KR20000070349A - 알루미늄재 열교환기 코어와 그의 제조방법 - Google Patents

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오키요시토
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르미욱스 폴 제이
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Abstract

본 발명에 의해 아연이 미리 부착될 필요가 없는 열교환기 튜브와 납땜 조성물로 피복되지 않은 핀을 사용하여 종래기술에 비해 떨어지지 않거나 우수한 내식성 및 납땜성능을 보이는 열교환기 코어를 제공한다. 열교환기 튜브 예컨대 압출편평튜브(4)의 외측표면에 규소와 불소타입플럭스의 혼합물로부터 만들어진 납땜 조성물(7)을 도포하고, 아연을 함유하는 알루미늄재로 성형된 핀(5)을 제조한다. 그런 다음 상기 압출편평 튜브(4)와 상기 핀(5)은 소정 온도로 가열되어 서로 납땜결합되며, 규소와 아연의 혼합확산층(8)이 상기 압출편평튜브(4)의 외측표면에 배치된다.

Description

알루미늄재 열교환기 코어와 그의 제조방법 {Heat exchanger core based on aluminum and process for producing the same}
알루미늄 또는 알루미늄합금 재질(이하 알루미늄재로 통칭함)의 열교환기 튜브와 알루미늄재 핀이 서로 납땜된 열교환기는 일반적으로 널리 사용되어 왔다. 나아가 열교환 효율을 높이기 위해 알루미늄을 재질로 하여 압출된 압출편평 튜브(extruded flattened tube)가 열교환기 튜브(heat exchange tube)로 채용되어져 왔다.
열교환기는 부식에 강해야 하기 때문에 아연을 열교환기 튜브의 외측표면에 피복하여 납땜과정 동안 열에 의해 아연이 그 표면에 확산되도록 하여 아연확산층이 열교환기 튜브의 외측표면에 형성되도록 하여 왔다. 또한 핀은 아연을 포함하는 납땜재로 피복된 재질 중에서 선택된 브레이징 판(brazing sheet)으로 제작되어 왔다.
그러나 핀 제작에 사용되는 브레이징 판은 납땜재로 피복되지 않은 핀 원재료보다 가격이 비싸다. 더구나 납땜재로 표면을 피복하기 때문에 브레이징 판의 사용은 핀 작업롤(a fin working roll)의 표면이 빠르게 마모되는 결과를 가져와 작업롤을 자주 연마해야 하는 결과를 가져온다. 또한 통풍구 작업공정에서 플래시와 버어가 발생하는 경향이 있어서 열교환기 코어의 질저하를 가져 온다.
편평 열교환기 튜브의 내식성을 증진시키기위해 아연산염법이나, 아연 방전 스프레이코팅법에 의해 아연을 미리 편평튜브의 외측표면에 피복하여 아연확산층이 납땜과정 동안 형성되도록 함으로써 소모전극(sacrificial electrode)에 의해 편평튜브의 부식을 방지하는 방법이 있다. 그러나 이 방법은 아연의 피복에 시간이 많이 소요된다는 난점이 있다.
반면에 남땜재가 피복되지 않은 핀재가 사용되는 방법이 알려져 있는데, 편평열교환기 튜브에 Al-Si계 합금분말이 피복되어 납땜된다. 이 방법은 많은 양의 Al-Si계 합금분말이 피복될 것이 필요하고 따라서 경제성과 조립성에 문제를 가지고 있다. 또 다른 방법으로는 편평 열교환기 튜브로서 납땜재가 피복된 튜브를 전기용접하여 제작하는 방법이 있다. 그러나 이 마지막 방법에서는 튜브가 복수통로형 튜브일때 그 튜브 내측으로 인서트를 배치하여야 하고, 이로 인하여 공정수가 증가하여 제조원가 및 재료비가 증가하는 단점이 있다.
본 발명은 알루미늄재 열교환기 코어(heat exchanger core)및 그의 생산방법에 관한 것이다. 보다 상세하게 예시적으로 설명하면 알루미늄재 편평 열교환기 튜브(flattened heat exchanger tube)와 알루미늄재 핀이 납땜 조성물(a brazing composition)을 사용하여 서로 납땜결합되어 있는 열교환기 코어와 그 제조공정에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 열교환기 코어가 조립된 열교환기의 주요부를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명을 구현하는 압출편평 튜브와 주름진 핀의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따라 압출편평튜브에 납땜 조성물이 도포되는 방법을 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따라 열교환기 튜브와 핀이 납땜되는 방법을 부분적으로 확대한 확대단면도이다.
상기 도면에서, 참조번호 4는 압출편평튜브(열교환기 튜브)이고 5는 주름진 핀이며, 6은 열교환기 코어이고, 7은 납땜 조성물이며, 8은 규소와 아연의 확산층이다.
본 발명은 상기에서 언급된 문제를 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 하나의 목적은 미리 아연을 피복할 필요가 없고, 핀 소재에 납땜 조성물이 피복되지 않으며, 종래 기술에 비하여 뒤떨어지지 않거나 우수한 내식성 및 납땜성능을 보이는 열교환기 코어를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 열교환기 코어의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기에서 언급된 목적을 달성하기 위해서 청구항 제1항에 기재된 본 발명은 알루미늄 재질의 열교환기 튜브와 알루미늄 재질의 핀이 납땜 조성물을 사용하여 서로 납땜결합된 열교환기 코어에 관한 것으로, 상기 열교환기 튜브의 외측 표면에 규소과 아연의 혼합물로 구성된 혼합확산층이 형성되고, 상기 핀은 상기 혼합확산층의 형성에 사용되는 아연을 포함한 알루미늄 재질로 형성된 것을 특징으로 한다.
특히 제3항에 기재된 본 발명은 알루미늄재 열교환기 튜브와 알루미늄재 핀이 납땜 조성물을 사용하여 납땜결합된 알루미늄재 열교환기 코어의 제조방법에 관한 것으로, 상기 제조방법은 상기 알루미늄재 열교환기 튜브의 외측표면에 규소와 불소타입플럭스의 혼합물로부터 만들어진 납땜 조성물을 도포하는 단계, 아연을 함유하는 알루미늄재질로 형성된 핀을 제작하는 단계, 상기 열교환기 튜브와 상기 핀을 주어진 온도로 가열함으로써 상기 열교환기 튜브와 상기 핀을 서로 납땜결합하는 단계, 및 상기 열교환기 튜브의 외측표면에 규소와 아연의 혼합확산층을 형성하는 단계를 포함한 것에 특징이 있다. 상기의 경우에 열교환기 튜브의 외측표면에 형성되는 규소와 아연의 혼합확산층에서 규소의 최대함유율은 0.5 - 1.5%이고 아연의 최대함유율은 0.4 - 3.0%의 범위이다.
본 발명에서 상기 열교환기 튜브는 그것이 알루미늄 재질로 되어 있는 한 그 형태는 다양하게 할 수 있다. 바람직하게는 상기 튜브는 알루미늄 재질로 편평하게 압출된 튜브로 되고, 가열매체의 공급을 위한 다수개의 통로가 구비된다. 그 외에 바람직하게는 상기 핀에 함유된 아연의 농도는 1-5%의 범위로 할 수도 있다.
본 발명에 따르면 규소와 불소타입플럭스의 혼합물이 납땜 조성물로 채용되어 상기 열교환기 튜브에 아연을 미리 부착할 필요가 없으며, 아연을 함유하는 재료로 성형되고 납땜 조성물이 피복되지 않는 핀 소재가 사용될 수 있는 이점이 있다. 핀의 일부는 납땜 과정 동안 납땜조성물의 작용에 의해 녹아서 상기 핀에 함유된 아연은 상기 열교환기 튜브의 외측표면에 확산되어 규소와 아연의 혼합확산층을 형성하게 된다.
결과적으로 열교환기 튜브에 미리 아연을 부착함이 없이도 아연확산층이 열교환기 튜브의 외측표면에 형성될 수 있다. 따라서 이에 의해 열교환기 코어는 내식성 및 납땜성능이 우수하게 된다. 또한 상기 핀이 납땜재에 의해 피복될 필요가 없어서 성형하기 쉽고, 더우기 플래시와 버어의 발생을 방지하여 궁극적으로는 고품질의 열교환기 코어를 제조할 수 있다. 따라서 낮은 제조원가로써 생산성 향상을 얻을 수 있다.
이하, 첨부도면을 참고하여 본 발명의 여러가지 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 열교환기 코어를 장착한 열교환기의 일실시예의 중요부분을 도시한 사시도이다.
상기의 열교환기는 가열매체의 입구(1)와 출구(2)를 가지고 서로 간격을 두고 마주보게 배치된 한 쌍의 헤더튜브(3)(header tube)와 열교환기 튜브로 역할하면서 서로 평행되게 설치되어 상기 헤더튜브(3)들을 서로 연통하는 다수개의 압출편평튜브(4) 및 핀 예컨대 상기 압출평편튜브(4)의 사이에 배치되는 주름진 핀(5)으로 이루어진다. 이와같이 조립된 열교환기에서 상기 헤더튜브(3)와 상기 압출편평튜브(4)는 알루미늄재의 압출된 형상으로 성형되고, 상기 주름진 핀(5)은 알루미늄재의 판을 반복되는 주름형상 또는 물결형상으로 구부려 성형된다. 상기 헤더튜브(3)와 상기 압출편평튜브(4) 및 주름진 핀(5)은 납땜 조성물(납땜재)를 사용하여 서로 납땜되어 열교환기가 제작된다.
그 경우 상기 압출편평튜브(4)와 상기 주름진 핀(5)으로 이루어지는 열교환기 코어(6)는 알루미늄재 압출편평튜브(JIS A1050)로 성형되며, 이 압출편평튜브는 아연을 부착하는 전처리과정를 하지 않는 압출편평튜브(4)와 납땜재가 피복되지 않은 아연함유 알루미늅재 판으로 성형된 주름진 핀(5)으로 이루어진다. 상기 납땜재로서는 규소분말과 불소분말타입플럭스의 혼합물 또는 규소분말, 아연분말과 불소분말타입 플럭스의 혼합물이 주로 사용되어 왔다. 여기서 상기 불소분말타입플럭스는 예를 들면 KA1F4, K2A1F5.H2O 또는 K3A1F6와 같은 조성물이 될 수 있다. 이러한 종류의 불소타입플럭스는 염화물과는 달리 알루미늄을 부식시키지 않으므로 바람직하다. 플럭스에 대한 규소의 비율(%중량비)은 규소 : 플럭스 = 1 : 2로 고정된다.
열교환기 코어(6)를 제조하기 위한 첫번째 단계는 도 2에 도시된 바와 같이 가열매체가 통과하는 다수개의 통로를 가지는 압출편평튜브(4)와 아연성분을 함유하는 물결형태로 구부러진 주름진 핀(5)를 준비하는 것이다. 이를 위하여 상기 주름진 핀(5)은 아연을 함유하는 알루미늄재의 판(JIS A3NO3)을 작업롤을 사용하여 물결형태로 구부려서 제조된다. 이 경우 납땜재를 피복한 판을 사용하는 경우에 비해 작업롤은 덜 마모된다. 또 다른 장점은 루버와 같은 통품구가 성형되거나 이 루버가 핀에 설치되는 경우에도 버어나 플래시가 발생하지 않는다는 것이다. 이것은 핀의 품질을 높이는 데 기여한다.
납땜 조성물(7)이 도 3에 도시된 바와 같이 열가소성 아크릴섬유 등의 결합재를 사용하여 압출편평튜브(4)의 표면에 도포된다. 압출편평튜브(4)에 납땜조성물을 도포하는 작업은 결합제와 납땜 조성물의 혼합슬러리를 분무코팅하는 방법이나 압출편평튜브를 결합제와 납땜 조성물의 혼합슬러리에 침적시켰다가 수직으로 꺼내서 잉여슬러리를 제거하는 방법 등에 의해 달성될 수 있다.
다음으로 납땜 조성물이 도포된 압출편평튜브(4)와 아연함유 주름진 핀(5)은 도구(도시되지 않음)를 사용하여 서로 고정되거나, 헤더튜브(3)에 부착되어 서로 고정된다. 그런 다음 가열오븐등에서 590℃ 이상의 소정온도로 가열함으로써 납땜 조성물이 녹아서 압출편평튜브(4)와 주름진 핀(5)이 서로 납땜결합되게 한다. 상기의 납땜공정 동안 주름진 핀(5)의 일부는 납땜 조성물의 작용에 의해 녹아서 상기 주름진 핀(5) 속에 함유된 아연성분이 압출편평튜브(4)의 외측표면으로 확산되어 규소와 아연의 확산층(8)이 상기 압출편평튜브의 외측표면에 형성될때 납땜 조성물에 포함된 규소와 결합한다. 더우기 압출편평튜브(4)와 주름진 핀(5)은 그들 사이에 형성된 Al-Si-Zn 합금의 필렛(9)이 배치된 상태로, 서로 완전히 결합된다. 압출편평튜브(4)의 외측표면에 규소와 아연의 확산층이 형성되어, 그 결과 열교환기 코어 (6)는 양호한 내식성을 가지게 된다.
이하, 본 발명에 따른 열교환기의 납땜성능 및 내식성을 평가하기 위한 실험을 종래 알루미늄재 열교환기와 비교하여 설명한다.
◎ 출발물질
★ 압출편평튜브
(1) 재질 : JIS A1050
: JIS A1050 + 아연의 아크방전 스프레이 코팅
(목표아연량 : 8 g/m2)
: NE 합금 (A1050 합금을 수정)
(조성 : 0.05% Si, 0.18% Fe, 0.4% Cu, 0.02% Zn, 0.04% Zr)
(2) 형태 : 외측치수 (너비 × 벽두께) = 19.2mm × 1.93mm
(한쪽 측벽 두께: 0.4mm)
★ 핀
(1) 재질 : 바탕 소재(JIS A3NO3 + 아연함량 0-4.0%)
: 브레이징 판
(A4343 + 1.0% Zn/3NO3 + 1.5% ZN/A4343 + 1.0% Zn)
(2) 형태 : (너비 × 두께) + 21.1mm × 0.1mm
★ 납땜조성물
(1) 규소분말 + 불소분말 타입의 플럭스 + 결합제
총 부착량 : 16 g/m2
◎ 납땜 조건
전류작용 조건 : 질소분위기 내에서 (질소의 양 : 40 m3/hour)
가열속도 : 30℃/min
압출편평튜브(4)와 핀 바탕소재(아연 함유량 0 - 4.0%)가 본 발명에 개시된 납땜 조성물을 사용하여 결합되어지는 비교실험예 1, 2와 실험예 1-4, 그리고 종래의 납땜방법에 의한 비교납땜방법 1, 2가 표 1에 상세하게 개시되어 있다. 압출편평튜브(4)와 핀의 결합부분을 절단하여 검사한 결과가 표 2에 개시되어 있다.
완성된 납땜제품에 대하여 CASS 시험(JIS H8681)으로 내식성을 평가하고, 그 결과는 표2에 나타내었다.
또한 아연과 규소의 확산상태를 검사하기 위하여 압출편평튜브(4)의 절단단면이 X-Ray 마이크로분석기(XMA)에 의해 관찰되어졌으며, 그 결과는 표 2에 나타나 있다.
핀 재질 압출편평튜브 땜질 조성물
비교실험예 1 무피복 핀재질(아연함량 : 0%) A1050 규소분말+플럭스+결합제고착양 :16g/m2
비교실험예 2 무피복 핀재질(아연함량 : 0.8%) A1050 규소분말+플럭스+결합제고착양 :16g/m2
실험예 1 무피복 핀재질(아연함량 :1.2%) A1050 규소분말+플럭스+결합제고착양 :16g/m2
실험예 2 무피복 핀재질(아연함량 :2.0%) A1050 규소분말+플럭스+결합제고착양 :16g/m2
실험예 3 무피복 핀재질(아연함량 :2.0%) NE alloy(0.4%의 구리를 포함) 규소분말+플럭스+결합제고착양 :16g/m2
실험예4 무피복 핀재질(아연함량 :5.0%) A1050 규소분말+플럭스+결합제고착양 :16g/m2
비교납땜방법 1 브레이징 판의 핀재질(아연함량 : 1.5%) A1050
비교납땜방법 2 브레이징 판의 핀재질(아연함량 : 1.5%) A1050+아연 스프레이 코팅(목표아연량 : 8g/m2)
납땜성능 확산 상태 내식성(CASS test)
아연의 확산상태 규소의 확산 상태 500hr 1000hr 1500hr
비교실험예 1 좋음 표면 농도 : 0%확산 깊이 : 0μm 표면 농도 : 1.1%확산 깊이 : 70μm ◎ × ×
비교실험예 2 좋음 표면 농도 : 0.3%확산 깊이 : 76μm 표면 농도 : 1.0%확산 깊이 : 68μm ◎ ○ ×
실험예 1 좋음 표면 농도 : 0.6%확산 깊이 : 72μm 표면 농도 : 0.8%확산 깊이 : 78μm ◎ ○ ○
실험예 2 좋음 표면 농도 : 1.1%확산 깊이 : 74μm 표면 농도 : 0.9%확산 깊이 : 72μm ◎ ○ ○
실험예 3 좋음 표면 농도 : 1.0%확산 깊이 : 79μm 표면 농도 : 1.0%확산 깊이 : 67μm ◎ ◎ ○
실험예 4 좋음 표면 농도 : 2.2%확산 깊이 : 80μm 표면 농도 : 0.8%확산 깊이 : 73μm ◎ ◎ ○
비교납땜방법 1 좋음 표면 농도 : 0%확산 깊이 : 0μm 표면 농도 : 0%확산 깊이 : 0μm × × ×
비교납땜방법 2 좋음 표면 농도 : 2.3%확산 깊이 : 84μm 표면 농도 : 0%확산 깊이 : 0μm ◎ ○ ×
확산 깊이를 측정한 위치 : 두 핀의 사이
◎ : 부식공의 깊이 200μm이하
○ : 관통하는 침식공은 없음(부식공의 깊이는 200μm와 400μm의 사이)
× : 관통하는 침식공 발생
상기의 실험결과는 실험예 1-4에서의 납땜상태가 브레이징 판을 사용한 종래기술의 열교환기의 납땜상태에 유리하게 비교될만하다는 사실과 실험예 1-4의 납땜율이 99.5% 이상이라는 사실을 보여준다.
CASS test에 의해 납땜된 완제품을 검사하면, 비교납땜방법 1, 2과 비교실험예 1, 2는 1500시간의 시간경과 후 거친 후 부식공이 뚫렸으나 반면 실험예 1-4는 동일한 시험시간이 경과후에도 부식공이 뚫어지지 않은 것을 알 수 있다.
또한 아연과 규소의 확산상태에 대한 검사(표면 농도와 확산 깊이)에 있어서, 실험예 1-4에서의 아연의 확산상태는 그 표면 농도는 0.6-2.2%이고 확산깊이는 72-80μm이며 규소의 확산상태는 그 표면농도는 0.8-1.0%이고 확산깊이는 67-78μm이다.
상기의 실험으로부터 아연이 1.2-4.0% 함유된 알루미늄재 핀과, 아연을 미리 부착하지 않은 알루미늄재 압출편평튜브를 규소분말과 불소분말타입 플럭스의 혼합물로 구성된 납땜 조성물에 의해 서로 납땜되어 만들어진 열교환기 튜브는, 종래기술에 의한 열교환기 튜브에 비하여 비슷하거나 우수한 납땜성능과 내식성을 지니게 됨을 알 수 있었다. 상기에서 실험결과에서는 언급되지는 않았지만, 핀재질에서의 1% 이하의 아연함량은 아연의 표면확산농도를 0.4% 이하로 되게 하여, 그 아연확산층이 불충분한 양극활동을 하게 한다. 반대로 5% 이상의 아연함량은 핀재질 그 자체가 현저하게 부식되게 하여 완성된 열교환기의 수명을 단축시키고 고온에서의 강도를 감소시켜서 납땜할 때 뒤틀림 현상을 일으킨다. 따라서 핀재질에 아연이 1-5% 포함되는 경우에 종래기술의 열교환기와 동등하거나 높은 내식성과 납땜성능을 얻을 수 있다.
비록 상기의 실험결과에서는 입증되지는 않았지만 일련의 실험결과에 의해 확인한 바에 의하면, 첨가되는 아연의 함량이 증가할수록 아연확산층이 높은 농도로 형성되어 높은 내식성을 보일 것이다. 또한 규소 확산층이 구멍부식(압출편평튜브측에 잠재됨)에 영향을 미치므로 규소 확산층이 없는 압출편평튜브의 경우에 비하여 더 우수한 내식성을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
상기에서 설명된 바와 같이, 본 발명은 규소와 불소타입플럭스의 혼합물을 납땜 조성물로 사용가능하게 함으로써, 열교환기 튜브에 미리 아연을 부착시킬 필요가 없으며, 아연을 함유하여 납땜재의 피복이 필요없는 무피복 핀재질이 핀 소재로 사용될 수 있다. 납땜 조성물의 작용동안 핀의 일부가 용해되어 핀에 포함된 아연은 열교환기 튜브의 외측표면에 확산되고 그 결과 그 표면에 아연과 규소의 혼합확산층이 형성되게 하는 작용을 한다.
따라서 열교환기 튜브에 아연이 미리 부착되지 않고도 열교환기 튜브의 외측표면에 아연 확산층이 형성될 수 있다. 이것은 또한 열교환기 코어가 높은 내식성과 납땜성능을 갖게 한다. 다른 잇점은 핀이 납땜 조성물로 피복될 필요가 없어서 생산성이 높아지고 플래쉬와 버어를 방지할 수 있어 열교환기 코어의 품질을 높일 수 있다. 또한 생산성이 높아짐에 따라 생산비용이 절감되는 효과를 가져온다.

Claims (3)

  1. 알루미늄재 열교환기 튜브와 알루미늄재 핀이 납땜 조성물을 사용하여 서로 납땜결합된 알루미늄재 열교환기 코어에 있어서, 규소과 아연의 혼합물로 구성된 혼합확산층이 상기 열교환기 튜브의 외측표면에 형성되며, 상기 핀은 아연을 함유하는 알루미늄재로 성형되며, 상기 아연은 상기 혼합확산층 부분의 형성을 위하여 사용되는 것을 특징으로 하는 알루미늄재 열교환기 코어.
  2. 제1항에 있어서, 상기 핀의 아연 농도는 1-5%의 범위인 것을 특징으로 하는 알루미늄재 열교환기 코어.
  3. 알루미늄재 열교환기 튜브와 알루미늄재 핀이 납땜 조성물을 사용하여 서로 납땜결합되어 있는 알루미늄재 열교환기 코어의 제조 방법에 있어서, 상기 열교환기 튜브의 외측표면에 규소와 불소타입플럭스 의 혼합물로부터 만들어진 납땜 조성물을 도포하는 단계; 아연을 함유하는 알루미늄재로 성형된 상기 핀을 제조하는 단계; 및 상기 열교환기 튜브와 상기 핀을 주어진 온도로 가열하는 단계를 포함하며, 상기 열교환기 튜브와 상기 핀이 서로 납땜결합되게 하고, 상기 열교환기 튜브의 외측표면에 규소과 아연의 혼합확산층이 형성되게 하는 것을 특징으로 하는 열교환기 코어의 생산방법.
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