WO2017171178A1 - 스테인리스강 및 상기 스테인리스강으로 이루어지는 배관 - Google Patents

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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20—Recycling

Definitions

  • the present invention relates to a pipe made of ductile stainless steel and the stainless steel.
  • An air conditioner refers to a device that cools or heats a room using a refrigeration cycle.
  • the refrigeration cycle includes a compressor, a condenser, an expander and an evaporator, which are sequentially connected by piping.
  • Refrigerant circulates through the piping in the compressor, condenser, expansion device and evaporator.
  • a flow path is formed in the condenser and the evaporator during the refrigeration cycle.
  • the refrigerant passes through the flow paths formed in the condenser and the evaporator and exchanges heat with the surroundings to condense or evaporate, and the condenser and the evaporator operate as a heat exchanger.
  • the flow path is for the flow of the refrigerant, and since the refrigerant flows therein, it is a concept included in a pipe in a broad sense.
  • the piping not only connects the components of the refrigeration cycle with each other but also serves as a flow path for the compressor and the condenser.
  • Conventional piping is mainly made of copper (Cu, copper, copper) material.
  • copper copper, copper, copper
  • copper has a limitation in reliability due to the occurrence of corrosion.
  • customs or replacement is performed to remove internal scale.
  • copper does not have a high withstand voltage characteristic enough to be used as a flow path for a new high-pressure refrigerant such as R32. If the pipe made of copper is used as a flow path for the high-pressure new refrigerant, there is a risk of failing to withstand the high pressure over time.
  • stainless steel pipes have been proposed.
  • Stainless steel pipe is made of stainless steel material, generally stainless steel material has a stronger corrosion resistance than copper material.
  • stainless steel pipes can solve the problem of copper piping, which is the occurrence of corrosion.
  • stainless steel material has sufficient high pressure resistance characteristics, it is less likely to be damaged under high pressure.
  • the conventional stainless steel material including the stainless steel pipe disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-0074232, has excessively high strength and high hardness properties compared to the copper material, resulting in problems of workability that copper pipes did not have.
  • Pipes used in air conditioners may be formed not only in a straight line but also in a curved line due to space constraints, and some of the pipes may be formed in a straight line and some may be curved.
  • the straight pipe refers to a pipe extending in one direction along a straight line
  • the curved pipe refers to a pipe bent along a curve.
  • the conventional stainless steel material has excessively high strength and high hardness physical properties compared to the copper material, it is difficult to produce a curved pipe from the stainless steel material. For example, even when mechanically applied to the straight pipe made of stainless steel material to be processed into a curved pipe, there is a problem that not enough plastic deformation due to partial elastic deformation instead of completely plastic deformation.
  • stainless steel materials are known to have inherently high strength and high hardness properties. Therefore, it is recognized that the workability of the stainless steel material is difficult to improve as long as the stainless steel material is used.
  • An object of the present invention is to propose a stainless steel material of a new configuration that can improve the problems of corrosion resistance and pressure resistance characteristics of the copper material, and solve the problems of high strength and high hardness of the conventional stainless steel material .
  • Another object of the present invention is to provide a pipe that can ensure sufficient processability through a new stainless steel material having ductility (ductility, ductility) compared to the conventional stainless steel material.
  • Another object of the present invention is to propose a pipe made of a stainless steel material and a system having the pipe.
  • Another object of the present invention is to provide a process for producing a pipe using a stainless steel material.
  • Another object of the present invention is to propose a stainless steel pipe that can be combined with other pipes without breaking.
  • the stainless steel according to one embodiment of the present invention is defined by the composition, matrix structure and average particle size.
  • the composition of stainless steel is% by weight, C: 0.03% or less, Si: more than 0 and 1.7% or less, Mn: 1.5 to 3.5%, Cr: 15.0 to 18.0%, Ni: 7.0 to 9.0%, Cu: 1.0 to 4.0%, Mo : 0.03% or less, P: 0.04% or less, S: 0.04% or less, N: 0.03% or less, remainder: Fe and unavoidable impurities.
  • the base structure of stainless steel is made of austenite. It is most preferable that the matrix structure of the stainless steel consists only of austenite.
  • the base structure of stainless steel may be composed of austenite and delta ferrite. In this case, austenite should occupy most of the base structure based on the particle size.
  • Stainless steel may have an austenite matrix of 99% or more based on the particle size area, and may have a delta ferrite matrix of 1% or less.
  • Stainless steels have an average particle diameter of 30-60 ⁇ m. This particle number corresponds to the American Society for Testing and Materials (ASTM) Grain size No. 5.0-7.0.
  • the present invention discloses a pipe made of stainless steel in order to realize the above object.
  • Tubing includes both straight and bent tubes.
  • Pipes made of stainless steel can be used in systems such as air conditioners.
  • Pipes made of stainless steel are made of stainless steel described above, and stainless steel is defined by composition, matrix structure, and average particle size as before.
  • the composition of the stainless steel constituting the piping is% by weight, C: 0.03% or less, Si: more than 0 and 1.7% or less, Mn: 1.5 to 3.5%, Cr: 15.0 to 18.0%, Ni: 7.0 to 9.0%, Cu: 1.0 to 4.0%, Mo: 0.03% or less, P: 0.04% or less, S: 0.04% or less, N: 0.03% or less, balance: Fe and inevitable impurities.
  • the base structure of the stainless steel constituting the pipe is made of austenite. It is most preferable that the matrix structure of the stainless steel consists only of austenite.
  • the base structure of stainless steel may be composed of austenite and delta ferrite. In this case, austenite should occupy most of the base structure based on the particle size.
  • Stainless steel may have an austenite matrix of 99% or more based on the particle size area, and may have a delta ferrite matrix of 1% or less.
  • the stainless steel constituting the pipe has an average diameter of 30 to 60 ⁇ m. This particle number corresponds to the American Society for Testing and Materials (ASTM) Grain size No. 5.0-7.0.
  • Stainless steel tubing can be manufactured by molding, welding, cutting and drawing.
  • Stainless steel bent tubes can be made by applying bending stress to stainless steel straight tubes made by forming, welding, cutting and drawing.
  • the stainless steel pipe thus formed includes a welded part, a heat affected part, and an outer circumferential surface and an inner circumferential surface.
  • the welded portion is formed along the longitudinal direction of the stainless steel pipe, the heat affected zones are formed on both sides of the welded portion along the longitudinal direction of the pipe, and the outer circumferential surface and the inner circumferential surface are formed as smooth surfaces.
  • the stainless steel pipe may have a groove formed on at least one of the inner circumferential surface and the outer circumferential surface.
  • the grooves form resistance to bending stresses applied to the stainless steel pipe and generate turbulence in the refrigerant flowing therein. Refrigerant gas leakage is caused by the junction surface step between the pipe flare face and the socket face.
  • the outer diameter of the stainless steel straight tube is 19.05 mm or more, and the thickness is 0.5-1.0 mm.
  • the outer diameter of the stainless steel bent tube is 15.88 to 19.05 mm, and the thickness is 0.6 to 1.0 mm.
  • the outer diameter of the stainless steel bent tube is 12.7-15.88 mm, and the thickness is 0.6-0.8 mm.
  • the outer diameter of the stainless steel bent tube is 9.52-12.7 mm, and the thickness is 0.5-0.8 mm.
  • the outer diameter of the stainless steel bent tube is 6.35 to 9.52 mm, and the thickness is 0.4 to 0.7 mm.
  • Stainless steel of the present invention may have a lower strength and lower hardness than conventional stainless steel through a composition containing copper (Cu), a matrix consisting of austenite, the average particle size of 30 ⁇ 60 ⁇ m.
  • Cu copper
  • austenite a matrix consisting of austenite
  • the stainless steel of the present invention has strength and hardness at the copper level, sufficient workability can be ensured, and the stainless steel can be utilized for the manufacture of piping (straight pipe or bent pipe) required in a system such as an air conditioner.
  • the bent tube of the stainless steel of the present invention can solve the conventional problem that the plastic deformation is not sufficiently made.
  • the stainless steel of the present invention when manufacturing a pipe from the stainless steel of the present invention it is possible to ensure a heat loss reduction effect and corrosion resistance performance.
  • Heat loss reduction and corrosion resistance are intrinsic properties of the stainless steel material, the stainless steel of the present invention does not lose the original properties of stainless steel, even if it has a lower strength and lower hardness than conventional stainless steel.
  • the present invention provides a method for producing a pipe using a stainless steel.
  • the present invention can make the outer circumferential surface and the inner circumferential surface of the stainless steel pipe to smooth surfaces through the cutting and drawing process.
  • Stainless steel pipe whose outer circumference and inner circumference are formed as smooth surfaces does not cause breakage even if it is expanded to bond with other pipes.
  • Pipes made of a stainless steel material of the present invention may have a level of limit pressure and limit bending moment similar to those of copper pipes, even if thinner than copper pipes. Therefore, the optimum stainless steel pipe can be designed through the minimum thickness of the stainless steel pipe proposed in the present invention.
  • 1 is a stress-strain graph comparing the physical properties of stainless steel and copper.
  • Figure 2a is a microstructure photograph showing a stainless steel according to Example 1 of the present invention.
  • Figure 2b is a microstructure photograph showing a stainless steel according to Example 2 of the present invention.
  • 3 to 6 are microstructure photographs showing stainless steels according to Comparative Examples 2 to 5, respectively.
  • Example 7 is a stress-strain graph evaluating the physical properties of the stainless steel of Example 3.
  • FIG. 8 is a main configuration diagram of an air conditioner.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating an example of a pipe that may be applied to the air conditioner of FIG. 8.
  • FIG. 10 is a conceptual view illustrating another example of a pipe that may be applied to the air conditioner of FIG. 8.
  • FIG. 11 is a conceptual view illustrating another example of a pipe that may be applied to the air conditioner of FIG. 8.
  • FIG. 12 is a conceptual view illustrating another example of a pipe that may be applied to the air conditioner of FIG. 8.
  • FIG. 13 is a conceptual view illustrating a fin-tube heat exchanger 500 that may be applied to the air conditioner of FIG. 8.
  • FIG. 14 is a flow chart showing a method of manufacturing a pipe from stainless steel.
  • 15A to 15D are cross-sectional views illustrating a process of manufacturing a pipe from stainless steel according to the method of FIG. 14.
  • 16 is a conceptual view for explaining the connection of the pipe made of stainless steel and other pipes.
  • 17 is a conceptual diagram showing a stainless steel pipe in a cylindrical coordinate system.
  • 18 is a conceptual diagram showing a cross section of a stainless steel pipe in a two-dimensional coordinate system.
  • the stainless steel of the present invention exhibits lower strength and lower hardness than conventional stainless steel.
  • the stainless steel of the present invention has strength and hardness of copper material level. Low strength and low hardness properties of stainless steel can be confirmed by measuring the yield strength, tensile strength, hardness and elongation of the stainless steel material of the present invention, and compare this to copper materials. If the stainless steel has the characteristics of the strength and hardness of the copper material level, the problem of workability which has been a problem in the conventional stainless steel can be solved.
  • Low strength and low hardness properties of stainless steel are determined by the composition, matrix structure and average particle size of stainless steel.
  • each item for determining the low strength and low hardness characteristics of stainless steel will be described.
  • each content is weight percent (wt.%).
  • Stainless steel of the present invention comprises carbon (C) and chromium (Cr, chromium). Carbon reacts with chromium and precipitates as chromium carbide, which depletes chromium in and around grain boundaries, causing corrosion. Therefore, the content of carbon is preferably kept low. If the carbon content exceeds 0.03%, it is difficult for stainless steel to have the strength and hardness of the copper material level, and it is difficult to secure sufficient workability by utilizing the characteristics of low strength and low hardness. Therefore, in the present invention, the stainless steel has a low strength and low hardness of the copper material level, thereby setting the carbon content to 0.03% or less to ensure sufficient processability.
  • Austenitic has a lower yield strength than ferrite or martensite. Therefore, in order for the stainless steel of the present invention to have low strength and low hardness properties of the copper material level, the base structure of the stainless steel should be made of austenite.
  • silicon is an element that forms ferrite. As the content of silicon increases, the proportion of ferrite in the matrix increases, and the stability of the ferrite increases. Therefore, the silicon content is preferably kept low. If the silicon content exceeds 1.7%, stainless steel is difficult to have the strength and hardness of the copper material level, and it becomes difficult to secure sufficient workability. Therefore, in the present invention, the stainless steel has a low strength and low hardness of the copper material level, thereby setting the content of silicon to 1.7% or less so as to secure sufficient workability.
  • Manganese is an element necessary to suppress the phase transformation of stainless steel matrix into martensite. If the content of manganese is less than 1.5%, the effect of inhibiting phase transformation by manganese is insufficient. Therefore, in the present invention, the lower limit of manganese is set to 1.5% in order to sufficiently obtain the effect of inhibiting phase transformation by manganese.
  • the upper limit of manganese is set to 3.5% to allow stainless steel to have low strength characteristics.
  • Chromium is an element that enhances the corrosion initiation resistance of stainless steel. Corrosion initiation means that corrosion occurs for the first time in the absence of corrosion in the base material, which is not corroded, and corrosion start resistance refers to the property of inhibiting corrosion for the first time from the base material. If the content of chromium is lower than 15.0%, since stainless steel does not have sufficient corrosion start resistance, in the present invention, the lower limit of chromium may be set to 15.0% to allow stainless steel to have sufficient corrosion start resistance.
  • the upper limit of the chromium is set to 18.0% so that stainless steel can secure sufficient workability.
  • Nickel (Ni, Nickel): 7.0 ⁇ 9.0%
  • Nickel is an element that enhances the corrosion growth resistance of stainless steel. Corrosion growth means that the corrosion that has already occurred in the base material spreads to a wide range, and corrosion growth resistance means the property of inhibiting the growth of corrosion. Corrosion growth resistance is conceptually different from corrosion initiation resistance. If the content of nickel is lower than 7.0%, since stainless steel does not have sufficient corrosion growth resistance, in the present invention, the lower limit of nickel may be set to 7.0% to allow stainless steel to have sufficient corrosion growth resistance.
  • the upper limit of nickel is set to 9.0% so that stainless steel can secure sufficient workability.
  • the content of nickel also affects the economics of stainless steel. Therefore, the nickel content is set in the above range to ensure the economics of stainless steel.
  • Copper is an element necessary to suppress the phase transformation of stainless steel matrix into martensite. If the content of copper is less than 1.0%, the effect of inhibiting phase transformation by copper does not appear sufficiently. Therefore, in the present invention, the lower limit of copper is set to 1.0% in order to sufficiently obtain the effect of inhibiting phase transformation by copper. In particular, in order for the stainless steel of the present invention to have low strength and low hardness properties of copper level, the copper content must be strictly controlled to 1.0% or more. Stainless steel of the present invention may be classified as a Cu-based stainless steel as it contains more than 1.0% copper.
  • the phase transformation effect of the copper increases, but the increase is gradually reduced.
  • the copper content exceeds 4.0% the phase transformation inhibitory effect is saturated. Since copper is an expensive element, the copper content also affects the economics of stainless steel. Therefore, the upper limit of the copper is set to 4.0% in order to secure the economical efficiency of stainless steel within the range where the phase transformation suppression effect of copper is saturated.
  • Molybdenum Mo, Molybdenum: 0.03% or less
  • Molybdenum, phosphorus, sulfur and nitrogen harden stainless steel with the elements inherent in steel semi-finished products, so it is desirable to keep them as low as possible. Molybdenum can improve the corrosion resistance of stainless steel, but should be managed to 0.03% or less because the disadvantage of hardening stainless steel is greater than the advantage of improving corrosion resistance. Phosphorus, sulfur and nitrogen are also set at 0.04%, 0.04% and 0.03% or less to prevent hardening of stainless steel, respectively.
  • the matrix structure of the stainless steel may be determined depending on the composition and / or heat treatment conditions. Typically, the matrix structure of stainless steel is divided into austenite, ferrite and martensite. The properties of stainless steel will vary depending on the structure of each base.
  • the stainless steel of the present invention has an austenite matrix.
  • Austenite is a matrix that exhibits resistive strength and low hardness compared to ferrite or martensite. Further, the average particle size described later is a limitation that is satisfied by growing the crystal size of stainless steel. When the three matrix structures are treated under the same conditions, austenite can obtain the greatest low strength and low hardness effects when the crystal size is grown.
  • the matrix structure of the stainless steel consists only of austenite.
  • stainless steel may include not only austenite but also other matrix structures.
  • stainless steel should have an austenitic matrix of 90% or more, preferably 99% or more, based on the particle size area. For example, if stainless steel has an austenite matrix and a delta ferrite matrix, the stainless steel should have an austenitic matrix of at least 99% based on the particle size and a delta ferrite matrix of less than 1%.
  • the physical properties of stainless steel vary depending on the structure of the base. In order to evaluate the physical properties of the stainless steel according to the matrix structure Example 1 and Example 2 are set and compared with each other.
  • Figure 2a is a microstructure photograph showing a stainless steel according to Example 1 of the present invention.
  • Figure 2b is a microstructure photograph showing a stainless steel according to Example 2 of the present invention.
  • the stainless steels of Examples 1 and 2 were previously described in [1. Composition of stainless steel] has the same composition as described in the section. In addition, the stainless steels of Examples 1 and 2 [3. Average particle size of stainless steel] has an average particle size corresponding to the particle size number 5.0 ⁇ 7.0 to be described. However, the stainless steel of Example 1 has only an austenite matrix of 99% or more and a ferrite matrix of 1% or less, while the stainless steel of Example 2 has only an austenitic matrix.
  • the stainless steel of Example 2 has lower strength and lower hardness than the stainless steel of Example 1.
  • the stainless steel of Example 3 Example 2 has a higher elongation than the stainless steel of Example 1. From this, in order to realize the low strength and low hardness properties of the stainless steel, it is preferable that the stainless steel is made of only austenite matrix. As the proportion of delta ferrite matrix increases, the strength and hardness of stainless steel increases, so even if the stainless steel has a delta ferrite matrix, the ratio should be 1% or less based on the particle size area.
  • the stainless steel has a delta ferrite matrix of less than 1%, it is advantageous for low strength and low hardness to be distributed locally in specific grains rather than uniformly distributed throughout the grains.
  • the average particle size of the stainless steel can be determined depending on the composition and / or heat treatment conditions.
  • the average particle size of stainless steel affects the strength and hardness of stainless steel. For example, the smaller the average particle size, the greater the strength and hardness of the stainless steel, and the larger the average particle size, the smaller the strength and the hardness of the stainless steel.
  • the average particle size of stainless steel is limited to 30 ⁇ 60 ⁇ m.
  • the average particle size of typical austenite tissue is less than 30 ⁇ m. Therefore, the average particle size should be grown to more than 30 ⁇ m through the manufacturing process and heat treatment.
  • ASTM American Society for Testing and Materials
  • an average particle size of 30 to 60 ⁇ m corresponds to a grain size number of 5.0 to 7.0.
  • the average particle size smaller than 30 ⁇ m corresponds to ASTM particle size 7.5 or more.
  • the average particle size of the stainless steel is less than 30 ⁇ m or the particle size number of the stainless steel is larger than 7.0, it does not have the properties of low strength and low hardness required by the present invention.
  • the average particle size (or particle number) of stainless steel is a key factor in determining the low strength and low hardness properties of stainless steel.
  • the physical properties of stainless steel depend on the average particle size of stainless steel. In order to evaluate the physical properties of stainless steel according to the average particle size, Comparative Examples and Examples were set and compared with each other.
  • Comparative Example 1 is copper
  • Comparative Examples 2 to 5 are stainless steels having a particle size of 7.5 or more
  • Example 3 of the present invention is stainless steel of a particle size of 6.5.
  • Figure 3 is a microstructure photograph showing a stainless steel according to Comparative Example 2.
  • the stainless steel of Comparative Example 2 has an austenitic matrix of 99% or more and a delta ferrite matrix of 1% or less, based on the particle size, and has an average particle size (about 15 to 17 ⁇ m) corresponding to ASTM particle number 9. .
  • Figure 4 is a microstructure photograph showing a stainless steel according to Comparative Example 3.
  • the stainless steel of Comparative Example 3 had an austenitic matrix of 99% or more and a delta ferrite matrix of 1% or less, based on the particle size, and had an average particle size (about 24 to 27 ⁇ m) corresponding to ASTM particle number 7.5. .
  • Figure 5 is a microstructure photograph showing a stainless steel according to Comparative Example 4.
  • the stainless steel of Comparative Example 4 had only an austenite matrix and had an average particle size corresponding to ASTM particle size 9.
  • Figure 6 is a microstructure photograph showing a stainless steel according to Comparative Example 5.
  • the stainless steel of Comparative Example 5 had only an austenite matrix and had an average particle size corresponding to ASTM particle size 7.5.
  • Example 3 It has an average particle size size (about 39 to 40 ⁇ m) corresponding to ASTM particle number 6.5 of Example 3. It can be expected that the microstructured photograph of the stainless steel according to Example 3 will be substantially the same as or similar to the microstructured photograph of Example 1 or 2 shown in FIG. 2A or 2B (eg, Example 1 or Practice). ATSM granularity of Example 2 is 6.5).
  • Example 7 is a stress-strain graph evaluating the physical properties of the stainless steel of Example 3.
  • the horizontal axis of the graph means displacement (mm) of stainless steel, and the vertical axis of the graph means stress (N / mm 2 ) applied to the stainless steel.
  • the yield strength of stainless steel was measured to be about 156.2 MPa, and the tensile strength of stainless steel was measured to be about 470 MPa.
  • the stainless steel of the present invention was measured to have physical properties within the above range, regardless of whether the form of the tube (tube) or sheet (sheet).
  • Comparative Example 1 is a copper pipe having a yield strength of 100 MPa, a tensile strength of 270 MPa, a hardness of 100 Hv, and an elongation of 45% or more. Since copper has low strength and low hardness, copper has been commercialized in refrigerant piping such as air conditioners. However, as described above, copper has problems of reliability due to corrosion and inadequacy of piping for new refrigerant.
  • the stainless steels of Comparative Examples 2 to 5 have a composition and matrix structure similar to that of the stainless steel of the present invention, but the particle size number is 7.5 or more.
  • Stainless steels of Comparative Examples 2 to 5 have a yield strength of about 200 MPa, a tensile strength of about 500 MPa, a hardness of about 130 Hv, and an elongation of 50% or more.
  • Stainless steels of Comparative Examples 2 to 5 having a particle size number greater than 7.5 have physical properties of excessively high strength and high hardness compared to copper. Therefore, although the stainless steels of Comparative Examples 2 to 5 can solve the problem of copper due to corrosion, there is a problem of workability that is inappropriate to be processed into a refrigerant pipe.
  • the stainless steel of the present invention has a yield strength of about 160 MPa, a tensile strength of about 480 MPa, a hardness of about 120 Hv or less, and an elongation of 60% or more. Therefore, the stainless steel of the present invention can solve not only the problem of workability raised in the stainless steels of Comparative Examples 2 to 5 but also the problem of corrosion raised in the copper of Comparative Example 1. In addition, since the stainless steel of the present invention has sufficient high pressure resistance characteristics, it is suitable to be used as a pipe of a high pressure new refrigerant such as R32.
  • the thermal conductivity of copper is 388 W / mK
  • the thermal conductivity of stainless steel is 16.2 W / mK.
  • the higher the thermal conductivity of the material the greater the heat loss during the flow of the refrigerant.
  • the higher the thermal conductivity of the material the lower the efficiency of the cycle. Since the thermal conductivity of stainless steel is only 4% of copper, constructing a cycle pipe made of stainless steel can reduce heat loss and improve cycle efficiency.
  • the stainless steel of the present invention has high corrosion resistance and high pressure resistance characteristics that are inherent in stainless steel, and has low strength and low hardness properties of copper materials. Therefore, there is a sufficient condition to be applied to the pipe through the problem of workability.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the main parts of the air conditioner 100.
  • the air conditioner 100 is an example of a system having pipes 131, 132, 133, 134 made of stainless steel. Therefore, the system having the pipes 131, 132, 133 and 134 made of stainless steel is not necessarily limited to the air conditioner 100, and the pipes 131, 132, 133, 134) corresponds to the system described herein.
  • the air conditioner 100 includes an outdoor unit 110 and an indoor unit 120.
  • One or more indoor units 120 may be connected to one outdoor unit 110, and the outdoor unit 110 and the indoor unit 120 (s) thus connected may operate as one system.
  • the air conditioner 100 may be operated only in a cooling only mode or a heating only mode by selectively operating the refrigeration cycle in one direction, or selectively operating the refrigeration cycle in both directions through a four-way valve (not shown) to cool. Alternatively, it may be operated simultaneously with driving the heating mode.
  • the outdoor unit 110 may include a compressor 111, an outdoor heat exchanger 112, and an expander 113.
  • the compressor 111 is configured to compress the refrigerant into gas of high temperature and high pressure.
  • the outdoor heat exchanger 112 is configured to condense the gas refrigerant compressed to high temperature and high pressure in the compressor 111 with outdoor air during the cooling operation to condense into low temperature and high pressure liquid.
  • one side of the outdoor heat exchanger (112) is provided with an outdoor fan (112a) for smooth heat exchange in the outdoor heat exchanger (112).
  • the outdoor fan 112a is formed to suck outdoor air and blow air toward the outdoor heat exchanger 112.
  • the expander 113 controls the temperature of the refrigerant discharged from the outdoor heat exchanger 112 to adjust the superheat degree during the cooling operation and the supercooling degree during the heating operation.
  • the indoor unit 120 may include an indoor heat exchanger 121 and an indoor fan 121a.
  • the indoor heat exchanger 121 is configured to evaporate the low temperature low pressure refrigerant passing through the expander 113 to convert the low temperature and low pressure gas during the cooling operation.
  • the indoor fan 121a circulates indoor air so that heat exchange is smoothly performed in the indoor heat exchanger 121.
  • the compressor 111, the outdoor heat exchanger 112, the expander 113, and the indoor heat exchanger 121 are sequentially connected by pipes 131, 132, 133, and 134.
  • the compressor 111, the outdoor heat exchanger 112, the expander 113, and the indoor heat exchanger 121 which are sequentially connected by the pipes 131, 132, 133, and 134, form a refrigeration cycle. Since the coolant flows along the pipes 131, 132, 133, and 134, the pipes 131, 132, 133, and 134 form a flow path of the coolant.
  • the outdoor heat exchanger 112 and the indoor heat exchanger 121 also form a flow path of the refrigerant.
  • Stainless steel of the present invention described above may be applied to the material of the pipes (131, 132, 133, 134), may be applied to the flow path of the outdoor heat exchanger 112 or the outdoor heat exchanger (112).
  • Pipe 200 is made of stainless steel, a groove (201) is formed on the inner peripheral surface of the pipe 200 shown in FIG.
  • the grooves 201 may be formed in plural and spaced apart from each other along the longitudinal direction of the pipe 200.
  • the inner circumferential surface of the pipe 200 should be removed to prevent breakage. The occurrence of breaks associated with the beads will be described later.
  • FIG. 10 is a conceptual view illustrating another example of a pipe 300 that may be applied to the air conditioner 100 of FIG. 8.
  • the pipe 300 is made of stainless steel, and grooves 301 and 302 are formed on the inner and outer circumferential surfaces of the pipe 300 shown in FIG. 10, respectively.
  • the grooves 301 and 302 may be formed in plural and spaced apart from each other along the longitudinal direction of the pipe 300.
  • the inner circumferential surface of the pipe 2300 should be removed to prevent breakage.
  • the reason why the pipes 200 and 300 shown in FIG. 9 or 10 includes the grooves 201 and 301 and 302 on at least one of the inner and outer circumferential surfaces is to maintain a smooth flow of refrigerant and a constant pressure of the refrigerant.
  • the pipe through which the coolant flows may be formed of a curved tube that is not only formed by a straight pipe but at least partially bent.
  • the curved pipe is manufactured by plastically deforming the straight pipes 200 and 300 illustrated in FIG. 9 or 10.
  • the bent portion is subjected to plastic deformation during the manufacturing of the bent tube, it is difficult not only to interrupt the flow of the refrigerant but also to maintain the constant pressure of the refrigerant. This is because the coolant flows smoothly when the inner diameter of the pipe is formed as evenly as possible, and the pressure of the coolant flowing through the pipe can be kept constant.
  • a protrusion is naturally formed between the groove and the groove, and the protrusion generates resistance to bending stress in manufacturing the bent tube, thereby preventing the pipe from being crushed.
  • the bent tube manufactured by applying bending stress to the straight tube having grooves may have a relatively even inner diameter.
  • the inside of the bent tube manufactured as described above may flow smoothly, and the pressure of the refrigerant flowing through the bent tube may be kept constant. The smooth flow of the refrigerant and the constant pressure of the refrigerant also affect the efficiency of the refrigeration cycle and the performance of the air conditioner.
  • the bent pipe can be manufactured by applying bending stress to the straight pipe.
  • Conventional stainless steels have properties of excessively high strength and high hardness compared to copper, and thus, there is a problem that plastic deformation cannot be sufficiently performed even when bending stress is applied to straight pipes. For example, even if the bending stress is applied to the straight pipe, plastic deformation is not performed in the designed shape, but the elastic deformation causes elastic deformation to restore the shape before the bending stress or does not bend sufficiently.
  • the stainless steel of the present invention has properties of low strength and low hardness close to copper through the composition, matrix structure and average particle size described above. Accordingly, when the bent tube is manufactured of the stainless steel of the present invention, a bending stress may be applied to the straight tube to cause sufficient plastic deformation, and a bent tube in the designed shape may be manufactured. In addition, it is possible to prevent the occurrence of crushing through the groove formed in the inside of the pipe in the process of applying the bending stress.
  • FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating another example of a pipe 400 that may be applied to the air conditioner of FIG. 8.
  • Pipe 400 is made of stainless steel, the pipe 400 shown in Figure 11 is formed of a corrugated pipe having a corrugated portion 401. The corrugated pipe may be bent based on the corrugated portion 401.
  • the pipe that is fastened to the outdoor unit and the indoor unit may be formed with a corrugated pipe having a corrugated portion 401 only within a range satisfying the noise standard and the air conditioning performance standard.
  • the wrinkles 401 may be formed in part or all of the pipe 400. Since the wrinkles 401 may generate noise due to the formation of turbulence, the wrinkles 401 should be formed within a range that satisfies the noise standard.
  • the pipe 400 having the corrugated portion 401 must satisfy the burst pressure of 178 kgf / cm2 or more according to the Korean high pressure gas safety standard, and the burst pressure of 214 kgf / cm2 or more according to the UL (Underwriters Laboratories Standard) standard of the United States. do.
  • Corrugated pipes ( ⁇ 15.88, 0.6t) made of stainless steel of the present invention have a burst pressure of 251.3 kgf / cm 2, thus satisfying all of the above specifications.
  • FIG. 12 is a conceptual view illustrating another example of a pipe 400 ′ that may be applied to the air conditioner of FIG. 8.
  • the first portion 410 'of the pipe 400 is made of stainless steel, and the remaining portions 411', 412 'of the pipe are made of copper (Cu, copper).
  • the pipe 400 'shown in FIG. 12 is formed of a corrugated pipe having a corrugated portion 401'.
  • the corrugated pipe may be bent based on the corrugated portion 401 ′.
  • the reason why the second portion 411 'made of copper and the third portion 412' are joined to both ends of the first portion 410 'made of stainless steel is for ease of joining with the counterpart copper pipe. Since the second portion 411 ′ and the third portion 412 ′ are made of copper and are seamless, the inner circumferential surface of the first portion 410 ′ made of stainless steel may or may not have beads. This is because there is no possibility of breaking due to the beads.
  • FIG. 13 is a conceptual view illustrating a fin-tube heat exchanger 500 that may be applied to the air conditioner of FIG. 8.
  • the fin-tube heat exchanger 500 includes a pipe 510, a cooling fin 520, and a pipe support 530.
  • the pipe 510 forms a flow path of the refrigerant.
  • the fin-tube heat exchanger 500 is applied to an outdoor heat exchanger, one end of the pipe 510 is connected to the outlet of the compressor and the other end of the pipe 510 is connected to the inlet of the expander.
  • the fin-tube heat exchanger 500 is applied as an indoor heat exchanger, one end of the pipe 510 is connected to the outlet of the expander and the other end of the pipe 510 is connected to the inlet of the compressor.
  • the pipe 510 includes a straight portion 510a and a curved portion 510b.
  • the straight portion 510a extends in a direction crossing the air flow direction and is arranged in a plurality of rows.
  • the curved portion 510b connects the straight portions 510a to form a zigzag pipe 510.
  • Grooves 201, 301 and 302 described in FIGS. 9 and 10 may be formed on the inner circumferential surface of the pipe 510.
  • the grooves 201, 301 and 302 cause turbulent flow of the refrigerant flowing inside the pipe 510 and enlarge the heat exchange area.
  • the cooling fins 520 are spaced apart from each other along the longitudinal direction of the pipe. Air passes through the cooling fins 520 and indirectly exchanges heat with the refrigerant through the cooling fins 520.
  • the two pipe supports 530 are formed in a rectangular shape and are disposed to face each other. Each pipe support 530 is formed with a hole for accommodating and supporting the pipe 510. The curved portion 510b of the pipe 510 is fitted into the hole and fixed.
  • the pipe 510 of the fin-tube heat exchanger 500 as described above also has a curved portion 510b, a bending stress should be applied to the straight pipe to cause plastic deformation in order to form the curved portion 510b.
  • the conventional stainless steel has physical properties of excessively high strength and high hardness compared to copper, even if a bending stress is applied to the straight pipe, it cannot be sufficiently plastically deformed and it is difficult to form curved portions.
  • the stainless steel of the present invention has properties of low strength and low hardness close to copper through the composition, matrix structure and average particle size described above. Accordingly, when the pipe of the fin-tube heat exchanger 500 is manufactured from the stainless steel of the present invention, bending stress may be applied to the straight pipe to cause sufficient plastic deformation, and the straight portion 510a and the curved portion 510b as designed. ) Can be prepared. In addition, it is possible to prevent the occurrence of crushing through the groove formed in the pipe 510 in the process of applying the bending stress.
  • FIGS. 14 and 15A to 14D are a flow chart showing a method of manufacturing a pipe from stainless steel.
  • 15A to 15D are cross-sectional views illustrating a process of manufacturing a pipe from stainless steel according to the method of FIG. 14.
  • Pipe made of stainless steel is manufactured in the order of forming (S100), welding (S200), cutting (S300) and drawing (S400).
  • Forming is a process of forming a pipe shape by rolling a sheet (600) made of stainless steel. Molding can be accomplished by a number of rollers. In Fig. 15A, the sheet is rolled to form the pipe.
  • Welding is a process of adhering both ends 600a and 600b of stainless steel, which are rolled up by a molding process and close to each other. 15B shows the result of welding by rolling a sheet made of stainless steel.
  • Both ends 600a and 600b of the stainless steel are welded to each other in the longitudinal direction of the pipe.
  • a weld zone 603 is formed along the longitudinal direction of the pipe.
  • the weld 603 is formed with beads 603a and 603b protruding little by little into the outer circumferential surface 601 and the inner circumferential surface 602 of the pipe, the outer circumferential surface 601 and the inner circumferential surface 602 of the pipe are still present. Is not a smooth surface.
  • Heat-affected zones (HAZ) 604a and 604b are formed on both sides of the weld 603 by heat during the welding process.
  • the heat affected zones 604a and 604b are also formed along the longitudinal direction of the pipe similarly to the welded zone 603.
  • Cutting is a process of partially cutting the bead 603a of the weld 603 to make the outer circumferential surface 601 of the pipe as a smooth surface. Cutting can be done continuously with welding. The cutting may be performed by partially cutting the bead 603a using a bite while moving the pipe in the longitudinal direction through press bead rolling. 15C shows the stainless steel tubing completed by the cutting process.
  • Drawing (S400) is a process of making the inner circumferential surface 602 of the pipe a smooth surface by applying an external force to the bead 603b of the weld portion 603.
  • an external force is applied to the bead 603b to form the inner circumferential surface 602 of the pipe as a smooth surface.
  • 15D shows the stainless steel tubing finished up to the drawing process.
  • additional grooves may be formed on the outer and inner circumferential surfaces of the pipe through machining (not shown).
  • the reason for making the outer circumferential surface 601 and the inner circumferential surface 602 of the pipe into a smooth surface through cutting and drawing is to form a uniform inner diameter inside the pipe and to connect with other pipes.
  • the reason for forming a uniform inner diameter inside the pipe has been described above to maintain a smooth flow of the refrigerant and a constant refrigerant pressure.
  • 16 is a conceptual diagram for explaining the connection of the pipe 700 and the other pipe 10 made of stainless steel.
  • the end portion 701 of the stainless steel pipe 700 should be expanded.
  • the end 701 of the stainless steel pipe 700 has a Y shape or a trumpet shape as shown in FIG. 16. Processed.
  • the end 11 of the other pipe 10 has an inclined cross section so as to correspond to the expanded stainless steel pipe 700. As shown in FIG. 16, the end portion 11 of the other pipe 10 may be gradually narrowed toward the end thereof.
  • the other pipe 10 is not necessarily made of stainless steel.
  • the thread 12 is formed in the outer peripheral surface of the other piping 10. Screw the nut 20 coupled to the outer circumferential surface of the stainless steel pipe 700 to the thread 12 formed on the outer circumferential surface of the other pipe 10 while the stainless steel pipe 700 and the other pipe 10 are in close contact with each other. In other words, the nut 20 is rotated until it is close to the stop 13, and is fastened to the other pipe 10, and the stainless steel pipe 700 and the other pipe 10 are coupled to each other.
  • the weld portion partially protrudes from the inner circumferential surface of the stainless steel pipe 700, and the outer circumferential surface and the inner circumferential surface are not made of smooth surfaces. If the outer circumferential surface and the inner circumferential surface of the stainless steel pipe 700 are not made of smooth surfaces, breakage occurs from the welded portion in the process of expanding the stainless steel pipe 700, and connection with the other pipe 10 becomes impossible. Therefore, making the outer circumferential surface and the inner circumferential surface of the stainless steel pipe 700 smooth through the cutting or drawing process is a prerequisite for connecting the stainless steel pipe 700 to the other pipe 10.
  • Limit pressure refers to the pressure at which a pipe is brought to complete plasticity and destroyed.
  • limit bending moment refers to the moment at which the pipe is completely plastically broken by the bending load.
  • the stainless steel of the present invention has lower strength and lower hardness than conventional stainless steel, but still has high strength and high strength compared to copper. Therefore, it is obvious that stainless steel pipe can have a limiting pressure and limit bending moment similar to that of copper pipe with a thickness thinner than that of copper pipe. Therefore, if the maximum thickness of the stainless steel pipe is set to the thickness of the commercial copper pipe, the stainless steel pipe may have sufficient limit pressure and limit bending moment, and the maximum thickness of the stainless steel pipe does not need to be considered separately.
  • This section describes the minimum thickness of stainless steel tubing to have a threshold pressure and limit bending moment similar to those of copper tubing.
  • the minimum thickness of the stainless steel pipe was calculated according to the VON Mises failure criterion, which is most widely used in the analysis of metal materials, which are ductile materials, and until recently, the most widely used criteria for predicting the destruction of objects. Eventually, the thickness of the stainless steel pipe will have the minimum value calculated here, and the thickness of the commercial copper pipe will be the maximum value.
  • 17 is a conceptual diagram showing a stainless steel pipe in a cylindrical coordinate system.
  • the limit pressure (P 0 ) is calculated from the yield strength ( ⁇ 0 ) based on the cylindrical coordinate system.
  • ⁇ 1 represents the hoop stress acting in the circumferential direction
  • ⁇ 2 represents the axial stress acting in the axial direction
  • ⁇ 3 represents the radial stress acting in the radial direction.
  • 18 is a conceptual diagram showing a cross section of a stainless steel pipe in a two-dimensional coordinate system.
  • the limit bending moment (M 0 ) is calculated based on the two-dimensional coordinate system as follows.
  • F L refers to an external force that causes complete plastic deformation of the stainless steel pipe
  • F 1 refers to an external force applied to one side of the neutral axis of the stainless steel pipe
  • a 1 refers to an area of one side of the stainless steel pipe based on the neutral axis.
  • P refers to the yield strength ( ⁇ 0 ) calculated previously. Denotes a distance from the (center of the center of figure, the plane shapes) stain risang neutral axis A 1 of the CBD in the pipe, r indicates a mean radius (average radius of the outer and inside radius).
  • the sizes of the stainless steel pipes are as follows.
  • Table 3 shows the sizes of stainless steel straight pipes, and Table 4 shows the sizes of copper straight pipes for comparison.
  • Table 5 shows the sizes of the stainless steel bent tube, Table 6 shows the size of the copper bent tube for comparison.
  • the outer diameter of the copper straight pipe is 19.05 mm, and the thickness of the pipe is 1.0 mm.
  • Stainless steel straight pipe having the same outer diameter as the copper straight pipe may have a limit pressure similar to that of the copper straight pipe when its thickness is 0.5 mm or more.
  • the outer diameter of the commercial copper straight pipe is 19.05 mm or more
  • the outer diameter of the stainless steel straight pipe may also be designed to be 19.05 mm or more.
  • the thickness of the stainless steel pipe can be designed to be 0.5 ⁇ 1.0mm to have a threshold pressure similar to the copper straight pipe.
  • the maximum thickness of stainless steel straight pipe is designed with the thickness of copper straight pipe.
  • Stainless steel bent tubes having the same outer diameter as copper bent tubes having an outer diameter of 15.88 to 19.05 mm may have a threshold pressure and limit bending moment similar to those of copper bent tubes if their thickness is 0.6 mm or more. Therefore, the thickness of the stainless steel bent tube having an outer diameter of 15.88 ⁇ 19.05mm can be designed as 0.6 ⁇ 1.0mm.
  • Stainless steel bent tubes having the same outer diameter as copper bent tubes having an outer diameter of 12.7-15.88 mm may have a threshold pressure and limit bending moment similar to those of copper bent tubes if their thickness is 0.6 mm or more. Therefore, the thickness of the stainless steel bent tube having an outer diameter of 12.7 ⁇ 15.88mm can be designed as 0.6 ⁇ 0.8mm.
  • Stainless steel bent tubes having the same outer diameter as copper bent tubes having an outer diameter of 9.52 to 12.7 mm may have a threshold pressure and limit bending moment similar to those of copper bent tubes if their thickness is 0.5 mm or more. Therefore, the thickness of the stainless steel bent tube having an outer diameter of 9.52 to 12.7 mm may be designed to 0.5 to 0.8 mm.
  • Stainless steel bent tubes with the same outer diameter as copper bent tubes having an outer diameter of 6.35 to 9.92 mm may have a threshold pressure and limit bending moment similar to those of copper bent tubes if their thickness is 0.4 mm or more. Therefore, the thickness of the stainless steel bent tube having an outer diameter of 6.35 ⁇ 9.92 mm can be designed to 0.4 ⁇ 0.7 mm.
  • the maximum thickness of the stainless steel bent tube is designed with the thickness of the copper bent tube.
  • the above-described stainless steel and the pipe made of the stainless steel are not limited to the configuration and method of the above-described embodiments, and the above embodiments may be selectively combined with all or some of the embodiments so that various modifications may be made. It may be configured.
  • the present invention can be used in a pipe made of stainless steel, and equipment such as an air conditioner including the pipe.

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Abstract

본 발명에서는 종래의 스테인리스강보다 저강도 및 저경도의 물성을 갖는 새로운 구성의 스테인리스강을 제공한다. 본 발명의 스테인리스강은, 중량%로 C : 0.03% 이하, Si : 0 초과 1.7% 이하, Mn : 1.5 ~ 3.5%, Cr : 15.0 ~ 18.0%, Ni : 7.0 ~ 9.0%, Cu : 1.0 ~ 4.0%, Mo : 0.03% 이하, P : 0.04% 이하, S : 0.04% 이하, N : 0.03% 이하, 잔부 : Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 오스테나이트(austenite) 기지조직과 30~60㎛의 평균 입도 크기(average diameter)를 갖는다. 본 발명의 스테인리스강은 공기 조화기 등의 시스템에 배관을 구성하는 소재로 활용될 수 있으며, 특히 높은 가공성을 통해 굽은관 제조에 활용될 수 있다.

Description

스테인리스강 및 상기 스테인리스강으로 이루어지는 배관
본 발명은 연성의 스테인리스강과 상기 스테인리스강으로 이루어지는 배관에 관한 것이다.
공기 조화기는 냉동 사이클을 이용하여 실내를 냉방 또는 난방하는 장치를 가리킨다. 냉동 사이클은 압축기, 응축기, 팽창장치 및 증발기를 포함하며, 상기 압축기, 응축기, 팽창장치 및 증발기는 배관에 의해 순차적으로 연결된다. 냉매는 배관을 통해 상기 압축기, 응축기, 팽창장치 및 증발기를 순환한다.
냉동 사이클 중 응축기와 증발기에는 유로가 형성된다. 냉매는 응축기와 증발기에 형성된 유로를 통과하면서 주변과 열교환되어 응축 또는 증발되며, 응축기와 증발기는 열교환기로 작동한다. 상기 유로는 냉매의 유동을 위한 것으로 그 내부에 냉매가 흐르기 때문에, 넓은 의미에서 배관에 포함되는 개념이다.
이렇게 배관은 냉동 사이클의 각 구성요소들을 서로 연결할 뿐만 아니라 압축기와 응축기의 유로로 이용된다. 종래의 배관은 주로 구리(Cu, copper, 동) 소재로 이루어졌다. 그런데 구리로 이루어진 배관에는 몇 가지 문제점이 있다.
먼저, 구리는 부식의 발생으로 인해 신뢰성에 한계를 가진다. 칠러 전열관의 경우에는 내부의 스케일(scale) 등을 제거하기 위해 세관 또는 교체가 이루어진다.
다음으로, 구리는 R32와 같은 고압의 신냉매의 유로로 사용되기에는 고 내압 특성을 충분히 갖지 못한다. 만일 구리로 이루어진 배관을 고압의 신냉매의 유로로 사용하게 되면, 시간의 흐름에 따라 고압을 견디지 못하고 파손될 우려가 있다.
이러한 구리 배관의 단점을 보완하기 위한 특허공개공보 특2003-0074232에서는 스테인리스 강관이 제시된 바 있다. 스테인리스 강관은 스테인리스강 소재로 이루어지며, 일반적으로 스테인리스강 소재는 구리 소재에 비해 강한 내식성을 갖는다. 따라서 스테인리스 강관은 부식의 발생이라는 구리 배관의 문제를 해결할 수 있다. 또한 스테인리스강 소재는 충분한 고 내압특성을 가지므로, 고압에도 파손될 염려가 적다.
그러나 특허공개공보 특2003-0074232에 개시된 스테인리스 강관을 포함한 종래의 스테인리스강 소재는 구리 소재에 비해 지나치게 고강도와 고경도의 물성을 갖기 때문에 구리 배관에는 없었던 가공성의 문제가 발생한다.
공기 조화기에 사용되는 배관은 공간적 제약으로 인해 직선형으로만 형성되는 것이 아니라 곡선형으로 형성되기도 하며, 배관의 어느 일부는 직선형으로 형성되고 다른 일부는 곡선형으로 형성되기도 한다. 직선형 배관이란 직선을 따라 일 방향으로 연장되는 형태의 배관을 의미하고, 곡선형 배관이란 곡선을 따라 휘어진 형태의 배관을 의미한다.
그런데 종래의 스테인리스강 소재는 구리 소재에 비해 지나치게 고강도와 고경도의 물성을 갖기 때문에 스테인리스강 소재로 곡선형 배관을 제작하는 것에는 많은 어려움이 따른다. 이를테면 스테인리스강 소재로 이루어진 직선형 배관에 기계적으로 힘을 가해 곡선형 배관으로 가공하더라도, 완전히 소성 변형되는 것이 아니라 부분적으로 탄성 변형을 일으켜 충분한 가공이 이루어지지 않는 문제가 있었다.
특히 스테인리스강 소재는 본질적으로 고강도와 고경도의 물성을 갖는 것으로 알려져 있다. 따라서 스테인리스강 소재의 가공성은 스테인리스강 소재를 이용하는 한 개선되기 어려운 것으로 인식되고 있다.
나아가 공기 조화기 제품 전체의 재료비 중 10% 이상을 배관이 차지하기 때문에 배관에 대한 성능 개선과 비용 절감 요구가 계속해서 상승하고 있다.
본 발명의 일 목적은 구리 소재가 갖는 내식성의 문제와 내압특성의 문제를 개선하고, 종래의 스테인리스강 소재가 갖는 고강도와 고경도의 문제를 해결할 수 있는 새로운 구성의 스테인리스강 소재를 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 종래의 스테인리스강 소재에 비해 연성(延性, ductility)을 갖는 새로운 스테인리스강 소재를 통해 충분한 가공성을 확보할 수 있는 배관을 제시하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 스테인리스강 소재로 이루어지는 배관 및 상기 배관을 구비하는 시스템을 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 스테인리스강 소재를 이용하여 배관을 제조하는 과정을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 파단되지 않고 타 배관과 결합될 수 있는 스테인리스강 배관을 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 구리와 유사한 수준의 한계압력과 한계 굽힘 모멘트를 산출하여 스테인리스강 배관의 최소 두께를 제안하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 스테인리스강은 조성, 기지조직 및 평균 입도 크기로 정의된다.
스테인리스강의 조성은 중량%로 C : 0.03% 이하, Si : 0 초과 1.7% 이하, Mn : 1.5 ~ 3.5%, Cr : 15.0 ~ 18.0%, Ni : 7.0 ~ 9.0%, Cu : 1.0 ~ 4.0%, Mo : 0.03% 이하, P : 0.04% 이하, S : 0.04% 이하, N : 0.03% 이하, 잔부 : Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
스테인리스강의 기지조직은 오스테나이트로 이루어진다. 스테인리스강의 기지조직은 오스테나이트만으로 이루어지는 것이 가장 바람직하다. 스테인리스강의 기지조직은 오스테나이트와 델타 페라이트로 이루어질 수 있으며, 이 경우에도 오스테나이트가 입도 면적을 기준으로 기지조직의 대부분을 차지하여야 한다. 스테인리스강은 입도 면적을 기준으로 99% 이상의 오스테나이트 기지조직을 가질 수 있으며, 1% 이하의 델타 페라이트 기지조직을 가질 수 있다.
스테인리스강은 30~60㎛의 평균 입도 크기(average diameter)를 갖는다. 이 입도번호는 ASTM(American Society for Testing and Materials) 입도번호(Grain size No.) 5.0~7.0에 해당한다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 스테인리스강으로 이루어진 배관을 개시한다. 배관은 직관 및 굽은관을 모두 포함한다. 스테인리스강으로 이루어진 배관은 공기 조화기 등의 시스템에 이용될 수 있다.
스테인리스강으로 이루어진 배관은 앞서 설명한 스테인리스강으로 이루어지며, 스테인리스강은 앞서와 마찬가지로 조성, 기지조직 및 평균 입도 크기로 정의된다.
배관을 구성하는 스테인리스강의 조성은 중량%로 C : 0.03% 이하, Si : 0 초과 1.7% 이하, Mn : 1.5 ~ 3.5%, Cr : 15.0 ~ 18.0%, Ni : 7.0 ~ 9.0%, Cu : 1.0 ~ 4.0%, Mo : 0.03% 이하, P : 0.04% 이하, S : 0.04% 이하, N : 0.03% 이하, 잔부 : Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
배관을 구성하는 스테인리스강의 기지조직은 오스테나이트로 이루어진다. 스테인리스강의 기지조직은 오스테나이트만으로 이루어지는 것이 가장 바람직하다. 스테인리스강의 기지조직은 오스테나이트와 델타 페라이트로 이루어질 수 있으며, 이 경우에도 오스테나이트가 입도 면적을 기준으로 기지조직의 대부분을 차지하여야 한다. 스테인리스강은 입도 면적을 기준으로 99% 이상의 오스테나이트 기지조직을 가질 수 있으며, 1% 이하의 델타 페라이트 기지조직을 가질 수 있다.
배관을 구성하는 스테인리스강은 30~60㎛의 평균 입도 크기(average diameter)를 갖는다. 이 입도번호는 ASTM(American Society for Testing and Materials) 입도번호(Grain size No.) 5.0~7.0에 해당한다.
스테인리스강 배관은 성형, 용접, 절삭 및 인발에 의해 제조될 수 있다. 스테인리스강 굽은관은 성형, 용접, 절삭 및 인발에 의해 제조된 스테인리스 직관에 굽힘 응력을 가해 제조될 수 있다. 이렇게 형성된 스테인리스강 배관은 용접부, 열영향부 및 외주면과 내주면을 포함한다.
용접부는 스테인리스강 배관의 길이 방향을 따라 형성되고, 열영향부는 배관의 길이 방향을 따라 용접부의 양측에 각각 형성되며, 외주면과 내주면은 평활면으로 형성된다.
스테인리스강 배관은 내주면과 외주면 중 적어도 하나에 형성되는 그루브를 구비할 수 있다. 그루브는 스테인리스강 배관에 가해지는 굽힘 응력에 대하여 저항력을 형성하고, 내부를 흐르는 냉매에 난류를 발생시킨다. 배관 플레어(flare) 형상 면과 소켓(socket)면과의 접합면 단차에 의해 냉매가스 누설을 야기시킨다.
스테인리스강 직관의 외직경은 19.05㎜ 이상이고, 두께는 0.5~1.0㎜이다.
스테인리스강 굽은관의 외직경은 15.88~19.05㎜이고, 두께는 0.6~1.0㎜이다.
스테인리스강 굽은관의 외직경은 12.7~15.88㎜이고, 두께는 0.6~0.8㎜이다.
스테인리스강 굽은관의 외직경은 9.52~12.7㎜이고, 두께는 0.5~0.8㎜이다.
스테인리스강 굽은관의 외직경은 6.35~9.52㎜이고, 두께는 0.4~0.7㎜이다.
본 발명의 스테인리스강은 구리(Cu)를 포함하는 조성, 오스테나이트로 이루어지는 기지조직, 30~60㎛의 평균 입도 크기를 통해 종래의 스테인리스강보다 저강도 및 저경도의 물성을 가질 수 있다. 종래의 스테인리스강에서는 구리보다 지나치게 높은 고강도 및 고경도로 인해 가공성의 문제가 제기되었고, 스테인리스강으로 굽은관을 제조하기 만드는 원인이 되었다.
그러나 본 발명의 스테인리스강은 구리 수준의 강도 및 경도를 가지므로 충분한 가공성을 확보할 수 있고, 공기 조화기 등의 시스템에서 필요한 배관(직관 또는 굽은관)의 제조에 활용될 수 있다. 특히 본 발명의 스테인리스강으로 굽은관을 제조할 경우 소성 변형이 충분히 이루어지지 않던 종래의 문제를 해결할 수 있다.
또한 본 발명의 스테인리스강으로 배관을 제조할 경우 열손실 저감 효과와 내식 성능을 확보할 수 있다. 열손실 저감과 내식 성능은 스테인리스강 소재의 본질적인 특성으로, 본 발명의 스테인리스강은 종래의 스테인리스강보다 저강도 및 저경도의 물성을 갖더라도 스테인리스강 본래의 특성을 잃지 않는다.
또한 본 발명은 스테인리스강을 이용하여 배관을 제조하는 방법을 제공하였다. 특히 본 발명은 절삭과 인발 공정을 통해 스테인리스강 배관의 외주면과 내주면을 각각 평활면으로 만들 수 있다. 외주면과 내주면이 평활면으로 형성되는 스테인리스강 배관은 타 배관과의 결합을 위해 확대 가공되더라도 파단이 발생하지 않는다.
본 발명의 스테인리스강 소재로 이루어진 배관은 구리 배관보다 얇게 형성되더라도 구리 배관과 유사한 수준의 한계압력과 한계 굽힘 모멘트를 가질 수 있다. 따라서 본 발명에서 제안하는 스테인리스강 배관의 최소 두께를 통해 최적의 스테인리스강 배관을 설계할 수 있다.
도 1은 스테인리스강과 구리의 물성을 비교한 응력-변형률 그래프다.
도 2a는 본 발명의 실시예1에 따른 스테인리스강을 보인 미세 조직 사진이다.
도 2b는 본 발명의 실시예2에 따른 스테인리스강을 보인 미세 조직 사진이다.
도 3 내지 도 6은 각각 비교예2 내지 5에 따른 스테인리스강들을 보인 미세 조직 사진이다.
도 7은 실시예3의 스테인리스강에 대해 물성을 평가한 응력-변형 그래프다.
도 8은 공기 조화기의 요부 구성도다.
도 9는 도 8의 공기 조화기에 적용될 수 있는 배관의 일 예를 보인 개념도다.
도 10은 도 8의 공기 조화기에 적용될 수 있는 배관의 다른 일 예를 보인 개념도다.
도 11은 도 8의 공기 조화기에 적용될 수 있는 배관의 또 다른 일 예를 보인 개념도다.
도 12는 도 8의 공기 조화기에 적용될 수 있는 배관의 또 다른 일 예를 보인 개념도다.
도 13는 도 8의 공기 조화기에 적용될 수 있는 핀-튜브 열교환기(500)를 보인 개념도다.
도 14은 스테인리스강으로 배관을 제조하는 방법을 보인 흐름도다.
도 15a 내지 도 15d는 도 14의 방법에 따라 스테인리스강으로 배관을 제조하는 과정을 보인 단면도들이다.
도 16는 스테인리스강으로 이루어진 배관과 타 배관의 연결을 설명하기 위한 개념도다.
도 17은 스테인리스강 배관을 원통좌표계에 나타낸 개념도다.
도 18은 스테인리스강 배관의 단면을 2차원 좌표계에 나타낸 개념도다.
이하, 본 발명에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일, 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명의 스테인리스강은 종래의 스테인리스강보다 저강도와 저경도의 특성을 보인다. 본 발명의 스테인리스강은 구리 소재 수준의 강도와 경도를 갖는다. 스테인리스강의 저강도 및 저경도 특성은 본 발명의 스테인리스강 소재에 대한 항복강도, 인장강도, 경도 및 연신율을 측정하고, 이를 구리 소재 등과 비교하여 확인할 수 있다. 스테인리스강이 구리 소재 수준의 강도와 경도의 특성을 가지면, 종래의 스테인리스강에서 문제가 되었던 가공성의 문제가 해결될 수 있다.
스테인리스강의 저강도와 저경도 특성은 스테인리스강의 조성, 기지조직 및 평균 입도 크기에 의해 결정된다. 이하에서는 스테인리스강의 저강도와 저경도 특성을 결정하는 각 항목들에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별히 표시하지 않는 한 각 함량은 중량비(weight percent, wt.%)다.
1. 스테인리스강의 조성(composition)
(1) 탄소 (C, carbon) : 0.03% 이하
본 발명의 스테인리스강은 탄소(C)와 크롬(Cr, chromium)을 포함한다. 탄소는 크롬과 반응하여 크롬탄화물(chromium carbide)로 석출되는데, 입계 또는 그 주변에 크롬이 고갈되어 부식의 원인이 된다. 따라서 탄소의 함량은 적게 유지되는 것이 바람직하다. 탄소의 함량이 0.03%를 초과하면 스테인리스강이 구리 소재 수준의 강도와 경도를 갖기 어렵고, 저강도와 저경도의 특성을 활용하여 충분한 가공성을 확보하기 어려워진다. 따라서 본 발명에서는 스테인리스강이 구리 소재 수준의 저강도와 저경도를 갖고 이를 통해 충분한 가공성 확보하도록 탄소의 함량을 0.03% 이하로 설정한다.
(2) 규소 (Si, silicon) : 0 초과 1.7% 이하
오스테나이트는 페라이트나 마르텐사이트에 비해 낮은 항복강도를 갖는다. 따라서 본 발명의 스테인리스강이 구리 소재 수준의 저강도와 저경도 물성을 갖기 위해서는 스테인리스강의 기지조직이 오스테나이트로 이루어져야 한다.
그러나 규소는 페라이트를 형성하는 원소다. 규소의 함량이 증가할수록 기지조직에서 페라이트의 비율이 증가하게 되고, 또한 페라이트의 안정성이 높아지게 된다. 따라서 규소의 함량은 적게 유지되는 것이 바람직하다. 규소의 함량이 1.7%를 초과하면 스테인리스강이 구리 소재 수준의 강도와 경도를 갖기 어렵고, 충분한 가공성을 확보하기 어려워진다. 따라서 본 발명에서는 스테인리스강이 구리 소재 수준의 저강도와 저경도를 갖고 이를 통해 충분한 가공성 확보하도록 규소의 함량을 1.7% 이하로 설정한다.
(3) 망간 (Mn, Manganess) : 1.5 ~ 3.5%
망간은 스테인리스강의 기지조직이 마르텐사이트로 상변태되는 것을 억제하기 위해 필요한 원소다. 만일 망간의 함량이 1.5% 미만이면 망간에 의한 상변태 억제 효과가 충분히 나타나지 않는다. 그러므로 본 발명에서는 망간에 의한 상변태 억제 효과를 충분히 얻기 위해 망간의 하한을 1.5%로 설정한다.
그러나 망간의 함량이 증가할수록 스테인리스강의 항복강도가 상승하게 되어, 스테인리스강이 구리 수준의 저강도 특성을 가질 수 없게 된다. 그러므로 본 발명에서는 망간의 상한을 3.5%로 설정하여 스테인리스강이 저강도 특성을 가질 수 있도록 한다.
(4) 크롬 (Cr, Chromium) : 15.0 ~ 18.0%
크롬은 스테인리스강의 부식개시저항성(Corrosion Initiation Resistance)을 향상시키는 원소다. 부식개시란 부식되지 않은 모재(母材, base material)에 부식이 존재하지 않은 상태에서 최초로 부식이 발생하는 것을 의미하고, 부식개시저항성이란 모재에 최초로 부식이 발생하는 것을 억제하는 성질을 의미한다. 크롬의 함량이 15.0%보다 낮으면 스테인리스강이 충분한 부식개시저항성을 갖지 못하므로, 본 발명에서는 크롬의 하한을 15.0%로 설정하여 스테인리스강이 충분한 부식개시저항성을 가질 수 있도록 한다.
그러나 크롬이 너무 많아지게 되면 스테인리스강의 강도가 증가하고, 반대로 연신율은 저하된다. 크롬의 함량이 18.0%를 넘어서면 스테인리스강의 강도 증가폭과 연신율 저하폭이 커져 스테인리스강의 충분한 가공성을 확보하기 어려워진다. 따라서 본 발명에서는 크롬의 상한을 18.0%로 설정하여 스테인리스강이 충분한 가공성을 확보할 수 있도록 한다.
나아가 크롬은 고가의 원소이므로, 크롬의 함량은 스테인리스강의 경제성에도 영향을 미친다. 따라서 크롬의 함량을 상기 범위로 설정하여 스테인리스강의 경제성을 확보하도록 한다.
(5) 니켈 (Ni, Nickel) : 7.0 ~ 9.0%
니켈은 스테인리스강의 부식성장저항성(Corrosion Growth Resistance)을 향상시키는 원소다. 부식성장이란 이미 모재에 발생된 부식이 넓은 범위로 퍼지면서 성장하는 것을 의미하고, 부식성장저항성이란 부식의 성장을 억제하는 성질을 의미한다. 부식성장저항성은 부식개시저항성과 개념적으로 차이가 있다. 니켈의 함량이 7.0%보다 낮으면 스테인리스강이 충분한 부식성장저항성을 갖지 못하므로, 본 발명에서는 니켈의 하한을 7.0%로 설정하여 스테인리스강이 충분한 부식성장저항성을 가질 수 있도록 한다.
그러나 니켈이 너무 많아지게 되면 스테인리스강의 강도와 경도가 증가하게 된다. 니켈의 함량이 9.0%를 넘어서면 스테인리스강의 강도와 경도 증가폭이 커져 스테인리스강의 충분한 가공성을 확보하기 어려워진다. 따라서 본 발명에서는 니켈의 상한을 9.0%로 설정하여 스테인리스강이 충분한 가공성을 확보할 수 있도록 한다.
나아가 니켈은 고가의 원소이므로, 니켈의 함량은 스테인리스강의 경제성에도 영향을 미친다. 따라서 니켈의 함량을 상기 범위로 설정하여 스테인리스강의 경제성을 확보하도록 한다.
(6) 구리 (Cu, Copper) : 1.0 ~ 4.0%
구리는 스테인리스강의 기지조직이 마르텐사이트로 상변태되는 것을 억제하기 위해 필요한 원소다. 구리의 함량이 1.0% 미만이면 구리에 의한 상변태 억제 효과가 충분히 나타나지 않는다. 그러므로 본 발명에서는 구리에 의한 상변태 억제 효과를 충분히 얻기 위해 구리의 하한을 1.0%로 설정한다. 특히 본 발명의 스테인리스강이 구리 수준의 저강도와 저경도 물성을 갖도록 하기 위해서는 구리의 함량이 반드시 1.0% 이상으로 엄격하게 관리되어야 한다. 본 발명의 스테인리스강은 1.0% 이상의 구리를 포함함에 따라 Cu계 스테인리스강으로 분류될 수 있다.
구리의 함량이 증가할수록 구리의 상변태 효과가 증가하기는 하나, 그 증가폭은 점차 작아진다. 그리고 구리의 함량이 4.0%를 넘어서게 되면 상변태 억제 효과가 포화된다. 구리는 고가의 원소이므로, 구리의 함량은 스테인리스강의 경제성에도 영향을 미친다. 따라서 구리의 상변태 억제 효과가 포화된 범위 내에서 스테인리스강의 경제성 확보를 위해 구리의 상한을 4.0%로 설정한다.
(7) 몰리브덴 (Mo, Molybdenum) : 0.03% 이하
(8) 인 (P, Phosphorus) : 0.04% 이하
(9) 황 (S, Sulfer) : 0.04% 이하
(10) 질소 (N, Nitrogen) : 0.03% 이하
몰리브덴, 인, 황 및 질소는 강철 반제품에 본래부터 포함되어 있는 원소들로 스테인리스강을 경화시키므로, 가능한 낮은 함량으로 유지하는 것이 바람직하다. 몰리브덴은 스테인리스강의 내식성을 향상시킬 수 있으나, 내식성 향상이라는 장점보다 스테인리스강을 경화시키는 단점이 더 크기 때문에 0.03%이하로 관리되어야 한다. 인, 황 및 질소도 스테인리스강의 경화 방지를 위해 각각 0.04%, 0.04% 및 0.03% 이하로 설정된다.
2. 스테인리스강의 기지조직(matrix structure)
스테인리스강의 기지조직은 조성 및/또는 열처리 조건에 따라 결정될 수 있다. 통상적으로 스테인리스강의 기지조직은 오스테나이트(Austenite), 페라이트(Ferrite) 및 마르텐사이트(Martensite)로 구분된다. 각각의 기지조직에 따라 스테인리스강의 물성이 달라지게 된다.
본 발명의 스테인리스강은 오스테나이트 기지조직을 갖는다. 오스테나이트는 페라이트나 마르텐사이트에 비해 저항복강도 및 저경도 특성을 나타내는 기지조직에 해당한다. 나아가 후술하는 평균 입도 크기는 스테인리스강의 결정 크기를 성장시켜 만족하게 되는 한정 사항이다. 상기 세 가지 기지조직을 동일한 조건으로 처리하여 결정 크기를 성장시켰을 때 오스테나이트가 가장 큰 저강도 및 저경도 효과를 얻을 수 있게 된다.
스테인리스강의 기지조직은 오스테나이트만으로 이루어지는 것이 가장 바람직하다. 그러나 스테인리스강의 기지조직을 오스테나이트만으로 제어하는 것은 매우 어렵기 때문에, 스테인리스강은 오스테나이트 뿐만 아니라 다른 기지조직을 포함할 수 있다. 이 경우에도 저강도 및 저경도 특성을 위해서는 스테인리스강이 입도 면적을 기준으로 90% 이상 바람직하게는 99% 이상의 오스테나이트 기지조직을 가져야 한다. 예를 들어 스테인리스강이 오스테나이트 기지조직과 델타 페라이트 기지조직을 갖는 경우, 스테인리스강은 입도 면적을 기준으로 99% 이상의 오스테나이트 기지조직을 갖고 1% 이하의 델타 페라이트 기지조직을 가져야 한다.
기지조직에 따라 스테인리스강의 물성이 달라진다. 기지조직에 따른 스테인리스강의 물성을 평가하기 위해 실시예1과 실시예2를 설정하여 서로 비교한다.
도 2a는 본 발명의 실시예1에 따른 스테인리스강을 보인 미세 조직 사진이다. 도 2b는 본 발명의 실시예2에 따른 스테인리스강을 보인 미세 조직 사진이다.
실시예1과 실시예2의 스테인리스강들은 앞서 [1. 스테인리스강의 조성] 항목에서 설명한 조성을 동일하게 갖는다. 또한 실시예1과 실시예2의 스테인리스강들은 [3. 스테인리스강의 평균 입도 크기]에서 설명할 입도번호 5.0~7.0에 해당하는 평균 입도 크기를 갖는다. 다만 실시예1의 스테인리스강은 입도 면적을 기준으로 99% 이상의 오스테나이트 기지조직과 1% 이하의 페라이트 기지조직만을 갖는 반면, 실시예2의 스테인리스강은 오스테나이트 기지조직만을 갖는다.
실시예1과 실시예2의 스테인리스강들을 서로 비교한 결과는 아래의 표 1을 참고한다.
종류 기계적 물성
항복강도[㎫] 인장강도[㎫] 경도[Hv] 연신율[%]
실시예1 스테인리스강(오스테나이트+델타 페라이트) 180 500 120 52
실시예2 스테인리스강(오스테나이트) 160 480 110 60
표 1로부터 실시예2의 스테인리스강이 실시예1의 스테인리스강보다 저강도 및 저경도의 물성을 갖는 것을 알 수 있다. 또한 실3시예2의 스테인리스강이 실시예1의 스테인리스강보다 높은 연신율을 갖는다. 이로부터 스테인리스강의 저강도 및 저경도 물성을 구현하기 위해서는, 스테인리스강이 오스테나이트 기지조직만으로 이루어지는 것이 바람직하다. 델타 페라이트 기지조직의 비율이 증가할수록 스테인리스강의 강도와 경도는 증가하므로, 스테인리스강이 델타 페라이트 기지조직을 갖더라도 그 비율은 입도 면적을 기준으로 1% 이하이어야 한다.
스테인리스강이 1% 이하의 델타 페라이트 기지조직을 갖는 경우에도 델타 페라이트가 결정립 전체에 균일하게 분포되는 것보다 국부적으로 특정 결정립에 모여(밀집되어) 분포되는 것이 저강도 및 저경도 구현에 유리하다.
3. 스테인리스강의 평균 입도 크기(average diameter)
스테인리스강의 평균 입도 크기는 조성 및/또는 열처리 조건에 따라 결정될 수 있다. 스테인리스강의 평균 입도 크기는 스테인리스강의 강도와 경도에 영향을 미친다. 이를테면 평균 입도 크기가 작을수록 스테인리스강의 강도와 경도는 커지고, 평균 입도 크기가 클수록 스테인리스강의 강도와 경도는 작아진다.
본 발명에서는 스테인리스강의 저강도 및 저경도 특성을 확보하기 위해 스테인리스강의 평균 입도 크기를 30~60㎛로 제한한다. 일반적인 오스테나이트 조직의 평균 입도 크기는 30㎛보다 작다. 따라서 제조공정 및 열처리를 통해 평균 입도 크기를 30㎛ 이상으로 성장시켜야 한다. 미국재료시험협회(American Society for Testing and Materials, ASTM) 기준에 따르면, 30~60㎛의 평균 입도 크기는 5.0~7.0의 입도번호(Grain size No.)에 해당한다. 이에 반해 30㎛보다 작은 평균 입도 크기는 ASTM 입도번호 7.5 이상에 해당한다.
만일 스테인리스강의 평균 입도 크기가 30㎛보다 작거나 스테인리스강의 입도번호가 7.0보다 크면, 본 발명에서 요구하는 저강도 및 저경도의 특성을 갖지 못한다. 특히 스테인리스강의 평균 입도 크기(또는 입도번호)는 스테인리스강의 저강도 및 저경도 특성을 결정하는 핵심 인자에 해당한다.
스테인리스강의 평균 입도 크기에 따라 스테인리스강의 물성이 달라진다. 평균 입도 크기에 따른 스테인리스강의 물성을 평가하기 위해 비교예와 실시예를 각각 설정하여 서로 비교한다.
비교예1은 구리이고, 비교예2 내지 5는 입도 번호 7.5 이상의 스테인리스강들이며, 본 발명의 실시예3은 입도 번호 6.5의 스테인리스강이다.
도 3은 비교예2에 따른 스테인리스강을 보인 미세 조직 사진이다. 비교예2의 스테인리스강은 입도 면적을 기준으로 99% 이상의 오스테나이트 기지조직과 1% 이하의 델타 페라이트 기지조직을 갖고, ASTM 입도번호 9에 해당하는 평균 입도 크기(약 15 내지 17㎛)를 갖는다.
도 4는 비교예3에 따른 스테인리스강을 보인 미세 조직 사진이다. 비교예3의 스테인리스강은 입도 면적을 기준으로 99% 이상의 오스테나이트 기지조직과 1% 이하의 델타 페라이트 기지조직을 갖고, ASTM 입도번호 7.5에 해당하는 평균 입도 크기(약 24 내지 27㎛)를 갖는다.
도 5는 비교예4에 따른 스테인리스강을 보인 미세 조직 사진이다. 비교예4의 스테인리스강은 오스테나이트 기지조직만을 가지며, ASTM 입도번호 9에 해당하는 평균 입도 크기를 갖는다.
도 6은 비교예5에 따른 스테인리스강을 보인 미세 조직 사진이다. 비교예5의 스테인리스강은 오스테나이트 기지조직만을 가지며, ASTM 입도번호 7.5에 해당하는 평균 입도 크기를 갖는다.
실시예3의 ASTM 입도번호 6.5에 해당하는 평균 입도 크기(약 39 내지 40㎛)를 갖는다. 실시예 3에 따른 스테인리스강의 미세 조직 사진은 도 2a 또는 도 2b에서 보인 실시예1 또는 실시예2의 미세 조직 사진과 실질적으로 동일 내지 유사할 것임을 예상할 수 있다(예를 들어 실시예1 또는 실시예2의 ATSM 입도번호가 6.5인 경우).
도 7은 실시예3의 스테인리스강에 대해 물성을 평가한 응력-변형 그래프다. 그래프의 가로축은 스테인리스강의 변위(displacement)(㎜)를 의미하고, 그래프의 세로축은 스테인리스강에 인가된 응력(stress)(N/㎜2)을 의미한다.
그래프로부터 알 수 있듯이 스테인리스강의 항복강도(yield strength)는 약 156.2㎫로 측정되었고, 스테인리스강의 인장강도(tensile strength)는 약 470㎫로 측정되었다.
본 발명의 스테인리스강에 대한 물성을 평가한 결과, 조성, 기지조직 및 평균 입도를 실시예3으로부터 조금씩 변경하더라도 약 160㎫의 이하의 항복강도, 약 480㎫ 이하의 인장강도, 약 120Hv 이하의 경도(hardness) 및 60% 이상의 연신율(enlongation)을 갖는 것으로 측정되었다. 또한 본 발명의 스테인리스강은 그 형태가 튜브(tube) 또는 시트(sheet)인 것과 무관하게 상기 범위 내의 물성을 갖는 것으로 측정되었다.
본 발명의 스테인리스강을 다른 비교예와 비교한 결과는 아래의 표 2를 참고한다.
종류 기계적 물성
항복강도[㎫] 인장강도[㎫] 경도[Hv] 연신율[%]
비교예1 구리(C1220T) 배관 100 270 100 45 이상
비교예 2 - 5 스테인리스강(입도번호 7.5 이상) 200 내외 500 내외 130 내외 50 이상
본 발명 스테인리스강(입도번호 5.0~7.0) 160 내외 480 내외 120 이하 60 이상
비교예1은 구리 배관으로 100㎫의 항복강도, 270㎫의 인장강도, 100Hv의 경도 및 45% 이상의 연신율을 갖는다. 구리는 저강도 및 저경도의 물성을 가지므로, 공기 조화기 등의 냉매 배관으로 상용화되어 있다. 그러나 앞서 설명한 것과 같이 구리는 부식으로 인한 신뢰성의 문제점 및 신냉매에 대한 배관으로의 부적절성 문제점을 갖고 있다.
그리고 비교예2 내지 5의 스테인리스강들은 본 발명의 스테인리스강과 유사한 조성 및 기지조직을 가지나 그 입도번호가 7.5 이상이다. 비교예2 내지 5의 스테인리스강들은 200㎫ 내외의 항복강도, 500㎫ 내외의 인장강도, 130Hv 내외의 경도 및 50% 이상의 연신율을 갖는다. 입도번호가 7.5보다 큰 비교예2 내지 5의 스테인리스강들은 구리에 비해 과도하게 큰 고강도 및 고경도의 물성을 갖고 있다. 따라서 비교예2 내지 5의 스테인리스강들은 부식으로 인한 구리의 문제점을 해결할 수는 있더라도, 냉매 배관으로 가공되기 부적절한 가공성의 문제점을 갖고 있다.
이에 반해 본 발명의 스테인리스강은 약 160㎫의 내외의 항복강도, 약 480㎫ 내외의 인장강도, 약 120Hv 이하의 경도(hardness) 및 60% 이상의 연신율(enlongation)을 갖는다. 따라서 본 발명의 스테인리스강은 비교예2 내지 5의 스테인리스강들에서 제기된 가공성의 문제뿐만 아니라 비교예1의 구리에서 제기된 부식의 문제를 모두 해결할 수 있다. 또한 본 발명의 스테인리스강은 충분한 고 내압 특성을 가지므로 R32와 같은 고압 신냉매의 배관으로도 사용되기 적절하다.
또한 구리의 열전도율은 388 W/mK이고, 스테인리스강의 열전도율은 16.2W/mK이다. 소재의 열전도율이 높을수록 냉매의 흐름 과정에서 열 손실이 커지므로, 소재의 열전도율이 높을수록 사이클의 효율은 저하된다. 스테인리스강의 열전도율은 구리의 4% 수준에 불과하므로, 스테인리스강으로 사이클의 배관을 구성하게 되면 열 손실을 줄여 사이클의 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 스테인리스강은 스테인리스 본래의 특성인 고내식성과 고 내압특성을 가지면서도, 구리 소재 수준의 저강도 및 저경도 물성을 갖는다. 따라서 가공성의 문제 해결을 통해 배관에 적용되기에 충분한 조건을 갖는다.
이하에서는 본 발명의 스테인리스강으로 이루어진 배관 및 상기 배관을 구비하는 시스템 등에 대하여 설명한다.
도 8은 공기 조화기(100)의 요부 구성도다.
공기 조화기(100)는 스테인리스강으로 이루어진 배관(131, 132, 133, 134)을 구비하는 시스템의 일 예다. 따라서 스테인리스강으로 이루어진 배관(131, 132, 133, 134)을 구비하는 시스템이 반드시 공기 조화기(100)에 한정되는 것은 아니며, 다른 종류의 시스템이라도 스테인리스강으로 이루어진 배관(131, 132, 133, 134)을 구비한다면 본 발명에서 설명하는 시스템에 해당한다.
공기 조화기(100)는 실외기(110)와 실내기(120)를 포함한다. 하나의 실외기(110)에는 하나 이상의 실내기(120)가 연결될 수 있으며, 이렇게 연결된 실외기(110)와 실내기(120)(들)은 하나의 시스템으로 작동할 수 있다. 또한, 공기 조화기(100)는 냉동 사이클을 일방향으로만 선택적으로 가동하여 냉방 전용 모드 또는 난방 전용 모드로만 운전될 수도 있고, 사방밸브(미도시)를 통해 냉동 사이클을 양방향으로 선택적으로 가동하여 냉방 또는 난방 모드를 운전시키는 동시형으로 운전될 수도 있다.
실외기(110)는 압축기(111), 실외 열교환기(112) 및 팽창기(113)를 포함하여 구성될 수 있다.
압축기(111)는 냉매를 고온, 고압의 기체로 압축시키도록 이루어진다.
실외 열교환기(112)는 냉방 운전 시 압축기(111)에서 고온, 고압으로 압축된 기체 냉매를 실외 공기와 열교환시켜 저온, 고압의 액체로 응축시키도록 이루어진다. 또한 상기 실외 열교환기(112) 일측에는 상기 실외 열교환기(112)에서 열교환이 원활히 이루어지도록 하는 실외팬(112a)이 설치된다. 실외팬(112a)은 실외의 공기를 흡입하여 실외 열교환기(112) 쪽으로 송풍하도록 형성된다.
팽창기(113)는 실외 열교환기(112)로부터 토출되는 냉매의 온도를 제어하여 냉방 운전 시 과열도 및 난방 운전 시 과냉각도를 조절하도록 이루어진다.
또한, 실내기(120)는 실내 열교환기(121)와 실내팬(121a)을 포함하여 구성될 수 있다. 실내 열교환기(121)는 냉방 운전 시 팽창기(113)를 통과한 저온 저압의 냉매를 증발시켜 저온, 저압의 가스로 변환시키도록 이루어진다. 실내팬(121a)은 실내 열교환기(121)에서 열교환이 원활히 이루어지도록 실내 공기를 순환시킨다.
압축기(111), 실외 열교환기(112), 팽창기(113) 및 실내 열교환기(121)는 배관(131, 132, 133, 134)에 의해 순차적으로 연결된다. 배관(131, 132, 133, 134)에 의해 순차적으로 연결된 압축기(111), 실외 열교환기(112), 팽창기(113) 및 실내 열교환기(121)는 냉동 사이클을 형성한다. 냉매는 배관(131, 132, 133, 134)을 따라 흐르므로, 배관(131, 132, 133, 134)은 냉매의 유로를 형성한다. 또한 실외 열교환기(112)와 실내 열교환기(121)에서는 냉매가 유로를 따라 흐르는 동안 열교환이 이루어지기 때문에 실외 열교환기(112)와 실내 열교환기(121)도 냉매의 유로를 형성한다. 앞서 설명한 본 발명의 스테인리스강은 상기 배관(131, 132, 133, 134)의 소재로 적용될 수 있으며, 실외 열교환기(112) 또는 실외 열교환기(112)의 유로로 적용될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 스테인리스강이 적용될 수 있는 배관과 열교환기에 대하여 설명한다.
도 9는 도 8의 공기 조화기(100)에 적용될 수 있는 배관(200)의 일 예를 보인 개념도다. 배관(200)은 스테인리스강으로 이루어지며, 도 9에 도시된 배관(200)의 내주면에는 그루브(groove)(201)가 형성된다. 그루브(201)는 복수로 형성되며, 배관(200)의 길이 방향을 따라 서로 이격되게 배치될 수 있다. 배관(200)의 내주면은 파단 발생을 방지하도록 비드가 제거되어야 한다. 비드와 관련된 파단의 발생에 대하여는 후술한다.
도 10은 도 8의 공기 조화기(100)에 적용될 수 있는 배관(300)의 다른 일 예를 보인 개념도다. 배관(300)은 스테인리스강으로 이루어지며, 도 10에 도시된 배관(300)의 내주면과 외주면에는 각각 그루브(301)(302)가 형성된다. 그루브(301)(302)는 복수로 형성되며, 배관(300)의 길이 방향을 따라 서로 이격되게 배치될 수 있다. 배관(2300)의 내주면은 파단 발생을 방지하도록 비드가 제거되어야 한다.
도 9 또는 도 10에 도시된 배관들(200)(300)이 내주면과 외주면 중 적어도 하나에 그루브(201)(301)(302)를 구비하는 이유는 원활한 냉매의 흐름과 냉매의 압력을 일정하게 유지시키기 위해서다. 냉매가 흐르는 배관은 직관으로만 이루어지는 것이 아니라 적어도 일부가 휘어진 굽은관으로 이루어질 수도 있는데, 굽은관은 도 9 또는 도 10에 도시된 직관(200)(300)을 소성 변형하여 제조된다. 굽은관을 제조하는 과정에서 소성 변형을 인가받은 굽힘부위에 찌그러짐이 발생하게 되면 냉매의 유동을 방해하게 될 뿐만 아니라 냉매의 압력을 일정하게 유지시키기 어려워진다. 배관의 내경이 가급적 고르게 형성되어야 냉매가 원활하게 흐르고, 배관을 흐르는 냉매의 압력이 일정하게 유지될 수 있기 때문이다.
그루브와 그루브 사이에는 자연스럽게 돌출부가 형성되며, 이 돌출부는 굽은관을 제조하는 과정에서 굽힘 응력에 대한 저항력을 발생시켜 배관의 찌그러짐을 방지하게 된다. 이에 따라 그루브를 갖는 직관에 굽힘 응력을 가해 제조된 굽은관은 비교적 고른 내경을 가질 수 있다. 또한 이렇게 제조된 굽은관 내부로는 냉매가 원활하게 흐를 수 있고, 굽은관을 흐르는 냉매의 압력이 일정하게 유지될 수 있다. 냉매의 원활한 흐름과 냉매의 일정한 압력 유지는 냉동사이클의 효율과 공기 조화기의 성능에도 영향을 미치게 된다.
특히 본 발명의 스테인리스강은 저강도 및 저경도의 물성을 갖기 때문에 직관에 굽힘 응력을 가해 굽은관을 제조할 수 있다. 종래의 스테인리스강은 구리에 비해 지나치게 고강도 및 고경도의 물성을 갖기 때문에 직관에 굽힘 응력을 가하더라도 충분히 소성 변형되지 못하는 문제가 있었다. 이를테면 직관에 굽힘 응력을 가하더라도 설계된 형상대로 소성 변형되는 것이 아니라 탄성 변형을 일으켜 굽힘 응력을 가하기 전의 형상으로 복원되거나 충분히 굽어지지 않는 문제가 있었다.
그러나 본 발명의 스테인리스강은 앞서 설명한 조성, 기지조직 및 평균 입도 크기를 통해 구리와 가까운 수준의 저강도 및 저경도의 물성을 갖는다. 이에 따라 본 발명의 스테인리스강으로 굽은관을 제조할 경우, 직관에 굽힘 응력을 가하여 충분한 소성 변형을 일으킬 수 있고 설계된 형상대로의 굽은관을 제조할 수 있다. 또한 굽힘 응력을 인가하는 과정에서 배관의 내부에 형성된 그루브를 통해 찌그러짐의 발생을 방지할 수 있다.
도 11은 도 8의 공기 조화기에 적용될 수 있는 배관(400)의 또 다른 일 예를 보인 개념도다. 배관(400)은 스테인리스강으로 이루어지며, 도 11에 도시된 배관(400)은 주름부(401)를 갖는 주름관으로 형성된다. 주름관은 주름부(401)를 기준으로 휘어질 수 있다.
공기 조화기의 실외기 및 실내기와 체결되는 배관들의 단부에서는 가장 큰 굽힘 성형성이 요구된다. 따라서 단순히 직관에 굽힘 응력을 가해 굽은관을 제조하는 것 만으로는 실외기 및 실내기와 체결되는 배관들의 단부에서 요구하는 작업성 및 설치 요건을 만족하지 못할 수 있다.
따라서 실외기 및 실내기와 체결되는 배관에는 소음 기준 및 냉난방 성능 기준을 만족하는 범위에 한하여 주름부(401)를 갖는 주름관이 형성될 수 있다. 주름부(401)는 배관(400)의 일부 또는 전부에 형성될 수 있다. 주름부(401)에서는 난류의 형성으로 인한 소음 발생 가능성이 있으므로, 주름부(401)는 소음기준을 만족하는 범위에서 형성되어야 한다.
특히 주름부(401)를 갖는 배관(400)은 한국의 고압가스안전기준에 따라 178 kgf/㎠ 이상의 파열 압력, 미국의 UL(Underwriters Laboratories Standard) 규격에 따라 214 kgf/㎠ 이상의 파열 압력을 만족하여야 한다. 실험 결과 본 발명의 스테인리스강으로 이루어진 주름관(Φ15.88, 0.6t)은 251.3 kgf/㎠의 파열 압력을 가지므로 상기 규격들을 모두 만족한다.
도 12는 도 8의 공기 조화기에 적용될 수 있는 배관(400')의 또 다른 일 예를 보인 개념도다. 배관(400)의 제1부분(410')은 스테인리스강으로 이루어지며, 배관의 나머지 부분(411', 412')은 구리(Cu, 동)로 이루어진다. 도 12에 도시된 배관(400')은 주름부(401')를 갖는 주름관으로 형성된다. 주름관은 주름부(401')를 기준으로 휘어질 수 있다.
스테인리스강으로 이루어지는 제1부분(410')의 양단에 구리로 이루어지는 제2부분(411')과 제3부분(412')이 접합된 이유는 상대 구리 배관과의 접합 용이성을 위함이다. 제2부분(411')과 제3부분(412')은 구리로 이루어지며 심리스(seamless) 상태이므로, 스테인리스강으로 이루어지는 제1부분(410')의 내주면에는 비드가 있어도 무방하고 없어도 무방하다. 비드로 인한 파단 발생 가능성이 없기 때문이다.
나머지 도 11에서 설명한 사항은 도 12에도 적용될 수 있다.
도 13는 도 8의 공기 조화기에 적용될 수 있는 핀-튜브 열교환기(500)를 보인 개념도다.
핀-튜브 열교환기(500)는 배관(510), 냉각핀(520) 및 배관 지지대(530)를 포함한다.
배관(510)은 냉매의 유로를 형성한다. 핀-튜브 열교환기(500)가 실외 열교환기로 적용되는 경우 배관(510)의 일단은 압축기의 출구에 연결되고 배관(510)의 타단은 팽창기의 입구에 연결된다. 핀-튜브 열교환기(500)가 실내 열교환기로 적용되는 경우 배관(510)의 일단은 팽창기의 출구에 연결되고 배관(510)의 타단은 압축기의 입구에 연결된다.
배관(510)은 직선부(510a)와 곡선부(510b)를 포함한다. 직선부(510a)는 공기의 유동 방향과 교차하는 방향으로 연장되며 다수의 열로 배열된다. 곡선부(510b)는 직선부(510a)를 연결하여 지그재그 모양의 배관(510)을 형성한다.
배관(510)의 내주면에는 도 9 및 도 10에서 설명한 그루브(201)(301)(302)가 형성될 수 있다. 그루브(201)(301)(302)는 배관(510)의 내부를 흐르는 냉매의 난류를 일으키고, 열교환 면적을 확대시키게 된다.
냉각핀들(520)은 배관의 길이 방향을 따라 서로 이격되게 배치된다. 공기는 냉각핀들(520)의 사이를 통과하면서 냉각핀들(520)을 통해 냉매와 간접적으로 열교환하게 된다.
두 배관 지지대(530)는 사각형 모양으로 형성되고, 서로 마주보도록 배치된다. 각 배관 지지대(530)에는 배관(510)을 수용 및 지지하기 위한 구멍이 형성된다. 배관(510)의 곡선부(510b)는 구멍에 끼워져 고정된다.
상기와 같은 핀-튜브 열교환기(500)의 배관(510)도 곡선부(510b)를 구비하므로 곡선부(510b)를 형성하기 위해서는 직관에 굽힘 응력을 가해 소성 변형을 일으켜야 한다. 그러나 종래의 스테인리스강은 구리에 비해 지나치게 고강도 및 고경도의 물성을 갖기 때문에 직관에 굽힘 응력을 가하더라도 충분히 소성 변형되지 못하고, 곡선부를 형성하기 어려운 문제가 있었다.
그러나 본 발명의 스테인리스강은 앞서 설명한 조성, 기지조직 및 평균 입도 크기를 통해 구리와 가까운 수준의 저강도 및 저경도의 물성을 갖는다. 이에 따라 본 발명의 스테인리스강으로 핀-튜브 열교환기(500)의 배관을 제조할 경우, 직관에 굽힘 응력을 가하여 충분한 소성 변형을 일으킬 수 있고 설계된 형상대로의 직선부(510a) 및 곡선부(510b)를 제조할 수 있다. 또한 굽힘 응력을 인가하는 과정에서 배관(510)의 내부에 형성된 그루브를 통해 찌그러짐의 발생을 방지할 수 있다.
이하에서는 도 14, 도 15a 내지 조 14d를 참조하여 스테인리스강으로 배관을 제조하는 과정에 대하여 설명한다. 도 14은 스테인리스강으로 배관을 제조하는 방법을 보인 흐름도다. 도 15a 내지 도 15d는 도 14의 방법에 따라 스테인리스강으로 배관을 제조하는 과정을 보인 단면도들이다.
구리로 이루어진 배관이 인발이라는 단일 공정으로 형성될 수 있는 것과 달리 스테인리스강으로 이루어진 배관은 구리보다 높은 강도 및 경도를 갖기 때문에 단일 공정으로는 형성될 수 없다. 스테인리스강으로 이루어진 배관은 성형(forming)(S100), 용접(welding)(S200), 절삭(cutting)(S300) 및 인발(drawing)(S400)의 순으로 제조된다.
성형(S100)은 스테인리스강으로 이루어진 시트(sheet)(600)를 말아 배관의 형상을 형성하는 과정이다. 성형은 다수의 롤러에 의해 이루어질 수 있다. 도 15a에서는 시트를 말아 배관의 형상으로 성형하는 것을 보이고 있다.
용접(S200)은 성형 과정에 의해 말려져 서로 가까워진 스테인리스강의 양단(600a)(600b)을 서로 접착하는 과정이다. 도 15b는 스테인리스강으로 이루어진 시트를 말아 용접한 결과를 도시한 것이다.
스테인리스강의 양단(600a)(600b)을 배관의 길이 방향으로 용접하여 상기 양단은 서로 접착된다. 용접 과정에 의해 배관의 길이 방향을 따라 용접부(weld zone)(603)가 형성된다. 도 15b를 참조하면 용접부(603)에는 배관의 외주면(601)과 내주면(602)으로 조금씩 튀어나온 비드(603a)(603b)가 형성되기 때문에, 아직까지 배관의 외주면(601)과 내주면(602)은 평활면(smooth surface)이 아니다.
용접부(603)의 양측에는 용접 과정에서의 열에 의해 열영향부(HAZ : heat-affected zone)(604a)(604b)가 형성되게 된다. 열영향부(604a)(604b)도 용접부(603)와 마찬가지로 배관의 길이 방향을 따라 형성된다.
절삭(S300)은 용접부(603)의 비드(603a)를 부분적으로 잘라내어 배관의 외주면(601)을 평활면으로 만드는 과정이다. 절삭은 용접과 연속적으로 이루어질 수 있다. 절삭은 프레스 비드 롤링(press bead rolling)을 통해 배관을 길이 방향으로 이동시키면서 바이트(bite)를 이용하여 비드(603a)를 부분적으로 잘라내는 과정에 의해 이루어질 수 있다. 도 15c는 절삭 과정까지 마친 스테인리스강 배관을 도시한 것이다.
인발(S400)은 용접부(603)의 비드(603b)에 외력을 가해 배관의 내주면(602)을 평활면으로 만드는 과정이다. 플러그를 배관의 입구에 위치시킨 상태에서 다이(dies)를 통해 배관을 잡아당기면 비드(603b)에 외력이 가해져 배관의 내주면(602)이 평활면으로 형성된다. 도 15d는 인발 과정까지 마친 스테인리스강 배관을 도시한 것이다.
인발 이후에 추가적으로 기계 가공(미도시)을 통해 배관의 외주면과 내주면에 그루브를 형성할 수 있다.
절삭과 인발을 통해 배관의 외주면(601)과 내주면(602)을 평활면으로 만드는 이유는 배관 내부의 균일한 내경을 형성하고, 타 배관과의 연결을 위함이다. 배관 내부의 균일한 내경을 형성하는 이유는 앞서 원활한 냉매의 흐름과 일정한 냉매의 압력을 유지시키기 위함임을 설명한 바 있다.
이하에서는 타 배관과 연결되기 위해 평활면으로 형성되는 외주면(601)과 내주면(602)을 포함하는 배관에 대하여 설명한다.
도 16는 스테인리스강으로 이루어진 배관(700)과 타 배관(10)의 연결을 설명하기 위한 개념도다.
스테인리스강으로 이루어진 배관(700)을 타 배관(10)과 연결하기 위해서는 스테인리스강 배관(700)의 단부(701)를 확대 가공하여야 한다. 스테인리스강 배관(700)의 내경이 끝으로 갈수록 점차 커지도록 단부(701)를 확대 가공하면, 스테인리스강 배관(700)의 단부(701)가 도 16에 도시된 바와 같이 Y자 형태 혹은 나팔 모양으로 가공된다.
타 배관(10)의 단부(11)는 확대 가공된 스테인리스강 배관(700)에 대응되도록 경사진 단면을 갖는다. 도 16에 도시된 바와 같이 타 배관(10)의 단부(11)는 그 외경이 끝으로 갈수록 점차 좁아지는 것을 알 수 있다. 여기서 타 배관(10)이 반드시 스테인리스강으로 이루어져야 하는 것은 아니다.
타 배관(10)의 외주면에는 나사산(12)이 형성되어 있다. 스테인리스강 배관(700)과 타 배관(10)을 서로 밀착시킨 상태에서 스테인리스강 배관(700)의 외주면에 결합된 너트(20)를 타 배관(10)의 외주면에 형성된 나사산(12)에 나사 결합 시키면, 너트(20)는 멈춤부(13)에 가까워질때까지 회전하여 타 배관(10)에 체결되며, 스테인리스강 배관(700)과 타 배관(10)의 결합이 이루어진다.
스테인리스강 배관(700)의 제조 과정에서 절삭과 인발 공정을 거치지 않으면 스테인리스강 배관(700)의 외주면에 내주면에는 용접부가 부분적으로 튀어나오게 되고, 상기 외주면과 내주면은 평활면으로 이루어지지 않게 된다. 스테인리스강 배관(700)의 외주면과 내주면이 평활면으로 이루어지지 않는다면, 스테인리스강 배관(700)을 확대 가공하는 과정에서 용접부로부터 파단이 발생하게 되고, 타 배관(10)과의 연결이 불가능해진다. 따라서 절삭이나 인발 등의 공정을 통해 스테인리스강 배관(700)의 외주면과 내주면을 평활면으로 만드는 것은 스테인리스강 배관(700)을 타 배관(10)과 연결하기 위한 전제 조건이 된다.
이하에서는 스테인리스강 배관이 구리 배관과 유사한 수준의 한계압력과 한계 굽힘 모멘트를 갖기 위한 최소 두께에 대하여 설명한다.
한계압력(limit pressure)이란 배관을 완전 소성에 이르러 파괴시키는 압력을 가리킨다. 또한 한계 굽힘 모멘트(limit bending moment)란 굽힘하중에 의해 배관이 완전 소성에 이르러 파괴되는 모멘트를 가리킨다.
본 발명의 스테인리스강은 종래의 스테인리스강에 비해 저강도 및 저경도의 물성을 가지나, 구리에 비해서는 여전히 고강도 및 고강도의 물성을 갖는다. 따라서 스테인리스강 배관은 구리 배관보다 얇은 두께만으로도 구리관과 유사한 수준의 한계압력과 한계 굽힘 모멘트를 가질 수 있음은 자명하다. 따라서 스테인리스강 배관의 최대 두께를 상용 구리 배관의 두께로 설정하면 스테인리스 배관은 충분한 한계압력과 한계 굽힘 모멘트를 가질 수 있으며, 스테인리스강 배관의 최대 두께를 별도로 고려할 필요는 없다.
여기서는 구리 배관과 유사한 수준의 한계압력과 한계 굽힘 모멘트를 갖기 위한 스테인리스강 배관의 최소 두께에 대하여 설명한다. 본 발명에서는 연성재료인 금속재료의 해석에 가장 많이 사용되며 최근까지 물체의 파괴를 예측하는 기준으로 가장 널리 알려진 폰 미제스 파손 이론(VON Mises failure criterion)에 따라 스테인리스강 배관의 최소 두께를 산출하였다. 결국 스테인리스강 배관의 두께는 여기서 산출하게 되는 값을 최소값으로 갖게 되고, 상용 구리 배관의 두께를 최대값으로 갖게 될 것이다.
도 17은 스테인리스강 배관을 원통좌표계에 나타낸 개념도다.
원통좌표계를 기준으로 항복강도(σ0)로부터 한계압력(P0)을 산출하면 다음과 같다.
Figure PCTKR2016012512-appb-I000001
여기서 σ1 은 원주 방향에 작용하는 후프 응력(hoop stress)를 가리키고, σ2 는 축 방향에 작용하는 축 응력(axial stress)를 가리키며, σ3 는 반지름 방향에 작용하는 래디얼 응력(radial stress)를 가리킨다.
도 18은 스테인리스강 배관의 단면을 2차원 좌표계에 나타낸 개념도다.
2차원 좌표계를 기준으로 한계 굽힘 모멘트(M0)를 산출하면 다음과 같다.
Figure PCTKR2016012512-appb-I000002
여기서 FL은 스테인리스 배관의 완전 소성 변형을 일으키기는 외력을 의미하고, F1은 스테인리스 배관의 중립축을 기준 일측에 걸리는 외력을 가리키며, A1은 스테인리스 배관의 중립축을 기준으로 일측의 면적을 가리킨다.
또한 P는 앞서 산출한 항복강도(σ0)를 가리키며,
Figure PCTKR2016012512-appb-I000003
은 스테인리상 배관의 중립축에서 A1 도심(center of figure, 평면 도형의 중심)까지의 거리를 가리키고, r은 평균반지름(외반지름과 내반지름의 평균)을 가리킨다.
이렇게 산출된 P0와 M0에 따라 스테인리스강 배관의 사이즈를 표로 나타내면 다음과 같다. 표 3은 스테인리스강 직관의 사이즈를 나타내었고, 표 4는 비교를 위해 구리 직관의 사이즈를 나타내었다. 또한 표 5는 스테인리스강 굽은관의 사이즈를 나타내었고, 표 6은 비교를 위해 구리 굽은관의 사이즈를 나타내었다.
외직경(Do)[㎜] 두께(t)[㎜] 외반경(ro)[㎜] 평균반지름(r)[㎜] 항복강도(σ0)[㎫] 한계압력(P0)[㎫]
19.05 0.5 9.525 9.275 200 12.45
외직경(Do)[㎜] 두께(t)[㎜] 외반경(ro)[㎜] 평균반지름(r)[㎜] 항복강도(σ0)[㎫] 한계압력(P0)[㎫]
19.05 1 9.525 9.025 100 12.79
구리 직관의 외직경(outer diameter)은 19.05㎜ 이며, 배관두께(thickness)는 1.0㎜다. 구리 직관과 동일한 외직경을 갖는 스테인리스강 직관은 그 두께가 0.5㎜ 이상이면 구리 직관과 유사한 수준의 한계압력을 가질 수 있다.
상용 구리 직관의 외직경은 19.05㎜ 이상이므로, 스테인리스강 직관의 외직경도 19.05㎜ 이상으로 설계될 수 있다. 또한 구리 직관과 유사한 수준의 한계압력을 갖도록 스테인리스강 직관의 두께는 0.5~1.0㎜으로 설계될 수 있다. 스테인리스강 직관의 최대두께는 구리 직관의 두께로 설계되었다.
외직경(Do)[㎜] 두께(t)[㎜] 외반경(ro)[㎜] 평균반지름(r)[㎜] 항복강도(σ0)[㎫] 한계압력(P0)[㎫] 한계 굽힘 모멘트(M0)[N·㎜]
19.05 0.6 9.525 9.225 180 13.52 36763.47
15.88 0.6 7.94 7.64 180 16.32 25215.67
12.7 0.6 6.35 6.05 180 20.61 15812.28
9.52 0.5 4.76 4.51 180 23.04 7322.44
6.35 0.4 3.175 2.975 180 27.95 2548.98
외직경(Do)[㎜] 두께(t)[㎜] 외반경(ro)[㎜] 평균반지름(r)[㎜] 항복강도(σ0)[㎫] 한계압력(P0)[㎫] 한계 굽힘 모멘트(M0)[N·㎜]
19.05 1 9.525 9.025 100 12.79 32580.25
15.88 1 7.94 7.44 100 15.52 22141.44
12.7 0.8 6.35 5.95 100 15.53 11328.80
9.52 0.8 4.76 4.36 100 21.19 6083.07
6.35 0.7 3.175 2.825 100 28.61 2234.58
15.88~19.05㎜의 외직경을 갖는 구리 굽은관과 동일한 외직경을 갖는 스테인리스강 굽은관은 그 두께가 0.6㎜ 이상이면 구리 굽은관과 유사한 수준의 한계압력과 한계 굽힘 모멘트를 가질 수 있다. 따라서 15.88~19.05㎜의 외직경을 갖는 스테인리스강 굽은관의 두께는 0.6~1.0㎜로 설계될 수 있다.
12.7~15.88㎜의 외직경을 갖는 구리 굽은관과 동일한 외직경을 갖는 스테인리스강 굽은관은 그 두께가 0.6㎜ 이상이면 구리 굽은관과 유사한 수준의 한계압력과 한계 굽힘 모멘트를 가질 수 있다. 따라서 12.7~15.88㎜의 외직경을 갖는 스테인리스강 굽은관의 두께는 0.6~0.8㎜로 설계될 수 있다.
9.52~12.7㎜의 외직경을 갖는 구리 굽은관과 동일한 외직경을 갖는 스테인리스강 굽은관은 그 두께가 0.5㎜ 이상이면 구리 굽은관과 유사한 수준의 한계압력과 한계 굽힘 모멘트를 가질 수 있다. 따라서 9.52~12.7㎜의 외직경을 갖는 스테인리스강 굽은관의 두께는 0.5~0.8㎜로 설계될 수 있다.
6.35~9.52㎜의 외직경을 갖는 구리 굽은관과 동일한 외직경을 갖는 스테인리스강 굽은관은 그 두께가 0.4㎜ 이상이면 구리 굽은관과 유사한 수준의 한계압력과 한계 굽힘 모멘트를 가질 수 있다. 따라서 6.35~9.52㎜의 외직경을 갖는 스테인리스강 굽은관의 두께는 0.4~0.7㎜로 설계될 수 있다.
스테인리스강 굽은관의 최대두께는 구리 굽은관의 두께로 설계되었다.
이상에서 설명된 스테인리스강 및 상기 스테인리스강으로 이루어진 배관은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
본 발명은 스테인리스강으로 이루어지는 배관, 그리고 상기 배관을 포함하는 공기 조화기 등의 설비에 이용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 중량%로 C : 0.03% 이하, Si : 0 초과 1.7% 이하, Mn : 1.5 ~ 3.5%, Cr : 15.0 ~ 18.0%, Ni : 7.0 ~ 9.0%, Cu : 1.0 ~ 4.0%, Mo : 0.03% 이하, P : 0.04% 이하, S : 0.04% 이하, N : 0.03% 이하, 잔부 : Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고,
    오스테나이트(austenite) 기지조직과 30~60㎛의 평균 입도 크기(average diameter)를 갖는 것을 특징으로 하는 스테인리스강.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스테인리스강의 ASTM(American Society for Testing and Materials) 입도번호(Grain size No.)는 5.0~7.0인 것을 특징으로 하는 스테인리스강.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스테인리스강은 입도 면적을 기준으로 99% 이상의 오스테나이트 기지조직(matrix structure)을 갖는 것을 특징으로 하는 스테인리스강.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스테인리스강은 입도 면적을 기준으로 1% 이하의 델타 페라이트(δ-ferrite) 기지조직을 갖는 것을 특징으로 하는 스테인리스강.
  5. 스테인리스강으로 이루어지고,
    상기 스테인리스강은,
    중량%로 C : 0.03% 이하, Si : 0 초과 1.7% 이하, Mn : 1.5 ~ 3.5%, Cr : 15.0 ~ 18.0%, Ni : 7.0 ~ 9.0%, Cu : 1.0 ~ 4.0%, Mo : 0.03% 이하, P : 0.04% 이하, S : 0.04% 이하, N : 0.03% 이하, 잔부 : Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 오스테나이트 기지조직과 30~60㎛의 평균 입도 크기(average diameter)를 갖는 것을 특징으로 하는 배관.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스테인리스강의 ASTM 입도번호(Grain size No.)는 5.0~7.0인 것을 특징으로 하는 배관.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 스테인리스강은 입도 면적을 기준으로 99% 이상의 오스테나이트 기지조직(matrix structure)을 갖는 것을 특징으로 하는 배관.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 스테인리스강은 입도 면적을 기준으로 1% 이하의 델타 페라이트 기지조직을 갖는 것을 특징으로 하는 배관.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 배관은,
    상기 배관의 길이 방향을 따라 형성된 용접부(weld zone);
    상기 배관의 길이 방향을 따라 상기 용접부의 양측에 각각 형성되는 열영향부(HAZ); 및
    평활면(smooth surface)으로 형성되는 외주면(outer surface)과 내주면(inner surface)을 포함하는 것을 특징으로 하는 배관.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배관은 내주면과 외주면 중 적어도 하나에 형성되는 그루브(groove)를 구비하는 것을 특징으로 하는 배관.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 배관은 직관으로 형성되며,
    상기 배관의 외직경은 19.05㎜ 이상이고,
    상기 배관의 두께는 0.5~1.0㎜ 인 것을 특징으로 하는 배관.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 배관은 굽은관으로 형성되며,
    상기 배관의 외직경은 15.88~19.05㎜이고,
    상기 배관의 두께는 0.6~1.0㎜ 인 것을 특징으로 하는 배관.
  13. 제5항에 있어서,
    상기 배관은 굽은관으로 형성되며,
    상기 배관의 외직경은 12.7~15.88㎜이고,
    상기 배관의 두께는 0.6~0.8㎜ 인 것을 특징으로 하는 배관.
  14. 제5항에 있어서,
    상기 배관은 굽은관으로 형성되며,
    상기 배관의 외직경은 9.52~12.7㎜이고,
    상기 배관의 두께는 0.5~0.8㎜ 인 것을 특징으로 하는 배관.
  15. 제5항에 있어서,
    상기 배관은 굽은관으로 형성되며,
    상기 배관의 외직경은 6.35~9.52㎜이고,
    상기 배관의 두께는 0.4~0.7㎜ 인 것을 특징으로 하는 배관.
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