전열관의 표면친수 처리방법

전열관의 표면친수 처리방법

제 1도는 가열처리장치를 설명하는 도면,

제 2도는 코로나 방전장치를 설명하는 전체도,

제 3도는 제 2도의 AA 단면도,

제 4도는 가열분위기 가스중의 O ₂ 농도와 전열관의 변색발생의 유무와의 관계를 도시하는 도면,

제 5도는 가열분위기 가스중의 CO 농도와 전열관의 변색발생의 유무와의 관계를 도시하는 도면,

제 6도는 가열온도 및 유지시간과 전열관의 인장강도와의 관계를 도시하는 도면,

제 7도는 가열온도 및 유지시간과 전열관 표면의 잔유량(殘油量) 의 관계를 도시하는 도면,

제 8도는 본발명 2의 시험편 (코로나 방전) 의 표면에 잔류하는 유기물의 스펙트럼도,

제9도는 비교예 1의 시험편(세척+브러시연마) 표면에 잔류하는 유기물의 스펙트럼도,

제10도는 실시예에서 얻어진 시험편을 적용한 흡수식 냉동기의 증발성능을 나타내는 그래프이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1:전열관 2a,2b:접지롤

3a,3b:가이드 4:전극

4a:절연체 5:에어냉각관

6:트랜스 7:발진기

8:에어냉각관 9:전원

10:히터 11:가스공급구

12:컨베이어

[산업상의 이용분야]

본발명은 소정의 관형상으로 가공된 열교환기용 구리 및 구리합급 전열관의 표면 친수성을 향상시키는 방법에 관한 것이며, 특히, 플라스마 방전 또는 코로나 방전등을 발생시켜 금속관의 표면에 친수성을 부여하는 전열관의 친수처리방법에 관한 것이다.

[종래의 기술]

종래, 열교환기용 금속 전열관의 표면 친수성을 향상시키는 방법으로서, 이하에 나타내는 방법이 있다.

(1) 기계적 연마법

구리 및 구리합금 전열관을 용제등으로 탈지 세정후, 관표면을 와이어브러시 또는 샌드페이퍼 등으로 연마하고, 관표면에 부착되어 있는 인발가공유, 전조유, 절삭유등의 유기물을 와이어브러시 또는 샌드페이퍼 등으로 제거함으로써, 표면친수성을 향상시키는 방법이다.

(2) 표면화학처리법

황산 및 활성제 등에 의하여 전열관 표면을 세정하여 활성화시킴으로써, 표면친수성을 향상시키는 방법이다.

(3) 열처리법

구리 및 구리합금 전열관에 열처리를 실시하여, 관표면에 부착되어 있는 인발가공유, 전조유, 절삭유 등의 유기물을 증발·분산시켜, 친수성을 향상시키는 방법이다.

[발명의 해결하려고 하는 과제]

그러나, 상술한 종래의 전열관의 표면친수 처리방법에 있어서는, 어느 것도 충분한 정도의 친수성을 얻을 수 없으며, 이하에 나타내는 문제점이 있다.

기계식 연마법에 있어서는 처리직후에 양호한 친수성을 얻을 수 있지만, 연마에 의하여 노출된 구리 및 구리합금 전열면은 활성이고, 주위 분위기의 영향을 받기 쉬운 상태이므로, 오염물 등이 부착되어 친수성이 시간경과와 더불어 열화되어 버린다. 또, 용제에 의한 세정은 인체에 악영향 등, 환경 위생면에서 문제가 있다.

표면화학처리법에 있어서는 산세척 및 물처리등의 설비가 필요하고, 이들 설비에 대한 유지비가 높다. 또, 일반적으로 처리에 장시간 걸리기 때문에, 생산성이 나쁘다.

더욱이, 기계식 연마법과 마찬기지로, 처리직후에 있어서는 양호한 표면친수성을 얻을 수 있지만, 친수성이 시간경과와 더불어 열화되어 버리는 결점도 있다.

열처리법에 있어서는 구리 및 구리합금표면을 가공유의 분해온도 (통상 300℃이상) 까지 승온시켜, 관표면이 청정하게 될 때까지 유지할 필요가 있지만, 친수성을 얻기 위하여 유지 시간을 길게 하면, 전열관으로서 일반적으로 사용되고 있는 동관의 경우는 연화온도를 초과하여 버리기 때문에 기계적 강도가 저하된다. 또한, 승온에 의한 연화를 회피하기 위하여, 구리 및 구리합금 표면만을 국부적으로 화염으로 가열하는 플레임 처리법도 있지만 화염을 관주위 전체에 균일하게 쬐임과 동시에, 관을 연화시키기 않도록 처리하는 것은 곤란하며, 처리얼룩이 발생하기 쉽다.

또, 프레임 처리는 통상 대기중에서 처리를 행하기 때문에, 관외표면뿐만 아니라 관내표면에도 가열에 의하여 변색이 생긴다. 관내에 물을 통과시켜 열교환을 행하는 수열교환의 경우, 관내에 변색이 존재하면 그 부분에서 부식이 생기고, 누수등의 문제가 생기는 경우가 있다.

본발명은 이와 같은 문제점에 비추어서, 표면의 친수성이 뛰어나고, 시간경과에 따라 열화가 적고, 생산성이 양호한 전열관의 표면친수 처리방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

상기 과제를 해결하기 우한 수단으로서, 본발명은 구리 및 구리합금 전열관을 불활성 가스를 주성분으로 하는 분위기중에서 온도 250∼350℃로 5∼10분 가열 유지한 후, 코로나 방전 또는 플라스마 방전을 실시하는 것을 특징으로 하는 구리 및 구리합금 전열관의 표면친수 처리방법을 요지로 하고 있다.

[작용]

이하, 본발명을 더욱더 상세히 설명한다.

본발명에 있어서는, 우선, 구리 및 구리합금 전열관을 불활성가스를 주성분으로 하는 분위기중에서, 온도 250∼350℃로 5∼10분간 가열유지한다. 이 가열유지에 의하여, 관표면의 기름성분 등을 어느 정도 증발, 분리시킨다.

가열할때의 분위기를 주로 N2등 불활성가스로 구성하는 것은 관표면의 기름성분등을 증발, 분리할 때에 변색을 방지하기 위한 것이지만, 이하의 가스조성이 바람직하다.

즉, O2농도가 3% 이하, CO농도를 1∼5% 포함하고, 나머지를 N2 등의 불활성가스로 이루어지는 분위기로 하는 것이 바람직하다. O ₂ 농도가 3%를 초과하면, 관내외면에 변색이 생기기 쉽고, 관내의 물을 통과시켜 열교환하는 수열교환의 경우, 이 변색에 기인하는 부식이 생길 가능성이 있다. 또 CO 농도가 5%를 초과하면 환원작용에 의하여 전열과 표면이 활성화되고, 수분의 흡착등으로 변색이 생기고, 한편 1% 미만에서는 분위기중의 산소를 환원시킬 수 없기 때문에 산화·변색이 생기기 쉽다.

더욱이, H2는 포함하지 않는 것이 좋지만, 4%까지는 허용할 수 있다. 이는 4%를 초과하면 가열에 의한 폭발의 위험성이 있기 때문이다.

가열온도가 250℃ 보다 낮으면, 관표면의 기름성분의 제거 효율이 낮고, 또 350℃를 초과하면, 예를 들면 전열관 소재로서 일반적으로 사용되고 있는 구리의 경우, 연화가 생긴다. 또 유지시간이 5분미만이면 유기물의 제거 효율이 낮고, 또 10분을 초과하면 관의 강도가 저하되며, 생산성도 저하된다. 따라서, 가열온도는 250∼350℃, 가열유지시간은 5∼10분으로 살 필요가 있다.

상기의 분위기중에서의 가열유지에 의하여, 관표면의 기름성분등의 잔존유기물을 어느 정도, 분리제거할 수 있지만, 이 단계에서는 친수성은 충분하지 않다.

따라서, 다음으로 상기 가열처리를 실시한 구리 및 구리합금 전열관에 코로나 방전 또는 플라스마 방전을 가함으로써, 시간경과에 따르는 열화가 적은 양호한 친수성을 얻는다.

이하에 코로나 방전의 경우에 대하여 설명하지만, 플라스마 방전의 경우도 동일한 작용효과가 얻어진다.

코로나 방전처리의 경우, 상기 가열처리를 실시한 전열관과 관표면에서 소정의 거리만큼 격리시켜 배치한 전극과의 사이에 전압을 가하여, 코로나 방전을 발생시킨다. 코로나 방전에 의하여, 전열관 표면에 전자가 충돌하고, 가열처리만으로는 제거할 수 없었던 잔존유기물을 방전에 의한 전자의 충돌에 의하여 분리·감소시켜, 최종적으로 잔류하는 유기물에 대하여는 소수기 [-CH]로부터 친수기 [-C=0]로 전환시킨다. 또한, 방전의 부산물에 의하여 생기는 오존의 산화작용에 의하여 전열관의 관표면에 금속산화물의 피막이 형성되지만, 이 금속산화물은 금속단체와 같은 활성이 없고, 안정하고 동시에 다공성(porous) 상태로 존재하기 때문에, 주위 분위기의 영향을 받기 어렵다. 따라서, 양호한 친수성이 얻어짐과 동시에, 장시간에 걸쳐서 친수성을 유지할 수 있다.

그럼데, 코로나 방전만으로도 양호한 친수성을 갖는 전열면이 얻어지지만, 양산공정에 있어서는 전열관 표면에 두꺼운 유막이 남거나, 잔유(殘油)상태에 불균일성이 있기 때문에 처리시간이 길러지거나 처리효과가 고르지 못하는 문제가 생기거나 한다. 따라서, 코로나 방전처리를 가하기 전에 상술의 가열처리를 실시함으로써, 안정한 친수성을 갖는 전열관이 고효률로 얻어진다.

더구나, 코로나 방전 및 플라스마 방전의 처리조건은 특히 제한되는 것은 아니고, 적당히 결정할 수 있는 것은 말할 것도 없다.

다음에 본발명의 실시예를 나타낸다.

[실시예]

시험편 (전열관)으로서 외경이 16㎜, 두께 0.6㎜의 인탈산구리 평활관을 사용하고, 제 1도에 도시하는 가열장치를 사용하여, 이 장치내에 여러가지 성분조성의 분위기가스를 유입시키면서, 여러가지 가열온도 및 시간으로 가열처리를 행하였다. 또한, 시험편인 동관은 공정으로서 용해→압출→인발→소둔→인발의 공정으로 제작하였다. 제 1도중, 1은 전열관, 10은 히터, 11은 분위기가스 공급구, 12는 전열관을 반송하는 컨베이어이다.

우선, 분위기가스는 O ₂ , CO와 미량의 H ₂ 를 포함하고, 나머지가 N2로 이루어지고, O ₂ 농도와 CO농도를 제 4도 및 제 5도와 같이 변하시켰다. 제 4도에 도시하는 바와 같이 O ₂ 농도가 3% 까지는 전열관에서 변색을 볼 수 없고, 3 ∼ 3.3%에서 국부적인 변색이 보이고, 3.5%를 초과하면 관 전체에 변색이 발생하는 것이 확인되었다. 또, CO농도에 대하여도 0.9%이하, 5.2% 이상에서 변색이 발생하는 것이 확인되었다.

또, 가열처리에 있어서 온도와 가열시간의 영향을 조사한 결과에 대하여 설명한다.

분위기가스 조성은 O ₂ 농도 1.5%, CO농도 2.6%, H2 농도 1.5%, 나머지가 N2 가스로 되고, 온도 및 가열시간을 변화시켜 인장강도의 변화 및 표면잔유량을 조사하였다.

제 6도 및 제 7도에 도시하는 바와 같이, 가열온도가 250℃ 미만에서는 잔유의 제거효과가 낮고, 350℃를 초과하면 연화가 생긴다. 또 가열온도가 250∼350℃의 범위내에 있더라도, 가열시간이 5분 이하이면, 잔유제거 효과가 낮고, 10분을 초과하면 연화가 생긴다. 따라서, 가열도는 250∼350℃, 가열시간은 5∼10분이 바람직한 것이 확인되었다.

다음에, 제 1도의 가열장치고 가열처리한 후, 제 2도 및 제 3도에 도시하는 코로나 방전 장치로 처리한 결과에 대하여 설명한다.

제 2도 및 제 3도중 2a, 2b는 접지롤, 3a, 3b는 가이드롤, 4는 전극, 4a는 전극내측에 피착된 절연체, 5는 에어냉각관, 6은 트랜스, 7은 발진기, 8은 에어냉각관, 9은 전원이다.

이 코로나 방전장치로, 접지롤과 접촉하면서 가이드롤로 안내되어 장치내를 통과하는 전열관에 대하여, 이 전열관 외주면과 일정의 거리를 두고 설치된 원통상의 전극에 트랜스로부터 고주파의 고전압을 가함으로써, 코로나 방전을 발생시켜, 다수의 높은 에너지의 전자를 전열관의 표면에 충돌시킬 수가 있다. 또 방전에 의하여 공기중의 산소가 반응하여 오존이 발생한다. 더욱이, 에어냉각관으로부터의 공기에 의하여 전극을 생각하고, 또 전열관의 처리부를 냉각하여도 좋다.

시험편로서는 외경이 16㎜, 두께 0.6㎜의 인탈산 동관을 사용하였다. 이 동관을 질소가스로 이루어지는 분위기중에서, 또 O ₂ 농도 1.5%, CO농도 2.6%, H ₂ 농도 1.5%, 나머지가 N ₂ 가스로 이루어지는 조성의 분위기중에서, 온도 300%로 8분간 가열처리 하였다.

뒤어어, 제 2도에 도시하는 코로나 방전장치를 사용하여, 동관을 10m/분의 일정속도로 전극내를 통과시키면서, 1000Ｗ 의 출력으로 연속적으로 코로나 방전처리를 가하였다.

그 후, 관표면의 잔유량을 용매추출법에 의하여 측정하고, 물 및 에틸렌글리콜을 주체로 하는 시약을 사용하여 물습윤성(water wettability)을 조사하였다. 그 결과를 표 1에 표시한다.

표중, 본발명예 1은 Ｎ₂가스분위기중에서 가열처리한 후에 코로나 방전처리를 행한 예이고, 본발명 2는 Ｏ ₂ 농도 1.5%, CO농도 2.6%, Ｈ ₂ 농도 1.5%, 나머지가 Ｎ ₂ 가스로 이루어지는 조성의 분위기 중에서 가열처리한 후에 코로나 방전처리를 행한 예이다. 또 비교예 1은 미처리의 것, 비교예 2는 Ｏ ₂ 농도 1.5%, CO농도 2.6%, Ｈ ₂ 농도 1.5%, 나머지가 N ₂ 가스로 이루어지는 조성의 분위기중에서 온도 300℃로 8분간 가열처리를 가한 것, 비교예 3은 동관에 유기용제에 의한 세정후 브러시 연마를 가한 것이다. 표중, 습윤지수의 상단은 처리 1일 경과후, 하단은 처리후 30일 경과후에 상술의 방법으로 친수성을 조사한 예이다.

이 표 1에서 명백한 바와 같이, 본발명에 의한 방법으로 가열처리 및 코로나 방전(친수처리)를 실시한 관은 표면잔유가 적고, 습윤지수가 큰 것을 알 수 있다. 더욱이, 종래의 방법에 의하여 처리한 관과 같은 친수성의 시간경과에 따른 열화는 볼 수 없고 양호한 친수성을 유지하고 있는 것을 알 수 있다.

또, 본발명에 관한 발명의 관외 표면의 유기물의 XPS (X선 분광분석) 스펙트럼은 제 8도에 도시하는 바와 같이 약 289eV에서 피크를 갖고 있어 친수기[-C=O]의 스펙트럼 강도가 소수기[-CH]의 스펙트럼 강도 보다 크게 되어 있다. 한편 비교예 3에 관한 발명의 관외 표면의 유기물의 XPS 스펙트럼은 제 9도에 도시하는 바와 같이 약 285eV에서 피크를 갖고 있고 소수기[-CH]의 스펙트럼 강도가 친수기[-C=O]의 스펙트럼 강도 보다 크게 되어 있다.

또한, 본발명에 관한 발명의 관외 표면에는 비교예 3과 비교하여 막두께가 두꺼운 금속산 화물의 피막이 형성된다. 이 피막은 방전처리 조건에 의하여 변화하지만 300∼1400의 두께이면 친수성의 시간경과에 따르는 열화는 생기지 않고, 생산성도 좋다.

이들의 결과는 전열성능의 차이로부터도 명확하게 할 수 있다. 즉, 친수성이 높을수록 높은 전열성능을 나타내는 것으로부터, 본발명 예 1과 비교예 3에 대하여 처리 직후 1일 경과 후의 전열성능 시험을 실시하였다.

성능평가의 방법으로서는 강하막 열교환기(falling-film heat exchanger)의 일종인 흡수시 냉동기의 증발기에 상술의 처리를 가한 동관을 장착하고, 증발온도 약 4℃, 냉수유속 1.5m/s, 냉매산포량 0.75∼1.25㎏/(m·분) 의 조건으로 시험을 행하였다. 그 결과를 제 10도에 도시하였다.

제 10도에 도시하는 바와 같이, 본발명 예 1의 동관은 비교예 3과 비교하여 약 13%의 성능 향상이 얻어졌고, 이는 본발명에 관한 친수처리재가 우수한 친수성을 갖고 있기 때문이라는 것을 알 수 있다.

또한, 열처리를 가하지 않고 코로나 방전처리만으로, 본발명 예 1, 2 의 처리효과를 얻기 위하여는 1000W 의 방전출력으로 라인스피드 5m/분의 처리가 필요하지만, 본발명에 의하면, 라인스피드 10m/분으로 2배로 증가시킬수 있고, 생산성은 대폭으로 향상된다.

[표 1]

표 1 표면잔유량 및 습윤지수

또한, 본발명은 파이프의 외면뿐만 아니라 내면에도 적용할 수 있다. 또 평활한 면뿐만 아니라 코르게이트(corrugate)등 표면에 요철이 있는 형상에도 적용할 수 있다.

[발명의 효과]

이상 설명한 바와 같이, 본발명에 의하면, 잔류유기물이 감소되고 동시에 친수성이 양호하며 시간경과에 따른 변화가 적은 구리 및 구리합금 전열관이 얻어지고, 또한 코로나 방전 단독 또는 플라스마 방전 단독으로 처리를 행하는 경우 보다 생산성에 뛰어나다. 또 종래방법과 같은 유기용제에 의한 세정을 생략할 수 있기 때문에, 환경위생면의 문제가 생기지 않는다.