KR102500567B1 - 고체 형태 흡착제 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바인더에 의한 포인트 결합에 의해 공간적으로 제자리에 결합되어 있는 다수의 이산 흡착제 입자를 포함하는 고체 형태 흡착제에 관한 것이다. 상기 입자 대부분의 외부 표면적의 적어도 약 25%는 상기 바인더에 의해 밀폐되지 않고 흡착에 이용가능하다.
Description
본 출원은 2016년 12월 16일에 출원된 고체 형태 흡착제로 표제된 미국 가출원 연속 번호 62/435,164에 대한 우선권을 주장하고, 이의 전문은 본원에 참조로서 포함된다.
본 출원은 흡착제, 및 특히 고체 또는 단일체(monolith) 형태의 흡착제에 관한 것이다.
흡착제 물질은 물 및 다른 특정 유체, 분자, 이온, 또는 액체 및 가스로부터의 다른 오염 물질을 제거하기 위해 널리 사용된다. 흡착제의 하나의 특정 용도는 예를 들면, 자동차 공기 조절 시스템 등에서 냉매 유체로부터 물 및 불순물을 제거하기 위한 것이다. 그러나, 이러한 자동차 공기 조절 시스템 등에서 현존하는 흡착제 시스템은 특정한 결점 및 단점을 가질 수 있다.
요지
고체 형태 흡착제가 본원에 제공된다. 고체 형태 흡착제는 바인더(binder)에 의한 포인트 결합(point bonding)에 의해 공간적으로 제자리에 결합되어 있는(spatially bound in place) 다수의 이산 흡착제 입자(discrete adsorbent particles)를 포함한다. 상기 입자 대부분의 외부 표면적의 적어도 약 25%는 상기 바인더에 의해 밀폐되지(sealed off) 않고 흡착에 이용가능하다.
일부 실시형태에서, 상기 입자 실질적으로 전부의 외부 표면적의 적어도 약 25%는 상기 바인더에 의해 밀폐되지 않고 흡착에 이용가능하다.
일부 실시형태에서, 흡착제 입자는 약 0.1 마이크론 내지 약 500 마이크론의 평균 유효 직경을 갖는다. 예를 들면, 흡착제 입자는 약 10 마이크론의 평균 유효 직경을 가질 수 있다.
흡착제의 바인더는 중합체일 수 있다. 일부 실시형태에서, 바인더는 열가소성 단독중합체, 공중합체 수지, 또는 이의 조합을 포함한다. 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF) 수지를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 고체 형태 흡착제는 약 5 wt.% 내지 약 30 wt.%의 바인더를 포함한다.
일부 실시형태에서, 고체 형태 흡착제는 적어도 약 1:1의 길이 대 유효 직경 비를 갖는다.
고체 형태 흡착제는 일반적으로 원통형일 수 있다. 고체 형태 흡착제는 또한 일반적으로 이를 통해 확장되는 중심 개구를 갖는 원통형일 수 있다.
일부 실시형태에서, 흡착제 입자는 물-흡착성(water-adsorptive) 물질, 분자체 물질, 제올라이트 분말, 또는 이의 조합을 포함한다.
흡착제 입자는 또한 제올라이트, 금속-유기 골격체 물질, 제올라이트성 이미다졸레이트 골격체 물질, 실리카 및 알루미나 사면체의 3차원 상호연결 네트워크를 갖는 결정성 금속 알루미노실리케이트, 다공성 유리, 활성탄, 점토, 이산화규소, 실리카 겔, 메조다공성 실리카, 산화칼슘, 황산칼슘, 활성 알루미나, 또는 이의 조합을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 흡착제 입자는 바인더에 소결된다.
일부 실시형태에서, 고체 형태 흡착제는, 고체 형태 흡착제의 적어도 10%의 용적으로 제공되는, 그 안에 형성된 공극을 갖는다.
흡착제는 약 70 wt.% 내지 약 95 wt.%의 흡착제 입자를 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 바인더는 흡착제 입자보다 더 낮은 융점을 갖는다.
일부 실시형태에서, 흡착제 입자 및 바인더는 약 95:5 내지 약 75:25의 중량 비를 갖는다.
또한 흡착제 시스템이 본원에 제공된다. 흡착제 시스템은 고체 형태 흡착제 및 공기 조절 유체 경로를 포함하고, 상기 경로 내부에 이를 통해 냉매 유체가 유동하도록 배치되고, 상기 흡착제는 유체 경로 내에 위치한다. 흡착제는 바인더와의 포인트 결합에 의해 공간적으로 제자리에 결합되어 있는 다수의 이산 흡착제 입자를 포함하고, 상기 입자 대부분의 외부 표면적의 적어도 약 25%는 상기 바인더에 의해 밀폐되지 않고 흡착에 이용가능하다.
일부 실시형태에서, 공기 조절 유체 경로는 응축기 내에 존재하는 공기 조절 유체 경로이다.
고체 형태 흡착제는 일반적으로 원통형일 수 있다. 고체 형태 흡착제는 또한 일반적으로 이를 통해 확장되는 중심 개구를 갖는 원통형일 수 있다. 일부 실시형태에서, 흡착제는 이를 통해 확장되는 중심 개구를 포함하여, 냉매 유체가 중심 개구를 통해 응축기로부터 추출되거나 응축기 내로 도입될 수 있다.
자동차 공기 조절 시스템 중 물의 양을 감소시키는 방법이 추가로 본원에 제공된다. 상기 방법은 자동차 공기 조절 시스템에 고체 형태 흡착제를 첨가함을 포함한다. 흡착제는 바인더와의 포인트 결합에 의해 공간적으로 제자리에 결합되어 있는 다수의 이산 흡착제 입자를 포함하고, 여기서, 상기 입자 대부분의 외부 표면적의 적어도 약 25%는 상기 바인더에 의해 밀폐되지 않고 흡착에 이용가능하다.
도 1은 내부에 위치하는 고체 형태 흡착제의 하나의 실시형태와 함께 갖는 자동차 공기 조절 시스템의 응축기의 전방 부분 단면도이다.
도 2는 도 1의 고체 형태 흡착제, 관 및 캡의 원근 분해도이다.
도 3은 다수의 흡착제 및 함께 결합된 바인더 입자를 나타내는 고체 형태 흡착제의 하나의 실시형태의 개략적 세부묘사 표현이다.
도 2는 도 1의 고체 형태 흡착제, 관 및 캡의 원근 분해도이다.
도 3은 다수의 흡착제 및 함께 결합된 바인더 입자를 나타내는 고체 형태 흡착제의 하나의 실시형태의 개략적 세부묘사 표현이다.
상세한 설명
하나의 실시형태에서, 본 발명은 바인더에 매봉되거나(embedded) 결합된 다수의 미세한 흡착제 입자를 갖는 고체 형태 흡착제 형태에 관한 것이다. 하나의 실시형태에서, 흡착제 입자는, 바인더에 결합되면서, 입자가 수분 등을 흡착하는데 여전히 이용가능하게 유지되는 것을 보장하기 위해, 바인더에 의해 완전히 밀폐되지 않거나 커버되지(cover) 않는다. 이러한 흡착제는 하기 보다 상세하게 기재된 바와 같이 자동차 공기 조절 시스템에서 사용하기 위한 특정 용도를 가질 수 있다.
본원에 기재되고 나타낸 흡착제는 바인더 입자와의 포인트-결합에 의해 고정된 흡착제 입자 (예를 들면, 건조제 분말)를 이용하거나 포함하는 고체 형태, 단일체 구조를 가질 수 있다. 포인트-결합은 물질이 접촉 포인트에만 함께 결합됨을 언급한다. 이러한 결합은 종종, 물질 용적이 패키징 비효율 때문에 배제되는 경우, 측정가능한 공극 공간을 갖는 물질에 야기된다.
흡착제 입자는 흡착제 성질을 갖는 것으로 공지되고/되거나 물 등을 흡착하는 광범위한 물질 중 어느 것으로부터 만들어질 수 있다. 일부 실시형태에서, 흡착제 입자는 분자체, 건조제 물질, 또는 이의 조합을 포함한다. 예를 들면, 흡착제 입자는 제올라이트, 금속-유기 골격체 물질 (MOF), 제올라이트성 이미다졸레이트 골격체 물질 (ZIF), 실리카 및 알루미나 사면체의 3차원 상호연결 네트워크를 갖는 결정성 금속 알루미노실리케이트, 다공성 유리, 활성탄, 점토 (예를 들면, 몬모릴로나이트 및 벤토나이트), 이산화규소, 실리카 겔, 메조다공성 실리카, 산화칼슘, 황산칼슘, 활성 알루미나, 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. 분자체 물질은 약 1 옹스트롬 내지 약 15 옹스트롬, 약 1 옹스트롬 내지 약 10 옹스트롬, 또는 약 1 옹스트롬 내지 약 5 옹스트롬의 공극 직경을 가질 수 있다. 예를 들면, 분자체 물질은 약 3 옹스트롬의 공극 직경을 가질 수 있다. 따라서, 하나의 경우 분자체 물질은 물을 흡착하지만 냉매 유체 또는 시스템 윤활유를 흡착하지 않도록 설계된다. 분자체 물질은 하나의 경우 적어도 약 10%, 또는 또다른 경우 적어도 약 20%의 용수량(water capacity) (중량 %)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 분자체는 약 10% 내지 약 50%, 약 20% 내지 약 40%, 약 25% 내지 약 35%, 또는 약 28% 내지 약 29%의 용수량을 가질 수 있다. 흡착제 물질의 입자는 약 0.5 마이크론 내지 약 500 마이크론, 약 1 마이크론 내지 약 300 마이크론, 약 5 마이크론 내지 약 100 마이크론, 또는 약 8 마이크론 내지 약 12 마이크론의 평균 크기 또는 직경을 갖는 비교적 미세한 분말/미립자일 수 있다. 일부 실시형태에서, 흡착제 입자는 약 5 마이크론, 약 10 마이크론, 약 100 마이크론, 또는 약 500 마이크론의 평균 크기 또는 직경을 가질 수 있다.
본원에 사용된 용어 "약"은 값 또는 범위의 어느 정도의 변동성을 허용할 수 있고, 예를 들면, 기재된 값의 또는 기재된 범위 한계의 10% 이내, 5% 이내, 또는 1% 이내의 변동성이 허용될 수 있다.
일부 실시형태에서, 흡착제는 약 70 wt.% 내지 약 95 wt.% 또는 약 80 wt.% 내지 약 90 wt.%의 흡착제 입자를 포함한다. 예를 들면, 흡착제는 약 80 wt.%, 약 85 wt.%, 또는 약 90 wt.%의 흡착제 입자를 포함할 수 있다.
흡착제의 바인더는 중합체를 포함하는 다양한 물질 중 어느 것일 수 있다. 예를 들면, 바인더는 열가소성 단독중합체, 공중합체 수지, 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 바인더는 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF) 수지 (하나의 경우 KYNAR® 물질 (제조원: Arkema Inc. 소재지: King of Prussia, Pennsylvania USA), 폴리올레핀 (예를 들면, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 및 기타), 폴리아미드 (예를 들면, Nylon 6, Nylon 6,6, 및 기타), 폴리에스테르 (예를 들면, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 기타), 공중합체 (예를 들면, 에틸렌-비닐 아세테이트 및 기타), 또는 이의 조합을 포함한다. 일부 실시형태에서, 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)이다. 바인더는 흡착제 입자에 안전하게 결합될 수 있어야 하고, 흡착제가 사용되는 주변 유체(예를 들면, 하나의 경우 냉매 유체, 오일, 물, 및 자동차 시스템에서 발견되는 다른 유체)에 불활성이어야 한다. 바인더는 또한 사용되는 시스템의 국소 환경 조건(예를 들면, 하나의 경우 자동차 공기 조절 시스템에서 발견되는 상승된 온도 및 압력)에서 장기간 기계적 및 화학적 안정성을 나타내어야 한다.
일부 실시형태에서, 흡착제는 약 5 wt.% 내지 약 30 wt.% 또는 약 10 wt.% 내지 약 20 wt.%의 바인더를 포함한다. 예를 들면, 흡착제는 약 10 wt.%, 약 15 wt.%, 또는 약 20 wt.%의 바인더를 포함할 수 있다.
바인더 및 흡착제 입자는 다양한 방법 및 시스템 중 어느 것에 의해 배합되어 단일 고체 단일체를 형성할 수 있다. 하나의 경우, 흡착제 입자 및 바인더는 둘 다 분말 형태로 제공되고 함께 혼합되어 균질한 혼합물을 형성한다. 바인더는 사용되는 흡착제 입자와 상기 요약된 범위 내에서 대략적으로 등가인 평균 직경을 가질 수 있다. 하나의 경우, 흡착제 입자 및 바인더는 약 95:5 내지 약 75:25 또는 약 90:10 내지 약 80:20의 중량 비를 가질 수 있다. 예를 들면, 흡착제 입자 및 바인더는 약 90:10, 약 85:15, 또는 약 80:20의 중량 비를 가질 수 있다.
균질한 혼합물이 형성된 후, 이어서, 균질한 혼합물은 압축 성형되어 고체 형태의 흡착제를 제조할 수 있다. 압축 성형 프로세스 동안 적용되는 열 및/또는 압력은 흡착제 입자가 바인더 내에 완전히 캡슐화되지는 않고, 대신에 충분히 "노출된" 흡착제 입자 표면을 유지하거나, 충분한 커버되지 않은 표면적을 갖도록 보장하기 위해 제어될 수 있다. 압축 성형 프로세스 동안 적용된 열 및/또는 압력은 또한, 바인더가 충분히 인접한 흡착제 입자에 결합되어 바인더가 이의 완전한 용융 온도(바인더가 흡착제 입자를 유동시키고 커버할 수 있게 함)에 도달되지 않도록 제어될 수 있다. 흡착제 입자 및 바인더 사이의 결합은 예를 들면, 반데르발스 힘, 수소 결합, 또는 둘 다로부터 발생할 수 있다. 일부 실시형태에서, 흡착제 입자 및 바인더 사이의 결합은 공유 결합을 포함하지 않거나 실질적으로 공유 결합을 포함하지 않는다. 흡착제 입자는 흡착제 물질이 또한 용융되지 않도록 바인더보다 더 높은 융점을 가질 수 있다.
따라서, 압축 성형 프로세스는 고체 매스(mass) 흡착제를 형성하기 위한 소결 프로세스인 것으로 고려될 수 있다. 흡착제 입자는 고정되고 공간적으로 고정되는 동시에, 여전히 이들 흡착 능력(adsorptive capacity)을 유지한다. 고체 형태 흡착제는 흡착제-흡착제 결합 없이 흡착성 입자의 포인트 결합을 가질 수 있는데, 이는 전형적으로, 흡착 능력, 기계적 완결성(mechanical integrity), 또는 이들 둘 다의 손실을 야기할 수 있는 상태에서만 발생할 수 있다.
압축 성형 프로세스의 파라미터에 좌우되어, 일부 경우, 하나의 경우 바인더 물질이 이의 충분한 연화/결합/점착 상태, 예를 들면, 이의 Vicat A 연화 온도에 도달하도록 보장하기 위해 압축 성형 프로세스 동안, 열을 가할 수 있다. 그러나, 다른 경우, 압축 성형 프로세스 동안 혼합물에 적용되는 압력은 혼합물 중에 충분한 내부 열을 발생시켜서 외부 열이 필요하지 않다. 심지어 다른 경우에도, 압축 성형 프로세스에서 생성되는 압력은 혼합물 중 과도한 열을 야기할 수 있고, 상기 열은 바인더 물질이 액화되지 않는 것을 보장하기 위해 제거되는 것이 바람직하고, 이러한 경우 냉각이 압축 성형 동안 혼합물에 적용될 수 있다. 압축 성형 프로세스는 광범위한 구조, 수단 또는 방법 중 어느 것에 의해 수행될 수 있지만, 하나의 경우, 피스톤, 또는 다른 램-유사(ram-like) 실행이, 가열된 블록 몰드(block mold) 중 공동 내에서 혼합물을 압축하기 위해 사용된다. 압축 성형 프로세스가 완료된 후, 고체 형태 흡착제를, 몰드 블록으로부터 사출되기 전에 추가로 냉각된 후에, 바인더의 연화 점 약간 아래까지 냉각되게 한다.
일부 실시형태에서, 흡착제의 표면적은 약 5% 내지 약 95% (표면적 기준)의 흡착제 입자를 포함한다. 예를 들면, 흡착제의 표면적은 표면적 기준으로 약 10% 내지 약 40% 또는 약 20% 내지 약 30%의 흡착제 입자를 포함할 수 있다. 흡착제의 표면적은 또한 표면적 기준으로 약 60% 내지 약 90% 또는 약 70% 내지 약 80%의 흡착제 입자를 포함할 수 있다.
흡착제는 또다른 물질로 부분적으로 코팅될 수 있거나, 어떠한 코팅도 없을 수 있다.
고체 형태 흡착제의 일부를 따라 취한 단면의 개략도를 도 3에 나타내고, 이는 바인더 입자 (14)에 결합된 흡착제 입자 (12)를, 고체 형태 흡착제 (10) 내에 위치하는 공극 (16)과 함께 갖는 고체 형태 흡착제 (10)를 나타낸다. 하나의 경우, 일부, 모든, 실질적으로 모든 또는 대부분 흡착제 입자 (12)의 표면적의 적어도 약 25%는 바인더/바인더 입자 (14)로 밀폐되지 않고/않거나 공극 (16)에 노출되고, 이러한 경우 흡착제 입자 (12)의 표면적의 약 75%가 흡착에 이용가능하여, 공극, 채널 및 흡착 위치는 접근가능하고 흡착에 이용가능한 것으로 남아있다. 상기 바인더 (14)에 의해 밀폐되지 않은 각 흡착성 입자 (12)의 표면적은 일반적으로 인접한 흡착성 입자 또는 입자들 (12)과 접촉하거나 노출되어 공극 공간을 (16) 개방한다. 이러한 경우 흡착성 입자 (12) 및 바인더 입자 (14)의 랜덤 패킹으로부터 형성된 공극 (16)은 고체 형태 흡착제 (10)의 두께를 통과하여 구불구불한(tortuous) 경로의 네트워크를 제공하고, 이는 모두, 또는 거의 모두, 또는 대부분의 흡착제 입자 (12) 및/또는 이들의 표면적을 수분 또는 다른 목적하지 않는 물질의 흡착에 이용가능하게 만들다. 대부분의 흡착성 입자 (12) 및/또는 이들의 표면적이 노출되어 유지되면서 바인더 입자 (14)에 충분히 결합되어 충분한 경질(rigid) 단일체를 보장하는 것이 일반적으로 바람직하다. 따라서, 압축 성형 동안 적용된 압축력이 제어되어 공극 (16)의 과도한 제거를 예방하여야 한다.
3-D 공극 네트워크를 갖는 고체 형태 흡착제 (10)에 대해, 흡착성 입자 (12)의 일부 영역이 노출되는 한, 전체 입자 (12)는 흡착에 이용될 수 있다. 그러나, 흡착된 물질의 운동학적 흡수(uptake)는 흡착제 입자 (12)의 너무 많은 표면적이 바인더 (14)에 의해 커버되는 경우 제한될 수 있다. 따라서, 고체 형태 흡착제 (10)는 상기 구조 전역에 공극 (16)을 제공한다. 이는 기본 유체로부터 흡착물의 신속한 운동학적 흡수를 가능하게 하는, 공극 (16)의 이러한 네트워크이다. 하나의 경우, 이에 따라, 고체 형태 흡착제 (10)가 약 10% 내지 약 60용적%; 또는 하나의 경우 약 10% 초과 또는 또다른 경우 약 25% 초과, 또는 약 60% 미만 또는 또다른 경우 약 50% 미만의 범위의 공극 (16)을 갖는다.
구체적인 예로서, 15중량%의 Kyblock® FG-81 (Arkema Inc., King of Prussia, PA, USA)의 바인더, 및 85중량%의 Siliporite® NK 30AP (CECA SA, Colombes, FRA)의 흡착제를 수동으로 스레인리스강 혼합 볼에서 5 분 동안 혼합하였다. 이어서, 균질한 분말 혼합물을 두꺼운-벽 스레인리스강 파이프 내에 위치하고, 이의 내부 표면은 외부 몰드 표면으로서 역할을 하였다. 작은 피스톤을 파이프의 바닥 부분 내에 끼워맞춰서 몰드 내부에 느슨한 분말 혼합물을 유지하게 하고 압축력을 적용하도록 하였다. 피스톤은 환형 단면을 갖는 고체 흡착제를 위한 몰드 표면 내부에 형성된 맨드럴(mandrel)을 수용하기 위해 이의 중심에 형성된 구멍을 포함하였다. 분말 혼합물을 파이프 내에 중심 맨드럴 둘레에 1회에 수 그램을 넣고, 이후에 중심 맨드럴 위에 끼워맞춤하기 위해 성형된 막대를 사용하여 포획 공기를 제거하기 위해 확실하게 탬핑하였다. 충분한 분말 혼합물이 첨가되고 몰드 내로 탬핑되는 경우, 아버 프레스(arbor press)를 사용하여 추가로 분말을 대략 0.85 g/cc의 겉보기 밀도로 압축한다. 이어서, 치밀해진 분말을 450 ℉의 오븐에서 1 시간 동안 가열하였다. 가열된 압축 성형 어셈블리를 오븐으로부터 제거하고, 1,000 내지 10,000 psi로 압축하여 대략 1.18 g/cc의 최종 겉보기 밀도를 성취하였다. 몰드를 고체 흡착제 형태가 몰드로부터 사출되기 전에 냉각되게 하였다.
상기 예가 고체 형태 흡착제를 형성하는 압축 성형 프로세스에 대해 상세하게 제공하지만, 고체 형태 흡착제가 압축 성형 이외에 다양한 다른 방법 중 어느 것으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기한 균질한 혼합물은 형성되고, 이어서, 하나의 경우 스크류 압출기와 같은 압출기에 위치하고, 압출되어 상기 요약한 바와 같이 부분 노출된 흡착제 입자를 갖는 고체 형태 흡착제를 제공할 수 있다. 성형/형성 동안 압축력은 광범위한 매카니즘, 장치 또는 구조 중 어느 것으로 예를 들면, 수력학적 또는 기계적 펀치 및 다이 배열에 의해 제공될 수 있다. 그러나, 압출 성형 프로세스가 갖는 하나의 이점은 혼합물의 내부 온도가 보다 정확하게 제어될 수 있다는 것이다.
고체 형태 흡착제는 목적하는 최종 사용 적용에 좌우되어 목적하는 광범위한 형태 및 배치 중 어느 것으로 형성될 수 있다. 하나의 경우 고체 형태 흡착제는 일반적으로 관형 또는 원통형이다. 그러나, 고체 형태 흡착제는 원형 이외에 다른 형태 또는 단면, 예를 들면, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 육각형, 또는 기타 (규칙적인 또는 불규칙한) 기하학 또는 다른 형태를 가질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 고체 형태 흡착제가 원통형인 경우, 하나의 경우 적어도 약 1:1, 또는 또다른 경우 적어도 약 4:1, 또는 또한 또다른 경우 적어도 약 8:1의 길이/직경 비를 가져서 비교적 길고/얇은 원통형을 수득할 수 있다. 고체 형태 흡착제가 원통형 이외의 형태를 갖는 경우, 유사한 길이/유효 직경 비를 가질 수 있고, 여기서, 유효 직경은 동등한 단면적을 제공하는데 필요한 원에 대한 직경을 측정하여 계산할 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 하나의 특정한 사용 측면에서, 고체 형태 흡착제 (10)는 자동차 공기 조절 시스템의 응축기 (18)와 함께 사용될 수 있다. 이러한 경우 응축기 (18)는 응축기 (18)의 하나의 측면에 위치한 리시버-건조기 관 (20)을 포함할 수 있다. 예시된 고체 형태 흡착제 (10)는 비교적 길고 얇은 원통형이고, 이는 고체 형태 흡착제 (10)가 리시버-건조기 관 (20) 내로 밀접하게 끼워맞춤(fit)될 수 있다.
예시된 실시형태에서, 고체 형태 흡착제 (10)는 중심, 축방향-확장 개구 (22)를 이의 전체 길이 전역에 포함한다. 개구 (22)를 배치하여 그 안에 픽업 관 (24)을 수용할 수 있다. 관 (24)을, 차례로, 크기조절 및 배치하여, 예를 들면, 압입(press-fit) 또는 억지 끼워맞춤(interference fit) 방식으로 그 위에 필터 캡 (26)을 수용할 수 있다. 필터 캡 (26)을 응축기 (18)의 리시버-건조기 관 (20)의 상부 말단으로 밀폐식 끼워맞춤(sealingly fit)하여 응축기 (18)를 밀폐하고, 이 안에 필터 매질을 포함할 수 있다. 필터 캡 (26)은 또한 관 (24)에 커플링되고 유체 소통되는 중심 개구 (28)를 포함한다. 이러한 방식으로, 응축기 (18) 내의 임의의 유체 (즉, 냉매 유체)는, 필터 캡 (26)에 흡입력을 적용하여 냉매 유체가 관 (24)을 통해 흡입되어 제거되게 함으로써, 응축기 (18)로부터 제거될 수 있다. 반대로 대체 냉매 유체는 캡 (26) 및 관 (24)을 통해 압축기 (18) 내로 도입될 수 있다. 응축기 (18)는 다수의 내부 경로 (30)를 포함하고, 이를 통해 냉매 유체가 유동하고, 내부 경로 (30)는 리시버-건조기 관 (20)과 유체 소통된다. 이러한 방식으로, 고체 형태 흡착제 (10)는 냉매 유체 중 물 및 다른 바람직하지 않은 유체를 흡착할 수 있다.
흡착제는 또한 자동차 공기 조절 시스템의 다른 위치, 예를 들면, 팽창 밸브로 및/또는 압축기로/압축기로부터 유동 경로 내에 위치할 수 있다.
자동차 공기 조절 시스템에 사용되는 흡착제 시스템의 다수의 현재 설계에서, 다공성, 부직포 폴리에스테르 펠트 백은 대략 2 밀리미터 직경의 흡착제 비드로 충전되어 흡착제 패키지를 형성한다. 흡착제 패키지는 종종 이러한 목적을 위해 구체적으로 설계된 수직, 형태, 충전, 밀폐 (vertical, form, fill, seal; "VFFS") 기계를 사용하여 만들어진다. 그러나, 다수의 현존하는 VFFS 기계는 대략 일대일 길이-대-너비 비를 갖는 흡착제 패키지를 위해 설계된다. 대조적으로, 다수의 현재 자동차 공기 조절 시스템은 비교적 높은 길이-대-너비 (또는 길이-대-직경) 비를 요구한다. 따라서, 이러한 협소한 백을 현재 VFFS 기계를 사용하여 비드로 채우는 경우, 백의 작은 너비 또는 입구가 백을 충전하는데 요구되는 시간을 상당히 증가시킨다.
추가로, 현존하는 흡착제 패키지의 사용에 고유한 단점이 있다. 특히, 흡착제 비드는 전형적으로 더 큰 고체 비드로 형성되는 작은 흡착제 입자 또는 분말의 응집물이다. 현존하는 흡착제 패키지에서, 백에 포함된 개별적인 느슨한 흡착제 비드는, 공기 조절 시스템/차량의 이동 및 진동 때문에 백 내에서 이동된다. 비교적 거친-표면 비드가 서로에 대해 상대적으로 움직이는 경우, 러빙(rubbing) 작용은 비드로부터 작은 입자의 연마를 야기한다. 작은, 마모된 입자는 다공성 백으로부터 탈출하고, 이어서, 공기 조절 시스템 전역을 순환할 수 있다. 탈출한 흡착제 입자는 압축기 및 열팽창 밸브와 같은 공기 조절 시스템 내에 움직이는 부품의 조기 마모를 야기할 수 있고, 또한 시스템내 작은 오리피스를 막을 수 있다. 추가로, 전형적으로 부직포 물질로 만들어진 백은, 액체 냉매 및 윤활유를 흡착할 수 있다. 이에 여분의 윤활유 및 냉매 유체를 공기 조절 시스템에 첨가할 필요가 있다. 최종적으로, 흡착제 비드를 갖는 백을 사용하는 현존하는 흡착제 패키지는 흡착제 시스템의 형태에 특정한 제한을 제시한다.
대조적으로, 본원에 개시된 고체 형태 흡착제는 상기한 현존하는 흡착제 패키지의 다수의 단점을 극복한다. 특히, 고체 형태 단일체 흡착제 구조는 작은 흡착제 입자 또는 분말을 하나의 큰 구조물(construct)로의 응집물이다. 따라서, 서로 움직일 수 있는 다중 비드의 사용과 달리, 단일체 구조는 제자리를 유지하고 분진이 적거나 없다. 더 적은 분진은 공기 조절 시스템에서 움직이는 부분의 더 적은 마모를 야기하고, 시스템 플러깅(plugging) 위험을 적게 한다. 고체 형태 흡착제 시스템은 또한 비교적 형성하기 쉽고, 흡착제 비드로 비교적 협소한 백을 "병목(bottleneck)" 충전하는 것을 피한다.
고체 형태 흡착제 단일체 구조는 또한 비드 사이의 큰 사이 공간을 제거하거나 감소시켜 더 높은 밀도의 흡착제 구조를 제공하고, 또한 흡착제 백 구조의 빈 헤드 공간을 제거한다. 이러한 방식으로, 고체 형태 흡착제 단일체 구조는 현존하는 흡착제 비드로 느슨하게 충전된 백보다 단위 용적당 더 많은 흡착물을 끌어들이는 능력을 제공한다. 추가로, 고체 형태 흡착제의 사용은 백이 제거될 수 있게 하기 때문에, 액체 냉매 및 윤활유의 백에 의한 결과적인 흡착은 상응하게 제거된다. 고체 형태 흡착제 단일체는 응축기 내에 더 용이하고 더 신속하게 위치할 수 있고, 자동화된 장치로 수행될 수 있다.
일부 실시형태에서, 흡착제 단일체는 약 15 밀리미터 (mm) 내지 약 35 mm 또는 약 20 mm 내지 약 30 mm의 직경의 가질 수 있다. 흡착제 단일체는 약 100 mm 내지 약 400 mm 또는 약 150 mm 내지 약 300 mm의 길이의 가질 수 있다.
최종적으로, 본원에 개시된 흡착제가 고체 형태로 형성될 수 있기 때문에, 흡착제는, 자동차 공기 조절 시스템 또는 고체 형태 흡착제가 사용되는 다른 시스템에서, 구조적 구성요소로서 작용할 수 있다. 예를 들면, 도 1에 나타낸 실시형태에서, 목적하는 경우, 관 (24)을 제거할 수 있고, 대신에 캡 (26)은 고체 형태 흡착제 (10)에 직접적으로 커플링된다. 이러한 경우, 고체 형태 흡착제 (10)의 중심 축방향 개구 (22)는 일반적으로 유체-밀폐형(fluid-tight)일 수 있고, 유체의 제거를 위해 밀폐된 관으로서 작용할 수 있다(흡착제 (10)가 흡착성일 수 있고, 고체-형태 흡착제 (10)가 충분히 유체 밀폐형일 수 있고, 흡착이 충분히 낮은 속도로 발생할 수 있지만, 그럼에도 불구하고 유체가 흡입에 의해 개구 (22)를 통해 제거될 수 있지다). 추가로, 고체 형태 흡착제 단일체는 본원에 나타낸 것 이외에 임의의 광범위한 모양 또는 형태를 가질 수 있고, 성형되거나 배치되어 예를 들면, 표면적을 개선하고 증가시킬 수 있어서 제어된 흡착 속도를 가능하게 한다.
추가로, 고체 형태 흡착제는 여과 성질을 포함할 수 있어서, 이에 의해 개별적인 필터 장치의 필요성을 없앤다. 예를 들면, 고체 형태 흡착제는 현존하는 사출 또는 압출된 플라스틱 부분을 대체하고/하거나 필터 시스템을 여과 등급 고정된 흡착제로 대체하는 특정 형태로 형성될 수 있다.
본 발명을 상세하게 기재하고 다양한 실시형태를 참조하여, 본 출원의 청구항의 범위로부터 벗어나지 않으면서 이의 변형 및 변화가 가능함을 이해하여야 한다.
Claims (19)
- 바인더(binder)에 의한 포인트 결합(point bonding)에 의해 공간적으로 제자리에 결합되어 있는(spatially bound in place) 다수의 이산 흡착제 입자(discrete adsorbent particles)를 포함하는 고체 형태 흡착제를 포함하는 고체 형태 흡착제 시스템으로서,
여기서, 상기 입자 대부분의 외부 표면적(external surface area)의 적어도 25%가 상기 바인더에 의해 밀폐되지(sealed off) 않고 흡착에 이용가능하고, 상기 흡착제 입자가 상기 바인더에 소결되는, 고체 형태 흡착제 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 흡착제 입자가 0.1 마이크론(micron) 내지 500 마이크론의 평균 유효 직경(average effective diameter)을 갖는, 고체 형태 흡착제 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 바인더가 중합체이거나; 또는 열가소성 단독중합체, 공중합체 수지, 또는 이의 조합이거나; 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드 (PVDF) 수지, 폴리아미드, 폴리에스테르, 공중합체, 또는 이의 조합인, 고체 형태 흡착제 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 바인더가 상기 고체 형태 흡착제의 5 wt.% 내지 30 wt.%를 포함하는, 고체 형태 흡착제 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 고체 형태 흡착제가 적어도 1:1의 길이 대 유효 직경 비를 갖는, 고체 형태 흡착제 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 흡착제 입자가 물-흡착성(water-adsorptive) 물질, 분자체 물질, 제올라이트 분말, 또는 이의 조합을 포함하거나, 또는 상기 흡착제 입자가 제올라이트, 금속-유기 골격체(framework) 물질, 제올라이트성 이미다졸레이트 골격체 물질, 실리카 및 알루미나 사면체의 3차원 상호연결 네트워크를 갖는 결정성 금속 알루미노실리케이트, 다공성 유리, 활성탄, 점토, 이산화규소, 실리카 겔, 메조다공성(mesoporous) 실리카, 산화칼슘, 황산칼슘, 활성 알루미나, 또는 이의 조합을 포함하는, 고체 형태 흡착제 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 고체 형태 흡착제가, 상기 고체 형태 흡착제의 적어도 10%의 용적을 제공하는, 그 안에 형성된 공극을 갖는, 고체 형태 흡착제 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 흡착제 입자가 상기 고체 형태 흡착제의 70 wt.% 내지 95 wt.%를 포함하는, 고체 형태 흡착제 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 바인더가 상기 흡착제 입자보다 더 낮은 융점을 갖는, 고체 형태 흡착제 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 흡착제 입자 및 상기 바인더가 95:5 내지 75:25의 중량 비를 갖는, 고체 형태 흡착제 시스템.
- 제1항에 있어서,
공기 조절 유체 경로로서, 이를 통해 냉매 유체가 유동하도록 배치되고, 상기 고체 형태 흡착제가 상기 유체 경로 내에 위치하는, 공기 조절 유체 경로
를 추가로 포함하는, 고체 형태 흡착제 시스템. - 제11항에 있어서, 상기 공기 조절 유체 경로가 응축기내 공기 조절 유체 경로이고, 상기 고체 형태 흡착제가 이를 통해 확장되는 중심 개구를 포함하고, 상기 개구를 통해 상기 냉매 유체가 유동할 수 있는, 고체 형태 흡착제 시스템.
- 제12항에 있어서, 상기 고체 형태 흡착제가 단면이 원형 또는 다른 기하학 형태이고 상기 단면의 외부 표면이 상기 냉매 유체에 직접 노출되도록 상기 유체 경로에 위치하는, 고체 형태 흡착제 시스템.
- 제12항에 있어서, 상기 고체 형태 흡착제가 응축기로부터 냉매 유체의 제거를 위해 밀폐된 관으로서 작용하도록 유체-밀폐형(fluid-tight)인, 고체 형태 흡착제 시스템.
- 바인더와의 포인트 결합에 의해 공간적으로 제자리에 결합되어 있는 다수의 이산 흡착제 입자를 포함하는 고체 형태 흡착제를 자동차 공기 조절 시스템에 위치시키는 단계를 포함하고, 상기 흡착제 입자 대부분의 외부 표면적의 적어도 25%는 상기 바인더에 의해 밀폐되지 않고 흡착에 이용가능하고, 상기 흡착제 입자가 상기 바인더에 소결되는, 자동차 공기 조절 시스템에서 물의 양을 감소시키는 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 흡착제 입자가 0.1 마이크론 내지 500 마이크론의 평균 유효 직경을 갖는, 방법.
- 제15항에 있어서, 고체 형태 흡착제를 응축기내 공기 조절 유체 경로내에 위치시키고, 상기 경로를 통해 냉매 유체가 유동하도록 배치되고, 상기 고체 형태 흡착제가 이를 통해 확장되는 중심 개구를 포함하고, 상기 개구를 통해 상기 냉매 유체가 유동할 수 있는, 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 고체 형태 흡착제가 단면이 원형 또는 다른 기하학 형태이고 상기 단면의 외부 표면이 상기 냉매 유체에 직접 노출되도록 상기 유체 경로에 위치하는, 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 고체 형태 흡착제가 응축기로부터 냉매 유체의 제거를 위해 밀폐된 관으로서 작용하도록 유체-밀폐형(fluid-tight)인, 방법.
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