KR20100016135A - 폴리올 및 이온성 액체의 혼합물을 사용하는 열전달 시스템 - Google Patents

폴리올 및 이온성 액체의 혼합물을 사용하는 열전달 시스템 Download PDF

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KR1020097022889A
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아키미치 요코제키
마크 브랜든 쉬플렛
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이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
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Abstract

열에너지 전달 시스템은 하나 이상의 폴리올, 예를 들어 1,3-프로판다이올 및 하나 이상의 이온성 액체를 포함하는 조성물을 열에너지 전달 조성물로서 사용한다. 이러한 조성물을 사용하여 열에너지를 전달하는 방법, 및 냉각 또는 가열과 같은 온도 조절 방법이 또한 제공된다.
열에너지, 전달 장치, 냉매, 폴리올, 이온성 액체

Description

폴리올 및 이온성 액체의 혼합물을 사용하는 열전달 시스템{Heat Transfer Systems Using Mixtures of Polyols and Ionic Liquids}
본 출원은 모든 점에서 본 출원의 일부로서 전체적으로 참고로 포함된 2007년 4월 3일 출원된 미국 가특허 출원 제60/921,585호의 이득을 주장한다.
본 발명은 이온성 액체를 포함하는 혼합물이 열에너지 전달 조성물로서 사용되는 열에너지 전달 시스템에 관한 것이다.
측정불가한 증기압을 갖는 새로운 유형의 용매로서, 실온 이온성 액체가 화학적 분리 및 독특한 반응 매질과 같은 다양한 용도를 위해 연구되고 있다. 이온성 액체를 사용하는 몇몇 공정, 예를 들어, 바스프(BASF, 독일 루드비히샤펜 소재)로부터의 바질(BASIL™) 산 제거 기술(acid scavenging technology)이 상업화되었다.
열용량, 열전도도, 밀도, 열안정성, 증기압 및 융점과 같은 열 특성이 몇몇 이온성 액체에 대해 측정되었다 (예를 들어, 문헌[Van Valkenburg et al, "Thermochemistry of Ionic Liquid Heat-Transfer Fluids", Thermochimica Acta, 2005, 181-188] 참조). 그러나, 이온성 액체의 한 가지 단점은 대부분의 이온성 액체의 점도가 상대적으로 높아서 열에너지 전달 유체로서 이온성 액체를 사용할 기회가 감소된다는 점이다.
따라서, 이온성 액체를 열에너지 전달 목적을 위해 사용할 수 있는 시스템 및 방법이 여전히 필요하게 된다. 본 발명자들은 폴리올, 예를 들어, 1,3-프로판다이올과 이온성 액체의 혼합물이 열에너지 전달 조성물로서 사용하기에 적합하다는 것을 밝혀냈다.
개요
본 발명은 이온성 액체 및 폴리올을 포함하는 열에너지 전달 조성물, 및 그러한 조성물을 사용하는 열에너지 전달을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
일 실시 형태에서, 열에너지 전달 조성물은 폴리올로서의 1,3-프로판다이올 및 적어도 하나의 이온성 액체를 포함하는 혼합물일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 열에너지 전달 조성물은 폴리올로서의 1,3-프로판다이올 및 적어도 하나의 이온성 액체를 포함할 수 있는 혼합물일 수 있으며, 여기서 이온성 액체는 본 명세서에 기재된 바와 같이 피리디늄, 피리다지늄, 피리미디늄, 피라지늄, 이미다졸륨, 피라졸륨, 티아졸륨, 옥사졸륨 및 트라이아졸륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 양이온을 포함한다. 열에너지 전달 조성물은 1차 냉각제(coolant) 또는 2차 냉각제로서 작용할 수 있다. 폴리올 외에도, 열에너지 전달 조성물은 추가적인 냉각제, 또는 부식 억제제 및 윤활제와 같은 첨가제를 포함할 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시 형태는 폴리올 및 적어도 하나의 이온성 액체를 혼합물로 포함하는 열에너지 전달 조성물을 포함하는 열에너지 전달용 장치를 포함한다.
다른 실시 형태에서, 본 발명은 유체가 내외부로 유동하는 제1 챔버 및 열에너지 전달 조성물이 내외부로 유동하는 제2 챔버를 포함하는 열에너지 전달 장치를 제공하는데, 여기서 각각의 챔버는 하나 이상의 벽을 갖고, 유체와 열에너지 전달 조성물은 챔버들 중 어느 한 챔버의 벽 또는 양 챔버에 공통인 벽에 의해서 분리되며, 유체와 열에너지 전달 조성물의 각각의 온도는 동일하지 않으며, 열에너지 전달 조성물은 폴리올 및 이온성 액체를 포함한다.
추가 실시 형태에서, 본 발명은 고형 물체, 유체 또는 이 유체를 포함하는 챔버를 열에너지 전달 조성물과 접촉시킴으로써 열에너지를 전달하는 방법을 제공하는데, 여기서 고형 물체 또는 유체는 제1 온도를 가지고, 열에너지 전달 조성물은 제2 온도를 가지며, 제1 온도와 제2 온도는 동일하지 않고, 열에너지 전달 조성물은 폴리올 및 이온성 액체를 포함한다.
전술한 실시 형태에서, 본 발명에 사용하기 적합한 폴리올은 1,3-프로판다이올이다.
본 발명의 또 다른 실시 형태는 (a) 냉매(refrigerant) 및 흡수제의 혼합물을 형성하는 흡수기(absorber); (b) 흡수기로부터 혼합물을 수용하고, 혼합물을 가열하여 흡수제로부터 냉매를 증기 형태로 분리하고, 냉매 증기의 압력을 증가시키는 발생기(generator); (c) 발생기로부터 증기를 수용하고 증기를 압력 하에 액체로 응축하는 응축기(condenser); (d) 응축기를 떠난 액체 냉매를 통과시켜 액체의 압력을 감소시켜서 액체 및 증기 냉매의 혼합물을 형성하는 감압 장치(pressure reduction device); (e) 냉매 증기를 형성하기 위해, 감압 장치를 통과한 액체 및 증기 냉매의 혼합물을 수용하여 잔류 액체를 증발시키는 증발기(evaporator); 및 (f) 증발기를 떠난 냉매 증기를 다시 흡수기로 보내는 도관(conduit)을 포함하는 온도 조절용 장치를 제공한다.
이러한 장치는 가열할 물체, 매질 또는 공간에 근접하게 응축기를 위치시켜 가열하는 데 사용할 수 있거나, 또는 이 장치는 냉각할 물체, 매질 또는 공간에 근접하게 증발기를 위치시켜 냉각하는 데 사용할 수 있다.
추가 실시 형태에서, 본 발명은 (a) 냉매 증기를 흡수제로 흡수하여 혼합물을 형성하는 단계; (b) 혼합물을 가열하여 흡수제로부터 냉매를 증기 형태로 분리하고 냉매 증기의 압력을 증가시키는 단계; (c) 냉매 증기를 압력 하에 액체로 응축시키는 단계; (d) 액체 냉매의 압력을 감소시키고, 냉매를 증발시켜 냉매 증기를 형성하는 단계; 및 (e) 단계 (a)를 반복하여 흡수제로 냉매 증기를 재흡수하는 단계에 의해서, 물체, 매질 또는 공간의 온도를 조절하는 방법을 제공한다.
전술한 방법의 실시 형태에서, 본 방법에 의해 수행되는 온도 조절은 온도의 증가일 수 있으며, 이를 위해, 가열할 물체, 매질 또는 공간에 근접하여 냉매 증기를 액체로 응축시키거나; 또는 본 방법에 의해 수행되는 온도 조절은 온도의 감소일 수 있으며, 이를 위해, 냉각할 물체, 매질 또는 공간에 근접하여 액체 냉매를 증발시킨다.
상기한 바와 같은 실시 형태에서, 1,3-프로판다이올과 같은 폴리올을 냉매로서 사용할 수 있고, 이온성 액체를 흡수제로서 사용할 수 있다.
도 1은 (a) 단순 흡수식 냉동 사이클의 실행을 위한 기계 또는 장치의 구성요소, 및 (b) 이러한 사이클의 공정 단계의 개략도.
도 2는 증기/액체 평형("VLE") 또는 증기/액체/액체 평형("VLLE")을 결정하기 위해 실시예에 사용된 시험 장치의 개략도 (여기서, i = 1, 하부 액체상; i = 2, 상부 액체상; i = 3, 증기상; h1, 하부 액체상의 높이; h2, 상부 액체상의 높이; (A)는 스웨즈락(Swagelok)(등록상표) 밸브이고, (B)는 스웨즈락(등록상표) 압축 피팅이고; (C)는 테플론(Teflon)(등록상표) 플루오로중합체 o-링이고; (D)는 외부 튜브가 폴리카르보네이트 실드(shield)이고 내부 튜브가 붕규산 유리임).
도 3은 일 군의 샘플에 대한 VLE 또는 VLLE를 결정하기 위해 실시예에 사용된 샘플 홀더 및 혼합 장치의 개략도 (여기서, 본 장치는 항온조 내에 직립한 자세이고, (A)는 로킹 운동(rocking motion)을 위한 모터 드라이브(motor drive)이고; (B)는 항온조이고; (C)는 로킹 샘플 튜브 홀더이고; (D)는 샘플 튜브이고; (E)는 관찰창임).
도 4는 1,3-프로판다이올 + [bmim][PF6]; 1,3-프로판다이올 + [bmim][BF4]; 및 1,3-프로판다이올 + [emim][BF4]에 대한 온도-조성물 상 다이어그램 (여기서, 선: 추세선; 마름모: 1,3-프로판다이올 + [bmim][PF6]에 대한 VLLE 측정치; 정사각형: 1,3-프로판다이올 + [emim][BF4]에 대한 VLLE 측정치; 삼각형: [bmim][BF4]에 대한 VLLE 측정치임).
본 발명은 이온성 액체 및 폴리올을 포함하는 열에너지 전달 조성물, 및 그러한 조성물을 사용하는 열에너지 전달을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명의 설명시, 하기 정의 체계가 명세서의 다양한 위치에 사용되는 소정의 용어를 위해 제공된다:
"알칸"은 직쇄, 분지형 또는 환형일 수 있는, 일반식이 CnH2n+2인 포화 탄화수소를 말한다. 환형 화합물은 최소 3개의 탄소를 필요로 한다.
"알켄"은 직쇄, 분지형 또는 환형일 수 있는, 하나 이상의 C=C 이중 결합을 포함하는 불포화 탄화수소를 말한다. 알켄은 최소 2개의 탄소를 필요로 한다. 환형 화합물은 최소 3개의 탄소를 필요로 한다.
"방향족"은 벤젠 및 화학적 거동이 벤젠과 비슷한 화합물을 말한다.
"플루오르화 이온성 액체"는 양이온 또는 음이온 상에 적어도 하나의 불소를 갖는 이온성 액체로서 정의된다. "플루오르화 양이온" 또는 "플루오르화 음이온"은 각각 적어도 하나의 불소를 포함하는 양이온 또는 음이온이다.
"헤테로아릴"은 헤테로원자를 갖는 알킬기를 말한다.
"헤테로원자"는 알칸일, 알켄일, 환형 또는 방향족 화합물의 구조 내의 탄소 이외의 원자이다.
"이온성 액체"는 약 100℃ 이하에서 유체 상태인 유기염으로서 정의된다.
"냉매"는 열에너지 전달 매체(vehicle)로서 사용될 수 있는 폴리올 (예컨대, 1,3-프로판다이올)과 같은 유동성 물질이다. 냉매는 액체로부터 증기로 상이 변화할 때(증발할 때) 주변으로부터 열을 제거하며, 증기로부터 액체로 상이 변화할 때(응축할 때) 주변에 열을 부가한다. 용어 냉매는 냉각을 위해서만 사용되는 물질을 함축할 수 있지만, 이 용어는 가열 또는 냉각을 위해 사용할 수 있는 시스템 또는 장치에 사용하기 위해 적용할 수 있는 열에너지 전달 매체 또는 물질의 일반적인 의미로 본 명세서에서 사용된다.
"냉매 쌍"(refrigerant pair), "냉매/흡수제 쌍" 및 "냉매/이온성 액체 쌍"은 서로 교환가능하게 사용되며, 냉매 및 흡수제 둘 모두가 존재할 필요가 있는 흡수식 사이클 - 여기서, 흡수제는 냉매를 흡수함 - 의 작동에 사용하기 적합한 혼합물을 말한다. 다른 부분에서 언급되는 바와 같이, 본 명세서에서의 흡수제는 이온성 액체일 수 있다. "냉매 쌍 조성물"은 냉매 쌍, 냉매/흡수제 쌍, 또는 냉매/이온성 액체 쌍을 포함하는 조성물이다.
"진공"은 흡수식 사이클에서의 실제 사용을 위한 약 100 ㎪ (1 bar) 미만이지만 약 0.01 ㎪ (10-4 bar) 초과인 압력을 말한다.
본 발명은 폴리올 및 적어도 하나의 이온성 액체를 포함하는 조성물을 열에너지 전달 조성물로서 사용하는 열에너지 전달용 시스템을 제공한다. 열에너지 전달 시스템은 제1 온도를 갖는 어느 하나의 물체, 매질 및/또는 공간과 상이한 제2 온도를 갖는 다른 물체, 매질 및/또는 공간 사이의 열에너지의 전달을 촉진하는 장치, 기계 및/또는 설비를 제공한다. 따라서, 열에너지 전달 시스템은 가열 또는 냉각용으로 사용할 수 있다.
열에너지는 열에너지 전달 시스템 내에서, 예를 들어, 전도 및/또는 대류 과정에 의해 전달될 수 있다. 열교환기를 사용하는 산업적 응용에서는, 예를 들어, 상이한 온도의 2가지 유체가 그들 사이의 전도성 배리어(barrier)(예를 들어, 튜브 벽)와 접촉하여 위치하며, 유체들이 동일한 온도 수준에 도달할 때까지 열에너지는 더 높은 온도의 유체로부터 전도성 배리어를 통해 더 낮은 온도의 유체로 전달된다.
열에너지 전달을 위한 구동력은 어느 하나의 물체, 매질 또는 공간과 다른 물체, 매질 또는 공간 사이의 온도 차이이며, 이 온도 차이가 클수록 열에너지가 그들 사이에 흐르는 속도가 더 커진다. 중요한 다른 인자는 어느 하나의 물체, 매질 또는 공간이 다른 물체, 매질 또는 공간, 또는 그들 사이의 공통 배리어와 접촉할 수 있는 영역의 크기이며, 이 영역의 크기가 클수록 주어진 온도 차이로 주어진 시간에 흐르는 열에너지의 양이 더 크게 된다. 열에너지 흐름에 영향을 주는 또 다른 인자는 열에너지가 각각의 물체, 매질 또는 공간의 내외부로 흐르는 속도이다. 어느 하나의 물체, 매질 또는 공간에서의 열에너지 흐름에 대한 큰 저항은 느린 총 전달 속도를 제공할 것이다. 열에너지 흐름에 영향을 줄 또 다른 인자는 어느 하나의 물체, 매질 및 공간과 다른 물체, 매질 및 공간 사이에 존재할 수도 있는 전도성 배리어(예를 들어, 금속 튜브 또는 플레이트)라면 무엇이든지 그를 통해 열에너지가 흐르고자 하는 속도이며, 이는 상기 전도성 배리어를 제조하는 재료의 선택에 의해서 영향을 받는다.
본 발명에서 열에너지 전달 시스템이 취할 수 있는 대표적인 형태는 쉘-앤-튜브 열교환기(tube-and-shell heat exchanger) 및 플레이트 열교환기(plate heat exchanger)를 포함할 수 있다. 쉘-앤-튜브 열교환기에서는, 명칭이 의미하는 바와 같이, 하나 이상의 튜브가 원통형 캐니스터 내에 설치되며, 제1 온도의 유체는 튜브 내외부로 유동하며, 제2 온도의 다른 유체는 캐니스터의 내외부로 유동하고 그와 같이 하면서 튜브(들)를 둘러싼다. 따라서, 하나의 챔버가 다른 챔버 내에 설치될 수 있다. 열에너지는 튜브 케이싱으로 나타나는 전도성 배리어를 가로질러 더 높은 온도의 유체로부터 더 낮은 온도의 유체로 흐르며, 열에너지 조성물은 다른쪽 유체("다른 유체")의 온도를 조절할 것이다. 캐니스터 내의 유체 또는 튜브 내의 유체 중 어느 하나가 본 발명에 따른 열에너지 전달 조성물일 수 있다.
열에너지 전달 조성물이 쉘-앤-튜브 열교환기에서와 같이 튜브 내외부로 유동하는 경우, 튜브의 벽을 통한 열에너지 흐름에 대한 저항은 튜브 내에 난류를 발생시킴으로써, 예를 들어 새들(saddle), 연선(twisted wire), 튜브 변형체 또는 다른 정적 혼합기(static mixer)를 그 내부에 포함시켜 유동하는 조성물의 경계층을 붕괴시킴으로써 감소시킬 수 있다.
플레이트 열교환기에서, 플레이트는 뜨거운 액체 및 차가운 액체의 채널이 번갈아 형성되는 방식으로 배열되며, 이 경우 채널은 서로 인접하게 된다. 플레이트 내의 주름(corrugation)으로 인하여, 고도의 난류 유동이 열에너지 전달 속도를 증가시킨다. 플레이트는 아주 큰 표면적을 제공하며, 이는 가능한 가장 빠른 열에너지 전달을 가능하게 한다. 각 챔버를 얇게 만드는 것은 대부분의 부피의 액체가 플레이트에 접촉하는 것을 보장하여 다시 열에너지 교환을 돕는다. 본 발명에 따른 열에너지 전달 조성물을 어느 채널에도 사용할 수 있다.
따라서, 전술한 바와 같은 양 유형의 열교환기는 유체가 그 내외부로 유동하는 챔버, 즉 각각 튜브, 쉘 및 채널을 가지며; 각 챔버는 그 인클로저(enclosure)를 형성하는 하나 이상의 벽을 갖는다. 튜브, 캐니스터 또는 채널들 중 한 채널에서 유동하든지 간에, 목표 유체 및 열에너지 전달 조성물은 챔버들 중 하나의 벽, 예컨대, 튜브의 벽, 또는 양측 챔버에 공통인 벽, 예컨대, 인접 채널들 사이의 벽에 의해 분리된다. 목표 유체의 유동 방향은 열에너지 전달 조성물의 유동 방향과 평행하거나, 반대이거나 또는 교차할 수 있다.
본 발명에 유용한 열에너지 전달 이론과 열에너지 전달 시스템의 다른 태양은 문헌["Heat Transfer" in Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 5th Edition [Volume 13, pages 242-281 (2005) John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ] and Shah, R.K. and Mueller, A.C.] 및 문헌["Heat Exchange" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Sixth Edition (pages 167-280, Wiley-VCH Verlag GmbH & CoA, Weinheim, Germany)]에 기재되어 있다.
본 발명은 열에너지 전달 조성물로서 폴리올과 적어도 하나의 이온성 액체를 포함하는 혼합물을 사용하여, 냉각 또는 가열과 같은 온도 조절을 위한 또는 열에너지 전달을 위한 방법을 또한 제공한다. 열에너지 전달 조성물은 제1 온도를 갖는 어느 하나의 물체, 매질 및/또는 공간과 상이한 제2 온도를 갖는 다른 물체, 매질 및/또는 공간 사이에서 열에너지를 전달하는 데 사용된다. 이러한 방법은 고형 물체, 목표 유체, 또는 목표 유체를 포함하는 챔버를 열에너지 전달 조성물과 접촉시키는 단계를 포함하며, 여기서 고형 물체 또는 목표 유체는 제1 온도를 가지며, 열에너지 전달 조성물은 제2 온도를 가지며, 제1 온도와 제2 온도는 동일하지 않고, 열에너지 전달 조성물은 폴리올 및 이온성 액체를 포함한다. 열에너지 전달 조성물이, 예를 들어, 쉘-앤-튜브 열교환기의 튜브 내에 위치하는 경우, 캐니스터의 외벽과 캐니스터 내의 튜브의 벽에 의해 형성된 캐니스터의 환형부(annulus)는 목표 유체를 포함하는 챔버로서 간주할 수 있고, 열에너지 전달 조성물은 튜브를 통과할 때 그 챔버와 접촉한다. 거꾸로, 목표 유체가 튜브 내에 있을 수 있고, 열에너지 전달 조성물이 쉘 내에 있을 수 있다.
전술한 실시 형태에서, 본 발명의 열에너지 전달 조성물 또는 유체는 더 높거나 더 낮은 온도를 가질 수 있다. 유체는 액체 또는 기체일 수 있고, 기체인 경우 이는 열에너지 전달 조성물을 통해 버블링하여 본 발명의 열에너지 전달 조성물과 접촉될 수 있다. 1,3-프로판다이올은 열에너지 전달 조성물에 사용하기에 바람직한 폴리올이다.
본 발명에 사용하기에 적합한 이온성 액체는 적어도 어느 정도 폴리올이 혼화될 수 있거나 또는 적어도 어느 정도 폴리올이 용해될 수 있는 이온성 액체이다. 폴리올이 적어도 하나의 이온성 액체와 혼화될 수 있거나 또는 그에 용해될 수 있는 정도에 정비례하여 열에너지 전달의 에너지 효율이 증가할 것이다.
이온성 액체의 선택이 열에너지 전달 조성물의 빙점에 영향을 줄 것이다. 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트는 빙점이 10℃인 반면에, 1-에틸-3-메틸 비스(트라이플루오로메틸설포닐)이미드는 빙점이 -20℃이다. 대안적으로, 빙점이 -20℃ 미만인 이온성 액체를 선택할 수 있다. 모든 경우에, 이온성 액체의 선택은 열에너지 전달 조성물의 빙점 내림으로 이어질 수 있다. 예를 들어, 1,3-프로판다이올의 빙점은 -27℃이다. 1,3-프로판다이올을 폴리올로서 사용하는 경우 빙점이 -27℃ 미만인 이온성 액체를 선택한다면, 1,3-프로판다이올만의 빙점과 비교하여 조성물의 빙점이 아마도 낮아질 것이다. 다른 이온성 액체 또는 그 조성물은 1,3-프로판다이올과 혼합되는 경우 이온성 액체 또는 1,3-프로판다이올만의 빙점을 넘어서는 빙점의 강하로 또한 이어질 것이다. 예를 들어, 아세테이트, 포르메이트 및 석시네이트는 열에너지 전달 유체의 빙점을 낮추는 것으로 알려져 있으며, 따라서 음이온으로서 또는 음이온 내에 아세테이트, 포르메이트 또는 석시네이트를 갖는 이온성 액체는 또한 1,3-프로판다이올과 같은 폴리올을 포함하는 혼합물을 포함하는 열에너지 전달 유체의 빙점을 낮추는 데 적합한 후보일 것이다. 이온성 액체의 빙점은 문헌에서 찾을 수 있거나, 또는 융점 측정(melting point determination)을 사용하여 쉽게 측정할 수 있다.
이온성 액체 및 폴리올, 예컨대, 1,3-프로판다이올로부터 형성된 열에너지 전달 조성물은 단일 액체 상을 가지며 둘 이상의 액체 상으로서 존재하지 않는 것이 일반적으로 바람직하다. 더 구체적인 실시 형태에서, 조성물은 그 조성물에 대해 1-상 시스템과 2-상 시스템 사이의 액체-액체 평형 경계 선 바깥쪽의 온도인 것이 바람직하다. 액체-액체 평형 경계는, 특정 상대 함량의 이온 액체 및 폴리올을 갖는 조성물에 대해, 온도가 감소할 때 조성물이 1 액체 상으로부터 2 액체 상으로 변화하거나 또는 온도가 증가할 때 2 액체 상으로부터 1 액체 상으로 변화하는 온도이다. 이러한 경계는 Y 축에 온도를 그리고 X 축에 조성물 함량을 도시한 차트 상에 선으로서 나타낼 수 있다. 3개의 이러한 경계 선의 예를 도 4에서 볼 수 있다. 선택된 함량의 성분들을 갖는 조성물의 경우, 이 조성물이 경계 바깥쪽, 또는 차트 상의 경계 선 위쪽의 온도일 때 단일 액체 상만을 가질 것이며, 조성물이 경계 안쪽, 또는 차트 상의 경계 선 아래쪽의 온도일 때 2개의 액체 상을 가질 것이다. 2-상 영역에서, 하부 상이 이온성 액체가 풍부한 상일 것이며 상부 상이 1,3-프로판다이올이 풍부한 상일 것이다. 더 구체적인 실시 형태에서, 열에너지 전달 조성물은, 선택된 조성물 함량에 대해, 차트 상에 도시된 바와 같은 경계 선의 정점에서의 온도인 상부 임계 용액 온도(upper critical solution temperature, UCST)보다 더 높은 온도일 수 있다. 도 4에서, 예를 들어, bmimPF6 조성물에 대한 UCST는 약 84℃이다. UCST는 혼합물이 혼화가능한 온도보다 높은 온도이다.
열에너지 전달 목적을 위해 본 발명에 의해 제공되는 바와 같은 조성물 이용에 대한 추가적인 실시 형태는 흡수식 냉각 또는 가열 사이클에서 폴리올 및 이온성 액체의 혼합물을 냉매 쌍으로서 사용하는 것을 포함한다. 따라서, 냉매로서 폴리올 및 흡수제로서 적어도 하나의 이온성 액체를 포함하는 냉매 쌍을 이용하는 흡수식 냉각 또는 가열 시스템을 본 발명에 추가로 제공한다. 본 발명은, 흡수식 냉각 또는 가열 시스템에서 냉매로서의 폴리올 및 흡수제로서의 적어도 하나의 이온성 액체의 혼합물을 사용하는 온도 조절, 냉각 또는 가열을 위한 방법을 또한 제공한다.
단순한 흡수식 사이클 및 그 사이클을 작동하는 장치에 대한 개략도가 도 1에 도시되어 있다. 시스템은 통상의 증기 압축 사이클과 유사하게 팽창 밸브를 갖는 응축기 및 증발기 유닛으로 구성되지만, 흡수기-발생기 용액 회로가 압축기를 대신한다. 회로는 흡수기, 발생기, 열교환기, 압력 조절 장치 및 용액 순환을 위한 펌프로 구성될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 흡수제에 의한 냉매의 흡수시 흡수기에 의해 배출된 열에너지는 발생기에서 냉매 및 흡수제의 혼합물을 가열하여 흡수제로부터 냉매를 증기 형태로 분리하는 데 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 흡수식 사이클을 작동하기 위한 전형적인 장치는 도면의 좌측에 도시된 바와 같이 흡수기-발생기 용액 회로와 같은 구성요소들을 포함할 수 있고, 이는 압축기가 기계적으로 작동함에 따라 열에너지의 유출 및 유입에 의해서 냉매 증기의 압력을 증가시키며, 여기서 회로는 흡수기, 발생기, 열교환기, 압력 제어 장치 및 용액 순환을 위한 펌프로 구성될 수 있다. 이 장치는 또한 도면의 우측에 도시된 바와 같이 팽창 밸브를 갖는 응축기 및 증발기 유닛으로 구성된다.
도 1에 도시된 바와 같은 장치에서, 흡수기 내에서 냉매 및 흡수제의 혼합물이 형성되며; 이 혼합물은 발생기로 이동하는데, 여기에서 혼합물이 가열되어 흡수제로부터 냉매가 증기 형태로 분리되고 냉매 증기의 압력이 증가하며; 이 냉매 증기는 응축기로 이동하는데, 여기에서 증기는 압력 하에 액체로 응축되며; 이 액체 냉매는 팽창 장치로 이동하는데, 여기에서 액체 냉매의 압력이 감소하여 액체 및 증기 냉매의 혼합물을 형성하며; 액체 및 증기 냉매의 혼합물은 증발기로 이동하는데, 여기에서 나머지 액체가 증발하여 냉매 증기를 형성하며; 증발기를 떠난 냉매 증기는 흡수기로 이동하여 단계 (a)를 반복하며 냉매 증기 및 흡수제의 혼합물을 다시 형성한다.
도 1에 도시된 바와 같은 장치 및 본 명세서에 개시된 바와 같은 장치는 폴리올을 냉매로서 사용하고 본 명세서에 기재된 바와 같은 임의의 하나 이상의 이온성 액체를 흡수제로서 사용하여 흡수식 사이클을 실행할 수 있다. 본 발명의 장치는 또한 본 명세서에 기재된 바와 같은 임의의 하나 이상의 공정을 실행할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시 형태는 실질적으로 도 1에 도시되거나 또는 설명된 바와 같은 장치이다.
흡수식 사이클의 흡수기 측은 이온성 액체로 주로 이루어질 것이다. 일 실시 형태에서, 흡수기 측의 이온성 액체의 농도는 이온성 액체와 폴리올을 더한 중량에 대해 약 50 중량% 초과이다. 대안적인 실시 형태에서, 흡수기 측의 이온성 액체의 농도는 이온성 액체와 폴리올을 더한 중량에 대해 약 70 중량% 초과이다. 흡수식 사이클의 발생기 측은 폴리올로 주로 이루어질 것이며, 폴리올의 농도는 이온성 액체와 폴리올을 더한 중량에 대해 99% 이상만큼 크다.
본 발명은 물체, 매질 또는 공간을 가열하기 위한 장치를 또한 제공하는데, 이 장치는 (a) 냉매와 흡수제의 혼합물을 형성하는 흡수기; (b) 흡수기로부터 혼합물을 수용하고, 혼합물을 가열하여 흡수제로부터 냉매를 증기 형태로 분리하고, 냉매 증기의 압력을 증가시키는 발생기; (c) 발생기로부터 증기를 수용하여 증기를 압력 하에 액체로 응축하는, 가열할 물체, 매질 또는 공간에 근접하여 위치한 응축기; (d) 응축기를 떠난 액체 냉매를 통과시켜 액체의 압력을 감소시켜서 액체 및 증기 냉매의 혼합물을 형성하는 감압 장치; (e) 감압 장치를 통과한 액체 및 증기 냉매의 혼합물을 수용하여 잔류 액체를 증발시켜 냉매 증기를 형성하는 증발기; 및 (f) 증발기를 떠난 냉매 증기를 흡수기로 보내는 도관을 포함한다.
본 발명은 물체, 매질 또는 공간을 냉각하기 위한 장치를 또한 제공하는데, 이 장치는 (a) 냉매와 흡수제의 혼합물을 형성하는 흡수기; (b) 흡수기로부터 혼합물을 수용하고, 혼합물을 가열하여 흡수제로부터 냉매를 증기 형태로 분리하고, 냉매 증기의 압력을 증가시키는 발생기; (c) 발생기로부터 증기를 수용하고 증기를 압력 하에 액체로 응축하는 응축기; (d) 응축기를 떠난 액체 냉매를 통과시켜 액체의 압력을 감소시켜서 액체 및 증기 냉매의 혼합물을 형성하는 감압 장치; (e) 감압 장치를 통과한 액체 및 증기 냉매의 혼합물을 수용하여 잔류 액체를 증발시켜 냉매 증기를 형성하는, 냉각할 물체, 매질 또는 공간에 근접하여 위치한 증발기; 및 (f) 증발기를 떠난 냉매 증기를 흡수기로 보내는 도관을 포함한다.
본 발명은 물체, 매질 또는 공간을 가열하기 위한 방법을 또한 제공하는데, 이 방법은 (a) 냉매 증기를 흡수제로 흡수하여 혼합물을 형성하는 단계; (b) 혼합물을 가열하여 흡수제로부터 냉매를 증기 형태로 분리하고 냉매 증기의 압력을 증가시키는 단계; (c) 가열할 물체, 매질 또는 공간에 근접하여 냉매 증기를 압력 하에 액체로 응축시키는 단계; (d) 액체 냉매의 압력을 감소시키고, 냉매를 증발시켜 냉매 증기를 형성하는 단계; 및 (e) 단계 (a)를 반복하여 흡수제로 냉매 증기를 재흡수하는 단계를 포함한다.
본 발명은 물체, 매질 또는 공간을 냉각하기 위한 방법을 또한 제공하는데, 이 방법은 (a) 냉매 증기를 흡수제로 흡수하여 혼합물을 형성하는 단계; (b) 혼합물을 가열하여 흡수제로부터 냉매를 증기 형태로 분리하고 냉매 증기의 압력을 증가시키는 단계; (c) 냉매 증기를 압력 하에 액체로 응축시키는 단계; (d) 액체 냉매의 압력을 감소시키고, 냉각할 물체, 매질 또는 공간에 근접하여 냉매를 증발시켜 냉매 증기를 형성하는 단계; 및 (e) 단계 (a)를 반복하여 흡수제로 냉매 증기를 재흡수하는 단계를 포함한다.
본 발명은 (a) 흡수기 내에서 냉매와 흡수제의 혼합물을 형성하는 단계; (b) 혼합물을 발생기로 이동시켜, 혼합물을 가열하여 흡수제로부터 냉매를 증기 형태로 분리하며, 냉매 증기의 압력을 증가시키는 단계; (c) 가열할 물체, 매질 또는 공간에 근접한 응축기로 냉매 증기를 이동시켜, 증기를 압력 하에 액체로 응축하는 단계; (d) 액체 냉매를 팽창 장치로 이동시켜, 액체 냉매의 압력을 감소시켜 액체 및 증기 냉매의 혼합물을 형성하는 단계; (e) 액체 및 증기 냉매의 혼합물을 증발기로 이동시켜, 나머지 액체를 증발시켜 냉매 증기를 형성하는 단계; 및 (f) 증발기를 떠난 냉매 증기를 흡수기로 이동시켜 단계 (a)를 반복하고 냉매 증기 및 흡수제의 혼합물을 다시 형성하는 단계에 의하여, 흡수식 사이클을 실행하는 장치에서 물체, 매질 또는 공간을 가열하기 위한 방법을 또한 제공한다.
본 발명은 (a) 흡수기 내에서 냉매와 흡수제의 혼합물을 형성하는 단계; (b) 혼합물을 발생기로 이동시켜, 혼합물을 가열하여 흡수제로부터 냉매를 증기 형태로 분리하며, 냉매 증기의 압력을 증가시키는 단계; (c) 냉매 증기를 응축기로 이동시켜, 증기를 압력 하에 액체로 응축하는 단계; (d) 액체 냉매를 팽창 장치로 이동시켜, 액체 냉매의 압력을 감소시켜 액체 및 증기 냉매의 혼합물을 형성하는 단계; (e) 냉각할 물체, 매질 또는 공간에 근접한 증발기로 액체 및 증기 냉매의 혼합물을 이동시켜서, 나머지 액체를 증발시켜 냉매 증기를 형성하는 단계; 및 (f) 증발기를 떠난 냉매 증기를 흡수기로 이동시켜 단계 (a)를 반복하고 냉매 증기 및 흡수제의 혼합물을 다시 형성하는 단계에 의하여, 흡수식 사이클을 실행하는 장치에서 물체, 매질 또는 공간을 냉각하기 위한 방법을 또한 제공한다.
상기한 바와 같은 임의의 방법에서, 단계 (b)에서 냉매로부터 분리된 흡수제는 이후 단계에서의 사용을 위해 재순환시킬 수 있다.
이온성 액체의 혼합물은 본 발명에서 흡수제로서 또한 사용할 수 있으며, 이러한 혼합물은, 예를 들어, 적절한 흡수 거동을 달성하는 데 바람직할 수 있다. 1,3-프로판다이올이 흡수식 사이클에서 냉매로서 사용하기에 바람직한 폴리올이다.
흡수식 사이클, 및 흡수식 사이클이 작동되는 시스템은 또한 문헌[Application Guide for Absorption Cooling/Refrigeration Using Recovered Heat [Dorgan et al (American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers, Inc., 1995, Atlanta GA, Chapter 5)], 및 문헌[Haaf et al in "Refrigeration Technology" (Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Sixth Edition, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim, Germany, Volume 31, pages 269-312)]에 기재되어 있다.
예를 들어, 1,3-프로판다이올이 본 발명에서 폴리올로서 사용되는 경우, 어느 정도 친수성인 이온성 액체와 더 혼화될 수 있거나 또는 용해될 것으로 일반적으로 예상될 것이며, 따라서 적어도 하나의 알코올 측쇄를 갖는 양이온을 갖는 이온성 액체 또는 적어도 하나의 아세테이트 또는 설페이트 기를 갖는 음이온을 포함하는 이온성 액체가 본 발명의 다양한 실시 형태에 사용하기에 바람직한 선택일 것이다. 이러한 경우에 1,3-프로판다이올은 또한 흡수식 시스템 작동의 온도 범위, 특히 증발기 작동 온도로부터 발생기 작동 온도까지의 범위에 걸쳐 본 발명에 사용되는 바와 같이 이온성 액체 중에 바람직하게는 혼화가능하거나 또는 용해가능할 것이다. 증발기 온도는 약 5℃ 만큼 낮을 수 있다. 단일 효용 발생기 온도는 약 150℃만큼 높을 수 있는 반면에, 이중 효용 발생기 온도는 약 200℃만큼 높을 수 있다. 그 결과, 약 5℃ 내지 약 200℃의 온도 범위에 걸쳐, 흡수식 사이클 중 냉매 및 흡수제의 상대 함량의 다양한 상이한 수준이 적합하며, 그로부터 형성된 조성물 중의 1,3-프로판다이올 또는 이온성 액체의 농도는 조성물 내의 이온성 액체 및 1,3-프로판다이올을 합한 중량의 약 1 중량% 내지 약 99 중량%의 범위일 수 있다.
본 발명에 의해 제공되는 바와 같은 열에너지 전달 시스템, 예를 들어, 열교환기는, 예를 들어, 응축기, 가열기, 냉각기 또는 칠러(chiller)로서 기능할 수 있다. 이러한 시스템에서, 폴리올 및 이온성 액체의 혼합물은 일차 열에너지 전달 조성물(또는 일차 냉각제 또는 냉매)로서 사용할 수 있으며, 이 경우 예를 들어 일 온도의 물체를 냉각할 더 높은 온도의 제2 물체와 접촉시킨다. 폴리올 및 이온성 액체의 혼합물은 이차 열에너지 전달 조성물(또는 이차 냉각제 또는 냉매)로서 또한 사용할 수 있다. 다른 물체들로부터 열에너지를 제거하기 위하여 칠링(chilling)을 사용하여 이차 열에너지 전달 조성물을 냉각한다. 이차 열에너지 전달 조성물의 사용은 칠링된 유체를 몇몇 소비자 위치로 배급하고자 할 때 또는 누출로 인한 일차 냉각제와 제품 사이의 접촉을 피해야만 할 때 적합하다. 이러한 시스템의 예에는 산업용 공조 시스템, 식료품점의 식품-냉각 시스템, 및 아이스-스케이팅 링크(rink)가 포함된다.
상기에 언급한 바와 같이, 본 발명에 의해 제공되는 것과 같은 열에너지 전달 시스템은 흡수식 냉동 사이클(미국 특허 출원 공개 제2006/197,053호에 기재된 것과 같음)을 사용하여, 또는 하이브리드 증기 압축-흡수식 냉동 사이클(미국 특허 출원 공개 제2007/019,708호에 기재된 것과 같음)을 사용하여 가열 또는 냉각을 제공하도록 또한 작동할 수 있으며, 이들 각각은 모든 점에서 전체적으로 본 명세서의 일부로서 참고로 포함된다.
상기한 바와 같은 임의의 열에너지 전달 시스템은, 냉장고, 냉동기, 제빙기, 공조기, 산업용 냉각 시스템, 식물 또는 동물 기원의 식료품의 보존을 위해 사용되는 냉각실을 위한 냉동 시스템, 가열기 또는 열펌프에 사용하기 위해 활용되거나 또는 그러한 것으로서 제작되거나 또는 작동될 수 있다. 각각의 이러한 기기는 주거용, 상업용 또는 산업용 설비(setting)에 위치될 수 있거나, 또는 자동차, 트럭, 버스, 기차, 비행기, 또는 다른 운송 수단용 장치와 같은 이동 장치(mobilized device)에 포함될 수 있거나, 또는 의료 기기와 같은 장비의 부품에 포함될 수 있다.
이러한 발명에서, 열에너지 전달 조성물은 하나 이상의 폴리올 및 하나 이상의 이온성 액체로부터 형성된다. 이온성 액체는 실온에서(대략 25℃) 액체인 유기 화합물이다. 그들은 매우 낮은 용융점을 가지며 넓은 온도 범위에 걸쳐 액체인 경향이 있다는 점에서 대부분의 염과 다르다. 그들 중 다수는 비극성 탄화수소에서 가용성이 아니며; 음이온에 따라 물과 비혼화성이며; 그들 중 다수는 고도로 이온화성이다(그러나 낮은 유전 강도(dielectric strength)를 가짐). 이온성 액체는 본질적으로 증기압을 갖지 않으며, 대부분은 공기 및 물 안정성이며, 그리고 그들은 중성, 산성 또는 염기성일 수 있다.
본 발명에서 유용한 이온성 액체의 양이온 또는 음이온은 원칙적으로 양이온과 음이온이 함께 약 100℃ 이하에서 액체 상태인 유기염을 형성하도록 하는 임의의 양이온 또는 음이온일 수 있다. 그러나, 이온성 액체의 특성은 양이온 및/또는 음이온의 아이덴티티(identity)를 변화시킴으로써 맞춤될 수 있다. 예를 들어, 이온성 액체의 산도는 사용되는 루이스산(Lewis acid)의 몰 당량과 유형 및 조합을 변화시킴으로써 조절될 수 있다.
많은 이온성 액체는 질소-함유 헤테로사이클릭 고리, 바람직하게는 헤테로방향족 고리를 알킬화제(예를 들어, 알킬 할라이드)와 반응시켜 4차 암모늄 염을 형성하고, 다양한 루이스 산 또는 그들의 콘쥬게이트 염기와의 이온 교환 또는 다른 적합한 반응을 수행하여 이온성 액체를 형성함으로써 형성된다. 적합한 헤테로방향족 고리의 예에는 치환된 피리딘, 이미다졸, 치환된 이미다졸, 피롤 및 치환된 피롤이 포함된다. 이들 고리는 사실상 임의의 직선형, 분지형 또는 환형 C1-20 알킬기로 알킬화될 수 있으나, 바람직하게는, 알킬기는 C1-16기인데, 그 이유는 이보다 더 큰 기는 이온성 액체라기보다는 저용융 고체를 생성할 수 있기 때문이다. 다양한 트라이아릴포스핀, 티오에테르, 및 환형 및 비-환형 4차 암모늄염이 또한 이 목적을 위해 사용될 수 있다. 사용될 수 있는 반대 이온에는 클로로알루미네이트, 브로모알루미네이트, 갈륨 클로라이드, 테트라플루오로보레이트, 테트라클로로보레이트, 헥사플루오로포스페이트, 니트레이트, 트라이플루오로메탄 설포네이트, 메틸설포네이트, p-톨루엔설포네이트, 헥사플루오로안티모네이트, 헥사플루오로아르세네이트, 테트라클로로알루미네이트, 테트라브로모알루미네이트, 퍼클로레이트, 하이드록사이드 음이온, 이염화구리 음이온, 삼염화철 음이온, 삼염화아연 음이온뿐만 아니라, 다양한 란탄, 칼륨, 리튬, 니켈, 코발트, 망간, 및 다른 금속-함유 음이온이 포함된다.
이온성 액체는 또한 염 상호교환(metathesis)에 의해, 산-염기 중화 반응에 의해 또는 선택된 질소-함유 화합물의 4차화에 의해 합성될 수 있거나; 또는 이들은 머크(Merck) (독일 담스타트 소재) 또는 바스프(BASF) (미국 뉴저지주 마운트 올리브 소재)와 같은 몇몇 회사들로부터 상업적으로 입수될 수 있다.
유용한 이온성 액체의 대표적인 예는 문헌[J. Chem. Tech. Biotechnol., 68:351-356 (1997)]; 문헌[Chem. Ind., 68:249-263 (1996)]; 문헌[J. Phys. Condensed Matter, 5: (supp 34B):B99-B106 (1993)]; 문헌[Chemical and Engineering News, Mar. 30, 1998, 32-37]; 문헌[J. Mater. Chem., 8:2627-2636 (1998)]; 문헌[Chem. Rev., 99:2071-2084 (1999)]; 및 미국 특허 공개 제2004/0133058호 (본 발명의 일부로서 포함됨)와 같은 출처에 개시된다. 본 발명의 일 실시 형태에서, 이온성 액체의 라이브러리, 즉 조합 라이브러리는 예를 들어, 4차 암모늄 양이온의 다양한 알킬 유도체를 제조하고, 연합 음이온을 변화시킴으로써 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에서, 본 발명에 사용하기에 적합한 이온성 액체는 하나 이상의 하기 화학식으로 나타내어지는 양이온을 갖는 것들을 포함한다:
Figure 112009067138480-PCT00001
Figure 112009067138480-PCT00002
Figure 112009067138480-PCT00003
여기서, R1, R2, R3, R4, R5 및 R6는 독립적으로
(i) H;
(ii) 할로겐;
(iii) -CH3, -C2H5, 또는 C3 내지 C25 직쇄, 분지형 또는 환형 알칸 또는 알켄 - Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨 - ;
(iv) -CH3, -C2H5, 또는 C3 내지 C25 직쇄, 분지형 또는 환형 알칸 또는 알켄 - O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 포함하며 Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨 - ;
(v) C6 내지 C20 비치환 아릴, 또는 C3 내지 C25 비치환 헤테로아릴 - O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 가짐 - ; 및
(vi) C6 내지 C25 치환 아릴, 또는 C3 내지 C25 치환 헤테로아릴 - O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 가짐 - (여기서, 치환 아릴 또는 치환 헤테로아릴은 독립적으로
(1) -CH3, -C2H5, 또는 C3 내지 C25 직쇄, 분지형 또는 환형 알칸 또는 알켄 - Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨 - ,
(2) OH,
(3) NH2, 및
(4) SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 내지 3개의 치환체를 가짐)으로 이루어진 군으로부터 선택되며;
R7, R8, R9 및 R10은 독립적으로
(vii) -CH3, -C2H5, 또는 C3 내지 C25 직쇄, 분지형 또는 환형 알칸 또는 알켄 - Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨 - ;
(viii) -CH3, -C2H5, 또는 C3 내지 C25 직쇄, 분지형 또는 환형 알칸 또는 알켄 - O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 포함하며 Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨 - ;
(ix) C6 내지 C25 비치환 아릴, 또는 C3 내지 C25 비치환 헤테로아릴 - O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 가짐 - ; 및
(x) C6 내지 C25 치환 아릴, 또는 C3 내지 C25 치환 헤테로아릴 - O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 가짐 - (여기서, 치환 아릴 또는 치환 헤테로아릴은 독립적으로
(1) -CH3, -C2H5, 또는 C3 내지 C25 직쇄, 분지형 또는 환형 알칸 또는 알켄 - Cl, Br, F, I, OH, NH 2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨 - ;
(2) OH,
(3) NH2, 및
(4) SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 내지 3개의 치환체를 가짐)으로 이루어진 군으로부터 선택되며;
선택적으로, R1, R2, R3, R4, R5, R6 , R7, R8, R9, 및 R10 중 적어도 2개는 함께 환형 또는 이환식 알칸일 또는 알켄일 기를 형성한다.
다른 실시 형태에서, 본 발명에 유용한 이온성 액체는 플루오르화 양이온을 포함하며, 여기서 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9 및 R10로부터 선택된 적어도 하나의 구성원이 F-를 포함한다.
다른 실시 형태에서, 본 발명에 유용한 이온성 액체는 이미다졸륨, 예를 들어, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 및 1-부틸-3-메틸이미다졸륨을 포함한다.
일 실시 형태에서, 본 발명에 유용한 이온성 액체는 [CH3CO2]-, [HSO4]-, [CH3OSO3]-, [C2H5OSO3]-, [AlCl4]-, [CO3]2-, [HCO3]-, [NO2]-, [NO3]-, [SO4]2-, [PO4]3-, [HPO4]2-, [H2PO4]-, [HSO3]-, [CuCl2]-, Cl-, Br-, I-, SCN-; 및 임의의 플루오르화 음이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 음이온을 갖는다. 본 발명에 유용한 플루오르화 음이온은 [BF4]-, [PF6]-, [SbF6]-, [CF3SO3]-, [HCF2CF2SO3]-, [CF3HFCCF2SO3]-, [HCClFCF2SO3]-, [(CF3SO2)2N]-, [(CF3CF2SO2)2N]-, [(CF3SO2)3C]-, [CF3CO2]-, [CF3OCFHCF2SO3]-, [CF3CF2OCFHCF2SO3]-, [CF3CFHOCF2CF2SO3]-, [CF2HCF2OCF2CF2SO3]-, [CF2ICF2OCF2CF2SO3]-, [CF3CF2OCF2CF2SO3]-, [(CF2HCF2SO2)2N]-, [(CF3CFHCF2SO2)2N]-; 및 F-를 포함한다.
더 구체적인 실시 형태에서, 본 발명에 사용하기에 적합한 이온성 액체는 상기한 바와 같은 피리디늄, 피리다지늄, 피리미디늄, 피라지늄, 이미다졸륨, 피라졸륨, 티아졸륨, 옥사졸륨, 트라이아졸륨, 포스포늄, 및 암모늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 양이온; 및 [CH3CO2]-, [HSO4]-, [CH3OSO3]-, [C2H5OSO3]-, [AlCl4]-, [CO3]2-, [HCO3]-, [NO2]-, [NO3]-, [SO4]2-, [PO4]3-, [HPO4]2-, [H2PO4]-, [HSO3]-, [CuCl2]-, Cl-, Br-, I-, SCN-, 및 임의의 플루오르화 음이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 음이온을 가질 수 있다.
또 다른 실시 형태에서, 본 발명에 사용하기에 적합한 이온성 액체는 상기한 바와 같은 피리디늄, 피리다지늄, 피리미디늄, 피라지늄, 이미다졸륨, 피라졸륨, 티아졸륨, 옥사졸륨, 트라이아졸륨, 포스포늄, 및 암모늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 양이온; 및 [BF4]-, [PF6]-, [SbF6]-, [CF3SO3]-, [HCF2CF2SO3]-, [CF3HFCCF2SO3]-, [HCClFCF2SO3]-, [(CF3SO2)2N]-, [(CF3CF2SO2)2N]-, [(CF3SO2)3C]-, [CF3CO2]-, [CF3OCFHCF2SO3]-, [CF3CF2OCFHCF2SO3]-, [CF3CFHOCF2CF2SO3]-, [CF2HCF2OCF2CF2SO3]-, [CF2ICF2OCF2CF2SO3]-, [CF3CF2OCF2CF2SO3]-, [(CF2HCF2SO2)2N]-, [(CF3CFHCF2SO2)2N]-, 및 F-로 이루어진 군으로부터 선택된 음이온을 가질 수 있다.
또 다른 실시 형태에서, 본 발명에 사용하기에 적합한 이온성 액체는 상기한 바와 같은 피리디늄, 피리다지늄, 피리미디늄, 피라지늄, 이미다졸륨, 피라졸륨, 티아졸륨, 옥사졸륨, 트라이아졸륨, 포스포늄, 및 암모늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 양이온 (여기서, R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9 및 R10으로부터 선택된 적어도 하나의 구성원이 F-을 포함함); 및 [CH3CO2]-, [HSO4]-, [CH3OSO3]-, [C2H5OSO3]-, [AlCl4]-, [CO3]2-, [HCO3]-, [NO2]-, [NO3]-, [SO4]2-, [PO4]3-, [HPO4]2-, [H2PO4]-, [HSO3]-, [CuCl2]-, Cl-, Br-, I-, SCN-, 및 임의의 플루오르화 음이온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 음이온을 가질 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 본 발명에 사용하기에 적합한 이온성 액체는 상기한 바와 같은 피리디늄, 피리다지늄, 피리미디늄, 피라지늄, 이미다졸륨, 피라졸륨, 티아졸륨, 옥사졸륨, 트라이아졸륨, 포스포늄, 및 암모늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 양이온 (여기서, R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9 및 R10으로부터 선택된 적어도 하나의 구성원이 F-을 포함함); 및 [BF4]-, [PF6]-, [SbF6]-, [CF3SO3]-, [HCF2CF2SO3]-, [CF3HFCCF2SO3]-, [HCClFCF2SO3]-, [(CF3SO2)2N]-, [(CF3CF2SO2)2N]-, [(CF3SO2)3C]-, [CF3CO2]-, [CF3OCFHCF2SO3]-, [CF3CF2OCFHCF2SO3]-, [CF3CFHOCF2CF2SO3]-, [CF2HCF2OCF2CF2SO3]-, [CF2ICF2OCF2CF2SO3]-, [CF3CF2OCF2CF2SO3]-, [(CF2HCF2SO2)2N]-, [(CF3CFHCF2SO2)2N]-, 및 F-로 이루어진 군으로부터 선택된 음이온을 가질 수 있다.
일 실시 형태에서, 이온성 액체는 양이온으로서 이미다졸륨과, 음이온으로서 [BF4]- 또는 [PF6]-를 포함한다. 더 구체적인 실시 형태에서, 이온성 액체는 양이온으로서 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 또는 1-부틸-3-메틸이미다졸륨과, 음이온으로서 [BF4]- 또는 [PF6]-를 포함한다.
하나 이상의 폴리올과 하나 이상의 이온성 액체의 혼합물인 본 발명에 의해 제공되는 열에너지 전달 조성물은 그의 낮은 점도, 낮은 밀도, 높은 비열, 높은 열 전도도, 및 높은 잠열 때문에 열에너지 전달 목적으로 사용하기에 매우 적합하다. 1,3-프로판다이올 외에도, 열에너지 전달 조성물을 형성하기 위해 이온성 액체와의 혼합물로 본 발명에 사용하도록 선택될 수 있는 폴리올에는 에틸렌 글리콜, 1,2-프로판다이올, 1,2,3-프로판트라이올, 및 Cn (여기서, n = 4 내지 8임) 선형 또는 환형 알칸 (예컨대, 부탄, 펜탄, 헥산, 헵탄 및 옥탄) (이는 m개의 하이드록실 기 (여기서, m은 2 내지 n임)로 치환됨)이 포함된다.
본 발명에 사용하기에 적합한 다양한 폴리올은 당업계에 공지된 방법에 의해 제조될 수 있거나 또는 알파 아에사르(Alfa Aesar) (미국 매사추세츠주 워드 힐 소재), 시티 케미칼(City Chemical) (미국 코네티컷주 웨스트 헤븐 소재), 피셔 사이언티픽(Fisher Scientific) (미국 뉴저지주 페어론 소재), 시그마-알드리치(Sigma-Aldrich) (미국 미주리주 세인트 루이스 소재) 또는 스탠포드 머티리얼스(Stanford Materials) (미국 캘리포니아주 알리소 비에조 소재)와 같은 공급처로부터 구매가능하다.
본 발명에 사용하기에 적합한 1,3-프로판다이올은 구매가능하다. 1,3-프로판다이올은 에틸렌 옥사이드를 포스핀, 물, 일산화탄소, 수소 및 산의 존재 하에 촉매와 접촉시켜 "하이드로포르밀화 경로"(hydroformylation route)를 통해 제조될 수 있다. 대안적으로, 생물학적으로-제조된 1,3-프로판다이올 (현재 듀폰(DuPont)으로부터 바이오-PDO™(Bio-PDO™) 프로판다이올로서 입수가능)을 발효에 의해 본 발명을 위해 제공될 수 있다. 생물학적으로-제조된 1,3-프로판다이올은, 선택적으로 셀룰로오스 바이오매스와 같은 재생 자원으로부터 얻어진 당을 1,3-프로판다이올로 발효시켜 얻는다. 이러한 발효 공정은 미국 특허 제5,686,276호 및 제7,135,309호 및 미국 특허 출원 공개 제2006/0286653호와 같은 출처에 공지되어 있으며 기재되어 있다.
폴리올 외에도, 본 발명에 유용한 열에너지 전달 조성물은 추가적인 냉각제, 예를 들어, 흡수 기술에서 통상 사용되는 바와 같이 물 또는 브롬화리튬과 혼합된 물을 또한 포함할 수 있다. 윤활제, 부식 억제제, 안정제, 염료 및 다른 적합한 재료와 같은 첨가제는, 폴리올이 이온성 액체에 용해되는 정도에 바람직하지 않은 영향을 주지 않는다면, 다양한 목적을 위해서 본 발명에 유용한 열에너지 전달 혼합물에 또한 첨가될 수 있다. 본 발명에 유용한 혼합물은 원하는 양의 각각의 성분을, 예를 들어, 회전 혼합 요소를 갖는 공지된 유형의 교반기를 사용하여 적합한 용기 내에서 혼합 또는 조합하는 것을 포함하는 임의의 편리한 방법으로 제조될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 형태에서, 본 명세서에 기재 또는 개시된 임의의 개별 양이온을 선택하고 양이온과 함께 쌍을 이루는 본 명세서에 기재 또는 개시된 임의의 개별 음이온을 선택함으로써 형성된 이온성 액체는 흡수식 가열 또는 냉각 사이클에서 흡수제로서 또는 열에너지 전달 조성물 중의 성분으로서 사용될 수 있다. 상응하여, 또 다른 실시 형태에서, (i) 본 명세서에 기재되고 개시된 양이온들의 전체 군의 개별 구성원들의 모든 다양한 상이한 조합으로 상기 전체 군으로부터 취해진 양이온들의 임의의 크기의 하위군(subgroup), 및 (ii) 본 명세서에 설명되고 개시된 음이온들의 전체 군의 개별 구성원들의 모든 다양한 상이한 조합으로 상기 전체 군으로부터 취해진 음이온들의 임의의 크기의 하위군을 선택함으로써 형성된 이온성 액체의 하위군은 흡수제로서 또는 열에너지 전달 조성물 중 성분으로서 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이 선택함으로써 이온성 액체 또는 이온성 액체의 하위군을 형성하는 데 있어서, 이온성 액체 또는 하위군은 상기 전체 군에서 빠진 양이온 및/또는 음이온의 군의 구성원의 부재 하에 사용되어 상기 선택이 이루어질 것이며, 따라서 그 선택은 바람직하다면 사용을 위해 포함된 군의 구성원보다는 오히려 사용에서 빠진 전체 군의 구성원의 견지에서 이루어질 수 있다.
흡수식 냉동 사이클과 같은 본 발명의 일 실시 형태에서, 열에너지 전달 조성물로서의 폴리올 및 이온성 액체의 조성물의 작용과, 특히 냉매로서의 폴리올 및 흡수제로서의 이온성 액체의 작용은 온도-압력-농도(TPX) 및 엔탈피-온도(HT) 다이어그램과 같은 열역학적 특성 차트에 의해서 설명될 수 있다. 이들 차트는 종래의 증기 압축 사이클의 분석에 있어서 친숙한 PH(압력-엔탈피) 또는 TS(온도-엔트로피) 다이어그램에 해당한다. 그러나, 증기 압축은 압축기를 사용하기 때문에 이러한 차트의 사용은 흡수식 사이클의 특정 경우에 대해 적합하게 되는데, 여기서 압축 공정은 이론적으로 단일 등엔트로피 경로인 반면, 흡수식 사이클은 소위 발생기-흡수기 용액 회로를 사용하고 몇몇 열역학적 공정이 수반된다.
증기 압축 사이클에서 PH 또는 TS 다이어그램은 상태 방정식(equations of state, EOS)을 사용하여 구성하며, 사이클 성능 및 모든 열역학적 특성을 계산할 수 있다. 흡수식 사이클에 대한 열역학적 차트는 보통 경험적 상관 관계식(empirical correlation equation)에 의해 만들어지며, 이는 용액 특성에 대한 실험적 용해도 및 열 용량 데이터에 피팅되는 반면에 증기 상 특성은 냉매 EOS를 사용하여 계산된다. 용해도 데이터는 소정 경우에 이론해(흔히 "활성"이라고 함) 모델을 사용하여 상관될 수 있다 (문헌[Nezu et al, "Thermodynamic Properties of Working-Fluid Pairs with R-134a for Absorption Refrigeration System", Natural Working Fluids 2002, IIR Gustav Lorentzen Conf. 5th. China, (Sept. 17-20, 2002, 446-453)]; 문헌[Fatouh, M. and Murthy, S. S. (Renewable Energy, 1993, 3:31-37)]; 문헌[Bhatt, M. S., et al (Heat Recovery System & CHP, 1992, 12:225-233)]; 문헌[Ness, H. C. V. and Abbott, M. M. (Classical Thermodynamics of Nonelectrolyte Solutions with Applications to Phase Equilibria, 1982, McGraw-Hill, New York)] 참조). 그러나, 이러한 모델은 그 용도가 냉매 임계 온도보다 상당히 낮은 온도로 제한될 수 있으며, 높은 발생기 온도에서의 모델링 해는 근거가 약할 수 있다. 따라서, 경험적 피팅 방정식 또는 부분 보정 방정식을 기체 상 EOS와 조합하여 사용하는 것이 항상 완벽하게 모순되지 않을 수는 없으며, 열역학적으로 옳은 EOS와 함께 흡수식 사이클 공정을 모델링하는 것이 바람직하다. EOS를 사용하여, 심지어 냉매의 임계 온도보다 높은 온도에서도 열역학적 특성이 정확하게 계산될 수 있다.
EOS를 사용하여 냉각 혼합물을 모델링하는 것이 친숙하지만, 냉매 및 비-휘발성 화합물의 혼합물은 공조 및 냉동 엔지니어에 의해서 경험적 상관 모델을 사용하여 전통적으로 처리된다: 예컨대, 냉매-윤활유 용해도. 이러한 혼합물에 대해 EOS를 사용하는 데 있어서 어려운 문제 중 하나가 임계 파라미터 및 증기압 데이터에 대한 많은 정보가 없이도 비-휘발성 화합물에 대한 EOS 파라미터를 어떻게 설정할 지를 결정하는 것이지만, 문헌[Yokozeki, A. (Proc. Intl. Compressor Eng. Conf. at Purdue, 1994, 1:335-340)]; 문헌[Yokozeki, A. (Intl. J. Thermophys., 2001, 22:1057-1071)]; 및 문헌[Yokozeki, A. (Applied Energy, 2005, 80:383-399)]에 더 충분히 설명된 바와 같이 EOS 모델은 냉매-윤활유 용해도 데이터에 성공적으로 적용되어 왔다. 그러므로, 유사한 EOS 모델을 본 발명에서 사용하여 새로운 흡수식 사이클 유체 쌍으로서 본 명세서에 개시된 냉매 및 이온성 액체의 유용성의 표시(indicator)로서 일관되게 사용하기 위한 모든 열역학적 특성을 계산할 수 있다 (문헌[Tillner-Roth R and Friend DG (J. Phys. Chem. Ref. Data, 1998, 27, 63-96)]).
냉매/이온성 액체 조성물을 모델링하기 위하여, 범용 레들리히-퀑(Redlich-Kwong; RK) 타입의 3차 상태 방정식(EOS)을 다음과 같이 사용할 수 있다:
Figure 112009067138480-PCT00004
Figure 112009067138480-PCT00005
Figure 112009067138480-PCT00006
순수 화합물에 대한 EOS에서 파라미터의 온도-의존성 부분(temperature-dependent part)은 하기 경험식 형태에 의해서 모델링된다 (문헌[Yokozeki, A. (Intl. J. Thermophys., 2001, 22:1057-1071)]; 문헌[Yokozeki, A. (Applied Energy, 2005, 80:383-399)]; 문헌[Shiflett, M. B. and Yokozeki, A. (Ind. Eng. Chem. Res. 2005, 44:4453-4464)]):
Figure 112009067138480-PCT00007
계수, βk는 각각의 순수 화합물의 증기압을 재현하도록 결정된다.
그러나, 흡수제에 대해서는, 증기압 데이터가 보통 이용가능하지 않거나 또는 적용 온도에서 증기압이 사실상 0이며, 더욱이 임계 파라미터(Tc 및 Pc)에 대한 어떠한 데이터도 존재하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 흡수제의 임계 파라미터는 다양한 방식으로 개산될 수 있다 (문헌[Reid RC, et al., The Properties of Gases & Liquids, 4th edn. (McGraw-Hill, New York 1987)] 참조). 문헌[Yokozeki (Int. J. Thermophys., 2001, 22, 1057-1071)]에 논의된 바와 같이, 고비등점 화합물에 대한 임계 파라미터의 개산은 용해도(PTx) 데이터를 상관시키는 데 충분하다. 그러나, 흡수제의 증기압이 관심 온도에서 본질적으로 0이 되더라도, 냉매-흡수제 혼합물의 PTx 데이터가 상관되는 경우 흡수제에 대한 파라미터의 온도-의존성 부분이 중요하다. 여기서, 흡수제에 대한 α(T)는 냉매-윤활유 혼합물의 경우(문헌[Yokozeki A, 2001, supra] 참조)에 적용되는 바와 같이 식 4의 오직 2개의 항에 의해서만 모델링된다.
Figure 112009067138480-PCT00008
Figure 112009067138480-PCT00009
식 6의 계수 β1는 조정가능한 피팅 파라미터로서 처리될 것이다.
이어서, 일반적인 N-성분 혼합물에 대한 a 및 b 파라미터는 2성분 상호작용 파라미터(binary interaction parameters)에 의해서 모델링하며 (문헌[Yokozeki A (Applied Energy, 2005, 80, 383-399)]; 및 문헌[Shiflett MB and Yokozeki A, supra] 참조), 이는 변형된 반데르발스-베르텔롯 혼합식(modified van der Waals-Berthelot mixing formula)으로서 간주될 수 있다.
Figure 112009067138480-PCT00010
Figure 112009067138480-PCT00011
Figure 112009067138480-PCT00012
Tci: i-번째 화학종의 임계 온도.
Pci: i-번째 화학종의 임계 압력.
χi: i-번째 화학종의 몰 분율.
본 모델에서는, 각각의 2성분 쌍에 대해 4개의 2성분 상호작용 파라미터: lij, lji, mij, 및 τij가 존재한다. 식 5에서 lij=lji 이고 식 8에서τij=0 인 경우 식 7은 a 파라미터에 대한 보통의 2차-혼합 공식(ordinary quadratic-mixing rule)이 된다는 것에 유의하여야 한다. 본 EOS 모델은 극성 및 크기에 관해서 고도로 비-대칭인 혼합물, 예를 들어, 다양한 냉매/오일 혼합물(문헌[Yokozeki A, 2001, supra] 참조) 및 암모니아/부탄 혼합물(문헌[Yokozeki A (Proc. Int. Congress of Refrigeration Washington, D.C. 2003)] 참조); 및 에콜리브리움(EcoLibrium)™ (2004, 3, 20-24)에 대해 성공적으로 적용되어 왔다.
상 평형(용해도) 계산을 위해서, 각 화합물에 대한 퓨개시티 계수(fugacity coefficient) Φi가 본 혼합 공식을 위해 필요하며 유도된다:
Figure 112009067138480-PCT00013
여기서, b'i 및a'i는 하기에 의해 주어진다:
Figure 112009067138480-PCT00014
Figure 112009067138480-PCT00015
본 연구와 관련된 열역학적 유도 함수는 하기에 의해 일반식 형태로 주어지는 엔탈피(H)이다:
Figure 112009067138480-PCT00016
여기서, C는 임의의 상수이고, 이는 임의의 선택값일 수 있으나 문제의 시스템 내의 임의의 성분 혼합물에 대해 동일한 상수여야 한다. 식 13에서 각 화합물에 대한 이상기체 열용량 C0 pi은 다항식 형태를 사용하여 모델링한다:
Figure 112009067138480-PCT00017
도 1에 도시된 바와 같은 흡수식 가열 또는 냉각 사이클에 대한 이론적 사이클 성능은 하기와 같이 모델링된다. 전체 에너지 균형(energy balance)은 다음을 제공한다:
Figure 112009067138480-PCT00018
흡수기 또는 발생기의 물질 균형으로부터:
Figure 112009067138480-PCT00019
이는 하기에 의해 정의되는 바와 같은 질량 유량(mass flow rate) 비, f를 제공한다:
Figure 112009067138480-PCT00020
여기서, x는 용액 중 흡수제의 질량 분율이고, 하첨자 a 및 g는 흡수기 및 발생기 용액을 의미하고, mr 및 ms는 각각 기체 냉매 및 흡수기-출구 용액의 질량 유량(또는 용액 펌핑 속도)이다.
열교환기 유닛에서 열전달 효율을 1로 가정하는 경우, 에너지 균형 방정식은 다음과 같이 된다:
Figure 112009067138480-PCT00021
여기서, H는 엔탈피이고, 하첨자 숫자 (1, 2, 3, 4)는 도 1에 도시된 위치에 대응한다. 식 18로부터, 발생기-입구 엔탈피, H1를 다음과 같이 얻을 수 있다:
Figure 112009067138480-PCT00022
발생기 주변의 에너지 균형으로부터, 발생기 열 입력, Qg는 다음과 같이 주어진다:
Figure 112009067138480-PCT00023
식 19를 이용하여 식 20으로부터 를 소거함으로써, 식 20은 다음과 같이 나타낼 수 있다:
Figure 112009067138480-PCT00024
유사하게는, 흡수기에서의 열 방출(heat rejection), Qa는 다음과 같이 주어진다:
Figure 112009067138480-PCT00025
단위 질량 유량당 응축기 및 증발기 열은 각각 다음과 같다:
Figure 112009067138480-PCT00026
Figure 112009067138480-PCT00027
이어서, 시스템 성능은 열량 비(heat ratio), η (출력 파워를 입력 파워로 나눈 것)에 의해서 정의된다:
Figure 112009067138480-PCT00028
그러나, 용액 펌핑 파워, Wp는 보통 Qg보다 훨씬 작으며, 다음과 같이 정의되는 COP(성능 계수)를 이용하는 것이 통상적이다:
Figure 112009067138480-PCT00029
이는 H 및 f에 의해서 표현될 수 있다:
Figure 112009067138480-PCT00030
흡수기 및 발생기 유닛의 모든 위치에서의 엔탈피 및 용해도는 상기에 논의된 EOS 모델을 사용하여 열역학적으로 일관된 방식으로 계산된다.
냉매에 대한 순수 성분 EOS 상수는 문헌[Yokozeki A (2001, supra)], 문헌[Yokozeki A (Proc. Int. Congress of Refrigeration, Washington, D.C. 2003)], 및 에코리브륨™ (2004, 3, 20-24)으로부터 취하였다. 이러한 연구에서 선택된 흡수제에 관해서, 임계 파라미터는 그룹 기여법(group contribution method)으로부터 개산되었다 (문헌[Reid RC et al, supra] 참조). 이러한 고비등점 재료에 대한 임계 파라미터의 정확성은 용해도 데이터를 상관시키는 데 덜 중요하다 (문헌[Yokozeki A, 2001, supra] 참조). 그러나, 전술한 바와 같이, 식 6의 β1 파라미터는 중요할 수 있으며 2성분 용해도 데이터의 분석에 있어서 조정가능한 파라미터로서 처리될 수 있다.
EOS를 사용하여 열 특성을 계산하기 위하여, 각각의 순수 화합물에 대한 이상기체 열용량이 온도의 함수로서 필요하게 된다: 식 14 참조. 식 14에 대한 계수는 모두 그룹 기여법으로부터 개산되었다 (문헌[Reid, RC, et al, supra] 참조).
다음으로, 혼합물에 대한 EOS 파라미터를 결정하기 위하여 플루오로탄소/이온성 액체 2성분 혼합물의 용해도 (증기-액체 평형) 데이터를 분석한다. 4개의 2성분 상호작용 파라미터, lij, lji, mij 및 τij와, 각각의 2성분 쌍에 대한 흡수제 파라미터 β1는 상대 압력차의 목적 함수를 사용하여 비-선형 최소 자승 분석으로 결정하였다.
흡수식 가열 또는 냉각 사이클의 이론적 성능의 평가는 도 1에 도시된 간단한 이상적인 사이클 및 본 발명의 이론적 모델에 기초한다. 여기서, 펌핑 파워 Wp는 다른 열적 파워에 관해서 보통 무의미하기 때문에 무시된다. 또한, 몇몇 가정을 세운다:
(1) 연결 라인에서 압력 강하가 없다.
(2) 증기 압축 사이클 계산에서 보통 그러하듯이, 응축기로부터 증발기로의 냉매 팽창 공정은 등엔탈피 과정이다. 도 1의 지점 7(증발기의 출구)에서의 조건은 T = Teva인 순수 냉매 이슬점이다.
(3) 지점 6에서의 조건은 냉매 기포점(bubble point)이며, 과냉 액체는 없다. 지점 5(응축기의 입구)에서의 조건은 P = Pcon이고 T = Tg인 순수 냉매의 과열 상태이다.
(4) 응축기 및 발생기 내의 압력 (Pcon, Pg)은 같으며, 증발기 및 흡수기 압력 (Peva, Pa)도 마찬가지로 동일하다.
(5) 지점 3(흡수기로의 용액 입구)에서의 조건은 흡수기 압력 (Pa) 및 발생기의 용액 농도(xg)를 사용하여 규정된 용액의 기포점이다.
(6) 발생기 온도 (Tg), 흡수기 온도 (Ta), 응축기 온도 (Tcon) 및 증발기 온도 (Teva)는 주어진 사이클 조건으로서 규정된다.
(7) 냉매 기체 유량 (mr)은 일반성의 상실 없이 1 ㎏·s-1이 되도록 설정되며, 흡수제 증기는 무시된다.
사이클 계산의 첫 번째 단계는 주어진 온도에서 순수 냉매의 포화 증기압으로서 Peva 및 Pcon을 얻는 것이다: 기포점 P 루틴(문헌[Ness, HCV et al, supra] 참조). 이어서, 보통의 TP (온도-압력) 플래시 루틴(문헌[Ness, HCV et al, supra] 참조)을 사용하여, 발생기 및 흡수기 유닛 내의 흡수제 조성, xg 및 xa를 계산한다. 이는 식 17에서 f (유량 비)를 제공한다. 지점 3에서의 열역학적 특성은 가정 (5)로부터 결정된다: 기포점 T 루틴(문헌[Ness, HCV et al, supra] 참조). 지점 1에서의 엔탈피는 식 19로부터 얻는다. 모든 다른 지점에서의 엔탈피는 알려진 T, P 및 조성을 사용하여 쉽게 계산된다. 따라서, 성능 평가에 필요한 양은 열거한 식을 사용하여 얻을 수 있다. 선택된 열역학적 양과 함께 본 발명의 2성분 시스템에 대한 사이클 성능이 실시예 1의 표 1에 요약되어 있으며, 여기서 사이클 조건에 대한 특정 온도는 Tg / Tcon / Ta / Teva = 100 / 40 / 30 /10℃이고, mr = 1 ㎏·s-1이다.
잘 알려진 냉매-흡수제 쌍, NH3/H2O 및 H2O/LiBr을 또한 계산하였고, 비교를 위해 실시예 1의 표 1에 나타냈다. NH3/H2O의 경우에, 흡수제 H2O는 발생기 출구에서 무시할 수 없는 증기압을 가지며, 실제 응용에서는 냉매를 흡수제 물로부터 분리하기 위하여 정류기(증류) 유닛이 필요하다. 증기압의 영향 및 정류기로 인한 가외의 파워의 필요성은 무시된다: 따라서, 계산된 COP는 본 발명의 성능 비교를 위해 과다하게 개산되었다. H2O/LiBr의 경우, EOS 모델이 개발되지 않았다. 대신에, 열역학적 특성에 대한 경험적 상관 다이어그램을 사용하였다 (문헌[Stoecker and Jones, Refrigeration and Air Conditioning (McGraw-Hill, New York, 1982, 328-350)]의 온도-압력-농도 다이어그램 및 엔탈피-온도 다이어그램).
흡수식 냉각 사이클을 위한 사이클 계산은 본 명세서에 기재된 바와 같은 EOS를 사용하여 쉽게 이루어질 수 있으나, 결과의 분석은 통상의 증기 압축 사이클의 경우에 사용된 것과는 상이한 접근이 이롭다. 통상의 증기 압축 사이클의 경우에, 증기 응축기에 의해서 높은 압력/온도 냉매 기체가 생성되며, 여기서 열역학적 공정은 이론적으로 단일 등엔트로피 단계이다: 응축기의 입구 및 출구 엔탈피는 압축기 작업을 설명하는 데 충분하다. 그러나, 흡수식 사이클에서는, 상응하는 높은 압력/온도의 기체를 발생시키는 공정은 더욱 복잡하며, 몇몇 상이한 위치에서의 엔탈피뿐만 아니라 식 17, 식 21 및 식 22에 나타난 바와 같이 흡수기 및 발생기 유닛에서의 냉매-흡수제 용해도 차이(f 값과 관련됨)를 아는 것이 유용하다.
응축기 및 증발기 성능은 주어진 온도에서 양 사이클에 대해 동일하며, 증발(또는 응축) 잠열에 기초하여 이해될 수 있다. 일반적으로, 냉동 효과는 증발기에서의 잠열이며, 이는 Tc와 Teva 사이의 온도 차이의 증가에 따라 증가한다. 따라서, 주어진 Teva에서, 잠열은 더 높은 Tc를 갖는 냉매에서 더 크다. 또한, 몰 잠열(J/㏖)은 냉매들 사이에 그 비등점(또는 Tc로부터 멀리 떨어진 온도)에서 일반적으로 그리 많이 상이하지 않은 반면에, 몰 질량의 큰 차이로 인해 비잠열(J/㎏)은 상당히 상이할 수 있다. 이러한 인자들은 계산된 냉동 파워 Qe의 큰 차이를 설명할 수 있다.
흡수식 가열 또는 냉각 사이클에 사용되는 것과 같은 흡수제는 바람직하게는 냉매(예컨대, 1,3-프로판다이올)에 대해 높은 용해도를 가지며, 또한 냉매에 비하여 매우 높은 비등점을 갖는 화합물이다. 실시예 1의 표 1은 COP/f 값이 0.40/22.6인 1,3-프로판다이올 + [bmim][BF4]의 시스템을 예시한다.
하기 실시예는 본 발명의 이점을 예시하기 위하여 그리고 당업자가 본 발명을 제조하거나 사용하는 것을 돕기 위하여 제시된다. 이 실시예들은 1,3-프로판다이올이 폴리올로서 선택된 특정 상황을 예시한다. 그러나, 이들 실시예는 어떤 식으로든 개시 내용 및 첨부된 청구의 범위의 범주를 제한하고자 하는 것은 아니다.
일반 재료 및 방법
하기의 약어들이 사용된다: ㎫는 메가 파스칼이고; ㎪는 킬로 파스칼이고; K는 켈빈이고, ℃는 섭씨 온도이고; ㎜는 밀리미터이고; ㎝는 센티미터이고; ㎾는 킬로와트이고; PDO는 1,3-프로판다이올이고; ㏖은 몰이다.
1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트 ([bmim][PF6], C8H15N2F6P, 분자량 284.18 g ㏖-1), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트 ([bmim][BF4], C8H15N2F4B, 분자량 226.13 g ㏖-1), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트 ([emim][BF4], C6H11N2F4B, 분자량 197.98 g ㏖-1)를 플루카 케미카(Fluka Chemika)로부터 순도 97% 초과로 입수하였다 (미국 미주리주 세인트 루이스 소재의 시그마-알드리치로부터도 입수할 수 있음). 1,3-프로판다이올 (C3H8O2, 분자량 76.1 g ㏖-1) 및 메틸 알코올을 시그마-알드리치로부터 최소 순도 99.6 %로 입수하였다.
하기 음이온의 합성은 미국 가특허 출원 제60/719,735호에 기재되어 있으며, 이는 모든 점에서 전체적으로 본 명세서의 일부로서 참고로 포함된다: (포타슘 1,1,2,2-테트라플루오로에탄설포네이트, 포타슘-1,1,2-트라이플루오로-2-(퍼플루오로에톡시)에탄설포네이트, 포타슘-1,1,2-트라이플루오로-2-(트라이플루오로메톡시)에탄설포네이트, 및 소듐 1,1,2,3,3,3-헥사플루오로프로판설포네이트) 및 이온성 액체 (1-부틸-2,3-다이메틸이미다졸륨 1,1,2,2-테트라플루오로에탄설포네이트, 1-부틸-메틸이미다졸륨 1,1,2,2-테트라플루오로에탄설포네이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 1,1,2,2-테트라플루오로에탄 설포네이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 1,1,2,3,3,3-헥사플루오로프로판설포네이트, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 1,1,2,2-테트라플루오로에탄설포네이트, 1-도데실-3-메틸이미다졸륨 1,1,2,2-테트라플루오로에탄설포네이트, -헥사데실-3-메틸이미다졸륨 1,1,2,2-테트라플루오로에탄설포네이트, 1-옥타데실-3-메틸이미다졸륨 1,1,2,2-테트라플루오로에탄설포네이트, 1-프로필-3-(1,1,2,2-TFES) 이미다졸륨 1,1,2,2-테트라플루오로에탄설포네이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 1,1,2,3,3,3-헥사플루오로프로판설포네이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 1,1,2-트라이플루오로-2-(트라이플루오로메톡시)에탄설포네이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 1,1,2-트라이플루오로-2-(퍼플루오로에톡시)에탄설포네이트, 테트라데실(트라이-n-부틸)포스포늄 1,1,2,3,3,3-헥사플루오로프로판설포네이트, 테트라데실(트라이-n-헥실)포스포늄 1,1,2-트라이플루오로-2-(퍼플루오로에톡시)에탄설포네이트, 테트라데실(트라이-n-헥실)포스포늄 1,1,2-트라이플루오로-2-(트라이플루오로메톡시)에탄설포네이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 1,1,2,2-테트라플루오로-2-(펜타플루오로에톡시)설포네이트, 및 테트라부틸포스포늄 1,1,2-트라이플루오로-2-(퍼플루오로에톡시)에탄설포네이트).
열에너지 전달 조성물로서 유용한 1,3-프로판다이올과 같은 폴리올 및 이온성 액체의 조성물의 경우, 폴리올은 이온성 액체에 적어도 어느 정도 용해될 수 있어야 한다. 열에너지 전달 조성물은 또한 바람직하게는 단일 상으로 남아 있을 것이며, 사용 온도에서 2개의 액체 상으로 분리되지 않을 것이다. 1,3-프로판다이올과 다양한 이온성 액체의 혼합물에 대한 증기-액체-액체 평형("VLLE")을 측정하기 위하여, 외경이 12.69 ㎜이고 내경이 7.94 ㎜이고 전장이 15.5 ㎝인 붕규산 유리관으로부터 저압 샘플 용기를 제작하였다. 유리관의 한쪽 단부를 토치(torch)로 밀봉하였고 다른 쪽 단부는 개방하였다. 테플론(등록상표) 중합체 페룰(ferrule)을 갖는 스웨즈락(등록상표) 스테인리스 강 (미국 오하이오주 솔론 소재의 스웨즈락 컴퍼니(Swagelok Co.); SS316) 캡 및 플러그를 사용하여 유리관의 개방 단부를 밀봉하였다. 캡을 죌 때, 페룰이 유리관을 밀봉하여야 하나, 과도하게 죔으로써 유리가 균열되지 않도록 주의하여야 한다.
각각의 액체 층의 부피는 도 2에 도시된 바와 같이 전자 캘리퍼스 (미국 일리노이주 오로라 소재의 미투토요 아메리카 코포레이션(Mitutoyo America Corp.); 모델 번호 CD-6" CS, 코드 번호 500-196)를 사용하여 ±0.01 ㎜의 정밀도로 유리관의 바닥으로부터 액체 높이를 측정함으로써 얻었다. 부피(v) 대 높이(h)를 실험적으로 보정하였고, 우수한 선형 관계식, v=a+bh을 얻었다. 기준 샘플로서 메틸 알코올을 사용하여 20℃ (293.15 K)에서 각각의 관에 대해서 a 및 b 파라미터를 얻었다.
2성분 시스템이 액체-액체 분리 (또는 VLLE)를 나타내는 경우, 이것은 깁스 상 규칙(Gibbs phase rule)에 따른 단변수 상태(univariant state)이며; 열역학적 자유도가 1이다. 예를 들어, 시스템 온도 T가 정해져 있다면, 임의의 주어진 전체 공급 조성(overall-feed composition)에 관계 없이 다른 모든 열역학적 세기 변수(각 상에서의 압력, 조성 및 몰 부피)가 특유하게 결정된다. 전체 공급 조성은 각 액체 상 및 기체 상에서의 물리적 부피를 단지 변화시키나, 각 상에서의 조성 및 몰 부피는 정해진 T에서 3개의 상이 존재하는 한 일정하게 유지된다.
2성분 시스템의 이러한 특유의 VLLE 상태는, 도 2에 개략적으로 도시된 간단한 장치를 사용하여, 조성물 분석을 위한 임의의 분석법을 사용하지 않고도 질량-부피 측정만에 의해서 실험적으로 결정될 수 있다. 본 방법의 원리는 문헌[Shiflett, M.B. and Yokozeki, A. (Vapor-liquid-liquid equilibria of pentafluoroethane and ionic liquid [bmim][PF6] mixtures studied with the volumetric method, J. Phys. Chem. B (2006) 110:14436-14443)] 및 문헌[ Shiflett, M.B. and Yokozeki, A. (Vapor-liquid-liquid equilibria of hydrofluorocarbons + 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, J. Chem. & Eng. Data (2006) 51:1931-1939)]에 기재된 바와 같이 열역학적 제한 조건, 단변수 상태 (깁스 상 규칙) 및 질량 균형에 기초한다.
열역학적 평형을 달성하기 위하여, 충분한 시간 및 혼합이 필요하였다. 도 3에 도시된 바와 같은 관찰창을 갖는 항온조 (네덜란드 죄터미어 소재의 탐슨 인스트루먼츠 비.브이.(Tamson Instruments b.v.); 모델 번호 TV4000LT) 내에서 튜브를 앞뒤로 로킹시키도록 14개의 샘플 용기를 수용할 수 있는 맞춤식 혼합 장치를 설계하였다. 이 조를 ((233.15 < T < 403.15) K의 권장 사용 범위를 갖는 다우 코닝(Dow Corning) 규소 오일 (미국 미시건주 미들랜드 소재의 다우 코닝; 모델 번호 5010)로 채웠다. 이 조는 ±0.02 K의 균일성으로 우수하게 온도 제어되었다. 높이 측정을 하기 전에, 샘플 홀더를 6 내지 12시간 동안 탱크의 액체 수준 아래에 직립으로 위치시켰다. 더 이상의 높이 변화가 검출되지 않을 때까지 매일 혼합 및 측정 절차를 반복하였고 높이를 시간의 함수로 도시하였다. 이러한 절차를 사용하여 각각의 온도에서 평형에 도달하는 데 5일이 필요하였다.
도 4는 동일 도면 상에 각각 도시된, 1,3-프로판다이올 + [bmim][PF6], 1,3-프로판다이올 + [bmim][BF4] 및 1,3-프로판다이올 + [emim][BF4]로 구성된 3가지 시스템에 대한 액체-액체 평형의 Tx 다이어그램이다. 용해도 결과에 대한 Tx 데이터가 실시예 2 내지 실시예 4에 요약되어 있다. 도 4에서, 각각의 추세선은 1,3-프로판다이올과 이온성 액체가 하나의 액체 상을 형성하는 영역을 1,3-프로판다이올과 이온성 액체가 2개의 액체 상을 형성하는 영역으로부터 구분한다. 개개의 조성물에 대해, 2-상 영역 안쪽(즉, 다이어그램 상의 추세선의 아래)의 온도에서, 2-상 혼합물의 하부 상은 이온성 액체가 풍부한 상이고, 2-상 혼합물의 상부 상은 1,3-프로판다이올이 풍부한 상이다. 각 조성물에 대한 상부 임계 용액 온도(UCST)는 각 추세선의 정점에서의 온도이다. 조성물에 따라, UCST는 25℃로부터 거의 85℃까지 변하였다.
열에너지 전달 조성물로서 사용하기 위하여 폴리올, 예를 들어 1,3-프로판다이올(PDO)을 이온성 액체와 혼합하는 경우, 2개의 액체 상의 형성을 막는 것이 바람직하다. 이온성 액체 및 폴리올로부터 형성된 에너지 전달 조성물이 사용 온도에서 바람직하게는 평형 경계 위쪽의 1-상 영역에, 더욱 바람직하게는 UCST 위쪽에 있도록 이온성 액체를 선택할 수 있다.
시험된 시스템의 경우, 예를 들어, 하기 조성물: [bmim][PF6] 중 10 ㏖% 미만의 PDO의 조성물; [bmim][PF6] 중 99.5 ㏖% 초과의 PDO의 조성물; [bmim][BF4] 중 35 ㏖% 미만의 PDO의 조성물; [bmim][BF4] 중 96 ㏖% 초과의 PDO의 조성물; [emim][BF4] 중 23 ㏖% 미만의 PDO의 조성물; 및 [emim][BF4] 중 98 ㏖% 초과의 PDO의 조성물이 모두 10℃만큼 낮은 온도에서 단일 상으로 남아 있는 바람직한 특성을 가졌다는 것을 알게 되었다. 이들
실시예 1
흡수식 사이클의 이론적 성능
Figure 112009067138480-PCT00031
실시예 2
1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트 및 1,3-프로판다이올의 혼합물
1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트 ([bmim][PF6]) 중 1,3-프로판다이올에 대한 실험적 용해도 (Tx) 데이터가 표 2에 요약되어 있다.
Figure 112009067138480-PCT00032
실시예 3
1-부틸-3- 메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트 및 1,3- 프로판다이올의 혼합물
1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트 ([bmim][BF4]) 중 1,3-프로판다이올에 대한 실험적 용해도 (Tx) 데이터가 표 3에 요약되어 있다.
Figure 112009067138480-PCT00033
실시예 4
1-에틸-3- 메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트 및 1,3- 프로판다이올의 혼합물
1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트 ([emim][BF4]) 중 1,3-프로판다이올에 대한 실험적 용해도 (Tx) 데이터가 표 4에 요약되어 있다.
Figure 112009067138480-PCT00034
본 명세서에서, 명백하게 달리 기술되거나 용법 관계에 의해 반대로 표시되지 않으면, 본 발명의 주제의 실시 형태가 소정의 특징부 또는 요소를 포함하거나, 함유하거나, 갖거나, 이로 이루어지거나 이에 의해 또는 이로 구성되는 것으로서 기술되거나 설명된 경우에, 명백하게 기술되거나 설명된 것들에 더하여 하나 이상의 특징부 또는 요소가 실시 형태에 존재할 수 있다. 그러나, 본 발명의 주제의 대안적 실시 형태는 소정의 특징부 또는 요소로 본질적으로 이루어지는 것으로서 기술되거나 설명될 수 있는데, 이 실시 형태에서는 실시 형태의 작동 원리 또는 구별되는 특징을 현저히 변화시키는 특징부 또는 요소가 실시 형태 내에 존재하지 않는다. 본 발명의 주제의 추가의 대안적 실시 형태는 소정의 특징부 또는 요소로 이루어지는 것으로서 기술되거나 설명될 수 있는데, 이 실시 형태에서 또는 그의 가상의 변형에서는 구체적으로 기술되거나 설명된 특징부 또는 요소만이 존재한다.
본 명세서에서, 명확하게 달리 언급되거나 사용된 문맥에 의해 반대로 지시되지 않는다면,
(a) 본 발명의 요소 또는 특징부의 존재를 언급 또는 설명하는 것과 관련하여 부정관사("a" 또는 "an")의 사용은 요소 또는 특징부의 존재를 개수의 면에서 1개로 제한하지 않으며;
(b) 용어 "포함한다", "포함된다" 및 "포함하는"은 그 용어들이 실제로 그렇지 않은 경우에도 어구 "제한없이"가 선행하는 것처럼 읽혀지고 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 폴리올 및 적어도 하나의 이온성 액체를 혼합물로 포함하는 열에너지 전달 조성물을 포함하는 열에너지 전달 장치.
  2. 제1항에 있어서, 이온성 액체가 하기 11가지의 양이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 양이온을 포함하는 장치:
    Figure 112009067138480-PCT00035
    Figure 112009067138480-PCT00036
    Figure 112009067138480-PCT00037
    [여기서, R1, R2, R3, R4, R5 및 R6는
    (i) H;
    (ii) 할로겐; (iii) -CH3, -C2H5, 또는 C3 내지 C25 직쇄, 분지형 또는 환형 알칸 또는 알켄 - Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨 - ;
    (iv) -CH3, -C2H5, 또는 C3 내지 C25 직쇄, 분지형 또는 환형 알칸 또는 알켄 - O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 포함하며 Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨 - ;
    (v) C6 내지 C20 비치환 아릴, 또는 C3 내지 C25 비치환 헤테로아릴 - O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 가짐 - ; 및
    (vi) C6 내지 C25 치환 아릴, 또는 C3 내지 C25 치환 헤테로아릴 - O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 가짐 - (여기서, 치환 아릴 또는 치환 헤테로아릴은 독립적으로
    (1) -CH3, -C2H5, 또는 C3 내지 C25 직쇄, 분지형 또는 환형 알칸 또는 알켄 - Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨 - ,
    (2) OH,
    (3) NH2, 및
    (4) SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 내지 3개의 치환체를 가짐)로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되며;
    R7, R8, R9 및 R10은
    (vii) -CH3, -C2H5, 또는 C3 내지 C25 직쇄, 분지형 또는 환형 알칸 또는 알켄 - Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨 - ;
    (viii) -CH3, -C2H5, 또는 C3 내지 C25 직쇄, 분지형 또는 환형 알칸 또는 알켄 - O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 포함하며 Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨 - ;
    (ix) C6 내지 C25 비치환 아릴, 또는 C3 내지 C25 비치환 헤테로아릴 - O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 가짐 - ; 및
    (x) C6 내지 C25 치환 아릴, 또는 C3 내지 C25 치환 헤테로아릴 - O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 가짐 - (여기서, 치환 아릴 또는 치환 헤테로아릴은 독립적으로
    (1) -CH3, -C2H5, 또는 C3 내지 C25 직쇄, 분지형 또는 환형 알칸 또는 알켄 - Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨 - ,
    (2) OH,
    (3) NH2, 및
    (4) SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 내지 3개의 치환체를 가짐)로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되며;
    선택적으로, 적어도 2개의 R1, R2, R3, R4, R5, R6 , R7, R8, R9 및 R10은 함께 환형 또는 이환식 알칸일 또는 알켄일 기를 형성함.]
  3. 제2항에 있어서, 적어도 하나의 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9 및 R10은 F-를 포함하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 이온성 액체는 [CH3CO2]-, [HSO4]-, [CH3OSO3]-, [C2H5OSO3]-, [AlCl4]-, [CO3]2-, [HCO3]-, [NO2]-, [NO3]-, [SO4]2-, [PO4]3-, [HPO4]2-, [H2PO4]-, [HSO3]-, [CuCl2]-, Cl-, Br-, I-, SCN-, 및 임의의 플루오르화된 음이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 음이온을 포함하는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 조성물은 단일 액체 상인 장치.
  6. 제1항에 있어서, 폴리올은 1,3-프로판다이올을 포함하는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 유체가 내외부로 유동하는 제1 챔버 및 열에너지 전달 조성물이 내외부로 유동하는 제2 챔버를 포함하며, 각각의 챔버는 하나 이상의 벽을 갖고, 유체와 열에너지 전달 조성물은 챔버들 중 어느 한 챔버의 벽 또는 양 챔버에 공통인 벽에 의해서 분리되며, 유체와 열에너지 전달 조성물의 각각의 온도는 동일하지 않은 장치.
  8. 제7항에 있어서, 챔버들 중 한 챔버는 다른 챔버의 내부에 위치하는 장치.
  9. 제7항에 있어서, 챔버들은 서로 인접하는 장치.
  10. 제7항에 있어서, 유체의 유동 방향이 조성물의 유동 방향에 대해 평행하거나, 반대이거나 또는 교차하는 장치.
  11. (a) 냉매 및 흡수제의 혼합물을 형성하는 흡수기; (b) 흡수기로부터 혼합물을 수용하고, 혼합물을 가열하여 흡수제로부터 냉매를 증기 형태로 분리하고, 냉매 증기의 압력을 증가시키는 발생기; (c) 발생기로부터 증기를 수용하고 증기를 압력 하에 액체로 응축하는 응축기; (d) 응축기를 떠난 액체 냉매를 통과시켜 액체의 압력을 감소시켜서 액체 및 증기 냉매의 혼합물을 형성하는 감압 장치; (e) 냉매 증기를 형성하기 위해, 감압 장치를 통과한 액체 및 증기 냉매의 혼합물을 수용하여 잔류 액체를 증발시키는 증발기; 및 (f) 증발기를 떠난 냉매 증기를 다시 흡수기로 보내는 도관을 포함하며, 흡수제는 이온성 액체를 포함하고, 냉매는 폴리올을 포함하는 온도 조절 장치.
  12. 제11항에 있어서, 폴리올은 1,3-프로판다이올을 포함하는 장치.
  13. 제11항에 있어서, 응축기는 가열할 물체, 매질 또는 공간에 근접하여 위치하거나, 또는 증발기는 냉각할 물체, 매질 또는 공간에 근접하여 위치하는 장치.
  14. 고형 물체, 유체, 또는 유체를 포함하는 챔버를 열에너지 전달 조성물과 접 촉시키는 단계를 포함하며, 고형 물체 또는 유체는 제1 온도를 가지며, 열에너지 전달 조성물은 제2 온도를 가지며, 제1 온도와 제2 온도는 동일하지 않고, 열에너지 전달 조성물은 폴리올 및 이온성 액체를 포함하는 열에너지 전달 방법.
  15. 제14항에 있어서, 유체는 기체를 포함하고, 기체는 조성물을 통해 버블링되는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 제1 온도는 제2 온도보다 높은 방법.
  17. 제14항에 있어서, 제1 온도는 제2 온도보다 낮은 방법.
  18. 제14항에 있어서, 유체의 유동 및 조성물의 유동을 제공하는 단계를 포함하며, 유체의 유동 방향은 조성물의 유동 방향에 대해 평행하거나, 반대이거나 또는 교차하는 방법.
  19. 제14항에 있어서, 폴리올은 1,3-프로판다이올을 포함하고, 발효에 의해 1,3-프로판다이올을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  20. 폴리올 및 적어도 하나의 이온성 액체를 혼합물로 포함하는 조성물.
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