KR0156448B1 - 열교환기의 전열핀 접합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기의 가열관과 전열핀을 접합하는 신규한 방법을 개시한다.

와이어형의 접합재를 틈새에 삽입하여 가열확산시킴으로써 가열관과 전열핀을 접합시키는 방법은 결합이 용이하나 국부적인 잔류틈새에 의해 열교환효율이 저하되고 소음이 발생되어 수명이 단축되는 등의 문제가 있었다.

본 발명에서는 얇은 금속박 형태의 접합재를 가열관에 감싸 이를 전열핀과 조립한후 가열 접합하도록 함으로써, 가열관과 전열핀을 틈새없이 완전접합시키도록 하였다.

Description

열교환기의 전열핀 접합방법

제1도는 가스보일러의 열교환기의 구성을 보이는 개략 단면도.

제2도는 종래 방법에 의한 접합구조를 보이는 단면도.

제3도는 본원인의 선출원 방법의 구성을 보이는 열교환기의 횡단면도.

제4도는 제3도의 방법의 문제점을 보이는 횡단면도.

제5도는 본 발명 방법을 설명하는 사시도.

제6도는 본 발명에 의해 접합된 열교환기의 횡단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

P : 가열관(加熱菅) F : 전열핀(傳熱 fin)

1 : (얇은 금속박형태의) 접합재(filler metal)

본 발명은 열교환기(heat exchanger)의 제조에 관한 것으로, 더 상세히는 가열관에 전열핀(傳熱 fin)을 접합하는 방법에 관한 것이다.

열교환기는 보일러에 있어서 연소열등의 발생열을 공급수에 전달시켜 이를 가열하는 장치로서, 그 일반적인 형태는 가열관의 외주에 전열효율의 증대를 위해 다수의전열핀을 설치한 구성이다.

보일러는 열교환특성에 따라 순간 가열식과 저탕식(貯湯式)으로 구분될 수 있는데, 저탕식 보일러는 연탄이나 기름등을 연료로 하여 물을 가열한 뒤 이를 온수저장탱크에 저장하여 두고 필요에 따라 난방이나 온수공급을 행하게 된다. 이에 비하여 순간 가열식 보일러는 몸체내에 주열교환기 및/또는 온수용 열교환기를 구비하여 필요경우 즉시 난방 또는 온수를 공급할 수 있다. 가스 보일러는 순간 가열식 보일러에 해당하는 바, 도시가스의 보급과 사용의 편의성에 의해 최근 가정용 난방 보일러로서 그 보급이 매우 활발하다.

제1도에는 이와 같은 가정용 가스보일러의 일례를 도시하고 있다. 제1도에서 버너(burner ; B)가 설치된 연소실(combustion chamber ; C)의 상부에는 소정의 경로를 형성하는 가열관(P)의 외주에 다수의 전열핀(F)이 구비된 열교환기(X)가 설치되어 있다. 연소실(C)의 버너(B)에서 연소되는 불꽃은 열교환기(X)를 직접 가열하여 가열관(P)으로 공급되는 냉수를 수증기나 온수등의 열수로 가열한뒤 배기후드(排氣 hood ; H)를 통해 배기되도록 되어 있다. 나머지 부호 M은 연소가스의 배기를 촉진하기 위한 팬 모터(fan motor)이다.

이와 같은 가스 보일러의 열교환기(X)는 일반적으로 동(銅)계통의 가열관(P)에 동계통의 전열핀(F)을 구비한 구성을 가지고 있다. 여기서 열교환기(X)의 열교환효율을 향상시키고 가스보일러의 크기를 감소시키기 위해 가능한한 열교환기(X)와 버너(B)는 근접시키는 것이 바람직하다. 또한 최근에는 버너(B)의 불꽃길이를 단축시켜 가열효율을 향상시키고자 하는 기술구성도 출현하였다.

이에 따라 전열핀(F)은 더 큰 입열량(入熱量)을 받게 되는데, 동계통의 얇은 박판으로 구성된 전열핀(F)은 전열효율을 우수하나 내열성이 낮아 버너(B)의 가열에 의해 적열(赤熱)되어 열교환 효율의 저하 뿐아니라 열교환기(X)의 사용수명을 단축시키는 문제가 있었다.

이에 따라 전열핀(F)을 내열성이 우수한 Ni계나 Cr계, 또는 Ti 또는 Nb로 안정화시킨 Cr계 합금강, 즉 스테인리스강으로 구성하고자 하는 기술들이 제안된 바 있다. 동계통 합금의 가열관(P)과 스테인리스강으로 된 전열핀(F)은 Cu-Sn계 접합재(filler metal)로 용접될 수 있다고 알려져 있으나, 그 용접조건이 극히 까다로와 접합조건이 적절치 않은 경우 접합재가 쉽게 기화(氣化)되어 버리므로 균일한 접합이 어렵고 접합재가 국부적으로 집중되는 용접부에는 합금성분의 확산(diffusion)이 발생되어 가열관(P)에 누설(leakage)을 야기하는 문제가 있어서, 스테인리스강으로 된 전열핀(F)은 실용화되고 있지 못하였다.

그런데 영국 특허 제2 016 135 A호에 있어서는 제2도에 도시된 바와같이, 가열관(P)의 표면에 Cu-Sn계의 접합재(W')를 피복하고, 그 외주에는 다수의 전열핀(F)을 끼워 고온 분위기에 투입함으로써 접합하는 기술을 개시하고 있다. 여기서 각 전열핀(F)은 상호간의 간격을 소정간격으로 유지하기 위해 접합재(W')로 피복된 가열관(P')의 외주에 끼워지는 칼라(collar ; L)를 구비하고 있어서 칼라(L)의 내주가 관통구멍을 형성하고 있다.

그런데 이와 같은 종래의 접합방법에 있어서, 접합재(W')의 피복에 도금조 또는 용융조를 이용한 도금방법이 사용될 수 밖에 없다. 따라서 도금에 앞서 가열관(P) 표면에 부착된 기름이나 먼지 또는 산화물들을 제거하는 청정화 공정이 필요하고 이 청정화의 세척폐액이 환경오염을 유발하게 된다. 또한 접합재(W')가 잘 퍼질 수 있도록 하기 위해 가열관(P)의 예열이 필요할 뿐아니라 접합재(W')를 도금중 용융상태로 유지해야 하므로 많은 전력이 소모되고, 도금폐액의 처리에도 설비와 처리비가 소용된다.

뿐만아니라 박막으로 피복된 접합재(W)의 접합에는 균일한 접합을 위해 진공분위기가 필요하므로 접합로(brazing furnace)도 진공접합로로 구성되어야 하므로 상당한 시설비가 소요될 뿐아니라 그 유지보수가 까다로운 문제가 있었다. 더구나 진공 접합로는 컨베이어를 사용하는 연속공정에는 적절하지 않으므로 그 생산성도 낮은 문제가 있었다.

또한 접합재(W)가 박막의 도금층이므로 가열관(P')과 전열핀(F)의 긴밀한 접촉이 없이는 접합이 잘 이루어지지 않으므로 그 제조와 조립에 소요되는 정도(精度)가 상당히 높지 않으면 안되었다.

결국 상술한 영국 특허에 개시된 기술은 스테인리스 전열핀(F)의 실용화에는 성공하였으나 그 공정이 복잡하고 많은 설비를 요하며, 생산작업에 고도의 숙련도가 필요할 뿐아니라 생산성도 낮아 열교환기(X)의 생산원가가 매우 높은 문제점을 가지고 있다.

이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 본 발명자는 제3도에 도시된 바와 같은 접합방법을 1994년 특허출원 제7738호로 출원한 바있다.

이 방법은 전열핀(F)의 관통구멍의 일측에 안착홈(R)을 형성하여 이에 와이어(wire)형의 접합재(W)를 삽입한 후, 이를 접합로내에 투입하여 가열함으로써 접합재(W)를 용융시켜 가열관(P)과 틈새(G)로 확산된 접합재(W)가 가열관(P)과 전열핀(F)을 접합시키도록 한 구성이다.

이러한 방법은 접합재(W)의 구성에 따라 동계합금의 가열관(P)에 스테인리스 합금강의 전열핀(W)을 접합할 수 있으며, 복잡한 공정이나 설비없이 높은 생산성으로 열교환기를 생산할 수 있는 장점을 발휘한다.

그러나 가열관(P)을 전열핀(F)의 관통구멍에 용이하게 삽입하기 위해서는 이 틈새(G)가 상당히 크지 않으면 안되며, 삽입후 가열관(P)을 확관(擴菅)시켜 전열핀(F)에 밀착된다고 하더라도 그 탄성복원에 의해 틈새(G)가 균일하게 형성되기 어렵다.

접합로내에서의 접합재(W)의 확산은 주로 그 자체의 퍼짐(wetting)과 모세관 현상에 의해 이루어지는 바, 틈새(G)가 균일하지 못하면 접합재(W)가 확산되지 못한 틈새(G')가 그대로 잔류하게 된다.

이러한 잔류틈새(G')는 제4도에 도시된 바와 같이 주로 접합재(W)가 설치되었던 안착홈(R)으로부터 가장 먼 전열핀(F)의 하측에 발생된다. 또한 안착홈(R)은 상당히 큰 공간이므로 접합이 완결된 상태에서 안착홈(R)에는 접합재(W)가 잔류하지 못하게 된다.

즉 종래의 방법에 의하면 가열관(P)과 전열핀(F)은 버어너(B)의 화염이 직접 닿는 하부측과, 이로부터 가장 먼 상부측에 각각 틈새(G',R)가 형성되기 쉽다.

이러한 틈새(G',R)들은 가열관(P)과 전열핀(F)간의 결합강도에는 전혀 영향을 미치지 않으나, 전열면적이 감소되어 열교환효율을 저하시키고, 전열핀(F)의 하부가 국부적으로 가열되어 그 주위에 국부적인 비등을 일으키게 되므로 보일러 작동시 소음을 유발하며, 전열핀(F)을 열손상시켜 열교환기(X)의 수명을 저하시키게 된다.

이와 같은 종래의 문제점을 감안하여 본 발명의 목적은 가열관과 전열핀이 틈새없이 밀착 접합될 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 접합방법은 가열관의 외주에 얇은 금속박(薄 ; foll)형태로 형성된 접합재를 감싸 뒤, 이를 전열핀의 관통구멍에 삽입하고, 접합로에서 가열하여 접합재를 용융확산시키는 것을 특징으로 한다.

이때 금속박으로 형성된 접합재가 전열핀 삽입시 손상되는 것을 방지하기 위해 전열핀의 관통구멍과 가열관 사이에는 충분한 유격(clearance)을 주어 형성한 뒤, 삽입후 가열관을 확관시켜 전열핀의 관통구멍과 밀착시키는 것이 바람직하다.

이와 같은 본 발명의 구체적인 특징과 이점들은 첨부된 도면을 참조한 이하의 바람직한 실시예의 설명으로 더욱 명확해질 것이다.

제5도에서, 가열관(P)의 외주에는 얇은 금속박형태로 형성된 접합재(1)가 감기게 된다. 접합재(1)는 가열관(P)을 감싼후 이로부터 분리되지 않도록 적정위치에서 가열관(P)에 점용접(spot welding)등으로 접합된다. 접합재(1)의 재질은 필요에 따라 여러가지로 선택될 수 있는데, 예를들어 가열관(P)과 전열핀(F)이 다같이 동계합금인 경우 접합제(1)도 동계합금의 얇은 금속박, 즉 동박(銅薄)으로 구성된다.

한편 가열관(P)의 동계이고, 전열핀(F)이 스테인리스계인 경우에는 접합재(1)는 Cu-Sn계의 금속박으로 구성될 수 있다.

이와 같이 접합재(1)가 감싸진 가열관(P)은 전열핀(F)의 관통구멍으로 삽입되는데, 이 관통구멍은 종래와 같은 안착홈(R)등이 형성되지 않은 가열관(P)의 외형에 대응하는 원형구멍이다.

이러한 삽입시 가열관(P) 외주에 감싸진 접합재(1)의 금속박이 손상되지 않도록 하기 위해서는 가열관(P)의 외주와 전열핀(F)의 관통구멍의 내주 사이에 상당한 유격이 필요하다. 그러나 접합재(1)의 확산을 위해서는 양자간의 틈새가 작은 것이 바람직하다.

이에 따라 충분한 유격을 주어 가열관(P)을 삽입한 뒤, 이를 확관시킴으로써 전열핀(F)과 밀착시키는 것이 바람직하다. 여기서 확관방법으로는 일반적으로 동관의 확관에 사용되는 버섯머리 형태의 확관헤드를 삽입시키는 방법이 사용될 수 있고, 충분한 확관을 위해서 회전형의 확관헤드를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.

가열관(P)이 삽입된 전열핀(F) 조립체, 즉 열교환기 조립체는 종래와 같이 접합로에 투입되어 소정온도로 가열됨으로써 접합된다. 즉 접합재(1)가 용융되어 가열관(P)과 전열핀(F)간의 틈새를 충전시키게 된다.

여기서 확산(擴散)이라는 용어 대신 충전(充塡)이라는 용어를 사용한 것은, 접합재(1)가 종래와 같이 틈새의 한 부위에서 다른 부위들로 퍼져 나가는 것이 아니라, 접합재(1)가 가열관(P)의 전주(全周)를 둘러싸고 있으므로 그 자리에서 용융되어 그 위치의 틈새를 메우기 때문이다.

이에 따라 틈새가 다소 불균일하더라도 접합재(1)는 잔류틈새 없이 가열관(P)의 전주를 전열핀(F)에 접합시키게 된다. 본 발명에서는 와이어형의 접합재(W) 설치를 위한 안착홈(R)도 형성되지 않으므로 가열관(P)과 전열핀(F) 사이는 완전히 밀착 접합된다.

이와 같이 본 발명에 의하면 가열관과 전열핀간에 균일한 열전달이 이루어져 열교환 효율이 향상되고, 국부적인 온도상승이 없어서 국부적인 비등이나 이에 따른 소음의 발생도 없으며 전열핀의 열손상도 방지되어 장수명이 보장된다.

Claims (2)

1. 열교환기의 가열관의 외주에 다수의 전열핀을 접합하는 방법에 있어서, 상기 가열관의 외주를 얇은 금속박으로 구성된 접합재로 감싼뒤, 상기 가열관을 상기 전열핀에 삽입하여 조립하고, 이 조립체를 소정의 온도로 유지되는 접합로에 투입하여 상기 접합재를 용융시켜 접합하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 전열핀 접합방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 가열관을 상기 전열핀에 조립한 뒤, 상기 가열관을 확관시켜 그 외주를 상기 전열핀과 밀착시키는 것을 특징으로 하는 열교환기의 전열핀 접합방법.