KR101772986B1 - 신규한 조핵제를 포함하는 잠열물질 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시 예는 카올린(Kaolin, Al₂SiO₅(OH)₄) 등을 조핵제로 사용하고, 이러한 조핵제를 소량만 사용하여도 과냉각방지 효과가 우수한 잠열물질을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 신규한 조핵제를 포함하는 잠열물질은 상변화를 통해 열을 방출하거나 흡열하는 상변화액체 및 상변화액체에 과냉각을 방지하기 위하여 첨가되는 조핵제를 포함한다.

Description

신규한 조핵제를 포함하는 잠열물질{Phase change material including new nucleating agent}

본 발명은 신규한 조핵제를 포함하는 잠열물질에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 카올린(Kaolin, Al₂SiO₅(OH)₄) 등을 조핵제로 사용하고, 이러한 조핵제를 소량만 사용하여도 과냉각방지 효과가 우수한 잠열물질에 관한 것이다.

잠열물질 또는 상변화물질(latent heat material(LHM) or phase change material(PCM))은 일정한 온도에서 물질의 상(기체↔액체 또는 액체↔고체)이 변화하면서 열을 방출하거나 흡열하는 물질이다. 본 발명에서 잠열물질은 액체↔고체 간 상변화하는 것을 의미한다.

물은 보편적으로 사용되고 있는 잠열물질로, 저온물류시스템, 냉방시스템 등에서 축냉용 잠열물질로 사용되고 있다. 물의 동결온도는 0℃이지만, 냉각시 0℃에서 얼지 않고 0℃ 이하로 냉각되기도 한다. 이와 같이 동결온도에서 동결되지 않고 동결온도 이하로 냉각되는 것을 과냉각현상이라고 하며, 그 크기를 과냉각도라고 한다.

과냉각현상은 잠열물질의 동결을 어렵게 하여 시스템 온도 제어의 어려움과 에너지 효율 감소등의 단점이 있다. 과냉각현상을 해소하기 위해 초음파, 콜드핑거(cold finger), 조핵제 첨가 등과 같은 방법을 이용한다.

대한민국 등록특허 제10-1594164호(발명의 명칭: 가열 및 냉각용 잠열 축열재 조성물, 이하 종래기술1이라 한다.)에서는, 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 조성물이 개시되어 있다.

상기 종래기술1은, 조핵제가 첨가되는 무기염으로서 85 내지 95 중량%의 초산 나트륨 수화물(CH₃COONa·3H₂O) 및 황산나트륨의 수화물(Na₂SO_{4 ·}10H₂O)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용하므로, 생산 공정 상 황산, 초산 등 위험 물질이 사용될 수 있다는 제1문제점을 갖는다.

그리고, 상기 종래기술1은, 조핵제 외에 증점제로서 1 내지 8 중량%의 카르복시메틸 셀룰로오즈(CMC-Na) 및 수팽윤성 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용하므로, 생산 공정이 복잡해지고 비용이 증가한다는 제2문제점을 갖는다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시 예는, 상변화를 통해 열을 방출하거나 흡열하는 상변화액체; 및 상기 상변화액체에 과냉각을 방지하기 위하여 첨가되는 조핵제;를 포함하여 이루어지고, 상기 조핵제는 상기 상변화액체에 0.1 중량부(PHR) 이상 첨가되는 것을 특징으로 하는 신규한 조핵제를 포함하는 잠열물질을 제공한다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 상변화액체는, 물 또는 수용액일 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 조핵제는, 수산화기(-OH)를 포함하는 무기물일 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 조핵제는, 카올린(Kaolin, Al₂SiO₅(OH)₄), 스트론튬 하이드록사이드(Strontium hydroxide, Sr(OH)₂), 및 수산화구리(II)(Cu(OH)₂)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질일 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 조핵제는, 무기수화물일 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 조핵제는, 카올리나이트(Kaolinite, Al₂SiO₅·2H₂O)일 수 있다.

본 발명은, 카올린(Kaolin, Al₂SiO₅(OH)₄) 등을 조핵제로 사용하여 생산 공정에서 위험 물질이 사용되지 않고, 이러한 조핵제를 소량(0.1 내지 10 중량부)만 사용하여도 과냉각방지 효과가 우수하다는 제1효과를 갖는다.

그리고, 본 발명은, 별도의 고분자 물질 등의 첨가 없이 본 발명의 조핵제의 첨가만으로 과냉각방지 효과를 획득할 수 있어, 생산 공정이 축소되고 비용이 저감된다는 제2효과를 갖는다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도1은 본 발명의 실시 예에 따른 카올린(Kaolin, Al₂SiO₅(OH)₄)을 조핵제로 첨가하는 경우 물의 과냉각도에 대한 그래프이다.
도2는 본 발명의 실시 예에 따른 카올리나이트(Kaolinite, Al₂SiO₅·2H₂O)를 조핵제로 첨가하는 경우 물의 과냉각도에 대한 그래프이다.
도3은 본 발명의 실시 예에 따른 스트론튬 하이드록사이드(Strontium hydroxide, Sr(OH)₂) 을 조핵제로 첨가하는 경우 물의 과냉각도에 대한 그래프이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 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.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 신규한 조핵제를 포함하는 잠열물질은, 상변화를 통해 열을 방출하거나 흡열하는 상변화액체; 및 상변화액체에 과냉각을 방지하기 위하여 첨가되는 조핵제;를 포함하여 이루어질 수 있다.

이때, 조핵제는, 상변화액체에 0.1 중량부(PHR) 이상 첨가될 수 있다.

상변화액체에 조핵제가 0.1 중량부(PHR) 미만 첨가되는 경우, 첨가량이 과소하여 과냉각방지 효과가 미비할 수 있다. 그리고, 상변화액체에 조핵제가 10 중량부(PHR) 초과 첨가되는 경우, 과냉각방지 효과를 위한 조핵제의 첨가량이 충분하여, 더 이상 과냉각 방지 효과의 상승이 나타나지 않을 수 있다. 또한 조핵제 첨가량의 증가에 따라 신규한 조핵제를 포함하는 잠열물질의 잠열량은 감소할 수 있다.

상변화액체는, 물 또는 수용액일 수 있다.

물은 보편적으로 사용되는 잠열물질이며, 물에 소정의 물질이 첨가된 수용액도 보편적으로 사용되는 잠열물질일 수 있다.

조핵제는, 수산화기(-OH)를 포함하는 무기물일 수 있다.

조핵제는, 카올린(Kaolin, Al₂SiO₅(OH)₄), 스트론튬 하이드록사이드(Strontium hydroxide, Sr(OH)₂), 및 수산화구리(II)(Cu(OH)₂)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질일 수 있다.

조핵제는, 무기수화물일 수 있다.

조핵제는, 카올리나이트(Kaolinite, Al₂SiO₅·2H₂O)일 수 있다.

조핵제가 수산화기(-OH)를 포함하는 무기물 또는 무기수화물인 경우, 결정구조가 물과 유사하고, 융점이 물 보다 높기 때문에, 효과적으로 과냉각이 방지 또는 억제될 수 있다.

그리고, 조핵제로 카올린(Kaolin, Al₂SiO₅(OH)₄), 카올리나이트(Kaolinite, Al₂SiO₅·2H₂O) 또는 스트론튬 하이드록사이드(Strontium hydroxide, Sr(OH)₂)를 조핵제로 사용하는 경우, 기존의 조핵제를 사용하는 경우 대비 과냉각방지 효과가 증대될 수 있다. 이에 대해서는, 하단의 실험 예에서 설명하기로 한다.

이하, 신규한 조핵제를 포함하는 잠열물질의 실험 예에 대해 설명하기로 한다.

[실험 예 1]

상변화액체로 물을 선택하였다. 그리고, 조핵제로는 카올린(Kaolin, Al₂SiO₅(OH)₄)을 선택하였다. 그 다음, 물 99.5 중량부에 카올린 0.5 중량부를 첨가하여 용액1-A를 생성하였고, 물 99 중량부에 카올린 1중량부를 첨가하여 용액1-B를 생성하였으며, 물 98 중량부에 카올린 2 중량부를 첨가하여 용액 1-C를 생성하였다.

용액1-A, 용액1-B, 용액 1-C 및 물 각각에 대해, 영상 15도(15℃)로 가열한 후 영하 15도(-15℃)로 냉각하는 과정을 100회 수행하여, 각 액체에 대한 시간 별 온도에 대한 평균값을 측정하였다.

도1은 본 발명의 실시 예에 따른 카올린(Kaolin, Al₂SiO₅(OH)₄)을 조핵제로 첨가하는 경우 물의 과냉각도에 대한 그래프이다. (도1에서, a는 용액1-A에 대한 그래프이고, b는 용액1-B에 대한 그래프이며, c는 용액 1-C에 대한 그래프이다. 그리고, d는 물의 그래프이다.)

도1에서 보는 바와 같이, 용액1-A, 용액1-B, 용액 1-C의 온도 변화 그래프에서 과냉각이 나타나지 않았다. 그리고, 물의 그래프에서는 과냉각이 나타났다. 이에 따라, 카올린(Kaolin, Al₂SiO₅(OH)₄)을 조핵제로 사용하는 경우, 조핵제의 소량 첨가로 과냉각방지 효과를 획득할 수 있음을 확인하였다.

[실험 예 2]

상변화액체로 물을 선택하였다. 그리고, 조핵제로는 카올리나이트(Kaolinite, Al₂SiO₅·2H₂O)를 선택하였다. 그 다음, 물 99.5 중량부에 카올리나이트 0.5 중량부를 첨가하여 용액2-A를 생성하였고, 물 99 중량부에 카올리나이트 1중량부를 첨가하여 용액2-B를 생성하였으며, 물 98 중량부에 카올리나이트 2 중량부를 첨가하여 용액 2-C를 생성하였다.

용액2-A, 용액2-B, 용액 2-C 및 물 각각에 대해, 영상 15도(15℃)로 가열한 후 영하 15도(-15℃)로 냉각하는 과정을 100회 수행하여, 각 액체에 대한 시간 별 온도에 대한 평균값을 측정하였다.

도2는 본 발명의 실시 예에 따른 카올리나이트(Kaolinite, Al₂SiO₅·2H₂O)를 조핵제로 첨가하는 경우 물의 과냉각도에 대한 그래프이다. (도2에서, a는 용액2-A에 대한 그래프이고, b는 용액2-B에 대한 그래프이며, c는 용액 2-C에 대한 그래프이다. 그리고, d는 물의 그래프이다.)

도2에서 보는 바와 같이, 물의 그래프에서 과냉각이 나타났다. 그러나, 용액2-A에 대한 그래프에서는 과냉각이 현저히 감소하였다. 그리고, 용액2-B, 용액 2-C의 온도 변화 그래프에서 과냉각이 나타나지 않았다. 이에 따라, 카올리나이트를 조핵제로 사용하는 경우, 조핵제의 소량 첨가로 과냉각방지 효과를 획득할 수 있음을 확인하였다.

[실험 예 3]

상변화액체로 물을 선택하였다. 그리고, 조핵제로는 스트론튬 하이드록사이드(Strontium hydroxide, Sr(OH)₂)를 선택하였다. 그 다음, 물 99.5 중량부에 스트론튬 하이드록사이드 0.5 중량부를 첨가하여 용액3-A를 생성하였고, 물 99 중량부에 스트론튬 하이드록사이드 1중량부를 첨가하여 용액3-B를 생성하였으며, 물 98 중량부에 스트론튬 하이드록사이드 2 중량부를 첨가하여 용액 3-C를 생성하였다.

용액3-A, 용액3-B, 용액 3-C 및 물 각각에 대해, 영상 15도(15℃)로 가열한 후 영하 15도(-15℃)로 냉각하는 과정을 100회 수행하여, 각 액체에 대한 시간 별 온도에 대한 평균값을 측정하였다.

도3은 본 발명의 실시 예에 따른 스트론튬 하이드록사이드(Strontium hydroxide, Sr(OH)₂) 을 조핵제로 첨가하는 경우 물의 과냉각도에 대한 그래프이다. (도3에서, a는 용액3-A에 대한 그래프이고, b는 용액3-B에 대한 그래프이며, c는 용액 3-C에 대한 그래프이다. 그리고, d는 물의 그래프이다.)

도3에서 보는 바와 같이, 물의 그래프에서 과냉각이 나타났다. 그러나, 용액3-A에 대한 그래프에서는 과냉각이 현저히 감소하였다. 그리고, 용액3-B, 용액 3-C의 온도 변화 그래프에서 과냉각이 나타나지 않았다. 이에 따라, 스트론튬 하이드록사이드를 조핵제로 사용하는 경우, 조핵제의 소량 첨가로 과냉각방지 효과를 획득할 수 있음을 확인하였다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (6)

1. 신규한 조핵제를 포함하는 잠열물질에 있어서,
   상변화를 통해 열을 방출하거나 흡열하는 상변화액체; 및
   상기 상변화액체에 과냉각을 방지하기 위하여 첨가되며, 스트론튬 하이드록사이드(Strontium hydroxide, Sr(OH)₂), 수산화구리(II)(Cu(OH)₂) 및 카올리나이트(Kaolinite, Al₂SiO₅·2H₂O)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 물질인 조핵제;
   를 포함하여 이루어지고,
   상기 상변화액체는 95중량부(PHR) 초과 99.9중량부(PHR) 이하의 물로 형성되며, 상기 조핵제는 상기 상변화액체에 0.1 중량부(PHR) 이상 5중량부(PHR) 미만으로 첨가되어,
   별도의 고분자 물질의 첨가 없이 물과 소량의 상기 조핵제만으로 형성되는 것을 특징으로 하는 신규한 조핵제를 포함하는 잠열물질.
   
2. 청구항1에 있어서,
   상기 상변화액체는, 물 또는 수용액인 것을 특징으로 하는 신규한 조핵제를 포함하는 잠열물질.
   
3. 청구항1에 있어서,
   상기 조핵제는, 수산화기(-OH)를 포함하는 무기물인 것을 특징으로 하는 신규한 조핵제를 포함하는 잠열물질.
   
4. 삭제
5. 청구항1에 있어서,
   상기 조핵제는, 무기수화물인 것을 특징으로 하는 신규한 조핵제를 포함하는 잠열물질.
   
6. 삭제

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