KR20100036322A - 태양열 흡착식 냉각 시스템용 구성요소 및 그 구성요소 제조 방법 - Google Patents

태양열 흡착식 냉각 시스템용 구성요소 및 그 구성요소 제조 방법 Download PDF

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Abstract

흡착제 재료로 형성된 적어도 하나의 흡착제 부재와, 흡착제 부재의 부분과 접촉하여 제공됨으로써, 가스로 하여금 흡착제 부재의 부분을 출입할 수 있게 하는 적어도 하나의 다공성 부재를 포함하는 흡착 구조체가 개시된다. 그러한 흡착 구조체는 흡착-기반형 냉각 시스템에 유용하게 사용된다. 또한, 제 1 밀도를 갖는 제 1 중합체 재료가 제공되고, 제 2 밀도를 갖는 제 2 중합체 재료가 제공되며, 제 2 중합체 재료는 제 1 중합체 재료와 접촉하여 구조체를 형성하는 흡착제 재료를 생성하기 위한 방법이 개시된다. 구조체는 열분해되어 제 1 중합체 재료에 대응하는 제 1 영역과 제 2 중합체 재료에 대응하는 제 2 영역을 포함하는 다공성 흡착제 재료를 형성하며, 여기에서 세공 크기 및 세공 분포 중 적어도 하나는 제 1 영역과 제 2 영역 사이에서 상이하다.

Description

태양열 흡착식 냉각 시스템용 구성요소 및 그 구성요소 제조 방법{COMPONENT FOR SOLAR ADSORPTION REFRIGERATION SYSTEM AND METHOD OF MAKING SUCH COMPONENT}
본 발명은 대체로 히트 펌프 또는 시스템(예컨대, 냉각 시스템), 그러한 시스템에 사용하기 위한 물질 및 그러한 물질을 생산하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 흡착 냉각 시스템(adsorption refrigeration systems)에 사용하기 위한 흡착제 재료(adsorbent materials) 및 그러한 재료를 생산하는 방법에 관한 것이다.
음식, 약 등의 품목을 저온에서 저장하는데 사용되는 냉각 장치(refrigerators)는 일반적으로 전기 작동식 기계 압축기를 사용하여 증기 압축 사이클(vapor compression cycle)로 냉각되는 단열 구조체 또는 컨테이너를 포함한다. 가스 또는 증기 형태의 냉각재(coolant) 또는 냉매(refrigerant)[예컨대, Freon(등록상표) 열전달 유체]가 압축기 내로 도입되며, 이 압축기가 냉매를 압축한다(그에 따라 증기를 가열함). 응결 장치(condenser)가 증기로부터 과잉의 열을 제거하여 끓는점에서 증기를 액체로 응결시킨다. 그 후에 고압 냉매는 그 압력이 급격히 감소하게 되는 팽창 밸브를 통과한다. 이러한 급격한 압력 감소는 냉매의 플래시 기화(flash evaporation) 및 냉각을 야기한다. 냉각된 냉매는 그 후에 열을 흡수하는 유닛 내의 기화기 코일을 통해 이동하며, 이에 의해 단열 컨테이너의 내용물을 냉각시킨다. 그리고, 냉매 기체가 압축기 입구로 되돌아감으로써 열역학적 사이클을 완성하게 된다.
이러한 냉각 장치의 압축기 및 다른 구성요소는 작동하기 위해 전력을 필요로 하며, 이는 통상적으로 AC 아웃렛(outlets) 등에 의해 제공된다. 이동 가능한 적용예(mobile applications)에서 사용하고자 하는 냉각 장치의 경우(즉, 냉각 장치가 이곳저곳으로 이동할 수도 있는 경우임)에서와 같이, AC 전력을 용이하게 입수할 수 없는 경우에는 엔진(예컨대 디젤 엔진) 및 발전기와 같은 다른 전력원이 활용될 수도 있다. 그러나, 전력을 엔진 및 발전기에 의존하는 모바일 냉각 시스템(mobile refrigeration system)은 상대적으로 크고 무거우며 운용 비용이 높다. 예컨대, 유닛에 전력을 공급하기에 충분한 출력을 갖는 엔진을 작동시키기 위해서는 전형적으로 가솔린과 같은 연료의 공급원을 필요로 하는데, 이는 용이하게 입수할 수 없을 수도 있거나 및/또는 상대적으로 입수 비용이 높을 수도 있다. 또한, 이 시스템은 통상적으로 사용되는 전기 기계 시스템을 수용하기 위해 비교적 큰 공간을 차지할 수도 있다.
냉각 사이클 동안 냉매 유체(예컨대 가스)를 흡착 및 제거(desorb)하기 위해 흡착제 재료가 사용되는 흡착-기반형 냉각 시스템(adsorption-based refrigeration system)은 모바일 냉각 시스템에 대한 실현 가능한 선택예를 나타낸다. 그러나, 흡착-기반형 냉각 및/또는 다른 적용예에서 이미 사용된 흡착제 재료는 비교적 신속한 흡착 및 제거 순환 시간이 요구되는 냉각 적용예에 있어서 차선의 특성을 가질 수도 있다.
본 발명은 냉각에 유용한 시스템, 그 시스템에서 사용할 수 있는 예컨대 흡착제 등의 재료, 및 그러한 재료와 시스템을 제조 및 사용하는 방법에 대한 다양한 실시형태에 관한 것이다.
일 실시형태에서, 본 발명은 흡착제 재료로 형성된 적어도 하나의 흡착제 부재와, 흡착제 부재의 부분과 접촉하여 제공됨으로써, 가스로 하여금 흡착제 부재의 부분을 출입할 수 있게 하는 적어도 하나의 다공성 부재를 포함하는 흡착 구조체에 관한 것이다.
다른 실시형태에서, 본 발명은 흡착 구조체 생산 방법에 관한 것으로서, 흡착제 재료의 표면과 접촉되어 있는 다공성 재료를 제공하는 단계와, 흡착제 부재와 접촉되어 있는 적어도 하나의 열전도성 부재를 제공하는 단계를 포함하고, 본 방법에 있어서, 흡착제 재료는 냉매 유체의 저장 및 이송을 허용하도록 구성되어 있고, 다공성 재료는 냉매 유체로 하여금 흡착제 재료의 표면을 횡단할 수 있도록 하며, 열전도성 부재는 흡착제 재료와 열전달 유체 사이에 열을 전달하도록 구성되어 있다.
또 다른 실시형태에서, 본 발명은 흡착-기반형 냉각 시스템에 관한 것으로서, 적어도 하나의 흡착제 부재, 적어도 하나의 흡착제 부재와 접촉되어 있는 적어도 하나의 다공성 부재 및 흡착제 부재와 접촉하도록 제공된 열전도성 부재를 구비하는 흡착 구조체를 포함하고, 열전도성 부재는 흡착제 재료에 및 흡착제 재료로부터 열을 전달하도록 구성되어 있고, 다공성 부재는 냉매 유체가 흡착제 재료로 유입하거나 흡착제 재료로부터 유출할 수 있도록 구성되어 있다.
추가 실시형태에서, 본 발명은 흡착제 재료 생산 방법에 관한 것으로서, 제 1 밀도를 갖는 제 1 활성탄 전구체(activated carbon precursor)를 제공하는 단계와, 구조체를 형성하기 위해, 제 2 밀도를 갖는 제 2 활성탄 전구체를 제 1 활성탄 전구체와 접촉하도록 제공하는 단계와, 내부에 복수의 세공(pores)을 구비하는 흡착제 재료를 형성하도록 상기 구조체를 열분해(pyrolyzing)하는 단계를 포함하고, 본 방법에 있어서, 흡착제 재료는 제 1 활성탄 전구체에 대응하는 제 1 영역과, 제 2 활성탄 전구체에 대응하는 제 2 영역을 포함하며, 세공의 크기 및 세공의 분포 중 적어도 하나는 제 1 영역과 제 2 영역 사이에서 변화한다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 흡착제 부재 형성 방법에 관한 것으로서, 제 1 중합체 부재(polymeric member)를 형성하는 단계와, 제 2 중합체 부재를 형성하는 단계와, 제 2 중합체 부재와 접촉하는 제 1 중합체 부재를 제공하는 단계로서, 제 1 중합체 부재 및 제 2 중합체 부재 중 적어도 하나는 제 1 중합체 부재와 제 2 중합체 부재 사이에 공간이 제공되도록 구성된, 상기 제공 단계와, 제 1 중합체 부재 및 제 2 중합체 부재 내에 비교적 작은 세공이 형성되도록 그리고 상기 공간에 대응하는 위치에 상대적으로 큰 세공을 형성하도록 제 1 중합체 부재 및 제 2 중합체 부재를 열분해하는 단계를 포함한다.
다른 실시형태에서, 본 발명은 중합체 매트릭스(polymeric matrix) 내에 제공된 제 1 물질을 포함하는 부재를 제공하는 단계와, 제 1 물질을 제거하는 단계와, 중합체 매트릭스 내에 세공을 형성하도록 부재를 열분해하는 단계를 포함하는 흡착제 부재 형성 방법에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 제 1 세공 분포를 갖는 제 1 영역 및 제 2 세공 분포를 갖는 제 2 영역을 포함하는 흡착제 재료에 관한 것으로서, 제 1 영역은 제 1 밀도를 갖는 제 1 중합체 재료로 형성되며, 제 2 영역은 제 2 밀도를 갖는 제 2 중합체 재료로 형성된다.
다른 실시형태에 있어서의 본 발명은 탄소 흡착제 상의 소르베이트 가스(sorbate gas)의 적재(loading)를 증가시키기에 충분한 시간 동안 소르베이트 가스 환경 내에서 탄소 흡착제를 고온 및 고압 조건으로 유지시키는 단계를 포함하는 소르베이트 가스에 대한 탄소 흡착제의 적재 용량을 증가시키는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 실시형태, 특징 및 실시예는 이하의 개시 내용 및 첨부된 측허청구범위로부터 보다 완전하게 명백해질 것이다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 흡착제-기반형 냉각 시스템의 개략도,
도 2는 도 1에 개략적으로 도시된 냉각 시스템의 일부로서 제공된 흡착 장치의 단면도,
도 3 및 도 4는 예시적인 실시예에 따른 활성탄 단일체를 도시하는 사진,
도 5는 예시적인 실시예에 따른 다공성 금속 플레이트를 사용하는 흡착 시스템 또는 장치의 개략 단면도,
도 6은 다른 예시적인 실시예에 따른 다공성 금속 플레이트를 사용하는 흡착 시스템 또는 장치의 개략 단면도,
도 7은 예시적인 실시예에 따른 흡착제 재료 및 다공성 금속 재료를 사용하는 흡착 구조체의 개략 단면도,
도 8은 도 7에 도시된 흡착 구조체의 다른 개략 단면도,
도 9는 도 7에 도시된 흡착 구조체의 다른 개략 단면도,
도 10은 다른 예시적인 실시예에 따른 흡착제 재료 및 다공성 금속 재료를 사용하는 흡착 구조체의 개략 단면도,
도 11은 도 10에 도시된 흡착 구조체의 다른 개략 단면도,
도 12는 다른 예시적인 실시예에 따른 흡착제 재료 및 다공성 금속 재료를 사용하는 흡착 구조체의 개략 단면도,
도 13은 도 12에 도시된 흡착 구조체의 다른 개략 단면도,
도 14는 예시적인 실시예에 따른 제 2 상 물질을 갖는 흡착제 재료의 개략 단면도,
도 15 및 도 16은 흡착제 재료의 매트릭스 내에 제공된 열전도성 부재의 용도를 도시하는 도면,
도 17은 예시적인 실시예에 따른 서로 근접하여 제공된 상이한 밀도를 갖는 수개의 층의 중합체 재료를 도시하는 개략 단면도,
도 18은 열분해 전에 서로 접촉하여 제공된 도 17의 층을 도시하는 개략 단면도,
도 19는 열분해 후의 도 17의 층을 도시하는 개략 단면도,
도 20은 다양한 밀도의 영역을 갖는 다른 예시적인 실시예에 따른 흡착제 구조체를 도시하는 개략 단면도,
도 21은 다양한 밀도의 영역을 갖는 다른 예시적인 실시예에 따른 흡착제 구조체를 도시하는 개략 단면도,
도 22는 다양한 밀도의 영역을 갖는 다른 예시적인 실시예에 따른 흡착제 구조체를 도시하는 개략 단면도,
도 23은 예시적인 실시예에 따른 흡착제 재료를 형성하도록 열분해될 미가공(green) 중합체 재료의 형성을 위한 주형의 부분의 개략도,
도 24는 유사한 미가공 중합체 재료 부재와 접촉하여 제공된 도 23에 도시된 주형을 사용하여 형성된 미가공 중합체 재료 부재의 개략도,
도 25는 도 24에 도시된 중합체 재료를 사용하여 형성된 흡착제 재료의 개략도,
도 26은 예시적인 실시예에 따른 미가공 중합체 부재의 구조를 변경하기 위한 처리의 개략도,
도 27 내지 도 30은 2개의 예시적인 실시예에 따른 도 26에 도시된 미가공 중합체 부재를 사용한 흡착제 재료의 형성을 도시하는 도면,
도 31 내지 도 36은 예시적인 실시예에 따라 내부에 세공이 제공되는 흡착제 재료를 형성하는데 사용될 수도 있는 사전 형성된 중합체 요소의 용도를 설명하는 도면,
도 37 내지 도 45는 예시적인 실시예에 따라 흡착제 재료 내에 세공을 형성하기 위해 열분해 과정을 겪게 될 중합체 재료 내의 희생 물질의 용도를 설명하는 도면,
도 46은 예시적인 실시예에 따른 흡착제 구조체의 부분의 개략 단면도,
도 47은 A-A 선을 따라 취한 도 46에 도시된 흡착제 구조체의 개략 단면도,
도 48 내지 도 51은 예시적인 실시예에 따라 에칭 처리를 사용하여 흡착제 재료의 표면에 특징부를 형성하는 방법을 설명하는 도면,
도 52는 예시적인 실시예에 따라 재료 내에서의 세공 프로파일의 형성을 제어하기 위해 접촉 가열이 사용될 수도 있는 열분해 공정 동안 가열 챔버 내에 제공된 재료(예컨대, 압축 중합체 재료)의 개략 단면도,
도 53은 다른 예시적인 실시예에 따라 재료 내에서의 세공 프로파일의 형성을 제어하기 위해 복사 가열이 사용될 수도 있는 열분해 공정 동안 가열 챔버 내에 제공된 재료(예컨대, 압축 중합체 재료)의 개략 단면도,
도 54는 다른 예시적인 실시예에 따라 접촉 가열 및 복사 가열 모두가 사용된 열분해 공정 동안 가열 챔버 내에 제공된 재료(예컨대, 압축 중합체 재료)의 개략 단면도,
도 55는 열분해 후 처리를 받는 흡착제 재료의 개략 단면도,
도 56은 흡착제 재료의 일부가 차폐(masked) 또는 피복(covered)되는 열분해 후 처리를 받는 흡착제 재료의 개략 단면도,
도 57은 일주일의 긴 기간 동안 고온 및 고압 처리를 받은, 탄소 흡착제를 포함하며 아르신 가스로 충전된 2개의 흡착제 용기에 대한 시간의 함수로서의 온도 및 압력 그래프.
본 발명은 냉각에 유용한 시스템, 그 시스템에서 사용할 수 있는 예컨대 흡착제 등의 재료, 및 그러한 재료와 시스템을 제조 및 사용하는 방법에 대한 다양한 실시형태에 관한 것이다. 본 발명은 이하에서 특정한 특징 및 요소에 대하여 다양한 실시예로 개시되어 있지만, 본 발명의 시스템, 장치, 조성물, 공정 및 방법론은 개시된 특징 및 요소의 다양한 조합 및 치환을 활용한 변형된 변화예에 의해 여러 가지 형태 및 배열체로 구성될 수도 있으며 그러한 변형 형태 및 배열체는 본 명세서에 명백하게 기재되어 있는 것처럼 개시되어 있는 것으로 여겨져야 한다는 것을 인식할 것이다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 흡착제 재료는 히트 펌프 및 시스템에의 사용을 위해, 구체적으로는 흡착-기반형 냉각 시스템(예컨대, 모바일 냉각 장치)에 사용하기 위해 제공된다. 흡착제 재료는 냉각 사이클 동안 냉매 유체(예컨대, 가스)의 비교적 신속한 흡착 및 제거를 허용하도록 의도된 세공 구조를 포함한다. 이들 흡착제 재료는 흡착율/제거율이 유체의 이송을 제한하는 적용예 및 시스템(예컨대, 히트 펌프, 냉각 장치 등)에 사용될 수 있다. 예시적인 일 실시예에 따르면, 다공성 금속 또는 세라믹 플레이트와 같은 특징부(또한 열전도성일 수도 있음)가 흡착제 재료의 하나 또는 그 이상의 표면에 인접하게 제공됨으로써 유체로 하여금 그 표면을 통해 흡착제 재료로 유입되거나 흡착제 재료로부터 유출되도록 할 수 있다. 예시적인 다른 실시예에 따르면, 흡착제 재료의 세공 구조는 냉각-기반형 적용예에 보다 더 적합할 수 있도록 제어될 수도 있다.
흡착-기반형 냉각 시스템은 작동을 위해 상대적으로 더 적은 에너지를 필요로 하며, 전기 기계 시스템을 채용하는 종래의 냉각 시스템보다 더 작거나 및/또는 가벼울 수 있다. 종래의 냉각 시스템과 함께 사용되는 종래의 증기 압축 시스템 및 에너지 공급에 의존하는 대신에, 흡착-기반형 냉각 시스템은 주로 태양열 전력을 사용하거나 또는 폐열의 공급 및 열 압축기 시스템을 사용할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 냉각 시스템은 냉매 압축을 이루는 열 구동형 수착 사이클(a thermally driven sorption cycle)로 고체 흡착제 및 작동 유체를 사용하여 냉각시킨다. 이는 전기 에너지보다는 열 에너지로 작동하기 때문에, 시스템의 전기 부하가 급격히 감소될 수 있다. 이러한 시스템은 전기 기계-기반형 냉각 시스템과 비교할 때 상이한 구성요소 서브시스템(예컨대, 열 시스템 대 광발전 시스템 및 열적 압축 대 기계적 압축)의 사용으로 인한 증대된 신뢰성, 주어진 비냉각력(specific cooling power; SCP)에서의 시스템의 향상된 성능계수(coefficient of performance; COP) 및 시스템에 대한 감소된 예상 비용을 제공할 수 있다.
도 1은 냉각 시스템(100)의 일부를 도시하는 개략도이다. 이 시스템은 기화기(110)를 구비한 냉각 컨테이너(refrigerated container)(110)를 포함하는데, 이들은 서로 연관되어 있다. 암모니아(NH3)와 같은 냉매 유체(예컨대 가스)를 흡착 또는 제거하기 위한 흡착제 재료(124)를 포함하는 흡착 장치 또는 시스템(120)이 제공된다. 시스템(100)의 다른 특징부[예컨대, 태양열 집열기, 수착 발생기(sorption generators), 응결 장치 등]는 단순함을 위해 도시되지 않았지만, 흡착-기반형 냉각 장치 시스템 관련 분야의 당업자는 냉각 사이클을 촉진하기 위해 사용 중인 시스템 내에 그러한 다른 특징부들이 제공될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 흡착 장치(120)의 일부에 대한 개략 단면도이다. 흡착 장치(120)는 예시적인 실시예에 따라 수많은 시트(sheets)의 흡착제 재료(124)를 포함한다(예컨대, 예시적인 일 실시예에 따르면 3개 또는 그 이상의 시트임). 흡착제 재료(124)의 각 시트는 하나 또는 그 이상의 면에 제공되는 예컨대 시트 또는 플레이트(122) 형태의 열전도성 부재를 구비한다[그러한 열전도성 플레이트는 금속으로 제조되거나 또는 CPS사로부터 상용화된 알루미늄 실리콘 카바이드 금속 매트릭스 복합 재료(aluminum silicon carbide metal matrix composites) 등의 금속 매트릭스 복합 재료와 같은 다른 적합한 재료로 제조될 수도 있음]. 열 교환 유체는 종래의 열 교환기에서 발생하는 것과 유사한 방식으로 열전도성 플레이트(122)를 가로질러(예컨대 접촉하여) 통과한다. 인접한 열전도성 플레이트(122)는 간격을 두고 이격되거나(예컨대 도 2에 도시된 바와 같음), 또는 열전달 유체가 플레이트 사이를 통과할 수 있도록 인접한 플레이트에 절결부가 형성되도록 서로 접촉하여 제공될 수도 있다.
냉매 유체[예컨대, 암모니아(NH3)와 같은 가스 또는 다른 가스]는 냉각 사이클 동안 흡착제 재료(124)에 의해 흡착/제거되도록 흡착 장치로부터 및 흡착 장치로 경로 설정될 수도 있다. 다른 예시적인 실시예에 따라 열전도성 플레이트(122)와 흡착제 재료(124) 사이에 공간 또는 빈 틈(void)을 형성하여 냉매 유체(예컨대 가스)로 하여금 금속 플레이트와 흡착제 재료 사이를 유동하도록 하기 위해 스페이서(spacers)(도시되지 않음)가 제공될 수도 있다.
플레이트 및 흡착제 재료의 배향은 도 2에 도시된 것과 상이할 수도 있다(예컨대, 플레이트 및 흡착제 재료는 도 2에 도시된 구조체가 90°만큼 회전하도록 변형된 방식으로 적층될 수도 있고 또는 다른 적당한 배향으로 제공될 수도 있음). 금속 플레이트 및 흡착제 재료의 시트 또는 블록의 조성(composition), 수, 크기, 형상 및/또는 구성(configuration)은 다양한 예시적 실시예에 따라 달라질 수도 있음을 유의해야만 한다.
예시적인 실시예에 따르면, 냉매 유체(예컨대 가스)는 암모니아(NH3)를 포함한다. 다른 예시적인 실시예에 따르면, 냉매는 물 및/또는 메탄올을 포함할 수도 있다. 이들 냉매(암모니아, 물 및 메탄올)의 각각은 비교적 높은 단위 부피당 잠열을 갖는다. 암모니아 및 R134A 냉매의 냉각 용량(cooling capacity)과 비교하면, R134A-탄소 시스템은 암모니아-탄소 흡착 시스템의 경우와 유사한 성능을 위해 3배의 탄소 질량을 필요로 한다. R32 및 부탄 냉매에 대하여도 유사한 관계가 얻어졌다.
흡착제 재료는 활성탄을 포함할 수 있다. 다른 흡착제 재료(예컨대, 비석)가 활용될 수 있다.
흡착제 재료는 예컨대 미국 코네티컷주 댄버리 소재의 어드밴스드 테크놀로지 머티리얼사(Advanced Technology Materials, Inc.; 이하, "ATMI")로부터 상용화된 가스 저장 및 이송 시스템 내에서 사용 가능한 타입의 흡착제와 같은 활성탄 단일체 흡착제이거나 또는 그를 기초로 한 것일 수 있다(예컨대, 흡착제 활성탄 재료의 2개의 단일체를 도시하는 도 3 및 도 4의 도면에 도시된 바와 같음). 활성탄 재료 및/또는 가스 저장 및 이송 시스템의 예들은 그 개시 내용이 본 명세서에 참고용으로 전체로서 통합되어 있는 하기의 미국 특허에 기재되어 있는데, 이는 커러더스(Carruthers)의 미국 특허 제 6,743,278 호, 톰(Tom) 등의 미국 특허 제 5,518,528 호, 톰 등의 미국 특허 제 5,985,008 호, 톰의 미국 특허 제 5,761,910 호, 톰의 미국 특허 제 5,916,245 호, 톰 등의 미국 특허 제 6,764,755 호, 브레스토반스키(Brestovansky) 등의 미국 특허 제 6,991,671 호, 틈 등의 미국 특허 제 6,027,547 호, 티슐러(Tischler) 등의 미국 특허 제 6,019,823 호, 톰의 미국 특허 제 5,917,140 호, 톰 등의 미국 특허 제 5,993,766 호, 톰 등의 미국 특허 제 5,704,965 호, 톰 등의 미국 특허 제 5,707,424 호, 톰 등의 미국 특허 제 5,704,967 호이다.
활성탄 단일체 흡착제의 다공도(porosity)는 특정 적용예에서 광범위하게 변화될 수 있지만, 많은 실시예에서의 단일체는 초미세공성(nanoporous) 재료이다. 일 실시예에서, 초미세공성 재료는 전체 다공도 중 적어도 30%가 0.3 내지 0.72 나노미터 범위의 크기를 갖는 슬릿형 세공으로 구성되며 전체 다공도 중 적어도 20%가 2 나노미터 미만의 직경을 갖는 미세공(micropores)으로 구성된다. 다른 실시예에서, 초미세공성 재료는 상이한 세공 조성을 가질 수 있다(예컨대, 초미세공 재료에 대하여 증가된 투과성을 제공하기 위해 비교적 큰 세공의 비율이 상대적으로 더 클 수도 있음).
흡착 냉각 및 히트 펌프 적용예에서 사용하기 위한 몇몇 활성탄의 열물리적 특성과 관련하여, 표 1에서는 단일체 탄소 샘플에 대한 전형적인 수치와 상술한 상용화된 ATMI 활성탄을 비교하였다.
열물리적 특성 전형적인 단일체 ATMI 단일체
용적 밀도, ㎏/m-3 750 1120
열전도성, Wm-1K-1 0.44 0.92
한계 농도(NH3), ㎏·㎏-1 탄소 0.36 0.24
방사형 투과율, Krm2 1000-3500×10-16 9×10-16
비열, J㎏-1K-1 1080 1000
탄소 단일체 사용의 한가지 장점은 그러한 구조체가 비교적 높은 체적 분율(volume fraction)의 미세공을 가지며 이에 의해 단위 부피당 고 용량의 냉매 저장을 제공한다는 점이다. 다른 유리한 특징들에는 비교적 높은 열전도성 및 단일 피스로서 정밀 허용 오차의 기하학적 설계서를 만족하도록 제조되는 능력을 포함한다(시간의 경과에 따라 마멸되기 쉬운 과립형(granular) 또는 구슬형(beaded) 흡착제와 반대임).
흡착제 재료의 구조(structure)는 냉각 적용예에서 향상된 성능을 제공하도록 적절하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 흡착제 재료는 다른 특성에 악영향을 미치지 않으면서 질량 전달 능력 및/또는 열전도성을 향상시키도록 최적화될 수 있다. 소망하는 수착 특징과 바람직한 열 및 질량 전달 특성 사이에서 균형을 맞추는 흡착제 재료를 제공하는 것이 바람직하다.
절충안은 활성탄 재료의 물리적 특성 프로파일의 최적화와 관련될 수 있다. 예를 들어, 재료의 투과성을 증가시키는 것은(예컨대, 신속하게 순환하는 열 수착 압축 시스템에서 전체 시스템 성능을 개선할 목적으로 질량 전달을 향상하기 위함임) 전형적으로 재료의 밀도의 감소를 필요로 한다. 이는 그에 따라 재료의 체적 저장 용량 및 열전도성을 감소시킬 수 있다. 활성탄 단일체 특성의 전체 프로파일은 본 명세서의 개시 내용을 근거로 관련 기술 범위 내에서 용이하게 시스템 성능을 높이도록 설계될 수 있다.
일반적으로 말하자면, 활성탄 단일체는 적절한 활성탄 전구체의 열분해 생성물로서 형성될 수 있는데, 이러한 활성탄 전구체의 예에는 중합체 재료, 또는 폴리염화비닐리덴(polyvinylidene chloride), 페놀-포름알데히드 수지, 폴리퍼르퍼릴 알콜(polyfurfuryl alcohol), 코코넛 껍질, 땅콩 껍질, 복숭아씨, 올리브씨, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 등의 다른 적절한 재료뿐만 아니라, 압력-몰딩 가능한(pressure-moldable) 다른 재료[예컨대, 몰딩 압력(molding pressure)은 대략 20,000psi(1406.134㎏f/㎝2) 또는 그 이상까지임] 등이 있다. 본 설명을 위해서는 활성탄 전구체가 중합체 재료로 언급될 것이지만, 다양한 다른 예시적인 실시예에 따라 임의의 적절한 활성탄 전구체가 사용될 수 있음을 이해해야만 한다.
재료는 "미가공 수지(green resin)" 본체를 형성하도록 고압에서 몰딩되며 1000℃ 이하의 온도에서 열분해된다(바람직하게는 약 900℃를 초과하지 않으며, 예컨대 약 500℃ 내지 약 900℃의 범위, 보다 바람직하게는 약 600℃ 내지 약 900℃의 범위 내임). 열분해 공정은 단일체 내에 세공을 형성하기 위해(예컨대, 단일체로부터 HCl 또는 다른 가스를 방출시키는 것에 의함) 그리고 탄소를 활성화하여 냉매 유체(예컨대, 가스)가 단일체 내에 흡착될 장소를 제공하기 위해 비산화 분위기(non-oxidizing atmosphere) 내에서 수행될 수 있다. 흡착제 탄소 단일체를 생산하기 위한 공정의 다른 세부 사항 및 그러한 단일체의 특성은 그 전체 개시 내용이 본 명세서에 참고용으로 통합되어 있는 커러더스의 미국 특허 제 6,743,278 호에 기재되어 있다.
커러더스의 미국 특허 제 6,743,278 호에 기재된 방법을 사용하여 생산된 활성탄은 비교적 균일한 세공 산물을 갖는다(예컨대, 세공은 단일체 전체에 걸쳐서 대체로 균일하게 제공되며 예컨대 대략 0.5 내지 1 나노미터의 비교적 균일한 크기를 가짐).
흡착제 재료의 크기, 형상 및 구성은 다양한 다른 예시적인 실시예에 따라 예컨대 형상, 크기 및 구성에 있어서 변경될 수도 있다. 예를 들어, 흡착제 재료는 대략 150㎜×150㎜×4㎜ 내지 300㎜×300㎜×25㎜의 치수를 갖는 블록으로서 제공될 수도 있다(예컨대, 250㎜×250㎜×10㎜임).
도 2에 도시된 바와 같이, 수많은 시트의 흡착제 재료(124)가 예시적인 실시예에 따른 흡착 구조체(120) 내에 제공된다. 흡착제 재료(124)의 각 시트는 그 양면 상에 제공된 열전도성 플레이트 또는 시트(122)를 구비한다. 열 교환 유체가 열전도성 플레이트(122)를 가로질러(예컨대, 접촉하여) 통과한다. 인접한 열전도성 플레이트(122)는 간격을 두고 이격되거나(예컨대 도 2에 도시된 바와 같음), 또는 열전달 유체가 플레이트 사이를 통과할 수 있도록 인접한 플레이트에 절결부가 형성되도록 서로 접촉하여 제공될 수도 있다(열전달 유체는 냉매 유체로부터 분리되어 있음을 유의해야 함).
도 2에 도시된 것과 같은 배열을 갖는 흡착 시스템과 관련된 한가지 문제점은 구조체를 통한 질량 전달이 열전도성 플레이트(122)를 형성하는 고체 금속 재료에 의해 제한된다는 것이다. 따라서, 냉매 유체(예컨대, 가스)는 열전도성 플레이트(122)와 접촉하여 제공되지 않은 흡착제 재료(124)의 표면[예컨대, 도 2에 도시된 바와 같은 상단 및 바닥 에지 상의 표면(126, 128)]을 통해 비교적 자유롭게 흡착제 재료(124)를 출입할 수도 있지만, 플레이트(122)와 흡착제 재료(124)가 접촉되어 있는 곳에서는 냉매 유체(예컨대, 가스)가 열전도성 플레이트(122)에 의해 구속된다. 냉매 유체가 흡착제 재료로부터 유출될 수도 있는 위치의 수를 제한함으로써, 시스템의 질량 전달율 및 질량 전달 효율이 태양열 흡착 냉각 시스템과 같이 비교적 신속하게 순환하는 적용예에 대하여는 최적이 아닐 수도 있다.
예시적인 일 실시예에 따르면, 시스템의 질량 전달 효율을 향상시키기 위해 다공성 재료[예컨대, 여과(filtration) 적용예에서 사용되는 것과 유사한 다공성 금속 재료]로 제조된 플레이트가 사용될 수도 있다. 흡착제 재료에 의해 흡착되거나 또는 흡착제 재료로부터 제거되는 냉매 유체(예컨대, 가스)는 도 2에 도시된 실시예의 경우에서와 같이 구속되지 않고 다공성 금속을 통해 이동할 수도 있다.
도 5는 냉각 시스템에 사용하기 위한 흡착 시스템(220)의 부분에 대한 개략 단면도이다. 흡착 시스템(220)은 복수의 다공성 플레이트(222)(예컨대, 다공성 금속 플레이트)를 포함하며, 각각의 플레이트(222)는 흡착제 재료(224)(예컨대, 활성탄)의 시트 또는 블록의 한 면과 접촉하거나 또는 그에 매우 근접하여 제공된다. 다공성 플레이트(222) 및 흡착제 재료(224)는 금속 플레이트(223)(즉, 비-다공성 플레이트) 사이에 샌드위치되어 시스템으로부터의 열을 열전달 유체로 전달한다.
플레이트(222) 및 흡착제 재료(224)의 배향은 도 5에 도시된 것과 다를 수도 있다(예컨대, 플레이트 및 흡착제 재료는 도 5에 도시된 구조체가 90°만큼 회전하여 하나 위에 다른 하나가 쌓이는 변형된 방식으로 적층될 수도 있고 또는 상이한 형상 및 크기를 포함하여 다른 적당한 배향으로 제공될 수도 있음).
플레이트(222)를 형성하는데 사용된 재료는 냉매 유체(예컨대, 가스)가 비교적 자유롭게 관통하도록 구성된 비교적 다공성의 재료이다. 이와 같이, 흡착제 재료(224)로부터 흡착 또는 제거되는 냉매 유체(예컨대, 가스)는 흡착제 재료(224)의 덮이지 않은 표면[예컨대, 표면(226, 228)]뿐만 아니라, 하나 또는 그 이상의 플레이트(222)에 인접한 흡착제 재료의 표면[예컨대, 도 5에 도시된 표면(230)]을 통해서도 흡착제 재료(224)를 출입할 수 있다.
다공성 금속(예컨대, 은, 알루미늄, 니켈, 구리), 다공성 금속 합금, 다공성 세라믹 및 다른 적합한 다공성 재료를 포함하는 다양한 다공성 열전도성 재료 중 임의의 재료가 플레이트(222)를 형성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 여과 적용예에서 활용되는 다공성 금속이 사용될 수도 있다. 그러한 재료의 일 예로는 모트 포러스 메탈사(Mott Porous Metals Inc.)로부터 상용화된 1/16인치(1.656㎜) 두께의 316L 스테인레스 강 다공성 금속 시트가 있다. 일반적으로, 다공성 열전도 재료는 임의의 적절한 형태학적 특성을 갖는 것일 수 있으며 임의의 적절한 열전도성 재료를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 다공성 열전도 재료는 소결 금속 매트릭스 재료, 직조 또는 부직 금속 패브릭(a woven or non-woven metal fabric), 금속 스크린(metal screen) 또는 다른 유공성(foraminous) 금속 시트 재료, 및 단일한 다공성 물체를 형성하는 열 및 압력 하에서 고결된(consolidated), 금속 입자 또는 다른 불연속적 형태의 물체를 포함하는 혼합 또는 복합 재료와 같은 금속 재료를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 플레이트(222)는 냉매 유체(예컨대, 가스)로 하여금 비교적 자유롭게 관통하여 이동하도록 구성되어 있는 다공도 프로파일을 갖는다. 예를 들어, 플레이트(222)는 대략 25 내지 40%의 다공도 및 대략 0.1 내지 100 마이크로미터의 평균 세공 크기를 가질 수 있다. 다공성 플레이트에 대한 다공도 및 세공 크기는 희망하는 플레이트의 성능 특성에 따라 달라질 수 있다.
도 6에 도시된 다른 예시적인 실시예에 따르면, 흡착 구조체(320)는 복수의 시트 또는 플레이트의 흡착제 재료(324)를 포함하며, 각 흡착제 재료(324)는 그와 연관된 2개의 열전도성 플레이트(323)를 구비하여 흡착제 재료(324)로부터의 열전달에 대비한다. 다공성 플레이트(322)는 흡착 시스템(320) 내에 사용된 흡착제 재료(324)의 시트의 양면에 접촉하여 제공된다. 이와 같이, 냉매 유체(예컨대, 가스)는 흡착제 재료(324)의 양 표면[예컨대, 표면(330, 332)] 내로 및 그로부터 유동할 수 있다.
도 5 및 도 6은 비교적 평평한 플레이트의 흡착제 재료가 대체로 평평한 다공성 금속 플레이트와 접촉하여 제공되는 흡착 시스템을 도시하지만, 다른 구성도 사용될 수 있다.
예를 들어, 도 7 내지 도 9는 흡착 장치 또는 시스템(400)의 부분에 대한 개략 단면도이다. 시스템(400)은 금속(예컨대, 알루미늄, 니켈, 구리, 은), 금속 합금(예컨대, 알루미늄, 니켈, 구리 또는 다른 적합한 금속의 합금, 스테인레스 강 등), 세라믹 또는 다른 적합한 재료로 제조된 하우징 또는 케이싱(casing)(402)을 포함한다. 예시적인 일 실시예에 따르면, 하우징(402)은 하나 또는 그 이상의 구멍 또는 개구(도시되지 않음)를 구비하여, 냉매 유체(예컨대, 가스)로 하여금 하우징(402) 내로 및 그로부터 이동할 수 있게 함으로써 내부에 제공된 흡착 재료로부터 냉매 유체가 흡착/제거될 수 있게 할 수 있다.
하우징(402) 내에는 활성탄과 같은 흡착제 재료로 형성된 수많은 부재 또는 요소(이하, "흡착제 부재"라 함) 및 다공성 금속과 같은 다공성 재료로 형성된 수많은 부재 또는 요소(이하, "다공성 부재"라 함)를 포함하는 구조체 또는 배열체(404)가 제공된다. 흡착제 부재 및 다공성 부재의 크기, 형상, 조성 및 구성은 다양한 예시적인 실시예에 따라 달라질 수 있다. 예시적인 일 실시예에 따르면, 모든 흡착제 재료는 대체로 평행 직육면체(rectangular parallelpiped) 형상을 가지며, 각각의 흡착제 부재는 유사한 또는 동일한 조성 및 세공 구성을 갖는다. 다른 예시적인 실시예에서, 상이한 세공 구성을 갖는 흡착제 부재가 사용될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 대체로 평행 직육면체 형상을 갖는 수많은 흡착제 부재(410)는 시트 또는 플레이트 형태의 다공성 부재를 사용하여 하우징(402) 및 다른 흡착제 부재 양자 모두로부터 이격된다. 다공성 금속 플레이트(421, 422, 423, 424, 425, 426)는 하우징(402)의 6개의 면에 접촉하여 제공되지만, 다공성 부재(427, 428)는 흡착제 부재(410)를 서로 분리하는 대체로 직각의 그리드(grid) 또는 매트릭스를 형성한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 다공성 부재(428)는 다공성 부재(423)로부터 다공성 부재(424)까지 연장되는 반면에, 다공성 부재(427)는 2개의 다공성 부재(428) 사이에서[예컨대, 다공성 부재(427a) 참조] 또는 다공성 부재(428)와 다공성 부재(412) 또는 다공성 부재(422) 중 어느 하나 사이에서[예컨대, 다공성 부재(427b) 참조] 연장된다. 본 발명의 범위 내에서 도 9에 도시된 것과 유사한 그리드 또는 매트릭스를 형성하기 위해 다공성 부재에 대한 다른 구성이 사용될 수 있음을 인식할 것이다.
도 5 및 도 6에 도시된 실시예에서와 같이, 유리하게도 다공성 부재[예컨대, 다공성 부재(421 내지 428)]의 사용은 흡착 장치(400) 내에서의 냉매 유체(예컨대, 가스)의 비교적 효율적인 질량 전달을 허용한다.
도 10 및 도 11에 도시된 다른 실시예에 따르면, 흡착 장치(500)는, 대체로 관형 부재(508)에 결합되거나 또는 그와 일체로 형성된 단부 부재(504, 506)를 갖는 대체로 원통형 하우징 또는 케이싱(502)을 포함한다. 다공성 금속 부재(521)(예컨대, 대체로 원형 디스크의 형태임)가 하우징(502)의 단부(504)와 접촉하여 제공되며, 대체로 관형 다공성 금속 부재(521)가 하우징(502)의 대체로 관형 부재(508)와 접촉하여 제공된다. 대체로 원형 디스크 또는 원통 형태의 흡착제 재료(510) 및 대체로 원형 링(512, 514, 516)은 다공성 금속 부재(522, 523, 524)를 사용하여 서로 분리되어 있다.
흡착 장치(500)는 복수의 층 또는 레벨의 흡착 부재 및 다공성 금속 부재를 포함하며, 여기서 많은 층 또는 레벨은 대체로 원형 다공성 금속 디스크(525)에 의해 분리된다. 다른 예시적인 실시예에 따르면, 흡착제 부재[예컨대, 부재(510, 512, 514, 516)] 및 다공성 금속 부재[예컨대, 부재(522, 523, 524)]는 원통형 흡착 구조체의 전체 축방향 크기를 따라 연장될 수 있다[즉, 인접한 층을 분리하는 다공성 금속 디스크(525)와 같은 부재가 존재하지 않게 됨].
도 12 및 도 13은 다공성 부재(예컨대, 다공성 금속 부재)가 흡착 재료의 매트릭스 내에 제공된 흡착 장치(600)를 도시한다. 흡착 장치는 대체로 평형 직육면체 형상을 갖는 하우징 또는 케이싱(602)을 포함하지만, 하우징의 크기, 형상 및 구성은 다른 예시적인 실시예에 따라 달라질 수도 있다.
내부에 포함된 다공성 부재 또는 요소(620)(예컨대 다공성 금속 부재)를 갖는 흡착제 재료(610)가 하우징 내에 제공된다. 도시된 바와 같이, 다공성 부재(620)는 대체로 원형 단면을 갖는 기다란 막대 형태로 제공된다. 다른 예시적인 실시예에 따르면, 다공성 부재(620)는 정사각형, 직사각형 또는 다른 단면 형상을 가질 수 있다. 또한, 선택적인 다공성 금속 플레이트(도시되지 않음)가 하우징(602)의 하나 또는 그 이상의 내면과 접촉하게 제공되어 흡착제 재료(610)를 하우징(602)으로부터 이격시킬 수도 있다.
흡착제/다공성 금속 구조체에 대한 다른 실현 가능한 구성의 다양성을 고려하면, 장치의 전체 흡착제 용량이 가능한 한 크도록 흡착제 구조체 내에서 흡착제 재료가 비교적 큰 부피를 차지하는 구성을 활용하는 것이 대체로 바람직하다. 이는 다공성 금속 시트/링/원통이 바람직하게는 흡착제 재료의 2개의 인접한 블록을 분리하는 방향으로 매우 얇아야만 한다는 것을 의미한다. 흡착제 재료 및 다공성 금속의 최적의 치수(금속의 다공도도 포함함)는 본 명세서의 개시 내용을 근거로 관련 기술 분야 내에서 구체적인 적용예에 맞출 수 있다.
도 7 내지 도 13에 도시된 것과 같은 다공성 금속 부재를 사용하는 것의 한가지 유리한 특징은 금속의 비교적 높은 열전도도가 흡착 장치 내에서의 열전달을 촉진하는 반면에, 금속의 다공도가 흡착 물질(adsorbate)의 질량 전달을 촉진할 것이라는 점이다.
상기의 실시예에 대하여 기술된 다공성 금속 재료는 사전 형성된 형태로 제공될 수 있으며, 또는 흡착 구조체의 형성과 연계하여 형성될 수도 있다. 예를 들어, 열분해 전에 "미가공" 중합체에 구멍을 형성할 수 있다[예컨대, 재료 내로 드릴링(drilling)하는 것에 의함]. 그 후, 형성된 구멍 내에 다공성 금속(예컨대, 니켈 스펀지 재료)이 열분해 전 또는 후에 제공될 수 있다. 또한, 흡착제 재료 내에서의 열전도를 향상시키기 위해 구멍 내에 비-다공성 금속을 제공하는 것이 바람직할 수도 있다. 다공성 및 비-다공성 금속 재료 모두는 흡착제 재료보다 더 높은 열전달 능력을 보이기 때문에, 결과적인 흡착제 재료의 열전달 특성은 상당히 향상될 수 있다.
흡착제 재료(예컨대, 상기의 다양한 예시적인 실시예와 관련하여 기술된 흡착제 재료)의 열전달 특성을 향상시키기 위해, (열분해 전 또는 후에) 흡착제 재료 내에 제 2 상(phase)으로서의 상이한 물질을 포함하는 것이 바람직할 수도 있다. 제 2 상은 동일 물질 내에서의 흡착제 가스의 빠른 이동 및 비교적 신속한 열전도를 가능케 하는데 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 제 2 상 물질은 다이아몬드형 탄소(diamond-like carbon)이다. 다른 실시예에서는 다이아몬드 나노 결정 또는 마이크로 결정, 탄소 나노튜브, 또는 다른 적절한 탄소-기반형 또는 비-탄소-기반형 물질을 포함하는 다른 물질이 제 2 상 물질로서 사용될 수도 있다. 구체적인 일 실시예에서, 제 2 상 물질은 미국 애리조나주 템피 소재의 사이텍 엔지니어드 머티리얼(Cytec Engineered Materials)에 의해 Thermalgraph(등록상표)로 상용화된 탄소 파이버를 포함한다. 다른 실시예에서, 제 2 상 물질은 니켈 입자, 니켈 폼 재료(nickel foam materials), 니켈 와이어, 금속 메쉬(metallic mesh), 금속 비드(metallic beads) 또는 금속 파이버, 또는 CIP/HIP 정렬 파이버(CIP/HIP aligned fibers)를 포함할 수 있다. 또한, 다른 물질이 사용될 수 있다.
제 2 상 물질은 임의의 적절한 방법을 사용하여 흡착제 재료 매트릭스 내에 제공될 수 있으며, 현장 내에서(in situ) 또는 현장 외에서(ex situ) 형성될 수도 있다. 일 실시예에서, 제 2 상 물질(예컨대, 다이아몬드형 탄소와 같은 현장 외에서의 다이아몬드 물질)은 프레싱(pressing) 및 열분해 전에 흡착제 재료를 형성하는데 사용되는 중합체와 직접 혼합된다(열분해 조건은 다이아몬드 물질의 산화를 피하기 위해 세심하게 제어되어야만 한다). 다른 실시예에서, 비교적 고온의 열분해 공정 동안 다이아몬드형 탄소 또는 다른 희망하는 제 2 상 물질이 생성되도록 재료 내에 촉매가 제공된다.
다양한 실시예에서, 제 2 상 물질은 일단 중합체 재료 내에 제공되면 정렬될 수 있다. 예를 들어, 음향 수단 또는 자성 수단(예컨대, 자계의 인가 수단)이 제 2 상 물질의 입자 또는 파이버를 정렬시키는데 사용될 수도 있다. 특정 실시예에서, 중합체 블록은 내부에 혼합된 제 2 상 물질이 압출 성형 공정 동안 정렬되는 방식으로 압출 성형될 수 있다. 또한, 입자의 정렬을 위한 다른 방법이 사용될 수도 있다[예컨대, 중합체 혼합물 내로 고 열전도성 파이버를 스핀 코팅(spin coating)하는 방법, 중합체를 블록 또는 다른 형상으로 프레싱하기 전에 외부장(external field)에 의해 파이버가 배향될 수 있도록 중합체 매트릭스 내의 파이버에 정전하를 인가하는 방법, 등].
추가 실시예에서, 열분해 전에 흡착제 재료를 형성하는데 사용된 중합체 재료 내에 얇은 금속 플레이트 또는 막대(또는 다른 소정의 형상임)가 혼합된다. 일단 열분해가 완료되면, 금속 성분이 재료 내에 포함되어 향상된 열전달을 재료에 제공한다.
다른 실시예에 따르면, 흡착제 재료 내에 하나 이상의 구멍을 드릴링하고 제 2 상 물질로 구멍을 다시 충전함(예컨대, 재료의 부분을 관통하는 금속 막대를 생성하기 위함임)으로써, 열분해 전 또는 후에 제 2 상 물질이 흡착제 재료에 첨가된다. 다른 실시예에서, 금속-함유 가스 분자(예컨대, WF6)가 재료의 세공 및/또는 구멍 내로 흡착되며, 그 후에 분자의 열분해가 후속된다. 또 다른 실시예에서, 텅스텐과 같은 금속이 재료의 세공 및/또는 구멍 내에 증착된다. 다른 실시예는 주입된 화합물[예컨대, 니켈 구연산염(nickel citrate)]을 열분해할 때 흡착제 재료 내에 금속을 남기도록 흡착되는 금속-함유 용액을 활용한다.
제 2 상 물질은 흡착제 재료 전체에 걸쳐서 비교적 균일하게 제공될 수 있으며, 또는 흡착제 재료 내의 선택된 위치에만 제공될 수도 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 흡착제 재료(600)(예컨대, 활성탄)의 시트 또는 블록은 전체에 걸쳐서 균일하게 분포된 제 2 상 물질(610)(재료 내에서 점으로 도시됨)을 내부에 통합하고 있다.
선택적으로, 제 2 상 물질은 흡착제 재료 내에서 선택된 위치에만 제공될 수 있으며, 및/또는 제 2 상 물질의 제 2 상 또는 농도의 배열이 선택된 위치에서 달라질 수 있는 방식으로 제공될 수도 있다. 예를 들어, 제 2 상 물질은 향상된 열전달을 희망하는 위치에만 선택적으로 중합체 내에 제공될 수 있으며, 일단 중합체가 열분해 전에 희망하는 형상으로 압축되면, 제 2 상 물질은 동일한 위치에 잔존할 것이다.
제 2 상 물질의 양 및/또는 위치를 조절함으로써, 흡착제 재료의 열용량 및 열전도도 변경될 수 있다. 하나가 재료에 대한 침투한계(percolation limit)에 도달하는 경우, 예를 들어 다이아몬드 대 다이아몬드 접촉을 통한 연속적인 열전도 경로를 갖는 것이 가능할 수 있다.
도 15 및 도 16에 도시된 다른 예시적인 실시예에 따르면, 흡착제 구조체(700)는 흡착제 재료의 매트릭스(720) 내에 제공된 열전도성 부재(700)(예컨대, 금속 부재)를 포함할 수도 있다. 기판 내에 구멍을 드릴링하여 그 구멍을 열전도성 재료로 충전할 수 있다. 드릴링 및 충전 단계는 열분해 전 중합체 부재 내에서 또는 열분해 후 흡착제 재료 상에서 수행될 수도 있으며, 구멍을 충전하기 위해서는 임의의 적절한 방법이 사용될 수도 있다. 구멍을 충전하는 한 방법은 금속으로 구멍을 주조하는 것이다.
열전도성 재료는 희망하는 재료의 열전도도 및 흡착제 재료와 전도성 재료 사이의 열팽창 차이를 포함하여 일정한 수의 기준을 근거로 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 열전도성 재료로서 실리콘이 사용된다. 다른 실시예에서는 알루미늄이나 알루미늄 합금 또는 다른 금속이나 다른 금속 합금이 사용될 수도 있다.
본 명세서에 기술된 흡착 쿨링(cooling) 시스템이 모바일 냉각 장치와 같은 냉각 시스템에서 활용되는 것으로서 논의되었지만, 그러한 흡착 시스템은 다른 시스템 내에서 사용될 수도 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 다양하게 기술된 재료를 사용하는 흡착 시스템은 수영장에 대하여 수동적인 쿨링 또는 가열을 제공하는 시스템에 활용될 수도 있다. 다른 예로서, 본 명세서에서 다양하게 기술된 재료를 사용하는 흡착 시스템은 쿨링 설비(예컨대, 실험실 설비, 제조 설비 등)용 시스템이나, 가정용 에어 컨디셔닝을 제공하는 시스템에 활용될 수 있다. 또한, 흡착 시스템은 냉각(refrigeration) 또는 쿨링이 요구되는 광범위한 다른 적용예에 사용될 수도 있음을 인식할 것이다.
본 상세한 설명에서의 상대적인 위치에 대한 임의의 기준[예컨대, "상단(top)" 및 "바닥(bottom)"]은 단지 도면에서 배향되어 있는 대로의 다양한 요소들을 식별하기 위해 사용되는 것임을 유의해야 한다. 특정 구성요소의 배향은 그 구성요소가 사용되는 적용예에 따라 크게 달라질 수도 있다.
본 개시 내용을 위해, 용어 "결합된(coupled)"은 2개의 부재가 직접 또는 간접적으로 상호 연결되는 것을 의미한다. 그러한 연결은 사실상 고정되어 있거나 또는 사실상 이동 가능할 수도 있다. 그러한 연결은 2개의 부재를 사용하여 얻어질 수도 있고, 또는 2개의 부재 및 임의의 추가 중간 부재(들)가 서로에 대하여 또는 2개의 부재와 하나의 단일체로서 일체 형성될 수 있으며, 또는 2개의 부재 및 임의의 추가 중간 부재(들)가 서로 부착될 수 있다. 그러한 연결은 사실상 영구적일 수도 있고, 또는 사실상 제거 또는 해제 가능할 수도 있다.
대체로 균일한 세공 프로파일(예컨대, 세공 크기 및 세공의 수가 재료 전체에 걸쳐서 비교적 일정함)을 갖는 흡착제 재료를 생성하는 것이 바람직한 경우, 중합체 재료(예컨대, 폴리염화비닐리덴)로 제조된 압축 블록, 시트 또는 다른 부재가 중합체 재료를 비교적 균일하게 가열하는 가열 챔버 또는 노(furnace)(예컨대, 약 1000℃ 이하의 온도에서의 대류 가열을 사용함) 내에 제공된다. 중합체 재료는 중합체 재료를 현수하는 막대 또는 다른 구조체에 의해 중합체 재료의 외부 표면 중 극히 일부분만이 접촉됨으로써 대류에 의한 비교적 균일한 재료의 가열을 보장하도록 현수되어 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 흡착제 재료 내에서의 상이한 크기의 세공을 포함하는 및/또는 흡착제 재료 내에서의 상이한 밀도의 세공을 포함하는 세공 프로파일을 갖는 흡착제 재료(예컨대, 활성탄 재료)를 활용하는 것이 바람직할 수도 있다. 일 실시예에 따르면, 대략 0.5 내지 1.0 나노미터의 직경을 갖는 비교적 작은 세공이 흡착제 재료의 하나 이상의 영역 내에 형성될 수도 있으며, 동시에 대략 1.5 내지 4.0 나노미터 또는 그 이상의 직경을 갖는 비교적 큰 세공이 흡착제 재료의 하나 이상의 영역 내에 형성될 수도 있다.
다량의 비교적 작은 저장 세공을 갖는 흡착제 재료는 다량의 냉매 유체 또는 가스를 저장하는 것이 바람직할 수도 있지만, 보다 큰 "피더(feeder)" 세공의 부재는, 특정한 냉각 시스템 적용예에서는 중요할 수도 있는, 흡착제 재료 내로 및 흡착제 재료로부터 가스를 신속하게 순환시키는 능력을 제한할 수도 있다. 냉매 가스로 하여금 활성탄 재료를 신속하게 출입하도록 하기에 적합한 흡착제 재료 내의보다 큰 피더 세공(예컨대, 대략 1.5 내지 4.0 나노미터 또는 그 이상의 직경을 갖는 세공) 및 일단 흡착제 재료 내에 제공되면 흡착된 냉매 가스를 저장하기에 보다 더 적합한 비교적 작은 세공(예컨대, 대략 0.5 내지 1.0 나노미터의 직경을 갖는 세공)을 형성함으로써, 흡착제 재료에 대한 질량 전달율[즉, 흡착제 재료 내로 및 흡착제 재료로부터의 분자의 확산율(the rate of diffusion)]이 향상될 수도 있다. 재료 내에서의 작은 세공 및 큰 세공의 위치를 제어함으로써, 흡착되는 냉매 가스를 위한 비교적 큰 용량을 여전히 유지하면서 효과적인 질량 전달을 위해 최적화된 재료를 제공하는 것이 가능할 수도 있다.
도 17 내지 도 19는 흡착제 재료의 상이한 영역 내에서 각각 다른 다공도를 갖는 흡착제 재료를 생성하는 한 방법을 도시한다. 복수의 상이한 층의 중합체 재료(202, 204, 206, 208, 210)가 제공된다. 일 실시예에 따르면, 층(202, 204, 206, 208, 210)은 "미가공"(예컨대, 열분해 전임) 상태로 제공되며, 폴리염화비닐리덴(PVDC)과 같은 압축 재료(compacted material)로 제조된다.
도 17에 도시된 바와 같이, 층(202, 206, 210)은 층(204, 208)의 밀도보다 큰 밀도를 갖는다. 예를 들어, 층(202, 206, 210)은 층(204, 208)보다 더 높은 정도로 층(202, 206, 210)의 밀도를 높이기 위해 보다 더 큰 압력으로 압축될 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, PVDC 층(202, 206, 210)의 밀도는 대략 1.58 내지 1.68g/㎖일 수 있는 반면에, 층(204, 208)의 밀도는 대략 1.70 내지 1.78g/㎖일 수 있다.
도 18에 도시된 바와 같이, 층(202, 204, 206, 208, 210)은 서로 접촉하게 제공되어 흡착제 부재(200)(예컨대, 시트, 플레이트, 블록, 또는 다른 적절한 구조체)를 형성한다. 예시적인 실시예에 따르면, 층은 서로 적층되어 있다. 다른 예시적인 실시예에 따르면, 부재(200)를 형성하기 위해 다른 방법이 사용될 수도 있다.
부재(200)가 고온에서 열분해 공정을 겪게 되는 경우, 열분해 동안 형성된 세공의 특성이 재료의 밀도에 따라 달라질 것이 예상된다. 도 19에 도시된 바와 같이, 상대적으로 높은 밀도를 갖는 것으로 제공된 층(예컨대, 202, 206, 210)은 상대적으로 많은 수의 작은 세공을 갖는 열분해된 구조체 내의 층(예컨대, 212, 216, 220)을 형성할 것인데 반하여, 상대적으로 낮은 밀도를 갖는 것으로 제공된 층(예컨대, 204, 208)은 상대적으로 적은 수의 큰 세공을 갖는 열분해된 구조체 내의 층(예컨대, 214, 218)을 형성할 것이다. 따라서, 열분해 전에 상이한 밀도를 갖는 중합체 재료의 층을 제공함으로써, 열분해된 부재(202)의 전체 세공 구조가 희망하는 방식으로 제어될 수 있다.
다른 예시적인 실시예에 따라 다양한 다른 구성도 가능하다. 예를 들어, 도 20은 구조체(300)가 2보다 큰 수의 상이한 밀도를 갖는 층을 사용하여 형성된 실시예를 도시한다[예컨대, 층(302, 310)은 고밀도를 갖고, 층(304, 308)은 중간 밀도를 가지며, 층(306)은 저밀도를 가짐].
또한, 다른 예시적인 실시예에 따르면, 층의 수, 크기, 위치 및 구성은 달라질 수도 있다. 예를 들어, 다른 예시적인 실시예에 따르면 5보다 크거나 작은 수의 층이 활용될 수도 있다. 도 21에 도시된 바와 같이, 외측 층(402, 406)이 중간 층(404)보다 낮은 밀도를 갖는 3개의 층(402, 404, 406)이 제공된다. 또한, 중간 층(404)은 외측 층(402, 406)의 경우보다 큰 두께를 갖는다.
또한, 상이한 밀도를 갖는 부재의 위치가 다른 방식으로 선택될 수도 있다. 즉, 상이한 밀도를 갖는 시트를 단순하게 함께 적층하는 방식 대신에, 각각의 층 내에서 상대적으로 더 높은 또는 더 낮은 밀도의 영역이 제공될 수도 있다. 도 22에 도시된 바와 같이, 상이한 밀도를 갖는 2개의 층(502, 504)이 제공된 흡착제 구조체가 도시되어 있다. 층(502) 내에는 저밀도의 영역(506)이 제공된다[예컨대, 층(502) 내에 절결부 또는 채널이 형성되고, 임의의 적절한 수단을 사용하여 영역(506)을 형성하도록 저밀도 물질이 내부에 제공될 수도 있음].
도 17 내지 도 22에 대하여 기술된 다양한 영역은 동일한 조성을 가지며(즉, 동일한 중합체 전구체 재료를 사용하여 형성됨) 다만 그 밀도에 있어서만 변화하는 것으로 기술되었지만, 상이한 조성 및/또는 다른 특성을 갖는 층을 제공하는 것이 바람직할 수도 있다. 예를 들어, 다른 예시적인 실시예에 따르면, 흡착제 구조체 내에 제공된 하나 또는 그 이상의 영역(예컨대, 층 등)은 다른 영역과 상이한 조성을 가질 수도 있다(예컨대, 한 타입의 중합체 전구체가 열분해하여 다른 중합체와 상이한 크기, 형상, 구성 등을 갖는 세공을 형성할 수도 있음). 상이한 조성을 갖는 층 또는 영역은 상이한 밀도를 갖는 층을 대신하여 또는 그와 함께 사용될 수 있다.
다양한 영역 또는 층은 각각 그러한 영역 내에서 열분해 동안 발생할 수 있는 세공 형성을 변경하기 위해 상이한 열분해 전 처리를 받을 수 있다(예컨대, 전구체 및/또는 제 2 상 물질이 상이한 영역 또는 층 내에 제공되어 영역 또는 층의 다양한 특성을 변경할 수 있음). 예를 들어, 다른 타입의 탄소, 비석 또는 다른 고 열확산성(higher-diffusivity) 재료가 열분해 전에 중합체 재료와 혼합되어 재료의 전체 열확산성을 향상시킬 수 있다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 흡착제 재료의 열확산성은 열분해 후에 흡착제 재료를 열적으로 퀀칭(quenching)함으로써 조절될 수 있다[예컨대, 대략 -196℃ 내지 5℃의 온도로 급속 냉각시킴]. 그렇게 함으로써, 탄소 세공 구조를 정렬시켜서 열분해 후의 흡착제의 급속 냉각에 의해 냉매 유체(예컨대, 가스)의 열확산성을 향상시키는 것이 가능할 수도 있다.
본 명세서에 기술된 흡착제 재료의 열확산성을 향상시키는 다양한 방법은 시스템의 열전도성에 부정적인 영향을 미칠 수도 있지만, 그러한 영향은 높은 열전도성 물질을 흡착제 재료 내에 혼합함으로써 다소 완화될 수 있다[예컨대, 금속, 다이아몬드형 탄소 또는 다른 적절한 재료와 같은 재료로 제조된 고 전도성 필러(filler), 플레이트, 막대 등임].
상이한 밀도, 조성, 사전 처리 등을 갖는 하나 또는 그 이상의 영역 또는 층을 포함하는 열분해 전의 흡착제 구조체를 제공함으로써, 광범위한 실시예가 가능하다.
또한, 활성탄과 같은 흡착제 재료 내에서의 여러 가지 다양한 세공 형성을 유도하기 위해 다른 방법이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 미가공 상태의 중합체 재료는 열분해 작업에서 비교적 큰 세공의 형성을 허용하는 다양한 특징 또는 구성을 갖는 것으로 제공될 수 있다.
도 23 및 도 24에 도시된 바와 같이, 다른 유사한 중합체 부재와 정렬되는 경우에 열분해 동안 공간 또는 세공의 형성을 야기하는 특징을 갖는 미가공 중합체 재료를 형성하기 위해, 주형 또는 다른 구조체와 같은 장치(600)가 사용될 수 있다. 도 23에 도시된 바와 같이, 장치(600)는 2개의 부분(604, 606)에 의해 형성되는 공동(cavity)(602)을 포함한다.
도 24에 도시된 바와 같이, 미가공 중합체 재료를 몰딩한 후에 수많은 중합체 재료가 서로 접촉하여 제공될 수 있다[예컨대, 중합체 부재(610, 620)에 대하여 도 24에 도시된 바와 같이 중합체 부재를 서로 적층함].
중합체 부재(610, 620)의 구성은 하나 또는 그 이상의 공간(630)이 부재 사이에 형성되는 그러한 것이다[개념을 설명하기 위해 부재(610, 620)의 일부가 확대되어 도시되어 있는데, 부재 사이의 공간은 대략 1 내지 100 마이크론의 크기를 가질 수도 있으며, 공간의 구체적인 크기, 형상, 구성 및 다른 특징들은 다양한 예시적인 실시예에 따라 달라질 수도 있음].
열분해 동안, 인접한 중합체 부재는 서로 융합되어 큰 부피의 재료 내에 세공을 형성할 것이다. 열분해 동안 중합체 재료 내에 비교적 작은 세공이 형성될 수도 있는 반면에, 인접한 재료 사이의 공간[예컨대, 도 24에 도시된 공간(630)]이 열분해된 재료 내에서 비교적 큰 세공을 형성하는 역할을 할 수도 있다[예컨대, 도 25에 나타낸 세공(650)으로 도시됨].
세공 형성을 유도하도록 의도된 특징부를 갖는 미가공 중합체 재료는 몰딩 이외의 방법을 사용하여 생성될 수도 있다. 예를 들어, 예시적인 실시예에 따르면, 비교적 평평한 또는 텍스처링되지 않은(untextured) 중합체 부재(예컨대, 시트)가 형성될 수도 있으며, 그 후에 중합체 부재는 열분해 동안 세공 형성을 유도하도록 의도된 특징부를 포함하도록 변형될 수도 있다.
도 26은 열분해 동안 세공 형성을 유도하도록 의도된 특징부를 시트(700) 내에 형성하는 작업을 받는 미가공 중합체 재료의 시트(700)를 도시한다. 도 26에 도시된 바와 같이, 그 위에 특징부(704)가 제공된 롤러(702) 형태의 부재가 시트(700) 구조체를 변형시키는데 사용된다[예컨대, "파도형(wavy)" 또는 "물결형(rippled)" 형상을 갖도록 함]. 다른 예시적인 실시예에 따르면 중합체 재료에 대하여 수행되는 변형이 달라질 수도 있음을 유의해야 한다(예컨대, 중합체 재료는 내부에 형성된 절결부를 구비할 수도 있음).
중합체 재료 구조체를 변형시킨 후, 변형된 구조체는 후속적으로 열분해 공정을 겪게 될 부재 또는 요소(예컨대, 미가공 중합체 물체 또는 구조체)를 형성하는데 사용될 수 있다. 도 27에 도시된 바와 같이, 시트(700)는 권취 또는 싸여서 구조체(710)를 형성할 수도 있으며, 이 구조체(710)는 후속적으로 프레스 또는 압축되어 열분해 공정을 거칠 미가공 물체를 형성할 수도 있다. 변형된 시트(700)의 구조체는 미가공 중합체 재료가 희망하는 형상을 갖는 부재로 압축되는 경우에 구조체(710) 내에 빈 틈 또는 공간을 형성할 것이다. 도 28에 도시된 바와 같이, 후속하는 열분해가 흡착제 재료(720) 내에 비교적 큰 세공(722)을 생성할 것이다(흡착제 재료는 열분해 공정의 결과로 보다 작은 세공도 포함할 것임).
다른 예시적인 실시예(예컨대, 도 29에 도시된 것과 같음)에 따르면, 변형된 시트(700)는 다른 유사한 시트와 함께 절첩 또는 적층되어 구조체(730)를 형성할 수도 있으며, 이 구조체(730)는 후속적으로 프레스 또는 압축되어 열분해 공정을 거칠 미가공 물체를 형성할 수도 있다. 도 30에 도시된 바와 같이, 후속하는 열분해가 흡착제 재료(740) 내에 비교적 큰 세공(742)을 생성할 것이다(흡착제 재료는 열분해 공정의 결과로 보다 작은 세공도 포함할 것임).
다른 예시적인 실시예에 따르면, 규정된 형상을 갖는 사전 형성된 미가공 중합체 재료가 함께 프레싱되어 후속적으로 열분해를 거칠 미가공 물체를 형성할 수 있다. 사전 형성된 재료가 압축될 때 사전 형성된 재료의 형상이 그들 사이에 형성되는 공간 또는 틈을 야기할 것이며, 그 공간이 미가공 물체의 열분해 시에 최종 흡착제 재료 내에 세공을 형성할 것이다.
개략적으로 원형 또는 타원형 형상을 갖는 수많은 중합체 재료(810)가 도 31에 예시로서 도시되어 있다. 부재(810)가 그 후에 압축되어 후속적으로 열분해를 거칠 미가공 물체를 형성하는 경우, 부재의 둥근 형상으로 인해 인접한 부재(810)와의 사이에 공간 또는 빈 틈이 형성될 것이다. 열분해 동안, 중합체 재료 내에 작은 세공이 형성될 것이며, 부재(810) 사이의 공간이 도 32에 도시된 바와 같이 흡착제 재료(814) 내에 보다 큰 세공(812)의 형성을 초래할 것이다.
도 31 및 도 32는 대체로 원형 또는 타원형 중합체 부재의 사용을 도시하지만, 다른 예시적인 실시예에 따르면 다른 형상이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 도 33 및 도 34는 흡착제 재료(824) 내에 기다란 세공(822)을 형성하는 대체로 직사각형 부재(820)의 사용을 도시하며, 도 35 및 도 36은 흡착제 재료(834) 내에 기다란 세공(832)을 형성하는 기다란 부재(830)의 사용을 도시한다. 사전 형성된 중합체 재료는 다른 예시적인 실시예에 따라 다른 크기, 형상 또는 구성을 가질 수 있다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 흡착제 재료 내에서의 비교적 큰 세공의 형성을 촉진하기 위해, 중합체 재료 내에 희생 물질(sacrificial materials) 또는 제거 가능한 물질(예컨대, 열분해가 실행되기 전에, 실행 중에 또는 실행된 후에 재료 내에 공간, 채널 등을 형성하기 위해 제거될 수 있는 필러 물질)이 포함될 수 있다.
도 37 내지 도 42는 중합체 매트릭스 내에 제공된 다양한 형상을 갖는 희생 물질을 도시한다[간략함을 위해, 형상 또는 조성에 관계없이, 모든 희생 물질은 도면부호(902)로 표시되며, 모든 중합체 매트릭스는 도면부호(904)로 표시됨].
도 43 내지 도 45는 중합체 부재(914)의 표면 상에 제공된 막대 또는 튜브 형태로 제공되는 희생 물질(912)을 포함하는 구조체(910)의 사용을 도시한다. 도 44에 도시된 바와 같이, 구조체(910)와 유사한 다수의 구조체가 함께 압축되어 중합체 재료의 미가공 물체(911)를 형성하는 경우, 희생 물질(912)이 중합체 매트릭스 내에 제공된다. 도 45에 도시된 바와 같이 후속되는 열분해 시에, 흡착제 재료(916) 내에 채널 또는 공간(918)이 형성될 것이다. 도 43 내지 도 45에 도시된 방법은 광범위한 크기, 형상 및 구성을 갖는 희생 물질 및 중합체 부재와 함께 활용될 수도 있으며, 도 43 내지 도 45에 도시된 실시예는 다른 구성과 연관된 개념을 제한할 의도는 아니다.
열분해 공정에 후속하거나 또는 그와 동시에, 임의의 적절한 수단[예컨대, 애싱(ashing) 방법, 화학물질을 사용하여 희생 물질을 용해시키는 방법, 희생 물질을 흡착제 재료로부터 보다 더 쉽게 제거할 수 있는 다른 물질로 변환하는 방법, 또는 다른 방법]을 사용하여 흡착제 재료로부터 희생 물질이 제거되어 흡착제 재료 내에 세공 또는 공간을 형성할 수 있다. 희생 물질이 제거되는 방식은 사용된 희생 물질의 타입을 포함하여 다양한 요인에 따라 달라질 수도 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 도 37 내지 도 45에 대하여 기술된 희생 물질은 알루미늄과 같은 재료[예컨대, 알루미늄 휘스커(aluminum whiskers) 또는 다른 타입의 입자]로 제조될 수도 있다. 그 후에 염화수소 가스가 가스 상 형태로 존재하거나 또는 구조체 내로 도입되어 알루미늄과 반응함으로써 열분해 동안 또는 후속되는 가열 공정에서 겪게 되는 고온에서의 가스인 염화알루미늄(AlCl3)을 형성할 수도 있다. AlCl3 가스는 흡착제 재료 내에 형성된 세공, 잔여물 세공(leaving pores), 채널 또는 흡착제 재료의 배후의 다른 구조체로부터 탈출할 수 있다. 다른 예시적인 실시예에 따르면, 희생 물질은 물 또는 다른 용매를 사용하여 용해될 수 있는 이온염과 같은 다른 물질로 형성될 수도 있다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 희생 물질은 흡착제 재료로부터 분해 또는 제거될 수 있는 탄산염으로 형성될 수 있다.
희생 물질의 제거는 적절한 수단을 사용하여 열분해 전, 후 또는 열분해 동안에 일어날 수도 있으며, 희생 물질의 크기, 형상, 구성 및 조성은 다른 예시적인 실시예에 따라 달라질 수도 있음을 유의해야만 한다.
또한, 흡착제 재료 내에 비교적 큰 크기의 세공을 형성하기 위해 다른 방법이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 그라운드-업 열분해된 탄소(ground-up pyrolyzed carbon) 또는 비드형 탄소(beaded carbon)가 열분해 전에 중합체 재료에 첨가될 수도 있다. 이 탄소는 임의의 적절한 방법을 사용하여 첨가될 수도 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 첨가된 탄소의 분포를 제어하는 것이 바람직하며, 이 경우에 비드 및 공간의 집중도(concentration)가 중합체 재료의 외면에서 가장 높도록 비드 집중도를 분배하기 위해 프레싱 전에 다이(die)가 회전될 수도 있다.
임의의 적절한 탄소 비드 재료가 사용될 수도 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 비교적 큰 크기의 비드[예컨대, 대략 350 내지 450 마이크론의 크기를 갖는 쿠레하(Kureha) BAC G70R] 및/또는 비교적 작은 크기의 비드[예컨대, 대략 120 내지 150 마이크론의 크기를 갖는 타카치호(Takachiho) ABF14-03]가 중합체에 첨가될 수도 있다. 이들 재료는 그들의 미세공도(microporosity)를 유지할 것이지만, 또한 이들 재료와 중합체 열분해에 의해 야기되는 탄소 구조체와의 사이에 빈 공간을 부가하는 역할을 할 것이다.
또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 전기 방전 또는 레이저 어블레이션(laser ablation)을 사용하여 열분해 전에 활성탄 전구체(예컨대, 중합체 재료) 내에 제어된 직경 및 깊이를 갖는 구멍이 생성될 수도 있다. 레이저 어블레이션은 네오디뮴 : 이트륨 알루미늄 가네트(neodymium : yttrium aluminium garnet; Nd:YAG) 또는 이산화탄소의 엑시머(excimer)와 같은 소스로부터의 매우 짧은 펄스의 고강도 레이저를 사용하며, 재료의 나머지 부분에 많은 열을 전달하지 않으면서 재료의 승화 및 제거를 초래한다. 이러한 공정은 가스 이송의 향상을 위해 설계된 구조의 구멍 및 채널을 생성하도록 열분해 단계 전 또는 후에 사용될 수 있다.
열분해 전에 전기 방전을 통해 분기형 채널 구조체가 생성될 수 있다. 절연 파괴 강도(dielectric breakdown strength)를 초과하는 고전압이 중합체에 인가되면 중합체 재료의 일부가 방전 경로 내에서 물리적 및 화학적 변화를 겪게 될 것이다. 이러한 방전은 부분적으로 탄화 및 저분자화된 중합체에 균열과 유사한 수지상 패턴(dendritic pattern)을 생성한다. 열분해 공정이 완료된 후, 이들 구조체는 단일체 내에 가스의 보다 신속한 이송을 위한 경로를 제공한다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 적당한 열 처리 하에서 보다 반응성이 큰 비결정성 탄소를 산화시키며 보다 높은 가스 전달 속도를 위해 통로를 깨끗하게 할 산화제(예컨대, 과산화수소)를 탄소에 주입함으로써, 열분해 동안 형성된 세공이 변형될 수도 있다. 다른 방법에는 고온에서 흡착제 본체 내로 확산되는 산소의 시간-의존적 분포를 사용하여 흡착제 본체의 내부보다는 흡착제 본체의 에지(edges)에서의 세공 산화를 제어하는 것이 포함된다. 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 극성 가스가 탄소 내에 흡착되고 그 후에 가열되어(예컨대, 마이크로파 가열을 사용함), 구멍을 파열시키고 흡착제 재료의 세공 구조를 개방시킬 수도 있다.
상술한 방법을 대신하여 또는 그와 함께, 도 46 및 도 47에 도시된 바와 같이 사전 결정된 방향으로의 질량 전달을 향상시키기 위해 흡착제 재료의 구조체가 변형될 수 있다. 도 46에서, 흡착제 구조체(1000)는 2개의 금속 플레이트(1020, 1022)를 갖는 활성탄과 같은 흡착제 재료(1010)를 포함하며, 금속 플레이트(1020, 1022)는 흡착제 재료의 표면에 인접하여 또는 그와 접촉하여 제공된다. 가스 흐름 방향(도 46에서 화살표로 도시된 방향)으로의 질량 전달을 촉진하기 위해, 흡착제 재료(1010)는, 도 47[도 46의 A-A선을 따라 취한 흡착제 재료(1010)의 단면도임]에 도시된 바와 같이, 유체(예컨대, 가스) 흐름의 방향으로 흡착제 재료를 통해 연장되는 채널을 갖도록 형성된다. 채널은 비교적 작은 직경(예컨대, 대략 1 내지 100 마이크론임)을 가질 수 있으며, 임의의 적절한 단면 형상(예컨대, 원형, 타원형, 삼각형, 다이아몬드형, 정사각형, 직사각형 등)을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 채널은 유체(예컨대, 가스) 흐름의 방향에서 볼 때 흡착제 재료가 "하니콤(honeycomb)" 형상을 갖게 되는 방식으로 제공된다.
예시적인 실시예에 따르면, 채널의 구조체는 알루미늄 또는 알루미늄 합금(예컨대, 알루미늄 하니콤 구조체)와 같은 희생 물질로 제조된 구조체를 사용하여 형성될 수도 있다. 그 구조체 내에 선택된 위치에 미가공 중합체가 도입될 수 있다(예컨대, 액체 중합체를 구조체의 선택된 위치로 흘려보낸 후에 응고시키는 것에 의함). 열분해 동안 또는 그에 후속하여, 염화수소 가스(HCl)가 존재하거나 또는 도입되어 알루미늄과 반응함으로써 염화알루미늄 가스를 형성하며, 이 염화알루미늄 가스는 그 후에 흡착제 재료의 매트릭스 내에 형성된 채널을 남기도록 흡착제 재료로부터 제거될 수도 있다. 매트릭스 내에 채널을 형성하기 위해 다른 방법이 사용될 수 있다(예컨대, 물 또는 다른 용매에 의해 용해될 수 있는 소금과 같은 물질의 막대 또는 튜브를 도입하는 것에 의함).
흡착제 재료로부터의 가스의 흡착 및 제거를 촉진하기 위해, 흡착제 재료의 하나 또는 그 이상의 외면에 채널 또는 절결부를 형성하는 것이 바람직할 수도 있다. 그와 같은 방법을 성취할 수 있는 한 방법은 에칭(etching) 기술[예컨대, 포토리소그래픽(photolithographic) 에칭 기술]의 사용과 관련된다.
도 48에 도시된 바와 같이, 기판(1100)(예컨대, 중합체 전구체 또는 열분해 후의 흡착제 재료임)은 그 표면 상에 제공된 한 층의 포토레지스트(photoresist) 재료(1110)를 구비한다. 하기의 예는 포지티브형 포토레지스트의 사용과 관련하여 기술되지만, 다른 예시적인 실시예에 따르면 네거티브형 포토레지스트가 사용될 수도 있음을 유의해야 한다.
포토레지스트(1110)는 도 48의 광선의 소스(a source of radiation)에 선택적으로 노출됨으로써, 포토레지스트(1110)의 영역(1112)이 현상제 물질 내에서 보다 잘 용해되도록 만드는 화학적 변화를 겪게 한다. 도 49에서, 현상제가 포토레지스트(1110)의 영역(1112)을 선택적으로 제거하도록 도포되어 그 밑에 있는 기판(1100)의 부분을 노출시킨다.
도 50에 도시된 바와 같이, 기판(1100)의 노출된 부분은 그 후에 임의의 적절한 방법을 사용하여 에칭됨으로써 기판(1100) 내에 특징부(1102)[예컨대, 트렌치(trench), 절결부, 채널 등]를 형성하며, 그 후에 포토레지스트(1110)가 도 51에 도시된 바와 같이 제거된다.
특징부(1102)는 흡착제 재료 내의 질량 전달을 향상시킴과 동시에 흡착제 재료 내의 밀도 손실을 최소화할 의도이다. 도 51에 도시된 것과 같은 에칭된 특징부를 포함한 흡착제 재료의 층은 그 특징부(예컨대, 채널)가 선택된 위치에서 흡착제 재료 내로 및 흡착제 재료로부터의 질량 전달을 허용하도록 서로 접촉하여 제공될 수도 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 복수의 채널이 흡착제 재료의 적어도 하나의 표면 내에 형성되어 냉매 유체(예컨대, 가스)의 질량 전달을 허용한다. 다른 예시적인 실시예에 따르면, 다른 형상의 특징부가 사용될 수도 있다. 에칭된 특징부의 수, 크기, 형상, 간격, 구성 및 다른 특성은 희망하는 성능 특성 및 다른 특징부에 따라 달라질 수도 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 특징부는 비교적 작은 크기(예컨대, 대략 100 나노미터 내지 100 마이크로미터의 깊이 및 대략 100 나노미터 내지 100 마이크로미터의 폭)를 갖는다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 비균일한 세공 프로파일을 포함하는 흡착제 재료(예컨대, 탄소 단일체, 시트, 블록 또는 다른 구조체)가 생성될 수도 있다. 그러한 구조체는 일 방향으로 희망하는 레벨의 열전도를 갖고 다른 방향(예컨대, 제 1 방향에 직각인 방향)으로는 희망하는 레벨의 질량 또는 물질 이송을 갖는 흡착제 재료를 제공할 수 있다. 달리 말하면, 하나의 흡착제 재료 내에서 비교적 신속한 열전도 및 비교적 신속한 흡착제 가스의 이송 모두를 허용하는 재료를 제공하도록 흡착제가 제조될 수 있다.
다양한 실시예에서, 세공의 크기 및/또는 수는 흡착제 재료 내에서 달라질 수도 있다. 예를 들어, 보다 작은 수의 큰 세공이 제 1 영역 내에 형성되고 보다 큰 수의 작은 세공이 제 2 영역 내에 형성될 수 있도록 재료 내에서 제 1 영역과 제 2 영역 사이에 기울기가 형성될 수도 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 제 1 영역과 제 2 영역 사이에 세공 크기의 점진적인 변이가 존재할 수도 있다.
도 52는 예시적인 실시예에 따른 압축 중합체 재료로 형성된 기판(200)을 도시한다. 도 52에 도시된 바와 같이, 가열 챔버 또는 노(220) 내에 기판(200)이 제공되어 열분해를 거침으로써, 중합체 재료 내에 세공을 형성하며 중합체 재료를 활성화시킨다(예컨대, 분자력의 사용을 통해 물질을 그 위에 흡착하도록 함). 도 52에서 곡선의 화살표로 도시된 바와 같이, 종래의 활성탄 형성 방법에서와 같은 대류 열이 블록(200)에 인가된다.
기판(200)의 열분해 동안 제공되는 대류 열에 더하여, 플레이트, 블록, 막대 또는 다른 적절한 형상의 하나 이상의 부재 또는 요소[부재(210, 212)로 도시됨]가 열분해 동안 기판(200)의 하나 이상의 표면과 접촉하여 제공된다. 부재[예컨대, 부재(210, 212)]는 온도 기울기 및/또는 기판(200) 내에서의 국소적으로 가열 또는 냉각된 영역을 생성하는데 사용될 수도 있으며, 이는 결과적으로 기판(200) 전체에 걸쳐서 비균일한 세공 프로파일의 형성을 초래할 수도 있다. 일반적으로 말하자면, 기판(200) 내의 상대적인 고온 영역은 먼저 열분해될 것으로 예상할 수 있으며, 추가로 밀도를 더 높이거나 또는 상대적인 저온 영역을 통해 열분해 생성물을 가스 배출하고, 그에 따라 상대적인 고온 영역 내에 작은 세공을 생성할 수 있다. 다른 예시적인 실시예에 따르면, 노 내에 온도 기울기가 형성되어 부재(210, 212)와 함께 또는 부재(210, 212)를 대신하여 재료 내에 온도 기울기를 형성하게 할 수도 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 부재(210, 212)는 워크피스(workpiece)와의 반응 없이 부재(210, 212)와 기판 사이에 비교적 높은 열전달을 제공하도록 선택된 금속 재료(예컨대, 인코넬 600) 또는 세라믹과 같은 재료로 제조된다.
예시적인 실시예에 따르면, 부재(210, 212)는 챔버(220) 내의 주위 분위기(surrounding atmosphere)의 온도보다 높은 온도로 제공된다. 예를 들어, 챔버의 온도가 대략 260 내지 280℃인 경우에 부재(210, 212)는 대략 300 내지 340℃의 온도로 제공될 수도 있다. 다른 예시적인 실시예에 따르면, 챔버의 온도 및 부재의 온도는 기판(200) 내에 생성될 희망하는 세공 프로파일을 포함하여 임의의 수의 요인에 따라 달라질 수도 있다.
기판(200)의 음영에 의해 도 52에 개략적으로 도시된 바와 같이, 기판(200) 내에서의 세공의 크기 및/또는 형상은 부재(210, 212)에 인접한 영역 또는 위치(202, 204)로부터 부재(210, 212)로부터 이격된 영역 또는 위치(206)[기판(200)의 중앙에 있는 것으로 도시됨]까지 달라진다. 예를 들어, 예시적인 실시예에 따르면, 대략 0.5 내지 1.0 나노미터의 직경을 갖는 비교적 작은 세공은 영역(202, 204) 내에 형성될 수 있는 반면에, 대략 1.5 내지 4.0 나노미터의 직경을 갖는 비교적 큰 세공은 영역(206) 내에 형성될 수도 있다. 또한, 접촉 가열 방법도 기판(200) 내의 선택된 위치에서 상이한 수의 세공을 형성할 수 있음을 이해해야만 한다.
기판(200) 내에서의 영역 사이[예컨대, 영역(206)과 영역(202, 204) 사이]의 변이는 비교적 평탄한 변이일 수도 있으며, 또는 부재(210, 212)로부터의 사전 결정된 거리에서 세공 크기 및/또는 형상에 있어서 급격한 변화가 있을 수도 있다[예컨대, 부재(210, 212)로부터 이격된 일정 거리에서의 전도 가열은 부재(210, 212)에 의해 제공된 접촉 가열의 영향을 극복하여, 부재(210, 212)에 인접한 영역을 제외하고 기판(200) 내에 비교적 균일한 세공 크기 및/또는 형상을 야기할 수도 있음].
열분해 동안 기판의 하나 이상의 표면과 접촉하여 제공된 부재의 크기, 형상, 구성, 수 및 온도는 다양한 다른 예시적인 실시예에 따라 달라질 수도 있다. 예를 들어, 1보다 큰 수의 부재가 기판(200)의 표면(또는 표면들)과 접촉하여 제공될 수도 있다. 부재는 기판(200)의 주어진 표면의 규정된 부분 또는 전부를 덮을 수도 있다.
부재(210, 212)는 챔버 또는 노(220) 내의 온도를 초과하는 온도로 제공되는 것으로 기술되었지만, 다른 예시적인 실시예에 따르면 부재(210, 212)는 주위 분위기의 온도보다 낮은 온도로 제공될 수도 있다. 달리 말하자면, 부재는 기판(200) 내의 비교적 냉각된 영역의 형성에 대한 책임을 지고 있을 수도 있다. 주위 분위기보다 냉각된 하나 이상의 부재를 사용하는 것은 주위 분위기보다 높은 온도를 갖는 부재를 사용하는 것에 대하여 예기될 수 있는 악영향을 갖는 것으로 예상된다(예컨대, 기판 내의 상대적인 고온 영역에서의 경우와 비교되는 큰 세공의 생성). 또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 기판(200)의 일부를 국소적으로 냉각시킨 부재와 기판(200)의 일부를 국소적으로 가열한 부재의 조합체는 기판(200) 내의 희망하는 세공 프로파일을 얻는데 사용될 수도 있다.
기판(200) 내의 다양한 위치에서의 세공의 크기 및/또는 형상은 다양한 예시적인 실시예에 따라 달라질 수도 있다. 예를 들어, 도 52에 도시된 바와 같은 2개의 부재(210, 212) 대신에 다른 수의 부재가 사용될 수도 있다. 또한, 부재의 크기, 형상, 위치 및/또는 온도의 변화는 본 개시 내용을 숙독하는 자들이 인식할 수 있는 바와 같이 탄소 블록 내의 세공의 분포에 영향을 미친다.
도 52에 대하여 기술된 부재(210, 212)를 대신하여 또는 그와 함께, 직접 복사 가열(directed radiative heating)(예컨대, 레이저, 적외선 열원 및/또는 마이크로파 가열을 사용함)이, 도 53에 도시되며 회색 화살표로 표시된 바와 같이, 기판(200) 내의 비균일한 세공 프로파일을 형성하기 위해 열분해 동안 사용될 수도 있다. 그러한 복사 가열은 집중될 수도 있고 또는 기판(200)의 하나 이상의 표면의 일부 또는 전부에 걸쳐서 흩어질 수도 있다. 도 53에 도시된 바와 같이, 기판(200) 내의 세공 프로파일은 도 52에 대하여 기술된 바와 같이 부재(210, 212)를 사용하여 생성된 것과 유사하다. 다른 예시적인 실시예에 따르면, 희망할 수도 있는 다양한 세공 프로파일 중 하나를 얻기 위해 다른 가열 방법이 사용될 수도 있다[예컨대, 도 54에 도시된 바와 같이, 복사 가열(회색 화살표로 표시된 바와 같음)에 더하여, 기판의 하나 이상의 부분이 그와 접촉하여 제공된 부재(예컨대, 214, 216)를 구비하여 그 부분을 가열 또는 냉각하게 함].
복사 가열은 기판의 표면에 대한 비교적 신속한 가열을 허용할 수 있으며, 기판 내의 사전 결정된 영역 및/또는 깊이까지 열이 침투할 수 있도록 맞춤될 수도 있다. 복사 가열의 펄스 강도 및 지속 시간은 워크피스 내에서 전개되는 열 프로파일에 대한 제어를 허용할 수 있다. 이 방법은 비 접촉식이기 때문에, 복잡한 형상에 대하여 사용될 수 있으며, 표면 내에서의 선택적인 가열을 허용하여 보다 복합적인 온도 및 그에 따른 열분해 응답을 생성할 수 있다. 기판의 나머지 부분이 흡착제를 형성하도록 처리되기 전에, 예컨대, 열분해, 가열, 입자 물질의 화염 분사(flame spraying), 가용성 물질 뿐만 아니라 불용성 물질도 포함하는 복합 재료 기판으로부터의 가용성 물질의 침출(leaching), 미세연마(microabrasion) 처리 또는 임의의 다른 적절한 기술에 의해, 희망하는 특성의 다공도가 기판 상의 및/또는 기판 내의 임의의 선택된 위치에 생성 또는 형성될 수 있다. 특정 실시예에서 기판의 나머지 부분은 그러한 추가의 처리를 필요로 할 수도 또는 필요로 하지 않을 수도 있으며, 다공성 부재로서 기능하여 일체형 복합 재료 층을 형성할 수 있지만, 본 발명의 넓은 범위 내에서는 다층형 복합 재료 구조체도 고려됨을 이해해야 한다.
도 52 및 도 53에 도시된 접촉식 및/또는 복사식 가열은 예시적인 실시예에 따라 대류 가열과 동시에 실행되거나 또는 그에 후속하여 실행될 수도 있다.
기판(200) 내에 비균일한 세공 프로파일을 생성하는 것의 한가지 유리한 특징은 냉매 유체(예컨대, 가스)가 저장될 위치의 수를 적정한 정도로 유지시키면서 동시에 기판의 질량 전달이 향상될 수도 있다는 점이다. 예를 들어, 비교적 큰 세공(예컨대, 대략 1.5 내지 4.0 나노미터 또는 그 이상의 직경을 갖는 세공)은 냉매 유체(예컨대, 가스)로 하여금 활성탄 재료를 신속하게 출입하도록 하기에 보다 더 적합한데 반하여, 비교적 작은 세공(예컨대, 대략 0.5 내지 1.0 나노미터의 직경을 갖는 세공)은 일단 냉매 유체가 흡착제 재료 내에 제공되면 흡착된 냉매 유체(예컨대, 가스)를 저장하기에 보다 더 적합한 것으로 여겨진다. 환언하면, 큰 세공은 흡착제 재료 내로 및 흡착제 재료로부터 냉매 유체(예컨대, 가스)를 신속하게 순환시키는데 사용되며, 작은 세공은 일단 큰 세공을 통해 냉매 유체가 흡착제 재료 내로 도입되면 냉매 유체(예컨대, 가스)를 저장하는 역할을 한다. 재료 내의 작은 세공 및 큰 세공의 위치를 조절함으로써, 흡착된 냉매 유체(예컨대, 가스)에 대한 비교적 큰 용량을 유지하면서 동시에 효과적인 질량 전달에 대하여 최적화된 재료를 제공하는 것이 가능하게 될 수도 있다.
흡착제 재료(예컨대, 블록, 시트, 단일체 등의 활성탄 또는 다른 적절한 재료)의 내부 구조를 변경하기 위해 열분해 후 처리가 실행될 수도 있다. 예를 들어, 흡착제 재료의 열확산성 또는 질량 전달 특성은 추가의 열적, 기계적 및/또는 화학적 처리를 적용함으로써 변경될 수도 있다. 그러한 처리는 균일한 또는 비균일한 세공 프로파일을 갖는 흡착제 재료와 함께 사용될 수도 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 흡착제 재료(예컨대, 활성탄)는 재료의 세공 내로 수증기 또는 메탄올 증기와 같은 증기를 도입한 후에 대략 0℃ 이하의 온도에 처하게 될 수도 있다. 다른 적절한 증기로는 이소프로필 알콜(isopropyl alcohol)과 같은 극성 분자를 포함한다. 도 55는 내부에 증기(312)가 있는 컨테이너(310) 내에 제공된 활성탄 또는 다른 적절한 재료의 블록 또는 단일체 형태의 흡착제 재료(300)를 도시한다[증기는 컨테이너(310) 내의 점으로 도시됨].
응결 시에, 증기 분자의 팽창은 세공의 크기를 팽창시키거나 및/또는 달리 활성탄 재료의 내부 구조를 변경시키는 역할을 할 수도 있다. 예를 들어, 예시적인 실시예에 따르면, 수증기의 응결은 세공의 크기(예컨대, 직경)를 증가시킬 수도 있다. 다른 예시적인 실시예에 따르면, 수증기의 응결은 세공의 형상 및/또는 인접한 세공과의 거리를 변경시키는 등의 재료 내의 다른 구조적 변화를 야기할 수도 있다.
활성탄 재료가 응결 온도 이하에 처하게 되기 전에 증기가 세공 내에 도입될 수도 있으며, 물이 활성탄 재료로부터 기화되는 후속의 가열 공정에서 증기가 세공으로부터 제거될 수도 있다. 증기를 재료의 세공 내에 도입하기 위해 임의의 적절한 방법이 사용될 수도 있다. 나아가, 재료 내로의 증기의 도입을 촉진하게 위해 및/또는 응결 단계가 완성되기까지 재료 내의 희망하는 위치에 증기를 유지하기 위해, 고압이 사용될 수도 있다(예컨대, 가압 컨테이너 및 불활성 가스 분위기를 사용함).
예시적인 실시예에 따르면, 증기는 흡착제 재료 전체에 걸쳐서 대체로 균일하게 도입된다. 그러므로 후속되는 증기의 응결은 재료 전체에 걸쳐서 비교적 균일하게 세공의 크기, 형상 및/또는 위치를 변경시키는 역할을 할 수도 있다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 증기가 활성탄 재료의 선택된 위치 내에만 도입되는 경우, 그러한 영역 내의 흡착제 재료의 세공 구조를 제어 가능하게 변경하는 것이 가능할 수도 있다(예컨대, 오직 세공 크기를 증가시키거나 또는 달리 재료 내의 선택된 위치에서의 세공 구조를 변경시킴). 예를 들어, 재료의 하나 또는 그 이상의 표면이 방습성(vapor-proof) 물질로 피복(covered) 또는 차폐(masked)됨으로써, 증기가 오직 피복 또는 차폐되지 않은 위치에서만 재료를 침투하게 될 수도 있다[참고로, 예컨대 도 56의 선택적인 차폐재(masks)(320, 322)는 증기가 흡착제 재료의 상면, 저면, 정면 및 배면만을 침투하도록 재료(300)의 양 측면을 피복함]. 피복/차폐 단계와 함께 또는 그에 대신하여, 재료 내로의 증기의 침투 깊이는 재료에 노출되는 증기의 양을 제한하거나, 사전 결정된 양의 시간 후에 재료가 응결하도록 시스템의 온도 및/또는 압력을 조절하거나, 및/또는 현재 공지되어 있거나 장차 계발될 임의의 다른 적절한 방법에 의해 제어될 수도 있다.
또한, 흡착제 재료의 세공 구조는 증가된 온도에서 팽창하는 재료를 사용하여 개질될 수도 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 강한 쌍극자(dipole)를 갖는 가스(예컨대, NH3)는 다공성 탄소 단일체 내에 흡착된다. 충전된 단일체는 가스의 흡광도(absorbances) 중 하나에 맞춘 RF 소스(RF source) 내에 도입되며, 이는 가스가 흡착제 재료의 현존하는 세공 구조 내에서 급격하게 가열되도록 한다. 가스의 국소 압력(local pressure)이 온도와 함께 증가하고, 세공 구조가 개방되며 세공 사이의 연결부가 기계적 파열을 겪게 될 것이다. 보다 개방된 구조는 보다 신속한 가스의 이송을 허용하지만 열전도에 관한 성질에 있어서는 약간의 감소를 수반할 것으로 예상된다. RF 가열 동안 강한 자계를 부가하는 것은 쌍극자의 운동을 제한하는 역할을 하며 세공의 변형이 선택적인 방향으로 발생하도록 할 수도 있다.
다른 열분해 후 공정은 흡착제 재료의 탄소 흡착 용량을 증가시키는 화학적 처리의 사용과 관련되며, 그러한 처리는 균일한 또는 비균일한 세공 프로파일을 갖거나 및/또는 다른 열분해 후 처리를 거친 흡착제 재료와 함께 사용될 수도 있다(예컨대, 상술한 바와 같은 응결된 증기를 사용하여 및/또는 열분해 후 열 처리와 같은 다른 방법을 사용하여 변형된 세공 크기 및/또는 형상을 가짐).
예시적인 실시예에 따르면, 흡착제 재료의 전부 또는 일부는 내부에 작용기(functional groups)가 형성되도록 개질된다(예컨대, 암모니아 또는 다른 적절한 가스의 흡착을 강화하기 위한 질소-함유 작용기). 흡착제 재료 내에 작용기를 제공하는 것의 한가지 유리한 특징은 흡착제 재료의 용량이 부피당의 기준으로(on a per volume basis) 증가될 것이라는 점이다. 이와 같은 점은 세공의 전부 또는 일부가 비교적 큰 크기(예컨대, 대략 1.5 내지 4.0 나노미터 또는 그 이상)를 갖는 흡착제 재료에서 특히 유용할 수도 있는데, 이는 상대적으로 적은 수의 큰 세공을 갖는 재료가 상대적으로 많은 수의 작은 세공을 갖는 재료보다 적은 흡착 영역을 갖기 때문이다. 흡착제 재료 내의 사용 가능한 영역에서의 흡착 효율을 증가시킴으로써, 용량 손실 중 일부가 완화될 수도 있다.
암모니아(NH3) 냉매와 함께 사용하도록 의도된 활성탄 흡착제 재료의 맥락에서, 질소-함유 전구체[예컨대, NH3, 요소(NH2CONH2) 및 다른 질소 함유 유기 및 무기 화합물]를 사용하여 탄소 표면을 개질함으로써 용량이 향상될 수도 있다. 또한, 암모니아 흡착에 대한 친화력(affinity)을 증가시키기 위해 다른 적절한 전구체가 사용될 수도 있다[예컨대, 오존과 같은 산소 함유 전구체 또는 과산화벤조일(benzoyl peroxide)과 같은 유기 과산화물]. 나아가, 상이한 흡착제 재료 및/또는 상이한 냉매 가스가 사용될 다른 예시적인 실시예에 따르면, 흡착제 재료의 표면 개질은 상이한 작용기가 그 표면에 부착하게 될 수도 있다.
흡착제 재료의 각각의 세공의 표면을 개질하여 그 표면 상에 형성된 작용기를 갖게 하기 위해, 흡착제 재료는 희망하는 전구체(예컨대, 요소)의 존재 하에 고온으로 가열된다(예컨대, 실온 내지 2000℃, 보다 바람직하게는 대략 400 내지 800℃, 및 가장 바람직하게는 대략 200 내지 400℃의 온도 범위임). 처리는 유동(flowthrough) 내에서[반응 종(reacting species)이 처리의 조건 하에서 증기 형태로 있는 경우] 또는 정적인 시스템 내에서(예컨대, 탄소 및 고체 요소 파우더를 용기 내에서 혼합하여 열을 가하는 것에 의함) 실시될 수 있다. 전구체는 흡착제 재료를 가열하기 전에 또는 가열 공정 동안에 시스템 내로 도입될 수 있다.
고온으로 제공되는 전구체를 사용하여 흡착제 재료의 세공의 표면을 개질하는 단계는 열분해 공정의 일부로서 또는 열분해 공정을 완료한 후에 실행될 수도 있다. 예를 들어, 열분해 공정 동안, 가스를 포함하는 작용기는 가스가 흡착제 재료 내에 형성된 세공 내에 도입되도록 챔버 내에 도입될 수도 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 희망하는 작용기를 함유하는 전구체는 흡착제 재료 전체에 걸쳐서 비교적 균일하게 침투되도록 제공될 수도 있으며, 또는 흡착제 재료의 오직 선택된 부분의 용량을 제어 가능하게 향상시키기 위해 흡착제 재료의 선택된 위치 내에만 도입될 수도 있다(예컨대, 차폐 기술을 사용하거나 및/또는 흡착제 재료 내로의 희망하는 종의 침투 깊이를 조절함).
도 55 및 도 56은, 또한 도면부호(312)가 희망하는 작용기 전구체를 함유하는 종을 나타내는 경우(상술한 바와 같이 증기를 나타내는 것과 반대임), 흡착제 재료의 용량을 변화시키기 위한 화학적 처리의 사용을 도시하는데 사용될 수도 있음을 유의해야 한다.
흡착제 재료의 질량 전달 특성을 변경하기 위해 사용될 수도 있는 다른 화학적 처리는 흡착제 재료 내로부터 잔류 물질을 제거하는 것이다. 예를 들어, 중합체와 같은 탄소-함유 물질이 활성탄 재료를 형성하는데 사용되는 경우, 세공 구조 내에 잔류하는 일정 양의 잔류 탄소가 있을 수도 있다. 잔류 물질은 세공을 통한 냉매 유체(예컨대, 가스)의 확산을 느리게 하는 역할을 할 수도 있다(예컨대, 이는 노상 장애물이 도로상의 교통 체증을 유발하는 것과 유사할 수도 있음).
잔류 탄소 물질(예컨대, 비결정성 탄소)이 세공 내에 포함되어 있을 수도 있는 예시적인 실시예에 따르면, 잔류 탄소 물질은 흡착제 재료로 하여금 저온 산화 단계를 거치게 함으로써 제거될 수도 있는데, 이 저온 산화 단계에서 흡착제 재료는 산소를 포함하는 분위기 내에서 대략 150 내지 200℃의 온도로 가열된다. 이 산화 단계는 카르복시기(-CO3H) 및 페놀기(-COH)를 함유한 종과 같은 탄소/산소 함유 종의 형성을 초래한다. 탄소/산소 함유 종은 그 후에 임의의 적절한 방법을 사용하여 흡착제 재료로부터 제거될 수도 있다(예컨대, 흡착제 재료를 대략 700 내지 900℃의 고온까지 가열하여 종의 분해를 야기하고 CO 및 CO2 가스 분자가 탄소 구조체로부터 방출되도록 함).
흡착제 재료의 세공으로부터 잔류 물질을 제거하는 처리는 균일한 또는 비균일한 세공 프로파일을 갖거나 및/또는 다른 열분해 후 처리를 거친 흡착제 재료와 함께 사용될 수도 있다(예컨대, 상술한 바와 같은 응결된 증기를 사용하여 및/또는 열분해 후 열 처리와 같은 다른 방법을 사용하여 변형된 세공 크기 및/또는 형상을 가짐)는 것을 본 개시 내용을 숙독하는 자는 인식해야 한다.
본 명세서에 기술된 개념은 임의의 적절한 방식으로 서로 결합될 수도 있음을 유의해야 한다. 예를 들어, 흡착제 구조체는 구조체의 표면 근처의 세공 구조를 변형시키기 위해 접촉 가열을 사용하여 생성될 수도 있으며, 후속 단계가 실행되어 본 명세서에 기술된 바와 같이 세공 구조를 변형시킬 수도 있다.
그러므로 본 발명은 광범위한 실시 범위 내에서 다양한 구체적인 실시예를 고려한다. 본 발명의 구체적인 실시예는 아래에서 기술되는 예시적인 실시예를 포함한다.
한 특정 실시예는, 흡착제 재료로 형성된 적어도 하나의 흡착제 부재와, 흡착제 부재의 부분과 접촉하여 제공됨으로써, 가스로 하여금 흡착제 부재의 부분을 출입할 수 있게 하는 적어도 하나의 다공성 부재를 포함하는 흡착 구조체에 관한 것이다.
그러한 흡착 구조체는, 흡착제 부재와 접촉하여 제공되며 흡착제 부재와 열전달 유체와의 사이에 열을 전달하도록 구성된 적어도 하나의 열전도성 부재를 더 포함한다. 그러한 구조체 내의 열전도성 부재는 유리하게는 금속을 포함한다.
다른 실시예에서의 상술한 흡착 구조체는, 흡착제 재료가 활성탄을 포함하고, 적어도 하나의 다공성 부재가 다공성 금속을 포함하며, 다공성 금속이 니켈, 알루미늄, 구리 및 이들의 합금과 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 물질을 포함하도록 구성된다. 특정한 실시예에서의 그러한 구조체 내의 다공성 금속은 대략 25 내지 60%의 다공도를 갖는다.
광범위하게 상술한 흡착 구조체의 다른 실시예에서, 적어도 하나의 다공성 부재는 흡착제 부재의 적어도 하나의 표면과 접촉하여 제공된 다공성 금속 플레이트를 포함한다.
광범위하게 상술한 흡착 구조체의 다른 실시예는 다공성 금속 부재에 의해 서로 이격된 복수의 흡착제 부재를 포함한다.
광범위하게 기술된 흡착 구조체의 추가 실시예는 흡착제 재료의 매트릭스 내에 혼합되는 복수의 다공성 금속 부재를 포함한다.
광범위하게 기술된 흡착 구조체의 다른 추가 실시예는 흡착제 재료의 열전달 특성을 강화하기 위해 흡착제 재료 내에 제공된 물질을 더 포함하며, 흡착제 재료의 열전달 특성을 강화하기 위한 물질은 흡착제 재료 내에 제공된 금속이다.
그러한 흡착 구조체에서, 흡착제 재료의 열전달 특성을 강화하기 위한 물질은 흡착제 재료 내에서 제 2 상으로서 제공될 수 있다. 흡착 구조체 내의 흡착제 재료의 열전달 특성을 강화하기 위한 물질은 다이아몬드형 탄소, 다이아몬드 나노 결정, 다이아몬드 마이크로 결정 및 탄소 나노튜브로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질을 포함할 수 있다. 다른 변형예에서, 흡착 구조체는 복수의 실질적으로 정렬된 파이버를 포함하는 흡착제 재료의 열전달 특성 강화용 물질을 갖도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 특정 실시예는 흡착 구조체 생산 방법에 관한 것으로서, 냉매 유체의 저장 및 이송을 허용하도록 구성된 흡착제 재료의 표면과 접촉되어 있는 다공성 재료를 제공하는 단계와, 흡착제 부재와 접촉되어 있는 적어도 하나의 열전도성 부재를 제공하는 단계를 포함하고, 본 방법에 있어서, 다공성 재료는 냉매 유체로 하여금 흡착제 재료의 표면을 횡단할 수 있도록 하며, 열전도성 부재는 흡착제 재료와 열전달 유체 사이에 열을 전달하도록 구성되어 있다.
그러한 방법은 흡착제 재료의 열전달 특성을 강화하기 위해 흡착제 재료 내에 물질을 제공하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 이 방법은 흡착제 재료의 열전달 특성을 강화하기 위한 물질을 정렬시키는 단계를 추가로 포함할 수도 있으며, 이러한 정렬 단계는 외부 자기장을 사용한다.
특정 실시예에서의 본 발명의 흡착-기반형 냉각 시스템은, 적어도 하나의 흡착제 부재, 적어도 하나의 흡착제 부재와 접촉되어 있는 적어도 하나의 다공성 부재 및 흡착제 부재와 접촉하여 제공된 열전도성 부재를 구비하는 흡착 구조체를 포함하고, 열전도성 부재는 흡착제 재료에 및 흡착제 재료로부터 열을 전달하도록 구성되어 있으며, 다공성 부재는 냉매 유체가 흡착제 재료로 유입하거나 흡착제 재료로부터 유출할 수 있도록 구성되어 있다.
그러한 흡착-기반형 냉각 시스템은 다공성 부재 중 적어도 일부가 대략 25 내지 40%의 다공도를 갖도록 구성될 수도 있다.
그러한 흡착-기반형 냉각 시스템은 냉매 유체에 의해 냉각된 챔버를 더 포함할 수도 있다.
다른 실시예에서, 상술한 흡착-기반형 냉각 시스템은 폴리염화비닐리덴, 페놀-포름알데히드 수지, 폴리퍼르퍼릴 알콜, 코코넛 껍질, 땅콩 껍질, 복숭아씨, 올리브씨, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴아미드(polyacrylamide)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 흡착제 부재를 사용하고, 흡착제 부재는 초미세공을 포함하며, 초미세공은 흡착제 부재 전체에 걸쳐서 대체로 균일한 세공 크기를 갖는다.
본 발명의 추가의 특정 실시예는 흡착제 재료 생산 방법에 관한 것으로서, 제 1 밀도를 갖는 제 1 활성탄 전구체를 제공하는 단계와, 구조체를 형성하기 위해, 제 2 밀도를 갖는 제 2 활성탄 전구체를 제 1 활성탄 전구체와 접촉하도록 제공하는 단계와, 내부에 복수의 세공을 구비하는 흡착제 재료를 형성하도록 상기 구조체를 열분해하는 단계를 포함하며, 본 방법에 있어서, 흡착제 재료는 제 1 활성탄 전구체에 대응하는 제 1 영역과, 제 2 활성탄 전구체에 대응하는 제 2 영역을 포함하며, 세공의 크기 및 세공의 분포 중 적어도 하나는 제 1 영역과 제 2 영역 사이에서 변화한다.
그러한 방법은 하기의 기재 내용 중 하나 이상을 포함하는 특징에 의해 추가로 특징지어질 수도 있으며, 구체적으로는 (i) 제 1 및 제 2 활성탄 전구체는 중합체 재료이고, (ⅱ) 제1 및 제 2 활성탄 전구체는 각각 폴리염화비닐리덴, 페놀-포름알데히드 수지, 폴리퍼르퍼릴 알콜, 코코넛 껍질, 땅콩 껍질, 복숭아씨, 올리브씨, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아크릴아미드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 물질로 형성되고, (ⅲ) 제 1 영역은 제 1 크기를 갖는 세공을 포함하며 제 1 영역은 제 1 크기보다 큰 제 2 크기를 갖는 세공을 포함하고, (ⅳ) 제 1 밀도는 제 2 밀도보다 크고, (ⅴ) 제 1 및 제 2 활성탄 전구체를 제공하는 단계는 제 1 활성탄 전구체를 포함하는 제 1 층을 제공하는 단계와 제 2 활성탄 전구체를 포함하는 제 2 층을 제 1 층에 적층하는 단계를 포함하고, (ⅵ) 제 1 및 제 2 활성탄 전구체를 제공하는 단계는 제 1 활성탄 전구체 내에 제 2 활성탄 전구체를 제공하는 단계를 포함하고, (ⅶ) 열분해 단계 전에 제 1 밀도 및 제 2 밀도와 상이한 제 3 밀도를 갖는 제 3 활성탄 전구체를 제공하는 단계를 추가로 포함하는 것이다.
본 발명의 다른 특정 실시예는 흡착제 부재 형성 방법에 관한 것으로서, 제 1 중합체 부재를 형성하는 단계와, 제 2 중합체 부재를 형성하는 단계와, 제 2 중합체 부재와 접촉하는 제 1 중합체 부재를 제공하는 단계로서, 제 1 중합체 부재 및 제 2 중합체 부재 중 적어도 하나는 제 1 중합체 부재와 제 2 중합체 부재 사이에 공간이 제공되도록 구성된, 상기 제공 단계와, 제 1 중합체 부재 및 제 2 중합체 부재 내에 비교적 작은 세공이 형성되도록 그리고 상기 공간에 대응하는 위치에 상대적으로 큰 세공을 형성하도록 제 1 중합체 부재 및 제 2 중합체 부재를 열분해하는 단계를 포함한다.
그러한 방법은 (i) 제 1 및 제 2 중합체 부재를 형성하는 단계는 부재의 형상을 변형 또는 몰딩하는 것을 포함하며, 부재의 형상을 변형하는 것은 부재를 에칭하는 것을 포함하는 것과, (ⅱ) 제 1 및 제 2 중합체 부재를 제공하는 단계는 복수의 추가 중합체 부재를 제공하는 것과 그들을 압축시켜서 내부에 공간이 형성되어 있는 구조체를 형성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 할 수도 있다.
다른 특정 실시예에 있어서, 본 발명은 중합체 매트릭스 내에 제공된 제 1 물질을 포함하는 부재를 제공하는 단계와, 제 1 물질을 제거하는 단계와, 중합체 매트릭스 내에 세공을 형성하도록 부재를 열분해하는 단계를 포함하는 흡착제 부재 형성 방법에 관한 것이다.
그러한 방법에서, 제 1 물질은, 예컨대 제 1 물질의 용해 또는 애싱을 포함하는 단계에 의해 제거되는 희생 물질일 수 있다. 제 1 물질은 알루미늄을 포함하며, 제 1 물질을 제거하는 단계는 중합체 재료 내에 염화수소 가스를 도입하여 염화알루미늄 가스를 형성하는 것을 포함한다. 제 1 물질을 제거하는 단계는 열분해 단계 전에, 동안에, 또는 후에 실행될 수 있다.
본 발명의 추가의 특정 실시예는 제 1 세공 분포를 갖는 제 1 영역 및 제 2 세공 분포를 갖는 제 2 영역을 포함하는 흡착제 재료에 관한 것으로서, 제 1 영역은 제 1 밀도를 갖는 제 1 중합체 재료로 형성되며, 제 2 영역은 제 2 밀도를 갖는 제 2 중합체 재료로 형성된다.
그러한 흡착제 재료는, 제 1 중합체 재료 및 제 2 중합체 재료가 동일한 조성을 갖거나, 및/또는 제 1 영역은 제 2 영역보다 큰 세공을 포함하거나, 및/또는 제 1 세공 분포는 제 2 영역보다 적은 단위 부피당의 세공을 갖는 등 다양하게 구성될 수도 있다. 흡착제 재료는 활성탄을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 제 1 중합체 재료 및 제 2 중합체 재료는 동일한 조성을 갖는다.
추가의 실시 형태에 있어서, 본 발명은 흡착제의 유체 저장 용량의 향상을 위해 고온 및 고압 처리에 의한 흡착제의 변형을 고려한다. 흡착제 상의 소르베이트 유체에 대한 저장 용량을 증가시키는 압력, 온도 및 지속 조건에서, 그러한 고온 및 고압 처리는 긴 주기의 시간 동안 계속되는데, 일 실시예에서는 하루의 주기이고, 다른 실시예에서는 6 내지 170 시간의 범위이다.
그러한 처리 및 그에 의해 얻을 수 있는 유체 저장 용량의 증가의 예로서, 아르신(arsine)으로 충전된 2개의 완전한 JY 실린더가 고온 및 고압에서 일주일의 기간 동안 처리되었으며, 그에 따라 탄소 흡착제 재료의 변형을 초래하여 그와 같은 흡착제 재료에 의한 유체 흡수를 증가시켰다. 이러한 예시적인 실시예에서, 2개의 실린더에 대한 초기 유체 송출압력(delivery pressure)은 각각 673Torr(실린더 A) 및 634Torr(실린더 B)이다. 그 후에 이들 실린더는 오븐 내에 배치되었으며, 온도는 70℃까지 천천히 상승되어 일주일 동안 그 수준으로 유지되었다. 또한, 온도에 있어서의 그와 같은 증가는 실린더 내 압력의 증가를 생성하였다. 실린더 내부 압력 및 오븐의 온도는 모두 시간의 함수로서 모니터링되었다. 시간의 함수로서의 오븐 온도 및 실린더 압력의 그래프인 도 57에 최종 데이터가 플로팅되었다. 그래프에서 실린더 A는 일련번호, S3A6457로 명명되어 있고, 그래프에서 실린더 B는 일련번호, S3A6818로 명명되어 있다. 그래프 내의 온도 곡선은 6 내지 172시간의 기간에 걸쳐서 유지되어 있는 70℃의 오븐 온도를 도시한다. 대략 5시간의 시간 경과 후, 실린더 A의 내부 압력은 57psig(4.007㎏f/㎝2)와 유사했던 반면에, 실린더 B의 내부 압력은 54psig(3.796㎏f/㎝2)와 유사하였으며, 대부분의 실험 지속 시간 동안 각 실린더 내의 압력은 서로 근접하게 정렬되었다. 그러한 처리에서 상승되는 온도는 예컨대 40℃ 내지 100℃ 범위의 온도가 채용되어 광범위하게 달라질 수 있으며, 그 결과 소르베이트 가스 환경을 포함하는 폐쇄된 용기는 용기의 내부 압력을 예컨대 대기 조건(예컨대, 25℃)에서의 압력과 비교하여 10% 내지 500% 범위로 증가시킨다.
그러한 고온 및 고압 상태로 유지된 후에, 각각의 실린더는 실온으로 냉각되었으며, 포함된 가스의 송출압력이 각 실린더에 대하여 측정되었다. 실린더 A는 461Torr의 송출압력을 보였고, 실린더 B는 452Torr의 송출압력을 보였다. 이들 수치는 이들 실린더의 초기 송출압력보다 대략 30% 정도 낮았다. 그 후에 양 실린더는 추가의 21일 동안 대기압보다 낮은 압력 하에서 실온에 배치되게 하였다. 이러한 조건 하에서, 실린더 A의 송출압력은 353Torr까지 더 감소되었다.
대략 650Torr로부터 450Torr까지의 송출압력의 감소는 대략 55g의 아르신이 추가로 탄소 흡착제에 흡착되는 것에 대응하며, 대략 650Torr로부터 353Torr까지의 감소는 96g의 아르신이 추가로 탄소 흡착제에 흡착되는 것에 대응한다.
실린더에 대한 고온 및 고압 처리로부터의 결과는 그와 같은 고온 및 고압 상태가 그러한 처리 전에는 가스에 대해 유효하지 않았던 흡착제 내의 영역에 가스로 하여금 흡착제 내의 흡착 가능한 영역으로 접근할 수 있게 한다는 사실을 암시한다. 그러한 고온 및 고압 처리에 의해 조정되는 흡착제 용량에 있어서의 실질적인 증가로 간주되는 어떠한 이론이나 설명에 의해 제한되는 것을 원치 않지만, 고온 및 고압 상태가 흡착제 내의 세공 부피를 팽창시키는 역할을 하는 것일 수도 있다.
다음으로, 실린더 A는 증가하여 적재된 아르신 가스가 후속되는 토출(dispensing) 공정에서 제거될 수 있는지를 결정하도록 평가되었다. 이를 위해, 353Torr로부터 25Torr까지의 토출의 압력 범위에 걸쳐서 송출물 가스의 양이 측정되었다. 그 결과는 아래의 표 2에 도시되었으며, 여기에서 실린더 A는 상표 SDS3로 ATMI사(미국 코네티컷주 댄버리 소재)에 의해 상용화된 타입의 전형적인 아르신 충전형 탄소 흡착제 함유 JY 실린더와 비교된다.
전형적인 SDS3 JY 아르신 실린더 테스트 실린더 A
21℃에서의 송출물(g) 실린더압력(Torr) 송출물(g) 실린더압력(Torr) 실린더온도(℃)
321 100 0 353 18.3
370 80 11 333 19.7
434 60 126 167 19.5
476 50 225 108 20.5
592 30 335 55 19.9
682 20 409 45 20.9
822 10 454 25 19.7
이들 데이터는 실린더 A가 전형적인 SDS3 아르신 실린더보다 적은 아르신 가스를 송출함으로써 실린더 A 내의 탄소 흡착제 상에 적재된 추가의 아르신이 용이하게 제거되지 않았음을 나타낸다는 것과, 실린더가 감압 및 실온으로의 재냉각되었을 때에 흡착제의 가열 및 가압시에 발생했던 실린더 변화는 역전되었다는 것을 보여준다. 본 발명은, 이러한 환경을 회피하기 위해, 그리고 탄소 흡착제의 구조를 영구적으로 변경하여 소르베이트 가스의 흡수의 증가뿐만 아니라 송출물의 증가도 성취하도록, 고온/고압 처리의 사용을 고려한다. 또한, 본 발명은 토출 공정에서 고온의 사용을 고려함으로써, 고온/고압 처리에 의해 탄소 흡착제 상에 적재된 추가의 소르베이트는 그 토출 공정에서 후속적으로 열적으로 제거되며, 이에 의해 보다 많은 흡착제 적재의 장점이 후속되는 토출 공정에서 일치되게 실현되도록 한다.
탄소 흡착제의 적재 용량을 증가시키는데 유용한 특정 고온 및 고압 조건은 특정 탄소 흡착제 상의 희망하는 적재를 성취하는 처리 조건의 특정한 조합을 결정하기 위해 관련 기술 분야의 범위 내에서 온도 및 압력뿐만 아니라 고온/고압 유지의 지속 시간도 변화된다는 경험적인 결정에 의해 용이하게 결정될 수도 있다는 것과, 대응하는 토출 조건도 경험적인 결정에 의해 유사하게 결정될 수도 있다는 것을 인식할 것이다.
그러므로 본 발명은 탄소 흡착제 상의 소르베이트 가스의 적재를 증가시키기에 충분한 시간 동안 소르베이트 가스 환경 내에서 탄소 흡착제를 고온 및 고압 조건으로 유지시키는 단계를 포함하는 소르베이트 가스에 대한 탄소 흡착제의 적재 용량을 증가시키는 방법을 고려한다. 또한, 본 발명은 흡착된 소르베이트 가스가 고온 및 고압 조건 하에서 탄소 흡착제로부터 후속적으로 제거되는 상기 방법을 고려한다.
본 명세서에서는 본 발명이 예시적으로 가스 형태인 냉매 유체와 관련하여 기술되었지만, 본 발명은 액체, 가스, 액체/가스 혼합물 등을 포함하여 다양한 유체 형태의 냉매 매질을 포함할 의도임을 인식할 것이다. 냉매는 단일 성분 물질뿐만 아니라 다중 성분 물질도 포함하여 임의의 적당한 냉매 물질을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 냉매는 암모니아, 물, 할로겐화 탄소(halocarbon), 글리콜, 알콜(예컨대, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 등), 탄화수소(예컨대, 부탄, 프로판 등), 아민, 폴리아민, 또는 본 발명의 광범위한 실시의 범위 내 및 본 발명의 특정한 실시예 내에서 유용하게 사용될 수 있는 임의의 다른 물질을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 다양한 예시적인 실시예에 도시된 바와 같은 흡착 시스템의 구성요소의 구성 및 배열은 단지 예시적인 것이다. 본 명세서에서는 단지 몇몇의 실시예가 상세하게 기술되었지만, 당업자는 본 발명의 신규한 실시형태로부터 실질적으로 벗어나지 않으면서 많은 변형예(예컨대, 다양한 요소의 크기, 치수, 구조, 형상, 비율에 있어서의 변화예나 변수의 수치, 장착용 장치, 재료의 용도, 색상, 배향 등의 변화예)가 가능하다는 사실을 인식할 것이다. 예를 들어, 일체로 형성된 것으로 도시된 요소는 다수의 부분 또는 요소로 구성될 수도 있고, 요소의 위치는 반대로 되거나 또는 바뀔 수도 있으며, 개별 요소 또는 위치의 성질 및/또는 수는 변경되거나 달라질 수도 있다. 임의의 공정 또는 방법 단계의 순서 또는 시퀀스는 선택적인 실시예에서 달라지거나 또는 재배열될 수도 있다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 예시적인 실시예의 설계, 작동 조건 및 배열에 있어서 다른 대체예, 변형에, 변화예 및 생략예가 실시될 수도 있다.

Claims (1)

  1. 흡착 구조체에 있어서,
    흡착제 재료로 형성된 적어도 하나의 흡착제 부재와,
    상기 흡착제 부재의 부분과 접촉하여 제공됨으로써, 가스로 하여금 상기 흡착제 부재의 상기 부분을 출입할 수 있게 하는 적어도 하나의 다공성 부재를 포함하는
    흡착 구조체.
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