KR102499536B1 - 내연기관용 냉각수의 기능성 첨가제 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관의 운전 중에 발생하는 실린더 내부의 온도를 냉각시켜 주는 냉각수에 관한 기능성 첨가제로서, 본 기능성 첨가제를 내연기관의 냉각수에 첨가용으로 사용 시 실린더 내부에서 발생하는 온도를 흡열하여 실린더 내부의 온도를 강하시켜 완전 연소를 유도하므로 내연기관의 연비 향상과 엔진의 소음 및 매연감소 등을 개선시키는 내연기관용 냉각수의 기능성 첨가제 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서,
특히, 본 발명은 60~100nm 분말인 그래핀(graphene) 1~13 중량%, 60~100nm 분말인 팽창흑연(expanded graphite) 1~13 중량%를 정제수를 나머지 중량%로 하여 교반하는 한편, 30~90nm로 분말화된 산화아연 0.2~1.5중량%, 30~90nm로 분말화된 알루미나 2~10중량%, 30~90nm로 분말화된 탄화규소 1~12 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한 것이다.

Description

내연기관용 냉각수의 기능성 첨가제 조성물 및 그 제조방법{the cooling water manufacturing method of the internal combustion engine}

본 발명은 내연기관의 운전 중에 발생하는 실린더 내부의 온도를 냉각시켜 주는 냉각수에 관한 기능성 첨가제로서, 본 기능성 첨가제를 내연기관의 냉각수에 첨가용으로 사용 시 엔진 내부에서 발생하는 온도를 흡열하여 엔진 내부의 온도를 강하시켜 완전 연소를 유도하므로 내연기관의 연비 향상과 엔진의 소음 및 매연감소 등을 개선시키는 내연기관용 냉각수의 기능성 첨가제 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 차량 등의 내연 기관에는 엔진이 가동할 때 발생되는 열을 냉각시키기 위한 라디에이터(열 교환기)가 설치되고 있다. 라디에이터에는 냉각수가 순환하면서 엔진 내부를 냉각시켜 적당한 온도로 유지시킨다.

상기 냉각수는 비열이.높은 물을 사용하는 것이 가장 효율적이지만 겨울철 동파 및부식방지를 위해 부동액과.혼합함으로써 냉각수의 비열은 물의 비열에.3/4 정도로 낮아지며 냉각효율이 떨어지는 원인이 되므로 이 냉각효율을 높이기.위해 더 많은 열을 흡수하고 라디에이터에서.열을 더빨리 방출할 수 있는 물질이 필요로 하였다.

즉, 상기 냉각수에는 엔진의 성능을 개선시키기 위한 기능성 첨가제(냉각수 활성 조성물)가 첨가되고 있다.

최근, 위와 같은 기능성 첨가제와 관련한 다양한 기술이 시도되고 있으며 이러한 기능성 첨가제에 원적외선이나 음이온을 방출하는 광물질을 포함시켜 엔진의 성능 개선을 도모하고 있다.

예컨대, 토르말린, 게르마늄 및 맥반석 등과 같은 원적외선을 방출하는 물질이 냉각수에 첨가된 경우, 실린더를 순환하면서 끊임없이 원적외선을 방출하여 유기 화합물인 화석연료에 지속적으로 공진과 공명을 일으켜 연료를 미립화하여 엔진의 성능 개선에 도움을 주는 것으로 보고되고 있다.

또한, 음이온을 방출하는 물질은 공기를 정화함으로써, 실린더에 양질의 공기를 공급하여 연료 폭발 시 필요로 하는 산소를 최적화하여 완전 연소에 도움을 주는 것으로 보고되고 있다.

따라서 원적외선이나 음이온을 방출하는 물질, 예를 들어 토르말린이나 게르마늄 등의 광물질은 엔진의 연비 개선, 출력 향상 및 매연 저감 등의 엔진 성능을 개선할 수 있다.

그러나 상기 선행 특허문헌들을 포함한 종래 기술에 따른 기능성 첨가제는 엔진 성능 개선 효과가 미미하다.

예를 들어, 상기 토르말린, 게르마늄 및 맥반석 등과 같은 광물질에 의해, 어느 정도의 엔진 성능 개선 효과를 가지기는 하나, 첨가된 광물질들이 시간이 갈수록 침전되어 그 효과가 극히 미미할 뿐만 아니라, 이로 인하여 냉각수의 속효성과 지속성이 매우 낮다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창출한 것으로서, 흡열과 열전도성이 뛰어난 그래핀(Graphene) 또는 팽창 흑연(Expanded Graphite), 그리고 두물질의 혼합물에 방열효과가 탁월한 산화아연(Zinc oxide), 알루미나(Al2o3), 탄화규소(Sic)중 하나 이상을 정제수에 교반 혼합하여 제조하므로서, 기존 냉각수 보다 열용량을 높여 엔진에서 발생하는 열에너지를 빨리 흡열하고, 라디에이터에서는 빨리 방열하여 엔진에 과열을 방지함과 동시에 적정온도를 유지함으로써 불완전연소를 해소하여 연비를 향상시키고 매연감소 및 소음을 줄이는 동시에 기타 첨가제(분산제)나 화학적 처리가 없어도 분산상태를 유지하면서 다량의 열에너지를 함유할 수 있도록 한 내연기관용 냉각수의 기능성 첨가제 조성물 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 흡열물질로서 60~100nm 분말인 그래핀(graphene) 0.5~13 중량%, 60~100nm 분말인 팽창흑연(expanded graphite) 0.5~13 중량%에 정제수를 나머지 중량%로 하여 교반하는 한편, 방열물질로서 30~90nm로 분말화된 산화아연 0.2~1.5중량%, 30~90nm로 분말화된 알루미나 2~10중량%, 30~90nm로 분말화된 탄화규소 1~12 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한 것이다.

본 발명의 제조방법은 일반 물을 증류시켜 수차례 역투압방식으로 걸러 불순물을 제거하는 초순수제조단계; 그래핀 0.5~13 중량%를 60~100nm로 미세분말화 하는 단계; 팽창흑연 0.5~13 중량%를 60~100nm로 미세분말화 하는 단계; 산화아연 0.2~1.5 중량%를 30~90nm로 미세분말하는 단계; 알루미나 2~10 중량%를 30~90nm로 미세분말화 하는 단계; 탄화규소 1~12 중량%를 30~90nm로 미세분말화 하는 단계; 그래핀분말, 팽창흑연분말, 산화아연분말, 알루미나분말, 탄화규소분말을 초순수와 섭씨 30도~90도에서 90~180분동안 250~2500rpm으로 교반하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 조성되는 본 발명은 기존 냉각수 보다 열용량을 높여 엔진에서 발생하는 열에너지를 빨리 흡열하고 라디에이터에서는 빨리 방열하여 엔진에 과열을 방지하고 적정온도를 유지함으로써 불완전연소를 해소하여 연비를 향상시키며 또한 매연감소 및 소음을 줄여준다. 기타 첨가제(분산제)나 화학적 처리가 없어도 분산상태를 유지하면서 다량의 열에너지를 함유할 수 있는 매우 유용한 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 내연기관용 냉각수의 기능성 첨가제 조성물에서, 냉각수의 고온의 열을 흡수하는데 탁월한 기능을 가진 그래핀을 볼밀링분쇄기를 이용하여 60~100nm로 분말화 한다.

여기에서, 그래핀은 탄소 원자로만 이루어진 탄소 동소체로서 탄소 원자 1개 두께의 벌집 형태 구조를 가진 얇은 막으로 나노 물질 신소재다.

그리고, 상기 그래핀은 고표면적과 함께, 고종횡비 및 우수한 전기 전도성을 겸비하고, 그래핀의 밀도는 매우 낮으며, 그래핀은 나노튜브와 같은 복잡한 탄소 구조를 가지는 전도제에 비해 훨씬 저렴하다.

그런 다음, 역시 냉각수의 고온의 열을 흡수하는데 탁월한 기능을 가진 팽창 흑연을 60~100nm로 분말화하는데, 일반적인 흑연은 열 흡수율이 매우 저조하지만 전도제로 사용된 팽창 흑연은 고표면적과 우수한 열전도성을 겸비한다.

또한, 상기 팽창 흑연은 그의 팽창 층 사이에 주머니 모양의 보이드를 가지게 되며, 이들 보이드 내에는 황 및 전해질이 존재하는데 상기 팽창 흑연은 나노튜브와 같은 복잡한 탄소 구조에 비해 매우 저렴한 전도제이다.

한편, 그래핀과 팽창흑연에 의해 흡수된 열을 신속하게 흡수함과 동시에 방열하기 위하여 산화아연을 30~90nm로 분말화하는데, 상기 산화아연은 우르차이트(wurtzite) 구조를 지니는 금속 과다(excess)형 n-형 반도체 산화물로서 고무산업분야에서 가교 촉진제 역할을 할 뿐 아니라, 전자산업분야에서 베리스터(varistor), FED 등의 인(phosphor), 광촉매 등에서의 적용이 검토되면서 그 중요성이 확대되고 있으며, 나노크기의 입자는 벌크 재료와 비교하였을 때 독특한 물리 화학적 성질을 갖는데, 분말이 나노크기 입자가 되면 분말의 활성도가 증가하고, 소결온도가 감소하며, 계면에서이 비표면적의 증가로 인해 계면을 좋게 되고, 제조하는 방법에 따라 순도를 증가시킬 수 있다.

이러한 나노크기의 입자를 촉매에 이용한다면 방열 특성이 우수한 테트라포드 형상으로 그 표면적의 증대와 표면결합과 같은 표면성질의 변화로 인해 촉매 활성도를 향상는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 그래핀과 팽창흑연에 의해 흡수된 열을 신속하게 흡수한 후 방열하기 위하여 알루미나분말을 30~90nm로 분말화하는데, 상기 알루미나분말은 극히 짧은 시간 내에 냉각수의 열을 흡수함과 동시에 냉각팬에 의해 냉각이 진행되는 냉각수로 열을 방열하는 능력이 탁월하다.

그리고, 그래핀과 팽창흑연에 의해 흡수된 열을 신속하게 흡수함과 동시에 방열하기 위하여 탄화규소 30~90nm로 분말화하는데, 상기 탄화규소는 물리적 강도 및 화학적 공격에 대한 높은 내성으로 인해 유용하다. 탄화규소는 또한 방사 경도(radiation hardness),비교적 넓은 밴드갭, 높은 포화 전자 드리프트 속도(saturated electron drift velocity), 높은 조작 온도, 및 스펙트럼의 청색(blue), 보라(violet), 및 자외(ultraviolet) 영역에서의 높은 에너지 양자의 흡수 및 방출을 포함하는 우수한 전자적 성질을 가진다.

상기와 같은 물질들로 조성되는 냉각수 기능성 첨가제의 제조방법을 보면, 먼저 일반 물을 증류시켜 수차례 역투압방식으로 걸러 불순물을 제거하는 초순수제조단계를 수행한다.

그런 다음, 1~13 중량%를 60~100nm로 미세분말화 한 그래핀, 1~13 중량%를 60~100nm로 미세분말화 한 팽창흑연, 0.2~1.5 중량%를 30~90nm로 미세분말화 한 산화아연, 2~10 중량%를 30~90nm로 미세분말화 한 알루미나, 1~12 중량%를 30~90nm로 미세분말화 한 탄화규소들을 초순수와 교반하게 되는데, 섭씨 30도~90도에서 90~180분 동안 250~2500rpm으로 교반하므로 완료된다.
상기와 같이 조성된 기능성 첨가제 조성물을 시험하여 하기와 같은 결과를 산출할 수 있었다.

상기의 데이터와 그래프에서,
T1은 기존 냉각수, T2는 본 조성물이 혼합된 냉각수로서 초기에는 냉각수의 냉각온도가 온도차가 별로 없으나 6분이 경과하면서 7.5도로 온도차를 나타내기 시작하여 15분이 경과하자 13.4도의 편차가 발생하여 냉각효과가 극대화되었으며, 18분이 경과하면서 서서히 온도차 줄어들었으나 26시간이 경과하여도 5.9도의 편차가 유지되었다.
즉, 15분을 경과하면서 13.4도의 편차가 발생하여 냉각수의 냉각온도가 크게 저하되므로서 엔진의 과열을 방지하고, 적정 냉각온도를 유지하므로 불완전연소를 해소하여 연비를 향상시킴은 물론, 매연감소와 소음을 크게 줄일 수 있었다.
하기 데이터와 그래프는 기존냉각수와 본 조성물이 첨가된 냉각수의 냉각속도를 시험하여 도출한 것이다.

시험조건: 온도상승 시험과 동일한 조건으로 시험하였고, 그 오차를 최소화하기 위하여 상기 테스트를 5회 실시한 후 평균값을 데이터화한 것이다.
상기 그래프에 나타난 바와 같이 시간이 경과하면서 기존냉각수보다 본 조성물이 첨가된 냉각수의 냉각속도가 더욱 낮다는 것을 알 수 있었다.

삭제

Claims (2)

1. 흡열물질로서 60~100nm 분말인 그래핀(graphene) 0.5~13 중량%, 60~100nm 분말인 팽창흑연(expanded graphite) 0.5~13 중량%에 정제수를 나머지 중량%로 하여 교반하는 한편, 방열물질로서 30~90nm로 분말화된 산화아연 0.2~1.5중량%, 30~90nm로 분말화된 알루미나 2~10중량%, 30~90nm로 분말화된 탄화규소 1~12 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한 내연기관용 냉각수의 기능성 첨가제 조성물.
2. 일반 물을 증류시켜 수차례 역투압방식으로 걸러 불순물을 제거하는 초순수 제조단계;
   그래핀 0.5~13 중량%를 60~100nm로 미세분말화 하는 단계;
   팽창흑연 0.5~13 중량%를 60~100nm로 미세분말화 하는 단계;
   산화아연 0.2~1.5 중량%를 30~90nm로 미세분말하는 단계;
   알루미나 2~10 중량%를 30~90nm로 미세분말화 하는 단계;
   탄화규소 1~12 중량%를 30~90nm로 미세분말화 하는 단계;
   그래핀분말, 팽창흑연분말, 산화아연분말, 알루미나분말, 탄화규소분말을 초순수와 섭씨 30도~90도에서 90~180분동안 250~2500rpm으로 교반하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한 내연기관용 냉각수의 기능성 첨가제 조성물의 제조방법.