KR102325288B1 - 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치 - Google Patents

Abstract

초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치에 관한 것으로,
염색빔의 둘레에 감긴 원단에 대한 초임계 이산화탄소 염색이 진행되는 공간인 염색조와 초임계 이산화탄소 염색에 필요한 염료가 초임계 이산화탄소와 혼합되는 공간인 염료조의 사이에 순환배관이 마련되는 초임계 이산화탄소 염색기에서 순환배관의 액체상태의 이산화탄소를 히터 또는 파이프 열교환기로 가열하여 초임계로 상변화시키는 초임계 이산화탄소 염색기의 가열가열가열빔이 내장되는 염색조의 내부에 순환배관 및 염료조와 연결되는 히팅공간을 마련하고, 히팅공간에 순환배관으로부터 유입되는 액체상태의 이산화탄소를 가열하는 히터 또는 파이프 열교환기를 설치하는 기술 구성을 통하여
작은 용량의 히터 또는 파이프 열교환기를 사용하여 액체상태의 이산화탄소를 가열함으로써 에너지를 절감할 수 있게 됨은 물론 염색 운전비용을 절감할 수 있게 되는 것이다.

Description

초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치 {HEATING APPARATUS FOR SUPERCRITICAL CO2 DYE MACHINE}

본 발명은 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치에 관한 것으로, 더 자세하게는 염색빔과 염료조가 내장되는 염색조의 내부에 히팅공간을 마련하고, 히팅공간내의 이산화탄소를 가열하여 초임계 이산화탄소로 상변화시키거나 온도를 제어하는 히터 또는 파이프 열교환기를 설치한 가열장치에 관한 것이다.

일반적으로 액체와 기체의 두 상태가 분간할 수 없는 상태의 온도와 증기압을 임계점이라고 하며, 이 임계점을 넘어선 상태, 즉 임계 상태가 되면 기체도 아니고 액체도 아닌 상태의 물질이 되는데, 이를 초임계 유체(Supercritical Fluid)라고 한다.

초임계 유체는 일반적인 기체나 액체와는 다른 고유의 특성을 갖게 되는데, 기체와 액체의 중간 정도의 물성이고, 약간의 압력과 온도의 변화에 따라 물성의 급격한 변화가 가능하며, 확산력이 좋고 물질 전달 속도가 큰 등의 물리적 특성을 가진다.

초임계 유체 중에서 특히 초임계 이산화탄소(Supercritical CO₂)는 기체와 유사한 확산성과 점성을 가지는 반면, 액체와 가까운 밀도 특성을 가지기 때문에 최근 들어 다양한 산업공정에 응용되고 있다.

예를 들어 초임계 이산화탄소 염색기의 경우 초임계 이산화탄소의 특성을 적절하게 이용하는 것으로, 염료를 초임계 이산화탄소에 혼합하여 섬유에 침투시키는 새로운 염색방법을 사용하며, 이는 종래 주로 물을 이용하는 수계 염색기와는 다른 염색방법이다.

초임계 이산화탄소 염색기는 초임계 상태의 이산화탄소를 운반유체(Carrier fluid)로 하여 염료를 용해시킨 후 섬유 내부로 침투시키는 새로운 형태의 염색법을 이용하는 것으로, 종래의 수계염색(Dyeing based on water)에서 대량으로 사용되었던 물을 전혀 사용하지 않아, 오염수 배출 등의 관점에서 매우 유리한 친환경적 방법으로 최근 들어 각광을 받고 있는 신기술 중의 하나이다.

일반적으로 수계 염색의 경우 염료를 물에 혼합하여 섬유에 침투시키는 방법으로, 물과 같은 액체는 확산성이 우수하지 못하여 염색에 상당한 시간이 소요될 뿐만 아니라 염색 후 섬유의 건조과정, 염색과정에서 발생하는 폐수 처리 문제, 그리고 염색한 섬유를 물세탁하는 경우에 장기간 동안 발생하는 염료 탈착 등의 문제가 있다.

수계 염색과 비교할 때에 초임계 이산화탄소 염색의 경우 물을 전혀 사용하지 않고, 초임계 이산화탄소의 열물성적 특성을 이용하여 섬유조직의 내부까지 염료를 침투시킬 수 있는 장점이 있어 염색 견뢰도(Color Fastness)가 우수할 뿐만 아니라 염색공정에서 물을 사용하지 않으므로 건조공정이나 세탁시 발생하는 염료 탈착의 우려가 없다.

하기의 특허문헌 1에는 산업용 초임계 유체염색기가 제시되어 있다.

특허문헌 1의 산업용 초임계 유체염색기는 소수성 섬유를 감을 수 있는 스핀들이 고정되는 염색조수단, 감겨진 섬유에 초임계유체의 흐름을 변환하여 균일하고 신속한 염색이 되게 하는 흐름변환수단, 염료가 투입되는 염료조수단, 초임계 이산화탄소에 용해된 염료와 섬유 간의 접촉빈도를 높이기 위한 초임계 유체 순환용 순환펌프수단, 초임계 유체를 가열하거나 냉각시키는 열교환기수단, 저장탱크에 저장된 이산화탄소를 냉각하여 염색장치에 가압펌프로 공급하는 이산화탄소 공급수단, 염색공정이 종료된 이산화탄소를 감압하고 냉각하여 회수펌프로 저장탱크에 회수하는 이산화탄소 회수수단 등이 고압배관으로 연결된 고압염색수단을 포함한다.

하기의 특허문헌 2에는 염색빔을 통해 분사되는 염료를 포함한 초임계 이산화탄소의 유동을 균일하게 할 수 있게 되어 직물의 전체 부위를 균일하게 염색할 수 있도록 하는 균염 향상을 위한 초임계 이산화탄소 염색조가 개시되어 있다.

초임계 이산화탄소 염색기는 기체 상태의 이산화탄소를 가압/가온하여 초임계 상태를 만든 후, 염색조 내부의 염료와 혼합을 통하여 염료를 용해하며, 초임계 이산화탄소와 염료의 혼합류는 염색조 내부에서 피염물인 섬유 내부로 침투하는 과정을 거치게 된다. 그 후 혼합류는 순환펌프로 염색조 내부를 순환하게 되며, 염색을 종료한다.

도 1은 본 발명이 관계하는 초임계 이산화탄소 염색기의 구성도이다.

본 발명이 관계하는 초임계 이산화탄소 염색기는 도 1과 같이 액체 이산화탄소 저장탱크(11), 이산화탄소 냉각기(12), 고압 이산화탄소 펌프(13), 프리히터(14), 염료조(15), 염색조(16), 세퍼레이터(17), 기체 이산화탄소 저장조(18) 등을 포함한다.

본 발명이 관계하는 초임계 이산화탄소 염색기에서 액체 이산화탄소 저장탱크(11)로부터 공급되는 액체 이산화탄소는 이산화탄소 냉각기(12)와 고압 이산화탄소 펌프(13)를 통해 프리히터(14)로 공급된다.

프리히터(14)는 액체 상태의 이산화탄소를 가열하여 원하는 운전 온도와 압력의 초임계 이산화탄소를 만들어 염료조(15)로 공급하고, 염료조(15)는 초임계 상태의 이산화탄소에 염료를 혼합하여 염색조(16)로 공급한다.

염색조(16)에서는 초임계 이산화탄소와 염료의 혼합물을 직물에 공급하고, 이때 초임계 이산화탄소는 염료를 직물 내부로 침투시키게 된다.

염색조(16)에서 사용된 초임계 이산화탄소는 세퍼레이터(17)로 공급되고, 세퍼레이터(17)는 이산화탄소를 증발시켜 과량의 염료와 잔사물을 제거한다.

세퍼레이터(17)에서 분리된 기체 상태의 이산화탄소는 기체 이산화탄소 저장조(18)에 저장되어 재사용된다.

도 1에서 미설명부호 19는 순환펌프이다.

이와 같이 초임계 이산화탄소 염색기는 염료조(15)에서 초임계 상태의 이산화탄소에 염료를 혼합하여 염색조(16)의 내부 중앙에 설치되는 염색빔에 공급하게 되고, 염색빔에 형성된 다수의 염료 분사구멍을 통해 초임계 이산화탄소에 의해 용해된 염료를 염색빔의 외부 둘레에 감긴 직물에 공급하게 된다.

즉, 염료를 포함하는 초임계 이산화탄소는 염색빔의 입구로 공급되어 다수의 분사구멍을 통해 직물로 유동하게 되고, 그 과정에서 초임계 이산화탄소에 용해된 염료가 섬유로 침투하게 된다.

대한민국 등록특허공보 제10-0570333호 (2006년 04월 05일 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1737875호 (2017년 05월 15일 등록)

도 2는 종래 기술에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치의 구성도이다.

도 2와 같이 종래 기술에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치는 액체 이산화탄소를 가열 도는 냉각하여 초임계 이산화탄소로 상변화시키는 프리히터(14)가 염색조(16)와 염료조(15)의 사이에 마련되는 순환배관(L)에 설치된 형태를 가진다.

도 2의 종래 기술에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치는 비교적 긴 길이의 순환배관(L)의 순환경로상에 프리히터(14)를 설치하기 때문에 설치가 용이하지만 외기에 많은 영향을 받게 되므로 열손실이 많게 되어 가열/냉각효율이 좋지 못하게 되고, 그에 따라 용량 및 부피가 큰 프리히터(14)를 사용하여야 하는 문제가 있었다.

도 3은 종래 기술에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치의 프리히터 용량별 온도변화를 나타낸 그래프이다.

도 3과 같이 종래 기술에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치는 프리히터 용량이 4.5m²인 경우에도 120℃에 도달하는 시간이 5분 가까이 걸리게 되고, 3.38m²인 경우는 5분이 훨씬 넘게 걸리고, 용량이 작은 2.25m²인 경우 무려 10분이나 걸리게 된다.

본 발명은 종래 기술에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적이 보다 작은 용량의 히터 또는 파이프 열교환기로 액체상태의 이산화탄소를 가열하여 염색조 내부의 염료조로 초임계 상태의 이산화탄소를 공급함으로써 에너지 효율 향상과 운전비용 절감 등을 도모할 수 있도록 하는 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치를 제공하는 데에 있는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치는 염색빔의 둘레에 감긴 원단에 대한 초임계 이산화탄소 염색이 진행되는 공간인 염색조와 초임계 이산화탄소 염색에 필요한 염료가 초임계 이산화탄소와 혼합되는 공간인 염료조의 사이에 순환배관이 마련되는 초임계 이산화탄소 염색기에서 순환배관의 액체상태의 이산화탄소를 히터 또는 파이프 열교환기로 가열하여 초임계로 상변화시키는 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치에 있어서, 염료조 및 염색빔이 내장되는 염색조의 내부에 순환배관 및 염료조와 연결되는 히팅공간(H)을 마련하고, 가열공간에 순환배관으로부터 유입되는 액체상태의 이산화탄소를 가열하는 히터 또는 파이프 열교환기를 설치한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치는 히팅공간(H)에 설치되는 히터 또는 파이프 열교환기가 전열히터인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치는 히팅공간(H)과 염료조의 사이에 설치되는 온도센서; 온도센서의 센싱값에 따라 히터 또는 파이프 열교환기의 작동을 제어하는 제어유니트;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치는 제어유니트가 온도센서로부터 전송된 온도값을 설정값과 비교하여 히터 또는 파이프 열교환기의 작동을 제어함으로써 염료조에 공급되는 초임계 이산화탄소의 온도를 설정된 온도로 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치에 의하면, 작은 용량의 히터 또는 파이프 열교환기를 사용하여 액체상태의 이산화탄소를 가열함으로써 에너지를 절감할 수 있게 됨은 물론 염색 운전비용을 절감할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치에 의하면, 액체상태의 이산화탄소를 보다 빠른 시간에 초임계로 상변화시킬 수 있게 되기 때문에 전체 염색 공정 시간을 단축할 수 있게 되고, 초임계 염색의 생산성 향상과 원가절감을 도모할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치에 의하면, 히팅공간내의 액체상태의 이산화탄소 온도를 소정온도범위로 유지 또는 승온시키는데 효과적으로 대응할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명이 관계하는 초임계 이산화탄소 염색기의 구성도,
도 2는 종래 기술에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치의 구성도,
도 3은 종래 기술에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치의 히터 용량별 온도변화를 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치의 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치의 히터 용량별 온도변화를 나타낸 그래프.

이하 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 참고로, 본 발명을 설명하는데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다.

또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하다.

그리고 본 출원에서, '포함하다', '가지다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특정의 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지칭하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

그러므로, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 구현 예(態樣, aspect)(또는 실시 예)들을 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, 본 명세서에서 사용한 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 주지 또는 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 도면에 도시된 상태를 기준으로 정의한다.

도 4는 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치의 구성도이다.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치는 염색빔(16a)의 둘레에 감긴 원단(P)에 대한 초임계 이산화탄소 염색이 진행되는 공간인 염색조(16)와 초임계 이산화탄소 염색에 필요한 염료가 초임계 이산화탄소와 혼합되는 공간인 염료조(15)의 사이에 순환배관(L)이 마련되는 초임계 이산화탄소 염색기에서 순환배관(L)의 액체상태의 이산화탄소를 히터 또는 파이프 열교환기(24)로 가열하여 초임계로 상변화시키고, 온도를 소정온도범위로 유지 또는 승온시키는 가열장치에 관계한다.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치는 염료조(15) 및 염색빔(16a)이 내장되는 염색조(16)의 내부에 순환배관(L) 및 염료조(15)와 연결되는 히팅공간(H)을 마련하고, 히팅공간(H)에 순환배관(L)으로부터 유입되는 액체상태의 이산화탄소를 가열하는 히터 또는 파이프 열교환기(24)를 설치한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치에서 히팅공간(H)은 염료조(15) 및 염색빔(16a)이 설치되는 염색조(16)의 내부에 마련되고, 염색조(16)의 내부에는 염색빔(16a)에서 그의 둘레에 감긴 원단(P)으로 분사되어 원단(P)을 관통한 고온, 고압의 초임계 이산화탄소가 충전된 상태이므로 히팅공간(H)은 이미 고온 상태로 있게 된다.

따라서 고온의 히팅공간(H)의 내부에서 다시 히터 또는 파이프 열교환기(24)로 순환배관(L)에서 유입되는 액체상태의 이산화탄소를 가열하여 초임계로 상변화시키거나, 온도를 소정온도범위로 유지 또는 승온시키는 데에는 많은 가열이 필요하지 않게 되고, 그에 따라 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치에서는 작은 용량의 히터 또는 파이프 열교환기(24)를 사용하게 되더라도 충분하게 액체상태의 이산화탄소를 가열할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치의 히터 용량별 온도변화를 나타낸 그래프이다.

도 5와 같이 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치는 예를 들어 히터 용량이 1.5m²으로 작은 경우에도 120℃에 도달하는 시간이 고작 2분 정도밖에 걸리지 않게 된다.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치에서 히팅공간(H)에 설치되는 히터 또는 파이프 열교환기(24)는 전열히터 도는 파이프 열교환기가 바람직하지만 그에 한정되지 않음은 물론이다.

한편, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치는 히팅공간(H)과 염료조(15)의 사이에 설치되는 온도센서(S); 온도센서(S)의 센싱값에 따라 히터 또는 파이프 열교환기(24)의 작동을 제어하는 제어유니트(30);를 더 포함할 수 있다.

상기 온도센서(S)는 염색 과정에서 히팅공간(H)의 히터 또는 파이프 열교환기(24)를 통해 가열되어 염료조(15)쪽으로 배출되는 초임계 이산화탄소의 온도값을 실시간으로 제어유니트(30)로 전송하고, 제어유니트(30)는 온도센서(S)로부터 전송된 온도값을 설정값과 비교하여 히터 또는 파이프 열교환기(24)의 작동을 제어함으로써 염료조(15)에 공급되는 초임계 이산화탄소의 온도를 설정된 온도로 제어한다.

이처럼 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치에 의하면, 염색조(16) 내부에 마련한 히팅공간(H)에 히터 또는 파이프 열교환기(24)를 설치함으로써 작은 용량의 히터 또는 파이프 열교환기(24)를 사용할 수 있게 되고, 그에 따라 에너지를 절감할 수 있게 됨은 물론 염색 운전비용을 절감할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치는 히팅공간(H)에 설치된 히터 또는 파이프 열교환기(24)를 통해 보다 빠른 시간에 액체상태의 이산화탄소를 초임계로 상변화시킬 수 있게 되기 때문에 전체 염색 공정 시간을 단축할 수 있게 된다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

14 : 히터 또는 파이프 열교환기
15 : 염료조
16 : 염색조
16a : 염색빔
30 : 제어유니트
P : 원단
L : 순환배관
H : 히팅공간
S : 온도센서

Claims (4)

1. 염색빔(16a)의 둘레에 감긴 원단(P)에 대한 초임계 이산화탄소 염색이 진행되는 공간인 염색조(16)와 초임계 이산화탄소 염색에 필요한 염료가 초임계 이산화탄소와 혼합되는 공간인 염료조(15)의 사이에 순환배관(L)이 마련되는 초임계 이산화탄소 염색기에서 순환배관(L)의 액체상태의 이산화탄소를 히터 또는 파이프 열교환기(24)로 가열하여 초임계로 상변화시키는 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치에 있어서,
   염료조(15) 및 염색빔(16a)이 내장되는 염색조(16)의 내부에 순환배관(L) 및 염료조(15)와 연결되는 히팅공간(H)을 마련하고, 히팅공간(H)에 순환배관(L)으로부터 유입되는 액체상태의 이산화탄소를 가열하는 히터 또는 파이프 열교환기(24)를 설치하고,
   히팅공간(H)에 설치되는 히터 또는 파이프 열교환기(24)는 전열히터 또는 파이프 열교환기이며,
   히팅공간(H)과 염료조(15)의 사이에 설치되는 온도센서(S); 온도센서(S)의 센싱값에 따라 히터 또는 파이프 열교환기(24)의 작동을 제어하는 제어유니트(30);를 더 포함하고,
   제어유니트(30)는 온도센서(S)로부터 전송된 온도값을 설정값과 비교하여 히터 또는 파이프 열교환기(24)의 작동을 제어함으로써 염료조(15)에 공급되는 초임계 이산화탄소의 온도를 설정된 온도로 제어하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 염색기의 가열장치.
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