액체 냉각 시스템의 부식 방지

산업용 액체 냉각 회로에서 표준 열 전달 유체는 물과 물/글리콜 용액이지만, 이들의 전기화학적 활성으로 인해 접촉하는 금속을 부식시키는 성질도 있습니다. 이 글에서는 주요 부식 메커니즘 세 가지, 즉 화학적 부식, 갈바닉 부식, 침식 부식과 각 메커니즘을 제어하는 설계 결정, 냉각수 화학 성분, 유지 관리 방법에 대해 다룹니다. 이 지침은 특히 다음과 같은 경우에 유용합니다. 액체 냉각판 및 판형 핀 열교환기 전기차 배터리 열 관리 및 에너지 저장 시스템(ESS) 냉각에 사용됩니다. 본문에 언급된 pH 범위, 염화물 한계 및 억제제 종류는 참고용 시작점일 뿐입니다. 실제 값은 냉각수 공급업체의 사양, 사용된 합금 및 접합 재료, 그리고 작동 조건에 따라 검증해야 합니다.

액체 냉각 회로가 본질적으로 부식에 취약한 이유는 무엇일까요?

액체 냉각 회로의 부식 위험은 수성 냉각제의 화학적 성질과 냉각제가 접촉하는 금속 자체에 내재되어 있습니다. 용존 산소가 주요 부식 촉진제입니다. 폐쇄형 시스템에서는 가동 초기 몇 주 동안 용존 산소가 소모된 후 부식 속도가 크게 감소합니다. 개방형 시스템은 공기 노출을 통해 산소가 지속적으로 공급되므로 가동 기간 내내 높은 부식 속도를 유지합니다.

냉각수의 pH, 전도도, 억제제 농도, 온도, 유속 및 접촉 재료의 특정 조합은 모두 상호 작용하여 어떤 부식 메커니즘이 지배적인지 결정합니다. 어떤 단일 매개변수도 부식 거동을 단독으로 좌우하지 않습니다.

부식은 일반 부식과 국부 부식으로 분류됩니다. 일반 부식은 표면 전체에 걸쳐 균일한 금속 손실을 유발하며, 예측 가능하고 일반적으로 구조적 파손이 발생하기 전에 감지할 수 있습니다. 국부 부식, 주로 점식 부식은 냉각판 채널과 같이 벽이 얇은 부품을 빠르게 관통하여 표면 손상이 눈에 띄기 전에 누출을 일으키는 경우가 많습니다.

갈바닉 부식: 이종 금속 및 전기화학적 위험

갈바닉 부식은 전기화학적 전위가 다른 두 금속이 전도성 냉각제 내에서 전기적으로 연결될 때 발생합니다. 냉각제는 전해질 역할을 하며, 전기적으로 덜 귀한 금속이 우선적으로 부식됩니다. 부식 속도는 전위차, 냉각제 전도도, pH, 부식 억제제의 화학적 성질, 양극 대 음극 면적비, 온도, 그리고 구성 요소 사이에 끊김 없는 전기 경로가 존재하는지 여부에 따라 달라집니다.

알루미늄과 구리는 전도성 수성 냉각제에서 부식 위험이 높은 조합입니다. 적절한 부식 억제제나 전기적 절연이 없으면 동일 회로 내에서 구리 또는 황동 부품에 연결된 알루미늄 냉각판은 부식이 가속화될 가능성이 높습니다. 그러나 실제 부식 속도는 위의 모든 변수에 따라 달라집니다. 알루미늄과 구리 또는 황동이 혼합된 회로는 무조건 금지하는 것이 아니라 특정 냉각제 배합에 따라 평가해야 합니다. 일부 부식 억제제 패키지는 혼합 금속 회로에 사용하도록 인증되었습니다. 서로 다른 금속의 사용을 피할 수 없는 경우, 유전체 접합부를 통해 재료 경계면에서 전기적 경로를 차단할 수 있습니다.

갈바닉 부식 위험은 유체가 접촉하는 모든 부품, 즉 피팅, 커넥터, 밸브 및 클램프에까지 미치며, 이 모든 부품이 전기화학적으로 영향을 미칩니다. 따라서 전체 유체 경로에 걸쳐 재료 호환성을 평가해야 합니다.

침식 부식: 유동 형상, 입자 및 구성 요소 유량 제한

침식 부식은 냉각수 속도가 금속 표면의 보호 산화막을 기계적으로 제거할 만큼 충분히 빠를 때 발생합니다. 이렇게 되면 산화막이 다시 형성되기 전에 모재가 화학적 공격에 노출되고, 유동이 계속해서 새로 형성되는 산화막을 벗겨내면서 이 과정이 더욱 강화됩니다. 위험은 유동 방향이나 속도가 급격하게 변하는 곳, 즉 채널 굴곡부, 흡입 매니폴드, 급격한 직경 변화 구간, 그리고 난류 발생 형상 하류 영역에서 집중됩니다.

모든 냉각판에 적용 가능한 보편적인 안전 유속 임계값은 없습니다. 최대 유량은 부품 공급업체의 데이터 시트에서 확인해야 하며, 특정 설치 환경에 맞춰 채널 형상, 냉각수 화학 성분, 여과 품질 및 압력 강하 한계를 고려하여 검증해야 합니다.

냉각수에 부유 입자(이전 부식 생성물, 스케일 또는 부적절한 여과로 인한)가 포함되어 있으면 낮은 유속에서도 침식 메커니즘이 더욱 심화됩니다. 따라서 입자 필터는 단순한 청결 유지 수단이 아니라 부식 방지 구성 요소입니다.

제어 조치에는 더 큰 반경의 굴곡부, 매니폴드 입구에서의 점진적인 직경 변화, 매끄러운 내부 채널 마감, 용존 산소 감소 및 채널 형상에 적합한 여과가 포함됩니다. 시운전 또는 유지 보수 세척 중에는 구성 요소에 지정된 최대 유량을 초과해서는 안 됩니다.

냉각수 화학: pH, 억제제 및 모니터링

효과적 냉각수 선택 알루미늄 냉각판의 경우, pH 안정성, 존재하는 금속에 맞는 억제제 화학 성분, 그리고 사용 수명 동안 유지되는 글리콜 조건이라는 세 가지 상호 연관된 제어 사항을 다룹니다.

pH: 알루미늄이 주성분인 냉각판 회로의 경우, 많은 냉각수 공급업체는 중성에 가까운 pH 범위(일반적으로 7.0~8.5)에서 약알칼리성 pH 범위를 권장합니다. 이는 산화알루미늄 층을 산성 부식과 알칼리성 용해로부터 보호합니다. 혼합 금속 회로 및 글리콜 기반 냉각수는 억제제 패키지 및 구성 재료에 따라 8.0~10.5와 같은 다른 pH 범위를 사용할 수 있습니다. 냉각수 공급업체의 사양이 가장 중요한 요구 사항이며, 위의 범위는 참고용일 뿐입니다.

금속 종류에 따른 억제제 선택:

• 인산염: 철, 강철 및 대부분의 알루미늄에 효과적입니다.
• 톨릴트리아졸(TT) / 벤조트리아졸(BT): 구리와 황동에 효과적이며, 혼합 금속 회로 억제제 패키지에 표준으로 사용됩니다.
• 실리케이트: 저농도에서는 광범위한 항균 작용을 하며, 고농도 또는 고온에서는 침전물 생성 위험이 있습니다.
• 아질산염: 철 금속에 효과적이지만, 주석-납 땜납이 존재하는 고농도 환경에서는 적합하지 않습니다.
• 몰리브덴산염: 철 금속에 효과적이며, 기존의 크롬산염 기반 억제제를 대체하여 널리 사용됩니다.

억제제는 화학적 소모와 열 분해를 통해 감소합니다. 농도는 정해진 간격으로 확인해야 하며, 단순히 경과 시간만으로는 신뢰할 수 있는 지표가 될 수 없습니다.

모니터링: 굴절계는 글리콜 농도만 측정합니다. 억제제 농도는 별도로 확인해야 하며, 냉각수 공급업체의 테스트 키트, 비색법 또는 적정법, 또는 보다 면밀한 모니터링이 필요한 경우 ICP 또는 이온 크로마토그래피와 같은 실험실 분석을 사용할 수 있습니다. 시스템이 작동 온도에 도달한 후, 세척 또는 재충전 후 24~48시간 이내에 pH 및 억제제 농도를 재확인해야 합니다.

부식 방지를 위한 표준 및 시험 방법

부식 방지 방안을 명시할 때는 일반적인 매개변수에 의존하기보다는 확립된 시험 방법과 지침을 참조해야 합니다.

전기차 및 에너지 저장 시스템(ESS) 애플리케이션의 경우, 냉각수 검증 시 부식 저항성 외에도 접촉면에 가해지는 열 순환 스트레스, 진동 노출, 동결 방지 성능 등을 고려해야 합니다.

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알루미늄 합금 및 브레이징 설계 고려 사항

알루미늄 냉각판의 내식성은 다음 요소에 따라 달라집니다. 냉각판 디자인 결정에는 합금 선택, 브레이징 설계, 표면 상태 및 냉각제 호환성이 포함되며, 냉각제 화학 성분만이 전부는 아닙니다.

• 합금 선택: 3xxx 시리즈 합금(망간계)은 다양한 냉각수 환경에서 우수한 내식성을 보여 열교환기 및 브레이징 시트 분야에 널리 사용됩니다. 6xxx 시리즈 합금(마그네슘-실리콘)은 더 높은 구조적 강도를 제공하며 가공 또는 압출 냉간 성형 제품에 흔히 사용됩니다. 이러한 합금의 내식성은 염화물 농도, pH, 표면 처리 및 접합 공정에 따라 검증되어야 합니다.
• 브레이즈 클래딩: 일부 브레이징 판재 설계에서는 피복층이 심재 합금보다 약간 더 양극성을 띠도록 조성됩니다. 이는 구조 재료에 대한 희생 보호 기능을 제공하며, 해양 부식 방지에 사용되는 아연 양극과 원리가 유사합니다. 그러나 모든 브레이징 냉간 판재에 이러한 원리가 적용되는 것은 아닙니다. 피복 합금, 충전재 합금, 심재 합금 조성 및 브레이징 후 표면 상태는 모두 사용 목적에 맞게 명시하고 검증해야 합니다.
• 표면 마감: 내부 채널 표면의 거칠기는 국부적인 난류를 발생시켜 작동 유속에서 침식 부식을 가속화합니다. 매끄러운 내부 마감과 점진적인 포트 전환은 열 성능을 저하시키지 않으면서 이러한 위험을 줄입니다.

당사의 수냉식 플레이트는 전기차 및 에너지 저장 시스템(ESS) 환경에 적합하게 선별된 알루미늄 합금으로 제작되며, 채널 형상 및 표면 사양은 장기간 부식 방지를 위해 개발되었습니다.

장기 부식 방지를 위한 유지 보수 일정

다음 일정은 다음을 지원합니다. ESS 서비스 수명 냉각수 화학 성분 문제를 부품 손상 발생 전에 감지함으로써 해결할 수 있습니다.

냉각수 공급업체가 지정한 범위를 벗어난 pH 값은 즉시 세척 및 재충전을 해야 합니다. 가동을 계속하면서 현장에서 pH를 조정하려고 하면 복구할 수 없는 부식 손상이 가속화됩니다.

결론

알루미늄 액체 냉각 회로의 부식 제어는 각 시스템의 특정 조건에 맞춰 냉각수 화학 성분, 재료 선택 및 유지 관리 방식을 조정해야 합니다. 전기차(EV) 및 에너지 저장 시스템(ESS)에서 서비스 중단을 가장 빈번하게 유발하는 고장 유형, 즉 할로겐 오염으로 인한 피팅, 혼합 금속 접합부의 갈바닉 부식, 고속 유동 채널 형상에서의 침식은 각각 명확한 엔지니어링 제어 방안이 있습니다. 이러한 제어 방안은 설계 단계에서 고려할 때 가장 효과적입니다.

당사가 설계하는 전기차 배터리 및 에너지 저장 시스템(ESS) 열 관리용 냉각판의 장기적인 내식성을 결정하는 가장 중요한 세 가지 변수는 합금 및 브레이징 클래딩 사양, 시운전 시 유입수 수질, 그리고 사용 기간 내내 유지되는 부식 방지제 화학 조성입니다. 냉각수 공급업체가 지정한 pH 및 부식 방지제 범위 내에서 가동을 시작하고 정기적인 모니터링을 통해 해당 범위를 유지하는 시스템은 부식 관련 고장 없이 설계 수명을 달성하는 경우가 많습니다.

부식에 민감한 전기차(EV) 또는 에너지 저장 시스템(ESS) 애플리케이션용 냉각판 옵션을 평가하는 엔지니어는 회로 아키텍처, 냉각수 화학 성분, 재료 목록 및 작동 조건을 알려주시면 호환성 검토를 도와드리겠습니다. 수냉식 냉각판 합금 선택, 압력 테스트 및 냉각제 호환성을 포함하는 응용 엔지니어링 지원을 이용할 수 있습니다.

자주 묻는 질문