흡착 열교환기 제조 방법 document_id A220623022886

흡착 열교환기는 열에너지를 공급하고 방출하기 위해 사용되는 열교환기 구조물을 포함하여 구성되며, 열교환기 구조물은, 작동 매체(working medium)-흡착재(sorptive)라고도 함-의 상변화를 이용해 잠열을 비축하거나 방출하는 흡착제 물질(sorbent material)과 열접촉하고 있다. 기상의 작동 매체의 응축으로 열이 방출된다. 반대로, 열교환기 구조물을 통해 제공된 열에너지로 기화가 다시 일어날 수 있다. 흡착재의 상변화를 수행하기 위해 대체로 고상 물질이 사용된다. 흡착제 물질은 높은 표면적 대 체적비를 갖도록 하는 개공성 구조(open-pore structure)를 특징으로 한다. 흡착제 물질의 전형적인 표면적은 그램당 수백 평방미터에 이른다. 이들 물질의 내부 공극은 분자크기의 치수를 갖는다. 흡착제 물질은 그 미세 기공 구조 내부로 외부의 원자 및 분자를 흡착하여 그들을 기상(gas phase)으로부터 결합된 상태(bonded state)로 전이시키는 것에 기하여 효과를 발휘한다. 흡착 열교환기의 흡착제 물질의 예로는 벤토나이트와 같은 점토(clay), 실리카겔, 제올라이트를 들 수 있다. 이들 흡착제 물질을 위한 작동 매체로는 보통 물이 사용된다. 물은 2000kJ/kg 의 높은 응축열을 가지며 게다가 사용하기 쉬운 작동 매체이다. 엄밀히 말해서, 상변화를 겪는 작동 매체는 두 가지 특별한 용어로 지칭된다. 흡착되고는 있으나 덜 흡착된 상태의 작동 매체인 경우를 흡착재(sorptive)라고 부르며, 반면에 흡착된 상태의 작동 매체를 소르베이트(sorbate)라고 부르고 있다. 서로 다른 다수의 용어의 개수를 줄이기 위해 본 명세서에서는 상의 상태에 무관하게 작동 매체를 흡착재로 칭할 것이다. 흡착 열교환기의 전형적인 용도는 잠열 교환기와 흡착 열펌프이다. 잠열 열교환기는 열에너지를 비축하는데 사용되며 흡착 열펌프는 흡착제 물질을 열펌프 기술에 사용한다. 흡착 열교환기로, 예를 들어 열 운반 액체가 유입되어, 외부로부터 열에너지가 공급되면 외부로부터 유입되는 열이 흡착제 물질로 효과적으로 전달되어서 그 안에 위치한 흡착된 작동 매체가 풀려나도록 하여야 한다. 반대의 경우에, 흡착 열교환기로부터 열이 유출되는 열에너지 방출이 일어나면, 흡착제 물질 상의 작동 매체의 응축의 결과로 방출되는 열에너지가 흡착 열교환기로부터 외부로 이동되어야 한다. 알려져 있는 흡착제 물질은 열전도도가 좋지 않으므로, 흡착 열교환기는 높은 열전도도를 갖는 열교환기 구조물과, 작동 매체를 묶거나 풀어주는데 사용되는 흡착제 물질의 조합으로 만들어진다. 열교환기 구조물은 대개 구리, 알루미늄, 스텐레스강과 같은 금속재료로 만들어지거나 높은 열전도도를 갖는 어떤 세라믹 재료나 어떤 합성수지 재료로 구성된다. 열교환기는 열 운반 매체가 직접 흐를 수 있도록 하는 공극들을 구비하며, 통상적으로 열 운반 매체는 흡착제 물질과 직접 접촉하지 않는다. 열교환기 구조물은 흡착제 물질과 열접촉한다. 가장 간단한 경우에 있어서, 흡착제 물질은 분말 형태 또는 바인더와의 혼합에 의한 펠렛의 형태인 벌크 재료 형태이다. 구현이 용이한 그러한 구조에는 몇 가지 단점이 있다. 우선 흡착제 물질과 열 교환기 구조물 벽 사이의 열전달이 좋지 않다. 열교환기 구조물과 직접 접촉하지 않는 영역에 있는 흡착제 물질의 경우에는 더 나쁘다. 추가적인 문제로, 가능한 한 기체 상태로 흡착재(작동 매체)를 흡착제 물질에 공급하여야 한다. 그러나, 이는 흡착제 물질의 미세 기공 구조에 추가하여 기체 상태 작동 매체의 대류 이동을 위한 연속적인 채널 구조를 요한다. 위에서 설명한 바와 같이 미리 만들어진 열교환기 구조물 내로 흡착제 물질이 벌크 재료의 형태로 도입되는 경우에는 흡착제 물질에 작동 매체를 위한 그러한 채널 시스템이 유지되도록 주의하여야 한다. 흡착제 물질이 너무 빽빽해서는 안될 것이 요구된다. 이 문제를 해결하기 위해서, 분말 흡착제 물질이 아니라 과립상 또는 펠렛상의 흡착제 물질이 도입된다. 그러나, 이로 인해서 흡착제 물질 개별 입자들 간에 점상으로 접촉함에 따라 열교환기 구조물로의 또는 열교환기 구조물로부터의 열전도가 나빠진다는 단점이 있다. 따라서 효과적인 흡착 열교환기를 만들기 위해서는 목표의 충돌이 있게 된다. 한편으로는 흡착제 물질과 열교환기 구조물간에 가능한 최상의 열접촉이 필요하다. 또 한편으로는 흡착제 물질의 개공성 구조를 유지하는 동시에 흡착제 물질에 가스상의 흡착재(작동 매체)의 이송을 위한 거시적인 채널 시스템을 형성할 필요가 있다. 이러한 문제를 해소하기 위해서 열교환기 구조물의 적어도 일부분이 흡착제 물질로 코팅된 얇은 금속판 또는 금속 호일로부터 형성된 흡착 열교환기가 알려져 있다. JP 11300147A는 표면상에 흡착제 미립자들이 접착층 내에 적어도 일부분 임베드된 코팅 호일을 제조하는 것을 개시한다. 추가적으로, 상기 흡착제 미립자들은 평면적으로 도포된 필름에 의해 덮인다. 흡착 열교환기 구조를 만들기 위해서, 그와 같이 코팅된 호일을 벌집상 구조로 접는다. 흡착 열교환기 요소를 제조하기 위한 방법이 DE 41 29 700 C2로부터 공지되어 있다. 열교환기 요소는 복수개의 평판으로부터 만들어지는데, 상기 평판 각각은 접착층과 그에 임베드된 무기 흡착 미립자로 된 코팅을 지닌다. 열교환기 요소를 완성하기 위해, 상기 평판의 일부에는 파형 구조가 제공되고 파형있는 판과 평평한 판이 순서대로 쌓인 시스템이 형성된다. 평판을 제조하기 위한 출발점은 30마이크로미터 두께의 알루미늄 호일이며, 그 위에 10 내지 30 마이크로미터 두께의 접착층이 브러쉬나 롤러에 의해 도포된다. 폴리비닐 아세테이트 군으로부터의 접착제가 이러한 목적을 위해 사용된다. 이 접착제는 먼저 접착층이 여전히 점성이 있고 완전히 고착되지는 않도록 약간 건조된다. 100마이크로미터 미만 직경의 합성 제올라이트 미립자들을 접착층에 불어 보내어, 제올라이트 미립자들이 거의 완전히 접착제 층에 임베드되도록 하여서 12g/m2 로딩을 제공한다. 그 다음에는 대략 10초 내로 100 내지 250도씨의 온도로 급속 가열한다. 이 급속 가열 공정의 결과로, 제올라이트 미립자의 기공에 묶여 있던 가스가 풀려나게 되며, 그에 따라 임베드된 제올라이트 미립자와 코팅 표면 사이의 가스 교환을 위한 채널들이 형성된다. 채널 형성을 향상시키기 위해서 접착제 내에 추가적인 확장제를 넣는 것이 제안된다. 그 다음에 접착층은 건조 가열 장치 내에서 고착되고 건조된다. 흡착제 물질이 미리 코팅된 호일을 갖는 흡착 열교환기는 열교환기 구조물의 벽과 흡착제 물질 간의 접촉 영역을 주의 깊게 배치하는 것이 가능한 장점이 있다. 또한, 호일 구조의 각각의 3차원 형상에 의해 기상의 흡착재를 위한 적당한 채널 시스템이 제공될 수 있다. 하지만 코팅을 위한 추가적인 작업 단계가 필요하며 코팅을 도포한 후 호일에 행해지는 추가적인 공정이 번거롭다는 단점이 있다. 도포된 흡착제 물질 때문에 호일은 조심스럽게 다루어져야 할 필요가 있다. 나아가, 가장 얇은 호일들은 정적인 안정성(static stability)의 관점에서 제한된다. 이러한 인자들로 인해 열교환기 구조물의 자유로운 설계가 방해된다. 추가적으로 공지된 호일 코팅은 흡착제 물질의 로딩에 관련하여 제한된다는 점도 고려될 필요가 있다. 로딩 밀도가 높아지면 더 큰 흡착제 미립자를 요하는데, 이는 공지된 호일 코팅 방법으로는 한계가 있다. JP 2000018767A로부터 공지된 흡착 열교환기 제조방법에서는, 먼저 열교환기 구조물이 형성하고 그 다음에 열교환기 구조물에 흡착제 물질과 접착제를 충진한다. 위에서 설명한 문제점을 회피하기 위해서, 흡착제 물질과 열가소성 접착제로 만들어진 충진제가 열교환기 구조물 내부로 도입된다. 접착제와 흡착제 물질은 공히 과립 형상으로 존재하며, 흡착제 물질과 접착제의 입경은 서로에 맞게 조절된다. 후속되는 가열단계에서 접착제는 용융되어 각각의 흡착제 과립을 서로 점상으로(point-like manner) 결합시킨다. 열가소성 접착제의 과립 크기가 충분히 작게 선택되는 경우에는, 용융단계 후에도 각각의 흡착제 과립들 간에 공극들이 남게되며, 이들 공극들이 기상의 흡착재 이송을 위해 제공되는 것이다. 이러한 방법은 흡착제 과립들간의 열전도도 및 흡착제 물질의 기계적인 고화(mechanical solidfication)의 관점에서 느슨한 벌크 물질(loose bulk material)에 비해 개선이 있다. 하지만 기상 흡착재의 충분한 이송을 위한 적당한 채널 시스템이 얻어지지 않는다는 문제가 여전하다. 또한, 벌크 물질을 느슨하게 도입시키는 결과로 흡착제 물질 내에는 열교환기 구조물의 벽과 어떤 거리를 두고 있는 영역이 존재하며, 그로 인해 열교환기 구조물로부터의 및 열교환기 구조물로의 열 전달에 악영향이 있다.