KR20180004908A

KR20180004908A - 상변화소재로 코팅된 냉동기기용 온도감지센서 및 그를 구비한 냉장기기

Info

Publication number: KR20180004908A
Application number: KR1020160084590A
Authority: KR
Inventors: 조윤성; 전낙배
Original assignee: (주)피엔아이
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2018-01-15

Abstract

본 발명은 상변화소재로 코팅된 냉동기기용 온도감지센서 및 그를 구비한 냉장기기에 관한 것이다.
본 발명의 냉동기기용 온도감지센서는 전이온도, 열용량 및 열전도도가 제어된 상변화소재 함유액을 온도센서의 표면에 코팅하거나 온도센서와 이를 담지할 용기 사이에 충진 후 밀봉한 형태로 제공하므로, 종래 온도센서에 그대로 적용할 수 있으며, 이를 냉장기기에 구비함으로써, 냉장기기의 개폐 또는 외부물질 반입에 따른 온도감지 주기를 늦춤으로써, 냉동, 냉장고용 고 내의 온도센서에 의하여 잦은 정지와 기동을 반복하는 냉동기기의 작동에 있어서 짧은 주기의 컷인(Loading)과 컷아웃(Unloading)을 방지하고 냉동싸이클의 활성화 시간을 확보함으로써 에너지를 절감할 수 있다.

Description

상변화소재로 코팅된 냉동기기용 온도감지센서 및 그를 구비한 냉장기기{TEMPERATURE SENSING SENSOR COATING PHASE CHANGE MATERIALS AND REFRIGERATION DEVICE USING THE SAME}

본 발명은 상변화소재로 코팅된 냉동기기용 온도감지센서 및 그를 구비한 냉장기기에 관한 것으로서, 전이온도, 열용량 및 열전도도가 제어된 상변화소재 함유액을 온도센서의 표면에 코팅하거나 온도센서와 이를 담지할 용기 사이에 충진한 냉동기기용 온도감지센서를 제공하고, 이를 냉장기 또는 냉동기에 구비하여 온도감지 주기를 늦춤으로써, 냉동, 냉장고용 고 내의 온도센서에 의하여 잦은 정지와 기동을 반복하는 냉동기기의 작동에 있어서 짧은 주기의 컷인(Loading)과 컷아웃(Unloading)을 방지하고 냉동싸이클의 활성화 시간을 확보함으로써 에너지를 절감하는, 상변화소재로 코팅된 냉동기기용 온도감지센서 및 그를 구비한 냉장기기에 관한 것이다.

냉장고는 식품, 음료 등과 같은 식품을 부패하지 않고 장기간 보관하기 위한 장치이다.

냉장고는 복수의 저장실을 가지며, 식품을 냉동 보관하는 냉동실, 식품을 냉장 보관하는 냉장실이 마련된다. 또한, 채소, 생선 등의 신선 식품을 장기간 보관하는 변온실이 마련되기도 한다.

이러한 냉장고는 냉매의 압축-응축-팽창-증발의 냉각 사이클을 반복 수행하면서 저장실의 온도를 설정된 목표 온도로 유지시킨다. 즉 냉장고는 각 저장실의 목표 온도에 기초하여 각 저장실에 대응되어 마련된 증발기에 의하여 냉각된 공기를 각 저장실 내로 공급시켜 각 저장실의 온도가 목표 온도로 유지되도록 한다.

일반적으로 냉동싸이클은 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 포함할 수 있다. 압축기, 응축기 등은 실외에 배치되고, 증발기는 실내에 배치될 수 있다. 응축기는 실외 공기와의 열 교환에 의해 냉매를 응축시킨다. 증발기는 팽창된 냉매가 고 내 공기와 열 교환되도록 한다.

냉동, 냉장고에는 적정 온도를 유지하기 위하여 고 내에 온도센서를 구비하고 있는데, 상기 온도센서가 고 내의 온도를 감지하여 감지된 값을 제어기로 보내게 된다. 이때, 감지된 값이 설정 값 이상이면, 냉동싸이클 내의 압축기를 컷인(Loading)하고 설정 값 이하일 경우 압축기를 컷아웃(Unloading)하는 제어기를 작동한다. 이 과정에서 온도의 헌팅(Hunting)을 방지하기 위하여 통상적으로 ±0.5℃ 범위의 차이 값을 둔다.

여기서의 문제점으로는, 온도센서의 냉동싸이클이 활성화되기 전에 설정온도에 도달하여 컷아웃(Unloading)이 발생되고 결과적으로 짧은 운전주기가 반복되면서 안정화 시간이 길어지는 데에 있다.

냉동싸이클이 시작하는 주요인은 고 내의 식품 등 내용물이 반입 또는 반출이 이루어지는 과정에서 접촉환경으로부터 열 전달에 의하여 고 내부의 대기온도가 상승하는 경우이다. 이때, 냉동싸이클은 컷인하게 되고 온도센서는 대류에 의하여 급격히 냉각된 고 내부의 대기온도를 감지하여 컷아웃을 작동하게 된다. 컷아웃은 다시 급격한 온도상승으로 컷인을 유발하게 되고 이의 반복을 통하여 안정화 시간이 길어지게 된다.

이러한 작동은 온도센서가 온도차에 의하여 대류가 용이한 고 내 대기의 온도를 감지하여 기동신호를 주기 때문이다. 즉, 식품 등과 같은 고 내의 내용물의 온도는 변화가 없는 반면, 고 내의 대기는 낮은 비열로 인하여 대류온도의 변화를 즉각 반영하게 된다. 따라서, 온도센서는 냉동싸이클의 활성화가 일어나기 전에 감지온도에 의하여 컷인(Loading) 컷아웃(Unloading) 작동을 반복 할 수 밖에 없다.

이러한 짧은 주기의 컷인 및 컷아웃 작동을 방지하고 냉동싸이클의 안정화 상태를 얻기 위해서는 냉장 5℃ 기준 최소 45분 이상 운전이 이루어져야 한다.

도 1은 몰리에르선도(Mollier chart)를 도시한 것으로서, 가로축에 냉매의 엔탈피, 세로축에 냉매의 압력을 나타내며, 냉동싸이클의 안정화가 이루어지면 냉동싸이클의 COP(Coefficient Of Performance)가 설계 최대값에 근접하게 된다. 즉, 증발기에서는 최대한 많은 열을 흡수하고, 응축기에서는 최대한 많은 열을 배출하게 된다.

도 2는 냉동고에서의 응축온도대비 팽창변을 도시한 것으로서, 가령 -23℃로 냉동하는 경우, 냉동기는 가동 후 정상운전 도달 시까지 응축온도(압력)가 30℃ 상승 후에 팽창변을 통해서 낮은 증발온도를 가질 수 있기 때문이다. 사용되는 전력그래프를 보면 120분 이상 가동된 후 전력 값이 안정화 상태에 이른다. 냉각효율을 조금 더 안정화 시기를 거쳐 활성화 에너지를 얻기 위해서는 최대 120분 이상을 운전하는 것이 좋다. 식품의 표면 온도 변화도 줄일 수 있다.

냉동기의 작동에서 짧은 주기의 컷인 및 컷아웃을 방지하고 냉동싸이클의 안정화를 위하여 온도감지의 주기를 늦추는 것이 필요하다.

대한민국특허 제1071968호에는 냉장고 내부벽 배면에 상변화소재가 내장된 용기체를 설치하여 냉장고 도어를 개폐하거나 정전시 냉장고의 온도가 급격히 상승하는 것을 방지할 수 있도록 한 상변화소재를 이용한 에너지 저감 냉장고를 개시하고 있다.

상기 발명은 축냉조에 저장된 상변화소재가 그 특성상 압축기의 작동이 멈추더라도 히트 파이프를 통해 냉동, 냉장실의 열을 계속해서 흡수함으로써 냉각작용을 지속적으로 수행할 수 있으나, 상변화소재가 냉장고 내부벽 전체를 감싸는 것에 비해서는 냉각작용이 저조하고, 냉장고 제작단계에서 설치되어야 한다.

상기에서, 상변화소재(PCM; Phase Change Material)란, 물질이 갖고 있는 잠열의 흡수 또는 방출 효과를 이용하여 에너지를 저장하거나 온도를 일정하게 유지하는 목적으로 사용되는 물질로서, 특정한 온도 구간에서 많은 양의 열에너지를 축적하거나 방출하는 물질로 구성되는데, 상변화 과정에서 어떤 물질이 화학적 변화가 아닌 분자의 물리적인 배열이 바뀌면서 온도의 변화없이 열이 발생하거나 흡수되는 특성을 가지고 있다. 이러한 원리를 바탕으로 고체, 액체 및 기체 등 하나의 상태에서 다른 상태로 전이하는 물리적 변화과정을 제어하여 열에너지를 축적하거나 방출하는 재료로 활용되고 있다.

이에, 건축산업에서 사용되는 잠열재, 축열재 및 축냉재 등과 식품포장에 사용되는 아이스 팩 적용 등이 대표적인 사례이다. 또한 전자산업에서는 열관리 소재로 적용되고 있다.

이에, 본 발명자들은 전이온도, 열용량 및 열전도도가 제어된 상변화소재를 선정하고 종래 냉장기기 온도감지센서의 표면에 코팅하여 냉장기기의 개폐 또는 외부물질 반입에 따른 온도감지 주기를 늦추고, 상기 온도감지 단계에서 열용량을 조절하여, 냉동, 냉장고용 고 내의 온도센서에 의하여 잦은 정지와 기동을 반복하는 냉동기기의 작동에 있어서 짧은 주기의 컷인(Loading) 컷아웃(Unloading)을 방지하고 냉동싸이클의 활성화 시간을 확보하여 에너지 절감을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 전이온도, 열용량 및 열전도도가 제어된 상변화소재를 코팅한 냉동기기용 온도감지센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 상기 냉동기기용 온도감지센서를 냉장기 또는 냉동기에 구비하여 냉장기기의 개폐 또는 외부물질 반입에 따른 온도감지 주기를 지연시켜 냉동싸이클의 주기를 안정화시킨 냉장기기를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 파라핀계 또는 화학식 2로 표시되는 지방산계에서 선택되는 액상 또는 액상으로 변이 가능한 상변화소재 함유액이 온도센서의 표면에 코팅된, 냉동기기용 온도감지센서를 제공한다.

화학식 1

C _n H₂ _n ₊₂

상기 화학식 1에서 n은 14 내지 40의 정수이다.

화학식2

CH₃(CH₂)_nCOOH

상기 화학식 2에서 n은 1 내지 40의 정수이다.

더욱 바람직하게는 본 발명의 냉동기기용 온도감지센서는 상기 화학식 1로 표시되는 상변화소재에서, 고상 파라핀 및 액상 파라핀이 3:7 내지 7:3의 비율로 혼합된 상변화소재 함유액이 온도센서의 표면에 코팅된 것이다.

상기의 고상 파라핀 100 중량부에 대하여, 전도성 첨가제 1 내지 70 중량부가 함유되어 복합화된 형태로 제공되어 열전도도 물성이 최적화된다.

상기에서 전도성 첨가제는 그래핀, 탄소섬유, 흑연, 카본블랙, 탄소나노튜브, 및 그래핀옥사이드로 이루어진 탄소소재; 알루미늄, 구리, 철, 은, 금 및 그들의 합금으로 이루어진 금속소재; 또는 산화벨리륨(Beryllium oxide), 질화알루미늄(Aluminum nitride), 탄화규소(Silicon carbide) 및 알루미나(Alumina)로 이루어진 세라믹소재; 군에서 선택되는 단독 또는 그 혼합형태인 것을 사용할 수 있다.

본 발명의 냉동기기용 온도감지센서는 온도센서가 용기에 담지되고, 상기 온도센서와 용기 사이에 상변화소재 함유액이 충진되어 밀봉된 형태로 제공된다.

나아가, 본 발명은 상기의 냉동기기용 온도감지센서를 구비한 냉장기기를 제공한다.

구체적으로는, 상기 냉동기기용 온도감지센서가 0∼10℃ 온도로 유지되는 냉장기를 도어방향에서 내부방향으로 하, 중, 상단으로 분류할 때, 하단의 적어도 일측 또는

-18℃로 유지되는 냉동기를 도어방향에서 내부방향으로 하, 중, 상단으로 분류할 때, 중 또는 하단의 적어도 일측에 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명은 냉동기의 작동에서 짧은 주기의 컷인 및 컷아웃을 방지하고 냉동싸이클의 안정화를 위하여 온도감지의 주기를 늦추는 방안으로서, 전이온도, 열용량 및 열전도도가 제어된 상변화소재를 선정하고 이를 종래의 온도센서에 접촉시켜 제작된 냉동기기용 온도감지센서를 제공할 수 있다.

이에, 본 발명의 냉동기기용 온도감지센서는 냉장기기 제작단계에 설비될 필요없이 종래 구비된 온도센서 표면에 코팅하거나, 용기에 담지하는 형태로 제공함으로써, 이를 구비한 냉장기기는 냉장기기의 개폐 또는 외부물질 반입에 따른 온도감지 주기를 늦춤으로써, 냉동, 냉장고용 고 내의 온도센서에 의하여 잦은 정지와 기동을 반복하는 냉동기기의 작동에 있어서 짧은 주기의 컷인(Loading)과 컷아웃(Unloading)의 싸이클의 수를 50% 이상 감소시켜 에너지를 현저히 절감시키고, 냉장기기의 사용수명을 연장시킬 수 있다.

도 1은 몰리에르선도(Mollier chart)를 도시한 것이고,
도 2는 냉동고에서의 응축온도 대비 팽창변을 도시한 것이고,
도 3은 본 발명의 실시예 3의 상변화소재에 대한 시차주사 열량측정 장치를 통한 열 분석결과이고,
도 4는 본 발명의 상변화소재액이 온도센서가 담지된 용기에 충전 밀봉된 실시형태를 모식적으로 도시한 것이고,
도 5는 종래 0∼10℃ 온도로 유지되는 냉장기의 공간 분포에 따른 온도감지 영역이고,
도 6은 종래 -18℃로 유지되는 냉동기의 공간 분포에 따른 온도감지 영역이고,
도 7은 본 발명의 온도감지센서가 구비된 냉장기기에서 구비 전(a)과 후(b)의 냉장싸이클 주기변화에 대한 실험결과이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.

본 발명은 냉동기기를 운전하는 온도범위에서 상변화가 일어나고 온도감지센서를 코팅할 수 있도록 액상이거나 액상으로 변이가 가능한 유기계 상변화 소재라면 사용 가능하다.

본 발명의 목적을 구현하기 위한 상변화소재는 유기 및 무기성분을 망라하여 약 4천 여종이 알려져 있으나, 실생활에 적용이 가능한 온도범위의 물질은 약 200여종이 있다. 그 중에서 유기물질로서 탄소와 수소로 구성된 탄화수소 계열의 파라핀계 또는 지방산류를 사용할 수 있다.

이에, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 파라핀계 또는 화학식 2로 표시되는 지방산계에서 선택되는 액상 또는 액상으로 변이 가능한 상변화소재 함유액이 온도센서의 표면에 코팅된, 냉동기기용 온도감지센서를 제공한다.

화학식 1

C _n H₂ _n ₊₂

상기에서 n은 14 내지 40의 정수이다.

화학식2

CH₃(CH₂)_nCOOH

상기에서 n은 1 내지 40의 정수이다.

상기 상변화소재의 효율적 응용을 위해서는 전이온도와 열용량의 제어가 필요하다.

이때, 전이온도는 제어하고자 하는 온도범위에 따라 적절하게 설계되어야 하며 열용량은 대상 시스템에서 제어하려는 열에너지 크기에 맞추어 조절되어야 한다. 더욱 구체적으로, 전이온도는 적용하고자 하는 온도범위 내에서 선정되는데, 이를 위하여 우선 적용 온도범위의 낮은 영역에서 전이온도를 갖는 소재와 높은 영역에서 전이온도를 갖는 소재를 포함하여 2종 이상의 상변화소재를 선정한다. 선정된 소재들로부터 다양한 비율로 혼합 및 평가하여 요구되는 전이온도를 갖는 최적의 배합을 선정할 수 있다. 이때, 최적으로 배합된 함유액의 상분리를 방지하기 위하여 상용성이 있거나 동종의 물질군으로부터 선정한다.

이에, 본 발명은 전이온도, 열용량 및 열전도도가 제어된 상변화소재로 선정하고, 특히, 고상 파라핀의 전이온도, 열용량 및 열전도도 범위로 제어한다.

다만, 본 발명은 온도센서 표면에 적용하기 위한 상변화소재 함유액으로 제공하기 위하여, 액상 파리핀과의 혼합 조성으로 제공하며, 더욱 바람직하게는, 고상 파라핀 및 액상 파라핀이 3:7 내지 7:3의 비율로 혼합된 상변화소재 함유액을 특징으로 한다.

이에, 본 발명의 실시예에서는 바람직한 실시형태로서, 화학식 1로 표시되는 상변화소재에서, 고상 파라핀 및 액상 파라핀이 3:7 내지 7:3의 비율로 혼합된, 상변화소재 함유액이 온도센서의 표면에 코팅된 냉동기기용 온도감지센서를 구체적으로 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명의 실시예 3 조성의 상변화소재에 대한 시차주사 열량측정 장치(DSC)를 통한 열 분석결과이다.

이에, 본 발명의 고상 파라핀 및 액상 파라핀간의 혼합비율로 이루어진 상변화소재 함유액은 용융온도(Tm) 및 결정화 온도(Tc)간 온도 차가 10℃ 미만인 전이온도로 제어되며, 축열 용량 및 방열 용량간 차이가 0.5 내지 20J/g 미만인 열용량으로 제어된다[표 1].

또한, 열에너지를 축적하거나 방출하는 속도를 조절하기 위하여 상변화소재의 열전도도 제어가 필요하다. 즉, 파라핀은 낮은 열전도도(0.21∼0.24 W/mK)를 가지는데 이는 고체와 액체의 상전이 과정에서 축열이나 방열 속도를 감소시키는 원인이 된다.

이에, 본 발명의 상변화소재 함유액에는 축열이나 방열속도를 증가시키기 위하여 전도성 첨가제를 더 함유하여 상변화소재를 복합화시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 전도성 첨가제로서 그래핀을 사용하여 설명하고 있으나, 이에 한정되지 아니하고, 전도성 첨가제로서 바람직하게는 그래핀, 탄소섬유, 흑연, 카본블랙, 탄소나노튜브, 및 그래핀옥사이드로 이루어진 탄소소재; 알루미늄, 구리, 철, 은, 금 및 그들의 합금으로 이루어진 금속소재; 또는 산화벨리륨(Beryllium oxide), 질화알루미늄(Aluminum nitride), 탄화규소(Silicon carbide) 및 알루미나(Alumina)로 이루어진 세라믹소재; 군에서 선택되는 단독 또는 그 혼합형태를 더 함유할 수 있다.

이상의 상변화소재 함유액은 고상 파라핀 100 중량부에 대하여, 전도성 첨가제 1 내지 70 중량부, 더욱 바람직하게는 1 내지 10 중량부가 함유되어 복합화된 형태로 함유될 수 있다.

상기 전도성 첨가제를 함유함으로써, 고상 파라핀의 열전도도 0.25 W/mK보다 전도성 첨가제 함량 증가에 따라, 열전도도를 증가시킬 수 있다.

이때, 고상 파라핀에 전도성 첨가제가 함유되어 복합된 상변화소재의 경우, 열전도도는 적어도 0.35 W/Mk 이상인 것으로 제어될 수 있다[표 2].

또한, 본 발명의 냉동기기용 온도감지센서는 온도센서가 용기에 담지되고, 상기 온도센서와 용기 사이에 상변화소재 함유액이 충진되어 밀봉된 형태로도 제공된다.

도 4는 본 발명의 상변화소재 함유액이 온도센서가 담지된 용기에 충전 밀봉된 실시형태를 모식적으로 도시한 것으로서, 온도센서는 종래 냉장기기 온도감지를 위해 설치된 것을 그대로 적용할 수 있다.

이때, 용기 크기와 형태는 종래 온도센서에 따라 변경 설계할 수 있으며, 온도센서 표면에 특정 두께로 코팅된 상변화소재 함유액과의 접촉을 장시간 안정적으로 유지하기 위한 것이므로 용기와 온도센서와의 간격은 희망하는 코팅두께로 의해 결정될 것이다.

또한, 용기 내부벽에 상변화소재 함유액을 코팅한 후, 종래 온도센서에 부착하는 방법으로 결착시키는 정도의 변경을 당연히 이해될 것이다.

본 발명의 도 4에서 제작된 온도감지센서에 있어서, 온도센서는 길이 42mm, 직경 4mm이고, 용기는 두께 1.5mm, 부피 20㎜×20㎜×50㎜로 제작되나 이에 한정되지 아니할 것이다.

나아가, 본 발명은 상기 냉동기기용 온도감지센서를 구비한 냉장기기를 제공한다.

구체적으로는, 상기 냉동기기용 온도감지센서는 온도감지가 민감하여 개폐시 온도가 높게 측정된 냉장기 또는 냉동기 부분에 설치하는 것이 바람직하다.

구체적으로는 도 5에 제시된 바와 같이, 0∼10℃ 온도로 유지되는 냉장기의 공간을 도어방향에서 내부방향으로 하, 중, 상단의 공간분포도로 나눌 때, 중단 가운데가 가장 낮고, 하단 양측이 가장 높게 확인되므로, 하단의 양측에 냉동기기용 온도감지센서를 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 도 6에 제시된 바와 같이, -18℃로 유지되는 냉동기의 공간을 도어방향에서 내부방향으로 하, 중, 상단의 공간분포도로 나눌 때, 상단 안쪽이 가장 낮고, 중 또는 하단의 양측이 가장 높게 확인되므로, 중 또는 하단의 양측에 냉동기기용 온도감지센서를 설치하는 것이 바람직하다.

이에, 도 7은 본 발명의 온도감지센서가 구비된 냉장기기에서 구비 전(a)과 후(b)의 냉장싸이클 주기변화에 대한 실험결과로서, 구비 전(a)에는 6 싸이클을 6회 총 36회를 가동한 반면, 구비 후(b)에는 온도감지 주기를 늦춰짐으로써, 6 싸이클이 3회로 가동되어 총 18회 냉장싸이클 주기를 완성한다.

이상의 냉장싸이클 주기변화 결과에 따라, 본 발명의 온도감지센서가 구비된 냉장기기는 운전 주기 횟수가 50% 감소되어 에너지가 14.7% 절감효과를 구현한다. 또한, 압축기의 운전 주기의 횟수가 50% 감소한 만큼 수명연장도 기대할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.

이는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1> 상변화소재 함유액 제조 1

20㎖ 용량의 유리 바이알에 양초 제작용 고상 파라핀 5g과 액상 파라핀 5g을 넣고 100℃로 가열하면서 혼합하여 균일한 상변화소재를 제조하였다. 상온으로 냉각한 후 약 10mg의 내용물을 채취하여 시차주사 열량측정 장치에 넣고 영하 50∼80℃의 범위에서 열분석을 실시하였다. 이때, 승온 및 냉각속도 5℃/min로 유지하였으며 3차례의 승온과 냉각을 반복하여 2, 3차의 결과로부터 전이온도와 열용량을 측정하였다. 이때, 전이온도는 가열곡선과 냉각곡선의 피크 값으로부터 각각 용융온도(Tm)와 결정화 온도(Tc)를 측정하였다. 열용량은 각 전이온도에서 엔탈피 변화량(△H)으로 측정하였다. 그 수치를 표 1에 나타내었다.

< 실시예 2> 상변화소재 함유액 제조 2

양초 제작용 고상 파라핀 7g 또는 액상 파라핀 3g을 넣고 100℃로 가열하면서 혼합하여 균일한 상변화소재를 제조하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.

< 실시예 3> 상변화소재 함유액 제조 3

양초 제작용 고상 파라핀 3g 또는 액상 파라핀 7g을 넣고 100℃로 가열하면서 혼합하여 균일한 상변화소재를 제조하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.

< 비교예 1>

양초 제작용 고상 파라핀 10g 또는 액상 파라핀 0g을 넣고 100℃로 가열하면서 혼합하여 균일한 상변화소재를 제조하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.

< 비교예 2>

양초 제작용 고상 파라핀 0g 또는 액상 파라핀 10g을 넣고 100℃로 가열하면서 혼합하여 균일한 상변화소재를 제조하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.

< 실시예 4∼7> 전도성 첨가제에 의한 복합화된 상변화소재 제조

비교예 1에서 사용한 고상 파라핀의 열전도도를 측정하고, 상기 고상 파라핀에 첨가제로서 그래핀을 사용하여 열용량 및 열전도도를 평가하였다. 이때 그래핀은 상용제품(XG science)으로 평균두께는 6∼8nm이고, 표면적은 120∼150m²/g이었다.

먼저, 비이커에 고상 파라핀 10g을 넣고 용매로서 THF(Tetrahydrofuran)를 90g을 추가하여 교반하면서 균일한 용액을 제조한다. 제조된 용액에 0.1g의 그래핀을 넣고 계속 교반하여 균일한 분산액을 제조한다. 균일하게 분산된 혼합물을 상온에 방치하여 용매인 THF를 증발시켜 파라핀-그래핀 복합체를 제조한다.

건조가 완료된 파라핀-그래핀 복합체로부터 약 10mg의 내용물을 채취하여 시차주사 열량측정 장치에 넣고 영하 50∼80℃의 범위에서 열 분석을 실시하였다. 이때, 승온 및 냉각속도 5℃/min로 유지하였으며 3차례의 승온과 냉각을 반복하여 2, 3차의 결과로부터 열용량을 측정하였다. 열용량은 각 전이온도에서 엔탈피 변화량으로 측정하였다.

동일한 방법으로 양초 제작용 고상 파라핀 10g에 대하여 0.2g, 0.5g 또는 1.0g의 그래핀을 혼합한 뒤 복합체를 제조하고 열분석을 실시하였으며 그 결과를 표 2에 나타내었다. 또한 파라핀-그래핀 복합체의 방열이나 축열 속도를 비교하기 위하여 복합체의 열전도도를 ASTM D5470의 방법으로 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.

상기 표 2의 결과로부터, 그래핀 함량의 증가에 따라, 열용량과 열전도도가 증가하였다. 이때, 그래핀 입자는 기핵제 역할을 통하여 결정화도를 증가시키기 때문에 열용량의 증가 현상이 나타나게 된다. 또한, 전도성 첨가제의 함량 증가에 따라 파라핀-그래핀 복합체의 열전도도는 증가하였다.

< 실시예 3> 냉동기기 안정화 시험

상기 실시예 2의 조성(고상 파라핀: 액상 파라핀= 7:3)으로 제조된 파라핀계 상변화소재를 사용하여, 도 4의 도시된 형태의 온도감지센서(가칭 E-SAVER)를 제작한 뒤, 이를 적용하여 냉동기기의 안정화 시험을 수행하였다.

이때, 냉장창고는 5℃로 운전되었으며 냉동기 용량은 10 RT이었다. 냉동싸이클 활성화 효과를 확인하기 위하여 통상적인 온도센서 또는 E-SAVER 각각 설치하고, 전력분석계를 통하여 22일간의 전력 및 전략량을 측정하여 비교하였다. 전력의 측정을 통하여 냉동싸이클의 주기를 판단하고 전력량을 통하여 냉동싸이클 변화에 따른 사용 에너지의 변화를 평가하였다.

그 결과, 도 7에 도시된 바와 같이, 구비 전(a) 즉, 통상적인 온도센서를 설치한 냉동기의 냉동싸이클 결과, 재생싸이클을 제외한 6싸이클 × 6회 = 36회 가동한 반면, 구비 후(b) 즉, E-SAVER 온도센서를 설치한 냉동기의 냉동싸이클의 경우, 재생싸이클을 제외한 6싸이클 × 3회 = 18회 가동하였다.

이상의 냉장싸이클 주기변화 결과로부터, 본 발명의 온도감지센서가 구비된 냉장기기는 운전 주기 횟수가 50% 감소되어 에너지가 14.7% 절감효과를 구현한다. 또한, 압축기의 운전 주기의 횟수가 50% 감소한 만큼 수명연장도 기대할 수 있다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 전이온도, 열용량 및 열전도도가 제어된 상변화소재를 선정하고 이를 온도센서의 표면에 코팅하거나 온도센서가 담지된 용기에 충진밀봉한 형태로 제작한 냉동기기용 온도감지센서를 제공하였다.

본 발명의 냉동기기용 온도감지센서는 냉장기기 제작단계에 설비될 필요 없고, 종래 온도센서를 그대로 적용하여 완성할 수 있으며, 이를 구비한 냉장기기를 제공하였다.

이에, 본 발명의 냉장기기는 냉장기기의 개폐 또는 외부물질 반입에 따른 온도감지 주기를 늦춤으로써, 냉동, 냉장고용 고 내의 온도센서에 의하여 잦은 정지와 기동을 반복하는 냉동기기의 작동에 있어서 짧은 주기의 컷인(Loading)과 컷아웃(Unloading)의 싸이클의 수를 50% 이상 감소시켜 에너지를 현저히 절감시키고, 냉장기기의 사용수명을 연장시킬 수 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

1: 용기
2: 온도센서
3: 상변화소재 함유액

Claims

하기 화학식 1로 표시되는 파라핀계 또는 화학식 2로 표시되는 지방산계에서 선택되는 액상 또는 액상으로 변이 가능한 상변화소재 함유액이 온도센서의 표면에 코팅된, 냉동기기용 온도감지센서:
화학식 1
C _n H₂ _n ₊₂
상기 화학식 1에서 n은 14 내지 40의 정수이고,
화학식2
CH₃(CH₂)_nCOOH
상기 화학식 2에서 n은 1 내지 40의 정수이다.
제1항에 있어서, 상기 파라핀계 상변화소재가 고상 파라핀 및 액상 파라핀 3:7 내지 7:3의 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 냉동기기용 온도감지센서.
제2항에 있어서, 상기 고상 파라핀 100 중량부에 대하여, 전도성 첨가제 1 내지 70 중량부가 함유되어 복합화된 것을 특징으로 하는 냉동기기용 온도감지센서.
제3항에 있어서, 상기 전도성 첨가제가 그래핀, 탄소섬유, 흑연, 카본블랙, 탄소나노튜브, 및 그래핀옥사이드로 이루어진 탄소소재; 알루미늄, 구리, 철, 은, 금 및 그들의 합금으로 이루어진 금속소재; 또는 산화벨리륨(Beryllium oxide), 질화알루미늄(Aluminum nitride), 탄화규소(Silicon carbide) 및 알루미나(Alumina)로 이루어진 세라믹소재; 군에서 선택되는 단독 또는 그 혼합형태인 것을 특징으로 하는 냉동기기용 온도감지센서.
제1항에 있어서, 상기 온도센서가 용기에 담지되고 상기 온도센서와 용기 사이에 상변화소재 함유액이 충진되어 밀봉된 것을 특징으로 하는 냉동기기용 온도감지센서.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 냉동기기용 온도감지센서가 구비된 냉장기기.
제6항에 있어서, 상기 냉동기기용 온도감지센서가
0∼10℃ 온도로 유지되는 냉장기를 도어방향에서 내부방향으로 하, 중, 상단으로 분류할 때, 하단의 적어도 일측 또는
-18℃로 유지되는 냉동기를 도어방향에서 내부방향으로 하, 중, 상단으로 분류할 때, 중 또는 하단의 적어도 일측에 구비된 것을 특징으로 하는 냉장기기.