KR101449328B1 - 티타늄 탄소나노튜브 복합소재 코팅 고효율 열 교환기 및 그 제조방법 - Google Patents

티타늄 탄소나노튜브 복합소재 코팅 고효율 열 교환기 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

티타늄 탄소나노튜브 복합소재 코팅 고효율 열교환기로서, 상기 열교환기의 전열관 또는 절연판 상에는 탄소나노튜브 및 제 1 티탄으로 이루어진 복합소재; 및 상기 제 2 티탄으로 이루어진 코팅재가 코팅된 것을 특징으로 하는 티타늄 탄소나노튜브 복합소재 코팅 고효율 열교환기가 제공된다.

Description

티타늄 탄소나노튜브 복합소재 코팅 고효율 열 교환기 및 그 제조방법{High efficiency heat exchanger coated by carbon nano tubes-Ti composite and manufacturing method for the same}
본 발명은 티타늄 탄소나노튜브 복합소재 코팅 고효율 열 교환기 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 티타늄/CNT복합 소재 입자를 저가 재질의 전열판 또는 전열관에 코팅하여 저렴하면서도 항 부식성이 우수하고 열전도성이 개선된 고효율 열교환기에 관한 것이다.
부식성 유체를 사용하는 플렌트나 해수 냉각 발전소, 해수열 히트펌프, 제련소, 양어장, 화학공장, 해수담수화장치, LNG해수냉각기용 열교환기에서의 판형 열교환기 전열판 및 전열관 등을 사용한다. 일반적으로 항부식성 우수한 티타늄 소재로 전열관 또는 전열판을 제조, 사용하나, 티타늄소재 자체가 고가(高價)이며 열전도성이 낮으므로 이를 개선한 저가이면서 열전도성이 우수한 고효율 항부식 열교환기의 개발이 필요하다.
관련하여 대한민국 공개특허공보 10-2004-0101242호는 티탄, 지르코늄 등의 복합 금속으로 이루어진 고강도 열교환기를 개시한, 복합 금속의 사용에 따라 비용이 상승하고, 아울러 항 부식성이 개선에도 불구하고 열전도에서의 희생이 따르는 문제가 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 우수한 항 부식성과 열 전도도를 가지며, 아울러 경제성이 우수한 열교환기를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 티타늄 탄소나노튜브 복합소재 코팅 고효율 열교환기로서, 상기 열교환기의 전열관 또는 절연판 상에는 탄소나노튜브 및 제 1 티탄으로 이루어진 복합소재; 및 상기 제 2 티탄으로 이루어진 코팅재가 코팅된 것을 특징으로 하는 티타늄 탄소나노튜브 복합소재 코팅 고효율 열교환기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소나노튜브에는 제 1 티탄이 물리적 방식으로 삽입된 상태이며, 상기 제 2 티탄은 순수 티탄 형태이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 티탄과 탄소나노튜브는 혼합된 후, 동시에 분쇄되며, 이때 상기 탄소나노튜브는 1 중량%로 상기 제 1 티탄과 혼합된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 분쇄는 볼 밀링 방식으로 진행된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복합분말과, 상기 제 2 티탄 사이의 중량비는 8:2이다.
본 발명은 상술한 티타늄 탄소나노튜브 복합소재 코팅 고효율 열교환기에 사용되는 코팅재를 제공한다.
본 발명은 티타늄 탄소나노튜브 복합소재 코팅 고효율 열교환기용 코팅재 제조방법으로, 제 1 티탄과, 탄소나노튜브를 혼합한 후, 동시에 분쇄하여 복합소재를 제조하는 단계; 및 상기 복합소재에, 순수 티탄인 제 2 티탄을 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅재 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소나노튜브는 1 중량%로 상기 제 1 티탄과 혼합되며, 상기 분쇄는 볼 밀링 방식으로 진행된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복합소재와, 상기 제 2 티탄 사이의 중량비는 8:2이다.
본 발명은 상술한 코팅재를 이용한 열교환기 제조방법으로, 전열관 또는 전열판 상에 상기 코팅재를 저온분사 또는 열용사법으로 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 제조방법을 제공하며, 상기 전열관 또는 전열판 상에 코팅된 코팅층은 단일층 또는 다층을 이룬다.
본 발명에 따르면, 티타늄/CNT복합 소재 입자를 저가의 재질(강 혹은 sus재질) 전열판 또는 전열관에 코팅하여 저렴하면서도 항 부식성이 우수하고 열전도성이 개선된 고효율 열교환기가 가능하다. 더 나아가, 측면 부분에서의 코팅 효과 또한 우수하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기 코팅재의 제조방법을 나타내는 단계도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 Attrition Milling 장치의 사진과 분말 제조방법의 모식도이다.
도 3은 Ti/CNT 복합소재 제조 후 탄소나노튜브 양에 따른 사이즈 분포 비율을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제 2 티탄이 첨가되는 구성과 이를 이용한 단일층 코팅 방식을 설명하는 모식도이다.
도 5는 본 발명에서 적용된 저온 분사 코팅장치의 개략도를 나타낸다.
도 6은 부착력 테스트 방법을 나타내는 도면이고, 도 7은 그 결과이다.
도 8은 본 실험예에 따른 항 부식 테스트 방법을 설명하는 사진이고, 도 9 및 10은 그 결과이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 코팅재로 코팅된 절연판의 열 전도도를 테스트한 결과이다.
도 12는 일반적인 전열판 요철을 나타내며, 도 13은 이러한 굴곡진 전열판에 코팅 문제를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여, 우수한 항 부식성을 갖는 티탄에 우수한 열 전도도의 탄소나노튜브를 복합화한 복합소재 기반으로 코팅재로 사용하였다. 이로써 우수한 항 부식성과 열 전도도를 동시에 가지는 코팅재 및 이에 기반한 열교환기를 제조할 수 있으며, 더 나아가, 탄소나노튜브에 티탄이 물리적으로 삽입되어 이루어진 복합 소재가 가지는 문제, 즉, 부착성이 떨어지는 문제를 해결하기 위하여, 미리 제조된 복합소재에 순수 티탄을 일종의 바인더로 첨가하여 사용함으로써 전열관 또는 전열판과의 부착성을 향상시켰다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기 코팅재의 제조방법을 나타내는 단계도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 코팅재는 티탄과 탄소나노튜브를 볼 밀링 방식 등으로 분쇄하여, 복합 소재 분말을 얻는다. 본 명세서에서는 최초 탄소나노튜브와 혼합된 후, 물리적으로 삽입되는 미세 크기의 티탄을 제 1 티탄으로, 상기 분쇄 후 첨가되어 부착성을 향상시키는 큰 크기의 티탄을 제 2 티탄으로 지칭한다.
상기 제 1 티탄과 탄소나노튜브는 분쇄되어, 복합 소재 분말을 이루는데, 이때 상기 탄소나노튜브는 상기 복합소재 분말의 5 부피% 또는 1 중량%를 이룬다. 특히 상기 중량%의 탄소나노튜브 사용에 따라 코팅재는 가장 강한 접착력을 얻게 되며, 아울러 열 전도도의 개선 효과 또한 극대화할 수 있다.
이후, 상기 제 1 티탄과 탄소나노튜브으로 이루어지며, 탄소나노튜브에 제 1 티탄이 물리적으로 혼입된 혼합 복합 분말(입도 25 내지 53㎛)을 제조한 후, 제 2 티탄을 첨가하는데, 이때 혼합 복합분말과 제 2 티탄의 중량비는 8:2이었다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 제 2 티탄은 분쇄 공정에 따라 제조된 혼합분말에 첨가되며, 상기 제 2 티탄은 탄소나노튜브을 포함하는 복합 소재의 연성 감소에 따른 문제와, 이에 따른 코팅 효율 열화를 방지한다.
복합 소재 및 순수 티탄으로 이루어진 상기 코팅재는 열교환기의 절연관 또는 절연판 상에 저온분사법, 열 용사법 등의 방식에 따라 단일층 또는 다층으로 코팅될 수 있다.
실시예 1
복합분말 제조
먼저 직경 520 nm, 길이 ~10 m의 탄소나노튜브(다중벽, MWCNT)과 티탄 분말을 Attrition Milling 장치에 넣었다. 아울러 5mm 지르코니아 볼을 볼/파우더로 20/1의 비율로 넣었으며, CNT 혼합비는 0 - 10 wt %로 다양하게 하였다.이후 본 밀링 방식으로 탄소나노튜브/제 1 티탄 복합 분말을 제조하였는데, 이때 과열 및 산화 방지를 위하여 아르곤 가스를 주입하여, 밀봉을 하고 냉각수로 장치 주변을 냉각하였다. 이때 회전속도는 200 내지 300RPM, 시간은 9시간이었다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 Attrition Milling 장치의 사진과 분말 제조방법의 모식도이다.
도 3은 Ti/CNT 복합소재 제조 후 탄소나노튜브 양에 따른 사이즈 분포 비율을 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 제 1 티탄의 분말는 25 내지 53㎛ 사이즈가 40%이상을 차지하고 있으나 탄소나노튜브 비중이 증가함에 따라 25-53㎛ 입도 영역은 감소하고 0-25㎛ 사이의 입도 영역이 증가하며, 그 결과 제 1 티탄의 분말 전체 중 50중량% 이상을 0-25㎛의 티탄 분말이 차지하는 것을 알 수 있다. 하지만, 본 발명의 하기 실시예에서는 상기 다양한 사이트의 분말을 걸러, 25-53㎛의 복합 분말을 코팅재로 사용하였다.
제 2 티탄 첨가
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제 2 티탄이 첨가되는 구성과 이를 이용한 단일층 코팅 방식을 설명하는 모식도이다.
도 4를 참조하면, 탄소나노튜브/제1티탄 복합 분말 80 중량%에 순수 티탄 분말 20 중량%를 혼합하며, 코팅 특성이 향상된 코팅재를 제조하며, 상기 제 2 티탄의 기능은 상술한 바와 같다.
CNT / Ti 복합소재코팅
상술한 공정에 따라 제조된 복합소재 코팅재를 코팅하는 방법은 몇 가지가 있는데, 저온분사법, 열용사법을 사용할 수 있다.
도 5는 본 발명에서 적용된 저온 분사 코팅장치의 개략도를 나타낸다.
도 5를 참조하면. 저온분사(Cold spray) 기술은 1-50(최대 200) 사이즈의 금속, 복합재료 또는 고분자 분말을 N, Air, He 혹은 혼합가스와 같은 압축가스를 이용하여 가속된 가스 기류에 분말을 혼합한 후 Laval 타입의 노즐을 통하여 초음속으로 가속하여 대상물에 분사함으로써 분말의 용융에 의한 코팅이 아닌 운동에너지에 의한 소성변형으로 고상상태의 코팅이 이루어지는 기술이다. 특히, 분말을 고온으로 용융시키지 않고 입자를 고착시킬 수 있으므로 플라즈마 코팅법을 포함한 기존 용사코팅 공정에서 문제될 수 있는 산화에 의한 물성변화, 상변화, 상분해, 결정립 성장 등 단점들을 극복할 수 있어 준안정, 나노 결정 소재및 이들의 복합소재 코팅 제조법으로의 가능성이 새롭게 부각 되고 있다.
저온 분사 코팅장치 시스템 구조로 압축된 가스는 가스제어모듈로 유입되어 입자 이송부와 가스 가열부로 나뉘어 들어간다. 입자이송을 위한 기체는 입자와 혼합되어 예열된 후 노즐부로 이동한다. 입자가속을 위한 기체는 가스 가열부를 통과하여 가열되고, 가열된 기체가 노즐의 목부분을 지나며 초음속 기류가 형성된다. 이때 노즐로 주입된 입자들은 초음속의 속도로 초음속 제트기류와 부딪히며 적층이 일어난다. 본 발명의 일 실시예에 따른 분사코팅은 코팅 방법의 특성상 25-53㎛의 사이즈만 선별하여 코팅하였다.이후 어닐링 공정을 진행하여, 코팅 내 기공을 감소시켜 소재의 치밀도를 증가시켰다. 상기 코팅 방법은 열용사 코팅법에도 동일하게 적용할 수 있으며, 본 발명의 범위가 상기 실시예에 의하여 제한되지 않는다.
실험예 1
코팅 접착력 테스트
도 6은 부착력 테스트 방법을 나타내는 도면이고, 도 7은 그 결과이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 코팅재의 부착력 테스트 방법은 ASTM D4541 규정을 따라 살시하였다.
도 7을 참조하면, 순수 Ti 코팅의 경우 3번의측정을 통하여 평균 부착력이 1.4 MPa정도 이며 Ti/ 5.0 vol % MWCNT의 경우 평균 1 MPa 정도됨을 파악할 수 있었다. 특히 CNT 사용에 따라 순수 Ti에 비하여 부착력이 떨어지지만, 5부피%로 CNT를 사용하는 경우, 7.5부피%의 경우(0.9 MPa), 2.5 부피%(0.8 MPa)에 비하여 현저히 개선된 부착력을 얻게 되는 것을 알 수 있다.
실험예 2
항 부식 테스트
도 8은 본 실험예에 따른 항 부식 테스트 방법을 설명하는 사진이고, 도 9 및 10은 그 결과이다. 또한 하기 표 1은 항 부식 테스트에 따른 중량 변화를 정리한 표이다.
[표 1]
Figure 112013081859065-pat00001
도 9 및 10, 표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 코팅재(Ti/CNT)를 절연판에 코팅하는 경우, 티탄 사용에 따른 항 부식 효과가 확실하다는 것을 알 수 있다.
실험예 3
열 전도도 테스트
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 코팅재로 코팅된 절연판의 열 전도도를 테스트한 결과이다.
도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 코팅재인 Ti/CNT를 코팅하는 경우, 순수 Ti로 코팅한 경우에 비하여 20%이상 증가된 열전도도를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.
측면 코팅 개선 효과
본 발명에 따른 코팅재는 굴곡 등에 따른 기재의 측면 코팅에 유리하다.
도 12는 일반적인 전열판 요철을 나타내며, 도 13은 이러한 굴곡진 전열판에 코팅 문제를 나타내는 도면이다.
도 12 및 13을 참조하면, 일반적으로 판형열교환기 전열판에 쉐브론 타입의 굴곡을 넣게 된다. 이는 유동의 난류를 발생시켜 전열 촉진을 하게 된다. 이에 따라 도 13에서 보듯이 전열판을 코팅 할 경우 노즐이 좌우로 이송하게나 아니면 전열판을 올려 놓은 거치대(Bed)가 좌우로 이송하게 된다. 이 경우 전열판 굴곡 경사 측면은 코팅 노즐에 수직이 아니어서 이 부분의 코팅이 안되어 불량이 발생하는 경우가 빈번히 발생한다.
따라서, 제 2 티탄 사용없이 Ti/CNT의 복합 소재만의 코팅은 이러한 측면 부분에 코팅은 잘 안되는 성향이 있으나, 본 발명세서 적용한 방식의 파우더 코팅은 측면의 부분에서도 코팅이 잘 이루어진다는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

Claims (12)

  1. 티타늄 탄소나노튜브 복합소재 코팅 고효율 열교환기로서,
    상기 열교환기의 전열관 또는 절연판 상에는
    탄소나노튜브 및 제 1 티탄으로 이루어진 복합소재; 및
    상기 복합소재와 제 2 티탄으로 이루어진 코팅재가 코팅된 것을 특징으로 하는 티타늄 탄소나노튜브 복합소재 코팅 고효율 열교환기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브에는 제 1 티탄이 물리적 방식으로 삽입된 상태이며, 상기 제 2 티탄은 순수 티탄 형태인 것을 특징으로 하는, 티타늄 탄소나노튜브 복합소재 코팅 고효율 열교환기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 티탄과 탄소나노튜브는 혼합된 후, 동시에 분쇄되며, 이때 상기 탄소나노튜브는 1 중량%로 상기 제 1 티탄과 혼합된 것을 특징으로 하는, 티타늄 탄소나노튜브 복합소재 코팅 고효율 열교환기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 분쇄는 볼 밀링 방식으로 진행된 것을 특징으로 하는, 티타늄 탄소나노튜브 복합소재 코팅 고효율 열교환기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 복합소재는 분말 형태이며, 상기 제 2 티탄 사이의 중량비는 8:2인 것을 특징으로 하는, 티타늄 탄소나노튜브 복합소재 코팅 고효율 열교환기.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 티타늄 탄소나노튜브 복합소재 코팅 고효율 열교환기에 사용되는 코팅재.
  7. 티타늄 탄소나노튜브 복합소재 코팅 고효율 열교환기용 코팅재 제조방법으로,
    제 1 티탄과, 탄소나노튜브를 혼합한 후, 동시에 분쇄하여 복합소재를 제조하는 단계; 및
    상기 복합소재에, 순수 티탄인 제 2 티탄을 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅재 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 1 중량%로 상기 제 1 티탄과 혼합되는 것을 특징으로 하는 코팅재 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 분쇄는 볼 밀링 방식으로 진행된 것을 특징으로 하는 코팅재 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 복합소재와, 상기 제 2 티탄 사이의 중량비는 8:2인 것을 특징으로 하는 코팅재 제조방법.
  11. 제 7항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따라 제조된 코팅재를 이용한 열교환기 제조방법으로,
    전열관 또는 전열판 상에 상기 코팅재를 저온분사 또는 열용사법으로 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 전열관 또는 전열판 상에 코팅된 코팅층은 단일층 또는 다층을 이루는 것을 특징으로 하는 열교환기 제조방법.
KR1020130107446A 2013-09-06 2013-09-06 티타늄 탄소나노튜브 복합소재 코팅 고효율 열 교환기 및 그 제조방법 KR101449328B1 (ko)

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