KR100263361B1

KR100263361B1 - 마이크로캡슐화한 액상 잠열물질, 그 제조방법 및 이를 이용한 열 수송방법

Info

Publication number: KR100263361B1
Application number: KR1019980031080A
Authority: KR
Inventors: 박태준; 홍재창; 이효진; 이재구; 김재호; 김용구
Original assignee: 최수현; 한국에너지기술연구소
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1998-07-31
Publication date: 2000-08-01
Also published as: KR20000010243A

Abstract

본 발명은 마이크로캡슐을 이용한 액상 잠열물질(Phase Change Material), 그 제조방법 및 이를 이용한 열저장 및 수송방법에 관한 것으로, PCM의 융해/응고시 높은 잠열밀도와 미립화에 의한 열교환율을 향상시키고 반복되는 상변화시에도 미립자의 뭉침을 방지하여 최초의 열교환율을 유지하도록 하여 그 목적은 기존의 냉·난방 시스템을 그대로 사용하면서도 같은 유량으로 더 많은 에너지를 수송하고, 높은 열효율이 발생될 수 있도록 열저장 및 열수송 방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 액상 잠열물질을 이용한 열저장 및 수송방법에 있어서, 외부 피막물질(2)로 액상잠열 물질(PCM, 1)을 저장한 마이크로캡슐이 계면활성제에 의해 물과 안정적으로 혼합된 슬러리(4)를 냉동기, 보일러 또는 폐열 열원(5)에 의해 냉각 및 가열되어 열저장조(6)에 저장된 후 이송용 펌프(3)에 의해 냉방, 난방용 사용처인 사무실, 주택, 저온창고와 같은 건물에 공급된 후 다시 또다른 열저장조로 저장된 후 다시 열원(5)을 거치도록 하는 방법이다.

Description

마이크로캡슐화한 액상 잠열물질, 그 제조방법 및 이를 이용한 열 수송방법

본 발명은 마이크로캡슐을 이용한 액상 잠열물질(이하 "PCM"이라 함)과 그 제조방법 및 이를 이용한 열저장 및 수송방법에 관한 것으로, 특히 PCM의 현열과 잠열을 동시에 이용함으로 열수송 액체와의 혼합상태에서 미립자에 의한 대류 특성이 증가하여 시스템에서 열전달 효율을 향상, 촉진시키게 되고 이에 의해 에너지 사용량을 절감할 수 있는 물질, 그 제조방법 및 이를 이용한 열수송방법에 관한 것이다.

근년에 들어 에너지 사용 효율의 극대화를 위하여 여러가지의 에너지 절약방안이 강구되고 있으며, 연료의 수요 공급의 불안에 의한 국내 및 국제적으로 에너지 가격의 상승과 지구 온난화에 따른 탄산가스 배출 규제 등의 추세에 따라 에너지 이용의 효율 제고 필요성은 더욱 증가되고 있는 실정에 있다.

그러나 새로운 에너지 절약방법이 적용되더라도 변함없는 쾌적한 실내 환경 유지와 기존의 냉·난방 시스템을 그대로 이용할 수 있고 현재의 생활패턴을 크게 바꾸지 않고도 에너지를 상당량 절약할 수 있는 방법이 가장 효율적인 것이다.

즉, 같은 에너지량으로 더 많은 열효율이 발생될 수 있도록 하기 위한 연구가 필요한 것으로, 이는 열저장, 열수송 및 열공급시 최대의 효율을 얻을 수 있는 열교환 시스템에 새로운 열전달 매개 물질을 첨가하는 것이 가장 효율적인 에너지 절감의 방법으로 기대되고 있다.

상술한 바와 같이 효율적인 열전달 매개물질에 대해 꾸준히 연구개발되어 현재 PCM을 이용한 열저장기술이 개발되어 오래전부터 태양열 저장을 목적으로 이용되어 왔으나 이러한 종래의 기술에 따른 PCM의 캡슐화 방법은 입자의 크기가 100㎛ 이상이 되어 열전달율이 낮은 단점이 있으며, 또한 난방을 목적으로 열저장 및 활용을 위해 유기용매나 염등을 이용한 것이 주류를 이루어왔는데 그 활용범위가 제한적이라는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고 기존의 냉·난방 시스템을 그대로 사용하면서도 같은 유량은 더 많은 에너지를 수송이 가능하며, 높은 열효율이 발생될 수 있는 PCM 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

즉, PCM 물질은 사용온도에 따라 내부 잠열물질의 선택의 폭이 광범위하여 난방은 물론 냉방에도 적용이 가능하고 미립자에 의한 열전달 특성의 개선효과를 거둘 수 있으므로, 본원 발명은 다양한 종류의 열저장 목적에 적합하고 열용량이 크며 독성이나 부식성이 적은 물질을 선정하며, 이러한 물질을 캡슐화하는 적절한 외부 물질을 도출하고, 이를 적정한 입경으로 캡슐화하는 방법을 제공하는데 있다.

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위해 PCM물질이 용융시 팽창이 되는데 필요한 신축성이 있어야 하고, PCM물질과 화학적인 반응이 없어야 하며, 또한 이송유체(Carrier Fluid)와도 잘 융화되어 수송에 어려움이 없어야 한다.

따라서 열전달과 수송 특성의 제고를 위하여 가급적 입자의 미립화가 필요하며 또한 오랫동안 장기적으로 안정적인 입자-유체의 혼합 특성이 유지되어 캡슐 미립자가 분리 또는 침강되지 않도록 계면활성제를 혼합하여 사용한다.

특히 본원 발명의 목적이 달성되기 위해서는, 내부 PCM물질이 융해/응고시 높은 축열 밀도를 지녀야 하며, 이의 열교환율을 높이기 위해 미립화시키고 반복되는 상변화시에도 미립자의 뭉침을 방지되어 최초의 열교환율을 유지되도록 적절히 외부피막(Shell)을 쒸움을 특징으로 하는 마이크로캡슐을 이용한 액상 잠열물질의 열저장 및 수송방법을 제공함으로써 달성된다.

도1은 계면중합법에 의해 제조된 마이크로캡슐의 입도분포를 나타내는 그래프이고,

도2는 레이놀즈 수 변화에 대한 총 열전달계수(Overall heat transfer rate) 증대효과(난방용 PCM 경우)를 나타내는 그래프이고,

도3은 레이놀즈 수 변화에 대한 열전달계수(Heat transfer rate) 증대효과(난방용 PCM 경우)를 나타내는 그래프이고,

도4는 레이놀즈 수에 대한 열용량 증대효과(냉·난방용 PCM 및 현열비교)를 나타내는 그래프이고,

도5는 본 발명 잠열물질을 사용한 열 수송방법을 도시한 개략도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 액상 잠열물질(PCM) 2 : 외부 피막물질

3 : 이송용 펌프 4 : 슬러리

5 : 열원 6 : 열저장소

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 액상잠열 물질(PCM)로는 냉동, 냉방의 경우 적용하는 잠열물질로는 -10℃∼20℃의 범위에서 n-도데칸(-9.6℃), n-트리데칸(-6.2℃), n-카프로산(-1.5℃), 물(0℃), n-테트라데칸(5.5℃), n-카프릴산(16.3℃)등이 이용함을 특징으로 하며, 테트라데칸과 물이 특히 양호하다.

난방용으로는 50∼60℃의 범위에서 상변화를 일으키는 파라핀왁스(Paraffin Wax)가 가장 양호하다.

상기 본 발명의 PCM 물질들의 외부 피막물질(2)로는 파괴시에도 안전하며 상변화 온도에서 균일한 용융이 일어나고 과냉각이 발생되지 않는 장점을 지니고 있다.

또한 상기 잠열물질의 외부 피막물질로는 내부 물질이 손실되거나 피막이 손상되지 않으며, 화학적 및 온도에 따른 열화특성이 적은 물질인 우레아(Urea), 멜라민(Melamine), 가교결합된 나일론(Cross-linked Nylon)과 젤라틴(Gelatin)을 사용하고, 캡슐화 방법으로는 계면중합법, ln-situ 중합법 및 코아세르베이션(Coarcervation) 방법을 사용하여 입경 100㎛ 이하로 마이크로캡슐화함을 특징으로 한다.

도5는 상기와 같이 본 발명에 따라 제조된 마이크로캡슐화한 액상 잠열물질을 기존의 냉방시스템에 적용한 개략도를 나타낸 것으로 외부 피막물질(2)로 액상 잠열물질(PCM, 1)을 저장한 마이크로캡슐이 물과 혼합된 슬러리를 냉동기, 보일러 또는 폐열 열원(5)에 의해 냉각 및 가열되어 열저장조(6)에 저장된 후 이송용 펌프(3)에 의해 냉방, 난방용 사용처인 사무실, 주택, 저온창고와 같은 건물에 공급된 후 다시 또다른 열저장조로 저장된 후 다시 열원(5)을 거치게 된다.

그리고 마이크로캡슐-물의 혼합물상인 슬러리(4)에서 안정성 및 유동성의 확보를 위하여 계면활성제를 적절한 농도로 혼합하여 사용하며, 이송용 펌프(3)는 입자의 파쇄 특성이 적은 형태의 모노펌프를 사용하여 기존의 냉·난방 시스템상에서 사용한다.

이하 본 발명의 적정한 실시형태를 나타내지만 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

본 발명의 마이크로캡슐은 소수성인 오일상태의 잠열물질을 수용액상에서 유화과정을 통하여 분산시키고 오일의 표면에서 고분자를 중합하는 원리로 제조하는 것으로서, 중합방법으로는 계면중합, ln-situ 중합 및 코아세르베이션 방법이 있으며, 이중 본 실시예에서는 계면중합법을 사용하며, 이 계면중합법은 분산상 오일에 녹는 소수성물질과 물에 녹는 친수성 물질간의 중합이 오일 방울과 물과의 계면에서 일어나게 하는 방법으로써, 오일 잠열물질을 테트라데칸으로 사용하고 외부를 폴리우레아로 하는 경우 다음과 같이 실시하여 제조하였다. 즉, 오일의 유화제인 폴리옥시에틸렌(20) 솔비탄 모노올레이트(polyoxyethylene(20) sorbitan monooleate)(상품명 : Tween 80) 0.3wt% 수용액 320㎖에 내부상인 테트라데칸을 24㎖로 첨가하고 이에 오일상에 용해되는 톨루엔 2, 6-디이소시아네이트(toluene 2, 6-diisocyanate)를 2.4g 첨가한 혼합용액을 교반 분산하여 100㎛ 이하로 입도를 조절하고, 수용성 3가아민인 디에틸렌 트리아민(diethylene triamine)과 4가아민인 트리에틸렌 테트라아민(triethylene tetramine)을 교반속도를 유지하면서 첨가하여 30분동안 상온상에서 반응시켜 캡슐벽을 형성시키되, 3가/4가 아민(triamine : tetramine)의 혼합비를 1:0.5∼1:4 범위에서 조절하여 캡슐의 크기와 물성을 조절하여 제조하였다. 이렇게 제조된 마이크로캡슐의 입도분포를 도1에 나타내었다.

상기와 같은 본 발명의 마이크로캡슐화된 PCM(난방용:Paraffin Wax, 냉방용:Tetradecane)을 이용하는 경우에는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 열수송 액체와 열교환기의 표면간의 열전달 특성이 향상되어 일정한 열전달을 위한 온도차와 전열면적이 감소되어 설치비가 감소된다.

도2는 레이놀즈 수가 증가함에 따라 총 열전달계수(Overall Heat transfer rate)가 현저히 증대하고 있다. 이는 미립자가 작동유체내에서 유동하면서 후면에 와류가 형성되어 난류와 같은 역할을 하기 때문이다. 이는 미세열전달(Micro-Convection)하며, 본 실험에서는 Re=1,200에서 종래의 현열만을 이용한 물의 경우에 비하여 약 4배의 증대효과를 보여주고 있다.

도3은 잠열재를 이송하는 튜브내에서의 열전달계수를 레이놀즈 수에 대한 열전달계수 형태로 표시한 것으로 도2에서와 같이 열전달계수(Heat transfer coefficient)의 상승효과를 보여주고 있다. Re=1,200에서 약 2배의 증대효과가 있는 것으로 나타나 있다.

둘째, 물을 5∼7℃의 온도로 이송시에는 현열에너지로 매체에 축적하므로 축열밀도가 낮아 이송량이 증가되어야 하므로 이송용 배관 구경이 커져 배관비가 증가하여 열저장 축열 탱크 용량이 현저하게 증가되어야 하지만, PCM 물질의 잠열에 의한 열전달 유체의 열용량 증가로 사용 유량이 감소되어 펌프의 이송동력비가 절감된다. 이에 대한 열용량 증대효과를 도4에 나타내고 있다. 여기서는 수송유체의 열용량 증대효과를 나타낸 것으로 난방용 PCM은 열을 흡수하면서 상변환을 일으키는 과정에 있으므로 급격한 열용량 상승효과를 나타내고 있는 반면, 냉방용 PCM은 이미 상변화가 완료되어 액체상태로 순수한 현열만을 수송하는 과정이므로 물의 경우와 거의 동일한 수치를 보여주고 있다. 상변화를 일으킬 때 PCM물질은 대략 40∼80cal/g의 잠열을 저장하여 운반하게 된다. 참고로 얼음은 80cal/g의 잠열을 Paraffin계는 약 40cal/g의 잠열을 축적하는 반면에 물은 1gram에 1calorie(1cal/g)만의 현열을 축적하여 수송함으로서, 같은 용량에 대하여 엄청난 열용량 증대효과를 가져온다.

셋째, 냉방 또는 난방 수요측 온도에 근접할 수 있는 적절한 PCM의 선정이 가능하므로 열공급원(냉동기 또는 보일러)에서의 과잉 열공급이 없어 전체 시스템 에너지 사용 효율을 향상시킬 수 있는 등의 효과가 있다.

따라서, 본 발명은 기존의 수축열 냉방장치에 비하여 3∼5배의 열수송량을 증가시켜 냉난방설비와 저온창고에 효과적인 사용 가능하며, 또한 심야전력을 이용한 저렴한 전기비로 운영비를 절감하고 주간에 집중되는 냉방용 소비전력을 분산시켜 전력 예비율의 증대를 도모할 수 있는 등의 효과가 있고, 투자면에서는 고밀도 열수송 및 열효율의 상승에 의한 전체 시스템 규모의 축소로 저장탱크의 크기가 감소되고 수송 유량의 감소 및 파이프 크기의 감소효과로 시설투자비를 절감시킬 수 있는 유용한 발명이다.

Claims

마이크로캡슐화된 액상 잠열물질을 사용한 열저장 및 수송방법에 있어서, 액상 잠열물질(PCM, 1)을 사용온도에 따라 -10℃∼20℃의 범위에서 n-도데칸(-9.6℃), n-트리데칸(-6.2℃), n-카프로산(-1.5℃), 물(0℃), n-테트라데칸(5.5℃), n-카프릴산(16.3℃)을 이용하며, 50∼60℃의 범위에 파라핀왁스(Paraffin Wax)를 사용하여, 피막물질로 유레아(Urea), 멜라민(Melamine), 가교결합된 나일론(Cross-linked Nylon)과 젤라틴(Gelatin)을 사요하여 계면중합, ln-situ중합 도는 코아세르베이션 방법으로 입경 100㎛ 이하로 마이크로캡슐화하여 제조됨을 특징으로 액상잠열물질.
마이크로캡슐화된 액상 잠열물질을 사용한 열저장 및 수송방법에 있어서, 액상 잠열물질(PCM, 1)을 사용온도에 따라 -10℃∼20℃의 범위에서 n-도데칸(-9.6℃), n-트리데칸(-6.2℃), n-카프로산(-1.5℃), 물(0℃), n-테트라데칸(5.5℃), n-카프릴산(16.3℃)을 이용하며, 50∼60℃의 범위에서 파라핀왁스(Paraffin Wax)를 사용하여, 피막물질로 유레아(Urea), 멜라민(Melamine), 가교결합된 나일론(Cross-linked Nylon)과 젤라틴(Gelatin)을 사용하여 계면중합, ln-situ중합 또는 코아세르베이션 방법으로 입경 100㎛ 이하로 마이크로캡슐화하여 제조함을 특징으로 하는 액상 잠열물질의 제조방법.
마이크로캡슐화된 액상 잠열물질을 사용한 열저장 및 수송방법에 있어서, 액상 잠열물질(PCM, 1)을 사용온도에 따라 -10℃∼20℃의 범위에서 n-도데칸(-9.6℃), n-트리데칸(-6.2℃), n-카프로산(-1.5℃), 물(0℃), n-테트라데칸(5.5℃), n-카프릴산(16.3℃)을 이용하며, 50∼60℃의 범위에서 파라핀왁스(Paraffin Wax)를 사용하여, 피막물질로 유레아(Urea), 멜라민(Melamine), 가교결합된 나일론(Cross-linked Nylon)과 젤라틴(Gelatin)을 사용하여 계면중합, ln-situ중합 또는 코아세르베이션 방법으로 입경 100㎛ 이하로 마이크로캡슐화하여 제조한 열저장 및 수송매체인 액상 잠열물질과 물을 계면활성제를 사용하여 안정화시킨 슬러리(4)를 냉동기, 보일러 또는 폐열열원(5) 냉난방 시스템상에서 이용하는 것을 특징으로 하는 액상 잠열물질에 의한 열저장 및 수송방법.