KR20150125416A - 흡수식 냉동기용 탄소나노소재 코팅 전열관 및 이를 포함하는 증발기 - Google Patents

흡수식 냉동기용 탄소나노소재 코팅 전열관 및 이를 포함하는 증발기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 흡수식 냉동기용 전열관 코팅 방법으로, 탄소나노튜브, 친수성 부재 및 제 1 금속 분말로 이루어진 복합 분말을 상기 전열관 표면에 코팅하는 단계 및 상기 코팅된 복합 분말층을 소결시키는 단계를 포함하며, 상기 친수성 부재는 TiO2 인 것을 특징으로 하는 전열관 코팅방법을 제공한다.

Description

흡수식 냉동기용 탄소나노소재 코팅 전열관 및 이를 포함하는 증발기{Heating tube coated with carbon nano material used for Absorption Refrigerator and evaporator comprising the same}
본 발명은 탄소나노소재 코팅 전열관 코팅방법 및 이를 포함하는 증발기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 흡수식 냉동기 용도로 우수한 열 전달 효율을 갖는 탄소나노튜브를 이용하여, 개선된 열 효율을 갖는 탄소나노소재 코팅 전열관 코팅방법 및 이를 포함하는 증발기에 관한 것이다.
냉동기와 같은 기기에서는 에너지 효율이 매우 중요하며, 에너지 효율에서 무엇보다도 증발기 및 흡수기 등에서 냉매의 비등 및 응축 열전달을 촉진시켜야 한다.
일반적으로 흡수식 냉동기용 전열관은 열전도 증가를 위하여 고가의 구리로 된 전열관을 사용한다. 최근 동값의 상승으로 이러한 동관의 사용량을 줄이거나 저가의 대체 소재를 이용한 전열관을 개발하는 것이 매우 중요한 현실이다. 하지만 동보다 우수한 열전도를 가진 저가의 소재를 적용하기는 현실적으로 매우 어려운 현실이며 열전도성이 떨어지는 소재를 적용하면 냉동기의 전열관수의 증가로 자칫 냉동기가 과대하게 커질 수 있다.
따라서, 새로운 소재를 통하여 증발기의 전열관 열 효율을 향상시켜, 열 전달 특성이 개선된 증발기 및 흡수기를 제공하는 것이 필요하다.
(특허문헌 1) KR10-2012-0037110 A
이에 본 발명은, 탄소나노튜브와 같은 탄소소재를 증발기 및 흡수기 등에 응용하는 기술을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 흡수식 냉동기용 전열관 코팅 방법으로, 탄소나노튜브, 친수성 부재 및 제 1 금속 분말로 이루어진 복합 분말을 상기 전열관 표면에 코팅하는 단계; 및 상기 코팅된 복합 분말층을 소결시키는 단계를 포함하며, 상기 친수성 부재는 TiO2 인 것을 특징으로 하는 전열관 코팅방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전열관 코팅 방법은, 상기 복합 분말을 상기 전열관 표면에 코팅하는 단계 이전, 상기 전열관 표면에 바인더 용액을 도포하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 소결시키는 단계는 상기 바인더 용액을 제 1 온도로 산화시키는 단계; 및 상기 산화시키는 단계 후 상기 복합 분말을 제 2 온도로 환원시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 증발 전열관 표면에 상기 복합 분말을 코팅하는 단계는, 상기 용액에 분산된 복합분말을 분체 정전 도장 방식으로 코팅하는 방식으로 진행된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복합 분말을 상기 전열관 표면에 코팅하는 단계는, 상기 전열관 표면에 제 2 금속 분말을 제 1 코팅하는 단계; 상기 코팅된 제 2 금속 분말층 상에 상기 복합 분말을 제 2 코팅하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 금속과 제 2 금속은 동일한 종류이며, 상기 복합 분말은 상기 탄소나노뉴브와 금속을 혼합한 후, 밀링하는 방식으로 제조된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복합 분말 중 탄소나노튜브는 0.5 내지 30vol%이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전열관 코팅방법은, 상기 복합 분말을 상기 전열관 표면에 코팅하는 단계 이전에, 상기 복합 분말을 준비하는 단계;를 더 포함하고, 상기 복합 분말을 준비하는 단계는,상기 탄소나노튜브와 상기 제 1 금속분말을 구비한 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 분말과 상기 친수성 부재 분말의 비율을 2 : 1 의 비율로 준비하는 단계; H2O2 와 DI water 를 1:1 의 비율로 솔루션을 준비하는 단계; 상기 솔루션에 상기 다중벽 탄소나노튜브 분말과 상기 친수성 부재 분말을 투입한 솔루션 혼합액을 소정 시간 동안 초음파 파쇄(sonification) 처리하는 단계; 핫 플레이트를 이용하여 상기 솔루션 혼합액을 교반하고 상기 솔루션을 증발시키는 단계; 및 잔존하는 탄소나노튜브-친수성 부재 분말과 제1 금속분말을 볼밀링처리하는 단계;를 포함한다.
본 발명은 더 나아가 상술한 방법에 의하여 코팅된 전열관을 제공한다.
본 발명은 상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 탄소나노튜브를 이용한 전열관으로서, 상기 전열관의 표면은 제 1 금속 분말, 친수성 부재 및 탄소나노튜브로 이루어진 복합금속코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 전열관을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복합금속코팅층은 스프레이 코팅된 후, 소결된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전열관은, 상기 복합금속코팅층과 상기 증발 전열관의 표면 사이에 형성된 제 1 금속층을 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 금속층의 금속과 상기 복합금속코팅층의 금속은 동일한 종류이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 금속층과 복합금속코팅층은 분체 정전 도장 방식으로 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복합금소코팅층은 둘 이상의 코팅층을 포함한다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상술한 전열관을 포함하는 증발기를 제공한다.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상술한 전열관을 포함하는 흡수기를 제공한다.
본 발명은 전열관의 열 효율을 향상시키기 위하여, 우수한 열 전달 효율을 갖는 탄소나노튜브를 사용한다. 따라서, 증발기 및 흡수기 등에서 사용되는 전열관의 열 효율이 향상되어, 우수한 특성의 증발기 및 흡수기가 제조될 수 있다. 더 나아가, 볼밀 방식으로 동시에 금속분말과 탄소나노튜브를 기계적으로 분쇄, 혼합시킴으로써 개선된 열전도 특성과 기공 특성의 전열관용 코팅층을 형성할 수 있으며, 더 나아가, 둘 이상의 다층 구조를 통하여 전열과 코팅의 기계적, 열적 특성을 향상시킬 수 있다.
종래에는 기계적 가공으로 이루어진 유하액막식 흡수식 냉동기 전열관의 경우에 성능 증가에 한계가 있다는 문제점이 있었지만, 본 발명에 따라 탄소나노튜브/친수성 부재/금속분말 복합재료를 전열관에 코팅 적용한 경우에, 종래의 흡수식 냉동기 전열관보다 월등하게 우수한 성능을 얻을 수 있다.
본 발명에 따라 탄소나노튜브/친수성 부재/금속분말 복합재료는 TiO2 친수성 처리되어져 유하액막식 전열관 적용시에 젖음성이 향상된다. 따라서, CNT의 열전달 촉진과 더불어 TiO2 의 젖음성 향상이 복합적으로 결합되어 전체적으로 전열관의 열전달 성능이 증가하게 된다.
MWCNT에 TiO2 를 결합하기 위하여 산처리하는 방법은 황산/질산을 이용하여 산처리하게 되는데, 이러한 종래의 방법은 세척 과정이 반드시 필요하여 복합소재 공정 시간 및 노력이 증가하게 된다는 단점이 있었는바, 본 발명에서는 MWCNT에 과산화수소수를 이용한 산처리 공정 후에는 TiO2 를 CNT와 결하였을 경우에 세척 과정이 필요하지 않아 복합소재 공정 시간 및 노력을 줄일 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 탄소나노튜브/친수성 부재/금속분말 복합층을 전열관 표면에 코팅시키는 방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전열관 코팅방법의 모식도이다.
도 3은 전열관 외측에 본 발명에 따른 복합 분말을 코팅하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 4 내지 7은 전열관 내측에 복합분말을 코팅하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 8은 각각 볼 밀링 전, 후의 탄소나노튜브의 TEM 사진이다.
도 9는 코팅 방식에 따른 소결코팅 후에 각 sample의 단면과 표면 SEM 사진이다.
도 10은 CNT vol% 비율에 따른 표면 형상 및 표면 기공도를 나타낸 사진 및 그래프이다.
도 11은 CNT vol% 비율인 5%,20%,30% 별로 이루어진 CNT/Cu 복합소재들 및 20% CNT/Cu 복합소재에 친수성 부재인 TiO2가 첨가된 복합소재가 각각 전열관 상에 코팅된 상태에서의 접촉각을 보이는 사진이다.
도 12는 친수성 부재인 TiO2 가 첨가된 복합소재가 전열관 상에 적층되는 형태인 단일레이어 및 더블 레이어에 따른 접촉각의 차이를 보이는 사진이다.
도 13은 Bare 튜브, Floral 튜브 및 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합소재가 코팅된 전열관의 사진이다.
도 14는 Bare 튜브, Floral 튜브 및 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합소재의 젖음률을 비교한 사진이다.
도 15는 Bare 튜브, Floral 튜브 및 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합소재 등이 유하 액막식 증발기 하에서의 유동을 나타낸 사진이다.
도 16은 Bare 튜브, Floral 튜브 및 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합소재에 대해 증발 열전달 계수 변화를 나타낸 그래프이다.
도 17은 Bare 튜브, Floral 튜브 및 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합소재에 대해 유하 액막식 증발기의 냉매 순환량에 따른 관내 총괄 열전달 계수 변화를 나타낸 그래프이다.
도 18은 Bare 튜브, Floral 튜브 및 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합소재에 대해 유하 액막식 증발기의 냉수 유속 변화에 따른 관내 총괄 열전달 계수 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 각 실시예에 따른 탄소나노튜브/친수성 부재/금속분말 코팅 전열관 및 이를 포함하는 증발기에 대하여 설명하기로 한다.
이하의 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
또한 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명은 전열관의 열전달 효율을 향상시키기 위하여, 우수한 열전달 효율을 갖는 탄소나노튜브/친수성 부재/금속분말 복합재료를 사용한다. 본 발명에서 전열관 코팅성분인 탄소나노튜브는 전기 전도도가 구리와 비슷하고, 강도는 철강보다 100배나 뛰어나며, 특히 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같다.
따라서, 본 발명은 열전도율이 뛰어난 특성을 이용하였으며, 본 발명에 따른 탄소나노튜브/친수성 부재/금속분말 복합 소재는, 다중벽 탄소나노튜브(Multi Wall Carbon Nano Tube: MWCNT) 혹은 단일벽 탄소나노튜브(Single Wall Carbon Nano Tube: SWCNT)를 포함하고, 친수성 부재는 TiO2 부재를 포함하며, 금속분말은 구리(Cu), 철(Fe), 스테인레스, 티타늄(TI), 알루미늄(Al) 등의 금속 분말을 모두 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브/친수성 부재/금속분말 복합층을 전열관 표면에 코팅시키는 방법의 단계도이다.
도 1을 참조하면, 먼저, 탄소나노튜브, 친수성 부재 및 금속분말(제 1 금속)로 이루어진 복합 분말을 전열관 표면에 코팅한다(S10). 본 발명의 일 실시예에 따른 복합분말은 볼 밀링 방식으로 제조된 것으로, 상기 코팅은 정전기적인 힘을 이용한 분체 정전 도장 방식으로 진행된다. 하지만, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않으며, 다양한 코팅 방법이 사용될 수 있다.
이후, 전열관 표면 상에 상기 코팅된 복합 분말층을 소결시키는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 소결은 제 1 온도 및 제 2 온도로 진행되는 단계별 열처리로 진행된다(S20).
소결 과정 후에는 냉각 공정을 실시한다(S30).
실시예
실시예 1-1
복합분말 제조
탄소나노튜브, 친수성 부재 및 금속분말로 이루어진 복합 소재 분말은, 기존의 탄소나노튜브와 금속분말로 이루어진 복합 분말의 친수성을 향상하기 위해서 친수성 부재인 TiO2 를 첨가하는 것을 특징으로 한다.
먼저, 탄소나노튜브와 금속분말을 구비한 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 파우더와 TiO2 파우더의 비율을 4g : 2g 으로 준비한다.
H2O2 와 DI water 가 1:1 비율로 혼합된 솔루션을 300g 준비한다.
다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 파우더와 TiO2 파우더를 솔루션에 투입하여 생성되는 솔루션 혼합액을 4시간 동안 초음파 파쇄(sonification) 처리한다. 즉, 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 표면을 H2O2 로 산처리하여 생성된 카르복실기와 아민기에 친수성 입자인 TiO2 를 다중벽 탄소나노튜브의 표면에 부착시키는 역할을 한다.
이후, 핫 플레이트를 이용하여 솔루션 혼합액을 교반하고 솔루션을 증발하게 한다.
24시간 동안 드라이 오븐을 사용하여 잔존하는 수분을 제거한다.
남아 있는 CNT-TiO2 파우더와 Cu 파우더 101g을 Attrition Milling으로 900RPM에서 4시간 동안 볼밀링하여 제조하였다. 결과적으로, CNT-TiO2-Cu 분말 복합소재가 탄생한다.
실시예 1-2
복합분말 코팅
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전열관 코팅방법의 모식도이다.
도 2를 참조하면, 상측의 경우, 2 wt% 농도의 바인더 용액을 스프레이 방식으로 구리 시편(전열관) 위에 코팅한 후 분체 정전 도장기를 이용하여 탄소나노튜브/친수성 부재/금속 복합 분말을 코팅하는 단층코팅(single layer coating) 방법의 모식도이고, 하측은 전열관 상부에 또 다른 금속층(제 2 금속의 분말로 이루어진 금속층)을 형성한 후, 상기 또 다른 금속층 상에 복합분말을 이층 이상으로 코팅하는 다층코팅 방법의 모식도이다.
본 발명에서 상기 바인더 용액은 점착제 역할을 하는 액상 물질로서, 본 발명의 일 실시예에서 PVA(polyvinyl alcohol)용액을 바인더 용액으로 사용하였으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다.
다층코팅, 즉, 2층 이상으로 코팅층을 형성하는 경우, 본 발명의 일 실시예에서 상기 복합분말의 금속(제 1 금속)과 상기 또 다른 금속층의 제 2 금속은 동일한 종류로서, 이로써 상이한 금속 종류 간의 계면 결함이 최소화된다.
본 발명에 따른 상기 복합분말은 전열관의 외측, 내측에 모두 코팅될 수 있는데, 이하 이를 상세히 설명한다. 다층 코팅의 경우 상기 복합분말코팅층은 하나 이상 또는 둘 이상의 코팅층을 포함할 수 있다.
전열관 외측에 코팅하는 경우
도 3은 전열관 외측에 본 발명에 따른 복합 분말을 코팅하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 전열관 외부에 사포나 샌딩머신에 의한 거칠기 형성한다. 이후, 도 3에 도시된 바와 같은 스프레이부스 안에 전열관 회전 코팅 장치 설치한다.
이후, 전열관 회전(저속)시키면서, PVA 수용액을 일반 공기 구동 스프레이 장치로 분무시켜 1차 코팅한다. 이후, 순수 구리 파우더(제 1 금속의 금속분말층)를 분체 정전 도장기로 코팅한다. 이후, PVA 수용액을 일반 공기 구동 스프레이 장치로 분무시켜 2차 코팅하고, 본 발명에 따른 최적 조건의 탄소나노튜브/친수성 부재/금속분말 복합소재를 분체 정전 도장기로 코팅하고, 이를 탈착시킨다.
전열관 내측에 코팅하는 경우
도 4 내지 7은 전열관 내측에 복합분말을 코팅하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 전열과 내측을 사포등을 이용하여 표면에 거칠기를 낸다. 이후, 전열관 내측에 PVA 수용액 코팅하는데, 이는 도 5와 같이 전열관 한쪽을 플러그 등으로 막고 PVA 수용액 넣고, 전열관 양측을 후 막은 후 회전하여 내측에 PVA수용액을 균일하게 코팅하고, 다시 프러그를 열어 잔여 PVA용액을 제거한다.
또한 이와 달리 도 6과 같이 전열관을 PVA 수용액에 침지시킨 후 꺼내고, 전열관을 기울여 내측에 잔여 PVA용액을 제거할 수 있다.
이후 도 7과 같이 순수 금속 파우더를 분체 정전 도장기로 코팅하는데, 이를 상세히 살피면, 도 7의 열관 내측 코팅 장치를 제작, PVA가 묻은 전열관을 거치대에 장착한다. 송풍기로 공기를 흡입하면서 정전 도장장치를 통하여 구리 파우더를 분사시키면 구리 분말이 전열관 끝까지 내부에 고루 코팅하게 된다. 이렇게 전열관 내측에 순수 구리 파우더를 코팅한다.
이후 도 5, 6의 방식에 따라 바인더인 PVA 용액을 한번 더 코팅한 후, 도 7과 동일하게 전열관 내측 코팅 장치에 전열관을 장착하여 최적 탄소나노튜브/친수성 부재/금속 복합소재를 분체 정전 도장기로 코팅한다.
실시예 1-3
소결
이후, 상기 PVA와 같은 바인더 용액 또는 또 다른 금속층 상에 코팅된 탄소나노튜브/친수성 부재/금속분말 복합층은 열처리 공정으로 소결된다.
먼저, 전기로에 코팅 전열관 투입한다. 본 발명의 일 실시예에서 열처리 공정을 위한 전기로는 저항로(간접식) 방식이었으나, 그 외에도 유도로, 방전 프라즈마로, 아크로 등도 고려될 수 있으며, 특히 에너지와 가공 시간이 단축될 수 있는 임의의 모든 방식의 가열로가 본 발명에 따른 열처리 공정에 사용될 수 있다.
이후, 공기를 공급하여 공기분위기에서 20℃/min의 속도로 가열하여 350℃에서 10분 정도 유지하여 바인더(PVA)를 산화시킨다(제 1 온도 열처리). 다시, 전기로에 잔여 공기를 진공 펌프를 이용하여 배출 시키거나 질소가스를 전기로내에 공급하여 잔여공기를 퍼지(purge)시키고, 포밍가스 (수소10%, 질소90%)를 공급하여, 환원(수소) 분위기에서 고온에서 1시간 동안 환원 소결한다(제 2 온도 열처리).
고온의 소결 온도는 탄소나노튜브/친수성 부재/구리 복합소재일 경우 600℃∼800℃, 탄소나노튜브/스틸 복합소재일 경우 700 ℃ ~ 1000℃이다. 이와 같은 열처리 온도는 탄소나노튜브/친수성 부재/복합금속층의 물질 종류에 따라 달라지며, 본 발명의 범위는 본 실시예에서의 온도 조건에 제한되지 않는다.
실험예
복합분말 특성
도 8a,8b는 좌우측에 각각 볼 밀링 전, 후의 탄소나노튜브의 TEM 사진을 나타낸다.
도 8a를 참조하면, 긴 형상의 다중벽 탄소나노튜브가 나타나고 있으나, 도 8b의 경우, 원래 서로 얽혀 있는 긴 탄소나노튜브가 볼 밀링 후에는 짧게 끓어져 구리분말에 박혀 있는 것을 알 수 있다.
코팅방식에 따른 조직 및 열전달 특성
도 9는 코팅방식에 따른 소결코팅 후에 각 sample의 단면과 표면 SEM 사진이다
도 9에서 순수한 구리 파우더로만 단층 소결 코팅한 경우(a,b), 탄소나노튜브/구리 복합 파우더로 단층 소결 코팅한 경우(c,d), 순수한 구리 파우더 위에 탄소나노튜브/구리 복합 파우더를 소결 코팅한 이층 코팅한 경우(e,f)이다.
도 9에서 보듯이 단층 코팅보다는 이층코팅이 단면과 표면사진에서 풀 비등 열전달에 유리한 높은 기공도를 가지고 있는 것이 관찰할 수 있다. 그리고 복합분말로 코팅된 표면이 순수한 구리분말만 소결 코팅된 표면보다 기공도가 증가 되어 있는 것을 관찰할 수 있다.
하기 표 1은 PSA(Pore Size Analyzer)분석 결과이다.
[표 1]
Figure pat00001
표 1을 통하여 각 샘플의 기공사이즈와 기공도 및 기공밀도를 알 수 있는데, 도 9의 (a)(b)는 소결 과정을 통하여 코팅된 구리는 구리입자가 서로 응집하면서 사이즈가 큰 구리입자가 형성되며, 그 결과 가장 큰 평균기공직경이 나타나고 기공도는 제일 낮은 것을 알 수 있다. 하지만 도 9의 (c)(d)는 탄소나노튜브/구리 복합분말을 단층 소결 코팅한 경우, 볼밀과정 중 분말사이즈가 작아지고, 또한 탄소나노튜브와 구리입자 사이의 계면으로 인하여 기공 사이즈가 작아져 기공도는 높아지고 기공밀도가 높아지는 것을 알 수 있다. 도 9의 (e)(f)는 이층구조로서 가장 작은 기공 사이즈와 제일 큰 기공도 그리고 가장 높은 기공밀도를 나타낸다.
도 10은 CNT vol% 비율에 따른 표면 형상 및 표면 기공도를 나타낸다. 도 10에서 보듯이 CNT가 20% vol 일 경우가 1~5 마이크로미터의 기공도가 가장 많이 분포함을 알 수 있다.
결론적으로 기공도 분포로 판단하면 CNT가 20%vol 일 경우가 기공 크기가 가장 작으며 기공 밀도가 커서 열전달 표면에서 비등및 증발 열전달이 가장 우수할 것으로 예상된다.
도 11은 CNT vol% 비율별로 이루어진 복합소재들이 전열관 상에 코팅된 상태에서의 접촉각 및 친수성 부재인 TiO2 가 첨가된 복합소재가 전열관 상에 코팅된 상태에서의 접촉각을 보이는 사진이다. 도 12는 친수성 부재인 TiO2 가 첨가된 복합소재가 전열관 상에 적층되는 코팅되는 레이어에 따른 접촉각의 차이를 보이는 사진이다.
한편, 유하 액막식은 전열튜브의 젖음율이 매우 중요하게 되는데, 본 발명에서는 위에서 제조된 바 있는 탄소나노튜브/친수성 부재/금속분말 복합재료가 코팅된 전열관 상에 물을 떨어뜨려 접촉각을 측정하였다.
종래의 Cu/CNT 20%Vol 복합소재 코팅 접촉각은 약 109.7°로서 소수성 특성을 나타낸다. 이러한 경우는 젖음율이 중요한 유하 액막식 증발튜브에서는 취약점이 된다.
따라서 본 발명에서는 친수성 소재를 코팅에 부가하여 젖음율 특성을 높였다.
본 발명에서는 상술한 바와 같이 친수성 성질을 부가하기 위하여 TiO2 를 코팅에 첨가하였다. CNT에 과산화수소수(H2O2)를 이용하여 산 처리한 후 TiO2 를 CNT와 결합을 한바 있다.
도 11에서 보듯이 TiO2 를 첨가한 후에 접촉 각도가 현저하게 작아짐을 알 수 있다.
특히, 도 12에서 보듯이 우측에 보이는 Double layer 코팅이 좌측에 보이는 Single layer 코팅 보다 접촉 각도가 작아짐을 확인하였다. 이에 따라 젖음율을 고려 한다면 double layer 코팅을 사용함이 유리함을 알 수 있다.
도 13 내지 도 15를 참조하여 Bare 튜브, Floral 튜브 및 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합소재가 코팅된 전열관의 열전달 특성을 비교분석한다. 여기에서, Bare 튜브는 증발 전열관 상에 구리 금속만 코팅된 상태를 나타내고, Floral 튜브는 Cu/CNT vol 20% 코팅된 상태를 나타내고, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합소재 코팅은 TiO2/Cu/CNT vol 20% 코팅된 상태를 나타낸다.
유하 액막식 증발기 내부에서는 냉매와 냉수가 쉘 & 튜브 타입 열교환기에서 상호 열교환을 하게 된다. 냉매인 물은 펌프에 의해 트레이 공급된 후 전열 튜브 위에서 균일하게 떨어지게 된다. 이때 챔버내 포화온도 보다 높은 냉수측에서 열을 받아 전열관 표면에서는 증발 현상이 발생한다.
도 14 내지 도 15는 유하액막식 증발기 튜브 열전달 실험시 유동 현상을 촬영한 사진이다. 사진에서 보듯이 증발 튜브의 종류에 따라 튜브 표면에서 유동현상이 다르다. 본 발명의 목적인 TiO2/Cu/CNT vol 20% 복합소재 코팅 튜브에서는 냉매인 물의 젖음율이 매우 우수하게 젖어 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
흡수식 냉동기의 증발기는 과열도가 0.5 ℃ 낮은 영역에서 유효하다.
도 16을 참조하면, MWCNT 20 vol%- TiO2/Cu 코팅의 경우가 bare plate의 경우보다 증발 열전달 계수가 50% 높은 것을 알 수 있다.
이에 따라 본 발명에서는 증발 전열 튜브에 MWCNT 20 vol%- TiO2/Cu 코팅을 하여 성능을 파악하고자 한다.
도 17은 Bare 튜브, Floral 튜브 및 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합소재에 대해 유하 액막식 증발기의 냉매 순환량에 따른 관내 총괄 열전달 계수 변화를 나타낸 그래프이다.
도 17에서 확인할 수 있듯이, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합소재를 적용한 경우에는 현재 상용화된 상태에 있는 Floral 튜브보다 평균적으로 약 38% 높게 향상된 총괄 열전달 계수가 도출되는 것을 알 수 있다.
도 18은 Bare 튜브, Floral 튜브 및 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합소재에 대해 유하 액막식 증발기의 냉수 유속 변화에 따른 관내 총괄 열전달 계수 변화를 나타낸 그래프이다.
도 18에서 확인할 수 있듯이, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합소재를 적용한 경우에는 현재 상용화된 상태에 있는 Floral 튜브보다 냉수 유속이 증가함에 따라 총괄 열전달 계수는 증가하는 것을 확인할 수 있다.
냉수 유속 1.5m/s는 Re 수가 약 20,000정도에 해당한다. 하지만, 냉수 유속이 2.5~3.0 m/s 의 영역에서는 열전달 계수 증가율이 둔화되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명을 적용하는 경우에는 종래 대비 열전달 계수가 30% 이상 증가하는 것을 확인할 수 있고 이에 따른 전열관 수의 감소로 기존 대비 20% 이상의 체적 감소 효과를 보게 된다. 즉, 일 예로서 전열관의 직경이 외경 16mm에서 12.7mm로 감소하므로 20% 이상의 체적이 감소하는 효과를 볼 수 있다.
한편, 흡수식 냉동기에 포함되는 흡수기의 경우에는 수증기를 리튬브로마이드 수용액이 연속흡수하여 용액은 물로 희석하고 흡수열을 발생하게 한다.
증발기는 저압으로서 약 5mmHg 이며, 냉매(물)가 증발기 열교환기 내의 냉수와 열교환하여 증기로 되며 이때 발생한 냉매 증기가 흡수기에서 흡수액인 리튬브로마이드(LiBr)수용액에 흡수되어, 리튬브로마이드(LiBr) 수용액은 고농도 용액(농용액)에서 저농도 용액(희용액)으로 된다. 이때 흡수과정에서 흡수열이 발생하여 용액의 온도가 상승하므로 증기의 흡수력이 감소하게 된다.
그러므로 지속적인 흡수과정을 위하여 흡수기는 냉각수나 공기에 의하여 지속적인 냉각이 필요하고, 증발기와 마찬가지로 열전달 성능이 우수한 전열관이 요구되므로, 본 발명에 따른 탄소나노튜브/친수성 부재/금속분말 복합 소재를 흡수기에도 적용할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 흡수식 냉동기용 전열관 코팅 방법으로서,
    탄소나노튜브, 친수성 부재 및 제 1 금속 분말로 이루어진 복합 분말을 상기 전열관 표면에 코팅하는 단계; 및
    상기 코팅된 복합 분말층을 소결시키는 단계;를 포함하며,
    상기 친수성 부재는 TiO2 인 것을 특징으로 하는 전열관 코팅방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전열관 코팅 방법은,
    상기 복합 분말을 상기 전열관 표면에 코팅하는 단계 이전, 상기 전열관 표면에 바인더 용액을 도포하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전열관 코팅방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 소결시키는 단계는,
    상기 바인더 용액을 제 1 온도로 산화시키는 단계; 및
    상기 산화시키는 단계 후 상기 복합 분말을 제 2 온도로 환원시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전열관 코팅방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 전열관 표면에 상기 복합 분말을 코팅하는 단계는,
    상기 용액에 분산된 복합분말을 분체 정전 도장 방식으로 코팅하는 것을 특징으로 하는 전열관 코팅 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 분말을 상기 전열관 표면에 코팅하는 단계는,
    상기 전열관 표면에 제 2 금속 분말을 제 1 코팅하는 단계;
    상기 코팅된 제 2 금속 분말층 상에 상기 복합 분말을 제 2 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전열관 코팅 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 금속과 제 2 금속은 동일한 종류인 것을 특징으로 하는 전열관 코팅 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 분말은 상기 탄소나노튜브, 친수성 부재 및 제 1 금속 분말을 혼합한 후, 밀링하는 방식으로 제조되는 것을 특징으로 하는 전열관 코팅 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 분말 중 탄소나노튜브는 0.5 내지 30 vol%인 것을 특징으로 하는 전열관 코팅 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전열관 코팅방법은,
    상기 복합 분말을 상기 전열관 표면에 코팅하는 단계 이전에, 상기 복합 분말을 준비하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 복합 분말을 준비하는 단계는,
    상기 탄소나노튜브와 상기 제 1 금속분말을 구비한 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 분말과 상기 친수성 부재 분말의 비율을 2 : 1 의 비율로 준비하는 단계;
    H2O2 와 DI water 를 1:1 의 비율로 솔루션을 준비하는 단계;
    상기 솔루션에 상기 다중벽 탄소나노튜브 분말과 상기 친수성 부재 분말을 투입한 솔루션 혼합액을 소정 시간 동안 초음파 파쇄(sonification) 처리하는 단계;
    핫 플레이트를 이용하여 상기 솔루션 혼합액을 교반하고 상기 솔루션을 증발시키는 단계; 및
    잔존하는 탄소나노튜브-친수성 부재 분말과 제1 금속분말을 볼밀링처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전열관 코팅방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 코팅된 전열관.
  11. 탄소나노튜브를 이용한 전열관으로서,
    상기 전열관의 표면은 제 1 금속 분말, 친수성 부재 및 탄소나노튜브로 이루어진 복합금속코팅층이 형성되며,
    상기 친수성 부재는 TiO2 인 것을 특징으로 하는 전열관.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 복합금속코팅층은 스프레이 코팅된 후, 소결된 것을 특징으로 하는 전열관.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 전열관은,
    상기 복합금속코팅층과 상기 전열관의 표면 사이에 형성된 제 2 금속분말층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전열관.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 금속분말층의 금속과 상기 복합금속코팅층의 금속은 동일한 종류인 것을 특징으로 하는 전열관.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 금속분말층과 상기 복합금속코팅층은 분체 정전 도장 방식으로 형성된 것을 특징으로 하는 전열관.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 복합금속코팅층은 둘 이상의 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전열관.
  17. 제 11 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 전열관을 포함하는 증발기.
  18. 제 11 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 전열관을 포함하는 흡수기.
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