KR101780108B1 - 천이 액상 확산 접합을 위한 열 교환기용 플레이트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기를 구성하는 복수 개의 플레이트를 천이 액상 확산 접합 법(Transition liquid phase bonding, TLP bonding)으로 접합할 수 있도록 설계된 열교환기용 플레이트와 상기 플레이트가 천이 액상 확산 접합법으로 접합된 플레이트 적층체를 포함하는 열 교환기 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에서 제공하는 열교환기는 복수 개의 플레이트간의 천이 액상 접합법으로 접합시킴으로써 접합부 내 결함이 존재하지 않고 건전한 접합부를 확보할 수 있도록 하여 제품 품질이 매우 우수하하며, 접합 공정은 온화한 조건 하에서 수행할 수 있어 접합 조건 운용이 용이하며 생산 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

Description

천이 액상 확산 접합을 위한 열 교환기용 플레이트{Plate for heat exchanger for transition liquid phase bonding}

본 발명은 열 교환기를 구성하는 복수 개의 플레이트를 천이 액상 확산 접합법(Transition liquid phase bonding, TLP bonding)으로 접합할 수 있도록 설계된 열 교환기용 플레이트와 상기 플레이트가 천이 액상 확산 접합법으로 접합된 플레이트 적층체를 포함하는 열 교환기 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 냉장고나 에어컨 등의 냉동 장치는 가스 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매가 외부 공기와 열 교환되면서 외부 공기로 열을 방출하여 응축되는 응축기와, 상기 응축기에서 응축된 냉매가 팽창되는 팽창 기구와, 상기 팽창 기구에서 팽창된 냉매가 냉각 또는 냉방시키고자 하는 공간의 공기의 열을 빼앗으면서 증발되는 열 교환기를 포함하여 구성된다.

상기 증발기 및 응축기는 냉매와 주변의 공기를 열 교환시키는 열 교환기로서, 냉매가 통과하는 냉매관과, 상기 냉매관이 관통되고 이격되게 배치되는 복수 개의 핀으로 구성되는 핀형 열 교환기로 구성되거나, 복수 개의 플레이트와, 상기 플레이트의 일면에 부착되는 냉매관으로 구성되는 플레이트형 열 교환기로 구성될 수 있다.

종래에는 상기한 플레이트형 열 교환기에 있어서 복수 개의 플레이트를 접합하기 위한 방법으로 고상 확산 접합법이나 브레이징(brazing) 접합 방법이 많이 사용되었다.

그런데 상기 고상 확산 접합법을 이용하기 위해서는 플레이트의 표면 거칠기(roughness) 관리가 엄격히 필요하며 약 10^-4 torr 이상의 고진공도와 약 3~7 MPa 이상의 고압 조건 하에서 가압 공정이 필요하므로 실제 공정을 수행하기가 매우 어려운 문제점이 있다.

또한, 브레이징 접합 방법은 플레이트 사이에 필러 금속을 삽입하고 진공로 또는 수소로에서 접합을 수행하는데, 액상 상태의 필러 금속 내에 함유되어 있는 유기 바인더가 용해 휘발되면서 기포를 발생시키거나 석출물이 형성되어 접합 불량이 초래되는 문제점이 있다.

이에 최근에는 보다 간단하고 용이한 공정에 의하면서도 우수한 효율로 플레이트를 접합할 수 있는 접합 방법에 대한 연구가 진행되고 있다.

본 발명의 일 목적은 천이 액상 확산 접합법에 의해 접합이 가능하도록 설계된 열 교환기용 플레이트를 제공하고자 한다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 플레이트를 이용하여 천이 액상 확산 접합법에 의하여 보다 간단하고 용이하게, 그리고 저렴한 비용으로 열 교환기 내 복수 개의 플레이트를 접합시키며, 이때 형성되는 접합부는 우수한 품질을 갖는 열 교환기를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 구현 예에 따르면, 플레이트; 및

상기 플레이트의 적어도 일면에 천이 액상 확산 접합에 의해 접합 대상물과 접합할 수 있는 합금층을 포함하며,

상기 합금층은 융점 강하 원소인 B, Si 및 P 중 적어도 하나를 포함하는 열 교환기용 플레이트를 제공한다.

상기 플레이트의 적어도 일면에는 액상 또는 기상의 유체가 유동할 수 있는 유로가 형성될 수 있다.

상기 접합 대상물은 제2의 플레이트 또는 냉매관일 수 있다.

상기 합금층은 30~100 ㎛의 두께를 가질 수 있다.

상기 합금층은 Cr: 5 ~ 25중량%, Si: 0 초과 10중량% 이하, Al: 0 초과 5 중량% 이하, Ti: 0 초과 5중량% 이하, B: 0.5~4중량% 및 잔부 Ni을 포함할 수 있다.

상기 합금층은 B: 1~5중량% 및 Ni: 95~99중량%를 포함할 수 있다.

상기 합금층은 P: 1~13중량% 및 Ni: 87~99중량%를 포함할 수 있다.

상기 합금층은 Si: 0 초과 15중량% 이하, Mg: 0 초과 2중량% 이하 및 Al 잔부를 포함할 수 있다.

상기 합금층은 무전해 도금 또는 용사 코팅(thermal spray)에 의해 형성될 수 있다.

상기 플레이트는 0.05~0.15mm의 두께를 가질 수 있다.

본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 상기한 플레이트를 2개 이상 포함하는 열 교환기로서,

2개 이상의 플레이트는 각각의 플레이트 사이에 합금층이 개재된 상태로 적층되며,

상기 합금층은 천이 액상 확산 접합에 의해 접합부를 형성하는 것을 특징으로 하는, 열 교환기를 제공한다.

상기 합금층은 Cr: 5 ~ 25중량%, Si: 0 초과 10중량% 이하, Al: 0 초과 5 중량% 이하, Ti: 0 초과 5중량% 이하, B: 0.5~4중량% 및 잔부 Ni을 포함할 수 있다.

상기 합금층은 B: 1~5중량% 및 Ni: 95~99중량%를 포함할 수 있다.

상기 합금층은 P: 1~13중량% 및 Ni: 87~99중량%를 포함할 수 있다.

상기 합금층은 Si: 0 초과 15중량% 이하, Mg: 0 초과 2중량% 이하 및 Al 잔부를 포함할 수 있다.

상기 열 교환기는 냉매관을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 2개 이상의 플레이트를 준비하는 단계;

상기 플레이트의 적어도 일면에 천이 액상 확산 접합에 의해 제2의 플레이트와 접합할 수 있도록 융점 강하 원소인 B, Si 및 P 중 적어도 하나를 포함하는 합금층을 형성하는 단계;

합금층이 형성된 2개 이상의 플레이트를 적층하는 단계; 및

적층된 플레이트를 1x10^-4 ~ 1x10^-3 torr의 진공도 및 900~1200℃의 온도범위에서 0.1 ~ 6시간 동안 가열 및 유지하여 접합 열처리하는 단계를 포함하는, 열 교환기의 제조방법을 제공한다.

상기 합금층을 형성하는 단계는 무전해 도금 또는 용사 코팅(thermal spray)에 의해 수행될 수 있다.

상기 합금층을 형성하는 단계는 합금층이 30~100 ㎛의 두께를 갖도록 수행될 수 있다.

상기 무전해 도금 또는 용사 코팅에 의해 합금층을 형성한 뒤, 플레이트 상에 액상 또는 기상의 유체가 유동할 수 있는 유로를 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 용사 코팅에 의해 합금층을 형성하기에 앞서, 플레이트 상에 액상 또는 기상의 유체가 유동할 수 있는 유로를 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 적층하는 단계 시 2개 이상의 플레이트는 각각의 플레이트 사이에 합금층이 개재되도록 적층될 수 있다.

상기 접합 열처리하는 단계에 후속적으로 노랭하는 단계를 더 포함할 수 있다.

단, 본 발명에서 "제2의 플레이트"라 함은 본 발명에 딸 천이 액상 접합을 할 수 있는 합금층이 형성되거나 혹은 형성되지 않은 임의의 다른 플레이트를 의미하는 것으로, 상기 접합물인 합금층을 갖는 플레이트와 동일한 재질 또는 상이한 재질을 가질 수 있다.

본 발명에서 제공하는 열 교환기용 플레이트는 다른 플레이트나 냉매관 등의 다른 부품과 천이 액상 접합을 용이하게 수행할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명에서 제공하는 열 교환기는 복수 개의 플레이트가 천이 액상 접합법에 의해 접합됨으로써 접합부 내에 결함 등이 존재하지 않는 건전한 접합부가 형성되어 열 교환기의 품질이 매우 우수하다.

또한, 본 발명에서 제공하는 열 교환기용 플레이트의 접합 방법은 종래의 고상 확산 접합 방법과 같은 고진공도 및 고압의 조건을 요구하지 않아 설비 제작비가 절감되고 접합 조건 운용이 용이하며 생산 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

도 1의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 교환기용 플레이트의 단면도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 용사 코팅에 의해 플레이트 상에 합금층을 형성하는 경우 사용될 수 있는 플라즈마 건의 개략도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 교환기용 플레이트의 제조공정의 흐름도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 교환기의 제조공정의 흐름도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 실험예 1에서 본 발명에 따른 플레이트를 사용하여 천이 액상 확산 접합 방법으로 이들을 접합시킨 경우(실시예 1) 접합부의 단면 사진을 나타낸 것이다.
도 6은 실험예 1에서 브레이징 접합 방법에 의해 플레이트를 접합시킨 경우(비교예 1) 접합부의 단면 사진을 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 발명의 발명자들은 복수 개의 플레이트를 포함하는 열 교환기를 제조할 때, 복수 개의 플레이트를 천이 액상 확산 접합법(Transition liquid phase bonding, TLP bonding)으로 접합시키는 경우 접합부 내에 결함이 발생하지 않아 접합부 품질을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 고상 확산 접합법보다 온화한 조건 하에서 간단하고 용이하게 접합 공정을 수행할 수 있음을 발견하여 본 발명에 이르게 되었다.

구체적으로 본 발명의 일 구현 예에 따르면, 플레이트; 및 상기 플레이트의 적어도 일면에 천이 액상 확산 접합에 의해 접합 대상물에 접합할 수 있는 합금층을 포함하며, 상기 합금층은 융점 강하 원소인 B, Si 및 P 중 적어도 하나를 포함하는 열 교환기용 플레이트를 제공한다.

본 발명에서 상기 접합 대상물은 상기한 플레이트가 접합할 수 있는 다른 대상물을 의미하는 것으로, 예를 들어서는 본 발명에 따른 합금층이 형성되거나 형성되지 않은 제2의 플레이트나 냉매관 등의 열 교환기에 포함될 수 있는 다른 부품일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에서 상기 합금층은 무전해 도금 또는 용사 코팅(thermal spray)에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.

단, 본 발명의 플레이트의 적어도 일면에는 냉매로 사용되는 액상 또는 기상의 유체가 유동하며 열 교환을 수행할 수 있는 유로가 형성될 수 있다. 이때 본 발명의 합금층은 상기 유로가 형성된 면에 형성될 수 있고, 혹은 유로가 형성되지 않은 다른 이면에 형성될 수도 있다. 단, 유로가 형성된 면에 합금층이 형성되는 경우, 합금층은 유로 부분을 제외한 부분에만 형성된다.

또한, 본 발명에서 상기 유로의 형태는 특별히 한정하지 않으나, 열 교환 효율을 높이기 위해서는 충분한 유로 길이를 확보할 수 있도록 지그재그 형상을 가질 수 있다.

종래에 브레이징 방법 등을 이용하여 플레이트를 접합하는 경우 플레이트 사이에 충진되는 필러 금속을 가루 형태(powder type)로 사용하는 것이 일반적인데, 그 경우 가루 형태의 필러 금속을 접합이 이루어지는 부분에 정확히 도포하지 않으면 상기한 필러 금속이 유로를 막는 문제점이 존재하였다.

하지만, 본 발명에서는 무전해 도금 또는 용사 코팅에 의해 유로가 형성되지 않은 부분에 천이 액상 확산 접합이 가능한 합금층을 플레이트 표면을 따라 균일하게 형성함으로써, 플레이트 상의 유로를 막는 문제점이 발생하지 않으며, 접합 시 유로가 형성되지 않은 부분에만 접합이 이루어질 수 있어, 접합 품질을 더욱 높일 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 합금층의 두께는 특별히 한정하지는 않으나, 예를 들어 30 ~ 100 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 합금층의 두께가 30 ㎛ 미만인 경우 충분한 접합부를 형성하기 어려울 수 있고, 두께가 100 ㎛를 초과하는 경우 천이 액상 확산 접합 시 합금층이 모재로 충분히 확산되지 않을 수 있고 경제적인 점에서도 문제가 될 수 있다.

본 발명에서 상기 합금층의 조성으로는 상기한 바와 같이 플레이트 모재의 융점을 강하시킬 수 있는 원소로 B, Si 및 P 중 적어도 하나를 포함하고, 필요에 따라서는 강도, 내식성 및 내산화성을 향상시키기 위하여 Cr 및/또는 Ni을 추가로 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 본 발명에서 상기 합금층의 구체적인 조성은 플레이트 조성에 따라 적절히 조절될 수 있는데, 본 발명에서 상기 플레이트가 STS계 또는 니켈 합금계인 경우, 본 발명의 바람직한 한 구현 예에서 상기 합금층은 Cr: 5 ~ 25중량%, Si: 0 초과 10중량% 이하, Al: 0 초과 5 중량% 이하, Ti: 0 초과 5중량% 이하, B: 0.5~4중량% 및 잔부 Ni을 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 Cr: 5 ~ 20중량%, Si: 0 초과 5중량% 이하, Al: 0 초과 5 중량% 이하, Ti: 0 초과 5중량% 이하, B: 0.5~4중량% 및 잔부 Ni을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 바람직한 다른 구현 예에서 상기 합금층은 B: 1~5중량% 및 Ni: 95~99중량%를 포함할 수 있으며, 본 발명의 바람직한 또 다른 구현 예에서 상기 합금층은 P: 1~13중량% 및 Ni: 87~99중량%를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 P: 1~10중량% 및 Ni: 90~99중량%를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 STS계 플레이트의 구체적인 조성은 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어 STS 316L 강재 또는 STS 304 강재를 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 플레이트가 알루미늄 합금계인 경우, 본 발명의 바람직한 한 구현 예에서 상기 합금층은 Si: 0 초과 15중량% 이하, Mg: 0 초과 2중량% 이하 및 Al 잔부를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명에서 사용되는 플레이트의 두께 역시 특별히 한정하지 않으며 열 교환기가 적용될 기기나 부품의 규모에 따라 적절히 선택할 수 있으나, 열 교환 효율 및 경제적인 점을 고려할 때 0.05 ~ 0.15 mm인 것이 바람직하다.

도 1의 (a)은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 교환기용 플레이트의 단면도를 나타낸 것으로, 플레이트(1)의 일면에는 단면이 반구 형상인 냉매 유로(10)가 형성된 것을 볼 수 있고, 유로(10)가 형성된 플레이트(1)의 표면 중 유로가 형성되지 않은 부분을 따라 천이 액상 확산 접합을 할 수 있는 합금층(100)이 형성된 것을 볼 수 있다.

또한, 도 1의 (b)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 교환기용 플레이트의 단면도를 나타낸 것으로, 플레이트(1)의 일면에는 단면이 반구 형상인 냉매 유로(10)가 형성된 것을 볼 수 있고, 유로(10)가 형성된 면의 다른 이면을 따라 천이 액상 확산 접합을 할 수 있는 합금층(100)이 형성된 것을 볼 수 있다.

본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 플레이트를 준비하는 단계; 및 상기 플레이트의 적어도 일면에 천이 액상 확산 접합에 의해 접합 대상물과 접합할 수 있도록 융점 강하 원소인 B, Si 및 P 중 적어도 하나를 포함하는 합금층을 형성하는 단계를 포함하는 열 교환기용 플레이트의 제조방법을 제공한다.

본 발명에서 상기 접합 대상물은 상기한 플레이트가 접합할 수 있는 다른 대상물을 의미하는 것으로, 예를 들어서는 본 발명에 따른 합금층이 형성되거나 형성되지 않은 제2의 플레이트나 냉매관 등의 열 교환기에 포함될 수 있는 다른 부품일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에서 상기 합금층을 형성하는 단계는 무전해 도금 또는 용사 코팅(thermal spray)에 의해 수행되는 것을 특징으로 한다.

구체적으로 본 발명의 일 실시예에서 상기 무전해 도금은 플레이트의 적어도 일면을 B 및 P 중 적어도 하나의 융점 강하 원소를 갖는 합금 조성물과 환원제를 포함하는 도금액에 담지하며 수행될 수 있다.

여기서, 상기 환원제의 종류는 특별히 한정하지는 않으나, 예를 들어 포름알데히드(HCHO), 글리세린을 기반으로 제조된 글리옥실산, 하이포아인산나트륨(NaPO₂H_2·H₂O), 수소화붕소 용액 및 디메틸아민-보란 (DMAB)으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에서 상기 용사 코팅은 플라즈마 건 등을 이용하여 B, Si 및 P 중 적어도 하나의 융점 강하 원소를 갖는 합금 조성물을 플레이트의 적어도 일면에 분사하며 수행될 수 있다.

보다 상세하게는 도 2는 용사 코팅 시 사용될 수 있는 플라즈마 건(20)의 개략도를 나타낸 것으로, 가스 주입구(21)를 통해 플라즈마 가스(Ar, N₂, H₂, He 등)를 유입하면 이는 고전압 직류 고전력(통상적으로 30-100KV, 400-1000A)이 인가된 음극(22)과 양극(24) 사이의 간극을 통과하면서 그 일부가 해리되어 5,000 ~ 15,000 ℃의 고온 플라즈마 불꽃(flame)(25)을 형성하고, 분말(powder) 또는 선(wire)으로 제조된 상기 합금 조성물은 분말 주입구(27)를 통해 고온의 플라즈마 불꽃(25) 속으로 주입된다. 분말 주입구(27)는 지지대(26)에 의해 플라즈마 건에 고정되는데, 분말 주입구(27)를 통해 주입된 합금 조성물의 분말(28)은 고온의 플라즈마 불꽃에 의해 완전 용융되거나 일부 용융된 상태로 고속(200 ~ 700m/s)으로 코팅 대상물, 즉 플레이트(30) 방향으로 비행하여 합금층 (29)을 형성하게 된다.

한편, 본 발명에서 사용하는 플레이트의 적어도 일면에는 냉매로 사용되는 액상 또는 기상의 유체가 유동하며 열 교환을 수행할 수 있는 유로가 형성될 수 있는데, 상기한 유로를 형성하는 공정은 특별히 한정하지 않으며 통상의 기술자라면 당해 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 방법으로 수행할 수 있으나, 예를 들어 기계 가공 또는 화학적 에칭법(chemical etching)에 의해 플레이트 상에 다양한 형태의 유로를 형성할 수 있다.

본 발명에서 상기한 유로를 형성하는 단계는 합금층을 형성하는 단계의 전 또는 후에 수행할 수 있으며, 수행 순서를 특별히 한정하지는 않는다.

단, 본 발명의 일 실시예에서 유로가 형성된 면에 합금층을 형성하는 경우, 무전해 도금 또는 용사 코팅에 의해 합금층을 먼저 형성한 뒤 유로를 형성하는 거나, 혹은 유로를 형성한 뒤 용사 코팅에 의해 유로가 형성되지 않은 부분에만 합금층이 형성될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에서, 유로가 형성되지 않은 면에 합금층을 형성하는 경우에는 공정 수행 조건에 따라 합금층을 형성하는 단계의 전 또는 후에 선택하여 수행할 수 있다.

본 발명에서 상기 합금층을 형성하는 단계는 합금층의 두께가 30 ~ 100 ㎛의 두께를 갖도록 수행하는 것이 바람직하다. 합금층의 두께가 30㎛ 미만인 경우 충분한 접합부를 형성하기 어려울 수 있고, 두께가 100㎛를 초과하는 경우 천이 액상 확산 접합 시 합금층이 모재로 충분히 확산되지 않을 수 있고 경제적인 점에서도 문제가 될 수 있다.

본 발명의 플레이트의 제조방법에서 합금층의 조성과 플레이트의 두께 및 조성은 상기 본 발명에 따른 플레이트의 기재와 중복되어 이하 자세한 기재는 생략한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 교환기용 플레이트의 제조공정의 흐름도를 개략적으로 도시한 것으로, 먼저 플레이트(1)를 준비한 뒤(a), 플레이트(1)의 일면 상에 합금층(100)을 형성하고(b), 합금층(100)이 형성된 면(c)에 유로(10)를 형성한 것을 볼 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 본 발명에 따른 플레이트를 2개 이상 포함하는 열 교환기로서, 2개 이상의 플레이트는 각각의 플레이트 사이에 합금층이 개재된 상태로 적층되며, 상기 합금층은 천이 액상 확산 접합에 의해 접합부를 형성하는 것을 특징으로 하는, 열 교환기를 제공한다.

구체적으로 본 발명에서 합금층이 형성된 플레이트 2개 이상을 적층하되, 2개의 플레이트 사이에 합금층이 개재된 상태로 적층하면 천이 액상 확산 접합에 의해 상기 합금층은 플레이트 접합부를 형성할 수 있다. 즉, 천이 액상 확산 접합 시 합금층 내에 포함된 융점 강하 원소인 B, Si 또는 P는 플레이트 모재쪽으로 확산되고 합금층의 융점이 상승하여 등온 응고가 발생함에 따라 접합부가 형성될 수 있다.

본 발명에서 상기 합금층은 무전해 도금 또는 용사 코팅(thermal spray)에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 상기 합금층의 두께는 특별히 한정하지는 않으나, 예를 들어 30 ~ 100 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 합금층의 두께가 30 ㎛ 미만인 경우 충분한 접합부를 형성하기 어려울 수 있고, 두께가 100 ㎛를 초과하는 경우 천이 액상 확산 접합 시 합금층이 모재로 충분히 확산되지 않을 수 있고 경제적인 점에서도 문제가 될 수 있다.

본 발명에서 상기 합금층의 조성으로는 상기한 바와 같이 플레이트 모재의 융점을 강하시킬 수 있는 원소로 B, Si 및 P 중 적어도 하나를 포함하고, 필요에 따라서는 강도, 내식성 및 내산화성을 향상시키기 위하여 Cr 및/또는 Ni을 추가로 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 본 발명에서 상기 합금층의 구체적인 조성은 플레이트 조성에 따라 적절히 조절될 수 있는데, 본 발명에서 상기 플레이트가 STS계 또는 니켈 합금계인 경우, 본 발명의 바람직한 한 구현 예에서 상기 합금층은 Cr: 5 ~ 25중량%, Si: 0 초과 10중량% 이하, Al: 0 초과 5 중량% 이하, Ti: 0 초과 5중량% 이하, B: 0.5~4중량% 및 잔부 Ni을 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 Cr: 5 ~ 20중량%, Si: 0 초과 5중량% 이하, Al: 0 초과 5 중량% 이하, Ti: 0 초과 5중량% 이하, B: 0.5~4중량% 및 잔부 Ni을 포함할 수 있다. 본 발명의 바람직한 다른 구현 예에서 상기 합금층은 B: 1~5중량% 및 Ni: 95~99중량%를 포함할 수 있으며, 본 발명의 바람직한 또 다른 구현 예에서 상기 합금층은 P: 1~13중량% 및 Ni: 87~99중량%를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 P: 1~10중량% 및 Ni: 90~99중량%를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 플레이트가 알루미늄 합금계인 경우, 본 발명의 바람직한 한 구현 예에서 상기 합금층은 Si: 0 초과 15중량% 이하, Mg: 0 초과 2중량% 이하 및 Al 잔부를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명에서 사용되는 플레이트의 적어도 일면에는 냉매가 유동하며 열 교환을 수행할 수 있는 유로가 형성될 수 있으며, 상기 유로 형태는 특별히 한정하지 않으나 예를 들어 지그재그 형태를 이룰 수 있다. 이때 본 발명에 따른 합금층은 상기 유로가 형성된 면에 형성될 수 있고, 혹은 유로가 형성되지 않은 다른 이면에 형성될 수도 있다. 단, 유로가 형성된 면에 합금층이 형성되는 경우, 합금층은 유로 부분을 제외한 부분에만 형성된다.

또한, 본 발명에서 상기 플레이트의 두께는 특별히 한정하지 않으며 열 교환기가 적용될 기기나 부품의 규모에 따라 적절히 선택할 수 있으나, 열 교환 효율 및 경제적인 점을 고려할 때 0.05 ~ 0.15 mm인 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 구현 예에 따르면, 2개 이상의 플레이트를 준비하는 단계; 상기 플레이트의 적어도 일면에 천이 액상 확산 접합에 의해 제2의 플레이트와 접합할 수 있도록 융점 강하 원소인 B, Si 및 P 중 적어도 하나를 포함하는 합금층을 형성하는 단계; 합금층이 형성된 2개 이상의 플레이트를 적층하는 단계; 및 적층된 플레이트를 1x10^-4 ~ 1x10^-3 torr의 진공도 및 900 ~ 1200℃의 온도범위에서 0.1 ~ 6시간 동안 접합 열처리하는 단계를 포함하는, 열교환기의 제조방법을 제공한다.

본 발명에서 우선 플레이트를 준비하는 단계를 수행할 수 있는데, 상기한 플레이트의 두께는 특별히 한정하지 않으며 열 교환기가 적용될 기기나 부품의 규모에 따라 적절히 선택할 수 있으나, 열 교환 효율 및 경제적인 점을 고려할 때 0.05 ~ 0.15 mm인 것을 준비하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기와 같은 플레이트를 2개 이상 준비하면, 플레이트의 적어도 일면에 합금층을 형성하는 단계를 수행할 수 있다. 본 발명에서 상기 합금층은 무전해 도금 또는 용사 코팅(thermal spray)에 의해 형성하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로 본 발명의 일 실시예에서 상기 무전해 도금은 플레이트의 적어도 일면을 B 및 P 중 적어도 하나의 융점 강하 원소를 갖는 합금 조성물과 환원제를 포함하는 도금액에 담지하며 수행될 수 있다.

여기서, 상기 환원제의 종류는 특별히 한정하지는 않으나, 예를 들어, 포름알데히드(HCHO), 글리세린을 기반으로 제조된 글리옥실산, 하이포아인산나트륨(NaPO₂H_2·H₂O), 수소화붕소 용액 및 디메틸아민-보란 (DMAB)으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에서 상기 용사 코팅은 플라즈마 건 등을 이용하여 B, Si 및 P 중 적어도 하나의 융점 강하 원소를 갖는 합금 조성물을 플레이트의 적어도 일면에 분사하며 수행될 수 있다.

한편, 본 발명에서 사용하는 플레이트의 적어도 일면에는 냉매로 사용되는 액상 또는 기상의 유체가 유동하며 열 교환을 수행할 수 있는 유로가 형성될 수 있는데, 상기한 유로를 형성하는 공정은 특별히 한정하지 않으며 통상의 기술자라면 당해 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 방법으로 수행할 수 있으나, 예를 들어 기계 가공이나 화학적 에칭법(chemical etching)에 의해 플레이트 상에 다양한 형태의 유로를 형성할 수 있다.

본 발명에서 상기한 유로를 형성하는 단계는 합금층을 형성하는 단계의 전 또는 후에 수행할 수 있으며, 수행 순서를 특별히 한정하지는 않는다.

단, 본 발명의 일 실시예에서 유로가 형성된 면에 합금층을 형성하는 경우, 무전해 도금 또는 용사 코팅에 의해 합금층을 형성한 뒤 유로를 형성하거나, 혹은 유로를 형성한 뒤 용사 코팅에 의해 유로가 형성되지 않은 부분에만 합금층이 형성될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에서, 유로가 형성되지 않은 면에 합금층을 형성하는 경우에는 공정 수행 조건에 따라 합금층을 형성하는 단계의 전 또는 후에 선택하여 수행할 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 합금층을 형성하는 단계는 합금층의 두께가 30 ~ 100㎛의 두께를 갖도록 수행하는 것이 바람직하다. 합금층의 두께가 30 ㎛ 미만인 경우 충분한 접합부를 형성하기 어려울 수 있고, 두께가 100 ㎛를 초과하는 경우 천이 액상 확산 접합 시 합금층이 모재로 충분히 확산되지 않을 수 있고 경제적인 점에서도 문제가 될 수 있다.

본 발명에서 상기와 같이 합금층이 형성된 플레이트가 준비되면, 2개 이상의 플레이트를 적층하여 플레이트 적층체를 형성하는 단계를 수행할 수 있는데, 이때 2개 이상의 플레이트는 각각의 플레이트 사이에 합금층이 개재되도록 적층될 수 있다.

또한, 본 발명에서는 합금층이 형성되지 않은 플레이트를 상기 플레이트 적층체의 가장 상층 또는 하층에 추가로 적층할 수 있다.

이 후, 본 발명에서는 적층된 플레이트를 1x10^-4 ~ 1x10^-3 torr의 진공도 및 900 ~ 1200℃의 온도범위에서 0.1~ 6 시간 동안 가열 및 유지하여 접합 열처리하고, 20 ~ 25℃의 상온까지 노랭하는 단계를 포함하는 천이 액상 확산 공정을 수행할 수 있다. 상기한 접합 열처리 시 합금층 내에 포함된 융점 강하 원소인 B, Si 및/또는 P가 플레이트 모재 쪽으로 확산되어 합금층의 융점이 상승함에 따라 등온 접합부를 형성할 수 있다.

본 발명에서 형성되는 접합부는 상기한 천이 액상 접합 공정에 의해 그 내부에 기공이나 석출물이 형성되지 않아 플레이트의 접합 품질이 매우 우수하며, 접합을 위하여 고진공도 또는 고온의 환경 조건이 필요하지 않으므로 공정 운용이 매우 용이하고 경제적인 효과를 거둘 수 있어 생산 효율을 보다 높일 수 있다.

본 발명의 열 교환기의 제조방법에서 합금층 및 플레이트의 조성은 상기 본 발명에 따른 열 교환기의 기재와 중복되어 이하 자세한 기재는 생략한다.

도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 교환기의 제조공정의 흐름도를 개략적으로 도시한 것으로, 먼저 플레이트(1)를 준비한 뒤(a), 플레이트(1)의 일면에 합금층(100)을 형성하고(b), 합금층(100)이 형성된 면에 유로(10)를 형성한 뒤(c), 3개의 플레이트를 합금층(100)이 두 플레이트(1) 사이에 개재되도록 적층하고, 합금층이 형성되지 않은 플레이트(2)를 가장 상층에 적층하여 플레이트 적층체를 형성하고(d), 이어서 천이 액상 확산 접합에 의해 상기 합금층(100)이 접합부(101)를 이루어 열 교환기가 제조된다.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예

[제조예 1]

STS 316L 강재의 플레이트를 준비한 뒤, P: 10중량% 및 Ni: 90중량%를 포함하는 합금 조성물과 하이포아인산나트륨(NaPO₂H_2·H₂O)의 환원제를 포함하는 무전해 도금욕에 상기 플레이트의 일면을 침지하여 합금층을 형성하였다.

[제조예 2] Ni 계 플레이트

인코넬 617 플레이트를 준비한 뒤, B: 3중량% 및 Ni: 97중량%를 포함하는 합금 조성물과 하이포아인산나트륨(NaPO₂H_2·H₂O)의 환원제를 포함하는 무전해 도금욕에 상기 플레이트의 일면을 침지하여 합금층을 형성하였다.

[제조예 3] Al 계 플레이트

인콜로이(INCOLY) 800H 플레이트를 준비한 뒤, Si: 12중량%, Mg 1.5중량% 및 잔부 Al을 포함하는 합금 조성물을 도 2의 플라즈마 건을 이용하여 용사 코팅하여 합금층을 형성하였다. 단, 용사 코팅 시 플라즈마 가스로는 질소 가스를 사용하였다.

[실시예 1 내지 3]

상기 제조예 1 내지 3에서 제조된 플레이트의 합금층 상에 합금층이 형성되지 않은 플레이트를 적층한 뒤, 3x10^-4 torr의 진공도 및 1,050~1,100℃의 온도범위에서 1시간 동안 가열 및 유지하며 접합 열처리를 한 후 상온까지 노랭하여 플레이트 적층체를 제조하였다.

[비교예 1]

STS 316L 재질의 플레이트 2개를 준비한 뒤, Si: 6중량%, Zn: 4중량%, Cu: 0.5중량% 및 잔부 Al 및 불가피 불순물을 포함하는 알루미늄 합금의 필러 금속을 두 플레이트 사이에 삽입하고, 질소 분위기 하에서 600℃의 온도에서 10분간 브레이징하여 플레이트 적층체를 제조하였다.

[실험예 1]

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 플레이트 적층체의 접합부를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하여 그 사진을 각각 도 5 및 도 6에 나타내었다.

도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 플레이트 적층체는 접합부가 특별히 구분됨 없이 두 플레이트가 접합된 것을 볼 수 있었고, 특히나 접합부 내에는 아무런 생성상이나 결함이 존재하지 않는 것을 볼 수 있다.

반면, 도 6에서 보는 바와 같이 브레이징 방법을 이용하여 두 플레이트를 접합하는 경우 브레이징부에 다양한 생성상들이 일렬로 형성된 것을 볼 수 있다. 그런데 상기한 생성상들은 접합부의 기계적 물성에 악영향을 미칠 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

1: 플레이트
2: 합금층이 형성되지 않은 플레이트
10: 유로
100: 합금층
101: 접합부

Claims (22)

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11. 2개 이상의 플레이트를 준비하는 단계;
    상기 플레이트의 일면에 액상 또는 기상의 유체가 유동할 수 있는 오목한 홈 형상의 유로를 형성하는 단계;
    상기 유로가 형성된 플레이트의 일면 중 유로를 제외한 나머지 면 상에 융점 강하 원소인 B, Si 및 P 중 적어도 하나를 포함하여 천이 액상 확산 접합에 의해 제2의 플레이트와 접합할 수 있는 합금층을 용사 코팅에 의해 형성하는 단계;
    합금층이 형성된 상기 2개 이상의 플레이트를 적층하는 단계; 및
    적층된 플레이트를 1x10^-4 ~ 1x10^-3 torr의 진공도 및 900~1200℃의 온도범위에서 0.1~ 6 시간 동안 가열 및 유지하여 천이 액상 확산 접합에 의한 접합 열처리하는 단계에 의하여 제조되는 열교환기로서,
    상기 2개 이상의 플레이트는 상기 적층하는 단계 시 각각의 플레이트 사이에 상기 합금층이 개재되고, 상기 플레이트의 양면 중 유로가 형성된 일면과 유로가 형성되지 않은 일면이 접한 상태로 적층되며,
    상기 합금층은 상기 접합 열처리하는 단계 시 천이 액상 확산 접합에 의해 유로를 제외한 플레이트 상에 접합부를 형성하는 것을 특징으로 하는, 열교환기.
12. 제11항에 있어서,
    상기 합금층은 Cr: 5 ~ 25중량%, Si: 0 초과 10중량% 이하, Al: 0 초과 5 중량% 이하, Ti: 0 초과 5중량% 이하, B: 0.5~4중량% 및 잔부 Ni을 포함하는, 열교환기.
13. 제11항에 있어서,
    상기 합금층은 B: 1~5중량% 및 Ni: 95~99중량%를 포함하는, 열교환기.
14. 제11항에 있어서,
    상기 합금층은 P: 1~13중량% 및 Ni: 87~99중량%를 포함하는, 열교환기.
15. 제11항에 있어서,
    상기 합금층은 Si: 0 초과 15중량% 이하, Mg: 0 초과 2중량% 이하 및 Al 잔부를 포함하는, 열교환기.
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17. 2개 이상의 플레이트를 준비하는 단계;
    상기 플레이트의 일면에 액상 또는 기상의 유체가 유동할 수 있는 오목한 홈 형상의 유로를 형성하는 단계;
    상기 유로가 형성된 플레이트의 일면 중 유로를 제외한 나머지 면 상에 융점 강하 원소인 B, Si 및 P 중 적어도 하나를 포함하여 천이 액상 확산 접합에 의해 제2의 플레이트와 접합할 수 있는 합금층을 용사 코팅에 의해 형성하는 단계;
    합금층이 형성된 상기 2개 이상의 플레이트를 적층하는 단계; 및
    적층된 플레이트를 1x10^-4 ~ 1x10^-3 torr의 진공도 및 900~1200℃의 온도범위에서 0.1~ 6 시간 동안 가열 및 유지하여 천이 액상 확산 접합에 의한 접합 열처리하는 단계를 포함하고,
    상기 적층하는 단계 시 플레이트의 양면 중 유로가 형성된 일면과 유로가 형성되지 않은 일면이 접하도록 적층되며,
    상기 접합 열처리에 의해 유로를 제외한 플레이트 상에 접합부가 형성되는, 열교환기의 제조방법.
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