KR101735657B1 - 냉각제 - Google Patents

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쟝-파울 롱구에마르
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Abstract

특정 유체가 에너지 전환 지점에 있고, 물, 강하게 산란시키는 미네랄 분체, 일반적으로 탄산 칼슘, 부동액 및/또는 착색제, 계면활성제 및 소포제를 포함하고, 분체가 1% 내지 3%의 질량 농도 및 0.8 내지 10μm의 입도 중앙값을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

냉각제{COOLANT}
본 발명은 에너지 전환 지점(site)에 있고, 또한 이어서 "특정(specific)"으로 언급되는 열전달 유체(heat-transfer fluid)인, 특정 유체에 관한 것이다.
다수의 열전달 유체가 공지되어 있으며, 다양한 용도로 사용되고 있다. 공기 및 물은 이들의 본래의 이용성으로 인해 보편적으로 사용된다. 공지되어 있는 그 밖의 유형의 열전달 유체는 유기 유체, 용융염 및 액체 금속이다.
특정 용도로 열전달 유체를 선택할 경우, 여러 기준이 고려되어야 한다:
- 유체의 흡수력(absorptivity)
- 유체가 사용될 온도 범위: 최대 온도 및 최소 온도
- 시간에 따른 효과 지속성(persistence): 장치(installation)에 사용되는 물질에 대한 유체의 침식(aggressiveness), 부식(corrosion) 또는 오염(fouling) 위험 등.
- 안전 규정: 화상 위험, 감전 위험, 화재 위험, 폭발 위험, 독성 위험, 가압 장비 관련 위험, 유체의 폐기 및 재순환에 대한 규정.
- 기술-경제성 기준: 투자 및 운영 비용.
주거의 가정용수를 가열하기 위한 가정용 태양 집열기(solar collector)의 경우에, 일반적으로 사용되는 열전달 유체는 물과 부동액(antifreeze)의 혼합물이다. 이것은 상기 유체가 이러한 유형의 용도에 대해 상기 언급된 모든 기준을 만족스럽게 부합하기 때문이다.
그러나, 상기 유체는 제한된 흡수력을 가져, 이에 따라 태양 집열기는 빛의 열로의 전환을 증진시키도록 설계되어야 한다. 태양 집열기로부터의 수율은 제한된다.
US 4 083 490에는 에틸렌 글리콜, 물 및 대략 1μm의 입자를 갖는 그라파이트의 콜로이드 현탁액으로 구성된 흡수 매질(absorbent medium)을 포함하는, 태양 복사(solar radiation)를 흡수하기 위한 집열기가 기재되어 있다. 그라파이트의 콜로이드 현탁액은 많은 복사 에너지를 직접 흡수하는 미분된 흑체(black body)로서 거동한다.
본 발명에 의해 다루어지는 과제는 특히 가정용 태양 집열기에 사용하기 적합한 특정 유체를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 특정 유체의 흡수력을 향상시키는 것이다.
본 발명에 의해 제안된 용액은 특정 유체로서, 물, 및 태양 복사를 강하게 산란시키는 미네랄 분체를 포함하며, 태양 복사를 강하게 산란시키는 미네랄 분체는 1% 내지 3%의 질량 농도 및 0.8 내지 10μm의 입도 중앙값(median particle size)을 갖는 것을 특징으로 한다.
이러한 특징으로 인해, 특정 유체는 에너지 전환 지점에 있고, 이로 인해 높은 흡수력을 나타내는 것으로 주지되었다.
그러므로, 태양 집열기에 사용되는 이러한 유체는 집열기의 에너지 수율을 개선시키는 것을 가능하게 한다. 또한, 태양 집열기는 에너지 전환을 증진시키는 다른 조치 없이, 빛을 유체로 유도하도록 설계될 수 있다.
유리하게는, 태양 복사를 강하게 산란시키는 미네랄 분체의 입자는, 평균적으로 0.7 초과, 바람직하게는 0.9 초과의 광 에너지 산란률(light energy scattering coefficient)을 갖는다. 이러한 광 에너지 산란률은 반사율 측정기(reflectometer)를 사용하여, 예를 들어, 적분구(integrating sphere)를 사용하는 측정 방법에 의해 측정될 수 있다. 이러한 방법에서, 실질적으로 구형인 집열기의 중심부에 위치된 입자는 입사광 에너지 흐름을 수용한다. 실질적으로 구형인 집열기는 전체 공간에서 입자에 의해 산란된 에너지의 흐름을 측정한다. 에너지 산란률은 입사 흐름에 대한 산란된 총 흐름의 비율로 규정된다. 1의 산란률에 대한 나머지가 입자에 대한 에너지 흡수율이 된다.
유리하게는, 강하게 산란시키는 미네랄 분체는 탄산 칼슘, 또는 합성 또는 천연 미네랄 분체를 포함한다. 한가지 구체예에 따라, 강하게 산란시키는 미네랄 분체는 탄산 칼슘 분체이다.
바람직하게는, 강하게 산란시키는 미네랄 분체는 1 내지 3μm의 입도 중앙값을 갖는다.
바람직하게는, 강하게 산란시키는 미네랄 분체는 필수적으로 구형 입자로 구성된다. 이러한 형상은 광 산란을 증진시킨다.
바람직하게는, 유체는 0% 초과 내지 40% 이하의 질량 농도를 갖는 부동액을 포함한다.
부동액 유체는 설치가 이루어지는 영역에서의 기후에 따라, 예를 들어, 외부 설치 시 저온에 노출될 수 있는 용도에 대해 특히 바람직하다. 예를 들어, 에틸렌 글리콜-기반 부동액 유체가 이용가능하다. 독성이 없는 이점을 갖는 글리콜-비함유 유기 부동액이 또한 이용가능하다.
바람직하게는, 유체는 태양 복사에 대하여 0.1 내지 10cm-1, 바람직하게는 1cm-1 정도의 에너지 흡수력을 갖는다. 이러한 정도의 흡수력 크기는 대략 20 내지 30 mm의 두께에 대해 거의 완전한 흡수를 가능하게 한다. 이러한 경우, 예를 들어, 0.2% 내지 1%의 농도로 유기 액상 착색제인 하나 이상의 착색제가 특정 유체에 첨가될 수 있다. 착색된 부동액 제품 또한 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다. 흡수력은 유체 표면층의 과다한 국부 가열을 일으킬 수 있는 유체의 박층에 제한된 표면 흡수가 아닌 대부분의 유체에 열 전환을 허용하도록 지나치게 강하지 않아야 한다.
바람직하게는, 유체는 질량 농도가 0% 초과 내지 3% 이하인 계면활성제를 포함한다.
바람직하게는, 유체는 질량 농도가 0% 초과 내지 3% 이하인 소포제를 포함한다.
소포제 제품은 특히 유체의 표면 반사율을 증가시킬 수 있는 버블(bubble)의 형성을 방지함으로써 그것의 총 흡수력을 감소시킨다.
한가지 구체예에 따르면, 미네랄 분체의 질량 농도는 3%이고, 부동액의 질량 농도는 30%이고, 계면활성제의 질량 농도는 0.2% 내지 0.3%이며, 소포제의 질량 농도는 0.2% 내지 0.3%이다.
바람직하게는, 유체는 또한 살균제(bactericidal product)를 포함한다. 살균제는 상당한 기간 동안 주위 온도로 머물러야 하는 장치, 예를 들어, 년 중 일부 시기 동안만 작동되는 태양열 난방 장치의 용도에 특히 바람직하다.
본 발명은 또한 복사광을 열로 전환시키기 위한 장치에서 특정 유체의 용도를 제안하며, 광선은 상기 특정 유체를 향해 유도되고, 특정 유체는 에너지 전환 지점에 있다.
본 발명은 또한 에너지 전환 지점에 있도록 복사광을 수용할 수 있게 하는 방식으로 배열된 특정 유체를 포함하는, 복사광을 열로 전환시키기 위한 장치를 제안한다. 바람직하게는, 이러한 장치는 태양 집열기를 포함한다.
본 발명의 특정 양태는 유체의 다중 광 산란(multiple light scattering) 현상을 유발하도록, 에너지-전환 유체의 현탁액에 강하게 빛을 산란시키는 분체의 충진제(filler)를 사용하는 아이디어를 기반으로 한다. 이러한 현상은 주어진 용적의 유체 내 광의 실제 전파 거리를 상당히 증가시킬 수 있고, 유체 내, 광 흐름을 균일하게 분배할 수 있다. 따라서, 액체 내 산란 분체의 입자에 의한 복사광을 산란시키는 것은 필수적으로 일어나는 복사의 흡수와 함께 상당한 용적으로 유체 가열 및 에너지 전환이 일어나게 할 수 있다. 이러한 벌크 용적으로의 가열은 상대적으로 온건한 온도에서 비교적 높은 유량의 액체를 가열하는 것이 요망되는 용도에 특히 적합하다. 본 발명의 특정 양태는 입자의 유효 산란 단면을 개선시킬 수 있는 공진 현상을 촉진하도록, 태양 복사의 주요 성분의 파장에 필적하는 입도를 갖는 산란 분체를 사용하는 아이디어를 기반으로 한다.
태양 복사 시, 대부분의 에너지는 대략 0.5 내지 대략 1.6μm, 특히 0.5 내지 0.7μm의 스펙트럼 범위에 있음을 상기한다.
본 발명은 단지 비제한적인 예시에 의해 제시되는 본 발명의 어느 한 특정 구체예의 하기 상세한 설명을 통해 보다 명백하게 이해될 것이고, 그 밖의 목적, 세부 사항, 특징 및 이의 이점이 보다 명백하게 나타날 것이다.
한가지 구체예에서, 본 발명은 특히, 주거용 태양 집열기에 사용하기 적합한 특정 유체를 제안한다. 이러한 특정 유체는 하기를 포함한다:
- 물,
- 탄산 칼슘 분체,
- 임의의 부동액 및/또는 착색제,
- 임의의 살균제,
- 임의의 계면활성제,
- 임의의 소포제.
하기에 나타나는 모든 %는 질량%이다.
탄산 칼슘 분체의 농도 및 이의 입도 중앙값은, 한 편으로는, 특정 유체의 흡수력, 다른 한편으로는 분체의 특정 유체에 현탁되는 능력을 고려하여 결정된다. 본 발명에 의해 수행된 시험은 특정 유체의 흡수력, 및 이에 따른 태양 집열기의 수율이, 분체 농도 증가가 증가함에 따라 증가하고, 이후 98% 이상에 이르렀음을 나타냈다. 이것은 본 발명 특징에 의해 특정 유체가 에너지 전환 지점에 있다는 사실에 기인한다.
이러한 시험은 또한 분체의 입도 중앙값이 순환하는 열전달 유체 중 현탁되거나 현탁액 중에 남아있는 그것의 능력에 영향을 미침을 보여주었다. 본 발명의 상세한 설명과 관련하여, 용어 "입도 중앙값"은 Malvern Matersizer 2000 레이저 기기에서 검증된 입자 크기를 의미하는 것으로 의도되고, 이의 계측 방법(metrology)은 표준 ISO 13320(인증 표준 물질(certified reference material; CRM)을 이용하여 보정)과 관련된다.
이러한 시험들의 결과는 특히 다음과 같다:
- 시험 1(대조군): 시험된 조성물은 물 단독이었다. 흡수 세기는 사실상 제로였다.
- 시험 2: 시험된 조성물은 물(98%), 및 10μm의 입도 중앙값을 갖는 탄산 칼슘 분체(2%)의 혼합물이었다. 흡수 세기는 3cm 높이의 물에 대하여 40%였다.
- 시험 3: 시험된 조성물은 물(95%), 및 10μm의 입도 중앙값을 갖는 탄산 칼슘 분체(2.5%) 및 부동액(2.5%)의 혼합물이었다.
흡수 세기는 3cm 높이의 물에 대하여 80%였다.
- 시험 4: 시험된 조성물은 물(66.7% 내지 66.8%), 부동액(30%), 2μm의 입도 중앙값을 갖는 탄산 칼슘 분체(3%) 및 계면활성제(0.2% 내지 0.3%)의 혼합물이었다. 계면활성제의 존재는 현탁액 중의 분체를 보다 장기간 유지할 수 있게 하였다.
본 발명자들은 이러한 시험들로부터 탄산 칼슘 분체의 농도가 1% 내지 3%이어야 하고, 분체는 0.8 내지 10μm의 입도 중앙값을 가져야 함을 추론하였다. 예를 들어, 분체는 Omya SAS 회사에서 판매되는 Durcal 1 또는 Durcal 2 분체였다.
이러한 분체는 예를 들어, 98% 초과의 고순도이고, 매우 높은 발광성(luminosity)을 갖는 탄산 칼슘으로 구성되었다.
한가지 구체예에 따라, 분체는 DIN 6174에 따라 측정하여 파라미터 L*이 94 내지 98의 값과 같고/거나 파라미터 a*가 0.1 내지 1.5의 값과 같고/거나, 파라미터 b*가 0.5 내지 4의 값과 같고/거나, 바람직하게는, 파라미터 L*이 94 내지 98의 값이고, 파라미터 a*가 0.1 내지 1.5의 값과 같고, 파라미터 b*가 0.5 내지 4의 값이 되도록 하는 CIE 백색도를 갖는다. 더욱 바람직하게는, DIN 6174에 따라 측정된 CIE L*, a*, b* 백색도는 실질적으로 97.5/0.5/2.4와 같다.
부동액의 존재로 인해 부온도(negative temperature)의 경우에, 열전달 유체의 동결이 방지될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 명칭 Neutragard으로 판매되는 부동액이다. 부동액의 농도는 0 내지 40%, 예를 들어, 30%일 수 있다.
계면활성제의 존재로 인해 분체의 열전달 유체에 현탁되거나 현탁액에 남아 있는 능력이 개선될 수 있다. 계면활성제의 농도는 0 내지 3%, 유리하게는, 0.2% 내지 0.3%일 수 있다.
마지막으로, 소포제로 인해 태양 집열기의 올바른 작동에 해로울 수 있는 포움의 형성이 방지될 수 있다. 소포제의 농도는 0 내지 3%, 바람직하게는 0.2 내지 0.3%이다. 소포제는, 예를 들어, Agitan 305(상표로 등록됨)이다.
본 발명의 한가지 구체예에 따른 특정 유체의 예는 다음과 같다:
- 물, 100%가 되게 하는 양
- Neutragard 동결억제제, 30%
- Durcal 1 분체, 3%
- 계면활성제, 0.2% 내지 0.3%
- Agitan 305 소포제, 0.2% 내지 0.3%
이러한 특정 유체는 가정용 태양 집열기에 적합하다. 특히, 다양한 성분이 어떠한 건강 위험(열전달 유체가 물 가열기로 누출되는 경우에)도 나타내지 않고, 비교적 저렴하게 이용가능하며, 장치에 대해 어떠한 손상 위험도 나타내지 않으며, 어려움 없이 폐기 또는 재순환될 수 있다. 또한, 물과 비교할 때 더 높은 흡수력을 갖고, 이것이 태양 집열기의 수율을 향상시킨다.
또한, 특정 유체는 임의의 그 밖의 용도, 예를 들어, 복사광이 열로 전환되어야 하는 가정용 또는 산업용으로 사용될 수 있다. 그것은 천연 또는 인공의, 가시선 또는 적외선을 포함할 수 있다.
본 발명은 특정 구체예와 연결되어 기재되었지만, 결코 이로 한정되지 않고, 본 발명의 문맥 내에서 있다면, 기재된 모든 기술적 등가물 및 이의 조합을 포함한다는 것은 매우 자명하다.
특히, 본 발명은 탄산 칼슘 분체로 한정되지 않고, 그 밖의 천연 또는 합성 미네랄 분체로 확대된다.
특정 유체의 제조 시, 미네랄 분체는 건조 분체 또는 액상 현탁액의 형태로 첨가될 수 있다.

Claims (15)

  1. 물, 및 특정 유체 중 현탁된 충진제를 포함하고, 상기 충진제가 태양 복사를 강하게 산란시키는 탄산 칼슘 분체를 포함하며, 상기 강하게 산란시키는 탄산 칼슘 분체가 1% 내지 3%의 질량 농도 및 0.8 μm 내지 10μm의 입도 중앙값을 가지며, 상기 강하게 산란시키는 분체의 입자가 평균적으로 0.7 초과의 광 에너지 산란률(light energy scattering coefficient)을 갖으며, 이 때 광 에너지 산란률은 입자가 빛의 입사 에너지 흐름을 수용할 때 빛의 입사 흐름에 대한 산란된 빛의 총 흐름의 비율로 정의되는 것을 특징으로 하는, 복사광을 열로 전환하는 것에 적합한 특정 유체.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 강하게 산란시키는 탄산 칼슘 분체가 1μm 내지 3μm의 입도 중앙값을 갖는 특정 유체.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 강하게 산란시키는 탄산 칼슘 분체가 필수적으로 구형 입자로 구성되는 특정 유체.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 강하게 산란시키는 탄산 칼슘 분체가, DIN 6174에 따라 측정되는 경우 하기 파라미터 중 하나 이상을 만족시키는 CIE 백색도를 갖는 특정 유체:
    - 파라미터 L*이 94 내지 98의 값과 같음;
    - 파라미터 a*가 0.1 내지 1.5의 값과 같음;
    - 파라미터 b*가 0.5 내지 4의 값과 같음.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 질량 농도가 0% 초과 내지 40% 이하인 부동액를 포함하는 특정 유체.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 태양 복사에 대하여 0.1cm-1 내지 10cm-1의 에너지 흡수력을 갖는 특정 유체.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 질량 농도가 0% 초과 내지 3% 이하인 계면활성제를 포함하는 특정 유체.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 질량 농도가 0% 초과 내지 3% 이하인 소포제를 포함하는 특정 유체.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 탄산 칼슘 분체의 질량 농도가 3%이고, 부동액의 질량 농도가 30%이고, 계면활성제의 질량 농도가 0.2% 내지 0.3%이고, 소포제의 질량 농도가 0.2% 내지 0.3%인 특정 유체.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 살균제를 추가로 포함하는 특정 유체.
  11. 복사광을 열로 전환시키는 장치에서 제 1항 또는 제 2항에 따른 특정 유체를 이용하는 방법으로서, 광선이 상기 특정 유체를 향하고, 상기 특정 유체가 에너지 전환 지점에 있는, 방법.
  12. 복사광을 열로 전환시키는 장치로서, 특정 유체가 에너지 전환 지점에 위치하도록 하기 위하여, 복사광을 수용할 수 있는 방식으로 배열된 특정 유체를 포함하고, 상기 특정 유체가 제 1항 또는 제 2항에 따른 특정 유체임을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 12항에 있어서, 태양 집열기(solar collector)를 포함하는 장치.
  14. 삭제
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