KR20010033870A - 복합재료로 된 열교환기와 이를 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 예컨대 C/C 복합재료와 같은 내열성의 복합재료로 형성된 중간부 (14)를 구비하는 열교환기에 관한 것으로, 이 중간부는 유체순환채널(16)이 형성되어 있고, 열차폐부(12)를 형성하는 예컨대 C/SiC 복합재료와 같은 세락믹 매트릭스를 가진 내열성의 복합재료로 된 부분과, 열교환기(18)의 지지용 구조물을 형성하는 예컨대 C/C 복합재료와 같은 열구조 복합재료로 된 부분 사이에 삽입되는 한편, 열교환기의 부분들은 경랍땜에 의해 조립되어서, 핵융합 반응로와 램제트 연소실에 있는 혹독한 열흐름에 노출되는 벽부재용으로 유용하게 된다.

Description

복합재료로 된 열교환기와 이를 제조하는 방법 {HEAT EXCHANGER IN COMPOSITE MATERIAL AND METHOD FOR MAKING SAME}
이러한 분야에 사용되는 열교환기는 통상 적어도 부분적으로 금속으로 되어 있으나, 불행히도 금속과 합금의 열적인 성질과 기계적인 성질은 그 이용분야와 성능 및 안정성을 제한하고 있다. 더구나, 금속 열교환기는 무겁고 부피가 커서, 적어도 어떤 분야에서는 그 사용이 불리하게 된다.
혹독한 온도조건, 특히 핵융합 반응로의 벽을 위해 사용되도록 된 열교환기를 제조하기 위해 내열성의 복합재료만으로 또는 금속과 혼합하여 사용하는 것이 구상되었다. 따라서, 국제특허출원 공개공보 WO 98/03297호에는 유체순환에 의해 냉각되는 금속(구리) 기질상에 있는 탄소-탄소(C/C) 복합재료의 부분을 경랍땜 (brazing)함으로써, 이러한 열교환기를 제조하는 것이 기술되어 있는데, 이는 금속을 이용하는 것이 포함되어 있다. 또한, 유체순환통로가 형성되어 있는 C/C 복합재료블록의 형태로 되어 동일하게 사용되는 열교환기 구조를 기술한 미국 특허 제5,583,895호도 공지되어 있다. 상기 통로의 벽들은 예컨대 구리로 된 금속라이닝 (lining)에 의해 새지 않도록 되어 있는데, 이 라이닝은 C/C 복합재료에 경랍땜되어 있다.
본 발명은 순환하는 유체를 기초로 하는 열교환조립체들을 사용하면서, 혹독한 온도조건에서 사용되도록 된 열교환기에 관한 것이다.
특히, 한정적이지는 않지만, 본 발명의 사용분야는 예컨대 핵융합 반응로와 같이 재료를 변환시키는 장치와 추진장치, 특히 램제트(ram jet)와 같은 제트엔진의 연소실용 벽부재에 사용된다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 열교환기 부재의 단면도이고,
도 2는 도 1에 도시된 열교환기 부재를 제조하는 방법의 단계들을 도시한 순서도,
도 3은 본 발명의 제 2실시예에 따른 열교환기기 구비된 제트엔진 연소실부재의 분해사시도,
도 4는 본 발명의 제 3실시예에 따른 열교환기를 형성하는 연소실의 벽부재를 나타낸 상세도와 더불어, 램제트 체임버의 개략도이다.
본 발명의 목적은 혹독한 온도조건에서 사용될 수 있는 열교환기를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 다양한 열적인 기능과 구조적인 기능이 최적화되어 질량과 부피 및 비용이 가능한 한 감소될 수 있는 열교환기를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 용이하게 제조될 수 있는 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 이러한 열교환기를 제조하는 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명에 따른 열교환기는 유체순환채널이 형성되고 내열성의 복합재료로 되되, 열차폐부를 형성하는 내열성의 복합재료로 된 부분과, 열교환기의 지지용 구조물을 형성하는 열구조 복합재료로 된 부분 사이에 삽입되는 중간부를 구비하는 한편, 상기 부분들은 경랍땜에 의해 함께 조립되는 열교환기를 이루는 것을 특징으로 한다.
열구조 복합재료는 구조적인 부재를 구성하는 데에 적합하게 되는 기계적 성질을 가져 고온에까지 이 성질을 보존하고 있는 복합재료로서, 이러한 열구조 복합재료는 전형적으로 탄소 매트릭스나 세라믹 매트릭스와 같은 내열성의 매트릭스에 의해 밀도가 높아진, 탄소섬유나 세라믹섬유와 같은 내열성의 섬유로 된 섬유보강재를 갖춘 복합재료이다. 열구조 복합재료의 예로는 보강섬유와 탄소로 된 매트릭스를 갖춘 C/C 복합재료와, 예컨대 탄화규소(SiC)로 된 매트릭스를 가진 세라믹 매트릭스 복합재료(CMC)가 있다.
바람직하기로, 열교환기의 지지용 구조물을 형성하는 열구조 복합재료는 C/C 복합재료로서, 이는 벌집모양의 형상이나, 예컨대 미국 특허 제4,790,052호에 기술된 바와 같은 바느질로 얻어질 수 있는 것처럼, 섬유보강재가 겹쳐진 층들에 대해 가로질러 뻗어 있는 섬유들과 함께 접착된 겹쳐진 섬유층들로 형성되는 복합재료의 형상으로 될 수 있다.
또한, 바람직하기로 중간부의 재료도 C/C 복합재료로서, 그 구조적인 성질보다는 그 내열성을 위해 사용된다.
열차폐부를 형성하는 부분이 경랍땜되어진 C/C 복합재료로 된 단일블록으로서 중간부와 지지용 구조물을 형성하는 부분을 제조하는 것이 구상될 수 있다.
또한, 바람직하기로 열차폐부를 형성하는 부분의 재료는, 예컨대 C/SiC 또는 SiC/SiC 복합재료(즉, 탄소나 탄화규소로 된 보강섬유를 갖추고 탄화규소 매트릭스에 의해 밀도가 높아진 재료)와 같은 CMC형의 재료인데, 이들 재료는 특히 산화하는 공기내에서 격렬한 열유속으로의 노출에 대해 C/C 복합재료보다 더욱 적합하다.
본 발명에 다른 열교환기의 장점은, 열교환기의 기계적인 기능을 이행하고 열적인 기능을 이행하는 데에 가장 적합한 재료를 선택할 수 있어서, 성능과 크기란 점에서 열교환기를 최적으로 제조할 수 있다는 데에 있다.
본 발명에 따른 열교환기의 다른 특징에 따르면, 유체순환채널이 예컨대 기계가공에 의해 중간부의 한 면에 형성되고, 이들은 다른 2부분들 중 하나의 인접한 벽에 의해 부분적으로 구획된다. 따라서, 상기 유체순환채널은 특히 형성되는 것이 간단하게 된다.
필요하면, 상기 채널은 예컨대 얇은 금속코팅층과 같이 그들이 벽에 코팅부를 형성함으로써 새지 않게 될 수 있다. 이러한 코팅부는 함께 조립되어질 부분들의 전체 외장면 위에 형성되어 용이하게 경랍땜할 수 있고, 이로써 경랍땜을 위한 접착층을 이루게 된다.
첨부도면을 참조로 하여 설명한다.
도 1은 열교환기 부재를 구성하는 단위블록(10)의 단면도로서, 이 블록(10)은 예컨대 핵융합 반응로내의 플라스마 억제체임버의 벽부재와 같이, 혹독한 온도조건이 존재하는 구획부의 벽부재를 구성할 수 있다.
상기 열교환기용 블록(10)은, 그 외부면(12a)이 열유속에 노출되는 열차폐부 (12)와, 유체순환채널(16)을 갖춘 중간부(14) 및, 지지용 구조물(18)을 구비하고 있다. 상기 중간부는 열차폐부(12)와 지지용 구조물(18) 사이에 끼워넣어지고, 경랍땜에 의해 이들에 부착된다. 상기 유체순환채널(16)은 열차폐부(12)에 인접하게 위치되면서 열차폐부의 내부면(12b)에 의해 덮어 씌워지는 중간부의 면에 기계가공되는데, 상기 내부면(12b)은 부분적으로 채널(16)을 구획하게 된다. 이 채널(16)은 냉각용 유체를 순환시키는 도관에 연결되게 된다.
가장 혹독한 온도조건에 노출되는 상기 열차폐부(12)는 내열성의 복합재료, 바람직하기로 예컨대 탄화규소로 된 매트릭스로 밀도가 높아진 탄소섬유 보강재를 갖춘 C/SiC형의 복합재료와 같은 세락믹 매트릭스 복합재료(CMC)로 만들어진다.
상기 중간부도 예컨대 탄소 매트릭스에 의해 밀도가 높아진 탄소섬유 보강재를 갖춘 C/C 복합재료와 같은 내열성의 복합재료로 만들어진다.
상기 지지용 구조물은 열구조 복합재료로 만들어지고, 블록(10)의 구조적인 기능을 제공하도록 되어 있다. 예컨대, 지지용 구조물은 C/C 복합재료로 된 벌집모양 구조물의 형태로 사용될 수 있다. 이러한 구조물을 제조하는 방법은 미국 특허 제5,415,715호에 기술되어 있는 바, 이는 섬유 보강재가 섬유직물의 편평한 층들에 대해 가로질러 뻗어 있는 섬유들과 함께 접착된 상기 편평한 층들로 이루어진 C/C 복합재료의 형상으로 된 지지용 구조물을 사용할 수도 있다. 예를 들자면, 상기 층들은 엮어진 천들의 층이나, 다른 방향으로 겹쳐진 단방향의 시트들, 펠트층 등으로 될 수 있고, 이들은 바람직하기로 바느질로 함께 부착될 수 있다. 이러한 C/C 복합재료를 제조하는 방법은 미국 특허 제4,790,052호에 기술되어 있다.
도 2는 열교환기용 블록(10)을 제조하는 방법을 단계별로 보여주고 있다.
예컨대, C/SiC 복합재료로 된 CMC 복합재료의 열차폐부와, C/C 복합재료로 된 중간부 및, C/C 복합재료로 된 지지용 구조물은 모두 별도로 형성된다(단계 20, 단계 22, 단계 24). 섬유보강재 또는 예비형성품을 준비한 후 매트릭스로 섬유보강재의 밀도를 높임으로써 C/C형 또는 C/SiC형 복합재료로 부품을 제조하는 방법은 잘 공지되어 있다. 화학적인 증기침윤이나, 액체상태인 매트릭스의 선구물질을 이용하여 열처리함으로써 이 선구물질을 변화시키는 침투에 의해서, 밀도를 높일 수 있다.
상기 채널(16)은 중간부(14)의 한 면에 기계가공된다(단계 26).
다음으로, 금속코팅부가 중간부와, 열차폐부 및, 전체 지지용 구조물의 외장면 위에 형성될 수 있다. 이 금속코팅부는 여러 부분들을 함께 연속으로 조립하는 데에 사용되는 경납합금에 대해 습윤성을 향상시키고, 따라서 경납합금의 접착을 향상시키키 위해 선택된다. 또한, 상기 금속코팅부는 유체순환채널의 벽이 새지 않도록 작용한다. 전술된 바와 같이 성취된 C/C 복합재료 또는 CMC 복합재료는 불가피하게 불필요한 많은 구멍을 나타내어, 채널이 확실히 새지 않도록 하기 위해 그 표면을 밀폐시킬 필요가 있다.
예컨대, 티타늄이나, 크롬, 지르코늄, 하프늄, 또는 베릴륨과 같은 금속코팅부는 화학적인 증기침착이나 진공 스퍼터링(sputtering)에 의해 침착될 수 있다.
경납합금을 접착하기 위한 금속코팅부를 갖출 필요가 없는 경우에도 여전히 채널(16)의 벽이 새지 않게 할 필요가 있는데, 이러한 누출방지는 적어도 중간부의 기계가공된 부분과, 열차폐부의 인접한 면에 있는 외장부에 밀폐층을 침착시킴으로써 이행될 수 있다. 상기 밀폐층은 화학적인 증기침착에 의해 침착될 수 있으며, 금속이나, 예컨대 탄소 또는 세라믹과 같이 비금속으로 될 수 있다.
상기 중간부와 열차폐부 및 지지용 구조물의 조립을 위한 면들에 경납함금층을 침착시키고, 압형으로 조립체를 함께 고정시키며, 사용된 경납합금에 적당하게 경랍땜을 위한 온도로 그 온도를 상승시킴으로써, 경랍땜하는 것이 이행된다(단계 29). 사용된 합금은 서로에 또는 금속에 세락믹이나 내열성의 구성물을 경랍땜하도록 공지된 것들로부터 선택되는데, 예컨대 미국회사 웨스고, 인코포레이티드 (Wesgo, Inc.)에 의해 "티쿠실(TiCuSil)" 또는 "쿠-에이비에이(Cu-ABA)"의 명칭하에 판매되는 합금일 수 있다. 전술한 국제특허출원 공개공보 WO 98/03297호와, 1994년 2월, 프랑스, 지이씨 알스톰(GEC Alsthom) 기술평론 제 13권 49 - 64쪽에 있는 에이.지.폴리(A.G.Foley)와 디.제이.앤드류(D.J.Andrews)의 "금속에 세락믹을 접합하기 위한 활성금속의 경랍땜"에 대한 논문을 참조한다.
도 3은 제트엔진의 연소실 부재를 구성하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기의 분해사시도이다. 열차폐부(32)는 원뿔대형상부에서 뒤쪽으로 뻗어 있는 앞쪽의 원통형상부을 갖춘 축상에 대칭적인 환형상부이다. 이 열차폐부(32)는 예컨대 C/SiC 복합재료와 같은 CMC 복합재료로 된 단일부품으로 형성된다. 이 복합재료의 섬유보강재는 적당한 형상의 맨드릴(mandrel)에 섬유직물을 감음으로써 형성되고, 형성된 예비형성품은 복합재료의 매트릭스에 의해 밀도가 높아진다.
유체순환채널(36)은 열차폐부(32)를 향하도록 위치된 중간부(34)의 면을 기계가공함으로써 축방향으로 형성되는데, 이 중간부(34)는 C/C 복합재료로 만들어진다. 냉각하는 유체는 연소실내로 분사되기 이전에 열교환기를 관통함으로써 가열되는 연료이다. 유체용 입구오리피스(33a)와 출구오리피스(33b)는 그 축방향 끝 부근에서 쉴드(32)를 통하여 형성되어 있고, 중간부의 앞과 뒤에서 원주상으로 기계가공되어, 유체를 한 끝에 있는 채널(36)로 분배하면서 이 유체를 다른 끝에 있는 채널에서 수집하는 다기관(多岐管)을 구성하도록 된 홈(37)과 연통하게 된다.
상기 중간부(34)는 C/C 복합재료로 된 환형상의 구조물의 형태로 지지용 구조물(38)에 고정되는 바, 이는 맨드릴에 섬유직물의 겹쳐진 층들을 감고서, 상기 층들에 대해 가로질러 뻗어 있는 섬유로 함께 층들을, 예컨대 바느질에 의해 부착함으로써 형성되되, 상기 형성된 환형상의 예비형성품은 탄소 매트릭스로 밀도가 높아진다. 바느질 된 환형상의 예비형성품이 C/C 복합재료로 만들어진 구조부에 보강재를 구성하도록 하는 방법은 전술된 미국 특허 제4,790,052호에 기술되어 있다.
상기 지지용 구조물(38)과 중간부는 경랍땜에 의해 함께 조립되는 2개의 부품으로 형성될 수 있거나, 도시된 예에서와 같이 단일부품으로 형성될 수 있다.
상기 열차폐부(32)는 채널(36)과 홈(37)이 있는 중간부의 면에 경랍땜된다.
이 경랍땜은 가능한 경납함금이 접착되는 금속의 코팅부를 형성한 후와, 적어도 채널(36)과 홈(37)의 벽에 밀폐코팅부를 형성한 후에, 도 1 및 도 2를 참조로 하여 설명된 바와 같이 이행된다.
도 4는 본 발명의 열교환기를 구성하는 벽(40)을 갖춘 램제트 구조물을 아주 개략적으로 도시한 것이다.
상기 벽(40)은 도 1에 도시된 블록(10)과 구조적으로 유사하고, 유사한 방식으로 제조된다. 이 벽의 내부에 위치된 열차폐부(42)는 예컨대 C/SiC로 된 CMC 복합재료로 형성되고, 그 안에 기계기공된 채널(46)을 갖춘 면을 매개로 하여 중간부 (44)에 경랍땜되는데, 채널을 갖춘 중간부(44)의 상기 면은 열차폐부(42)에 의해 덮어 씌워지게 된다. 상기 채널(46)은 벽(40)을 관통하여 가열된 후 연소실내로 분사되는 연료를 구성하는 유체를 이송한다.
상기 중간부(44)는 C/C 복합재료로 형성되고, 유사하게 C/C 복합재료로 만들어진 지지용 구조물(48)에 경랍땜된다. 상기 지지용 구조물(38)은 바람직하기로 벌집모양의 형태로 되어 가능한 한 가벼운 조립체를 형성한다.
경랍땜과, 함께 경랍땜되어질 면에 접착되는 금속코팅부의 최적의 선택 및, 유체순환채널의 벽에 밀폐용 코팅부의 형성 모두는 도 1 및 도 2를 참조로 하여 설명된 바와 같이 이행된다.
위에서, 유체순환채널은 열차폐부에 인접하게 위치된 중간부의 면에 형성되는 것을 가정하였으며, 이것이 바람직한 배치이나, 그럼에도 불구하고 상기 채널은 지지용 구조물에 인접하게 위치된 중간부의 면에 형성될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 혹독한 온도조건에서 사용될 수 있도록 다양한 열적인 기능과 구조적인 기능이 최적하되는 한편, 질량과 부피 및 비용이 가능한 한 감소될 수 있는 열교환기를 제공할 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims (21)

  1. 유체순환채널(16;36;46)이 형성되어 있고 내열성의 복합재료로 되되, 열차폐부(12;32;42)를 형성하는 내열성의 복합재료로 된 부분과 열교환기(18;38;48)의 지지용 구조물을 형성하는 열구조 복합재료로 된 부분 사이에 삽입되는 중간부(14;34 ;44)를 구비하는 한편, 상기 부분들은 경랍땜에 의해 함께 조립되는 열교환기를 이루는 것을 특징으로 하는 복합재료로 된 열교환기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 중간부(14;34;44)는 탄소/탄소(C/C) 복합재료로 된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 열차폐부(12;32;42)를 형성하는 부분은 세락믹 매트릭스 복합재료로 된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 열차폐부(12;32;42)를 형성하는 부분은 탄소/탄화규소(C/SiC) 복합재료로 된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지용 구조물(18;38;48)을 형성하는 부분은 C/C 복합재료로 된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체순환채널(16;36;46)은 중간부의 한 면에 형성되고, 다른 두 부분들 중 하나의 인접한 벽에 의해 부분적으로 구획되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체순환채널(16;36;46)은 새지 않는 코팅부를 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지용 구조물을 형성하는 부분은 벌집모양의 구조물인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  9. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지용 구조물(18;38;48)을 형성하는 부분은 다수의 겹쳐진 섬유층들에 대해 가로질러 뻗어 있는 섬유들과 함께 부착된 상기 섬유층들을 갖춘 섬유보강재를 구비한 복합재료로 된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  10. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항을 따르는 열교환기를 병합한 것을 특징으로 하는 램제트용 연소실 벽부재(30;40).
  11. 유체순환채널을 구비한 내열성의 복합재료로 된 중간부를 형성하는 단계와; 내열성의 복합재료로 된 열차폐부를 형성하는 단계; 열구조 복합재료로 구조부를 형성하는 단계 및; 상기 열차폐부와 구조부 사이에 삽입되는 중간부와 함께 경랍땜에 의해 여러 부분을 조립하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료로 된 열교환기를 제조하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 유체순환채널은 중간부의 한 면에 기계가공으로 형성되는 것을 특징으로 하는 복합재료로 된 열교환기를 제조하는 방법.
  13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서, 상기 중간부는 C/C 복합재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 복합재료로 된 열교환기를 제조하는 방법.
  14. 제 11항 또는 제 13항에 있어서, 새지 않는 코팅부는 유체순환채널의 벽에 형성되는 것을 특징으로 하는 복합재료로 된 열교환기를 제조하는 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 새지 않는 코팅부는 금속층을 침착시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 복합재료로 된 열교환기를 제조하는 방법.
  16. 제 11항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열차폐부는 세락믹 매트릭스 복합재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 복합재료로 된 열교환기를 제조하는 방법.
  17. 제 11항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구조부는 C/C 복합재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 복합재료로 된 열교환기를 제조하는 방법.
  18. 제 11항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서, 벌집모양의 구조부가 형성되는 것을 특징으로 하는 복합재료로 된 열교환기를 제조하는 방법.
  19. 제 11항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구조부는 매트릭스에 의해 밀도가 높아진 섬유보강재를 갖춘 복합재료로 형성되되, 상기 섬유보강재는 다수의 섬유층을 겹쳐서 이들을 함께 바느질함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 복합재료로 된 열교환기를 제조하는 방법.
  20. 제 11항 내지 제 19항 중 어느 한 항에 있어서, 금속의 경납합금 접착층은 경랍땜에 의해 함께 조립되어질 부분들의 외장면에 형성되는 것을 특징으로 하는 복합재료로 된 열교환기를 제조하는 방법.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 유체순환채널은 다른 부분의 인접한 면으로 덮어 씌워지는 중간부의 한 면에 기계가공에 의해 형성되는 한편, 상기 금속층은 채널이 기계가공된 후에 중간부의 면과 인접한 면에 형성되되, 이 금속층이 유체순환채널의 벽이 새지 않도록 하는 코팅부를 구성하는 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 복합재료로 된 열교환기를 제조하는 방법.
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