KR20210043487A - 상 변화 물질-코팅된 열 교환 튜브 - Google Patents

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샤비르 티. 아타르왈라
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티모시 그레이버
제시 데이비스
조제프 비. 슐츠
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헨켈 아이피 앤드 홀딩 게엠베하
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Abstract

일 단부는 유체를 수용하도록 구성되고 타 단부는 유체를 배출하도록 구성된 2개의 단부를 포함하는 중공 튜브가 본원에 개시되며, 여기서 중공 튜브는 내부 표면 및 외부 표면을 갖고, 경화성 조성물이 중공 튜브의 외부 표면의 적어도 일부분에 배치되고, 여기서 상기 경화성 조성물은 경화 전에, 경화성 성분, 열 전도성 성분, 상 변화 물질, 및 경화 시스템을 포함한다.

Description

상 변화 물질-코팅된 열 교환 튜브
본 발명은 일반적으로 열 교환 효율을 개선하기 위해 열 교환 튜브에 도포하기 위한 상 변화 물질을 포함하는 코팅에 관한 것이다.
냉장 유닛은 전형적으로 압축기, 응축기, 증발기, 및 냉장실을 포함한다. 냉장 유닛은 전형적으로 냉매를 압축기, 응축기, 및 증발기를 통해 통과시킴으로써 냉장실 내부의 공기를 냉각시키는 기능을 한다. 압축기 및 응축기는 일반적으로 냉장실 외부에 위치하는 반면에, 증발기는 냉장실 내부에 있다. 전형적인 냉장 유닛에서 응축기는 냉매를 그것의 액체 상태로 전환시키고 응축열을 방출한다. 팬을 사용하여 공기를 응축기 및 압축기를 통해 통과시켜 압축기 및 응축기의 외부 표면으로부터의 열 제거 효율을 증진시킬 수 있다. 증발기가 냉장실 내에 있어서, 냉장실로부터의 열이 증발기 내의 냉매에 흡수되어 냉장실이 냉각된다.
따라서, 열은 냉장실 내에서 증발기에 의해 흡수되고 응축기에 의해 냉장실의 외부로 배출된다.
열을 냉장 사이클 내내 가능한 한 효율적으로 증발기 및 응축기에서 흡수 및 방출시키는 것이 바람직하다. 이러한 목적을 위해, 많은 상이한 냉장고 디자인이 개발되었다. 일부 냉장고 디자인은 열 제거 효율을 개선하기 위한 상이한 응축기 디자인, 예컨대 와이어 튜브, 핀형(finned) 및 나선형 응축기를 포함한다.
증가된 응축기 튜브 길이가 또한 열 전달 효율을 증진시키기 위해 사용된다. 그러나, 응축기 튜브의 길이를 증가시키면 응축기의 소형화가 덜 이루어짐으로써 냉장 유닛 자체의 필요 크기가 증가한다. 또한, 응축기의 길이를 증가시키면 추가의 인건비 및 물질 비용이 발생하고 잠재적인 누출을 위한 추가의 표면적이 제공되고 냉매의 압력 강하에 부정적인 영향이 미쳐질 수 있다. 추가로, 이는 바람직하지 않은 덜컹거리는 소음 및 응축기의 신뢰성 저하로 이어질 수 있다. 그 밖에 추가로, 많은 기존 응축기 시스템은, 코일 표면에 쌓여서 열 전달 효율을 저하시키고 응축기 시스템의 작동 온도를 상승시키는 먼지, 오물 및 다른 쓰레기를 코일로부터 제거하는 것과 같은 주기적인 유지 보수를 필요로 한다.
이에 대응하여, 현재의 기술은 응축기에 의한 열 전달 효율을 향상시키기 위해 액체 충전된 파우치를 사용하는 것을 제안한다. 액체 충전된 파우치는 방출된 열을 주위 공기보다 더 효과적으로 흡수함으로써 응축기의 효율을 개선할 수 있다. 액체 충전된 파우치를 사용하는 동안에 직면하는 한 가지 문제는 응축기 코일과의 열 접촉이 없기 때문에 주위 공기를 사용할 때보다 열 전달이 훨씬 더 효율적이지는 않다는 것이다.
따라서, 다른 사람들이 이러한 과제를 해결하려고 시도했지만, 성공한 사람은 거의 없었다.
따라서, 냉장고 시스템과 같은 열 교환 시스템에서 부품의 크기를 증가시키지 않으면서도 열 전달 효율을 증진시키는 시스템을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
요약
한 측면에서, 경화성 조성물로 코팅된 중공 튜브가 제공된다. 중공 튜브는, 일 단부는 유체를 수용하도록 구성되고 타 단부는 유체를 배출하도록 구성된 2개의 단부, 및 내부 표면 및 외부 표면을 포함하며, 여기서 조성물이 외부 표면의 적어도 일부분에 배치된다. 상기 조성물은
A.
i) 경화성 성분;
ii) 열 전도성 성분;
iii) 상 변화 물질; 및
iv) 경화 시스템, 또는
B.
i) 결합제 성분;
ii) 열 전도성 성분;
iii) 상 변화 물질; 및
iv) 물
을 포함한다.
또 다른 측면에서, 압축기, 응축기 코일, 및 적어도 하나의 증발기 코일을 포함하는 냉장 유닛이 개시된다. 상기에 설명된 중공 튜브는 냉장 유닛의 응축기 코일이다.
또 다른 측면에서, 상기에 설명된 냉장 유닛을 포함하는 가정용 냉장 설비가 본원에 개시된다.
도 1은 냉장 유닛을 도시한다.
도 2는 세 가지의 상이한 코팅 조성물에 대한 소산된 에너지 대 유량의 플롯을 도시한다.
도 3은 응축기 코일 (코팅되지 않은 것)을 도시한다.
본원에는 중공 튜브를 통한 열 전달 효율을 증진시키기 위해 경화성 조성물로 코팅된 중공 튜브가 개시된다. 중공 튜브는, 유체를 수용하도록 구성된 일 단부 및 유체를 배출하도록 구성된 타 단부를 포함하고, 내부 표면 및 외부 표면을 갖는다. 조성물은 중공 튜브의 외부 표면의 적어도 일부분에 배치된다. 상기 조성물은
A.
i) 경화성 성분;
ii) 열 전도성 성분;
iii) 상 변화 물질; 및
iv) 경화 시스템, 또는
B.
i) 결합제 성분;
ii) 열 전도성 성분;
iii) 상 변화 물질; 및
iv) 물
을 포함한다.
중공 튜브는 다양한 치수 및 직경을 갖고서 다양한 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 중공 튜브는 금속일 수 있고, 금속은 알루미늄, 강철, 구리, 또는 그의 조합 또는 합금으로부터 선택될 수 있다. 중공 튜브는 곡선형 또는 직선형일 수 있거나, 곡선형의 일부 부분 및 직선형의 다른 부분을 가질 수 있다. 중공 튜브의 치수는 또한 중공 튜브의 최종 용도에 기초하여 다양할 수 있다. 예를 들어, 중공 튜브가 가정용 냉장고의 응축기 코일로서 사용되는 경우에 중공 튜브는 외경이 0.02-0.4 인치일 수 있고 총길이가 1-100 피트, 예를 들어, 25-75 피트, 특히 54 피트일 수 있다. 중공 튜브의 치수 및 형상은 응용분야에 따라 제한 없이 조절될 수 있다.
경화성 조성물은 중공 튜브의 외부 표면의 적어도 일부분에 배치된다. 경화성 조성물은 분무 코팅, 페인팅, 또는 코팅을 도포하기에 적합한 임의의 방법에 의해 튜브에 도포될 수 있다. 경화성 조성물은 중공 튜브를 통한 열 교환을 향상시키는 데 사용된다. 따라서, 중공 튜브의 전체 길이에 걸쳐 열 교환을 향상시키기 위해 중공 튜브 전체를 경화성 조성물로 코팅하는 것이 유리할 수 있다. 특히 유용한 실시양태에서, 중공 튜브의 표면적의 95% 이상이 경화성 조성물로 코팅된다.
경화성 조성물은 열 전도성이고, 중공 튜브에 단단히 고정되고, 온도 변화를 견딜 수 있으면서도 잠열을 흡수 및 저장할 수 있다. 경화성 조성물은, 경화 전에는, 경화성 성분, 열 전도성 성분, 상 변화 물질, 및 경화 시스템을 포함한다. 경화성 조성물은 임의로 산화방지제, 부식 억제제, UV-안정화제, 열안정화제, 또는 난연제를 추가로 포함할 수 있다. 경화성 조성물은 또한 습윤제, 분산제, 유변성 개질제, 유화제, 유화액 안정성을 향상시키기 위한 pH 개질제, 유착 용매, 또는 응집-방지제를 포함할 수 있다.
경화성 조성물의 경화성 성분은 광 경화성일 수 있어서, 경화성 조성물이 중공 튜브에서 광 경화될 수 있다. 경화성 성분은 또한 수분 또는 열 경화성일 수 있다. 경화성 성분은 단일 경화 메커니즘 (예컨대 광 노출을 통해 유발됨) 또는 다중 경화 메커니즘 (예컨대 초기에는 광 노출을 통해 유발되고 이어서 열 및/또는 수분 노출을 통해 유발됨)을 통해 경화될 수 있다. 경화성 성분은 경화 후에 중공 튜브의 작동 조건에서 높은 강도, 내습성 및 내온도성을 갖도록 선택되어야 한다.
따라서, 경화성 성분은 에폭시 수지 성분, (메트)아크릴레이트 성분, 폴리우레탄 매트릭스, 핫 멜트(hot melt), 또는 규소 성분을 포함할 수 있다.
에폭시 수지 성분은 하나 이상의 포화, 불포화, 시클릭 또는 비-시클릭, 지방족, 지환족, 방향족 또는 헤테로시클릭 폴리에폭시드 화합물로부터 선택될 수 있다.
일반적으로, 분자당 적어도 약 2개의 1,2-에폭시 기를 갖는 다수의 폴리에폭시드가 본원에서 사용하기에 적합하다. 폴리에폭시드는 포화, 불포화, 시클릭 또는 비-시클릭, 지방족, 지환족, 방향족 또는 헤테로시클릭 폴리에폭시드 화합물일 수 있다. 적합한 폴리에폭시드의 예는 알칼리의 존재 하에 에피클로로히드린 또는 에피브로모히드린과 폴리페놀의 반응에 의해 제조되는 폴리글리시딜 에테르를 포함한다. 이에 적합한 폴리페놀은, 예를 들어, 레조르시놀, 피로카테콜, 히드로퀴논, 비스페놀 A (비스(4-히드록시페닐)-2,2-프로판), 비스페놀 F (비스(4-히드록시페닐)-메탄), 비스페놀 S, 비페놀, 비스(4-히드록시페닐)-1,1-이소부탄, 4,4'-디히드록시-벤조페논, 비스(4-히드록시페닐)-1,1-에탄, 및 1,5-히드록시 나프탈렌이다. 폴리글리시딜 에테르의 기초로서의 다른 적합한 폴리페놀은, 노볼락 수지 유형의, 페놀과 포름알데히드 또는 아세트알데히드의 공지된 축합 생성물이다.
본원에서 사용하기에 적합한 다른 폴리에폭시드는 폴리알콜 또는 디아민의 폴리글리시딜 에테르이다. 이러한 폴리글리시딜 에테르는 폴리알콜, 예컨대 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 1,2-프로필렌 글리콜, 1,4-부틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 1,5-펜탄디올, 1,6-헥산디올 또는 트리메틸올프로판으로부터 유도된다.
그 밖의 다른 폴리에폭시드는 폴리카르복실산의 폴리글리시딜 에스테르, 예를 들어, 글리시돌 또는 에피클로로히드린과 지방족 또는 방향족 폴리카르복실산, 예컨대 옥살산, 숙신산, 글루타르산, 테레프탈산 또는 이량체성 지방산의 반응 생성물이다.
그리고 그 밖의 다른 에폭시드는 올레핀계-불포화 시클로지방족 화합물의 에폭시화 생성물 또는 천연 오일 및 지방으로부터 유도된다.
비스페놀 A 또는 비스페놀 F와 에피클로로히드린의 반응으로부터 유도된 액체 에폭시 수지가 특히 바람직하다. 실온에서 액체인 에폭시 수지는 일반적으로 150 내지 약 480의 에폭시 당량을 갖는다.
(메트)아크릴레이트 성분은 하나 이상의 일관능성, 다관능성, 선형 지방족, 분지형 지방족, 시클로지방족, 방향족, 알콕실화 알킬 및 아릴 기로부터 선택될 수 있다. 본 발명에 따른 경화성 조성물에 사용될 수 있는 (메트)아크릴레이트는 H2C=CGCO2R로 나타내어지는 다양한 물질을 포함하며, 여기서 G는 수소, 할로겐 또는 1 내지 약 4개의 탄소 원자의 알킬일 수 있고, R은 1 내지 약 16개의 탄소 원자의 알킬, 시클로알킬, 알케닐, 시클로알케닐, 알크아릴, 아르알킬 또는 아릴 기로부터 선택될 수 있다.
본원에서 사용하기에 특히 바람직한, 더 특정한 (메트)아크릴레이트는 폴리에틸렌 글리콜 디(메트)아크릴레이트, 트리메틸올프로필란 트리(메트)아크릴레이트, 비스페놀-A 디(메트)아크릴레이트, 예컨대 에톡시화 비스페놀-A (메트)아크릴레이트 ("EBIPMA") 및 테트라히드로푸란 (메트)아크릴레이트 및 디(메트)아크릴레이트, 이소보르닐 아크릴레이트, 히드록시프로필 (메트)아크릴레이트, 및 헥산디올 디 (메트)아크릴레이트를 포함한다. 물론, 이러한 (메트)아크릴레이트의 조합이 또한 사용될 수 있다.
폴리우레탄 성분은, 폴리올, 사슬 연장제, 가교제, 촉매 및 계면활성제와 함께, 하나 이상의 디- 및 트리-이소시아네이트, 예컨대 톨루엔 디이소시아네이트 및 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트, 지방족 및 시클로지방족 이소시아네이트로부터 선택될 수 있다.
경화성 성분의 양은, 경화제가 경화성 조성물의 가교에 있어서 촉매로 작용하는지 또는 직접 참여하는지의 여부, 경화성 조성물에 존재하는 다른 반응기의 농도, 요망되는 경화 속도, 사용 온도 등을 포함하는 많은 요인에 기초하여 다양할 수 있다.
예를 들어, 더 적은 양의 경화성 성분이 더 낮은 작동 온도에서 사용될 수 있는 반면에, 더 많은 양의 경화성 성분이 전형적으로 더 높은 작동 온도에서 사용될 수 있다. 경화성 조성물에 사용하기에 적합한 경화성 성분의 양은 경화성 조성물의 총 중량을 기준으로 약 20 내지 약 80 중량 퍼센트, 더 특히 약 40 내지 약 60 중량 퍼센트, 바람직하게는 약 45 내지 약 55 중량 퍼센트의 범위일 수 있다.
경화성 조성물에 존재하는 열 전도성 성분은 또한 경화성 조성물의 요망되는 특성에 기초하여 선택될 수 있다. 한 유용한 실시양태에서, 열 전도성 성분은 흑연, 알루미나, 알루미늄, 금, 구리, 산화아연, 산화티타늄, 탄화규소, 질화규소, 질화붕소, 산화베릴륨, 다이아몬드, 질화붕소, 은, 구리, 탄소, 또는 그의 다양한 조합으로부터 선택될 수 있다.
열 전도성 성분의 양은 또한 경화성 조성물의 요망되는 특성에 기초하여 선택될 수 있다. 한 유용한 실시양태에서 열 전도성 성분은 경화성 조성물의 총 중량을 기준으로 약 1 내지 약 40 중량 퍼센트, 더 특히 경화성 조성물의 총 중량을 기준으로 약 5 내지 약 25 중량 퍼센트, 또는 바람직하게는 경화성 조성물의 총 중량을 기준으로 약 10 중량 퍼센트의 양으로 존재할 수 있다. 열 전도성 성분은 나노입자의 형태로 경화성 조성물에 존재할 수 있다.
상 변화 물질 ("PCM")은 요망되는 온도 범위 내에서 고체 또는 비-유동성으로부터 액체 또는 유동성으로의 상 변화가 발생하도록 선택되어야 한다. 따라서, PCM은 중공 튜브 내의 유체, 중공 튜브의 작동 온도, 및 주위 온도에 기초하여 선택될 수 있다. 특정한 응용분야를 위한 PCM을 선택하기 위해, 장치의 작동 온도가 고려되어야 하며, PCM은 어울리도록 선택되어야 한다.
다양한 PCM이 본 발명의 경화성 조성물에 사용될 수 있다.
본원에서 사용하기 위한 PCM은 매트릭스 내에 캡슐화되거나 분산될 수 있다. 캡슐화된 PCM에 대한 일반적인 개요를 보려면, 예를 들어 문헌(P.B. Salunkhe et al., "A review on effect of phase change material encapsulation on the thermal performance of a system", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16, 5603-16 (2012))을 참조하도록 한다.
본원에서 사용하기에 적합한 PCM은 유기 또는 무기일 수 있다. 예를 들어, 바람직한 PCM은 파라핀, 지방산, 에스테르, 알콜, 글리콜, 유기 공융혼합물(eutectic), 바셀린, 밀랍, 팜 왁스, 미네랄 왁스, 글리세린 및/또는 특정 식물성 오일을 포함한다. 상 변화 물질은 또한 염 수화물 및/또는 저융점 금속 공융혼합물을 포함할 수 있다.
본원에서 경화성 조성물에 사용하기에 특히 바람직한 PCM은 중합체 쉘 내에 약 75 내지 약 95 중량 퍼센트의 파라핀 왁스 또는 더 특히 중합체 쉘 내에 약 85 내지 약 90 중량 퍼센트의 파라핀 왁스를 포함할 수 있다.
파라핀은 표준 상업적 등급일 수 있으며, 약 40℃ 미만의 융점을 갖는 파라핀 왁스를 포함해야 한다. 이러한 파라핀 왁스를 사용하면 매트릭스가 약 37℃ 미만의 온도에서 고체 상태로부터 액체 상태로 전환될 수 있다. 파라핀 이외에, 상기에 명시된 바와 같이, 바셀린, 밀랍, 팜 왁스, 미네랄 왁스, 글리세린 및/또는 특정 식물성 오일을 사용하여 PCM을 형성할 수 있다. 예를 들어, 파라핀 및 바셀린 성분은 이러한 성분의 중량비 (즉, 파라핀 대 바셀린)가 약 1.0:0 내지 3.0:1이되도록 함께 블렌딩될 수 있다. 이와 관련하여, 파라핀 성분에 비해 바셀린 성분이 증가함에 따라 PCM의 연성은 증진되어야 한다.
상업적으로 입수가능한 대표적인 PCM은 MPCM-32, MPCM-37, MPCM-52 및 은 코팅된 MPCM-37을 포함하며, 여기서 상기 숫자는 PCM이 상을 고체로부터 액체로 변화시킬 때의 온도를 나타낸다. 공급업체는 PCM을 퓨어템프(Puretemp)라는 상품명으로서 판매하는 미네소타주 플리머스 소재의 엔트로피 솔루션즈 인크.(Entropy Solutions Inc.); 오하이오주 데이턴 소재의 마이크로텍 래보러토리즈, 인크.(Microtek Laboratories, Inc.); 및 PCM을 크로다썸(CRODATHERM)이라는 상품명으로서 판매하는 크로다(Croda)를 포함한다. 마이크로텍은 캡슐화된 PCM을 높은 융해열을 갖는 캡슐화된 물질로 이루어져 있다고 설명한다. 상 변화 물질은 직물, 건축 자재, 포장, 및 전자 제품과 같은 제품 내에서 조절된 온도를 유지하기 위해 열 에너지를 흡수하고 방출한다. PCM이 캡슐화된 경우에, 캡슐 벽 또는 쉘은 PCM을 위한 미세한 용기를 제공한다. 심지어 코어가 액체 상태인 경우에도, 캡슐은 여전히 PCM이 "용융되어 없어지는" 것을 방지하는 고체-유지 역할을 한다. 영국 소재의 크로다 인터네셔널 피엘씨(Croda International plc)는, 캡슐화된 PCM을, 입자 형태의 PCM을 필요로 하는 응용분야에서 사용될 수 있는 내구성 코어-쉘 입자인 크로다썸(CrodaTherm) 마이크로캡슐화된 상 변화 물질이라고 설명한다. 제조업체에 의해 보고된 바와 같이, 크로다썸 PCM은 바이오계 코어가 상을 변화시킬 때 입자가 고체 상태를 유지하도록 아크릴 쉘에 캡슐화되어 있다.
PCM이 고체 상태로부터 액체 상태로 상 전환을 거침에 따라, 매트릭스는, 매트릭스가 액체 상태로 변환될 때까지, 열을 흡수한다. PCM이 액체 상태로부터 고체 상태로 변화함에 따라, 액체 상태는, PCM이 고체 상태로 변환될 때까지, 흡수된 열을 방출한다.
경화성 조성물의 응용분야에 따라, PCM은 약 25℃ 내지 약 70℃의 범위, 예컨대 약 30℃ 내지 약 40℃ 범위의 온도에서 고체로부터 액체로 상을 변화시킬 수 있다. 특히 유용한 실시양태에서, PCM은 약 39℃의 용융 온도를 갖는다. 또 다른 유용한 실시양태에서, PCM은 약 34℃의 응고 온도를 갖는다. 또한 유용할 수 있는 그 밖의 또 다른 실시양태에서, PCM은 약 29℃의 응고 온도를 갖는다. 추가로, PCM은 약 200℃의 온도까지 누출에 대해 안정해야 한다.
PCM은 약 15 um 내지 약 30 um 범위의 입자 크기를 가질 수 있다. PCM은 경화성 조성물의 총 중량을 기준으로 약 20 내지 약 80 중량 퍼센트의 양으로 경화성 조성물에 존재하는 것이 바람직하다.
경화 시스템은 경화제 및/또는 자유 라디칼 개시제를 포함할 수 있다. 경화 시스템은 질소-함유 화합물, 예컨대 아민 화합물, 아미드 화합물, 이미다졸 화합물, 구아니딘 화합물, 우레아 화합물 및 그의 조합으로부터 선택된 것들을 포함할 수 있다. 경화 시스템은 또한 과산화물을 포함할 수 있다.
아민 화합물은 지방족 폴리아민, 방향족 폴리아민, 지환족 폴리아민 및 그의 조합으로부터 선택될 수 있다. 아민 화합물은 디에틸렌트리아민, 트리에틸렌테트라민, 디에틸아미노프로필아민, 크실렌디아민, 디아미노디페닐아민, 이소포론디아민, 멘텐디아민 및 그의 조합으로부터 선택될 수 있다.
개질된 아민 화합물도 본원에서 사용될 수 있다. 유용한 개질된 아민 화합물은 아민 화합물을 에폭시 화합물에 첨가함으로써 형성된 에폭시 아민 첨가제, 예를 들어 지방족 아민과의 반응을 통해 개질된 노볼락-유형 수지를 포함한다.
이미다졸 화합물은 이미다졸, 이소이미다졸, 알킬-치환된 이미다졸, 및 그의 조합으로부터 선택될 수 있다. 더 특히, 이미다졸 화합물은 2-메틸 이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 2,4-디메틸이미다졸, 부틸이미다졸, 2-헵타데세닐-4-메틸이미다졸, 2-운데세닐이미다졸, 1-비닐-2-메틸이미다졸, 2-n-헵타데실이미다졸, 2-운데실이미다졸, 1-벤질-2-메틸이미다졸, 1-프로필-2-메틸이미다졸, 1-시아노에틸-2-메틸이미다졸, 1-시아노에틸-2-에틸-4-메틸이미다졸, 1-시아노에틸-2-운데실이미다졸, 1-시아노에틸-2-페닐이미다졸, 1-구아나미노에틸-2-메틸이미다졸 및 이미다졸과 트리멜리트산의 부가 생성물, 2-n-헵타데실-4-메틸이미다졸, 아릴-치환된 이미다졸, 페닐이미다졸, 벤질이미다졸, 2-메틸-4,5-디페닐이미다졸, 2,3,5-트리페닐이미다졸, 2-스티릴이미다졸, 1-(도데실 벤질)-2-메틸이미다졸, 2-(2-히드록실-4-t-부틸페닐)-4,5-디페닐이미다졸, 2-(2-메톡시페닐)-4,5-디페닐이미다졸, 2-(3-히드록시페닐)-4,5-디페닐이미다졸, 2-(p-디메틸아미노페닐)-4,5-디페닐이미다졸, 2-(2-히드록시페닐)-4,5-디페닐이미다졸, 디(4,5-디페닐-2-이미다졸)-벤젠-1,4,2-나프틸-4,5-디페닐이미다졸, 1-벤질-2-메틸이미다졸, 2-p-메톡시스티릴이미다졸, 및 그의 조합으로부터 선택된다.
이미다졸 화합물을 에폭시 화합물에 첨가함으로써 형성된 이미다졸 부가물을 포함하는, 개질된 이미다졸 화합물도 사용될 수 있다.
구아니딘, 치환된 구아니딘, 치환된 우레아, 멜라민 수지, 구아나민 유도체, 시클릭 3급 아민, 방향족 아민 및/또는 그의 혼합물. 하드너(hardener)가 강화 반응에 화학양론적으로 참여할 수 있지만, 그것은 또한 촉매작용적으로 활성일 수 있다. 치환된 구아니딘의 예는 메틸-구아니딘, 디메틸구아니딘, 트리메틸구아니딘, 테트라-메틸구아니딘, 메틸이소비구아니딘, 디메틸이소비구아니딘, 테트라메틸이소-비구아니딘, 헥사메틸이소비구아니딘, 헵타메틸이소비구아니딘 및 시아노구아니딘 (디시안디아미드)이다. 대표적인 구아나민 유도체는 알킬화 벤조구아나민 수지, 벤조구아나민 수지 및 메톡시메틸에톡시-메틸벤조구아나민을 포함한다.
경화 시스템은 경화성 조성물의 총 중량을 기준으로 약 30 내지 약 50 중량 퍼센트의 양으로 경화성 조성물에 존재할 수 있다.
추가로, 경화 시스템은 경화성 성분과 별개인 파트에 존재할 수 있다. 이러한 방식으로, 코일에의 도포 직전에 두 파트가 합쳐지는 것인 2파트 조성물이 구성될 수 있다.
본 발명의 조성물이 의도하는 최종 용도에 따라 다른 성분이 또한 포함될 수 있다. 예를 들어, 난연성 물질 및/또는 산화방지제가 포함될 수 있다.
경화성 조성물은 약 0.2 내지 약 1.2 W/m/K의 열 전도도 및 약 60 내지 약 200 J/g, 더 특히 약 60 내지 약 120 J/g의 융해 잠열을 가질 수 있다.
경화성 조성물의 융해 잠열에 대한 열 전도도의 비는 최적의 열 전달, 저장 및 소산을 용이하게 하도록 최적화된다. 특히, 경화성 조성물은 약 0.06의 융해 잠열에 대한 열 전도도의 비를 가질 수 있다.
상기에 설명된 경화성 조성물은 기존 코팅 방법에 의해 중공 튜브의 외부 표면에 코팅될 수 있다. 이러한 경화성 조성물은, 중공 튜브가 사용되는 동안에, 예컨대 중공 튜브가 냉장 유닛 내의 응축기 코일일 때, 최종 사용자가 중공 튜브와 접촉하면서 경험하는 온도를 최소화하도록 중공 튜브의 "외피" 온도를 조절할 수 있다.
상기에 설명된 중공 튜브는 도 1에 도시된 냉장 유닛에 포함될 수 있다. 냉장 유닛은 가정용 냉장 설비 또는 상업용 냉장 설비일 수 있다. 냉장 유닛은 응축기 코일(2), 증발기 코일(8), 및 압축기(3)를 포함한다. 냉장 유닛은 냉장실(1) 및 유량계(4)를 추가로 포함할 수 있다.
특히, 본 발명의 중공 튜브는 냉장 유닛(1) 내의 응축기 코일(2)일 수 있다. 응축기 코일(2)은 직선형 또는 곡선형일 수 있거나, 직선형 부분 및 곡선형 부분을 가질 수 있다. 대안으로서, 본 발명의 중공 튜브는 냉장 유닛의 증발기 코일(8)일 수 있다.
액체는 폐쇄 시스템에서 냉장 유닛 전체에 걸쳐 이동한다. 액체는 수성일 수 있거나, 그것은 하나 이상의 알칸, 예컨대 분지형 알칸 및/또는 하나 이상의 할로겐 원자로 치환된 알칸을 포함할 수 있다. 분지형 알칸의 예는 이소부탄, 테트라플루오로에탄, 및 그의 조합을 포함한다. 액체는 분지형일 수 있고/거나 하나 이상의 할로겐 원자로 치환될 수 있는 하나 이상의 알칸을 포함할 수 있다. 특히 유용한 실시양태에서, 액체는 냉매일 수 있다. 특히, 냉매는 냉장 유닛에 들어갈 때 액체 형태일 수 있다.
증발기 코일(8)은 냉장실(1) 내에 배치될 수 있다. 증발기 코일(8)은 유동 관통하는 액체를 갖는 중공 튜브일 수 있다. 증발기 코일(8)은 냉장실(1) 내의 공기로부터 열을 흡수하여 냉장실을 냉각시킨다. 냉장실(1)로부터 흡수된 열로 인해, 증발기 코일(8) 내의 액체는 기체 형태로 전환된다.
이어서 기체 형태의 액체는 증발기 코일(8)로부터 기체의 압력을 상승시키는 압축기(3)로 전달된다. 유량계(4)는 액체의 유량을 모니터링하고 제어하기 위해 압축기(3)의 하류에 존재할 수 있다. 압축기(3)는 가압된 기체를 응축기 코일(2)로 전달한다. 이어서 응축기 코일(2)이 기체로부터 열을 제거하여, 그것이 냉장 유닛으로 재순환되기 전에, 기체를 액체 형태로 다시 변환시킨다. 응축기 코일(2)의 입구 온도(5) 및 출구 온도(6)가 측정될 수 있다. 유용한 실시양태에서, 입구 온도(5)는 약 40℃이고 출구 온도(6)는 약 35℃이다.
본원에 개시된 경화성 조성물은 응축기 코일(2) 및 증발기 코일(8) 둘 다에 도포될 수 있다. 경화성 조성물은 응축기 코일(2) 내에서 냉매를 액체로 변화시키기에 충분한 열을 흡수하고 냉장실(1)로부터 열을 흡수하여 냉장실(1)을 더 효율적으로 냉각한다. 따라서, 응축기 코일(2) 및 증발기 코일(8)에 도포된 경화성 조성물에 포함된 PCM은 각각의 작동 온도에 기초하여 다양할 수 있다. 추가로, 경화성 조성물이 응축기 코일(2) 또는 증발기 코일(8)에 도포된 경우에, 팬 (도시되지 않음)의 필요성이 줄어들거나 없어지므로 냉장 유닛의 전체 에너지 효율이 향상될 수 있다. 도 3은 경화성 조성물로 코팅되기 전의 응축기 코일을 도시한다. 도시된 응축기 코일은 아연도금 강철로 구성된다.
추가로, 냉장 유닛, 예컨대 도 1에 도시된 냉장 유닛에 있어서, 경화성 조성물이 응축기 코일(2)에 도포되는 경우에, 응축기(7) 주변의 주위 공기는 경화성 조성물에 존재하는 PCM을 재응고시키기에 충분하다. 바람직하게는, 경화성 조성물은 냉장 유닛에서 사용되는 액체, 냉장 유닛의 작동 온도, 및 경화성 조성물이 도포되는 냉장 유닛의 부품과 어울리도록 다양할 수 있다.
실시예
경화성 성분, 열 전도성 성분, 상 변화 물질, 및 경화 시스템을 포함하는 조성물을 본 발명에 따라 제조하였다. 이러한 조성물은 표 A에 열거되어 있다. 록타이트(LOCTITE)라는 브랜드명의 E-30CL은 코네티컷주 로키힐 소재의 헨켈 코포레이션(Henkel Corporation)으로부터 상업적으로 입수가능한 2파트 에폭시 접착제이다. 파트 B를 그대로 사용하였다. 파트 A에 에포딜(EPODIL) 749, MPCM 37D 및 그라파이트(Graphite) 5095 중 하나 이상을 첨가하였다. 에포딜 749는 뉴저지주 파시패니 소재의 에보니크 코포레이션(Evonik Corporation)으로부터 상업적으로 입수가능하며, 이는 에폭시 수지 시스템의 점도를 감소시키는 데 사용되는 네오펜틸 글리콜 디글리시딜 에테르이다.
<표 A>
Figure pct00001
! 제조업체에 의해 보고된 바와 같은, 에피클로로히드린-4,4'-이소프로필리덴 디페놀 수지 (90-100 wt%) 및 4,4'-메틸렌디페놀과 1-클로로-2,3-에폭시프로판의 중합체 (0.1-1 wt%).
@ 제조업체에 의해 보고된 바와 같은, 3,3'-옥시비스(에틸렌옥시)비스(프로필아민) (50-60 wt%).
# 제조업체에 의해 보고된 바와 같은, 도코산(Docosane).
샘플 번호 1-3을 코일 (동일한 치수를 갖고 동일한 물질로 구성된 각각의 코일)에 표 1에 명시된 바와 같은 적층 수준에 도달하도록 코팅하였다. 샘플 번호 1 및 2를 상이한 적층 수준으로 코일에 두 번 도포하였고; 샘플 번호 3을 상이한 적층 수준으로 코일에 세 번 도포하였다.
잠열 측정을 퍼킨 엘머(Perkin Elmer) DSC 8000을 사용하여 수행하였다. 열 전도도 측정을 가스켓 물질의 열 전도도 평가를 위한 표준 관행(Standard Practice for Evaluating Thermal Conductivity of Gasketing Materials)에 기초하는 공지된 표준 ASTM F-433에 따라 티에이 인스트루먼츠(TA Instruments) DTC-300 열 전도도 시험기에서 수행하였다.
<표 1>
Figure pct00002
도 1은 이러한 실시예에서 사용된 실험 장비 배열을 도시한다. 응축기 코일(2)은 25℃+/-0.1℃의 일정한 주위 온도(7)에 노출되었고 펌프(3) 및 유량계(4)에 연결되었다. 시스템 내의 물을 냉장실(1) 내에서 40℃의 일정한 온도로 가열하였다. 이어서, 코일 입구 온도(5)를 40℃에서 일정하게 유지하고 응축기 코일 출구 온도(6)를 측정하면서, 물을 제어된 유량으로 응축기 코일(2)을 통해 펌핑하였다. 측정을 분당 0.25 리터 내지 분당 0.75 리터의 다섯 가지의 상이한 유량에서 수행하였다. 각각의 유량에 대해 10분 유동 실행 후 18분 유동 중단의 5회 사이클을 완결하였다. 순간 전력 소산을 유량, 물 밀도, 물 열용량, 및 응축기 코일의 온도 변화로부터 계산하였다. 이어서 각각의 유동 실행/중단 사이클에 대해 시간에 따른 소산된 전력을 통합하고, 이어서 각각의 5회 유동 사이클에 대해 소산된 에너지를 합산함으로써, 소산된 에너지를 계산하였다. 측정 및 계산을 각각의 다섯 가지의 유량에 대해 수행하였다.
도 2는 각각의 평가된 코일로부터 상대적 소산된 에너지의 결과를 도시한다. 상대적 소산된 에너지의 산출값은 제어군, 즉 상 변화 물질-함유 조성물이 도포되지 않은 응축기 코일과 비교하여 상 변화 물질-함유 조성물로 코팅된 응축기 코일에 의해 소산된 에너지로부터 계산되었다. 낮은 잠열 및 높은 열 전도도를 갖는 상 변화 물질의 경우에, 소산된 에너지가 대조군에 비해 4.4 퍼센트 개선된 것으로 나타났다. 중간 잠열 및 중간 열 전도도를 갖는 상 변화 물질의 경우에, 대조군에 비해 7.3 퍼센트 개선된 것으로 나타났다. 높은 잠열 및 낮은 열 전도도를 갖는 상 변화 물질의 경우에, 대조군에 비해 10.2 퍼센트의 개선이 달성되었다.
결합제, 열 전도성 성분, 및 상 변화 물질을 포함하는 수성 조성물을 본 발명에 따라 제조하였다. 이러한 조성물은 표 B에 열거되어 있다. EPS 2111은 라미네이션 접착제, 특히 라텍스 폴리클로로프렌과의 블렌딩에 사용될 수 있는 모든 아크릴 결합제이다. 중합체는 다양한 기재에 대한 광범위한 접착력 및 우수한 180°박리력 및 내열성을 갖는다. 그것은 일리노이주 마렌고 소재의 엔지니어링 폴리머 솔루션즈(Engineering Polymer Solutions)로부터 상업적으로 입수가능하다. EPS 2111에 물, MPCM 37D 및 그라파이트 2939를 명시된 양으로 첨가하였다. 샘플 번호 4는 7% 물을 함유하였고; 샘플 번호 5는 8% 물을 함유하였고; 샘플 번호 6은 13% 물을 함유하였다.
<표 B>
Figure pct00003
아크릴 결합제가 샘플 번호 4-6에 사용되었지만, 다른 유형의 중합체 유화액 또는 수계 중합체 용액이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, PUR 분산액, 아크릴 유화액 또는 용액, 및 알키드 유화액 또는 용액이 또한 사용될 수 있다.

Claims (46)

  1. 일 단부는 유체를 수용하도록 구성되고 타 단부는 유체를 배출하도록 구성된 2개의 단부를 포함하는 중공 튜브이며, 여기서 중공 튜브는 내부 표면 및 외부 표면을 갖고, 여기서 조성물이 중공 튜브의 외부 표면의 적어도 일부분에 배치되고, 여기서 상기 조성물은
    A.
    i) 경화성 성분;
    ii) 열 전도성 성분;
    iii) 상 변화 물질; 및
    iv) 경화 시스템, 또는
    B.
    i) 결합제 성분;
    ii) 열 전도성 성분;
    iii) 상 변화 물질; 및
    iv) 물
    을 포함하는 것인
    중공 튜브.
  2. 제1항에 있어서, 금속으로 구성된 중공 튜브.
  3. 제2항에 있어서, 금속이 알루미늄, 강철, 구리, 또는 그의 조합 또는 합금으로부터 선택되는 것인 중공 튜브.
  4. 제1항에 있어서, 조성물이 산화방지제, 부식 억제제, UV-안정화제, 열안정화제, 난연제, 또는 그의 조합을 추가로 포함하는 것인 중공 튜브.
  5. 제1항에 있어서, 유체가 수성인 중공 튜브.
  6. 제1항에 있어서, 유체가 하나 이상의 알칸을 포함하는 것인 중공 튜브.
  7. 제1항에 있어서, 유체가, 분지형일 수 있고/거나 하나 이상의 할로겐 원자로 치환될 수 있는 하나 이상의 알칸을 포함하는 것인 중공 튜브.
  8. 제1항에 있어서, 유체가 이소부탄, 테트라플루오로에탄, 및 그의 조합을 포함하는 것인 중공 튜브.
  9. 제1항에 있어서, 경화성 성분이 에폭시 수지, 폴리우레탄 매트릭스, 핫 멜트, 규소 성분, (메트)아크릴레이트, 또는 그의 조합을 포함하는 것인 중공 튜브.
  10. 제1항에 있어서, 경화성 성분이 하나 이상의 포화, 불포화, 시클릭 또는 비-시클릭, 지방족, 지환족, 방향족 또는 헤테로시클릭 폴리에폭시드 화합물로부터 선택된 에폭시 수지 성분을 포함하는 것인 중공 튜브.
  11. 제1항에 있어서, 경화성 성분이 하나 이상의 일관능성, 다관능성, 선형 지방족, 분지형 지방족, 시클로지방족, 방향족, 알콕실화 알킬 및 아릴 기로부터 선택된 (메트)아크릴레이트 성분을 포함하는 것인 중공 튜브.
  12. 제1항에 있어서, 경화성 성분이 경화성 조성물의 총 중량을 기준으로 약 20 내지 약 80 중량 퍼센트의 양으로 존재하는 것인 중공 튜브.
  13. 제1항에 있어서, 열 전도성 성분이 질화붕소, 은, 구리, 또는 탄소로부터 선택되는 것인 중공 튜브.
  14. 제1항에 있어서, 열 전도성 성분이 경화성 조성물의 총 중량을 기준으로 약 1 내지 약 40 중량 퍼센트의 양으로 존재하는 것인 중공 튜브.
  15. 제1항에 있어서, 상 변화 물질이 캡슐화된 것인 중공 튜브.
  16. 제1항에 있어서, 상 변화 물질이 약 25℃ 내지 약 60℃ 범위의 온도에서 고체로부터 액체로 상을 변화시키는 상 변화 물질을 포함하는 것인 중공 튜브.
  17. 제1항에 있어서, 상 변화 물질이 약 30℃ 내지 약 40℃ 범위의 온도에서 고체로부터 액체로 상을 변화시키는 상 변화 물질을 포함하는 것인 중공 튜브.
  18. 제1항에 있어서, 상 변화 물질이 약 15 ㎛ 내지 약 30 ㎛ 범위의 입자 크기를 갖는 것인 중공 튜브.
  19. 제1항에 있어서, 상 변화 물질이 파라핀, 지방산, 에스테르, 알콜, 글리콜, 유기 공융혼합물(eutectic), 바셀린, 밀랍, 팜 왁스, 미네랄 왁스, 글리세린 및/또는 특정 식물성 오일을 포함하는 것인 중공 튜브.
  20. 제1항에 있어서, 상 변화 물질이 염 수화물 및/또는 저융점 금속 공융혼합물을 포함하는 것인 중공 튜브.
  21. 제1항에 있어서, 상 변화 물질이 중합체 쉘 내에 약 75 내지 약 95 중량 퍼센트의 파라핀 왁스를 포함하는 것인 중공 튜브.
  22. 제1항에 있어서, 상 변화 물질이 중합체 쉘 내에 약 85 내지 약 90 중량 퍼센트의 파라핀 왁스를 포함하는 것인 중공 튜브.
  23. 제1항에 있어서, 상 변화 물질이 약 250℃의 온도까지 누출에 대해 안정한 것인 중공 튜브.
  24. 제1항에 있어서, 상 변화 물질이 조성물의 총 중량을 기준으로 약 20 내지 약 80 중량 퍼센트의 양으로 존재하는 것인 중공 튜브.
  25. 제1항에 있어서, 경화 시스템이 경화제 및/또는 자유 라디칼 개시제를 포함하는 것인 중공 튜브.
  26. 제1항에 있어서, 경화 시스템이 질소-함유 화합물을 포함하는 것인 중공 튜브.
  27. 제1항에 있어서, 경화 시스템이 아민 화합물, 아미드 화합물, 이미다졸 화합물, 구아니딘 화합물, 우레아 화합물 및 그의 조합을 포함하는 것인 중공 튜브.
  28. 제1항에 있어서, 경화 시스템이 과산화물을 포함하는 것인 중공 튜브.
  29. 제1항에 있어서, 경화 시스템이 경화성 조성물의 총 중량을 기준으로 약 30 내지 약 50 중량 퍼센트의 양으로 존재하는 것인 중공 튜브.
  30. 제1항에 있어서, 경화성 조성물이 약 0.2 내지 약 1.2 W/m/K의 열 전도도를 갖는 것인 중공 튜브.
  31. 제1항에 있어서, 경화성 조성물이 약 60 내지 약 200 J/g의 융해 잠열을 갖는 것인 중공 튜브.
  32. 제1항에 있어서, 경화성 조성물이 약 60 내지 약 120 J/g의 융해 잠열을 갖는 것인 중공 튜브.
  33. 제1항에 있어서, 경화성 조성물이 0.06의 융해 잠열에 대한 열 전도도의 비를 갖는 것인 중공 튜브.
  34. 제1항의 중공 튜브를 포함하는 냉장 유닛.
  35. 압축기, 응축기 코일, 및 적어도 하나의 증발기 코일을 포함하는 냉장 유닛.
  36. 제35항에 있어서, 제1항의 중공 튜브가 응축기 코일인 냉장 유닛.
  37. 제35항에 있어서, 제1항의 중공 튜브가 증발기 코일인 냉장 유닛.
  38. 제35항에 있어서, 중공 튜브에 의해 수용되는 유체가 약 40℃의 온도를 갖는 것인 냉장 유닛.
  39. 제35항에 있어서, 중공 튜브에 의해 배출되는 유체가 약 35℃의 온도를 갖는 것인 냉장 유닛.
  40. 제35항에 있어서, 상 변화 물질이, 상 변화 물질의 전이 온도와 중공 튜브에 의해 수용되는 유체의 온도와의 비교에 기초하여 선택되는 것인 냉장 유닛.
  41. 제35항에 있어서, 상 변화 물질이 약 39℃의 용융 온도를 갖는 것인 냉장 유닛.
  42. 제35항에 있어서, 상 변화 물질이 약 34℃의 응고 온도를 갖는 것인 냉장 유닛.
  43. 제36항의 냉장 유닛을 포함하는 가정용 냉장 설비.
  44. 제37항의 냉장 유닛을 포함하는 가정용 냉장 설비.
  45. 경화성 성분, 열 전도성 성분, 상 변화 물질, 및 경화 시스템을 포함하는 경화성 조성물.
  46. 결합제 성분; 열 전도성 성분; 상 변화 물질; 및 물을 포함하는 조성물.
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