KR100528467B1 - 브레이징을 이용한 휜앤튜브형 열교환기 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 방열휜과 냉매관으로 구성된 휜앤튜브형(fin & tube type) 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가용재가 도포된 알루미늄 박판을 파이프 형상으로 가공한 냉매관의 외주면에 다수의 평판형 방열휜을 조립한 다음 이를 일체로 브레이징하여 냉매가 유동될 수 있는 냉매관을 형성함과 아울러 다수의 방열휜을 일체로 접합시킴으로써 열교환 효율이 향상되고 생산공정의 자동화가 가능한 브레이징을 이용한 휜앤튜브형 열교환기 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 브레이징을 이용한 휜앤튜브형 열교환기는 가용재가 도포된 알루미늄 박판을 파이프 형상으로 가공하여 냉매관을 만든 다음, 버(burr)가 형성된 평판형 방열휜의 관통구멍에 상기 가공된 냉매관을 삽입하여 조립한 후, 이를 연속로 등에서 일체로 브레이징하여 제조하는 것을 특징으로 한다.

Description

브레이징을 이용한 휜앤튜브형 열교환기 및 그 제조방법{Fin ＆ Tube type Heat Exchanger using Brazing and Method for manufacturing the same}

본 발명은 다수의 방열휜과 냉매관으로 구성된 휜앤튜브형(fin & tube type) 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가용재가 도포된 알루미늄 박판을 파이프 형상으로 가공한 냉매관의 외주면에 다수의 평판형 방열휜을 조립한 다음 이를 일체로 브레이징하여 냉매가 유동될 수 있는 냉매관을 형성함과 아울러 다수의 방열휜을 일체로 접합시킴으로써 열교환 효율이 향상되고 생산공정의 자동화가 가능한 브레이징을 이용한 휜앤튜브형 열교환기 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 휜앤튜브형 열교환기는 도1에 도시되어 있는 바와 같이, 파이프 형상의 냉매관(40) 외주면에 다수의 평판형 방열휜(45)를 일정 간격으로 설치하여 냉매관(40) 내부로 흐르는 냉매와 방열휜(45) 사이로 흐르는 열매체 간에 열교환이 이루어지는 것이다. 그러나 종래 기술에 따른 휜앤튜브형 열교환기는 도2에서 보는 바와 같이, 버(47)가 형성된 방열휜(45)의 관통구멍(48)에 삽입된 냉매관(40)을 확관시켜 단순히 물리적으로 접촉시킨 것이기 때문에 냉매관(40)과 방열휜(45) 사이의 미세틈으로 물이나 기름이 스며들어 열전달을 방해하는 단열층(F)을 형성하는 문제점이 있었다.

또한 냉매관(40)을 확관시키는 종래 기술에 따른 휜앤튜브형 열교환기는 확관을 용이하게 하기 위해 비교적 무른 성질의 금속을 사용하므로 직경이 작은 냉매관을 제작할 수 없기 때문에 열교환 효율이 떨어지고 열교환기의 부피가 커지는 문제가 있었고, 확관공정에서 사용된 윤활유를 제거하기 위해 탈지, 세척, 건조 등 복잡한 공정이 추가되므로 자동화가 어려운 문제가 있었다.

이에 따라 냉매관(40)과 방열휜(45) 사이에 틈이 형성되지 않도록 일체로 접합하는 방법이 시도되고 있으나, 관통구멍(48)에 냉매관(40)를 삽입하여야 하는 제조공정의 특성에 따라 냉매관(40)과 관통구멍(48) 사이에 불가피하게 소정 간격의 틈이 형성되어 냉매관(40)과 방열휜(45)를 긴밀하게 접합시킬 수 없는 문제점이 있었다.

이에 따라 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 주된 목적은 압출 성형방식으로 만들어진 종래의 냉매관 대신에, 소정의 알루미늄 박판을 파이프 형상으로 가공한 냉매관을 사용하되, 상기 알루미늄 박판의 양단이 접촉되는 접합선을 접합시키지 않은 상태로 방열휜의 관통구멍에 삽입하여 일체로 브레이징 함으로써 브레이징 공정중에 냉매관의 외경이 확장되어 냉매관과 방열휜 사이에 미세틈이 생기지 않도록 하는 브레이징을 이용한 휜앤튜브형 열교환기 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 냉매관과 방열휜을 브레이징하여 일체로 접합시킴으로써 복잡합 후공정을 생략하여 자동화가 가능한 브레이징을 이용한 휜앤튜브형 열교환기의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 냉매관과 방열휜 뿐만 아니라 지지판, 리턴밴드, 캡밴드 등 모든 부품을 한번에 브레이징하여 접합시킴으로써 생산공정을 단순화할 수 있는 휜앤튜브형 열교환기의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 냉매관의 재료 선택범위를 확장시켜 알루미늄이나 동 뿐만 아니라 이들의 합금 등을 자유롭게 선택할 수 있도록 함으로써 재료비를 절약하고 알루미늄이나 그 합금과 같이 단단하면서도 가벼운 재료를 사용하여 소형화 및 경량화할 수 있는 휜앤튜브형 열교환기 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 따른 열교환기는 가용재가 도포된 알루미늄 박판을 가공하여 파이프 형상의 냉매관을 만든 다음, 버(burr)가 형성된 평판형 방열휜의 관통구멍에 상기 가공된 냉매관을 삽입하여 조립한 후, 브레이징로에서 일체로 접합시키는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명의 냉매관은 압출 성형방식으로 만들어진 것이 아니라, 가용재가 도포된 알루미늄 박판을 파이프 형상으로 가공하여 만들어지고, 이 가공된 냉매관의 접합선 접합시키지 않은 상태로 평판형 방열휜의 관통구멍에 삽입한 후 일체로 접합시키는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 가공된 냉매관의 접합선을 접합시키지 않은 채 고온의 연속로에서 브레이징하면, 고열에 의해 알루미늄 박판이 열팽창되어 가공된 냉매관의 외경이 확대되기 때문에 냉매관과 방열휜이 긴밀하게 접합되게 된다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 브레이징을 이용한 휜앤튜브형 열교환기 및 그 제조방법을 상세히 설명한다.

먼저, 도3은 본 발명에 따른 냉매관(40)을 만들기 위한 알루미늄 박판을 보여주는 개략적인 사시도이다. 상기 알루미늄 박판(10)은 냉매관으로 제조될 수 있도록 적당한 두께와 폭을 갖는다. 이때 냉매관(40)의 직경을 결정하는 박판(10)의 폭은 관통구멍(48)의 직경과 냉매관(40)의 형태, 관통구멍(48)과 냉매관(40) 사이에 유지되어야 하는 적정 간격, 이종금속인 경우에는 고온에서의 열팽창 계수 등을 고려하여 결정된다. 그리고 알루미늄 박판의 적어도 일면에는 소정 두께로 가용재(11)가 코팅되어 있다. 도시된 바와 같이, 상기 가용재(10)는 알루미늄 박판(10)의 저면에 도포될 수 있고 필요에 따라서는 양면에 도포될 수도 있다. 그리고 상기 알루미늄 박판(10)에 형성된 다수의 요홈은 냉매관의 내부 표면적을 넓히고 냉매의 난류 흐름을 형성하기 위해 가공된 그루브(13)이다. 이 그루브(13)는 롤링(Rolling) 가공을 통해 형성되며 바람직하게는 알루미늄 박판(10)을 파이프 형상으로 가공하는 공정에서 가공된다.

따라서 본 발명에 따른 냉매관(40)은 상기한 알루미늄 박판(10)을 파이프 형상으로 가공하여 만들어지는데, 다단계로 이루어진 형상 가공용 롤 포밍기를 이용하여 연속적으로 공급되는 알루미늄 박판(10)을 파이프 형상의 냉매관(40)으로 가공한다. 이때 상기 냉매관(40)에는 알루미늄 박판(10)의 양측 단부가 접촉되는 하나의 접합선(20)이 형성되는데, 이 접합선(20)의 접합구조에 따라 다양한 형태의 냉매관(40)이 가공된다. 먼저, 도4a는 알루미늄 박판(10)을 파이프 형상으로 가공한 것으로서 알루미늄 박판(10)의 양측면(21)이 접촉되어 접합선(20)를 형성하는 경우이다. 따라서 접합선(20)의 접촉면적은 알루미늄 박판(10)의 두께와 동일하게 된다.

반면, 도4b에 도시된 냉매관(40)은 상기 알루미늄 박판(10)의 양측 단부에 절곡부(23)를 형성한 다음 이 절곡부(23)의 외측면이 서로 접촉되어 냉매관(40)의 내부에 위치하도록 가공한 것이다. 이와 같이 접합선(20)이 알루미늄 박판(10)의 양단에 형성된 절곡부(23)에 의해 형성되기 때문에 접합선(20)의 접촉면적이 넓어져 접합력이 좋게 된다. 한편, 도4c에 도시된 냉매관(40)은 알루미늄 박판(10)의 일측 단부에 상향의 단차부(25)를 형성하고 이 단차부(25)의 상면에 타측 단부가 접촉되어 접합선(20)을 형성하도록 가공한 것이다. 따라서 상기 단차부(25)는 접합선(20)의 접촉면적을 확대시켜 접합력이 보다 향상될 뿐만 아니라 고온에서 알루미늄 박판(10)이 연신하는 경우, 접합선(20)이 어긋나거나 이탈되는 것을 방지하는 효과가 있다. 이때 상기 단차부(25)의 높이는 상기 알루미늄 박판(10)의 두께와 동일한 것이 바람직하다.

그리고 도4d에 도시된 냉매관(40)은 상기 알루미늄 박판(10)의 양측 단부에 2단 절곡부(27)를 형성한 다음 상기 2단 절곡부(27)의 외측면이 서로 접촉되어 냉매관(40)의 내부에 위치하도록 가공한 것이다. 이와 같이 접합선(20)이 2단 절곡부(27)에 의해 형성됨으로써 접합선(20)의 접촉면적이 넓어질 뿐만 아니라 고온에서 알루미늄 박판(10)이 연신할 때, 접합선(20)이 어긋나거나 이탈되는 것을 방지한다. 또한 도4e에 도시된 냉매관(40)은 상기 알루미늄 박판(10)의 일측에는 2단 절곡부(27)를 형성하고 타단에는 3단 절곡부(29)를 형성함으로써 접촉면적을 더욱 넓히고 접합선(21)의 이탈을 완전히 방지할 수 있는 실시예이다. 그리고 냉매관(40)의 내부에는 다수의 그루브(13)를 형성하여 그 표면적을 넓히게 된다.

본 발명에 따라 가공된 냉매관(40)는 버(47)가 형성된 방열휜(45)의 관통구멍(48)에 삽입되어 조립된다. 즉, 평판형 방열휜(45)에는 냉매관(40)이 관통될 수 있는 다수의 관통구멍(48)이 천공되어 있고, 그 가장자리에는 이웃하는 방열휜(45)과의 간격을 일정하게 유지시킬 수 있도록 돌출된 버(47)가 일체로 형성되어 있다. 따라서 상기 가공된 냉매관(40)은 상기 관통구멍(48)을 관통하고 상기 버(47)의 내주면에 접촉하도록 조립된다. 이때 상기 냉매관(40)은 접합선(20)은 접합되어 있지 않은 상태이다.

한편, 상기한 바와 같이 조립된 냉매관(40)과 방열휜(45)은 고온의 연속로를 통과하는 동안에 냉매관(40) 외주면에 도포된 가용재(11)가 용융되어 상기 냉매관(20)의 접합선(20)과 냉매관(40)과 방열휜(45)의 접합부(냉매관의 외주면과 방열휜의 관통구멍 및 버의 내주면이 서로 접합되게 된다. 이때 본 발명에 따라 가공된 냉매관(40)은 도 5a에 도시된 바와 같이, 연속로의 고열에 의해 알루미늄 박판(10)이 열팽창되어 냉매관(40)의 둘레방향으로 신장됨과 아울러 방사방향으로 팽창되어 냉매관(40)의 직경이 커져 접합선(20)이 밀접하게 접합되고 냉매관(40)과 방열휜(45)의 접합부가 긴밀하게 접합된다.

또한 도5b와 도5c에서 보는 바와 같이, 연속로의 고온에 의해서 상기 평판형 방열휜(45)이 열팽창되는 경우에는 상기 방열휜(45)에 형성된 관통구멍(48)의 지름이 작아지게 되므로 고온의 연속로에 주입된 냉매관(40)과 방열휜(45)의 관통구멍(48) 및 버(47)는 서로 반대 방향으로 팽창되어 냉매관(40)과 방열휜(45)이 밀접하게 접합된다. 그러므로 냉매관(40)과 방열휜(45) 사이에는 물이나 기름이 스며들 수 있는 미세틈이 형성되지 않게 된다.

이와 같은 방법으로 다수의 방열휜(45)과 다수의 냉매관(40)를 조립하여 일체로 접합시키면, 도6 및 도7에 도시된 바와 같은 열교환기가 만들어지게 된다. 먼저 도6은 다수의 관통구멍(48)이 형성된 방열휜(45)에 다수의 냉매관(40)이 일체로 접합된 것을 보여주는 부분 측면도이고, 도7은 본 발명에 따라 일체로 접합된 열교환기를 보여주는 개략적인 사시도이다. 도시된 바와 같이, 소정 간격으로 배열된 다수의 평판형 방열휜(45)을 가로질러 다수의 냉매관(40)이 일체로 접합되어 있고, 좌우 양측에는 상기 냉매관(40)을 지지하고 상기 방열휜(45)를 보호하기 위한 지지판(60)이 각각 접합되어 있다. 이때 상기 지지판(60)은 알루미늄, 동 또는 이들의 합금으로 이루어지며 상기 방열휜(45)과 유사한 형태를 갖는다. 상기 지지판(60)는 상기 방열휜(45)보다 두꺼우며 도시되지 않은 절곡면이 형성되어 지지력을 보강한다. 한편, 상기 방열휜(45)에는 공기의 흐름을 원활하게 하는 다수의 절결홈(53:louver)이 형성되어 있다.

이어 도8에 도시된 바와 같이, 상기 열교환기의 지지판(60)에는 다수의 U자형 리턴밴드(55)를 설치하여 일측 냉매관(40)으로 주입된 냉매가 다수의 리턴밴드(55)와 냉매관(40)을 통해 지그재그 식으로 유동하는 동안 열교환이 원활하게 이루어지도록 한다. 도면상에서는 냉매의 유입구 및 유출구 등이 구체적으로 표시되지 않았으나 이러한 것은 당해 분야에 극히 용이하게 실현할 수 있는 것이다.

한편 도9와 도10은 본 발명에 따른 휜앤튜브형 열교환기의 다른 실시예로서, U자형 리턴밴드(55)를 냉매관(40)의 단부에 접합시키는 대신에, 두 개의 냉매관(40)을 연통시킬 수 있는 리턴캡(57)을 지지판(60)에 일체로 접합시키는 또 다른 실시예를 보여준다. 상기 리턴캡(57)은 일측 냉매관(40)에서 토출된 냉매를 이웃하는 냉매관(40)으로 유입시킬 수 있도록 소정의 오목부(56)가 형성되어 있으며, 상기 지지판(60)의 표면에 일체로 접합시킬 수 있도록 상기 오목부(56)의 가장자리에 플랜지(58)가 일체로 형성되어 있다. 따라서 본 실시예는 U자형 리턴밴드(55)보다 가공이 용이하고 조립이 편리한 장점을 갖는다. 한편, 상기 리턴밴드는 열교환기의 크기와 용도에 따라 다양한 구조를 가질 수 있다. 또한 상기 지지판(60)에는 필요에 따라 유입헤더나 유출헤더와 같은 부품이 더 접합될 수도 있다.

이하에서는 도11을 참조하여 본 발명에 따른 브레이징을 이용한 휜앤튜브형 열교환기의 제조공정을 살펴본다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열교환기의 제조공정은 크게 각 부품을 가공하는 부품가공공정, 각 부품을 조립하는 부품조립공정 및 조립된 부품을 일체로 접합시키는 브레이징공정으로 구분된다. 먼저 본 발명에 따른 냉매관은 가용재가 도포된 알루미늄 박판을 파이프 형상으로 연속 가공하는 성형(롤 포밍)단계와, 파이프 형상으로 가공된 냉매관을 적당한 크기로 절단하는 절단단계와, 절단된 냉매관에 플럭스를 도포하는 플럭스 도포단계를 통해 제조된다. 이때 상기 성형단계는 알루미늄 박판의 양 단부에 소정의 절곡부나 단차부를 형성하는 절곡부 형성공정이나 냉매관의 내벽에 그루브를 형성하는 그루브공정이 포함될 수 있다.

그리고, 본 발명의 평판형 방열휜은 동판이나 알루미늄 박판을 프레스 가공하여 다수의 관통구멍 및 버 등을 형성하는 프레스단계와, 상기 프레스 단계에서 가공된 방열휜의 표면에 소정의 플럭스를 도포하는 플럭스 도포단계를 통해 만들어 진다. 이때 상기 플럭스는 가용재의 유동을 원활하게 하고 판재 압연시 소재의 표면에 형성되는 산화물을 제거하여 접합성을 높이는 기능을 한다. 그리고 상기 플럭스는 비 세척용인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 리턴캡은 가용재가 도포된 알루미늄 판재에 오목부와 플랜지를 형성하는 프레스단계와 플럭스 도포단계를 통해 제조되고, 본 발명에 따른 지지판은 지지판 프레스단계와 플럭스 도포단계를 통해 제조된다.

이어서, 이렇게 제조된 다수의 냉매관은 일정한 간격으로 배열된 다수의 방열휜의 관통구멍에 가로질러 삽입되며 그 양단에는 지지판이 설치되고, 상기 지지판에는 다수의 리턴캡이 고정되어 하나의 조립품으로 조립되게 된다. 그리고 이렇게 조립된 조립품은 고온의 연속로를 통과하면서 용융된 가용재의 작용에 의해 일체로 접합되는 브레이징 단계를 거치게 된다. 여기서 브레이징(Brazing)은 모재의 용융점 이하에서 녹는 가용재(filler metal)를 녹여 모재를 접합시키는 기술로서 모재를 가열하여 일정한 온도에 이르면 가용재가 녹아 모세관 현상에 의해 모재의 접합부분의 틈 사이로 흘러 들어가서 양 모재를 일체로 접합시키는 방법이다.

그리고 브레이질 할 때는 플럭스를 이용하거나 환원성 분위기 또는 진공분위기 중에서 가열함으로써 산화물생성을 억제하여 가용재가 모재 사이로 잘 흘러들어가도록 해야 한다. 따라서 열교환기를 브레이질 할 때는 질소 분위기의 브레이징 노(Nitrogen Brazing Furance)를 사용하는 것이 바람직하다.

이어서 브레이징 공정이 완료되면, 평판형 방열휜의 표면을 코팅처리하기 위한 코팅공정이 더 포함될 수 있다. 바람직한 코팅처리로는 응결수가 원활히 흘러내릴 수 있도록 하기 위한 친수코팅, 미생물이나 세균의 발생을 억제하기 위한 항균처리, 부식을 방지하기 위한 부식방치처리 등이 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 열교환기 및 그 제조방법은 파이프 형상으로 가공된 알루미늄 박판의 접합선을 접합시키지 않은 상태로 방열휜의 관통구멍에 삽입하여 일체로 브레이징 하기 때문에 브레이징 도중에 상기 냉매관의 외경이 확장되어 냉매관과 방열휜의 접합이 밀접하게 되어 열전달효율이 향상되는 효과가 있다.

또한 본 발명은 냉매관과 방열휜을 브레이징으로 접합시키기 때문에 복잡한 후처리공정이 생략되어 자동화가 용이하게 되는 효과가 있다.

본 발명은 또한 냉매관의 재료 선택범위를 확장시켜 알루미늄이나 동 뿐만 아니라 이들의 합금 등을 자유롭게 선택할 수 있도록 함으로써 재료비를 절약하고 단단하면서도 가벼운 재료를 사용할 수 있어 열교환기를 소형화 및 경량화할 수 있는 효과가 있다.

도1은 종래 기술에 따른 휜앤튜브형 열교환기의 개략적인 사시도 이고,

도2는 종래 기술에 따른 휜앤튜브형 열교환기의 부분 확대도로서 방열휜과 냉매관 사이에 형성된 단열층(F)을 보여주는 확대도이고,

도3은 본 발명에 따른 휜앤튜브형 열교환기의 냉매관을 만들기 위한 알루미늄 박판을 보여주는 개략적인 사시도,

도4a 내지 4e는 본 발명에 따라 파이프 형상으로 가공된 냉매관의 다양한 형태를 보여주는 사사도,

도5a, 5b 및 5c는 브레이징 공정에서 나타나는 냉매관과 방열휜의 열팽창을 설명하기 위한 개념적인 설명도,

도6은 본 발명에 따라 제조된 열교환기를 보여주는 부분 측면도,

도7은 본 발명에 따라 제조된 열교환기를 보여주는 개략적인 사시도,

도8은 도7의 열교환기에 U자형 리턴밴드를 설치한 모습을 보여주는 개략적인 사시도,

도9는 도7의 열교환기에 리턴캡을 설치한 모습을 보여주는 개략적인 부분 사시도,

도10은 도9의 리텁캡을 보여주는 확대 단면도,

도11은 본 발명에 따른 휜앤튜브형 열교환기의 제조공정을 보여주는 흐름도이다.

*****도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*****

10 : 알루미늄 박판 11 : 가용재

13 : 그루브 20 : 냉매관의 접합부

23 : 절곡부 25 : 단차부

40 : 냉매관 45 : 방열휜

47 : 버(burr) 48 : 관통구멍

53 : 절결홈 55 : U자형 리턴밴드

57 : 리턴캡 60 : 지지판

Claims (9)

1. 가용재가 도포된 알루미늄 박판을 파이프 형상으로 가공하고, 파이프 형상으로 가공된 알루미늄 박판의 양단이 접촉되는 접속선을 접합시키지 않은 상태로 다수의 버가 형성된 평판형 방열휜의 관통구멍에 삽입하여 조립한 후 이를 브레이징하여 일체로 접합하는 것을 특징으로 하는 브레이징을 이용한 휜앤튜브형 열교환기의 제조방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 가용재가 도포된 알루미늄 박판의 양 단부에 소정의 절곡부를 형성하여 접합선의 접촉면적을 넓히는 것을 특징으로 하는 브레이징을 이용한 휜앤튜브형 열교환기의 제조방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 절곡부가 2단 또는 3단 절곡부인 것을 특징으로 하는 브레이징을 이용한 휜앤튜브형 열교환기의 제조방법.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제