WO2023090694A1 - 잠열 저장용 조성물, 이를 포함하는 잠열 저장 팩, 및 이를 포함하는 잠열 저장 팩의 제조 방법 - Google Patents

잠열 저장용 조성물, 이를 포함하는 잠열 저장 팩, 및 이를 포함하는 잠열 저장 팩의 제조 방법 Download PDF

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WO2023090694A1
WO2023090694A1 PCT/KR2022/016953 KR2022016953W WO2023090694A1 WO 2023090694 A1 WO2023090694 A1 WO 2023090694A1 KR 2022016953 W KR2022016953 W KR 2022016953W WO 2023090694 A1 WO2023090694 A1 WO 2023090694A1
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WO
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latent heat
phase change
heat storage
change material
fumed silica
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PCT/KR2022/016953
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Inventor
어경복
이승연
지은옥
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오씨아이 주식회사
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65D—CONTAINERS FOR STORAGE OR TRANSPORT OF ARTICLES OR MATERIALS, e.g. BAGS, BARRELS, BOTTLES, BOXES, CANS, CARTONS, CRATES, DRUMS, JARS, TANKS, HOPPERS, FORWARDING CONTAINERS; ACCESSORIES, CLOSURES, OR FITTINGS THEREFOR; PACKAGING ELEMENTS; PACKAGES
    • B65D75/00—Packages comprising articles or materials partially or wholly enclosed in strips, sheets, blanks, tubes, or webs of flexible sheet material, e.g. in folded wrappers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/06—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to solid or vice versa
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the present invention relates to a composition for storing latent heat, a latent heat storage pack including the same, and a method for manufacturing the latent heat storage pack including the same, and more particularly, to a composition for storing latent heat including a phase change material, and a latent heat storage pack including the same. , and a method for manufacturing a latent heat storage pack including the same.
  • Latent heat refers to the heat absorbed or released when a substance undergoes a phase change from a solid to a liquid or from a liquid to a solid.
  • a phase change material refers to a material that absorbs and/or releases heat using latent heat as described above.
  • the phase change material has a large storage capacity of thermal energy per unit volume and unit mass, and has the advantage of significantly reducing volume or weight compared to sensible heat devices. Since the phase change material does not have a severe thermocline phenomenon, it has the advantage of being able to store and dissipate heat at an almost constant temperature within a range suitable for the use temperature.
  • phase change material Since the phase change material is in a liquid state at a temperature higher than its melting point, the phase change material is packaged and used in a plastic case that does not change its shape.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a latent heat storage composition in a solid state that does not flow.
  • Another problem to be solved by the present invention is to provide a latent heat storage pack including a latent heat storage composition capable of being uniformly in a solid state inside the pack.
  • Another problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a latent heat storage pack including a latent heat storage composition capable of being uniformly in a solid state inside the pack.
  • the latent heat storage composition includes only a phase change material and fumed silica, and a weight ratio of the fumed silica may be 0.5 wt% to 1.5 wt%.
  • a latent heat storage pack includes a composition for storing latent heat and a container for sealing the composition for storing latent heat, wherein the container includes an injection part and a body part, and the composition for storing latent heat comprises: It consists of only a change material and fumed silica, but the weight ratio of the fumed silica may be 0.5 wt% to 1.5 wt%.
  • a method for manufacturing a latent heat storage pack includes preparing a latent heat storage composition by mixing a phase change material and fumed silica, and putting the latent heat storage composition into a container to seal it, ,
  • the weight ratio of the fumed silica may be 0.5 wt% to 1.5 wt%.
  • the latent heat storage composition according to the present invention can improve the efficiency of solidifying the latent heat storage composition (HSC) while maintaining physical properties such as the melting point and latent heat of the phase change material constituting the composition. That is, according to the present invention, the latent heat storage composition in the latent heat storage packs can be uniformly solidified within a short period of time.
  • HSC latent heat storage composition
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a latent heat storage pack according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged view showing constituent materials of a composition for storing latent heat according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a structure in which a plurality of latent heat storage packs are adjacently arranged and aligned according to embodiments of the present invention.
  • Example 4 is a result of evaluating the solid state of the latent heat storage pack according to Example 1 and Comparative Example 1.
  • Example 5 is a result of evaluating the solid state of latent heat storage packs according to Example 2 and Comparative Example 1.
  • Example 6 is a result of evaluating the solid state of the latent heat storage pack according to Example 1 and Comparative Example 1.
  • 1 is a cross-sectional view showing a latent heat storage pack according to embodiments of the present invention.
  • 2 is an enlarged view showing constituent materials of a composition for storing latent heat according to embodiments of the present invention.
  • 3 is a cross-sectional view illustrating a structure in which a plurality of latent heat storage packs are adjacently arranged and aligned according to embodiments of the present invention.
  • the latent heat storage pack may include a latent heat storage composition (HSC) and a container (CS) for sealing the latent heat storage composition (HSC).
  • HSC latent heat storage composition
  • CS container for sealing the latent heat storage composition
  • a latent heat storage composition may include a phase change material (PCM) and fumed silica (FS).
  • Fumed silica may include amorphous silicon dioxide.
  • Fumed silica (FS) may be in the form of a white powder when present alone.
  • Fumed silica (FS) may have hydrophilicity. Thus, fumed silica can be miscible with other compounds in aqueous solution.
  • the fumed silica FS may include an aggregate (AG) formed by connecting a plurality of primary particles PP.
  • Fumed silica (FS) may be formed by hydrolyzing chlorosilane in a flame of 1,000 ° C. or more formed of oxygen and hydrogen.
  • the fumed silica FS may be connected to each other due to collisions between the primary particles PP formed in the flame to form an aggregate AG.
  • the aggregate AG may have a three-dimensional structure including branches.
  • the average diameter of the primary particles (PP) of the fumed silica (FS) may be, for example, 2 nm to 50 nm.
  • the specific surface area of the primary particles PP may be, for example, 50 m 2 /g to 600 m 2 /g.
  • the size of the aggregate (AG) may be, for example, 1 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the present invention by using fumed silica (FS) having a three-dimensional structure as a latent heat storage composition (HSC), hydrogen bonds between aggregates (AG) and / or van der Waals forces (Van der Waals)
  • the phase change material (PCM) may be confined to the framework of the three-dimensional branch structure formed by force. That is, the aggregate AG of the fumed silica FS may be a carrier, and the phase change material PCM may surround the aggregate AG. Accordingly, when the latent heat storage composition (HSC) is frozen, that is, it can be made into a state where it is easy to solidify. In addition, in terms of thermal conductivity, it may be effective to maintain the existing temperature since heat transfer is not smooth due to the interface between the aggregates AG due to the three-dimensional structure.
  • the weight ratio of the fumed silica (FS) may be, for example, 0.5wt% to 1.5wt%. If the weight ratio of the fumed silica (FS) is less than 0.5wt%, the amount is too small to contribute to the solidification of the latent heat storage composition and thus the effects of the present invention cannot be enjoyed. If the weight ratio of the fumed silica (FS) is greater than 1.5wt%, silica powders that are not uniformly mixed in the latent heat storage composition (HSC) may remain, and the latent heat storage composition (HSC) can be stored per unit mass energy may decrease.
  • a phase change material (PCM) may be a material having a melting point or a freezing point in the range of -30°C to 140°C.
  • a phase change material (PCM) can absorb heat while changing its phase from a solid to a liquid at its melting point.
  • Phase change materials (PCMs) can release heat as they phase change from a liquid to a solid at their freezing point. While the phase change material (PCM) undergoes a phase change at a melting point or a freezing point, the temperature of the phase change material (PCM) may be maintained constant.
  • a phase change material (PCM) may be a material having a relatively high latent heat.
  • a difference between the melting point of the latent heat storage composition (HSC) and the phase change material (PCM) may be 0.01°C to 0.5°C.
  • FS fumed silica
  • PCM phase change material
  • the phase change material (PCM) may be in a liquid state. If the latent heat storage composition (HSC) is composed of only the phase change material (PCM), the latent heat storage composition (HSC) may be in a liquid state at a temperature higher than the melting point of the phase change material (PCM). According to the present invention, the phase change material (PCM) is captured around the aggregates (AG) of the fumed silica (FS), so that the latent heat storage composition (HSC) can be more easily made into a solid state. At a temperature lower than the melting point, the latent heat storage composition (HSC) may be in a solid state. In this specification, "solid state” may mean a state in which a material can maintain its shape without flowing. The solid state may be in a gel-like state.
  • the composition for storing latent heat may include only phase change material (PCM) and fumed silica (FS).
  • the latent heat storage composition (HSC) may not include additional materials other than the phase change material (PCM) and the fumed silica (FS). If the latent heat storage composition (HSC) includes an additional material, the additional material may affect physical properties (eg, melting point and latent heat) inherent to the phase change material (PCM).
  • the latent heat storage composition (HSC) may include a hydrophilic phase change material and fumed silica (FS). Since the fumed silica (FS) has hydrophilicity, it may be preferable that the phase change material (PCM) is a hydrophilic phase change material in order to mix the phase change material (PCM) and the fumed silica (FS).
  • PCM phase change material
  • the hydrophilic phase change material may include at least one of a fatty acid and an ester thereof.
  • Hydrophilic phase change materials include, for example, polyethylene glycol, propionamide, naphthalene, acetamide, stearic acid, polyglycol, wax, palmitic acid, myristic acid, stearic acid, lignocerate, camphene, 3-heptanecanone , tetradecane, cyanamide, lauric acid, carpolone, trimyristrin, hexadecanone, capric acid, and may include at least one selected from the group consisting of caprylic acid.
  • the latent heat storage composition (HSC) according to the second embodiment of the present invention may include a hydrophobic phase change material and a surface-treated fumed silica (FS) having hydrophobicity.
  • Fumed silica (FS) may have hydrophobicity at least partially by surface treatment.
  • the phase change material (PCM) is a hydrophobic phase change material.
  • surface treatment of the fumed silica (FS) may include providing a silane (eg, dimethyldichlorosilane) substituted with a hydrocarbon functional group such as an alkyl group or an alkene group on the fumed silica (FS) and heat treatment.
  • a silane eg, dimethyldichlorosilane
  • a hydrocarbon functional group such as an alkyl group or an alkene group
  • surface treatment of the fumed silica (FS) may include providing silicon containing polysiloxane on the fumed silica (FS) and heat treatment.
  • the hydrophobic phase change material may include a linear alkane.
  • the hydrophobic phase change material may include C n H 2n+2 .
  • n may be an integer from 10 to 30.
  • the melting point of the phase change material (PCM) may change.
  • the melting point of the latent heat storage composition (HSC) may be adjusted by selecting the n value according to the desired melting point of the latent heat storage composition (HSC).
  • the hydrophobic phase change material may include aliphatic paraffin.
  • the latent heat storage composition (HSC) may include a phase change material (PCM) and fumed silica (FS).
  • the phase change material (PCM) may include a eutectic mixture of a first phase change material and a second phase change material.
  • Each of the first phase change material and the second phase change material may include at least one of a fatty acid and an ester thereof. Since the phase change material (PCM) is selected from the group of compounds consisting of fatty acids and their esters, they may have hydrophilic properties. Since fumed silica (FS) also has hydrophilicity, the eutectic mixture and fumed silica (FS) can be mixed well.
  • the first phase change material may include a compound of C X H 2X+1 COOR1
  • the second phase change material may include a compound of C Y H 2Y+1 COOR1.
  • X and Y are different integers
  • each of X and Y is an integer of 11 to 17
  • R1 is C1-C4 alkyl.
  • the first phase change material and the second phase change material may be each independently selected from the group consisting of lauric acid or its ester, myristic acid or its ester, palmitic acid or its ester, and stearic acid or its ester.
  • a eutectic mixture is, for example, methyl palmitate, methyl laurate, methyl myristate, butyl stearate, and butyl laurate.
  • the melting point of the first phase change material when the melting point of the first phase change material is at a first temperature and the melting point of the second phase change material is at a second temperature, the mixture thereof does not have two melting points of the first temperature and the second temperature. It may have one melting point of a third temperature. In other words, the mixture of the first phase change material and the second phase change material may have one melting point (or one freezing point).
  • the third temperature may be a value between the first temperature and the second temperature. The third temperature may be lower than the first temperature and/or the second temperature. The third temperature may be higher than the first temperature and/or the second temperature.
  • the melting point of the mixture may become closer to the first temperature, which is the melting point of the first phase change material.
  • the concentration of the second phase change material increases in the mixture, the melting point of the mixture may become closer to the second temperature, which is the melting point of the second phase change material.
  • the latent heat storage composition HSC
  • a container CS may include an injection part IJ and a body part BD. Through the injection part IJ, the latent heat storage composition HSC may be injected into the container CS and sealed in the body part BD.
  • the container CS is, for example, at least one selected from the group consisting of HDPE (High Density PolyEthylene), PP (PolyPropylene), PET (PolyEthylene Terephthalate), PVC (PolyVinyl Chloride), PS (PolyStyrene), and PC (PolyCarbonate).
  • the container CS may have a relatively hard property.
  • a method for manufacturing a latent heat storage pack (PAC) includes preparing a latent heat storage composition (HSC) by mixing a phase change material (PCM) and fumed silica (FS), and a latent heat storage composition It may include putting the composition (HSC) into the container (CS) and sealing it.
  • the phase change material (PCM) and the fumed silica (FS) are uniformly mixed with each other at a temperature higher than the melting point of the phase change material (PCM), so that the latent heat storage composition (HSC) may be formed.
  • a pre-conditioning process may be performed to solidify the latent heat storage composition (HSC).
  • the pre-conditioning process may include, for example, a solidification process at a low temperature.
  • phase change material may include at least one of a hydrophilic phase change material, a hydrophobic phase change material, and a combination thereof.
  • Specific descriptions of the phase change material (PCM) and the fumed silica (FS) may be substantially the same as those described in the first to third embodiments.
  • a plurality of latent heat storage packs may be adjacently arranged and aligned.
  • a pre-conditioning process may be simultaneously performed on the latent heat storage composition (HSC) injected into the latent heat storage packs (PAC), respectively.
  • the composition for latent heat storage (HSC) is made of only phase change material (PCM)
  • PCM phase change material
  • the gap between the latent heat storage packs (PAC) is narrow, preventing smooth air flow, and incomplete freezing may occur due to cooling temperature deviations. there is.
  • the latent heat storage composition (HSC) in the latent heat storage packs (PAC) may not be uniformly solidified, and latent heat characteristics may be degraded.
  • the fumed silica (FS) is included in a weight ratio of 0.5 wt% to 1.5 wt%
  • the latent heat storage composition (HSC) in the latent heat storage packs (PAC) can be uniformly solidified within a short period of time. can That is, by including an appropriate amount of fumed silica (FS), solidification of the latent heat storage composition is promoted.
  • a composition for latent heat storage was prepared by mixing a paraffin-based phase change material (C n H 2n+2 ) with hydrophobically treated, 1 wt% fumed silica (OCI Co., Ltd.).
  • a latent heat storage pack according to Example 1 was prepared by putting the prepared latent heat storage composition into a container.
  • a composition for latent heat storage was prepared by mixing a paraffinic phase change material (C n H 2n+2 ) with a hydrophobic surface-treated, 0.5 wt% fumed silica (OCI Co., Ltd.).
  • a latent heat storage pack according to Example 2 was prepared by putting the prepared latent heat storage composition into a container.
  • a composition for latent heat storage was prepared using only a paraffinic phase change material (C n H 2n+2 ).
  • a latent heat storage pack according to Comparative Example 1 was prepared by putting the prepared latent heat storage composition into a container.
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Abstract

본 발명은, 잠열 저장용 조성물, 이를 포함하는 잠열 저장 팩, 및 이를 포함하는 잠열 저장 팩의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 상기 잠열 저장용 조성물은 상변화 물질, 및 흄드 실리카만으로 이루어지되, 상기 흄드 실리카의 중량비는 0.5 wt% 내지 1.5 wt%일 수 있다.

Description

잠열 저장용 조성물, 이를 포함하는 잠열 저장 팩, 및 이를 포함하는 잠열 저장 팩의 제조 방법
본 발명은 잠열 저장용 조성물, 이를 포함하는 잠열 저장 팩, 및 이를 포함하는 잠열 저장 팩의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 상변화 물질을 포함하는 잠열 저장용 조성물, 이를 포함하는 잠열 저장 팩, 및 이를 포함하는 잠열 저장 팩의 제조 방법에 관한 것이다.
잠열(Latent heat)이란 물질이 고상에서 액상으로 또는 액상에서 고상으로 상변화될 때 흡수하거나 방출하는 열을 의미한다. 상변화 물질(Phase Change Material)은 위와 같은 잠열을 이용하여 열을 흡수 및/또는 방출하는 물질을 의미한다.
상변화 물질은 단위 부피 및 단위 질량당 열에너지의 저장용량이 커서 현열(Sensible heat) 장치보다 부피나 무게를 크게 줄일 수 있는 장점이 있다. 상변화 물질은 온도성층(thermocline) 현상이 심하지 않으므로, 사용 온도에 알맞은 범위에서 거의 일정한 온도로 축열 및 방열을 할 수 있는 장점이 있다.
상변화 물질은 그의 녹는점 이상의 온도에서는 액상이므로, 모양이 변화되지 않는 플라스틱 케이스 내에 상변화 물질을 넣어 패키지화하여 사용되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 흐르지 않는 고체 상태의 잠열 저장용 조성물을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 팩 내부에서 균일하게 고체 상태가 될 수 있는 잠열 저장용 조성물을 포함하는 잠열 저장 팩을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 팩 내부에서 균일하게 고체 상태가 될 수 있는 잠열 저장용 조성물을 포함하는 잠열 저장 팩의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 개념에 따른, 잠열 저장용 조성물은 상변화 물질, 및 흄드 실리카만으로 이루어지되, 상기 흄드 실리카의 중량비는 0.5 wt% 내지 1.5 wt%일 수 있다.
본 발명의 다른 개념에 따른, 잠열 저장 팩은 잠열 저장용 조성물, 및 상기 잠열 저장용 조성물을 밀봉하는 용기를 포함하되, 상기 용기는 주입부 및 몸체부를 포함하고, 상기 잠열 저장용 조성물은, 상변화 물질, 및 흄드 실리카만으로 이루어지되, 상기 흄드 실리카의 중량비는 0.5 wt% 내지 1.5 wt%일 수 있다.
본 발명의 또 다른 개념에 따른, 잠열 저장 팩의 제조 방법은 상변화 물질 및 흄드 실리카를 혼합하여 잠열 저장용 조성물을 제조하는 것, 및 상기 잠열 저장용 조성물을 용기에 투입하여 밀봉하는 것을 포함하되, 상기 흄드 실리카의 중량비는 0.5 wt% 내지 1.5 wt%일 수 있다.
본 발명에 따른 잠열 저장용 조성물은, 그를 구성하는 상변화 물질의 녹는점 및 잠열과 같은 물성은 그대로 유지한 채 잠열 저장용 조성물(HSC)를 고형화시키는 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 빠른 시간 내에 잠열 저장 팩들 내의 잠열 저장용 조성물이 균일하게 고형화될 수 있다.
도 1은 본 발명에 실시예들에 따른 잠열 저장 팩을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 잠열 저장용 조성물의 구성 물질을 나타낸 확대도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 복수의 잠열 저장 팩들이 인접하게 배치되어 정렬된 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 잠열 저장 팩의 고체 상태를 평가한 결과이다.
도 5는 실시예 2 및 비교예 1에 따른 잠열 저장 팩의 고체 상태를 평가한 결과이다.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 잠열 저장 팩의 고체 상태를 평가한 결과이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명에 실시예들에 따른 잠열 저장 팩을 나타내는 단면도이다. 도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 잠열 저장용 조성물의 구성 물질을 나타낸 확대도이다. 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 복수의 잠열 저장 팩들이 인접하게 배치되어 정렬된 구조를 나타내는 단면도이다.
도 1, 도 2, 및 도 3을 참조하면, 잠열 저장 팩(PAC)은 잠열 저장용 조성물(HSC) 및 잠열 저장용 조성물(HSC)을 밀봉하는 용기(CS)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 잠열 저장용 조성물(HSC)은 상변화 물질(PCM) 및 흄드 실리카(Fumed Silica, FS)를 포함할 수 있다. 흄드 실리카(FS)는 비정질의 이산화규소를 포함할 수 있다. 흄드 실리카(FS)는 단독으로 존재할 때 하얀색의 분말 형태일 수 있다. 흄드 실리카(FS)는 친수성을 가질 수 있다. 따라서, 흄드 실리카는 수용액 내의 다른 화합물에 대해 혼화성을 지닐 수 있다.
흄드 실리카(FS)는 복수의 1차 입자들(PP)이 연결되어 형성된 응집체(AG, aggregate)를 포함할 수 있다. 흄드 실리카(FS)는 염화실란이 산소와 수소로 형성된 1,000 ℃ 이상의 불꽃 내에서 가수분해되어 형성될 수 있다. 흄드 실리카(FS)는 불꽃 내에서 만들어진 1차 입자들(PP)간의 충돌로 인해 서로 연결되어, 응집체(AG)가 형성될 수 있다. 이에 따라, 응집체(AG)는 가지를 포함하는 3차원의 입체 구조를 가질 수 있다. 흄드 실리카(FS)의 1차 입자(PP)의 평균 직경은 예를 들어, 2 nm 내지 50 nm일 수 있다. 1차 입자들(PP)의 비표면적은 예를 들어, 50 m2/g 내지 600 m2/g일 수 있다. 응집체(AG)의 크기는 예를 들어, 1 μm 내지 500 μm일 수 있다.
본 발명에 따르면, 3차원 입체 구조를 갖는 흄드 실리카(FS)를 잠열 저장용 조성물(HSC)로 사용함으로써, 응집체(AG) 간의 수소결합(Hydrogen bond) 및/또는 반데르발스 힘(Van der Waals force)으로 형성된 3차원 가지 구조의 프레임워크(Framewrok)에 상변화 물질(PCM)이 가둬질 수 있다. 즉, 흄드 실리카(FS)의 응집체(AG)는 담지체일 수 있고, 상변화 물질(PCM)이 응집체(AG)를 둘러쌀 수 있다. 이에 따라, 잠열 저장용 조성물(HSC)이 얼게 될 때, 즉, 고형화되기 쉬운 상태로 만들 수 있다. 또한, 열전도율 측면에서, 3차원 입체 구조에 의해 응집체(AG) 간의 계면에 의해 열 전달이 원활하게 되지 못하여, 기존 온도를 유지하는데 효과적일 수 있다.
잠열 저장용 조성물(HSC)의 총 중량 기준으로, 흄드 실리카(FS)의 중량비는 예를 들어, 0.5wt% 내지 1.5wt%일 수 있다. 만약 흄드 실리카(FS)의 중량비가 0.5wt%보다 작다면, 그 양이 너무 적어서 잠열 저장용 조성물이 고형화되는 데에 이바지할 수 없어 본 발명의 효과를 누릴 수 없다. 만약 흄드 실리카(FS)의 중량비가 1.5wt% 보다 크다면, 잠열 저장용 조성물(HSC) 내에서 균일하게 섞이지 못한 실리카 분말들이 잔류할 수 있고, 잠열 저장용 조성물(HSC)의 단위 질량 당 저장할 수 있는 에너지가 감소할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 상변화 물질(Phase Change Material, PCM)은 -30℃ 내지 140℃ 사이의 범위에서 녹는점 또는 어는점을 갖는 물질일 수 있다. 상변화 물질(PCM)은 녹는점에서 고체에서 액체로 상변화하면서 열을 흡수할 수 있다. 상변화 물질(PCM)은 어는점에서 액체에서 고체로 상변화하면서 열을 방출할 수 있다. 상변화 물질(PCM)이 녹는점 또는 어는점에서 상변화하는 동안, 상변화 물질(PCM)의 온도는 일정하게 유지될 수 있다. 상변화 물질(PCM)은 상대적으로 높은 잠열을 갖는 물질일 수 있다.
잠열 저장용 조성물(HSC)의 녹는점과 상변화 물질(PCM)의 녹는점의 차이는 0.01℃ 내지 0.5℃일 수 있다. 다시 말하면, 상변화 물질(PCM)에 흄드 실리카(FS)가 혼합될지라도, 상변화 물질(PCM)의 물성(예를 들어, 녹는점 및 잠열)은 실질적으로 변화되지 않을 수 있다.
상변화 물질(PCM)의 녹는점보다 높은 온도에서, 상변화 물질(PCM)은 액체 상태일 수 있다. 만약 잠열 저장용 조성물(HSC)이 상변화 물질(PCM)만으로 이루어질 경우, 상변화 물질(PCM)의 녹는점보다 높은 온도에서 잠열 저장용 조성물(HSC)은 액체 상태일 수 있다. 본 발명에 따르면, 흄드 실리카(FS)의 응집체들(AG)을 중심으로 상변화 물질(PCM)이 포획됨으로써, 잠열 저장용 조성물(HSC)을 보다 쉽게 고체 상태로 만들 수 있다. 상기 녹는점보다 낮은 온도에서 잠열 저장용 조성물(HSC)은 고체 상태일 수 있다. 본 명세서에서, "고체 상태"는 물질이 흐르지 않고 그 형태를 유지할 수 있는 상태를 의미할 수 있다. 상기 고체 상태는 겔(gel)과 같은 상태일 수 있다.
일 예로, 잠열 저장용 조성물(HSC)은 상변화 물질(PCM) 및 흄드 실리카(FS)만으로 이루어질 수 있다. 잠열 저장용 조성물(HSC)은 상변화 물질(PCM) 및 흄드 실리카(FS)를 제외한 추가적인 물질을 포함하지 않을 수 있다. 만약 잠열 저장용 조성물(HSC)이 추가적인 물질을 포함할 경우, 추가적인 물질이 상변화 물질(PCM) 고유의 물성(예를 들어, 녹는점 및 잠열)에 영향을 줄 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 잠열 저장용 조성물(HSC)은 친수성의 상변화 물질 및 흄드 실리카(FS)를 포함할 수 있다. 흄드 실리카(FS)가 친수성을 가지기 때문에, 상변화 물질(PCM)과 흄드 실리카(FS)가 혼합되기 위해서는 상변화 물질(PCM)이 친수성 상변화 물질인 것이 바람직할 수 있다.
친수성 상변화 물질은 지방산 및 그의 에스터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 친수성 상변화 물질은 예를 들어, 폴리에틸렌글리콜, 프로피온아미드, 나프탈렌, 아세트아미드, 스테아르산, 폴리글리콜, 왁스, 팔미트산, 미리스트산, 스테아르산, 리그노세레이트, 캄펜, 3-헵타네카논, 테트라데칸, 시안아미드, 라우르산, 카르폴론, 트리미리스트린, 헥사데카논, 카프르산, 및 카프릴산으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 잠열 저장용 조성물(HSC)은 소수성의 상변화 물질 및 표면 처리되어 소수성을 가지는 흄드 실리카(FS)를 포함할 수 있다. 흄드 실리카(FS)는 표면 처리됨으로써, 적어도 부분적으로 소수성을 가질 수 있다. 이 경우, 흄드 실리카(FS)는 표면 처리되어 소수성을 가지기 때문에, 상변화 물질(PCM)이 소수성 상변화 물질인 것이 바람직할 수 있다.
일 예로, 흄드 실리카(FS)를 표면 처리하는 것은, 알킬기 또는 알켄기와 같은 탄화수소 기능기로 치환되어 있는 실란(예를 들어, dimethyldichlorosilane)을 흄드 실리카(FS) 상에 제공하는 것 및 열처리하는 것을 포함할 수 있다. 다른 예로, 흄드 실리카(FS)를 표면 처리하는 것은, 폴리실록산을 포함하는 실리콘(silicone)을 흄드 실리카(FS) 상에 제공하는 것 및 열처리하는 것을 포함할 수 있다.
소수성 상변화 물질은 직쇄형의 알케인을 포함할 수 있다. 소수성 상변화 물질은 CnH2n+2을 포함할 수 있다. n은 10 내지 30의 정수일 수 있다. n의 값에 따라 상변화 물질(PCM)의 녹는점이 변화될 수 있다. 다시 말하면, 잠열 저장용 조성물(HSC)의 원하는 녹는점에 따라 상기 n 값을 선택하여, 잠열 저장용 조성물(HSC)의 녹는점을 조절할 수 있다. 예를 들어, 소수성 상변화 물질은 지방족 파라핀(Paraffin)을 포함할 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 잠열 저장용 조성물(HSC)은 상변화 물질(PCM) 및 흄드 실리카(FS)를 포함할 수 있다. 상기 상변화 물질(PCM)은 제1 상변화 물질과 제2 상변화 물질의 공융 혼합물(eutectic mixture)을 포함할 수 있다. 제1 상변화 물질 및 제2 상변화 물질은 각각 지방산 및 그의 에스터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상변화 물질(PCM)은 지방산 및 그의 에스터로 이루어진 화합물 군에서 선택되기 때문에, 친수성을 가질 수 있다. 흄드 실리카(FS) 역시 친수성을 가지기 때문에, 공융 혼합물(eutectic mixture)과 흄드 실리카(FS)가 잘 혼합될 수 있다
제1 상변화 물질은 CXH2X+1COOR1의 화합물을 포함하고, 제2 상변화 물질은 CYH2Y+1COOR1의 화합물을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 X 및 상기 Y는 서로 다른 정수이고, 상기 X 및 상기 Y 각각은 11 내지 17의 정수이며, 상기 R1은 C1-C4 알킬이다. 제1 상변화 물질의 기능기(R1)와 제2 상변화 물질의 기능기(R1)가 서로 동일할 경우, 제1 상변화 물질과 제2 상변화 물질은 균일하게 혼합되어 공융 혼합물(eutectic mixture)을 형성할 수 있다. 제1 상변화 물질 및 제2 상변화 물질은 각각 독립적으로, 라우릭산 또는 그의 에스터, 미리스틱산 또는 그의 에스터, 팔미트산 또는 그의 에스터 및 스테아르산 또는 그의 에스터로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 공융 혼합물(eutectic mixture)은 예를 들어, 메틸 팔미테이트(Methyl palmitate), 메틸 라우레이트(Methyl laurate), 메틸 미리스테이트(Methyl myristate), 부틸 스테아레이트(Butyl stearate), 및 부틸 라우레이트(Butyl laurate)로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 상변화 물질의 녹는점이 제1 온도이고 제2 상변화 물질의 녹는점이 제2 온도일 경우, 이들의 혼합물은 제1 온도 및 제2 온도의 두 개의 녹는점을 갖는 것이 아니라 제3 온도의 하나의 녹는점을 가질 수 있다. 다시 말하면, 제1 상변화 물질 및 제2 상변화 물질의 혼합물은 하나의 녹는점(또는 하나의 어는점)을 가질 수 있다. 제3 온도는 제1 온도와 제2 온도 사이의 값일 수 있다. 제3 온도는 제1 온도 및/또는 제2 온도보다 더 낮을 수 있다. 제3 온도는 제1 온도 및/또는 제2 온도보다 더 높을 수 있다.
혼합물 내에서 제1 상변화 물질의 농도가 증가할수록, 혼합물의 녹는점은 제1 상변화 물질의 녹는점인 제1 온도에 가까워질 수 있다. 혼합물 내에서 제2 상변화 물질의 농도가 증가할수록, 혼합물의 녹는점은 제2 상변화 물질의 녹는점인 제2 온도에 가까워질 수 있다. 결과적으로, 제1 상변화 물질 및 제2 상변화 물질의 조성비를 조절하여, 잠열 저장용 조성물(HSC)이 목적하는 녹는점 또는 어는점을 갖도록 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 용기(CS)는 주입부(IJ) 및 몸체부(BD)를 포함할 수 있다. 주입부(IJ)를 통해, 잠열 저장용 조성물(HSC)이 용기(CS) 내로 투입될 수 있고, 몸체부(BD) 내에 밀봉될 수 있다. 용기(CS)는 예를 들어, HDPE(High Density PolyEthylene), PP(PolyPropylene), PET(PolyEthylene Terephthalate), PVC(PolyVinyl Chloride), PS(PolyStyrene), 및 PC(PolyCarbonate)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 용기(CS)는 비교적 단단한 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 잠열 저장 팩(PAC)의 제조 방법은, 상변화 물질(PCM) 및 흄드 실리카(FS)를 혼합하여 잠열 저장용 조성물(HSC)을 제조하는 것, 및 잠열 저장용 조성물(HSC)을 용기(CS)에 투입하여 밀봉하는 것을 포함할 수 있다. 상세하게는, 상변화 물질(PCM)의 녹는점보다 높은 온도에서 상변화 물질(PCM)과 흄드 실리카(FS)가 서로 균일하게 혼합되어, 잠열 저장용 조성물(HSC)이 형성될 수 있다. 잠열 저장용 조성물(HSC)이 용기(CS) 내에 투입된 후, 전처리 공정(pre-conditioning)을 수행하여 잠열 저장용 조성물(HSC)을 고체화하는 것을 더 포함할 수 있다. 전처리 공정(pre-conditioning)은 예를 들어, 저온에서의 고형화 공정을 포함할 수 있다.
상변화 물질(PCM)은 친수성 상변화 물질, 소수성 상변화 물질, 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상변화 물질(PCM) 및 흄드 실리카(FS)에 관한 구체적 설명은 앞서 제1 내지 제3 실시예에서 설명한 것과 실질적으로 동일할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 잠열 저장 팩들(PAC)이 인접하게 배치되어 정렬될 수 있다. 잠열 저장 팩들(PAC)에 각각 투입된 잠열 저장용 조성물(HSC)에 동시에 전처리 공정(pre-conditioning)이 수행될 수 있다. 만약 잠열 저장용 조성물(HSC)이 상변화 물질(PCM)만으로 이루어질 경우, 잠열 저장 팩들(PAC)간의 간격이 좁아 공기의 흐름이 원활하지 않고, 냉각 온도의 편차로 인해 불완전하게 어는 현상이 발생할 수 있다. 이 경우, 잠열 저장 팩들(PAC) 내의 잠열 저장용 조성물(HSC)이 균일하게 고형화되지 않을 수 있어, 잠열 특성이 저하될 수 있다. 반면에, 본 발명에 따르면, 0.5 wt% 내지 1.5 wt%의 중량비의 흄드 실리카(FS)를 포함함에 따라, 빠른 시간 내에 잠열 저장 팩들(PAC) 내의 잠열 저장용 조성물(HSC)이 균일하게 고형화될 수 있다. 즉, 흄드 실리카(FS)가 적당량 포함됨으로써 잠열 저장용 조성물의 고형화를 촉진하게 된다.
<실시예 1, 실시예 2, 및 비교예 1>
실시예 1
파라핀계 상변화 물질(CnH2n+2)과 소수성으로 표면 처리된, 1wt%의 흄드 실리카(OCI사 주식회사)를 혼합하여, 잠열 저장용 조성물을 제조하였다. 제조된 잠열 저장용 조성물을 용기에 투입하여 실시예 1에 따른 잠열 저장 팩을 제조하였다.
실시예 2
파라핀계 상변화 물질(CnH2n+2)과 소수성으로 표면 처리된, 0.5wt%의 흄드 실리카(OCI사 주식회사)를 혼합하여, 잠열 저장용 조성물을 제조하였다. 제조된 잠열 저장용 조성물을 용기에 투입하여 실시예 2에 따른 잠열 저장 팩을 제조하였다.
비교예 1
파라핀계 상변화 물질(CnH2n+2)만으로 잠열 저장용 조성물을 제조하였다. 제조된 잠열 저장용 조성물을 용기에 투입하여 비교예 1에 따른 잠열 저장 팩을 제조하였다.
<실험예>
고체 상태 평가-1
실시예 1 및 비교예 1에 따른 잠열 저장 팩을 각각 3 ℃에서 전처리 공정(pre-conditioning)을 수행하여, 24시간 후와 48시간 후에 고형화된 정도를 확인하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4를 통해 알 수 있듯이, 비교예 1에 따른 잠열 저장 팩들은 거의 대부분이 액체 상태로 남아있는 것을 확인할 수 있다. 반면에, 실시예 1에 따른 잠열 저장 팩들은 모두 고체 상태 상태로 변한 것을 확인할 수 있다.
고체 상태 평가-2
실시예 2 및 비교예 1에 따른 잠열 저장 팩을 각각 3.5 ℃에서 전처리 공정(pre-conditioning)을 수행하여, 72시간 후에 고형화된 정도를 확인하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5를 통해 알 수 있듯이, 비교예 1에 따른 잠열 저장 팩들의 일부는 여전히 액체 상태로 남아있는 것을 확인할 수 있다. 반면에, 실시예 2에 따른 잠열 저장 팩들은 모두 고체 상태로 변한 것을 확인할 수 있다.
고체 상태 평가-3
실시예 1 및 비교예 1에 따른 잠열 저장 팩을 각각 3.5 ℃에서 전처리 공정(pre-conditioning)을 수행하여, 24시간, 48시간, 72시간, 및 144시간 후에 고형화된 정도를 확인하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6을 통해 알 수 있듯이, 비교예 1에 따른 잠열 저장 팩들의 일부는 여전히 액체 상태로 남아있는 것을 확인할 수 있다. 반면에, 72시간 이후에, 실시예 1에 따른 잠열 저장 팩들은 모두 고체 상태로 변한 것을 확인할 수 있다.
DSC 평가
실시예 2 및 비교예 1의 조성물에 DSC(Differential scanning calorimetry; 시차 주사 열량 측정법) 분석을 수행하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
DSC 측정결과 Melting Freezing
Onset(℃)
(액체화 시작)		 End(℃)
(액체화 완료)		 잠열(J/g) Onset(℃)
(고체화 시작)		 End(℃)
(고체화 완료)		 잠열(J/g)
Paraffin 4.66 13.14 205.7 1.35 -4.55 209.9
Paraffin + 소수성 FS 0.5wt% 4.85 11.95 208.0 2.08 -2.99 210.2
상기 표 1을 통해 알 수 있듯이, 소수성 흄드 실리카를 0.5wt% 첨가하더라도 잠열 값에 큰 영향이 없음을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (14)

  1. 상변화 물질; 및
    흄드 실리카만으로 이루어지되,
    상기 흄드 실리카의 중량비는 0.5 wt% 내지 1.5 wt%인 잠열 저장용 조성물.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 흄드 실리카는 표면 처리되어 적어도 부분적으로 소수성을 갖고,
    상기 상변화 물질은 소수성 상변화 물질이고,
    상기 소수성 상변화 물질은 직쇄형의 알케인(CnH2n+2)을 포함하며,
    상기 n은 10 내지 30의 정수인 잠열 저장용 조성물.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 흄드 실리카는 실란 또는 실리콘(silicone)으로 표면 처리된 잠열 저장용 조성물.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 상변화 물질은 파라핀(Paraffin)을 포함하는 잠열 저장용 조성물.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 상변화 물질은 친수성 상변화 물질이고,
    상기 친수성 상변화 물질은 폴리에틸렌글리콜, 프로피온아미드, 나프탈렌, 아세트아미드, 스테아르산, 폴리글리콜, 왁스, 팔미트산, 미리스트산, 스테아르산, 리그노세레이트, 캄펜, 3-헵타네카논, 테트라데칸, 시안아미드, 라우르산, 카르폴론, 트리미리스트린, 헥사데카논, 카프르산, 및 카프릴산으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 잠열 저장용 조성물.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 상변화 물질은 제1 상변화 물질과 제2 상변화 물질의 공융 혼합물(eutectic mixture)을 포함하되,
    상기 제1 상변화 물질은 CXH2X+1COOR1의 화합물을 포함하고,
    상기 제2 상변화 물질은 CYH2Y+1COOR1의 화합물을 포함하고,
    상기 X 및 상기 Y는 서로 다른 정수이고, 상기 X 및 상기 Y 각각은 11 내지 17의 정수이며, 상기 R1은 C1-C4 알킬인 잠열 저장용 조성물.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 공융 혼합물(eutectic mixture)은 메틸 팔미테이트(Methyl palmitate), 메틸 라우레이트(Methyl laurate), 메틸 미리스테이트(Methyl myristate), 부틸 스테아레이트(Butyl stearate), 및 부틸 라우레이트(Butyl laurate)로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상을 포함하는 잠열 저장용 조성물.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 흄드 실리카는 1차 입자들이 연결되어 형성된 응집체를 포함하고,
    상기 응집체는 3차원의 가지 구조를 가지고,
    상기 상변화 물질은 상기 응집체의 상기 3차원의 가지 구조 내에 가둬지는 잠열 저장용 조성물.
  9. 잠열 저장용 조성물; 및
    상기 잠열 저장용 조성물을 밀봉하는 용기를 포함하되,
    상기 용기는 주입부 및 몸체부를 포함하고,
    상기 잠열 저장용 조성물은:
    상변화 물질; 및
    흄드 실리카만으로 이루어지되,
    상기 흄드 실리카의 중량비는 0.5 wt% 내지 1.5 wt%인 잠열 저장 팩.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 용기는 HDPE(High Density PolyEthylene), PP(PolyPropylene), PET(PolyEthylene Terephthalate), PVC(PolyVinyl Chloride), PS(PolyStyrene), 및 PC(PolyCarbonate)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 잠열 저장 팩.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 흄드 실리카는 표면 처리되어 적어도 부분적으로 소수성을 갖고,
    상기 상변화 물질은 소수성 상변화 물질이고,
    상기 소수성 상변화 물질은 직쇄형의 알케인(CnH2n+2)을 포함하며,
    상기 n은 10 내지 30의 정수인 잠열 저장 팩.
  12. 상변화 물질 및 흄드 실리카를 혼합하여 잠열 저장용 조성물을 제조하는 것; 및
    상기 잠열 저장용 조성물을 용기에 투입하여 밀봉하는 것을 포함하되,
    상기 흄드 실리카의 중량비는 0.5 wt% 내지 1.5 wt%인 잠열 저장 팩의 제조 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 잠열 저장용 조성물이 상기 용기 내에 투입된 후, 전처리 공정(pre-conditioning)을 수행하여 상기 잠열 저장용 조성물을 고체화하는 것을 더 포함하는 잠열 저장 팩의 제조 방법.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 흄드 실리카는 표면 처리되어 적어도 부분적으로 소수성을 갖고,
    상기 상변화 물질은 소수성 상변화 물질이고,
    상기 소수성 상변화 물질은 직쇄형의 알케인(CnH2n+2)을 포함하며,
    상기 n은 10 내지 30의 정수인 잠열 저장 팩의 제조 방법.
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