KR20080074390A - 적외선 버너용 다공성 금속섬유 메디아 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 섬유 부직물 매트의 일면에 다수의 연속적인 패턴으로 볼록부가 형성된 적외선 버너용 다공성 금속 섬유 메디아에 관한 것으로, 금속섬유 부직물 매트의 일면에 연속적인 형태의 볼록부가 형성되며, 상기 금속섬유 매트에서 볼록부는 전체 금속섬유 매트 면적의 95~99%인 적외선 버너용 다공성 금속섬유 메디아가 제공된다. 본 발명의 적외선 버너용 금속섬유 메디아는 연소효율 및 표면 연소강도가 우수할 뿐만 아니라, 역화현상 및 금속섬유 메디아의 균열이 방지된다.

금속 섬유 메디아, 다이아몬드형 엠보싱, 압착소결부, 비소결부, 표면연소효율 및 강도

Description

적외선 버너용 다공성 금속섬유 메디아{Porous Metal Fiber Media for Infra-Red Burner}

도 1은 일반적인 적외선 버너의 구성을 나타내는 도면이며,

도 2a는 본 발명에 의한 금속 섬유 메디아를 나타내는 사시도이며,

도 2b는 본 발명에 의한 금속 섬유 메디아를 나타내는 사진이며,

도 3은 도 2a의 금속섬유 메디아의 A-A 절개선의 측단면도이며,

도 4는 본 발명의 금속섬유 메디아의 볼록부에서 표면연소강도가 증대됨을 나타내는 도면이며,

도 5는 압착소결부 사이의 간격이 넓은 경우에 금속 섬유가 연소되는 현상을 나타내는 사진이며,

도 6a는 본 발명에 의한 금속 섬유 메디아의 후면에 금속 메쉬가 대어진 상태를 나타내는 측면도이며,

도 6b는 상기 도 6a의 금속섬유 매트의 저면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1.... 버너 2.... 혼합가스 공급관

3.... 분배기 4.... 다공판

5.... 버너 하우징 10... 금속 섬유 메디아

21, 31, 41, 51, 61... 압착소결부

22, 32, 42, 52, 62... 볼록부

23, 63 ... 금속 와이어 메쉬

본 발명은 높은 표면 연소 효율 및 강도를 나타내는 다공성 금속 섬유 메디아에 관한 것이며, 보다 상세하게는 메디아의 일면에 다수의 연속적인 패턴으로 볼록부가 형성된 적외선 버너용 다공성 금속 섬유 메디아에 관한 것이다.

일반적으로 표면연소 버너는 다공성 금속섬유 메디아에 연료/공기 혼합가스를 공급하여 연소시킴으로써 붉게 가열된 금속섬유 메디아가 강력한 복사에너지를 방출하도록 고안된 것으로 근접 상태에서 신속하게 가열되고 공해물질이 적게 발생된다.

도 1은 일반적인 표면연소 버너를 나타내는 측단면도로서, 도 1에서와 같이 연료/공기 혼합장치(도시하지 않음)에서 미리 혼합된 연료/공기 혼합가스가 버너(1)의 하부를 관통하도록 설치된 혼합가스 공급관(2)에 공급된 다음, 상기 혼합가스 공급 관(2)의 상단부에 설치된 분배기(3)를 통해 버너의 내부로 분사된다. 그리고 상기 분배기(3)를 통해 분사된 혼합가스는 정류기능을 하는 다공판(4)을 통하여 금속섬유 메디아(10)에 공급된다. 이와 같이 공급된 혼합가스는 상기 금속섬유 메디아(10)의 표면에서 연소되므로 금속섬유 메디아(10)는 붉은색으로 가열되어 복사에너지를 방출하게 되고, 이 복사에너지는 고체복사와 대류에 의해 피열체에 열을 전달하게 된다.

이와 같이 표면연소에 사용되는 금속섬유 메디아는 1,000℃이상의 고온으로 가열되므로 반드시 내열성을 갖는 금속섬유로 제조되며, 금속 섬유 메디아의 표면연소 효율 및 강도는 금속섬유의 기공도 및 매트의 기하학적 형태 등에 따라 달라진다.

종래, 방사가스 버너용 금속 섬유 멤브레인으로는 WO 95/27871에는 가열시의 열팽창 및 냉각시의 열 수축을 용이하게 하기 위해 다수의 연속적인 사각형 다공성 영역으로 구분된 금속섬유 멤브레인이 개시되어 있다. 또한, 미국특허 6,149,424에는 금속 섬유 매트의 양면에 영속적인 파동형 굴곡을 형성하여 방사선 출력 및 방사효율을 증가시키는 바에 대하여 개시하고 있다. 그러나, 이들 특허는 금속섬유 멤브레인의 연소면의 후면까지 복사 가열되어 발생되는 역화 현상의 방지등에 대하여는 전혀 언급하고 있지 않다.

미국특허 5,088,919에는 일면에 격자무늬 형태의 홈을 갖는 무기섬유의 다공성 소 결 웹을 포함하는 버너막을 개시하고 있으며, 이는 내열성등 내구성 증대를 목적으로 한다. 그러나, 미국특허 5,088,919의 버너막은 평면 형태의 버너막으로 표면 연소시의 에너지 효율 증대에 대하여는 전혀 개시하고 있지 않다.

이에 본 발명의 목적은 표면연소시 균일하고 높은 연소효율 및 표면 연소강도를 나타내는 적외선 버너용 금속섬유 메디아를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 역화현상이 방지되는 적외선 버너용 금속섬유 메디아를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 열팽창이 완충되어 가열시 균열이 방지되는 적외선 버너용 금속섬유 메디아를 제공하는 것이다.

본 발명에 의하면,

금속섬유 부직물 매트의 일면에 연속적인 균일한 형태의 볼록부가 형성되며, 상기 금속섬유 매트에서 볼록부는 금속섬유 매트 면적의 95~99%인 적외선 버너용 다공성 금속섬유 메디아가 제공된다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 적외선 버너용 다공성 금속섬유 메디아는 금속섬유 부직물로 된 매트 일면에 연속적인 균일한 형태의 볼록부가 금속섬유 부직물 매트 면적의 95~99%로 형성된 것이다. 본 발명의 볼록부를 갖는 금속섬유 메디아는 적외선 버너의 표면연소 메디아로 이용시, 엠보싱 형태의 볼록부에서 발생하는 적외선과 이웃하는 볼록부에서 발생하는 적외선의 중첩에 의한 보강간섭으로 인하여 높은 표면 연소강도 및 연소효율을 나타낸다.

또한, 본 발명의 금속섬유 메디아는 고기공율인 것으로 연료가스의 고온 연소시 열팽창 응력이 기공에 의해 완화되어 균열이 발생하지 않을 뿐만 아니라, 다공질 구조를 따라 저온의 연료 가스가 공급되면서 냉각기능을 수행하고, 공급된 연료가스는 연소막의 극상단에서 연소되므로 역화현상이 방지된다.

상기 본 발명에 의한 적외선 버너용 다공성 금속섬유 메디아는 금속섬유 부직물 매트의 일면에 연속적인 다이아몬드 패턴의 볼록부가 형성된 것으로, 금속섬유 부직물 매트 면적의 95~99%이 볼록부로 형성된다. 볼록부와 볼록부 사이는 압착소결부로서, 이러한 압착소결부에 의해 볼록부의 경계가 규정된다.

볼록부가 감소함에 따라 메디아의 표면에서 발생하는 적외선의 상호 보강작용이 충 분하지 않다. 또한, 볼록부가 차지하는 면적이 너무 넓으면, 엠보싱 형태의 볼록부가 없어지고 평평한 형태가 되므로 엠보싱 형태에서 방출되는 적외선의 보강간섭에 의한 연소강도가 오히려 저하된다. 따라서, 볼록부는 금속섬유 매트 면적의 95~99%이 되도록 형성하는 것이 바람직하다.

나아가, 본 발명의 금속섬유 메디아에서 엠보싱 형태의 굴곡면(볼록부)은 1%~5%의 굴곡을 갖는다. 본 명세서에서 사용된 용어 ‘굴곡’은 금속섬유 메디아의 측단면에서 엠보싱부(볼록부)가 형성되지 않은 면의 저면의 길이: 상부 엠보싱부의 길이비를 의미한다. 굴곡이 1% 미만이면 엠보싱과 같은 굴곡이 거의 형성되지 않은 거의 평평한 상태로 볼록부에 의한 표면연소 효율 증대효과가 미비하며, 굴곡이 5%를 초과하면 볼록부가 커져 연소시 보강간섭이 일어나기 어려워 연소강도가 약해지는 점에서 바람직하지 않다.

상기와 같이 압착소결부와 볼록부를 갖는 메디아의 후면(볼록부가 형성되지 않은 매트면)으로 연료가스가 유입됨에 따라 볼록부에서 연료가스가 자유롭게 분출되어 연소 메디아(금속섬유 메디아) 표면에서 연소되고, 볼록부의 굴곡에서 발생하는 적외선의 상호 보강간섭으로 인하여 표면 연소강도가 증대된다.

상기 연속적인 볼록부를 갖는 금속섬유 메디아에서, 각각의 볼록부는 압착소결부에 의해서 경계를 이루며, 압착소결부는 5-15mm의 간격으로 형성된다. 압착소결부의 간격이 5mm 미만인 경우에는 단단한(rigid)한 압착소결부위가 많고 다공성인 볼록부가 적어 전면을 압착 소결한 매트와 큰 차이가 없고 따라서, 연소 메디아로서 충분한 표면 연소효율 및 강도를 나타내지 못하며, 압착소결부의 간격이 15mm를 초과하면 섬유간의 소결력이 저조하여 섬유 자체가 연소되며 이로 인하여 연소 메디아로서의 수명이 단축되는 문제가 있다.

상기 본 발명의 금속섬유 부직물 매트의 일면에 연속적으로 형성되는 볼록부는, 볼록한 부분에서 발생하는 적외선의 보강간섭으로 인하여 표면연소강도가 증대될 수 있는 어떠한 형태로 형성될 수 있으며, 특히 제한되는 것은 아니나, 예를들어, 다이아몬드 형태 또는 물고기 비늘형태, 보다 바람직하게는 다이아몬드 형태로 형성될 수 있다.

압착소결부 방법은 특히 한정하는 것은 아니며, 이 기술분야에 일반적으로 알려져 있는 방법으로 금속섬유 부직물 매트의 일면을 압착소결 할 수 있다. 이로서 한정하는 것은 아니지만, 일반적인 방법으로는 금속섬유 부직물 매트에 형성하고자 하는 볼록부 형태 패턴의 망을 눌러서 압착시키고, 이를 소결하므로써 볼록부의 경계를 이루는 압착소결부가 형성되며 이러한 압착소결부로 인하여 볼록부가 형성된다. 압착 소결은 이 기술분야에 알려져 있는 일반적인 조건으로 행할 수 있으며, 이로서 본 발명을 한정하는 것은 아니며, 예를들어, 진공도 10^-5∼10^-6torr, 소결온도 1,200∼1,400℃, 및 소결시간 1∼4시간으로 소결할 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 금속섬유 메디아에서 압착소결부는 단면의 상부 외형이 ‘V' 형상으로 형성된다. 즉, 압착소결부는 단면이 'V' 형상의 그루브 형태로 형성된다.

또한, 상기 금속섬유 메디아에서 압착소결부: 볼록부의 높이 비율이 1:2-1:5비율이 되도록 압착소결된다. 압착소결부:볼록부의 높이 비율이 1:2-1:5인 경우에 볼록부에서 발생한 복사열과 이웃하는 볼록부에서 발생한 복사열의 중첩이 가장 효과적이며 따라서, 보다 높은 연소강도 및 효율을 나타낸다.

본 발명에서 볼록부의 경계를 이루는 압착소결부는 반드시 일직선 모양이어야 하는 것은 아니며, 다소 굴곡된 선일 수도 있다.

본 발명의 다공성 금속 섬유 매트는 직경 및 길이의 균일도가 큰 금속섬유로된 부직물이다. 특히, 길이가 10-50mm 그리고 선경이 40±10㎛인 금속섬유로된 것이 바람직하다. 금속섬유의 길이가 10mm미만이면 섬유의 길이가 짧아 소결 형상을 유지하기 어려운 문제가 있고, 50mm을 초과하면 볼록한 엠보싱 패턴의 주기에 비해 섬유의 길이가 너무 길어, 소결되지 않는 섬유가 많아지는 점에서 바람직하지 않다. 선경이 30㎛ 미만이면 금속섬유가 너무 가늘어서 약하므로 메디아의 수명이 짧고, 선경이 50㎛을 기공율이 작아져서 연소강도가 저조하다.

표면연소에 사용되는 금속섬유 매트는 일반적으로 내열합금으로 제조된다. 바람직하게는 미국특허 제 6,604,570에 개시되어 있는 바와 같이, 금속봉의 일부분을 용융한 다음 고속으로 회전하는 디스크와 접촉시켜 용융된 금속을 방사(extraction)하는 용융추출법으로 제조된 금속 필라멘트 형태의 금속섬유가 사용될 수 있다.

본 발명의 금속섬유 부직물 매트는 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를들어, 퍼크랄로이(Fecralloy), 바람직하게는 Zr을 0.05-0.5중량%, 보다 바람직하게는 0.1~0.3중량% 포함하는 개량된 퍼크랄로이 및/또는 니크롬(Nichrome)등의 내열합금의 금속섬유로 제조될 수 있다. 본 발명에 의한 금속섬유 메디아는 밀도가 750-2,000g/㎡인 것이 바람직하다. 밀도가 750g/㎡미만이면 매트를 구성하는 섬유의 양이 너무 적어 원활한 표면 연소가 일어나지 않는 점에서 바람직하지 않으며, 2,000g/㎡를 초과하면 섬유의 밀도가 너무 높아 차압이 높아져 역시 연소가 원활하지 않는 점에서 바람직하지 않다.

본 발명에 의한 금속섬유 메디아는 기공율이 85~91%, 바람직하게는 88~91%인 것이 좋다. 기공율이 85%미만이면, 가열시 연소 메디아의 열팽창 완충 작용이 충분하지 않아 연소 메디아에 균열 및 역화현상이 발생할 수 있으며, 또한, 금속섬유 메디아의 기공율이 클수록 좋으나, 본 발명에 의한 금속섬유 메디아는 최대 91%의 기공율을 나타낸다.

상기 본 발명에 의한 금속섬유 메디아는 볼록부가 형성되지 않은 다른면(이하, ‘후면’이라함)에 고부하 연소시 발생하는 열팽창-수축에 의한 변형을 방지하기 위해 내열성 소재의 금속 와이어 메쉬가 대어질 수 있다. 금속 와이어 메쉬 또한, 내열합금으로 제조된 것일 수 있으며, 이로써 한정하는 것은 아니지만, 예를들어, 퍼크랄로이(Fecralloy), 바람직하게는 Zr을 0.05-0.5중량%, 보다 바람직하게는 0.1~0.3중량% 포함하는 개량된 퍼크랄로이 및/또는 니크롬(Nichrome)등의 내열합금의 금속섬유로 제조될 수 있다. 금속섬유 부직물 매트와 금속 와이어 메쉬는 같거나 혹은 다른 금속재료로 된 것일 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 금속섬유 메디아의 구체적인 예에 대하여 보다 상세히 설명한다. 후술하는 구체적인 예에서는 다이아몬드형 볼록부가 형성된 금속섬유 메디아를 예로하여 설명하나, 이는 단지 설명하기 위한 것으로 이로써 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

도 2a에 본 발명에 의한 일면에 다이아몬드 형태의 엠보싱부(볼록부)가 형성된 금속섬유 메디아의 사시도를 그리고 도 2b에 본 발명에 의한 금속섬유 메디아의 사진을 나타내었다. 도 2a에 도시한 바와 같이,‘V'자 형의 그루브로 금속섬유 부직물 매트의 일면에 압착소결부(21)가 형성되며, 이에 따라 상대적으로 압착소결되지 않은 부분이 엠보싱과 같이 굴곡져서 다이아몬드형 볼록부(22)를 형성한다. 또한, 볼 록부(22)이 형성되지 않은 금속섬유 매트의 다른면(후면)에는 도 2a에 도시한 금속 와이어(23)가 대어질 수 있다.

도 3에 도 2a의 A-A선을 따라 절개한 측단면도를 나타내었다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 금속섬유 메디아에서 압착소결부의 단면부 상부 외형은 'V'자 형이며, 이러한 형태로 인하여 본 발명의 금속섬유 메디아는 압축소결부로부터 블록부까지 자연스러운 굴곡을 가지면서 볼록부인 다이아몬드 엠보싱 형태가 형성된다. 이와 같이 형성된 엠보싱 형태의 볼록부에서 도 4에 도시한 바와 같이 볼록부(42)에서 발생하는 적외선과 이웃한 볼록부(42)에서 발생한 적외선의 중첩에 의한 보강간섭으로 인하여 표면연소 효율 및 강도가 증대된다.

또한, 도 3에서 상기 연속적인 압착소결부(31) 사이의 간격(b)이 5-15mm이 되도록 압착소결부가 형성될 수 있으며, 압착소결부(31) 사이의 간격(b)이 15mm를 초과하는 경우에는 도 5의 사진에서와 같이 압착되지 않는 볼록부은 금속섬유 자체가 타고 이로 인하여 연소 메디아의 수명이 단축된다.

한편, 도 3에 도시한 바와 같이 금속섬유 메디아 하부 단면선의 길이(a") 대 금속섬유 메디아 상부 단면선의 길이(b") 비인 굴곡은 1~5%(구체적으로 굴곡이 5%이면, a"의 길이가 100cm 인 경우에 b"의 길이는 105cm)이 되도록 압착소결된다. 또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 금속섬유 메디아에서 압착소결부(31)와 볼록부(32) 의 높이비(a':b')는 1:2-1:5일 수 있다.

나아가, 상기 금속섬유 메디아의 후면에 금속섬유 와이어가 접합된 금속섬유 메디아의 측면도 및 저면도를 각각 도 4a 및 도 4b에 나타내었다, 도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 금속섬유 메디아 후면에 내열성 소재의 금속 와이어(63)를 대어 부하 연소시 발생하는 열팽창-수축에 의한 변형이 더욱 방지될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

실시예

각각 하기 표 1에 나타낸 섬유의 직경 및 섬유의 길이 범위의 퍼크랄로이(Cr: 18wt%, Al: 3.0wt% 및 잔부 Fe)로 된 부직물의 일면에 다이아몬드 형태 또는 타원 형태의 패턴을 압착한 후, 소결하여 하기 표 1의 발명예 및 비교예 1 내지 3의 적외선 버너용 표면연소 메디아를 제조하였다. 발명예 및 비교예 1~3의 메디아에서 금속섬유 메디아의 밀도 및 기공율은 각각 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.

압착소결은 각각 다이아몬드형 또는 타원형 패턴을 사용하여 압착하고 1,200℃, 진공도 1x10^-6torr에서 2시간 소결하여 행하였다. 각 경우에 압착소결부의 면적이 전체 면적의 4.5%(볼록부 95.5%)가 되도록 하였으며, 압착소결부 사이의 거리는 10mm, 압착소결부: 불록부의 높이비는 1:3, 굴곡은 3%가 되도록 하였다.

상기 제조된 금속섬유 메디아를 도 1에서와 같은 버너에 연소 메디아로 장착하고 연료를 주입하고 연소시 비접촉식 적외선 온도계로 표면온도를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

[표 1]

	섬유의 직경(㎛)	섬유의 길이(mm)	압착소결부 형상	금속섬유 매트의 밀도 (kg/m2)	연소메디아의 기공율 (%)	표면온도(℃)
발명예	40±10	10~50	다이아몬드형	1.5	85~91	1,020±20
비교예 1	60±100	10~20	타원형	1.8	83~87	970±40
비교예 2	40±10	10~20	다이아몬드형	2.0	80~84	970±20
비교예 3	40±10	10~50	다이아몬드형	2.0	80~84	870±20

상기 표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명에 다이아몬드 형태의 비소결부를 가지며, 금속섬유의 매트 밀도를 갖는 금속섬유 메디아가 가장 높은 표면온도를 나타내었으며, 이로부터, 표면연소 효율 및 강도가 우수함을 알 수 있다. 또한, 발명예의 경우 역화현상이 발생하지 않았을 뿐만 아니라, 균열이 방지되었다.

본 발명의 적외선 버너용 금속섬유 메디아는 연소효율 및 표면 연소강도가 우수할 뿐만 아니라, 역화현상 및 금속섬유 메디아의 균열이 방지된다.

Claims (11)

1. 금속섬유 부직물 매트의 일면에 연속적으로 균일한 형태의 볼록부가 형성되며, 상기 금속섬유 매트에서 볼록부는 전체 금속섬유 매트 면적의 95~99%인 적외선 버너용 다공성 금속섬유 메디아.
2. 제 1항에 있어서, 상기 볼록부는 굴곡이 1~ 5%임을 특징으로 하는 다공성 금속섬유 메디아.
3. 제 1항에 있어서, 상기 볼록부는 압착소결부에 의하여 경계를 이루며, 압착소결부는 단면이 'V' 형상인 그루브 형태로 형성됨을 특징으로 하는 다공성 금속섬유 메디아.
4. 제 3항에 있어서, 상기 압착소결부는 5-15mm의 간격으로 형성됨을 특징으로 하는 다공성 금속섬유 메디아.
5. 제 3항에 있어서, 상기 압착소결부: 볼록부는 높이 비율이 1:2-1:5임을 특징으로 하는 다공성 금속섬유 메디아.
6. 제 1항에 있어서, 상기 볼록부는 다이아몬드 형태 또는 물고기 비늘 형태임을 특징으로 하는 다공성 금속섬유 메디아.
7. 제 1항에 있어서, 상기 금속섬유 메디아는 밀도가 750-2,000g/㎡임을 특징으로 하는 다공성 금속섬유 메디아.
8. 제 1항에 있어서, 상기 금속섬유 메디아는 기공율이 85~91%임을 특징으로 하는 다공성 금속섬유 메디아.
9. 제 1항에 있어서, 상기 금속섬유 부직물 매트는 길이가 10-50mm 그리고 선경이 40±10㎛인 금속섬유로 된 부직물임을 특징으로 하는 다공성 금속섬유 메디아.
10. 제 1항에 있어서, 상기 금속섬유 부직물 매트는 퍼크랄로이 및/또는 니크롬 금속섬유로된 부직물임을 특징으로 하는 다공성 금속섬유 메디아.
11. 제 1항에 있어서, 볼록부가 형성되지 않은 금속 섬유 매트면에 내열성 금속 와이어 메쉬가 대어짐을 특징으로 하는 다공성 금속섬유 메디아.

Images