KR101349359B1

KR101349359B1 - 콘덴서 튜브의 인장강도를 증가시킨 열교환기 제조방법

Info

Publication number: KR101349359B1
Application number: KR1020120062586A
Authority: KR
Inventors: 김병걸; 구재관; 김상수; 김종배
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2014-01-17
Also published as: KR20130138985A

Abstract

본 발명은 콘덴서 튜브의 인장강도를 증가시킨 열교환기 제조방법에 관한 것으로, Fe 0.05~0.2wt%, Zr 0.1~0.5wt%, MM(Misch metal) 0.01~0.2wt%, Sc 0.01~0.2wt%, Y 0.001~0.01wt% 로 구성되고, 나머지는 알루미늄을 용해하고 합금화하여, 연속주조기를 통하여 알루미늄 합금 라드를 제조한 후, 이를 컨폼압출하여 콘덴서 튜브를 형성시키고, 이를 핀재, 헤드파이프와 조립하고 브레이징하여 열교환기를 형성시킨 다음, 열교환기를 200℃ 내지 500℃의 온도에서 열처리시켜 콘덴서 튜브의 인장강도를 증가시킨 열교환기 제조방법을 기술적 요지로 한다. 이에 따라, 알루미늄 합금을 형성하고, 이를 이용하여 콘덴서 튜브를 형성하고 열교환기를 형성한 후, 소정의 열처리를 함에 의해 콘덴서 튜브의 인장강도가 증가되는 이점이 있다.

Description

콘덴서 튜브의 인장강도를 증가시킨 열교환기 제조방법{manufacturing method for condenser tube increased tensile strength}

본 발명은 열처리 공정을 새롭게 도입하여 콘덴서 튜브의 인장강도를 증대시킨 열교환기 제조방법에 관한 것으로, 알루미늄 합금을 형성하고, 이를 이용하여 콘덴서 튜브를 형성하고 열교환기를 형성한 후, 소정의 열처리를 함에 의해 콘덴서 튜브의 인장강도를 증가시킨 열교환기 제조방법을 기술적 요지로 한다.

일반적으로 냉방기기인 냉동 공조기의 구성은 액체냉매를 운반하는 역할을 하는 압축기(compressor), 냉방기기의 바깥으로부터 유입되는 높은 온도의 공기를 제공받아 찬 공기를 실내에 배출시키는 역할을 하는 증발기(evaporator), 기체냉매를 액화시키는 역할을 하는 콘덴서(condenser)로 구성된다.

냉동기나 공조기의 작동유로 사용되고 있는 CFC계 및 HCFC계 냉매가 오존층 파괴의 주요 원인 물질로 밝혀짐에 따라 세계 각국은 새로운 대체 냉매를 개발하여 적용중에 있으며, 현재까지 개발되어 사용되고 있는 냉매로는 R-134a(CH₂-FCF₃), R-404(HFC125 44%, HFC143a 52%, HFC134a 4%), R-410a 등이 있으며 자동차의 냉동 공조기의 신냉매로는 R-134a를 사용하고 있다.

가전용 및 자동차용 열교환기는 소형화, 고성능화가 추진되고 있으며 소형화되면 설치공간의 절약효과뿐만 아니라, 전기에너지를 절감할 수 있다.

따라서 콘덴서 튜브의 박육화, 편평화, 멀티셀(multi cell)화, 고효율화에 의한 성능 개선을 꾀하고 있다. 이러한 성능 개선을 위해서는 필연적으로 콘데서 튜브의 강도 증가가 필수적이다.

현재 시판되고 있는 가전용 냉방기기의 설계형식을 그대로 유지하면서 대체냉매를 사용한다면, 현재와 같은 냉방능력을 얻기 위해서는 냉방기기의 크기가 증가하여 소형화에 역행하게 된다.

콘덴서용 튜브는 향후 더욱 소형화, 경량화하는 방향으로 개발되며, 소재적인 측면에서 우수한 인장 강도 특성을 요구하게 된다. 또한 기체 냉매가 콘덴서를 구성하는 다공 알루미늄 튜브를 통과하는 동안에 튜브에 접촉되어 있는 핀(pin)재를 통하여 열전달로 방열되므로 튜브의 열전도도가 우수하여야 한다.

이와 같이, 콘덴서용 튜브로 알루미늄 합금을 사용하기 위해서는 알루미늄 합금의 여러 물성 중에서 인장강도와 열전도도가 가장 중요하다. 그러나 이 두 가지의 물성은 서로 반비례하여 요구하는 물성 목표치에 맞게 제조공정이 변화하게 된다. 알루미늄 합금 내에 합금원소가 첨가될 경우 강도는 증가하나 열전도도는 감소하게 되므로 콘덴서의 효율을 떨어뜨리게 된다.

특히, 알루미늄 합금을 이용하여 콘덴서 튜브를 형성하고 이를 열교환기로 형성하는 경우, 열교환기는 콘덴서 튜브(Condenser Tube)와 핀(Pin)재, 헤드파이프(Headpipe) 등으로 구성되어 이를 조립하고 브레이징 과정을 거쳐 열교환기가 완성된다. 이러한 브레이징 과정을 거치면서 콘덴서 튜브의 강도는 감소하게 되는 등의 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 종래기술들의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 인장 강도가 향상된 콘덴서 튜브를 장착한 열교환기 제조방법에 관한 것으로, 알루미늄 합금을 형성하고, 이를 이용하여 콘덴서 튜브를 형성하고 열교환기를 형성한 후, 소정의 열처리를 함에 의해 콘덴서 튜브의 인장강도를 증가시킨 열교환기 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, Fe 0.05~0.2wt%, Zr 0.1~0.5wt%, MM(Misch metal) 0.01~0.2wt%, Sc 0.01~0.2wt%, Y 0.001~0.01wt% 로 구성되고, 나머지는 알루미늄을 용해하고 합금화하여, 연속주조기를 통하여 알루미늄 합금 라드를 제조한 후, 이를 컨폼압출하여 콘덴서 튜브를 형성시키고, 이를 핀재, 헤드파이프와 조립하고 브레이징하여 열교환기를 형성시킨 다음, 열교환기를 200℃ 내지 500℃의 온도에서 열처리시켜 콘덴서 튜브의 인장강도를 증가시킨 열교환기 제조방법을 기술적 요지로 한다.

여기서, 상기 열교환기는 콘덴서 튜브, 핀재, 헤드파이프를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

이에 따라, 알루미늄 합금을 형성하고, 이를 이용하여 콘덴서 튜브를 형성하고 열교환기를 형성한 후, 소정의 열처리를 함에 의해 콘덴서 튜브의 인장강도가 증가되는 이점이 있다.

상기의 구성에 의한 본 발명은 알루미늄, 합금을 형성하고, 이를 이용하여 콘덴서 튜브를 형성하고 열교환기를 형성한 후, 소정의 열처리를 함에 의해 콘덴서 튜브의 인장강도가 증가됨에 의해 소형화, 박육화와 고강도화가 가능한 열교환기를 형성할 수 있는 효과가 있다.

도 1 - 본 발명에 따라 제조된 콘덴서 튜브의 요부 종단면도.
도 2 - 본 발명에 따라 제조된 열교환기의 사진을 나타낸 도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따라 제조된 콘덴서 튜브의 요부 종단면도이고, 도 2는 본 발명에 따라 제조된 열교환기의 사진을 나타낸 도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 인장강도를 향상시키면서 열전도도를 개선 시키기 위한 것으로, Fe 0.05~0.2wt%, Zr 0.1~0.5wt%, MM(Misch metal) 0.01~0.2wt%, Sc 0.01~0.2wt%, Y 0.001~0.01wt% 로 구성되며, 나머지는 알루미늄을 용해하고 합금화하여 연속주조기를 통하여 알루미늄 합금 라드를 만들고, 이 합금 라드를 컨폼 압출하여 콘덴서 튜브를 형성시키고, 상기 콘덴서 튜브를 이용하여 조립하고 브레이징하여 열교환기를 형성시킨 후, 이 열교환기를 200℃ 내지 500℃의 온도에서 소정의 시간 동안 열처리하여 콘덴서튜브의 인장 강도를 향상시키는 것이다.

콘덴서 튜브용 알루미늄 합금을 제조하기 위해 Fe : 0.05~0.2wt%, Zr : 0.1~0.5wt%, MM(Misch metal) : 0.01~0.2wt%, Sc : 0.01~0.2wt%, Y : 0.001~0.01wt%, 나머지 알루미늄을 용해하여 합금화 하고, 주조기에서 상기 알루미늄 합금을 주조바로 성형한 후, 다단 압연기를 통해 상기 주조바를 9.5㎜ ~ 12.5㎜ 직경으로 열간 다단 압연하여, 코일기를 통해 알루미늄 합금 라드(Rod) 형태로 권취 하는 공정인 연속주조공정에 의해 제조된다. 상기의 형상으로 제조된 알루미늄 합금 라드는 컨폼(Conform) 압출을 통하여 콘덴서 튜브로 압출되어 진다.

Fe, Zr, MM(Misch metal), Sc 및 Y은 용해과정 또는 열처리 중에 알루미늄과 함께 Al₃Fe, Al₃Zr, Al₃Sc, Al₃MM로 알루미늄과 함께 석출이 되어 미세입자를 형성하는 분산질 형성원소이다. 이러한 석출물 형성은 종래기술로 공지되어 있으며, 미세 석출물 형성은 연속 주조 및 다단 압연과정에서 형성되며, 통상적으로 주조 과정에서 형성된 석출물은 연속 다단 압연과정에서 더욱 미세하게 분쇄되어 입내 및 입계로 분산된다.

상기의 알루미늄 합금 라드를 이용하여 컨폼(Conform) 압출하게 되면 입내 및 입계에 분산되어 있던 석출물이 컨폼하는 과정에서 압출방향을 따라 입계로 더욱 미세하게 석출되어 진다. 입계로 석출된 미세한 분산재에 의하여 인장강도를 향상시키게 되며 열전도도가 개선되게 된다.

Fe는 알루미늄 합금내에서 강도를 증가시키는 역할을 하는 것으로 그 함유 량을 0.05~0.2wt%로 한정한다.

Zr은 미세 석출물 형성 원소로 항복강도, 인장강도 증가와 더불어 내열성을 향상시키는 원소로 주조 및 열처리 과정에서 미세한 Al₃Zr 석출물이 생성되는 것으로 그 함유량을 0.1~0.5wt%로 한정한다.

MM(Misch metal)은 Sc, Y, Hf, La, Ce, Pd, Nb 등의 희토류 원소의 구성체로 항복강도, 인장강도와 더불어 내열성을 향상시키는 원소로 주조 및 열처리 과정에서 미세한 석출물이 생성되는 원소이며 그 함유량을 0.01~0.2wt%로 한정한다.

Sc는 미세 석출물 형성원소로 항복강도, 인장강도 증가와 더불어 내열성을 향상시키는 원소로 주조 및 열처리 과정에서 미세한 Al₃Sc 석출물이 생성되는 것으로 그 함유량을 0.01~0.2wt%로 한정한다.

Y는 Al-Zr 합금에서 Y의 0.001% 만의 첨가로 열전도도를 감소시키지 않고 재결정온도를 285℃에서 305℃까지 높여 준다.

상기에 나타난 각 원소들을 미량 복합첨가하게 되면 단독으로 다량 첨가한 알루미늄 합금에 비하여 첨가원소들의 편석을 방지하면서 인장강도를 증가시키는 상승 효과를 제공하게 된다.

하나의 바람직한 실시예에 따르면 본 발명에 따른 재료의 조성은 다음을 포함한다.

상기 표1에서 Fe, Zr, MM(Misch metal), Sc 및 Y를 제외한 원소들은 불순물로 간주해도 무방하다.

이하 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금 콘덴서 튜브의 인장강도를 향상시키기 위해서는 아래의 조성을 갖는 알루미늄 합금에 대하여 용해하여 합금화 하였으며, 구체적인 재료의 조성은 아래의 표2와 같다.

하기 표2에서 Fe, Zr, MM(Misch metal), Sc 및 Y를 제외한 원소들은 불순물로 간주해도 무방하다.

본 발명에 따른 콘덴서 튜브용 알루미늄 합금은 배치타입(Batch type), 연속주조법(Properzi법) 등에 의해 제조될 수 있으나, 본 발명에서는 연속주조법에 의해 제조된다.

본 발명의 알루미늄 합금을 연속 주조공정으로 제조된 알루미늄 라드를 이용하여 컨덴서 튜브를 공지의 컨폼 압출기에 의해 제조하였으며 금형의 맨드릴(Mandrel)은 초경합금을 사용한다. 금형예열기를 통하여 금형을 충분히 예열한 다음 400℃에서 컨폼 압출을 하여 도 1과 같은 콘덴서 튜브를 제조한다.

주조 및 다단 압연과정에서 입내 또는 입계에 형성된 Al₃Fe, Al₃Zr, Al₃Sc, Al₃MM과 같은 미세 석출물이 컨폼 압출하게 되면 입내 및 입계에 분산되어 있던 석출물이 압출 방향을 따라 입계에 더욱 미세하게 석출되어 진다. 입계로 석출된 미세한 분산재에 의하여 인장강도를 향상시키게 되며 열전도도가 개선된다.

상기한 방법으로 알루미늄 합금을 이용하여 제조된 콘덴서 튜브의 항복강도와 인장강도를 아래의 표3에 나타내었는바, 기존의 제품보다 우수한 것을 알 수 있다.

상기의 조건으로 제조된 콘덴서 튜브를 이용하여 열교환기(콘덴서)를 제조하였으며, 콘덴서 제조공정은 공지의 콘덴서 제조공정으로, 상기에서 제조된 콘덴서 튜브를 이용하고 핀과 헤드파이프를 조립하는 핀밀조립공정, 플럭스 도포 및 브레이징 공정, 인 아웃 파이프 용접공정, 헬륨을 이용한 리크테스트 공정을 거쳐 도2와 같은 열교환기를 제조한다.

상기에서 브레이징은 약 620℃에서 5분 내지 10분간 진행되며, 이 과정에서 콘덴서 튜브의 항복강도는 아래의 표4에 나타난 바와 같이 감소하게 된다. 브레이징에 의한 항복강도의 저하는 불가피하다.

따라서 본 발명에서는 브레이징 공정을 거친 열교환기(콘덴서)를 200℃ 내지 500℃의 온도에서 열처리시키는 공정을 통하여 인장강도를 증가시키고자 하는 것이다.

아래의 표5는 브레이징후 450℃에서 열처리 시간에 따른 본 발명의 콘덴서 튜브의 인장강도를 나타내었다.

상기 열처리 과정에서 Al₃Fe, Al₃Zr, Al₃Sc, Al₃MM과 같은 원소가 미세 석출물 형태로 석출되면서 인장강도, 특히 고온인장강도 특성이 증가된다. 그리고 본 발명에 따라 제조된 열교환기는 실제 사용온도에서 장시간 노출되면 인장강도가 증가하게 될 것으로 예측되나, 기존의 열교환기는 고온에서 장시간 사용하게 되면 강도 특성은 저하될 것으로 생각된다.

그러나 본 발명의 열교환기도 450℃에서 열처리 유지시간이 100시간 이상 되는 경우 인장강도 특성이 저하되었으며, 특히 열처리 온도가 550℃이상 되는 경우 인장강도 특성이 저하되는 것을 알 수 있었다.

아래의 표6은 브레이징후 200℃에서 열처리 시간에 따른 본 발명의 콘덴서 튜브의 인장강도를 나타내었다.

상기 열처리 과정에서 Al₃Fe, Al₃Zr, Al₃Sc, Al₃MM과 같은 원소가 미세 석출물 형태로 석출되면서 인장강도 특성이 증가된다. 비교적 낮은 온도의 열처리 과정에 의해 열처리 시간은 길게 유지시킴에 의해 인장강도 특성을 증가시킬 수 있었다.

이상의 표5 및 표6에서 나타난 바와 같이, 열처리 온도가 높은 경우 열처리 시간을 짧게 유지하여 인장강도를 증가시킬 수 있었으며, 열처리 온도가 낮은 경우에는 열처리 시간을 길게 함으로써 인장강도를 증가시킬 수 있다.

즉, 브레이징처리를 통하여 열교환기가 최종 완성된 후, 필연적으로 감소하게 되는 콘덴서 튜브의 강도특성이 소정의 온도와 시간에서 재차 열처리해 줌으로써 브레이징처리 전 콘덴서튜브가 가진 초기 강도특성보다도 더 높은 인장강도를 구현시킬 수 있다. 이는 곧 더 높은 냉매가스압에서도 견딜 수 있다는 것을 의미함과 동시에 비록 냉매효율이 떨어지는 여타 종류의 냉매가스를 사용할지라도 열교환 성능을 종래의 수준으로 유지시킬 수 있다는 것과, 그와 더불어 열교환기의 안정성과 내구성 그리고 성능이 더욱 향상된다는 것을 의미한다.

Claims

Fe 0.05~0.2wt%, Zr 0.1~0.5wt%, MM(Misch metal) 0.01~0.2wt%, Sc 0.01~0.2wt%, Y 0.001~0.01wt% 로 구성되고, 나머지는 알루미늄을 용해하고 합금화하여, 연속주조기를 통하여 알루미늄 합금 라드를 제조한 후, 이를 컨폼압출하여 콘덴서 튜브를 형성시키고, 이를 핀재, 헤드파이프와 조립하고 브레이징하여 열교환기를 형성시킨 다음, 열교환기를 200℃ 내지 500℃의 온도에서 열처리시켜 콘덴서 튜브의 인장강도를 증가시킨 열교환기 제조방법.