KR101326735B1 - 상전이를 이용한 열저장 및 열방출 가능한 미세기공을 가진 다공성 매체 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 활성탄 또는 실리카겔(silica gel) 등과 같은 다공성 매체 재료의 극미세 기공(micro-pore)에 상전이 물질을 충전하여 에너지를 저장하고 방출할 수 있는 상전이를 이용한 열저장 및 열방출 가능한 다공성 매체 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 다공성 매체 재료의 미세기공 내의 불순물을 제거하여 개공하기 위한 다공성 매체 재료 전처리 단계; 상기 다공성 매체 재료의 미세기공에 충전될 상전이 물질을 다공성 매체 재료에 충전가능한 상태로 처리하기 위한 상전이 물질 전처리 단계; 상기 전처리된 상전이 물질을 다공성 매체 재료에 충전하는 충전 단계; 상기 상전이 물질이 충전된 다공성 매체 재료를 여과시켜 충전하고 남은 상전이 물질을 회수하는 여과 단계; 및 상기 여과된 다공성 매체 재료를 세척하는 세척 단계를 포함하는 상전이를 이용한 열 저장 및 열 방출 가능한 미세기공을 가진 다공성 매체의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 다공성 매체를 제공한다.
Description
본 발명은 상전이를 이용한 열저장 및 열방출이 가능한 미세기공을 갖는 다공성 매체 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 활성탄 또는 실리카겔(silica gel) 등과 같은 다공성 매체 재료의 극미세 기공(micro-pore)에 상전이 물질을 충전하여 에너지를 저장하고 방출할 수 있는 상전이를 이용한 열저장 및 열방출 가능한 다공성 매체 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
근래 화석연료의 고갈로 새로운 대체에너지가 매우 필요하여 왔으나, 석유를 능가하는 새로운 에너지 매체가 현실적으로는 불가능한 실정이다. 이를 해결하기 위한 한 방편으로 주변 온도변화에 따라 에너지의 저장 및 방출이 자유로운 새로운 에너지 저장 매체에 대한 개발이 매우 필요한 실정이다.
최근 이러한 특징을 가진 물질로서, 주변의 온도가 높아지면 열을 흡수하여 저장하고, 반대로 냉각상태에서는 열을 방출하는 특징을 갖는 상전이 물질(phase change materials; PCMs)의 잠열(latent heat)을 이용하는 방법이 가장 주목을 받고 있다.
이와 같은 상전이 물질의 대표적인 물질로는 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol)과 같은 파라핀왁스류(paraffin wax), 지방산으로는 카프릴릭산(caprilic acid), 무기염류로는 수화물을 함유한 염류(hydrated inorganic salt) 등이 있다.
이러한 상전이 물질들은 주변의 온도가 상전이 물질의 융점보다 높으면 고체에서 액체로 변하면서 주변의 열을 흡수 저장하는 한편, 주변의 온도가 상전이 물질의 융점보다 낮으면 액체에서 고체로 변하면서 주변으로 흡수한 만큼의 열을 방출한다.
도 1은 통상의 상전이 물질인 파라핀왁스를 얇은 박판의 폴리머로 캡슐화하여 사용하는 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
상전이 물질을 실용화시키기 위해서 현재 통용되고 있는 방법으로는 상전이 물질을 액상 매체에서 분산시키고, 분산된 상전이 물질에 대응하는 고분자 물질을 주입하여 고분자 물질 안에 상전이 물질을 갇히게 하여 사용하는 캡슐화(capsulation) 방법이 통용되고 있다.
상전이 물질을 분산시키는 용매는 물 또는 물과 혼합되는 메탄올 또는 메탄올 등이 사용된다. 캡슐화에 이용되는 합성고분자 물질로는 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리스티렌(polystyrene), 요소수지(urea resine), 폴리 초산비닐(polyvinylacetate) 등 다양한 물질이 사용된다.
그 제조 방법으로는 물리적 방법으로 스프레이 드라잉(spray drying), 원심력(centrifugal force) 등의 방법이 있으며, 화학적 방법으로는 액적(coaservation), 표면 폴리머라이제이션(interfacial polymerization) 등이 있다.
그러나 폴리머를 이용한 캡슐화 방법은 폴리머를 용해시키기 위해 솔벤트 등의 휘발성 물질이 이용되는데, 이러한 휘발성 물질은 주변에 대해 대기환경 문제를 야기하고, 제조 공정이 매우 복잡하며, 제작단가가 매우 고가일 뿐만 아니라 상전이 물질이 액체에서 고체로 변할 때 부피가 팽창하여 상전이 물질이 새어 나오는(leaking) 문제가 있다.
예를 들어, 도 1에서 상전이 물질의 상변화 시, 상전이 물질이 팽창 및 수축을 반복하게 되면, 폴리머 물질도 수축을 반복하고, 장시간 이용 시 얇은 필름 형태의 폴리머 물질은 크랙이 발생되거나 찢어져서 상전이 물질이 새는 것이 가장 큰 문제점이다.
또한, 폴리머 물질은 열전도도가 낮기 때문에, 본래의 상전이 물질의 특징인 열의 흡수 및 방출의 기능을 충분히 이용하지 못하는 단점이 있다.
무엇보다도 이러한 폴리머를 이용한 캡슐화 방법은 외부로부터 마찰이나 압력에 약하여 통상 열전달이 높은 금속 용기에 채워서 사용한다.
그러나 상전이 물질을 금속 용기에 채워서 사용하는 경우, 금속용기는 마이크로 단위의 초미세 크기로 만들기 어렵고, 주변과의 접촉 면적이 작아서 단위면적당 열전달 효율이 낮으며, 무게가 무거워 특정한 분야(예를 들어, 보일러 분야)에만 사용이 가능하다는 한계가 따르는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기한 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 휘발성 물질을 이용하지 않아 친환경적 제조가 가능하고, 캡슐화 과정이 필요로 하지 않아 제조 공정이 간단 용이하며, 제작 단가를 절감할 수 있는 새로운 개념의 상전이 물질을 저장하는 매체 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상전이 물질의 특징인 열의 흡수 및 방출의 기능을 충분히 이용할 수 있고, 외부의 압력이나 마찰 등에 의해서도 저장된 상전이 물질이 유실되지 않으며, 열전도율이 높은 새로운 개념의 상전이 물질을 저장하는 매체 및 그의 제조 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 제1 관점에 따르면, 열 저장 및 열 방출이 가능한 미세기공을 가진 다공성 매체의 제조방법에 있어서, 후술할 상전이 물질이 충전되기 전의 다공성 매체(이하, '다공성 매체 재료'라 함)의 미세기공 내의 불순물을 제거하여 개공하기 위한 다공성 매체 재료 전처리 단계; 상기 다공성 매체 재료의 미세기공에 충전될 상전이 물질을 다공성 매체 재료에 충전가능한 상태로 처리하기 위한 상전이 물질 전처리 단계; 상기 전처리된 상전이 물질을 다공성 매체 재료에 충전하는 충전 단계; 상기 상전이 물질이 충전된 다공성 매체 재료를 여과시켜 충전하고 남은 상전이 물질을 회수하는 여과 단계; 및 상기 여과된 다공성 매체 재료를 세척하는 세척 단계를 포함하는 상전이를 이용한 열 저장 및 열 방출 가능한 미세기공을 가진 다공성 매체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 제1 관점에 있어서, 상기 다공성 매체 재료로는 활성탄 또는 실리카 겔이 이용될 수 있고, 상기 상전이 물질로는 카프릴릭 산(Caprylic acid, CH3(CH2)6COOH), 그루버 솔트(Glauber's salt), 질산화망간6수화물(Manganese nitrate hexahydrate: Mn(NO3)26H2O), 질산화망간4수화물(Manganese nitrate hexahydrate: Mn(NO3)24H2O), 질산화아연6수화물(Zinc nitrate hexahydrate: Zn2(NO3)26H2O) 중 어느 하나를 포함하며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 제1 관점에 있어서, 상기 다공성 매체 재료 전처리 단계는 다공성 매체 재료를 건조하고 감압 처리하는 것을 포함하며, 그 일 예로 200℃로 가온한 후, 진공을 가하는(1 atm 미만) 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 제1 관점에 있어서, 상기 상전이 물질 전처리 단계는 상전이 물질의 점도를 낮추는 것을 포함하는데, 그 방법으로는 상전이 물질을 상전이 물질의 융점 이상으로 가온하는 것일 수 있다.
본 발명의 제1 관점에 있어서, 상기 충전 단계는 상기 전처리된 상전이 물질과 다공성 매체 재료를 혼합한 후, 상전이 물질의 융점 이상으로 유지시킨 온도에서 소정 시간 숙성시키는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 제1 관점에 있어서, 상기 충전 단계는 다공성 매체 재료의 미세 기공으로 상전이 물질을 확산시키도록 처리하는 것을 더 포함할 수 있다. 이러한 상전이 물질의 확산 처리는 압력 탱크 내에서 1기압 이상으로 24시간 유지하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 제1 관점에 있어서, 상기 세척 단계는 상전이 물질의 융점 이상의 온수를 이용하여 세척하는 것일 수 있다.
본 발명의 제2 관점에 따르면, 상전이를 이용한 열 방출 및 열 저장 가능한 다공성 매체로서, 활성탄 또는 실리카 겔을 포함하는 다공성 매체 재료; 상기 다공성 매체 재료에 충전되는 상전이 물질을 포함하며, 상전이 물질이 충전되기 전의 다공성 매체 재료는 건조 및 감압 처리되어 다공성 매체 재료의 미세기공 내 불순물이 제거되어 마련되는 다공성 매체 재료이며, 상기 상전이 물질은 상전이 물질의 융점 이상으로 가온 처리되어 마련되는 상전이 물질인 상전이를 이용한 열 저장 및 열 방출 가능한 미세기공을 가진 다공성 매체를 제공한다.
본 발명의 제2 관점에 있어서, 상기 다공성 매체 재료는 200℃로 가온된 후, 1기압으로 진공을 가하는(1 atm 미만) 처리를 통하여 마련되는 다공성 매체 재료인 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 관점에 있어서, 상기 상전이 물질은 카프릴릭 산(Caprylic acid, CH3(CH2)6COOH), 그루버 솔트(Glauber's salt), 질산화망간6수화물(Manganese nitrate hexahydrate, Mn(NO3)26H2O), 질산화망간4수화물(Manganese nitrate hexahydrate, Mn(NO3)24H2O), 질산화아연6수화물(Zinc nitrate hexahydrate, Zn2(NO3)26H2O) 중 어느 하나를 포함할 수 있으며, 이 밖의 다른 상전이 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 관점에 있어서, 상기 상전이를 이용한 열 저장 및 열 방출 가능한 미세기공을 가진 다공성 매체는, 가온 처리된 상전이 물질과 다공성 매체 재료를 혼합하고, 상전이 물질과 다공성 매체 재료를 혼합한 후 상전이 물질의 융점 이상으로 유지시킨 온도에서 소정 시간 숙성시키며, 숙성시킨 다공성 매체 재료를 1기압 이상으로 소정 시간 유지한 후, 충전하고 남은 상전이 물질을 회수하도록 여과하고, 상전이 물질의 융점 이상의 온수를 이용하여 세척하여 얻어질 수 있다.
본 발명에 따른 상전이를 이용한 열저장 및 열방출 가능한 미세기공을 가진 다공성 매체 및 그의 제조방법에 따르면 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 본 발명에 따르면, 휘발성 물질을 이용하지 않아 친환경적 제조가 가능하며, 종래 기술에 비해 상대적으로 제작 단가를 절감할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 본 발명에 따르면, 상전이 물질을 수용하는 매체 자체가 지지체 역할을 함으로써, 캡슐화 과정을 필요로 하지 않아 제조 공정이 간단 용이하고, 외부의 압력이나 마찰 등에 의해서도 저장된 상전이 물질이 유실되지 않는 효과가 있다.
셋째, 본 발명에 따르면, 상전이 물질의 특징인 열의 흡수 및 방출의 기능을 충분히 이용할 수 있고, 높은 열전도율을 갖는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 통상의 상전이 물질인 파라핀왁스를 얇은 박판의 폴리머로 캡슐화하여 사용하는 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 상전이를 이용한 열 저장 및 열 방출 가능한 다공성 매체의 제조 방법을 도시한 공정도이다.
도 3은 본 발명에 따른 열 저장 및 열 방출 가능한 다공성 매체의 미세기공에 상전이 물질을 충전한 경우, 세공 내에서 액체에서 고체(열 방출) 또는 액체에서 고체(열 흡수 또는 열 저장)로 상전이가 일어나는 개념도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실험 예의 그래프로서, 상전이 물질로서 카프릴릭 산(Caprylic acid, CH3(CH2)6COOH)을 이용할 때 냉온 과정에서의 열의 흡수 및 방출을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험 예의 그래프로서, 상전이 물질로서 그루버 솔트(Glauber's salt)를 이용할 때 냉온 과정에서의 열의 흡수 및 방출을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실험 예의 그래프로서, 상전이 물질로서 질산화망간6수화물(Manganese nitrate hexahydrate, Mn(NO3)26H2O)을 이용할 때 냉온 과정에서의 열의 흡수 및 방출을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실험 예의 그래프로서, 상전이 물질로서 질산화망간4수화물(Manganese nitrate hexahydrate, Mn(NO3)24H2O)을 이용할 때 냉온 과정에서의 열의 흡수 및 방출을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실험 예의 그래프로서, 상전이 물질로서 질산화아연6수화물(Zinc nitrate hexahydrate, Zn2(NO3)26H2O)을 이용할 때 냉온 과정에서의 열의 흡수 및 방출을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 상전이를 이용한 열 저장 및 열 방출 가능한 다공성 매체의 제조 방법을 도시한 공정도이다.
도 3은 본 발명에 따른 열 저장 및 열 방출 가능한 다공성 매체의 미세기공에 상전이 물질을 충전한 경우, 세공 내에서 액체에서 고체(열 방출) 또는 액체에서 고체(열 흡수 또는 열 저장)로 상전이가 일어나는 개념도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실험 예의 그래프로서, 상전이 물질로서 카프릴릭 산(Caprylic acid, CH3(CH2)6COOH)을 이용할 때 냉온 과정에서의 열의 흡수 및 방출을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험 예의 그래프로서, 상전이 물질로서 그루버 솔트(Glauber's salt)를 이용할 때 냉온 과정에서의 열의 흡수 및 방출을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실험 예의 그래프로서, 상전이 물질로서 질산화망간6수화물(Manganese nitrate hexahydrate, Mn(NO3)26H2O)을 이용할 때 냉온 과정에서의 열의 흡수 및 방출을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실험 예의 그래프로서, 상전이 물질로서 질산화망간4수화물(Manganese nitrate hexahydrate, Mn(NO3)24H2O)을 이용할 때 냉온 과정에서의 열의 흡수 및 방출을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실험 예의 그래프로서, 상전이 물질로서 질산화아연6수화물(Zinc nitrate hexahydrate, Zn2(NO3)26H2O)을 이용할 때 냉온 과정에서의 열의 흡수 및 방출을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 상전이를 이용한 열저장 및 열방출 가능한 미세기공을 가진 다공성 매체 및 그의 제조방법을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 아래에서 설명되는 다공성 매체 재료라 함은 상전이 물질이 충전되기 전의 다공성 매체의 원재료를 의미한다.
먼저, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 상전이를 이용한 열저장 및 열방출 가능한 미세기공을 가진 다공성 매체의 제조 방법에 대하여 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 상전이를 이용한 열저장 및 열방출 가능한 미세기공을 가진 다공성 매체의 제조방법을 도시한 공정도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 상전이를 이용한 열저장 및 열방출 가능한 미세기공을 가진 다공성 매체의 제조방법은, 다공성 매체 재료의 미세기공 내의 불순물을 제거하여 개공하기 위한 다공성 매체 재료 전처리 단계(S100); 충전될 상전이 물질을 다공성 매체 재료에 충전가능한 상태로 처리하기 위한 상전이 물질 전처리 단계(S200); 상기 전처리된 상전이 물질을 다공성 매체 재료에 충전하는 충전 단계(S300); 상기 상전이 물질이 충전된 다공성 매체 재료를 여과시키는 여과 단계(S400); 및 여과된 다공성 매체 재료를 세척하는 세척 단계(S500)를 포함한다.
본 발명에서 다공성 매체 재료로는 활성탄 또는 실리카 겔을 이용할 수 있다. 아래의 설명에서는 다공성 매체 재료로서 활성탄의 경우를 예로 들어 설명한다.
통상적으로 대기중에 노출된 활성탄은 미세기공에 수분이나 공기가 유입되어 있고, 이와 같이 활성탄의 미세기공에 수분이나 공기가 유입되어 있으면, 상전이 물질이 충전되는데 방해 작용을 받게 된다. 따라서, 활성탄은 활성탄의 미세기공 내의 불순물을 제거하여 개공하기 위한 전처리 과정을 거치게 된다.
상기 다공성 매체 재료 전처리 단계(S100)는 건조 및 감압 처리를 포함한다. 구체적으로, 다공성 매체 재료 전처리 단계는 건조기 등으로 약 200℃로 가온한 후, 다시 진공을 가하는 처리(1 atm 미만)를 통하여 활성탄의 미세기공 내의 불순물을 제거하게 된다.
상기 상전이 물질 전처리 단계(S200)에 대한 설명에 앞서, 본 발명에서 이용되는 상전이 물질로서, 지방산으로는 카프릴릭 산(Caprylic acid, CH3(CH2)6COOH), 수화물 염으로는 그루버 솔트(Glauber's salt), 질산화망간6수화물(Manganese nitrate hexahydrate, Mn(NO3)26H2O), 질산화망간4수화물(Manganese nitrate hexahydrate, Mn(NO3)24H2O), 질산화아연6수화물(Zinc nitrate hexahydrate, Zn2(NO3)26H2O) 등을 사용하며, 이에 한정되는 것은 아니며, 이 밖의 다른 상전이 물질을 사용할 수 있다.
상기 상전이 물질 전처리 단계(S200)는 상전이 물질이 다공성 매체 재료인 활성탄에 잘 충전될 수 있는 상태로 처리하기 위한 단계로서, 상전이 물질의 점도를 낮추는 것을 포함한다. 상전이 물질의 점도를 낮추는 방법으로는 상전이 물질을 그 융점 이상으로 가온하는 것을 포함한다.
상기 전처리된 상전이 물질을 활성탄에 충전하는 충전 단계(S300)는 앞의 처리에서 가온된 상전이 물질과 활성탄을 혼합하고, 상전이 물질과 활성탄을 혼합한 후에는 상전이 물질이 활성탄의 미세기공으로 모세관 현상에 의해 유입되도록 융점 이상으로 유지시킨 온도에서 소정 시간(약 24시간) 숙성시키는 것을 포함한다.
상기 충전 단계(S300)는 숙성시킨 활성탄의 미세 기공에 상전이 물질의 확산을 더 촉진시키기 위하여 소정 시간 가압, 예를 들어 압력 탱크에 넣어서 약 1기압 이상으로 약 24시간 유지하는 것을 더 포함한다.
다음으로, 상기 여과 단계(S400)는 상전이 물질이 충전된 활성탄을 다시 여과를 거쳐서 충전되고 남은 상전이 물질을 회수하는 단계이다.
상기 세척 단계(S500)는 상전이 물질의 융점 이상의 온수를 이용하여 세척함으로써 여과를 거친 활성탄의 표면에 묻은 상전이 물질을 제거할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 상전이를 이용한 열 방출 및 열 저장 가능한 다공성 매체 재료는, 활성탄 또는 실리카 겔을 포함하는 다공성 매체 재료; 상기 다공성 매체 재료에 충전되는 상전이 물질을 포함한다.
여기에서, 본 발명의 열 방출 및 열 저장 가능한 다공성 매체에 있어서, 상전이 물질이 충전되기 전의 다공성 매체 재료는 건조 및 감압 처리, 예를 들어 건조기 등으로 약 200℃로 가온한 후, 다시 진공을 가하는 처리(1 atm 미만)를 통하여 활성탄의 미세기공 내의 불순물이 제거되도록 전처리된 다공성 매체 재료가 제공한다.
또한, 상기 전처리된 다공성 매체 재료에 충전되는 상전이 물질은, 전처리된 다공성 매체 재료에 잘 충전될 수 있도록 상전이 물질의 점도를 낮추는, 즉 상전이 물질을 그 융점 이상으로 가온하는 전처리된 상전이 물질이 제공된다.
상기 상전이 물질로는, 지방산으로는 카프릴릭 산(Caprylic acid, CH3(CH2)6COOH), 수화물 염으로는 그루버 솔트(Glauber's salt), 질산화망간6수화물(Manganese nitrate hexahydrate, Mn(NO3)26H2O), 질산화망간4수화물(Manganese nitrate hexahydrate, Mn(NO3)24H2O), 질산화아연6수화물(Zinc nitrate hexahydrate, Zn2(NO3)26H2O) 등을 사용하며, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명에 따른 열 방출 및 열 저장 가능한 다공성 매체는 아래의 과정을 통해 최종적으로 상전이를 이용한 열 방출 및 열 저장 가능한 다공성 매체가 제공된다.
- 가온된 상전이 물질과 활성탄을 혼합하고, 상전이 물질과 활성탄을 혼합한 후 상전이 물질이 활성탄의 미세기공으로 모세관 현상에 의해 유입되도록 융점 이상으로 유지시킨 온도에서 소정 시간(약 24시간) 숙성시킨다.
- 숙성시킨 활성탄의 미세 기공에 상전이 물질의 확산을 더 촉진시키기 위하여 소정 시간 감압, 예를 들어 압력 탱크에 넣어서 약 1기압 이상으로 약 24시간 유지한다.
- 상전이 물질이 충전된 활성탄을 다시 여과를 거쳐서 충전되고 남은 상전이 물질을 회수한다.
- 상전이 물질의 융점 이상의 온수를 이용하여 세척하여 여과를 거친 활성탄의 표면에 묻은 상전이 물질을 제거한다.
이와 같은 본 발명에 따른 상전이를 이용한 열 방출 및 열 저장 가능한 다공성 매체의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 다공성 매체는, 상전이 물질을 저장하는 기존 방법인 폴리머 물질의 단점을 극복한 것으로, 다공성 물질인 활성탄 또는 실리카와 같은 500Å-20Å 또는 그 이하 크기를 갖는 다공성 매체 재료의 미세기공에 상전이 물질을 충전하여 미세기공 내에서 상전이가 일어나게 하는 것이다.
미세기공을 가진 다공성 매체 재료인 활성탄 및 실리카의 비표면적은 1,000m2/g 이상이며, 상전이 물질이 모세관 현상에 의하여 미세기공 내로 확산되어 흡착된다. 이와 같이 상전이 물질이 활성탄의 미세기공 내로 확산 흡착되면, 미세기공 밖으로 나오기 어렵다. 활성탄의 미세기공 안의 물질(상전이 물질)을 제거하기 위해서는 통상 200 C 이상의 고온으로 6시간 이상의 반응시간이 필요하다.
따라서 다공성 물질의 미세기공에 상전이 물질이 충전되면, 다공성 매체 재료의 미세기공은 상전이 물질의 저장소(storage tank)가 되어 온열 과정에서는 열의 흡수 저장이 일어나고 및 냉열 과정에서는 열을 방출하는 특성을 갖게 된다.
그리고 미세기공 이외의 활성탄의 다른 부분은 지지체(supporter)로서 역할을 하게 되어 상전이 물질을 저장하기 위한 캡슐화 과정이 필요 없게 되는 것이다.
또한, 본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이, 미세기공을 가진 다공성 매체 재료(활성탄 또는 실리카 겔)에서 미세기공으로의 상전이 물질의 유입은 물리적인 확산에 의해 채워지므로, 미세기공 안은 꽉 차지않고 일부의 공간이 남아서 상변화가 일어나도 활성탄의 벽이 깨지거나 크랙이 생기는 경우는 발생하지 않는다.
다시 말해서, 본 발명에서 활성탄의 미세기공은 상전이 물질의 저장소로 이용하고, 활성탄 그 자체는 상전이 물질의 유실을 방지하는 지지체로 이용되는 것이다.
(실시 예)
본 발명의 발명자는 활성탄과, 미세기공에 상전이 물질을 충전한 활성탄의 온도변화에 따른 열의 흡수 및 방출을 비교하기 위하여 실험을 수행하였다.
상전이 물질로서 지방산으로는 카프릴릭 산(Caprylic acid, CH3(CH2)6COOH), 수화물 염으로는 그루버 솔트(Glauber's salt), 질산화망간6수화물(Manganese nitrate hexahydrate, Mn(NO3)26H2O), 질산화망간4수화물(Manganese nitrate hexahydrate, Mn(NO3)24H2O), 질산화아연6수화물(Zinc nitrate hexahydrate, Zn2(NO3)26H2O)를 사용하였다. 상전이 물질로는 이 밖의 다른 어떠한 상전이 물질을 적용할 수 있음은 충분히 이해할 수 있다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 실험 예의 그래프로서, 상전이 물질로서 각각 카프릴릭 산(Caprylic acid, CH3(CH2)6COOH), 그루버 솔트(Glauber's salt), 질산화망간6수화물(Manganese nitrate hexahydrate, Mn(NO3)26H2O), 질산화망간4수화물(Manganese nitrate hexahydrate, Mn(NO3)24H2O), 질산화아연6수화물(Zinc nitrate hexahydrate, Zn2(NO3)26H2O)를 이용할 때 냉온 과정에서의 열의 흡수 및 방출을 나타낸 그래프이다.
상전이 물질의 열의 흡수 및 방출 실험은 상전이 물질을 10℃로 냉각 후 주변 온도는 50℃로 유지시켰을 때, 승온 과정에서의 온도 변화(열 흡수) 그리고 상전이 물질을 50℃로 가열 후 주변 온도는 10℃로 유지시켰을 때 냉각 과정에서의 온도 변화(열 방출)를 측정하였다.
각각의 도면에서 보는 바와 같이, 활성탄 그 자체로는 주변의 온도가 50℃일때 승온 속도가 매우 빠르고, 주변 온도가 10C로 낮을 때는 하강속도가 매우 빠름을 알 수 있다. 이와 동시에 활성탄은 열전달이 매우 빠른 물질임을 보여주고 있다. 반면에 활성탄의 미세기공에 상전이 물질을 충전시킨 경우, 승온 과정에서는 열을 흡수 저장시 승온 속도가 느리고, 냉온 과정에서는 마찬가지의 온도범위에서 저장한 열을 방출시 하강 속도가 매우 느림을 보여주고 있다. 뿐만 아니라 동일한 실험을 반복하여도 유사한 경향을 나타내었다.
결과적으로 활성탄의 미세기공을 상전이 물질을 저장하기 위한 저장소로 사용함으로써 종래 상전이 물질을 가두기 위한 캡슐화 공정이 필요 없음을 알 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 활성탄이나 실리카 겔과 같은 다공성 매체 재료의 미세기공에 상전이 물질을 주입하면 미세기공 안에서 승온 조건에서는 열을 흡수저장하고 냉온 조건에서는 흡수한 열을 내어놓는 특성을 갖게 된다. 여기에서, 다공성 매체 재료 자체가 상전이 물질을 가두는 지지체 역할을 하여 상전이 물질을 가두기 위한 캡슐화 과정이 필요가 없다.
또한, 종래의 캡슐화시킨 상전이 물질은 얇은 박막으로 제조되어 외부의 물리적 충격에 의해 터지거나 깨어지는 문제점이 있으나, 본 발명은 다공성 매체 재료에 상전이 물질을 충전함으로써 다공성 매체 재료 자체가 지지체 역할을 하여 외부의 물리적 충격에 의해 손상되는 그러한 문제가 없다.
또한, 본 발명은 에너지 저장 매체는 휘발성 물질을 이용하지 않아 친환경적 제조가 가능하며, 종래 기술에 비해 상대적으로 제작 단가를 절감할 수 있으며, 높은 열전도율을 갖는다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
S100: 다공성 매체 재료 전처리 단계
S200: 상전이 물질 전처리 단계
S300: 상전이 물질 충전 단계
S400: 여과 단계
S500: 세척 단계
S200: 상전이 물질 전처리 단계
S300: 상전이 물질 충전 단계
S400: 여과 단계
S500: 세척 단계
Claims (16)
- 열 저장 및 열 방출이 가능한 미세기공을 가진 다공성 매체의 제조방법에 있어서,
다공성 매체 재료의 미세기공 내의 불순물을 제거하여 개공하기 위한 다공성 매체 재료 전처리 단계;
상기 다공성 매체 재료의 미세기공에 충전될 상전이 물질을 다공성 매체 재료에 충전가능한 상태로 처리하기 위한 상전이 물질 전처리 단계;
상기 전처리된 상전이 물질을 다공성 매체 재료에 충전하는 충전 단계;
상기 상전이 물질이 충전된 다공성 매체 재료를 여과시켜 충전하고 남은 상전이 물질을 회수하는 여과 단계; 및
상기 여과된 다공성 매체 재료를 세척하는 세척 단계를 포함하고,
상기 다공성 매체 재료는 활성탄 또는 실리카 겔이고,
상기 다공성 매체 재료 전처리 단계는 다공성 매체 재료를 건조하고 감압 처리하되, 다공성 매체 재료를 200℃로 가온한 후, 진공을 가하는 것을 포함하고,
상기 상전이 물질 전처리 단계는 상전이 물질을 상전이 물질의 융점 이상으로 가온하는 것을 포함하고,
상기 충전 단계는 상기 전처리된 상전이 물질과 다공성 매체 재료를 혼합한 후, 상전이 물질의 융점 이상으로 유지시킨 온도에서 소정 시간 숙성시키며, 상기 다공성 매체 재료의 미세 기공으로 상전이 물질을 확산시키도록 처리하는 것을 포함하고, 상기 상전이 물질의 확산 처리는 압력 탱크 내에서 1기압 이상으로 24시간 유지하는 것을 포함하며,
상기 세척 단계는 상전이 물질의 융점 이상의 온수를 이용하여 세척하는 것을 포함하고,
상기 상전이 물질은 카프릴릭 산(Caprylic acid, CH3(CH2)6COOH), 그루버 솔트(Glauber's salt), 질산화망간6수화물(Manganese nitrate hexahydrate, Mn(NO3)26H2O), 질산화망간4수화물(Manganese nitrate hexahydrate, Mn(NO3)26H2O), 질산화아연6수화물(Zinc nitrate hexahydrate, Zn2(NO3)26H2O) 중 하나를 포함하는
상전이를 이용한 열 저장 및 열 방출 가능한 미세기공을 가진 다공성 매체의 제조 방법.
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- 삭제
- 청구항 1에 따른 제조 방법에 의해 제조된 다공성 매체.
- 상전이를 이용한 열 방출 및 열 저장 가능한 다공성 매체로서,
활성탄 또는 실리카 겔을 포함하는 다공성 매체 재료;
상기 다공성 매체 재료에 충전되는 상전이 물질을 포함하며,
상전이 물질이 충전되기 전의 다공성 매체 재료는 건조 및 감압 처리되어 다공성 매체 재료의 미세기공 내 불순물이 제거되어 마련되는 다공성 매체 재료이며,
상기 상전이 물질은 상전이 물질의 융점 이상으로 가온 처리되어 마련되는 상전이 물질이며,
상기 다공성 매체 재료는 200℃로 가온된 후, 진공을 가하는 처리를 통하여 마련되는 다공성 매체 재료이며,
상기 상전이 물질은 카프릴릭 산(Caprylic acid, CH3(CH2)6COOH), 그루버 솔트(Glauber's salt), 질산화망간6수화물(Manganese nitrate hexahydrate, Mn(NO3)26H2O), 질산화망간4수화물(Manganese nitrate hexahydrate, Mn(NO3)24H2O), 질산화아연6수화물(Zinc nitrate hexahydrate, Zn2(NO3)26H2O) 중 하나를 포함하는
상전이를 이용한 열 저장 및 열 방출 가능한 미세기공을 가진 다공성 매체.
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- 제13항에 있어서,
상기 상전이를 이용한 열 저장 및 열 방출 가능한 미세기공을 가진 다공성 매체는,
가온 처리된 상전이 물질과 다공성 매체 재료를 혼합하고, 상전이 물질과 다공성 매체 재료를 혼합한 후 상전이 물질의 융점 이상으로 유지시킨 온도에서 소정 시간 숙성시키며, 숙성시킨 다공성 매체 재료를 1기압 이상으로 소정 시간 유지한 후, 충전하고 남은 상전이 물질을 회수하도록 여과하고, 상전이 물질의 융점 이상의 온수를 이용하여 세척하여 얻어지는
상전이를 이용한 열 저장 및 열 방출 가능한 미세기공을 가진 다공성 매체.
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