KR100867143B1 - 이중관 구조를 갖는 스테인리스스틸재의 열교환 파이프 및그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주로 콘덴싱 보일러의 잠열부열교환기에 채용되어 외부로부터 공급되는 냉수를 잠열로 1차 가열하는데 사용되는 열교환 파이프를 구성함에 있어서, 서로 마주하는 면이 밀착되는 상태로 2겹으로 겹쳐지게 형성되는 전열 핀이 외주면에 연속적으로 일체 형성되는 스테인리스스틸재의 제1전열 관과, 냉수가 흐르도록 상기 제1전열 관의 내부에 밀착지지 되도록 확관 설치됨과 동시에 그 내주 및 외주면으로 동 도금층이 형성된 스테인리스스틸재의 제2전열 관, 및 상기 제2전열 관의 내부에 설치되어 냉수의 유속 흐름을 방해하기 위한 난류생성부재를 포함하여 구성되고, 상기 스테인리스스틸재의 제1 및 제2전열 관과 난류생성부재는 브레이징 작업에 의해 상기 제2전열 관의 내 외주면으로 피막된 동 도금층에 의해 일체로 접합되도록 구성하거나, 또는 상기한 구조를 갖도록 각 단계를 거쳐 제조함으로써 냉수의 열 교환을 이루는 열교환 파이프를 모두 내식성이 우수한 스테인리스스틸 소재를 이용하여 이중관 구조로 제작하면서도 파이프의 제작 및 조립 작업이 신속 용이하고, 또 파이프 내부를 흐르는 냉수의 흐름이 지체되도록 방해하여 스테인리스스틸 소재로 파이프를 제작하더라도 높은 열교환 효율을 제공하는 것이 가능하도록 한 이중관 구조를 갖는 스테인리스스틸재의 열교환 파이프 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

열교환 파이프, 보일러, 스테인리스스틸, 열교환기

Description

이중관 구조를 갖는 스테인리스스틸재의 열교환 파이프 및 그 제조방법{Pipe with stainless steel for heat exchange process of the same}

본 발명은 주로 콘덴싱 보일러의 잠열부열교환기에 채용되어 외부로부터 공급되는 냉수를 잠열로 1차 가열하는데 사용되는 이중관 구조를 갖는 스테인리스스틸재의 열교환 파이프 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉수의 열 교환을 이루는 열교환 파이프를 모두 내식성이 우수한 스테인리스스틸 소재를 이용하여 이중관 구조로 제작하면서도 파이프의 제작 및 조립 작업이 신속 용이하고, 또 파이프 내부를 흐르는 냉수의 흐름이 지체되도록 방해하여 스테인리스스틸 소재로 파이프를 제작하더라도 높은 열교환 효율을 제공하는 것이 가능하도록 한 이중관 구조를 갖는 스테인리스스틸재의 열교환 파이프 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 가정이나 공공건물에 설치 사용되는 보일러는, 기름이나 가스를 연료로 사용하고, 이를 버너를 통해 연소시킨 다음 이 연소과정에서 발생되는 연소열을 이용하여 냉수를 가열하고 이 가열된 온수를 난방용이나 온수용 등으로 사용하도록 하는 연소기기의 일종이다.

이러한 보일러, 특히, 콘덴싱 보일러에는 외부로부터 공급되는 냉수를 연소열로 열교환하기 위한 열교환기가 연소실의 내부에 구비되어 있다. 그리고, 상기한 열교환기는 버너의 연소열에 의해 직접 가열되어 열교환 파이프들을 지나는 난방수를 데워주는 현열부열교환기와, 연소실의 내부에서 발생되는 배기가스와 열교환을 통해 배기가스의 잠열(潛熱)로 열교환 파이프들을 순차적으로 지나는 냉수를 가열하는 잠열부열교환기로 이루어진다. 상기한 잠열부열교환기는 현열부열교환기의 상부에 설치되고, 상기 잠열부열교환기와 현열부열교환기는 난방수의 공급이 가능하도록 관으로 서로 연결되어 있다. 상기한 잠열부열교환기에서는 열교환파이프들을 지나는 냉수가 배기가스의 잠열에 의해 열교환이 이루어지면서 1차로 가열되고, 또 1차 가열된 상태의 온수는 현열부열교환기로 공급되면서 버너의 직접 열로 가열되어 난방이나 온수에 필요한 온도로 데워지도록 함으로써 보일러의 열교환 효율을 높이도록 하고 있다.

그러나 상기한 구조의 열교환기를 갖는 보일러에 있어서, 특히 잠열부열교환기의 경우, 이에 구비되는 열교환 파이프를 지나가는 냉수를 가열하는 연소 과정 중에 잠열부열교환기의 내부와 주변 온도차에 의한 응축수가 발생할 수 있고, 이와 같이 열교환 과정에서 응축시 발생되는 산성수분과 연소과정에서 발생되는 배기가스중의 황산화물, 질소산화물 및 연소열로 인해 잠열부열교환기에 구비된 열교환 파이프가 쉽게 부식이 발생되는 문제가 있고, 이러한 부식 발생의 문제는 염분에 많이 노출되는 선박이나 해안지대, 섬 지역 등에서 사용하는 경우 열교환기의 내구성에 심각한 문제를 야기하게 되고, 또 그만큼 사용수명을 현저하게 단축하는 문제로 이어지게 된다.

따라서, 배기가스의 잠열(潛熱)로 냉수를 1차적으로 열교환하는 잠열부열교환기는 무엇보다도 응축(凝縮) 과정에서 발생되는 응축수에 의한 부식 현상이 방지되도록 열교환 파이프를 제작하는 것이 중요하고, 또 그러면서도 열교환 효율은 낮아지지 않도록 설계되는 것이 매우 중요하다 할 것이다.

상기한 점을 감안하여, 종래에도 잠열을 이용한 냉수의 열교환 과정에서 발생되는 응축수에 의한 부식을 방지하면서도 열교환효율은 낮아지지 않도록 하기 위한 여러 형태 및 구조의 열교환 파이프가 제안되고 있는바, 이하에서 그 예를 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.

종래 제안되고 있는 열교환 파이프는 주로 열교환 효율을 떨어뜨리지 않으면서도 응축수 발생에 의한 부식을 방지하고자 열전도율이 양호한 동 재질이나 내식성의 알루미늄재질을 이용하여 단관 또는 이중관으로 제작되고 있는 실정이며, 이중관 구조의 경우, 내부는 주로 동 재질의 관이 이용되고, 또 외부는 부식을 방지하기 위해 알루미늄 재질의 관이 주로 이용 제작되고 있다. 그리고, 단일 또는 이중관의 외측으로 구비되는 외부 관으로는 열교환 효율을 높이기 위하여 다양한 구조 및 재질로 이루어지는 복수 개의 전열 핀(일명, 하이핀(High fin)이 라고도 함)이 형성되어 있는 구조이다.

그러나, 종래 제안되고 있는 열교환 파이프는 주로 동 재질이나 알루미늄재질을 사용함으로써 양호한 열전도성 또는 내부식성은 가질 수 있으나, 그 재질 특성상 특히 알루미늄 재질의 경우, 파이프의 두께가 얇으면 쉽게 부식되고, 또 그로 인해 사용수명이 현저하게 단축되는 문제가 발생되기 때문이 부득이 파이프의 두께가 적어도 0.6㎜이상으로 두껍게 제작되어야 하는 것이다. 따라서, 이러한 알루미늄 재질을 이용하여 열교환 파이프 사용하여 잠열부열교환기를 제작하게 되는 경우, 열교환기의 전체 무게가 무거워질 수밖에 없고, 또 부피가 자연적으로 커질 수밖에 없는 문제가 있으며, 또한, 열교환 파이프를 구성하는 동이나 알루미늄 소재의 경우 비철금속으로서 주로 수입에 의존하고 있고, 또 가격이 고가인 점을 감안하면, 원재료비의 상승으로 인해 제품의 제작단가가 높아질 수밖에 없는 현실이다.

그리고, 내식성을 확보하기 위해 열 교환 파이프의 외부를 구성하는 알루미늄 소재의 파이프의 경우, 그 외주면으로 열교환 효율을 높이기 위한 전열 핀이 형성되는 데 소재의 특성상 전열 핀의 형성이 매우 어렵다는 단점이 있다. 즉, 종래 사용되고 있는 동이나 알루미늄 소재의 파이프에 대하여 형성되는 전열 핀이 대부분 전조 가공에 의해 일체로 성형되는 방식으로 되거나, 또는 파이프와 전열 핀을 각각 별도로 제조 한 후 용접을 통하여 일체로 용착하는 등의 방법을 채택하고 있기 때문에 절열 핀의 형성 작업이 매우 곤란하고 불편하였던 것이다. 이를 좀더 상술하면, 전조에 의한 성형방식의 경우 소재가 소성변형될 수 있는 한도가 정해져 있으므로 원하는 두께와 면적의 핀을 성형하기 어려워 핀의 두께는 비교적 두껍게 되고 직경이 작게 형성되므로 열교환 면적이 감소하고, 또 그만큼 소재의 선택에 있어서도 제한이 따를 수밖에 없었다. 그리고 용접방식의 경우 주로 고주파 용접 방식을 이용함으로써 작업성이 저하되고, 이로 인해 제조 원가가 상승하게 되는 구조상의 결점 또한 피할 수 없었던 것이다.

또한, 종래 내부식성을 감안하여 내부는 열 효율이 좋은 동 관으로 구성하고, 외부는 열 효율은 낮으나 내식성이 양호한 알루미늄관으로 구성되는 이중 구조의 열교환 파이프의 경우 재료의 특성을 달리하는 내 외부 관을 안정되게 일체로 결합하는 것이 상당히 어렵고 곤란하며, 또 작업 시간이 상당히 소요되는 제작상의 문제가 있다. 예를 들어 열교환 파이프를 소재를 달리하는 동관이나 알루미늄관으로 구성하는 경우 이들을 일체로 접합하기 위해서는 종래 이중관의 양 단부를 일일이 수작업으로 신주(구리선)를 이용하여 산소 용접하였기 때문에 그만큼 파이프의 제작 시간이 많이 소요되고, 또 이들의 접합에 상당한 용접 기술이 요구되는 까닭에 숙련자가 아니면 파이프의 제작 작업을 쉽게 할 수 없는 구조적인 문제가 있었던 것이다.

사정이 이러함에도 불구하고, 종래에는 열교환 효율을 높이면서도 내부식성을 갖추어야 한다는 열 교환 파이프의 특성을 고려하여 이를 해결할 수 있는 소재인, 동 관이나 알루미늄관을 이용한 열교환 파이프가 주로 이용될 수밖에 없었던 것은 이를 대체할 수 있는 소재의 발굴이나 제작상의 어려움을 개선하지 못한 결과에 기인하고 있는 것이다. 물론, 종래 알려지고 있는 열교환 파이프 기술에 의하면, 열교환 파이프를 구성함에 있어서, 상기한 동관이나 알루미늄관 이외에도 내식성이 양호한 스테인리스스틸을 이용할 수 있다고는 기재하고 있을 뿐 이에 대한 구체적인 기술은 제시하고 있지 못하다. 상기 스테인리스스틸의 경우 잘 알려져 있는 바와 같이 열 효율이 낮을 뿐 아니라 기계 가공성이 좋지 않으며, 다른 소재와의 결합에 따른 용접이 매우 어려워 제작상의 상당한 기술을 요하고 있기 때문에 이를 기술적으로 해결해야 하는 과제가 남아있다. 그러나 현재까지도 이에 대한 대책이 강구되고 있지 못하는 까닭으로 인해 실제 스테인리스스틸 소재를 채용하여 열교환 파이프가 제작되고 있지는 못한 실정이다.

또한, 종래 사용되고 있는 열교환 파이프의 경우, 그 소재의 특성이나 전열 핀의 구조를 통해서만 주로 열교환 효율을 높이고 있으나, 이러한 구조로 만으로는 열교환 효율을 지속적이고 안정되게 유지하는 것은 한계가 있어, 잠열을 이용한 열교환 과정에서 발생되는 응축수에 의한 열교환 파이프 또는 열교환기의 부식을 원천적으로 방지하는 것이 불가능할 뿐 아니라 상기한 부식 문제는, 특히 염분에 많이 노출되어 있는 장소에서 사용하는 경우 더욱 심각하게 발생되고 있는 현실이어서, 관련 업계에서는 이에 대한 대책이 시급히 요구되고 있는 실정이다.

이에 본 발명자는 지속적인 기술 개발 노력을 통해 상기한 종래의 열교환 파이프에서 발생되는 문제를 일거에 해소할 수 있는 열교환 파이프를 발명하게 된 것으로서, 본 발명의 목적은 잠열을 이용하여 냉수를 잠열로 1차 가열하는 잠열부열교환기의 열교환 파이프를 내식성이 우수한 박판 상의 스테인리스스틸 소재만을 이용하여 제1 및 제2전열 관의 이중관 구조로 형성함으로써 응축수 발생에 따른 부식을 확실하게 방지하거나 줄일 수 있고, 또 이들의 접합을 브레이징에 의해 신속 용이하게 하여 제품의 제작성을 현저하게 높일 수 있을 뿐 아니라 제2전열 관의 내부로 냉수의 흐름을 저지하기 위한 난류생성부재를 설치하여 파이프 내부를 흐르는 냉수의 유속 흐름을 방해함으로써 스테인리스스틸재의 단점인 열 효율성의 저하 문제를 완전히 해결함과 아울러 궁극적으로는 열교환 과정에서 응축 현상의 발생을 차단하여 응축수에 의한 열교환 파이프의 부식 현상을 방지하고, 또 응축수에 의한 불완전 연소를 해결할 수 있도록 하여 열교환기의 사용수명을 연장하고, 열 교환 효율을 현저하게 증대시킬 수 있도록 한 이중관 구조를 갖는 스테인리스스틸재의 열교환 파이프 및 그 제조방법을 제공하고자 함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이중관 구조를 갖는 스테인리스스틸재의 열교환 파이프의 특징은, 서로 마주하는 면이 밀착되는 상태로 2겹으로 겹쳐지게 형성되는 전열 핀이 외주면에 연속적으로 일체 형성되는 스테인리스스틸재의 제1전열 관과, 냉수가 흐르도록 상기 제1전열 관의 내부에 밀착지지 되도록 확관 설치되는 스테인리스스틸재의 제2전열 관 및 상기 제2전열 관의 내부에 설치되어 냉수의 유속 흐름을 방해하기 위한 난류생성부재로 이루어진 보일러의 잠열부 열교환기를 구성하는 열교환 파이프를 구성함에 있어서, 상기 스테인리스스틸재의 제2전열 관의 내주 및 외주면으로는 동 도금층을 형성하고, 상기 제2 전열관의 동 도금층을 매개로 상기 스테인리스스틸재의 제1전열 관과 난류생성부재가 브레이징 작업에 의해 일체로 접합 구성되어 진 점에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이중관 구조를 갖는 스테인리스스틸재의 열교환 파이프제조방법상 특징은, 서로 마주하는 면이 밀착되는 상태로 2겹으로 겹쳐지는 전열 핀이 일체로 구비되는 스테인리스스틸재의 제1전열 관과, 상기 제1전열 관의 내부에 끼워지는 스테인리스스틸재의 제2전열 관 및 상기 제2 전열 관의 내부에 끼워져 냉수의 흐름을 지연시키기 위한 난류생성부재를 각각 준비하는 단계와, 상기 제1 및 제2전열 관과 난류생성부재를 세척하는 단계와, 상기 제1전열 관의 내부에 제2전열 관을 관통 설치하고, 이들이 상호 밀착지지 되도록 확관시키는 단계와, 상기 제2전열 관의 내부로 난류생성부재를 끼워 설치하는 단계 및 상기 제1 및 제2전열 관과 상기 제2전열 관의 내부로 끼워진 난류생성부재를 브레이징 작업에 의해 일체로 접합하는 단계로 이루어져 제조되는 보일러의 잠열부 열교환기를 구성하는 열교환 파이프를 제조함에 있어서, 상기 제조 단계는, 상기 브레이징 접합단계에서 상기 제2전열관의 외주 및 내주면으로 제1전열관 및 난류생성부재가 일체로 접합되도록 하기 위한 동 도금층을 제2전열 관의 내 외주면으로 형성하는 단계를 더 포함하여 제조되는 점에 있다.

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본 발명에 따르면, 열교환 파이프가 스테인리스스틸재의 제1 및 제2전열관의 이중관 구조로 이루어져 내구성 및 강도가 증대되고, 또한 소재의 내부식성으로 인해 응축수에 의한 열교환 파이프나 열교환기의 부식이 방지되어 염분 함량이 많은 장소에서의 사용 효율이 특히 높고, 난류생성부재를 동시에 구비함으로써 열교환이 이루어지는 냉수의 흐름을 방해하여 더욱 안정되고 원활한 열교환이 이루어지도록 함에 따라 열교환 과정에서 급격한 온도차에 의해 발생되는 응축현상(물방울 맺힘 현상)에 의한 응축수의 발생을 방지하거나 또는 현저하게 낮추는 것이 가능하여 그만큼 열효율을 증대시키는 것이 가능하고, 또한 열교환 파이프는 물론 열교환기의 내구성이 확보되어 사용 수명의 연장이 가능하고, 또 가스의 불완전연소를 방지할 수 있는 이점이 있다.

또한 열교환 파이프가 스테인레스스틸재의 제1 및 제2 전열 관 및 난류생성부재로 이루어지더라도 제2전열 관의 내 외주면으로 도금되는 동 도금층을 통해 제1 및 제2전열 관과 상기 제2전열 관의 내부로 구비되는 난류생성부재가 브레이징 작업에 의해 상호 일체로 접합되어 짐에 따라 열교환 파이프의 조립 및 접합이 신속 용이하게 이루어져 제품의 제작성을 현저하게 높일 수 있다. 그리고, 스테인리스스틸재의 사용 기피에 따른 기계 가공성 및 용접의 곤란성을 일거에 해소함으로써 제품의 신속한 조립 및 생산성의 향상이 가능하게 된다.

또한, 제1전열 관으로 형성되는 전열 핀이 2겹으로 겹쳐지게 밀착되도록 일체로 가압 형성되기 때문에 전열 핀의 성형 작업이 매우 신속 용이하면서도 높은 열전도도에 의한 열교환효율의 향상을 기대할 수 있다.

또한, 열교환 파이프를 구성하는 각 부재들을 박판의 스테인리스스틸을 사용하여 제작하기 때문에 종래 동이나 알루미늄소재에 비하여 가볍고 얇아 열 교환기의 운반이나 취급이 용이하고, 또 원재료비의 절감이 가능하여 제작 단가를 낮추는 것이 가능하게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 이중관 구조를 갖는 스테인리스스틸재의 열교환 파이프(10)에 대하여 살펴본다.

본 발명에 따른 열교환 파이프(10)는, 관체(110)의 외주면으로 서로 마주하 는 면이 2겹으로 겹쳐지게 밀착되어진 형태의 전열 핀(120)이 연속적으로 형성되어진 스테인리스스틸재의 제1전열 관(100)과, 냉수가 흐르도록 상기 제1전열 관의 내부에 밀착지지 됨과 동시에 그 내 외주면으로 동 도금층(210)(220)이 형성된 스테인리스스틸재의 제2전열 관(200) 및 상기 제2전열 관의 내부에 설치되어 냉수의 유속 흐름을 방해하기 위한 스테인리스스틸재의 난류생성부재(300)를 포함하여 구성되고, 상기 열교환 파이프를 구성하는 스테인리스스틸재의 제1전열 관(100)과 제2전열 관(200) 및 난류생성부재(300)는 브레이징(Barzing) 용접에 의해 상기 제2전열 관(200)의 내 외부로 피막된 동 도금층(210)(220)에 의해 상호 일체로 접합되어진 구성이다.

제1전열 관(100)에 있어서, 관체(110)의 외주면으로 형성되는 전열 핀(120)은 전조 가공 방식이 아니라 스테인리스스틸재의 파이프를 성형기의 성형판을 이동 조절한 다음 유압이나 수압, 공압 방식 등을 통해 상호 압착 조절하는 작업에 의해 납작한 형태로 신속하게 형성되어 진다. 따라서, 상기 제1 전열 관(100)은 그 외주면으로 전열 핀(120)이 일체로 형성된다 하더라도 신속한 제작이 가능하게 되고, 또한 양호한 열교환성을 제공하게 된다.

그리고, 제1전열 관(100)의 내부로 끼워지는 직관 형태의 제2전열 관(200)은 그 양 단부가 상기 제1전열 관의 단부보다 더 연장되는 상태로 끼워진다. 이렇게 연장단부가 마련되게 끼워지는 이유는 열교환 파이프(10)의 연결 조립시 연결관(2)(도 4 참조)을 통해 상호 조립이 가능하도록 하기 위함이다.

또한, 상기 제1전열 관(100)의 내부로 끼워지는 제2전열 관(200)은 브레이징 (Brazing)용접 전에 상호 밀착 지지되도록 가공 처리되고, 또 난류생성부재(300)는 제2전열 관(200)의 길이와 동일한 길이를 갖도록 구성됨이 바람직하다.

난류생성부재(300)는 직관 형태의 제2전열 관(200)을 흐르는 냉수의 흐름이 저지되도록 하기 위한 것으로써, 이는 다양한 소재와 형태를 가질 수 있으나, 가장 바람직하기는 스테인리스스틸 판재를 이용하여 냉수가 나선형으로 와류를 일으키면서 흐르도록 판재를 트위스트형태로 꼬아진 형태가 가장 바람직하다. 이때 트위스트 형태로 꼬아지게 구성되는 난류생성부재(300)는 특정 부위가 제2전열 관(200)의 내주면이 접촉되도록 구성됨이 바람직하다.

상기와 같이 난류생성부재(200)를 형성함으로써, 열교환 파이프(10)를 구성하는 제1,2전열 관(100)(200) 및 난류생성부재(300)를 브레이징 용접 방식으로 접합할 때 제2전열 관(200)의 내 외주면으로 형성된 동 도금층(210)(220)에 의해 상호 일체로 접합되어 지는 것이다.

따라서 상기 제1,2전열 관(100)(200) 및 난류생성부재(300)는 브레이징 용접에 의해 상호 일체로 접합되어 짐에 따라 사용도중 유동되거나, 또는 분리되는 문제가 전혀 발생하지 않게 되고, 열전도율을 향상시키는 중요한 역할의 수행이 가능하게 된다. 특히 난류생성부재(300)는 냉수의 흐름을 방해함에 따른 저항을 받더라도 제2전열 관(200)의 내주면으로부터 떨어지거나 움직이는 문제가 없고, 또 그로 인해 사용도중 소음도 전혀 발생되지 않게 되는 것이다.

또한, 본 발명의 열교환 파이프(10)에 따르면 제2전열 관(200)의 내부로 구비된 난류생성부재(300)에 의해 열 교환시 유속의 흐름이 방해를 받아 직관 형태의 제2전열 관(200)을 신속하게 통과하지 못하고 서서히 흐르게 됨에 따라 제1 및 제2전열 관(100)(200) 및 전열 핀(120)에 의해 열 교환이 신속 용이하게 이루어져 열교환 파이프(10)의 내 외부 온도차를 현저하게 줄일 수 있고, 그로 인해 열 교환 과정에서 발생되는 응축현상에 따른 응축수의 발생을 방지하거나, 또는 미미하게 발생되도록 하여 응축수 발생에 따른 열교환 파이프(10)나 기타 열교환기의 부식을 방지할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 스테인리스스틸재를 이용하여 이중관 구조로 구성된 열교환 파이프(10)를 이용한 열교환기, 더욱 구체적으로는 잠열부열교환기(1)를 예시한 사시도이다. 따라서, 본 발명의 열교환 파이프(10)를 이용하여 열교환기를 구성함으로써 잠열에 의한 우수한 열교환 효율의 제공이 가능하게 되고, 또한 염분에 대한 양호한 내구성 및 내부식성을 제공할 수 있을 뿐 아니라, 종래 동이나 알루미늄에 비하여 얇고 가볍게 제작하는 것이 가능하여 열교환기의 운반이나 취급 설치가 매우 용이하게 된다.

다음으로 본 발명에 따른 이중관 구조를 갖는 스테인리스스틸재의 열교환 파이프의 제조방법에 대하여 살펴본다.

본 발명에 따른 이중관 구조를 갖는 스테인리스스틸재의 열교환 파이프의 제조방법은 도 5에 단계별 공정이 도시되어 있다. 본 발명의 제조방법을 설명함에 있어서, 도 1 내지 제3에 도시된 열교환 파이프(10)와 동일한 구성부재를 설명함에 있어서는 동일한 도면 부호를 부여하여 설명하기로 한다.

도 5를 참조하여 설명하면, 우선, 본 발명의 이중관 구조를 갖는 스테인리스 스틸재의 열교환 파이프(10)를 제조하기 위해서는 각 구성부품들을 준비해야 한다.

즉, 관체(110)의 외주면으로 수개의 전열 핀(120)을 갖는 제1전열 관(100)과, 직관 형태의 제2전열 관(200) 및 유체의 흐름을 지연시키기 위한 난류생성부재(300)를 각각 준비하는 단계(P100)(P200)(P300)를 통해 각각 상기한 구성부재들을 준비하게 된다. 그리고, 본 발명의 경우 상기한 열교환 파이프(10)를 구성하는 각 소재들은 모두 스테인리스스틸재를 사용한다.

본 발명의 경우, 열교환 파이프(10)를 구성하는 부재들이 모두 스테인리스스틸 소재를 사용함에 따라 소재의 특성상 연성 및 인장강도가 양호하여 종래 동이나 알루미늄 소재의 관에 비하여 그 두께를 얇게 할 수 있다. 예를 들어 실험 결과 스테인리스스틸 판재를 이용하는 경우, 그 두께를 최소 0.2㎜까지 사용가능한 것으로 확인되었다. 따라서, 상기한 소재를 사용하는 경우, 그만큼 열교환 파이프를 가볍고 얇게 제작하는 것이 가능하게 된다.

상기 제1전열 관을 형성하는 단계(P100)를 거쳐 마련되는 제1전열 관(100)의 형성은 도 6 및 도 7과 같은 세부적인 과정을 거쳐 준비된다. 즉, 관체형성단계(P100-1)에서 관체(110)가 형성되고, 돌기형성단계(P100-2)를 통해 관체의 외주면으로 일정한 높이를 갖는 돌기(122)가 일정한 간격으로 마련되어지고, 또 전열핀 형성단계(P100-3)를 통해 상기 돌기(122)를 상호 압착하여 전열 핀(120)이 형성되어지는 세부적인 작업 과정을 통해 제1전열 관(100)이 준비되어 진다.

상기 관체형성단계(P100-1)에서 마련되는 파이프 형상의 관체(110)는, 롤 상으로 감겨진 박판(薄板)의 스테인리스스틸 판재(도면에 도시하지 않음)를 원통형으로 둥글게 말아지도록 함과 동시에 서로 맞닿는 부분을 용접(고주파)하는 것에 의해 파이프 형상의 관체(110)가 제작되어 진다. 그리고, 상기와 같이 제작되는 관체를 열교환 파이프의 용도에 맞는 길이로 절단한 다음 돌기형성단계(P100-2)를 통해 그 외주면으로 유압이나 수압, 공압 등을 이용하여 환 형상으로 볼록하게 팽창되는 돌기(122)를 형성하고, 마지막으로 전열 핀 형성단계(P100-3)를 통해 최종적으로 상기 돌기(122)의 서로 마주보는 내면이 밀착되도록 상호 압착하는 것에 의해 최종적으로 박막 상의 전열 핀(120)이 일체로 형성되어 진다.

제1전열 관(100)을 구성하는 관체(110)의 외주면으로 일체 형성되는 전열 핀(120)은 그 외부 직경(높이) 및 간격은 열교환기의 용도에 맞도록 다양한 설계가 가능하다. 예컨대 관체(100)의 외경이 17㎜이고, 그 단면두께가 0.3㎜ 정도인 경우, 전열 핀(120)의 외경(높이)은 32㎜정도가 바람직하고, 또 간격은 2~5㎜정도로 형성됨이 가장 바람직하다.

그리고, 제2전열관 준비단계(P200)를 통해서는, 도 8에 도시된 바와 같이 상기 전열 핀(120)이 형성된 제1전열 관(100)의 내부로 끼워지는 제2전열 관(200)을 준비하게 되는바, 이때 제2전열 관(200)은 제1 전열관(100)의 길이(L1)보다 조금 길게 형성한다. 예컨대, 제1전열 관(100)의 단부로 제2전열 관(200)의 단부가 일정 길이 외부로 노출되는 정도의 길이(L2)를 갖도록 절단 형성한다. 그 이유는 열교환기 구성시 각각의 열교환 파이프를 별도의 연결관(2)으로 연결하는 결합 자리가 마련되도록 하기 위함이다. 또한 상기 제2전열 관(200)의 외부 직경은 제1전열 관(100)의 내부 직경과 거의 근접되는 크기로 하여 밀착상태로 끼워지도록 구성됨 이 바람직하다.

또한, 난류생성부재 준비단계(P300)를 통해서는 상기 제2전열 관(200)의 내부로 설치되는 난류생성부재(300)가 준비된다. 도 9에 도시된 바와 같이 난류생성부재(300)는 제2전열 관(200)의 내부를 흐르는 냉수의 유속을 최대한으로 저지하여 충분한 열교환이 이루어지도록 하기 위한 것이다. 따라서, 난류생성부재는 상기한 기능의 달성이 가능한 형태라면 특정의 형태에 제한될 필요는 없으나, 박판의 스테인리스스틸 판재를 트위스트 형태로, 예컨대 꽈배기(twist) 모양으로 연속적으로 꼬아지게 형성하여 냉수가 저지를 받으면서 서서히 통과되도록 구성함이 가장 바람직하다. 이때 난류생성부재(300)의 길이(L3)는 제2전열 관(200)의 길이(L2)와 같은 길이로 형성하여 최대한으로 유속의 흐름을 저지하여 안정된 열 교환이 이루어지도록 구성함이 바람직하다. 하지만 이는 반드시 그런 것은 아니고, 다양한 길이의 설계가 가능하다. 그리고 상기 난류생성부재(300)는 제2전열 관(200)의 내부 직경과 같은 높이(H)로 형성하여 이의 내부에 밀착 상태로 끼워지도록 구성됨이 바람직하다.

상기와 같은 단계를 통해 스테인리스스틸재의 제1 및 제2전열 관(100)(200) 과 난류생성부재(300)의 준비가 완료되면, 세척단계(P400)를 통해 각 구성부재에 뭍어 있는 각종 불순물들을 깨끗하게 제거한다. 세척은 초음파 세척 방식으로 통해 세척됨이 가장 바람직하다. 상기한 단계에서 각 구성부재들(모재)을 깨끗하게 세척하는 것은, 이후 브레이징 작업을 용이하게 하기 위함이다. 즉, 모재인 스테인리스스틸재의 각 구성부재들에 존재하는 각종 불순물들, 예컨대 오일(Oil), 그리 스(Grease), 녹(Rust), 또는 스케일(Scale)이나 먼지, 외부물질 등 물리적인 잔류 물질들이 존재하는 경우 브레이징 과정에서 모세관 운동(Capillary Action)이 활발하게 이루어지지 못하여 안정된 접합이 곤란하게 되기 때문에 상기한 구성부재들의 청정 작업은 매우 중요하고도 필수적이다.

또한, 제2전열 관(200)의 경우, 이후 단계에서 동 도금층을 형성해야 하는데, 이 경우 각종 불순물이 존재하는 경우, 스테인리스스틸재의 소재 특성상 니켈과 크롬성분 때문에 동 도금층의 형성이 어렵게 됨에 따라 이를 개선하고자 초음파 세척을 통해 청정하게 해야 하는 이유이기도 하다.

다음으로, 동 도금층 형성단계(P500)를 통해 도 10과 같이 제2전열 관(200)의 내주 및 외주면 전체에 동(Cu)을 일정한 두께로 피막하여 동 도금층(210)(220)을 형성한다. 상기한 동 도금층(210)(220)을 형성하는 이유는 이후 단계에서 설명되겠지만 이중관 구조를 갖는 열교환 파이프를 브레이징 용접으로 신속하게 접합하기 위함이다. 상기한 동 도금층의 형성은 특정의 방법에 제한되지는 않으나, 가장 바람직하기로는 제2전열 관(200)의 내주면 및 외주면에 전체적으로 동이 골고루 피막되도록 하기 위한 침전법이 이용됨이 바람직하다.

상기한 단계를 거처 준비된 제1 및 제2전열 관(100)(200)은 상호 조립이 되어야 하는바, 먼저, 확관단계(P600)를 통해 제1전열 관(100)의 내부로 끼워지는 제2전열 관(200)이 서로 밀착지지 되도록 확관되어 진다. 이들의 확관 작업은 도 11에 도시된 바와 같이 외주면으로 휘발성 기름이 묻혀지는 초경합금 소재의 금속 볼(400)을 상기 제2전열 관(200)의 내부로 밀어 넣어 이동시키는 작업을 통해 제1전열 관(100)에 밀착 지지되도록 확관시키는 것이 매우 바람직하다. 상기한 금속 볼을 이용하여 확관작업을 수행함으로써 제2전열 관(200)의 내주면은 흠집이 전혀 발생하지 않게 되고, 또 휘발성 기름을 이용하기 때문에 기름 역시 자연적으로 제거되어 확관 작업 후 일체로 조립된 제1 및 제2 전열 관(100)(200)에 대한 별도의 세척 작업이 요구되지 않는다. 상기한 확관 작업에 사용되는 금속 볼(400)의 크기는 제2전열 관(220)의 내부 직경 보다는 큰 크기를 가져야 함은 당연하다.

한편, 도 11과 같이 조립 확관되는 제1 및 제2전열 관(100)(200)은, 각 소재의 준비단계에서 사전에 열교환기의 용도, 예컨대 보일러의 용량에 따라 적정한 길이로 조립되어 짐은 당연하다.

상기한 확관단계(P600)를 거친 다음 난류생성부재조립단계(P700)를 통해 도 11에 도시된 바와 같이 제2전열 관(200)의 내부로 사전에 준비된 난류생성부재(300)를 밀어 끼운다. 이때 난류생성부재(300)는 제2전열 관(200)의 내주면에 상호 밀착되는 상태로 끼워진다.

상기한 각 단계를 거쳐 열 교환 파이프(10)를 구성하는 각 구성부재들의 조립이 완료되면, 마지막으로 각 구성부재들이 브레이징 접합단계(P800)를 통해 일체로 접합(SOLDERING)되어 진다. 즉, 제2전열 관(200)의 내부로 내 외주면으로 피막된 동 도금층(210)(220)이 브레이징 작업시 제1전열관(100) 및 난류생성부재(300)의 해당 접촉 부위에 녹아들어 가면서 모세관 현상(CAPILLARY ACTION)에 의해 상기한 부재들이 일체로 신속하게 접합되어 지는 것이다.

일반적으로 브레이징(brazing)이란, 450℃ 이상에서 접합하고자 하는 모 재(base metal) 용융점(melting point) 이하에서 모재는 상하지 않고 용제와 열을 가하여 두 모재를 접합하는 기술로 알려져 있다. 그 원리는 브레이징시 일정한 온도(brazing temperature)에 이르면 브레이징 용재(brazing filler metal)가 젖음성(wetting)에 의해 양 모재에 녹아서 모세관 현상에 의해 흘러 들어가는 원리이다.

참고적으로, 본 발명에 있어서, 브레이징시 용재 역활을 하는 동(Cu)은 용융점이 1083℃이고, 비중은 약 8.94g/㎤ 이며, 내부식성, 강한 침투력 등 여러 이점을 가질 뿐 아니라 철이나 니켈 등과의 화합성도 뛰어나기 때문에 은 대체품으로 많이 사용되고 있다.

본 발명에 따르면, 상기한 브레이징은 다양한 방법이 강구될 수 있으나, 로(일명, 소둔로 라고도 함)브레이징(Furnace Brazing) 방법이 이용됨이 가장 바람직하고, 그 중에서도 특히 진공(Vacum)상태에서 각 구성들을 접합하는 방식이 채택됨이 가장 바람직하다.

따라서, 도 1과 같이 열교환 파이프(10)를 구성하는 각 부재들, 예컨대, 제1 및 제2 전열 관(100)(200) 및 난류생성부재(300)가 동 도금층(210)(220)에 의해 상기한 진공상태의 로 브레이징 작업시 일체로 접합되어 지고, 또 각 구성부재들은 브레이징시 산화되지 않기 때문에 깨끗한 제품을 얻을 수 있고, 이러한 이유로 인해 산세척 등이 전혀 불필요하게 된다. 또한, 브레이징 작업 특성상, 강한 접합 강도를 거질 뿐 아니라 미려하고 정교한 상태로 접합이 이루어지며, 세척성, 기밀성, 내부식성 등 다양한 특성의 유지가 가능하게 된다.

상기한 이유로 인해 본 발명의 경우, 양호한 내부식성을 가짐에도 불구하고, 열교환 파이프의 제작에서 그 사용이 기피되고 있던 스테인리스스틸재를 이용하여 열교환 파이프(10)를 이중으로 형성하더라도 신속하고 간편한 조립 제작이 가능하면서도 재질 특성상의 내부식성을 제공하게 됨은 당연하다. 그리고, 제1및 제2전열관(100)(200)이 브레이징 작업에 의해 일체로 접합되어 짐에 따라 이중관 구조로 관을 형성하더라도 안정되고 신속한 열 교환이 이루어질 수 있고, 또한, 난류생성부재(300)가 동시에 제2전열 관(200)의 내부에 일체로 접합되어 짐에 따라 냉수의 열 교환에 따른 소음이 전혀 발생되지 않게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환 파이프의 조립 단면도이다.

도 2는 도 1의 A-A선 내의 단면도이다.

도 3은 도 1에 있어서, 요부 발췌 확대 단면도이다.

도 4는 본 발명의 열교환 파이프가 적용된 예의 열교환기 구조를 보인 개략 평면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 열교환 파이프의 제조 과정을 보인 단계별 공정도이다.

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 제1전열 관의 형성 단계별 공정도 및 관련 단면도이다.

도 8은 본 발명의 제조방법에 따른 제2전열 관의 구성을 보인 단면도이다.

도 9는 본 발명의 제조방법에 따른 난류생성부재의 구성을 보인 정면도이다.

도 10은 본 발명에 따른 제2전열 관의 내 외주면으로 동 도금층이 형성된 상태의 단면도이다.

도 11은 본 발명의 제조방법에 따른 제1 및 제2전열 관의 조립 및 확관상태 단면도이다.

도 12는 본 발명의 제조방법에 따른 제2전열 관의 내부로 난류생성부재가 끼워진 상태의 조립 측 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10: 열교환 파이프 100: 스테인리스스틸재의 제1전열 관

110: 제1전열 관의 관체 120: 전열 핀

200: 스테인리스스틸재의 제2전열 관

300: 스테인리스스틸재의 난류생성부재

400: 금속 볼

P100,P200,P300: 스테인리스스틸재의 제1,2전열관 및 난류생성부재 준비단계

P400: 세척단계

P500: 동 도금층 형성단계

P600: 확관단계

P700: 난류생성부재조립단계

P800: 브레이징접합단계

Claims (6)

1. 서로 마주하는 면이 밀착되는 상태로 2겹으로 겹쳐지게 형성되는 전열 핀이 외주면에 연속적으로 일체 형성되는 스테인리스스틸재의 제1전열 관과, 냉수가 흐르도록 상기 제1전열 관의 내부에 밀착지지 되도록 확관 설치되는 스테인리스스틸재의 제2전열 관 및 상기 제2전열 관의 내부에 설치되어 냉수의 유속 흐름을 방해하기 위한 난류생성부재로 이루어진 보일러의 잠열부 열교환기를 구성하는 열교환 파이프를 구성함에 있어서,

   상기 스테인리스스틸재의 제2전열 관의 내주 및 외주면으로는 동 도금층을 형성하고, 상기 제2 전열관의 동 도금층을 매개로 상기 스테인리스스틸재의 제1전열 관과 난류생성부재가 브레이징 작업에 의해 일체로 접합 구성되어 짐을 특징으로 하는 이중관 구조를 갖는 스테인리스스틸재의 열교환 파이프.
2. 서로 마주하는 면이 밀착되는 상태로 2겹으로 겹쳐지는 전열 핀이 일체로 구비되는 스테인리스스틸재의 제1전열 관과, 상기 제1전열 관의 내부에 끼워지는 스테인리스스틸재의 제2전열 관 및 상기 제2 전열 관의 내부에 끼워져 냉수의 흐름을 지연시키기 위한 난류생성부재를 각각 준비하는 단계와, 상기 제1 및 제2전열 관과 난류생성부재를 세척하는 단계와, 상기 제1전열 관의 내부에 제2전열 관을 관통 설치하고, 이들이 상호 밀착지지 되도록 확관시키는 단계와, 상기 제2전열 관의 내부로 난류생성부재를 끼워 설치하는 단계 및 상기 제1 및 제2전열 관과 상기 제2전열 관의 내부로 끼워진 난류생성부재를 브레이징 작업에 의해 일체로 접합하는 단계로 이루어져 제조되는 보일러의 잠열부 열교환기를 구성하는 열교환 파이프를 제조함에 있어서,

   상기 제조 단계는, 상기 브레이징 접합단계에서 상기 제2전열관의 외주 및 내주면으로 제1전열관 및 난류생성부재가 일체로 접합되도록 하기 위한 동 도금층을 제2전열 관의 내 외주면으로 형성하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 이중관 구조를 갖는 스테인리스스틸재의 열교환 파이프 제조방법.
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