KR101726032B1 - 다층 알루미늄 합금 시트 제품, 열 교환기용 튜브용 시트 제품 및 이의 제조 방법 - Google Patents

다층 알루미늄 합금 시트 제품, 열 교환기용 튜브용 시트 제품 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3xxx, 5xxx 및 6xxx 알루미늄 합금 중 하나를 포함하는 코어층; 및 0.5 내지 5% Zn의 첨가제를 갖는 3xxx 알루미늄 합금, 및 7xxx 알루미늄 합금 중 하나를 포함하는 라이너층을 포함하는 알루미늄 시트 제품에 관한 것이다. 몇몇 양태에서, 알루미늄 시트 제품은 20 Ksi 이상의 템퍼 브레이징 전 인장 강도를 갖는다. 몇몇 양태에서, 라이너와 코어 간의 부식 전위차는 30 mV 이상이다. 몇몇 양태에서, 알루미늄 시트 제품은 3xxx 및 4xxx 알루미늄 합금 중 하나를 포함하는 내층을 추가로 포함한다.

Description

다층 알루미늄 합금 시트 제품, 열 교환기용 튜브용 시트 제품 및 이의 제조 방법{MULTI-LAYER ALUMINUM ALLOY SHEET PRODUCT, SHEET PRODUCT FOR TUBES FOR HEAT EXCHANGERS AND METHODS OF MAKING}
본원은 2012년 5월 10일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/645,126호에 대해 우선권을 주장하고, 이는 본원에 참조로 포함된다.
기계적으로 조립된 열 교환기는 주거용 HVAC 용도로 사용된다. 과거의 열 교환기는 구리, 또는 압출된(extruded) 단일층 알루미늄, 튜브 및 알루미늄 평판 핀(plate fin)으로 제조되었다. 구리, 또는 압출된 단일층 알루미늄, 튜브는 알루미늄 핀에 끼워진 다음, 튜브 외부 표면이 핀과 밀접하게 접촉하도록 기계적으로 확장된다. 열 전달은 튜브와 핀 사이의 기계적 접촉에 의해 부분적으로 달성된다.
다양한 예시적 양태에서, 그에 얽매이지 않고, 본원의 개시 내용은 아래의 예시적인 설명과 같이 요약될 수 있다.
알루미늄 합금 시트 제품은 코어층 및 라이너층을 포함한다. 라이너층은 0.5 내지 5% Zn의 첨가제를 포함하는 3xxx 알루미늄 합금, 또는 7xxx 알루미늄 합금 중 어느 하나를 포함한다. 코어층은 3xxx, 5xxx 및 6xxx 알루미늄 합금 중 하나를 포함한다. 시트 제품은 0.006 인치 내지 0.249 인치의 두께를 갖는 압연(rolled) 제품이다.
몇몇 양태에서, 코어층은 0.05 내지 1.2%의 Si, 1.0% 이하의 Fe, 0.10 내지 1.0%의 Cu, 0,3 내지 2.0%의 Mn, 1.0% 이하의 Mg, 0.25% 이하의 Cr, 0.25% 이하의 Zn, 0.10 내지 0.2%의 Ti, 0.2% 이하의 Zr을 포함한다. 몇몇 양태에서, 코어층은 0.5% 이하의 Si, 1.0% 이하의 Fe, 0.5% 이하의 Cu, 1.0% 이하의 Mn, 0.1 내지 3.0%의 Mg, 0.25% 이하의 Cr, 0.25% 이하의 Zn, 0.2% 이하의 Ti, 0.2% 이하의 Zr을 포함한다. 몇몇 양태에서, 코어층은 0.2 내지 2,0%의 Si, 1.0% 이하의 Fe, 0.10 내지 1.0%의 Cu, 1.0% 이하의 Mn, 0.25 내지 1.5%의 Mg, 0.25% 이하의 Cr, 0.25% 이하의 Zn, 0.2% 이하의 Ti, 0.2% 이하의 Zr을 포함한다.
몇몇 양태에서, 시트는 14 Ksi 이상의 O 템퍼(temper) 브레이징 전(pre-braze) 인장 강도를 갖는다. 몇몇 양태에서, 시트는 16 Ksi 이상의 O 템퍼 브레이징 전 인장 강도를 갖는다. 몇몇 양태에서, 시트는 18 Ksi 이상의 O 템퍼 브레이징 전 인장 강도를 갖는다. 몇몇 양태에서, 시트는 20 Ksi 이상의 O 템퍼 브레이징 전 인장 강도를 갖는다.
몇몇 양태에서, 라이너층은 0.7 내지 4% Zn의 첨가제를 갖는 3xxx 알루미늄 합금을 포함한다. 몇몇 양태에서, 라이너층은 1 내지 3% Zn의 첨가제를 갖는 3xxx 알루미늄 합금을 포함한다. 몇몇 양태에서, 라이너층은 0.5 내지 5.0%의 Zn을 갖는 7xxx 알루미늄 합금을 포함한다.
몇몇 양태에서, 코어층과 라이너층 간의 부식 전위차는 30 mV 내지 200 mV 범위로 존재한다. 몇몇 양태에서, 코어층과 라이너층 간의 부식 전위차는 30 mV 이상이다.
몇몇 양태에서, 알루미늄 시트는 내층(inner layer)을 추가로 포함한다. 몇몇 양태에서, 내층은 3xxx 및 4xxx 알루미늄 합금 중 하나를 포함한다. 몇몇 양태에서, 내층은 0.05 내지 1.2%의 Si, 1.0% 이하의 Fe, 0.10 내지 1.0%의 Cu, 0.3 내지 2.0%의 Mn, 0.5% 이하의 Mg을 포함한다. 몇몇 양태에서, 내층은 1.0 내지 12.0%의 Si, 1.0% 이하의 Fe, 1.0% 이하의 Cu, 1.0% 이하의 Mn, 0.5% 이하의 Mg을 포함한다.
몇몇 양태에서, 알루미늄 시트는 0.3 mm 내지 1.5 mm 범위의 두께를 갖는다.
튜브 물질은 코어층 및 라이너층을 포함한다. 라이너층은 0.5 내지 5% Zn의 첨가제를 갖는 3xxx 알루미늄 합금, 또는 7xxx 알루미늄 합금 중 어느 하나를 포함한다.
열 교환기는 알루미늄 평판 핀과 기계적으로 조립된 고강도 코어를 갖는 다층 알루미늄 용접 튜브를 포함한다. 용접 튜브는 튜브의 내부 표면 상에 돌출된 핀을 가질 수 있다.
열 교환기는 코어층 및 라이너층을 갖는 튜브, 및 상기 튜브와 접촉하는 복수의 핀을 포함한다. 라이너층은 0.5 내지 5% Zn의 첨가제를 포함하는 3xxx 알루미늄 합금, 또는 7xxx 알루미늄 합금 중 어느 하나를 포함한다.
몇몇 양태에서, 코어층은 3xxx, 5xxx 및 6xxx 알루미늄 합금 중 하나를 포함한다. 몇몇 양태에서, 코어층은 0.05 내지 1.2%의 Si, 1.0% 이하의 Fe, 0.10 내지 1.0%의 Cu, 0.3 내지 2.0%의 Mn, 1.0% 이하의 Mg, 0.25% 이하의 Cr, 0.25% 이하의 Zn, 0.10 내지 0.2%의 Ti, 0.2% 이하의 Zr을 포함한다. 몇몇 양태에서, 코어층은 0.5% 이하의 Si, 1.0% 이하의 Fe, 0.5% 이하의 Cu, 1.0% 이하의 Mn, 0.1 내지 3.0%의 Mg, 0.25% 이하의 Cr, 0.25% 이하의 Zn, 0.2% 이하의 Ti, 0.2% 이하의 Zr을 포함한다. 몇몇 양태에서, 코어층은 0.2 내지 2.0%의 Si, 1.0% 이하의 Fe, 0.10 내지 1.0%의 Cu, 1.0% 이하의 Mn, 0.25 내지 1.5%의 Mg, 0.25% 이하의 Cr, 0.25% 이하의 Zn, 0.2% 이하의 Ti, 0.2% 이하의 Zr을 포함한다.
몇몇 양태에서, 시트는 14 Ksi 이상의 O 템퍼 브레이징 전 인장 강도를 갖는다. 몇몇 양태에서, 시트는 16 Ksi 이상의 O 템퍼 브레이징 전 인장 강도를 갖는다. 몇몇 양태에서, 시트는 18 Ksi 이상의 O 템퍼 브레이징 전 인장 강도를 갖는다. 몇몇 양태에서, 시트는 20 Ksi 이상의 O 템퍼 브레이징 전 인장 강도를 갖는다.
몇몇 양태에서, 라이너층은 0.7 내지 4% Zn의 첨가제를 갖는 3xxx 알루미늄 합금을 포함한다. 몇몇 양태에서, 라이너층은 1 내지 3% Zn의 첨가제를 갖는 3xxx 알루미늄 합금을 포함한다. 몇몇 양태에서, 라이너층은 0.5 내지 5.0%의 Zn을 갖는 7xxx 알루미늄 합금을 포함한다.
몇몇 양태에서, 코어층과 라이너층 간의 부식 전위차는 30 mV 내지 200 mV 범위 내에 존재한다. 몇몇 양태에서, 코어층과 라이너층 간의 부식 전위차는 30 mV 이상이다.
몇몇 양태에서, 열 교환기는 내층을 추가로 포함한다. 몇몇 양태에서, 내층은 3xxx 및 4xxx 알루미늄 합금 중 하나를 포함한다. 몇몇 양태에서, 내층은 0.05 내지 1.2%의 Si, 1.0% 이하의 Fe, 0.10 내지 1.0%의 Cu, 0.3 내지 2.0%의 Mn, 0.5% 이하의 Mg를 포함한다. 몇몇 양태에서, 내층은 1.0 내지 12.0%의 Si, 1.0% 이하의 Fe, 1.0% 이하의 Cu, 1.0% 이하의 Mn, 0.5% 이하의 Mg를 포함한다.
몇몇 양태에서, 튜브는 튜브 형태로 구부러진 알루미늄 시트를 포함한다.
몇몇 양태에서, 튜브를 형성하는 물질은 0.3 mm 내지 1.5 mm 범위의 두께를 갖는다. 몇몇 양태에서, 튜브는 3 mm 내지 30 mm 범위의 외경을 갖는다.
몇몇 양태에서, 열 교환기의 제조 방법은, 다층 알루미늄 시트로부터 튜브를 형성하는 단계, 튜브를 수용하기 위한 구멍을 각각 갖는 복수의 핀에 튜브를 삽입하는 단계, 및 튜브를 확장시키는 단계를 포함한다.
몇몇 양태에서, 다층 알루미늄 시트로부터 튜브를 형성하는 단계는 다층 알루미늄 시트의 반대편 모서리들이 서로 접촉하도록 구부리고 모서리들을 서로 부착시키는 것을 포함한다. 몇몇 양태에서, 모서리들을 서로 부착시키는 단계는 접착, 용접, 납땜 및 브레이징(brazing) 중 하나를 포함한다.
몇몇 양태에서, 튜브를 확장시키는 단계는 원통형 맨드릴을 튜브에 통과시키는 것을 포함하되, 상기 맨드릴의 외경은 튜브의 내경보다 크다.
몇몇 양태는 코어층을 라이너층에 결합시켜 다층 알루미늄 시트를 형성하는 단계를 추가로 포함한다.
몇몇 양태에서, 다층 알루미늄 시트는 코어층 및 라이너층을 포함한다. 본 발명의 열 교환기의 제조 방법의 몇몇 양태에서, 라이너층은 0.5 내지 5% Zn의 첨가제를 포함하는 3xxx 알루미늄 합금, 또는 7xxx 알루미늄 합금 중 어느 하나를 포함한다.
본 발명의 열 교환기의 제조 방법의 몇몇 양태에서, 코어층은 3xxx, 5xxx 및 6xxx 알루미늄 합금 중 하나를 포함한다. 본 발명의 열 교환기의 제조 방법의 몇몇 양태에서, 코어층은 0.05 내지 1.2%의 Si, 1.0% 이하의 Fe, 0.10 내지 1.0%의 Cu, 0.3 내지 2.0%의 Mn, 1.0% 이하의 Mg, 0.25% 이하의 Cr, 0.25% 이하의 Zn, 0.10 내지 0.2%의 Ti, 0.2% 이하의 Zr을 포함한다. 본 발명의 열 교환기의 제조 방법의 몇몇 양태에서, 코어층은 0.5% 이하의 Si, 1.0% 이하의 Fe, 0.5% 이하의 Cu, 1.0% 이하의 Mn, 0.1 내지 3.0%의 Mg, 0.25% 이하의 Cr, 0.25% 이하의 Zn, 0.2% 이하의 Ti, 0.2% 이하의 Zr을 포함한다. 본 발명의 열 교환기의 제조 방법의 몇몇 양태에서, 코어층은 0.2 내지 2.0%의 Si, 1.0% 이하의 Fe, 0.10 내지 1.0%의 Cu, 1.0% 이하의 Mn, 0.25 내지 1.5%의 Mg, 0.25% 이하의 Cr, 0.25% 이하의 Zn, 0.2% 이하의 Ti, 0.2% 이하의 Zr을 포함한다.
본 발명의 열 교환기의 제조 방법의 몇몇 양태에서, 튜브 물질은 14 Ksi 이상의 O 템퍼 브레이징 전 인장 강도를 갖는다. 본 발명의 열 교환기의 제조 방법의 몇몇 양태에서, 튜브 물질은 16 Ksi 이상의 O 템퍼 브레이징 전 인장 강도를 갖는다. 본 발명의 열 교환기의 제조 방법의 몇몇 양태에서, 튜브 물질은 18 Ksi 이상의 O 템퍼 브레이징 전 인장 강도를 갖는다. 본 발명의 열 교환기의 제조 방법의 몇몇 양태에서, 튜브 물질은 20 Ksi 이상의 O 템퍼 브레이징 전 인장 강도를 갖는다.
본 발명의 열 교환기의 제조 방법의 몇몇 양태에서, 라이너층은 0.7 내지 4% Zn의 첨가제를 갖는 3xxx 알루미늄 합금을 포함한다. 본 발명의 열 교환기의 제조 방법의 몇몇 양태에서, 라이너층은 1 내지 3% Zn의 첨가제를 갖는 3xxx 알루미늄 합금을 포함한다. 본 발명의 열 교환기의 제조 방법의 몇몇 양태에서, 라이너층은 0.5 내지 5.0%의 Zn을 갖는 7xxx 알루미늄 합금을 포함한다.
몇몇 양태에서, 코어층과 라이너층 간의 부식 전위차는 30 mV 내지 200 mV의 범위 내에 존재한다. 몇몇 양태에서, 코어층과 라이너층 간의 부식 전위차는 30 mV 이상이다.
본 발명의 열 교환기의 제조 방법의 몇몇 양태에서, 튜브는 내층을 추가로 포함한다. 본 발명의 열 교환기의 제조 방법의 몇몇 양태에서, 내층은 3xxx 또는 4xxx 알루미늄 합금 중 어느 하나를 포함한다. 본 발명의 열 교환기의 제조 방법의 몇몇 양태에서, 내층은 0.05 내지 1.2%의 Si, 1.0% 이하의 Fe, 0.10 내지 1.0%의 Cu, 0.3 내지 2.0%의 Mn, 0.5% 이하의 Mg을 포함한다. 본 발명의 열 교환기의 제조 방법의 몇몇 양태에서, 내층은 1.0 내지 12.0%의 Si, 1.0% 이하의 Fe, 1.0% 이하의 Cu, 1.0% 이하의 Mn, 0.5% 이하의 Mg을 포함한다.
본 발명의 열 교환기의 제조 방법의 몇몇 양태에서, 튜브를 형성하는 물질은 0.3 mm 내지 1.5 mm 범위의 두께를 갖는다. 본 발명의 열 교환기의 제조 방법의 몇몇 양태에서, 튜브는 3 mm 내지 30 mm 범위의 외경을 갖는다.
첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세히 설명하되, 동일한 구조/요소는 몇몇 도면에서 동일한 번호로 지칭되고, 알파벳 순서로 배열된 구조/요소는 복수의 다양한 구조/요소를 지칭하며, 프라임 부호가 붙은 숫자는 미러링된(mirrored) 구조/요소를 나타낸다. 본원에 나타낸 도면은 그 규모에 반드시 제한되는 것은 아니고, 대신에 본 발명의 원리를 설명하는 데 일반적으로 사용된다는 것을 강조한다.
도 1은 본 발명의 물질 구조의 한 양태의 예시도이다.
도 2는 본 발명의 물질 구조의 다른 양태의 예시도이다.
도 3은 제 1 모서리 및 제 2 모서리를 갖는 예시적 튜브 스톡(stock)으로 형성된 도 1의 물질 구조의 예시적인 투시도이다.
도 4는 제 1 모서리가 제 2 모서리에 용접되어 원형의 용접 튜브를 형성한 도 3의 튜브 구조의 예시적인 투시도이다.
도 5는 복수의 핀들의 투시도이다.
도 6은 도 5의 복수의 핀들과 맞물리거나 연결된 도 4의 원형 용접 튜브의 측면도이다.
하기 도면은 본원에 기재된 방법 및 장치에 따라 형성된 용접된 금속의 미세구조 및 특성의 다양한 양태를 설명하는 본 발명의 몇몇 실시예의 양태를 나타낸다. 이러한 실험은 통상의 기술자에게 이해되는 바와 같이 용접된 금속의 미세구조 및 특성에 제한되는 것은 아니다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조로 하여 설명하되, 동일한 구조는 몇몇 도면을 통해 동일한 번호로 지칭된다. 본원에 나타낸 도면은 그 규모에 반드시 제한되는 것은 아니고, 대신에 본 발명의 원리를 설명하는 데 일반적으로 사용된다는 것을 강조한다. 또한, 몇몇 구성은 특정 요소의 세부 사항을 보이기 위하여 과장될 수 있다.
도면은 본 명세서의 일부를 구성하고 본 발명의 예시적 양태를 포함하며 본 발명의 다양한 목적 및 특징을 설명한다. 또한, 도면은 규모에 반드시 제한되는 것은 아니고, 몇몇 구성은 특정 요소의 세부 사항을 보이기 위하여 과장될 수 있다. 또한, 도면에 나타낸 임의의 치수, 사양 등은 단지 예시적이며, 이에 제한되지 않는다. 따라서, 본원에 개시된 특정 구조 및 기능적 세부 사항은 제한적인 것으로 해석되어서는 안되고, 단지 통상의 기술자가 본 발명을 다양하게 실시할 수 있도록 하는 대표적인 기준으로 해석되어야 한다.
개시된 이점 및 개선점 중에서, 본 발명의 다른 목적 및 장점은 첨부된 도면과 함께 다음 설명으로부터 명확해질 것이다. 본 발명의 세부 양태는 본원에 개시되어 있으나, 개시된 양태는 단지 다양한 형태로 실시될 수 있는 본 발명의 예시이다. 또한, 본 발명의 다양한 양태와 함께 제시된 각각의 실시예는 예시적일 뿐, 제한적인 것은 아니다.
본원 명세서 및 청구범위을 통해서, 달리 명확하게 지시되지 않는 한 다음의 용어들은 본원과 분명하게 관련된 의미를 갖는다. 본원에 사용된 "하나의 양태에서" 및 "몇몇 양태에서"라는 표현은 동일한 양태를 지칭할 수도 있으나, 반드시 동일한 양태를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 본원에 사용된 "또 다른 양태에서" 및 "몇몇 다른 양태에서"라는 표현은 상이한 양태를 지칭할 수도 있으나, 반드시 상이한 양태를 지칭하는 것은 아니다. 따라서, 하기 기재된 바와 같이, 본 발명의 다양한 양태는 본 발명의 범위 또는 기술 사상으로부터 벗어나지 않으면서 용이하게 조합될 수 있다.
또한, 본원에 사용된 바와 같이, "또는"이라는 용어는 문맥상 달리 명확하게 지시하지 않는 한 포괄적인 "또는" 연산자이고, "및/또는"이라는 용어에 상응한다. "기초하여"라는 용어는 문맥상 달리 명확하게 지시하지 않는 한 배타적인 것이 아니고 기재되지 않은 추가 요소에 기초하는 것을 허용한다. 또한, 본원에 걸쳐, "임의의" 및 "그"의 의미는 복수 참조를 포함한다. "에서"의 의미는 "내에서" 및 "위에서"를 포함한다.
하나의 양태에서, 도 1을 참조하면, 본 발명은 이층 물질(100)을 포함하는 알루미늄 시트 제품에 관한 것이다. 상기 물질(100)은 적어도 라이너(105) 및 코어(110)를 포함할 수 있다. 상기 라이너(105)는 0.5 내지 5% Zn의 첨가제를 갖는 임의의 3xxx 계열 알루미늄 합금으로 제조될 수 있다. 몇몇 양태에서, 3xxx 계열 알루미늄 합금은 0.7 내지 4% Zn의 첨가제를 갖는다. 몇몇 양태에서, 3xxx 계열 알루미늄 합금은 1 내지 3% Zn의 첨가제를 갖는다. 다르게는, 라이너는 임의의 7xxx 계열 알루미늄 합금으로 구성될 수 있다.
코어(110)는 3xxx, 5xxx 또는 6xxx 계열 알루미늄 합금으로 제조될 수 있다. 상기 코어에 대한 가능한 합금 조성은 0.05 내지 1.2%의 Si, 1.0% 이하의 Fe, 0.10 내지 1.0%의 Cu, 0.3 내지 2.0%의 Mn, 1.0% 이하의 Mg, 0.25% 이하의 Cr, 0.25% 이하의 Zn, 0.10 내지 0.2%의 Ti, 0.2% 이하의 Zr; 0.5% 이하의 Si, 1.0% 이하의 Fe, 0.5% 이하의 Cu, 1.0% 이하의 Mn, 0.1 내지 3.0%의 Mg, 0.25% 이하의 Cr, 0.25% 이하의 Zn, 0.2% 이하의 Ti, 0.2% 이하의 Zr; 0.2 내지 2.0%의 Si, 1.0% 이하의 Fe, 0.10 내지 1.0%의 Cu, 1.0% 이하의 Mn, 0.25 내지 1.5%의 Mg, 0.25% 이하의 Cr, 0.25% 이하의 Zn, 0.2% 이하의 Ti, 0.2% 이하의 Zr을 포함한다. 몇몇 양태에서, 시트 제품은 14 Ksi 이상의 O 템퍼 브레이징 전 인장 강도를 갖는다. 몇몇 양태에서, 시트 제품은 16 Ksi 이상의 O 템퍼 브레이징 전 인장 강도를 갖는다. 몇몇 양태에서, 시트 제품은 18 Ksi 이상의 O 템퍼 브레이징 전 인장 강도를 갖는다. 몇몇 양태에서, 시트 제품은 20 Ksi 이상의 0 템퍼 브레이징 전 인장 강도를 갖는다.
다중 합금 주조 기술을 사용하여 라이너(105) 및 코어(110)를 함께 주조할 수 있다. 다르게는, 고온 압연 공정에서 라이너(105) 및 코어(110)를 함께 압연하여 라이너(105) 및 코어(110)가 서로 금속학적으로 결합할 수 있도록 할 수 있다. 본 출원인은 부식 환경에 노출되는 경우(예컨대, 물질(100)을 튜브로 성형하여 주거용 또는 상업용 HVAC 유닛의 열 교환기 내에서 사용하는 경우), 물질(100)의 라이너(105)가 희생 방식성을 제공하고, 코어(110)는 (예컨대, 물질(100)을 튜브로 성형하여 주거용 또는 상업용 HVAC 유닛의 열 교환기 내에서 사용하는 경우) 충분한 고강도를 제공할 수 있다고 믿는다. 이런 식으로, 본 출원인은 물질(100)이 주거용 또는 상업용 HVAC 유닛의 열 교환기 내에서 튜브로서 사용될 수 있는 충분한 내부식성 및 높은 강도를 가질 수 있다고 믿는다. 라이너(105)는 그 두께가 물질(100)의 총 두께의 약 5 내지 약 20 퍼센트일 수 있다. 다양한 양태에서, 물질(100)은 약 0.5 mm 내지 약 1.5 mm 범위의 총 두께를 가질 수 있다.
몇몇 양태에서, 코어층과 라이너층 간의 부식 전위차는 30 mV 내지 200 mV의 범위 내에 존재한다. 몇몇 양태에서, 코어층과 라이너층 간의 부식 전위차는 30 mV 이상이다.
다른 양태에서, 본 발명의 물질은 2개 초과, 예컨대, 3개, 4개 또는 그 이상의 층을 가질 수 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명은 3개의 층을 갖는 물질(200)에 관한 것이다. 물질(200)는 적어도 라이너(205), 코어(210), 및 내층(215)을 포함할 수 있다. 라이너(205) 및 코어(210)는 본원에 기재된 라이너(105) 및 코어(110)과 동일한 조성을 가질 수 있다.
몇몇 양태에서, 내층(215)은 3xxx 또는 4xxx 계열 알루미늄 합금을 포함할 수 있다. 몇몇 양태에서, 내층은 0.05 내지 1.2%의 Si, 1.0% 이하의 Fe, 0.10 내지 1.0%의 Cu, 0.3 내지 2.0%의 Mn, 0.5% 이하의 Mg을 포함한다. 몇몇 양태에서, 내층은 1.0 내지 12.0%의 Si, 1.0% 이하의 Fe, 1.0% 이하의 Cu, 1.0% 이하의 Mn, 0.5% 이하의 Mg를 포함한다. 몇몇 양태에서, (예컨대 물질(200)을 튜브로 성형하고, 이를 주거용 또는 상업용 HVAC 유닛의 열 교환기 내에서 사용하는 경우) 응축 및 열 전달을 향상시키기 위하여, 내층은 표면 텍스쳐(texture)가 내층으로 돌출될 수 있도록 충분한 돌출 성형성을 갖는다.
다중 합금 주조 기술을 사용하여 라이너(205), 코어(210), 및 내층(215)을 함께 주조할 수 있다. 다르게는, 고온 압연 공정에서 라이너(205), 코어(210), 및 내층(215)을 함께 압연하여, 라이너(205), 코어(210), 및 내층(215)이 함께 금속학적으로 결합할 수 있도록 할 수 있다. 본 출원인은 물질(200)의 라이너(205)가 부식 환경에 노출되는 경우(예컨대, 물질(200)을 튜브로 성형하여, 이를 주거용 또는 상업용 HVAC 유닛의 열 교환기 내에서 사용하는 경우), 희생 방식성을 제공할 수 있고, 코어(210)는, 예컨대 물질(200)을 튜브로 성형하여 주거용 또는 상업용 HVAC 유닛의 열 교환기 내에서 튜브로서 사용하는 경우, 충분히 높은 강도를 제공하며, 내층(215)은, 예컨대 물질(200)을 튜브로 성형하고 이를 주거용 또는 상업용 HVAC 유닛의 열 교환기 내에서 사용하는 경우, 양호한 성형성을 제공하고 응축 및 열 전달을 향상시킬 수 있는 표면 텍스쳐를 제조하는 데 사용될 수 있다고 믿는다. 이런 식으로, 본 출원인은 물질(200)이 주거용 또는 상업용 HVAC 유닛의 열 교환기 내에서 튜브로서 사용되기에 충분한 내부식성 및 높은 강도를 가질 수 있다고 믿는다. 라이너(205)는 그 두께가 물질(200)의 총 두께의 약 5 내지 약 20 퍼센트일 수 있다. 코어(210) 및 내층(215)은 그 두께가 대략 동일할 수 있고, 또는 각각의 약 50% 이내의 두께를 가질 수 있다. 다양한 양태에서, 물질(200)은 약 0.3 mm 내지 약 1.5 mm의 범위의 총 두께를 가질 수 있다.
몇몇 양태에서 코어층과 라이너층 간의 부식 전위차는 30 mV 내지 200 mV의 범위로 존재한다. 몇몇 양태에서 코어층과 라이너층 간의 부식 전위차는 30 mV 이상이다.
추가의 양태에서, 도 3 내지 6을 참조하면, 물질(100 또는 200)을 다층 튜브 스톡(300)으로 성형할 수 있다. 다층 튜브 스톡(300)은 제 1 모서리(305) 및 제 2 모서리(310)를 가질 수 있다. 제 1 모서리(305) 및 제 2 모서리(310)는 서로 결합하여 원형 결합 튜브(400)을 형성할 수 있다. 적절한 결합 공정은 접착, 용접, 납땜, 및 브레이징을 포함한다. 원형 결합 튜브(400, 400')의 외경은 약 3 mm 내지 약 30 mm, 다르게는 약 3 mm 내지 약 8 mm, 다르게는 약 5 mm 내지 약 7 mm의 범위일 수 있다. 복수의 핀(500, 500', 500'', 500''')은 서로 결합할 수 있다. 각각의 핀(500, 500', 500'', 500''' 등)은 복수의 구멍(505A, 505B, 및 선택적으로 505C 등)을 가질 수 있다. 하나의 양태에서, 각각의 핀(500, 500', 500", 500''' 등)은 약 5 인치 내지 약 36 인치(다르게는 약 18 인치) 범위의 길이 및 약 0.5 인치 내지 약 10 인치(다르게는 약 1 인치) 범위의 너비를 가질 수 있다. 하나의 양태에서, 구멍(505A, 505B, 및 선택적으로 505C 등)은 약 1개 내지 약 15개의 열 및 약 1개 내지 약 5개의 행의 어레이로 배열될 수 있다.
하나의 양태에서, 하나 이상의 원형 결합 튜브(400, 400')는 각각의 구멍(505A, 505B, 505C)과 결합하거나 그에 삽입될 수 있는데, 상기 구멍은 원형 결합 튜브(400, 400')를 수용하는 크기를 가질 수 있다. 이어서, 핀(500, 500', 500'', 500''' 등)과 맞물리거나, 연결되거나, 그에 삽입되는 원형 결합 튜브(400, 400')는 확장될 수 있다. 하나의 양태에서, 원형 결합 튜브(400, 400')는 열처리에 의해 확장되어 각각의 원형 결합 튜브(400, 400')가 0 mm 내지 약 1 mm의 양만큼 증가된다.
기계적 확장 공정을 사용하여 원형 튜브와 평판 핀 열 교환기를 조립하기 위하여, 불렛(bullet)이라고 불리는 원통형 맨드릴을 튜브에 밀어 넣고 튜브의 전체 길이에 걸쳐 압력을 가하여 확장시킨다. 불렛의 외경이 튜브 내경보다 커서 튜브가 보다 큰 외경을 갖도록 확장되고, 이에 따라 평판 핀과 밀접한 기계적 접촉을 갖는다.
불렛이 튜브를 통하여 가압되는 경우, 변형 응력이 튜브 내에서 발생한다. 튜브 내부가 돌출된 핀(때때로, "인핸스먼트(enhancement)"이라고 지칭됨)을 갖는 경우, 응력은 인핸스먼트 상에 전단/압축 변형 및 튜브의 나머지 부분에 장력 변형을 발생시킬 것이다. 불렛의 외경과 튜브의 내경 간의 차이에 대하여, 튜브의 내경 상의 물질이 연질인 경우, 튜브의 나머지 부분보다 인핸스먼트 상에 보다 많은 변형이 존재할 것이고, 이는 인핸스먼트 표면적의 증가 및 튜브 확장의 감소로 인하여 이는 높은 확장력을 발생시킬 것이고, 이에 따라 튜브와 핀과의 밀접한 접촉이 감소할 것이다. 양호한 확장성 및 열 전달성을 달성하기 위하여, 인핸스먼트 상의 보다 적은 변형 및 튜브의 나머지 부분 상의 보다 많은 확장을 갖는 것이 요구된다.
튜브 내부 표면 상의 제 2 라이너는 튜브 확장성을 크게 향상시킬 수 있다. 라이너 합금은 코어 합금보다 더 높은 경도를 갖도록 설계되어 확장 공정 동안 인핸스먼트 상의 변형을 감소시키고 튜브 외경 확장을 향상시킬 수 있다. 기계적 특성을 비롯하여, 라이너 합금은 또한 양호한 브레이즈성을 갖도록 설계될 수 있다.
튜브(400, 400')는 높은 강도 및 양호한 내부식성을 가질 수 있다. 본 출원인은 본원에 개시된 물질로 제조된 튜브가 주거용 HVAC 적용을 위한 압출된 알루미늄 튜브 제품에 비하여 더 양호한 특성을 가질 것이라고 믿는다. 특정 양태로부터의 특성 데이터는 다음과 같고, 이때 다층 튜브 스톡의 특성은 충분한 어닐링 조건과 유사한 브레이징 후 특성이다.
Figure 112014119468839-pct00001
Figure 112014119468839-pct00002
*두 개의 층 물질의 조성은 상기 표에 나타낸 바와 같다.
*모든 물질을 O 템퍼(충분한 재결정화 및 연질 조건)에서 0.5 mm 게이지에서 10% 클래드 비로 제조하였다.
Figure 112014119468839-pct00003
*2층 물질은 압출된 3102보다 높은 강도를 갖는다.
Figure 112014119468839-pct00004
라이너(105)와 코어(110), 또는 라이너(205)와 코어(210) 간의 전기화학 전위차는 라이너가 코어에 양호한 보호를 제공할 수 있도록 한다. 전위차는 브레이징 전 물질에 대해 30 내지 200 mV의 범위이고, 브레이징 후 물질에 대해 30 내지 150 mV의 범위이다.
본 발명의 다수의 양태를 기재하였으나, 이러한 양태는 단지 예시적인 것일 뿐 이에 제한되지 않고 다수의 변형 및/또는 선택적인 양태가 당업자에게 명확할 것이다. 청구범위, 요약, 및 도면을 포함하는 본원에 기재된 모든 특징 및 개시된 임의의 방법 또는 공정에서의 모든 단계는, 이러한 특징 및/또는 단계의 적어도 일부가 상호 배타적인 경우의 조합을 제외하고는 임의의 조합으로 결합될 수 있다. 예컨대, 임의의 단계는 임의의 소망하는 순서로 수행될 수 있다(임의의 소망하는 단계가 추가되거나/추가되고 임의의 소망하는 단계가 삭제될 수 있다). 따라서, 첨부된 청구항은 본 발명의 사상 및 범위 내에 있는 모든 변형 및 양태를 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (29)

  1. 3xxx, 5xxx 및 6xxx 알루미늄 합금 중 하나로 이루어진 코어층; 및
    0.5 내지 5 중량% Zn의 첨가제를 갖는 3xxx 알루미늄 합금, 및 7xxx 알루미늄 합금 중 하나로 이루어진 외부 라이너층
    으로 이루어진, 열 교환기 튜브용 알루미늄 시트 제품으로서,
    상기 외부 라이너층은 열 교환기 튜브의 외부 표면을 형성하고, 알루미늄 시트 제품은 기계적으로 확장되어 외부 라이너층이 열 교환기의 평판 핀과 기계적 접촉을 갖는, 열 교환기 튜브용 알루미늄 시트 제품.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어층이 0.05 내지 1.2 중량%의 Si, 0 초과 1.0 중량% 이하의 Fe, 0.10 내지 1.0 중량%의 Cu, 0.3 내지 2.0 중량%의 Mn, 0 초과 1.0 중량% 이하의 Mg, 0 초과 0.25 중량% 이하의 Zn, 0.10 내지 0.2 중량%의 Ti를 포함하고, 나머지는 알루미늄 및 기타 불가피한 불순물인, 열 교환기 튜브용 알루미늄 시트 제품.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 라이너층이 0.7 내지 4 중량% Zn의 첨가제를 갖는 3xxx 알루미늄 합금을 포함하는, 열 교환기 튜브용 알루미늄 시트 제품.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 라이너층이 1 내지 3 중량% Zn의 첨가제를 갖는 3xxx 알루미늄 합금을 포함하는, 열 교환기 튜브용 알루미늄 시트 제품.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 라이너층이 0.5 내지 5.0 중량%의 Zn을 갖는 7xxxx 알루미늄 합금을 포함하는, 열 교환기 튜브용 알루미늄 시트 제품.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 라이너층과 상기 코어층 간의 부식 전위차가 30 mV 이상인, 열 교환기 튜브용 알루미늄 시트 제품.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 시트 제품이 14 Ksi 이상의 O 템퍼(temper) 브레이징 전(pre-braze) 인장 강도를 갖는, 열 교환기 튜브용 알루미늄 시트 제품.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 시트 제품이 16 Ksi 이상의 O 템퍼 브레이징 전 인장 강도를 갖는, 열 교환기 튜브용 알루미늄 시트 제품.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 시트 제품이 18 Ksi 이상의 O 템퍼 브레이징 전 인장 강도를 갖는, 열 교환기 튜브용 알루미늄 시트 제품.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 시트 제품이 20 Ksi 이상의 O 템퍼 브레이징 전 인장 강도를 갖는, 열 교환기 튜브용 알루미늄 시트 제품.
  13. 제 1 항에 있어서,
    내층(inner layer)을 추가로 포함하는, 열 교환기 튜브용 알루미늄 시트 제품.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 내층이 3xxx 및 4xxx 알루미늄 합금 중 하나를 포함하는, 열 교환기 튜브용 알루미늄 시트 제품.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제 1 항에 있어서,
    0.3 mm 내지 1.5 mm 범위의 두께를 갖는, 열 교환기 튜브용 알루미늄 시트 제품.
  18. 3xxx, 5xxx 및 6xxx 알루미늄 합금 중 하나로 이루어진 코어층; 및
    상기 코어층의 제 1 면 상에서 튜브의 외부 표면을 한정하는 외부 라이너층으로서, 0.5 내지 5 중량% Zn의 첨가제를 갖는 3xxx 알루미늄 합금, 및 7xxx 알루미늄 합금 중 하나로 이루어진 외부 라이너층
    으로 이루어진 열 교환기 튜브로서, 기계적으로 확장되어 외부 라이너층이 열 교환기의 평판 핀과 기계적 접촉을 갖는, 열 교환기 튜브.
  19. 제 1 항에 기재된 열 교환기 튜브용 알루미늄 시트 제품으로부터 튜브를 형성하는 단계;
    상기 튜브를 복수의 핀에 삽입하는 단계; 및
    상기 튜브를 확장시키는 단계
    를 포함하는, 열 교환기의 제조 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 튜브를 확장시키는 단계가 원통형 맨드릴(cylindrical mandrel)을 튜브에 통과시키는 단계를 포함하되, 상기 맨드릴의 외경은 상기 튜브의 내경보다 큰, 열 교환기의 제조 방법.
  21. 튜브를 포함하는 열 교환기로서, 상기 튜브는
    3xxx, 5xxx 및 6xxx 알루미늄 합금 중 하나로 이루어진 코어층;
    상기 코어층의 제 1 면 상에서 튜브의 외부 표면을 한정하는 외부 라이너층으로서, 0.5 내지 5 중량% Zn의 첨가제를 갖는 3xxx 알루미늄 합금, 및 7xxx 알루미늄 합금 중 하나로 이루어진 외부 라이너층; 및
    코어층의 제 1 면과 먼 쪽으로서 튜브의 내부에 위치한 튜브의 내부 표면으로부터 연장된 복수의 돌출 핀
    을 포함하고,
    상기 튜브는 기계적으로 확장되어 외부 라이너층이 열 교환기의 평판 핀과 기계적 접촉을 갖는, 열 교환기.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 튜브는, 튜브의 내부로서 상기 외부 라이너와 반대쪽인 코어층의 제 2 면 상에 내층을 추가로 포함하는, 열 교환기
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 내층은 3xxx 및 4xxx 알루미늄 합금 중 하나를 포함하는, 열 교환기.
  24. 제 1 항에 있어서,
    외부 라이너층에서 먼 쪽의 코어층 상에 위치한 내층을 추가로 포함하는, 열 교환기 튜브용 알루미늄 시트 제품.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 내층은 3xxx 알루미늄 합금을 포함하는, 열 교환기 튜브용 알루미늄 시트 제품.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어층 및 외부 라이너층은 고온 압연되어 금속학적으로 결합되는, 열 교환기 튜브용 알루미늄 시트 제품.
  27. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어층 및 외부 라이너층은 다중 합금 주조되는, 열 교환기 튜브용 알루미늄 시트 제품.
  28. 제 18 항에 있어서,
    상기 튜브는 그의 길이 방향에 따라 용접 접합부를 갖는, 열 교환기 튜브.
  29. 제 21 항에 있어서,
    상기 튜브는 그의 길이 방향에 따라 용접 접합부를 갖고, 외부로 확장되어 튜브가 삽입되는 외부의 적어도 하나의 핀 내의 구멍에 맞물리는, 열 교환기.
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