KR101592753B1 - 진공함침 공정에 의해 캡슐화된 잠열축열재 및 그 제조방법 - Google Patents

진공함침 공정에 의해 캡슐화된 잠열축열재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 난방 및 보온에 이용할 수 있는 잠열 축열재 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 잠열 축열재의 상변화 물질로 사용된 파라핀, 무기수화물의 상분리 문제 및 과냉각에 따른 잠열량 감소의 문제점 및 용도의 제약을 극복하기 위하여 무기질 재료 및 지방족 화합물 또는 방향족 화합물 등의 유기화합물을 상변화 물질로 선택하고 이를 무기질 다공성 재료 또는 다공성 섬유상 재료에 진공함침 시켜 온도 변화에 의해서도 상변화물질의 상분리 문제가 발생하지 않도록 하여 잠열 죽열재로 사용할 때, 상이 안정한 상태로 존재할 수 있도록 제조하여 우수한 잠열 축열 특성을 갖도록 한 진공함침 공정에 의해 캡슐화된 잠열축열재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
[색인어]
잠열축열재, 상분리, 진공함침, 캡슐, 코팅

Description

진공함침 공정에 의해 캡슐화된 잠열축열재 및 그 제조방법{Capsulated latent heat storage materials by vacuum impregnant processing and manufacturing method thereof}
본 발명은 난방 및 보온에 이용할 수 있는 잠열 축열재 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 잠열 축열재의 상변화 물질로 사용된 파라핀, 무기수화물의 상분리 문제 및 과냉각에 따른 잠열량 감소의 문제점 및 용도의 제약을 극복하기 위하여 무기질 재료 및 지방족 화합물 또는 방향족 화합물 등의 유기화합물을 상변화물질로 선택하고 이를 무기질 다공성 재료 또는 다공성 섬유상 재료에 진공함침시켜 온도 변화에 의해서도 상변화물질의 상분리 문제가 발생하지 않도록 하여 잠열 죽열재로 사용할 때, 상이 안정한 상태로 존재할 수 있도록 제조하여 우수한 잠열 축열 특성을 갖도록 한 캡슐 형태의 잠열 축열재 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 잠열 축열재를 사용하면 공동주택의 난방 시 잠열의 축적 및 발산이 가능하므로 실내의 온도를 일정하게 유지하는데 효과적이며, 쾌적한 실내 환경을 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 에너지 절약에도 일조할 수 있다.
본 발명은 난방 및 보온에 이용할 수 있는 잠열 축열재 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 잠열 축열재의 상변화 물질로 사용된 파라핀, 무기수화물의 상분리 문제 및 과냉각에 따른 잠열량 감소의 문제점 및 용도의 제약을 극복하기 위하여 무기질 재료 및 지방족 화합물 또는 방향족 화합물 등의 유기화합물을 상변화물질로 선택하고 이를 무기질 다공성 재료 또는 다공성 섬유상 재료에 진공함침시켜 온도 변화에 의해서도 상변화물질의 상분리 문제가 발생하지 않도록 하여 잠열 죽열재로 사용할 때, 상이 안정한 상태로 존재할 수 있도록 제조하여 우수한 잠열 축열 특성을 갖도록 한 캡슐 형태의 잠열 축열재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 잠열은 물질의 상변화시 등온에서 흡수, 방출되는 열로서, 얼음이 녹을 때 흡수하는 80cal/g의 융해열이나 물이 증발할 때 흡수하는 540cal/g의 증발열 등이 그 대표적인 예이다. 이러한 잠열을 이용하여 열에너지를 저장하는 방법을 잠열 축열이라 하는데 현열을 이용하여 열에너지를 저장하는 방법인 현열 축열보다 단위 부피당 또는 단위 무게당 더 많은 양의 열을 저장할 수 있다.
상변화물질(PCM : phase change material)이 잠열 축열재로 사용되기 위해서는 우선 전이 온도가 원하는 온도 영역이고 열용량과 잠열이 크며 과냉각 현상이 작아야 하고 또한 독성, 가연성, 환경오염성이 없고 화학적으로 안정하여 반복 사용이 가능하며 재현성이 좋아야 한다. 여러 가지 물질 가운데 일정한 온도에서 상변화를 일으키는 잠열 축열재들이 소개되고 있으나 상기 조건을 만족하는 물질들은 제약이 있으며 지금까지는 무기수화물을 이용하고자 하는 노력이 진행되어 왔다.
그러나 무기수화물은 상분리 문제 및 과냉각 현상 등의 문제점이 있어 이용상의 큰 장애가 되어 왔으며 또한 실제 응용을 위해서는 열응답성의 개선이 필요하였는데 이와 같은 무기수화물의 문제점을 해결하고 응용성을 높이기 위하여 무기수화물을 구형(球形)의 입자로 제조한 후 이를 소수성 왁스 및 고분자물질 등으로 코팅하여 캡슐화한 잠열 축열재가 소개되었다. (한국 특허공고 제 97-8262호)
도 1은 종래의 무기수화물로 제조된 구형 마이크로캡슐 형태의 잠열 축열재의 단면도로서 무기수화물로 제조된 상변화물질 입자(1)가 가운데 있고 이 입자 주위의 고분자물질 코팅층1 (2), 왁스코팅층(3), 고분자물질 코팅층2 (4) 및 고분자물질 코팅층3 (5)으로 이루어진 잠열 축열재를 보여준다. 이때 소수성 왁스층은 물의 증발을 막기 위한 층이고 이외의 3개 고분자물질층은 물의 부피 팽창을 견딜 수 있도록 하기 위한 층이다. 그러나 이러한 잠열 축열재는 코팅층의 구조가 복잡하고 따라서 제조 비용이 크며 가공시 코팅층에 사용되는 스티렌수지, 아크릴수지, 염화비닐리덴 공중합수지, 쉘락, 이소부틸렌수지, 카보네이트수지, 아미드 수지, 우레탄수지, 에폭시수지 및 페놀수지 등의 고분자물질이 무기수화물 입자를 완전히 보호하지 못하는 현상이 발생하였을 뿐만 아니라 상기 코팅층이 4층으로 이루어져 있음에도 불구하고 100℃ 이상의 온도에서 무기수화물의 부피 팽창으로 캡슐이 파괴되는 등 품질의 안정성을 기하지 못한 단점으로 상용화하기에는 다소 제약이 있었다.
또한 유기화합물인 왁스를 상변화물질로 하여 가장자리를 곡선인 알약 모양으로 만든 후 이를 여러 종류의 고분자물질를 이용하여 원통과 비슷한 형태로 마이크로 캡슐화한 잠열 축열재도 소개되었는데 (미국 특허 제 4,513,053호) 이러한 잠열 축열재는 상기 무기수화물의 문제점과 기계적 강도는 개선되었으나 구형으로 캡슐화한 것에 비하여 단위 부피당 표면적이 작아 열응답성이 떨어지고 또한 제조비용이 과다하다는 단점이 있었다.
한편, 한국특허 10-0284192에서는, 종래의 잠열 축열재의 상변화물질로 사용된 무기수화물의 상분리문제 및 과냉각에 따른 잠열량 감소의 문제점 및 용도의 제약을 극복하기 위하여 지방족 또는 방향족 화합물 등의 유기화합물을 상변화물질로 선택하여 이를 구형으로 제조한 후 1층 또는 2층의 같거나 다른 고분자물질로 코팅하여 우수한 잠열 축열 특성을 갖도록 한 구형 마이크로캡슐 형태의 잠열 축열재 및 그 제조 방법에 관한 것을 개시하고 있다. 그러나 이 특허에서는 상변화 물질을 지방족 또는 방향족 화합물 등의 유기화합물로 제한하고 있어 그 사용이 제한적이며, 또한 이를 별도로 구형으로 제조하는 공정과, 1층 또는 2층으로 코팅하여 마이크로 캡슐을 제조함으로서, 제조공정이 복잡하고, 선정 재료의 특성에 따라 코팅이 안 되는 단점이 있다.
대한민국 등록특허 97-8262호 대한민국 등록특허 제10-0284192호 미국 등록특허 제4513053호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 상기의 잠열 축열재 조건을 만족하는 상변화물질로서 전이 온도가 10∼100℃ 범위 내에 있는 무기질 잠열재 및 지방족 또는 방향족 화합물 등의 유기화합물 잠열재를 잠열 축열재로 선택하여 이를 일정한 크기의 다공성의 무기질 재료 또는 다공성의 유기질 섬유상 재료에 진공함침 시켜 캡슐화 함으로써 무기질 수화물 잠열재가 갖는 문제점을 없애고 열응답성을 높이며 고온 가공이 가능하도록 한 잠열 축열재 및 그 제조방법을 제공하고자 한다. 무기질 수화물 잠열재는 다공성 무기질 재료 내에 진공 함침되어 우수한 기계적 강도, 무기질 수화물 잠열재의 안정화 등에 기여하게 되며, 한편 지방족 또는 방향족 화합물 등의 유기화합물은 무기질 수화물 잠열재에 비해 가격이 다소 비싸고 열전도도가 낮다는 단점이 있기는 하지만 단위 부피당 열저장량이 크고 융점의 범위가 넓어 선택의 여지가 많으며 화학적으로 안정하고 부피 변화가 작으며 용융체의 증기압이 작고 과냉각 현상이 없고 또한 가공이 용이하며 적용 범위가 넓다는 장점이 있다. 또한 다공성의 유기질 섬유상 재료는 배치타입(batch type) 가공시 경제성이 우수하고 진공함침 공정에 유리하며 박막 형성도가 좋고 형성된 박막은 우수한 투수성과 기계적 강도를 보인다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다음과 같은 수단을 제공한다.
본 발명은 진공 함침 공정에서 잠열 축열재를 함침 시키기 위한 재료로서 무기질 다공성 재료를 사용하는데, 무기질 다공성 재료는 섭씨 650도에서 30분 내지 60분 동안 하소한 하소 규조토를 사용하는 것을 특징으로 한다. 또한 하소 규조토와 결정 상의 공극이 큰 무기질 재료인 팽창 흑연 또는 팽창 질석을 단독 또는 둘 이상을 혼합 사용하는 것을 특징으로 한다.
한편, 다공성의 유기질 섬유상 재료는 에틸렌비닐아세테이트(Ethylene Vinyl Acetate, EVA) 칩을 사용하는 것을 특징으로 한다.
잠열 축열재로는 공지의 망초, 파라핀 왁스, 옥타데칸, 헥사데칸을 사용하는 것을 특징으로 하며, 본 진공함침 공정에 적용하는 잠열축열재는 잠열 축열재로 사용되는 전반적인 재료 모두에 해당되며, 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은, 입자크기 5밀리미터 이하의 크기로 분쇄한, 섭씨 650도에서 30분 내지 60분동안 하소한 하소 규조토, 팽창흑연 및 팽창 질석을 준비하는 단계; 또는 입자크기 5밀리미터 이하의 크기로 분쇄된 EVA 칩을 준비하는 단계; 각각의 용해 온도 이상에서 용해시킨 무기질 잠열 축열재 또는 유기질 잠열 축열재를 준비하는 단계; 진공함침 장치를 준비하는 단계; 반응기에 하소 규조토 또는 팽창흑연 또는 팽창 질석 또는 EVA 칩을 투입하는 단계; 각각의 용해 온도 이상에서 용해시킨 무기질 잠열 축열재 또는 유기질 잠열 축열제를 투입하는 단계; 30분 내지 60분 동안 진공압력을 가하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공함침 공정에 의해 캡슐화된 잠열축열재 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 이러한 본 발명에 따른 잠열 축열재는 전이 온도가 10∼100℃ 범위 내에 있는 무기질 잠열축열재 또는 지방족 및 방향족 화합물 등의 유기화합물을 상변화물질로 하여 이를 캡슐화한 것으로서 종래의 무기수화물을 상변화물질로 한 잠열 축열재가 가지는 상분리 및 과냉각 현상이 발생하지 않을 뿐만 아니라 잠열량이 크고 융점의 범위가 넓어 선택의 여지가 많으며 싸이클 테스트에 대한 열응답성도 좋으며 기계적 강도도 우수하다. 또한, 그 제조 방법에 있어서도 공정이 간단하여 비용이 절감되며 또한 고온 가공이 가능하여 이러한 잠열 축열재의 적용 범위가 넓다는 장점도 있다.
도1은 종래의 무기수화물로 제조된 구형 마이크로캡슐 형태의 잠열축열재
도2는 종래의 구형 마이크로캡슐 형태의 잠열축열재
(대한민국 특허 제10-0284 192호)
도3은 본 발명의 진공함침 공정도
도4는 본 발명의 캡슐화 잠열축열재의 단면도
*도면의 주요부분에 대한 설명
1 : 상변화물질 입자 2 : 고분자물질 코팅층1
3 : 왁스코팅층 4 : 고분자물질 코팅층2
5 : 고분자물질 코팅층3 6 ; 상변화물질
7 ; 고분물질 코팅증(1) 8 ; 고분자물질 코팅층(2)
11 ; 다공성 재료(하소 규조토, 팽창 흑연, 팽창 질석 또는 EVA 칩)
12 ; 반응 탱크 13 : 가열 교반 장치
14 : 무기질 또는 유기질 잠열축열재(저장, 가열)
15 : 진공 펌프 16 : 수분 또는 가스 제거 장치
21 : 다공성 재료 22 : 잠열축열재
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 잠열축열재의 진공함침용 다공성 재료로서 섭씨 650도에서 30분 내지 60분 하소한 하소규조토, 팽창흑연 또는 팽창질석을 입자의 크기가 5밀리미터 이하의 크기로 하여 잠열축열재의 무기질 함침 재료로 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한 잠열축열재의 진공함침용 다공성 다공성 재료로서 섬유상 재료인 EVA 칩을 입자 크기 5 밀리미터 이하의 크기로 하여 잠열축열재의 유기질 함침재료로 사용하는 것을 특징으로 한다.
이때 입자의 크기가 5 밀리미터 이상인 것은 잠열축열재를 진공함침시켜도 다시 외부로 용출될 수 있기 때문에 바람직하지 못하다. 입자의 크기가 3밀리미터인 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용하는 잠열축열재는 망초, 파라핀, 옥타데칸, 헥사데칸을 사용하는 것을 특징으로 하며, 전이 온도가 10∼100℃ 범위 내에 있는 무기질 잠열축열재 또는 지방족 및 방향족 화합물 등의 유기화합물을 상변화물질로 사용할 수 있으며, 어느 특정한 재료로 한정하지는 않는다.
또한, 본 발명은, 입자크기 5밀리미터 이하의 크기로 분쇄한, 섭씨 650도에서 30분 내지 60분동안 하소한 하소 규조토, 팽창흑연 및 팽창 질석을 준비하는 단계; 또는 입자크기 5밀리미터 이하의 크기로 분쇄된 EVA 칩을 준비하는 단계; 상기의 무기질 또는 유기질 다공성 재료(11)를 반응탱크(12)에 저장하는 단계; 유기질 또는 무기질 잠열축열재를 저장하고, 저장된 탱크(14)를 잠열축열재의 전이온도로 가열하여 액체 상태로 용융하는 단계; 반응탱크(12)에 잠열축열재를 투입하는 단계; 반응탱크(12)를 가열 및 교반(13)하는 단계; 진공펌프(15)로 반응탱크(12)내부를 30분 내지 60분 동안 진공으로 하는 단계; 이때 수분이나, 잠열축열재에서 발생하는 가스를 포집하는 단계(16); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공함침 공정에 의해 캡슐화된 잠열축열재 및 그 제조방법을 제공한다.

Claims (4)

  1. 입자크기 2 내지 5밀리미터 이하의 크기로 분쇄한, 섭씨 650도에서 30분 내지 60분동안 하소한 하소 규조토, 팽창흑연 및 팽창 질석을 준비하는 단계; 또는 입자크기 2 내지 5밀리미터 이하의 크기로 분쇄된 EVA 칩을 준비하는 단계; 하소 규조토, 팽창흑연 및 팽창 질석의 무기질 재료와 또는 유기질 다공성 재료인 입자크기 2 내지 5밀리미터 이하의 크기로 분쇄된 EVA 칩을 반응탱크에 투입하는 단계; 유기질 또는 무기질 잠열축열재를 반응탱크에 투입하는 단계; 반응탱크를 잠열축열재의 전이온도로 가열하여 액체 상태로 용융하는 단계; 반응탱크에 잠열축열재를 투입하는 단계; 반응탱크를 가열 및 교반하는 단계; 진공펌프로 반응탱크 내부를 30분 내지 60분 동안 진공으로 하는 단계; 이때 수분이나, 잠열축열재에서 발생하는 가스를 포집하는 단계; 로 제조되는 것을 특징으로 하는 진공함침 공정에 의해 캡슐화된 잠열축열재 제조방법
  2. 청구항 1항에 있어서,
    유기질 또는 무기질 잠열축열재를 함침시키기 위한 재료로서, 무기질 다공성 재료는 입자크기 2내지 5밀리미터의 크기로 분쇄한, 섭씨 650도에서 30분 내지 60분동안 하소한 하소 규조토, 팽창흑연 및 팽창 질석을 단독 또는 둘 이상을 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 진공함침 공정에 의해 캡슐화된 잠열축열재
  3. 청구항 1항에 있어서,
    유기질 또는 무기질 잠열축열재를 함침시키기 위한 재료로서, 유기질 다공성 재료는 입자크기 2내지 5밀리미터의 크기로 분쇄한, EVA 칩을 사용하는 것을 특징으로 하는 진공함침 공정에 의해 캡슐화된 잠열축열재
  4. 청구항 1항에 있어서,
    유기질 또는 무기질 잠열축열재를 함침시키기 위하여 반응탱크에서 30분 내지 60분 동안 진공으로 하여 무기질 다공성 재료 또는 유기질 다공성 재료에 잠열축열재가 함침되는 것을 특징으로 하는 진공함침 공정에 의해 캡슐화된 잠열축열재
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