KR20010036855A - 3 차원 그물구조의 다공성 구리를 이용한 보일러 열교환기 및 그 제조방법 - Google Patents

3 차원 그물구조의 다공성 구리를 이용한 보일러 열교환기 및 그 제조방법 Download PDF

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이관희
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박호군
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Abstract

본 발명은 보일러의 전열면 효율을 획기적으로 증진시킬 수 있는 3 차원 그물구조의 다공성 구리를 이용한 보일러의 열교환기 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 단위 무게당 표면적이 매우 큰 3 차원 그물구조의 구리를 보일러 열교환관 외부에 밀착하여 부착함으로써, 결과적으로 열교환관의 전열면적을 획기적으로 확장시키는 효과와 함께 열교환관 표면에서의 열전달저항을 낮춤으로써, 보일러 열효율의 관건이 되는 전열효율을 종래의 열교환기에 비해 크게 향상시킬 수 있는 장점을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명은 동일한 전열효율을 달성하기 위해 필요한 재료소요량이 기존의 열교환기에 비해 매우 적어 경제적이며 열교환기 부피를 줄일 수 있어 제품 소형화에 크게 기여할 수 있음은 물론 전열관 자체를 기계가공하여 전열면적을 확장시키는 종래의 방법에 비해 열교환기 제작공정을 매우 단순화할 수 있다는 특징을 가지고 있다.

Description

3 차원 그물구조의 다공성 구리를 이용한 보일러 열교환기 및 그 제조방법{HEAT EXCHANGER USING 3-DIMENSIONAL POROUS CU FOR BOILER APPLICATION AND ITS FABRICATING METHOD}
본 발명은 보일러의 전열면 효율을 획기적으로 증진시킬 수 있는 3 차원 그물구조의 다공성 구리를 이용한 보일러의 열교환기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이 보일러는 물을 유입시켜 각종 연료의 연소로부터 얻어지는 열로 고온 고압의 증기를 발생시키거나 온수를 발생시키는 장치로서, 산업체는 물론 대형건물과 가정용에 이르기까지 필수적으로 사용되고 있는 장치이다. 산업용 보일러의 경우 물을 가열하여 일정 압력과 온도를 가진 증기를 생산하고 이를 공급하는 기능을 갖고 있기 때문에 아무리 소형의 보일러라도 그 구성요소면에서 비교적 복잡한 구조로 되어 있으나, 일반 가정용 보일러의 경우에는 온수만을 공급하는 것이 주목적이기 때문에 산업용 보일러와 비교할 때 매우 단순한 구조를 갖고 있다. 그러나, 모든 보일러에서 공통적으로 구비하고 있는 구성요소는 연료를 분사하여 연소시키는 연소실과 이로부터 발생한 고온의 연소가스 열을 물로 전달시키기 위한 열교환기(관)로서, 예전에는 이들 두 부분이 분리되어 있는 외화보일러(externally fired boiler)도 많이 사용되었으나, 현재에는 열효율을 높이기 위하여 연소가스가 직접 열교환관을 통과하는 내화보일러(internally fired boiler)를 주고 사용하고 있다.
보일러의 열교환기는 일정 구경의 금속관을 사용하여 적당한 간격을 두고 서로 평행하게 배열시킨 다음 내부로 보일러수를 통과시키는 구조로 되어 있으며, 이때 금속재질은 산업용의 경우 주철관 혹은 일반 탄소강을 사용하나 가정용의 경우 내구성과 열전달율을 향상시킬 목적으로 스텐레스강 혹은 구리관을 사용하기도 한다. 이러한 열교환관을 전열관이라고도 하는데, 주지하는 바와 같이 전열관에서의 열전달율은 재질에 따라 달라지기도 하지만 전열관의 면적에 비례하여 단위시간당 열전달량이 증가하게 된다. 보일러의 열효율은 투입된 연료의 연소효율과 전열관(면)에서의 열전달효율을 곱한 값이기 때문에 연소효율이 일정한 경우 보일러의 열효율은 결국 전열관에서의 열전달효율에 의해 좌우되며, 시판되고 있는 상업용 보일러의 경우 전열면의 열전달효율은 대략 70 - 90% 범위에 있다. 따라서, 보일러 제조시 전열관의 열전달율을 향상시키기 위한 목적으로 여러 형태의 전열관을 제작하여 사용하기도 하는데, 현재까지 상용화된 전열관 형태를 몇 가지 살펴보면 다음과 같다.
전열관 형태 가운데 가장 흔한 것은 일반 평관으로써, 이의 장점은 별도의 가공공정이 필요없기 때문에 가격이 저렴하고 U 자형 가공이나 이웃관 끼리의 접합이 용이하다는 것을 들 수 있으나 전열면적이 작기 때문에 상당량의 관을 한정된 공간안에 배열하여야 하는 문제점이 있다. 상기한 바와 같이 평관을 사용하는 경우에는 전열관의 직경을 가능하면 작은 것을 사용하여야 하고 전열관 길이가 길어야 하기 때문에 재료 소요량이 크며 전열부 부피가 커질 수밖에 없다. 상기한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 평관이 아닌 전열관을 사용하는 기술이 시도되고 있으며, 이와 관련하여 현재까지 발표된 자료로는 미국특허 제5,701,891호, 제5,706,889호 및 일본특허 제10-288412호, 제11-037683호, 제11-044468호, 제11-083369호, 제10-029011호 등에 기재된 방법이 있다.
상기한 새로운 형태의 전열관 가운데 대표적인 것은 주름관 혹은 관 외벽에 전열핀(fin)을 촘촘하게 배열한 것으로서, 물론 이들 관은 평관과 비교하여 볼 때 단위 길이당 열전달량에 있어서 우수한 것은 사실이나 주름관의 경우 실제 재료 소요량이 감소한 것은 아니고 평관형태를 주름관형태로 가공함으로써 부피를 줄이는 효과만을 가지고 있을 뿐이다. 또한, 상기한 관 외벽에 전열핀을 부착시키는 경우 일반 라디에이터의 방열핀과 동일한 원리로써 열전달율을 향상시킬 수 있으나, 재료 소요량이 많고 가공비용이 비싸다는 단점을 가지고 있다. 한편, 널링(knurling) 가공을 통해 전열관 표면에 물살무늬 등을 만들거나 작은 돌기를 촘촘히 만들어 전열관 표면적을 확장시키는 방법들이 있으나, 상기 기술한 바와 같이 정밀기계가공을 하여야 하기 때문에 단가가 상승하는 문제점이 있게 된다.
본 발명은 종래의 각종 보일러 전열관의 문제점을 해결하고 전열면 효율을 획기적으로 증진시킴은 물론 전열관 제조에 소요되는 재료의 양을 크게 줄임으로써, 보일러 전열부의 경량화 및 소형화를 달성하고자 하는데 그 목적이 있다. 또한, 본 발명은 종래의 평관이나 단순 기계가공을 통한 전열면적 확장방식을 지양하고 단위 무게당 표면적이 매우 큰 3 차원 그물구조의 다공성 구리를 전열관 외부에 부착함으로써, 전열면적을 극대화함과 동시에 전열관 표면에서의 열전달저항을 획기적으로 감소시키는 새로운 개념의 열전달 시스템을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 다공성 구리 골격체의 제조방법의 일실시예를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 다공성 구리 골격체의 제조방법의 또 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의해 완성된 열교환기의 일예를 모식적으로 나타낸 사시도이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
1:열교환관 2:다공성 구리 골격체
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 보일러 열교환관 외부에 3 차원 그물구조의 다공성 구리 골격체를 밀착하여 접합시킨 3 차원 그물구조의 다공성 구리를 이용한 보일러 열교환기를 제공한다.
상기 다공성 구리 골격체의 공극율은 70-96%의 범위를 갖는다.
보일러 연소실에서 발생하는 고온의 연소가스가 상기 3 차원 그물구조의 다공성 구리 골격체를 밀착하여 접합시킨 열교환관을 통과하도록 함으로써 열교환관의 절연면적을 획기적으로 증진시키고 열교환관 표면에서의 열전달저항을 크게 줄일 수 있다.
또한 본 발명은 열린기공(Open Cell)을 가진 폴레우레탄 발포수지를 소정의 크기와 형상으로 재단하고, 재단된 폴리우레탄 수지에 구리피막을 일정 두께로 입히고 난 다음, 구리 피막을 입힌 폴리우레탄 수지를 열분해하여 제거하는 것으로 이루어지는 3 차원 그물구조의 다공성 구리를 이용한 보일러의 열교환기 제조방법을 제공한다.
상기 폴레우레탄 발포수지는 4-50ppi(pores per inch) 규격을 사용하는 것이 적당하다.
한편 상기 구리피막을 입히는 과정은 전도성을 부여하기 위해 무전해 도금을 실시하고, 무전해 도금을 통하여 전도성이 부여된 폴리우레탄 수지는 통상적인 구리도금을 실시함으로써 적당한 두께의 구리피막을 형성시킨다.
상기 본 발명의 방법에서 3 차원 그물구조의 구리 골격체와 열교환관을 밀착하여 일체형으로 접합시키는 방법으로는 여러가지가 있을 수 있으며, 예를 들면 전기도금법, 브레이징법, 이온플레이팅법 및 기계적접합법 등을 이용할 수 있다. 본 발명에서는 상기한 구리 골격체와 열교환관의 접합방법에 있어서 특정한 방법을 이용하는 것으로 제한하지는 않는다.
본 발명의 방법에 의한 열교환관 응용대상 제품은 각종 산업용, 대형건물용 및 일반 가정용 보일러로써, 특히 보일러 연료로 도시가스 혹은 LPG와 같은 청정연료를 사용하는 일반 가정용 보일러에 더욱 효과적으로 적용될 수 있다.
본 발명에서 고안된 보일러 열교환기 제작용 3 차원 그물구조의 구리 골격체 제조방법을 상기한 접합방법 가운데 기계적접합법의 경우를 예를 들어 상세히 설명하면, 우선 골격체의 지지재료로써 시판되고 있는 폴레우레탄 발포수지를 미리 소정의 크기와 형상으로 재단하게 되는데 도 1 에서 보는 바와 같이 열교환관(1) 직경에 맞추어 반원을 오려냄으로써 상하 1 쌍의 골격체(2)를 통하여 열교환관 외부가 완전히 감싸지도록 설계재단한다. 이때, 외부의 감싸지는 부분의 두께(t)는 열교환관 직경의 1/10 에서부터 1 의 범위가 적당하나 그 이상도 무방하며, 1쌍의 골격체 내부에 1개 내지는 3개 가량의 열교환관이 삽입될 수 있도록 설계를 하나 본 발명에서는 그 수량을 제한하지는 않는다. 또한, 상기 공정에서 필요한 경우 최종 조립이 간편하도록 골격체에 볼트 구멍을 미리 뚫어 놓는 것도 무방하다. 물론, 볼트 및 넛트를 사용한 기계적접합법 대신에 브레이징 등의 방법으로 접합을 하고자 하는 경우에는 상기 과정은 필요없다.
또한, 구리 골격체를 상하 1쌍으로 나누어 제조하는 대신 열교환관을 구리 골격체 내부를 관통하여 삽입하는 방법으로 열교환기를 제작하는 경우에는 도 2 에서 보는 바와 같이 열교환관 직경과 동일한 구경의 구멍을 뚫는다. 상기 폴리우레탄 발포수지는 열린기공(Open Cell)을 가진 발포수지여야 함은 물론이며, 단위 면적당 기공크기 및 갯수는 다양한 규격으로 시판되고 있는 것 가운데 적당한 것을 선택할 수 있다. 본 발명에서는 4-50ppi(pores per inch) 규격의 폴리우레탄 발포수지를 사용하였으며, 상기 재단공정을 거친 폴리우레탄 수지에 구리피막을 일정 두께로 입히고 난 다음 폴리우레탄을 열분해하여 제거하게 되면 초기 재단한 모양과 동일한 3 차원 그물구조의 구리 골격체를 얻게 된다. 폴리우레탄에 구리피막을 입히는 방법은 우선 폴리우레탄 수지가 부도체이기 때문에 전도성을 부여하기 위한 무전해 도금을 실시하여야 하며, 전처리 공정으로써 본 발명에서는 우선 에탄올로 표면을 세척해 준 다음 염화제일주석염 용액과 염화팔라듐 용액을 이용하여 각각 10 분간 감수성 처리와 활성화처리를 실시한다.
활성화처리가 끝난 폴리우레탄 발포수지는 물로 깨끗이 세척한 다음 충분히 건조하여 구리 무전해도금을 실시한다. 상기 무전해도금을 위한 도금액으로는 황산구리와 차아인산나트륨을 주성분으로 하는 산성 도금액을 사용하여 도금온도 90℃, pH 4.5의 조건에서 30분간 무전해 도금을 하게 되나, 본 발명에서는 무전해 도금액의 종류나 구체적인 도금조건에 대하여 제한을 두지는 않는다. 또한, 구리 무전해 도금 대신에 니켈 무전해 도금을 실시하여도 무방하다. 무전해 도금을 통하여 전도성이 부여된 폴리우레탄 수지는 구리 도금욕으로 옮겨 통상적인 구리도금을 실시함으로써 적당한 두께의 구리피막을 형성시킨다. 상기 구리도금의 경우에도 통상적인 구리도금법을 이용하면 무방하며, 본 발명에서는 무전해 도금과 마찬가지로 특정한 구리도금법을 이용하는 것으로 제한하지는 않는다.
상기 공정처리를 통하여 구피막이 입혀진 폴리우레탄 발포수지는 전기로에 장입하여 열처리를 함으로써 스폰지 구조의 기지재료로써 사용된 폴리우레탄 수지를 분해제거하는 과정을 거친다. 폴리우레탄 수지의 열분해는 우선 공기중에서 10℃/min 의 승온속도로 430℃ 까지 가열한 다음 공기를 뽑아내고 수소가스를 주입시키면서 430℃ 에서 30분간 열분해를 시키는 방법으로 폴리우레탄 수지 제거율을 99% 까지 달성할 수 있다. 열분해 과정을 공기 중에서만 실시하게 되면 구리표면이 산화되어 색깔이 검게 변하고 쉽게 부스러지는 취성을 보이는 문제점이 있으며, 또한 수소가스를 처음부터 주입하게 되면 상기한 문제점은 해소되나 폴리우레탄 수지 제거율이 95% 이하로써 수지중의 일부가 그대로 잔류하는 문제점을 야기하기 때문에 상기한 본 발명의 열분해 방법에 따라서 처리하는 것이 효과적이다.
본 발명의 방법으로 제조한 3차원 그물구조의 구리 골격체는 기지재료로써 사용한 폴리우레탄 수지와 그 크기, 모양 및 내부 골격이 동일한 형태이며 제조공정에 따라서 공극율 70-96%의 특성을 보인다. 상기한 구리 골격체는 부피에 비하여 상당히 가볍고 내부에 빈 공간이 많으며, 또한 이들 공간이 연속적으로 연결되어 있기 때문에 통기성이 매우 좋은 특징을 가지고 있다. 특히, 열전도율이 다른 금속들에 비해 월등히 우수한 구리를 사용하였기 때문에 고온의 보일러 연소가스로부터 열교환관으로 열을 전달하는 매개체로써 탁월한 효능을 발휘하게 된다. 상기한 본 발명의 방법으로 제조한 구리 골격체 상하 1쌍 사이에 열교환관을 삽입한 다음 볼트 및 넛트로 단단히 조이거나 혹은 브레이징 등의 방법으로 접합을 하면 도 3 에서 보는 바와 같은 조립상태가 된다. 또한, 구리 골격체 내부를 관통하여 열교환관을 삽입하고 전기도금법이나 이온플레이팅법 등의 접합방법을 이용하여 조립할 수도 있으며, 본 발명에서는 상기 구리 골격체와 열교환관의 접합방법을 특정한 방법으로 제한하지는 않는다.
상기한 바와 같은 본 발명의 방법으로 제작한 신형 열교환기는 기존의 평관에 비하여 전열면적이 크게 확장됨으로써 전열관 표면에서의 열전달저항을 획기적으로 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 단위 무게당 표면적이 매우 큰 3 차원 그물구조의 구리 골격체를 전열관 외부에 부착하는 방법으로 열교환기 제조에 소요되는 금속재료의 양을 크게 줄일 수 있음은 물론 보일러 전열부의 경량화 및 소형화가 가능하다는 특징이 있다.
이하, 본 발명의 구체적인 제조공정 및 특징을 다음의 실시예를 통해 상세히 설명한다.
실시예 1
4 ppi(pores per inch) 규격의 폴리우레탄 발포수지를 직경 35mm, 길이 400mm의 원통형으로 절단한 다음 중심부에 열교환관을 삽입할 수 있도록 직경 15mm의 구멍을 뚫는다. 재단이 끝난 폴리우레탄 수지는 에탄올로 표면을 세척하고 염화제일주석염 용액과 염화팔라듐 용액을 사용하여 각각 10 분간 감수성 처리와 활성화처리를 실시하였다. 이후, 폴리우레탄 수지를 황산구리와 차아인산나트륨을 주성분으로 하는 산성 도금액을 사용하여 90℃, pH 4.5 에서 30분간 구리 무전해도금을 실시한 다음 구리 도금욕으로 옮겨 30A의 전류로 상온에서 4시간 구리도금을 수행하였다. 상기 과정을 거쳐 구리피막이 입혀진 폴리우레탄 수지는 전기로에서 공기중에서 430℃ 까지 가열한 다음 공기를 뽑아내고 수소가스를 주입하여 30분간 열분해시키는 방법으로 제거하였다. 상기한 방법으로 제조한 3 차원 그물구조의 구리 골격체 내부에 직경 15mm, 길이 500mm의 구리 열교환관을 삽입한 다음 전기도금법으로 접합시켜 제작완료한 시험용 열교환기를 튜브로(Tube Furnace)에 장입하고 전열효율을 측정하였다. 측정조건은 우선 노(Furnace) 온도를 300℃ 로 유지시키고 공기를 2 liter/min의 유속으로 공급하는 한편, 구리 열교환관 내부로는 20℃의 냉수를 20-100ml/min의 속도로 흐르게 한 다음 출구에서의 수온을 측정하였다. 상기한 방법으로 열교환기의 전열량을 측정한 결과 본 발명의 방법으로 제작한 열교환기는 180[W/m2K]의 전열량을 나타낸 반면 구리 골격체가 없는 동일 칫수의 구리 열교환관은 80 [W/m2K] 만을 보여 본 발명의 열교환기가 종래의 열교환기에 비해 약 2배 이상의 우수한 전열량을 보였다.
실시예 2
50 ppi 규격의 폴리우레탄 발포수지를 실시예 1 과 동일하게 재단하여 실시예 1과 동일한 방법으로 구리 무전해도금, 전기도금 및 열분해 공정을 수행하였다. 상기한 방법으로 제조한 3 차원 그물구조의 구리 골격체 내부에 실시예 1 과 동일한 구리 열교환관을 삽입하여 접합한 다음 전열효율을 측정하였다. 열교환기의 전열량을 측정한 결과 본 발명의 방법으로 제작한 열교환기는 160 [W/m2K]의 전열량을 나타내 구리 골격체가 없는 동일 칫수의 열교환기에 비해 2 배의 우수한 전열량을 보였다.
실시예 3
20 ppi 규격의 폴리우레탄 발포수지를 45mm x 45mm x 400mm 의 크기로 절단하고 길이방향으로 2 등분한 다음 직경 15mm의 열교환관에 맞추어 반원을 오려낸다. 또한, 상하 1 쌍을 조립할 수 있도록 50mm 간격으로 볼트구멍을 뚫는다. 상기와 같이 재단한 폴리우레탄 수지 1쌍을 실시예 1 과 동일한 방법으로 구리 무전해도금, 전기도금 및 열분해 공정을 거친 후 직경 15mm, 길이 500mm 의 구리 열교환관을 상하 1 쌍의 구리 골격체 사이에 넣고 볼트 및 넛트로 단단히 조인다. 상기한 본 발명의 방법으로 제작한 열교환기의 전열량을 실시예 1 과 동일한 방법으로 측정한 결과 150 [W/m2K]의 전열량을 보였다.
이와 같이, 3 차원 그물구조의 구리 골격체를 이용하여 보일러의 열교환기를 제작할 경우에는 종래의 열교환기에 비해 전열면 효율을 획기적으로 증진시킴은 물론 전열관 제조에 소요되는 재료의 양을 크게 줄임으로써, 보일러 전열부의 경량화 및 소형화를 달성할 수 있다. 또한, 종래의 평관이나 단순 기계가공을 통한 전열면적 확장방식 대신에 단위 무게당 표면적이 매우 큰 3 차원 그물구조의 구리 골격체를 전열관 외부에 부착함으로써 전열면적을 극대화함과 동시에 전열관 표면에서의 열전달저항을 획기적으로 감소시킬 수 있게 된다. 특히, 본 발명은 소량의 구리를 사용하여 그물구조의 골격체를 미리 만든 다음 열교환관과 전기도금법, 브레이징법 혹은 볼트 및 넛트를 사용한 기계적 조립법을 이용하여 접합함으로써 종래의 방법에 비해 열교환기 제작공정을 매우 단순화 할 수 있다는 특징을 가지고 있다.

Claims (8)

  1. 보일러 열교환관 외부에 3 차원 그물구조의 다공성 구리 골격체를 밀착하여 접합시킨 3 차원 그물구조의 다공성 구리를 이용한 보일러 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 구리 골격체의 공극율은 70-96%의 범위를 갖는 3 차원 그물구조의 다공성 구리를 이용한 보일러 열교환기.
  3. 열린기공(Open Cell)을 가진 폴레우레탄 발포수지를 소정의 크기와 형상으로 재단하고;
    상기 재단된 폴리우레탄 수지에 구리피막을 일정 두께로 입히고;및
    상기 구리 피막을 입힌 폴리우레탄 수지를 열분해하여 제거하는; 것으로 이루어지는 3 차원 그물구조의 다공성 구리를 이용한 보일러의 열교환기 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 폴레우레탄 발포수지의 규격은 4-50ppi(pores per inch)인 3 차원 그물구조의 다공성 구리를 이용한 보일러의 열교환기 제조방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 폴레우레탄 발포수지를 재단하는 단계는 열교환관의 직경에 맞추어 폴레우레탄 발포수지에 반원을 오려내어 재단하는 3 차원 그물구조의 다공성 구리를 이용한 보일러의 열교환기 제조방법.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 폴레우레탄 발포수지를 재단하는 단계는 폴레우레탄 발포수지에 열교환관의 직경과 동일한 구경의 구멍을 뚫어 재단하는 3 차원 그물구조의 다공성 구리를 이용한 보일러의 열교환기 제조방법.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 구리피막을 입히는 단계는 전도성을 부여하기 위해 폴레우레탄 발포수지에 무전해 도금을 실시하고;
    무전해 도금을 통하여 전도성이 부여된 폴리우레탄 수지에 구리도금을 실시하는 것으로 이루어지는 3 차원 그물구조의 다공성 구리를 이용한 보일러의 열교환기 제조방법.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 폴리우레탄 수지를 열분해하여 제거하는 단계는 공기중에서 10℃/min 의 승온속도로 430℃ 까지 가열한 다음 공기를 제거하고;
    수소가스를 주입시키면서 430℃ 에서 30분간 열분해를 시키는 것으로 이루어지는 3 차원 그물구조의 다공성 구리를 이용한 보일러의 열교환기 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100468217B1 (ko) * 2001-12-31 2005-01-26 한국과학기술연구원 다공성 금속물질을 이용한 축방열 시스템

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