KR20110023368A - 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판, 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판의 제조방법 및 상기 세라믹 전열판을 이용한 세라믹 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판은 SiC, Al₂O₃ 및 SiO₂를 주성분으로 한다. 또한, 상기 세라믹 전열판은 (1) SiC 분말, Al2O3 분말 및 SiO2 분말을 혼합한 후 분쇄하는 단계; (2) 상기 혼합 분말을 액티베이터(activator)와 혼합하여 슬러리(Slurry)를 형성하는 단계; (3) 소정의 열교환기용 전열판 형성 몰드에 강철 바를 삽입하는 단계; (4) 상기 강철 바가 삽입된 몰드에 단계 (2)에서 형성된 슬러리를 투입하는 단계; (5) 슬러리가 투입된 몰드를 1차 건조하여 중간체를 형성하는 단계; (6) 상기 강철 바가 삽입된 몰드와 상기 1차 건조된 중간체를 분리하는 단계; (7) 상기 몰드가 제거된 중간체를 열교환기에서 2차 건조하는 단계; 및 (8) 상기 2차 건조된 중간체를 소결하는 단계;를 포함한다.

상기 구성을 갖는 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판은 종래의 SiC를 주성분으로 하는 세라믹 열교환기에 있어서 세라믹 전열판의 취성 파괴가 잘 일어나는 단점을 해결할 수 있다. 또한, 인베스트먼트 공법을 이용한 세라믹 열교환기의 형성 시 강철 바를 이용함으로써 소결 후 균열이 발생하는 문제점도 해결할 수 있다.

Description

세라믹 열교환기용 세라믹 전열판, 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판의 제조방법 및 상기 세라믹 전열판을 이용한 세라믹 열교환기 {Ceramic plate for heat exchanger, method of manufacturing the ceramic plate, and ceramic heat exchanger using the ceramic plate}

본 발명은 세라믹 열교환기, 더욱 상세하게는 고온에서 내구성이 우수하고, 고온에서 안정적으로 열류의 유동영역을 확보할 수 있는 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판, 세라믹 열교환기 및 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판의 제조방법에 관한 것이다.

열교환기란 고온의 유체가 가진 열에너지를 저온의 유체로 보내는 장치를 의미한다. 이러한 열교환기는 예컨데 산업용 가열로에서 발생되는 폐열을 이용하여 에너지 절감을 하기 위한 폐열회수장치 등에 사용가능하다.

즉, 열교환기는 산업용 가열로에서 배출되는 고온의 배기가스를 유입하고, 외부 공기와 같이 상대적으로 차가운 냉각 공기를 동시에 유입하여 간접적으로 상호 열교환이 이루어지게 한 다음, 냉각공기와 열교환된 배기가스는 외부로 배출하 고, 배기가스와 열교환된 공기는 버너와 같은 가열 장치의 연소용 공기로 제공하는 등의 용도로 사용된다. 이 경우, 가열장치의 연소용 공기가 예열된 상태로 제공되기 때문에 에너지 절감효과를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

또한, 열교환기에 사용되는 전열판의 재료로는 통상적으로 세라믹 재료가 주로 사용된다. 세라믹 재료의 주성분으로는 SiC(탄화규소)가 주로 이용되는데, 이러한 세라믹 재료는 1,000℃이상의 고온에서 장시간 사용하여도 재질의 변형이 없을 뿐만 아니라 유해물질 연소 시 발생하는 강한 부식성가스에도 거의 영향을 받지 않는 장점이 있어 소각로의 배열회수에도 유용하게 사용할 수 있다.

하지만, 세라믹, 특히 SiC를 주성분으로 하는 세라믹 재료는 금속과 달리 성형이 힘들고 잘 부스러지는 성질이 있어서 제작이 어렵다는 단점이 있다. 즉, 탄화 규소는 취성파괴가 잘 일어나는 특징이 있어서, 대표적인 세라믹 캐스팅 공법인 인베스트먼트 공법을 사용할 경우 열 유로 형성 시 발생하는 내부의 압력을 버티지 못하고 내부 열 유로가 서로 관동하거나 부분적인 파손이 발생하게 되고, 이는 열손실을 불러 일으키게 된다.

따라서, 본 발명은 SiC를 주성분으로 하는 세라믹 열교환기에 있어서 세라믹 전열판의 취성 파괴가 잘 일어나는 단점을 해결할 수 있는 세라믹 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 취성파괴에 강한 세라믹 열교환기용 조성물을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 인베스트먼트 공법을 이용한 세라믹 열교환기의 형성 시 파리핀 바를 이용함으로써 균열이 발생하는 단점을 해결할 수 있는 세라믹 열교환기 형성방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판으로서, 상기 세라믹 전열판은 SiC, Al₂O₃ 및 SiO₂를 주성분으로 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판의 제조방법은:

(1) SiC 분말, Al2O3 분말 및 SiO2 분말을 혼합한 후 분쇄하는 단계;

(2) 상기 혼합 분말을 액티베이터(activator)와 혼합하여 슬러리(Slurry)를 형성하는 단계;

(3) 소정의 열교환기용 전열판 형성 몰드에 강철 바를 삽입하는 단계;

(4) 상기 강철 바가 삽입된 몰드에 단계 (2)에서 형성된 슬러리를 투입하는 단계;

(5) 슬러리가 투입된 몰드를 1차 건조하여 중간체를 형성하는 단계;

(6) 상기 강철 바가 삽입된 몰드와 상기 1차 건조된 중간체를 분리하는 단계;

(7) 상기 몰드가 제거된 중간체를 열교환기에서 2차 건조하는 단계; 및

(8) 상기 2차 건조된 중간체를 소결하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단계 (3)에서 상기 몰드에 삽입되는 상기 강철 바는 BN 스프레이로 도포된 것이 바람직하다.

또한, 상기 (1) 단계는 SiC 분말, Al2O3 분말 및 SiO2 분말을 혼합한 후 에탄올 용액과 혼합하여 분쇄하고, 고온에서 에탄올을 증발시켜서 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 (4) 단계에 이어서, 상기 몰드 내부에 투입된 슬러리의 기포를 제거하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 1차 건조는 상온에서 24시간 동안 제공되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 2차 건조는 100℃에서 2시간 동안 제공되는 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 소결은 950℃에서 10시간 동안 제공되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 세라믹 열교환기는 SiC, Al₂O₃ 및 SiO₂를 주성분으로 하는 세라믹 전열판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판은 SiC, Al₂O₃ 및 SiO₂를 주성분으로 하므로, 종래의 SiC를 주성분으로 하는 세라믹 열교환기에 있어서 세라믹 전열판의 취성 파괴가 잘 일어나는 단점을 해결할 수 있다.

또한, 본 발명은 인베스트먼트 공법을 이용한 세라믹 열교환기의 형성 시 파리핀 바 대신 강철 바를 이용함으로써 소결 후 균열이 잘 발생한다는 문제점을 해결할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판 및 그 제조방법을 첨부한 도면을 참고로 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기용 세라믹 전열판을 제조하는 방법을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 1에서 보듯이, 본 실시예에 따르면 먼저 원료 분말을 혼합한다. 본 실시예에서 열교환기용 세라믹 전열판의 주원료는 SiC, Al₂O₃ 및 SiO₂ 분말이 이용된다. 한편, 상기 원료 분말은 균질한 크기를 갖도록 하기 위하여, SiC, Al₂O₃ 및 SiO₂ 분말을 혼합한 후, 에탄올과 같은 혼합액과 혼합한 후 분쇄하는 절차를 더 갖는 것이 바람직하다. 상기 추가 분쇄 절차를 진행할 경우, 에탄올과 혼합 분말의 혼합액은 가열로에서 약 100℃ 정도로 가열함으로써 에탄올을 모두 증발시키고, 균질하게 분쇄되고 혼합된 SiC, Al₂O₃ 및 SiO₂ 분말을 얻을 수 있다.

다음으로, 분쇄된 원료 분말을 액티베이터(Activatior)와 혼합하여 슬러리(Slurry)를 형성한다. 액티베이터는 세라믹 원료의 혼합 및 건조/소결에 통상적으로 이용되는 것이면 그 종류를 한정하지 않는다.

다음으로, 형성하고자 하는 세라믹 전열판을 몰딩(molding) 법으로 형성하기 위한 몰드(mold)를 준비한다. 상기 몰드는 알루미늄, 강철과 같이 통상적인 몰드 재료라면 그 종류를 한정하지 않는다. 한편, 세라믹 전열판은 열 유로를 포함하므로, 본 실시예에 따른 몰드는 상기 열 유로 형성용 바(Bar)를 삽입하기 위한, 바 투입구를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이어서, 상기 바 투입구에 강철 바를 삽입한다. 이 경우, 상기 강철 바는 BN(Boron Nitride) 스프레이를 이용하여 Boron Nitride로 도포된 것이 바람직하다. 또는, 상기 강철 바는 BN 스프레이를 이용한 1차 도포 후 아크릴 비닐로 강철 바를 덮고 다시 BN 스프레이를 이용한 2차 도포를 시행할 수도 있다. 상기 BN 스프레이 및 아크릴 비닐을 이용하면, 뒤에서 설명하는 방식으로 슬러리를 건조한 후 형성된 중간체와 강철 바를 용이하게 분리할 수 있으므로 재료의 균열을 방지할 수 있다.

도 2는 상기 방법에 따라 강철 바가 삽입된 몰드의 일례를 도시하는 도면으로서, 도 2(a)는 강철 바(200)가 몰드(100)에 삽입되는 방법을 예시하는 도면이고, 도 2(b)는 강철 바(200)가 몰드(100)에 삽입된 상태를 예시하는 도면이다. 도 2(a) 및 도 2(b)에서 보듯이, 몰드(100)는 형성하려는 세라믹 전열판의 크기에 맞게 형성되고, 상기 몰드(100) 중 적어도 일부에는 강철 바(200)가 삽입됨으로써 세라믹 전열판의 열 유로를 형성할 수 있다.

이어서, 앞에서 설명한 슬러리를 강철 바가 삽입된 몰드에 투입한다. 이때 투입된 슬러리 내부에는 기공이 있을 수 있으므로 적절한 방법으로 흔들거나 젓는 등의 방법으로 내부의 기공을 제거하는 것이 바람직하다.

이어서, 몰드에 삽입된 슬러리를 건조(1차 건조)시켜 액티베이터를 증발시키고 중간체를 형성한다. 상기 1차 건조는 상온에서 24시간 이상 충분한 시간을 갖고 제공되는 것이 바람직하다. 이어서, 1차 건조가 끝나면 중간체에서 몰드 및 강철 바를 제거한다.

한편, 종래의 세라믹 전열판 형성 시에는 본 발명과 같은 강철 바를 이용하는 대신 파라핀 바(Paraffin Bar)를 이용하였다. 파라핀 바를 이용하는 종래의 방법에 따르면, 상기 1차 건조 시 파라핀이 녹으면서 제거되는데, 이때 파라핀이 전 체적으로 동시에 녹는 것이 아니고 외측부터 순차적으로 녹게 됨으로써 하중의 차이가 발생하게 되고 그로 인하여 균열이 발생하거나 열 유로가 서로 관동하는 문제가 발생한다. 하지만, 본 발명에 따른 세라믹 전열판의 형성 시에는 파라핀 바 대신 BN 스프레이로 코팅된 강철 바를 이용함으로써 종래의 파라핀 바를 이용한 전열판 제작 시 문제점을 해결할 수 있다.

이어서, 몰드 및 강철 바가 제거된 중간체를 2차 건조한다. 상기 2차 건조는 약 110℃ 정도의 저온에서 2시간 정도로 진행되는 것이 바람직하다. 상기 2차 건조에 의하여 중간체 내부에 포함된 불필요한 수분을 증발시키고, 장력을 높일 수 있다.

마지막으로, 2차 건조된 중간체를 소결 처리하여 세라믹 전열판을 완성한다. 상기 소결 처리는 시간당 90℃ 내지 100℃의 비율로 약 950℃까지 온도를 상승시킨 후, 10시간 정도 산소 분위기에서 소결하고, 다시 시간당 90℃ 내지 100℃의 비율로 온도를 상온까지 하강시키는 방법으로 진행되는 것이 바람직하다.

도 3은 상기 실시예에 따라서 완성된 세라믹 전열판(300)의 외형을 도시하는 도면이다. 도 3에서 보듯이, 세라믹 전열판(300)은 중간에 열 유로(400)가 복수로 형성된 직육면체 형상으로 구성된다. 하지만, 상기 전열판의 형상은 일례일 뿐 다양한 변형 및 수정이 가능하다는 것을 이해할 것이다.

실험예

다음으로, 상기 실시예에 따라서 제작된 세라믹 전열판을 이하에서 설명한다.

먼저, SiC 분말 6100g, Al₂O₃ 분말 1040g 및 SiO₂ 분말 18.3g을 서로 혼합한 후, 에탄올 용액과 섞고 24시간 동안 320rpm의 속도로 분쇄하였다. 이어서, 상기 용액을 가열로에 놓고 100℃로 가열하여 에탄올을 증발시켰다. 이어서, 상기 혼합 분말을 Contronics사의 Rescore 770 모델의 액티베이터 용액과 혼합하여 슬러리를 형성하였다.

이어서, 직육면체 형성의 몰드에 BN 스프레이로 도포한 강철 바를 삽입하고, 상기 슬러리를 투입하였다. 이어서, 상기 몰드를 손으로 2~10분 정도 흔들어 슬러리 내부의 기공을 제거하였다.

이어서, 상기 슬러리가 투입된 몰드를 상온에서 24시간 배치하여(1차 건조) 액티베이터를 증발시키고 중간체를 형성하였다. 이어서, 상기 중간체에서 몰드와 강철 바를 제거하였다. 이어서, 상기 중간체를 열교환기에 투입한 후 110℃에서 2시간 동안 건조하여 수분을 증발시켰다. 마지막으로, 상기 2차 건조된 중간체는 93℃의 비율로 약 950℃까지 온도를 상승시킨 후, 10시간 정도 산소 분위기에서 소결하고, 다시 시간당 93℃의 비율로 온도를 하강시켜서 세라믹 전열판을 완성하였다.

상기 방법에 의하여 제조된 열교환기용 세라믹 전열판의 외형이 도 4(a) 및 도 4(b)에 도시된다. 또한, 도 5는 종래의 파라핀 바를 이용하여 제조된 세라믹 전열판의 외형을 도시한다. 도 4 및 도 5에서 보듯이, 본 실시예에 따른 세라믹 전열판은 열 유로의 부분적인 균열이나 파단 현상을 발견할 수 없지만, 종래의 방법에 따라서 제조된 세라믹 전열판은 중앙부에 큰 균열이 있음을 볼 수 있다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판 및 그 제조방법을 상세하게 설명하였다. 하지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 실시예에 대한 다양한 변형 및 수정이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 오직 특허청구범위에 의해서만 한정된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기용 세라믹 전열판의 제조방법을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기용 세라믹 전열판의 제조용 몰드 및 강철 바의 구성을 도시하는 도면이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기용 세라믹 전열판의 외형을 도시하는 도면이다.

도 4는 종래의 방법에 따른 열교환기용 세라믹 전열판의 외형을 도시하는 도면이다.

Claims (9)

1. 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판으로서,

   상기 세라믹 전열판은 SiC, Al₂O₃ 및 SiO₂를 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판.
2. (1) SiC 분말, Al2O3 분말 및 SiO2 분말을 혼합한 후 분쇄하는 단계;

   (2) 상기 혼합 분말을 액티베이터(activator)와 혼합하여 슬러리(Slurry)를 형성하는 단계;

   (3) 소정의 열교환기용 전열판 형성 몰드에 강철 바를 삽입하는 단계;

   (4) 상기 강철 바가 삽입된 몰드에 단계 (2)에서 형성된 슬러리를 투입하는 단계;

   (5) 슬러리가 투입된 몰드를 1차 건조하여 중간체를 형성하는 단계;

   (6) 상기 강철 바가 삽입된 몰드와 상기 1차 건조된 중간체를 분리하는 단계;

   (7) 상기 몰드가 제거된 중간체를 열교환기에서 2차 건조하는 단계; 및

   (8) 상기 2차 건조된 중간체를 소결하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판.
3. 제 2항에 있어서, 상기 단계 (3)에서 상기 몰드에 삽입되는 상기 강철 바는 BN 스프레이로 도포된 것을 특징으로 하는 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판.
4. 제 2항에 있어서, 상기 (1) 단계는 SiC 분말, Al2O3 분말 및 SiO2 분말을 혼합한 후 에탄올 용액과 혼합하여 분쇄하고, 고온에서 에탄올을 증발시켜서 형성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판.
5. 제 2항에 있어서, 상기 (4) 단계에 이어서, 상기 몰드 내부에 투입된 슬러리의 기포를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판.
6. 제 2항에 있어서, 상기 1차 건조는 상온에서 24시간 동안 제공되는 것을 특징으로 하는 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판.
7. 제 2항에 있어서, 상기 2차 건조는 100℃에서 2시간 동안 제공되는 것을 특징으로 하는 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판.
8. 제 2항에 있어서, 상기 소결은 900℃ 내지 1000℃에서 10시간 동안 제공되는 것을 특징으로 하는 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판.
9. SiC, Al₂O₃ 및 SiO₂를 주성분으로 하는 세라믹 전열판을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 열교환기용 세라믹 전열판.

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