KR20120095956A - 2차 루프 냉동 시스템 내의 냉매 저장소 - Google Patents

2차 루프 냉동 시스템 내의 냉매 저장소 Download PDF

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KR20120095956A
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마크 브랜든 쉬플렛
아끼미찌 요꼬제끼
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이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
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Abstract

1차 냉동 시스템의 정지 후 이온성 액체를 이용하여 2차 루프 냉동 시스템 내에 이산화탄소와 같은 2차 냉매를 저장하고 회수하는 방법 및 시스템이 설명된다. 이러한 방법은 2차 냉매의 환경 내로의 방출 및 1차 냉동 시스템의 정지 후 2차 루프를 재충전할 필요성을 제거한다.

Description

2차 루프 냉동 시스템 내의 냉매 저장소{REFRIGERANT STORAGE IN SECONDARY LOOP REFRIGERATION SYSTEMS}
본 출원은, 모든 목적을 위해 본 명세서의 일부로서 전체적으로 참고로 포함된, 2009년 11월 11일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/260,369호로부터 35 U.S.C. §119(e) 하의 우선권을 주장하고 상기 출원의 이익을 주장한다.
본 발명은 냉동 시스템 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 이온성 액체를 이용하여 2차 루프 냉동 시스템에서 이산화탄소와 같은 2차 냉매를 저장하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
2차 루프 냉동 시스템은 수퍼마켓 및 저장 창고에서 널리 사용되고 있다. 이러한 유형의 냉동 시스템은 1차 냉동 시스템과 2차 루프를 포함한다. 1차 냉동 시스템은 종종 상 변화 냉매 및 압축기를 이용하여 1차 냉매를 순환시키는 전통적인 직접 팽창식 설계이다. 2차 루프는 이산화탄소 또는 프로필렌 글리콜과 같은 비독성이고 비가연성인 냉매를 포함한다. 열 교환기는 1차 냉매와 2차 루프 내의 냉매 사이에서 에너지를 전달하기 위해 사용된다. 사용시에, 1차 냉동 시스템은 전형적으로 분리된 위치, 예를 들어, 기계실 또는 옥상으로 제한되고, 2차 루프는 냉동된 상품을 저장하기 위한 저장 구획, 예를 들어, 수퍼마켓 진열 케이스를 통해 지나간다. 2차 루프 냉동 시스템은 종래의 냉동 시스템에 비하여 많은 이점을 제공하는데, 가장 중요한 것 중 하나가 에너지 효율의 상당한 개선이다. 부가적으로, 2차 루프 냉동 시스템은 더 소형이며, 냉매를 적게 충전해서 작동하며, 냉매 누수의 효과를 최소화한다.
이산화탄소는 이들 냉동 시스템의 2차 루프에서 2차 냉매로서 널리 사용된다. 예를 들어, 전력의 손실로 인해, 1차 냉동 시스템이 정지될 경우 문제가 발생한다. 2차 루프 내의 2차 냉매는 압력이 증가하며, 이는 매우 높은 압력으로 유도될 수 있어서, 2차 냉매가 배출되어 2차 루프의 파열을 방지할 필요가 있도록 할 수 있다. 전형적으로, 이들 시스템에 안전 릴리프 장치가 사용되어 압력이 릴리프 장치의 설정점에 도달할 때, 장치가 대기로 개방되어 2차 냉매를 방출하도록 한다. 2차 냉매의 손실은, 2차 루프가 적절하게 기능하도록 하기 위해 작업이 재개될 때 시스템이 재충전될 것을 요구한다.
이온성 액체는 이산화탄소와 같은 냉매를 흡수하는 것으로 알려져 있으며, 가스 혼합물로부터 이산화탄소를 제거하기 위해 사용되어 왔다. 예를 들어, 모리야(Moriya)(미국 특허 출원 공개 제2007/0084344호)는 이온성 액체를 이용하여 가스 혼합물로부터 이산화탄소와 같은 가스를 선택적으로 흡수하는 가스 수집 방법을 설명한다. 부가적으로, 톤코비치(Tonkovich)(미국 특허 출원 공개 제2009/0071335호)는 이온성 액체를 이용하여 가스 혼합물로부터 메탄과 이산화탄소를 분리하는 방법을 설명한다. 그러나, 이온성 액체는 2차 루프 냉동 시스템에서 이산화탄소와 같은 2차 냉매를 위한 저장 매질로서 사용되지는 않았다.
따라서, 1차 냉동 시스템의 정지 후 2차 루프 냉동 시스템 내에 이산화탄소를 저장하고 회수하는 방법의 필요성이 여전히 존재한다.
본 발명은 이온성 액체를 이용하여, 2차 루프 냉동 시스템에서, 이산화탄소와 같은 2차 냉매를 저장하고 회수하는 방법 및 장치를 제공함으로써 설명된 문제를 해결한다.
일 실시 형태에서, 본 발명은 1차 냉매를 포함하는 1차 냉동 루프, 2차 냉매를 포함하는 2차 냉동 루프, 및 1차 및 2차 냉동 루프 둘 모두와 접촉하는 열 교환기를 포함하는 2차 루프 냉동 시스템에서, (a) 2차 루프로부터 보조 용기로 2차 냉매의 적어도 일부를 유동시키는 단계; 및 (b) 보조 용기 내의 이온성 액체를 이용하여 유동된 2차 냉매의 적어도 일부를 흡수하여 그의 혼합물을 형성하는 단계를 포함하는 2차 냉매의 저장 방법을 제공한다.
다른 실시 형태에서, 본 발명은 대상물, 매질 또는 공간의 온도를 조정하는 장치를 제공하는데, 이 장치는 (a) 1차 냉매를 포함하는 1차 냉동 루프, 응축기 및 팽창 밸브를 포함하는 1차 냉동 모듈; (b) 2차 냉매를 포함하는 2차 냉동 루프, 및 증발기를 포함하는 2차 냉동 모듈; (c) 1차 및 2차 냉동 루프 둘 모두와 접촉하는 열 교환기; 및 (d) 유동 단속기(flow interrupter)를 통해 2차 냉동 루프와 유체 연통하는 보조 용기를 포함하며, 상기 보조 용기는 적어도 하나의 이온성 액체를 포함하며; 여기서 응축기는 가열될 대상물, 매질 또는 공간 부근에 위치되거나, 또는 증발기는 냉각될 대상물, 매질 또는 공간 부근에 위치된다.
추가 실시 형태에서, 본 발명은 2차 루프 냉동 시스템에서 이산화탄소를 저장하는 방법을 제공하며, 이 방법은 (a) 이산화탄소를 포함하는 2차 루프를 포함하는 2차 루프 냉동 시스템을 제공하는 단계; (b) 2차 루프로부터 이산화탄소를 방출하는 단계; 및 (c) 2차 루프로부터 방출된 이산화탄소를 적어도 하나의 이온성 액체와 접촉시켜 이산화탄소의 적어도 일부가 이온성 액체에 의해 흡수되게 하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시 형태에서, 본 발명은 (a) 냉각될 대상물, 공간 또는 매질; (b) 1차 냉매를 포함하며, 압축기, 응축기, 및 팽창 밸브를 포함하는 1차 냉동 시스템; (c) 이산화탄소를 포함하는 제2 냉동 루프; (d) 상기 대상물, 공간 또는 매질로부터 이산화탄소로 열을 전달하기 위한 제2 냉동 루프와 개방 연통하는 증발기; (e) 제2 냉동 루프 내의 이산화탄소로부터 1차 냉동 시스템 내의 상기 1차 냉매로 열을 전달하기 위한 열 교환기; 및 (f) 유동 단속기를 통해 제2 냉동 루프와 유체 연통하며, 적어도 하나의 이온성 액체를 포함하는 팽창 탱크를 포함하는 냉동 시스템을 제공한다.
<도 1>
도 1은 본 명세서에 개시된 방법과 함께 사용하기 위한 예시적인 2차 루프 냉동 시스템의 개략도이다.
<도 2>
도 2는 증기 압축 사이클의 구성요소의 배치도이다.
<도 3>
도 3은 흡수 사이클의 구성요소의 배치도이다.
달리 나타내지 않는 한, 상기 및 본 발명의 설명에 사용되는 하기의 용어는 다음과 같이 정의될 것이다:
용어 "2차 루프 냉동 시스템"은 2차 루프에 포함된 열 에너지 전달 매질을 이용하여 열원으로부터 1차 냉동 시스템으로 열 에너지를 수송하는 냉동 시스템을 말한다.
용어 "2차 루프"는 열 에너지 전달 매질이 열원과 1차 냉동 시스템 사이에서 순환되면서 이동하는 경로를 말한다.
용어 "2차 냉매"는 2차 루프 내의 열 에너지 전달 매질을 말한다.
용어 "1차 냉동 시스템"은 압축기 또는 흡수기/재생기 시스템을 통해, 외부 환경과 같은 대상물, 매질 또는 공간으로 열이 전달되는 2차 루프 냉동 시스템의 일부를 말한다.
용어 "1차 냉매"는 1차 냉동 시스템 내의 열 에너지 전달 매질을 말한다.
용어 "이온성 액체"는 약 100℃ 이하에서 유체인 유기 염을 말한다.
용어 "냉매"는 플루오로탄소(FC), 하이드로플루오로탄소(HFC), 클로로플루오로탄소(CFC), 하이드로클로로플루오로탄소(HCFC), 또는 암모니아, 알칸, 알켄, 방향족, 이산화탄소, 또는 열 에너지 전달 매질로 사용될 수 있는 다른 가스, 예를 들어, 수소, 산소, 질소 및 아르곤과 같은 유체성 물질을 말한다. 냉매가 액체에서 증기로 상이 변할 때 (증발), 냉매는 주위로부터 열을 제거하고, 냉매가 증기에서 액체로 상이 변할 때 (응축), 주위에 열을 부가한다. 냉매라는 용어가 냉각을 위해서만 사용되는 물질의 의미를 담고 있을 수 있으나, 본 명세서에서 이 용어는 가열 또는 냉각을 위해 사용될 수 있는 방법, 장치 또는 시스템에서의 사용을 위해 적용가능한 열 에너지 전달 매질의 일반적 의미로 사용된다.
2차 냉매를 흡수하기 위하여 하나 이상의 이온성 액체를 이용하는 2차 루프 냉동 시스템에서, 이산화탄소와 같은 2차 냉매를 저장하고 회수하기 위한 방법 및 장치가 본 명세서에 개시된다. 본 발명은, 예를 들어 1차 냉동 시스템이 정지되는 상황에서 사용될 수 있다. 본 발명의 방법 및 장치는 2차 냉매의 환경 내로의 방출 및 1차 냉동 시스템의 정지 후 2차 루프를 재충전할 필요성을 제거한다. 2차 루프 냉동 시스템은 수퍼마켓 진열 케이스 및 창고 저장 용기와 같은 냉동 응용에서 유용하다.
2차 루프 냉동 시스템
2차 루프 냉동 시스템은 당업계에 잘 알려져 있다[예를 들어, 미국 특허 제5,524,442호 및 제5,819,549호(그의 각각은 그 전체가 모든 목적을 위해 본 발명의 일부로서 참고로 포함됨)를 참조한다]. 요약하면, 2차 루프 냉동 시스템은 1차 냉동 시스템과 2차 루프를 포함한다. 1차 냉동 시스템은 상 변화 냉매 및 압축기, 또는 흡수기/재생기 시스템을 이용하여 냉매를 순환시키는 전통적인 직접 팽창식 설계이다.
임의의 적합한 상 변화 냉매가 1차 냉매로서 이용될 수 있다. 적합한 1차 냉매의 예에는 암모니아, 플루오로탄소, 예를 들어, 테트라플루오로메탄(프레온(Freon) 14), 플루오로포름(프레온 23), 및 헥사플루오로에탄(프레온 116); 하이드로플루오로탄소, 예를 들어, 다이플루오로메탄(HFC-32), 1,1-다이플루오로에탄, 1,1,2,2-테트라플루오로에탄(HFC-134), 1,1,1,2-테트라플루오로에탄(HFC-134a), 1,1,1-트라이플루오로에탄(HFC-143a), 1,1-다이플루오로에탄(HFC-152a), 플루오로에탄(HFC-161), 펜타플루오로에탄(HFC-125), 1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판(HFC-245fa), 및 1,1,1,3,3-펜타플루오로부탄(HFC-365mfc); 플루오로-올레핀, 예를 들어, 2,3,3,3-테트라플루오로프롭-1-엔(HFO-1234yf); 및 그 혼합물이 제한 없이 포함된다.
1차 냉동 시스템은 전형적으로, 시스템이 냉각을 위해 사용되며 대기로 열을 배출하는 것이 요구되는 경우, 격리된 위치, 예를 들어, 기계실 또는 지붕에 포함된다. 그러나, 다른 실시 형태에서, 시스템은 가열을 위해 사용될 수 있으며, 응축기는 가열될 대상물, 매질 또는 공간 부근에 위치된다. 2차 루프는, 종종 이산화탄소인 2차 냉매를 포함한다. 그러나, 다른 적합한 2차 냉매는 질소, 아르곤, 헬륨, 암모니아, 퍼플루오로알칸, 에틸렌 글리콜 및 하이드로플루오로에테르를 포함한다. 시스템이 냉각을 위해 사용되는 경우, 예를 들어, 2차 루프가 냉동 상품 저장을 위한 저장 구획(예를 들어, 수퍼마켓 진열 케이스)을 통해 지나갈 경우, 증발기는 냉각될 대상물, 매질 또는 공간 부근에 위치된다.
냉각 실시 형태의 작동에서, 식품 저장 구획으로부터의 열 에너지는 냉동 코일을 포함하는 증발기를 통해 2차 루프 내의 2차 냉매로 전달된다. 2차 냉매로의 열전달은 저장 구획 내의 공기를 순환시키는 팬의 사용에 의해 촉진될 수 있다. 2차 냉매는 순환 펌프에 의해 2차 루프에서 열 교환기로 순환된다. 열 교환기에서, 2차 냉매로부터의 열 에너지는 1차 냉동 시스템 내에 포함된 1차 냉매로 전달된다. 냉각된 2차 냉매는 2차 루프를 통해 저장 구획으로 복귀된다. 가온된 1차 냉매는 압축기, 또는 흡수기/재생기 시스템을 통해 응축기로 순환되고 여기서 1차 냉매는 액화되고 냉각된다. 이러한 공정에 의해, 열 에너지는 1차 냉매로부터 추출되어 환경 내로 배출된다. 이어서, 1차 냉매는 팽창 밸브를 통해 팽창되어 열 교환기로 복귀된다.
1차 냉매는 증기 압축 사이클 또는 흡수 사이클에 의해 응축기로 경로가 정해질 수 있다. 증기 압축 및 흡수 사이클, 및 그들이 실시되는 시스템은 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)]]에서 설명된다. 간단한 증기 압축 사이클이 실시되는 시스템에 대한 개략도가 도 2에 도시되어 있다. 시스템은 팽창 밸브를 가진 응축기 및 증발기 유닛, 및 냉매 증기의 압력을 기계적으로 증가시킬 수 있는 증기 압축기로 이루어진다. 간단한 흡수 사이클의 개략도가 도 3에 도시되어 있다. 시스템은 도 2에 도시된 통상의 증기 압축 사이클과 유사하게 팽창 밸브를 가진 응축기 및 증발기 유닛으로 구성되지만, 흡수기-재생기 용액 회로가 압축기를 대신한다. 회로는 흡수기, 재생기, 열교환기, 압력 제어 장치(A), 및 용액 순환을 위한 펌프로 구성될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 흡수제에 의한 냉매의 흡수 시에 흡수기에 의해서 방출된 열을 사용하여 재생기에서 냉매 및 흡수제의 혼합물을 가열하여 흡수제로부터 증기 형태로 냉매를 분리할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 흡수제는 임의의 이온성 액체일 수 있다.
따라서, 본 발명은 대상물, 매질 또는 공간의 온도를 조정하는 장치를 포함하는데, 여기서 냉매는, 본 명세서에 설명되는 바와 같이, 증기 압축 사이클 또는 흡수 사이클에 의해 응축기로 경로가 정해져서, 대상물(예를 들어, 도관 또는 용기), 매질(예를 들어, 공기 또는 물과 같은 유체) 또는 공간을 냉각하거나 가열한다. 따라서, 장치는 기계적 압축기, 팽창 밸브를 가진 응축기 및 증발기 유닛으로 이루어질 수 있거나, 또는 (압축기가 기계적으로 작동하던 것과 마찬가지로 열의 유출과 유입에 의해 냉매 증기의 압력을 증가시키는) 흡수기-재생기 용액 회로와 같은 구성요소를 포함할 수 있는데, 여기서 상기 회로는 흡수기, 재생기, 열교환기, 압력 제어 장치 및 용액 순환을 위한 펌프로 구성될 수 있다.
증기 압축 및 흡수 시스템은, 각각이 모든 목적을 위해 본 발명의 일부로서 그 전체가 참고로 포함된 미국 특허 출원 공개 제2006/0197053호 및 제2007/0019708호에 추가로 설명된다.
본 발명의 장치는 냉장고, 냉동기, 제빙기, 에어컨, 산업용 냉각 시스템, 히터 또는 히트 펌프에 사용하기 위해 배치되거나, 또는 그것으로서 조립 또는 작동될 수 있다. 이들 기기 각각은 주거, 상업 또는 산업환경에 위치될 수 있거나, 자동차, 트럭, 버스, 기차, 비행기 또는 다른 수송용 장치와 같은 이동 장치에 포함될 수 있거나, 또는 의료 기기와 같은 장비의 부품에 포함될 수 있다.
이온성 액체
본 명세서에 개시된 바와 같이 사용하기 적합한 이온성 액체는 원칙적으로 이산화탄소와 같은 2차 냉매를 흡수하는 임의의 이온성 액체일 수 있으나, 냉매를 최소 흡수하는 이온성 액체는 덜 효과적일 것이다. 이상적으로, 선택된 냉매를 고도로 흡수하는 이온성 액체가 본 명세서에 설명된 바와 같이 효율적인 사용을 위해 요구된다. 부가적으로, 둘 이상의 이온성 액체의 혼합물이 사용될 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 공액 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 알킬 기로 알킬화될 수 있지만, 바람직하게는, 알킬 기는 C1-16 기이다. 다양한 트라이아릴포스핀, 티오에테르, 및 환형 및 비-환형 4차 암모늄 염이 또한 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다. 본 명세서에 사용하기 적합한 이온성 액체는 또한 염 복분해에 의해, 산-염기 중화 반응에 의해, 또는 선택된 질소-함유 화합물을 4기화(quaternize)시켜 합성될 수 있거나, 또는 이온성 액체는 머크(Merck)(독일 다름스타트 소재), 바스프(BASF)(미국 뉴저지주 마운트 올리브 소재), 플루카 케미칼 코포레이션(Fluka Chemical Corp.)(미국 위스콘신주 밀워키 소재), 및 시그마-알드리치(Sigma-Aldrich)(미국 미주리주 세인트루이스 소재)와 같은 몇몇 회사로부터 구매가능할 수 있다.
본 발명에 사용하기에 적합한 이온성 액체의 대표적인 예에는 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 출원 공개 제2008/0028777호(모든 목적을 위해 본 발명의 일부로서 그 전체가 참고로 포함됨), 및 그 안에 인용된 문헌과 같은 출처에 설명된 것들 중에 포함된다. 일 실시 형태에서, 이온성 액체의 라이브러리(library), 즉 조합 라이브러리가, 예를 들어 4차 암모늄 양이온의 다양한 알킬 유도체를 제조하고 관련 음이온을 변화시킴으로써 제조될 수 있다. 이온성 액체의 산성도는 루이스 산의 몰당량 및 타입 및 조합을 변화시킴으로써 조정될 수 있다.
본 명세서에 사용하기 적합한 이온성 액체는 음이온과 양이온을 포함한다. 여러 상이한 실시 형태에서, 양이온은 다음 화학식의 구조에 의해 나타내지는 양이온으로 이루어지는 군으로부터 선택된다:
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
여기서,
a) R1, R2, R3, R4, R5, R6, R12 및 R13은
(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 포함하고, Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨);
(v) C6 내지 C20 비치환된 아릴, 또는 C3 내지 C25 비치환된 헤테로아릴(O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 가짐);
(vi) C6 내지 C25 치환된 아릴 또는 C3 내지 C25 치환된 헤테로아릴(O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 가짐)(여기서, 상기 치환된 아릴 또는 치환된 헤테로아릴은
(A) -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),
(B) OH,
(C) NH2, 및
(D) SH로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 치환체를 가짐); 및
(vii) -(CH2)nSi(CH2)mCH3, -(CH2)nSi(CH3)3, -(CH2)nOSi(CH3)m(여기서, n은 독립적으로 1 내지 4이고, m은 독립적으로 0 내지 4임)로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되며;
b) R7, R8, R9, 및 R10은
(viii) -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);
(ix) -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 포함하고, Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨);
(x) C6 내지 C25 비치환된 아릴, 또는 C3 내지 C25 비치환된 헤테로아릴(O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택된 1 내지 3개 헤테로원자를 가짐); 및 C6 내지 C25 치환된 아릴, 또는 C3 내지 C25 치환된 헤테로아릴(O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택된 1 내지 3개 헤테로원자를 가짐)(여기서 상기 치환된 아릴 또는 치환된 헤테로아릴은
(E) -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),
(F) OH,
(G) NH2, 및
(H) SH로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택된 1 내지 3개의 치환체를 가짐); 및
(xi) -(CH2)nSi(CH2)mCH3, -(CH2)nSi(CH3)3, -(CH2)nOSi(CH3)m(여기서, n은 독립적으로 1 내지 4이고, m은 독립적으로 0 내지 4임)로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되며;
c) 선택적으로 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9 및 R10 중 적어도 둘은 함께 환형 또는 이환형 알카닐 또는 알케닐 기를 형성할 수 있다.
일 실시 형태에서, 이온성 액체는 음이온을 포함하는데, 음이온은
[CH3CO2]-, [HSO4]-, [CH3OSO3]-, [C2H5OSO3]-, [AlCl4]-, [CO3]2-, [HCO3]-, [NO2]-, [NO3]-, [SO4]2-, [PO3]3-, [HPO3]2-, [H2PO3]1-, [PO4]3-, [HPO4]2-, [H2PO4]-, [HSO3]-, [CuCl2]-, Cl-, Br-, I-, SCN-, 알킬 또는 치환된 알킬로 선택적으로 치환된 카르보레이트; 알킬아민, 치환된 알킬아민, 알킬 또는 치환된 알킬로 선택적으로 치환된 카르보란; 및 플루오르화된 음이온으로 이루어진 군의 하나 이상의 구성원으로부터 선택된다.
일 실시 형태에서, 이온성 액체는 피리디늄, 피리다지늄, 피리미디늄, 피라지늄, 이미다졸륨, 피라졸륨, 티아졸륨, 옥사졸륨, 트라이아졸륨, 포스포늄, 암모늄, 벤질트라이메틸암모늄, 콜린, 다이메틸이미다졸륨, 구아니디늄, 포스포늄 콜린, 테트라메틸암모늄, 및 테트라메틸포스포늄으로 이루어진 군의 하나 이상의 구성원으로부터 선택된 양이온을 포함한다.
다른 실시 형태에서, 이온성 액체는 음이온을 포함하며, 음이온은
아미노아세테이트, 아스코르베이트, 벤조에이트, 카테콜레이트, 시트레이트, 다이메틸포스페이트, 포르메이트, 푸마레이트, 갈레이트, 글리콜레이트, 글리옥실레이트, 이미노다이아세테이트, 아이소부티레이트, 코제이트, 락테이트, 레부리네이트, 옥살레이트, 피발레이트, 프로피오네이트, 피루베이트, 살리실레이트, 석시나메이트, 석시네이트, 티글레이트, 테트라플루오로보레이트, 테트라플루오로에탄설포네이트, 트로폴로네이트, [CH3CO2]-, [HSO4]-, [CH3OSO3]-, [C2H5OSO3]-, [AlCl4]-, [CO3]2-, [HCO3]-, [NO2]-, [NO3]-, [SO4]2-, [PO4]3-, [HPO4]2-, [H2PO4]-, [HSO3]-, [CuCl2]-, Cl-, Br-, I-, SCN-, [BF4]-, [PF6]-, [SbF6]-, [CF3SO3]-, [HCF2CF2SO3]-,
[CF3HFCCF2SO3]-, [HCClFCF2SO3]-, [(CF3SO2)2N]-, [(CF3CF2SO2)2N]-, [(CF3SO2)3C]-, [CF3CO2]-, [CF3OCFHCF2SO3]-, [CF3CF2OCFHCF2SO3]-, [CF3CFHOCF2CF2SO3]-, [CF2HCF2OCF2CF2SO3]-, [CF2ICF2OCF2CF2SO3], [CF3CF2OCF2CF2SO3]-, [(CF2HCF2SO2)2N]-, [(CF3CFHCF2SO2)2N]-, F-, 및 다음 화학식의 구조에 의해 나타내지는 음이온으로 이루어진 군의 하나 이상의 구성원으로부터 선택된다:
Figure pct00004
[여기서, R11은
(i) -CH3, -C2H5 또는 C3 내지 C10 직쇄, 분지형 또는 환형 알칸 또는 알켄(Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨);
(ii) -CH3, -C2H5, 또는 C3 내지 C10 직쇄, 분지형 또는 환형 알칸 또는 알켄(O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 포함하고, Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨);
(iii) C6 내지 C10 비치환된 아릴, 또는 C3 내지 C10 비치환된 헤테로아릴(O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 가짐); 및
(iv) C6 내지 C10 치환된 아릴, 또는 C3 내지 C10 치환된 헤테로아릴(O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 가짐)(여기서, 상기 치환된 아릴 또는 치환된 헤테로아릴은
(A) -CH3, -C2H5, 또는 C3 내지 C10 직쇄, 분지형 또는 환형 알칸 또는 알켄(Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨),
(B) OH,
(C) NH2, 및
(D) SH로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택된 1 내지 3개의 치환체를 가짐)로 이루어진 군으로부터 선택됨].
일 실시 형태에서, 이온성 액체는 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트 [bmim][PF6], 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트 [bmim][BF4], 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 비스트라이플루오로메틸설포닐이미드 [hmim][Tf2N], 및 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트 [bmim][아세테이트]로 이루어진 군으로부터 선택된다.
2차 루프 냉동 시스템에서 2차 냉매를 저장하기 위한 방법 및 장치
2차 루프 냉동 시스템에서 2차 냉매를 저장하기 위해 본 명세서에 개시된 방법은 다음 단계를 포함한다. 제1 단계는, 전술된 바와 같이, 2차 루프 냉동 시스템을 제공하는 것이다. 예를 들어, 전력 손실로 인해, 1차 냉동 시스템이 정지된 경우, 2차 냉매가 2차 루프로부터 방출되어, 전술된 바와 같이, 적어도 하나의 이온성 액체와 접촉되며, 이에 의해 2차 냉매의 적어도 일부가 이온성 액체에 의해 흡수된다. 흡수된 2차 냉매의 부분은 2차 루프에서 압력을 완화시키기에 충분하다. 필요한 이온성 액체의 양은 2차 루프에 포함된 2차 냉매의 양 및 사용되는 이온성 액체의 흡수 능력에 좌우될 것이다. 1차 냉동 시스템의 작동이 재개되면, 흡수된 2차 냉매는 이온성 액체로부터 2차 루프 내로 다시 방출될 수 있다. 2차 냉매는 2차 냉매를 포함하는 이온성 액체를 가열함으로써 이온성 액체로부터 가장 편리하게 방출될 수 있다.
본 발명은 도 1을 참고로 더 잘 이해될 수 있는데, 도 1은 본 명세서에 개시된 방법을 실시하기 위해 이용될 수 있는 냉각 모드에서 예시적인 2차 루프 냉동 시스템의 개략도를 도시한다. 도 1에 예시된 2차 루프 냉동 시스템은, 예를 들어 수퍼마켓 또는 식료품점에서 사용하기 적합하다. 유사한 시스템이 다른 응용, 예를 들어, 저장 창고에 유용할 수 있다.
도 1을 참조하면, 2차 냉매를 포함하는 2차 루프는 점선 화살표로 도시되며 냉동된 진열 케이스(90)(냉동된 상품을 저장하기 위한 저장 구획의 예) 내의 증발기(10)를 통해 지나가며, 케이스는 상점(100)의 내부에 위치한다. 증발기는 진열 케이스로부터 2차 냉매로 열을 전달하기 위해 2차 루프와 개방 연통한다. 도 1에서, 1차 냉동 시스템은 실선 화살표로 도시되며, 압축기(30), 응축기(40), 및 팽창 밸브(50)를 포함한다. 열 교환기(20)는 전술된 바와 같이, 2차 루프 내의 2차 냉매로부터 1차 냉동 시스템 내의 1차 냉매로 열 에너지를 전달하는 역할을 한다.
1차 냉동 시스템이 정지된 경우, 2차 루프 내의 압력이 증가한다. 이러한 압력 증가는 2차 루프와 유체 연통하는 압력 센서(70)에 의해 감지될 수 있다. 2차 루프 내의 압력이 소정의 값을 초과할 경우, 유동 단속기, 예를 들어, 도 1에 도시된 압력 릴리프 밸브(80)와 같은 밸브가 개방되어, 2차 루프로부터 2차 냉매를 방출한다. 방출된 2차 냉매는 2차 루프와 유체 연통하는 팽창 탱크(60)로 들어가며, 여기서 탱크 내에 포함된 적어도 하나의 이온성 액체와 접촉하여, 그에 의해 방출된 2차 냉매의 적어도 일부가 이온성 액체에 의해 흡수된다. 1차 냉동 시스템의 작동이 재개되면, 팽창 탱크와 열 접촉하는, 전기 가열 요소, 천연 가스 또는 오일 연료 열원과 같은 열원(65)을 이용하여 이온성 액체를 가열함으로써, 흡수된 2차 냉매는 이온성 액체로부터 2차 루프 내로 다시 방출될 수 있다.
실시예
본 발명은 하기 실시예에서 추가로 정의된다. 이들 실시예는 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내는 한편, 단지 예시로 주어짐을 이해해야 한다. 상기 논의 및 이러한 실시예로부터 본 발명의 본질적인 특징이 확인될 수 있으며, 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고서도 본 발명을 다양하게 변경하고 수정하여 본 발명을 다양한 용도 및 조건에 적합하게 할 수 있다.
사용된 약자의 의미는 다음과 같다: "min"은 분을 의미하고, "hr"는 시간을 의미하고, "mL"은 밀리리터를 의미하고, "μL"는 마이크로리터를 의미하고, "g" 는 그램을 의미하고, "㎎"은 밀리그램을 의미하고, "㎍"은 마이크로그램을 의미하고, "Pa"는 파스칼을 의미하고, "㎪"는 킬로파스칼을 의미하고, "㎫"는 메가파스칼을 의미한다.
재료
1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트 [bmim][PF6](Lot No. 1055432, 필링 코드(Filling Code) 31304010), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트 [bmim][BF4](Lot No. 1080045, 필링 코드 11304079), 및 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트 [bmim][Ac](Lot No. S25803, 필링 코드 444041302)는 각각 >96%, >97%, >95%의 순도로 플루카 케미카(Fluka Chemika)(스위스 부크스 소재)로부터 구매하였다. 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 비스(트라이플루오로메틸설포닐)이미드 [hmim][Tf2N](Lot EQ500831 632)는 >99%의 순도로 이엠디 케미칼스, 인크.(EMD Chemicals, Inc.)(미국 뉴저지주 깁스타운 소재)로부터 구매하였다. 콜만(Coleman) 등급 CO2는 99.99%의 최소 순도로, 엠지 인더스트리즈(MG Industries)(미국 펜실베니아주 맬번 소재)로부터 얻었다. 분자체 트랩을 설치하여 CO2로부터 미량의 물을 제거하였다.
실시예 1
1-부틸-3- 메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트에서 이산화탄소의 용해성
본 실시예는 283.15 °K, 298.15 °K, 323.15 °K, 및 348.15 °K의 온도에서 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트 [bmim][PF6]에서의 이산화탄소의 용해성을 예시한다.
가스 용해성 측정은 중력 미세저울(영국 와링턴 WA5 7TN 소재의 하이덴 아이소케마 리미티드(Hiden Isochema Ltd.)의 IGA-003 다성분 분석기(Multicomponent Analyzer))을 이용하여 이루어졌다. IGA 설계는 중량 변화, 압력 및 온도의 측정 및 정밀 컴퓨터-제어를 통합함으로써 가스 흡수 등온선 및 등압선의 재연성 있는 완전 자동 결정을 가능하게 한다. 미세 저울은 스테인리스강 압력-용기 내부에 샘플 및 균형추 구성요소를 가진 전자 저울로 구성된다. 이 저울은 칭량 범위가 0 내지 100 ㎎이며, 0.1 ㎍의 분해능을 가진다. 2.0 ㎫ 및 773.15 °K로 작동할 수 있는 향상된 압력 스테인리스강(SS316LN) 반응기를 설치하였다. 대략 60 ㎎의 [bmim][PF6] 이온성 액체 샘플을 샘플 용기에 첨가하고 반응기를 밀봉하였다. 샘플을 건조시키고, 먼저 다이아프램 펌프(미국 뉴햄프셔주 나슈아 소재의 파이퍼 배큠 인크.(Pfeiffer Vacuum Inc.)의 모델 MVP055-3)를 이용하여 샘플에 코스 진공을 건 후 터보펌프(파이퍼 배큠 인크.의 모델 TSH-071)를 이용하여 반응기를 10-9 ㎫로 완전히 배기함으로써 탈기시켰다. 깊은 진공 하에 있는 동안, 원격 제어식 항온조(constant-temperature bath)(미니스타트(Ministat), 모델 cc-S3, 미국 뉴욕주 노스포트 소재의 후버-유에스에이(Huber-USA))에 연결된 외부 물 재킷을 사용하여 10 hr 동안 348.15 °K로 샘플을 가열하였다. 부피 기준으로 30% 에틸렌 글리콜과 70% 물의 혼합물을 278.15 내지 363.15 °K 온도 범위에서 재순환 유체로서 이용하였다. 잔류 물과 가스가 제거됨에 따라 샘플 질량이 서서히 감소되었다. 일단, 질량이 적어도 60분 동안 안정화되면, 샘플 건조 질량을 기록하였다. 이온성 액체에 대한 중량 손실 퍼센트는 약 1 내지 3 %였다. 이러한 중량 손실은 잔류수 손실로 인한 것일 수 있다.
IGA-003은 동적 및 정적 모드 둘 모두로 작동할 수 있다. 모든 흡수 측정은 정적 모드로 수행되었다. 정적 모드 작동은 샘플로부터 먼 저울의 상부로 가스를 도입하며 유입 및 배출 밸브 둘 모두가 설정점 압력을 제어한다. 샘플 온도는 정확도가 ± 0.1 °K인 타입 K 열전쌍으로 측정하였다. 열전쌍은 샘플 용기에 이웃한 반응기 내에 위치하였다. 물 재킷은 설정점 온도를 자동적으로 ± 0.1 °K의 정확도 내로 유지하였다. (283.15, 298.15, 323.15, 및 348.15 °K)에서의) 4개의 등온선을 283.15 °K에서 시작하여 측정하였다. 일단, 원하는 온도가 달성되고 안정되면, 유입 및 배출 밸브는 압력을 제1 설정점으로 조정하도록 자동으로 개폐되었다. 10-10 내지 10-2 ㎫의 압력이 정전용량식 마노미터(모델 PKR25, 파이퍼 배큠 인크.)를 사용하여 측정되었으며, 10-2내지 2.0 ㎫의 압력은 압전-저항 스트레인 게이지(모델 PDCR4010, 미국 코네티컷주 뉴 페어필드 소재의 드럭(Druck))를 사용하여 측정되었다. 반응기 압력 설정점을 ″ 0.4 내지 0.8 ㎪ 이내로 유지하였다. 압력 변화율은 20 ㎪/min으로 설정하였으며, 온도 변화율은 1 °K/min으로 설정하였다. 스테인리스강 반응기의 압력 상한은 2.0 ㎫이었으며, 최대 2.0 ㎫(0.01, 0.05, 0.1, 0.4, 0.7, 1.0, 1.3, 1.5, 및 2.0 ㎫)까지의 몇몇 등압선을 측정하였다. 가스-액체 평형을 위한 충분한 시간을 보장하기 위하여, 이온성 액체 샘플을 최대 20 hr의 정지 시간을 가지고 최소 3 hr 동안 설정점에서 유지하였다.
IGA 방법은 압력 및 온도 변화에 따른 이완 거동을 활용하여 시간-의존성 흡수 및 점근성 업테이크(asymptotic uptake)를 동시에 평가한다. 실시간 프로세서를 이용하여 각 등온선의 종말점을 측정하였다. 실시간 분석에서 종말점으로 사용된 %이완은 99 %였다. 실시간 분석에 대한 최소 중량 변화는 1 ㎍으로 설정되었고, 얻어진 데이터로부터의 모델의 허용가능한 평균 편차는 7 ㎍으로 설정되었으며, 중량 습득(weight acquisition)에 대한 목표 간격은 1 ㎍의 전형적인 값으로 설정되었다. 등온선 동안 온도 변화는 0.1 μ°K/min 미만으로 유지되었다.
[bmim][PF6]에서 이산화탄소의 용해성 데이터는 표 1에 주어져 있다. 결과는 이온성 액체 [bmim][PF6]가 다양한 온도와 압력에서 상당량의 이산화탄소를 흡수하며 흡수된 이산화탄소는 이온성 액체의 온도를 증가시킴으로써 방출될 수 있음을 입증한다. 이들 결과는 이온성 액체 [bmim][PF6]가 2차 루프 냉동 시스템에서 이산화탄소를 위한 저장 매질로 사용될 수 있음을 제안한다.
[표 1]
Figure pct00005
실시예 2
1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트에서 이산화탄소의 용해성
본 실시예는 283.15 °K, 298.15 °K, 323.15 °K, 및 348.15 °K의 온도에서 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트 [bmim][BF4]에서 이산화탄소의 용해성을 예시한다.
용해성 측정을 하기 위해 사용된 방법과 장치는 실시예 1에서 설명된 것과 동일하였다. 용해성 측정의 결과는 표 2에 주어져 있다. 결과는 이온성 액체 [bmim][BF4]가 다양한 온도와 압력에서 상당량의 이산화탄소를 흡수하며 흡수된 이산화탄소는 이온성 액체의 온도를 증가시킴으로써 방출될 수 있음을 입증한다. 이들 결과는 이온성 액체 [bmim][BF4]가 2차 루프 냉동 시스템에서 이산화탄소를 위한 저장 매질로 사용될 수 있음을 제안한다.
[표 2]
Figure pct00006
실시예 3
1- 헥실 -3- 메틸이미다졸륨 비스(트라이플루오로메틸설포닐)이미드에서 이산화탄소의 용해성
본 실시예는 283.15 °K, 298.15 °K, 323.15 °K, 및 348.15 °K의 온도에서 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 비스트라이플루오로메틸설포닐이미드 [hmim][Tf2N]에서 이산화탄소의 용해성을 예시한다.
용해성 측정을 하기 위해 사용된 방법과 장치는 실시예 1에서 설명된 것과 동일하였다. 용해성 측정의 결과는 표 3에 주어져 있다. 결과는 이온성 액체 [hmim][Tf2N]가 다양한 온도와 압력에서 상당량의 이산화탄소를 흡수하며 흡수된 이산화탄소는 이온성 액체의 온도를 증가시킴으로써 방출될 수 있음을 입증한다. 이들 결과는 이온성 액체 [hmim][Tf2N]가 2차 루프 냉동 시스템에서 이산화탄소를 위한 저장 매질로 사용될 수 있음을 제안한다.
[표 3]
Figure pct00007
실시예 4
1-부틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트에서 이산화탄소의 용해성
본 실시예는 283.15 °K, 298.15 °K, 323.15 °K, 및 348.15 °K의 온도에서 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트 [bmim][아세테이트]에서 이산화탄소의 용해성을 예시한다.
용해성 측정을 하기 위해 사용된 방법과 장치는 실시예 1에서 설명된 것과 동일하였다. 용해성 측정의 결과는 표 4에 주어져 있다. 결과는 이온성 액체 [bmim][아세테이트]가 다양한 온도와 압력에서 상당량의 이산화탄소를 흡수하며 흡수된 이산화탄소는 이온성 액체의 온도를 증가시킴으로써 방출될 수 있음을 입증한다. 이들 결과는 이온성 액체 [bmim][아세테이트]가 2차 루프 냉동 시스템에서 이산화탄소를 위한 저장 매질로 사용될 수 있음을 제안한다.
[표 4]
Figure pct00008
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "발명"은 비제한적인 용어이며, 다른 것을 배제하고 그의 다양한 발명의 임의의 단일의 실시 양태를 언급하려는 것은 아니고, 상세한 설명 및 특허청구범위에 기술된 바와 같은 모든 가능한 실시 양태를 포함한다.
본 명세서에서, 명백하게 달리 기술되거나 사용 맥락에 의해 반대로 지시되지 않으면, 본 명세서의 주제의 구현예가 소정의 특징부 또는 요소를 포함하거나, 비롯하거나, 함유하거나, 갖거나, 이로 이루어지거나 이에 의해 또는 이로 구성되는 것으로서 기술되거나 설명된 경우에, 명백하게 기술되거나 설명된 것들에 더하여 하나 이상의 특징부 또는 요소가 구현예에 존재할 수 있다. 그러나, 본 발명의 요지의 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 요지의 추가의 대안적 실시 형태는 소정의 특징부 또는 요소로 이루어지는 것으로서 기술되거나 설명될 수 있는데, 이 실시 형태에서 또는 그의 크지 않은 변형예에서는 구체적으로 기술되거나 설명된 특징부 또는 요소만이 존재한다.

Claims (25)

1차 냉매를 포함하는 1차 냉동 루프, 2차 냉매를 포함하는 2차 냉동 루프, 및 1차 및 2차 냉동 루프 둘 모두와 접촉하는 열 교환기를 포함하는 2차 루프 냉동 시스템에서, (a) 2차 루프로부터 보조 용기로 2차 냉매의 적어도 일부를 유동시키는 단계; 및 (b) 보조 용기 내의 이온성 액체를 이용하여 유동된 2차 냉매의 적어도 일부를 흡수하여 그의 혼합물을 형성하는 단계를 포함하는 2차 냉매의 저장 방법.
제1항에 있어서, 이온성 액체로부터 제2 냉매를 분리하고, 분리된 2차 냉매를 보조 용기로부터 2차 루프 내로 다시 유동시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 이온성 액체로부터 2차 냉매를 분리하는 것은 이온성 액체와 흡수된 2차 냉매의 혼합물을 가열하는 것을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 1차 냉매를 압축하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 이온성 액체 내에 1차 냉매를 흡수시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 2차 냉매는 이산화탄소를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 이온성 액체는 다음 화학식의 구조에 의해 나타내지는 양이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 양이온을 포함하는 방법:
Figure pct00009

Figure pct00010

Figure pct00011

[여기서,
A) R1, R2, R3, R4, R5, R6, R12 및 R13은
(vii) H;
(viii) 할로겐;
(ix) -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);
(x) -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 포함하고, Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨);
(xi) C6 내지 C20 비치환된 아릴, 또는 C3 내지 C25 비치환된 헤테로아릴(O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 가짐);
(xii) C6 내지 C25 치환된 아릴, 또는 C3 내지 C25 치환된 헤테로아릴(O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 가짐)(여기서, 상기 치환된 아릴 또는 치환된 헤테로아릴은
(A) -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),
(B) OH,
(C) NH2, 및
(D) SH로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 치환체를 가짐); 및
(vii) -(CH2)nSi(CH2)mCH3, -(CH2)nSi(CH3)3, -(CH2)nOSi(CH3)m(여기서, n은 독립적으로 1 내지 4이고, m은 독립적으로 0 내지 4임)로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되며;
B) R7, R8, R9, 및 R10은
(viii) -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);
(ix) -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 포함하고, Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨);
(x) C6 내지 C25 비치환된 아릴, 또는 C3 내지 C25 비치환된 헤테로아릴(O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택된 1 내지 3개 헤테로원자를 가짐); 및 C6 내지 C25 치환된 아릴, 또는 C3 내지 C25 치환된 헤테로아릴(O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택된 1 내지 3개 헤테로원자를 가짐)(여기서 상기 치환된 아릴 또는 치환된 헤테로아릴은
(E) -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),
(F) OH,
(G) NH2, 및
(H) SH로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택된 1 내지 3개의 치환체를 가짐); 및
(xi) -(CH2)nSi(CH2)mCH3, -(CH2)nSi(CH3)3, -(CH2)nOSi(CH3)m(여기서, n은 독립적으로 1 내지 4이고, m은 독립적으로 0 내지 4임)로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되며;
C) 선택적으로 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9 및 R10 중 적어도 둘은 함께 환형 또는 이환형 알카닐 또는 알케닐 기를 형성할 수 있음].
제1항에 있어서, 이온성 액체는 [CH3CO2]-, [HSO4]-, [CH3OSO3]-, [C2H5OSO3]-, [AlCl4]-, [CO3]2-, [HCO3]-, [NO2]-, [NO3]-, [SO4]2-, [PO3]3-, [HPO3]2-, [H2PO3]1-, [PO4]3-, [HPO4]2-, [H2PO4]-, [HSO3]-, [CuCl2]-, Cl-, Br-, I-, SCN-, 알킬 또는 치환된 알킬로 선택적으로 치환된 카르보레이트; 알킬아민, 치환된 알킬아민, 알킬 또는 치환된 알킬로 선택적으로 치환된 카르보란; 및 플루오르화된 음이온으로 이루어진 군의 하나 이상의 구성원으로부터 선택된 음이온을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 이온성 액체는 피리디늄, 피리다지늄, 피리미디늄, 피라지늄, 이미다졸륨, 피라졸륨, 티아졸륨, 옥사졸륨, 트라이아졸륨, 포스포늄, 암모늄, 벤질트라이메틸암모늄, 콜린, 다이메틸이미다졸륨, 구아니디늄, 포스포늄 콜린, 테트라메틸암모늄, 및 테트라메틸포스포늄으로 이루어진 군의 하나 이상의 구성원으로부터 선택된 양이온을 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 이온성 액체는 아미노아세테이트, 아스코르베이트, 벤조에이트, 카테콜레이트, 시트레이트, 다이메틸포스페이트, 포르메이트, 푸마레이트, 갈레이트, 글리콜레이트, 글리옥실레이트, 이미노다이아세테이트, 아이소부티레이트, 코제이트, 락테이트, 레부리네이트, 옥살레이트, 피발레이트, 프로피오네이트, 피루베이트, 살리실레이트, 석시나메이트, 석시네이트, 티글레이트, 테트라플루오로보레이트, 테트라플루오로에탄설포네이트, 트로폴로네이트, [CH3CO2]-, [HSO4]-, [CH3OSO3]-, [C2H5OSO3]-, [AlCl4]-, [CO3]2-, [HCO3]-, [NO2]-, [NO3]-, [SO4]2-, [PO4]3-, [HPO4]2-, [H2PO4]-, [HSO3]-, [CuCl2]-, Cl-, Br-, I-, SCN-, [BF4]-, [PF6]-, [SbF6]-, [CF3SO3]-, [HCF2CF2SO3]-, [CF3HFCCF2SO3]-, [HCClFCF2SO3]-, [(CF3SO2)2N]-, [(CF3CF2SO2)2N]-, [(CF3SO2)3C]-, [CF3CO2]-, [CF3OCFHCF2SO3]-, [CF3CF2OCFHCF2SO3]-, [CF3CFHOCF2CF2SO3]-, [CF2HCF2OCF2CF2SO3]-, [CF2ICF2OCF2CF2SO3], [CF3CF2OCF2CF2SO3]-, [(CF2HCF2SO2)2N]-, [(CF3CFHCF2SO2)2N]-, F-, 및 다음 화학식의 구조에 의해 나타내지는 음이온으로 이루어진 군의 하나 이상의 구성원으로부터 선택되는 음이온을 포함하는 방법:
Figure pct00012

[여기서, R11은
(v) -CH3, -C2H5, 또는 C3 내지 C10 직쇄, 분지형 또는 환형 알칸 또는 알켄(Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨);
(vi) -CH3, -C2H5, 또는 C3 내지 C10 직쇄, 분지형 또는 환형 알칸 또는 알켄(O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 포함하고, Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨);
(vii) C6 내지 C10 비치환된 아릴, 또는 C3 내지 C10 비치환된 헤테로아릴(O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 가짐); 및
(viii) C6 내지 C10 치환된 아릴, 또는 C3 내지 C10 치환된 헤테로아릴(O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 가짐)(여기서, 상기 치환된 아릴 또는 치환된 헤테로아릴은
(A) -CH3, -C2H5, 또는 C3 내지 C10 직쇄, 분지형 또는 환형 알칸 또는 알켄(Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨),
(B) OH,
(C) NH2, 및
(D) SH로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택된 1 내지 3개의 치환체를 가짐)로 이루어진 군으로부터 선택됨].
제1항에 있어서, 이온성 액체는 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트 [bmim][PF6], 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트 [bmim][BF4], 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 비스트라이플루오로메틸설포닐이미드 [hmim][Tf2N], 및 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트 [bmim][아세테이트]로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
(a) 1차 냉매를 포함하는 1차 냉동 루프, 응축기 및 팽창 밸브를 포함하는 1차 냉동 모듈;
(b) 2차 냉매를 포함하는 2차 냉동 루프, 및 증발기를 포함하는 2차 냉동 모듈;
(c) 1차 및 2차 냉동 루프 둘 모두와 접촉하는 열 교환기; 및
(d) 유동 단속기를 통해 2차 냉동 루프와 유체 연통하며, 적어도 하나의 이온성 액체를 포함하는 보조 용기를 포함하며,
응축기는 가열될 대상물, 매질 또는 공간의 부근에 위치되거나, 증발기는 냉각될 대상물, 매질 또는 공간의 부근에 위치되는, 대상물, 매질 또는 공간의 온도를 조정하는 장치.
제12항에 있어서, 응축기는 가열될 대상물, 매질 또는 공간의 부근에 위치되는 장치.
제12항에 있어서, 증발기는 냉각될 대상물, 매체 또는 공간의 부근에 위치되는 장치.
제12항에 있어서, 1차 냉매를 압축하기 위한 압축기를 추가로 포함하는 장치.
제12항에 있어서, 이온성 액체 내에 1차 냉매를 흡수하기 위한 흡수기를 추가로 포함하는 장치.
제12항에 있어서, 보조 용기와 열 접촉하는 열원을 추가로 포함하는 장치.
제12항에 있어서, 유동 단속기는 밸브를 포함하는 장치.
제18항에 있어서, 밸브는 압력 릴리프 밸브를 포함하는 장치.
제12항에 있어서, 2차 냉매는 이산화탄소를 포함하는 장치.
제12항에 있어서, 이온성 액체는 다음 화학식의 구조에 의해 나타내지는 양이온으로 이루어진 군으로부터 선택된 양이온을 포함하는 장치:
Figure pct00013

Figure pct00014

Figure pct00015

[여기서,
A) R1, R2, R3, R4, R5, R6, R12 및 R13은
(xiii) H;
(xiv) 할로겐;
(xv) -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);
(xvi) -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 포함하고, Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨);
(xvii) C6 내지 C20 비치환된 아릴, 또는 C3 내지 C25 비치환된 헤테로아릴(O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 가짐);
(xviii) C6 내지 C25 치환된 아릴, 또는 C3 내지 C25 치환된 헤테로아릴(O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 헤테로 원자를 가짐)(여기서, 상기 치환된 아릴 또는 치환된 헤테로아릴은
(A) -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),
(B) OH,
(C) NH2, 및
(D) SH로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 치환체를 가짐); 및
(vii) -(CH2)nSi(CH2)mCH3, -(CH2)nSi(CH3)3, -(CH2)nOSi(CH3)m(여기서, n은 독립적으로 1 내지 4이고, m은 독립적으로 0 내지 4임)로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되며;
B) R7, R8, R9, 및 R10은
(viii) -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);
(ix) -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 포함하고, Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨);
(x) C6 내지 C25 비치환된 아릴, 또는 C3 내지 C25 비치환된 헤테로아릴(O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택된 1 내지 3개 헤테로원자를 가짐); 및 C6 내지 C25 치환된 아릴, 또는 C3 내지 C25 치환된 헤테로아릴(O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택된 1 내지 3개 헤테로원자를 가짐)(여기서 상기 치환된 아릴 또는 치환된 헤테로아릴은
(E) -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),
(F) OH,
(G) NH2, 및
(H) SH로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택된 1 내지 3개의 치환체를 가짐); 및
(xi) -(CH2)nSi(CH2)mCH3, -(CH2)nSi(CH3)3, -(CH2)nOSi(CH3)m(여기서, n은 독립적으로 1 내지 4이고, m은 독립적으로 0 내지 4임)로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되며;
C) 선택적으로 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9 및 R10 중 적어도 둘은 함께 환형 또는 이환형 알카닐 또는 알케닐 기를 형성할 수 있음].
제12항에 있어서, 이온성 액체는 [CH3CO2]-, [HSO4]-, [CH3OSO3]-, [C2H5OSO3]-, [AlCl4]-, [CO3]2-, [HCO3]-, [NO2]-, [NO3]-, [SO4]2-, [PO3]3-, [HPO3]2-, [H2PO3]1-, [PO4]3-, [HPO4]2-, [H2PO4]-, [HSO3]-, [CuCl2]-, Cl-, Br-, I-, SCN-, 알킬 또는 치환된 알킬로 선택적으로 치환된 카르보레이트; 알킬아민, 치환된 알킬아민, 알킬 또는 치환된 알킬로 선택적으로 치환된 카르보란; 및 플루오르화된 음이온으로 이루어진 군의 하나 이상의 구성원으로부터 선택된 음이온을 포함하는 장치.
제12항에 있어서, 이온성 액체는 피리디늄, 피리다지늄, 피리미디늄, 피라지늄, 이미다졸륨, 피라졸륨, 티아졸륨, 옥사졸륨, 트라이아졸륨, 포스포늄, 암모늄, 벤질트라이메틸암모늄, 콜린, 다이메틸이미다졸륨, 구아니디늄, 포스포늄 콜린, 테트라메틸암모늄, 및 테트라메틸포스포늄으로 이루어진 군의 하나 이상의 구성원으로부터 선택된 양이온을 포함하는 장치.
제12항에 있어서, 이온성 액체는 아미노아세테이트, 아스코르베이트, 벤조에이트, 카테콜레이트, 시트레이트, 다이메틸포스페이트, 포르메이트, 푸마레이트, 갈레이트, 글리콜레이트, 글리옥실레이트, 이미노다이아세테이트, 아이소부티레이트, 코제이트, 락테이트, 레부리네이트, 옥살레이트, 피발레이트, 프로피오네이트, 피루베이트, 살리실레이트, 석시나메이트, 석시네이트, 티글레이트, 테트라플루오로보레이트, 테트라플루오로에탄설포네이트, 트로폴로네이트, [CH3CO2]-, [HSO4]-, [CH3OSO3]-, [C2H5OSO3]-, [AlCl4]-, [CO3]2-, [HCO3]-, [NO2]-, [NO3]-, [SO4]2-, [PO4]3-, [HPO4]2-, [H2PO4]-, [HSO3]-, [CuCl2]-, Cl-, Br-, I-, SCN-, [BF4]-, [PF6]-, [SbF6]-, [CF3SO3]-, [HCF2CF2SO3]-,
[CF3HFCCF2SO3]-, [HCClFCF2SO3]-, [(CF3SO2)2N]-, [(CF3CF2SO2)2N]-, [(CF3SO2)3C]-, [CF3CO2]-, [CF3OCFHCF2SO3]-, [CF3CF2OCFHCF2SO3]-, [CF3CFHOCF2CF2SO3]-, [CF2HCF2OCF2CF2SO3]-, [CF2ICF2OCF2CF2SO3], [CF3CF2OCF2CF2SO3]-, [(CF2HCF2SO2)2N]-, [(CF3CFHCF2SO2)2N]-, F-, 및 다음 화학식의 구조에 의해 나타내지는 음이온으로 이루어진 군의 하나 이상의 구성원으로부터 선택되는 음이온을 포함하는 장치:
Figure pct00016

[여기서, R11은
(ix) -CH3, -C2H5, 또는 C3 내지 C10 직쇄, 분지형 또는 환형 알칸 또는 알켄(Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨);
(x) -CH3, -C2H5, 또는 C3 내지 C10 직쇄, 분지형 또는 환형 알칸 또는 알켄(O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 내지 3개의 헤테로원자를 포함하고, Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨);
(xi) C6 내지 C10 비치환된 아릴, 또는 C3 내지 C10 비치환된 헤테로아릴(O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 헤테로 원자를 가짐); 및
(xii) C6 내지 C10 치환된 아릴, 또는 C3 내지 C10 치환된 헤테로아릴(O, N, Si 및 S로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택되는 1 내지 3개의 헤테로 원자를 가짐)(여기서, 상기 치환된 아릴 또는 치환된 헤테로아릴은
(A) -CH3, -C2H5, 또는 C3 내지 C10 직쇄, 분지형 또는 환형 알칸 또는 알켄(Cl, Br, F, I, OH, NH2 및 SH로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 구성원으로 선택적으로 치환됨),
(B) OH,
(C) NH2, 및
(D) SH로 이루어진 군으로부터 독립적으로 선택된 1 내지 3개의 치환체를 가짐)로 이루어지는 군으로부터 선택됨].
제12항에 있어서, 이온성 액체는 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트 [bmim][PF6], 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트 [bmim][BF4], 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 비스트라이플루오로메틸설포닐이미드 [hmim][Tf2N], 및 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트 [bmim][아세테이트]로 이루어진 군으로부터 선택되는 장치.
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