KR20200096778A - 자기열량 복합 재료의 제조 공정 및 이에 따른 열 교환기 - Google Patents

자기열량 복합 재료의 제조 공정 및 이에 따른 열 교환기 Download PDF

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Abstract

열 교환기용 자기열량 복합 재료를 제조하는 공정이 개시되어 있다. 공정은 다음 단계를 포함한다. 성형체(200) 내에 자기열량 재료의 복수의 입자(110)를 제공하는 단계(S110) 및 화학 반응에 의해 입자를 코팅하고 서로 결합시키기 위해 성형체(200)에 존재하는 복수의 입자(110)를 배스에 침지시키는 단계.

Description

자기열량 복합 재료의 제조 공정 및 이에 따른 열 교환기
본 발명은 자기열량 복합 재료의 제조 공정, 자기열량 복합 재료를 포함하는 열 교환기에 관한 것으로, 특히, 자기열량 열 교환기의 전처리 및 니켈 도금에 관한 것이다.
자기열량 재료(예를 들어 La(Fe, Mn, Si)13H, 가돌리늄, Fe2P 또는 Ni-Mn-In 기반 Heusler 화합물)는 자기열량으로 달성 할 수 있는 온도 차가 많은 응용 분야에 충분하기 때문에, 냉각 장치에서 점점 더 관심을 끌고있다. 냉각 장치에 존재하는 열 교환기는 종종 고체 출발 물질의 패널로 만들어진다. 이들 패널의 통상적인 제조는 높은 비용 및 노력과 관련이 있으며, 영구적인 작동 중에 발생하는 취성으로 인한 피로 파괴의 위험이 추가로 발생한다.
열 교환기에 사용하기위한 다공성 자기열량 재료는 복합 재료로서 제조 될 수 있으며, 공지 된 공정에서 복수의 입자가 중합체 또는 금속 매트릭스에 결합된다. 입자 모양의 자기열량 재료는 균일 한 채널을 갖는 다공성 몸체로 성형 될 때 가장 효과적으로 작동한다. 이 제조 과정에서는 열전도율이 높은 운반 매체(여기서는 물)로 열이 잘 전달되어 기계적으로 안정적인 결합을 달성하는 것이 중요하다.
중합체-결합 열 교환기에는 열 전달이 불충분하다. 금속 결합 변이체의 경우, 저 융점 금속 합금이 결합 물질로서 사용되며, 이들은 복수의 자기열량 입자를 그 안에 침지하고 동시에 서로 결합시키기 위해 액체 형태로 사용된다. 이러한 자기열량 입자의 화합물의 예는 비스무트, 인듐, 아연 및 선택적으로 납을 갖는 금속 합금과 함께 WO 2017/077071 A1에 공개되어있다.
통상적인 공정으로부터 생성된 자기열량 복합 재료는 주로 고가이고 부분적으로 독성분으로 구성된다. 하지만, 모든 입자의 완전한 코팅이 보장 될 수 없다. 이러한 접근법의 추가 문제점은 금속 복합 재료를 용융시키기 위한 상당한 에너지 소비와 용융된 금속 합금이 부어지는 성형체에 대한 요건이다.
따라서, 열 교환기를 위한 자기열량 복합 재료를 제공하기 위한 대안적인 공정이 필요하다.
본 발명은 화학 니켈 도금(예를 들어, 미리 정의 된 공정에 따라)에 의해 복합 재료로 결합되는 복수의 자기열량 입자로 구성된 자기열량 재료를 갖는 열 교환기에 관한 것이다.
처음에 언급된 자기열량 복합 재료를 제조하기 위한 종래 공정의 문제점은 예시의 실시 예에 의해 니켈의 화학적 증착이 사용되어 기계적 및 화학적으로 안정적인 열 교환기가 생성될 수 있다는 점에서 극복된다. 금속 및 중합체 결합 복합 재료의 종래의 공정과 달리, 본 발명에 따른 공정, 특히 La(Fe, Mn, Si)13H의 니켈 도금 자기열량 열 교환기의 경우에 개선 된 특성이 달성 될 수 있다.
상술한 문제점 중 적어도 일부는 청구항 1에 따른 자기열량 복합 재료의 제조 공정과 청구항 6에 따른 열 교환기에 의해 해결된다. 종속항들은 본 발명에 따른 공정의 다른 유리한 실시예를 정의한다.
본 발명은 열 교환기 용 자기열량 복합 재료의 제조 공정에 관한 것이다. 이 공정은 성형체 내에 자기열량 재료의 복수의 입자를 제공하는 단계; 와 화학적 반응에 의해 입자를 코팅하고 서로 결합시키기 위해 성형체에 존재하는 복수의 입자를 배스(특히, 니켈 배스)에 침지시키는 단계를 포함한다. 이 공정은 입자의 니켈 도금뿐만 아니라 특히 자기열량 열 교환기의 성형(예를 들어, 니켈 도금)에 관한 것이다.
선택적으로, 입자는 다음 단계 중 적어도 하나로 전처리 된다.
-수산화 나트륨 용액(NaOH)으로 전처리하는 단계
-황산(H2SO4)으로 전처리하는 단계
-염산(HCl)으로 전처리하는 단계
선택적으로 에탄올(C2H60) 및/또는 물을 사용하여 각 단계 사이에서 세척한다.
선택적으로, 복수의 입자는 N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone)에서 1 시간 이상 동안 처리된다.
선택적으로, 배스는 다음 물질 중 하나 이상을 포함한다.
염화 암모늄(NH4Cl), 시트르산 나트륨(Na3C6H5O7), 염화 니켈(II)(NiCl2) 또는 물(크롬, 아연 등)과 화합물 형태의 기타 금속 이온
또한, 공정은 배스를 50 ℃초과 또는 대략 60 ℃로 가열하는 단계를 포함 할 수 있다.
선택적으로, 암모니아(NH3)과 하이포아인산나트륨(NaH2P02)을 배스에 첨가한다.
또한, 새로운 생산 공정은 금속 화합물을 나타내지만, 예를 들어 니켈 또는 다른 금속 이온의 화학 증착에 의해 생성된다. 이 경우, 자기열량 입자는 완전히 코팅 될 수 있고, 결과적으로 상당히 더 잘 보호되므로 더 오랫동안 사용될 수 있다.
또한, 새로운 생산 공정은 금속 화합물을 나타내지만, 예를 들어 니켈 또는 다른 금속 이온의 화학 증착에 의해 생성된다. 이 경우, 자기열량 입자는 완전히 코팅 될 수 있고, 결과적으로 상당히 더 잘 보호되므로 더 오랫동안 사용될 수 있다.
예시의 실시예의 장점은 생성된 복합 재료가 많은 영역, 특히 종래의 자기열량 복합 재료를 사용할 수 없는 영역(예를 들어, 유해 물질 또는 독성 재료를 함유하기 때문에)에서 사용될 수 있다는 점이다.
또한, 예시의 실시예는 보다 높은 화학적 안정성을 가능하게 하고, 보다 비용 측면에서 효과적이다.
본 발명의 예시의 실시예는 이하의 상세한 설명 및 상이한 예시의 실시예의 첨부 도면에 기초하여 더 잘 이해되지만, 본 개시를 특정 실시예로 제한하는 것이 아니라 설명 및 이해를 위해서만 이해되어야한다.
도 1은 본 발명의 예시의 실시예에 따른 공정의 흐름도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 공정을 사용한 제조에 따른 자기열량 복합 재료를 도시한다.
도 3은 재자화 동안 열 교환기의 온도 프로파일을 도시한다.
도 4는 예시의 실시 예에 따른 제조에 사용되는 성형체를 갖는 열 교환기를 도시한다.
도 1은 열 교환기용 자기열량 복합 재료를 제조하기 위한 공정의 흐름도를 도시한다. 공정은 다음 단계로 구성된다.
-성형체(shaped body) 내에 자기열량 재료의 복수의 입자를 제공하는 단계(S110); 및
-화학 반응에 의해 입자를 코팅하고 서로 결합시키기 위해 성형체 내에 존재하는 복수의 입자를 배스(bath)에 침지시키는 단계(S120)
배스는 특히 니켈 배스일 수 있다. 그러나, 본 발명은 니켈 배스로 제한되지 않아야 한다. 하지만, 생산 공정은 하나 또는 복수의 선택적 단계 / 재료를 가질 수 있다.
1. 입자는 수산화 나트륨 용액(NaOH), 황산(H2SO4) 및 염산(HCl)으로 전처리 될 수 있다(각 단계 사이에 에탄올(C2H60) 및 물(H20)로 수회 세정). 중합체 잔류 물을 제거하기 위해 N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone)에서 몇 시간 동안 추가 전처리를 수행 할 수 있다.
2. 예시의 니켈 배스(bath)는 염화 니켈(II)(NiCl2), 염화 암모늄(NH4Cl), 구연산 나트륨(Na3C6H507) 및 물(H20)로부터 혼합 될 수 있고 약 60 ℃로 가열 될 수 있다.
3. 암모니아(NH3) 및 이어서 하이포아인산나트륨(NaH2P02)을 첨가 할 수 있다.
4. 이어서, 전처리 된 입자를 예시의 니켈 배스에 노출시킬 수 있다.
자기열량 입자(110)는 자기열량 입자(110)의 입자 표면과 예시의 니켈 용액(니켈 배스)의 화학 반응에 의해 다공성 구조로 결합 될 수 있다. 동시에, 이 반응에 의해 각 입자의 전체 또는 균일 한 코팅이 보장하여 입자는 모든 화학적 공격으로부터 보호된다. 또한, 많은 사용 목적에 적합하도록 자기열량 복합 재료는 독성 성분이 함유되어 있지 않다.
도 2는 예시의 니켈 배스에 침지되어 니켈 코팅(120)(또는, 다른 금속 표면)을 갖는 복수의 자기열량 입자(110)로 제조 된 자기열량 복합 재료를 예시적으로 도시하며, 동시에 니켈 코팅은 복수의 입자(110)를 결합시키는 역할을 수행한다. 이 공정의 결과로서, 니켈 도금 입자(110) 사이에 복수의 공동(130)이 존재하여, 예를 들어 물과 같은 액체를 펌핑하여, 그 결과 열 교환기를 생성할 수 있다. 따라서, 예를 들어 자기열량 재료는 자기장을 인가함으로써 가열 될 수 있고, 이어서 물과 같은 액체가 펌핑되어 열을 흡수 할 수 있다. 그 후, 냉각은 감자(demagnetization) 단계에 의해 수행된다. 결과적으로 생성 된 냉각은 물에 의해 흡수 된 다음 냉각 될 매체로 전달될 수 있다.
La(Fe, Mn, Si)13H 열 교환기는 우수한 특성 프로파일로 인해 냉각 시스템에서 자기열량 재료의 잠재적 응용에 특히 효과적인 것으로 입증되었다. 하지만, 본 발명은 사용 된 재료로 제한되지 않아야 한다. 추가 재료는 예를 들어, 가돌리늄, Fe2P 또는 Ni-Mn-In 휴 슬러(Heusler) 화합물일 수 있다.
도 3은 예를 들어 동일하게 구성된 열 교환기의 데모 측정기의 온도 프로파일을 도시한다. 그래프(210)는 니켈-도금 된 입자에 기초한 본 발명에 따른 열 교환기를 나타내고, 그래프(220)는 중합체 결합에 기초한 열 프로파일을 나타내고, 그래프(230)는 페블 베드에 기초한 열 프로파일(결합하지 않음)을 나타낸다. 각각의 두 그래프 사이의 차이는 자화된 형태와 감자(demagnetization)된 형태 사이에 달성 가능한 온도 차이를 보여준다. 이는 예시의 자기열량 입자의 중합체 결합에 의한 것보다 니켈 도금에 의해 더 큰 온도 차이에 달성할 수 있음이 명백하다. 증가 된 열 전달로 인해, 본 발명의 예시의 실시예(그래프 20)에서 포화가 훨씬 더 빠르게 달성된다. 동시에 더 높은 온도 차이가 발생한다. 따라서, 열 교환기는 보다 효율적으로 작동한다.
도 4는 복수의 입자(110)가 도입된 성형체(200)를 갖는 열 교환기의 예를 도시한다. 입자(110)가 성형체(200)에 도입 된 후에, 이들은 예시의 니켈 배스에 노출되어 입자의 결합이 이뤄진다.
열 교환기의 구조 및 입자(110)들 사이의 결합은 동적 냉각 공정, 열 전도성, 기계적 및 화학적 안정성의 효율에 상당한 영향을 미친다. 이는 특히 냉각 장치에 사용하는 경우에 적용된다. 본 발명에 따른 제조 공정은 공지된 솔루션과 비교하여 일련의 장점을 제공한다. 따라서, 상술한 니켈 용액으로 니켈 도금하는 동안 입자 표면에서 화학 반응이 일어나서, 입자 표면은 균일 한 니켈층(120)으로 피복되고 다른 입자와 서로 결합된다. 이 공정은 비교적 간단하며 도구가 거의 필요하지 않다.
니켈-도금 자기열량 입자(110)로부터 열 교환기의 제조는 금속 및 중합체 결합 된 복합물을 기본으로 하는 종래의 자기열량 복합 재료와 달리 상당히 저렴하다. 제조에 사용 된 물질은 저렴하고 무독성이다. 달성 될 수 있는 높은 기계적 및 화학적 안정성은 더 긴 사용 및 재사용을 보장한다.
상세한 설명, 청구 범위 및 도면에 개시된 본 발명의 특징은 본 발명을 개별적으로 그리고 임의의 조합으로 실현하는데 필수적 일 수 있다.
110: 자기열량 입자
120: 금속 표면층
130: 공동
210, 220, 230: 온도 프로파일
200: 성형체

Claims (6)

  1. 하기의 단계로: 열 교환기 용 자기열량 복합 재료를 제조하는 공정.
    성형체(200) 내에 자기열량 재료의 복수의 입자(110)를 제공하는 단계(S110); 및
    화학 반응에 의해 상기 입자들을 코팅하고 서로 결합시키기 위해 상기 성형체(200)에 존재하는 상기 복수의 입자(110)를 배스 내에 침지(S120)하는 단계
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입자(110)는 하기 단계: 중 적어도 하나의 단계로 전처리되는 열 교환기 용 자기열량 복합 재료를 제조하는 공정.
    -수산화 나트륨 용액으로 전처리하는 단계,
    -황산으로 전처리하는 단계,
    -염산으로 전처리하는 단계,
    여기서, 각 단계 사이에서 세척을 위해 에탄올 및/또는 물이 사용됨
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 입자(110)는 N-메틸-2-피롤리돈에서 적어도 1 시간 동안 전처리되는 열 교환기 용 자기열량 복합 재료를 제조하는 공정.
  4. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배스는 하기의 물질: 중 적어도 하나를 포함하는 열 교환기 용 자기열량 복합 재료를 제조하는 공정.
    염화 암모늄, 시트르산 나트륨, 염화 니켈(II) 또는 기타 금속 이온, 특히, 크롬 또는 아연을 함유하는 화합물 및 물,
    여기서, 상기 배스를 50 ℃ 초과 또는 약 60 ℃로 가열하는 단계를 더 포함함
  5. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    암모니아 및 하이포아인산나트륨을 추가로 배스에 첨가하는 열 교환기 용 자기열량 복합 재료를 제조하는 공정.
  6. 화학 금속 코팅에 의해 복합 재료로 결합되는 복수의 자기열량 입자(110)로 구성된 자기열량 재료를 갖는 열 교환기.
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