KR100908436B1

KR100908436B1 - 브라운 가스를 이용한 용사 장치 및 방법, 그리고 이를이용한 콘크리트 표면의 용사코팅 방법

Info

Publication number: KR100908436B1
Application number: KR1020070065908A
Authority: KR
Inventors: 최동규; 유난숙; 이창희
Original assignee: 최동규
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2007-06-30
Publication date: 2009-07-21
Also published as: KR20080002697A

Abstract

본 발명에 따른 브라운 가스를 이용한 용사 장치 및 방법은, 연소 및 보조기체의 도입에 따른 고속의 기체 흐름을 형성하여 용사용 소재의 용사물을 스프레이 할 수 있도록 이루어진 용사 건과; 상기 용사 건에 연결되어 용사용 소재의 가열 및 용융을 위한 연료인 브라운가스를 공급하는 브라운가스 공급장치를 포함하여 구성되며, 열원으로써 산화제-연료(Oxidizer-fuel)를 혼합하기 위한 별도의 구성요소가 필요치 않는 브라운 가스를 사용하게 됨으로써, 기체속도 제어에 수반되는 연소불안정 등의 문제를 해결하여 연료가스의 압력 또는 노즐의 길이 및 구조로 연소특성을 제어할 수 있고, 작업공정이 간결화 될 뿐만 아니라 고품질의 피막을 형성할 수 있으며, 또한 용사용 소재의 형태, 종류 및 물성에 관계없이 소재의 용융 및 가열을 용이하도록 하며, 수 십㎛ 에서 수 백㎛ 이상의 비교적 큰 용사용 파우더 소재의 사이즈에 대해 용융이 용이함으로써 용사소재의 가공비를 현저히 줄임으로써 비용절감이 가능한 효과를 갖게 된다.

용사, 용사장치, 물 전기 분해, 산소 및 수소 혼합가스, 브라운 가스

Description

브라운 가스를 이용한 용사 장치 및 방법, 그리고 이를 이용한 콘크리트 표면의 용사코팅 방법{Apparatus and method of thermal spray using brown's gas, and method of coating on concrete structure by them}

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 브라운 가스를 이용한 용사 장치가 도시된 구성도,

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 브라운 가스를 이용한 용사 장치가 도시된 구성도,

도 3a는 본 발명의 가속 노즐을 나타낸 정면도,

도 3b는 도 3a의 A-A 선 방향의 단면도,

도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 브라운 가스를 이용한 용사 장치의 용사 건이 도시된 구성도

도 5는 본 발명에 따른 콘크리트 표면의 용사코팅 방법이 도시된 개략도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 브라운가스 공급장치 30 : 용사 건

35 : 버너 공간 40 : 브라운가스 공급부

50 : 용사용 소재 공급부 60 : 점화 장치

70 : 냉각부 77 : 가속 노즐

100 : 용사 건 101 : 용사 건 하우징

110 : 가속 노즐 120 : 용사용 소재 공급부

130 : 브라운가스 공급부 150 : 냉각부

160 : 다공성 촉매부재

본 발명은 브라운 가스를 이용한 용사 시스템에 관한 것으로서, 특히 물을 전기 분해시 산소와 수소가스가 화학양론적으로 혼합된 형태로 생산되는 브라운가스(일명, 수산화가스)를 용사용 소재의 가열 및 용융을 위한 연료(Fuel)로 사용함으로써 외부 산소 및 공기와 같은 산화제(Oxidizer)의 도입이 없이 브라운가스만으로 연소작용을 가능하게 하여 용사용 열원으로 사용하는 브라운 가스를 이용한 용사 장치 및 방법, 그리고 이를 이용한 콘크리트 표면의 용사코팅 방법에 관한 것이다.

일반적으로 화염 용사 장치는 서멀 스프레이(Thermal spraying) 및 플레임 스프레이(Flame spraying)를 이용하여 피막(Coating)을 형성하거나 벌크재료(Bulk materials)를 융착시키기 위한 장치이다.

종래의 화염 및 고속화염 용사 방식에는 산화제로 외부에서 공급되는 산소가 사용되는 HVOF(High-Velocity Oxygen-Fuel) 용사(Spraying) 방식과, 산화제로 공기 및 산소가 풍부한 공기를 사용하는 HVAF(High-Velocity Air-Fuel) 용사 방식이 대표적이며, 이와 같은 방식을 이용한 용사 장치는 용사용 물질의 입자를 가열 및 가속하기 위해 고온의 기체 제트 에너지를 활용하여 용사 입자를 모재(Substrate)와 충돌시켜 세라믹 또는 금속 피막을 형성한다.

상기 HVOF를 포함하는 화염 용사 장치는 메탄(Methane), 프로판(Propane), 프로필렌(Propylene), MAPP, 수소(Hydrogen) 등과 같은 기체 연료 및 석유, 케로신(Kerosene)과 같은 액체 연료를 사용하며, 연소된 기체는 고속으로 노즐(Nozzle)로 가속하여 모재로 분출된다.

이와 같은 HVOF를 포함하는 종래 화염 용사 장치는 연료의 불완전 연소를 동반하여 에너지 효율저감 및 산화된 용사입자가 노즐을 막을 수 있는 문제점이 발생한다.

이와 같은 문제점 때문에 종래에는 버너 내부에서 안정되면서도 완전한 연소를 수행하기 위하여 버너 내부를 넓히거나, 또는 버너 내부에 투과성 버너블록(Burner block)을 도입하거나, HVAF 방식의 파일럿 플레임(Pilot flame)으로 수소 및 메탄을 사용하는 등 여러 개선책을 쓰고 있으나, 용사 입자가 노즐을 막는 것을 방지하는 등의 부가적인 구조를 도입하여야 하고, 또한 기체 유량 조건 및 연료 대 공기의 비율이 화학양론비(Stoichiometrical ratio)에 근접한 비율에서만 수행되어야 하는 등, 근본적으로 연료의 불완전요소를 제거할 수는 없었다.

따라서 종래의 화염 용사 장치는 공정의 변수 제어를 까다롭게 하며 또한, 용사 건 장치의 구조가 복잡할 수밖에 없는 문제점이 발생하였다.

한편, HVOF와 HVAF 기술은 입자들이 용사 물질의 융점이하로 가열되고 가속될 수 있기 때문에, 고체입자가 모재와 충돌하는 동안 운동에너지에 의해 융해된다고 가정되어 입자속도가 피막 형성에 있어서 매우 중요한 변수가 되었다.

그러나 온도의 저하에 수반되는 기체 속도의 저하는, 연소불안정을 초래하여 양질의 피막형성을 어렵게 하는 문제가 있다.

즉, 기체가 고속으로 흐르는 상태에서 산화제-연료 혼합물을 안정하게 연소시키는 것은, 화학양론비에 근접한 협소한 범위에서만 수행되어 연소의 최대 온도에 도달할 수 있다. 하지만, HVAF 공정에 있어서, 프로판 가스를 연료로 사용하는 경우, 화학양론비 이상으로 공기 또는 프로판의 함유량이 증가하여 기체 온도를 저하시키는 것은 실질적으로 불가능하고, 기체 온도는 상용화된 서멀 스프레이용 합금의 융점이상인 것을 사용하여야 하며, 수 십 ㎛이하의 미세한 입자들을 사용할 경우에 공정변수의 제어를 더욱 어렵게 하는 문제점이 발생되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 산화제-연료(Oxidizer-fuel)를 혼합하기 위한 별도의 어셈블리 장치를 가지고 외부 산소와 아세틸렌, 프로판, 메탄, 케로신 및 심지어 기존 수소 가스 등을 포함하는 전통적인 연료를 사용하는 종래 화염 용사 방식 대신에, 연소에 필요한 수소와 산소를 자체 함유하여 화약양론비로 구성된 브라운 가스(일명, 수산화 가스)를 용사용 소재 의 가열 및 용융을 위한 열원으로 사용하는 브라운 가스를 이용한 용사 장치 및 방법, 그리고 이를 이용한 콘크리트 표면의 용사코팅 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

또한 본 발명은, 기체속도 제어에 수반되는 연소불안정 등의 문제를 브라운가스를 이용함으로써 해결하여 고품질의 피막을 형성할 수 있는 브라운 가스를 이용한 용사 장치 및 방법, 그리고 이를 이용한 콘크리트 표면의 용사코팅 방법을 제공하는 데 다른 목적이 있다.

또한 본 발명은, 용사용 소재별 화염 온도제어 등 기술적 한계로 인해 그 적용범위에 맞는 장치를 선택적으로 사용해야 하는 종래 화염 용사 방식의 문제를 해결하기 위해, 용사용 소재의 형태, 종류 및 물성에 관계없이 소재의 용융 및 가열을 용이하도록 하는 브라운가스를 용사용 연료로 사용함으로써 새로운 적용처에 세라믹, 유리, 금속, 써밋, 중합체 등의 용사용 소재를 용사하여 고기능성 용사피막 및 벌크형 피막을 저비용으로 형성할 수 있는 브라운 가스를 이용한 용사 장치 및 방법을 제공하는 데 다른 목적이 있다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 브라운 가스를 이용한 용사 장치는, 용사용 소재의 가열 및 용융을 위한 연료로써 브라운가스를 공급하기 위한 브라운가스 발생장치와; 상기 브라운가스의 유량 및 보조기체의 유량을 제어하는 가스유량조절기와; 상기 브라운가스를 점화하기 위한 점화 장치와; 상기 브라운가스의 연소 및 보조기체의 도입에 따른 고속의 기체흐름을 형성하여 용사용 소재의 용사물을 스프레이 하도록 구성된 가스 연소 버너 및/또는 다공성의 가속 노즐과; 상기 브라운가스 연소 버너 및 다공성의 가속노즐의 냉각을 위한 압축공기 또는 냉각수 공급장치와; 상기 기체흐름 속으로 소정의 용사용 물질을 전송하여 상기 기체흐름에 의하여 상기 용사물질의 융점 이상 또는 이하로 즉시 가열되어 가속되도록 기체 및 용사물질의 혼합물이 형성되도록 하는 용사용 소재의 전송유니트를 포함한다.

상기 혼합물의 연소온도를 상기 용사용 소재의 융점이하로 저하시키기 위해상기 브라운가스의 압력 및 유동량을 변화시키는 단계 및/또는 상기 기체흐름 내로 아르곤 및 질소 등 비활성 가스, 산소 및 압축공기 등의 보조기체를 첨가하는 단계및/ 또는 상기 브라운가스를 추가적으로 메탄올, 아세톤, 핵산, 톨루엔, 솔벤트 등 통상의 액체상의 연료첨가제를 용사 건과 연결된 외부 가스라인에서 통과하도록 하는 보조연료 첨가용 장치를 구비하며 또는 압축공기를 포함한 보조 기체 및/또는 고체형의 다공성 촉매부재를 연소 버너 및/또는 가속 노즐 내부에서 도입하여 이를 통과하도록 하도록 하는 것을 포함한다.

상기 용사용 소재의 용융 및 예열을 위한 브라운가스 연료의 연소시 산화제로써 별도의 외부 산소공급을 위한 단계를 포함하지 않거나 또는 동시에 포함할 수 있으며, 상기 용사소재 전송유니트는 상기 용사용 소재를 상기 버너 또는 상기 다공성의 가속노즐 내의 소정의 위치로 공급하는 적어도 하나 이상의 인젝터를 포함하여 용사물질을 스프레이 하도록 하는 브라운가스를 용사용 열원으로 사용한다.

상기 브라운가스 발생장치에서 물 전기분해시 브라운가스와 혼합되어 나오는 수증기 및 전해액 등의 케미컬 물질을 포집하여 수분이나 불순물에 의한 오염을 방지하도록 하는 필터장치와; 상기 브라운가스의 압력 저하 발생시 연소화염이 연료가스 도입라인으로 역화하는 것을 방지하는 습식 및/또는 건식 역화방지장치를 포함한다.

상기 브라운 가스에 의해 가열된 용사물을 더욱 가속시키기 위해 압축공기 및 비활성 가스 등 보조 기체를 공급하기 위한 도입부와; 용사물질을 더욱 가속시키며 용사 건 본체를 냉각시키기 위해 용사 건의 가속 노즐의 출구주위에 환상으로 배치된 여러 개의 압축공기 토출구를 포함하며 또한 상기 연료 및 파우더(용사 입자)를 포함하는 연료혼합물 및/또는 입자들을 균일하게 흐르게 하여 가열하도록 구성된 다공성 노즐을 구비하는 사이펀 플러그 어셈블러를 더욱 포함한다.

상기 용사용 연료로써 브라운가스 발생기에서 물 전기분해시 생산되는 브라운가스를 용사용 연료로 사용하는 단계 및/또는 통상적인 물 전기분해시 수소 및 산소 가스를 격막을 통해 분리생산 후 외부가스의 혼입 없이 수소 2대 산소 1의 화학양론비로 가스발생기 외부에 연결된 가스라인에서 가스 혼합기를 통해 다시 혼합하여 용사 건으로 흘려보내고 이를 연소시 역화를 예방하도록 하여 용사용 열원으로 사용하는 것을 포함하는 단계와, 상기 용사용 연료를 버너 및/또는 다공성의 가속노즐에 도입하여 연소시 별도의 산화제로써 외부 산소의 도입부를 포함하지 않거나 또는 선택적으로 포함한다.

다음, 상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 브라운 가스를 이용한 용사 방법은, 브라운가스 용사용 버너 및/또는 다공성의 가속노즐을 통해 브라운가스를 점화하고 연소시켜 용사물질을 가열 및 용융하여 고속의 기체흐름을 형성하는 단계와; 용사용 소재의 전송유니트에 의하여 기체흐름에 소정의 용사물질을 도입하여 상기 기체흐름에 의하여 가속되고 가열된 입자의 흐름을 형성하는 단계와; 또는 용사물질을 더욱 가속시키며 용사 건 본체를 냉각시키기 위해 환상으로 배치된 여러 개의 압축공기 토출구를 포함한다.

상기 코팅피막 또는 벌크물질을 형성할 동안 발생할 수 있는 산화를 억제하거나 또는, 용사물질의 융점이하로 가열하기 위하여 상기 브라운가스 버너 및/또는 가스 다공성의 가속노즐에서 발생되는 화염의 중심부 내부 또는 외부로 상기 용사용 소재의 도입부를 이동하여 용사물질을 냉각시키는 단계를 포함한다.

상기 코팅피막 또는 벌크물질의 기공도나 치밀성을 변화시켜 피막을 형성하기 위해 용사용 연료로서 브라운가스의 압력 및 유동량을 조절하거나 또는 상기 비활성 가스, 압축공기 및 외부 산소 등의 기체를 혼입하거나 또는 상기 액체상의 연료첨가제 및/또는 연소 버너 및/또는 가속 노즐 내부에 도입된 고체형의 다공성 촉매부제를 통과하도록 한다.

상기 용사용 소재의 공급은 적어도 하나 이상의 소재공급 유니트를 통해 브라운가스 버너 및 분사 노즐의 중심축 방향 또는 노즐의 중심축과 교차하는 방향에서 공급하도록 하는 것을 포함하며, 용사용 소재로는 분말, 선형재, 봉재 등 다양한 형태와 물성을 가지는 세라믹, 유리, 메탈, 서밋, 또는 이들의 합금, 중합체, 플라스틱 및 비금속 물질 등 통상적인 용사용 소재뿐만 아니라 축광제, 시멘트, 화 산재, 황토, 천연 암석 파우더, 무기질 및 이들의 혼합물 등의 물질 소재를 포함한다.

상기 촉매부재는, 플래티늄(Platinum), 팔라듐(Palladium), 라듐(Rhodium)과 같은 귀금속(Noble metal) 그룹, 또는 상기 귀금속 그룹과 희토류금속(Rare Earth Metal: Ce, La, Nd) 중 하나 이상의 이성분 산소, 또는 고온 산화에 강하고 브라운가스 연료 혼합물의 점화온도를 저하시킬 수 있는 촉매금속을 포함한다.

상기 촉매부재는, 직물형 금속, 또는 버너 내부에 위치한 적어도 하나 이상의 다공성 세라믹 소재 또는 이들의 코팅을 연소가 이루어지는 표면에 도포하여 만들어지는 것을 포함한다.

또한 본 발명의 브라운가스를 용사용 열원으로 하는 용사 장치는, 연료인 수소와 산화제인 산소가 물 전기분해시 혼합되어 생산되는 브라운가스를 생산하기 위한 브라운가스 발생장치와, 브라운가스를 버너 및 다공성의 가속노즐 내부로 도입하기 위한 브라운가스 공급부와, 브라운 가스를 연소 및 용사물을 가속시키기 위한 버너 및 다공성의 가속노즐과, 연료가스를 점화하기위한 점화장치와, 버너 또는 다공성의 가속 노즐을 냉각하기 위한 압축공기 및 냉각수 공급장치 등의 냉각부와, 연료의 유량 및 보조기체의 유량을 제어하기 위한 가스유량조절기와, 브라운가스의 압력 저하가 발생시 연소화염이 연료가스 도입라인으로 역화하는 것을 방지하는 습식 및/또는 건식 역화방지장치와, 용사용 소재 공급유니트를 포함하는 브라운가스 용사 건으로 이루어진다. 또한, 본 발명에 따른 용사 장치는 연료의 유동율을 변화시키거나, 또는 비활성 기체를 브라운가스에 첨가하여 연소온도를 용사 물질의 융점이하로 조절하기 위한 첨가제 또는 다공성 촉매부재를 통과하도록 하는 장치를 포함하고 있다.

본 발명에 있어서, 브라운 가스를 용사용 열원으로 사용함으로써 최소한 세 가지의 주된 장점을 가진다. 첫째, 산화제-연료 혼합물을 혼합하기 위한 별도의 어셈블러나 분리된 도입부가 없어도 되며 둘째, 연료인 수소 가스와 산소 가스가 화학양론비로 혼합되어 구성되어 자체적으로 화학양론적 연소가 가능하여 안정된 프로세스 가능하며 질소, 아르곤과 같은 불활성 가스 및 공기를 첨가하거나 아세틸렌, 메탄올, 톨루엔 등의 혼합물을 통과하도록 하여 연소조건을 불안정하게 하지 않고도 코팅피막 및 벌크피막의 기공 및 치밀함을 조절할 수 있으며 셋째, 브라운가스의 열핵반응을 하는 특성으로 소재의 고유한 융점에 즉시 도달되어 저용융점에서부터 난용성의 고용융점의 소재를 즉시 가열하가나 용융하여 용사혼합물을 일정 온도로 제어할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 장치 및 그 방법에 있어서, 브라운가스를 열원으로 하는 용사 장치는 고압의 질소, 아르곤 등의 비활성 가스나 압축공기를 추가로 도입하여 용사입자 들을 더욱 가속시켜 피막의 부착력을 증대시킨다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 용사용 소재 공급부는 와이어나 파우더 형태의 용사용 소재를 와이어 스톡(Wire Stock) 또는 파우더 스톡(Powder Stock)을 통해 용사 건 내부로 이송할 수 있다.

파우더스톡(Powder stock)을 통한 파우더 공급장치는 파우더 입자들을 용사건 내부 버너 및/또는 다공성의 가속노즐의 지정된 위치로 내부버너의 축과 수평 또는 교차하는 방향으로 주입되어 브라운가스의 연소시 용융되도록 하는 적어도 하나 이상의 인젝터(Injector), 가속 노즐 또는 버너 공간을 포함하고 있다.

이와 같은 본 발명은, 브라운 가스의 열핵반응 연소특성에 의해 고용융점의 세라믹 및 WC 등의 난용성 소재에서 저용융점의 금속이나 비철금속 소재의 대기중 용융 또는, 반용융 상태로 변화를 용이하게 하여 용사용 소재의 선택을 다양화할 수 있다. 또한 탄화물 등의 오염물을 포함하지 않는 브라운 가스의 청정연료 특성으로 인해 용사재료의 용융시 불꽃 자체의 오염이 적은 관계로 양질의 피막형성이 가능하며, 또한 피막의 기공성 및 치밀성 조절이 용이하여 경질의 피막형성, 후막형성을 가능하게 한다. 또한, 브라운 가스의 불꽃 집중력으로 인해 연료비 절감 및 작업현장에서 브라운가스를 생산 및 소비하는 형태로 작업효율성을 증대하며 용사코팅의 적용범위를 확대하는 것이 가능하다.

본 발명의 브라운가스를 용사용 열원으로 사용하는 용사코팅 장치는, 브라운가스를 생산하기 위한 브라운가스 발생장치와 브라운가스를 사용하여 용사용 소재의 용융 및 소재의 고속분사를 통해 피막형성을 위한 용사 건, 용사용 소재 공급유니트, 용융 또는 반용융된 용사물질을 고속으로 이송하기 위한 압축공기 및 불활성 가스 등을 통한 이송시스템 및 냉각시스템 등을 포함한다.

도면을 통해 구체적인 실시예를 설명하기에 앞서, 본 발명에서 사용되는 브라운 가스에 대하여 설명한다.

본 발명에서 용사용 연료로 사용되는 브라운 가스(BROWN'S GAS, 일명, 수산 화가스)는 물 전기분해시 생성되는 수소와 산소가스를 인위적으로 분리시키지 않는 혼합 가스로서, 수소와 산소가 물을 이루는 수소와 산소의 화학 당량비와 동일한 2:1의 비율로 혼합되어 발생되는 연료 가스를 말한다. 또한, 기존의 화석 연료와 달리 순수한 물을 분해하여 구성된 연료 가스로써 일산화탄소나 이산화탄소 및 질화물 등의 대기 오염물을 발생시키지 않아 새로운 청정연료로써 주목받고 있다. 종래의 상식으로는 물을 전기분해시 수소의 강력한 반응성에 따른 폭발의 위험성 때문에 수소와 산소를 분리막 등을 통해 반드시 분리 생산해야 했으며, 따라서 수소와 산소를 분리하지 않고 동시에 생산하는 연료 가스 즉, 브라운 가스의 역사가 매우 짧은 관계로 브라운 가스의 독특한 연소특성과 활용성에 대한 학술적 연구 및 기술적 성과물이 부족한 것이 사실이다.

브라운 가스는 수소의 연소 시 필요한 산소를 자체 함유하고 있으므로 별도의 산소 공급 없이도 대기중 또는 진공상태에서 화학양론비로 완전 연소되어 기존 화석연료의 연소에서는 볼 수 없는 열핵반응에 의한 에너지 집중성 등의 독특한 화염특성을 나타내며, 화염 접촉시 높은 에너지 밀도로 즉시 고열로 가열되어 대상 물질의 열전도 특성 등에 크게 관계없이 용융점 이상으로 도달할 수 있게 된다. 또한, 브라운 가스는 가열 대상 물질에 따라 각기 다른 열핵 반응을 하여 소재별로 상이한 온도특성을 나타내므로 이종물질을 동시에 용융 접합시킬 수 있는 특성이 있는 것으로 알려져 있다.

또한, 브라운 가스는 연소 후 연소열을 발생하고 물로 환원되며, 이 때 가스 상태에서 액체 상태의 물에 해당하는 부피로 수축하여 진공을 형성하며 불꽃은 강 한 직진성이 있으며 연소물과의 반응특성을 나타내는 유효 불꽃 범위가 존재한다. 또한, 대규모 폭발(explosion)을 동반하는 일반적인 수소 및 화석연료의 연소에 비해 연소초기 매우 짧은 시간 동안 극소규모 폭발 후 매우 소규모의 폭발인 임플로젼(implosion) 즉, 연소 결과 연료의 부피가 불꽃 내부 공간 영역으로 수축하고 주요 폭발력이 내부로 향하는 응폭 현상으로 인해 기본적인 안전성이 확보되는 것은 물론, 그 이용 목적에 따라 에너지 기능성이 매우 높은 것으로 알려져 있다.

이러한 브라운 가스는 기존 화석연료의 완전연소를 돕는 청정보조연료로서 이용가능하며 연료의 생산 및 소비가 동시에 이루어짐으로써 저장, 수송 및 안전 등의 비용이 절감되는 이점이 있고, 자체로는 특수 목적의 산업용 연료로서 소각후 잔존물 용융 소각처리 시스템 및 보일러, 용접기 등에 활용되고 있으나 브라운 가스를 일반적인 열 소스로써 활용하기에는 기술적 한계가 있다.

본 발명에서는 용사용 소재의 가열 및 용융을 위한 연료로써 브라운 가스를 사용하여 용사피막을 형성하는 장치를 제공함으로써 화학양론적으로 수소와 산소가 안정적으로 혼합되어 있는 연료로써 브라운 가스의 독특한 연소특성을 최대한 활용하며 기체속도 제어에 수반되는 연소불안정 등의 문제를 해결하는 효과를 얻게 된다.

이와 같은 브라운 가스의 특성을 이용한 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 브라운 가스를 이용한 용사 장치가 도 시된 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 브라운 가스를 이용한 용사 장치는, 용사용 소재를 용융시켜 스프레이하기 위해 브라운가스를 연료로서 연소시켜 용사용 열원으로 사용하도록 구성된다.

이러한 본 발명의 용사 장치는, 용사용 소재를 가열하여 용융하기 위한 연료인 브라운 가스를 공급하는 브라운가스 공급장치(10)와, 상기 브라운가스 공급장치(10)로부터 브라운 가스를 공급받는 동시에, 연소 및 보조기체의 도입에 따른 고속의 기체 흐름을 형성하여 용사용 소재의 용사물을 스프레이 할 수 있도록 이루어진 용사 건(30)을 포함하여 구성된다.

먼저, 브라운가스 공급장치(10)에 대하여 살펴본다.

상기 브라운가스 공급장치(10)는, 물 전기분해시 생산되는 브라운 가스를 상기 용사 건(30)에 공급할 수 있도록 구성된 것으로서, 도 1을 참고하면, 물(12)을 전기 분해하여 브라운가스(13)를 발생시킬 수 있도록 물이 담긴 수조(11)에 전극(15)들이 배치된 구성으로 이루어진다.

참조 번호 14는 수조(11) 내의 전극(15)에 전기를 제공하는 전원을 나타낸다.

이러한 브라운가스 공급장치(10)는 상기 용사 건(30)에 브라운 가스(13)를 공급하기 위해 가스 라인(18)이 구비되는데, 이 가스 라인(18) 상에는 습식 필터(16), 건식 필터(17), 역화 방지기(19), 가스 혼합기(20), 가스유량조절기(21) 등이 주요하게 구성된다. 물론, 실시 조건에 따라 가스 라인(18)에 구성되는 요소 를 일부 삭제하여 구성되거나, 또 다른 구성 요소를 추가하여 구성할 수 있다.

상기 습식 필터(16) 및 건식 필터(17)는, 물 전기분해시 브라운가스와 혼합되어 나오는 수증기 및 전해액 등의 케미컬 물질을 포집하여 수분이나 불순물에 의한 오염을 방지하는 역할을 하도록 구성된다.

상기 역화 방지기(19)는 습식 또는 건식으로 구성될 수 있으며, 브라운가스의 압력 저하 발생시에 브라운가스가 역류하는 것을 방지할 수 있도록 구성된다.

상기 가스유량조절기(21)는 상기 용사 건(30)에 공급되는 브라운가스의 유량을 제어하는 역할을 한다.

다음, 용사 건(30)에 대하여 살펴본다.

용사 건(30)은, 브라운 가스, 보조기체 등을 도입하여 용사용 소재의 용사물을 스프레이 할 수 있도록 구성된 것으로서, 내부에 버너 공간(35)이 구비되고 이 버너 공간(35)의 앞쪽에 가속 노즐(77)이 구비된 용사 건 하우징(31)과, 상기 용사 건 하우징(31)의 후방에서 상기 버너 공간(35)의 내부로 브라운가스를 공급하는 브라운가스 공급부(40)와, 상기 용사 건 하우징(31)의 일측에서 상기 버너 공간(35)의 내부로 용사용 소재를 공급하는 용사용 소재 공급부(50)와, 상기 버너의 내부에 구비되는 점화 장치(60)와, 상기 용사 건 하우징(31)의 버너 공간(35)과 가속 노즐(77)의 둘레를 통과하면서 냉각시키는 냉각부(70)를 포함하여 구성된다.

여기서, 용사 건 하우징(31)은, 버너 공간(35)과 가속 노즐(77)을 구성하는 하우징 바디와, 이 하우징 바디의 후방에 구비되어 상기 냉각부(70)를 구성하는 분배 공간을 형성하는 후방 캡(33)으로 구성된다.

상기 하우징 바디에서, 상기 냉각부(70)의 냉각 유로(76)는 바디에 다수의 홀을 형성하여 구성하는 것이 바람직하나, 실시 조건에 따라서는 바디를 이중 구조로 형성하여, 냉각 유로를 구성할 수도 있다. 이때 냉각 유로를 헬리컬 유동이 가능하도록 나선 방향으로 연속되게 형성할 수 있다.

또한 하우징 바디에 형성되는 가속 노즐(77)은 전방으로 길게 돌출된 관형 구조로 형성되어 그 내부에 직선형 구조의 분사구(37)가 형성된다.

브라운가스 공급부(40)는, 상기 하우징 바디의 후방에서 내측으로 연결되어 상기 브라운가스 공급장치(10)로부터 브라운가스를 공급받는 공급관(41)과, 상기 하우징 바디의 내부에 구비되어 상기 공급관(41)으로부터 공급된 브라운가스를 원주 방향으로 고르게 분배하여 배출하는 분배체(43)로 이루어진다.

여기서 상기 분배체(43)는 상기 버너 공간(35)의 후방을 구성하면서, 연료인 브라운 가스를 원형 구조로 배치된 다수의 공급홀(44)을 통해 공급할 수 있도록 구성된다. 이때, 중앙부에 상기 공급관(41)과 연결된 하나의 공급홀(X)을 통해서 브라운가스를 공급하도록 구성할 수도 있다.

용사용 소재 공급부(50)는, 상기 하우징 바디에서 연소 공간으로 용사물을 공급할 수 있도록 구성되면, 그 위치에 관계없이 다양하게 배치하여 구성할 수 있다.

다만, 본 실시예의 도면에서는 용사 건 하우징(31)의 측면에 배치된 구성을 예시하였다. 이때, 용사용 소재 공급부(50)는 용사 건 하우징(31)의 상측에 배치되어 있으므로, 투입부(52)를 통해 용사물을 투입하여 간편하게 용사용 소재 입자들이 공급되도록 구성할 수 있다.

점화 장치(60)는, 통상의 점화 플러그와 같이 버너 공간의 내부로 도입되어 브라운가스를 점화시킬 수 있도록 구성된다.

냉각부(70)는, 냉각유체 공급장치로부터, 용사 건 하우징(31) 내의 분배부(74)로 도입된 후에, 하우징 바디의 둘레에 전후 방향으로 다수 배치된 냉각 통로(76)를 통해 가속 노즐(77)의 앞쪽으로 배출될 수 있도록 구성된다.

이때 공급되는 냉각유체는 냉각수, 압축공기 또는 비활성 가스를 이용할 수 있다. 냉각 유체에 대한 구체적인 구성은, 아래에서 다시 설명한다.

한편, 도 1에서, 참조 번호, M은 모재를 나타내고, B는 용융 또는 반용융 상태로 충돌하여 상기 모재(M)에 형성되는 코팅피막 또는 벌크층을 나타낸다.

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 브라운가스를 이용한 용사 장치가 도시된 구성도이고, 도 3a는 가속 노즐을 나타낸 정면도이고, 도 3b는 도 3a의 A-A 선 방향의 단면도이다.

본 발명의 제 2 실시예에 따른 브라운가스를 이용한 용사 장치는, 전술한 제 1 실시예의 용사 장치와 전체적인 시스템은 유사하나, 브라운가스 공급장치(10)와 용사 건(100)의 구조를 달리한다.

브라운가스 공급장치(10)는, 물(12)이 담긴 수조(11)에 전극(15)과 격막(11a)을 배치하고 통상의 전원(14)을 인가함으로써 수소와 산소가스가 혼합된 상태로 발생되는 브라운가스(13)를 공급할 수 있도록 구성된다.

즉, 물 전기분해시 수소 및 산소 가스를 격막(11a)을 통해 분리생산 후 외부가스의 혼입 없이 수소 2 대 산소 1의 화학양론비로 발생시킨 후에 외부에 연결된 가스라인에서 가스 혼합기를 통해 혼합하여 상기 용사 건(100)으로 공급하는 구조로 이루어진다.

따라서 도 2에 도시된 브라운가스 공급장치(10)는 도 1에 도시된 브라운가스 공급장치와 달리, 전해수의 전기분해시 격막(11a)에 의해 수소와 산소를 분리 생산한 후에, 두 분리 라인(18a, 18b)으로 연결되고 수소 및 산소가스를 화학양론비로 혼합하기 위한 가스혼합기(20) 등을 포함하는 통합 가스 라인(18)을 통해 다시 혼합하여 사용할 수 있도록 구성된다.

이외의 구성은 전술한 제 1 실시예의 브라운가스 공급장치와 동일하게 구성되므로, 자세한 설명은 생략한다.

다음, 제 2 실시예에 따른 용사 건(100)은, 용사 건 하우징(101)과, 이 용사 건 하우징(101)의 앞쪽에 배치된 가속 노즐(110)과, 상기 용사 건 하우징(101)의 중심부를 통과하여 상기 가속 노즐(110)을 통해 용사용 소재를 공급하는 용사용 소재 공급부(120)와, 상기 용사 건 하우징(101)의 후방에서 상기 용사용 소재 공급부(120)의 주변과 상기 가속 노즐(110)을 통해 브라운가스를 공급하는 브라운가스 공급부(130)와, 상기 용사 건 하우징(101)의 내부와 상기 가속 노즐(110) 주변에 냉각용 유체를 통과시키면서 냉각 작용을 하도록 하는 냉각부(150)를 포함하여 구성된다.

상기 용사 건 하우징(101)은, 두 개의 하우징(102)(103)으로 구성되어, 상호 직렬로 조립되어 구성된다. 이때 조립 방법은 체결 수단을 이용하여 상호 고정하거나, 용접 등의 방법으로 상호 고정할 수 있다. 그리고, 뒤쪽 하우징(103)의 후방에는 상기 용사용 소재 공급부(120), 브라운가스 공급부(130), 냉각부(150) 등의 주입 경로를 형성하는 관들이 관통되는 후방 캡(104)이 구성된다.

상기 가속 노즐(110)은, 도 3a와 도 3b에 도시된 바와 같이, 중심부에 상기 용사용 소재 공급부(120)의 용사입자 분사구(121)가 위치되고, 이 용사입자 분사구(121)를 중심으로 그 주위에 브라운가스가 분사되는 브라운가스 분사구(131)가 형성된 다공 구조로 형성되어 구성된다.

특히, 상기 브라운가스 분사구(131)는 상기 용사입자 분사구(121)의 분사 라인을 향하여, 브라운가스를 분사할 수 있도록 경사지게 형성되는데, 바람직하게는 상기 브라운가스 분사구(131)의 경사각(θ)은 상기 용사입자 분사구(121)의 분사 라인 방향으로 0°~ 60° 범위에서 경사지게 형성되는 것이 좋다.

이와 같이 브라운가스 분사구(131)를 콘형 구조로 경사지게 형성하는 이유는, 통상 브라운가스 화염은 일반 화석 연료를 연소한 화염과는 달리, 화염의 폭이 매우 작고 날카롭기 때문에 용사 입자를 용융 가열하기 위해서 용사 입자가 분사되는 방향으로 화염을 집중시키기 위한 것이다.

또한, 상기 브라운가스 분사구(131)는 도면에 구체적으로 예시하지는 않았지만, 노즐(110) 끝단에 분사될 때, 와류 분사 구조를 가질 수 있도록 복수개의 분사구를 헬리컬 구조로 배치하여 구성할 수도 있다.

상기 용사용 소재 공급부(120)는, 상기 용사 건 하우징(101)의 후방에서 가속 노즐(110) 쪽으로 연결되어 용사소재 공급유니트(미도시)로부터 용사 입자를 공급받는 용사물 공급관(123)과, 상기 가속 노즐(110)의 중심부에 형성된 용사입자 분사구(121)로 이루어진다.

여기서 상기 가속 노즐(110)은 고온에 충분히 견딜 수 있는 소재로 이루어지므로, 상기 용사물 공급관(123)은 별도의 관으로 제작되어 가속 노즐(110)의 후방에 연결되게 구성된다.

또한 용사소재 공급유니트는 통상의 용사소재 공급유니트와 같이, 고압의 질소 가스 등을 함께 분출시키면서, 용사 입자를 함께 공급할 수 있도록 구성되므로, 구체적인 도시 및 설명은 생략한다.

또한 용사소재는 분말 입자 형태로 공급될 수 있으나, 필요에 따라서는 와이어 스톡 형태로 구성될 수 있고, 이러한 소재의 형태 및 공급 과정은 공지된 용사 공급구조를 활용하여 구성할 수 있다.

용사입자 분사구(121)를 통해 분사된 입자는 브라운가스가 연소되면서 발생된 화염에 의해 활성화되면서, 연소에 의한 기체흐름에 의하여 가열되고 가속된 후에, 모재(M)에 용융 또는 반용융 상태로 충돌하여 코팅피막 또는 벌크물질(B)을 형성하게 된다.

즉, 브라운가스가 연소되면서 발생되는 연소 생성물의 기체흐름은 용사된 용사용 소재를 미세한 입자로 세분화하고, 가속시켜 활성화된 용사입자 흐름을 형성하며 입자를 더욱 가속시키고, 이러한 과정을 통해 용해된 용사된 용사용 소재가 모재(M)에 충돌하면서 안정되고 우수한 코팅피막(B) 등을 형성하게 되는 것이다.

상기 브라운가스 공급부(130)는, 상기 용사 건 하우징(101)의 후방에서 도입되는 브라운가스 공급관(133)과, 상기 용사 건 하우징(101) 내에 구비되어 브라운가스를 원주 방향으로 배치된 다수의 통로로 공급할 수 있도록 이루어진 분배체(135)와, 상기 분배체(135)에서 상기 가속 노즐(110)의 브라운가스 분사구(131)로 연결된 복수의 분사 통로(137)로 구성된다.

여기서, 상기 분배체(135)와 상기 가속 노즐(110)로 연결되는 분사 통로(137) 사이에는, 일정량의 가스가 충진된 상태에서 안정적으로 공급될 수 있도록 하는 충진 공간(136)이 형성된다. 물론, 상기 충진 공간(136)을 형성하지 않고, 상기 분배체(135)에서 상기 분사 통로(137)에 바로 연결되게 구성하는 것도 가능하다.

또한, 상기 충진 공간(136)을 버너실로 이용할 수 있는데, 이때에는 충진 공간(136) 내부에 점화 장치가 설치되고, 충진 공간(136)에서 연소되어 생성된 브라운가스 화염이 브라운가스 분사구(131)로 배출될 수 있도록 구성하게 되면, 연소되면서 고속의 기체흐름을 형성하면서 다공성의 가속 노즐(110)로 가속하게 된다.

상기 냉각부(150)는, 상기 용사 건 하우징(101)의 후방에 연결되는 냉각유체 유입관(153)과, 상기 용사 건 하우징(101) 내에 형성되어 상기 냉각유체 유입관(153)으로부터 유입된 냉각유체를 분배하는 분배부(155)와, 상기 분배부(155)에서 상기 가속 노즐(110) 주변을 통과하여 용사 건 하우징(101)의 앞쪽의 토출구(151)로 냉각 유체가 배출되도록 하는 냉각 통로(157)를 포함하여 구성된다.

상기 분배부(155)는, 상기 후방 캡(104) 내에 형성되되, 추가로 분배실을 형 성하는 분배 커버(105)가 구성될 수 있다.

냉각 통로(157)는 뒤쪽 하우징(103)의 외곽 쪽을 거쳐서, 앞쪽 하우징(102)의 내부로 냉각 유체가 유입될 수 있도록 구성되는데, 앞쪽 하우징(102)에서 상기 가속 노즐(110)의 둘레에는 냉각유체가 가속 노즐(110)을 집중 냉각시킬 수 있도록 다수의 냉각 통로(157)가 분기되어 형성된다.

이러한 냉각통로는 용사 건(100) 및 가속 노즐(110)의 냉각 효율을 높일 수 있게 구성되어야 하는데, 바람직하게는 나선식 유동 흐름을 형성할 수 있도록 통로를 형성하거나, 사이펀 플러그 방식으로 냉각시킬 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기 냉각부(150)를 통해 공급되는 냉각 유체는 압축된 질소, 아르곤 등 비활성 기체, 압축공기, 외부 압축산소와 같은 이송가스(Carrier gas)를 사용할 수 있으며, 상기 냉각 통로(157)를 통해 가속 노즐(110)의 주변에 환상을 배치된 토출구(151)를 통해 전방으로 배출된다.

[실시 예]

용사 물질로, 입자 크기가 40~80㎛인 25020-형 파우더(TiO₂+Al₂O₃ 혼합)를 사용하여, 외부 산화제 도입이 요구되지 않는 브라운가스를 용사용 열원으로 사용하는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 용사 장치를 통하여 용융시켜 표면 전처리를 시킨 철판 및 세라믹 등의 모재에 코팅피막을 형성하였다.

도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 브라운가스를 이용한 용사 장치의 용사건이 도시된 구성도이다. 제 1 실시예 또는 제 2 실시예와 동일한 구성 부분에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.

본 발명의 제 3 실시예에 따른 브라운가스를 이용한 용사 장치는 전술한 제 1 실시예의 용사 장치와 기본적인 구성은 동일하게 이루어지나, 용사 건의 뒤쪽 부분은 제 2 실시예의 구성과 유사하게 용사용 소재 공급부(120)가 가속 노즐과 동일축 선상에 위치된 상태에서 용사용 소재를 공급할 수 있도록 구성되고, 버너 공간(35)의 내에 다공성 촉매부재(160)가 구비된다.
즉, 용사 건 하우징(101) 내에는 상기 브라운가스 공급부를 통해 공급된 브라운 가스를 원주 방향으로 배치된 다수의 통로로 공급할 수 있도록 이루어진 분배체(135)가 구비됨과 아울러, 이 분배체(135)의 앞쪽 버너 공간(35)에는 다공성 촉매부재(160)가 구비된다.

또한, 상기 버너 공간(35)에서 가속 노즐로 연결되는 부분은 콘형 구조로 단면적이 점차 좁아지도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 버너 공간(35) 내에는 브라운가스를 점화하기 위한 점화 장치(미도시)가 구비된다. 이때 점화 장치는 전술한 제 1 실시예에서 설명한 바와 같이 그 위치를 버너 공간(35) 내에서 적절하게 선택하여 설치하면 된다.

한편, 냉각부(150)의 분배부(155)에서 냉각 유체로 사용되는 기체가 유입될 수 있도록 분배체(135) 내부로 통로(135a)가 형성될 수 있다.

이와 같이 구성될 경우에, 상기 다공성 촉매부재(160)는 브라운가스 또는 브라운가스와 외부에서 도입된 산소 비활성 가스 및 압축공기 등의 보조가스로 구성된 연료 혼합물의 총 유동량(Flow)을 크게 증가 시킬 수 있다.

또한 다공성 촉매부재(160)는, 질소 및 아르곤과 같은 비활성 기체를 첨가하 는 것이 가능해지고, 따라서, 기체 온도를 일정 수준으로 냉각시킬 수 있다. 기체 압력 및 유동량의 증가는 온도 저하에 따른 가속 노즐(77) 내의 기체속도 손실을 감쇄시킨다.

상기 다공성 촉매부재(160)는 플래티늄(Platinum), 팔라듐(Palladium), 라듐(Rhodium)과 같은 귀금속(Noble metal) 그룹, 또는 상기 귀금속 그룹과 희토류금속(Rare Earth Metal: Ce, La, Nd) 중 하나 이상의 이성분 산소, 또는 고온 산화에 강하고 브라운가스 연료 혼합물의 점화온도를 저하시킬 수 있는 촉매금속을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한 다공성 촉매부재(160)는, 직물형 금속, 또는 버너 내부에 위치한 적어도 하나 이상의 다공성 세라믹 소재 또는 이들의 코팅을 연소가 이루어지는 표면에 도포하여 만들어 질 수 있다.

한편, 상기 분배부(155)에서 분배체(135) 내부로의 통로(135a) 구성은 반드시 필요한 구성은 아니며, 실시 조건에 따라 선택적으로 사용하는 것이 가능하다.

[실시 예]

브라운가스 연료와 냉각부(150)를 통해 공급되는 보조 기체를 포함하는 용사용 연료를 약 70% ~80%의 기공도를 가지는 플래티늄 코팅처리를 한 세라믹 소재의 다공성 촉매부재(160)를 통과하면서 다공성의 가속노즐 통해 연소시키면서 용사용 소재의 입자들을 용융 및 가속시킴으로서 코팅피막을 형성하였다.

한편, 상기한 바와 같은 본 발명의 용사 장치를 이용한 본 발명에 따른 브라 운가스를 이용한 용사 방법에 대하여 정리하면 다음과 같다.

용사 건(100)에 브라운가스를 공급하여, 용사 건(100)에 구비된 가속 노즐(77, 110)을 통해 브라운가스를 연소시켜 용사물질을 가열 및 용융하여 고속의 기체흐름을 형성한다.

또한 상기 용사 건(100)에 연결된 용사용 소재의 전송유니트를 통해 상기 단계의 용사 건(100)에서 발생되는 기체흐름에 소정의 용사 물질을 도입하여 상기 기체흐름에 의하여 용사용 소재를 분사하면서 공급한다.

그리고 상기 용사 건(100)의 내부를 냉각시킴과 아울러 용사 물질을 더욱 가속시킬 수 있도록 압축 공기 또는 불활성 가스를 공급하면서, 모재에 코팅 피막을 형성한다.

여기서, 브라운가스 연료를 버너 또는 다공성의 가속 노즐(110)에 도입하여 연소할 때, 별도의 산화제로써 외부 산소를 도입하거나 도입하지 않는 조건을 선택적으로 이용할 수 있다.

상기 코팅피막 또는 벌크물질을 형성할 동안 발생할 수 있는 산화를 억제하거나 용사물질의 융점이하로 가열하기 위하여 상기 가속 노즐(77,110)에서 발생되는 화염의 중심부 내부 또는 외부로 상기 용사용 소재의 도입부를 구성하여 용사물질을 냉각시킬 수도 있다.

한편, 상기 코팅피막 또는 벌크물질의 기공도나 치밀성을 변화시켜 피막을 형성하기 위해 용사용 연료로서 브라운가스의 압력 및 유동량을 조절하거나 또는 상기 비활성 가스, 압축공기 및 외부 산소 등의 기체를 혼입하거나 또는 상기 액체 상의 연료첨가제 및/또는 연소 버너(35) 및/또는 가속 노즐(77) 내부에 도입된 고체형의 다공성 촉매부재를 통과하도록 구성하는 것도 가능하다.

이와 함께 상기 용사용 소재로는 분말, 선형재, 봉재 등 다양한 형태와 물성을 가지는 세라믹, 유리, 메탈, 서밋, 또는 이들의 합금, 중합체, 플라스틱 및 비금속 물질 등 통상적인 용사용 소재뿐만 아니라 축광재 ,시멘트, 화산재, 황토, 천연 암석 파우더, 무기질 소재 및 이들의 혼합물 등의 물질 소재를 이용할 수 있다.

도 5에 도시된 실시예는 상기한 본 발명의 용사 장치 및 방법을 이용한 구체적인 실시예의 구성으로서, 모재로서, 콘크리트(C) 표면에 용사 물질을 분사하여, 용사 코팅(B)함으로써 세라믹화여 콘크리트의 독성물질 배출을 획기적으로 저감시킴으로써 환경친화적인 건축 내장 및 외장 마감을 위한 실시예를 보여준다.

이와 같이 본 발명에 따른 용사 장치(100) 및 방법을 콘크리트(C) 표면을 코팅하는데 사용할 경우에, 종래 용사장치로는 코팅 시공시 고비용 문제로 적용하기 어려웠으나 본 발명에 따른 용사 장치에 의해 저비용으로 코팅시공이 가능하며, 일반적으로 시공하는 콘크리트, 모르타르 위에 직접 코팅하여 건축 내외장재, 타일, 페인트 등의 표면 장식재를 이용하지 않고도, 조직이 치밀한 세라믹, 금속, 비금속 등의 기능성 및 착색 코팅층을 형성할 수 있게 되어, 시공이 용이함과 아울러, 콘크리트 시공으로 인해 발생하는 독성의 노출을 최소화할 수 있고 반영구적으로 보 존이 가능하며 미관을 개선할 수 있는 새로운 시공법을 제공할 수 있게 된다.

상기와 같은 본 발명에 따른 브라운가스를 이용한 용사 장치 및 방법의 작용을 설명하면 다음과 같다.

종래 기술의 화염 용사 장치는 아세틸렌(Acetylene), 프로판(Propane), 메탄(methane), 프로필렌(propylene) 가스, 케로신(kerosene), 석유 및 기존 수소 또는 이들의 혼합 가스를 연료로 하는 용사건을 통해 용사용 소재를 용융시키는 방식을 사용하며 일반적으로 화염용사, 폭발용사, 고속화염용사, 아크용사, 플라즈마용사 등으로 나뉜다. 이들 종래 화염용사 장치는 안정적인 화염을 발생시키기 위해 공급하는 연료의 종류, 연료 대 산소의 혼합비율, 압력, 온도, 가스 속도, 외부 산소 및 이송 가스 등 운전 조건이 매우 까다로우며, 용융소재의 종류에 매우 민감하여 각 방식별로 도달 가능한 온도가 상이하여 용융 가능한 소재가 별도로 존재하며 또한, 물성이 다른 종류의 피막형성을 위해서는 특성에 맞는 적절한 용사방식에 의존해야 한다.

하지만, 본 발명의 브라운가스를 연료로 하는 화염용사 장치는 종래의 화염용사 및 전기 아크방식이나 플라즈마 방식에 비해 대기 중에서 용사 소재를 벌크형태로 초단시간에 안정적으로 용융시키며 또한, 소재의 사용에 제한 없이 난용성 소재를 용융하여 코팅함으로써 범용적 이용에 한계가 있는 종래 화염 용사기술로 적용하지 못했던 분야에 다양하게 이용할 수 있게 된다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명에 따른 브라운 가스를 이용한 용사 장치 및 방법은, 서멀 스프레이 코팅장치의 열원으로써 산화제-연료(Oxidizer-fuel)를 혼합하기 위한 별도의 구성요소가 필요치 않는 브라운 가스를 사용하게 됨으로써 기체속도 제어에 수반되는 연소불안정 등의 문제를 해결하여 연료가스의 압력 또는 노즐의 길이 및 구조로 연소특성을 제어할 수 있고, 작업공정이 간결화 될 뿐만 아니라 고품질의 피막을 형성할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은, 용사용 소재의 형태, 종류 및 물성에 관계없이 소재의 용융 및 가열을 용이하도록 하며, 수 십㎛ 에서 수 백㎛ 이상의 비교적 큰 용사용 파우더 소재의 사이즈에 대해 용융이 용이하게 됨에 따라, 용사소재의 가공비를 현저히 줄일 수 있어, 비용절감이 가능한 이점도 있다.

부언하면, 본 발명은, 브라운 가스를 용사용 열원으로 사용함으로써 최소한 세 가지의 주된 장점을 가진다. 첫째, 산화제-연료 혼합물을 혼합하기 위한 별도의 어셈블러나 분리된 도입부가 없어도 되며 둘째, 연료인 수소 가스와 산소 가스가 화학양론비로 혼합되어 구성되어 자체적으로 화학양론적 연소가 가능하여 안정된 프로세스 가능하며 질소, 아르곤과 같은 불활성 가스 및 공기를 첨가하거나 아세틸렌, 메탄올, 톨루엔 등의 혼합물을 통과하도록 하여 연소조건을 불안정하게 하지 않고도 코팅피막 및 벌크피막의 기공 및 치밀함을 조절할 수 있으며 셋째, 브라운가스의 열핵반응을 하는 특성으로 소재의 고유한 융점에 즉시 도달되어 저용융점에서부터 난용성의 고용융점의 소재를 즉시 가열하가나 용융하여 용사혼합물을 일정 온도로 제어할 수 있는 이점들을 갖게 된다.

Claims

용사용 소재를 가열하여 용융하기 위한 연료인 브라운 가스를 공급하는 브라운가스 공급장치와, 상기 브라운가스 공급장치로부터 브라운 가스를 공급받는 동시에, 연소 및 보조기체의 도입에 따른 고속의 기체 흐름을 형성하여 용사용 소재의 용사물을 스프레이 할 수 있도록 이루어진 용사 건을 포함하고;

상기 용사 건은, 내부에 버너 공간이 구비되고 이 버너 공간의 앞쪽에 가속 노즐이 연결된 용사 건 하우징과; 상기 용사 건 하우징의 후방에서 상기 버너 공간의 내부로 브라운가스를 공급하는 브라운가스 공급부와; 상기 용사 건 하우징의 버너 공간의 내부로 용사용 소재를 공급하는 용사용 소재 공급부를 포함하여 구성되되,

상기 용사 건 하우징 내에는 상기 브라운가스 공급부를 통해 공급된 브라운 가스를 원주 방향으로 배치된 다수의 통로로 공급할 수 있도록 이루어진 분배체가 구비됨과 아울러, 이 분배체의 앞쪽 버너 공간에는 다공성 촉매부재가 구비된 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용한 용사 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 버너 공간에서 가속 노즐로 연결되는 부분은 콘형 구조로 단면적이 점차 좁아지게 형성된 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용한 용사 장치.
용사용 소재를 가열하여 용융하기 위한 연료인 브라운 가스를 공급하는 브라운가스 공급장치와, 상기 브라운가스 공급장치로부터 브라운 가스를 공급받는 동시에, 연소 및 보조기체의 도입에 따른 고속의 기체 흐름을 형성하여 용사용 소재의 용사물을 스프레이 할 수 있도록 이루어진 용사 건을 포함하고;

상기 용사 건은, 앞쪽에 가속 노즐이 연결된 용사 건 하우징과; 상기 용사 건 하우징을 통과하여 상기 가속 노즐을 통해 용사용 소재를 공급하는 용사용 소재공급부와; 상기 용사 건 하우징의 후방에서 상기 용사용 소재공급부 주변과 상기 가속 노즐을 통해 브라운가스를 공급하는 브라운가스 공급부를 포함하여 구성되되,

상기 용사 건 하우징 내에는 상기 브라운가스 공급부를 통해 공급된 브라운 가스를 원주 방향으로 배치된 다수의 통로로 공급할 수 있도록 이루어진 분배체가 구비됨과 아울러, 이 분배체와 상기 가속 노즐로 연결되는 분사통로 사이에는 일정량의 가스가 충진된 상태에서 안정적으로 공급될 수 있도록 하는 충진 공간이 형성된 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용한 용사 장치.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

상기 용사 건은, 상기 용사 건 하우징 내에 구비되는 점화 장치와, 상기 용사 건 하우징과 가속 노즐의 주변을 통과하면서 냉각시키는 냉각부를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용한 용사 장치.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

상기 용사용 소재 공급부는, 상기 용사 건 하우징의 중심부를 통과하여 상기 가속 노즐을 통해 용사소용 소재를 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용한 용사 장치.
청구항 3에 있어서,

상기 가속 노즐은,

중심부에 상기 용사용 소재 공급부의 용사입자 분사구가 위치되고, 이 용사입자 분사구를 중심으로 그 주위에 브라운가스가 분사되는 브라운가스 분사구가 형성되되,

상기 브라운 가스 분사구는 상기 용사입자 분사구의 분사 라인을 향하여, 브라운 가스를 분사할 수 있도록 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용한 용사 장치.
청구항 6에 있어서,

상기 브라운 가스 분사구는 상기 용사입자 분사구의 분사 라인 방향으로 0°~ 60° 범위에서 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용한 용사 장치.
청구항 3에 있어서,

상기 가속 노즐은,

중심부에 상기 용사용 소재 공급부의 용사입자 분사구가 위치되고, 이 용사입자 분사구를 중심으로 그 주위에 브라운가스가 분사되는 브라운가스 분사구가 형성되되,

상기 브라운 가스 분사구는 가속 노즐의 끝단에 분사될 때, 와류 분사 구조를 가지도록 복수개의 분사구를 헬리컬 구조로 배치하여 구성한 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용한 용사 장치.
청구항 4에 있어서,

상기 냉각부는, 상기 용사 건 하우징의 후방에 연결되는 냉각유체 유입관과, 상기 용사 건 하우징 내에 형성되어 상기 냉각유체 유입관으로부터 유입된 냉각유체를 분배하는 분배부와, 상기 분배부에서 상기 가속 노즐 주변을 통과하여 용사 건 하우징의 앞쪽으로 냉각 유체가 배출되도록 하는 냉각 통로를 포함한 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용한 용사 장치.
청구항 9에 있어서,

상기 분배체에는 상기 냉각부의 분배부에서 냉각 유체로 사용되는 기체가 유입될 수 있도록 통로가 형성된 것을 특징으로 하는 브라운 가스를 이용한 용사 장치.
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