KR100954091B1

KR100954091B1 - 열교환기 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100954091B1
Application number: KR1020030071115A
Authority: KR
Inventors: 김기홍
Original assignee: 한라공조주식회사
Priority date: 2003-10-13
Filing date: 2003-10-13
Publication date: 2010-04-23
Also published as: KR20050035446A

Abstract

본 발명은 열교환기 및 그 제조방법에 관한것으로서, 더욱 상세하게는 브레이징 전의 열교환기에 도포되는 플럭스 혼합물에 불화아연 화합물을 혼합함으로서 브레이징에 도움을 줌은 물론 열교환기의 내식성도 향상한 열교환기 및 그 제조방법에 관한 것이다.

이에 본 발명은 다수의 적층된 튜브(3)와, 상기 튜브(3)들 사이에 개재되는 방열핀(4)과, 상기 튜브(3)들과 연통하는 탱크(2)를 포함하여 구성되며 상기 구성요소들의 표면에 플럭스 혼합물로 코팅층을 형성한 후 브레이징하여 제작되는 열교환기에 있어서, 상기 플럭스 혼합물에 불화아연화합물을 미리 혼합하여 브레이징시 상기 열교환기(1) 표면(1a)에 아연확산층(10)이 형성되는 것을 특징으로 하며,

이의 제조방법은 열교환기(1)를 이루는 구성요소들을 성형하는 성형공정(100); 상기 성형공정(100)을 거쳐 제작된 열교환기(1) 구성요소들의 표면(1a)에 플럭스 혼합물과 불화아연 화합물을 혼합한 액을 도포하는 플럭싱처리공정(110); 상기 플럭싱처리공정(110)을 거친 구성요소를 가조립하는 조립공정(120); 상기 조립공정(120)을 거쳐 조립된 각 구성요소의 접촉부를 접합함과 아울러 상기 표면(1a)에 아연확산층(10)을 형성하는 브레이징공정(130)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

열교환기, 튜브, 방열핀, 플럭스, 불화아연 화합물

Description

열교환기 및 그 제조방법{Heat exchanger and it's manufacturing method}

도 1은 본 발명에 따른 열교환기를 나타내는 정면도,

도 2는 본 발명에 따른 열교환기에 아연확산층이 형성된 상태를 나타내는 확대도,

도 3은 본 발명에 따른 열교환기 제조방법을 나타내는 공정도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

1: 열교환기 1a: 표면

2: 탱크 3: 튜브

4: 방열핀 5: 엔드플레이트

6: 입구파이프 6a: 출구파이프

10: 아연확산층 10a: 아연층

10b: 확산층 100: 성형공정

110: 플럭싱처리공정 115: 건조공정

120: 조립공정 130: 브레이징공정

열교환기는 두 종류의 유체 사이에서 열을 이동시켜 필요한 성능을 얻는 장치이며, 이러한 열교환기의 재질로 사용되는 알루미늄은 가볍고, 비교적 강도가 높으며, 열교환성능이 우수할 뿐만 아니라 가공성이 우수하다는 장점으로 인하여 예컨대 자동차용 공조장치를 구성하는 열교환기의 중요한 소재로 사용되고 있다.

열교환기를 제조할 경우 통상적으로 알루미늄 부품들인 튜브, 방열핀, 탱크 등을 조립하여 고정한 조립체를 노(爐)에 넣어 소정온도로 가열하는 브레이징공정을 통하여 알루미늄 부품들을 서로 접합함으로서 열교환기를 제조하게 된다.

이처럼 알루미늄 부품들을 서로 접합하여 제품을 만들기 위하여 알루미늄 보다 융점이 낮은 브레이징재를 압출에 의하여 선재 형태 또는 링 형태로 만들거나, 압연에 의하여 클래딩처리하거나, 또는 분말의 형태로 만들어 이를 알루미늄 부품들의 접합부에 피복 또는 결합하여 브레이징함으로서 알루미늄 부품들을 서로 접합하게 된다.

이러한 브레이징재로는 Al-Si 합금을 주재로 하여 이루어진 것이 주로 사용되지만 브레이징시에는 소재의 표면에 형성되는 산화피막, 즉 산화알루미늄(Al₂O₃)이 생성되어 브레이징재의 유동성을 방해하기 때문에 미접합부위가 발생하기 쉽고 접합상태도 양호하지 못하다.

따라서, 비산화분위기를 조성하여 대기중에서도 산소와 소재와의 접촉을 차단하여 산화알루미늄막의 생성을 막을 수 있도록 알루미늄 부품들의 표면에 플럭스(flux)를 도포한 후 브레이징 하는 CAB(Controled Atmosphere Brazing) PROCESS 와, 플럭스를 도포하지 않고 진공로에서 브레이징하는 VAC(진공) 브레이징 PROCESS 가 사용되고 있다.

한편, 최근에는 상기 알루미늄을 이용한 열교환기의 내식성을 향상시키기 위해 내식성이 향상된 소재가 개발되고 있는 바,

국내 특허공개번호 제 2000-0070349호(명칭: 알루미늄재 열교환기 코어와 그의 제조방법)는 열교환기 튜브의 외측표면에 규소와 불소타입플럭스의 혼합물로 구성된 브레이징재를 도포하고, 방열핀은 아연(Zn)을 함유하는 알루미늄재로 성형하여 제조한다. 이후 상기 튜브와 방열핀을 소정온도로 가열하여 상호 접합하게 되며, 이때 상기 튜브의 외측표면에는 규소와 아연의 혼합확산층이 형성됨으로서 희생약극효과에 의해 열교환기의 내식성을 향상시키는 것이다.

그러나, 상기처럼 아연이 함유된 알루미늄재의 방열핀을 이용하여 내식성을 향상시키는 경우 상대재와의 거리에 민감하여 상기 방열핀과 일정거리 이상 떨어져 있는 상기 튜브측 부위는 희생양극효과를 보기 어려워 부식되기 쉽고, 아울러, 내식성이 향상된 소재는 가공성등의 제약으로 인해 개발이 어려운 문제도 있다.

한편, 이 외에도 열교환기의 내식성을 향상하기 위해 아연이 다량 함유된 브레이징재를 이용하는 경우는, 브레이징 후 브레이징재가 녹아 형성된 접합부가 먼 저 부식되는 등의 문제가 있어 그 사용에 한계가 있었다.

상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 열교환기의 표면에 플럭스 혼합물과 불화아연 화합물을 혼합하여 도포한 후 브레이징함으로서 상기 열교환기의 각 구성요소들의 접합부 브레이징에 도움을 줌은 물론 열교환기의 표면에 아연확산층이 형성되어 열교환기의 내식성도 향상시킨 열교환기 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다수의 적층된 튜브와, 상기 튜브들 사이에 개재되는 방열핀과, 상기 튜브들과 연통하는 탱크를 포함하여 구성되며 상기 튜브와 방열핀 및 탱크의 표면에 플럭스 혼합물로 코팅층을 형성한 후 브레이징하여 제작되는 열교환기에 있어서, 상기 플럭스 혼합물에 불화아연화합물을 미리 혼합하여 브레이징시 상기 열교환기 표면에 아연확산층이 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 열교환기를 이루는 구성요소들을 성형하는 성형공정; 상기 성형공정을 거쳐 제작된 열교환기 구성요소들의 표면에 플럭스 혼합물과 불화아연 화합물을 혼합한 액을 도포하는 플럭싱처리공정; 상기 플럭싱처리공정을 거친 구성요소를 가조립하는 조립공정; 상기 조립공정을 거쳐 조립된 각 구성요소의 접촉부를 접합함과 아울러 상기 표면에 아연확산층을 형성하는 브레이징공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

종래에 있어서와 동일한 부분에 대한 반복되는 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환기를 나타내는 정면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 열교환기에 아연확산층이 형성된 상태를 나타내는 확대도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열교환기(1)는 상호 대향되게 설치되는 탱크(2)와, 상기 탱크(2)에 양 단부가 연통되게 결합되며 내부에 소정형상의 유로가 형성된 다수개의 튜브(3)와, 상기 튜브(3)들 사이에 개재되어 열교환을 촉진시키는 방열핀(4)을 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 튜브(3) 및 방열핀(4)들의 보강을 위하여 이들의 최외측에는 엔드 플레이트(5)가 설치된다.

또한, 상기 열교환기(1)는 작동유체의 유입/유출을 위해 상기 탱크(2)측에 입,출구파이프(6)(6a)가 형성된다.

따라서, 작동유체가 상기 입구파이프(6)를 통해 상기 열교환기(1) 내부로 유입되면 각 튜브(3)들의 유로를 따라 유동하면서 외부 공기와 열교환을 수행한 후 상기 출구파이프(6a)를 통해 배출된다.

상기와 같은 작용을 하는 열교환기(1)는, 상기 열교환기(1)의 내식성을 향상하여 부식을 방지할 수 있도록 상기 열교환기(1)의 알루미늄 표면(1a)에 아연확산층(10)이 형성된다.

즉, 상기 열교환기(1)를 이루는 각 구성유소들을 접합하기 위해 상기 튜브(3) 및 방열핀(4) 등의 표면에 브레이징재를 부착한 후, 브레이징시 알루미늄 표면(1a)에 생성되는 산화피막을 제거하고 상기 브레이징재의 유동성을 개선하여 접합이 원할히 이루어질 수 있도록 함과 아울러 열교환기(1)의 내식성을 향상할 수 있도록 브레이징 전의 열교환기(1) 표면(1a)에 플럭스혼합물과 불화아연화합물을 혼합한 혼합물을 도포한다.

여기서, 상기 플럭스혼합물은 칼륨계 불화알루미늄 화합물로 구성된 KAlF₄, K₂AlF₅및 K₂AlF₅·H₂O 중 1종 또는 그 이상을 사용하는 것이 바람직하지만, 이 외에도 다양한 플럭스혼합물을 사용할 수 있다.

그리고, 상기 불화아연 화합물은 KZnF₃인 것이 바람직하다.

아울러, 상기 불화아연 화합물은 상기 플럭스혼합물의 총 중량에 대하여 5∼50 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 불화아연 화합물이 5% 이하이면 열교환기(1)의 내식성 향상 정도가 미미하고, 50% 이상이 되면 플럭스혼합물의 젖음성 저하 및 융점의 상승 등으로 브레이징에 문제가 있게 된다.

이렇게 본 발명은 상기 열교환기(1)의 표면(1a)에 칼륨계 불화물 플럭스혼합물과 아연을 함유하는 불화물을 혼합한 혼합물을 도포한 후 브레이징노를 통과하게 되는데,

이 과정에서 상기 플럭스혼합물은 상기 브레이징재 보다 먼저 녹아 소재의 표면(1a)을 적시게 되고, 소재의 표면(1a)에 존재하는 산화피막층을 제거하게 된다. 아울러, 표면(1a)에 플럭스혼합물이 녹아 형성된 막은 산화피막 제거와 함께 들어난 알루미늄층이 산소와 결합하여 재산화하지 못하도록 차단하는 역할을 하며, 이에 따라 브레이징재가 적정한 온도에서 녹아 산화피막의 방해를 받지않고 표면장력에 의해 접합부로 원활히 흘러들어가 채우게 되므로서 접합이 완료된다.

그리고, 불화아연화합물은 브레이징시 녹아 상기 열교환기(1)의 알루미늄 표면(1a)에 골고루 퍼지게 되며 이때 아연성분도 함께 표면(1a) 전체에 퍼져 아연층(10a)을 형성하거나 또는 일부가 알루미늄 표면(1a) 내부로 확산되어 들어간 확산층(10b)을 형성하여 부식환경에 노출시 희생양극으로 작용하여 상기 아연확산층(10)이 열교환기(1)의 구성요소 보다 먼저 부식되어지므로 구성요소들을 부식으로 부터 보호하게 된다.

따라서, 소재의 변경없이도 열교환기(1)의 내식성을 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 아연확산층(10)은 상기 열교환기(1)를 구성하는 튜브(3), 방열핀(4), 탱크(2)의 표면(1a) 모두에 형성될 수도 있지만, 부식이 발생할 경우 열교환기(1) 성능과 직접적인 관련이 있는 상기 튜브(3)와 탱크(2)의 표면(1a)에만 형성되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 내식성을 향상한 열교환기(1)의 제조방법은 다음과 같으며, 아울러 동일한 부분에 대한 반복되는 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명에 따른 열교환기 제조방법을 나타내는 공정도로서, 크게 성형공정(100), 플럭싱처리공정(110), 조립공정(120), 브레이징공정(130)을 포함하여 이루어지며, 보다 상세하게는 성형공정(100), 플럭싱처리공정(110), 건조공정(115), 조립공정(120), 브레이징공정(130)이 순차적으로 진행된다.

가. 성형공정(100),

상기 열교환기(1)를 이루는 구성요소인 튜브(3), 방열핀(4) 및 탱크(2) 등을 프레스로 성형하는 공정이다.

나. 플럭싱처리 공정(110),

상기 성형공정(100)을 거쳐 제작된 열교환기(1)의 구성요소들을 상기 플럭스혼합물과 불화아연 화합물을 혼합한 액에 침적 또는 스프레이 하는 공정이다.

이에 따라, 상기 열교환기 표면(1a)은 상기 플럭스혼합물과 불화아연 화합물로 구성되는 코팅층을 형성하게 된다.

그리고, 상기 플럭스혼합물은 아래에서 설명될 브레이징공정(130)시 열교환기(1)의 각 구성요소들의 접합을 돕는다.

즉, 상기 플럭스혼합물은 산화피막을 제거함은 물론 알루미늄 표면(1a)을 피복하여 재산화를 방지하며 브레이징재의 유동성을 개선하게 된다.

한편, 상기 불화아연 화합물은 앞서 설명한 바와 같이, 브레이징 후 상기 열교환기(1)의 알루미늄 표면(1a)에 아연층(10a) 또는 일부가 알루미늄 표면(1a) 내부로 확산되어 들어간 확산층(10b)을 형성하여 부식환경에 노출시 희생양극으로 작용하도록 함으로서 열교환기(1)의 내식성을 향상하게 된다.

다. 건조공정(115),

상기 플럭싱처리공정(110)을 거치면서 플럭스혼합물과 불화아연 화합물의 혼합액으로 코팅된 상태의 상기 튜브(3), 방열핀(4), 탱크(2) 등을 건조하는 공정이다.

라. 조립공정(120),

상기 건조공정(115)을 거친 열교환기(1)의 구성요소들을 가조립하는 공정이다.

마. 브레이징공정(130),

상기 조립공정(120)을 거쳐 가조립된 상기 열교환기(1)의 각 구성요소의 접촉부를 접합함과 아울러 상기 열교환기(1)의 표면(1a)에 아연확산층(10)을 형성하는 공정이다.

브레이징 공정(130)은 분위기에 따라서 CAB(Controled Atmosphere Brazing) PROCESS 와 VAC(진공) 브레이징 PROCESS 2가지 방법이 있으나, 본 발명은 플럭스혼합물을 사용하는 CAB PROCESS 에 적합한 방법이다.

즉, 상기 가조립된 열교환기(1)는 상기 CAB PROCESS 내에서 브레이징이 이루어지며, 이때 브레이징 온도(약 600도)에 의한 열패창에 의해 상기 튜브(3) 및 방열핀(4) 등의 알루미늄 표면(1a)에 형성된 산화피막이 파괴되며, 상기 파괴된 틈으로 상기 플럭스혼합물이 침투하면서 산화피막이 제거되고, 계속해서 상기 튜브(3) 및 방열핀(4) 등의 표면에 피복되어 있는 브레이징재가 용융되어 상기 구성요소들 의 접촉부에서 접합이 이루어진다.

그리고, 상기 플럭스혼합물에 혼합되어 있는 상기 불화아연 화합물은 상기 열교환기(1)의 알루미늄 표면(1a)에 아연확산층(10)을 형성하게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 상기에서 구체적으로 설명한 열교환기(1) 제조공정에 한정되지 않고, 상황에 따라 공정을 추가 또는 삭제하거나 공정순서를 변경하여도 본 발명과 동일한 효과를 얻을 수 있음은 물론이며, 다양한 열교환기(1) 즉, 라디에이터, 응축기, 증발기, 히터코어 등에 동일하게 적용할 수 있다.

상기한 본 발명에 따르면, 상기 열교환기의 표면에 플럭스혼합물과 불화아연 화합물을 혼합하여 도포한 후 브레이징함으로서 상기 열교환기의 알루미늄 표면에 생성되는 산화피막을 제거함은 물론 재산화를 방지하며 브레이징재의 유동성을 개선하여 열교환기 구성요소들의 접합이 원활하게 이루어진다.

또한, 브레이징 후에는 상기 열교환기의 알루미늄 표면에 아연확산층이 형성되어 소재의 변경없이도 희생양극효과에 의해 열교환기의 내식성이 향상된다.

Claims

다수의 적층된 튜브(3)와, 상기 튜브(3)들 사이에 개재되는 방열핀(4)과, 상기 튜브(3)들과 연통하는 탱크(2)를 포함하여 구성되며 상기 튜브(3)와 방열핀(4) 및 탱크(2)의 표면에 플럭스 혼합물로 코팅층을 형성한 후 브레이징하여 제작되는 열교환기에 있어서,

상기 플럭스 혼합물에 불화아연 화합물을 미리 혼합하여 브레이징시 상기 열교환기(1) 표면(1a)에 아연확산층(10)을 형성하되,

상기 불화아연 화합물이 상기 플럭스 혼합물 총 중량에 대하여 5∼50 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 1 항에 있어서,

상기 불화아연 화합물은 KZnF₃인 것을 특징으로 하는 열교환기.
삭제
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 플럭스 혼합물은 칼륨계 불화알루미늄 화합물로 구성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
열교환기(1)를 이루는 구성요소들을 성형하는 성형공정(100);

상기 성형공정(100)을 거쳐 제작된 열교환기(1) 구성요소들의 표면(1a)에 플럭스 혼합물과 불화아연 화합물을 혼합한 액을 도포하는 플럭싱처리공정(110);

상기 플럭싱처리공정(110)을 거친 구성요소를 가조립하는 조립공정(120);

상기 조립공정(120)을 거쳐 조립된 각 구성요소의 접촉부를 접합함과 아울러 상기 표면(1a)에 아연확산층(10)을 형성하는 브레이징공정(130)을 포함하여 이루어지되,

상기 불화아연 화합물이 상기 플럭스 혼합물 총 중량에 대하여 5∼50 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 제조방법.
제 5 항에 있어서,

상기 불화아연 화합물은 KZnF₃인 것을 특징으로 하는 열교환기의 제조방법.
삭제
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

상기 플럭스 혼합물은 칼륨계 불화알루미늄 화합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 제조방법.