KR20010090393A - 주름이 형성된 표면연소 버너용 금속섬유 매트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면연소 버너용 금속섬유 매트 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열 팽창 및 수축에 의하여 금속섬유 매트의 형태가 변형되거나 소결된 금속섬유의 구조가 파손되는 것을 방지하기 위하여 금속섬유 매트에 다수의 주름을 형성하여 가열 및 냉각 사이클에 따른 팽창 및 수축력을 흡수할 수 있는 것을 특징으로 하는 주름이 형성된 표면연소 버너용 금속섬유 매트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 전체 기공도가 60% 내지 95% 이고 두께가 0.5㎜ 내지 5㎜인 표면연소 버너용 금속섬유 매트에 있어서, 상기 금속섬유 매트는 크롬 15∼25%, 알루미늄 3∼8% 및 Nb, Y, Ti, Ta 등의 미량원소가 0.05∼0.5% 포함된 내열합금으로 만들어진 금속섬유를 부직포 상태로 균일하게 분포시켜 소결시킨 다음 주름을 형성한 것을 특징으로 한다.

Description

주름이 형성된 표면연소 버너용 금속섬유 매트{Metal fiber mat having corrugations for surface combustion burner}

본 발명은 표면연소 버너용 금속섬유 매트 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열 팽창 및 수축에 의하여 금속섬유 매트의 형태가 변형되거나 소결된 금속섬유의 결합구조가 파손되는 것을 방지하기 위하여 금속섬유 매트에 다수의 주름을 형성하여 가열 및 냉각 사이클에 따른 팽창 및 수축력을 흡수할 수 있는 것을 특징으로 하는 다수의 주름이 형성된 표면연소 버너용 금속섬유 매트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 표면연소 버너는 다공성 금속섬유 매트에 연료/공기 혼합가스를 공급하여 연소시킴으로써 붉게 가열된 금속섬유 매트가 강력한 복사에너지를 방출하도록 한 것으로서 근접 상태에서 신속하게 가열되고 공해 물질을 적게 발생시킨다는 특징이 있다.

도 1은 이러한 표면연소 버너의 일예를 보여주는 단면도로서, 도면에서 보는 바와 같이, 연료/공기 혼합가스는 도시되지 않은 연료/공기 혼합장치에서 미리 혼합되어 버너(1)의 하부를 관통하도록 설치된 혼합가스 공급관(2)에 공급된 다음, 상기 혼합가스 공급관(2)의 상단부에 설치된 분배기(3)를 통해 버너의 내부로 분사된다. 그리고 상기 분배기(3)를 통해 분사된 혼합가스는 정류 기능을 갖는 다공판(4)을 통하여 금속섬유 매트(10)에 공급되게 된다. 이렇게 공급된 혼합가스는 상기 금속섬유 매트(10)에서 연소되므로 상기 매트(10)는 붉은 색으로 가열되어 복사 에너지를 방출하게 되고, 이 복사에너지는 고체 복사와 대류에 의해 피열체에 열을 전달되게 된다.

이와 같이 표면연소에 사용되는 금속섬유 매트는 1000℃이상의 고온으로 가열되므로 반드시 내열성을 갖는 금속섬유로 제조되게 된다. 그러나 아무리 내열성이 좋은 금속이라 하더라도 열 팽창을 완전히 무시할 수는 없다. 실제로 자주 사용되고 있는 일루미늄과 크롬을 포함하는 내열 금속섬유로 만들어진 매트는 20℃와 1000℃ 사이에서 열 팽창계수가 평균 15×10^-6㎜/℃에 달하는 것을 알려져 있다. 따라서 1000℃까지 가열될 때 1m 폭의 금속매트는 15mm까지 팽창하게 되는 셈이다.

이에 반해 상기 매트가 장착되는 버너의 프레임은 300℃까지만 가열될 뿐이고 비교적 두꺼운 구조를 가지고 있으므로 열팽창되는 비율이 상대적으로 작게 된다. 이와 같이 매트와 버너 프레임의 열 팽창계수가 다른 상태로 상기 금속섬유 매트가 1000℃까지 가열되면 금속섬유 매트는 프레임에 의해 측방으로 신장하지 못하고 윗방향으로 불록하게 돌출되게 된다.

이와 같이 금속섬유 매트가 윗방향으로 솟아오르는 불록화(bulging) 현상은 혼합가스의 공급을 불균형하게 하고 피열체와의 이격거리를 상이하게 하여 부분적이 과열이나 과냉을 가져온다.

더 나아가 이러한 볼록화가 더욱 진전되고 반복적인 팽창 및 수축으로 인하여 소결된 금속 섬유들의 결합관계가 손상되어 매트의 기공도가 변하게 된다. 이와 같이, 금속섬유 매트의 기공도가 불균형하게 되면 부분적으로 푸른색의 불꽃을 띄는 소위 청염현상이 나타나게 되는데 이러한 청염현상은 버너의 효율을 떨어뜨리는 문제가 있다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 주된 목적은 내열성 금속섬유로 표면연소 버너용 금속섬유 매트를 형성하되, 상기 금속섬유 매트가 반복적인 팽창 및 수축에 의해 형태가 변형되거나 소결된 금속섬유의 결합구조가 손상되는 것을 방지하기 위하여 다수의 주름을 상기 금속섬유 매트에 형성하여 측방향의 팽창 및 수축력을 흡수할 수 있는 주름이 형성된 표면연소 버너용 금속섬유 매트 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

도 1a와 1b는 종래의 금속섬유 매트가 설치된 표면연소 버너를 보여주는 단면도로서, 1b는 매트의 중심부에 나타난 볼록화 현상을 보여주고 있다.

도 2는 본 발명에 따른 주름이 형성된 금속섬유 매트가 설치된 표면연소 버너를 보여주는 단면도이다.

도 3a 및 3d는 본 발명에 따른 주름이 형성된 금속섬유 매트의 다양한 실시예를 보여주는 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 주름이 형성된 금속섬유 매트의 제조공정을 나타낸 개략적인 공정도이다.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

1 : 표면연소용 버너 2 : 공급관

3 : 분배기 4 : 다공판

5 : 프레임 10 : 금속섬유 매트

12 : 주름

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전체 기공도가 60% 내지 95% 이고 두께가 0.5㎜ 내지 5㎜인 표면연소 버너용 금속섬유 매트에 있어서, 상기 금속섬유 매트는 크롬 15∼25%, 알루미늄 3∼8% 및 Nb, Y, Ti, Ta 등의 미량원소가 0.05∼0.5% 포함된 내열합금으로 만들어진 금속섬유를 부직포 상태로 균일하게 분포시켜 소결시킨 다음 다수의 주름을 형성한 것을 특징으로 한다.

상기 주름은 1∼100㎜의 간격을 가지고, 1∼10㎜의 높이를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 금속섬유 매트는 직경이 10∼80㎛인 고온 내열성 금속섬유로 제조되는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 상기 주름은 적어도 가로 또는 세로 방향의 물결 무늬를 가지며, 바람직하게는 가로 및 세로방향의 무늬가 결합된 격자 무늬나 동심원 형태를 갖는 것을 특징으로 하다.

본 발명은 내열금속을 1,500∼2,000℃ 사이의 온도범위에서 용융시키는 용융단계와, 상기 용융금속을 회전수 1,000∼8,000RPM의 속도로 회전하는 회전체의 팁부분을 접촉시키켜 용융 금속섬유를 추출하는 동시에 추출된 금속섬유를 급냉시키는 금속섬유 추출단계와, 상기 추출된 금속섬유를 부직포(non-woven fabric)상태로 균일하게 분포시켜 금속섬유 웹을 제조하는 웹제조단계와, 상기 금속섬유 웹을 1,000∼1,5000℃ 범위의 고온 및 10^-2∼10^-6torr범위의 진공도를 가지는 고온 진공 소결로에서 30분∼10시간동안 소결시키는 소결단계 및, 상기 소결된 금속섬유 매트를 적당한 크기로 절단하고 다수의 주름을 형성하는 주름 형성단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명에 따라 다수의 주름이 형성된 표면연소 버너용 금속섬유 매트가 장착된 표면연소용 버너의 단면도로서, 도시된 바와 같이 표면연소용 버너(1)는 종래의 것도 동일한 것이므로 동일한 부호를 부여하였으며 상세한 설명은 생략한다. 먼저, 본 발명에 따른 금속섬유 매트(10)는 내열성 합금으로 제조되며, 바람직하기로는 크롬 15∼25%, 알루미늄 3∼8% 및 Nb, Y, Ti, Ta 등의 미량원소가 0.05∼0.5% 포함된 내열합금을 용융 추출하여 제조된 금속섬유로 구성된다.

용융 추출법(pendant drop melt extraction)의 일예가 일본특허공개 평10-180422호 "비정질 금속섬유 제조장치 및 방법"에 개시되어 있는데, 도 4를 참조하여 이를 간략히 설명하면, 우선 내열금속 용융단계는 막대 형상을 갖는 내열금속을 1∼100㎜/min의 속도로 공급하고, 항발열체를 이용하여 1,500∼2,000℃ 사이의 온도범위에서 상기 내열금속 봉의 끝 부분을 약 1㎝가량 용융시킨다. 그리고 상기 용융된 내열금속을 회전수 1,000∼8,000RPM 가량의 속도로 회전하는 원판 디스크의 팁부분을 상기 용융 부분에 접촉시키며, 상기 팁부분을 따라 뽑아져 나온 용융 금속섬유를 급냉 응고시켜 추출한다.

그러나 본 발명에 적용되는 용융 추출법은 상술한 것에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적에 부합되는 것이라면 용융 금속을 추출하는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 회전체의 종류와 회전수 등은 다양한 방식으로 변형될 수 있으며, 내열금속도 다양한 방식으로 용융될 수 있다.

이러한 용융 추출법으로 제조된 금속섬유는 일반적으로 원형나 반달 형상의 단면을 가지며 그 직경 또한 다양한 크기로 제조될 수 있다. 그러나 본 발명에 사용되는 금속섬유는 평균 직경이 10∼80㎛인 것이 바람직하다.

계속하여, 도 4에서 보는 바와 같이, 용융 추출법으로 제조된 금속섬유는 부직포(non-woven fabric)상태로 균일하게 분포되어 금속섬유 웹으로 만들어진다. 그리고 상기 금속섬유 웹의 기공도가 균일하지 않은 경우에는 카딩기 등으로 균일하게 분포시키는 카딩단계를 더 포함시킬 수 있다. 이어서, 상기 금속섬유 웹은 1,000∼1,5000℃ 범위의 고온에서 10^-2∼10^-6torr범위의 진공도를 가지는 고온 진공 소결로에서 30분∼10 시간동안 소결하여 두께 0.5∼5㎜를 갖고 전체 기공도가 60% 내지 95% 인 다공성 매트로 제작된다.

그리고 상기 소결된 금속섬유 매트을 소정의 크기로 절단한 후 주름(corrugation)을 형성하는데, 이 주름은 소정의 프레스나 도시되지 않는 주름잡는 장치를 이용하여 형성된다.

도 2에서 보는 바와 같이, 참조 번호 10은 용융 추출법에 의해 만들어진 금속섬유를 이용하여 만든 표면연소 버너용 금속섬유 매트로서 다수의 주름(12)이 형성되어 있다. 도 2에서는 편의상 세로 방향으로 물결 무늬 주름이 형성된 금속섬유 매트를 도시하였으나 도 3a 내지 3c에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 금속섬유 매트의 주름(12)은 다양한 형태를 가질 수 있다.

상기 주름(12)은 금속섬유 매트가 가열 및 냉각 사이클에 의해 수평방향으로 팽창하거나 수축할 때, 상기 팽창력이나 수축력을 상기 주름(12)을 통해 분산시킴으로써 금속섬유 매트(10) 자체가 팽창하는 것을 방지하여 부분적으로 볼록화되는 것을 방지한다.

즉, 종래의 평평한 형상을 갖는 표면연소 버너용 금속섬유 매트(10)는열 팽창계수가 상이한 프레임에 의해 수평방향으로 신장되는 것이 제한되기 때문에 수평방향으로 팽창되는 대신 상부로 볼록하게 된다. 그러나 본 발명에 따라 다수의 주름(12)이 형성된 금속섬유 매트(10)는 가열 및 냉각에 따라 매트가 수평방향으로 팽창하거나 수축할 때, 각 주름(12)들 간의 간격이 좁아지거나 넓어져 팽창력과 수축력을 흡수하기 때문에 상기 매트(10)는 실제적으로 측방향으로 신장되거나 수축되지 않아 매트가 불룩화되는 것을 방지한다.

본 발명에 따른 상기 주름(12)은 적어도 가로 또는 세로 방향의 물결 무늬를 가지고 더욱 바람직하기로는 가로 및 세로 방향의 주름(12)이 혼합된 격자무늬 형태나 동심원 형태를 가질 수 있다.

상기 주름(12)의 간격은 적용되는 매트의 크기에 따라 다양할 수 있으나, 바람직하기로는 1∼100㎜의 간격을 가지며, 1 ∼10㎜의 높이를 가지는 것이 좋다.

이하 본 발명에 따른 금속섬유 매트의 작용을 설명하면, 도 2는 본 발명에 따른 다수의 주름이 형성된 표면연소 버너용 금속섬유 매트가 설치된 가스 버너장치를 보여주는 단면도로서, 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 금속섬유 매트(10)는 다수의 구멍이 뚫린 다공판(4)의 상부에 장착되어 있다. 그리고 혼합가스는 공급관(2)에 공급되어 분배기(3)와 상기 다공판(4)을 통해 상기 금속섬유 매트(10)에 공급되어 연소되게 된다. 이때, 상기 금속섬유 매트(5)는 1000℃까지 가열되므로 수평방향으로 팽창하려는 팽창력이 발생되게 된다. 그러나 본 발명에 따라 다수의 주름(12)이 형성된 금속섬유 매트는 상기 팽창력을 각각의 주름에서 흡수하여 주름(12)의 간격이 변하게 되므로 금속섬유 매트(12) 자체는 수평방향으로 팽창되지 않게 된다.

즉, 본 발명에 따른 금속섬유 매트(10)는 가열과 냉각 사이클에 따라 각 주름들이 균일하게 상승하거나 하강하므로 종래의 매트에서와 같이 금속매트의 일부가 불규칙하게 변형되거나 금속섬유 등의 결합구조가 손상되는 것을 방지할 수 있는 것이다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명에 따른 다수의 주름이 형성된 표면연소 버너용 금속섬유 매트는 가열 및 냉각 사이클에 따라 각 주름들의 높이가 상승하거나 하강하여 매트의 팽창력과 수축력을 흡수하므로 매트가 부분적으로 불록화되는 것이 방지하는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 다수의 주름이 형성된 표면연소 버너용 금속섬유 매트는 매트의 높이가 동일하게 상승하거나 하강하므로 부분적인 과열이나 과냉이 방지되고 금속섬유의 결합구조가 손상되는 것을 방지하여 버너의 효율을 일정하게 유지하는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 전체 기공도가 60% 내지 95% 이고 두께가 0.5㎜ 내지 5㎜인 표면연소 버너용 금속섬유 매트에 있어서,

   상기 금속섬유 매트는 크롬 15∼25%, 알루미늄 3∼8% 및 Nb, Y, Ti, Ta 등의 미량원소가 0.05∼0.5% 포함된 내열합금을 용융 추출하여 만들어진 금속섬유를 부직포 상태로 균일하게 분포시켜 소결시킨 다음 다수의 주름을 형성한 것을 특징으로 하는 주름이 형성된 표면연소 버너용 금속섬유 매트.
2. 제1항에 있어서, 상기 금속섬유 매트는 직경이 10∼80㎛인 고온 내열성 금속섬유로 제조되는 것을 특징으로 하는 주름이 형성된 표면연소 버너용 금속섬유 매트.
3. 제1항에 있어서, 상기 주름은 1∼100㎜의 간격을 가지고, 1∼10㎜의 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 주름이 형성된 표면연소 버너용 금속섬유 매트.
4. 제1항에 있어서, 상기 주름은 적어도 가로 또는 세로 방향의 물결 무늬를 가지며, 바람직하게는 가로 및 세로방향의 무늬가 결합된 격자 무늬를 갖는 것을 특징으로 하는 주름이 형성된 표면연소 버너용 금속섬유 매트.
5. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 주름은 동심원의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 주름이 형성된 표면연소 버너용 금속섬유 매트.
6. 내열금속을 1,500∼2,000℃ 사이의 온도범위에서 용융시키는 용융단계와,

   상기 용융금속을 회전수 1,000∼8,000RPM의 속도로 회전하는 회전체의 팁부분을 접촉시키켜 용융 금속섬유를 추출하는 동시에 추출된 금속섬유를 급냉시키는 금속섬유 추출단계와,

   상기 추출된 금속섬유를 부직포 상태로 균일하게 분포시켜 금속섬유 웹을 제조하는 웹 제조단계와,

   상기 금속섬유 웹을 1,000∼1,5000℃ 범위의 고온 및 10^-2∼10^-6torr범위의 진공도를 가지는 고온 진공 소결로에서 30분∼10시간동안 소결시키는 소결단계 및,

   상기 소결된 금속섬유 매트를 적당한 크기로 절단하고 다수의 주름을 형성하는 주름 형성단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 주름이 형성된 표면연소 버너용 금속섬유 매트의 제조방법.