KR100334213B1 - 갈바니부식 감소 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상위 금속의 노출 표면이 하위 금속과 전기적으로 더 컴패티블한 금속으로 코팅되어 상호 접촉하는 상이한 금속의 갈바니부식을 감소시키는 방법에 관한 것이다.

Description

갈바니부식 감소 방법 {METHOD OF REDUCING GALVANIC CORROSION}

갈바니부식은 2개의 상이한 금속이 전해액 중에서 상호 접촉해서 전지쌍을 형성할 때 발생한다. (전기 화학 계통에서 상위의) 상위 금속(more noble metal)은 환원 반응을 위한 표면 영역을 제공하고, (전기 화학 계통에서 하위의) 하위 금속(less noble metal)은 산화 반응에서 부식된다. 산화는 두 금속의 경계면에서 가장 많은 양이 발생하고, 또한 실질적인 경계면에서 약간 떨어진 부분에서도 발생할 수 있다. 해안 지역에서, 가장 일반적인 전해액은 공기 중의 소금물이다. 미세한 소금물 입자는 해안으로부터 내륙으로 80km(50mile)까지 날아갈 수도 있다. 산업 공해에서의 이산화황도 공기 중의 수분과 결합할 때 전해액을 생성한다.

갈바니부식을 방지하는 일반적인 방법은 금속의 노출된 표면을 다양한 유형의 도료로 코팅하는 것이다. 이러한 보호 코팅은 여러 가지 이유 때문에 제한된 성과만을 얻을 수 있었다. 코팅의 주된 문제점은 부식을 방지하는 효과가 자외선 및 산성비와 같은 환경에 노출됨으로써 저하된다는 것이다. 다른 일반적인 문제점은 코팅 재료가 종종 금속 모재에 잘 부착되지 않고, 실제로 벗겨져 나가거나 또는침식되어 금속 모재를 부식시킨다. 또한, 이러한 보호 코팅은 다소 투과성이 있어서, 전해액이 모재의 표면을 침투해서 전지쌍에 접촉하는 것을 허용한다. 또한, 특정 재료의 표면에 보호 코팅을 하는 것은 성능에 역효과를 미칠 수 있다.

장치의 사용 수명을 연장시키기 위한 노력의 일환으로 다양한 금속 재료로 종래의 구리-알루미늄 열교환기를 코팅하려는 시도가 있었는 데, 그 결과의 정도가 다양했다. 이러한 코팅 재료는 종종 장치의 열전달 성능을 저하시키고, 불량 접착 특성을 나타내고, 부환경에 노출될 수 있는 모든 영역에 침투하지 못한다.일본 특허 공보 제53132449호는 조립체 전체가 알루미늄 황동 피복으로 코팅된 철 파이프와 알루미늄 핀으로 제작된 열교환기를 개시한다. 영국 특허 공보 제2284882호는 튜브 자체의 부식을 방지하도록 튜브 상에 부식 방지막을 제공하고 튜브와 핀 사이의 결합을 개선하기 위해 금속 코팅, 특히 연질 가단 금속으로 코팅된 양호하게는 강철 튜브로 제작되는 핀/튜브 열교환기를 개시한다. 프랑스 특허 공보 제2179317호는 튜브가 20㎛ 내지 50㎛의 두께로 열간 침착 공정을 거쳐 도금된 연납으로 코팅되는 구리 튜브와 알루미늄 핀으로 제작된 열교환기를 개시한다. 일본 특허 공보 제63034495호는 아연을 함유할 수 있는 알루미늄 합금 황동으로 플레임 코팅된(flame-coated) 알루미늄 핀과 알루미늄 합금 튜브를 갖는 열교환기를 개시한다.

본 발명은 부식 환경에서 금속을 보호하는 것에 관한 것이며, 특히 공조 장치 내에 사용되는 구리-알루미늄 열교환기를 보호하는 것에 관한 것이다.

도1은 본 발명에 따라 처리된 열교환기 튜브를 포함하는 열교환기의 사시도이다.

통상 본 발명은 진보된 갈바니부식 보호 방법을 제공한다. 본 발명에 따라 하나가 다른 것보다 더 상위에 있는 2개의 금속으로 만들어진 재료에 있어서, 금속의 외측 표면은 상위 금속의 표면 및 하위 금속과 상위 금속 사이에 보호 층을 형성하도록 조립되기 전에, 상위 금속이 하위 금속과 갈바니전기적으로 컴패티블(compatible)한 것보다 하위 금속과 갈바니전기적으로 더 컴패티블한 금속으로 처리되고, 이에 의해 하위 금속의 갈바니부식이 감소된다. 상위 금속에 도금되는 처리 금속의 최적 선택을 통해, 본 발명은 예를 들어 전해액 중의 열교환기의 구리 튜브에 장착된 알루미늄 핀과 같은 하위 금속의 부식을 일으키는 산화 환원 반응을 현저하게 감소시킨다.

이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명은 구리-알루미늄 열교환기의 갈바니부식 방지를 제공하기 위해 설명된다. 그러나, 본 발명이 다음의 실시예에제한되지 않고, 상이한 금속들이 전해액 중에서 상호 접촉하는 다수의 배열과 관련해서 이용될 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.

도1은 공조 장치 내에 보편적으로 사용되는 유형의 핀/튜브 열교환기(10)를 도시한다. 열교환기는 열교환 장치를 통해 냉매를 이동시키기 위한 하나 또는 그 이상의 유동 순환로를 포함한다. 설명을 목적으로, 열교환기(10)는 90°튜브 굽힘부(5)에 의해 열교환기(10)의 한쪽 단부에서 연결되는 유입 관로(3)와 유출 관로(4)로 구성된 단류 순환 튜브(2)를 포함한다. 그러나, 더 많은 순환로가 시스템의 필요에 따라 장치에 부가될 수 있다는 것은 자명하다. 장치는 또한 유동 순환로의 선을 따라 이격된 부품인 반경방향으로 배치된 평판을 포함하는 일련의 핀(fin: 6)을 포함한다. 핀(6)은 가스가 튜브(2)의 연장부 위로 이격된 핀(6) 사이를 통과하는 가스 유동 통로를 형성하도록 조립체 내에서 한 쌍의 단부 평판(7, 8) 사이에 지지된다.

전술한 바와 같이, 이러한 유형의 열교환기는 일반적으로 사용 중에 부식 환경에 노출된다. 전형적인 배열에서, 이러한 유형의 열교환기는 순환 유동 튜브로 구리관을 사용하고 핀으로는 알루미늄을 사용해서 제작된다. 핀은 튜브와 접촉해서 배치되어 전도 열전달에 의해 튜브로부터 열을 흡수해서, 그 열을 대류 열전달에 의해 튜브 상을 유동하는 (일반적으로 공기인) 가스로 방출한다. 구리는 양호한 열 전달 특성, 내 부식성 및 보수의 용이함 때문에, 튜브를 제작하는 데 이용된다. 핀은 알루미늄의 양호한 열전달 특성, 제작의 용이함 및 저렴한 비용 때문에 알루미늄으로 제작된다. 전체가 알루미늄 또는 구리로 제작된 열교환기는 갈바니부식 문제점을 해결하기 위한 특정한 용도로 사용되는 데, 전술한 교환 비용이 필요하다.

알루미늄은 전기 화학 계통에서 구리보다 현저하게 하위이고, 즉 하위 금속이다. 이는 알루미늄이 전해액 중에서 구리와 접촉할 때 산화되거나 부식되는 이유 때문이다. 도1에 도시된 배열에서, 튜브와 핀의 경계면은 전지쌍이 만들어지고 알루미늄 핀의 부식이 발생하는 부분이다. 교차부에서 핀이 부식되면 핀은 더이상 튜브와 접촉하지 않고, 따라서 핀이 튜브로부터 열을 흡수하는 기능을 상실하기 때문에 열교환기 효율은 현저하게 감소한다.

이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명에 따라 튜브(2)의 노출 표면은 알루미늄 또는 알루미늄과 전기적으로 더 컴패티블한 금속으로 코팅되거나 강화된다. 전지쌍이 알루미늄 코팅과 알루미늄 핀(6) 사이에서 형성되지 않기 때문에, 알루미늄이 가장 적합한 재료이다. 그러나, 아연, 주석, 마그네슘, 갈륨, 카드뮴 및 납과 같은 활성 금속 또한 전지쌍의 범위 및 핀 재료의 산화 비율을 감소시킨다.

구리 튜브(2)의 알루미늄 코팅 또는 표면 강화는 열교환기(10)가 조립되기 전에 완성된다. 구리에 알루미늄 코팅을 하는 것은 공지된 방법이고, 부식 방지를 위한 종래의 코팅과 관련해서 전술한 문제점을 실질적으로 제거하기 위해 어느 정도 정밀하게 수행될 수 있다. 구리 튜브에 알루미늄 코팅을 하기 위한 여러 공정들은 업계에 공지되어 있고, 본 발명에서 개시된다. 코팅 공정은 열간 침착, 전기도금, 알루미늄 충전 도장 및 슬러리(slurries), 그리고 용사를 포함한다. 표면 강화 공정은 이온 증착, 화학 증착 및 물리 증착을 포함한다.

본 발명의 중요한 특징은 유동 순환 튜브(2)의 전체 표면 상에 균일한 알루미늄 코팅을 형성하는 것이다. 개시된 공정에 관계없이, 튜브 표면 가공, 튜브 예열 온도, 코팅 성분 및 코팅 두께의 변수는 본 발명의 양호한 결과를 성취하기 위해 신중하게 제어되어야 한다. 튜브 노출 표면의 가공은 코팅 재료가 튜브에 확실하게 부착되도록 구리에서 표면 산화 층을 제거하는 것이 바람직하다. 다수의 표면 가공 공정이 업계에 공지되어 있으며, 환원성 가스, 용제 및 숏블라스팅을 이용한다. 튜브 예열 온도는 코팅 공정 중에 구리의 용해를 방지하고 금속간 성장을 억제하도록 24℃와 600℃ 사이에서 제어된다.

코팅은 코팅에 손상을 입히지 않고 열교환기를 연속적으로 조립할 수 있도록 높은 연성을 갖는 것이 양호하다. 코팅의 연성은 코팅 성분과 코팅의 두께에 의해 어느 정도 결정된다. 이상적인 코팅 재료는 핀 재료와 정확히 일치하지만, 전술한 것과 같이 튜브 재료보다 핀 재료와 갈바니전기적으로 더 컴패티블한 금속 성분이 핀(6)의 산화율을 저하시킨다. 특정한 알루미늄 합금이 본 발명에서 사용되도록 개시되고, 이는 규소와 혼합된 알루미늄 및 아연과 혼합된 알루미늄을 포함한다. 코팅은 효과적으로 전해액의 침투를 방지하기에 충분한 두께이어야 한다. 그러나, 어떠한 코팅도 장치의 열교환기에 대해 다소간 역효과를 갖기 때문에, 과도하게 두꺼운 보호 층은 피해야 한다. 본 발명에서 개시된 두께의 최적 범위는 2.5㎛(0.1mil) 내지 51㎛(2mil)이다.

Claims (10)

1. 조립된 제1 하위 금속이 제2 상위 금속의 노출 표면과 접촉하는 표면을 갖는 조립체가 전해액에 노출되었을 때 제2 상위 금속 부재를 구비한 조립체 내의 제1 하위 금속 부재의 갈바니부식을 감소시키는 방법에 있어서, 제1 하위 금속 부재를 제2 상위 금속 부재에 조립하기 전에 제2 상위 금속 부재가 제1 하위 금속 부재와 갈바니전기적으로 컴패티블한 것보다 제1 하위 금속 부재와 갈바니전기적으로 더 컴패티블한 금속으로 제2 상위 금속 부재의 노출 표면을 처리하고, 이에 의해 제2 상위 금속 부재의 노출 표면 상에 그리고 제1 하위 금속 부재와 제2 상위 금속 부재 사이에 보호 층이 형성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 제2 상위 금속 부재는 본질적으로 구리로 구성되고, 제1 하위 금속 부재는 본질적으로 알루미늄으로 구성되고, 그리고 처리 금속은 알루미늄, 규소를 포함하는 알루미늄 합금, 아연을 포함하는 알루미늄 합금, 아연, 주석, 마그네슘, 갈륨, 카드뮴, 납 및 이들의 화합물로 구성된 그룹에서 선택된 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 처리 단계는 제2 부재의 노출 표면에 처리 금속의 층을 형성하도록 처리 금속으로 제2 상위 금속 부재의 노출 표면을 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제3항에 있어서, 코팅 공정은 열간 침착 공정, 전기도금 공정, 도장 공정 또는 용해 코팅 공정인 것을 특징으로 하는 방법.
5. 외측 표면을 갖는 적어도 하나의 금속 열전달 튜브와 열전달 튜브 금속보다 하위 금속으로 형성되어 열전달 튜브의 외측 표면에 조립되는 적어도 하나의 금속 핀을 포함하며, 전해액에 노출되어 사용되는 열교환기 핀의 갈바니부식을 감소시키는 방법에 있어서, 적어도 하나의 핀을 열전달 튜브의 외측 표면에 조립하기 전에 상위 금속 튜브가 하위 금속 핀과 갈바니전기적으로 컴패티블한 것보다 하위 금속 핀과 갈바니전기적으로 더 컴패티블한 금속으로 열전달 튜브의 외측 표면을 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 열전달 튜브 금속은 구리이고, 핀 금속은 알루미늄이고, 그리고 처리 금속은 알루미늄, 규소를 포함하는 알루미늄 합금, 아연을 포함하는 알루미늄 합금, 아연, 주석, 마그네슘, 갈륨, 카드뮴, 납 및 이들의 화합물로 구성된 그룹에서 선택된 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제6항에 있어서, 처리 단계는 열전달 튜브의 노출 표면에 처리 금속의 층을 형성하도록 처리 금속으로 열전달 튜브의 노출 표면을 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제7항에 있어서, 코팅 공정은 열간 침착 공정, 전기도금 공정, 도장 공정 또는 용해 코팅 공정인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제3항 또는 제4항에 있어서, 처리 금속의 층은 2.5㎛(0.0001inch)와 51㎛(0.002inch) 사이의 두께인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제7항 또는 제8항에 있어서, 처리 금속의 층은 2.5㎛(0.0001inch)와 51㎛(0.002inch) 사이의 두께인 것을 특징으로 하는 방법.