KR20150058944A - 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관 - Google Patents

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조성호
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제이엔케이히터(주)
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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Abstract

본 실시예에 따른 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관은 양단에 개구부를 가지며, 적어도 한 쌍의 평평한 전열부를 가지는 클래드 튜브; 상기 한 쌍의 전열부에 안착되어 상기 클래드 튜브 내부를 통해 전달된 열을 공기 중으로 방출하는 핀 스트립 부재; 및 상기 클래드 튜브와 핀 스트립 부재 사이에 도포되는 페이스트;를 포함하며, 상기 페이스트는 플럭스 물질과 알루미늄 물질이 겔 상태로 혼합되어, 브레이징 공정(brazing process)을 통해 클래드 튜브와 핀 스트립 부재가 고정 결합될 수 있다.

Description

공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관{Aluminum Clad Oblong Tube for air cooling system condensing plant}
본 실시예는 대규모 발전설비 등에 적용될 수 있는 공랭식 냉각모듈의 핵심부품인 알루미늄 재질의 증기 응축 전열관에 관한 것이다.
원자력 발전소나 화력발전소에서는 우라늄, 석유, 석탄 등을 연료로 하여 열을 발생하여, 이 열로 시스템을 순환하는 물을 가열하여 증기를 형성한다. 형성된 증기는, 터빈을 돌려 전기를 생산하고, 터빈을 통과한 증기는 응축기에서 냉각되어 다시 물로 변한다. 특히, 증기순환 발전방식에서 응축과정을 물로 냉각하는 수랭식은 많은 양의 냉각수를 필요로 하므로, 응축기에 사용하는 냉각수로 해수를 사용한다. 따라서 냉각수로 사용되는 해수를 원활하게 공급 및 배출하기 위하여, 해안 가까이 설치되는 것이 일반적이다.
그런데, 냉각수로 사용된 해수는 발전소의 냉각계통을 경유하면서 가온된 상태로 변화되어 배출된다. 현재, 발전소에서 배출되는 가온상태의 배출수는 매시간 수백 톤 정도 발생되어 바다로 배출되고 있다. 바다로 배출되는 가온상태 배출수는 해수 온도를 상승시켜 해양 생태계를 파괴하는 등의 환경문제를 야기할 수 있다. 또한, 국토의 대부분이 육지로 구성된 국가에서는 증기 응축기에 공급할 냉각수의 양이 절대적으로 부족하므로, 수랭식 응축기를 냉각 시스템으로 쓰기 어렵다.
이러한 점을 감안하여, 최근에는 공랭식 응축기를 사용하는 발전설비들이 제안되어, 중국과 미국 등, 해수의 공급이 원활하지 않은 내륙 지역들의 발전설비에 폭 넓게 사용되고 있다. 이러한 공랭식 응축기를 사용할 경우, 기존의 수랭식 응축기에 비해, 설비의 부피가 크다는 단점이 있지만, 해안가가 아닌 내륙지방에도 설치할 수 있기 때문에, 수랭식 응축기를 사용해야만 하는 발전설비에 비해 상대적으로 융통성 있게 발전소 입지를 선정할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 냉각수의 유출입에 따른 해수의 온도 상승에 따른 해양 오염의 우려 또한 없어, 친환경 발전설비로 주목을 받고 있다.
이와 같은 공랭식 응축기에는 매우 많은 수의 전열관(tube)을 사용하는데, 상기 전열관은 그 형상에 따라 SRC 튜브(Single Row Condenser Tube) 와 MRG 튜브(Multi Row Galvanized tube) 전열관으로 나눌 수 있다.
발전설비용 증기 응축 전열관은 알루미늄과 스틸 적층재질의 클래드 튜브(clad tube)의 양면에 알루미늄 핀을 브레이징 하여 접합하는 구조를 가진다. 발전설비용 증기 응축 전열관은, 브레이징 후 알루미늄의 외부표면은 산화되어 알루미나이트로 조직이 변성되므로, 공기 중에서는 일정 한계 이상의 표면 부식이 발생하지 않는다. 또한, 알루미늄 핀과 융착된 클래드 튜브의 바깥 표면의 알루미늄 클래드 재료와의 경계면은 완전한 금속적 용융상태의 결합조직이므로, 부식이 없어 열전달효과가 영구적으로 지속 되는 장점이 있다.
발전설비용 증기 응축 전열관 단면은 증기응축에 필요한 진공을 얻기 용이한 진원형의 소형(1"~2") 전열관 대비 5~10배 이상 넓은 단면을 유지하므로, 상대적으로 넓은 단면적을 가지므로, 비응축성 기체(non-condensable gas)인 내부 공기를 빠르게 제거하기 용이하여 최초 설비기동운전이 신속하고, 단면이 적은 전열관에 비하여 응축수 유량이 많으므로 동절기 운전시 응축수의 내부 결빙작용이 발생하지 않는다는 장점이 있다.
한편, 전통적으로 사용되는 열교환기용 전열관 형식인 MRG 튜브 전열관의 경우, 원통형 전열관의 외부에 전열효과를 증대하기 위한 냉각핀을 다양한 방법으로 부착하고 있다. 금속적 용융결합을 이루는 방법은 동종금속 전기저항 용접방식에 의한 방법이 있으며, 용접된 냉각핀이 전열관 본래의 효과를 얻는 방식에 가장 근접하지만, 전기저항용접을 하기 위한 적절한 냉각핀의 단면을 갖게 하기 위해서는 냉각핀의 두께가 두꺼워지므로, 많은 수의 냉각핀을 배치하는데 어려움이 있다. 이러한 어려움은, 전열면적 감소에 따른 냉각효율의 저하를 야기한다.
이러한 문제점을 해결하고자, 전열관의 표면에 매몰(embedded) 방식으로 냉각핀을 삽입하여 제작할 수도 있으나, 운전개시 후 대기상태에서 노출된 후 2~3개월이 지난 후에는 이종 금속간 경계면층에 부식이 발생 되어 전열관의 본래 기능인 열전달 능력이 급속히 저하되어 결국에는 설비 전체의 성능상의 문제를 야기하는 문제점이 있다.
현재까지 국내외의 공랭식 열교환기 전열은 전통적으로 MRG 튜브 전열관을 위주로 적용하여 왔는데, 그 이유는 발전설비용 증기 응축 전열관은 내압에 취약하고 MRG 튜브 전열관보다 제조 단가가 고가이기 때문이다. 그러나 발전설비에서의 응축설비는 진공도가 높을수록 증기 응축이 용이하고, 발전설비에서 증기응축 전열관 내부는 진공 차압이 작용하므로, 발전설비에서의 응축설비용 전열관으로는 MRG 튜브 전열관에 비해 발전설비용 증기 응축 전열관이 상대적으로 효과가 우수하다.
1990년대 이후, 특히, 구미국가에서 기개발되어 사용 중인 종래의 발전설비용 증기 응축 전열관의 경우, 낙후된 생산 방식으로 인해, 알루미늄 핀과 클래드 튜브의 브레이징 공정 중의 불량률이 매우 높아, 제품의 가격 단가를 상승시키는 한 요인으로 작용하고 있다.
종래에는 클래드 튜브와 알루미늄 핀을 브레이징 하기 위해, 스틸 재질의 고정용 프레임을 상하로 배치하고, 그 사이에 알루미늄 핀, 클래드 튜브, 알루미늄 핀의 순서로 배치하고, 상기 알루미늄 핀과 클래드 튜브의 서로 대면하는 부분에는 플럭스를 도포한 후, 고정용 스틸 와이어 혹은 지그(Jig)로 묶어, 전기 가열로에 투입한다. 그러면, 고온의 전기 가열로 내부에서 상기 스틸 재질의 고정용 프레임의 자중에 의해 알루미늄 핀이 눌리면서, 상기 클래드 튜브 상, 하부 표면에 융착된다. 그런데, 상기 알루미늄 핀이 부분적으로 지나치게 가열되거나, 너무 큰 힘을 받을 경우, 상기 알루미늄 핀이 클래드 튜브뿐만 아니라, 프레임까지 융착되는 경우가 발생할 수 있다. 이 경우, 알루미늄 핀과 프레임을 분리하기 위해 토치 등으로 작업하면서, 제품의 손상이 발생하여, 더 이상 사용할 수 없는 상태가 되기도 한다.
또한, 클래드 튜브의 재질은 카본 스틸(carbon steel)과 알루미늄 1050 합금으로 구성되고, 알루미늄 핀은 스트립 핀으로서, 재질은 알루미늄 합금 3003의 표면에 Al-Si계 합금인 알루미늄 4XXX가 노출되도록 후가공된 알루미늄 합금으로 구성된다. 이때, 알루미늄 4XXX는 실리콘(Si)을 주첨가 성분으로 한 비열처리 합금으로, 용접 재료로서 이용되는 것으로, 일반적으로 건축용 자재, 차량용재 및 각종 용재 등으로 사용되는 알루미늄 합금 3003에 비해 상대적으로 고가이다.
이와 같이 상대적으로 고가의 알루미늄 4XXX가 스트립 핀으로 사용되는 이유는, 상기 클래드 튜브와 스트립 핀이 브레이징 결합될 때, 상기 스트립 핀에 노출되는 알루미늄 합금 4343 또는 4045 재질이 클래드 튜브와의 가열로 내부에서 브레이징 되는 과정 중에 필러(filler)를 양호하게 형성하기 위함이다. 그러나, 실제로 필러를 형성하는 알루미늄 4XXX 부분은 전체 스트립 핀 중에서 클래드 튜브와 스트립 핀이 서로 접촉하는 부근일 뿐이고, 그 외의 부분은 알루미늄 합금 4343 또는 4045 재질이 사용될 필요가 없어 비용절감 차원에서의 개선이 요구되고 있다.
본 실시예는 재료비를 절감할 수 있으며, 제조성을 향상시킨 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관을 제공한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 실시예에 따른 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관은 양단에 개구부를 가지며, 적어도 한 쌍의 평평한 전열부를 가지는 클래드 튜브; 상기 한 쌍의 전열부에 안착되어 상기 클래드 튜브 내부를 통해 전달된 열을 공기 중으로 방출하는 핀 스트립 부재; 및 상기 클래드 튜브와 핀 스트립 부재 사이에 도포되는 페이스트;를 포함하며, 상기 페이스트는 플럭스 물질과 알루미늄 물질이 겔 상태로 혼합되어, 브레이징 공정(brazing process)을 통해 클래드 튜브와 핀 스트립 부재가 고정 결합될 수 있다.
상기 클래드 튜브는 몸체를 형성하는 제 1 부재; 및 상기 제 1 부재의 노출면에 배치되는 제 2 부재;를 포함할 수 있으며, 상기 제 1 부재는 카본 스틸 재질로 형성되고, 상기 제 2 부재는 알루미늄 재질로 형성될 수 있다. 이때, 상기 제 2 부재는 순도 99.0% 이상의 순수 알루미늄 재질로 형성될 수 있다.
상기 핀 스트립 부재는 판재를 동일한 크기로 여러번 절곡하여 형성하며, 상기 절곡된 면이 상기 클래드 튜브와 접촉할 수 있다.
상기 핀 스트립 부재는 Al-Mn계 합금으로, 망간(Mn)을 주첨가 성분으로 한 냉각가공에 의해 각종 성질을 갖는 비열 처리 합금일 수 있다.
상기 핀 스트립 부재는 실리콘(Si), 철(Fe), 구리(Cu), 망간(Mn), 아연(Zn)의 함유량이 각각 0.6%, 0.7%, 0.05~0.20%, 1.0~1.5%, 0.10%인 알루미늄 합금(Aluminum Alloy) 3003일 수 있다.
상기 페이스트는 Al-Si계 합금으로서, 알루미늄 합금 4XXX을 포함할 수 있다.
일 예로서, 상기 페이스트는 알루미늄 88%, 실리콘 12%의 함유량을 가지는 합금 4045나, 알루미늄 87%, 실리콘 12.7% 및 기타 다른 원소로 구성된 함유량을 가지는 합금 4047을 포함할 수 있다.
상기 페이스트는 상기 클래드 튜브의 전열부에 도포될 수도 있고, 상기 핀 스트립 부재의 상기 전열부를 마주보는 면에 도포될 수도 있다.
이상과 같은 본 실시예에 따르면, 알루미늄 클래드 튜브와 결합되는 핀 스트립 부재의 재질을 일반적으로 많이 사용하는 단종 압연품인 알루미늄 합금 3003만으로 구성하고, 브레이징에 필요한 알루미늄 합금 4XXX계 용가재는 포일부재로 구성하여 클래드 튜브와 연결되는 부분에만 국부적으로 사용하기 때문에 재료비를 획기적으로 절감할 수 있다.
또한, 플럭스 물질의 사용을 최소화할 수 있어, 브레이징 공정 중에 발생하는 환경오염 물질의 배출을 저감할 수 있다. 즉, 플럭스를 구성하는 성분들 중 KAlF4 + K3AlF6 성분들은 증기압이 크기 때문에 고온의 분위기에서 증발하여 분자상태를 유지하며, 분위기 중에 존재하는 수분(H2O)과 반응(3KAlF4 + 3H2O → Al2O3 + K3AlF6 + 6HF)하여, 매우 유독한 불산 가스(HF)를 방출할 수 있다. 즉, 분위기(atmosphere)로는 내부 공간 전체가 고온이므로, 고온 하에서 플럭스가 반응하여 유독 가스(HF)를 방출하기 때문이다. 그러나, 본 실시예에 따르면, 플럭스 물질 사용이 필요 없으므로 이러한 유독물질의 배출을 최소화할 수 있다.
또한, 클래드 튜브와 핀 스트립 부재 사이의 연결 부분에 도포된 알루미늄 합금 4045 또는 4047 재질을 포함하는 페이스트가 브레이징 공정을 통해 35 내지 50㎛ 두께의 보호 코팅층을 형성하기 때문에 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관의 운전 중 부식, 풍화 등을 최소화할 수 있어 제품 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 페이스트 형상으로 구성되는 알루미늄 합금 4045 또는 4047 재질의 용가재가 클래드 튜브에서 스트립 핀 방향으로 젖음성(wetting) 되면서, 브레이징 필렛(brazing fillet)이 더 두껍고 양호하게 형성되므로 브레이징 강도가 향상될 수 있으며, 모세관 현상도 더 유리하여 제품 전체를 균일하게 브레이징 할 수 있다.
또한, 핀 스트립 부재를 단순 압연품인 알루미늄 합금 3003 재질로 구성할 수 있기 때문에, 기존의 알루미늄 합금 3003 재질과 알루미늄 합금 4045 또는 4047 재질의 후처리 공정으로 구성되는 경우와 비교할 때, 10%이상 무게를 경량화할 수 있어 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관의 구조적 안정성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관의 사시도,
도 2는 제 1 실시예에 따른 도 1의 분해 사시도,
도 3은 도 2의 A 부분을 확대한 단면도,
도 4는 제 2 실시예에 따른 도 1의 분해 사시도,
도 5는 도 4의 B 부분을 확대한 단면도 이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 실시예에 따른 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관의 사시도, 도 2는 제 1 실시예에 따른 도 1의 분해 사시도, 도 3은 도 2의 A 부분을 확대한 단면도, 도 4는 제 2 실시예에 따른 도 1의 분해 사시도, 그리고, 도 5는 도 4의 B 부분을 확대한 단면도 이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관은 클래드 튜브(10), 핀 스트립 부재(20) 및 페이스트(200)를 포함할 수 있다.
클래드 튜브(10)는 양단에 개구부를 가지며, 적어도 한 쌍의 평평한 전열부를 포함할 수 있다. 상기 클래드 튜브(10)의 재질은 알루미늄과 카본 스틸을 클래딩(cladding)하는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성에 따르면, 알루미늄 재질을 이용하여 제작되는 핀 스트립 부재(20)와 브레이징 작업을 통해 완벽하게 융착될 수 있으며, 우수한 용접성을 가지기 때문에 다량의 전열관을 관판(tube sheet)과 동시에 용접을 수행할 수 있다. 상기 클래드 튜브(10)는 도시된 바와 같이, 양 끝단은 라운드 형상을 가지며, 도면의 상부 및 하부면에는 평평한 전열부를 형성할 수 있다. 이 평평한 전열부를 통해 상기 핀 스트립 부재(20) 측으로 열을 주고 받을 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상기 클래드 튜브(10)는 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 부재(11)와 제 2 부재(12)로 구성될 수 있다. 이때, 제 1 부재(11)는 카본 스틸 재질로 형성되고, 제 2 부재(12)는 상기 제 1 부재(11)의 노출면에 배치되는 알루미늄 재질로 형성되어, 상기한 바와 같이 클래딩하여 구성될 수 있다. 알루미늄과 그 합금은 항공 우주 산업이나 가정용 기물 외에 일반 공업용 차량, 토목, 건축, 조선, 화학 및 식품 등 많은 공업 분야에 널리 사용된다. 알루미늄은 pH 4.5 ~ 8.5 의 환경에서 산화 피막이 모재를 보호하기 때문에 내식성은 우수하나 이온화 경향이 커서 부식 환경하에서 철(Fe), 구리(Cu), 납(Pb) 등과 접촉하면 심하게 부식되고 수은은 백만 분의 1(ppm, parts per million) 단위만 있어도 심하게 부식된다. 순수 알루미늄은 강도가 낮으므로 각종 원소(Mn, Si, Mg, Cu, Zn, Cr 등)를 첨가하여 주로 석출 경화에 의한 강도 향상을 도모하여 사용한다. 자성이 없으며 일반 탄소강에 비해 열 및 전기 전도도는 약 4 배 정도로 크고, 선팽창계수는 약 2배 정도 커서 용접성은 많이 떨어지는 재료이다.
본 실시예에 따르면, 상기 제 2 부재(12)는 순도 99.0% 이상의 순수 알루미늄 재질로 형성될 수 있다. 바람직하게는 상기 제 2 부재(12)는 알루미늄 순도가 99.5% 이상인 알루미늄 합금 1050일 수 있다. 알루미늄 합금 1050에는 실리콘(Si) 0.25%, 철(Fe) 0.40%, 구리(Cu) 0.05%, 망간(Mn) 0.05%, 마그네슘(Mg) 0.05%, 아연(Zn) 0.05%, 티타늄(Ti) 0.03%가 포함될 수 있다. 이와 같은 알루미늄 합금 1050은 순수 알루미늄에 가깝기 때문에 내식성이 우수하면서, 광 반사성 및 열 전도성이 우수할 뿐만 아니라 강도는 낮지만 용접 및 성형가공이 쉽다는 장점이 있다.
핀 스트립 부재(20)(fin strip member)는 냉각핀의 역할을 수행하는 것으로, 상기 한 쌍의 전열부에 안착되어 상기 클래드 튜브(10) 내부를 통해 전달된 열을 공기 중으로 방출할 수 있다. 핀 스트립 부재(20)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 평평한 판재를 동일한 크기로 여러 번 절곡하여 주름지게 형성할 수 있다. 이때, 절곡된 면이 도 2와 같이 클래드 튜브(10)의 전열부와 접촉되도록 설치될 수 있다.
상기 핀 스트립 부재(20)는 Al-Mn계 합금으로, 망간(Mn)을 주첨가 성분으로 한 냉각가공에 의해 각종 성질을 갖는 비열 처리 합금일 수 있다. 바람직하게는, 상기 핀 스트립 부재(20)는 실리콘(Si), 철(Fe), 구리(Cu), 망간(Mn), 아연(Zn)의 함유량이 각각 0.6%, 0.7%, 0.05~0.20%, 1.0~1.5%, 0.10%인 알루미늄 합금(Aluminum Alloy) 3003으로 구성될 수 있다. 알루미늄 합금 3003은 순수한 알루미늄에 비해 강도는 약간 높고, 용접성과 내식성, 성형 가공성이 우수한 재질로, 단면 압연 방법 등에 의해 비교적 간단하고 저렴하게 생산 가능하다는 장점이 있다.
페이스트(200)는 상기 클래드 튜브(10)와 핀 스트립 부재(20) 사이에 개재되는 것이다. 상기 클래드 튜브(10)에는 한 쌍의 전열부가 형성될 수 있는데, 이 곳에 각각 한 쌍의 핀 스트립 부재(20)가 설치될 수 있다. 따라서, 상기 페이스트(200)는 상기 클래드 튜브(10)와 핀 스트립 부재(20)가 서로 마주보는 면에 도포될 수 있다.
제 1 실시예에 따르면, 상기 페이스트(200)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 클래드 튜브(10)의 전열면에 각각 도포될 수 있고, 제 2 실시예에 따르면, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 핀 스트립 부재(20)의 절곡면에 도포될 수도 있다. 또는, 도시하지는 않았으나, 상기 전열면과 절곡면 모두에 도포되는 것도 가능하다.
페이스트(200)는 알루미늄 재질의 용가재(Brazing Filler material)와 플럭스 물질 및 바인더가 혼합된 겔(GEL) 상태로 형성될 수 있다. 알루미늄 재질은 Al-Si계 합금으로서, 알루미늄 88%, 실리콘 12%의 함유량을 가지는 합금 4045를 포함할 수도 있고, 알루미늄 87%, 실리콘 12.7% 및 기타 다른 원소로 구성된 함유량을 가지는 합금 4047일 수도 있다.
플럭스 물질은 상기 알루미늄 재질과 함께 일정 성분 비율로 섞여, 상기 페이스트(200)가 클래드 튜브(10)의 전열면과 핀 스트립 부재(20)의 절곡면과 각각 접촉될 때, 골고루 분포될 수 있도록 한다. 따라서, 브레이징 공정(brazing process)을 수행하면, 상기 플럭스 물질이 기존의 플럭스가 수행하는 브레이징 공정 중의 촉매 역할을 대신하게 된다.
브레이징이란 450℃ 이상에서 접합하고자 하는 모재(base metal)의 용융점(melting point) 이하에서 모재는 상하지 않고 용가재와 열을 가하여 두 모재를 접합하는 기술이다. 즉, 450℃ 이상의 액상선 온도(liquidus temperatire)를 가진 용가재를 사용하며, 모재의 고상선 온도(solidus temperature) 이하의 열을 가하여 두 모재를 접합하는 방법이다.
이상적인 브레이징은 브레이징 용재(brazing filler metal)가 피접합 대상이 되는 양 용재 사이로 녹아 스며 들어갈 수 있는 최적의 온도를 유지하는 것이 좋으며, 그 외에도 다양한 환경적 특징을 부가하는 것도 가능하다.
이때, 양 모재와 용가재의 친화력의 정도를 나타내는 성질을 젖음성(wetting)으로 표현할 수 있으며 양 모재 접합간격(joint gap) 사이로 흘러 들어가게 하는 현상이 모세관 현상(capillary action)이라 표현할 수 있다. 이때 물론 중력이 작용할 수 있다. 그러나 브레이징의 주된 기본 원리는 모재를 가열한 후 용가재를 가하여 접합을 하면 젖음성에 의해 용가재가 양 모재에 녹아서 모세관 현상에 의해 양 모재 사이로 흘러 들어가는 것이라 할 수 있다. 만일 용가재가 브레이징 해야 할 모재와 젖음성이 나쁘면 접합이 이루어지지 않을 것이며, 접합간격이 크면 양 모재 사이에 용가재가 가득 차지 않음에 따라 불완전한 접합이 될 것이다.
일반적으로 브레이징시 모재가 장시간 대기중에 방치되었거나 또는 가열시 공기중의 산소 등과 결합하여 산화물 등이 생겨서 불활성상태가 되어 있는 경우에는 액상 금속이 젖기가 힘들어질 것이다. 또한 금속을 브레이징할 때 플럭스를 사용하거나 환원성 분위기 또는 진공분위기 중에서 가열함으로써 산화물 생성을 억제하여 용가재가 잘 젖게끔 만들어야 할 것이다. 이 일이 끝나면 올바른 모세관 현상에 의해 용가재가 양 모재 사이로 잘 흘러 들어가야 할 것이다. 특히 모세관 현상은 브레이징하고자 하는 가공품의 정밀도와 연관이 많이 있다. 즉 브레이징에 이상적이게 제품을 설계하지 못할 경우는 작업성이 떨어질 뿐 아니라 원가상승, 불량률 증가의 원인이 될 것이다. 즉, 브레이징을 할 때, 중력은 자연 발생적으로 작용하며 제품을 조립할 때 중력을 고려하여 장착해야 할 것이다. 모세관 현상과 중력은 용재의 흐름에 많은 영향을 미치고 젖음성은 용재의 친화력과 많은 연관이 있다.
특히 용가재가 녹았을 때, 젖음성의 정도에 따라 모재와 친화력이 있느냐 없느냐, 또는 플럭스 물질이나 분위기(atmosphere)가 제 역할을 하느냐 하지 않는냐의 척도가 될 수 있다. 이와 같은 젖음성을 설명하기 위해서는 고상의 납작한 평면에 액상의 방울을 떨어뜨렸을 경우를 생각해 볼 수 있다. 이때, 중력은 무시하며, 고상, 액상, 기체상의 화학반응도 무시한다.
여기에서 고상(모재)의 표면장력을 γSL, 액상(용가재)의 표면장력을 γSU, 고액상의 계면의 표면장력을 γLV로 표시하면 다음과 같은 수학식으로 나타낼 수 있을 것이다. θ는 접촉각이다.
[수학식 1]
젖음성이 일어나느냐 나지 않느냐의 경계는 90도(θ각)로 생각할 수 있을 것이다. 즉 각이 90도 이하이면 젖음성이 있는 것이며 90도 이상이면 젖음성이 일어나지 않을 것이다. 일반적으로 대부분의 브레이징시 θ각은 10 내지 40도 사이이다. 이것은 대부분 브레이징 모재의 접합간격에 의해 결정된다.
또한, 모세관 현상은 브레이징 공정에서 대단히 중요한 물리적인 현상이다. 용재 유동도는 모세관 현상에 의한 힘, 점도, 용융금속의 밀도, 접합면의 중력에 대한 위치 등에 의해 좌우된다. 일반적으로 용재의 흐름을 억제 시키는 점도는 용융상태에서 온도와 상관관계가 있다.
여기에서 보면 온도가 올라갈수록 점도에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
즉, 온도가 올라갈수록 용재의 유동도는 증가한다고 볼 수 있다. 아무튼 모세관 현상은 브레이징시 앞서 이야기한 바와 같이 대단히 중요한 물리적인 힘이며, 이는 앞에서 설명한 바와 같이 접합간격과 대단히 밀접한 관계가 있으며, 아울러 용재 종류, 점도, 밀도, 접합면의 증력에 대한 위치, 가열방법 등과도 대단히 밀접한 상관관계를 가지고 있다.
이상과 같은 본 실시예에 따르면, 알루미늄 클래드 튜브(10)와 결합되는 핀 스트립 부재(20)의 재질을 일반적으로 많이 사용하는 단종 압연품인 알루미늄 합금 3003만으로 구성하고, 브레이징에 필요한 알루미늄 합금 4XXX계 용가재는 페이스트(200)로 구성하여 클래드 튜브(10)와 연결되는 부분에만 국부적으로 사용하기 때문에, 상대적으로 고가인 알루미늄 합금 4XXX계의 사용량을 대폭 줄일 수 있어, 재료비를 획기적으로 절감할 수 있다.
또한, 페이스트(200)에 알루미늄 재질과 플럭스 물질을 혼합하여 사용하기 때문에, 단독으로 플럭스 물질을 도포하여 브레이징 공정을 수행하는 경우와 비교할 때, 사용하는 플럭스 물질의 양이 줄어들어, 브레이징 공정에 따른 환경오염 물질의 배출을 저감할 수 있다. 플럭스를 구성하는 성분들 중 KAlF4 + K3AlF6 성분들은 증기압이 크기 때문에 고온의 분위기에서 증발하여 분자상태를 유지하며, 분위기 중에 존재하는 수분(H2O)과 반응(3KAlF4 + 3H2O → Al2O3 + K3AlF6 + 6HF)하여, 매우 유독한 불산 가스(HF)를 방출한다. 즉, 가열로 내부 공간 전체에서 분위기(atmosphere)는 고온이므로, 고온 하에서 플럭스가 반응하여 유독 가스(HF)를 방출하기 때문이다. 그러나, 본 실시예에 따르면, 플럭스 물질의 사용을 대폭 줄일 수 있어, 이러한 유독물질의 배출을 최소화할 수 있다.
또한, 클래드 튜브(10)와 핀 스트립 부재(20) 사이의 연결 부분에 도포된 알루미늄 합금 4045 또는 4047 재질의 페이스트(200)가 브레이징을 통해 35 내지 50㎛ 두께의 보호 코팅층을 형성하기 때문에 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관의 운전 중 부식, 풍화 등을 최소화할 수 있어 제품 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 페이스트(200)의 알루미늄 합금 4045 또는 4047 재질로 형성되는 알루미늄 재질이 용가재(filler metal)가 되어, 클래드 튜브(10)에서 스트립 핀 방향으로 젖음성(wetting) 되기 때문에, 브레이징 필렛(brazing fillet)이 기존 기술에 비해 더 두껍고 양호하게 형성되어, 브레이징 강도가 향상될 수 있으며, 모세관 현상도 더 유리하여 제품 전체를 균일하게 브레이징 할 수 있다.
또한, 핀 스트립 부재(20)를 저렴하게 생산할 수 있는 단순 압연품인 알루미늄 합금 3003 재질로 구성할 수 있기 때문에 기존의 알루미늄 합금 3003 재질과 알루미늄 합금 4045 또는 4047 재질의 후처리 공정으로 구성되는 경우와 비교할 때, 10%이상 무게를 경량화할 수 있어 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관의 구조적 안정성을 확보할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10; 클래드 튜브 11; 제 1 부재
12; 제 2 부재 20; 핀 스트립 부재
200; 페이스트

Claims (12)

  1. 양단에 개구부를 가지며, 적어도 한 쌍의 평평한 전열부를 가지는 클래드 튜브;
    상기 한 쌍의 전열부에 안착되어 상기 클래드 튜브 내부를 통해 전달된 열을 공기 중으로 방출하는 핀 스트립 부재; 및
    상기 클래드 튜브와 핀 스트립 부재 사이에 도포되는 페이스트;를 포함하며,
    상기 페이스트는,
    플럭스 물질과 알루미늄 물질이 겔 상태로 혼합되어, 브레이징 공정(brazing process)을 통해 클래드 튜브와 핀 스트립 부재가 고정 결합되는 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 클래드 튜브는,
    몸체를 형성하는 제 1 부재; 및
    상기 제 1 부재의 노출면에 배치되는 제 2 부재;를 포함하는 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 부재는 카본 스틸 재질로 형성되고,
    상기 제 2 부재는 알루미늄 재질로 형성되는 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 2 부재는,
    순도 99.0% 이상의 순수 알루미늄 재질로 형성되는 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 핀 스트립 부재는,
    Al-Mn계 합금으로, 망간(Mn)을 주첨가 성분으로 한 냉각가공에 의해 각종 성질을 갖는 비열 처리 합금인 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 핀 스트립 부재는,
    실리콘(Si), 철(Fe), 구리(Cu), 망간(Mn), 아연(Zn)의 함유량이 각각 0.6%, 0.7%, 0.05~0.20%, 1.0~1.5%, 0.10%인 알루미늄 합금(Aluminum Alloy) 3003인 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 핀 스트립 부재는,
    판재를 동일한 크기로 여러번 절곡하여 형성하며, 상기 절곡된 면이 상기 클래드 튜브와 접촉하는 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 페이스트는,
    Al-Si계 합금으로서, 알루미늄 합금 4XXX을 포함하는 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 페이스트는,
    알루미늄 88%, 실리콘 12%의 함유량을 가지는 합금 4045를 포함하는 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 페이스트는,
    알루미늄 87%, 실리콘 12.7% 및 기타 다른 원소로 구성된 함유량을 가지는 합금 4047을 포함하는 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 페이스트는,
    상기 클래드 튜브의 전열부에 도포되는 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 페이스트는,
    상기 핀 스트립 부재의 상기 전열부를 마주보는 면에 도포되는 공랭식 증기응축 설비용 증기 응축 전열관.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101719177B1 (ko) * 2015-12-01 2017-03-23 제이엔케이히터(주) 증기 응축 전열관의 제조방법

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