KR20160067609A - 파라핀계 상변화 물질로 충진된 축열재 파이프 및 이를 이용한 온도유지 방법 - Google Patents

파라핀계 상변화 물질로 충진된 축열재 파이프 및 이를 이용한 온도유지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파라핀계 상변화물질(PCM)이 제올라이트(Zeolite), 퍼라이트(Perlite) 또는 흑연(graphite)로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 다공성 입자의 세공경(pore)에 충진되고, 상기 상변화물질이 충진된 다공성 입자의 외부 표면이 실리카 고화재, 시멘트, 규사, 석고 또는 황토로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 코팅재로 코팅된 내열성 축열재가 충진된 축열재 파이프를 아스팔트, 시멘트 또는 황토로 이루어진 인도, 주차장 또는 등산로의 하부에 매설하는 도로의 결빙 방지 방법, 내열성 축열재가 충진된 축열재 파이프를 비닐하우스의 하부에 설치하여 비닐하우스를 보온하는 방법 및 상기 축열재 파이프로 부터 열을 전달할 수 있는 열순환 파이프; 및 상기 열순환 파이프와 연결되는 열교환기인 히트펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 축열재를 이용한 냉난방 시스템에 관한 것이다.

Description

파라핀계 상변화 물질로 충진된 축열재 파이프 및 이를 이용한 온도유지 방법{Thermal Storage Pipe Filled with Paraffin Phase Change Materials and Temperature Management Method Thereby}
본 발명은 파라핀계 상변화물질(Phase Change Material: PCM)을 이용한 열전도성이 우수한 내열성 축열재를 제조하고 이를 축열재 파이프에 충진하여 지하에 매설하여 지열을 축열시키어 이를 이용한 온도유지 방법에 관한 것이다.
더욱 상세하게는 파라핀계 상변화물질(PCM)이 제올라이트(Zeolite), 퍼라이트(Perlite) 또는 흑연(graphite)로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 다공성 입자의 세공경(pore)에 충진되고, 상기 상변화물질이 충진된 다공성 입자의 외부 표면이 실리카 고화재, 시멘트, 규사, 석고 또는 황토로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 코팅재로 코팅된 내열성 축열재가 충진된 축열재 파이프를 이용한 아스팔트, 시멘트 또는 황토로 이루어진 인도, 주차장 또는 등산로의 하부에 매설하는 도로의 결빙 방지 방법, 내열성 축열재가 충진된 축열재 파이프를 비닐하우스의 하부에 설치하여 비닐하우스를 보온하는 방법 및 상기 축열재 파이프로 부터 열을 전달할 수 있는 열순환 파이프; 및 상기 열순환 파이프와 연결되는 열교환기인 히트펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 축열재를 이용한 냉난방 시스템에 관한 것이다.
축열 시스템을 통한 열에너지의 효율적인 저장 및 활용 기술은 다양한 범위에 걸쳐 연구되어 왔다. 축열 시스템은 열에너지의 저장을 통하여 과잉 열원의 회수, 에너지의 공급과 수요의 시간적 불일치를 해소하기 위한 열원의 안정적 확보와 공급을 목적으로 하며, 다양한 방법으로 적용될 수 있고 관련 분야에서 상업적인 목적으로도 널리 응용된다.
잠열축열방식은 현열축열방식에 비해 월등히 많은 에너지를 저장할 수 있고 잠열 장치의 상변화물질(phase change material: PCM)은 단위부피, 단위무게당 열에너지의 저장용량이 커서 현열 장치보다 부피나 무게를 크게 줄일 수 있다는 장점이 있기 때문에 최근에는 현열보다는 상변화물질의 잠열을 이용해 고밀도 에너지 저장과 에너지 효율을 높이기 위한 신기술의 개발에 중점을 두고 있다.
상변화물질(PCM)의 재료로서 가장 널리 사용되고 있는 물질은 염, 염수화물 또는 이들의 혼합물, 파라핀등의 유기화합물이 쓰이고 있고, 크게 유기물과 무기물로 나눠지며 유기물은 대체적으로 밀도가 낮고 잠열량은 작으나 무기물 PCM에 비해서 부식성이 작고 부피팽창이 작다. 무기물은 반대로 밀도가 크고 잠열량도 크나 부식성이 크고 부피팽창이 커서 패키징이 어렵다는 단점이 있다.
축방열 시스템을 위해서 가져야 할 PCM의 조건은 적합한 상변화 온도, 높은 잠열밀도와 열전달율, 상평형 용이, 낮은 기체압력, 작은 부피팽창률, 고밀도, 과냉각 현상이 없고 높은 결정성장률, 화학적 안정성, 적은 부식성, 물질구입이 쉽고 저렴 해야한다.
상기 조건들을 만족하며 단가가 매우 낮은 파라핀계 상변화물질이 현재 잠열 축열재로 많이 쓰이고 있으나 용융점 이상에서 파라핀이 유출하기 때문에 캡슐화 시켜서 사용하고 있다. 종래의 상 변화 물질의 캡슐화 기술은 멜라민이나 포름알데히드 수지로 마이크로 캡슐화 하는 방법인바, 이 방법은 공정이 복잡하여 제조원가를 상승시키기 때문에 실용화 되지 못하고 있고 고분자 수지의 캡술로 되어 있어 화재의 위험성에 노출되어 있고 내열성이 낮은 관계로 용도가 제한되어 있다
또한, 이러한 파라핀계 상변화물질은 마이크로캡슐과 겔 상태 제품이 있으며 마이크로캡슐 제품에도 건조된 제품과 수용액 제품이 있으나 보편적으로 열전도성이 낮아 외기의 온도변화에 대하여 충분한 축열성능을 발휘하지 못하고 있는 실정이다
이러한 파라핀계 상변화물질을 이용한 축열재에 대한 종래 기술인 한국 공개특허공보 KR2007-0029311A은 난방 및 보온에 이용할 수 있는 다공성 잠열 축열재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 파라핀계의 상 변화 물질을 열저장과 열공급 매체로 사용할 수 있게 하기 위해서 다공성 점토 또는 펄라이트(Perlite)에 함침시켜서 제조하는 것으로 잠열 축열재는 유동성이 있는 파라핀을 다공성 점토 또는 펄라이트에 함침시킨 것이므로 파라핀의 유출을 방지할수 있고 열저장 매체로의 효율을 높일 수 있는 기술이라고 기재되어 있다. 그러나 상기 공개공보에 기재된 잠열 축열재는 실질적으로 파라핀 상변화물질의 유출을 방지할 수 있는 기술적 수단은 제시하지 못하고 있는 기술에 불과하다.
또한, 한국 등록특허공보 KR1090526B1은 상변화 물질을 포함하는 모르타르 조성물에 관한 것으로서, 시멘트, 모래, 물 및 파라핀계 상변화 물질을 포함하고, 상기 상변화물질은 전체 모르타르 조성물 중 시멘트 중량 기준 3-35 중량%이고, 녹는점이 23-32 ℃인 것을 특징으로 하고, 이러한 상변화 물질을 포함하는 모르타르 조성물의 냉온 축열성능을 이용하여 건축물에 적용할 경우에 냉?난방기 효율적 작동에 따라 이산화탄소 저감 및 에너지 저감을 도모할 수 있다고 기재되어 있으나 , 상기 특허 역시 파라핀 상변화물질의 유출을 방지할 수 있는 기술적 수단은 제시하지 못하고 상변화물질을 모르타르에 적용하는 데 불과한 기술이 기재되어 있다.
한국 공개특허공보 KR2007-0029311A 한국 등록특허공보 KR1090526B1
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 파악하여 도출된 것이며, 목적은 열전도도가 우수하고 내열성을 가지는 축열재를 제조하고 이를 축열재 파이프에 충진하여 지하에 매설하여 지열을 축열시키어 이를 도로의 결빙 방지, 농업용 비닐 하우스의 보온 및 건축물의 냉난방에 이용하는 방법을 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명은 파라핀 상변화 물질의 유출을 방지하여 내열성을 향상시키고 열전도성을 향상시키기 위하여 파라핀계 상변화물질(PCM)이 제올라이트(Zeolite),퍼라이트(Perlite) 또는 흑연(graphite)로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 다공성 입자의 세공경(pore)에 충진되고, 상기 상변화물질이 충진된 다공성 입자의 외부 표면이 실리카 고화재, 시멘트, 규사, 석고 또는 황토로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 코팅재로 코팅된 축열재를 제조하고 이를 축열재 파이프에 충진하여 지하에 매설하여 지열을 축열시키어 이를 도로의 결빙 방지, 농업용 비닐 하우스의 보온 및 건축물의 냉난방에 이용한다.
더욱 상세하게는 제조된 내열성 축열재가 충진된 축열재 파이프; 상기 축열재 파이프로 부터 열을 전달할 수 있는 열순환 파이프; 및 상기 열순환 파이프와 연결되는 열교환기인 히트펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템을 이용하여 지열을 축열시키어 이를 건축물의 냉난방에 이용한다.
본 발명은 파라핀계 상변화물질(PCM)이 제올라이트(Zeolite), 퍼라이트(Perlite) 또는 흑연(graphite)로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 다공성 입자의 세공경(pore)에 충진되고, 상기 상변화물질이 충진된 다공성 입자의 외부 표면이 실리카 고화재, 시멘트, 규사, 석고 또는 황토로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 코팅재로 코팅된 내열성 축열재;와 상기 코팅재로 코팅된 내열성 축열재를 둘러쌓는 원통형상의 외부 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 하는 내열성 축열재가 충진된 축열재 파이프를 제공한다.
본 발명은 파라핀계 상변화물질(PCM)이 제올라이트(Zeolite), 퍼라이트(Perlite) 또는 흑연(graphite)로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 다공성 입자의 세공경(pore)에 충진하는 단계; 상기 파라핀계 상변화물질(PCM)이 충진된 다공성 입자의 외부 표면이 실리카 고화재, 시멘트, 규사, 석고 또는 황토로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 코팅재로 코팅하여 내열성 축열재를 제조하는 단계; 상기 내열성 축열재를 원통형상의 외부 하우징을 가지는 파이프의 내부에 충진하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 내열성 축열재가 충진된 축열재 파이프의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 파라핀계 상변화물질(PCM)이 제올라이트(Zeolite), 퍼라이트(Perlite) 또는 흑연(graphite)로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 다공성 입자의 세공경(pore)에 충진하는 단계; 상기 파라핀계 상변화물질(PCM)이 충진된 다공성 입자의 외부 표면이 실리카 고화재, 시멘트, 규사, 석고 또는 황토로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 코팅재로 코팅하여 내열성 축열재를 제조하는 단계; 상기 내열성 축열재를 원통형상의 외부 하우징을 가지는 파이프의 내부에 충진하여 내열성 축열재가 충진된 축열재 파이프를 제조단계; 상기 내열성 축열재가 충진된 축열재 파이프를 아스팔트, 시멘트 또는 황토로 이루어진 인도, 주차장 또는 등산로의 하부에 매설하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 도로의 결빙 방지 방법을 제공한다.
본 발명은 파라핀계 상변화물질(PCM)이 제올라이트(Zeolite), 퍼라이트(Perlite) 또는 흑연(graphite)로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 다공성 입자의 세공경(pore)에 충진하는 단계; 상기 파라핀계 상변화물질(PCM)이 충진된 다공성 입자의 외부 표면이 실리카 고화재, 시멘트, 규사, 석고 또는 황토로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 코팅재로 코팅하여 내열성 축열재를 제조하는 단계; 상기 내열성 축열재를 원통형상의 외부 하우징을 가지는 파이프의 내부에 충진하여 내열성 축열재가 충진된 축열재 파이프를 제조단계; 상기 내열성 축열재가 충진된 축열재 파이프를 비닐하우스의 하부에 설치하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비닐하우스의 보온 방법을 제공한다.
본 발명에 사용되는 내열성 축열재는 건축물 지하에 매설하여 지열을 축열하는 데 사용된다. 지하은 온도는 사계절 온도 변화가 없이 지상으로부터 1M는 2 내지 4 ℃이고 2.5 내지 3.5 M 지하의 온도는 13 내지 16 ℃로 일정하므로, 상전이 온도 영역이 3 내지 6 ℃ 또는 13 내지 16 ℃ 이내의 파라핀계 상변화 물질을 제올라이트(Zeolite),퍼라이트(Perlite) 또는 흑연(graphite)로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 다공성 입자의 세공경(pore)에 충진되고, 상기 상변화물질이 충진된 다공성 입자의 외부 표면이 실리카 고화재, 시멘트, 규사, 석고 또는 황토로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 코팅재로 코팅된 축열재를 제조하고 이를 축열재 파이프에 충진하여 축열 구조물을 제조한다.
보다 구체적인 본 발명에 따른 축열재를 이용한 냉난방 시스템은 다음과 같다.
파라핀계 상변화물질(PCM)이 제올라이트(Zeolite), 퍼라이트(Perlite) 또는 흑연(graphite)로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 다공성 입자의 세공경(pore)에 충진되고, 상기 상변화물질이 충진된 다공성 입자의 외부 표면이 실리카 고화재, 시멘트, 규사, 석고 또는 황토로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 코팅재로 코팅된 내열성 축열재가 충진된 축열재 파이프; 상기 축열재 파이프로 부터 열을 전달할 수 있는 열순환 파이프; 및 상기 열순환 파이프와 연결되는 열교환기인 히트펌프;를 포함하여 축열재를 이용한 냉난방 시스템을 구성한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따른 상기 축열재 파이프는 건축물 또는 토양의 지하에 매설되어 3 내지 20 ℃의 지열을 이용할 수 있고, 상기 열순환 파이프의 일부분은 상기 축열재 파이프의 내부에 위치하고 일부분은 외부로 연장될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따른 상기 열순환 파이프의 일부분은 축열 블록 사이의 열순환 파이프 통로를 지날 수 있으며, 상기 히트펌프는 공기를 가열 또는 냉각하여 공급할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따른 상기 축열 블록은 건축물의 바닥에 설치될 수 있다.
보다 구체적인 본 발명에 사용되는 내열성 축열재의 제조방법은 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 흑연은 천연흑연(natural graphite), 팽창흑연(expanded graphite), 또는 박리된 흑연(expoliated graphite)으로 구성되는 군에서 선택된 하나 이상의 혼합물일 수 있다. 또한,상기 파라핀계 상변화물질(PCM)의 상전이 온도영역은 3 내지 33 ℃일 수 있다.
본 발명에 사용되는 다공성 물질 중 하나로 사용되는 퍼라이트는 제올라이트 유사한 성분을 갖고 있으나 제올라이트 보다 수분흡수력이 강하고 단열 성능이 우수하다는 장점을 보유하고 있다. 특히 퍼라이트는 900 내지 1,100 ℃ 이상의 고온에서 급속가열 팽창시킨 무기소재로 그 결정구조 내에 있는 양이온의 작용에 의해 불포화 탄화수소나 극성물질을 선택적으로 강하게 흡착하는 성질을 갖는 특성과 일정한 크기의 세공경(細孔經)을 갖고 있기 때문에 이러한 특성을 이용하여 파라핀 상변화 물질이 세공경에 충진이 가능하다.
흑연(Graphite)은 파라핀계 상변화 물질의 충진을 위하여는 입자크기를 줄이고 세공경 크게하는 것이 필요하다. 따라서 팽창흑연(expanded graphite)를 사용하는 것이 바람직하나, 천연흑연(natural graphite), 팽창흑연(expanded graphite), 또는 박리된 흑연(expoliated graphite)으로 구성되는 군에서 선택된 하나 이상의 혼합물의 사용 또한 가능하다.
팽창흑연(expanded graphite)은 결정질 흑연을 크롬산 및 묽은 황산 용액에 의해 산화되고, 빨리 가열하면 물이 흑연의 층 사이에 집적되어, 초기 부피의 100～700%로 팽창하므로 팽창흑연(expanded graphite)이라고 한다. 한계 체적비는 7,500% 정도이다.
흑연을 마이크로웨이브를 이용한 폭쇄처리 과정을 통해 높은 표면적비를 가진 나노판상형(Nanoplatelets)으로 제조한 제품과 폭쇄된 흑연(Graphite)을 햄머밀 (HammerMill Supersonication)등의 분쇄 과정으로 생산 박리된 흑연을 혼합하여 입자크기가 13nm 내지 120um 흑연에 파라핀을 충진시킨다
사용용도에 따라 천연흑연과 팽창흑연을 혼합하여 파라핀계 상변화 물질을 충진하여 사용이 가능하다. 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 천연흑연은 평균입경(average particle diameter)이 60um 내지 250um의 흑연을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 다공성 입자로 흑연을 사용하는 경우의 축열재는 열전도성이 우수한 특성을 가진다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제올라이트 5 내지 35 중량부, 퍼라이트 5 내지 35 중량부 및 흑연 5 내지 30 중량부로 구성된 다공성 입자 100 중량부를 파라핀계 상변화 물질의 융점보다 10 내지 35℃ 높은 온도로 가열하여 혼합한 후 여기에 30-80 ℃로 가열된 파라핀계 상변화 물질 5 내지 80 중량부를 투입하여 1200 rpm의 회전속도의 혼합기에서 10분 내지 1시간 고속 혼합후, 1-10 kgf/cm3의 압력으로 가압함으로써 다공성 입자의 양이온의 작용 및 압력에 의하여 세공경에 파라핀계 상변화 물질의 충진이 가능하다.
이렇게 제조된 파라핀계 상변화 물질이 충진된 다공성 입자 100 중량부에 실리카고화재, 시멘트, 규사, 석고, 또는 황토등 사용용도에 맞는 코팅재를 중량부 5-40를 더 혼합하여 고속혼합기에서 다공성 입자의 외부 표면을 코팅함으로써 파라핀계 상변화 물질의 유출이 억제되어 내열성 및 열전도성이 우수한 축열재를 제조할 수 있다.
여기서 실리카 고화재는 황토 성분인 알루미나 실리케이트와 칼슘옥사이드 등의 주요 성분으로 구성된 친환경 황토용 무기질 실리카고화재로서 화학성분은 SiO2 49.2%, Al2O3 18.1%, CaO 16.4%이 주성분이고 K2O, SO3, Fe2O3를 추가로 포함하고 있어 황토와 유사한 성분을 함유하고 있어, 항토와의 혼화성이 향상될 수 있어, 황토 포장, 황토 벽돌, 황토 내장재 등에 사용시 효과적이다.
본 발명의 내열성 축열재를 제조하는 방법은 다음의 단계를 통하여 제조될 수 있다.
제올라이트(Zeolite),퍼라이트(Perlite) 또는 흑연(graphite)로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 다공성 입자를 혼합기를 이용하여 파라핀계 상변화물질(PCM)의 융점보다 5 내지 35도 높은 온도로 가열하는 가열단계; 상기 가열단계에서 가열된 다공성 입자를 파라핀계 상변화물질(PCM)에 투입하여 혼합기에서 혼합하는 혼합단계; 상기 혼합단계에서 혼합된 다공성 입자와 파라핀계 상변화물질(PCM)에 압력을 가하여 다공성 입자의 세공경에 파라핀계 상변화물질(PCM)을 충진하는 충진단계; 상기 충진단계를 거친 다공성 입자의 외부 표면을 실리카 고화재, 시멘트, 규사, 석고 또는 황토로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 코팅재로 코팅하는 단계;를 포함하여 내열성 축열재가 제조될 수 있다.
본 발명의 제조방법에 사용되는 상기 파라핀계 상변화물질(PCM)의 상전이 온도영역은 3 내지 33 ℃일 수 있다. 또한, 상기 혼합단계는 혼합기의 분당 회전속도(rpm)가 1,000 내지 3,500일 수 있고, 상기 충진단계의 압력은 1 내지 10 kgf/cm3 일 수 있다.
본 발명에 따른 내열성 축열재는 파라핀계 상변화물질의 유출을 방지하여 내열성을 향상시키고, 흑연 포함하여 열전도성이 우수한 축열재가 충진된 축열재 파이프; 상기 축열재 파이프로 부터 열을 전달할 수 있는 열순환 파이프; 및 상기 열순환 파이프와 연결되는 열교환기인 히트펌프;를 포함하여 축열재를 이용한 냉난방 시스템을 구성한 것으로, 지열을 이용하여 축열 기능을 수행하며 히프펌프를 이용하여 냉방과 축열기능을 동시에 수행할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 주택의 환기시스템과 연결되어 실외와 실내의 온도차가 현격한 여름이나 겨울철의 냉난방에 있어서 에너지 손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 보다 적은 에너지를 사용하면서도 건축물의 실내 온도를 적정온도로 유지함으로써 실내 환경을 보다 쾌적하게 유지하며 냉난방 에너지를 절약할 수 있다.
또한, 결빙 방지용 내열성 골재를 이용한 등산로나 산책로에 축열재 데크를 제조하여 사용하므로서 겨울철에도 결빙을 방지하여 안전사고를 대비할 수 있고, 축열재 파이프를 이용한 농사용 보온재료에 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 내열성 축열재와 열순환 파이프가 구비된 축열재 파이프를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 열순환 파이프의 일부분이 축열 블록 사이의 열순환 파이프 통로를 지나도록 구성된 축열 블록을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 축열재를 이용한 냉난방 시스템이 설치된 주택의 단면도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 중심축에 흑연을 충진한 결빙방지 축열재 파이프를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 결빙방지용 축열재 데크를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 결빙방지용 축열재 파이프를 아스팔트 도로에 시공한 형태를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 결빙방지용 축열재 파이프를 일반 도로에 시공한 형태를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른 농업용 축열재 파이프를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 실시예 등을 참조하여 상세하게 설명한다. 다만 이러한 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
우선, 본 발명에서 사용되는 내열성 축열재를 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다
본 발명에 사용한 다공성 입자인 제올라이트에 파라핀계 상변화 물질을 충진하는데 사용된 다공성 입자인 제올라이트는 비표면적이 300 내지 1,000 m2/g 이고, 평균 입경이 10 nm 내지 350 um인 다공성 제올라이트를 사용하는 것이 파라핀계 상변화 물질을 가열 가압하여 충진하는데 사용하였다. 더욱 바람직하게는 평균 입경이 50 nm 내지 150μm 인 것을 사용하여 파라핀을 충진하는 것이 효율성이 우수하다.
충진에 사용하는 파라핀계 상변화 물질의 사용량은 제올라이트 입자 100 중량부에 대해서 바람직하게는 20 내지 100 중량부이고, 더욱 바람직하게는 30 내지 80 중량부이다.
파라핀계 상변화 물질의 사용량이 100 중량부 이상이면 제올라이트 입자의 세공경 및 표면에 축열재가 과하게 충진되어 뭉침이나 층분리가 발생하거나, 축열 과정에서 터짐 현상이 발생한다. 특히, 다공성 제올라이트 세공경의 체적비가 1,000% 미만에서는 상변화 물질인 파라핀의 융점이상에서 융해과정에서 체적팽창에 따라 파라핀 상변화 물질이 다공성 제올라이트와 분리가 될 수 있다
특히, 상기 다공성 제올라이트는 고온에서 열처리를 하여 활성화(Activated) 상태의 제올라이트를 사용하는 것이 바람직한데, 다공성 제올라이트를 고온에서 열처리하면 잔류 수분이 감소하여 가열감량(Loss of Ignition)이 크게 감소하게 되고, 이러한 활성화 상태의 다공성 제올라이트를 사용하면 파라핀 상변화 물질을 흡수하는데 보다 유리하다. 이는 가열 상태에서는 다공성 제올라이트의 Na+, K+, Ca2+, Mg2+ 등의 양이온의 결합이 약하게 되므로 고속 혼합기 투입하기 전에 파라핀계 상변화 물질의 융점보다 높은 온도로 가열한 후 가열된 파라핀계 상변화 물질에 투입하여 가열온도 35 내지 120 ℃로 고속 혼합기에서 1,000 내지 3,500 rpm의 회전속도로 10분 내지 1시간 동안 혼합 하고, 1 내지 10 kgf/cm3의 압력을 가하여 충진을 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 가열온도 85 ℃에서 20분 동안 진행하는 것이 효율적이다.
다음으로, 퍼라이트(pearlite)에 파라핀계 상변화 물질을 충진하는 방법을 설명한다. 가열온도, 압력 및 고속 혼합기의 회전력은 제올라이트의 충진방법과 유사하다.
퍼라이트는 진주암이나 송지암 흑요석 세립자를 870℃ 내지 1100℃ 온도로 가열해 급속가열 평창시킨 광물이다 비중이 입경이 5mm 이하에서는 0.08-0.60 정도이고 입경이 1mm 이하에서는 0.04-0.2 이하이다. 또한 전도율은 0.028-0.045w/mk 정도이다 한계 체적비는 8000% 정도의 값을 가진다.
퍼라이트는 팽창방법 및 조건에 의해 3가지로 나눌 수 있는데, 첫째는 일반적으로 많이 사용되는 열려진 기공(open pore)의 퍼라이트이고, 둘째는 일부 닫혀진 기공(closed pore)의 퍼라이트이며, 셋째는 비누의 거품방울과 같은 완전 밀폐기공을 가진 중공체(balloon)이다. 본 발명에 사용된 파라핀계 상변화 물질의 충진에 사용하는 퍼라이트는 일반적인 열려진 기공의 팽창 퍼라이트로, 평균입경(average particle diameter) 50 nm 내지 200μm 인 것을 사용하며, 팽창 퍼라이트는 비중이 0.04 ∼ 0.20 정도로 내부에 미세한 작은 기공과 균열된 면을 가지고 있다.
우선, 퍼라이트를 85℃로 가열하여 65 내지 75℃로 가열된 파라핀계 상변화 물질에 투입하면 비중이 큰 파라핀계 상변화 물질(비중 0.87 내지 0.91)이 혼합 가압기의 하부에 위치하나 가열하면서 20분간 1200 rpm으로 고속혼합을 하면 파라핀계 상변화 물질과 퍼라이트가 혼합되고 혼합 과정에서 5 kgf/cm3의 압력을 가하면 퍼라이트 세공경에 파라핀계 상변화 물질이 충진된다.
퍼라이트 입자 5 내지 100 중량부에 대해서 파라핀계 상변화 물질은 20 내지 100 중량부를 사용하며, 보다 바람직하게는 80 중량부를 사용한다. 파라핀계 상변화 물질을 100 중량부 이상 사용하면 퍼라이트 입자의 세공경 및 표면에 축열재가 과하게 충진되어 뭉침이나 층분리가 일러난다. 또한 충진된 파라핀계 상변화 물질의 융점온도 이상에서 터짐이 발생한다.
다음으로, 흑연소재를 이용한 파라핀계 상변화 물질의 충진에 대하여 설명한다. 제올라이트의 경우에는 양이온 교환에 의한 파라핀계 상변화 물질의 흡수성을 효과적인 충진에 이용할 수 있는 장점이 있고, 퍼라이트는 비중 대비 내열성 및 단열성을 가지는 점이 장점이나, 제올라이트와 퍼라이트는 열전도성이 매우 낮은 단점을 가지고 있어 축열재로 사용시 열전도성의 향상이 필수적으로 보완되어야 한다. 따라서 이를 보완하여 열전도성을 향상시킬 수 있는 소재를 흑연을 사용한다.
일반적인 천연흑연(Natural Graphite)의 입자는 평균 입경이 300 내지~500μm이고 세공경이 미세하기 때문에 파라핀계 상변화 물질을 효과적으로 충진하기 위해서는 크기를 줄이고 세공경을 크게하는 것이 필요하다. 이에 본 발명에서는 천연흑연을 질산과 황산 등을 이용하여 산처리를 거쳐 팽창 가능한 흑연(Expandable Graphite)을 만들고 마이크로웨이브를 이용한 폭쇄처리 과정을 통해 높은 표면적비를 가진 팽창흑연(expanded graphite)을 제조하여 사용하거나, 팽창흑연을 햄머밀(HammerMill Supersonication)등의 분쇄 과정을 이용하여 더욱 높은 표면적비를 가진 박리된 흑연(Exfoliated Graphite)으로 제조한 후 이들을 팽창흑연 70 중량부, 박리된 흑연 15 중량부, 천연흑연 15 중량부로 혼합하여 사용하였다.
사용된 팽창흑연(Expanded Graphite)의 평균입경(average particle diameter)은 50nm 내지 250μm이고, 열전도율은 7.890w/mk으로 제올라이트나 퍼라이트보다는 월등히 높으나 순수흑연이나 박리돤 흑연보다는 낮은 편이다.
흑연은 팽창흑연, 천연흑연 및 박리된 흑연을 중량부 70:15:15로 혼합한 흑연 100 중량부에 파라핀계 상변화 물질을 5 내지 80 중량부를 혼합하여 제조된 축열재의 열전도율은 6.26w/mk로, 파라핀계 상변화 물질의 자체의 열전도율(고체)인 0.35w/m.k 보다 매우 높은 열전도성을 나타냈다. 구체적인 충진조건은 제올라이트 입자를 사용한 파라핀계 상변화 물질의 충진과 동일하다.
본 발명에 사용되는 파라핀계 상변화물질의 물성을 다음의 <표 1>에 기재하였다. 파라핀계 상변화물질은 분자식에 따라 융점, 융해열, 열전도율 등 물성의 범위가 다양하여 축열재의 사용부위, 용도 등 사용하는 목적에 따라 변경이 가능하다.
종류 융점
(℃)		 융해열
(kJ/kg )		 열전도율
(w/mk)		 밀도
(x102kg/m3)		 비열
(kJ/kg.k)		 온도전도율
(w/mk)
C30H62 65.8 220-243 0.3 0.78-0.81 1.8-2.3 0.27-0.085
C28H58 61.4 140-160 0.37 0.81-0.76 1.7-2.2 0.25-0.082
C20H42 36.4 180-190 0.37-0.15 0.83-0.78 1.8-2.3 0.22-0.081
C19H40 32.3 170-190 0.34-0.15 0.85-0.76 1.8-2.3 0.22-0.082
C18H38 28.2 160-180 0.32-0.15 0.83-0.76 1.8-2.1 0.21-0.093
C16H34 15.8 110-130 0.31-0.13 0.82-0.77 1.8-2.2 0.22-0.087
C14H30 6.5 160-180 0.28-0.13 0.82-0.74 1.78-2.3 0.21-0.089
이상에서는 각각의 다공성 입자의 세공경에 파라핀계 상변화 물질을 충진하는 방법에 대하여 설명하였다. 그러나, 내열성과 열전도성이 우수한 축열재의 제조에 있어서는 상변화 물질의 효과적인 충진이 가능한 제올라이트의 장점, 비중 대비 내열성 및 단열성을 가지는 퍼라이트 및 열전도성을 향상시킬 수 있는 흑연의 장점을 효과적으로 결합하여야 한다. 그러나 각각의 입자의 크기와 밀도가 다른 세가지 종류의 다공성 입자를 단순히 혼합하여 사용하게 되면 파라핀계 상변화 물질의 충진공정에 있어서는 뭉침과 층분리의 현상을 발생하게 되므로 이러한 문제점을 반드시 극복하여야만 내열성과 열전도성이 우수한 축열재를 제조할 수 있게 된다.
이러한 문제점을 극복하기 위해서 본 발명에서는 다공성 입자의 세공경에 상변화 물질의 한계 흡수량이 체적비로 1,000 내지 7,500%인 다공성 입자를 사용하는 것을 특징으로 한다. 보다 바람직하게는 다공성 입자의 체적비는 7,000%의 이상이다.
본 발명에 있어서는 서로 다른 입자끼리의 단순한 혼합이 아니다. 단순히 혼합하는 경우 앞서 표현한 것과 같이 뭉침이나 층분리 등의 문제가 있기 때문이다. 본 발명에서는 다공성 입자의 가열과 고속 혼합 후 압력에 의해 파라핀 상변화 물질을 충진함으로써 상기 문제점의 극복이 가능하였다. 또한, 다공성 입자의 100 중량부에 대하여 파라핀 상변화 물질의 사용량을 80 중량부 이하로 사용함으로써 뭉침이나 층분리 현상을 해결하였다.
한편, 제올라이트, 퍼라이트 또는 흑연의 다공성 입자는 가열로 인하여 체적 팽창 뿐만 아니라 세공경 또한 평창이 발생한다. 이러한 다공성 입자를 파라핀계 상변화 물질의 용융온도 보다 20 내지 30℃ 높게 가열하는 것은 다공성 입자의 세공경의 팽창을 통한 파라핀계 상변화 물질의 효과적인 충진을 도모하기 위함이고, 고속 혼합기에서 1200rpm으로 20분 이상 혼합하는 것은 파라핀계 상변화 물질의 고른 충진을 위함이며, 여기에 5kgf/cm3 의 압력을 가하면 충진 밀도가 25-40% 정도 높아지게 되는 것을 알 수 있었다.
한편, 파라핀계 상변화 물질은 일반적으로 비중이 제올라이트나 퍼라이트 보다는 높고, 흑연 보다는 낮아 고른 혼합과 효과적인 충진이 어려우나, 다공성 입자의 체적비가 7,000% 이상인 소재를 사용하고, 다공성 입자의 가열 후 상변화 물질과 혼합을 하며 고속혼합과 압력을 이용하여 충진을 함으로써, 이러한 문제점을 해결하며 내열성과 열전도성이 우수한 축열재를 제조할 수 있었다.
한편, 본 발명은 사용 용도에 따라, 다양한 기능성 축열재를 제공하는데 목적이 있다. 일 예로, 단열과 축열의 사용목적이 크다면 퍼라이트와 팽창된 흑연과 천연흑연의 다공성 입자를 사용하여 파라핀계 상변화 물질과 혼합하면 단열성 및 축열성능이 우수한 축열재를 제조할 수 있게 된다.
즉, 단열성이 향상된 축열재의 제조에는 퍼라이트 55 중량부, 팽창흑연과 박리된 흑연이 중량비 7:3으로 혼합된 흑연 45 중량부인 다공성 입자 100 중량부에 대해서 파라핀계 상변화 물질을 80 중량부 사용하면 된다. 퍼라이트와 팽창흑연과 순수흑연, 박리된 흑연을 혼합한 흑연을 고속 혼합기에 혼합한 후 파라핀계 상변화 물질의 융점 온도보다 20 내지 35℃ 높게 가열하여 융점이상으로 가열된 파라핀계 상변화 물질을 고속 혼합기 투입하여 1,000 내지 3,500 rpm의 회전속도로 10분 내지 1시간 혼합한 후 1 내지 10kgf/cm3의 압력을 가하여 충진한다. 여기에 사용되는 파라핀계 상변화 물질의 용점온도는 <표1>을 참조하였다.
본 발명의 축열재는 다양한 분야에 적용이 가능하다. 즉, 축열재 그 자체로 사용하여도 되고, 축열재를 포함하는 모르타르를 이용하여 보드, 벽돌 등을 제조하는 경우에는 축열 성능을 가지는 보드나 벽돌이 될 수 있다.
보다 구체적으로는 축열재는 토목용이나 건축자재의 벽재, 천정재, 바닥재 등의 내장재, 지붕재, 빌딩의 옥상재 구조재의 보온재 및 불연재 등의 외장재로서 매우 적합하게 사용할 수 있다.
또한, 도로나 구조물의 동결 방지제(antifreezing agent), 결빙 방지제, 건물의 공조시스템 및 바닥 난방 등의 재료로서도 적용이 가능하며 축열재는 앞서 언급한 바와 같이 적용 부위나 용도에 따라 <표 1>의 파라핀계 상변화 물질을 융점에 따라 적절히 선택이 가능하다.
예를 들어 건축물의 벽재나 천정재와 같은 내장재로 사용하는 경우에는 상변화 물질의 융점이 16 내지 25℃ 인 것을 사용하고, 바닥재 및 욕조, 욕실바닥, 좌변기 깔판 등에 사용하는 경우는 20 내지 32℃인 파라핀계 상변화물질을 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 융점의 범위를 가지는 파라핀계 상변화 물질이 다공성 입자의 세공경에 충진된 축열재의 사용은 실내의 적정 온도 범위인 22 내지 26℃ 에서 온도의 상승이나 하강을 방지하여 외부 온도의 변화에 대해서 실내를 최적의 온도로 유지할 수 있어 냉난방기의 효과적 작동이 가능하여 이산화탄소 저감 및 에너지 저감을 기대할 수 있다.
파라핀계 상변화물질의 다공성 입자 세공경 충진실험
본 발명에서는 제올라이트, 퍼라이트, 흑연으로 구성되는 무기재 다공성 입자 중 어느 하나의 100 중량부를 85℃로 가열한 후 70℃의 온도로 가열된 파라핀계 상변화물질 80 중량부와 함께 고속 믹서기에서 1200 rpm으로 20분간 혼합한 후 5 kgf/cm3의 압력을 가하면 파라핀계 상변화물질이 무기재 다공성 입자의 세공경에 충진 가능함 확인 하였다
상변화물질이 충진된 다공성 입자 축열재의 제조
<실시예 1>
평균 입경(average particle diameter) 150μm의 제올라이트(제일 세라믹) 1Kg을 85℃로 가열한 후 고속믹서기 안에서 70℃로 가열된 파라핀(일본석유 Ejucole, C18H38) 800 g과 1,500 rpm으로 30분간 혼합한 후 5 kgf/cm3의 압력을 가하여 불연성 및 내열성을 갖추고 제습성 있는 평균 입경 180 내지 350μm의 축열재를 제조하였다.
<실시예 2>
평균 입경 100μm의 퍼라이트(경동제품 High-performance Filler) 1Kg을 85℃로 가열한 후 고속믹서기 안에서 70℃로 가열된 파라핀(C18H38) 800 g과 1,500 rpm으로 30분간 혼합한 후 5 kgf/cm3의 압력을 가하여 불연성 및 내열성을 갖추고 단열성 있는 평균 입경 150 내지 300μm의 축열재를 제조하였다.
<실시예 3>
팽창흑연(Expandable Graphite)과 박리된 흑연(Exfoliated Graphite: 삼정씨엔시)을 70/30의 중량비로 혼합한 평균 입경 15nm 내지 100μm의 흑연 1Kg을 90℃로 가열한 후 고속믹서기 안에서 70℃로 가열된 파라핀(C18H38) 800g과 1,500 rpm으로 30분간 혼합한 후 5 kgf/cm3의 압력을 가하여 불연성 및 내열성을 갖추고 열전도성이 7.65w/m.k 인 평균 입경 60nm 내지 360μm의 축열재를 제조하였다.
<실시예 4>
평균 입경이 10 내지 150μm의 제올라이트 0.3Kg, 평균 입경이 10 내지 150μm의 퍼라이트 0.3kg, 팽창흑연과 천연흑연을 7:3의 중량비로 혼합하여 평균 입경이 20 내지 150μm인 혼합한 흑연 0.4Kg을 혼합하여 90℃로 가열한 후 고속믹서기 안에서 70℃로 가열된 파라핀(C18H38) 800g과 1,500 rpm으로 30분간 혼합한 후 5 kgf/cm3의 압력을 가하여 불연성 및 내열성을 갖추고 열전도성 10.65w/m.k 인 평균 입경 60um 내지 390μm의 축열재를 제조하였다.
이상의 다공성 입자의 세공경에 파라핀계 상변화물질이 충진된 축열재의 제조에 있어서, 일반적으로 다공성 입자 100 중량부에 사용되는 파라핀이 100 중량부 이상이면 다공성 입자의 세공경 및 표면에 축열재가 과하게 충진되어 뭉침이나 층분리가 발생하거나, 축열과정에서 터짐현상이 발생하였다.
특히, 제올라이트, 퍼라이트 또는 박리된 흑연의 평균 입경이 10nm 이하인 무기재 다공성 입자를 사용하는 경우에는 다공성 입자 100 중량부에 사용되는 파라핀이 90 중량부 이상에서도 입자의 뭉침이나 층분리가 일어났다.
또한, 사용되는 제올라이트, 퍼라이트, 박리된 흑연의 세공경의 체적비가 1,000% 미만에서는 상변화 물질인 파라핀의 융점 이상에서 융해과정에서 체적팽창에 따라 파라핀계 상변화 물질이 다공성 입자와 분리가 되는 현상이 발생하였고, 1300% 이하에서도 층분리 현상이 일부 있었기 때문에 사용하는 다공성 입자의 세공경의 체적비는 5,000% 이상이어야 함을 알 수 있었다.
또한, 사용되는 제올라이트, 퍼라이트, 흑연 등 다공성 입자의 밀도는 0.002 내지 0.08g/㎠ 이내가 매우 바람직하였고, 제올라이트, 퍼라이트의 체적비가 8,000% 이상인 경우에는 파라핀 흡수율은 높으나 압축강도와 단열성이 떨어지고 흑연의 경우는 체적비가 8,000%를 넘으면은 열전도율이 현저히 낮아지는 것을 확인 할 수 있었으며, 축열재의 열전도율(thermal conductivity)은 사용된 흑연이 중량비 40% 이상일 때 6.23w/m,k 정도인 것을 확인 할수 있었다.
또한, 고속믹서기를 이용한 혼합시 800 rpm이하의 회전속도로 20분 이내로 혼합하고 가압 압력이 3kgf/cm3 로 하였을 때에는 파라핀 상변화물질의 충진밀도는 현저히 낮았다.
축열재의 표면 코팅을 통한 내열성 축열재의 제조
<실시예 5>
평균 입경이 10 내지 150μm의 제올라이트 0.3Kg, 평균 입경이 10 내지 150μm의 퍼라이트 0.3kg, 팽창흑연과 천연흑연이 7:3의 중량비로 구성되어 평균 입경이 20 내지 150μm인 흑연 0.4Kg을 혼합하여, 90℃로 가열한 후 고속믹서기 안에서 70℃로 가열된 파라핀(C18H38) 800g과 1,500 rpm으로 30분간 혼합한 후, 5 kgf/cm3의 압력을 가하여 불연성 및 내열성을 갖추고 열전도성 10.65w/m.k 인 평균 입경 60um 내지 390μm의 축열재를 제조하였다. 제조된 축열재에 실리카 고화재를 0.3 Kg을 더하여 30℃ 온도에서 1,500 rpm으로 회전하는 고속믹서기에서 30분간 혼합하여 축열재의 표면이 실리카 고화재로 코팅된 평균입경 350um 내지 500μm의 코팅재로 코팅된 내열성 축열재를 제조하였다.
상기 축열재의 표면 코팅에 사용된 실리카 고화재의 조성 성분은 다음의 표 2와 같다.
실리카 고화재 성분 및 조성
성분 Al2O3 SO3 SiO2 CaO Fe2O3 MgO TiO2 NaO2 K2O
조성(%) 9.31 2.0 43.2 39.5 1.76 2.67 0.41 0.27 0.88
특히, 축열재의 부가적인 용도 및 성능에 따른 축열재의 조성은 다음의 표 3과 같이 제올라이트, 퍼라이트 및 흑연의 조성을 달리하여 파라핀을 충진 후 실리카 고화재로 표면을 코팅함에 의하여 내열성, 제습성, 열전도성 및 단열성이 보다 향상된 축열재의 제조가 가능하였다.
용도/성능 조성(중량부)
제올라이트 퍼라이트 흑연 파라핀 실리카고화재
내열성 축열재 30 30 40 80 30
제습성 축열재 55 - 45 80 30
열전도성 축열재 - 30 70 80 30
단열성 축열재 - 70 30 80 30
한편, 축열재의 조성 중에서 제올라이트 및 퍼라이트 다공성 입자는 화학구조 상 실리콘 원소가 함유되어 있어 실리카 고화재와 직접적으로 화학반응이 일어날 수 있으므로 실리카 고화재를 혼합하여 보드의 형상으로 제조하면 압축강도가 210 kgf/cm2의 정도로 우수한 물성과 기존의 석보보드 보다 40%가량 무게가 가벼우면서 축열성능을 가지는 기능성 보드의 제조에 직접적으로 활용이 가능하였다.
또한, 축열재의 표면 코팅에는 상기 실리카 고화재 뿐만 아니라, 시멘트, 무수석고, 규사, 황토 등을 각각 또는 상호 혼합하여 사용할 수 있으며, 이러한 경우에도 실리카 고화재와 동일하게 내열성이 향상된 축열재의 제조가 가능하였다.
이러한, 실리카 고화재, 시멘트, 무수석고, 규사 및 황토를 이용하여 축열재의 표면을 코팅하게 됨으로써 파라핀 상변화물질이 축열재의 외부 표면으로 노출되지 않기 때문에 기존의 고분자 파라핀 축열재와 같은 연소 가능성의 단점이 개선과 내열성이 향상되었다.
다음으로는 이상에서 설명한 본 발명에서 사용되는 내열성 축열재를 제조 방법에 따라 제조된 내열성 축열재를 이용하여 이를 건축물의 냉난방 시스템에 적용하는 내용에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 내열성 축열재와 열순환 파이프가 구비된 축열재 파이프를 나타낸 것이다.
흑연은 팽창흑연, 천연흑연 및 박리된 흑연을 중량부 70:15:15로 혼합한 흑연 100 중량부에 파라핀계 상변화 물질을 5 내지 80 중량부를 혼합하여 제조된 축열재의 열전도율은 6.26w/mk로, 파라핀계 상변화 물질의 자체의 열전도율(고체)인 0.35w/m.k 보다 매우 높은 열전도성을 나타냈다. 여기에 실리카 고화재 60 중량부, 천연흑연 10 중량부, 및 황토 30 중량부를 혼합하여 코팅을하여 소결한후 일부는 골재크기 20-30mm로 제조하고 일부는 소결한 제품을 이용하여 실리카 고화재 70 중량부, 천연흑연 10 중량부 및 마사황토 20 중량부와 혼합하여 축열재 파이프를 제조한다
축열재 파이프(101)의 내부에는 앞서 제조한 내열성 축열재(100)가 충진되고, 열순환 파이프(102)가 내부에 설치되어 외부로 연장되며, 열순환 파이프의 일단은 공기흡입구(103)와 축열 방열구(104)로 구성되어, 흡입된 공기가 내열성 축열재(100)가 충진된 축열재 파이프(101) 내부에서 내열성 축열재의 상전이 온도에 따라 열교환이 이루어지며 가열 또는 냉각된 공기가 축열 방열구(104)를 통하여 축열재 파이프(101) 외부로 공급될 수 있도록 설치되어 있다.
축열재 제조는 금형내경 Ø100mm 길이 1500mm에 열전도성이 우수한 열전도성 파이프를 설치 고정한 후 흑연 파라핀 축열재 5-10 중량부, 실리카 고화재 70 중량부, 천연흑연 5 중량부, 마사황토 20 중량부와 물 5-10 중량부로 혼합하여 건식으로 압축하여 제조하였다. 특히 건축물에 설치하기전 건축구조에 이상이 없도록 구조계산에 의하여 축열재 파이프의 압축 및 인장강도를 설정하는 것는데, 제조된 축열재 파이프(101)의 압축강도는 245-280 kgf/cm2이고, 휨강도는 50-80 kgf/cm 이상으로 하는 것이 바람직하다.
여기서 파라핀 축열재 중량부 5-10 중 골재크기로 제조된 축열재가 30 소결된 축열재가 70 이면 압축강도가 매우 우수하였고, 축열기능은 1200Kcal 이며 중량은 270kg 정도이다. 이러한 축열재 파이프는 건축물의 면적에 따라 매설량을 달리할 수 있다. 건축물의 면적이 30㎡ 인 경우에는 축열재 파이프 크기 Ø100mm, 길이 1500mm 3개 정도가 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 열순환 파이프의 일부분이 축열 블록 사이의 열순환 파이프 통로를 지나도록 구성된 축열 블록을 나타낸 것이다.
축열 블록(200)은 축열 블록 상판(201)의 크기가 350mmX350mm이고, 두께는 70mm가 바람직하고, 축열 블록 상판과 동일한 크기의 축열 블록 하판(202)이 구비되며, 상판과 하판은 다수의 축열 블록 고정수단(204)에 의하여 고정될 수 있다.
또한, 축열 블록 상판(201)과 축열 블록 하판(202)에는 각각 열순환 파이프(102)가 통과해서 고정될 수 있도록 열순환 파이프 통로(203)가 구비되는 것이 바람직하다.
축열 블록 또한 축열재 파이프의 내부에 구비되는 축열재와 동일한 소재를 사용하는 것이 바람직하고, 압축 및 인장강도 또한 동일한 물성을 가지도록 제조하는 것이 더욱 바람직하다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 축열재를 이용한 냉난방 시스템이 설치된 주택의 단면도를 나타낸 것이다.
축열재 파이프(101)와 축열 블록(200)의 설치는 건축물 기둥 기초시 함께 하는 것이 바람직하다. 건축물 넓이 맞는 축열재 파이프(101)와 축열 블록(200)의 수량을 계산하여 건축물 기둥 기초를한 후 축열재 파이프를 설치한다. 축열재 파이프(101)과 축열 블록(200)은 지하2M 이하에 매설하여 열순환 파이프(102)를 연결한후 단열처리하여 지상으로 올려 설치 한후 열교환기(301)와 공기정화기(303)를 거쳐 건물 내부의 방열배출구(306)으로 배출 되도록 한다. 이러한 연결에 있어서 온도 조절용 외부공기 투입구(305)로부터 외부공기를 공기정화기(303)를 거쳐 흡입하여 열순환 파이프 거처 방열 순환 되도록 한다. 또한, 온습도계(304)는 열교환기(301)와 자동연계되어 홈자동제어시스템를 이용하여 외부에서도 제어가 하도록 하는데 사용할 수 있다.
건축용 내장재로 사용한 내장벽돌은 크기가 세로200mm*가로230mm *두께 200mm 이다. 내장벽돌은 두께 130mm는 파라핀계 상변화 물질 상변화물질(PCM) 온도영역22℃-24℃를 퍼라이트에 충진하여 실리카고화재로 코팅된 퍼라이트 축열재 30 중량부, 실리카 고화재 50 붕량부, 황토 20 중량부를 배합하여 금형틀 안쪽면에 넣고, 나머지 두께 70mm는 흑연 축열재 5 중량부, 실리카 고화재 50 중량부 및 황토 45 중량부를 배합하여 금형틀 바깥쪽에 넣어서 압축 성형하여 내장벽돌을 제조하였다. 이렇게 제조된 내장벽돌은 설치 후 외면에 한지나 옥, 천연무기재 가루를 이용하여 벽화 형태로 아트 벽화 내장제 벽을 설치할수도 있다.
건축용 바닥재는 파라핀계 상변화 물질 상변화물질(PCM) 온도영역28℃-30℃를 퍼라이트에 충진하여 실리카고화재로 코팅된 축열재 30 중량부, 실리카고화재 55 중량부, 황토 15 중량부로 축열재 블록을 제조하여 열순환 파이프를 설치한 후, 퍼라이트 축열재 30 중량부, 실리카고화재 40 중량부, 황토 30 중량부를 배합하여 축열재 블록 상부를 미장할 수 있다.
단열 천정재 보드는 무늬목재 상부에 파라핀계 상변화 물질 상변화물질(PCM) 를 퍼라이트에 충진하여 실리카고화재로 코팅된 축열재 30 중량부, 실리카고화재 35 중량부, 탄화목분 15 중량부 및 황토 20 중량부를 혼합하여 크기가 350mm*350mm 이고, 두께가 30m인 보드를 제조하여 이용하였다.
이상의 방법으로 제조된, 건축용 내장재, 건축용 바닥 및 단열 천정재 보드를 이용하여 건축물을 시공하였고, 이러한 지열 이용한 파라핀계 상변화 물질 상변화물질(PCM) 축열재 건축물은 지하수를 이용한 건축물보다 시공비도매우 저렴 할 뿐만 아니라 유지관리비도 매우 저렴하며 매우경쟁력이 우수한 기술이다. 특히 물을 사용하여 누수로 인한 건축물의 안전상 문제나 부식으로 인한 보수유지비가 들지 않아 파라핀계 상변화 물질 상변화물질(PCM) 축열재 건축물은 반영구적으로 사용할수 있는 장점이 있다
본 발명에 사용된 파라핀계 상변화물질(PCM)이 제올라이트(Zeolite), 퍼라이트(Perlite) 또는 흑연(graphite)로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 다공성 입자의 세공경(pore)에 충진되고, 상기 상변화물질이 충진된 다공성 입자의 외부 표면이 실리카 고화재, 시멘트, 규사, 석고 또는 황토로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 코팅재로 코팅된 내열성 축열재가 충진된 축열재 파이프는 도로결빙 방지, 등산로나 산책로에 축열재 데크 및 농사용 보온재로 사용을 하는데 유용하다.
이하에서는 내열성 축열재 및 이러한 축열재가 충진된 축열재 파이프를 이용한 도로결빙 방지, 등산로나 산책로에 축열재 데크 및 농사용 보온재에 대하여 자세히 설명한다.
파라핀계 상변화 물질 상변화물질(PCM) 축열재를 이용하여 도로 결빙방지를 위한 파라핀 축열재 제품은 퍼라이트와 흑연에 충진된 제품에 실리카 고화재나 시멘트로 코팅된 제품을 사용하고, 파라핀계 상변화 물질 상변화물질(PCM) 온도영역3℃-6℃ 사용하는 것이 바람직하다.
퍼라이트에 파라핀을 충진하여 실리카 고화재로 코팅을 하여 압축강도가 245kgf/㎠ 이상되게 소결시킨 파라핀 퍼라이트 충진 소결재 20 중량부, 모래 10 중량부, 크기 5-10mm이하 쇄석 골재 20 중량부, 실리카 고화재 45 중량부 및 황토 5 배합을 하여 골재형태의 크기 25 내지 30mm의 파라핀 축열 골재를 제조한다. 이렇게 제조된 파라핀 축열골재는 압축강도 뿐만아니라 내열성이 350℃에서 3시간이 지난후에도 파라핀기능이 이상없이 발휘될 수 있다.
이러한 내열성 파라핀 축열재는 퍼라이트에 충진된후 실리카 고화재로 코팅을 하고 코팅된 모르타르를 실리카고화재와 황토를 중량부 55:45 배합을 하여 재코팅을 하면은 내열성 뿐만아니라 압축강도 또한 매우 우수하여 기존의 시멘트 보다 포장용 충진 코팅제로 우수한 재료가 된다.
파라핀 축열골재는 아스팔트 100 중량부에 15 중량부를 아스팔트 포장현장에서 배합하여 도로의 포장에 사용할 수 있다. 또한 황토 포장이나 시멘트의 포장의 경우에는 공장에서 배합을하여 포장을 하여도 파라핀 물질에 대한 기능에는 이상 없고, 황토 포장 또는 시멘트 포장의 경우에도 사용되는 파라핀 중량부는 아스팔트 포장과 동일한 비율을 사용할 수 있다.
이상에서는 파라핀 축열 골재를 직접적으로 황토, 시멘트 및 아스팔트와 혼합하여 사용할 수 있음을 설명하였으나, 또 다른 형태는 축열재 파이프를 사용하는 것이다. 이는 앞서 설명한 축열재를 이용한 냉난방 시스템에 사용된 내열성 축열재가 충진된 축열재 파이프를 도로 결빙 방지에 직접적으로 이용하는 것으로 도로용 축열재 파이프는 열순환 파이프가 없는 축열재 파이프 형태이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 중심축에 흑연을 충진한 결빙방지 축열재 파이프를 나타낸 것이다. 또 다른 축열재 파이프 형태는 도 4에 기재된 바와 같이 축열재 파이프의 크기는 Ø 100mm*L1500mm의 크기로 상부(401)는 파라핀계 상변화물질(PCM) 온도영역이 3-6℃의 범위를 가지고, 하부(402)는 파라핀계 상변화물질(PCM) 온도영역이 6-10℃이 바람직하며, 추운지방의 경우에는 축열재 파이프의 크기가 Ø200mm*L2000mm로 제조하는 것이 바람직하다.
특히 도로용 축열파이프는 중심축(403)에 20-50mm의 굵기로 흑연을 충진하여 열전도율을 높이고 이를 둘러싼 외부는 파라핀계 상변화물질(PCM)이 충진된 퍼라이트로 구성하여 단열기능을 높여 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 축열파이프는 인도 주차장 등산로등에 겨울철 결빙방지 축열재로도 유용하게 사용할 수 있다.
열전도성이 우수한 흑연 충진용 축열재는 흑연에 파라핀을 충진후 실리카 고화재로 코팅하여 제조되고, 단열성이 우수한 축열재는 퍼라이트에 파라핀을 충진하여 실리카 고화재로 코팅한 소결입자의 형태로 제조되며 이러한 입자를 이용하여 결빙방지용 축열재 파이프를 제조할 수 있다.
파이프 외부는 단열성이 우수한 퍼라이트에 파라핀을 충진하고 실리카 고화재로 코팅한 소결입자를 사용하고 내부 심재는 열전도성이 흑연에 파라핀을 충진하고 실리카 고화재로 코팅한 소결입자를 사용할 수 있다. 또한, 압축강도를 유지하기 위하여 흑연 소결입자 및 퍼라이트 소결입자 각각 5 중량부와 실리카 고화재 60 중량부 및 황토 30 중량부를 혼합하여 결빙 방지용 내열성 골재를 제조하고 이를 파이프의 내부에 충진하여 사용할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 결빙방지용 축열재 데크를 나타낸 것으로, 보다 구체적인 결빙 방지용 내열성 골재를 이용한 등산로나 산책로에 축열재 데크를 제조하여 사용하므로서 겨울철에도 결빙을 방지하여 안전사고를 대비할 수 있는 형태는 다음과 같다.
축열재 데크(500)는 파라핀계 상변화물질(PCM) 온도영역3℃-6℃를 퍼라이트에 충진하여 친환경적인 실리카 고화재로 코팅을 하여 소결한 후, 실리카 고화재 50 중량부, 황토 25 중량부, 파라핀 소결 축열재 10 중량부, 축광재 5 중량부 및 미끄럼 방지 골재 10 중량부를 혼합하여 제조를 한다. 축광재(501)와 미끄럼 방지쇄석(502) 데크 상부에 위치하여 주간에 축광에 충진하여 야간에 반사되도록 할 수 있어 이러한 기능성 축열 데크는 안전에 유용하며 등산로 보수재로도 사용할 수 있다. 또한 축열재 테크의 하부에는 앞서 상술한 지하에 매설된 별도의 축열 파이프와 연결되어 열순환이 이루어지는 열순환 파이프 결합구(503)를 형성하여 지열을 이용한 축열 기능을 결합할 수도 있다.
보다 구체적인 축열재 파이프를 이용한 농사용 보온재료 형태는 다음과 같다. 파라핀계 상변화물질(PCM) 온도영역14-18℃을 흑연에 충진하여 실리카 고화재로 코팅을 한후 파이프 압출과정에서 파이프 내면에 충진 후 이를 외면에 재충진하여 다시 이중 파이프의 형태로 재 압출 한다. 이러한 이중 충진파이프는 농사용 비닐하우스의 하부에 매설하여 농사용 보온재로 사용을 하는데 유용하다.
<실시예 6>
본 발명에서 제조된 내열성 축열재 입자 및 내열성 축열재 조성물을 이용하여 축열재 파이프, 축열 블럭을 이용하여 지붕면적 8 m2, 벽체 9 m2, 바닥 2.23 m2, 천정 2.25 m2의 실험용 주택 도 3과 같이 제작하여 실험하였다.
실험용 주택에 사용한 재료 및 규격은 다음과 같다.
벽은 콘크리트 두께 100mm, 단열재암면 두께 100mm, 시멘트벽돌 크기57*90*190mm, 시멘트 미장 및 석고보드로 설치하였고, 바닥은 시멘트 두께 50mm, 단열재 암면 두께 50mm, 시멘트미장, 및 바닥제 모류늄 두께 2mm로 설치하였으며, 지붕은 아스팔트싱글 및 단열재암면 두께 100mm 로 설치하였고, 천정은 석고보드를 사용하였다.
축열재 파이프와 축열재 보드에 사용된 파라핀 축열재 상변화 온도는 22-30 ℃, 융해열 170--190KJ/Kg과 40-45 Kcal/Kg의 제품을 사용하였다.
주택의 벽체인 외벽은 구운 황토벽돌로 두께 100mm, 단열재 암면은 두께 100mmfmf 사용하였으며, 축열재 벽돌은 크기 200*230*200 mm를 사용하였다. 벽체 미장은 축열재 조성물을 이용한 미장으로 단열성과 열전도율이 높은 퍼라이트 50 중량부, 흑연 50 중량부에 실리카 고화재 50 중량부를 혼합한 것으로 미장하였다. 또한, 축열재 보드는 파라핀 축열재 상변화 온도는 22-30 ℃, 융해열 170--190KJ/Kg과 40-45 Kcal/Kg의 제품을 사용하였다.
도 3에 기재된 바와 같이 건축물 지하에 2m-3.5m 깊이에 축열재 파이프(101)를 매립후 축열재 파이프의 내부에 일부분이 위치된 열순환 파이프(102)의 배관을 통하여 축열된 공기가 온도조절용 외부공기 투입구(305)와 열교환기(301)를 거쳐서 방열 배출구(306)로 주택의 내부로 공기가 공급된다. 한편에서는 외부 공기투입구(302)와 공기정화기(303)을 통하여 주택의 실내로 환기용 공기가 공급되도록 하였다.
실험주택의 냉난방을 하는데 있어서 축열재 파이프를 지하에 매립하여 공기와 물을 동시 이용하는 방법을 실시하였다. 건축물 지하에는 1.5-2m 정도에는 10-15℃ 온도를 3m에서는 16-17℃ 연평균 유지한다. 이는 지하 150-200m 정도의 지하수 10-15℃온도와 비숫한 온도로서 내열성 축열재에 전도율이 높은 순수 흑연과 단열성이 우수한 퍼라이트를 혼합하여 축열재 파이프를 제조하여 물보다 축열기능이 4배정도 우수한 파라핀을 이용하였다. 건물 바닥에는 축열재 바닥재를 시공하여 독립적으로 겨울철 난방에는 태양열을 이용할 수 있도록 하였다. 지하의 잠열을 이용 열교환기와 히트펌프를 이용하여 난방 실시하였다. 외기온도가 15-32℃ 여름철과 외기온도가 영하11℃-영상 2℃ 해당하는 겨울철에 실시하였다.
실험 결과, 상변환물질 보유 유무에따라 실내온도 변화폭이 약2.5-5℃ 폭의 온도변화 있었다. 외부온도 15-31℃에서 상환변화물질이 없는 주택은 실내온도가 18-36℃ 일 때 상환변화물질이 포함된 주택는 실내온도가 19.5-30.5℃로 약 5.5℃차이 보였다.
습도는 외부의 습도가 65-70% 일 때 상환변화물질이 없는 주택은 실내습도가 68-76% 일 때 높았으나 상환변화물질이 포함된 주택는 실내습도가 62-69%로 약 7%차이 보였다.
외기온도가 영하 5-11℃ 상환변화물질이 없는 주택은 실내온도가 영하3-9℃ 일 때 상환변화물질이 포함된 주택는 실내온도가 3-6℃로 약 12-15도 차이 보였다.
습도는 외부의 습도가 35-45% 일 때 상환변화 물질이 없는 주택은 실내습도가 35-40% 일 때 동일하였으나 상환변화물질이 포함된 주택는 실내습도가 45-55%로 약 10-15%차이 보였다
외기온도가 영하 5-11℃ 상환변화물질이 없는 주택은 실내온도가 영하3-9℃ 일 때 상환변화물질이 포함된 주택는 실내온도가 3-6℃로 약 15도차이 보였으나 지하 매설한 축열배관을 공기를 지속적인 순화을 한결과는 실내온도가 17도로 약26도차이를 보였다.
외기온도가 영하 5-11℃ 상환변화물질이 없는 주택은 실내온도가 영하3-9℃ 일 때 상환변화물질이 포함된 주택의 지하 매설한 축열배관 공기를 열교환기를이용하여 25℃ 순환을 1시간 한 결과는 실내온도가 27℃까지도로 상승하였으며22- 25℃로 14시간 정도의 난방온도를 유지하였다.
외기온도가 영하5- 11℃ 상환변화물질이 없는 주택은 실내온도가 영하3-9℃ 일 때 상환변화물질이 포함된 주택의 지하 매설한 축열배관 공기를 난방용 히트펌프를 이용하여 28℃ 순환을 1.5시간 한 결과는 실내온도가 29℃까지도로 상승하였으며 23-26℃로 18시간 정도의 보온을 유지하였다.
습도는 외부의 습도가 35-45% 일 때 상환변화물질이 없는 주택은 실내습도가 35-40% 일 때 동일하였으나 상환변화물질이 포함된 주택는 실내습도가 45-50%로 약 10%차이 보였으나 습도유지를 위하여 물을 분무하여 55% 설정하였을 때 상환변화물질이 없는 주택는 실내습도가 55% -60%까지 6시간이 유지되였고 상환변화물질이 포함된 주택는 실내습도가 55-60%로 약11시간이 소요되어 습도 유지에 탁월한 성능을 보였다.
이상의 실험 결과에 나타낸 바와 같이 본 실시예의 축열재는 외기 온도의 영향을 받기 않고, 바깥 공기가 고온이 되어도 실내 온도의 상승이 억제되어 있는 것으로부터, 축열성 및 단열성과 습도유지가 뛰어나는 것이 확인되었다.
<실시예 7>
본 발명의 불연성 및 내열성 축열볼 및 소결된 축열재을 이용하여 아스팔트포장 및 황토, 시멘트 포장한 결과를 동절기에 실시하여 결빙을 방지한 결과를 제시하였다.
축열 성능 시험하기 위하여 포장면적 가로3m*세로3mx두께 20cm 시공을 하였다. 날씨환경은 평균기온 영하9.4-16.5℃ 일사량이 3.56-11.45MJ/㎡, 적설량12.2-18.4cm에서 실시하였다. 흑연과 퍼라이트로 충진된 축열재 소결재를 실리카고화재로 코팅하여 제조된 결빙방지용 축열재파이프 직경 100∮, 길이 1.5m ,2m 3m의 3개의 축열재 파이프(600-1, 600-2, 600-3)을 포장부 중심부에 2m파이프 설치 가장자리에서 0.5m안쪽에 1.5m 3m에 도 6과 같이 파이프를 설치하였다.
여기에 사용된 축열재는 소결된 축열재로서 열전도성이 우수한 축열재(축열재 외부는 파라핀 80 중량부, 중심부는 흑연 70 중량부와 퍼라이트 30중량부로 구성됨) 5kg을 충진하였다. 또한 3m-2m에는 파라핀 C16H34 상변화온도10-15℃ 융해열이 110-130KJ/kg 제품을 사용 하였고, 2-1m깊이 파이프에는 파라핀 C14H30 상변화온도 3-6℃ 및 C16H34 상변화온도10-15℃ 융해열이 110-180KJ/kg 제품을 혼합 사용 하였으며, 1m- 아스팔트 표면까지는 파라핀 C14H30상변화온도 3- 6℃ 융해열이 160-180KJ/g 38-43Kcal/kg 사용하였다.
내열성 축열볼 4.4kg와 골재와 규사로 혼합하여 30cm 높이로 축열재 혼합 아스팔트 기초(601)를 다짐한 후 그 위에 아스팔트와 내열성 축열볼 4.6kg 혼합 하여 20cm으로 축열재 혼합 아스팔트(602)로 포장을 하였다. 이때 사용한 파라핀은 파라핀 C14H30으로 3-6℃ 융해열이 160-180KJ/g 38-43Kcal/kg 사용하였다.
또한 온도를 측정하기 위하여 도6과 같이 3m 길이의 축열재 충진파이프(600-3)의 3m 깊이 지점(630), 2m 깊이 지점(630-1) 1m 깊이 지점(630-2) 표면(630-3)에 4개 온도센서를 설치하였고, 2m 길이의 축열재 충진파이프(600-2)의 2m 깊이 지점(620), 1m 깊이 지점(620-1), 표면(620-2)에 3개 온도센서를 설치하였으며, 1.5 m 길이의 축열재 충진파이프(610-1)의 1.5m 깊이 지점(610), 표면(610-1)에 2개 온도센서를 설치하였고, 아스팔트 표면 3cm 지점(610-2), 5 cm 지점(610-3), 10cm 지저점10-4)의 아스팔트 표면에 온도 센서 3개를 설치하였다.
비교예인 일반 도로포장 방법으로 가로 3mx세로3mx두께 20cm 로 축열재로 시공한 아스팔트와 축열재를 제외하여 동일한 시공을 하였다.
골재와 규사로 혼합하여 30cm 높이로 기존 아스팔트 기초(701)를 다짐한 후 그 위에 20cm로 아스팔트(702) 포장을 하였다.
파이프는 에폭시코팅한 강관파이프 두께 4.5mm*100∮ 1.5m ,2m 3m 3개를 파이프를 포장부 중심부에 2m 길이의 파이프 설치하고 가장자리에서 0.5m안쪽에 1.5m 와 3m 길이의 파이프를 도 7와 같이 설치하였다.
기초다짐으로 골재와 규사로 혼합하여 30cm 다짐한 후 그 위에 아스팔트를 20cm으로 포장을 하였다. 또한 온도를 측정하기 위하여 3m 길이 파이프(700-3)의 3m 깊이 지점(730) 2m 깊이 지점(730-1), 1m 깊이 지점(730-2), 표면(730-3)에 4개 온도센서를 설치하였고, 2m 길이 파이프(700-2)의 2m 깊이 지점(720), 1m 깊이지점(720-1), 표면(720-2)에 3개 온도센서를 설치하였으며, 1m 길이 파이프(700-1)의 1m 깊이 지점(710), 표면(710-1)에 2개 온도센서를 설치하였다.
시험을 실시한 2013년 1월 10일자 날씨 현황은 표 4와 같고, 표 5에는 축열재 파이프를 시공한 아스팔트의 온도를 기재하였다.
평균기온 -9.4 -16.5 -13.9
적설량 cm 18.3 16.8 15
일사량 MJ/ 3.56 11.45 6.75
지면온도 -3.8 -4.8 -5
지중온도 1m 6.7 7.1 6.3
1.5m 9.6 9.4 9
3m 15.5 15.7 15.1
평균
기온
 610-1
지점		 620-2
지점		 630-3
지점		 610-2
지점
 610-4
지점		 710-1
지점		 720-2
지점		 730-3
지점		 610
지점		 620
지점		 620-1
지점		 630-2
지점		 630-1
지점		 630
지점
-9.4 0.3
2.3		 0.3
2.5		 0.8
2.8		 0.2
2.1
 0.5
2.3		 -9.3 -9.3 -9.3 10
11		 11
13		 9.3
11		 7.7
9.5		 10.6
11.5		 15.8
16.2
-16.5 0.2
1.8		 0.2
1.9		 0.6
2		 0.1
1.7
 0.3
1.9		 -1
6.5		 -1
6.5		 -1
6.5		 9.4
10		 11
12		 8.1
9.2		 8.1
9.4		 11.3
12.3		 16.8
-13.9 0.22 0.3
2.1		 0.7
2.2		 0.1
1.9
 0.4
2.1		 -1
3.9		 -1
3.9		 -1
3.9		 9.6
10		 11
12		 8.8
9.1		 7.3
9.2		 10.8
11.9		 16.3
2013년 1월 10일부터 20일간 실험을 한결과 축열재를 사용하여 결빙을 방지할수 있었다.특히 적설량이 야간 평균에 14.3cm 이라도 축열재를 사용한 아스팔트는 눈이 쌓이지 않았으며, 3.5일간 평균 적설량이 14.3cm 일때도 축열재를 사용한 아스팔트는 오전10시이후에는 눈이 녹았으며 아스팔트 평균온도 0.5-1.8℃로 결빙되지 않았다. 축열재를 충진한 3m 파이프를 사용한 아스팔트표면은 지속적인 온도가 평균 1.8℃ 이상으로 관찰되었고, 축열재를 사용한 아스팔트는 외기온도가 영하라도 일사량과 지중열을 축열하여 아스팔트 결빙을 방지하는 효과가 있었던 반면에, 일반 아스팔트 포장은 기존 아스팔트 포장상태의 결빙과 적설이 이루어 졌다. 표 5에서 보는 바와 같이 일사량과 지열을 축열한 축열재는 외기온도영하 9.4-16.5℃ 낮의 평균온도 1.7℃를 유지하여 결빙을 방지 하였으며, 아스팔트, 기초다짐, 지반의 압축강도는 도로포장 강도와 동일하여 축열재로인한 영항이 없었다.
도 8에는 본 발명의 또 다른 구현예인 축열재가 충진된 파이프(801)를 나타낸 것으로 내부의 중심은 열교환로(802)와 연결되고 축열재(803)가 충진 된 것이 특징이다. 이러한 축열재가 충진된 파이프로부터 연결되는 열순환 파이프는 도 2에 나타낸 바와 같이 열순환 파이프가 통과하는 열순환 파이프 통로가 구비되는 축열 블럭과 결합하여 농사용 보온유지를 할 수도 있다.
지하에 매설된 축열재 파이프로 부터 공급되는 지열을 이용하여 식물을 잘자라게 관리하기 위한 것으로 식물의 뿌리 온도는 보편적으로 10-15℃ 이내에서 잘자라기 때문에 실리카 고화재와 황토를 이용한 축열재를 볼의 형태로 지하 10-100cm 매립하여 축열재볼를 단독으로 사용할 수도 있고, 축열재 볼이 매립된 곳에 축열재가 외부에 축열재 충진된 열순환 파이프를 매립하여 지열을 전달하거나 온도를 유지하는 방법이 있다. 축열재가 충진된 열순환 파이프는 흑연축열재가 외부에 충진되고 내부는 열순환가능하게 제조된 파이프를 말한다. 이러한 방법은 친환경적인 실리카고화재를 사용하여 토양에 영향을 끼치지 않기 때문에 1년동안 사용을 한결과 토양의 온도는 년 평균 12도를 유지하였으며 토양의 미생물이 더 많아져 비옥한 토질을 제공하였고, 토양의 PH 변화는 없었고 중금속은 검출되지 않았으며, 작물의 수확은 약20% 증가되였고 에너지 절감은 30%를 절감하였다
본 발명의 축열 제품은 상기한 축열재를 그대로 사용해도, 파이프에 충진하여 사용하는 것도 좋지만, 상기한 축열재 조성물을 모르타르나 보드형태 또는 벽돌로 제조하여 사용하는 것도 바람직하다.
구체적으로는 토목용이나 건축자재 벽재, 천정재, 바닥재 등의 내장재, 지붕재,빌딩의 옥상재 구조재의 보온재 및 불연재 등의 외장재로서 매우 적합하게 사용할 수 있다. 또한, 도로구조물의 동결 방지제(antifreezing agent), 결빙 방지제, 건물의 공조시스탬 및 바닥 난방등의 재료로서도 적용 가능이다. 덧붙여 본 발명의 축열 제품은 용도에 따라, 축열재가 적당히 선택된다.
이러한 축열재사용은 실내의 적정온도를 유지하기위해 적정온도 22-26℃ 이상 이하로 온도 가 상승이나 하강이 어려운조건의 환경을 만들어 외부 온도의 변화에 대해서 실내를 최적인 온도에 유지할 수 있고 에너지 절약을 할 수 있다.
또한,동결방지 냉난방 공조용시스탬 경우에는 축열재의 융점이 바람직하게는 3~16℃인 것을 사용하여 지열을 이용한다.
본 발명의 축열 제품은 특별히 한정되지 않고, 사용 목적에 따라, 발포입자를 선택하여 사용용도에 ?추어 기능을 부여할 수 있는 장점이 있다.
100: 내열성 축열재
101: 축열재 파이프 102: 열순환 파이프
103: 공기 흡입구 104: 축열 방열구
200: 축열 블록 201: 축열 블록 상판
202: 축열 블록 하판 203: 열순환 파이프 통로
204: 축열 블록 고정수단
301: 열교환기 302: 외부공기 투입구
303: 공기정화기 304: 온습도계
305: 온도조절용 외부공기 투입구 306: 방열 배출구
401: 상부 401: 하부
403: 중심축
500: 축열재 데크 501: 축광재
502: 미끄럼 방지 쇄석 503: 열순환 파이프 결합구
600-1: 1.5m 길이의 축열재 충진파이프
600-2: 2m 길이의 축열재 충진파이프
600-3: 3m 길이의 축열재 충진파이프
601: 축열재 혼합 아스팔트 기초
602: 축열재 혼합 아스팔트
610: 1.5m 길이의 축열재 충진파이프의 1.5m 깊이 지점
610-1: 1.5m 길이의 축열재 충진파이프의 표면
610-2: 아스팔트 표면 3cm 지점
610-3: 아스팔트 표면 5cm 지점
610-4: 아스팔트 표면 10cm 지점
620: 2m 길이의 축열재 충진파이프의 2m 깊이 지점
620-1: 2m 길이의 축열재 충진파이프의 1m 깊이 지점
620-2: 2m 길이의 축열재 충진파이프의 표면
630: 3m 길이의 축열재 충진파이프의 3m 깊이 지점
630-1: 3m 길이의 축열재 충진파이프의 2m 깊이 지점
630-2: 3m 길이의 축열재 충진파이프의 1m 깊이 지점
630-3: 3m 길이의 축열재 충진파이프의 표면
700-1: 1.5m 길이의 파이프
700-2: 2m 길이의 파이프
700-3: 3m 길이의 파이프
701: 아스팔트 기초
702: 아스팔트
710: 1.5m 길이의 파이프의 1.5m 깊이 지점
710-1: 1.5m 길이의 파이프의 표면
720: 2m 길이의 파이프의 2m 깊이 지점
720-1: 2m 길이의 파이프의 1m 깊이 지점
720-2: 2m 길이의 파이프의 표면
730: 3m 길이의 파이프의 3m 깊이 지점
730-1: 3m 길이의 파이프의 2m 깊이 지점
730-2: 3m 길이의 파이프의 1m 깊이 지점
730-3: 3m 길이의 파이프의 표면
801: 축열재 충진 파이프 802: 열교환로
803: 축열재

Claims (10)

  1. 파라핀계 상변화물질(PCM)이 제올라이트(Zeolite), 퍼라이트(Perlite) 또는 흑연(graphite)로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 다공성 입자의 세공경(pore)에 충진되고, 상기 상변화물질이 충진된 다공성 입자의 외부 표면이 실리카 고화재, 시멘트, 규사, 석고 또는 황토로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 코팅재로 코팅된 내열성 축열재;와
    상기 코팅재로 코팅된 내열성 축열재를 둘러쌓는 원통형상의 외부 하우징;을 포함하는 것을 특징으로 하는 내열성 축열재가 충진된 축열재 파이프.
  2. 파라핀계 상변화물질(PCM)이 제올라이트(Zeolite), 퍼라이트(Perlite) 또는 흑연(graphite)로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 다공성 입자의 세공경(pore)에 충진하는 단계;
    상기 파라핀계 상변화물질(PCM)이 충진된 다공성 입자의 외부 표면이 실리카 고화재, 시멘트, 규사, 석고 또는 황토로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 코팅재로 코팅하여 내열성 축열재를 제조하는 단계;
    상기 내열성 축열재를 원통형상의 외부 하우징을 가지는 파이프의 내부에 충진하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 내열성 축열재가 충진된 축열재 파이프의 제조방법.
  3. 파라핀계 상변화물질(PCM)이 제올라이트(Zeolite), 퍼라이트(Perlite) 또는 흑연(graphite)로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 다공성 입자의 세공경(pore)에 충진하는 단계;
    상기 파라핀계 상변화물질(PCM)이 충진된 다공성 입자의 외부 표면이 실리카 고화재, 시멘트, 규사, 석고 또는 황토로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 코팅재로 코팅하여 내열성 축열재를 제조하는 단계;
    상기 내열성 축열재를 원통형상의 외부 하우징을 가지는 파이프의 내부에 충진하여 내열성 축열재가 충진된 축열재 파이프를 제조단계;
    상기 내열성 축열재가 충진된 축열재 파이프를 아스팔트, 시멘트 또는 황토로 이루어진 인도, 주차장 또는 등산로의 하부에 매설하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 도로의 결빙 방지 방법.
  4. 파라핀계 상변화물질(PCM)이 제올라이트(Zeolite), 퍼라이트(Perlite) 또는 흑연(graphite)로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 다공성 입자의 세공경(pore)에 충진하는 단계;
    상기 파라핀계 상변화물질(PCM)이 충진된 다공성 입자의 외부 표면이 실리카 고화재, 시멘트, 규사, 석고 또는 황토로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 코팅재로 코팅하여 내열성 축열재를 제조하는 단계;
    상기 내열성 축열재를 원통형상의 외부 하우징을 가지는 파이프의 내부에 충진하여 내열성 축열재가 충진된 축열재 파이프를 제조단계;
    상기 내열성 축열재가 충진된 축열재 파이프를 비닐하우스의 하부에 설치하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비닐하우스의 보온 방법.
  5. 파라핀계 상변화물질(PCM)이 제올라이트(Zeolite), 퍼라이트(Perlite) 또는 흑연(graphite)로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 다공성 입자의 세공경(pore)에 충진되고, 상기 상변화물질이 충진된 다공성 입자의 외부 표면이 실리카 고화재, 시멘트, 규사, 석고 또는 황토로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 코팅재로 코팅된 내열성 축열재가 충진된 축열재 파이프;
    상기 축열재 파이프로 부터 열을 전달할 수 있는 열순환 파이프; 및
    상기 열순환 파이프와 연결되는 열교환기인 히트펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 축열재를 이용한 냉난방 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 축열재 파이프는 건축물 또는 토양의 지하에 매설되어 3 내지 20 ℃의 지열을 이용할 수 있는 것을 특징으로 하는 축열재를 이용한 냉난방시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 열순환 파이프의 일부분은 상기 축열재 파이프의 내부에 위치하고 일부분은 외부로 연장되는 것을 특징으로 하는 축열재를 이용한 냉난방 시스템.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 열순환 파이프의 일부분은 축열 블록 사이의 열순환 파이프 통로를 지나는 것을 특징으로 하는 축열재를 이용한 냉난방시스템.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 히트펌프는 공기를 가열 또는 냉각하여 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 축열재를 이용한 냉난방시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 축열 블록은 건축물의 바닥에 설치되는 것을 특징으로 하는 축열재를 이용한 냉난방시스템.
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