KR20010052760A - 효율적 유체 접촉용 미소성분 조립체 - Google Patents

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KR20010052760A
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contactor
medium
liquid
assembly
porous
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Application number
KR1020007014053A
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몬트 케이. 드로스트
로버트 에스. 웨겡
마이클 프레드리치
윌리엄 티. 한나
찰스 제이. 콜
딘 이. 쿠라쓰
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스티븐 알. 메이
바텔리 메모리얼 인스티튜트
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Publication date
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Abstract

본 발명은 현 기술의 화학분리의 본연의 한계를 극복하는 미소성분 조립체의 기본적인 방법 및 장치이다. 소형화할 수 있게 하는 기본적인 구성요소는 제1 매질에서 제2 매질로 작용 화합물을 질량전달하는 미소성분 조립체 내에 포함된 다공성 콘택터(200)이다. 다공성 콘택터(200)는 두께, 및 이 두께를 관통하여 확장하는 복수의 구멍들을 구비한다. 구멍들은 매질 한 매질, 혹은 다른 매질, 혹은 이들 양 매질의 경계면 장력과 협동하여 한 매질, 혹은 다른 매질, 혹은 이들 양 매질이 미소 다공성 콘택터를 통해 이동되지 못하게 하면서 작용 화합물은 통과되게 하는 기하구조를 갖는다. 미소성분 조립체에서, 다공성 콘택터(200)는 제1 공간 혹은 제1 미소 플리넘이 미소 다공성 콘택터(200)와 제1 적층(208) 사이에 형성되게 제1 적층(208) 간에 배치된다. 또한, 커버 시트(206)는 다공성 콘택터와 커버시트간에 제2 공간 혹은 제2 플리넘을 제공한다.

Description

효율적 유체 접촉용 미소성분 조립체{microcomponent assembly for efficient contacting of fluid}
다른 물질 내의 한 물질의 계면확산은 많은 화학분리 방법만이 아니라 선택된 에너지 변환 프로세스에 기본이다. 수착 프로세스는 흡수, 흡착, 탈착을 포괄한다. 수착은 단독으로 사용될 수도 있고, 혹은 다음의 것들로 한정되는 것은 아니나 화학제품을 제공하는 열교환, 화학반응, 펌핑, 팽창, 냉방을 포함하는 공간 조화, 전력생산, 혹은 이들의 조합을 포함하는 다른 장치의 동작들에 결합될 수도 있다.
화학분리
화학분리는 다음의 것들로 한정되는 것은 아니나 물질 생산물로부터 불순물을 제거하거나 정제하는 것과, 액체 및 가스 스트림으로부터 오염물을 제거하는 것과, 주 생산품 스트림에 재활용하거나 부산물로서 사용하기 위해 물질들을 분리하는 것을 포함하는 응용에 산업상으로 중요한 프로세스이다. 종래의 하드웨어는 통상 매우 크고, 용적이 수십 내지 수백 입방미터에 이를 수 있어 비용효율적인 화학분리를 제공하기 위해서 대형 화학 처리공장에서 규모 경제 엔지니어링을 적용할 필요가 있다.
계면확산 프로세스
가장 일반적으로 사용되는 분리 프로세스 대부분은 수착(예를 들면, 흡착, 흡수, 탈착), 증류, 액체-액체 추출 및 이들의 결합을 포함하는, 계면확산의 물리적인 현상에 의존한다.
가스 흡수 프로세스는 가스와 액체를 접촉시키는 것을 포함하는 것으로, 하나 이상의 가스성분이 액체 내에 흡수된다. 이 프로세스에 의해 상변화가 일어나며, 일반적으로 상당량의 열이 방출된다(즉, 흡수 열). 액체의 용해도는 통상 액체의 온도에 역비례하기 때문에, 열은 발생되는 흡수 열을 제거하는 방법들을 사용하지 않으면 가스 흡수 장치 설계에서 제한하는 요인이 될 수 있다.
액체-액체 추출은 이들 양 매질이 액체라는 것을 제외하고 가스 흡수와 유사하다. 통상적으로, 한 액체는 전달 혹은 추출될 물질인 용질, 혹은 작용 화합물을 포함하는 제1 용매 혹은 제1 매질이며, 제2 액체 혹은 제2 매질은 용질 혹은 작용 화합물을 수용하는 용매를 말한다. 상변화는 전혀 일어나지 않기 때문에, 화학 반응 등 또 다른 장치의 동작이 일어나지 않는다면 액체-액체 추출 프로세스에서 열은 보통 거의 발생되지 않는다.
흡착은 가스가 고체 매질 내에 수착되는 것을 제외하곤 액체에 가스 흡수와 매우 유사하다. 가스 흡수에서처럼, 가스가 흡착될 때 열이 발생되고, 이것은 흡착매질로부터 신속하게 제거되지 않는다면 가스가 흡착되는 속도를 제한시킬 수 있다. 흡착은 또한 이온 교환수지에 관한 한 고체로의 액체 흡착을 포함한다. 이에 따라, 여기서 사용되는 유체 흡착은 가스 흡착 및 액체 흡착 모두를 포함한다.
탈착은 일반적으로 액체 스트림으로부터 혹은 고체 매질로부터 물질을 제거하여 이를 가스로서 방출하는 것으로서 이해되며 흡수 혹은 흡착과는 반대이다. 탈착지로부터 유출액 내에 복수의 화합물이 관측될 수 있다. 예를 들면, 물과 암모니아의 액체 혼합물로부터 암모니아를 탈착할 때, 이들 물 및 암모니아 모두가 가스상 유측액 내에 존재한다. 탈착은 열을 더하거나, 유체 내의 작용 화합물의 부분적인 압력변화를 통해 달성될 수 있다. 여기 사용되는 탈착은 일반적으로 물 제거, 스트립핑(stripping), 및 탈수라고 하는 프로세스를 포함한다.
증류는 혼화성(miscible) 물질들의 비등점들의 차이에 근거하여 이들 혼화성 물질을 분리하는 것이다. 일반적으로 기상 및 액상이 역류하는 상태로 복수의 단계로 수행되며 몇몇 혹은 많은 단계에 걸친 순 효과는 상당한 정도의 분리 혹은 순도일 수 있다.
계면확산을 포함하는 이들 모든 프로세스는 반응성 증류에서처럼 화학반응을 포함할 수도 있고 혹은 화학반응을 전혀 포함하지 않을 수도 있다.
일반적으로, 계면확산 프로세스는 상 계면(가스-액체, 액체-액체, 가스-고체, 혹은 액체-고체), 및 적어도 한 유체 경계층을 통과하는 작용 화합물 혹은 용질의 수송을 포함한다. 고체를 포함하지 않는 것들에 있어서, 발생되어야 하는 미세 단계들은 a) 대량의 유체 내에 작용 화합물 분자가 경계층으로의 수송과, b) 경계층을 통과하여 상 계면으로의 수송과, c) 상 계면을 지나 작용 화합물 분자의 수송과(상 변화를 필요로 할 것임), d) 용매의 경계층을 통과하여 작용 화합물 분자의 수송과, e) 유체 경계층으로부터 멀리 작용 화합물 분자들의 수송을 포함한다.
계면확산 장비
일반적으로, 대량의 화합물을 분리하기 위한 계면확산 프로세스는 컬럼을 통해 서로 반대되는 방향으로 유체가 이동되는 컬럼들을 이용하여 화학 프로세스 공업에 의해 수행되었다. 예를 들면, 액체-액체 추출은 2개의 비혼화 유체간에 수행되는데, 통상 가벼운 유체는 컬럼의 바닥에 전해지고 무거운 유체는 컬럼의 상측에 전해진다. 이 예에서, 가벼운 유체는 용질, 즉 추출될 물질을 포함하는 것으로 가정하고 무거운 유체는 적합한 용매를 포함하는 것으로 가정될 것이다. 일반적으로, 컬럼의 방출물에 대해 고도의 용매 로딩이 흔히 요구된다. 여기서, 중력에 의해 유체흐름이 유발되고, 2개의 유체가 서로 접촉할 때, 공급 스트림에서 용매로 용질이 옮겨진다.
상기 예의 장비에 관련된 문제는 컴럼의 유체 흐름 특성이 불균일하고, 2개의 유체를 수송하고 이어서 재분리(중력에 의해서)되게 하는데 필요한 시간이 상당하다는 것이다. 이들 이유로, 일반적으로 분리장치 설계자는 특히 질량수송 원리의 적용을 포함하여, 동작시 현상학적 프로세스에 매우 주의한다. 예를 들면, 엷게 흐르는 상태에 있어서, 질량수송은 분자가 순 거리를 이동하는 시간이 거리의 제곱에 직접 비례하고 이의 질량 확산도에 역비례하는 확산에 기인한다. 마찬가지로, 질량수송의 총량의 체류시간 및 수착은 동일한 비례를 가지며 일반적으로 소정의 분리 장비의 용량은 체류시간에 비례한다. 그러므로, 설계자는 짧은 체류시간이 장비의 특징이 되게 하여 소정의 하드웨어 용량에 대해 처리 속도가 크게 되게 하는 기하구조 및 흐름 상태를 만들려고 한다.
종래의 계면확산 분리장비에 있어서의 짧은 체류시간은 주로 작동기를 사용하거나 패킹을 사용하여 얻어졌다. 예를 들면, 질량수송을 빠르게 하는 것인 얇은 유체 스트림이 생성되게 하고 이 스트림에 밀접하게 접촉되게 하기 위해서 액체-액체 추출장치 내에는 일반적으로 기계식 혼합 장비를 부가적으로 사용한다. 혹은, 가스 흡수의 경우, 이 경우는 액체 용매의 확산도가 매우 낮아 수송단계가 제한되는데, 이 경우 가스는 용매액체 분무를 통해 전달될 수 있거나, 혹은 용매 유체의 강하경막(falling film)과 접촉하게 된다. 이것은 가스 혹은 가스 성분이, 보다 빠르게, 유체막 내에 수착되어 수송되게 할 수 있다.
공학적 패킹도 마찬가지로 질량수송 시간을 줄이기 위해서 수착 분리 장비에서 사용된다. 예를 들면, 질량수송 효율을 향상시키기 위해서, 거즈(gauze) 혹은 시트 금속으로 된 층형상 패킹이 증류 컬럼 내에 주로 사용되며, 패킹 유형에 많은 설계가 존재한다. 공학적 패킹이 설계되어 증류장치, 액체-액체 추출장치, 및 가스 흡수 장치에 적용되었다. 유체 스트림 두께를 줄이는 것 외에도, 패킹은 또한 유체 흐름 필드의 균일성을 향상시키므로, 하드웨어 시스템 전체를 통해 처리 속도가 최적화된다. 그러나, 유체 스트림 두께는 일반적으로 경계층 두께를 초과하며, 그럼으로써 전술한 모든 수송단계가 유지된다.
최근에, 향상된 패킹의 개발로 수착 장치 용량(물질이 처리되는 속도) 및 효율(제품 순도)이 현저히 개선되었다. 예를 들면, 험프레이 및 켈러("Separation Process Technology", McGraw-Hill, 1997)는 흡수 및 스트립핑을 위한 멤브레인 상 콘택터에 대해 언급하고 있다. 이들 장치에서, 공동(hollow) 섬유 멤브레인이 사용되는데, 한 유체 스트림은 섬유의 구멍내로 흐르고 또 다른 스트림은 섬유 외부로 흐른다. 이들 경우, 멤브레인은 액상으로 채워지는 랜덤한 미소구멍을 포함하고 있고 통상 폴리프로필렌 등의 물질로 만들어진다. 이들 장치에 있어서 질량수송에 대한 주된 저항은 확산경로가 구불구불하여 막히게 되는 멤브레인 물질 내에서 일어나며, 또한 확산경로가 공동섬유보다 현저히 긴 장치 외부에서 일어난다.
일반적으로, 화학분리를 위한 계면확산 장치의 성능은 주로 질량수송 저항에 의해 제한된다. "데드 공간"과 함께 불균일한 흐름 필드와 긴 질량수송 거리와 더불어 이들에 의해 분리장비는 수 분 혹은 수 시간으로 특징지어지는 체류시간을 갖게 되고, 그럼으로써 현저한 생산 능력을 제공하기 위해서는 큰 하드웨어가 필요하게 된다. 이들 본연의 한계로 인해 상당량의 자본투자가 자주 필요하게 된다. 흔히, 절약은 규모의 경제를 적용을 통해서만 실현될 수 있어 분리장치 사용이 합당하기 위해서는 큰 생산 능력이 필요하다.
일부 동작(예를 들면, 흡수, 탈착, 흡착, 증류 등)에 있어서, 열 수송 저항이 또한 성능한계를 제공할 수 있다. 현재 진전되는 종래의 하드웨어로부터 알 수 있는 바와 같이, 일반적으로 유체 접촉을 효율적으로 하여 짧은 확산 경로와 균일한 유체 흐름 필드와 막히지 않게 하는 것과, 수착 매체로부터 열을 직접 더하거나 추출하는 능력을 통해 열 및 질량수송 저항을 감소시킬 필요성이 있다.
현재의 화학분리는 중앙 시스템으로서는 보다 비용효율인 경향이 있으며 소규모 분산 시스템에 대해서는 덜 비용효율적이다.
공간 조화 제어
화학 프로세스 혹은 장치의 동작은 또한 공간 조화 혹은 기후(climate) 제어 하드웨어에서 사용된다. 미기후 제어 응용은 다음의 것으로 한정되는 것은 아니나 예를 들면 1) 차량 공간 조화; 2) 중앙 냉방 시스템에 의해 제공된 냉방의 50%를 낭비하는 덕트 시스템의 필요성이 복수의 소형 열 펌프의 사용으로 제거되는 빌딩의 분배 냉방; 3) 경량의 항공 수송 공간 조화; 4) 선적을 위한 자발 냉방, 및 5) 휴대 콘테이너용 자발 냉방 등 휴대용 냉방 및 분배 공간 조화를 포함한다.
휴대용 냉방 상황에서 개개인은 신체로부터 열 전달을 현저하게 감소시키는 방호복을 착용해야 한다. 예로서는 화합물, 스모크 및/또는 방사성 핵종 등 위험물질에 노출되는 작업자, 방탄복을 입는 경찰, 및 화학 혹은 생물학적 작용제에 노출될 수 있는 개개인을 포함한다. 보호복이 위험에 대해 보호를 제공하지만, 이들은 개개인의 효율을 현저히 감소시킨다. 고온의 환경에서 노동 집약적 작업을 수행하는 개인은 특히 보호복을 입고 있을 때 열 스트레스를 받기 쉽다. 열 상해로 쓰러지기 전에 필수 작업을 수행하는데 사용할 수 있는 시간은 이들 상태 하에서 제한된다. 고온의 기후의 위험한 상태 하에서 보조 냉각은 작업을 수행되게 하여 효율을 향상시키며 열 스트레스를 감소시킨다. 열역학적으로, 냉방 사이클은 파워 사이클의 역이다. 이론적으로 선택할 수 있는 많은 열역학적 냉방 사이클이 있어도, 사용시 상업적으로 탁월한 3가지 열역학 냉각 사이클이 있다. 즉 (1) 높은 기계적인 일 입력(전기)을 필요로 하며 냉방장치 및 모터(전기)가 모두 필요함으로 인해 통상 물리적으로 무거운 증기-압축; 2가지 서브 유형의 열로 작동되는 열 펌프와, (2) 액체로부터 및 액체로의 흡수와, (3) 고체로부터 및 고체로의 흡착이다. 물론, 열 에너지를 샤프트 일로 변환하도록 열역학 사이클이 역으로 동작될 수도 있음을 알 것이다.
증기 압축 사이클
증기 압축 사이클은 작용유체를 기상으로 압축하기 위해 기계식 압축기를 사용한다. 기계식 압축기는 전기모터로 구동될 수 있다. 작용유체가 압축되었을 때, 이의 온도가 증가한다. 압축된 작용유체는 열 교환기에서 응축되어 주위로 열을 방출하고 작용유체의 온도를 감소시킨다. 냉각된 작용유체는 팽창밸브 혹은 오리피스일 수 있는 팽창기를 통해 감압되어 작용유체의 온도를 냉각될 공간의 온도 미만으로 낮춘다. 감압 및 냉각된 작용유체는 냉각될 공간으로부터 열을 받아 기상으로 환원되고 기계식 압축기로 회수된다.
본 증기-압축 냉방 시스템이 보호복 및 냉각을 위한 분배공간에 일체화될 수 있을 지라도, 본 냉각 시스템은 너무 무거워 기간을 늘려 휴대할 수 없다. 통상, 350W의 냉각용량으로 4시간 동작하는 크기의 완전한 시스템은 10kg 이상의 무게가 나간다. 증기 압축 사이클은 작용유체의 압축을 위해서 상당한 샤프트 일(혹은 전기 파워)를 필요로 한다. 예를 들면 응축기 및 증발기 등 초소형 성분을 사용하여 이익이 되게 할 수 있으나, 모터를 포함하는 증기 압축 미소채널 냉각 시스템의 전체 무게 및 크기는 동일한 열 부하에 대해 수착 사이클(흡수 혹은 흡착)의 경우보다 클 것이다.
흡수 사이클
흡수 열 펌프는 증기 압축 사이클에서 기계식 압축기를 화학 압축기로 대치한 것을 제외하곤 증기-압축 열 펌프와 유사하다. 화학 압축기는 5개의 구성성분을 가지며, 이중 2개는 화학 분리 장치인 탈착기 및 흡수기, 팽창기, 축열식 열교환기 및 펌프이다. 탈착기에서, 유체 혼합물(순환하는 유체, 예를 들면 리튬 브로마이드, 및 예를 들면 물인 냉매)가 가열되고 냉매는 증기로서 혼합물을 이탈한다. 냉매는 응축기에서 고온으로 되고 팽창기를 지나 압력이 감소한 후에 증발기에서 냉각을 제공한다. 감압된 냉매는 흡수기에서 순환유체로 다시 흡수된다. 흡수된 혼합물은 펌프에 의해 가압되고 바람직하게는 축열식 열 교환기를 통해 탈착기로 회수된다. 혼합물은 액체이기 때문에, 펌프 일은 증기를 압축하는데 필요한 일(전) 량의 약 1/100이다. 이에 따라, 흡수 사이클은 증기 압축 사이클과 비교했을 때 낮은 전기 요건으로 응수한다. 그러나, 흡수 사이클은 열 에너지원을 필요로 한다. 흡수 사이클에는 다음의 것들로 한정되는 것은 아니나 단일 작용, 이중 작용, 제너레이터/흡수기/열 교환기(GAX), 확산 흡수 및 이들의 조합을 포함하는 많은 변형예가 있다.
종래의 흡수 사이클 시스템은 강하격막을 형성하기 위해서 중력에 의존하는데, 이것은 흡수기와 탈착기에서 액체 대 가스 접촉을 제공한다. 이 방식은 많은 휴대용 공간 조화 응용에 두가지 결정적인 문제를 갖는다. 먼저, 열펌프는 용액이 열 교환기 관 위로 떨어지게 하여 박막을 형성하도록 하는 방위로 놓여 있어야 한다. 적합한 방위에서 일탈하게 되면 열펌프는 작동하지 못할 것이다. 두 번째로, 강하격막은 확산을 통한 유효 질량전달을 방지하여 물리적으로 큰 흡수기 및 탈착기로 되는 1mm 정도의 막 두께를 갖는다. 분배 공간 냉방에 있어서, 무게는 휴대용 냉각의 경우만큼 중요한 인자는 아니지만 운송 콘테이너 및 항공기를 포함하는 차량 냉방에 있어서 무게 감소가 중요 고려사항이다.
흡수 및 증기 압축 사이클이 압축이 제공되는 방식에서 상이할지라도, 양 시스템은 열 흡수 및 방출에 동일한 방식을 취한다. 양 사이클에서, 과열된 냉매는 응축 열교환기로 들어가고, 여기서 냉매는 상압 열 방출이 된다. 결과로 나온 응축액 혹은 응축액과 증기의 혼합물은 드로틀 밸브 혹은 모세관을 통해 단열로 팽창된다. 이어서 혼합물은 상압 열 흡수를 위해 증발 열 교환기로 보내진다. 압축은 관통 단일 작용 열화학 압축기 혹은 데시케이터 흡수기, 용액 펌프, 축열식 열 교환기, 및 탈착기(가스 발생기)로 구성한 흡수 열 펌프 시스템에서 달성된다.
흡수 사이클은 유체 조합 및 사이클 구성에 근거하여 그룹으로 할 수 있다. 가장 널리 사용되는 유체 조합은 리튬 브로마이드(LiBr) 및 냉매인 물; 물 및 냉매인 암모니아(NH3)이다. 사이클 구성은 전술한 단일-작용 사이클 내지 점진적으로 보다 효율적이지만 복잡한 복수의 작용, 예를 들면 이중-작용 사이클를 포함한다.
단일-작용 LiBr/H2O는 저압 용액 펌프(대략 41kPa(6 psi) 압력 상승)을 필요로 하나 사이클은 이중-작용 사이클보단 덜 효율적이다. 이중-작용 LiBr/H2O는 보다 효율적이지만 고압 펌프(대략 410 kPa(60 psi 압력 상승)을 필요로 하며 단일-작용 사이클보다 복잡하다. H2O/NH3용액 펌프(2400 kPa, 350 psi)에 필요한 압력상승은 현재 사용할 수 있는 소형 펌프에 대해서는 너무 높아 무겁고 비효율적인 시스템이 된다. 이에 따라, 단일-작용 및 이중-작용 LiBr/H2O 흡수 사이클은 무게 및 크기가 주요 쟁점인 냉각 응용에 바람직한 후보이다. H2O/NH3시스템은 난방과 냉방을 모두 요하거나 0 EC(32 EF) 미만의 냉방을 요하는 경우에 필요하다.
미소채널 응축기 및 증발기는 여기 참고로 포함시키는, Cuta, J.M., C.E. McDonald, 및 A. Shekarriz, 1996의 "Forced Convection Heat Transfer in Parallel Channel Array Microchannel Heat Exchangers." Advances in Energy Efficiency, Heat/Mass Transfer Enhancement PID-Vol.2 HTD-Vol.338, American Society of Mechanical Engineering, 뉴욕, 및 미국 특허 5,611,214에 의해 시사되었다. 요약하여, 미소채널 응축기는 100 내지 300 마이크론 범위 내의 채널폭과 1mm까지의 채널깊이를 갖는 마소채널들의 배열로 구성된다. 작은 온도차와 낮은 압력강하로 30W/cm2이상의 열교환율이 얻어졌다. 미소채널 증발기는 100 내지 300 마이크론 범위 내의 채널폭과 1mm까지의 채널깊이의 미소채널 어레이로 구성된다. 결과는 작은 온도차로 1.0 내지 2.0 W/cm2-k의 대류 열전달율이 얻어질 수 있음을 보이고 있다. 이들 열전달 계수 및 열전달율은 4 내지 6배만큼 종래의 증발기 이상이 된다. 압력강하는 통상 6 kPa(1 psi) 미만이다.
흡수 시스템은 탈착기에 대한 열원을 필요로 한다. 여기 참고로 포함시키는, 캘리포니아, 산타 바바라, 8월 8-10, Molecular 및 Microscale Transport Phenomena에 대한 제2회 미국 일본 세미나에서 제출된 Drost, M.K. C.J. Call, M.M. Cuta, 및 R.S. Wegeng, 1996. "Microchannel Integrated Evaporator/Combustor Thermal Processes." 및 미국출원 08/883,643. 미소채널 연소기는 82 내지 85% 범위의 열효율로, 적어도 30W/cm2의 율의 열 에너지를 생성한다.
흡수 시스템 효율은 축열 열교환기에 따라 증가되는데, 여기서 작용유체 혹은 열 전달유체에 대해서는 전혀 상변화는 일어나지 않는다. 상변화없는 미소채널 열전달은 예를 들면 Ravigururajan, T.S. Cuta, C. McDonald 및 M.K. Drost. 1995, American Society of Mechanical Engineers 1995 National Heat Transfer conference에 제출된 "Single Phase Flow Thermal Performance of a Parallel Micro-Channel Heat Exchanger."에 공지되어 있다. 100 내지 300 마이크론 범위의 채널폭과 1mm까지의 채널 깊이를 갖는 미소채널은 단상 미소채널 열전달 대류 열전달 계수 1.0 내지 1.2 W/cm2-K를 제공한다. 이들 열전달 계수는 종래의 축열식 열교환기 성능의 3 내지 6배를 넘는다.
흡착 사이클
흡착 사이클 시스템은 열 펌핑을 제공하도록 냉매가 고체로 되는 흡착에 의존한다. 한 용기 내의 흡착제가 냉매를 흡착하였다. 용기가 가열되고 고압에서 고체 흡착제로부터 냉매가 제거될 때, 냉매는 주위온도로 냉각되고 이어서 냉매압력(결국엔 온도)이 감소되는 팽창기(오리피스 혹은 팽창밸브)를 통과한다. 열 에너지는 냉각된 공간에서 냉매로 전달되고 냉매는 이어서 제2 가압 용기 내 흡착제에서 흡수된다. 제2 용기는 흡수 열을 제거하고 저압을 유지하기 위해서 냉각된다. 이것은 잔류 냉매 모두가 제1 탱크를 떠나 제2 탱크에 흡착될 때까지 계속된다. 이 때 프로세스는 역으로 되고 제2 탱크가 가열되어 냉각을 제공하는 냉매를 몰아내고 제1 탱크로 회수된다. 흡착 사이클에는 많은 변형이 있으며 흡착제 및 냉매용의 광범한 물질이 조사되었다. 그러나, 이들 모든 시스템은 한 형태 혹은 또 다른 형태의 흡착에 의존한다. 흡착 사이클은 미국 및 외국에서 광범하게 조사되었지만 개념에는 실제로는 전혀 영향을 미치지 않으며 몇몇 상업적으로 이용할 수 있는 시스템이 있다. 흡착 시스템에서의 문제는 흡착제로부터의 열 에너지를 부가하거나 제거가 어렵고, 필요한 흡착제가 대량으로 잔류하며, 반복된 사이클에 의해 흡착제가 열화한다는 것이다.
필요성
현 기술의 화학 분리의 본연의 열 및/또는 질량수송 한계를 극복할 기본적인 방법 및 장치와 분산 화학분리를 보다 콤팩트하게 하며 냉각 시스템을 휴대할 수 있게 할 냉각 시스템의 필요성이 존재한다.
＜발명의 요약＞
본 발명은 현 기술의 화학 분리의 본연의 열 및/또는 질량수송 한계를 극복하는 미소 다공성 콘택터 조립체의 기본적인 방법 및 장치이다.
화학분리에 있어서, 다공성 콘택터는 다공성 콘택터의 적어도 일측에 미소 플리넘과 함께 사용되어, 질량수송에 실질적인 향상을 제공하고, 그럼으로써 일정한 하드웨어 용적에 대해서 단축된 체류시간과 높은 처리율을 제공한다. 미소 플리넘은 여기서는 질량전달 경계층 두께 이하의 단면 높이 혹은 두께를 갖는 플리넘으로서 정의된다. 이것은 부피가 큰 용적으로부터 질량전달 경계층간에 질량수송을 제거하는 잇점을 제공하며, 그럼으로써 분리 프로세스에 기여하지 않는 "데드 용적"량을 감소시켜 하드웨어의 용적을 줄인다. 종래의 분리 하드웨어에 비해, 상당한 하드웨어 용적 감소가 얻어진다(전형적으로 1 내지 2 자리수의 크기). 고체 혹은 액체 혹은 이들 모두가 미소 플리넘에 존재한다.
액체에 있어서, 경계층은 파라메트릭 공간 기울기가 존재하는 경계 혹은 표면과 접촉하는 층이다. 파라메트릭 공간 기울기는 온도, 속도, 농도 혹은 이들의 조합일 수 있다. 경계층 외부는 파라메트릭 공간 기울기가 제로인 혹은 환언하여 파라미터가 위치에 따라 일정한 벌크 혹은 벌크 흐름으로 간주된다. 질량전달 경계층은 농도 파라미터에 대한 것이다.
고체에 있어서, 특히 다공성 콘택터 후방에 한정된 고체에 있어서, 정체된 혹은 흐르지 않는 유체로 고체가 둘러싸일 필요가 있다. 이에 따라, 흡착 및 탈착은 고체와 유체간의 계면확산에 의해서 그리고 유체를 통해 다공성 콘택터를 거쳐 고체에 대향하는 플리넘을 통해 흐르는 유체로 직접 확산에 의해 일어난다. 이 경우, 질량전달 경계층은 복합 질량전달 경계층이다. 그러므로, 흡착제 물질에 대해서, 질량전달 경계층의 두께, 따라서 미소 플리넘의 깊이는 고체 흡착제나 유체 단독만의 질량 확산도만을 고려하기보다는, 고체의 질량 확산도 및 유체의 질량 확산도의 조합인 "유효 질량 수송 경계층"을 고려하여 결정된다.
바람직한 실시예는 전혀 구부러짐없이 극히 정밀한 미소 구멍을 생성하는 미소가공 기술을 사용하여 미소 다공성 콘택터로서 제조된 다공성 콘택터를 포함한다. 이것은 확산 질량수송에 대해 저항이 낮고 부가적으로 오염방지되는 미소 다공성 콘택터로 된다.
계면확산에 의존하는 많은 화학분리장치는 다공성 콘택터 조립체에 의해 가능하게 된다. 이들은 복수의 단을 포함하는, 흡수, 흡착, 액체-액체 추출, 탈착, 및 증류를 위한 장치를 포함한다. 두 개의 매질의 접촉을 제공하는 것 외에도, 다공성 콘택터 장치는 부가적으로 운동량 수송에 대한 장벽을 제공하여, 역류 동작이 되게 하며, 이 경우 이것은 예를 들면 잇점있는 역류 액체-액체 추출이 되어, 복수 단의 콘택터 필요성을 감소시킨다.
분리 프로세스에 따라 예를 들면 2개의 비혼화 액체인 두 개의 유체의 질량 확산도가 유사하거나 낮게 되는 경우, 구멍들은 약 1 마이크론 내지 약 30 마이크론 크기의 미소 구멍들이며, 장치는 미소 다공성 콘택터의 각 측에 미소 플리넘에 조립되고, 그럼으로써 미소 구멍 내에 상 계면에 대해 안정한 위치를 제공하고, 콤팩트한 하드웨어 용적 내에 고도의 분리를 달성한다. 더구나, 상당한 온도의 열이 발생되거나 가스 흡수, 흡착, 탈착, 혹은 증류에서처럼 분리 프로세스를 용이하게 하기 위해 필요로 될 때, 장치는 공학적 미소 채널 열교환기에 밀접하게 접촉되거나 이에 일체로 제작될 수 있으므로 높은 분리율이 콤팩트한 하드웨어 장치에 의해 실현될 수 있다.
많은 경우, 이를테면 가스 스트림을 정제하는 흡수장치, 및 포획된 가스를 제거하기 위한 탈착기 등 2가지 분리 프로세서를 일련으로 관여시켜 용매가 흡수기로 재순환되게 하는 것이 바람직할 수 있다. 펌프가 포함된다면, 이 시스템은 열화학 압축기로 되어, 배출가스는 흡수될 때보다 고압으로 방출된다. 이것은 대안으로 흡수장치 대신 흡착장치에 의해 달성될 수도 있을 것이다. 온도 변화 및 압력변화의 흡수/흡착이 이 방식으로 가능하게 된다. 마찬가지로, 액체-액체 추출장치를 또 다른 분리장치에 조합함으로서 용매를 재순환하게 하는 것이 바람직할 수 있다.
다공성 콘택터 조립체에 대한 많은 화학분리 응용이 있다. 예를 들면, 연료전지를 사용하는 자동차용의 연료 처리 시스템을 개발하는 중요한 연구가 진행중이다. 자동차 연료처리 시스템에 필요한 것 중 하나는 연료 스트림으로부터 촉매독(예를 들면, 황화수소, 일산화탄소 및 이들의 조합)을 제거하여 연료전지 성능 혹은 연료처리를 위한 다른 탑재된 촉매 반응기의 성능이 저하되지 않게 하는 것이다. 탑재된 가스 흡착장치 혹은 흡수장치는 요구된 처리율에 비해 이들을 소형으로 만들 수 있기 때문에 이러한 기능을 제공할 수 있다.
또 다른 응용은 해양 플랫폼에서 화석연료 생산으로부터 이산화탄소를 포획하는 것이다. 지구 온난화 위험을 줄이기 위해서, 대기로 이산화탄소의 배출을 줄여야 한다면, 결국에는 심연에서, 혹은 화석연료가 얻어진 곳에서부터 동일한(혹은 유사한) 지질층에서 CO2를 제거할 필요가 있다. 사실 CO2주입은 유전 생산량을 증가시키기 위한 일반적인 방법이다. 현재, 종래의 분리장치는 해양 유전 플랫폼 상에 이용할 수 있는 작은 공간에 적절히 배치될 수 없기 때문에, 가스 분리장치가 극히 콤택트하고 그럼에도 불구하고 대량의 물질을 처리할 수 있는 필요성이 있다.
냉각에 있어서, 다공성 콘택터는 열 교환기 및 펌프에 조합하여 사용되어 바람직하게는 소형 흡수 열펌프, 혹은 소형 흡착 열 펌프 형태로, 미기후 제어를 위한 미소채널 수착 열기계를 형성한다. 본 발명의 미소채널 수착 열기계는 콤팩트하며 당(sugar) 입방체만큼 작은 것으로 생각할 수도 있을 것이다. 이것은 시스템을 전자 성분들을 냉각하는데 사용할 수 있게 할 것이다. 큰 크기에서 시스템은 예를 들면 특히, 휴대응용, 자동차, 항공 혹은 그외 수송 콘테이너 분배 공간 조화 응용에 무게가 주요 관심사인 경우 분배 공간 조화(난방 혹은 냉방)에 유용하다.
흡수 열 펌프
소형 흡수 열펌프는 예를 들면 9cm x 9cm x 6cm의 크기와 대략 0.65kg의 무게로 350W 냉방을 제공하는 크기일 수 있다. 미소 규모의 흡수 열펌프에 비해, 이것은 60배의 용적감소를 나타낸다. 열펌프, 공냉식 열교환기, 밧데리, 및 연료를 포함하는 완전한 미소성분 냉각 시스템은 대안이 되는 시스템들의 10kg 무게에 비해 4 내지 5kg의 무게가 나갈 것으로 추정된다. 크기 및 무게 감소는 효율적인 일을 에너지 변환하게 할만큼(즉, 전기를 사용하는 펌핑) 크면서도 미소 규모의 구조로 얻을 수 있는 높은 열 및 질량전달율을 동시에 이용할 수 있는 장치를 개발함으로써 얻어진다. 2W/cm2-k를 넘는 열전달 계수를 갖는 미소채널 열교환기들과, 미소규모의 흡수기, 탈착기, 정류기 및 분석기에서 매우 높은 열 및 질량전달율을 갖는 미소 다공성 콘택터 조립체들을 이용함으로써 무게 및 크기를 감소시킬 수 있다. 통상, 미소규모의 구성성분 및 시스템의 크기 및 무게는 동일 성능의 미소규모의 장치에 비교하였을 때 약 1내지 2 자리수만큼 감소될 수 있다.
장치는 열에너지에 의해 구동되는 것이 바람직할 것이다. 열에너지는 예를 들면 액체 탄화수소 연료의 연소 등 임의의 소스로부터 올 수 있다. 액체 연료의 에너지 저장밀도는 100와트 전기(We/kg) 밧데리에 비해 액체 탄화수소 연료에 있어서는 종래의 밧데리에서 얻을 수 있는 에너지 저장밀도의 130배를 넘는다(13,000와트 열, Wt/kg). 흡수 냉각 시스템은 액체 펌프 및 팬을 동작시키기 위해서 여전히 전기를 필요로 하지만 이의 전체 전기 파워 요건은 대략 종래의 증기 압축 시스템보다 1 자리수 낮은 크기이다. 전기를 덜 사용함과 아울러 액체연료를 사용함으로써 증기 압축 사이클과 같은 상당량의 샤프트 일를 요하는 냉각방식에 비해 흡수 에너지원의 무게가 현저하게 감소된다.
소형 흡수 열펌프는 냉각용량 및 효율은 유지하면서도 급진적으로 크기를 줄인 미소구조에서 얻을 수 있는 극히 높은 열 및 질량전달율에 의존한다. 이의 성능은 결국 1 마이크론만큼이나 작은 개개의 특징물들을 갖는 미소구조에 의존한다. 열펌프는 소형장치이다. 그러나, 소형이지만 통상적인 용액 펌프를 사용할 만큼 충분히 크다.
이들 장치의 특성은 소형 크기 범위에서 장치들이 갖는 잇점의 예일 수밖에 없다. 소형 열펌프의 냉각율(단위 체적당 냉각)은 종래의 대형 흡수 열펌프보다 대형 장치에 있어서 60배 높다(0.02W/cm3에 비해 1.25 W/cm3). 흡수 열펌프는 증기 압축 열펌프보다 전기를 상당히 덜 필요로 한다(120W에 비해 10W). 이것은 미기후 제어 시스템에 동력을 공급하기 위해 휴대용 전력발전이나 밧데리 필요성을 줄일 것이다.
"단일 작용, 이중 작용, 제너레이터/흡수기/열교환기(GAX) 사이클 및 확산 흡수 사이클로 제한되는 것은 아니나 이들을 포함하는 열펌프 사이클은 미소 다공성 콘택터 장치를 사용할 수 있다.
흡착 열펌프
흡착 사이클 시스템의 문제는 다공성 콘택터와, 흡착체간에 질량전달을 신속하게 하는 얇은 흡착제(미소 플리넘)을 사용하여 극복된다. 흡착제가 반복된 사이클링 후에 부서져도, 이것은 다공성 콘택터에 의해 보유된다. 신속이라는 것은 수착 시간이 수착제 두께의 제곱의 역에 비례하기 때문에 시간적으로 크기 감소로서 정의된다. 따라서, 본 발명에서 달성할 수 있는 수착제 두께에 10배감소는 종래기술에 비해 수착시간을 100배 감소시킨다. 더욱이, 매우 높은 순환율의 미소밸브를 사용할 수 있음으로 인해서 흡수제를 신속하게 순환시킬 수 있다. 그러므로 본 발명은 1) 열전달을 향상시키는 미소구조, 2) 흡착제 저하 영향을 감소시키는 미소구조, 3) 순환율을 매우 높게 하게 하는 미소구조 및 밸브, 4) 열적관성(흡착제 및 가압용기의 반복된 가열 및 냉각)에 기인한 손실을 감소시키는 소형의 미소구조 및 소형의 흡착제 용적을 사용한다.
신속하게 순환되는 흡수기는 고 효율로 크기를 작게 하게 하는 본 발명의 중요한 면이다. 신속한 순환은 단면이 얇은 흡착기 물질을 사용하고, 이를 미소 플리넘을 형성하는 시트들 사이에 넣어 달성되며, 이들 시트 중 하나는 다공성 혹은 천공된 것으로 예를 들면 흡착기 물질이 구조적으로 파괴되거나 부서졌을 때에도 이 물질이 보유되게 한 다공성 콘택터이다. 미소채널 열교환기와 조합하여 박막의 흡착제는 흡착제의 급속한 가열 및 냉각을 달성한다. 미소채널 열교환기는 또한 냉매 가열 및 냉각에도 사용된다.
고형 흡착제 내에서 질량 확산도는 유체(액체 혹은 가스) 내에서의 질량 확산도보다 상당히 낮기 때문에, 유체가 고형 흡착제의 대부분에 접촉하게 흡착제 물질을 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 고형 흡착제 형상을 작은 구(sphere) 혹은 다른 반복적인 혹은 랜덤한 유닛구조물 형태로 할 수 있으며 유체가 구조물을 포위할 수 있도록 이러한 고형 흡착제를 미소 플리넘 내에 패킹할 수 있다. 그러나, 구조물을 포위하는 유체는 정체 혹은 유동되지 않아 고형 구조물에서 유체로 다공성 콘택터를 통한 질량전달 확산에 의해 되는 것에 유의한다. 이러한 경우에, 유효 질량수송 경계층은 크게 증가되어 유체 내에 질량수송 경계층에 이르게 된다.
본 발명은 또한 열에너지를 샤프트 일로 변환하는 것을 달성하기 위해 열역학 사이클의 역을 포함하며 여기서 수착 사이클이 사용되어 일 추출기(터빈 혹은 피스톤)을 통해 팽창되는 작용유체를 가압한다.
목적
본 발명의 목적은 유체에 효율적으로 접촉하게 하는 미소성분 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 기계적으로 속박된 박막의 흡착기, 탈착기, 정류기 혹은 분석기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 면간 확산을 사용하는 콤팩트한 화학분리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 분산 화학분리기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 미소채널 수착 열기계를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 경량의 휴대용 냉각기계를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 경량의 수착 열펌프를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 흡착제의 신속한 순환을 위한 고 빈도의 미소밸브를 사용하는 것이다.
본 발명의 요지는 이 명세서의 종지부에서 특정하게 지적되고 구별되게 청구되었다. 그러나, 다른 잇점 및 목적과 더불어 동작의 구성 및 방법은 동일 구성요소에 동일 참조부호를 사용한 첨부한 도면에 관련하여 취한 다음의 설명에 참조하여 이해될 수 있다.
본 발명은 일반적으로 유체를 효율적으로 접촉시키는 미소성분 조립체에 관한 것이다. 유체는 액체 혹은 가스일 수 있으며 액체, 가스 혹은 고체에 접촉할 수 있다. 미소성분 조립체는 다공성 콘택터와 하우징 사이에 적어도 하나의 미소 플리넘(plenum)을 형성하는 하우징 내 다공성 콘택터이다. 미소성분 조립체는 화학분리, 특히 계면확산을 포함하는 화학분리에 유용하다.
정의
여기서 사용되는 계면확산은 상 경계를 관통하는 질량전달이며 흡수, 흡착, 탈착; 액체-액체 추출; 증류 및 이들의 결합을 포괄하는 수착을 포함한다. 수착은 또한 수착 열기계에 유용하다.
여기 사용되는 열기계는 열 혹은 열 에너지를 일로 변환하거나 일을 작용유체를 통해 열 에너지 혹은 열로 변환시키는 장치로서 정의된다.
여기 사용되는 경계면 장력은 표면장력, 계면장력 및 고체 물질 강도를 포괄하는 것으로 정의된다. 일반적으로 아는 바와 같이, 표면장력이라는 용어는 가스/액체 계면에 관계되고, 계면장력은 액체/액체 계면에 관계되고, 고체 강도는 고체/가스, 고체/액체, 고체/고체 혹은 이들의 조합에 관계된다.
여기 사용되는 흡착은 가스 혹은 액체로부터 용질, 혹은 작용 화합물이 고체에 수착되는 것을 포함한다.
여기 사용되는 "경계층"이라는 용어는 "질량수송 경계층"을 말하며, 일반적으로 유체흐름 및 열 전달을 위한 대응하는 경계층보다 작다. 경계층 외부에서, 용질, 혹은 작용 화합물에 대한 농도 기울기, 혹은 경계부터 거리의 함수로서의 농도의 변화율은 경계층 내의 농도 기울기 혹은 농도 변화율에 비해 비교적 작으며 유체 및 고체 모두에 적용된다.
도 1a는 미소 다공성 콘택터가 일체화된 외측 박막의 시트의 등시도이다.
도 1b는 미소 다공성 콘택터 확대도이다.
도 2는 미소 다공성 콘택터를 구비한 액체/가스 수착기의 분해조립도이다.
도 3은 예1에 대한 암모니에 농도 대 흡수막 두께의 그래프이다.
도 4는 예2에 대한 액체/가스 탈착기를 설명하는 시험장치의 개략도이다.
도 5는 고체 수착 셀의 단면도이다.
도 6은 예3에 대한 미소채널 흡수 열펌프를 설명하는 실험장치의 개략도이다.
도 7은 고체 수착 흡착 열펌프의 개략도이다.
본 발명의 미소성분 조립체는 다공성 콘택터와 하우징 간에 적어도 하나의 미소 플리넘을 제공하는 하우징 내에 배치된 다공성 콘택터이다.
화학분리에서, 다공성 콘택터 혹은 다공성 멤브레인은 두께를 관통하여 확장하는 복수의 구멍을 갖는 것으로서, 구멍들이 제1 매질 및 제2 매질 중 한 매질 혹은 다른 매질 혹은 이들 양 매질의 경계면 장력과 협동하여 상기 한 매질, 혹은 다른 매질 혹은 양 매질이 다공성 콘택터를 통해 이동되지 못하게 하고 용질 혹은 작용 화합물은 통과되게 하도록 선택된다.
이에 따라서, 예를 들면 수성 리튬 브로마이드 시스템에서, 흡착기는 수증기를 제1 매질(비습윤)을 수용하고 물로서 작용 화합물을 함께 물 내에 리튬 브로마이드 용액을 제2 매질(습윤)로서 수용한다. 고체 수착 흡착기에서, 제1 매질은 고체 수착제이며, 제2 매질은 가스 캐리어이며 작용 화합물은 수착 혹은 탈착된 화합물이다.
다공성 콘택터
다공성 콘택터(100)(도 1a, 도 1b)는 다공성 혹은 천공된 물질이며, 여기서 "미소 다공성 물질"이라는 용어는 확산은 일어나지만 대량 흐름 혹은 삼출 흐름은 방지되는 물질을 말한다. 구멍이 대량의 흐름 혹은 삼출이 되게 하는 크기일 때, 이 물질을 여기서는 천공물질이라 칭한다. 천공물질은 2가지 스트림을 혼합하는데 사용될 수 있다. "다공성"이라는 용어는 미소구멍 및 천공 모두를 포함한다. 다공성 혹은 천공물질은 고형 물질이며 혹은 그 위에 고형물질을 갖는다. 다공성 물질 내에, 구멍(102)은 두께를 관통하여 곧은 구멍이거나 아니면 상호연결된 다공성으로서 곧바르지 않은 구멍일 수 있다.
미소 다공성 콘택터(100)는 금속, 세라믹 혹은 플라스틱을 예를 들면 LiGA(리소그래피, 갈바노포르뭉(전착), 아브포르뭉(사출성형), 레이저 미소가공, 혹은 전기화학 미소가공에 의해 미소가공함으로서 만들어질 수 있다. 미소가공된 미소 다공성 콘택터의 잇점은 미소 다공성 콘택터 전체에 걸쳐 구멍크기가 정밀하게 제어된다는 것이다. 소결과정에 의해 구멍 기하구조 및 방위가 랜덤하게 되게 한다.
다공성 콘택터(100)는 유체에 운동을 부여하여 질량수송율을 증가시키는 활성 미소성분, 예를 들면 미소-작동기가 결합된다.
흡수(액체-가스)에 있어서, 혹은 액체-액체 추출에 있어서, 미소 다공성 콘택터(100)는 제1 매질 혹은 용매가 미소 다공성 콘택터를 비습윤으로 되게 하고 제2 매질 혹은 용매는 미소 다공성 콘택터를 습윤상태가 되게 하여 작용 화합물이 제1 매질과 제2 매질간에 그리고 미소 다공성 콘택터를 통해 전달하도록 선택된다. 구멍 기하구조는 한 매질 혹은 다른 매질, 혹은 이들 매질의 경계면 장력에 의해 구멍을 통해 통과되지 못하게 선택된다. 구멍 기하구조란 구멍의 크기(예를 들면 직경 혹은 단면적) 및 형상(예를 들면, 원형, 정다각형과 예를 들면 슬릿, 십자형의 불규칙 다각형을 포함하는 다각형)이다. 따라서, 구멍 기하구조는 비습윤성 유체가 통과되거나 대량으로 흐르는 것을 방지하는 것보다 클 수 없다. 구멍은 최대 확산을 위해 동일한 기하구조를 갖는 것이 바람직하다. 그러므로, 미소 다공성 콘택터는 용매 혹은 매질이 삼출되거나 대량으로 흐르지 못하게 한다. 바람직하게, 구멍 기하구조는 가능한 한 크면서도 비습윤 매질의 통과를 방지한다. 예를 들면, 액체 혹은 고체에 대한 구멍 기하구조는 미소가공 능력의 한계(즉 약 1마이크론) 내지 약 30마이크론의 직경을 갖는 원형구멍일 수 있다. 작은 구멍크기는 관통-시트 속도 혹은 압력 기울기에 대한 강한 저항을 제공한다. 액체-액체 용매 추출에서, 한 용매 혹은 이들 양 용매가 미소구멍에 들어갈 수 있다. 그러나, 구멍들 내의 접촉에서 계면장력으로 인해 용매 혼합이 방지되고 이들 사이에 용질이 전달된다.
미소 플리넘의 두께는 액체 혹은 고체의 질량전달 경계층 두께 미만이기 때문에, 작용 화합물이 한 매체에서 다른 매체로 완전히 전달되는 시간은 현 기술의 수착에 비해 상당히 감소된다. 체류시간은 유체 두께(플리넘 깊이)의 제곱에 비례하고 유체 확산도에 역비례한다. 그러므로, 용매 흐름 경로(들)의 두께(들)를, 액체 혹은 고체에 대해서는 약 1마이크론 내지 약 300 마이크론으로 하고 가스에 대해서는 약 1 밀리밀터까지 작게 한다. 향상된 질량전달율 때문에, 체류시간은 종래의 시스템에 비해 대폭 감소된다. 미소 다공성 콘택터 장치는 커버 시트 혹은 적층간에 배치된 도 2에 도시한 바와 같은 미소구멍 콘택터 시트이다. 각각의 커버시트 혹은 적층은 미소 다공성 콘택터 시트와 적층 사이에 미소 플리넘, 혹은 유체 흐름이 미소 다공성 콘택터 시트를 가로지르게 하지만 관통되게 하지는 않는 입구와 출구를 구비한 적어도 하나의 미소 성분을 구비하거나 형성한다. 이어서 질량확산이 미소 다공성 콘택터 시트를 관통하여 일어난다.
미소-성분, 예를 들면 미소 홈은 미소 다공성 콘택터 시트의 일측 혹은 양측에 제조될 수 있다. 또한, 미소 다공성 콘택터 시트는 그 자체가 미소 성분을 가지고 있지 않을 수도 있지만, 그러나 커버 시트(들) 혹은 적층(들)은 미소 다공성 콘택터 시트를 가로질러 유체 흐름을 보내는 미소 성분을 가질 수 있다. 다른 실시예는 단순히 미소 다공성 콘택터 시트의 어느 일측 상의 유체 미소 플리넘이다.
동작에서, 용매 혹은 매체로서의 유체는 병류, 역류, 혹은 교차흐름일 수 있다. 병류에 의해서는 질량 플럭스 혹은 추출이 덜 하게 되나, 미소 다공성 콘택터에 걸쳐 압력차 혹은 기울기가 덜 하게 된다. 가스가 유체 중 하나이고 가스 혹은 가스 성분이 액체로 흡수될 때, 가스 혹은 가스성분은 미소 다공성 콘택터를 통과하지만 액체는 미소 다공성 콘택터를 통과하지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 미소 다공성 콘택터는 액체가 미소 다공성 콘택터가 습윤상태로 되지 않게 코팅되거나 아니면 액체가 경계면 장력에 의해 지지되도록 충분히 작은 구멍을 가져 구멍을 통해 흐르지 않게 하는 것이 바람직하다.
미소 다공성 콘택터 자신이 커버들 사이에 충분히 지지되지 않은 경우에, 커버들은 미소 다공성 콘택터를 지지하기 위해서 돌기나 랜드를 구비하여 만들어질 수 있다. 대안으로, 전술한 바와 같이, 미소 다공성 콘택터는 홈 혹은 미소 성분을 구비할 수 있다. 어느 경우이든, 돌기 혹은 랜드는 미소 다공성 콘택터를 지지할 것이다.
많은 실제 시스템에서, 높은 흡수/탈착율을 달성하기 위해서, 열 메일이 흡수/탈착 유체로 혹은 이로부터 전달될 필요가 있다. 따라서, 바람직하게는 미소채널 열교환기를 사용한 열전달은 미소 다공성 콘택터 장치에 결합될 수 있다.
도 2에 미소 다공성 콘택터 장치를 도시하였다. 미소 다공성 콘택터(200)는 2개의 커버(202, 204) 사이에 배치되며, 각각의 커버는 말단 블록(206)과, 조립시 미소 다공성 콘택터(200)와 말단 블록(206)간에 미소 플리넘을 만드는 얇은 내측 시트(208)를 갖는다. 이 실시예에서, 입구와 출구는 얇은 내측 시트(208)의 일측을 통과함에 유의한다.
폴리머 미소 다공성 콘택터를 사용하여 조립시, 얇은 금속 내측 시트와 얇은 외측 시트를 사용하는 것이 가능하며, 그러나 결합은 기밀하게 하기 위한 폴리머 마진에 의존하여 클램핑이나 볼트조임에 의해 될 것이다. 대안으로, 얇은 내측 시트 및 얇은 외측 시트 역시 폴리머일 수 있고 여기서 전체 조립체는 열 혹은 화학적으로 본딩될 수도 있을 것이다.
화학분리
여기서 사용되는 화학분리는 임의의 계면확산, 혹은 액체, 가스 고체 혹은 이들의 조합일 수 있는 한 용매 혹은 매체에서 다른 매체로 용질 혹은 작용 화합물의 교환을 포함한다. 예를 들면, 흡수 시스템에서, 미소 다공성 콘택터는 제1 매질이 작용 화합물을 포함하고 제2 매질이 작용 화합물을 수용하도록 선택된다. 한 매질 혹은 다른 매질 또는 이들 양 매질은 미소 다공성 콘택터를 습윤상태로 되게 하며 작용 화합물은 2개의 매질간 계면에서 그리고 미소 다공성 콘택터를 관통하여 전달된다. 액체-액체 추출에서, 한 용매 혹은 이들 양 용매는 미소 다공성 콘택터를 적실 수 있다. 경계면 장력에 의해서 두 매체의 혼합이 방지된다.
흡착 시스템의 경우, 콘택터는 다공성 콘택터일 수 있으며, 이를 통해 제1 매질(가스 혹은 액체)이 통과하여 제2 매질을 포함하는 미소 플리넘 내 제2 매질를 에워싼다. 제2 매질은 고형 흡착제이다. 천이 동작, 이를테면 개시할 동안, 제1 매질은 제2 매질을 포함하는 미소 플리넘에 들어가거나 나올 수 있지만, 정상상태 동작 중에 제1 매질은 제2 매질을 포함하는 미소 플리넘 내에 정체될 것이다.
흡수제
가스가 흡수제로서 사용될 때, 가스는 입구(210)를 통해 커버(202)로 유입된다. 묽은 용질의 용액(순환 유체)은 입구(212)를 통해 커버(204)로 들어가고 진한 용질의 용액이 출구(214)를 통해 배출된다. 흡수제가 흡수 열 펌프의 일부인 경우, 용질 혹은 작용 화합물은 냉매이다.
정류기 및/또는 분석기
정류기 및/또는 분석기는 예를 들면 가스상 암모니아 스트림으로부터 물 증기를 제거하기 위해 스트림을 정제하는데 사용될 수 있다. 이에 따라, 혼합된 가스상 입력 스트림, 정제된 가스상 출력 스트림 및 액체 출력 스트림을 가질 수 있다.
예1
액체에 가스 흡수 형태의 분리를 시사하는 실험이 수행되었다. 구체적으로, 암모니아 증기는 액체 물에 흡수되었다. 4mm의 공칭두께(1/16 인치), 약 5 내지 약 30마이크론의 범위의 구멍 직경 및 30% 내지 50%의 다공성을 갖는 소결된 스테인레스 스틸로 미소 다공성 콘택터를 만들었다. 커버 시트들은 미소 다공성 콘택터 시트부터 커버시트의 내측표면까지의 두께 혹은 거리(막 두께)가 약 100 내지 300마이크론의 범위인 미소 플리넘을 제공하였다. 미소 다공성 콘택터 상의 액체 막 내에, 암모니아는 물에 흡수되었다. 암모니아 유속은 물의 유속이 0-33g/min의 범위인 가운데 0-4g/nim으로 다양했다. 등온 및 단열 테스트 시행에 있어서 온도범위는 20-50℃이었다. 흡수제 내 압력은 10 내지 30 psia이었다. 데이터는 10 내지 30W/cm2범위로 생성되는 율로 암모니아가 물에 흡수될 수도 있을 것임을 나타내고 있다. 이 흡수율은 종래의 흡수제의 성능을 10배 이상으로 초과한다. 결과를 도 3에 도시하였다. 먼저 단열 테스트를 위해 측정된 데이터를 고찰하면, 점 300은 100 및 300 마이크론의 막두께에서 암모니아 농도의 실측치를 나타낸다. 이론적인 최대 흡수 혹은 "평형"(온도의 함수임)이 계산되었으며 단열 테스트에 있어서 점 302로 나타났다. 흡수막의 두께를 감소시킴에 따라, 측정된 암모니아 농도는 이론적인 최대치에 접근한다.
실제 측정점 304 및 평형점 306으로 나타낸 등온 테스트에 대해서 유사한 결과가 나타난다. 테스트가 실지로 등온이었다면, 평형선은 수평으로 되었을 것이다. 이 라인의 약간의 기울기는 서로 상이한 막 두께들에서의 온도차를 나타낸다.
단열 데이터 및 등온 데이터를 비교하면, 열을 전혀 제거하지 않은 경우보다(단열) 열을 제거함으로써(등온) 더 큰 흡수가 달성될 수 있음이 명백하다.
산성 가스 흡수
산성가스, 예를 들면 이산화탄소, 황화수소 및 이들의 조합의 흡수는 가스 스트림을 소거하는데 유익하다.
예2
가스상 이산화탄소(CO2)를 액체 디에타놀아민(DEA)에 흡수시키기 위해서(가스-액체 흡수) 미소 다공성 콘택터 장치의 사용을 시사하는 실험이 행해졌다.
폴리머(캡톤) 미소 다공성 콘택터를 마스크 패터닝 프로세스를 사용하여 만들었다. 상용 엑시머 레이저기(Resonetics사, Nashua, NH)는 한번에 다수의 구멍을 마스크를 통해 형성되게 하여 전체 가공시간을 현저히 줄이는 정사각형 빔 프로파일(약 8mm x 약 25 mm)을 가졌다. 10mm x 80mm 매트릭스에 61.6 마이크로미터로 이격된 31 마이크로미터 직경의 구멍들을 약 20분내에 만들었다. KrF 엑시머 레이저(248nm)는 257mJ의 펄스 에너지를 가졌으며 100Hz의 펄스 레이트가 사용되었다.
28-34 마이크론 직경의 구멍과 1 x 8cm 활성영역을 갖는 25 마이크론 두께의 캡톤 미소 가공된 미소 다공성 콘택터의 양측에 400 마이크론의 유체 막 두께가 테스트에 이용되었다. DEA 유속은 0.1ml/min으로 일정하게 유지되었으며 DEA 농도는 0 내지 40%(탐염수의 v/v)로 변화시켰다. 가스의 농도는 20% CO2(N2의 v/v)로 일정하게 유지되었고 가스 유속은 0.67 내지 26.9ml/min로 변화시켰다.
결과는 CO2의 99 내지 100%만큼이 흡수되었음을 보였다. 제어에서, 소량의 CO2만이 어떠한 DEA도 포함하지 않은 탈염수에 의해 흡수되었음이 관측되었다.
탈착기
수착 장치가 탈착기로서 사용될 때, 농후한 용액 및 순환 유체가 입구로 들어간다. 농후한 용액은 가열되고 작용 화합물은 작용 화합물의 기화를 통해 순환유체를 이탈하여 콘택터를 통과해 출구로 나가고 순환 유체는 또 다른 출구로 배출된다.
흡착 열 펌프에서, 작용 화합물은 냉매이다.
예3
본 발명에 따라 탈착기의 성능을 시사하는 실험이 행해졌다.
LiBr/H2O가 사용되었다. 전형의 테스트 장치를 도 4에 도시하였다. 탈착기(400)는 3개의 저장용기(402, 404, 406)간에 배관된 도 2에 도시한 바와 같은 미소 다공성 콘택터 장치이었다. 저항 히터(408)를 탈착기(400) 위에 배치하였다. 진공펌프(도시생략)는 유체흐름을 위해서 압력차를 제공하였다. 응축기(409)는 탈착기(400)로부터 수증기를 취하는데 사용된다. 저농도 LiBr 저장용기(402)와 응축수 저장용기(404)는 질량균형을 판정하기 위해서 스케일(410) 위에 설치되었다. 기기는 압력센서(P), 온도센서(T), 전기 파워 센서(W), 밀도센서(D), 질량흐름 센서(M), 전도율 센서(C), 및 압력차 센서(DP)를 포함하였다.
결과는 물이 0.3g/cm2/min의 율로 용액으로부터 제거됨을 보였다. 이것은 종래의 탈착기의 성능을 20배 초과하는 것이다.
액체-액체 추출
미소 다공성 콘택터 장치(도 2)를 용매 추출용으로 사용할 때, 용매는 입구(210)에서 커버(202)로 들어가고 출구(216)로 배출된다. 공급물은 입구(212)로 들어가서 출구(214)로 나온다. 흡수나 액체-액체 추출에 있어서, 열이 제거되거나 부가되어야 한다면, 미소채널 열 교환기 시트(218)를 도시한 바와 같이 사용할 수 있다.
예를 들면 액체 유기물의 부분 산화 등 화학 반응기로서 사용될 때, 가스는 미소 다공성 콘택터 시트(200)를 통과하는 산소이다.
예4
액체-액체 용매 추출을 위한 미소 다공성 콘택터 장치를 시사하는 2가지 실험이 행해졌다. 제1 실험에서, 이론적인 비교를 위해서 평형 분배(partitioning) 계수를 정량화하기 위해 총 용질농도의 범위에 걸쳐 평형 농도비를 측정하였다. 제2 실험에서, 물 스트림에 사이클로헥사놀을 첨가하였으며 추출용 용매로서 사이클로헥산을 사용하였다.
2가지 유형의 미소 다공성 콘택터로서 미소 가공 및 소결된 플라스틱을 사용하였다. 플라스틱 미소 가공된 미소 다공성 콘택터의 2가지 두께를 미소채널 장치에 사용하였다. 플라스틱 미소가공된 미소 다공성 콘택터는 1cm 폭 x 8cm 길이의 영역에 이르는 캡톤 중합체의 1-mil 및 2-mil 막(25-㎛ 및 40-㎛)를 통해 매트릭스 구멍을 레이저로 뚫어 제작하였다. 구멍들은 25㎛ 두께의 막의 일측에 직경이 평균 25㎛이고 타측의 직경이 35㎛인 원뿔형이다. 플라스틱 미소채널 미소 다공성 콘택터는 물에 적지 않게 하여 보다 높은 투과압력을 제공하게 하기 위해서 테플론(폴리테트라플루오로에칠렌)으로 코팅된다.
플라스틱 미소가공된 미소 다공성 콘택터의 성능을 비교하기 위해서 플라스틱 소결된 미소 다공성 콘택터로서 겔만 3㎛ 제플로르 PTFE(테플론) 미소 다공성 멤브레인을 사용하여 실험을 수행하였다. 이 플라스틱 복합 미소 다공성 콘택터는 총 180㎛ 두께에 있어서 165㎛ 두께의 테플론 미소 다공성 기판 상에 장착된 대략 15㎛ 두께의 미소 다공성 테플론층을 갖는다. 15㎛ 미소 다공성층의 다공도는 겔만으로부터 얻어진 보이드 용적 정보에 기초하여 44%로 계산된다. 플라스틱 복합 미소 다공성 콘택터는 모든 실험에 있어서 유기 액체측쪽으로 테플론층이 놓이게 하여 일관되게 배치되었다.
실험은 채널높이 및 유속을 가변하여 흐름이 미소가공된 콘택터판 혹은 미소 다공성 테플론 멤브레인을 통과하여 분배하게 미소 다공성 콘택터 장치를 사용하여 수행되었다. 하우징 혹은 적층 내 채널들은 10cm 길이, 1cm 폭이었으며, 공급 및 용매측에 대해 상이할 수 있는 다양한 채널 높이로 구성될 수 있다. 여기 보고된 모든 실험에서, 미소 다공성 콘택터의 양측에 동일한 유속으로 동일한 채널 높이가 사용되었다. 채널높이는 200㎛, 300㎛, 400㎛, 500㎛이었다. 플라스틱 미소가공된 미소 다공성 콘택터는 활성 다공성 영역의 8cm를 가졌으며, 채널 길이의 전체 10cm는 플라스틱 복합 미소 다공성 콘택터에 의해 이용되었다.
미소 다공성 콘택터 장치를 통과하는 일정한 유속으로 액체를 펌프하는 데에 하바드 장치, 모델 번호 22, 시린지 인퓨전 펌프를 사용하였다. 2가지 액체 스트림간 압력차는 워터 마노미터를 사용하여 미소 다공성 콘택터 장치의 배출구 바로 하류측의 배관 내에서 측정되었다. 수류 배출압력은 압력차가 1인치의 워터 컬럼 미만이었더라도 사이클로헥산 스트림 배출압력보다 약간 높게 유지되었다.
평형분배 계수 데이터는 여러 체적비들에서 물 내에 1000mg/L 사이클로헥사놀 모액(stock solution)과 사이클로헥산을 혼합함으로써 수집되었다. 혼합물은 몇 일에 걸쳐 평형이 되게 하였다. 이어서 물 상태에서 샘플이 취해졌으며 이들 샘플은 가스 크로마토그래피로 분석되었다. 평형 분배 데이터는 측정 정확도 내에서, 검사된 총 농도 범위에 걸쳐 분배계수가 상당히 일정하였음을 보였다. 다음 연이은 이론적인 계산에서는 1.3±0.2의 평형 분배계수가 사용되었다.
용매 추출 데이터는, 플라스틱 복합 미소 다공성 콘택터를 사용한 실험에서는 3가지 채널높이를 사용하고 플라스틱 미소가공된 미소 다공성 콘택터에 의해서는 하나의 채널높이를 사용하여 추출용 용매로서 사이클로헥사놀을 사용해서 얻어졌다. 각각에 대한 데이터는 추출 샘플간에 몇몇 퍼지(purge) 용적들에 의해 유속을 가변시켜 순차적으로 획득되었다.
플라스틱 복합 미소 다공성 콘택터를 사용한 테스트는 흐름 채널 높이를 400㎛에서 300㎛로 감소시켰을 때 성능에 현저한 향상을 보였으며, 400㎛ 채널에서 흐름 채널에서의 질량전달 저항은 상당한 것임을 나타낸다. 그러나, 채널높이를 200㎛로 더 감소시킴으로써 식별할 수 있는 향상은 전혀 관측되지 않았으며, 이것은 이러한 작은 채널높이에서는 미소구멍의 질량전달 저항 때문임을 나타낸다. 적어도 플라스틱 복합 미소 다공성 콘택터만이 아니라 플라스틱 미소가공된 미소 다공성 콘택터도 수행하였다.
흡착기
흡착기의 흡착제는 가스를 수착할 수 있는 임의의 고형 물질일 수 있다. 탄소가 일반적인 흡착제이다. 흡착기에서, 고체 흡착제 물질의 강도 및 기하구조는 기하구조(크기 및 형상)와 더불어 물질강도로 인해 다공성 콘택터의 구멍을 통과하지 못하게 되는 한 여기 정의된 바와 같이 "경계면 장력"으로 간주된다. 도 5에 도시한 바와 같이 개별 고체 수착 셀 혹은 스택은, 1) 미소채널(504)을 갖는 200㎛ 두께의 금속 시트(502)로 만들어진 미소채널 열 교환기(500), 2) 흡착제 물질(탄소)로 만들어진 얇은 영역(100 내지 1000㎛)(506), 3) 미소가공에 의해 만들어질 수 있는 다공성 콘택터(100), 및 4) 유체 플리넘(508)으로 구성된다.
유체가 가스일 때, 배출될 때(탈착), 고온의 열 전달 유체는 미소 채널(504)를 통과하여 흡착제(506)를 가열하고 따라서 가스를 탈착시킨다. 가스는 다공성 콘택터(100) 내 구멍(102)에서 플리넘(508)으로 통과되고 이 플리넘으로부터 가스가 셀을 빠져나간다. 반복된 사이클링 동안 흡착제(506)가 작은 입자로 부서져도, 다공성 콘택터(100)는 흡착제(506)를 보유한다. 흡착제의 충전 및 배출은 온도변화에 의해서만이 아니라 압력변화에 의해 달성될 수도 있다.
흡착시, 가스는 다공성 콘택터(100)를 통과하여 흡착제(506)로 확산한다. 미소채널 열 교환기 내 냉각 유체는 흡착 동안 방출되는 열을 제거한다.
흡착 셀의 열 질량을 작게 유지시켜 열 사이클링 손실이 최소로 되게 하면서 시스템을 신속하게 순환시킴으로써 잔류 흡착제량을 작게 유지한다. 흡착제의 초기 기하구조는 약 1밀리미터까지의 두께를 갖는 기하구조의 고체이다. 흡착제는 한 쌍의 시트 혹은 커버로 에워싸이거나 봉해지고, 커버 중 적어도 하나는 흡착제로 질량확산이 되게 하는 다공성의 혹은 천공된 다공성 콘택터이다. 반복되는 사이클링 후에 흡착제가 부서지고 흡착제가 시트 사이에 효과적으로 보유될지라도 흡착제는 흡착제간에 빠른 질량전달을 달성한다.
흡착제의 빠른 사이클링은 흡착기의 크기를 줄이는 혹은 초소화하는데 중요하다. 신속하게 동작시키기 위한 미소밸브, 흡수제의 가열/냉각을 빠르게 하기 위한(대류 열 전달 계수는 1.0 내지 2.0 w/cm2-K이고 열 전달율은 100W/cm2까지임) 미소채널, 및 기계적으로 속박/보유된 박막 흡착제를 시간당 약 1사이클 내지 초당 약 1사이클, 혹은 시간당 약 10사이클 내지 분당 약 10사이클, 바람직하게는 종래기술보다 적어도 약 1크기 정도 짧은 사이클 시간에 순환시키는 것. 이것은 흡착제의 필요 잔류량을 감소 혹은 최소화한다. 시스템의 낮은 열 질량은 열적관성에 연관된 손실을 줄이거나 최소화한다.
흡착제가 이온 교환수지일 때, 용액의 탈착은 용리제 화합물의 도입을 통해 달성될 수 있다.
미소채널 수착 열기계
여기서 사용되는 열기계는 열 에너지(열)을 기계적인 일로 변환하거나 기계적인 일을 열로 변환하는 작용유체를 사용하는 임의의 장치를 포함한다. 수착 열기계는 작용유체와 상호작용하도록 수착을 사용하는 열기계이다. 예로서는 열화학 압축기이다. 열화학 압축기는 부가적인 구성성분과 함께 사용되어 흡수 사이클 냉각 시스템을 형성한다.
미소채널 수착 열기계는 다공성 콘택터와 흡수제(흡착제)를 결합시키고 작용유체와 열을 교환하는 장치에 의해 만들어진다. 다공성 콘택터는 작용유체에 혹은 이로부터 일을 부여하거나 추출하는 압력기계에 결합될 수도 있다. 압력기계는 펌프, 터빈, 유압 램 혹은 이들의 조합이다.
예5
본 발명에 따른 흡수 사이클 열 펌프를 시사하는 실험을 행한다. 실험장치는 도 6에 도시한 바와 같다. 탈착기(400), 저항 히터(408), 및 기기는 예2와 동일하다. 흡수기(600)는 탈착기(400)와 동일 구성이나 가열되는 대신 냉각된다. 응축기(602) 및 증발기(604)는 동일 구성이며 양측 역류 미소채널 열교환기이다.
예6
본 발명에 따라 냉각기로서 사용되는 흡수 사이클 열 펌프를 시사하는 실험이 행해진다. 컴퓨터 시뮬레이션과 함께 탈착기 및 흡착기 테스트(예1 및 예2)로부터의 데이터는 냉각을 위해 350W 크기의 단일-작용 LiBr/H2O 흡수 열 펌프의 성능을 예측하는데 사용된다. 시스템은 수냉 응축기 및 흡착기, 증발기용 물 열원, 및 탈착기 열원으로서 250EC에서 배기가스를 갖는 미소채널 연소기를 포함한다. 많은 응용에서, 수냉각이 이용될 수 있을 것이다(차량 냉각을 위한 차량 라디에어터로부터 그리고 공간조화를 위한 냉각탑으로부터). 휴대용 냉각과 같은 다른 응용은 시스템에서 종국에 열제거를 위한 공기로 냉각되는 열교환기를 필요로 할 것이다.
계획된 혹은 시뮬레이션은 휴대용 냉각응용에 적합한 것과 차량 혹은 공간 조화 응용용의 것인 2개의 시스템에 대한 무게 및 성능특성에 근거하였다. 휴대용 냉각응용에 있어서 냉각수는 15℃(60℉)의 온도, 및 46℃(115℉)의 응축기로부터 열 제거온도를 갖는 것으로 가정한다. 차량 혹은 공간 조화응용에 있어서 냉각수는 7℃(45℉)의 낮은 온도 및 32℃(90℉)의 낮은 열 제거 온도를 갖는 것으로 가정한다. 2개의 시스템은 거의 동일한 것으로, 종래의 LiBr 열펌프의 용적의 1/60인 용적이 대략 650g인 총 열펌프 무게, 및 휴대용 설계에 대해서는 0.68의 성능계수(COP)와 공간 조화 설계에 대해서는 0.71의 성능계수를 갖는다. COP는 제공된 냉각량을 탈착기에 공급되는 열 에너지로 나눈 비이다. 휴대용 설계에 있어서, 연료를 연소시켜 제공되는 1W의 열은 0.68W의 냉각을 제공할 것이다. 펌핑하기 위한 전기 파워는 증기압축 열 펌프에 비해 7배로 감소된다.
흡착 열 펌프
전술한 다공성 흡착기는 본 발명에 따른 흡착 사이클 열 펌프를 형성하도록 도 7에 도시한 바와 같은 가스에 대한 냉매와 부가적인 구성성분과 함께 사용된다. 미소성분 흡착 열 펌프는 2개의 미소채널 고체 흡수제 스택(700, 702)과, 2개의 미소채널 열 교환기(704, 706)와, 팽창기(708)를 구비한다. 열은 고체 흡수제로부터 냉매를 방출하는 탈착제로서 작용하는 제1 고체 흡수제 스택에 공급된다. 냉매는 미소채널 열 교환기 중 한 교환기에서 냉각되며, 감압밸브(708)를 거쳐 팽창되고, 열 교환기 중 다른 교환기에서 가열되고, 제2 고체 흡수제 스택 내에 흡착된다. 시스템은 시스템이 역동으로 되게 하여 제2 스택에서 탈착시키고 제1 스택에서 흡착되게 하도록 밸브(710)(통상의 것 혹은 미소 밸브)가 장착될 수 있다. 대안으로, 가역 펌프(도시생략)가 사용될 수도 있다.
고체 흡수제 스택은 하나 혹은 많은 고체 흡수제 셀을 가질 수 있다. 고체 흡수제 스택은 많은 고체 흡수제 셀을 구비하는 것이 바람직하다.
결구
본 발명의 바람직한 실시예를 도시 및 설명하였으나, 넓은 면에서 본 발명으로부터 벗어남이 없이 많은 변경 및 수정이 행해질 수 있음을 이 기술에 숙련된 자들에게 명백할 것이다. 따라서 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 정신 및 범위 내에 드는 모든 변경 및 수정을 포괄하도록 된 것이다.

Claims (33)

  1. 제1 매질에서 제2 매질로 작용 화합물의 질량전달을 위한 다공성 콘택터 조립체에 있어서,
    (a) 두께를 가지며, 상기 두께를 관통하여 확장하는 복수의 구멍을 또한 가진 다공성 콘택터로서, 상기 제1 매질 및 상기 제2 매질 중 한 매질 혹은 다른 매질 혹은 이들 양 매질의 경계면 장력과 협동하는 기하구조의 상기 구멍들은 상기 한 매질 혹은 상기 다른 매질 혹은 양 매질이 상기 다공성 콘택터를 통해 이동을 방지하며, 상기 복수의 구멍을 통해 상기 작용 화합물이 통과되게 하는 것으로, 다음의 구성요소간에 배치된 것인 상기 다공성 콘택터,
    (b) 상기 다공성 콘택터와 제1 적층 사이에 제1 미소 플리넘을 형성하여, 상기 제1 매질을 수용하며, 상기 미소 플리넘은 상기 제1 매질의 질량전달 경계층 미만의 깊이를 갖는 것인 상기 제1 적층; 및
    (b) 상기 다공성 콘택터와 커버간에 제2 플리넘을 형성하여 상기 제2 매질을 수용하는 상기 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 콘택터 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 구멍은 미소 다공성 콘택터 조립체로서 약 1 마이크론 내지 약 30 마이크론의 단면크기를 각각이 갖는 복수의 미소구멍인 것을 특징으로 하는 다공성 콘택터 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 매질은 액체인 것을 특징으로 하는 다공성 콘택터 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 구멍들은 랜덤한 방위로 놓인 것을 특징으로 하는 다공성 콘택터 조립체.
  5. 제2항에 있어서, 상기 미소구멍들은 평행한 방위로 놓인 것을 특징으로 하는 다공성 콘택터 조립체.
  6. 제3항에 있어서, 상기 제1 매질은 수성액이며, 상기 제2 매질은 증기 혹은 가스이며, 상기 수성액은 상기 복수의 미소구멍을 통과하지 못하며 상기 작용 화합물은 이들을 통과할 수 있고, 상기 미소구멍 조립체는 흡수기, 탈착기, 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 다공성 콘택터 조립체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 작용 화합물은 산성가스, 암모니아, 물 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 다공성 콘택터 조립체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 산성가스는 이산화탄소, 황화수소 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 다공성 콘택터 조립체.
  9. 제6항에 있어서, 상기 수성액은 수성 리튬 브로마이드, 수성 디에타놀아민, 수성 암모니아 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 다공성 콘택터 조립체.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 매질은 상기 복수의 구멍을 통과하지 못하게 된 흡착 고형체이며 상기 제2 매질은 유체이며 상기 작용 화합물은 상기 흡착 고형체에 혹은 이로부터 흡착 혹은 탈착될 유체 구성물이며, 상기 다공성 조립체는 흡수기, 탈착기, 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 다공성 콘택터 조립체.
  11. 제3항에 있어서, 상기 제1 매질은 제1 액체 용매이며 상기 제2 매질은 제2 액체 용매이며, 상기 작용 화합물은 상기 제1 용매와 상기 제2 용매가 협동하여 상기 미소 다공성 콘택터를 통해 상기 제1 혹은 제2 용매는 흐르지 못하게 하고 상기 복수의 미소 구멍들 내에서 상기 제1 용매와 상기 제2 용매를 접촉하게 하여 상기 제1 용매와 상기 제2 용매간에 용질이 전달되게 하는 용질이며, 상기 미소 다공성 콘택터 조립체는 액체-액체 추출기인 것을 특징으로 하는 다공성 콘택터 조립체.
  12. 증류장치에 있어서,
    (a) 제3항의 미소 다공성 콘택터 조립체, 작용 화합물은 복수 성분 액체로부터 증발되며, 상기 작용 화합물은 상기 미소 다공성 콘택터를 통과하며,
    (b) 제3항의 제2 미소 다공성 콘택터 조립체, 상기 작용 화합물은 복수 성분의 액체 내에 접촉하여 응축되게 하고 상기 제1 복수 성분의 액체와 동일한 성분을 갖는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 증류장치.
  13. 제1항에 있어서, 제1 플리넘 깊이는 약 500 마이크론 이하인 것을 특징으로 하는 다공성 콘택터 조립체.
  14. 계면확산 장치에 있어서,
    (a) 제1항의 다공성 콘택터 조립체, 및
    (b) 상기 다공성 콘택터 조립체와 접촉하는 미소채널 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 계면확산 장치.
  15. 열화학 압축기 혹은 데시케이터에 있어서,
    (a) 제14항의 계면확산 장치, 가스는 작용유체에 흡수되어 피흡수질을 생성하고 그럼으로써 열을 방출하며;
    (b) 상기 피흡수질을 가압하는 펌프; 및
    (c) 열이 더해지고 가스는 고압에서 상기 피흡수질로부터 탈착되는 것인, 제6항의 탈착기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열화학 압축기.
  16. 제15항에 있어서,
    (d) 열이 탈착기 출구 스트림에서 탈착기 입구 스트림으로 전달되는 것인, 미소채널 축열식 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열화학 압축기.
  17. 미소성분 열 펌프에 있어서,
    (a) 가스가 냉매인, 제16항의 열화학 압축기;
    (b) 상기 냉매를 응축하는 제2 미소채널 열교환기;
    (c) 상기 냉매를 감압하는 팽창기; 및
    (d) 상기 냉매를 증발시키는 제3 미소채널 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소성분 열 펌프.
  18. 흡착 압축기에 있어서,
    (a) 제14항의 계면확산 장치로부터 만들어진 흡착기; 및
    (b) 제14항의 계면 확산장치로부터 만들어진 탈착기를 포함하고,
    (c) 상기 흡착기 및 상기 탈착기는 상기 작용 화합물로서 가스와 순환적으로 동작되는 것을 특징으로 하는 흡착 압축기.
  19. 흡착 열 펌프에 있어서,
    (a) 가스가 냉매인, 제18항의 흡착 압축기;
    (b) 상기 냉매를 응축하는 제1 미소채널 열교환기;
    (c) 상기 응축된 냉매를 감압하는 팽창기; 및
    (d) 상기 감압된 냉각된 냉매를 증발하는 제2 미소채널 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착 열 펌프.
  20. 수착 열기계에 있어서,
    (a) 다음의 구성요소간에 배치된 다공성 콘택터;
    (b) 상기 다공성 콘택터와 면하는 적어도 하나의 미소 플리넘을 각각이 갖는 2개의 커버, 및
    (c) 안에서 흐르는 유체에 관하여 기계적인 일을 부여하거나 추출하는 상기 적어도 하나의 미소 플리넘에 연결된 가압기계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수착 열기계.
  21. 제20항에 있어서, 상기 다공성 콘택터는 미소 다공성 콘택터이며 하나의 미소 플리넘은 액체를 수용하며 또 다른 미소 플리넘은 가스를 수용하는 것을 특징으로 하는 수착 열기계.
  22. 흡착 열 펌프로서 사용되는 제20항의 미소채널 열 기계.
  23. 흡착기에 있어서,
    약 1밀리미터까지의 두께를 갖는 기하구조의 고형체인 초기 기하구조를 갖는 흡착제; 및
    한 쌍의 시트 중 적어도 하나는 작용 화합물이 상기 흡착제로 질량확산되게 하는 다공성 콘택터인 것으로서, 상기 흡착제를 에워싸거나 봉하는 한쌍의 시트를 포함하며,
    반복된 사이클 후에 상기 흡착제가 부서지고 상기 흡착제가 상기 시트들 간에 효과적으로 보유될지라도 상기 흡착제는 상기 흡착제간에 빠른 질량전달을 달성하는 것을 특징으로 하는 흡착기.
  24. 제1 매질, 제2 매질 혹은 이들 매질이 유체인 상기 제1 매질에서 상기 제2 매질로 작용 화합물의 질량전달을 위한 미소성분 조립체에 있어서,
    (a) 두께를 가지며, 상기 두께를 관통하여 확장하는 복수의 미소 구멍을 또한 가진 미소 다공성 콘택터로서, 상기 미소구멍은 액체의 경계면 장력에 의해 액체가 통과하여 이동되지 못하게 하고 상기 작용 화합물은 통과되게 하는 크기 및 형상의 기하구조를 가지며, 상기 기하구조는 상기 복수의 미소 구멍 각각마다 동일하며, 다음의 구성요소간에 배치된 것인 상기 다공성 콘택터,
    (b) 상기 미소 다공성 콘택터와 제1 적층 사이에 제1 공간 혹은 제1 플리넘을 형성하여, 상기 제1 매질을 수용하며, 상기 제1 플리넘은 상기 제1 매질의 질량전달 경계층 미만의 깊이를 갖는 한 것인 상기 제1 적층; 및
    (b) 상기 미소 다공성 콘택터와 커버 시트간에 제2 공간 혹은 제2 플리넘을 형성하여 상기 제2 매질을 수용하게 한 상기 커버 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 질량전달용 미소성분 조립체.
  25. 제24항에 있어서, 상기 복수의 미소 구멍들은 상기 두께에 평행한 것을 특징으로 하는 질량전달용 미소성분 조립체.
  26. 제24항에 있어서, 상기 복수의 미소구멍들은 랜덤한 방위로 놓인 것을 특징으로 하는 질량전달용 미소성분 조립체.
  27. 제24항에 있어서, 상기 제1 매질은 수성액이며, 상기 제2 매질은 증기 혹은 가스이며, 상기 수성액은 상기 복수의 미소구멍을 통과하지 못하며 상기 작용 화합물은 이들을 통과할 수 있고, 상기 미소구멍 조립체는 흡수기, 탈착기, 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 질량전달용 미소성분 조립체.
  28. 제27항에 있어서, 상기 작용 화합물은 산성가스, 암모니아, 물 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 질량전달용 미소성분 조립체.
  29. 제28항에 있어서, 상기 산성가스는 이산화탄소, 황화수소 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 질량전달용 미소성분 조립체.
  30. 제27항에 있어서, 상기 수성액은 수성 리튬 브로마이드, 수성 디에타놀아민, 수성 암모니아 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 질량전달용 미소성분 조립체.
  31. 제24항에 있어서, 상기 제1 매질은 제1 액체 용매이며 상기 제2 매질은 제2 액체 용매이며, 상기 작용 화합물은 상기 제1 용매와 상기 제2 용매가 협동하여 상기 미소 다공성 콘택터를 통해 상기 제1 혹은 제2 용매는 흐르지 못하게 하고 상기 복수의 미소 구멍들 내에서 상기 제1 용매와 상기 제2 용매를 접촉하게 하여 상기 제1 용매와 상기 제2 용매간에 용질이 전달되게 하는 용질이며, 상기 미소 다공성 콘택터 조립체는 액체-액체 추출기인 것을 특징으로 하는 질량전달용 미소성분 조립체.
  32. 제24항에 있어서, 상기 복수의 미소 구멍 각각은 약 1 마이크론 내지 약 30 마이크로의 기하구조를 갖는 것을 특징으로 하는 질량전달용 미소성분 조립체.
  33. 제30항에 있어서, 상기 플리넘은 약 500 마이크론 미만의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질량전달용 미소성분 조립체.
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