KR102527818B1 - 잠열 성질을 포함한 열매체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 잠열 성질을 포함한 열매체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 잠열 물질인 데칸 화합물 및 나노 탄소물질, 에틸렌글리콜 등을 포함하고 이를 혼합함으로써 넓은 작동온도 범위에서도 물성의 변화가 없이 사용될 수 있으며, 열의 전달속도가 빠르면서도 고른 열전도도를 나타내며 열전달 효율이 높아 경제적이면서 에너지효율성이 증대될 수 있는 잠열 성질을 포함한 열매체에 관한 것이다.

Description

잠열 성질을 포함한 열매체{Heating medium including latent heat properties}
본 발명은 잠열 성질을 포함한 열매체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 잠열 물질인 데칸 화합물을 포함하여 뛰어난 열 전달 효과를 가지면서도 열손실을 최소화할 수 있는 잠열 성질을 포함한 열매체에 관한 것이다.
잠열(축열)은 물질의 상 변화시 같은 온도에서 열이 흡수되거나 방출되는 것으로, 특정 물질의 경우 고체에서 액체로 상 변화시 열이 발생되며 이를 잠열이라 하며, 얼음이 녹을 ‹š 흡수되는 80cal/g의 용해 열이나, 물이 증발될 때 흡수되는 540cal/g의 증발 열이 그 대표적인 예이다.
잠열 물질(상 변화 물질/축열 물질)은 자체 잠열을 이용하여 주변의 열을 내부로 흡수하거나, 외부로 방출함으로써 주변의 온도 또는 적용 제품의 온도를 일정하게 유지시키기 위하여 사용되거나, 에너지를 절약하기 위한 열저장매체로 사용되고 있으며, 이와 같은 잠열 물질은 고체에서 액체로 상전이 될 경우 액체로 상전이 된 잠열 물질의 흐름성으로 인한 문제를 극복하기 위하여, 외부의 열이 잠열 물질의 내부로 흡수, 또는 잠열 물질 내부의 열이 외부로 방출되기 위하여 대상물체에 직접 접촉시키고 있다.
여러 가지 잠열 물질 중, 일정한 온도에서 상 변화를 일으키는 무기수화물이 상기 조건을 만족시키는 것으로 알려져 있으나, 물리적, 화학적으로 불안정하여 잠열 물질의 이용에 적합하지 않으며, 결정수 증발에 따른 열량 감소와 융점상승, 상 분리 및 과냉각 현상으로 실제 응용에 있어서 사용범위가 제한되어 있는 문제점이 있다.
한편, 종래의 난방 방식은 보일러 등에 의한 화석 연료의 연소 에너지에 의해 열매를 가온하는 방식으로, 보일러실에서 난방장소까지 열의 이동을 위한 수많은 설비 시설과 팽창탱크 등의 안전설비 시설을 위한 보충수원의 확보나 배수시설비용이 추가되었으며, 보일러실과 같은 건축공간을 필히 확보해야 함은 물론 화석 연료의 연소시 굴뚝이나 장치로부터 유실되던 열 손실에 따른 경제적 부담이나 대기 오염과 소음을 포함한 이차적 문제점 또한 적지 않았다.
근래에는 히팅 코일이 내장되어 열매를 가열하는 방식의 전기보일러 제품들이 개발되고 있으나, 규모가 대형이며 제조과정이 복잡하고, 비용이 상승하는 것은 물론 복잡한 설비계통과 과도한 전력 소비로 인해 현실적으로 상용되지 못하고 있다.
일반적으로 히트 파이프는 열매체유를 순환시키지 않고 내부에 충진된 열매체의 운동에 의해 열원을 전달하여 열이 고르고 균일하며 효율적으로 전달될 수 있도록 하는 것이다. 히트 파이프는 온수순환에 이루어진 고전적인 난방시스템의 열 전달 효율성과 열 전달의 신속성을 해결할 수 있도록 한 것이다.
상기한 바와 같은 히트 파이프는 일측단에 열원을 가하게 되면 그 가해진 열원이 비등점이 낮아진 열매체의 분자운동에 의해 전달되어 반대측까지 열 전달이 신속하고 열원측과 그 반대측의 온도차가 거의 발생되지 않게 되는 것으로서, 바닥난방, 대류난방, 의료용 침대, 농업 등 다양한 곳에 사용되고 있는 것이다.
지금까지 개발된 열매체 중 물은 30 ~ 200℃의 비교적 넓은 작동온도 범위에서 사용되고 비용이 저렴한 장점은 있으나, 장기간 사용하는 경우 이 열매체가 사용되는 금속제 파이프를 부식시키고, 끓는점이 높아 열전달속도가 다른 열매체들에 비하여 비교적 느리기 때문에, 열효율이 낮은 단점이 있으며, 또한, 글리세린이나 수산화나트륨 수용액 등은 냉동작동으로 사용 범위가 넓지 못한 단점이 있고, 가장 널리 사용되었던 프레온계의 열매체는 작동온도가 -10 ~ 140℃로서 비교적 저온의 열전달매체에 적합하고 고온의 사용범위에는 적용 온도범위가 낮은 단점이 있으며, 인체에도 유해할 뿐만 아니라 오존층 파괴 및 지구온난화에 영향을 주는 환경문제 때문에 최근에는 그 사용을 금지 또는 엄격히 제한하고 있다.
또한, 히트 파이프의 재질에 따라 열전도율이 상이하므로 동일한 열전도도를 나타내기 위해서는 각 재질에 맞는 적절한 열매체의 사용이 중요하다.
따라서, 넓은 작동온도 범위에서 사용될 수 있으며, 열전달속도가 빠르면서도 동일한 열전도도를 나타내며 열전달 효율이 높은 잠열 열매체 개발이 필요하다.
한국등록특허 제10-0837175호 한국공개특허 제10-2010-0128488호
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 발명된 것으로, 잠열 물질인 데칸 화합물 및 나노 탄소물질, 에틸렌글리콜 등을 포함하고 이를 혼합함으로써 넓은 작동온도 범위에서도 물성의 변화가 없이 사용될 수 있으며, 열의 전달속도가 빠르면서도 고른 열전도도를 나타내며 열전달 효율이 높아 경제적이면서 에너지효율성이 증대될 수 있는 잠열 성질을 포함한 열매체를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
물, 나노 탄소물질, 그래핀, 구리염, 산화제2철(Ferric oxide), 아연, 에틸렌글리콜(Ethylene glycol), 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol, PVA), 옥살산(Oxalic acid), 붕사(Borax), 데칸 화합물, 카르복시메틸 셀루로오스(Carboxymethyl ellulose, CMC), 규산염(Silicate), 소포제 및 무기항균제를 포함하는 잠열 성질을 포함한 열매체(Heating medium)를 제공한다.
상기 나노 탄소물질은 카본블랙, 흑연, 탄소나노튜브, 나노탄소섬유, 활성탄 및 풀러렌으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
상기 데칸 화합물은 테트라데칸(Tetradecane), 노나데칸(Nonadecane), 헥사데칸(Hexadecane) 및 옥타데칸(Octadecane)로 구성된 군으로부터 선택된 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
상기 구리염은 질산구리, 황산구리 및 염화구리로 구성된 군으로부터 선택된 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
상기 무기 항균제는 제올라이트, 실리카 알루미나, 인산칼슘, 인산지르코늄 및 실리카겔로 구성된 군으로부터 선택된 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
상기 물 100중량부에 대하여, 나노 탄소물질 50 내지 100중량부, 그래핀 0.1 내지 10중량부, 구리염 0.1 내지 10중량부, 산화제2철(Ferric oxide) 0.1 내지 7중량부, 아연 1 내지 7중량부, 에틸렌글리콜(Ethylene glycol) 1 내지 30중량부, 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol, PVA) 1 내지 30중량부, 옥살산(Oxalic acid) 0.1 내지 5중량부, 붕사(Borax) 0.1 내지 10중량부, 데칸 화합물 1 내지 30중량부, 카르복시메틸 셀루로오스(Carboxymethyl ellulose, CMC) 0.1 내지 10중량부, 규산염(Silicate) 0.1 내지 15중량부, 소포제 0.1 내지 0.5중량부 및 무기항균제 0.1 내지 5중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 열매체가 방부제를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 잠열 성질을 포함한 열매체는, 잠열 물질로 알려져 있는 데칸 화합물 및 열 전도도가 높은 나노 탄소물질, 부동액인 에틸렌글리콜을 포함함으로써 열의 전달속도가 빠르면서도 고른 열전도도를 나타내며 열의 손실을 줄여 열전달 효율이 높아 경제적이면서 에너지효율성이 높아 발열침대, 발열파이프 등에 적절한 온도 수준을 달성할 수 있어 다양한 산업군에서 활용이 가능하다.
또한, 방부제를 더 포함함으로써 세균 번식을 억제함으로써 열매체의 변질을 방지하여 친환경적이며 인체에 무해하다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 상세한 설명은 생략할 수 있다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.
본 발명은 잠열 성질을 포함한 열매체에 관한 것이다.
본 발명에 따른 잠열 성질을 포함한 열매체는
물, 나노 탄소물질, 그래핀, 구리염, 산화제2철(Ferric oxide), 아연, 에틸렌글리콜(Ethylene glycol), 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol, PVA), 옥살산(Oxalic acid), 붕사(Borax), 데칸 화합물, 카르복시메틸 셀루로오스(Carboxymethyl ellulose, CMC), 규산염(Silicate), 소포제 및 무기항균제를 포함한다.
상기 나노 탄소물질은 카본블랙, 흑연, 탄소나노튜브, 나노탄소섬유, 활성탄 및 풀러렌으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니며 나노 사이즈로 된 통상적인 탄소물질이면 모두 사용이 가능하다.
상기 나노 탄소물질은 열의 전도율을 높일 수 있는 효과가 있으며, 에틸렌글리콜은 부동액으로 사용되며, 폴리비닐알코올을 녹일 때 물을 사용하는데, 이때 물을 포함한 폴리비닐알코올을 에틸렌글리콜과 함께 사용할 경우 최대 -64℃까지 액상을 유지할 수 있다.
상기 데칸 화합물은 테트라데칸(Tetradecane), 노나데칸(Nonadecane), 헥사데칸(Hexadecane) 및 옥타데칸(Octadecane)로 구성된 군으로부터 선택된 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
상기 데칸 화합물은 이성질체인 탄소수 10의 메탄 계열 탄화수소를 총칭하며 잠열 성질이 있고 녹는점은 -30℃, 끓는점은 180℃이다.
상기 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA)은 대표적인 수용성 합성고분자로 물과 접촉하면 녹는 성질이 있으며, 식품포장재, 변기세정제 포장재, 종이첨가제 등 여러 가지 용도로 사용된다. 수용성 고분자로써 대부분의 유기용매에 대해 아주 우수한 저항성을 보이기 때문에 내용매성 코팅에 사용된다.
표면활성도가 높으며 기계적 성질 및 접착 강도가 높고 용해도와 화학적 반응이 우수하며, 생분해가 가능하고 물에 대하여 수용성이며 토양에서 발견되는 박테리아에 의해 분해되므로 환경 보호에 민감한 용도의 재료로 각광받고 있다. 이러한 특성 때문에 PVA는 응용 범위가 매우 넓어, 가정용 제품에서 고기능성 산업용 재료로 사용되고 있으며 예로 카드보드지, 베니어판, 사무용 접착제, 페라이트나 세라믹의 바인더, 고체 구충제, 발효 토양, 섬유의 경사 호제, 칼라 프린팅의 점층제, 세탁용 풀, 종이의 코팅이나 강화제, 유화중합이나 현탁중합의 유화제나 안정제, 스펀지 등으로 사용되었고 최근까지 분자량 및 입체규칙성에 따라 발암물질인 석면섬유와 콘크리트 철근 대체용 고성능 섬유 및 환경친화성 수용성 섬유 그리고 편광필름을 포함하는 각종 광학용 필름과 분리막에 사용되고 있다.
상기 옥살산(Oxalic acid)은 카복실산의 일종으로 화학식은 C2H2O4이다. 상온에서는 백색의 고체 상태로 존재하며, 189.5℃에서 분해되며 녹는다.
옥살산은 찬물이나 에틸알코올에 녹고 뜨거운 물에는 잘 녹지만, 에테르 등의 유기용매에는 비교적 잘 녹지 않으며, 염료의 원료, 맥고(麥藁) ·목면 등의 표백제로서 사용되는 외에 2수화물의 결정을 순수하게 만들 수 있는 점을 이용하여 산알칼리적정(滴定) 및 산화환원적정의 표준물질로 사용한다.
상기 구리염은 질산구리, 황산구리 및 염화구리로 구성된 군으로부터 선택된 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
상기 무기 항균제는 제올라이트, 실리카 알루미나, 인산칼슘, 인산지르코늄 및 실리카겔로 구성된 군으로부터 선택된 어느 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니며 무기물에 항균작용을 하는 금속 이온인 은, 아연, 구리 등을 치환시켜 만든 제품이면 모두 가능하다.
무기 항균제는 일시적인 항균력은 유기 항균제보다는 낮지만 인체 안전성이 높고, 내성균이 나타나지 않으며, 항균지속기간도 거의 반영구적이다.
제올라이트계 무기 항균제는 다른 항균제에 비해 변색문제가 없고, 항균력이 높고, 입자 경도가 낮은 점 등 여러 가지 장점을 가지고 있을 뿐만 아니라, 현재 가장 많이 적용되어진 항균제이기 때문에 적용방법이나 안전성 문제에서 탁월한 항균제이다.
상기 물 100중량부에 대하여, 나노 탄소물질 50 내지 100중량부, 그래핀 0.1 내지 10중량부, 구리염 0.1 내지 10중량부, 산화제2철(Ferric oxide) 0.1 내지 7중량부, 아연 1 내지 7중량부, 에틸렌글리콜(Ethylene glycol) 1 내지 30중량부, 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol, PVA) 1 내지 30중량부, 옥살산(Oxalic acid) 0.1 내지 5중량부, 붕사(Borax) 0.1 내지 10중량부, 데칸 화합물 1 내지 30중량부, 카르복시메틸 셀루로오스(Carboxymethyl ellulose, CMC) 0.1 내지 10중량부, 규산염(Silicate) 0.1 내지 15중량부, 소포제 0.1 내지 0.5중량부 및 무기항균제 0.1 내지 5중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 열매체가 방부제를 더 포함할 수 있다.
상기 방부제는 아황산나트륨, 무수아황산, 아황산수소나트륨, 피로아황산나트륨, 벤조산나트륨, 소르빈산칼륨, 살리실산, 데히드로초산나트륨, EDTA, BHA, 토코페롤, 아스코르빈산으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 1종 또는 2종 이상인 것이 바람직하나, 더욱 바람직하게는 아황산나트륨을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 상기 방부제의 종류가 이에 한정되는 것은 아니며 통상적으로 사용되는 방부제는 모두 사용이 가능하다.
상기 방부제를 포함함으로써 세균 번식을 방지할 수 있는 효과를 줄 수 있다.
또한, 더욱 효과적으로 세균 번식을 방지하기 위해 살균제, 표백제, 안정제 등의 첨가물을 더 포함할 수 있다.
상기 열매체 100중량부에 대하여, 방부제 0.1 내지 15중량부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 데칸 화합물은 본래 잠열 물질로 알려져 있어, 열이 현저하여 매우 효율적인 물질로 알려져 있다.
따라서 본 발명의 열매체는 잠열 물질인 데칸 화합물 및 고른 열의 전도도와 물성의 변화가 없이 넓은 온도에서 작동할 수 있도록 나노 탄소물질, 에틸렌글리콜, 폴리비닐알코올, 옥살산, 붕사, 방부제를 적절한 비율로 조합함으로써 하부로는 열을 차단하고 상부로만 열을 발산하며, 빠르고 고르게 열을 전달할 수 있어서 열의 손실을 막을 수 있고, 열전달 효율이 높아 경제적이면서 발열침대, 발열파이프 등 다양한 산업군에서 활용이 가능할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.
실시예 1 잠열 성질을 포함한 열매체의 제조
물 100중량부, 나노탄소섬유 75중량부, 카본블랙 25중량부, 그래핀 5중량부, 황산구리염 5중량부, 산화제2철 4중량부, 아연 3중량부, 제올라이트 3중량부, 에틸렌글리콜 25중량부, 폴리비닐알코올 15중량부, 옥살산 2중량부, 붕사 5중량부, n-옥타데칸 25중량부, 카르복시메틸 셀루로오스 4중량부, 규산염 10중량부, 소포제 0.2중량부, 아황산나트륨 3중량부를 혼합하여 잠열 성질을 포함한 열매체를 제조하였다.
평가예 1 열전달율 평가
실시예 1에 따른 방법으로 제조한 열매체의 열절단율의 평가 실험을 수행하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
열전달율의 평가 실험은 발열파이프에 상기 실시예 1에 따른 열매체를 주입하고 양끝단을 밀봉하여 진공상태로 유지한 후, 열매체가 한쪽 끝단에 모이도록 파이프를 약간 경사지게 설치하고, 열매체가 있는 파이프의 한쪽 끝단을 80℃의 온도의 온수로 가열하여 다른 쪽 끝단에서의 열전달온도, 열전달율 및 도달시간을 측정하였다.
끓는점(℃) 가열온도(℃) 열전달온도(℃) 열전달율(%) 도달시간(초)
실시예 1 65℃ 80℃ 76℃ 95% 4.8초
표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 열매체의 끓는점이 65℃로서 가정용 또는 산업용의 열교환기, 온풍 보일러 내부장치, 건조기 및 발열기 등의 열매체로서 매우 적합하며, 상기 80℃ 내에서 열전달속도가 4.8초로 매우 빨라 열효율이 높아 실용성 및 경제성면에서 우수한 것을 알 수 있었다.

Claims (7)

  1. 물 100중량부, 나노탄소섬유 75중량부, 카본블랙 25중량부, 그래핀 5중량부, 황산구리염 5중량부, 산화제2철 (Ferric oxide) 4중량부, 아연 3중량부, 제올라이트 3중량부, 에틸렌글리콜(Ethylene glycol) 25중량부, 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol, PVA) 15중량부, 옥살산(Oxalic acid) 2중량부, 붕사(Borax) 5중량부, n-옥타데칸 25중량부, 카르복시메틸 셀루로오스(Carboxymethyl ellulose, CMC) 4중량부, 규산염(Silicate) 10중량부, 소포제 0.2중량부 및 아황산나트륨 3중량부를 포함하는 잠열 성질을 포함한 열매체(Heating medium).
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 열매체가 방부제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잠열 성질을 포함한 열매체.
KR1020200166331A 2020-12-02 2020-12-02 잠열 성질을 포함한 열매체 KR102527818B1 (ko)

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