KR101973576B1 - 용접, 라미네이트식 장치 및 이의 제조 방법과, 상기 장치의 사용 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저온 용접 공정을 사용하여 라미네이트식 장치에의 용접 방법을 설명한다. 또한, 상기 라미네이트식 장치의 시트의 블레이즈식 코어 블록을 파열시키지 않는 용접을 갖는 라미네이트식 장치에 대해 설명한다. 또한, 상기 장치에 사용하기 위한 용접 용접재료을 갖는 신규한 라미네이트식 장치도 설명한다. 본 발명에 따라, 용접재료는 브레이즈 구성물 상에 배치된다.

Description

용접, 라미네이트식 장치 및 이의 제조 방법과, 상기 장치의 사용 방법 {WELDED, LAMINATED APPARATUS, METHODS OF MAKING, AND METHODS OF USING THE APPARATUS}

본 출원은 2010년 3월 2일자로 출원된 미국 가특허출원 61/309,851를 우선권으로 주장한다.

라미네이트 장치는 2개 이상의 층들 사이의 부착 및/또는 접합 및/또는 사실상 기밀식 밀봉을 달성하기 위해 인접 시트들 사이에서의 부가 재료[브레이즈(braze)] 중간층을 사용하여 금속 시트들을 함께 브레이징함으로써 형성된다. 브레이즈 경계층 근방의 이러한 라미네이트식(laminated) 장치에서의 부가 피스의 용접으로 인한 문제점은 종래의 용접이 종종 시트들 사이에 크랙을 형성한다는 점이다.

라미네이트식 장치, 특히 마이크로채널 장치는 용접 공정에 의해 변형되거나 또는 약해질 수 있다. 따라서, 라미네이트식 장치에서의 크랙을 보수하는 방법과 또한 크랙이 발생되기 쉽지 않은 라미네이트식 장치에 대한 요구가 있다.

제1 실시예에서, 본 발명은 적어도 일부가 시트들 사이에 배치된 브레이즈 구성물에 의해 함께 접합된 금속 시트를 갖는 라미네이트 장치를 제공하는 단계와, 용접 기술에 의해 상기 라미네이트식 장치 상에 금속을 도포하는 단계를 구비하는 라미네이트식 장치에 금속을 용접하는 방법을 포함하고, 용접 와이어는 왕복운동식으로 이동하고(교대로 전후로 이동), 용접 와이어가 상기 라미네이트식 장치에 접촉하고 그리고/또는 그로부터 멀게 당겨질 때 스파크가 발생되고, 용접 와이어가 표면으로부터 멀리 이동되는 동안 용융 금속이 표면에 도포된다. 전형적으로, 상기 공정은 용접 와이어 및 장치 주위로 송풍되는 불활성 가스의 슈라우드(shroud)에 의해 불활성 대기에서 수행된다. 브레이즈 구성물이 모든 시트들 사이에 존재하지만, 몇몇 장치에서는 몇몇 시트들 사이에서만 브레이즈 구성물이 존재하는 이러한 경우, 예를 들어 몇몇 시트는 (서브조립체를 형성하기 위해) 확산 접합에 의해 미리 접합되고, 최종 확산 접합된 라미네이트식 피스가 단일 시트에 후속 접합되거나 또는 브레이징에 의해 다른 확산 접합된 라미네이트식 피스에 후속 접합될 수 있다.

이와 다른 몇몇 실시예에서, 상기 방법은 용접 와이어의 왕복운동에 따른 간헐적 아크 방전을 특징으로 할 수 있다. 이와 같이, 용융 금속은 용접 와이어가 표면으로부터 멀게 이동되는 동안 표면에 도포된다.

또한, 본 발명은 고체(solid) 재료 제품을 브레이즈 라미네이트식 구조체에 용접하는 데 사용된다. 상기 고체 제품은 헤더(header), 푸터(footer) 및 입구 또는 출구 노즐, 엔클로져(enclosure; 이하 참조), 조작 중 또는 주변 상태에 유용한 구조적 지지 요소, 라미네이트식 장치를 리프팅 또는 지지하는 데 사용되는 커넥터 또는 다른 유용한 구성요소일 수 있다.

이러한 공정은 라미네이트식 장치의 매우 적은 가열로 수행될 수 있고, (본 발명의 공정에 따른) 30초 이내의 용접재료의 확산을 최소화하기 위해 새로운 용접 기술(예로써, 파이버 레이저 용접을 참조로 하는 CMT)을 적용한 액티브 용접이 이루어지고 액냉이 적용되지 않는 양호한 실시예에서 라미네이트식 장치의 온도는 장치 전체에 걸쳐 100 ℃ 이하이다. 다른 실시예에서, 라미네이트식 장치의 온도는 용접 단계 완료의 30초 이내에 50 ℃ 이하이다. 종래의 용접 공정에 비해, 라미네이트식 제품은 용접 중 그리고 용접이 종료된 후 수분 동안 더 뜨거워지며 전형적으로는 적열된다.

상기 창의적인 공정은 유일한 구조의 생산을 허용하고, 본 발명은 상기 창의적인 공정에 의해 제조된 장치를 포함한다. 일반적으로, 상기 공정의 결과 구조체에서 용접 위치에서의 용접재료가 코어 블록으로 확산되지 않게 된다. 코어 블록은 스택으로 접합된 라미네이트식 시트를 포함한다. 코어 블록은 10보다 많거나 또는 100보다 많거나 또는 1000보다 많은 층을 가질 수 있다.

또한, 본 발명은 용접된 라미네이트식 장치를 제공한다. 상기 라미네이트식 장치는, 시트들 사이에 배치된 브레이즈 구성물에 의해 적어도 일부가 함께 접합된 금속 시트를 갖는 코어 블록과, 상기 코어 블록에 배치되고 브레이즈 구성물에 부착되는 용접재료를 포함하고, 상기 용접재료는 브레이즈 구성물의 성분과 상이한 성분을 갖고, 상기 용접재료는 상기 코어 블록으로 2 mm 이하(바람직하게는, 1.0 mm 이하, 바람직하게는 0.5 mm 이하, 보다 바람직하게는 0.3 mm 이하)로 확산된다. 전형적으로, 코어 블록으로의 확산은 코어 블록의 섹션 상의 현미경에 의해 측정될 수 있다.

바람직하게, 코어 블록은 시트들 사이에 배치된 브레이즈 구성물에 의해 적어도 일부에서 함께 접합된 금속 시트를 포함한다. 코어 블록은 스택형 시트를 포함하고, 시트에 일체화된 매니폴드(일반적인 다기관)를 포함할 수 있지만, 코어 블록은 외부 매니폴드, 핸들 또는 외부 튜브를 포함하지 않는다.

또한, 본 발명은 마이크로채널 장치를 제공하며, 상기 마이크로채널 장치는 적어도 일부가 시트들 사이에 배치된 브레이즈 구성물에 의해 함께 접합된 금속 시트를 갖는 코어 블록과, 상기 코어 블록 내에 배치되고 코어 블록의 일측면 상에 복수의 구멍을 갖는 복수의 마이크로채널과, 단일 연속 공간 내에 상기 복수의 구멍을 둘러싸고 용접 재료에 의해 상기 코어 블록의 일측면 상에 용접된 단일 연속벽을 갖는 고체-벽형 엔클로져(solid-walled enclosure)를 포함하고, 상기 연속벽은 적어도 10:1의 높이 대 두께의 어스펙트비(여기서, 높이는 상기 벽이 상기 코어 블록의 일측면으로부터 돌출되는 방향이고, 두께는 높이에 수직하면서 통상적으로 이해되고 있는 벽두께)를 갖는다. 그리고, 상기 시트에 배치된 유체 채널과, 상기 시트의 에지에 배치된 유체 채널에의 입구를 포함하되, 각각의 채널이 입구 및 출구를 갖는 제1 세트의 유체 채널과, 각각의 채널이 입구 및 출구를 갖는 제2 세트의 유체 채널과, 제1 용접 입구 매니폴드 및 제1 용접 출구 매니폴드와, 제2 용접 입구 매니폴드 및 제2 용접 출구 매니폴드를 포함하고, 상기 제1 용접 입구 매니폴드는 상기 제1 세트의 유체 채널의 입구와 유체 연통하고, 상기 제1 용접 출구 매니폴드는 상기 제1 세트의 유체 채널의 출구와 유체 연통하고, 상기 제2 용접 입구 매니폴드는 상기 제2 세트의 유체 채널의 입구와 유체 연통하고, 상기 제2 용접 출구 매니폴드는 상기 제2 세트의 유체 채널의 출구와 유체 연통하고, 상기 매니폴드 각각은 용접재료에 의해 코어 블록에 연결된다. 그리고, 상기 고체-벽형 엔클로져는 매니폴드를 형성하여 가압 유체가 상기 매니폴드를 통해 코어 블록의 일측면의 복수의 개구로 통과할 수 있도록 밀봉된다.

또한, 본 발명은 본 발명의 상세한 설명 부분에서 설명하는 임의의 장치 또는 방법도 포함한다. 예로써, 본 발명은 용접이 장치(채널 개구) 위로 형성되고 이후 용접 재료가 제거되어 채널이 재개방되게 하는 방법을 포함한다.(예2 참조) 또한, 본 발명은 시트가 코어 블록의 면으로부터 돌출하는 채널을 갖는 장치도 포함한다.(도 3 참조)

본 발명의 이점은 누출 및 크랙의 저감 또는 제거를 포함한다. 용접 방법은 특히 중간층이 높은 용융점을 갖는 라미네이트식 시트보다 적은 용융점을 갖는 라미네이트식 제품에 유용하다. 용접은 크랙을 따르거나, 라미네이트의 층에 평행하거나, 라미네이트의 층에 수직하거나 또는 라미네이트의 층에 대해 임의의 각도로 이루어질 수 있다. 평행한 시트를 브레이징하여 형성된 블록에 용접하기는 어렵다. 이러한 점은, 브레이징 재료가 양호한 브레이징을 얻기에 적절한 시트 재료에 비해 낮은 용융점을 갖기 때문이다. 브레이징 중에, 브레이즈 재료는 시트들 사이의 공극 주위로 이동하여 공극을 매우 효과적으로 충전한다. 브레이즈식(brazed) 제품 상의 후속 용접은 용접부의 따뜻한 위치에서의 브레이즈 재료의 재용융을 야기하여 브레이즈 재료에 용접 재료의 확산을 야기한다. 이론에 의해 제한되는 것을 원하는 것은 아니지만, 용접 후 제품이 냉각될 때 용접 및 브레이징 구성물은 상이한 속도로 냉각되고, 시트들을 접합하는 재료는 위치적으로 불균일해져 시트들 사이의 필러 재료에서 크랙을 야기할 수 있다. 이러한 크랙은 장치의 흠이없는 완전한 상태를 방해하여 유체 처리에 사용되는 경우 누출이 발생될 수 있다. 이러한 문제점은 많은 층을 갖는 장치에서 확대되며, 또한 긴 치수, 긴 용접부, 검출되고 보수되어야 하는 크랙에 기여하는 모든 것들을 갖는 장치 또는 조각난 제품에서 확대된다. 본 발명은 브레이즈식 라미네이트식 제품의 브레이즈 재료로의 용접재료의 확산을 최소화하기 위해 새로운 용접 기술(예로써, 파이버 레이저 용접을 참조로 하는 CMT)을 적용함으로써 이러한 문제점을 회피하는 것이다.

도 1은 용접 시임(seam)을 도시한 도면.
도 2는 부착된 엔클로져를 갖는 코어 블록의 개략 사시도 및 선택적으로 연결된 매니폴드 엔클로져 및 배관의 측면도.
도 3은 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응기 코어의 냉각액 면으로부터 돌출되는 냉각액 채널을 도시한 도면.
도 4는 테스트 FT 반응기 상의 보수된 브레이즈 시임을 도시한 도면.
도 5는 작은 FT 테스트 반응기의 처리면을 도시한 도면으로, 시임(1-3)은 반응기의 파형 영역(중앙 영역) 내에 있고, 시임(4-9)은 반응기의 주변 영역 내에 있다.
도 6 내지 도 8은 라미네이트식 장치 내의 누출을 밀봉하는 용접 방법을 도시한 도면.

라미네이트 시임을 따른 용접 후 일부에서의 용접 시임의 외형은 뚜렷한 반원통형 또는 부분 원통형상을 가질 수 있다.(도 1참조) 상기 영역은 로봇식 또는 자동식 용접 공정에 의해 제조되는 경우 전형적으로 명백한 직선이고, 몇몇 실시예에서 용접 시임은 아래 도면에서 도시한 바와 같이 사실상 직선이다. 상기 라미네이트 부분 위에 안착된 반원통형의 반경은 전형적으로 10 mm 보다 작고, 바람직하게 0.01 mm 내지 5 mm 사이이고, 보다 바람직하게는 0.1 mm 내지 2 mm 사이의 영역이다.

몇몇 실시예에서, 용접부는 상술한 반원형 형상을 갖는다. 금속 시트는 브레이즈 중간층과 상이한 구성물을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 용접재료는 금속 시트의 구성물과 상이하다.

본 발명은 도 2에 개략적으로 도시된 마이크로채널 장치를 포함하며, 상기 마이크로채널 장치는 함께 접합되는 금속 시트를 갖는 코어 블록(17)과, 상기 코어 블록 내에 배치되고 코어 블록의 적어도 일측면 상에 복수의 구멍(19)을 갖는 복수의 마이크로채널과, 단일 연속 공간(22) 내에 상기 복수의 구멍을 둘러싸고 용접 재료(23)에 의해 상기 코어 블록의 일측면 상에 용접된 연속벽을 갖는 고체-벽형 엔클로져(solid-walled enclosure)를 포함하고, 상기 연속벽은 적어도 10:1의 높이 대 두께의 어스펙트비[여기서, 높이는 상기 벽이 상기 코어 블록의 일측면으로부터 돌출되는 방향(21에 대응)이고, 두께는 통상적으로 이해되고 있는 벽두께]를 갖고, 갖고, 상기 코어 블록에 용접된 측면에 대향하는 고체-벽형 엔클로져의 측면은 도관(27)과의 연결부를 가질 수 있다. 도관(27)과의 연결부는 종래의 용접부를 포함할 수 있고, 코어 블록에의 엔클로져의 연결은 본 명세서에서 설명한 형태의 창의적인 용접을 포함할 수 있다. 따라서, 전형적으로 도관과의 연결부는 용접 재료보다 상이한 구성물 및/또는 형태를 갖는다. 도관은 배관(24)을 포함할 수 있다. 바람직하게, 코어 블록에의 용접부는 저온 금속 전송(Cold Metal Transfer; CMT) 용접에 의해 형성된다. CMT 용접은 본 명세서에서 제공된 임의의 방식과 달리 설명될 수 있다. 장치가 낮은 온도 및/또는 낮은 부식 조건 하에서 사용되는 바람직하지 못한 실시예에서, 헤더 공간은 도관과 엔클로져를 연결하는 개스킷을 통해 형성될 수 있다.

블레이징된 제품에 엔클로져를 접합하기 위한 CMT의 사용에 부가하여, 다른 저에너지 입력 용접 방법이 엔클로져 또는 헤더를 라미네이트식 장치에 부착하는 데 사용될 수 있다. 예로써, Yb 레이저와 같은 파이퍼 레이저가 고상 금속 제품을 블레이징된 제품에 접합시키는 데 사용될 수 있다. 레이저 용접 접근법은 압력 또는 부하 지지부에의 구조적 접합을 생성하는 데 특히 유용한 좁지만 깊은 침투식 용접부를 생성한다.

또한, 본 발명은 CMT의 사용을 포함하고, 바람직하게는 엔클로져를 코어 블록에 용접하기 위한 CMT를 포함하는 라미네이트식 장치 제조 방법도 포함한다.

상기 장치는 유체 처리용 입구 또는 출구, 또는 측정 및 제어, 진단 또는 상기 장치의 제조 또는 개장 중 사용하기 위한 설비에 사용되는 포트를 포함한다.

또한, 본 발명은 복수의 구멍을 통해 복수의 마이크로채널에 접근하는 방법도 포함하며, 이러한 방법은 코어 블록에 고체-벽형 엔클로져를 부착하는 용접부를 붕괴시키지 않으면서 엔클로져와 도관 사이의 연결을 깨는 단계와, 복수의 구멍을 통해 그리고 고체-벽형 엔클로져를 통해 복수의 마이크로채널에 접근하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명은 재부착된 배관에 연결부를 재부착하는 단계도 포함한다.

연결을 깬 후, 수행되어야 하는 작업은, (이러한 것으로 제한되는 것은 아니지만, 예로써 촉매, 흡착재, 핀(fin), 파형 및 다른 삽입 재료를 포함하는) 재료를 제거하는 단계와, 재료(촉매, 흡착재, 핀, 파형, 삽입물)를 부가하는 단계와, 유동 테스트를 포함하는 진단 테스트를 통과하는 유동의 품질 및 균일성을 검사하는 단계와, 통로의 세정 또는 보수와 같은 유지 보수를 수행하는 단계를 포함하는 코어 블록의 유지 보수 또는 검사이다.

엔클로져는, 마이크로채널 브레이즈 장치에 유체를 제공하거나 또는 제거하기 위해 브레이징면에 정합하고 이후 헤더 또는 푸터의 후속 용접에 사용되는 고상 금속 링이다. 고상 금속 링은 고상 금속 링을 형성하도록 함께 용접되는 2개 또는 4개 이상의 부분으로부터 이루어지거나 또는 단일 부분으로(바람직하게는 몰딩으로) 이루어질 수 있다. 사각형 또는 직사각형면에 대한 하나의 실시예에서, 연속 사각형 또는 직사각형 고상 금속 링을 형성하도록 용접 접합부를 갖는 4개의 직선 부분을 사용하여 고상 금속 링을 형성하는 것이 바람직하다. (원형, 사각형, 직사각형 또는 다른 형상일 수 있는) 고상 금속 링의 이점은 헤더(header) 또는 푸터(footer)가 처리 조작 이후 세정 또는 찌꺼기 제거를 위해 또는 채널의 변화를 평가하기 위해 또는 촉매의 일신(refurbishiment)을 위한 작업 이후 채널에 접근할 때마다 여러 번 절단되거나 분리될 수 있다는 점이다. 마이크로채널에 로딩된 촉매는 주기적으로 (매주부터 매 10년까지) 제거되어야 하고, 이때 헤더 또는 푸터는 일신을 위하여 고상 금속 링으로부터 분리될 필요가 있음을 알 수 있다. 브레이즈 시임 또는 접합부에 걸쳐 이루어진 또는 라미네이트에 걸쳐 이루어진 초기 용접은 브레이즈식 장치의 수명에서 1회만 발생되어야 한다.

라미네이트식 장치를 서비스하는 본 발명의 방법은 상기 장치가 코어 블록의 표면에 손상을 주지 않으면서 접근될 수 있기 때문에 (간단한 튜브 용접과 같은) 종래의 장치를 사용하여 수행될 수 있는 상위의 방법이라는 현저한 이점을 제공한다. 또한, 엔클로져와 도관 사이의 용접이 절단보다 간단한 그라인딩(선택적으로 진공 그라인딩)에 의해 제거될 수 있기 때문에, 종래 방법보다 오염이 적다.

본 발명의 몇몇의 바람직한 실시예에서, 복수의 브레이징층(금속 시트들 사이의 층)에 걸쳐 용접부가 있다. 용접부는 코어 블록에서 금속 시트에 평행하거나, 금속 시트에 수직하거나 또는 금속 시트에 대해 임의의 양호한 각도를 이룰 수 있다.

또한, 본 발명은 코어 블록의 채널을 통해 유체를 통과시키는 단계와, 채널을 통과할 때 유체에 화학 반응, 증발, 압축, 화학 분리, 증류, 응집, 혼합, 가열 또는 냉각 중 어느 하나의 단위 조작을 수행하는 단계를 포함하는 상술한 임의의 장치를 사용하는 방법도 제공한다. 상기 장치는 열교환, 혼합, 가열, (전자 장치용 열 싱크를 포함하는) 냉각, 화학 반응, 화학적 분리와 같은 처리에 사용될 수 있다. 또한, 상기 장치는, (전지 및 연료 전지로 제한되는 것은 아니지만 이들을 포함하는) 자발적 화학 반응으로부터 전기 작업을 얻기 위해, 또는 역으로 (전해조, 산소 발생기 및 리버스 연료전지로 제한되는 것은 아니지만 이들을 포함하는) 화학종을 생성하도록 전기 작업을 적용하기 위해, 또는 (센서 및 분석 장치로 제한되는 것은 아니지만 이들을 포함하는) 장치 주위에서의 변화에 응답하는 전기 신호를 생성하기 위해 고상 또는 액상 전해질 및 전극을 사용하는 전기화학적 장치도 포함할 수 있다. 상기 장치는 열전기 장치일 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 장치는 화학 반응기이다.

바람직한 실시예에서, 시트 두께는 (파형, 가공된 촉매 구조, 핀 등을 함유할 수 있도록) 1 cm 이하, 2 mm 이하이고, 몇몇 실시예에서는 1 mm 이하이다.

본 명세서에서 사용하는 용어 "마이크로채널"은, 2 mm 이하(몇몇 실시예에서는 약 1.0 mm 이하)와 100 nm보다 큰 (바람직하게는 1㎛보다 큰), 몇몇 실시예에서는 50 내지 500 ㎛를 포함하는 1 cm 이하의 적어도 하나의 치수(높이, 길이 또는 폭)(벽-대-벽, 촉매는 카운팅하지 않음)를 갖는 도관을 언급한다. 마이크로채널은 적어도 하나의 출구와 별개인 적어도 하나의 입구가 존재하는 것으로도 정의된다. 마이크로채널은 단지 제올라이트 또는 메소폴러스 물질을 통한 채널이 아니다. 마이크로채널의 길이는 마이크로채널을 통한 유동 방향에 대응한다. 마이크로채널의 높이 및 폭은 채널을 통한 유동 방향에 사실상 수직하다. 마이크로채널이 2개의 주요면(예로써, 스택 및 접합 시트에 의해 형성된 면들)을 갖는 라미네이트식 장치의 경우, 높이는 주요면으로부터 주요면까지의 거리이고, 폭은 높이에 수직하다.

몇몇 실시예에서, 라미네이트장치는 하나 이상의 파형을 포함할 수 있다. "파형"은 적어도 부분적으로 하나 이상의 마이크로채널을 형성하는 열전도성 재료의 3차원 연속 피스이다. 파형은 마이크로채널 치수 내의 또는 그보다 클 수 있는 파(wave)들 사이의 갭을 가질 수 있다. 예시적 형태에서, 이러한 갭은, 보다 많은 전도성 파형으로 채널에 열전달을 수행하기 전에 열전달 채널을 분리하는 파의 종방향으로 열이 용이하게 전달되기 때문에, 마이크로 채널 치수 내에 있을 수 있다. 파형은 구리, 알루미늄, FeCrAlY, 금속, 산화물 또는 다른 재료로 제조될 수 있다. 파형은 1 W/m-K 보다 큰 열전도성을 갖는 것이 바람직하다.

표준 특허 용어로서, "포함하다"는 것은 "포함하다"를 의미하고 이러한 용어는 부가적이거나 또는 복수의 성분의 존재를 배제하는 것은 아니다. 예로써, 장치가 라미나, 시트 등을 포함한다는 것은, 본 발명의 장치가 다양한 라미나, 시트 등을 포함할 수 있다는 것을 알 수 있다. 변경 실시예에서, 용어 "포함하다"는 "본질적으로 구성되다" 또는 "구성되다"라는 보다 제한적인 어구로 대체될 수 있다.

"단위 조작"은 화학 반응, 증발, 압축, 화학 분리, 증류, 응집, 혼합, 가열 또는 냉각을 의미한다. 비록 단위 조작에 따라 자주 수송이 발생되지만, "단위 조작"은 유체 수송만을 의미하는 것은 아니다. 몇몇 바람직한 실시예에서, 단위 조작은 혼합만인 것은 아니다.

"조작 처리"는 보수, 유지 보수, 일신 또는 진단을 의미하며, 단위 조작, 계획되거나 계획되지 않은 유지 보수 또는 다른 장치의 사용을 수행하기 전에 수행되는 준비작업을 포함할 수 있다.

(마이크로채널 반응기와 같은) 마이크로채널 장치는 (복수의 마이크로채널 반응 채널과 같은) 마이크로채널과, 복수의 인접 열교환 마이크로채널을 포함하는 것이 바람직하다. 복수의 마이크로채널은 예로써, 병렬로 작동할 수 있는 2, 10, 100, 1000 이상의 채널을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 마이크로채널은 예로써 평면 마이크로채널의 적어도 3 어레이인 평면 마이크로채널의 평행 어레이로 배치된다. 몇몇 바람직한 실시예에서, 복수의 마이크로채널 입구가 공통의 헤더에 연결되고 그리고/또는 복수의 마이크로채널 출구가 공통의 푸터에 연결된다. 몇몇 바람직한 실시예에서는 복수의 분리 유동 스트림이 있을 수 있다. 하나의 유체 스트림은 복수의 마이크로채널을 통해 유동할 수 있다. 제2 유체 스트림은 제2 복수의 마이크로채널을 통해 유동하거나 또는 하나 이상의 마이크로채널을 통해 유동할 수 있다. 조작 중에, 열교환 마이크로채널은 (만약 있다면) 유동하는 가열 및/또는 냉각 유체를 함유한다. 이러한 것으로 제한되는 것은 아니지만 본 발명에서 사용가능한 공지된 형태의 반응기는 미국 특허 제6,200,536호 및 제6,219,973호에 예시되어 있는 다양한 마이크로구성요소 시트 체계(예로써, 마이크로채널을 갖는 라미네이트)의 것들을 포함한다.

많은 바람직한 실시예에서, 마이크로채널 장치는 복수의 마이크로채널, 바람직하게는 매니폴드에 연결된 채널을 통한 유동을 균일하게 하는 경향의 특징 또는 특징들을 공통 매니폴드가 가지는 (후속 부착된 튜브가 아닌) 장치에 일체화된 공통 매니폴드에 연결된 적어도 5, 보다 바람직하게는 적어도 10개의 평행한 채널의 그룹을 포함할 수 있다. 이러한 매니폴드의 예는 2003년 10월 27일자로 출원된 미국 특허 출원 일련번호 제10/695,400호에 기재되어 있다. 이 문맥에서, "평행"은 직선을 반드시 의미하는 것은 아니고 채널이 서로 동일하다는 것이다. 몇몇 바람직한 실시예에서, 마이크로채널 장치는, 각각의 그룹의 채널이 공통 매니폴드에 연결되고 (예로써, 4그룹의 마이크로채널 및 4개의 매니폴드), 바람직하게는 매니폴드에 연결된 채널을 통한 유동을 균일하게 하는 경향의 특징 또는 특징들을 각각의 공통 매니폴드가 포함하는 적어도 3개 그룹의 평행 마이크로채널을 포함한다.

마이크로채널은 촉매, 흡착재 또는 다른 재료와 같은 마이크로채널 내측의 재료를 합체할 수 있다. 이러한 재료는 미립자 또는 작은 피스로서 채널에 합체될 수 있다. 촉매, 흡착재 또는 다른 코팅이 워시 코팅과 같은 이 기술 분야에 공지되어 있는 기술을 사용하여 마이크로채널의 내부면에 도포될 수 있다. CVD 또는 무전해 도금과 같은 기술도 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 액상염의 주입이 바람직하다. 몇몇 실시예에서는 Pt, Rh 및/또는 Pd가 바람직하다. 전형적으로, 이러한 것은 이 기술 분야에 공지된 열처리 및 활성 단계에 후속한다. 다른 코팅은 촉매 전구체 및/또는 지지체를 함유하는 슬러리계 용액 또는 솔(sol)을 포함할 수 있다. 또한, 코팅은 무전해 도금 또는 다른 표면 유체 반응과 같은 벽에 도포하는 반응식 방법을 포함할 수도 있다.

라미네이트식 장치에서의 금속 시트는 바람직하게는 스테인리스강 또는 니켈, 코발트 또는 철계 초합금과 같은 초합금이다. 다른 예에서는, 이러한 것으로 제한되는 것은 아니지만 FeCrAlY, 티탄 합금 및 Ni-Cr-W 초합금을 포함한다. 시트는 두께가 전형적으로 10 ㎛ 내지 1 cm, 특히 전형적으로는 100 ㎛ 내지 5 mm의 범위이다. 시트는 (분리벽과 같은) 고체일 수 있고, 구멍 또는 슬롯을 함유할 수도 있고, 부분 에칭 채널 및 라미네이트식 장치의 기술 분야에 공지된 것과 같은 다른 특징을 포함할 수도 있다.

표면을 브레이징하기 전에, 세정되고 Ni층과 같은 표면층으로 코팅되는 것이 바람직하다.

브레이징 재료는 이 기술 분야에 잘 공지되어 있다. 브레이징은 전형적으로 진공 또는 불활성 대기에서 수행된다. 잘 공지된 바와 같이, 브레이징 중, 비교적 낮은 온도의 브레이징 재료가 금속 시트들 사이에서 용융되어 브레이징 재료와 시트 사이에서 다소의 확산이 유발되고, 냉각 후 (원래 브레이징 재료의 조성과 전형적으로 다소 상이한) 브레이즈 구성물이 시트들 사이에 잔류하게 된다. 현미경 또는 다른 공지된 야금 기술과 같은 기술이 라미네이트식 장치의 시트들 사이의 브레이즈 구성물을 식별하고 특징화하는 데 사용될 수 있다.

본 발명은 일반적으로 브레이즈식 라미네이트에 적용가능하다. 니켈계 금속 시트에 대해, 바람직한 브레이징 재료는 NiP이다. 하나의 표준 브레이즈 재료는 BNi-6 또는 니켈에 10-12.5 %의 인의 조합물이다. 브레이징에는 종종 금속에 대해 용융점을 저하시키는 작용을 하는 천이 액체 상태(TLP) 중간층을 사용한다. 모재(parent material)의 용융점에 도달하지 않지만 요구된 조작 온도는 초과한 상승된 온도 또는 라미네이트 심(shim) 경계부에 걸쳐 금속의 입자 성장 또는 현저한 확산 접합에 기여하는 온도에서, TLP는 유동하도록 고체에서 액체 상태로 변형되어 층들 사이의 모든 공극을 충전한다. 브레이즈 처리가 TLP 억제 재료를 생성하기 때문에, 인 또는 붕소 또는 다른 재료는 금소의 용융점을 변화시키기 위해 브레이즈 중간층으로부터 확산될 수 있다.

브레이징 구성물의 몇몇 무제한적인 샘플은 설명한 본 발명에 의해 유익한 이하의 브레이즈 중간층들 각각을 포함한다.

포일(foil)은 특수하거나 또는 "A" 등급과 같은 보다 강성인 치수적 공차로 유용하다. *는 최대 농도이다.

바람직한 실시예에서, 본 발명의 용접 공정에서의 용접 와이어는 라미네이트의 금속 시트의 금속과 유사하거나 동일한 구성물을 갖는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 용접 와이어는 금속 시트에 대해 상술한 것과 같은 임의의 구성물을 갖는다.

Ni-P 상평형 도면은 니켈에 11 질량% 정도의 인 공융점(eutectic)을 도시한다. 인은 중간층으로부터 인접 금속면으로 확산되기 때문에, 니켈의 국부적 중량 %는 감소되고 구성물은 변화하여 브레이즈 중간층을 고상화한다. 브레이즈 처리의 이점은, 최종 인이 고갈된 중간층 영역이 상평형 도면마다 고온에서만 재용융되기 때문에 고온의 브레이즈 온도를 견딜수 있다는 점이다. 불행히도, 종래의 용접 온도는 모재의 용융 온도(스테인리스 300 시리즈에 대해 ~ 1400 내지 1500 ℃)에 도달하고, 종종 니켈 함유 물질 및 결과물은 크랙 형성부 및 브레이즈 중간층의 재용융물이다. 크랙은 조작 장치(열교환기, 반응기, 분리 유닛, 혼합기 또는 다른 단일 또는 조합식 단위 조작)에 누출 문제를 발생시키고, 장치가 고압 및/또는 고온 조작되는 경우 기계적 흠이없는 완전성에 문제점을 발생시킨다. 브레이즈 장치의 짧은 섹션 위로 용접하는 데 곤란성, 이후 검사, 검출 및 크랙 보수와 조우하게 된다. 이러한 문제점은 수백 또는 심지어 수천의 얇은 시트를 갖는 브레이즈식 장치의 긴 섹션을 따라 용접하려 할 때 보다 많은 난제로 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 하나의 종래의 해결법은 브레이즈식 장치에 용접보다는 브레이즈로 연결하는 것이다.

본 발명은 저온 금속 전송("CMT")으로 공지된 용접 기술에 대한 새로운 사용법 및 새로운 이점을 제공한다. 이러한 기술은 http://www.welding-robots.com/aplications.php?app=cold+metal+transfer에 아래와 같이 설명되어 있다

"저온(Cold)"는 용접의 관점에서 상대적인 용어이다. 저온 금속 전송 용접은 통상적으로 CMT로 언급된다. 접합되는 작업편과 용접 영역은, 종래의 가스 금속 아크 용접에서보다 저온 금속 전송(CMT) 공정에서 현저한 "보다 더 저온(colder)"으로 남겨진다.

저온 금속 전송 공정은 단락형 전송(short circuiting transfer), 또는 보다 정확하게는 신중하고 시스템적인 불연속 아크를 기초로 한다. 이러한 결과, "고온-저온-고온-저온(hot-cold-hot-cold)" 순서는 교대식으로 정렬된다. "고온-저온" 방법은 아크 압력을 현저하게 감소시킨다. 보통의 단락형 전송 아크 중, 전극은 용접 풀(weld pool)에 침치되는 동안 뒤틀려지고, 높은 전송 아크 전류에서 신속하게 용융된다. 많은 공정 수단 및 결과적인 높은 안정성이 저온 금속 전송 공정을 정의한다. 자동화 및 로봇 조력식 적용예가 이 프로그램을 설계한 이유이다.

대표적으로 개선된 점은 용접 와이어의 움직임이 용접 공정 및 절차의 전반적인 관리에 통합되어 있다는 점이다. 단락 때마다, 디지털 공정 제어는 전원을 중단하고 용접 와이어의 후퇴를 제어한다. 전후 운동은 초당 70회까지의 속도로 이루어진다. 용접 와이어 후퇴 운동은 단락 중에 액적(droplet) 탈거에 도움이 된다. 전기 에너지가 열로 변환되는 것으로 인하여 누출형상을 형성하고 때때로 아크 용접의 현저한 부작용이 나타난다. 최소 전류 금속 전송(minimal current metal transfer)를 보장하는 것은 저온 금속 전송 공정에서 발생된 열을 현저하게 감소시킨다. 단락의 제한된 불연속성은 낮은 단락 전류에 이르게 한다. 아크는, 전원에의 중단 때문에 아크 기간 중 매우 단기간 동안 접합되는 재료로 열을 입력만 한다.

감소된 열입력은 낮은 뒤틀림 및 높은 정밀성과 같은 이점을 제공한다. 장점에는 고품질의 용접 접합부, 스패터(spatter)로부터의 자유로움, 0.3 mm 만큼 얇게 라이트-게이지(light-gauge) 시트를 용접하는 능력 및 알루미늄 및 아연도금 시트 모두에 강을 접합시킬 수 있는 능력도 포함된다.

CMT 용접 공정의 부가 설명은 펭(Feng) 등에 의해 작성된 "CMT 단락 금속 전송 공정 및 이의 얇은 알루미늄 시트 용접에 사용"[재료 및 설계 30(2009) 1850-1852]에 기재되어 있다.

제어식 단락("CSC")으로 공지되어 있는 공정은 CMT와 유사하게 조작되며, 본 발명의 목적을 위해 "CMT" 내에 포함된다. 용접 와이어 운동의 주파수는 10 내지 30 Hz의 범위가 바람직하지만 다른 주파수도 사용가능하다. 몇몇 실시예에서, 표면을 따르는 용접 와이어의 이동 속도는 분당 30 인치 미만이 바람직하고, 몇몇 실시예에서 이동 속도는 분당 1 내지 25 인치의 범위 또는 분당 15 내지 25 인치의 범위이다.

본 발명의 공정은 라미네이트식 장치에서 돌출된 누출형상을 밀봉하는 데 사용될 수 있다. 일예를 도 3에 도시한다. 본 발명의 모든 태양에서와 같이, 본 발명은 본 발명의 방법에 의해 형성된 구조를 포함한다.

심(shim) 측면 보수

장치의 심 측면을 따르는 누출을 밀봉하기 위한 하나의 선택은 심의 돌출 에지를 따라 밀봉하는 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, CMT는 도 3에 도시된 라미네이트의 단부로부터 0.125" 떨어진 최종 코너에 용접될 수 있다.

이전에 수집된 누출 테스트 결과를 기초로 하여 보수 개시 및 종결 시점을 정한다.

보수되는 시임으로부터 용접 와이어를 소정의 간격이 떨어져 있도록 하여 로봇에 개시 및 종결 시점을 프로그램한다.

표면 준비:

보수 전의 용접 와이어 브러시 시임

아세톤으로 시임을 닦아냄

용접 파라미터 설정

공급 각도 = 10°

용접 와이어 공급 속도 = 분당 150 인치

아크 길이값 = +3.0

이동 속도 = 분당 20 인치

보수를 진행하고, 시임의 커버를 확실하게 하기 위해 시각적인 검사를 진행

시임이 공지된 누출 영역에서 충분하게 커버되지 않은 경우, 연마, 보수 및 제2 패스를 수행한다.

모든 냉각액측 영역의 누출이 용접될 때까지 반복(도 4 참조)

후속 보수 기계가공

고상 금속 링이 ~20밀(mil, 500 미크론) 패드 높이로 부착될 영역에서 면의 보수 비드(bead)를 밀링/그라인딩

후속 보수 누출 체크

모든 누출이 충분하게 밀봉되었는 지를 확실하게 하기 위해 누 수 테스트 절차를 반복. 부가적인 누출이 존재하는 경우, 필요에 따라 재보수.

본 발명은 시트가 코어 블록의 면으로부터 돌출되는 채널을 갖는 장치를 포함한다. 유익하게, 이러한 설계는 우수한 누출 저항성을 갖는 돌출 시트를 따르는 용접에 조합될 수 있다. 몇몇 양호한 실시예에서, 돌출 시트는 본 명세서에서 설명한 타입의 엔클로져 내에 둘러싸여진다.

예 1

브레이즈식 장치는 누출이 존재하는 지 확인하게 위채 누출 체크된다. 이러한 장치4바아의 압력으로 1시간 동안 960 ℃에서 브레이징된 니켈 인(BNi6) 중간층(0.001" 두께, 25 미크론)으로 브레이징된 SS304L 라미네이트로 구성된다. 누출이 발견되면, 저온 금속 전송(CMT) 용접을 사용하여 보수된다. SS304L, 40 밀(100 미크론) 직경의 필러 용접 와이어가 보수에 사용된다.

용접 재료를 깨끗하게 유지하는 데 필요한 핀 또는 파형 또는 채널을 갖는 장치에서, 슈라우드(shroud)는 용접 전의 상기 영역 위로 놓여진다. 그러나, 슈라우드가 개구 위에 놓여지거나 또는 장치의 측면이 영향받은 또는 누출되는 면을 보수하는 동안 용접 처리되지 않는 것이 요구되지 않는 것이 바람직하다.

크랙 보수는 도 5에 개략적으로 도시된 장치로 달성된다.

주변 영역 보수

보호하도록 고온 세라믹 테이프로 파형 섹션을 커버하는 것이 바람직하다.(알림: 보수는 구리 파형에 직접적으로 인접한 영역 에서 발생하지 않는다.)

누출 테스트 결과를 기초로 하여 보수의 개시 및 종결 시점을 확인.

보수되는 시임 위로 중심설정된 용접 와이어로 개시 및 종결 시점을 로봇에 프로그램

용접 전 표면 준비

보수 전 용접 와이어 브러시 시임

아세톤으로 시임을 닦음

용접 파라미터 설정

용접 와이어 공급 속도 = 분당 120 인치

아크 길이값 = +3.0

이동 속도 = 분당 20 인치

보수를 진행하고 시임의 회복을 확실하게 하기 위해 시각적 검 사를 진행

공지된 누출 영역에서 시임이 충분하게 회복되지 않은 경 우 : 연마, 보수 및 2번째 패스를 실행

모든 누출 주변 영역이 용접될 때까지 반복

파형은 용접 중에 보호되도록 금속 필름으로 커버될 수 있다.

예 2

다른 방법으로는, 심 또는 라미나를 따르는 브레이징된 접합부에 걸친 누출을 밀봉하기 위한 것이다. 채널의 시임 또는 개구는 직접 그 위로 (바람직하게는 CMT에 의해) 용접된다. 이후, 충분하게 폐쇄된 채널은, 브레이징된 접합부가 CMT 용접으로 충분하게 커버된 상태로 유동로를 바로 재개방하도록 기계 가공, 플런지 전자 배출 기계가공, 분자 분해 프로세스 그라인딩(MDP), 그라인딩 또는 다른 프로세스를 사용하여 재개방된다. 도 6 내지 도 8에서는 이러한 프로세스를 도시한다. 바람직하게, 용접은 채널을 재개방하도록 기계가공 전에 편평하게 그라인딩된다. 도면에 도시된 것은, CMT로 브레이즈 누출의 보수 전 100 psig 고정 압력에서 15분 내에 0.5 psig 손실보다 큰 누출율(leak rate)과, 브레이징 보수 이후 100 psig 고정 압력에서 15분 내에 0.5 psig 손실보다 적은 누출율을 갖는다. 이러한 테스트는 본 발명의 장치의 바람직한 실시예를 특징화하는 방법으로서 사용될 수 있다. 각각의 경우, 누출 테스트는 실온에서 질소 가스로 수행된다.

따라서, 본 발명은 용접부가 구멍(채널의 개구) 위로 형성되고 이후 용접 재료는 채널을 재개방하기 위해 제거되는 방법을 포함하며, 이러한 방법은 라미네이트식 장치에서의 누출을 감소시키는 것으로 나타났다.

Claims (23)

1. 적어도 일부가 시트들 사이에 배치된 브레이즈 구성물에 의해 함께 접합된 금속 시트를 갖는 코어 블록(17)과,
   상기 코어 블록(17) 상에 배치되고 상기 브레이즈 구성물에 부착되는 용접 재료를 포함하고,
   상기 용접재료는 브레이즈 구성물의 성분과 상이한 성분을 갖고,
   상기 용접재료는 상기 코어 블록(17)으로 2 mm 이하로 확산되고,
   상기 금속 시트는 스테인리스강 또는 니켈, 코발트 또는 철계 초합금인, 라미네이트식 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 용접 재료는 상기 시트들 사이에 배치된 하나보다 많은 브레이즈 구성물과 하나보다 많은 금속 시트를 가로질러 연속 용접부를 형성하고, 상기 코어 블록으로 확산되는 용접재료는 0.5mm 또는 그 이하로 확산되는, 라미네이트식 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 시트에 배치된 유체 채널과, 상기 시트의 에지에 배치된 유체 채널에의 입구를 포함하는, 라미네이트식 장치.
4. 삭제
5. 제3항에 있어서, 각각의 채널이 입구 및 출구를 갖는 제1 세트의 유체 채널과,
   각각의 채널이 입구 및 출구를 갖는 제2 세트의 유체 채널과,
   제1 용접 입구 매니폴드 및 제1 용접 출구 매니폴드와,
   제2 용접 입구 매니폴드 및 제2 용접 출구 매니폴드를 포함하고,
   상기 제1 용접 입구 매니폴드는 상기 제1 세트의 유체 채널의 입구와 유체 연통하고,
   상기 제1 용접 출구 매니폴드는 상기 제1 세트의 유체 채널의 출구와 유체 연통하고,
   상기 제2 용접 입구 매니폴드는 상기 제2 세트의 유체 채널의 입구와 유체 연통하고,
   상기 제2 용접 출구 매니폴드는 상기 제2 세트의 유체 채널의 출구와 유체 연통하고,
   상기 매니폴드 각각은 용접 재료에 의해 코어 블록(17)에 연결되고, 상기 용접재료는 브레이즈 구성물의 성분과 상이한 성분을 갖고, 상기 용접재료는 상기 코어 블록(17)으로 2 mm 이하로 확산되는, 라미네이트식 장치.
6. 제5항에 있어서, 용접재료와 별도 구성인 적어도 2개의 매니폴드는 상기 코어 블록(17)의 동일 측면에서 코어 블록(17)에 용접되는, 라미네이트식 장치.
7. 제5항에 있어서, 확산 접합된 서브조립체를 포함하는, 라미네이트식 장치.
8. 제5항의 장치에서 단위 조작을 수행하는 방법이며, 상기 코어 블록(17)의 채널로 유체를 통과시키는 단계와, 상기 코어 블록(17)의 유체에 화학 반응, 증발, 압축, 화학 분리, 증류, 응집, 혼합, 가열 또는 냉각 중 어느 하나의 단위 조작을 수행하는 단계를 포함하는, 방법.
9. 제8항에 있어서, 제1 유체는 상기 코어 블록(17)의 제1 세트의 채널 및 제1 세트의 입구로 통과되고, 제2 유체는 상기 코어 블록(17)의 제2 세트의 채널 및 제2 세트의 입구로 통과되고, 상기 제1 유체 및 제2 유체는 코어 블록(17) 내의 인접 시트들로 유동되고, 제1 유체는 코어 블록(17)에서 제2 유체와 열교환하는, 방법.
10. 삭제
11. 삭제
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20. 제1항에 있어서, 상기 코어 블록(17)의 일측면 상의 단일 연속 공간(20) 내에 복수의 개구를 둘러싸는 고체-벽형 엔클로져를 더 포함하고,
    상기 고체-벽형 엔클로져는 용접 재료에 의해 상기 코어 블록의 일측면에 용접되는 고체 연속벽을 포함하는, 라미네이트식 장치.
21. 삭제
22. 삭제
23. 제8항에 있어서, 상기 단위 조작은 피셔-트롭쉬 반응을 포함하는, 방법.

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