는 이온성 액체 혼합물과 이산화탄소의 함량은 요구되는 냉방 수준이나, 이온성 액체 혼합물의 종류, 냉방 시스템의 작동 온도 범위 등에 따라 가변적으로 조절될 수 있다. 본 실시예에서, 냉매인 이산화탄소는 냉매 조성물 내에 1 내지 30 mol%의 함량으로 포함될 수 있으며, 이는 냉방 시스템의 작동 압력 조건이 대략 10 ~ 20bar의 경우를 고려한 것이다.
저온/저압 냉매 조성물(301)은 압축기(320)를 거친다. 압축기(320)를 거치면서 상기 냉매 조성물(301)은 고온/고압의 냉매 조성물(302)로 변환된다. 상기 고온/고압의 냉매 조성물(302)은 고온의 이산화탄소 기체와 이온성 액체 혼합물을 포함한다. 상기 고온/고압의 냉매 조성물(302)는 흡수기(330)를 거친다. 흡수기(330) 과정은 압력 변화 없이 온도 변수로만 작동되는 구간이다. 즉, 고온의 이산화탄소 기체 온도보다 낮은 온도 하에서 이온성 액체에 이산화탄소 기체가 용해하면서, 외부에 열을 발산하고, 이산화탄소 기체의 온도가 하강한다. 본 실시예에서 흡수기(330)는 에어컨의 실외기에 대응하는 구성이다. 이산화탄소 기체의 용해는 발열반응으로서, 발생된 반응열은 외부로 발산되고, 이산화탄소 기체 자체의 내부 에너지는 낮아져 온도가 하강하는 것이다.
상기 고온/고압의 냉매 조성물(302)은 흡수기(330)를 거치면서, 저온/고압의 냉매 조성물(303)을 형성한다. 상기 저온/고압의 냉매 조성물(303)은 이산화탄소 기체가 이온성 액체 조성물 내에 용해되어 액체 조성을 나타낸다. 즉, 이산화탄소가 이온성 액체 조성물에 흡수된 상태로서, 이러한 상태에서 팽창밸브(340) 등의 팽창 수단을 경유한다. 저온/고압의 냉매 조성물(303)은 상기 팽창밸브(340)를 경유하는 동안 팽창하면서 압력이 낮아진다. 따라서 저온/고압의 냉매 조성물(303)은 상기 팽창밸브(340)를 경유하면서, 저온/저압의 냉매 조성물(304)로 변환된다. 상기 저온/저압의 냉매 조성물(304)은 여전히 이산화탄소 기체가 이온성 액체 조성물에 용해된 상태인 액상 조성물이며, 저온/저압의 상태를 유지한다.
상기 저온/저압의 냉매 조성물(304)은 탈착기(310)를 거치면서 냉매 기능을 수행함으로서 주변의 냉방을 실현한다. 상기 탈착기(310)는 상기 저온의 냉매 조성물(304)보다 상대적으로 높은 온도 조건을 형성하고 있으며, 상기 높은 온도는 예를들면 냉방의 대상인 실내 공기의 온도에 대응한다. 상기 저온/저압의 냉매 조성물(304)은 탈착기(310)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 시스템(300)은 이산화탄소의 용해/증발이 외부 온도 변수로만 이루어짐으로써, 고압 환경을 요구하지 않는다.
상기 탈착기(310)를 경유한 냉매 조성물(301)은 온도 및 압력에 큰 변화 없이, 다만 이산화탄소가 다시 기체로 환원된 상태로서 압축기(320)로 유입되는 반복 사이클을 지속적으로 수행한다. 상기 냉매 조성물(301)은 저온의 이산화탄소 기체 및 이온성 액체 조성물을 포함한다.
상기 이온성 액체 조성물은 이산화탄소의 흡수 성능이 우수하고, 자체적인 증기압이 낮아 작업성이 매우 우수하여 궁극적으로 이를 채용한 냉방 시스템의 냉방 효율을 극대화할 수 있다. 상기 냉매 조성물(301, 302, 303, 304)은 첨가제로서 H2O, 알코올 화합물을 포함할 수 있다. 상기 냉매 조성물이 물을 추가적으로 포함할 경우, 점도가 낮아지는 장점과 동시에, 물 역시 추가적인 냉매로 작동 가능하여 빠른 냉방 효과를 유도할 수 있다. 본 실시에서 언급하지는 않았으나, 상기 냉매 조성물은 추가적인 냉방 효과를 유발할 수 있는 기타의 화학 첨가제를 더 포함할 수 있다.
110: 이산화탄소 공급부 122: 제1 밸브
124: 제2 밸브 130: 압력게이지
140: 이산화탄소 저장탱크 150: 반응기
152: 이온성 액체 154: 이산화탄소
200, 300: 냉방 시스템
210: 발생기 220: 터빈
230: 응축기 240: 팽창밸브
250: 증발기 260: 흡수기
270: 액체펌프 280: 열교환기
290: 조절밸브 310: 탈착기
320: 압축기 330: 흡수기
340: 탈착기
124: 제2 밸브 130: 압력게이지
140: 이산화탄소 저장탱크 150: 반응기
152: 이온성 액체 154: 이산화탄소
200, 300: 냉방 시스템
210: 발생기 220: 터빈
230: 응축기 240: 팽창밸브
250: 증발기 260: 흡수기
270: 액체펌프 280: 열교환기
290: 조절밸브 310: 탈착기
320: 압축기 330: 흡수기
340: 탈착기
Claims (11)
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- 기체 냉매, 및 -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 혼합물을 포함하는 제1 냉매 조성물을 압축하는 압축기;
상기 제1 냉매 혼합물의 온도보다 낮은 온도 하에서, 상기 이온성 액체 혼합물에 상기 기체 냉매를 용해시켜, 저온 및 고압의 제2 냉매 조성물을 생성하는 흡수기;
상기 제2 냉매 혼합물의 압력을 감소시켜, 저온 및 저압의 제3 냉매 조성물을 생성하는 팽창기; 및
상기 제3 냉매 혼합물의 온도보다 높은 온도 하에서, 상기 제3 냉매 조성물의 기체 냉매를 이온성 액체 혼합물로부터 탈기시키는 탈착기를 포함하는 냉방 시스템으로서,
상기 제1 이온성 액체는 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트([BMIM][PF6]), 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 화합물이고,
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 화합물인 냉방 시스템.
- 제8항에 있어서,
상기 기체 냉매는 이산화탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉방 시스템.
- 제9항에 있어서,
상기 이산화탄소는 상기 냉매 조성물 내에 1 내지 30 mol%의 함량으로 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 냉방 시스템.
- 제8항에 있어서,
상기 냉매 조성물은 H2O 또는 알코올 화합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉방 시스템.
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