KR101533024B1

KR101533024B1 - 잠열 축열용 조성물

Info

Publication number: KR101533024B1
Application number: KR1020130128226A
Authority: KR
Inventors: 유성훈
Original assignee: 농업회사법인 주식회사 사이언팜
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2015-07-22
Also published as: KR20150048934A

Abstract

본 발명은 잠열 축열용 조성물 및 이를 함유하는 열매체 시트 또는 열매체 블록에 관한 것으로서, 15℃ 내지 25℃에서 우수한 잠열량을 갖는 무기질 베이스의 잠열 축열용 조성물을 제공하며, 단가가 저렴하고 인체에 무해하며 작물에 안전하고 화재에도 문제가 없다.

Description

잠열 축열용 조성물{Latent heat storing composition}

본 발명은 잠열 축열용 조성물 및 이를 함유하는 열매체 시트 또는 열매체 블록에 관한 것으로서, 15℃ 내지 25℃에서 우수한 잠열량을 갖는 무기질 베이스의 잠열 축열용 조성물을 제공하여 특히 비닐하우스에의 사용에 적합하고, 단가가 저렴하며 인체에 무해하고 작물에 안전하며 화재에도 문제가 없다.

통상 330 m²의 비닐하우스 한 동은 시간당 330 kW, 즉 283,800 kcal/hm² (330 * 860)의 열량을 흡수한다. 비닐하우스가 난방을 위해 1 m²당 303 kcal/day를 필요로 할 때 태양으로부터 3,400 kcal/day(860 * 4시간) 즉 약 11배의 열량이 유입된다는 점을 알 수 있다. 그러나 이렇게 많은 열량을 흡수하고도 겨울철 밤이 되면 영하로 떨어지는 이유는 단열의 부재 또는 열을 저장하는 장치가 없기 때문이다. 식물을 기르는 비닐하우스의 특성상 햇빛 투과율을 낮출 수 없기 때문에 단열재를 사용하는 데에는 한계가 있으므로, 열을 효과적으로 저장하고 지속적으로 방출하는 열매체를 활용하여 낮에 열을 저장하여 밤에 이용하는 것이 에너지 활용 측면에서 매우 효율적이다.

관련하여 최근 무가온 하우스로 흙을 이용한 축열벽 구조를 활용한 예가 있으나, 흙벽이 차지하는 면적이 넓고, 올릴 수 있는 온도의 수준이 낮으며, 원하는 온도를 설정할 수 없다는 문제가 있다.

한편 상변화 열매체의 경우, 흙 대비 10배 이상 적은 양으로도 충분한 열량을 함유할 수 있고, 작물에 따라 원하는 온도를 설정할 수 있다.

다만 현재 27℃ 이상과 0℃ 이하에서는 잠열량이 높고 값싼 열매체가 많지만, 비닐하우스에서 필요로 하는 20℃ 전후의 범위에서 사용할 수 있는 매체로는 파라핀 정도가 있다. 그러나 파라핀은 고가이고, 화재가 발생하였을 때 매우 취약하다는 단점이 있다. 이에 값이 비교적 저렴한 무기물을 사용하여 상변화 온도를 임의로 변화시킬 수 있는 기술의 개발이 필요하다.

한편 상변화 온도조절과 상분리현상 제어를 기대하기 위한 잠열 축열재로서, Na₂SO₄·10H₂O를 주된 잠열재로 하고 여기에 잠열 온도조절제로써 NaCl 2.5 내지 24중량%, Na₂CO₃·10H₂O 9.5 내지 86중량%, KCl 1.5 내지 20중량% 및 NH₄Cl 1.5 내지 14중량%를 용융, 혼합하여, Na₂CO₃·10H₂O를 9.5 내지 86중량%의 범위 내에서 증감함에 따라 주잠열재 또는 온도조절제의 역할을 행하도록 하는 잠열 축열재 기술이 있으나(한국특허공고 1995-0013219호), 통상 주잠열재와 온도조절제의 조성비율에 따라 과냉온도 제어 및 상변화온도 등 축열재의 성능을 결정함에도 불구하고 그 상변화물질(주잠열재)의 선정과 조성 비율이 부적합하여, 축열재의 가열시 또는 냉각시 상변화온도가 변화되고 이에 따라 축열용량이 감소됨과 동시에 축열효율이 떨어져 제품으로서의 기능을 행할 수 없게 되는 문제점이 있다. 즉, Na₂SO₄·10H₂O에 온도조절제로써 물성이 상이한 NaCl, Na₂CO₃·10H₂O, KCl 및 NH₄Cl을 추가 혼합함으로써, 과냉 및 상분리 현상 제어와 사이클 지속에 따른 물성의 안정을 위한 최적의 조건을 제시하지 못하고 있으며, 이질적인 여러 가지의 온도 조절제를 일체로 혼합함에 따라 상분리 현상이 심화될 수밖에 없는 것은 물론, 실질적인 제품기능을 행할 수 있는 잠열 축열재로서는 매우 곤란하였다.

비닐하우스에서 사용하기에 적절한 잠열 축열재의 상변화 온도는 20~23℃ 정도이나, 현재 사용하기에 적절한 잠열 축열재가 없고, 기존에 파라핀을 사용한 열매체가 개발되어 있으나 고가이고 화재에 취약하며 잠열량이 무기물에 적은 단점이 있어, 무기물을 이용하여 20℃ 전후의 상변화 열매체를 개발하여 기존의 파라핀 열매체를 대체하면서, 특히 비닐하우스에서 사용하기에 적합하여 겨울철 난방비를 효과적으로 줄일 수 있는 잠열 축열재의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명에서는 인체와 식물에 무해하면서도 화재 등의 염려가 없고 경제적인 잠열 축열용 조성물을 제공하고자 한다.

한편 비닐하우스 내부는 계절과 밤낮의 기온 차에 따라 내부 온도의 변화 정도가 50℃ 이상 벌어질 수 있으나, 잠열 축열용 조성물을 사용하여 온도를 항상 일정하게 유지할 수 있는 잠열 축열재를 제공하고자 한다.

또한 본 발명에서는 단가가 저렴하고, 내구성이 좋으며 교체, 설치 및 관리가 용이하고, 특히 비닐하우스에 사용하기에 적합한 잠열 축열용 조성물이 충진된 열매체 시트 또는 열매체 블록을 제공하고자 한다.

본 발명은 CaCl₂·6H₂O를 기본으로 한 잠열 축열재 조성물을 제공하되, 여기에 MgCl₂·6H₂O, 물 및 글리세롤을 적정 비율로 배합함으로써 15℃ 내지 25℃에서 우수한 잠열량을 가지며, 단가가 저렴하고 인체에 무해하며 작물에 안전하고 화재에도 문제가 없는 무기질 베이스의 잠열 축열용 조성물을 제공할 수 있다.

본 발명은 또한 이를 열매체 시트 또는 열매체 블록에 사용하여 단가가 저렴하고, 내구성이 좋으며 교체, 설치 및 관리가 용이하고, 특히 비닐하우스에 사용하기에 적합한 열매체 시트 또는 열매체 블록을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 잠열 축열용 조성물은 15℃ 내지 25℃에서 우수한 잠열량을 가지며, 단가가 저렴하고 인체에 무해하며 작물에 안전하고 화재에도 문제가 없다.

본 발명에 따른 열매체 시트 또는 열매체 블록은 단가가 저렴하고, 내구성이 좋으며 교체, 설치 및 관리가 용이하고, 특히 비닐하우스에 사용하기에 적합하다.

도 1은 칼슘의 농도에 따른 잠열특성변화를 측정한 그래프이다.
도 2는 열매체에서의 글리세롤의 효과를 측정한 그래프로서 C50H32에 글리세롤을 첨가함에 따른 효과를 측정한 것이다.
도 3은 열매체에서의 글리세롤의 효과를 측정한 그래프로서 C50H28에 글리세롤을 첨가함에 따른 효과를 측정한 것이다.
도 4는 C75M25H50에 글리세롤을 첨가함에 따른 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 5는 C25M2.5H16에 글리세롤을 첨가함에 따른 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 C25H16M2.5에 글리세롤을 첨가함에 따른 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 7은 C75에서 M, H, G의 양을 달리하였을 때 상변화 온도 구간 변경 양상을 나타낸 그래프이다.
도 8 내지 도 10은 실시예 1 내지 실시예 3의 조성물로 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11 내지 도 13은 열류량(heat flow) 그래프이다.
도 14는 외부에서의 열매체 시트의 온도변화 양상을 나타낸 그래프이다.
도 15는 비닐하우스에서 열매체 시트의 온도변화 양상을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 CaCl₂·6H₂O; MgCl₂·6H₂O; 물; 및 글리세롤을 포함하는, 잠열 축열용 조성물에 관한 것이다.

본 발명에 따른 일 양태에서, CaCl₂·6H₂O 50~60 중량%; MgCl₂·6H₂O 7~25 중량%; 물 20~38 중량%; 글리세롤 0.1~5 중량%를 포함하는 잠열 축열용 조성물이 제공되고, 구체적으로 CaCl₂·6H₂O 52~55 중량%; MgCl₂·6H₂O 12~22 중량%; 물 25~33 중량%; 글리세롤 0.1~5 중량%를 포함하는 잠열 축열용 조성물이 제공되며, 보다 구체적으로 CaCl₂·6H₂O 53~56 중량%, MgCl₂·6H₂O 12~17 중량%, 물 28~32 중량% 및 글리세롤 0.2~3.5 중량%를 포함하는 잠열 축열용 조성물이 제공된다.

본 발명에 따른 일 양태에서, 상기 잠열 축열용 조성물의 상변화 온도 구간은 10℃ 내지 27℃, 구체적으로 15℃ 내지 25℃, 보다 구체적으로 약 20℃이다.

본 발명에 따른 일 양태에서, 상기 잠열 축열용 조성물은 20 kcal/kg 이상, 구체적으로 30 kcal/kg 이상의 잠열량을 갖는다.

본 발명에 따른 일 양태에서, 상기 잠열 축열용 조성물은 40kg/m² 사용 시 1 m² 당 1200 kcal/day 이상의 열량을 저장할 수 있다.

본 발명에 따른 또 다른 일 양태에서, 상기 잠열 축열용 조성물을 포함하는 잠열 축열재가 제공된다.

본 발명에 따른 일 양태에서, 상기 잠열 축열재는 시트 또는 블록의 형태로 제품화될 수 있다.

본 발명에 따른 일 양태에서, 열매체 시트 또는 열매체 블록은 플라스틱 소재를 사용하여 제조될 수 있고, 그러므로 단가가 저렴하고, 내구성이 좋으며, 교체, 설치 및 관리가 용이하고, 특히 비닐하우스에 사용하기에 적합하다.

본 발명에 따른 일 양태에서, 열매체 시트는 이중 비닐하우스의 안쪽 파이프에 시트를 거치시킨 후 아래에서 열매체 용액을 물펌프를 이용해 올리는 방식으로 설치가 용이하다.

본 발명에 따른 일 양태에서, 열매체 블록은 공구없이 손으로 돌려 블록끼리 연결시킬 수 있으며, 다양한 모양을 만들 수 있어 구조물을 형성하고 관리하기에 편리하다. 나아가 바람구멍이 충분하여 열교환이 잘 되도록 만들 수 있으며, 보다 자세한 내용은 본 발명의 발명자에 의한 선행특허 1,250,203호에 기재된 바와 같다.

본 발명에 따른 일 양태에서, 상기 열매체 시트 또는 열매체 블록 이외에도 투명한 단열재의 형태로 제조하여 비닐하우스뿐만 아니라 건축 분야에서도 다양하게 활용 가능하도록 제작될 수 있다.

본 발명에 따른 일 양태에서, 상기 잠열 축열재는 비닐하우스 덮개, 화분, 화분 덮개, 멀칭비닐, 축열캡, 축열시트, 재배상, 또는 파이프, 벽, 다중관 구조 등 에 유용하게 사용될 수 있다.

본 발명에서는 상변화시 높은 열량을 흡수 또는 방출하는 물질로 30 kcal/kg 이상의 잠열량을 가지면서 단가가 비싼 유기계보다는 저렴하고 화재에 안전한 무기계 잠열재를 활용한 데에 기술적 특징이 있다.

작물에 따라 생육에 필요한 적정 온도 조건이 다르며, 하우스에서의 높이에 따라 적정 온도가 다르다. 예를 들어 고온성 식물의 경우 약 26℃에서, 저온성 식물의 경우 약 17℃ 조건을 유지하는 것이 좋으며, 본 발명에서는 이러한 온도 범위에 적합한 잠열 축열용 조성물을 개발하였다. 또한, 본 발명에 따른 잠열 축열용 조성물을 사용하여 하우스의 높이에 따라 근권부(15~20℃), 작물의 생육구간(15~28℃), 하우스 중단부(35~45℃), 하우스 상단부(40~80℃)에 적합한 열매체를 제조할 수 있다.

< 용어 정의 >

본 발명에서, 고체에서 액체 또는 액체에서 기체와 같이 상이 변화하는 것을 상변화라 하고, 얼면서 방출하고 녹으면서 흡수하는 열을 잠열이라 하며, 이를 이용해 열을 저장하는 물질을 잠열 축열재라 한다.

< 약어 정의 >

C: CaCl₂·6H₂O

M: MgCl₂·6H₂O

H: 물

G: 글리세롤

이하, 본 발명에 따르는 실시예 및 본 발명에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예. 잠열 축열용 조성물의 제조

CaCl₂·6H₂O(구입처: Sigma-Aldrich), MgCl₂·6H₂O(구입처: Sigma-Aldrich), 물, 글리세롤(구입처: Sigma-Aldrich)을 표 1의 조성으로 혼합하여 잠열 축열용 조성물을 제조하였다.

No.	사용량(g)
No.	CaCl₂·6H₂O	MgCl₂·6H₂O	물	글리세롤
실시예 1	75	20	42	2
실시예 2	75	30	42	5
실시예 3	75	30	45	2
실시예 4	75	10	48	0.75
실시예 5	75	10	48	1

비교예. 잠열 축열용 조성물의 제조

CaCl₂·6H₂O(구입처: Sigma-Aldrich), MgCl₂·6H₂O(구입처: Sigma-Aldrich), 물, 글리세롤(구입처: Sigma-Aldrich)을 표 2의 조성으로 혼합하여 잠열 축열용 조성물 비교예를 제조하였다.

No.	사용량(g)
No.	CaCl₂·6H₂O	MgCl₂·6H₂O	물	글리세롤
비교예 1	75	12.5	50	0.25
비교예 2	50	-	20	-
비교예 3	50	-	24	-
비교예 4	50	-	28	-
비교예 5	50	-	32	-
비교예 6	50	-	36	-
비교예 7	50	-	40	-
비교예 8	50	-	44	-
비교예 9	50	-	28	-
비교예 10	50	-	28	0.25
비교예 11	50	-	28	0.5
비교예 12	50	-	28	0.75
비교예 13	50	-	28	1
비교예 14	50	-	28	1.25
비교예 15	50	-	28	1.5
비교예 16	50	-	28	1.75
비교예 17	50	-	28	2
비교예 18	50	-	32	-
비교예 19	50	-	32	0.25
비교예 20	50	-	32	0.75
비교예 21	50	-	32	1.25
비교예 22	50	-	32	1.75
비교예 23	50	-	32	2
비교예 24	50	-	32	2.25
비교예 25	50		32	2.5
비교예 26	75	25	50	-
비교예 27	75	25	50	0.1
비교예 28	75	25	50	0.2
비교예 29	75	25	50	0.4
비교예 30	75	25	50	0.5
비교예 31	75	25	50	0.6
비교예 32	75	25	50	0.7
비교예 33	75	25	50	0.8
비교예 34	25	2.5	16	-
비교예 35	25	2.5	16	0.1
비교예 36	25	2.5	16	0.2
비교예 37	25	2.5	16	0.3
비교예 38	25	-	16	0
비교예 39	25	-	16	0.1
비교예 40(=34)	25	2.5	16	-
비교예 41(=35)	25	2.5	16	0.1
비교예 42(=36)	25	2.5	16	0.2
비교예 43	75	25	50	-
비교예 44	75	0	42	0.75
비교예 45	75	0	42	1
비교예 46	75	5	45	0.75
비교예 47	75	5	45	1

실험예1. 잠열량 변화 측정 실험

시간의 흐름에 따른 잠열특성 변화 측정 실험을 수행하였다. 실험과정은 다음과 같다. 상기 주어진 시료를 모두 합친 후 60~80℃에서 섞어주며 녹였다가 식혀 열매체를 완성하였다.

< 실험 결과 >

(1) 비교예 5(C50H32) 이상에서는 빙점 이하에서도 굳지 않는 물이 존재하는 것으로 나타났으며, 물이 과잉임을 알 수 있다. 한편 비교예 4(C50H28)의 경우 가장 잠열량이 높으나 물의 함량이 그 이하인 경우 융점이 높아 잘 녹지 않는 것으로 나타났다(도 1 참조).

(2) 글리세롤을 첨가한 경우 C50H28에서의 글리세롤의 효과는 G0.75(비교예 12) 및 G1(비교예 13)에서 잠열이 증가하는 것으로 나타났으며(도 3 참조), 이는 물의 농도가 낮을수록 적은 양의 글리세롤로 효과를 나타낼 수 있음을 의미하는 것으로 보인다. C50H32에서의 글리세롤 효과는 G2(비교예 23) 이상에서 잠열이 증가하는 것으로 나타났다(도 2 참조).

(3) C75M25H50(비교예 26~비교예 33)에서, G의 양이 0에서 0.8까지 증가할수록 상변화 온도와 잠열이 감소하는 것으로 나타났다 (도 4 참조).

(4) C25M2.5H16(비교예 34~비교예 37)에서의 G의 효과는 G0.3(비교예 37)에서 가장 좋았으며, 1.0까지 처리 시 대부분 잠열이 증가되었으나 중간 중간 잠열이 낮아졌다(도 5 참조). 따라서 어떠한 뚜렷한 경향성은 없어 보인다. 이번 실험에서 C25M2.5H16의 경우 비록 결과는 좋으나 높은 온도에서도 녹지 않으므로 실제로 사용할 수는 없는 것을 알 수 있다.

(5) C25H16M2.5(비교예 38~비교예 43)에서 글리세롤 0.2의 첨가는 M 첨가로 인한 잠열 감소를 회복하고 원래의 잠열량보다 더 크게 증가시키는 역할을 하는 것으로 나타났다 (도 6 참조).

(6) C50에서 M0H42, M5H45, M10H48, M35H55로 늘여감에 따라 상변화 온도는 22℃, 18℃, 14℃, 10℃로 낮아졌다. 하지만 열매체가 0℃가 되는 시간은 거의 일정했다. 이는 물의 양이 증가했기 때문에 상변화 온도가 낮아진 것이며, M도 영향을 주었다 (data not shown).

(7) 상변화 온도구간이 23℃에서 13℃로 바뀌는 지점은 H48 정도로 보이며, G에 의해 그래프가 완만해지는 모습을 볼 수 있다 (도 7 참조).

(8) 가장 효과가 좋은 것으로 판단되는 실시예 1 내지 실시예 3 3종에 대하여 생산기술연구원에서 분석한 결과는 도 8 내지 도 10에 나타낸 바와 같다.

(9) 이상의 결과를 바탕으로, 실시예 1 내지 실시예 3의 잠열 축열용 조성물의 경우 원래의 27℃에 비하면 10℃ 정도 상변화 온도 구간이 낮아진 것이고, 상온에서 거의 액체상태이므로 플라스틱 용기를 사용하여도 겨울철에 비닐하우스에서 충분히 열을 흡수하고 방출할 것으로 보인다.

제조예 1. 잠열 축열재 시트의 제조

상기 실시예 1의 잠열 축열용 조성물을 PP 파우치, PP-나일론-PE 소재로 만들어진 열매체백에 담아, 잠열 축열재 시트를 제조하였다 (도 16 참조).

제조예 2. 잠열 축열재 시트의 제조

상기 실시예 2의 잠열 축열용 조성물을 PP 파우치, PP-나일론-PE 소재로 만들어진 열매체백에 담아, 잠열 축열재 시트를 제조하였다.

제조예 3. 잠열 축열재 블록의 제조

상기 실시예 3의 잠열 축열용 조성물을 열매체 블록에 충진하여 잠열 축열재 블록을 제조하였다.

Claims

CaCl₂·6H₂O;
MgCl₂·6H₂O;
물; 및
글리세롤을 포함하는, 잠열 축열용 조성물.
제1항에 있어서,
CaCl₂·6H₂O 50~60 중량%;
MgCl₂·6H₂O 7~25 중량%;
물 20~38 중량%;
글리세롤 0.1~5 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 잠열 축열용 조성물.
제1항에 있어서,
CaCl₂·6H₂O 52~55 중량%;
MgCl₂·6H₂O 12~22 중량%;
물 25~33 중량%;
글리세롤 0.2~3.5 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 잠열 축열용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 잠열 축열용 조성물의 상변화 온도 구간은 15 내지 25℃인 것을 특징으로 하는 잠열 축열용 조성물.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 조성물을 포함하는 잠열 축열재.
제5항에 있어서,
상기 잠열 축열재는 시트 또는 블록의 형태로 제품화되는 것을 특징으로 하는 잠열 축열재.
제5항에 있어서,
상기 잠열 축열재는 비닐하우스 덮개, 화분, 화분 덮개, 멀칭비닐, 축열캡, 축열시트, 재배상, 파이프, 벽 및 다중관 구조로 구성된 그룹으로부터 선택되는 1종 이상에 사용되는 것을 특징으로 하는 잠열 축열재.