KR20090091360A - 플루오르화 조성물 및 그러한 조성물을 사용하는 시스템 - Google Patents

플루오르화 조성물 및 그러한 조성물을 사용하는 시스템 Download PDF

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도날드 버나드 비벤스
토마스 제이. 렉
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이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
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Abstract

총 합계가 임의의 첨가제를 포함하여 100%가 되도록, 중량%로 표시된 하기의 성분을 포함하는 냉매 조성물이 개시된다: 7.0 내지 9.0 중량%의 R32 [다이플루오로메탄, CH2F2 , -51.7℃의 표준 비등점을 가짐]; 39.0 내지 50.0 중량%의 R125 [펜타플루오로에탄, CF3CHF2, -48.5℃의 표준 비등점을 가짐]; 39.0 내지 50.0 중량%의 R134a [1, 1, 1, 2 테트라플루오로에탄, CF3CHF2 , -26.1℃의 표준 비등점]; 1.9 내지 2.5 중량%의 탄화수소 - 상기 탄화수소는 본질적으로 1.5 내지 1.8 중량%의 R600 [n-부탄, CH3CH2CH2CH3, -0.5℃의 표준 비등점], 및 0.4 내지 0.7 중량%의 R601a [아이소펜탄, ((CH31)21CHCH2CH3, +27.8℃의 표준 비등점을 가짐)] 또는 R601 [n-펜탄 (CH3CH2CH2 CH2CH3, +36℃의 표준 비등점을 가짐)]로 이루어짐 - . 장비 내의 적어도 하나의 열전달 조성물로서 본 명세서에 설명된 조성물을 사용하는 냉장고, 냉동기, 공조기, 워터 칠러 및 히트 펌프가 추가로 개시된다.
플루오르화 조성물, 열전달 조성물, 냉매, 공조기, 냉동기

Description

플루오르화 조성물 및 그러한 조성물을 사용하는 시스템{FLUORINATED COMPOSITIONS AND SYSTEMS USING SUCH COMPOSITIONS}
본 발명은 다이플루오로메탄, 펜타플루오로에탄, 및 1,1,1,2-테트라플루오로에탄을 n-부탄 및 아이소펜탄의 혼합물과 함께 포함하는 조성물에 관한 것이다.
플루오르화 탄화수소는 많은 용도가 있는데, 그 중 하나는 공조기(air conditioner), 히트 펌프(heat pump), 워터 칠러(water chiller), 및 냉장 응용에서 열전달 조성물로 사용되는 것이다.
완전 또는 부분 할로겐화 클로로플루오로카본(예를 들어, 널리 사용되는 클로로다이플루오로메탄, R22)은 오존 층 파괴에 대한 다양한 문제에 관련되어 왔다. 결과적으로, 이들의 사용 및 생산은 제한되고 있다.
따라서, R22에 대해 설계된 냉장, 공조, 워터 칠러 및 히트 펌프 응용에서 허용가능한 성능을 여전히 달성하면서 오존 파괴 지수(ozone depletion potential)가 0인 열전달 조성물이 요구된다.
임의의 열전달 조성물의 열전달 및 환경 특성에 더하여, 종래에 클로로플루오로카본계(CFC) 및/또는 하이드로클로로플루오로카본계(HCFC) 냉장 시스템에서 윤활제로 사용되던 알킬벤젠 및 광유(예를 들어, 압축기 윤활용으로 설계된 다른 오 일 중에서 선오코(Sunoco)의 선아이소(Suniso) 3GS)와 같은 통상의 압축기 윤활제와 적합한 상용성을 갖는 조성물이 또한 바람직하다.
그러나, 대체물인 오존을 파괴하지 않는 하이드로플루오로카본(HFC) 냉매 내에서의 이들 윤활제의 용해성 부족은 HFC 사용을 배제시켜 왔으며, HFC 열전달 조성물을 위한 대안적인 윤활제의 개발 및 사용을 필요로 하여 왔다. 대안적인 윤활제는 주로 폴리알킬렌 글리콜(PAG) 및 폴리올 에스테르(POE)를 기반으로 하였다. PAG 및 POE가 HFC계 열전달 조성물을 위한 적절한 윤활제이지만, 많은 PAG 및 POE는 흡습성이 강하며 습한 공기에 노출될 때 수천 ppm(parts per million)의 물을 흡수할 수 있다. 이러한 흡수된 수분은 장비 구성요소의 부식 및 처치하기 곤란한 슬러지의 형성을 초래하는 산의 형성과 같은 장비 내에 문제로 이어진다.
POE 및 PAG와 대조적으로, 광유와 알킬벤젠은 흡습성이 훨씬 덜하며 물에 대해 100 ppm 미만의 낮은 용해도를 갖는다. 따라서, 광유 및 알킬벤젠 윤활제를 이용할 수 있는 HFC 조성물에 대한 필요성이 존재한다.
더욱이, 몇몇 장비에서, 열전달 조성물은 장비가 작동하는 동안 샤프트 밀봉체(seal), 호스 연결부, 납땜 조인트 및 파손된 라인에서의 누출에 의해 또는 장비 유지보수 동안 소실되고, 그로 인해 열전달 조성물이 대기로 방출될 수 있다. 장비 내의 열전달 조성물이 순수한 성분, 공비(azeotropic) 또는 공비-유사(azeotrope-like) 조성물이 아닌 경우, 열전달 조성물은 장비로부터 대기로 누출되거나 방출될 때 변화할 수 있다. 조성물의 변화는 열전달 조성물이 가연성이 되거나 냉각 용량이 감소되게 할 수 있다. 전술한 특성 외에, 최소한의 장비 변경을 요구하면서 R22 대체 냉매가 될 수 있고; 거동이 적어도 공비-유사성이며; 허용가능한 지구 온난화 지수(global warming potential)를 보유하고; 독성이 충분히 낮으며; 충분한 광유 상용성을 보유하고; 사용 시에 양호한 오일 회수 특성을 보유하며; R22와 비교할 때 필적하는 냉각 용량을 유지하면서 허용가능한 에너지 효율을 보유하는 열전달 조성물이 또한 바람직하다.
총 합계가 임의의 첨가제를 포함하여 100%가 되도록, 중량%로 표시된 하기의 성분을 가진 조성물이 개시된다:
7.0 내지 9.0 중량%의 R32 [다이플루오로메탄, CH2F2, -51.7℃의 표준 비등점을 가짐];
39.0 내지 50.0 중량%의 R125 [펜타플루오로에탄, CF3CHF2, -48.5℃의 표준 비등점을 가짐];
39.0 내지 50.0 중량%의 R134a [1, 1, 1, 2 테트라플루오로에탄, CF3CHF2 , -26.1℃의 표준 비등점];
1.9 내지 2.5 중량%의 탄화수소 - 상기 탄화수소는 본질적으로 1.5 내지 1.8 중량%의 R600 [n-부탄, CH3CH2CH2CH3, -0.5℃의 표준 비등점], 및 0.4 내지 0.7 중량%의 R601a [아이소펜탄, ((CH3)2CHCH2CH3, +27.8℃의 표준 비등점을 가짐)] 또는 R601 [n-펜탄 (CH3CH2CH2 CH2CH3, +36℃의 표준 비등점을 가짐)]로 이루어짐 - . 이러한 조성물의 계산된 지구 온난화 지수(GWP)는 약 1800 내지 약 2000이다.
몇몇 실시 형태에서, 본 조성물은 중량%로 표시된 하기의 성분을 갖는다:
7.0 내지 9.0 중량%의 R32;
42.0 내지 49.0 중량%의 R125;
42.0 내지 49.0 중량%의 R134a;
1.9 내지 2.5 중량%의 탄화수소 - 상기 탄화수소는 본질적으로 1.5 내지 1.8 중량%의 R600 및 0.4 내지 0.7 중량%의 R601a 또는 0.4 내지 0.7 중량%의 R601로 이루어짐 - .
몇몇 실시 형태에서, 본 조성물은 중량%로 표시된 하기의 성분을 갖는다:
7.0 내지 9.0 중량%의 R32;
43.5 내지 47.5 중량%의 R125;
42.7 내지 45.7 중량%의 R134a;
1.9 내지 2.5 중량%의 탄화수소 - 상기 탄화수소는 본질적으로 1.5 내지 1.8 중량%의 R600 및 0.4 내지 0.7 중량%의 R601a 또는 0.4 내지 0.7 중량%의 R601로 이루어짐 - .
몇몇 실시 형태에서, 본 조성물은 중량%로 표시된 하기의 성분을 갖는다:
7.0 내지 9.0 중량%의 R32;
43.5 내지 47.5 중량%의 R125;
42.7 내지 45.7 중량%의 R134a;
2.1 내지 2.5 중량%의 탄화수소 - 상기 탄화수소는 본질적으로 1.5 내지 1.8 중량%의 R600 및 0.4 내지 0.7 중량%의 R601a 또는 0.4 내지 0.7 중량%의 R601로 이루어짐 - .
또한, 상기 개시된 조성물은 만액식 증발기 칠러(flooded evaporator chiller)에 유용하며, 여기서 액체 조성물은 증발기 내에 채워져 있고, 그러한 칠러는 하기 표시된 순환하는 증기 조성물을 갖는다:
10.0 내지 17.0 중량%의 R32;
54.0 내지 61.0 중량%의 R125;
23.0 내지 30.0 중량%의 R134a;
2.3 내지 3.1 중량%의 탄화수소 - 상기 탄화수소는 본질적으로 2.0 내지 2.5 중량%의 R600 및 0.3 내지 0.6 중량%의 R601a 또는 0.3 내지 0.6 중량%의 R601로 이루어짐 - .
이러한 조성물의 계산된 지구 온난화 지수(GWP)는 약 1900 내지 약 2100이다.
몇몇 실시 형태에서, 조성물은 열전달 시스템에서 열전달 매체로 사용된다. 몇몇 실시 형태에서, 본 명세서에 개시된 새로운 조성물은 인젝션 냉각(injection cooling)을 이용하는 시스템에 특히 유용하다.
장비 내의 적어도 하나의 열전달 조성물로서 본 명세서에 설명된 조성물을 사용하는 냉장고, 냉동기, 공조기, 워터 칠러 및 히트 펌프가 추가로 개시된다.
또한, 현재, R22가 응축기-증발기 회로에 사용될 때 감지 요소 내에 사용하기에 적합한 유체를 갖는 감지 요소, 및 시스템의 응축기-증발기 회로 내의 순환하는 열전달 조성물로서 전술한 조성물 중 하나를 갖는 냉장고, 냉동기, 공조기, 워터 칠러 및 히트 펌프가 개시된다. 감지 요소의 몇몇 실시 형태에서, R22가 응축기-증발기 회로에 사용될 때 감지 요소에 사용하기에 적합한 유체는 R22와 같거나 더 낮은 압력을 갖는 유체 또는 유체 혼합물이다. 감지 요소의 몇몇 실시 형태에서, R22가 응축기-증발기 회로에 사용될 때 감지 요소에 사용하기에 적합한 유체는 R22와 같거나 더 높은 압력을 갖는 유체 또는 유체 혼합물이다. 몇몇 실시 형태에서, 적어도 하나의 감지 요소 내의 유체는 R22가 응축기-증발기 회로에 있을 때 작동하도록 선택되는 유체 또는 유체 혼합물이며, R22와 실질적으로 상이한 압력/온도 관계의 기울기를 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, R22가 응축기-증발기 회로에 있을 때 작동하도록 선택되는 감지 요소 내의 유체는 R22이다. 몇몇 실시 형태에서, 전술한 조성물 중 하나가 응축기-증발기 회로에 사용된다. 몇몇 실시 형태에서, 전술한 조성물 중 하나가 감지 요소에 사용되고, 전술한 조성물 중 하나가 응축기-증발기 회로에 사용된다.
현재, 많은 냉장 및 공조 시스템은 냉장 및 공조 시스템의 "응축기-증발기 회로"뿐만 아니라, 팽창 밸브(extension valve)에 결합된 감지 요소 모두에 R22를 사용한다. "응축기-증발기 회로"(condenser-to-evaporator circuit)라는 용어는 팽창 밸브로부터 응축기를 통해 증발기까지 함께 유체 연통되는 모든 시스템 요소와 구성요소, 및 팽창 밸브와 응축기 사이에서 유체 연통될 수 있는 모든 도관과 다른 요소를 포함하는 열전달 시스템의 부분을 설명하는 데 사용되는 용어이다. 그러나, "응축기-증발기 회로"라는 용어는 감지 요소를 배제한다.
선택적으로 첨가될 수 있는 첨가제는 윤활제, 부식 억제제, 계면활성제, 소포제(anti-foam agent)(예를 들어, 다우(Dow) 200), 용매(예를 들어, 엑손(Exxon)의 아이소파르(Isopar) H) 안정제, 오일 회수제(중합체성 오일 회수제 포함), 염료 및 설명된 조성물에 첨가될 수 있는 다른 적절한 물질과 같은 것들을 포함한다.
본 명세서에 설명된 조성물은 폴리알킬렌 글리콜, 폴리올 에스테르, 폴리비닐에테르, 광유, 알킬벤젠, 합성 파라핀, 합성 나프텐, 및 폴리(알파)올레핀으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 윤활제를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 윤활제는 냉장 또는 공조 장치에 사용하기에 적합한 것을 포함한다. 이들 윤활제들 중에는 클로로플루오로카본 냉매를 이용하는 증기 압축 냉장 장치에서 통상적으로 사용되는 것들이 있다. 그러한 윤활제 및 그 특성은 본 명세서에 참고로 포함된 문헌[1990 ASHRAE Handbook, Refrigeration Systems and Applications, chapter 8, titled "Lubricants in Refrigeration Systems", pages 8.1 through 8.21]에 논의되어 있다. 본 발명의 윤활제는 압축 냉장 윤활 분야에서 통상 "광유"로 알려진 것들을 포함할 수 있다. 광유는 파라핀(즉, 직쇄 및 분지형 탄소쇄, 포화 탄화수소), 나프텐(즉, 환형 파라핀) 및 방향족 물질(즉, 이중 결합의 교대를 특징으로 하는 하나 이상의 고리를 포함하는 불포화 환형 탄화수소)을 포함한다. 본 발명의 윤활제는 압축 냉장 윤활 분야에서 통상 "합성 오일"로 알려진 것들을 추가로 포함한다. 합성 오일은 알킬아릴(즉, 선형 및 분지형 알킬 알킬벤젠), 합성 파라핀, 나프텐 및 폴리(알파올레핀)을 포함한다. 본 발명의 대표적인 통상적인 윤활제로는 구매가능한 BVM 100 N (비브이에이 오일즈(BVA Oils)가 판매하는 파라핀계 광유), 선아이소(Suniso)(등록상표) 3GS 및 선아이소(등록상표) 5GS (크롬프톤 컴퍼니(Crompton Co.)가 판매하는 나프텐계 광유), 손텍스(Sontex)(등록상표) 372LT (펜조일(Pennzoil)이 판매하는 나프텐계 광유), 칼루메트(Calumet)(등록상표) RO-30 (칼루메트 루브리컨츠(Calumet Lubricants)가 판매하는 나프텐계 광유), 제롤(Zerol)(등록상표) 75, 제롤(등록상표)(등록상표) 150 및 제롤(등록상표) 500 (셔리브 케미칼즈(Shrieve Chemicals)가 판매하는 선형 알킬벤젠) 및 HAB 22 (니폰 오일(Nippon Oil)이 판매하는 분지형 알킬벤젠)이 있다.
본 발명의 윤활제는 하이드로플루오로카본 냉매에서 사용되도록 설계된, 그리고 압축 냉장 및 공조 장치의 작동 조건 하에서 본 발명의 냉매와 혼화가능한 것들을 추가로 포함한다. 그러한 윤활제 및 그 특성은 문헌["Synthetic Lubricants and High-Performance Fluids", R. L. Shubkin, editor, Marcel Dekker, 1993]에 논의되어 있다. 그러한 윤활제는 폴리올 에스테르(POE), 예를 들어 카스트롤(Castrol)(등록상표) 100 (카스트롤(Castrol), 영국 소재), 폴리알킬렌 글리콜(PAG), 예를 들어 다우(Dow) (다우 케미칼(Dow Chemical), 미국 미시간주 미들랜드 소재)로부터의 RL-488A, 폴리비닐 에테르(PVE), 및 폴리카르보네이트(PC), 예를 들어 미쯔이(Mitsui)로부터의 MA2320F를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 윤활제는 주어진 압축기의 요건 및 윤활제가 노출될 환경을 고려하여 선택된다.
몇몇 실시 형태에서, 조성물은 전술한 조성물의 최대 10 중량%의 양으로 하나 이상의 첨가제(예를 들어, 상용화제 또는 UV 염료)를 추가로 포함할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 하나 이상의 첨가제는 조성물 중 500 ppm 미만의 양으로 전술한 조성물에 존재한다. 다른 실시 형태에서, 하나 이상의 첨가제는 조성물 중 250 ppm 미만의 양으로 전술한 조성물에 존재한다. 다른 실시 형태에서, 하나 이상의 첨가제는 조성물 중 200 ppm 미만의 양으로 전술한 조성물에 존재한다.
다른 실시 형태에서, 하나 이상의 첨가제는 0.1 내지 3 중량%의 양으로 조성물에 존재할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 하나 이상의 첨가제는 0.01 내지 1.5 중량%의 양으로 조성물에 존재할 수 있다.
몇몇 실시 형태에서, 본 발명은 하이드로플루오로카본 및 탄화수소 냉매 또는 열전달 유체와 혼화성인 첨가제로서 퍼플루오로폴리에테르를 제공한다. 퍼플루오로폴리에테르의 통상적인 특징은 퍼플루오로알킬 에테르 부분이 존재한다는 것이다. 퍼플루오로폴리에테르는 퍼플루오로폴리알킬에테르와 동의어이다. 동일한 의미로 자주 사용되는 다른 용어는 "PFPE", "PFAE", "PFPE 오일", "PFPE 유체", 및 "PFPAE"를 포함한다. 예를 들어, 듀폰(DuPont)으로부터 입수가능한 크라이톡스(KRYTOX)는 화학식이 CF3-(CF2)2-O-[CF(CF3)-CF2-O]j'-R'f인 퍼플루오로폴리에테르이다. 이 화학식에서, j'는 2 내지 100이고, R'f는 CF2CF3, C3 내지 C6 퍼플루오로알킬기, 또는 이들의 조합이다.
이탈리아 밀라노 소재의 오지몬트(Ausimont)로부터 입수가능한 폼브린(FOMBLIN) 및 갈덴(GALDEN) 유체를 포함하고 퍼플루오로올레핀 광산화에 의해 생성되는 다른 PFPE가 또한 사용될 수 있다. 폼브린-Y는 화학식이 CF3O(CF2CF(CF3)-O-)m'(CF2-O-)n'-R1f일 수 있다. 또한, CF3O[CF2CF(CF3)O]m'(CF2CF2O)o'(CF2O)n'-R1f가 적합하다. 이 화학식에서, R1f는 CF3, C2F5, C3F7, 또는 이들 중 둘 이상의 조합이며; (m'+n')는 8 내지 45이고; m/n은 20 내지 1000이며; o'는 1이고; (m'+n'+o')는 8 내지 45이며; m'/n'는 20 내지 1000이다.
폼브린-Z는 화학식이 CF3O(CF2CF2-O-)p'(CF2-O)q'CF3일 수 있으며, 여기서 (p'+q')는 40 내지 180이고 p'/q'는 0.5 내지 2이다.
일본 소재의 다이킨 인더스트리즈(Daikin Industries)로부터 입수가능한 다른 계열의 PFPE인 뎀늄(DEMNUM) 유체가 또한 사용될 수 있다. 이는 2,2,3,3-테트라플루오로옥세탄의 순차적 올리고머화 및 플루오르화에 의해 F-[(CF2)3-O]t'-R2f의 화학식의 화합물을 생성함으로써 제조될 수 있으며, 여기서 R2f는 CF3, C2F5, 또는 이들의 조합이고 t'는 2 내지 200이다.
퍼플루오로폴리에테르의 2개의 말단기는 독립적으로 작용화 또는 비작용화될 수 있다. 비작용화된 퍼플루오로폴리에테르에서, 말단기는 분지쇄 또는 직쇄 퍼플루오로알킬 라디칼 말단기일 수 있다. 그러한 퍼플루오로폴리에테르의 예는 화학식이 Cr'F(2 r' +1)-A-Cr'F(2 r' +1)일 수 있으며, 여기서 각각의 r'는 독립적으로 3 내지 6이고; A는 O-(CF(CF3)CF2-O)w', O-(CF2-O)x'(CF2CF2-O)y', O-(C2F4-O)w', O-(C2F4-O)x'(C3F6-O)y', O-(CF(CF3)CF2-O)x'(CF2-O)y', O-(CF2CF2CF2-O)w', O-(CF(CF3)CF2-O)x'(CF2CF2-O)y'-(CF2-O)z', 또는 이들 중 둘 이상의 조합일 수 있으며; 바람직하게 A는 O-(CF(CF3)CF2-O)w', O-(C2F4-O)w', O-(C2F4-O)x'(C3F6-O)y', O-(CF2CF2CF2-O)w', 또는 이들 중 둘 이상의 조합일 수 있고; w' 는 4 내지 100이며; x' 및 y'는 각각 독립적으로 1 내지 100이다. 특정한 예는 F(CF(CF3)-CF2-O)9-CF2CF3, F(CF(CF3)-CF2-O)9-CF(CF3)2, 및 이들의 조합을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 그러한 PFPE에서, 할로겐 원자의 최대 30%가 예를 들어 염소 원자와 같은 불소 이외의 할로겐일 수 있다.
퍼플루오로폴리에테르의 2개의 말단기는 또한 독립적으로 작용화될 수 있다. 전형적인 작용화된 말단기는 에스테르, 하이드록실, 아민, 아미드, 니트릴, 카르복실산 및 설폰산으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
대표적인 에스테르 말단기는 -COOCH3, -COOCH2CH3, -CF2COOCH3, -CF2COOCH2CH3, -CF2CF2COOCH3, -CF2CF2COOCH2CH3, -CF2CH2COOCH3, -CF2CF2CH2COOCH3, -CF2CH2CH2COOCH3, -CF2CF2CH2CH2COOCH3를 포함한다.
대표적인 하이드록실 말단기는 -CF2OH, -CF2CF2OH, -CF2CH2OH, -CF2CF2CH2OH, -CF2CH2CH2OH, -CF2CF2CH2CH2OH를 포함한다.
대표적인 아민 말단기는 -CF2NR1R2, -CF2CF2NR1R2, -CF2CH2NR1R2, -CF2CF2CH2NR1R2, -CF2CH2CH2NR1R2, -CF2CF2CH2CH2NR1R2를 포함하며, 여기서 R1 및 R2는 독립적으로 H, CH3, 또는 CH2CH3이다.
대표적인 아미드 말단기는 -CF2C(O)NR1R2, -CF2CF2C(O)NR1R2, -CF2CH2C(O)NR1R2, -CF2CF2CH2C(O)NR1R2, -CF2CH2CH2C(O)NR1R2, -CF2CF2CH2CH2C(O)NR1R2를 포함하며, 여기서 R1 및 R2는 독립적으로 H, CH3, 또는 CH2CH3이다.
대표적인 니트릴 말단기는 -CF2CN, -CF2CF2CN, -CF2CH2CN, -CF2CF2CH2CN, -CF2CH2CH2CN, 및 -CF2CF2CH2CH2CN을 포함한다.
대표적인 카르복실산 말단기는 -CF2COOH, -CF2CF2COOH, -CF2CH2COOH, -CF2CF2CH2COOH, -CF2CH2CH2COOH, -CF2CF2CH2CH2COOH를 포함한다.
대표적인 설폰산 말단기는 -S(O)(O)OR3, -S(O)(O)R4, -CF2O S(O)(O)OR3, -CF2CF2O S(O)(O)OR3, -CF2CH2O S(O)(O)OR3, -CF2CF2CH2O S(O)(O)OR3, -CF2CH2CH2O S(O)(O)OR3, -CF2CF2CH2CH2O S(O)(O)OR3, -CF2 S(O)(O)OR3, -CF2CF2 S(O)(O)OR3, -CF2CH2 S(O)(O)OR3, -CF2CF2CH2 S(O)(O)OR3, -CF2CH2CH2 S(O)(O)OR3, -CF2CF2CH2CH2 S(O)(O)OR3, -CF2O S(O)(O)R4, -CF2CF2O S(O)(O)R4, -CF2CH2O S(O)(O)R4, -CF2CF2CH2O S(O)(O)R4, -CF2CH2CH2O S(O)(O)R4, -CF2CF2CH2CH2O S(O)(O)R4를 포함하며, 여기서 R3는 H, CH3, CH2CH3, CH2CF3, CF3, 또는 CF2CF3이고, R4는 CH3, CH2CH3, CH2CF3, CF3, 또는 CF2CF3이다.
본 발명의 냉매-퍼플루오로폴리에테르 첨가제 조합은 냉장, 공조 및 열전달 시스템의 성능을 하나 이상의 태양에서 개선한다. 일 태양에서, 이는 압축기로의 적절한 오일 회수를 가능하게 하여, 열교환기 코일 내의 오일의 축적을 방지함으로써 오일 수준이 적절한 작동 수준으로 유지된다. 다른 태양에서, 냉매-퍼플루오로폴리에테르는 또한 광유 및 합성 윤활제 오일의 윤활 성능을 개선할 수 있다. 또 다른 태양에서, 냉매-퍼플루오로폴리에테르는 또한 열전달 효율 및 그에 따른 에너지 효율을 개선한다. 냉매-퍼플루오로폴리에테르는 또한 경계 윤활(boundary lubrication)에서의 마찰 및 마모를 감소시키는 것으로 알려져 왔으며, 이로 인해 압축기 수명이 연장될 것으로 기대된다. 상기 나열한 이점은 모두를 망라하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서 "퍼플루오로폴리에테르의 유효량"에 대한 언급은 윤활 또는 에너지 효율 성능 또는 둘 모두를 유지 또는 개선하기 위해 압축기로의 충분히 오일 회수를 제공하는 퍼플루오로폴리에테르 첨가제의 양을 의미하며, 여기서 퍼플루오로폴리에테르의 상기 양은 개별 냉장/열전달 시스템(코일, 압축기 등) 및 이용되는 냉매에 적절한 수준으로 당업자에 의해 조절된다.
본 발명의 일 실시 형태에서, 퍼플루오로폴리에테르의 양은 냉매 또는 열전달 유체에 대해 40 중량% 미만이다. 다른 실시 형태에서, 퍼플루오로폴리에테르 첨가제의 양은 냉매 또는 열전달 유체에 대해 약 20 내지 30 중량% 미만이다. 또 다른 실시 형태에서, 퍼플루오로폴리에테르 첨가제는 냉매 또는 열전달 유체에 대해 약 10 중량% 미만이다. 또 다른 실시 형태에서, 퍼플루오로폴리에테르 첨가제는 냉매 또는 열전달 유체에 대해 약 1 내지 약 2 중량% 미만이다. 또 다른 실시 형태에서, 퍼플루오로폴리에테르 첨가제는 냉매 또는 열전달 유체에 대해 약 0.01 중량% 내지 1.0 중량%이다. 또 다른 실시 형태에서, 퍼플루오로폴리에테르 첨가제는 냉매 또는 열전달 유체에 대해 약 0.03 내지 0.80 중량%이다.
또한, 몇몇 실시 형태에서, 미네랄 또는 합성 윤활제를 용해시키거나 분산시키는 조닐(Zonyl)(등록상표)PHS(이. 아이. 듀폰 디 네모아 앤드 컴퍼니(E.I. du Pont de Nemours and Company)로부터 구매할 수 있음)와 같은 중합체성 오일 회수제가 첨가될 수 있다.
본 명세서에 설명되는 조성물은 냉매로서, 특히 R22 대체물로서 유용할 수 있다. 이러한 조성물은 또한 발포 확장제(foam expansion agent)(예를 들어, 폴리올레핀 및 폴리우레탄 발포의 경우), 용매, 세척제, 에어로졸 추진제, 열전달 매체, 기체 유전체(gaseous dielectric), 동력 사이클 작동 유체, 중합 매체, 미립자 제거 조성물, 캐리어 유체(carrier fluid), 버핑 연마제(buffing abrasive agent) 및 변위 건조제(displacement drying agent)로서 유용할 수 있다.
몇몇 실시 형태에서, 조성물은 실질적으로 정비점 공비-유사 조성물로 고려된다. "공비 온도"는 블렌드의 액체 및 기체 상들이 특정 압력에 대한 평형 상태에서 각각의 성분의 동일한 몰 분율을 갖는 온도를 의미한다.
"공비-유사" 조성물은 단일 물질로서 거동하는 2가지 이상의 물질의 정비점, 또는 실질적으로 정비점 액체 혼합물을 의미한다. 공비-유사 조성물을 특징짓는 한 가지 방법으로는 당해 액체의 부분적 증발 또는 증류에 의해 생성되는 증기가 그 액체 - 그로부터 증기가 증발 또는 증류됨 - 와 사실상 동일한 조성을 갖는다는 것인데, 즉 혼합물은 상당한 조성 변화 없이 증류/환류된다. 공비-유사 조성물을 특징짓는 다른 방법으로는 특정 온도에서 조성물의 기포점 증기압과 이슬점 증기압이 사실상 동일하다는 것이다.
몇몇 실시 형태에서, 공비-유사 조성물은 조성물의 50 중량%가 예컨대 증발 또는 비등에 의해 제거된 후에 원래 조성물과 원래 조성물의 50 중량%가 제거된 후에 남아 있는 조성물 사이의 증기압 차이가 절대 단위로 측정할 때 약 10% 미만인 것으로 특징지워질 수 있다. 절대 단위라는 것은, 예를 들어 psia, 킬로파스칼, 기압, 바(bar), 토르(torr), 제곱 센티미터당 다인(dyne), 수은주 밀리미터(millimeters of mercury), 수주 인치(inches of water) 및 당업계에 잘 알려진 다른 등가의 용어로의 압력 측정치를 의미한다. 공비 조성물이 존재하는 경우, 원래 조성물과 원래 조성물의 50 중량%가 제거된 후에 남아 있는 조성물 사이의 증기압 차이는 없다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 상용화제는 종래의 냉장 윤활제에서의 하이드로플루오로카본 냉매의 용해성을 개선하고 그에 따라 압축기로의 오일 회수를 개선하는 화합물이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "자외선" 염료는 전자기 스펙트럼의 자외선 또는 "근" 자외선 영역의 광을 흡수하는 UV 형광 조성물로 정의된다. 약 10 나노미터에서 약 750 나노미터 정도의 파장으로 방사선을 방출하는 UV 광에 의한 조명 하에서 UV 형광 염료에 의해 생성된 형광이 검출될 수 있다.
몇몇 실시 형태에서, 본 명세서에 설명된 조성물은 증발기 또는 응축기에서 측정할 때 약 3 내지 약 5℃ (약 6 내지 약 9℉)의 온도 구배(Temperature Glide)를 가진다. 몇몇 실시 형태에서, 증발기에서 측정된 온도 구배는 약 3.2 내지 약 3.5℃ (약 5.8 내지 약 6.3℉)이다. 온도 구배는 임의의 과냉도(subcooling) 또는 과열도(superheating)를 제외하고, (전형적으로 증발기 또는 응축기에서 측정되는) 시스템의 구성요소 내의 열전달 조성물에 의한 상변화 공정의 시작 및 종료 온도 간의 차이의 절대값을 정의하는 데 사용되는 용어이다. 일 실시 형태에서, 조성물은 약 -6.7℃ (약 +20℉)의 평균 증발기 온도를 갖는 시스템에서, 약 276 ㎪ (40 psig)의 포화 증기압을 갖는다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 이동형 냉장 장치 또는 이동형 공조 장치는 도로, 철도, 해상 또는 항공용 운송 유닛 내로 통합된 임의의 냉장 또는 공조 장치를 지칭한다. 게다가, "복합"(intermodal) 시스템으로 알려진, 임의의 이동 캐리어(carrier)와도 무관한 시스템을 위한 냉장 또는 공조를 제공하고자 의도된 장치가 본 발명에 포함된다. 그러한 복합 시스템은 "컨테이너"(container)(해상/육상 겸용 운송) 및 "스왑 바디"(swap body)(도로 및 철도 겸용 운송)를 포함한다. 본 명세서에 개시된 조성물은 열차 객실의 공조, 운송 기구의 공조 및 냉장, 고속 운송 기구(지하철) 및 버스의 공조를 포함하는 이동형 응용에 유용할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 열전달 조성물은 하나의 공간, 위치, 대상물 또는 본체로부터 다른 공간, 위치, 대상물 또는 본체로 복사, 전도 또는 대류에 의해 열을 전달, 이동 또는 제거하는 데 이용되는 조성물이다. 열전달 조성물은 액체 또는 기체 상태의 유체일 수 있으며, 원격 냉장(또는 가열) 시스템으로부터 냉각(또는 가열)을 위한 전달 수단을 제공함으로써 2차적인 냉각제로서 기능할 수 있다. 몇몇 시스템에서, 열전달 조성물은 전달 공정 전체를 통해 일정한 상태로 유지될 수 있다(즉, 증발하거나 응축되지 않음). 대안적으로, 증발 냉각 공정이 또한 열전달 유체를 이용할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 열원은 열을 전달, 이동 또는 제거하는 것이 바람직한 임의의 공간, 위치, 대상물 또는 본체로 정의될 수 있다. 열원의 예는 수퍼마켓의 냉장고 또는 냉동기 케이스, 공조가 필요한 건물 공간, 또는 공조가 필요한 자동차의 객실과 같은 냉장 또는 냉각이 필요한 공간(개방되거나 밀폐된 것)일 수 있다. 히트 싱크(heat sink)는 열을 흡수할 수 있는 임의의 공간, 위치, 대상물 또는 본체로 정의될 수 있다. 증기 압축 냉장 시스템은 그러한 히트 싱크의 일례이다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "포함하다", "포함하는", "함유하다", "함유하는", "갖는다", "갖는"이라는 용어 또는 이들의 임의의 다른 변형은 배타적이지 않은 포함 관계를 포함하고자 한다. 예를 들어, 요소들의 목록을 포함하는 공정, 방법, 용품, 또는 장치는 반드시 그러한 요소만으로 한정되지는 않고, 명확하게 열거되지 않거나 그러한 공정, 방법, 용품, 또는 장치에 내재적인 다른 요소를 포함할 수도 있다. 더욱이, 명백히 반대로 기술되지 않는다면, "또는"은 포괄적인 '또는'을 말하며 배타적인 '또는'을 말하는 것은 아니다. 예를 들어, 조건 A 또는 B는 하기 중 어느 하나에 의해 만족된다: A는 참(또는 존재함)이고 B는 거짓(또는 존재하지 않음), A는 거짓(또는 존재하지 않음)이고 B는 참(또는 존재함), 그리고 A 및 B 둘 모두가 참(또는 존재함).
또한, 부정관사("a" 또는 "an")의 사용은 본 명세서에서 설명되는 요소 및 구성요소를 설명하기 위해 채용된다. 이는 단지 편의상 그리고 본 발명의 범주의 전반적인 의미를 제공하기 위해 행해진다. 이러한 기재는 하나 또는 적어도 하나를 포함하는 것으로 이해되어야 하고, 단수형은 그가 달리 의미하는 것이 명백하지 않으면 복수를 또한 포함한다.
또한, 몇몇 실시 형태에서, 전술한 조성물은, 냉각되는 본체 부근에서 전술한 조성물을 증발시키고 이어서 냉각되는 본체로부터 이격된 상기 조성물을 응축시키는 것을 포함하는 냉장 생성 공정에 사용된다. 또한, 전술한 조성물은 또한 가열되는 본체 부근에서 전술한 조성물을 응축시키고 그 후 가열되는 본체로부터 이격된 상기 조성물을 증발시킴으로써 열을 생성하는 데 사용될 수 있다.
상기 조성물을 사용하는 시스템
본 명세서에 설명된 열전달 시스템의 목적을 위하여, 하기의 정의가 용어를 정의하는 데 사용된다.
온도 제어 구역(Temperature Controlled Zone)은 하나의 공간, 위치, 대상물 또는 본체로부터 다른 공간, 위치, 대상물 또는 본체로 복사, 전도 또는 대류 및 이들의 조합에 의해 열을 전달, 이동 또는 제거하는 데 이용되는 공간을 의미한다. 예를 들어, 몇몇 실시 형태에서, 온도 제어 구역은 케이스, 캐비닛, 방(room), 인클로저(enclosure) 또는 반-인클로저(semi-enclosure)이다. 그러한 온도 제어 구역의 온도는 냉각기, 냉동기, 냉각기, 칠러, 냉장고, 또는 공조기 또는 히트 펌프에 의해 가열되는 방 또는 사무실의 전형적인 온도를 가질 수 있다.
몇몇 실시 형태에서, 온도 제어 구역은 냉장고 케이스, 냉동기 케이스, 캐비닛, 워터 칠러, 드링크 칠러, 와인 칠러, 조제 식품 케이스, 제과 케이스, 농산물 진열 케이스 및 이들의 조합으로부터 선택된다. 몇몇 실시 형태에서 농산물 진열 케이스는 분무기를 구비하고, 다른 실시 형태에서 농산물 진열 케이스는 분무기를 구비하지 않는다. 몇몇 실시 형태에서, 온도 제어 구역은 방, 창고, 연구실, 산업 제조 영역(예를 들어, 컴퓨터 장비 또는 화학 반응을 위한 것), 또는 단순히 한정된 공간(예를 들어, 내부의 공기가 냉각 또는 가열되는 대형 텐트) 및 이들의 조합이다.
몇몇 실시 형태에서, 온도 제어 구역은 (냉동기 케이스와 같이) 상부로부터 개방될 수 있는 하나 이상의 도어를 가진 케이스, 방, 챔버 또는 캐비닛이다. 몇몇 실시 형태에서, 케이스, 방, 챔버 또는 캐비닛은 (다수의 도어를 가진 수퍼마켓 또는 편의점 진열 케이스와 같이) 하나 이상의 도어를 포함하여, 측면 중 하나 이상으로부터 개방되는 적어도 하나의 도어를 구비한다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템에 하나 초과의 온도 제어 구역이 존재한다. 몇몇 실시 형태에서, 다수의 구역은 동일하거나 상이한 목표 온도를 갖는다.
"목표"라는 용어는 목표 또는 설정점을 설명하는 데 사용되는 용어이며, 시스템이 작동 중일 때 온도 제어 구역, 증발기 또는 압축기와 같은 시스템 구성요소의 실제 온도가 정전, 장비 고장, 시동 및 정지 절차, 임의의 시점에 이러한 온도 제어 구역 내에 배치된 내용물의 양 및 온도를 포함하는 임의의 많은 이유로 인해 시간 경과에 따라 변경될 수 있다는 사실을 고려하여 사용된다.
과냉도(subcooling)는 액체 조성물이 그의 포화 온도 미만으로 어느 정도 냉각되는지를 정의하는 데 사용되는 용어이다.
과열도(superheat)는 증기 조성물이 그의 포화 증기 온도 초과로 어느 정도 가열되는지를 정의하는 데 사용되는 용어이다.
정지 과열도(static superheat)는 액체 냉매가 밸브 플러그를 지나 유동하게 하기 위해 팽창 밸브를 개방하는 데에 필요한 과열도의 크기를 정의하는 데 사용되는 용어이다.
용량은 시간 경과에 따라 전달, 이동, 제거 또는 방출될 수 있는 열의 양을 설명하는 데 사용되는 용어이다. 용량 측정의 한 단위는 시간당 "BTU"(British Thermal Unit)의 수이다. 3.5 ㎾ (12,000 BTU/시)는 또한 1 톤의 가열 또는 냉각 용량으로 정의된다.
응축기는 증기 냉매를 액체 냉매로 응축시키는 시스템의 구성요소를 정의하는 데 사용되는 용어이다. 몇몇 실시 형태에서 적어도 하나의 응축기가 적어도 하나의 증발기로부터 이격되어 배치되며, 다른 실시 형태에서 응축기와 증발기 사이의 거리는 4.6 m (15 피트) 이상이고, 다른 실시 형태에서 그 거리는 15.2 m (50 피트) 초과이다.
"응축기-증발기 회로"라는 용어는 액체 냉매 계량 장치로부터 응축기를 통해 증발기까지 함께 유체 연통되는 모든 시스템 요소와 구성요소, 및 액체 냉매 계량 장치와 응축기 사이에서 유체 연통될 수 있는 모든 도관과 다른 요소를 포함하는 열전달 시스템의 부분을 설명하는 데 사용되는 용어이다. 그러나, "응축기-증발기 회로"라는 용어는 감지 요소를 배제한다.
압축기는 부피를 감소시킴으로써 증기의 압력을 증가시키는 기계 장치이다. 증기의 압축은 당연히 온도를 상승시킨다. 몇몇 실시 형태에서, 2개 초과의 압축기가 존재한다. 2개 초과의 압축기를 구비한 몇몇 실시 형태에서, 압축기들은 동일한 유형의 것이 아니다. 몇몇 실시 형태에서, 압축기는 인젝션 냉각 특징을 이용한다. 인젝션 냉각은 과열을 방지하기 위해 응축기를 떠나는 압축된 냉매의 일정 부분을 다시 압축기로 전환시키는 시스템이다. 몇몇 실시 형태에서, 압축기의 과열은 오일 열화로 이어질 수 있어서, 이는 궁극적으로 압축기의 조기 고장(압축기의 수명 단축)을 초래할 수 있다. 인젝션 냉각을 이용하는 몇몇 시스템은, 모든 압축된 냉매가 증발기로 전달되어 (본 명세서에 이하 정의되는 바와 같은) 온도 제어 구역의 냉각을 제공하지는 못하기 때문에 냉각 용량 및 에너지 효율에 손실이 발생한다.
본 명세서에 설명된 열전달 시스템에 유용한 많은 유형의 압축기가 있으며, 몇몇 실시 형태는 하나 이상의 압축기를 구비할 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 압축기들은 동일한 동력 등급 또는 상이한 동력 등급을 가질 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 2개 초과의 압축기가 존재한다. 2개 초과의 압축기를 구비한 몇몇 실시 형태에서, 압축기들은 동일한 유형의 것이 아니다. 몇몇 실시 형태에서, 압축기는 밀폐되거나 반-밀폐될 수 있다.
몇몇 실시 형태에서 적어도 하나의 압축기가 응축기로부터 이격되어 배치되며, 몇몇 실시 형태에서 이러한 거리는 4.6 m (15 피트) 이상이고; 다른 실시 형태에서 이러한 거리는 15.2 m (50 피트) 이상이다.
몇몇 실시 형태에서, 개별 압축기는 0.15 ㎾ (1/5 마력("hp"))에서 최대 373 ㎾(500 마력)의 동력 용량을 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 적어도 하나의 압축기는 0.15 ㎾ (1/5 hp)에서 최대 37 ㎾ (50 hp)의 동력 용량을 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 5개보다 많은 또는 5개 초과의 압축기를 구비한다.
몇몇 실시 형태에서, 시스템은 3.7 내지 22 ㎾ (5 내지 30마력)의 동력 등급을 갖는 적어도 하나의 압축기를 구비한다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 적어도 2개의 압축기를 구비하며, 이들 각각은 3.7 내지 22 ㎾ (5 내지 30마력)의 동력 등급을 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 적어도 3개의 압축기를 구비하며, 이들 각각은 3.7 내지 22 ㎾ (5 내지 30마력)의 동력 등급을 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 적어도 4개의 압축기를 구비하며, 이들 각각은 3.7 내지 22 ㎾ (5 내지 30마력)의 동력 등급을 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 적어도 5개의 압축기를 구비하며, 이들 각각은 3.7 내지 22 ㎾ (5 내지 30마력)의 동력 등급을 갖는다.
몇몇 실시 형태에서, 압축기의 유형은 이하 설명되는 것들을 포함하지만, 그에 한정되지 않는 것들로부터 선택된다.
왕복 압축기는 크랭크샤프트에 의해 구동되는 피스톤을 사용한다. 이들은 고정식이거나 이동가능할 수 있으며, 단일 또는 다단형일 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 그러한 왕복 압축기는 전기 모터 또는 내연 기관에 의해 구동된다. 몇몇 실시 형태에서, 왕복 압축기는 0.15 내지 22 ㎾ (1/5 내지 30 마력(hp))일 수 있는 동력을 가진다. 다른 실시 형태에서, 왕복 압축기는 37.3 ㎾ (50 hp)를 가질 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 압축기는 낮은 압력에서 매우 높은 압력(예를 들어, 5000 psi 또는 35 ㎫ 초과)의 토출 압력을 취급할 수 있다.
회전 스크류 압축기는 2개의 메쉬형 회전 정-변위(positive-displacement) 헬리컬 스크류를 사용하여 기체를 더 작은 공간 내로 가압한다. 몇몇 실시 형태에서, 회전 스크류 압축기는 0.15 ㎾ (1/5 hp )에서 373 ㎾ (500 hp)를 초과할 수 있으며, 낮은 압력에서 매우 높은 압력(예를 들어, 1200 psi 또는 8.3 ㎫ 초과)일 수 있다.
여러 면에서 회전 스크류 장치와 유사한 스크롤(scroll) 압축기는 2개의 삽입형 나선형 스크롤을 포함하여 기체를 압축한다. 몇몇 스크롤 압축기는 0.15 ㎾ (1/5 hp )에서 373 ㎾ (500 hp)를 초과할 수 있으며, 낮은 압력에서 매우 높은 압력(예를 들어, 1200 psi 또는 8.3 ㎫ 초과)일 수 있다.
원심 압축기는 팬, 프로펠러 및 터빈을 포함하는 터보 기계류에 속한다. 이들 기계는 회전하는 기계 요소와 정상 유동하는(steadily flowing) 유체 사이에서 각운동량을 연속적으로 교환한다. 유체 증기는 압축기의 중심 부근에서 하우징 내로 공급되고, 반경방향 블레이드(임펠러)를 가진 디스크가 빠르게 회전하여 증기를 외경을 향해 가압한다. 임펠러를 통한 직경의 변화는 기체 유동 속도를 증가시키고, 이는 정압(static pressure) 증가로 변환된다. 원심 압축기는 단지 하나의 임펠러를 가진 단일단형일 수 있으며, 또는 동일한 케이싱 내에 장착된 2개 이상의 임펠러를 가진 다단형일 수 있다. 냉장 공정을 위해, 압축기는 20단만큼 많은 단을 구비할 수 있다.
몇몇 실시 형태에서, 시스템은 0.3 ㎾ (1000 BTU/시)만큼 낮은 압축기 용량 또는 293 ㎾ (100만 BTU/시)만큼 높은 압축기 용량을 가질 수 있다.
다른 실시 형태에서, 시스템의 압축기 용량은 최대 2.9 ㎾ (10,000 BTU/시)이다. 다른 실시 형태에서, 압축기는 175.8 ㎾ (600,000 BTU/시) 이상만큼 높은 시스템 용량을 갖는다.
몇가지 예를 들면, 칼라일(Carlyle), 코플랜드(Copeland), 및 비쳐(Bitzer)와 같은 임의의 많은 장비 제조업체로부터 적절한 압축기를 구매할 수 있다.
증발기는 액체 열전달 조성물(예를 들어, 냉매)이 액체로부터 증기로 증발되는 시스템의 열흡수 구성요소이다. 증발기는 액체 냉매 조성물을 수용하기 위한 적어도 하나의 입구 포트 및 증기 상태의 냉매가 배출되는 적어도 하나의 출구 포트를 구비한다. 증발기 출구 포트는 적어도 하나 이상의 압축기와 유체 연통된다.
몇몇 실시 형태에서, 증발기는 하나 이상의 코일을 구비한다. 증발기 코일은 증발기의 내측에 있으며, 몇몇 실시 형태에서 코일은 2가지 상의 액체/증기 냉매가 이동하고 증기 상태로 증발되는 도관이다.
몇몇 실시 형태에서, 증발기는 3개 이상의 코일을 구비한다. 몇몇 실시 형태에서, 증발기는 5개 이상의 코일을 구비한다. 몇몇 실시 형태에서, 증발기는 8개 이상의 코일을 구비한다. 몇몇 실시 형태에서, 증발기에는 코일이 없다. 몇몇 실시 형태에서, 증발기는 단일 공동이다. 몇몇 실시 형태에서, 공기가 증발기 코일(들) 또는 단일 공동을 통해 이동하고, 이 공기가 온도 제어 구역으로 또는 그로부터 열을 전달하는 열전달 매체이다.
몇몇 실시 형태에서, 2개 이상의 상이한 크기의 증발기가 시스템 내에 있을 수 있다. 또한, 2개 이상의 증발기를 구비한 몇몇 시스템에서, 몇몇 시스템은 동일한 증발기를 구비할 수 있다. 다른 다중-증발기 시스템에서, 증발기는 동일하지 않다. 몇몇 다중-증발기 시스템에서, 각각의 증발기는 동일하거나 상이한 수의 코일을 구비할 수 있다.
본 명세서에 설명된 실시 형태에서, 시스템은 응축기-증발기 회로 내의 냉매 조성물로서 전술한 조성물을 포함한다.
몇몇 실시 형태에서, 증발기 코일은 증발기의 외측에서 소정의 거리로 연장하고, 그로써 분배기의 출구 포트(들)에서 분배기와 유체 연통될 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 증발기의 외측으로 연장하는 증발기 코일(들)의 길이는 약 30.5 ㎝ (12 인치), 약 45.7 ㎝ (18 인치), 약 69 ㎝ (24 인치), 약 76.2 ㎝ (30 인치), 약 91.4 ㎝ (36 인치), 약 106.7 ㎝ (42 인치), 약 121.9 ㎝ (48 인치), 약 137.2 ㎝ (54 인치), 약 152.4 ㎝ (60 인치), 약 167.6 ㎝ (66 인치), 또는 약 182.9 ㎝ (72 인치) 및 이들의 조합의 길이로부터 선택되는 길이이다.
팽창 밸브는 열전달 시스템 내의 응축기와 증발기 사이의 냉매의 유동을 제어하는 일 유형의 계량 장치이다. 그러한 팽창 밸브는 자동 밸브 또는 감온식 밸브(thermostatic valve)이다. 액체 냉매는 팽창 밸브 내로 유동하며, 여기서 2가지의 상(액체 및 증기 상)이 된다. 2가지 상의 냉매는 팽창 밸브를 빠져 나와 증발기 내로 유동한다. 일 유형의 팽창 밸브를 도시하는 개략도인 도 3을 참조한다. 팽창 밸브는 다른 요소를 포함할 수 있으며, 팽창 밸브 본체 내의 다이어프램(diaphragm) 또는 벨로우즈(bellows)와 연통되는 온도 반응 센서와 결합될 수 있다. 냉각을 위해 사용되는 시스템에서, 팽창 밸브는 효과적인 열 제거 및 과열도 제어를 위해 충분한 냉매를 증발기로 공급하면서 고압 응축기 압력으로부터 저압 응축기 압력으로 액체를 쓰로틀링하는(throttle) 기능을 한다.
팽창 밸브는 증발기에 대한 과도한 공급을 방지하는 데 사용되며, 따라서 액체 냉매가 시스템의 압축기(들)에 도달하는 것을 방지하는 것을 돕는 데에 유용하다. 임의의 시스템의 팽창 밸브(들)는 증발기의 출구에서 미리설정된 크기의 과열도를 갖는 시스템에서 작동하도록 선택된다. 과열도의 크기는 액체 냉매가 시스템의 압축기(들)에 도달하는 것을 방지하는 데 도움이 되는 크기이다. 정지 과열도는 냉매가 팽창 밸브를 통해 유동하도록 하는 데 필요한 과열도의 크기이다.
팽창 밸브는 흔히 시스템 작동 변수를 기초로 시스템에 대해 선택되며, 각각의 시스템 내에서 뿐만 아니라 시스템들 간에 변화할 수 있다. 팽창 밸브는 또한 시스템에서 사용될 특정한 열전달 조성물(예를 들어, R22 또는 본 명세서에 설명된 조성물 중 하나)의 열-물리적 성질에 따라 크기가 설정되고 선택된다.
팽창 밸브를 선택하는 데 유용한 다른 인자는 시스템의 정격 부하, 증발기의 목표 평균 작동 온도, 및 온도 제어 구역에서 유지되는 목표 온도를 포함한다.
몇몇 실시 형태에서, 팽창 밸브는 감온식 팽창 밸브(thermostatic expansion valve)(본 명세서에서, "TXV"로 지칭됨)이며, 그에 대한 일 실시 형태가 도 3에 도시되어 있다. 몇몇 실시 형태에서 본 명세서에 설명된 시스템에 유용한 TXV는 최대 0.25 톤의 용량을 가지며; 몇몇 실시 형태에서 TXV는 최대 0.5 톤의 용량을 갖고; 다른 실시 형태에서 TXV는 최대 3 톤의 용량을 가지며; 또 다른 실시 형태에서 TXV는 3 톤보다 높은 용량을 가질 수 있다. 몇몇 실시 형태에서 하나 초과의 TXV가 존재하며; 몇몇 실시 형태에서 TXV들은 동일한 용량을 갖고; 다른 실시 형태에서 TXV들은 상이한 용량을 가질 수 있다.
몇몇 실시 형태에서, 시스템은 체크 밸브를 추가로 포함할 수 있으며, 냉매가 반대 방향(히트 펌프 유형의 시스템에서와 같이)으로 유동할 때 체크 밸브가 개방되어 냉매가 팽창 밸브로 우회하게 한다. 몇몇 시스템에서, 팽창 밸브는 자급식(self-contained)의 온도 및 압력 조합 반응식인 감온식 팽창 밸브 및 체크 밸브일 수 있다(예를 들어, 미국 특허 제5,524,819호 참조).
오존을 파괴하지 않는 조성물로 개장할 필요가 있는 몇몇 시스템에서, 많은 기존 시스템은 R22 냉매를 사용하도록 선택된 팽창 밸브를 구비하고 있다. 다른 실시 형태에서, 팽창 밸브는 전술한 조성물을 사용하도록 선택된다. 몇몇 실시 형태에서, 팽창 밸브는 응축기-증발기 회로에서 R22를 사용하는, 또는 기존의 감지 요소에서 R22가 응축기-증발기 회로에 사용될 때 팽창 밸브에 대한 적절한 제어를 제공하도록 선택된 R22 또는 유체 또는 유체 혼합물을 사용하는 기존의 열전달 시스템에서 이미 사용되던 팽창 밸브이다. 몇몇 실시 형태에서, 감지 요소는 팽창 밸브에 대한 적절한 제어를 제공하며, 그럼으로써 증발기를 빠져 나가는 냉매의 온도가 높아지거나 낮아질 때, 감지 요소 내의 유체의 온도도 마찬가지로 높아지거나 낮아진다. 유체의 온도가 높아짐에 따라, 감지 라인 내의 압력이 증가한다. 유체의 온도가 낮아짐에 따라, 감지 라인 내의 압력이 감소한다.
몇몇 실시 형태에서, 도 3에 도시된 일 군의 요소는 파워헤드(Powerhead)로 지칭된다. 그러한 일 실시 형태에서, 파워헤드는 다이어프램(84), 감온식 요소(99), 모세관(82), 감지 요소(201), 및 원격 벌브(bulb)(202)를 포함할 것이다.
몇몇 실시 형태에서, 팽창 밸브는 분배기와 함께 작동하도록 또는 다르게는 분배기를 수용하도록 설계된다. 몇몇 실시 형태에서, 분배기는 분배기 노즐을 포함할 수 있다. 분배기 상의 노즐은 팽창 밸브로부터 출구 포트 크기를 감소시킨다. 몇몇 실시 형태에서, 노즐은 TXV로부터 출구 포트를 75%만큼 크게 감소시킨다. 다른 실시 형태에서, 노즐은 TXV 출구 포트를 50% 이상만큼 감소시킨다. 다른 실시 형태에서, TXV 출구 포트는 30% 이상만큼 감소된다. 다른 실시 형태에서, TXV 출구 포트는 30% 미만만큼 감소된다. 다른 실시 형태에서, 노즐은 TXV의 출구 포트를 감소시키고, 증발기로 진입할 2가지 상의 액체 및 증기 냉매의 실질적으로 균일한 혼합물을 생성하기에 충분한 난류를 달성하도록 크기 설정된다.
몇몇 실시 형태에서, 하나 이상의 팽창 밸브는 증발기의 출구측 및 감온식 팽창 밸브의 다이어프램 또는 벨로우즈의 하부에 결합된 외부 평형기(equalizer)를 추가로 구비할 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 외부 평형기는 증발기의 입구 및 출구를 가로질러 큰 압력 강하를 갖거나 팽창 밸브 분배기를 필요로 하는 시스템에 사용된다. 몇몇 실시 형태에서, TXV는 외부 평형기와 함께 사용된다.
외부 평형기가 사용될 때, 평형기 피팅(fitting)(2개의 단부를 가짐)은 일 단부에서 증발기 출구 포트로 연결되고 팽창 밸브의 다이어프램(또는 가능한 경우 벨로우즈)에 연결되어, 순환하는 냉매 증기가 외부 평형기를 채우게 하고 다이어프램(또는, 가능한 경우 벨로우즈)에 증기압(도 3B의 P2)을 가하게 한다.
분배기는 적어도 하나의 팽창 밸브와 유체 연통되는 장치이다. 팽창 밸브 상에서의 분배기의 사용은 증발기(예를 들어, 다수의 코일을 갖는 증발기)를 통한 수개의 병렬 경로를 제공함으로써 대형 증발기에서 압력 강하를 증가시킬 수 있다.
몇몇 실시 형태에서, 분배기는 냉장 진열 케이스, 출입형(walk-in) 냉각기, 냉동기 및 이들의 조합(예를 들어, 수퍼마켓 또는 편의점에서 종종 볼 수 있는 시스템과 같은 것)을 구비하는 시스템에 사용된다. 몇몇 실시 형태에서 분배기는 2개 이상의 출구 포트를 가질 수 있으며; 몇몇 실시 형태에서 분배기는 3개 이상의 출구 포트를 갖고; 다른 실시 형태에서 분배기는 적어도 6개의 출구 포트를 갖는다. 다른 실시 형태에서, 분배기는 6개 초과의 출구 포트를 갖는다.
몇몇 실시 형태에서, 분배기 출구 포트는 약 0.5 ㎝ (3/16 인치) 내지 약 0.95 ㎝ (3/8 인치) 범위의 치수로부터 선택된 직경의 범위에 있는 외경을 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 분배기 포트의 외경은 0.95 ㎝ (3/8 인치) 초과이다.
몇몇 실시 형태에서 노즐과 분배기는 별개의 요소이며, 다른 실시 형태에서 노즐과 분배기는 단일 요소이다.
스폴란(Sporlan), 이머슨 플로우(Emerson Flow) 및 댄포스(Danfoss)는 팽창 밸브, 노즐 및 분배기의 몇몇 제조업체 및 공급업체이다.
팽창 밸브, 노즐 및 분배기는 전형적으로 결합될 증발기 및 시스템의 열 부하에 맞도록 선택 및 크기 설정된다. 하나 초과의 팽창 밸브를 구비하는 몇몇 시스템에서, 각각의 팽창 밸브는 동일하거나 상이할 수 있으며; 이들 각각은 동일하거나 상이한 노즐 및/또는 분배기를 구비할 수 있고; 각각의 분배기는 동일하거나 상이한 수의 분배기 출구 포트를 가질 수 있으며; 각각의 분배기 출구 포트는 동일하거나 상이할 수 있다.
몇몇 시스템에서, 동일한 수의 팽창 밸브 및 증발기가 존재한다. 다른 시스템에서, 팽창 밸브보다 더 많은 증발기가 존재한다. 몇몇 시스템에서는, 모든 TXV가 그에 결합되는 분배기를 갖는 것은 아니다.
고압측은 응축이 일어나는 냉장 시스템측이다.
액체 냉매 라인은 액체 냉매를 계량 장치로 전달하는 데 사용되는 모든 도관을 설명하기 위해 사용되는 용어이다. 몇몇 실시 형태에서, 하나 초과의 유형의 액체 냉매 라인이 존재할 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템 내에 하나 초과의 유형의 계량 장치가 존재할 수 있다.
액체 냉매 라인의 도관 크기는 변경될 수 있으며, 다른 인자보다도 시스템의 크기, 각각의 액체 냉매 라인과 유체 연통되는 증발기의 용량, 및 액체 냉매 라인의 일부가 사용되는 시스템 내의 위치에 의존한다.
몇몇 실시 형태에서, 액체 냉매 라인은 액체 회로 라인, 액체 트렁크 라인, 또는 이들의 조합을 추가로 포함할 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 냉매 라인은 하나 이상의 액체 회로 라인, 하나 이상의 트렁크 라인 또는 이들의 조합을 포함한다.
몇몇 실시 형태에서, 액체 냉매 라인은 약 1.5 m (5 피트)의 길이를 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 냉매 라인은 약 1.5 내지 3 m (약 5 내지 10 피트)의 길이를 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 냉매 라인은 길이가 3 m (10 피트)보다 더 길다. 액체 냉매 라인들은 동일한 길이 및 동일한 직경, 또는 상이한 길이 및 상이한 직경을 가질 수 있다.
액체 회로 라인은 일 유형의 액체 냉매 라인이며, 팽창 밸브와 유체 연통되는 액체 냉매 라인의 부분을 설명하는 데 사용되는 용어이고, 액체 냉매가 응축기로부터 팽창 밸브로 유동하는 도관이다. 액체 회로 라인 도관의 크기는 변경될 수 있으며, 다른 인자보다도 시스템의 크기 및 각각의 액체 회로 라인과 유체 연통되는 증발기의 용량에 좌우될 수 있다.
몇몇 실시 형태에서, 2개 이상의 증발기가 동일한 액체 회로 라인과 유체 연통된다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 회로 라인은 1.5 m (5 피트) 또는 그보다 짧을 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 회로 라인은 약 1.5 m 내지 3 m (5 내지 10 피트)의 길이를 가질 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 회로 라인은 길이가 3m (10 피트)보다 더 길 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 회로 라인은 6 m (20 피트)만큼 길 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 회로 라인은 길이가 6 m (20 피트)보다 더 길다. 몇몇 실시 형태에서, 동일하거나 상이한 길이를 가질 수 있는 2개 이상의 액체 회로 라인이 존재한다. 액체 회로 라인은 동일한 길이 및 동일한 직경, 또는 상이한 길이 및 상이한 직경을 가질 수 있다.
액체 트렁크 라인은 일 유형의 액체 냉매 라인이며, 하나 초과의 액체 회로 라인을 구비한 실시 형태의 시스템 내의 액체 냉매 라인의 일부를 정의하는 데 사용되는 용어이다. 액체 트렁크 라인은 액체 냉매를 응축기로부터 액체 회로 라인으로 운반하는 도관이다.
몇몇 실시 형태에서, 액체 트렁크 라인은 6 m (20 피트) 또는 그보다 짧다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 트렁크 라인은 6 m (20 피트)보다 길다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 트렁크 라인은 9 m (30 피트)만큼 길 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 트렁크 라인은 15 m (50 피트)만큼 길 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 트렁크 라인은 30 m (100 피트)만큼 길 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 트렁크 라인은 30 m (100 피트) 초과이다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 트렁크 라인은 60 m (20 피트) 초과이다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 트렁크 라인은 91 m (300 피트) 초과이다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 트렁크 라인은 152 m (500 피트) 초과이다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 트렁크 라인은 305 m (1,000 피트) 초과이다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 트렁크 라인은 457 m (1,500 피트) 초과이다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 트렁크 라인은 610 m (2,000 피트) 초과이다. 몇몇 실시 형태에서, 동일한 길이 또는 상이한 길이를 가질 수 있는 2개 이상의 액체 트렁크 라인이 존재한다. 액체 트렁크 라인들은 동일한 길이 및 동일한 직경, 또는 상이한 길이 및 상이한 직경을 가질 수 있다.
몇몇 실시 형태에서, 적어도 하나의 액체 트렁크 라인과 유체 연통되며 이어서 응축기의 출구측과 유체 연통되는 2개 이상의 액체 회로 라인이 존재한다. 몇몇 실시 형태에서, 하나 초과의 액체 트렁크 라인과 하나 초과의 응축기가 존재할 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 하나의 응축기와 유체 연통되는 하나 초과의 액체 트렁크 라인이 존재한다.
몇몇 실시 형태에서, 시스템은 하나 이상의 오일 분리기를 추가로 구비한다. 오일 분리기는 압축 사이클 동안 압축기 내의 순환하는 냉매에 의해 포집된 임의의 오일의 전부 또는 일부를 분리하는 임의의 장치를 지칭하는 데 사용되는 용어이다. 몇몇 실시 형태에서 오일 분리기는 오일을 저장하고; 다른 실시 형태에서 오일 분리기는 오일을 압축기로 반송한다. 몇몇 실시 형태에서, 오일 분리기는 오일을 저장하고 오일을 압축기로 반송한다. 몇몇 실시 형태에서, 오일 분리기는 압축기의 출구측 부근에 배치된다.
몇몇 실시 형태에서, 과냉기(subcooler)가 존재한다. 과냉기는 액체 냉매 계량 장치(예를 들어, TXV)에 도달하기 전에 액체 냉매를 냉각시키는 시스템의 임의의 요소를 설명하는 데 사용되는 용어이다. 과냉기는 별도의 배관 또는 도관과 같이 단순할 수 있으며, 또는 별도의 장치, 예컨대 팽창 밸브에 도달하기 전에 액체 냉매를 냉각시키기 위한 냉각수 또는 냉매와 같은 냉각 매체를 사용하는 열교환기일 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 배관 또는 도관은 약 0.9 m (3 피트)의 길이를 가진다. 몇몇 실시 형태에서, 배관 또는 도관을 포함하는 과냉기 특징부는 0.9 m (3 피트)보다 더 길다. 몇몇 실시 형태에서, 과냉기 특징부는 단열되지 않은 배관 또는 도관의 길이부를 포함한다.
이러한 실시 형태에서, 배관 또는 도관은 구리, 구리 합금(몰리브덴과 니켈을 함유하는 합금을 포함함), 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 또는 스테인레스강 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 몇몇 실시 형태에서, 과냉은 적어도 2개의 시스템으로부터의 액체 냉매 라인을 서로에 인접하게 배치함으로써 달성되고, 여기서 적어도 2개의 액체 냉매는 2가지의 상이한 온도를 갖는다. 일 실시 형태에서, 과냉기는 저온 시스템으로부터의 액체 냉매 라인의 길이부를 중온 시스템으로부터의 액체 냉매 라인의 길이부 부근에 배치함으로써 생성된다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 냉매 라인들은 상당한 거리에 걸쳐 서로에 인접해 있다.
몇몇 실시 형태에서, 2가지 상이한 온도의 액체 냉매 라인들이 실질적으로 직선일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 2가지 상이한 온도의 액체 냉매 라인들은 만곡될 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 2가지 상이한 온도의 액체 냉매 라인들은 루프를 포함할 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 과냉은 단독으로 또는 다른 과냉기 요소와 함께 사용되는 냉매를 이용하는 별도의 냉각 장치에 의해 달성될 수 있다.
몇몇 실시 형태에서, 하나 초과의 요소가 증기 냉매를 과냉시키는 데 기여한다.
몇몇 실시 형태에서, 시스템은 또한 응축기와 증발기 사이에서 유체 연통되는 액체 냉매 수용기를 구비할 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 냉매 수용기는 TXV 앞에 배치된다. 수용기는 임의의 많은 이유로 액체 냉매를 보유할 수 있는 임의의 시스템 요소를 지칭하는 데 사용되는 용어이다. 그러한 이유는 팽창 밸브가 흡인할 수 있는 액체 냉매의 저장조의 생성, 시스템 유지보수 작업 동안 액체 냉매를 저장하는 데 유용한 수집 장치, 및 임의의 개별 시스템이 가질 수 있는 다른 필요성과 이유들의 조합을 포함한다.
몇몇 실시 형태에서, 하나 초과의 수용기가 존재한다. 몇몇 실시 형태에서, 응축기 뒤에 그리고 증발기에 앞에서 시스템 내에 적어도 하나의 과냉기와 적어도 하나의 수용기가 배치된다. 몇몇 실시 형태에서, 적어도 하나의 수용기가 압축기와 응축기 사이에 있을 수 있다. 몇몇 실시 형태에서 수용기는 응축기 앞에서 압축기 부근에 배치되고, 다른 실시 형태에서 수용기는 응축기에 더 가깝게 배치된다.
몇몇 실시 형태에서, 액체 트렁크 라인은 수용기와 유체 연통된다. 몇몇 실시 형태에서, 수용기는 임의의 형상의 임의의 용기(예를 들어, 액체 트렁크 라인보다 더 큰 직경을 갖는 도관, 또는 보울(bowl), 탱크, 드럼, 캐니스터(canister) 등을 포함하지만 이에 한정되지 않음)이다. 수용기는 구리, 구리 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인레스강 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 한정되지 않는, 순환하는 냉매를 보유하는 데 적합한 임의의 재료로 제조될 수 있다. 몇몇 구리 합금 실시 형태에서, 구리 합금은 몰리브덴, 니켈 및 이들의 혼합물을 추가로 함유한다.
몇몇 실시 형태에서, 수용기는 약 15.2 내지 약 38.1 ㎝ (약 6 내지 약 15 인치)의 직경 및 약 127 내지 약 635 ㎝ (약 50 내지 약 250 인치)의 길이를 갖는 튜브 형상이다. 다른 실시 형태에서, 수용기는 약 30.5 내지 약 33 ㎝ (약 12 내지 약 13 인치)의 직경 및 약 254 내지 약 381 ㎝ (약 100 내지 약 150 인치)의 길이를 가질 수 있다. 일 실시 형태에서, 수용기는 약 32.39 ㎝ (12.75 인치)의 직경 및 약 375.9 ㎝ (148 인치)의 길이를 갖는다. 다른 실시 형태에서, 수용기는 약 32.39 ㎝ (12.75 인치)의 직경 및 약 264.2 ㎝ (104 인치)의 길이를 갖는다. 몇몇 시스템에서, 시스템 내에서 서로 근접하게 또는 시스템 내에서 상이한 위치에 배치될 수 있는 2개 이상의 수용기가 존재한다. 몇몇 실시 형태에서, 수용기는 냉매 충전량 전체를 보유하는 크기로 설정된다.
증기 냉매 라인은 증발기로부터 응축기로 증기 냉매를 전달하는 도관(들)을 설명하는 데 사용되는 용어이다. 몇몇 실시 형태에서, 증기 냉매 라인은 하나 이상의 증기 회로 라인, 하나 이상의 흡입 라인 또는 이들의 조합을 포함한다. 임의의 증기 냉매 라인의 도관 크기는 변경될 수 있으며, 도관의 일부가 사용되는 시스템 내에서 그리고 각각의 액체 회로 라인과 유체 연통되는 증발기의 용량, 및 시스템의 크기에 좌우될 것이다. 몇몇 실시 형태에서 증기 회로 라인은 길이가 1.5 m (5 피트)이고, 다른 실시 형태에서 증기 회로 라인은 길이가 3 m (10 피트)이다. 몇몇 실시 형태에서, 증기 냉매 라인은 동일한 길이 또는 상이한 길이를 가지며, 동일하거나 상이한 직경을 가질 수 있다.
몇몇 실시 형태에서, 증기 회로 라인이 존재할 수 있다. 증기 회로 라인은 증발기 출구 및 흡입 라인과 유체 연통되는 증기 냉매 라인의 일부를 설명하는 데 사용되는 용어이다. 몇몇 실시 형태에서, 증기 회로 라인은 1.5 m (5 피트) 또는 그보다 짧을 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 증기 회로 라인은 1.5 내지 3 m (5 내지 10 피트)의 길이를 가질 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 증기 회로 라인은 6 m (20 피트)만큼 길 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 동일하거나 상이한 길이를 가질 수 있고 동일하거나 상이한 직경을 가질 수 있는 2개 이상의 증기 회로 라인이 존재한다.
흡입 라인은 증발기 출구 및 압축기 입구와 유체 연통되는 증기 냉매 라인의 일부를 설명하는 데 사용되는 용어이다. 몇몇 실시 형태에서, 흡입 라인은 6 m (20 피트) 또는 그보다 짧다. 몇몇 실시 형태에서, 흡입 라인은 6 m (20 피트)보다 길다. 몇몇 실시 형태에서, 흡입 라인은 9 m (30 피트)만큼 길 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 흡입 라인은 15 m (50 피트)만큼 길 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 흡입 라인은 30 m (100 피트)만큼 길 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 흡입 라인은 30 m (100 피트) 초과이다. 몇몇 실시 형태에서, 흡입 라인은 61 m (200 피트) 초과이다. 몇몇 실시 형태에서, 흡입 라인은 61 m (200 피트) 초과이다. 몇몇 실시 형태에서, 흡입 라인은 91 m (300 피트) 초과이다. 몇몇 실시 형태에서, 흡입 라인은 152 m (500 피트) 초과이다. 몇몇 실시 형태에서, 흡입 라인은 305 m (1,000 피트) 초과이다. 몇몇 실시 형태에서, 흡입 라인은 457 m (1,500 피트) 초과이다. 몇몇 실시 형태에서, 흡입 라인은 610 m (2,000 피트) 초과이다. 몇몇 실시 형태에서, 동일한 길이 또는 상이한 길이를 가질 수 있으며 동일하거나 상이한 직경을 가질 수 있는 2개 이상의 흡입 라인이 존재한다.
몇몇 실시 형태에서, 흡입 라인은 하나 초과의 압축기와 유체 연통되며, 다른 실시 형태에서 하나의 압축기와 유체 연통되는 하나 초과의 흡입 라인이 존재한다.
흡입 압력은 시스템의 저압측 상의 압력이다.
감지 요소는, 하나의 단부가 적어도 하나의 증발기의 출구측에 연통가능하게 결합되어 증발기를 빠져 나가는 증기의 온도를 감지하며, 다른 하나의 단부가 팽창 밸브의 적어도 하나의 압력 감지 요소에 연통가능하게 결합되는 2개의 단부를 갖는 장치이다. 감지 요소는 냉매 또는 다른 유체를 포함하며, 감지 요소 내의 냉매 또는 다른 유체는 응축기-증발기 회로 내에서 순환하는 냉매로부터 밀봉되어 성분들이 함께 섞이지 않는다.
본 명세서에 설명된 몇몇 실시 형태에서, 감지 요소는 R22가 응축기-증발기 회로에 사용될 때 사용하기에 적합한 유체를 포함한다. 몇몇 실시 형태에서, 적어도 하나의 감지 요소가 전술한 조성물을 포함한다. 감지 요소의 몇몇 실시 형태에서, R22가 응축기-증발기 회로에 사용될 때 감지 요소에 사용하기에 적합한 유체는 R22이다. 감지 요소의 몇몇 실시 형태에서, R22가 응축기-증발기 회로에 사용될 때 감지 요소에 사용하기에 적합한 유체는 R22와 같거나 더 높은 압력을 갖는 유체 또는 유체 혼합물이다. 감지 요소의 몇몇 실시 형태에서, R22가 응축기-증발기 회로에 사용될 때 감지 요소에 사용하기에 적합한 유체는 R22와 같거나 더 낮은 압력을 갖는 유체 또는 유체 혼합물이다. 감지 요소의 몇몇 실시 형태에서, R22가 응축기-증발기 회로에 사용될 때 감지 요소에 사용하기에 적합한 유체는 R22와 실질적으로 상이한 압력/온도 관계의 기울기를 갖는 유체 또는 유체 혼합물이다.
일 실시 형태에서, 증발기의 출구측에 연통가능하게 결합된 감지 요소의 단부는 임의의 형태 또는 체적을 가질 수 있는 금속 벌브이고, 타 단부는 모세관이다. 몇몇 실시 형태에서, 증발기의 출구측에 연통가능하게 결합된 감지 요소의 단부는 증발기 출구 포트에 결합된다. 다른 실시 형태에서, 증발기의 출구측에 결합된 감지 요소의 단부는 증기 냉매 라인(증기 회로 라인 또는 흡입 라인을 포함함)에 결합된다.
몇몇 실시 형태에서, 감지 벌브는 구리, 구리 합금 또는 알루미늄이다. 몇몇 실시 형태에서, 감지 요소는 단순히 라인인데, 이는 몇몇 실시 형태에서 그의 전체 길이를 따라 균일한 직경을 가지며, 다른 실시 형태에서는 그의 길이를 따라 변경되는 직경을 갖는 라인이다.
감지 요소는 (증발기로부터 배출되는) 증기 냉매의 온도에 관한 충분한 정보를 팽창 밸브에 전달하도록 하는 임의의 길이를 갖는다. 이러한 길이는 시스템들 간에 변할 것이며, 2개 이상의 감지 요소가 다중-증발기 시스템에 사용될 때 각각의 길이는 각각의 시스템 내에서 동일하거나 상이할 수 있다.
몇몇 실시 형태에서, 감지 요소는 길이가 0.9 m (3 피트) 이하이다(임의의 튜브, 라인, 배관, 도관 및 이들의 조합의 길이의 합계). 몇몇 실시 형태에서, 감지 요소는 길이가 0.9 m (3 피트) 초과이다(임의의 튜브, 라인, 배관, 도관 및 이들의 조합의 길이의 합계). 몇몇 실시 형태에서, 감지 요소는 길이가 0.9 내지 3 m (3 내지 10 피트)이다(임의의 튜브, 라인, 배관, 도관 및 이들의 조합의 길이의 합계). 몇몇 실시 형태에서, 감지 요소는 길이가 3 m (10 피트) 초과이다(임의의 튜브, 라인, 배관, 도관 및 이들의 조합의 길이의 합계). 몇몇 실시 형태에서, 감지 요소는 길이가 4.6 m (15 피트) 초과이다(임의의 튜브, 라인, 배관, 도관 및 이들의 조합의 길이의 합계). 몇몇 실시 형태에서, 감지 요소는 길이가 6 m (20 피트) 초과이다(임의의 튜브, 라인, 배관, 도관 및 이들의 조합의 길이의 합계).
몇몇 실시 형태에서, 감지 요소는 TXV 밸브와 효과적으로 통신하기에 충분한 직경을 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 감지 요소의 직경은 0.3 ㎝ (1/8 인치) 이하이다. 몇몇 실시 형태에서, 감지 요소의 직경은 0.3 ㎝ (1/8 인치)보다 크다. 다른 실시 형태에서, 감지 요소는 대략 0.16 ㎝ (1/16 인치) 또는 그보다 좁다. 다른 실시 형태에서, 감지 요소는 0.16 ㎝ (1/16 인치)보다 크다. 다른 실시 형태에서, 감지 요소는 대략 0.6 ㎝ (1 /4 인치) 또는 그보다 좁다. 다른 실시 형태에서, 감지 요소는 0.6 ㎝ (1 /4 인치)보다 크다.
몇몇 실시 형태는 저온 시스템이다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 -31.7℃ (-25℉)이거나 대략 그 온도 또는 그보다 낮은 목표 평균 온도에서 작동되는 적어도 하나의 증발기를 포함한다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 -23.3℃ (-10℉)이거나 대략 그 온도 또는 그보다 낮은 목표 평균 온도에서 작동되는 적어도 하나의 증발기를 포함한다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 약 -17.8℃ (0℉) 또는 그보다 낮은 목표 평균 온도에서 작동되는 적어도 하나의 증발기를 포함한다.
몇몇 실시 형태에서, 시스템은 냉동 상태에서 온도 제어 구역 내의 내용물을 유지하는 목표 온도를 가진다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 약 -17.8℃ (0℉)에서 온도 제어 구역 내의 내용물의 온도를 유지하도록 작동된다. 몇몇 실시 형태에서, 온도 제어 구역의 목표 온도는 약 -23.3℃ (-10℉) 미만이다.
몇몇 실시 형태는 중온 시스템이다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 약 -17.8℃ (0℉) 내지 최대 약 4.4℃ (40℉)만큼 높은 온도의 목표 평균 온도에서 작동되는 적어도 하나의 증발기를 포함한다. 몇몇 실시 형태에서, 적어도 하나의 증발기는 약 -17.8 내지 약 -6.7℃ (약 0 내지 약 +20℉)의 목표 평균 온도에서 작동된다.
몇몇 실시 형태에서, 시스템은 냉각된 비-냉동 상태에서 온도 제어 구역 내의 내용물을 유지하기 위한 목표 온도를 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 온도 제어 구역 내의 내용물을 위한 목표 온도는 약 -6.7 내지 약 7.2℃ (약 +20 내지 약 +45℉)의 온도에서 유지되어야 한다. 몇몇 실시 형태에서, 온도 제어 구역의 목표 온도는 약 -6.7 내지 약 +4.4℃ (약 +20 내지 약 +40℉)이다.
몇몇 실시 형태에서, 시스템의 온도 제어 구역은 약 -23.3℃ (약 -10℉) 미만의 목표 온도를 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템의 온도 제어 구역은 약 -23.3 내지 약 -15℃ (약 -10 내지 약 +5℉)의 목표 온도를 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 온도 제어 구역의 목표 온도는 약 -17.8℃ (0℉) 이하이다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템의 온도 제어 구역은 임의의 성에제거(defrost) 사이클을 제외하면, 약 -20.6 내지 -15℃ (약 -5 내지 + 5℉) 미만의 목표 온도를 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 온도 제어 구역의 목표 온도는 약 0℃ (약 +32℉) 이하이다.
몇몇 실시 형태에서, 온도 제어 구역의 목표 온도는 약 -17.8 내지 약 4.4℃ (약 0 내지 약 +40℉)이다. 몇몇 실시 형태에서, 온도 제어 구역의 목표 온도는 약 -12.2 내지 약 4.4℃ (약 +10 내지 약 +40℉)이다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템의 온도 제어 구역은 임의의 성에제거 사이클을 제외하면, 약 -3.9 내지 1.7℃ (약 +25 내지 +35℉) 미만의 목표 온도를 갖는다.
몇몇 실시 형태에서, 시스템의 온도 제어 구역은 약 -9.4 내지 약 7.2℃ (약 +15 내지 약 +45℉)의 목표 온도를 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 온도 제어 구역의 목표 온도는 약 -6.7℃ (약 +20℉) 이하이다.
몇몇 실시 형태에서, 시스템은 주기적인 성에제거 사이클을 거치도록 설계된다. 성에제거 사이클은 증발기의 단기간 가열이다. 몇몇 실시 형태에서, 시간 길이는 성에제거를 거치는 증발기의 크기 및 상태에 의존한다. 몇몇 실시 형태에서, 성에제거 사이클은 증발기에 쌓인 모든 얼음을 제거하기에 충분히 길다. 예를 들어, 몇몇 실시 형태에서 단시간 가열은 60분 또는 그보다 짧은 시간에 걸쳐 일어나며; 다른 실시 형태에서 가열은 수 시간 또는 그 이상만큼 길 수 있다.
몇몇 실시 형태에서, 성에제거 사이클은 온도 제어 구역의 온도에 영향을 미치지 않을 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 성에제거 사이클은 온도 제어 구역의 온도에 영향을 미칠 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 성에제거 사이클은 내용물의 온도에 영향을 미치지 않을 수 있다.
몇몇 실시 형태에서, 공조 시스템은 전형적인 실온에서 온도 제어 구역 내의 소정의 온도를 달성하도록 작동될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 공조 시스템은 약 15.5 내지 약 26.7℃ (약 60 내지 약 80℉)의 온도에서 온도 제어 구역 내의 온도를 달성하도록 작동될 수 있다. 또한, 몇몇 실시 형태에서, 공조 시스템은 약 15.6℃ (약 60℉) 미만의 온도로 유지되어야 하는 온도에서 온도 제어 구역을 유지하는 데 사용될 수 있다.
몇몇 실시 형태에서, 시스템은 히트 펌프 시스템으로서 작동한다. 몇몇 실시 형태에서, 히트 펌프 시스템은 15.6℃ (60℉) 초과의 온도로 온도 제어 구역을 유지한다. 몇몇 실시 형태에서, 히트 펌프는 21.1℃ (70℉) 초과의 온도로 온도 제어 구역을 유지한다.
몇몇 실시 형태에서, 시스템은 1/4 톤 미만의 부하를 냉각하도록 설계된다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 1/2 톤 미만의 부하를 냉각하도록 설계된다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 1 톤 미만의 부하를 냉각하도록 설계된다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 약 1 내지 약 3 톤의 부하를 냉각하도록 설계된다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 약 1 톤 내지 약 5 톤의 부하를 냉각하도록 설계된다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 5 톤 초과의 부하를 냉각하도록 설계된다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 8 톤 또는 8 톤 초과의 부하를 냉각하도록 설계된다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 10 톤 또는 10 톤 초과의 부하를 냉각하도록 설계된다.
몇몇 실시 형태에서, 시스템은 12 톤 또는 12 톤 초과의 부하를 냉각하도록 설계된다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 15 톤 또는 15 톤 초과의 부하를 냉각하도록 설계된다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 20 톤 또는 20 톤 초과의 부하를 냉각하도록 설계된다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 22 톤 또는 22 톤 초과의 부하를 냉각하도록 설계된다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 25 톤 초과의 부하를 냉각하도록 설계된다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 20 내지 60 톤의 부하를 냉각하도록 설계된다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 60 톤 초과의 부하를 냉각하도록 설계된다. 각각의 이들 시스템에서, 전체 부하는 상이한 목표 온도 및 상이한 증발기 작동 온도의 다수의 온도 제어 구역을 갖는 다양한 다중-하위 시스템에 의해 달성될 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 하나 초과의 압축기 및 하나 이상의 응축기가 존재할 수 있다.
몇몇 실시 형태에서, 시스템은 냉장고, 냉동기 또는 공조기, 또는 이들의 조합을 포함한다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 하나 이상의 냉장고 온도 제어 구역 및 하나 이상의 냉동기 온도 제어 구역을 갖는다.
본 명세서에 설명된 시스템의 튜브, 라인, 배관 및 도관은 화학적으로 또는 물리적으로 냉매를 실질적으로 변경시키지 않으면서 다양한 온도 및 압력에서 냉매를 보유할 수 있는 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 튜브, 라인, 배관 및 도관은 동일한 재료 또는 상이한 재료로부터 제조될 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 튜브, 라인, 배관 및 도관 재료는 유리, 구리, 구리 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인레스강 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 구리 합금을 갖는 몇몇 실시 형태에서, 구리 합금은 몰리브덴, 니켈 또는 이들의 혼합물을 추가로 포함할 수 있다.
몇몇 실시 형태에서, 시스템의 튜브, 라인, 배관 및 도관의 전체 길이는 약 12.2 m (40 피트) 이상이다. 몇몇 실시 형태에서, 튜브, 라인, 배관 및 도관의 전체 길이는 12.2 m (40 피트) 초과이다. 몇몇 실시 형태에서, 튜브, 라인, 배관 및 도관의 전체 길이는 약 18.3 m (60 피트) 이상이다. 몇몇 실시 형태에서, 튜브, 라인, 배관 및 도관의 전체 길이는 18.3 m (60 피트) 초과이다. 몇몇 실시 형태에서, 튜브, 라인, 배관 및 도관의 전체 길이는 약 36.6 m (120 피트) 이상이다. 몇몇 실시 형태에서, 튜브, 라인, 배관 및 도관의 전체 길이는 36.6 m (120 피트) 초과이다. 몇몇 실시 형태에서, 라인, 배관 및 도관의 전체 길이는 약 61 m (200 피트) 이상이다. 몇몇 실시 형태에서, 튜브, 라인, 배관 및 도관의 전체 길이는 61 m (200 피트) 초과이다. 몇몇 실시 형태에서, 튜브, 라인, 배관 및 도관의 전체 길이는 약 152 m (500 피트) 이상이다. 몇몇 실시 형태에서, 라인, 배관 및 도관의 전체 길이는 152 m (500 피트) 초과이다. 몇몇 실시 형태에서, 라인, 배관 및 도관의 전체 길이는 약 305 m (1,000 피트) 이상이다. 몇몇 실시 형태에서, 라인, 배관 및 도관의 전체 길이는 305 m (1,000 피트) 초과이다. 몇몇 실시 형태에서, 라인, 배관 및 도관의 전체 길이는 약 610 m (2,000 피트) 이상이다. 몇몇 실시 형태에서, 라인, 배관 및 도관의 전체 길이는 610 m (2,000 피트) 초과이다.
몇몇 실시 형태에서, 시스템은 약 -40 내지 약 4.4℃ (약 -40 내지 약 +40℉)의 온도로부터 선택된 평균 증발기 온도를 가지며, 응축기 온도는 약 15.6 내지 54.4℃ (약 +60 내지 +130℉)의 범위이다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 약 -40 내지 약 4.4℃ (약 -40 내지 약 +40℉)의 온도로부터 선택된 평균 증발기 온도를 갖고, 응축기 온도는 약 21.1 내지 약 40.6℃ (약 +70 내지 약 +105℉)의 범위 내로 유지된다.
몇몇 실시 형태에서, 시스템은 -28.9 내지 -6.7℃ (-20 내지 +20℉)의 온도로부터 선택된 평균 증발기 온도를 갖고, 응축기 온도는 약 15.6 내지 약 54.4℃ (약 +60 내지 약 +130℉)의 범위 내로 유지된다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 -28.9 내지 -6.7℃ (-20 내지 +20℉)의 온도로부터 선택된 평균 증발기 온도를 갖고, 응축기 온도는 약 21.1 내지 약 40.6℃ (약 +70 내지 약 +105℉)의 범위 내로 유지된다.
몇몇 실시 형태에서, 액체 냉매는 팽창 밸브에 도달하기 전에 약 2.8℃ (5℉)의 과냉을 거친다. 다른 실시 형태에서, 액체 냉매는 팽창 밸브에 도달하기 전에 약 2.8 내지 약 5.6℃ (약 5 내지 약 10℉)의 과냉을 거친다. 다른 실시 형태에서, 액체 냉매는 팽창 밸브에 도달하기 전에 약 5.6 내지 약 11.1℃ (약 10 내지 약 20℉)의 과냉을 거친다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 냉매는 11.1℃ (20℉) 초과의 과냉을 거친다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 냉매는 27.8℃ (50℉) 이하의 과냉을 거친다. 몇몇 실시 형태에서, 액체 냉매는 27.8℃ (50℉) 초과의 과냉을 거친다.
몇몇 실시 형태에서, 시스템은 적어도 2개의 온도 제어 구역, 적어도 2개의 R22 팽창 밸브, 및 적어도 2개의 증발기를 구비한다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 적어도 2개의 온도 제어 구역, 전술한 조성물에 대해 선택되는 적어도 2개의 팽창 밸브, 및 적어도 2개의 증발기를 구비한다.
2개 이상의 감지 요소를 구비하는 몇몇 실시 형태에서, 적어도 하나의 감지 요소는 R22를 포함하고, 적어도 하나의 다른 감지 요소는 전술한 조성물을 포함한다.
몇몇 실시 형태에서, 시스템은 4개의 액체 회로 라인, 4개의 압축기, 및 21개의 냉장고 및/또는 냉동기 케이스를 포함할 수 있으며, 분배기를 구비한 50개 초과의 TXV 및 분배기를 구비하지 않은 10개 이상의 TXV를 포함할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 시스템은 9 내지 15개의 액체 회로 라인, 하나 이상의 출입형 냉동기를 비롯하여, 액체 회로 라인을 따른 다양한 위치에서 시스템에 결합된 15 내지 42개의 냉동기 케이스를 구비하며, 4 내지 6개의 압축기를 이용하는 저온 냉장 시스템일 수 있다.
몇몇 실시 형태는 4개의 액체 회로 라인, 온도 제어 구역으로서 21개의 냉장 진열 케이스, 4개의 압축기, 및 분배기를 구비한 60개 이상의 TXV, 및 분배기를 구비하지 않은 10개의 TXV를 갖는 중온 시스템이다. 몇몇 실시 형태는 분배기를 구비한 7개 이상의 TXV를 갖는 출입형 냉각기만을 포함한다. 몇몇 중온 시스템은 6개의 압축기, 분배기를 구비한 34개의 TXV, 및 분배기를 구비하지 않은 8개의 TXV를 사용하는, 42개의 케이스(냉장고, 냉동기, 칠러 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택됨)를 갖는 15개의 액체 회로 라인을 구비한다. 몇몇 중온 시스템은 TXV 상에 분배기를 사용하지 않는다. 몇몇 중온 시스템은 4개의 압축기, 분배기를 구비한 18개의 TXV 및 분배기를 구비하지 않은 9개의 TXV를 이용하는, 18개의 냉장고 케이스 및 6개의 출입형 칠러 케이스를 갖는 10개의 액체 회로 라인을 포함한다.
몇몇 실시 형태는 9개의 액체 회로 라인, 28개의 냉동기 케이스, 하나의 출입형 냉동기, 다수의 압축기, 분배기를 구비한 32개의 TXV, 및 분배기를 구비하지 않은 하나의 TXV를 포함하는 저온 시스템이다. 몇몇 시스템은 분배기를 구비한 5개의 TXV를 사용하는 4개의 출입형 냉동기를 포함한다.
몇몇 실시 형태에서, 시스템은 0.3 ㎾ (1000 BTU/시) 이상의 부하에서 작동되도록 등급이 정해진다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 0.3 ㎾ (1,000 BTU/시) 초과의 부하에서 작동되도록 등급이 정해진다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 14.7 ㎾ (50,000 BTU/시) 이상의 부하에서 작동되도록 등급이 정해진다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 29.3 ㎾ (100,000 BTU/시) 이상의 부하에서 작동되도록 등급이 정해진다. 몇몇 실시 형태에서, 시스템은 29.3 ㎾ (100,000 BTU/시) 초과의 부하에서 작동되도록 등급이 정해진다.
칠러
일 실시 형태에서, 개시된 조성물은 칠러 내의 냉매로서 사용될 수 있다. 칠러는 공조/냉장 장치의 일 유형이다. 2가지 유형의 워터 칠러, 즉 증기-압축식 칠러 및 흡수식 칠러가 이용가능하다. 본 발명은 증기 압축식 칠러에 관한 것이다. 그러한 증기 압축식 칠러는 도 10에 도시된 만액식 증발기 칠러, 또는 도 12에 도시된 직접 팽창식 칠러 중 어느 하나일 수 있다. 만액식 증발기 칠러 및 직접 팽창식 칠러 둘 모두는 공랭식 또는 수랭식일 수 있다. 칠러가 수랭식인 실시 형태에서, 그러한 칠러는 일반적으로 시스템으로부터 열 방출을 위해 냉각탑과 연결된다. 칠러가 공랭식인 실시 형태에서, 칠러에는 시스템으로부터 열을 방출하기 위해 냉매-대-공기 핀형-튜브(finned-tube) 응축기 코일 및 팬(condenser coils and fans)이 장착된다. 공랭식 칠러 시스템은 일반적으로 냉각탑 및 워터 펌프를 포함하는 등가 용량의 수랭식 칠러 시스템보다 덜 고가이다. 그러나, 수랭식 시스템은 더 낮은 응축 온도로 인해 많은 작동 조건 하에서 더 효율적일 수 있다.
칠러는 호텔, 사무실 빌딩, 병원, 대학 등을 포함하는 대형 상업 건물에 쾌적한 공조(공기의 냉각 및 제습)를 제공하기 위해 공기 처리 및 분배 시스템과 결합될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 칠러는 해군 잠수함 및 해상 선박에서 더욱 유용하다.
칠러의 작동 방법을 설명하기 위하여 도면을 참조한다. 수랭식의 만액식 증발기 칠러가 도 10에 도시되어 있다. 이러한 칠러에서, 고온의 액체가 화살표 3에서 진입하는 것으로 도시된 빌딩 냉각 시스템과 같은 냉각 시스템으로부터 증발기 코일(9)을 통해 칠러로 진입한다. 몇몇 실시 형태에서, 고온의 유체는 물이다. 다른 실시 형태에서, 고온의 유체는 물이며, 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜을 추가로 포함한다. 액체는 액체 냉매에 의해 냉각되는 증발기(214)로 전달되며, 이는 증발기의 하부에 도시되어 있다. 액체 냉매는 코일(9)을 통해 유동하는 고온의 액체보다 더 낮은 온도에서 증발된다. 냉각된 액체는 코일(9)의 회수 부분을 통해 화살표 4로 도시된 바와 같이 빌딩 냉각 시스템으로 재순환하여 되돌아간다. 도 10에서 증발기(214)의 하부에 도시된 액체 냉매는 기화되고 압축기(70) 내로 흡인되며, 압축기는 냉매 증기의 압력 및 온도를 상승시킨다. 압축기는 이러한 증기를 압축하여, 증기는 증발기로부터 배출될 때의 냉매 증기의 온도보다 더 높은 온도에서 응축기(80) 내에서 응축될 수 있게 된다. 수랭식 칠러의 경우 액체인 냉각 매체는 도 10의 화살표 1에서 냉각탑으로부터 응축기 코일(10)을 통해 응축기로 진입한다. 냉각 매체는 공정 중에 고온이 되고 코일(10)의 회수 루프 및 화살표(2)를 통해 냉각 타워 또는 대기로 각각 되돌아간다. 냉각 매체는 응축기 내의 증기를 냉각시켜서 증기를 액체 냉매로 변환시켜서, 도 10에 도시된 바와 같이 응축기의 하부에는 액체 냉매가 존재하게 된다. 응축기 내의 응축된 액체 냉매는 팽창 장치 또는 오리피스(8)를 통해 증발기로 다시 유동한다. 오리피스(8)는 액체 냉매의 압력을 감소시키고, 액체 냉매를 부분적으로 증기로 변환시키며, 즉 응축기와 증발기 사이에 압력 강하에 따라 액체 냉매가 부분적으로 증기(플래시(flash))로 변화한다. 플래싱(flashing)은 액체 및 증기 모두의 냉매를 증발기 압력에서 포화 온도로 냉각시켜서, 증발기 내에는 액체 냉매 및 냉매 증기 둘 모두가 존재하게 된다.
단일 성분의 냉매 조성물의 경우, 증발기 내의 증기 냉매의 조성은 증발기 내의 액체 냉매의 조성과 동일하다는 것에 유의하여야 한다. 이러한 경우, 증발은 일정한 온도에서 일어날 것이다. 그러나, 본 발명의 조성물의 경우에서와 같이 냉매 블렌드가 사용되는 경우, 증발기 및 응축기 내의 액체 냉매와 냉매 증기는 상이한 조성을 가질 수 있다.
약 700 ㎾ 초과의 용량을 가진 칠러는 일반적으로 만액식 증발기를 채용하며, 이 경우 냉매는 증발기 및 응축기 내에(즉, 쉘(shell)측 상에) 포함된다. 만액식 증발기는 더 많은 냉매 충전을 필요로 하지만, 더 근접한 접근 온도(approach temperature) 및 더 높은 효율을 가능하게 한다. 700 ㎾ 미만의 용량을 가진 칠러는 통상 냉매가 튜브 내측에서 유동하고 냉각된 냉각 매체가 증발기와 응축기 내에, 즉 쉘측 상에 있는 증발기를 채용한다. 이러한 칠러는 직접 팽창식(direct expansion, DX) 칠러로 불린다. 수랭식의 직접 팽창식 칠러가 도 12에 도시되어 있다. 도 12에 도시된 칠러에서, 물과 같은 고온의 냉각 매체는 입구(14)에서 증발기로 진입한다. 대부분의 액체 냉매는 화살표 3'에서 증발기 코일(9')로 진입하여 증발된다. 결과적으로, 증발기 내에 물의 냉각이 발생하고, 저온의 액체가 출구(16)에서 증발기를 빠져 나온다. 냉매 증기는 화살표 4'에서 증발기를 빠져 나와서 압축기(7')로 보내지고, 여기서 냉매 증기가 압축되어 고온 고압 증기로 배출된다. 이러한 증기는 1'에서 응축기 코일을 통해 응축기로 진입한다. 증기는 응축기 내의 물에 의해 냉각되어 액체로 된다. 냉각수는 응축기 물 입구(20)를 통해 응축기로 진입하여, 물을 가열하는 응축된 증기로부터 열을 추출해 낸다. 물은 응축기 물 출구(18)를 통해 배출된다. 응축된 냉매 액체는 화살표 2'에서 응축기를 빠져 나와서, 액체 냉매의 압력을 감소시키는 팽창 밸브(12)를 통과한다. 팽창의 결과로서 생성된 소량의 증기는 액체 냉매와 함께 증발기로 진입한다.
증기-압축 칠러는 그들이 채용하는 압축기의 유형에 의해 식별된다. 일 실시 형태에서, 개시된 조성물은 원심 압축기를 이용하는 원심 칠러에 유용하다. 다른 실시 형태에서, 개시된 조성물은 왕복, 스크류 또는 스크롤 압축기 중 어느 하나인 정변위 압축기를 이용하는 정변위 칠러에 유용하다.
이전에 R22를 사용한 시스템을 개장하는 방법
시스템의 응축기-증발기 회로 내에 R22를 갖고, R22 팽창 밸브를 구비하며, R22 포함 감지 요소를 구비하는 열전달 시스템을 개장하는 방법이 추가로 개시되며, 상기 방법은,
(i) 시스템의 응축기-증발기 회로로부터 R22를 제거하는 단계;
(ii) R22의 포화 증기압과 실질적으로 동일한 포화 증기압을 가지며 냉각 용량이 동일한 시스템 작동 조건 하에서 R22의 90% 이상이고 팽창 밸브 로딩 용량을 상기 R22 팽창 밸브의 130% 초과로 증가시키지 않는 대체 조성물로 시스템의 응축기-증발기 회로를 충전하는 단계를 포함한다.
일 실시 형태에서, 상기 방법은 단계 (ii)에서 오존 파괴 지수가 0인 대체 냉매를 사용하는 것을 포함한다.
몇몇 실시 형태에서, 대체 냉매는 허용가능한 지구 온난화 지수("GWP")를 갖는다. 몇몇 실시 형태에서, 지구 온난화 지수는 2600 미만이다. 몇몇 실시 형태에서, 지구 온난화 지수는 2300 미만이다. 몇몇 실시 형태에서, 지구 온난화 지수는 2000 미만이다.
지구 온난화 지수(GWP)는 문헌[Second Assessment Report (SAR - 1995) of the Intergovernmental Panel on Climate Change]에 설명된 바와 같이, 100년의 시간 한계 동안 이산화탄소 1 킬로그램의 방출에 비교한, 특정 온실 기체 1 킬로그램의 대기 방출로 인한 상대 지구 온난화 기여도를 평가하기 위한 지수이다.
일 실시 형태에서, 방법은 단계 (ii)의 충전하는 냉매로서 전술한 조성물을 사용하는 것을 포함한다. 일 실시 형태에서, 단계 (ii)에서 사용되는 냉매와 동일한 냉매로 감지 요소 내의 R22를 대체하는 것을 추가로 포함한다.
일 실시 형태에서, 방법은 충전하는 단계 (ii) 이전에 시스템의 응축기-증발기 회로 내의 모든 밀봉체를 교체하는 단계를 추가로 포함한다.
시스템의 응축기-증발기 회로 내의 밀봉체는 2개의 금속 표면들 또는 피팅들, 및 다른 금속 구성요소, 예컨대 솔레노이드 밸브들, 슈래더(Schraeder) 밸브들, 볼 밸브들, 및 기타의 것들 사이의 계면을 포함하는 시스템 내의 다양한 위치에 배치된다. 밀봉체의 유형은 O-링 또는 개스킷과 같이 단순할 수 있으며, 이들은 전형적으로 매우 다양한 재료, 예컨대 플라스틱, 고무 및 기타 탄성중합체로 제조된다. 몇몇 실시 형태에서, 이들 재료는 네오프렌, 수소화된 니트릴 부타디엔 고무(NBR), 에틸렌 프로필렌 다이엔(ETDM), 실리콘, 및 이들의 혼합물 및 조합이다.
몇몇 실시 형태에서, 응축기-증발기 회로 내에 본 명세서에 설명된 조성물을 수용하기 위해 R22 팽창 밸브 내의 과열도 조절 스프링(Superheat Adjustment Spring)을 조절할 필요는 없다. 다른 실시 형태에서, 응축기-증발기 회로 내에 대체 조성물을 수용하기 위해 과열도 조절 스프링은 21 ㎪ (3 psig) 이하로 (양 또는 음의 방향 중 어느 하나의 방향으로) 조절된다.
당업자는 도면 내의 대상들이 단순함 및 명확함을 위해 도시되어 있으며, 반드시 단지 실시 형태를 축척대로 또는 대표하도록 도시된 것은 아님을 이해할 것이다. 예를 들어, 도면 내의 대상들 중 일부의 치수는 일부 실시 형태의 이해를 증진시키는 것을 돕기 위해 다른 대상에 비해 과장될 수도 있다.
도 1은 전술한 조성물을 사용하는 열전달 시스템의 개략도이다. 이 개략도는 감지 요소(101) 및 감지 벌브(102)에 전술한 조성물을 사용하는 시스템(100)을 도시한다. 냉각되는 온도 제어 구역은 냉각 구역(103)이다. 냉각 구역 내의 내용물은 내용물(104)로 도시되어 있다. 액체 냉매 라인(110)은 팽창 밸브(112)로 진입하고 증발기(114) 내로 유동하며, 여기서 팽창하고 증발되어 흡입 라인(140) 내의 과열 증기(120)로서 증발기를 빠져 나온다. 그러한 시스템의 응축기 및 압축기는 도시되어 있지 않다. 본 명세서에 설명된 일 실시 형태에서, 그러한 시스템은 개장될 수 있으며, 그럼으로써 응축기-증발기 회로 내의 R22는 전술한 냉매 조성물로 대체된다. 팽창 밸브는 변경될 필요가 없을 것이다. 몇몇 실시 형태에서, 과열도 조절 스프링(이하의 도 3 참조)은 ±21 ㎪ (3 psig) 이하로 조절될 것이다.
도 2는 감온식 팽창 밸브를 구비한 냉장 시스템의 개략도이다. 이 도면에서, 액체 냉매(종래 기술에서와 같은 R22, 또는 본 명세서에 설명된 실시 형태에 대해 본 명세서에 설명된 조성물)를 가진 시스템은 액체 냉매를 TXV(212)를 통해 이동시키고, 그럼으로써 냉매는 부분-액체 및 부분-기체 상으로 결합된 증발기(214) 내로 배출되며, 이 경우 부분-액체 및 부분-기체 냉매는 증발기 내로 이동하여, 기체 상으로 증발기로부터 배출되어 흡입 라인(240) 내로 진입한다. 그 후, 기체 상 냉매는 결합된 압축기(250)를 향해 전방으로 그리고 압축기 내로 이동하며, 그럼으로써 냉매는 압축되어 고온 가스 상태로 되돌아간다. 그 후, 냉매는 압 축기로부터 배출되어 결합된 고온 기체 라인(260) 내로 이동하며, 이어서 응축기(270)를 향해 전방으로 그리고 응축기 내로 이동하며, 그럼으로써 기체 냉매는 응축되어 액체 상으로 되돌아간다. 액체 냉매 라인(280)은 액체 냉매를 TXV로 되돌려 보낸다.
도 3은 감지 벌브(202)를 구비한 감지 요소(201)에 결합된 밸브 본체(92) 및 액체 냉매 입구 포트(97)를 포함하는 일 유형의 팽창 밸브의 개략도이다. 감지 벌브(202)는 다이어프램(84)을 구비한 감온식 요소(99)에 결합된 감지 요소(201)의 일부이다. 몇몇 실시 형태에서, 다이어프램은 (도시 안된) 배플(baffle) 시스템으로 대체된다. 감온식 요소(99)가 감지 벌브(202)의 온도 상승을 감지할 때, P1이 다이어프램에 가해져서 다이어프램을 하향으로 가압하고(또한, 본 명세서에 설명된 시스템의 실시 형태에서, 감지 요소는 R22 또는 전술한 조성물들 중 하나를 포함할 수 있음) 감지 모세관(82) 내의 압력을 높여서, 가압 봉(push rod)(98)에 대항하여 가압하며, 그럼으로써 밸브 플러그(96)를 밸브 착좌부(seat)(88)로부터 멀리 가압하게 되어, 액체 냉매가 입구 포트로부터 증발기로 유동하게 한다(모든 가압은 과열도 스프링(94)에 대항함). TXV의 일부 조정이 P3를 증가 또는 감소시킬 수 있는 과열도 조절 나사(90)에 의해 허용된다. 몇몇 실시 형태에서, 과열도 조절 나사(90)는 +/-21 ㎪ (3 psig)의 크기로 P3를 조절하도록 사용될 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 과열도 조절 나사(90)는 +/-21 ㎪ (3 psig) 초과의 크기로 P3를 조절하도록 사용될 수 있다. 부분-액체 부분-기체 냉매는 출구 포트(95)를 통해 밸브 본체(92)를 빠져 나온다. 시스템이 작동하는 동안, 다이어프램(또는 배플)에 가해 진 압력은 P1(감온식 요소(99)의 증기압)이며 P2(내부 평형기(86)를 통한 증발기 압력)와 P3(과열도 조절 스프링(94) 힘과 등가의 압력)의 조합된 압력에 대항한다.
도 4는 노즐 및 분배기를 구비한 감온식 팽창 밸브의 개략도이다. 액체 회로 라인(210)은 감지 요소(101)에 결합된 다이어프램(84)을 구비한 TXV 본체(92)의 입구 포트(97)에 결합된다. TXV 본체(92)는 출구 포트(95)를 구비한다. 출구 포트(95)에는 분배기(207)가 결합된 노즐(205)이 결합된다. 분배기(207)는 2개의 증발기 코일(216)을 구비한 증발기에 결합된 2개의 분배기 출구 포트(209)를 구비한다.
도 5는 R22 및 전술한 조성물들 중 하나를 사용하는 냉매 시스템의 개략도이다. 이 개략도는 감지 요소(101) 및 감지 벌브(102)에 R22를 사용하는 시스템(200)을 도시한다. 이 도면에서, 냉각되는 영역은 온도 제어 구역(203)이다. 온도 제어 구역 내의 내용물은 내용물(204)로 도시되어 있다. 액체 냉매(210)는 R22 팽창 밸브(212)로 진입하고 증발기(214) 내로 유동하며, 여기서 팽창하고 증발되어 과열 증기(220)로서 증발기를 빠져 나와서 흡입 라인(240)으로 유동한다. 몇몇 실시 형태에서, 증발기 내에 전술한 조성물을 수용하기 위해 R22 팽창 밸브를 조절할 필요는 없다. 그러한 시스템의 응축기 및 압축기는 도시되어 있지 않다.
도 6은 R22 및 전술한 조성물 모두를 사용하는 냉매 시스템인 개시된 열전달 시스템의 일 실시 형태인, 다른 실시 형태의 시스템(300)의 개략도이다. 액체 회로 라인(210)은 전술한 조성물을 포함하며, 이는 밸브 입구 배관(33)으로 진입하여 밸브 입구 포트(97)를 통해 팽창 밸브(92) 내로 유동한다. 팽창 밸브(92)는 감지 요소(101)에 결합된 다이어프램(84)을 포함한다. 팽창 밸브는 노즐(205) 및 이에 결합된 분배기(207)를 구비한다. 분배기(207)는 증발기 코일(216)에 결합된 분배기 출구 포트(209)를 구비하고, 여기서 이러한 코일의 일부는 증발기(214)의 외측에 있다. 순환하는 전술한 조성물은 증발기 코일(216)에 진입할 때 2가지 상(액체 및 기체)이며, 증발기(214)를 빠져 나올 때 포화 증기 상태에 도달하고, 이어서 과열을 거쳐서 과열 증기(220)가 된다. 몇몇 실시 형태에서, 전술한 조성물의 과열도는 2.8℃ (5℉) 이하이고; 몇몇 실시 형태에서, 전술한 조성물의 과열도는 3.3℃ (6℉) 이하이며; 몇몇 실시 형태에서, 전술한 조성물의 과열도는 3.9℃ (7℉) 이하이고; 다른 실시 형태에서, 전술한 조성물의 과열도는 4.4℃ (8℉) 이하이며; 몇몇 실시 형태에서, 과열도는 5.6℃ (10℉) 이하이고; 몇몇 실시 형태에서, 전술한 조성물의 과열도는 5.6 내지 8.3℃ (10 내지 15℉)로 유지되며; 다른 실시 형태에서, 전술한 조성물의 과열도는 8.3℃ (15℉) 이하이고; 다른 실시 형태에서, 전술한 조성물의 과열도는 11.1℃ (20℉) 이하이다. 몇몇 실시 형태에서, 과열도는 2.8 내지 5.6℃ (5 내지 10℉)의 과열도로 유지된다.
R22를 포함하는 감지 벌브(102)는 필요할 때 팽창 밸브(92) 내의 다이어프램(84)에 결합된 감지 요소(101) 내의 R22의 압력을 통해 통신되는 과열 증기의 온도를 감지하여, 팽창 밸브(92) 내로 진입하는 전술한 조성물의 유동을 제한하거나 추가의 액체가 유동하게 한다. 과열 증기(220)는 흡입 라인(240) 내로 이동하여 증기 회로 라인(28)과 만난다. 증기 회로 라인(28)은 시스템(300)과 동일하거나 상이할 수 있는 다른 냉장 시스템과 결합된다. 전술한 조성물 중 하나로부터의 증 기는 압축기(70)의 흡입 헤더(29)로 진입한다. 압축기(70)는 동일한 유형이거나 상이할 수 있으며 또는 동일하거나 상이한 부하 용량을 가질 수 있는 함께 작동되는 하나 이상의 압축기(예를 들어, 압축기들의 랙(rack))일 수 있다. 가열된 전술한 조성물 증기를 압축한 후에, 기체는 압축기를 빠져 나와서 증기 회로 라인(74) 내로, 그리고 응축기(도시 안됨)로 이동한다. 공기는 팬 또는 다른 메커니즘(도시 안됨)을 통해 증발기 코일로 통과한다. 증발기 내의 전술한 조성물은 온도 제어 구역(203) 내의 공기를 원하는 공칭 온도로 냉각하며, 내용물(204)을 내용물 온도(190)로 냉각한다. 내용물의 온도는 온도 제어 구역의 온도와 동일하거나 상이할 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 증발기 내에 전술한 조성물을 수용하기 위해 ±21 ㎪ (3 psig) 이하의 R22 팽창 밸브의 조절이 요구된다.
도 7은 본 명세서에 설명된 열전달 시스템의 일 실시 형태를 따라 R22 및 전술한 조성물을 사용하는 냉매 시스템의 다른 실시 형태인 시스템(400)의 개략도이다. 이러한 시스템은 시스템(200, 300)보다 더 큰 시스템이며, 응축기(80)로부터 이어진 액체 냉매 트렁크 라인(82)을 공유하면서 함께 결합된 15개의 시스템(200)의 예시이다. 또한, 시스템(400)은 3개 이상의 액체 냉매 회로 라인(210)을 구비하며, 이들 각각에는 적어도 5개의 시스템(200)이 결합된다. 각각의 시스템(200)은 출구 라인(20)을 구비하며, 이 출구 라인은 다수의 증기 회로 라인(28) 중 하나에 결합되고 이어서 흡입 라인(240)에 결합된다. 흡입 라인은 흡입 헤더(29)에 결합되며, 이는 이어서 압축기(70)에 결합된다. 압축기(70)는 단일 압축기일 수 있거나, 또한 병렬로 또는 직렬로 작동하는 2개 이상의 압축기의 랙일 수 있다. 몇 몇 실시 형태에서, 시스템은 20개만큼 많은 온도 제어 구역이 결합된 적어도 4개의 회로라인 및 적어도 4개의 압축기를 구비할 수 있다.
각각의 온도 제어 구역은 하나 초과의 증발기 각각에 의해 냉각될 수 있다. 몇몇 시스템에서는, 모든 TXV가 분배기를 구비하는 것은 아니다. 또한, 몇몇 시스템에서, 일부 TXV는 분배기를 구비할 것이며, 나머지는 그렇지 않을 것이다. 몇몇 실시 형태에서, 증발기 내에 전술한 조성물을 수용하기 위해 R22 팽창 밸브를 조절할 필요는 없다.
도 8은 본 명세서에 설명된 냉장 시스템의 일 실시 형태에 대한 냉장 시스템의 개략도이다. 이러한 시스템은 오일 분리기(280) 및 수용기(290)의 추가 사용을 예시한다. 몇몇 실시 형태에서, 증발기 내에 전술한 조성물을 수용하기 위해 R22 팽창 밸브를 조절할 필요는 없다.
도 9는 본 명세서에 설명된 냉장 시스템의 일 실시 형태에 대한 냉장 시스템의 개략도이다. 이러한 시스템은 과냉기(270)의 추가 사용을 예시한다. 몇몇 실시 형태에서, 증발기 내에 전술한 조성물을 수용하기 위해 R22 팽창 밸브를 조절할 필요는 없다.
도 10은 만액식 칠러 시스템의 개략도이며, 여기서 액체 냉매 조성물은 증발기(214) 내에 있고, 그러한 칠러는 본 명세서에 설명된 순환하는 증기 조성물을 갖는다. 증기 냉매는 증발기로부터 흡입 라인(140)을 통해 압축기(70)로 순환한다. 그 후, 압축기는 증기 냉매 라인(120)을 통해 응축기(80)에 결합된다.
도 11은 감온식 팽창 밸브에 결합된 외부 평형기(600)의 개략도이다. 외부 평형기(600)는 증발기 출구 라인(20)에 연결된다(도 6 참조). 증발기 압력(P2)은 외부 평형기를 통해 다이어프램(84)의 하부로 전달된다. 이러한 실시 형태를 보다 잘 이해하기 위해, 외부 평형기(P2)는 내부 평형기(86)(도 3 참조)와 대비될 수 있다.
도 12는 본 발명의 냉매 조성물을 이용하는 직접 팽창식 증발기 칠러의 개략도이다.
본 명세서에서 설명된 개념은 청구의 범위에서 기술되는 본 발명의 범주를 제한하지 않는, 하기의 실시예에서 추가로 설명될 것이다.
열량계 성능 데이터
-31.7℃ (-25℉)의 증발기 온도(저온 냉장 조건에 대한 평가 조건)에서의 열량계 데이터.
하기에 규정된 조건에 대해 문헌[Air-conditioning & Refrigeration Institute (ARI) Standard 540-2004)]에 설명된 바와 같이 냉장 성능을 시험하였다:
Figure 112009044949542-PCT00001
냉각 용량 및 에너지 효율(EER)은 R22와 비교하여 본 명세서에 설명된 바와 같은 조성물에 대해 하기 표에 제공되어 있다. 열량계 성능 데이터는 R22 용량 및 EER에 대한 디스커스(discus) 및 왕복 압축기 평가 시트에 기초하였다. 두 경우 모두에서, 본 발명의 조성물(실시예)에 대한 실험실 시스템의 실험실 열량계 데이터는 스크롤 압축기에서 측정하여 디스커스 및 왕복 압축기 평가 시트의 R22 용량/EER 값에 기초하여 R22 성능과 비교하였다.
실시예 조성물은 하기와 같다:
Figure 112009044949542-PCT00002
Figure 112009044949542-PCT00003
-6.7℃ (20℉)의 증발기 온도(중온 냉장 응용에 대한 평가 조건)에서의 열량계 데이터.
하기에 규정된 조건에 대해 문헌[Air-conditioning & Refrigeration Institute (ARI) Standard 540-2004]에 설명된 바와 같이 냉장 성능을 시험하였다:
Figure 112009044949542-PCT00004
냉각 용량 및 에너지 효율(EER)은 R22와 비교하여 본 명세서에 설명된 바와 같은 조성물에 대해 하기 표에 제공되어 있다. 열량계 성능 데이터는 R22 용량 및 EER에 대한 디스커스 및 왕복 압축기 평가 시트에 기초하였다. 두 경우 모두에서, 본 발명의 조성물(실시예)에 대한 실험실 시스템의 실험실 열량계 데이터는 스크롤 압축기에서 측정하여 디스커스 및 왕복 압축기 평가 시트의 R22 용량/EER 값에 기초하여 R22 성능과 비교하였다.
실시예 조성물은 하기와 같다:
Figure 112009044949542-PCT00005
Figure 112009044949542-PCT00006
가연성
가연성은 문헌[ASHRAE Standard 34-2004]에 제시된 바와 같이 ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc)에 의한 냉매 분류에 대해 결정될 수 있다. "Al" 등급을 얻기 위해서는, 냉매는 액체 및 증기 상 둘 모두에서 비-독성 및 비-가연성이어야 한다. 가연성에 대한 최악의 경우의 제형(worst case of formulation for flammability, WCF)은 냉매 성분들의 주어진 혼합물에 있어서 성분들의 가연성을 가장 높게 하는 농도로 이어지는 조성 허용오차(composition tolerance)를 포함하는 공칭 제형(nominal formulation)이다. 증기 및 액체 상에서, 문헌[ASHRAE Standard 34-2004]에서 확인되는 바와 같이 가연성 성분(들)의 최고 농도로 이어지는 WCF의 분획화 동안 생성되는 조성물이 가연성에 대한 최악의 경우의 분획물(worst case of fractionation for flammability, WCFF)이다. 이는 또한 "AI" 등급을 얻기 위해 비-가연성이어야 한다.
R125, R134a, R32, 및 탄화수소를 포함하는 조성물에 대한 가연성의 평가는 전체 등가 탄화수소(total equivalent hydrocarbon, TEH) 값(TEH = 중량% 탄화수소 + 0.10* 중량% R32)을 계산함으로써 확인된다. 소정량의 R125를 포함하는, 본 명세서에 설명된 것과 같은 조성물에 대한 "TEH" 값은 미국 특허 제6,783,691호에 명시되어 있다. 약 60 중량%의 R125를 포함하는 조성물의 경우, TEH는 조성물이 비-가연성이 되도록 하기 위해 4.7% 이하이어야 한다. 하기의 표는 WCF(전술한 조성물에 기초함)와 WCFF, 및 당업계에서 확인되는 다른 조성물과 비교하여 표 1에 열거된 실시예 조성물에 대한 TEH 값을 보여준다(ASHRAE에 의해 지정된 바와 같이 비등점보다 10℃ 높도록 모두 -33℃임).
Figure 112009044949542-PCT00007
실시예 조성물 WCFF에 대한 TEH가 4.7% 미만이라는 것은 이러한 조성물이 비-가연성이라는 것을 나타낸다. 또한, 비교예 조성물 WCFF에 대한 TEH 값이 4.7% 초과라는 것은 이 조성물이 가연성이라는 것을 나타낸다.
증기 누설의 영향
23℃의 온도에서 초기 조성물로 용기를 충전하고, 조성물의 초기 증기압을 측정한다. 초기 조성물의 50 중량%가 제거될 때까지 온도를 일정하게 유지하면서 조성물이 용기로부터 누출되게 하고, 이때 용기 내에 남아 있는 조성물의 증기 압력을 측정한다. 계산한 결과가 표 4에 나타나 있다.
Figure 112009044949542-PCT00008
본 발명의 조성물의 경우에 원래 조성물과 50 중량%가 제거된 후에 남아 있는 조성물 사이의 증기압 차이는 약 10% 미만이다. 이는 본 발명의 조성물이 공비-유사 조성물일 것임을 나타낸다.

Claims (45)

  1. 중량%로 표시된 하기의 성분, 즉,
    7.0 내지 9.0 중량%의 다이플루오로메탄;
    39.0 내지 50.0 중량%의 펜타플루오로에탄;
    39.0 내지 50.0 중량%의 1, 1, 1, 2 테트라플루오로에탄; 및
    1.9 내지 2.5 중량%의 탄화수소 - 상기 탄화수소는 본질적으로 1.5 내지 1.8 중량%의 n-부탄, 및 0.4 내지 0.7 중량%의 아이소펜탄 또는 0.4 내지 0.7 중량%의 n-펜탄으로 이루어짐 -
    를 포함하는 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    7.0 내지 9.0 중량%의 다이플루오로메탄;
    42.0 내지 49.0 중량%의 펜타플루오로에탄;
    42.0 내지 49.0 중량%의 1, 1, 1, 2 테트라플루오로에탄;
    1.9 내지 2.5 중량%의 탄화수소 - 상기 탄화수소는 본질적으로 1.5 내지 1.8 중량%의 n-부탄, 및 0.4 내지 0.7 중량%의 아이소펜탄 또는 0.4 내지 0.7 중량%의 n-펜탄으로 이루어짐 -
    를 포함하는 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    7.0 내지 9.0 중량%의 다이플루오로메탄;
    43.5 내지 47.5 중량%의 펜타플루오로에탄;
    42.7 내지 45.7 중량%의 1, 1, 1, 2 테트라플루오로에탄;
    2.1 내지 2.5 중량%의 탄화수소 - 상기 탄화수소는 본질적으로 1.5 내지 1.8 중량%의 n-부탄, 및 0.4 내지 0.7 중량%의 아이소펜탄 또는 0.4 내지 0.7 중량%의 n-펜탄으로 이루어짐 -
    를 포함하는 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    7.0 내지 9.0 중량%의 다이플루오로메탄;
    43.5 내지 47.5 중량%의 펜타플루오로에탄;
    42.7 내지 45.7 중량%의 1, 1, 1, 2 테트라플루오로에탄;
    1.9 내지 2.5 중량%의 탄화수소 - 상기 탄화수소는 본질적으로 1.5 내지 1.8 중량%의 n-부탄, 및 0.4 내지 0.7 중량%의 아이소펜탄 또는 0.4 내지 0.7 중량%의 n-펜탄으로 이루어짐 -
    를 포함하는 조성물.
  5. 중량%로 표시된 하기의 성분, 즉,
    10.0 내지 17.0 중량%의 다이플루오로메탄;
    54.0 내지 61.0 중량%의 펜타플루오로에탄;
    23.0 내지 30.0 중량%의 1, 1, 1, 2 테트라플루오로에탄; 및
    2.3 내지 3.1 중량%의 탄화수소 - 상기 탄화수소는 본질적으로 2.0 내지 2.5 중량%의 n-부탄, 및 0.3 내지 0.6 중량%의 아이소펜탄 또는 0.3 내지 0.6 중량%의 n-펜탄으로 이루어짐 -
    를 포함하는 증기 열전달 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 퍼플루오로폴리에테르를 추가로 포함하는 조성물.
  7. 제6항에 있어서, 퍼플루오로폴리에테르는 조성물의 약 0.1 중량% 내지 약 3 중량%인 조성물.
  8. 제5항에 있어서, 퍼플루오로폴리에테르는 조성물의 약 0.01 중량% 내지 약 1.5 중량%인 증기 열전달 조성물.
  9. 냉각되는 본체 부근에서 제1항 내지 제4항의 조성물들 중 하나를 증발시키고 그 후 냉각되는 본체로부터 이격된 상기 조성물을 응축시키는 단계를 포함하는 냉장 생성 방법.
  10. 가열되는 본체 부근에서 제1항 내지 제4항의 조성물들 중 하나를 응축시키고 그 후 가열되는 본체로부터 이격된 상기 조성물을 증발시키는 단계를 포함하는 열 생성 방법.
  11. 공조기, 냉동기, 냉장고, 워터 칠러(water chiller), 출입형 냉각기(walk-in cooler), 히트 펌프, 및 이동형 냉장 및 공조 응용으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 제1항의 조성물을 포함하는 열교환 시스템.
  12. 적어도 하나의 온도 제어 구역에 결합될 수 있는 열전달 시스템으로서,
    상기 시스템의 요소들에는,
    (i) 적어도 하나의 액체 냉매 라인;
    (ii) R22 또는 제1항의 조성물과 함께 사용하기에 적합한 적어도 하나의 팽창 밸브;
    (iii) 적어도 하나의 증발기;
    (iv) 적어도 하나의 압축기;
    (v) 적어도 하나의 응축기;
    (vi) 적어도 하나의 증기 냉매 라인
    이 포함되며;
    상기 모든 요소들은 입구측 및 출구측을 갖고, 상기 요소 (i) 내지 (vi)는 함께 유체 연통되며 제1항의 조성물을 포함하고; 상기 시스템은 2개의 단부를 갖는 적어도 하나의 감지 요소를 추가로 포함하며, 여기서 하나의 단부는 적어도 하나의 증발기의 출구측에 연통가능하게 결합되고 하나의 단부는 적어도 하나의 팽창 밸브에 연통가능하게 결합되며, 상기 적어도 하나의 감지 요소는 R22가 응축기-증발기 회로에 사용될 때 사용하기에 적합한 유체를 포함하는 열전달 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 분배기를 구비하는 적어도 하나의 팽창 밸브를 추가로 포함하는 열전달 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 적어도 하나의 압축기는 적어도 하나의 응축기로부터 4.6 m (15 피트) 이상의 거리에 위치되는 열전달 시스템.
  15. 제12항에 있어서, 적어도 하나의 응축기는 적어도 하나의 증발기로부터 이격되어 위치되는 열전달 시스템.
  16. 제12항에 있어서, 시스템은 온도 제어 구역으로 또는 그로부터 열을 운반하기 위해 공기를 사용하는 열전달 시스템.
  17. 제12항에 있어서, 적어도 하나의 온도 제어 구역은 성에제거 사이클을 제외하면, 실질적으로 -15℃ (+5℉) 이하에서 유지되는 열전달 시스템.
  18. 제12항에 있어서, 적어도 하나의 온도 제어 구역은 성에제거 사이클을 제외 하면, 실질적으로 7.2℃ (+45℉) 이하에서 유지되는 열전달 시스템.
  19. 제12항에 있어서, 시스템 내의 적어도 하나의 증발기는 약 -40 내지 약 4.4℃ (약 -40 내지 약 +40℉)의 온도로부터 선택되는 평균 작동 온도를 갖는 열전달 시스템.
  20. 제12항에 있어서, 적어도 하나의 온도 제어 구역은 15.6 내지 약 26.7℃ (60℉ 내지 약 80℉)에서 유지되는 열전달 시스템.
  21. 제12항에 있어서, 온도 제어 구역을 조절하도록 작동되는 시스템은 냉장고, 조제 식품 케이스, 농산물 진열 케이스, 출입형 냉각기, 히트 펌프, 냉동기, 및 공조기와, 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 장치인 열전달 시스템.
  22. 제12항에 있어서, 시스템은 11.1℃ (20℉) 이하의 과냉도(subcooling)로 작동되는 열전달 시스템.
  23. 제12항에 있어서, 액체 회로 라인을 추가로 포함하며, 상기 액체 회로 라인은 길이가 1.5 m (5 피트) 이상인 열전달 시스템.
  24. 제12항에 있어서, 액체 트렁크 라인을 추가로 포함하며, 상기 액체 트렁크 라인은 길이가 6.1 m (20 피트) 이상인 열전달 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 증기 회로 라인을 추가로 포함하며, 상기 증기 회로 라인은 길이가 6.1 m (20 피트) 이상인 열전달 시스템.
  26. 제12항에 있어서, 시스템은 적어도 2개의 온도 제어 구역, 적어도 2개의 팽창 밸브 및 적어도 2개의 증발기를 포함하는 열전달 시스템.
  27. 제12항에 있어서, 시스템은 액체 트렁크 라인, 액체 회로 라인, 증기 회로 라인 및 흡입 라인을 추가로 포함하며, 시스템 내의 라인들의 전체 길이는 12 m (40 피트) 이상인 열전달 시스템.
  28. 제12항에 있어서, 시스템은 액체 트렁크 라인, 액체 회로 라인, 증기 회로 라인 및 흡입 라인을 추가로 포함하며, 시스템 내의 라인들의 전체 길이는 18.3 m (60 피트) 이상인 열전달 시스템.
  29. 제12항에 있어서, 시스템은 액체 트렁크 라인, 액체 회로 라인, 증기 회로 라인 및 흡입 라인을 추가로 포함하며, 시스템 내의 라인들의 전체 길이는 36.6 m (120 피트) 이상인 열전달 시스템.
  30. 제12항에 있어서, 시스템은 액체 트렁크 라인, 액체 회로 라인, 증기 회로 라인 및 흡입 라인을 추가로 포함하며, 시스템 내의 라인들의 전체 길이는 305 m (1000 피트) 이상인 열전달 시스템.
  31. 제12항에 있어서, 시스템은 0.3 ㎾ (1,000 BTU/시) 이상에서 작동되도록 등급이 정해진 열전달 시스템.
  32. 제12항에 있어서, 시스템은 14.7 ㎾ (50,000 BTU/시) 이상에서 작동되도록 등급이 정해진 열전달 시스템.
  33. 제12항에 있어서, 시스템은 29.3 ㎾ (100,000 BTU/시) 이상에서 작동되도록 등급이 정해진 열전달 시스템.
  34. 적어도 하나의 증발기, 적어도 하나의 분배기, 적어도 하나의 R22 적합 팽창 밸브, 및 R22가 응축기-증발기 회로에 사용될 때 사용하기에 적합한 유체를 갖는 적어도 하나의 감지 요소를 구비하는 냉장고, 출입형 냉각기, 칠러, 농산물 진열 케이스, 냉동기 또는 공조기 장비에 있어서,
    개선점은 응축기-증발기 회로에서 제1항의 냉매와 조합되는 R22 적합 감지 요소를 구비하는 것인 냉장고, 출입형 냉각기, 칠러, 농산물 진열 케이스, 냉동기 또는 공조기 장비.
  35. 시스템의 응축기-증발기 회로 내에 R22를 갖고, R22 팽창 밸브를 구비하며, R22가 응축기-증발기 회로에 사용될 때 사용하기에 적합한 유체를 갖는 감지 요소를 구비하는 열전달 시스템을 개장하는 방법으로서,
    (i) 시스템의 응축기-증발기 회로로부터 R22를 제거하는 단계; 및
    (ii) R22의 포화 증기압과 실질적으로 동일한 포화 증기압을 가지며 냉각 용량이 R22의 90% 이상이고 밸브 로딩 용량을 상기 R22 팽창 밸브의 130% 초과로 증가시키지 않는 대체 조성물로 시스템의 응축기-증발기 회로를 충전하는 단계
    를 포함하는, 열전달 시스템을 개장하는 방법.
  36. 제35항에 있어서, 시스템의 응축기-증발기 부분 내의 모든 밀봉체를 교체하는 단계를 추가로 포함하는, 열전달 시스템을 개장하는 방법.
  37. 제35항에 있어서, 단계 (ii)에서 오존 파괴 지수가 0인 대체 냉매를 사용하는 단계를 추가로 포함하는, 열전달 시스템을 개장하는 방법.
  38. 제35항에 있어서, 지구 온난화 지수가 2300 미만인 대체 냉매를 사용하는 단계를 추가로 포함하는, 열전달 시스템을 개장하는 방법.
  39. 제35항에 있어서, 대체 냉매를 사용하는 단계를 추가로 포함하며, 단계 (ii) 의 충전하는 냉매로서 제1항의 조성물을 사용하는 것을 포함하는, 열전달 시스템을 개장하는 방법.
  40. 제35항에 있어서, 단계 (ii)에서 사용되는 냉매와 동일한 냉매로 감지 요소 내의 유체를 대체하는 단계를 추가로 포함하는, 열전달 시스템을 개장하는 방법.
  41. 제35항에 있어서, 제1항에 포함된 조성물로 감지 요소 내의 유체를 대체하는 단계를 추가로 포함하는, 열전달 시스템을 개장하는 방법.
  42. 제35항에 있어서, 제1항의 조성물에 대해 선택된 팽창 밸브로 상기 팽창 밸브를 대체하는 단계를 추가로 포함하는, 열전달 시스템을 개장하는 방법.
  43. 적어도 하나의 온도 제어 구역에 결합될 수 있는 냉장 또는 공조 시스템으로서,
    상기 시스템의 요소들에는,
    (i) 적어도 하나의 액체 냉매 라인;
    (ii) 감온식 팽창 밸브, 전자 팽창 밸브, 자동 팽창 장치, 모세관 밸브, 부유형(float-type) 팽창 밸브, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되며 제1항의 조성물과 함께 사용하도록 선택되는 적어도 하나의 계량 장치;
    (iii) 적어도 하나의 증발기;
    (iv) 적어도 하나의 압축기;
    (v) 적어도 하나의 응축기;
    (vi) 적어도 하나의 증기 냉매 라인
    이 포함되며;
    상기 모든 요소들은 입구측 및 출구측을 갖고, 상기 요소 (i) 내지 (vii)는 함께 유체 연통되며 제1항의 조성물 또는 R22를 포함하고; 상기 시스템은 2개의 단부를 갖는 감지 요소를 추가로 포함하며, 여기서 감지 요소의 하나의 단부는 증발기의 출구측에 연통가능하게 결합되고 다른 하나의 단부는 감지 요소 내에 제1항의 조성물을 갖는 적어도 하나의 팽창 밸브에 연통가능하게 결합되는 냉장 또는 공조 시스템.
  44. 제43항에 있어서, 적어도 하나의 계량 장치는 R22와 함께 사용되도록 선택되는 적어도 하나의 감온식 팽창 밸브인 냉장 또는 공조 시스템.
  45. 제43항에 있어서, 적어도 하나의 계량 장치는 적어도 2개의 감온식 팽창 밸브 및 2개의 감지 요소를 포함하며, 적어도 하나의 팽창 밸브는 R22와 함께 사용되도록 선택되고, 하나의 감지 요소는 R22가 응축기-증발기 회로에 사용될 때 사용하기에 적합한 유체를 포함하며, 적어도 하나의 다른 감지 요소는 제1항의 조성물을 포함하는 냉장 또는 공조 시스템.
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