KR101506946B1 - 고압용 대기식 초저온가스 기화기 - Google Patents

고압용 대기식 초저온가스 기화기 Download PDF

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최태환
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Abstract

본 발명은 고압용 대기식 초저온가스 기화기 및 이 기화기에 사용되는 심레스관, 핀튜브 결합방법에 관한 것으로, 고압의 초저온 액체 가스가 통과되는 심레스관과, 심레스관의 둘레에 결합되고 심레스관과 대기 중에 열교환이 이루어지도록 하는 핀튜브를 포함하여서 이루어진다. 이 핀튜브는, 심레스관의 둘레에 밀착되는 결합보스와, 결합보스의 둘레에 방사상으로 복수개 형성된 방열날개들로 이루어진다.
따라서, LNG 및 산업용 가스 등의 액체 상태 초저온 가스가 심레스관을 통과하면 핀튜브의 결합보스 및 방열날개들과 심레스관 사이에 열전도가 발생되면서 초저온 가스의 온도가 상승되므로 기화 상태로 변화시킨다. 그러므로 방열날개들은 핀튜브의 결합보스 둘레에 방사상으로 다수 배열되므로 열방출 효과가 뛰어나고, 방사상으로 배열된 방열날개들과 방열날개 표면의 방열홈들에 의해 대기와 방열날개 사이의 접촉면적이 극대화되므로 기화기의 성능이 향상된다.

Description

고압용 대기식 초저온가스 기화기 및 이 기화기에 사용되는 심레스관, 핀튜브 결합방법{High Pressure Ambient Air Vaporizer And Seamless Pipe, Pin Tube Connection Method Used To Air Vaporizer}
본 발명은 고압용 대기식 초저온가스 기화기 및 이 기화기에 사용되는 심레스관, 핀튜브 결합방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 심레스관은 고압의 초저온용 유체가 흐르는 관으로 고압 사용에 대한 안전을 확보하고 열방출 효과가 향상되도록, 심레스관의 열방출 효과가 향상되고, 심레스관 및 핀튜브가 별도의 용접없이 밀착되는 고압용 대기식 초저온 가스 기화기 및 이 기화기에 사용되는 심레스관, 핀튜브 결합방법에 관한 것이다.
액화가스는 LNG, 액화산소, 액화질소, 액화알곤, 액화암모니아, 액화이산화탄산가스, 액화산화에틸렌 등과 같이 상용온도에서 비교적 낮은 압력으로 특정온도(영하 -196~50℃)에서 액화될 수 있는 가스를 액화시켜 용기 내에 저장 또는 특정 목적으로 사용하는 액체 상태 가스를 말한다.
그리고, 기화기는 액화 가스 저장조에서 자동적 또는 강제적으로 배출된 초저온 액화가스를 기화시키는 장치로서 기화기에서 기화시킨 액화가스는 가스 상태로 소비처에 공급하기도 하고, 때로는 압력 용기에 충전사용하기도 한다.
초저온 액화 가스를 소비처에서 사용하기 위하여서는 일정한 상태의 온도 조건을 확보하여야 한다. 그러나 일정한 상태의 온도 조건을 확보하기 위하여서는 가온과 방열 시스템을 적절하게 조화시켜야 하며, 외부 조건도 맞추어야만 가능하다.
종래 기술에 의한 기화기는 공통적으로 파이프를 복수개 세워서, 그 상하에 칸막이실이나 매니폴드를 설치하여 용접 고정해서 사용되는 것으로, LNG 및 산업용 초저온액화가스는 우선 기화장치의 하부로 부터 공급되고, 다음에 각 전열관 속을 내부를 통과하면서 외부의 온도와 전열핀과 온도차에 의한 열교환으로 내부유체의 온도가 상승하면서 기화한 가스가 상부의 매니폴드나 칸막이실로 통하여 사용처로 보내어지게 된다.
이러한 기화기는, 전열관이 상하의 관판에 용접 고정연결되어 있으므로 LNG 및 산업용 초저온가스의 송입량에 의해 가온의 정도가 변하면 전열관이 신축해 관판과의 용접 개소에 열응력이 가해진다. 그 결과, 송입량이 변화를 계속하면 이 열응력의 반복이 일어나, 최후에는 열피로에 의해 관판에 고정되어 있는 용접부가 파괴된다. 또, 전열관이 복수개 있으므로 이 내부에서의 LNG의 액분산이 나쁘면 관판에 고정되어 있는 각 용접부의 온도의 편차가 일어나 관판에 왜곡이 생겨, 상기 열피로를 가속시킨다.
이러한 문제는, 관판에 상당하는 매니폴드에 전열관이 용접 고정되어 있는 기화기에서도 일어난다.
또한, 전열관의 재료로서 합금알루미늄 재질을 채용했을 경우는 100℃의 온도차의 상위가 생기면 1m당 2.3㎜의 신축량의 상위가 생기고, 스테인레스 강으로 이루어진 전열관에서는 1m당 1.5㎜의 신축량의 상위가 생기며, 철제의 전열관에서는 1m당 1.2㎜의 신축량의 상위가 생긴다. 이 때문에, 용접부에 과잉의 응력이 가해져서, 기화기를 간헐 운전하면 용접부에 균열이 생기는 문제를 자주 일으키고 있었다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0050026호
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 심레스관의 열방출 효과가 향상되고, 대기와 방열날개 사이의 접촉면적이 극대화되도록 한 고압용 대기식 초저온 가스 기화기 및 이 기화기에 사용되는 심레스관, 핀튜브 결합방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 송풍팬에 의해 공기가 송풍되면 일부의 공기가 공기전향부에 의해 확산기의 네 귀퉁이로 유도되어서, 송풍되는 공기가 확산기의 개방부 전체로 고르게 확산되도록 한 고압용 대기식 초저온 가스 기화기 및 이 기화기에 사용되는 심레스관, 핀튜브 결합방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 심레스관 및 핀튜브가 별도의 용접없이 인발 또는 압력성형으로 밀착되도록 한 고압용 대기식 초저온 가스 기화기 및 이 기화기에 사용되는 심레스관, 핀튜브 결합방법을 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고압용 대기식 초저온 가스 기화기는, LNG 및 산업용 가스 등의 액체 상태 초저온 가스를 기화 상태로 변화시켜서 공급하는 고압용 대기식 초저온 가스 기화기에 있어서, 기화기틀; 기화기틀에 설치되고 고압의 초저온 액체 가스가 통과되는 심레스관; 기화기틀에 설치되고 심레스관에 연결되는 메니폴드; 심레스관의 둘레에 결합되고 심레스관과 대기 중에 열교환이 이루어지도록 하는 핀튜브를 포함하여서 이루어지며; 핀튜브는, 심레스관의 둘레에 밀착되는 결합보스와, 결합보스의 둘레에 방사상으로 복수개 형성된 방열날개들로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고압용 대기식 초저온 가스 기화기의 다른 특징은, 심레스관은, 오스테나이트계 스테인레스강 재질로 이루어지고, 핀튜브는, 알루미늄합금 또는 오스테이이트계 스테인레스강 재질로 이루어진다.
본 발명의 고압용 대기식 초저온 가스 기화기의 또 다른 특징은, 방열날개의 둘레에는 길이방향을 방열홈들이 형성되어 있다.
본 발명의 고압용 대기식 초저온 가스 기화기의 또 다른 특징은, 기화기틀의 하부에는, 열섬화방지부가 설치되되, 이 열섬화방지부는, 핀튜브 측으로 공기를 송풍시키는 송풍팬과, 송풍팬과 핀튜브 사이에 설치되어서 송풍팬에 의해 공급되는 공기를 확산시키는 확산기와, 송풍팬 및 핀튜브 사이의 확산기 내에 설치되어서 핀튜브들 측으로 흐르는 공기가 다수의 핀튜브에 균일하게 송풍되도록 하여서 공기의 열전달 성능을 향상시키는 공기전향부로 이루어지며; 공기전향부는, 일단이 확산기의 내부 중앙측을 향하고 타단이 확산기의 외측 둘레를 향하도록 확산기 내부에 경사지게 설치되어서, 송풍팬에 의해 송풍되는 냉각공기 중 일부가 확산기의 개방부 둘레 측으로 유도되도록 구비되며; 하나의 송풍팬에 설치된 하나의 확산기 내부에 방사상으로 네 개가 설치되어서, 공기의 일부가 확산기의 네 모서리 부분으로 유도되도록 구비된다.
상술한 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고압용 대기식 초저온 가스 기화기에 사용되는 심레스관, 핀튜브 결합방법은, 기화기틀과, 기화기틀에 설치되고 고압의 초저온 액체 가스가 공급되며 오스테나이트계 스테인레스강 재질로 이루어진 심레스관과, 기화기틀에 설치되고 심레스관에 연결되는 메니폴드와, 심레스관의 둘레에 결합되고 심레스관과 대기 중에 열교환이 이루어지도록 하며 알루미늄합금 또는 오스테나이트계 스테인레스강 재질로 이루어진 핀튜브를 포함하여서 이루어진 고압용 대기식 초저온 가스 기화기 중, 심레스관과 핀튜브를 결합하는 방법으로서, 핀튜브의 결합보스 내에 심레스관을 삽입하는 가결합단계; 심레스관의 일단에는 고압 장치에 연결하며 심레스관의 타단에는 마개를 결합시켜서 심레스관 내부를 밀폐하는 심레스관 밀폐단계; 심레스관 내부에 고압용 펌프로 압력을 주입하여서 심레스관 내부에 압력을 세팅된 압력까지 상승시키는 심레스관 가압단계; 증가된 내부압으로 심레스관 내부을 팽창시켜서 심레스관의 외주면이 핀튜브의 결합보스 내주면에 밀착되도록 하는 관접합단계; 심레스관의 내부압이 상승되면 압력상승을 중단시키고 마개를 열어서 심레스관 내부의 유체를 배수시키는 내부압 해제단계; 심레스관의 내부압을 해제시킨 후 심레스관의 내부를 건조시키는 건조단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이상에서와 같은 본 발명은, 고압의 초저온 액체 가스가 통과되는 심레스관과, 심레스관의 둘레에 결합되고 심레스관과 대기 중에 열교환이 이루어지도록 하는 핀튜브를 포함하여서 이루어진다. 이 핀튜브는, 심레스관의 둘레에 밀착되는 결합보스와, 결합보스의 둘레에 방사상으로 복수개 형성된 방열날개들로 이루어진다. 따라서, LNG 및 초저온용 산업 가스 등의 액체 상태 초저온 가스가 심레스관을 통과하면 핀튜브의 결합보스 및 방열날개들과 심레스관 사이에 열전도가 발생되면서 초저온 가스의 온도가 상승되므로 기화 상태로 변화시킨다. 그러므로 방열날개들은 핀튜브의 결합보스 둘레에 방사상으로 다수 배열되므로 열방출 효과가 뛰어나고, 방사상으로 배열된 방열날개들과 방열날개 표면의 방열홈들에 의해 대기와 방열날개 사이의 접촉면적이 극대화되므로 기화기의 성능이 향상된다.
본 발명의 기화기틀의 하부에는, 핀튜브 측으로 공기를 송풍시키는 송풍팬과, 송풍팬과 핀튜브 사이에 설치되어서 송풍팬에 의해 공급되는 공기를 확산시키는 확산기와, 송풍팬 및 핀튜브 사이의 확산기 내에 설치되어서 핀튜브들 측으로 흐르는 공기가 다수의 핀튜브에 균일하게 송풍되도록 하여서 공기의 열전달 성능을 향상시키는 공기전향부로 이루어진 열섬화방지부가 설치된다. 따라서, 송풍팬에 의해 공기가 송풍되면 일부의 공기가 공기전향부에 의해 확산기의 네 귀퉁이로 유도되고, 송풍팬에 의해 송풍되는 공기는 확산기의 개방부 전체로 고르게 확산되며, 이에 따라 다수의 핀튜브 전체에 고르게 공급된다. 그러므로 핀튜브의 전체에 공기가 균일하게 흐르게 되므로 기화기의 성능을 향상시키게 된다.
본 발명의 심레스관 및 핀튜브 결합은, 핀튜브의 결합보스 내에 심레스관을 삽입하고, 밀폐된 심레스관 내부에 고압용 펌프로 압력을 주입하여서 세팅압까지 상승시키며, 증가된 내부압으로 심레스관 내부을 팽창시켜서 심레스관의 외주면이 핀튜브의 결합보스 내주면에 밀착되도록 하여서 이루어진다. 따라서, 심레스관 및 핀튜브가 별도의 용접없이 밀착되어서 고정되므로 고압의 초저온 액체 가스가 기화되면서 극심한 온도편차가 발생되어도 결합부위에 균열이 발생되지 않는다.
도 1은 본 발명의 고압용 대기식 초저온 가스 기화기를 보인 개략적 사시도
도 2는 심레스관 및 핀튜브가 결합된 상태를 보인 발췌 사시도
도 3는 도 2의 부분 절개 사시도
도 4는 본 기화기틀의 하부에 열섬화방지부가 설치된 상태를 보인 개략적 정면도
도 5는 열섬화방지부를 보인 개략적 측단면도
도 6은 도 5의 개략적 평면도
도 7은 심레스관 및 핀튜브가 결합되는 과정을 순차적으로 보인 순서도
본 발명의 구체적인 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조한 이하의 설명으로 더욱 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 고압용 대기식 초저온 가스 기화기를 보인 개략적 사시도이고, 도 2는 심레스관 및 핀튜브가 결합된 상태를 보인 발췌 사시도이며, 도 3는 도 2의 부분 절개 사시도이다. 도 4는 본 기화기틀의 하부에 열섬화방지부가 설치된 상태를 보인 개략적 정면도이고, 도 5는 열섬화방지부를 보인 개략적 측단면도이며, 도 6은 도 5의 개략적 평면도다.
이러한 본 발명의 고압용 대기식 초저온 가스 기화기는, LNG 및 산업용 가스 등의 액체 상태 초저온 가스를 기화 상태로 변화시켜서 공급하는 장비이다.
본 발명의 기화기는 영하 50℃부터 영하 200℃까지 사용하는 LNG(액화천연가스) 및 산업용 가스(액화산소, 액화질소, 액화알곤, 액화탄산가스, 액화산화에틸렌, 액화암모니아) 등의 액체 상태의 초저온 가스를 기화 상태로 변화시키는 장치로써, 사용압력이 최저 5MPa 이상의 초고압을 사용하는 시설에 적용된다.
사용 초저온 유체와 대기와의 열교환용 핀튜브(40)의 재질은 알루미늄합금(A6061, A6163, A6063), 오스테나이트계 스테인레스강(STS304, STS304L, STS316, STS316L)을 사용한다.
고압의 초저온 액체가 흐르는 내부의 배관은 오스테나이트계 스테인레스강으로 심레스관(20)(Seamless Pipe)을 사용한다.
열교환 효율을 극대화하기 위한 핀튜브(40)(Fin Tube)의 배열 형식은 4핀, 8핀, 12핀, 16핀 등을 사용하고, 길이와 총 전열 면적은 사용 유체의 총량에 따라 변화된다.
이와 같은 본 발명의 고압용 대기식 초저온 가스 기화기는, 기화기틀(10), 심레스관(20), 메니폴드(30), 핀튜브(40)로 이루어진다.
기화기틀(10)에는, 후술할 심레스관(20), 메니폴드(30), 핀튜브(40)가 설치된다.
심레스관(20)은, 기화기틀(10)에 설치되고 고압의 초저온 액체 가스가 통과된다. 이러한 심레스관(20)은 상술한 바와 같이 오스테나이트계 스테인레스강 재질로 이루어진다.
메니폴드(30)는, 기화기틀(10)에 설치되고 심레스관(20)에 연결된다.
핀튜브(40)는, 심레스관(20)의 둘레에 결합되고 심레스관(20)과 대기 중에 열교환이 이루어지도록 한다. 이러한 핀튜브(40)는, 알루미늄합금관(AL) 또는 오스테이이트계 스테인레스강 재질로 이루어진다.
여기서, 핀튜브(40)는, 심레스관(20)의 둘레에 밀착되는 결합보스(41)와, 결합보스(41)의 둘레에 방사상으로 복수개 형성된 방열날개(42)들로 이루어진다. 방열날개(42)의 둘레에는 길이방향을 방열홈(43)들이 형성되어 있다.
한편, 기화기틀(10)의 하부에는, 열섬화방지부(50)가 설치될 수 있는 바, 이 열섬화방지부(50)는, 핀튜브(40) 측으로 공기를 송풍시키는 송풍팬(51)과, 송풍팬(51)과 핀튜브(40) 사이에 설치되어서 송풍팬(51)에 의해 공급되는 공기를 확산시키는 확산기(52)와, 송풍팬(51) 및 핀튜브(40) 사이의 확산기(52) 내에 설치되어서 핀튜브(40)들 측으로 흐르는 공기가 다수의 핀튜브(40)에 균일하게 송풍되도록 하여서 공기의 열전달 성능을 향상시키는 공기전향부(53)로 이루어진다.
여기서, 공기전향부(53)는 일단이 확산기(52)의 내부 중앙측을 향하고 타단이 확산기(52)의 외측 둘레를 향하도록 확산기(52) 내부에 경사지게 설치되어서, 송풍팬(51)에 의해 송풍되는 공기 중 일부가 확산기(52)의 개방부 둘레 측으로 유도되도록 구비된다.
이러한 공기전향부(53)는, 하나의 송풍팬(51)에 설치된 하나의 확산기(52) 내부에 방사상으로 네 개가 설치되어서, 공기의 일부가 확산기(52)의 네 모서리 부분으로 유도되도록 구비된다.
공기가 배출되는 확산기(52)의 외측에는, 확산기(52)의 내부에 설치되는 공기전향부(53)를 지지하도록 보강대(54)가 설치된다. 이 보강대(54)는, 공기의 흐름을 방해하지 않도록 원형 파이프 형상으로 이루어진다.
따라서 공기전향부(53)가 보강대(54)에 의해 견고히 지지되므로 본 발명의 열섬화방지부(50)를 장기간 사용하여도 공기전향부(53)가 확산기(52)로부터 이탈되지 않는다.
이러한 본 발명의 보강대(54)는, 원형파이프 형상으로 이루어지며 확산기(54)의 외측에 X자 형태로 설치되어 있다. 이와 같이 설치된 원형파이프 형태의 보강대(54)는 공기의 흐름을 방해하지 않으며, 이로 인한 공기의 압력강하가 거의 발생되지 않는다.
도 7은 심레스관 및 핀튜브가 결합되는 과정을 순차적으로 보인 순서도이다. 상술한 본 발명의 고압용 대기식 초저온 가스 기화기는 심레스관(20)과 핀튜브(40)의 결합에 그 특징이 있는바, 이들의 결합은 도 7과 같이 이루어진다.
먼저, 핀튜브(40)의 결합보스(41) 내에 심레스관(20)을 삽입하는 가결합단계(S10)를 갖는다.
핀튜브(40) 및 심레스관(20)이 가결합되면 심레스관(20)의 일단에는 고압용 펌프(미도시)를 연결하고 심레스관(20)의 타단에는 마개(미도시)를 결합시켜서 심레스관(20) 내부를 밀폐하는 심레스관 밀폐단계(S20)를 갖는다.
심레스관(20)이 밀폐되면, 심레스관(20) 내부에 고압용 펌프로 압력을 주입하여서 심레스관(20) 내부에 압력을 세팅된 압력까지 상승시키는 심레스관 가압단계(S30)를 갖는다.
심레스관(20)의 내부를 가압하면 증가된 내부압으로 심레스관(20) 내부을 팽창시켜서 심레스관(20)의 외주면이 핀튜브(40)의 결합보스(41) 내주면에 밀착되도록 하는 관접합단계(S40)를 갖는다.
심레스관(20)의 내부압이 세팅압을 초과하여 상승되면 고압용 펌프를 중단시키고 마개를 열어서 심레스관(20) 내부의 유체를 배수시키는 내부압 해제단계(S50)를 갖는다.
심레스관(20)의 내부압을 해제시킨 후 심레스관(20)의 내부를 건조시키는 건조단계(S60)를 갖는다.
이러한 본 발명의 고압용 대기식 초저온 가스 기화기는 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 본 발명은 고압의 초저온 액체 가스가 통과되는 심레스관(20)과, 심레스관(20)의 둘레에 결합되고 심레스관(20)과 대기 중에 열교환이 이루어지도록 하는 핀튜브(40)를 포함하여서 이루어진다. 이 핀튜브(40)는, 심레스관(20)의 둘레에 밀착되는 결합보스(41)와, 결합보스(41)의 둘레에 방사상으로 복수개 형성된 방열날개(42)들로 이루어진다.
따라서, LNG 및 산업용 가스 등의 액체 상태 초저온 가스가 심레스관(20)을 통과하면 핀튜브(40)의 결합보스(41) 및 방열날개(42)들과 심레스관(20) 사이에 열전도가 발생되면서 초저온 가스의 온도가 상승되므로 기화 상태로 변화시킨다.
그러므로 방열날개(42)들은 핀튜브(40)의 결합보스(41) 둘레에 방사상으로 다수 배열되므로 열방출 효과가 뛰어나고, 방사상으로 배열된 방열날개(42)들과 방열날개(42) 표면의 방열홈(43)들에 의해 대기와 방열날개(42) 사이의 접촉면적이 극대화되므로 기화기의 성능이 향상된다.
둘째, 본 발명의 기화기틀(10)의 하부에는, 핀튜브(40) 측으로 공기를 송풍시키는 송풍팬(51)과, 송풍팬(51)과 핀튜브(40) 사이에 설치되어서 송풍팬(51)에 의해 공급되는 공기를 확산시키는 확산기(52)와, 송풍팬(51) 및 핀튜브(40) 사이의 확산기(52) 내에 설치되어서 핀튜브(40)들 측으로 흐르는 공기가 다수의 핀튜브(40)에 균일하게 송풍되도록 하여서 공기의 열전달 성능을 향상시키는 공기전향부(53)로 이루어진 열섬화방지부(50)가 설치된다.
따라서, 송풍팬(51)에 의해 공기가 송풍되면 일부의 공기가 공기전향부(53)에 의해 확산기(52)의 네 귀퉁이로 유도되고, 송풍팬(51)에 의해 송풍되는 공기는 확산기(52)의 개방부 전체로 고르게 확산되며, 이에 따라 다수의 핀튜브(40) 전체에 고르게 공급된다.
그러므로 핀튜브(40)의 전체에 공기가 균일하게 흐르게 되므로 기화기의 성능을 향상시키게 된다.
셋째, 본 발명의 심레스관(20) 및 핀튜브(40) 결합은, 핀튜브(40)의 결합보스(41) 내에 심레스관(20)을 삽입하고, 밀폐된 심레스관(20) 내부에 고압용 펌프로 압력을 주입하여서 세팅압까지 상승시키며, 증가된 내부압으로 심레스관(20) 내부을 팽창시켜서 심레스관(20)의 외주면이 핀튜브(40)의 결합보스(41) 내주면에 밀착되도록 하여서 이루어진다.
따라서, 심레스관(20) 및 핀튜브(40)가 별도의 용접없이 밀착되어서 고정되므로 고압의 초저온 액체 가스가 기화되면서 극심한 온도편차가 발생되어도 결합부위에 균열이 발생되지 않는다.
한편, 고압이 작용하는 메니폴드(30)의 입구(31)에는 마모방지코팅층이 코팅될 수 있다.
이 마모방지코팅층은, 산화크롬(Cr2O3) 96∼98중량% 및 이산화티타늄(TiO2) 2∼4중량%가 혼합되어 이루어진 분말이 메니폴드(30)의 입구(31) 주변에 용사되어서 이루어지고, 50∼600㎛의 두께로 이루어지며, 경도는 900∼1000HV를 유지하도록 플라즈마 코팅된다.
이 마모방지코팅층은 산화크롬(Cr2O3) 96∼98중량% 및 이산화티타늄(TiO2) 2∼4중량%가 혼합되어 이루어진 분말이 용사되어서 이루어진다.
메니폴드(30)의 입구(31) 주변에 세라믹 코팅을 하는 이유는 마모 방지 및 부식 방지가 주목적이다. 세라믹 코팅은 크롬도금 또는 니켈크롬도금에 비해 내부식성, 내스크래치성, 내마모성, 내충격성 및 내구성이 뛰어나다.
산화크롬(Cr2O3)은, 금속 내부로 침입하는 산소를 차단시키는 부동태피막(Passivity Layer)의 역할을 함으로써 녹이 잘 슬지 않도록 하는 역할을 한다.
이산화티타늄(TiO2)은, 물리화학적으로 매우 안정적이고 은폐력이 높아서 백색안료로 많이 된다. 또한 굴절율이 높아서 고굴절율의 세라믹스에도 많이 이용되고 있다. 그리고 광촉매적 특성과 초친수성의 특성을 갖는다. 이산화티타늄(TiO2)은, 공기정화 작용, 항균작용, 유해물질 분해작용, 오염방지 기능, 변색 방지기능의 역할을 수행한다. 이러한 이산화티타늄(TiO2)은, 마모방지코팅층이 메니폴드(30)의 입구(31) 주변에 확실하게 피복되도록 하며, 마모방지코팅층에 부착된 이물질을 분해, 제거하여 마모방지코팅층의 손상을 방지시킨다.
여기서, 산화크롬(Cr2O3)과 이산화티타늄(TiO2)을 혼합하여서 사용할 경우, 이들의 혼합 비율은, 산화크롬(Cr2O3) 96∼98중량%에 이산화티타늄(TiO2) 2∼4중량%가 혼합되는 것이 바람직하다.
산화크롬(Cr2O3)의 혼합비율이 96∼98%보다 적을 경우, 고온 등의 환경에서 산화크롬(Cr2O3)의 피복이 파괴되는 경우가 종종 발생되었으며, 이에 따라 메니폴드(30)의 입구(31) 주변의 녹방지 효과가 급격이 저하되었다.
이산화티타늄(TiO2)의 혼합비율이 2∼4중량%보다 적을 경우, 이를 산화크롬(Cr2O3)에 혼합하는 목적이 퇴색될 정도로 이산화티타늄(TiO2)의 효과가 미미하였다. 즉, 이산화티타늄(TiO2)은 메니폴드(30)의 입구(31) 주변에 부착되는 이물질을 분해, 제거하여서 메니폴드(30)의 입구(31) 주변이 부식되거나 손상되는 것을 방지시키는데, 그 혼합비율이 2∼4중량%보다 작을 경우, 부착된 이물질을 분해하는데 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.
이러한 재료들로 이루어진 코팅층은, 메니폴드(30)의 입구(31) 주변의 둘레에 50∼600㎛의 두께로 이루어지고, 경도는 900∼1000HV, 표면조도는 0.1∼0.3㎛를 유지하도록 플라즈마 코팅된다.
이러한 마모방지코팅층은, 상기의 분말가루와 1400℃의 가스를 마하 2정도의 속도로 메니폴드(30)의 입구(31) 주변에 제트분사하여서 50∼600㎛으로 용사한다.
마모방지코팅층의 두께가 50㎛ 미만일 경우, 상술한 세라믹 코팅층에 의한 효과가 보장되지 못하게 되며, 마모방지코팅층의 두께가 600㎛을 초과할 경우, 상술한 효과의 증대는 미미한 반면 과다한 세라믹코팅에 의해 작업시간 및 재료비가 낭비되는 문제점이 있다.
메니폴드(30)의 입구(31) 주변에 마모방지코팅층이 코팅되는 동안 메니폴드(30)의 입구(31) 주변의 온도는 상승되는데, 가열된 메니폴드(30)의 입구(31) 주변의 변형이 방지되도록 메니폴드(30)의 입구(31) 주변이 냉각장치(미도시)로 냉각되어서 150∼200℃의 온도를 유지하도록 된다.
마모방지코팅층의 둘레에는 금속계 유리 석영 계통으로 이루어진 무수크롬산(CrO3)으로 이루어진 실링재가 더 도포될 수 있다. 무수크롬산은 무기실링재로써 크롬니켈 분말로 이루어진 코팅층 둘레에 도포된다.
무수크롬산(CrO3)은, 높은 내마모, 윤활성, 내열성, 내식성, 이형성을 필요로 하는 곳에 사용되며, 대기중에서 변색이 안되고, 내구성이 크며, 내마모성과 내식성이 좋다. 실링재의 코팅 두께는 0.3∼0.5㎛ 정도가 바람직하다. 실링재의 코팅두께가 0.3㎛ 미만이면 약간의 스크래치홈에도 실링재가 쉽게 파이면서 벗겨지게 되므로 상술한 효과를 얻을 수 없게 된다. 실링재의 코팅두께가 0.5㎛를 초과할 정도로 두껍게 하면 도금면에 핀홀(pin hole), 균열 등이 많게 된다. 따라서 실링재의 코팅두께는 0.3∼0.5㎛ 정도가 바람직하다.
따라서 메니폴드(30)의 입구(31) 주변에 내마모성 및 내산화성이 뛰어난 코팅층이 형성되므로 메니폴드(30)의 입구(31) 주변이 마모되거나 산화되는 것이 방지되고, 이에 따라 제품의 수명이 연장된다.
또한, 메니폴드(30)는, 노듈러주철로 이루어질 수 있다. 이 노듈러주철을 1600∼1650℃로 가열시켜서 용탕으로 만든 다음 탈황처리를 하며, 마그네슘이 0.3∼0.7중량% 정도 포함된 구상화 처리제를 넣고 1500∼1550℃에서 구상화 처리를 실시한 후 열처리하여 이루어진다.
노듈러주철은, 일반 회주철의 용탕에 마그네슘 등을 첨가하여 응고과정에서 흑연이 구상으로 정출된 주철이므로 회주철에 비하여 흑연의 형태가 구상이다. 이러한 노듈러주철은 노치효과가 적기 때문에 응력 집중 현상이 감소되어 강도와 인성이 크게 향상된다.
본 발명의 메니폴드(30)는 노듈러주철을 1600∼1650℃로 가열시켜서 용탕으로 만든 다음 탈황처리를 하며, 마그네슘이 0.3∼0.7중량% 정도 포함된 구상화 처리제를 넣고 1500∼1550℃에서 구상화 처리를 실시한 후 열처리하여 이루어진다.
여기서, 노듈러주철을 1600℃ 미만으로 가열하면 전체 조직이 충분히 용융되지 못하며, 1650℃를 초과하여 가열시키면 불필요하게 에너지가 낭비된다. 그러므로 노듈러주철을 1600∼1650℃로 가열하는 것이 바람직하다.
용융된 노듈러주철에는 마그네슘이 0.3∼0.7중량% 정도 포함된 구상화 처리제를 넣는 바, 마그네슘이 0.3중량% 미만이면 구상화 처리제를 투입효과가 극히 미미해 지며, 0.7중량%를 초과하면 구상화 처리제의 투입효과가 크게 향상되지 않는 반면에, 고가의 재료비가 증가되는 문제점이 있다. 그러므로 구상화 처리제의 마그네슘 혼합비율은 0.3∼0.7중량% 정도가 적합하다.
용융된 노듈러주철에 구상화 처리제가 투입되면 이를 1500∼1550℃에서 구상화 처리를 실시한다. 구상화 처리 온도가 1500℃ 미만이면 구상화 처리가 제대로 이루어지지 않으며, 1550℃를 초과하면 구상화 처리 효과가 크게 개선되지 않는 반면에 불필요하게 에너지가 낭비된다. 그러므로 구상화 처리 온도는 1500∼1550℃가 적합하다.
이와 같이 본 발명의 메니폴드(30)가 노듈러주철로 이루어지므로 노치효과가 적기 때문에 응력 집중 현상이 감소되어 강도와 인성이 크게 향상된다.
그리고, 기화기틀(10)은 외부 충격 또는 외부 환경에 대한 내충격성이 우수한 폴리프로필렌 수지 조성물로 형성될 수 있다. 이러한 폴리프로필렌 수지 조성물은 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체 75~95중량% 및 에틸렌 함량이 20~50중량%인 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체 5~25중량%로 이루어진 폴리프로필렌 랜덤 블록 공중합체를 포함할 수 있다.
상기 폴리프로필렌 랜덤 블록 공중합체는 전술한 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체 75~95중량% 및 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체 5~25중량%인 것이 바람직한데, 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체가 75중량% 미만이면 강성이 저하되고, 95중량%를 초과하면 내충격성이 저하되며, 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체는 5중량% 미만이면 내충격성이 저하되고, 25중량%를 초과하면 강성이 저하된다.
상기 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체는 에틸렌 0.5~7중량% 및 탄소수가 4~5인 알파올레핀 1~15중량%를 포함하며, 폴리프로필렌 수지 조성물의 기계적 강성유지 및 내열성을 향상시키며 내백화성을 유지하는데 효과적인 역할을 한다. 상기 에틸렌 함량은 바람직하게는 0.5~5중량%이며, 더욱 바람직하게는 1~3중량%일 수 있으며, 0.5중량% 미만이면 내백화성이 저하되고, 7중량%를 초과하면 수지의 결정화도 및 강성이 저하된다. 또한, 상기 알파올레핀은 에틸렌 및 프로필렌을 제외한 임의의 알파올레핀을 의미하며, 바람직하게는 부텐이다. 또한, 전술한 알파올레핀은 탄소수가 4 미만이거나 5를 초과하면 랜덤 공중합체의 제조 시, 코모노머와의 반응성이 낮아 공중합체를 제조하는데 어려움이 있다. 또한, 전술한 알파올레핀 1~15중량%를 포함하며, 바람직하게는 1~10중량%이고, 더욱 바람직하게는 3~9중량%일 수 있다. 상기 알파올레핀은 1중량% 미만이면, 결정화도가 필요 이상으로 높아져 투명성이 저하되고, 15중량%를 초과하면 결정화도 및 강성이 저하되어 내열성이 현저히 낮아지는 문제점을 가진다.
또한, 상기 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체는 에틸렌 20~50중량%을 포함하며, 폴리프로필렌 수지 조성물에 내충격적 특성을 부여하고 미세 분산이 가능하여 내백화성 및 투명성을 동시에 부여하는 역할을 한다. 이러한 에틸렌 함량은 바람직하게는 20~40중량%일 수 있으며, 20중량% 미만이면 내충격성이 저하되고 50중량%를 초과하면 내충격성 및 내백화성이 저하될 수 있다.
이와 같이 기화기틀(10)의 둘레에 폴리프로필렌 수지 조성물이 코팅되므로 외부 충격 또는 외부 환경에 대한 내충격성, 내백화성이 향상되므로 제품의 수명이 연장된다.
또한, 기화기틀(10)의 외부면 한 곳에는 온도에 따라 색이 변화하는 온도변색층이 도포될 수 있다.
이 온도변색층은, 소정의 온도 이상이 되었을 때 색이 변하는 두 가지 이상의 온도변색물질이 기화기틀(10)의 표면에 코팅되어 온도 변화에 따라 두 개 이상의 구간으로 분리됨으로써 단계적인 온도 변화를 판단할 수 있고, 온도변색층 위에는 온도변색층이 손상되는 것을 방지하기 위한 보호막층이 코팅된다.
여기서, 온도변색층은 기화기틀(10)의 온도에 따라 색이 변화하여 도료의 온도 변화를 감지하기 위한 것이다. 이러한 온도변색층은 소정의 온도 이상이 되었을 때 색깔이 변하는 온도변색물질이 기화기틀(10)의 표면에 코팅됨으로써 형성될 수 있다.
온도변색물질은 일반적으로 1~10㎛의 마이크로캡슐 구조로 구성되어 있고, 마이크로캡슐 내에 전자 공여체와 전자 수용체의 온도에 따른 결합 및 분리현상으로 인해 유색 및 투명색을 나타내도록 할 수 있다.
또한, 온도변색물질은 색의 변화가 빠르고, 다양한 변색온도를 가질 수 있으며, 이러한 변색온도는 여러 방법으로 쉽게 조정될 수 있다. 이러한 온도변색물질은 유기화합물의 분자 재배열, 원자단의 공간 재배치 등의 원리에 의한 다양한 종류의 온도변색물질이 이용될 수 있다.
이를 위해, 온도변색층은 서로 다른 변색 온도를 가지는 두 가지 이상의 온도변색물질을 코팅하여 온도 변화에 따라 두 개 이상의 구간으로 분리되도록 형성되는 것이 바람직하다. 이 온도변색층은 상대적으로 저온의 변색온도를 갖는 온도변색물질과 상대적으로 고온의 변색온도를 갖는 온도변색물질을 사용하는 것이 바람직하며, 두 개의 서로 다른 온도에서 각각 반응하는 변색온도를 갖는 온도변색물질을 사용하여 온도변색층을 형성할 수 있다.
이를 통해, 기화기틀(10)의 온도 변화를 단계적으로 확인할 수 있어 도료의 온도변화를 감지할 수 있으며, 이에 따라 기화기틀(10) 주변의 온도를 파악할 수 있다. 이러한 온도변색층을 통해서 액체상태의 초저온 가스가 기화기 내에서 최적의 온도에서 원활하게 기화되는지의 여부를 간접적으로 파악할 수 있다.
보호막층은 온도변색층 위에 코팅되어서 외부의 충격으로 인해 온도변색층이 손상되는 것을 방지하며, 온도변색층의 변색 여부를 쉽게 확인함과 동시에 온도변색물질이 열에 약한 것을 고려하여 단열 효과를 가지는 투명 코팅재를 사용하는 것이 바람직하다.
10 : 기화기틀 20 : 심레스관
30 : 메니폴드 40 : 핀튜브
41 : 결합보스 42 : 방열날개
43 : 방열홈 50 : 열섬화방지부
51 : 송풍팬 52 : 확산기
53 : 공기전향부 54 : 보강대

Claims (5)

  1. LNG 및 산업용 가스 등의 액체 상태 초저온 가스를 기화 상태로 변화시켜서 공급하는 고압용 대기식 초저온 가스 기화기에 있어서,
    기화기틀(10);
    기화기틀(10)에 설치되고 고압의 초저온 액체 가스가 통과되며 오스테나이트계 스테인레스강 재질로 이루어지는 심레스관(20);
    기화기틀(10)에 설치되고 심레스관(20)에 연결되는 메니폴드(30);
    심레스관(20)의 둘레에 결합되고 심레스관(20)과 대기 중에 열교환이 이루어지도록 하며 알루미늄합금 또는 오스테이이트계 스테인레스강 재질로 이루어진 핀튜브(40)를 포함하여서 이루어지고;
    핀튜브(40)는,
    심레스관(20)의 둘레에 밀착되는 결합보스(41)와, 결합보스(41)의 둘레에 방사상으로 복수개 형성되고 둘레에 길이방향을 방열홈(43)들이 형성되어 있는 방열날개(42)들로 이루어지며;
    메니폴드(30)는, 노듈러주철로 이루어지되, 상기 노듈러주철을 1600∼1650℃로 가열시켜서 용탕으로 만든 다음 탈황처리를 하며, 마그네슘이 0.3∼0.7중량% 정도 포함된 구상화 처리제를 넣고 1500∼1550℃에서 구상화 처리를 실시한 후 열처리하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고압용 대기식 초저온 가스 기화기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    기화기틀(10)의 하부에는 열섬화방지부(50)가 설치되되,
    이 열섬화방지부(50)는 핀튜브(40) 측으로 공기를 송풍시키는 송풍팬(51)과, 송풍팬(51)과 핀튜브(40) 사이에 설치되어서 송풍팬(51)에 의해 공급되는 공기를 확산시키는 확산기(52)와, 송풍팬(51) 및 핀튜브(40) 사이의 확산기(52) 내에 설치되어서 핀튜브(40)들 측으로 흐르는 공기가 다수의 핀튜브(40)에 균일하게 송풍되도록 하여서 공기의 열전달 성능을 향상시키는 공기전향부(53)로 이루어지며;
    공기전향부(53)는,
    일단이 확산기(52)의 내부 중앙측을 향하고 타단이 확산기(52)의 외측 둘레를 향하도록 확산기(52) 내부에 경사지게 설치되어서, 송풍팬(51)에 의해 송풍되는 공기 중 일부가 확산기(52)의 개방부 둘레 측으로 유도되도록 구비되며; 하나의 송풍팬(51)에 설치된 하나의 확산기(52) 내부에 방사상으로 네 개가 설치되어서, 공기의 일부가 확산기(52)의 네 모서리 부분으로 유도되도록 된 것을 특징으로 하는 고압용 대기식 초저온 가스 기화기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    고압이 작용하는 메니폴드(30)의 입구(31)에는 마모방지코팅층이 코팅되되,
    상기 마모방지코팅층은, 산화크롬(Cr2O3) 96∼98중량% 및 이산화티타늄(TiO2) 2∼4중량%가 혼합되어 이루어진 분말이 메니폴드(30)의 입구(31) 주변에 용사되어서 이루어지고, 50∼600㎛의 두께로 이루어지며, 경도는 900∼1000HV를 유지하도록 플라즈마 코팅되며, 마모방지코팅층의 둘레에는 무수크롬산(CrO3)으로 이루어진 실링재가 0.3∼0.5㎛의 두께로 코팅되는 것을 특징으로 하는 고압용 대기식 초저온 가스 기화기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    기화기틀(10)은 폴리프로필렌 수지 조성물로 형성되되,
    상기 폴리프로필렌 수지 조성물은 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체 75~95중량% 및 에틸렌 함량이 20~50중량%인 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체 5~25중량%로 이루어진 폴리프로필렌 랜덤 블록 공중합체로 이루어진 것을 특징으로 하는 고압용 대기식 초저온 가스 기화기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    기화기틀(10)의 외부면에는 온도에 따라 색이 변화하는 온도변색층이 도포되되, 이 온도변색층은, 일정한 온도 이상이 되었을 때 색이 변하는 두 가지 이상의 온도변색물질이 기화기틀(10)의 표면에 코팅되어 온도 변화에 따라 두 개 이상의 구간으로 분리됨으로써 단계적인 온도 변화를 판단할 수 있고, 온도변색층 위에는 온도변색층이 손상되는 것을 방지하기 위한 보호막층이 코팅되는 것을 특징으로 하는 고압용 초저온 가스 기화기.
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