KR20200035574A

KR20200035574A - 코팅막 및 그를 갖는 열교환기 파이프

Info

Publication number: KR20200035574A
Application number: KR1020180114754A
Authority: KR
Inventors: 양현승; 이우성; 박성대
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2020-04-06

Abstract

본 발명은 양호한 열전도성과 소수성을 갖는 코팅막 및 그를 갖는 열교환기 파이프에 관한 것이다. 본 발명은 금속관과, 상기 금속관의 표면에 코팅액을 도포하여 형성한 코팅막을 포함하는 열교환기 파이프를 제공한다. 이때 코팅액은 실리콘 졸-겔 용액 50 내지 90 wt%와 방열 입자 10 내지 50 wt%를 포함한다.

Description

코팅막 및 그를 갖는 열교환기 파이프{Coating film and heat exchanger pipe having same}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양호한 열전도성과 소수성을 갖는 코팅막 및 그를 갖는 열교환기 파이프에 관한 것이다.

플랜트 산업의 고도화에 따라 관련 기술분야에 대한 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 플랜트 산업의 핵심 기술 중 하나로써 열교환기 파이프가 있다. 일반적인 열교환기는 동체 내에 설치된 여러 개의 전열관과, 전열관을 지지하는 여러 개의 전열관 지지 장치를 구비한다. 열교환기에서는 전열관의 내부를 유통하는 관내 유체와, 전열관의 외부를 관내 유체와 반대 방향을 향하여 유통하는 관외 유체 간에 열교환이 행해지고 있다.

이러한 열교환기에서 열교환 효율 상승 및 비용 절감과 관련하여 코팅소재 관련기술이 많은 관심을 받고 있다. 다양한 열교환기 코팅소재가 제안되고 있으나, 실제 열교환기 파이프의 코팅 소재로 적용되기 위해서는 해결되어야 할 여러 문제점이 있다.

먼저 열교환기 특성상 고온에서 소재가 안정성을 가져야 하고, 소수성을 나타내는 것이 필수적이다.

이러한 조건을 만족시키기 위해서, 열교환기 코팅 소재를 소수성의 고분자 소재를 사용하거나 이종의 화합물을 혼합함으로써, 코팅 소재의 화학적 및 기계적 특성을 향상시키고자 하는 연구가 많이 진행되어 왔다. 종래에는 불소계열의 고분자 소재를 기반으로 한 내열성 및 소수성의 코팅 소재가 사용되고 있다. 하지만 불소계열의 고분자 소재는 고가이므로, 저렴하면서도 우수한 물성을 갖는 코팅 소재의 개발에 대한 요청이 있다.

등록특허공보 제10-1390737호 (2014.04.24. 공고)

따라서 본 발명의 목적은 양호한 열전도성과 소수성을 갖는 코팅막이 적용된 열교환기 파이프를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 금속관; 및 상기 금속관의 표면에 코팅액을 도포하여 형성한 코팅막;을 포함하는 열교환기 파이프를 제공한다. 이때 상기 코팅액은 실리콘 졸-겔 용액 50 내지 90 wt%와 방열 입자 10 내지 50 wt%를 포함한다.

상기 코팅액의 고형분은 10 wt% 이하이다.

상기 방열 입자는 세라믹, 금속, 산화금속, 수산화금속, 질화금속, 탄화금속, 붕화금속 또는 탄소를 포함할 수 있다.

상기 방열 입자는 산화아연(ZnO) 입자일 수 있다.

상기 실리콘 졸-겔 용액은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS) 일 수 있다.

그리고 본 발명은 금속관의 표면에 코팅액을 도포하여 형성되며, 상기 코팅액은 실리콘 졸-겔 용액 50 내지 90 wt%와 방열 입자 10 내지 50 wt%를 포함하는 열교환기 파이프용 코팅막을 제공한다.

본 발명에 따른 열교환기 파이프는 표면에 실리콘 졸-겔 용액에 방열 입자가 포함된 코팅액을 코팅하여 코팅막을 형성함으로써, 열교환기 파이프에 양호한 열전도성과 소수성을 제공할 수 있다.

이로 인해 본 발명에 따른 열교환기 파이프는 표면의 코팅막을 통해서 적응축 속도를 향상시킴으로써, 열교환기 효율을 향상시킬 수 있다.

코팅액은 실리콘 졸-겔 용액과 방열 입자를 포함하기 때문에, 기존의 불소계열의 코팅액과 비교하여 저렴하면서도 우수한 열전도성과 소수성을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 열교환기 파이프는 코팅막을 통하여 열전도도를 높임으로써, 열교환기 파이프의 표면에 생기는 열저항 및 열전달 손실을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기 파이프를 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1의 "A"부분의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기 파이프를 보여주는 사진이다.
도 4는 실시예 및 비교예에 따른 열교환기 파이프의 총괄 열전달 계수(overall heat transfer coefficient)를 측정한 그래프이다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기 파이프를 보여주는 사시도이다. 그리고 도 2는 도 1의 "A"부분의 확대도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 열교환기 파이프(100)는 금속관(10)과, 금속관(10)의 표면에 코팅액을 도포하여 형성한 코팅막(20)을 포함한다. 이때 코팅액은 실리콘 졸-겔 용액 50 내지 90 wt%와 방열 입자(23) 10 내지 50 wt%를 포함한다.

금속관(10)은 열교환이 필요한 유체를 이송하는 관이다. 금속관(10)의 소재로는 열전도성이 양호한 금속, 예컨대 스테인리스 스틸, 구리 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.

그리고 코팅막(20)은 금속관(10)의 표면에 코팅액을 도포하여 형성한다. 코팅액에 포함된 실리콘 졸-겔 용액은 경화되어 코팅층(21)을 형성하고, 코팅층(21) 내에 방열 입자(23)가 분포한다. 코팅막(20)은 금속관(10)의 표면에 10㎛ 미만의 두께로 코팅액을 코팅한 후 경화하여 형성할 수 있다.

여기서 코팅액은 소수성 코팅액으로, 실리콘 졸-겔 용액과 방열 입자(23)를 포함한다. 코팅액의 고형분은 10 wt% 이하가 바람직하다. 고형분이 10 wt%를 초과하면, 코팅액 내에서 방열 입자(23)가 고르게 분산되지 못하고 아래로 가라앉는 문제가 발생될 수 있기 때문이다.

실리콘 졸-겔 용액은 말단에 트리에톡시실란(triethoxysilane) 관능기를 포함하는 네트워킹이 가능한 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)과 같은 고분자 화합물을 포함한다. 실리콘 졸-겔 용액은 테트라에틸 오르소실리케이트(Tetraethyl orthosilicate, TEOS) 또는 트리에톡시(옥틸)실란(Triethoxy(octyl)silane, TEOOS)을 더 포함할 수 있다.

방열 입자(23)의 소재로는 세라믹, 금속, 산화금속, 수산화금속, 질화금속, 탄화금속, 붕화금속, 탄소 소재 등을 포함한다. 예컨대 방열 입자(23)는 산화알루미늄(알루미나), 산화마그네슘, 산화아연(ZnO), 탄화규소, 질화알루미늄, 질화붕소, 질화규소, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 산화규소 등을 포함할 수 있다. 탄소 소재는 SiC, 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(graphene), 그라파이트, 카본블랙, 카본파이버, 플러렌(fullerene) 등을 포함할 수 있다.

코팅액은 방열 입자(23)의 종류, 크기 또는 조성비를 조절함으로써, 코팅액으로 형성되는 코팅막(20)의 열전도도 특성을 조절할 수 있다.

실리콘 졸-겔 용액 내에서의 방열 입자(23)의 양호한 분산성을 확보하기 위해서, 표면을 개질한 방열 입자를 사용할 수도 있다.

코팅액은 다양한 코팅 방법, 예컨대 딥코팅, 스프레이 코팅 방법으로 코팅하여 코팅막(20)을 형성할 수 있다. 코팅 방법에 따른 코팅액의 점도는 추가되는 유기용매를 사용하여 조절할 수 있다. 유기용매로는 에탄올(ethanol), 아세톤(acetone), 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran, THF), 톨루엔(toluene), 메틸에틸케톤(methylethylketone), 디메틸프롬아마인드(dimethylformaminde), 시클로헥실피롤리딘(cyclohexyl-pyrrolidinone), N-도데피롤리돈(NDodecyl-pyrrolidone), 벤질 벤조에이트(Benzyl benzoate), 아이소프로판올(isopropanol), N-옥틸피롤리돈(Noctyl-pyrrolidone), N-비닐피롤리돈(N-vinyl-pyrrolidinone), 벤질에테르(Benzyl ether), 사이클로헥사논(cyclohexanone), 다이미사일설팍사이드(dimethylsulphoxide), N-메틸 피롤리돈(N-methyl pyrrolidinone), 이소프로필알코올(isopropyl alcohol) 및 이들의 조합물로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 유기용매는 이들 물질로 한정되는 것은 아니다.

코팅막(20)의 두께는 코팅액에 포함된 고형분의 함량, 스프레이 압력 또는 딥핑 속도 등의 코팅 조건을 조절함으로써 제어할 수 있다. 코팅막(20)은 10㎛ 이하의 두께로 형성된다.

이와 같은 본 실시예에 따른 코팅막이 형성된 열교환기 파이프의 소수성과 열전도성을 확인하기 위해서, 다음과 같이 코팅액을 제조한 후, 금속관 표면에 코팅막을 형성하였다. 방열 입자(23)로는 26nm의 입자 크기를 갖는 산화아연 입자를 사용하였다. 금속관으로는 스테인리스 스틸 관(SUS 관)을 사용하였다.

코팅액은 실리콘 졸-겔 용액 70 wt%와 방열 입자 30 wt%를 포함한다. 코팅액의 유기용매로는 테트라히드로푸란(THF)을 사용하였다.

코팅액을 평판 형태의 구리 기판에 딥코팅한 후 경화하여 코팅막을 형성한 후, 물에 대한 접촉각을 측정한 결과 약 100도로 확인되었다. 즉 본 실시예에 따른 코팅막은 양호한 소수성의 특성을 갖고 있음을 확인할 수 있다.

코팅액을 금속관에 딥코팅한 후 경화함으로써, 도 3에 도시된 바와 같이, 금속관 표면에 코팅막이 형성된 열교환기 파이프를 제조할 수 있다. 여기서 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기 파이프를 보여주는 사진이다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 열교환기 파이프는 표면에서 적응축이 발생되는 것을 확인할 수 있다. 즉 본 실시예에 따른 열교환기 파이프의 표면에 형성된 코팅막은 양호한 소수성 특성을 갖기 때문에, 열교환기 파이프의 표면에서 적응축이 발생된 것으로 판단된다.

도 4는 실시예 및 비교예에 따른 열교환기 파이프의 총괄 열전달 계수(overall heat transfer coefficient)를 측정한 그래프이다. 여기서 비교예에 따른 열교환기 파이프는 코팅막을 형성하지 않은 스테인리스 스틸 소재의 금속관이다.

도 4를 참조하면, 실시예 및 비교예에 따른 열교환기 파이프의 총괄 열전달 계수를 비교하면, 실시예가 비교예와 비교하여 평균 8.6% 총괄 열전달 계수가 향상된 것을 확인할 수 있다.

즉 본 실시예에 따른 열교환기 파이프의 표면에 형성된 코팅막으로 인해서 양호한 열전도도 특성을 갖고 있음을 확인할 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 따른 열교환기 파이프는 표면에 실리콘 졸-겔 용액에 방열 입자가 포함된 코팅액을 코팅하여 코팅막을 형성함으로써, 열교환기 파이프에 양호한 열전도성과 소수성을 제공할 수 있다.

이로 인해 본 실시예에 따른 열교환기 파이프는 표면의 코팅막을 통해서 적응축 속도를 향상시킴으로써, 열교환기 효율을 향상시킬 수 있다.

그리고 본 실시예에 따른 열교환기 파이프는 코팅막을 통하여 열전도도를 높임으로써, 열교환기 파이프의 표면에 생기는 열저항 및 열전달 손실을 최소화할 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

10 : 금속관
20 : 코팅막
21 : 코팅층
23 : 방열 입자
100 : 열교환기 파이프

Claims

금속관; 및
상기 금속관의 표면에 코팅액을 도포하여 형성한 코팅막;을 포함하며,
상기 코팅액은 실리콘 졸-겔 용액 50 내지 90 wt%와 방열 입자 10 내지 50 wt%를 포함하는 열교환기 파이프.
제1항에 있어서,
상기 코팅액의 고형분은 10 wt% 이하인 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프.
제1항에 있어서,
상기 방열 입자는 세라믹, 금속, 산화금속, 수산화금속, 질화금속, 탄화금속, 붕화금속 또는 탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프.
제1항에 있어서,
상기 실리콘 졸-겔 용액은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)인 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프.
제4항에 있어서,
상기 방열 입자는 산화아연(ZnO) 입자인 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프.
금속관의 표면에 코팅액을 도포하여 형성되며,
상기 코팅액은 실리콘 졸-겔 용액 50 내지 90 wt%와 방열 입자 10 내지 50 wt%를 포함하는 열교환기 파이프용 코팅막.
제6항에 있어서,
상기 코팅액의 고형분은 10 wt% 이하인 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프용 코팅막.
제1항에 있어서,
상기 실리콘 졸-겔 용액은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)이고, 상기 방열 입자는 산화아연(ZnO) 입자인 것을 특징으로 하는 열교환기 파이프용 코팅막.