KR101594164B1 - 가열 및 냉각용 잠열 축열재 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은,
무기염으로서 85 내지 95 중량%의 초산 나트륨 수화물(CH3COONa·3H2O) 및 황산나트륨의 수화물(Na2SO4·10H2O)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상; 조핵제로서 2 내지 7 중량%의 인산 나트륨 수화물(Na4P2O7·10H2O) 및 Na2B4O7·1H2O로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상; 및 증점제로서 1 내지 8 중량%의 카르복시메틸 셀룰로오즈(CMC-Na) 및 수팽윤성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 가열용 잠열 축열재 조성물을 제공한다. 또한, 본 발명은 85 내지 95 중량%의 물; 조핵제로서 2 내지 7 중량%의 Na2B4O7·10H2O; 및 증점제로서 0.2 내지 8 중량%의 수팽윤성 고분자를 포함하는 냉각용 잠열 축열재 조성물을 제공한다.

Description

가열 및 냉각용 잠열 축열재 조성물{HEAT COLD LATENT HEAT STORAGE COMPOSITION}
본 발명은 가열 및 냉각용 잠열 축열재 조성물에 관한 것이다.
잠열 축열재는 현열이 아닌 상변환 물질의 잠열을 이용하여 축열을 하는 것으로서, 단위 부피나 단위 무게당 열 에너지의 저장 용량이 커서 현열 장치보다는 부피나 무게를 크게 줄일 수 있기 때문에 유리하다. 또한 부피나 무게가 줄어들기 때문에 가격도 낮아지게 된다.
또한, 온도 성층(thermocline) 현상이 심하지 않으므로, 사용 온도에 알맞은 범위에서 거의 일정한 온도로 축열 및 방열을 할 수 있다. 그러나, 현열을 이용한 축열기는 축열 매체와 열수송 유체 간의 온도 차이가 22-33℃ 이상이 되어야 충분한 축열이 가능하다.
잠열 축열재는 상기와 같은 상당한 장점을 갖고 있기 때문에, 재료나 조성비를 변경하거나 가공 등의 방법에 의해 보다 성능이 우수한 잠열 축열재를 개발하는 것이 관건이 되고 있다.
잠열 축열재는 비열이 크고, 증기압이 작으며, 열전도도가 큰 것이 바람직하게 사용된다. 그리고, 무엇보다도 과냉각 현상이 작아야 한다.
과냉각 현상(supercoiling)은 물질이 결정화 온도 이하가 되어도 결정화되지 않고 한동안 액상으로 존재하는 현상을 의미한다. 과냉각 온도라는 것은 보통 물질이 얼기 시작하는 온도와 물질이 가지고 있는 본래의 상변화 온도, 즉 물질의 결정화가 시작되어 잠열 방출이 이루어져 한동안 일정 온도가 유지되는 지점과의 온도차를 말한다.
과냉각 현상을 열전달 측면에서 보면 냉각이 시작되어 잠열 축열재가 상변화 온도에 이르러 즉시 잠열 축열재로부터 잠열 방출이 시작되어야만 잠열 축열재로부터 신속히 열을 회수할 수 있게 된다. 그러나, 과냉각에 의하여 한동안 잠열의 방출이 유보되면 잠열 축열재로부터 열출입 속도가 그만큼 늦어져 본래의 상변화 온도에서 결정화되지 않고 과냉각 온도만큼 냉각되어 결정화됨으로써 축냉시 냉동기 효율을 감소시키는 문제를 야기한다.
그러므로, 가능한 한 과냉각 현상을 억제시키는 것이 잠열 축열재의 성능을 좌우하는 중요한 요소라고 할 수 있다.
대한민국 등록특허공보 제0150063호는 수팽윤성 폴리비닐알코올-폴리아크릴산-폴리아크릴산나트륨 공중합체와 조핵제 그리고 망초나 무수 망초로 구성되는 잠열 축열재를 개시하고 있다.
그러나, 상기 잠열 축열재는 5-7℃의 온도 범위에서 과냉각이 발생하므로 과냉각 온도가 너무 높다는 단점을 갖는다. 또한, 조핵제의 침전으로 인하여 축열과 방열을 계속하는 경우 빠르게 축열 용량이 감소하는 단점을 갖는다.
대한민국 등록특허공보 제0150063호
본 발명은 종래기술의 상기와 같은 문제를 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 과냉각이 억제되어 가열 또는 냉각 성능이 크게 향상되며, 반복적인 축열과 방열을 실시하더라도 조핵제의 침전 발생이 방지되어 성능저하가 최소화되는 내구성이 우수한 잠열 축열재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은,
무기염으로서 85 내지 95 중량%의 초산 나트륨 수화물(CH3COONa·3H2O) 및 황산나트륨의 수화물(Na2SO4·100H2O)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상; 조핵제로서 2 내지 7 중량%의 인산 나트륨 수화물(Na4P2O7·10H2O) 및 Na2B4O7·10H2O로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상; 및 증점제로서 1 내지 8 중량%의 카르복시메틸 셀룰로오즈(CMC-Na) 및 수팽윤성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 가열용 잠열 축열재 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은,
85 내지 95 중량%의 물; 조핵제로서 2 내지 7 중량%의 Na2B4O7·10H2O; 및 증점제로서 0.2 내지 8 중량%의 수팽윤성 고분자를 포함하는 냉각용 잠열 축열재 조성물을 제공한다.
본 발명의 가열용 잠열 축열재 및 냉각용 잠열 축열재는 과냉각을 억제하므로, 잠열 축열재의 가열 또는 냉각 성능을 크게 향상시키는 효과를 제공한다.
또한, 조핵제의 입자 사이즈를 조절함으로써 반복적인 축열과 방열을 실시하더라도 조핵제의 침전이 방지되어 성능저하가 최소화되므로, 내구성을 크게 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예 2에 따른 냉각용 잠열 축열재 조성물의 과냉각 온도분포를 나타낸 그래프이다(시험예 2 참조).
도 2는 비교예 2에 따른 냉각용 잠열 축열재 조성물의 과냉각 온도분포를 나타낸 그래프이다(시험예 2 참조).
본 발명은, 무기염으로서 85 내지 95 중량%의 초산 나트륨 수화물(CH3COONa·3H2O) 및 황산나트륨의 수화물(Na2SO4·100H2O)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상; 조핵제로서 2 내지 7 중량%의 인산 나트륨 수화물(Na4P2O7·10H2O) 및 Na2B4O7·10H2O로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상; 및 증점제로서 1 내지 8 중량%의 카르복시메틸 셀룰로오즈(CMC-Na) 및 수팽윤성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 가열용 잠열 축열재 조성물에 관한 것이다.
상기 조핵제 및 카르복시메틸 셀룰로오즈(CMC-Na) 및 수팽윤성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이 상술한 범위 미만으로 첨가되면 과냉각 방지 및 상분리 방지 역할을 수행하기 어려우며, 상술한 범위를 초과하여 첨가되면 전체 축열재 조성물의 잠열량이 줄어들 뿐만 아니라 가격 상승의 원인이 된다.
상기에서 조핵제로서 Na2B4O7·10H2O가 사용되면 가열용 잠열 축열재 조성물의 용융온도는 32.2℃에서 31.7℃로 감소하여 결정화가 시작되므로 과냉각 현상이 상당히 감소하는 효과가 있다.
본 발명의 가열용 잠열 축열재 조성물은 평균입자 사이즈가 10 nm 내지 30 nm인 조핵제를 사용하는 것을 가장 큰 특징으로 한다. 즉, 종래에는 마이크로 사이즈 이상의 사이즈를 갖는 조핵제를 사용하였으나, 이 경우, 축열시 잠열 축열재 조성물의 온도를 조핵제의 용융점 이상으로 상승시켜도 모든 무수염이 결정수에 용해되지 못하였다. 그리고, 상기와 같이 용해되지 못한 무수염은 비중이 커서 축열용기의 밑에 침전되고, 이러한 침전은 축열과 방열을 계속할수록 증가되어 잠열 축열재 조성물의 용량을 감소시키는 원인으로 작용하였다.
본 발명자들은 상기와 같은 문제를 해소하기 위하여 예의 노력한 바, 상술한 범위로 조핵제를 분쇄하여 사용하는 경우, 상기와 같은 문제가 해소됨을 확인하였다.
조핵제의 평균입자 사이즈가 10 nm 미만인 경우에는 조핵제 분쇄가 어렵고 많은 비용이 소요되기 때문에 바람직하지 않으며, 30 nm를 초과하는 경우에는 조핵제의 침전을 억제하기 어려우므로 바람직하지 않다.
상기와 같은 평균입자 사이즈의 조핵제는 건조 한 후, 볼밀에 의해 분쇄해서 제조할 수 있다.
본 발명에서 상기 무기염은 물에 비해 과냉각 온도를 낮추는데 활용될 수 있기 때문에 사용된다. 그리고 조핵제는 결정화를 촉진하여 과냉각 온도를 끌어내리는 데 중요한 기능을 한다. 그리고 증점제는 점도를 증진시켜 무기염과 조핵제 그리고 증점제가 상호 점착되어 교반될 수 있도록 하는 기능을 한다.
본 발명의 가열용 잠열 축열재 조성물의 특징에 의해 과냉각 온도는 2-3℃ 정도로 낮추어지며, 그에 따라 축열 성능도 증가된다.
본 발명에서는 과냉각 현상을 해결하기 위해 첨가하는 조핵제로는 초산 나트륨(CH3COONa·3H2O) 또는 황산나트륨의 수화물(Na2SO4·10H2O)과 결정 구조가 유사한 인산 나트륨 수화물(Na4P2O7·10H2O) 및/또는 Na2B4O7·10H2O를 사용한다. 인산 나트륨 수화물(Na4P2O7·10H2O)의 용융점은 79℃로서 초산 나트륨(CH3COONa·3H2O)보다 약 20 ℃ 정도 높기 때문에 가열/냉각의 온도 범위에서 용융되지 않아 조핵제로서의 기능을 원활하게 수행할 수 있다.
상기 수팽윤성 고분자는 초산비닐과 메틸메타크릴레이트의 공중합체를 가수 분해하여 얻은 폴리비닐알코올-폴리아크릴산-폴리아크릴산나트륨 공중합체, 폴리비닐알코올-아크릴산나트륨 공중합체, 폴리아크릴레이트, 전분-폴리아크릴레이트, 카르복시메틸 셀룰로오즈, 이소부틸렌-말레인산 공중합체, 폴리비닐 알코올, 하이드록시 알킬 아크릴레이트 중합체, 메타크릴레이트 중합체, 하이드록시 알킬 메타크릴레이트 중합체, 아크릴아마이드 중합체 및 폴리에틸렌 옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 잠열 축열재 조성물은 조핵제를 초산 나트륨 수화물(CH3COONa·3H2O CH3COONa·3H2O) 및 황산나트륨의 수화물(Na2SO4·100H2O)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상 및 카르복시메틸 셀룰로오즈(CMC-Na)와 혼합하고 히팅하여 녹인 후 교반하는 방법에 의해 제조될 수 있다.
또한, 본 발명은 85 내지 95 중량%의 물; 조핵제로서 2 내지 7 중량%의 Na2B4O7·10H2O; 및 증점제로서 0.2 내지 8 중량%의 수팽윤성 고분자를 포함하는 냉각용 잠열 축열재 조성물에 관한 것이다.
상기 조핵제 및 수팽윤성 고분자가 상술한 범위 미만으로 첨가되면 과냉각 방지 및 상분리 방지 역할을 수행하기 어려우며, 상술한 범위를 초과하여 첨가되면 전체 축열재 조성물의 잠열량이 줄어들 뿐만 아니라 가격 상승의 원인이 된다.
상기 수팽윤성 고분자는 초산비닐과 메틸메타크릴레이트의 공중합체를 가수 분해하여 얻은 폴리비닐알코올-폴리아크릴산-폴리아크릴산나트륨 공중합체, 폴리비닐알코올-아크릴산나트륨 공중합체, 폴리아크릴레이트, 전분-폴리아크릴레이트, 카르복시메틸 셀룰로오즈, 이소부틸렌-말레인산 공중합체, 폴리비닐 알코올, 하이드록시 알킬 아크릴레이트 중합체, 메타크릴레이트 중합체, 하이드록시 알킬 메타크릴레이트 중합체, 아크릴아마이드 중합체 및 폴리에틸렌 옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 냉각용 잠열 축열재 조성물은 예컨대, 공조용 냉축열기 등에서 0~4℃의 열원으로 이용될 수 있다.
상기 조핵제의 평균입자 사이즈는 10 nm 내지 30 nm인 것이 바람직하다. 상기 발명에서 조핵제의 입자 사이즈에 관한 특징은 상기 가열용 잠열 축열재 조성물에서 기술한 것과 동일하다.
상기 본 발명의 가열 또는 냉각 잠열 축열재 조성물은 파이렉스(pyrex) 또는 구리로 형성된 용기에 담겨진 상태로 사용될 수 있다. 상기 잠열 축열 용기는, 예컨대, 직경 4.2 cm, 높이 15 cm의 원통형관과 고무마개로 구성될 수 있다.
이하에서, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해 적절히 수정, 변경될 수 있다.
실시예 1: 가열용 잠열 축열제 조성물의 제조
92 wt%의 초산 나트륨(CH3COONa·3H2O)과, 평균입자 사이즈가 20 nm인 5 wt%의 인산 나트륨(Na4P2O7·10H2O), 3 wt%의 카르복시메틸 셀룰로오즈(CMC-Na)를 혼합 및 용융시킨 후, 5 분간 교반하여 가열용 잠열 축열제 조성물의 제조하였다.
비교예 1: 가열용 잠열 축열제 조성물의 제조
평균입자 사이즈가 100 nm인 인산 나트륨(Na4P2O7·10H2O)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 가열용 잠열 축열제 조성물의 제조하였다.
시험예 1: 가열용 잠열 축열제 조성물의 물성 평가
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 가열용 잠열 축열제 조성물을 각각 직경 4.2 cm, 높이 15 cm의 원통형 유리관에 담고 고무마개를 끼운 후, 열전쌍이 잠열 축열재의 가운데에 위치하게 설치하였다. 그리고, 상기 유리관을 80℃의 항온조에 넣어 축열재의 온도를 80℃로 되게 한 후, 갑자기 항온조의 온도를 0℃로 유지시키면서 잠열 축열재의 냉각 현상을 관찰하면서 방열 및 축열 테스트를 실시하고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
3,000회 축열 및 방열 반복후 과냉각 감소 효과 5,000회 축열 및 방열 반복후 축열 성능 평가
실시예 1 58℃에서 용융되고, 53℃에서 결정화 됨 1회 축열 및 방열시와 비교하여 98%의 성능을 유지함
비교예 1 58℃ 용융되고, 50℃에서 결정화 됨 3,000회 축열 및 방열 반복후, 성능저하가 현저히 발생하며, 5,000회 반복 후에는 50%의 성능을 유지함
상기 평가결과로부터 확인되는 바와 같이, 본 발명의 가열용 잠열 축열제 조성물은 과냉각 현상이 상당히 감소되며, 특히, 반복 사용에 의한 내구성이 매우 우수함을 알 수 있다.
실시예 2: 냉각용 잠열 축열제 조성물의 제조
증류수 94.7 wt%와, 평균입자 사이즈가 20 nm인 3 wt%의 Na2B4O7·10H2O, 2.3 wt%의 폴리비닐알코올-아크릴산나트륨 공중합체를 혼합 및 용융시킨 후, 5 분간 교반하여 냉각용 잠열 축열제 조성물의 제조하였다.
비교예 2: 냉각용 잠열 축열제 조성물의 제조
증류수 97.7 wt%와 2.3 wt%의 폴리비닐알코올-아크릴산나트륨 공중합체를 혼합 및 용융시킨 후, 5 분간 교반하여 냉각용 잠열 축열제 조성물의 제조하였다.
비교예 3: 냉각용 잠열 축열제 조성물의 제조
평균입자 사이즈가 100 nm인 Na2B4O7·10H2O을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 가열용 잠열 축열제 조성물의 제조하였다.
시험예 2: 냉각용 잠열 축열제 조성물의 물성 평가
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 가열용 잠열 축열제 조성물을 각각 직경 4.2 cm, 높이 15 cm의 원통형 유리관에 담고 고무마개를 막은 후, 열전쌍이 잠열 축열재의 가운데에 위치하게 설치하였다. 그리고, 상기 유리관을 25℃의 항온조에 넣어 축열재의 온도를 25℃로 되게 한 후, 갑자기 항온조의 온도를 -12℃로 유지시키면서 잠열 축열재의 냉각 현상을 관찰하면서 방열 및 축열 테스트를 실시(동일한 조건으로 80개 샘플에 대하여 5회 반복 총 100회 실험)하고 그 결과를 하기 표 2, 표 3, 및 도 1 내지 도 2에 나타내었다.
과냉각 감소 효과
실시예 2 총 57회의 실험에서 과냉각 발생 안함, 상세는 도 1의 그래프 참조
비교예 2 총 29회의 실험에서 과냉각 발생 안함, 상세는 도 2의 그래프 참조
3,000회 축열 및 방열 반복후 과냉각 감소 효과 5,000회 축열 및 방열 반복후 축열 성능 평가
실시예 2 0℃에서 용융되고, -2℃에서 결정화 됨 1회 축열 및 방열시와 비교하여 98%의 성능을 유지함
비교예 3 0℃ 용융되고, -4℃에서 결정화 됨 3,000회 축열 및 방열 반복후, 성능저하가 현저히 발생하며, 5,000회 반복 후에는 90%의 성능을 유지함
상기 평가결과로부터 확인되는 바와 같이, 본 발명의 냉각용 잠열 축열제 조성물은 과냉각 현상이 상당히 감소되며, 특히, 반복 사용에 의한 내구성이 매우 우수함을 알 수 있다.

Claims (7)

  1. 무기염으로서 85 내지 95 중량%의 초산 나트륨 수화물(CH3COONa·3H2O) 및 황산나트륨의 수화물(Na2SO4·10H2O)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상; 조핵제로서 2 내지 7 중량%의 인산 나트륨 수화물(Na4P2O7·10H2O) 및 Na2B4O7·10H2O로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상; 및 증점제로서 1 내지 8 중량%의 카르복시메틸 셀룰로오즈(CMC-Na) 및 수팽윤성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하며,
    상기 조핵제의 평균입자 사이즈는 10 nm 내지 30 nm인 것을 특징으로 하는 가열용 잠열 축열재 조성물.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 잠열 축열재 조성물은 조핵제를 초산 나트륨 수화물(CH3COONa·3H2O) 및 황산나트륨의 수화물(Na2SO4·10H2O)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상 및 카르복시메틸 셀룰로오즈(CMC-Na) 및 수팽윤성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상과 혼합하고 히팅하여 녹인 후 교반하여 제조되는 것을 특징으로 하는 가열용 잠열 축열재 조성물.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 수팽윤성 고분자는 초산비닐과 메틸메타크릴레이트의 공중합체를 가수 분해하여 얻은 폴리비닐알코올-폴리아크릴산-폴리아크릴산나트륨 공중합체, 폴리비닐알코올-아크릴산나트륨 공중합체, 폴리아크릴레이트, 전분-폴리아크릴레이트, 카르복시메틸 셀룰로오즈, 이소부틸렌-말레인산 공중합체, 폴리비닐 알코올, 하이드록시 알킬 아크릴레이트 중합체, 메타크릴레이트 중합체, 하이드록시 알킬 메타크릴레이트 중합체, 아크릴아마이드 중합체 및 폴리에틸렌 옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 냉각용 잠열 축열재 조성물.
  5. 85 내지 95 중량%의 물; 조핵제로서 2 내지 7 중량%의 Na2B4O7·10H2O; 및 증점제로서 0.2 내지 8 중량%의 수팽윤성 고분자를 포함하며,
    상기 조핵제의 평균입자 사이즈는 10 nm 내지 30 nm인 것을 특징으로 하는 냉각용 잠열 축열재 조성물.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 수팽윤성 고분자는 초산비닐과 메틸메타크릴레이트의 공중합체를 가수 분해하여 얻은 폴리비닐알코올-폴리아크릴산-폴리아크릴산나트륨 공중합체, 폴리비닐알코올-아크릴산나트륨 공중합체, 폴리아크릴레이트, 전분-폴리아크릴레이트, 카르복시메틸 셀룰로오즈, 이소부틸렌-말레인산 공중합체, 폴리비닐 알코올, 하이드록시 알킬 아크릴레이트 중합체, 메타크릴레이트 중합체, 하이드록시 알킬 메타크릴레이트 중합체, 아크릴아마이드 중합체 및 폴리에틸렌 옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 냉각용 잠열 축열재 조성물.



  7. 삭제
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